JP6287674B2 - Delay time estimation device and height measurement device - Google Patents

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Description

この発明は、到来波の遅延時間を推定する遅延時間推定装置及び目標の高さを測定する測高装置に関するものである。   The present invention relates to a delay time estimation device that estimates the delay time of an incoming wave and a height measurement device that measures the height of a target.

電波を利用して目標の高さを測定する測高方式には、垂直面に並べたアレーアンテナの測角値を用いる方式や、広範囲に並べた複数の受信センサを用いて測位まで行う方式等が広く利用されている。しかし、航空機搭載レーダで測高を行う場合、搭載性の問題から測位、測高に耐え得るほどの精度が得られるアンテナ搭載スペースを確保することはできない。   The height measurement method that uses radio waves to measure the target height includes a method that uses the measured angle values of the array antennas arranged in a vertical plane, and a method that uses multiple receiving sensors arranged in a wide range to perform positioning. Is widely used. However, when height measurement is performed with an airborne radar, it is not possible to secure an antenna mounting space with sufficient accuracy to withstand positioning and height measurement due to mounting problems.

この問題に対して、以下の非特許文献1では、目標にパルスを撃ち、その直接反射波と海面などを経由して自機に返ってくる間接反射波の遅延時間を利用することによって、搭載性の問題を解決した測高方式が紹介されている。この到来遅延時間を利用した測高方式は、直接反射波と間接反射波の両方の到来遅延時間が推定できないと測高もできない。しかし、自機と目標との距離が離れるにつれて直接反射波と間接反射波の到来遅延時間差は短くなり、やがて短い時間差を持つ直接反射波と間接反射波を時間分解能であるパルス幅で分離できなくなる問題が生じる。   In response to this problem, the following Non-Patent Document 1 uses a delay time of a direct reflected wave and an indirect reflected wave that returns to the aircraft via the sea surface etc. A height measurement method that solves the problem of sexuality is introduced. The height measurement method using the arrival delay time cannot measure the height unless the arrival delay times of both the direct reflected wave and the indirect reflected wave can be estimated. However, as the distance between the aircraft and the target increases, the arrival delay time difference between the direct reflection wave and the indirect reflection wave becomes shorter, and it becomes impossible to separate the direct reflection wave and the indirect reflection wave having a short time difference with a pulse width that is time resolution. Problems arise.

この問題に対して、以下の非特許文献2に示されるように、到来波のレンジデータを周波数領域で複数の周波数成分をもつベクトルとして表し、その周波数領域での到来波のレンジデータに対してMUSIC (MUltiple SIgnal Classification)等の超分解能法を適用することで到来遅延時間の時間分解能を改善する方法がある。この超分解能法を適用して到来遅延時間の時間分解能を改善する場合、実際の直接反射波と間接反射波が高い相関を持つ点が問題となる。例えば、到来する複数の波が無相関であることを前提とする超分解能法をそのまま適用すると、実際の直接反射波と間接反射波が高い相関を持つため、超分解能法によって得られる到来遅延時間の分解能及び推定精度は著しく劣化する。この劣化を回避するため、超分解能法を適用する際に受信データの相関行列の移動平均処理を行い、超分解能法で用いられる相関行列において複数の到来波の間の相関を抑圧して、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を推定する方法がある。 For this problem, as shown in Non-Patent Document 2 below, the range data of the incoming wave is represented as a vector having a plurality of frequency components in the frequency domain, and the range data of the incoming wave in the frequency domain is represented by There is a method for improving the time resolution of the arrival delay time by applying a super resolution method such as MUSIC (MUltiple SIgnal Classification). When the time resolution of the arrival delay time is improved by applying this super-resolution method, the problem is that the actual direct reflected wave and the indirect reflected wave have a high correlation. For example, if the super-resolution method is applied as it is based on the assumption that multiple incoming waves are uncorrelated, the actual direct reflected wave and the indirect reflected wave have high correlation, so the arrival delay time obtained by the super-resolution method The resolution and estimation accuracy of are significantly degraded. In order to avoid this degradation, moving average processing of the correlation matrix of the received data is performed when applying the super-resolution method, and the correlation between multiple incoming waves is suppressed directly in the correlation matrix used in the super-resolution method. There is a method for estimating arrival delay times of reflected waves and indirect reflected waves.

M.W.Long, Early Warning System Concepts, Chap. 8, Scitech, 2004.M.W.Long, Early Warning System Concepts, Chap. 8, Scitech, 2004. 菊間信良,アレーアンテナによる適応信号処理,pp. 274-277, 科学技術出版社.Nobuyoshi Kikuma, Adaptive signal processing with array antenna, pp. 274-277, Science and Technology Publishers.

従来の到来遅延時間を利用して目標の高さを測定する測高方式では、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間、及び直接反射波と間接反射波の到来遅延時間差を高い精度で把握する遅延時間推定装置を実現することが重要となる。この遅延時間推定装置において移動平均処理を用いた超分解能法を適用する場合、周波数領域でのレンジデータのベクトルサイズを小さくすることで周波数領域での移動平均処理を行い、到来波の間の相関を抑圧する。しかし、移動平均処理を増やすために必要以上に周波数領域でのレンジデータのベクトルサイズを小さくすると、到来波を推定する時間分解能と推定精度に劣化が生じる。そのため、移動平均処理回数を適切な値に設定することが課題となる。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、適切な移動平均回数を設定した超分解能法による遅延時間推定を行うことで、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を高い精度で推定する遅延時間推定を行うことを目的とする。また、得られた高精度な到来遅延時間差を用いて高精度な測高を行うことを目的とする。
With the conventional height measurement method that uses the arrival delay time to measure the target height, the arrival delay time between the direct reflection wave and the indirect reflection wave and the arrival delay time difference between the direct reflection wave and the indirect reflection wave can be grasped with high accuracy. It is important to realize a delay time estimation device. When applying the super-resolution method using moving average processing in this delay time estimation device, the moving average processing in the frequency domain is performed by reducing the vector size of the range data in the frequency domain, and the correlation between the incoming waves Repress. However, if the vector size of the range data in the frequency domain is made smaller than necessary in order to increase the moving average processing, the time resolution and estimation accuracy for estimating the incoming wave are degraded. Therefore, it becomes a problem to set the moving average processing count to an appropriate value.
The present invention has been made in order to solve the above-described problems. By performing delay time estimation using a super-resolution method in which an appropriate number of moving averages is set, arrival delay times of direct reflected waves and indirect reflected waves can be reduced. The purpose is to estimate the delay time with high accuracy. Another object of the present invention is to perform highly accurate height measurement using the obtained highly accurate arrival delay time difference.

この発明に関わる遅延時間推定装置は、第1及び第2の到来波を含む波形を用いて超分解能法により前記第1及び第2の到来波の基準時刻に対する遅延時間を推定する遅延時間推定装置であって、前記超分解能法で用いる相関行列を算出するために、前記波形をフーリエ変換して得られる複数の周波数成分の一部を含む複数の異なるサブセットのそれぞれに対して算出される複数の相関行列を平均化する平均化処理を行う平均化回数を、前記波形に含まれる既知信号の大きさを遅延時間に対して示した遅延時間スペクトラムに基づき算出されるパラメータに基づき決定する平均回数計算部と、前記平均回数計算部で決定された平均化回数に基づき、前記平均化処理を行うことにより前記超分解能法で用いる相関行列を算出する平均処理部と、前記平均処理部で算出された相関行列を用いて超分解能法を行うことにより、前記第1及び第2の到来波の基準時刻に対する遅延時間を推定する超分解能遅延時間推定部と、を備えたことを特徴とする。

A delay time estimation apparatus according to the present invention estimates a delay time with respect to a reference time of the first and second arrival waves by a super-resolution method using a waveform including the first and second arrival waves. In order to calculate a correlation matrix used in the super-resolution method, a plurality of calculated values for each of a plurality of different subsets including a part of a plurality of frequency components obtained by Fourier transforming the waveform Average number calculation for determining the number of times of averaging for averaging the correlation matrix based on a parameter calculated based on a delay time spectrum indicating the magnitude of a known signal included in the waveform with respect to the delay time An average processing unit that calculates a correlation matrix used in the super-resolution method by performing the averaging process based on the averaging number determined by the average number calculation unit, A super-resolution delay time estimation unit that estimates a delay time with respect to a reference time of the first and second arrival waves by performing a super-resolution method using the correlation matrix calculated by the average processing unit. It is characterized by that.

この発明によれば、超分解能法による遅延時間推定を行う前に行う移動平均回数を受信した波形の状況に応じて適切に設定することで、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を従来技術よりも高い精度で推定することができる。   According to the present invention, the arrival delay times of the direct reflection wave and the indirect reflection wave are conventionally set by appropriately setting the moving average number of times performed before performing the delay time estimation by the super-resolution method according to the state of the received waveform. It can be estimated with higher accuracy than the technology.

この発明の実施の形態1、2による測高装置の構成図。The block diagram of the height measuring apparatus by Embodiment 1, 2 of this invention. この発明の実施の形態1による測高装置の遅延時間推定部1−3の構成図。The block diagram of the delay time estimation part 1-3 of the height measuring apparatus by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1による移動平均処理のイメージ図。The image figure of the moving average process by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1における移動平均回数計算部2−4でのスペクトラム形状を用いる方式を説明する計算例である。It is a calculation example explaining the system which uses the spectrum shape in the moving average frequency calculation part 2-4 in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1の測高処理部1−4において測高を行うためのジオメトリ。A geometry for performing height measurement in the height measurement processing unit 1-4 according to the first embodiment of the present invention. この発明の実施の形態2による測高装置の遅延時間推定部1−3の構成図。The block diagram of the delay time estimation part 1-3 of the height measuring apparatus by Embodiment 2 of this invention.

実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態による信号処理装置である測高装置1を示す構成図である。なお、以降の各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing a height measuring device 1 which is a signal processing device according to an embodiment of the present invention. In the following drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

本実施の形態は、前方を監視する航空機・飛翔体レーダにこの測高装置を搭載し、目標からの直接反射波と間接反射波のドップラ周波数差が極めて小さく、コヒーレント積分後の直接反射波と間接反射波が同一のドップラビンに存在する時において目標の高度推定する実施例である。航空機は自機の高度を把握する手段を備えているとする。また、図示していないが、レーダは自ら任意に変調された電波を送信する送信部を有している。 In this embodiment, this height measurement device is installed in an aircraft / aircraft radar that monitors the front, the Doppler frequency difference between the direct reflected wave and the indirect reflected wave from the target is extremely small, and the direct reflected wave after coherent integration This is an embodiment for estimating a target altitude when indirect reflected waves exist in the same Doppler bin. It is assumed that the aircraft has a means for grasping its altitude. Although not shown, the radar has a transmission unit that transmits a radio wave arbitrarily modulated by itself.

図1において、目標検出部1−2は受信アンテナ1−1で取得した直接反射波と間接反射波を含む波形の受信データから目標を検出するために、パルス圧縮や不要波抑圧処理やコヒーレント積分処理により、受信信号の距離とドップラ周波数の二次元マップ上において目標の信号対雑音比や信号対不要波比を改善する目標距離推定手段を有している。この目標距離推定手段による不要波抑圧及びコヒーレント積分によって得られたQ×1の複素データベクトルであるレンジデータは、遅延時間推定部1−3へと出力される。ここで、Qは目標検出に用いた処理レンジビンの数である。 In FIG. 1, a target detection unit 1-2 detects a target from received data having a waveform including a direct reflection wave and an indirect reflection wave acquired by the reception antenna 1-1, and performs pulse compression, unnecessary wave suppression processing, coherent integration, and the like. By processing, a target distance estimating means for improving a target signal-to-noise ratio and a signal-to-unwanted wave ratio on a two-dimensional map of the distance of the received signal and the Doppler frequency is provided. Range data which is a Q × 1 complex data vector obtained by unnecessary wave suppression and coherent integration by the target distance estimation means is output to the delay time estimation unit 1-3. Here, Q is the number of processing range bins used for target detection.

遅延時間推定部1−3は目標検出部1−2から出力されたコヒーレント積分後のQ×1の複素データベクトルと目標の距離情報を使って、目標の直接反射波と間接反射波の遅延時間を推定する手段を有している。ここで、遅延時間は基準とする時刻である基準時刻に対する遅延時間を表すが、基準時刻はいかなる時刻としても構わない。一例として、基準時刻をレーダが図示しない送信部から電波を送信する時刻とすることができる。この場合、遅延時間は電波が送信されてから受信されるまでの時間を表す。以降では、この例を想定した場合の説明を行う。   The delay time estimation unit 1-3 uses the Q × 1 complex data vector after the coherent integration output from the target detection unit 1-2 and the target distance information to delay the target direct reflection wave and the indirect reflection wave. Has means for estimating. Here, the delay time represents a delay time with respect to a reference time, which is a reference time, but the reference time may be any time. As an example, the reference time may be a time at which the radar transmits radio waves from a transmission unit (not shown). In this case, the delay time represents the time from when the radio wave is transmitted until it is received. Hereinafter, a description will be given assuming this example.

測高処理部1−4は自機高度計1−5から出力された自機高度情報と遅延時間推定部1−3から出力された直接反射波と間接反射波の遅延時間から目標高度の推定を行う手段を有している。   The height measurement processing unit 1-4 estimates the target altitude from the own device altitude information output from the own device altimeter 1-5 and the delay time of the direct reflected wave and the indirect reflected wave output from the delay time estimating unit 1-3. Have means to do.

図1の例では、自機高度計1−5を除く測高装置1の構成要素である目標検出部1−2、遅延時間推定部1−3、測高処理部1−4のそれぞれが専用のハードウェア(例えば、CPUを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなど)で構成されているものを想定しているが、測高装置1の各構成要素は計算機で構成されていてもよい。 この場合、目標検出部1−2、遅延時間推定部1−3測高処理部1−4の処理内容を記述しているプログラムを計算機のメモリに格納し、当該計算機のCPUが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。 In the example of FIG. 1, each of the target detection unit 1-2, the delay time estimation unit 1-3, and the height measurement processing unit 1-4 that are components of the height measurement device 1 excluding the own altimeter 1-5 is dedicated. It is assumed that it is configured by hardware (for example, a semiconductor integrated circuit on which a CPU is mounted, or a one-chip microcomputer), but each component of the height measuring device 1 is configured by a computer. Also good. In this case, a program describing the processing contents of the target detection unit 1-2 and delay time estimation unit 1-3 height measurement processing unit 1-4 is stored in the memory of the computer, and the CPU of the computer stores the program in the memory. What is necessary is just to run the program currently carried out.

図2はこの発明の実施の形態1における遅延時間推定部1−3の構成図である。超分解能推定処理適用判定部2−1は、目標検出部1−2が目標検出に用いたレンジデータとレンジデータ中の目標位置に関する情報から、超分解能遅延時間推定処理を行うか否かを判定する手段を有している。超分解能遅延時間推定処理適用の有無の判定法の例は、後に詳しく説明するが、遅延時間スペクトラム等から直接反射波と間接反射波の間隔がパルス幅などで決まる時間分解能より広いか否か等を指標とすることが考えられる。この判定部を入れる理由は、超分解能法による遅延時間推定は演算負荷が高いことと、後述の移動平均処理による信号対雑音比の劣化による推定精度の劣化を避けるためである。   FIG. 2 is a configuration diagram of the delay time estimation unit 1-3 according to the first embodiment of the present invention. The super-resolution estimation process application determination unit 2-1 determines whether or not to perform the super-resolution delay time estimation process from the range data used by the target detection unit 1-2 for target detection and information on the target position in the range data. Means to do. An example of how to determine whether super-resolution delay time estimation processing is applied will be described in detail later. Whether the interval between the direct reflected wave and the indirect reflected wave is wider than the time resolution determined by the pulse width, etc. from the delay time spectrum, etc. Can be considered as an index. The reason for including this determination unit is that the delay time estimation by the super-resolution method has a high calculation load and avoids deterioration of estimation accuracy due to deterioration of the signal-to-noise ratio by the moving average process described later.

超分解能推定処理適用判定部2−1が超分解能法による遅延時間推定を行わないと判断した場合、超分解能推定処理適用判定部2−1は目標検出部1−2から出力されたレンジデータと目標位置情報から、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を算出し、測高処理部1−4へ出力する。到来遅延時間τの算出は、以下に示すように目標レンジビンが示す目標距離Rを光速cで除算することで得られる。

Figure 0006287674
また、超分解能推定処理適用判定部2−1が超分解能法による遅延時間推定を行うと判断した場合、レンジビン抽出部2−2から超分解能遅延時間推定部2−6までの処理が行われる。 When the super-resolution estimation process application determination unit 2-1 determines that the delay time estimation by the super-resolution method is not performed, the super-resolution estimation process application determination unit 2-1 determines the range data output from the target detection unit 1-2 and The arrival delay times of the direct reflected wave and the indirect reflected wave are calculated from the target position information and output to the height measurement processing unit 1-4. The arrival delay time τ can be calculated by dividing the target distance R indicated by the target range bin by the speed of light c as shown below.
Figure 0006287674
When the super resolution estimation process application determination unit 2-1 determines that the delay time estimation is performed by the super resolution method, the processes from the range bin extraction unit 2-2 to the super resolution delay time estimation unit 2-6 are performed.

レンジビン抽出部2−2は、演算負荷削減のため目標検出部1−2から出力された積分後のレンジデータと目標のレンジ情報からデータの抽出を行う手段を有している。レンジビンの抽出範囲はシステムに応じて任意に決めてよいが、抽出範囲は遅延時間推定を行う際の自由度の数に影響し、超分解能法や移動平均処理で消費する自由度との兼ね合いも鑑みると、時間分解能の数倍は必要となる。 The range bin extraction unit 2-2 has means for extracting data from the integrated range data output from the target detection unit 1-2 and target range information for reducing the calculation load. The extraction range of the range bin may be arbitrarily determined according to the system, but the extraction range affects the number of degrees of freedom when performing the delay time estimation, and also has a balance with the degree of freedom consumed by the super-resolution method and moving average processing. In view of this, several times the time resolution is required.

レンジFFT処理部2−3はレンジビン抽出部2−2から抽出されたレンジデータを周波数領域に変換する手段を構成している。レンジデータの周波数領域への変換は離散フーリエ変換や高速フーリエ変換等の適用が考えられる。高速フーリエ変換を行うためや周波数分解能を向上させるために抽出レンジデータに0埋めをしてもよい。周波数領域のレンジデータxは時間領域の信号対雑音比改善のため、信号の帯域幅に応じてフィルタリングを行い、帯域制限などを行ってもよい。   The range FFT processing unit 2-3 constitutes means for converting the range data extracted from the range bin extraction unit 2-2 into a frequency domain. For the conversion of the range data into the frequency domain, discrete Fourier transform, fast Fourier transform, etc. can be applied. Extraction range data may be padded with zeros in order to perform fast Fourier transform or improve frequency resolution. The frequency domain range data x may be subjected to filtering in accordance with the signal bandwidth in order to improve the signal-to-noise ratio in the time domain, and band limitation may be performed.

平均回数計算部である移動平均回数計算部2−4はレンジFFT処理部2−3より出力された周波数領域のレンジデータから、後段の平均処理部である移動平均処理部2−5で行う移動平均の回数を決定する手段を有している。すなわち、移動平均処理部2−5は周波数領域のレンジデータxから算出される相関行列Rxxを周波数方向で平均化するが、移動平均の回数が少なすぎると直接反射波と間接反射波の相関を抑圧することできず、MUSICを始めとした超分解能法の多くが正しく動作しなくなる。一方で、周波数方向での移動平均の回数を多くするため、相関行列Rxxの演算を行う周波数領域のレンジデータxのサイズを小さくすると、レンジデータxで扱われる周波数幅が狭くなるため識別可能な時間分解能が劣化し、周波数領域のレンジデータxと識別時に用いる遅延時間ステアリングベクトルとの相関出力で得られる信号対雑音比も劣化する。その結果、周波数方向で移動平均の回数を多くし過ぎると、遅延時間推定精度が劣化する。 A moving average number calculation unit 2-4, which is an average number calculation unit, performs a movement performed by a moving average processing unit 2-5, which is an average processing unit in the subsequent stage, from the frequency domain range data output from the range FFT processing unit 2-3. A means for determining the average number of times is provided. That is, the moving average processing unit 2-5 averages the correlation matrix R xx calculated from the frequency domain range data x in the frequency direction. If the number of moving averages is too small, the correlation between the direct reflected wave and the indirect reflected wave is calculated. Many of the super-resolution methods such as MUSIC do not work correctly. On the other hand, in order to increase the number of moving averages in the frequency direction, if the size of the range data x in the frequency domain where the correlation matrix Rxx is calculated is reduced, the frequency width handled by the range data x becomes narrower and can be identified. Time resolution is degraded, and the signal-to-noise ratio obtained from the correlation output between the frequency domain range data x and the delay time steering vector used for identification is also degraded. As a result, if the number of moving averages is increased too much in the frequency direction, the delay time estimation accuracy deteriorates.

この点を踏まえて、移動平均回数計算部2−4は適切な移動平均の回数を決定することが望まれる。本実施の形態では、移動平均回数計算部2−4は超分解能法適用前の遅延時間スペクトラムの形状から平均回数である移動平均回数を決定する。時刻τに対する遅延時間スペクトラムP(τ)は以下の式(1)のように表すことができる。

Figure 0006287674
ここで、
Figure 0006287674
Figure 0006287674
Figure 0006287674
であり、Mは移動平均回数、Nは移動平均後に超分解能を適用するアレーサイズ、a(τ)は時刻τに対するN×1遅延時間ステアリングベクトル、Hは複素共役転置の演算子である。なお、超分解能法を適用するアレーサイズはアレー自由度と呼んでも構わない。 In consideration of this point, it is desirable that the moving average number calculation unit 2-4 determines an appropriate number of moving averages. In the present embodiment, the moving average number calculation unit 2-4 determines the moving average number that is the average number from the shape of the delay time spectrum before application of the super-resolution method. The delay time spectrum P (τ) with respect to the time τ can be expressed as the following equation (1).
Figure 0006287674
here,
Figure 0006287674
Figure 0006287674
Figure 0006287674
Where M is the number of moving averages, N is an array size to which super-resolution is applied after moving average, a (τ) is an N × 1 delay time steering vector with respect to time τ, and H is an operator of complex conjugate transposition. Note that the array size to which the super-resolution method is applied may be called array flexibility.

ここで、遅延時間スペクトラムP(τ)の意味について説明を行う。遅延時間スペクトラムP(τ)は

Figure 0006287674
と表すこともでき、
Figure 0006287674
は電力が規格化された後の周波数領域のレンジデータxと遅延時間ステアリングベクトルa(τ)との相関を表している。また、P(τ)はその相関を周波数領域でM回移動平均した結果を示している。図3に移動平均を行う際の相関行列Rxxを示す。 Here, the meaning of the delay time spectrum P (τ) will be described. Delay time spectrum P (τ) is
Figure 0006287674
Can also be expressed as
Figure 0006287674
Represents the correlation between the frequency domain range data x and the delay time steering vector a (τ) after the power is normalized. P (τ) indicates the result of moving average of the correlation M times in the frequency domain. FIG. 3 shows a correlation matrix R xx when performing the moving average.

すなわち、遅延時間スペクトラムP(τ)は受信信号から得られたレンジデータxと遅延時間により定まるベクトルa(τ)との相関を周波数領域で平均した値を示すものであり、遅延時間スペクトラムP(τ)は信号の存在位置を相関として示す関数と言え、直接反射波及び間接反射波を含む波形に含まれる既知信号の大きさを遅延時間に対して示した関数と解釈することもできる。しかし、遅延時間スペクトラムP(τ)の波形がピークとなる位置が信号の正確な存在位置を示すわけではなく、特に直接反射波と間接反射波の到来遅延時間差が小さい場合にはP(τ)の波形がピークとなる位置が信号の正確な存在位置と異なる状況が発生する。これは直接反射波と間接反射波の位相が互いに干渉しあうためであるが、その詳細について以下に説明する。   That is, the delay time spectrum P (τ) indicates a value obtained by averaging the correlation between the range data x obtained from the received signal and the vector a (τ) determined by the delay time in the frequency domain, and the delay time spectrum P ( τ) can be said to be a function indicating the presence position of the signal as a correlation, and can be interpreted as a function indicating the magnitude of the known signal included in the waveform including the direct reflected wave and the indirect reflected wave with respect to the delay time. However, the position where the waveform of the delay time spectrum P (τ) peaks does not indicate the exact position of the signal, and in particular when the difference in arrival delay time between the direct reflected wave and the indirect reflected wave is small, P (τ) There arises a situation in which the position where the waveform becomes a peak is different from the exact position of the signal. This is because the phases of the direct reflection wave and the indirect reflection wave interfere with each other, and the details will be described below.

図4は直接反射波と間接反射波の到来遅延時間差が時間分解能の半分で入射してきたときの遅延時間スペクトラムの計算例である。遅延時間スペクトラムP(τ)は直接反射波と間接反射波の受信時の位相関係で最大ピークが割れる場合と合成される場合の大きく分けて2通りの状態が考えられる。これは2波の相関が高く、受信時の到来波の位相関係によって干渉の仕方が変わるため生じる現象である。最大ピークが割れる場合というのは、直接反射波の時間波形と間接反射波の時間波形の重複部分が互いに打ち消しあっていることを意味し、遅延時間推定アルゴリズムから見るとあたかも時間で分離できる2波のように解釈される。このようなスペクトラム上における到来波の打ち消しあいは、到来波の相関の高さに起因し、到来波が無相関かつ十分なスナップショットが得られるときには生じない。これらのピークは到来波同士が打ち消しあったことで出現したものであり、実際の到来遅延時間とは異なる。したがって、正確な遅延時間を推定するためには、まず超分解能法を適用する前段階として、超分解能法で用いられる相関行列での2つの到来波の相関を抑圧するための移動平均処理が必要となる。移動平均処理は、到来波の周波数成分の一部を平均処理のためのスナップショットとして用いる信号処理である。到来波の周波数成分は信号の帯域幅によって決まるため、移動平均に利用するスナップショットを増加させるということは、相関を抑圧することができる一方で信号の帯域幅を狭める。遅延時間の分解能や精度は一般的に到来波の帯域幅に強く影響するため、必要以上の移動平均は分解能と精度を劣化させる。この移動平均に必要な回数は到来波の信号対雑音比(Singal to Noise Ratio:SNR)によって変動する。超分解能法で分離可能な到来波の相関値はSNRが小さくなるにつれて小さくなる。したがって、低SNR時は高SNR時に比べて、到来波の相関をより抑圧し、超分解能法で到来波を分離できる状態とすることが望ましい。ピークが割れている場合、ピークが合成されている場合に比べて、低SNRであるため到来波の分離はさらに相関を抑圧する必要がある。したがって、ピークが割れている場合の移動平均回数はピークが合成された場合に比べて増加する。到来波間に相関がありピークが割れるため、ピークが割れなくなるまで行えば相関を抑圧できたと判断できる。したがって、最適な移動平均回数は遅延時間スペクトラム中の最大ピークと第二ピークとの間に計算されたヌルの深さによって評価できる。   FIG. 4 is a calculation example of the delay time spectrum when the arrival delay time difference between the direct reflected wave and the indirect reflected wave is incident at half the time resolution. The delay time spectrum P (τ) can be broadly divided into two states: a case where the maximum peak is broken and a case where the peak is divided depending on the phase relationship during reception of the direct reflection wave and the indirect reflection wave. This is a phenomenon that occurs because the correlation between the two waves is high and the way of interference changes depending on the phase relationship of the incoming waves at the time of reception. The case where the maximum peak breaks means that the overlapping part of the time waveform of the direct reflection wave and the time waveform of the indirect reflection wave cancel each other, and as seen from the delay time estimation algorithm, two waves that can be separated by time Is interpreted as follows. Such cancellation of the incoming wave on the spectrum is caused by the high correlation of the incoming wave, and does not occur when the incoming wave is uncorrelated and a sufficient snapshot is obtained. These peaks appear when the incoming waves cancel each other, and are different from the actual arrival delay time. Therefore, in order to estimate the accurate delay time, a moving average process for suppressing the correlation between two incoming waves in the correlation matrix used in the super-resolution method is necessary as a step before applying the super-resolution method. It becomes. The moving average process is a signal process that uses a part of the frequency component of the incoming wave as a snapshot for the average process. Since the frequency component of the incoming wave is determined by the signal bandwidth, increasing the snapshot used for the moving average can suppress the correlation while narrowing the signal bandwidth. Since the resolution and accuracy of the delay time generally strongly influence the bandwidth of the incoming wave, an unnecessarily moving average degrades the resolution and accuracy. The number of times required for this moving average varies depending on the signal-to-noise ratio (SNR) of the incoming wave. The correlation value of incoming waves that can be separated by the super-resolution method becomes smaller as the SNR becomes smaller. Therefore, it is desirable to suppress the correlation of incoming waves more at low SNR and to separate incoming waves by the super-resolution method than at high SNR. When the peak is broken, since the SNR is lower than when the peak is synthesized, it is necessary to further suppress the correlation of the incoming wave separation. Therefore, the number of moving averages when the peak is broken increases as compared with the case where the peak is synthesized. Since there is a correlation between incoming waves and the peak is broken, it can be determined that the correlation can be suppressed if the peak is broken. Therefore, the optimum number of moving averages can be evaluated by the null depth calculated between the maximum peak and the second peak in the delay time spectrum.

ピーク間のヌルの深さを用いた移動平均回数選択の評価式は、例えば、以下のように表現することができる。

Figure 0006287674
ここで、SP2(M)はM回移動平均した相関行列を用いて遅延時間推定を行った時の遅延時間サーチ範囲内における二番目に大きいピークの値、SPNULL(M)はM回移動平均した相関行列を用いて遅延時間推定を行った時の遅延時間サーチ範囲内における最大ピークと二番目に大きいピークとの間に形成されたヌルの値である。すなわち、この評価式は遅延時間スペクトラムの2番目に大きいピークの値と、1番目と2番目のピークの間にある谷の最低値との差を表している。また、この評価式は直接反射波と間接反射波を含む波形から算出されるパラメータであり、このパラメータを用いて移動平均回数計算部2−4は適切な移動平均回数Mを決定する。 An evaluation formula for selecting the moving average number using the null depth between peaks can be expressed as follows, for example.
Figure 0006287674
Where SP 2 (M) is the second largest peak value in the delay time search range when the delay time is estimated using the correlation matrix averaged M times, and SP NULL (M) is moved M times This is a null value formed between the maximum peak and the second largest peak in the delay time search range when delay time estimation is performed using an averaged correlation matrix. In other words, this evaluation formula represents the difference between the value of the second largest peak in the delay time spectrum and the lowest value of the valley between the first and second peaks. The evaluation formula is a parameter calculated from a waveform including a direct reflected wave and an indirect reflected wave, and the moving average number calculation unit 2-4 determines an appropriate moving average number M using this parameter.

SP2(M)及びSPNULL(M)を算出するために遅延時間ステアリングベクトルによるサーチ範囲は任意に決めてもよいが、ここではサイドローブを到来波ピークと誤認識させないように、

Figure 0006287674
の範囲でサーチを行うとする。ここで、τmaxはスペクトラム最大ピークに対応する到来遅延時間、T0はパルス幅等の時間分解能である。これは、伝搬距離差の関係から直接反射波が間接反射波より先にレンジビンに表れることと、直接反射波の受信レベルの方が海面などを反射して入射してくる間接反射波に比べて一般的に受信レベルが高いという性質を利用することで、τmaxを直接反射波の到来遅延時間と仮定したサーチ範囲である。このように設定することで、時間分解能で分離できない場合の到来遅延時間をカバーできる。 In order to calculate SP 2 (M) and SP NULL (M), the search range by the delay time steering vector may be arbitrarily determined, but here, in order not to misrecognize the side lobe as an incoming wave peak,
Figure 0006287674
Suppose that the search is performed in the range of Here, τ max is an arrival delay time corresponding to the maximum spectrum peak, and T 0 is a time resolution such as a pulse width. This is because the direct reflected wave appears in the range bin earlier than the indirect reflected wave due to the propagation distance difference, and the reception level of the direct reflected wave is reflected by the sea surface and enters the indirect reflected wave. In general, the search range assumes that τ max is the arrival delay time of the directly reflected wave by utilizing the property that the reception level is high. By setting in this way, it is possible to cover the arrival delay time when separation is not possible with time resolution.

このような評価によって、ピーク間のヌルの深さを検出することができるが、もしサーチ範囲内にピークの数が一つだけの場合、少ない移動平均回数で超分解能法の適用が可能となるため、移動平均回数は2,3回でよい。それ以外の場合は、ピーク数が1になるかピーク間のヌルの深さが最小になるような移動平均回数を選択するようにする。   With such an evaluation, the null depth between peaks can be detected. However, if there is only one peak in the search range, the super-resolution method can be applied with a small number of moving averages. Therefore, the moving average number may be two or three times. In other cases, the moving average number is selected such that the number of peaks is 1 or the null depth between peaks is minimized.

式(2)は基本的な移動平均であるが、相関抑圧効果をさらに向上させるために以下のようなForward-Backward平均処理に拡張してもよい。具体的には、式(1)においてRxx

Figure 0006287674
に置き換える。ここで、
Figure 0006287674
Figure 0006287674
であり、Jはベクトルの要素を逆順にする変換行列である。この拡張を行うことで、移動平均一回当たりの相関抑圧効果を改善させることができる。 Equation (2) is a basic moving average, but may be extended to the following forward-backward averaging process in order to further improve the correlation suppression effect. Specifically, in Formula (1), R xx is
Figure 0006287674
Replace with here,
Figure 0006287674
Figure 0006287674
J is a transformation matrix that reverses the elements of the vector. By performing this extension, it is possible to improve the correlation suppression effect per moving average.

移動平均回数計算部2−4が移動平均回数Mを出力すると、移動平均処理部2−5はその移動平均回数Mに応じた移動平均を、レンジFFT処理部2−3から出力されたレンジデータxの相関行列Rxxに適用し、移動平均後の相関行列Rxx(Rの上に線)を超分解能遅延時間推定処理部2−6へ出力する。処理の順序を明確にするために移動平均回数計算部2−4と移動平均処理部2−5を分けているが、これらの処理部を一体化して、移動平均回数計算部2−4において移動平均回数の決定に用いた相関行列Rxx(Rの上に線)をそのまま出力してもよい。 When the moving average number calculation unit 2-4 outputs the moving average number M, the moving average processing unit 2-5 outputs the moving average corresponding to the moving average number M to the range data output from the range FFT processing unit 2-3. Applying to the correlation matrix R xx of x, the correlation matrix R xx (the line above R) after moving average is output to the super-resolution delay time estimation processing unit 2-6. In order to clarify the processing order, the moving average number calculation unit 2-4 and the moving average processing unit 2-5 are separated. These processing units are integrated and moved in the moving average number calculation unit 2-4. The correlation matrix R xx (line on R) used for determining the average number of times may be output as it is.

実施の形態1における構成では、コヒーレント積分後のレンジデータに対して遅延時間推定を行うため、スナップショットの数は1である。したがって、超分解能法適用時には相関行列Rxxにおける直接反射波と間接反射波の間の相関を低減するために移動平均処理が必須となる。 In the configuration according to the first embodiment, since the delay time is estimated for the range data after the coherent integration, the number of snapshots is one. Therefore, when applying the super-resolution method, a moving average process is indispensable in order to reduce the correlation between the direct reflected wave and the indirect reflected wave in the correlation matrix Rxx .

超分解能遅延時間推定処理部2−6は移動平均処理部2−5より出力された移動平均後の相関行列Rxx(Rの上に線)に対して超分解能法による遅延時間推定を行う。超分解能法の一つであるMUSICを適用して遅延時間を推定する場合、遅延時間スペクトラムPMUSIC(τ)は以下のように表現される。

Figure 0006287674
ここで、ENは次式から算出される。
Figure 0006287674
ここで、ESとENはそれぞれ移動平均後相関行列Rxx(Rの上に線)の信号固有値に対応する固有ベクトルを並べた行列と雑音固有値に対応する固有ベクトルを並べた行列、ΛSとΛNはそれぞれ信号固有値が対角成分に並んだ行列と雑音固有値が対角成分に並んだ行列である。 The super-resolution delay time estimation processing unit 2-6 performs delay time estimation by the super-resolution method on the correlation matrix R xx (the line above R) after the moving average output from the moving average processing unit 2-5. When estimating the delay time by applying MUSIC which is one of the super-resolution methods, the delay time spectrum P MUSIC (τ) is expressed as follows.
Figure 0006287674
Here, E N is calculated from the following equation.
Figure 0006287674
Here, E S and E N are respectively a matrix in which eigenvectors corresponding to the signal eigenvalues of the correlation matrix R xx (line on R) after moving average are arranged, and a matrix in which eigenvectors corresponding to the noise eigenvalues are arranged, Λ S and Λ N is a matrix in which signal eigenvalues are arranged in diagonal components and a matrix in which noise eigenvalues are arranged in diagonal components.

移動平均により、信号固有値の数は直接反射波と間接反射波の2個となり、アレー自由度-2が雑音固有ベクトルの数、すなわちENの列数となる。したがって、遅延時間推定を行うために必要なアレーの自由度は、移動平均処理も含めて最低4以上必要となる。 The moving average, the number of signal eigenvalues become two direct reflection wave and the indirect reflected waves, array freedom -2 number of noise eigenvectors, that is, the number of columns E N. Therefore, the degree of freedom of the array necessary for estimating the delay time is required to be at least 4 including the moving average process.

MUSICに基づく式(3)のサーチ演算におけるサーチ範囲は必ずしもレンジビン抽出部2−2で抽出した範囲全てに対して行う必要はなく、目標のレンジビン付近だけ行えばよい。   The search range in the search calculation of the expression (3) based on MUSIC does not necessarily have to be performed for the entire range extracted by the range bin extraction unit 2-2, and may be performed only in the vicinity of the target range bin.

サーチが終わりMUSICを適用した遅延時間スペクトラムPMUSIC(τ)が得られたら、ピーク検出処理を行い、得られたピーク位置から直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を計算し、測高処理部1−4へと出力する。 After the search is completed and the delay time spectrum P MUSIC (τ) applying MUSIC is obtained, peak detection processing is performed, and the arrival delay times of the direct reflected wave and indirect reflected wave are calculated from the obtained peak position, and the height measurement processing is performed. Output to part 1-4.

ここでは、MUSICによる遅延時間スペクトラムの計算を紹介したが、Capon法や最小ノルム法によってスペクトラムを計算してもよい。Capon法の場合、遅延時間スペクトラムPCapon(τ)は

Figure 0006287674
と表され、最小ノルム法の場合、遅延時間スペクトラムPmin_norm(τ)は
Figure 0006287674
Figure 0006287674
Figure 0006287674
Figure 0006287674
と表される。 Although the calculation of the delay time spectrum by MUSIC has been introduced here, the spectrum may be calculated by the Capon method or the minimum norm method. In the case of the Capon method, the delay time spectrum P Capon (τ) is
Figure 0006287674
In the case of the minimum norm method, the delay time spectrum P min_norm (τ) is
Figure 0006287674
Figure 0006287674
Figure 0006287674
Figure 0006287674
It is expressed.

測高処理部1−4は遅延時間推定部1−3から出力された直接反射波と間接反射波の到来遅延時間と自機高度計1−5から出力された自機高度情報から目標の高度を推定する手段を構成する。自機高度計1−5による自機高度算出手段は任意でよい。例としては、GPS受信機による自機座標計算結果から得られる自機高度、電波高度計による機体の真下に向けて照射された電波が機体に返ってくるまで到来遅延時間から計算された自機高度、気圧高度計による大気圧から計算された自機高度等がある。   The height measurement processing unit 1-4 obtains the target altitude from the arrival delay times of the direct reflected wave and the indirect reflected wave output from the delay time estimating unit 1-3 and the altitude information output from the own altimeter 1-5. A means for estimating is configured. The own device altitude calculating means by the own device altimeter 1-5 may be arbitrary. Examples include the aircraft's altitude obtained from its own coordinate calculation results by the GPS receiver, and the aircraft's altitude calculated from the arrival delay time until the radio wave irradiated directly below the aircraft by the radio altimeter returns to the aircraft. The altitude calculated from the atmospheric pressure by the barometric altimeter.

測高処理部1−4における目標高度の推定法は任意であるが、ここでは自機高度と目標までの距離と目標高度の幾何的な関係から測高を行う方式を用いる。図5は自機と目標の幾何的な関係を示した図である。図中の記号は以下のとおりである。

Figure 0006287674
The target height estimation method in the height measurement processing unit 1-4 is arbitrary, but here, a method is used in which the height is measured based on the geometric relationship between the target altitude, the distance to the target, and the target height. FIG. 5 is a diagram showing the geometric relationship between the aircraft and the target. The symbols in the figure are as follows.
Figure 0006287674

長距離目標の測高は地球の表面を平面とみなせないため、図5のように地球の丸みを反映したジオメトリを用いる。測高は直接反射波の到来遅延時間から判明する目標までの距離と自機高度計1−5から得られた自機高度に対して目標高度のサーチを行い、計算によって得られた間接反射波の到来遅延時間と実際の到来遅延時間との差が最小になった高度を目標高度として出力する。 The long distance target height measurement cannot use the surface of the earth as a plane, and therefore uses a geometry reflecting the roundness of the earth as shown in FIG. The height measurement is performed by searching the target altitude for the distance to the target determined from the arrival delay time of the direct reflected wave and the altitude obtained from the own altimeter 1-5, and calculating the indirect reflected wave obtained by calculation. The altitude at which the difference between the arrival delay time and the actual arrival delay time is minimized is output as the target altitude.

このように、実施の形態1では、直接反射波及び間接反射波を含む波形を用いて超分解能法によりこの直接反射波及び間接反射波の基準時刻に対する遅延時間を推定する遅延時間推定装置を開示しており、その遅延時間推定装置は超分解能法で用いる相関行列を算出するために、その波形をフーリエ変換して得られる複数の周波数成分の一部を含む複数の異なるサブセットのそれぞれに対して算出される複数の相関行列を平均化する平均化処理を行う平均化回数を、その波形から算出されるパラメータに基づき決定する移動平均回数計算部2−4と、移動平均回数計算部2−4で決定された平均化回数に基づき、平均化処理を行うことにより超分解能法で用いる相関行列を算出する移動平均処理部2−5と、移動平均処理部2−5で算出された相関行列を用いて超分解能法を行うことにより、直接反射波及び間接反射波の基準時刻に対する遅延時間を推定する超分解能遅延時間推定部2−6と、を備えている。このような構成により、超分解能法による遅延時間推定を行う前に行う移動平均回数を波形の受信状態に応じて適切に設定でき、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を従来技術よりも高い精度で推定することができる。  As described above, Embodiment 1 discloses a delay time estimation apparatus that estimates a delay time with respect to a reference time of a direct reflected wave and an indirect reflected wave by a super-resolution method using a waveform including a direct reflected wave and an indirect reflected wave. In order to calculate the correlation matrix used in the super-resolution method, the delay time estimation device applies to each of a plurality of different subsets including a part of a plurality of frequency components obtained by Fourier transform of the waveform. A moving average number calculation unit 2-4 that determines an average number of times for performing an averaging process for averaging a plurality of calculated correlation matrices based on a parameter calculated from the waveform, and a moving average number calculation unit 2-4 The moving average processing unit 2-5 that calculates the correlation matrix used in the super-resolution method by performing the averaging process based on the number of averaging determined in (5) and the moving average processing unit 2-5 It includes by performing the super-resolution method using the correlation matrix, a super-resolution delay time estimation unit 2-6 that estimates the delay time with respect to the reference time of the direct reflection wave and the indirect reflected waves, the. With such a configuration, it is possible to appropriately set the number of moving averages performed before performing the delay time estimation by the super-resolution method according to the reception state of the waveform, and the arrival delay times of the direct reflected wave and the indirect reflected wave can be set as compared with the prior art. It can be estimated with high accuracy.

また、実施の形態1で示す遅延時間推定装置において、直接反射波及び間接反射波を含む波形から算出されるパラメータは、その波形に含まれる既知信号の大きさを遅延時間に対して示した遅延時間スペクトラムに基づき算出される構成を有する。このような構成により、直接反射波及び間接反射波の存在する遅延時間と関連のある遅延時間スペクトラムを用いて、直接反射波及び間接反射波の存在する遅延時間を粗い精度で推定でき、その遅延時間付近における遅延時間スペクトラムの状態から、移動平均回数を適切に設定することが可能となる。 Further, in the delay time estimation apparatus shown in the first embodiment, the parameter calculated from the waveform including the direct reflected wave and the indirect reflected wave is the delay indicating the magnitude of the known signal included in the waveform with respect to the delay time. It has the structure calculated based on a time spectrum. With such a configuration, it is possible to estimate the delay time in which the direct reflection wave and the indirect reflection wave exist with a rough accuracy using the delay time spectrum related to the delay time in which the direct reflection wave and the indirect reflection wave exist, and the delay time. It is possible to appropriately set the number of moving averages based on the state of the delay time spectrum near the time.

また、実施の形態1で示す遅延時間推定装置では、直接反射波及び間接反射波を含む波形から算出されるパラメータを遅延時間スペクトラムの2番目に大きいピークの値と、1番目と2番目のピークの間にある谷の最低値との差とする。このような設定により、遅延時間スペクトラムに含まれる直接反射波及び間接反射波の位相関係と高い相関を持つパラメータを設定することができる。その結果、直接反射波及び間接反射波の位相関係に応じて、移動平均回数を適切に設定することが可能となり、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を従来技術よりも高い精度で推定することができる。   In the delay time estimation apparatus shown in the first embodiment, the parameters calculated from the waveform including the direct reflected wave and the indirect reflected wave are set to the second largest peak value of the delay time spectrum, and the first and second peaks. It is the difference with the lowest value of the valley between. By such setting, a parameter having a high correlation with the phase relationship between the direct reflected wave and the indirect reflected wave included in the delay time spectrum can be set. As a result, the number of moving averages can be set appropriately according to the phase relationship between the direct reflected wave and the indirect reflected wave, and the arrival delay times of the direct reflected wave and the indirect reflected wave can be estimated with higher accuracy than the conventional technology. can do.

また、実施の形態1で示す遅延時間推定装置は、遅延時間スペクトラムに基づき超分解能法による第1及び第2の到来波の遅延時間推定を行うか否かを判定する判定部である超分解能推定処理適用判定部2−1を備え、超分解能推定処理適用判定部2−1が超分解能法による遅延時間推定を行うと判定した場合に、超分解能法による直接反射波及び間接反射波の遅延時間推定を行う。この構成により、超分解能法を行うことが望ましい状況で超分解能を適用し、超分解能法を行わなくてもよい場合には演算規模を要する超分解能を適用しないことで、遅延時間推定装置全体の演算規模を低減することができる。   The delay time estimation apparatus shown in the first embodiment is a super resolution estimation unit that determines whether to perform delay time estimation of the first and second arrival waves by the super resolution method based on the delay time spectrum. A processing application determination unit 2-1, and when the super-resolution estimation processing application determination unit 2-1 determines that the delay time is estimated by the super-resolution method, the delay times of the direct reflected wave and the indirect reflected wave by the super-resolution method are determined. Make an estimate. With this configuration, the super-resolution method is applied in a situation where it is desirable to perform the super-resolution method. The operation scale can be reduced.

また、実施の形態1で示す遅延時間推定装置は、基準時刻に目標に向けて電波を送信する送信部を備え、その電波が目標で反射されて直接到来する直接反射波とその電波が目標で反射された後、目標以外の位置で反射された間接反射波を含む波形を受信する。このような構成により、遅延時間推定装置は目標に向けて電波を送信する時刻から直接反射波及び間接反射波を受信するまでの遅延時間を測定することができ、目標との距離を把握することができる。   In addition, the delay time estimation apparatus shown in the first embodiment includes a transmission unit that transmits a radio wave toward a target at a reference time, and the directly reflected wave that is directly reflected by the target and the radio wave is the target. After being reflected, a waveform including an indirect reflected wave reflected at a position other than the target is received. With such a configuration, the delay time estimation device can measure the delay time from the time when the radio wave is transmitted toward the target until the direct reflected wave and the indirect reflected wave are received, and grasp the distance from the target. Can do.

また、実施の形態1で示す測高装置1は、自装置の高度を測定する高度測定部である自機高度計1−5と既に記載した送信部を備えた遅延時間推定装置と、その遅延時間推定装置により推定された直接反射波と間接反射波の遅延時間、及び自機高度計1−5で測定された自装置の高度に基づき、目標の高度を推定する目標高度推定部である測高処理部1−4を備えた構成を有する。このような構成により、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を従来技術よりも高い精度で推定し、その推定結果を用いて目標の高度を高精度に推定することが可能となる。   Further, the height measuring device 1 shown in the first embodiment includes a delay time estimation device including an own device altimeter 1-5, which is an altitude measuring unit that measures the altitude of the own device, and a transmission unit that has already been described, and its delay time. Height measurement processing that is a target height estimation unit that estimates the target altitude based on the delay times of the direct reflection wave and the indirect reflection wave estimated by the estimation device and the altitude of the own device measured by the own device altimeter 1-5 It has the structure provided with the part 1-4. With such a configuration, it is possible to estimate the arrival delay times of the direct reflected wave and the indirect reflected wave with higher accuracy than in the prior art, and to estimate the target altitude with high accuracy using the estimation result.

なお、実施の形態1及び以降の実施の形態において、直接反射波を第1の到来波、間接反射波を第2の到来波と呼んでも構わない。   In Embodiment 1 and the following embodiments, the direct reflected wave may be referred to as a first incoming wave, and the indirect reflected wave may be referred to as a second incoming wave.

実施の形態2
実施の形態1は1つのパルスヒットに対する処理を示したのに対し、実施の形態2では複数のパルスヒットに対する受信信号を用いた処理を示す。
Embodiment 2
The first embodiment shows processing for one pulse hit, while the second embodiment shows processing using received signals for a plurality of pulse hits.

複数のパルスヒットを用いる場合、前方を監視する航空機・飛翔体レーダに本実施の形態の測高装置を搭載すると、目標からの直接反射波と間接反射波のドップラ周波数差がわずかに異なる。本実施の形態は、このような環境においてコヒーレント積分後の直接反射波と間接反射波が同一のドップラビンに存在する時に、目標の高度推定を行う実施例である。なお、航空機は自機の高度を把握する手段を備えているとする。また、図示していないが、レーダは自ら任意に変調された電波を送信する送信部を有している。   In the case of using a plurality of pulse hits, if the height measuring device of the present embodiment is mounted on an aircraft / aircraft radar that monitors the front, the difference in Doppler frequency between the direct reflected wave and the indirect reflected wave from the target is slightly different. The present embodiment is an example in which target altitude estimation is performed when a direct reflected wave and an indirect reflected wave after coherent integration exist in the same Doppler bin in such an environment. It is assumed that the aircraft has a means for grasping the altitude of the aircraft. Although not shown, the radar has a transmission unit that transmits a radio wave arbitrarily modulated by itself.

実施の形態2においても実施の形態1と同様に不要波の抑圧やコヒーレント積分等によって目標検出等を行う。実施の形態2における測高装置の構成は実施の形態1と同様であるが、実施の形態1との違いは目標検出部1−2から遅延時間推定部1−3への出力が目標の位置情報とQ×1の積分後のレンジデータではなく、目標の位置情報とQ×Nsのレンジヒット行列となる。ここで、Nsはパルスヒット数である。また、その変更に伴い、それぞれの処理ブロックで行われる処理と出力が実施の形態1と異なる。   In the second embodiment, similarly to the first embodiment, target detection is performed by suppressing unnecessary waves, coherent integration, and the like. The configuration of the height measuring device in the second embodiment is the same as that in the first embodiment, but the difference from the first embodiment is that the output from the target detection unit 1-2 to the delay time estimation unit 1-3 is the target position. It is not the range data after integration of information and Q × 1, but the target position information and the range hit matrix of Q × Ns. Here, Ns is the number of pulse hits. In addition, with the change, the processing and output performed in each processing block are different from those in the first embodiment.

図6は本実施の形態における遅延時間推定部1−3の構成図である。複数のヒット間でわずかにドップラ周波数が異なることが見込まれる場合、完全相関ではないため、ヒットごとの直接反射波と間接反射波の位相関係が異なり直接反射波と間接反射波との相関を算出しやすくなる。その結果、1つのヒットのみを用いる場合と比べて、移動平均回数を少なくすることができる。   FIG. 6 is a configuration diagram of the delay time estimation unit 1-3 in the present embodiment. If the Doppler frequency is expected to be slightly different between multiple hits, the correlation between the direct and indirect reflected waves is different because the phase relationship between the direct and indirect reflected waves is different for each hit. It becomes easy to do. As a result, the number of moving averages can be reduced as compared with the case where only one hit is used.

遅延時間推定部1−3のレンジビン抽出部3−2は入力がQ×Nsのレンジヒット行列となったことで、実施の形態1とは異なり、レンジビン抽出部3−2からの出力がL×Nsの行列となる。ここで、Lは抽出レンジビン数である。   Unlike the first embodiment, the range bin extraction unit 3-2 of the delay time estimation unit 1-3 has an input of a Q × Ns range hit matrix, so that the output from the range bin extraction unit 3-2 is L ×. Ns matrix. Here, L is the number of extraction range bins.

レンジFFT処理部3−3はレンジビン抽出部3−2から出力されたL×Nsのレンジヒット行列のレンジ方向を離散フーリエ変換等によって周波数領域へ変換する手段を構成する。レンジ方向を周波数領域に変換したL×Nsのレンジヒットデータは移動平均回数計算部3−4へと出力される。   The range FFT processing unit 3-3 constitutes means for converting the range direction of the L × Ns range hit matrix output from the range bin extracting unit 3-2 into the frequency domain by discrete Fourier transform or the like. The L × Ns range hit data obtained by converting the range direction to the frequency domain is output to the moving average number calculation unit 3-4.

移動平均回数計算部3−4で行われるスペクトラム形状による移動平均回数の算出につかう受信データ相関行列Rxxは、レンジデータXがL×Nsの行列であるため以下のように表現される。

Figure 0006287674
上記、受信データ相関行列が得られた後、移動平均回数計算部3−4は、実施の形態1の移動平均回数計算部2−4と同様の手順で移動平均回数を算出する。 The reception data correlation matrix R xx used for calculating the moving average number based on the spectrum shape performed by the moving average number calculation unit 3-4 is expressed as follows because the range data X is an L × Ns matrix.
Figure 0006287674
After the reception data correlation matrix is obtained, the moving average number calculation unit 3-4 calculates the moving average number in the same procedure as the moving average number calculation unit 2-4 of the first embodiment.

移動平均処理部3−5は移動平均回数計算部3−4から出力された回数の移動平均を受信データ相関行列Rxxに適用し、超分解能遅延時間推定部3−6へと出力する。 The moving average processing unit 3-5 applies the moving average of the number of times output from the moving average number calculation unit 3-4 to the reception data correlation matrix Rxx and outputs the result to the super-resolution delay time estimation unit 3-6.

実施の形態2における超分解能遅延時間推定部3−6以降の処理は実施の形態1と同じため割愛する。   Since the processing after super-resolution delay time estimation unit 3-6 in the second embodiment is the same as that in the first embodiment, it is omitted.

このように、実施の形態2では複数のパルスヒットに対する受信信号を用いて、行列形式のレンジデータXを扱う。また、行列形式のレンジデータXから受信データ相関行列Rxxを算出することで、以降、実施の形態1と同様の処理を行うことができる。
また、わずかにドップラ周波数が異なることが見込まれる場合、完全相関ではないため、コヒーレント積分後のデータを使う場合に比べて移動平均回数を少なくすることができる。
As described above, in the second embodiment, the range data X in the matrix format is handled using the reception signals for a plurality of pulse hits. Further, by calculating the reception data correlation matrix R xx from the matrix format range data X, the same processing as in the first embodiment can be performed thereafter.
In addition, when the Doppler frequencies are expected to be slightly different, the correlation is not complete, so that the number of moving averages can be reduced compared to the case of using data after coherent integration.

このように、実施の形態2では、電波を送信する送信部は電波を複数回送信し、平均回数計算部である移動平均回数計算部3−4は複数回送信された電波に対応した複数の、直接反射波及び間接反射波を含む波形、を用いて移動平均回数を決定する。このような構成により、送信部が電波を1回送信する場合と比較して、移動平均回数を少なくすることが可能となる。また、移動平均回数を少なくすることができると、周波数領域で大きなベクトルサイズをもつレンジデータを用いて超分解能法を適用することができ、到来波を推定する時間分解能と推定精度を向上することが可能となる。  As described above, in the second embodiment, the transmission unit that transmits radio waves transmits the radio waves a plurality of times, and the moving average number calculation unit 3-4 that is an average number calculation unit includes a plurality of radio waves that are transmitted a plurality of times. The number of moving averages is determined using a waveform including a direct reflected wave and an indirect reflected wave. With such a configuration, it is possible to reduce the number of moving averages compared to a case where the transmission unit transmits radio waves once. Also, if the number of moving averages can be reduced, the super-resolution method can be applied using range data with a large vector size in the frequency domain, and the time resolution and estimation accuracy for arriving waves can be improved. Is possible.

1:測高装置、1−1:受信アンテナ、1−2:目標検出部、1−3:遅延時間推定部、1−4:測高処理部、1−5:自機高度計、2−1:超分解能推定処理適用判定部、2−2:レンジビン抽出部、2−3:レンジFFT処理部、2−4:移動平均回数計算部、2−5:移動平均処理部、2−6:超分解能遅延時間推定部、3−1:超分解能推定処理適用判定部、3−2:レンジビン抽出部、3−3:レンジFFT処理部、3−4:移動平均回数計算部、3−5:移動平均処理部、3−6:超分解能遅延時間推定部 1: Height measuring device, 1-1: Reception antenna, 1-2: Target detection unit, 1-3: Delay time estimation unit, 1-4: Height measurement processing unit, 1-5: Own altimeter, 2-1 : Super-resolution estimation processing application determination unit, 2-2: Range bin extraction unit, 2-3: Range FFT processing unit, 2-4: Moving average number calculation unit, 2-5: Moving average processing unit, 2-6: Super Resolution delay time estimation unit, 3-1: Super-resolution estimation processing application determination unit, 3-2: Range bin extraction unit, 3-3: Range FFT processing unit, 3-4: Moving average number calculation unit, 3-5: Movement Average processing unit, 3-6: Super-resolution delay time estimation unit

Claims (6)

第1及び第2の到来波を含む波形を用いて超分解能法により前記第1及び第2の到来波の基準時刻に対する遅延時間を推定する遅延時間推定装置であって、
前記超分解能法で用いる相関行列を算出するために、前記波形をフーリエ変換して得られる複数の周波数成分の一部を含む複数の異なるサブセットのそれぞれに対して算出される複数の相関行列を平均化する平均化処理を行う平均化回数を、前記波形に含まれる既知信号の大きさを遅延時間に対して示した遅延時間スペクトラムに基づき算出されるパラメータに基づき決定する平均回数計算部と、
前記平均回数計算部で決定された平均化回数に基づき、前記平均化処理を行うことにより前記超分解能法で用いる相関行列を算出する平均処理部と、
前記平均処理部で算出された相関行列を用いて超分解能法を行うことにより、前記第1及び第2の到来波の基準時刻に対する遅延時間を推定する超分解能遅延時間推定部と、
を備えたことを特徴とする遅延時間推定装置。
A delay time estimation device that estimates a delay time with respect to a reference time of the first and second incoming waves by a super-resolution method using a waveform including the first and second incoming waves,
In order to calculate a correlation matrix used in the super-resolution method, an average of a plurality of correlation matrices calculated for each of a plurality of different subsets including a part of a plurality of frequency components obtained by Fourier transforming the waveform An average number of times for performing the averaging process to determine, based on a parameter calculated based on a delay time spectrum indicating the magnitude of the known signal included in the waveform with respect to the delay time, and
An average processing unit that calculates a correlation matrix used in the super-resolution method by performing the averaging process based on the averaging number determined by the average number calculation unit;
A super-resolution delay time estimation unit that estimates a delay time with respect to a reference time of the first and second arrival waves by performing a super-resolution method using the correlation matrix calculated by the average processing unit;
A delay time estimation device comprising:
前記波形から算出されるパラメータは、前記遅延時間スペクトラムの2番目に大きいピークの値と、1番目と2番目のピークの間にある谷の最低値との差である
ことを特徴とする請求項に記載の遅延時間推定装置。
The parameter calculated from the waveform is a difference between a second largest peak value of the delay time spectrum and a lowest valley value between the first and second peaks. 2. The delay time estimation apparatus according to 1.
前記遅延時間スペクトラムに基づき超分解能法による前記第1及び第2の到来波の遅延時間推定を行うか否かを判定する判定部を備え、
前記判定部が超分解能法による遅延時間推定を行うと判定した場合に、前記超分解能法による前記第1及び第2の到来波の遅延時間推定を行う
ことを特徴とする請求項または請求項に記載の遅延時間測定装置。
A determination unit that determines whether or not to perform delay time estimation of the first and second arrival waves by a super-resolution method based on the delay time spectrum;
When the determination unit determines that performing the delay time estimation by super-resolution method, according to claim 1 or claim and performing the said first and second incoming wave delay time estimation by the super-resolution method 3. The delay time measuring device according to 2.
前記基準時刻に目標に向けて電波を送信する送信部を備え、
前記第1の到来波は前記電波が前記目標で反射されて直接到来する直接反射波であり、
前記第2の到来波は前記電波が前記目標で反射された後、該目標以外の位置で反射された間接反射波である
ことを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の遅延時間推定装置。
A transmitter that transmits radio waves toward the target at the reference time;
The first incoming wave is a directly reflected wave that directly arrives when the radio wave is reflected by the target;
After the second incoming wave which the radio wave is reflected by the target, according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the indirect wave reflected at a position other than the target Delay time estimation device.
前記送信部は電波を複数回送信し、
前記平均回数計算部は前記複数回送信された電波に対応した複数の、前記第1及び第2の到来波を含む波形、を用いて前記平均化回数を決定する
ことを特徴とする請求項に記載の遅延時間推定装置。
The transmitter transmits radio waves multiple times,
Claim 4 wherein the average number calculator, characterized in that determining the averaging count using a waveform, comprising a plurality of said first and second incoming wave corresponding to the radio waves transmitted the plurality of times The delay time estimation apparatus according to 1.
自装置の高度を測定する高度測定部と、
請求項に記載の遅延時間推定装置と、
前記遅延時間推定装置により推定された前記直接反射波と前記間接反射波の遅延時間、及び前記高度測定部で測定された自装置の高度に基づき、前記目標の高度を推定する目標高度推定部と、
を備えたことを特徴とする測高装置。
An altitude measurement unit that measures the altitude of the device itself;
The delay time estimation apparatus according to claim 4 ,
A target altitude estimation unit that estimates the altitude of the target based on the delay times of the direct reflected wave and the indirect reflected wave estimated by the delay time estimation device, and the altitude of the own device measured by the altitude measurement unit; ,
A height measuring device comprising:
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