JP4886502B2 - スキャンコンバータ、レーダ装置、及びスキャンコンバート方法 - Google Patents

Description

この発明は、レーダ装置において使用されるスキャンコンバータに関し、特にレーダビデオをＣＲＴ等のラスタスキャン方式のディスプレイに表示する際に用いられるスキャンコンバータ、レーダ装置、及びスキャンコンバート方法に関する。

従来のレーダ装置におけるスキャンコンバート方式では、方位θと距離ｒとで示される極座標を直交座標に変換することで、ディスプレイ上のピクセル座標（ｘ，ｙ）を求めていた。そして、この座標変換に並行してエコーデータの計算を行い、計算されたエコーデータをスキャンコンバータで求まったピクセル座標（ｘ，ｙ）をアドレスとしてフレームバッファに書き込むことで、ディスプレイに出力させていた。

ところが、従来のスキャンコンバート方式では極座標から直交座標に変換する際にｓｉｎ、ｃｏｓ等の三角関数の計算結果を用いるため計算時間がかかったり、距離解像度、方位解像度、計算誤差、丸め誤差などにより変換されない点（ｘ，ｙ）が生じたりする場合がある。この点にはエコーデータが書き込まれることがなく、完全にエコーデータが欠落してしまう。この現象はＰＰＩ（Plan Position Indicator）の半径が大きくなると顕著に見られるようになるため、高解像度の大画面ディスプレイを使用する場合には特に問題となる。

そこで、従来技術として欠落したデータをソフトウェアで補間したり、ハードウェアで水平方向、垂直方向に拡大して補正をする手法が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。しかし、いずれもスキャンコンバート後の補正であり、必ずしも元のビデオデータを忠実に再現しているとは言えなかった。
特開平７−９２２５４号公報

上述したように、従来のスキャンコンバート方式では極座標から直交座標に変換する際に三角関数を用いるため計算に時間がかかったり、距離解像度、方位解像度、計算誤差、丸め誤差などにより変換されない点（ｘ，ｙ）が生じたりする場合がある。このような点にはエコーデータが書き込まれることがなく、エコーデータが欠落してしまうという問題があった。特に、この現象はＰＰＩの半径が大きくなるほど顕著に見られるようになるため、高解像度の大画面ディスプレイを使用する場合には重大な問題である。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、レーダエコー等のデータを欠落なく高速かつ忠実に再現することが可能なスキャンコンバータ、レーダ装置、及びスキャンコンバート方法を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明に係るスキャンコンバータは、複数の方位に受信ビームを形成して、それぞれの方位の受信エコーから距離に対する信号強度を測定するレーダ装置に用いられ、前記複数の方位それぞれの距離に対する信号強度情報を表示スコープの画面に表示するためのラスタビデオに変換するスキャンコンバータであって、前記表示スコープの表示画面に表示され、前記複数の方位それぞれに対応する線分の始点座標及び終点座標を記憶する記憶手段と、前記複数の方位それぞれの測定結果が入力され、前記測定結果を入力する毎にその被測定方位に対応する線分の始点座標及び終点座標を前記記憶手段から読み出し、前記測定結果が示す距離を前記線分上の座標点に換算して、前記距離に対応する信号強度情報を換算された座標点に描画することで前記ラスタビデオに変換する変換手段とを具備することを特徴とする。

また、この発明に係るレーダ装置は、複数の方位に受信ビームを形成して、それぞれの方位の受信エコーから距離に対する信号強度を測定し、複数の方位それぞれの距離に対する信号強度情報を表示スコープの画面に表示するレーダ装置であって、前記表示スコープの表示画面に表示され、前記複数の方位それぞれに対応する線分の始点座標及び終点座標を記憶しておき、前記複数の方位それぞれの測定結果を入力する毎にその被測定方位に対応する線分の始点座標及び終点座標を読み出し、前記測定結果が示す距離を前記線分上の座標点に換算して、前記距離に対応する信号強度情報を換算された座標点に描画することでラスタビデオに変換するスキャンコンバータを備え、前記スキャンコンバータによって得られたラスタビデオを前記表示スコープに画面表示することを特徴とする。

この発明に係るスキャンコンバート方法は、複数の方位に受信ビームを形成して、それぞれの方位の受信エコーから距離に対する信号強度を測定するレーダ装置に用いられ、前記複数の方位それぞれの距離に対する信号強度情報を表示スコープの画面に表示するためのラスタビデオに変換するスキャンコンバート方法であって、前記表示スコープの表示画面に表示され、前記複数の方位それぞれに対応する線分の始点座標及び終点座標を記憶し、前記複数の方位それぞれの測定結果について、それぞれの方位に対応する線分の始点座標及び終点座標を読み出し、前記測定結果が示す距離を前記線分上の座標点に換算して、前記距離に対応する信号強度情報を換算された座標点に描画することで前記ラスタビデオに変換することを特徴とする。

上記構成によるスキャンコンバータ、レーダ装置、及びスキャンコンバート方法では、複数の方位それぞれに対応する線分の始点及び終点座標を記憶しておき、レーダビデオとして各方位それぞれの測定結果が入力される毎に、各方位に対応する線分の始点及び終点座標を読み出して、この始点及び終点座標を結ぶ線分を計算する。そして、上記測定された距離を線分の座標点に換算して信号強度をそれぞれの距離に対応する座標点に描画することでラスタビデオに変換する。このように構成することで三角関数の計算が不要になるため、単純な回路構成で高速動作を可能にし、エコーデータの欠落を起こさずより忠実な表示を高速に行うことが可能となる。

したがってこの発明によれば、レーダエコー等のデータを欠落なく高速かつ忠実に再現することが可能なスキャンコンバータ、レーダ装置、及びスキャンコンバート方法を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、この発明に係るレーダ装置の一実施形態を示す構成図である。このレーダ装置は、スキャンコンバータ１０と、送信機１１と、アンテナ１２と、受信機１３と、信号処理装置１４と、画面出力装置１５と、ＣＰＵ１６と、表示装置１７とを備える。

送信機１１において生成されたパルス波形データは送信周波数までアップコンバートされ、電力増幅されたのち、レーダパルスとしてアンテナ１２から空中に送出される。アンテナ１２から送出されたレーダパルスはターゲットにより反射され、アンテナ１２が形成する受信ビームでレーダエコーとして捕捉され、受信機１３により増幅されて検出される。レーダ装置は、アンテナ１２を所定速度で回転させて複数の方位に対して上記送受信処理を実行する。

信号処理装置１４は、受信機１３から供給される各方位の受信エコーに対してフィルタ処理等を行い、雑音やクラッタ等の不要成分を取り除き、エコーの反射強度などを算出する。上記算出されたデータはレーダビデオとしてスキャンコンバータ１０に入力され、スキャンコンバータ１０は、ＣＲＴ等のラスタスキャンディスプレイに出力できるようにレーダビデオをラスタビデオに変換する。画面出力装置１５は、ＣＰＵ１６の制御の下、スキャンコンバートされたレーダ画像に加えて地図やシンボル等を重畳し、表示装置１７へ出力する。図２は、表示装置１７がＰＰＩスコープで構成される場合の画面表示例である。ＰＰＩスコープでは、表示の原点をアンテナ位置とし、ビームの回転方位方向に同期させて放射状に掃引を行い、原点から外周への長さは距離を表す。

図３は、図１に示したスキャンコンバータ１０の一実施形態を示す機能ブロック図である。
スキャンコンバータ１０は、入力ビデオバッファ１と、始点終点メモリ２と、ＣＰＵ３と、座標計算部４と、信号強度最大値検出部５と、フレームバッファ６とを備える。スキャンコンバータ１０は、ＰＰＩスコープの中心点から放射状に長さｒの線分を描画し、直線状の各ピクセルにエコーデータを割り当てることによりスキャンコンバートを行う。

入力ビデオバッファ１には、信号処理装置１４から供給される複数の方位それぞれの距離に対する信号強度情報が保持される。始点終点メモリ２には、ＣＰＵ３により計算される各方位に対応する線分の始点及び終点座標が格納される。座標変換部４は、指定された方位に対応する始点及び終点座標を始点終点メモリ２から読み出し、読み出された始点及び終点座標を結んだ線分を表す座標配列を計算する。線分の計算には、例えばブレゼンハムの線分描画アルゴリズムを利用する。このアルゴリズムは、加算と減算のみで任意の２点間の線分を描画することが可能であるため、計算処理をより高速に行うことができる。

信号強度最大値検出部５は、座標変換部４で求められた線分上の各ピクセルに対応する信号強度うち最大値を検出する。フレームバッファ６では、座標変換部４で計算された線上の各ピクセルに信号強度最大検出部５により検出された信号強度の最大値に基づいた色データを書き込むことでＰＰＩスキャン（極座標系）からラスタスキャン（直交座標系）へのスキャンコンバートを行う。

次に、このように構成されたスキャンコンバータ１０の動作について説明する。
図３において、スキャンコンバータ１０は、信号処理装置１４からθ（方位）とｒ（距離）とＩ（信号強度）を受け取り、θとｒの値をアドレスとしてデュアルポートメモリである入力ビデオバッファ１に信号強度Ｉを書き込む。始点終点メモリ２にはビームの各方位θに対応する始点（ｘｓ，ｙｓ）と終点（ｘｅ，ｙｅ）とがそれぞれ格納されている。通常、初期値が格納されているが、ＰＰＩスコープの中心点の平行移動や拡大・縮小を行う際には、ＣＰＵ３により全始点終点の座標を計算し更新する。ＰＰＩスキャンの場合、始点（ｘｓ，ｙｓ）はすべて中心点の座標（ｘ０，ｙ０）となり、終点（ｘｅ，ｙｅ）はそれぞれｒ×ｓｉｎθ＋ｘ０、ｒ×ｃｏｓθ＋ｙ０の値をＣＰＵ３で計算し整数に丸めた値となる。

座標計算部４は、入力ビデオバッファ１に保持された方位θの値に対応する始点及び終点座標を終点メモリ２から読み出し、始点（ｘｓ，ｙｓ）と終点（ｘｅ，ｙｅ）との間を結んだ線分を表す座標配列（ｘ１，ｙ１）〜（ｘｉ，ｙｉ）（ｉは自然数）を計算する。この計算には、ブレゼンハムの線分描画アルゴリズムを適用する。ブレゼンハムのアルゴリズムは線分の始点と終点の座標のみを必要とし、加減算とシフト演算で線分上の点の座標を求めることができ、乗除算が不要なためハードウェア化に適している。

信号強度最大値検出部５には、入力ビデオバッファ１から方位θに対応する測定結果（信号強度Ｉと距離ｒの組）が供給される。信号強度最大値検出部５は、各距離ｒを座標計算部４により求められた線分上の座標点に換算し、この座標点に該当する信号強度Ｉの中から最大値Ｉｍａｘをそれぞれ検出する。線分上のピクセルの座標（ｘ１，ｙ１）〜（ｘｉ，ｙｉ）をアドレスとし、信号強度最大値検出部５より得られたピクセルの色データＩｍａｘ１〜ｉをフレームバッファ６に書き込むことでＰＰＩスキャン（極座標系）からラスタスキャン（直交座標系）へのスキャンコンバートを行う。

また、このスキャンコンバータ１０では、始点終点メモリ２に格納される終点数が少ない場合にはデータの欠落が生じるため、適当な終点を補うことでデータ欠落の無いスキャンコンバートを行うようにしている。
図４乃至図６は、終点数の決め方を説明する図である。図４に半径Ｒの円の一部を示す。図５は、図４に示した破線部分を拡大表示した図である。また、図６には図５において塗りつぶされているピクセルを上辺及び右辺にそれぞれ寄せた様子を示す。

図４より図６に示す長方形の縦の長さはＲ−Ｒ・ｃｏｓ４５°、横の長さはＲ・ｓｉｎ４５°になるので塗りつぶされたピクセルの数は、Ｒ−Ｒ・ｃｏｓ４５°＋Ｒ・ｓｉｎ４５°−１となる。ｃｏｓ４５°＝ｓｉｎ４５°なので、図５のピクセル数は、Ｒ−１個となる。図５は、円全体の８分の１に相当するので、本アルゴリズムで描く円周は、８×（Ｒ−１）＝８Ｒ−８ピクセルとなるので、少なくとも８Ｒ個の終点を予め用意しておけば欠けのない円を描くことができる。

なお、スコープの表示領域のＸ方向とＹ方向とで画素数が異なる場合には、終点数Ｎが表示領域Ｘｍ×Ｙｍに対して、少なくともN≧４ＸｍかつＮ≧４Ｙｍであれば、ＰＰＩスキャン上のすべての点をラスタスキャンに変換することができるため、データの欠落は生じない。一方、Ｎ≧４ＸｍかつＮ≧４Ｙｍを満たさない場合は表示領域の大きさに対して線分の本数が少ないため、データの欠落が生じてしまう。これを解決するためには終点の追加が必要になる。すべての終点の各ピクセルが上下左右のうち２辺で別の終点と隣接するようにＣＰＵ３で終点座標を計算し、始点終点メモリ２に追加する。このように表示領域のサイズと終点数からデータの欠落が生じるかどうか容易に判定できることも本発明の特徴である。
さらに、上記手法でθ＝nとθ＝n＋１のビームで挟まれた領域に追加された終点はθ＝nの場合の信号強度を使用するが、より忠実に再現するためにθ＝ｎとθ＝ｎ＋１の信号強度に重みをつけて新たなビームの信号強度として扱っても良い。

また、従来手法では１ビームをラスタスキャンに変換するには距離ｒ方向の解像度Ｍ回の座標変換が必要であった。本発明手法ではピクセルに着目しているので最大でもＸｍ／２（もしくはＹｍ／２）回（表示領域の半径のピクセル数分）の処理で済むが、方位（終点）によって線分のピクセル数が異なるという問題が存在する。ピクセル数が最小の場合は方位４５度の場合などでＸ／(２√２)回となる。これは最大の場合の１／√２倍にあたる。信号処理装置１４から入力される１ビームの信号強度の数Ｍは一定であるが、線分のピクセル数は方位（終点）により変化をするため最大値検出をする際に比較をする信号強度の数が変動してしまう。

これを解決するために最大値検出部５では線分のピクセル数を把握し、最大値検出の際に比較する信号強度の個数を変更できるようにする。１ビームにおける信号強度の数ＭがＸｍ／２（もしくはＹｍ／２）に満たない場合は距離方向でデータが欠落する可能性があるので、表示領域Ｘ×Ｙを狭くするか、ピクセルデータの補間を行う。

従来の手法では、入力ビデオバッファ１から読み出した（ｒ，θ）をもとに三角関数を用いて座標変換を行い、変換された座標点に信号強度Ｉを書き込むことでスキャンコンバートを行っていた。直交座標（ｘ，ｙ）はｘ＝ｒ×ｓｉｎθ＋ｘ０、ｙ＝ｒ×ｃｏｓθ＋ｙ０を計算して求める。ここでｘ０、ｙ０はそれぞれＰＰＩスコープの中心点Ｏのｘ座標とｙ座標である。座標変換に必要な三角関数ｓｉｎθ、ｃｏｓθを求める手段としてはハードウェアで計算、テーブルを使用、ソフトウェアで計算など様々な手段が存在する。この従来の方法では（ｘ，ｙ）は小数で得られるのに対し、実際に表示を行うディスプレイ上のピクセルの位置は整数値であるため、整数に丸める必要がある。図７に示すように、この丸め誤差により如何なる（ｒ，θ）の組み合わせからも変換されない点（ｘ，ｙ）が存在し、その点のエコーデータが欠落してしまう。特にＰＰＩスコープの外周部ではビーム間の間隔が空いてしまいデータの欠落が生じてしまう。

これに対し、本発明では三角関数を必要としないスキャンコンバートの手法を提案する。これにより単純な回路構成で高速動作を可能にし、エコーデータの欠落を起こさずより忠実な表示を高速に行うことが可能になる。極座標系から直交座標系への座標変換にはブレゼンハムの線分描画アルゴリズムを適用する。ブレゼンハムの線分描画アルゴリズムは線分の始点と終点の座標のみを必要とし、加減算のみで線分上の点の座標を求めることができ、乗除算が不要なためハードウェア化に適している。

以上述べたように上記実施形態では、始点終点メモリ２に各方位それぞれに対応する線分の始点及び終点座標を予め記憶しておく。レーダビデオとして各方位それぞれの測定結果（距離及び信号強度）が入力バッファ１に入力される毎に、座標計算部４は各方位に対応する線分の始点及び終点座標を始点終点メモリ２から読み出し、読み出された始点及び終点座標を結ぶ線分を表す座標配列を計算する。そして、上記測定された距離を線分を表す座標配列の座標点に換算して信号強度をそれぞれの距離に対応する座標点のフレームバッファ６に描画することでラスタビデオに変換する。

したがって、上記実施形態によれば、レーダエコー等のデータの欠落の無いスキャンコンバートを高速に行うことが可能となる。特に、この発明は、大画面ディスプレイに表示する場合など、解像度が高くフレームバッファの書き換えに長時間を要する場合により効果を奏する。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではＰＰＩスコープに表示する場合を例に挙げたが、図８に示すようなＢスコープ表示を行うことも可能である。本発明の手法ではビームの始点と終点のみに着目してエコーの表示を行うので、始点を表示領域の下辺、終点を表示領域の上辺に設定するだけでＢスコープ表示を行うことが可能である。また、平行移動、拡大・縮小表示の場合でもＣＰＵ３で始点・終点の計算をするだけで、回路としては全く変更を加えることなく実現することができる。

要するに、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明のスキャンコンバータをレーダ装置に適用した構成図。 本発明のスキャンコンバータの一実施形態を示す機能ブロック図。 本発明のスキャンコンバータを利用したＰＰＩスコープの表示例を示す図。 終点数の決め方を説明する図。 終点数の決め方を説明する図。 終点数の決め方を説明する図。 従来手法におけるデータの欠落例を示す図。 本発明のスキャンコンバータによるＢスコープの表示例を示す図。

符号の説明

１０…スキャンコンバータ、１１…送信機、１２…アンテナ、１３…受信機、１４…信号処理装置、１５…画面出力装置、１６…ＣＰＵ、１７…表示装置、１…入力ビデオバッファ、２…始点終点メモリ、３…ＣＰＵ、４…座標計算部、５…信号強度最大値検出部、６…フレームバッファ。

Claims (5)

1. 複数の方位に受信ビームを形成して、それぞれの方位の受信エコーから距離に対する信号強度を測定するレーダ装置に用いられ、前記複数の方位それぞれの距離に対する信号強度情報を表示スコープの画面に表示するためのラスタビデオに変換するスキャンコンバータであって、
   前記表示スコープの表示画面に表示され、前記複数の方位それぞれに対応する線分の始点座標及び終点座標を記憶する記憶手段と、
   前記複数の方位それぞれの測定結果が入力され、前記測定結果を入力する毎にその被測定方位に対応する線分の始点座標及び終点座標を前記記憶手段から読み出し、前記測定結果が示す距離を前記線分上の座標点に換算して、前記距離に対応する信号強度情報を換算された座標点に描画することで前記ラスタビデオに変換する変換手段と
   を具備することを特徴とするスキャンコンバータ。
2. 前記変換手段は、前記記憶手段から読み出された始点座標と終点座標との間の線分を、ブレゼンハムの線分描画アルゴリズムを用いて生成することを特徴とする請求項１記載のスキャンコンバータ。
3. 前記記憶手段に記憶される前記複数の方位それぞれに対応する線分の始点座標及び終点座標を表示形式に合わせて変更するための変更手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載のスキャンコンバータ。
4. 複数の方位に受信ビームを形成して、それぞれの方位の受信エコーから距離に対する信号強度を測定し、複数の方位それぞれの距離に対する信号強度情報を表示スコープの画面に表示するレーダ装置であって、
   前記表示スコープの表示画面に表示され、前記複数の方位それぞれに対応する線分の始点座標及び終点座標を記憶しておき、前記複数の方位それぞれの測定結果を入力する毎にその被測定方位に対応する線分の始点座標及び終点座標を読み出し、前記測定結果が示す距離を前記線分上の座標点に換算して、前記距離に対応する信号強度情報を換算された座標点に描画することでラスタビデオに変換するスキャンコンバータを備え、
   前記スキャンコンバータによって得られたラスタビデオを前記表示スコープに画面表示することを特徴とするレーダ装置。
5. 複数の方位に受信ビームを形成して、それぞれの方位の受信エコーから距離に対する信号強度を測定するレーダ装置に用いられ、前記複数の方位それぞれの距離に対する信号強度情報を表示スコープの画面に表示するためのラスタビデオに変換するスキャンコンバート方法であって、
   前記表示スコープの表示画面に表示され、前記複数の方位それぞれに対応する線分の始点座標及び終点座標を記憶し、
   前記複数の方位それぞれの測定結果について、それぞれの方位に対応する線分の始点座標及び終点座標を読み出し、前記測定結果が示す距離を前記線分上の座標点に換算して、前記距離に対応する信号強度情報を換算された座標点に描画することで前記ラスタビデオに変換することを特徴とするスキャンコンバート方法。

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