JP2014173875A - 合成開口レーダ装置、画像再生方法及び画像再生プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＧＡ処理の演算負荷を低減することができるとともに、画像再生処理の処理時間を短縮することができるようにする。
【解決手段】画像シフト処理部５によりシフトされたレンジビン内の各画像データのうち、目標を包含している所定の目標近傍領域以外の画像データの数値をゼロに変換する窓関数乗算部７を設け、位相補償量算出部８が、窓関数乗算部７により数値がゼロに変換された画像データを除く画像データの一部をバタフライ演算でＦＦＴして、そのＦＦＴ結果から画像再生処理部３により再生された画像の位相誤差を推定し、その位相誤差から再生画像における各画像データの位相補償量を算出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、航空機や衛星などのプラットフォームに搭載されて、例えば、地表や海面の高分解能画像を再生する合成開口レーダ装置と、地表や海面の高分解能画像を再生する画像再生方法及び画像再生プログラムとに関するものである。

例えば、以下の特許文献１には、航空機や衛星などのプラットフォームに搭載されている合成開口レーダ装置が開示されている。
この合成開口レーダ装置は、アンテナを有するＳＡＲ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）センサを備えることで、プラットフォームの移動時に電波を送受信し、受信電波を信号処理して、２次元の画像を再生している。
また、この合成開口レーダ装置では、２次元の画像に対して、フェーズグラディエント・オートフォーカス（ＰＧＡ：Ｐｈａｓｅ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ａｕｔｏｆｏｃｕｓ）と呼ばれる処理を行うことで、再生画像の誤差を推定して補償し、その再生画像の分解能を改善するようにしている。
即ち、レンジ毎の画像上の孤立点から位相誤差を推定して、その位相誤差を補償する処理を繰り返すことで、画像の分解能を改善している。

上記のＰＧＡ処理では、位相誤差を推定する際に、アジマス方向の画像データのＦＦＴ（高速フーリエ変換：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を行う。
また、位相補償量を算出した後に、その位相補償量をＦＦＴ結果（アジマス方向の画像データをＦＦＴした結果）に乗算し、その乗算結果のＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換：Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を行う必要がある。
画像の分解能を改善するために、これらの処理が複数回繰り返される。

ただし、上記のＰＧＡ処理では、レンジ行毎に、アジマス方向のＦＦＴを繰り返し行う必要があるため、演算負荷が高く、計算機で処理する際に演算時間がかかるという問題がある。
また、演算時間の短縮を図るには、高性能な計算機を使用する方法や、複数台の計算機を用意して並列処理を行う方法などが考えられるが、装置のコストの増大を招く問題を生じる。
そこで、特許文献１に開示されている合成開口レーダ装置では、レンジ行毎に振幅の平均値を算出し、振幅の平均値が閾値以上であれば、窓関数の重みを１に設定する一方、振幅の平均値が閾値未満であれば、窓関数の重みを０に設定するようにしている。
ここで、窓関数の重みを０に設定することは、実際の処理において、そのレンジ行の処理を行わないことに相当するので、閾値を適切な値に設定すれば、位相誤差の推定を行うレンジ行を削減して、演算負荷を低減することができる。

特開２００３−２１５２４０号公報（段落番号［００２６］）

従来の合成開口レーダ装置は以上のように構成されているので、閾値を適切な値に設定することができれば、位相誤差の推定を行うレンジ行を削減して、演算負荷を低減することができる。しかし、閾値を適切な値に設定することができなければ、位相誤差の推定を行うレンジ行をほとんど削減することができず、演算負荷を低減することができない。また、閾値が適切な値であっても、レンジ行毎の振幅の平均値がほぼ均一になるような再生画像の場合、レンジ行をほとんど削減することができず、演算負荷を低減することができない課題があった。

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、ＰＧＡ処理の演算負荷を低減することができるとともに、画像再生処理の処理時間を短縮することができる合成開口レーダ装置、画像再生方法及び画像再生プログラム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、移動体であるプラットフォームに搭載されているアンテナと、アンテナからパルス信号を空間に放射させる一方、観測対象に反射されてアンテナに戻ってくる上記パルス信号のエコー信号を受信する信号送受信手段と、信号送受信手段により受信されたエコー信号から２次元の画像を再生する画像再生手段と、画像再生手段により再生された画像の中で、孤立している点状の目標が存在しているレンジビンを探索し、そのレンジビン内の各画像データをアジマス方向に環状にシフトすることで、目標の画像データを０のレンジビンの位置まで移動する画像シフト手段と、画像シフト手段によりシフトされたレンジビン内の各画像データのうち、目標を包含している所定の目標近傍領域以外の画像データの数値をゼロに変換するデータ変換手段と、データ変換手段により数値がゼロに変換された画像データを除く画像データの一部をバタフライ演算でフーリエ変換して、そのフーリエ変換結果から画像再生手段により再生された画像の位相誤差を推定し、その位相誤差から上記画像における各画像データの位相補償量を算出する位相補償量算出手段とを設け、位相誤差補償手段が、画像再生手段により再生された画像の各画像データをフーリエ変換して、そのフーリエ変換結果と位相補償量算出手段により算出された各画像データの位相補償量とを乗算し、その乗算結果を逆フーリエ変換して、その逆フーリエ変換結果を位相補償処理後の各画像データとして出力するようにしたものである。

この発明によれば、画像シフト手段によりシフトされたレンジビン内の各画像データのうち、目標を包含している所定の目標近傍領域以外の画像データの数値をゼロに変換するデータ変換手段を設け、位相補償量算出手段が、データ変換手段により数値がゼロに変換された画像データを除く画像データの一部をバタフライ演算でフーリエ変換して、そのフーリエ変換結果から画像再生手段により再生された画像の位相誤差を推定し、その位相誤差から再生画像における各画像データの位相補償量を算出するように構成したので、演算負荷を低減することができるとともに、画像再生処理の処理時間を短縮することができる効果がある。

この発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置の処理内容（画像再生方法）を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置の位相補償量算出部８を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置の位相誤差補償部９を示す構成図である。 位相補償量算出部８における制約型ＦＦＴ処理部１１のＦＦＴ処理を示す説明図である。 位相誤差補償部９の処理内容をフローチャートである。 位相誤差補償部９における制約型ＩＦＦＴ処理部２４のＩＦＦＴ処理を示す説明図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置を示す構成図である。
図１において、アンテナ１は移動体であるプラットフォーム（例えば、航空機、衛星など）に搭載されており、信号送受信器２から出力された高周波パルス信号を空間に放射する一方、観測対象（例えば、地表、海面、航空機、車両など）に反射されて戻ってくる高周波パルス信号のエコー信号を入射する。
信号送受信器２は例えば送信機や受信機などから構成されており、高周波パルス信号を発生させて、その高周波パルス信号を所定の周期で繰り返しアンテナ１に出力する一方、アンテナ１から入射されたエコー信号に対する信号受信処理（例えば、受信信号であるエコー信号を復調する処理、復調後の受信信号を増幅する処理、受信信号を中間周波数に変換する処理、中間周波数の信号をＡ／Ｄ変換する処理など）を実施してデジタル受信信号を生成し、そのデジタル受信信号を画像再生処理部３に出力する処理を実施する。なお、信号送受信器２は信号送受信手段を構成している。

画像再生処理部３は信号送受信器２から出力されたデジタル受信信号に対する画像再生処理を実施して、２次元の高分解能な画像を再生する。２次元の画像の各軸は、アジマスとレンジと呼ばれる。なお、画像再生処理部３は画像再生手段を構成している。
レンジビン選択部４は画像再生処理部３により再生された画像の中で、孤立している点状の目標が存在しているレンジビンを探索し、そのレンジビンを選択する処理を実施する。
画像シフト処理部５はレンジビン選択部４により選択されたレンジビン内の各画像データをアジマス方向に環状にシフトすることで、上記目標の画像データを０のレンジビンの位置まで移動する処理を実施する。
なお、レンジビン選択部４及び画像シフト処理部５から画像シフト手段が構成されている。

シフト量保存部６は例えばＲＡＭやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、画像シフト処理部５による画像データのシフト量を保存する。なお、シフト量保存部６はシフト量保存手段を構成している。
窓関数乗算部７は目標を包含している所定の目標近傍領域（例えば、アジマス方向のデータ長が８１９２点である場合、０ビン〜１５ビンの領域と、８１７６ビン〜８１９２ビンの領域）内の画像データに対して“１”を乗算し、その目標近傍領域以外の画像データに対して“０”を乗算する窓関数を用意し、その窓関数を画像シフト処理部５によりシフトされたレンジビン内の各画像データに乗算することで、その目標近傍領域以外の画像データの数値をゼロに変換する処理を実施する。なお、窓関数乗算部７はデータ変換手段を構成している。

位相補償量算出部８は窓関数乗算部７により数値がゼロに変換された画像データを除く画像データの一部をバタフライ演算でＦＦＴ（フーリエ変換）して、そのＦＦＴ結果から画像再生処理部３により再生された画像の位相誤差を推定し、その位相誤差から再生画像における各画像データの位相補償量を算出する処理を実施する。なお、位相補償量算出部８は位相補償量算出手段を構成している。
位相誤差補償部９は画像再生処理部３により再生された画像の各画像データをＦＦＴして、そのＦＦＴ結果と位相補償量算出部８により算出された各画像データの位相補償量とを乗算し、その乗算結果をＩＦＦＴ（逆フーリエ変換）して、そのＩＦＦＴ結果を位相補償処理後の各画像データとして画像データ格納部１０に出力する処理を実施する。なお、位相誤差補償部９は位相誤差補償手段を構成している。
画像データ格納部１０は例えばＲＡＭやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、位相誤差補償部９から出力された位相補償処理後の各画像データを格納する。

図１の例では、合成開口レーダ装置の構成要素であるアンテナ１、信号送受信器２、画像再生処理部３、レンジビン選択部４、画像シフト処理部５、シフト量保存部６、窓関数乗算部７、位相補償量算出部８、位相誤差補償部９及び画像データ格納部１０のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定している。特に、画像再生処理部３、レンジビン選択部４、画像シフト処理部５、窓関数乗算部７、位相補償量算出部８及び位相誤差補償部９については、例えば、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンで構成されているものを想定している。
しかし、例えば、アンテナ１を除く部分がコンピュータで構成されていてもよい。
この場合、シフト量保存部６及び画像データ格納部１０をコンピュータのメモリ上に構成するとともに、信号送受信器２、画像再生処理部３、レンジビン選択部４、画像シフト処理部５、窓関数乗算部７、位相補償量算出部８及び位相誤差補償部９の処理内容を記述している画像再生プログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのＣＰＵが当該メモリに格納されている画像再生プログラムを実行するようにすればよい。
図２はこの発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置の処理内容（画像再生方法）を示すフローチャートである。

図３はこの発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置の位相補償量算出部８を示す構成図である。
図３において、制約型ＦＦＴ処理部１１は窓関数乗算部７により数値がゼロに変換された画像データについてはバタフライ演算の対象に含めずに、所定の目標近傍領域内の各画像データの一部をバタフライ演算でＦＦＴを行う。
位相誤差推定部１２は制約型ＦＦＴ処理部１１のＦＦＴ結果から画像再生処理部３により再生された画像の位相誤差を推定する処理を実施する。
位相補償量算出部１３は位相誤差推定部１２により推定された位相誤差から再生画像における各画像データの位相補償量を算出し、その位相補償量を位相誤差補償部９に出力する処理を実施する。

図４はこの発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置の位相誤差補償部９を示す構成図である。
図４において、ＦＦＴ処理部２１は画像再生処理部３により再生された画像の各画像データをＦＦＴして、そのＦＦＴ結果を乗算処理部２３に出力する処理を実施する。
判定処理部２２は位相補償量算出部８による位相補償量の算出処理を継続するか否かを判定する処理を実施する。なお、判定処理部２２は判定手段を構成している。
また、判定処理部２２は位相補償量算出部８により今回算出された各画像データの位相補償量を、前回までの積算結果である総位相補償量に対して、要素単位（画像データ単位）に積算することで、各画像データの総位相補償量を更新する処理を実施する。

乗算処理部２３は判定処理部２２の判定結果が位相補償量の算出処理を継続しない旨を示している場合、ＦＦＴ処理部２１のＦＦＴ結果と判定処理部２２により更新された各画像データの総位相補償量とを乗算し、その乗算結果を制約型ＩＦＦＴ処理部２４に出力する処理を実施する。
一方、判定処理部２２の判定結果が位相補償量の算出処理を継続する旨を示している場合、ＦＦＴ処理部２１のＦＦＴ結果のうち、レンジビン選択部４により選択されたレンジビン内の各画像データのＦＦＴ結果と、判定処理部２２により更新された各画像データの総位相補償量とを乗算し、その乗算結果を制約型ＩＦＦＴ処理部２４に出力する処理を実施する。

制約型ＩＦＦＴ処理部２４は判定処理部２２の判定結果が位相補償量の算出処理を継続しない旨を示している場合、乗算処理部２３の乗算結果をＩＦＦＴして、そのＩＦＦＴ結果を位相補償処理後の各画像データとして画像データ格納部１０に出力する処理を実施する。
一方、判定処理部２２の判定結果が位相補償量の算出処理を継続する旨を示している場合、乗算処理部２３の乗算結果をＩＦＦＴし、シフト量保存部６により保存されているシフト量だけ、画像シフト処理部５によるシフトの方向と逆方向に、そのＩＦＦＴ結果であるレンジビン内の各画像データをシフトし、シフト後の各画像データを窓関数乗算部７による窓関数乗算後の画像データとして位相補償量算出部８に出力することで、位相補償量の算出処理の継続を指示する。

次に動作について説明する。
まず、信号送受信器２は、高周波パルス信号を発生させて、その高周波パルス信号を所定の周期で繰り返しアンテナ１に出力する。
これにより、アンテナ１から高周波パルス信号が空間に放射される。アンテナ１から空間に放射された高周波パルス信号の一部は、観測対象（例えば、地表、海面、航空機、車両など）に反射されて戻ってくる。
信号送受信器２は、アンテナ１から観測対象に反射されて戻ってきた高周波パルス信号のエコー信号が入射されると、そのエコー信号に対する信号受信処理（例えば、受信信号であるエコー信号を復調する処理、復調後の受信信号を増幅する処理、受信信号を中間周波数に変換する処理、中間周波数の信号をＡ／Ｄ変換する処理など）を実施してデジタル受信信号を生成し、そのデジタル受信信号を画像再生処理部３に出力する（図２のステップＳＴ１）。

画像再生処理部３は、信号送受信器２からデジタル受信信号を受けると、そのデジタル受信信号に対する画像再生処理を実施して、２次元の高分解能な画像を再生する（ステップＳＴ２）。
デジタル受信信号に対する画像再生処理自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

レンジビン選択部４は、画像再生処理部３が２次元の画像を再生すると、その再生画像の中で、孤立している点状の目標が存在しているレンジビンを探索し、そのレンジビンを選択する（ステップＳＴ３）。
この実施の形態１では、孤立している点状の目標が複数存在している場合、複数の目標の中で、例えば、輝度が最も高い目標を特定し、その目標が存在しているレンジビンを探索するものとするが、輝度が高いＰ個の目標を特定し、Ｐ個の目標が存在しているレンジビンをそれぞれ探索するようにしてもよい。
なお、再生画像の中で、孤立している点状の目標を見つける処理自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

画像シフト処理部５は、レンジビン選択部４が、孤立している点状の目標が存在しているレンジビンを選択すると、そのレンジビン内の各画像データをアジマス方向に環状にシフトすることで、その目標の画像データを０のレンジビンの位置まで移動させる（ステップＳＴ４）。
即ち、画像シフト処理部５は、孤立している点状の目標の画像データが０のレンジビンの位置（画像の左端の位置）まで移動するように、レンジビン選択部４により選択されたレンジビン内の各画像データをアジマス方向に環状にシフトするものであるが、環状にシフトすることで、端からはみ出した画像データについては、反対側の端に連結させるようにする。
このとき、画像シフト処理部５による画像データのシフト量と、レンジビン選択部４により選択されたレンジビンの位置は、シフト量保存部６に記録する（ステップＳＴ５）。

窓関数乗算部７は、目標を包含している所定の目標近傍領域内の画像データに対して“１”を乗算し、その目標近傍領域以外の画像データに対して“０”を乗算する窓関数Ｗ（ｕ）を用意している。
ここで、所定の目標近傍領域の大きさは任意であるが、再生画像における目標のボケが大きくてもよい場合、目標近傍領域として大きな領域が設定され、目標のボケが小さい必要がある場合、目標近傍領域として小さな領域が設定される。
この実施の形態１では、説明の便宜上、ＦＦＴ処理を行うアジマス方向のデータ長が８１９２点であり、目標が存在している０ビンの近傍両側１６ビンが目標近傍領域であるものとする。
この場合、０ビンの近傍両側１６ビンの画像データに対して“１”を乗算し、それ以外のビンの画像データに対して“０”を乗算する窓関数Ｗ（ｕ）として、下記の式（１）に示すような窓関数Ｗ（ｕ）を用意する。

窓関数乗算部７は、画像シフト処理部５からシフト処理後の各画像データ（データ長が８１９２点の画像データ）を受けると、シフト処理後の各画像データに対して窓関数Ｗ（ｕ）を乗算することで、その目標近傍領域以外の画像データの数値をゼロに変換する（ステップＳＴ６）。
式（１）の窓関数Ｗ（ｕ）の場合、シフト処理後の各画像データのうち、０ビン〜１５ビンの画像データと、８１７６ビン〜８１９２ビンの画像データについては、“１”が乗算されるためデータの数値が変化しないが、１６ビン〜８１７５ビンの画像データについては、“０”が乗算されるためデータの数値が「０」に変換される。

位相補償量算出部８は、窓関数乗算部７から窓関数乗算後の各画像データを受けると、数値が「０」に変換された画像データを除く画像データの一部をバタフライ演算でＦＦＴして、そのＦＦＴ結果から画像再生処理部３により再生された画像の位相誤差を推定し、その位相誤差から再生画像における各画像データの位相補償量を算出する（ステップＳＴ７）。
以下、位相補償量算出部８の処理内容を具体的に説明する。

図５は位相補償量算出部８における制約型ＦＦＴ処理部１１のＦＦＴ処理を示す説明図である。
図５では、ＦＦＴ処理を行うアジマス方向のデータ長が８１９２点である例を示している。
位相補償量算出部８の制約型ＦＦＴ処理部１１は、窓関数乗算部７から窓関数乗算後の各画像データを受けると、図５に示すように、アジマス方向のデータ長が８１９２点であれば、８１９２点のＦＦＴ処理を行うが、そのＦＦＴ処理では、インプレイス型で、基数２のバタフライ演算を行うものとし、バタフライ演算４０９６回を１ｓｔｅｐとして、Ｓｔｅｐ０〜Ｓｔｅｐ１２まで処理するものとする。
ＦＦＴ処理の開始時には、制約型ＦＦＴ処理部１１が、各画像データを０ビンから８１９１ビンまで整列し、ＦＦＴ処理後にビットリバースの並びになるものとする。
なお、ＦＦＴ処理において、入力後の画像データやバタフライ演算の中間データは、ビン番号との混同をさけるために、以下では、「０番」から「８１９１番」のように記載する。

窓関数乗算部７が、式（１）の窓関数Ｗ（ｕ）を各画像データに乗算しているので、位相補償量算出部８の制約型ＦＦＴ処理部１１に入力される各画像データのうち、１６ビン〜８１７５ビンの画像データの数値は「０」になっている。
したがって、意味のある数値を有する画像データは、０ビン〜１５ビンと８１７６ビン〜８１９２ビンの画像データである。
図５において、左端のデータは、１レンジビンの窓関数乗算後の各画像データ（制約型ＦＦＴ処理部１１に入力される各画像データ）であり、「０」の数値の画像データを灰色で表示している。
このため、ｓｔｅｐ０の処理では、１６番〜４０８０番と４１１２番〜８１７５番の領域のバタフライ演算の演算結果は、実際にバタフライ演算を実行しなくても、必ず「０」になることが明らかであるため、これらの領域の画像データについては、バタフライ演算を実行しないようにする。

また、バタフライ演算の入力が０番〜１５番と４０９６番〜４１１１番の領域に関しては、もう一方の入力が必ず「０」であるため、バタフライ演算を実行しないようにする。
即ち、０番〜１５番と４０９６番〜４１１１番の演算結果は、演算前の０番〜１５番の数値と一致するため、実際にバタフライ演算を実行せずに、演算前の０番〜１５番の数値を０番〜１５番と４０９６番〜４１１１番の演算結果にコピーするようにする。
同様に、４０８０番〜４０９５番の演算結果は、演算前の８１７６番〜８１９１番の数値と一致するため、実際にバタフライ演算を実行せずに、演算前の８１７６番〜８１９１番の数値を４０８０番〜４０９５番の演算結果にコピーするようにする。

８１７６番〜８１９１番の領域については、演算前の８１７６番〜８１９１番の数値に回転子をかけてバタフライ演算の処理を行う。
ただし、ｓｔｅｐ０では回転子が「１」であるため、演算前の８１７６番〜８１９１番の数値の符号反転を行うだけでよい。

ｓｔｅｐ１の処理でも、図５に示すように、灰色の領域の演算結果は全て「０」になるため、それらの領域のバタフライ演算は実行しない。
また、Ｓｔｅｐ０の処理と同様に、バタフライ演算の入力側が灰色ではない領域でも、もう片方の入力は必ず「０」になるため、バタフライ演算を実行せずに、数値のコピーや符号反転だけを行うようにする。
同様の処理をＳｔｅｐ７まで繰り返し実行する。
Ｓｔｅｐ７での演算結果には、０番〜８１９１番の全てに意味のある数値が入ることになる。
Ｓｔｅｐ８〜Ｓｔｅｐ１２の処理では、通常のバタフライ演算を実施し、Ｓｔｅｐ１２の処理結果をＦＦＴ結果として位相誤差推定部１２に出力する。各レンジビンのアジマス方向８１９２点のデータに対して、上記のＦＦＴ処理を実施して、そのＦＦＴ結果を出力する。

なお、制約型ＦＦＴ処理部１１のＦＦＴ処理において、バタフライ演算の出力先のデータ番号の判定は、下記の式（２）で表すことができる。

式（２）において、ｊは、０≦ｊ＜２^{（ｉ＋１）}の任意の整数である。
関数ｍｏｄ（ｘ，ｍ）はｍを法とするｘの剰余（モジュラ演算子）を示し、ＮはＦＦＴ処理のデータ点数、ｘはデータ入力時の有効な番号であり（０〜１５、もしくは、８１７６〜８１９１）、ｉは、０〜１２のｓｔｅｐ番号である。

式（２）の演算は、一見複雑であるが、Ｎが２のべき乗であれば、全ての演算は２のべき乗を基本とする処理であるため、単純な２進数のビット演算で構成することができる。
また、ここでは、制約型ＦＦＴ処理部１１に入力される画像データが８１９２点で、窓関数が「１」となる領域が０ビン〜１５ビンと８１７６ビン〜８１９１ビンである例を示したが、式（２）で示したように、任意の領域が「１」となるような窓関数でも対応可能であり、入力されるデータ点数に関しても、２のべき乗点数であれば処理可能である。更には、基数４などのバタフライ演算等についても、式（２）を拡張することにより、容易に対応可能である。

位相補償量算出部８の位相誤差推定部１２は、制約型ＦＦＴ処理部１１のＦＦＴ結果を受けると、そのＦＦＴ結果から画像再生処理部３により再生された画像の位相誤差を推定する。
即ち、位相誤差推定部１２は、制約型ＦＦＴ処理部１１のＦＦＴ結果から各レンジビンにおけるアジマス方向のデータに対する位相誤差の微分推定値を算出してから、その微分推定値をレンジ方向に積分することで、位相誤差の推定値を算出するが、位相誤差の推定処理自体は公知の技術であるため詳細な説明は省略する。

位相補償量算出部８の位相補償量算出部１３は、位相誤差推定部１２が位相誤差の推定値を算出すると、その位相誤差の推定値から再生画像における各画像データの位相補償量を算出し、その位相補償量を位相誤差補償部９に出力する。
位相補償量の算出処理自体は公知の技術であるため詳細な説明は省略する。

位相誤差補償部９は、位相補償量算出部８から各画像データの位相補償量を受けると、その位相補償量の算出処理を継続するかを判定し（ステップＳＴ８）、その算出処理を継続しない場合、画像再生処理部３により再生された画像の位相を補償し、位相補償処理後の各画像データを画像データ格納部１０に格納する（ステップＳＴ９）。
一方、位相補償量の算出処理を継続する場合には、位相補償量の算出処理の継続を位相補償量算出部８に指示する。
以下、位相誤差補償部９の処理内容を具体的に説明する。
図６は位相誤差補償部９の処理内容をフローチャートである。

位相誤差補償部９のＦＦＴ処理部２１は、画像再生処理部３から再生画像を受けると、その再生画像の各画像データをアジマス方向にＦＦＴして、そのＦＦＴ結果を乗算処理部２３に出力する（ステップＳＴ１１）。
位相誤差補償部９の判定処理部２２は、位相補償量の算出処理を継続するか否かを判定する（ステップＳＴ１２）。
即ち、判定処理部２２は、位相補償量算出部８による位相補償量の算出回数が所定回数に到達しているか否かを判定し、位相補償量の算出回数が所定回数に到達していれば、位相補償量の算出処理を継続しないものと判定する。
あるいは、位相補償量算出部８により算出された位相補償量が収束しているか否かを判定し、位相補償量が収束していれば、位相補償量の算出処理を継続しないものと判定する。

位相補償量の収束判定方法としては、例えば、位相補償量算出部８により今回算出された位相補償量の各要素（各画像データの位相補償量）と、位相補償量算出部８により前回算出された位相補償量の各要素との差分を求め、各要素の差分の平均値（あるいは、分散など）が、予め設定された閾値以下であれば、収束していると判断する方法などが考えられる。

判定処理部２２は、位相補償量の算出処理を継続するか否かの判定結果に関わらず、位相補償量算出部８により今回算出された各画像データの位相補償量を、前回までの積算結果である総位相補償量に対して、要素単位（画像データ単位）に積算することで、各画像データの総位相補償量を更新する。
即ち、判定処理部２２は、位相補償量算出部８により今回算出された位相補償量の各要素を、前回までの積算結果である総位相補償量の各要素に加算する要素単位の積算処理を行うことで、各画像データの総位相補償量を更新し、更新後の総位相補償量を乗算処理部２３に出力する。

位相誤差補償部９の乗算処理部２３は、判定処理部２２から位相補償量の算出処理を継続しない旨の判定結果を受けると、要素単位（画像データ単位）に、ＦＦＴ処理部２１のＦＦＴ結果と判定処理部２２により更新された総位相補償量とを乗算することで位相誤差を補償し、その乗算結果を制約型ＩＦＦＴ処理部２４に出力する。
位相誤差補償部９の制約型ＩＦＦＴ処理部２４は、判定処理部２２から位相補償量の算出処理を継続しない旨の判定結果を受け、乗算処理部２３から乗算結果を受けると、その乗算結果をアジマス方向にＩＦＦＴする。
制約型ＩＦＦＴ処理部２４は、そのＩＦＦＴ結果を位相補償処理後の各画像データとして画像データ格納部１０に格納する（ステップＳＴ１３）。
制約型ＩＦＦＴ処理部２４によるＩＦＦＴ処理の詳細は後述する。

位相誤差補償部９の乗算処理部２３は、判定処理部２２から位相補償量の算出処理を継続する旨の判定結果を受けると、ＦＦＴ処理部２１のＦＦＴ結果から、レンジビン選択部４により選択されたレンジビン内の各画像データのＦＦＴ結果を取り出し、要素単位（画像データ単位）に、そのＦＦＴ結果と判定処理部２２により更新された総位相補償量とを乗算することで位相誤差を補償し、その乗算結果を制約型ＩＦＦＴ処理部２４に出力する（ステップＳＴ１４）。
位相誤差補償部９の制約型ＩＦＦＴ処理部２４は、判定処理部２２から位相補償量の算出処理を継続する旨の判定結果を受け、乗算処理部２３から乗算結果を受けると、その乗算結果をＩＦＦＴする。

制約型ＩＦＦＴ処理部２４は、乗算処理部２３の乗算結果をＩＦＦＴすると、シフト量保存部６により保存されているシフト量だけ、画像シフト処理部５によるシフトの方向と逆方向に、そのＩＦＦＴ結果であるレンジビン内の各画像データをシフトする。
制約型ＩＦＦＴ処理部２４は、シフト後の各画像データを窓関数乗算部７による窓関数乗算後の画像データとして位相補償量算出部８に出力することで、位相補償量の算出処理の継続を指示する（ステップＳＴ１５）。
位相補償量算出部８は、位相誤差補償部９の制約型ＩＦＦＴ処理部２４から位相補償量の算出処理の継続指示を受けると、制約型ＩＦＦＴ処理部２４から出力されたシフト後の各画像データを、窓関数乗算部７による窓関数乗算後の画像データとして利用して、上記と同様に、位相補償量を算出する。

以下、制約型ＩＦＦＴ処理部２４によるＩＦＦＴ処理を具体的に説明する。
図７は位相誤差補償部９における制約型ＩＦＦＴ処理部２４のＩＦＦＴ処理を示す説明図である。
図７では、ＩＦＦＴ処理を行うアジマス方向のデータ長が８１９２点である例を示している。
また、窓関数Ｗ（ｕ）は式（１）の窓関数であり、シフト量保存部６により保存されているシフト量が「２９」であるものとする。

制約型ＩＦＦＴ処理部２４は、乗算処理部２３の乗算結果をバタフライ演算でＩＦＦＴを行うが、制約型ＦＦＴ処理部１１と同様に、ｓｔｅｐ０〜ｓｔｅｐ１２の１３ｓｔｅｐの処理では、基数２のバタフライ演算を行う。
ただし、ＩＦＦＴ処理の開始時では、ＦＦＴ処理の開始時と逆に、画像データをビットリバースの並びに並び替えて、ＩＦＦＴ処理後の画像データを０ビンから８１９１ビンまで整列させるものとする。
なお、ＩＦＦＴ処理において、バタフライ演算の中間データは、ビン番号との混同をさけるために、以下では、「０番」から「８１９１番」のように記載する。

制約型ＩＦＦＴ処理部２４は、処理の開始時に、窓関数の領域をシフト量保存部６により保存されているシフト量「２９」だけ環状にシフトした領域を算出する。
図７の例では、窓関数の領域は０〜１５番と８１７６〜８１９１番であるため、シフト量「２９」だけ環状にシフトした領域は、１３〜４４番である。
次に、制約型ＩＦＦＴ処理部２４は、ＩＦＦＴ処理の各ステップにおいて、下記の式（３）を計算することで、バタフライ演算の出力として扱う領域を決定する。

式（３）において、ｊは、０≦ｊ＜Ｎ／２^{（ｉ＋１）}の任意の整数である。
ｙは前述の１３〜４４番の領域であり、ＮはＩＦＦＴの処理データ点数、ｉはｓｔｅｐ番号である。

制約型ＩＦＦＴ処理部２４での処理は、制約型ＦＦＴ処理部１１での処理を鏡像にひっくり返したような処理となる。
制約型ＩＦＦＴ処理部２４で単純にＩＦＦＴした場合、そのＩＦＦＴ結果はシフト量だけ環状にシフトされた後に、窓関数Ｗ（ｕ）での乗算処理が行われる。このため、窓関数乗算後の０〜１５番と８１７６〜８１９１番以外のデータは、それ以降の位相補償量算出部８で利用されない。
そこで、制約型ＩＦＦＴ処理部２４では、これらの処理番号を逆算して、位相補償量算出部８で利用される画像データの数値だけを計算していることになる。
図７においては、窓関数乗算後の画像データを逆にシフトした画像データが、ｓｔｅｐ１２の出力の１３〜４４番の領域の画像データに相当する。これを算出するために必要なデータ領域は、ｓｔｅｐ１１の出力の１３〜４４番と４１０９〜４１４０番になる。これらを数式として表したものが式（３）である。

上記の式（３）が、式（２）と同様に単純な２進数のビット演算で構成できることは明らかである。また、入力データ８１９２点、窓関数やシフト量に依存せず、任意の値で処理が可能なことは明らかである。
更には、基数４などのバタフライ演算等についても、式（３）を拡張することにより、容易に対応可能である。

この実施の形態１では、位相誤差補償部９のＦＦＴ処理部２１が、位相補償量算出部８から位相補償量を受ける毎に、画像再生処理部３により再生された画像の各画像データをアジマス方向にＦＦＴするものを想定しているが、位相補償量算出部８から１回目の算出結果（位相補償量）を受けたときに算出した再生画像の各画像データのＦＦＴ結果を保存するフーリエ変換結果保存手段（例えば、メモリ）を備え、位相補償量算出部８から２回目の算出結果（位相補償量）を受けたときには、画像再生処理部３により再生された画像の各画像データのＦＦＴを行わずに、そのフーリエ変換結果保存手段により保存されているＦＦＴ結果を乗算処理部２３に出力するようにしてもよい。
この場合、ＦＦＴ結果を保存するフーリエ変換結果保存手段が必要になるが、ＦＦＴ処理を何度も繰り返す必要がなくなり、処理の高速化を図ることができる。

この実施の形態１では、位相誤差補償部９のＦＦＴ処理部２１が、図６のステップＳＴ１１でＦＦＴ処理を実施するものを示しているが、ステップＳＴ１２での判定処理の後に、ＦＦＴ処理を実施するようにしてもよい。
この場合、判定結果により、位相補償量の算出処理を継続しない場合、再生画像における全レンジビンの画像データをＦＦＴする。一方、位相補償量の算出処理を継続する場合、レンジビン選択部４により選択されたレンジビンの画像データをＦＦＴする。また、レンジビン選択部４により選択されたレンジビンの画像データのＦＦＴ結果をメモリ等に保存して、２回目以降の位相補償量の算出処理では、それらのＦＦＴ処理を行わないようにしてもよい。
この場合は、ステップＳＴ１１でＦＦＴ処理を実施するときよりも少ないメモリ量でデータを保存することできるとともに、ＦＦＴ処理を削減して処理の高速化を図ることができる。さらには、処理の終了時には、レンジビン選択部４により選択されたレンジビンのＦＦＴ結果は、上記のメモリに保存されたものを利用し、それ以外のレンジビンのＦＦＴ処理のみ行うようにして、処理を高速化を図ることも可能である。

以上のような処理を行うことにより、制約型ＦＦＴ処理部１１や制約型ＩＦＦＴ処理部２４では、バタフライ演算を削減することができるため、装置規模と演算時間を削減することができる。これらの処理では、１回目の位相補償量の算出処理と、２回目以降の算出処理とでシフト量が変わらないことを前提とし、２回目以降の算出処理では、１回目のシフト量を利用して演算を削減している。
位相補償量の算出処理で利用する「孤立している点状の目標」は電力の大きい目標であり、オートフォーカスを目的とした位相補償処理においては、これらの位置が大きく変動する可能性は低い。また、仮に変動したとしても、窓関数の領域内であれば、処理結果に大きく影響を与える可能性は低い。
また、位相誤差の推定値は、レンジ方向に積分されたものであるため、特定のレンジビンのシフト量が大きく変動したとしても、位相誤差の推定値に大きな影響を与える可能性は低い。これらのことから、位相補償量算出部８や位相誤差補償部９での処理は、通常の位相誤差の補償処理を行う場合と比べて、位相補償量の精度が大きく劣化することなく、装置規模と演算時間を削減することができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、合成開口レーダの再生画像の位相誤差を補償する際に行うＦＦＴ処理やＩＦＦＴ処理でのバタフライ演算を削減し、従来よりも少ない演算時間もしくは小さい装置規模で所望の画像を得ることができる。これにより、装置の小型化、軽量化やコストダウンなどが可能になるという効果が得られる。また、処理時間の高速化や演算回路の削減により、消費電力を削減できるという効果が得られる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ アンテナ、２ 信号送受信器（信号送受信手段）、３ 画像再生処理部（画像再生手段）、４ レンジビン選択部（画像シフト手段）、５ 画像シフト処理部（画像シフト手段）、６ シフト量保存部（シフト量保存手段）、７ 窓関数乗算部（データ変換手段）、８ 位相補償量算出部（位相補償量算出手段）、９ 位相誤差補償部（位相誤差補償手段）、１０ 画像データ格納部、１１ 制約型ＦＦＴ処理部、１２ 位相誤差推定部、１３ 位相補償量算出部、２１ ＦＦＴ処理部、２２ 判定処理部（判定手段）、２３ 乗算処理部、２４ 制約型ＩＦＦＴ処理部。

Claims (7)

1. 移動体であるプラットフォームに搭載されているアンテナと、
   上記アンテナからパルス信号を空間に放射させる一方、観測対象に反射されて上記アンテナに戻ってくる上記パルス信号のエコー信号を受信する信号送受信手段と、
   上記信号送受信手段により受信されたエコー信号から２次元の画像を再生する画像再生手段と、
   上記画像再生手段により再生された画像の中で、孤立している点状の目標が存在しているレンジビンを探索し、上記レンジビン内の各画像データをアジマス方向に環状にシフトすることで、上記目標の画像データを０のレンジビンの位置まで移動する画像シフト手段と、
   上記画像シフト手段によりシフトされたレンジビン内の各画像データのうち、上記目標を包含している所定の目標近傍領域以外の画像データの数値をゼロに変換するデータ変換手段と、
   上記データ変換手段により数値がゼロに変換された画像データを除く画像データの一部をバタフライ演算でフーリエ変換して、そのフーリエ変換結果から上記画像再生手段により再生された画像の位相誤差を推定し、上記位相誤差から上記画像における各画像データの位相補償量を算出する位相補償量算出手段と、
   上記画像再生手段により再生された画像の各画像データをフーリエ変換して、そのフーリエ変換結果と上記位相補償量算出手段により算出された各画像データの位相補償量とを乗算し、その乗算結果を逆フーリエ変換して、その逆フーリエ変換結果を位相補償処理後の各画像データとして出力する位相誤差補償手段と
   を備えた合成開口レーダ装置。
2. 画像シフト手段による画像データのシフト量を保存するシフト量保存手段を備え、
   位相誤差補償手段は、
   位相補償量算出手段による位相補償量の算出処理を継続するか否かを判定する判定手段を備えており、
   上記判定手段の判定結果が位相補償量の算出処理を継続しない旨を示している場合に限り、逆フーリエ変換結果を位相補償処理後の各画像データとして出力し、
   上記判定手段の判定結果が位相補償量の算出処理を継続する旨を示していれば、上記画像シフト手段により探索されたレンジビン内の各画像データのフーリエ変換結果と、上記位相補償量算出手段により算出された各画像データの位相補償量とを乗算して、その乗算結果を逆フーリエ変換し、上記シフト量保存手段により保存されているシフト量だけ、上記画像シフト手段によるシフトの方向と逆方向に、その逆フーリエ変換結果であるレンジビン内の各画像データをシフトし、シフト後の各画像データを上記位相補償量算出手段に出力することで、位相補償量の算出処理の継続を指示する
   ことを特徴とする請求項１記載の合成開口レーダ装置。
3. 位相誤差補償手段は、フーリエ変換結果と各画像データの位相補償量との乗算結果のうち、位相補償量算出手段によりバタフライ演算が実施されている画像データに対応する乗算結果をバタフライ演算で逆フーリエ変換することを特徴とする請求項２記載の合成開口レーダ装置。
4. 位相誤差補償手段は、画像再生手段により再生された画像の各画像データのフーリエ変換結果を保存するフーリエ変換結果保存手段を備えており、位相補償量算出手段により位相補償量が繰り返し算出された場合、上記画像再生手段により再生された画像の各画像データのフーリエ変換を繰り返し実施せずに、上記フーリエ変換結果保存手段により保存されているフーリエ変換結果を各画像データの位相補償量と乗算することを特徴とする請求項２記載の合成開口レーダ装置。
5. 位相誤差補償手段は、判定手段の判定結果が位相補償量の算出処理を継続する旨を示している場合、画像再生手段により再生された画像の各画像データのうち、画像シフト手段により探索されたレンジビン内の各画像データだけをフーリエ変換することを特徴とする請求項２記載の合成開口レーダ装置。
6. 信号送受信手段が、移動体であるプラットフォームに搭載されているアンテナからパルス信号を空間に放射させる一方、観測対象に反射されて上記アンテナに戻ってくる上記パルス信号のエコー信号を受信する信号送受信処理ステップと、
   画像再生手段が、上記信号送受信処理ステップで受信されたエコー信号から２次元の画像を再生する画像再生処理ステップと、
   画像シフト手段が、上記画像再生処理ステップで再生された画像の中で、孤立している点状の目標が存在しているレンジビンを探索し、上記レンジビン内の各画像データをアジマス方向に環状にシフトすることで、上記目標の画像データを０のレンジビンの位置まで移動する画像シフト処理ステップと、
   データ変換手段が、上記画像シフト処理ステップでシフトされたレンジビン内の各画像データのうち、上記目標を包含している所定の目標近傍領域以外の画像データの数値をゼロに変換するデータ変換処理ステップと、
   位相補償量算出手段が、上記データ変換処理ステップで数値がゼロに変換された画像データを除く画像データの一部をバタフライ演算でフーリエ変換して、そのフーリエ変換結果から上記画像再生処理ステップで再生された画像の位相誤差を推定し、上記位相誤差から上記画像における各画像データの位相補償量を算出する位相補償量算出処理ステップと、
   位相誤差補償手段が、上記画像再生処理ステップで再生された画像の各画像データをフーリエ変換して、そのフーリエ変換結果と上記位相補償量算出処理ステップで算出された各画像データの位相補償量とを乗算し、その乗算結果を逆フーリエ変換して、その逆フーリエ変換結果を位相補償処理後の各画像データとして出力する位相誤差補償処理ステップと
   を備えた画像再生方法。
7. 移動体であるプラットフォームに搭載されているアンテナからパルス信号を空間に放射させる一方、観測対象に反射されて上記アンテナに戻ってくる上記パルス信号のエコー信号を受信する信号送受信処理手順と、
   上記信号送受信処理手順により受信されたエコー信号から２次元の画像を再生する画像再生処理手順と、
   上記画像再生処理手順により再生された画像の中で、孤立している点状の目標が存在しているレンジビンを探索し、上記レンジビン内の各画像データをアジマス方向に環状にシフトすることで、上記目標の画像データを０のレンジビンの位置まで移動する画像シフト処理手順と、
   上記画像シフト処理手順によりシフトされたレンジビン内の各画像データのうち、上記目標を包含している所定の目標近傍領域以外の画像データの数値をゼロに変換するデータ変換処理手順と、
   上記データ変換処理手順により数値がゼロに変換された画像データを除く画像データの一部をバタフライ演算でフーリエ変換して、そのフーリエ変換結果から上記画像再生処理手順により再生された画像の位相誤差を推定し、上記位相誤差から上記画像における各画像データの位相補償量を算出する位相補償量算出処理手順と、
   上記画像再生処理手順により再生された画像の各画像データをフーリエ変換して、そのフーリエ変換結果と上記位相補償量算出処理手順により算出された各画像データの位相補償量とを乗算し、その乗算結果を逆フーリエ変換して、その逆フーリエ変換結果を位相補償処理後の各画像データとして出力する位相誤差補償処理手順と
   をコンピュータに実施させるための画像再生プログラム。

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