JP3629328B2

JP3629328B2 - 物標運動推定装置

Info

Publication number: JP3629328B2
Application number: JP04270196A
Authority: JP
Inventors: 勝幸柳; 恭夫伊藤
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: JPH09236658A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーダ装置やソナー探知装置などの探知機器で探知される船舶などの物標に関する情報に基づいて、その物標の運動を推定する物標運動推定装置に関する。
【０００２】
以下、この発明をレーダ装置を使った物標運動推定装置に適用した場合について説明する。
【０００３】
【従来の技術】
従来、レーダ装置を探知機器としたこの種の装置としては、たとえばＡＲＰＡ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＲａｄａｒＰｌｏｔｔｉｎｇＡｉｄ）が知られている。
【０００４】
このＡＲＰＡは、図４に示すように、信号測定部１、運動推定部２、およびデータ表示部３を主体に構成されている。
【０００５】
信号測定部１は、図外のレーダ装置からの他船等の物標の観測位置に関するレーダ信号、ジャイロコンパスでの自船針路に関するジャイロ信号、ログ装置からの自船速度に関するログ信号等の各信号を取り込み、これらの入力信号に基づいて物標の現時点での観測位置の情報（ここでは、物標のエコーデータ）を作成し、その情報を運動推定部２に送出する。
【０００６】
運動推定部２では、信号測定部１から順次時系列的に送られてくるこれらの観測位置の情報に基づいて、物標の運動を推定し、その推定した物標の予測位置の情報をデータ表示部３に出力する。
【０００７】
データ表示部３は、運動推定部２からの情報に基づいて、物標の予測位置を、使用者にとって都合のよい表示、たとえばベクトル表示のためのグラフィックデータ等を作成して、これをディスプレイに表示するようになっている。
【０００８】
ところで、信号測定部１において得られる観測位置の情報であるエコーデータには、クラッタ雑音や受信機の雑音等が含まれ、また、物標そのものからの信号にもゆらぎがあるなど、各種の外乱が含まれる。そして、このような外乱が大きいと、運動推定部２での物標の運動の推定結果にも誤差を生じ、精度良い結果が得られない。
【０００９】
そのため、従来技術では、運動推定部２において、安定した推定結果が得られるように、αβトラッカやカルマンフィルタなどのデジタルフィルタを用いたり、あるいは移動平均をとったり、または、これらを組み合わせるなどして、平滑化を行って外乱の影響を低減するようにしている。
【００１０】
たとえば、運動推定部２がαβトラッカを含む構成とする場合には、次のような処理が行われる。
【００１１】
図５はレーダ装置のｎ回目のスキャンから次の（ｎ＋１）回目のスキャンについての物標の予測位置を求める様子を示している。
【００１２】
いま、信号測定部１と運動推定部２とでそれぞれ得られるｎ回目のスキャンでの予測位置をＰ（ｎ）、観測位置をＲ（ｎ）、（ｎ＋１）回目のスキャンでの予測位置をＰ（ｎ＋１）とすると、このｎ回目の予測位置Ｐ（ｎ）と観測位置Ｒ（ｎ）とから最も確率的に高いと考えられる現在の位置（以降、これを平滑位置と称する）Ｓ（ｎ）を求める。続いて、この平滑位置Ｓ（ｎ）と平滑速度Ｖ（ｎ）とに基づいて、次の（ｎ＋１）回目のスキャンでの予測位置Ｐ（ｎ＋１）を求める。
【００１３】
これをベクトルで記述するならば、いま、ｎ回目のスキャンでの予測位置をＰ（ｎ）、観測位置をＲ（ｎ）とすると、追尾誤差Ｅ（ｎ）は、
Ｅ（ｎ）＝Ｒ（ｎ）−Ｐ（ｎ）（１）
である。
【００１４】
位置平滑化定数をα、速度平滑化定数をβとし、サンプリング周期をＴとすると、平滑位置Ｓ（ｎ）と平滑速度Ｖ（ｎ）は、
Ｓ（ｎ）＝Ｐ（ｎ）＋α・Ｅ（ｎ）
Ｖ（ｎ）＝Ｖ（ｎ−１）＋β・Ｅ（ｎ）／Ｔ（２）
となる。
【００１５】
これから（ｎ＋１）回目のスキャンの予測位置Ｐ（ｎ＋１）は、
Ｐ（ｎ＋１）＝Ｓ（ｎ）＋Ｖ（ｎ）・Ｔ（３）
で求められる。
【００１６】
つまり、α＝０のときは予測位置を、α＝１のときは観測位置をそれぞれ平滑位置とするものであり、したがって、αが小さいほど平滑度が大きくなることを意味している。
【００１７】
上述のようにして物標を追尾する際には、その物標からのエコーとは無関係なエコーも入力される。そのため、スキャン間隔毎に予測位置Ｐ（ｎ），Ｐ（ｎ＋１），…を中心とした円形のウィンドウＷ_ｎ，Ｗ_ｎ＋１，…をそれぞれ設定して物標とは無関係なエコーを除くようにしている。
【００１８】
このウィンドウＷ_ｎ，Ｗ_ｎ＋１，…の設定に際しては、自船や物標の運動変化や、測定されるデータに含まれる外乱の影響等によって、予測位置の情報と観測位置の情報とにそれぞれ誤差が生じるので、これらの誤差を考慮してある程度の大きさ（たとえば、≦０．５ｎｍ程度の半径）が必要となる。
【００１９】
ところで、このようにウィンドウＷ_ｎ，Ｗ_ｎ＋１，…が設定されている場合に、ウィンドウＷ_ｎ，Ｗ_ｎ＋１，…内に入るエコーのデータは、必ずしも追尾目標となる物標からのエコーデータとは限らず、他の物標からのエコーデータも存在する可能性がある。
【００２０】
そこで、従来技術では、図６のフローチャートに示すように、ウィンドウＷ_ｎ，Ｗ_ｎ＋１，…内に入ったエコーデータから、最も近いエコーデータを一つだけ選択するようにしている。
【００２１】
具体的には、たとえば、ｎ回目のスキャンに着目すれば、まず、ウィンドウＷ_ｎ内にエコーデータが存在するか否かを判別し（ステップ１）、ウィンドウＷｎ内に入るならば、そのエコーデータがウィンドウＷ_ｎの中心位置である予測位置Ｐ（ｎ）に最も近接しているか否かを判別する（ステップ２）。そして、このエコーデータが予測位置Ｐ（ｎ）に最も近接しているならば、そのエコーデータが追尾対象となってる物標からの最も確からしいエコーデータであると判断し、この観測位置Ｒ（ｎ）のエコーデータを選択して、メモリに取り込む（ステップ３）。
【００２２】
上記の各ステップ１，２において、該当するエコーデータが存在しなければ、さらにウィンドウＷ_ｎ内に他のエコーデータが存在するか否かを判別し（ステップ４）、他のエコーデータが存在するならばステップ１に戻って適切なエコーデータの有無を調べるようにしている。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように、あるウィンドウＷ_ｎ内に複数のエコーが存在する場合に、ウィンドウＷ_ｎの中心位置にある予測位置Ｐ（ｎ）に最も近接しているエコーを追尾対象となっている物標からの最も確からしいエコーであると画一的に判断するのは、次の問題を生じる。
【００２４】
たとえば、追尾目標としている物標が比較的小さな形状をもつためにそのエコー強度が弱かったりすると、数スキャンの間、エコーが急に消えることがある。その際に、自船と物標との間に無関係な他船がウィンドウ内に侵入してきたり、あるいは、海面反射やブイなどからのエコーがウィンドウ内に存在する場合には、そのようなエコーデータを本来の追尾対象である物標と誤って選択することになる。
【００２５】
このような間違ったエコーデータに基づいて観測位置Ｒ（ｎ）を決めると、平滑位置Ｓ（ｎ）に誤差を生じ、結果として、次の予測位置Ｐ（ｎ）の誤差も大きくなる。このようなことが、数スキャンの間にわたって継続されると、予測位置の誤差が拡大されることになり、結局、本来必要な物標の追尾を十分に行えない事態を起こし、装置の信頼性を損なう。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
統計的に見て、同一の物標に関するエコーの大きさや形状は、前回のものと今回のものとで極端に異なることは少なく、たとえば大きさの変化率は微少（多くて２割程度）であることが多い。
【００２７】
本発明は、この性質を利用し、従来のように予測位置から最も近い位置にあるエコーの観測位置を画一的に選択するのではなく、エコーの大きさや形状等の特徴を考慮し、その特徴に合致するエコーの内から、予測位置から最も近い位置にある観測位置の情報のみを選択するようにして、追尾対象となる物標の推定誤り率を従来よりも大幅に低下させることにより、装置の信頼性を一層高めるようにするものである。
【００２８】
そのための具体的な手段として、本発明は、物標の観測位置に関する情報を時系列的に出力する信号測定部と、この信号測定部から出力される各観測位置の情報に基づいて物標の運動を推定する運動推定部とを備えた物標運動推定装置において、次の構成を採用した。
【００２９】
すなわち、本発明では、運動推定部を、所定のウィンドウ内に存在するある特定の物標に関する形状の特徴を抽出して、その抽出データを記憶しておく特徴抽出手段と、この特徴抽出手段で抽出された特定の物標に関する特徴が、ウィンドウ内に存在する物標の特徴に一致しているか否かを判別し、特徴が一致した物標の中から最も予測位置に近い情報のみを選別して出力する情報選別手段と、この情報選別手段で選別された観測位置の各情報に基づいて物標の予測位置を求める位置予測手段とを含む構成としたものである。
【００３０】
【実施の形態】
この実施形態では、探知機器としてのレーダ装置に用いた場合について説明する。
【００３１】
図１はこの実施形態に係る物標運動推定装置の要部を示すブロック図である。
【００３２】
この実施形態の物標運動推定装置は、図４に示したように、信号測定部１、運動推定部２、およびデータ表示部３を備えている点は従来と同じである。
【００３３】
この実施形態の特徴は、運動推定部２自体の構成にあり、位置予測手段としてのαβトラッカ４、ウィンドウ作成手段６、特徴抽出手段８、および情報選別手段１０を含む。
【００３４】
αβトラッカ４は、後で詳述する情報選別手段１０で選別された観測位置の情報や、平滑位置の情報などに基づいて前述の（１）〜（３）式によって物標の予測位置を求めるものである。
【００３５】
ウィンドウ作成手段６は、レーダ装置の１スキャンごとにαβトラッカ４で得られる予測位置の情報や平滑速度に基づいて、追尾対象となる物標の予測範囲を決める円形をしたウィンドウの位置（円の中心）と大きさ（円の半径）とを設定するものである。
【００３６】
特徴抽出手段８は、この所定のウィンドウ内に存在するある特定の追尾中の物標に関する形状の特徴を抽出して、その抽出データを記憶するものである。
【００３７】
具体的には、たとえばｎ回目のスキャンに関して、情報選別手段１０で選別されたウィンドウＷ_ｎ内のある特定の物標Ｚ_ｎのエコーが、たとえば図２に示すような形状をしているとしたとき、本例では、その物標Ｚ_ｎのエコーの自船位置Ｏから見た方位幅Ｌａ_ｎ、および距離幅Ｌｂ_ｎを抽出し、その両者Ｌａ_ｎ，Ｌｂ_ｎの値をスキャン毎にメモリに記憶するようになっている。
【００３８】
情報選別手段１０での物標の選別の処理と、αβトラッカ４での物標の予測位置の演算処理とを並列処理し、両者の結果が共に追尾物標に最も確からしいと判断された場合には、追尾物標として表示する。
【００３９】
次に、上記構成の装置の動作について説明する。
【００４０】
信号測定部１は、物標からのエコー信号に基づく現時点での観測位置の情報を作成し、その観測位置の情報を運動推定部２に送出する。
【００４１】
運動推定部２の情報選別手段１０は、図３に示すフローチャートに従って適切なエコーデータを選別する。
【００４２】
たとえば、ｎ回目のスキャンに着目すれば、まず、情報選別手段１０は、前回の（ｎ−１）回目のスキャンの際に特徴抽出手段８で抽出されて格納されている物標の形状に関する方位幅Ｌａ_ｎ−１、および距離幅Ｌｂ_ｎ−１の値を、追尾対象となる物標の特徴とみなして取り込む（ステップ１）。
【００４３】
そして、信号測定部１から送られてくる物標のエコーデータＺ_ｎについて、そのエコーデータＺ_ｎの方位幅Ｌａ_ｎと距離幅Ｌｂ_ｎとが、それぞれ特徴抽出手段８から与えられた方位幅Ｌａ_ｎ−１、および距離幅Ｌｂ_ｎ−１の値と比較して、Ｌａ_ｎ／Ｌａ_ｎ−１，Ｌｂ_ｎ／Ｌｂ_ｎ−１がそれぞれ予め設定されたしきい値内に含まれるか否かを判別する（ステップ２，３）。これらの値Ｌａ_ｎ／Ｌａ_ｎ−１，Ｌｂ_ｎ／Ｌｂ_ｎ−１が、いずれもしきい値の範囲内であれば、引き続いて、そのエコーデータＺ_ｎがウィンドウ作成手段６で作成されている所定のウィンドウＷ_ｎ内に存在するか否かを判別する（ステップ４）。そして、エコーデータＺ_ｎがウィンドウＷ_ｎ内に存在するならば、次に、そのエコーデータＺ_ｎがウィンドウＷ_ｎの中心位置である予測位置Ｐ（ｎ）に最も近接しているか否かを判別する（ステップ５）。
【００４４】
そして、このエコーデータＺ_ｎが予測位置Ｐ（ｎ）に最も近接しているならば、そのエコーデータＺ_ｎが追尾対象となっている物標からの最も確からしいエコーデータであると判断し、このエコーデータＺ_ｎ（観測位置の情報）を次段のαβトラッカ４とともに、特徴抽出手段８に送出する。
【００４５】
特徴抽出手段８は、このｎ回目のエコーデータＺ_ｎに関する方位幅Ｌａ_ｎと距離幅Ｌｂ_ｎを追尾対象である物標に関する特徴であると判断して、両者Ｌａ_ｎ，Ｌｂ_ｎの値を図示しないメモリに格納する（ステップ６）。
【００４６】
上記の各ステップ１〜５で該当するエコーデータが存在しなければ、さらにウィンドウＷ_ｎ内に他のエコーデータが存在するか否かを判別し（ステップ７）、他のエコーデータが存在するならばステップ１に戻って適切なエコーデータの有無を調べる。
【００４７】
そして、αβトラッカ４は、情報選別手段１０で選別された観測位置の情報や、平滑位置の情報などに基づいて前述の（１）〜（３）式によって物標の予測位置を求める。
【００４８】
このようにして、情報選別手段１０はスキャンごとにエコーデータを選別するので、ウィンドウ内に本来の追尾目標となる物標以外の物標（たとえば、海面反射やブイなど）のエコーが存在していても、その形状が追尾目標となる物標の形状と異なっておれば、そのような不要なエコーは確実に排除される。そのため、不要なエコーを本来の追尾対象である物標と誤って選択することがない。
【００４９】
また、追尾目標としている物標が一時的に消失した場合にも、その回りの物標のエコーが一致しなければ、物標は何も選択されないので、推定運動量は変化せず、予測位置はこれまでの平滑度をもとに時間分更新される。したがって、追尾対象となる物標のエコーが再度出現すれば、再びその物標に関する正しい予測位置が得られる。
【００５０】
なお、上記の実施形態では、特徴抽出手段８は、物標Ｚ_ｎの形状の特徴として、方位幅Ｌａ_ｎ、および距離幅Ｌｂ_ｎの両値を抽出するようにしているが、特徴抽出の確実さをより一層高めるためには、これに限定されるものではなく、さらに、次のような値を物標Ｚ_ｎの特徴として抽出することもできる。
【００５１】
▲１▼ 物標Ｚ_ｎの方位幅Ｌａ_ｎと距離幅Ｌｂ_ｎとで決まる面積Ｓ_ｎ＝Ｌａ_ｎ×Ｌｂ_ｎを抽出する。
【００５２】
▲２▼ 物標Ｚ_ｎの方位幅Ｌａ_ｎと距離幅Ｌｂ_ｎとを求めてから、（距離幅Ｌｂ_ｎ／方位幅Ｌａ_ｎ）の値を抽出する。
【００５３】
▲３▼ 物標Ｚ_ｎの方位幅Ｌａ_ｎと距離幅Ｌｂ_ｎとで決まる面積Ｓ_ｎ＝Ｌａ_ｎ×Ｌｂ_ｎを求めるとともに、物標Ｚ_ｎの輪郭の周長Ｌｔを求め、Ｌｔ／Ｓ_ｎを抽出する。
【００５４】
▲４▼ 物標Ｚ_ｎの輪郭に外接する長方形の（最大縦幅×最大横幅）から決まる面積から物標の面積を差し引いた値を抽出する。
【００５５】
▲５▼ その他、物標Ｚ_ｎの図形認識のための各種の手法を用いて特徴を抽出する。
【００５６】
また、この実施形態では、運動推定部２を構成する位置予測手段として、αβトラッカ４を使用しているが、その他、カルマンフィルタ等のデジタルフィルタを使用したり、一時遅れを出す不完全積分回路などを使用することもできる。
【００５７】
さらに、この実施形態では、探知機器としてレーダ装置を用いた場合について説明したが、ソナー探知器などにも適用することができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、次の効果を奏する。
【００５９】
（１）ウィンドウ内に本来の追尾目標となる物標以外の物標（たとえば、海面反射やブイなど）のエコーが存在していても、その形状が追尾目標となる物標の形状と異なっておれば、そのような不要なエコーは確実に排除される。そのため、不要なエコーを本来の追尾対象である物標と誤って選択することがなく、常に本来必要な追尾対象となる物標に関する予測位置が得られる。
【００６０】
また、追尾目標としている物標が一時的に消失した場合にも、その回りの物標のエコーが一致しなければ、物標は何も選択されないので、平滑速度は変化せず、予測位置はこれまでの平滑速度をもとに時間分だけ更新される。したがって、追尾対象となる物標のエコーが再度出現すれば、再びその物標に関する正しい予測位置が得られる。
【００６１】
このため、追尾対象となる物標の推定誤り率が従来に比べて大幅に減少し、装置の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る物標運動推定装置の要部を示すブロック図である。
【図２】物標の特徴抽出動作の説明図である。
【図３】図１に示した物標運動推定装置の動作説明に供するフローチャートである。
【図４】従来の物標運動推定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図５】αβトラッカにおいて、ｎ回目のスキャンから次の（ｎ＋１）回目のスキャンについての物標の予測位置を求める様子を示す説明図である。
【図６】従来技術における観測位置の情報を得るためのフローチャートである。
【符号の説明】
１…信号測定部、２…運動推定部、３…データ表示部、４…位置予測手段（αβトラッカ）、６…ウィンドウ作成手段、８…特徴抽出手段、１０…情報選別手段。

Claims

物標の観測位置に関する情報を時系列的に出力する信号測定部と、この信号測定部から出力される各観測位置の情報に基づいて物標の運動を推定する運動推定部とを備えた物標運動推定装置において、
前記運動推定部は、
所定のウィンドウ内に存在するある特定の物標に関する形状の特徴を抽出して、その抽出データを記憶しておく特徴抽出手段と、
この特徴抽出手段で抽出された特定の物標に関する特徴が、ウィンドウ内に存在する物標の特徴に一致しているか否かを判別し、特徴が一致した物標の中から最も予測位置に近い情報のみを選別して出力する情報選別手段と、
この情報選別手段で選別された観測位置の情報に基づいて物標の予測位置を求める位置予測手段と、
を含むことを特徴とする物標運動推定装置。
請求項１記載の物標運動推定装置において、
前記位置予測手段は、αβトラッカで構成されることを特徴とする物標運動推定装置。
請求項２記載の物標運動推定装置において、
前記情報選別手段での物標の選別の処理と、αβトラッカでの物標の予測位置の演算処理とを並列処理し、両者の結果が共に追尾物標に最も確からしいと判断された場合には、追尾物標として表示することを特徴とする物標運動推定装置。
請求項１ないし請求項３のいずれ一つに記載の物標運動推定装置において、
前記特徴抽出手段は、物標の方位幅と距離幅とを抽出するものであることを特徴とする物標運動推定装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の物標運動推定装置において、
前記特徴抽出手段は、物標の（方位幅×距離幅）から決まる面積を抽出するものであることを特徴とする物標運動推定装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の物標運動推定装置において、
前記特徴抽出手段は、物標の（距離幅／方位幅）の値を抽出するものであることを特徴とする物標運動推定装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の物標運動推定装置において、
前記特徴抽出手段は、物標の（輪郭の周長／面積）を抽出するものであることを特徴とする物標運動推定装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の物標運動推定装置において、
前記特徴抽出手段は、物標の輪郭に外接する長方形の（縦幅×横幅）から決まる面積から物標の面積を差し引いた値を抽出するものであることを特徴とする物標運動推定装置。