JP3781004B2

JP3781004B2 - 合成開口レーダ装置及び数値標高モデル作成方法

Info

Publication number: JP3781004B2
Application number: JP2002355409A
Authority: JP
Inventors: 千香子大野; 健志堀内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: JP2004191053A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は観測対象の地上物に対して異なる２つの軌道からパルスを送信し、反射されたパルスから地上物の２つの合成開口レーダ（Synthetic Aperture Radar；以下、SAR）画像データを再生し、これらのSAR画像データを利用して数値標高モデルを算出する合成開口レーダ装置及び数値標高モデル作成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２つのSAR画像データを干渉させて数値標高モデルを算出する合成開口レーダ装置において、インタフェログラム（干渉画像）の位相ノイズをフィルタリング処理によって除去する手法が提案されている。（例えば、特許文献１）
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−８３２４３
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の合成開口レーダ装置は、画像の各画素に対して、その画素の位相値を周囲の画素の位相値を平均化して算出するフィルタリング処理を行って、位相ノイズを除去していた。このために、数値標高モデルの算出精度が劣化してしまうという課題があった。また、位相ノイズが小さい場合でもフィルタリング処理を行っていたため、位相ノイズの抑圧効果がほとんど得られない場合にも位相ノイズ除去を行っていた。
【０００５】
この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、インタフェログラムに対して、位相ノイズを検出し、位相ノイズが閾値よりも大きい場合に、ウェーブレット変換を用いた位相ノイズ低減を行うことにより、効率的に高い精度の数値標高モデルを算出できる合成開口レーダ装置及び数値標高モデル作成方法を得ることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明による合成開口レーダ装置は、観測対象の地上物に対して異なる２つの軌道から各々パルスを送信し、上記地上物から反射されたパルスを受信し、この受信パルスをビデオ信号に周波数変換し、ディジタル変換した受信信号を画像処理してSAR画像データを生成し、得られた２つのSAR画像データを干渉させ、その干渉性が最大となるリサンプルデータを作成するレジストレーション手段と、更に位相差データより２つのSAR画像データのうちの一方を選択し、このSAR画像データと上記リサンプルデータとの位相差を算出し、平面位相を除去してインタフェログラムを生成するインタフェログラム生成手段と、上記インタフェログラム生成手段より出力されるインタフェログラムの位相ノイズを検出し、この位相ノイズが閾値よりも大きい場合に、このインタフェログラムをウェーブレット変換して位相ノイズを除去する位相ノイズ手段と、上記インタフェログラムにおいて０〜２πに畳込まれている位相を絶対位相に展開する位相アンラップ手段と、位相アンラップ手段の出力の絶対位相を高度に変換する位相高度変換手段と、地上の突起物がニアレンジに倒れ込んで見えるフォアショートニングを補正し、数値標高モデルを算出するフォアショートニング補正手段とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態を、図を参照して説明する。
実施の形態１．
図1は、この発明の合成開口レーダ装置の実施の形態1を示す構成図である。合成開口レーダ装置は、パルスを出力する送信機１、後述の制御回路４から入力される周波数制御信号に基づいて時間とともに周波数を変化させた信号を出力する局部発振器２、送信機１に対してトリガ信号を発生するパルス変調器３、局部発振器２に対する周波数制御信号を出力する制御回路４、送受切換える送受切換器５、送受切換器５を介して送信機１から出力されるパルスを目標に対して送信し、また目標から反射されたパルスを受信するアンテナ６、アンテナ６より受信されたパルスを入力して、受信信号を出力する受信機７、受信機７から入力して受信信号を各パルス毎にレンジ圧縮した後、これらに対してアジマス圧縮し、その出力から画像データを生成する信号処理器８、２つの画像データの位相差からインタフェログラムを作成した後、数値標高モデルを作成するインタフェログラム処理部９から構成されている。
【０００８】
図2は、インタフェロメトリ処理部9の具体的回路構成の一例を示すブロック図である。インタフェロメトリ処理部９は、受信データをレンジ圧縮した後、アジマス圧縮し画像データを作成する信号発生部８、２つの画像データの相関が最大となる位置からリサンプルデータを作成するレジストレーション手段10、このリサンプルデータと一つの画像データとの位相差から平面位相を除去したインタフェログラムを作成するインタフェログラム作成手段11、インタフェログラムの位相ノイズを検出し、位相ノイズが閾値よりも大きい場合に、このインタフェログラムに対してウェーブレット変換を用いて位相ノイズを除去する位相ノイズ除去手段12、インタフェログラムが２πのアンビギュイティを持っているため、０〜２πに畳込まれた位相を絶対位相に展開する位相アンラップ手段13、アンラップ後の位相を高度に変換する位相高度変換手段14、地表の突起物がニアレンジに倒れ込んで見えるフォアショートニングを補正するフォアショートニング補正手段15から構成されている。
【０００９】
次に動作について、図３を参照して説明する。
制御回路４は、図３(a)(b)のように時間とともに搬送波周波数がリニアに変化するように、周波数制御信号を制御して、局部発振器２に出力する。局部発振器２は、制御回路４から入力される周波数制御信号に基づいて搬送波周波数を設定した信号を出力する。時間tにおける信号の搬送波周波数f(t)は、周波数初期値をfo、周波数変化率をkとして、下記の式(１)に基づいて設定される。
【００１０】
【数１】

【００１１】
送信機１は、局部発振器２の出力を増幅し、パルス変調器３の送信トリガ信号に同期して、パルスを生成して出力する。送信機１から出力されたパルスは、送受切換器５を介してアンテナ６に給電され、アンテナ６より地上物に放射される。次いで、アンテナ６は、地上物から反射されたパルスを受信し、送受切換器５を介して、受信機７に出力する。パルスは受信機７において、ビデオ信号に周波数変換された後、位相検波及びディジタル変換され、受信信号として信号処理器８に出力される。
【００１２】
信号処理器８では、各パルス毎に受信機7から入力された受信信号に対して、図３(c)(d)のような特性をもつ信号を用いて畳込み演算を行う。これにより受信信号は図３(e)のように、パルスの搬送周波数変化量Δfの逆数1/Δfに相当するパルス幅にレンジ圧縮される。
【００１３】
レンジ圧縮された各パルスの受信信号に対して、図３(c)(d)のような特性をもつ信号を用いて畳込み演算を行う。ここでｃは光速を表す。これにより受信信号はアジマス方向に圧縮される。
【００１４】
【数２】

【００１５】
アジマス圧縮後に生成された２つの画像データの出力をインタフェロメトリ処理部９に出力する。
【００１６】
次にインタフェロメトリ処理部９の動作について、特に図２、図４を参照して説明する。図４はウェーブレット変換を用いた位相ノイズ除去手段のフローチャートを示した図である。
【００１７】
レジストレーション手段１０は信号処理部８より入力された２つの画像データ（以下それぞれSLC1とSLC2という）の干渉性を下記の式（３）で定義される相関値C_０を用いて調べる。ここで、*は共役複素数を表わす。
【００１８】
【数３】

【００１９】
相関が最も高い位置を調べて、２つの画像間のずれ量を求め、このずれ量をアフィン変換して、リサンプルデータを作成する。
【００２０】
次に、インタフェログラム作成手段１１は、リサンプルデータと画像データ（SLC1）との位相差を求めて、インタフェログラムを作成する。このインタフェログラムには地表面を観測した場合に生じる位相成分（平面位相）が存在するため、地表面が等位相面となるように平面位相を除去する。図５に合成開口レーダ装置の概念図を示す。平面位相Φは、波長λ、軌道１における合成開口レーダ装置と地表面との距離R_１、軌道２における合成開口レーダ装置と地表面との距離R_２を用いて、下記の式（４）で求める。
【００２１】
【数４】

【００２２】
位相ノイズ除去手段１２を図４に示す。位相ノイズ検出１６は、インタフェログラム作成手段１１より入力したインタフェログラムから位相ノイズを検出して、この位相ノイズを予め設定した閾値と比較する。位相ノイズが閾値よりも大きい場合には、次のパラメータ設定処理１７進み、それ以外の場合には位相アンラップ手段１２に進む。パラメータ設定処理１７は、２次元に配列されたインタフェログラムデータΦ（n₁、n₂）（n₁=1、2、…Ｎ n₂=1、2、…、N）に対して、ウェーブレット縮退を適用する。但し、データ数Ｎは２のべき乗であるものとし、パラメータＬに対してN=2^Lが成り立つものとする。ウェーブレット関数として例えばドベシィ（次数２）を用いた場合を考えて以下説明する。ドベシィのウェーブレット変換（次数２）のスケーリング関数を表わす数列 P_k（k=1、2、3、4）を設定する。
【００２３】
次に、この数式P_kより下記の式（５）によって数列Q_kを求める。
【００２４】
【数５】

【００２５】
次いで２次元ウェーブレット変換１８は、インタフェログラムデータΦ(m、n）に対してアジマス方向（ｍ）に１次元のウェーブレット変換を行い、展開係数を求める。次に上記展開係数に対して、レンジ方向（ｎ）に１次元のウェーブレット変換を行い、下記の式（６）~(９)に示す４種類の展開係数を求める。ここで、P_kはスケーリング関数の数列、Q_kはウェーブレットの数列をそれぞれ表わす。また、S_m,n ^(j) はレベルｊのスケーリング係数、W_m,n ^(j,h) はアジマス方向にスケーリング関数、レンジ方向にスケーリング関数を作用させた係数を示す。W_m _,n ^(j,v)はアジマス方向にウェーブレット、レンジ方向にスケーリング関数を作用させた係数、W_m,n ^(j,d)はアジマス及びレンジ方向にウェーブレットを作用させた係数を示す。次にスケーリング係数S_m _、 _n ^(j)のみを、更に４つの成分に分解することをレベルｊまで繰り返す。
【００２６】
【数６】

【００２７】
次いで閾値計算１９は、各アジマス成分n₁に対して、レベル０（j=0）の展開係数を用いてノイズの分散σ_n1 ⁽¹⁾は下記の式（１０）で求める。但し、Median[・]は、数列の中間値、kは適当な係数を表わす。
【００２８】
【数７】

【００２９】
次いで、閾値ｔ_n1を下記の式（１１）で求める。
【００３０】
【数８】

【００３１】
ウェーブレット縮退２０は、展開係数S_m,n ^(j-1)、W_m,n ^(j-1,h)、W_m,n ^(j-1,v) 及びW_m,n ^(j-1,d) の絶対値を式（１１）で与えられる閾値t_n1と比較して、これよりも小さい場合には、その展開係数を０に置換する。
【００３２】
再構成（２次元ウェーブレット逆変換）２１は、ウェーブレット縮退後の展開係数を用いて、下記の式（１２）によってレベルｊから０まで再構成を行う。
【００３３】
【数９】

【００３４】
再構成によって得られたレベル０のスケーリング係数を、下記の式（１３）によってインタフェログラムの出力データとする。
【００３５】
【数１０】

【００３６】
位相アンラップ手段１３は、インタフェログラムは図６に示すように２πのアンビキュイティを持っているため、位相を高度に変換する前に、０〜２πに畳込まれた位相を絶対位相に展開する。次いで、位相高度変換手段１４は、アンラップ処理した後の位相Φを、下記の式（１４）によって高度に変換する。ここで、ｈは高度、Rはスラントレンジ、Bはベースライン（軌道間間隔）、θはオフナディア角、αはベースラインの傾きを表わす。
【００３７】
【数１１】

【００３８】
フォアショートニング補正手段１５は、電波の入射角度が水平でないため、高度に応じてスラントレンジが短縮されることにより、地表の山のような突起物がニアレンジに倒れ込んで見えるフォアショートニングを下記の式（１５）により算出し、式（１４）より差し引くことにより真の高度を求める。ここで、Δｒはフォアショートニング補正値、βは入射角を表わす。
【００３９】
【数１２】

【００４０】
この実施の形態によればインタフェログラムに対して位相ノイズを検出し、位相ノイズが閾値よりも大きい場合にウェーブレット変換を用いた位相ノイズ低減を行っているので、効率的に高い精度の数値標高モデルを算出することができる。
【００４１】
【発明の効果】
この発明によれば、ウェーブレット変換を用いてインタフェログラムの位相ノイズ低減を行っているので、数値標高モデルの高度精度を向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す合成開口レーダ装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１におけるインタフェロメトリ処理部の構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるレンジ圧縮とアジマス圧縮の説明図
【図４】この発明の実施の形態１における位相ノイズ除去手段の構成図である。
【図５】この発明の実施の形態１における概念図である。
【図６】この発明の実施の形態１における位相アンラップ手段を示す説明図である。
【符号の説明】
１送信機、２局部発振器、３パルス変調器、４制御回路、５送受切換器、６アンテナ、７受信機、８信号発生部、９インタフェロメトリ処理部、１０レジストレーション手段、１１インタフェログラム作成手段、１２位相ノイズ除去手段、１３位相アンラップ手段、１４位相高度変換手段、１５フォアショートニング補正手段、１６位相ノイズ検出、１７パラメータ設定、１８２次元ウェーブレット変換、１９閾値計算、２０ウェーブレット縮退、２１再構成（２次元ウェーブレット逆変換

Claims

観測対象の地上物に対して異なる２つの軌道から各々パルスを送信し、上記地上物から反射されたパルスを受信し、この受信パルスをビデオ信号に周波数変換し、ディジタル変換した受信信号を画像処理して合成開口レーダ（Synthetic Aperture Radar；SAR）画像データを生成し、得られた２つのSAR画像データを干渉させ、その干渉性が最大となるリサンプルデータを作成するレジストレーション手段と、
上記２つのSAR画像データのうちの一方を選択し、このSAR画像データと上記リサンプルデータとの位相差を算出し、平面位相を除去してインタフェログラムを生成するインタフェログラム生成手段と、
上記インタフェログラム生成手段より出力されるインタフェログラムの位相ノイズを検出し、この位相ノイズが閾値よりも大きい場合に、このインタフェログラムをウェーブレット変換して位相ノイズを除去する位相ノイズ除去手段と、
上記インタフェログラムにおいて０〜２πに畳込まれている位相を絶対位相に展開する位相アンラップ手段と、
上記位相アンラップ手段の出力の絶対位相を高度に変換する位相高度変換手段と、
地上の突起物がニアレンジに倒れ込んで見えるフォアショートニングを補正し、数値標高モデルを算出するフォアショートニング補正手段と、
を備えたことを特徴とする合成開口レーダ装置。
観測対象の地上物に対して異なる２つの軌道から各々パルスを送信し、上記地上物から反射されたパルスを受信し、この受信パルスをビデオ信号に周波数変換し、ディジタル変換した受信信号を画像処理して合成開口レーダ（Synthetic Aperture Radar；SAR）画像データを生成し、得られた２つのSAR画像データを干渉させ、その干渉性が最大となるリサンプルデータを作成する第１のステップと、
上記２つのSAR画像データのうちの一方を選択し、このSAR画像データと上記リサンプルデータとの位相差を算出し、平面位相を除去してインタフェログラムを生成する第２のステップと、
上記インタフェログラムの位相ノイズを検出し、この位相ノイズが閾値よりも大きい場合に、このインタフェログラムをウェーブレット変換して位相ノイズを除去する第３のステップと、
上記インタフェログラムにおいて０〜２πに畳込まれている位相を絶対位相に展開する第４のステップと、
位相アンラップ器の出力の絶対位相を高度に変換する第５のステップと、
地上の突起物がニアレンジに倒れ込んで見えるフォアショートニングを補正し数値標高モデルを算出する第６のステップと、
を備えたことを特徴とする数値標高モデル作成方法。