JP2013533479A - 少なくとも１つの電磁波反射器を用いてｓａｒ画像により地表移動を測定する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＡＲ干渉測定用の１つの地面測定点を形成可能とし、２つの補助的な幾何学的取得配置に有効で、設置が容易で、かつ降水、風及び地域の動物による危害などの共通する自然現象の危害に耐性がある電磁波反射器を用いてＳＡＲ画像により地表移動を測定する装置を提供する。
【解決手段】この装置は、人工衛星又は航空機に設置される少なくとも１台のＳＡＲレーダー（１０）と、測定箇所の地表に設置される少なくとも１台の電磁波反射器（１）とを備えている。ＳＡＲレーダーは、電磁信号（６０）を反射器に送信する手段（１１）と、反射器で反射された電磁信号（６１）を取得する手段（１２）とを備えるとともに、上昇軌道（５０）及び下降軌道（５１）に沿って反射信号を取得する。反射器は、上昇軌道及び下降軌道に沿ってＳＡＲレーダーから送信される信号をそれぞれ反射する第１の三面体（２）及び第２の三面体（３）を一体的に備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの電磁波反射器を用いてＳＡＲ画像により地表移動を測定する装置に関する。

本発明は、ＳＡＲ干渉技術に基づいて、移動を高精度に測定する装置に関する。合成開口レーダー（ＳＡＲ）システムは、一般的に４００Ｍｈｚ〜１０Ｇｈｚの周波数で動作し、高度２５０〜８００ｋｍを周回する航空機や人工衛星のプラットフォームに通常装着されることが知られている。レーダーのアンテナは、プラットフォーム（航空機又は人工衛星）の移動方向に対して直交して地球に向いており、天底方向、すなわち地面の垂直方向に対して２０〜８０°ずれた、いわゆる「オフ天底」角度を有する。

このようなシステムによって、雲量及び太陽光の存在の有無にかかわらず、空間分解能が１メートル未満の地表の画像を生成することができる。同一の目的エリアについて複数の時点で取得したいくつかのＳＡＲ画像を適切に繋ぎ合わせて何枚かのインターフェログラムを生成する（これは、すでに論文に十分に記述されている）ことによって、場合によっては、地表移動を高精度に測定することが可能となり、レーダー信号の位相情報を用いることにより、年間１ｍｍ未満の実体の差動運動（例えば、地震断層、地滑りが起きた領域、沈下、緩慢地動等による差動運動など）をも検出することができる。基本的な考え方としては、いずれにしても、複数回取得したセンサ目標までの距離を比較することと、いかなる移動も強調することである。特に、ＳＡＲ干渉法に基づく測定技術の中では、産業上の利用の明確な例として、ＰＳＩｎＳＡＲ（商標）技術が言及される。

ＳＡＲ衛星レーダーに基づく地表移動の測定システムが有効なのは、レーダーパルスが、干渉測定に使用される適切な信号対ノイズ比を確保するのに十分なエネルギーを蓄えた状態で、地表の地物から反射され得るときである。このような場合、振幅値に加えて、センサ目標の距離に応じたレーダー信号の位相データが用いられる。リターン信号は、地表の性質によって大きく影響を受ける。そのため、場合によっては、特に構造物や岩石が露出していない植生地域では、そのような信号は、地表と作用しあうと移動の推定に使用できなくなるほど極めて弱くなる。

地表の不都合な物理的性質を埋め合わせるために、人工反射器、すなわち、送信された信号のかなりの部分を発信源のアンテナに向けて反射させるように特に研究された装置を使用することができる。この人工反射器は、一般的に（通常三面体に似た形状を有する）金属体に相当し、監視領域に適切に設置され、適した基台を用いて監視する対象の地表と一体化される。

このような装置は、従来の測地測量に用いられるいわゆる「照準器」に似ており、その「レーダー痕跡」は、経時的に安定しているべきである。すなわち、当該装置に対応するレーダー反射率は、振幅値と位相値の両方について安定していて確実であるべきである。干渉測定の利用では、特に人工反射器は、干渉ＳＡＲデータを用いて、実際の監視上のポイントである位相中心を時間が経っても常に正確に測定できるように、大気の事象に対して十分に強固であるべきである。

人工反射器は、ＳＡＲ画像においてかなり目立つレーダー測定点を形成するが、これは、この装置を特徴付ける等価レーダー領域（文献では、しばしばレーダー反射断面積又はＲＣＳとして知られる。）が高い値であることによる。信号対ノイズ比は通常、振幅値と後方散乱信号の位相値の両方について非常に高く、干渉測定利用ではこれらを有効に使用できる。

人工反射器の技術は既知であり文献にも記述されているが、ＳＡＲレーダーによる移動測定にこれまで使用されてきた人工反射器は、特定の幾何学的取得配置にのみ有効である。特に、ＳＡＲ衛星データについては、上昇軌道型（すなわち、南から北への動きに追随して目的領域を照らす衛星）又は下降軌道型（すなわち、北から南に動く衛星）のいずれかに対してのみ良好な反射率を得るように、今日の人工反射器は設計されている。

ある軌道に沿って繰り返して複数の時点でデータを取得すると、つまり特定の幾何学的取得配置を用いてデータを取得すると、地面のセンサ目標に繋がる線に平行な移動ベクトルの単一成分を測定することができる。照準線に直交する方向の移動は、距離変動を生じさせないので、レーダーアンテナと測定点との間の距離値同士を比較しても気付かない場合がある。干渉測定は、単一成分測定（すなわち一次元測定）であり、同一測定点に関して別の補完的な幾何学的取得配置で同時に得られた２以上の測定結果を組み合わせることでのみ、移動ベクトルの２つ又は３つの成分を抽出することができ得る。

このような理由のため、特定の領域について二次元の情報が欲しい場合に、例えば移動ベクトルの少なくとも２つの成分を得ることが重要な時に、人工反射器を使用して好ましくない地表上に信頼できる測定点を形成するには、各所望の測定点に対して少なくとも２つの反射器を設置することになる。具体的には、今日利用可能な衛星レーダーデータに関しては、有効な人工反射器を上昇軌道上に設置するとともに、その人工反射器に隣接させて別の有効な人工反射器を下降軌道上に設置しなければならない。

しかしながら、２つのレーダー反射器は、どんなに近くても異なる２つの位相中心を有し、両反射器の測定点は厳密には同じではなく、これらの２つの位相中心を確実に互いと完全に一体化することは非常に複雑である。干渉法の測定はサブミリ精度を有し得ること、従って位相中心が一体と考えられるものの２つ存在することを留意することが重要である。これは特に同じように２つの反射器を伴わない「現場」効果の可能性を考慮すると、決して些細なことではない。

本発明の目的は、ＳＡＲ干渉測定用の１つの地面測定点を形成可能とし、２つの補助的な幾何学的取得配置（例えば上昇型と下降型の軌道）に有効で、設置が容易で、かつ降水（雨、雪、及び霰現象）、風及び地域の動物（例えばシカや蹠行動物）による危害などの共通する自然現象の危害に耐性があり、ＧＰＳアンテナによっても監視される電磁波反射器を用いてＳＡＲ画像により地表移動を測定する装置を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の装置は、人工衛星又は航空機に設置された少なくとも１台のＳＡＲレーダー（１０）と、測定箇所の地表に設置された少なくとも１台の電磁波反射器（１）とを備えたＳＡＲ画像により地表移動を測定する装置であって、前記少なくとも１台のＳＡＲレーダー（１０）は、電磁信号（６０）を前記反射器に送信する手段（１１）と、その反射器で反射された電磁信号（６１）を取得する手段（１２）とを備え、前記ＳＡＲレーダーは、上昇軌道（５０）及び下降軌道（５１）に沿って反射信号を取得するようになっている装置において、前記反射器は、上昇軌道（５０）に沿ってＳＡＲレーダーから送信される信号を反射するように構成された第１の三面体（２）と、下降軌道（５１）に沿ってＳＡＲレーダーから送信される信号を反射するように構成された第２の三面体（３）とを一体的に備え、前記第１の三面体（２）及び前記第２の三面体（３）は、２つの側面（２１、２２、３１、３２）及び１つの底面（２３、３３）をそれぞれ備え、前記側面（２１、２２、３１、３２）は互いに、かつ前記底面（２３、３３）にそれぞれ直交し、前記第１の三面体（２）及び前記第２の三面体（３）は、エッジ（５）及び頂点を共有するが、側面及び底面は共有しないことを特徴とするものである。

本発明の装置によれば、上記の目的は、請求項１に記載される地表移動をＳＡＲ画像により測定する装置によって達成される。

本発明からなるＳＡＲ画像により地表移動を測定する装置である。 図１に示す測定装置の電磁波反射器の斜視図である。 図２に示す反射器の前面図である。 図２に示す反射器の上面図である。 図２に示す反射器のカバーが閉められた状態の前面図である。 図５に示す反射器の上面図である。 上昇軌道に沿った経路に関してのＳＡＲ画像による反射率マップである。 下降軌道に沿った経路に関してのＳＡＲ画像による反射率マップである。 本発明に従って用いた反射器の上昇の反射率の履歴系列を示す。 本発明に従って用いた反射器の下降の反射率の履歴系列を示す。

図１は、本発明に係るＳＡＲ画像により地表移動を測定する装置を示す。この装置は、衛星型であるか航空機に設置されて上昇軌道５０及び下降軌道５１に沿ってＳＡＲ画像を取得するようになっているＳＡＲレーダー１０を備えている。この装置は、電磁波反射器１を少なくとも１台を備えており、この電磁波反射器１は地表部分や測定目的領域に設置され、ＳＡＲレーダーの受信アンテナ１２に向かって、ＳＡＲレーダー１０の上昇軌道５０及び下降軌道５１の両方に沿って送信信号の相当の部分を反射するように構成されている。このため、反射器１は、上昇軌道に沿ってＳＡＲレーダーの送信アンテナ１１から発射される信号６０を反射可能な第１の三面体１と、下降軌道に沿ってＳＡＲ源から発射される信号６０を反射するようになっている第２の三面体２とを備える。ＳＡＲレーダー１０は、反射信号６１を受信可能であり、それによりＳＡＲ画像によって地表移動をより正確に測定することができる。送信アンテナ及び受信アンテナは、１台のアンテナで構成されることが好ましい。

反射器１は、ＳＡＲレーダー１０に対して単一の位相中心からなる。そのような装置によって、非常に正確な地表のＳＡＲ画像を取得し得る。同一の目的エリアに対して複数の時点で取得したいくつかのＳＡＲ画像を適切に繋ぎ合わせて何枚かのインターフェログラムを生成することによって、地表移動を高精度に測定することが可能となり、レーダー信号の位相情報を用いることにより、年間１ｍｍ未満の実体の差動運動（例えば、地震断層、地滑りが起きた領域、沈下や緩慢地動等による差動運動など）をも検出することができる。

図２〜６は、本発明に係るＳＡＲ画像測定装置の電磁波反射器１を示す。パッシブ型の反射器１は、第１の三面体２及び第２の三面体３を備えており、これらは頂点４及びエッジ５を共通に有するが、側面及び底面は共通ではない。第１の三面体２は、側面２１、２２及び底面２３を備えており、第２の三面体３は側面３１、３２及び底面３３を備えている（図２〜４）。側面２１、２２及び３１、３２は共通のエッジ５を有しており、互いにかつ三面体２及び３の底面２３、３３に、それぞれ直交するように配置されている。底面２３及び３３は、頂点４のみを共通に有している。更に、第１の三面体２及び第２の三面体の隣接する側面２１、３２及び２２、３１は、互いに直交している。

反射器１は、支持体６によって地表から所定の高さに設置されることが好ましい。この支持体６によって、三面体１及び２の方向付け、すなわち底面２３及び３３の方向を決めることができる。

反射器１は、反射器の識別のために反射器の上面に設置されるＧＰＳアンテナ８を更に備えることが好ましい。

側面２１〜２２及び３１〜３２並びに底面２３及び３３は金属材料から形成されるが、更に網状や有孔状に構成されることが好ましい。通常、網状の側面は、三面体が共振する周波数を選択して、他の周波数を透過するために用いられる。更に、孔の方向が、入射する電磁波の偏光の型を選択するため、例えば水平ではなく垂直な偏光のパルスを発射するレーダーが反射器を確認できるようになるが、その逆もまた同様である。

三面体１及び２の側面２１、２２及び３１、３２と、底面２３及び３３と、支持体６とは、全て解体可能かつ再組立可能な部品からなることが好ましい。また、側面２１と３１とが１枚の板であり、側面２２と３２とが別の１枚の板であることが好ましい。これらの板は、網目を有するものが好ましく、それにより板自体が軽量化されて、その運搬が容易になる。

反射器１は、電磁波を透過する材料で形成されるカバー９を備えることが好ましい（図５及び６）。このカバー９は、三面体１及び２並びに任意のＧＰＳアンテナ８を完全に覆い、これらの内部になんらかの物質が蓄積することを防ぐものである。

三面体２の側面２１、３１と三面体３の側面２２、３２との間に、いくつかの支持棒７を設けることが好ましい。

パッシブな反射器のサイズによって等価レーダー領域が決まり、この等価レーダー領域の有用な値は、原則的にＳＡＲ装置１０のアンテナと反射器１との間の照準角と、ＳＡＲレーダーが使用する波長と、反射器１が設置される地表の種類とによって決まる。通常、干渉測定の用途に現在用いられているＳＡＲレーダーの三面体の側面の一般的な大きさは、５０〜１００ｃｍの間であると考えられる。

図７は、試験領域のＳＡＲ画像から得た反射率マップを示す。この画像は上昇軌道に沿った経路に関するもので、本発明に係る７つの二重三面体型反射器ＡＲ１．．．ＡＲ７に対応する７つの非常に明るい画素が確認される。図８は、下降軌道に沿って同一の領域について同じレーダーセンサで得られた画像を示し、同じ７つの反射器ＡＲ１．．．ＡＲ７が確認される。この反射率マップは、本発明に係る７つの二重三面体型反射器ＡＲ１．．．ＡＲ７を低反射率の領域に設置して、上昇及び下降の両方の軌道について人工衛星ＲＡＤＡＲＳＡＴ１が得たＳＡＲデータを用いて作成したものである。

このセンサで、上昇軌道と下降軌道の両方に沿って同一領域を数回検出した。各取得は、前回の取得から２４日空けて行われた。第１回目の上昇及び下降の取得では反射器を領域に設置せず、その後の取得では設置して全く移動させなかった。これにより、時間的反射率の系列を作成した。この系列において、反射器の設置後は、反射器が設置された領域に対応する画素の輝度がいかに著しく上昇したかが示されている。

図９及び図１０は、上記７つの反射器ＡＲ１．．．ＡＲ７のうちの１つ（図７、図８の反射率マップのＡＲ２）の上昇及び下降についての反射率の履歴系列をそれぞれ示す。符号Ｐで示される時点において使用領域上に反射器ＡＲ２を設置した後に、輝度が上昇していることが分かる。この輝度の上昇が示唆するのは、干渉測定を可能にするような信号対ノイズ比が著しく向上したということである。

最先端技術に対して、１つの位相中心で二重に反射する幾何学的配置という重要な利点に加えて、本発明は（上昇軌道用と下降軌道用の）２つの従来の反射器を使用する場合に比べて設置コストを下げること、同じ等価レーダー領域の２つの従来の反射器を使用することに伴う体積を減少させること、そして電磁波を透過する材料で形成され、かつ電磁波の反射能力を劇的に低下させかねない三面体内の外部因子（例えば、葉や砂等々）の蓄積を防止するカバーによって、反射率の変動に対する安定の強化を達成することを可能にする。

１ 電磁波反射器
２ 第１の三面体
３ 第２の三面体
４ 頂点
５ エッジ
６ 支持体
７ 支持棒
８ ＧＰＳアンテナ
９ カバー
１０ ＳＡＲレーダー
２１、２２、３１、３２ 側面
２３、３３ 底面
５０ 上昇軌道
５１ 下降軌道
６０、６１ 電磁信号

上記の目的を達成する本発明の装置は、人工衛星又は航空機に設置された少なくとも１台のＳＡＲレーダー（１０）と、測定箇所の地表に設置された少なくとも１台の電磁波反射器（１）とを備えたＳＡＲ画像により地表移動を測定する装置であって、前記少なくとも１台のＳＡＲレーダー（１０）は、電磁信号（６０）を前記反射器に送信する手段（１１）と、その反射器で反射された電磁信号（６１）を取得する手段（１２）とを備え、前記ＳＡＲレーダーは、上昇軌道（５０）及び下降軌道（５１）に沿って反射信号を取得するようになっており、前記反射器は、上昇軌道（５０）に沿ってＳＡＲレーダーから送信される信号を反射するように構成された第１の三面体（２）と、下降軌道（５１）に沿ってＳＡＲレーダーから送信される信号を反射するように構成された第２の三面体（３）とを一体的に備え、前記第１の三面体（２）及び前記第２の三面体（３）は、２つの側面（２１、２２、３１、３２）及び１つの底面（２３、３３）をそれぞれ備え、前記側面（２１、２２、３１、３２）は互いに、かつ前記底面（２３、３３）にそれぞれ直交する装置において、前記第１の三面体（２）及び前記第２の三面体（３）は、エッジ（５）及び頂点を共有するが、側面及び底面は共有しないことを特徴とするものである。

Claims (11)

1. 人工衛星又は航空機に設置された少なくとも１台のＳＡＲレーダー（１０）と、測定箇所の地表に設置された少なくとも１台の電磁波反射器（１）とを備えたＳＡＲ画像により地表移動を測定する装置であって、
   前記少なくとも１台のＳＡＲレーダー（１０）は、電磁信号（６０）を前記反射器に送信する手段（１１）と、その反射器で反射された電磁信号（６１）を取得する手段（１２）とを備え、
   前記ＳＡＲレーダーは、上昇軌道（５０）及び下降軌道（５１）に沿って反射信号を取得するようになっている装置において、
   前記反射器は、上昇軌道（５０）に沿ってＳＡＲレーダーから送信される信号を反射するように構成された第１の三面体（２）と、下降軌道（５１）に沿ってＳＡＲレーダーから送信される信号を反射するように構成された第２の三面体（３）とを一体的に備え、
   前記第１の三面体（２）及び前記第２の三面体（３）は、２つの側面（２１、２２、３１、３２）及び１つの底面（２３、３３）をそれぞれ備え、
   前記側面（２１、２２、３１、３２）は互いに、かつ前記底面（２３、３３）にそれぞれ直交し、
   前記第１の三面体（２）及び前記第２の三面体（３）は、エッジ（５）及び頂点を共有するが、側面及び底面は共有しないことを特徴とする装置。
2. 第１の三面体（２）及び第２の三面体（３）の側面（２１、２２、３１、３２）及び底面（２３、３３）は、有孔な金属材料からなる請求項１に記載の装置。
3. 底面（２３、３３）を方向付けることによって第１の三面体（２）及び第２の三面体（３）を方向付けることを可能とするようになっている支持体（６）を備えた請求項１に記載の装置。
4. 第１の三面体（２）及び前記第２の三面体（３）の側面（２１、２２、３１、３２）及び底面（２３、３３）並びに支持体（６）が、解体可能かつ再組立可能な部品からなる請求項３に記載の装置。
5. 反射器の上面に配置されたＧＰＳアンテナ（８）を備えた請求項１に記載の装置。
6. 電磁波を透過する材料からなり、第１の三面体（２）及び第２の三面体（３）の両方を覆うことができるカバー（９）を備えた請求項１に記載の装置。
7. 第１の三面体（２）と第２の三面体（３）とを一体的に備え、
   前記第１の三面体（２）及び前記第２の三面体（３）は、２つの側面（２１、２２、３１、３２）及び１つの底面（２３、３３）をそれぞれ備え、
   前記側面（２１、２２、３１、３２）は、互いにかつ前記底面（２３、３３）にそれぞれ直交し、
   前記第１の三面体（２）及び前記第２の三面体（３）は、エッジ（５）及び頂点を共有するが、側面及び底面は共有しないことを特徴とする電磁波反射器。
8. 第１の三面体（２）及び第２の三面体（３）の側面（２１、２２、３１、３２）及び底面（２３、３３）が、有孔な金属材料からなる請求項７に記載の反射器。
9. 底面（２３、３３）を方向付けることによって第１の三面体（２）及び第２の三面体（３）を方向付けることを可能とするようになっている支持体（６）を備えた請求項７に記載の反射器。
10. 第１の三面体（２）及び第２の三面体（３）の側面（２１、２２、３１、３２）及び底面（２３、３３）並びに支持体（６）が、解体可能かつ再組立可能な部品からなる請求項９に記載の反射器。
11. 電磁波を透過する材料からなり、第１の三面体（２）及び第２の三面体（３）の両方を覆うことができるカバー（９）を備えた請求項７に記載の反射器。

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