JP2015152433A

JP2015152433A - レーダ装置、レーダ信号処理装置、及びレーダ信号処理方法

Info

Publication number: JP2015152433A
Application number: JP2014026511A
Authority: JP
Inventors: 淳浅古; Atsushi Asako
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2015-08-24

Abstract

【課題】１回の観測による高精度なインターフェロメトリＳＡＲを実現する。【解決手段】本実施形態に係るレーダ装置は、移動体に搭載されるレーダ装置であって、複数のアンテナ素子を配列した電子走査方式の空中線部と、前記空中線部を介して、目標からの反射波を受信する受信部と、前記受信部で受信された受信信号に基づいてΣビームを形成するΣビーム形成部と、前記受信部で受信された信号に基づいてΔビームを形成するΔビーム形成部と、前記Σビームと前記Δビームとを前記移動体の移動速度に応じて合成し、複数の合成開口レーダ（ＳＡＲ；Synthetic Aperture Radar）画像を生成するＳＡＲ画像生成部と、前記複数のＳＡＲ画像間の位相差をもとにインターフェロメトリＳＡＲ（ＩＦＳＡＲ；Interferometry Synthetic Aperture Radar）を行うＩＦＳＡＲ処理部とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、インターフェロメトリＳＡＲ（ＩＦＳＡＲ；Interferometry Synthetic Aperture Radar）を行うレーダ装置、レーダ信号処理装置、及びレーダ信号処理方法に関する。

合成開口レーダ（ＳＡＲ；Synthetic Aperture Radar）は、通常のＰＰＩ（Plan Position Indicator）表示を得るレーダと異なり、自機が移動する間の送受信データを記録・処理することで、仮想的に大開口の空中線（アンテナ）を構成し、電波による高分解能な画像を得る手法である。ＳＡＲは、光学画像より分解能は劣るが、一般的に地形の情報を得ることが可能であり、山岳地帯の地すべりの状況や港湾部に停泊する船舶の状況などの動静把握が可能である。

また近年では、インターフェロメトリＳＡＲ（ＩＦＳＡＲ；Interferometry Synthetic Aperture Radar）の用途が増大している。インターフェロメトリＳＡＲとは、複数の開口を用いて実施するＳＡＲの位相情報から、そこに映し出される目標の速度や高度情報を得るものである。通常、インターフェロメトリＳＡＲは、物理的に複数の開口により同時に並行してＳＡＲを実施することにより実現する方法や、あるいはコンステレーションフライトと呼ばれる複数回（複数パス）によるデータから位相情報を抽出して実施される。

但し、従来の方法でのインターフェロメトリＳＡＲは、物理的に離隔した複数の開口の離隔距離においてＳＡＲ画像生成のための機体速度に制約があるものであった。また、コンステレーションフライトによるインターフェロメトリＳＡＲは、複数回のフライトを高精度で実施する必要があり、現在、飛行技術的には可能なレベルになりつつあるが、取得に制約の多い方法であった。一例としては、複数回のパスによりインターフェロメトリＳＡＲを実施する場合には、直径１０ｍの筒の中を複数回飛ぶようなレベルの飛行精度が要求されるとも言われている。そこで、一度の観測でインターフェロメトリＳＡＲを実現する手法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平１０−１４８６７４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される手法は、ある画像化するエリアを観測する合成開口時間を、前半と後半に分けて、それらの間でＳＡＲ画像を生成し、それらの画像間の位相差に基づいてインターフェロメトリ処理するものである。この手法では、合成開口時間を半分にしてしまうため、方位方向の分解能が劣化する（単純には２倍悪くなる）ことのほか、合成開口時間の前半と後半を使うために、２枚の画像を取得する時間の差が大きくなり、例えば、時間変化の大きい目標（大きく移動してしまうもの、洋上の波のように時間が経つと消えてしまうもの等）については検出することが出来なくなる。

本実施形態の目的は、１回の観測による高精度なインターフェロメトリＳＡＲを実現するレーダ装置、レーダ信号処理装置、及びレーダ信号処理方法を提供することにある。

本実施形態に係るレーダ装置は、移動体に搭載されるレーダ装置であって、複数のアンテナ素子を配列した電子走査方式の空中線部と、前記空中線部を介して、目標からの反射波を受信する受信部と、前記受信部で受信された受信信号に基づいてΣビームを形成するΣビーム形成部と、前記受信部で受信された信号に基づいてΔビームを形成するΔビーム形成部と、前記Σビームと前記Δビームとを前記移動体の移動速度に応じて合成し、複数の合成開口レーダ（ＳＡＲ；Synthetic Aperture Radar）画像を生成するＳＡＲ画像生成部と、前記複数のＳＡＲ画像間の位相差をもとにインターフェロメトリＳＡＲ（ＩＦＳＡＲ；Interferometry Synthetic Aperture Radar）を行うＩＦＳＡＲ処理部とを具備するものである。

本実施形態に係るレーダ装置の処理系統を示す図。図１のレーダ装置の動作を示すフローチャート。 Σビーム及びΔビームの指向特性を示す図。 ΣビームとΔビームとの合成による開口中心制御の一例を示す図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るレーダ装置、レーダ信号処理装置、及びレーダ信号処理方法を説明する。

図１は、本実施形態に係るレーダ装置の処理系統を示すブロック図である。このレーダ装置は、例えば、航空機の機体等の移動体に搭載されるものであって、空中線部１１、受信機１２、Σビーム形成部１３、Δビーム形成部１４、ＳＡＲ画像生成器１５、機体系統１６、ＩＦＳＡＲ処理器１７、及び表示器１８を備える。

空中線部１１は、複数のアンテナ素子を配列した電子走査方式のアンテナ（フェーズドアレイアンテナ）で構成される。フェーズドアレイアンテナは、アンテナ素子を固定したままで、位相器により電子的に位相を制御することで任意の方向にビームを向けることが可能である。空中線部１１は、観測エリアに対して電波を送信し、目標からの反射波を受信して電気信号に変換し、受信信号として受信機１２に送る。

受信機１２は、空中線部１１から送られてくる受信信号に所定の処理を施して、Σビーム形成部１３及びΔビーム形成部１４へ送る。

Σビーム形成部１３は、受信機１２から送られてくる受信信号に基づきΣビームを形成する信号（ビームデータ）を生成し、ＳＡＲ画像生成器１５へ送る。

Δビーム形成部１４は、受信機１１から送られてくる受信信号に基づきΔビームを形成する信号（ビームデータ）を生成し、ＳＡＲ画像生成器１５へ送る。

ＳＡＲ画像生成器１５は、機体系統１６から取得される機体速度に応じて、Σビーム形成部１３で生成されたΣビームとΔビーム形成部１４で生成されたΔビームとを合成し、複数のＳＡＲ画像を生成する。

ＩＦＳＡＲ処理器１７は、ＳＡＲ画像生成器１５で生成される複数のＳＡＲ画像間の位相差をもとにＩＦＳＡＲ処理を行い、ＩＦＳＡＲ処理結果を表示器１８に送る。

表示器１８は、ＩＦＳＡＲ処理器１７から送られてくるＩＦＳＡＲ処理結果を画面に表示する。

以下、このように構成されるレーダ装置の動作の具体例を図２のフローチャートを参照して説明する。

［ステップＳ１］
空中線部１１により、空中線部１１は、目標からの反射波を受信して電気信号に変換し、受信信号として受信機１２に送る。フェーズドアレイアンテナとは、複数のアンテナ素子を並べてそれぞれの位相を制御することにより、所望の方向に送受信を可能とするアンテナである。パラボラ方式のアンテナは、指向したい方向にアンテナ正面を機械駆動により向ける必要があるが、フェーズドアレイアンテナは、物理的にアンテナを動かすことなく、電子的に各アンテナ素子の位相をコントロールすることにより、所望の方向に電波を送信したり、電波を受信したりすることが可能となる。各アンテナ素子から放射された電波は、等位相面に垂直な方向に進む性質がある。ここで、各アンテナ素子に与える位相を少しずつずらすと、等位相面がアンテナ素子の並びと平行にならず、ずれた方向に形成され、結果的にアンテナ素子の並びとは異なる方向に電波が伝搬していくことになる。

［ステップＳ２］
受信機１２で所定の処理が施された受信信号は、Σビーム形成部１３及びΔビーム形成部１４に送られ、Σビーム形成部１３ではΣビームを形成し、Δビーム形成部１４ではΔビームを形成する。

［ステップＳ３］
ＳＡＲ画像生成器１５は、機体速度に応じてΣビームとΔビームとを合成し、複数のＳＡＲ画像を生成する。図３に、ΣビームとΔビームの指向特性（方位面の一例）を示す。ΣビームとΔビームを適度に加算すると、電気的なレーダ開口中心をずらすことが可能となり、物理的に左右のアンテナを切り替えることと等価なことを電子的に瞬時に行うことが可能となる。

例えば、図４に示すように、機体速度に対応するΔウェイトの振幅係数ｋの関係を用いて、Σ±αΔのように、ΣビームとΔビームとを合成することにより開口中心をずらした２つのＳＡＲ画像を生成する。なお、ΣビームとΔビームの合成は、Σ＋αΔ、Σ＋βΔのように合成したり、ΣやΣとΔの双方に係数を乗算して合成するようにしてもよい。

［ステップＳ４］
ＩＦＳＡＲ処理器１７は、ＳＡＲ画像生成器１５で生成される、開口中心の異なる複数のＳＡＲ画像間の位相差をもとにＩＦＳＡＲ処理を行う。ＩＦＳＡＲ処理により得られる目標の速度や高度情報などが表示器１８に出力される。

以上述べたように、本実施形態では、フェーズドアレイ方式においてΣビームとΔビームを形成し、それらを合成することにより任意に開口中心を制御することで、インターフェロメトリＳＡＲを実現する。したがって本実施形態によれば、開口を複数個数準備することや複数回の飛行を行うことなく、一度の飛行でインターフェロメトリＳＡＲ画像を得ることが可能となる。また、本実施形態では、例えば、１回の観測から２つのＳＡＲ画像を作り続けるため、２つのＳＡＲ画像に時間差が理論上発生せず、時間変化の大きい目標も捕らえやすくなり、また方位分解能が劣化することが無い。

近年、航空機搭載のレーダもフェーズドアレイ構成のものが登場するようになってきているが、距離方向に十分な分解能を持ち（瞬時帯域（チャープ帯域）が広い）、複数チャンネルのビーム出力が可能なレーダである場合、比較的容易な改修によりインターフェロメトリＳＡＲ機能を実現することが可能となる。

また、上記実施形態では、リアルタイムで取得したデータからΣビームとΔビームとを形成しインターフェロメトリＳＡＲを実施する方法を説明したが、図１のΣビーム形成部１３、Δビーム形成部１４、ＳＡＲ画像生成器１５、ＩＦＳＡＲ処理器１７、及び表示器１８をレーダ信号処理装置として地上等に設け、機上の受信機１２で記録したデータと、機体系統１６のデータとを合わせて取得し、オフラインで処理することもできる。データ取得時（飛行時）に、素子データあるいはビームデータと機体系統１６から取得した機体速度とを合わせて記録（保存）しておくことで、素子データからはビーム形成が、ビームデータからは所望の複数のビーム合成結果が収集後に地上等で可能であるため、機体速度に制約されずにオフラインで所望の開口のビームデータが得られ、インターフェロメトリＳＡＲ画像を取得することができる。

なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…空中線部、１２…受信機、１３…Σビーム形成器、１４…Δビーム形成器、１５…ＳＡＲ画像生成器、１６…機体系統、１７…ＩＦＳＡＲ処理器、１８…表示器。

Claims

移動体に搭載されるレーダ装置であって、
複数のアンテナ素子を配列した電子走査方式の空中線部と、
前記空中線部を介して、目標からの反射波を受信する受信部と、
前記受信部で受信された受信信号に基づいてΣビームを形成するΣビーム形成部と、
前記受信部で受信された信号に基づいてΔビームを形成するΔビーム形成部と、
前記Σビームと前記Δビームとを前記移動体の移動速度に応じて合成し、複数の合成開口レーダ（ＳＡＲ；Synthetic Aperture Radar）画像を生成するＳＡＲ画像生成部と、
前記複数のＳＡＲ画像間の位相差をもとにインターフェロメトリＳＡＲ（ＩＦＳＡＲ；Interferometry Synthetic Aperture Radar）を行うＩＦＳＡＲ処理部と
を具備することを特徴とするレーダ装置。
前記ＳＡＲ画像生成部は、前記移動速度に応じた係数を乗じた前記Δビームに、前記Σビームを加算することにより前記複数のＳＡＲ画像を生成することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
移動体に搭載され、複数のアンテナ素子を配列した電子走査方式の空中線部を有するレーダ装置の受信信号を処理する装置であって、
前記空中線部を介して、目標からの反射波を受信した受信信号を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された受信信号に基づいてΣビームを形成するΣビーム形成部と、
前記記憶部に記憶された受信信号に基づいてΔビームを形成するΔビーム形成部と、
前記Σビームと前記Δビームとを前記移動体の移動速度に応じて合成し、複数の合成開口レーダ（ＳＡＲ；Synthetic Aperture Radar）画像を生成するＳＡＲ画像生成部と、
前記複数のＳＡＲ画像間の位相差をもとにインターフェロメトリＳＡＲ（ＩＦＳＡＲ；Interferometry Synthetic Aperture Radar）を行うＩＦＳＡＲ処理部と
を具備することを特徴とするレーダ信号処理装置。
前記ＳＡＲ画像生成部は、前記移動速度に応じた係数を乗じた前記Δビームに、前記Σビームを加算することにより前記複数のＳＡＲ画像を生成することを特徴とする請求項３に記載のレーダ信号処理装置。
移動体に搭載され、複数のアンテナ素子を配列した電子走査方式の空中線部を有するレーダ装置の受信信号を処理する方法であって、
前記空中線部を介して、目標からの反射波を受信した受信信号を取得するステップと、
前記受信信号に基づいてΣビームを形成するステップと、
前記受信信号に基づいてΔビームを形成するステップと、
前記Σビームと前記Δビームとを前記移動体の移動速度に応じて合成し、複数の合成開口レーダ（ＳＡＲ；Synthetic Aperture Radar）画像を生成するステップと、
前記複数のＳＡＲ画像間の位相差をもとにインターフェロメトリＳＡＲ（ＩＦＳＡＲ；Interferometry Synthetic Aperture Radar）を行うステップと
を有することを特徴とするレーダ信号処理方法。
前記ＳＡＲ画像を生成するステップは、前記移動速度に応じた係数を乗じた前記Δビームに、前記Σビームを加算することにより前記複数のＳＡＲ画像を生成することを特徴とする請求項５に記載のレーダ信号処理方法。