JP2012013607A - 信号処理装置、レーダ装置、信号処理方法、および信号処理プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】干渉以外のエコーに対する抑圧を低減しつつ、干渉成分を的確に除去することができる信号処理装置を提供する。
【解決手段】空間フィルタ１７２は、例えば鮮鋭化フィルタ等からなり、複数の過去のエコー信号を画像メモリ１６から読み出し、注目サンプルの鮮鋭化を行う。例えば、注目サンプルｙ’（ｉ，ｊ）を囲む８画素のエコー信号を含む９画素についてのエコー信号を画像メモリ１６から読み出し、鮮鋭化処理を行う。そして、相関処理部１７は、画像データ生成部１５から入力された最新のデータと、空間フィルタ処理後の過去のデータと、の重み付け加算を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、エコー信号に種々の処理を行う信号処理装置に関するものである。

従来、レーダ装置等では、測定した物標の画像（エコー画像）を画面表示する際に、同じ位置に連続して生じないエコー（シークラッタ等）を抑圧し、物標のエコーを強調するスキャン相関処理を行われていた（特許文献１を参照）。

特開平１１−３５２２１２号公報

しかし、エコーレベルは、物標の移動や誤差等によって変動するため、スキャン相関を行っても物標の輪郭がぼやける場合があった。

そこで、この発明は、物標の輪郭を明りょうに表示することができる信号処理装置を提供することを目的とする。

本発明の信号処理装置は、エコー信号入力部と、エコー信号レベル検出部と、相関処理部と、を備えている。エコー信号入力部は、電磁波を所定領域に発射して物標で反射されたエコー信号を受信するアンテナからエコー信号を入力する。エコー信号レベル検出部は、電磁波が発射された方位のアンテナからの距離に対応させて、各地点のエコー信号のレベルを出力する。相関処理部は、所定領域全体のエコー信号を１スキャンとして、複数スキャンのエコー信号の相関値を算出するスキャン相関処理を行う。そして、相関処理部は、各地点のうち近接する地点のエコー信号を含む複数のエコー信号を用いて前記スキャン相関処理を行うことを特徴とする。

より具体的には、スキャン相関処理は、第１の時刻にアンテナから発射された電磁波による第１のエコー信号と、第１の時刻とは異なる第２の時刻にアンテナから発射された電磁波による第２のエコー信号との相関に基づいて、エコー信号の相関値を算出する処理であり、相関処理部は、各地点の第１のエコー信号の周囲の地点のエコー信号を用いてスキャン相関処理を行う。このとき、相関処理部は、各地点の第１のエコー信号の周囲の地点のエコー信号を鮮鋭化フィルタ等の空間フィルタ処理を行った後にスキャン相関を行う。

つまり、従来はサンプル点同士の重み付け加算による相関処理を行っていたのに対し、本発明では、少なくとも一方のエコー信号を複数サンプルの面データに基づくもの（例えば鮮鋭化フィルタで物標の輪郭を強調したもの）とする。これにより、物標の輪郭がぼやけることを防止し、物標の輪郭を明りょうに表示することができる。

また、エコー信号入力部で入力されたエコー信号（最新のサンプル）をバッファするバッファを備え、相関処理部は、相関を算出する両方のエコー信号（最新のエコー信号と、１スキャン前のエコー信号と）を複数サンプルの面データに基づくものとしてもよい。

この場合、相関処理部は、位相限定相関法等の画像処理を用いて最新のエコー信号と１スキャン前のエコー信号との位置ずれを補正し、補正したサンプル同士でスキャン相関処理を行う態様とすることも可能である。

この発明の信号処理装置によれば、物標のエコーレベルの変動や誤差等が発生しても、物標の輪郭を明りょうに表示することができる。

図１（Ａ）は本実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図であり、図１（Ｂ）は相関処理部１７の構成を示すブロック図である。 図２（Ａ）はスキャンｎとスキャンｎ−１のエコー信号の例を示す図であり、同図（Ｂ）はあるスイープのレベル変化を示す図である。 エコー信号を２値で比較した図である。 図４（Ａ）は他の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図であり、図４（Ｂ）は他の実施形態に係る相関処理部１７の構成を示すブロック図である。 位置ずれを補正したスキャン相関処理の概念を示す図である。

図１（Ａ）は、本発明の信号処理装置を内蔵したレーダ装置の構成を示すブロック図である。レーダ装置は、例えば船舶に設置され、自船の周囲に電磁波を送受信し、他船等の物標を探知する装置である。

同図において、レーダ装置は、アンテナ１１、受信部１２、Ａ／Ｄ変換器１３、スイープメモリ１４、画像データ生成部１５、画像メモリ１６、相関処理部１７、および表示器１８を備えている。

アンテナ１１は、自船の周囲（所定領域）に電磁波を発射し、物標で反射したエコー信号を受信する。受信部１２は、アンテナ１１の受信強度に応じた値をＡ／Ｄ変換器１３に出力する。Ａ／Ｄ変換器１３は、入力されたアナログ値の受信強度をデジタル変換し、測定データとしてスイープメモリ１４に出力する。

スイープメモリ１４は、測定１周期分（自船の周り３６０度分）の測定データを記憶する。各測定データは、極座標系の座標と対応付けられ、スイープデータとして記憶されている。アンテナ１１は、所定角度毎にパルス状に電磁波を送受信するため、スイープデータは、アンテナ１１の各送受信角度（各方位）について、所定サンプル毎（各地点）の離散値として記憶される。このスイープデータが自船の周囲全体のエコー信号（１スキャン分のエコー信号）を表す。

画像データ生成部１５は、スイープメモリ１４からスイープデータを読出し、自船の位置を原点とした直交座標系に変換した画像データとして、相関処理部１７に出力する。画像データは、表示器１８における各画素の値（輝度値）を示す。なお、１つの画素に対応するスイープデータが複数存在する場合、例えば、最後のスイープデータをスイープメモリ１４から読み出した時点で、この最後のスイープデータを各画素の代表値として相関処理部１７に出力する。

相関処理部１７は、画像データ生成部１５から入力される最新の画像データと、出力側の画像メモリ１６から読み出される過去の画像データとの相関を求め、新たな画像データとして画像メモリ１６に出力する処理を行い、スキャン相関処理を行う。

すなわち、相関処理部１７は、画像データ生成部１５から入力される今回のデータｘｎと、画像メモリ１６から読み出されるスキャン相関処理後のデータｙｎ−１との相関（ほぼ同じ位置での観測信号として観測されたエコー信号同士の重み付け加算）を求め、今回のスキャン相関処理後のデータｙ’（ｉ，ｊ）を算出して、画像メモリ１６へ出力する（ｉ，ｊは直交座標系における座標を表す）。

このスキャン相関処理後のデータが、直交座標系の各座標の画像輝度値（画像データ）として、アンテナ一回転分（１スキャン分）、画像メモリ１６に記憶される。

表示器１８では、画像メモリ１６に記憶されている画像データがレーダ画像（エコー画像）としてユーザに表示される。

図１（Ｂ）は、相関処理部１７の構成を示すブロック図である。相関処理部１７は、乗算器１７１、空間フィルタ１７２、乗算器１７３、および加算器１７４からなる。

空間フィルタ１７２は、例えば鮮鋭化フィルタ等からなり、複数の過去のエコー信号を画像メモリ１６から読み出し、注目サンプルの鮮鋭化を行う。鮮鋭化後の注目サンプル（ エコー信号ｙｎ−１）は、乗算器１７３に出力される。

すなわち、空間フィルタ１７２の出力するエコー信号ｙｎ−１は、以下の様にして表される。

ここで、例えばｗ＝１として、注目サンプルｙ’（ｉ，ｊ）を囲む８画素のエコー信号を含む９画素についてのエコー信号を画像メモリ１６から読み出し、鮮鋭化処理を行う場合、空間フィルタの係数ｈ（ａ，ｂ）は、

で表される。すなわち、空間フィルタ１７２は、注目サンプルのレベルを増加させ、周囲８画素のサンプルとの差分値を算出する（増加させた分だけ周囲画素のサンプルを減算する）ことにより、周囲の画素との変化の大きさを強調する処理を行う。

乗算器１７１は、画像データ生成部１５から入力されたエコー信号ｘｎを係数αで重み付けを行い、乗算器１７３は、空間フィルタ１７２から出力されたエコー信号ｙｎ−１を係数βで重み付けを行う。加算器１７４は、重み付け後の各エコー信号を加算し、スキャン相関処理後のデータｙ’（ｉ，ｊ）を出力し、画像メモリ１６の注目サンプルのデータを更新する。すなわち、相関処理部１７は、
ｙ’（ｉ，ｊ）＝α・ｘｎ＋β・ｙｎ−１
で表されるスキャン相関処理を行う。

以上の様にして、相関処理部１７は、画像メモリ１６から注目サンプルの周囲の地点のエコー信号を読み出して、鮮鋭化フィルタ等の空間フィルタ処理を行ってから相関処理を行う。

図２および図３を参照して、従来のスキャン相関処理と本実施形態のスキャン相関処理の違いについて説明する。

レーダ装置では、送信パルスの条件や誤差の影響により、エコー信号のレベルが変化する場合がある。例えば、図２（Ａ）に示すように、ある時刻のスキャンｎと異なる時刻のスキャンｎ−１（１スキャン前の時刻）とで、物標の観測位置がずれた場合、例えばある注目スイープｋでは、スイープｎでのみ観測され、スイープｎ−１では観測されない物標のサンプルが存在する。この場合、従来の様に単純に重み付け加算による相関処理を行うと、同図（Ｂ）に示すような距離方向になだらかにレベルが上昇するようなエコー信号となってしまい、物標のエッジがぼやけたようなエコー画像を表示してしまう。

しかし、本実施形態のスキャン相関処理では、注目サンプルの周囲の地点のエコー信号を用いて、鮮鋭化フィルタ等の空間フィルタ処理を行ってから相関処理を行うため、同図（Ｃ）に示すように、物標のエッジを強調した後のデータでスキャン相関を行うことになり、距離方向のぼやけが抑制され、物標のエッジを明りょうに表示することができる。

以上のことについて、図３を参照して２値のデータで比較する。例えば、図３（Ａ）に示すように、ｎスキャンにおいて距離Ｌ１で観測された物標のデータが、ｎ−１スキャンでは距離Ｌ２で観測されたとすると、同図（Ｂ）に示すように、従来のスキャン相関処理では、距離Ｌ１から距離Ｌ２まで緩やかに上昇するエコー信号となってしまう。

これに対し、本実施形態の相関処理では、鮮鋭化フィルタによるエッジ強調処理を行うため、同図（Ｂ）に示した相関結果に２次微分成分を加えたことと等価となり、同図（Ｃ）に示すように、距離Ｌ２付近で急激に立ち上がるエコー信号となる。

したがって、物標のエコーレベルの変動や誤差等があった場合であっても、物標の輪郭を明りょうに表示することができる。また、本実施形態のスキャン相関処理では、上記空間フィルタと相関処理とを別々に行う必要はなく、注目サンプルの更新を実行しながら空間フィルタ処理による鮮鋭化を実現することができる。さらに、空間フィルタ処理を行う画素数は、全画素ではなく注目サンプルの周囲に限られているため、処理負荷が高くなることもない。

なお、上述の例では、注目サンプルの周囲８画素を含む９画素を画像メモリ１６から読み出し、空間フィルタ処理を行う例を示したが、相関対象とする画素数はこの例に限らない。例えば、自船を原点とした同一方位における距離方向の複数サンプルを読み出し、フィルタ処理を行ってもよい。また、フィルタについても、鮮鋭化フィルタに限らず、例えばエッジ強調効果を有する他のフィルタを用いる態様も可能であるし、物標のエコーに特徴的なエコーを抽出するフィルタを適用することも可能である。また、自船遠方と近端とで、フィルタを変更する構成も可能である。

また、注目サンプルの周囲の地点の複数サンプルを用いて相関処理を行う態様として、以下のような例も可能である。図４（Ａ）は、他の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１（Ａ）と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

この例におけるレーダ装置は、画像データ生成部１５から出力される直交座標系の画像データを保持するバッファ１９を備えている。バッファ１９は、１スキャン分の全画像データを保持する容量を有している態様も可能であるが、注目サンプルを含む複数の画素（例えば周囲の８画素を含む９画素）分だけ保持する容量があれば十分である。

相関処理部１７は、バッファ１９から最新の画像データを読み出し、出力側の画像メモリ１６から読み出される過去の画像データとの相関を求め、新たな画像データとして画像メモリ１６に出力する処理を行う。

ここで、相関処理部１７は、図４（Ｂ）に示すように、マッチング処理部１７５を備えている。マッチング処理部１７５は、例えば位相限定相関法等の画像処理を用いて２つの画像データの位置ずれを考慮した相関処理を行う。

図５は、位置ずれを補正するスキャン相関処理の概念を示す図である。同図（Ａ）に示すように、あるスイープについて、ある時刻のスキャンｎと、異なる時刻（１スキャン前）のスキャンｎ−１とで、物標の観測位置がずれた場合を考慮する。

ここで、位相限定相関法等の画像処理を用いると、同図（Ｂ）に示すように、サブピクセル単位での位置合わせを行うことができる。ただし、スキャンｎとスキャンｎ−１で観測位置がずれ、物標上の同じ位置からのエコーを受信していないため、スキャンｎとスキャンｎ−１の各サンプルが重なることはない。

そこで、例えば同図（Ｃ）に示すように、観測位置のずれ量を推定したサンプルを補間し、この補間したサンプルをスキャンｎ−１のサンプルとして相関処理を行う。これにより、異なるスキャンの間で生じたサブピクセル単位の観測位置のずれを補正したスキャン相関処理を実現することができる。なお、同図（Ｃ）では、単純な線形補間による推定値を算出する例を示しているが、無論、２次補間等、他の補間手法を用いてもよい。

また、図４および図５で示した相関処理においても、図１に示したレーダ装置と同様に、鮮鋭化フィルタ等のフィルタ処理を行ってもよい。この場合、入力側のバッファ１９から読み出した最新の画像データにフィルタ処理を行ってもよいし、画像メモリ１６から読み出した過去の画像データにフィルタ処理を行ってもよい。無論、バッファ１９から読み出した画像データと画像メモリ１６から読み出した画像データの両方にフィルタ処理を行ってもよい。

１１…アンテナ
１２…受信部
１３…Ａ／Ｄ変換器
１４…スイープメモリ
１５…画像データ生成部
１６…画像メモリ
１７…相関処理部
１８…表示器

Claims (13)

1. 電磁波を所定領域に発射して物標で反射されたエコー信号を受信するアンテナから前記エコー信号が入力されるエコー信号入力部と、
   前記所定領域内にある各地点からの前記エコー信号のレベルを出力するエコー信号レベル検出部と、
   前記所定領域全体のエコー信号を１スキャンとして、複数スキャンのエコー信号の相関値を算出するスキャン相関処理を行う相関処理部と、
   を備えた信号処理装置であって、
   前記各地点のうち近接する地点の前記エコー信号を含む複数のエコー信号を用いて前記スキャン相関処理を行うことを特徴とする信号処理装置。
2. 請求項１に記載の信号処理装置において、
   前記スキャン相関処理は、第１の時刻に前記アンテナから発射された電磁波による第１のエコー信号と、前記第１の時刻とは異なる第２の時刻に前記アンテナから発射された電磁波による前記第２のエコー信号との相関に基づいて、エコー信号の相関値を算出する処理であることを特徴とするエコー信号処理装置。
3. 請求項１に記載の信号処理装置において、
   前記スキャン相関処理は、過去のスキャン相関処理を行った結果得られた第１のエコー信号と、新たに入力された第２のエコー信号との相関に基づいて、エコー信号の相関値を算出する処理であることを特徴とするエコー信号処理装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の信号処理装置において、
   前記相関処理部は、前記各地点の前記第１のエコー信号の周囲の地点のエコー信号を用いて前記スキャン相関処理を行うことを特徴とする信号処理装置。
5. 請求項４に記載の信号処理装置において、
   前記相関処理部は、前記各地点の前記第１のエコー信号の周囲の地点のエコー信号をフィルタ処理した後に前記スキャン相関を行うことを特徴とする信号処理装置。
6. 請求項５に記載の信号処理装置において、
   前記フィルタは、鮮鋭化フィルタであることを特徴とする信号処理装置。
7. 請求項６に記載の信号処理装置において、
   前記鮮鋭化フィルタは、前記各地点の前記第１のエコー信号について、周囲の地点のエコー信号との変化の大きさを強調する処理を行うことを特徴とする信号処理装置。
8. 請求項７に記載の信号処理装置において、
   前記鮮鋭化フィルタは、前記各地点の第１のエコー信号のレベルを増加させ、当該レベル増加分を、前記周囲の地点のエコー信号で減算して出力する処理を行い、
   前記相関処理部は、前記鮮鋭化フィルタの出力エコー信号と、前記第２のエコー信号と、を重み付け加算することを特徴とする信号処理装置。
9. 請求項２乃至請求項８のいずれかに記載の信号処理装置において、
   エコー信号入力部で入力されたエコー信号をバッファするバッファを備え、
   前記相関処理部は、前記各地点の前記第１のエコー信号の周囲の地点のエコー信号、および前記各地点の前記第２のエコー信号の周囲の地点のエコー信号を用いて前記スキャン相関処理を行うことを特徴とする信号処理装置。
10. 請求項９に記載の信号処理装置において、
    前記相関処理部は、前記第１のエコー信号および前記第２のエコー信号の同じ物標で反射されたエコー信号の位置を割り出し、前記スキャン相関処理を行うことを特徴とする信号処理装置。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の信号処理装置と、
    前記電磁波を方位毎に発射し、物標で反射されたエコー信号を受信して前記エコー信号入力部に入力するアンテナと、
    前記スキャン相関処理後のエコー信号に基づいて、前記物標の表示を行う表示部と、
    を備えたレーダ装置。
12. 電磁波を所定領域に発射して物標で反射されたエコー信号を受信するアンテナから前記エコー信号が入力されるエコー信号入力ステップと、
    前記電磁波が発射された方位の前記アンテナからの距離に対応させて各地点の前記エコー信号のレベルを出力するエコー信号レベル検出ステップと、
    前記所定領域全体のエコー信号を１スキャンとして、複数スキャンのエコー信号の相関値を算出するスキャン相関処理を行う相関処理ステップと、
    を備えた信号処理方法であって、
    前記各地点のうち近接する地点の前記エコー信号を含む複数のエコー信号を用いて前記スキャン相関処理を行うことを特徴とする信号処理方法。
13. 電磁波を所定領域に発射して物標で反射されたエコー信号を受信するアンテナから前記エコー信号が入力されるエコー信号入力ステップと、
    前記電磁波が発射された方位の前記アンテナからの距離に対応させて各地点の前記エコー信号のレベルを出力するエコー信号レベル検出ステップと、
    前記所定領域全体のエコー信号を１スキャンとして、複数スキャンのエコー信号の相関値を算出するスキャン相関処理を行う相関処理ステップと、
    をコンピュータに実行させる信号処理プログラムであって、
    前記各地点のうち近接する地点の前記エコー信号を含む複数のエコー信号を用いて前記スキャン相関処理を行うことを特徴とする信号処理プログラム。

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