JP2009505068A - スワスｓａｒ用の効率的なオートフォーカス方法 - Google Patents

Abstract

可動レーダは、パッチから反射された周期的なパルス反射波からパッチの探索モード合成開口画像を生成する。パッチは２以上のオーバーラップするアレイから得られるレーダ反射波から画像化される。強力な散乱体が各アレイ内で突き止められ、その後各アレイからのデータはレーダの運動と強力な散乱体に関して運動補償される。各アレイの運動補償された結果は各アレイの位相誤差を得るためにオートフォーカスされる。各アレイの位相誤差を使用して、接続された位相誤差評価が計算され、各アレイの位相誤差に加算され、アレイ間のオーバーラップで位相間の差を最小にし、アレイ間のオーバーラップ領域には位相不連続性が全く存在しないか最小であることを保証する。位相の不連続性の防止はパッチをレンダリングするアレイの組み合わせのクリアなＳＡＲ画像を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は探索（スワス）合成開口レーダ（ＳＡＲ）画像化用のオートフォーカス方法の分野に関する。

本出願は2004年11月23日出願の米国特許第10,996,246号明細書（発明の名称“Autofocus Method Based on Successive Parameter Adjustments for Contrast Optimization”）において米国特許商標庁の部分継続出願である（ref PD-03W148）。

本発明は米国空軍により与えられた契約番号F19628-00-C-0100により政府の支援で行われた。米国政府は本発明に対してある権利を有する。

合成開口レーダ（ＳＡＲ）は地上マッピングとターゲット識別に使用されている。ＳＡＲの裏の一般的な原理は複数の逐次的に送信されたパルスからのレーダ反射波の振幅と位相情報をコヒーレントに結合することである。これらのパルスは運動しているプラットフォーム上の比較的小さいアンテナからである。プラットフォームが移動すると、パルスに含まれる情報は高分解能のＳＡＲ画像に到着するためにコヒーレントに結合される。

プラットフォームの推定される既知のパスに沿って送信されたパルスにより発生されるＳＡＲ画像を生成する複数の反射波はアレイを形成する。理論的に、アレイ期間中、各パルスの反射された振幅および位相情報は、それぞれの多くの距離ビンにおいて保存される。ＳＡＲ画像は各距離ビン内の反射波の振幅および位相のコヒーレントな組合わせから形成され、アレイ期間中の反射波の捕捉中に移動するプラットフォームの空間的変位に対して運動を補償される。

ＳＡＲ画像の明瞭性は多くの観点でＳＡＲ画像計算前に各レーダ反射波に与えられた運動補償の品質に依存している。運動補償は基準点に関して移動するプラットフォームの空間中の運動にしたがって各レーダサンプルの位相をシフトする（典型的にアナログデジタル変換器から得られたＩ＋ｊＱ複素数量）。ＳＡＲ画像化プロセスはアレイ内で予測される全てのレーダ反射波のコヒーレントで位相が正確な和に依存している。

ある応用では、各レーダＡ／Ｄサンプルに与えられる運動補償誘導位相補償の正確度は不十分である。さらに良好な位相整列では、正確なオートフォーカス（ＡＦ）方法が使用されている。オートフォーカス（ＡＦ）方法は典型的に運動補償だけから得られるよりも良好な正確度でレーダ反射波サンプルを位相整列するためにＳＡＲレーダ自体のレーダ反射波に含まれる情報を使用する。集められたＳＡＲデータから得られる評価された位相誤差は結果的なＳＡＲ画像を改良するために運動補償されたＳＡＲデータに与えられる。位相誤差評価と補償のためのこのＳＡＲデータ駆動方法は通常オートフォーカス（ＡＦ）と呼ばれる。

スポットライトモードに加えて、ＳＡＲレーダはまた探索（スワスまたはストリップ）マップモードで動作されることもできる。スポットライトモードはフレーム（またはアレイ）期間中にアンテナビームをマップ（画像）中心の中心線へ操縦することによって限定された領域の限定された寸法の２次元画像を生成する。反対に、探索モードはＳＡＲデータ集収期間またはアレイ期間中に固定された方位角アンテナの指向を維持することによって理論的に限定されない長さの画像ストリップを生成する。典型的に距離−方位角方向に指向されている画像を生成するスポットライトモードと異なって、探索モードはトラックに沿っておよび交差トラック方向で指向されている画像を生成する。探索モード期間中に補償されていないプラットフォームの運動は方位角の応答に影響するパルススデータによって生じる方位角方向での画像の不鮮明を生じる。両者の画像軸方向におけるターゲット画像の不鮮明のために、１次元のバッチ処理を使用してオートフォーカスに対して残留する位相誤差を評価し修正することは困難である。

探索モード期間中に存在する困難な問題はパッチのＳＡＲ画像を形成する多数の部分の位相誤差をマージすることである。パッチの境界部分がぼやけ、その領域で位相定義として良好に規定されない境界は明白に規定されず、連続的ではない。したがって位相誤差が補償される必要があり、連続的な方法で全ての地上ターゲットに対して評価されることができない。これらのパッチの個々の部分は連続的な画像に対して補正される必要がある。このような補正が行われなければ、結果的な画像において不所望で偽の高周波数成分が導入され、その品質と利用性を落とす。

前述の制限は減少され、ＳＡＲ画像はパッチから反射された周期的なパルス反射波からパッチの探索モード合成開口画像を生成するためにレーダによって改良される。レーダは運動しているプラットフォーム上に設けられる。第１の数の周期的なパルス反射波は第１のアレイから反射され、第２の数の周期的なパルス反射波は第２のアレイから反射される。第１のアレイはあるオーバーラップ量だけ第２のアレイとオーバーラップする。オーバーラップする第１のアレイと第２のアレイはパッチをカバーする。通常、多数のオーバーラップするアレイはパッチをカバーする。

レーダは第１のアレイからのパルス反射波を第１の距離ビンを有する第１のデジタルアレイへ変換するためのアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を具備する。同じまたは別のＡＤＣは第２のアレイからのパルス反射波を第２の距離ビンを有する第２のデジタルアレイへ変換する。

デジタルコンピュータは、
前記第１のデジタルアレイ内の第１の強力な散乱体の位置を突き止め、
前記第２のデジタルアレイ内の第２の強力な散乱体の位置を突き止め、
前記第１のデジタルアレイと前記第１の強力な散乱体が、運動補償された第１のデジタルアレイを獲得する期間中に前記移動プラットフォームの前記運動に関して前記第１のデジタルアレイを運動補償し、
前記第２のデジタルアレイが運動補償された第２のデジタルアレイを獲得する期間中に前記移動プラットフォームの前記運動に関して前記第２のデジタルアレイを運動補償し、
前記運動補償された第１のデジタルアレイをオートフォーカスして、前記第１のデジタルアレイにおける第１の位相誤差評価を獲得し、
前記運動補償された第２のデジタルアレイをオートフォーカスして、前記第２のデジタルアレイにおける第２の位相誤差評価を獲得し、
最適化された位相を前記第２の誤差評価に加算して、前記第２のアレイに対するシフトされた誤差評価を獲得し、
前記第１の位相誤差評価と、前記シフトされた誤差評価とを前記オーバーラップにわたってマージし、接続された位相誤差評価を獲得し、
前記接続された位相誤差評価を前記運動補償された第１のデジタルアレイと前記運動補償された第２のデジタルアレイに供給して、前記パッチの画像を計算するために使用される。

第１の強力な散乱体は、前記第１のデジタルアレイ内の各前記第１の距離ビンの第１の距離ビンパワーを計算し、前記第１の距離ビンの中から最高の第１の距離ビンパワーを有している前記第１の距離ビンの１つを選択することによって第１のアレイ内で発見される。第２の強力な散乱体は、前記第２のデジタルアレイ内の各第２の距離ビンの第２の距離ビンパワーを計算し、前記第２の距離ビンの中から最高の第２の距離ビンパワーを有している前記第２の距離ビンの１つを選択することによって位置を突き止められる。

最適化された位相は最小二乗法則を使用して前記オーバーラップにわたって前記第１の誤差評価と前記第２の誤差評価との間の差を最小にする。１実施形態では、オーバーラップは前記第１のアレイにおける複数のパルスと、前記第２のアレイにおける同数のパルスを含み、典型的には第１のアレイを形成するパルス数の１０％を超える。

本発明はパッチをカバーするオーバーラップアレイを使用してパッチの探索型ＳＡＲ画像を改良するための方法を説明する。

ＳＡＲ画像はそこに含まれる情報の同位相の組み合わせを実現するために反射されたパルスの正確な位相整列を必要とする。位相誤差は運動補償からのナビゲーションデータの不正確性、またはＳＡＲ画像の焦点外れを起こすレーダ反射波における大気の影響から生じる。これらのタイプの誤差の補償に使用される方法はオートフォーカス（ＡＦ）と呼ばれる。ＡＦは元来運動補償により与えられていない比較的微細で正確な位相補正を行うために、運動補償されたレーダ集収データに含まれる情報に依存している。

スポットＳＡＲモードの場合とは異なって、探索ＳＡＲモードにおけるＡＦの処理は位相誤差の連続的な評価を必要とし、したがって多数のＳＡＲアレイが大きいパッチに組み合わせられることができる。さらに、スポットモードとは異なって、探索モードで生成される画像はトラックに沿った方向、トラックを交差する方向で指向される。ここで説明される最良のモードの実施形態は極フォーマットアルゴリズム（ＰＦＡ）により形成される画像を使用してバッチ処理の前にＡＦを行う。連続的なパラメータ調節（ＳＰＡ）は各ＡＦアレイの位相誤差の評価に使用される。予備領域の探索は強力な反射波を有する画像中の領域を選択するために行われる。ＳＰＡによる高次の位相誤差を評価するためのＡＦ画像は方位角の歪除去（deskew)を使用せずに、開口（方位角周波数）ドメインで時間においてデータを整列するためＰＦＡを使用して形成される。各アレイの別々の位相誤差評価はパッチを形成する全てのアレイに与えられる複合位相誤差を得るためにマージされる。

図１はレーダ送信機／受信機による合成開口（ＳＡＲ）探索方法画像化パッチ101を使用しているレーダ送信機／受信機を搭載する運動プラットフォーム間の典型的な従来技術の幾何学形状の関係を示している。運動プラットフォームは最初に位置103に存在し、位置105と示されている方向へ速度Ｖで移動する。ＳＡＲ探索（またはスワス）モードでは、ＳＡＲアンテナの方位角はプラットフォームが速度Ｖで動くときパッチ101方向へ指向される方位角θで固定される。運動プラットフォームは固定された角度θを維持しながら、位置103から位置105へ移動し、それによってアンテナは進行するときにパッチ101の部分を照射する。レーダパルスが送信され、対応する反射波が位置103と位置105との間で集められるアレイ期間中に多くの点で受信される。ＳＡＲレーダの探索タイプは技術でよく知られており、例えばJ. C. Curlander等の文献Synthetic Aperture Radar: Systems and Processing、Wiley、1991年（以後参考文献１として識別する）に記載され、ここでその全体が参考文献とされている。

運動補償は、レーダの反射波を捕捉するとき運動プラットフォームに関する散乱体の位置の変化により生じるＳＡＲ画像を形成するＳＡＲフレーム中の各レーダ反射波に対するレーダ位相誤差をデジタル補正するプロセスである。焦点に関する運動プラットフォームの運動は典型的にＧＰＳ／ＩＮＳシステムに結合された加速度計を使用して測定される。運動補償はレーダ反射波の各Ｉ／Ｑサンプルについて機上のデジタルコンピュータ（プロセッサ）で行われる。運動補償の正確な形態はレーダ反射波からのＳＡＲ画像を編集するために使用される方法にしたがう。残留位相誤差は運動補償が考慮された後に存在する位相誤差である。補償されていないセンサ運動または大気の影響のような種々の原因による残留位相誤差によって劣化されたＳＡＲ画像品質が生じる。全体的な（探索）パッチにわたる補償されていない位相誤差の減少がこの実施形態の目標である。

（１）ＳＡＲ探索モードとデータ取得についてのオートフォーカスの概論
ＳＡＲ探索モードはスポットライトモードとは異なる。スポットライトモードは一般的に、距離および方位角方向に指向される画像を生成する。探索モードでは、画像はトラックに沿った方向とトラックを交差する方向に存在する。運動補償が不完全であると結果的な画像を両軸で不鮮明にすることである。したがって不鮮明は１つが各軸に対応する２つの誤差源の結果である。両軸からの誤差が影響するために、１次元処理を用いた残留事後運動補償誤差を評価し補正することは困難である。

探索モードの位相誤差は画像形成のバッチ処理段階で評価され補正されることができる。即ちパルス・ツー・パルス処理はデータが捕捉されるときに行われ、オートフォーカスが後に実行される。オートフォーカス処理の１例は2004年８月24日出願の米国特許第6,781,541号明細書に記載されており、その全体がここで参考文献とされている。この’541号明細書と異なって、本発明の方法および装置はバッチ処理前に計算される位相補償方法について説明する。

探索モードのオートフォーカスにおける挑戦は、探索パッチのオーバーラップされたサブセットである２以上のＡＦアレイを使用して、評価される位相誤差セグメントをマージすることである。補償される必要のある位相誤差は連続的な方法で地上の全てのターゲットについて補償されることはできない。それ故、位相誤差はＡＦパッチを使用して、パルスのグループで評価され、その後パッチ画像を説明する全ての集収されたパルスに与えられる位相誤差補正の連続流のために適切に接続される。最終的な画像中の高周波数雑音を防止するためにオーバーラップされた共通の期間中に評価をマージすることによって画像の別々のサブセット、即ちＡＦアレイの平滑な接続を行うことが必要である。一定で線形の位相評価された補正項が導入され、それによって連続する位相誤差セグメント間のオーバーラップされた部分は最小二乗法則を使用して最適化され、各ＡＦアレイからの評価された位相誤差は二次式よりも低い項を含まないことを考慮する。プラットフォーム運動誤差の完全な補償は、このような補償が角度誤差と遅延または位相誤差の評価を必要とするので、ＡＦ機能により単独で計算されることはできない。したがってＡＦ機能は画像品質を改善するためだけに位相誤差を評価し補正する。画像のシフトおよび設計のやり直しもＡＦ機能を適用せずに計算されることができる。それ故、画像の不鮮明は位相誤差が任意のＡＦ方法を使用して補正されるときのレーダデータの捕捉において遭遇する運動誤差のタイプに応じて、さらに良好になるか悪くなる。１つのＡＦ方法はD. E. Wahl等のNew Approach to Strip Map SAR Autofocus、Digital Signal Processing Workshop、1994年、第６IEEE、1994年10月２−５日、53−56頁により示唆されている方法であり、これはその全体がここで参考文献とされている。

探索モードのＳＡＲ処理は２つの処理段に分割され、これはＳＡＲ画像に対するパルス・ツー・パルスおよびバッチ処理である。図２はここでの方法が典型的な探索モードの画像形成チェーンで適用される場合を示している。ＡＦ機能への入力は全ての収集されたパルスにおける距離のサンプルされたデータである。距離圧縮202は送信されたパルスが線形の周波数変調された（ＬＦＭ）波形を使用するとき、それぞれ受信されたパルス中の二次位相成分を除去する。その結果は距離の再サンプル204へ送られる。オートフォーカス（ＡＦ）機能206により発生されたΔΦ_ＡＦは集収されたレーダ反射波に含まれている評価された誤差である。この評価された誤差は方位角の再サンプル208が計算される前に補償される。

ｅ^{−ｊΔΦＡＦ}のＡＦ計算は図３に示されているように行われる。主なＡＦ処理ステップを開始する前に、全体的な探索画像の一部分を表す各ＡＦアレイのレーダ反射波はＡＦアレイ301のパルス取得において選択される。この方法に適用可能なレーダ反射波集収が図４に示されており、ＡＦ評価された位相誤差を得るために使用されるパラメータを含んでいる。

図４では、パッチ402のデータ取得の長さＬ_ＤＴは所望のＡＴ分解能δ_ＡＴと方位角の画像パッチの幅Ｌ_ＰＷから決定される。データ取得はパッチに対して404、408…406のような２以上のＮ_ＡＦＡオートフォーカスアレイへ分割され、それによって組合された位相誤差評価はＮ_ＡＦＡ位相誤差評価が完了されたとき長さＬ_ＤＴのパルスに適用されることができる。ＡＦアレイのアレイ長とそれぞれＬ_{ＤＴ，ＡＦ}とＬ_ＯＶによるオーバーラップ部分を表示する。その後、次式のオーバーラップ比を使用する。
γ_ＯＶ＝Ｌ_ＯＶ／Ｌ_{ＤＴ，ＡＦ}
Ｌ_{ＤＴ，ＡＦ}は次式から計算される。
Ｌ_{ＤＴ，ＡＦ}＝Ｌ_ＤＴ／（Ｎ_ＡＦＡ−γ_ＯＶ（Ｎ_ＡＦＡ−１））
ＡＦアレイは距離および方位角方向で指向されるＡＦ画像を形成するために使用される。スキント角度θ_ｓｑを有する方位角のＡＦ画像の寸法は所望の方位角分解能δ_ＡＺ、波長λ、マッピング距離Ｒ、主ローブの広がり係数ｋについて計算される。
Ｌ_{ＰＷ，ＡＦ}＝（Ｌ_{ＤＴ，ＡＦ}−（ｋＲλ／（２δ_ＡＺｃｏｓθ_ｓｑ））ｃｏｓθ_ｓｑ
各ＡＦアレイのパルスの数Ｎ_ＡＦＡはプラットフォーム速度ｖに対して次式を使用してＬ_{ＤＴ，ＡＦ}から計算される。
Ｎ_ＡＦＡ＝（Ｌ_{ＤＴ，ＡＦ}・ＰＲＦ）／ｖ
プラットフォーム速度がパッチに対するデータ集収期間中に顕著に変化するとき、各ＡＦアレイのパルス数は一定に維持される。ＡＦアレイは固定されない。

（２）強力な反射波を有する領域の選択
ＳＰＡはここで使用される方法であり、これはコントラストの最適化に基づいている。この実施形態では高いレーダエネルギ反射性を有する画像化された領域が好ましい。低いレーダエネルギの反射性の領域は湖水および近隣の丘、山または他の特性により遮蔽されたまたは遮られた湖および地形を含んでいる。図５に示されているように、チャープを除去された距離サンプル（チャープとは送信パルスの線形周波数変調のことである）はＭＣの情景中心線（ＳＣＬ）上の点からＳＣＬ上の点501に関して運動補償（ＭＣ）される。ＭＣ点は図６に示されているように各ＡＦアレイのスキント角度θ_ｓｑと距離Ｒにより決定される。データの回転503は出力サンプルを減少する。距離ＦＦＴ505は距離ビンデータを画像（周波数）ドメインへ変換する。方位角ＦＦＴは距離ビンパワーの計算に必要とされない。距離ビンパワーの計算507は特定のアレイ内の各距離ビンのレーダ反射波エネルギ量を計算する。最も強い反射波を有する特定の方位角の距離ビン、即ち最高の距離ビンパワーは以下説明するようにＰＦＡを使用して画像形成に使用される中心基準点（ＣＲＰ）の座標を与える。

図６では、アレイ602は距離ビン608が強力な散乱体を有するＳＣＬ周囲のデータを集収する。アレイ602に、オーバーラップするアレイ604もまたＳＣＬ周辺のデータを集め、距離ビン606で強力な散乱体を有する。データを集収するプラットフォームは速度Ｖで移動する。

（３）ＰＦＡにより形成される画像を使用するＳＰＡに基づいた位相誤差評価
各アレイの位相誤差は多くの利用可能なＡＦ技術の１つを使用して評価される。１実施形態では、逐次パラメータ近似（ＳＰＡ）と呼ばれる技術が使用され、それは2004年11月23日出願の米国特許第10,996,246号明細書（発明の名称“Autofocus Method Based on Successive Parameter Adjustments for Contrast Optimization”）に記載されている。この技術は、D. E. Wahl等のPhase Gradient Autofocus-A Robust Tool for High Resolution SAR Phase Correction、IEEE Trans. Aerosp. Electron. Sys、30巻、827−834頁、1994年３月に記載されている位相勾配オートフォーカス方法（ＰＧＡ）で典型的に使用されるターゲットのような点に依存しないので、この好ましい実施形態では頑強であることが発見されている。

ＳＰＡはこの好ましい実施形態で使用されるとき、エントロピーにより測定される画像コントラストを最大にするため反復ループを通じて位相誤差の近似に使用されるルジャインドルの多項式の係数を評価する。ＳＰＡを使用するために、画像はＰＦＡまたは距離移行アルゴリズム（ＲＭＡ）のような画像形成アルゴリズムの１つを使用して形成される。しかしながらＲＭＡにより形成される画像から方位角で変位されるターゲットの位相経歴は時間において整列されない。したがって方位角の歪除去が2003年12月30日のK. M. Choによる米国特許第6,670,907号明細書に記載されているように、時間において位相経歴を整列するために使用される。方位角の歪解除機能の使用を防止するため、ＰＦＡはＲＭＡの代わりに好ましい実施形態で使用される。図６に関して説明されているように強力な距離ビンの反射波を有することが発見されているＣＲＰ位置の周辺における形成された画像の領域は図７ではＳＰＡを適用する前に示されている。図７では、アレイ602によりカバーされる領域703は距離ビン608中で発見された強力な散乱体に関して運動補償されている。同様に、アレイ604によりカバーされている領域701は強力な散乱体606に関して運動補償されている。

ＰＦＡの処理シーケンスが図８に示されている。ＰＦＡへの入力は（距離補償された）チャープを除去された反射波Ｉ／Ｑレーダデータである。距離の歪解除機能は典型的に比較的小さいＡＦ画像のＰＦＡ画像では必要とされない。ＣＲＰを使用する運動補償802は図６で概説したように中心基準点（ＣＲＰ）を使用してレーダデータの運動を補償する。距離補間804と方位角補間806は参考文献１に記載されているように多相フィルタを使用して行われる。距離ＦＦＴ808は方位角において距離周波数を有する距離ビンデータを生成する。距離ＦＦＴ808からの出力はこのＣＩＰ応用の親出願で記載したようにＳＰＡへ入力される。

（４）オーバーラップする隣接（ＡＦ）アレイからの位相誤差評価のマージ
最良のコントラストに対して評価された位相誤差は方位角周波数で均一のサンプルされたデータを使用して前述のセクション（３）にしたがって計算される。各ＡＦアレイに対して計算された別々の位相誤差からのパッチを示すパルスに与えられる複合位相誤差を計算するために、位相誤差は各ＡＦアレイの位相誤差を特徴付けるルジャインドルの多項式を使用して各パルスに対して計算される。各パルスに対応する方位各周波数は図９に示されている幾何学形状に基づいて次式を使用して計算され、ここでＭはＳＡＲ集収角度を等しく分割する中間アレイ点である。
ｔａｎΔθ_ｎ＝ｔａｎ（θ_ｎ−θ_Ｍ）
＝（ｔａｎθ_ｎ−ｔａｎθ_Ｍ）／（１＋ｔａｎθ_ｎ ｔａｎθ_Ｍ）
ここで、
ｔａｎθ_ｎ＝
（Ｒ・ｃｏｓψ_ｍｓｉｎθ_Ｍ−（ｎ−Ｍ）・ｖ・ＰＲＩ）／Ｒｃｏｓψ_Ｍｃｏｓθ_Ｍ
ここで、
θ_Ｍは中間アレイ点Ｍにおけるスキント角度であり、
θ_ｎはパルスｎにおけるスキント角度であり、
ψ_Ｍは中間アレイ点Ｍにおけるグレージング角度であり、
ＰＲＩはパルス反復インターバル（ＰＲＩ）である。

各パルスの位相誤差はパルスｎに対して次式により関連付けられるパルスに対応する方位角周波数でセクション（３）において得られた係数を有する多項式を使用して計算される。
Δｋｘ＝（２／λ）ｔａｎ（Δθ_ｎ）
次に、隣接する位相誤差評価は線形位相を計算することによりスムースに接続され、これは隣接する位相誤差評価を相対的な位相近接にする。

この手順の好ましい実施形態は従来技術から離れた教示である。典型的な方法では、位相アレイ誤差の二次導関数はルジャインドルの多項式により特徴付けられ、オーバーラップ部分Ｎ_ＯＶにわたり平均される。これに続いて（全体的な）パッチに適用される位相誤差を計算するために二重積分が行われる。しかしながら近隣の評価された位相と組み合わせたときの安定な結果を除外すると、評価される位相のエッジ周辺の二次導関数は非常に変動する傾向があるため、これはここでは機能しない。したがってこの従来技術は役に立たない。

対照的に、好ましい実施形態は図１１に示されているように、線形で一定の位相項を加算することにより最小二乗法則を使用してオーバーラップ領域Ｎ_ＯＶ中の各アレイからの別々の位相誤差評価を適合することによって最適化（線形）位相を計算する。ここで位相誤差評価1101、Φ_ｍ−１（ｎ）はオーバーラップ間隔Ｎ_ＯＶにわたって隣接位相評価1107、Φ_ｍ（ｎ）から位相差Ｅだけ分離される。位相差Ｅを減少し、平滑にし、最適化することが望ましい。

位相差Ｅを最小にするため、一定で線形の位相が導入され、それによって位相差Ｅはオーバーラップ領域Ｎ_ＯＶにわたって第１の位相誤差評価1101と第２の位相誤差評価1107との間で最小にされる。次式で計算される一定で線形の位相は第２の誤差評価1107に加算される最適化位相であり、これは最小二乗規則を使用して位相差Ｅを最小にする。Φ（ｎ）をアレイｍの評価された位相誤差、パルスインデックスｎ＝０，１，…Ｎ_ＡＦ−１をオーバーラップされたＮ_ＯＶパルスを有する各ＡＦアレイのＮ_ＡＦとして表す。オーバーラップされる領域Ｎ_ＯＶの２つの位相誤差間の位相差Ｅは次式として表される。
ｎ＝０，１，…Ｎ_ＯＶ−１では、
Δ_ｍΦ（ｎ）＝Φ_ｍ−１（Ｎ_ＡＦ−Ｎ_ＯＶ＋ｎ）−Φ_ｍ（ｎ）
最小二乗最適化規準を使用してΔΦ_ｍ（ｎ）を近似する線形関数、即ちｆ_ｍ（ｎ）＝ａ_０＋ａ_１ｎの係数ａ_０とａ_１は、次式のように計算される。

その後、Φ’_ｍ（ｎ）が更新され、シフトされた位相は、ｆ_ｍ（ｎ）を使用して計算された線形位相を加算することにより生成される。
ｎ＝０，１，２…Ｎ_ＡＦ−１では、
Φ’_ｍ（ｎ）＝Φ_ｍ（ｎ）＋ｆ_ｍ（ｎ）
次に、近隣アレイのデータはアレイからアレイへ漸進的で平滑な位相転移でマージされ、パッチのＳＡＲ画像を形成する。アレイにわたって使用される位相Φ_ｍ ^{ＳＭＯＯＴＨ}（ｎ）は次式のように考慮される。
Φ_ｍ ^{ＳＭＯＯＴＨ}（ｎ）＝Ａ_ｎ・Φ_ｍ−１（Ｎ_ＡＦ−Ｎ_ＯＶ＋ｎ）＋（１−Ａ_Ｎ）・Φ’_ｍ（ｎ）
ここで、ｎ＝０．１．２…，Ｎ_ＯＶ−１では、
Ａ_ｎ＝（Ｎ_ＯＶ−１−ｎ）／（Ｎ_ＯＶ−１）
アレイのオーバーラップしない部分には変化はない。即ち、
ｎ＝Ｎ_ＯＶ，Ｎ_ＯＶ＋１…Ｎ_ＡＦでは、
Φ_ｍ ^{ＳＭＯＯＴＨ}（ｎ）＝Φ’_ｍ（ｎ）
全てのアレイについてのこのプロセスを反復すると、更新されたΦ_ｍ ^{ＳＭＯＯＴＨ}は次のオーバーラップする領域の位相データを調節しマージするためにΦ_ｍ＋１（ｎ）に加算される線形位相を決定するための第１のアレイとして使用される。

全てのアレイ（ＡＦセグメント）の線形の位相調節とマージが完了されたとき、スムースに接続される位相誤差はパッチの全てのアレイデータを補償するために適用される。線形位相調節の適用により生じた画像シフトを除去するために、線形成分は第１のパッチの複合位相から除去される。連続的なパッチのアレイ間の位相マージは同様に、先行するデータの取得の最後のＡＦアレイと、現在のデータ取得の最初のＡＦアレイとの間のオーバーラップ比に基づいて行われる。

ここで説明する装置および方法の要約はさらに図１２で詳細に示されている。アナログデジタル変換器1210は、レーダ1200の一部分であり、コンピュータ1212内で処理されるデジタルデータを発生する。近隣オーバーラップアレイ1202の位相誤差評価の計算は、第１のデジタルアレイ内で第１の強力な散乱体の位置を突き止め、さらに前記第１のデジタルアレイと前記第１の強力な散乱体が運動補償された第１のデジタルアレイを獲得する期間中のプラットフォーム運動に関して前記第１のデジタルアレイを運動補償しながら第２のデジタルアレイ内で第２の強力な散乱体を突き止める。運動補償は運動補償された第２のデジタルアレイを獲得するために第２のデジタルアレイに対して行われる。

第１のデジタルアレイは前記第１のデジタルアレイにわたる第１の位相誤差評価を得るためにオートフォーカスされ、第２のデジタルアレイもまた前記第２のデジタルアレイにわたる第２の位相誤差評価を得るためにオートフォーカスされる。

一定で線形の位相の加算1204は最適化された位相を第２の誤差評価へ加算し、前記第２のアレイに対するシフトされた誤差評価を得る。

オーバーラップ領域のデータのマージ1206では、第１の位相誤差評価はオーバーラップ領域にわたるシフトされた誤差評価へマージされ、接続された位相誤差評価を得る。

完全なパッチにわたる最適化された位相誤差評価の計算1208は接続された位相誤差評価を運動補償された第１のデジタルアレイと運動補償された第２のデジタルアレイへ適用し、第１および第２のデジタルアレイによりカバーされたパッチの強化されたＳＡＲ画像を計算する。

この明細書で述べた全ての参考文献はその全体がここで参考文献とされている。

特定の実施形態を使用する例示的な方法で示されているが、説明された構造はこのように限定されることを意図されていない。例えばここで説明された最適化はレーダシステムの文脈で説明されているが、ソナーまたは類似の画像化方法にも応用可能であり、その場合に散乱体の画像は複数の位相の正確な反射波のコヒーレントな和から抽出される。

当業者は多くの変化および変形が本発明の技術的範囲を逸脱せずにここで説明された実施形態に対して行われることができることも認識するであろう。

従来技術のＳＡＲスワス構造の図。 好ましい実施形態のパルス・ツー・パルス処理を示す図。 パッチの画像を生成するため複数のアレイのマージを示す図。 パッチに関する複数のアレイの幾何学形態を示す図。 特定のアレイの中心基準点（ＣＲＰ）を発見するためのチャープの除去された距離サンプルの処理を示す図。 パッチをカバーし、それぞれＣＲＰとして使用するのに適したターゲットを有する強力な距離ビンを有するオーバーラップするアレイの幾何学形状を示す図。 図６で見られるＣＲＰがそのＣＲＰ近辺に画像を形成するために使用されるパッチをカバーしているオーバーラップするアレイの幾何学形状を示す図。 ここで使用される極フォーマットアルゴリズム（ＰＦＡ）の使用を示す図。 方位角周波数の計算に使用される幾何学形状を示す図。 方位角周波数ドメインの幾何学形状を示す図。 ２つのオーバーラップするアレイ間の位相関係と、オーバーラップ領域で行われる調節を示す図。 アレイ間のオーバーラップでデータをマージするために使用さえる装置および方法のステップを示す図。

Claims (12)

1. パッチから反射された周期的なパルス反射波からパッチの探索モード合成開口画像を生成し、運動しており、第１のアレイから反射される第１の数の前記周期的なパルスの反射波と、第２のアレイから反射される第２の数の周期的なパルスの反射波とを有し、前記第１のアレイはオーバーラップにより第２のアレイとオーバーラップし、前記第１のアレイと前記第２のアレイは前記パッチをカバーしているレーダ（1200）において、
   前記第１のアレイからの前記パルス反射波を第１の距離ビンを有する第１のデジタルアレイへ変換し、前記第２のアレイからの前記パルス反射波を第２の距離ビンを有する第２のデジタルアレイへ変換するアナログデジタル変換器（1210）と、
   コンピュータ（1212）とを具備し、このコンピュータは、
   前記第１のデジタルアレイ内で第１の強力な散乱体の位置を突き止め、
   前記第２のデジタルアレイ内で第２の強力な散乱体の位置を突き止め、
   前記第１のデジタルアレイと前記第１の強力な散乱体が、運動補償された第１のデジタルアレイを獲得する期間中に前記運動に関して前記第１のデジタルアレイの運動を補償し、
   前記第２のデジタルアレイが運動補償された第２のデジタルアレイを獲得する期間中に前記運動に関して前記第２のデジタルアレイの運動を補償し、
   前記運動補償された第１のデジタルアレイをオートフォーカスして、前記第１のデジタルアレイにおける第１の位相誤差評価を獲得し、
   前記運動補償された第２のデジタルアレイをオートフォーカスして、前記第２のデジタルアレイにおける第２の位相誤差評価を獲得し、
   最適化された位相を前記第２の誤差評価に加算して、前記第２のアレイに対するシフトされた誤差評価を獲得し、
   前記第１の位相誤差評価と、前記シフトされた誤差評価とを前記オーバーラップにわたってマージして接続された位相誤差評価を獲得し、
   前記接続された位相誤差評価を前記運動補償された第１のデジタルアレイと前記運動補償された第２のデジタルアレイに供給して前記パッチの画像を計算するレーダ。
2. 前記第１の強力な散乱体は、前記第１のデジタルアレイ内の各前記第１の距離ビンの第１の距離ビンパワーを計算し、前記第１の距離ビンの中から最高の第１の距離ビンパワーを有している前記第１の距離ビンの１つを選択することによって突き止められる請求項１記載のレーダシステム。
3. 第２の強力な散乱体は、前記第２のデジタルアレイ内の各第２の距離ビンの第２の距離ビンパワーを計算し、前記第２の距離ビンの中から最高の第２の距離ビンパワーを有している前記第２の距離ビンの１つを選択することによって突き止められる請求項２記載のレーダシステム。
4. 前記最適化された位相は、最小二乗法則を使用して前記オーバーラップにわたって前記第１の誤差評価と前記第２の誤差評価との間の差を最小にする請求項３記載のレーダシステム。
5. 前記オーバーラップは、前記第１のアレイにおける第３の数のパルスと、前記第２のアレイにおける第３の数のパルスとを含んでいる請求項４記載のレーダシステム。
6. 前記オーバーラップに含まれる前記第３の数のパルスは、前記第１のアレイ中に含まれる第１の数のパルスの１０％以上である請求項５記載のレーダシステム。
7. レーダ（1200）を使用してパッチから反射された周期的なパルス反射波からパッチの探索モード合成開口画像を生成する方法において、
   前記レーダは運動しており、第１のアレイから反射される第１の数の前記周期的なパルスの反射波と、第２のアレイから反射される第２の数の周期的なパルスの反射波とを有しており、前記第１のアレイはオーバーラップにより第２のアレイとオーバーラップし、前記第１のアレイと前記第２のアレイは前記パッチをカバーしており、
   前記第１のアレイからの前記パルス反射波を第１の距離ビンを有する第１のデジタルアレイへ変換し、前記第２のアレイからの前記パルス反射波を第２の距離ビンを有する第２のデジタルアレイへ変換し、
   前記第１のデジタルアレイ内で第１の強力な散乱体の位置を突き止め、
   前記第２のデジタルアレイ内で第２の強力な散乱体の位置を突き止め、
   前記第１のデジタルアレイと前記第１の強力な散乱体が運動補償された第１のデジタルアレイを獲得する期間中に前記運動に関して前記第１のデジタルアレイの運動を補償し、
   前記第２のデジタルアレイが運動補償された第２のデジタルアレイを獲得する期間中に前記運動に関して前記第２のデジタルアレイを運動補償し、
   前記運動補償された第１のデジタルアレイをオートフォーカスして、前記第１のデジタルアレイにおける第１の位相誤差評価を獲得し、
   前記運動補償された第２のデジタルアレイをオートフォーカスして、前記第２のデジタルアレイにおける第２の位相誤差評価を獲得し、
   最適化された位相を前記第２の誤差評価に加算して前記第２のアレイに対するシフトされた誤差評価を獲得し、
   前記第１の位相誤差評価と、前記シフトされた誤差評価を前記オーバーラップにわたってマージして接続された位相誤差評価を獲得し、
   前記接続された位相誤差評価を前記運動補償された第１のデジタルアレイと前記運動補償された第２のデジタルアレイに供給し、前記パッチの画像を計算するステップを含んでいる方法。
8. 前記第１の強力な散乱体は、前記第１のデジタルアレイ内の各前記第１の距離ビンの第１の距離ビンパワーを計算し、前記第１の距離ビンの中から最高の第１の距離ビンパワーを有している前記第１の距離ビンの１つを選択することによって位置を突き止められる請求項７記載の方法。
9. 前記第２の強力な散乱体は、前記第２のデジタルアレイ内の各第２の距離ビンの第２の距離ビンパワーを計算し、前記第２の距離ビンの中から最高の第２の距離ビンパワーを有している前記第２の距離ビンの１つを選択することによって位置を突き止められる請求項８記載の方法。
10. 前記最適化された位相は最小二乗法則を使用して前記オーバーラップで前記第１の誤差評価と前記第２の誤差評価との間の差を最小にする請求項９記載の方法。
11. 前記オーバーラップは、前記第１のアレイにおける第３の数のパルスと、前記第２のアレイにおける第３の数のパルスとを含んでいる請求項１０記載の方法。
12. 前記オーバーラップに含まれる前記第３の数のパルスは前記第１のアレイ中に含まれる前記第１の数のパルスの１０％以上である請求項１１記載の方法。

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