JP2648861B2 - 領域をレーダ作図するための方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、レーダ作図法及びレーダ設備に関するもの
である。

従来の技術 レーダは一般に約220MHz〜35GHzの周波数範囲におい
て動作するものと定義されている。しかしながら、本発
明は比較的低い周波数帯においてきわめて広帯域にわた
る動作を行うようにしたものである。これは搬送周波数
の両側波帯によってではなく、前記比較的低い広帯域の
周波数範囲に分布した不連続な一連の周波数を用いるこ
とにより達せられる。この周波数の上限は300MHzより低
いものであり、利用される周波数帯域（以下、「当該周
波数領域」という。）は好ましくは12.5〜200MHzであ
る。

本発明の場合は、その動作態様をCARABAS（コヒーレ
ント全無線周波帯域検出）と命名するが、以下において
もこの用語を使用することとする。

発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、放射された信号の波長がシステムに
より分類されるべき構造の特徴的な長さ、例えば分類す
べきものが人（大人）であれば1.5〜2m、小型車であれ
ば２〜5mというような長さに等しくなるような探知方式
を提供することである。これにより好ましいS/N比を実
現し、かつレーダ信号の周期性に関連する象限不明（ア
ンビギュイティー）を制限するという２つの見地におい
て、信号と目的構造との間に最適に結びつきを得るこ
と、換言すれば、測定に用いられた信号成分によって対
象物の構造（種類）を特定することができる。

課題を解決するための手段 これらの及びそれ以外の長所並びに特徴は添付の請求
の範囲第１項において規定された構成を有する方法によ
り達せられる。レーダ設備は特に、いわゆる合成開口レ
ーダ（synthetic aperture rader:SAR）の原理に従った
機上レジストレーション（airbone registration）及び
情報処理に適したものである。なお、“レジストレーシ
ョン”とはレーダ分野においては、表示すべき座標系の
基準位置に対するデータの位置づけを行うこと、又は位
置づけ可能な情報としてデータを登録することをいう。

本発明の好ましい実施例によれば、当該周波数帯域内
において分布した複数の無線周波数が用いられ、その周
波数分布は、分布中の２つの隣接した周波数の間隔がそ
れら周波数間の一定の商に等しくなるようにした幾何級
数であり、近似値としてある基本波周波数、たとえば30
kHzに対する正確な高調波となる周波数を用いることに
より近似される。決定された基本波周波数を用いること
は、周波数信号の発生及び検出の双方をサンプリングに
より容易に実行せしめ、コヒーレンスに伴う問題も容易
に解決せしめる。ここに、レーダのコヒーレンスとは放
射された信号が長期間周期性を有するものとして定義さ
れる。通常のレーダによれば、このような周波数分布を
有するレーダ信号の発生は、ある一つの信号のフーリエ
変換が不連続なスペクトル成分のセット（フーリエ級
数）により占められることをもって表現される。これは
またマイクロウエーブレーダにおいて厳密な周期モード
の動作に拘束された単一の信号発生器により達せられ
る。CARABASでは、このような単一の信号発生によって
前記のような周波数分布を有する信号の発生が不可能と
なるほど相対帯域幅、すなわち送信されたレーダパルス
の帯域幅の、最高周波数成分に対する比率を大きくし、
他方、周波数の絶対値を十分低くしてディジタル合成法
が用いられるようにしてある。本発明において、「相対
帯域幅が大きい」とは従来のレーダであれば、例えば49
5〜500MHzの周波数範囲において、相対帯域幅が5/500＝
0.01となる如く、0.01程度が普通であるのに対し、前述
の好ましい範囲12.5〜200MHzにおいては、（200−12.
5）/200≒0.94となり、ほぼ１（理論的最大相対帯域
幅）に近い、大きい値となることを意味する。また、周
波数の絶対値は300MHz未満、好ましくは125〜200MHzが
従来の20MHz〜35GHzより十分小さいことは明らかであ
る。

本発明において、上記のような相対帯域幅を採用した
目的は、SARレーダにおけるスペックル（斑点）雑音を
除去することである。

すなわち、従来及び本発明のSARはいずれも地表面測
量学に関する情報を提供するが、従来のSARの場合、情
報は大スケールの地勢図に関するだけでなく、例えば植
生によって異なる小スケールの地表面凹凸（ラフネス）
にも関連する。したがって、この態様では異なった長さ
スケール（波長程度から始まる）に関する現象が個々の
分解能セル内で混ざり合い、そのセルに対してただ一つ
の反射値を提供する。このセルごとの単一の値中に占め
る個々のスケール成分を確定する方法は存在しない。こ
れは、有効な分解能のスケールにおいて影像が高度にラ
ンダム化されることを意味する。このランダム化はスペ
ックルの存在において明示される。

上述した不利益を克服するため、本発明は分解能セル
と同程度の波長を有する信号を使用する。これは従来の
SARとの根本的な相違である。レーダ反射において利用
可能な情報は、採用された波長より大きいか又は等しい
ため、この場合それは分解能セル全体にわたり均一に展
開するただ一つの現象として、セルの反射性において適
用される。この影像化法はスペックルシーンを除去する
ものである。

結局、本発明において、レーダ放射信号を350MHz未満
であって相対帯域幅が“1"に近い値となる信号としたの
は、波長程度の分解能、すなわちメートル台に近い分解
能を得るためである。

レーダ設備における受信機部において、“チェーン”
（無線局網：但し、送受信機回路と、これに対応するア
ンテナもって一局とする局系列）はＮ個の異なった周波
数の各々についてローパスフィルタ（ドプラーフィル
タ）が形成される。これは機上SARモードにおいてドプ
ラーシフトに対応する信号をフィルタ処理するものであ
る。これらは以下に説明する通り、航空機速度及び各周
波数に従うものである。これら２つの変数が既知の場合
には、フィルタをきわめて狭い帯域に限定し、これによ
ってノイズを減少させることが可能である。予測される
ドプラーシフトが10Hzであれば、設計はたとえばフィル
タのパスバンドをこの周波数の付近に中心を定めた20〜
40Hzの帯域幅に設定することができる。振幅及び位相を
決定するためには、少くともこの周波数の２倍の頻度で
サンプリングすべきである。フィルタ回路の数が多い場
合を考察すると、それは次のA/D変換器及びデータレジ
ストレーション設備が多重システムに従って機能できる
ような順序においてサンプリングするのが適当である。

SAR法によりエアイメージを発生し得ることはすでに
知られている。これは通常のレーダ周波数において生成
されるものである。本発明によれば、目的物により相応
して同調するような他の周波数においても対応する像再
生が可能である。

レーダ技術分野における周知技術の記述については、
たとえば1981年マクグロウヒル社刊の、スコルニク著
「レーダシステム入門第２版」を参照されたい。この本
の内容は本発明の詳細な説明中において種々に引用する
こととする。

たとえば、ローカル短波信号との干渉のおそれが存在
するような場合、幾つかの周波数間隔は問題の周波数帯
域から除外すべきである。これはレーダ設備それ自体に
おいて、または位置づけ処理（レジストレーション）さ
れた信号の解析中において行うことができる。しかしな
がら、後者の場合における能動性は他の通信との干渉を
生ずるであろう。したがって、帯域全体を通じて特別の
ラジオ受信機によって走査することによりローカル通信
等を検出し、送信中において干渉周波数を排除すること
がより適当である。

本発明は以下妥当な実施例について詳細に説明する
が、それは本発明をその範囲に限定することを意図する
ものではない。

実施例 システム設計 機上SARモードにおけるCARABASの基本設計は第１図に
示す通りである。このシステムは合成信号発生器
（１）、パワー増幅器（２）、受信機（３）、A/D変換
機（４）及びデータ用テープレコーダ（５）からなり、
コンピュータ／データ母線、コール型信号パラメータセ
レクタ（６）の周辺において設計された周辺装置セット
として示されている。このシステムは測定前後において
周辺装置を開閉するというありふれた機能に加えて、次
のような機能を実行するものである。すなわち、 − ローカル無線通信との干渉が回避されるような送
信信号スペクトルを適用すること（実効帯域幅をさした
る不利益を生ずることなく数10MHz代まで減少させるこ
と）、 − 信号の時間従属性及び周波数従属性を記述したパ
ラメータを合成信号発生器の入力データに変換するこ
と、 − 送信効果が基本的に非ゼロである時間中において
受信機を閉じること、である。

最後の機能は受信機の飽和に基づいて生ずるような非
直線性を阻止するものである。しかしながら、リターン
（帰還又は反射）散乱信号はそのドプラーシフトにより
送信信号からは異なったものとなり、理想的なコヒーレ
ント線形系によれば次のデータ処理中において分離し得
ることに留意すべきである。コヒーレントシステムの別
の基本的な特長はホワイトノイズに対する反射散乱信号
のスペクトル差である。このスペクトル差のため、リタ
ーン散乱信号は送信機及び受信機に現れるようなノイズ
から分離することができる（これは実際的である）。そ
れは多くの場合、散乱信号が受信される間に送信機を閉
じる必要をなくすものである。CARABASにおける実際の
コヒーレントノイズの抑制については、以下に論述す
る。

システムパラメータの要約 CARABASはシステムパラメータの次のような組み合わ
せにより定量的に定義することができる（下記の記述に
おいてこれらのパラメータはより詳細に解析されるであ
ろう）。

基本的にこれを規制する２つの因子は象限不明を生じ
ない範囲（以下、「象限明快範囲」という。）と、時間
及び帯域幅の積とであり、後者は合成信号発生器の複合
性の測定値である。特定の象限明快範囲Ｄに対応する信
号は、パルス繰返し周波数c/2D（ここにｃは光の速度で
ある）により与えられる。これはレーダ信号の不連続な
フーリエスペルクトルに対する最大公約数、すなわち基
本トーンである。時間及び帯域幅の積に対する効果的な
定義は、その中に存在する高調波の数であると言える。

送信信号はＮ個の固定周波数からなる（既知の複素振
幅を伴う）ものとする。ドプラーシフトが存在しない完
全静止状態において、受信信号の正確な位相との整合を
行うことはＮ個を独立した方程式を提供するものであ
る。Ｎレンジ間隔内における複素平均反射率はこれらか
ら決定することができる。したがって、定格分解能はD/
Nであ。CARABASの場合、受け入れ可能な最小の象限明快
距離は約5000mとなる。これは表面カバー能力の要求に
基づくものである。したがって、パルス繰返し周波数は
30kHzになる。さらに、本発明の技術によれば、合成信
号発生器の複合性については、1000個の固定周波数が現
実的な限度となる。これは5mの定格分解能を与えるもの
である。100を越える多数の周波数を用いる場合、それ
がきわめて大きい数であっても、本発明の原理から逸脱
することなく用いられる。

SARモードにおける方位分解能 SARシステムにおいて定格方位分解能は実際のアンテ
ナ開口の半分として達せられる。実施例において、アン
テナ開口は最長波長24mの半分の12m（無損失アンテナの
要求により成り立っている）、したがって定格分解能は
約5mとなる。この分解能を象限明快範囲5000m内に維持
するためには1mradの角度分解能が要求される。典型的
な航空機速度は120m/sであるため、係員は12cm/sを上回
るラジアル素度を検出できなければならない。ドプラー
シフトはラジアル速度と波長との商の２倍である。最長
波長の場合、ドプラーシフトは0.01Hzとなる。我々は合
成信号発生器においてコヒーレンスを維持しなければな
らない条件において積分時間は100秒であることを見出
した。この時間中における飛行距離は12kmであり、それ
は合成開口の長さである。

コヒーレンス要求は下記のようなCODARシステムの性
能とよく一致するものである。この場合、5m/sに対応す
るドプラーシフトが25MHzにおいて検出される。すなわ
ち、このシステムにより100秒間においてコヒーレンス
を実際的に維持することが可能である。

周波数分布 衛星によりSARを指示するためにはレーダ信号中の高
調波の内容を考慮し、高調波がドプラーの広がり（Dopp
lar broadening）に基づいて混合しないようにしなけれ
ばならない。しかしながら、無線周波数であって機上SA
Rの場合、この広がりは30KHz未満であり、高調波間の周
波数分離を可能とする最小周波数として作用するため、
この場合には何らの基本的制約をも生ずるものではな
い。一方、CARABASの一実施例においては、受信信号を
受信機及び送信機におけるホワイトノイズから分離でき
ることが要求される。ノイズ抑制が行えるような範囲は
ドプラーの広がりが実際の周波数分離よりどれだけ小さ
いかということに従うものである。

帯域間隔12.5〜200MHzの選択は、最大多重スペクトル
情報のための要求とアンテナ性能の考慮との間の均衡に
より定められる。この間隔内における不連続周波数は幾
何級数を近似できるように設定するのが自然である。こ
れはCARABASにおける反射性関数のスペクトル分野が波
数に応じて均一に定まる制度により評価されることを意
味している。この種の周波数分野は周波数成分間の相対
的な分離間隔、すなわち測度（measure）を表わす級数
因子δにより次のように与えられる。

かくして、最低周波数12.5MHz（これは数えない）か
ら1000番目の周波数200（MHz）を与える式 12.5（１＋δ）¹⁰⁰⁰＝200（MHz） によりδ＝2776Hz/MHz（＝0.002776）が得られる。この
周波数分布はこの因子によってのみ近似的に定義された
ものであることに留意すべきである。念のため、第１番
目の周波数は12.5（１＋0.002776）^１＝12.5347（MHz）
となり、最低周波数より大きい分0.0347MHzは最低周波
数12.5MHzの0.002776倍となることが検算される。周波
数成分は幾何級数に最も近い30kHzの正確な高調波によ
り表現されなければならない。測定状況に応じてある種
の周波数間隔はローカル短波通信との干渉の危険がある
場合には排除される。級数因子δはスペクトル密度にお
いて表わすことができ、それによって反射率関数が評価
される。CARABASの場合、この密度は3mm/mである。な
お、分布周波数の順序を与える指数ｎは級数式における
除数として、ｎ＝０（最低周波数のとき）から最大値Ｎ
までの整数であり、この最大値は例えばN1＝1000又はそ
の付近の整数からN2＝2000又はその付近の整数としてN1
〜N2の範囲で適当に選択することができる。1000付近の
整数とは、例えば983や990であったりし、200付近の整
数とは、例えば1005や1011であったりするが、およそ±
（１〜２）/100の範囲と考えることができる。

航空機の速度が120m/sであれば、ドプラーの広がりは
240m/sより低い速度に対応することを意味する。したが
って、相対的なドプラーの広がりは1.6Hz/MHzになる。
幾何学的な周波数分布についてのノイズ抑制はドプラー
の広がり及び周波数間隔の間の周波数独立比によって特
長付けることができる。CARABASの場合、この比は1.6/2
776＝−32dBになる。

SARモードにおけるサンプリング周波数 CARABASのための情報帯域幅は信号帯域幅200−12.5MH
z、すなわち約190MHzよりかなり低いものである。情報
帯域幅を決定する２つの方法は必要なサンプリング周波
数の上限及び下限に導かれる。

サンプリング周波数の下限は航空機の真横を短時間当
たりに通過する分解能（セル）の数によって明確に与え
られる。方位分解能において仮定された値により、レン
ジ方向における航空機速度及び分解能セル数、すなわち
24000分解能セル/sのフローが得られる。分解能の各最
小単位は反射率の未知の複素値に対応し、データ速度に
よりこれらのすべてが定義されるため、実際のサンプル
は少くとも周波数48kHzによって取り出さなければなら
ない。

サンプリング速度の上限は次のようにして得ることが
できる。ドプラーの広がりは240m/sより低い速度で対応
する。最低周波数12.5MHzの場合、最大のドプラーの広
がりは20Hzとなる。次のような各高周波成分の場合、ド
プラーの広がりは周波数に比例して増大する。すなわ
ち、級数因子0.002776により幾何学的に増大する。最大
情報帯域幅は1000個の周波数成分のすべてにおけるこれ
らのドプラー帯域幅の和である。幾何級数の和としてよ
く知られた式は情報帯域幅115kHzを与えるが、これは実
際のサンプルが大部分において周波数230kHzにより取り
出さなければならないことを意味している。

受信信号は変換後、対数型において適当にストアされ
る。この場合、８ビット（１文字）ダイナミクス／サン
プルで十分である。次に、情報速度は0.42MHz/sの領域
におけるものとなる。比較として述べるならば、SEASAT
からの測定データは100Mbit/sの速度により送信され
る。SEASATにより通過する分解能セルの流れは６×10⁶
セル/sであった。この送信速度はCARABASにおけるサン
プリングおよび情報速度の下限にほぼ対応するものであ
る。比較はデータのレジストレーションがほとんど問題
とならないことを示している。常套的なデータテープは
1600文字/inをストアする。データレジストレーション
のためには30〜150in/s間のバンド速度が要求される。

合成信号発生器 上に定義したように、均一に周波数分割されたきわめ
て広帯域の信号は、コヒーレントレーダ信号の発生のた
めの常套的な方法によっては多分達成できない。他方、
そのような信号をディジタル法により発生することは完
全に可能である。

合成信号発生器の設計はECL論理に基づいて行われ、
スイッチ周波数は400MHzまで可能である。信号発生器の
基本的設計例は第２図に示されている。図から明らかな
ように、信号発生器はマスタ発振器（８）により制御さ
れる。これはデータ制御バスにおいて、（９）（いわゆ
る位相制御バス）を介して多数の自走フリップフロップ
（10）（いわゆるスレーブ発振器）を制御するものであ
る。実施例において、250個のこのようなフリップフロ
ップが必要であり、これらのすべては周波数間隔200〜1
00MHz内において240kHzに対する高調波を代表する。各
フリップフロップより出力されたディジタル変調信号は
さらにフリップフロップ（11）によりステップ1:2、1:
4、1:8において周波数分割される。この場合、30kHzに
対する1000個の均等分割された高調波は信号発生器の回
路網内において具現される。出信号は回路網中の適当な
多重点において瞬間的なディジタル相状態を加え、それ
をアナログ信号に変換することにより達せられる。この
ディジタル付加が125個の点において行われる場合に
は、並列動作８ビットD/A変換機（12）が必要とされ
る。これらから出た信号は増幅器（13）により分布パワ
ー増幅器（２）に取り出される。すべての増幅器がよく
定義され十分に狭いパスバンドを有するとき、ディジタ
ル高調波ノイズはよくフィルタ阻止することができる。

スレーブ発振器は２回のリセット間の周期の分数をド
リフトさせることのみが要求される。この周期の分数と
は、たとえば1/10である。リセット周波数が高くなれば
なるほど、スレーブ発振器の周波数安定性の要求は小さ
くなる。すべてのスレーブフリップフロップがリセット
される周波数はフリップフロップの固有周波数、たとえ
ば240kHzに対する最大公約数である。それはスレーブフ
ロップの相対的な周波数安定性が約0.0001（1:10⁴）で
なければならないことを意味する。

受信機 比較的緩やかなデータ記憶速度は受信機が固有の狭帯
域特性をもつことを要求する。これはリターン信号の期
待されるスペクトルに適応することにより達せられる。
これはたとえばほとんど送信機設計の逆の態様として第
３図に示された受信機設計により可能である。受信機は
送信機周波数間隔12.5〜200MHzをカバーする前置増幅器
（14）のセットを含んでいる。この態様において増幅さ
れ、部分的に周波数分割された信号はここでミキサーユ
ニット（15）において送信機回路網（１）からの周波数
により変換される。この予測された周波数分布は十分細
かいこと、すなわち少くとも４個の前置増幅器（14）を
用いて高調波に伴う問題を排除することが要求される。
ミキサーの発生内容は、各送信されたスペクトル成分に
おいて期待されたドプラーの広がりとなるようにローパ
スフィルタ処理される。したがって、受信信号の一部を
含む情報は1000個のローパスフィルタ（16）の出力に現
れ、予め推定された周波数によりサンプリングされ得
る。サンプリングはデータバス（17）により制御され、
それは必要なとき選択された出力のみを抜き取ることが
できる。これは外部干渉源からの信号、たとえば通信電
波が出力において見出されるとき要求されるものであ
る。

機上SARモードにおけるアンテナ コヒーレント電波においては低い周波数信号を用いる
という理由は以上により手短に説明されたものである
が、より詳しい理由について次に説明する。しかしなが
ら、レーダ信号の周波数成分の下限はアンテナの寸法に
より与えられる。機上方式においてこの下限は航空機の
特性寸法により与えられる。特に、SARモードにおいて
下限周波数がアンテナの寸法を介して方位分解能（前述
の通り、この分解能は対応する波長の約1/4である）に
影響を及ぼすとき、わずかに複雑なものとなる。マイク
ロウエーブSARによりこの分解能の波長従属限度を得よ
うとする試みはなされておらず、したがってそれは多分
実際的ではない。

CARABASの場合、方位分解能は下限周波数に関して最
適化される。後述の通り、それは実施例において無損失
アンテナの寸法がマイクロウエーブSARと同様に良好な
方位分解能を許容するためのものより大きくならないよ
うに選択される。寸法はまたアンテナシステムが小型機
に搭載されるように決定される。実施例による方位分解
能5mは最も長い波長の半分、すなわち12mのアンテナ開
口によって達せられる。

絶対的な帯域幅が定格レンジ分解能を決定するもので
あるとはいいきれないが、帯域幅がレーダ性能の基本的
な基準であることは明らかである。たとえば、コヒーレ
ントノイズ抑制がある与えられた値に固定される場合、
帯域幅は定格レンジ分解能に直接関連する。帯域幅はさ
らにスペクトル特性を評価するためにレーダの能力を決
定するものである。周波数の下限について帯域幅はアン
テナの性能上の理由から主として制限される。バンド間
隔200〜12.5MHzは機上アンテナシステムにより妥当に達
成できるものと考えられる。

アンテナの指向性はさらにそのアンテナの配置、形状
に垂直及び水平方向の制約を課すものである。実施例に
おける開口距離が12km、そして識別間隔が5kmであると
して、アンテナビームは90゜より大きい実効横幅を有し
なければならない。これは合成アンテナ利得に有害な結
果をもたらすものではない。しかしながら、垂直方向に
おいては狭いビームを有することが必要である。前述し
た全ての前方／後方ビーム比は不明瞭性を回避するた
め、できるだけ高い値、好ましくは20dBより大きくすべ
きである。帯域幅及び指向性に関する妥当なアンテナ配
置は第４図における略画に示すように、航空機の構造に
張設された対数周期アンテナである。対数周期アンテナ
から放射された一定波長の電磁波はこの波長に対して最
良の方法で同調処理されたアンテナ素子から直接に発せ
られる。このアンテナは航空機構造及び波長の相違によ
って受ける影響が最小となるように設計されている。図
によれば、電磁波は航空機胴体の下面に設けられたアン
テナ素子から最低周波数において放射され、中間周波数
は一方の翼から、また最高周波数は翼端の外側に位置す
るアンテナ部分から放射される。

別の妥当なアンテナ配置及び形状は第５図のスケッチ
において広帯域ダイボールとして示したような２本の広
帯域アンテナからなっている。ダイボールアンテナは両
翼の下側に取り付けられ、航空機の後方に引き延ばされ
ている。これらのアンテナの間隔は約3mであり、長さは
約12mである。アンテナは先端の空力コーンにより安定
化しているが、これは燃料パイプが航空機の空中給油中
において安定化させられる機構と同様である。

レーダパルスは同一のアンテナにおいてパルスごとに
切換えられ、放射及び受信されることができる。別の方
法は１つのアンテナに信号S1を供給し、同時に他のアン
テナに信号S2を供給し、その後、反射信号ｉが両アンテ
ナにおいて個々に受信される。次のパルス放射中におい
て、アンテナへの信号供給はシフトされる。これらの解
法は２つの異った対地レジストレーションを与えるもの
である。これにより１アンテナのみからのレジストレー
ションは不十分であるにもかかわらず、航空機の左右両
側で受信したレーダリターン信号を分離することが可能
となる。

本発明はシステム動作周波数が低く、相対帯域幅がき
わめて大きいという点において従来のレーダシステムと
は相違するものである。この大きい相対帯域幅は、レー
ダデータのレジストレーションに必要な信号処理を行う
新たな方法を形成するものである。常套的なSARイメー
ジ処理は相対帯域幅が狭いものと推定される。しかしな
がら、本発明の大きい帯域幅は、信号処理において反射
式断層撮影法の適用を可能とする。搬送周波数の概念は
結局のところ、このようなシステムとは無関係である。
実施例による帯域幅約190MHzはシステムがマイクロウエ
ーブSAR（1GHz以上の搬送周波数）のノンスペックル
（無斑点）−縮小化分解能に等しいレンジ分解能を提供
することを意味する。無損失アンテナの大きさが、マイ
クロウエーブSARによるものと同程度に良好な２方向分
解能を達することができるものより大きくならないよう
にするためには、比較的低い周波数である12.5MHzが選
択された。この寸法はまたアンテナシステムがたとえば
第４図に示すように小型機により、好ましい飛行経済性
において支持できるような寸法に選択される。

ここに用いられた意味からは独立した単純な波長にお
ける分解能の概念は値の制限を意味するものである。実
際上、放射された電磁波の周波数成分は、レーダのため
の異った測定状況における適応性を大きく決定するもの
である。CARABASの場合、絶対帯域幅が維持され、その
場合周波数はマイクロウエーブレーダのものより約100
倍近いものとなる。このような低周波数を用いる最も重
要な理由については、以下に詳述することとする。

CARABAS−科学技術的動機 CARABASは放射信号の波長が構造を特徴づける長さ
（その物に固有の長さ）に等しいという特長を有し、シ
ステムはこれによって分類される。これは概してS/N
比、及びレーダ信号の周期性に関連する象限不明の抑制
の双方に関して、信号と構造との間で前述した最適の結
合が得られることを意味している。CARABASにおけるき
わめて大きい相対帯域幅に基づき、この最適結合は互い
に大きく異った構造及び定対象物の各々に対して維持す
ることができる。このシステムの思想は次の事項に関し
て詳細に論述することとする。

− レーダ画像におけるスペックス及び情報、 − 地下構造の作図、 − 海洋状態の分類。

スペックルは、単色またはコヒーレント信号によるレ
ーダ画像処理中に出現する。このような信号における各
不連続な周波数成分について、複合反射における確率的
変動は平均の粗さが半波長を越える場合、全体として画
像から画像にかけて無作為に現れる。コヒーレント信号
の場合、レーダリターン信号は各不連続な周波数成分に
おけるリターン信号の和である。各画像についてこの和
は複素平面における確率位置ベクトルのセットから与え
られる。この場合、粗さは全帯域幅内において半波長を
上回り、その結果として、ベクトルの位相は画像を通じ
て完全に無作為に変動する。ここで、斑点は完全に現れ
たと言える。この場合において、画像はリターン信号の
係数における確率的変動の包絡線によってのみ変調され
得る。

斑点が完全には発現しない場合、画像を通じて分散し
た量（係数及び位相）を含む２つの情報が存在すること
になる。リターン信号の情報がこのようにして増大する
と、斑点ノイズは画像間の限定された位相変位を意味す
る連続性に助けられてかなりの程度減少する。

それはマイクロウエーブによってほとんど得られない
自然大地のレーダ像を、斑点包絡線とは別の方法におい
て得ることを表わしている。これはたとえばSARシステ
ムにおける実際的な直線分解能が個々の画像サイズより
数倍小さいことを意味する。他方、本発明によれば、精
密地勢図のための識別間隔は12m（12.5MHzの半波長）で
あり、大部分の場合、自然大地の各画像内における粗さ
より小さいことを意味している。その結果、レーダ像は
このシステムにより位相変調が可能となり、この方法に
よる各独立画像の識別性の向上を意味する。

放射されたレーダ信号は空間の誘電特性における各不
連続部分により基本的に反射される。したがって、硬い
大地輪郭からの反射波に加えて、地下に存在する不連続
層からも反射波を受信することが可能である。すなわ
ち、測定対象物の断面中心に関して放射源及び受光部を
対称的に移動させることにより行われる周知の断層撮影
法に対し、本発明のレーダでは、被測定断面からの反射
波を放射部と同方向に移動する受信部によって受信する
ことにより、いわゆる反射式の断層撮影法が実行される
ことになる。これが可能な環境は放射されたレーダ信号
の波長により測定されるような大地の物理的特性に基本
的に基づくものである。より厳密に言えば、 A.地下構造の情報がレーダリターン信号に顕著に含まれ
るためには、地表それ自体は比較的小さな割合した占め
ないことが必要である。このことは地表面から各画素内
で、その波長との比較において基本的に平面でなければ
ならないことを意味している。

B.レーダの放射は一波長の分数から数波長までの間の長
さに対応する深さまで大地から侵入する。きわめて乾燥
した大地条件においては、基本的にきわめて深いレベル
までの侵入が得られる。

その結果、上記Ａ及びＢの現象は地下監視のためのマ
イクロウエーブレーダの適応性の重大な制限をもたらす
ものであるが、これはメートル波に基づくレーダシステ
ムによってなされる監視の場合ではない。Ｂの現象は普
通は湿気を含む大地について無線周波数スペクトル内に
おいて約数メートルの効果的な浸透が期待できることを
意味している。

従来周知の技術によれば、地表下において用いるため
のいわゆるジオレーダ（georader）を設計することが可
能である。スエーデンにおいてはこのようなシステムは
ルンドにおける地質工学研究所、及びウプサラにおける
スエーデン地質学公社（SAGA）によって用いられてい
る。SAGA方式は10〜50MHzの周波数間隔において動作す
るものであり、100mまでの岩盤におけるレンジを有す
る。コヒーレンス技術、そして特にSAR技術を地下構造
の高分解能な再生表示において用い得るということはサ
ハラ砂漠上におけるスペースシャトル実験SIR−Ａによ
って立証された。砂漠環境は極限的に乾燥状態及び均等
性を有するものであり、この関連においてマイクロウエ
ーブを用いる必要がある。本発明によって無線周波数SA
R方式にはより一般的な環境条件下において地下探査の
ために用いることができるという期待が存在する。

海図作成はレーダ技術の遠隔測定において最も期待さ
れる利用の１つである。海面運動学とレーダ反射性との
結合は適当にスペクトル分析される。単純ではあるが、
きわめて粗い近似として放射されたレーダ信号の、ある
与えらた不連続周波数成分についての反射率は、対応す
る波数の２倍において海面のスペクトル成分に比例する
ものである。海面をcm波で照射することにより、リター
ン信号はたとえば海面の表面張力波構造に応じたものと
なる。このいわゆるブラッグ散乱（Bragg−scatterin
g）に対する補正として、さらに非線形結合項が現れ、
これは表面張力波の存在と大スケール波現象の存在の両
方に依存する。この結合を支配する正確な機構は複雑で
あって、把握することは困難であり、その説明は長文と
なるため省略する。なお、これらに基づいて表面張力波
現象からはほど遠い重力波を監視するためにマイクロウ
エーブレーダを用いることが可能である。ノルウエーに
おけるNTNFのD.ギエッシングは海洋条件を分類するため
にコヒーレントマイクロウエーブ法を用い、測定におけ
るスペクトル分解能を向上するため、分散関係とともに
ドプラーシフトを用いた。同じ方法において、海洋条件
は（主として表面張力波パターンにおける大スケール変
動に基づいて）海面の再現表示においてマイクロウエー
ブSARによる相互変調を発生する。これはSEASAT（第1SA
Rを装備した衛星）により位置合せされた画像において
明白にみられるものである。

大スケール表現現象とマイクロウエーブとの複雑な結
合関係に基づく海洋条件のきわめて高品質な記述は、こ
れらによって得ることのみが可能となる。無線周波数の
電磁波の散乱は数量測定のより安定な基準となる。無線
周波数放射の重力波からのブラッグ散乱はCODARシステ
ムにおいてD.バリックにより用いられた。このシステム
は２つのアンテナ位置において不連続周波数25MHzにお
けるドプラーシフトを測定するものである。自由重力波
の分散関係から出発して、システムは海流を作図するこ
とにより実行される。

上述した原理によれば、信号は本発明に従って波長間
隔0.075〜12m内の海波スペクトルのブラッグ散乱に基づ
いて反射される。比較的長い波長は非線形結合を介して
の反射（リターン）をもたらし、これはマイクロウエー
ブレーダにおけるものと同じ波において行われる（但
し、これらの結合は不安定、かつ短寿命の表面張力波を
含まないという相違が存在する）。上述した分散関係は
受信された一次元の信号スペクトル中における二次元の
海波スペクトルからなる異部分から、リターン信号を分
離するために用いることができる。したがって、全体的
な海水運動の大部分はCARBASの方法により、マイクロウ
エーブSARの場合よりも正確に作図できることが期待さ
れる。

本発明の優れた性能は、多層情報を与えることであ
る。本発明はただ１つの測定から、植生キャノピイ（ve
gitation canopy）並びに地層及び岩盤についての情報
を提供することができる。これは大きい相対帯域幅であ
って、異ったスペクトル成分が完全に異った浸透性及び
散乱性を有する範囲内において可能である。したがっ
て、多層情報は受信信号を連続処理中において適当なパ
スバンドで濾波することにより（各層においては減少し
た定格分解能のコストにおいて）獲得される。

アイスマッピング（氷山もしくは氷河作図） 氷を経年、厚さ及び表面構造に関して分類することで
ある。これに関連して反射率関数における相異常を通じ
て氷のひび割れを分析することができる。氷と水との放
射線に対する反射性の相違を通じて小さな深さを有する
氷山（成長期のもの）の発見を行うことができる。海の
騒音は海波の分散関係のスペクトル入射線を通じて抑制
することができる。

地形または地勢の作図 本発明が特に地下構造の探査に適しているという理由
において利用できるものである。システムは森林地帯に
おける硬い大地輪郭を探査及び決定すべく用いることが
できる。これはたとえば植生が利用可能な写真判別法の
エッジをきわめて高価にするような条件の地域において
地勢図の作成を可能にするものである。

経済地図の作成 無線周波数の放射線が植生層及び地表層に浸透するこ
とに基づき、本発明によるレーダ帰還信号はこれらの層
における本来的な誘電条件に左右されるものである。し
たがって、本発明は（精度及び識別性を変えることによ
り）これらの層を特長付けるための環境パラメータを評
価することができる。基本的に評価されるパラメータは
地上及び地下の湿度並びに地層及び植生キャノピイの生
化学組成に関するものである。

地質マッピング 植生層及び軟地層下への放射線の浸透により岩盤の表
面構造の再現表示を行うことができる。このタイプの整
合性は本発明に従って機上SARモードにおいて形成され
る。最大の放射線浸透を得るために、地表面もしくは地
表下においてアンテナを設置することができる。この方
法において、岩盤の内部構造を穿孔（ボアホール）に沿
ってダイポールアンテナを移動させることからなるSAR
技術により二次元において再現表示することができる。
SGABレンジは経験的に100mまでとすることにより好まし
い結果を期待される。したがって、本発明は１つの期待
においてこの分野に利用することができる。

海浜調査 本発明に従って用いられる波長は優勢部分反射体（マ
スト、ブリッジ、その他）間の位相関係を通じて船の分
類を行うことができるような範囲である。これらの反射
体はそれらの各々から無線周波放射の散乱がほとんど等
方性を有するに十分な程度に小さいサイズを有する。他
方、それらの間隔は本発明に従った実施例におれる分解
能の最小範囲を上回るものである。それはある型の船が
レーダ像における船舶の分解セル間における位相関係に
おいて、基本的に新規の表徴を与えられることを意味す
る。システムがコヒーレントに動作する場合、船舶の運
動特性のドライバー解析によるさらなる表徴を与えるこ
とが可能である。最終的なスペクトル減算は海洋雑音の
可能性を減少するものである。

軍事利用 無線周波数の電磁波が植生及び大地にし通するという
機能の直接の結果として得られる利用法である。一例と
して、自然の、もしくは人工的な遮蔽物下にある目的
物、たとえば林木によるカバー下の車輌及び攻撃兵器、
並びに遮蔽された参謀室、地下設備、ある種の鉱山地域
などを追跡し、偵察し、及び分類することが行われる。
この場合、レーダ信号とこれら目的物の特殊金属構造と
の間の共振結合（0.75〜12mの特性長さを有する）を得
ることが可能であることに特に注意すべきである。たと
えば、参謀室の場合、共振結合は通信電波用アンテナ及
び電気ケーブル、テントロープ等との間で生ずる。地下
構造の場合、結合はたとえば補強材に対して生じさせる
ことができる。その他の対象物についても同様に考える
ことができる。

レーダ設備に関する以上の説明は、独立した装置とし
て設計された種々の機能単位を示すものである。しかし
ながら、当業者はそのような不連続要素による設計のみ
でなく、集積回路による設備として設計することは容易
である。したがって、第２図に示した合成信号発生器は
好ましくはフリップフロップ発振器及びD/A変換器を含
む１つまたは少数の集積回路として設計することができ
る。このような今日の技術による集積回路は多数の異っ
た製造業者から一般に製造販売されており、それらの詳
細な設計の説明は省略する。

図面の簡単な説明 第図はブロック線図型において実施例を略示したもの
であり、 第２図は送信用増幅器及びアンテナを有する合成信号
発生器を示し、 第３図は受信機を示し、 第４図はアンテナを装備した航空機を略示し、 第５図は別の片野アンテナを装備した航空機を略示し
たものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−109869（ＪＰ，Ａ) 特公 平４−29992（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平４−4557（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平３−47474（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】合成開口レーダ（SAR）によるレーダ領域
   マッピング方法であって、レーザ設備により信号を発生
   し、前記設備が被監視領域上を、その領域上の高さ、進
   路及び速度を可能な限り一定に維持した基準SAR条件下
   において移動する間に、前記信号を前記領域に向かって
   放射し、かつその信号に基づく反射信号を前記設備にお
   いて受信するものであり、 前記方法がさらに、前記放射すべき無線信号として、最
   高周波数が300MHz未満であって、その帯域幅と前記最高
   周波数との比である相対帯域幅を“1"近くの値とし、且
   つ個々の不連続な多数の無線周波数もしくは複数の群単
   位において配列された多数の周波数として発生されたも
   のを用いるとともに、受信された反射信号を、これらの
   不連続周波数または群単位の周波数により復調し、さら
   に前記復調により得られた変調成分を記憶装置において
   それらの位相と共に記憶することにより、スペックルを
   抑制し、かつ誘電対層に隠蔽された目標構造の作図を行
   うものであるとともに、前記領域の反射特性を前記放射
   信号、前記反射信号、及び被監視領域上における前記設
   備の移動に関するデータに基づく反射式断層撮影法によ
   り計算するものであることを特徴とするレーダマッピン
   グ方法。
2. 【請求項２】アンテナとして２つの広帯域ダイボールを
   用い、前記ダイボールがそれらの移動方向に沿った長さ
   方向軸を有するとともに、信号スペクトルの特性波長に
   等しい距離だけ前記移動方向に直行して互いに隔たった
   ものであり、 前記信号は前記設備をアンテナの長さだけ移動させる時
   間にほぼ等しいか、又はそれに満たない時間内だけ前記
   ２本のアンテナにより交互に放射されるものであるとと
   もに、前記反射信号が前記信号を放射したアンテナによ
   って受信されるものであり、さらに、前記２本のアンテ
   ナを介して個別的に形成される前記領域のレジストレー
   ション（位置決め処理）が前記移動方向の前方に向かっ
   て右側及び左側に位置する領域部分から返ってくる前記
   反射信号の部分を互いに分離するために用いられること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. 【請求項３】前記無線信号の周波数を安定な発振器に対
   して位相固定することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の方法。
4. 【請求項４】前記不連続な無線周波数が基本波周波数に
   対する正確な高調波として選択されるものであって、f₀
   を最低周波数、δを高周波周波数ステップの相対的な分
   離間隔、そしてｎを級数式における序数とし、かつこの
   ｎの最大値がN1＝1000又はその付近の整数、そしてN2＝
   2000又はその付近の整数としてこれら２数間の値をとる
   ようにした場合において、幾何級数f₀（１＋δ）^ｎの値
   に最も近くなるようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第３項記載の方法。