JP2751901B2

JP2751901B2 - 衛星搭載合成開口レーダ

Info

Publication number: JP2751901B2
Application number: JP7340581A
Authority: JP
Inventors: 勝彦西川
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 1998-05-18
Anticipated expiration: 2015-12-27
Also published as: JPH09178846A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極軌道衛星に搭載
された合成開口レーダに関し、特に地表のインタフェロ
メトリック画像の作成に利用される合成開口レーダに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、人工衛星に搭載された合成開口レ
ーダ（ＳＡＲ）を使って地表のインタフェロメトリック
画像を作成することが試みられている。例えば、ＪＥＲ
Ｓ−１（地球資源衛星１号）に搭載されたＳＡＲ等があ
り、地表の構造マップ（等高線画像）等の作成に利用さ
れている。このインタフェロメトリック画像は、観測角
度がわずかに異なる２種類のＳＡＲデータを処理するこ
とによって作成することができる。現在まで、リピート
パス方式、デュアルアンテナ方式、双子衛星方式等によ
るインタフェロメトリック画像作成方法が提案されてい
るが、これらの中で実用化されているのはリピートパス
方式だけである。

【０００３】リピートパス方式は、１基の人工衛星にお
ける回帰軌道を利用して同一ターゲットを２回観測する
ことにより観測角度の異なる２種類のＳＡＲデータを取
得する方式である。例えば、前記ＪＥＲＳ−１等に利用
されており、１回目のターゲットの観測後、複数回周回
して同一軌道に戻ってから２回目の観測を行う。ここ
で、同一軌道に戻るといっても、実際は若干の軌道のず
れが生じるため両ＳＡＲデータの観測角は異なったもの
となる。このようにリピートパス方式は１基の人工衛星
で観測角度がわずかに異なる２種類のＳＡＲデータを取
得することができるため低コストでインタフェロメトリ
ック画像を作成することができる。

【０００４】しかし、同一ターゲットを２回観測するに
は、軌道を何周も航行する必要があり、ＳＡＲデータを
２度取得するのに最低でも数日以上の時間を要する。前
記ＪＥＲＳ−１においては、同一軌道に再び回帰するの
に４４日間を要する。したがって、１回目のＳＡＲデー
タを取得してから２回目のＳＡＲデータを取得するまで
の時間にターゲットの状態が変化して画像間の相関情報
が劣化するおそれがある。

【０００５】次に、デュアルアンテナ方式は、送信周波
数を高く設定した（例えば、Ｘバンド以上）２台のアン
テナを１基の人工衛星に搭載して観測角度が異なる２種
類のＳＡＲデータを取得する方式である。この方式は、
衛星が１基で済むこと、１回の観測で２種類のＳＡＲデ
ータが取得できること、ベースライン長（基線長）が固
定されているため画像処理が容易であること等の利点が
ある。しかし、２台のアンテナを結ぶベースラインベク
トルの向きを１秒程度の角度精度で制御しなければなら
ない等、高度な技術を必要とするため現状においては実
現不可能である。

【０００６】次に、双子衛星方式には、２基の人工衛星
をクロストラック方向（衛星進行方向と直行する方向）
に所定距離だけ離して同一方向に航行させ、一方の人工
衛星から送信パルスをターゲットに向けて発射し、その
散乱波を両人工衛星によって受信する方式と、アロング
トラック方向（衛星進行方向）に所定距離だけ離して同
一軌道を航行させ、各人工衛星に搭載されたＳＡＲが同
一ターゲットを観測するわずかな時間差における地球の
自転を利用して、観測角度の異なる２種類のＳＡＲデー
タを取得する方式がある。

【０００７】このような双子衛星方式はいずれも、２基
の衛星を平行して航行させることにより短時間（数秒の
オーダ）で２種類のＳＡＲデータを取得することができ
る。そのため、ＳＡＲデータ間における相関情報の劣化
がなく良好なインタフェロメトリック画像を作成するこ
とができる。しかし、２基の人工衛星を必要とするため
コストがかかる上、２基の人工衛星の軌道を極めて精度
よく制御する必要がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、リピート
パス方式は２種類のＳＡＲデータを取得するのに数日〜
数十日の時間を要するため観測中に画像間の相関情報が
劣化するという問題点がある。また、デュアルアンテナ
方式は角度測定等に高度な技術を要求するため、現在の
衛星技術では実現が極めて困難であり、双子衛星方式に
おいては短時間でＳＡＲデータを取得することができる
という利点があるが、２基の人工衛星を必要とするため
リピートパス方式に比べ大幅にコストがかかる等の問題
点がある。本発明はこのような課題を解決するためのも
のであり、１基の人工衛星で短時間に観測角度が異なる
２種類のＳＡＲデータを取得するための衛星搭載合成開
口レーダを提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による衛星搭載合成開口レーダは、人
工衛星の進行方向を含む１平面上に載り、進行方向とほ
ぼ直角をなす発射角度のわずかに異なる２つのビームを
地上に向けて発射し、かつ、このビームの反射波を受信
するアンテナと、上記２つのビームのそれぞれに対応す
るチャープパルスの遅延傾斜特性をパルス毎に逆転させ
るチャープパルス発生器とを備えている。このような構
成をとることにより発射方向の異なる２つのビームを地
表に発射し、短時間に観測角度の異なる２種類のＳＡＲ
データを取得することができ、これら２種類のＳＡＲデ
ータからインタフェロメトリック画像の作成が可能とな
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の詳細について図面
を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態を示す
説明図である。

【００１１】まず、図１を用いてＳＡＲデータの取得手
順について説明する。同図において、２は人工衛星１に
搭載され地表に向けてビームの発射およびその反射波の
受信をするためのＳＡＲアンテナ系、３、４は人工衛星
１の進行方向を含む１平面に載り進行方向とほぼ直角に
なり発射角度の異なるＳＡＲアンテナ系から地面に向け
て発射されたビーム、５、６はビーム３、４によって地
表に形成されたフットプリント、７は地球の大略経線に
平行な衛星軌道、８は地球の地平線、９は地球の自転方
向、１０は衛星軌道７を地表に対して鉛直方向に投影し
た軌道である。

【００１２】さて、人工衛星１は大略経線に平行な極軌
道である衛星軌道７に沿って矢印の方向に航行する。そ
して、航行しながらＳＡＲアンテナ系２からビーム３、
４を地表に向けて発射する。ビーム３、４の発射方向
は、人工衛星１の進行方向を含む１平面上に載りこの進
行方向にほぼ直角な方向になっている。ビーム３、４は
それぞれ地表を走査してフットプリント５、６を形成す
る。フットプリント５、６は人工衛星１の航行にともな
って衛星軌道７と平行に移動するため帯状のＳＡＲデー
タの取得が可能となる。

【００１３】ここで、フットプリント５、６の離隔距離
をＬ（ｋｍ）、人工衛星１の対地速度をＶ（ｋｍ／秒）
とする。フットプリント６はＴ（＝Ｌ／Ｖ）秒後にフッ
トプリント５の位置に達するため、同一ターゲットにつ
いてフットプリント５、６の両者によるＳＡＲデータを
取得することができる。ところで、このＴ秒間に地球が
自転するため両ＳＡＲデータの観測角度は互いに若干異
なるため、これらＳＡＲデータを用いてインタフェロメ
トリック画像を作成することができる。

【００１４】また、Ｔ秒間に地球の自転によってターゲ
ットがクロストラック方向（人工衛星１の進行方向に対
して直交する方向）に移動する距離Δは、 Δ＝Ｌ／｛Ｖ／（Ｒωｃｏｓφ）＋ｃｏｓα｝（１）と表される。ここで、Ｒは地球の半径、ωは地球の自転
角速度、φは観測地点の緯度、αは衛星軌道７と等緯度
線とのなす角である。ところで、この距離Δはインタフ
ェロメトリック画像のベースライン長と等価である。通
常の地球観測衛星に搭載されたＬバンドＳＡＲにおいて
は、１ｋｍ程度とするのが最適とされている。

【００１５】例えば、Ｖ＝７ｋｍ／秒、Ｒ＝６３７８
（ｋｍ）、ω＝７．２９２×１０^-5（rad ／秒）、φ＝
０°（赤道上）、α＝９８゜とすると、赤道付近におけ
る最適なＬの値は約１５ｋｍとなる。また、人工衛星１
の高度を５７０ｋｍ、オフナディア角（人工衛星１から
地表に対して鉛直方向におろした垂線と発射ビームとの
なす角）が３５゜であるとき、地球を平面と仮定すると
両ビームのなす角は約１．２°となる。本実施の形態に
おいては、衛星軌道７に直交する面を基準として±０．
６°の方向にビーム３、４を発射するものとする。

【００１６】しかし、実際の地球は平面ではないため、
式（１）からわかるように緯度φの変化に応じてベース
ライン長Δも変化する。そこで、距離Ｌを緯度の変化に
応じて調整することにより、ベースライン長Δを所定の
最適範囲に保つことにする。例えば、Ｖ＝７ｋｍ／秒、
α＝９８°のときベースライン長を１ｋｍにするには、
緯度φ＝４０°であればＬ＝１９．５ｋｍ、すなわちビ
ーム３と４とのなす角を１．６°にする。同様に、緯度
φ＝６０°であればＬ＝３０ｋｍ、すなわちビーム３と
４とのなす角を２．５°にする。なお、実際の運用にお
いては、所定の観測時間内に２つのビームのなす角を一
定として観測する。

【００１７】次に、図２を用いて本発明の衛星搭載合成
開口レーダについて説明する。図２は本発明の衛星搭載
合成開口レーダを示すブロック図である。同図におい
て、２₁〜２_NはＳＡＲアンテナ系２を構成するアンテ
ナ、１１は周波数がＩＦ帯（中間周波数帯）であり時間
とともに周波数が変化するチャープパルスを発生させる
チャープパルス発生器、１２は所望の周波数の局発信号
を出力する局部発振器、１３はチャープパルスと局発信
号とを混合してチャープパルスの周波数を所望の周波数
帯に変換するアップコンバータ、１４はビーム３、４の
送受信に応じて信号の流れを切替えるサーキュレータ、
１５₁〜１５_Nはチャープパルスの位相を変える移相器、
１６₁〜１６_Nは低雑音増幅器（図示せず）を備えて供給
された信号の電力増幅をする送受信モジュール、１７は
チャープパルスに同期してチャープパルスの１周期毎に
移相器１５₁〜１５_Nは送信信号の位相を所望の位相に設
定する位相制御器、１８はサーキュレータ１４の出力に
局発信号を混合してＩＦ信号に変換するダウンコンバー
タ、１９はＩＦ信号をベースバンド信号（ＩおよびＱ成
分）に変換してからデジタル信号に変換してラベリン
グ、テレメトリ信号の付加などのフォーマティングを行
う信号処理部、２０は信号処理部の出力信号を記録をす
る記録器である。

【００１８】以上の構成による衛星搭載合成開口レーダ
の動作について詳細に述べる。まず、この衛星搭載合成
開口レーダが送信モードのとき、チャープパルス発生器
１１においてＩＦ帯であり、かつ、周波数が時間ととも
に変化するチャープパルスを発生させる。このチャープ
パルスは、局部発振器１２が出力する局発信号とともに
アップコンバータ１３に供給されてそれぞれ混合され、
所望の周波数帯の信号に変換される。周波数変換された
チャープパルスは、サーキュレータ１４を介して移相器
１５₁〜１５_Nに供給される。移相器１５₁〜１５_Nは、チ
ャープパルスに同期して位相を１周期毎に交互に可変す
る。この結果、発射方向が異なるビーム３、４を交互に
発射することが可能となる。移相器１５₁〜１５_Nの出力
は、送受信モジュール１６₁〜１６_Nに供給され、それぞ
れ電力増幅されてからアンテナ２₁〜２_Nを介して外部に
出力され、空間上で鋭い指向性のビーム３、４に合成さ
れ、交互に地表に発射される。

【００１９】さて、ビーム３または４が発射されると直
ちにこの衛星搭載合成開口レーダは、受信モードとな
る。そして、地表で反射、散乱されたビームをアンテナ
２₁〜２_Nによって受信する。この受信信号は送受信モジ
ュール１６₁〜１６_Nにそれぞれ供給され、各送受信モジ
ュール内に設けられている低雑音増幅器（図示せず）に
よって増幅が行われる。増幅された各受信信号は移相器
１５₁〜１５_Nをそれぞれ経由した後、一つの信号に合成
されてサーキュレータ１４を介してダウンコンバータ１
８に供給される。ダウンコンバータ１８に供給された受
信信号は、局部発振器１２の出力する局発信号と混合さ
れてＩＦ信号に変換され、図示されていないバンドパス
フィルタによって不要信号が除去された後、信号処理部
１９に供給される。信号処理部１９において、ＩＦ信号
はベースバンド信号（ＩおよびＱ成分）に変換され、さ
らにデジタル信号に変換されてラベリング、テレメトリ
信号の付加等のフォーマティングが施された後、記録器
２０に記録される。

【００２０】記録器２０に記録された信号は、地上局に
送信され、ＳＡＲ画像処理が行われてインタフェロメト
リック画像が作成される。但し、この場合、通常のイン
タフェロメトリック処理を行う前に、一方のＳＡＲデー
タ（特に、位相情報）を他のビーム方向から観た場合の
画像データに変換する処理が必要である。ところで、ア
ンテナの指向性が理想的であれば、ビーム３の送信とビ
ーム４の受信との間、または、ビーム４の送信とビーム
３の受信との間において、両ビームの干渉は生じない。
しかし、実際にはビーム４の受信時にビーム３のサイド
ローブ成分、または、ビーム３の受信時にビーム４のサ
イドローブ成分を受信し、ＳＡＲデータの画質を劣化さ
せるおそれがある。そこで、チャープパルス発生器１１
から出力される第１のチャープパルスの周波数を時間と
ともに減少させ、第１に引き続き出力される第２のチャ
ープパルスの周波数を時間とともに増加させ、すなわち
チャープパルスの遅延傾斜特性がパルス毎に逆転するよ
うに制御する。さらに、第１、２のチャープパルスの周
波数変化率の絶対値は互いに等しくなるように制御す
る。

【００２１】なお、記録器２０に記憶されているチャー
プパルスは、地上局に送信される際にパルス圧縮が施さ
れるが、チャープパルスに不要信号成分（スプリアス信
号成分）が混入していたとしても逆遅延傾斜特性のスプ
リアス信号（不要信号）は伸張されるためＳＡＲデータ
の画質を劣化させることはない。また、ビーム３、４を
構成する送信チャープパルスの繰り返し周波数は、実効
的に通常のＳＡＲの１／２となり、アジマス方向（衛星
進行方向）の空間分解能は通常のＳＡＲの１／２とな
る。さらに、本実施の形態においては、交互に発射され
るビーム３、４には送信チャープパルスが１パルスずつ
含まれているが、複数パルスであっても構わない。

【００２２】次に、本発明の他の実施の形態について図
を用いて説明する。図３は本発明の他の実施の形態を示
すブロック図であり、図２と同一または同等符号の部品
は、同一または同等の部品を示す。２１は送信モードに
おいてアップコンバータ１３から出力されるチャープパ
ルスの１パルス毎にアップコンバータ１３とサーキュレ
ータ１４ａまたはサーキュレータ１４ｂとの接続を交互
に切替えるスイッチである。以上の構成による合成開口
レーダの動作について図４を用いて詳細に説明する。図
４は図３における送、受信チャープパルスを示す説明図
である。図の横軸は時間軸を示す。Ｐｔ₁は第１の送信
チャープパルス、Ｐｔ₂は第２の送信チャープパルス、
Ｑｔ₁は第１の受信チャープパルス、Ｑｔ₂は第２の受信
チャープパルスを示す。

【００２３】レーダの送信モードにおいて、時間間隔が
τである連続した第１、２のチャープパルスから構成さ
れたダブルパルスを、チャープパルス発生器１１から出
力し、これらチャープパルスの中心周波数はｆ_mとす
る。最初に、ダブルパルスの前半部分である第１のチャ
ープパルスがアップコンバータ１３に供給され、局部発
振器１２から出力された局発信号と混合されて所望の周
波数帯の送信チャープパルスに変換される。例えば、局
部発振器１２から第１のチャープパルスに同期して周波
数ｆ₁₁の局発信号を出力し、第１のチャープパルスに混
合すると第１の送信チャープパルスＰｔ₁の中心周波数
はｆ_c1（＝ｆ₁₁＋ｆ_m）となる。なお、この第１の送信
チャープパルスＰｔ₁はビーム３を構成する。

【００２４】アップコンバータ１３から出力された第１
の送信チャープパルスＰｔ₁は、スイッチ２１によりス
イッチされてサーキュレータ１４ａを介して移相器１５
ａ₁〜１５ａ_Nに供給されて所望の位相が付与され、送受
信モジュール１６₁〜１６_Nにおいて電力増幅される。そ
して、アンテナ２₁〜２_N においてビーム３に合成さ
れ、地表に向けて発射される。同様に、ダブルパルスの
後半部分である第２のチャープパルスは、第１のチャー
プパルスに時間τだけ遅れてサーキュレータ１４ｂ、移
相器１５ｂ₁〜１５ｂ_N、送受信モジュール１６₁〜１６_N
を介してアンテナ２₁〜２_N に供給され、ビーム４に合
成されて地表に向けて発射される。なお、第２のパルス
に同期して出力される局発信号の周波数をｆ₁₂とする
と、第２の送信チャープパルスＰｔ₂ の中心周波数はｆ
_c2（＝ｆ₁₂＋ｆ_m）となる。

【００２５】次にレーダの受信モードにおいて、送信チ
ャープパルスＰｔ₁、Ｐｔ₂に対する受信チャープパルス
Ｑｔ₁、Ｑｔ₂の継続時間は、時間間隔τと比べて相当長
くなり、例えば送信チャープパルスの１０倍以上とな
る。そのため、図４（ｂ）に示すように第１の受信チャ
ープパルスＱｔ₁と第２の受信チャープパルスＱｔ₂と
は、互いの波形の大部分がオーバーラップすることにな
るが、両波形を分離することは可能である。すなわち、
ビーム３を受信したとき、移相器１５ａ₁〜１５ａ_Nの出
力位相はそれぞれ揃っているため、受信信号の電圧をそ
のまま加算することによって受信信号の合成出力（電
圧）を得ることができる。そして、得られた合成電圧は
サーキュレータ１４ａに供給される。

【００２６】一方、移相器１５ｂ₁〜１５ｂ_Nの出力位相
は揃っていないため、各出力を加算すると互いにキャン
セルしあいほぼ零になり、サーキュレータ１４ｂにはほ
とんど何も供給されない。同様に、ビーム４を受信した
ときはサーキュレータ１４ｂに合成出力が供給され、サ
ーキュレータ１４ａにはほとんど何も供給されない。し
たがって、第１の受信チャープパルスＱｔ₁と第２の受
信チャープパルスＱｔ₂とはほぼ完全に分離される。ま
た、受信チャープパルスＱｔ₁、Ｑｔ₂の時間間隔は送信
時と同値であるτとすることができるため、受信チャー
プパルスのパルス繰り返し周波数は通常のＳＡＲとほと
んど同じである。よって、アジマス方向の空間分解能を
ほとんど劣化させずに２つのＳＡＲデータを取得するこ
とができる。

【００２７】さて、サーキュレータ以降の動作は図２の
場合と同様であり、ダウンコンバータ、信号処理部を介
して記録器に記録され、記録器に記録された信号は地上
に送信されてインタフェロメトリック画像が作成され
る。以上のように、図３の衛星搭載開口レーダは各移相
器の位相は固定値でよいためハードウェア構成が単純に
なるという利点が有るが、図２のように移相制御器を備
えればビーム３、４の発射角度を制御することも可能と
なる。なお、１台の合成開口レーダから２方向のビーム
を発射するのではなく、ビームの発射方向毎に２台の合
成開口レーダを併置しても、上記と同等のＳＡＲデータ
を取得することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は人工衛星
の進行方向を含む１平面上に載る２つのビームを進行方
向とほぼ直角になり発射角度の異なるように地表に向け
て発射し、これら２つのビームのそれぞれに対応するチ
ャープパルスの遅延傾斜特性をパルス毎に逆転させるよ
うな構成となっているため、サイドローブ成分を受信す
ることなく、一基の衛星で短時間に観測角度が異なる２
種類のＳＡＲデータを取得することができる。そのため
良質なインタフェロメトリック画像の作成が可能であ
る。また、２つのビームの発射角度を制御することがで
き、緯度に応じてビームの発射角度を調整することがで
き、インタフェロメトリック画像のベースライン長を所
定範囲内に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す説明図である。

【図２】本発明の実施の形態を示すブロック図であ
る。

【図３】本発明の他の実施の形態を示すブロック図で
ある。

【図４】図３の衛星搭載合成開口レーダにおける送信
チャープパルス、受信チャープパルスを示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１…人工衛星、２…ＳＡＲアンテナ系、２₁〜２_N…アン
テナ、３、４…ビーム、５、６…フットプリント、７…
衛星軌道、８…地球の地平線、９…地球の自転方向、１
０…衛星軌道７を鉛直方向に地表へ投影した軌道、１１
…チャープパルス発生器、１２…局部発振器、１３…ア
ップコンバータ、１４…サーキュレータ、１５₁〜１
５_N、１５ａ₁〜１５ａ_N、１５ｂ₁〜１５ｂ_N…移相器、
１６₁〜１６_N…送受信モジュール、１７…位相制御器、
１８、１８ａ、１８ｂ…ダウンコンバータ、１９、１９
ａ、１９ｂ…信号処理部、２０、２０ａ、２０ｂ…記録
器、２１…スイッチ、Ｌ…フットプリント５と６との距
離、Ｐｔ₁…第１の送信チャープパルス、Ｐｔ₂…第２の
送信チャープパルス、Ｑｔ₁…第１の受信チャープパル
ス、Ｑｔ₂…第２の受信チャープパルス、τ…送信ダブ
ルパルスを構成するパルスの時間間隔。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】極軌道を航行する人工衛星に搭載された
合成開口レーダにおいて、人工衛星の進行方向を含む１平面上に載り、進行方向と
ほぼ直角をなす発射角度のわずかに異なる２つのビーム
を地上に向けて発射し、かつ、このビームの反射波を受
信するアンテナと、前記２つのビームのそれぞれに対応するチャープパルス
の遅延傾斜特性をパルス毎に逆転させるチャープパルス
発生器とを備えたことを特徴とする衛星搭載合成開口レ
ーダ。
【請求項２】請求項１において、発射角度を所望の角度に制御した２つのビームを交互に
発射することを特徴とする衛星搭載合成開口レーダ。
【請求項３】請求項１または２において、発射する２つのビームの中に含まれるチャープパルスの
周波数帯域が互いに重複しない程度に近接させるための
２局発信号を出力する局部発振器を備えたことを特徴と
する衛星搭載合成開口レーダ。
【請求項４】請求項１乃至３の何れか一項において、前記チャープパルス発生器は、さらに前記２つのチャー
プパルスの周波数変化率の絶対値が互いに等しくなるよ
うに制御するように構成されていることを特微とする衛
星搭載合成開口レーダ