JP3274513B2 - 逆合成アパーチャレーダ信号処理の改善方法及びシステム - Google Patents
逆合成アパーチャレーダ信号処理の改善方法及びシステムInfo
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Description
し、特に逆合成アパーチャレーダ(以下、ISAR)シ
ステムのドップラー分解能を増大する計算技術を含むI
SAR信号処理の改善の方法及びそのシステムに関す
る。
次元(レンジ、ドップラー、及び強度)画像を発生する
技術である。この種の画像によって、レーダオペレータ
は、有視界方法を使用することができるレンジ外の目標
を分類することが可能になる。艦船の分類する際のIS
ARシステムの動作上の有効性は、P−3、CS−3
B、及びC−130偵察機上のAN/APS137
(V)レーダーシステムにはっきりと見ることができ
る。更に、巡洋艦及び高速巡視艇などのような水上プラ
ットフォームも、これらの型式のレーダシステムにとっ
て魅力がある。最近、ISARシステムは、種々な応用
面で航空機を分類するのに有効であることが証明されて
きている。
テムの価値を認め、同時に、ISAR処理方法及びこの
方法を採用するシステムは、その潜在的能力を十分に発
揮していないことを認めている。この問題を念頭に置い
て、設計者達は、ISARシステムのレンジ分解能の改
善を模索している。例えば、アドバンストプロファィル
(Advanced Profile)、すなわち、ISAR能力を有す
るレーダ試験台システムは、改善された分解能値を示し
ている。このアドバンストプロファイル試験台システム
は、より小さい目標を分類、より大形の航空機をより詳
細に分析することができる。この結果、分類結果はより
改善され、損傷評価能力は強化された。
より分解能の改善が制限される。例えば、使用状況下で
はISARシステムは、表面音響波(以下、SAW)フ
ィルタを使用して高レンジ分解能を達成する。これらの
アナログ装置は、時間−帯域幅積が増大するに従いその
製造が次第に困難になる。インパルス圧縮及びベースバ
ンドへの降下変換(down-convension)に従い、これら
のシステムは、圧縮波形をディジタル化し、ドップラー
(クロスレンジ)次元をディジタルに処理する。しかし
ながら、これらのシステムにおいては、アナログ−ディ
ジタル(以下、A/D)変換、バッファリング、及びデ
ィジタル処理の処理能力により、分解能が制限される。
能の改善に際し“ダイナミック”という制限を有する。
アパーチャ時間中における波長の10分の2又は3程度
に相当する目標の運動によって反射信号の位相変調が起
きる。この位相変調信号の特殊な処理により画像にクロ
スレンジ次元を生じる。クロスレンジ分解能は、アパー
チャ時間に関連する。しかしながら、アパーチャ形成中
において目標が大きく動くと、リターン信号は振幅変調
を受けている。
(返送)信号のスペクトルのクロスレンジ次元は広が
る。返送信号スペクトルの広がりは、ドップラースメア
リングとして知られている。ドップラースメアリング
は、クロスレンジ分解能の低化を招く。したがって、既
存のシステムでは、パルス帯域幅が実際に増大するとク
ロスレンジの分解能は低化させられる。これは、帯域幅
を増大することでレンジ分解能を改善しようとする期待
に逆行する。事実、レンジ内での目標のドリフトのため
に、レンジ分解能の改善は起こらない。例えば、レンジ
内にある目標が特定の帯域幅に対するレンジ分解能に関
して有意な距離だけドリフトするならば、おそらくレン
ジ分解能の低化が起こる。ISAR画像に起きるドップ
ラースメアリングは、“レンジの移動”の結果であると
云える。
移動によって起こされるドップラー及びレンジ分解能の
問題を克服する方法及びシステムへのニーズが生じてい
る。
が、しかし既存のISARシステムのA/D変換、バッ
ファリング、及びディジタル処理の構成要素の入力能力
によって制限されることのないISAR処理の方法及び
システムへのニーズが生じている。
ドップラー周波数スメアリングの影響を克服する方法及
びシステムへのニーズも生じている。
AR信号からドップラースメアリングを起こすレンジ移
動の影響を除去する計算方法を使用することによってド
ップラー分解能を強化する改善ISAR方法及びシステ
ムが提供される。
ンジ移動の影響を除去することによってISAR映像処
理を改善する方法が提供される。本発明の方法は、ゼロ
ドップラーレンジセルに対してISAR映像を発生する
第1ステップを含む。本方法は、そのセンサからの全て
のパルスにわたり各レンジビンごとにIQデータを平均
化することによってこのステップを遂行する。次いで、
本方法は、データ点内の非ゼロドップラー偏移の影響を
表す因子によってこれらデータ点の各々に対して補償す
るステップを含む。本方法は、更に、これら補償データ
点にドップラーフィルタを適用することによってISA
R映像を形成することを含む。
対するレンジ/ドップラー映像を適正に計算する計算手
順を具体化する。既知のISARドップラー処理方法に
比較して、本発明は寄生ISAR映像の発生を回避す
る。その結果、運動目標の高レンジ分解能及びドップラ
ー映像を得る。
ことによって、本発明は一層完全に理解されるであろ
う。
/ドップラー画像は、返送信号からサンプルされたコヒ
ーレントデータの高速フーリエ変換(以下、FFT)に
よって形成される。FFTによって演じられる必須の役
割は、ドップラーフィルタバンクのそれである。その処
理は直載的で簡単であるが、その結果の画像が所望画像
の近似であることも示される。特に、非ゼロドップラー
偏移ISAR画像を生成するようにオリジナルIQデー
タを使用すると、結果としての画像にドップラー周波数
スメアリングを生じる。
テムのブロック図である。IF信号22がコヒーレント
検出器24に送られ、他方ディジタル移相器26も検出
器24へ出力を送る。コヒーレント検出器24はAD変
換器28へそのアナログ入力を送り、AD変換器28は
また遅延トリガ発生器30から遅延トリガ入力を受け
る。AD変換器28からのディジタル出力は、データエ
キスパンダ32に送られる。データエキスパンダ32の
出力信号は、レンジ/ドップラー追跡装置34及びドッ
プラープロセッサ36へ送られる。レンジ/ドップラー
追跡装置34は出力信号をディジタル移相器26に送
り、移送器26はまたIF基準信号38を受けて、その
発生する移相信号を出力としてコヒーレント検出器24
へ送る。レンジ/ドップラー追跡装置34は、また、遅
延トリガ発生器30へその追跡入力を送る。ドップラー
プロセッサ36は、ディスプレイメモリ40へISAR
データを出力し、ディスプレイメモリ40はディジタル
信号をディジタル−アナログ(以下、DA)変換器42
に送る。ビデオディスプレイ44は、DA変換器42か
らのアナログ信号を表示する。
応用されるのは、ドップラープロセセッサ36内におい
てである。ドップラープロセッサ36は、IQデータを
用いて各レンジビン指標i 対する波形座標変数ξと各パ
ルス繰返し指標(PRI),k に対する時間アパーチャ
の開始から測定された時間t との関数として目標のドッ
プラー作像を決定する。例えば、
う。ここで、i はレンジビン指標、及びk はISARシ
ステムのパルス繰返し指標である。各レンジビンごとの
レンジ/ドップラー画像は、FFT処理によって形成さ
れる。FFT処理は、その時系列を周波数スペクトルに
変換する。
ラー画像形成に対する明らかな表現が、次のように導出
される。1つの点反射器からの処理返送エコーをP(ξ)
によって表わす。ここに、
及びt は各時間アパーチャの開始から測定された時間で
ある。厳密に云うと、R(t)はパルス到来時におけるIS
ARシステムセンサからこの点反射器までのレンジであ
る。実際の目的では、t は kΔt で近似してもよく、こ
こにk はPRI指標値であり、Δt はパルス間の時間間
隔である。図1内のレンジ/ドップラー追跡装置の役割
は基準反射器として主要(dominant)反射器をとらえ、
かつこの基準反射器からの各返送パルスが同じパルス波
形座標値
である。したがって、次を得る。
る。
プル時間tiは、基準反射器に対するサンプル座標点列を
一定に維持するようにRr(kΔt)の変動を補償するために
連続的に調整される。レーダからレンジR(k Δt)にある
任意の点反射器に対して、基準反射器からのその差レン
ジは、
パルス波形に対するサンプルデータは
に、図2を参照されたい。図2は、水面52上に浮き、
その浮力中心54の回りに運動している船50を示す。
これから判るように、マスト58の点56が移行すると
きの両側端間の距離は点60が移行するときのそれより
もかなり小さい。ISARセンサ62がマスト58上の
任意の点64と同じ面内にある点を検出するならば、基
準レンジRr(kΔt) が確立される。垂直面66は、セン
サ62と任意の点64とを含む面に垂直に設定される。
垂直面66から点60までの距離R(k Δt)は決定され
る。これは、マスト58上のいかなる点についても成立
する。差レンジδR(k Δt)は、距離R(k Δt)に係わるマ
スト58上のいかなる点に対してもRr(kΔt) とR(k Δ
t)との差として式(4)によって定義することができ
る。
を数学的に説明する。例えば、図2の船50は、種々な
場所及びダイナミックスを有する多数の点反射器で構成
されている。次のいくつかの仮定をこの例に関して立て
ることができる。そのISARシステムは、これらの反
射器の1つで、基準反射器と呼ばれる、マスト58上
の、例えば、点64を追跡するレンジ追跡装置を含み、
この追跡装置の情報を使用してこの基準反射器をサンプ
リグウィンドウの中心に維持する。第2仮定は、そのI
SARプロセッサがこの基準反射器からの返送信号の位
相と関連する返送信号の位相を計算すると云うことであ
る。
サンプルされた返送信号は、
標し; i は1パルス返送(i =0,1,…、N-1)内のサンプル番号
を指標し; P(ξ) は送信パルスの複素包絡線を表わし、P(ξi)はこ
の包絡線のサンプルされたものを表わし; Dは基準反射器と任意の反射器との間の初期変位であ
り; V は基準反射器に関する、レーダ視線に沿う任意の反射
器の線速度であり; Δt はパルス繰返し間隔であり; c は波動伝搬速度であり; λはレーダ信号の波長である。
ル時間からのデータにM-点FFTを遂行することによっ
て、クロスレンジ内で処理される。結果の二次元映像
は、
ル成分を指標する。
の)振幅変調は、式(6)中の包絡線関数中の項2[D
−VkΔt]/c に起因している。この変調の影響は、図3
に示されている。アパーチャ時間中、所与の反射器のレ
ンジは、この反射器がアクセスされるサンプル時間の総
数だけ測定されるとき、基準反射器に関連して変化す
る。
は、式(7)を僅かに変形するならば、更に容易に論じ
られる。M Δt なるアパーチャ時間に対して、スペクト
ル分解能は1/M Δt である。目標反射器は速度の離散値
のみを持つことができ、これに伴い速度分解能はスペク
トル分解能に対応する、すなわち、1つの反射器はλ/2
M Δt の或る倍数である速度を有すると仮定しよう。式
(7)内のV を離散速度を指標する整変数s で置換する
と、次式を得る:
としてこの式を評価することである。これは、目標実速
度を表わすセルの近傍のスペクトルセル内の応答を評価
することに類似している。理想的には、この近傍セルの
応答はゼロである。この置換によって、式(8)は、次
のようになる:
単位円上に一様に分布されたM 個の複素数を表わすこと
に注意されたい。 P( …)によって与えられるこれらの
複素数に関連する重みが全て同じであれば、その総和は
ゼロであろう。そのレンジ移動項、 2λk/2Mによって P
( …)項は1つのパルスから次のパルスまで振幅に変化
を生じる。これが、ゼロになることを防止する。後の図
5を参照。したがって、定速反射器は、いくつかのスペ
クトルセル内に応答を起こさせる。これは、クロスレン
ジ方向の分解能の低化となって現れる。
際の近傍セルのスペクトル応答を示す。図4は、式
(8)を駆動する関数
ースメアリングがなければ、図4に示すベクトル70の
全ての和はゼロに等しいであろう。これは、ドップラー
スメアリングのない理想的な場合である。実際には、I
Qデータが発生するかつ図3に示すドップラースメアリ
ングのために、図5のベクトル和72が現れる。これ
は、PRI指標が変化するに従い、サンプル信号の異な
る値がベクトル70の各々ごとに生じるからである。本
発明の好適実施例の方法は、その目標に起因して起こる
ドップラー周波数偏移を補償する。
シミュレーションから生じた結果のグラフ表現である。
図6は、レンジ(R)及びクロスレンジ(F) に対して振幅
(Z)をプロットしている。示されたサンプル78は、電
力半値点において6. 25ns幅のガウシアンパルスの
200MHzのサンプリングを表している。32個のレ
ンジサンプル×128個のクロスレンジサンプルが存在
する。このサンプルは、その反射器が速度を持たないと
きに起こるものを示す。これによって基準送信波形が生
じる。
内に起こされる寄生画像を示す。図7において、スペク
トルサイドローブが現れている。第1サイドローブは、
主応答から約21dB下の点に現れる。更に、レンジ次
元に応答ひずみと応答拡幅が存在する。
て表示されるように、分解能の低化はサンプルされた波
形の振幅変調に起因している。式(8)の形は、次のよ
うにしてレンジ移動を補償可能とする:
節されたi 番目レンジサンプル時間であり、ξ′i は基
準反射器のi 番目レンジサンプル時間である。(基準反
射器に対して)速度s を持つ反射器の場合、次が成立す
る:
化がISAR画像を適当に変化させてドップラースメア
リングを除去するかを示す。
ンプリングプロセスを得るために有効な補間技術を特
に、念頭に置いている。種々の補間技術(例えば、sin
(x)/x補間、スプライン補間、等)が好適実施例に従っ
て使用され、これらの各々が補償性能及び計算要件の実
現に当たりこれらに係わる。
解するために、次の定速度反射器の場合を考察しよう:
移である。次の議論に便利なように、ドップラー指標値
s は整数のみに限定しよう。次のように書ける:
ルデータは、
プルIQデータのFFTをとることによって構成され、
次式で表される:
る。
セル m=s 内に現れる。
=0 )のとき、ゼロドップラーセルレンジ線画像は、
のサンプルリトレース(retrace)であり、他のドップ
ラーセルのどれの内にも画像はない。
しているときは、いくつかの複雑な因子が発生する。例
えば、 v<0 (すなわち、 s>0 )の場合を考えられた
い。主ドップラーセル画像は、m=s と置くことによっ
て式(16)から得られる;
ラーセル内にドップラー処理によって発生される寄生画
像が存在する。これらの表示式は式(16)からm=
s+l 、ただし l=±1, 2, …、と置くことによって、
得られる:
プルデータは同じ値のものではないので、式(12)内
の総和は非ゼロである。この状況は、高いドップラーセ
ルになるほど厳しくなる。
AR処理手順は、ゼロドップラーセル画像を正しく構成
するのみである。寄生ドップラー周波数に起因するドッ
プラー周波数スメアリングは、より高いドップラーセル
で起こる。更に、レンジ線画像は、また、モデリングプ
ロセスにおいて使用される点反射器の画像よりもむしろ
パルス波形の画像を含む。
を起こす問題を妨げる代替処理手順を提供することによ
って現行ISARシステム設計を改善する。図1を再び
参照して、本発明は、次の計算手順を遂行する途を提供
することによってドップラープロセッサ36を修正す
る:
簡単な総和によって発生される:
ップラーセルに対して、本発明のISARシステムによ
って収集されたコヒーレントIQデータをドップラー処
理に直接使用することはできない。関連した運動のため
に、レンジ移動がパルスごとにサンプル点を次第に偏移
させるからである。このことは、式(16)、(18)
及び(19)の右辺に明白に表示されている。本発明の
好適実施例では、これらのIQデータを再びサンプリン
グすることによってこのスメアリングを妨いでいる。再
サンプリングは、各ドップラーセルに対して特に実行さ
れる。例えば、正ドップラー周波数偏移セル
ことによってこの sドップラーセル画像を計算するのに
使用される:
ドップラーセル sを計算するための対応式は、
る。
テムのこの発生において起こるドップラーセルスメアリ
ングを除去する。これは純粋に計算手順であるから、ド
ップラープロセッサ36の既存の回路装置内で又は最少
の付加的計算能力で以て実現される。
検出された目標の点反射器のみに的を絞っている。しか
しながら、この好適実施例の方法は、次の式により目標
全体に適用される:
を表す。式(25)の定式化で以て、この好適実施例を
検出目標上の全ての点源からのドップラースメアチング
を補償するのに採用することができる。
ーセルごとに特定的であるけれども、実際には再サンプ
リングにおける差は近傍ドップラーセル間では極めて小
さい。しかしながら、この好適実施例の方法は計算上複
雑であり、ドップラーセルごとの変動は比較的無視可能
できるので、ドップラースメアリングを選択的に補償す
ることによって本方法を簡単化することが望ましい。図
9は、ドップラーレンジを複数の帯域に分割して各帯域
の中心ドップラーセルのみを特に再サンプルすることに
よって各帯域ごとにのみ再サンプリングする方式を示
す。
が、添付の特許請求に規定された精神及び範囲に反する
ことなく種々の変更、代入、及び代替が可能であること
は、もとより明らかである。
ステムを採取することのできるISARビデオ処理サブ
システムの簡単化ブロック図。
の概念的説明線図。
ップラー周波数偏移の影響を示すグラフ図。
ARシステムのIQ信号に対する指向性ベクトル図。
ドップラースメアリングの影響を説明するベクトル和を
示すベクトル図。
動の影響を示す三次元グラフ図。
の影響を示す三次元グラフ図。
に対するデータ点サンプルを修正を説明するグラフ図。
化のために複数のセルを処理する構想を説明するグラフ
図。
Claims (9)
- 【請求項1】 逆合成アパーチャレーダ(ISAR)作
像レーダ信号処理を改善し、運動反射器からのISAR
信号におけるレンジ移動の影響を補償する方法であっ
て、 サンプルリターン f(ξi,tk)を式(1) に従い測定するステップと、ここでi は前記ISAR信
号のレンジビン指標であり、k はISAR信号のパルス
繰返し指標(PRI指標)であり、ただし かつh は前記反射器の点源を表わし、 正ドップラー周波数偏移セル に対しては式(2) に従って前記サンプルリターンを再サ
ンプルすることにより第1のセル補償を得て、 ただし かつ式(3) に従い前記第1のセル補償から前記ISAR画像を計算
するステップと、ただし 負ドップラー周波数偏移セル に対しては式(4) に従って前記サンプルリターンを再サ
ンプルすることにより第2のセル補償を得て、 ただし かつ式(5) に従い前記第2のセル補償から前記ISAR画像を計算
するステップと、ただし ξは波形座標変数、 t =時間、 Dは参照反射器と任意の反射器との間の初期変位、 s は離散速度を指標する整変数、 k は前記アパーチャ内のパルス数の指標、 λは前記レーダ信号の波長、 c は波動伝搬速度、 i は1パルス返送内のサンプル数の指標、 P(ξ) は送信パルスの複素エンベロープ、 P(ξi) は P(ξ) のサンプルバージョン、 を具備する方法。 - 【請求項2】 運動物体からの逆合成アパーチャレーダ
画像からレンジ移動の影響を除去する改善逆合成アパー
チャレーダシステムであって、 前記運動からの複数の作像合成アパーチャレーダ点を総
和することによって前記運動物体のドップラー周波数偏
移に関係なく合成アパーチャレーダ画像を発生する回路
装置と、 データ点上の非ゼロドップラー周波数偏移の影響を表示
する因子によって前記データ点の各々に対して補償する
ことにより補償データ点を得る回路装置と、 前記合成アパーチャレーダ映像から前記レンジ移動の影
響を除去するために、前記補償データ点を使用して前記
運動物体から非ゼロドップラー周波数偏移を前記合成ア
パーチャレーダ画像に対して補償する回路装置と、 を含む改善逆合成アパーチャレーダシステム。 - 【請求項3】 請求項2記載のシステムであって、式 に従いIQデータを発生する回路装置を更に含み、ただ
し かつ h は前記運動物体の点源を表示し、 ξは波形座標変数、 t=時間、 Dは基準反射器と任意の反射器との間の初期変位、 s は離散速度を索引する可変整数、 k は前記アパーチャ内のパルス数の指標、 λは前記レーダ信号の波長、 c は波動伝搬速度、 i は1パルス返送内のサンプル数の指標、 P(ξ) は送信パルスの複素エンベロープ、 P(ξi)はP(ξ) のサンプルバーション、 である、システム。 - 【請求項4】 請求項2記載のシステムであって、式 に従い前記合成アパーチャレーダ画像を発生する回路装
置を更に含み、ただし である、システム。 - 【請求項5】 請求項2記載のシステムであって、式 に従い前記データ点に対して補償する回路装置を更に含
み、ただし 正ドップラー周波数偏移セル に対してである、システム。 - 【請求項6】 請求項2記載のシステムであって、式 に従い前記データ点に対して補償する回路装置を更に含
み、ただし 負ドップラー周波数偏移セル に対してである、システム。 - 【請求項7】 請求項5記載のシステムであって、式 に従い前記合成アパーチャレーダ画像に対して補償する
回路装置を更に含み、ただし である、システム。 - 【請求項8】 請求項6記載のシステムであって、式 に従い前記発生合成アパーチャレーダ画像に対して補償
する回路装置を更に含み、ただし である、システム。 - 【請求項9】 請求項2記載のシステムであって、複数
の前記データ点に対して補償する計算の簡単化のために
複数の前記データ点をデータ点の帯域に群分けする回路
装置を更に含むシステム。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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