(57)【要約】【課題】本発明は、追尾機能を有する一次レーダにおいて追尾の対象となる目標を安定に維持する追尾支援装置に関し、目標の形状、サイズ、相対距離、相対位置、進路の実体および経過に柔軟に適応して、その目標を安定にかつ安価に追尾できることを目的とする。【解決手段】レーダ信号の反射波から得られる画像の内、追尾の対象である目標が位置する特定の部位の特徴量を求める特徴識別手段と、前記画像の部位の内、前記特徴量との相関が最大でありまたは既定の閾値を超える部位に前記目標が位置すると推定する追尾対象推定手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーダ信号の反射波から得られる画像の内、追尾の対象である目標が位置する特定の部位の特徴量を求める特徴識別手段と、
前記画像の部位の内、前記特徴量との相関が最大でありまたは既定の閾値を超える部位に前記目標が位置すると推定する追尾対象推定手段と
を備えたことを特徴とする追尾支援装置。
【請求項２】
請求項１に記載の追尾支援装置において、
前記特徴量は、
前記追尾の対象となり得る目標に適した特徴量である
ことを特徴とする追尾支援装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の追尾支援装置において、
前記特徴量は、
前記追尾の対象の形状、サイズ、相対距離、相対位置および進路の全てもしくは一部の実体と経過との双方または何れか一方の学習によって求められた複数の特徴量の結合である
ことを特徴とする追尾支援装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の追尾支援装置において、
前記特徴量は、
前記追尾の対象の相対距離、相対位置および進路の全てまたは一部の履歴に基づいて選択される
ことを特徴とする追尾支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、追尾機能を有する一次レーダにおいて追尾の対象となる目標を安定に維持する追尾支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶用レーダには、航行の安全を図るために、他船等の目標を追尾する機能が備えられているものがある。
図４は、目標追尾の機能を有するレーダ装置の構成例を示す図である。
【０００３】
図において、送信部４１の出力はサーキュレータ４２の第一の開口に接続され、そのサーキュレータの第二の開口は給電部４３を介して空中線系４４の給電点に接続される。サーキュレータ４２の第三の開口は受信部４５および信号処理部４６を介して指示部４７の入力に接続される。送信部４１、受信部４５、信号処理部４６および指示部４７の制御端子には、制御部４８の対応する入出力ポートが接続される。
【０００４】
このような構成のレーダ装置では、送信部４１は、制御部４８の配下でパルス波である送信波を生成する。このような送信波は、サーキュレータ４２および給電部４３を介して空中線系４４から他船が位置し得る海域に向けて放射される。
【０００５】
このような送信波を反射した他船等の目標から空中線系４４に到来した反射波は、給電部４３およびサーキュレータ４２を介して受信部４５に引き渡される。
受信部４５は、その反射波を復調することにより、Ａスコープを示すベースバンド信号を生成する。
【０００６】
信号処理部４６は、そのベースバンド信号で示されるＡスコープを空中線系４４によって行われるスイープおよびスキャンに同期してマッピングすることにより、指示画像を生成する。なお、このような指示画像には、以下の画像が適宜含まれる。
【０００７】
(1) 反射波の発生源である他船等の目標の航跡を示す画像（以下、「航跡画像」という。）
(2) 後述する目標追尾の下で生成され、追尾の対象となっている目標を視覚情報（衝突の危険度等を意味する。）として示すシンボル画像
【０００８】
ここに、目標追尾は、所定の周期で得られたレーダ画像等から、目標毎に方位、距離、進路等を識別し、これらに基づいて速度や進行方向を予測する処理として実現される。このような処理の過程では、追尾の対象毎に、近接する目標への乗り移りやロストの可能性を低減する処理が併せて行われることによって、追尾性能の維持が図られる。
【０００９】
制御部４８は、レーダ装置の稼働状況、操作者が与えた指示に応じて行われた処理の結果として文字やグラフィック情報を生成する。
信号処理部４６は、上記指示画像（航跡画像、シンボル画像が含まれてもよい。）、文字、グラフィック情報を所定の形式およびレイアウトの画像として併合し、指示部４７に引き渡す。
【００１０】
指示部４７は、所定の指示方式に基づく指示画像を指示画面上に表示する。
したがって、このような追尾機能を備えたレーダ装置が備えられた船舶では、操船者は、容易に他船の動きを把握しつつ的確な操船を行うことができる。
【００１１】
なお、本発明に関連性がある先行技術としては、後述する特許文献１ないし特許文献４があった。
(1) 「パルス圧縮によりレンジ方向の分解能を向上し、さらに目標の回転あるいは移動により生じるドップラー効果を利用してクロスレンジ方向の分解能を向上することによって目標のレーダ画像を得るレーダ装置において、受信機より出力される受信信号から目標のレーダ画像を再生する画像再生手段と、同じ受信信号から目標の位置、移動方向および速度などを計測する目標追尾手段と、この出力より、このレーダ装置の点像応答関数を推
定する点像応答推定手段と、ラインオブサイトと目標進行方向との成す角度を推定する目標アスペクト角推定手段と、あらかじめ認識・識別の対象とする目標の３次元形状データを格納しておく目標形状データ蓄積手段と、この目標形状データ蓄積手段より順次目標形状データを読み出し、上記目標アスペクト角推定手段により推定した目標アスペクト角に基づいて目標形状データから目標上のＲＣＳ（Ｒａｄａｒ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ）分布を算出するＲＣＳ算出手段と、これにより算出された目標上のＲＣＳ分布と上記点像応答関数との畳み込み積分を行うことにより目標を認識・識別するための辞書画像を生成する畳み込み積分手段と、順次出力される辞書画像と上記受信信号から再生したレーダ画像を同時に表示するレーダ画像表示手段とを備える」ことによって、「オペレータが容易にレーダ画像から目標を認識・識別したり、あるいはレーダによる自動識別が可能」である点に特徴があるレーダ装置…特許文献１
【００１２】
(2) 「レーダエコーから作成されるレンジ−ドプラ平面からなる２次元レーダイメージを指定された大きさの領域に分割し、目標の部分を含む各領域内で最大振幅を持つ画像セルを領域毎に選択する画像セル選択手段と、この手段で選択された各画像セルについて、１単位時間前のレーダイメージに対して選択されていた画像セルの点を中心とする領域内で、振幅最大となる画像セルの点を新たな選択画像セルとしてその位置と複素数値を出力する画像セル追尾手段と、選択された画像セル点列の複素数値の位相を算出し、位相の時間に対する２階微分を算出し、その算出結果を加速度に変換し出力する画像セル加速度算出手段と、前記２次元レーダイメージ、加速度を入力し、前記画像セル追尾点のレンジ−ドプラ平面上の２次元の位置（レンジ、ドプラ周波数）に加速度を加えた３次元量（レンジ、ドプラ周波数、加速度）と前記画像セル追尾点の強度を合わせて、（レンジ位置、ドプラ周波数、加速度、強度）の量を前記画像セル追尾点の３次元レーダイメージとして出力する３次元レーダイメージ作成手段と、前記３次元レーダイメージの（レンジ位置、ドプラ周波数、加速度）を座標点とみなし、レンジ軸、ドプラ軸、加速度軸で表される３次元座標系上にその強度を示す点を表示する３次元レーダイメージ表示手段とを具備する」ことによって、「レーダ目標から見たときのレーダの様々なアスペクト方向のデータを収集することなく、技術の確立しているレンジ−ドプラ平面上に得られるレーダイメージを用いて、目標の３次元形状情報が得られる」点に特徴があるレーダイメージ処理装置…特許文献２
【００１３】
(3) 「レーダで観測済みの候補目標の追尾データおよびシミュレーションで生成済みの追尾データを含み、目標の位置／速度情報である追尾データと、レーダ観測諸元データとに基づいて、目標の運動あるいは姿勢に関する目標パラメータ推定値を推定する目標パラメータ推定器と、候補目標の３次元形状データである目標別諸元データと、前記レーダ観測諸元データと、前記目標パラメータ推定器からの目標パラメータ推定値とに基づいて、候補目標ごとの辞書時系列画像列データを生成する辞書時系列画像列生成器と、種類不明の目標をレーダで観測して得られた観測時系列画像列データと、前記辞書時系列画像列生成器からの前記辞書時系列画像列データとに基づいて、前記観測時系列画像列データに含まれる種類不明の目標の種類判別を行う種類判別器とを備える」ことによって、「レーダで得られる画像データを対象に、形状や運動が似ている目標間での類識別を実現する」点に特徴がある目標識別装置…特許文献３
【００１４】
(4) 「送信された信号が物標で反射してなるエコー信号を含む入力信号に基づいて生成された画像データから、注目物標を検出するレーダ装置において、注目物標に係るエコー信号の特性に基づいて生成されたテンプレート画像データを記憶する記憶手段と、前記画像データと前記テンプレート画像データとのパターンマッチングを行う手段と、パターンマッチングの結果、前記画像データから注目物標を検出した場合、前記テンプレート画像データに係る注目物標が含まれる前記画像データにおける領域を特定する特定手段とを備える」ことによって、「画像データから特定の注目物標の検出を精度よく行うことを可能にする」点に特徴があるレーダ装置…特許文献４
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平０６−１７４８３８号公報
【特許文献２】特開平０８−２７１６１２号公報
【特許文献３】特許４７７２３４１号公報
【特許文献４】特開２０１２−１０８０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、上述した従来例では、目標追尾の精度や安定度を確保することは、一般に、その目標追尾の対象となる船舶等が位置し得る海域が地理的に広範であり、かつ気象状況が多様に変化し得るために、レーダ信号処理だけでは容易には達成され難かった。
【００１７】
なお、このような目標追尾の精度や安定度については、一般に、以下に列記する技術が適用されることにより確保され、例えば、雑音、海面反射、雨雪反射などに起因する阻害要因は低減され得る。
【００１８】
(1) 船舶自動識別装置（AIS：Automatic Identification
System) との連係
(2) レーダ装置と共に自船に搭載されたジャイロとの連係
(3) ログ等の方位角度センサによる真運動の補正等の併用
【００１９】
しかし、これらの技術は、小型の船舶に搭載されるレーダ装置には、コスト等の制約に阻まれて適用され難かった。
【００２０】
本発明は、目標の形状、サイズ、相対距離、相対位置、進路の実体および経過に柔軟に適応して、その目標を安定にかつ安価に追尾できる追尾支援装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
請求項１に記載の発明では、特徴識別手段は、レーダ信号の反射波から得られる画像の内、追尾の対象である目標が位置する特定の部位の特徴量を求める。追尾対象推定手段は、前記画像の部位の内、前記特徴量との相関が最大でありまたは既定の閾値を超える部位に前記目標が位置すると推定する。
【００２２】
すなわち、追尾目標の位置は、反射波の強度や周波数成分に基づいてその追尾目標の方位、距離、進路等が識別され、さらに、これらに基づいて速度や進行方向が予測される従来のレーダ信号処理とは異なり、その反射で示される画像の特徴に基づいて確度高く、かつ余剰の処理量の活用により容易に推定される。
【００２３】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の追尾支援装置において、前記特徴量は、前記追尾の対象となり得る目標に適した特徴量である。
【００２４】
すなわち、追尾目標の位置の推定は、その追尾目標に適した特徴量に基づいて行われる。
【００２５】
請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の追尾支援装置において、前記特徴量は、前記追尾の対象の形状、サイズ、相対距離、相対位置および進路の全てもしくは一部の実体と経過との双方または何れか一方の学習によって求められた複数の特徴量の結合である。
【００２６】
すなわち、追尾目標の位置の推定は、１つの特徴量のみでは高い精度が達成されない場合であっても、精度が必ずしも高くはない複数の特徴量の結合に基づいて精度よく安定に実現される。
【００２７】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の追尾支援装置において、前記特徴量は、前記追尾の対象の相対距離、相対位置および進路の全てまたは一部の履歴に基づいて選択される。
【００２８】
すなわち、追尾目標の位置の推定は、目標の状態や振る舞いに対して柔軟に適応しつつ実現される。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、追尾目標が位置する地域やその地域における気象状況が多様に変化し得る場合であっても、目標追尾の精度や安定性が高められる。
【００３０】
また、本発明では、追尾の対象となり得る目標が多様であっても、その目標に適した特徴量の特定（選定）および算出が可能であるならば、目標追尾の精度および安定性が高く維持される。
【００３１】
さらに、目標追尾が、その対象となる目標の属性に柔軟に適応して確度高く実現される。
また、目標の実体に即した追尾が、精度よく安定性に実現される。
【００３２】
したがって、本発明に係るレーダ装置が備えられたレーダサイトや移動体では、目標追尾の信頼性の向上および安定な維持が図られることにより、航行の安全性が高められる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態を示す図である。
【図２】本実施形態における制御部の動作フローチャートである。
【図３】本実施形態の動作を説明する図である。
【図４】目標追尾の機能を有するレーダ装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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４に示すもの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。
【００３５】
本実施形態と図４に示す従来例との構成の相違点は、信号処理部４６に代えて信号処理部１１が備えられた点にある。
図２は、本実施形態における制御部の動作フローチャートである。
図３は、本実施形態の動作を説明する図である。
【００３６】
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、信号処理部１１によって後述するように行われる目標追尾の処理の手順にある。
【００３７】
なお、信号処理部１１以外の要素の機能および動作については、図４に示す従来例と同じであるので、ここでは、説明を省略する。
【００３８】
本実施形態では、信号処理部１１の主記憶には、図３に示すように、本実施形態において行われる目標追尾処理の過程で参照される以下の項目がそれぞれ格納されるレジスタが予め配置される。
【００３９】
(1) 以下に列記する特徴量a)〜v)のそれぞれ対応し、該当する特徴量が目標追尾に適用されるか否かを示すを示す２値情報（論理値「１」、「０」がそれぞれ「適」と「否」とに対応する。）がパックされて格納されるフラグレジスタ１１ＦＲ
【００４０】
a) haar-like特徴量：近接する２つの矩形領域の明度差として与えられる。
b) EOH(Edge of Orientation Histograms)特徴量：多数の局所領域の特徴量が低レベルな特徴量として組み合わせとして与えられる。
c) HOG(Histogram of Oriented Gradient)特徴量：エッジのヒストグラムとして与えられる。
【００４１】
d) Edgelet特徴量：エッジのつながりを意味する。
e) Joint Haar-like特徴量：輝度の特徴の相関性として与えられる。
f) Shapelet特徴量：特徴に該当し得るエッジの相関性を意味する。
【００４２】
g) Joint HOG特徴量：２つの領域におけるエッジ勾配の相関性を意味する。
h) SIFT(Scale-Invariant Feature Transform)特徴量
i) SURF(Speeded Up Robust Features)特徴量
【００４３】
j) RIFF特徴量
k) BRIFF特徴量
l) ORB(Oruented FAST and Rotated BRIEF)特徴量
【００４４】
m) BRISK(Binary Robust Invariant Scalable Keypoint)特徴量
n) CARD(Compact And Real-time Descriptors)特徴量
o) 重心モーメント
【００４５】
p) Zernike モーメント
q) 高次局所自己相関特徴：Log-Polar変換によって求められ、大きさと、回転と、光学系の光軸に対する整脈面の傾きとの何れに対しても普遍である。
r) LBP(Local Binary Pattern)特徴量
【００４６】
s) Center-Symmetric LBP特徴量
t) Ferns特徴量
u) HoF特徴量
v) FREAK(Fast retina Keypoint descriptor)特徴量
【００４７】
(2) 上記特徴量a)〜v)の値が個別に格納される記憶領域の集合である特徴値レジスタ１１ＦＶＲ  
【００４８】
信号処理部１１は、本実施形態に係るレーダ装置が始動したとき、およびそのレーダ装置の運用の形態（レンジの切り替え等）が変更されたときに、以下の処理を行う。
【００４９】
(1) その時点におけるレーダ装置の状態等に適した初期値にフラグレジスタ１１ＦＲ上の各二値情報の論理値を初期化し、あるいはレーダ装置の新たな運用の形態に適した値に更新する（図２ステップＳ１）。
(2) 特徴値レジスタ１１ＦＶＲ  の全ての記憶領域を初期化する（図２ステップＳ２）。
【００５０】
信号処理部１１は、定常状態では、従来例と同様に、既述のベースバンド信号で示されるＡスコープをスイープおよびスキャンに同期してマッピングすることにより、既述の「航跡画像」に併せて、目標追尾の結果として生成された「シンボル画像」を含んだ指示画像を生成する（図２ステップＳ３）。
【００５１】
このような目標追尾は、以下の手順で行われる。
(1) 始動後の初回には、追尾の対象となっている目標（以下、「追尾目標」という。）について、方位、距離、進路等を識別し、これらに基づいて速度や進行方向を予測する（図２ステップＳ４）。
【００５２】
(2) この時点における指示画像の内、上述したように速度や進行方向が予測された追尾目標が位置する部位を特定する。（図２ステップＳ５）
【００５３】
(3) その部位について、既述の特徴量a)〜v)の内、フラグレジスタ１１ＦＲに格納されている二値情報の値が「１」である特定の特徴量Ｖｆを算出し、特徴量レジスタ１１ＦＶＲ  の対応する記憶領域に格納する（図２ステップＳ６、図３(1)）。
【００５４】
(4) 後続するスイープの過程では、更新された指示画像上における追尾目標およびその近傍の領域（図３(2))について、上記特定の特徴量Ｖｆ′を算出し（図２ステップＳ７）、その特徴量Ｖｆ′と上記特徴量Ｖｆとの相関度と所定の閾値とを比較する（図２ステップＳ８）。
【００５５】
(5) その相関度が上記閾値を下回るときには、特徴量Ｖｆ、Ｖｆ′の平均値（移動平均や指数平滑値であってもよい。）で特徴量Ｖｆを更新し（図２ステップＳ９、図３(3)）、従来例と同様の手順に基づいて追尾目標の方位、距離、進路等を識別することによって追尾目標の速度や進行方向を予測する（図２ステップＳ１０）。
【００５６】
(6) 反対に上記相関度が上記閾値を超えるときには、以下の処理を行う。
(6-1) 特徴量Ｖｆを最新の特徴量Ｖｆ′に更新する（図２ステップＳ１１）。
(6-2) 従来例と同様の手順に基づいて追尾目標の方位、距離、進路等を識別する（図２ステップＳ１２）。
【００５７】
(6-3) これらの方位、距離および進路を指示画像上で該当する相関が最大となった位置を追尾目標の位置と見なすことによって、追尾目標の速度や進行方法を予測結果を補正する（図２ステップＳ１３）。
【００５８】
(7) このような目標追尾の結果に基づいて従来例と同様に生成された文字、グラフィック情報を既述の指示画像（航跡画像、シンボル画像が含まれてもよい。）に併合して指示部４７に引き渡す（図２ステップＳ１４）。
【００５９】
すなわち、本実施形態によれば、指示画像上で追尾対象およびその周辺の部位の画像の特徴量に基づいて、その追尾対象の乗り移りやロストが生じていないことが確度高く判別され、さらに、従来例より高い精度で目標追尾が実現される。
【００６０】
したがって、本実施形態に係るレーダ装置が備えられた船舶では、目標追尾の信頼性が向上することによって、操船の利便性が向上し、かく航行の安全性が高められる。
【００６１】
なお、本実施形態では、レーダ装置が運用される形態で定まる１つの特徴量のみに基づいて、追尾対象の乗り移りやロストの回避が図られている。
【００６２】
しかし、本発明では、目標の判定は、１つの特徴量のみでではなく、複数の局所特徴量
をヒストグラムとして表現する「Bags-of-Word表現」に基づいて行われてもよい。
【００６３】
また、本発明では、局所特徴量の組み合わせや重み付けは、以下のような機械学習法の何れに基づいて適宜設定され、または更新されてもよい。
(1)
ブースティング
(2)
ＳＶＭ(サポートベクタマシン)
(3)
決定木学習
(4)
ニューラルネットワーク
(5)
クラスタリング
【００６４】
また、このような学習の過程では、例えば、目標の相対距離、相対位置および進路の全てまたは一部の履歴に基づいて選択される好適な特徴量が選択されることにより、目標の状態や振る舞いに対する柔軟な適応が図られてもよい。
【００６５】
さらに、本実施形態では、目標追尾のために行われる特徴的な処理のために、指示部４７に引き渡されるべき指示画像が直接参照されている。
しかし、目標追尾のために参照される画像は、上述した特徴的な処理に適した内容および形式の画像であるならば、指示画像の生成と並行して別途行われる処理の下で生成される如何なる画像で代替されてもよい。
【００６６】
また、本実施形態では、適用され得る特徴量は、目標の形状、サイズ、相対距離、相対位置、進路の実体および経過に対して、所望の精度および実時間性が損なわれることなく柔軟に適応するならば、如何なる特徴量であってもよい。
【００６７】
さらに、本実施形態では、上記特徴的な処理は、信号処理部１１が余剰の処理量を活用することによって実現されている。
しかし、このような処理は、既存の追尾処理を行うモジュールやパッケージと別体、または連係するモジュールもしくはパッケージによって実行されてもよい。
【００６８】
また、本実施形態では、指示画像上で既述の相関が最大となった位置が追尾目標の位置であると見なされることによって、追尾目標の速度や進行方法の予測結果が補正されている。
しかし、本発明はこのような構成に限定されず、例えば、先行して求められた追尾目標の位置の更新値として、既述の相関が最大となった位置が適用されてもよい。
【００６９】
さらに、このような構成が採用される場合には、指示画像上で上記相関が取られる領域は、追尾目標の位置の現在値およびその近傍に限定されず、例えば、指示画像上の全て、あるいはその指示画像が区分されてなる部分画像の何れであってもよい。
【００７０】
また、本実施形態では、追尾目標の速度や進行方向の予測結果は、指示画像上における相関の最大点が確実にかつ安定に存在する状態では、補正されなくてもよい。
【００７１】
さらに、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。
【符号の説明】
【００７２】
１１，４６  信号処理部
１１ＦＲ  フラグレジスタ
１１ＦＶＲ    特徴値レジスタ
４１  送信部
４２  サーキュレータ
４３  給電部
４４  空中線系
４５  受信部
４７  指示部
【図１】
2014126526.tif 000003
【図２】
2014126526.tif 000004
【図３】
2014126526.tif 000005
【図４】
2014126526.tif 000006