JPWO2018105216A1 - 信号処理装置、信号処理方法および信号処理プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
周波数が変化する送信信号が対象物体で反射されたことにより得られる反射信号の波形と、前記送信信号の波形から生成した異なる相関波形との相互相関関数をそれぞれ計算する、少なくとも2つの相互相関計算手段と、
前記少なくとも2つの相互相関計算手段からの少なくとも2つの相互相関関数を、周波数偏移方向に離間しないように合成する合成手段と、
合成結果の相互相関関数に基づいて、前記対象物体を検出する検出手段と、
を備える。
周波数が変化する送信信号が対象物体で反射されたことにより得られる反射信号の波形と、前記送信信号の波形から生成した異なる相関波形との相互相関関数をそれぞれ計算する、少なくとも2つの相互相関計算ステップと、
前記少なくとも2つの相互相関計算手段からの少なくとも2つの相互相関関数を合成する合成ステップと、
合成結果の相互相関関数に基づいて、前記対象物体を検出する検出ステップと、
を含む。
周波数が変化する送信信号が対象物体で反射されたことにより得られる反射信号の波形と、前記送信信号の波形から生成した異なる相関波形との相互相関関数をそれぞれ計算する、少なくとも2つの相互相関計算ステップと、
前記少なくとも2つの相互相関計算手段からの少なくとも2つの相互相関関数を合成する合成ステップと、
合成結果の相互相関関数に基づいて、前記対象物体を検出する検出ステップと、
をコンピュータに実行させる。
本発明の第1実施形態としての信号処理装置100について、図1を用いて説明する。信号処理装置100は、反射信号により移動物体を検出する装置である。
次に、本発明の第2実施形態に係る信号処理装置について説明する。本実施形態に係る信号処理装置は、異なる相関波形として、送信波形に対して異なる周波数補正をした波形を加算した波形、または、送信波形に対して時間軸で異なる伸縮をさせた波形を加算した波形を用いる。それは、送信波形と周波数補正した波形との相互曖昧度関数が離間し、かつ、合成した場合の相互曖昧度関数が連続するような波形である。ここで、相互曖昧度関数は、異なる相関波形による相互相関関数が最大値の半分で重なることにより連続させる。また、少なくとも2つの相互相関関数の構成においては、それぞれの絶対値を加算する。なお、本実施形態で使用される送信信号は、自己曖昧度関数の値が遅延時間ゼロおよび周波数偏移ゼロの周辺で大きくなる波形であって、SFM(Sinusoidal Frequency Modulation)波形の周波数変化の速度を変調した波形、またはSFM波形の周波数変調の帯域幅を変調した波形を含む。本明細書では、前者としてASFM、後者としてBM−SFMを使用する。なお、ASFMは、GSFM(Generalized SFM)とも称される。
本実施形態の信号処理装置を説明する前に、信号処理装置の前提技術について説明する。
距離の検出能力について、曖昧度関数(ambiguity function)とよばれる表示で確認する。曖昧度関数は、非特許文献2に記載されるように、数式1で定義される。
LFMのスペクトログラムは、時間の軸と周波数の軸を有し、波形を正弦波周波数の時間変化としてあらわすものである。このLFMでは、変調帯域幅の範囲内で、直線状に周波数が変化している。相関波形として送信波形を用いた場合には、その相互曖昧度関数は自己曖昧度関数と同じであり、直線状になる。ここで、縦軸のdopplerを、反射物体の移動速度に変換して表わすと、たとえば、反射物体が移動しないことが明らかなのであれば、doppler=ゼロ(m/s)の軸を見ればよい。時間遅延Time=0の狭い付近のみで相互曖昧度関数が大きくなり、時間、すなわち反射物体までの距離が正確にわかる。しかし、反射物体の速度が分からないときには、相互曖昧度関数の値が大きい場所は直線上に無数に存在し、dopplerとtimeとの組み合わせは不定ということになる。したがって、doppler=0を仮定すると、timeに誤りが発生することになる。
特許文献1に開示された送信波形(以下、ASFM波形)のスペクトログラムを図24に、その自己曖昧度関数(相関波形として送信波形自身を用いた場合の相互曖昧度関数)を図25に示す。
上記図25のような自己曖昧度関数を有する波形で、dopplerが大きい場合に検知するためには、dopplerを考慮した波形を相関波形として用いることが考えられる。dopplerを考慮した波形としては、送信波形の周波数補正を行った波形、あるいは、送信波形の時間軸を伸縮した波形を用いる。しかしながら、相関波形の数だけ相関処理部が必要になり、反射物体の速度が不要である場合には演算量が無駄に大きくなる。また、相関波形を累積加算した波形を使用した場合に、相関波形間で相互相関関数に干渉が現われて正確な対象物体の検出ができなくなる。
図2は、本実施形態に係る信号処理装置の処理概要200を説明する図である。図2においては、送信波形と2つの相関波形との関係について、曖昧度関数を模式的に表して説明する。
図3Aは、本実施形態に係る信号処理装置310の機能構成を示すブロック図である。図3Aにおいては、本実施形態に係る信号処理装置310を受信機として示している。なお、本実施形態に係る信号処理装置310が送信機320を含む構成であってもよい。
図4は、本実施形態に係る相関処理部312,313の機能構成を示すブロック図である。
図5は、本実施形態に係る相関波形生成部401の機能構成を示すブロック図である。
以下、本実施形態の各部における特徴の観測表示例を、図6乃至図9に示す。なお、曖昧度関数は複素数であるが、図面を見やすくするためにその絶対値を濃度で示している。
図6は、本実施形態に係る送信波形のスペクトログラム610および620を示す図である。本実施形態における送信波形は、特に優れた波形として、新規に考案したBM−SFM(Bandwidth Modulator-Sinusoidal Frequency Modulation)波形である。BM−SFMは、周波数帯域幅(Bandwidth)を変調した波形であり、周波数が曲線状に増減し、周波数帯域幅が時間的に曲線状に増減する波形である。
図7は、本実施形態に係る自己曖昧度関数710および720を示す図である。なお、図7におけるドップラー偏移の最大値は、人工衛星やロケットの速度に相当する。
図8は、本実施形態に係る相互曖昧度関数810および820を示す図である。
図9Aは、本実施形態に係る合成した相互曖昧度関数900と合成状態910とを示す図である。
図9Bは、本実施形態に係る合成した相互曖昧度関数900と出力される相互相関関数920との関係を示す図である。
図10は、本実施形態に係る信号処理装置310のハードウェア構成を示すブロック図である。
図11は、本実施形態に係る相関波形生成テーブル1052の構成を示す図である。相関波形生成テーブル1052は、送信波形に基づいて波形を微妙に補正することにより、複数の補正波形を生成し、その複数の補正波形を加算して相関波形を生成するために使用される。
図12Aは、本実施形態に係る信号処理装置310の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、図10のCPU1010がRAM1040を使用して実行し、図3A、図4および図5の機能構成部を実現する。
図12Bは、本実施形態に係る相関波形生成処理の手順を示すフローチャートである。
次に、本発明の第3実施形態に係る信号処理装置について説明する。本実施形態に係る信号処理装置は、上記第2実施形態と比べると、相互相関関数の絶対値を加算するのでなく、その最大値を出力する点で異なる。その他の構成および動作は、第2実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
図13は、本実施形態に係る信号処理装置1310の機能構成を示すブロック図である。なお、図13において、図3Aと同様の機能構成図には同じ参照番号を付して、重複する説明は省略する。
図14は、本実施形態に係る合成した相互曖昧度関数1400を示す図である。
次に、本発明の第4実施形態に係る信号処理装置について説明する。本実施形態に係る信号処理装置は、上記第2実施形態と比べると、生成する相関波形が異なる。すなわち、一方の相関波形は送信波形自身を使用する。その他の構成および動作は、第2実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
図15は、本実施形態に係る信号処理装置の処理概要1500を説明する図である。なお、図15において、図2と同様の構成要素には同じ参照番号を付して、重複する説明は省略する。
図16Aは、本実施形態に係る信号処理装置1610の機能構成を示すブロック図である。なお、図16Aにおいて、図3Aと同様の機能構成部には同じ参照番号を付して、重複する説明を省略する。
図16Bは、本実施形態に係る相関波形生成テーブル1652の構成を示す図である。相関波形生成テーブル1652は、送信波形に基づいて波形を微妙に補正することにより、複数の補正波形を生成し、その複数の補正波形を加算して相関波形を生成するために使用される。なお、図16Bにおいて、図11と同様の構成要素には同じ参照番番号を付して、重複する説明は省略する。
図17は、本実施形態に係る相互曖昧度関数1710および1720を示す図である。
図18は、本実施形態に係る合成した相互曖昧度関数1800を示す図である。
次に、本発明の第5実施形態に係る信号処理装置について説明する。本実施形態に係る信号処理装置は、上記第4実施形態と比べると、相互相関関数の絶対値を加算するのでなく、その最大値を出力する点で異なる。その他の構成および動作は、第2実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
図19は、本実施形態に係る信号処理装置1910の機能構成を示すブロック図である。なお、図19において、図16Aと同様の機能構成部には同じ参照番号を付して、重複する説明を省略する。
図20は、本実施形態に係る合成した相互曖昧度関数2000を示す図である。
次に、本発明の第6実施形態に係る信号処理装置について説明する。本実施形態に係る信号処理装置は、上記第2実施形態乃至第5実施形態と比べると、3つの相関波形により相互相関係数を算出する点で異なる。その他の構成および動作は、第2実施形態から第5実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
図21は、本実施形態に係る信号処理装置の処理概要2100を説明する図である。なお、図21には、自己曖昧度関数を図示していないが、上記実施形態と同様の送信波形(図6参照)を用い、自己曖昧度関数210である。
図22は、本実施形態に係る信号処理装置2210の機能構成を示すブロック図である。なお、図22において、図3Aと同様の機能構成部には同じ参照番号を付して、重複する説明を省略する。
図23は、本実施形態に係る相関波形生成テーブル2352の構成を示す図である。相関波形生成テーブル2352は、送信波形に基づいて波形を微妙に補正することにより、複数の補正波形を生成し、その複数の補正波形を加算して相関波形を生成するために使用される。なお、図23において、図11と同様の構成要素には同じ参照番号を付して、重複する説明を省略する。
次に、本発明の第7実施形態に係る信号処理装置について説明する。本実施形態に係る噛合処理装置は、上記第2実施形態乃至第6実施形態と比べると、送信波形として、特許文献1で用いたASFMを用いる点で異なる。その他の構成および動作は、第2実施形態から第6実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
図24は、本実施形態に係る送信波形のスペクトログラム2400を示す図である。本実施形態における送信波形は、特許文献1で用いられたASFM波形である。
図25は、本実施形態に係る自己曖昧度関数2500を示す図である。
図26は、本実施形態に係る相互曖昧度関数2610および2620を示す図である。
次に、本発明の第8実施形態に係る信号処理装置について説明する。本実施形態に係る信号処理装置は、上記第2実施形態乃至第7実施形態と比べると、0付近を含む周波数領域に亘って相互曖昧度関数を連続させるのではなく、所望の周波数領域において相互曖昧度関数を離間させることによって、離間した周波数領域にある物体は検出対象から排除して、効率的に対象物体を検出する点で異なる。その他の構成および動作は、第2実施形態から第7実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
図27は、本実施形態に係る信号処理装置の処理概要2700を説明する図である。なお、図27において、図2と同様の構成要素には同じ参照番号を付して、重複する説明は省略する。
図29は、本実施形態に係る信号処理装置2910の機能構成を示すブロック図である。なお、図29において、図3Aと同様の機能構成部には同じ参照番号を付して、重複する説明を省略する。
図30は、本実施形態に係る相関波形生成テーブル3052の構成を示す図である。相関波形生成テーブル3052は、送信波形に基づいて波形を微妙に補正することにより、複数の補正波形を生成し、その複数の補正波形を加算して相関波形を生成するために使用される。なお、図30には、図27に示した処理に使用されるテーブル3010と図28に示した処理に使用されるテーブル3020とを示す。
なお、上記実施形態においては、送信波形として、BM−SFM波形やASFM波形が使用されたが、これら波形に限定されない。たとえば、白色ノイズが使用されてもよい。送信波形1101として白色ノイズを使用した場合、曖昧度関数は点になり広い移動速度に対応できないが、対象物体の検出精度が高くなる。なお、その他に、非特許文献1の位相変調信号が使用されてもよい。
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
(付記1)
周波数が変化する送信信号が対象物体で反射されたことにより得られる反射信号の波形と、前記送信信号の波形から生成した異なる相関波形との相互相関関数をそれぞれ計算する、少なくとも2つの相互相関計算手段と、
前記少なくとも2つの相互相関計算手段からの少なくとも2つの相互相関関数を、周波数偏移方向に離間しないように合成する合成手段と、
合成結果の相互相関関数に基づいて、前記対象物体を検出する検出手段と、
を備える信号処理装置。
(付記2)
前記少なくとも2つの相互相関計算手段は、前記異なる相関波形として、前記送信信号の波形に対して異なる周波数補正をした波形を加算した波形、または、前記送信信号の波形に対して時間軸で異なる伸縮をさせた波形を加算した波形を用いる、付記1に記載の信号処理装置。
(付記3)
前記少なくとも2つの相互相関計算手段は、前記異なる相関波形として、前記送信信号の波形と周波数補正した波形との相互曖昧度関数が離間し、かつ、前記合成手段で合成した場合の相互曖昧度関数が連続するような波形を用いる、付記1または2に記載の信号処理装置。
(付記4)
前記少なくとも2つの相互相関計算手段は、前記異なる相関波形として、前記送信信号の波形と周波数補正した波形との相互曖昧度関数が離間し、かつ、前記合成手段で合成した場合の相互曖昧度関数が、所定周波数範囲で離間し、その他周波数範囲で連続するような波形を用いる、付記1または2に記載の信号処理装置。
(付記5)
前記相互曖昧度関数は、前記異なる相関波形による前記相互相関関数が最大値の半分で重なることにより連続させる、付記3または4に記載の信号処理装置。
(付記6)
前記合成手段は、前記少なくとも2つの相互相関関数のそれぞれの絶対値を加算する、付記1乃至4のいずれか1項に記載の信号処理装置。
(付記7)
前記合成手段は、前記少なくとも2つの相互相関関数のそれぞれの絶対値の最大値を計算する、付記1乃至4のいずれか1項に記載の信号処理装置。
(付記8)
前記送信信号は、自己曖昧度関数の値が遅延時間ゼロおよび周波数偏移ゼロの周辺で大きくなる波形であって、SFM(Sinusoidal Frequency Modulation)波形の周波数変調の正弦波を変調した波形を含む、付記1乃至7に記載の信号処理装置。
(付記9)
前記送信信号は、周波数が曲線状に増減し、周波数帯域幅が時間的に曲線状に増減する波形を含む、付記1乃至7のいずれか1項に記載の信号処理装置。
(付記10)
前記送信信号は、周波数帯域幅を変調した波形である、付記9に記載の信号処理装置。
(付記11)
前記送信信号として周波数が変化する変調波を生成する生成手段と、
前記送信信号を前記対象物体に向けて送信する送信手段と、
をさらに備える付記1乃至10に記載の信号処理装置。
(付記12)
周波数が変化する送信信号が対象物体で反射されたことにより得られる反射信号の波形と、前記送信信号の波形から生成した異なる相関波形との相互相関関数をそれぞれ計算する、少なくとも2つの相互相関計算ステップと、
前記少なくとも2つの相互相関計算手段からの少なくとも2つの相互相関関数を合成する合成ステップと、
合成結果の相互相関関数に基づいて、前記対象物体を検出する検出ステップと、
を含む信号処理方法。
(付記13)
周波数が変化する送信信号が対象物体で反射されたことにより得られる反射信号の波形と、前記送信信号の波形から生成した異なる相関波形との相互相関関数をそれぞれ計算する、少なくとも2つの相互相関計算ステップと、
前記少なくとも2つの相互相関計算手段からの少なくとも2つの相互相関関数を合成する合成ステップと、
合成結果の相互相関関数に基づいて、前記対象物体を検出する検出ステップと、
をコンピュータに実行させる信号処理プログラム。
Claims (13)
- 周波数が変化する送信信号が対象物体で反射されたことにより得られる反射信号の波形と、前記送信信号の波形から生成した異なる相関波形との相互相関関数をそれぞれ計算する、少なくとも2つの相互相関計算手段と、
前記少なくとも2つの相互相関計算手段からの少なくとも2つの相互相関関数を、周波数偏移方向に離間しないように合成する合成手段と、
合成結果の相互相関関数に基づいて、前記対象物体を検出する検出手段と、
を備える信号処理装置。 - 前記少なくとも2つの相互相関計算手段は、前記異なる相関波形として、前記送信信号の波形に対して異なる周波数補正をした波形を加算した波形、または、前記送信信号の波形に対して時間軸で異なる伸縮をさせた波形を加算した波形を用いる、請求項1に記載の信号処理装置。
- 前記少なくとも2つの相互相関計算手段は、前記異なる相関波形として、前記送信信号の波形と周波数補正した波形との相互曖昧度関数が離間し、かつ、前記合成手段で合成した場合の相互曖昧度関数が連続するような波形を用いる、請求項1または2に記載の信号処理装置。
- 前記少なくとも2つの相互相関計算手段は、前記異なる相関波形として、前記送信信号の波形と周波数補正した波形との相互曖昧度関数が離間し、かつ、前記合成手段で合成した場合の相互曖昧度関数が、所定周波数範囲で離間し、その他周波数範囲で連続するような波形を用いる、請求項1または2に記載の信号処理装置。
- 前記相互曖昧度関数は、前記異なる相関波形による前記相互相関関数が最大値の半分で重なることにより連続させる、請求項3または4に記載の信号処理装置。
- 前記合成手段は、前記少なくとも2つの相互相関関数のそれぞれの絶対値を加算する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の信号処理装置。
- 前記合成手段は、前記少なくとも2つの相互相関関数のそれぞれの絶対値の最大値を計算する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の信号処理装置。
- 前記送信信号は、自己曖昧度関数の値が遅延時間ゼロおよび周波数偏移ゼロの周辺で大きくなる波形であって、SFM(Sinusoidal Frequency Modulation)波形の周波数変調の正弦波を変調した波形を含む、請求項1乃至7に記載の信号処理装置。
- 前記送信信号は、周波数が曲線状に増減し、周波数帯域幅が時間的に曲線状に増減する波形を含む、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の信号処理装置。
- 前記送信信号は、周波数帯域幅を変調した波形である、請求項9に記載の信号処理装置。
- 前記送信信号として周波数が変化する変調波を生成する生成手段と、
前記送信信号を前記対象物体に向けて送信する送信手段と、
をさらに備える請求項1乃至10に記載の信号処理装置。 - 周波数が変化する送信信号が対象物体で反射されたことにより得られる反射信号の波形と、前記送信信号の波形から生成した異なる相関波形との相互相関関数をそれぞれ計算する、少なくとも2つの相互相関計算ステップと、
前記少なくとも2つの相互相関計算手段からの少なくとも2つの相互相関関数を合成する合成ステップと、
合成結果の相互相関関数に基づいて、前記対象物体を検出する検出ステップと、
を含む信号処理方法。 - 周波数が変化する送信信号が対象物体で反射されたことにより得られる反射信号の波形と、前記送信信号の波形から生成した異なる相関波形との相互相関関数をそれぞれ計算する、少なくとも2つの相互相関計算ステップと、
前記少なくとも2つの相互相関計算手段からの少なくとも2つの相互相関関数を合成する合成ステップと、
合成結果の相互相関関数に基づいて、前記対象物体を検出する検出ステップと、
をコンピュータに実行させる信号処理プログラム。
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