JP2004309178A - 合成開口レーダを用いる地表面変動量計測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】飛翔体16に搭載されている1台の合成開口レーダ18から発射されるパルス状の電波の地表面反射波を合成開口干渉処理することにより地表面の変動量を求める方法である。計測対象となる地表面10に剛構造のタワー型基体20を設け、一方の電波反射体12aは昇交軌道上の、他方の電波反射体12bは降交軌道上の合成開口レーダ電波を反射するように設置して、昇交軌道及び降交軌道にて2回ずつ取得した反射波同士を合成開口干渉処理することで昇交軌道と降交軌道から測定対象地点までの距離をそれぞれ求め、更に地盤構造上特定される地表面の変動方向の条件を加えることで計測対象地点の過去位置からの実際の変動量を求める。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工衛星などの飛翔体に搭載されている合成開口レーダ(SAR)から発射されたパルス状電波の地表面反射波を合成開口干渉処理することにより計測対象地点の地表面に沿った変動量を計測する方法に関するものである。この技術は、特に限定されるものではないが、例えば地滑り予兆の調査などの微小な地表面変動量の遠隔計測に有用である。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】
特開平7−72244号公報
【0003】
地表面を観測する技術の一つに、航空機や人工衛星等の飛翔体に搭載した合成開口レーダを用いる方法がある。これは、航行する飛翔体から一定間隔で進行方向に対して垂直斜め下方に短いパルス状の電波を発射し、地表面からの反射波を受信して、合成開口干渉処理と呼ばれる高度な信号処理を行うことにより、地表面の性状を観測する技術である。なお、この合成開口干渉処理とは、対象物からの反射波を2台の空間的に離れたアンテナで受信し、その2つの反射波信号の間の位相差を用いて、三角測量と類似の原理により対象物の方位や距離を求める方法である。
【0004】
合成開口レーダによる計測では、1基の飛翔体に複数の合成開口レーダを搭載する方式、あるいは複数の飛翔体にそれぞれ合成開口レーダを搭載する方式がある。その他、より一層簡便なシステムとして、1台の合成開口レーダを搭載した1基のみの飛翔体を用いる方式もある。この方式は、同一の合成開口レーダのみを使用することから、本質的に特性のばらつきがなく、計測精度の向上に有効である。
【0005】
この種の合成開口レーダは、小型のアンテナでも仮想的に大きなアンテナを用いた場合と同様の非常に高い分解能で観測が可能なこと、光学カメラと異なり昼夜間を問わず且つ全天候で観測が可能であること、などの優れた特徴がある。そこで、例えば特許文献1には、飛翔体に搭載した2台のアンテナを用いて同時に送信波を出力し同時に受信波を入力するようにして、地震予知、火山噴火予知、土石流予測等のように、数cm単位の精度で微妙な地形変動の抽出が要求される分野に適用可能な干渉型合成開口レーダ装置及び地形変動観測方式が開示されている。
【0006】
ところで、1台の合成開口レーダを搭載した1基のみの人工衛星を用いても、合成開口レーダから発射されたパルス状電波の地表面反射波を合成開口干渉処理することによって地表面上における特定の地点(計測対象地点)の変動量を計測することはできる。例えば、その計測対象地点に1個の電波反射体を設置し、昇交軌道あるいは降交軌道のいずれかで2回反射波を取得し、それらの反射波データで合成開口干渉処理を行う方法である。近年の技術開発の進展によって、計測精度はますます向上しており、cmオーダー若しくはそれ以下の計測精度が得られている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように合成開口レーダによる地表面観測は、昼夜間を問わず全天候で計測が可能であり、高精度で行えるという優れた特徴がある。しかし、従来方法によって得られる地表面の変動量は、軌道上の人工衛星と電波反射体を結ぶ斜め方向での変動量でしかなく、地表面変動の有無やその程度は検出できるが、地表面に沿った実際の変動量を求めることはできない。そのため、地滑り予兆の観測など、地表面に沿った微小な変位を正確に計測することはできなかった。
【0008】
地表面上における特定の地点の変動を直接計測する方法として、GPS衛星を用いることも考えられる。GPS衛星を利用することで地表面上の特定地点の位置が直接求まることから、任意の時間経過時点でGPS衛星による位置計測を行い過去位置と比較すれば、原理的には計測対象となる地表面の変動量を直接求めることができる。しかし現時点では、GPS衛星による位置計測は精度が低く、地滑りの予兆観測に必要なcmオーダー若しくはそれ以下の要求精度には対応できない。また複数のGPS衛星を用いる計測となるため、衛星の組み合わせによる特性のばらつきなどの影響もあって、本質的に精度が上がらず、微小な地表面変動の計測には不向きである。
【0009】
本発明の目的は、飛翔体に搭載されている1台の合成開口レーダを用いて、地滑りの予兆など計測対象地点の地表面に沿った実際の変動量を高精度で求めることができる地表面変動量計測方法を提供することである。本発明の他の目的は、合成開口レーダを用いる地表面変動量計測方法の実施に適し、積雪時でも埋没することが無く、そのため季節を問わず継続して地表面変動を計測でき、また雪や雨水などの影響による反射特性の劣化が生じ難い電波反射構造物を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、飛翔体に搭載されている1台の合成開口レーダから発射されるパルス状の電波の地表面反射波を合成開口干渉処理することにより地表面の変動量を求める方法において、計測対象となる地表面に剛構造の基体を設け、該基体に一対の電波反射体を、一方は昇交軌道上の合成開口レーダが発する電波を反射する向きに、他方は降交軌道上の合成開口レーダが発する電波を反射する向きに設置して、昇交軌道にて2回取得した反射波同士を合成開口干渉処理することにより昇交軌道から計測対象地点までの距離を求めると共に、降交軌道にて2回取得した反射波同士を合成開口干渉処理することにより降交軌道から計測対象地点までの距離を求め、両方の距離データを同時に満たし且つ地盤構造上特定される地表面の変動方向の条件を加えることで計測対象地点の地表面に沿った過去位置からの変動量を求めることを特徴とする合成開口レーダを用いる地表面変動量計測方法である。
【0011】
ここで「飛翔体」とは人工衛星やスペースシャトルなど宇宙空間を極軌道で航行するプラットフォームを指す。本発明では、1基のみの飛翔体を用いて計測でき、その方が好ましい。しかし、昇交軌道と降交軌道とで別の飛翔体を用いて計測することもできる。
【0012】
地盤構造上特定される地表面の変動方向の条件としては、典型的には、地滑り変動が斜面の最大傾斜線に沿って発生するという条件があり、それによって地滑り変動量を求めることができる。その他、活断層の存在によって地表面の変動方向が限られている場合には、その方向を地表面の変動方向の条件として加えることになる。
【0013】
また本発明は、そのような合成開口レーダを用いた地表面変動量計測方法で用いる電波反射構造物である。この電波反射構造物は、地表面に立設される剛構造のタワー型基体と、該基体に互いに逆向きに設置される一対の電波反射体とを具備し、前記基体は電波吸収体で覆われ、電波反射体は積雪に埋没しない高さに調整された中段と上段にそれぞれ設置された構造をなしている。
【0014】
ここで電波反射体は、例えば3枚の直角二等辺三角形金属板を組み合わせ直角部分を互いに接合することで三角錐状にしたコーナリフレクタからなり、該コーナリフレクタの開口部が撥水性を呈する電波透過体で塞がれている構造とする。あるいは電波反射体は、3枚の直角二等辺三角形金属板を組み合わせ直角部分を互いに接合することで三角錐状にしたコーナリフレクタからなり、該コーナリフレクタの底部に排水穴を形成した構造でもよい。その他、平板状の電波反射鏡などの使用も可能である。
【0015】
【実施例】
図1は本発明に係る合成開口レーダを用いた地表面変動量計測方法の一実施例を示す説明図である。計測対象となる地表面10に一対の電波反射体12a,12bを備えた電波反射構造物14を動かないように設置する。そして、人工衛星16に搭載されている合成開口レーダ18からパルス状の電波を発射し、計測対象となる地表面に設置されている電波反射体12a,12bからの反射波を受信して合成開口干渉処理する。この結果を用いることによって地表面の変動量を求める。本実施例で使用する人工衛星16は1基のみであり、それには合成開口レーダ18が1台搭載されていればよい。
【0016】
本発明方法では、人工衛星16が昇交軌道航行時に受信した電波反射体12aからの反射波データと、同じ人工衛星16が降交軌道航行時に受信した電波反射体12bからの反射波データの両方を使用する。そのため、電波反射構造物14には、図示のように、一対の電波反射体12a,12bが互いに逆向きに取り付けられる。図1において、Aは昇交軌道時の状態を、Bは降交軌道時の状態を、それぞれ示している。従って、一方の電波反射体12aは昇交軌道上の合成開口レーダ18が発射する電波を反射し、他方の電波反射体12bは降交軌道上の合成開口レーダが発射する電波を反射するように、それぞれの向きが調整されている。
【0017】
本実施例では、電波反射構造物14は、計測対象となる地表面10に強固に立設した剛構造のタワー型基体20と、該タワー型基体20上に互いに逆向きに設置される一対の電波反射体12a,12bとからなる。タワー型基体20は、風雪などが作用しても撓まないような剛構造であり、例えば3本の支柱22を三角柱を形成するように配設して、その中段と上段とに棚24a,24bを固定し、一方の電波反射体12aを中段の棚24aに、他方の電波反射体12bを上段の棚24bに、それぞれ取り付ける。タワー型基体20は、特に積雪地帯に設置する場合には、両方の電波反射体12a,12bが積雪に埋没しないように支柱22の長さ、棚24a,24bの高さを調整する。
【0018】
本発明方法において、合成開口レーダ18を搭載している人工衛星16は極軌道を航行する。合成開口レーダ18は、一定間隔で進行方向に対して垂直斜め下方(例えば左側下方)に地表面に向けて短いパルス状の電波(例えばCバンド:周波数5.3GHz)を発射する。従って、例えば昇交軌道(衛星が南側から北側へ向かう軌道)では東側から電波が入射して一方の電波反射体12aで反射し、降交軌道(衛星が北側から南側へ向かう軌道)では西側から電波が入射して他方の電波反射体12bで反射する。人工衛星16に搭載されている合成開口レーダ18からの電波は発射方向が決まっており、人工衛星16は、その軌道も決まっている(軌道のずれは補正できる)。そこで、軌道データと画像データの両方を取得し、それらに基づいて必要な解析を行う。
【0019】
本発明では、昇交軌道で2回反射波データを取得し、降交軌道でも2回反射波データを取得する。そして、昇交軌道にて得られた反射波同士を合成開口干渉処理することにより、昇交軌道上の人工衛星16から計測対象地点までの距離がcmオーダーもしくはそれ以下の精度で求められる。同様に、降交軌道にて得られた反射波同士を合成開口干渉処理することにより、降交軌道上の人工衛星16から計測対象地点までの距離がcmオーダーもしくはそれ以下の精度で求められる。従って、過去の計測結果との間で差が生じていれば、その差分はその間の地表面変動に起因するものとなる。
【0020】
図2は、本発明方法により実際の地表面変動量の求め方を示す概念図である。変動前における計測対象地点(過去位置)をP1で表す。変動前における昇交軌道上の人工衛星位置Saと計測対象地点P1の間の直線距離をLa0とすると、ある時間が経過して変動した後の距離はLa0+daで表せる。このとき変動後の計測対象地点は、昇交軌道上の人工衛星位置Saを中心とする半径La0+daの球面30上のどこかに位置することになる。同様に、変動前における降交軌道上の人工衛星位置Sdと計測対象地点P1の間の直線距離をLd0とし、それが変動後にLd0+ddに変化したとする。すると、変動後の計測対象地点は、降交軌道上の人工衛星位置Sdを中心とする半径Ld0+ddの球面32上のどこかに位置することになる。ここで、円34は一方の球面30と他方の球面32との交線を表しており、昇交軌道での計測値と降交軌道での計測値を同時に満たしている点の集合である。従って、変動後の計測対象地点は、この円34上のどこかに存在することになる。しかし、それだけでは実際に変動した計測対象地点は特定できない。
【0021】
そこで本発明では、計測対象地点における地盤構造を勘案して、地盤構造上特定される地表面の変動方向を条件として加える。つまり、地表面が動く方向(あるいは動く可能性がある方向)を地盤工学的な見地から仮定する。ここでは、斜面における地滑り予兆の観測を目的としているために、計測対象地点は斜面上にあるものとする。すると、地表面の変動は、斜面の最大傾斜線に沿った方向(矢印36で示す方向)に生じると仮定できる。この条件を加えると、変動前の計測対象地点P1から最大傾斜線方向36と円34との交点P2が求まり、この点P2が実際の変動後の計測対象地点を示すことになる。このようにして、計測対象地点の地表面に沿った実際の変動量を計測することが可能となる。
【0022】
上記の説明では斜面の地滑り予兆の観測を目的としているために、計測対象地点が斜面上にあるものとし、地表面の変動は、斜面の最大傾斜線に沿って生じると仮定した。本発明方法を、その他、例えば活断層地帯での地表面変動量計測に適用する場合には、地表面変動が活断層に沿って生じると仮定することにより、変動後の計測対象地点を特定でき、その地表面に沿った実際の変動量を計測することができる。
【0023】
本発明方法で用いる電波吸収構造体としては、図1に示すように、地表面に立設される剛構造のタワー型基体20と、該タワー型基体20に互いに逆向きに設置される一対の電波反射体12a,12bとからなる構造が望ましい。前記タワー型基体20には、その支柱22や棚24a,24bなどに電波吸収体を塗布したり、あるいは電波吸収体を貼り付けるのが好ましく、それによって電波反射体12a,12b以外の部分からの不要反射波を抑制できる。また、両方の電波反射体12a,12bを中段と上段に取り付けることで同一地点に設置することができ、且つ高さ調整を行うことで積雪に埋没することなく四季を通して観測を継続することが可能となる。
【0024】
電波反射体としては、電波反射鏡でもよいが、図3に示すように、3枚の直角二等辺三角形金属板40を三角錐状に組み合わせ、それら各金属板40の直角部分を溶接などにより接合したコーナリフレクタ42が好ましい。設置の際には、その開口部が人工衛星位置を向くように方位などが調整される。これによって、合成開口レーダ電波を、その入射方向に一致する向きで人工衛星に向けて戻すことができる。
【0025】
このようなコーナリフレクタ42は、開口部からの雨や雪などの浸入を防止するために、図3のAに示すように開口部を電波透過性の板材44で覆うようにしてもよい。その場合、雨や雪などが電波透過性の板材44の表面に付着しないように、該板材44を撥水性の材料で作製したり、該板材44の表面に撥水性の膜を設けるのが好ましい。開口部を覆わない場合には、図3のBに示すように、コーナリフレクタ42の奥底部に小径の排水穴46を形成し、開口部から浸入した雨水などを速やかに排出可能とするのが好ましい。
【0026】
本発明では、電波反射体として、コーナリフレクタや電波反射鏡のような受動電波反射体のみならず、トランスポンダのような能動電波反射体も利用できる。その場合には、無指向性のアンテナを用いることで、1台のトランスポンダで昇交軌道及び降交軌道の両方の合成開口レーダ電波を反射するような構成も可能である。但し、トランスポンダは、受信した電波を増幅して送信する機能を有するものであるから、環境温度などによって電気的特性が変化する可能性もあり、位相差で計測する合成開口干渉処理において十分な精度を確保するためには、実際にはかなりの困難を伴う。そのような事情を勘案すると、実施例で説明したように、受動電波反射体、特にコーナリフレクタを利用する方法は安価であり、反射性能も良好で安定しており、設置も容易であるため好ましい。
【0027】
【発明の効果】
本発明は上記のように、合成開口レーダを用い、一対の電波反射体を用いて昇交軌道と降交軌道とで地表面反射波を合成開口干渉処理することで昇交軌道と降交軌道から測定対象地点までの距離をそれぞれ求め、更に地表面の変動方向の条件を加えて処理する方法であるから、地表面に沿った実際の変動量を正確に求めることができる。また本発明では、特に1台の人工衛星搭載合成開口レーダで計測を行うことができるために、計測値のばらつきが少なく、精度が向上し、しかも安価に実施できる利点がある。
【0028】
また本発明に係る電波反射構造体は、電波反射体が積雪時でも埋没することが無いように構成でき、そのため季節に無関係に継続的に地表面変動を計測することができる。また、コーナリフレクタの開口部を電波透過性の板体で覆ったり、コーナリフレクタの底部に排水穴を設けることで、雪や雨水などの影響を受け難くでき、反射特性の変化や劣化が生じ難くなり、良好な計測を長期間にわたり継続して実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る地表面変動量計測方法の一実施例を示す説明図。
【図2】本発明方法による実際の地表面変動量の求め方を示す概念図。
【図3】電波反射体の構造例を示す説明図。
【符号の説明】
10 計測対象となる地表面
12a,12b 電波反射体
14 電波反射構造物
16 人工衛星
18 合成開口レーダ
20 タワー型基体
Claims (5)
- 飛翔体に搭載されている1台の合成開口レーダから発射されるパルス状の電波の地表面反射波を合成開口干渉処理することにより地表面の変動量を求める方法において、
計測対象となる地表面に剛構造の基体を設け、該基体に一対の電波反射体を、一方は昇交軌道上の合成開口レーダが発する電波を反射する向きに、他方は降交軌道上の合成開口レーダが発する電波を反射する向きに設置して、昇交軌道にて2回取得した反射波同士を合成開口干渉処理することにより昇交軌道から計測対象地点までの距離を求めると共に、降交軌道にて2回取得した反射波同士を合成開口干渉処理することにより降交軌道から計測対象地点までの距離を求め、両方の距離データを同時に満たし且つ地盤構造上特定される地表面の変動方向の条件を加えることで計測対象地点の地表面に沿った過去位置からの変動量を求めることを特徴とする合成開口レーダを用いる地表面変動量計測方法。 - 地盤構造上特定される地表面の変動方向の条件は、地滑り変動が斜面の最大傾斜線に沿って発生するという条件であり、その条件を加えることで地滑り変動量を求める請求項1記載の合成開口レーダを用いる地表面変動量計測方法。
- 請求項1又は2記載の合成開口レーダを用いた地表面変動量計測方法で用いる電波反射構造物であって、
地表面に立設される剛構造のタワー型基体と、該基体に互いに逆向きに設置される一対の電波反射体とを具備し、前記基体は電波吸収体で覆われ、電波反射体は積雪に埋没しない高さに調整された中段と上段にそれぞれ設置されている地表面変動量計測用の電波反射構造物。 - 電波反射体は、3枚の直角二等辺三角形金属板を組み合わせ直角部分を互いに接合することで三角錐状にしたコーナリフレクタからなり、該コーナリフレクタの開口部が撥水性を呈する電波透過体で塞がれている請求項3記載の地表面変動量計測用の電波反射構造物。
- 電波反射体は、3枚の直角二等辺三角形金属板を組み合わせ直角部分を互いに接合することで三角錐状にしたコーナリフレクタからなり、該コーナリフレクタの底部に排水穴が形成されている請求項3記載の地表面変動量計測用の電波反射構造物。
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