JP6043083B2 - 物標運動推定装置、物標運動推定方法、およびレーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波の送受信により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。

以下、この発明を、レーダ装置に適用した場合について説明する。

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、例えば、船舶などとの衝突を予防することを目的とする自動衝突予防援助装置（ＴＴ：Target Tracking（旧呼称ではＡＲＰＡ：Automatic Radar Plotting Aid））（以下、ＴＴという。）が知られている。

このＴＴは、図８に示すように、信号測定部１０１、運動推定部１０２、およびデータ表示部１０３を主体に構成されている。

信号測定部１０１は、図外のレーダ装置からの他船などの物標の観測位置に関するエコー信号、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など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１０２に出力する。

運動推定部１０２は、信号測定部１０１から順次時系列に送られてくるこれらの測定情報に基づいて、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１０３に出力する。

データ表示部１０３は、運動推定部１０２からの推定情報に基づいて、ターゲットである物標の針路や速度の推定値を、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にグラフィックデータを作成して、これをディスプレイに表示する。

ところで、信号測定部１０１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、クラッタや受信機の雑音などが含まれ、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。このような外乱が大きいと、運動推定部１０２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。

したがって、従来技術では、運動推定部１０２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、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。

たとえば、運動推定部１０２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。図９は、位置平滑化定数をα、速度平滑化定数をβ、とする直線予測器として、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。すなわち、ｎ回目のスキャンでの予測位置をＸ_ｐ（ｎ）、観測位置をＸ_ｏ（ｎ）とすると、追尾誤差Ｘ_ｏｐ（ｎ）は、
Ｘ_ｏｐ（ｎ）＝Ｘ_ｏ（ｎ）−Ｘ_ｐ（ｎ）
である。平滑化された位置（推定位置）Ｘ_ｓ（ｎ）と平滑化された速度（推定速度）Ｖ_ｓ（ｎ）は、
Ｘ_ｓ（ｎ）＝Ｘ_ｐ（ｎ）＋α・Ｘ_ｏｐ（ｎ）
Ｖ_ｓ（ｎ）＝Ｖ_ｓ（ｎ−１）＋β・Ｘ_ｏｐ（ｎ）／Ｔ
となる。ここで、Ｔは送信周期である。このことより、（ｎ＋１）回目のスキャンでの予測位置Ｘ_ｐ（ｎ＋１）は、
Ｘ_ｐ（ｎ＋１）＝Ｘ_ｓ（ｎ）＋Ｖ_ｓ（ｎ）・Ｔ
で求められる。α＝０は予測位置を、α＝１は観測位置を推定位置とするわけで、αが小さいほど、平滑処理は強くなることを意味している。実際には、追尾目標とは無関係なエコーも入力されるため、予測位置情報と実際に入力される観測位置データとの差異の許容範囲、および多重相関の危険性を考慮したゲートがスキャン間隔毎に設定される。

特許第３５０８０００号公報 特許第３６２９３２８号公報 特開２００３−３３７１７０号公報

前述のような従来の構成では、ゲートによりゲート外の無関係なエコーは除外でき、ノイズを軽減できるものの、ゲート内の観測位置情報に誤差が含まれる場合、誤差を含んだ観測位置情報に基づいて推定位置および推定速度を決定しているため、スキャンごとの推定位置および推定速度に誤差が生じる。これにより、ターゲットである船舶などの物標が急に旋回した場合（急変針）や急に速度を変えた場合（急変速）に、推定位置が実際の位置から大きくずれ、推定速度の変化に応じてフィルタ係数を変化させる処理をしても、それは実際の物標の動作に追従できていないことがある。その結果、すれちがった物標や、付近にある物標のエコーに追尾対象が乗り移る現象（乗移り）や、追尾していた物標を見失う現象（ロスト）を引き起こすことがあった。

それら問題を解決するために、フィルタ係数を軽くする（αおよびβを大きくする）と、急変針や急変速に対応することができても、追尾している物標のベクトルがふらつき、急変針・急変速がない通常時において使用者にとって、かえって見辛くなるという問題点があった。

本発明は、かかる問題点を鑑みてなされたものであり、使用者にとって見易くなるように平滑化処理（運動推定）しつつも、従来よりも乗移りやロストを低減し、高い精度で物標の追尾をする物標運動推定装置である。

本発明の一つの観点によれば、電磁波を繰り返し送受信することで所定領域のスキャンを行う物標探知装置に搭載される物標運動推定装置であって、送信した電磁波が物標で反射することで得られるエコー信号を取得するエコー信号取得部と、電磁波送信源からの距離が略等しく方位が異なる、同一の物標からの２以上のエコー信号間の位相変化量に基づいてドップラ速度を算出するドップラ速度取得部と、前記エコー信号取得部で取得したエコー信号に基づいて、 前記物標の観測位置を取得する物標情報取得部と、前記ドップラ速度取得部で得られた前記物標のドップラ速度を用いて前記物標の観測位置を補正した補正位置を生成する観測位置補正部と、当該補正位置に基づいて、次回スキャンで得られる前記物標の予想観測位置である予測位置を算出する予測部と、を備える物標運動推定装置が提供される。

本発明の別の観点によれば、所定領域を繰り返し探知するレーダ装置に搭載される物標運動推定装置であって、物標を捕捉する捕捉部と、前記捕捉された物標を追尾する運動推定部と、を備え、前記運動推定部は、前回の探知で得られる前記物標のドップラ速度と、今回の探知で得られる前記物標のドップラ速度との変化量に基づいて追尾対象である物標の観測位置を補正して、補正位置を取得し、前記補正位置を用いて物標の追尾処理を行うことを特徴とする物標運動推定装置が提供される。

本発明の更に別の観点によれば、電磁波を繰り返し送受信することで所定領域のスキャンを行う物標探知装置に用いられる物標運動推定方法であって、送信した電磁波が物標で反射することで得られるエコー信号を取得し、電磁波送信源からの距離が略等しく方位が異なる、同一の物標からの２以上のエコー信号間の位相変化量に基づいてドップラ速度を算出し、前記エコー信号に基づいて、前記物標の観測位置を取得し、前記ドップラ速度取得部で得られた前記物標のドップラ速度を用いて前記物標の観測位置を補正した補正位置を生成し、当該補正位置に基づいて、次回スキャンで得られる前記物標の予想観測位置である予測位置を算出することを特徴とする物標運動推定方法が提供される。

本発明の別の観点によれば、電磁波を繰り返し送受信することで所定領域のスキャンを行うレーダ装置であって、アンテナと、前記アンテナを介して送信した電磁波が物標で反射することで得られるエコー信号を取得するエコー信号取得部と、電磁波送信源からの距離が略等しく方位が異なる、同一の物標からの２以上のエコー信号間の位相変化量に基づいてドップラ速度を算出するドップラ速度取得部と、前記エコー信号取得部で取得したエコー信号に基づいて、前記物標の観測位置を取得する物標情報取得部と、前記ドップラ速度取得部で得られた前記物標のドップラ速度を用いて前記物標の観測位置を補正した補正位置を生成する観測位置補正部と、当該補正位置に基づいて、次回スキャンで得られる前記物標の予想観測位置である予測位置を算出する予測部と、前記エコー信号に基づいた電磁波送信源周辺の情報を表示する表示器と、を備えるレーダ装置が提供される。

本発明における物標運動推定装置の構成の一例を示すブロック図 直行検波を説明するブロック図 物標情報取得部の構成の一例を示すブロック図 ドップラ速度取得部の構成の一例を示すブロック図 予測部の構成の一例を示すブロック図 観測位置を距離方向軸上に補正する場合における予測部の運動推定の様子の一例を示す図 観測位置を距離方向軸上及び方位方向軸上に補正する場合における予測部の運動推定の様子の一例を示す図 従来運動推定装置の構成を示すブロック図 従来運動推定装置における物標の運動推定の様子を示す図

次に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の物標運動推定装置を適用した船舶用レーダ装置１の全体的な構成を示すブロック図である。なお、本実施形態は、船舶用レーダ装置のＴＴ機能として説明するが、本発明の物標運動推定装置の用途がＴＴ機能に限られるものではない。

図１に示すように、本実施形態の船舶用レーダ装置１は、レーダアンテナ１１と、送受信部１２と、Ａ／Ｄ変換部１３と、物標情報取得部１４と、ドップラ速度取得部１５と、自船情報取得部と１６と、予測部１７と、表示器１８と、を備えている。

レーダアンテナ１１は、所定の回転周期で同一平面内を回転しており、送受信部１２はレーダアンテナ１１を介して電磁波信号の送受信を繰り返し行うように構成されている。送受信部１２が電磁波信号を送信してからエコー信号が返ってくるまでにかかる時間は、レーダアンテナ１１を中心とした極座標で取得することができる。ここで、レーダアンテナ１１が同一平面内を１回転する間に行う一連の動作を「スキャン」という。

送受信部１２は、レーダアンテナ１１を介して、指向性をもった信号（パルス信号）を放射可能であるとともに、自装置周辺にある物標からのエコー信号を受信するように構成されている。なお、送受信部１２は、レーダアンテナ１１（回転式アンテナ）を介するものに限られない。例えば、アンテナを固定した状態でビームを振ることが可能なシステム（フェイズドアレイレーダ）などで構成されていてもよい。この場合には、探知可能な所定の領域全てを探知する間に行う一連の動作を「スキャン」という。送受信部１２は、物標からのエコー信号以外にも海面反射などからの不要なエコー信号や干渉信号などを受信する。そこで、送受信部１２が受信する物標からのエコー信号、海面反射などからの不要エコー信号、および干渉信号などは、「受信信号」と総称する。なお、受信信号にはホワイトノイズも含まれる。また、送受信部１２は、受信信号の振幅および位相の情報を取得するために、直行検波（ＩＱ位相検波）を行う。直行検波を行うことにより、Ｉ信号とＱ信号からなる複素信号を得ることができる。

ここで、直行検波について図２を参照して説明する。レーダアンテナ１１を介して送信された電磁波信号の搬送波は、周波数ｆ_０のコサイン波であるとする。この場合、電磁波信号を送信してからの時間をｔ、送受信部１２に入力される受信信号の振幅をＸ（ｔ）とすると、受信信号Ｓ（ｔ）は、（数１）で表現することができる。

ここで、φ（ｔ）は、電磁波信号の搬送波に対する、受信信号の搬送波の位相である。（以下、位相という。）図２に示すように、この受信信号Ｓ（ｔ）は、送受信部１２に受信されたあとに２系統に分岐される。そして、一方の受信信号Ｓ（ｔ）に、電磁波信号の搬送波と同一周波数で同一位相の参照信号２ｃｏｓ（２πｆ_０ｔ）を積算して合成することにより、（数２）で表される信号を得る。

また、受信信号Ｓ（ｔ）を分岐させた他方に、電磁波信号の搬送波と同一周波数で位相を９０°ずらした参照信号−ｓｉｎ（２πｆ_０ｔ）を積算して合成することにより、（数３）で表される信号を得る。

（数２）および（数３）の右辺第一項（２倍周波数成分）は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）によって除去される。これにより、送受信部１２からは、（数４）に示すＩ信号、および（数５）に示すＱ信号が出力される。

Ａ／Ｄ変換部１３は、送受信部１２から出力されたアナログ信号のＩ信号およびＱ信号を複数ビットのデジタル信号（ＩＱ受信データ）に変換して、物標情報取得部１４およびドップラ速度取得部１５に出力する。なお、本実施例では、前記のように送受信部１２でアナログ信号のＩ信号およびＱ信号を生成したあとに、Ａ／Ｄ変換部１３でデジタル変換する方式を採用しているが、送受信部１２で受信信号をサンプリングすることで、デジタル信号のＩ信号およびＱ信号を直接生成してもよい。この場合は、Ａ／Ｄ変換部１３を省略することができる。

物標情報取得部１４は、受信信号のうち、船舶などの物標やブイなどの反射物からのエコー信号を検出し、その中から追尾・捕捉するターゲットである物標を選別するとともに、物標の位置、大きさ、速度などの情報を後段処理へ出力する構成である。本発明では、そのような情報のうち少なくとも、物標の位置（以下、観測位置）を予測部１７へ出力する。具体的には、図３に示すように、物標情報取得部１４は、ターゲット候補検出部１４１と、ターゲット選別部１４２と、を備えている。

ターゲット候補検出部１４１は、受信信号のうち、船舶などの物標やブイなどの反射物からのエコー信号を検出し、反射物の位置、大きさ、および速度などの情報を生成することができる。具体的には、本実施例における追尾・捕捉するターゲットとなる物標候補の検出方法は問わないが、例えば、受信信号の閾値処理、形や大きさによって物標候補を検出する。

ターゲット選別部１４２は、ターゲット候補検出部１４１が検出した複数の反射物のうち、追尾・捕捉するターゲットである物標を選別することができる。あるいは、ターゲット候補検出部１４１が今回スキャンで検出した複数の反射物のうち、前回スキャンで追尾処理を行った物標を選別することができる。具体的には、本実施例における物標の選別方法は問わないが、例えば、位置、大きさ、又は速度などのスキャン毎の相関値に基づいて物標を選別する。そして、ターゲット選別部１４２は、選別した物標の観測位置情報を予測部１７へ出力する。

ドップラ速度取得部１５は、受信信号のスイープ間位相変化量に基づいて算出されるドップラ速度情報を予測部１７に出力する。具体的には、図４に示すように、ドップラ速度取得部１５は、スイープメモリ１５１と、位相変化量算出部１５２と、速度演算部１５３と、を備えている。

スイープメモリ１５１は、いわゆるバッファであり、必要なスイープ数のＩＱ受信データをリアルタイムで記憶する。ここで、「スイープ」とは、電磁波信号を送信してから次の電磁波信号を送信するまでの一連の動作をいう。

位相変化量算出部１５２は、受信信号のうち、レーダアンテナ１１からの距離が略等しく方位が異なる２点間、すなわちスイープ間の位相変化量を算出することができる。

速度演算部１５３は、位相変化量算出部１５２が算出した位相変化量に基づいて、物標など反射物の相対速度の距離方向成分を算出し、その相対速度の距離方向成分と、自船情報取得部１７から入力された自船情報とに基づいて物標など反射物の絶対速度の距離方向成分を算出することができる。ここで、「距離方向成分」とは、自船に対して、半径方向成分のことを表し、これに対応して、自船に対して円周方向の成分を「方位方向成分」という。また、本実施例では、実施上における物標などの実速度情報の他用途の観点から絶対速度を算出しているが、相対速度のまま処理を行っても別段問題はなく、この場合は、自船情報取得部１７は省略することができる。そこで、ここでは、位相変化量に基づいた、相対速度の距離方向成分および絶対速度の距離方向成分を、「ドップラ速度」と総称する。

ここで、位相変化量、およびドップラ速度の算出方法について説明する。まず、位相変化情報を利用した速度測定の基本原理であるパルスペア法について説明する。送信信号を周波数ｆ_０、波長λ、時間幅τの正弦波パルスとし、「アンテナに対する反射物の相対速度ベクトル」のビーム方向（距離方向）をｖとする。以下では、ｖを単に「速度」とし、「アンテナと反射物が接近する向き」を「ｖの正の向き」とする。このとき、スイープ間での位相変化量に基づいて速度ｖを測定する場合、送信繰り返し周期をＴ（＝１／ＰＲＦ）（ＰＲＦ：送信周波数）で表すと、反射物がアンテナに接近する際に、両社の距離は１スイープ間にｖＴだけ短くなる。すなわち、アンテナから反射物までの往復伝搬時間はΔｔ＝２ｖＴ／ｃだけ短くなる。（ここでｃは光速を表す。）したがって、各スイープで「送信開始後に同一時間だけ経過した時刻」でサンプリングされた複素エンベロープ信号（以下、複素データ）の系列に注目すると、隣接するスイープ間での複素データの位相変化量Δφは次式で表される。

上式から、ｖはそれぞれ次式で表すことができる。

位相変化量Δφの絶対値がπより小さいときは、隣接するスイープ間での複素データの位相差（＝偏角の差）δφ（−π≦δφ≦π）と位相変化量Δφの値が一致する。一方、位相変化量の絶対値がπ以上の値をとるときは、Δφとδφは一致せず、両社の差は２πの整数倍となり、速度の折り返しが発生する。速度の折り返しが発生すると、正確な速度を得ることができない。これは、前記のように、送信周波数をＰＲＦとしたときに測定可能なドップラ周波数ｆ_ｄｍａｘが、

であることから生じる現象であり、測定可能な最大速度ｖ_Ｎで速度の折り返しが発生する。速度ｖ_ｄ、および測定可能な最大速度ｖ_Ｎは、（数９）および（数１０）のような関係になる。

ここで、速度Ｖ_ｄが折り返し速度以上の場合に、パルスペア法で得られる速度Ｖ_ｒは、

となり、正しい速度が得られない。ここでＮ_ｎｕｍは折り返し回数である。

本発明では、スキャン毎の速度の変化量に基づいて物標の運動推定を行っているため、前記のような速度の折り返しの影響を受ける可能性は小さいが、速度の折り返し付近の速度のターゲットについては、影響を受けることが考えられる。このような場合、物標のスキャン毎の位置変化による速度変化量によりドップラ速度に折り返しが発生しているか否かを判断し、折り返しが発生していると判断される場合は、それを考慮して速度変化量を求めることができる。このようにパルスペア法を用いて、（数６）および（数７）により、反射物の位相変化量およびドップラ速度を求めることができる。しかし、実際には観測される位相には雑音が含まれるため、本実施形態ではパルスペア法を基に改良された自己相関法を用いてドップラ速度を算出している。

つづいて、自己相関法による位相変化量およびドップラ速度の算出方法について説明する。本発明では、Ａ／Ｄ変換部１３によってデジタル変換された受信信号と、スイープメモリ１５１に記憶している受信信号に自己相関法を適用して位相変化量を算出する。仮に位相変化量がΔθのエコーがある時を想定する。この物標の距離に対応する距離番号をｎ_０として、この物標からのエコーが受信される最初の方位の方位番号をｋ_０とする。このとき、レーダアンテナ１１からの距離が略等しい点から受信した近似するＭ個の受信データをそれぞれ、Ｓ［ｋ_０，ｎ_０］、Ｓ［ｋ_０＋１，ｎ_０］、Ｓ［ｋ_０＋２，ｎ_０］、・・・、Ｓ［ｋ_０＋（Ｍ−１），ｎ_０］、と表すことができる。そして、受信データｚ［ｍ］を（数１２）で表すことができる。

また、１スイープあたりの位相変化量Δθについて（数１３）が成り立つ。

ここで、ａｒｇ［・］は複素数の偏角を示す。ΔｍとＬは（数１４）を満たす任意の自然数である。

例えば、Δｍ＝Ｌ＝１と選べば（数１５）を得る。

（数１３）を用いて、受信データｚ［ｍ］から位相変化量Δθを推定する方法を自己相関法という。また、位相変化量に基づいて、ドップラ速度を次のように算出することができる。レーダアンテナ１１から物標までの往復伝搬距離は、物標が相対速度ｖで接近するとき、送信周期Ｔの間に２ｖＴだけ小さくなる。したがって、搬送波の周波数をｆ_０、光速をｃ、とすると、前記の受信データｚ［ｍ＋１］の位相は、受信データｚ［ｍ］の位相に対して、次式で表される１スイープあたりの位相変化量Δθだけ大きくなる。

（数１６）を、相対速度ｖについて解くと（数１７）を得る。

また、（数１３）を（数１７）に代入して（数１８）を得ることができる。

（数１８）を用いて、受信データｚ［ｍ］から相対速度ｖを算出する。

以上のような手法で、レーダアンテナ１１から距離が略等しく方位が異なる複数の受信信号の位相変化量に基づいて、自装置と物標との相対速度の距離方向成分、すなわちドップラ速度を算出することができる。

自船情報取得部１６は、自船速情報および方位情報を含む自船情報を位相変化情報取得部６に入力する。自船が大地に対して移動している場合、上記手法で得られる物標の速度は自船に対する相対速度の距離方向成分となる。したがって、得られた相対速度に対して自船情報を用いて補正を行うことで、物標の絶対速度の距離方向成分を得ることができる。自船情報は、ＧＰＳなどから得た情報や、大地に対する自船の速度（対地速度）、船首方位および針路方位に基づいた情報など、取得手段は問わない。物標の絶対速度の距離方向成分を算出することで、物標の急変針や急変速に対してより高い精度で追尾・捕捉をすることができる。なお、本実施形態では、ＴＴにおける追尾捕捉性能が最も高く得られる絶対速度を算出する構成としているが、相対速度のまま処理を行ってもよい。（以降、上記手法で算出された物標の相対速度および絶対速度、の距離方向成分をドップラ速度と総称する。）

予測部１７は、物標情報取得部１４が出力した物標の観測位置について、ドップラ速度取得部１５が出力したドップラ速度情報に基づいて補正を行い、物標の補正位置を取得するとともに、取得した補正位置情報を用いて、物標の運動推定（推定速度・推定位置の算出、および次回スキャンで取得される観測位置の予想である予測位置の算出。）を行う。そして、観測位置補正部１７は、運動推定結果を表示器に出力する。具体的には、図５に示すように、予測部１７は、補正位置算出部１７１と、補正係数決定部１７２と、メモリ１７３と、運動推定部１７４と、を備えている。

補正位置算出部１７１は、予測部１８が前回スキャンで予測した物標の予想観測位置（予測位置）と、物標情報取得部１４から入力される今回スキャンでの物標の観測位置と、補正係数決定部１７２が出力する補正係数と、に基づいて、今回スキャンにおける物標の観測位置を補正した補正位置を算出する。

補正係数決定部１７２は、ドップラ速度取得部１５が今回スキャンで算出した物標のドップラ速度と、メモリ１７３に記憶されている前回スキャンにおける物標のドップラ速度と、の比較に基づいて、予測部１８が前回スキャンで算出した物標の予測位置と、物標情報取得部１４が今回スキャンで出力する物標の観測位置と、の重み付け係数である補正係数を決定する。

メモリ１７３は、スキャン毎にドップラ速度取得部１５が前回スキャンで算出したドップラ速度情報を記憶する。

運動推定部１７４は、補正位置算出部１７１が出力した物標の補正位置を用いて、物標の推定速度、推定位置、および次回スキャンで取得される観測位置の予想である予測位置を算出する。

ここで、観測位置補正方法および補正位置を用いた運動推定方法について説明する。まず、観測位置補正方法について説明する。図６は、船舶用レーダ装置１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観測位置を補正して、補正位置を用いて予測位置を求めるまでの運動推定の様子を示している。予測部１７が前回スキャンで算出した物標の予測位置ｘ_ｐ（ｎ−１）から、物標情報取得部１４が取得した物標の観測位置ｘ_ｏ（ｎ）への変化速度ベクトルＶ_ｏｐ（ｎ）は、（数１９）のように表すことができる。

Ｔは送信周期である。ここで、予測位置、観測位置、およびドップラ速度情報が誤差などを含まない正確な情報であるとする。この場合、変化速度ベクトルの距離方向成分Ｖ_ｏｐ（ｎ）_ｒ（以下、変化速度ベクトルＶ_ｏｐ（ｎ）_ｒという。）は、前回スキャンで算出されたドップラ速度ｖ_ｄ（ｎ−１）から、今回スキャンで算出されるドップラ速度ｖ_ｄ（ｎ）へのドップラ速度変化量Δｖ_ｄ（ｎ）と一致する。しかし、実際には、観測位置情報には誤差が含まれることがあり、変化速度ベクトルＶ_ｏｐ（ｎ）は正確であるとは限らない。そのような誤差を含んだ観測位置を用いて物標の運動推定を行った場合、物標の正確な追従が行えず、結果、乗り移りやロストを生じることがある。そこで、変化速度ベクトルＶ_ｏｐ（ｎ）_ｒが、ドップラ速度変化量Δｖ_ｄ（ｎ）と一致、又は近い値になるように、観測位置を距離方向軸上でずらした補正位置ｘ´_ｏを正しい観測位置（真の位置）として取得し、補正位置に基づいて物標の運動推定を行う。より具体的には、補正位置ｘ´_ｏは、次のようにして求める。予測部１７が前回スキャンで算出した物標の予測位置ｘ_ｐ（ｎ−１）から、補正位置ｘ´_ｏ（ｎ）への変化速度ベクトルＶ´_ｏｐ（ｎ）_ｒは、（数２０）のように表現する。

ここで、ρ（０≦ρ≦１以下の上限値）は、変化速度ベクトルＶ_ｏｐ（ｎ）_ｒとドップラ速度変化量Δｖ_ｄ（ｎ）との重み付け量を定める重み係数である。また、ρは次の変更規則で定められた変数である。

ここで、（数２１）は一例であり、ρを定める変更規則は上記に限られない。位置変化で求めた変化速度ベクトルＶ_ｏｐ（ｎ）_ｒと、ドップラ速度変化で求めたΔｖ_ｄ（ｎ）と、を比較して、その辻褄があっているかどうかを評価し、その評価結果は、ドップラ速度の信頼度を表しているものとして、重み係数ρを変化させる。辻褄があっているかどうかは、例えば、両者の符号を比較することで評価できる。変化速度ベクトルｖ_ｏｐ（ｎ）_ｒよりもドップラ速度変化量Δｖ_ｄ（ｎ）の方が瞬時の速度変化を反映することができるので、両者の符号が同じときには、よりドップラ速度変化量Δｖ_ｄ（ｎ）の値に近くなるように重み係数ρを大きくする。これにより、距離方向成分については、従来方法で運動推定するよりも高い精度で物標を追従することができる。また、両者の符号が異なるときには、変化速度ベクトルＶ_ｏｐ（ｎ）_ｒとドップラ速度変化量Δｖ_ｄ（ｎ）のいずれか、または両方に誤差が含まれているものとして重み係数ρを小さく、または０にして、従来どおりの運動推定動作に近くする。なお、重み係数ρは、変化速度ベクトルＶ_ｏｐ（ｎ）_ｒの符号とドップラ速度変化量Δｖ_ｄ（ｎ）の符号と、の比較に基づいて変更がなされなくともよい。例えば、変化速度ベクトルＶ_ｏｐ（ｎ）_ｒとドップラ速度変化量Δｖ_ｄ（ｎ）と、の差に基づいて、重み係数ρを変更してもよい。この場合、例えば、両者の差の絶対値が所定の大きさより小さい場合に、よりドップラ速度変化量Δｖ_ｄ（ｎ）の値に近くなるように重み係数ρを大きくし、所定の両者の差の絶対値が所定の大きさより大きくなった場合に、変化速度ベクトルＶ_ｏｐ（ｎ）_ｒとドップラ速度変化量Δｖ_ｄ（ｎ）のいずれか、または両方に誤差が含まれているものとして重み係数ρを小さく、または０にして、従来どおりの運動推定動作に近くする。両者の差の絶対値が０の場合には、補正する必要がないため、重み係数ρを小さく、又は０とすればよい。前記のような手法で、物標の観測位置を補正し、その補正位置を取得することができる。このような構成を取ることで、後段の運動推定部１７４において算出する推定位置を、より真の位置に近い位置に設定しつつ、精度の高い追尾・捕捉を行うことが可能である。

ここで、前記の観測位置補正方法では、観測位置について自船に対して距離方向軸上でのみ補正を行っているが、距離方向に加えて、距離方向での補正量（補正割合）に応じて、方位方向にも補正を行う構成であってもよい。距離方向での観測位置の補正については前記手法を用いて補正を行うものとして、ここでは方位方向での観測位置の補正の手法について、図７を参照して説明する。図７は、船舶用レーダ装置１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観測位置を補正して、補正位置を用いて予測位置を求めるまでの運動推定の様子を示している。予測部１７が前回スキャンで算出した物標の予測位置ｘ_ｐ（ｎ−１）から、物標情報取得部１４が取得した物標の観測位置ｘ_ｏ（ｎ）への変化速度ベクトルＶ_ｏｐ（ｎ）_ｒに対する、予測部１７が前回スキャンで算出した物標の予測位置ｘ_ｐ（ｎ−１）から、距離方向にのみ補正した場合の補正位置ｘ^ｒ´_ｏ（ｎ）への変化速度ベクトルの距離方向成分ｖ´_ｏｐ（ｎ）_ｒの補正割合に応じて、物標の観測位置を方位方向にも補正する。このとき、前回スキャンで算出した物標の予測位置ｘ_ｐ（ｎ−１）から、観測位置を方位方向軸上にも補正したときの補正位置ｘ´_ｏ（ｎ）への変化速度ベクトルの方位方向成分をｖ´_ｏｐ（ｎ）_ａｚとすると、ｖ´_ｏｐ（ｎ）_ａｚは例えば次式のようにして求めることができる。

ここで、μ（０≦μ≦１、ただし、Ｖ´_ｏｐ（ｎ）_ｒ／Ｖ_ｏｐ（ｎ）_ｒ＜０のときは、μ＝０）は変化速度ベクトルＶ_ｏｐ（ｎ）_ａｚの補正割合を定める重み係数である。重み係数μは、観測位置の方位方向および距離方向の誤差に応じて、予め設定した値としてもよいし、使用者が状況に応じて変更する構成でもよい。また、前後の運動推定結果などから自動で変更される構成でもよい。このように、距離方向に加えて、方位方向にも観測位置の補正を行う構成を取ることで、後段の運動推定部１７４において算出する推定位置を、距離方向のみに補正した場合よりも観測位置に近い位置に設定しつつ、精度の高い追尾・捕捉を行うことが可能である。

つづいて、補正位置を用いた運動推定方法について説明する。運動推定部１７４は、前回スキャンで算出された物標の予測位置と、今回スキャンで得られた物標の補正位置と、に基づいて物標の推定位置を算出する推定位置算出手段を備えるとともに、前回スキャンで算出された物標の推定速度と、前回スキャンで算出された物標の予測位置から今回スキャンで得られた物標の補正位置への変化速度ベクトルと、に基づいて物標の推定速度を算出する推定速度算出手段を備えている。前記のように算出した推定位置と推定速度から、次回スキャンで得られる物標の観測位置の予測である予測位置を算出する。このような処理を繰り返すことで物標の追尾・捕捉を行っている。ここで、図６を参照して具体的に説明する。いま、予測部で得られるｎ回目のスキャンでの予測位置をＸ_ｐ（ｎ）、補正位置をＸ´_ｏ（ｎ）、（ｎ＋１）回目のスキャンでの予測位置をＸ_ｐ（ｎ＋１）とすると、このｎ回目の予測位置Ｘ_ｐ（ｎ）と補正位置Ｘ´_ｏ（ｎ）とから現在の位置（推定位置）Ｘ_ｓ（ｎ）を算出する。また、（ｎ―１）回目のスキャンでの推定速度をＶ_ｓ（ｎ−１）と，ｎ回目の予測位置Ｘ_ｐ（ｎ），補正位置Ｘ´_ｏ（ｎ）とから、現在の速度Ｖ_ｓ（ｎ）を算出する。具体的な算出方法は次式で表わされる。

このとき、重み係数α及びβは、従来手法と同様に定めてもよいし、その方法は問わない。（数２３）および（数２４）のようにして算出した推定値Ｘ_ｓ（ｎ）およびＶ_ｓ（ｎ）とを用いて、（数２５）の式

から、（ｎ＋１）回目のスキャンでのターゲットである物標の予測位置が算出される。前記のようにして算出された推定位置、推定速度、および予測位置は、瞬時的な情報であるドップラ速度に基づいて観測位置を補正した補正位置を用いて算出されているため、従来手法よりも高い精度で物標の追尾・捕捉を実現することができる。これにより、ターゲットである物標の追尾・捕捉において、乗り移りやロストを従来よりも低減することが可能となる。なお、前記の重み係数ρおよび重み係数μは、推定位置および推定速度を算出するに際して、推定位置、推定速度、それぞれで、別の規則で定められていてもよい。

表示器１８は、受信したエコー信号の様子を、自船を中心とした極座標系で画面上に表示することができる。また、このとき、予測部１７で追尾・捕捉している物標を視認できるように構成されている。

なお、前記実施例は、物標情報取得部１４が取得した観測位置を、距離方向軸上に補正するに際して、ドップラ速度取得部１５が前回スキャンで取得したドップラ速度ｖ_ｄ（ｎ−１）と、今回スキャンで取得するドップラ速度ｖ_ｄ（ｎ）と、のドップラ速度の変化量を評価指標としているが、ドップラ速度変化量の代わりに、予測部１７が前回スキャンで算出した推定速度の距離方向成分ｖ_ｓ（ｎ−１）ｒと、ドップラ速度取得部１５が今回スキャンで取得するドップラ速度ｖ_ｄ（ｎ）と、の速度差を用いてもよい。

１ 船舶用レーダ装置
１１ レーダアンテナ
１２ 送受信部
１３ Ａ／Ｄ変換部
１４ 物標情報取得部
１５ ドップラ速度取得部
１６ 自船情報取得部
１７ 予測部
１８ 表示器
１４１ ターゲット候補検出部
１４２ ターゲット選別部
１５１ スイープメモリ
１５２ 位相変化量算出部
１５３ 速度演算部
１７１ 補正位置算出部
１７２ 補正係数決定部
１７３ メモリ
１７４ 運動推定部
５００ 自船

Claims (5)

1. 電磁波を繰り返し送受信することで所定領域のスキャンを行う物標探知装置に搭載される物標運動推定装置であって、
   送信した電磁波が物標で反射することで得られるエコー信号を取得するエコー信号取得部と、
   電磁波送信源からの距離が略等しく方位が異なる、特定物標からの２以上のエコー信号間の位相変化量に基づいて、前記特定物標のドップラ速度を算出するドップラ速度取得部と、
   前記エコー信号取得部で取得したエコー信号に基づいて、前記特定物標の観測位置を取得する物標情報取得部と、
   前記ドップラ速度を用いて前記観測位置を補正した補正位置を生成する観測位置補正部と、
   今回スキャンの前記補正位置と、前回スキャンで位置を予測した前記特定物標の今回スキャンにおける予測位置との重み付け加算で、今回スキャンの前記特定物標の推定位置を算出するとともに、前回スキャンの前記特定物標の推定速度と、前回スキャンで予測した前記予測位置から今回スキャンの前記補正位置への補正移動速度との重み付け加算で、今回スキャンの前記推定速度を算出し、今回スキャンの前記推定位置及び前記推定速度に基づいて、次回スキャンで得られる前記特定物標の予測位置を算出する予測部と、
   を備え、
   前記観測位置補正部は、前回スキャンの前記ドップラ速度又は前記推定速度の距離方向成分速度から、今回スキャンの前記ドップラ速度への速度変化量と、前回スキャンで予測した前記予測位置から今回スキャンの前記観測位置への移動速度のうちの自装置に対する距離方向成分速度と、を重み付け加算した補正速度を算出し、
   前記補正移動速度のうちの自装置に対する距離方向成分速度と前記補正速度とは等しいことを特徴とする物標運動推定装置。
2. 請求項１に記載の物標運動推定装置であって、
   前記観測位置補正部は、自装置に対して前記観測位置と同じ距離方向線上で前記補正位置を生成することを特徴とする物標運動推定装置。
3. 請求項１に記載の物標運動推定装置であって、
   前記観測位置補正部は、
   今回スキャンの前記補正速度と、前回スキャンで予測した前記予測位置から今回スキャンの前記観測位置への移動速度のうちの自装置に対する距離方向成分速度と、の比率を算出し、
   前回スキャンで予測した前記予測位置から今回スキャンの前記観測位置への移動速度のうちの自装置に対する方位方向成分速度に前記比率を乗じた第２補正速度を算出し、
   前記補正移動速度のうちの自装置に対する方位方向成分速度と前記第２補正速度とは等しいことを特徴とする物標運動推定装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の物標運動推定装置と、
   前記電磁波を送受信するアンテナと、
   前記エコー信号に基づく映像を生成する映像生成部と、
   前記映像を表示する表示部と、
   を備えるレーダ装置。
5. 送信した電磁波が物標で反射することで得られるエコー信号を取得するエコー信号取得行程と、
   電磁波送信源からの距離が略等しく方位が異なる、特定物標からの２以上のエコー信号間の位相変化量に基づいて、前記特定物標のドップラ速度を算出するドップラ速度取得行程と、
   前記エコー信号に基づいて、前記特定物標の観測位置を取得する物標情報取得行程と、
   前記ドップラ速度を用いて前記観測位置を補正した補正位置を生成する観測位置補正行程と、
   今回スキャンの前記補正位置と、前回スキャンで位置を予測した前記特定物標の今回スキャンにおける予測位置との重み付け加算で、今回スキャンの前記特定物標の推定位置を算出するとともに、前回スキャンの前記特定物標の推定速度と、前回スキャンで予測した前記予測位置から今回スキャンの前記補正位置への補正移動速度との重み付け加算で、今回スキャンの前記推定速度を算出し、今回スキャンの前記推定位置及び前記推定速度に基づいて、次回スキャンで得られる前記特定物標の予測位置を算出する予測行程と、
   を有し、
   前記観測位置補正行程は、前回スキャンの前記ドップラ速度又は前記推定速度の距離方向成分速度から、今回スキャンの前記ドップラ速度への速度変化量と、前回スキャンで予測した前記予測位置から今回スキャンの前記観測位置への移動速度のうちの自装置に対する距離方向成分速度と、を重み付け加算した補正速度を算出し、
   前記補正速度のうちの自装置に対する距離方向成分速度と前記補正速度とは等しいことを特徴とする物標運動推定方法。

Images