JP7733720B2 - レーダ信号処理装置、レーダ装置、レーダ信号処理方法およびレーダ信号処理プログラム - Google Patents

Description

本発明は、レーダ信号処理装置、レーダ装置、レーダ信号処理方法およびレーダ信号処理プログラムに関する。

従来、水位などを把握することにより、水面の波浪状態を把握するための技術が知られている。たとえば、特許文献１（特開２０１８－２００１７６号公報）には、以下のような水面距離測定機が開示されている。すなわち、船体側面に設けられる水面距離測定機は、水面に対して間隔をあけて配される本体部と、前記本体部のうち前記水面に対向する対向面に取り付けられ、前記対向面から前記水面に向けて延びる筒状体とを備え、前記本体部は、前記対向面から前記水面に向けて電波を照射し、かつ、前記水面において反射した前記電波を受信するアンテナ部を含み、前記筒状体は、前記筒状体の軸方向から見て前記アンテナ部を囲むように配されている。

特開２０１８－２００１７６号公報

特許文献１に記載の技術では、筒状体がアンテナ部を囲むように配置されていることにより、波の衝撃を受けてアンテナ部が故障したり、破損したりすることを防ぐことができる。

しかしながら、特許文献１に記載の水面距離測定機におけるアンテナ部は、波の衝撃を受ける可能性のある位置において、水面に対向するように設けられているため、波の衝撃による故障または破損等が生じる可能性が依然として残っている。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、波の衝撃を避けながら、低コストで、物標等の高さを算出することができるレーダ信号処理装置、レーダ装置、レーダ信号処理方法およびレーダ信号処理プログラムを提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係るレーダ信号処理装置は、電波を送受信するアンテナにより受信した受信信号に基づいて、前記アンテナから送信される送信信号が基準面の上方の遮蔽物により遮蔽される領域の水平方向における長さである遮蔽長を算出する遮蔽長算出部と、前記遮蔽長と、前記遮蔽物と前記アンテナとの位置関係とに基づいて、前記基準面からの前記遮蔽物の高さを算出する垂直高算出部とを備える。

このように、遮蔽物により遮蔽される領域の水平方向における長さを用いて、高さ情報を得る構成により、アンテナを、水面等の基準面から離れた箇所に設置することができる。また、３次元レーダを用いる必要がないため、コストの上昇を抑えることができる。したがって、波の衝撃を避けながら、低コストで、物標等の高さを算出することができる。

本発明によれば、波の衝撃を波の衝撃を避けながら、低コストで、物標等の高さを算出することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るレーダ装置が船舶に取り付けられた状態の一例を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るレーダ装置の構成を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態に係るレーダ装置における信号処理部の構成を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る信号処理部における算出部の構成を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る表示処理部により表示されるエコー画像の一例を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る船舶の周辺に存在する物標の高さを算出する方法について説明するための図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る信号処理部におけるＦＦＴ処理部により生成されるパワースペクトルの一例を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態に係るレーダ装置が、基準面からの遮蔽物の高さを算出する際の動作手順の一例を定めたフローチャートである。 図９は、本発明の実施の形態に係るレーダ装置が、遮蔽物の基準面からの高さを算出する際の動作手順の他の一例を定めたフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。また、以下に記載する実施の形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

＜構成および基本動作＞
［レーダ装置］
図１は、本発明の実施の形態に係るレーダ装置が船舶に取り付けられた状態の一例を示す図である。

図１を参照して、レーダ装置３００は、たとえば、船舶１０に搭載される。より詳細には、レーダ装置３００は、たとえば、船舶１０の操舵室１１から上方に延びた支持部１２に取り付けられる。レーダ装置３００は、たとえば、ＦＭ－ＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式のレーダ装置である。

レーダ装置３００は、船舶１０が監視する領域である検知対象エリアに送信信号を送信し、送信信号の反射信号を受信信号として受信する。そして、レーダ装置３００は、当該受信信号に基づいて、検知対象エリアにおける物標の有無およびレーダ装置３００と物標との間の距離を示すエコー画像を、図示しない表示装置に表示する処理を行う。

レーダ装置３００における、電波を送受信するアンテナの一例である、後述する送信アンテナ１３０および受信アンテナ１４０は、基準面の一例である水面に対して斜めに送信信号が放射されるように取り付けられている。具体的には、図１の矢印Ｄ１で示す送信信号の放射方向と水面とのなす角度θ１は、たとえば１０°である。

また、送信信号は、基準面に垂直かつ送信信号の放射方向に沿う面において、所定の垂直ビーム幅θ２を持つ。たとえば、レーダ装置３００は、スロットアンテナまたは２次元アレイアンテナなどのアンテナを用いて、垂直ビーム幅θ２が２５°であり、水平ビーム幅が１．８°であるファンビームを送信する。

図２は、本発明の実施の形態に係るレーダ装置の構成を示す図である。

図２を参照して、レーダ装置３００は、レーダ部２０１と、表示処理部２０２とを備える。レーダ部２０１は、信号発生部１１０と、送信部１２０と、送信アンテナ１３０と、受信アンテナ１４０と、受信部１５０と、ミキサ部１６０と、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部１７０と、信号処理部１００とを備える。信号処理部１００は、レーダ信号処理装置の一例である。以下、送信アンテナ１３０および受信アンテナ１４０の各々を、単に「アンテナ」とも称する。

レーダ部２０１は、検知対象エリアを複数に分割した領域である分割対象エリアにおける物標の検知結果を示すエコーデータを表示処理部２０２へ出力する。送信アンテナ１３０および受信アンテナ１４０は、送信アンテナ１３０による電波の放射方向の方位角が所定のスイープ期間Ｔごとに所定角度ずつ変化するように回転する。これにより、レーダ部２０１は、船舶１０の周囲の全方位に存在する物標を検知することができる。

また、レーダ部２０１は、スイープ期間Ｔごとの複数の分割対象エリアにおけるエコーデータを表示処理部２０２へそれぞれ出力する。

表示処理部２０２は、レーダ部２０１から受けた複数のエコーデータに基づいて、検知対象エリアにおけるエコー画像を表示装置に表示する処理を行う。

［レーダ部］
信号発生部１１０は、所定パターンのアナログ信号を繰り返し生成して送信部１２０へ出力する。より詳細には、信号発生部１１０は、スイープ期間Ｔおいて、たとえばＦＭ－ＣＷ方式の変調方式を用いて生成した、周波数が単位時間あたりに所定量増加するアナログ信号を送信部１２０へ出力する。具体的には、たとえば、信号発生部１１０は、電圧発生部と、ＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ－Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）とを含む。電圧発生部は、スイープ期間Ｔにおいて、大きさが一定の割合で増加するＦＭ変調電圧を生成してＶＣＯへ出力する。ＶＣＯは、電圧発生部から受けるＦＭ変調電圧の大きさに応じた周波数を有するアナログ信号を生成して送信部１２０へ出力する。

送信部１２０は、送信信号を送信する。より詳細には、送信部１２０は、スイープ期間Ｔにおいて、信号発生部１１０から受けたアナログ信号に基づいてＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の送信信号を生成し、生成したＲＦ帯の送信信号を、レーダ部２０１の回転に伴って回転する送信アンテナ１３０を介して分割対象エリアへ出力する。

また、送信部１２０は、生成したＲＦ帯の送信信号をミキサ部１６０へ出力する。具体的には、たとえば、送信部１２０は、ミキサと、パワーアンプとを含む。当該ミキサは、信号発生部１１０から受けたアナログ信号に基づいて、ＲＦ帯の送信信号を生成し、生成した送信信号をパワーアンプおよびミキサ部１６０へ出力する。送信部１２０において、パワーアンプは、ミキサから受けた送信信号を増幅し、増幅後の送信信号を、送信アンテナ１３０を介して分割対象エリアへ出力する。

受信部１５０は、送信信号が物標により反射された反射信号を受信する。より詳細には、受信部１５０は、送信アンテナ１３０から送信された送信信号が分割対象エリアにおける物標によって反射された信号であるＲＦ帯の反射信号を、レーダ部２０１の回転に伴って回転する受信アンテナ１４０を介して受信する。受信部１５０は、受信アンテナ１４０を介して受信した反射信号である受信信号をミキサ部１６０へ出力する。具体的には、たとえば、受信部１５０は、ローノイズアンプを含む。ローノイズアンプは、受信アンテナ１４０を介して受信したＲＦ帯の受信信号を増幅し、増幅後の受信信号をミキサ部１６０へ出力する。

ミキサ部１６０は、レーダ装置３００から送信される送信信号と、レーダ装置３００により受信された受信信号とのビート信号を生成する。ここで、ビート信号は、送信部１２０により送信される送信信号の周波数成分と受信部１５０により受信された受信信号の周波数成分との差の周波数成分を有する信号である。

より詳細には、ミキサ部１６０は、たとえば２つのミキサを含む。図示しない分岐部は、送信部１２０から出力される送信信号を分岐するとともに分岐した送信信号に９０°の位相差を付与してミキサ部１６０における各ミキサへ出力する。また、図示しない分岐部は、受信部１５０から出力される受信信号を分岐してミキサ部１６０における各ミキサへ出力する。ミキサ部１６０における２つのミキサは、送信信号と受信信号とをそれぞれ乗算することにより、Ｉ信号ＳｉおよびＱ信号Ｓｑの組からなるアナログのビート信号ＳＡを生成してＡ／Ｄ変換部１７０へ出力する。

Ａ／Ｄ変換部１７０は、ミキサ部１６０から受けたアナログのビート信号ＳＡを、Ｉ信号ＳｉおよびＱ信号Ｓｑの組からなるデジタル信号であるビート信号ＳＤに変換する。より詳細には、Ａ／Ｄ変換部１７０は、スイープ期間Ｔごとに、所定のサンプリング周波数でサンプリングを行うことによりＮ個のＩ信号ＳｉおよびＮ個のＱ信号Ｓｑの組からなるＮ個のビート信号ＳＤを生成して信号処理部１００へ出力する。Ｎは、２以上の整数である。

信号処理部１００は、各スイープ期間ＴにおいてＡ／Ｄ変換部１７０から受けたＮ個のビート信号ＳＤを処理することにより、スイープ期間Ｔごとの分割対象エリアにおける物標の検知結果を示すエコーデータを生成する。信号処理部１００は、生成したエコーデータを表示処理部２０２へ出力する。

なお、レーダ装置３００は、送信アンテナ１３０および受信アンテナ１４０の代わりに、電波を送受信するアンテナとして、送信アンテナ１３０および受信アンテナ１４０と同様に機能する１つのアンテナを備える構成であってもよい。この場合、たとえば、送信部１２０は、サーキュレータ経由で送信信号を送信アンテナ１３０へ送信する。また、たとえば、受信部１５０は、サーキュレータ経由で受信信号を受信アンテナ１４０から受信する。

［表示処理部］
表示処理部２０２は、信号処理部１００から受けた分割対象エリアごとのエコーデータに基づいて、検知対象エリアにおけるエコーデータである統合データを生成する。そして、表示処理部２０２は、たとえば、生成した統合データに対して、物標による反射がエコー画像上に表れるようにゲインの調整を行い、ゲイン調整後の統合データに基づいて、検知対象エリアにおけるエコー画像を図示しない表示装置に表示する処理を行う。

［信号処理部の詳細］
図３は、本発明の実施の形態に係るレーダ装置における信号処理部の構成を示す図である。

図３を参照して、信号処理部１００は、干渉除去部２０と、窓関数処理部３０と、ＦＦＴ処理部４０と、絶対値／対数変換部５０と、算出部６０と、記憶部７０とを備える。

干渉除去部２０は、スイープ期間Ｔごとに、Ａ／Ｄ変換部１７０からＮ個のビート信号ＳＤを受けて、受けたビート信号ＳＤの成分から干渉波に基づく成分である干渉成分を除去するＦＦＴ前処理を行う。干渉除去部２０は、ＦＦＴ前処理により干渉成分が除去されたビート信号ＳＤを窓関数処理部３０へ出力する。

窓関数処理部３０は、スイープ期間Ｔごとに、干渉除去部２０から受けた、ＦＦＴ処理後のＮ個のビート信号ＳＤに所定の窓関数を掛け合わせる窓関数処理を行う。窓関数処理部３０は、窓関数処理後のビート信号ＳＤをＦＦＴ処理部４０へ出力する。

ＦＦＴ処理部４０は、スイープ期間Ｔごとに、窓関数処理部３０から受けたＮ個のビート信号ＳＤに対してＦＦＴ処理を行うことによりパワースペクトルＰを生成し、生成したパワースペクトルＰを絶対値／対数変換部５０へ出力する。たとえば、ＦＦＴ処理部４０により生成されるパワースペクトルＰにおける周波数は、レーダ装置３００と物標との間の距離に対応する。

絶対値／対数変換部５０は、ＦＦＴ処理部４０から受けたパワースペクトルＰの絶対値を示すパワースペクトルＰＡを対数変換することによりエコーデータを生成し、生成したエコーデータを表示処理部２０２へ出力する。

記憶部７０は、船舶１０の各部位の長さまたは高さを示す寸法情報を保持する。寸法情報は、たとえば、図１に示す水面に垂直面であり、かつレーダ装置３００からの送信信号の放射方向に沿った面における上甲板１３の端部１３ａと、レーダ装置３００におけるアンテナとの間の水平方向における長さＬ１を示す。また、寸法情報は、たとえば、上甲板１３からの当該アンテナの高さＨ１を示す。また、寸法情報は、たとえば、船舶１０の底面からの上甲板１３の高さＨ３を示す。

算出部６０は、表示処理部２０２により表示されるエコー画像、および記憶部７０に保存されている寸法情報に基づいて、船舶１０の喫水、および船舶１０の周辺に存在する物標の高さなどを算出する。以下、算出部６０の構成の詳細について説明する。

［算出部の詳細］
図４は、本発明の実施の形態に係る信号処理部における算出部の構成を示す図である。

図４を参照して、算出部６０は、遮蔽長算出部６１と、垂直高算出部６２と、喫水算出部６３と、アンテナ高算出部６４と、物標高算出部６５とを含む。

（喫水の算出）
図１および図４を参照して、遮蔽長算出部６１は、レーダ装置３００におけるアンテナにより受信した受信信号に基づいて、送信信号が基準面の上方の遮蔽物により遮蔽される領域の水平方向における長さである遮蔽長Ｌ２を算出する。ここでは、基準面は、水面であるとする。また、遮蔽物は、船舶１０の構造物、具体的には船舶１０の上甲板１３であるとする。

すなわち、図１に示すように、レーダ装置３００における送信部１２０から送信アンテナ１３０を介して出力される送信信号の一部が船舶１０の上甲板１３に遮られる場合、検知対象エリアにおける水面の一部に送信信号が到達しないエリアが存在することになる。このように、遮蔽物によって送信信号が到達しないエリアを、影エリアＡ１と称する。

遮蔽長算出部６１は、たとえば、表示処理部２０２により表示される検知対象エリアのエコー画像に基づいて、上甲板１３により遮蔽された影エリアＡ１の水平方向における長さである遮蔽長Ｌ２を算出する。

図５は、本発明の実施の形態に係る表示処理部により表示されるエコー画像の一例を示す図である。

図５を参照して、表示処理部２０２により表示されるエコー画像では、たとえば、船舶１０を中心とする検知対象エリアに存在する物標から送信された反射信号の強度に応じた色調が表示されている。たとえば、エコー画像において、反射信号の送信元である物標の存在する箇所が、当該反射信号の強度に応じた色で表示される。

たとえば、エコー画像において、複数の小さな領域が点在しているエリアＲ１は、物標の一例である水面において海面反射が生じているエリアである。また、たとえば、エコー画像において、船舶１０の周辺の反射信号の強度が高いエリアＲ２は、船舶１０の上甲板１３が存在しているエリアである。また、たとえば、エコー画像において、送信信号の反射が生じていないエリアＲ３は、送信信号が到達していない影エリア、具体的には上甲板１３により遮蔽された影エリアＡ１である。

遮蔽長算出部６１は、エコー画像に対して、たとえば明るさ判定を行うことによりエリアＲ３を特定し、特定したエリアＲ３の水平方向における長さを算出する。そして、遮蔽長算出部６１は、算出した長さを遮蔽長Ｌ２として垂直高算出部６２に通知する。

なお、遮蔽長算出部６１は、エコー画像から影エリアＡ１を判定するための学習モデルを用いて、遮蔽長Ｌ２の長さを算出してもよい。遮蔽長算出部６１は、たとえば、表示処理部２０２により表示されるエコー画像を示す画像情報を当該学習モデルに入力し、当該学習モデルから出力される影エリアＡ１の判定結果に基づいて、当該影エリアＡ１の遮蔽長Ｌ２を算出することができる。

再び図１および図４を参照して、垂直高算出部６２は、遮蔽長算出部６１により算出された遮蔽長Ｌ２と、遮蔽物とアンテナとの位置関係とに基づいて、基準面からの当該遮蔽物の高さＨ２を算出する。

より詳細には、遮蔽物である上甲板１３とアンテナとの位置関係は既知であり、当該位置関係を示す情報が寸法情報として記憶部７０に保存されている。すなわち、垂直高算出部６２は、記憶部７０に保存されている寸法情報の示す長さＬ１および高さＨ１を上記位置関係として用いて、以下の式（１）に従って、基準面からの遮蔽物の高さＨ２、すなわち水面からの上甲板１３の高さである乾舷Ｈ２を算出する。そして、垂直高算出部６２は、たとえば、算出した高さＨ２を、喫水算出部６３およびアンテナ高算出部６４に通知する。
Ｈ２＝Ｌ２／Ｌ１×Ｈ１ ・・・ （１）

喫水算出部６３は、垂直高算出部６２により算出された、水面からの上甲板１３の高さＨ２と、記憶部７０に保存されている寸法情報の示す高さＨ３との差に基づいて、以下の式（２）に従って、船舶１０の喫水Ｈ５を算出する。そして、喫水算出部６３は、算出した喫水Ｈ５を、たとえば記憶部７０に保存する。
Ｈ５＝Ｈ３－Ｈ２ ・・・ （２）

なお、垂直高算出部６２は、上甲板１３の端部１３ａとアンテナとの間の水平方向における長さＬ１、および上甲板１３からのアンテナの高さＨ１の代わりに、遮蔽物とアンテナとの位置関係を示す他の長さまたは高さを用いて、基準面からの遮蔽物の高さＨ２を算出してもよい。

（物標の高さの算出）
図６は、本発明の実施の形態に係る船舶の周辺に存在する物標の高さを算出する方法について説明するための図である。

図６を参照して、たとえば、船舶１０の周辺の海上に物標Ｏｂが存在しているとする。この場合、レーダ装置３００における算出部６０は、水面からの当該物標Ｏｂの高さＨ６を算出する。物標Ｏｂは、陸地などの固定物であってもよいし、海上の浮遊物であってもよいし、波であってもよい。

より詳細には、図４および図６を参照して、算出部６０における遮蔽長算出部６１は、たとえば、エコー画像に基づいて、物標Ｏｂにより遮蔽された影エリアＡ２の水平方向における長さである遮蔽長Ｌ４を算出する。遮蔽長算出部６１は、たとえば、上述した、遮蔽長Ｌ２の算出方法と同様の方法を用いて、遮蔽長Ｌ４の算出を行う。そして、遮蔽長算出部６１は、算出した遮蔽長Ｌ４を物標高算出部６５に通知する。

また、遮蔽長算出部６１は、たとえば、エコー画像に基づいて、レーダ装置３００におけるアンテナと物標Ｏｂとの間の水平方向における距離Ｌ３を算出する。より詳細には、遮蔽長算出部６１は、たとえば、エコー画像に表示される領域のうち、影エリアＡ２に対応するエリアを特定する。そして、遮蔽長算出部６１は、エコー画像に基づいて、船舶１０と、特定したエリアとの間の水平方向における距離を距離Ｌ３として算出し、算出した距離Ｌ３を物標高算出部６５に通知する。

垂直高算出部６２は、上述のように、上甲板１３の水面からの高さＨ２を算出し、たとえば、算出した高さＨ２を、喫水算出部６３およびアンテナ高算出部６４に通知する。

アンテナ高算出部６４は、垂直高算出部６２により算出された、水面からの上甲板１３の高さＨ２と、記憶部７０に保存されている寸法情報の示す、上甲板１３からのアンテナの高さＨ１とに基づいて、水面からの当該アンテナの高さＨ４を算出する。

すなわち、アンテナ高算出部６４は、以下の式（３）に従って、水面からのアンテナの高さＨ４を算出する。そして、アンテナ高算出部６４は、算出した高さＨ４を物標高算出部６５に通知する。
Ｈ４＝Ｈ１＋Ｈ２ ・・・ （３）

物標高算出部６５は、遮蔽長算出部６１により算出された遮蔽長Ｌ４および距離Ｌ３と、ならびにアンテナ高算出部６４により算出された高さＨ４とに基づいて、水面からの物標Ｏｂの高さＨ６を算出する。

すなわち、物標高算出部６５は、以下の式（４）に従って、水面からの物標Ｏｂの高さＨ６を算出する。そして、物標高算出部６５は、算出した高さＨ６を、たとえば記憶部７０に保存する。
Ｈ６＝Ｌ４／（Ｌ３＋Ｌ４）×Ｈ４ ・・・ （４）

なお、レーダ装置３００は、船舶１０に搭載されるものに限定されず、たとえば、陸地に設けられた支持台等に取り付けられてもよい。この場合、たとえば、当該陸地と水面との境界である岸壁が遮蔽物となって、送信信号の水面への到達を遮る。そして、レーダ装置３００は、水面からの当該岸壁の高さを算出することができる。

また、基準面は、水面に限らず、たとえば陸地であってもよい。

また、レーダ信号処理装置は、レーダ装置３００と別体で設けられてもよい。具体的には、図３に示す信号処理部１００における算出部６０が、レーダ信号処理装置としてレーダ装置３００と別体で設けられてもよい。この場合、レーダ装置３００における信号処理部１００は、算出部６０を備えない。

また、レーダ装置３００は、ＦＭ－ＣＷ方式を採用するものに限定されず、たとえば、パルス方式を採用するものであってもよい。しかしながら、パルス方式を採用する場合、パルスレーダの分解能はパルス幅により決まり、当該パルス幅は短くするのに限界があるため、高分解能化に限界がある。一方、ＦＭ－ＣＷ方式を採用する場合、分解能は周波数帯域幅により決まるため、高分解能化が容易である。このため、パルス方式よりも、ＦＭ－ＣＷ方式を採用することが好ましい。

また、算出部６０は、喫水Ｈ５および船舶１０の周辺に存在する物標の高さＨ６の両方を算出する構成に限らない。たとえば、算出部６０は、喫水算出部６３を含まない構成であってもよい。また、算出部６０は、アンテナ高算出部６４および物標高算出部６５を含まない構成であってもよい。

［変形例１］
算出部６０における遮蔽長算出部６１は、エコー画像を用いた方法以外の方法を用いて遮蔽長Ｌ２，Ｌ４を算出する構成であってもよい。たとえば、遮蔽長算出部６１は、図３に示すＦＦＴ処理部４０により生成されるパワースペクトルＰに基づいて、遮蔽長Ｌ２，Ｌ４を算出してもよい。

図７は、本発明の実施の形態に係る信号処理部におけるＦＦＴ処理部により生成されるパワースペクトルの一例を示す図である。図７において、横軸は周波数であり、縦軸は振幅［ｄＢ］である。

図７を参照して、たとえば、船舶１０の周辺に影エリアＡが存在する場合、当該影エリアＡにおいては送信信号の反射が生じないため、パワースペクトルＰのうち、当該影エリアＡに対応する周波数の強度が低くなる。

このため、遮蔽長算出部６１は、たとえば、パワースペクトルＰのうち、周波数の所定の幅以上にわたって継続して、強度が閾値Ｔｈよりも低い部分が存在している場合、当該部分が影エリアＡに対応していると判定する。遮蔽長算出部６１は、影エリアＡに対応する部分の周波数の最小値ｆａおよび最大値ｆｂを特定し、特定した最小値ｆａおよび最大値ｆｂに基づいて、影エリアＡの水平方向における長さ、すなわち遮蔽長Ｌ２または遮蔽長Ｌ４を算出する。

なお、図７に示すグラフにおいて、矢印Ｘ１で示す、強度が急に減少する部分は、たとえば遮蔽物と影エリアＡとの境界に対応する。また、図７に示すグラフにおいて、矢印Ｘ２で示す、強度が急に上昇する部分は、たとえば影エリアＡと海面反射が生じているエリアとの境界に対応する。

［変形例２］
遮蔽長算出部６１は、ＦＦＴ処理部４０により生成された１つのパワースペクトルＰに基づいて遮蔽長Ｌ２，Ｌ４を算出する代わりに、ＦＦＴ処理部４０により生成された複数のパワースペクトルＰに基づいて遮蔽長Ｌ２，Ｌ４を算出してもよい。

より詳細には、送信アンテナ１３０および受信アンテナ１４０は、上述のとおり、送信アンテナ１３０による電波の放射方向の方位角が所定のスイープ期間Ｔごとに所定角度ずつ変化するように回転する。そして、信号処理部１００におけるＦＦＴ処理部４０は、たとえばスイープ期間ＴごとにパワースペクトルＰを生成する。

遮蔽長算出部６１は、たとえば、ＦＦＴ処理部４０により連続して生成される所定数Ｋ１（Ｋ１は、２以上の自然数）のパワースペクトルＰに基づいて遮蔽長Ｌ２，Ｌ４を算出する。具体的には、遮蔽長算出部６１は、たとえば、パワースペクトルＰごとに遮蔽長Ｌ２の算出を行い、算出したＫ１個の遮蔽長Ｌ２のうちの最小値を、遮蔽長Ｌ２とする。

このように、遮蔽長算出部６１が複数のパワースペクトルＰを用いて遮蔽長Ｌ２，Ｌ４を算出することにより、１つのパワースペクトルＰを用いる場合と比較して、遮蔽長Ｌ２，Ｌ４をより正確に算出することができる。

［変形例３］
送信アンテナ１３０および受信アンテナ１４０は、所定角度ずつ回転しながら、スキャン期間Ｔ２ごとに３６０度回転する。

遮蔽長算出部６１は、たとえば、ＦＦＴ処理部４０により生成される複数のパワースペクトルＰであって、送信アンテナ１３０による電波の放射方向の方位角が同一となるタイミングごと、すなわちスキャン期間Ｔ２ごとの所定数Ｋ２（Ｋ２は、２以上の自然数）のパワースペクトルＰに基づいて遮蔽長Ｌ２，Ｌ４を算出してもよい。具体的には、遮蔽長算出部６１は、たとえば、パワースペクトルＰごとに遮蔽長Ｌ２の算出を行い、算出したＫ２個の遮蔽長Ｌ２のうちの最小値を、遮蔽長Ｌ２とする。

なお、遮蔽長算出部６１は、Ｋ１個またはＫ２個の遮蔽長Ｌ２のうちの最小値に限らず、たとえば、Ｋ１個またはＫ２個の遮蔽長Ｌ２の平均値を遮蔽長Ｌ２としてもよい。

＜動作の流れ＞
本発明の実施の形態に係るレーダ装置は、メモリを含むコンピュータを備え、当該コンピュータにおけるＣＰＵ等の演算処理部は、以下のフローチャートおよびシーケンスの各ステップの一部または全部を含むプログラムを当該メモリから読み出して実行する。このプログラムは、外部からインストールすることができる。このプログラムは、記録媒体に格納された状態でまたは通信回線を介して流通する。

［遮蔽物の高さの算出（例１）］
図８は、本発明の実施の形態に係るレーダ装置が、基準面からの遮蔽物の高さを算出する際の動作手順の一例を定めたフローチャートである。ここでは、レーダ装置３００における遮蔽長算出部６１が、エコー画像に基づいて、基準面からの遮蔽物の高さＨ２を算出する場合について説明する。

図８を参照して、まず、送信部１２０は、送信アンテナ１３０を介して送信信号を分割対象エリアへ送信する（ステップＳ１１）。

次に、受信部１５０は、送信部１２０から送信された送信信号が分割対象エリアにおける物標によって反射された反射信号を受信信号として受信する（ステップＳ１２）。

次に、ミキサ部１６０は、送信部１２０から送信される送信信号と、受信部１５０により受信された受信信号とのビート信号を生成する。Ａ／Ｄ変換部１７０は、ミキサ部１６０により生成されたビート信号をデジタル信号であるビート信号に変換する。信号処理部１００は、Ａ／Ｄ変換部１７０により変換されたデジタル信号であるビート信号に対してＦＦＴ処理を行うことによりパワースペクトルＰを生成し、生成したパワースペクトルＰに対する信号処理を行い、エコーデータを生成する（ステップＳ１３）。

次に、表示処理部２０２は、たとえば、信号処理部１００により生成された分割対象エリアごとのエコーデータに基づいて統合データを生成し、生成した統合データに対して、物標による反射がエコー画像上に表れるようにゲインの調整を行う（ステップＳ１４）。

次に、表示処理部２０２は、ゲイン調整後の統合データに基づいて、検知対象エリアにおけるエコー画像を表示装置に表示する処理を行う（ステップＳ１５）。

次に、信号処理部１００における算出部６０の遮蔽長算出部６１は、レーダ装置３００により受信された受信信号に基づいて、送信信号が基準面の上方の遮蔽物により遮蔽される影エリアＡ１の水平方向における長さ、すなわち遮蔽長Ｌ２を算出する。

たとえば、遮蔽長算出部６１は、表示処理部２０２により表示されるエコー画像に対して明るさ判定を行うことにより、検知対象エリアにおける影エリアＡ１を特定し、特定した影エリアＡ１の水平方向における長さを遮蔽長Ｌ２として算出する（ステップＳ１６）。

次に、算出部６０における垂直高算出部６２は、遮蔽長算出部６１により算出された遮蔽長Ｌ２と、遮蔽物とアンテナとの位置関係とに基づいて、基準面からの当該遮蔽物の高さＨ２を算出する。具体的には、垂直高算出部６２は、記憶部７０に保存されている寸法情報の示す、上甲板１３の端部１３ａとレーダ装置３００におけるアンテナとの間の水平方向における長さＬ１、および上甲板１３からの当該アンテナの高さＨ１を、上記位置関係として用いて、水面からの上甲板１３の高さ、すなわち乾舷Ｈ２を算出する（ステップＳ１７）。

次に、算出部６０における喫水算出部６３は、垂直高算出部６２により算出された喫水Ｈ２と、記憶部７０に保存されている寸法情報の示す、船舶１０の底面からの上甲板１３の高さＨ３との差に基づいて、船舶１０の喫水Ｈ５を算出する。そして、喫水算出部６３は、算出した喫水Ｈ５を、たとえば記憶部７０に保存する（ステップＳ１８）。

［遮蔽物の高さの算出（例２）］
図９は、本発明の実施の形態に係るレーダ装置が、遮蔽物の基準面からの高さを算出する際の動作手順の他の一例を定めたフローチャートである。ここでは、レーダ装置３００における遮蔽長算出部６１が、上述した変形例２において説明したように、複数のパワースペクトルＰに基づいて、基準面からの遮蔽物の高さＨ２を算出する場合について説明する。

図９を参照して、まず、ステップＳ２１からステップＳ２３までの動作は、図８に示すステップＳ１１からステップＳ１３までの動作と同様であるため、ここでは詳細な説明は繰り返さない。

次に、算出部６０の遮蔽長算出部６１は、信号処理部１００により生成されるパワースペクトルＰに基づいて、送信信号が基準面の上方の遮蔽物により遮蔽される影エリアＡ１の水平方向における長さ、すなわち遮蔽長Ｌ２を算出する。

たとえば、遮蔽長算出部６１は、パワースペクトルＰのうち、周波数の所定の幅以上にわたって継続して、強度が閾値Ｔｈよりも低い部分が存在している場合、当該部分が影エリアＡ１に対応していると判定する閾値判定を行う。そして、遮蔽長算出部６１は、影エリアＡ１に対応する部分の周波数の最小値ｆａおよび最大値ｆｂを特定し、特定した最小値ｆａおよび最大値ｆｂに基づいて、遮蔽長Ｌ２を算出する（ステップＳ２４）。

次に、遮蔽長算出部６１は、たとえば、所定数であるＫ１個の遮蔽長Ｌ２を算出したか否かを確認し（ステップＳ２５）、Ｋ１個の遮蔽長Ｌ２を算出していない場合（ステップＳ２５において「ＮＯ」）、遮蔽長Ｌ２の特定を行わない。

次に、送信アンテナ１３０による送信信号の放射方向の方位角が変更されて（ステップＳ２６）、ステップＳ２１以降の動作が再び行われる。

一方、遮蔽長算出部６１は、Ｋ１個の遮蔽長Ｌ２の算出が完了した場合（ステップＳ２５において「ＹＥＳ」）、たとえば、算出したＫ１個の遮蔽長Ｌ２のうちの最小値を、遮蔽長Ｌ２と特定する（ステップＳ２７）。

次に、算出部６０における垂直高算出部６２は、遮蔽長算出部６１により特定された遮蔽長Ｌ２と、遮蔽物とアンテナとの位置関係とに基づいて、図８に示すステップＳ１７と同様に、基準面からの当該遮蔽物の高さである乾舷Ｈ２を算出する（ステップＳ２８）。

次に、算出部６０における喫水算出部６３は、図８に示すステップＳ１８と同様に、垂直高算出部６２により算出された喫水Ｈ２と、記憶部７０に保存されている寸法情報の示す、船舶１０の底面からの上甲板１３の高さＨ３との差に基づいて、船舶１０の喫水Ｈ５を算出する。そして、喫水算出部６３は、算出した喫水Ｈ５を、たとえば記憶部７０に保存する（ステップＳ２９）。

ところで、特許文献１に記載の技術では、筒状体がアンテナ部を囲むように配置されていることにより、波の衝撃を受けてアンテナ部が故障したり、破損したりすることを防ぐことができる。

しかしながら、特許文献１に記載の水面距離測定機におけるアンテナ部は、波の衝撃を受ける可能性のある位置において、水面に対向するように設けられているため、波の衝撃による故障または破損等が生じる可能性が依然として残っている。

また、水平方向および垂直方向の両方にビームを振ることのできる３次元レーダを水面から離れた箇所に設置して、当該３次元レーダを用いて、物標等の高さ情報を得る方法が考えられる。しかしながら、このような方法では、レーダ装置の構造が複雑になるため、コストが高くなるという問題がある。

また、水面の上方に設置されたレーダ装置から、水面に対して斜めの方向にビームを放射して、たとえば海底の突起物の後方に生じる音波の影の長さに基づいて、当該突起物の高さを算出する方法が考えられる。しかしながら、このような方法では、水深を測定することができないため、高さ情報を得ることのできる魚群探知機等の他の機器から、海底からのレーダ装置の高さ情報を得る必要がある。また、音波を使用しているため、空気中における減衰が大きいという問題がある。

これに対して、本発明の実施の形態に係る信号処理部１００では、遮蔽長算出部６１は、アンテナにより受信した受信信号に基づいて、当該アンテナから送信される送信信号が基準面の上方の遮蔽物により遮蔽される領域の水平方向における長さである遮蔽長Ｌ２を算出する。垂直高算出部６２は、遮蔽長算出部６１により算出される遮蔽長Ｌ２と、遮蔽物と当該アンテナとの位置関係とに基づいて、基準面からの遮蔽物の高さＨ２を算出する。

このように、遮蔽物により遮蔽される領域の水平方向における長さを用いて、高さ情報を得る構成により、レーダ装置３００におけるアンテナを、水面等の基準面から離れた箇所に設置することができる。また、３次元レーダを用いる必要がないため、コストの上昇を抑えることができる。したがって、波の衝撃を避けながら、低コストで、物標等の高さを算出することができる。

また、本発明の実施の形態に係る信号処理部１００では、垂直高算出部６２は、上記位置関係として、遮蔽物からのアンテナの高さＨ１、および水平方向におけるアンテナから当該遮蔽物の端部までの長さＬ１を用いて、基準面からの当該遮蔽物の高さＨ２を算出する。

このように、遮蔽物からのアンテナの高さＨ１、および水平方向におけるアンテナから当該遮蔽物の端部までの長さＬ１を用いることにより、基準面からの遮蔽物の高さＨ２を容易に算出することができる。

また、本発明の実施の形態に係る信号処理部１００において、上記基準面は、水面である。

このような構成により、水面の上方に、送信信号の到達を遮る遮蔽物が存在している場合において、水面からの当該遮蔽物の高さＨ２を算出することができる。

また、本発明の実施の形態に係る信号処理部１００では、アンテナ高算出部６４は、垂直高算出部６２により算出された水面からの遮蔽物の高さＨ２と、当該遮蔽物からのアンテナの高さＨ１との和に基づいて、水面からの当該アンテナの高さであるアンテナ高Ｈ４を算出する。

このように、水面からの遮蔽物の高さＨ２と、当該遮蔽物からのアンテナの高さＨ１との和に着目して、水面からの当該アンテナの高さであるアンテナ高Ｈ４を容易に算出することができる。

また、本発明の実施の形態に係る信号処理部１００では、物標高算出部６５は、アンテナ高算出部６４により算出されるアンテナ高Ｈ４と、アンテナに対して遮蔽物よりも遠方にある物標と当該アンテナとの距離Ｌ３と、送信信号が物標により遮蔽される領域の水平方向における長さＬ４とに基づいて、水面からの当該物標の高さＨ６を算出する。

このような構成により、レーダ装置３００におけるアンテナから遠方に設けられた、陸地等の固定物、海上の浮遊物、または波などの物標の水面からの高さＨ６を容易に算出することができる。

また、本発明の実施の形態に係る信号処理部１００では、アンテナは、船舶１０に搭載される。遮蔽物は、船舶１０の構造物である。垂直高算出部６２は、水面からの当該構造物の高さＨ２を算出する。

このような構成により、遮蔽物とレーダ装置３００におけるアンテナとの位置関係が固定となるため、垂直高算出部６２は、遮蔽物とアンテナとの位置関係として既知の値を用いることができる。すなわち、垂直高算出部６２は、他の機器により計測された高さまたは距離を示す情報を用いることなく、レーダ装置３００により受信された受信信号および既知の値に基づいて、水面からの構造物の高さＨ２を算出することができる。

また、本発明の実施の形態に係る信号処理部１００では、喫水算出部６３は、垂直高算出部６２により算出された水面からの上記構造物の高さＨ２と、船舶１０の底面からの上記構造物の高さＨ３との差に基づいて、船舶１０の喫水Ｈ５を算出する。

このような構成により、船舶１０の構造物の水面からの高さＨ２と、船舶１０の底面からの上記構造物の高さＨ３との差に着目して、船舶１０の喫水Ｈ５を容易に算出することができる。

また、本発明の実施の形態に係るレーダ装置３００は、信号処理部１００と、送信信号の放射方向が基準面に対して斜めであり、当該基準面に垂直かつ当該放射方向に沿う面において所定のビーム幅を持つ送信信号を送信する送信部と、送信信号の反射波である受信信号を受信する受信部とを備える。

このような構成により、たとえば、船舶１０を中心とした検知対象エリアにおける物標の有無、および船舶１０と物標との間の距離を計測するための航海用のレーダ装置を用いて、基準面からの物標等の高さを算出することができる。

また、本発明の実施の形態に係るレーダ信号処理方法は、信号処理部１００におけるレーダ信号処理方法である。このレーダ信号処理方法では、まず、遮蔽長算出部６１が、アンテナにより受信した受信信号に基づいて、当該アンテナから送信される送信信号が基準面の上方の遮蔽物により遮蔽される領域の水平方向における長さである遮蔽長Ｌ２を算出する。次に、垂直高算出部６２が、遮蔽長算出部６１により算出された遮蔽長Ｌ２と、遮蔽物と当該アンテナとの位置関係とに基づいて、基準面からの遮蔽物の高さＨ２を算出する。

このように、遮蔽物により遮蔽される領域の水平方向における長さを用いて、高さ情報を得る方法により、レーダ装置３００におけるアンテナを、水面等の基準面から離れた箇所に設置することができる。また、３次元レーダを用いる必要がないため、コストの上昇を抑えることができる。したがって、波の衝撃を避けながら、低コストで、物標等の高さを算出することができる。

上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 船舶
１１ 操舵室
１２ 支持部
１３ 上甲板
１３ａ 端部
１４ａ 岸壁の端部
２０ 干渉除去部
２１ 支持台
３０ 窓関数処理部
４０ ＦＦＴ処理部
５０ 絶対値／対数変換部
６０ 算出部
６１ 遮蔽長算出部
６２ 垂直高算出部
６３ 喫水算出部
６４ アンテナ高算出部
６５ 物標高算出部
７０ 記憶部
１００ 信号処理部
１１０ 信号発生部
１２０ 送信部
１３０ 送信アンテナ
１４０ 受信アンテナ
１５０ 受信部
１６０ ミキサ部
１７０ Ａ／Ｄ変換部
２０１ レーダ部
２０２ 表示処理部
３００ レーダ装置

Claims (11)

1. 電波を送受信するアンテナにより受信した受信信号に基づいて、前記アンテナから送信される送信信号が基準面の上方の遮蔽物により遮蔽される領域の水平方向における長さである遮蔽長を算出する遮蔽長算出部と、
   前記遮蔽長と、前記遮蔽物と前記アンテナとの位置関係とに基づいて、前記基準面からの前記遮蔽物の高さを算出する垂直高算出部とを備える、レーダ信号処理装置。
2. 前記垂直高算出部は、前記位置関係として、前記遮蔽物からの前記アンテナの高さ、および水平方向における前記アンテナから前記遮蔽物の端部までの長さを用いて、前記基準面からの前記遮蔽物の高さを算出する、請求項１に記載のレーダ信号処理装置。
3. 前記基準面は、水面である、請求項１または請求項２に記載のレーダ信号処理装置。
4. 前記レーダ信号処理装置は、さらに、
   前記水面からの前記遮蔽物の高さと、前記遮蔽物からの前記アンテナの高さとの和に基づいて、前記水面からの前記アンテナの高さであるアンテナ高を算出するアンテナ高算出部を有する、請求項３に記載のレーダ信号処理装置。
5. 前記レーダ信号処理装置は、さらに、
   前記アンテナ高と、前記アンテナに対して前記遮蔽物よりも遠方にある物標と前記アンテナとの距離と、前記送信信号が前記物標により遮蔽される領域の水平方向における長さとに基づいて、前記水面からの前記物標の高さを算出する物標高算出部を有する、請求項４に記載のレーダ信号処理装置。
6. 前記アンテナは、船舶に搭載され、
   前記遮蔽物は、前記船舶の構造物であり、
   前記垂直高算出部は、前記水面からの前記構造物の高さを算出する、請求項３に記載のレーダ信号処理装置。
7. 前記レーダ信号処理装置は、さらに、
   前記水面からの前記構造物の高さと、前記船舶の底面からの前記構造物の高さとの差に基づいて、前記船舶の喫水を算出する喫水算出部を備える、請求項６に記載のレーダ信号処理装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のレーダ信号処理装置と、
   前記送信信号の放射方向が前記基準面に対して斜めに前記送信信号を送信する送信部と、
   前記送信信号の反射波である前記受信信号を受信する受信部とを備える、レーダ装置。
9. 前記送信部は、さらに、
   前記基準面に垂直かつ前記放射方向に沿う面において所定のビーム幅を持つ前記送信信号を送信する、請求項８に記載のレーダ装置。
10. レーダ信号処理装置におけるレーダ信号処理方法であって、
    電波を送受信するアンテナにより受信した受信信号に基づいて、前記アンテナから送信される送信信号が基準面の上方の遮蔽物により遮蔽される領域の水平方向における長さである遮蔽長を算出し、
    前記遮蔽長と、前記遮蔽物と前記アンテナとの位置関係とに基づいて、前記基準面からの前記遮蔽物の高さを算出する、レーダ信号処理方法。
11. レーダ信号処理装置において用いられるレーダ信号処理プログラムであって、
    電波を送受信するアンテナにより受信した受信信号に基づいて、前記アンテナから送信される送信信号が基準面の上方の遮蔽物により遮蔽される領域の水平方向における長さである遮蔽長を算出する処理と、
    前記遮蔽長と、前記遮蔽物と前記アンテナとの位置関係とに基づいて、前記基準面からの前記遮蔽物の高さを算出する処理とをコンピュータに実行させる、レーダ信号処理プログラム。