JP6180065B2 - 物体位置検出装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体を検出するための物体位置検出装置および物体位置検出方法に係わり、特に、マルチスタティック方式を採用した物体位置検出装置および物体位置検出方法に関する。

従来、マルチスタティック方式を採用した物体検出技術においては、検出対象の物体が存在する可能性がある探索空間中に送波子および受波子を多数配置し、音波や電波などのエネルギーを発信する送波子を切り換えながら、発信された音波や電波などを複数の受波子で観測するようにしていた。

ところが、検出すべき物体が反射しにくい素材・形状で形成されている場合、送波子から発信されて物体で反射された音波や電波などは、それを受波子で検出する際には非常に微弱となってしまう。このような微弱な受信信号を検出するために検出レベルの閾値を下げると、結果としてバックグランドのノイズを多数拾ってしまうことになる。多数のノイズを拾うことにより、多数の偽候補点が生じてしまうので、本来検出すべき物体を示す真の候補点との区別が困難となる。

特開２００２−１６８９３７号公報 特開２００７−３０４０７１号公報 特開２０１１−０５８９０６号公報

上述した問題に関し、従来は、真の候補点と偽候補点とを含むすべての候補点について他の特徴量を観測するなどしてノイズと識別するしかなかった。即ち、多数の候補点はシンボル化されており、信号強度的には大きな差はないため、真の目標がどれかを決めるためには、オペレータがすべての候補点について他の特徴量（ソナーであれば音紋など）を観測するなどしてノイズと識別するしかなかった。このため、偽候補点が多い場合には、物体の探査効率が大幅に低下するという問題があった。

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みて成されたものであって、検出すべき物体からの反射波が微弱である場合でも、効率的に物体を検出することができる物体位置検出装置および物体位置検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、少なくとも１つの送波子および複数の受波子を含む送受信システムにより得られた検出シンボル情報に基づいて物体の位置を検出するための物体位置検出装置において、前記送受信システムの観測誤差に関する観測誤差情報に基づいて前記検出シンボル情報に誤差分布を反映させて拡張検出領域を生成するための拡張検出領域生成手段と、前記拡張検出領域を投票空間に書き込んで票数を加算するための投票加算手段と、前記投票空間から得票の高い箇所を特定して前記物体の存在領域を特定するための存在領域特定手段と、を備えたことを特徴とする。

また、好ましくは、前記観測誤差情報は、前記受波子の感度特性に基づく受信方位誤差および前記受波子の時間分解能特性等に基づく伝搬距離誤差の少なくとも一方を含んでいる。

また、好ましくは、前記拡張検出領域は、前記受信方位誤差および前記伝搬距離誤差のそれぞれを軸長とした楕円形状を有する。

また、好ましくは、前記検出シンボル情報の特性に基づいて前記投票空間への投票時の重みを変更する重み付け設定手段をさらに備える。

また、好ましくは、前記重み付け設定手段は、前記送受信システムの異なる前記受波子からの信号同士の票の重みを重くする。

また、好ましくは、前記受波子から前記検出シンボル情報の検出位置までの距離が、予め定められた設定値よりも短い場合、前記投票加算手段は、前記拡張検出領域を前記投票空間に投票しないか、或いは前記重み付け設定手段によって票の重みを軽くして投票する。

また、好ましくは、前記重み付け設定手段は、前記検出シンボル情報の信号強度の大きさと、前記送波子および／または前記受波子からの距離とに応じて、票の重みを修正する。

また、好ましくは、前記投票加算手段は、前記検出シンボル情報の検出位置でのドップラー情報について、前記送受信システムの異なる前記受波子からの前記ドップラー情報を統合する。

ここで、ドップラー情報とは、音波若しくは電波等が、動く物体から反射した際に発生する周波数の変化から得られる情報である。

また、好ましくは、前記存在領域特定手段により得られた前記物体の存在領域に関する情報を表示するための表示手段をさらに備える。

上記課題を解決するために、本発明は、少なくとも１つの送波子および複数の受波子を含む送受信システムにより得られた検出シンボル情報に基づいて物体の位置を検出する物体位置検出方法において、前記送受信システムの観測誤差に関する観測誤差情報に基づいて前記検出シンボル情報に誤差分布を反映させて拡張検出領域を生成する拡張検出領域生成工程と、前記拡張検出領域を投票空間に書き込んで票数を加算する投票加算工程と、前記投票空間から得票の高い箇所を特定して前記物体の存在領域を特定するための存在領域特定工程と、を備えたことを特徴とする。

また、好ましくは、前記観測誤差情報は、前記受波子の感度特性に基づく受信方位誤差および前記受波子の時間分解能特性等に基づく伝搬距離誤差の少なくとも一方を含んでいる。

また、好ましくは、前記拡張検出領域は、前記受信方位誤差および前記伝搬距離誤差のそれぞれを軸長とした楕円形状を有する。

また、好ましくは、前記検出シンボル情報の特性に基づいて前記投票空間への投票時の重みを変更する重み付け設定工程をさらに備える。

また、好ましくは、前記重み付け設定工程は、前記送受信システムの異なる前記受波子からの信号同士の票の重みを重くする。

また、好ましくは、前記受波子から前記検出シンボル情報の検出位置までの距離が、予め定められた設定値よりも短い場合、前記投票加算工程において、前記拡張検出領域を前記投票空間に投票しないか、或いは前記重み付け設定工程において票の重みを軽くして投票する。

また、好ましくは、前記重み付け設定工程は、前記検出シンボル情報の信号強度の大きさと、前記送波子および／または前記受波子からの距離とに応じて、票の重みを修正する。

また、好ましくは、前記投票加算工程は、前記検出シンボル情報の検出位置でのドップラー情報について、前記送受信システムの異なる前記受波子からの前記ドップラー情報を統合する。

また、好ましくは、前記存在領域特定工程により得られた前記物体の存在領域に関する情報を表示する表示工程をさらに備える。

本発明による物体位置検出装置および方法によれば、検出すべき物体からの反射波が微弱である場合でも、効率的に物体の位置を検出することができる

マルチスタティック方式による物体検出技術を説明するための模式図であり、説明の便宜上、１つの送波子と１つの受波子を示した図。 マルチスタティック方式による物体検出技術を説明するための他の模式図であり、説明の便宜上、１つの送波子と２つの受波子を示した図。 本発明の一実施形態による物体位置検出装置を送受信システムと共に示したブロック図。 本発明の一実施形態による物体位置検出装置において生成される拡張検出領域を説明するための模式図。 本発明の一実施形態による物体位置検出装置において複数の拡張検出領域を投票空間に書き込んだ状態を示した模式図。 本発明の一実施形態による物体位置検出装置の存在領域特定手段によって物体の存在領域を特定する方法を説明するための模式図。 本発明の一実施形態による物体位置検出方法を示したフローチャート。

以下、本発明の一実施形態による物体位置検出装置および方法について、図面を参照して説明する。

まず、マルチスタティック方式による物体検出技術について概説する。マルチスタティック方式による物体検出技術においては、検出対象が存在する可能性がある探索空間に配置された多数の送波子から、個々の送波子毎に音波や電波などのエネルギーを発信し、同じく探索空間内に配置された多数の受波子でこれを受信する。

ある１つの送波子から発信されたエネルギーは、その進行方向に存在する物体に当たると反射し、その反射波をある１つの受波子で受信した場合、当該送波子から当該受波子に直接届いたエネルギー（直接波）と、上記の如く物体で反射されて届いたエネルギー（反射波）とでは受信時間に時差が生じる。

このため、図１に示したように、送波子１および受波子２の各位置と、直接波３と反射波４の時差から、送波子１および受波子２を焦点とする仮想楕円５を描くことができる。具体的には、直接波３と反射波４との受波子２への到着時間の差（時差）から、送波子１と受波子２を焦点とした仮想楕円５を描画できる。

ここで、受波子２は、その受信機能において指向性を持っており、物体（目標）６からのエネルギーの到来方向を特定することができる。このため、物体６の存在領域を推定することができるが、通常はノイズ反射（ランダムに発生）が多く、検出シンボル７が多数描画され、真の目標を識別することが難しい。

マルチスタティック方式においては、図２に示したように、探索空間内に複数の受波子２を配置して、図１と同様に反射波４を受信して、複数の仮想楕円５を描画する。図２に示した例では受波子２を２つ設置しているので、仮想楕円５を２つ描くことができ、これらの仮想楕円５の交点が検出すべき目標（物体）６の位置となる。これは、両受波子２は多くのノイズ候補をとらえているが、両受波子２の候補が重なる場合は、それが真の目標である確率が高いという判断である。

なお、上記の通りマルチスタティック方式においては、送波子１と受波子２とを異なる位置に配置するが、通常のレーダー技術のように、電波を照射した発信体を、物体（目標）で反射された電波を受信する受信体としても使用する技術は、モノスタティック方式と呼ばれている。

なお、図２には説明の便宜上、１つの送波子１と２つの受波子２が記載されているが、実際には探索空間中に送波子１、受波子２を数多く配置し、音波や電波などのエネルギーを発信する送波子１を切り換えながら、全受波子２で観測を行い、上述した複数の仮想楕円５の交点を求めていくことで物体６の位置を検出する。

次に、本発明の一実施形態による物体位置検出装置および方法について、図３乃至図７を参照して説明する。

図３に示したように、本実施形態による物体位置検出装置８は、送波子１および複数の受波子２を含む送受信システム９（下位の信号分析システムを構成）から各種情報を受信する。即ち、物体位置検出装置８は、検出シンボル情報１０、受波子識別情報１１、および観測誤差情報１２を、その入力手段１３を介して送受信システム９から受信する。

入力手段１３で受信した各種情報は、まず、拡張検出領域生成手段１４に送られる。この拡張検出領域生成手段１４は、送受信システム９の観測誤差に関する観測誤差情報１２に基づいて、検出シンボル情報１０に誤差分布を反映させる。これにより、図４に示した楕円形状の拡張検出領域１５が生成される。

即ち、送受信システム９から入力された観測誤差情報１２は、受波子２の感度特性に基づく受信方位誤差１６および受波子２の時間分解能特性等に基づく伝搬距離誤差１７を含んでいる。そこで、拡張検出領域生成手段１４は、観測誤差情報１２に含まれる受信方位誤差１６および伝搬距離誤差１７のそれぞれを軸長とした楕円形状として拡張検出領域１５を生成する。

次に、拡張検出領域生成手段１４によって生成された拡張検出領域１５に関する情報は、重み付け設定手段１８に送られる。この重み付け設定手段１８は、検出シンボル情報１０の特性に基づいて投票時の重みを変更する。

即ち、重み付け設定手段１８は、入力手段１３にて送受信システム９から受信した受波子識別情報１１に基づいて、受信した複数の検出シンボル情報１０が、同じ受波子２からの信号なのか、或いは異なる受波子２からの信号なのかを判別する。そして、異なる受波子２からの信号の場合には、当該信号同士の票の重みを重くする。

一例としては、各検出シンボル点について拡張検出領域１５を受波子２のＩＤコードで描画することができる。ここで、ＩＤコードは２のｎ乗とし、投票空間アドレスにＯＲ投票する。票数カウント時に、複数の受波子２からの拡張検出領域１５が重なる場合、そのアドレスのデータには複数のＢＩＴが立っていることになり、異なる受波子２から検出があったことが明確となる。

これらＢＩＴ処理以外にも検出点を中心に正規分布などの確率密度分布をそれぞれ掛け合わせることで、統合された拡張検出領域１５の中でも特に確率の高い地点を推定することが可能となる。

また、重み付け設定手段１８は、検出シンボル情報１５の信号強度の大きさ（信号雑音比ＳＮＲ）と、送波子１および／または受波子２からの距離とに応じて、票の重みを修正することがで可能であり、この処理により距離の影響が相殺される。

次に、重み付け設定手段１８によって重み付け処理が行われた拡張検出領域１５が、投票加算手段１９に送られる。投票加算手段１９は、受信した拡張検出領域１５を投票空間に書き込んで票数を加算する。

図５は、複数の拡張検出領域１５を投票空間に書き込んだ状態を示している。図５は、上述した図２に対応する図であるが、図２においては円形の小さな検出シンボル７が書き込まれていたところ、図５では楕円形の拡張検出領域１５が書き込まれている。

また、投票加算手段１９は、好ましくは、受波子２から検出シンボル情報１０の検出位置までの距離が、予め定められた設定値よりも短いか否かを判定し、短い場合には、拡張検出領域１５を投票空間に投票しないか、或いは、重み付け設定手段１８によって票の重みを軽くして投票する。

なお、投票加算手段１９による投票は、拡張検出領域１５の投票空間とは異なる投票空間に投票し、投票結果を領域統合後に領域に重みとして作用させても良い。

また、投票加算手段１９は、検出シンボル情報１０の検出位置でのドップラー情報について、異なる受波子２からのドップラー情報を統合するようにしても良い。これにより、物体６の移動速度として、最尤な値を得ることができる。ここで、ドップラー情報とは、図５に示した仮想楕円５の内側または外側への物体（目標）６の移動速度の特定に使用できる情報である。

なお、物体６の想定される速度を制約条件とすれば、移動方向の範囲をさらに限定することができる。

次に、投票加算手段１９で得られた情報は、物体６の存在領域を特定するための存在領域特定手段２０に送られる。この存在領域特定手段２０は、投票空間から得票の高い箇所を特定して、物体６の存在領域を特定する。

ここで、実在する物体６は、複数の受波子２から検出できる可能性が高く、偽候補はその可能性が低い。そこで、上述したように重み付け設定手段１８において、同じ受波子２からの検出が重なる場合よりも、異なる受波子２からの検出が重なる場合に重みをかけ、これらを統合する。これにより、偽候補を消去することができる。

具体的な方法としては、図６に示したように、２次元のメッシュ状の投票空間（各セルが投票箱）２３に、受波子２による検出位置を誤差範囲で領域化した図形、即ち拡張検出領域１５（１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ）を投票する。

ここで、異なる受波子２の候補である複数の拡張検出領域１５が同じセルに重なった場合、その部分について物体６の存在確率が大きいと判断できる。このため、例えば同じ受波子２からの拡張検出領域１５は票を加算せず、異なる受波子２からの票は加算することで、偽候補を抑制することができる。

そこで、重み付け設定手段１８は、異なる受波子２からの拡張検出領域１５の票は多くカウント、つまり１＋１＝２とせず、３や４とする。一方、同じ受波子２からの票は重なっても、１票、つまり１＋１＝１にする。これにより、複数の拡張検出領域１５の間で相対的な重みづけが行われる。

図６の例で言えば、拡張検出領域１５Ａと拡張検出領域１５Ｂは、それらの楕円の向きが概ね揃っており、それらの大部分が互いに重なっているので、同じ受波子２からの信号であると考えられる。そこで、各セルにおいて票が重なった場合でも、投票数は１票とする。これは、拡張検出領域１５Ｃと拡張検出領域１５Ｄの場合も同様である。

一方、拡張検出領域１５Ａ（１５Ｂ）と拡張検出領域１５Ｃ（１５Ｄ）とは、それらの楕円の向きが異なっており、それらが重なり合う部分が比較的小さいので、互いに異なる受波子２からの信号であると考えられる。そこで、各セルにおいて票が重なった場合には、１＋１＝３として重みを高くしている。

図６に示したように、拡張検出領域１５Ａ（１５Ｂ）と拡張検出領域１５Ｃ（１５Ｄ）とが重なった部分に対応する各セルの票数が３となり、票数３の複数のセルによって物体存在領域２４が形成されている。このように本実施形態においては、投票の結果は点ではなく、真の目標（物体６）が含まれる可能性が高い小領域となる。即ち、複数方向から検出された部分には値の大きい領域が形成され、この値が大きい領域、即ち物体存在領域２４の中に、真の目標である物体６が含まれている可能性が高い。

このように存在領域特定手段２０は、投票空間２３において投票結果が３である複数のセルで構成される領域を、物体６が存在する可能性が高い物体存在領域２４として特定する。

存在領域特定手段２０により得られた結果は、出力手段２１を介して表示手段２２に送られ、表示手段２２にて表示される。

図７は、本発明の一実施形態としての物体位置検出方法を示したフローチャートであり、この方法は、上述した物体位置検出装置８を用いて実行される。

本実施形態による物体位置検出方法においては、まず最初に、物体位置検出装置８の入力手段１３を介して、送受信システム９から検出シンボル情報１０を受信する（入力工程Ｓ１）。

続いて、受信した検出シンボル情報１０を、同じく入力手段１３を介して送受信システム９から受信した観測誤差情報１２に基づいて、拡張検出領域生成手段１４にて処理し、これにより、投票に用いる拡張検出領域１５を生成する（拡張検出領域生成工程Ｓ２）。

次に、拡張検出領域生成工程Ｓ２で得られた拡張検出領域１５に関する情報に対して、入力手段１３を介して送受信システム９から受信した受波子識別情報１１に基づいて、重み付け設定手段１８にて重み付け情報を設定する（重み付け設定工程Ｓ３）。

続いて、重み付け設定工程Ｓ３において重み付け情報が付加された拡張検出領域１５を、投票加算手段１９によって投票空間２３に書き込む（投票加算工程Ｓ４）。

上述した工程Ｓ１からＳ４までの処理を、検出シンボル７の数であるＮ回繰り返した後、存在領域特定手段２０によって、投票空間２３から、得票の高い箇所を検出する（存在領域特定工程Ｓ５）。

そして、存在領域特定工程Ｓ５によって得られた物体位置の検出結果を、所定の表示手段にて表示する（結果表示工程Ｓ６）。

以上述べたように、本実施形態による物体位置検出装置および方法によれば、検出すべき目標候補を確実に残した上で、多くの偽候補を自動的に削除することができるので、真の目標（物体６）の位置を検出するまでの時間が短くなり、探索効率を大幅に向上させ、迅速に物体６の位置を検出することが可能となる。

また、本実施形態によれば、探索効率の大幅な向上により、オペレータが条件を変えて候補抽出を繰り返すなど、より踏み込んだ探査も実施できるため、最終的な検出確度を高めることにも貢献できる。

また、本実施形態によれば、偽候補が減るだけではなく、「候補点群」が「領域」となり、単一の検出シンボルが大きさを持つことで、時刻の異なる探索結果の抽出領域との対応付け、他の観測情報との関連付けが容易となり、オペレータにとってより分かり易い情報提示ができる。これにより、情報分析の効率化、意思決定の迅速化に貢献することもできる。

また、本実施形態によれば、本装置および方法を計算機上で実現する場合、２次元のメモリ空間に楕円図形をビットパターンとして加算やＢＩＴ演算で実行できるため、複雑な計算を行わず、高速な処理が可能となる。

なお、上述した実施形態の一変形例としては、３次元の位置検出を行う場合、投票空間を３Ｄ化（ボクセル）して３次元のメッシュ状とし、拡張検出領域である投票図形を３次元の楕円体にすることで実現できる。

１ 送波子
２ 受波子
３ 直接波
４ 反射波
５ 仮想楕円
６ 物体（目標）
７ 検出シンボル
８ 物体位置検出装置
９ 送受信システム
１０ 検出シンボル情報
１１ 受波子識別情報
１２ 観測誤差情報
１３ 入力手段
１４ 拡張検出領域生成手段
１５、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ 拡張検出領域
１６ 受信方位誤差
１７ 伝搬距離誤差
１８ 重み付け設定手段
１９ 投票加算手段
２０ 存在領域特定手段
２１ 出力手段
２２ 表示手段
２３ 投票空間
２４ 物体存在領域
Ｓ１ 入力工程
Ｓ２ 拡張検出領域生成工程
Ｓ３ 重み付け設定工程
Ｓ４ 投票加算工程
Ｓ５ 存在領域特定工程
Ｓ６ 結果表示工程

Claims (14)

1. 少なくとも１つの送波子および複数の受波子を含む送受信システムにより得られた検出シンボル情報に基づいて物体の位置を検出するための物体位置検出装置において、
   前記送受信システムの観測誤差に関する観測誤差情報に基づいて前記検出シンボル情報に誤差分布を反映させて拡張検出領域を生成するための拡張検出領域生成手段と、
   前記拡張検出領域を投票空間に書き込んで票数を加算するための投票加算手段と、
   前記投票空間から得票の高い箇所を特定して前記物体の存在領域を特定するための存在領域特定手段と、
   前記検出シンボル情報の特性に基づいて前記投票空間への投票時の重みを変更する重み付け設定手段と、を備え、
   前記重み付け設定手段は、前記送受信システムの異なる前記受波子からの信号同士の票の重みを、同じ前記受波子からの信号同士の票に比して重くする、物体位置検出装置。
2. 前記観測誤差情報は、前記受波子の感度特性に基づく受信方位誤差および前記受波子の時間分解能特性等に基づく伝搬距離誤差の少なくとも一方を含んでいる、請求項１記載の物体位置検出装置。
3. 前記拡張検出領域は、前記受信方位誤差および前記伝搬距離誤差のそれぞれを軸長とした楕円形状を有する、請求項２記載の物体位置検出装置。
4. 前記受波子から前記検出シンボル情報の検出位置までの距離が、予め定められた設定値よりも短い場合、前記投票加算手段は、前記拡張検出領域を前記投票空間に投票しないか、或いは前記重み付け設定手段によって票の重みを、前記予め定められた設定値よりも短い場合に該当しない場合に比して軽くして投票する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の物体位置検出装置。
5. 前記重み付け設定手段は、前記検出シンボル情報の信号強度の大きさと、前記送波子および／または前記受波子からの距離とに応じて、票の重みを修正する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の物体位置検出装置。
6. 前記投票加算手段は、前記検出シンボル情報の検出位置でのドップラー情報について、前記送受信システムの異なる前記受波子からの前記ドップラー情報を統合する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の物体位置検出装置。
7. 前記存在領域特定手段により得られた前記物体の存在領域に関する情報を表示するための表示手段をさらに備えた、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の物体位置検出装置。
8. 少なくとも１つの送波子および複数の受波子を含む送受信システムにより得られた検出シンボル情報に基づいて物体の位置を検出する物体位置検出方法において、
   前記送受信システムの観測誤差に関する観測誤差情報に基づいて前記検出シンボル情報に誤差分布を反映させて拡張検出領域を生成する拡張検出領域生成工程と、
   前記拡張検出領域を投票空間に書き込んで票数を加算する投票加算工程と、
   前記投票空間から得票の高い箇所を特定して前記物体の存在領域を特定するための存在領域特定工程と、
   前記検出シンボル情報の特性に基づいて前記投票空間への投票時の重みを変更する重み付け設定工程と、を備え、
   前記重み付け設定工程は、前記送受信システムの異なる前記受波子からの信号同士の票の重みを、同じ前記受波子からの信号同士の票に比して重くする、物体位置検出方法。
9. 前記観測誤差情報は、前記受波子の感度特性に基づく受信方位誤差および前記受波子の時間分解能特性等に基づく伝搬距離誤差の少なくとも一方を含んでいる、請求項８記載の物体位置検出方法。
10. 前記拡張検出領域は、前記受信方位誤差および前記伝搬距離誤差のそれぞれを軸長とした楕円形状を有する、請求項９記載の物体位置検出方法。
11. 前記受波子から前記検出シンボル情報の検出位置までの距離が、予め定められた設定値よりも短い場合、前記投票加算工程において、前記拡張検出領域を前記投票空間に投票しないか、或いは前記重み付け設定工程において票の重みを、前記予め定められた設定値よりも短い場合に該当しない場合に比して軽くして投票する、８乃至１０のいずれか一項に記載の物体位置検出方法。
12. 前記重み付け設定工程は、前記検出シンボル情報の信号強度の大きさと、前記送波子および／または前記受波子からの距離とに応じて、票の重みを修正する、請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の物体位置検出方法。
13. 前記投票加算工程は、前記検出シンボル情報の検出位置でのドップラー情報について、前記送受信システムの異なる前記受波子からの前記ドップラー情報を統合する、請求項８乃至１２のいずれか一項に記載の物体位置検出方法。
14. 前記存在領域特定工程により得られた前記物体の存在領域に関する情報を表示する表示工程をさらに備えた、請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の物体位置検出方法。

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