JP2016136142A - ３次元画像を生成する方法及びシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】イメージングのための取得データ総量を削減し、高度分解能を増大させる３次元(３Ｄ)画像を生成する方法及びシステムの提供。
【解決手段】方位高度平面ではなく超平面内を移動する複数の平行なベースラインによって収集されたデータにより圧縮センシング(ＣＳ)技法を用いた３Ｄ仮想アレイイメージングを実行する。複数の平行なベースライン及び複数の異なるパルス繰り返し周波数(ＰＲＦ)を用いてシーンからデータ４０１を取得することによって３次元画像を生成する。複数のベースラインは超平面内に配置４１０される。次に、データに３Ｄ圧縮センシング再構成手順４２０が適用され、シーンに対応する３Ｄ仮想アレイ画像４３０が生成される。
【選択図】図４

Description

この発明は、包括的には合成開口レーダーシステムに関し、より詳細には、断層３Ｄイメージングシステムに関する。
仮想アレイシステムは、移動アンテナを用いて大きな仮想開口を合成し、これにより高分解能画像を達成する。単一パス仮想アレイシステムは、シーンの２次元(２Ｄ)距離方位反射率を高度分解能なしでイメージングすることが可能である。しかしながら、３次元(３Ｄ)地形における特徴等のシーンの３Ｄ構造は保持されない。２Ｄ画像は、本質的には３Ｄ反射率空間の２Ｄ距離方位イメージング平面への投影である。この投影によって、いくつかのアーチファクトが生じる場合がある。例えば、レイオーバーアーチファクトでは、異なる仰角を有するいくつかの地形パッチが同じ距離方位分解能セルにマッピングされる。シャドーイングアーチファクトでは、シーンのいくつかの部分が、照射経路に別の構造物があることに起因して仮想アレイシステムにとって不可視である。これらのアーチファクトは、たとえ干渉アレイイメージング技法を用いたとしても、単一パスで解像することができない。
３Ｄイメージングを実行するためには、高度次元におけるマルチベースラインデータが必要である。マルチベースラインの観測値は、単一チャネル仮想アレイプラットフォームの複数のパスによって取得することができる。この着想は、ＴｅｒｒａＳＡＲ−Ｘ及びＣＯＳＭＯ−Ｓｋｙｍｅｄ衛星の打ち上げにより実現された。追加の高度次元により、３Ｄ画像は、散乱体が同じ距離方位ロケーションに存在する場合でも、高度に沿ってシーン内の複数の散乱体を分けることができる。しかしながら、３Ｄ画像は、いくつかのトレードオフを要する。第１に、複数のベースラインを用いて取得するためには、単一チャネルプラットフォームは、シーンにわたっていくつかのパスを行う必要がある。これにより、データ収集は時間及びコストがかかるものとなる。第２に、高度分解能は、仰角開口の小ささに起因して、距離及び方位の分解能に比べて大幅に劣る。この仰角開口は、仮想アレイセンサーにおいて、「緊密な軌道チューブ(tight orbital tube)」としても知られる。
３Ｄ高度、距離及び方位空間内を移動する単一レーダープラットフォームに搭載されたアンテナ１０１の複数のベースラインアレイを用いて３Ｄ画像を生成する従来の３Ｄ ＳＡＲシステムが図１に示される。方位高度平面におけるベースライン開口角は、θによって表すことができる。図は、シーン内の異なる高度について点散乱体(反射体)１０２を示す。
図２は、図１のシステムの従来の３Ｄイメージングプロセスを示す。データ２０１は、各ベースライン(１，．．．，Ｎ)１０１で取得される。２Ｄ ＳＡＲイメージング２１０は、各データ２０１に独立して適用され、２Ｄ画像(Ｉ１，Ｉ２，．．．，ＩＮ)２１５を構成する。画像は、登録及び整列され(２２０)、その後３Ｄ画像再構成(２３０)によってシーンの３Ｄ画像２４０が取得される。
３Ｄ画像は、散乱体が同じ距離方位ロケーションに存在する場合でも、追加の高度次元を用いて、高度次元に沿って複数の散乱体を分けることができる。しかしながら、３Ｄ画像は、いくつかのトレードオフを要する。
第１に、プラットフォームは、複数のベースラインにおいて画像を取得するために、対象エリアにわたっていくつかのパスを行う必要がある。これにより、データ収集は時間及び非常に高い費用を要するものとなる。第２に、高度分解能は、仰角開口の小ささに起因して、距離及び方位の分解能に比べて大幅に劣る。この仰角開口は、現代のＳＡＲセンサーにおいて、例えば直径約５００メートルの緊密な軌道チューブとして知られる。
高度分解能は、圧縮センシング(ＣＳ)に基づく手法を用いて改善することができる。Zhu他「Tomographic SAR inversion by L1-norm regularization - the compressive sensing approach」IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing, vol. 48(10), pp. 3839-3846, Oct 2010を参照されたい。このＣＳ手法は、複数のベースラインと、単一ＳＡＲプラットフォームの単一ＰＲＦとを用いる。この方法では、２Ｄ距離方位画像はベースラインごとに再構成される。そして、圧縮センシングに基づく方法が高度分解能を改善するために用いられる。この方法は、２Ｄ距離方位ピクセルごとのスパース性しか考慮していない。
２０１４年３月１０日にLiu他によって出願された米国特許出願第１４／２０２，４４９号「System and Method for 3D SAR Imaging using Compressive Sensing with Multi-Platform, Multi-Baseline and Multi-PRF Data」において、３Ｄ画像を再構成するための圧縮センシングに基づく方法が検討されている。しかしながら、ベースラインは、方位高度平面に制約される。
この発明の実施の形態は、方位高度平面ではなく超平面内を移動する複数の平行なベースラインによって収集されたデータにより圧縮センシング(ＣＳ)技法を用いた３Ｄ仮想アレイイメージングを実行する。目標は、イメージングのために取得される必要がある取得データの総量を削減し、高度分解能を増大させることである。
特に、アレイデータは、方位高度平面ではなく超平面内を移動する複数の平行なベースラインによって収集される。各ベースラインは複数のアンテナ素子を含む。
各ベースラインは、異なる距離及び高度座標を有して超平面内でランダムに分散する。各ベースラインは一定のパルス繰り返し周波数(ＰＲＦ)を用い、これは、他のベースラインによって用いられるＰＲＦと異なることができる。したがって、ベースラインはデータ収集の柔軟性を提供する。例えば、ベースラインは、単一の仮想アンテナアレイプラットフォームの複数のパス、又は複数の移動アレイプラットフォームからの単一パスによるものであり得る。全てのベースラインが十分に空間領域内に位置しており、互いに対して整列されていると仮定すると、マルチベースラインデータ全体を検討して、ＣＳに基づく反復イメージングプロセスを用いて高分解能の３Ｄ反射率マップを生成することができる。
この発明は、２０１４年３月１０日にLiu他によって出願された関連米国特許出願第１４／２０２，４４９号「System and Method for 3D SAR Imaging using Compressive Sensing with Multi-Platform, Multi-Baseline and Multi-PRF Data」に記載されている方法を上回るいくつかの利点を提供する。
第１に、ベースラインの空間ロケーションは、２Ｄ方位高度平面から超平面に拡張される。この拡張は、データ収集の更なる柔軟性を提供する。第２に、イメージングのために必要とされる超平面内のベースラインの総数は、２Ｄ方位高度平面内よりもはるかに低い。第３に、データ収集中の移動プラットフォームの動き誤差により、圧縮センシング技法を用いたシーン再構成のためのランダム測定及び情報収集が確保される。
従来の断層合成開口レーダーシステムの概略図である。 従来のマルチベースライン合成開口レーダーシステムのブロック図である。 この発明の実施の形態に係る、圧縮センシングに基づく３Ｄ合成開口レーダーシステムの概略図である。 この発明の実施の形態に係る、複数の合成開口レーダーシステムを用いて３Ｄ画像を生成するシステム及び方法のブロック図である。
図３及び図４に示すように、この発明の実施の形態は、合成開口レーダー(ＳＡＲ)３Ｄ画像を生成する方法を提供する。本方法は、複数のベースライン３０１においてデータセットを取得する。複数のベースラインは、シーンにわたっていくつかのパスを行う単一プラットフォーム又は同じエリアにわたってパスする複数の異なるプラットフォームを用いて確立することができる。各ベースラインは一定のパルス繰り返し周波数(ＰＲＦ)を用いる。これは他のベースラインにおけるＰＲＦと異なることができる。
この発明による方法では、僅かなジッターを伴って超平面内に配置された複数のＰＲＦ及び複数のベースライン３０１のデータを検討する。これは、図３に示すように、データを複数のプラットフォームから収集することができることを意味する。従来技術によるシステムは通常、距離、方位及び高度次元でしか動かない。
距離−方位−高度空間における移動アンテナ３０１の座標を(ｕ，ｖ，ｗ)とし、反射体３０２の座標を(ｘ，ｙ，ｚ)とする。ベースラインが方位高度平面に位置するとき、ｕ＝０であり、全てのベースラインは方位軸に平行であるため、ベースラインロケーションは１Ｄ座標ｗによって求められる。
しかしながら、ベースラインが超平面内に位置するとき、ベースラインロケーションは２Ｄ座標(ｕ，ｗ)によって求められる。ベースラインロケーション(ｕ，ｗ)が、シーン中心を中心とした円の弧３０３上にランダムに分散していると仮定する。弧形状の超平面内のベースライン数は、同じ開口角θの場合の方位高度平面内よりもはるかに少ないことに留意する。また、仰角開口が、単一の仮想アレイ軌道チューブよりも大きいことにも留意する。超平面のベースラインにおける摂動及び動き誤差により、圧縮センシングに基づく再構成においてランダム測定及び情報収集が用いられることが確保される。
比較の目的で、従来のイメージング方法及びこの発明によるＣＳに基づく方法の双方を用いて、再構成に続くデータ取得を実行する。データはシミュレーションを用いて取得することができる。シミュレーションのために、３Ｄシーン内の点散乱体(反射体)３０２を検討する。超平面(ｕ，ｗ)内にランダムに分散した方位方向における２１個の平行なベースラインを検討する。距離高度平面内の２０１×１０個の可能な座標(ｕ，ｗ)から対応する高度及び距離座標がランダムに選択される。
各ベースラインにおいて、一定のパルス繰り返し周波数(ＰＲＦ)を用いてデータが収集される。異なるベースラインについて、対応するＰＲＦがランダムに選択される。特に、ベースＰＲＦから開始して、全てのベースラインがランダム整数量だけダウンサンプリングされる。換言すれば、各ＰＲＦはベースＰＲＦの一部であり、ダウンサンプリングレートは集合｛２，３，４，５｝からランダムに選択される。移動プラットフォームの速度が変化することを考慮すると、データを収集する移動プラットフォーム上のアンテナ素子の空間ロケーションに関してデータに僅かなジッターが存在し得る。全てのデータが完全に整列されていると仮定する。シーンのスパース性を用いることにより、ＣＳに基づく３Ｄ画像を再構成する。
図４に処理ブロック図が示される。図４に示されるように、データセット４０１は、Ｎプラットフォームから取得される。上述したように、データセットは、単一システムの複数のパスにおいて取得することができる(４０５)。ここで、この説明において、各パスは独立したデータセット、又は異なるＳＡＲシステムによる複数のパス、又は単一システム及び独立システムの複数のパスの何らかの組合せを生成する。
データセット４０１は、登録及び整列され(４１０)、整列したデータセット４１５が生成される。整列の後、整列した複数のベースライン、複数のＰＲＦデータセット４１５に、ＣＳに基づく３Ｄ画像再構成が直接適用され(４２０)、３Ｄ画像４３０が取得される。本方法は、当該技術分野において既知のように、バスによってメモリ、入出力インターフェース及びアンテナに接続されたプロセッサにおいて実行することができる。
２つの異なる結果、すなわち、それぞれ異なるＰＲＦを有する２１個のベースライン及び従来のイメージング方法を用いた削減されたデータ収集と、この発明によるＣＳに基づくイメージング手法におけるような削減されたデータ収集とを比較する。従来の３Ｄイメージングの場合、データをアップサンプリングし、欠落データをゼロで補うことによって、近距離レンジマイグレーションイメージング手順(near-field range migration imaging procedure)を用いる。これによって、取得したデータから高速ビームフォーミングの結果が得られ、次に取得演算子の逆が実施される。ＣＳに基づくイメージングにおいては、シーンのスパース性を利用する反復手順を用いて欠落データを補い、その後、高速レンジマイグレーションイメージングを行う。
この発明による手法は、関連出願における以前の研究と比較していくつかの利点を提供する。第１に、この発明では、ベースラインの空間ロケーションを２Ｄ方位高度平面から２Ｄ超平面に拡張する。
第２に、この発明では、データ収集における移動プラットフォームの動き誤差を考慮する。これらの動き誤差により、圧縮センシングに基づく再構成においてランダム測定及び情報収集が用いられることが確保される。

Claims (15)

  1. ３次元(３Ｄ)画像を生成する方法であって、前記画像は仮想アレイ画像であり、前記方法は、
    複数の平行なベースライン及び複数の異なるパルス繰り返し周波数(ＰＲＦ)を用いてシーンからデータを取得するステップであって、前記複数のベースラインは超平面に配置されるものと、
    前記データに３Ｄ圧縮センシング再構成手順を適用して、前記シーンに対応する前記３Ｄの仮想アレイ画像を生成するステップと、
    を含む、３次元画像を生成する方法。
  2. 前記データは、各ベースラインにおいて一様にサンプリングされる、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ベースラインは互いに走る、請求項１に記載の方法。
  4. 各ベースラインは複数のアンテナ素子を含み、アンテナ素子の空間ロケーションはジッターを受ける、請求項１に記載の方法。
  5. 各ベースラインの前記ＰＲＦは互いに無関係である、請求項１に記載の方法。
  6. 前記データは複数のアンテナ仮想アレイシステムから収集される、請求項１に記載の方法。
  7. 前記複数のベースラインの空間分布はランダムである、請求項１に記載の方法。
  8. 仰角開口が単一の仮想アレイ軌道チューブよりも大きい、請求項１に記載の方法。
  9. 前記圧縮センシングの方法は、反復再構成方法である、請求項１に記載の方法。
  10. 高度分解能が従来の３Ｄ仮想アレイシステムよりもはるかに高い、請求項１に記載の方法。
  11. ベースラインの総数が従来の３Ｄ仮想アレイシステムよりもはるかに少ない、請求項１に記載の方法。
  12. 前記ベースラインのロケーションが、シーン中心を中心とした円の弧上にランダムに分散する、請求項１に記載の方法。
  13. 各ベースラインは、異なる距離及び高度座標を有して前記超平面内でランダムに分散する、請求項１に記載の方法。
  14. 前記ベースラインの座標は、距離−方位−高度空間内で(ｕ，ｗ)であり、前記シーン内の反射体の前記座標は(ｘ，ｙ，ｚ)であり、前記ベースラインは全て方位軸に平行である、請求項１に記載の方法。
  15. ３次元(３Ｄ)画像を生成するシステムであって、前記画像は仮想アレイ画像であり、前記システムは、
    超平面内に配置された複数の平行なベースラインであって、前記ベースラインが、複数の異なるパルス繰り返し周波数(ＰＲＦ)を用いてシーンからデータを取得するものと、
    ３Ｄ圧縮センシング再構成手順を前記データに適用して、前記シーンに対応する前記３Ｄの仮想アレイ画像を生成するように構成された、前記ベースラインに接続されたプロセッサと、
    を備える、３次元画像を生成するシステム。
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