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JP7551476B2 - レーダ装置及びレーダ信号処理方法 - Google Patents
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Description

本実施形態は、レーダ装置及びレーダ信号処理方法に関する。
従来のレーダ装置では、クラッタや熱雑音環境下において小目標を検出する際には、単パルスまたは変調したN(N≧1)パルスを用いて、slow-time軸でコヒーレント積分処理するが、非検出や誤検出が発生する問題があった。
パルス圧縮、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp. 278-280 (1996) CFAR(Constant False Alarm Rate: 定誤警報率)、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.87-89 (1996) モノパルス方式、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.260-264 (1996) 畳み込みニューラルネットワーク(CNN: Convolutional Neural Network)、斎藤、‘ゼロから作るDeep Learning’、オライリー・ジャパン、pp.205-221 (2016) デノイズ処理、Kai Zhang, ’Beyond a Gaussian Denoiser: Residual Learning of Deep CNN for Image Denoising’, IEEE Transactions on Image Processing, Vol.26, Issue 7, July (2017) SRCNN、Chao Dong, ’Image Super-Resolution Using Deep Convolutional Networks’, arXiv:1501.00092v3, July (2015)
以上述べたように、従来のレーダ装置では、クラッタや熱雑音環境下において小目標を検出する際には、非検出や誤検出が発生する問題があった。
本実施形態の課題は、クラッタや熱雑音環境下においても、誤検出を抑圧し、小目標を検出することのできるレーダ装置及びレーダ信号処理方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本実施形態に係るレーダ装置は、実施形態によれば、単パルスまたは変調したN(N≧1)パルスを用いて、slow-time軸でコヒーレント積分処理するレーダ装置であって、前記コヒーレント積分処理の結果から所定のタイミングのレンジ-ドップラデータ(RDデータ)を抽出し、前記所定のタイミングで抽出されたRDデータを、レンジ軸とドップラ軸でM通りに分割し、分割単位に予め準備された実測値または計算値に基づく目標を重畳させて不要信号に目標を重畳した学習データを生成し、前記学習データで用いた目標のみを前記分割単位毎に設定した教師データを前記学習データと組み合わせて学習モデルを学習させ、前記コヒーレント積分結果から連続して入力されるRDデータをM通りに分割して前記学習モデルで学習し、その学習結果であるウェイトを用いて前記分割の結果に対してウェイト演算を行って不要信号を抑圧し、分割単位毎にデノイズ処理して合成したRDデータを用いて目標を検出し、前記検出された目標の測距、測速及び測角処理の少なくともいずれかの処理を行う。
すなわち、本実施形態では、不要波データと目標データ(教師信号)による学習モデルを用いたRDデータの分割、デノイズ、合成を行うことにより、クラッタや熱雑音の影響を抑圧し、小目標を検出しやすくする。
図1は、第1の実施形態に係るレーダ装置の送信系統の構成を示すブロック図である。 図2は、第1の実施形態に係るレーダ装置の受信系統の構成を示すブロック図である。 図3は、第1の実施形態の受信系統において、学習モデルで実行される学習の処理の流れを示すフローチャートである。 図4は、第1の実施形態の受信系統において、受信処理で得られたRDデータをレンジ軸及びドップラ軸で所定の大きさに分解する様子を示す図である。 図5は、第1の実施形態の受信系統において、RDデータを小分割したデータに目標信号を重畳させて学習データを作成する様子を示す図である。 図6は、第1の実施形態の受信系統において、学習モデル処理により不要波を抑圧して目標を検出しやすくする様子を示す図である。 図7は、第2の実施形態に係るレーダ装置の受信系統の構成を示すブロック図である。 図8は、第2の実施形態の受信系統において、統合処理によりSNが所定のスレショルドを超える場合の誤検出を抑圧する様子を示す図である。 図9は、第2の実施形態の受信系統において、統合処理によりSNが所定のスレショルドを超えない場合の目標検出を優先して処理する様子を示す図である。 図10は、第3の実施形態に係るレーダ装置の受信系統の構成を示すブロック図である。 図11は、第3の実施形態の受信系統において、ショートカットを含む学習モデルとショートカットを含まないCNNの学習モデルを順に実行する場合の処理の流れを示すフローチャートである。 図12は、第3の実施形態の受信系統において、ショートカットを含む学習モデルのみを抽出した場合の処理の流れを示して、ショートカットの働きについて説明するためのフローチャートである。 図13は、第4の実施形態に係るレーダ装置の受信系統の構成を示すブロック図である。 図14は、第4の実施形態の受信系統において、学習低分解能、教師高分解能の場合の処理の流れを示すフローチャートである。 図15は、第4の実施形態の受信系統において、学習低分解能の処理内容を説明するための図である。
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1乃至図6を参照して、第1の実施形態を説明する。
図1及び図2は、それぞれ第1の実施形態に係るレーダ装置の送信系統、受信系統の構成を示すブロック図である。
図1に示す送信系統において、信号生成器11は送信種信号を生成し、変調器12は送信種信号から変調信号を生成し、周波数変換器13は変調信号を高周波信号に変換し、パルス変調器14は高周波信号をパルス変調(パルス圧縮)してN(N≧2)ヒットの送信パルスを生成し、送信アンテナ15は送信パルスを送信する。
図2に示す受信系統において、受信アンテナ21は送信パルスの反射信号を受信する。受信信号は、Σ系統とΔ系統に分岐される。
上記Σ系統において、周波数変換器22は受信信号を中間周波数に周波数変換し、AD変換器23は周波数変換された信号をディジタル信号に変換する。パルス圧縮器24は、ディジタル信号に変換された信号をパルス圧縮し(非特許文献1参照)、slow-time FFT処理器25はパルス圧縮された受信信号にslow-time軸のFFT処理を施して、レンジ-ドップラデータ(RDデータ)を取得する。
RDデータ分解処理器26は上記RDデータをレンジ軸及びドップラ軸で所定の大きさに分解し、学習モデル処理器27は、後述のRDデータ学習結果で得られるウェイトで、RDデータの分解データにおけるクラッタや熱雑音の不要波を抑圧する。RDデータ合成器28は、不要波が抑圧されたRDデータの分解データを合成し、これによって元の大きさのRDデータを取得する。極値検出器29は、所定のスレショルドを超える極大値のセルを抽出して目標検出結果とする。測距測速処理器210は、RDデータのレンジ軸及びドップラ軸の検出位置により、それぞれ、測距及び測速を行う。出力処理器211は、測距及び測速結果を後述の測角結果と共に目標情報として出力する。
ここで、RDデータ抽出器212は、上記slow-time FFT処理器25で取得されたRDデータをRDデータ抽出タイミング信号が示す所定のタイミングで抽出する。RD分解処理器213は、抽出されたRDデータをレンジ軸及びドップラ軸で所定の大きさに分解する。学習モデル214は、CNN(畳み込みニューラルネットワーク、非特許文献4参照)等で構成され、分解されたRDデータを学習し、その学習結果であるウェイトを学習モデル処理器27に送る。
一方、上記Δ系統において、周波数変換器215は受信信号を中間周波数に周波数変換し、AD変換器216は周波数変換された受信信号をディジタル信号に変換する。パルス圧縮器217はディジタル信号に変換された信号をパルス圧縮し(非特許文献1参照)、slow-time FFT処理器218はパルス圧縮された受信信号にslow-time軸のFFT処理を施してRDデータを取得する。
また、RDデータ抽出器219は、上記Σ系統のslow-time FFT処理器25で得られたRDデータから極値検出器29の検出セルに対応するRDデータを抽出する。RDデータ抽出器220は、上記Δ系統のslow-time FFT処理器218で得られたRDデータから極値検出器29の検出セルに対応するRDデータを抽出する。測角処理器221は、Σ系統のRDデータとΔ系統のRDデータから検出セルを測角し、その測角結果を出力処理器211に送る。
上記構成によるレーダ装置において、以下にその処理動作を説明する。
まず、送信系統では、信号生成器11で送信種信号を生成し、変調器12で送信種信号から変調信号を生成し、周波数変換器3で変調信号を高周波信号に変換して、パルス変調器14でパルス変調を施して、送信アンテナ15から、N(N≧2)ヒットのパルスを送信する。
一方、受信系統では、受信アンテナ11で受信した信号をΣ系統とΔ系統に分岐し、それぞれ周波数変換器22、215で受信信号を中間周波数に周波数変換し、AD変換器23、216でディジタル信号に変換し、パルス圧縮器24、217でパルス圧縮(レンジ圧縮)を施し、slow-time軸FFT25、218でslow-time軸のFFT処理を施してRDデータを得る。
このRDデータは、RDデータ抽出器212により、所定のタイミング毎に抽出され、RDデータ分解処理器213で、レンジ軸及びドップラ軸で所定の大きさに分解される。小分割する場合、小分割した境界付近に目標がある場合は、検出できない場合があるため、小分割単位をレンジードップラ軸で重複させるものとする。
この小分割データを学習データとして、CNN等で構成する学習モデル214により学習し、その学習結果であるウェイトを用いて、RDデータ分解処理器26で分解した結果に対して、学習モデル処理器27で演算処理することでクラッタや熱雑音の不要波を抑圧する。不要波を抑圧したRDデータの分解データは、RDデータ合成器28により合成され、元の大きさのRDデータが得られる。その後、極値検出器29により、所定のスレショルドを超える極大値が抽出され、目標検出結果として、測距測速処理器20に送られ、RDデータのレンジ軸及びドップラ軸の検出位置により、それぞれ、測距及び測速される。ここで、極値検出の代わりにCFAR(非特許文献2参照)を用いてもよい。
上記の処理を、図3乃至図6を参照して説明する。ここで、図3は学習モデルで実行される学習の処理の流れを示すフローチャート、図4は受信処理で得られたRDデータをレンジ軸及びドップラ軸で所定の大きさに分解する様子を示す図、図5はRDデータを小分割したデータに目標信号を重畳させて学習データを作成する様子を示す図、図6は、学習モデル処理により不要波を抑圧して目標を検出しやすくする様子を示す図である。
まず、上記学習モデル214では、図3に示すように、学習データとして不要信号Nと教師データSを入力する(ステップS11)。入力データからCNN等による学習モデルを構築し(ステップS12)、その学習モデルについて教師データSについて学習処理を行う(ステップS13)。ここで、エポック数が終了したか判断し(ステップS14)、終了していなければ(No)、学習データを変更し(ステップS15)、ステップS11に戻って一連の処理を実行し、エポック数が終了した場合には(Yes)、一連の処理を終了する。
すなわち、学習モデル214に入力する学習データは、図5(a)に示すように、RDデータを小分割したデータに、目標信号を重畳させて作成する。目標信号としては、予め実測値または計算値を準備しておき、レンジ-ドップラ軸のセル位置、振幅、目標信号の幅等をランダムに設定し、各小分割単位に重畳する。これにより、実測値のクラッタや熱雑音の不要信号Nに目標Sを重畳した学習データS+Nを生成できる。教師データとしては、図5(b)に示すように、学習データで用いた目標Sのみを小分割単位毎に設定して生成する。この学習データと教師データと学習モデルを用いて、学習させ、所定のエポック数が終了した時点の学習モデルの学習パラメータを保存する。この保存した学習モデルにより、学習モデル処理を行えば、図6(a),(b)に示すように、不要波を抑圧することができ、目標を検出しやすくすることができる。
上記学習モデル214には、RDデータ抽出器212により所定のタイミングで抽出されるRDドップラデータを、RDデータ分解処理器213により、レンジ軸及びドップラ軸で、所定の大きさに分解したデータが入力される。この様子を図4に示す。小分割する場合、前述のように、小分割した境界付近に目標がある場合は、小分割単位をレンジードップラ軸で重複させる。この小分割データを学習データとして、CNN等で構成する学習モデル214により学習し、その学習結果であるウェイトを用いて、RDデータ分解処理器26で分解した結果に対して、学習モデル処理器27でウェイト演算することで、クラッタや熱雑音の不要波を抑圧する。
以上は、受信アンテナ11の全体開口を合成したΣビーム(和ビーム)の処理である。次に、受信アンテナをAZ軸またはEL軸に開口分割したΔAZビームまたはΔELビーム(以下、Δビームと略す)の処理について述べる。
Σビームと同様に、Δビームも周波数変換器215で周波数変換され、AD変換器216でディジタル信号に変換される。次に、パルス圧縮(非特許文献1参照)信号の場合は、パルス圧縮器217でパルス圧縮(レンジ圧縮)され、slow-timeFFT218で slow-time軸のFFT処理が施されて、レンジ-ドップラデータ(RDデータ)を得る。このRDデータの中で、RDデータ抽出器220により、Σビームにより検出したレンジ-ドップラセルと同じΣビームとΔビームのセルを抽出し、測角処理器221により、AZ軸及びEL軸のモノパルス測角(非特許文献3参照)を行い、出力処理器211により、距離、速度、測角結果を統合して、X、Y、Z座標等に変換して出力する。
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、学習モデル処理により、不要波を抑圧する手法について述べた。第2の実施形態では、受信系統において、学習モデル処理とCFAR処理を統合して、誤検出を抑圧する手法について述べる。
図7は、第2の実施形態に係る受信系統の構成を示すブロック図である。図7において、図2と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。図7に示す受信系統は、図2に示す構成にCFAR処理器222と学習モデル・CFAR統合処理器223を追加し、学習モデル処理器27、RDデータ合成器28、極値検出器29により検出した結果Aと、学習モデル処理前のRDデータからCFAR処理器222で検出した結果Bを用いて、統合処理を行う。統合処理としては、図8(a)~(d)に示すように、SN(信号対雑音電力)が所定のスレショルドを超える場合は、検出結果AとBのAND処理を行って誤検出を抑圧する。SN(信号対雑音比)が所定のスレショルド以下の場合は、図9(a)~(d)に示すように、検出結果AとBのOR処理を行って、誤検出が多少残留しても、目標検出を優先して検出する。
以上により、SNの大小により、学習モデル処理の不要波抑圧処理が不十分な場合でも、より誤検出抑圧能力を高め、目標を検出しやすくすることができる。
(第3の実施形態)
第1の実施形態では、学習モデルとして、CNN等を用いた一般的な構成について述べた。第3の実施形態では、不要波抑圧効果の高いショートカットを使うデノイズ方式(非特許文献5参照)について述べる。
図10は、第3の実施形態に係る受信系統の構成を示すブロック図である。図10において、図2と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。図11は、第3の実施形態の受信系統において、ショートカットを含む学習モデルとショートカットを含まないCNNの学習モデルを順に実行する場合の処理の流れを示すフローチャート、図12は、第3の実施形態の受信系統において、ショートカットを含む学習モデルのみを抽出した場合の処理の流れを示して、ショートカットの働きについて説明するためのフローチャートである。図11及び図12において、図3と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。
図10に示す受信系統は、図2の学習モデル214と学習モデル処理器27に代わって、ショートカット有りの学習モデル214aとショートカット有りの学習モデル処理器27aを用いた点が第1の実施形態と異なる。図11に示す学習処理では、ショートカットを含むCNN処理(ステップS121)及び差分出力処理(ステップS122)を含む学習モデルA(デノイズモデル)とショートカットを含まないCNN(ステップS123)の学習モデルBを縦続接続した処理フローを示す。図11では、モデルAの後にモデルBの順としているが、逆順でもよい。また、モデルAとモデルBの少なくともいずれか一方を含むものとする。
ショートカットの働きについて、モデルAのみを抽出した図12で説明する。ショートカットは、CNNモデルの入力部からCNN出力に向けたラインであり、CNN出力とCNN入力の差分を演算するために用いる。これにより、学習データとして、不要信号N+教師データSを入力し差分出力が教師データSになるように学習すると、CNNモデルの部分で、不要信号を模擬するような処理になり、入力データのS+Nから模擬したNを減算することで、Sを抽出する処理になる。これにより、不要信号を抑圧することができ、目標信号を検出しやすくすることができる。
さらに、ショートカットを含まないモデルBを縦続接続することで、教師である目標信号のみを抽出する学習をすることができ、処理規模は増えるが、より目標のみを抽出しやすくすることができる。
(第4の実施形態)
第3の実施形態では、ショートカットを含む学習モデルA(デノイズモデル)とショートカットを含まないCNNの学習モデルBを縦続接続した処理について述べた。第4の実施形態では、そのモデルを用いて、不要波を抑圧し、目標の高分解能化を図るSRCNN(Super Resolution CNN、非特許文献6参照)方式について述べる。
図13は、第4の実施形態に係る受信系統の構成を示すブロック図である。図13において、図10と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。また、図14は、第4の実施形態の受信系統において、学習低分解能、教師高分解能の場合の処理の流れを示すフローチャート、図15は、第4の実施形態の受信系統において、学習低分解能の処理内容を説明するための図である。
図13に示す受信系統は、図2の学習モデル214と学習モデル処理器27に代わって、出力高分解能の学習モデル214bと出力高分解能の学習モデル処理器27bを用いた点が第1の実施形態と異なる。第4の実施形態において、第3の実施形態と異なる点は、学習データの目標信号Sと教師データである。第3の実施形態では、いずれも同じ教師データを用いたが、本実施形態では、学習データの目標信号Sよりも、教師データの方がより高分解能化したデータを用いる。このために、実測時の目標信号の分解能を基準として、教師データはより高分解能なデータを準備する必要がある。これは、予め高分解能で取得した実測データか計算値により、目標信号を教師信号として生成し、その目標信号をもとに、学習用の目標信号を生成すればよい。
学習用の信号と教師信号は、レンジ-ドップラ軸のセル位置、振幅をランダムに設定して生成する。この高分解能目標(教師データ)から、学習用の低分解能データを生成する手法を定式化する。まず、高分解能な教師信号sigを逆FFTすると次式となる。
Figure 0007551476000001

これを帯域制限すると次式となる。
Figure 0007551476000002

この制限した信号をFFT処理して、低分解能化した学習データを得る。
Figure 0007551476000003

以上は、2次元の変換について述べたが、いずれか一方の軸のみでもよい。
以上のように、第4の実施形態によれば、高分解能な目標Sの教師信号により、低分解能な目標Sを生成することができる。この信号を用いて、図15に示すように、目標信号Sをレンジードップラ軸のセル位置、振幅をランダムに設定し、不要信号Nである入力信号と重畳した学習データを生成し、それに対応する高分解能な目標Sの教師データを用いて学習することができる。
この学習結果を図13の学習モデル処理器27bに設定して処理すれば、不要波を抑圧し、さらに、目標信号の高分解能化を図ることができる。
なお、本発明は上記実施形態をそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
11…信号生成器、12…変調器、13…周波数変換器、14…パルス変調器、15…送信アンテナ、
21…受信アンテナ、22…周波数変換器、23…AD変換器、24…パルス圧縮器、25…slow-time FFT処理器、26…RDデータ分解処理器、27…学習モデル処理器、27a…ショートカット有りの学習モデル処理器、27b…出力高分解能の学習モデル処理器、28…RDデータ合成器、29…極値検出器、210…測距測速処理器、211…出力処理器、212…RDデータ抽出器、213…RD分解処理器、214…学習モデル、214a…ショートカット有りの学習モデル、214b…出力高分解能の学習モデル、215…周波数変換器、216…AD変換器、217…パルス圧縮器、218…low-time FFT処理器、219…RDデータ抽出器、220…RDデータ抽出器、221…測角処理器、222…CFAR処理器、223…学習モデル・CFAR統合処理器。

Claims (5)

  1. 単パルスまたは変調したN(N≧1)パルスを用いて、slow-time軸でコヒーレント積分処理するレーダ装置であって、
    前記コヒーレント積分処理の結果から所定のタイミングのレンジ-ドップラデータ(RDデータ)を抽出し、
    前記所定のタイミングで抽出されたRDデータを、レンジ軸とドップラ軸でM通りに分割し、分割単位に予め準備された実測値または計算値に基づく目標を重畳させて不要信号に目標を重畳した学習データを生成し、前記学習データで用いた目標のみを前記分割単位毎に設定した教師データを前記学習データと組み合わせて学習モデルを学習させ、
    前記コヒーレント積分結果から連続して入力されるRDデータをレンジ軸とドップラ軸でM通りに分割して前記学習モデルで学習し、その学習結果であるウェイトを用いて前記分割の結果に対してウェイト演算を行って不要信号を抑圧し
    分割単位毎にデノイズ処理して合成したRDデータを用いて目標を検出し、
    前記検出された目標の測距、測速及び測角処理の少なくともいずれかの処理を行うレーダ装置。
  2. 単パルスまたは変調したN(N≧1)パルスを用いて、slow-time軸でコヒーレント積分処理するレーダ装置であって、
    前記コヒーレント積分処理の結果から所定のタイミングのレンジ-ドップラデータ(RDデータ)を抽出し、
    前記所定のタイミングで抽出されたRDデータを、レンジ軸とドップラ軸でM通りに分割し、分割単位に予め準備された実測値または計算値に基づく目標を重畳させて不要信号に目標を重畳した学習データを生成し、前記学習データで用いた目標のみを前記分割単位毎に設定した教師データを前記学習データと組み合わせて学習モデルを学習させ、
    前記コヒーレント積分結果から連続して入力されるRDデータをレンジ軸とドップラ軸でM通りに分割して前記学習モデルで学習し、その学習結果であるウェイトを用いて前記分割の結果に対してウェイト演算を行って不要信号を抑圧し
    分割単位毎にデノイズ処理して合成したRDデータを用いて目標を検出し、
    前記デノイズ処理の前のRDデータからCFARにより目標を検出し
    前記デノイズ処理の後のRDデータから検出される第1の目標検出結果と前記デノイズ処理の前のRDデータから検出される第2の目標検出結果について、信号対雑音比が所定のスレショルドを超える場合は、前記第1の目標検出結果と前記第2の目標検出結果のAND処理を行い、信号対雑音比が所定のスレショルド以下の場合は、前記第1の目標検出結果と前記第2の目標検出結果のOR処理を行って目標を最終検出し、
    前記最終検出された目標の測距、測速及び測角処理の少なくともいずれかの処理を行うレーダ装置。
  3. 前記学習モデルとして、ショートカットを含む学習モデルとショートカットを含まない学習モデルの少なくともいずれか一方を用いる請求項1または2に記載のレーダ装置。
  4. 前記学習モデルの学習データに用いる目標信号をレンジ-ドップラ軸で低分解能化し、教師データとして、同じ目標信号の高分解能データを用いる請求項3のレーダ装置。
  5. 単パルスまたは変調したN(N≧1)パルスを用いて、slow-time軸でコヒーレント積分処理するレーダ装置に用いられ、
    前記コヒーレント積分処理の結果から所定のタイミングのレンジ-ドップラデータ(RDデータ)を抽出し、
    前記所定のタイミングで抽出されたRDデータを、レンジ軸とドップラ軸でM通りに分割し、分割単位に予め準備された実測値または計算値に基づく目標を重畳させて不要信号に目標を重畳した学習データを生成し、前記学習データで用いた目標のみを前記分割単位毎に設定した教師データを前記学習データと組み合わせて学習モデルを学習させ、
    前記コヒーレント積分結果から連続して入力されるRDデータをレンジ軸とドップラ軸でM通りに分割して前記学習モデルで学習し、その学習結果であるウェイトを用いて前記分割の結果に対してウェイト演算を行って不要信号を抑圧し
    分割単位毎にデノイズ処理して合成したRDデータを用いて目標を検出し、
    前記検出された目標の測距、測速及び測角処理の少なくともいずれかの処理を行うレーダ信号処理方法。
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