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特開2022-136809レーダ速度算出装置及びレーダ速度算出プログラム
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022136809
(43)【公開日】2022-09-21
(54)【発明の名称】レーダ速度算出装置及びレーダ速度算出プログラム
(51)【国際特許分類】
   G01S 13/58 20060101AFI20220913BHJP
【FI】
G01S13/58 200
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021036600
(22)【出願日】2021-03-08
(71)【出願人】
【識別番号】000004330
【氏名又は名称】日本無線株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100119677
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 賢治
(74)【代理人】
【識別番号】100160495
【弁理士】
【氏名又は名称】畑 雅明
(74)【代理人】
【識別番号】100173716
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 真理
(74)【代理人】
【識別番号】100115794
【弁理士】
【氏名又は名称】今下 勝博
(72)【発明者】
【氏名】米谷 凜太郎
【テーマコード(参考)】
5J070
【Fターム(参考)】
5J070AC02
5J070AC06
5J070AF01
5J070AF05
5J070AH02
5J070AH04
5J070AH12
5J070AH35
5J070AJ03
5J070AJ20
5J070AK22
5J070BB05
5J070BF03
(57)【要約】      (修正有)
【課題】レーダを用いて移動物標の速度を算出し移動物標を追尾するにあたり、複数スキャンのレーダ画像のフーリエ変換の実行結果において、主成分平面とともに折返成分平面が発生することを考慮したうえで、主成分平面の法線ベクトルひいては移動物標の速度を高精度に算出することを目的とする。
【解決手段】レーダ速度算出装置3において、時間軸及び全空間軸を含む(n+1)次元のフーリエ変換を実行するフーリエ変換部32と、時間周波数軸及び各空間周波数軸を含む各時空間周波数断面において、原点を起点として、n次元の主成分平面を構成する点群を抽出する主成分点群抽出部33と、各時空間周波数断面において、n次元の主成分平面を構成する点群を通る各主成分点群ベクトルに対する法線ベクトルに基づいて、各空間軸の方向の物標速度を算出する物標速度算出部34と、を備える。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の時間のレーダスキャンにおけるn次元の空間のレーダ画像に対して、時間軸及び全空間軸を含む(n+1)次元のフーリエ変換を実行するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換部の実行結果に対して、時間周波数軸及び各空間周波数軸を含む各時空間周波数断面において、前記時間周波数軸及び前記各空間周波数軸の原点を起点として、n次元の主成分平面を構成する点群を抽出する主成分点群抽出部と、
前記主成分点群抽出部の抽出結果に対して、前記各時空間周波数断面において、前記n次元の主成分平面を構成する点群を通る各主成分点群ベクトルに対する法線ベクトルに基づいて、各空間軸の方向の物標速度を算出する物標速度算出部と、
を備えることを特徴とするレーダ速度算出装置。
【請求項2】
前記主成分点群抽出部は、前記フーリエ変換部の実行結果に対して、前記時間周波数軸の各成分値を固定され前記各空間周波数軸の全ての軸と平行である各空間周波数断面において、前記各主成分点群ベクトルに対する合成ベクトルと前記各空間周波数断面との交点を起点として、前記n次元の主成分平面を構成する点群を抽出し、
前記物標速度算出部は、前記主成分点群抽出部の抽出結果に対して、(n+1)次元のフーリエ空間において、抽出された全ての点群を通る前記n次元の主成分平面に対する法線ベクトルに基づいて、前記全空間軸の方向の物標速度を算出する
ことを特徴とする、請求項1に記載のレーダ速度算出装置。
【請求項3】
前記主成分点群抽出部は、前記n次元の主成分平面を構成する点群を抽出するにあたり、(n+1)次元のフーリエ空間の端点において、n次元の折返成分平面を前記n次元の主成分平面と連続させたうえで、前記n次元の折返成分平面を構成する点群も抽出する
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載のレーダ速度算出装置。
【請求項4】
前記主成分点群抽出部は、前記n次元の主成分平面を構成する点群を抽出するにあたり、(n+1)次元のフーリエ空間での抽出した点群の位置が、誤差を打ち消し合うとともに原点から離れ過ぎないように、抽出する点群の個数を設定する
ことを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載のレーダ速度算出装置。
【請求項5】
前記主成分点群抽出部は、前記n次元の主成分平面を構成する点群を抽出するにあたり、(n+1)次元のフーリエ空間での抽出した離散点群及び周囲の離散点群の強度を用いて重み付けしたうえで、最終的に抽出する点群の位置精度を離散幅以下に向上させる
ことを特徴とする、請求項1から4のいずれかに記載のレーダ速度算出装置。
【請求項6】
前記物標速度算出部は、前記各空間軸の方向の物標速度を算出するにあたり、(n+1)次元のフーリエ空間での抽出された点群の強度を用いて重み付けしたうえで、最小二乗法を用いて前記各主成分点群ベクトルに対する法線ベクトルを算出する
ことを特徴とする、請求項1から5のいずれかに記載のレーダ速度算出装置。
【請求項7】
複数の時間のレーダスキャンにおけるn次元の空間のレーダ画像に対して、時間軸及び全空間軸を含む(n+1)次元のフーリエ変換を実行するフーリエ変換ステップと、
前記フーリエ変換ステップの実行結果に対して、時間周波数軸及び各空間周波数軸を含む各時空間周波数断面において、前記時間周波数軸及び前記各空間周波数軸の原点を起点として、n次元の主成分平面を構成する点群を抽出する主成分点群抽出ステップと、
前記主成分点群抽出ステップの抽出結果に対して、前記各時空間周波数断面において、前記n次元の主成分平面を構成する点群を通る各主成分点群ベクトルに対する法線ベクトルに基づいて、各空間軸の方向の物標速度を算出する物標速度算出ステップと、
を順にコンピュータに実行させるためのレーダ速度算出プログラム。
【請求項8】
前記主成分点群抽出ステップは、前記フーリエ変換ステップの実行結果に対して、前記時間周波数軸の各成分値を固定され前記各空間周波数軸の全ての軸と平行である各空間周波数断面において、前記各主成分点群ベクトルに対する合成ベクトルと前記各空間周波数断面との交点を起点として、前記n次元の主成分平面を構成する点群を抽出し、
前記物標速度算出ステップは、前記主成分点群抽出ステップの抽出結果に対して、(n+1)次元のフーリエ空間において、抽出された全ての点群を通る前記n次元の主成分平面に対する法線ベクトルに基づいて、前記全空間軸の方向の物標速度を算出する
ことを特徴とする、請求項7に記載のレーダ速度算出プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、レーダを用いて移動物標の速度を算出し移動物標を追尾する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
レーダを用いて移動物標の速度を算出し移動物標を追尾する技術が、特許文献1等に開示されている。まずは、複数の時間のレーダスキャンにおける2次元の空間のレーダ画像に対して、時間軸及び全空間軸を含む3次元のフーリエ変換を実行する。そして、3次元のフーリエ変換の実行結果に対して、主成分平面の法線ベクトルに基づいて、移動物標の速度を算出する。さらに、移動物標の位置及び速度に基づいて、移動物標を追尾する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第5775287号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、3次元のフーリエ変換の実行結果において、主成分平面とともに折返成分平面が発生することを考慮していない。よって、3次元のフーリエ変換の実行結果に対して、主成分平面の法線ベクトルひいては移動物標の速度を高精度に算出することができない。
【0005】
そこで、前記課題を解決するために、本開示は、レーダを用いて移動物標の速度を算出し移動物標を追尾するにあたり、複数スキャンのレーダ画像のフーリエ変換の実行結果において、主成分平面とともに折返成分平面が発生することを考慮したうえで、主成分平面の法線ベクトルひいては移動物標の速度を高精度に算出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
前記課題を解決するために、複数の時間のレーダスキャンにおけるn次元(2次元を含むのみならず、1次元及び3次元を含む概念である。)の空間のレーダ画像に対して、時間軸及び全空間軸を含む(n+1)次元のフーリエ変換を実行する。ここで、n次元の主成分平面は、時間周波数軸及び全空間周波数軸で構成される(n+1)次元のフーリエ空間の原点を通るが、n次元の折返成分平面は、時間周波数軸及び全空間周波数軸で構成される(n+1)次元のフーリエ空間の原点を通らず、n次元の主成分平面と平行である。
【0007】
そこで、(n+1)次元のフーリエ変換の実行結果に対して、時間周波数軸及び全空間周波数軸で構成される(n+1)次元のフーリエ空間の原点を起点として、n次元の主成分平面を構成する点群を抽出する。そして、(n+1)次元のフーリエ変換の実行結果に対して、抽出された全ての点群を通るn次元の主成分平面に対する法線ベクトルに基づいて、全空間軸の方向の移動物標の速度を算出する。しかし、最初から、時間周波数軸及び全空間周波数軸で構成される(n+1)次元のフーリエ空間において、n次元の主成分平面を構成する点群を抽出することは、困難である。
【0008】
そこで、まず、時間周波数軸及び各空間周波数軸を含む各時空間周波数断面において、n次元の主成分平面を構成する点群を抽出することにより、n次元の主成分平面を抽出する糸口を掴んでいる。そして、次に、時間周波数軸の各成分値を固定され各空間周波数軸の全ての軸と平行である各空間周波数断面において、n次元の主成分平面を構成する点群を抽出することにより、n次元の主成分平面を抽出する精度を高めている。
【0009】
具体的には、本開示は、複数の時間のレーダスキャンにおけるn次元の空間のレーダ画像に対して、時間軸及び全空間軸を含む(n+1)次元のフーリエ変換を実行するフーリエ変換部と、前記フーリエ変換部の実行結果に対して、時間周波数軸及び各空間周波数軸を含む各時空間周波数断面において、前記時間周波数軸及び前記各空間周波数軸の原点を起点として、n次元の主成分平面を構成する点群を抽出する主成分点群抽出部と、前記主成分点群抽出部の抽出結果に対して、前記各時空間周波数断面において、前記n次元の主成分平面を構成する点群を通る各主成分点群ベクトルに対する法線ベクトルに基づいて、各空間軸の方向の物標速度を算出する物標速度算出部と、を備えることを特徴とするレーダ速度算出装置である。
【0010】
また、本開示は、複数の時間のレーダスキャンにおけるn次元の空間のレーダ画像に対して、時間軸及び全空間軸を含む(n+1)次元のフーリエ変換を実行するフーリエ変換ステップと、前記フーリエ変換ステップの実行結果に対して、時間周波数軸及び各空間周波数軸を含む各時空間周波数断面において、前記時間周波数軸及び前記各空間周波数軸の原点を起点として、n次元の主成分平面を構成する点群を抽出する主成分点群抽出ステップと、前記主成分点群抽出ステップの抽出結果に対して、前記各時空間周波数断面において、前記n次元の主成分平面を構成する点群を通る各主成分点群ベクトルに対する法線ベクトルに基づいて、各空間軸の方向の物標速度を算出する物標速度算出ステップと、を順にコンピュータに実行させるためのレーダ速度算出プログラムである。
【0011】
これらの構成によれば、複数スキャンのレーダ画像のフーリエ変換の実行結果において、主成分平面とともに折返成分平面が発生することを考慮したうえで、主成分平面の法線ベクトルひいては移動物標の速度を算出する糸口を掴むことができる。
【0012】
また、本開示は、前記主成分点群抽出部は、前記フーリエ変換部の実行結果に対して、前記時間周波数軸の各成分値を固定され前記各空間周波数軸の全ての軸と平行である各空間周波数断面において、前記各主成分点群ベクトルに対する合成ベクトルと前記各空間周波数断面との交点を起点として、前記n次元の主成分平面を構成する点群を抽出し、前記物標速度算出部は、前記主成分点群抽出部の抽出結果に対して、(n+1)次元のフーリエ空間において、抽出された全ての点群を通る前記n次元の主成分平面に対する法線ベクトルに基づいて、前記全空間軸の方向の物標速度を算出することを特徴とするレーダ速度算出装置である。
【0013】
また、本開示は、前記主成分点群抽出ステップは、前記フーリエ変換ステップの実行結果に対して、前記時間周波数軸の各成分値を固定され前記各空間周波数軸の全ての軸と平行である各空間周波数断面において、前記各主成分点群ベクトルに対する合成ベクトルと前記各空間周波数断面との交点を起点として、前記n次元の主成分平面を構成する点群を抽出し、前記物標速度算出ステップは、前記主成分点群抽出ステップの抽出結果に対して、(n+1)次元のフーリエ空間において、抽出された全ての点群を通る前記n次元の主成分平面に対する法線ベクトルに基づいて、前記全空間軸の方向の物標速度を算出することを特徴とするレーダ速度算出プログラムである。
【0014】
これらの構成によれば、複数スキャンのレーダ画像のフーリエ変換の実行結果において、主成分平面とともに折返成分平面が発生することを考慮したうえで、主成分平面の法線ベクトルひいては移動物標の速度を高精度に算出することができる。
【0015】
また、本開示は、前記主成分点群抽出部は、前記n次元の主成分平面を構成する点群を抽出するにあたり、(n+1)次元のフーリエ空間の端点において、n次元の折返成分平面を前記n次元の主成分平面と連続させたうえで、前記n次元の折返成分平面を構成する点群も抽出することを特徴とするレーダ速度算出装置である。
【0016】
この構成によれば、折返成分平面を主成分平面に取り込んだうえで、主成分平面の法線ベクトルひいては移動物標の速度を高精度に算出することができる。
【0017】
また、本開示は、前記主成分点群抽出部は、前記n次元の主成分平面を構成する点群を抽出するにあたり、(n+1)次元のフーリエ空間での抽出した点群の位置が、誤差を打ち消し合うとともに原点から離れ過ぎないように、抽出する点群の個数を設定することを特徴とするレーダ速度算出装置である。
【0018】
この構成によれば、強度が弱い点群を抽出しないで排除したうえで、主成分平面の法線ベクトルひいては移動物標の速度を高精度に算出することができる。
【0019】
また、本開示は、前記主成分点群抽出部は、前記n次元の主成分平面を構成する点群を抽出するにあたり、(n+1)次元のフーリエ空間での抽出した離散点群及び周囲の離散点群の強度を用いて重み付けしたうえで、最終的に抽出する点群の位置精度を離散幅以下に向上させることを特徴とするレーダ速度算出装置である。
【0020】
この構成によれば、位置精度が離散幅以下の点群を抽出したうえで、主成分平面の法線ベクトルひいては移動物標の速度を高精度に算出することができる。
【0021】
また、本開示は、前記物標速度算出部は、前記各空間軸の方向の物標速度を算出するにあたり、(n+1)次元のフーリエ空間での抽出された点群の強度を用いて重み付けしたうえで、最小二乗法を用いて前記各主成分点群ベクトルに対する法線ベクトルを算出することを特徴とするレーダ速度算出装置である。
【0022】
この構成によれば、強度が強い/弱い点群の重み付けを大きく/小さくしたうえで、主成分平面の法線ベクトルひいては移動物標の速度を高精度に算出することができる。
【発明の効果】
【0023】
このように、本開示は、レーダを用いて移動物標の速度を算出し移動物標を追尾するにあたり、複数スキャンのレーダ画像のフーリエ変換の実行結果において、主成分平面とともに折返成分平面が発生することを考慮したうえで、主成分平面の法線ベクトルひいては移動物標の速度を高精度に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
図1】本開示のレーダ物標追尾システムの構成を示す図である。
図2】本開示のレーダ速度算出処理の手順を示す図である。
図3】本開示のフーリエ変換の概要を示す図である。
図4】本開示のフーリエ変換の結果を示す図である。
図5】本開示の主成分点群抽出及び物標速度算出の概要を示す図である。
図6】本開示のフーリエ変換の詳細を示す図である。
図7】本開示の第1段階の主成分点群抽出の詳細を示す図である。
図8】本開示の第1段階の主成分点群抽出の詳細を示す図である。
図9】本開示の第1段階の物標速度算出の詳細を示す図である。
図10】本開示の第2段階の主成分点群抽出の詳細を示す図である。
図11】本開示の第2段階の主成分点群抽出の詳細を示す図である。
図12】本開示の第2段階の物標速度算出の詳細を示す図である。
図13】本開示の主成分点群抽出の抽出点数の設定を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。
【0026】
(本開示のレーダ速度算出処理の概要)
本開示のレーダ物標追尾システムの構成を図1に示す。本開示のレーダ速度算出処理の手順を図2に示す。レーダ物標追尾システムSは、レーダ送受信装置1、レーダ信号処理装置2及びレーダ速度算出装置3を備える。レーダ信号処理装置2は、パルス圧縮部21、コヒーレント積分部22、CFAR処理部23及び座標系変換部24を備える。レーダ速度算出装置3は、クラスタリング部31、フーリエ変換部32、主成分点群抽出部33、物標速度算出部34及び移動物標追尾部35を備え、図2に示したレーダ速度算出プログラムをコンピュータにインストールすることにより実現可能である。
【0027】
レーダ送受信装置1は、移動物標Tへとレーダ送信信号を照射し、移動物標Tからレーダ反射信号を受信する。レーダ信号処理装置2は、固体化レーダ信号処理を極座標系で実行する。レーダ速度算出装置3は、スキャン間相関処理を直交座標系で実行する。
【0028】
パルス圧縮部21は、移動物標Tから受信されたレーダ反射信号に対して、パルス圧縮を実行する。コヒーレント積分部22は、パルス圧縮されたレーダ反射信号に対して、コヒーレント積分を実行する。CFAR処理部23は、コヒーレント積分されたレーダ反射信号に対して、CFAR処理を実行する。座標系変換部24は、CFAR処理されたレーダ反射信号に対して、極座標系から直交座標系への座標系変換を実行する。
【0029】
クラスタリング部31は、座標系変換されたレーダ反射信号に対して、クラスタリングを実行する。フーリエ変換部32、主成分点群抽出部33及び物標速度算出部34は、図2~5に示す処理の概要及び図6~13に示す処理の詳細に従って、クラスタリングされたレーダ反射信号に対して、移動物標Tの速度を算出する。移動物標追尾部35は、移動物標Tの位置及び速度に基づいて、移動物標Tを追尾することができる。
【0030】
本開示のフーリエ変換の概要及び結果を図3、4に示す。フーリエ変換部32は、例えば8回分のレーダスキャンにおける2次元の空間のレーダ画像R1~R8に対して、時間軸及び全空間軸を含む3次元のフーリエ変換を実行する(ステップS1)。
【0031】
図3の左欄では、(x、y、t)の3次元のレーダ画像R1~R8を示す。図3の中欄では、レーダ画像R1~R8からFFTブロックF1~F8が切り出される。ここで、FFTブロックF1~F8において、x方向の長さはxunit図6で後述)であり、y方向の長さはyunit図6で後述)であり、t方向の間隔はtinterval(アンテナ回転周期)である。図3の右欄では、(k、k、ω)の3次元のフーリエ変換の実行結果を示す。ここで、3次元のフーリエ変換において、k=2πn/xunit(nは整数)であり、k=2πm/yunit(mは整数)であり、ω=2πl/tinterval(lは整数)である。
【0032】
図3の右欄では、(k、k、ω)の3次元の空間の原点を通る主成分平面Mを示す。ここで、主成分平面Mの法線ベクトルは、移動物標Tの速度を反映している。図4では、(k、k、ω)の3次元の空間の原点を通る主成分平面Mと、(k、k、ω)の3次元の空間の原点を通らず主成分平面Mと平行である折返成分平面N1、N2と、を示す。ここで、折返成分平面N1、N2の法線ベクトルも、移動物標Tの速度を反映している。
【0033】
本開示の主成分点群抽出及び物標速度算出の概要を図5に示す。ここで、最初から、時間周波数軸及び全空間周波数軸で構成される3次元のフーリエ空間において、2次元の主成分平面Mを構成する点群を抽出することは、困難である。そこで、第1段階として、時間周波数軸及び各空間周波数軸を含む各時空間周波数断面において、2次元の主成分平面Mを構成する点群を抽出することにより、2次元の主成分平面Mを抽出する糸口を掴んでいる。そして、第2段階として、時間周波数軸の各成分値を固定され各空間周波数軸の全ての軸と平行である各空間周波数断面において、2次元の主成分平面Mを構成する点群を抽出することにより、2次元の主成分平面Mを抽出する精度を高めている。
【0034】
まず、第1段階の主成分点群抽出及び物標速度算出について説明する。主成分点群抽出部33は、フーリエ変換部32の実行結果に対して、時間周波数軸及び各空間周波数軸を含む各時空間周波数断面において、時間周波数軸及び各空間周波数軸の原点を起点として、2次元の主成分平面Mを構成する点群を抽出する(ステップS2)。物標速度算出部34は、主成分点群抽出部33の抽出結果に対して、各時空間周波数断面において、2次元の主成分平面Mを構成する点群を通る各主成分点群ベクトルV、Vに対する法線ベクトルに基づいて、各空間軸の方向の移動物標Tの速度を算出する(ステップS3)。
【0035】
図5の左欄では、主成分点群抽出部33は、ω軸及びk軸を含むω-k断面において、ω軸及びk軸の原点を起点として、主成分平面M(k+k+ω=0)を構成する点群を抽出する。そして、物標速度算出部34は、ω-k断面において、主成分平面Mを構成する点群を通る主成分点群ベクトルV=(-1/v、0、1)に対する法線ベクトルに基づいて、x軸方向の移動物標Tの速度vを算出する。
【0036】
ほぼ同様にして、主成分点群抽出部33は、ω軸及びk軸を含むω-k断面において、ω軸及びk軸の原点を起点として、主成分平面M(k+k+ω=0)を構成する点群を抽出する。そして、物標速度算出部34は、ω-k断面において、主成分平面Mを構成する点群を通る主成分点群ベクトルV=(0、-1/v、1)に対する法線ベクトルに基づいて、y軸方向の移動物標Tの速度vを算出する。
【0037】
よって、複数スキャンのレーダ画像R1~R8のフーリエ変換の実行結果において、主成分平面Mとともに折返成分平面N1、N2が発生することを考慮したうえで、主成分平面Mの法線ベクトルひいては移動物標Tの速度を算出する糸口を掴むことができる。
【0038】
次に、第2段階の主成分点群抽出及び物標速度算出について説明する。主成分点群抽出部33は、フーリエ変換部32の実行結果に対して、時間周波数軸の各成分値を固定され各空間周波数軸の全ての軸と平行である各空間周波数断面において、各主成分点群ベクトルV、Vに対する合成ベクトルV(例えば、V=V+V)と各空間周波数断面との交点を起点として、2次元の主成分平面Mを構成する点群を抽出する(ステップS4)。物標速度算出部34は、主成分点群抽出部33の抽出結果に対して、3次元のフーリエ空間において、抽出された全ての点群を通る2次元の主成分平面Mに対する法線ベクトルに基づいて、全空間軸の方向の移動物標Tの速度を算出する(ステップS5)。
【0039】
図5の中欄では、主成分点群抽出部33は、ω軸の各成分値を固定されk、k軸と平行である各k-k断面において、合成ベクトルV=(-1/v、-1/v、2)と各k-k断面との交点を起点とする。ここで、各主成分点群ベクトルV、Vは、主成分平面M内のベクトルであり、合成ベクトルVも、主成分平面M内のベクトルである。なお、V=aV+bV(a、bは、任意の実数。)であってもよい。V、Vが主成分平面M内のベクトルであれば、Vも主成分平面M内のベクトルだからである。
【0040】
図5の右欄では、主成分点群抽出部33は、各k-k断面において、上述の交点を起点として、主成分点群ベクトルVω=(-1/v、1/v、0)と平行に、主成分平面M(k+k+ω=0)を構成する点群を抽出する。物標速度算出部34は、3次元のフーリエ空間において、抽出された全ての点群を通る主成分平面Mに対する法線ベクトルに基づいて、x、y軸の方向の移動物標Tの速度v、vを算出する。なお、Vω=cV-cV(cは、任意の同一の実数。)であってもよい。cが同一の実数であれば、Vωは主成分平面M内のベクトルかつ各k-k断面内のベクトルだからである。
【0041】
よって、複数スキャンのレーダ画像R1~R8のフーリエ変換の実行結果において、主成分平面Mとともに折返成分平面N1、N2が発生することを考慮したうえで、主成分平面Mの法線ベクトルひいては移動物標Tの速度を高精度に算出することができる。
【0042】
(第1段階のレーダ速度算出処理の詳細)
本開示のフーリエ変換の詳細を図6に示す。フーリエ変換部32は、1個のみの移動物標Tを追尾可能であるように、例えば8回分のレーダスキャンにおける2次元の空間のレーダ画像R1~R8から、FFTブロックF1~F8を切り出す(ステップS1)。
【0043】
図6の左上欄では、1個のみの移動物標Tを追尾可能であるような、小さめのFFTブロックF1~F8を示す。図6の右上欄では、(k、k、ω)の3次元のフーリエ変換の実行結果を示す。ただし、簡単のため、(k、ω)の2次元の空間を示す。そして、1個のみの移動物標Tによる主成分平面M及び折返成分平面N1、N2は、互いに平行であり交差しない。よって、1個のみの移動物標Tによる主成分平面Mの法線ベクトルひいては1個のみの移動物標Tの速度を高精度に算出することができる。そして、複数スキャンのレーダ画像R1~R8を小さ過ぎないFFTブロックF1~F8に分割するため、複数スキャンのレーダ画像R1~R8のフーリエ変換を高精度に実行することができる。
【0044】
図6の左下欄では、2個の移動物標T、T’を追尾可能であるような、大きめのFFTブロックF1~F8を示す。図6の右下欄では、(k、k、ω)の3次元のフーリエ変換の実行結果を示す。ただし、簡単のため、(k、ω)の2次元の空間を示す。そして、1個の移動物標Tによる主成分平面M及び折返成分平面N1、N2は、互いに平行であり交差しない。一方で、別個の移動物標T’による主成分平面M’及び折返成分平面N1’、N2’も、互いに平行であり交差しない。しかし、2個の移動物標T、T’による各平面は、互いに平行ではなく交差する。よって、2個の移動物標T、T’による主成分平面M、M’の法線ベクトルひいては2個の移動物標T、T’の速度を高精度に算出することができない。ただし、一方の移動物標Tの強度(実線で示す。)が他方の移動物標T’の強度(破線で示す。)と比べて十分に高いときには、一方の移動物標Tによる主成分平面Mの法線ベクトルひいては一方の移動物標Tの速度を高精度に算出することができる。
【0045】
本開示の第1段階の主成分点群抽出の詳細を図7に示す。主成分点群抽出部33は、2次元の主成分平面Mを構成する点群を抽出するにあたり、3次元のフーリエ空間の端点において、2次元の折返成分平面N1、N2を2次元の主成分平面Mと連続させたうえで、2次元の折返成分平面N1、N2を構成する点群も抽出する(ステップS2)。
【0046】
図7の左欄では、ω-k断面において、主成分平面Mは、横軸及び縦軸をω軸及びk軸として、小さな傾きを有する。すると、主成分点群抽出部33は、図5の左欄に示した原点を起点として、各kで最大強度の各ωを抽出したときに、フーリエ空間の全体に及ぶωを抽出したうえで、主成分平面Mを構成する点群を抽出する。そこで、主成分点群抽出部33は、フーリエ空間の端点(ωの最大値及び最小値)において、折返成分平面N1、N2を主成分平面Mと連続させたうえで(折返成分平面N1、N2をω軸方向にフーリエ空間幅だけ配置変更)、折返成分平面N1、N2を構成する点群も抽出する。
【0047】
図7の右欄では、ω-k断面において、主成分平面Mは、横軸及び縦軸をω軸及びk軸として、大きな傾きを有する。すると、主成分点群抽出部33は、図5の左欄に示した原点を起点として、各kで最大強度の各ωを抽出したときに、フーリエ空間の一部に及ぶωを抽出したうえで、主成分平面Mを構成する点群を抽出する。そこで、主成分点群抽出部33は、フーリエ空間の端点(kの最大値及び最小値)において、折返成分平面N1、N2を主成分平面Mと連続させたうえで(折返成分平面N1、N2をk軸方向にフーリエ空間幅だけ配置変更)、折返成分平面N1、N2を構成する点群も抽出する。
【0048】
よって、折返成分平面N1、N2を主成分平面Mに取り込んだうえで、主成分平面Mの法線ベクトルひいては移動物標Tの速度を高精度に算出することができる。
【0049】
本開示の第1段階の主成分点群抽出の詳細を図8にも示す。主成分点群抽出部33は、2次元の主成分平面Mを構成する点群を抽出するにあたり、3次元のフーリエ空間での抽出した離散点群及び周囲の離散点群の強度を用いて重み付けしたうえで、最終的に抽出する点群の位置精度を離散幅以下に向上させる(ステップS2)。
【0050】
図8の左欄では、ω-k断面において、主成分平面Mは、横軸及び縦軸をω軸及びk軸として、小さな傾きを有する。すると、主成分点群抽出部33は、数1のように、離散的な各ωにおいて、抽出した離散的な各k及び上下の離散的な各kの強度Pを用いて重み付けしたうえで、最終的に抽出する各kの位置精度を離散幅以下に向上させる。
【数1】
【0051】
図8の右欄では、ω-k断面において、主成分平面Mは、横軸及び縦軸をω軸及びk軸として、大きな傾きを有する。すると、主成分点群抽出部33は、数2のように、離散的な各kにおいて、抽出した離散的な各ω及び左右の離散的な各ωの強度Pを用いて重み付けしたうえで、最終的に抽出する各ωの位置精度を離散幅以下に向上させる。
【数2】
【0052】
よって、位置精度が離散幅以下の点群を抽出したうえで、主成分平面Mの法線ベクトルひいては移動物標Tの速度を高精度に算出することができる。
【0053】
本開示の第1段階の物標速度算出の詳細を図9に示す。物標速度算出部34は、各空間軸の方向の移動物標Tの速度v、vを算出するにあたり、3次元のフーリエ空間での抽出された点群の強度を用いて重み付けしたうえで、最小二乗法を用いて各主成分点群ベクトルV、Vに対する法線ベクトルを算出する(ステップS3)。
【0054】
図9の左欄では、ω-k断面において、主成分平面Mは、横軸及び縦軸をω軸及びk軸として、小さな傾きを有する。図9の右欄では、ω-k断面において、主成分平面Mは、横軸及び縦軸をω軸及びk軸として、大きな傾きを有する。
【0055】
物標速度算出部34は、数3から数5までのように、抽出された点群の強度Pを用いて重み付けしたうえで、最小二乗法を用いて、主成分点群ベクトルVに対する法線ベクトルを算出し、ひいてはx軸方向の移動物標Tの速度vを算出する。
【数3】
【数4】
【数5】
【0056】
物標速度算出部34は、数6から数8までのように、抽出された点群の強度Pを用いて重み付けしたうえで、最小二乗法を用いて、主成分点群ベクトルVに対する法線ベクトルを算出し、ひいてはy軸方向の移動物標Tの速度vを算出する。
【数6】
【数7】
【数8】
【0057】
よって、強度が強い/弱い点群の重み付けを大きく/小さくしたうえで、主成分平面Mの法線ベクトルひいては移動物標Tの速度を高精度に算出することができる。
【0058】
(第2段階のレーダ速度算出処理の詳細)
本開示の第2段階の主成分点群抽出の詳細を図10に示す。主成分点群抽出部33は、2次元の主成分平面Mを構成する点群を抽出するにあたり、3次元のフーリエ空間の端点において、2次元の折返成分平面N1、N2を2次元の主成分平面Mと連続させたうえで、2次元の折返成分平面N1、N2を構成する点群も抽出する(ステップS4)。
【0059】
図10の左欄及び右欄では、各k-k断面において、主成分平面Mが1枚存在するのみならず、折返成分平面が多数存在するため、図7の方法を適用することができない。
【0060】
そこで、主成分点群抽出部33は、図5の中欄に示した交点を起点として、主成分点群ベクトルVωの近傍の複数の候補ベクトルに沿って、抽出した点群の強度の積算値を算出する。そして、主成分点群抽出部33は、抽出した点群の強度の積算値が最大となるように、主成分点群ベクトルVωの近傍の単数の候補ベクトルを選択する。さらに、主成分点群抽出部33は、図5の中欄に示した交点を起点として、主成分点群ベクトルVωの近傍の単数の候補ベクトルに沿って、主成分平面Mを構成する点群を抽出する。
【0061】
図10の左欄では、各k-k断面において、主成分平面Mは、横軸及び縦軸をk軸及びk軸として、小さな傾きを有する。そこで、主成分点群抽出部33は、上記に加えて、フーリエ空間の端点(kの最大値及び最小値)において、折返成分平面N1、N2を主成分平面Mと連続させたうえで(折返成分平面N1、N2をk軸方向にフーリエ空間幅だけ配置変更)、折返成分平面N1、N2を構成する点群も抽出する。
【0062】
図10の右欄では、各k-k断面において、主成分平面Mは、横軸及び縦軸をk軸及びk軸として、大きな傾きを有する。そこで、主成分点群抽出部33は、上記に加えて、フーリエ空間の端点(kの最大値及び最小値)において、折返成分平面N1、N2を主成分平面Mと連続させたうえで(折返成分平面N1、N2をk軸方向にフーリエ空間幅だけ配置変更)、折返成分平面N1、N2を構成する点群も抽出する。
【0063】
よって、折返成分平面N1、N2を主成分平面Mに取り込んだうえで、主成分平面Mの法線ベクトルひいては移動物標Tの速度を高精度に算出することができる。
【0064】
本開示の第2段階の主成分点群抽出の詳細を図11にも示す。主成分点群抽出部33は、2次元の主成分平面Mを構成する点群を抽出するにあたり、3次元のフーリエ空間での抽出した離散点群及び周囲の離散点群の強度を用いて重み付けしたうえで、最終的に抽出する点群の位置精度を離散幅以下に向上させる(ステップS4)。
【0065】
図11の左欄では、各k-k断面において、主成分平面Mは、横軸及び縦軸をk軸及びk軸として、小さな傾きを有する。すると、主成分点群抽出部33は、数9のように、離散的な各kにおいて、抽出した離散的な各k及び上下の離散的な各kの強度Pを用いて重み付けしたうえで、最終的に抽出する各kの位置精度を離散幅以下に向上させる。
【数9】
【0066】
図11の右欄では、各k-k断面において、主成分平面Mは、横軸及び縦軸をk軸及びk軸として、大きな傾きを有する。すると、主成分点群抽出部33は、数10のように、離散的な各kにおいて、抽出した離散的な各k及び左右の離散的な各kの強度Pを用いて重み付けしたうえで、最終的に抽出する各kの位置精度を離散幅以下に向上させる。
【数10】
【0067】
よって、位置精度が離散幅以下の点群を抽出したうえで、主成分平面Mの法線ベクトルひいては移動物標Tの速度を高精度に算出することができる。
【0068】
本開示の第2段階の物標速度算出の詳細を図12に示す。物標速度算出部34は、全空間軸の方向の移動物標Tの速度v、vを算出するにあたり、3次元のフーリエ空間での抽出された点群の強度を用いて重み付けしたうえで、最小二乗法を用いて抽出された全ての点群を通る2次元の主成分平面Mに対する法線ベクトルを算出する(ステップS5)。
【0069】
図12の左欄では、各k-k断面において、主成分平面Mは、横軸及び縦軸をk軸及びk軸として、小さな傾きを有する。図12の右欄では、各k-k断面において、主成分平面Mは、横軸及び縦軸をk軸及びk軸として、大きな傾きを有する。
【0070】
物標速度算出部34は、数11から数13までのように、抽出された点群の強度Pを用いて重み付けしたうえで、最小二乗法を用いて、抽出された全ての点群を通る主成分平面Mに対する法線ベクトルを算出し、ひいてはx軸方向の移動物標Tの速度vを算出する。ただし、kyn=0、v=0であるときには、vは数5で表される。
【数11】
【数12】
【数13】
【0071】
物標速度算出部34は、数14から数16までのように、抽出された点群の強度Pを用いて重み付けしたうえで、最小二乗法を用いて、抽出された全ての点群を通る主成分平面Mに対する法線ベクトルを算出し、ひいてはy軸方向の移動物標Tの速度vを算出する。ただし、kxn=0、v=0であるときには、vは数8で表される。
【数14】
【数15】
【数16】
【0072】
よって、強度が強い/弱い点群の重み付けを大きく/小さくしたうえで、主成分平面Mの法線ベクトルひいては移動物標Tの速度を高精度に算出することができる。
【0073】
(第1段階及び第2段階の点群の抽出点数)
本開示の主成分点群抽出の抽出点数の設定を図13に示す。主成分点群抽出部33は、2次元の主成分平面Mを構成する点群を抽出するにあたり、3次元のフーリエ空間での抽出した点群の位置が、誤差を打ち消し合うとともに原点から離れ過ぎないように、抽出する点群の個数を設定する(第1、2段階のステップS2、S4の両方において)。
【0074】
図13では、2次元の主成分平面Mを構成する点群を抽出したうえで、移動物標Tの速度を算出したときの、真の速度と算出速度と間の速度誤差を示す。ここで、サンプル個数の合計は、4000個である。そして、移動物標Tの真の速度の絶対値は、各サンプルで0.0~4.1pixel/scanから無作為に設定されている。さらに、移動物標Tの真の速度の方向は、各サンプルで0~90degから無作為に設定されている。
【0075】
さらに、ステップS2、S4での点群の抽出点数は、FFTブロックF1~F8のブロックサイズ(64pixel)に対して、2/16倍、3/16倍、5/16倍に設定されている。すると、真の速度と算出速度と間の速度誤差の中央値は、各々の場合において、0.26、0.17、0.14と評価されている。そして、真の速度と算出速度と間の速度誤差の平均値は、各々の場合において、0.28、0.20、0.30と評価されている。つまり、ステップS2、S4での点群の抽出点数が、FFTブロックF1~F8のブロックサイズ(64pixel)に対して、3/16倍に設定されていれば、真の速度と算出速度と間の速度誤差は、0.2程度に最小化することができる。
【0076】
これは、主成分平面Mを抽出するのみならず折返成分平面N1、N2も抽出するからであり、十分な点数の点群を抽出することにより誤差が打ち消し合うからであり、原点から離れ過ぎない点群を抽出することにより強度が弱い点群が抽出されないからである。なお、ステップS2、S4での点群の抽出点数は、同一でもよく異なってもよい。
【0077】
よって、強度が弱い点群を抽出しないで排除したうえで、主成分平面Mの法線ベクトルひいては移動物標Tの速度を高精度に算出することができる。
【0078】
実施形態では、複数の時間のレーダスキャンにおける、2次元の空間のレーダ画像に対して、移動物標Tの速度を算出している。例えば、PPI映像を利用する現行の船舶レーダでは、レーダ映像のX、Yの2次元データに対して、複数の時間のスキャンを加えることにより、3次元データを扱うことになる。変形例として、複数の時間のレーダスキャンにおける、1次元、3次元又は4次元(3次元空間+ドップラ周波数成分)の空間のレーダ画像に対して、移動物標Tの速度を算出してもよい。例えば、平面的に配列されたアンテナを利用するレーダでは、又は、気象レーダのように高さを見ることができるレーダでは、レーダ映像のX、Y、Zの3次元データに対して、複数の時間のスキャンを加えることにより、4次元データを扱うことになる。さらに、ターゲットのドップラ周波数を検出することができる固体化レーダ又は気象レーダでは、レーダ映像のX、Y、Z、Vの4次元データに対して、複数の時間のスキャンを加えることにより、5次元データを扱うことになる。変形例では、ステップS1~S5は、以下のように実行される。
【0079】
第1段階では、複数の時間のレーダスキャンにおける、1次元、3次元又は4次元の空間のレーダ画像に対して、ステップS1~S3が以下のように実行される。フーリエ変換部32は、複数の時間のレーダスキャンにおける1次元、3次元又は4次元の空間のレーダ画像に対して、時間軸及び全空間軸を含む2次元、4次元又は5次元のフーリエ変換を実行する(ステップS1)。主成分点群抽出部33は、フーリエ変換部32の実行結果に対して、時間周波数軸及び各空間周波数軸を含む各時空間周波数断面において、時間周波数軸及び各空間周波数軸の原点を起点として、1次元、3次元又は4次元の主成分平面を構成する点群を抽出する(ステップS2)。物標速度算出部34は、主成分点群抽出部33の抽出結果に対して、各時空間周波数断面において、1次元、3次元又は4次元の主成分平面を構成する点群を通る各主成分点群ベクトルに対する法線ベクトルに基づいて、各空間軸の方向の移動物標Tの速度を算出する(ステップS3)。
【0080】
第2段階では、複数の時間のレーダスキャンにおける、1次元の空間のレーダ画像に対して、ステップS4、S5は必要でなく、複数の時間のレーダスキャンにおける、3次元又は4次元の空間のレーダ画像に対して、ステップS4、S5が以下のように実行される。主成分点群抽出部33は、フーリエ変換部32の実行結果に対して、時間周波数軸の各成分値を固定され各空間周波数軸の全ての軸と平行である各空間周波数断面において、各主成分点群ベクトルに対する合成ベクトルと各空間周波数断面との交点を起点として、3次元又は4次元の主成分平面を構成する点群を抽出する(ステップS4)。物標速度算出部34は、主成分点群抽出部33の抽出結果に対して、4次元又は5次元のフーリエ空間において、抽出された全ての点群を通る3次元又は4次元の主成分平面に対する法線ベクトルに基づいて、全空間軸の方向の移動物標Tの速度を算出する(ステップS5)。
【産業上の利用可能性】
【0081】
本開示のレーダ速度算出装置及びレーダ速度算出プログラムは、自動操船の衝突予防、海上物標の検出識別及び危険領域の予測処理等に適用することができる。
【符号の説明】
【0082】
S:レーダ物標追尾システム
T、T’:移動物標
R1~R8:レーダ画像
F1~F8:FFTブロック
M、M’:主成分平面
N1、N2、N1’、N2’:折返成分平面
、V、Vω:主成分点群ベクトル
:合成ベクトル
1:レーダ送受信装置
2:レーダ信号処理装置
3:レーダ速度算出装置
21:パルス圧縮部
22:コヒーレント積分部
23:CFAR処理部
24:座標系変換部
31:クラスタリング部
32:フーリエ変換部
33:主成分点群抽出部
34:物標速度算出部
35:移動物標追尾部
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13