JP5362473B2

JP5362473B2 - 信号処理装置

Info

Publication number: JP5362473B2
Application number: JP2009174454A
Authority: JP
Inventors: 大祐小山内; 晃板倉; 一幸小林; 直哉平木
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-07-27
Also published as: JP2011027588A

Description

本発明は、目標から到来した波動信号を処理し、クラッタの除去または抑圧を図る信号処理装置に関する。

レーダ装置において行われる信号処理では、受信波の瞬時値と閾値（例えば、レンジ方向における受信波の瞬時値の平均値）との大小関係を判定することにより、雨や雪等のように、広範囲に亘る分布目標に埋もれた所望の目標の検出を可能とするために、ＣＦＡＲ(Constant False Alarm Rate)が用いられている。

また、このようなＣＦＡＲでは、例えば、レンジ方向におけるクラッタの分布の変化に応じて目標の誤警報確率が上がることを回避するために、例えば、算出された誤警報確率に基づいて閾値を最適な値に修正する処理が採用されている。

図３は、ＣＦＡＲが適用されたレーダ装置の構成例を示す図である。
このようなレーダ装置では、信号発生部２１は、目標に向けて放射されるべき送信波を示すベースバンド信号を生成し、そのベースバンド信号は、周波数変換部２２ｔによって周波数変換され、かつ電力増幅部２３によって電力増幅された後、サーキュレータ２４を介して空中線２５から目標に向けて送信波として送信される。

なお、空中線２５は、その空中線２５の主ローブの方向を所定の方位角の範囲（全方向であってもよい。）においてサイクリックにスキャンすることにより、所望の目標に対する上記送信波の送信と、このような送信波がその目標で反射することによって到来する反射波の受信とに供される。

一方、周波数変換部２２ｒは、上記反射波をサーキュレータ２４を介して取り込み、周波数変換処理を施すことにより、図４(ａ)に示すように、その反射波を示すベースバンド信号（以下、「受信ベースバンド信号」という。）を生成する。

信号処理部２６では、その信号処理部２６の各部が以下の通りに連係することにより、上記受信ベースバンド信号に対してＣＦＡＲを含む所定の信号処理を行う。
(1) 遅延部２６ｄは、信号発生部２１によって通知され、かつ既述のベースバンド信号（送信波）に同期した同期信号に基づいて、受信ベースバンド信号をレンジ方向に対応付けつつ取り込み、その受信ベースバンド信号の瞬時値を奇数Ｎ（≧３）個（レンジ方向に対応する。）の離散値の列としてファーストイン・ファーストアウト方式により順次蓄積する。

(2) 平均部２６ａは、このようにして蓄積されたＮ個の離散値の内、時系列（レンジ）上の中点以外の全てに対応する（Ｎ−１）個の離散値の平均値（以下、「閾値」という。）ＴＨを順次求める。

(3) 減算部２６ｓは、遅延部２６ｄに蓄積されているＮ個の離散値の内、上記時系列（レンジ）上の中点に対応する離散値Ｓｓと、上述した閾値ＴＨとの差の列を順次生成する。なお、このような差の列は既述の受信ベースバンド信号の瞬時値が上記閾値ＴＨ以上に制限されてなる離散信号Ｓｓを意味し、図４(ｂ)に示すように、その離散信号Ｓｓの交流信号としてのレベルは、閾値ＴＨが大きいほど、受信ベースバンド信号のレベルより大きく低下する。

(4) レベル補償部２６ａｊは、このような離散信号Ｓｓに対して、例えば、瞬時値の全てに所定の係数（＞１．０）を一律に乗じることにより上記レベルの低下を補償し、図４(ｃ)に示す補償ベースバンド信号を生成する。さらに、レベル補償部２６ａｊは、その補償ベースバンド信号に所望の信号処理（例えば、ＭＴＩ(Moving Target Indicator)等を実現する処理）を施す。

表示部２７は、この信号処理の下で生成された画像信号で示される目標の像をＰＰＩ（Plan Position Indicator scope)上に表示する。

なお、本発明に関連する先行技術としては、後述する特許文献１に記載されるように、「第１乃至第ｎの受信ビデオ信号に対する第１乃至第ｎのしきい値を、第１乃至第ｎの受信ビデオ信号が得られた距離が遠ざかるにしたがって単調に減少するように発生する単調減少しきい値発生手段（２、３、４）と、第１乃至第ｎの受信ビデオ信号から単調減少しきい値発生手段にて発生された第１乃至第ｎのしきい値をそれぞれ減算し、第１乃至第ｎの減算結果信号を出力する減算手段（６）とを備える」ことにより、「距離方向に長く連続した物標でも実際の物標にそった映像表示が行える」点に特徴があるクラッタ抑圧回路がある。

特開２００３−２２７８７１号公報

ところで、上述した従来例では、受信ベースバンド信号（受信波）は、離散信号Ｓｓに変換される過程でダイナミックレンジが減少し、かつ既述のレベル補償部２６ａｊによって行われる処理の過程では、図４（ｃ）に一点鎖線枠で示すように、雑音のレベルが上昇する。
したがって、目標の誤警報確率は、必ずしも高くは維持されなかった。

なお、このような誤警報確率の低下は、例えば、上記閾値を求めるための平均化の対象となる離散値の数（Ｎ−１）をレンジ方向における受信ベースバンド信号の振幅の分布に応じて柔軟に可変することにより軽減可能である。
しかし、このような技術は、コスト、実装その他の制約に阻まれて必ずしも適用できるとは限らなかった。

本発明は、構成が大幅に複雑化することなく、誤警報確率を低く設定し、かつ安定に維持できる信号処理装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、信号抽出手段は、目標から到来した波動信号と前記波動信号の瞬時値の平均値との差を求める。比較手段は、前記波動信号の瞬時値と、所定の係数と前記平均値との積とを比較する。選択手段は、前記波動信号の瞬時値が前記積より大きい場合と小さい場合とに、それぞれ前記波動信号の瞬時値と前記差とを選択し、前記選択された瞬時値および差の列を前記目標の識別に供する。

すなわち、上記信号抽出手段、比較手段および選択手段によって行われる処理にはダイナミックレンジの減少を補償する処理が含まれず、しかも、目標の識別に供される上記選択された瞬時値および差は共有する範囲を持たない異なる値域にそれぞれ属するため、これらの瞬時値と差との間における格差が確保される。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の信号処理装置において、係数設定手段は、前記係数の設定または可変にかかわる操作を実現する。
すなわち、目標から到来した波動信号の瞬時値がとるべき最小の値は、操作者の意図に応じて柔軟に設定可能となる。

請求項３に記載の発明では、平均処理手段は、請求項１または請求項２に記載の信号処理装置において、前記目標の識別結果の指示方式に整合する演算手順に基づいて前記平均値を求める。
すなわち、目標から到来し得る波動信号の瞬時値の平均値は、操作者の意図に応じて柔軟に設定可能となる。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の信号処理装置において、前記平均処理手段は、前記波動信号の瞬時値の内、時間軸上で隣接しない瞬時値を含む瞬時値の列に基づいて前記平均値を求める。

すなわち、このような平均値の算出に供される演算対象は個数が増加することなく時間軸上における波動信号のより広い範囲における瞬時値の列となるので、上記平均値には、その平均値の算出にかかわる処理量の増加や精度の向上が低く抑えられるにもかかわらず、波動信号の振幅分布が反映される。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の信号処理装置において、瞬時値数設定手段は、前記平均値の算出に供される前記波動信号の瞬時値の数の設定または可変にかかわる操作を実現する。
すなわち、前記平均値は、操作者の意図する精度で柔軟に求められる。

上述したように本発明によれば、ダイナミックレンジの減少を補償する処理による雑音のレベルの増加が回避され、ＳＮ比が高く確保される。

本発明によれば、目標の識別にかかわる多様な要求に対する柔軟な対応が可能となる。
本発明によれば、構成が大幅に複雑化することなく、目標の識別のために参照される信号のＳＮ比が高められる。

したがって、本発明が適用された装置や系では、目標の識別の精度が向上し、かつ安定に維持されると共に、価格性能比や信頼性が高められる。

本発明の一実施例を示す図である。本実施形態の動作を説明する図である。ＣＦＡＲが適用されたレーダ装置の構成例を示す図である。従来例における信号処理の過程を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す図である。
本実施形態と図３に示す従来例との構成の相違点は、信号処理部２６に代えて信号処理部１１が備えられ、この信号処理部１１の構成は、以下の点で信号処理部２６の構成と異なる点にある。

(1) レベル補償部２６ａｊが備えられず、信号処理部１１におけるそのレベル補償部２６ａｊの後段（図示されない。）には、スイッチ１１ｓｗの共通接点が接続される。
(2) スイッチ１１ｓｗのメーク接点には、減算部２６ｓの出力が接続される。

(3) 平均化部２６ａの出力は減算部２６ｓの第一の入力に併せて、乗算器１１ｍの第一の入力に接続され、その乗算器１１ｍの第二の入力には係数設定部１１ｋの出力が接続される。
(4) 乗算器１１ｍの出力は比較器１１ｃの第一の入力に接続され、その比較器１１ｃの出力はスイッチ１１ｓｗの制御端子に接続される。

(5) 遅延部２６ｄが有するＮ個のタップの内、既述の時系列（レンジ）上の中点に対応するタップは、減算部２６ｓの第二の入力と、スイッチ１１ｓｗのブレーク接点と、比較器１１ｃの第二の入力とに接続される。

図２は、本実施形態の動作を説明する図である。
以下、図１および図２を参照して本実施形態の動作を説明する。
乗算器１１ｍは、平均化部２６ａによって出力される閾値ＴＨと、係数設定部１１ｋを介して操作者によって設定され、あるいは可変された係数Ｋとの積として副閾値ｔｈを求める。

比較部１１ｃは、遅延部２６ｄに蓄積されているＮ個の離散値の内、上記時系列（レンジ）上の中点に対応する離散値Ｓｄと、上記副閾値ｔｈとを比較し、その離散値Ｓｄが副閾値ｔｈ以上である期間には、スイッチ１１ｓｗの共通接点を同スイッチ１１ｓｗのブレーク接点に接続し、その状態を維持する。

このような状態では、上記時系列（レンジ）上の中点に対応する離散値Ｓｄは、既述のレベル補償が施されることなく信号処理部１１内の後段に引き渡される（図２(1))。
しかし、上記離散値Ｓｄが副閾値ｔｈ未満である期間には、スイッチ１１ｓｗの共通接点を同スイッチ１１ｓｗのメーク接点に接続し、その状態を維持する。

このような状態では、信号処理部１１内の後段には、上述した離散値Ｓｄに代えて、減算部２６ｓによって生成された離散信号の離散値Ｓｓが引き渡される（図２(2))。

このようにして離散値Ｓｄと副閾値ｔｈとの大小関係に応じて、既述の後段に引き渡される２つの離散値Ｓｄ、Ｓｓは、互いに共通の範囲を持たない異なる値域にそれぞれ属し、かつ両者の絶対値には上記閾値ＴＨと副閾値ｔｈとの差以上の格差（図２(3))が確保される。

すなわち、本実施形態によれば、従来例に比べて、係数設定部１１ｋ、乗算器１１ｍ、比較部１１ｃおよびスイッチ１１ｓｗが付加され、かつレベル補償部２６ａｊが備えられない簡単な構成により、既述のレベルの低下分の補償に伴う雑音のレベルの上昇が回避され、ＳＮ比が高く確保される。

また、本実施形態では、平均化部２６ａが既述の閾値ＴＨを算出するために参照する離散値の数Ｎが変更されることなく構成されるため、ダイナミックレンジと、信号処理部１１内における各段のレベルダイヤグラムとは跳躍することなく線形に維持される。

したがって、本実施形態によれば、構成の大幅な複雑化と、信号処理部１１の処理量の大幅な増減との何れをも伴うことなく、誤警報率が安定に低く抑えられる。

なお、本実施形態では、係数Ｋは、係数設定部１１ｋを介して操作者によって設定され、かつ適宜可変されている。
しかし、このような係数Ｋは、予め定数として設定されてもよく、受信ベースバンド信号に対して施される信号処理、あるいは表示部２７に採用される指示方式に適した信号処理の結果に基づいてどのように設定されてもよい。

また、係数Ｋは、このような場合であっても、表示部２７を介して指示される画像に応じて操作者が適宜可変されてもよい。

さらに、本実施形態では、平均化部２６ａは、移動平均法に基づいて既述の閾値ＴＨを算出している。
しかし、このような閾値ＴＨは、本発明の作用効果が既述の通りに達成されるならば、例えば、指数平滑法その他の多様な積分処理に基づいて算出されてもよい。

また、本実施形態では、平均化部２６ａが既述の閾値ＴＨを算出するために参照する離散値の数（Ｎ−１）が一定に保たれている。
しかし、このような数（Ｎ−１）は、例えば、操作者の指示、適用されるレンジ、受信ベースバンド信号の統計的な性質その他に応じて適宜設定され、あるいは可変されてもよい。

さらに、本実施形態では、閾値ＴＨは、受信ベースバンド信号の瞬時値の内、時間軸上で隣接する（Ｎ−１）個の瞬時値の平均値として求められている。
しかし、このような平均値の算出のために参照される瞬時値は時間軸上で隣接しない瞬時値の列であってもよく、これらの瞬時値の数（Ｎ−１）はどのように設定されてもよい。

また、本実施形態では、本発明は、受信ベースバンド信号のレンジ方向における信号処理に適用されている。
しかし、本発明は、例えば、レンジ方向、スキャン方向、スイープ方向の任意の組み合わせ、表示部２７によって実現される指示形式に適した多様な受信ベースバンド信号の処理にも適用可能である。

さらに、本発明は、レーダ装置に限定されず、例えば、レンジファインダ、スキャナ、ソナー等のように、目標から反射し、あるいは放射された波動信号（光信号、音波等であってもよい。）に基づいてその目標の検出、方向、位置、距離の何れかを求める多様な装置に適用可能である

また、本実施形態の特徴とする信号処理部１１の構成要素は、例えば、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)等に組み込まれた専用のハードウェアとして構成されている。
しかし、信号処理部１１の全てまたは一部は、例えば、既述の処理と等化な処理を実現するソフトウェアが組み込まれたＤＳＰ(Digital Signal Processor)として構成されてもよい。

さらに、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲において多様な実施形態の構成が可能であり、構成要素の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。

１１，２６信号処理部
１１ｃ比較器
１１ｋ係数設定部
１１ｍ乗算器
１１ｓｗスイッチ
２１信号発生部
２２ｒ，２２ｔ周波数変換部
２３電力増幅部
２４サーキュレータ
２５空中線
２６ａ平均化部
２６ａｊレベル補償部
２６ｄ遅延部
２６ｓ減算部
２７表示部

Claims

目標から到来した波動信号と前記波動信号の瞬時値の平均値との差を求める信号抽出手段と、
前記波動信号の瞬時値と、所定の係数と前記平均値との積とを比較する比較手段と、
前記波動信号の瞬時値が前記積より大きい場合と小さい場合とに、それぞれ前記波動信号の瞬時値と前記差とを選択し、前記選択された瞬時値および差の列を前記目標の識別に供する選択手段と
を備えたことを特徴とする信号処理装置。
請求項１に記載の信号処理装置において、
前記係数の設定または可変にかかわる操作を実現する係数設定手段を備えた
ことを特徴とする信号処理装置。
請求項１または請求項２に記載の信号処理装置において、
前記目標の識別結果の指示方式に整合する演算手順に基づいて前記平均値を求める平均処理手段を備えた
ことを特徴とする信号処理装置。
請求項３に記載の信号処理装置において、
前記平均処理手段は、
前記波動信号の瞬時値の内、時間軸上で隣接しない瞬時値を含む瞬時値の列に基づいて前記平均値を求める
ことを特徴とする信号処理装置。
請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の信号処理装置において、
前記平均値の算出に供される前記波動信号の瞬時値の数の設定または可変にかかわる操作を実現する瞬時値数設定手段を備えた
ことを特徴とする信号処理装置。