(57)【要約】【課題】回路規模を大型化せずフィルタの係数を適切な値に設定するだけで、簡単に方位方向の分解能を高める。【解決手段】エコー信号から方位方向の受信信号の相関関数を求め、これを最小二乗誤差成形フィルタに入力してパルス圧縮するパルス圧縮法であって、最小二乗誤差成形フィルタ８１の係数を、方位方向の受信信号の自己相関関数と所望の周波数帯域を持つパルス信号の自己相関関数との二乗誤差を最小とする値ｂ１〜ｂｍで設定する。パルス圧縮を行う時には、方位方向の受信信号を相関フィルタ８０で相関処理した後、上記の係数の設定されている最小二乗誤差成形フィルタ８１で周波数帯域を拡大してパルス圧縮を行う。【選択図】図３
2004271377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エコー信号中の方位方向信号の相関関数を求め、これを最小二乗誤差成形フィルタに入力してパルス圧縮するパルス圧縮法であって、
前記最小二乗誤差成形フィルタの係数を、方位方向信号の自己相関関数と、所望の周波数帯域を持つパルス信号の自己相関関数との二乗誤差を最小とする値で設定することを特徴とするパルス圧縮法。
【請求項２】
前記所望の周波数帯域を持つパルス信号は、送信パルス信号と同じパルス信号である請求項１記載のパルス圧縮法。
【請求項３】
エコー信号中の方位方向信号の相関関数を求める相関演算部と、この相関演算部の出力をフィルタ処理する最小二乗誤差成形フィルタとを備え、前記最小二乗誤差フィルタ成形は、方位方向信号の自己相関関数と、所望の周波数帯域を持つパルス信号の自己相関関数との二乗誤差を最小とする値が係数として設定されていることを特徴とするパルス圧縮装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーダ、水中探知装置、超音波診断装置等、パルス信号を送信した後のエコー信号から画像を再構成したり距離情報を取得する装置において、分解能を向上するために受信側で採用されるパルス圧縮法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーダ等では、送信パルス信号に対するエコー信号をそのまま処理しても、距離分解能は送信する周波数帯域幅分の１程度しか得られない。そこで、通常は各種のパルス圧縮法が採用されている。
【０００３】
たとえば、送信パルスに対し周波数変調を加えてチャープ信号として受信側でパルス圧縮処理を行う方法がある（たとえば、特許文献１参照）。また、周波数変調に代えてパルス変調や符号化変調を行って受信側でパルス圧縮処理する方法も実用化されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−３４１０３７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
受信側でのパルス圧縮処理は、距離分解能を向上することができるが、従来のパルス圧縮装置では、チャープパルス信号発生回路を別途設ける必要があるなど回路規模が大型化することを避けることができず、また、距離方向については分解能を向上することができるが、方位方向について考慮したものがなかった。
【０００６】
本発明の目的は、信号処理がディジタル的になされるパルス圧縮方法及びパルス圧縮装置において、回路規模を大型化せずフィルタの係数を適切な値に設定するだけで、簡単に方位方向の分解能を高めることのできるパルス圧縮法及びパルス圧縮装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エコー信号中の方位方向信号の相関関数を求め、これを最小二乗誤差成形フィルタに入力してパルス圧縮するパルス圧縮法であって、
前記最小二乗誤差成形フィルタの係数を、方位方向信号の自己相関関数と、所望の周波数帯域を持つパルス信号の自己相関関数との二乗誤差を最小とする値で設定することを特徴とする。
【０００８】
本発明では、方位方向の信号のサイドローブスペクトラムをフィルタ処理によって増大させ、これにより受信パルス信号の周波数帯域を拡大し、結果としてパルス圧縮を行うようにする。
【０００９】
パルス圧縮のため、方位方向信号の自己相関関数と、所望の周波数帯域を持つパルス信号の自己相関関数との二乗誤差を最小とするフィルタ係数を予め求め、この係数の設定された最小二乗誤差成形フィルタを用いる。このフィルタは、所望の周波数帯域、すなわち所望の分解能を持つ信号の周波数帯域が、方位方向信号の周波数帯域よりも広いと、入力信号である方位方向信号の周波数帯域を拡大するように作用する。すなわち、所望の周波数帯域を持つパルス信号を「型」として用いて、方位方向信号の周波数帯域を拡大する。これによって、方位方向信号のサイドローブスペクトルを増大するよう作用する。
【００１０】
上記フィルタの係数を設定する際、方位方向信号の自己相関関数と所望の周波数帯域を持つパルス信号の自己相関関数を使用しているが、この自己相関関数の意味は、送信パルス信号の形状、特性を問わないようにするためである。したがって、送信パルス信号が、単純なパルス方形波であろうと、変調されたパルス波であろうと、その自己相関関数は常に図１に示すような帽子状のパルスとなるから、送信パルス信号がどのようなものであろうと最適なパルス圧縮が可能である。
【００１１】
なお、所望の周波数帯域を持つパルス信号は、方位方向信号の周波数帯域よりも広いことが必要である。このパルス信号には、送信パルス信号と同じものが使用可能である。送信パルス信号が目標物に反射したときのエコー信号に対しては、通常は、このエコー信号からノイズ成分等を除去するためにＢＰＦ（バンドパスフィルタ）が用いられるが、この時、信号の帯域が狭くなる。したがって、通常は、方位方向信号は、送信パルス信号に対して周波数帯域が縮小した状態となっている。本発明では、このようにして、周波数帯域が縮小した方位方向信号を、最小二乗誤差成形フィルタを通過させることでサイドローブ領域のスペクトラムを拡大し、周波数帯域を、元の送信パルス信号と同等の程度まで復元させ、これにより結果としてパルス圧縮を行うことになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の実施形態のパルス圧縮法を適用したレーダの概略構成図である。
【００１３】
送信回路１はパルスバースト信号を形成し、デュプレクサ２及びレーダアンテナ３を介してパルスバースト波を送信する。物体で反射したエコー信号は、アンテナ３、デュプレクサ２を介して受信回路４に入力する。受信回路４で高周波増幅等の処理がされた受信パルス信号は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）５においてノイズ成分等が除去され、さらにＩＦ部６において必要な周波数にダウンコンバートされる。中間周波数にコンバートされた受信パルス信号は、Ａ／Ｄ変換器７においてＡ／Ｄ変換されてフィルタ８に入力する。制御回路９は、送信回路１、受信回路４の制御を行ったり、フィルタ８の係数（フィルタ係数）の設定や更新を行ったりする。なお、フィルタ８の出力信号は、図外の画像処理部に入力し、ここでレーダ画像が形成される。
【００１４】
図３は、上記フィルタ８の構成図である。このフィルタ８は、ＦＩＲフィルタで構成されており、前段は相関フィルタ８０、後段は最小二乗誤差成形フィルタ８１を構成している。この２つのフィルタ８０、８１でパルス圧縮フィルタを構成する。なお、このフィルタはハードウェアで構成してもソフトウェアで構成しても良い。
【００１５】
図４は上記フィルタの概略構成図を示している。
【００１６】
図において、入力信号ｘは、相関フィルタ８０で相関処理され、最小二乗誤差成形フィルタ８１でパルス圧縮（整形）される。各フィルタ８０、８１の係数は、それぞれ、ａｎ  、ｂｍ（ｗ）として表される。これらの係数については制御回路９から与えられる。
【００１７】
次に、最小二乗誤差成形フィルタ８１の係数ｂｍ（ｗ）の決め方について説明する。
【００１８】
入力複素信号をｘ［ｎ］とする。その自己相関関数ｙ［ｎ］は、次式で与えられる。
【００１９】
【数１】
2004271377.tif 000003
【００２０】
ただし、ＮはＸ［ｎ］の入力データ数である。この信号を最小二乗誤差成形フィルタに加え、信号波形を整形する。このフィルタの係数をｗ［ｎ］とする。
【００２１】
【数２】
2004271377.tif 000004
【００２２】
Ｌは同フィルタのフィルタ長である。
【００２３】
以下に示される所望波形とその近似波形ｚ［ｎ］との二乗誤差Ｅ
【００２４】
【数３】
2004271377.tif 000005
【００２５】
を最小にする係数ｗ［ｎ］を求める。
【００２６】
（３）式の係数ｗ［ｎ］に関する最小値を求めるために、Ｅのｗ［ｎ］に関する偏微分を計算する。（３）式は、ｗ［ｎ］に関して２次の関数で下に凸であるため、偏微分がゼロとなる点はｗ［ｎ］に関してＥが最小になる。このｗ［ｎ］が目的のフィルタ係数（インパルス・レスポンス）である。
【００２７】
【数４】
2004271377.tif 000006
【００２８】
これから、
【００２９】
【数５】
2004271377.tif 000007
【００３０】
得られる。両辺の複素共役をとり左辺の総和の順番を入れ替えると、
【００３１】
【数６】
2004271377.tif 000008
【００３２】
と変換でき、ここで、
【００３３】
【数７】
2004271377.tif 000009
【００３４】
また、
【００３５】
【数８】
2004271377.tif 000010
【００３６】
とすると、（６）式は、
【００３７】
【数９】
2004271377.tif 000011
【００３８】
と表記できる。ここで、以下の置換を行うと、
【００３９】
【数１０】
2004271377.tif 000012
【００４０】
【数１１】
2004271377.tif 000013
【００４１】
【数１２】
2004271377.tif 000014
【００４２】
（９）式は、
【００４３】
【数１３】
2004271377.tif 000015
【００４４】
と表記できる。
【００４５】
これから、最適な係数は、
【００４６】
【数１４】
2004271377.tif 000016
【００４７】
で与えられる。
【００４８】
上記（３）式において、ｄ［ｎ］は、所望の周波数帯域を持つパルス信号の自己相関関数（波形）である。所望の周波数帯域を持つパルス信号としては、送信回路１から出力される送信パルス信号と同じパルス信号を使用することができる。また、その自己相関波形は、相関フィルタ８０を通すことで得られる。
【００４９】
上記のようにして最小二乗誤差成形フィルタ８１の係数ｂｍ（ｗ）を求めて、これを同フィルタに設定する。
【００５０】
このようにして、最小二乗誤差成形フィルタ８１の係数を設定することにより、ＢＰＦ５によって狭帯域化した受信パルス信号を、フィルタ８によって再び広帯域化することができる。具体的には、受信パルス信号のサイドローブのスペクトラムを増大させて信号の広帯域化を行う。信号の広帯域化により、出力としてのパルス幅が圧縮される。
【００５１】
実際の信号受信時においては、相関フィルタ８０において受信パルス信号の自己相関処理が行われた後、最小二乗誤差成形フィルタ８１においてフィルタリングされる。なお、先に述べたように、相関フィルタ８０は、入力パルス信号を図１に示すような帽子状のパルス信号に変換するためのものであるから、相関フィルタ８０での処理は必ずしも自己相関処理でなくてもよい。入力パルス信号に類似した信号、たとえば、送信パルス信号との相互相関処理であっても構わない。
上記最小二乗誤差成形フィルタ８１の係数を求めるに際して、所望の周波数帯域を持つパルス信号を時間軸方向のものとすれば、パルス圧縮される受信パルス信号は時間軸方向のものとなる。また、上記所望の周波数帯域を持つパルス信号を方位方向のものとすれば、パルス圧縮される受信パルス信号は方位方向のものとなる。本実施形態での装置はレーダ装置であるために、送信回路１からは連続的にパルスバースト波が出力されていき、図外の画像処理部においては例えばＰＰＩ方式で時間軸方向及び方位方向に画像が構成されていく。したがって、この実施形態では、時間軸方向及び方位方向のいずれの方向においてもパルス圧縮が可能であるが、距離方向に対する所望の周波数帯域を持つパルス信号と方位方向に対する所望の周波数帯域を持つパルス信号とを同一のパルス信号とすることで、この実施形態のように１つのフィルタ８によって、距離方向と方位方向のパルス圧縮を同時に実現することができる。装置によって、距離方向の所望の周波数帯域を持つパルス信号と、方位方向の所望の周波数帯域を持つパルス信号とが異なる場合には、２つのフィルタ８を使用してそれぞれ個別に処理をすればよい。
方位方向の所望の周波数帯域を持つパルス信号だけを用いて、方位方向にのみパルス圧縮することも可能である。
【００５２】
図５はフィルタ８によるパルス圧縮をする場合としない場合の距離方向の受信パルス信号を示している。データＡはフィルタ８を使用しない場合の距離方向の受信信号を示し、データＢはフィルタ８を使用してパルス圧縮した時の距離方向の受信信号を示している。図６は、同じくフィルタ８を使用しない時（データＡ）と使用した時（データＢ）の方位方向の受信信号を示している。また、図７は、フィルタ８を使用しない時（図７（Ａ））と使用した時（図７（Ｂ））の画像（横軸を方位としたＡスコープ）例を示している。
【００５３】
図５〜図７に示すように、距離方向及び方位方向の受信信号はフィルタ８を使用することによって明らかに１／２以上にパルス圧縮されていることがわかる。また、図７に示すように、パルス圧縮の結果、距離方向と方位方向の両方において画像の分解能が向上していることがわかる。
【００５４】
なお、レーダでは受信信号をディジタル処理する時にフィルタリングをすることが通常であるから、このフィルタ部に、図２に示すフィルタ部８を組み込むだけで上記のパルス圧縮を実現することができる。また、フィルタ部はソフトウエアで構成することができるために、これをソフトウエアで構成する場合にはハードウエア上追加するものは一切不要である。このため、装置全体を低コストで構成でき且つ従来のような回路規模が増大したり大型化するということもない。
【００５５】
本発明のパルス圧縮原理は、パルス自体をそれよりも広帯域のパルスを「型」として広帯域化するものであるから、どのようなパルスに対しても適用することが可能である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な構成で方位方向の受信信号をパルス圧縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】パルス信号を自己相関処理した帽子状の波形
【図２】本発明の実施形態であるパルス圧縮法を使用したレーダの概略構成図
【図３】フィルタ８の構成図
【図４】フィルタ８の概略構成図
【図５】フィルタを使用しない時と使用した時の距離方向の受信信号を示す図
【図６】フィルタを使用しない時と使用した時の方位方向の受信信号を示す図
【図７】フィルタを使用しない時と使用した時のＡスコープ上の画像例を示す図
【図１】
2004271377.tif 000017
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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