JP2011191099A

JP2011191099A - 合成開口レーダ装置

Info

Publication number: JP2011191099A
Application number: JP2010055530A
Authority: JP
Inventors: Hideki Hasegawa; 秀樹長谷川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2011-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: JP5573256B2

Abstract

【課題】航空機や衛星等の移動プラットフォームに送信アンテナを搭載し、地上に受信アンテナを設置し、ＧＰＳ受信機で受信したＧＰＳ信号を用いて、送信アンテナと受信アンテナの時刻同期を行うバイスタティック合成開口レーダ装置において、ＧＰＳ信号の精度が劣化した場合にも、ぼけのない合成開口レーダ画像を得る。
【解決手段】送信側レーダとは異なる位置に設けられて離間配置された第１、第２の受信用アンテナを設け、第１、第２の受信用アンテナから受信した高周波パルス信号の位相差の観測値から、送信側レーダの時刻同期用信号と受信側レーダの時刻同期用信号の時刻同期誤差を求め、求めた時刻誤差によって第１、第２の受信用アンテナからの高周波パルス信号の位相補正を行い、合成開口処理を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、航空機や衛星等に搭載する合成開口レーダ(SAR:Synthetic Aperture Radar)装置に係り、特に、地表や海面を観測し、画像化する合成開口レーダ装置に関する。

合成開口レーダは、航空機や衛星等の移動プラットフォームに搭載され、移動しつつ進行方向の側方に電波を送受信して地表や海面の観測を行うことにより、二次元の高分解能画像を得るレーダである（例えば、特許文献１参照）。また、バイスタティックレーダは、電波の送信アンテナと受信アンテナを異なる位置に設置するレーダである（例えば、非特許文献１参照）。これらを組み合わせたレーダは、バイスタティック合成開口レーダと呼ばれる。

特開２００１−１８８０８４号公報

Alvin S. Goh 他、"The Ingara Bistatic SAR Upgrade: First Results"、IEEE Radar Conference Sep. 2008

バイスタティック合成開口レーダ装置の運用形態として、送信アンテナを航空機あるいは衛星に搭載し、受信アンテナを地上に設置することがある。その際、別々に運用される送信側と受信側とで両者の時刻を同期させる。この時刻を同期させる手段としては、ＧＰＳ受信機を用いる方法がある。精度の良いＧＰＳ受信機を用いることにより、数ｎｓ〜数十ｎｓの時刻同期精度が期待できる。

ただし、ＧＰＳ信号の受信状況があまり期待できない環境で運用する場合や、ＧＰＳ衛星が老朽化した場合等、ＧＰＳの時刻精度が劣化してしまった場合には、上記時刻同期の精度が劣化する。この劣化は、合成開口レーダ画像に誤差を生じ、画像をぼけさせてしまうという問題があった。

この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、送信アンテナと受信アンテナを異なる位置に設置する際、ＧＰＳ受信機による送信側と受信側の時刻同期精度の劣化を抑えることのできる合成開口レーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る合成開口レーダ装置は、移動プラットフォームに搭載され、高周波パルス信号を空間に放射する送信用アンテナと、移動プラットフォームに搭載され、送信側時刻同期用信号を用いて時刻の同期を行い、同期した時刻にあわせて高周波パルス信号を生成し、上記送信用アンテナに出力する励振機及び信号処理器と、移動プラットフォームに搭載され、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、受信したＧＰＳ信号を元に上記送信側時刻同期用信号を生成し、上記励振機及び信号処理器に上記送信側時刻同期用信号を出力する送信側ＧＰＳ受信機とを有した送信側レーダと、上記送信側レーダとは異なる位置に設けられ、上記送信用アンテナで送信されてターゲットで反射した高周波パルス信号を受信する第１の受信用アンテナと、上記送信側レーダとは異なる位置に配置され、上記送信用アンテナで送信され、ターゲットで反射した高周波パルス信号を受信し、上記第１の受信用アンテナに対して上記移動体プラットフォームの移動方向に離間配置された第２の受信アンテナと、上記送信側レーダとは異なる位置に配置され、受信側時刻同期用信号を用いて時刻の同期を行い、同期した時刻にあわせて上記第１、第２の受信用アンテナからの高周波パルス信号を受信する受信機及び信号処理器と、上記送信側レーダとは異なる位置に配置され、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、受信したＧＰＳ信号を元に上記受信側時刻同期用信号を生成し、上記受信機及び信号処理器に上記受信側時刻同期用信号を出力する受信側ＧＰＳ受信機とを有した受信側レーダと、を備え、上記受信機及び信号処理器は、上記第１、第２の受信用アンテナから受信した高周波パルス信号の位相差の観測値から、上記送信側時刻同期用信号と上記受信側時刻同期用信号との時刻同期誤差を求め、求めた時刻誤差によって上記第１、第２の受信用アンテナからの高周波パルス信号の位相補正を行い、合成開口処理を行うものである。

この発明に係る合成開口レーダ装置は、ＧＰＳ受信機による送信側レーダと受信側レーダの時刻同期誤差による、合成開口レーダ画像の劣化を抑えることができる。

この発明に係る実施の形態１による合成開口レーダ装置の構成を示す図である。この発明に係る実施の形態１による合成開口レーダ装置の信号処理の流れを示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による合成開口レーダ装置の構成を示す図である。図において、実施の形態１の合成開口レーダ装置は、航空機や衛星等の移動プラットフォームに搭載された送信用アンテナ１と、上記移動プラットフォームに搭載された励振機及び信号処理器２と、上記移動プラットフォームに搭載されたＧＰＳ受信機３からなる送信側レーダと、地上に設けられた第１の受信用アンテナ５と、地上に設けられた第２の受信用アンテナ６と、地上に設けられた受信機及び信号処理器７と、地上に設けられたＧＰＳ受信機８からなる受信側レーダによって構成されて、バイスタティック合成開口レーダを構成する。第１の受信用アンテナ５と第２の受信用アンテナ６は、一定距離だけ離して設置される。

励振機及び信号処理器２は、高周波パルス信号を生成する。送信用アンテナ１は、励振機及び信号処理器２により生成された高周波パルス信号を空間に放射する。励振機及び信号処理器２は、ＧＰＳ受信機３からの時刻同期用の信号（送信側時刻同期用信号）を用いて地上の受信側との時刻の同期を行う。励振機及び信号処理器２は、当該送信側時刻同期用信号により同期した時刻にあわせて高周波パルス信号を生成し、送信用アンテナ１に出力する。ＧＰＳ受信機３は、ＧＰＳ衛星４からのＧＰＳ信号を受信し、このＧＰＳ信号を元に時刻同期用の信号を励振機及び信号処理器２に出力する。ＧＰＳ衛星４は、地球の周りを周回し、位置及び時刻の情報を送信する。

第１の受信用アンテナ５は、送信用アンテナ１から送信され、ターゲットで反射した高周波パルス信号を受信する。第２の受信用アンテナ６は、第１の受信用アンテナ５と同じく送信用アンテナ１から送信され、ターゲットで反射した高周波パルス信号を受信する。ＧＰＳ受信機８は、ＧＰＳ衛星からの信号を受信し、この信号を元に時刻同期用の信号（受信側時刻同期用信号）を受信機及び信号処理器７に出力する。受信機及び信号処理器７は、ＧＰＳ受信機８からのＧＰＳ信号を用いて航空機あるいは衛星の送信側との時刻の同期を行う。また、受信機及び信号処理器７は、当該同期した時刻にあわせて、第１、第の受信用アンテナ５，６で受けた高周波パルス信号をそれぞれ受信するとともに、当該２つのアンテナで受信した各々の高周波パルス信号を用いて時刻の誤差を求め、フォーカスしたＳＡＲ画像を得るためのＳＡＲ信号処理を行う。

次に、受信機及び信号処理器７において、フォーカスしたＳＡＲ画像を得るためのＳＡＲ信号処理について説明する。第１の受信用アンテナ５と第２の受信用アンテナ６は、合成開口レーダ装置の送信側レーダを搭載した移動プラットフォームの移動方向と平行になるように、互いに離れて設置される。ここでは第１、第２の受信用アンテナ５、６の移動プラットフォームに対する移動方向の設置位置を各々ｘ１、ｘ２とする。好ましくは、第１の受信用アンテナ５と第２の受信用アンテナ６は、移動プラットフォームの移動軌道上の真下にあると良い。なお、第１、第２の受信用アンテナ５、６が移動プラットフォームの移動軌道と平行になるように、第１、第２の受信用アンテナ５、６の設置位置を予め調整しておくと良い。

受信機及び信号処理器７は、第１，第２の受信用アンテナ５，６を介してそれぞれ得られた受信信号について、各々ＳＡＲ画像再生処理を行う。ここで、第１，第２の受信用アンテナ５，６を介してそれぞれ得られる同じターゲットからの現在時刻ｔにおける受信信号位相φ１、φ２は、次式で表される。

式（１）、（２）において、λは送信用アンテナ１から放射される既知の送信電波の波長（レーダ波長）、vは移動プラットフォームの移動速度、Δｔは上記送信側時刻同期用信号と受信側時刻同期用信号との時刻同期誤差、AzはＳＡＲ画像におけるターゲットのアジマス方向の位置、Rtは送信側レーダの移動軌道とターゲットの間の距離（レンジ）、Rrは受信側レーダの移動軌道とターゲットの間の距離（レンジ）、ｃは送信用アンテナ１から放射される送信電波の搬送波速度（光速）である。また、受信位相φ１，φ２の観測値は、第１，第２の受信用アンテナ５，６からの受信信号を位相検波することによって計測される（例えば、ＩＱ分離した受信信号の実部と虚部の逆正接（arctangent）を得ることで求められる）。移動速度vは移動プラットフォームに搭載された速度センサによって計測される。

この式（１）、（２）の右辺において、Δｔ以外の変数ｔ（例えばｔ＝０）、λ、v、ｘ１、ｘ２は既知であり、Az、Rt、RrはＳＡＲ画像を求めるターゲットの位置から得ることができる。また、左辺のφ１−φ２の観測値は、ＳＡＲ画像を得るために第１，第２の受信用アンテナ５，６を介してそれぞれ得られた各受信信号φ１，φ２の観測値の差分から求めることができる。

このため、第１，第２の受信用アンテナ５，６を介してそれぞれ得られた受信信号について、各々ＳＡＲ画像再生処理を行った後、式（１）、（２）を用いてΔｔの関数となるφ１−φ２の位相差分を求め、求めたΔｔの関数となる位相差分について、φ１−φ２の観測値を代入することで、時刻同期誤差Δｔの値を解くことができる。
求めた時刻同期誤差Δｔを用いて、第１，第２の受信用アンテナ５，６を介してそれぞれ得られた受信信号の位相を補正し、位相の補正された受信信号について再度ＳＡＲ画像再生処理を行うことにより、フォーカスさせたＳＡＲ画像を得ることが可能となる。

なお、ＳＡＲ画像再生処理の詳細については、例えば、「W.G.Carra et al. ,'Spotlight Synthetic Aperture Radar -Signal Processing Algorithm-',Artech House,London,1995 p.95-132」や、非特許文献２に記載されるので、ここでは説明を割愛する。

次に、実施の形態１による合成開口レーダ装置の信号処理動作の流れについて更に説明する。図２は、実施の形態１による合成開口レーダ装置の受信機及び信号処理器で実施される信号処理の流れを示す図である。

図において、ステップＳ１では、第１の受信用アンテナ５で得られた受信信号のＲＡＷデータ（生データ）に対し、ＳＡＲ画像再生処理を行い、ＳＡＲ画像１を得る。同じく、第２の受信用アンテナ６で得られた受信信号のＲＡＷデータ（生データ）に対し、ＳＡＲ画像再生処理を行い、ＳＡＲ画像２を得る。
この時点では、ＳＡＲ画像１、２は、時刻同期の誤差によって、画像がフォーカスしていないアンフォーカス状態となっている。

次に、ステップＳ２では、得られたＳＡＲ画像１，２により、同じターゲットからの位相差φ１−φ２を算出する。
ステップＳ３では、式（１）、式（２）を用いて、時間差Δｔを算出する。

ステップＳ４では、算出したΔｔ及び第１の受信アンテナ５のＲＡＷデータを用いて、再度ＳＡＲ画像再生処理を行い、フォーカスしたＳＡＲ画像１を得る。

ここで、第１の受信アンテナ５のＲＡＷデータのかわりに、第２の受信アンテナ６のＲＡＷデータを用いても良い。

以上説明した通り、実施の形態１による合成開口レーダ装置は、移動プラットフォームに搭載され、高周波パルス信号を空間に放射する送信用アンテナと、移動プラットフォームに搭載され、送信側時刻同期用信号を用いて時刻の同期を行い、同期した時刻にあわせて高周波パルス信号を生成し、上記送信用アンテナに出力する励振機及び信号処理器と、移動プラットフォームに搭載され、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、受信したＧＰＳ信号を元に上記送信側時刻同期用信号を生成し、上記励振機及び信号処理器に上記送信側時刻同期用信号を出力する送信側ＧＰＳ受信機とを有した送信側レーダと、上記送信側レーダとは異なる位置に設けられ、上記送信用アンテナで送信されてターゲットで反射した高周波パルス信号を受信する第１の受信用アンテナと、上記送信側レーダとは異なる位置に配置され、上記送信用アンテナで送信され、ターゲットで反射した高周波パルス信号を受信し、上記第１の受信用アンテナに対して上記移動体プラットフォームの移動方向に離間配置された第２の受信アンテナと、上記送信側レーダとは異なる位置に配置され、受信側時刻同期用信号を用いて時刻の同期を行い、同期した時刻にあわせて上記第１、第２の受信用アンテナからの高周波パルス信号を受信する受信機及び信号処理器と、上記送信側レーダとは異なる位置に配置され、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、受信したＧＰＳ信号を元に上記受信側時刻同期用信号を生成し、上記受信機及び信号処理器に上記受信側時刻同期用信号を出力する受信側ＧＰＳ受信機と有した受信側レーダと、を備え、上記受信機及び信号処理器は、上記第１、第２の受信用アンテナから受信した高周波パルス信号の位相差の観測値から、上記送信側時刻同期用信号と上記受信側時刻同期用信号との時刻同期誤差を求め、求めた時刻誤差によって上記第１、第２の受信用アンテナからの高周波パルス信号の位相補正を行い、合成開口処理を行うように構成する。これによって、ＧＰＳ受信機による送信側レーダと受信側レーダの時刻同期誤差による、合成開口レーダ画像の劣化を抑えることができる。
なお、実施の形態１による合成開口レーダ装置は、ＧＰＳ衛星の精度が期待できない場所でも利用可能であるため、汎用性が高い。

１送信用アンテナ、２励振機及び信号処理器、３ GPS受信機、４ GPS衛星、５第１の受信用アンテナ、６第２の受信用アンテナ、７受信機及び信号処理器、８ＧＰＳ受信機、９受信機及び信号処理器。

Claims

移動プラットフォームに搭載され、高周波パルス信号を空間に放射する送信用アンテナと、
移動プラットフォームに搭載され、送信側時刻同期用信号を用いて時刻の同期を行い、同期した時刻にあわせて高周波パルス信号を生成し、上記送信用アンテナに出力する励振機及び信号処理器と、
移動プラットフォームに搭載され、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、受信したＧＰＳ信号を元に上記送信側時刻同期用信号を生成し、上記励振機及び信号処理器に上記送信側時刻同期用信号を出力する送信側ＧＰＳ受信機と、
を有した送信側レーダと、
上記送信側レーダとは異なる位置に設けられ、上記送信用アンテナで送信されてターゲットで反射した高周波パルス信号を受信する第１の受信用アンテナと、
上記送信側レーダとは異なる位置に配置され、上記送信用アンテナで送信され、ターゲットで反射した高周波パルス信号を受信し、上記第１の受信用アンテナに対して上記移動体プラットフォームの移動方向に離間配置された第２の受信アンテナと、
上記送信側レーダとは異なる位置に配置され、受信側時刻同期用信号を用いて時刻の同期を行い、同期した時刻にあわせて上記第１、第２の受信用アンテナからの高周波パルス信号を受信する受信機及び信号処理器と、
上記送信側レーダとは異なる位置に配置され、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、受信したＧＰＳ信号を元に上記受信側時刻同期用信号を生成し、上記受信機及び信号処理器に上記受信側時刻同期用信号を出力する受信側ＧＰＳ受信機と、
を有した受信側レーダと、
を備え、
上記受信機及び信号処理器は、上記第１、第２の受信用アンテナから受信した高周波パルス信号の位相差の観測値から、上記送信側時刻同期用信号と上記受信側時刻同期用信号との時刻同期誤差を求め、求めた時刻誤差によって上記第１、第２の受信用アンテナからの高周波パルス信号の位相補正を行い、合成開口処理を行うことを特徴とした合成開口レーダ装置。