JP5607424B2 - パルス圧縮装置、レーダ装置、パルス圧縮方法、およびパルス圧縮プログラム - Google Patents

Description

この発明は、受信信号のパルス圧縮を行うパルス圧縮装置に関するものである。

従来、レーダ装置等においては、距離方向の分解能を向上させるために受信信号のパルス圧縮を行うものがある（特許文献１を参照）。パルス圧縮は、リニアＦＭ等の方式で周波数変調された送信信号を参照信号として、受信信号と参照信号との相関を求めることで、高レベルの狭いパルス幅と同等の受信信号を得るものである。パルス圧縮では、レンジサイドローブを抑えるために、ガウス関数等の窓関数を掛けた信号を用いる場合や、非直線状に周波数を変化させるノン・リニアＦＭチャープ方式を用いる場合等がある。

特開２００５−２４９３９８号公報

しかし、窓関数を掛けると、パルス幅を短くしたことと等価になり、ＳＮ比が劣化する。一方、ノン・リニアＦＭチャープ方式ではＳＮ比の劣化はないが、依然としてレンジサイドローブは高く（−４０ｄＢ程度にとどまる。）、これ以上の目標レベルには達しないという課題がある。

そこで、この発明は、ＳＮ比を劣化させることなくレンジサイドローブを目標レベルにまで抑制するパルス圧縮装置を提供することを目的とする。

本発明のパルス圧縮装置は、信号入力部、信号生成部、およびパルス圧縮部を備えている。信号入力部は、送信信号に対する受信信号を入力する。信号生成部は、送信信号をキャンセルする成分を含む信号を生成する。信号生成部が生成した信号は、送信信号に基づいて形成され送信信号とは異なる波形からなる基準となる信号を含む信号の自己相関を用いて生成された信号である。パルス圧縮部は、送信信号をキャンセルする成分を含む信号と受信信号の相関を求め、前記受信信号のパルス圧縮を行う。

この様にして相関を求めると、受信信号のうち送信信号の成分はキャンセルされることになる。例えば、信号生成部の生成する信号が、基準となる信号（所望信号）の自己相関に基づいて生成された信号であるとすると、所望信号の自己相関結果が出力されることになる。したがって、受信信号は、所望信号によってパルス圧縮されることになる。

これにより、周波数変調された送信信号、特に、ＳＮ比を劣化させることのない送信信号（例えばノン・リニアＦＭチャープ方式）を用いた場合であっても、レンジサイドローブを目標レベルにまで抑制するパルス圧縮を実現することができる。

また、本発明のパルス圧縮装置は、窓関数を掛けた所望信号を用いることで、パルス圧縮の結果を窓関数の特性に応じた多種多様な特性に制御することができる。

なお、上述の様な参照信号は、具体的には以下の様にして生成することができる。

（１）所望信号の自己相関スペクトルを送信信号のスペクトルで除算し、逆フーリエ変換する。

（２）所望信号のスペクトルの振幅成分を、送信信号のスペクトルの振幅成分で除算した後に自乗し、送信信号の複素共役成分を乗算し、逆フーリエ変換する。

（３）所望信号の自己相関スペクトルの振幅成分を、送信信号の自己相関スペクトルの振幅成分で除算し、送信信号の複素共役成分を乗算し、逆フーリエ変換する。

この発明の信号処理装置によれば、ＳＮ比を劣化させることなくレンジサイドローブを抑制することができる。

本実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図である。 パルス圧縮部の構成を示すブロック図である。 同図（Ａ）はリニアＦＭチャープ方式の周波数変化を示す図であり、同図（Ｂ）はノン・リニアＦＭチャープ方式の周波数変化を示す図である。 同図（Ａ）はリニアＦＭチャープ方式の自己相関結果を示す図であり、同図（Ｂ）はノン・リニアＦＭチャープ方式の自己相関結果を示す図である。 パルス圧縮部の構成の他の例を示した図である。 パルス圧縮部の構成のさらに他の例を示した図である。

図１は、本発明のパルス圧縮装置（パルス圧縮部）を内蔵したレーダ装置の構成を示すブロック図である。レーダ装置は、例えば船舶に設置され、自船の周囲に電磁波を送受信し、他船等の物標を探知する装置である。本実施形態においては、レーダ装置について説明するが、本発明のパルス圧縮装置は、魚群探知機等、パルス状の信号を送受信する他の装置にも適用可能である。

同図において、レーダ装置は、アンテナ１１、送信部１２、切替部１３、パルス圧縮部１４、および表示処理部１５を備えている。

送信部１２は、半導体等の発振素子を有し、所定のタイミングでパルス状の送信信号を出力する。送信信号は、周波数変調された信号であり、例えば、図３（Ａ）に示すように、時間経過とともに直線上に周波数が変化するリニアＦＭチャープ方式のパルス状信号や、図３（Ｂ）に示すように、ガウス窓関数に従って周波数が変化するノン・リニアＦＭチャープ方式のパルス状信号を用いる。なお、送信信号は、ドップラーシフトの影響を抑えるために、余弦成分による振幅重み付けを行ってもよい。

送信部１２から出力された送信信号は、切替部１３を介してアンテナ１１に伝送される。アンテナ１１は、自船の周囲（所定領域）に送信信号を発射し、物標で反射したエコー信号を受信する。受信したエコー信号は、切替部１３を介してパルス圧縮部１４に出力される。なお、エコー信号は、Ａ／Ｄ変換器（不図示）により、アンテナ１１の受信強度に応じたデジタル信号（受信信号）に変換されて出力される。

パルス圧縮部１４は、受信信号と所定の参照信号との相関を求め、受信信号をパルス圧縮する。パルス圧縮された受信信号は、表示処理部１５に出力され、受信信号のレベルや送信からの時間差に応じたレーダ画像として表示される。

図２は、パルス圧縮部１４の構成の一例を示した図である。パルス圧縮部１４は、フーリエ変換部１４１、フーリエ変換部１４２、複素共役部１４３、乗算器１４４、除算器１４５、逆フーリエ変換部１４６、およびＦＩＲフィルタ１４７を備えている。

ＦＩＲフィルタ１４７は、受信信号のパルス圧縮を行う構成部である。従来のパルス圧縮では、ＦＩＲフィルタ１４７のフィルタ係数として送信信号を設定し、マッチドフィルタを実現することでパルス圧縮を行っていたが、本実施形態では、以下のようにしてフィルタ係数を設定し、パルス圧縮を行う。

まず、フーリエ変換部１４１には、送信信号が入力される。送信信号は、上述した様に、リニアＦＭチャープ方式やノン・リニアＦＭチャープ方式のパルス状信号を用いる。この例では、ノン・リニアＦＭチャープ方式のパルス状信号を用いるものとして説明する。フーリエ変換部１４１は、入力された時間軸上の送信信号を周波数軸上の信号に変換し、送信信号のスペクトルを出力する。

一方、フーリエ変換部１４２には、基準となる信号として自己相関結果（パルス圧縮結果）のレンジサイドローブが目標レベルとなる所望信号が入力される。例えば、目標レベルを−６０ｄＢとする場合、図３（Ａ）に示すようなリニアＦＭチャープ方式のパルス状信号にガウス窓関数に従った振幅重み付けを行ったもの（図３（Ｃ）を参照）を用いる。図４（Ａ）に示すように、ガウス窓関数に従った振幅重み付けを行ったリニアＦＭチャープ方式のパルス状信号は、自己相関結果のレンジサイドローブが−６０ｄＢ未満の目標レベルを満たす信号である。

フーリエ変換部１４２は、上記の様な所望信号（時間軸上の信号）を周波数軸上の信号に変換し、所望信号のスペクトルを出力する。

フーリエ変換部１４２から出力された所望信号スペクトルは、複素共役部１４３および乗算器１４４に入力される。所望信号スペクトルは、乗算器１４４で複素共役部１４３の出力信号（所望信号の複素共役）と乗算される。これにより、所望信号は、自己相関スペクトルに変換されることになり、周波数軸上でパルス圧縮されたことになる。すなわち、乗算器１４４の出力信号は、時間軸上の所望信号をパルス圧縮した後にフーリエ変換した信号と等価となる。

除算器１４５は、乗算器１４４の出力信号である所望信号の自己相関スペクトルを、フーリエ変換部１４１の出力信号である送信信号スペクトルで除算する。この除算後の信号を参照信号スペクトルとし、逆フーリエ変換部１４６で時間軸上の参照信号に変換する。この時間軸上の参照信号をＦＩＲフィルタ１４７のフィルタ係数とする。これにより、ＦＩＲフィルタ１４７では、受信信号と参照信号の相関が求められる。

ここで、参照信号は、所望信号の自己相関を送信信号で除算したものであるから、送信信号をキャンセルする成分を含んだ信号である。つまり、ＦＩＲフィルタ１４７は、送信信号をキャンセルする逆フィルタの機能を有することになる。したがって、受信信号と参照信号の相関を求めると、受信信号のうち送信信号の成分がキャンセルされ、所望信号の自己相関が出力されることになる。したがって、受信信号は、所望信号によってパルス圧縮されることになり、レンジサイドローブを目標レベルにまで抑制するパルス圧縮を実現することができる。

これにより、どの様な変調方式の送信信号を用いた場合であっても、レンジサイドローブを目標レベルにまで抑制するパルス圧縮を実現することができる。例えば、図４（Ｂ）に示すように、ＳＮ比の劣化は少ないが、自己相関結果のレンジサイドローブのレベルが−４０ｄＢ程度であるノン・リニアＦＭチャープ方式の送信信号を用いた場合であっても、パルス圧縮後のレンジサイドローブを−６０ｄＢ程度にまで抑制することができる。無論、リニアＦＭチャープ方式の送信信号を用いた場合であっても同様に、レンジサイドローブを目標レベルにまで抑制することができる。例えば、ドップラーシフトの影響が大きい魚群探知機等では、リニアＦＭチャープ方式の送信信号を用い、レーダ装置ではノン・リニアＦＭチャープ方式の送信信号を用いる、という態様を実現することが可能である。

また、上記実施形態では、所望信号はガウス窓関数に従った振幅重み付けを行う例を示したが、他の窓関数を用いてもよい。本実施形態におけるパルス圧縮後の受信信号は、所望信号の自己相関結果に準じたものとなるため、パルス圧縮の結果を窓関数の特性に応じた多種多様な特性に制御することができる。

なお、参照信号（送信信号をキャンセルする成分を含んだ信号）は、以下のようにして生成することも可能である。

図５は、パルス圧縮部１４の構成の他の例を示した図である。この例におけるパルス圧縮部１４は、フーリエ変換部１４１の出力信号（送信信号スペクトル）が複素共役部１５３および乗算器１５４に入力され、自己相関スペクトルに変換される。

そして、検波器１５６は、送信信号の自己相関スペクトルを入力し、振幅成分を抽出する。また、検波器１５５は、所望信号の自己相関スペクトルを入力し、振幅成分を抽出する。

除算器１４５は、検波器１５５の出力信号（所望信号の自己相関スペクトルの振幅成分）を、検波器１５６の出力信号（送信信号の自己相関スペクトルの振幅成分）で除算する。乗算部１５７は、この除算後の信号に送信信号スペクトルの複素共役成分（位相情報が含まれた複素信号）を乗算し、参照信号スペクトルを生成する。そして、逆フーリエ変換部１４６で時間軸上の参照信号に変換し、ＦＩＲフィルタ１４７のフィルタ係数とする。この様に、各信号を振幅成分と位相成分に分け、送信信号の自己相関スペクトルの振幅成分だけを用いて逆特性を算出し、最後に位相成分を乗算することでも、図２に示した例と同様の参照信号を生成することができる。

次に、図６は、パルス圧縮部１４の構成のさらに他の例を示した図である。この例におけるパルス圧縮部１４は、フーリエ変換部１４１の出力信号（送信信号スペクトル）が検波器１５６に入力され、フーリエ変換部１４２の出力信号（所望信号スペクトル）が検波器１５５に入力される。そして、除算器１４５は、所望信号のスペクトルの振幅成分を、送信信号のスペクトルの振幅成分で除算し、乗算器１５８は、除算器１４５の出力信号を自乗する。乗算器１５７は、この自乗後の信号に送信信号スペクトルの複素共役成分（位相情報が含まれた複素信号）を乗算し、参照信号スペクトルを生成する。そして、逆フーリエ変換部１４６で時間軸上の参照信号に変換し、ＦＩＲフィルタ１４７のフィルタ係数とする。

所望信号のスペクトルの振幅成分を送信信号のスペクトルの振幅成分で除算した後に自乗すると、所望信号のスペクトルの振幅成分を自乗したものを送信信号のスペクトルの振幅成分の自乗したもので除算したことになり、所望信号の自己相関スペクトルの振幅成分を送信信号の自己相関スペクトルの振幅成分で除算したことと等価となる。したがって、この場合においても、図２に示した例と同様の参照信号を生成することができる。

１１…アンテナ
１２…送信部
１３…切替部
１４…パルス圧縮部
１５…表示処理部
１４１…フーリエ変換部
１４２…フーリエ変換部
１４３…複素共役部
１４４…乗算器
１４５…除算器
１４６…逆フーリエ変換部
１４７…ＦＩＲフィルタ

Claims (10)

1. 送信信号に対する受信信号を入力する信号入力部と、
   前記送信信号をキャンセルする成分を含む信号を生成する信号生成部と、
   前記信号生成部の生成した信号と前記受信信号との相関を求め、前記受信信号のパルス圧縮を行うパルス圧縮部と、
   を備え、
   前記信号生成部の生成した信号は、前記送信信号に基づいて形成され前記送信信号とは異なる波形からなる基準となる信号を含む信号の自己相関を用いて生成された信号である、
   ことを特徴とするパルス圧縮装置。
2. 請求項１に記載の信号処理装置において、
   前記基準となる信号は、所定の窓関数を乗算した信号であることを特徴とするパルス圧縮装置。
3. 請求項１また請求項２に記載のパルス圧縮装置において、
   前記送信信号は、周波数変調された信号であることを特徴とするパルス圧縮装置。
4. 請求項３に記載のパルス圧縮装置において、
   前記送信信号は、ノン・リニアＦＭチャープ方式のパルス状信号であることを特徴とするパルス圧縮装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のパルス圧縮装置において、
   前記信号生成部は、前記基準となる信号の自己相関スペクトルを生成するスペクトル生成手段と、
   前記基準となる信号の自己相関スペクトルを前記送信信号のスペクトルで除算して得られる除算成分を生成する除算手段と、
   前記除算成分のスペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、を備えたことを特徴とするパルス圧縮装置。
6. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のパルス圧縮装置において、
   前記信号生成部は、前記基準となる信号のスペクトルの振幅成分、および前記送信信号のスペクトルの振幅成分を生成する振幅成分生成手段と、
   前記基準となる信号のスペクトルの振幅成分を前記送信信号のスペクトルの振幅成分で除算して得られる除算成分を生成する除算手段と、
   前記除算成分を自乗する自乗手段と、
   前記除算成分を自乗した結果に前記送信信号の複素共役成分を乗算する乗算手段と、
   前記乗算の結果のスペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、を備えたことを特徴とするパルス圧縮装置。
7. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のパルス圧縮装置において、
   前記信号生成部は、前記基準となる信号の自己相関スペクトルの振幅成分、および前記送信信号の自己相関スペクトルの振幅成分を生成する振幅成分生成手段と
   前記基準となる信号の自己相関スペクトルの振幅成分を前記送信信号の自己相関スペクトルの振幅成分で除算して得られる除算成分を生成する除算手段と、
   前記除算成分に前記送信信号の複素共役成分を乗算する乗算手段と、
   前記乗算の結果のスペクトルを逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段と、を備えたことを特徴とするパルス圧縮装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のパルス圧縮装置と、
   前記送信信号を方位毎に発射し、物標からのエコー信号を受信して前記受信信号を出力するアンテナと、
   前記パルス圧縮された受信信号に基づいて、前記物標の表示を行う表示部と、
   を備えたレーダ装置。
9. 送信信号に対する受信信号を入力する信号入力ステップと、
   前記送信信号をキャンセルする成分を含む信号を生成する信号生成ステップと、
   前記信号生成ステップで生成した信号と前記受信信号との相関を求め、前記受信信号のパルス圧縮を行うパルス圧縮ステップと、
   を備え、
   前記信号生成ステップで生成した信号は、前記送信信号に基づいて形成され前記送信信号とは異なる波形からなる基準となる信号を含む信号の自己相関を用いて生成された信号である、
   ことを特徴とするパルス圧縮方法。
10. 送信信号に対する受信信号を入力する信号入力ステップと、
    前記送信信号をキャンセルする成分を含む信号を生成する信号生成ステップと、
    前記信号生成ステップで生成した信号と前記受信信号との相関を求め、前記受信信号のパルス圧縮を行うパルス圧縮ステップと、
    をコンピュータに実行させるパルス圧縮プログラムにおいて、
    前記コンピュータが前記信号生成ステップで生成した信号は、前記送信信号に基づいて形成され前記送信信号とは異なる波形からなる基準となる信号を含む信号の自己相関を用いて生成された信号である、
    ことを特徴とするパルス圧縮プログラム。