JP6083935B2

JP6083935B2 - 目標輪郭識別装置

Info

Publication number: JP6083935B2
Application number: JP2012036653A
Authority: JP
Inventors: 司鈴木; 将徳遠藤; 登河原; 政彦高松; 裕也能木場
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2032-02-22
Also published as: JP2013171003A

Description

本発明は、レーダと連係して探知されるべき目標の輪郭を識別する目標輪郭識別装置と、この目標輪郭識別装置が組み込まれて構成された指示画像生成装置とに関する。

気象レーダは、雨雲に電波を照射し、その電波が雨雲で反射することによって発生した反射波が到来する時刻およびレベルで示される指示画像を指示画面に表示することにより、降雨域の位置、移動方向、速度に併せて様々な気象情報の把握を可能とする。

図６は、従来の気象レーダの構成例を示す図である。
従来の気象レーダ２０では、送受信部２１のアンテナ端子に空中線系２２が接続され、その送受信部２１の復調出力は信号処理部２３の入力に接続される。信号処理部２３の出力は指示部２４の入力に接続され、これらの送受信部２１、信号処理部２３および指示部２４には、制御部２５の対応する入出力ポートが接続される。空中線系２２は、制御部２５の配下で旋回角や仰角の設定や可変が物理的に施され、これらの旋回角や仰角で示される方向に所定の幅の主ローブを有する開口アンテナとして構成される。

このような構成の気象レーダ装置では、各部は、制御部２５の配下で以下の通りに連係することにより、所定の地域に位置する雨雲等を検出し、かつ気象情報を取得する。

送受信部２１は、送信波を所定の周期で生成する。空中線系２２は、制御部２５の配下で反復して行われるボリュームスキャンに供され、このようなボリュームスキャンによる覆域に上記送信波を照射する。

なお、このようなボリュームスキャンは、気象レーダ２０によって行われるスキャンの一形態であり、例えば、図７(ａ)〜(ｅ)に示されるように、ボリュームスキャン、ＲＨＩスキャン、セクターＲＨＩスキャン、セクターＰＰＩスキャン、ＰＰＩスキャン等の何れであってもよい。
覆域に位置する雨雲等に上記スキャンの下で送信波が反射することによって発生した反射波は、空中線系２２に到来する。

送受信部２１は、このような反射波を受信して復調することによって上記スキャンに同期した復調信号を生成する。信号処理部２３は、その復調信号に、グランドクラッタの除去、ＭＴＩ(Moving Target Indicator)等のレーダ信号処理を施すことによって、上記雨雲等に関する気象情報を取得し、さらに、指示部２４に備えられた表示装置（図示されない。）の指示画面にこれらの気象情報および雨雲等の地理的な位置を出力する。

なお、本発明に関連した先行技術としては、以下に列記する特許文献１および特許文献２があった。
(1) 「降水の外見上の体積を測定空間（７）内で光学的（１、２）に測定する方法を有する卓越天候及び卓越気象視程を測定する方法において、前記降水の外見上の体積を、０．２リットル以下の体積を有する測定空間（７）内で測定する工程と、前記降水の外見上の体積の測定と同時に、前記測定空間（７）に関係する水量を測定する工程とを有する」ことにより、「卓越天候及び気象視程を高精度に測定できる」点に特徴がある卓越天候及び卓越気象視程を測定する方法…特許文献１

(2) 「光強度変調された光を対象物に照射し、前記対象物からの反射光を用いて対象物までの距離を推定する距離推定装置であって、光強度変調可能な光を照射する光源と、前記光源を制御する発光源制御部と、前記対象物からの光を集光する受光光学系と、前記受光光学系で受光した光を、周波数により、第１光成分の光と、第２光成分の光とに分離する色分解部と、前記色分解部により分離された第２光成分の光を電荷に変換する受光素子部と、前記受光素子部で取得された電荷を集積し、電荷信号を取得する電荷集積部と、前記電荷信号に基づいて、距離情報を算出する信号演算部と、前記距離情報に基づいて、第１の画素数を持つ距離画像を生成する距離画像生成部と、前記色分解部により分離された前記第２光成分の光を画像生成用電荷信号に変換する撮像素子部と、前記撮像素子部により変換された前記画像生成用電荷信号に基づいて前記第１の画素数より多い画素数の高解像度画像を生成する高解像度画像生成部と、前記高解像度画像生成部により生成された前記高解像度画像から輪郭情報を抽出する輪郭情報抽出部と、前記距離画像の注目画素の距離情報を、前記距離画像において前記注目画素の周辺に存在する画素である周辺画素および前記輪郭情報抽出部により抽出された前記輪郭情報に基づいて、補正する距離画像補正部とを備える」ことにより、「画素数の少ない撮像素子（ＣＣＤ等）を用いて取得した距離情報に基づいて、撮像素子（ＣＣＤ等）の画素間での距離情報を補間・推定することによって、ＴＯＦ方式による距離画像の高解像度化を実現する」点に特徴がある距離推定装置…特許文献２

特開平０５−１１３４８３号公報特開２０１０−０７１９７６号公報

ところで、従来の気象レーダでは、雨雲の成長の初期段階においては、その雨雲が急速に成長して局所的に豪雨をもたらす可能性がある場合であっても、降雨量が所定の閾値を上回る前に受信される反射波が微弱であるために検知が遅れ、時間的に十分な余裕をもって豪雨の予測が実現できるとは限らなかった。

なお、従来、雨雲の様子は気象衛星を介してとらえることは可能であったが、このような雨雲の様子は地上から見える様子とは異なるために、上記豪雨の予測の時間的な余裕や精度の十分な確保には寄与しなかった。

しかし、近年、都市部については、ゲリラ豪雨の高い確度による速やかな予測の要求が急速に高まりつつあり、このような要求を満たす技術の確立が強く要望されていた。

本発明は、成長しつつある分布目標の輪郭を早期に確度高く識別できる目標輪郭識別装置および指示画像生成装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、境界特定手段は、スキャンを行うレーダの覆域が区分されてなる複数の部分覆域毎に、前記スキャンの過程で前記レーダの空中線系の主ローブの方向に出射された光が目標で反射することによって到来した反射光のレベルから、前記反射光のレベルの移動平均を時系列の順に算出し、前記反射光のレベルが前記移動平均を最先に下回る時点を識別し、前記反射光の主要なエネルギーが分布する領域の境界を特定する。境界統合手段は、前記境界の集合として前記目標の輪郭を識別する。

すなわち、上記目標については、「レーダによって電磁波の反射体としてとらえられるべき物」がその目標から放出されずまたは湧き出していない状態であっても、光学領域で存在、位置、速度および移動の方向の識別が確度高く安定に実現される。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の目標輪郭識別装置において、前記光は、マルチビームとして出射される。前記境界統合手段は、前記マルチビーム毎に前記境界を特定し、これらの境界の集合として前記目標の輪郭を識別する。

すなわち、目標の輪郭の識別は、上記マルチビームの積極的な活用の下でさらに精度よく実現される。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の目標輪郭識別装置において、前記光は、自己相関特性が急峻であり、かつ相互相関特性がなだらかな系列で変調される。前記境界統合手段は、前記反射光の強度を前記系列との相関として識別する。

すなわち、光学領域における上記目標の存在、位置、速度および移動の方向の識別は、その目標に向けて出射される光の強度が小さくても、パルス圧縮レーダ方式の適用の下で、精度よく安定に実現される。

本発明によれば、レーダに対して急速に接近し、あるいはサイズが急速に増加する目標であっても、これらの急速な接近やサイズの増加の識別および予測が光学領域で早期に可能となる。
また、本発明では、上記目標の急速な接近やサイズの増加の識別および予測が効率的に実現される。
さらに、本発明が適用されたレーダは、多様な目標に対する柔軟な適応が可能となる。
また、本発明では、上記目標の輪郭の識別は、所望の利得および分解能で実現可能となる。
したがって、本発明が適用されたレーダは、性能および信頼性が高められ、多様な分野に対する適用が可能となる。

本発明の一実施形態を示す図である。本実施形態の動作を補足する図である。本実施形態において制御部によって行われる処理のフローチャートである。本実施形態によって識別される雲の輪郭およびその変化を示す図である。局地的に急速に成長する雨雲の一例を示す図である。従来の気象レーダの構成例を示す図である。気象レーダによって行われるスキャンの形態を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す図である。
図において、図６に示す従来例と機能および構成が同じものについては、同じ符号を付与し、ここでは、その説明を省略する。

本実施形態と図６に示す従来例との構成の相違点は、以下の要素が付加された点にある。
(1) 制御部２５に代わる制御部１１
(2) 空中線系２２の開口面の頂部または縁部に支持され、かつ後述するレーザ光の出射と、そのレーザ光が雲等の目標で反射することによって到来した反射光の受光とに供されるとともに、これらのレーザ光および反射光の光軸が空中線系２２の主ローブの方向設定されたレーザ光学系１２

(3) 制御部２５の特定の入出力ポートに接続され、その制御部２５の配下で上記レーザ光学系１１を駆動するレーザ送受信部１３
なお、レーザ光学系１２は、例えば、遠距離対応の赤外線サーチライトと赤外線カメラとの組み合わせとして構成されてもよい。

図２は、本実施形態の動作を補足する図である。
図３は、本実施形態において制御部によって行われる処理のフローチャートである。
以下、図１ないし図３を参照して本実施形態の動作を説明する。

本発明の特徴は、本実施形態では、既述のスキャンに並行して制御部１１がレーザ送受信部１３およびレーザ光学系１２と連係することによって後述する通りに行う処理の手順にある。

なお、制御部１１は、従来例と同様に空中線系２２、送受信部２１および信号処理部２３と連係することにより、上記スキャンを行い、信号処理部２３によって雨雲等に関して得られた気象情報および位置を取得する。

制御部１１は、空中線系２２を介して送信される送信波と既述のスキャンとに同期して所定のパルス信号を生成し、そのパルス信号をレーザ送受信部１３に与える（図２ステップＳ１）。

レーザ送受信部１３は、このようなパルス信号でレーザ光学系１２を駆動する。レーザ光学系１２は、空中線系２２によって送信波が送信される領域に、レーザ光を照射する。

このようにして照射されたレーザ光は、例えば、降雨が始まっていない未発達の雨雲に照射された場合には、その雨雲を構成する水蒸気等の粒子からなる分布目標によって多様に反射されるために、降雨に応じて生じる電波の反射波とは異なり、レーザ光学系１２の受光面に比較的大きなレベルの反射光として到達する。

レーザ光学系１２は、このようにして受光面に到達した反射光を電気信号に変換し、レーザ送受信部１３を介してその反射光のレベルを時系列の順に示すＡスコープの列を制御部１１に引き渡す。

制御部１１は、これらのＡスコープ毎に、以下の処理を施す。
(1) 時系列の順に反射光のレベルの移動平均（あるいは指数平滑）（図２(1))をとりつつ、その反射光のレベルがこのような移動平均（指数平滑）を最先に下回る時点（図２(2))を識別する（図３ステップＳ２）。

(2) このようにして識別された時点をスキャンが行われた３次元の空間上の対応する点にマッピングする（図３ステップＳ３）。

さらに、制御部１１は、このような処理を並行して行いながら、既述の通りに反復して行われるスキャンの順に、以下の処理を行う。

(1) 上述したマッピングにより得られた点がスキャン毎に上記空間上で補間されることによって得られた面を該当する雨雲（分布目標）の輪郭（例えば、図４(ａ)に太い実線で示す。）として識別し（図３ステップＳ４）、同図４(ｂ)にも示すように、本来的な気象データを示す画像にこのような輪郭を示す画像を重畳することによって、指示部２４の指示画面上に表示する（図３ステップＳ５）。

(2) マッピングの度に、識別された輪郭の位置の変位量と既定の上限値とを比較し、前者が後者を上回る場合には、該当する雨雲が急速に発達したと識別する（図３ステップＳ６）と共に、例えば、指示部２４を介して操作者にその旨を示す警報（音響信号と、指示画面に表示される視覚情報との双方と何れか一方との何れであってもよい。）を発する（図３ステップＳ７）。

すなわち、図５(ａ)に太い実線の輪郭として示されるように、降雨が始まっていない、あるいは降雨量が微量である未発達の雨雲であっても、従来例に比べて大幅に精度よくかつ安定に、その雨雲の存在、位置および高度、ならびに移動の速度および方向が識別可能となる。

したがって、本実施形態によれば、気象レーダの基本的な構成が大幅に変更されることなく、例えば、図５(ｂ)に示すように、同図(ａ)から急速に発達した雨雲によってもたらされるゲリラ豪雨の予測が従来例より大幅に早く高い確度で実現される。

なお、本実施形態では、雨雲等の分布目標の輪郭に含まれるべき個々の点を求める処理は、以下の形態の如何なる組み合わせの下で行われてもよい。
(1) Ａスコープ毎ではなく、スキャンの下で得られた反射光の「気象レーダ１０（レーザ光学系１２）の位置を含む好適な座標系に対するマッピング」の下で、その座標系における所望の線（直線、曲線、環状線の何れであってもよい。）上における反射光のレベルの列（例えば、方位方向、仰角方向、高度方向、距離方向、地理的に仮想的に設定された好適な線や面に沿った方向等々）の単位に行われる。

(2) 反射光のレベルが既述の移動平均（指数平滑）を下回る時点が以下の何れかで代替される。
(2-1) 反射光のレベルが最大である点
(2-2) 反射光のレベルの増加率が所定の閾値を超え、あるいは最大である点

(3) 上記移動平均（指数平滑）に代えて所望の値（定数、あるいは好適な算術演算の下で求められた値）が適用される。

(4) レーザ光学系１２から出射されるレーザ光が、自己相関特性が急峻であって相互相関特性がなだらかな系列による変調が施され、反射光のレベルは、これらの反射光と系列との相関の下で求められる。

(5) 本発明に係る気象レーダが設置された地域、季節、時間帯において発生し、かつ急速に発達し得る雲等の既知の属性に対して、演算対象、演算手順の双方もしくは何れか一方が最適化される。

(6) レーザ光学系１２は、複数のビーム（波長は必ずしも同じでなくてもよい。）の集合としてレーザ光を出射し、これらのビーム毎に、既述の処理が行われ、あるいはこのような処理の結果の積分、重み付け、選択の何れかが行われることにより、後続して行われる処理との整合が図られる。

また、本実施形態では、レーザ光学系１２が空中線系２２に支持され、両者は、既述のスキャンの下で一体となって可動する。

しかし、本発明はこのような構成に限定されず、雨雲等の輪郭の識別の実時間性が確保されるならば、レーザ光学系１２は、空中線系２２の主ローブの方向に所定の精度で光学的なビームを形成するように構成され、空中線系２２以外の部材や機構に支持されてもよい。

また、このようなレーザ光学系１２は、必ずしも、光学的なビームの方向を物理的に可変するための可動機構を備えなくてもよく、例えば、このようなビームが形成されるべき方向毎に光学的なビームが予め設定された複数の光学系を有し、これらの光学系の内、好適な光学系が制御部１１やレーザ送受信部１３の配下で適宜選択されてもよい。

さらに、レーザ光学系１２によって形成されるビームは、空中線系２２の主ローブの方向に所定の精度で形成され、かつ雨雲等の輪郭の識別の実時間性が確保されるならば、必ずしも、スキャンに同期して変更され（切り替えられ）なくてもよい。

また、本発明は、雨雲のような分布目標に限定されず、形状、サイズ、位置の全てまたは一部が変化し、このような変化の結果の予測や推定を精度よく速やかに実現することが要求されるならば、物理的な構造が複雑であったり微細である構造体にも同様に適用可能である。

さらに、本発明は、既述の構成に限定されず、同等の作用効果を奏するならば、多様な機能分散や負荷分散が図られた系として構成されてもよく、このような系を構成する要素の何れについても、共通のサイトや地点に設置されなくてもよく、例えば、地理的に隔たったサイトに設置されて通信路を介して連係可能に構成されてもよい。

また、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲において多様な実施形態の構成が可能であり、構成要素の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。

１０，２０気象レーダ
１１，２５制御部
１２レーザ光学系
１３レーザ送受信部
２１送受信部
２２空中線系
２３信号処理部
２４指示部

Claims

スキャンを行うレーダの覆域が区分されてなる複数の部分覆域毎に、前記スキャンの過程で前記レーダの空中線系の主ローブの方向に出射された光が目標で反射することによって到来した反射光のレベルから、前記反射光のレベルの移動平均を時系列の順に算出し、前記反射光のレベルが前記移動平均を最先に下回る時点を識別し、前記反射光の主要なエネルギーが分布する領域の境界を特定する境界特定手段と、
前記境界の集合として前記目標の輪郭を識別する境界統合手段と
を備えたことを特徴とする目標輪郭識別装置。
請求項１に記載の目標輪郭識別装置において、
前記光は、
マルチビームとして出射され、
前記境界統合手段は、
前記マルチビーム毎に前記境界を特定し、これらの境界の集合として前記目標の輪郭を識別する
ことを特徴とする目標輪郭識別装置。
請求項１または請求項２に記載の目標輪郭識別装置において、
前記光は、
自己相関特性が急峻であり、かつ相互相関特性がなだらかな系列で変調され、
前記境界統合手段は、
前記反射光の強度を前記系列との相関として識別する
ことを特徴とする目標輪郭識別装置。