JP2014052336A - 信号処理装置およびレーダ観測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーダ装置の信号処理装置において、複数の受信アンテナや複数の受信機を装備していない簡単な構成のレーダ装置にも適用でき、広域観測と高分解能観測を両立させることを目的としている。
【解決手段】 パルス状の波動が同一の領域で反射されて受信された受信信号に基づいて観測を行うレーダ装置の信号処理装置であって、観測間でパルスの受信タイミングにおける位置ずれ量が所定の基準より大きい複数回の観測の受信信号を合成し、この合成した信号を用いて画像を再生する画像再生部と、を備えたものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、信号処理装置およびレーダ観測方法に関するものである。

合成開口レーダ、いわゆるＳＡＲ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）は、衛星や航空機などの移動体から高分解能に地表面を観測するためのレーダ装置である。従来、ＳＡＲの観測において、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、画像再生処理を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−６６１３１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来の信号処理装置においては、複数の受信アンテナや複数の受信機を装備していないレーダ装置に適用することができないという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、複数の受信アンテナや複数の受信機を装備していない簡単な構成のレーダ装置にも適用でき、広域観測と高分解能観測を両立させることを目的としている。

この発明に係る信号処理装置は、パルス状の波動が同一の領域で反射されて受信された受信信号に基づいて観測を行うレーダ装置の信号処理装置であって、観測間でパルスの受信タイミングにおける位置ずれ量が所定の基準より大きい複数回の観測の受信信号を合成し、この合成した信号を用いて画像を再生する画像再生部と、を備えたものである。

この発明は、複数の受信アンテナを装備していないレーダ装置の信号処理においても、広域観測と高分解能観測を両立させることができる。

この発明の実施の形態１による信号処理装置を示す構成図 この発明の実施の形態１による信号処理装置を説明するための説明図 この発明の実施の形態１による信号処理装置を説明するための説明図 この発明の実施の形態２による信号処理装置を示す構成図

実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１による信号処理装置においても用いる合成開口レーダであるＳＡＲ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）の基本的な処理について説明する。ＳＡＲは、衛星や航空機などの移動体から高分解能に地表面を観測するためのレーダ装置である。通常、移動体の移動方向とほぼ直交する方向に電波が放射される。電波が照射された地上の領域について、移動体の移動方向と平行な方位角（以下、アジマス方向という）は合成開口処理により高い角度分解能を得て、電波の放射方向、すなわち距離方向（以下、レンジ方向という）にはパルス圧縮処理により高い距離分解能を得る。

合成開口処理は、角度分解能を向上する処理である。一般にレーダの角度分解能は電波を空間へ放射する際に用いるアンテナの開口の大きさによって決まり、アンテナの開口が大きいほど、高い角度分解能が得られる。しかし、移動体にレーダを搭載する場合、搭載可能なアンテナの大きさには限りがある。そこでＳＡＲでは、移動しながら観測を行い、移動中の一定時間の受信信号を信号処理で合成することにより、移動経路長と同じ大きさの開口を持つアンテナと同等の角度分解能を得る。

実際の画像再生処理では、受信信号にドップラー周波数解析を行うことにより、高い角度分解能を得る。同じ目標点を長時間観測すると、レーダと目標点との間の相対速度が観測時間中に変化する。これにより、その目標点の受信信号は、相対速度の変化量に対応するドップラー周波数帯域幅をもつようになる。ドップラー周波数幅が広いほど、目標が存在する角度に関する情報量が増えるため、角度分解能が向上する。

一方、ＳＡＲは高い距離分解能を得るために、パルス圧縮処理を行うことから、その電波の放射はパルス状となる。すなわちＳＡＲはパルス波を放射する一種のパルスドップラーレーダである。したがって、高い角度分解能を得るためのドップラー周波数解析は、パルス繰り返し周波数であるＰＲＦ(Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ)で離散化された受信信号に対して行われることになる。

このとき、アジマス方向の信号処理がＰＲＦで離散化された信号に対して行われるため、観測可能なドップラー周波数は有限の帯域幅をもつ。ドップラー周波数帯域幅が広くなるほど、角度分解能は向上する。そのためには、ＰＲＦを高く設定することが望ましい。しかし、ＰＲＦを高くすると、レンジ方向の観測範囲が狭くなる。そのため、ＰＲＦはレンジ方向の観測幅と角度分解能のトレードオフによって決められる。

このようなトレードオフを緩和する方法として、特許文献１に、複数の受信アンテナをＳＡＲに装備し、複数のレーダ波を用い、ＰＲＦを上げずに受信時の空間サンプリング周波数を上げる技術が開示されている。しかし、上述のように、従来の信号処理装置においては、複数の受信アンテナや複数の受信機を装備していないレーダ装置に適用することができないという問題点があったのである。

なお、以降では、１つの受信アンテナからの１つのレーダ波を用いる基本的な処理としてのＳＡＲの画像再生技術をシングルビーム画像再生技術と呼び、１つまたは複数の受信アンテナからの複数のレーダ波を用いるＳＡＲの画像再生技術をマルチビーム画像再生技術と呼ぶことにする。

これに対し、この発明の実施の形態１による信号処理装置は、複数の受信アンテナや複数の受信機を装備していない簡単な構成のレーダ装置の信号処理においても、マルチビーム画像再生技術を可能にしようとするものである。例えば衛星に搭載済みで、１つの受信アンテナと１つの受信機のみを装備した既存のレーダ装置に対しても適用可能となる。

図１は、この発明の実施の形態１による信号処理装置を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図１において、１は位置ずれ量算出部、２ａは信号分割部、２ｂは信号分割部、３ａおよび３ｂは複数の画像再生部としてのシングルビーム画像再生部、４は画像再生部としてのマルチビーム画像再生部、５は変化抽出部、６は重畳表示部である。

図２、３は、この発明の実施の形態１による信号処理装置を説明するための説明図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図２において、１つの送受信アンテナと１つの送受信機を装備し観測信号を取得するレーダ装置が、地表面に沿って移動している衛星に搭載されている。そして、この発明の実施の形態１による信号処理装置は、地上に配置され、観測信号の情報は、衛星と地上間の通信手段で通知される。または、この発明の実施の形態１による信号処理装置は、その全部または一部が衛星や航空機に搭載されるように構成しても良い。

次に動作について説明する。この発明の実施の形態１による信号処理装置では、同じ領域を複数回の観測としての複数回の撮像を行うことを想定する。図２、３では、衛星軌道パス１の撮像（以下、１回目の撮像と呼ぶ）と衛星軌道パス２の撮像（以下、２回目の撮像と呼ぶ）の２回の周回で観測を行うようにしている。なお、２回の観測については、２回の周回で同一の衛星で観測するようにしても良いし、あるいは１回の周回で同じ諸元の２つの衛星で観測するようにしても良い。

ここで、図２において、○（白抜き丸）印で示す１回目の撮像で観測するタイミングと、●（黒丸）印で示す２回目の撮像で観測するタイミングがちょうど交互になるようにずれている（以下、観測するタイミング、すなわちパルスの受信タイミングを空間サンプリングのタイミングと呼ぶ）。これにより、各々の単独の撮像と比べて、両撮像信号を用いれば、空間サンプリング周波数を倍にすることができる。そのため、ＰＲＦを上げることなく角度分解能を上げることが可能となる。

ただし、空間サンプリングのタイミングが２回の撮像で同じとなる場合は、空間サンプリング周波数が実質として上がらないため、高分解能化することができない。そこで、図１〜３において、位置ずれ量算出部１は、１回目の軌道情報と２回目の軌道情報を用いて、２回の撮像における空間サンプリングのタイミングを比較し、位置ずれ量を算出する。信号分割部２ａ、２ｂは、位置ずれ量が所定の基準より大きい観測区間を判定し、１回目の撮像信号、２回目の撮像信号からそれぞれ空間サンプリングのタイミングの位置ずれが大きい時間帯である区間Ｂを抽出して分割し、この分割した時間帯の受信信号をマルチビーム画像再生部４に出力する。

マルチビーム画像再生部４は、分割された区間Ｂの１回目の撮像信号と２回目の撮像信号を合成することによりマルチビーム画像再生としてＳＡＲ画像の再生を行う。重畳表示部６は、再生されたＳＡＲ画像を画面に表示する。

このとき、図２、３に示すように、衛星軌道のパスごとに電波の送信タイミングをずらすことにより、空間サンプリング周波数を高くし、偽像を低減することも可能である。すなわち、合成した空間サンプリングのタイミングにより空間サンプリング周波数が倍になり、周波数の折り返しがなくなるので、アジマスアンビギュイティの少ない画像を再生でき、パス１の画像やパス２の画像において背景の暗い領域で目立つ偽像を、複数パス合成画像において抑圧することが可能となる。

一方、図３において、区間Ａ、Ｃにおいては、空間サンプリングのタイミングのずれが小さい。このような時間帯は、２つの撮像信号をマルチビーム画像再生として合成するには適していない。しかし、２回の撮像の間の時間帯に生じた地表面の変化を抽出するのには適している。空間サンプリングのタイミングが同一であるため、地表面が変化していない領域では、１回目の撮像と２回目の撮像とで同一のＳＡＲ画像が得られる。そのため、２つのＳＡＲ画像の差分を取れば、地表面の時間変化を抽出することが可能になる。

すなわち、図１〜３において、位置ずれ量算出部１で算出された２回の撮像における空間サンプリングのタイミングの位置ずれ量に基づいて、信号分割部２ａ、２ｂは、位置ずれ量が所定の基準より小さい観測区間を判定し、１回目の撮像信号、２回目の撮像信号からそれぞれ空間サンプリングのタイミングの位置ずれが小さい時間帯である区間Ａ、Ｃを抽出して分割し、シングルビーム画像再生部３ａ、３ｂにそれぞれ出力する。

シングルビーム画像再生部３ａ、３ｂは、分割された区間Ａ、Ｃの１回目の撮像信号、２回目の撮像信号からそれぞれシングルビーム画像再生としてＳＡＲ画像の再生を行う。変化抽出部５は、後述のコヒーレント変化抽出法により、再生されたＳＡＲ画像間の変化抽出を行い、変化抽出画像として再生する。重畳表示部６は、この変化抽出画像をマルチビーム画像再生部４で再生されたＳＡＲ画像と重畳し、擬似的にカラー表示を行う擬似カラーによる重畳表示を行う。

なお、２回の撮像でＰＲＦが全く同一であれば、時間が経過しても空間サンプリングのタイミングの位置ずれの状態が変化することはない。このとき、位置ずれ量が所定の基準より大きければマルチビーム画像再生に適するものの、位置ずれ量が所定の基準より小さければマルチビーム画像再生に適さない。しかし、ＰＲＦがわずかに異なれば、２回の撮像間の空間サンプリングのタイミングが徐々に変化するため、空間サンプリングのタイミングがずれる時間帯が確実に得られるようになる。

図３においては、左から右に時間が経過する様子を示している。この図では、１回目の撮像のＰＲＦが、２回目の撮像のＰＲＦよりもわずかに高い状況を示している。左端の観測開始時点において、もし空間サンプリングのタイミングが１回目の撮像と２回目の撮像で同じであるとしても、時間の経過とともに徐々に撮像間でタイミングがずれている。

図３では、ちょうど中央の時間帯において、空間サンプリングのタイミングがちょうど交互にずれている。その後、時間経過と共にまたずれが小さくなり、右端の時刻において空間サンプリングのタイミングが一致している。この場合、全観測区間をＴ秒とすると、１回目の撮像と２回目の撮像でサンプル数の差が１である。したがって、１／Ｔ ＨｚのＰＲＦ差を設ければ、図３の状況を実現することができる。

このように、図３の例では、全観測区間のうちの中央部分の区間Ｂにおいて、１回目の撮像と２回目の撮像の空間サンプリングのタイミングのずれが大きくなるため、区間Ｂにおいてマルチビーム画像再生が可能となる。

逆に、その他の区間Ａ、Ｃでは空間サンプリングのタイミングのずれが小さいため、１回目の撮像と２回目の撮像間で変化抽出を行うのに適している。変化抽出の方法としては、画素値の振幅と位相の両方を用いるコヒーレント変化抽出と呼ばれる手法が知られており、例えば特開２０１０−２８１５８４号公報にそのような技術が示されている。

コヒーレント変化抽出法では画像間の相関係数を算出する。これは統計的な処理であることから集合平均処理を行う必要がある。図３の状況の場合、左の区間Ａと右の区間Ｃで２回の変化抽出を行うことができるため、この２回を集合平均処理に用いることが可能となる。

なお、マルチビーム画像再生に利用する時間帯においても、変化抽出処理を適用することは不可能ではない。ただし、２回の撮像で空間サンプリングのタイミングが異なることから、ドップラー周波数のアンビギュイティが生じる場合に、地表面の変化なのかアンビギュイティ成分なのかの区別が難しくなり、変化抽出の性能が劣る可能性がある。

以上のように、この発明の実施の形態１による信号処理装置においては、２回の撮像の軌道情報を用いて、２回の撮像における空間サンプリングのタイミングを比較し、タイミングの位置ずれが所定の基準より大きい観測区間を抽出し、抽出した観測区間の２回の撮像信号を合成することによりマルチビーム画像再生としてＳＡＲの画像再生を行うようにしている。これにより、受信アンテナや受信機を増やすことなくマルチビーム画像再生が可能となり、広域観測と高分解能観測を両立させることができるという作用効果を奏する。

さらに、ＰＲＦをわずかにずらして設定することにより、マルチビーム画像再生に適した観測区間を確実に得ることが可能となる。また、マルチビーム画像再生に用いた観測区間以外では、変化抽出に利用することが可能となる。

実施の形態２．
上述の実施の形態１による信号処理装置では、位置ずれ量算出部１が衛星の軌道情報により空間サンプリングのタイミングの位置ずれ量を推定していた。しかし、衛星の軌道情報が十分に得られないような場合も想定される。そこで、この発明の実施の形態２による信号処理装置は、受信信号から空間サンプリングのタイミングの位置ずれ量を推定するようにしたものである。

図４は、この発明の実施の形態２による信号処理装置を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図４において、１０１ａは部分区間抽出部、１０１ｂは部分区間抽出部、１０２ａはシングルビーム画像再生部、１０２ｂはシングルビーム画像再生部である。なお、それ以外の構成は、図１に示した実施の形態１による信号処理装置と同じであるため、その動作も含めて説明を省略する。

次に動作について説明する。部分区間抽出部１０１ａ、１０１ｂは、２回の撮像による１回目の撮像信号、２回目の撮像信号から部分的な時間帯である観測区間の受信信号を試験的にそれぞれ抽出する。シングルビーム画像再生部１０２ａ、１０２ｂは、試験的に抽出した受信信号に対し、シングルビーム画像再生としてＳＡＲ画像の再生をそれぞれ行う。

位置ずれ量算出部１は、得られた２枚のシングルビームＳＡＲ画像の位相差を求めることにより、抽出した時間帯における空間サンプリングのタイミングの位置ずれ量を算出する。これにより、衛星軌道の高精度な情報を必ずしも必要としない利点がある。また、予め確定した軌道ではない航路を飛行するような航空機に搭載されるＳＡＲへの適用に好適である。

以上のように、この発明の実施の形態２による信号処理装置においては、実施の形態１と同じ構成に加え、受信信号から空間サンプリングのタイミングの位置ずれ量を推定するように構成している。これにより、衛星の軌道情報が十分に得られないような場合でも、実施の形態１と同様の作用効果を奏するのである。

なお、上述の実施の形態１、２による信号処理装置においては、２回の観測の場合の実施例について説明したが、これに限られるものではなく、Ｎを２以上の自然数とし、Ｎ回の観測の場合に拡張可能である。これにより、ＰＲＦを上げずに受信時の実効的な空間サンプリング周波数をＮ倍に上げることができ、距離方向の観測範囲を狭めることなく角度分解能をさらに向上させることができるという作用効果を奏する。また、Ｎ回の観測を行った場合、使用する観測データによってマルチビーム画像再生に適した観測区間が異なる。そのため、Ｎ回の観測データを全て使えば、マルチビーム画像再生に適した観測区間をより広く取ることが可能となるという作用効果を奏する。例えば、３回以上の観測データを全て使う場合、２回の観測の場合よりもマルチビーム画像再生に適した観測区間を広く取ることができる。

また、上述の実施の形態１、２による信号処理装置においては、変化抽出機能が不要であれば、シングルビーム画像再生部３ａ、３ｂと変化抽出部５を省略するように構成しても良く、さらに、Ｎ回の撮像でＰＲＦが同一であり、かつ空間サンプリングのタイミングの位置ずれ量が所定の基準より大きいことが確実な観測条件であれば、位置ずれ量算出部１と信号分割部２ａ、２ｂも省略するように構成しても良い。

また、上述の実施の形態１、２による信号処理装置においては、送受信される波動が電波であるＳＡＲに適用する場合について説明したが、これに限られるものではなく、光波や音波といった波動に拡張可能であり、このとき、アンテナに代え、その波動に対応したセンサ等を用いるようにすれば良い。

１ 位置ずれ量算出部、２ａ、２ｂ 信号分割部、３ａ、３ｂ シングルビーム画像再生部、４ マルチビーム画像再生部、５ 変化抽出部、６ 重畳表示部、１０１ａ、１０１ｂ 部分区間抽出部、１０２ａ、１０２ｂ シングルビーム画像再生部。

Claims (8)

1. パルス状の波動が同一の領域で反射されて受信された受信信号に基づいて観測を行うレーダ装置の信号処理装置であって、
   観測間でパルスの受信タイミングにおける位置ずれ量が所定の基準より大きい複数回の観測の受信信号を合成し、この合成した信号を用いて画像を再生する画像再生部と、
   を備えたことを特徴とする信号処理装置。
2. 前記位置ずれ量を算出する位置ずれ量算出部と、
   前記位置ずれ量に基づいて判定した観測区間の受信信号を分割する信号分割部と、を備え、
   前記画像再生部は、前記位置ずれ量が所定の基準より大きい観測区間として前記信号分割部で分割された観測区間の複数回の観測の受信信号を合成し、この合成した信号を用いて画像を再生する
   ことを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記位置ずれ量が所定の基準より小さい観測区間として前記信号分割部で分割された観測区間の複数回の観測の受信信号をそれぞれ用いて複数の画像を再生する複数の画像再生部と、
   前記複数の画像再生部で再生された複数の画像間の変化抽出を行う変化抽出部と、
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載の信号処理装置。
4. 前記位置ずれ量算出部は、複数回の観測に対応した軌道情報に基づいて前記位置ずれ量を算出する
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の信号処理装置。
5. 前記位置ずれ量算出部は、複数回の観測の受信信号をそれぞれ用いて再生された複数の画像の位相差に基づいて前記位置ずれ量を算出する
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の信号処理装置。
6. 観測毎にパルスの繰返し周波数が変化することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の信号処理装置。
7. パルス状の波動が放射され同一の領域で反射されて受信された受信信号に基づいて観測を行うレーダ観測方法であって、
   観測間でパルスの受信タイミングにおける位置ずれ量が所定の基準より大きい複数回の観測の受信信号を合成し、この合成した信号を用いて画像を再生する画像再生ステップと、
   を備えたことを特徴とするレーダ観測方法。
8. 観測毎にパルスの繰返し周波数を変化させることを特徴とする請求項７に記載のレーダ観測方法。

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