JP2010066131A

JP2010066131A - 画像レーダ装置および画像レーダシステム

Info

Publication number: JP2010066131A
Application number: JP2008232802A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Tsuchida; 正芳土田; Toshio Wakayama; 俊夫若山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2010-03-25

Abstract

【課題】演算量が少なく、計算負荷および計算要求の小さな画像レーダ装置および画像再生装置を得る。
【解決手段】１つの送信アンテナ１０と複数の受信アンテナ１１及び１２を用いて、送信アンテナ１０から放射され観測対象で反射されたレーダビームを複数の受信アンテナ１１及び１２で受信する画像レーダ装置であって、受信アンテナ１１及び１２と送信アンテナ１０との間隔の２乗がレーダ波長と観測対象のレンジとの積の２倍に比べ十分に小さくなるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、１つの送信アンテナと複数の受信アンテナを用いて、送信アンテナから放射され観測対象で反射されたレーダビームを複数の受信アンテナで受信する画像レーダ装置および画像レーダシステムに関するものである。

合成開口レーダの観測において、アジマス方向の高分解能化とレンジ方向の観測領域の拡大を同時に行うことは難しい。これはそれぞれを実現するために必要なパルス繰り返し周波数（以下、パルス繰り返し周波数をＰＲＦと称す。ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）に対する要求が相反するためである。アジマス方向の高分解能化には、ドップラー帯域以上の高いＰＲＦが要求される。一方、レンジ方向の観測領域の拡大には、観測領域の拡大に伴うエコーの受信時間増加に応じて、低いＰＲＦが要求される。

そこで、レンジ方向の観測領域拡大とアジマス方向の高分解能化を同時に実現すべく、複数のレーダビームを用いる合成開口レーダの観測方式がある（以下、複数ビーム観測方式と呼ぶ）。例えば、１つの送信アンテナと２つの受信アンテナを用いる複数ビーム観測方式では、物理的なＰＲＦは送信アンテナでのパルス照射間隔（以下、パルス照射間隔をＰＲＩと称す。ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）の逆数となるが、実効的なＰＲＦをその２倍（つまり、ＰＲＩは半分）とすることができる。物理的なＰＲＦを低く設定できるためレンジ領域の観測領域を狭める必要がない。そして、等価的に幅の広い１つのレーダビームを形成することでアジマス分解能を改善している。

この複数レーダビーム観測方式のための従来の画像レーダシステムは、複数の受信アンテナで得た観測信号をスペクトル上で合成し、等価的な１つの受信アンテナで得た観測信号を生成した後で、画像再生処理を行っていた（例えば、非特許文献１参照）。各受信アンテナで得られた観測信号のアジマス方向のスペクトルは、物理的なＰＲＦが受信アンテナのビームの幅で決まるアジマス周波数（ドップラー周波数）帯域よりも狭いため、エイリアシング誤差を持つ。そこで、スペクトル上での合成において、このエイリアシング誤差を相殺して解消する復元フィルタ（Reconstruction Filter）を適用し、エイリアシング誤差を含まないスペクトルを得るようにしている。

G. Krieger, N. Gebert, and A. Moreira, "SAR Signal Reconstruction from Non-Uniform Displaced Phase Centre Sampling," IEEE IGARSS’04, vol.3, 20-24, ｐ.1763-1766, 2004．

従来の画像レーダシステムは、レンジ圧縮後の２次元信号上で復元フィルタを適用しエイリアシング誤差を解消していた。レンジドップラー領域において、レンジ圧縮後の１散乱点の信号は、レンジセルマイグレーション（ＲＣＭ：Range Cell Migration）を持ちレンジ方向に広がっている。このレンジ方向の範囲がＭ点、アジマス周波数方向の範囲がＮ点であるとすると、Ｌ個の受信アンテナがある場合、２次元信号上で復元フィルタを適用するためには、１レンジ当りＭ×Ｎ×Ｌの演算量が必要であり、計算負荷が高いという問題点があった。

また、復元フィルタのレンジ依存性を考慮してレンジ毎に復元フィルタを設計するため、２次元信号上での復元フィルタの適用をレンジ毎に繰り返して行う必要があり、計算負荷が高いという問題があった。

さらに、復元フィルタをレンジ圧縮後に適用するため、復元フィルタを組み込める画像再生処理のアルゴリズムが処理の第一段階でレンジ圧縮を行うものに限られ、アルゴリズム選択の自由度が低いという問題があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、演算量が少なく、計算負荷および計算要求の小さな画像レーダ装置および画像レーダシステムを得ることを目的とする。

この発明に係る画像レーダ装置は、１つの送信アンテナと複数の受信アンテナを用いて、前記送信アンテナから放射され観測対象で反射されたレーダビームを前記複数の受信アンテナで受信する画像レーダ装置であって、前記受信アンテナと前記送信アンテナとの間隔の２乗がレーダ波長と観測対象のレンジとの積の２倍に比べ十分に小さくなるようにしたことを特徴とする。

また、この発明に係る画像レーダシステムは、前記画像レーダ装置の各受信アンテナで受信されたデータを格納する格納部と、各受信アンテナのデータをアジマス方向にフーリエ変換するアジマスＦＦＴ部と、前記アジマスＦＦＴ部によりアジマス方向にフーリエ変換された各受信アンテナのデータに含まれるエイリアシング誤差を解消するための復元フィルタを適用する復元フィルタ部と、復元フィルタ適用後の複数のデータをアジマススペクトル上で合成して１つのデータにする合成部と、合成後のアジマススペクトルをアジマス方向に逆フーリエ変換するアジマスＩＦＦＴ部と、前記アジマスＩＦＦＴ部の出力に対し画像再生処理を行う画像再生部または前記合成部による合成後のレンジドップラー領域のデータに対し画像再生処理を行う画像再生部と、前記画像再生部の出力を格納する出力格納部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、受信アンテナと送信アンテナとの間隔の２乗がレーダ波長と観測対象のレンジとの積の２倍に比べ十分に小さくなるように画像レーダ装置を設計し、また、復元フィルタのレンジ依存性を解消するようにしているので、従来のように復元フィルタをレンジ毎に設計する必要がなくなり、計算負荷を大幅に軽減することができ、また、復元フィルタの適用をレンジ毎に繰り返して行う必要がなくなり、再生処理の前に一括してエイリアシング誤差を解消するため、計算負荷を大幅に軽減することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による画像レーダシステムの構成を示すブロック図である。なお、ここでは、便宜上、受信アンテナが２つある場合を想定して説明する。複数受信アンテナが２つ以上ある場合は、各受信アンテナに応じたブロックを受信アンテナ個数分用意すればよい。

図１において、この画像レーダシステムは、大別して、送信アンテナから放射され観測対象で反射されたレーダビームを受信アンテナで受信する画像レーダ装置１と、その画像再生装置２から構成される。画像レーダ装置１は、送信アンテナ１０、受信アンテナ１１、受信アンテナ１２を備える。

送信アンテナ１０、受信アンテナ１１と受信アンテナ１２は、同一のプラットフォーム上、または、それぞれが別のプラットフォーム上に設置される。なお、プラットフォームとは、人工衛星や、航空機等のレーダを搭載する移動体を指す。送信アンテナ１０から放射され観測対象領域で反射された電波は、受信アンテナ１１と受信アンテナ１２で同時に受信される。

受信アンテナ１１と受信アンテナ１２を基準とした送信アンテナ１０の位置（アジマス方向の距離）を、それぞれΔｘ_１、Δｘ_２とすると、この発明では、これら送受信アンテナの間隔を、式（１）を満たすように設計する。

人工衛星の場合、受信アンテナと送信アンテナの間隔の２乗は、レーダ波長と観測対象のレンジとの積の２倍に比べ、十分に小さく、限りなく０に近似されるため式（１）を満たす。

また、航空機の場合、受信アンテナと送信アンテナの間隔の２乗が、レーダ波長と観測対象のレンジとの積の２倍に比べ、１０^−３以下程度に設定されれば、受信アンテナと送信アンテナの間隔は十分に小さいと言え、式（１）を満たす。

ここで、Ｒ_０は観測対象領域のレンジ、λはレーダ波長である。

なお、式（１）を満たすように、受信アンテナ間隔だけでなく、レーダ波長λやレンジＲ_０を設定しても良い。

画像再生装置２は、各受信アンテナ１１及び１２で受信されたデータを格納するＲｘ１格納部２１及びＲｘ２格納部２２と、復元部２０と、画像再生部３０と、出力格納部３を備える。

復元部２０は、Ｒｘ１格納部２１とＲｘ２格納部２２とのデータのやりとり、復元部２０を構成する各部間でのデータのやりとり、画像再生部３０とのデータのやりとりを制御するもので、受信アンテナ１１と受信アンテナ１２で受信し得られたデータに対し復元フィルタを適用および合成し、エイリアシング誤差を解消したデータを復元する機能を有する。

この復元部２０は、各受信アンテナのデータをアジマス方向にフーリエ変換するＲｘ１用アジマスＦＦＴ（Fast Fourier Transform）部２３及びＲｘ２用アジマスＦＦＴ部２４と、前記アジマスＦＦＴ部によりアジマス方向にフーリエ変換された各受信アンテナのデータに含まれるエイリアシング誤差を解消するための復元フィルタを適用する復元フィルタ部２５及び復元フィルタ部２６と、復元フィルタ適用後の複数のデータをアジマススペクトル上で合成して１つのデータにする合成部２７と、合成後のアジマススペクトルをアジマス方向に逆フーリエ変換するアジマスＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）部２８を備えている。

画像再生部３０は、復元部２０と出力格納部３との間に設けられ、復元部２０の出力に対し画像再生処理を施す機能を有する。出力格納部３は、画像再生装置２の出力を格納する。

なお、この明細書において、復元部２０内の各部で示される構成は、専用の電子回路または素子を意味しているが、汎用的な中央演算装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）を搭載したコンピュータに所定の処理を実行させるコンピュータプログラムモジュールの形で構成するようにしても良い。

なお、この明細書において、フーリエ変換および逆フーリエ変換を、それぞれＦＦＴとＩＦＦＴにより行っているが、これに限るものではなく、フーリエ変換および逆フーリエ変換を行えるものであれば他の計算アルゴリズムを用いても良い。

次に動作について説明する。図２は、実施の形態１による画像レーダシステムの処理の流れを示すフローチャートである。まず、ステップＳＴ１００において、画像レーダ装置１の受信アンテナ１１と受信アンテナ１２で受信されたデータが、Ｒｘ１格納部２１とＲｘ２格納部２２にそれぞれ格納される。

ステップＳＴ２００において、復元部２０にＲｘ１格納部２１とＲｘ２格納部２２からデータが読み込まれる。それぞれのデータは、Ｒｘ１用アジマスＦＦＴ部２３とＲｘ２用アジマスＦＦＴ部２４に入力され、それぞれアジマス方向にＦＦＴされる。

ステップＳＴ２１０において、復元フィルタ部２５と、復元フィルタ部２６が、Ｒｘ１用アジマスＦＦＴ部２３とＲｘ２用アジマスＦＦＴ部２４でアジマス方向にＦＦＴされたそれぞれのデータに対し復元フィルタを適用（復元フィルタで演算）する。この復元フィルタ部２５及び２６の値Ｐ_１（ｆ_ａ）、Ｐ_２（ｆ_ａ）は、例えば式（２）で与えられる（非特許文献１参照）。

ここで、ｆ_ａはアジマス方向周波数（ドップラー周波数）を示す。このアジマス方向周波数ｆ_ａの範囲は、受信アンテナの個数をｎとした場合に、

となる。また、νはレーダの速度、ｆ_ｃはレーダ送信周波数、ｃは光の速度である。

この発明では、予め受信アンテナ間隔Δｘ_ｉｉ＝１，２が式（１）を満たすように設計しているため、復元フィルタ部２５及び２６の式（２）で表される分子における第一指数項を、式（３）のように１とおく。すなわち、復元フィルタ部２５および２６の値、Ｐ_１（ｆ_ａ）とＰ_２（ｆ_ａ）を下式で与える。

なお、ここでは、２つの受信アンテナを用いる場合の復元フィルタ部２５及び２６を式（２）で与えたが、これに限られるものではなく、同等の効果を持つ式で与えられる復元フィルタを適用しても良い。

ステップＳＴ２２０において、合成部２７が、アジマススペクトル上で復元フィルタ適用後の各受信アンテナの信号を合成し、エイリアシング誤差を相殺することで解消する。その後、ステップＳＴ２３０において、アジマスＩＦＦＴ部２８が、合成部２７の出力をアジマス方向にＩＦＦＴする。

ステップＳＴ３００において、画像再生部３０が、復元部２０の出力に対し画像再生処理を行う。この画像再生処理には、レンジドップラーアルゴリズム、チャープスケーリングアルゴリズム、オメガＫアルゴリズム、ポーラフォーマットアルゴリズム等の一般的なアルゴリズムを用いる。その後、ステップＳＴ４００において、画像再生部３０が、出力格納部３に画像再生結果を格納し、処理を完了する。

以上のように、式（１）を満たすべく、受信アンテナと送信アンテナとの間隔の２乗がレーダ波長と観測対象のレンジとの積の２倍に比べ十分に小さくなるように画像レーダ装置を設計し、復元フィルタ２５及び２６に式（３）の関係式を導入して復元フィルタ２５及び２６のレンジ依存性を解消する（観測対象領域のレンジＲ_０を用いずに演算処理できる）ようにしているので、従来のように復元フィルタをレンジ毎に設計する必要がなくなり、計算負荷を大幅に軽減することができる。

また、復元フィルタ２５及び２６の適用をレンジ毎に繰り返して行う必要がなくなり、再生処理の前に一括してエイリアシング誤差を解消するため、計算負荷を大幅に軽減することができる。

さらに、従来のように復元フィルタ２５及び２６をレンジ圧縮後の信号に適用する必要がなくなり、画像再生処理に任意のアルゴリズムを採用することができる。

実施の形態２．
以上の実施の形態１は、画像再生装置中の画像再生部に任意のアルゴリズムを採用できるよう、復元部と画像再生部の独立性を確保した構成にした形態であるが、次に画像再生部の初段の処理がアジマス方向ＦＦＴであるような場合に、復元部の最終段におけるアジマス方向ＩＦＦＴと画像再生部における初段のアジマス方向ＦＦＴを省略する実施の形態を示す。

図３は、このような場合の、実施の形態２による画像レーダシステムの構成を示すブロック図である。なお、この実施の形態２では、画像再生部にチャープスケーリングアルゴリズムを採用して説明するが、これに限るものではなく、初段にアジマス方向ＦＦＴがくるアルゴリズムであれば、他のアルゴリズムを採用しても良い。

この実施の形態２では、実施の形態１とは異なり、復元部２０にアジマスＩＦＦＴ部２８を含まない。そして、画像再生部３０が、合成部２７による合成後のレンジドップラー領域のデータに対し画像再生処理を行うように構成され、乗算器３１、レンジＦＦＴ部３２、乗算器３３、レンジＩＦＦＴ部３４、乗算器３５、アジマスＩＦＦＴ部３６を備える。

次に動作について説明する。図４は、実施の形態２による画像レーダシステムの処理の流れを示すフローチャートである。ステップＳＴ３０１において、合成部２７の出力が画像再生部３０に入力される。そして、乗算器３１が、式（４）で与えられる参照関数Ｈ_１をデータに乗算する。この参照関数Ｈ_１の乗算は、チャープスケーリング操作とよばれ、参照レンジ（通常観測対象領域中央のレンジ）Ｒ_ｒｅｆに位置する散乱点とレンジＲ_０に位置する散乱点のＲＣＭの差（差分ＲＣＭと呼ばれる）を取り除く働きをする。この結果、全てのレンジの散乱点のＲＣＭが参照レンジＲ_ｒｅｆに位置する散乱点のＲＣＭ（バルクＲＣＭと呼ばれる）と等しくなる。

ここで、Ｋ_ｍは変更ＦＭレンジレート（modified range frequency modulation rate）、Ｄ（ｆ_ａ）はマイグレーション因子（migration factor）、ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}はドップラー中心周波数である。この変更ＦＭレンジレートＫ_ｍは式（５）で与えられ、マイグレーション因子Ｄ（ｆ_ａ）は式（６）で与えられる。

ここで、Ｋ_ｒはＦＭレンジレートである。

ステップＳＴ３０２において、レンジＦＦＴ部３２が、乗算器３１の出力をレンジ方向にＦＦＴする。続くステップＳＴ３０３において、乗算器３３が、レンジＦＦＴ部３２の出力に、式（７）で与えられる参照関数Ｈ_２を乗算する。この参照関数Ｈ_２の乗算は、レンジ圧縮、２次レンジ圧縮、そして、バルクＲＣＭの補正を行う働きをもつ。

ここで、ｆ_ｒはレンジ方向周波数を表す。

ステップＳＴ３０４において、レンジＩＦＦＴ部３４が、乗算器３３の出力をレンジ方向にＩＦＦＴする。続くステップＳＴ３０５において、乗算器３５が、レンジＩＦＦＴ部３４の出力に、式（８）で与えられる参照関数Ｈ_３を乗算する。この参照関数Ｈ_３の乗算は、チャープスケーリング操作で生じた剰余位相（residual phase）を除去し、アジマス圧縮処理する働きをもつ。

ステップＳＴ３０６において、アジマスＩＦＦＴ部３６が、乗算器３５の出力をアジマス方向にＩＦＦＴし、画像再生処理を完了する。

以上のように、実施の形態２では、実施の形態１での、復元部２０の最終段におけるアジマス方向ＩＦＦＴ部２８と画像再生部３０における初段のアジマス方向ＦＦＴを省略しているので、その演算量を削減でき、計算負荷の軽減が実現できる。

この発明の実施の形態１による画像レーダシステムの構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１による画像レーダシステムの処理の流れを示すフローチャートである。この発明の実施の形態２による画像レーダシステムの構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２による画像レーダシステムの処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１画像レーダ装置、２画像再生装置、３出力格納部、１０送信アンテナ、１１，１２受信アンテナ、２０復元部、２１Ｒｘ１格納部、２２Ｒｘ２格納部、２３Ｒｘ１用アジマスＦＦＴ部、２４Ｒｘ２用アジマスＦＦＴ部、２５復元フィルタ部、２６復元フィルタ部、２７合成部、２８アジマスＩＦＦＴ部、３０画像再生部、３１乗算器、３２レンジＦＦＴ部、３３乗算器、３４レンジＩＦＦＴ部、３５乗算器、３６アジマスＩＦＦＴ部。

Claims

１つの送信アンテナと複数の受信アンテナを用いて、前記送信アンテナから放射され観測対象で反射されたレーダビームを前記複数の受信アンテナで受信する画像レーダ装置であって、
前記受信アンテナと前記送信アンテナとの間隔の２乗がレーダ波長と観測対象のレンジとの積の２倍に比べ十分に小さくなるようにした
ことを特徴とする画像レーダ装置。
請求項１に記載の画像レーダ装置の各受信アンテナで受信されたデータを格納する格納部と、
各受信アンテナのデータをアジマス方向にフーリエ変換するアジマスＦＦＴ部と、
前記アジマスＦＦＴ部によりアジマス方向にフーリエ変換された各受信アンテナのデータに含まれるエイリアシング誤差を解消するための復元フィルタを適用する復元フィルタ部と、
復元フィルタ適用後の複数のデータをアジマススペクトル上で合成して１つのデータにする合成部と、
合成後のアジマススペクトルをアジマス方向に逆フーリエ変換するアジマスＩＦＦＴ部と、
前記アジマスＩＦＦＴ部の出力に対し画像再生処理を行う画像再生部と、
前記画像再生部の出力を格納する出力格納部と
を備えたことを特徴とする画像レーダシステム。
請求項１に記載の画像レーダ装置の各受信アンテナで受信されたデータを格納する格納部と、
各受信アンテナのデータをアジマス方向にフーリエ変換するアジマスＦＦＴ部と、
前記アジマスＦＦＴ部によりアジマス方向にフーリエ変換された各受信アンテナのデータに含まれるエイリアシング誤差を解消するための復元フィルタを適用する復元フィルタ部と、
復元フィルタ適用後の複数のデータをアジマススペクトル上で合成して１つのデータにする合成部と、
合成後のレンジドップラー領域のデータに対し画像再生処理を行う画像再生部と、
前記画像再生部の出力を格納する出力格納部と
を備えたことを特徴とする画像レーダシステム。
一つの送信アンテナから放射され、観測対象で反射されたレーダビームを複数の受信アンテナで受信する画像レーダシステムであって、
前記複数の受信アンテナと前記一つの送信アンテナの間隔、レーダ波長、観測対象のレンジに基づく演算結果により、
各受信アンテナのデータに含まれるエイリアシング誤差を解消する復元フィルタの演算処理のレンジを含む指数項が１になる
ことを特徴とする画像レーダシステム。
一つの送信アンテナから放射され、観測対象で反射されたレーダビームを複数の受信アンテナで受信する画像レーダシステムであって、
前記複数の受信アンテナと前記一つの送信アンテナの間隔、レーダ波長、及び、観測対象のレンジに基づく演算結果により、
各受信アンテナのデータに含まれるエイリアシング誤差を解消する復元フィルタが、前記複数の受信アンテナと前記一つの送信アンテナの間隔、レーダの速度、ドップラー周波数、パルス繰り返し周波数のみに基づき演算処理する
ことを特徴とする画像レーダシステム。