JP3668928B2 - レーダ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はレーダ装置に関し、特にレーダ画像を用いた目標の認識・識別に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は例えば特開平６−１７４８３８号公報に示された従来のレーダ装置の構成を示す図であり、図において、５０１は送信機、５０２は送受切換器、５０３は送受信アンテナ、５０４は受信機、５０５はレーダ画像再生手段、５０６はレーダ画像表示手段、５０７は目標追尾手段、５０８は点像応答推定手段、５０９は目標アスペクト角推定手段、５１０はＲＣＳ算出手段、５１１は畳み込み積分手段、５１２は目標形状データ蓄積手段、５１３はオペレータを示す。
【０００３】
図１０は観測時の目標とレーダとの位置関係および目標の運動を示す図であり、図中５２１は目標、５２２はレーダ装置を示す。図１１は図９で示したレーダ画像再生手段５０５の内部を詳細に示したものであり、５３１はレンジ圧縮手段、５３２は動き補償手段、５３３はクロスレンジ圧縮手段、５３４は二次元記憶手段を示す。図１２は図９で示したレーダ画像表示手段５０６の内部を詳細に示したものであり、５４１は二次元表示バッファ、５４２はモニタＴＶを示す。
【０００４】
次に図面に従って動作について説明する。送信機５０１で発生した高周波信号は、送受切換器５０２を経て送受信アンテナ５０３から目標５２１に向け放射される。目標５２１に照射された高周波信号の一部がレーダ装置５２２の方向に反射し送受信アンテナ５０３で受信され、送受切換器５０２を経て受信機５０４で増幅・検波された後、レーダ画像再生手段５０５によって目標５２１の三次元レーダ反射断面積(ＲＣＳ：Radar Cross Section)分布を示すレーダ画像に変換され、レーダ画像表示手段５０６により表示される。
【０００５】
以下に、画像再生の方法について詳しく説明する。受信機５０４から出力された受信信号は、レーダ画像再生手段５０５へ入力され、まず、レンジ圧縮手段５３１でレンジ分解能を向上させる処理即ちパルス圧縮が行なわれる。レンジ圧縮後の受信信号は二次元記憶手段５３４にレンジビン番号ｍおよびパルスヒット番号ｎに応じて格納される。目標５２１の動きから画像再生に有害なランダム成分を除去するために、受信信号は二次元記憶手段５３４から読み出され、目標５２１の中心点のドップラ周波数が０となるように、動き補償手段５３２により位相補償およびレンジビンの並べ換えが行なわれ、再び二次元記憶手段５３４に格納される。
【０００６】
今、図１０に示すように目標５２１がヨー運動による回転あるいは直進運動をしているものと仮定すると、同一レンジビン内に存在する目標上の相異なる点がそれぞれ異なるドップラ周波数の反射波を発生する。これを利用して、クロスレンジ圧縮手段５３３では上記位相補償後の受信信号をレンジビン毎に高速フーリエ変換(ＦＦＴ：Fast Fourier Transform)することにより、クロスレンジ分解能の向上を図る。
【０００７】
レンジおよびクロスレンジの両方向について高分解能化され、目標の各点のＲＣＳ分布を表すレーダ画像はレーダ画像表示手段５０６へ送られ、二次元表示バッファ５４１に一旦格納された後、モニタＴＶ５４２に画像として表示される。このように目標の運動により生じるドップラー効果を利用してその形状を得るレーダ装置はＩＳＡＲ(Inverse Synthetic Aperture Radar)として知られている。
【０００８】
受信機５０４で得られる受信信号は目標追尾手段５０７にも供給され、目標の進行方向、位置、速度、加速度等の運動特性が目標追尾手段５０７により推定される。この結果とレーダ装置の諸元からレーダ装置のインパルスレスポンスに相当する点像応答関数が点像応答推定手段５０８によって算出される。また同時に、目標アスペクト角推定手段５０９において、目標５２１およびレーダ装置５２２の位置および目標５２１の進行方向から目標のアスペクト角が推定される。目標形状データ蓄積手段５１２では、目標毎の３次元形状データが格納されている。
【０００９】
ＲＣＳ算出手段５１０では、目標形状データ蓄積手段５１２に格納された３次元形状データを順次読みだし、推定した目標のアスペクト角に基づいて目標のＲＣＳ分布を算出する。ＲＣＳ分布の計算には、例えば回折の幾何学的理論(ＧＴＤ：Geometrical Theory of Diffraction)や回折の物理的理論(ＰＴＤ：Physical Theory of Diffraction)など良く知られた手法が利用できる。このとき、目標の形状データの分解能はレーダ装置の分解能とは必ずしも一致しないので、これを整合させるため、畳み込み積分手段５１１において、ＲＣＳ分布と点像応答関数との畳み込み積分を行ない、認識・識別用の辞書画像を生成する。
【００１０】
このようにして生成した辞書画像を再生したレーダ画像と共にレーダ画像表示手段５０６で表示するので、これをオペレータ５１３が同時に見ることができ、たとえレーダ画像が日常見慣れた可視光による目標の画像と異なっていても、容易に認識・識別することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来のレーダ装置では、未知目標の並進運動については推定できても、例えば、ロール、ピッチ、ヨー、またはそれらの複合の回転運動を推定する手段がないという欠点があった。また、レーダ画像と辞書画像のマッチングを行なう際に、クロスレンジスケーリング等を含むレーダ画像の伸縮を自動的に行なうことができないという欠点があった。
【００１２】
この発明は係る問題を解消するためのもので、目標のロール、ピッチ、ヨー、またはそれらの複合の回転運動を推定でき、また、レーダ画像と辞書画像のマッチングを行なう際にレーダ画像の伸縮を自動的に行なえるレーダ装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、パルス圧縮によりレンジ方向の分解能を向上させ、さらに目標の回転あるいは移動により生じるドップラー効果を利用してクロスレンジ方向の分解能を向上させることにより目標の画像を得るレーダ装置であって、受信信号から目標のレーダ画像を再生するレーダ画像再生手段と、受信信号から目標を追尾する目標追尾手段と、レーダ画像上の目標の軸の傾きを推定する主軸傾斜抽出手段と、レーダ画像上の目標のドップラー幅を推定するドップラー幅算出手段と、追尾結果より得られる目標とレーダの位置関係と、レーダ画像上の目標の軸の傾きから、レーダ画像のクロスレンジを決定するクロスレンジ軸ベクトルに制約を加えるクロスレンジ軸制約手段と、予め格納された各候補目標の形状データから、各候補目標のクロスレンジ方向の実寸法のクロスレンジ長特性を得るクロスレンジ長特性算出手段と、目標およびレーダ装置の位置および目標の進行方向から目標のアスペクト角を推定する目標アスペクト角推定手段と、上記レーダ画像上の目標のドップラー幅と、クロスレンジ軸に関する制約条件と、候補目標のクロスレンジ長特性から、各候補目標ごとにクロスレンジ軸ベクトルひいてはレーダ画像の投影面を決定する候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と、上記格納された各候補目標の形状データと、目標アスペクト角推定手段で得られた目標のアスペクト角から候補目標の三次元レーダ反射断面積分布を算出するＲＣＳ算出手段と、ＲＣＳ分布と投影面から候補目標ごとの識別用辞書画像を生成する候補目標辞書画像生成手段と、上記辞書画像を上記レーダ画像再生手段で得られたレーダ画像と共に表示するレーダ画像表示手段と、を備えたことを特徴とするレーダ装置にある。
【００１５】
また、パルス圧縮によりレンジ方向の分解能を向上させ、さらに目標の回転あるいは移動により生じるドップラー効果を利用してクロスレンジ方向の分解能を向上させることにより目標の画像を得るレーダ装置であって、受信信号から目標のレーダ画像を再生するレーダ画像再生手段と、受信信号から目標を追尾する目標追尾手段と、レーダ画像上の目標の軸の傾きを推定する主軸傾斜抽出手段と、レーダ画像上の目標のドップラー幅を推定するドップラー幅算出手段と、追尾結果より得られる目標とレーダの位置関係と、レーダ画像上の目標の軸の傾きから、レーダ画像のクロスレンジを決定するクロスレンジ軸ベクトルに制約を加えるクロスレンジ軸制約手段と、予め格納された各候補目標の形状データから、各候補目標のクロスレンジ方向の実寸法のクロスレンジ長特性を得るクロスレンジ長特性算出手段と、上記レーダ画像上の目標のドップラー幅と、クロスレンジ軸に関する制約条件と、候補目標のクロスレンジ長特性から、各候補目標ごとにクロスレンジ軸ベクトルひいてはレーダ画像の投影面を決定する候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と、上記予め格納された各候補目標の形状データから各候補目標の三次元形状自体の分布を求めるシルエット分布算出手段と、このシルエット分布を決定された投影面に投影するシルエット画像生成手段と、このシルエット画像を上記レーダ画像再生手段で得られたレーダ画像と共に表示するレーダ画像表示手段と、を備えたことを特徴とするレーダ装置にある。
【００１６】
また、上記クロスレンジ軸制約手段が、目標を低エレベーション角から観測する場合のクロスレンジ軸ベクトルの制約条件を与える低高度クロスレンジ軸制約手段からなり、上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、同じく目標を低エレベーション角から観測する場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸ベクトルを決定する低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段からなることを特徴とする。
【００１７】
また、上記クロスレンジ軸制約手段または低高度クロスレンジ軸制約手段が、観測エレベーション角の大小でクロスレンジ軸の制約条件の算出方法を切換える高度切換クロスレンジ軸制約手段からなり、上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段または低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、観測エレベーション角の大小で各候補目標のクロスレンジ軸ベクトルの算出方法を切換える高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段からなることを特徴とする。
【００１８】
また、上記高度切換クロスレンジ軸制約手段が、エレベーション角が大きい場合にクロスレンジ軸の制約条件を決定する上記クロスレンジ軸制約手段、エレベーション角が小さい場合にクロスレンジ軸の制約条件を決定する上記低高度クロスレンジ軸制約手段、目標アスペクト角推定手段の出力結果である観測エレベーション角を読み込みその値の大小で上記クロスレンジ軸制約手段と低高度クロスレンジ軸制約手段の処理の切換指示を出す処理切換器、を含むことを特徴とする。
【００１９】
また、上記高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、エレベーション角が大きい場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸を決定する上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、エレベーション角が小さい場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸を決定する上記低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、目標アスペクト角推定手段の出力結果である観測エレベーション角を読み込みその値の大小で上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段の処理を切換える処理切換器、を含むことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態によるレーダ装置の構成を示す図である。図において、１は主軸傾斜抽出手段、２はドップラー幅算出手段、３はクロスレンジ軸制約手段、４は候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、５はクロスレンジ長特性算出手段、６は投影面決定手段、７は候補目標辞書画像生成手段である。５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７、５０９、５１０、５１２は図９と同一である。
【００２１】
図２および図３はこの実施の形態の処理内容を説明するための図である。次に、図１ないし図３を用いて本実施の形態の処理内容を説明する。送信機５０１で発生した高周波信号を、送受切換器５０２を経て送受信アンテナ５０３から目標５２１に向け放射し、目標で散乱された信号を送受信アンテナ５０３、送受切換器５０２を介して受信機５０４で増幅・検波した後にレーダ画像再生手段５０５によって目標５２１のＲＣＳ分布を示すレーダ画像に変換する処理は従来と同じである。
【００２２】
また、受信機５０４で得られる受信信号を目標追尾手段５０７に供給し、目標追尾手段５０７で目標の進行方向、位置、速度、加速度等の運動特性を推定する処理も従来と同様である。
【００２３】
図２の(ａ)に示す観測のジオメトリにおいてＲＲ０はレーダ位置を基準とした回転中心の単位位置ベクトル、ＬＬｒｏｔは目標の回転角速度ベクトル、ＧＧは目標の前後方向の軸(以下では主軸と呼ぶ)の方向ベクトルであり以下では主軸ベクトルと呼ぶ。目標追尾手段５０７で得られた目標の進行方向ベクトルを主軸ベクトルＧＧとみなす。目標とレーダの位置関係より回転中心の単位位置ベクトルＲＲ０が定まる。
【００２４】
図２の(ｂ)に示すＩＳＡＲ画像で目標のドップラー周波数幅ΔＷ、目標の主軸のＩＳＡＲ画像上での傾きΔｆｇ／Δｒｇを定義する。主軸傾斜抽出手段１では、レーダ画像再生手段５０５で得られたＩＳＡＲ画像にエッジ抽出、周波数成分の分析、オペレータによる目視等を適用してＩＳＡＲ画像上の主軸ベクトルの像を抽出し、その傾きΔｆｇ／Δｒｇを得る。
【００２５】
また、ドップラー幅算出手段２では、レーダ画像再生手段５０５で得られたＩＳＡＲ画像の二値化や、エッジ検出、オペレータによる目視等を適用して、ＩＳＡＲ画像上の目標像のドップラー幅ΔＷを得る。ＧＧ，ＲＲ０，ＬＬｒｏｔ，Δｆｇ，Δｒｇ及び送信波長λの関係は次式で与えられる。
【００２６】
【数１】
【００２７】
ここで目標上の回転中心を基準とした位置ベクトルがＲＲｐｃで与えられる反射点Ｐについて考える。回転中心のレンジをＲｃとすると、点ＰのレンジＲｐとドップラー周波数ｆｐは次式でそれぞれ与えられる。
【００２８】
【数２】
【００２９】
上式のうちのＬＬｒｏｔは未知であるが、ＩＳＡＲの画像再生においては、必ず既知の単位ベクトルＲＲ０と組みでＲＲ０ラＬＬｒｏｔの形で表れる。このベクトルを改めてクロスレンジ軸ベクトルＬＬとして次式で与える。
【００３０】
【数３】
【００３１】
これを用いて、式(１)は次式で表せる。
【００３２】
【数４】
【００３３】
式(５)中で三次元ベクトルＬＬのみが未知であるが、このベクトルは既知の三次元ベクトルに垂直な平面内にあることから、未知数の次元は２となる。
【００３４】
次にクロスレンジ軸制約手段３では、以上で得られた数値を用いて、クロスレンジ軸ベクトルの値に制約を加える。まず、図２の(ａ)に示す天頂方向の単位ベクトルＺＺを導入する。さらに既知のＺＺベクトルとＲＲ０ベクトルを用いて、次式の単位ベクトルＳＳを定義する。
【００３５】
【数５】
【００３６】
このＳＳは目標中心の単位方向ベクトルＲＲ０に直交する平面上にある単位ベクトルであり、かつ天頂方向のベクトルに直交する。また次式で単位ベクトルＴＴを定義する。
【００３７】
【数６】
【００３８】
ＴＴは目標中心の単位方向ベクトルＲＲ０に直交する平面上にある単位ベクトルで式(６)で定義した単位ベクトルＳＳと直交する。クロスレンジ軸ベクトルＬＬは、目標中心の単位方向ベクトルＲＲ０に直交する平面上にあるベクトルであり式(６)(７)の二つの単位ベクトルＳＳ，ＴＴ及び、未知数ｓ，ｔを用いて次式で表せる。
【００３９】
【数７】
【００４０】
式(８)のｓ，ｔが分かればクロスレンジ軸ベクトルＬＬが定まる。さて、ｓとｔは次式の関係にある。
【００４１】
【数８】
【００４２】
ただし、Ａ、Ｂ、Ｃは次式で与えられる。
【００４３】
【数９】
【００４４】
Ａ，Ｂ，Ｃは既知である。式(９)(１０)はクロスレンジ軸ベクトルの始点をｓ−ｔ平面の座標の原点に配置した場合の終点が、図２の(ｃ)に示されるＡｓ＋Ｂｔ＋Ｃ＝０上に存在することを示している。つまり式(９)(１０)まで考えるに及んで、ＬＬが一次元の未知数で表せることになった。クロスレンジ軸制約手段３では式(９)(１０)でクロスレンジベクトルの変動範囲を一次元のパラメータ変動にまで限定する。
【００４５】
さらにレンジ軸ベクトルに直交する平面内で、ＳＳベクトルから測った角度θを次式で与える。
【００４６】
【数１０】
【００４７】
次に候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段４の動作について説明する。式(９)(１０)でクロスレンジ軸ベクトルの未知数の次元を１にした。ここではクロスレンジ軸制約手段３で得られた制約条件、ドップラー幅算出手段２のドップラー幅ΔＷ及び後述するクロスレンジ長特性算出手段５で得られた各候補目標のクロスレンジ長の角度特性Ｄ(θ)から、クロスレンジ軸ベクトルを決定する。
【００４８】
目標形状データ蓄積手段５１２では目標の三次元形状データを蓄積している。この三次元形状データは例えばポリゴンで構成されており、ポリゴンの頂点の座標の位置ベクトルはＲＲ０ｎ(ｎ＝１，２，...，Ｎ)で与えられている。これを、追尾により定まる目標の進行方向ベクトルと目標上の主軸ベクトルが一致するように配置する。この時の点の位置ベクトルをＲＲｎする。
【００４９】
レンジ軸に直交する平面でベクトルＳＳから測定した角度をθとする。各θに対するクロスレンジ軸ベクトルＬＬ０(θ)を次式で与える。
【００５０】
【数１１】
【００５１】
各θごとに次式でクロスレンジ長Ｄ(θ)を得る。
【００５２】
【数１２】
【００５３】
ここでｍａｘは最大値を、ｍｉｎは最小値を得るオペレータである。ｓとθの関係が式(１１)で与えられることから、Ｄ(θ)はｓの関数Ｄ(ｓ)とみなせる。また、クロスレンジ軸ベクトルのユークリッドノルム||ＬＬ(ｓ)||は次式で与えられる。
【００５４】
【数１３】
【００５５】
||ＬＬ||を図３の(ａ)に示す。直線Ａｓ＋Ｂｔ＋Ｃ＝０が原点に最も近づく時のｓの||ＬＬ(ｓ)||が最小値になる。またＤを図３の(ｂ)に示す。さて、各ｓにおける各候補目標のドップラー幅Ｃ(ｓ)は目標のクロスレンジ軸ベクトルのユークリッドノルム||ＬＬ(ｓ)||とクロスレンジ幅Ｄ(ｓ)の積で次式で与えられる。
【００５６】
【数１４】
【００５７】
このドップラーＣ(ｓ)が先にドップラー幅算出手段２で得られた観測目標のドップラー幅ΔＷと一致するときのｓが各候補目標ごとのｓの候補値と考えられる。Ｃ(ｓ)とΔＷのある一般的な関係は図３の(ｃ)で与えられる。この両方の線の交点に対応するｓが候補値である。よって評価指標Ｆ(ｓ)を次式で定義し、この値を極小とするｓを各候補目標ごとのｓの候補値とする(図３の(ｄ)参照)。
【００５８】
ｓが定まれば式(９)よりｔが定まり、これらｓ，ｔを式(８)に代入することでクロスレンジ軸ベクトルＬＬが定まる。候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段４では各候補目標の各ｓの候補値ごとに以上の処理を行う。
【００５９】
投影面決定手段６では、すでに定まっている各候補目標、各ｓの候補値ごとのクロスレンジ軸ベクトルＬＬとレンジ軸ベクトルで投影面を与える。
【００６０】
ＲＣＳ算出手段５１０では、従来の発明と同様に目標形状データ蓄積手段５１２から目標形状データを読み込み、目標追尾手段５０７の出力結果である目標追尾結果をもとに目標アスペクト角推定手段５０９で算出したアスペクト角を用いて、各候補目標の３次元ＲＣＳ分布を得る。
【００６１】
候補目標辞書画像生成手段７では、各候補目標、各ｓの候補値ごとに、前述した投影面にＲＣＳ分布を投影して認識識別用辞書画像を生成する。これをレーダ画像表示手段５０６ではレーダ画像再生手段５０５で得られたレーダ画像とともに表示する、もしくはパターンマッチング処理して、これをオペレータ５１３に表示する。
なお、図２の(ｄ)には候補目標形状の平面投影の図が示されている。
【００６２】
以上の処理を経ることにより、追尾により推定不可能な動揺運動を行う目標についてもパターンマッチング用辞書を作成することができる。
【００６３】
実施の形態２．
図４はこの発明の別の実施の形態によるレーダ装置の構成を示す図である。図において、２１はシルエット分布算出手段、２２はシルエット画像生成手段である。その他のブロックが図１と同一である。本実施の形態では、目標のＲＣＳ分布を用いるかわりに、目標形状データに蓄積された目標形状データを、構造を定義する各点上に均一なＲＣＳ値、もしくは、なんらかの確率密度で与えられたＲＣＳ値が存在するものとして、これを投影面決定手段６で得られた投影面にシルエット画像生成手段２２で投影する。
【００６４】
すなわち、シルエット分布算出手段２１では予め格納された各候補目標の形状データから各候補目標の三次元形状自体の分布を求める、シルエット画像生成手段２２ではこのシルエット分布を決定された投影面に投影する。そしてこれをレーダ画像表示手段５０６でレーダ画像とともに表示する。
【００６５】
以上の処理を経ることにより、実施の形態１の効果に加えて、ＲＣＳ計算の負荷を低減して、比較的高品位な辞書画像を生成できる。
【００６６】
実施の形態３．
図５はこの発明のさらに別の実施の形態によるレーダ装置の構成を示す図である。図において、３１は低高度クロスレンジ軸制約手段、３２は低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段である。これ以外のブロックは図１と同様である。
【００６７】
次に図５を用いて本実施の形態の処理内容を説明する。本実施の形態では、レーダと目標がほぼ同じ高度に存在する場合(低エレベーション角からの観測)を対象とする。この場合に、式(９)の制約条件は次式で表される。
【００６８】
【数１５】
【００６９】
さらに、次式の条件を考慮する
【００７０】
【数１６】
【００７１】
この条件を用いて式(１７)を次式に変形する。
【００７２】
【数１７】
【００７３】
つまり、ｓについての制約条件として、上式のｓ０を与える。以上の処理を低高度クロスレンジ軸制約手段３１で実行する。
【００７４】
低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段３２では、低高度クロスレンジ軸制約手段３１の出力である式(１９)の条件を用いて、クロスレンジ軸ベクトルＬＬのユークリッドノルム||ＬＬ||を次式で与える。
【００７５】
【数１８】
【００７６】
以下各候補目標ごとにドップラー幅算出手段２の出力である観測目標のドップラー幅ΔＷとクロスレンジ長特性算出手段の出力である候補目標のクロスレンジ長特性Ｄ(ｔ)から式(１６)の評価指標(ただし、この場合は変数はｔ)を定義する。この値を極小とするｔを検索して、その時のｔと式(１９)のｓを式(８)に代入してクロスレンジ軸ベクトルＬＬを得る。この処理を低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段３２で行う。以下の処理は実施の形態１と同一である。
【００７７】
上記のような処理を行うことで、実施の形態１の効果に加えて、実施の形態１では適用不可能な観測エレベーション角が小さい場合に、目標識別用辞書を生成できる効果がある。
【００７８】
実施の形態４．
図６はこの発明のさらに別の実施の形態によるレーダ装置の構成を示す図である。図において、４１は高度切換クロスレンジ軸制約手段である。４２は高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段である。その他は図１と同一である。
【００７９】
図７は高度切換クロスレンジ軸制約手段４１の構成を示す図である。図で、４３は処理切換器である。クロスレンジ軸制約手段３は図１、低高度クロスレンジ軸制約手段３１は図５のものと同一である。また図８は高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段４２の構成を示す図である。候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段４は図１、低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段３２は図５、処理切換器４３は図７のものとそれぞれ同一である。
【００８０】
次にこれらの図を用いて本実施の形態の処理内容を説明する。本実施の形態では、レーダの高度が高い場合言い換えると観測エレベーション角が大きい場合と、レーダの高度が低い場合言い換えると観測エレベーション角が小さい場合のいずれの場合でも目標識別用辞書を生成することを目標とする。
【００８１】
高度切換クロスレンジ軸制約手段４１、高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段４２のいずれにおいても、内部の処理切換器４３で、観測エレベーション角の大きい場合と小さい場合の処理を切換る。内部の処理切換器は、目標アスペクト角推定手段の出力である観測エレベーション角を使用している。
【００８２】
上記の処理を行うことで、実施の形態１、実施の形態４の効果を得られるだけでなく、両者の欠点を補いつつ利点を利用できるので、適用範囲が広がる効果がある。
【００８３】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、パルス圧縮によりレンジ方向の分解能を向上させ、さらに目標の回転あるいは移動により生じるドップラー効果を利用してクロスレンジ方向の分解能を向上させることにより目標の画像を得ることを特徴とするレーダ装置としたので、ロール、ピッチ、ヨー、またはそれらの複合の回転運動を行う目標に対しても対応が可能となる。
【００８４】
また、受信信号から目標のレーダ画像を再生するレーダ画像再生手段と、受信信号から目標を追尾する目標追尾手段と、レーダ画像上の目標の軸の傾きを推定する主軸傾斜抽出手段と、レーダ画像上の目標のドップラー幅を推定するドップラー幅算出手段と、追尾結果より得られる目標とレーダの位置関係と、レーダ画像上の目標の軸の傾きから、レーダ画像のクロスレンジを決定するクロスレンジ軸ベクトルに制約を加えるクロスレンジ軸制約手段と、予め格納された各候補目標の形状データから、各候補目標のクロスレンジ方向の実寸法のクロスレンジ長特性を得るクロスレンジ長特性算出手段と、目標およびレーダ装置の位置および目標の進行方向から目標のアスペクト角を推定する目標アスペクト角推定手段と、上記レーダ画像上の目標のドップラー幅と、クロスレンジ軸に関する制約条件と、候補目標のクロスレンジ長特性から、各候補目標ごとにクロスレンジ軸ベクトルひいてはレーダ画像の投影面を決定する候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と、上記格納された各候補目標の形状データと、目標アスペクト角推定手段で得られた目標のアスペクト角から候補目標の三次元レーダ反射断面積分布を算出するＲＣＳ算出手段と、ＲＣＳ分布と投影面から候補目標ごとの識別用辞書画像を生成する候補目標辞書画像生成手段と、上記辞書画像を上記レーダ画像再生手段で得られたレーダ画像と共に表示するレーダ画像表示手段と、を備えた上記レーダ装置としたので、追尾により推定不可能な動揺運動を行う目標についてもパターンマッチング用辞書を作成することができる。
【００８５】
また、受信信号から目標のレーダ画像を再生するレーダ画像再生手段と、受信信号から目標を追尾する目標追尾手段と、レーダ画像上の目標の軸の傾きを推定する主軸傾斜抽出手段と、レーダ画像上の目標のドップラー幅を推定するドップラー幅算出手段と、追尾結果より得られる目標とレーダの位置関係と、レーダ画像上の目標の軸の傾きから、レーダ画像のクロスレンジを決定するクロスレンジ軸ベクトルに制約を加えるクロスレンジ軸制約手段と、予め格納された各候補目標の形状データから、各候補目標のクロスレンジ方向の実寸法のクロスレンジ長特性を得るクロスレンジ長特性算出手段と、上記レーダ画像上の目標のドップラー幅と、クロスレンジ軸に関する制約条件と、候補目標のクロスレンジ長特性から、各候補目標ごとにクロスレンジ軸ベクトルひいてはレーダ画像の投影面を決定する候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と、上記予め格納された各候補目標の形状データから各候補目標の三次元形状自体の分布を求めるシルエット分布算出手段と、このシルエット分布を決定された投影面に投影するシルエット画像生成手段と、このシルエット画像を上記レーダ画像再生手段で得られたレーダ画像と共に表示するレーダ画像表示手段と、を備えた上記レーダ装置としたので、さらにＲＣＳ計算の負荷を低減して、かつ比較的高品位な辞書画像を生成できる。
【００８６】
また、上記クロスレンジ軸制約手段が、目標を低エレベーション角から観測する場合のクロスレンジ軸ベクトルの制約条件を与える低高度クロスレンジ軸制約手段からなり、上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、同じく目標を低エレベーション角から観測する場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸ベクトルを決定する低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段からなることを特徴とする２番目に記載のレーダ装置としたので、２番目のレーダ装置では適用不可能な観測エレベーション角が小さい場合に、目標識別用辞書を生成できる。
【００８７】
また、上記クロスレンジ軸制約手段または低高度クロスレンジ軸制約手段が、観測エレベーション角の大小でクロスレンジ軸の制約条件の算出方法を切換える高度切換クロスレンジ軸制約手段からなり、上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段または低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、観測エレベーション角の大小で各候補目標のクロスレンジ軸ベクトルの算出方法を切換える高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段からなる上記レーダ装置としたので、上記２番目と４番目のレーダ装置の効果を得られるだけでなく、両者の欠点を補いつつ利点を利用できるので、適用範囲が広がる。
【００８８】
また、上記高度切換クロスレンジ軸制約手段が、エレベーション角が大きい場合にクロスレンジ軸の制約条件を決定する上記クロスレンジ軸制約手段、エレベーション角が小さい場合にクロスレンジ軸の制約条件を決定する上記低高度クロスレンジ軸制約手段、目標アスペクト角推定手段の出力結果である観測エレベーション角を読み込みその値の大小で上記クロスレンジ軸制約手段と低高度クロスレンジ軸制約手段の処理の切換指示を出す処理切換器、を含むレーダ装置としたので、上記２番目と４番目のレーダ装置の効果を得られるだけでなく、両者の欠点を補いつつ利点を利用できるので、適用範囲が広がる。
【００８９】
また、上記高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、エレベーション角が大きい場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸を決定する上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、エレベーション角が小さい場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸を決定する上記低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、目標アスペクト角推定手段の出力結果である観測エレベーション角を読み込みその値の大小で上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段の処理を切換える処理切換器、を含むレーダ装置としたので、上記２番目と４番目のレーダ装置の効果を得られるだけでなく、両者の欠点を補いつつ利点を利用できるので、適用範囲が広がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成を示す図である。
【図２】 実施の形態１の処理内容を説明するための図である。
【図３】 実施の形態１の処理内容を説明するための図である。
【図４】 この発明の実施の形態２によるレーダ装置の構成を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態３によるレーダ装置の構成を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態４によるレーダ装置の構成を示す図である。
【図７】 図６の高度切換クロスレンジ軸制約手段４１の構成を示す図である。
【図８】 図６の高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段４２の構成を示す図である。
【図９】 従来のレーダ装置の構成を示す図である。
【図１０】 観測時の目標とレーダとの位置関係および目標の運動を示す図である。
【図１１】 図９で示したレーダ画像再生手段の内部を詳細に示した図である。
【図１２】 図９で示したレーダ画像表示手段の内部を詳細に示した図である。
【符号の説明】
１ 主軸傾斜抽出手段、２ ドップラー幅算出手段、３ クロスレンジ軸制約手段、４ 候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、５ クロスレンジ長特性算出手段、６ 投影面決定手段、７ 候補目標辞書画像生成手段、２１ シルエット分布算出手段、２２ シルエット画像生成手段、３１ 低高度クロスレンジ軸制約手段、３２ 低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、４１ 高度切換クロスレンジ軸制約手段、４２ 高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、４３は処理切換器、５０１ 送信機、５０２ 送受切換器、５０３送受信アンテナ、５０４ 受信機、５０５ レーダ画像再生手段、５０６ レーダ画像表示手段、５０７ 目標追尾手段、５０９ 目標アスペクト角推定手段、５１０ ＲＣＳ算出手段、５１２ 目標形状データ蓄積手段、５１３ オペレータ。
【発明の属する技術分野】
この発明はレーダ装置に関し、特にレーダ画像を用いた目標の認識・識別に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は例えば特開平６−１７４８３８号公報に示された従来のレーダ装置の構成を示す図であり、図において、５０１は送信機、５０２は送受切換器、５０３は送受信アンテナ、５０４は受信機、５０５はレーダ画像再生手段、５０６はレーダ画像表示手段、５０７は目標追尾手段、５０８は点像応答推定手段、５０９は目標アスペクト角推定手段、５１０はＲＣＳ算出手段、５１１は畳み込み積分手段、５１２は目標形状データ蓄積手段、５１３はオペレータを示す。
【０００３】
図１０は観測時の目標とレーダとの位置関係および目標の運動を示す図であり、図中５２１は目標、５２２はレーダ装置を示す。図１１は図９で示したレーダ画像再生手段５０５の内部を詳細に示したものであり、５３１はレンジ圧縮手段、５３２は動き補償手段、５３３はクロスレンジ圧縮手段、５３４は二次元記憶手段を示す。図１２は図９で示したレーダ画像表示手段５０６の内部を詳細に示したものであり、５４１は二次元表示バッファ、５４２はモニタＴＶを示す。
【０００４】
次に図面に従って動作について説明する。送信機５０１で発生した高周波信号は、送受切換器５０２を経て送受信アンテナ５０３から目標５２１に向け放射される。目標５２１に照射された高周波信号の一部がレーダ装置５２２の方向に反射し送受信アンテナ５０３で受信され、送受切換器５０２を経て受信機５０４で増幅・検波された後、レーダ画像再生手段５０５によって目標５２１の三次元レーダ反射断面積(ＲＣＳ：Radar Cross Section)分布を示すレーダ画像に変換され、レーダ画像表示手段５０６により表示される。
【０００５】
以下に、画像再生の方法について詳しく説明する。受信機５０４から出力された受信信号は、レーダ画像再生手段５０５へ入力され、まず、レンジ圧縮手段５３１でレンジ分解能を向上させる処理即ちパルス圧縮が行なわれる。レンジ圧縮後の受信信号は二次元記憶手段５３４にレンジビン番号ｍおよびパルスヒット番号ｎに応じて格納される。目標５２１の動きから画像再生に有害なランダム成分を除去するために、受信信号は二次元記憶手段５３４から読み出され、目標５２１の中心点のドップラ周波数が０となるように、動き補償手段５３２により位相補償およびレンジビンの並べ換えが行なわれ、再び二次元記憶手段５３４に格納される。
【０００６】
今、図１０に示すように目標５２１がヨー運動による回転あるいは直進運動をしているものと仮定すると、同一レンジビン内に存在する目標上の相異なる点がそれぞれ異なるドップラ周波数の反射波を発生する。これを利用して、クロスレンジ圧縮手段５３３では上記位相補償後の受信信号をレンジビン毎に高速フーリエ変換(ＦＦＴ：Fast Fourier Transform)することにより、クロスレンジ分解能の向上を図る。
【０００７】
レンジおよびクロスレンジの両方向について高分解能化され、目標の各点のＲＣＳ分布を表すレーダ画像はレーダ画像表示手段５０６へ送られ、二次元表示バッファ５４１に一旦格納された後、モニタＴＶ５４２に画像として表示される。このように目標の運動により生じるドップラー効果を利用してその形状を得るレーダ装置はＩＳＡＲ(Inverse Synthetic Aperture Radar)として知られている。
【０００８】
受信機５０４で得られる受信信号は目標追尾手段５０７にも供給され、目標の進行方向、位置、速度、加速度等の運動特性が目標追尾手段５０７により推定される。この結果とレーダ装置の諸元からレーダ装置のインパルスレスポンスに相当する点像応答関数が点像応答推定手段５０８によって算出される。また同時に、目標アスペクト角推定手段５０９において、目標５２１およびレーダ装置５２２の位置および目標５２１の進行方向から目標のアスペクト角が推定される。目標形状データ蓄積手段５１２では、目標毎の３次元形状データが格納されている。
【０００９】
ＲＣＳ算出手段５１０では、目標形状データ蓄積手段５１２に格納された３次元形状データを順次読みだし、推定した目標のアスペクト角に基づいて目標のＲＣＳ分布を算出する。ＲＣＳ分布の計算には、例えば回折の幾何学的理論(ＧＴＤ：Geometrical Theory of Diffraction)や回折の物理的理論(ＰＴＤ：Physical Theory of Diffraction)など良く知られた手法が利用できる。このとき、目標の形状データの分解能はレーダ装置の分解能とは必ずしも一致しないので、これを整合させるため、畳み込み積分手段５１１において、ＲＣＳ分布と点像応答関数との畳み込み積分を行ない、認識・識別用の辞書画像を生成する。
【００１０】
このようにして生成した辞書画像を再生したレーダ画像と共にレーダ画像表示手段５０６で表示するので、これをオペレータ５１３が同時に見ることができ、たとえレーダ画像が日常見慣れた可視光による目標の画像と異なっていても、容易に認識・識別することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来のレーダ装置では、未知目標の並進運動については推定できても、例えば、ロール、ピッチ、ヨー、またはそれらの複合の回転運動を推定する手段がないという欠点があった。また、レーダ画像と辞書画像のマッチングを行なう際に、クロスレンジスケーリング等を含むレーダ画像の伸縮を自動的に行なうことができないという欠点があった。
【００１２】
この発明は係る問題を解消するためのもので、目標のロール、ピッチ、ヨー、またはそれらの複合の回転運動を推定でき、また、レーダ画像と辞書画像のマッチングを行なう際にレーダ画像の伸縮を自動的に行なえるレーダ装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、パルス圧縮によりレンジ方向の分解能を向上させ、さらに目標の回転あるいは移動により生じるドップラー効果を利用してクロスレンジ方向の分解能を向上させることにより目標の画像を得るレーダ装置であって、受信信号から目標のレーダ画像を再生するレーダ画像再生手段と、受信信号から目標を追尾する目標追尾手段と、レーダ画像上の目標の軸の傾きを推定する主軸傾斜抽出手段と、レーダ画像上の目標のドップラー幅を推定するドップラー幅算出手段と、追尾結果より得られる目標とレーダの位置関係と、レーダ画像上の目標の軸の傾きから、レーダ画像のクロスレンジを決定するクロスレンジ軸ベクトルに制約を加えるクロスレンジ軸制約手段と、予め格納された各候補目標の形状データから、各候補目標のクロスレンジ方向の実寸法のクロスレンジ長特性を得るクロスレンジ長特性算出手段と、目標およびレーダ装置の位置および目標の進行方向から目標のアスペクト角を推定する目標アスペクト角推定手段と、上記レーダ画像上の目標のドップラー幅と、クロスレンジ軸に関する制約条件と、候補目標のクロスレンジ長特性から、各候補目標ごとにクロスレンジ軸ベクトルひいてはレーダ画像の投影面を決定する候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と、上記格納された各候補目標の形状データと、目標アスペクト角推定手段で得られた目標のアスペクト角から候補目標の三次元レーダ反射断面積分布を算出するＲＣＳ算出手段と、ＲＣＳ分布と投影面から候補目標ごとの識別用辞書画像を生成する候補目標辞書画像生成手段と、上記辞書画像を上記レーダ画像再生手段で得られたレーダ画像と共に表示するレーダ画像表示手段と、を備えたことを特徴とするレーダ装置にある。
【００１５】
また、パルス圧縮によりレンジ方向の分解能を向上させ、さらに目標の回転あるいは移動により生じるドップラー効果を利用してクロスレンジ方向の分解能を向上させることにより目標の画像を得るレーダ装置であって、受信信号から目標のレーダ画像を再生するレーダ画像再生手段と、受信信号から目標を追尾する目標追尾手段と、レーダ画像上の目標の軸の傾きを推定する主軸傾斜抽出手段と、レーダ画像上の目標のドップラー幅を推定するドップラー幅算出手段と、追尾結果より得られる目標とレーダの位置関係と、レーダ画像上の目標の軸の傾きから、レーダ画像のクロスレンジを決定するクロスレンジ軸ベクトルに制約を加えるクロスレンジ軸制約手段と、予め格納された各候補目標の形状データから、各候補目標のクロスレンジ方向の実寸法のクロスレンジ長特性を得るクロスレンジ長特性算出手段と、上記レーダ画像上の目標のドップラー幅と、クロスレンジ軸に関する制約条件と、候補目標のクロスレンジ長特性から、各候補目標ごとにクロスレンジ軸ベクトルひいてはレーダ画像の投影面を決定する候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と、上記予め格納された各候補目標の形状データから各候補目標の三次元形状自体の分布を求めるシルエット分布算出手段と、このシルエット分布を決定された投影面に投影するシルエット画像生成手段と、このシルエット画像を上記レーダ画像再生手段で得られたレーダ画像と共に表示するレーダ画像表示手段と、を備えたことを特徴とするレーダ装置にある。
【００１６】
また、上記クロスレンジ軸制約手段が、目標を低エレベーション角から観測する場合のクロスレンジ軸ベクトルの制約条件を与える低高度クロスレンジ軸制約手段からなり、上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、同じく目標を低エレベーション角から観測する場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸ベクトルを決定する低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段からなることを特徴とする。
【００１７】
また、上記クロスレンジ軸制約手段または低高度クロスレンジ軸制約手段が、観測エレベーション角の大小でクロスレンジ軸の制約条件の算出方法を切換える高度切換クロスレンジ軸制約手段からなり、上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段または低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、観測エレベーション角の大小で各候補目標のクロスレンジ軸ベクトルの算出方法を切換える高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段からなることを特徴とする。
【００１８】
また、上記高度切換クロスレンジ軸制約手段が、エレベーション角が大きい場合にクロスレンジ軸の制約条件を決定する上記クロスレンジ軸制約手段、エレベーション角が小さい場合にクロスレンジ軸の制約条件を決定する上記低高度クロスレンジ軸制約手段、目標アスペクト角推定手段の出力結果である観測エレベーション角を読み込みその値の大小で上記クロスレンジ軸制約手段と低高度クロスレンジ軸制約手段の処理の切換指示を出す処理切換器、を含むことを特徴とする。
【００１９】
また、上記高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、エレベーション角が大きい場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸を決定する上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、エレベーション角が小さい場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸を決定する上記低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、目標アスペクト角推定手段の出力結果である観測エレベーション角を読み込みその値の大小で上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段の処理を切換える処理切換器、を含むことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態によるレーダ装置の構成を示す図である。図において、１は主軸傾斜抽出手段、２はドップラー幅算出手段、３はクロスレンジ軸制約手段、４は候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、５はクロスレンジ長特性算出手段、６は投影面決定手段、７は候補目標辞書画像生成手段である。５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６、５０７、５０９、５１０、５１２は図９と同一である。
【００２１】
図２および図３はこの実施の形態の処理内容を説明するための図である。次に、図１ないし図３を用いて本実施の形態の処理内容を説明する。送信機５０１で発生した高周波信号を、送受切換器５０２を経て送受信アンテナ５０３から目標５２１に向け放射し、目標で散乱された信号を送受信アンテナ５０３、送受切換器５０２を介して受信機５０４で増幅・検波した後にレーダ画像再生手段５０５によって目標５２１のＲＣＳ分布を示すレーダ画像に変換する処理は従来と同じである。
【００２２】
また、受信機５０４で得られる受信信号を目標追尾手段５０７に供給し、目標追尾手段５０７で目標の進行方向、位置、速度、加速度等の運動特性を推定する処理も従来と同様である。
【００２３】
図２の(ａ)に示す観測のジオメトリにおいてＲＲ０はレーダ位置を基準とした回転中心の単位位置ベクトル、ＬＬｒｏｔは目標の回転角速度ベクトル、ＧＧは目標の前後方向の軸(以下では主軸と呼ぶ)の方向ベクトルであり以下では主軸ベクトルと呼ぶ。目標追尾手段５０７で得られた目標の進行方向ベクトルを主軸ベクトルＧＧとみなす。目標とレーダの位置関係より回転中心の単位位置ベクトルＲＲ０が定まる。
【００２４】
図２の(ｂ)に示すＩＳＡＲ画像で目標のドップラー周波数幅ΔＷ、目標の主軸のＩＳＡＲ画像上での傾きΔｆｇ／Δｒｇを定義する。主軸傾斜抽出手段１では、レーダ画像再生手段５０５で得られたＩＳＡＲ画像にエッジ抽出、周波数成分の分析、オペレータによる目視等を適用してＩＳＡＲ画像上の主軸ベクトルの像を抽出し、その傾きΔｆｇ／Δｒｇを得る。
【００２５】
また、ドップラー幅算出手段２では、レーダ画像再生手段５０５で得られたＩＳＡＲ画像の二値化や、エッジ検出、オペレータによる目視等を適用して、ＩＳＡＲ画像上の目標像のドップラー幅ΔＷを得る。ＧＧ，ＲＲ０，ＬＬｒｏｔ，Δｆｇ，Δｒｇ及び送信波長λの関係は次式で与えられる。
【００２６】
【数１】
ここで目標上の回転中心を基準とした位置ベクトルがＲＲｐｃで与えられる反射点Ｐについて考える。回転中心のレンジをＲｃとすると、点ＰのレンジＲｐとドップラー周波数ｆｐは次式でそれぞれ与えられる。
【００２８】
【数２】
上式のうちのＬＬｒｏｔは未知であるが、ＩＳＡＲの画像再生においては、必ず既知の単位ベクトルＲＲ０と組みでＲＲ０ラＬＬｒｏｔの形で表れる。このベクトルを改めてクロスレンジ軸ベクトルＬＬとして次式で与える。
【００３０】
【数３】
これを用いて、式(１)は次式で表せる。
【００３２】
【数４】
式(５)中で三次元ベクトルＬＬのみが未知であるが、このベクトルは既知の三次元ベクトルに垂直な平面内にあることから、未知数の次元は２となる。
【００３４】
次にクロスレンジ軸制約手段３では、以上で得られた数値を用いて、クロスレンジ軸ベクトルの値に制約を加える。まず、図２の(ａ)に示す天頂方向の単位ベクトルＺＺを導入する。さらに既知のＺＺベクトルとＲＲ０ベクトルを用いて、次式の単位ベクトルＳＳを定義する。
【００３５】
【数５】
このＳＳは目標中心の単位方向ベクトルＲＲ０に直交する平面上にある単位ベクトルであり、かつ天頂方向のベクトルに直交する。また次式で単位ベクトルＴＴを定義する。
【００３７】
【数６】
ＴＴは目標中心の単位方向ベクトルＲＲ０に直交する平面上にある単位ベクトルで式(６)で定義した単位ベクトルＳＳと直交する。クロスレンジ軸ベクトルＬＬは、目標中心の単位方向ベクトルＲＲ０に直交する平面上にあるベクトルであり式(６)(７)の二つの単位ベクトルＳＳ，ＴＴ及び、未知数ｓ，ｔを用いて次式で表せる。
【００３９】
【数７】
式(８)のｓ，ｔが分かればクロスレンジ軸ベクトルＬＬが定まる。さて、ｓとｔは次式の関係にある。
【００４１】
【数８】
ただし、Ａ、Ｂ、Ｃは次式で与えられる。
【００４３】
【数９】
Ａ，Ｂ，Ｃは既知である。式(９)(１０)はクロスレンジ軸ベクトルの始点をｓ−ｔ平面の座標の原点に配置した場合の終点が、図２の(ｃ)に示されるＡｓ＋Ｂｔ＋Ｃ＝０上に存在することを示している。つまり式(９)(１０)まで考えるに及んで、ＬＬが一次元の未知数で表せることになった。クロスレンジ軸制約手段３では式(９)(１０)でクロスレンジベクトルの変動範囲を一次元のパラメータ変動にまで限定する。
【００４５】
さらにレンジ軸ベクトルに直交する平面内で、ＳＳベクトルから測った角度θを次式で与える。
【００４６】
【数１０】
次に候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段４の動作について説明する。式(９)(１０)でクロスレンジ軸ベクトルの未知数の次元を１にした。ここではクロスレンジ軸制約手段３で得られた制約条件、ドップラー幅算出手段２のドップラー幅ΔＷ及び後述するクロスレンジ長特性算出手段５で得られた各候補目標のクロスレンジ長の角度特性Ｄ(θ)から、クロスレンジ軸ベクトルを決定する。
【００４８】
目標形状データ蓄積手段５１２では目標の三次元形状データを蓄積している。この三次元形状データは例えばポリゴンで構成されており、ポリゴンの頂点の座標の位置ベクトルはＲＲ０ｎ(ｎ＝１，２，...，Ｎ)で与えられている。これを、追尾により定まる目標の進行方向ベクトルと目標上の主軸ベクトルが一致するように配置する。この時の点の位置ベクトルをＲＲｎする。
【００４９】
レンジ軸に直交する平面でベクトルＳＳから測定した角度をθとする。各θに対するクロスレンジ軸ベクトルＬＬ０(θ)を次式で与える。
【００５０】
【数１１】
各θごとに次式でクロスレンジ長Ｄ(θ)を得る。
【００５２】
【数１２】
ここでｍａｘは最大値を、ｍｉｎは最小値を得るオペレータである。ｓとθの関係が式(１１)で与えられることから、Ｄ(θ)はｓの関数Ｄ(ｓ)とみなせる。また、クロスレンジ軸ベクトルのユークリッドノルム||ＬＬ(ｓ)||は次式で与えられる。
【００５４】
【数１３】
||ＬＬ||を図３の(ａ)に示す。直線Ａｓ＋Ｂｔ＋Ｃ＝０が原点に最も近づく時のｓの||ＬＬ(ｓ)||が最小値になる。またＤを図３の(ｂ)に示す。さて、各ｓにおける各候補目標のドップラー幅Ｃ(ｓ)は目標のクロスレンジ軸ベクトルのユークリッドノルム||ＬＬ(ｓ)||とクロスレンジ幅Ｄ(ｓ)の積で次式で与えられる。
【００５６】
【数１４】
このドップラーＣ(ｓ)が先にドップラー幅算出手段２で得られた観測目標のドップラー幅ΔＷと一致するときのｓが各候補目標ごとのｓの候補値と考えられる。Ｃ(ｓ)とΔＷのある一般的な関係は図３の(ｃ)で与えられる。この両方の線の交点に対応するｓが候補値である。よって評価指標Ｆ(ｓ)を次式で定義し、この値を極小とするｓを各候補目標ごとのｓの候補値とする(図３の(ｄ)参照)。
【００５８】
ｓが定まれば式(９)よりｔが定まり、これらｓ，ｔを式(８)に代入することでクロスレンジ軸ベクトルＬＬが定まる。候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段４では各候補目標の各ｓの候補値ごとに以上の処理を行う。
【００５９】
投影面決定手段６では、すでに定まっている各候補目標、各ｓの候補値ごとのクロスレンジ軸ベクトルＬＬとレンジ軸ベクトルで投影面を与える。
【００６０】
ＲＣＳ算出手段５１０では、従来の発明と同様に目標形状データ蓄積手段５１２から目標形状データを読み込み、目標追尾手段５０７の出力結果である目標追尾結果をもとに目標アスペクト角推定手段５０９で算出したアスペクト角を用いて、各候補目標の３次元ＲＣＳ分布を得る。
【００６１】
候補目標辞書画像生成手段７では、各候補目標、各ｓの候補値ごとに、前述した投影面にＲＣＳ分布を投影して認識識別用辞書画像を生成する。これをレーダ画像表示手段５０６ではレーダ画像再生手段５０５で得られたレーダ画像とともに表示する、もしくはパターンマッチング処理して、これをオペレータ５１３に表示する。
なお、図２の(ｄ)には候補目標形状の平面投影の図が示されている。
【００６２】
以上の処理を経ることにより、追尾により推定不可能な動揺運動を行う目標についてもパターンマッチング用辞書を作成することができる。
【００６３】
実施の形態２．
図４はこの発明の別の実施の形態によるレーダ装置の構成を示す図である。図において、２１はシルエット分布算出手段、２２はシルエット画像生成手段である。その他のブロックが図１と同一である。本実施の形態では、目標のＲＣＳ分布を用いるかわりに、目標形状データに蓄積された目標形状データを、構造を定義する各点上に均一なＲＣＳ値、もしくは、なんらかの確率密度で与えられたＲＣＳ値が存在するものとして、これを投影面決定手段６で得られた投影面にシルエット画像生成手段２２で投影する。
【００６４】
すなわち、シルエット分布算出手段２１では予め格納された各候補目標の形状データから各候補目標の三次元形状自体の分布を求める、シルエット画像生成手段２２ではこのシルエット分布を決定された投影面に投影する。そしてこれをレーダ画像表示手段５０６でレーダ画像とともに表示する。
【００６５】
以上の処理を経ることにより、実施の形態１の効果に加えて、ＲＣＳ計算の負荷を低減して、比較的高品位な辞書画像を生成できる。
【００６６】
実施の形態３．
図５はこの発明のさらに別の実施の形態によるレーダ装置の構成を示す図である。図において、３１は低高度クロスレンジ軸制約手段、３２は低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段である。これ以外のブロックは図１と同様である。
【００６７】
次に図５を用いて本実施の形態の処理内容を説明する。本実施の形態では、レーダと目標がほぼ同じ高度に存在する場合(低エレベーション角からの観測)を対象とする。この場合に、式(９)の制約条件は次式で表される。
【００６８】
【数１５】
さらに、次式の条件を考慮する
【００７０】
【数１６】
この条件を用いて式(１７)を次式に変形する。
【００７２】
【数１７】
つまり、ｓについての制約条件として、上式のｓ０を与える。以上の処理を低高度クロスレンジ軸制約手段３１で実行する。
【００７４】
低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段３２では、低高度クロスレンジ軸制約手段３１の出力である式(１９)の条件を用いて、クロスレンジ軸ベクトルＬＬのユークリッドノルム||ＬＬ||を次式で与える。
【００７５】
【数１８】
以下各候補目標ごとにドップラー幅算出手段２の出力である観測目標のドップラー幅ΔＷとクロスレンジ長特性算出手段の出力である候補目標のクロスレンジ長特性Ｄ(ｔ)から式(１６)の評価指標(ただし、この場合は変数はｔ)を定義する。この値を極小とするｔを検索して、その時のｔと式(１９)のｓを式(８)に代入してクロスレンジ軸ベクトルＬＬを得る。この処理を低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段３２で行う。以下の処理は実施の形態１と同一である。
【００７７】
上記のような処理を行うことで、実施の形態１の効果に加えて、実施の形態１では適用不可能な観測エレベーション角が小さい場合に、目標識別用辞書を生成できる効果がある。
【００７８】
実施の形態４．
図６はこの発明のさらに別の実施の形態によるレーダ装置の構成を示す図である。図において、４１は高度切換クロスレンジ軸制約手段である。４２は高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段である。その他は図１と同一である。
【００７９】
図７は高度切換クロスレンジ軸制約手段４１の構成を示す図である。図で、４３は処理切換器である。クロスレンジ軸制約手段３は図１、低高度クロスレンジ軸制約手段３１は図５のものと同一である。また図８は高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段４２の構成を示す図である。候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段４は図１、低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段３２は図５、処理切換器４３は図７のものとそれぞれ同一である。
【００８０】
次にこれらの図を用いて本実施の形態の処理内容を説明する。本実施の形態では、レーダの高度が高い場合言い換えると観測エレベーション角が大きい場合と、レーダの高度が低い場合言い換えると観測エレベーション角が小さい場合のいずれの場合でも目標識別用辞書を生成することを目標とする。
【００８１】
高度切換クロスレンジ軸制約手段４１、高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段４２のいずれにおいても、内部の処理切換器４３で、観測エレベーション角の大きい場合と小さい場合の処理を切換る。内部の処理切換器は、目標アスペクト角推定手段の出力である観測エレベーション角を使用している。
【００８２】
上記の処理を行うことで、実施の形態１、実施の形態４の効果を得られるだけでなく、両者の欠点を補いつつ利点を利用できるので、適用範囲が広がる効果がある。
【００８３】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、パルス圧縮によりレンジ方向の分解能を向上させ、さらに目標の回転あるいは移動により生じるドップラー効果を利用してクロスレンジ方向の分解能を向上させることにより目標の画像を得ることを特徴とするレーダ装置としたので、ロール、ピッチ、ヨー、またはそれらの複合の回転運動を行う目標に対しても対応が可能となる。
【００８４】
また、受信信号から目標のレーダ画像を再生するレーダ画像再生手段と、受信信号から目標を追尾する目標追尾手段と、レーダ画像上の目標の軸の傾きを推定する主軸傾斜抽出手段と、レーダ画像上の目標のドップラー幅を推定するドップラー幅算出手段と、追尾結果より得られる目標とレーダの位置関係と、レーダ画像上の目標の軸の傾きから、レーダ画像のクロスレンジを決定するクロスレンジ軸ベクトルに制約を加えるクロスレンジ軸制約手段と、予め格納された各候補目標の形状データから、各候補目標のクロスレンジ方向の実寸法のクロスレンジ長特性を得るクロスレンジ長特性算出手段と、目標およびレーダ装置の位置および目標の進行方向から目標のアスペクト角を推定する目標アスペクト角推定手段と、上記レーダ画像上の目標のドップラー幅と、クロスレンジ軸に関する制約条件と、候補目標のクロスレンジ長特性から、各候補目標ごとにクロスレンジ軸ベクトルひいてはレーダ画像の投影面を決定する候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と、上記格納された各候補目標の形状データと、目標アスペクト角推定手段で得られた目標のアスペクト角から候補目標の三次元レーダ反射断面積分布を算出するＲＣＳ算出手段と、ＲＣＳ分布と投影面から候補目標ごとの識別用辞書画像を生成する候補目標辞書画像生成手段と、上記辞書画像を上記レーダ画像再生手段で得られたレーダ画像と共に表示するレーダ画像表示手段と、を備えた上記レーダ装置としたので、追尾により推定不可能な動揺運動を行う目標についてもパターンマッチング用辞書を作成することができる。
【００８５】
また、受信信号から目標のレーダ画像を再生するレーダ画像再生手段と、受信信号から目標を追尾する目標追尾手段と、レーダ画像上の目標の軸の傾きを推定する主軸傾斜抽出手段と、レーダ画像上の目標のドップラー幅を推定するドップラー幅算出手段と、追尾結果より得られる目標とレーダの位置関係と、レーダ画像上の目標の軸の傾きから、レーダ画像のクロスレンジを決定するクロスレンジ軸ベクトルに制約を加えるクロスレンジ軸制約手段と、予め格納された各候補目標の形状データから、各候補目標のクロスレンジ方向の実寸法のクロスレンジ長特性を得るクロスレンジ長特性算出手段と、上記レーダ画像上の目標のドップラー幅と、クロスレンジ軸に関する制約条件と、候補目標のクロスレンジ長特性から、各候補目標ごとにクロスレンジ軸ベクトルひいてはレーダ画像の投影面を決定する候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と、上記予め格納された各候補目標の形状データから各候補目標の三次元形状自体の分布を求めるシルエット分布算出手段と、このシルエット分布を決定された投影面に投影するシルエット画像生成手段と、このシルエット画像を上記レーダ画像再生手段で得られたレーダ画像と共に表示するレーダ画像表示手段と、を備えた上記レーダ装置としたので、さらにＲＣＳ計算の負荷を低減して、かつ比較的高品位な辞書画像を生成できる。
【００８６】
また、上記クロスレンジ軸制約手段が、目標を低エレベーション角から観測する場合のクロスレンジ軸ベクトルの制約条件を与える低高度クロスレンジ軸制約手段からなり、上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、同じく目標を低エレベーション角から観測する場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸ベクトルを決定する低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段からなることを特徴とする２番目に記載のレーダ装置としたので、２番目のレーダ装置では適用不可能な観測エレベーション角が小さい場合に、目標識別用辞書を生成できる。
【００８７】
また、上記クロスレンジ軸制約手段または低高度クロスレンジ軸制約手段が、観測エレベーション角の大小でクロスレンジ軸の制約条件の算出方法を切換える高度切換クロスレンジ軸制約手段からなり、上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段または低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、観測エレベーション角の大小で各候補目標のクロスレンジ軸ベクトルの算出方法を切換える高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段からなる上記レーダ装置としたので、上記２番目と４番目のレーダ装置の効果を得られるだけでなく、両者の欠点を補いつつ利点を利用できるので、適用範囲が広がる。
【００８８】
また、上記高度切換クロスレンジ軸制約手段が、エレベーション角が大きい場合にクロスレンジ軸の制約条件を決定する上記クロスレンジ軸制約手段、エレベーション角が小さい場合にクロスレンジ軸の制約条件を決定する上記低高度クロスレンジ軸制約手段、目標アスペクト角推定手段の出力結果である観測エレベーション角を読み込みその値の大小で上記クロスレンジ軸制約手段と低高度クロスレンジ軸制約手段の処理の切換指示を出す処理切換器、を含むレーダ装置としたので、上記２番目と４番目のレーダ装置の効果を得られるだけでなく、両者の欠点を補いつつ利点を利用できるので、適用範囲が広がる。
【００８９】
また、上記高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、エレベーション角が大きい場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸を決定する上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、エレベーション角が小さい場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸を決定する上記低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、目標アスペクト角推定手段の出力結果である観測エレベーション角を読み込みその値の大小で上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段の処理を切換える処理切換器、を含むレーダ装置としたので、上記２番目と４番目のレーダ装置の効果を得られるだけでなく、両者の欠点を補いつつ利点を利用できるので、適用範囲が広がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成を示す図である。
【図２】 実施の形態１の処理内容を説明するための図である。
【図３】 実施の形態１の処理内容を説明するための図である。
【図４】 この発明の実施の形態２によるレーダ装置の構成を示す図である。
【図５】 この発明の実施の形態３によるレーダ装置の構成を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態４によるレーダ装置の構成を示す図である。
【図７】 図６の高度切換クロスレンジ軸制約手段４１の構成を示す図である。
【図８】 図６の高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段４２の構成を示す図である。
【図９】 従来のレーダ装置の構成を示す図である。
【図１０】 観測時の目標とレーダとの位置関係および目標の運動を示す図である。
【図１１】 図９で示したレーダ画像再生手段の内部を詳細に示した図である。
【図１２】 図９で示したレーダ画像表示手段の内部を詳細に示した図である。
【符号の説明】
１ 主軸傾斜抽出手段、２ ドップラー幅算出手段、３ クロスレンジ軸制約手段、４ 候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、５ クロスレンジ長特性算出手段、６ 投影面決定手段、７ 候補目標辞書画像生成手段、２１ シルエット分布算出手段、２２ シルエット画像生成手段、３１ 低高度クロスレンジ軸制約手段、３２ 低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、４１ 高度切換クロスレンジ軸制約手段、４２ 高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、４３は処理切換器、５０１ 送信機、５０２ 送受切換器、５０３送受信アンテナ、５０４ 受信機、５０５ レーダ画像再生手段、５０６ レーダ画像表示手段、５０７ 目標追尾手段、５０９ 目標アスペクト角推定手段、５１０ ＲＣＳ算出手段、５１２ 目標形状データ蓄積手段、５１３ オペレータ。
Claims (6)
- パルス圧縮によりレンジ方向の分解能を向上させ、さらに目標の回転あるいは移動により生じるドップラー効果を利用してクロスレンジ方向の分解能を向上させることにより目標の画像を得るレーダ装置であって、
受信信号から目標のレーダ画像を再生するレーダ画像再生手段と、
受信信号から目標を追尾する目標追尾手段と、
レーダ画像上の目標の軸の傾きを推定する主軸傾斜抽出手段と、
レーダ画像上の目標のドップラー幅を推定するドップラー幅算出手段と、
追尾結果より得られる目標とレーダの位置関係と、レーダ画像上の目標の軸の傾きから、レーダ画像のクロスレンジを決定するクロスレンジ軸ベクトルに制約を加えるクロスレンジ軸制約手段と、
予め格納された各候補目標の形状データから、各候補目標のクロスレンジ方向の実寸法のクロスレンジ長特性を得るクロスレンジ長特性算出手段と、
目標およびレーダ装置の位置および目標の進行方向から目標のアスペクト角を推定する目標アスペクト角推定手段と、
上記レーダ画像上の目標のドップラー幅と、クロスレンジ軸に関する制約条件と、候補目標のクロスレンジ長特性から、各候補目標ごとにクロスレンジ軸ベクトルひいてはレーダ画像の投影面を決定する候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と、
上記格納された各候補目標の形状データと、目標アスペクト角推定手段で得られた目標のアスペクト角から候補目標の三次元レーダ反射断面積分布を算出するＲＣＳ算出手段と、
ＲＣＳ分布と投影面から候補目標ごとの識別用辞書画像を生成する候補目標辞書画像生成手段と、
上記辞書画像を上記レーダ画像再生手段で得られたレーダ画像と共に表示するレーダ画像表示手段と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。 - パルス圧縮によりレンジ方向の分解能を向上させ、さらに目標の回転あるいは移動により生じるドップラー効果を利用してクロスレンジ方向の分解能を向上させることにより目標の画像を得るレーダ装置であって、
受信信号から目標のレーダ画像を再生するレーダ画像再生手段と、
受信信号から目標を追尾する目標追尾手段と、
レーダ画像上の目標の軸の傾きを推定する主軸傾斜抽出手段と、
レーダ画像上の目標のドップラー幅を推定するドップラー幅算出手段と、
追尾結果より得られる目標とレーダの位置関係と、レーダ画像上の目標の軸の傾きから、レーダ画像のクロスレンジを決定するクロスレンジ軸ベクトルに制約を加えるクロスレンジ軸制約手段と、
予め格納された各候補目標の形状データから、各候補目標のクロスレンジ方向の実寸法のクロスレンジ長特性を得るクロスレンジ長特性算出手段と、
上記レーダ画像上の目標のドップラー幅と、クロスレンジ軸に関する制約条件と、候補目標のクロスレンジ長特性から、各候補目標ごとにクロスレンジ軸ベクトルひいてはレーダ画像の投影面を決定する候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と、
上記予め格納された各候補目標の形状データから各候補目標の三次元形状自体の分布を求めるシルエット分布算出手段と、
このシルエット分布を決定された投影面に投影するシルエット画像生成手段と、
このシルエット画像を上記レーダ画像再生手段で得られたレーダ画像と共に表示するレーダ画像表示手段と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。 - 上記クロスレンジ軸制約手段が、目標を低エレベーション角から観測する場合のクロスレンジ軸ベクトルの制約条件を与える低高度クロスレンジ軸制約手段からなり、
上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、同じく目標を低エレベーション角から観測する場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸ベクトルを決定する低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段からなることを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。 - 上記クロスレンジ軸制約手段または低高度クロスレンジ軸制約手段が、観測エレベーション角の大小でクロスレンジ軸の制約条件の算出方法を切換える高度切換クロスレンジ軸制約手段からなり、
上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段または低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、観測エレベーション角の大小で各候補目標のクロスレンジ軸ベクトルの算出方法を切換える高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーダ装置。 - 上記高度切換クロスレンジ軸制約手段が、エレベーション角が大きい場合にクロスレンジ軸の制約条件を決定する上記クロスレンジ軸制約手段、エレベーション角が小さい場合にクロスレンジ軸の制約条件を決定する上記低高度クロスレンジ軸制約手段、目標アスペクト角推定手段の出力結果である観測エレベーション角を読み込みその値の大小で上記クロスレンジ軸制約手段と低高度クロスレンジ軸制約手段の処理の切換指示を出す処理切換器、を含むことを特徴とする請求項４に記載のレーダ装置。
- 上記高度切換候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段が、エレベーション角が大きい場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸を決定する上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、エレベーション角が小さい場合に各候補目標ごとのクロスレンジ軸を決定する上記低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段、目標アスペクト角推定手段の出力結果である観測エレベーション角を読み込みその値の大小で上記候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段と低高度候補目標クロスレンジ軸ベクトル算出手段の処理を切換える処理切換器、を含むことを特徴とする請求項４または５に記載のレーダ装置。
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