CN102193089A - 回波信号处理装置、雷达装置、回波信号处理方法及程序 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种回波信号处理装置、雷达装置、回波信号处理方法及程序，消除起因于发射脉冲的条件的模糊，能清晰地显示物标。进行强调在测定数据中样本间的值的变化度比例相对大的样本的测定数据的边缘强调处理，利用边缘强调处理后的测定数据进行扫描相关处理。在物标的轮廓中，离自船近的地方是样本间的值的变化度相对大的地方(是回波电平急剧上升处)。该上升部分的测定数据是即使脉冲宽度等的发射脉冲条件变化也不会有大变动的信息。因此，由于进行边缘强调处理之后实施扫描相关处理，消除起因于发射脉冲的条件的模糊等，能清晰地显示物标的轮廓。

Description

回波信号处理装置、雷达装置、回波信号处理方法及程序

技术领域

本发明涉及一种对回波信号进行各种的处理的回波信号处理装置、雷达装置、回波信号处理方法及回波信号处理程序。

背景技术

以往，在雷达装置等中，在画面显示测定后的物标的图像(回波图像)时，抑制在相同位置上不连续产生的回波(海杂波等)，进行强调物标的回波的扫描相关处理(参照专利文献1)。

【专利文献1】日本国特开平11-352212号公报

但是，由于回波电平根据发射脉冲的条件而变化，即使进行扫描相关有时也会产生轮廓模糊等的问题。特别，在专利文献1的手法中，进行加权求和(Weighted summing)处理，因物标的回波电平的变动、误差等，即使关于不动的物标有时也轮廓模糊。

于是，本发明把提供回波信号处理装置、雷达装置、回波信号处理方法及回波信号处理程序作为目的，该回波信号处理装置、雷达装置、回波信号处理方法及回波信号处理程序能消除起因于发射脉冲的条件的模糊，能清晰地显示物标的轮廓。

发明内容

本发明的回波信号处理装置包括：回波信号输入部、回波信号电平检测部、电平变化度计算部、边缘强调处理部、相关处理部。回波信号输入部，从向规定区域发射电磁波并接收在物标被反射后的回波信号的天线，上述回波信号被输入。回波信号电平检测部，让对应距离所述电磁波被发射后的方位的上述天线的距离，输出各地点的上述回波信号的电平。电平变化度计算部算出上述各地点中互相邻接的地点的上述回波信号的电平的变化度。边缘强调处理部，对于在上述方位上的所述回波信号的电平进行基于上述变化度的边缘强调处理并输出边缘强调回波信号。相关处理部，进行扫描相关处理，将上述规定区域全体的回波信号作为1次扫描，利用上述边缘强调回波信号计算出多次扫描的回波信号的相关值。

在物标的轮廓中，离自船近的地方是互相邻接的地点间的回波电平的变化度(样本间的值的变化)相对大的地方(回波电平急剧上升的地方)。该上升部分的测定数据是即使脉冲宽等的发射脉冲条件变化也不会有大变动的信息。因此，由于进行边缘强调处理之后进行扫描相关处理，消除起因于发射脉冲的条件的模糊等，能清晰地显示物标的轮廓。

变化度能够根据在各方位上的样本间的差分值、包络线的微分值求出。另外，关于各样本也能根据与周边地点的加权求和(空间滤波处理)等求出。

边缘强调的手法，例如可以采取在原测定数据上乘以与微分值相应的系数，进行加权实施边缘强调。进一步，作为边缘强调的手法，可以进行抽出边缘部分的处理。例如，使上述差分值是规定的阈值以上的地方将测定数据保持不变，将其他的地方置零，据此，抽出边缘部分。

另外，扫描相关，可以是求出此次的边缘强调处理后的数据和过去的测定数据(没有进行边缘处理的测定数据)的相关的处理，也可以是求出进行依据微分值的边缘处理后的测定数据与实施抽出边缘部分的处理后的测定数据的相关的处理。

发明效果

根据本发明的图像处理方法，能够消除由发射脉冲的条件引起的模糊，清晰地显示物标的轮廓。

附图说明

【图1】是表示本实施方式的雷达装置的结构的框图。

【图2】图2(A)至同图(C)是说明以往的雷达装置的各种信号的概要的图，同图(D)是表示以往的雷达装置的回波图像的模式图。

【图3】图3(A)至同图(C)是说明本实施方式的各种信号的概要的图，同图(D)是表示本实施方式的雷达装置的回波图像的模式图。

【图4】图4(A)至同图(E)是在1个发射脉冲内存在多个物标的情况下，说明以往的雷达装置的各种信号的概要的图。

【图5】图5(A)至同图(C)是在1个发射脉冲内存在多个物标的情况下，说明本实施方式的雷达装置的各种信号的概要的图，同图(D)是表示本实施方式的雷达装置的回波图像的模式图。

【图6】图6(A)是实际的卫星照片，同图(B)是进行以往的扫描相关处理情况下的雷达图像，同图(C)是进行本实施方式的扫描相关处理后时的雷达图像。

【图7】是表示冲突预防支援装置的代表点的模式图。

【图8】是表示涉及其他的例的回波图像的模式图。

图中：11、天线12、接收部13、A/D转换器14、距离扫掠存储器15、边缘强调处理部16、微分处理部17、相关处理部18、图像存储器19、显示器

具体实施方式

图1是表示内置本发明的图像处理装置的雷达装置的结构的框图。雷达装置是例如被设置在船舶上，向自船周围发射接收电磁波，来探知其他船等的物标的装置。

在同图中，雷达装置具备天线11、接收部12、A/D转换器13、距离扫掠存储器(Sweep Memory)14、边缘强调处理部15、微分处理部16、相关处理部17、图像存储器18及显示器19。

天线11向自船周围(规定区域)发射电磁波，并接收在物标反射后的回波信号。接收部12将相应于天线11的接收强度的值输出至A/D转换器13。A/D转换器13数字变换被输入的模拟信号值的接收强度，作为测定数据输出给距离扫掠存储器14。

距离扫掠存储器14存储测定的1个周期量(自船的周围360度量)的测定数据。各测定数据和极坐标系的坐标被对应付与，作为距离扫掠数据被存储着。由于天线11每规定角度脉冲状地发射接收电磁波，距离扫掠数据关于天线11的各收发角度(各方位)作为各规定样本t(各地点)的离散值X(t)被存储。该距离扫掠数据表示自船的周围全体的回波信号(1次扫描量的回波信号)。

边缘强调处理部15及微分处理部16从距离扫掠存储器14读出距离扫掠数据，进行各种处理。首先，微分处理部16进行距离扫掠数据的微分处理，算出各地点中互相邻接的地点的回波电平的变化度。微分数据例如用d(t)＝X(t)-X(t-1)能表示的那样，通过取得距离方向的各样本间的差分值而生成的。X(t)取0～255(8比特)的值时，d(t)为-255～255的值。另外，微分数据d(t)也可以是对被各样本的回波电平形成的包络线，相对于各方位的微分值。另外，可以根据将各地点和其周围的回波电平平均化(加权求和)生成微分数据。例如，关于各样本进行索贝尔滤波(Sobel Filter)或者拉普拉斯滤波(Laplacian filter)等的空间滤波处理。

其次，边缘强调处理部15在由距离扫掠存储器14输入的距离扫掠数据上，进行乘以对应在微分处理部16求出的微分数据的各值的系数(边缘强调系数μ)的处理。即，进行由【数式1】

$\widehat{X\left(t\right)}=\mathrm{\μ}\·X\left(t\right)$

能表示的处理。

边缘强调系数μ由【数式2】

$\mathrm{\μ}=\frac{d\left(t\right)}{2\·d\max }+0.5$

表示。dmax是微分数据d(t)的最大值。

【数式3】

$\mathrm{\μ}=\frac{d\left(t\right)}{2\·d\max }$

表示与最大值的比，取-0.5～0.5的值。

因此，边缘强调系数μ取0～1的值。由于微分数据d(t)的值越大边缘强调系数μ的就越大，所以边缘强调处理数据

【数4】

$\widehat{X\left(t\right)}$

变成相应于回波电平的上升沿进行加权处理后的数据。也就是说，变成强调在各物标的边缘中离自船近的地方后的数据。

之后，边缘强调处理部15将极坐标系的边缘强调处理数据变换成以自船的位置为原点后的直角坐标系，输出到相关处理部17。

相关处理部17进行如下处理：求出从边缘强调处理部15输入的数据和从输出侧的图像存储器18读出的过去的数据的相关，作为新的数据输出给图像存储器18。即，相关处理部17求出从边缘强调处理部15被输入的此次数据Xn和从图像存储器18被读出的1周旋转前的扫描相关处理后的数据Yn-1的相关(作为几乎在同一位置上的观测信号被观测到的回波信号彼此的加权求和)，算出此次的扫描相关处理后的数据Yn，向图像存储器18输出。

该扫描相关处理后的数据，作为直角坐标系的各坐标的图像亮度值(图像数据)，天线一周旋转量、被存储于图像存储器18。

在显示器19中，在图像存储器18中存储着的图像数据作为雷达图像(回波图像)被显示给用户。

参照图2至图6，说明以往的雷达装置和本实施方式的雷达装置的回波图像的不同。

首先，如图2(A)及同图(B)所示，在以往的雷达装置中，若发射脉冲的条件变化，回波信号的电平(距离方向的特性)变化。因此，进行相关处理的话，在如同图(C)所示那样的距离方向上显示有扩展的回波图像，在如同图(D)所示那样的距离方向上显示有扩展的回波图像。也就是，距离分辨率低下，显示如模糊那样的回波图像。此时的距离分辨率d为d＝c·τ/2(c是光速、τ是发射脉冲宽)，即使缩短采样周期Ts，即使进行扫描相关，因为距离分辨率不变化，所以以往不能补正像这样的轮廓模糊的回波图像。

但是，在本实施方式的雷达装置中，相应于回波电平的上升沿进行加权实施边缘强调处理。进一步，由于用该边缘强调处理后的测定数据进行与过去的数据的扫描相关，各物标的轮廓中离自船近的地方被强调，其他的部分被抑制。即，在本实施方式的雷达装置中，如图3(A)及同图(B)所示，各物标离自船近的地方被边缘强调处理强调。物标的轮廓中，离自船近的地方是样本间的值的变化度相对大的地方(回波电平急剧上升的地方)。该上升部分的测定数据是即使脉冲宽度等变化也不会大变动的信息，与相当于物标的后方部分的测定数据不同，是在每次扫描没有大变化的信息。因此，如同图(C)所示，由于进行扫描相关处理，边缘以外的部分的电平相对地降低，距离方向的扩展被抑制。所以，如同图(D)所示，进行边缘强调处理之后进行扫描相关处理，据此，起因于发射脉冲的条件的距离方向上的扩展(模糊)被抑制，能清晰地显示物标的轮廓。

并且，在如下存在多个物标的情况下，本实施方式的雷达装置也能够清晰地显示每个物标的轮廓。

图4是表示以往的雷达装置的各种信号的图。在以往的雷达装置中，存在多个物标，若输出比如图4(A)所示那样的物标间的距离短的发射脉冲的情况下，和比如同图(B)所示那样的物标间的距离长的发射脉冲的情况下，均不能从回波图像上判断多个物标的存在。

也就是说，如果是短的发射脉冲，能接收每个如同图(C)所示那样的物标上升沿大的回波信号，可是宽的发射脉冲的情况下，如同图(D)所示，在来自最近物标的回波信号被接收的期间，进而，来自下一个物标的回波信号被接收。来自各个物标的回波信号相位不同，在1周旋转前的发射脉冲和此次的发射脉冲中，脉冲宽、回波电平也不同，很难区别前方的物标和后方的物标的回波信号。因此，即使进行相关处理，也会在如同图(E)所示那样的距离方向上形成有扩展的回波信号，因为在距离方向上有扩展(无轮廓)的回波图像，所以从回波图像上无法判断出多个物标的存在。

但是，在本实施方式的雷达装置中，如图5(A)及同图(B)所示，即使在发射脉冲的条件发生变化、接收后方物标的回波信号的情况下，各物标的离自船近的地方被边缘强调处理强调。因此，如图5(C)所示，通过进行扫描相关处理距离方向上的扩展被抑制。因此，如同图(D)所示，起因于发射脉冲的条件的距离方向的扩展(模糊)被抑制，能清晰地显示各物标的轮廓，并且从回波图像能判断多个物标存在。

图6是在存在多艘停泊船只的情况下，表示实际的卫星照片和雷达图像的图。图6(A)是实际的卫星照片。同图(B)是进行以往的扫描相关处理情况下的雷达图像，同图(C)是进行本实施方式的扫描相关处理情况下的雷达图像。如这些图所示，在以往的扫描相关处理中，因为扩展(模糊)发生在距离方向上，形成了像停泊船只、栈桥、岸壁等坍塌那样的回波图像。对此，在本实施方式的雷达装置中，各物标的边缘被强调，其他部分被抑制，所以消除起因于发射脉冲宽度的扩展(模糊)，形成停泊船只、栈桥、岸壁等没有坍塌的回波图像。

另外，根据本实施方式的雷达装置，即使关于像雨杂波等那样的、在距离方向上电平平稳上升的回波信号被上述微分处理抑制，所以作为主要，从冲突预防等的观点，作为回波图像重要的信息(实际的障碍物)被显示。

另外，将雷达装置作为冲突预防支援装置使用的情况下，例如，如图7所示，从表示物标的回波图像中决定代表点，能进行显示向量图像，该向量图像是由该代表点表示物标的移动方向和移动量(速度)的矢量图像。代表点能考虑假定离自船最近的位置的手法、假定重心位置的情况下等的手法，但是因为全都是基于回波图像算出，所以如果是在距离方向有扩展的回波图像的话，有时不能正确地求出代表点。可是，如本实施方式，如果基于距离方向的扩展被抑制后的回波图像算出，就能稳定代表点并求出，作为冲突预防支援装置，能表示非常有用的回波图像。

另外，边缘强调处理不限于上述实例(依据微分处理的加权)。例如，也可以仅在微分数据超过规定的阈值的情况下，进行边缘强调，也可以是进行像以下那样的边缘抽出的处理。即，边缘强调系数μ根据以下公式求出。

【数式5】

if d(t)≥threshold then，μ＝1.0

if d(t)＜threshold then，μ＝0.0

在这种情况下，微分数据的各值是规定的阈值以上的地方，测定数据保持不变，其他地方置零。据此，就会仅抽出边缘部分。另外，该情况下，图1中的微分处理部16的处理没有必要。

此时，相关处理部17求出只抽出从边缘强调处理部15被输入的边缘部分后的数据和从图像存储器18读出的过去的数据的相关。该结果如图8(A)所示，显示各物标的轮廓中只离自船近的地方被抽出后的回波图像。因该情况下的距离分辨率为d＝c·Ts/2的整数倍(式中Ts为采样周期)，如果把采样周期Ts设成比发射脉冲宽短的话，那么完全不受发射脉冲的条件的影响，能够实现高距离分辨率。另外，因物标轮廓中离自船近的位置从冲突预防等的观点也成为非常重要的信息，只将该轮廓被清晰地显示的效果是非常大。

并且，在上述例中，仅输入被设置在自船上的雷达装置的测定数据，进行着边缘抽出(或依据微分的加权)及扫描相关处理，但也可以如同图(B)所示那样，接收来自设置在其他船上的雷达装置、陆地的固定雷达装置的测定数据，也可以进行接收到的测定数据的边缘抽出及扫描相关处理。此种情况下，因能抽出来自360度方向的边缘，能显示正确表示物标的形状的回波图像。

并且，在本实施方式中，也可以事先将没有进行边缘强调处理的回波数据存储于图像存储器(或其他的存储器)，实施边缘强调处理后的数据和没有进行边缘强调处理的过去的回波数据的扫描相关处理。

另外，也可以实施进行依据微分值的加权后的测定数据和进行抽出边缘部分后的测定数据的相关处理。此时，每次扫描都进行依据微分值的加权和边缘抽出的两方，将进行任一处理后的测定数据作为过去的数据事先存储于存储器中，进行扫描相关。

也就是说，根据本实施方式的雷达装置，可以用边缘强调处理数据算出多次扫描的回波信号的相关值，能进行以下任一处理。

(1)边缘抽出后的数据彼此的相关(边缘抽出后的此次的数据和过去的图像数据的相关)

(2)抽出边缘部分后的数据和进行依据微分值加权后的数据的相关

(3)抽出边缘部分后的数据和没有进行边缘强调处理的数据的相关

(4)进行依据微分值的加权后的数据彼此的相关(进行依据微分值的加权后的此次的数据和过去的图像数据的相关)

(5)进行依据微分值的加权后的数据和没有进行边缘强调处理的过去的数据的相关

例如，如果取得边缘抽出后的数据彼此的相关的话，只轮廓被清晰地显示，得到精细感最高的雷达图像。另一方面，如果是取进行加权后的数据和没有经过边缘强调处理的过去的数据的相关的话，就会显示与实际物标的形状接近的雷达图像(某种程度残留距离方向的扩展后的雷达图像)。

另外，用户可以选择这些处理。例如，平时事先设定为进行加权后的数据彼此的扫描相关，只在多个物标非常接近的情况下，选择取抽出边缘部分后的数据彼此的相关的处理等、能相应于情况显示用户容易看的回波图像。

Claims (16)

1.一种回波信号处理装置，其特征在于，具备：

回波信号输入部，从向规定区域发射电磁波并接收在物标被反射后的回波信号的天线，上述回波信号被输入；

回波信号电平检测部，让对应距离电磁波被发射后的方位的上述天线的距离，输出各地点的上述回波信号的电平；

电平变化度计算部，算出上述各地点中互相邻接的地点的上述回波信号的电平的变化度；

边缘强调处理部，对于在上述方位上的上述回波信号的电平进行基于上述变化度的边缘强调处理，并输出边缘强调回波信号。

2.根据权利要求1所述的回波信号处理装置，其特征在于，还具有：

相关处理部，进行扫描相关处理，将上述规定区域全体的回波信号作为1次扫描，利用上述边缘强调回波信号计算出多次扫描的回波信号的相关值。

3.根据权利要求2所述回波信号处理装置，其特征在于，

上述扫描相关处理是基于第1回波信号与边缘强调回波信号的相关，计算出回波信号的相关值的处理，

该第1回波信号是在第1时刻从上述天线被发射后的电磁波所形成的第1回波信号，

该边缘强调回波信号是对于在不同于上述第1时刻的第2时刻从上述天线被发射后的电磁波所形成的、作为在和上述第1回波信号几乎相同位置的观测信号被观测到的回波信号的电平的、被上述边缘强调处理部输出的。

4.根据权利要求2所述的回波信号处理装置，其特征在于：

上述扫描相关处理是基于第1边缘强调回波信号与第2边缘强调回波信号的相关，计算出回波信号的相关值的处理，

上述第1边缘强调回波信号是对于在第1时刻从上述天线被发射后的电磁波所形成的第1回波信号的电平的被上述边缘强调处理部输出的；

上述第2边缘强调回波信号是对于在与上述第1时刻不同的第2时刻从上述天线被发射后的电磁波所形成的、作为在和上述第1回波信号几乎相同位置的观测信号被观测到的回波信号的电平的由上述边缘强调处理部输出的。

5.根据权利要求2所述的回波信号处理装置，其特征在于：

具有存储部，存储来自上述相关处理部的输出信号，

上述扫描相关处理是基于存储在上述存储部中的之前的扫描相关处理后的信号与第1边缘强调回波信号之间的相关，计算出回波信号的相关值的处理，该第1边缘强调回波信号是对于在第1时刻从上述天线被发射后的电磁波所形成的第1回波信号的电平的、被上述边缘强调处理部输出的。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的回波信号处理装置，其特征在于：

上述回波信号的变化度是互相邻接的上述地点的上述回波信号的电平彼此的差分。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的回波信号处理装置，其特征在于：

上述回波信号的变化度是根据关于被上述回波信号的电平形成的包络线，进行对于上述方位的微分处理被计算出的微分值。

8.根据权利要求1至5中的任一项所述的回波信号处理装置，其特征在于：

上述回波信号的变化度是被关于上述地点和上述地点周边的上述回波信号的电平的加权求和处理计算出的值。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的回波信号处理装置，其特征在于：

上述边缘强调处理是包含关于上述各地点的上述回波信号的电平，乘以基于上述变化度决定的系数的处理。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的回波信号处理装置，其特征在于：

上述边缘强调处理部，在上述回波信号的变化度超过事先被规定后的阈值时，进行上述边缘强调处理。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的回波信号处理装置，其特征在于：

还具备显示部，基于上述相关处理部的输出信号显示物标的图像。

12.一种雷达装置，其特征在于，具备；

权利要求1至11中的任一项所述的回波信号处理装置以及天线，上述天线向每个方位发射电磁波，且边接收回波信号边旋转。

13.一种回波信号处理方法，其特征在于，具备：

回波信号输入步骤，从向规定区域发射电磁波并接收在物标被反射后的回波信号的天线，上述回波信号被输入；

回波信号电平检测步骤，让对应距离上述电磁波被发射后的方位的上述天线的距离输出各地点的上述回波信号的电平；

电平变化度计算步骤，算出上述各地点中互相邻接的地点的上述回波信号的电平的变化度；

边缘强调处理步骤，对于上述方位上的上述回波信号的电平进行基于上述变化度的边缘强调处理并输出边缘强调回波信号。

14.根据权利要求13所述的回波信号处理方法，其特征在于，还具备：

相关处理步骤，进行扫描相关处理，将上述规定区域全体的回波信号作为1次扫描，利用上述边缘强调回波信号计算出多次扫描的回波信号的相关值。

15.一种回波信号处理程序，其特征在于，计算机执行下述步骤：

回波信号输入步骤，从向规定区域发射电磁波并接收在物标被反射后的回波信号的天线，上述回波信号被输入；

回波信号电平检测步骤，让对应距离上述电磁波被发射后的方位的上述天线的距离，输出各地点的上述回波信号的电平；

电平变化度计算步骤，算出上述各地点中互相邻接的地点的上述回波信号的电平的变化度；

边缘强调处理步骤，对于上述方位上的上述回波信号的电平进行基于上述变化度的边缘强调处理并输出边缘强调回波信号。

16.根据权利要求15所述的回波信号处理程序，其特征在于，还具有：

相关处理步骤，进行扫描相关处理，将上述规定区域全体的回波信号作为1次扫描，利用上述边缘强调回波信号计算出多次扫描的回波信号的相关值。

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