JP2011191141A - 偽像低減装置、レーダ装置、偽像低減方法、および偽像低減プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】画像処理を行うことによりビームサブ偽像を低減する偽像低減装置を提供する。
【解決手段】ビームサブ偽像検出部１５４は、各距離における極座標画像データについて、所定レベル以上の値を示す画素がスイープ方向に連続する数を算出し、連続スイープ数が閾値Ｔｈ以上であれば、偽像候補として抽出する。また、ビームサブ偽像検出部１５４は、偽像候補の方位方向の幅と、距離方向の幅とに基づいて、ビームサブ偽像を検出する。
【選択図】図４

Description

この発明は、サイドローブにより発生する偽像（ビームサブ偽像）を低減する偽像低減装置に関するものである。

レーダ装置等のアンテナは、電磁波を発射する方位（メインローブの方位）以外にも、ある程度のレベルのサイドローブを発生する。サイドローブが物標に反射してエコーとして受信されると、メインローブの方位からエコーが受信されたものとして、本来物標が存在しない方位に偽像（以下、ビームサブ偽像と言う。）が表示されてしまう（特許文献１，２を参照）。

特開平３−１３８５８３号公報 特開平３−１３８５８４号公報

ビームサブ偽像は、レーダ画像において不要であるため、除去する必要がある。したがって、この発明は、画像処理によりビームサブ偽像を低減する偽像低減装置を提供することを目的とする。

本発明の偽像低減装置は、画像データ生成手段、偽像候補抽出手段、および偽像抽出手段を備えている。測定手段は、アンテナから送信された電磁波のエコー信号が入力され、該エコー信号に基づいて画像データを生成する。アンテナからは所定方位毎にパルス状に電磁波が送信されるため、画像データは、距離および方向からなる極座標系のデータとして生成される。

偽像候補抽出手段は、前記エコー信号のレベルが所定レベル以上を有するエコー画像のうち、当該エコー画像が方位方向に所定幅以上存在する偽像候補を抽出する。例えば、画像データの各画素のうち、所定レベル以上を有する画素を最大値、所定レベル未満の画素を最小値として２値化し、方位方向に最大値がある程度連続（例えば全方位１０００スイープに対して６００スイープ程度連続）するエコー画像を偽像候補として抽出する。あるいは、各方位について所定レベル以上の値を示す画素を距離方向で度数分布化し、度数のピークに対応するエコー画像を偽像候補として抽出する。

なお、画像データは、方位方向に平均化処理し、エコー画像の短い途切れ部分を排除する処理を行うことが望ましい。

そして、偽像抽出手段は、抽出した偽像候補のうち、各方位における距離方向の幅を算出し、当該距離方向の幅と、前記方位方向の幅とに基づいて偽像のエコー画像を抽出する。具体的には、偽像候補のうち、距離方向の幅が所定幅以上となる方位を抽出し、抽出した方位から偽像候補の方位方向の端部までの偽像領域幅を算出し、偽像候補の方位方向の幅に対する偽像領域幅が所定割合以上であれば、当該偽像候補を偽像のエコー画像とする。

また、エコー信号レベル制御手段を備え、抽出した偽像のエコー画像のレベル制御（低減処理）を行う。エコー信号のレベル制御は、画像データの各方位の画素のうち、偽像のエコー画像に隣接する画素間を補間することにより行う。また、画素間の補間は、線形補間であることが望ましい。

以上のように、ビームサブ偽像の形状的な特徴を反映した画像処理を行うことで、ビームサブ偽像だけを的確に低減することができる。

この発明の偽像低減装置によれば、画像処理によりビームサブ偽像を低減することができる。

本実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図である。 図２（Ａ）は、偽像低減処理を行う前の画像データを表示器１８に表示した場合の模式図であり、同図（Ｂ）は、ビームサブ偽像を含むスイープデータを極座標で表した図である。 図３（Ａ）は、ローパスフィルタ処理後の極座標画像データを示す図であり、同図（Ｂ）は、２値化後の極座標画像データを示す図である。 偽像候補の抽出手法の他の例を示す図である。 方位方向の幅と、距離方向の幅とに基づいて、ビームサブ偽像を検出する概念を示す図である。 線形補間を説明する図である。 低減処理追加領域を設定する例を示す図である。 図８（Ａ）は、偽像低減処理を行う前の画像データを極座標で表した図であり、同図（Ｂ）は、偽像低減処理を行った後の画像データを極座標で表した図である。 図９（Ａ）は、偽像低減処理を行う前の画像データを表示器１８に表示した場合の模式図であり、同図（Ｂ）は、偽像低減処理を行った後の画像データを表示器１８に表示した場合の模式図である。

図１（Ａ）は、本発明の偽像低減装置を内蔵したレーダ装置の構成を示すブロック図である。レーダ装置は、例えば船舶に設置され、自船の周囲に電磁波を送受信し、他船等の物標を探知する装置である。

同図において、レーダ装置は、アンテナ１１、受信部１２、Ａ／Ｄ変換器１３、スイープメモリ１４、偽像低減処理部１５、画像変換部１６、直交座標画像メモリ１７、および表示器１８を備えている。

アンテナ１１は、自船の周囲の各方位に電磁波を送信し、エコー信号を受信する。受信部１２は、アンテナ１１で受信したエコー信号のレベル（エコーレベル）に応じた値をＡ／Ｄ変換器１３に出力する。Ａ／Ｄ変換器１３は、入力されたアナログ値のエコー信号をデジタル変換し、測定データとしてスイープメモリ１４に出力する。

スイープメモリ１４は、測定１周期分（自船の周り３６０度分）の測定データを記憶する。各測定データは、極座標系の座標（方位および距離）と対応付けられ、スイープデータとして記憶されている。アンテナ１１は、所定方位毎にパルス状に電磁波を送信するため、スイープデータは、アンテナ１１の各方位について、所定サンプル毎の離散値として記憶される。

画像変換部１６は、スイープメモリ１４から極座標系のスイープデータを入力し、自船の位置を原点とした直交座標系に変換して、エコーレベルに応じた階調の画素輝度値として出力する。この直交座標系の画素輝度値が直交座標画像データとして直交座標画像メモリ１７に記憶される。

表示器１８は、直交座標画像メモリ１７に記憶されている直交座標画像データを読み出し、図２（Ａ）に示すようなレーダ画像（エコー画像）を表示する。なお、本実施形態では、背景色が白で、画素輝度値が高い画素ほど黒く表示される例を示すが、逆に、背景色が黒で、画素輝度値が高い画素ほど白く表示されるようにしてもよい。また、カラー画像として表示される態様であってもよい。

アンテナ１１は、電磁波を発射する方位（メインローブの方位）以外にも、ある程度のレベルでサイドローブが発生する。サイドローブが物標の存在する方位に向いている場合、ある程度のレベルのエコー信号が受信されるため、メインローブの方位からある程度のレベルのエコー信号が受信されたものとしてスイープデータが生成される。したがって、図２（Ａ）に示すように、本来物標が存在しない方位にビームサブ偽像が表示されてしまう。サイドローブは、ほぼ全周方位に発生するため、ビームサブ偽像は、自船からの距離が等しい等円周上において方位方向に長く延びるように表示される。

ここで、本実施形態のレーダ装置は、偽像低減処理部１５でスイープメモリ１４に記憶されているスイープデータを読み出し、ビームサブ偽像を抽出してレベル低減処理を行い、スイープメモリ１４の測定１周期分のスイープデータの内容を更新する。その結果、画像変換部１６には、レベル低減処理後のスイープデータが入力され、表示器１８にはビームサブ偽像だけが的確に除去されたエコー画像が表示される（図９を参照）。

以下、偽像低減処理部１５の処理内容について具体的に説明する。図１（Ｂ）は、偽像低減処理部１５の構成を示すブロック図である。偽像低減処理部１５は、平均化処理部１５１、２値化処理部１５２、２値化データメモリ１５３、ビームサブ偽像検出部１５４、およびレベル制御部１５５を備えている。偽像低減処理部１５は、これら構成部により、スイープデータを極座標の画像データとして画像処理によりビームサブ偽像を検出、偽像低減処理を行う。

平均化処理部１５１は、スイープメモリ１４からスイープデータ（以下、極座標画像データと言う。）を読み出し、平均化処理を行う。平均化処理は、例えば、極座標画像データを方位方向にローパスフィルタ処理を行うことにより実現する。ローパスフィルタ処理は、例えばＦＩＲフィルタを用いて行う。

図２（Ｂ）にビームサブ偽像を含む極座標画像データを表した図を示す。同図（Ｂ）の例では、横軸が距離方向（左方向に向かって自船近傍、右方向に向かって自船遠方）であり、縦軸が方位方向である。同図中央付近に示す半楕円状のエコー画像が物標であり、方位方向に細長く延びるエコー画像がビームサブ偽像である。

アンテナ１１から発射されるサイドローブは、所定方位毎に複数発生するため、ビームサブ偽像は方位方向に途切れ途切れに現れることになる。したがって、平均化処理部１５１は、ローパスフィルタ処理を行うことにより、図３（Ａ）に示すように、エコー画像の短い途切れ部分を排除し、エコー画像に方位方向のつながりを持たせる処理を行う。

次に、２値化処理部１５２は、ローパスフィルタ処理後の極座標画像データの各画素のうち、所定レベル（閾値）以上となる画素を最大値、所定レベル未満の画素を最小値として２値化する。つまり、閾値以上の画素を値１、閾値未満の画素を値０に変換する。ただし、レーダ装置では、自船近傍の海面反射による影響を抑えるため、遠距離になるほどゲインが大きくなるように、距離に応じてゲイン特性を補正しているため、この例では、閾値は、自船からの距離に応じて異なるものとしている。例えば、自船近傍は閾値Ａとし、自船遠方は閾値Ａよりも大きい閾値Ｂとする（最大値を２５５として、閾値Ａ＝５０、閾値Ｂ＝６０とする）。２値化した極座標画像データは、２値化データメモリ１５３に一時記憶される。なお、２値化処理部１５２は、平均化処理部１５１から入力された極座標画像データを低解像度化してから２値化データメモリ１５３に記憶するようにしてもよい。

次に、ビームサブ偽像検出部１５４は、２値化データメモリ１５３から２値化された極座標画像データを読み出し、ビームサブ偽像を検出する。

ビームサブ偽像検出部１５４は、まず２値化された極座標画像データから偽像候補を抽出する。ビームサブ偽像検出部１５４は、各距離における極座標画像データについて、値１を示す画素の方位方向の幅が所定幅以上存在するかを判断する。すなわち、図３（Ｂ）に示すように、各距離の極座標画像データについて、値１を示す画素がスイープ方向に連続する数を算出し、連続スイープ数が閾値Ｔｈ（例えば全方位１０００スイープに対して６００スイープ程度）以上であれば、この距離における値１を示す全ての画素、および隣接して値１を示す全ての画素を偽像候補として抽出する。

なお、偽像候補の抽出は、以下の様にして行うことも可能である。図４は、偽像候補の抽出手法の他の例を示す図である。図４（Ａ）に示すように、この例における偽像低減処理部１５は、平均化処理部１５１、２値化処理部１５２、２値化データメモリ１５３に代えて、ヒストグラム解析部１５９を備えている。ヒストグラム解析部１５９は、各距離方向の極座標画像データから所定レベル以上の画素の数を算出し、同図（Ｂ）に示す様な距離方向の度数分布を求める。ヒストグラム解析部１５９は、この度数分布のピークを示す距離（所定度数以上で、最も高い度数を示す距離）を抽出する。なお、この例においても、２値化処理部１５２、２値化データメモリ１５３をさらに設け、極座標画像データを一端２値化してから度数分布を求めてもよい。

さらに、ヒストグラム解析部１５９は、同図（Ｃ）に示すように、方位方向に０から１に変化する画素（所定レベル未満から所定レベル以上に変化する画素）の数をさらに算出し、距離方向の度数分布を求める。ヒストグラム解析部１５９は、この度数分布のピークを示す距離（所定度数以上で、最も高い度数を示す距離）を抽出する。ヒストグラム解析部１５９は、これら２つの度数分布のピークが一致する距離のうち所定レベル以上の画素、および隣接する所定レベル以上の画素を偽像候補とする。上述のように、ビームサブ偽像は方位方向に途切れ途切れに現れることになるため、方位方向に０から１に変化する画素の数が多い傾向を示す。

このように、処理負荷の高いＦＩＲフィルタによる平均化処理を行わなくとも、所定レベル以上を有する画素の方位方向の画素数に基づいて、方位方向の幅が所定幅以上存在するかを判断することも可能である。

次に、ビームサブ偽像検出部１５４は、偽像候補の方位方向の幅と、距離方向の幅とに基づいて、抽出した偽像候補がビームサブ偽像であるか否かを判断する。すなわち、図５（Ａ）および同図（Ｂ）に示すように、偽像候補の距離方向の幅から偽像領域を抽出し、偽像候補の方位方向の全体長さ（上端画素から下端画素までの長さ：Ｌｅｎｇｔｈ Ｗｈｏｌｅ）に対する偽像領域の方位方向の長さ（Ｌｅｎｇｔｈ Ｕｐｐｅｒ，Ｌｅｎｇｔｈ Ｌｏｗｅｒ）の割合が所定値以上（例えば７０％以上）であれば、偽像候補のうち、偽像領域内をビームサブ偽像と判断する。

ビームサブ偽像は、距離方向の幅が物標の部分の距離方向の幅よりもはるかに狭くなり、方位方向に非常に長くなる傾向がある。一方で、エコー画像がビームサブ偽像ではなく、方位方向に長さを持つ物標（陸地等）であった場合、距離方向の幅もある程度広くなる傾向がある。そこで、ビームサブ偽像検出部１５４は、偽像候補の端部（上端画素および下端画素）から順に各方位の距離方向幅Ｒを算出する。距離方向幅Ｒが閾値Ｒｔｈ（例えば５画素程度）以上となれば算出を終了し、上端画素からＲ≧Ｒｔｈとなった画素までの部分、および下端画素からＲ≧Ｒｔｈとなった画素までの部分を偽像領域とする。そして、ビームサブ偽像検出部１５４は、上端画素からＲ≧Ｒｔｈとなった画素までの部分の方位方向の長さ（Ｌｅｎｇｔｈ Ｕｐｐｅｒ）、および下端画素からＲ≧Ｒｔｈとなった画素までの部分の方位方向の長さ（Ｌｅｎｇｔｈ Ｌｏｗｅｒ）を算出する。そして、（Ｌｅｎｇｔｈ Ｕｐｐｅｒ＋Ｌｅｎｇｔｈ Ｌｏｗｅｒ）／（Ｌｅｎｇｔｈ Ｗｈｏｌｅ）＞（Ｌｅｎｇｔｈ Ｔｈｒｅｓ Ｒａｔｉｏ）であれば、偽像候補の偽像領域がビームサブ偽像であると判断する。Ｌｅｎｇｔｈ Ｔｈｒｅｓ Ｒａｔｉｏは、上記のように、例えば７０％（０．７）とする。ビームサブ偽像検出部１５４は、偽像候補はビームサブ偽像であると判断した場合、ビームサブ偽像の座標を示す情報をレベル制御部１５５に出力する。

レベル制御部１５５は、スイープメモリ１４からスイープデータ（２値化されていない極座標画像データ）を読み出し、ビームサブ偽像の座標に対応する画素のレベル制御（偽像低減処理）を行う。偽像低減処理は、偽像領域内の全ての値を０とする処理であってもよいが、以下の様な処理を行ってもよい。

まず、レベル制御部１５５は、図６（Ａ）に示すように、ビームサブ偽像の各方位方向の両端座標を検出する。ビームサブ偽像検出部１５４から入力された座標が２値化されたデータに基づく座標であれば、当該入力された座標から、２値化されていない極座標画像データに対応する座標を検出する。２値化されたデータが低解像度化されたものである場合は、２値化されていない高解像度の極座標画像データに対応する複数の画素から１つまたは複数を両端画素の座標として検出する。

そして、レベル制御部１５５は、同図（Ｂ）に示すように、ビームサブ偽像の両端に隣接する２画素を検出する。複数の画素を両端画素の座標として検出した場合は、それぞれに隣接する複数の画素を検出する。

最後に、レベル制御部１５５は、同図（Ｃ）に示すように、検出した隣接画素間を線形補間する。この線形補間は、偽像領域内の各方位方向の全データについて行う。

ただし、図３（Ａ）で示したように、方位方向にローパスフィルタ処理を行っている場合、物標に対応するエコー画像も方位方向に引き延ばされていることになるため、偽像領域内だけを低減処理すると、ビームサブ偽像が残ってしまうことになる。そこで、レベル制御部１５５は、図７に示すように、ローパスフィルタ処理で引き延ばされた分だけ低減処理を追加して行う。すなわち、レベル制御部１５５は、Ｒ≧Ｒｔｈとなった画素から、下方向および上方向に、さらに平均化画素数（ＦＩＲフィルタのタップ数）の半分だけ低減処理追加領域を設定し、線形補間を行う方位方向を追加する。

なお、２値化されて１，０の値に変換されたときに、０に丸め込まれる分のデータを考慮して、低減処理追加領域は平均化画素数の半分より少なく設定する（例えば１０スイープ分少なくする）。

以上のようにして、偽像低減処理部１５は、偽像領域内のレベルを低減する処理を行い、スイープメモリ１４のスイープデータを更新する。この結果、図８（Ａ）に示すような偽像低減処理を行う前の極座標画像データが、同図（Ｂ）に示すようにビームサブ偽像の部分だけがレベル低減された極座標画像データに変換される。

画像変換部１６は、更新されたスイープデータを読み出して直交座標画像データに変換し、直交座標画像メモリ１７に記憶する。その結果、図９（Ａ）に示すように自船からの距離が等しい等円周上において方位方向に長く延びるように表示されていたエコー画像が、同図（Ｂ）に示すように物標のエコー画像を残しつつ消えることになり、不要な画像だけが除去されることになる。

以上のように、本実施形態のレーダ装置における偽像低減処理では、ビームサブ偽像の形状的な特徴を反映した画像処理を行うことにより、ビームサブ偽像だけを的確に低減処理することができる。

なお、本実施形態のレーダ装置では、表示器１８に画像データを表示する例を示しているが、画像データの表示とともに、各物標を補足、追尾する態様（衝突予防支援装置として用いること）も可能である。本実施形態の偽像低減処理により、偽像が補足されて追尾されてしまうことを防止することができ、衝突予防支援装置としても非常に好適である。

１１…アンテナ
１２…受信部
１３…Ａ／Ｄ変換器
１４…スイープメモリ
１５…偽像低減処理部
１６…画像変換部
１７…直交座標画像メモリ
１８…表示器

Claims (12)

1. アンテナから送信された電磁波のエコー信号が入力され、該エコー信号に基づいて画像データを生成する画像データ生成手段と、
   前記エコー信号のレベルが所定レベル以上を有するエコー画像のうち、当該エコー画像の方位方向の幅に基づいて偽像候補を抽出する偽像候補抽出手段と、
   前記偽像候補の距離方向の幅を算出し、当該距離方向の幅と、前記方位方向の幅とに基づいて偽像のエコー画像を抽出する偽像抽出手段と、
   を備えた偽像低減装置。
2. 請求項１に記載の偽像低減装置において、
   前記偽像のエコー画像の前記画像データのレベルを制御するエコー信号レベル制御手段を備えた偽像低減装置。
3. 請求項２に記載の偽像低減装置において、
   前記エコー信号レベル制御手段は、前記画像データの各方位の画素のうち、前記偽像のエコー画像に隣接する画素間を補間することによりレベル制御処理を行うことを特徴とする偽像低減装置。
4. 請求項３に記載の偽像低減装置において、
   前記エコー信号レベル制御手段による前記画素間の補間は、線形補間であることを特徴とする偽像低減装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の偽像低減装置において、
   前記画像データを方位方向に平均化処理する平均化処理手段を備え、
   前記偽像候補抽出手段は、前記平均化処理手段で方位方向に平均化した画像データから偽像候補を抽出することを特徴とする偽像低減装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の偽像低減装置において、
   前記偽像候補抽出手段は、前記所定レベル以上を有するエコー画像の方位方向の連続性に基づいて前記偽像候補を抽出することを特徴とする偽像低減装置。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の偽像低減装置において、
   前記偽像候補抽出手段は、前記所定レベル以上を有するエコー画像の方位方向の画素数に基づいて前記偽像候補を抽出することを特徴とする偽像低減装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の偽像低減装置において、
   前記偽像抽出手段は、前記偽像候補のうち、前記距離方向の幅が所定幅以上となる方位を抽出し、抽出した方位から当該偽像候補の方位方向の端部までの偽像領域幅を算出し、前記偽像候補の方位方向の幅に対する前記偽像領域幅が所定割合以上であれば、当該偽像候補を偽像のエコー画像とすることを特徴とする偽像低減装置。
9. 前記所定レベルは、距離に応じて異なることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の偽像低減装置。
10. 請求項２乃至請求項９のいずれかに記載の偽像低減装置と、
    前記画像データに基づいて画像を表示する表示手段と、
    を備え、
    前記画像データのうち、前記偽像のエコー画像に対しては前記エコー信号レベル制御手段によってレベルの制御をされた前記画像データに基づく画像を表示することを特徴とする偽像低減装置。
11. アンテナから送信された電磁波のエコー信号が入力され、該エコー信号に基づいて画像データを生成する画像データ生成ステップと、
    前記エコー信号のレベルが所定レベル以上を有するエコー画像のうち、当該エコー画像の方位方向の幅に基づいて偽像候補を抽出する偽像候補抽出ステップと、
    前記偽像候補のうち、各方位における距離方向の幅を算出し、当該距離方向の幅と、前記方位方向の幅とに基づいて偽像のエコー画像を抽出する偽像抽出ステップと、
    を実行する偽像低減方法。
12. アンテナから送信された電磁波のエコー信号が入力され、該エコー信号に基づいて画像データを生成する画像データ生成ステップと、
    前記エコー信号のレベルが所定レベル以上を有するエコー画像のうち、当該エコー画像の方位方向の幅に基づいて偽像候補を抽出する偽像候補抽出ステップと、
    前記偽像候補のうち、各方位における距離方向の幅を算出し、当該距離方向の幅と、前記方位方向の幅とに基づいて偽像のエコー画像を抽出する偽像抽出ステップと、
    をレーダ装置に実行させる偽像低減プログラム。