JP5439948B2 - 誘導装置及び目標判定装置 - Google Patents

Description

本発明は飛しょう体に搭載され、飛しょう体を目標に誘導する誘導装置に関するものであり、特に目標検出にレーザ光を利用した誘導装置に関するものである。

飛しょう体に搭載する誘導装置としては、例えば誘導装置内あるいは外部装置のレーザ照射装置から目標にレーザ光を照射し、目標からの反射光の強度を誘導装置内のレーザ検知器により検出することで目標の方向を求める技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−１９５９００号公報（第１図）

飛しょう体を目標へ誘導する誘導装置においては、複雑背景下に存在する目標に対処するために目標と目標以外の背景を高精度で分離し、飛しょう体を目標に対して精密に誘導することが望まれる。しかしながら、目標からの反射レーザ光の強度よりも目標周辺の背景からの反射レーザ光の強度の方が大きい場合には背景からの反射レーザ光を検出し、目標と背景を分離できずに誤って背景に向けて飛しょう体を誘導する可能性があった。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、レーザ光を利用し目標の３次元画像と強度画像を生成してデータベースの格納データと比較することで、目標と背景を高精度で分離可能な誘導装置を得ることを目的とする。

この発明に係る誘導装置は、レーザ光を出射するレーザ発振部と、前記レーザ光を透過する光学系と、前記光学系を駆動して前記レーザ光を走査する光学系駆動部と、反射されてきた前記レーザ光を受光して受信信号を出力する受信部と、前記受信信号に基き、斜め方向に視える目標を検出し、当該目標に向けて誘導する誘導信号を出力する信号処理部と、を備え、前記信号処理部は、前記受信信号に基き、前記目標の斜視画像である３次元画像を生成する３次元画像生成部と、前記受信信号に基き、前記目標の斜視画像である強度画像を生成する強度画像生成部と、所定の角度からみた目標の３次元画像と強度画像を予め記憶したデータベースと、前記目標の斜視画像である前記３次元画像と、前記目標の斜視画像である前記強度画像を前記所定の角度からみた画像に変換する視点変換処理部と、前記変換後の３次元画像と強度画像と、前記データベースに記憶された３次元画像と強度画像とを比較照合して、前記目標を検出する画像認識処理部と、検出後の前記目標に基き誘導信号を出力する追尾処理部と、を備える。

この発明によれば、目標を精度良く抽出して飛しょう体を目標に向けて誘導することができる。

実施の形態１の誘導装置の構成を説明する図である。 実施の形態１の誘導装置が強度画像と３次元画像を生成するシステムを説明する図である。 実施の形態１の誘導装置の動作を説明する図である。 実施の形態１の記憶部に記憶されたデータの一例を示す図である。 実施の形態１の信号処理部の構成を示すブロック図である。 実施の形態１の認識処理部の処理を説明する図である。 実施の形態２の信号処理部の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１の誘導装置を図を参照して説明する。
図１は、飛しょう体１に搭載され飛しょう体１を目標２に誘導する誘導装置１０の構成を説明する図である。
図１において、誘導装置１０は送信系光学系１０１と受信系光学系１０２とレーザ発信部１０３と受信部１０４と信号処理部１０５と光学系駆動部１０６と誘導装置１０の全体の動作を制御する制御部１０７とからなる。図中、２は飛しょう体が対処する目標、３は誘導装置からレーザ光が照射される走査範囲、４は目標周辺に存在する背景である。

送信系光学系１０１はレーザ発信部１０３からのレーザ光を集光して目標方向にレーザ光を照射する。
受信系光学系１０２は所定のエリアから反射されたレーザ光を受光して受信部１０４に出力する。
光学系駆動部１０６は例えばジンバルなどの回転台である。送信系光学系１０１と受信系光学系１０２は、制御部１０７から制御信号を入力した光学系駆動部１０６により回転制御され、所望のエリアに対しレーザ光を照射し走査可能である。光学系駆動部１０６の座標系（ｘ'、ｙ'、ｚ'）は飛しょう体１の機軸（ｚ軸）を基準に設定されており、回転制御は各座標軸（ｘ'、ｙ'、ｚ'）における回転角（φ'、θ'、ψ'）で制御される。
信号処理部１０５は、受信部１０４からの受信信号を処理して目標２を認識する。信号処理部１０５の構成、動作については後述する。
制御部１０７は、レーザ発信部１０３と受信部１０４と信号処理部１０５と接続され、信号処理部１０５の処理により、目標の３次元画像と強度画像の生成及び、３次元画像と強度画像の視点変換処理、目標の認識処理、追尾処理を行い、誘導信号の出力制御を行う。

飛しょう体１はＧＰＳ受信器や３軸ジャイロ等からなる測位部１０８を備え、自己位置や自己の姿勢方位の情報を取得する。
なお、飛しょう体１には測位部１０８や誘導装置１０以外の機器も多数搭載されているが、ここではその記載及び説明を省略する。

図２は、本実施の形態の誘導装置１０が目標２の３次元画像２０と強度画像２１を生成するシステムを説明する図である。
送信系光学部１０１と受信系光学部１０２は、光学系駆動部１０６により回転駆動され、所望の方向に向けてレーザ光を出射する。レーザ光の出射方向は、測位部１０８が出力する自己位置と目標位置とから制御部１０７で演算され、決定される。
目標２を含む走査範囲３の画像を生成するため、光学系駆動部１０６によって送信系光学部１０１及び受信系光学部１０２をアジマス及びエレベーション方向に駆動し、走査範囲３全体にレーザ光を順次照射していき、Ｎ×Ｍ画素分の反射レーザ光を受光する。

次に、本実施の形態の誘導装置１０の動作について図３を用いて説明する。
図３は、誘導装置１０の動作を説明するフロー図である。

まず、誘導装置１０は、送信系光学部１０１を経由して、レーザ発振部１０３で発振したレーザ光を目標方向に照射する。レーザ光の照射範囲は送信系光学部の構成によって決定される（Ｓ００１）。

次に、ステップＳ００１で照射したレーザ光が目標２あるいは目標２の背景４で反射された反射レーザ光を、受信系光学部１０２で集光して受光し、単一あるいは複数の検出素子を備えた受信部１０４で検出し、その受信信号を信号処理部１０５へ出力する（Ｓ００２）。

予め定めた走査範囲３のうち、レーザ光を照射していない範囲が残っていればステップＳ００４へ移行する。
走査範囲３の全体に対してレーザ光を照射し、図２に示す走査範囲３をＮ×Ｍ画素に分割した各画素からの反射レーザ光の検出が完了していれば次のステップＳ００５へ移行する（Ｓ００３）。

ステップＳ００４では、送信系光学部１０１及び受信系光学部１０２を光学系駆動部１０６により駆動することにより、レーザ光を照射及び受光する範囲を変化させ、走査を実施する。

Ｎ×Ｍ画素に分割した各画素からの反射レーザ光の検出が完了すると、受信部１０４から入力された受信信号を用いて、信号処理部１０５にて走査範囲３の３次元画像２０及び強度画像２１を生成する（Ｓ００５）。
生成した３次元画像２０と強度画像２１は、これらの画像取得時の飛しょう体の位置（ｘ、ｙ、ｚ）、姿勢角（φ、θ、ψ）、光学系駆動部の回転角（φ'、θ'、ψ'）と関連付けされ、記憶部１１４に記憶される。

図４は、記憶部１１４に記憶された３次元画像２０と強度画像２１と飛しょう体の位置、姿勢角、光学系駆動部の回転角のデータの一例である。このように記憶部１１４には、飛しょう体１の位置、姿勢角の情報と、光学系駆動部の回転角の情報と、３次元画像２０と、強度画像２１とが関連付けされて記憶される。

図５は信号処理部１０５の構成を示すブロック図である。
信号処理部１０５は、受信信号のピークを検出するピーク検出部１０７、レーザ光の出射時刻から受信時刻までの時間により反射位置までの距離を算出する測距部１０８、走査範囲の各ピーク検出値から強度画像２１を生成する強度画像生成部１０９、測距部１０８で測距した距離データから３次元画像２０を生成する３次元画像生成部１１０、強度画像２１と３次元画像２０を記憶する記憶部１１４、強度画像２１と３次元画像２０の視点を変換する視点変換処理部１１１、予め目標の強度画像２１と３次元画像２０が記憶された目標画像データベース１１５、視点変換後の画像（強度画像２１、３次元画像２０）と目標画像データベース１１５に記憶された目標画像（強度画像２１、３次元画像２０）を比較し、目標を認識する認識処理部１１２、目標に向け追尾信号を演算する追尾処理部１１３からなる。
なお、ピーク検出部１０７と測距部１０８と強度画像生成部１０９と３次元画像生成部１１０と記憶部１１４と視点変換処理部１１１と目標画像データベース１１５と認識処理部１１２とで目標判定処理部を構成し、レーザ発信部、受信部、光学部とあわせて目標判定装置ということもある。

次に、信号処理部１０５の動作について説明する。
ピーク検出部１０７で、図２で示した走査範囲３の各画素に対応する受信信号について、それぞれの受信信号強度のピーク値を検出する。受信信号強度のピーク値に基づいて、強度画像生成部１０９で走査範囲３の強度画像２１を生成する。また、測距部１０８で、レーザ光の送信から反射レーザ光のピーク検出までの経過時間を用いて飛しょう体から各画素までの距離を算出し、３次元画像生成部１１０で距離情報に基づいて各画素の３次元座標を算出すると共に走査範囲３の３次元画像２０を生成する。
なお、３次元画像画像の生成については、例えば特開２００７−２１８７０５号公報等に開示があり、これらの構成を飛しょう体１に搭載することで３次元画像２０を生成することが可能である。

視点変換処理部１１１は生成した強度画像２１と３次元画像２０の視点を変換する。強度画像生成部１０９と３次元画像生成部１１０で生成された画像は飛しょう体１の位置からみた目標画像であり、斜視画像である。詳しくは、飛しょう体の姿勢角（φ、θ、ψ）と光学系駆動部の回転角（φ'、θ'、ψ'）で定まる送信系光学部１０１の姿勢角から出射されるレーザ光の角度からみた目標画像である。
視点変換処理部１１１は強度画像２１と３次元画像２０の視点を演算により変換し、現在の飛しょう体の姿勢角（φ、θ、ψ）と光学系駆動部の回転角（φ'、θ'、ψ'）で定まる角度からみた画像を、所定の角度からの画像に変換する。一例として、視点変換処理部１１１は３次元画像２０及び距離画像を水平面上に投影し、次に説明する目標画像データベースの画像と同じく鉛直方向真上からの画像にそれぞれ変換する（Ｓ００６）。

目標画像データベース１１５には、目標を所定の角度からみたときの強度画像２１と３次元画像２０が格納されている。たとえば、鉛直方向真上からの画像が格納されている。

認識処理部１１２は、視点変換処理部１１１で変換された強度画像２１と３次元画像２０と、目標画像データベース１１５に格納された目標画像とを比較照合し（図６）、目標を認識し選択する（Ｓ００７）。

目標認識部１１２で選択した目標を追尾処理部１１３で追尾し、飛しょう体を目標に向かって誘導するための誘導信号を算出する（Ｓ００８）。

本実施の形態の誘導装置は、レーザ光を目標に照射し、その反射光から目標の強度画像２１と３次元画像２０とを生成する。目標画像データベースには予め所定の角度からみた目標の強度画像２１と３次元画像２０が格納されている。視点変換処理部１１１は、レーザ光の照射により取得した強度画像２１と３次元画像２０を目標画像データベースと同じ角度からみた画像に変換する。認識処理部は、視点変換処理部による視点を変換した後の画像と、目標画像データベースの画像とを比較照合し、目標を抽出する。追尾処理部は抽出した目標に誘導するための誘導信号を算出する。

このように、従来の強度画像の他、３次元画像を用いて比較照合を行い目標の抽出を行うため、画像の中から目標を精度良く抽出して飛しょう体を目標に向けて正確に誘導することができる。
また、生成した画像とデータベースの画像の比較照合を行う際に、同じ視点からみた画像（強度画像、三次元画像）により比較照合が可能であるためデータベースに予め格納する目標のデータ量が小さくでき、比較照合の時間短縮と目標抽出の精度向上を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、目標画像データベースに格納する目標の画像の視点は同一のものとしていた。一例として、目標を鉛直方向真上からみた画像を記憶するようにした。しかしながら目標の形状、反射率によっては鉛直方向真上からでなく、斜め方向からの画像（強度画像２１、３次元画像２０）に特徴を有することがある。この場合は特徴のある画像で比較照合したほうが、より正確に目標を抽出することができる。

図７は、実施の形態２の信号処理部１０５の構成を示すブロック図である。実施の形態１と同様の構成には同一の番号を付しその説明を省略する。
実施の形態２では、目標画像データベース１１５には特徴的な画像（強度画像２１、３次元画像２０）が得られる視点角（目標をみる角度）と、その時の画像（強度画像２１、３次元画像２０）が関連付けされて格納されている。
特徴的な画像とは、例えば、目標が飛行体であれば特徴的な翼の形状がわかる強度画像２１や３次元画像２０であり、目標が車両であれば車台の形状がわかる強度画像２１や３次元画像２０などのことをいう。
強度画像２１と３次元画像２０を入力した視点変換処理部１１１は、目標画像データベースにアクセスし、画像に関連付けされた視点角の情報を取得する。視点変換処理部１１１は、強度画像２１と３次元画像２０を取得した視点角からの画像となるように画像変換を行い、変換処理後の画像を認識処理部１１２に出力する。
認識処理部１１２は、視点変換後の画像と目標画像データベースの画像とを比較照合し、目標を抽出する。

このように実施の形態２では、予め目標画像データベース１１５に格納された各目標が特徴的となる画像の視点角（目標をみる方向）に基づき、視点変換処理部１１１は画像生成部（強度画像生成部、３次元画像生成部）で生成した画像（強度画像、３次元画像）を画像変換するようにした。
これにより、見る方向により異なる目標の画像において特徴的な画像に基き比較参照することができるので、目標を更に精度良く抽出して飛しょう体を目標に向けて正確に誘導することができる。

１ 飛しょう体、２ 目標、３ 画像生成のための走査範囲、４ 背景、１０ 誘導装置、２０ ３次元画像、２１ 強度画像、１０１ 送信系光学部、１０２ 受信系光学部、１０３ レーザ発振部、１０４ 受信部、１０５ 信号処理部、１０６ 光学系駆動部、１０７ ピーク検出部、１０８ 測距部、１０９ 強度画像生成部、１１０ ３次元画像生成部、１１１ 視点変換処理部、１１２ 認識処理部、１１３ 追尾処理部、１１４ 記憶部、１１５ 目標画像データベース

Claims (3)

1. レーザ光を出射するレーザ発振部と、
   前記レーザ光を透過する光学系と、
   前記光学系を駆動して前記レーザ光を走査する光学系駆動部と、
   反射されてきた前記レーザ光を受光して受信信号を出力する受信部と、
   前記受信信号に基き、斜め方向に視える目標を検出し、当該目標に向けて誘導する誘導信号を出力する信号処理部と、を備え、
   前記信号処理部は、前記受信信号に基き、前記目標の斜視画像である３次元画像を生成する３次元画像生成部と、
   前記受信信号に基き、前記目標の斜視画像である強度画像を生成する強度画像生成部と、
   所定の角度からみた目標の３次元画像と強度画像を予め記憶したデータベースと、
   前記目標の斜視画像である前記３次元画像と、前記目標の斜視画像である前記強度画像を前記所定の角度からみた画像に変換する視点変換処理部と、
   前記変換後の３次元画像と強度画像と、前記データベースに記憶された３次元画像と強度画像とを比較照合して、前記目標を検出する画像認識処理部と、
   検出後の前記目標に基き誘導信号を出力する追尾処理部と、を備えることを特徴とする誘導装置。
2. 前記データベースには、前記目標の特徴が現れる角度からみた３次元画像と強度画像と当該角度とが関連付けされて記憶されており、
   前記視点変換処理部は、前記３次元画像生成部が生成した３次元画像と前記強度画像生成部が生成した強度画像を、当該角度からみた画像に変換することを特徴とする請求項１記載の誘導装置。
3. レーザ光を出射するレーザ発振部と、
   前記レーザ光を透過する光学系と、
   前記光学系を駆動して前記レーザ光を走査する光学系駆動部と、
   反射されてきた前記レーザ光を受光して受信信号を出力する受信部と、
   前記受信信号に基き、斜め方向に視える目標を検出し、当該目標に向けて誘導する誘導信号を出力する信号処理部と、を備え、
   前記信号処理部は、前記受信信号に基き、前記目標の斜視画像である３次元画像を生成する３次元画像生成部と、
   前記受信信号に基き、前記目標の斜視画像である強度画像を生成する強度画像生成部と、
   所定の角度からみた目標の３次元画像と強度画像を予め記憶したデータベースと、
   前記目標の斜視画像である前記３次元画像と、前記目標の斜視画像である前記強度画像を前記所定の角度からみた画像に変換する視点変換処理部と、
   前記変換後の３次元画像と強度画像と、前記データベースに記憶された３次元画像と強度画像とを比較照合して、前記目標を検出する画像認識処理部と、を備えることを特徴とする目標判定装置。

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