JP2015105868A - レーダ信号処理装置及びレーダ信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動体の航跡の検出に必要な画素だけをハフ変換対象画素に含めて、ハフ変換に要する演算時間を短縮することができるようにする。
【解決手段】ＳＡＲ画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されているシークラッタ検出用閾値Ｔｈ２より大きい画素をハフ変換対象画素に設定し、そのハフ変換対象画素からなる画像を出力するハフ変換対象画素設定部２と、ハフ変換対象画素設定部２から出力されたハフ変換対象画素からなる画像をハフ変換し、ハフ変換後の画像を出力するハフ変換処理部３とを設けるように構成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、海洋を移動する船舶や潜水艦などの移動体が発生する航跡を検出するレーダ信号処理装置及びレーダ信号処理方法に関するものである。

以下の特許文献１に開示されているレーダ信号処理装置では、合成開口レーダ画像であるＳＡＲ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）画像をハフ変換し、ハフ変換後の画像を参照して、そのＳＡＲ画像から移動体の航跡を検出する処理が開示されている。
ＳＡＲ画像をハフ変換することで、移動体の航跡の可能性があるＳＡＲ画像内の直線成分を容易に検出することができるが、ＳＡＲ画像を構成している画素の数が多い場合、ハフ変換に要する演算時間が長くなる。

以下の非特許文献１には、ケルビン波による２本の航跡がなす角度が約３９度で一定になる固有の幾何関係が存在することが開示されている。

特開２００１−４３９８号公報（段落番号［００４７］から［００４８］）

一般財団法人防衛技術協会発行 "防衛技術ジャーナル２００５年５月号"、ｐｐ．１２−１７．

従来のレーダ信号処理装置は以上のように構成されているので、ＳＡＲ画像が海洋の撮像画像である場合、大部分の画素が移動体の航跡ではないシークラッタを表しているのにも関わらず、ＳＡＲ画像を構成している全ての画素をハフ変換対象画素に含めている。このため、多くの画素を含むＳＡＲ画像をハフ変換する必要があり、ハフ変換に要する演算時間が長くなってしまう課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、移動体の航跡の検出に必要な画素だけをハフ変換対象画素に含めて、ハフ変換に要する演算時間を短縮することができるレーダ信号処理装置及びレーダ信号処理方法を得ることを目的とする。

この発明に係るレーダ信号処理装置は、海洋の撮像画像である合成開口レーダ画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されているシークラッタ検出用閾値より大きい画素をハフ変換対象画素に設定し、そのハフ変換対象画素からなる画像を出力するハフ変換対象画素設定手段と、ハフ変換対象画素設定手段から出力されたハフ変換対象画素からなる画像をハフ変換し、ハフ変換後の画像を出力するハフ変換手段とを設け、航跡検出手段が、ハフ変換手段から出力されたハフ変換後の画像を用いて、ハフ変換対象画素設定手段から出力されたハフ変換対象画素からなる画像から移動体の航跡を検出するようにしたものである。

この発明によれば、海洋の撮像画像である合成開口レーダ画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されているシークラッタ検出用閾値より大きい画素をハフ変換対象画素に設定し、そのハフ変換対象画素からなる画像を出力するハフ変換対象画素設定手段と、ハフ変換対象画素設定手段から出力されたハフ変換対象画素からなる画像をハフ変換し、ハフ変換後の画像を出力するハフ変換手段とを設けるように構成したので、移動体の航跡の検出に必要な画素だけがハフ変換対象画素に含められるようになり、ハフ変換に要する演算時間を短縮することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるレーダ信号処理装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるレーダ信号処理装置の処理内容（レーダ信号処理方法）を示すフローチャートである。 画像切出し部１及びハフ変換対象画素設定部２の処理内容を示す説明図である。 ハフ変換後の画像の一例を示す説明図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーダ信号処理装置を示す構成図である。
図１において、画像切出し部１は海洋の撮像画像である合成開口レーダ画像（ＳＡＲ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）画像）を入力すると、そのＳＡＲ画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されている画像切出し用閾値Ｔｈ１より大きい画素を検出する処理を実施する。
また、画像切出し部１はＳＡＲ画像から、画素値が画像切出し用閾値Ｔｈ１より大きい画素を中心とする一定範囲内の画像（ＳＡＲ画像より小さい画像）を切出す処理を実施する。

ハフ変換対象画素設定部２は画像切出し部１により切出された画像（以下、「処理対象画像」と称する）を構成している画素の中で、例えば、画素値が予め設定されているシークラッタ検出用閾値Ｔｈ２（Ｔｈ１＞Ｔｈ２）より大きい画素だけをハフ変換対象画素に設定し、そのハフ変換対象画素からなる画像（以下、「ハフ変換対象画素画像」と称する）を出力する処理を実施する。
なお、画像切出し部１及びハフ変換対象画素設定部２からハフ変換対象画素設定手段が構成されている。
ハフ変換処理部３はハフ変換対象画素設定部２から出力されたハフ変換対象画素画像をハフ変換し、ハフ変換後の画像を出力する処理を実施する。なお、ハフ変換処理部３はハフ変換手段を構成している。

画素対検出部４はハフ変換処理部３から出力されたハフ変換後の画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されている航跡点成分検出用閾値Ｔｈ３より大きい画素の対（航跡に起因する２つの点成分）を検出する処理を実施する。
航跡検出部５は画素対検出部４により検出された航跡に起因する２つの点成分の間隔に対応する角度が、ケルビン波による２本の航跡がなす規定角度（約３９度）と一致していれば、ハフ変換対象画素設定部２により設定されたハフ変換対象画素が連なる線分のうち、航跡に起因する２つの点成分に対応している２本の線分を移動体の航跡として検出する処理を実施する。
なお、画素対検出部４及び航跡検出部５から航跡検出手段が構成されている。

図１の例では、レーダ信号処理装置の構成要素である画像切出し部１、ハフ変換対象画素設定部２、ハフ変換処理部３、画素対検出部４及び航跡検出部５のそれぞれが専用のハードウェア（例えば、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなど）で構成されているものを想定しているが、レーダ信号処理装置がコンピュータで構成されていてもよい。
レーダ信号処理装置をコンピュータで構成する場合、画像切出し部１、ハフ変換対象画素設定部２、ハフ変換処理部３、画素対検出部４及び航跡検出部５の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのＣＰＵが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図２はこの発明の実施の形態１によるレーダ信号処理装置の処理内容（レーダ信号処理方法）を示すフローチャートである。

次に動作について説明する。
この実施の形態１では、図示せぬレーダ装置によって、海洋を航行中の船舶や潜水艦などの移動体が観測されているものとする。
図１のレーダ信号処理装置には、図示せぬレーダ装置から移動体が撮影されているＳＡＲ画像が与えられる。

移動体の航跡は移動体が移動することに伴って発生するものであるが、航跡は移動体による輝点（または、輝点の近傍）から派生する性質がある。
したがって、移動体の航跡は線分となるが、移動体による輝点の信号強度が最も大きくなり、輝点から離れるほど、信号強度が小さくなる。
そこで、画像切出し部１は、ＳＡＲ画像を入力する毎に（ステップＳＴ１）、そのＳＡＲ画像を構成している画素の中で、画素値（輝度）が予め設定されている画像切出し用閾値Ｔｈ１より大きい画素を検出する（ステップＳＴ２）。
移動体による輝点の信号強度は、例えば、移動体の種類や天候変化などで変化するので、画像切出し用閾値Ｔｈ１は、検出対象の移動体や現在の天候などを考慮して、事前に設定される。例えば、予想される輝点の信号強度の８０〜９０％程度の値が画像切出し用閾値Ｔｈ１として設定される。

ここで、図３は画像切出し部１及びハフ変換対象画素設定部２の処理内容を示す説明図である。
図３において、ＳＡＲ画像内のＡは移動体による輝点を示しており、航跡が輝点Ａから派生している様子を示している。
また、輝点Ａから派生する航跡には、輝度が明るい明線の航跡Ｂ１，Ｂ２と、輝度が暗い暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２とがある。
なお、ケルビン波によって輝点Ａから派生する２本の航跡Ｂ１，Ｂ２（または、Ｃ１，Ｃ２）がなす角度は、約３９度の角度（規定角度）になることが知られている（非特許文献１を参照）。ＳＡＲ画像において、スラントレンジからグランドレンジへの縮尺の変換を施しているのであれば、上記の角度は保持される。

画像切出し部１は、ＳＡＲ画像から、画素値が画像切出し用閾値Ｔｈ１より大きい画素である輝点Ａを検出すると、図３（ｂ）に示すように、その輝点Ａを中心とする一定範囲内の画像（ＳＡＲ画像より小さい画像）を切出し、その切出した画像を処理対象画像としてハフ変換対象画素設定部２に出力する（ステップＳＴ３）。
このように、処理対象画像をＳＡＲ画像より小さい画像に制限することで、画像に対する線分（航跡）の長さの割合が大きくなるため、航跡の検出精度が向上することが考えられる。
また、後段のハフ変換処理部３でのハフ変換対象が小さくなるため、演算負荷を軽減する効果も得られる。

ハフ変換対象画素設定部２は、画像切出し部１から処理対象画像を受けると、移動体の航跡の検出に必要な画素ではないシークラッタを構成している画素をハフ変換対象から除外するため、その処理対象画像内を構成している画素の中で、明線の航跡Ｂ１，Ｂ２又は暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２を構成している可能性が高い画素を検出して、その画素をハフ変換対象画素に設定する処理を実施する。
例えば、明線の航跡Ｂ１，Ｂ２を構成している可能性が高い画素をハフ変換対象画素に設定する場合、処理対象画像を構成している各画素の画素値と、予め設定されているシークラッタ検出用閾値Ｔｈ２（第１のシークラッタ検出用閾値）とを比較して、画素値がシークラッタ検出用閾値Ｔｈ２より大きい画素を検出し、その画素をハフ変換対象画素に設定する（ステップＳＴ４）。画素値がシークラッタ検出用閾値Ｔｈ２より小さい画素をハフ変換対象から除外している。
なお、シークラッタ検出用閾値Ｔｈ２は、画像切出し用閾値Ｔｈ１より小さい閾値である。

一方、暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２を構成している可能性が高い画素をハフ変換対象画素に設定する場合、まず、処理対象画像を構成している画素の画素値の明暗を逆転する。
例えば、画素の画素値が０〜５の範囲であるときには、以下のように、画素値の明暗を逆転する。
画素値“０”の画素 → 画素値“５”
画素値“１”の画素 → 画素値“４”
画素値“２”の画素 → 画素値“３”
画素値“３”の画素 → 画素値“２”
画素値“４”の画素 → 画素値“１”
画素値“５”の画素 → 画素値“０”
次に、明暗逆転後の各画素の画素値と、予め設定されているシークラッタ検出用閾値Ｔｈ２’（第２のシークラッタ検出用閾値）とを比較して、画素値がシークラッタ検出用閾値Ｔｈ２’より大きい画素を検出し、その画素をハフ変換対象画素に設定する（ステップＳＴ４）。
シークラッタ検出用閾値Ｔｈ２’は、シークラッタ検出用閾値Ｔｈ２と同じ値でもよいし、異なる値でもよい。

ハフ変換対象画素設定部２は、明線の航跡Ｂ１，Ｂ２を構成している可能性が高い画素をハフ変換対象画素に設定すると、そのハフ変換対象画素からなる画像であるハフ変換対象画素画像（図３（ｃ）を参照）をハフ変換処理部３に出力する（ステップＳＴ５）。
一方、暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２を構成している可能性が高い画素をハフ変換対象画素に設定すると、そのハフ変換対象画素からなる画像であるハフ変換対象画素画像（図３（ｄ）を参照）をハフ変換処理部３に出力する（ステップＳＴ５）。
なお、ハフ変換対象画素画像における航跡Ｂ１，Ｂ２又は航跡Ｃ１，Ｃ２を構成している可能性が高い画素以外の画素には、例えば、“０”の画素値が与えられて、ハフ変換対象から除外されている。

ハフ変換処理部３は、ハフ変換対象画素設定部２からハフ変換対象画素画像を受けると、そのハフ変換対象画素画像をハフ変換し、ハフ変換後の画像を画素対検出部４に出力する（ステップＳＴ６）。
図４はハフ変換後の画像の一例を示す説明図である。
図４におけるハフ変換後の画像の横軸は、航跡の可能性がある線分の傾きを示しており、ハフ変換後の画像内には、航跡に起因する信号強度の強い点成分が表出される。
例えば、明線の航跡Ｂ１，Ｂ２を構成している可能性が高い画素がハフ変換対象画素に設定されている場合、点成分Ｄ１は、航跡Ｂ１に起因する点成分であり、点成分Ｄ２は、航跡Ｂ２に起因する点成分である。
一方、暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２を構成している可能性が高い画素がハフ変換対象画素に設定されている場合、点成分Ｄ１は、航跡Ｃ１に起因する点成分であり、点成分Ｄ２は、航跡Ｃ２に起因する点成分である。

なお、図４におけるハフ変換後の画像の縦軸が、線分の切片や、線分と画像中心の距離を表出するように与えられている場合、船舶や潜水艦などの移動体のドップラーシフトが過度のものでない限り、図３（ｃ）（ｄ）における航跡Ｂ１，Ｂ２又は航跡Ｃ１，Ｃ２は、画像内の中心近くの輝点Ａから派生するため、画像中心からの距離が０に近い領域で、点成分Ｄ１，Ｄ２検出される。このため、後段の航跡検出部５での航跡の検出精度や検出効率の向上が期待される。

画素対検出部４は、ハフ変換処理部３からハフ変換後の画像を受けると、ハフ変換後の画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されている航跡点成分検出用閾値Ｔｈ３より大きい画素の対（航跡に起因する２つの点成分）を検出する（ステップＳＴ７）。
図４の例では、点成分Ｄ１，Ｄ２が航跡に起因する点成分として検出される。
なお、航跡点成分検出用閾値Ｔｈ３は、航跡の検出性能や誤検出率などを考慮して、事前に設定される。

航跡検出部５は、画素対検出部４が航跡に起因する２つの点成分Ｄ１，Ｄ２を検出すると、２つの点成分Ｄ１，Ｄ２の間隔（図４における点成分Ｄ１と点成分Ｄ２間の距離）に対応する角度が、ケルビン波による２本の航跡がなす規定角度（約３９度）と一致しているか否かを判定する（ステップＳＴ８）。
即ち、航跡検出部５は、２つの点成分Ｄ１，Ｄ２の間隔に対応する角度が約３９度（例えば、３８度〜４０度の範囲内）であれば、ケルビン波による２本の航跡がなす規定角度と一致していると判定する。

航跡検出部５は、一致していると判定すると、ハフ変換対象画素設定部２が明線の航跡Ｂ１，Ｂ２を構成している可能性が高い画素のほか、図示せぬ航跡を構成している可能性が高い画素をハフ変換対象画素に設定している場合、それらのハフ変換対象画素の中で、２つの点成分Ｄ１，Ｄ２に対応しているハフ変換対象画素が連なっている線分が、明線の航跡Ｂ１，Ｂ２であるとして検出する（ステップＳＴ９）。
一方、暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２を構成している可能性が高い画素がハフ変換対象画素に設定されている場合、２つの点成分Ｄ１，Ｄ２に対応しているハフ変換対象画素が連なっている線分が、暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２であるとして検出する（ステップＳＴ９）。
なお、２つの点成分Ｄ１，Ｄ２に対応しているハフ変換対象画素が連なっている線分は、２つの点成分Ｄ１，Ｄ２を逆ハフ変換することでも特定することができるが、ハフ変換後の画像における２つの点成分Ｄ１，Ｄ２の縦軸方向の値から、線分の切片や、線分と画像中心の距離が分かるので、ハフ変換対象画素設定部２から出力されたハフ変換対象画素画像内のハフ変換対象画素が連なっている線分と見比べれば特定することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、ＳＡＲ画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されているシークラッタ検出用閾値Ｔｈ２より大きい画素をハフ変換対象画素に設定し、そのハフ変換対象画素からなる画像を出力するハフ変換対象画素設定部２と、ハフ変換対象画素設定部２から出力されたハフ変換対象画素からなる画像をハフ変換し、ハフ変換後の画像を出力するハフ変換処理部３とを設けるように構成したので、移動体の航跡の検出に必要な画素だけがハフ変換対象画素に含められるようになり、ハフ変換に要する演算時間を短縮することができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、ハフ変換処理部３から出力されたハフ変換後の画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されている航跡点成分検出用閾値Ｔｈ３より大きい画素の対（航跡に起因する２つの点成分Ｄ１，Ｄ２）を検出する画素対検出部４と、画素対検出部４により検出された航跡に起因する２つの点成分Ｄ１，Ｄ２の間隔に対応する角度が、ケルビン波による２本の航跡がなす規定角度（約３９度）と一致していれば、ハフ変換対象画素設定部２により設定されたハフ変換対象画素が連なる線分のうち、航跡に起因する２つの点成分Ｄ１，Ｄ２に対応している２本の線分を移動体の航跡として検出する航跡検出部５とを設けるように構成したので、移動体の航跡を高精度に検出することができる効果を奏する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、ハフ変換対象画素設定部２が、明線の航跡Ｂ１，Ｂ２を構成している可能性が高い画素、または、暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２を構成している可能性が高い画素のいずれか一方をハフ変換対象画素に設定するものを示したが、明線の航跡Ｂ１，Ｂ２を構成している可能性が高い画素をハフ変換対象画素に設定するとともに、暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２を構成している可能性が高い画素をハフ変換対象画素に設定するようにしてもよい。

この場合、ハフ変換処理部３は、明線の航跡Ｂ１，Ｂ２を構成している可能性が高い画素からなるハフ変換対象画素画像をハフ変換するとともに、暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２を構成している可能性が高い画素からなるハフ変換対象画素画像をハフ変換する。
また、画素対検出部４は、明線の航跡Ｂ１，Ｂ２に係るハフ変換後の画像内から航跡Ｂ１，Ｂ２に起因する２つの点成分を検出するとともに、暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２に係るハフ変換後の画像内から航跡Ｃ１，Ｃ２に起因する２つの点成分を検出する。

航跡検出部５は、航跡Ｂ１，Ｂ２に起因する２つの点成分の間隔に対応する角度が、ケルビン波による２本の航跡がなす規定角度（約３９度）と一致しているか否かを判定するとともに、航跡Ｃ１，Ｃ２に起因する２つの点成分の間隔に対応する角度が、ケルビン波による２本の航跡がなす規定角度（約３９度）と一致しているか否かを判定する。
そして、航跡検出部５は、２つの判定結果が共に、規定角度（約３９度）と一致している旨の判定結果である場合に限り、移動体の航跡として、明線の航跡Ｂ１，Ｂ２を構成している可能性が高い画素からなるハフ変換対象画素が連なっている線分が、明線の航跡Ｂ１，Ｂ２であるとして検出する。
また、暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２を構成している可能性が高い画素からなるハフ変換対象画素が連なっている線分が、暗線の航跡Ｃ１，Ｃ２であるとして検出する。

この実施の形態２によれば、移動体の航跡を検出するまでの処理時間が上記実施の形態１よりも長くなるが、上記実施の形態１よりも航跡の検出精度を高めることができる効果を奏する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 画像切出し部（ハフ変換対象画素設定手段）、２ ハフ変換対象画素設定部（ハフ変換対象画素設定手段）、３ ハフ変換処理部（ハフ変換手段）、４ 画素対検出部（航跡検出手段）、５ 航跡検出部（航跡検出手段）。

Claims (5)

1. 海洋の撮像画像である合成開口レーダ画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されているシークラッタ検出用閾値より大きい画素をハフ変換対象画素に設定し、前記ハフ変換対象画素からなる画像を出力するハフ変換対象画素設定手段と、
   前記ハフ変換対象画素設定手段から出力されたハフ変換対象画素からなる画像をハフ変換し、ハフ変換後の画像を出力するハフ変換手段と、
   前記ハフ変換手段から出力されたハフ変換後の画像を用いて、前記ハフ変換対象画素設定手段から出力されたハフ変換対象画素からなる画像から移動体の航跡を検出する航跡検出手段と
   を備えたレーダ信号処理装置。
2. 前記航跡検出手段は、
   前記ハフ変換手段から出力されたハフ変換後の画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されている航跡点成分検出用閾値より大きい画素の対を検出する画素対検出部と、
   前記画素対検出部により検出された画素対の間隔に対応する角度が、ケルビン波による２本の航跡がなす規定角度と一致していれば、前記ハフ変換対象画素設定手段により設定されたハフ変換対象画素が連なる線分のうち、前記画素対に対応している２本の線分を前記移動体の航跡として検出する航跡検出部とから構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーダ信号処理装置。
3. 前記ハフ変換対象画素設定手段は、前記合成開口レーダ画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されている画像切出し用閾値より大きい画素を検出し、前記合成開口レーダ画像から、前記画像切出し用閾値より大きい画素を中心とする画像を切出す前処理を実施し、その切出した画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されているシークラッタ検出用閾値より大きい画素をハフ変換対象画素に設定し、前記ハフ変換対象画素からなる画像を前記ハフ変換手段に出力することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーダ信号処理装置。
4. 前記ハフ変換対象画素設定手段は、前記移動体の航跡における明線及び暗線のうち、前記明線の航跡を検出する場合、画素値が予め設定されている第１のシークラッタ検出用閾値より大きい画素をハフ変換対象画素に設定し、前記暗線の航跡を検出する場合、前記合成開口レーダ画像を構成している画素の画素値の明暗を逆転し、明暗逆転後の画素値が予め設定されている第２のシークラッタ検出用閾値より大きい画素をハフ変換対象画素に設定することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のレーダ信号処理装置。
5. ハフ変換対象画素設定手段が、海洋の撮像画像である合成開口レーダ画像を構成している画素の中で、画素値が予め設定されているシークラッタ検出用閾値より大きい画素をハフ変換対象画素に設定し、前記ハフ変換対象画素からなる画像を出力するハフ変換対象画素設定処理ステップと、
   ハフ変換手段が、前記ハフ変換対象画素設定処理ステップで出力されたハフ変換対象画素からなる画像をハフ変換し、ハフ変換後の画像を出力するハフ変換処理ステップと、
   航跡検出手段が、前記ハフ変換処理ステップで出力されたハフ変換後の画像を用いて、前記ハフ変換対象画素設定処理ステップで出力されたハフ変換対象画素からなる画像から移動体の航跡を検出する航跡検出処理ステップと
   を備えたレーダ信号処理方法。

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