JP2009115765A

JP2009115765A - 目標撮像探知装置

Info

Publication number: JP2009115765A
Application number: JP2007292338A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Matsumoto; 佳宏松本; Yoshitaka Nakano; 貴敬中野; Yukihisa Tamagawa; 恭久玉川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: JP5279236B2

Abstract

【課題】目標誤検出の低減を実現した目標撮像探知装置を提供する。
【解決手段】２つの異なる波長帯域で同一目標を撮像する第一及び第二波長帯撮像部１，２と、第一波長帯撮像部からの画像出力信号ｙをパラメータＡ〜Ｄを用いたf(y)=(Aexp(-By))／(1+erf(C+Dy))で表されるエラー関数を含む関数に代入して演算結果を出力するエラー関数演算部３と、第二波長帯撮像部からの画像出力信号ｘをパラメータＥを用いたg(x)=exp(Ex²)で表される指数関数に代入して演算結果を出力する指数関数演算部４と、エラー関数演算部及び指数関数演算部から出力された演算結果がg(x)≦f(y)の関係にある時に検出信号が目標からの信号であることを判定する目標判定処理部５と、を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、センサにより目標を撮像して自動探知する目標撮像探知装置に関し、特に赤外線センサを用いた場合における信号処理に関する。

目標を自動探知するために用いられるセンサにおいて、昼夜問わずに用いることができる赤外線センサは広く用いられている。しかし、赤外線は温度を持つすべての物体から常に放射されているため、赤外線センサで検出される目標信号は目標周囲からの熱放射の影響を受ける。また、太陽光や大気中の散乱光、目標周囲からの放射スペクトルが目標放射スペクトルと重なると、単波長処理では両放射スペクトルを分離することが困難であるため、目標と誤検出を起こす。この時、目標と誤検出を起こす原因となる対象をクラッタと呼ぶ。

そこで、赤外線の放射スペクトルは物体の種類や温度、放射率などによって異なることを利用した２波長処理が目標探知に用いられている。これは、異なる波長帯域で信号検出を行い、目標とクラッタの放射スペクトル特性の差異から目標信号のみを探知する処理である。ここで、目標信号とクラッタ信号を識別するための閾値が必要となる。

例えば、下記特許文献１では、２つの異なる波長帯域で撮像した画像出力信号を各波長帯域を軸とする直交座標系の座標に変換した後、この座標系上であらかじめ作成しておいた楕円形状の閾値フィルタを用いることで、出力信号が目標信号であるかどうかの判定を行っている。

特開平０８−０６８８４４号公報

光が大気を伝搬する際、大気中に存在する分子によって吸収や散乱の影響を受け、光の強度は伝搬距離が長くなるに従って指数関数的に減衰する。このような光の大気伝搬損失により、センサで検出される目標信号強度は目標とセンサの間の距離によって非線形に変化し、目標とセンサの間の距離が一様確率で変化した時の目標信号分布は正規分布に従わない。その結果、異なる波長帯で撮像した画像出力信号を各波長帯を軸とする上記直交座標系の座標に変換した時の目標信号分布は楕円形状とはならず、目標信号分布の等確率密度曲線を示す図３のようなたまご型形状となる。従って、目標を判定する閾値を図３に示す等確率密度曲線と設定することで、高い探知性能を保ったまま閾値フィルタ領域を最小にすることができ、背景クラッタの誤検出を最小にすることが可能となる。

この発明は、目標の自動探知を行う２波長赤外線センサを備えた目標撮像探知装置において、上述のように目標判定閾値を設定することにより、目標誤検出の低減を実現することを目的とする。

この発明は、２つの異なる波長帯域で同一目標を撮像する第一波長帯撮像部及び第二波長帯撮像部と、上記第一波長帯撮像部からの画像出力信号ｙをパラメータＡ〜Ｄを用いたf(y)=(Aexp(-By))／(1+erf(C+Dy))で表されるエラー関数を含む関数に代入して演算結果を出力するエラー関数演算部と、上記第二波長帯撮像部からの画像出力信号ｘをパラメータＥを用いたg(x)=exp(Ex²)で表される指数関数に代入して演算結果を出力する指数関数演算部と、上記エラー関数演算部及び指数関数演算部から出力された演算結果がg(x)≦f(y)の関係にある時に検出信号が目標信号であることを判定する目標判定処理部と、を備えたことを特徴とする目標撮像探知装置にある。

この発明では、目標の自動探知を行う２波長赤外線センサを備えた目標撮像探知装置において、目標誤検出の低減を実現することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による目標撮像探知装置の構成を示す図である。目標撮像探知装置は、第一波長帯撮像部(赤外線センサ)１、第二波長帯撮像部(赤外線センサ)２、エラー関数演算部３、指数関数演算部４、および目標判定処理部５より構成されている。同一の目標を第一波長帯撮像部１及び第二波長帯撮像部２の異なる波長帯で撮像する。この時、第一波長帯撮像部１の波長帯には目標放射から大きな信号出力が得られる波長帯を選択し、第二波長帯撮像部２の波長帯には背景クラッタの放射から大きな信号出力が得られる波長帯を選択する。そして、第一波長帯撮像部１からの画像出力信号をエラー関数演算部３でエラー関数を含む関数に代入して演算を行い、第二波長帯撮像部２からの画像出力信号を指数関数演算部４で指数関数に代入して演算を行い、各々演算結果を出力する。最後に、エラー関数演算部３及び指数関数演算部４の演算結果より、検出した信号が目標信号であるかどうかの判定を目標判定処理部５で行う。

図２は、第一波長帯撮像部１及び第二波長帯撮像部２で同一目標を撮像した画像出力信号を、各撮像波長帯を軸とする直交座標系の座標で表した時の信号分布の様子を計算機によってシミュレーションした結果を示している。図２では第一波長帯撮像部１の出力を縦軸(ｙ軸)に、第二波長帯撮像部２の出力を横軸(ｘ軸)に示している。また、図２は、目標−センサの間の距離、センサ温度、背景温度、背景反射率などのパラメータを一様確率で変化させた時のシミュレーション結果を示している。

この時、センサで検出される目標信号は大気中の分子による吸収や散乱の影響を受けるため、目標‐センサの間の距離が大きくなるに従って目標信号強度は指数関数的に減衰する。このように、目標信号強度は目標とセンサの間の距離によって非線形に変化するため、目標放射スペクトル強度の特徴が現れる波長帯を選択した第一波長帯撮像部１からの目標信号分布(図２中では縦軸方向に現れる信号の分布)は、正規分布に従わない。

一方、背景クラッタの放射スペクトル強度の特徴が現れる波長帯を選択した第二波長帯撮像部２で目標を撮像した時の画像出力信号には目標放射スペクトル強度の特徴があまり表れないため、第二波長帯撮像部２からの画像出力信号はセンサ雑音が支配的となり、この時の目標信号分布(図２中では横軸方向に現れる信号の分布)は、正規分布に従う。

従って、第一波長帯撮像部１及び第二波長帯撮像部２の各波長帯を軸とする直交座標系上での目標信号領域は、各軸方向の信号強度に応じたセンサ雑音による信号分布広がりを考慮した時、以下の通りとなる。

式１において、N(I)は第一波長帯撮像部１の出力(ｙ軸)方向の目標信号分布、I₀は目標探知距離によって決定される第一波長帯撮像部１の波長帯軸(ｙ軸)方向の目標信号閾値、σは各軸方向に応じたセンサ雑音による信号分布広がり係数、をそれぞれ表している。

従って、目標信号領域はパラメータＡ〜Ｅを用いて以下の通りとなる。

ｅｘｐ(Ｅｘ^２)≦(Ａｅｘｐ(−Ｂｙ))／(１＋ｅｒｆ(Ｃ＋Ｄｙ)) 式２

ここで、式２の各パラメータは次の関係式が成り立つ。

Ｂ／(２ＣＤ)≧１式３

図３は式２で示される目標信号領域の等確率密度曲線の例を示したもので、白色の領域ほど(すなわち内側のたまご型程)分布密度が高いことを表している。図３に示す例のように、目標信号領域は楕円形状ではなくたまご型形状となる。これは図２に示す目標信号領域シミュレーション結果からも確認することが可能である。

そこでこの発明では、図１に示すように第一波長帯撮像部１の後段にエラー関数演算部３、第二波長帯撮像部２の後段に指数関数演算部４を配置して、各演算部３，４で後述の演算処理を行った出力結果より、検出した信号が目標であるかどうかの判定を行う。

図１のエラー関数演算部３では、第一波長帯撮像部１からの画像出力信号ｙを次式に示すエラー関数を含む関数に代入して、その演算結果を出力する。

ｆ(ｙ)＝(Ａｅｘｐ(−Ｂｙ))／(１＋ｅｒｆ(Ｃ＋Ｄｙ)) 式４

また図１の指数関数演算部４では、第二波長帯撮像部２からの画像出力信号ｘを次式に示す指数関数に代入して、その演算結果を出力する。

ｇ(ｘ)=ｅｘｐ(Ｅｘ^２) 式５

そして目標判定処理部５では、エラー関数演算部３及び指数関数演算部４からの各出力信号が次式を満たす時、いま検出した信号は目標信号であると判定を行う。

ｇ(ｘ)≦ｆ(ｙ) 式６

図２に示す目標信号領域のシミュレーション結果において、上記信号処理によって目標信号を検出する概念図を図４に示す。ここで、図４には図２の目標信号分布に加えて背景クラッタ信号分布も含む計算機シミュレーション結果の例を示しており、目標信号と判定する式６の目標信号判定閾値を破線で示している。図４に示されるように、この発明の目標撮像探知装置における目標信号判定閾値は目標信号領域に沿って設定されており、目標信号と背景クラッタ信号を識別することが可能である。

この実施の形態では、図４に示す目標信号判定閾値のような形状だけではなく、図５に破線で示すような形状の目標信号判定閾値(目標信号領域)を設定することで、目標探知性能を低下させることなく装置の演算処理を簡単化することができる。図５に示す例では、式２においてｘが最大値ｘ_maxとなる時のｙの値をｙ_maxとすると、ｙ≦ｙ_maxの出力信号に対しては式５のｇ(ｘ)≦ｆ(ｙ)を用いて目標信号判定処理を行っている。一方、ｙ＞ｙ_maxの出力信号に対しては|ｘ|≦ｘ_maxを用いて目標信号判定処理を行っている。これは、目標とセンサの間の距離が限りなく近づいた場合の出力信号は限りなく大きくなることを想定した時の目標信号領域に対応した目標信号判定閾値の設定である。この時、図５に示す例ではｙ＞ｙ_maxの出力信号における目標信号判定閾値を直線で示しているが、目標探知を行う際に想定される背景クラッタの信号領域に沿った曲線としても良い。

以上のことから、この発明では検出した信号が目標信号であるかどうかの判定閾値の形状が目標信号領域と一致しているため、目標信号と背景クラッタ信号の誤検出を低減することが可能であり、目標撮像探知装置の信頼性を向上させることができる。

実施の形態２．
上記の実施の形態１では、第一波長帯撮像部１及び第二波長帯撮像部２から出力される同一目標の画像出力信号を用いてエラー関数演算部３及び指数関数演算部４で演算を行っている。ここで、第一波長帯撮像部１及び第二波長帯撮像部２からの画像出力信号は、目標からの信号だけでなく背景からの信号も含んでいるために背景変化による出力信号レベル変動の影響を受けやすく、エラー関数演算部３及び指数関数演算部４における演算精度や目標判定処理部５における目標判定処理の精度が低下することになる。

そこで、背景変化による信号レベル変動が目標判定処理精度に与える影響を除去するための実施の形態を示す。

図６は実施の形態１の目標撮像探知装置において、背景変化やセンサ受光感度変化などによる信号レベル変動が目標判定処理精度に与える影響を除去するための機能を加えた、この実施の形態２の目標撮像探知装置の構成を示す図であり、符号１〜５までは実施の形態１と同様である。ここで、６は第一波長帯ハイパスフィルタ、７は第二波長帯ハイパスフィルタである。

実施の形態２は、第一波長帯撮像部１の後段に第一波長帯ハイパスフィルタ６を、第二波長帯撮像部２の後段に第二波長帯ハイパスフィルタ７を各々配置している。各撮像部１，２に対応するハイパスフィルタでは、各撮像部から得られる画像出力信号と各画像の平均信号強度との差分演算を行い、各画像出力信号に含まれる背景信号によるオフセット成分を除去する。これによって、後段の信号処理には目標信号のみが用いられることになるため、背景変化による信号レベル変動が目標判定処理精度に与える影響を除去することができる。

この実施の形態においては、各撮像部に対応するハイパスフィルタによって各撮像部から得られる画像出力信号の高周波成分のみを抽出することで、各画像出力信号のうち周囲画素と比較して輝度変化の大きい画素、すなわち目標信号を検出している画素のみを抽出することができる。これによって、装置の目標探知性能を向上させることが可能である。

以上のことから、この実施の形態の目標撮像探知装置は、各撮像部の後段にハイパスフィルタを配置して背景変化による信号レベル変動が目標判定処理精度に与える影響を除去することによって、目標探知性能が使用状況で低下することのない目標撮像探知装置を実現することが可能である。また、各撮像部から得られる画像出力信号の高周波成分のみを抽出することで、目標信号を検出しやすくなり、装置の目標探知性能を向上させることが可能である。

実施の形態３．
実施の形態１、２は、第一波長帯撮像部１の波長帯には目標放射の大きな信号出力が得られる波長帯を選択し、第二波長帯撮像部２の波長帯には背景クラッタの放射の大きな信号出力が得られる波長帯を選択している。この時、第一波長帯撮像部１及び第二波長帯撮像部２の波長帯が上記(図２の場合)のように選択されなかった場合、目標信号領域は式２に従わなくなる。これにより、エラー関数演算部３及び指数関数演算部４で行う演算処理が正しく行われないため、目標判定処理部５で行う目標判定処理の精度が低下することになる。

そこで、第一波長帯撮像部１及び第二波長帯撮像部２に任意の撮像波長帯を持つセンサを適用することができる実施の形態を示す。

図７は実施の形態１の目標撮像探知装置において、第一波長帯撮像部１及び第二波長帯撮像部２の波長帯が上記(図２の場合)と異なる波長帯を選択したことによる目標判定処理精度の低下を防ぐための機能を加えた、この実施の形態３の目標撮像探知装置の構成を示す図であり、符号１〜５までは実施の形態１と同様である。ここで、８は第一波長帯補正部、９は第二波長帯補正部である。

実施の形態３は、第一波長帯撮像部１の後段に第一波長帯補正部８を、第二波長帯撮像部２の後段に第二波長帯補正部９を配置している。

第一波長帯撮像部１及び第二波長帯撮像部２の波長帯を上述した関係となるように選択した場合の目標信号領域の概念図を図８の(ａ)に、上記とは異なる任意の波長帯を選択した場合の目標信号領域の概念図を図８の(ｂ)にそれぞれ示す。図８では、図２と同様に各撮像部１，２の波長帯を軸とした直交座標系を示しており、点線で囲んでいる領域は目標信号領域を示している。また、図８の(ａ)と(ｂ)では目標放射を検出する波長帯が異なるため、各撮像部から得られる画像出力信号が図８の(ａ)と(ｂ)によって異なり、目標信号領域も図８の(ａ)と(ｂ)によって異なる。

この時、上記式２は図８の(ａ)の場合の目標信号領域を表す式であり、図８の(ｂ)に示すような目標信号領域には適用することができない。そこで、図８の(ｂ)に示す目標信号領域に式２を適用することができるように座標変換を行う。

目標信号領域の座標変換を行う方法の一つとして主成分分析を行う方法がある。この方法では、図８の(ｂ)の目標信号領域の主成分分析を行い、主成分とそれに直交する成分を軸とする直交座標系を求め、式２を適用することができるように座標変換を行う方法である。この時、主成分方向は目標放射から大きな信号を検出することが可能な信号分布方向(図２中では縦軸方向に現れる信号の分布)を示しており、それに直交する成分は目標放射からは小さな信号しか検出することができない信号分布方向、すなわち背景クラッタの放射の大きな信号出力が得られる信号分布方向(図２中では横軸方向に現れる信号の分布)を示している。そして、主成分分析を行った結果得られた直交座標系が図８の(ａ)の直交座標系と一致するように図８の(ｂ)の座標軸を回転させる。これによって、図８の(ｂ)の目標信号領域を図８の(ａ)の目標信号領域と同様に扱うことができ、式２を適用することが可能となる。

この実施の形態では、上記主成分分析で求めた座標軸回転データに基づいて、第一波長帯撮像部１からの画像出力信号の座標変換演算を行う第一波長帯補正部８、第二波長帯撮像部２からの画像出力信号の座標変換演算を行う第二波長帯補正部９を各撮像部の後段に配置する。そして、各補正部からの出力信号を実施の形態１または２と同様に信号処理を行うことによって、目標判定処理精度の低下を防ぐことが可能である。

以上のことから、この実施の形態の目標撮像探知装置は第一波長帯撮像部１及び第二波長帯撮像部２の撮像波長帯に影響されることなく用いることが可能である。

なおこの発明は、上記実施の形態の可能な組合せを含むことは云うまでもない。

この発明の実施の形態１による目標撮像探知装置の構成を示す図である。この発明による第一波長帯撮像部及び第二波長帯撮像部で同一目標を撮像した画像出力信号を各撮像波長帯を軸とする直交座標系の座標で表した時の信号分布の様子を計算機によってシミュレーションした結果を示した図である。この発明における目標信号領域の等確率密度曲線の例を示した図である。図２の目標信号分布に加えて背景クラッタ信号分布も含む計算機シミュレーション結果の例を示した図である。図５とは別の目標信号判定閾値(目標信号領域)を設定する場合を説明するための図である。この発明の実施の形態２による目標撮像探知装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３による目標撮像探知装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３における目標信号領域の座標変換を説明するための座標の概念図である。

符号の説明

１第一波長帯撮像部、２第二波長帯撮像部、３エラー関数演算部、４指数関数演算部、５目標判定処理部、６第一波長帯ハイパスフィルタ、７第二波長帯ハイパスフィルタ、８第一波長帯補正部、９第二波長帯補正部。

Claims

２つの異なる波長帯域で同一目標を撮像する第一波長帯撮像部及び第二波長帯撮像部と、
上記第一波長帯撮像部からの画像出力信号ｙをパラメータＡ〜Ｄを用いたf(y)=(Aexp(-By))／(1+erf(C+Dy))で表されるエラー関数を含む関数に代入して演算結果を出力するエラー関数演算部と、
上記第二波長帯撮像部からの画像出力信号ｘをパラメータＥを用いたg(x)=exp(Ex²)で表される指数関数に代入して演算結果を出力する指数関数演算部と、
上記エラー関数演算部及び指数関数演算部から出力された演算結果がg(x)≦f(y)の関係にある時に検出信号が目標信号であることを判定する目標判定処理部と、
を備えたことを特徴とする目標撮像探知装置。
上記第一波長帯撮像部が目標放射から大きな信号出力が得られる波長帯で目標を撮像し、上記第一波長帯撮像部が背景クラッタの放射から大きな信号出力が得られる波長帯で目標を撮像することを特徴とする請求項１記載の目標撮像探知装置。
上記第一波長帯撮像部及び第二波長帯撮像部の後段に背景変化による信号レベル変動の影響を除去するための第一波長帯ハイパスフィルタ及び第二波長帯ハイパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の目標撮像探知装置。
上記第一波長帯撮像部及び第二波長帯撮像部の各画像出力信号の座標軸変換を行う第一波長帯補正部及び第二波長帯補正部をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は３記載の目標撮像探知装置。