(57)【要約】【課題】演算負荷を抑え、かつ、必ずしも直線状の形状を有しない信号であっても検出することのできる信号処理装置を得る。【解決手段】信号候補検出部１は、２次元の特性で表される点の値を３次元方向の値とした場合、３次元方向の任意の閾値以上の値の点を信号候補として検出する。信号領域推定部２は、信号候補検出部１における閾値に相当する平面上に分布する点の密度に基づいて信号の存在する領域を推定する。信号判定部３は、信号領域推定部２で推定された領域内の点が信号であるか否かの判定を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元の特性で表される点の値を３次元方向の値とした場合、当該３次元方向の任意の閾値以上の値の点を信号候補として検出する信号候補検出部と、
前記信号候補検出部における前記閾値に相当する平面上に分布する点の密度に基づいて信号の存在する領域を推定する信号領域推定部と、
前記信号領域推定部で推定された領域内の点が信号であるか否かの判定を行う信号判定部とを備えたことを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記信号領域推定部は、前記平面上に分布する密度が設定値以上の楕円領域に基づいて信号の存在する領域を推定することを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記信号領域推定部は、楕円領域内の点の尤度と平均値とを用いて楕円領域の大きさと中心位置の収束演算を行って前記信号の存在する領域を推定することを特徴とする請求項２記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記信号領域推定部は、楕円領域内の点間の距離に応じた尤度による重み付け平均計算を行って当該楕円領域の中心位置の収束演算を行うことを特徴とする請求項３記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記信号判定部は、楕円の長軸に沿ってコヒーレント積分を行うことにより領域内に信号が存在するか否かを判定することを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか１項記載の信号処理装置。
【請求項６】
前記信号判定部は、前記点をチャープパルスの値を示す点とし、楕円の長軸の傾きによってチャープの周波数変位速度を推定し、前記長軸に沿ったコヒーレント積分を行い、その結果をもとに楕円領域内に信号が存在するか否かを判定することを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか１項記載の信号処理装置。
【請求項７】
前記信号判定部は、前記信号領域推定部で推定された領域内の全ての点のインコヒーレント積分結果により、当該領域内に信号が存在するか否かを判定することを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、雑音等を含む信号候補の中から信号検出を行う信号処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、雑音等を含む信号候補の中から真の信号を検出する信号処理装置として、例えば非特許文献１に示すように、各セルに対し、セルを通る傾きを総当たりで仮定し、Ｈｏｕｇｈ変換を行い、積み上がった直線上に存在するセルを信号とする方法があった。また、例えば非特許文献２に示すように、直線の起点と傾きを総当たりで仮定してＰＤＩを実施し、積み上がった直線上に存在するセルを信号とする方法があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】“Search Radar Detection and Track with the Hough Transform, I〜III” , IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems, 1994.
【非特許文献２】“PDI方式を用いたドップラーレーダの加速度目標検出性能の改善”, IEICE 和論文誌 B, 1999.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来のような方法では、次のような問題があった。
・問題点１：総当たりで直線を仮定するため演算負荷が高い。
・問題点２：直線を推定するため、ドップラシフトにより曲線状に変化する信号、変調帯域幅を有する信号、直線ではなく例えばパルスといった線分的な信号は検出困難である。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、演算負荷を抑え、かつ、必ずしも直線状の形状を有しない信号であっても検出することのできる信号処理装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る信号処理装置は、２次元の特性で表される点の値を３次元方向の値とした場合、３次元方向の任意の閾値以上の値の点を信号候補として検出する信号候補検出部と、信号候補検出部における閾値に相当する平面上に分布する点の密度に基づいて信号の存在する領域を推定する信号領域推定部と、信号領域推定部で推定された領域内の点が信号であるか否かの判定を行う信号判定部とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の信号処理装置は、３次元方向の任意の閾値以上の値の点を信号候補として検出し、この信号候補の閾値に相当する平面上に分布する点の密度に基づいて信号の存在する領域を推定し、この領域内で信号の有無を判定するようにしたので、演算負荷を抑え、かつ、必ずしも直線状の形状を有しない信号であっても検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１による信号処理装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による信号処理装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１による信号処理装置の信号候補検出部における閾値の説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１による信号処理装置の信号領域推定部における信号領域推定の概念を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１による信号処理装置の信号領域推定部における動作の詳細を示すフローチャートである。
【図６】図５の各ステップに対応した処理式の説明図である。
【図７】この発明の実施の形態１による信号処理装置の処理結果例を示す説明図である。
【図８】図７の処理結果の拡大図である。
【図９】この発明の実施の形態２による信号処理装置の各処理に対応した演算式を示す説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態３による信号処理装置の信号判定部におけるコヒーレント積分の概念を示す説明図である。
【図１１】この発明の実施の形態４による信号処理装置の楕円内のセルを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による信号処理装置を示す構成図である。
図１に示す信号処理装置は、信号候補検出部１、信号領域推定部２、信号判定部３を備える。信号候補検出部１は、２次元の特性で表される点の値を３次元方向の値とした場合、３次元方向の任意の閾値以上の値の点を信号候補として検出する処理部である。信号領域推定部２は、信号候補検出部１における閾値に相当する平面上に分布する点の密度に基づいて信号の存在する領域を推定する処理部である。信号判定部３は、信号領域推定部２で推定された領域内の点が信号であるか否かの判定を行う処理部である。
【００１０】
図２は、実施の形態１の信号処理装置の動作を示すフローチャートである。
先ず、信号候補検出部１は、所定の閾値以上の点を信号候補として検出する（ステップＳＴ１）。
図３は、信号候補検出部１における閾値の説明図であり、低ＳＮＲ環境における受信信号の時間−周波数プロットと検出閾値との関係を示している。ここで、時間と周波数の２次元の特性で表される点をセルとする。図３（ａ）に示すように、誤警報（信号以外の雑音など）が閾値を超えないよう、閾値を高めに設定した場合、低ＳＮＲ信号は閾値を超えられず、信号検出が困難となる。そこで、本発明の信号候補検出部１では、図３（ｂ）に示すように、検出閾値を超えられなかった信号が閾値を超えられるように、閾値を低めに設定する。例えば、図３（ａ）に示す例では検出閾値が３．８程度であるが、図３（ｂ）に示す例では２．１程度としている。これにより、誤警報も閾値を超えることになるが、信号候補検出部１では、これらのセルを信号候補のセルとして出力する。
【００１１】
次に、信号領域推定部２は、以下に詳述するように、閾値平面上に分布する点、すなわち、閾値以上の値を持つセルで閾値に相当する平面上に分布するセルの密度が設定値以上の楕円領域に基づいて信号の存在する領域を推定する（ステップＳＴ２）。
図４は、信号領域推定部２における信号領域推定の概念を示す説明図である。図示のように、初期ＰＣＡ（主成分分析）で設定する楕円領域と中心に対して収束演算を行って信号成分の可能性の高い領域と楕円中心とを算出する。
【００１２】
図５は、信号領域推定部２における動作の詳細を示すフローチャートである。また、図６は、各ステップに対応した処理式を示す説明図である。
先ず、初期楕円として、全セルの平均値及び共分散行列を、それぞれ、楕円中心、及び楕円の形状を決める行列とする（ステップＳＴ２１）。次に、全セルに対し、楕円の内外判定を行う（ステップＳＴ２２）。次に、楕円内に入ったセルの楕円中心からの距離すなわち残差を計算する（ステップＳＴ２３）。次に、各セルの信頼度を計算する（ステップＳＴ２４）。次に、各セルに対し、信頼度による重みづけをし、楕円の形状を決める共分散行列を更新する（ステップＳＴ２５）。こうすることにより、楕円中心から大きく外れたセルの信頼度は小さいため、共分差行列更新への寄与が小さくなる。更新された共分散行列は、楕円中心から比較的近いセルを含む形状に更新される。
【００１３】
次に、楕円に入ったセルで楕円中心を更新する（ステップＳＴ２６）。ここでは、楕円内のセルの平均値を新たな中心としている。こうすることにより、密度の濃い方向（信号が存在する方向）に楕円の中心が移動する。さらに、収束したかどうかの判定を行う（ステップＳＴ２７）。判定基準として、楕円の中に含まれるセルが前処理と現処理で、同一の場合、収束したとし、演算を終了する。同一になるとは、前処理と現処理で、同一位置のセルのみが含まれているという意味である。そうでない場合、収束していないとする。収束しない場合、ステップＳＴ２２に戻り、一連の処理を繰り返す。
【００１４】
図７に実施の形態１の処理結果例、図８に図７の処理結果の拡大図を示す。パルス信号（楕円領域１０で示す領域内のセル）が閾値を超える程度に閾値を下げた結果、Ｐｆａ＝１０−２の誤警報が上がってきたとする。図７及び図８より、誤警報を含まず、信号セルのみを含む楕円に収束していることが分かる。
【００１５】
信号領域推定部２における信号領域推定処理が終了すると、信号判定部３は、信号領域推定部２で推定された領域内の点が信号であるか否かの判定を行う（ステップＳＴ３）。なお、この処理については実施の形態３、４で詳述する。
【００１６】
このように、実施の形態１の信号処理装置では、従来の非特許文献１、２に示されているような「総当たり」でなく、「セルが密に存在する領域の絞り込み」により、信号の存在する「直線」ではなく「領域」を推定する。よって、総当たりでないため、演算負荷を軽くすることができる。また、「直線」ではなく「領域」であるため、ドップラシフトにより曲線状に変化する信号、変調帯域幅を有する信号、直線ではなく線分的な信号、に対しても、信号成分が存在するセルのみを特定し積分することができる。
【００１７】
以上説明したように、実施の形態１の信号処理装置によれば、２次元の特性で表される点の値を３次元方向の値とした場合、３次元方向の任意の閾値以上の値の点を信号候補として検出する信号候補検出部と、信号候補検出部における閾値に相当する平面上に分布する点の密度に基づいて信号の存在する領域を推定する信号領域推定部と、信号領域推定部で推定された領域内の点が信号であるか否かの判定を行う信号判定部とを備えたので、演算負荷を抑え、かつ、必ずしも直線状の形状を有しない信号であっても検出することができる。
【００１８】
また、実施の形態１の信号処理装置によれば、信号領域推定部は、平面上に分布する密度が設定値以上の楕円領域に基づいて信号の存在する領域を推定するようにしたので、演算負荷を抑えた処理を行うことができる。
【００１９】
また、実施の形態１の信号処理装置によれば、信号領域推定部は、楕円領域内の点の尤度と平均値とを用いて楕円領域の大きさと中心位置の収束演算を行って信号の存在する領域を推定するようにしたので、演算負荷を抑えた処理を行うことができる。
【００２０】
実施の形態２．
実施の形態１では、楕円内のセルの平均位置を新たな楕円中心としていたが、実施の形態２では、密度の濃いセルにより速く楕円中心を移動させるため、単なる平均でなく、密度の濃いセルに重みを大きく置いた重みづけ平均をするようにしたものである。ここで、実施の形態２における信号処理装置の図面上の構成は、図１と同様であるため、図１の構成を用いて説明する。
【００２１】
実施の形態２の信号領域推定部２は、実施の形態１の信号領域推定部２の機能に加えて、楕円領域の中心位置を、楕円領域内の点間の距離に応じた尤度による重み付け平均計算するよう構成されている。信号候補検出部１及び信号判定部３は実施の形態１と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００２２】
次に、実施の形態２の信号領域推定部２の動作として、以下の［処理１］〜［処理４］について説明する。また、図９は、各処理に対応した演算式を示している。
2016151469.tif 000003
2016151469.tif 000004
最後に、
2016151469.tif 000005
2016151469.tif 000006
【００２３】
以上説明したように、実施の形態２の信号処理装置によれば、信号領域推定部は、楕円領域内の点間の距離に応じた尤度による重み付け平均計算を行って楕円領域の中心位置の収束演算を行うようにしたので、収束演算を速やかに行うことができ、従って、信号検出処理の高速化を図ることができる。
【００２４】
実施の形態３．
実施の形態３は、図１に示した信号判定部３に関するものであり、信号候補検出部１及び信号領域推定部２については、実施の形態１または実施の形態２と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００２５】
実施の形態３の信号判定部３は、セルをチャープパルスの値を示すものとし、楕円の長軸の傾きによってチャープの周波数変位速度を推定し、長軸に沿ったコヒーレント積分を行い、その結果をもとに楕円領域内に信号が存在するか否かを判定するよう構成されている。
図１０は、信号判定部３におけるコヒーレント積分の概念を示す説明図である。図は、領域推定アルゴリズムにより得られた楕円を示している。
ここでは、線形チャープパルス信号を仮定する。すなわち、信号は次式（１）で表すことができる。
2016151469.tif 000007
また、雑音が付加された場合、次式（２）
2016151469.tif 000008
となる。ここで、μはチャープ係数と呼ばれ、単位時間当たりの周波数の変動量を示す。
ここでは、楕円内にチャープパルス信号が得られた場合、コヒーレントに積分する方法を示す。
【００２６】
2016151469.tif 000009
2016151469.tif 000010
【００２７】
ここで、ｔ２−ｔ１、ｆ２−ｆ１は、それぞれ図１０に示すチャープ時間幅及び周波数幅で、楕円の軸の長さ及び方向から得ることができる。最後に次式によりコヒーレント積分を行う。例えば二乗和によりコヒーレント積分する場合、積分式は次式（４）となる。
2016151469.tif 000011
2016151469.tif 000012
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【００２８】
2016151469.tif 000015
2016151469.tif 000016
2016151469.tif 000017
閾値をthresholdとすると、
2016151469.tif 000018
の場合雑音、
2016151469.tif 000019
の場合信号と判定する。
このように、収束演算で得られた楕円内のセルを積分することにより、信号が存在するか否かを判定することができる。
【００２９】
以上説明したように、実施の形態３の信号処理装置によれば、信号判定部は、楕円の長軸に沿ってコヒーレント積分を行うことにより領域内に信号が存在するか否かを判定するようにしたので、領域内の信号の有無を確実に判定することができる。
【００３０】
また、実施の形態３の信号処理装置によれば、信号判定部は、点をチャープパルスの値を示す点とし、楕円の長軸の傾きによってチャープの周波数変位速度を推定し、長軸に沿ったコヒーレント積分を行い、その結果をもとに楕円領域内に信号が存在するか否かを判定するようにしたので、領域内の信号の有無を確実に判定することができる。
【００３１】
実施の形態４．
実施の形態４は、図１に示した信号判定部３に関するものであり、信号候補検出部１及び信号領域推定部２については、実施の形態１または実施の形態２と同様であるため、ここでの説明は省略する。
【００３２】
実施の形態４の信号判定部３は、信号領域推定部２で推定された領域内の全ての点のインコヒーレント積分結果により、領域内に信号が存在するか否かを判定するよう構成されている。以下、信号判定部３の動作について説明する。
実施の形態４では、図２に示すステップＳＴ３の、収束演算の結果得られた楕円内に本当に信号が存在するかどうかの判定方法として、領域内のセルをインコヒーレントに積分し、その大きさにより信号の有無を判定する。楕円内のセルを次式（９）のようにインコヒーレント積分し、その大きさにより信号の有無を判定する。
2016151469.tif 000020
すなわち、図１１に示すように、楕円内の全てのセルの振幅｜ｙｎ｜をインコヒーレント積分する。
【００３３】
信号が存在する場合は次式（１０）となる。
2016151469.tif 000021
一方、雑音のみの場合は次式（１１）となる。
2016151469.tif 000022
【００３４】
式（１０）と式（１１）とを比較すると、信号が存在する場合の方が大きい値をとることが分かる。大きさが違うので、積み上がりの高さで信号の有無を最終判定することができる。判定閾値は、例えば、雑音の確率分布を仮定すれば求めることができる。積分値に対し、閾値設定することができる。閾値をthresholdとすると、
2016151469.tif 000023
の場合雑音、
2016151469.tif 000024
の場合信号と判定する。
このように、収束演算で得られた楕円内のセルを積分することにより、信号が存在するか否かを判定することができる。
【００３５】
以上説明したように、実施の形態４の信号処理装置によれば、信号判定部は、信号領域推定部で推定された領域内の全ての点のインコヒーレント積分結果により、領域内に信号が存在するか否かを判定するようにしたので、領域内の信号の有無を確実に判定することができる。
【００３６】
なお、上記各実施の形態では、２次元の特性として時間と周波数、３次元方向の値として振幅としたが、これらの値に限定されるものではなく、例えば２次元の特性として、時間と方位、周波数と方位、といったように、あらゆる値に適用可能である。
【００３７】
また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１  信号候補検出部、２  信号領域推定部、３  信号判定部。
【図１】
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【図２】
2016151469.tif 000026
【図３】
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【図４】
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【図５】
2016151469.tif 000029
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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