(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5794887
(24)【登録日】2015年8月21日
(45)【発行日】2015年10月14日
(54)【発明の名称】パラメトリック適応整合フィルターの推定された空間相関行列及び推定された時間相関行列を求めて時空間適応処理を用いてレーダー信号におけるターゲットを検出する方法
(51)【国際特許分類】
G01S 7/292 20060101AFI20150928BHJP
【FI】
G01S7/292 204
【請求項の数】1
【外国語出願】
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2011-227740(P2011-227740)
(22)【出願日】2011年10月17日
(65)【公開番号】特開2012-112934(P2012-112934A)
(43)【公開日】2012年6月14日
【審査請求日】2014年8月6日
(31)【優先権主張番号】12/954,254
(32)【優先日】2010年11月24日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】597067574
【氏名又は名称】ミツビシ・エレクトリック・リサーチ・ラボラトリーズ・インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100110423
【弁理士】
【氏名又は名称】曾我 道治
(74)【代理人】
【識別番号】100094695
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 憲七
(74)【代理人】
【識別番号】100111648
【弁理士】
【氏名又は名称】梶並 順
(74)【代理人】
【識別番号】100122437
【弁理士】
【氏名又は名称】大宅 一宏
(74)【代理人】
【識別番号】100147566
【弁理士】
【氏名又は名称】上田 俊一
(74)【代理人】
【識別番号】100161171
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 潤一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100161115
【弁理士】
【氏名又は名称】飯野 智史
(72)【発明者】
【氏名】ザファー・サヒノグル
(72)【発明者】
【氏名】プ・ワン
(72)【発明者】
【氏名】マン−オン・パン
【審査官】
小川 亮
(56)【参考文献】
【文献】
特許第5611157(JP,B2)
【文献】
特開2011−158471(JP,A)
【文献】
特開2007−003325(JP,A)
【文献】
特開2008−196921(JP,A)
【文献】
米国特許第06091361(US,A)
【文献】
特開2007−163290(JP,A)
【文献】
特開2009−229104(JP,A)
【文献】
特表2005−520160(JP,A)
【文献】
米国特許出願公開第2009/0027257(US,A1)
【文献】
米国特許第06252540(US,B1)
【文献】
米国特許第07038618(US,B1)
【文献】
米国特許第07079072(US,B1)
【文献】
米国特許第07212150(US,B1)
【文献】
米国特許第07259714(US,B1)
【文献】
米国特許第07369083(US,B1)
【文献】
米国特許第07474258(US,B1)
【文献】
中国特許出願公開第101819269(CN,A)
【文献】
特開2005−197772(JP,A)
【文献】
特開2003−004834(JP,A)
【文献】
特開2009−210410(JP,A)
【文献】
特開2008−032438(JP,A)
【文献】
E. Conte and A. De Maio,“Exploiting persymmetry for CFAR detectionin compound-Gaussian clutter”,Radar Conference, 2003. Proceedings of the 2003 IEEE ,米国,IEEE,2003年 5月,pp. 110-115
【文献】
A. De Maio, G. Foglia, E. Conte, and A. Farina,“CFAR behaviorof adaptive detectors: An experimental analysis”,Radar Conference, 2004. Proceedings of the IEEE ,米国,IEEE,2004年 4月,pp. 333-338
【文献】
M. Casillo, A. De Maio, S. Iommelli, and L. Landi,“A persymmetric GLRT for adaptive detection in partially-homogeneous environment”,IEEE Signal Process. Lett.,米国,IEEE,2007年12月,vol. 14, no. 12,pp. 1016-1019
【文献】
G. Pailloux, P. Forster, J. P. Ovarlez, and F. Pascal,“On persymmetric covariance matrices in adaptive detection”,Int. Conf. onAcoust., Speech, and Signal Process., Las Vegas, Nevada,米国,IEEE,2008年 3月,pp. 2305.2308
【文献】
M. Jansson, P. Wirfalt, K. Werner, and B. Ottersten,“ML estimation of covariance matrices with Kronecker and persymmetric structure”,inProc. IEEE DSP/SPE Workshop, Marco Island,米国,IEEE,2009年 1月,pp.298.301
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01S 7/292
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
パラメトリック適応整合フィルターの推定された空間相関行列(ハット)Q及び推定された時間相関行列(ハット)Aを求めて、時空間適応処理を用いてレーダー信号におけるターゲットを検出する方法であって、
空間相関行列Q及び時間相関行列Aはトレーニング信号から既知であり、
パーシンメトリックパラメトリック適応整合フィルター(par-PAMF)を使用し、
該方法は
一般化尤度比検定(GLRT)
【数1】
を求めるステップであって、ここで
{p}
1i=0は、前記レーダー信号内に前記ターゲットが存在するという第1の仮説H
1及び前記ターゲットが存在しないという第2の仮説H
0の下での尤度関数であり、
αは前記レーダー信号の未知の複素値振幅であり、
x
0はテスト信号であり、
maxは最大値を求める関数である、ものと、
前記空間相関行列Qの最大尤度(ML)を
前記トレーニング信号から行列のパーシンメトリック性を利用して前記(ハット)Qとして求め、前記時間相関行列AのMLを
前記トレーニング信号から行列のパーシンメトリック性を利用して前記(ハット)Aとして求めるステップと、
前記GLRTにおける前記空間相関行列Q及び前記時間相関行列Aをそれぞれ
前記(ハット)Q及び
前記(ハット)Aで置き換えるステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は包括的には信号処理に関し、詳細には、レーダー信号に適用される適応整合フィルター(AMF)を用いたターゲット検出のための時空間適応処理(STAP)に関する。
【背景技術】
【0002】
時空間適応処理(STAP)は、レーダーシステムにおいてターゲットを検出するのに頻繁に用いられる。STAPは1970年台前半から知られている。航空機搭載レーダーシステムにおいて、STAPは、環境内の外乱、たとえば雑音、グラウンドクラッター及びジャミングが問題であるとき、ターゲット検出を改善する。外乱は、ガウス型である可能性もあるし、非ガウス型である可能性もある。STAPはターゲット検出において桁違いの感度改善を達成することができる。
【0003】
通常、STAPは、複数の空間チャネル(アンテナ)を有するフェーズドアレイアンテナによって受信された信号に適用される2次元フィルタリング技法を伴う。複数の空間チャネルを時間依存のパルス−ドップラー波形と結合することによってSTAPがもたらされる。環境の干渉の統計を適用することによって、時空間適応重みベクトルが形成される。次に、重みベクトルをレーダーによって受信されたコヒーレント信号に適用してターゲットを検出する。
【0004】
STAP検出器フィルター
従来のSTAPについて
図1に示されているように、観測値はテスト信号101と、1組のトレーニング信号102と、ステアリングベクトル103とを含む。均一環境では、テスト信号はトレーニング信号と同じ共分散行列を共有する。
【0005】
レーダー、無線通信、及び電磁スペクトル全体にわたって得られるハイパースペクトルイメージングを含む多くの用途において、動いているプラットフォームから動いているターゲットを検出することは既知の問題である。STAPは空間的かつ時間的に有色の強力な外乱に対処することができる。
【0006】
しかしながら、従来のSTAPは過度なトレーニング要件及び高い計算複雑度に起因して、実際の用途からの多くのもの、たとえば共分散行列に基づくSTAP検出器に適切でない。共分散行列に基づくSTAP検出器は、外乱共分散行列の最大階数推定を確保するのにK個、すなわちJN個のトレーニング信号を必要とし、JN×JN行列を反転しなくてはならない。ここで、Jはアンテナ数を表し、Nはパルス数を表す。
【0007】
図1に示されるように、外乱をマルチチャネル自己回帰(AR)プロセスとしてモデル化することによって、パラメトリックSTAP検出器100は、テスト信号101、トレーニング信号102、及びステアリングベクトル103を所与として、時間相関行列Aの推定値130及び空間共分散行列Qの推定値140を用いることによって、共分散行列に基づく検出器の時空間白色化を連続した時間白色化110及び空間白色化120に同時に分解する。ここで(・)
H145はエルミート転置を示す。
【0008】
空間白色化120の結果は互いに乗算されて(149)対応する総和
【0009】
【数1】
【0010】
150が生成され、該総和について大きさ|・|
2170が求められる。大きさは互いに除算され(/)(175)、パラメトリック適応整合フィルター(PAMF)の検定統計量T
PAMF180が求められる。検定統計量180は閾値190と比較され、テスト信号内にターゲットが存在するか否かの判定195が得られる。
【0011】
行列推定
図2に示されるように、推定される時間相関行列A130及び推定される空間相関行列Q140は以下のように求められる(200)。
トレーニング信号x
k(n)102から回帰ベクトルy
k(n)215が構築され(210)、
トレーニング信号102を用いて、トレーニング信号の自己相関の推定値(ハット)R
xxが求められ(220)、
トレーニング信号及び回帰ベクトルを用いて、y
k(n)215及びx
k(n)102の相互相関の推定値が求められ(240)、
回帰ベクトル215を用いて、自己相関の推定値(ハット)R
yyが求められ(230)、
空間共分散行列Qの推定値140が
【0012】
【数2】
【0013】
として求められ(250)、
自己回帰係数行列の推定値130が
【0014】
【数3】
【0015】
として求められる(260)。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
マルチチャネル受信機の検出性能の改善が求められている。
【課題を解決するための手段】
【0017】
この発明の実施の形態は、マルチチャネルARに基づくパラメトリック適応整合フィルター(PAMF)、及びパーシンメトリック(persymmetric)PAMF(per−PAMF)を提供するための基礎を成すパーシンメトリ制約の双方を利用する。
【0018】
この発明のper−PAMFは2ステップの方法である。
1)最初に、一般化尤度比検定(GLRT)を求める。ここで空間相関行列Q及び時間相関行列Aは既知であると仮定される。
2)次に、相関行列A及びQを、パーシンメトリック制約を受けるトレーニング信号からのみ得られた最大尤度(ML)推定値に置き換える。
【発明の効果】
【0019】
この発明は、マルチチャネル受信機の検出性能を改善し、特に、部分的に相関したガウス雑音又は非ガウス雑音に加法ガウス熱白色雑音が加わったものの存在によってマスキングされた信号の検出を改善する。この発明は、レーダー、ソーナー、地球物理学、及び生物医学の用途において用いることができる。
【0020】
この発明の実施の形態は、マルチチャネルARに基づくパラメトリック適応整合フィルター(PAMF)、及びパーシンメトリック(persymmetric)PAMF(per−PAMF)を提供するための基礎を成すパーシンメトリを用いる。per−PAMFは、相関行列A及びQを、パーシンメトリック制約下のトレーニング信号から得られた最大尤度(ML)推定値と置き換えることによってPAMFから求められる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【
図1】従来のパラメトリック適応整合フィルター(PAMF)のブロック図である。
【
図2】時間共分散行列A及び空間共分散行列Qを推定するための手順のブロック
図200である。
【
図3】この発明の実施の形態による、適応的に推定された時間共分散行列及び空間共分散行列を有するパーシンメトリックパラメトリック適応整合フィルター(per−PAMF)のブロック図である。
【
図4】この発明の実施の形態による、時間共分散行列及び空間共分散行列を推定するための手順のブロック図である。
【
図5】5個のアンテナ素子(J=5)、11個のパルス(N=11)、8個のトレーニング信号(K=8)、回帰次数2(P=2)、及び誤警報確率0.01(P
f=0.01)を所与とした、様々なSINR530における、従来技術のPAMF及びこの発明の実施の形態によるパーシンメトリックPAMFの検出確率性能を比較するグラフである。
【
図6】5個のアンテナ素子(J=5)、11個のパルス(N=11)、4個のトレーニング信号(K=4)、回帰次数2(P=2)、及び誤警報確率0.01(P
f=0.01)を所与とした、様々なSINR630における、従来技術のPAMF及びこの発明の実施の形態によるパーシンメトリックPAMFの検出確率性能のグラフである。
【
図7】5個のアンテナ素子(J=5)、11個のパルス(N=11)、2個のトレーニング信号(K=2)、回帰次数2(P=2)、及び誤警報確率0.01(P
f=0.01)を所与とした、様々なSINR730における、従来技術のPAMF及びこの発明の実施の形態によるパーシンメトリックPAMFの検出確率性能のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0022】
概観
図3に示されるように、この発明の実施の形態は、パーシンメトリックパラメトリック適応整合フィルター(per−PAMF)300に、トレーニング信号302から得られた、適応的に推定された時間相関行列A330及び適応的に推定された空間共分散行列Q340を提供する。
【0023】
フィルターは、従来技術において既知であるように、メモリ及び入力/出力インターフェースに接続されたプロセッサにおいて実行される方法として実施することもできる。見て取ることができるように、この発明のフィルター300の一般構造は
図1に示される従来のフィルター100に類似している。
【0024】
AMD300フィルターを用いて、テスト信号301の時空間適応処理(STAP)及び一般化尤度比検定(GLRT)を用いてターゲットを検出することができる。
【0025】
従来技術との差異
主な差異は、行列Q及びAが推定される方法、及びこれらの2つの行列から結果として生じる検定統計量T
per−PAMFである。
図2及び
図4を比較されたい。
【0026】
方法概観
この発明のper−PAMF法は基本的に2つのステップを有する。
【0027】
第1に、一般化尤度比検定(GLRT)を求める。
【0029】
ここで、{p
i}
1i=0は、ターゲットが存在するという第1の仮説H
1の下での尤度関数及びターゲットが存在しないという第2の仮説H
0の下での尤度関数であり、αは未知の複素値振幅であり、x
0はテスト信号であり、maxは最大値を求める関数であり、空間相関行列Q及び時間相関行列Aは既知である。
【0030】
第2に、相関行列A及びQを、パーシンメトリック制約を受けるトレーニング信号から得られた最大尤度(ML)推定値(ハット)A及び(ハット)Qで置き換える。
【0031】
検定仮説
特に、以下の仮説検定問題を用いる。
【0033】
ここで、仮説H
0はターゲットがテスト信号x
0301内に存在しないというものであり、H
1はターゲットが存在するというものであり、x
kはターゲットのないトレーニング信号302であり、x
0はJN×1のテスト信号301であり、これは空間ステアリングベクトルと時間ステアリングベクトルとのクロネッカー積
【0035】
であり、sは推定される既知のアレイ応答303であり、αは未知の複素値振幅であり、d
0は共分散行列R
0を有する雑音項であり、d
kは共分散行列Rを有する雑音項である。
【0036】
同時分解
上述したように、テスト信号301、トレーニング信号302、及びステアリングベクトル303を所与として、時間相関行列Aの推定値330及び空間共分散行列Qの推定値340を用いることによって、共分散行列に基づく検出器の時空間白色化を連続した時間白色化310及び空間白色化320に同時に分解する。ここで、(・)
H145はエルミート転置を示す。
【0037】
空間白色化320の結果が互いに乗算され(349)、対応する総和
【0039】
350がもたらされる。該総和について、それぞれ大きさ|・|
2370が求められる。大きさは互いに除算され(/)(375)、この発明の検定統計量T
per−PAMF380が求められる。最後に、検定統計量380は閾値390と比較され、ターゲットがテスト信号内に存在するか否かの判定395が得られる。
【0040】
テスト信号301、トレーニング信号302、ステアリングベクトル303、及び自己回帰(AR)プロセスを所与として、時間相関行列Aの推定値330及び空間共分散行列Qの推定値340を用いることによって、共分散行列に基づく検出器の時空間白色化を連続した時間白色化310及び空間白色化320に同時に分解する。
【0043】
によって与えられるn番目の時間トレーニング信号を表すものとする。ここで、
【0045】
はJ番目のチャネル(アンテナ)であり、時間的に白色であるが空間的に有色のガウス雑音であり、ここでQは未知のJxJの時間相関行列を表す。アンテナ素子は、位相中心、たとえばアンテナ素子の中央に対して対称的に配置される。このため、空間共分散行列は、Q=EQ
*Eを満たすことによってパーシンメトリックであることを課されるQであり、ここでEは交換行列を表し、該交換行列は反対角(anti-diagonal)要素において1であり、そうでない場合0である。
【0046】
パーシンメトリ
本明細書において定義されるとき、当該技術分野において既知であるように、平方行列は、該行列が右上から左下の対角線を中心に対称であるときパーシンメトリックである。一般に、このタイプの行列は一定の(正の傾きの)スキュー対角を有するハンケル行列
【0049】
受信機において、中央遅延値に対して対称的に離隔されたタップを有するタップ付き(tapped)遅延線が用いられる。この場合、時間パーシンメトリが生じ、すなわち
【0052】
時間共分散行列A及び空間共分散行列Qが既知である場合、それらの行列の最大尤度推定値(ハット)A330及び(ハット)Q340はこの発明によるトレーニング信号から得られる。
【0053】
この発明は、共分散行列A及びQのパーシンメトリック特性を利用し、すなわち平方行列はその主対角線に沿って対称であるので、トレーニング信号のこの発明の処理は従来の処理とは異なる。
【0054】
同時尤度
トレーニング信号302の同時尤度は以下のように書くことができる。
【0075】
によって与えられる回帰ベクトル415である。
図4を参照されたい。
【0076】
この発明による行列Qのパーシンメトリック特性を利用することによって、
【0079】
これによって、空間行列Qのパーシンメトリック推定値340がもたらされる。結果として、式(3)における尤度関数の対数を以下のように書くことができる。
【0081】
したがって、時間相関行列Aのパーシンメトリック最大尤度推定値330は、
【0083】
の行列式を最小にすることによって求めることができる。
【0084】
行列Aのパーシンメトリック最大尤度推定値を求めるために、
【0088】
であり、ここで、I
PはP×Pの恒等行列である。
【0089】
この発明の実施の形態によれば、x
k(n)421の自己相関のパーシンメトリック推定値は以下によって与えられる(420)。
【0091】
この発明によれば、回帰ベクトルy
k(n)431の自己相関のパーシンメトリック推定値は以下によって与えられる(430)。
【0093】
この発明によれば、y
k(n)及びx
k(n)441の相互相関のパーシンメトリック推定値は以下によって与えられる(440)。
【0102】
時間相関行列Aのパーシンメトリック推定値330は
【0104】
であり、空間相関行列Qのパーシンメトリック推定値340は
【0107】
パーシンメトリックPAMFの結果としての検定統計量380は
【0109】
である。ここで、γ
Per−PAMFは閾値比較器390によって用いられる閾値である。閾値は予め設定された誤警報確率である。
【0110】
時間的に白色化されたステアリングベクトル
【0119】
検定統計量380は、閾値390と比較され、ターゲットが存在するか否かが判定される(395)。
【0120】
この発明の実施の形態によるパーシンメトリックPAMFの性能が、
図5、
図6、及び
図7に示されている。
【0121】
図5において、設定510は以下の通りである。アンテナ素子数J=5、パルス数N=11、トレーニング信号数K=8、回帰次数P=2、及び誤警報確率P
f=0.01である。−5dB〜20dBで変動する信号対干渉雑音比(SINR)530において、パーシンメトリックPAMFは従来技術のPAMF法よりも高い検出確率520の性能を有する。
【0122】
図6において、設定610は以下の通りである。アンテナ素子数J=5、パルス数N=11、トレーニング信号数K=4、回帰次数P=2、及び誤警報確率P
f=0.01である。−5dB〜20dBで変動する信号対干渉雑音比630において、パーシンメトリックPAMFは従来技術のPAMF法よりもはるかに高い検出確率620の性能を有する。この限定されたトレーニングの場合、per−PAMFとPAMFとの間の性能差が増大する。
【0123】
図7において、設定710は以下の通りである。アンテナ素子数J=5、パルス数N=11、トレーニング信号数K=2、回帰次数P=2、及び誤警報確率P
f=0.01である。−5dB〜20dBで変動する信号対干渉雑音比730において、パーシンメトリックPAMFは従来技術のPAMF法よりも劇的に高い検出確率720の性能を有する。