JP2015129694A

JP2015129694A - 合成開口レーダ装置及びその画像処理方法

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Publication number: JP2015129694A
Application number: JP2014001619A
Authority: JP
Inventors: 晋一竹谷; Shinichi Takeya
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2015-07-16
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: JP6178245B2

Abstract

【課題】処理規模に制約がある場合でも、広範囲の画像を形成できる合成開口レーダ装置を提供する。【解決手段】被搭載移動体の移動に沿ってレーダ波を特定の画像化範囲に向けて得られたビーム出力を合成開口処理して画像化するもので、前記画像化する領域についてＮ（Ｎは２以上の自然数）通りの中心位置毎に、焦点位置をＭ（Ｍは２以上の自然数）通りに変化させて、レンジ−クロスレンジ軸それぞれにおける参照信号を生成し、前記ビーム出力の取得データと前記参照信号それぞれとのマッチングによるＳＡＲ処理を施して複数のＳＡＲ画像を生成し、前記複数のＳＡＲ画像の互いのずれを補正し、前記ずれが補正された複数のＳＡＲ画像を統合してＳＡＲ統合画像を生成する。【選択図】図１

Description

本実施形態は、合成開口レーダ装置及びその画像処理方法に関する。

従来の合成開口レーダ（ＳＡＲ：Synthetic Aperture Radar）装置では、ＳＡＲ処理において、固定目標の場合は合成開口時間内で一定の位置にあるため、合成開口長Ｌの大開口アレイとして、固定目標に対して位相を合わせて最大ベクトルとなるように合成することが可能である。そこで、特定された画像化領域内の対象目標については、ポーラフォーマット変換によって正しい位置に画像化することが可能となっている（非特許文献１，２，３参照）。

ただし、ポーラフォーマット変換では画像化領域の制約があり、画像化領域以上に対象目標がある場合には、その領域外の固定目標を画像化することができない。画像化領域を広げるために、ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency）等の周波数を高く設定することも検討されているが、取得データ量が増大してしまい、処理規模の制約により実現できない場合が生じる。

ＳＡＲ方式（レンジ圧縮）：大内、"リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎"、東京電機大学出版局、pp.131-149(2003) ＳＡＲ方式（Ａｚ圧縮）：大内、"リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎"、東京電機大学出版局、pp.171-178(2003) ＳＡＲ方式（大開口アレイ合成、スポットライトＳＡＲ）：吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.280-283(1996) ＳＡＲ処理方式（ポーラフォーマット変換再構成処理）：MEHRDAD SOUMEKH,"Synthetic Aperture Radar Signal Processing", JOHN WILEY & SONS,INC.,pp.319-325(1999) アフィン変換rev.a、田村、‘コンピュータ画像処理’、Ohmsha、pp288-290（2002）

以上述べたように、従来の合成開口レーダ装置では、画像化領域の制約で固定目標を画像化することができない場合があった。

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、処理規模の増大を抑制しつつ、固定目標の画像化領域を広げることができ、これによって領域制限を受けていた固定目標の画像化を実現することのできる合成開口レーダ装置とその画像処理方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本実施形態に係る合成開口レーダ装置は、被搭載移動体の移動に沿ってレーダ波を特定の画像化範囲に向けて得られたビーム出力を合成開口処理して画像化するもので、前記画像化する領域についてＮ（Ｎは２以上の自然数）通りの中心位置毎に、焦点位置をＭ（Ｍは２以上の自然数）通りに変化させて、レンジ−クロスレンジ軸それぞれにおける参照信号を生成し、前記ビーム出力の取得データと前記参照信号それぞれとのマッチングによるＳＡＲ（Synthetic Aperture Radar）処理を施して複数のＳＡＲ画像を生成し、前記複数のＳＡＲ画像の互いのずれを補正し、前記ずれが補正された複数のＳＡＲ画像を統合してＳＡＲ統合画像を生成する態様とする。

第１の実施形態に係る合成開口レーダ装置の構成を示すブロック図。図１に示す装置において、信号処理部の処理の流れを示すフローチャート。図１に示す装置において、合成開口処理における画像化範囲を説明するための概念図。図１に示す装置において、機体フライト軸（飛翔経路）と画像化範囲との位置関係を示す概念図。図１に示す装置において、ＦＦＴ画像の生成方法とＦＦＴ画像における固定目標の値を抽出する処理の流れを示すフローチャート。図１に示す装置において、ＦＦＴ画像のＮ通りのオフセットを説明するための概念図。図１に示す装置において、ポーラフォーマット変換の処理内容を示す概念図。図１に示す装置において、アフィン変換の処理内容を説明するための概念図。図１に示す装置において、複合した変換の場合を説明するための概念図。図１に示す装置において、ポーラフォーマット変換された複数画像の振幅加算による統合処理を示す概念図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１乃至図１０を参照して、第１の実施形態に係る航空機搭載の合成開口レーダ装置を説明する。

図１は上記合成開口レーダ装置（以下、ＳＡＲ）の系統構成を示すブロック図、図２はその具体的な処理の流れを示すフローチャートである。図１において、アンテナ１は複数のアンテナ素子を配列して大開口アレイを形成してなるフェーズドアレイアンテナであり、送受信器２の送受信部２１から繰り返し供給される特定周波数の送信パルス信号（以下、ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency）信号）を指定方向に送出してその反射波を受信する。送受信部２１はアンテナ１の複数のアンテナ素子でそれぞれ受信された信号をビーム制御部２２からの指示に従って位相制御を施し合成することで、画像化したい範囲に受信ビームを形成する（図２：ステップＳ１１）。受信ビームで得られた受信信号は信号処理器３に送られる。

この信号処理器３は、ＡＤ（Analog-Digital）変換部３１、レンジ圧縮部３２、オフセット補正部３３、オフセット量制御部３４、Ａｚ圧縮部３５、画像化部３６、画像補正部３７及び画像統合部３８を備える。

上記ＡＤ変換部３１は、送受信器２から供給されるＰＲＦ受信信号をディジタル信号に変換する（図２：ステップＳ１２）もので、その変換結果はレンジ圧縮部３２、オフセット補正部３３、オフセット量制御部３４及びＡｚ圧縮部３５によるＳＡＲ処理部に送られる。

ＳＡＲ処理部において、レンジ圧縮部３２は、合成開口の受信サイクル毎に、ディジタル化された開口アレイのＰＲＦ受信信号をレンジ（距離）方向にパルス圧縮する（図２：ステップＳ１３）。パルス圧縮は、入力信号とパルス圧縮用の参照信号との相関処理であり、これを周波数軸で行う(引用文献１参照）。具体的には、周波数軸上において、入力信号のＦＦＴ（高速フーリエ変換：Fast Fourier Transform）結果と参照信号のＦＦＴ結果の乗算を行い、ＦＦＴ画像を得る。このレンジ圧縮されたＦＦＴ画像はオフセット補正部３３に送られる。このオフセット補正部３３は、オフセット量制御部３４の制御に従って設定されるオフセット量で、クロスレンジ圧縮（後段のＡｚ圧縮）する画像化領域の中心（画像中心）をＮ通りに調整するための処理である（図２：ステップＳ１４）。オフセット補正を施されたＦＦＴ画像はＡｚ圧縮部３５に送られ、アジマス角（クロスレンジ）方向にパルス圧縮を施されて（図２：ステップＳ１５）、画像化部３６に送られる。

上記画像化部３６は、入力されるＮ通りのＦＦＴ画像を順次ポーラフォーマット変換することにより２次元ＦＦＴ画像を出力する（図２：ステップＳ１６）。上記画像補正部３７は、画像化部３６で得られたＮ通りの２次元ＦＦＴ画像に生じている位置ずれや歪みを補正するために、入力画像に対してアフィン変換を行う（図２：ステップＳ１７，Ｓ１８）。上記画像統合部３８は、アフィン変換されたＮ通りの２次元ＦＦＴ画像を統合する（図２：ステップＳ１９）。

上記構成による合成開口レーダ装置において、図３を参照して、ＳＡＲ方式について概略説明する。図３は、スポットライトＳＡＲ（引用文献３）の場合であり、この方式では、搭載レーダによる実開口ビームを画像化範囲に常に照射するようにビームを向けて、合成開口時間（１サイクル）内でＰＲＩ(Pulse Repetition Interval）間隔で送信したパルス毎に、ＰＲＩ内のレンジセル単位でデータを取得する。この取得データを用いてＳＡＲ処理を実施して、ＳＡＲ画像を得る。

尚、図３はスポットライトＳＡＲの場合の図であるが、ＳＡＲ画像を得られれば、側方を観測するストリップマップＳＡＲ等の他の方式でもよい。図４に座標系の定義を示す。図４において、Ｘ軸をレンジ、Ｙ軸をクロスレンジとし、被搭載機のフライト方向速度をクロスレンジ方向とし、被搭載機の位置から移動目標の座標点を（Ｘ，Ｙ）、速度ベクトルをＶとする。

次に、ＦＦＴ画像の生成方法とＦＦＴ画像における固定目標の値を抽出する方法について、図５に示す処理フローを参照して説明する。
まず、サンプリング時間ｔ、合成開口長のサンプル点ｕのデータを取得すると（ステップＳ２１）、レンジ圧縮を実行する（引用文献１参照：ステップＳ２２〜Ｓ２３）。ここで、レンジ圧縮は、入力信号とレンジ圧縮用信号の相関処理であり、これを周波数領域で行う場合について定式化すると次の通りである。

時間軸上に変換するためには、信号sを逆フーリエ変換すればよいが、この後でクロスレンジ圧縮（Ａｚ圧縮、引用文献２）を行うので、信号sを（ω、ｕ）軸のままとする。

次にクロスレンジの参照信号fs0を生成する。

尚、オフセット値（Xcalfft,Ycalfft）は、ＦＦＴ画像を生成するために必要である。オフセットによる効果を、図６を参照して説明する。

まず、前述のsとクロスレンジ圧縮用のfs0を乗算して信号csを得る。

これを用いて、ｕ軸でＦＦＴして信号fcs（ω、ku）を得る。

ＦＦＴ画像出力は、fcsのω軸に関する逆ＦＦＴにより算出できる。

このＦＦＴ画像のオフセットについて図６を参照して説明する。ＦＦＴ画像では、Ｘ軸がパルス圧縮によるレンジ（目標までの往復時間ｔに比例、ｔ軸）、Ｙ軸がＦＦＴによるクロスレンジ（ドップラー成分に比例、ｋｕ軸）に対応する。固定目標の画像中心を（Ｘｃ，Ｙｃ）とすると、固定目標の画像化範囲は（Ｘｃ±X0，Ｙｃ±Y0）である。固定目標は、この画像生成範囲以上の場合もあるため、広範囲に合成するためには、以下に述べるように、画像中心をオフセットさせたＮ通り（図６ではＮ＝９）の画像を生成し、画像生成後、全体画像を統合するものとする。

次に図５を参照して、ポーラフォーマット変換によるＳＡＲ画像処理手法について述べる（引用文献４）。パルス圧縮の出力ｓまでは、上述と同様である。まず、このｓを用いて、ｕ軸に関してフーリエ変換する（ステップＳ２４）。

次に、画像生成範囲を広げるためにＭ通りのオフセット値（Xoff,Yoff）を用いて、固定目標の画像中心をずらして移動目標の画像を中心に画像生成するためにオフセット補正を行い、Ａｚ圧縮用の参照信号を乗算する（ステップＳ２５）。このオフセット量は、生成したい画像範囲を分割して決定すればよい。この場合、直交座標（Ｘ，Ｙ）軸で分割する手法や、極座標（Ｒ，θ）で分割する手法等でもよいのは言うまでもないが、ここでは、直交座標の場合について述べる。

また、kx,kyは次式により求めることができる。

このクロスレンジ参照信号を用いて、次式によりfsmを算出する。

fsmを用いて、図７に示すポーラフォーマット変換を行い、ｋｘ、ｋｙ軸で格子点のデータF（kx,ky）を生成する（ステップＳ２６）。ポーラフォーマット変換は、取得データを用いて、（kx、ky）軸の格子点のデータを内挿手法等を用いて算出する手法であり、細部については引用文献の通りであり割愛する。このfsmを用いて、２次元逆ＦＦＴにより画像を出力する（ステップＳ２７）。

Ｎ通りのオフセット量を用いて画像生成した各々の画像は、画像中心が異なるために、スクイント角（フライト軸に対するビーム指向方向の角度）による位置ずれや歪みが生じている。これを補正するために次式で示すアフィン変換を行う（引用文献５）。

例えば、拡大縮小、平行移動の場合のみであると、次式となる。

上記アフィン変換について、図８（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。
一般に行列で表現すると、次の通りである。

（ａ）拡大縮小の場合（図８（ａ）参照）

（ｂ）平行移動の場合（図８（ｂ）参照）

（ｃ）回転移動の場合（図８（ｃ）参照）

（ｄ）スキュー（θx）の場合（図８（ｄ）参照）

（ｅ）スキュー（θy）の場合（図８（ｅ）参照）

尚、複合した変換の場合は、変換の順に行列の乗算の形で変換すればよい。例えば、回転→平行移動の場合は、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように変換することになる。この複合変換は次式で表現される。

以上の説明から明らかなように、上記処理において、（１３）式の各係数は、基準位置（Prefx,Prefy）の固定目標を発生させ、（１２）式の出力の固定目標の位置を真の位置に補正するように決める。そして、オフセット量の異なるＭ通りの補正画像を振幅加算し、さらに画像の中心位置の異なるＮ通り（全体画像をＮ分割）の画像を合成して、全体としての統合画像が得られる。

ここで、ポーラフォーマット変換では、例えば図１０（ａ）に示すように、設定された画像領域以上に対象目標がある場合には、画像抜けが生じてしまう。これに対して、本実施形態では、図１０（ｂ）に示すように、画像中心の異なる複数の画像を振幅加算により統合するようにしているので、画像抜けが生じることなく適正な画像が得られる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、複数画像を合成して統合画像を得る際に、振幅加算を用いた。この際に、複数画像で補正誤差によりズレがあると、画像が若干ずれた振幅合成になり、ぼやけた画像に見えることがある。この影響を抑圧するために、複数画像を統合する際に、複数画像で重なり合う部分について重畳（上書き）処理を行うものである。ただし、重畳処理の場合は、複数画像間で重なり合う部分について、一方では画像化されたものが他方では画像化されていない場合には、上書きにより目標が抑圧される場合がある。

本処理は、第１の実施形態の図１の系統図及び図２の処理フローの画像統合部３８の部分の内部処理を振幅加算から重畳処理に置き換えるのみであるため、系統図と処理フローは割愛する。

ここで、第１の実施形態と第２の実施形態のどちらを採用するかについては、画像の品質か、目標を確実に表示するか等、運用により使い分けるとよい。

また、上記実施形態の合成開口処理方式については、ポーラフォーマット変換の画像再構成処理（引用文献４）について説明したが、他の合成開口処理方式でよいことは勿論である。

尚、本実施形態は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…アンテナ、２…送受信器、２１…送受信部、２２…ビーム制御部、３…信号処理器、３１…ＡＤ（Analog-Digital）変換部、３２…レンジ圧縮部、３３…オフセット補正部、３４…オフセット量制御部、３５…Ａｚ圧縮部、３６…画像化部、３７…画像補正部、３８…画像統合部。

Claims

被搭載移動体の移動に沿ってレーダ波を特定の画像化範囲に向けて得られたビーム出力を合成開口処理して画像化する合成開口レーダ装置において、
前記画像化する領域についてＮ（Ｎは２以上の自然数）通りの中心位置毎に、焦点位置をＭ（Ｍは２以上の自然数）通りに変化させて、レンジ−クロスレンジ軸それぞれにおける参照信号を生成し、前記ビーム出力の取得データと前記参照信号それぞれとのマッチングによるＳＡＲ（Synthetic Aperture Radar）処理を施して複数のＳＡＲ画像を生成する画像生成手段と、
前記複数のＳＡＲ画像の互いのずれを補正する補正手段と、
前記ずれが補正された複数のＳＡＲ画像を統合してＳＡＲ統合画像を生成する統合手段と
を具備する合成開口レーダ装置。
前記画像生成手段は、前記ＳＡＲ画像をポーラフォーマット変換により生成する請求項１記載の合成開口レーダ装置。
前記補正手段は、前記ＳＡＲ画像のずれをアフィン変換により補正する請求項１記載の合成開口レーダ装置。
前記統合手段は、前記複数のＳＡＲ画像を振幅加算により統合する請求項１記載の合成開口レーダ装置。
前記統合手段は、前記複数のＳＡＲ画像を重畳合成により統合する請求項１記載の合成開口レーダ装置。
被搭載移動体の移動に沿ってレーダ波を特定の画像化範囲に向けて得られたビーム出力を合成開口処理して画像化する合成開口レーダ装置の画像処理方法において、
前記画像化する領域についてＮ（Ｎは２以上の自然数）通りの中心位置毎に、焦点位置をＭ（Ｍは２以上の自然数）通りに変化させて、レンジ−クロスレンジ軸それぞれにおける参照信号を生成し、
前記ビーム出力の取得データと前記参照信号それぞれとのマッチングによるＳＡＲ（Synthetic Aperture Radar）処理を施して複数のＳＡＲ画像を生成し、
前記複数のＳＡＲ画像の互いのずれを補正し、
前記ずれが補正された複数のＳＡＲ画像を統合してＳＡＲ統合画像を生成する合成開口レーダ装置の画像処理方法。
前記画像生成は、前記ＳＡＲ画像をポーラフォーマット変換により生成する請求項６記載の合成開口レーダ装置の画像処理方法。
前記ずれの補正は、前記ＳＡＴ画像のずれをアフィン変換により補正する請求項６記載の合成開口レーダ装置の画像処理方法。
前記複数のＳＡＲ画像の統合は、前記複数のＳＡＲ画像を振幅加算により統合する請求項６記載の合成開口レーダ装置の画像処理方法。
前記複数のＳＡＲ画像の統合は、前記複数のＳＡＲ画像を重畳合成により統合する請求項６記載の合成開口レーダ装置の画像処理方法。