(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標を観測してそのレーダ画像を得るレーダ装置において、
上記目標のレーダ画像を連続的に得る画像連続取得手段と、
連続する２枚の上記レーダ画像を比較して、該レーダ画像上の輝点の位置変化に基づき該輝点の速度分布を得る速度分布取得手段と、
予め複数の目標の形状が格納されている形状データベースと、
レーダ画像上の輝点を上記形状データベースの目標の形状と対応付ける対応手段と、
上記レーダ画像、速度分布および目標の形状から目標の運動を求める運動推定手段と
を備えたことを特徴とする画像レーダ装置。
【請求項２】
上記運動推定手段から上記対応手段へのフィードバックループをさらに備え、
上記対応手段は、上記運動推定手段の出力が所定の条件を満たさない場合、目標の形状と対応付けを再度行う
ことを特徴とする請求項１記載の画像レーダ装置。
【請求項３】
上記運動推定手段は、上記レーダ画像上の輝点のレンジ方向の位置関係に基づいて目標の姿勢を求める姿勢推定手段を有する
ことを特徴とする請求項１または２記載の画像レーダ装置。
【請求項４】
上記運動推定手段は、上記レーダ画像上の輝点のクロスレンジ方向の位置関係に基づいて目標の回転角速度を求める角速度推定手段を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の画像レーダ装置。
【請求項５】
目標の移動速度を求める追尾手段と、
目標までの距離を測る測距手段と、
上記目標の移動速度および上記目標までの距離に基づいて、目標の上記回転角速度を補正する角速度修正手段と
をさらに備えたことを特徴とする請求項４記載の画像レーダ装置。
【請求項６】
上記運動推定手段は、上記レーダ画像上の輝点のクロスレンジ方向の変化速度に基づいて目標の回転角加速度を求める角加速度推定手段を有する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の画像レーダ装置。
【請求項７】
目標の移動速度を求める追尾手段と、
目標までの距離を測る測距手段と、
上記移動速度および上記目標までの距離に基づいて、目標の上記回転角加速度を補正する角加速度修正手段と
をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載の画像レーダ装置。
【請求項８】
上記形状データベースは、各目標が有する異なる電波散乱断面積の少なくとも３つの電波散乱体を上記目標の形状として格納し、
上記対応手段は、上記レーダ画像上の少なくとも３つの輝点を上記形状データベースの上記目標の形状と対応付ける
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の画像レーダ装置。
【請求項９】
上記形状データベースは、各目標が有する密集した複数の電波散乱体を上記目標の形状として格納し、
上記対応手段は、上記レーダ画像上の密集した複数の輝点を上記形状データベースの上記目標の形状と対応付ける
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の画像レーダ装置。
【請求項１０】
上記形状データベースは、各目標が有する少なくとも３箇所にそれぞれ異なる数で分布する電波散乱体を上記目標の形状として格納し、
上記対応手段は、上記レーダ画像上の少なくとも３箇所にそれぞれ異なる数で分布する輝点を上記形状データベースの上記目標の形状と対応付ける
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の画像レーダ装置。
【請求項１１】
上記形状データベースは、各目標が有する電波散乱体の分布パターンを上記目標の形状として格納し、
上記対応手段は、上記レーダ画像上の輝点の分布パターンを上記形状データベースの上記目標の形状と対応付ける
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の画像レーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は遠方の目標を観測してそのレーダ画像を得る画像レーダ装置に関し、特に目標の運動を求めることができる画像レーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は例えば特許第２７３８２４４号公報に記載された従来のレーダ装置のブロック図である。図１７において、１は送信機、２は受信機、３は送受切替器、４は送受信アンテナ、５は画像再生手段、６は相関演算手段、７は目標追尾手段、８は点像応答推定手段、９は目標アスペクト角推定手段、１０はＲＣＳ算出手段、１１は目標形状データ蓄積手段、１２は畳み込み積分手段、１３は最大値検出手段、１４は目標識別結果出力手段である。
【０００３】
また、図１８および図１９はこの従来のレーダ装置による観測のジオメトリを説明するための図である。図中、４は送受信アンテナ、１９は目標である。
【０００４】
また、図２０は図１７の画像再生手段５の詳細な構成を示すブロック図である。図２０において、１５はレンジ圧縮手段、１６は動き補償手段、１７はクロスレンジ圧縮手段、１８は２次元記憶手段である。
【０００５】
次に動作について説明する。送信機１で発生した高周波信号は、送受切替器３を経て送受信アンテナ４から目標１９に向けて放射される。目標１９に照射された高周波信号の一部は目標１９で反射して再び送受信アンテナ４で受信され、送受切替器３を経て受信機２で増幅・検波されたのち、画像再生手段５によって目標１９の電波散乱断面積（ＲＣＳ：Radar Cross Section）分布を表すレーダ画像に変換される。以下に画像再生の方法について詳しく説明する。
【０００６】
受信機２から出力された受信信号は、画像再生手段５へ入力され、まずレンジ圧縮手段１５でレンジ分解能を向上させる処理、すなわちパルス圧縮が行われる。レンジ圧縮後の受信信号は２次元記憶手段１８にレンジビン番号ｍおよびパルスヒット番号ｎに応じて格納される。目標１９の動きから画像再生に有害なランダム成分を除去するために、受信信号は２次元記憶手段１８から読み出され、目標１９の中心点２０のドップラー周波数がゼロになるように、動き補償手段１６によって位相補償とレンジビンの並べ換えが行われ、再び２次元記憶手段１８に格納される。
【０００７】
いま、図１８に示すように、目標１９が旋回運動により回転しているものと仮定すると、同一レンジビン内に存在する目標上の相異なる点がそれぞれ異なるドップラー周波数の反射波を生じる。また、目標１９が直進運動している場合であっても同様に、同一レンジビン内に存在する目標上の相異なる点がそれぞれ異なるドップラー周波数の反射波を生じる。これは図１９（ａ）に示す運動は、動き補償手段１６の働きによって図１９（ｂ）に示す運動と等価になることから理解することができる。
【０００８】
これを利用してクロスレンジ圧縮手段１７は上記位相補償後の信号をレンジビン毎にＦＦＴ（Fast Fourier Transform）することにより、レンジと直交する方向であるクロスレンジの分解能を向上させる。これらの処理によって受信信号は、レンジおよびクロスレンジの両方向について高分解能化されて、目標上の各点のＲＣＳ分布を表すレーダ画像に変換される。
【０００９】
一方、目標追尾手段７から畳み込み積分手段１２までの手段は、与えられた観測条件における各種の目標の疑似レーダ画像を生成する。本発明とは直接関係しないので詳細に述べないが、目標追尾手段７が目標１９の速度を求め、点像応答推定手段８がレーダ画像の点像応答を算出し、目標アスペクト角推定手段９が目標のアスペクト角を推定する。ＲＣＳ算出手段１０は目標形状データ蓄積手段１１に格納された目標の３次元形状を用いて目標のＲＣＳ分布を算出し、畳み込み積分手段１２が上記ＲＣＳ分布に点像応答の畳み込み積分を行い、比較・照合のための疑似レーダ画像を生成する。
【００１０】
相関演算手段６は、前記レーダ画像と順次生成される前記疑似レーダ画像との相関値を求め、最大値検出手段１３は、順次算出される相関値の中から最大となるものを検出し、目標識別結果出力手段１４は、相関値が最大となった辞書画像に相当する目標の情報、例えば形状や名称などを目標形状データ蓄積手段１１より読み出してこれを出力することにより、レーダによる目標の自動識別を実現する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーダ装置は、上述のように構成されているので、目標の識別を実現することはできたが、目標の運動を知ることができなかった。
【００１２】
この発明は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、目標の運動を求めることができる画像レーダ装置を得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る画像レーダ装置は、目標を観測してそのレーダ画像を得るレーダ装置において、目標のレーダ画像を連続的に得る画像連続取得手段と、連続する２枚のレーダ画像を比較して、レーダ画像上の輝点の位置変化に基づき輝点の速度分布を得る速度分布取得手段と、予め複数の目標の形状が格納されている形状データベースと、レーダ画像上の輝点を形状データベースの目標の形状と対応付ける対応手段と、レーダ画像、速度分布および目標の形状から目標の運動を求める運動推定手段とを備えている。
【００１４】
また、運動推定手段から対応手段へのフィードバックループをさらに備え、対応手段は、運動推定手段の出力が所定の条件を満たさない場合、目標の形状と対応付けを再度行う。
【００１５】
また、運動推定手段は、レーダ画像上の輝点のレンジ方向の位置関係に基づいて目標の姿勢を求める姿勢推定手段を有する。
【００１６】
また、運動推定手段は、レーダ画像上の輝点のクロスレンジ方向の位置関係に基づいて目標の回転角速度を求める角速度推定手段を有する。
【００１７】
また、目標の移動速度を求める追尾手段と、目標までの距離を測る測距手段と、目標の移動速度および目標までの距離に基づいて、目標の回転角速度を補正する角速度修正手段とをさらに備えている。
【００１８】
また、運動推定手段は、レーダ画像上の輝点のクロスレンジ方向の変化速度に基づいて目標の回転角加速度を求める角加速度推定手段を有する。
【００１９】
また、目標の移動速度を求める追尾手段と、目標までの距離を測る測距手段と、移動速度および目標までの距離に基づいて、目標の回転角加速度を補正する角加速度修正手段とをさらに備えている。
【００２０】
また、形状データベースは、各目標が有する異なる電波散乱断面積の少なくとも３つの電波散乱体を目標の形状として格納し、対応手段は、レーダ画像上の少なくとも３つの輝点を形状データベースの目標の形状と対応付ける。
【００２１】
また、形状データベースは、各目標が有する密集した複数の電波散乱体を目標の形状として格納し、対応手段は、レーダ画像上の密集した複数の輝点を形状データベースの目標の形状と対応付ける。
【００２２】
また、形状データベースは、各目標が有する少なくとも３箇所にそれぞれ異なる数で分布する電波散乱体を目標の形状として格納し、対応手段は、レーダ画像上の少なくとも３箇所にそれぞれ異なる数で分布する輝点を形状データベースの目標の形状と対応付ける。
【００２３】
さらに、形状データベースは、各目標が有する電波散乱体の分布パターンを目標の形状として格納し、対応手段は、レーダ画像上の輝点の分布パターンを形状データベースの目標の形状と対応付ける。
【００２４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の画像レーダ装置を示すブロック図である。図１において、１は送信機、２は受信機、３は送受切替器、４は送受信アンテナ、５は画像再生手段である。これらのものは、図１７に示す従来のレーダ装置と同一または同等なものである。
【００２５】
また、２１は目標のレーダ画像を連続的に得る画像連続取得手段としての画像の遅延手段、２２は輝点の速度分布を得る速度分布取得手段としての画像比較手段、２３は予め複数の目標の形状が格納されている形状データベース、２４はレーダ画像上の輝点を形状データベース２３の目標の形状と対応付ける対応手段としての輝点選定手段、２５ａは目標の姿勢を求める姿勢推定手段、２６ａは目標の角速度を求める角速度推定手段、２７は目標の角加速度を求める角加速度推定手段である。尚、姿勢推定手段２５ａ、角速度推定手段２６ａおよび角加速度推定手段２７は、目標の運動を求める運動推定手段を構成している。
【００２６】
図２はこの発明の実施の形態１による画像の時間変化を説明する図である。図２は船舶のレーダ画像の例で、横軸ｕがレンジ、縦軸ｖがクロスレンジをである。また、濃度がＲＣＳを表しており、船舶の２次元画像が濃淡で示されていることがわかる。（ａ）と（ｂ）はわずかな時間差をおいて観測された２枚の画像で、（ｂ）は（ａ）に対して若干回転していることがわかる。２８は船首に近い部分の画像（ａ）における位置ベクトルである。
【００２７】
（ｃ）は（ａ）と（ｂ）の２枚の画像の差分から検出された画像の速度ベクトルを説明するための図で、２９は画像（ａ）の位置ベクトル２８の点の速度ベクトルである。
【００２８】
また、図３は図１の姿勢推定手段２５ａの詳細な構成を示すブロック図である。図４は図１の角速度推定手段２６ａの詳細な構成を示すブロック図である。図５は図１の角加速度推定手段２７の詳細な構成を示すブロック図である。これらの図において、３０は行列転置手段、３１は行列乗算手段、３２は逆行列算出手段、３４はΛ行列生成手段、３５はＱ行列生成手段、３６は行列加算手段である。なお、行列乗算手段３１は、左から入力された行列に対して上または下から入力される行列を後ろから乗ずるものとする。
【００２９】
また、図６と図７はこの発明の実施の形態１による観測座標系を説明する図である。図６はレーダの送受信アンテナと目標の位置関係を示す図であり、図中、３７は目標の中心点、３８は送受信アンテナである。Ｘ，Ｙ，Ｚは目標中心点３７を基準とした座標系で、Ω１，Ω２，Ω３は、それぞれ、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の回りの回転角速度、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３は、それぞれ、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸に沿った平行移動速度である。また、Sは目標中心点３７から送受信アンテナ３８を見る方位ベクトルで、送受信アンテナと目標を結ぶ線を基準とした目標の姿勢に相当する。
【００３０】
一方、図７は観測座標系を説明する補助的な図であり、図中、３９はレーダ画像が投影される仮想的なスクリーンである。Ｐは目標上のある反射点の位置ベクトルで、ｐは図２に示すこの反射点のレーダ画像上での位置ベクトル２８に相当する。
【００３１】
次に動作について説明する。図１に示す装置において、送信機１、受信機２、送受切替器３、送受信アンテナ４及び画像再生手段５は、図１７に示した従来の装置のものと同様で、観測した目標のレーダ画像を再生する。遅延手段２１は得られたレーダ画像を一定時間遅延させるので、その入出力端では、図２に示すように時間差のある２枚のレーダ画像が得られる。
【００３２】
次に、画像比較手段２２は、この２枚の画像を比較して反射点２８の速度ベクトル２９を求める。その方法は、例えばパターンマッチングによって、反射点の周囲の形状や反射強度を手がかりに実現できる。あるいは光学画像において知られているオプチカルフローなどの手法を利用することができる。このように求められた速度ベクトルの集合が速度分布である。
【００３３】
また、輝点選定手段２４は、得られたレーダ画像から、形状データベース２３と対応可能な輝点を３つ以上選定して、その３次元空間における位置ベクトルＰi=（Ｘi、Ｙi、Ｚi）と、レーダ画像におけるベクトルｐi＝（ｕi、ｖi）を出力する。ただし、ｉは輝点を区別するために導入した序数である。
【００３４】
また、姿勢推定手段２５ａは、選定された輝点の位置ベクトルと、そのレーダ画像におけるレンジ座標から、目標の姿勢Ｓを算出する。その詳細な動作を図３を用いて説明する。ただし、Γは選定された輝点の位置ベクトルＰで構成される行列、ｕは選定された輝点のレーダ画像におけるレンジ座標ｕiから構成される行列である。
【００３５】
行列転置手段３０は、行列Γの転置行列ΓTを求める。行列乗算手段３１ａはΓTとΓを乗算する。逆行列算出手段３２は行列（ΓT）Γの逆行列（（ΓT）Γ）-1を求め、行列乗算手段３１ｂは（（（ΓT）Γ）-1）とΓTを乗算し、さらに行列乗算手段３１ｃはｕを乗算して、その結果として目標の姿勢ベクトルＳが出力される。
【００３６】
次に、角速度推定手段２６ａは、選定された輝点の位置ベクトルと、そのレーダ画像におけるクロスレンジ座標と、目標の姿勢ベクトルＳから、目標の回転角速度Ωチルダを算出する。その詳細な動作を図４を用いて説明する。ｖは選定された輝点のレーダ画像におけるクロスレンジ座標ｖiから構成される行列である。
【００３７】
Λ行列生成手段３４は、目標の姿勢ベクトルＳの要素から構成される行列Λを生成する。行列乗算手段３１ａはΓとΛを乗算する。
【００３８】
行列転置手段３０は、行列ΓΛの転置行列（ΓΛ）Tを求める。行列乗算手段３１ｂは（ΓΛ）TとΓΛを乗算する。逆行列算出手段３２は行列（ΓΛ）T（ΓΛ）の逆行列（（ΓΛ）T（ΓΛ））-1を求め、行列乗算手段３１ｃは（（ΓΛ）T（ΓΛ））-1と（ΓΛ）Tを乗算し、さらに行列乗算手段３１ｄはｖを乗算して、その結果として目標の回転角速度Ωチルダが出力される。
【００３９】
最後に、角加速度推定手段２７は、選定された輝点の位置ベクトルと、そのレーダ画像におけるクロスレンジ方向の移動速度と、目標の姿勢ベクトルＳと、目標の回転角速度Ωチルダから、目標の回転角加速度Ωチルダドットを算出する。その詳細な動作を図５を用いて説明する。ｖドットは選定された輝点のレーダ画像におけるクロスレンジ方向の移動速度ｖiドットから構成される行列である。
【００４０】
Λ行列生成手段３４は、目標の姿勢ベクトルＳの要素から構成される行列Λを生成する。
【００４１】
Ｑ行列生成手段３５は、目標の姿勢ベクトルＳの要素と目標の回転角速度Ωチルダの要素から構成される行列Ｑを生成する。行列乗算手段３１ｅはΓとＱを乗算し、行列加算手段３６はｖドットから行列ΓＱを差し引く。
【００４２】
行列乗算手段３１ａはΓとΛを乗算し、行列転置手段３０は行列ΓΛの転置行列（ΓΛ）Tを求める。行列乗算手段３１ｂは（ΓΛ）TとΓΛを乗算する。逆行列算出手段３２は行列（ΓΛ）T（ΓΛ）の逆行列（（ΓΛ）T（ΓΛ））-1を求め、行列乗算手段３１ｃは（（ΓΛ）T（ΓΛ））-1と（ΓΛ）Tを乗算し、さらに行列乗算手段３１ｄは行列（ｖドット−ΓＱ）を乗算して、その結果として目標の回転角加速度Ωチルダドットが出力される。
【００４３】
次に、この動作の原理について述べる。はじめにレーダ画像における速度ベクトル分布を求める。図６に示す座標系において、Ｘ，Ｙ，Ｚは目標を基準とした座標系で、Ω ＝（Ω1，Ω2，Ω3）は目標の回転運動の角速度、Ｗ＝（Ｗ1，Ｗ2，Ｗ3）は目標の平行移動を表す速度、Ｐは目標上の点の位置ベクトルである。ＸＹＺ座標の原点から距離ｒ0にはアンテナがあって、目標の原点とアンテナを結ぶＬＯＳ（Line of Sight）上の単位ベクトルがＳである。
【００４４】
このとき、レーダ画像は、次のベクトルｕ、ｖを座標軸とするスクリーン上に、目標のＲＣＳ分布を投影した像として取り扱うことができる。
【００４５】
【数１】
0003764901.tif 000002
【００４６】
ただし、ｖはドップラー周波数の軸であるため、回転角速度によって伸縮し、その大きさは１でないことに注意する必要がある。また、Ωチルダは次式で与えられるベクトルで、ΩとＷを合成した回転角速度である。
【００４７】
【数２】
0003764901.tif 000003
【００４８】
レーダ画像のスクリーンの概念を図７に示す。図７において、ｐ＝（ｕ，ｖ）はスクリーン上に投影された位置ベクトルＰ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の点目標の像である。このとき、スクリーン上の画像の座標（ｕ，ｖ）は次式で表される。
【００４９】
【数３】
0003764901.tif 000004
【００５０】
また、スクリーン上の画像の速度は、式（４）、式（５）を時間で微分して得られる。まずｕ軸については、
【００５１】
【数４】
0003764901.tif 000005
【００５２】
において、
【００５３】
【数５】
0003764901.tif 000006
【００５４】
を用いて次式が得られる。
【００５５】
【数６】
0003764901.tif 000007
【００５６】
また、ｖ軸についても、次のように求められる。
【００５７】
【数７】
0003764901.tif 000008
【００５８】
レーダ画像とその速度分布は式（４）、式（５）、式（９）、式（１０）の４つの式で与えられるが、式（９）はレンジの変化ｕドットがｖと等価であることを示しているので、独立な方程式は高々３本である。そこで、目標上の位置が既知であるｎ点の反射点（ｎ≧３）を同時に観測した場合、次のように書くことができる。
【００５９】
【数８】
0003764901.tif 000009
【００６０】
ここで、それぞれの行列は次のように定義した。
【００６１】
【数９】
0003764901.tif 000010
【００６２】
ただし、ＳとΩチルダ、およびΩチルダドットにおける添字の１、２、３は、それぞれのベクトルにおけるＸ、Ｙ、Ｚ軸の要素である。また、それ以外の変数における添字の数字は、ｎ点の反射点を区別するための序数である。
【００６３】
ここで、式（１１）を解くことにより目標の姿勢Ｓを求めることができる。反射点の数ｎがｎ≧３であれば、よく知られた最小２乗法を用いて解くことができて、Ｓの推定値Ｓバーは次式で与えられる。
【００６４】
【数１０】
0003764901.tif 000011
【００６５】
すなわち、姿勢推定手段２５ａは、図３の構成によって式（２３）を計算して目標の姿勢Ｓの推定値を求める。
【００６６】
同様に、式（１２）を解くことにより目標の角速度Ωチルダを求めることができる。反射点の数ｎがｎ≧３であれば、よく知られた最小２乗法を用いて解くことができて、Ωチルダの推定値Ωチルダバーは次式で与えられる。
【００６７】
【数１１】
0003764901.tif 000012
【００６８】
すなわち、角速度推定手段２６ａは、図４の構成によって式（２４）を計算して目標の角速度Ωチルダの推定値を求める。
【００６９】
さらにまた同様に、式（１３）を解くことにより目標の角加速度Ωチルダドットを求めることができる。反射点の数ｎがｎ≧３であれば、よく知られた最小２乗法を用いて解くことができて、Ωチルダドットの推定値Ωチルダドットバーは次式で与えられる。
【００７０】
【数１２】
0003764901.tif 000013
【００７１】
すなわち、角加速度推定手段２７は、図５の構成によって式（２５）を計算して目標の角速度Ωチルダドットの推定値を求める。
【００７２】
このように、目標上に位置が既知あるいは測定可能な反射点が３つ以上あって、そのレーダ画像と、画像上の輝点の速度ベクトル分布が観測できれば、式（２４）および式（２６）の条件の下で、目標の姿勢と角速度、および角加速度を求めることが可能であることが理解される。
【００７３】
このように本実施の形態の構成によれば、輝点選定手段２４がベクトルＰ＝（Ｘ、Ｙ、Ｚ）およびｐ＝（ｕ、ｖ）を求め、画像比較手段２２がｖドットを求め、姿勢推定手段２５ａが式（２３）に従って目標の姿勢を求め、角速度推定手段２６ａが式（２４）に従って目標の角速度を求め、角加速度推定手段２７が式（２５）に従って目標の角加速度を求めるので、目標の運動を測定するレーダ装置を得ることができる。
【００７４】
実施の形態２．
図８はこの発明の画像レーダ装置の他の例を示すブロック図である。図９は図８の姿勢推定手段２５ｂの詳細な構成を示すブロック図である。図１０は図８の角速度推定手段２６ｂの詳細な構成を示すブロック図である。本実施の形態においては、実施の形態１の構成に対して、姿勢推定手段２５ｂおよび角速度推定手段２６ｂに行列式評価手段３３が追加され、さらに姿勢推定手段２５ｂおよび角速度推定手段２６ｂに行列式評価手段３３から、輝点選定手段２４にそれぞれフィードバックループが追加されている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００７５】
実施の形態１と同じように、姿勢推定手段２５ｂは、式（２３）を計算して目標の姿勢を求めるが、式（２３）を計算するためには、行列（ΓT）Γの逆行列が存在する必要がある。その条件は（ΓT）Γの行列式がゼロでないことであり、次式で表される。
【００７６】
【数１３】
0003764901.tif 000014
【００７７】
これは、選択した輝点の位置関係に制限が与えられることを表している。すなわち、姿勢推定手段２５ｂは、図９の構成によって式（２３）を計算して目標の姿勢Ｓの推定値を求めるが、式（２６）の条件を計算して、これを満足しない場合には、フィードバックループを介して輝点選定手段２４に輝点の再選定を指示する。従って、式（２６）の条件を満足する輝点が必ず選択されて、目標の姿勢を安定に求められる効果がある。
【００７８】
すなわち、行列式評価手段３３は、行列（ΓT）Γの行列式を計算し、その値がゼロであった場合には、輝点選定手段２４に対して、輝点の選定を変えるように指示する。
【００７９】
同様に、角速度推定手段２６ｂは、式（２４）を計算して目標の角速度を求めるが、式（２４）を計算するためには、行列（ΓΛ）T（ΓΛ）の逆行列が存在する必要がある。その条件は（ΓΛ）T（ΓΛ）の行列式がゼロでないことであり、次式で表される。
【００８０】
【数１４】
0003764901.tif 000015
【００８１】
これは、選択した輝点の位置関係と姿勢の組み合わせに制限が与えられることを表している。すなわち、角速度推定手段２６ｂは、図１０の構成によって式（２４）を計算して目標の角速度Ωチルダの推定値を求めるが、式（２７）の条件を計算して、これを満足しない場合には、フィードバックループを介して輝点選定手段２４に輝点の再選定を指示する。従って、式（２７）の条件を満足する輝点が必ず選択されて、目標の角速度を安定に求められる効果がある。
【００８２】
すなわち、行列式評価手段３３は、行列（ΓΛ）T（ΓΛ）の行列式を計算し、その値がゼロであった場合には、輝点選定手段２４に対して、輝点の選定を変えるように指示する。
【００８３】
さらにまた同様に、角加速度推定手段２７は、式（２５）を計算して目標の角加速度を求めるが、式（２５）を計算するためには、行列（ΓΛ）T（ΓΛ）の逆行列が存在する必要がある。その条件は式（２７）に同じであって、角速度推定手段２６ｂがすでに評価している。従って角加速度推定手段２７は、式（２７）の評価および輝点選定手段２４へのフィードバックループは必要としない。
【００８４】
このように本実施の形態の構成によれば、姿勢推定手段２５ｂが式（２６）の条件を計算して、これを満足しない場合には、フィードバックループを介して輝点選定手段２４に輝点の再選定を指示し、角速度推定手段２６ｂが式（２７）の条件を計算して、これを満足しない場合には、フィードバックループを介して輝点選定手段２４に輝点の再選定を指示するので、これらの条件式を満足する輝点が必ず選択されて、目標の運動を安定に求められる効果がある。
【００８５】
実施の形態３．
図１１はこの発明の画像レーダ装置の他の例を示すブロック図である。図１１において、４０は目標測距手段（測距手段）、４１は座標変換手段、４２は角速度修正手段、４３は角加速度修正手段である。その他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００８６】
次に動作について説明する。実施の形態１で説明したように、姿勢推定手段２５ａからは目標の姿勢Ｓが、角速度推定手段２６ａからは目標の角速度Ωチルダが、角加速度推定手段２７からは目標の角加速度Ωチルダドットが、それぞれ得られる。
【００８７】
しかし、式（３）に定義したように、Ωチルダは目標の回転角速度Ωと並進速度Ｗの合成で、ＬＯＳを基準とした角速度である。そこで、目標の回転角速度Ωを求めるためには、式（３）から導かれる次の式を計算すれば良い。
【００８８】
【数１５】
0003764901.tif 000016
【００８９】
そこで、目標追尾手段７が目標の並進速度Ｗを測定し、目標測距手段４０が目標までの距離ｒ0を測定し、角速度修正手段４２が式（２８）によって目標の角速度Ωを算出する。
【００９０】
ただし、目標追尾手段７が測定できる目標の並進速度は、図６に示すレーダに固有の座標系ξηζによる値Ｗ’である。一方、式（２８）において必要な目標の並進速度Ｗは目標に固有の座標系ＸＹＺにより定義されているので、座標系の変換が必要である。一般に原点の等しい２つの直交座標系の回転による変換は次式で与えられ、独立な変数はθ，φ，ψの３つである。
【００９１】
【数１６】
0003764901.tif 000017
【００９２】
ただし、θ，φ，ψは一般にオイラー角と呼ばれる角度で、その関係は図１２に示される。また、目標追尾手段７はアンテナから見た目標の方位を測定できるので、図６のベクトルＳのξηζ座標系における要素を知ることができる。そこで、座標変換手段４１は、式（２９）の右辺のξηζに目標追尾手段７が出力するＳの要素を代入し、左辺のＸＹＺに姿勢推定手段２５ａが出力するＳの要素を代入して、３次の連立方程式を解くことにより３つの変数θ，φ，ψを求める。
続いて、座標変換手段４１は、式（２９）の右辺のξηζに目標追尾手段７が出力する目標の並進速度Ｗ’の要素を代入して、左辺に並進速度Ｗを得る。そこで、角速度修正手段４２が式（２８）によって目標の角速度Ωを算出することができる。
【００９３】
同様にして、目標の回転角加速度Ωドットを求めることができる。式（２８）を時間で微分して次式を得る。
【００９４】
【数１７】
0003764901.tif 000018
【００９５】
そこで、目標追尾手段７が目標の並進速度Ｗ’を測定し、座標変換手段４１が並進速度Ｗに変換し、目標測距手段４０が目標までの距離ｒ0を測定し、遅延手段２１ｂと行列加算手段３６ａが目標の姿勢Ｓの時間微分Ｓドットを求め、遅延手段２１ｃと行列加算手段３６ｂが目標の並進速度Ｗの時間微分Ｗドットを求め、角加速度修正手段４３が式（３０）によって目標の角加速度Ωドットを算出する。
【００９６】
このように本実施の形態の構成によれば、目標の回転角速度Ωと、目標の回転角加速度Ωドットとを求めることができて、実施の形態１の発明の効果に加えて、並進運動成分を含まない目標の運動と、並進運動とを分離して求められる効果を有するレーダ装置を得ることができる。
【００９７】
実施の形態４．
図１３はこの発明の画像レーダ装置の他の例を示す輝点選定手段２４および形状データベース２３の構成をブロック図である。図１３において、４４は形状データベース２３に増設されたＲＣＳデータベース、４５はＲＣＳ比較手段である。また、図１４はこの実施の形態の画像レーダ装置が観測する目標の模式図である。図１４において、４６ａ，４６ｂ，４６ｃは目標上の３つの反射点（電波散乱体）で、そのＲＣＳは図示した球の大きさにしたがって異なるものとする。
【００９８】
これらの反射点の座標とそのＲＣＳは、それぞれ形状データベース２３およびＲＣＳデータベース４４に格納されている。そのためには、予め目標のいくつかの部分について座標とＲＣＳを測定し形状データベース２３に格納しておいても良いし、あるいはＲＣＳを都合良く設計したレーダレフレクタを目標上に設置してその座標を記録して形状データベース２３に格納しておいても良い。
【００９９】
次に動作について説明する。図１３に示す装置において、ＲＣＳ比較手段４５は、入力されたレーダ画像の各反射点の輝度すなわちＲＣＳと、ＲＣＳデータベース４４に記録されたＲＣＳを比較して、一致したものについて、その輝点のレーダ画像上の座標（ｕ，ｖ）と、反射点の目標上の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を出力する。
【０１００】
すなわち、輝点選定手段２４は、記録されたＲＣＳを手がかりにして輝点を選定し、さらにレーダ画像上の輝点と目標上の反射点を対応付けて、ベクトルＰ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ）およびｐ＝（ｕ，ｖ）を求める。
【０１０１】
このように本実施の形態の構成によれば、輝点選定手段２４は、記録されたＲＣＳを手がかりにして輝点を選定するので、実施の形態１の発明の効果に加えて、輝点の選定がより確実になって、目標の運動をより安定に求められる効果を有するレーダ装置を得ることができる。
【０１０２】
実施の形態５．
図１５はこの発明の画像レーダ装置の他の例を示す輝点選定手段２４および形状データベース２３の構成をブロック図である。図１５において、４７は形状データベース２３に増設された反射点数データベース、４８は反射点数比較手段である。また、図１６はこの実施の形態の画像レーダ装置が観測する目標の模式図である。図１６において、４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ，４９ｅ，４９ｆは目標上の密集した複数の反射点である。
【０１０３】
実施の形態４の図１３に示す装置においては、輝点選定手段２４は、記録されたＲＣＳを手がかりにして輝点を選定したが、本実施の形態の図１５の装置においては、密集した反射点の数を手がかりにして輝点を選定する。
【０１０４】
そこで、これらの反射点の座標とその数は、それぞれ形状データベース２３および反射点数データベース４７に格納されているものとする。そのためには、あらかじめ目標の３箇所以上の部分について座標と反射点数を測定し形状データベース２３に格納しておいても良いし、あるいはレーダレフレクタを目標の３箇所以上の部分についてそれぞれ複数設置してその座標と数を記録し形状データベース２３に格納しておいても良い。
【０１０５】
次に動作について説明する。図１５に示す装置において、反射点数比較手段４７は入力されたレーダ画像上で密集して現れる反射点の数と、反射点数データベース４７に記録された反射点数を比較して、一致したものについて、その輝点のレーダ画像上の座標（ｕ，ｖ）と、反射点の目標上の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を出力する。
【０１０６】
すなわち、輝点選定手段２４は、記録された反射点数を手がかりにして輝点を選定し、さらにレーダ画像上の輝点と目標上の反射点を対応付けて、ベクトルＰ＝（Ｘ，Ｙ，Ｚ）およびｐ＝（ｕ，ｖ）を求める。
【０１０７】
このように本実施の形態の構成によれば、輝点選定手段２４は、記録された反射点数を手がかりにして輝点を選定するので、実施の形態１の発明の効果に加えて、輝点の選定がより確実になって、目標の運動をより安定に求められる効果を有するレーダ装置を得ることができる。
【０１０８】
尚、反射点の数だけでなく、その分布パターンを手がかりにして輝点を選定することもできる。
【０１０９】
【発明の効果】
この発明に係る画像レーダ装置は、目標を観測してそのレーダ画像を得るレーダ装置において、目標のレーダ画像を連続的に得る画像連続取得手段と、連続する２枚のレーダ画像を比較して、レーダ画像上の輝点の位置変化に基づき輝点の速度分布を得る速度分布取得手段と、予め複数の目標の形状が格納されている形状データベースと、レーダ画像上の輝点を形状データベースの目標の形状と対応付ける対応手段と、レーダ画像、速度分布および目標の形状から目標の運動を求める運動推定手段とを備えている。そのため、目標の運動を測定する画像レーダ装置を得ることができる。
【０１１０】
また、運動推定手段から対応手段へのフィードバックループをさらに備え、対応手段は、運動推定手段の出力が所定の条件を満たさない場合、目標の形状と対応付けを再度行う。そのため、所定の条件を満足する輝点が必ず選択されて、目標の運動を安定に求められる効果がある。
【０１１１】
また、運動推定手段は、レーダ画像上の輝点のレンジ方向の位置関係に基づいて目標の姿勢を求める姿勢推定手段を有する。そのため、目標の姿勢を求める画像レーダ装置を得ることができる。
【０１１２】
また、運動推定手段は、レーダ画像上の輝点のクロスレンジ方向の位置関係に基づいて目標の回転角速度を求める角速度推定手段を有する。そのため、目標の回転角速度を求める画像レーダ装置を得ることができる。
【０１１３】
また、目標の移動速度を求める追尾手段と、目標までの距離を測る測距手段と、目標の移動速度および目標までの距離に基づいて、目標の回転角速度を補正する角速度修正手段とをさらに備えている。そのため、目標の回転角速度を精度よく求める画像レーダ装置を得ることができる。
【０１１４】
また、運動推定手段は、レーダ画像上の輝点のクロスレンジ方向の変化速度に基づいて目標の回転角加速度を求める角加速度推定手段を有する。そのため、目標の回転角加速度を求める画像レーダ装置を得ることができる。
【０１１５】
また、目標の移動速度を求める追尾手段と、目標までの距離を測る測距手段と、移動速度および目標までの距離に基づいて、目標の回転角加速度を補正する角加速度修正手段とをさらに備えている。そのため、目標の回転角加速度を精度よく求める画像レーダ装置を得ることができる。
【０１１６】
また、形状データベースは、各目標が有する異なる電波散乱断面積の少なくとも３つの電波散乱体を目標の形状として格納し、対応手段は、レーダ画像上の少なくとも３つの輝点を形状データベースの目標の形状と対応付ける。そのため、対応付けがより確実になり、目標の運動をより安定に求められる効果を有するレーダ装置を得ることができる。
【０１１７】
また、形状データベースは、各目標が有する密集した複数の電波散乱体を目標の形状として格納し、対応手段は、レーダ画像上の密集した複数の輝点を形状データベースの目標の形状と対応付ける。そのため、対応付けがより確実になり、目標の運動をより安定に求められる効果を有するレーダ装置を得ることができる。
【０１１８】
また、形状データベースは、各目標が有する少なくとも３箇所にそれぞれ異なる数で分布する電波散乱体を目標の形状として格納し、対応手段は、レーダ画像上の少なくとも３箇所にそれぞれ異なる数で分布する輝点を形状データベースの目標の形状と対応付ける。そのため、対応付けがさらに確実になり、目標の運動をより安定に求められる効果を有するレーダ装置を得ることができる。
【０１１９】
さらに、形状データベースは、各目標が有する電波散乱体の分布パターンを目標の形状として格納し、対応手段は、レーダ画像上の輝点の分布パターンを形状データベースの目標の形状と対応付ける。そのため、対応付けがさらに確実になり、目標の運動をより安定に求められる効果を有するレーダ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の画像レーダ装置を示すブロック図である。
【図２】  この発明の実施の形態１による画像の時間変化を説明する図である。
【図３】  図１の姿勢推定手段の詳細な構成を示すブロック図である。
【図４】  図１の角速度推定手段の詳細な構成を示すブロック図である。
【図５】  図１の角加速度推定手段の詳細な構成を示すブロック図である。
【図６】  この発明の実施の形態１による観測座標系を説明するレーダの送受信アンテナと目標の位置関係を示す図である。
【図７】  この発明の実施の形態１による観測座標系を説明する補助的な図である。
【図８】  この発明の画像レーダ装置の他の例を示すブロック図である。
【図９】  図８の姿勢推定手段の詳細な構成を示すブロック図である。
【図１０】  図８の角速度推定手段の詳細な構成を示すブロック図である。
【図１１】  この発明の画像レーダ装置の他の例を示すブロック図である。
【図１２】  原点の等しい２つの直交座標系の回転による変換に用いられるオイラー角θ，φ，ψの関係を示す図である。
【図１３】  この発明の画像レーダ装置の他の例を示す輝点選定手段および形状データベースの構成をブロック図である。
【図１４】  画像レーダ装置が観測する目標の模式図である。
【図１５】  この発明の画像レーダ装置の他の例を示す輝点選定手段および形状データベースの構成をブロック図である。
【図１６】  画像レーダ装置が観測する目標の模式図である。
【図１７】  従来のレーダ装置のブロック図である。
【図１８】  従来のレーダ装置による観測のジオメトリを説明するための図である。
【図１９】  従来のレーダ装置による観測のジオメトリを説明するための図である。
【図２０】  画像再生手段の詳細な構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
７  目標追尾手段（追尾手段）、２１  遅延手段（画像連続取得手段）、２２画像比較手段（速度分布取得手段）、２３  形状データベース、２４  輝点選定手段（対応手段）、２５，２５ａ，２５ｂ  姿勢推定手段（運動推定手段）、２６，２６ａ，２６ｂ  角速度推定手段（運動推定手段）、２７  角加速度推定手段（運動推定手段）、４０  目標測距手段（測距手段）、４２  角速度修正手段、４３  角加速度修正手段。
【図１】
0003764901.tif 000019
【図２】
0003764901.tif 000020
【図３】
0003764901.tif 000021
【図４】
0003764901.tif 000022
【図５】
0003764901.tif 000023
【図６】
0003764901.tif 000024
【図７】
0003764901.tif 000025
【図８】
0003764901.tif 000026
【図９】
0003764901.tif 000027
【図１０】
0003764901.tif 000028
【図１１】
0003764901.tif 000029
【図１２】
0003764901.tif 000030
【図１３】
0003764901.tif 000031
【図１４】
0003764901.tif 000032
【図１５】
0003764901.tif 000033
【図１６】
0003764901.tif 000034
【図１７】
0003764901.tif 000035
【図１８】
0003764901.tif 000036
【図１９】
0003764901.tif 000037
【図２０】
0003764901.tif 000038