JP2005017240A - 多重評価統合解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数センサ情報の統合解析装置に関して、目標の運動が急変する場合等、目標の種種の状態に対応して、目標の探知を維持可能な統合解析装置を提供する。
【解決手段】複数の音響センサ、観測部、多重軌跡評価部、軌跡相関部、および統合解析部により統合解析装置を構成する。観測部では、音響センサの観測信号を解析して、センサの観測領域内の各位置における観測信号値を算出する。多重軌跡評価部では、複数の異なる評価指標、もしくは１つの評価指標に対して異なるパラメータを設定して得られる複数の評価指標を使用して、音響センサごとに時系列に観測される観測情報から目標の軌跡を検出する。軌跡相関部では、軌跡間の距離を使用して、各音響センサで検出した複数の軌跡の同一性を判定する。統合解析部では、同一であると判定した軌跡を統合し、目標の有無を判定する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の音響センサの観測情報を統合的に処理して目標信号の検出や追尾、位置推定を行う音響情報処理分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数センサによる目標検出、追尾方法として、下記の非特許文献１等に記載のカルマンフィルタを使用する方法が提案されている。カルマンフィルタに代表されるフィルタベースの方法では、目標の状態ベクトルを例えば目標の位置や速度で定義し、目標の運動モデルを仮定する。観測情報が得られるたびに状態ベクトルを更新することにより、目標を追尾し、状態ベクトルの推定精度向上を図る。この追尾情報から目標の有無を判定することができる。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｄａｖｉｄ Ｌ． Ｈａｌｌ、“Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｉｑｕｅｓ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒ Ｄａｔａ Ｆｕｓｉｏｎ”、Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ、１９９２．
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、目標の運動が急激に変化する場合等、目標の実際の運動と運動モデルの整合性が取れない場合に、目標の追尾が困難となり、目標を失探することがある点が問題として指摘されている。
【０００５】
そこで、本発明では、複数センサ情報の統合解析装置に関して、目標の運動が急変する場合等、目標の種種の状態に対応して、目標の探知を維持可能な統合解析装置を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では以下の手段を設ける。
（１）複数の音響センサ、観測部、多重軌跡評価部、軌跡相関部、および統合解析部により統合解析装置を構成する。観測部では、音響センサの観測信号を解析して、センサの観測領域内の各位置における観測信号値を算出する。多重軌跡評価部では、複数の異なる評価指標、もしくは１つの評価指標に対して異なるパラメータを設定して得られる複数の評価指標を使用して、音響センサごとに時系列に観測される観測情報から目標の軌跡を検出する。軌跡相関部では、軌跡間の距離を使用して、各音響センサで検出した複数の軌跡の同一性を判定する。統合解析部では、同一であると判定した軌跡を統合し、目標の有無を判定する。
（２）上記統合解析装置にセンサ誤差補正部を設ける。センサ誤差補正部では、各音響センサの配置された環境における音波の伝播経路、伝播速度、伝播距離等の伝播状況を推定して各音響センサの観測誤差を補正する。
（３）上記統合解析装置に指標評価部を設ける。指標評価部では、多重軌跡評価部、軌跡相関部、および統合解析部における軌跡の推定結果に基づいて、評価指標の中で目標の軌跡を推定する指標として有効な指標を選択する。
（４）上記統合解析装置に表示解析部を設ける。表示解析部では、各音響センサごとの時系列の観測情報と、推定した軌跡を表示するセンサ情報表示ウィンドウ、および複数の音響センサの観測情報の統合結果を表示する統合情報表示ウィンドウをディスプレイ等の外部表示装置上に表示する。オペレータが評価指標を選択した場合に、その評価指標による各音響センサごとの軌跡の推定結果、および統合結果をセンサ情報表示ウィンドウ、および統合情報表示ウィンドウに表示する。また、オペレータがセンサ情報表示ウィンドウ上に表示された複数の観測情報を選択した場合に、それら観測情報を含む軌跡を推定可能な評価指標をオペレータに提示する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、分散配置された複数の音響センサの観測情報を統合して、目標を検出する装置に関する。具体的には、下記の方法を実施するソフトウェア、またはハードウェアを作成することにより実現できる。
【０００８】
本実施形態は、複数の評価指標を使用して各音響センサごとに目標の軌跡を推定後、それらの推定結果を総合的に解析することにより目標を検出する装置に関する。図１は、本実施例における複数の音響センサを用いた目標の観測例である。目標１０４および各音響センサ１０１は水中に存在する。図１ではセンサ数を３としているが、任意の数とすることができる。図１において、音響センサ１０１ｃでは音波１０３を発信し、音響センサ１０１ａ、１０１ｂにより静止もしくは移動している目標１０４での反射波を受信する。領域１０２ａ、１０２ｂは、音響センサ１０１ａ、１０１ｂの観測領域を示す。本実施例では、音響センサ１０１ａ、１０１ｂは受波器、音響センサ１０１ｃは送受波器としているが、音響センサ１０１ａから１０１ｃは送波器、受波器、および送受波器のどの形式でも良い。ただし、送波器か送受波器、および受波器か送受波器は、それぞれ１つ以上必要である。
【０００９】
図２は、本実施例における統合解析装置の構成図である。本装置はサブ装置２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃから構成され、それらは有線もしくは無線のネットワークで接続される。各サブ装置は、センサ１０１とのインタフェース２０１、一連の処理を行うＣＰＵ２０２、プログラムやデータを格納するメモリ２０３、他のサブ装置との通信インタフェース２０４、およびこれらを結合するバス２０５から構成される。図２ではサブ装置数は３であるが、センサ数に応じてサブ装置数は変化する。
【００１０】
図３は、統合解析装置における処理のブロック図である。観測部３０１では、各音響センサ１０１の観測信号を解析して、音響センサ１０１の観測領域１０２内の各位置における観測信号値（反射波の信号強度）を求める。多重軌跡評価部３０２では、複数の評価指標を使用して、各音響センサ１０１について時系列に得られる観測情報から目標の軌跡を検出する。軌跡相関部３０３では、軌跡間の距離を使用して、異なる音響センサ１０１で検出した複数の軌跡の同一性を判定する。統合解析部３０４では、同一であると判定した軌跡に基づいて、目標の存在の有無を推定する。
【００１１】
以下、観測部３０１、多重軌跡評価部３０２、軌跡相関部３０３、統合解析部３０４における処理の具体例を示す。本処理は統合解析装置２１０のメモリ２０３内に格納され、ＣＰＵ２０２により実行される。
【００１２】
観測部３０１では、音響センサ１０１の観測信号を相関処理などの信号解析法を用いて解析する。信号解析方法としては、下記文献２に記載されているような各種信号解析方法を使用することができる。
【００１３】
文献２：Ｒｉｃｈａｒｄ Ｏ． Ｎｉｅｌｓｅｎ、“Ｓｏｎａｒ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ”、Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ、１９９１．
図４は観測部３０１の解析結果例である。解析結果は、音響センサ１０１により観測された各位置における観測信号値を輝度値とした画像４０１である。点４０２は観測点（目標位置情報）、点４０３は音響センサ１０１の位置である。観測画像４０１の横軸は音響センサ１０１からみた方位、縦軸は音響センサ１０１からの距離を表す。
【００１４】
図５は多重軌跡評価部３０２における具体的な処理手順、図６はその説明図である。点６０２から６０４は、それぞれ時刻ｔ−２、ｔ−１、ｔにおける観測点である。矢印６０５、６０７は軌跡を表し、円６０６は目標が点６０３ａの位置に存在すると仮定したときに、目標が時刻ｔ−１から時刻ｔまでの間に移動可能な範囲を表す。以下、図５の番号をステップ番号として、多重軌跡評価部３０２における処理手順を示す。
ステップ５０１：軌跡生成
既に検出した軌跡が存在する場合、その軌跡と新しい観測点を組合せて一つの新しい軌跡を生成する。図６の例では、軌跡６０５ａに対して点６０４ｂや点６０４ｃを選択し、軌跡（６０５ａ，６０７ａ）や（６０５ａ，６０７ｂ）を生成する。このとき点６０４ａも選択可能であるが、この例では軌跡６０５ａと対応する確率の高い、目標の移動可能範囲６０６内の点のみを選択する。
【００１５】
既に検出した軌跡が存在しない場合、すべての観測点を新しい軌跡（軌跡の始点）と仮定する。
ステップ５０２：評価指標パラメータ設定
軌跡を評価する指標のパラメータを設定する。
ステップ５０３：評価値算出
ステップ５０１で生成した軌跡の評価値Ｃｉを算出する。評価指標としては、軌跡上の各位置における目標の速度や、単位時間当たりの針路の変化分を使用する。そのため、軌跡の形状をＮ次の多項式と仮定し、軌跡上の（Ｎ＋１）個の観測点を使用して最小２乗推定により多項式の係数を推定する。その多項式を使用して任意の時刻における目標の速度や針路の変化を算出する。評価指標は、それらがあらかじめ設定したしきい値以下の場合に大となる関数とする。
【００１６】
ステップ５０２で設定するパラメータとしては、最小２乗推定で使用する観測点の個数がある。このパラメータＮは軌跡の推定に過去の軌跡の情報をどの程度使用するかに関係する。そのため、例えば、Ｎを小とすることにより急変する軌跡についても評価値を高めに保つことが可能となり、目標の軌跡として検出可能である。
ステップ５０４：軌跡選択
評価値Ｃｉがしきい値Ｔｃ以上である軌跡は目標の軌跡であると仮定し、保存する。
ステップ５０５：判定（各パラメータを設定）
あらかじめ設定した全てのパラメータについて上記軌跡の検出を実行するまで、ステップ５０１から５０４を繰り返す。
ステップ５０６：判定（全観測情報を処理）
軌跡と新しい観測情報の全組合せについて上記軌跡の検出を実行するまで、ステップ５０１、５０５を繰り返す。
【００１７】
図７は軌跡相関部３０３における具体的な処理手順、図８はその説明図である。図８において、座標Ｏ−ＸＹは各音響センサ１０１で共通の座標系を表す。点８０１から８０３、点８０４から８０６はそれぞれ異なる音響センサ１０１により時系列に得られた観測点、曲線８０７、８０８は推定された軌跡を表す。閉曲線群８０９、８１０は、点８０１、８０４の表す観測位置に対して音響センサの観測誤差から決まる誤差分布を表す。以下、図７の番号をステップ番号として、軌跡相関部３０３における処理手順を示す。以下では軌跡数を２として説明する。軌跡数が３以上、すなわち音響センサ数が３以上の場合には軌跡の全組合せについて同様の処理を実行して、全軌跡の同一性を判定し、グループ化する。
ステップ７０１：軌跡選択
２つの異なる音響センサで検出された２つの軌跡を選択する。
ステップ７０２：距離算出
選択した軌跡上の各観測点について、それらの距離を算出する。距離としては、観測誤差分布の平均および分散を基に定義されるマハラノビス距離や、上記文献１や下記文献３等に記載された種々の距離を使用することができる。
【００１８】
文献３：鳥脇順一郎、“認識工学”、コロナ社、１９９３．
図８の例では、軌跡８０７、８０８上の各時刻における観測点８０１から８０３、および８０４から８０６について、距離ｄ（８０１，８０４）、ｄ（８０２，８０５）、ｄ（８０３，８０６）を算出する。ステップ７０３：同一性評価
各観測点間の距離についてカイ二乗分布の値を算出する。その全ての値が設定したしきい値Ｔｄ以上である場合に、選択した２つの軌跡が同一の目標を示すとみなす。これらの軌跡を保存する。
ステップ７０４：判定（全軌跡を処理）
軌跡の全組合せについて上記同一性の判定を実行するまで、ステップ７０１から７０３を繰り返す。
【００１９】
統合解析部３０４では、観測信号値の統合、および観測位置の統合を行う。観測信号値の統合では、軌跡相関部３０３で選択された軌跡上の観測点について、複数の異なる音響センサ１０１で得られた、対応する観測点の輝度値の統計量を算出する。統計量としては、平均値やメディアンなど下記文献４などに記載された各種統計量を使用することができる。
【００２０】
文献４：高木幹雄、下田陽久、“画像解析ハンドブック”、東京大学出版会、１９９１．
観測位置の統合では、対応する複数の音響センサの観測点の観測位置誤差分布の各位置における積を算出し、その値が最大となる位置を目標の観測位置とする。
【００２１】
各位置における統計量は、複数の音響センサの観測画像から推定される、その位置に目標が存在する可能性を表す尺度と考えることができる。すなわち、統合した統計量分布上で輝度値が大である位置には目標が存在する可能性が高いと考えられる。統合解析部３０４では、算出した統計量分布について、しきい値Ｔｓのしきい値処理を実行し、目標の有無を判定する。
【００２２】
以上のように、本統合解析装置では、各音響センサごとに複数の評価指標を使用することにより、目標の運動が急激に変化する場合等、目標の種種の状態に対応し、目標の軌跡の検出率を向上できる。その際、目標以外の軌跡を検出する場合もあるが、複数の音響センサにより推定された複数の軌跡を統合的に処理することにより、真の目標の軌跡を検出可能である。
【００２３】
水中等で音響センサを使用する場合、環境の影響により音波の伝播経路や伝播速度、伝播距離などが想定する状態と著しく異なる場合がある。この影響は、特に、異なる位置、すなわち異なる環境下で使用する異なる音響センサの観測情報を統合する際に、同一目標の位置観測誤差として顕著に現れると推測される。そのため、図９に示すように、軌跡の相関をとる前段階で各音響センサの観測誤差を推定するセンサ誤差補正部９０１を設けることにより、後段の相関、統合処理の精度を向上することができる。センサ誤差補正部９０１では、下記文献５等に記載のモデルを使用して、各音響センサの存在する環境における音波の伝播状況を予測する。
【００２４】
文献５：Ｒ． Ｊ． Ｕｒｉｃｋ著、土屋明訳、“水中音響の原理”、共立出版、１９７８．
評価指標を多数使用する場合、各音響センサ１０１において検出される軌跡数は増大し、軌跡相関部３０３、および統合解析部３０４における処理負荷の増大、および目標検出精度の低下の原因となる。そのため、図１０に示すように、評価指標の有効性を評価して使用する評価指標を制限する指標評価部を設けることにより、目標検出、追尾を効率的に実行できる。指標評価部１００１では、軌跡相関部３０３、および統合解析部３０４において推定された目標の軌跡と、多重軌跡評価部３０２で検出された全ての軌跡を比較することにより、目標以外と推定される軌跡を得る。多重軌跡評価部３０２においてその軌跡を選択する基準となった評価指標を求め、その評価指標を軌跡の選択基準から除く。また、各評価指標に対して真の軌跡を推定可能な度合いを表わす信頼度を定義し、各音響センサによる軌跡の推定結果の相関、統合時に信頼度による重み付けを行う方法もある。
【００２５】
図１１に本統合装置の解析結果表示例を示す。ウィンドウ１１０１は各音響センサ１０１の観測情報や推定した軌跡を表示するセンサ情報表示ウィンドウ、ウィンドウ１１０２は複数音響センサの観測情報の統合結果を表示する統合情報表示ウィンドウ、ウィンドウ１１０３は評価指標の選択用ウィンドウである。
【００２６】
手動解析用の機能としては、ウィンドウ１１０３による評価指標の選択に連動して、その指標による軌跡の推定結果をウィンドウ１１０１、１１０２に表示する機能を有する。また、マウスにより複数の観測点を選択した場合に、選択した観測点を含む軌跡を推定し、その軌跡の評価値が高くなる評価指標を推定する機能を有する。
【００２７】
図１１において、観測点１１０５、１１０６、１１０７はそれぞれ時刻ｔ−２、ｔ−１、ｔにおける観測情報である。観測点１１１１、１１１２、１１１３も同様である。今、指標１を選択した場合に、各音響センサ１０１について軌跡１１０８が得られているとする。ただし、音響センサ１０１ａでは他の音響センサとは異なる軌跡１１０８ａが得られているとする。このような場合に、手動で指標の設定を変更することにより、オペレータが真の軌跡１１０９が得られる指標を推定することができる。また、マウスポインタ１１１５で軌跡１１０９上の観測点を選択することにより、選択した観測点を含む軌跡１１０９の評価値が高くなる評価指標を推定することができる。
【００２８】
このような機能を備えた表示解析部を本統合解析装置に設けることにより、高ノイズ環境における目標検出、追尾等が自動処理では困難な場合でも目標を探知できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、各音響センサごとに複数の評価指標を使用して目標の軌跡を推定し、複数の音響センサにより推定された複数の軌跡を統合的に処理することにより、目標の運動が急激に変化する場合等、目標の種種の状態に対応して、目標の探知を維持可能な統合解析装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複数の音響センサを用いた目標の観測例を示す図。
【図２】統合解析装置の構成図。
【図３】統合解析装置における処理のブロック図。
【図４】観測部の解析結果例を示す図。
【図５】多重軌跡評価部における処理手順を示す図。
【図６】多重軌跡評価部の説明図。
【図７】軌跡相関部における処理手順を示す図。
【図８】軌跡相関部の説明図。
【図９】センサ誤差補正部を備えた統合解析装置の構成図。
【図１０】指標評価部を備えた統合解析装置の構成図。
【図１１】統合解析装置における解析結果の表示例を示す図。
【符号の説明】
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ…音響センサ、１０２ａ、１０２ｂ…音響センサの観測領域、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ…センサ用インタフェース、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ…ＣＰＵ、２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ…メモリ、２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ…通信用インタフェース、３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ…観測部、３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ…多重軌跡評価部、３０３…軌跡相関部、３０４…統合解析部、４０１…反射波の信号強度を輝度値とする観測画像、６０５ａ、６０５ｂ、６０７ａ、６０７ｂ…軌跡の検出例、９０１…センサ誤差補正部、１００１…指標評価部、１１０１…センサ情報表示ウィンドウ、１１０２…統合情報表示ウィンドウ、１１０３…評価指標選択ウィンドウ、１１０４ａ、１１０４ｂ、１１０４ｃ…各音響センサの観測情報の表示例。

Claims (4)

1. 分散配置された複数の音響センサの観測情報を統合、解析して目標を探索する統合解析装置において、
   既音響センサごとに観測信号を解析して、既音響センサの観測領域内の各位置における観測信号値を算出する観測部と、
   複数の異なる評価指標、もしくは１つの評価指標に対して異なるパラメータを設定することにより得られる複数の評価指標を使用して、既音響センサごとに時系列に観測される既観測情報から既目標の軌跡を検出する多重軌跡評価部と、
   軌跡間の距離を使用して、各既音響センサで検出した複数の既軌跡の同一性を判定する軌跡相関部と、
   同一であると判定された既軌跡を統合し、目標の有無を判定する統合解析部とを備える
   ことを特徴とする多重評価統合解析装置。
2. 請求項１において、センサ誤差補正部を備え、既センサ誤差補正部では、
   各既音響センサの配置された環境における音波の伝播経路、伝播速度、伝播距離等の伝播状況を推定して各既音響センサの観測誤差を補正する
   ことを特徴とする多重評価統合解析装置。
3. 請求項１において、指標評価部を備え、既指標評価部では、
   既多重軌跡評価部、既軌跡相関部、および既統合解析部における軌跡の推定結果に基づいて、既評価指標の中で既目標の軌跡を推定する指標として有効な指標を選択する
   ことを特徴とする多重評価統合解析装置。
4. 請求項１において、表示解析部を備え、既表示解析部では、
   各既音響センサごとの時系列の既観測情報と推定した既軌跡を表示するセンサ情報表示ウィンドウ、および複数の既音響センサの既観測情報の統合結果を表示する統合情報表示ウィンドウを外部表示装置上に表示し、
   オペレータが既評価指標を選択した場合に、その既評価指標による各音響センサごとの軌跡の推定結果、および統合結果を既センサ情報表示ウィンドウ、および既統合情報表示ウィンドウに表示し、
   オペレータが既センサ情報表示ウィンドウ上に表示された複数の観測情報を選択した場合に、それら既観測情報を含む軌跡を推定可能な評価指標をオペレータに提示する
   ことを特徴とする多重評価統合解析装置。

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