JP6598183B2 - 観測装置、観測方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、例えばレーダによる観測に使われる観測装置、観測方法及びプログラムに関する。

例えばレーダにおいて観測対象物を観測する場合は、アンテナの回転等によってアンテナビームのビーム方向を回転させ、アンテナからの受信電界信号の強さを観測する方法が用いられている。

従来から、デコンボリューション法を用いて電波源の分布関数を求めることにより、このような分解能を向上させる手法が知られている。

しかし、デコンボリューション法を用いた手法は、方位角に対する関数値として与えられるだけであるので、直接電波源情報を抽出することができないという問題がある。

そこで、本発明者は、プロニー法を用いて電波源情報を直接求める手法を提唱した（特許文献１参照）。この手法では、プロニー法でフィッティングした信号の指数関数（Ａ・exp(−ｊωθ_０）のＡ及びその引数(−ｊθ_０）に基づき電波源情報を抽出している。ここで、Ａは振幅、ｊは虚数単位、ωは空間周波数、θ_０は方位角を示す。

特開２０００−１１４８５０号公報

本発明者が提唱した上記手法は、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が十分に高くない場合には、雑音の影響を受け、実際の電波源でない情報が実際の電波源と区別できずに抽出され、表示される、というおそれがあった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、信号対雑音比が十分に高くない場合であっても実際の電波源を実際の電波源でない情報と区別できるように抽出することができる観測装置、観測方法及びプログラムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る観測装置は、所定の方位角内でビームが走査されるアンテナからの受信電界信号及び前記走査されるビームの方位角の信号に基づき、前記受信電界信号の分布関数を方位角の周波数領域にフーリエ変換し、前記フーリエ変換した第１のスペクトル関数による信号を、前記アンテナのアンテナパターンを方位角の周波数領域にフーリエ変換した第２のスペクトル関数による信号で除算し、前記除算した信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングする信号処理部を具備する。

デコンボリューション法の途中で得られる電波源分布スペクトルは、電波源の分布関数を方位角に関してフーリエ変換したものである。電波源の分布は複数の離散電波源の和であるとモデル化することが可能である。離散した電波源はそれぞれが点波源と考えることができるため、それをフーリエ変換したものは周波数領域上では振幅が一定の指数関数で表現される。従って、電波源分布スペクトルはこのような指数関数の和として表現される。それ故、特許文献１で開示した手法により、すなわち電波源分布スペクトルからプロニー法により指数関数成分を抽出することにより、電波源分布に関する情報を直接取得することが可能である。

ところが、現実の装置においては、電波源分布スペクトルには雑音のスペクトルが重畳しているため、抽出した指数関数成分には雑音に起因する指数関数成分も含まれる。到来電波に起因する指数関数成分の振幅は一定であるが、雑音に起因する指数関数の振幅は一定となるとは限らない。

本発明者の知見によれば、電波源分布スペクトルから指数関数成分を抽出する際に、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングすることで、指数関数の振幅が一定である場合、指数関数の実数部は０であるが、指数関数の振幅が一定でない場合は、指数関数の実数部は０ではない、ことを見い出した。すなわち、抽出した指数関数成分の引数の実数部の値により、到来電波に起因する指数関数であるか、雑音に起因する指数関数であるかの識別が可能であることを、見い出した。

従って、本発明により、信号対雑音比が十分に高くない場合であっても実際の電波源を実際の電波源でない情報と区別できるように抽出することができる。

前記信号処理部は、前記フィッティングにより得られた電波源候補のうち、前記実数部の絶対値が所定値以下の電波源候補を抽出することが好ましい。

前記信号処理部は、前記抽出した電波源候補から実際の電波源を特定するための情報を前記指数関数から取得することが好ましい。

前記抽出した電波源候補から実際の電波源を特定するための情報は、前記電波源候補の相対振幅の値、実数部の値及び方位角の値であることがより好ましい。

本発明に係る観測装置は、前記抽出された電波源候補及び前記実際の電波源を特定するための情報を表示する表示部を更に具備することが好ましい。

前記信号処理部は、プロニー法によりフィッティングする前に、前記除算した信号にローパスフィルタ処理を施すことが好ましい。

本発明に係る観測装置は、前記所定の方位角内でビームが走査されるアンテナとして、ビームアンテナ及び当該ビームアンテナを回転するアンテナ回転装置で構成されたアンテナシステム、電子的アンテナビーム走査装置を有するアンテナシステム及びビームアンテナ及び当該ビームアンテナを移動するアンテナ移動装置で構成されたアンテナシステムのうち、いずれかのアンテナシステムを更に具備することが好ましい。

本発明に係る観測装置は、前記アンテナに送信電力を供給する送信部と、送受信の切り替えを行うスイッチ部とを更に具備することが好ましい。

本発明の一形態に係る観測方法は、所定の方位角内でビームが走査されるアンテナからの受信電界信号及び前記走査されるビームの方位角の信号に基づき前記受信電界信号の分布関数を方位角の周波数領域にフーリエ変換するステップと、前記フーリエ変換した第１のスペクトル関数による信号を、前記アンテナのアンテナパターンを方位角の周波数領域にフーリエ変換した第２のスペクトル関数による信号で除算するステップと、前記除算した信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングするステップとを備える。

本発明の一形態に係るプログラムは、所定の方位角内でビームが走査されるアンテナからの受信電界信号及び前記走査されるビームの方位角の信号に基づき、前記受信電界信号の分布関数を方位角の周波数領域にフーリエ変換するステップと、前記フーリエ変換した第１のスペクトル関数による信号を、前記アンテナのアンテナパターンを方位角の周波数領域にフーリエ変換した第２のスペクトル関数による信号で除算するステップと、前記除算した信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングするステップとをコンピュータに実行させる。

本発明により、信号対雑音比が十分に高くない場合であっても実際の電波源を実際の電波源でない情報と区別できるように抽出することができる。

本発明に一実施形態に係る観測装置を示すブロック図である。 図１に示した観測装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。 本発明に一実施形態に係る受信電界信号の分布関数ｅ（θ）の｛ｅ（θ）｝^２の対数表示を示すグラフである。 本発明に一実施形態に係る｛ｅ（θ）｝^２を方位角の周波数領域にフーリエ変換したスペクトル関数Ｅ（ω）の｛Ｅ（ω）｝^２を示すグラフである。 本発明に一実施形態に係るアンテナのアンテナパターンｇ（θ）の｛ｇ（θ）｝^２の対数表示を示すグラフである。 本発明に一実施形態に係る｛ｇ（θ）｝^２を方位角の周波数領域にフーリエ変換したスペクトル関数Ｇ（ω）の｛Ｇ（ω）｝^２を示すグラフである。 本発明に一実施形態に係るＥ（ω）／Ｇ（ω）より求められるＦ（ω）を示すグラフである。 本発明に一実施形態に係る電波情報源のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。 特許文献１に示された手法に係る電波情報源のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明に一実施形態に係る観測装置を示すブロック図である。この実施形態は、本発明に係る観測装置をレーダ装置に適用したものである。

図１に示すように、観測装置１０は、アンテナシステム１１と、送信部１２と、受信部１３と、スイッチ部１４と、信号処理部１５と、表示部１６とを具備する。

この観測装置１０は、レーダ装置であり、対象物に向けて電波を送信し、その反射波を観測することにより、対象物の方向等を測る装置である
アンテナシステム１１は、所定の方位内でアンテナビームを走査するものであり、ビームアンテナ１１１及び当該ビームアンテナ１１１を回転するアンテナ回転装置１１２で構成される。アンテナ回転装置１１２は、ビームアンテナ１１１の分解能を向上させる方向にビームアンテナ１１１を回転させる。アンテナシステム１１は、アンテナ回転装置１１２の回転に応じた、つまり走査されるビームの方位角に応じた方位角の信号を出力する。ビームアンテナとしては、ダイポール系のアンテナ、ホーンアンテナ、パラボラアンテナ、アレイアンテナなど如何なるアンテナでも用いることができる。

送信部１２は、ビームアンテナ１１１に送信電力を供給する。

受信部１３は、ビームアンテナ１１１の受信電波を受信電界信号に変換する。

スイッチ部１４は、送受信の切り替えを行う。

信号処理部１５は、スイッチ部１４を介して受信部１３から受信電界信号及びアンテナシステム１１から方位角の信号を入力し、所定の信号処理を施し、電波源候補、その電波源候補の相対振幅、後述する実数部の値及び位置（方位角）に関する情報などを出力する。

表示部１６は、信号処理部１５からの出力に基づき電波源候補の相対振幅、実数部の値及び位置（方位角）に関する情報の相対振幅値及び方位角などに関する情報を表示する。

図２は、上記の信号処理部１５の構成を示すブロック図である。

図２に示すように、信号処理部１５は、フーリエ変換部１５１と、アンテナパターン保持部１５２と、除算部１５３と、ローパスフィルタ部１５４と、指数関数抽出部１５５と、指数関数選択部１５６と、電波源情報取得部１５７とを有する。

フーリエ変換部１５１は、入力した受信電界信号の分布関数ｅ（θ）を方位角の周波数領域にフーリエ変換したスペクトル関数Ｅ（ω）を求める。ここで、θは方位角、ωは空間周波数である。

アンテナパターン保持部１５２は、ビームアンテナ１１１のアンテナパターンｇ（θ）を方位角の周波数領域にフーリエ変換したスペクトル関数Ｇ（ω）を保持する。使用するアンテナが決まれば、アンテナパターンｇ（θ）も決まるため、Ｇ（ω）はｇ（θ）から計算により求めることができる。一般的には、アンテナパターンｇ（θ）は、点波源が１個存在する場合のアンテナ受信電界として測定される。Ｇ（ω）は、このアンテナの点波源１個が存在する場合の受信電界パターン（アンテナパターンｇ（θ））を方位角の周波数領域にフーリエ変換して求めることができる。

除算部１５３は、スペクトル関数Ｅ（ω）による信号を、スペクトル関数Ｇ（ω）による信号で除算する。除算値は、電波源を方位角の周波数領域にフーリエ変換したスペクトル関数Ｆ（ω）による信号である。すなわち、除算部１５３は、
Ｆ（ω）＝Ｅ（ω）／Ｇ（ω）
を求める。

ローパスフィルタ部１５４は、除算部１５３からの出力信号に対してローパスフィルタ処理を行う。アンテナの受信電界パターンをフーリエ変換した信号には、物理的に空間周波数上の帯域が存在するため、その帯域を超えた領域の成分は持ち得ないが、除算部１５３で信号処理を行って取得した除算信号（電波源分布スペクトル）には、上記帯域を超えた領域の周波数成分が含まれる。これは実際の処理と理想的な処理との差により発生する。この帯域を超えた領域の信号成分を、そのまま用いて次段の処理を行うと、信号を劣化させることになる。従って、ここでローパスフィルタ処理を行い、上記帯域を超えた領域の信号成分を除去し、信号の劣化を防止している。

ここで、レーダで観測する電波源は離散散乱体の集合であるとみなせる。これを数式で表現すると下記のとおりとなる。ここで、Ｍは電波源の個数である。

従って、レーダで観測されるＦ（ω）を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングすると、そのスペクトル関数Ｆ（ω）は、以下のとおりとなる。ここで、Ｎは観測データ数である。

スペクトル関数Ｆ（ω）は、引数に実数部α_ｉが含まれている点で、特許文献１で開示された手法と異なる。つまり、本発明に係るプロニー法では、Ａ_ｉ、θ_ｉの他に、α_ｉも出力される。

実際の電波源（対象物）に相当するα_ｉは理想的には０である。しかし実際には、必ずしも０とはならないものの、小さい値である。一方、ノイズに相当するα_ｉは任意の値であり、小さい値の場合もあれば、大きい値の場合もある。本発明に係る手法は、この点を利用し、α_ｉの大きさに閾値を設け、閾値以下のα_ｉに対するＡ_ｉ、θ_ｉを使用することにより、ノイズの影響を低減する。

指数関数抽出部１５５は、除算部１５３で除算し、ローパスフィルタ処理を行った信号を、引数(α_ｉ−ｊθ_ｉ）に実数部α_ｉと虚数部ｊθ_ｉとを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングする。

指数関数選択部１５６は、予めα_ｉの大きさに閾値（例えば絶対値で０．０１）を設け、閾値以下のα_ｉの離散点の指数関数（電波源候補）を選択する。

電波源情報取得部１５７は、指数関数選択部１５６で選択した指数関数から電波源情報を取得する。電波源情報としては、各電波源候補の相対振幅の値、実数部の値、位置（方位角）の値など電波源候補から実際の電波源を特定するための情報である。

次に、このように構成した観測装置１０の動作を説明する。
アンテナ回転装置１１２によりビームアンテナ１１１を回転させながら、送信部１２からビームアンテナ１１１に送信電力を供給し、ビームアンテナ１１１から電波を送信する。

ビームアンテナ１１１から送信された電波が散乱体（対象物）で反射されて戻ってくると、ビームアンテナ１１１は受信電波を出力する。スイッチ部１４を介した受信電波は受信部１３で受信電界信号に変換され、次いで信号処理部１５に入力される。

信号処理部１５では、以下の信号処理が実行される。
・受信電界信号の分布関数ｅ（θ）を方位角の周波数領域にフーリエ変換したスペクトル関数Ｅ（ω）を求める。
・このスペクトル関数Ｅ（ω）による信号を、ビームアンテナ１１１のアンテナパターンｇ（θ）を方位角の周波数領域にフーリエ変換したスペクトル関数Ｇ（ω）の信号で除算する。
・除算信号に対してローパスフィルタ処理を行う。
・ローパスフィルタ処理を行った信号を、引数(α_ｉ−ｊθ_ｉ）に実数部α_ｉと虚数部ｊθ_ｉとを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングする。
・予めα_ｉの大きさに閾値を設け、閾値以下のα_ｉの離散点の指数関数（電波源候補）を選択する。
・選択した指数関数から電波源情報を取得する。

各電波源候補の相対振幅の値、実数部の値、位置（方位角）の値などの情報が表示部１６により表示される。表示部１６は表形式などでこれらの情報を表示する。

次に、本発明に係る効果を確認するために行った数値シミュレーション結果を説明する。
本発明に係るアンテナとしてアンテナ長が波長の１０．１６倍の一様分布の開口面アンテナ（アンテナビーム幅：５度）を用い、このアンテナを−９０度から＋９０度まで回転させながら電波を送信し、アンテナから等距離上の−２．５度及び＋２．５度の方向に位置する電波的に同一の点散乱体で散乱され、このアンテナに戻ってくる電波を信号対雑音比が１０ｄＢの環境で取得した際に得られる電波情報源を検討した。

受信電界信号の分布関数ｅ（θ）の｛ｅ（θ）｝^２の対数表示を図３に示す。
｛ｅ（θ）｝^２を方位角の周波数領域にフーリエ変換したスペクトル関数Ｅ（ω）の｛Ｅ（ω）｝^２を図４に示す。
アンテナのアンテナパターンｇ（θ）の｛ｇ（θ）｝^２の対数表示を図５に示す。
｛ｇ（θ）｝^２を方位角の周波数領域にフーリエ変換したスペクトル関数Ｇ（ω）の｛Ｇ（ω）｝^２を図６に示す。

Ｅ（ω）／Ｇ（ω）より求められるＦ（ω）を図７に示す。ローパスフィルタ処理はこの図７の周波数領域における絶対値で例えば０．１５（度^−１）内の信号を通過させる。

ローパスフィルタ処理を行ったＦ（ω）を引数(α_ｉ−ｊθ_ｉ）に実数部α_ｉと虚数部ｊθ_ｉとを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングし、実数部α_ｉの閾値が絶対値で０．０１以下のα_ｉの指数関数を選択し、その選択した指数関数の電波源情報を表１に示す。

表１に示した電波情報源の実際のシミュレーション結果を図８に示す。
これにより、本発明により得られる電波情報源より、実際の電波源に近い２つの方向にほぼ同じ強度の電波源が存在することが分かる。また、これらの方向から離れた方向に電波源（ここでは６個）の存在を示す情報も示されるが、強度が約１５ｄＢ以上小さいため、雑音によるものと判断することができる。

比較例として、特許文献１に示された手法により、上記と同様の数値シミュレーションを行った結果を表２に示す。また表２に示した電波情報源の実際のシミュレーション結果を図９に示す。

本発明に係る電波源情報によれば、実際の電波源以外に６個の電波源情報が示されるが、これら６個の電波源は最大強度の電波源よりも振幅が１５ｄＢ以上小さいため、雑音によるものと判断することが可能である。これに対して、特許文献１に示された手法では、−３０度付近に非常に強い電波源が１個確認できる。実際の電波源に相当する情報も出力されるが、振幅の強度が７０ｄＢ以上小さい。その他の情報も振幅の強度が５０ｄＢ以上小さいため、−３０度付近以外には電波源が存在しないと判断される結果となっている。

つまり、特許文献１に示された手法では、観測対象物に対する振幅よりも、ノイズに対する振幅の方が大きくなり、誤った結果が支配的になる現象が発生する。これに対して、本発明に係る手法では、観測対象物に相当するＦ（ω）の指数関数の引数(α_ｉ−ｊθ_ｉ）の実数部α_ｉの値は理想的には０であり、実際には必ずしも０とはならないものの、小さい値である一方、ノイズに相当するα_ｉの値は任意の値であり、小さい値の場合もあれば、大きい値の場合もある。本発明に係る手法では、この点を利用し、実数部α_ｉの値の大きさに閾値を設け、閾値以下の実数部α_ｉに対するＦ（ω）の指数関数を抽出することにより、ノイズの影響を低減できる。

本発明は、上記の実施形態には限定されず、様々な変形が可能であり、それらも本発明の技術的思想の範囲に属する。
上記の実施形態においては、アンテナビームの指向方向を、観測電波源方向に移動させるための手段として、機械的なアンテナ回転装置を用いたものを示したが、アンテナビームの指向方向を移動させる手段としては、電子的なアンテナビーム走査手段や、航空機、人工衛星等のような移動プラットフォームに搭載してアンテナビームを移動させる手段等を用いることができる。

また、上記の実施形態は、観測装置がアンテナシステムや表示部などを有するものであったが、観測装置が外部のアンテナシステムから受信電界信号や信号を入力する構成であっても構わない。また、観測装置が外部の表示装置に情報を出力し、表示装置に情報を表示させる構成であってもよい。また、観測装置は情報を表示することなく、指数関数から電波源情報に基づき所定の判断処理を実行してもよい。

また、上記の実施形態では、アンテナパターン保持部がビームアンテナのアンテナパターンｇ（θ）を方位角の周波数領域にフーリエ変換したスペクトル関数Ｇ（ω）を保持するものであったが、ビームアンテナのアンテナパターンｇ（θ）が動的に変動するような場合にはその都度を入力し、スペクトル関数Ｇ（ω）を算出するように構成してもよい。

上記の実施形態で例示した実数部α_ｉの閾値は適応的に可変するものであってもよい。

１０ 観測装置
１１ アンテナシステム
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ スイッチ部
１５ 信号処理部
１６ 表示部
１５１ フーリエ変換部
１５２ アンテナパターン保持部
１５３ 除算部
１５４ ローパスフィルタ部
１５５ 指数関数抽出部
１５６ 指数関数選択部
１５７ 電波源情報取得部

Claims (9)

1. 所定の方位角内でビームが走査されるアンテナからの受信電界信号及び前記走査されるビームの方位角の信号に基づき、前記受信電界信号の分布関数を方位角の周波数領域にフーリエ変換し、前記フーリエ変換した第１のスペクトル関数による信号を、前記アンテナのアンテナパターンを方位角の周波数領域にフーリエ変換した第２のスペクトル関数による信号で除算し、前記除算した信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングする信号処理部
   を具備し、
   前記信号処理部は、前記フィッティングにより得られた電波源候補のうち、前記実数部の絶対値が所定値以下の電波源候補を実際の電波源として抽出する、観測装置。
2. 前記信号処理部は、前記抽出した電波源候補から実際の電波源を特定するための情報を、前記指数関数から取得する
   請求項１に記載の観測装置。
3. 前記抽出した電波源候補から実際の電波源を特定するための情報は、前記電波源候補の相対振幅の値、実数部の値及び方位角の値である
   請求項２に記載の観測装置。
4. 前記抽出された電波源候補及び前記実際の電波源を特定するための情報を表示する表示部
   を更に具備する、請求項２又は３に記載の観測装置。
5. 前記信号処理部は、プロニー法によりフィッティングする前に、前記除算した信号にローパスフィルタ処理を施す
   請求項１から４のうちいずれか１項に記載の観測装置。
6. 前記所定の方位角内でビームが走査されるアンテナとして、ビームアンテナ及び当該ビームアンテナを回転するアンテナ回転装置で構成されたアンテナシステム、電子的アンテナビーム走査装置を有するアンテナシステム及びビームアンテナ及び当該ビームアンテナを移動するアンテナ移動装置で構成されたアンテナシステムのうち、いずれかのアンテナシステム
   を更に具備する、請求項１から５のうちいずれか１項に記載の観測装置。
7. 前記アンテナに送信電力を供給する送信部と、
   送受信の切り替えを行うスイッチ部と
   を更に具備する、請求項１から６のうちいずれか１項に記載の観測装置。
8. 所定の方位角内でビームが走査されるアンテナからの受信電界信号及び前記走査されるビームの方位角の信号に基づき、前記受信電界信号の分布関数を方位角の周波数領域にフーリエ変換するステップと、
   前記フーリエ変換した第１のスペクトル関数による信号を、前記アンテナのアンテナパターンを方位角の周波数領域にフーリエ変換した第２のスペクトル関数による信号で除算するステップと、
   前記除算した信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングするステップと、
   前記フィッティングにより得られた電波源候補のうち、前記実数部の絶対値が所定値以下の電波源候補を実際の電波源として抽出するステップと、
   を備える、観測方法。
9. 所定の方位角内でビームが走査されるアンテナからの受信電界信号及び前記走査されるビームの方位角の信号に基づき、前記受信電界信号の分布関数を方位角の周波数領域にフーリエ変換するステップと、
   前記フーリエ変換した第１のスペクトル関数による信号を、前記アンテナのアンテナパターンを方位角の周波数領域にフーリエ変換した第２のスペクトル関数による信号で除算するステップと、
   前記除算した信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングするステップと、
   前記フィッティングにより得られた電波源候補のうち、前記実数部の絶対値が所定値以下の電波源候補を実際の電波源として抽出するステップと、
   をコンピュータに実行させるプログラム。