JP2004309178A

JP2004309178A - 合成開口レーダを用いる地表面変動量計測方法

Info

Publication number: JP2004309178A
Application number: JP2003099501A
Authority: JP
Inventors: Toshizane Mizuno; 敏実水野; Makoto Yamane; 誠山根; Shigeki Kuzuoka; 成樹葛岡
Original assignee: IMAGE ONE CO Ltd; Oyo Corp
Current assignee: IMAGE ONE CO Ltd; Oyo Corp
Priority date: 2003-04-02
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-02
Also published as: JP3987451B2

Abstract

【課題】飛翔体に搭載されている合成開口レーダを用いて、地滑りの予兆観測等のため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。
【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

【０００１】
【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

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。