JP6610977B2 - 目標探知システム、方法およびプログラム - Google Patents
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Description
本発明は、目標探知システム、方法及びプログラムに関し、特に電波、音波、光波などを送信し、目標からの反射波によって目標を探知する目標探知システム、方法およびプログラムに関する。
電波、音波、光波などを送信し、目標からの反射波によって目標を探知するシステムとして、レーダ、ソーナー、ライダーなどが知られている。これらの探知システムは、変調した信号波を送信し、送信信号と同じ波形の信号(レプリカ信号)と受信信号との相互相関を算出する。そして、相互相関の強度の大小によって目標が存在するか否かの判断を下す。この相互相関は、パルス圧縮、レプリカ相関などと呼ばれる。レプリカ相関により、目標からの反射波とノイズとのパワー比、すなわちS/N比を向上させることができる。レプリカ相関によるプロセスゲインは、探知可能距離などの探知システムの性能を予測する上で重要である。
探知システムが受信する信号には、目標からの反射波、ノイズに加えて、目標以外からの反射波も含まれている。目標以外からの反射波とは、レーダにおけるクラッタ、ソーナーにおける残響などを指す。レーダにおけるクラッタは、地面、海面などからの反射波であり、ソーナーにおける残響は、主に、海水自体による残響である体積残響、海面からの残響である海面残響、海底からの残響である海底残響を含む。探知システムの性能は、目標以外からの反射波が支配的な場合、目標からの反射波と目標以外からの反射波とのパワー比(S/R比)のプロセスゲインに左右される。
特許文献1には、直線周波数変調(LFM:Linear Frequency Modulation)信号を用いたアクティブソーナー装置が開示されている。特許文献1のアクティブソーナー装置は、LFM信号を送信し、レプリカ相関処理により受信信号のS/N比を向上させている。また、特許文献2には、コヒーレント積分によりS/N比を改善する信号処理装置が開示されている。特許文献2の信号処理装置は、要求プロセスゲインに基づいてコヒーレント積分回数を決定することにより、要求プロセスゲインを満足させた積分出力を出力している。
特許文献1および特許文献2の発明は、レプリカ相関などの信号処理によりS/N比を向上させることが可能である。しかしながら、クラッタ、残響といった目標以外からの反射波の影響が大きい場合には、信号処理により得られるプロセスゲインが劣化してしまう。目標からの反射波と目標以外からの反射波とのパワー比(S/R比)のプロセスゲインについては、具体的な関係式がこれまで知られていない。そのため、ユーザは、例えば画面表示された目標の輝度などを頼りに、良好なS/R比が得られる送信波形を試行錯誤しながら決定する必要があった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、目標以外からの反射波の影響がある場合に、所望のプロセスゲインが得られる目標探知システム、方法及びプログラムを提供することを目的とする。
本発明に係る目標探知システムは、直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力し、前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させる信号処理部と、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、および前記プロセスゲインをユーザが指定する指定部と、プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記1つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定する送信波決定部とを備える。
本発明に係る目標探知方法は、直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T 0・μ[Hz]としたとき、
を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記1つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定するステップとを備える。
本発明に係る目標探知プログラムは、直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記1つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定するステップとをコンピュータに実行させる。
本発明によれば、目標からの反射波と目標以外からの反射波とのパワー比(S/R比)のプロセスゲインについての関係式に基づいて、適切な送信波形を決定することができる。これにより、目標以外からの反射波の影響がある場合に、所望のプロセスゲインが得られる目標探知システム、方法及びプログラムを実現することが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
[第1実施形態]
図1は、本実施形態に係る目標探知システム10の構成を示すブロック図である。目標探知システム10は、入力装置11、送信信号生成器13、送信信号増幅器14、送波器15、受波器16、受信信号増幅器17、帯域濾波器18、A/D変換器19、信号処理装置20、表示装置21を備えている。信号処理装置20は、波形算出部81、波形決定部82、フーリエ変換部91、レプリカ信号生成部92、フーリエ変換部93、乗算部94、逆フーリエ変換部95、目標検出部96を有している。波形算出部81、波形決定部82は、送信波決定部と呼ばれることもある。フーリエ変換部91、レプリカ信号生成部92、フーリエ変換部93、乗算部94、逆フーリエ変換部95は、信号処理部と呼ばれることもある。目標探知システム10は、例えばアクティブソーナーであり、海中の目標100に関する情報(存在、位置、特徴など)を得ることができる。目標探知システム10は、パルス状のLFM信号を送信し、受信した反射波の信号対残響比であるS/R比(Signal to Reverberation ratio)をレプリカ相関処理により向上させる。ここで、S/R比は、目標からの反射波と目標以外からの反射波のパワー比である。レプリカ相関処理は、送信波と受信した反射波との相互相関を算出する処理である。
図1は、本実施形態に係る目標探知システム10の構成を示すブロック図である。目標探知システム10は、入力装置11、送信信号生成器13、送信信号増幅器14、送波器15、受波器16、受信信号増幅器17、帯域濾波器18、A/D変換器19、信号処理装置20、表示装置21を備えている。信号処理装置20は、波形算出部81、波形決定部82、フーリエ変換部91、レプリカ信号生成部92、フーリエ変換部93、乗算部94、逆フーリエ変換部95、目標検出部96を有している。波形算出部81、波形決定部82は、送信波決定部と呼ばれることもある。フーリエ変換部91、レプリカ信号生成部92、フーリエ変換部93、乗算部94、逆フーリエ変換部95は、信号処理部と呼ばれることもある。目標探知システム10は、例えばアクティブソーナーであり、海中の目標100に関する情報(存在、位置、特徴など)を得ることができる。目標探知システム10は、パルス状のLFM信号を送信し、受信した反射波の信号対残響比であるS/R比(Signal to Reverberation ratio)をレプリカ相関処理により向上させる。ここで、S/R比は、目標からの反射波と目標以外からの反射波のパワー比である。レプリカ相関処理は、送信波と受信した反射波との相互相関を算出する処理である。
入力装置11は、例えばキーボード、マウスなどの入力用デバイスから構成されている。入力装置11は指定部と呼ばれることもある。表示装置21は液晶ディスプレイ、有機発光デバイス等から構成され、反射波から得られた画像を表示する他、送信信号および信号処理の指定を行うための入力画面を表示することができる。ユーザは、表示装置21を見ながら入力装置11を操作することにより、送信信号の指定、信号処理の各種設定を行うことができる。すなわち、ユーザは、LFM信号のパルス長T0、周波数変化率μ、周波数振り幅Δfのうちの少なくとも1つの値とプロセスゲインPGとを指定することができる。例えば、プロセスゲインPGは、表示装置21上の入力画面において、ユーザがキーボードで数値を入力することにより指定され得る。レプリカ相関処理前後のS/R比、S/R比の対数、または、S/R比の対数に一定の数値を乗じた値をプロセスゲインPGとして指定しても良い。なお、レプリカ相関処理以外も含む様々な処理前後におけるS/N比をプロセスゲインと称することがあるが、本明細書では、レプリカ相関処理の前後におけるS/R比をプロセスゲインと称する。
LFM信号におけるパルス長T0、周波数変化率μ、周波数振り幅Δfは、表示装置21の入力画面においてキーボードで数値を入力することにより、または、表示装置21の波形図をマウスで編集することにより指定され得る。すなわち、ユーザは、送信波形を決定するためのパラメータとして、所望のプロセスゲインPGの値と、送信波のパルス長T 0、周波数変化率μ及び周波数振り幅Δfのうちの1つの値とを入力装置11において指定することができる。ここで、周波数振り幅Δfは、パルス長T0に周波数変化率μを乗じた値として表され得る。
波形算出部81は、送信波のパルス長T0、周波数変化率μ、周波数振り幅Δfのうち指定された1つの値と、および指定されたプロセスゲインPGに基づき、送信波の他の値を決定する。例えば、波形算出部81は、プロセスゲインPGとパルス長T0から、周波数変化率μまたは周波数振り幅Δfを算出する。また、入力装置11でパルス長T0に代えて周波数変化率μが指定されている場合には、波形算出部81は、指定されたプロセスゲインPGと周波数変化率μから、パルス長T0または周波数振り幅Δfを算出する。さらに、入力装置11でパルス長T0に代えて周波数振り幅Δfが指定されている場合には、波形算出部81は、指定されたプロセスゲインPGと周波数振り幅Δfから、パルス長T0または周波数変化率μを算出する。波形算出部81で使用される関係式については、後述する。
波形決定部82は、入力装置11で指定された、または波形算出部81で算出されたパルス長T0、周波数変化率μ、周波数振り幅Δfに基づいて送信波形を決定し、送信波形のデータを送信信号生成器13に出力する。送信波形のデータは、例えばパルス長T0、周波数変化率μ、周波数振り幅Δfの組み合わせであり、送信信号生成器13が送信信号を生成するために必要な情報を含んでいる。また、波形決定部82は、送信信号生成器13に出力した信号の波形データをレプリカ信号生成部92に出力する。
送信信号生成器13は、デジタル−アナログ変換回路を含み、任意の波形の送信信号を生成することが可能である。送信信号生成器13は、波形決定部82で決定された送信波形の送信信号を生成し、送信信号増幅器14に出力する。送信信号増幅器14は、入力された信号を電力増幅し、送波器15に出力する。送波器15は、セラミックからなる圧電振動子などから構成され、送信信号を音響信号(音波)に変換し、海中に放射する。送波器15の指向性を鋭くするために、複数の送波器をアレイ状に配列しても良い。
受波器16は、例えばセラミックからなる圧電振動子などから構成され、海中において音響信号(音波)を受信する。受波器16が受信する音響信号には、目標100からの反射波と目標100以外からの反射波および雑音とが含まれる。受波器16は、受信した音響信号を電気信号に変換し、受信信号増幅器17に出力する。受波器16の指向性を鋭くするために、複数の受波器をアレイ状に配列しても良い。受信信号増幅器17は、入力された信号を増幅し、帯域濾波器18に出力する。帯域濾波器18は、バイドバスフィルタにより構成され、反射波が含まれる周波数帯域をフィルタリングし、A/D変換器19に出力する。A/D変換器19は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、受信信号として信号処理装置20のフーリエ変換部91に出力する。
フーリエ変換部91は、受信信号をフーリエ変換し、乗算部94に出力する。レプリカ信号生成部92は、波形決定部82からの波形データに基づいて、送信信号の標本となる信号(レプリカ信号)を生成し、フーリエ変換部93に出力する。フーリエ変換部93は、レプリカ信号をフーリエ変換し、乗算部94に出力する。乗算部94は、フーリエ変換された受信信号とレプリカ信号の複素共役を乗算し、逆フーリエ変換部95に出力する。逆フーリエ変換部95は、乗算部94による積を逆フーリエ変換する。このようにして、送信波と受信した反射波との相互相関が算出される。
目標検出部96は、算出された相互相関の強度(相関度)に基づいて目標を検出する。例えば、目標検出部96は、相関度が所定の閾値より大きい場合に目標が存在すると判定し、反射波が到達した時刻、方向などから目標の位置を算出する。目標検出部96は、検出結果を不図示の記憶装置に記憶させるとともに、表示装置21に出力する。表示装置21は、受波器16を中心とした極座標で目標100の位置を表示することができる。横軸を方位、縦軸を距離とした座標を用いて、目標100の位置を表示してもよい。
図2は、本実施形態に係る信号処理装置20の構成を示すブロック図である。信号処理装置20は、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータなどにより構成され、CPU(Central Processing Unit)31、RAM(Random Access Memory)32、ROM(Read Only Memory)33、入出力インターフェース34を備えている。信号処理装置20は、複数のコンピュータにより構成されてもよい。
CPU31は、ROM33から所定のプログラムを読み出し、実行することにより、信号処理装置20が有する各手段の機能を実現する。また、CPU31は、処理で得られたデータをROM33に記憶させるとともに、入出力インターフェース34を介して外部とデータの交換を行う。RAM32は、CPU31によって実行されるプログラムの作業用メモリとして使用され、処理中のデータ、ROM33から読み出されたデータなどを一時的に記憶する。ROM33は、送信波形を決定するためのプログラム、レプリカ相関処理を行うためのプログラム、目標検出処理を行うためのプログラムなど、信号処理装置20が有する各手段の機能を実現するためのプログラムを格納する。
図3は、レプリカ相関処理による目標検出の原理を示す概念図である。レプリカ相関処理は、受信信号に対して時間をずらしながら受信信号とレプリカ信号との相関度を計算する信号処理である。
送信信号Fは、送波器15から送信されるパルス長T0の信号波であり、パルス内で周波数が変化するように変調がなされている。受信信号Gは、受波器16で受信される信号波であり、目標100からの反射波であるエコー信号Eを含んでいる。レプリカ信号Rは、レプリカ信号生成部92により生成される標本信号であり、送信信号Fと同じ波形を有している。なお、受信信号Gにはエコー信号E以外に、送信信号Fとは相関のないノイズ成分も含まれ得る。
図3に示すように、受信信号Gに対して時刻をずらしながらレプリカ信号Rとの相互相関(相関度)を求めることにより、2つの波形が最も類似した時刻teで相関度のピークpが出現する。信号処理装置20は時刻teにエコー信号Eが到達したと判断し、送信信号Fに対するエコー信号Eの遅延時間から目標100までの距離を算出する。
(プロセスゲインについての関係式)
次に、波形算出部81で用いられる関係式について説明する。
プロセスゲインをPGとし、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]とした場合、以下の式が導かれることを発明者らは見出した。
次に、波形算出部81で用いられる関係式について説明する。
プロセスゲインをPGとし、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]とした場合、以下の式が導かれることを発明者らは見出した。
式(1)において、周波数変化率μは絶対値で表されるため、プロセスゲインPGは周波数変化率μの符号には依存しない。また、周波数変化率μは、周波数振り幅Δfとパルス長T0を用いて、Δf=T0・μと表されるため、式(1)は、以下の式(2)に書き換えられ得る。
パルス長T0、周波数変化率μ、周波数振り幅Δfのうちの1つとプロセスゲインPGが指定された場合、波形算出部81は、式(1)または式(2)に基づき、パルス長T0、周波数変化率μ、周波数振り幅Δfのうちの指定されていない残りの値を算出する。
次に、式(1)、式(2)が得られる理由について、LFM信号を送信するソーナーの場合を例にとって説明する。なおソーナーの場合、目標100以外からの反射波は残響が該当する。以下の説明において、入力信号x(t)は、A/D変換器19から信号処理装置20に入力される信号に対応し、目標信号成分s(t)、残響成分r(t)は、それぞれ、目標100からの反射波、目標100以外からの反射波に対応している。
(レプリカ相関の定義)
入力信号x(t)における目標信号成分をs(t)残響成分をr(t)とすると、入力信号は、x(t)=s(t)+r(t)と表される。目標信号成分s(t)が点音源からのものとすると、レプリカ信号y(t)と目標信号成分s(t)は同じ形状となる。ここでは簡単のためその強度は等しいとし、レプリカ信号をy(t)=s(t)とする。
入力信号x(t)における目標信号成分をs(t)残響成分をr(t)とすると、入力信号は、x(t)=s(t)+r(t)と表される。目標信号成分s(t)が点音源からのものとすると、レプリカ信号y(t)と目標信号成分s(t)は同じ形状となる。ここでは簡単のためその強度は等しいとし、レプリカ信号をy(t)=s(t)とする。
入力信号x(t)とレプリカ信号y(t)とのレプリカ相関は、次式で表される。
右辺第1項は、レプリカ相関後の目標信号成分であり、次式で表される。
右辺第2項は、レプリカ相関後の残響成分であり、次式で表される。
残響が有限長パルスの重ね合わせであり、有限長であることから、時間平均については有限時間の積分をその時間長で割る。
残響が有限長パルスの重ね合わせであり、有限長であることから、時間平均については前述と同様、有限時間の積分をその時間長で割る。
−T/2≦τ≦T/2の積分範囲に完全に収まる残響のみ考慮するという条件を付ける場合、積分範囲を−∞≦τ≦∞としても積分結果は変わらない。すなわち、レプリカ相関後の残響成分の分散Dは、次式で表され、レプリカ相関の相互相関となる。
(LFM信号の場合)
ここまでは信号の波形に依存しない話であった。ここからはLFM信号の場合について説明する。
ここまでは信号の波形に依存しない話であった。ここからはLFM信号の場合について説明する。
|μ|が大きい状況では、τ=0への集中の度合いが高く、τ=0の近傍のみでレプリカ相関の特徴を見ることができる。この考えから|τ|<<T0の範囲のみ考えればよいと仮定すると、レプリカ相関は次のように近似できる。
図4は、本実施形態に係る目標探知システム10の処理を示すフローチャートである。まず、入力装置11は、ユーザによって指定されたプロセスゲインPGを波形算出部81に入力する(ステップS101)。さらに、入力装置11は、ユーザによって指定されたパルス長T0または周波数変化率μを波形算出部81に入力する(ステップS102)。これらステップS101、S102の処理順を逆にしても良い。
次に、波形算出部81及び波形決定部82は、ユーザの指定に基づき送信波の波形を決定する(ステップS103)。具体的には、まず、波形算出部81は、上述の式(1)を満たすように、パルス長T0または周波数変化率μのうちの指定されていない残りの値を算出する。すなわち、波形算出部81は、ユーザによりパルス長T0が指定された場合には周波数変化率μを算出する。この場合、波形算出部81は、周波数変化率μの代わりにまたは加えて、周波数振り幅Δfを算出してもよい。周波数振り幅Δfを算出する際には、上述の式(2)を使用するとよい。一方、波形算出部81は、ユーザにより周波数変化率μが指定された場合にはパルス長T0を算出する。この場合、波形算出部81は、パルス長T0の代わりにまたは加えて、周波数振り幅Δfを算出してもよい。そして、波形決定部82は、これらパルス長T0、周波数変化率μ及び周波数振り幅Δfを送信波形として決定する。
換言すれば、まず、入力装置11において、所望のプロセスゲインPGの値がユーザにより指定され、さらに、信号波のパルス長T0、周波数変化率μ及び周波数振り幅Δfのうちの1つの値がユーザにより指定される。入力装置11は、これらの値を波形算出部81に入力する。そして、波形算出部81は、入力された値を使用して、パルス長T0、周波数変化率μ及び周波数振り幅Δfのうちで指定されていない残りの値を算出する。なお、波形算出部81は、パルス長T0、周波数変化率μ及び周波数振り幅Δfのうちで指定されていない2つの値のうち、少なくとも1つの値を算出すればよい。
次に、送信信号生成器13は、決定された波形を有する送信信号を生成する(ステップS104)。例えば、送信信号生成器13は、中心周波数が1000[Hz]、パルス長T0が0.1[s]、周波数変化率μが1000[Hz/s]、周波数振り幅Δfが100[Hz]のLFM信号を生成する。送信信号増幅器14は、LFM信号を電力増幅する。送波器15は、LFM信号を音波、電波などの信号波に変換し、送信波として送信する(ステップS105)。
送信された信号波は、目標100及び目標100以外(海面、地面など)で反射される。受波器16は、これらの反射波を受信し、音波、電波などから電気信号に変換する(ステップS106)。受信信号増幅器17は、受信した信号を電力増幅し、帯域濾波器18は、目標100からの反射波が含まれる周波数帯域をフィルタリングする。A/D変換器19は、受信信号をサンプリングし、信号処理装置20が処理可能なデジタル信号に変換する(ステップS107)。
次に、信号処理装置20は、レプリカ相関処理を実行する(ステップS108)。すなわち、信号処理装置20は、フーリエ変換部91、フーリエ変換部93、乗算部94、逆フーリエ変換部95を用いて、レプリカ信号生成部92が生成したレプリカ信号と受信信号との相関度を算出する。そして、信号処理装置20は、相関度のピークpに基づいて目標の有無を検出する(ステップS109)。例えば、目標検出部96は、相関度のピークpが所定の閾値よりも大きい場合に目標100が存在すると判定する。そして、目標検出部96は、相関度のピークpが観測された時刻teから目標100の位置を算出し、表示装置21に処理結果を表示させる。
本実施形態によれば、プロセスゲインについての関係式に基づいて、ユーザにより指定されたプロセスゲインを満たす送信波形を決定することができる。したがって、これまで実験的、経験的に決定していた送信波形を定量的に決定することが可能となり、探知システムの性能を十分に発揮させることができる。
従来、所望のプロセスゲインを得るために、送信波のパルス長、周波数変化率を設定しようと試行錯誤していた。しかしながら、実際には、相反する多くの制約条件が送信波形に関して存在する。例えば、信号生成器が出力可能なパルス長、周波数変化率には制限があり、さらに、送受波器の感度、帯域幅にも制限がある。
例えば、送信波のパルス長を長くした場合には、送信信号増幅器に対する電気的な負荷が増加し、発熱などの問題が生じ得る。また、パルス長を長くした場合、パルス長の半分が距離分解能となるため、距離分解能が悪化してしまう。パルス長が長くなれば反射波の受信期間も長くなるため、送信波を送信できない期間(ブラインド期間)も長くなる。加えて、パルス長を長くした場合、偶発的なノイズが信号に混入しやすくなるという弊害も生じる。
また、周波数変化率を大きくし過ぎると、以下の問題も生じ得る。すなわち、動作周波数が送受波器の圧電セラミックの共振周波数、Q値からずれてしまい、所望の利得が得られなくなることも考えられる。急激な周波数変化は高周波ノイズを生じさせることもある。また、レプリカ相関処理において、フーリエ変換で扱う周波数領域成分(ビン)が増加するため、計算資源に高い演算能力が要求されるなどの問題も生じ得る。
本実施形態によれば、回路および信号処理の様々な制約下においても、所望のプロセスゲインを得るために、最適な送信波形を容易に決定することが可能となる。また、指定したプロセスゲインから探知システムの探知可能距離を予測することが容易になるため、探知システムの送波器、受波器の配置を適切に決定することが可能となる。
[第2実施形態]
続いて、本発明の第2実施形態に係る目標探知システムを説明する。本実施形態に係る目標探知システムは、第1実施形態に係る目標探知システムと同様に構成されているため、第1実施形態と異なる点を中心に説明する。
続いて、本発明の第2実施形態に係る目標探知システムを説明する。本実施形態に係る目標探知システムは、第1実施形態に係る目標探知システムと同様に構成されているため、第1実施形態と異なる点を中心に説明する。
図5は、本実施形態に係る目標探知システム10の構成を示すブロック図である。目標探知システム10は、入力装置11、送信信号生成器13、送信信号増幅器14、送波器15、受波器16、受信信号増幅器17、帯域濾波器18、A/D変換器19、信号処理装置20、表示装置21に加えて、記憶装置12を備えている。
記憶装置12は、例えばフラッシュメモリ、ハードディスクドライブなどの記憶装置、または光ディスク、メモリカード等の可搬記憶媒体である。記憶装置12には、目標探知システム10が送信可能なパルス長T0、周波数変化率μおよび周波数振り幅Δfの組み合わせがあらかじめ記憶されている。例えば、これらの組み合わせは、送信信号生成器13で生成可能な送信波形であり、送波器15、受波器16の感度及び帯域幅、信号処理装置20の演算能力、目標探知システム10の各回路に対する電気的な負担などの様々な制約を考慮して設定される。記憶装置12には、さらに、組み合わせを選択するための基準、目標検出の処理結果などが記憶される。
波形決定部82は、記憶装置12に記憶されている複数の組み合わせの中から、1つの適切な組み合わせを選択し、送信信号生成器13に出力することができる。この場合、組み合わせを選択するための基準をあらかじめ定義し、記憶装置12などに記憶させておく。この選択基準は、入力装置11においてユーザが指定することができる。
例えば1つの選択基準として、波形決定部82は、波形算出部81から入力されたパルス長T0および周波数変化率μと、記憶装置12に記憶されているパルス長T0および周波数変化率μとのそれぞれの差の2乗和が最小となる組み合わせを選択する。差の2乗和を計算する組み合わせは、パルス長T0および周波数振り幅Δf、または周波数変化率μおよび周波数振り幅Δfであっても良い。
また別の選択基準として、波形決定部82は、例えばパルス長T0がユーザにより指定されている場合、指定されたパルス長T0を含む組み合わせの中から、式(1)により算出されるプロセスゲインPGが最大となる組み合わせを選択する。同様に、周波数変化率μまたは周波数振り幅Δfが指定されている場合、波形決定部82は、指定された周波数変化率μまたは周波数振り幅Δfを含む組み合わせの中から、式(1)により算出されるプロセスゲインPGが最大となるような組み合わせを選択する。
図6は、本実施形態に係る目標探知システム10の処理を示すフローチャートである。まず、入力装置11は、ユーザによって指定されたプロセスゲインPGを波形算出部81に入力する(ステップS201)。さらに、入力装置11は、パルス長T0または周波数変化率μの値をユーザから取得する。具体的には、入力装置11は、ユーザによって指定されたパルス長T0または周波数変化率μを波形算出部81に入力する(ステップS202)。これらのステップS201、S202の処理順を逆にしても良い。
次に、波形算出部81および波形決定部82は、ユーザの指定に基づき送信波形を決定する。具体的には、まず、波形算出部81は、上述の式(1)を満たすように、パルス長T0または周波数変化率μのうちの指定されていない残りの値を算出する(ステップS203)。すなわち、波形算出部81は、ユーザによりパルス長T0が指定された場合には周波数変化率μを算出する。この場合、波形算出部81は、周波数変化率μの代わりにまたは加えて、周波数振り幅Δfを算出してもよい。周波数振り幅Δfを算出する際には、上述の式(2)を使用するとよい。一方、波形算出部81は、ユーザにより周波数変化率μが指定された場合にはパルス長T0を算出する。この場合、波形算出部81は、パルス長T0の代わりにまたは加えて、周波数振り幅Δfを算出してもよい。
続いて、波形決定部82は、記憶装置12に記憶されている所定の組み合わせの中から、パルス長T0および周波数変化率μの組み合わせを選択する(ステップS204)。具体的には、波形決定部82は、波形算出部81から入力されたパルス長T0、周波数変化率μ、周波数振り幅Δfの組み合わせを記憶装置12において検索する。そして、波形決定部82は、その組み合わせが記憶装置12に存在しない場合、選択基準に基づいて適切な組み合わせを選択し、送信波形として決定する。波形決定部82は、波形算出部81から入力された組み合わせが、パルス長T0および周波数変化率μ、パルス長T0および周波数振り幅Δf、または周波数変化率μおよび周波数振り幅Δfの組み合わせであっても、同様の処理を行う。以降のステップS205〜S210は、図4のステップS104〜S109と同様の処理であるため、説明を省略する。
本実施形態によれば、入力装置11で指定され、波形算出部81により算出されたパルス長T0、周波数変化率μ、周波数振り幅Δfの組み合わせが、実際には送信不能な波形であったとしても、該組み合わせに類似する送信可能な波形を選択することができる。また、送信波形を選択する際に、最適なプロセスゲインを得ることのできる送信波形を選択することができる。
[その他の実施形態]
図7は、上述の各実施形態に係る目標探知システム10の概略構成図である。図7には、目標以外からの反射波の影響がある場合に、所望のプロセスゲインが得られる機能を実現するための構成例が示されている。目標探知システム10は、直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力し、送信波と受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させる信号処理部91〜95と、送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、およびプロセスゲインをユーザが指定する指定部11と、プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
を満たすように、送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された1つの値、および指定されたプロセスゲインに基づき、送信波の他の値を決定する送信波決定部81、82とを備える。
図7は、上述の各実施形態に係る目標探知システム10の概略構成図である。図7には、目標以外からの反射波の影響がある場合に、所望のプロセスゲインが得られる機能を実現するための構成例が示されている。目標探知システム10は、直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力し、送信波と受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させる信号処理部91〜95と、送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、およびプロセスゲインをユーザが指定する指定部11と、プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、上述の実施形態における入力装置11は、プロセスゲインをユーザが指定するように構成されているが、目標探知を行う探査領域をユーザが指定するように構成されてもよい。例えば、所望のプロセスゲインの値を探査領域までの距離と関連づけて定義しておくことで、探査領域の指定に応じてプロセスゲインの値を読み出すことができる。所望のプロセスゲインの値は、送波器の送波レベル、伝搬損失、受波器のゲインなどに基づいて予め定義しておくことが可能である。
上述の実施形態の機能を実現するように該実施形態の構成を動作させるプログラム(より具体的には、図4、6に示す方法をコンピュータに実行させるプログラム)を記録媒体に記録させ、該記録媒体に記録されたプログラムをコードとして読み出し、コンピュータにおいて実行する処理方法も各実施形態の範疇に含まれる。すなわち、コンピュータ読取可能な記録媒体も各実施形態の範囲に含まれる。また、上述のプログラムが記録された記録媒体はもちろん、そのプログラム自体も各実施形態に含まれる。
該記録媒体としては例えばフロッピー(登録商標)ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、磁気テープ、不揮発性メモリカード、ROMを用いることができる。また該記録媒体に記録されたプログラム単体で処理を実行しているものに限らず、他のソフトウェア、拡張ボードの機能と共同して、OS上で動作して処理を実行するものも各実施形態の範疇に含まれる。
上述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)
直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力し、前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させる信号処理部と、
前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、および前記プロセスゲインをユーザが指定する指定部と、
プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記1つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定する送信波決定部と、
を備える目標探知システム。
直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力し、前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させる信号処理部と、
前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、および前記プロセスゲインをユーザが指定する指定部と、
プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
を備える目標探知システム。
(付記2)
前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の組み合わせを予め記憶した記憶部を備え、
前記送信波決定部は、前記決定されたパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の組み合わせが前記記憶部に記憶されていない場合、前記記憶部に記憶されている組み合わせから、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅を選択する、付記1に記載の目標探知システム。
前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の組み合わせを予め記憶した記憶部を備え、
前記送信波決定部は、前記決定されたパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の組み合わせが前記記憶部に記憶されていない場合、前記記憶部に記憶されている組み合わせから、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅を選択する、付記1に記載の目標探知システム。
(付記3)
前記決定されたパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の送信波を送信する送信部と、
前記送信波に基づく反射波を含む受信信号を受信する受信部とを備え、
前記信号処理部は、前記相互相関の値に基づき前記目標を検出する、付記1または2に記載の目標探知システム。
前記決定されたパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の送信波を送信する送信部と、
前記送信波に基づく反射波を含む受信信号を受信する受信部とを備え、
前記信号処理部は、前記相互相関の値に基づき前記目標を検出する、付記1または2に記載の目標探知システム。
(付記4)
直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、
前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、
前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、
プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記1つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定するステップと、
を備える目標探知方法。
直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、
前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、
前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、
プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
を備える目標探知方法。
(付記5)
直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、
前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、
前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、
プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
を満たすように、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの指定された前記1つの値、および指定された前記プロセスゲインに基づき、前記送信波の他の値を決定するステップと、
をコンピュータに実行させる目標探知プログラム。
直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、
前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、
前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、
プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
をコンピュータに実行させる目標探知プログラム。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、2016年3月24日に出願された日本出願特願2016−059624を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
10 目標探知システム
11 入力装置(指定部)
12 記憶装置
13 送信信号生成器
14 送信信号増幅器
15 送波器
16 受波器
17 受信信号増幅器
18 帯域濾波器
19 A/D変換器
20 信号処理装置
21 表示装置
81 波形算出部(送信波決定部)
82 波形決定部(送信波決定部)
91 フーリエ変換部(信号処理部)
92 レプリカ信号生成部(信号処理部)
93 フーリエ変換部(信号処理部)
94 乗算部(信号処理部)
95 逆フーリエ変換部(信号処理部)
96 目標検出部
100 目標
11 入力装置(指定部)
12 記憶装置
13 送信信号生成器
14 送信信号増幅器
15 送波器
16 受波器
17 受信信号増幅器
18 帯域濾波器
19 A/D変換器
20 信号処理装置
21 表示装置
81 波形算出部(送信波決定部)
82 波形決定部(送信波決定部)
91 フーリエ変換部(信号処理部)
92 レプリカ信号生成部(信号処理部)
93 フーリエ変換部(信号処理部)
94 乗算部(信号処理部)
95 逆フーリエ変換部(信号処理部)
96 目標検出部
100 目標
Claims (5)
- 直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力し、前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させる信号処理部と、
前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、および前記プロセスゲインをユーザが指定する指定部と、
プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
を備える目標探知システム。 - 前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の組み合わせを予め記憶した記憶部を備え、
前記送信波決定部は、前記決定されたパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の組み合わせが前記記憶部に記憶されていない場合、前記記憶部に記憶されている組み合わせから、前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅を選択する、請求項1に記載の目標探知システム。 - 前記決定されたパルス長、周波数変化率、周波数振り幅の送信波を送信する送信部と、
前記送信波に基づく反射波を含む受信信号を受信する受信部とを備え、
前記信号処理部は、前記相互相関の値に基づき前記目標を検出する、請求項1または2に記載の目標探知システム。 - 直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、
前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、
前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、
プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
を備える目標探知方法。 - 直線周波数変調されたパルス状の送信波に基づく反射波を含む受信信号を入力するステップと、
前記送信波と前記受信信号との相互相関を算出し、目標からの反射波の信号成分と他の信号成分とのパワー比を所定のプロセスゲインにて増加させるステップと、
前記送信波のパルス長、周波数変化率、周波数振り幅のうちの1つの値、および前記プロセスゲインをユーザから取得するステップと、
プロセスゲインをPG、パルス長をT0[秒]、周波数変化率をμ[Hz/秒]、周波数振り幅をΔf=T0・μ[Hz]としたとき、
をコンピュータに実行させる目標探知プログラム。
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