JP2014055883A - レーダ装置、探知方法及び探知プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】鳥類の群れなど群れで移動する多数の物標やその群れの行動を早くかつ分かり易く伝えられるレーダ装置、探知方法及び探知プログラムを提供する。
【解決手段】第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０は、所定平面を含む所定空間に対して、それぞれ異なる配置位置で電磁波を送受信する。第１送受信部４０及び第１信号処理部６０は、第１アンテナ２０を基準として、第１アンテナ２０で受信される電磁波から群れを形成する物標の各位置におけるドップラー速度を検出する。第２送受信部５０及び第２信号処理部７０は、第２アンテナ３０を基準として、第２アンテナ３０で受信される電磁波から群れを形成する物標の各位置におけるドップラー速度を検出する。合成部８０は第１信号処理部６０及び第２信号処理部７０の検出結果を合成して所定平面の各位置における群れを形成する物標の速度ベクトルを生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鳥類などのように群れで移動する物標を検出するためのレーダ装置、探知方法及び探知プログラムに関する。

レーダ装置では一般に、発射された電波の反射波をとらえることによって物標（航空機や船舶など）が検出され、検出された物標がディスプレイ上に表示される。ディスプレイに表示すべき物標の周りには波や雨などのクラッタ（不要な反射波）を発生する反射体が存在することもあるため、クラッタを抑圧する様々な手法が開発されている。物標として航空機や船舶などを捉えるレーダ装置の場合には、鳥類などはクラッタと同様に取り扱われ、受信信号から除去されるのが一般的である。

その一方で、学術的な鳥類の生体の観察や、飛行場及び風力発電地帯などにおける事故の防止及び鳥類保護の観点から鳥類を追跡するためにレーダ装置が用いられることがある。例えば、特許文献１（特開２０１０−５２５３３６号公報）や特許文献２（特開２００８−９６１０３号公報）には、レーダ装置を用いて飛行する鳥類を検出する技術が開示されている。

特に飛行場周辺において鳥類の行動を検出するのは、鳥類が飛行機に衝突するバードストライクなどによる事故を回避するためであり、鳥類が飛行機やその飛行ルートに近づくことを防止することを目的として行われる。そして、飛行ルートに鳥の群れが近づきそうなときには、大きな音などによって鳥の群れを飛行ルートから追い払うことが必要になる。しかし、大きな音などは騒音の原因ともなるので、鳥の群れの行動を把握して効果的に追い払うことが好ましい。そのような事故防止の観点で鳥の群れの検出にレーダ装置が用いられるときは、一羽一羽の正確な情報よりも鳥の群れの行動をできる限り早く監視者に把握させることが重要になる。

しかしながら、特許文献１などに開示されている技術では、一羽一羽の鳥を物標として正確に検出することに主眼が置かれているために、鳥類の群れやその行動を逸早くかつ分かり易く監視者に伝えるには十分ではない。また、鳥の場合には、鳥の向きと電磁波の向きによって反射波の出力が大きく変動するため、電磁波の照射方向と鳥の飛翔方向とが一定の条件を満たすときには鳥からの電磁波の反射が弱くなり、群れの一部がレーダ装置で捉え難くなる場合がある。

本発明の目的は、鳥類の群れなど群れで移動する多数の物標やその群れの行動を早くかつ分かり易く伝えられるレーダ装置、探知方法及び探知プログラムを提供することにある。

上記の課題を解決するためのレーダ装置は、所定平面を含む所定空間に対して、互いに異なる配置位置で電磁波を送受信する第１アンテナ及び第２アンテナと、第１アンテナを基準として、第１アンテナで受信される電磁波から群れを形成する物標の各位置におけるドップラー速度を検出する第１検出部と、第２アンテナを基準として、第２アンテナで受信される電磁波から群れを形成する物標の各位置におけるドップラー速度を検出する第２検出部と、第１検出部及び第２検出部の検出結果を合成して所定平面の各位置における群れを形成する物標の速度ベクトルを生成する合成部とを備える。

このレーダ装置によれば、合成部は、第１信号処理部及び第２信号処理部の検出結果を合成して、所定平面の各位置における各物標の速度ベクトルを生成することができる。このように生成される所定平面の各位置における群れの各物標の速度ベクトルを総合することで、鳥の飛翔方向によって群れの形状やその移動方向の予想に大きな誤差を生じることなく、群れの概略形状の変化の予想や群れの移動を把握するために必要な情報が得られる。

上記の課題を解決するための探知方法は、所定平面を含む所定空間に対して互いに異なる位置に配置されている第１アンテナ及び第２アンテナを用いて群れを形成する物標を探知する探知方法であって、第１アンテナを基準として、第１アンテナで受信されるエコー信号から群れを形成する物標の各位置におけるドップラー速度を検出するための第１検出ステップと、第２アンテナを基準として、第２アンテナで受信されるエコー信号から群れを形成する物標の各位置におけるドップラー速度を検出するための第２検出ステップと、第１検出部及び第２検出部の検出結果を合成して所定平面における群れの移動速度を求める速度算出ステップとを備える。

この探知方法によれば、速度算出ステップで群れの移動速度が求まるので、群れの移動に対する対策を立てるための情報を提供することができ、鳥類の群れなど群れで移動する物標の群れとしての行動を、早くかつ分かり易く伝えられる。

本発明によれば、合成部が生成する物標の速度ベクトルを使って鳥類の群れなど群れで移動する物標の群れとしての行動を、早くかつ分かり易く伝えられる。

本発明の第1実施形態に係るレーダ装置の概略構成を示すブロック図。 第１アンテナ及び第２アンテナからの電磁波の照射を説明するための概念図。 （ａ）平均化処理の対象となる速度ベクトルを示す概念図、（ｂ）平均化処理を説明するための概念図、（ｃ）平均化処理後の速度ベクトルの合成について説明するための概念図。 ２値化について説明するための概念図。 速度ベクトルの表示について説明するための概念図。 送信ビームと物標の関係を説明するための概念図。 群れの速度ベクトルを表示するための処理手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態に係るレーダ装置の概略構成を示すブロック図。 第１アンテナ乃至第３アンテナからの電磁波の照射を説明するための概念図。 第１アンテナと第３アンテナの電磁波の照射角度を説明するための概念図。

＜第１実施形態＞
〔レーダ装置の構成〕
以下、本発明の第１実施形態に係るレーダ装置について図面を用いて説明する。図１は、このレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すレーダ装置１０は、第１アンテナ２０、第２アンテナ３０、第１送受信部４０、第２送受信部５０、第１信号処理部６０、第２信号処理部７０、合成部８０および表示装置９０を備えている。以下、レーダ装置１０によって滑走路周辺の鳥の群れ（例えばムクドリの群れなど）を監視する場合を例に挙げて、レーダ装置１０を構成する各要素について詳細に説明する。

〔第１アンテナ及び第２アンテナ〕
このレーダ装置１０は、第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０を備えている。第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０は、図２に示されているように、飛行機１０１が離着陸する滑走路１００の周辺に配置される。図２においては、滑走路１００の長手方向に沿ってｘ軸を取り、滑走路１００を横断する方向に沿ってｙ軸を取り、滑走路１００に垂直な方向にｚ軸を取っている。

第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０は、それぞれ、鋭い指向性を持ったパルス状電波（レーダ送信信号）のビーム２２，３２を送信するとともに、その周囲にある物標からの反射波を受信する。第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０は、ロータリージョイント２１，３１によって水平面内で回転しながら、上記の送信と受信を繰り返す。第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０は、それぞれ所定の角度α、βだけ回転すると、次に逆方向に回転を始める。ここでは、角度α、βの回転の間に行う処理の単位を1スキャンとよぶ。

レーダ送信信号を送信してから次のレーダ送信信号を送信する直前までの期間における送信と受信の動作をスイープとよぶ。１スイープの時間、すなわち送信周期は、例えば１ｍｓである。そして、１スイープ当たりの受信データ数をサンプル点数とよぶ。１スイープで発射されるビームは、ｘｙ平面に平行に広がるが、そのビーム幅は、例えば２度に設定される。また、図２に示されているように、第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０のビーム２２，３２は、それぞれ、発射された第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０から遠ざかるにつれてｚ軸方向に広がる。

図２に示されているように、レーダ装置１０は、１スキャンの処理によって、空間ＳＰ１に対して、第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０からビームを照射することができる。そして、第１アンテナ２０や第２アンテナ３０から物標までの距離は、その物標信号を含むレーダ受信信号の受信時間と、当該レーダ受信信号に対応するレーダ送信信号の送信時間との時間差から求められる。また、物標の方位は、対応するレーダ送信信号を送信するときの第１アンテナ２０や第２アンテナ３０の方位から求められる。さらに、物標の速度（ドップラー速度値）は、レーダ受信信号の位相変化から求められる。

〔第１送受信部及び第２送受信部の構成〕
第１送受信部４０及び第２送受信部５０は、それぞれ、レーダ送信信号を生成して第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０へ送出する。また、第１送受信部４０及び第２送受信部５０は、アンテナ１からレーダ受信信号を取り込み、レーダ受信信号を周波数変換する。そのために、第１送受信部４０及び第２送受信部５０は、信号生成器４１，５１、周波数変換器４２，５２、局部発振器４３，５３、送受切換器４４，５４および周波数変換器４５，５５を備える。図１から分かるように、第１送受信部４０と第２送受信部５０は同じ構成であるので、以下の説明は第１送受信部４０について行い、第２送受信部５０については説明を省略する。なお、レーダ装置１０においては、レーダ干渉が生じないように第１送受信部４０と第２送受信部５０で周波数や送信間隔などが適切に設定される。

第１送受信部４０の信号生成器４１は、同一の時間間隔で、または、異なる時間間隔で、中間周波数のレーダ送信信号を生成して周波数変換器４２へ出力する。信号生成器４１が生成するレーダ送信信号は、例えば、チャープ信号として知られている周波数変調信号である。

第１送受信部４０の周波数変換器４２は、信号生成器４１の出力信号を局部発振器４３から出力されるローカル信号と混合し、信号生成器４１の出力信号を周波数変換して送受切換器２４へ出力する。第１送受信部４０の送受切換器４４は、第１アンテナ２０と接続可能に構成されている。送受切換器４４は、第１アンテナ２０と第１送受信部４０との間の信号の切り換えを行う。

第１送受信部４０の周波数変換器４５は、送受切換器４４を介して第１アンテナ２０から出力されるレーダ受信信号を取り込む。そして、周波数変換器４５は、レーダ受信信号を局部発振器４３から出力されるローカル信号と混合し、送受切換器４４の出力信号を中間周波数に変換して後段の第１信号処理部６０へ出力する。

〔第１信号処理部及び第２信号処理部の構成〕
第１信号処理部６０及び第２信号処理部７０は、それぞれ、レーダ受信信号をデジタル信号に変換して信号処理を行う。そのために、第１信号処理部６０及び第２信号処理部７０は、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器６１，７１、直交検波器６２，７２、干渉除去器６３，７３、マッチドフィルタ６４，７４及び絶対値検波器６５，７５を備える。図１から分かるように、第１信号処理部６０と第２信号処理部７０は同じ構成であるので、以下の説明は第１信号処理部６０について行い、第２信号処理部７０については説明を省略する。なお、第１信号処理部６０及び第２信号処理部７０は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のデジタル回路で実現することが可能である。

第１信号処理部６０のＡ／Ｄ変換器６１は、第１送受信部４０の周波数変換器４５から出力されるアナログ値の中間周波数信号をデジタル信号に変換する。直交検波器６２は、Ａ／Ｄ変換器６１から出力されるデジタル値の中間周波数信号を直交検波し、Ｉ（In-Phase）信号およびこれとπ／２だけ位相の異なるＱ（Quadrature）信号を生成する。ここで、Ｉ信号，Ｑ信号（以下、適宜「Ｉ」，「Ｑ」と略記する。）はそれぞれレーダ受信信号の複素エンベロープ信号の実数部，虚数部である。以下では、複素エンベロープ信号をたんに複素受信信号とよぶ。複素受信信号の振幅は、（Ｉ²＋Ｑ²）^1/2で表され、複素受信信号の位相は、ｔａｎ^-1（Ｑ／Ｉ）で表される。

第１信号処理部６０の干渉除去器６３は、直交検波器６２の出力信号（Ｉ，Ｑ）からレーダ干渉を除去する。ただし、干渉除去器６３は、レーダ干渉以外に、クラッタやノイズを除去する機能をあわせ持っていてもよい。マッチドフィルタ６４は、第１送受信部４０の送信側で行われる変調の時間−周波数特性に対してちょうど逆の特性を有する。第１信号処理部６０の絶対値検波器６５は、マッチドフィルタ６４が出力する複素受信信号の振幅を求める。その結果、絶対値検波器６５からはレーダ干渉の除去された受信データが合成部８０に出力される。この絶対値検波器６５から出力される受信データは、方位と距離とで特定される各位置のレーダ受信信号の振幅値と位相変化量（速度）である。

〔合成部の構成〕
合成部８０は、ｘｙ平面の各位置のうち、形状の大小に関する閾値を超える振幅値を持っていて物標が存在すると考えられる位置について、第１信号処理部６０から得られる位相変化量と第２信号処理部７０から得られる位相変化量から速度ベクトルを生成する。各物標の移動速度にはｚ方向の成分が含まれるが、ここではアンテナ１で観測される物標の移動速度に含まれるｚ成分及びアンテナ２で観測される物標の移動速度に含まれるｚ成分は小さいため、移動速度のｚ成分による誤差を無視して移動速度のアンテナ１から電磁波が放射される方向成分（ｙ成分）とアンテナ２から電磁波が放射される方向成分（ｘ成分）を算出している。速度ベクトルを生成する際に、合成部８０は、２次元平均化処理部８１において、ガウシアンフィルタなどによって各位置の速度をその周囲に広げて平均化する。図３（ａ）に示されているように、同じ物標であっても、第１アンテナ２０で捉えられた位置と第２アンテナで捉えられた位置がずれることがある。例えば図３（ａ）の速度ベクトルＶｅ１が第１アンテナ２０で捉えた位置と速度を示しており、速度ベクトルＶｅ２が第２アンテナ３０で捉えた位置と速度を示している。このような場合でも、ｘｙ平面を小さなメッシュＳＭＥに分割して、２次元平均化処理部８１においてガウシアンフィルタを掛けることによって２次元でぼかしを行うと、図３（ｂ）に示されているように速度ベクトルが相互に隣接して１つの塊のようになる。さらに、大きなメッシュＬＭＥ（例えば、画素に対応しているもの）の中の隣接するメッシュＳＭＥのうちの大きな速度を持つメッシュＳＭＥを残すようにすれば、図３（ｃ）のように合成された速度ベクトルＶｅ３を得ることができる。

ところで、レーダ装置１０で得たいのは、鳥の群れの概略形状の検出と群れの移動方向である。そこで、合成部８０では、群れ検出部８２によって、図３（ａ）、図３（ｂ）又は図３（ｃ）の状態のドップラー速度の分布を２値化する。図４には、２値化した分布の一例が示されている。２値化するために、例えば、ガウシアンフィルタを掛けるときに用いたメッシュを使うと、各メッシュには一つの物標が対応しているので、その物標の速度ベクトルの絶対値（移動速度）が速度閾値に達しているか否かを判定すると２値化できる。図４の斜線で示されている領域が「１」に対応し、斜線の引かれていない領域が「０」に対応している。

群れ検出部８２は、比較的０に近い小さな値を速度閾値として、ドップラー速度の絶対値がその速度閾値を超える部分の集まりを合成鳥エコー領域として特定する。例えば、所定間隔よりも小さな間隔で隣接している物標の連続体を一つの合成鳥エコー領域として特定する。

図４のような２値化されたデータを使って群れを特定する方法は種々存在するが、ここでは連続する「１」の領域（連続体）を一つの群れとして特定する方法の例を２つ示す。一つ目は、境界に着目する方法である。通常、群れが検出領域の全面に散らばることは考えにくいため、「１」と「０」の境界として必ず閉じた領域を囲む連続した境界線ＬＮが形成される。このような境界線に囲まれた領域が図４の合成鳥エコー領域ＥＢ１，ＥＢ２になる。この場合、群れか単独の物標かを区別するため、例えば、囲まれた領域に含まれる「１」のメッシュが１０個以上であれば群れとして特定するなど、囲まれた領域の「１」のメッシュの個数を計算する。なお、この様な方法の場合、囲まれた領域の形がドーナッツ状になって、その領域中に「０」のメッシュが同時に囲い込まれることもある。

二つ目は、個々の物標の繋がりに着目する方法である。任意の「１」のメッシュに着目して、その着目メッシュの一つ隣のメッシュが「１」であればその隣接する隣接メッシュも同一の群れとして特定する。その同一の群れとして特定された隣接メッシュにさらに隣接する他の「１」のメッシュがあればその隣接するメッシュにさらに隣接するメッシュ（以下、隣接−隣接メッシュと記す）も同一の群れと特定する。さらに隣接−隣接メッシュに隣接する「１」のメッシュを探すという作業を、隣接−隣接メッシュに「１」のメッシュがなくなるまで繰り返す。なお、隣接メッシュや隣接−隣接メッシュを探す際に、上下左右の４つのメッシュで探す方法も考えられ、上下左右と斜め上や斜め下も含む８つのメッシュや２４のメッシュで探す方法なども考えられるが、どのように作業を進めるかは物標である鳥の種類などによって適宜選択するようにすればよい。この場合も、群れか単独の物標かを区別するため、例えば、連続する「１」のメッシュが１０個以上あれば群れとして特定するなど、連続する「１」のメッシュの個数を計算する。

例えば図５に示されている滑走路１００を含むｘｙ平面の原点が滑走路１００から見て北東方向に当たるとする。この場合、図５には、一つの合成鳥エコー領域ＥＢ１が滑走路１００の北西方向に示されており、他の合成鳥エコー領域ＥＢ２が滑走路１００の南東方向に示されている。

群れ検出部８２は、合成鳥エコー領域ＥＢ１，ＥＢ２のドップラー速度ベクトルを加算して、合成鳥エコー領域ＥＢ１，ＥＢ２毎に平均ドップラー速度ベクトルＤＶ１，ＤＶ２と、ドップラー速度の分散を算出する。そして、群れ検出部８２は、滑走路１００に向かっているドップラー速度ベクトルを例えば後述する映像表示装置８０に赤色で表示させ、滑走路１００から離れる向きのドップラー速度ベクトルを例えば青色で表示させるように情報を生成する。このような表示を行えば、合成鳥エコー領域ＥＢ１が滑走路１００に近づいてきていることを逸早く監視者に知らせることができるので、合成鳥エコー領域ＥＢ１の鳥の群れに対して大きな音で追い払うなどの対策を講じ易くなる。

なお、図６に示されているように、同じ位置ｙ１において上下に鳥Ｂ１，Ｂ２が重なる場合がある。このような場合に、第１アンテナ２０では鳥Ｂ１，Ｂ２を分離して捉えることはできない。しかし、個別に鳥を捉えることができなくて、どちらか、あるいは両方を一つの物標としたような速度が観測されても、群れを形成する個別の物標としては十分な情報である。図６のように同一位置で複数の鳥が重なっても、物標が欠落してしまう訳ではなくて一要素として示せているので、レーダ装置１０が操作者に示す群れの概略形状の変化の予想や群れの移動を把握するための情報としては十分である。

〔映像表示装置の構成〕
映像表示装置９０は、図示しないＣＰＵ、メモリおよび入力装置などのデバイスを備える。この映像表示装置９０では、各スイープで得られた受信データを画像表示用のメモリに記憶するとともに、記憶したデータを所定の順序でこのメモリから読み出し、映像としてＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などに表示する。通常のレーダ装置とは異なり、レーダ装置１０は、物標の速度の表示を行う。物標の速度は、矢印の向きが速度の向きと一致するとともに長さが速度の大きさに対応するベクトルで表示されてもよく、あるいは色が速度の向きに応じて変わるとともに輝度が速度の大きさに応じて変わる色彩で表示されるなどしてもよい。カラー表示は、例えば、北向きが青色、南向きが赤色、東向きが緑色、西向きが黄色などのように表示し、速度が大きいほど輝度を大きくして表示するなどのように設定される。速度の表示は、図３（ａ）に示されているような第１アンテナ２０で捉えられた速度と第２アンテナで捉えられた速度を個別に行うものであってもよい。また、図３（ｂ）に示されているような２次元平均化処理部８１において平均化された速度であってもよい。また、図３（ｃ）に示されているように、２次元平均化処理部８１において合成された後の速度であってもよい。さらには、図５に示されている群れ検出部８２によって特定された合成鳥エコー領域ＥＢ１，ＥＢ２の平均ドップラー速度ベクトルＤＶ１，ＤＶ２などを表示してもよい。この場合、例えば、合成鳥エコー領域ＥＢ１，ＥＢ２を一枚の平板とみなして、その平板の重心を平均ドップラー速度ベクトルＤＶ１，ＤＶ２の原点とみなして表示するなどすればよい。

レーダ装置１０のレーダ映像は、滑走路１００の位置を中心に鳥瞰的に表示される。レーダ装置１０の操作者は、物標の速度がレーダ映像上で表示された状況から、群れの概略形状の変化の予想や群れの移動を認識することが可能になる。

〔処理手順〕
上述した群れに関する探知方法の処理手順について図７を用いて簡単に説明する。まず、図３（ａ）に示されているように、アンテナ１で受信されるエコー信号（物標からの反射波）からｘｙ平面の各位置における物標のアンテナ１のから放射される電磁波の方向と平行な方向（ｙ方向）のドップラー速度（ｙ方向の速度成分ｖｙ）を計算し、アンテナ２で受信されるエコー信号からｘｙ平面の各位置における物標のアンテナ１のから放射される電磁波の方向と平行な方向（ｘ方向）のドップラー速度（ｘ方向の速度成分ｖｘ）を計算する（ステップＳ１）。

次に、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示されているように、速度のｙ方向成分Ｖｅ１とｘ方向成分を合成して物標の速度ベクトルを求める（ステップＳ２）
次に、図４に示されているように、２値化処理によって物標の連続体を顕在化させる（ステップＳ３）。そして、図４を用いて説明したように、所定の間隔よりも小さな間隔で隣接する検出対象の物標を関連付けることによって連続体を特定し、それにより群れを特定する（ステップＳ４）。

さらに、特定された群れに属する全ての物標の速度ベクトルを平均して、図５に示されている平均速度ベクトルＤＶ１，ＤＶ２を算出する（ステップＳ５）。そして、この計算結果に基づいて群れに関する表示、特に群れごとに識別できるように平均速度ベクトルＤＶ１，Ｄｖ２の表示を行なう（ステップＳ６）。

＜特徴＞
（１）第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０は、ｘｙ平面に属する滑走路１００（所定平面）を含む空間ＳＰ１（所定空間）に対して、それぞれ異なる配置位置で電磁波を送受信する。それにより、空間ＳＰ１の内部に入った鳥の群れに対して２つの方向から電磁波を照射することができる。

第１送受信部４０及び第１信号処理部６０からなる第１検出部は、第１アンテナ２０で受信される電磁波から鳥（群れを形成する物標）の各位置におけるドップラー速度を検出する。同様に、第２送受信部５０及び第２信号処理部７０からなる第２検出部は、第２アンテナ３０で受信される電磁波から鳥（群れを形成する物標）の各位置におけるドップラー速度を検出する。それにより、鳥の群れを形成する各鳥について、ｘｙ平面における速度ベクトルが得られる。

合成部８０は、第１信号処理部６０及び第２信号処理部７０の検出結果を合成して、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）あるいは図５に示されているように、ｘｙ平面の各位置における鳥の群れの各鳥の速度ベクトルを生成する。

一般に、群れて飛ぶ鳥は、例えば次の３つの条件を満たすようにして飛ぶことが知られている。つまり、（条件１）近くの相手に向かって飛ぶ、（条件２）近くの相手に速さを合わせる、（条件３）互いにぶつからないようにする、という条件である。このように、鳥の群れの行動にとって速度は重要な要因になっている。そのため、ｘｙ平面の各位置における鳥の群れの各鳥の速度ベクトルを生成することで、群れの概略形状の変化の予想や群れの移動を把握するために必要な情報を得ることができる。一羽一羽の鳥（個体）の方向によって電磁波を反射し易い方向と反射し難い方向が存在する場合は特に、複数の方角から群れを形成する個別の物標を捉えることで、群れの中の個別の物標を捉え損なって群れの概略形状が実際のものから掛け離れたものになるのを防止することができる。

（２）合成部８０に含まれる２次元平均化処理部８１は、第１信号処理部６０及び第２信号処理部７０で検出される各位置の速度を、当該位置の周囲の位置の速度を使って平均化処理する。

映像表示装置９０（表示部）は、合成部８０で生成されるｘｙ平面の各位置における速度ベクトルに基づいて鳥の群れを表示画面に表示する。第１実施形態のレーダ装置１０では、映像表示装置９０は、図３（ｂ）又は図３（ｃ）に示されているように２次元平均化処理部８１で平均化処理された後のｘｙ平面の各位置の速度ベクトルに基づいて群れを形成する物標を表示することができる。このような表示によって、鳥の群れの概略の形状やその変化と移動をレーダ装置１０の操作者に逸早くかつ分かり易く伝達することができる。

（３）合成部８０に含まれる群れ検出部８２は、第１信号処理部６０及び第２信号処理部７０で検出される各位置の速度からｘｙ平面を、鳥の群れが存在する合成鳥エコー領域ＥＢ１，ＥＢ２（物標群エコー領域）と群れを形成する鳥が存在しない領域に二値化して、図５に示されている合成鳥エコー領域ＥＢ１，ＥＢ２を特定する。そして、群れ検出部８２は、合成鳥エコー領域ＥＢ１，ＥＢ２毎に平均ドップラー速度ベクトルＤＶ１，ＤＶ２（平均速度）を算出する。それにより、鳥の群れが存在する領域の概略の形状や鳥の群れとしての概略の移動に関する情報をレーダ装置１０の操作者に対して提供し易くなる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るレーダ装置について図８、図９及び図１０を用いて説明する。図８に示されている第２実施形態のレーダ装置１０Ａの構成は、図１に示されているレーダ装置１０と比較して、第３アンテナ１１０、第３送受信部１２０、第２信号処理部１３０、合成部１４０及び映像表示装置１５０が異なる。

〔第３アンテナ〕
第３アンテナ１１０も第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０と同様に構成され、ロータリージョイント１１１によって水平面内で回転しながら送信と受信を繰り返す。

第３アンテナ１１０は、図９に示されているように、第１アンテナ２０の上方（ｚ軸方向）に配置される。すなわち、第１アンテナ２０の高さはｚ１であり、第３アンテナ１１０の高さはＺ２であり、第１アンテナ２０及び第３アンテナ１１０のｘｙ座標は同じである。第３アンテナ１１０は、第１アンテナ２０及び第２アンテナ３０が電磁波を照射する空間ＳＰ２に対して電磁波を照射する。そのため、第３アンテナ１１０のメインビームの方向がｘｙ平面となす角が、第１アンテナ２０のメインビームの方向がｘｙ平面となす角と異なるように設定されている。例えば、図１０に示されているように、第１アンテナ２０の送信ビーム２２が略水平に照射されるのに対し、第３アンテナ１１０の送信ビーム１１２は、水平に対する角度がγになるように斜め下に向けて照射される。そして、水平方向の回転において、第１アンテナ２０の回転角も第３アンテナ１１０の回転角も同じαに設定されていて、互いに同じように回転していれば、一方の速度から他方の速度を差し引くことで物標Ｂ３のｚ軸方向の速度成分ｖｚを得ることができる。

〔第３送受信部及び第３信号処理部の構成〕
第２実施形態の第１送受信部４０、第２送受信部５０、第１信号処理部６０及び第２信号処理部７０は、図１に示されている第１実施形態の第１送受信部４０、第２送受信部５０、第１信号処理部６０及び第２信号処理部７０と同様である。

そして、第２実施形態の第３送受信部１２０も、第１実施形態の第１送受信部４０が有する送信波形生成器４１、周波数変換器４１、局部発振器４３、送受切換器４４及び周波数変換器４５と同じ構成を有している。また、第２実施形態の第３信号処理部１３０も、第１実施形態の第１信号処理部５０が有するＡ／Ｄ変換器６１、直交検波器６２、干渉除去器６３、マッチドフィルタ６４及び絶対値検波器６５と同じ構成を有している。

〔合成部の構成〕
第２実施形態の合成部１４０は、第１実施形態の合成部８０が第１アンテナ２０と第２アンテナ３０で受信される２次元の速度を合成しているのに対し、第１アンテナ２０と第２アンテナ３０と第３アンテナ１１０で受信される３次元の速度を合成する。そのため、合成部１４０では、空間ＳＰ２の各位置のうち、形状の大小に関する閾値を超える振幅値を持っていて物標が存在すると考えられる位置について、第１信号処理部６０から得られる位相変化量と第２信号処理部７０から得られる位相変化量と第３信号処理部１３０から得られる位相変化量から速度ベクトルを生成する。例えば、第１アンテナ２０と第２アンテナ３０で受信される２次元の速度に加えて、上述したように第１アンテナ２０に対する速度から第３アンテナ１１０に対する速度を差し引いてｚ軸方向の速度成分ｖｚを算出する。そして、第１アンテナ２０と第２アンテナ３０で得られるｘｙ平面に平行な速度に、ｚ軸方向の速度成分ｖｚを加えて３つの次元の速度を得る。このようにして得られる３つの次元の速度について、速度ベクトルを生成する際に、合成部１４０は、３次元平均化処理部１４１において、２次元平均化処理部８１と同様にガウシアンフィルタなどによって各位置の速度をその周囲に広げて平均化する。つまり、２次元平均化処理部８１で行った図３（ｂ）及び図３（ｃ）を用いて説明した処理を、合成部１４０の３次元平均化処理部１４１でも３次元に拡大して行う。

ところで、レーダ装置１０Ａで得たいのは、鳥の群れの概略形状の検出とその移動方向である。そこで、第２実施形態の合成部１４０でも、第１実施形態の群れ検出部８２と同様に空間領域特定部１４２によって、３次元平均化処理部１４１で得られるドップラー速度の分布を２値化する。空間領域特定部１４２は、比較的０に近い小さな値を速度閾値として、ドップラー速度の絶対値がその速度閾値を超える部分の集まりを合成鳥エコー領域として特定する。例えば、連続している速度閾値を超える部分の全体を一つの合成鳥エコー領域として特定する。群れ検出部８２の合成鳥エコー領域ＥＢ１，ＥＢ２が２次元の領域であったのに対して、空間領域特定部１４２の合成鳥エコー領域は３次元の領域として特定される。そして、空間領域特定部１４２は、立体的な合成鳥エコー領域のドップラー速度ベクトルを加算して、合成鳥エコー領域毎に平均ドップラー速度ベクトルと、ドップラー速度の分散を算出する。そして、空間領域特定部１４２は、滑走路１００に向かっているドップラー速度ベクトルを例えば後述する映像表示装置１５０に赤色で表示させ、滑走路１００から離れる向きのドップラー速度ベクトルを例えば青色で表示させるように情報を生成する。この場合、群れ検出部８２と異なり、飛行機１０１が離着陸する軌跡に対する鳥の群れの接近を検知するためｚ軸方向の速度成分ｖｚも考慮させることができる。

〔映像表示装置の構成〕
第２実施形態の映像表示装置１５０も基本的には第１実施形態の映像表示装置９０の構成と同様であり、物標の速度の表示を行う。物標の速度は、矢印の向きが速度の向きと一致するとともに長さが速度の大きさに対応するベクトルで表示されてもよく、あるいは色が速度の向きに応じて変わるとともに輝度が速度の大きさに応じて変わる色彩で表示されるなどしてもよい。表示画面は、通常平面であるので、３次元の速度を表示するには適当ではない。そのため、映像表示装置１５０は、例えばｘｙ平面の速度成分を映像表示装置９０と同じように表示するとともに、その表示と並べて、あるいは切り換えてｚ軸方向の速度ｖｚを表示するようにしてもよい。

レーダ装置１０Ａのｘｙ平面に関するレーダ映像は、滑走路１００の位置を中心に鳥瞰的に表示される。一方、ｚ軸方向に関するレーダ映像は、滑走路１００を真横から見た状態が表示される。それにより、レーダ装置１０Ａの操作者は、物標の速度がレーダ映像上で表示された状況から、３次元における物標の群れの概略の形状とその移動方向を認識することが可能になる。

＜特徴＞
（１）第１アンテナ２０、第２アンテナ３０及び第３アンテナ１１０は、ｘｙ平面に属する滑走路１００（所定平面）を含む空間ＳＰ２（所定空間）に対して、３つのアンテナが同時に同じ平面には属さない配置位置から電磁波を送受信する。それにより、空間ＳＰ２の内部に入った鳥の群れに対して立体的な３つの方向から電磁波を照射することができる。

第１送受信部４０及び第１信号処理部６０からなる第１検出部並びに第２送受信部５０及び第２信号処理部７０からなる第２検出部と同様に第３送受信部１２０及び第３信号処理部１３０からなる第３検出部は、第３アンテナ１１０で受信される電磁波から鳥の群れ（群れを形成する物標）の各位置におけるドップラー速度を検出する。第２実施形態では、第１アンテナ２０で得られるドップラー速度と第３アンテナで得られるドップラー速度との差から、鳥の群れを形成する各鳥について、ｚ軸方向における速度ベクトルが得られる。

合成部１４０は、第１信号処理部６０、第２信号処理部７０及び第３信号処理部１３０の検出結果を合成して、空間ＳＰ２の各位置における鳥の群れの各鳥の速度ベクトルを生成する。

空間ＳＰ２の各位置における鳥の群れの各鳥の速度ベクトルを生成することで、群れの３次元的な概略形状の変化の予想や群れの３次元的な移動を把握するために必要な情報を得ることができる。

（２）合成部１４０に含まれる３次元平均化処理部１４１は、第１信号処理部６０、第２信号処理部７０及び第３信号処理部１３０で検出される各位置の速度を、当該位置の周囲の位置の速度を使って平均化処理する。

映像表示装置１５０（表示部）は、合成部１４０で生成される空間ＳＰ２の各位置における速度ベクトルに基づいて鳥の群れを表示画面に表示する。そのため、第２実施形態のレーダ装置１０Ａでは、映像表示装置１５０は、３次元平均化処理部１４１で平均化処理された後の空間ＳＰ２の各位置の速度ベクトルに基づいて群れを形成する物標を表示することができる。このような表示によって、鳥の群れの３次元的な概略形状の変化や群れの空間内での移動をレーダ装置１０Ａの操作者に逸早くかつ分かり易く伝達することができる。

（３）合成部１４０に含まれる空間領域特定部１４２は、第１信号処理部６０、第２信号処理部７０及び第３信号処理部１３０で検出される各位置の速度から空間ＳＰ２を、鳥の群れが存在する合成鳥エコー領域（物標群エコー領域）と群れを形成する鳥が存在しない領域に二値化して、合成鳥エコー領域を特定する。そして、空間領域特定部１４２は、合成鳥エコー領域毎に平均ドップラー速度ベクトル（平均速度）を算出する。それにより、鳥の群れが存在する領域の概略の形状や鳥の群れとしての概略の移動に関する情報をレーダ装置１０Ａの操作者に対して提供し易くなる。

＜変形例１＞
上記第１実施形態や第２実施形態のレーダ装置１０，１０Ａでは、合成部８０，１４０の出力を映像表示装置９０，１５０に表示する場合について説明したが、合成部の出力を例えば音の発生器に直接接続して、例えば平均ドップラー速度ベクトルＤＶ１，ＤＶ２の位置と方位と大きさが所定の範囲に入る場合に滑走路１００の周囲に配置されている音の発生器から大きな音を発生させるようにしてもよい。このように、合成部８０，１４０の出力は、映像表示装置９０，１５０の表示に利用される場合だけに限られるものではない。

＜変形例２＞
上記各実施形態では、ドップラー速度を第１送受信部４０及び第１信号処理部６０と第２送受信部５０及び第２信号処理部７０の２組の検出部で検出し、あるいは第３送受信部１２０及び第３信号処理部１３０を含めた３組の検出部で検出しているが、これら複数の検出部は、一部若しくは全部を共通化してもよい。例えば、時間で分割して第１アンテナ２０の受信データと第２アンテナ３０など複数のアンテナで受信される受信データを処理することで第１検出部と第２検出部、あるいは第３検出部も含めて共通化することができる。

＜変形例３＞
上記各実施形態では、ロータリージョイント２１，３１，１１１を用いて第１アンテナ２０、第２アンテナ３０及び第３アンテナ１１０の送信ビーム及び受信ビームを移動する場合について説明したが、他のアクチュエータを用いて移動させてもよく、アレイアンテナにおいて位相差を変えて送信ビーム及び受信ビームを移動してもよい。また、照射する領域を空間ＳＰ１に固定する必要はなく、空間の形状や場所を状況や時間などに応じて変更できるように構成してもよい。

＜変形例４＞
上記各実施形態では、鳥の種類を区別していないが、例えば、カモメなどの大型の鳥とムクドリなどの小型の鳥をエコーの振幅によって区別するようにしてもよい。例えば、振幅が所定の閾値ｍ１以上のものを大型の物標として分類し、振幅が所定の閾値ｍ１未満ｍ２以上のものを小型の物標として分類し、閾値ｍ２未満のものを物標以外のものとして分類するなどである。

＜変形例５＞
上記各実施形態では、第１信号処理部６０や第２信号処理部７０や第３信号処理部１３０や合成部８０，１４０の機能ブロックが、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等）に格納された上述した処理手順を実行可能なプログラムデータが、ＣＰＵによって解釈実行されることで実現される場合について説明した。このプログラムデータは、記録媒体を介して記憶装置内に導入されてもよいし、記録媒体上から直接実行されてもよい。なお、記録媒体は、ＲＯＭやＲＡＭやフラッシュメモリ等の半導体メモリ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクメモリ、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤやＢＤ等の光ディスクメモリ、及びメモリカード等をいう。また、記録媒体は、電話回線や搬送路等の通信媒体も含む概念である。

また、上記実施形態の第１信号処理部６０や第２信号処理部７０や第３信号処理部１３０や合成部８０，１４０を構成する全て又は一部の機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩ（集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、又はウルトラＬＳＩ等と称される）として実現される。これらは、個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全部を含むように１チップ化されてもよい。また、集積回路化の手法は、ＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。また、ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。

２０ 第１アンテナ
３０ 第２アンテナ
４０ 第１送受信部
５０ 第２送受信部
６０ 第１信号処理部
７０ 第２信号処理部
８０，１４０ 合成部
９０ 映像表示装置
１１０ 第３アンテナ
１２０ 第３送受信部
１３０ 第３信号処理部

特開２０１０−５２５３３６号公報 特開２００８−９６１０３号公報

Claims (14)

1. 所定平面を含む所定空間に対して互いに異なる配置位置で電磁波を送受信する第１アンテナ及び第２アンテナと、
   前記第１アンテナを基準として、前記第１アンテナで受信される電磁波から群れを形成する物標の各位置におけるドップラー速度を検出する第１検出部と、
   前記第２アンテナを基準として、前記第２アンテナで受信される電磁波から群れを形成する物標の各位置におけるドップラー速度を検出する第２検出部と、
   前記第１検出部及び前記第２検出部の検出結果を合成して前記所定平面の各位置における群れを形成する物標の速度ベクトルを生成する合成部と、
   を備える、レーダ装置。
2. 前記合成部で生成される前記所定平面の各位置における速度ベクトルに基づいて群れを形成する物標を表示画面に表示する表示部をさらに備え、
   前記合成部は、前記第１検出部及び前記第２検出部で検出される各位置の速度を、当該位置の周囲の位置の速度を使って平均化処理する２次元平均化処理部を含み、
   前記表示部は、前記２次元平均化処理部で平均化処理された後の前記所定平面の各位置の速度ベクトルに基づいて群れを形成する物標を表示画面に表示する、
   請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記合成部は、前記第１検出部及び前記第２検出部で検出される各位置の速度から前記所定平面を、群れを形成する物標が連続して存在する物標群エコー領域と群れを形成する物標が存在しない領域に二値化して物標群エコー領域を特定し、物標群エコー領域毎に平均速度を算出する群れ検出部を含む、請求項１又は請求項２に記載のレーダ装置。
4. 前記所定空間に対して、前記第１アンテナ及び前記第２アンテナとは異なる配置位置で電磁波を送受信する第３アンテナと、
   前記第３アンテナを基準として、前記第３アンテナで受信される電磁波から群れを形成する物標の各位置における速度を検出する第３検出部と、
   をさらに備え、
   前記合成部は、前記第１検出部、第２検出部及び前記第３検出部の検出結果を合成して前記所定空間の各位置における速度ベクトルを生成する、
   請求項１に記載のレーダ装置。
5. 前記合成部で生成される前記所定空間の各位置における速度ベクトルに基づいて群れを形成する物標を表示画面に表示する表示部をさらに備え、
   前記合成部は、前記第１検出部、前記第２検出部及び前記第３検出部で検出される各位置の速度を、当該位置の周囲の位置の速度を使って平均化処理する３次元平均化処理部を含み、
   前記表示部は、前記３次元平均化処理部で平均化処理された後の前記所定空間の各位置の速度ベクトルに基づいて群れを形成する物標を表示画面に表示する、
   請求項４に記載のレーダ装置。
6. 前記合成部は、前記第１検出部、前記第２検出部及び前記第３検出部で検出される各位置の速度から前記所定空間を、群れを形成する物標が存在する物標群エコー領域と群れを形成する物標が存在しない領域に二値化して物標群エコー領域を特定し、物標群エコー領域ごとに平均速度を算出する空間領域特定部を含む、請求項４又は請求項５に記載のレーダ装置。
7. 所定平面を含む所定空間に対して互いに異なる位置に配置されている第１アンテナ及び第２アンテナを用いて群れを形成する物標を探知する探知方法であって、
   前記第１アンテナを基準として、前記第１アンテナで受信されるエコー信号から群れを形成する物標の各位置におけるドップラー速度を検出するための第１検出ステップと、
   前記第２アンテナを基準として、前記第２アンテナで受信されるエコー信号から群れを形成する物標の各位置におけるドップラー速度を検出するための第２検出ステップと、
   前記第１検出部及び前記第２検出部の検出結果を合成して前記所定平面における群れの移動速度を求める速度算出ステップと、
   を備える、探知方法。
8. 前記所定平面における移動速度が予め設定されている閾値に達している物標を抽出する抽出ステップをさらに備える、
   請求項７に記載の探知方法。
9. 前記抽出ステップで抽出された物標を検出対象とするとともに、任意の検出対象に対して所定の間隔よりも小さな間隔で隣接する検出対象の連続体として関連付けて同一の群れを特定する群れ特定ステップをさらに備える、
   請求項８に記載の探知方法。
10. 同一の群れに関連付けされた検出対象の各速度ベクトルを平均することにより群れの移動速度として群れの平均速度ベクトルを求める平均化ステップをさらに備える、
    請求項９に記載の探知方法。
11. 群れの移動速度を群れごとに識別可能に表示する表示ステップをさらに備える、
    請求項７から１０のいずれか一項に記載の探知方法。
12. 前記第１検出ステップで受信されるエコー信号は、前記第１アンテナから送信された電磁波に係るエコー信号であり、
    前記第２検出ステップで受信されるエコー信号は、前記第２アンテナから送信された電磁波に係るエコー信号である、
    請求項７から１１のいずれか一項に記載の探知方法。
13. 前記所定平面は、水平平面であり、
    前記移動速度は、検出対象の鉛直方向の高さによって補正された前記水平平面内の速度成分である、
    請求項７から１２のいずれか一項に記載の探知方法。
14. 所定平面を含む所定空間に対して互いに異なる位置に配置されている第１アンテナ及び第２アンテナで受信されるエコー信号から群れに関する探知を行なうための探知プログラムであって、
    前記第１アンテナを基準として、前記第１アンテナで受信されるエコー信号から群れを形成する物標の各位置におけるドップラー速度を検出するための第１検出機能と、
    前記第２アンテナを基準として、前記第２アンテナで受信されるエコー信号から群れを形成する物標の各位置におけるドップラー速度を検出するための第２検出機能と、
    前記第１検出部及び前記第２検出部の検出結果を合成して前記所定平面における群れの移動速度を求める速度算出機能と
    をコンピュータに実現させるための探知プログラム。

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