JP2020016585A - 合成開口レーダ装置、合成開口レーダ信号処理装置及び合成開口レーダ信号処理プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、合成開口レーダ技術において、高信号対雑音比及び高分解能化を両立させつつ、照射ビームの方向を制御する機械的又は電気的な機構を不要とし、回路の簡素化及びシステムの低価格化を実現することを目的とする。【解決手段】本開示は、合成開口レーダのレンジ圧縮用のチャープパルスを生成するチャープパルス生成部１１と、チャープパルス生成部１１が生成したチャープパルスを照射するにあたり、機械的及び電子的な指向制御を行なわず元来備わっている指向特性に従って、照射ビームの方向を照射ビームの周波数に応じてアジマス方向に変化させるアンテナ部Ａと、ターゲットＴから反射された反射信号を受信する反射信号受信部１２と、を備えることを特徴とする合成開口レーダ装置１である。【選択図】図５

Description

本開示は、高信号対雑音比及び高分解能化を両立させる合成開口レーダ技術に関する。

合成開口レーダ技術において、以下のトレードオフの解決が要求されている。第１のトレードオフとして、高信号対雑音比を実現するためには、アンテナの高利得化つまり開口長増大が必要となるが、合成開口によりアジマス分解能が低下してしまう。第２のトレードオフとして、高レンジ分解能化を実現するためには、チャープパルスの広帯域化が必要となるが、アンテナの指向特性の不完全性によって生じるビームチルトにより信号対雑音比が低下してしまう。

特許第６０８０７８３号明細書 特許第６０７２２６２号明細書 特許第３３３２０００号明細書

Ｎ．Ｇｅｂｅｒｔ ｅｔ ａｌ．，"ＵＬＴＲＡ ＷＩＤＥ ＳＷＡＴＨ ＩＭＡＧＩＮＧ ＷＩＴＨ ＭＵＬＴＩ−ＣＨＡＮＮＥＬ ＳＣＡＮＳＡＲ"，ＩＧＡＲＳＳ ２００８−２００８，ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ．

合成開口レーダ技術において、高信号対雑音比及び高分解能化を両立させる方法が、特許文献１〜３及び非特許文献１に開示されている。特許文献１〜３では、ランダムな方向にチャープパルスを照射し、スポットライトモードの観測範囲を広げる。非特許文献１では、レンジ方向及びアジマス方向にチャープパルスを走査し、Ｓｃａｎ−ＳＡＲ及びＴＯＰＳ−ＳＡＲ等を実現する。しかし、特許文献１〜３及び非特許文献１では、照射ビームの方向を意図的に変化させるためには、照射ビームの方向を制御する機械的又は電気的な機構が必要であるため、回路が複雑化しシステムが高価格化する。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、合成開口レーダ技術において、高信号対雑音比及び高分解能化を両立させつつ、照射ビームの方向を制御する機械的又は電気的な機構を不要とし、回路の簡素化及びシステムの低価格化を実現することを目的とする。

前記課題を解決するために、アンテナの指向特性によって生じるビームチルトを積極的に利用する。つまり、チャープパルスを照射するにあたり、機械的及び電子的な指向制御を行なわず元来備わっている指向特性に従って、照射ビームの方向を照射ビームの周波数に応じてアジマス方向に変化させる。そして、各アジマス位置において照射されるチャープパルスの全体区間のうち、観測対象位置に向けて照射されるチャープパルスの一部区間のみを、反射信号と参照信号との間の相関処理において考慮する。

具体的には、本開示は、合成開口レーダのレンジ圧縮用のチャープパルスを生成するチャープパルス生成部と、前記チャープパルス生成部が生成したチャープパルスを照射するにあたり、機械的及び電子的な指向制御を行なわず元来備わっている指向特性に従って、照射ビームの方向を照射ビームの周波数に応じてアジマス方向に変化させるアンテナ部と、ターゲットから反射された反射信号を受信する反射信号受信部と、を備えることを特徴とする合成開口レーダ装置である。

この構成によれば、チャープパルスを照射するにあたり、アンテナの指向特性によって生じるビームチルトを積極的に利用するため、いずれの観測対象位置についても、観測可能なアジマス時間が長くなる。よって、高信号対雑音比を実現するために、アンテナの高利得化つまり開口長増大を実行しようとしても、合成開口によりアジマス分解能を低下させないことができる。また、機械的及び電子的な指向制御を行なわず元来備わっている指向特性に従って、照射ビームの方向を照射ビームの周波数に応じてアジマス方向に変化させるため、回路の簡素化及びシステムの低価格化を実現することができる。

また、本開示は、前記チャープパルス生成部が、アジマス位置ごとに中心周波数を制御してチャープパルスを生成することにより、前記アンテナ部が照射する照射ビームのアジマス方向がある観測領域を指向するようにし、スポットライトモードを用いて合成開口レーダ観測を行うことを特徴とする合成開口レーダ装置である。

この構成によれば、観測範囲が限られたスポットライトモードを用いるにあたり、回路の簡素化及びシステムの低価格化を実現することができる。

また、本開示は、前記チャープパルス生成部が、アジマス位置によらない形状を有するチャープパルスを生成することにより、照射ビームの方向をアジマス方向に変化させ、照射ビームの方向をアジマス方向に変化させないときと比べて、観測可能なアジマス時間が長くなるストリップモードを用いて合成開口レーダ観測を行うことを特徴とする合成開口レーダ装置である。

この構成によれば、観測範囲が広くなるストリップモードを用いるにあたり、高アジマス分解能化、回路の簡素化及びシステムの低価格化を実現することができる。

また、本開示は、前記チャープパルス生成部が、アジマス位置によらない形状を有するとともに、前記アンテナ部が照射する照射ビームのアジマス方向のスクイントが生じるような中心周波数を有するチャープパルスを生成することにより、照射ビームの方向をアジマス方向に変化させ、照射ビームの方向をアジマス方向に変化させないときと比べて、観測可能なアジマス時間が長くなるスクイントモードを用いて合成開口レーダ観測を行うことを特徴とする合成開口レーダ装置である。

この構成によれば、斜め前方又は斜め後方でのスクイントモードを用いるにあたり、高アジマス分解能化、回路の簡素化及びシステムの低価格化を実現することができる。

また、本開示は、以上に記載の合成開口レーダ装置の前記反射信号受信部が受信した反射信号と、前記チャープパルス生成部が生成したチャープパルスのうち、アジマス位置ごとに観測対象位置から反射されたと期待される一部区間のみを選択した参照信号と、の間の相関処理を実行することを特徴とする合成開口レーダ信号処理装置である。

また、本開示は、以上に記載の合成開口レーダ装置の前記反射信号受信部が受信した反射信号と、前記チャープパルス生成部が生成したチャープパルスのうち、アジマス位置ごとに観測対象位置から反射されたと期待される一部区間のみを選択した参照信号と、の間の相関処理、をコンピュータに実行させるための合成開口レーダ信号処理プログラムである。

これらの構成によれば、各アジマス位置において照射されるチャープパルスの全体区間のうち、観測対象位置に向けて照射されるチャープパルスの一部区間のみを、反射信号と参照信号との間の時間領域又は周波数領域の相関処理において考慮する。そして、ある観測対象位置から反射された反射信号について、本開示では従来技術より、受信可能なレンジ時間は短くなるものの、受信可能なアジマス時間は長くなるため、受信可能な総時間は減少しない。よって、高レンジ分解能化を実現するために、チャープパルスの広帯域化を実行しようとしても、ビームチルトにより信号対雑音比を低下させないことができる。

また、本開示は、前記観測対象位置から反射された反射信号と、前記チャープパルス生成部が生成したチャープパルスのうち、アジマス位置ごとに前記観測対象位置から反射されたと期待される一部区間のみを選択した参照信号と、の間の時間領域における相関処理を実行することを特徴とする合成開口レーダ信号処理装置である。

また、本開示は、前記観測対象位置から反射された反射信号と、前記チャープパルス生成部が生成したチャープパルスのうち、アジマス位置ごとに前記観測対象位置から反射されたと期待される一部区間のみを選択した参照信号と、の間の時間領域における相関処理、をコンピュータに実行させるための合成開口レーダ信号処理プログラムである。

これらの構成によれば、各アジマス位置において照射されるチャープパルスの全体区間のうち、観測対象位置に向けて照射されるチャープパルスの一部区間のみを、反射信号と参照信号との間の時間領域の相関処理において考慮する。そして、ある観測対象位置から反射された反射信号について、本開示では従来技術より、受信可能なレンジ時間は短くなるものの、受信可能なアジマス時間は長くなるため、受信可能な総時間は減少しない。よって、高レンジ分解能化を実現するために、チャープパルスの広帯域化を実行しようとしても、ビームチルトにより信号対雑音比を低下させないことができる。また、計算時間は長いが画像精度は高くなる。

このように、本開示は、合成開口レーダ技術において、高信号対雑音比及び高分解能化を両立させつつ、照射ビームの方向を制御する機械的又は電気的な機構を不要とし、回路の簡素化及びシステムの低価格化を実現することができる。

本開示のチャープパルス波形及びアンテナ指向性を示す図である。 従来技術のスポットライトモードの構成図を示す図である。 本開示のストリップモードを示す図である。 本開示のスクイントモードを示す図である。 本開示の合成開口レーダシステムの構成を示す図である。 本開示の合成開口レーダシステムの処理を示す図である。 本開示のアンテナ指向性の周波数特性を示す図である。 本開示のアンテナ指向性の周波数特性を示す図である。 本開示のチャープ周波数の時間変化を示す図である。 本開示のアンテナ指向性の時間変化を示す図である。 本開示のターゲットの方向及び距離の定義を示す図である。 本開示の反射信号が存在するアジマス時間の説明図である。 本開示のチャープパルスがターゲットに向けて照射されるレンジ時間の説明図である。 本開示の反射信号及び参照信号を示す図である。 本開示の点拡張関数対ターゲットからのレンジ方向距離を示す図である。 本開示の点拡張関数対ターゲットからのアジマス方向距離を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

（本開示の合成開口レーダシステムの基本原理）
本開示のチャープパルス波形及びアンテナ指向性を図１に示す。本開示では、アンテナの指向特性によって生じるビームチルトを積極的に利用する。つまり、チャープパルスを照射するにあたり、機械的及び電子的な指向制御を行なわず元来備わっている指向特性に従って、照射ビームの方向を照射ビームの周波数に応じてアジマス方向に変化させる。図１の上段では、チャープパルスは、レンジ時間０≦τ≦τ_０にわたり、最小周波数ｆ_０−Ｂ_Ｗ／２から中心周波数ｆ_０を経て最大周波数ｆ_０＋Ｂ_Ｗ／２へと周波数を掃引する。

図１の中段及び図１の下段では、アンテナ部Ａとして、アレイアンテナ及びスロットアンテナを適用する。アンテナ部Ａの各アンテナ素子は、アジマス方向ｘに配列される。

チャープパルスが、中心周波数ｆ_０を掃引するときには、アンテナ部Ａの各アンテナ素子は、同相で励振され、アンテナ部Ａの照射ビームは、正面方向ｙを指向する。チャープパルスが、最小周波数ｆ_０−Ｂ_Ｗ／２を掃引するときには、アンテナ部Ａの各アンテナ素子は、同相で励振されず、アンテナ部Ａの照射ビームは、正面方向ｙからずれた方向φ_ｍｉｎ＜０を指向する。チャープパルスが、最大周波数ｆ_０＋Ｂ_Ｗ／２を掃引するときには、アンテナ部Ａの各アンテナ素子は、同相で励振されず、アンテナ部Ａの照射ビームは、正面方向ｙからずれた方向φ_ｍａｘ＞０を指向する。このように、チャープパルスを照射するにあたり、機械的及び電子的な指向制御を行なわず元来備わっている指向特性に従って、照射ビームの方向φを照射ビームの周波数ｆに応じてアジマス方向ｘに変化させる。

従来技術のスポットライトモードの構成図を図２に示す。上段では、アジマス位置ｘによらない形状を有するチャープパルスを生成したうえで、アンテナ駆動部１３（回転接手等で接続）によって機械的に指向制御することにより、アンテナ部Ａが照射する照射ビームのアジマス方向ｘがある観測領域を指向するようにし、スポットライトモードを用いて合成開口レーダ観測を行う。下段では、アジマス位置ｘによらない形状を有するチャープパルスを生成したうえで、アンテナ部Ａの移相器及び分配器によって電子的に指向制御することにより、アンテナ部Ａが照射する照射ビームのアジマス方向ｘがある観測領域を指向するようにし、スポットライトモードを用いて合成開口レーダ観測を行う。

本開示のスポットライトモードの構成図を図５に示す。アジマス位置ｘごとに中心周波数を制御してチャープパルスを生成することにより、機械的及び電子的な指向制御を行なわず元来備わっている指向特性に従って、アンテナ部Ａが照射する照射ビームのアジマス方向ｘがある観測領域を指向するようにし、スポットライトモードを用いて合成開口レーダ観測を行う。なお、図５はストリップ及びスクイントの両モードにも適用可能である。

このように、観測範囲が限られたスポットライトモードを用いるにあたり、回路の簡素化及びシステムの低価格化を実現することができる。

本開示のストリップモードを図３に示す。アジマス位置ｘによらない形状を有するチャープパルスを生成することにより、照射ビームの方向をアジマス方向ｘに変化させ、照射ビームの方向をアジマス方向ｘに変化させないときと比べて、観測可能なアジマス時間が長くなるストリップモードを用いて合成開口レーダ観測を行う。

図３の上段では、従来技術のビームチルトがないときのストリップモードを示す。まず、合成開口レーダシステムＳが、アジマス方向位置ｘ_ｓｔ、ｉに位置するとともに、チャープパルスが、周波数ｆ_０−Ｂ_Ｗ／２〜ｆ_０＋Ｂ_Ｗ／２を掃引するときには、ターゲットＴは、捕捉され始めている。次に、合成開口レーダシステムＳが、アジマス方向位置ｘ_ｓｔ、ｆに位置するとともに、チャープパルスが、周波数ｆ_０−Ｂ_Ｗ／２〜ｆ_０＋Ｂ_Ｗ／２を掃引するときには、ターゲットＴは、捕捉範囲され終わっている。ここで、アジマス方向範囲ｘ_ｓｔ、ｉ〜ｘ_ｓｔ、ｆは、後述の本開示の場合より短いため、観測可能なアジマス時間は、後述の本開示の場合より短く、アジマス分解能は、後述の本開示の場合より低い。

図３の下段では、本開示のビームチルトがあるときのストリップモードを示す。まず、合成開口レーダシステムＳが、アジマス方向位置ｘ’_ｓｔ、ｉに位置するとともに、チャープパルスが、周波数ｆ_０−Ｂ_Ｗ／２を掃引するときには、ターゲットＴは、捕捉され始めている。次に、合成開口レーダシステムＳが、アジマス方向位置ｘ’_ｓｔ、ｆに位置するとともに、チャープパルスが、周波数ｆ_０＋Ｂ_Ｗ／２を掃引するときには、ターゲットＴは、捕捉範囲され終わっている。ここで、アジマス方向位置ｘ’_ｓｔ、ｉは、アジマス方向位置ｘ_ｓｔ、ｉより後方にあり、アジマス方向位置ｘ’_ｓｔ、ｆは、アジマス方向位置ｘ_ｓｔ、ｆより前方にある。よって、アジマス方向範囲ｘ’_ｓｔ、ｉ〜ｘ’_ｓｔ、ｆは、従来技術より長いため、観測可能なアジマス時間は、従来技術より長く、アジマス分解能は、従来技術より高い。

このように、観測範囲が広くなるストリップモードを用いるにあたり、高アジマス分解能化、回路の簡素化及びシステムの低価格化を実現することができる。

本開示のスクイントモードを図４に示す。アジマス位置ｘによらない形状を有するとともに、アンテナ部Ａが照射する照射ビームのアジマス方向ｘのスクイントが生じるような中心周波数を有するチャープパルスを生成することにより、照射ビームの方向をアジマス方向ｘに変化させ、照射ビームの方向をアジマス方向ｘに変化させないときと比べて、観測可能なアジマス時間が長くなるスクイントモードを用いて合成開口レーダ観測を行う。

ここで、斜め前方でのスクイントモードを用いるときには、中心周波数を図１、３でのｆ_０から図４でのｆ_０’（ただし、図４の場合では、ｆ_０’＜ｆ_０）へとシフトさせる。一方で、斜め後方でのスクイントモードを用いるときには、中心周波数を図１、３でのｆ_０から図４でのｆ_０’（ただし、図４の場合では、ｆ_０’＞ｆ_０）へとシフトさせる。

図４の上段では、従来技術のビームチルトがないときのスクイントモードを示す。まず、合成開口レーダシステムＳが、アジマス方向位置ｘ_ｓｑ、ｉに位置するとともに、チャープパルスが、周波数ｆ_０’−Ｂ_Ｗ／２〜ｆ_０’＋Ｂ_Ｗ／２を掃引するときには、ターゲットＴは、捕捉され始めている。次に、合成開口レーダシステムＳが、アジマス方向位置ｘ_ｓｑ、ｆに位置するとともに、チャープパルスが、周波数ｆ_０’−Ｂ_Ｗ／２〜ｆ_０’＋Ｂ_Ｗ／２を掃引するときには、ターゲットＴは、捕捉範囲され終わっている。ここで、アジマス方向範囲ｘ_ｓｑ、ｉ〜ｘ_ｓｑ、ｆは、後述の本開示の場合より短いため、観測可能なアジマス時間は、後述の本開示の場合より短く、アジマス分解能は、後述の本開示の場合より低い。

図４の下段では、本開示のビームチルトがあるときのスクイントモードを示す。まず、合成開口レーダシステムＳが、アジマス方向位置ｘ’_ｓｑ、ｉに位置するとともに、チャープパルスが、周波数ｆ_０’−Ｂ_Ｗ／２を掃引するときには、ターゲットＴは、捕捉され始めている。次に、合成開口レーダシステムＳが、アジマス方向位置ｘ’_ｓｑ、ｆに位置するとともに、チャープパルスが、周波数ｆ_０’＋Ｂ_Ｗ／２を掃引するときには、ターゲットＴは、捕捉範囲され終わっている。ここで、アジマス方向位置ｘ’_ｓｑ、ｉは、アジマス方向位置ｘ_ｓｑ、ｉより後方にあり、アジマス方向位置ｘ’_ｓｑ、ｆは、アジマス方向位置ｘ_ｓｑ、ｆより前方にある。よって、アジマス方向範囲ｘ’_ｓｑ、ｉ〜ｘ’_ｓｑ、ｆは、従来技術より長いため、観測可能なアジマス時間は、従来技術より長く、アジマス分解能は、従来技術より高い。

このように、斜め前方又は斜め後方でのスクイントモードを用いるにあたり、高アジマス分解能化、回路の簡素化及びシステムの低価格化を実現することができる。

（本開示の合成開口レーダシステムの構成及び処理）
本開示の合成開口レーダシステムの構成を図５に示す。本開示の合成開口レーダシステムの処理を図６に示す。合成開口レーダシステムＳは、合成開口レーダ装置１及び合成開口レーダ信号処理装置２から構成される。合成開口レーダ装置１は、チャープパルス生成部１１、アンテナ部Ａ及び反射信号受信部１２から構成され、人工衛星又は航空機等に搭載される。合成開口レーダ信号処理装置２は、相関処理実行部２１から構成され、人工衛星、航空機又は地上設備等に搭載され、図６の下欄に示した合成開口レーダ信号処理プログラムをコンピュータにインストールすることにより実現される。

まず、合成開口レーダ装置１は、アンテナの指向特性によって生じるビームチルトを積極的に利用する。つまり、合成開口レーダ装置１は、チャープパルスを照射するにあたり、機械的及び電子的な指向制御を行なわず元来備わっている指向特性に従って、照射ビームの方向φを照射ビームの周波数ｆに応じてアジマス方向ｘに変化させる。

チャープパルス生成部１１は、合成開口レーダのレンジ圧縮用のチャープパルスを生成する（ステップＳ１）。アンテナ部Ａは、合成開口レーダのレンジ圧縮用のチャープパルスを照射するにあたり、機械的及び電子的な指向制御を行なわず元来備わっている指向特性に従って、照射ビームの方向φを照射ビームの周波数ｆに応じてアジマス方向ｘに変化させる（ステップＳ２）。反射信号受信部１２は、ターゲットＴから反射された反射信号をアンテナ部Ａにより受信する（ステップＳ３）。図７〜１０を用いて、合成開口レーダ装置１について説明する。図７〜１０は、ストリップモードについて適用されるが、中心周波数を変更すれば、スポットライト及びスクイントの両モードについて適用可能である。

本開示のアンテナ指向性の周波数特性を図７、８に示す。照射ビームの方向φは、照射ビームの周波数ｆに対して、数式１のように表される。ただし、ａ＞０である。なお、ａ＜０であってもよく、アンテナ指向性の周波数特性は、必ずしも原点（ｆ−ｆ_０＝０、φ＝０）を通らなくてもよく、必ずしも直線的な周波数特性でなくてもよい。

チャープパルスが、周波数ｆ_０−Ｂ_Ｗ／２〜ｆ_０を掃引するときには、アンテナ部Ａの照射ビームは、正面方向ｙからずれた方向φ＜０を指向する。チャープパルスが、周波数ｆ_０〜ｆ_０＋Ｂ_Ｗ／２を掃引するときには、アンテナ部Ａの照射ビームは、正面方向ｙからずれた方向φ＞０を指向する。アンテナ部Ａの照射ビーム半幅は、ηであるとし、アンテナ部Ａの照射ビーム強度は、アンテナ部Ａの照射ビーム幅内で一様であるとする。なお、アンテナ部Ａの照射ビーム強度は、簡単のために、アンテナ部Ａの照射ビーム幅内で一様であるとしているが、実際のように、アンテナ部Ａの照射ビーム幅内で一様でないとしてもよい。

本開示のチャープ周波数の時間変化を図９に示す。チャープパルスの周波数ｆは、レンジ時間τに対して、数式２のように表される。なお、チャープ周波数の時間変化は、右肩上がりでもよく右肩下がりでもよく、必ずしも直線的な時間変化でなくてもよい。

本開示のアンテナ指向性の時間変化を図１０に示す。照射ビームの方向φは、レンジ時間τに対して、数式３のように表される。なお、アンテナ指向性の時間変化は、右肩上がりでもよく右肩下がりでもよく、必ずしも直線的な時間変化でなくてもよい。

次に、合成開口レーダ信号処理装置２は、各アジマス時間ｔにおいて照射されるチャープパルスの全体区間のうち、観測対象位置に向けて照射されるチャープパルスの一部区間のみを、反射信号と参照信号との間の相関処理において考慮する。

相関処理実行部２１は、反射信号と参照信号との間の相関処理を実行する（ステップＳ１１）。図１１〜１４を用いて、合成開口レーダ信号処理装置２について説明する。図１１〜１４は、ストリップモードについて適用されるが、中心周波数を変更すれば、スポットライト及びスクイントの両モードについて適用可能である。

具体的には、相関処理実行部２１は、反射信号受信部１２が受信した反射信号と、チャープパルス生成部１１が生成したチャープパルスのうち、アジマス位置ｘごとに観測対象位置から反射されたと期待される一部区間のみを選択した参照信号と、の間の相関処理を実行する。

本実施形態では、相関処理実行部２１は、観測対象位置から反射された反射信号と、チャープパルス生成部１１が生成したチャープパルスのうち、アジマス位置ｘごとに観測対象位置から反射されたと期待される一部区間のみを選択した参照信号と、の間の時間領域における相関処理を実行する。つまり、本実施形態では、相関処理実行部２１が、反射信号と参照信号との間の時間領域の相関処理を実行することにより、計算時間は長いが画像精度は高くなる。ここで、変形例として、相関処理実行部２１が、反射信号と参照信号との間の周波数領域の相関処理を実行することにより、計算時間を大幅に短縮してもよい。

本開示のターゲットの方向及び距離の定義を図１１に示す。合成開口レーダシステムＳの位置を（ｘ（ｔ）、０）とし、ターゲットＴの位置を（Ｘ、Ｙ）とする。合成開口レーダシステムＳのアジマス方向位置ｘ（ｔ）、合成開口レーダシステムＳから見たターゲットＴの方向θ（ｔ）及び合成開口レーダシステムＳからターゲットＴまでの距離Ｒ（ｔ）は、数式４のように表される。ただし、ｖは、合成開口レーダシステムＳの速度である。

本開示の反射信号が存在するアジマス時間の説明図を図１２に示す。各アジマス時間ｔで観測可能なターゲットＴの存在範囲は、数式５のように表される。

つまり、合成開口レーダシステムＳから見たターゲットＴの方向θ（ｔ）が、以下の条件を満たせばよい：（１）アンテナ部Ａの照射ビームが方向φ_ｍｉｎ＝−ａＢ_Ｗ／２を指向するときの、アンテナ部Ａの照射ビームの外縁の方向φ＝φ_ｍｉｎ−η＝−ａＢ_Ｗ／２−ηと比べて、方向θ（ｔ）がレンジ方向ｙ寄りであること、（２）アンテナ部Ａの照射ビームが方向φ_ｍａｘ＝＋ａＢ_Ｗ／２を指向するときの、アンテナ部Ａの照射ビームの外縁の方向φ＝φ_ｍａｘ＋η＝＋ａＢ_Ｗ／２＋ηと比べて、方向θ（ｔ）がレンジ方向ｙ寄りであること。

数式５に数式４の第２式を代入すると、ターゲットＴからの反射信号が存在するアジマス時間ｔは、数式６のように表される。ここで、数式６の左辺は、図１４のアジマス時間ｔ_ｉに対応し、数式６の右辺は、図１４のアジマス時間ｔ_ｆに対応する。

このように、チャープパルスを照射するにあたり、アンテナの指向特性によって生じるビームチルトを積極的に利用するため、いずれの観測対象位置についても、観測可能なアジマス時間ｔが長くなる。よって、高信号対雑音比を実現するために、アンテナの高利得化つまり開口長増大を実行しようとしても、合成開口によりアジマス分解能を低下させないことができる。また、機械的及び電子的な指向制御を行なわず元来備わっている指向特性に従って、照射ビームの方向φを照射ビームの周波数ｆに応じてアジマス方向ｘに変化させるため、回路の簡素化及びシステムの低価格化を実現することができる。

本開示のチャープパルスがターゲットＴに向けて照射されるレンジ時間の説明図を図１３に示す。各アジマス時間ｔでターゲットＴを観測可能なレンジ時間τは、数式７のように表される。

つまり、合成開口レーダシステムＳから見たターゲットＴの方向θ（ｔ）が、以下の条件を満たせばよい：（１）アンテナ部Ａの照射ビームが周波数ｆのチャープの過程でターゲットＴに向き始めるときの、アンテナ部Ａの照射ビームの外縁の方向φ（τ_ｉ（ｔ））＋ηと比べて、方向θ（ｔ）が同じである、又は、方向θ（ｔ）がφ（０）−ηとφ（０）＋ηとの間にあること、（２）アンテナ部Ａの照射ビームが周波数ｆのチャープの過程でターゲットＴに向き終わるときの、アンテナ部Ａの照射ビームの外縁の方向φ（τ_ｆ（ｔ））−ηと比べて、方向θ（ｔ）が同じである、又は、方向θ（ｔ）がφ（τ_０）−ηとφ（τ_０）＋ηとの間にあること。

数式７に数式３を代入すると、ターゲットＴからの反射信号が存在するレンジ時間τは、数式８のように表される。ここで、数式８の左辺は、図１３、１４のレンジ時間τ_ｉ（ｔ）に対応し、数式８の右辺は、図１３、１４のレンジ時間τ_ｆ（ｔ）に対応する。

本開示の反射信号及び参照信号を図１４に示す。ターゲットＴから反射された反射信号Ｆ（ｔ、τ）は、数式９のように表される。そして、反射信号Ｆ（ｔ、τ）との相関処理を実行される参照信号は、反射信号Ｆ（ｔ、τ）の下記理論式に基づいて定められる。

ただし、反射信号Ｆ（ｔ、τ）のアジマス時間ｔの値域は、数式６に基づいて、数式１０のように表される。そして、反射信号Ｆ（ｔ、τ）のレンジ時間τの値域は、数式８及び電磁波伝搬の遅延時間に基づいて、数式１１のように表される。

ここで、ビームチルトがない場合とビームチルトがある場合とを比較する。

まず、ビームチルトがない場合では、各アジマス時間ｔにおいて照射されるチャープパルスの全体区間のうち、ターゲットＴに向けて照射されるチャープパルスの全体区間にわたり、反射信号と参照信号との間の相関処理において考慮する。

具体的には、アンテナ部Ａの照射ビームがターゲットＴに向き始める／終わるアジマス時間ｔ_ｉ／ｔ_ｆでは、レンジ時間範囲τ_ｉｆ≦τ≦τ_ｉｆ＋τ_０（ただし、τ_ｉｆは、電磁波伝搬の遅延時間である。）のうち、全てのレンジ時間範囲τ_ｉｆ≦τ≦τ_ｉｆ＋τ_０にわたり、反射信号と参照信号との間の相関処理において考慮する。そして、合成開口レーダシステムＳがターゲットＴに最も近づくアジマス時間ｔ_ｃでは、レンジ時間範囲τ_ｃ≦τ≦τ_ｃ＋τ_０（ただし、τ_ｃは、電磁波伝搬の遅延時間である。）のうち、全てのレンジ時間範囲τ_ｃ≦τ≦τ_ｃ＋τ_０にわたり、反射信号と参照信号との間の相関処理において考慮する。

なお、図１４において、ビームチルトがない場合に反射信号が存在するアジマス時間幅と、ビームチルトがある場合に反射信号が存在するアジマス時間幅と、は同じ長さであるように表示しているが、実際には、ビームチルトがない場合に反射信号が存在するアジマス時間幅は、ビームチルトがある場合に反射信号が存在するアジマス時間幅よりも短く、図１４のように表したときの反射信号の面積は、ビームチルトがない場合と、ビームチルトがある場合と、で比較して、ビームチルトがない場合の方が大きいということはない。

一方、ビームチルトがある場合では、各アジマス時間ｔにおいて照射されるチャープパルスの全体区間のうち、ターゲットＴに向けて照射されるチャープパルスの一部区間のみを、反射信号と参照信号との間の相関処理において考慮する。

具体的には、アンテナ部Ａの照射ビームがターゲットＴに向き始めるアジマス時間ｔ_ｉでは、レンジ時間範囲τ_ｉｆ≦τ≦τ_ｉｆ＋τ_０のうち、一部のレンジ時間範囲ｍａｘ｛τ_ｉ（ｔ_ｉ）、τ_ｉｆ｝≦τ≦ｍｉｎ｛τ_ｆ（ｔ_ｉ）、τ_ｉｆ＋τ_０｝（図１３及び数式８、１１を参照。）のみを、反射信号と参照信号との間の相関処理において考慮する。そして、合成開口レーダシステムＳがターゲットＴに最も近づくアジマス時間ｔ_ｃでは、レンジ時間範囲τ_ｃ≦τ≦τ_ｃ＋τ_０のうち、一部のレンジ時間範囲ｍａｘ｛τ_ｉ（ｔ_ｃ）、τ_ｃ｝≦τ≦ｍｉｎ｛τ_ｆ（ｔ_ｃ）、τ_ｃ＋τ_０｝（図１３及び数式８、１１を参照。）のみを、反射信号と参照信号との間の相関処理において考慮する。さらに、アンテナ部Ａの照射ビームがターゲットＴに向き終わるアジマス時間ｔ_ｆでは、レンジ時間範囲τ_ｉｆ≦τ≦τ_ｉｆ＋τ_０のうち、一部のレンジ時間範囲ｍａｘ｛τ_ｉ（ｔ_ｆ）、τ_ｉｆ｝≦τ≦ｍｉｎ｛τ_ｆ（ｔ_ｆ）、τ_ｉｆ＋τ_０｝（図１３及び数式８、１１を参照。）のみを、反射信号と参照信号との間の相関処理において考慮する。

このように、各アジマス時間ｔにおいて照射されるチャープパルスの全体区間のうち、ターゲットＴに向けて照射されるチャープパルスの一部区間のみを、反射信号と参照信号との間の時間領域又は周波数領域の相関処理において考慮する。そして、ターゲットＴから反射された反射信号について、本開示では従来技術より、受信可能なレンジ時間τは短くなるものの、受信可能なアジマス時間ｔは長くなるため、受信可能な総時間は減少しない。よって、高レンジ分解能化を実現するために、チャープパルスの広帯域化を実行しようとしても、ビームチルトにより信号対雑音比を低下させないことができる。

（本開示の合成開口レーダシステムの分解能評価）
まず、反射信号と参照信号との間の相関処理について説明する。あるターゲットＰ：（Ｘ、Ｙ）から反射された反射信号をＦ_{（Ｘ、Ｙ）}（ｔ、τ）とし、他のターゲットＰ’：（Ｘ’、Ｙ’）から反射された反射信号をＦ_{（Ｘ’、Ｙ’）}（ｔ、τ）とする。反射信号Ｆ_{（Ｘ、Ｙ）}（ｔ、τ）と反射信号Ｆ_{（Ｘ’、Ｙ’）}（ｔ、τ）との間の相関Ｓは、数式１２のように表される。

相関Ｓは、Ｐ：（Ｘ、Ｙ）とＰ’：（Ｘ’、Ｙ’）とが近ければ、大きな値をとると期待され、Ｐ：（Ｘ、Ｙ）とＰ’：（Ｘ’、Ｙ’）とが遠ければ、小さな値をとると期待される。

以上の原理を利用して、反射信号と参照信号との間の相関処理が実行される。複数のターゲットＰ_１：（Ｘ_１、Ｙ_１）、Ｐ_２：（Ｘ_２、Ｙ_２）、・・・、Ｐ_ｎ：（Ｘ_ｎ、Ｙ_ｎ）から反射された反射信号を数式１３のように個々の反射信号の和として表し、観測対象位置Ｐ：（Ｘ、Ｙ）から反射されたと期待される参照信号をＦ_{（Ｘ、Ｙ）}（ｔ、τ）とする。反射信号Ｒ（ｔ、τ）と参照信号Ｆ_{（Ｘ、Ｙ）}（ｔ、τ）との間の相関Ｓは、数式１４のように表される。

相関Ｓは、Ｐ_１、Ｐ_２、・・・、Ｐ_ｎの中にＰにごく近い点があれば、大きな値をとると期待され、Ｐ_１、Ｐ_２、・・・、Ｐ_ｎの中にＰにごく近い点がなければ、小さな値をとると期待される。そこで、観測対象位置Ｐ：（Ｘ、Ｙ）におけるターゲットの有無を画像化するために、観測対象位置Ｐ：（Ｘ、Ｙ）が関わる相関Ｓの大きさを画像の階調数に対応付ける。

次に、合成開口レーダシステムの分解能評価について説明する。以上の相関処理では、Ｐ：（Ｘ、Ｙ）とＰ’：（Ｘ’、Ｙ’）とが関わる相関Ｓが、Ｐ：（Ｘ、Ｙ）とＰ’：（Ｘ’、Ｙ’）とが離れるに従って、急速に小さくなることを前提としている。そこで、相関Ｓが急速に小さくなる程度、つまり、合成開口レーダシステムＳの分解能を評価する。

ターゲット（０、Ｙ）から反射された反射信号を数式１５のように表し、観測対象位置（ΔＸ、Ｙ＋ΔＹ）から反射されたと期待される参照信号を数式１６のように表す。

なお、ターゲットのアジマス方向位置を０としたが、一般性は失われない。ターゲットのアジマス方向位置をＸとすれば、アジマス時間ｔをＸ／ｖだけシフトすればよい。

反射信号Ｆ（ｔ、τ）と参照信号Ｇ（ｔ、τ）との間の相関Ｓは、数式１７のように表される。ここで、ΔＲ（ｔ）、Ｒ（ｔ）及びＲ’（ｔ）は、数式１８のように表される。なお、数式１７に示した相関Ｓは、図１５、１６に示す点拡張関数に対応する。

反射信号Ｆ（ｔ、τ）と参照信号Ｇ（ｔ、τ）との間の相関Ｓは、数式１９のように計算される。ただし、Ａ（ｔ）及びＢ（ｔ）は、数式２０、２１のように表される。そして、数式１９のアジマス時間ｔの積分範囲は、Ｂ（ｔ）＞Ａ（ｔ）を満たすアジマス時間ｔにわたる。さらに、θ（ｔ）及びθ’（ｔ）は、数式２２のように表される。

本開示の点拡張関数対ターゲットからのレンジ方向距離を図１５に示す。本開示の点拡張関数対ターゲットからのアジマス方向距離を図１６に示す。点拡張関数を計算するにあたり、中心周波数ｆ_０を９．２５ＧＨｚとし、チャープパルス周波数幅Ｂ_Ｗを８００ＭＨｚとし、チャープパルス時間幅τ_０を１．０μｓとし、ビーム幅２ηを１．５ｄｅｇとし、ビームチルトの変化速度を１．０ｄｅｇ／１００ＭＨｚとし、合成開口レーダシステムＳの速度ｖを１００ｍ／ｓとし、ターゲットＴのレンジ方向距離を１５．０ｋｍとする。

図１５を参照すると、従来技術のビームチルトがない場合と比べて、本開示のビームチルトがある場合では、同程度のレンジ分解能が得られていることが分かる。つまり、従来技術のビームチルトがない場合と比べて、本開示のビームチルトがある場合では、ターゲットＴからの反射信号が存在するレンジ時間τが減少するため、ターゲットＴからの反射信号の周波数帯域が減少するものの、ターゲットＴからの反射信号が存在するアジマス時間ｔが増加するため、ターゲットＴからの反射信号が存在する総時間が減少することなく、同程度のレンジ分解能が得られる。そして、反射信号と参照信号との間の相関処理において、各アジマス時間ｔにおいて照射されるチャープパルスのうち、チャープパルス時間幅τ_０の全部を考慮する場合と比べて、ターゲットＴに向けて照射される一部を考慮する場合では、高信号対雑音比を実現することができる。

図１６を参照すると、従来技術のビームチルトがない場合と比べて、本開示のビームチルトがある場合では、より高いアジマス分解能が得られていることが分かる。つまり、従来技術のビームチルトがない場合と比べて、本開示のビームチルトがある場合では、チャープパルスを照射するにあたり、アンテナの指向特性によって生じるビームチルトを積極的に利用するため、いずれの観測対象位置についても、観測可能なアジマス時間ｔが長くなる。よって、高信号対雑音比を実現するために、アンテナの高利得化つまり開口長増大を実行しようとしても、合成開口によりアジマス分解能を低下させないことができる。

本開示の合成開口レーダ装置、合成開口レーダ信号処理装置及び合成開口レーダ信号処理プログラムは、合成開口レーダ技術において、高信号対雑音比及び高分解能化を両立させつつ、照射ビームの方向を制御する機械的又は電気的な機構を不要とし、回路の簡素化及びシステムの低価格化を実現することができる。

Ｓ：合成開口レーダシステム
Ａ：アンテナ部
Ｔ：ターゲット
１：合成開口レーダ装置
２：合成開口レーダ信号処理装置
１１：チャープパルス生成部
１２：反射信号受信部
１３：アンテナ駆動部
２１：相関処理実行部

Claims (8)

1. 合成開口レーダのレンジ圧縮用のチャープパルスを生成するチャープパルス生成部と、
   前記チャープパルス生成部が生成したチャープパルスを照射するにあたり、機械的及び電子的な指向制御を行なわず元来備わっている指向特性に従って、照射ビームの方向を照射ビームの周波数に応じてアジマス方向に変化させるアンテナ部と、
   ターゲットから反射された反射信号を受信する反射信号受信部と、
   を備えることを特徴とする合成開口レーダ装置。
2. 前記チャープパルス生成部が、アジマス位置ごとに中心周波数を制御してチャープパルスを生成することにより、前記アンテナ部が照射する照射ビームのアジマス方向がある観測領域を指向するようにし、スポットライトモードを用いて合成開口レーダ観測を行う
   ことを特徴とする、請求項１に記載の合成開口レーダ装置。
3. 前記チャープパルス生成部が、アジマス位置によらない形状を有するチャープパルスを生成することにより、照射ビームの方向をアジマス方向に変化させ、照射ビームの方向をアジマス方向に変化させないときと比べて、観測可能なアジマス時間が長くなるストリップモードを用いて合成開口レーダ観測を行う
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の合成開口レーダ装置。
4. 前記チャープパルス生成部が、アジマス位置によらない形状を有するとともに、前記アンテナ部が照射する照射ビームのアジマス方向のスクイントが生じるような中心周波数を有するチャープパルスを生成することにより、照射ビームの方向をアジマス方向に変化させ、照射ビームの方向をアジマス方向に変化させないときと比べて、観測可能なアジマス時間が長くなるスクイントモードを用いて合成開口レーダ観測を行う
   ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の合成開口レーダ装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の合成開口レーダ装置の前記反射信号受信部が受信した反射信号と、前記チャープパルス生成部が生成したチャープパルスのうち、アジマス位置ごとに観測対象位置から反射されたと期待される一部区間のみを選択した参照信号と、の間の相関処理を実行する
   ことを特徴とする合成開口レーダ信号処理装置。
6. 前記観測対象位置から反射された反射信号と、前記チャープパルス生成部が生成したチャープパルスのうち、アジマス位置ごとに前記観測対象位置から反射されたと期待される一部区間のみを選択した参照信号と、の間の時間領域における相関処理を実行する
   ことを特徴とする、請求項５に記載の合成開口レーダ信号処理装置。
7. 請求項１から４のいずれかに記載の合成開口レーダ装置の前記反射信号受信部が受信した反射信号と、前記チャープパルス生成部が生成したチャープパルスのうち、アジマス位置ごとに観測対象位置から反射されたと期待される一部区間のみを選択した参照信号と、の間の相関処理、
   をコンピュータに実行させるための合成開口レーダ信号処理プログラム。
8. 前記観測対象位置から反射された反射信号と、前記チャープパルス生成部が生成したチャープパルスのうち、アジマス位置ごとに前記観測対象位置から反射されたと期待される一部区間のみを選択した参照信号と、の間の時間領域における相関処理、をコンピュータに実行させる
   ための、請求項７に記載の合成開口レーダ信号処理プログラム。

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