JP2017138170A - リアルタイム飛翔体検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡便に飛翔体を検出できるリアルタイム飛翔体検出システムを実現することを目的とする。
【解決手段】 リアルタイム飛翔体検出システムは、水平方向に対して傾斜している回転軸を中心に回転し、レーザーを送信し、飛翔体からの反射レーザーを受信するレーザー送受信機と、レーザー送受信機を搭載し、このレーザー送受信機が出力するデーターをロギングし、鉛直方向を向いている回転軸を中心に回転するデーター記憶装置と、データー記憶装置が発信するデーターを解析し、前回計測値と今回計測値の差から、変位点を算出するデーター処理部と、データー処理部から送信されてくる変位点をもとに、飛翔体の位置を検出する管理装置と、を備えている。
【選択図】図４

Description

この発明は、飛翔体検出システムに関し、特に、レーザーを利用して飛翔体をリアルタイムに検知するリアルタイム飛翔体検出システムに関するものである。

低空域の監視を目的とした小型の飛翔体としてドローンが知られている。ドローンなどの小型飛翔体は、特定施設や特定領域の周辺に飛来することがある。このような低空域における小型飛翔体の監視を目的として、レーザービームを用いる飛翔体検出装置が開発されている（例えば、特許文献１から５を参照）。類似する装置には、音響センサーやミリ波レーダー等を用いて、ヘリコプターなどの大型飛行体を、ある程度の広域で監視を行う飛行体検出装置などが知られている（例えば、特許文献６、７を参照）。

特開平２−１５４１８３号公報 特開平８−１０１２７２号公報 特開平９−２３００２６号公報 特開平９−１０１３６７号公報 特開２０１５−１５２３２１号公報 特開平６−２１４０００号公報 特開２００５−２３３７６３号公報

音響センサーやミリ波レーダー等を用いる飛行体検出装置では、遠方の対象物に対しレーダーを用いているため、大がかりな構成が必要であり、設置には多額の費用が必要とされる。強いレーダー波は電波障害等の影響を民家や建物に与えるため、一般の市街地では検出装置を使用することはできない。また、レーザー測量を目的としたレーザースキャナという製品が知られている。レーザースキャナは、３６０°スキャンするのに、低分解能でも１分間程度要し、精度、検出スピード共に、リアルタイム飛翔体検出システムの目標に達していない。この発明は上記のような飛翔体検出装置または飛行体検出装置における課題を解決するためになされたものであり、レーザーを用いることにより、簡便に飛翔体を検出できるリアルタイム飛翔体検出システムを実現することを目的とする。

本発明に係るリアルタイム飛翔体検出システムは、水平方向に対して傾斜している第１の回転軸を中心に回転し、レーザーを送信し、飛翔体からの反射レーザーを受信する第１のレーザー送受信機と、第１のレーザー送受信機を搭載し、この第１のレーザー送受信機が出力するデーターをロギングし、鉛直方向を向いている回転軸を中心に回転する第１のデーター記憶装置と、第１のデーター記憶装置が発信するデーターを解析し、前回計測値と今回計測値の差から、変位点を算出する第１のデーター処理部と、水平方向に対して傾斜している第２の回転軸を中心に回転し、レーザーを送信し、飛翔体からの反射レーザーを受信する第２のレーザー送受信機と、第２のレーザー送受信機を搭載し、この第２のレーザー送受信機が出力するデーターをロギングし、鉛直方向を向いている回転軸を中心に回転する第２のデーター記憶装置と、第２のデーター記憶装置が発信するデーターを解析し、前回計測値と今回計測値の差から、変位点を算出する第２のデーター処理部と、第１のデーター処理部と第２のデーター処理部から送信されてくる変位点をもとに、飛翔体の位置を検出する管理装置と、を備えている。

本発明に係るリアルタイム飛翔体検出システムは、水平方向に対して傾斜している第１の回転軸を中心に回転し、レーザーを送信し、飛翔体からの反射レーザーを受信する第１のレーザー送受信機と、第１のレーザー送受信機を搭載し、この第１のレーザー送受信機が出力するデーターをロギングし、鉛直方向を向いている回転軸を中心に回転する第１のデーター記憶装置と、第１のデーター記憶装置が発信するデーターを解析し、前回計測値と今回計測値の差から、変位点を算出する第１のデーター処理部と、水平方向に対して傾斜している第２の回転軸を中心に回転し、レーザーを送信し、飛翔体からの反射レーザーを受信する第２のレーザー送受信機と、第２のレーザー送受信機を搭載し、この第２のレーザー送受信機が出力するデーターをロギングし、鉛直方向を向いている回転軸を中心に回転する第２のデーター記憶装置と、第２のデーター記憶装置が発信するデーターを解析し、前回計測値と今回計測値の差から、変位点を算出する第２のデーター処理部と、第１のデーター処理部と第２のデーター処理部から送信されてくる変位点をもとに、飛翔体の位置を検出する管理装置と、を備えていることにより、市街地等の居住空間にあっても、対象とする空域での飛翔体の存在を迅速にかつ簡便に検出することが出来る。

この発明の実施の形態にかかわる、リアルタイム飛翔体検出システムの全体構成を示す図である。 この発明の実施の形態にかかわる、センサー部の構成を示した構造図である。 この発明の実施の形態にかかわる、レーザーによる計測イメージを示す図である。 この発明の実施の形態にかかわる、レーザーの第１の照射範囲を示す図である。 この発明の実施の形態にかかわる、レーザーの第２の照射範囲を示す図である。 この発明の実施の形態にかかわる、リアルタイム飛翔体検出システムの処理フローを示す図である。 この発明の実施の形態２にかかわる、リアルタイム飛翔体検出システムの検出概念を表している図である。 この発明の実施の形態３にかかわる、リアルタイム飛翔体検出システムの検出概念を表している図である。

本発明の実施の形態に係るリアルタイム飛翔体検出システムについて、図を参照しながら以下に説明する。なお、各図において、同一または同様の構成部分については同じ符号を付しており、対応する各構成部のサイズや縮尺はそれぞれ独立している。例えば構成の一部を変更した断面図の間で、変更されていない同一構成部分を図示する際に、同一構成部分のサイズや縮尺が異なっている場合もある。また、リアルタイム飛翔体検出システムの構成は、実際にはさらに複数の部材を備えているが、説明を簡単にするため、説明に必要な部分のみを記載し、他の部分については省略している。

この発明に係るリアルタイム飛翔体検出システムは、レーザーの反射をセンシングする方式を採用しており、比較的近距離の上空におけるドローン等の人工物の飛翔体を対象としている。本発明の実施の形態によるリアルタイム飛翔体検出システムは、検出装置（センサー部）を中心として半径１８０ｍ程度の距離で、５０cm四方の対象物を検出する能力を有している。以下、この発明の実施の形態にかかわるリアルタイム飛翔体検出システムを複数枚の図に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態によるリアルタイム飛翔体検出システム１００の構成を示している。リアルタイム飛翔体検出システム１００は、センサー部１（１-１〜１-Ｎ）、データー処理部２（２-１〜２-Ｎ）、管理装置３などから構成されている。センサー部（１-１〜１-Ｎ）は、それぞれが、データー処理部（２-１〜２-Ｎ）と接続されている。データー処理部（２-１〜２-Ｎ）は、それぞれ、管理装置３に接続されている。センサー部１とデーター処理部２は、セットで接続することで監視エリアの広さに対応することが可能である。

センサー部（１-１〜１-Ｎ）の配置間隔は、使用するレーザーの強度に依存する。例えば、レーザーの最大到達距離が２００ｍであれば、約１５０ｍおきに１セットのセンサー部１とデーター処理部２を配置するものとする。管理装置３は、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信部を備えており、データー処理部（２-１〜２-Ｎ）からの検知情報を集約している。さらに、管理装置３は、状況を表示し、警鐘を鳴らすことができる。センサー部（１-１〜１-Ｎ）の位置は、あらかじめ測定され、管理装置３に記憶されている。

図２は、本発明の実施の形態によるリアルタイム飛翔体検出システム１００におけるセンサー部１の概観と構造を示す図である。基本部となるセンサー部（１-１〜１-Ｎ）は、自分の位置をＧＰＳで計測して、管理装置３に送信することができる。センサー部（１-１〜１-Ｎ）は、レーザー送受信機４とデーター記憶装置５と回転台座６と架台７などで構成されている。レーザー送受信機４は、データー記憶装置５に一定角傾斜して取り付けられていて、回転軸４Ｘ（第１の回転軸および第２の回転軸）の周りを、毎秒２００回転（２００Ｈｚ）で回りながらレーザーの発射並びに反射波の受信を行う。

回転軸４Ｘの水平方向に対する傾斜角度は、全てのセンサー部（１-１〜１-Ｎ）で同じ大きさとする。回転台座６は、水平方向と直交する回転軸７Ｘの周りを、毎秒５〜１０回転で回転している。レーザー送受信部４ａは、レーザー発振器とレーザー検出器を備えており、回転軸４Ｘと直交する方向に、回転しながらレーザーを発射する。データー記憶装置５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５ａとメモリ５ｂを備えていて、レーザー送受信機４から送信されてくるデーターをロギングする。

図３は、レーザー８と飛翔体１０の相関イメージを示している。この図を元に、飛翔体をレーザーで検知する原理を説明する。反射波１１は飛翔体１０に当たったレーザー波であり、レーザー送受信部４ａで検出される。回転台座６の回転数を５Ｈｚ、レーザー送受信機４の回転数を２００Ｈｚとした場合、レーザー送受信機４では、１秒間に１００万回のレーザー送受信が行われる。この時の上方半球面上の計測点数は、１/２の５０万点となる。センサー部１を中心として、半径１５０ｍの箇所での走査間隔は縦方向（レーザーの傾斜角方向）で１８．８ｃｍ、横方向（回転台座６の回転方向）で５２．４ｃｍとなる。対象物が１ｍ四方程度の大きさであれば、同時に５点程度の反射が対象物から得られることになる。この程度の小さな飛翔体でも十分に検出が可能である。

図４は、本発明の実施の形態によるセンサー部１の第１の動作を示したものである。データー処理部２は、ＣＰＵ２ａとメモリ２ｂを備えている。管理装置３は、ＣＰＵ３ａとメモリ３ｂを備えている。レーザー８は、レーザー送受信機４のレーザー送受信部４ａから、回転軸４Ｘに直交する方向に出射している。レーザー送受信機４が回転軸４Ｘの周りを回転することによって、レーザー８は周囲３６０°の方向に照射されることになる。レーザー送受信機４と回転台座６が同時に回転することにより、レーザー８は球状の方向性をもって照射される。センサー部１が、回転軸４Ｘおよび回転軸７Ｘの周りを、２軸回転する結果、レーザー８の照射範囲が飛翔体検知領域９となる。つまり、センサー部１の飛翔体検知領域９は、レーダーのような指向性のある範囲とは異なる。

図５は、本発明の実施の形態によるセンサー部１の第２の動作を示したものである。センサー部１の第１の動作とは、センサー部１の向きが異なっている。レーザー送受信機４と回転台座６が同時に回転することにより、レーザー８が球状の方向性をもって照射されている。センサー部１のレーザー送受信部４ａは、回転軸４Ｘおよび回転軸７Ｘの周りを、２軸回転している。飛翔体検知領域９は、レーザー８の照射範囲に等しい。飛翔体検知領域９は、レーダーのような指向性を有していない。このようにして、本実施の形態によるリアルタイム飛翔体検出システム１００は、上方半球面の空間を主体的に検知することが可能である。

次に、飛翔体検知の動作について詳細に説明する。本発明の実施の形態によるリアルタイム飛翔体検出システム１００は、レーザーの反射波により、レーザーの到達点までの距離を計測し、同一空間座標の前回計測値と比較を行う。前回計測時点では対象物が飛翔体検知領域に存在しない場合、前回計測値は無限大（計測物体なし）となる。前回計測時点で反射があれば、何らかの対象物が飛翔体検知領域に存在することが検出できる。計測値（距離）が短縮された場合は前回までの計測対象との間に何らかの対象物が発生したこと（あるいは飛翔してきたこと）を検出できる。

この差分検出結果を、リアルタイム飛翔体検出システム１００では、センサー部１のデーター記憶装置５でロギングする。ここで、虫等の小動物であってもレーザー反射の対象となるため、データー記憶装置５に貯められたデーター（差分検出結果）を先ず、データー処理部２に送信し、管理装置３にて集約を行う。管理装置３は、一定数以上の変位点（点群）が集合体であった場合を飛翔体の検出として認定する。

次に、本発明の実施の形態によるリアルタイム飛翔体検出システム１００における検出処理について、図に従って説明する。図６は、実施の形態にかかわる処理フローを示している。リアルタイム飛翔体検出システム１００は、飛翔体のリアルタイム検知を目的としているため、一定周期（１秒程度）で以下の処理を行う。センサー部１のデーター記憶装置５において、ＣＰＵ５ａとメモリ５ｂは、ＳＴ０１〜ＳＴ０４を実行する。ＳＴ０１〜ＳＴ０４は走査処理ブロックでこの周期単位で検出を行う。ＳＴ０１では、レーザー送受信機４からパルス状のレーザーを連続して送信する。

飛翔体検知領域に検出物（飛翔体）が存在する場合、レーザー送受信機４は、飛翔体からのレーザー反射波を受信する（ＳＴ０２）。飛翔体検知領域に検出物（飛翔体）が存在しない場合、計測値は無限大（計測物体なし）となる。これらのデーターは、常時、データー記憶装置５に記憶する。データー記憶装置５は、レーザー送受信機４からデーターを受け取り、レーザー到達位置（三次元座標）と応答時間から、検出物までの距離を算出し、点群座標情報として保管する（ＳＴ０３）。この一連の動作を全周回にわたって行ったかどうかを判断し、点群座標情報の取得を全周回完了するまで繰り返す。点群座標情報の取得が全周回完了していれば、ＳＴ１１に移る（ＳＴ０４）。

データー処理部２において、ＣＰＵ２ａとメモリ２ｂは、ＳＴ１１〜ＳＴ１４を実行する。ＳＴ１１〜ＳＴ１４は差分検出の処理ブロックであり、前周期の計測結果と今周期の計測結果を比較して変位点を記録する。ＳＴ１１では、前回計測値と今回の計測値を比較する。比較の結果、変位があるかどうかを判断する（ＳＴ１２）。変位があると判断した場合は、変位点を保管する（ＳＴ１３）。この一連の動作を、全周回完了するまで繰り返す（ＳＴ１４）。管理装置３において、ＣＰＵ３ａとメモリ３ｂは、ＳＴ１５を実行する。ＳＴ１５では、変位点のうち、一定の計測距離範囲にある点を集約して結果を出力する。すなわち、管理装置３は、規定数以上の変位点（点群）が集合体であった場合を飛翔体の検出として認定する。これにより一定の大きさを超える飛翔体の検出を、人に害を与えることなく、実現できる。

本実施の形態にかかわるリアルタイム飛翔体検出システム１００は、建物の屋上等に設置され上空に向けて掃射されるレーザーの反射によって距離計測を行い、複数回計測による差異を演算する機構を備えたものである。レーザーの反射の無い空間では反射点の存在で検知を行い、反射物のある箇所では前回計測からの変位で検知する。また、本実施の形態にかかわるリアルタイム飛翔体検出システム１００は、一定傾斜角をつけた３６０°回転するレーザーを照射および受光するレーザー装置と、この装置を一定速度で水平方向に３６０°回転させる台座と、レーザー装置で得られた点群データーを集積し即時に距離解析を行う演算処理部を備えている。

従って、この発明に係るリアルタイム飛翔体検出システムは、水平方向に対して傾斜している第１の回転軸を中心に回転し、レーザーを送信し、飛翔体からの反射レーザーを受信する第１のレーザー送受信機と、第１のレーザー送受信機を搭載し、この第１のレーザー送受信機が出力するデーターをロギングし、鉛直方向を向いている回転軸を中心に回転する第１のデーター記憶装置と、第１のデーター記憶装置が発信するデーターを解析し、前回計測値と今回計測値の差から、変位点を算出する第１のデーター処理部と、水平方向に対して傾斜している第２の回転軸を中心に回転し、レーザーを送信し、飛翔体からの反射レーザーを受信する第２のレーザー送受信機と、第２のレーザー送受信機を搭載し、この第２のレーザー送受信機が出力するデーターをロギングし、鉛直方向を向いている回転軸を中心に回転する第２のデーター記憶装置と、第２のデーター記憶装置が発信するデーターを解析し、前回計測値と今回計測値の差から、変位点を算出する第２のデーター処理部と、 第１のデーター処理部と第２のデーター処理部から送信されてくる変位点をもとに、飛翔体の位置を検出する管理装置と、を備えている。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２にかかわるリアルタイム飛翔体検出システム１００は、実施の形態１で検出した飛翔体を継続走査することで、飛翔体の移動軌跡を掌握する。継続走査により飛翔体の種別判定や飛行ベクトルの収集を行うことができる。本実施の形態にかかわるリアルタイム飛翔体検出システム１００では、管理装置３が図６に示したＳＴ１５の結果を順次比較することで上記の機能を実現する。

図７は、リアルタイム飛翔体検出システム１００で検出された計測点の変位経過を示したものである。図には、管理装置３がデーター処理部２から取得した、１回目の計測点分布１３−１、２回目の計測点分布１３−２、３回目の計測点分布１３−３が示されている。各回の計測点分布は、１０個程度の計測点から構成されている。変位点群（計測点分布または集合体）の中心点を各回ごとに求め、ここから方向ベクトルを算出することで移動の軌跡１４は図のように示される。

同一箇所に飛翔体が留まった場合、集合体の中心点の変位がゼロとなるため、この飛翔体は検出対象から外れることになる。このため、実施の形態２にかかわるリアルタイム飛翔体検出システム１００は、一度でも変位した箇所を記録する機構と、継続的な監視を記録する機構を有する。本実施の形態にかかわるリアルタイム飛翔体検出システム１００は、管理装置３の演算処理部（ＣＰＵ３ａとメモリ３ｂ）が、データー処理部２で取得した点群座標情報を元に複数回の近傍座標での計測差異（距離差）を求めることで飛翔体を検出することを特徴としている。従って、この発明に係るリアルタイム飛翔体検出システムにおいて、管理装置は、第１のデーター処理部または第２のデーター処理部から受信したデーターをもとに、変位点群の中心点を求め、この求めた中心点から飛翔体の方向ベクト
ルを算出することを特徴とするものである。

実施の形態３．
実施の形態２にかかわるリアルタイム飛翔体検出システム１００では、反射光がレーザー反射の到達範囲外となると検知対象物（飛翔体）をロストすることになる。これを回避するために、本発明の実施の形態３にかかわるリアルタイム飛翔体検出システム１００は、センサー部１の複数設置を行い、管理装置３にてセンサー部１からの情報統合を行う。図８は、センサー部１とデーター処理部２の配置例を示している。建物１５の上部にセンサー部１−１とセンサー部１−２を設置して上空の監視を行っている。センサー部１−１とセンサー部１−２は、それぞれ、レーザー送受信機４−１およびレーザー送受信機４−２を備えている。データー処理部２−１およびデーター処理部２−２は、それぞれ、センサー部１−１およびセンサー部１−２の近傍に設置されている。

ここではセンサー部１の有効半径を２００ｍとしている。データー処理部２−１（またはセンサー部１−１）は、監視エリア１２−１を担当している。データー処理部２−２（またはセンサー部１−２）は、監視エリア１２−２を担当している。飛翔体１０は、監視エリア１２−１（第１のデーター処理部の監視エリア）から、監視エリア１２−２（第２のデーター処理部の監視エリア）に移っている。建物１５の内部に設置された管理装置３では、センサー部１−１及びセンサー部１−２からの変位情報を取得し、飛翔体１０の軌跡を継続記録し、表示を行うことを可能としている。

本実施の形態にかかわるリアルタイム飛翔体検出システム１００は、演算処理の結果、検出したものについて複数の飛翔体検出装置（センサー部１及びデーター処理部２）を管理装置３で連動および分析することで監視エリアを拡張することができることを特徴とする。従って、この発明に係るリアルタイム飛翔体検出システムにおいて、管理装置は、算出した方向ベクトルをもとに、第１のデーター処理部の監視エリアと第２のデーター処理部の監視エリアの間で、飛翔体の軌跡を継続記録することを特徴とするものである。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ センサー部、２ データー処理部、３ 管理装置、４ レーザー送受信機、４Ｘ 回転軸、５ データー記憶装置、６ 回転台座、７ 架台、７Ｘ 回転軸、８ レーザー、９ 飛翔体検知領域、１０ 飛翔体、１１ 反射波、１２ 監視エリア、１３ 計測点分布、１４ 軌跡、１５ 建物、１００ リアルタイム飛翔体検出システム

Claims (4)

1. 水平方向に対して傾斜している第１の回転軸を中心に回転し、レーザーを送信し、飛翔体からの反射レーザーを受信する第１のレーザー送受信機と、
   前記第１のレーザー送受信機を搭載し、この第１のレーザー送受信機が出力するデーターをロギングし、鉛直方向を向いている回転軸を中心に回転する第１のデーター記憶装置と、
   前記第１のデーター記憶装置が発信するデーターを解析し、前回計測値と今回計測値の差から、変位点を算出する第１のデーター処理部と、
   水平方向に対して傾斜している第２の回転軸を中心に回転し、レーザーを送信し、飛翔体からの反射レーザーを受信する第２のレーザー送受信機と、
   前記第２のレーザー送受信機を搭載し、この第２のレーザー送受信機が出力するデーターをロギングし、鉛直方向を向いている回転軸を中心に回転する第２のデーター記憶装置と、
   前記第２のデーター記憶装置が発信するデーターを解析し、前回計測値と今回計測値の差から、変位点を算出する第２のデーター処理部と、
   前記第１のデーター処理部と前記第２のデーター処理部から送信されてくる変位点をもとに、飛翔体の位置を検出する管理装置と、
   を備えているリアルタイム飛翔体検出システム。
2. 前記管理装置は、規定数以上の変位点が集合体であった場合、飛翔体の検出を認定することを特徴とする請求項１に記載のリアルタイム飛翔体検出システム。
3. 前記管理装置は、前記第１のデーター処理部または前記第２のデーター処理部から受信したデーターをもとに、変位点群の中心点を求め、この求めた中心点から飛翔体の方向ベクトルを算出することを特徴とする請求項２に記載のリアルタイム飛翔体検出システム。
4. 前記管理装置は、算出した方向ベクトルをもとに、前記第１のデーター処理部の監視エリアと前記第２のデーター処理部の監視エリアの間で、飛翔体の軌跡を継続記録することを特徴とする請求項３に記載のリアルタイム飛翔体検出システム。