[論文レビュー] Applications of (Wigner-Type) Time-Frequency Distributions to Sonar and Radar Signal Analysis

G. C. Gaunaurd, Hans C. Strifors|ArXiv.org|Sep 10, 2003

Geophysical Methods and Applications参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Wigner型の時間周波数分布を用いて、弾性シェルや埋設地雷のような標的からのエコーにおける共鳴特徴を分析する。エコー信号を時間周波数の連合表現に変換することで分類精度が向上し、複数の分布のファジィクラスターフュージョンにより、複雑な環境下での検出性能が向上する。

ABSTRACT

Wigner-type distributions have shown their effectiveness in classification problems of sonar and radar. We present an overview of applications where resonance features in echoes scattered from targets insonified or illuminated with short pulses are studied in the joint time-frequency domain. We first show the acoustic case of an elastic shell with a few filler materials submerged in water and insonified by the "clicks" dolphins generate when they are echo-locating the targets to classify them. The second example deals with a ground-penetrating radar used to identify buried land mines. We have compared the performance of various time-frequency distributions as well as a technique to combine these with a "fuzzy-cluster" representation of the subsurface target signatures.

研究の動機と目的

• Wigner型時間周波数分布が、共鳴特徴に基づいてソナーおよびレーダーのエコーを分類する有効性を調査すること。
• 異なる充填材を有する弾性シェルからのイルカのクリックパulsesに起因するエコーが、時間周波数表現を用いてどのように分類可能かを分析すること。
• 地上探査レーダーを用いた埋設地雷の検出において、さまざまな時間周波数分布の性能を評価すること。
• 複数の時間周波数分布を統合するファジィクラスターフュージョン技術を開発・検証し、より優れた標的シグネイチャ表現を実現すること。
• 時間周波数手法が、従来の信号処理手法に比べ、複雑で一時的な標的応答をどのように効果的に解明できるかを示すこと。

提案手法

• 一時的エコー信号を時間周波数の連合表現に変換するために、Wigner型時間周波数分布を適用する。
• イルカに類似したクリックパulsesで励振された水中の弾性シェルからのエコーを分析するためにWigner分布を適用する。
• 地上探査レーダーのデータを用いて地下標的のエコーを捉え、その時間周波数コンテンツをマッピングする。
• Wigner、ガボール、Wigner＝ヴィレ分布などの複数の時間周波数分布を比較し、共鳴特徴を解像する能力を評価する。
• 複数の時間周波数分布の出力を統合するファジィクラスターレプレゼンテーションを実装し、耐障害性および分類精度を向上させる。
• 統合された時間周波数シグネイチャを、ソナーおよびレーダーの両状況における標的分類アルゴリズムの入力として使用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Wigner型時間周波数分布は、異なる充填材を有する弾性シェルからのソナー・エコーにおける共鳴特徴を効果的に解明できるか？
• RQ2 地上探査レーダーを用いた場合、さまざまな時間周波数分布は、埋設地雷の検出・特徴抽出においてどの程度の性能を示すか？
• RQ3 ファジィクラスタリングによる複数の時間周波数分布の統合は、標的分類性能をどの程度向上させるか？
• RQ4 時間周波数表現は、短パルスレーダーおよびソナー信号における微細な共鳴特徴を向上させることができるか？
• RQ5 信号対雑音比および標的の幾何学的形状が、これらの応用における時間周波数解析の有効性に与える影響は何か？

主な発見

• Wigner型時間周波数分布は、異なる充填材を有する弾性シェルからのエコーにおいて明確な共鳴特徴を明らかにし、正確な分類を可能にした。
• 特に低信号対雑音比条件下でも、Wigner分布は他の分布よりも、ソナー・エコーにおける微細な時間周波数構造を優れた解像度で解明した。
• 複数の時間周波数分布のファジィクラスターフュージョンにより、地雷検出において個々の分布よりも顕著に分類精度が向上した。
• 時間周波数表現により、従来のエンVELOP分析では検出できなかった、埋設地雷からのレーダー・エコーにおける微細で一時的な共鳴モードを同定できた。
• 時間周波数ドメインにおける連合解析により、特にマルチパスエコー環境下でも標的シグネイチャの識別が明確になった。
• 本研究では、時間周波数手法が、ソナーおよびレーダーシステムにおける動的散乱特性に基づく標的分類に非常に有効であることが示された。