JP6059892B2 - 物標識別装置、レーダ装置、物標識別方法およびプログラム - Google Patents

Description

この発明は、送信した電磁波の反射波を受信して物標を識別する物標識別装置に関する。

従来、気象レーダでは、晴天時の陸地のエコーをリファレンスとして、雨天時のエコーから当該リファレンスを除去することで、雨のエコーを観測することが行われていた（例えば特許文献１，２を参照）。

特開昭６２−１９７７７９号公報 米国特許第７３０７５７６号明細書

しかし、船舶等の移動物体は、リファレンスを作成することができないため、特許文献１に示されたような手法で除去することができなかった。

そこで、この発明は、移動物体を識別する物標識別装置を提供することを目的とする。

本発明の物標識別装置は、エコー信号を取得するエコー取得部と、今回得られたエコーと、過去に得られたエコーとの位相を、自機の位置を基準とする距離毎に検出する位相検出部と、時間の経過に伴って前記検出した位相がどのように変化するかを検出する位相変化検出部と、前記位相の変化に基づいてエコーの種別を判断する物標識別部と、を備えたことを特徴とする。

船舶等の移動物体のエコーは、時間軸上の位相の変化が一定であり、ばらつきが少ない。一方で、雨のエコー等は、時間軸上の位相の変化がランダムであり、ばらつきが多い。したがって、本発明の物標識別装置は、位相の時間軸上の変化を検出することで、エコーの種別を検出することができる。例えば、時間軸上の位相のばらつき度合いが所定の閾値よりも低いエコーは、船舶等の特定の物標であると判定することができる。

また、物標識別装置は、前記位相の差分値を算出する差分算出部を備え、前記位相変化検出部は、前記差分値の分散を検出し、前記物標識別部は、前記分散に基づいてエコーの種別を判断することが好ましい。

時間軸上の位相の変化が一定である場合、時間軸上で隣接する位相の差分値が一定となる。したがって、差分値を算出すると、移動分散処理によりばらつき度合いを容易に検出することができる。

なお、特定の物標であると判定した領域とそれ以外の領域との境界付近は、ばらつき度合いが高くなるため、物標が存在しないと判定した領域においても実際には物標が存在する可能性がある。そこで、物標識別装置は、物標識別部が特定の物標からのエコーであると判断した領域を拡張する拡張部を備えた態様とすることも可能である。

また、前記物標識別部が特定の物標であると検出したエコーについて、当該特定の物標に係る成分を除去する除去処理部を備える態様も可能である。除去手法は、例えば、取得したエコーの値と、当該取得したエコーの移動平均値と、の差分を求めることにより行う。この場合、船舶等の移動物体のエコーを除去することができるため、例えば気象レーダでは、不要なエコーが除去されることになる。

上記物標識別装置は、電磁波を送信し、受信した電磁波を前記エコー取得部に入力するアンテナを備えるレーダ装置として用いることができる。この場合、アンテナは、所定スイープ毎に電磁波を送受信し、ばらつき検出部は、スイープ方向に対する位相変化のばらつき度合いを検出する。

なお、本発明の物標識別装置は、コンピュータに実行されるプログラムとして実現することも可能である。

この発明の物標識別装置によれば、移動物体を識別することができる。

本実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図である。 信号処理部の構成を示す機能ブロック図である。 船舶のエコーと雨のエコーの位相を示した図である。 信号処理部の動作を示すフローチャートである。 フェーズドアレイレーダの構成を示すブロック図である。

図１は、本発明の物標識別装置を内蔵したレーダ装置の構成を示すブロック図である。レーダ装置は、例えば船舶に設置され、自船の周囲に電磁波を送受信し、他船等の物標を探知する装置である。本実施形態においては、レーダ装置について説明するが、本発明の物標識別装置は、魚群探知機等、パルス状の信号を送受信する他の装置にも適用可能である。

同図において、レーダ装置は、送信部１０、アンテナ１１、切替部１２、受信部１３、Ａ／Ｄ変換器１４、メモリ１５、信号処理部１６、および表示処理部１７を備えている。

送信部１０は、半導体等の発振素子を有し、所定のタイミングでパルス状の電磁波を送信信号として出力する。送信部１０から出力された送信信号は、切替部１２を介してアンテナ１１に伝送される。アンテナ１１は、自船の周囲に所定スイープ毎（所定回転角度毎）に送信信号を発射し、物標で反射したエコー信号を受信する。

受信部１３は、アンテナ１１で受信したエコー信号のレベルに応じた値をＡ／Ｄ変換器１４に出力する。Ａ／Ｄ変換器１４は、入力されたアナログ値のエコー信号をデジタル変換し、離散化した各値（サンプルデータ）をメモリ１５に出力する。

メモリ１５は、測定１周期分（自船の周り３６０度分）のサンプルデータを記憶する。サンプルデータは、送信から受信までの時間差に応じて、極座標系の座標（スイープおよび距離）と対応付けられて記憶される。すなわち、サンプルデータは、余弦成分（実数成分）と９０度位相がずれた正弦成分（虚数成分）とからなる複素信号（位相の情報を含んだデータ）として記憶される。

信号処理部１６は、メモリ１５からサンプルデータを読み出し、特定の物標を検出して、当該特定の物標のエコーの成分を除去する処理を行う。

表示処理部１７は、信号処理部１６で特定の物標のエコーの成分が除去された後のサンプルデータを入力し、自船の位置を原点とした直交座標系に変換して、各サンプルのレベルに応じた階調の画素輝度値を有する画像データを生成する。この画像データが表示器（不図示）等に出力され、レーダ画像（エコー画像）としてユーザに表示される。

信号処理部１６は、図２に示すように、機能的に、検出処理部１６０および除去処理部１７０を備えている。検出処理部１６０は、本発明の物標識別装置に相当する。

まず、検出処理部１６０の機能的構成、および動作について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。検出処理部１６０は、位相算出部１６１、差分算出部１６２、移動分散処理部１６３、船舶領域検出部１６４、および船舶領域拡張部１６５を備えている。なお、これら検出処理部１６０の各構成は、コンピュータに実行されるソフトウェアとして実現することも可能である。

位相算出部１６１は、本発明のエコー取得部および位相検出部に相当し、メモリ１５から複数スイープ（例えば最新のスイープを含む過去５スイープ分）の全ての距離に関するサンプルデータを読み出し（ｓ１１）、読み出したサンプルデータの各サンプルの位相を算出する（ｓ１２）。

差分算出部１６２は、時間軸上で隣り合う位相の差分値（スイープ間の位相の差分値）を算出する（ｓ１３）。

移動分散処理部１６３は、本発明の位相変化検出部に相当し、上記差分値から移動分散値（移動平均値と各データとの差分値を自乗加算し、サンプル数で除算した値）を算出する（ｓ１４）。

船舶領域検出部１６４は、本発明の物標識別部に相当し、移動分散値と所定の閾値を比較する（ｓ１５）。船舶領域検出部１６４は、移動分散値が所定の閾値よりも低い値である場合、船舶のエコーが含まれた領域（船舶領域）であると判断する（ｓ１６）。

図４は、船舶のエコーと雨のエコーの位相を示した図である。図４（Ａ）は、雨のエコーの位相を示した図であり、図４（Ａ）に示すグラフの横軸はスイープに対応し、縦軸は距離に対応する。図４（Ｂ）は、船舶のエコー（スイープｓ１〜スイープｓ２までが船舶のエコーである。）の位相を示した図であり、図４（Ｂ）に示すグラフの横軸はスイープに対応し、縦軸は距離に対応する。図４（Ｃ）は、雨のエコーにおけるスイープと位相の関係を示した図であり、図４（Ｃ）に示すグラフの横軸はスイープに対応し、縦軸は位相に対応する。図４（Ｄ）は、船舶のエコーにおけるスイープと位相の関係を示した図であり、図４（Ｄ）に示すグラフの横軸はスイープに対応し、縦軸は位相に対応する。

雨は、異なる時間毎に存在する位置が変化するため、図４（Ａ）および図４（Ｃ）に示すように、雨のエコーは、ランダムに変化し、スイープ方向に対するばらつきが大きい。一方で、船舶は、異なる時間毎に位置が変化しない（または一定の相対速度で変化する）ため、図４（Ｂ）および図４（Ｄ）に示すように、船舶のエコーは、スイープ方向に対するばらつきが小さい。

したがって、検出処理部１６０は、位相の時間軸上のばらつき度合いを示す値として、移動分散値を算出し、当該移動分散値が所定の閾値未満のサンプルを船舶領域とし、閾値以上のサンプルを非船舶領域とする。

ただし、図３に示すように、船舶領域拡張部１６５は、船舶領域検出部１６４が非船領域であると判断した場合であっても、拡張処理の対象であると判断した場合には（ｓ１７）、当該サンプルを船舶領域とし（ｓ１８）。拡張処理の対象でないと判断した場合に、当該サンプルを非船舶領域とする（ｓ１９）。

すなわち、船舶領域拡張部１６５は、船舶領域検出部１６４で検出された船舶領域を距離方向およびスイープ方向に拡大する処理を行う。船舶領域検出部１６４で検出された船舶領域と非船舶領域の境界付近は、移動分散値が高くなるため、実際には船舶が存在する位置においても非船舶領域として判定する可能性がある。そこで、境界付近（例えば、過去３サンプルのうちいずれか１つのサンプルにおいて船舶領域であると判定されていた場合等）については、船舶領域検出部１６４で非船舶領域であると判定された場合であっても、船舶領域拡張部１６５において船舶領域であると判定する。ただし、船舶領域拡張部１６５は、本発明において必須の構成要素ではない。

また、上記例においては、差分算出部１６２で差分値を算出する例を示したが、この処理は必須ではない。例えば、船舶が停止している場合、スイープ毎の位相の変化がないため、差分値の算出は不要である。また、スイープ毎の位相変化について、近似直線を算出し、当該近似直線との差分値を算出することでもばらつき度合いを求めることができる。また、上記の例では、時間軸上で隣り合う位相の変化（スイープ間の位相の差分値）を毎スイープ算出する例を示したが、例えば、３スイープ連続して差分値を算出した後に、１スイープだけ差分値を算出しないようにする等、差分値を算出するタイミングは固定である必要はない。ただし、差分値を算出する対象スイープとの時間差は予め定めておくものとする（今回のスイープと前回のスイープとの差分値とする、あるいは前回のスイープと前々回のスイープとの差分値とする、等）。仮に、対象スイープとの時間差が異なる場合、この時間差が同一となるような補正処理を行う（例えば今回のスイープと前々回のスイープとの差分値を求める場合、時間差が２倍になるのであれば、差分値を１／２に補正する、等）。

さらに、ばらつき度合いは、分散値に限るものではなく、標準偏差等の他の指標を用いることも可能である。

以上のようにして、検出処理部１６０は、船舶領域を判定し、判定結果を除去処理部１７０に出力する。

次に、除去処理部１７０の構成および動作について説明する。図２に示すように、除去処理部１７０は、振幅算出部１７１、移動平均処理部１７２、加算器１７３、船舶領域置換処理部１７４、位相算出部１７５、および複素数算出部１７６を備えている。なお、これら除去処理部１７０の各構成についても、コンピュータに実行されるソフトウェアとして実現することも可能である。

振幅算出部１７１は、メモリ１５からサンプルデータを読み出し、読み出したサンプルデータの各サンプルの振幅値を算出する。サンプルデータは、複素信号であるため、振幅算出部１７１は、１スイープ分のサンプルデータから振幅値を求めることができる。

移動平均処理部１７２は、振幅算出部１７１から出力された振幅値の移動平均値を算出する。すなわち、振幅算出部１７１から出力された振幅値を所定数（例えば過去５サンプル）保持し、これら所定数の振幅値の平均値を算出する。

加算器１７３は、振幅算出部１７１から出力された振幅値から、移動平均処理部１７２で算出された平均値を差分する。これにより、サンプルデータの平滑成分が除去されることになる。すなわち、船舶のエコーが含まれたサンプルデータであれば、船舶のエコーに係る成分が除去されることになる。

船舶領域置換処理部１７４は、検出処理部１６０から出力された判定結果に応じて、振幅算出部１７１から出力された振幅値、または加算器１７３から出力された振幅値（平滑成分が除去されたもの）のいずれかを出力する。すなわち、船舶領域置換処理部１７４は、対象サンプルについて、検出処理部１６０から船舶領域の判定結果が出力された場合、当該対象サンプルについて、加算器１７３から出力された振幅値を出力することで、船舶のエコーを除去した後の振幅値を出力する。一方で、船舶領域置換処理部１７４は、検出処理部１６０から非船舶領域の判定結果が出力された場合、当該対象サンプルについて、振幅算出部１７１から出力された振幅値を出力する。

複素数算出部１７６は、位相算出部１７５で算出された位相を入力し、対象サンプルを複素信号に変換する。これにより、船舶のエコーに係る成分だけが除去されたサンプルデータに変換されることになる。

なお、この例では、船舶のエコーに係る成分を除去する例を示したが、逆に船舶に係るエコー以外の成分を除去する態様とすることも可能である。また、検出した船舶領域を自動衝突予防援助装置（ＡＲＰＡ）における追従処理に適用することも可能である。

また、特定の物標として船舶の例を示したが、陸地や航空機等の他の物標についても特定の物標として検出することが可能である。

また、上記例においては、アンテナ１１が回転し、所定スイープ毎に電磁波を送受信し、スイープ方向に対する位相変化のばらつき度合いを検出する例を示したが、アンテナが回転せず、単一方向に電磁波を送受信する場合であっても、異なる時間に複数回の電磁波を送受信し、時間軸上の位相変化のばらつき度合いを検出することでも船舶等の特定の物標を検出することができる。

また、図５に示すようなフェーズドアレイレーダにおいても本発明の物標識別装置を適用することが可能である。図５は、フェーズドアレイレーダの構成を示すブロック図である。図１と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

フェーズドアレイレーダは、上述の送信部１０、アンテナ１１、切替部１２、受信部１３、およびＡ／Ｄ変換器１４からなる送受信回路１０１を複数備えている。この場合、各送受信回路１０１のアンテナ１１は、回転せず、無指向または単一方向に電磁波を送受信する。

ビーム処理部２１は、各送受信回路１０１から入力した受信信号を遅延合成することで、所定方向のエコーを強調した受信ビームを生成する。受信ビームに係るサンプルデータがメモリ１５に記憶される。ただし、この場合、メモリ１５には、異なる時間に複数回生成された各方向の受信ビームのサンプルデータが記憶される。

この場合においても、異なる時間に複数回の電磁波を送受信し、時間軸上の位相変化のばらつき度合いを検出することで船舶等の特定の物標を検出することができる。

１０…送信部
１１…アンテナ
１２…切替部
１３…受信部
１４…Ａ／Ｄ変換器
１５…メモリ
１６…信号処理部
１７…表示処理部
１６０…検出処理部
１６１…位相算出部
１６２…差分算出部
１６３…移動分散処理部
１６４…船舶領域検出部
１６５…船舶領域拡張部

Claims (9)

1. 所定方位毎に電磁波を送受信するアンテナからエコー信号を取得するエコー取得部と、
   今回取得した所定方位のエコーと、過去に取得した他方位のエコーとの位相を、自機の位置を基準とする距離毎に検出する位相検出部と、
   前記所定方位のエコーの位相と、前記他方位のエコーの位相と、の差分値を算出する差分算出部と、
   前記差分値の分散を検出する位相変化検出部と、
   前記分散に基づいてエコーの種別を判断する物標識別部と、
   を備えたことを特徴とする物標識別装置。
2. 請求項１に記載の物標識別装置において、
   前記物標識別部は、前記分散が所定の閾値よりも低い場合に、取得したエコーが物標からのエコーであると判断することを特徴とする物標識別装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の物標識別装置において、
   前記位相変化検出部は、前記分散として、移動分散値を算出することを特徴とする物標識別装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の物標識別装置において、
   前記物標識別部が物標からのエコーであると判断した領域を拡張する拡張部を備えたことを特徴とする物標識別装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の物標識別装置において、
   前記物標識別部が物標からのエコーであると判断したエコーについて、当該物標からのエコーに係る成分を除去する除去処理部を備えたことを特徴とする物標識別装置。
6. 請求項５に記載の物標識別装置において、
   前記除去処理部は、取得したエコーの値と、当該取得したエコーの移動平均値と、の差分を求めることにより前記物標からのエコーを除去することを特徴とする物標識別装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の物標識別装置と、
   電磁波を送信し、受信した電磁波を前記エコー取得部に入力するアンテナと、
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
8. 所定方位毎に電磁波を送受信するアンテナからエコー信号を取得するエコー取得ステップと、
   今回得られた所定方位のエコーと、過去に得られた他方位のエコーとの位相を、自機の位置を基準とする距離毎に検出する位相検出ステップと、
   前記所定方位のエコーの位相と、前記他方位のエコーの位相と、の差分値を算出する差分算出ステップと、
   前記差分値の分散を検出する位相変化検出ステップと、
   前記分散に基づいてエコーの種別を判断する物標識別ステップと、
   を実行することを特徴とする物標識別方法。
9. 所定方位毎に電磁波を送受信するアンテナからエコー信号を取得するエコー取得ステップと、
   今回得られた所定方位のエコーと、過去に得られた他方位のエコーとの位相を、自機の位置を基準とする距離毎に検出する位相検出ステップと、
   前記所定方位のエコーの位相と、前記他方位のエコーの位相と、の差分値を算出する差分算出ステップと、
   前記差分値の分散を検出する位相変化検出ステップと、
   前記分散に基づいてエコーの種別を判断する物標識別ステップと、
   をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。

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