JP4062311B2 - 合成開口処理システムにおけるプラットフォーム動揺補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーダーやソナー等の合成開口処理システムにおけるプラットフォームの動揺補正方法に関する。

従来、合成開口処理システムを搭載するプラットフォームの動揺は、合成開口結果に悪影響を与えることが知られている。電波を用いる合成開口レーダーの場合、プラットフォームの移動速度は電波の伝搬速度よりはるかに遅く、動揺の影響は小さい。よってほとんどの場合で角度補正やジオメトリ補正を行えば十分詳細な画像を得ることができ、また悪天候に航空機でシステムを稼動させる場合でも、全地球測位システム（ＧＰＳ）や慣性航法装置（ＩＮＳ）による位置情報を用いた動揺補正を行えば対応することができる。しかし音波を用いる合成開口ソーナーの場合、プラットフォームの移動速度が音波の伝搬速度に比較的近く、また波浪がプラットフォームに大振幅の動揺を与えることが多いため、合成開口レーダーで用いられる補正だけでは不十分なのが現状である。

位置情報を用いた動揺補正方法を、特に合成開口ソーナーに適用する際、問題となるのはその位置情報の精度である。合成開口ソーナーが求める位置の精度は、一般的には数〜数十ｃｍとなる。しかしＧＰＳの位置精度は数ｍ以上であり、ＩＮＳの位置精度はその構造上、単独では正確な位置情報を得ることができない。不正確な位置情報を用いて動揺補正を行うと、その位置誤差もまた合成開口結果に悪影響を与え、誤差が実際の動揺より大きい場合には補正後の結果の方が悪くなってしまう。現在、合成開口ソーナーの要求する位置精度を満たす測位装置が無いため、補正処理は有効に機能していない。そのため試験運用されている合成開口ソーナーは、海象が穏やかでプラットフォームの動揺が非常に少ない湖や湾内などで限定的な成果をあげる程度に留まっている。また、合成開口レーダーの場合も動揺の影響は小さいものの問題であることには変わりはない。

本発明は上記課題を解決しようとするもので、精度が足りず不正確な位置情報を用いても、有効に合成開口処理システムにおけるプラットフォームの動揺補正を行えるようにすることを目的とする。
そのために本発明は、合成開口ソーナーにおけるプラットフォームの位置を計測して位置の動揺を周波数解析し、合成開口処理の結果が最も向上する動揺周波数領域を、条件を変えてシミュレーションにより求めてデータベース化する段階、与えられた条件に対する最適な動揺周波数領域をデータベースを参照して求める段階、データベースから求めた最適な動揺周波数領域に基づいてプラットフォームの仮想位置情報を生成する段階、生成した仮想位置情報に基づいて反射波の遅延時間を算出し、受信反射波から必要な信号を切り出す段階、切り出した信号に基づいて合成開口処理する段階からなることを特徴とする。

本発明によれば、合成開口処理システムにおけるプラットフォームの位置情報が不正確であっても、周波数解析によりプラットフォームの仮想位置情報を生成し、これに基づいて受信反射から必要な信号を切り出すことにより、有効な動揺補正を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は合成開口処理を説明する概念図である。
一般的なレーダーやソーナーは、ある方向に走査用パルス信号を照射し、何秒後にどれぐらいの強度の反射波が戻ってくるかを計測することで、その方向にある物体を検出する。この時、ある探索位置へ照射されるパルスは基本的に一度だけである。これに対して合成開口処理を行う時は、図１に示すように、矢印Ａの方向に移動しながら送受信機Ｂから探査位置Ｓに向けて何度も走査用パルス信号を照射し、それぞれの移動位置で反射波を記録する。そして、それらの位置で計測した反射波をひとつにまとめることで情報量を増やし、それをコンピュータＣ上で処理してより高い分解能で探査位置を観測する。

このように、合成開口処理では移動しながら目標へパルスを照射するので、どのように移動したかを知る必要がある。一般には探査位置を横に見ながら直線的に前進するが、この時に波浪などの外乱があるとプラットフォームは動揺し、予定通りの位置でパルスの照射ができなくなる。そのような状況を説明したものが図２である。

合成開口処理では複数の反射波をまとめて処理するが、図２の例では３つの反射波をまとめて処理をしている。図はプラットフォームＰが１、２、３と進みながらそれぞれの位置でパルスを照射する予定であったが、外乱の影響で１′、２′、３′で照射してしまった様子を表している。動揺したことにより、プラットフォームＰから探査位置Ｓまでの距離はＲ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ₃ からそれぞれＤ₁ 、Ｄ₂ 、Ｄ₃ 増加（減少）し、Ｒ₁ ＋Ｄ₁ 、Ｒ₂ ＋Ｄ₂ 、Ｒ₃ ＋Ｄ₃ となる。

このような距離の増減により、受信する反射波も予定時刻に対して前後することとなる。合成開口処理ではこの遅延時間を予想し、処理する反射波信号の一部を切り出す作業を行っているが、動揺の影響があると遅延時間が変わってしまい切り出される信号がずれて、結果として合成開口処理に悪影響を及ぼすことになる。この様子を表したものが図３である。

図３（ａ）はプラットフォームに動揺が無い場合を示しており、各移動位置で受信する反射波の遅延時間をＴＲ₁ 、ＴＲ₂ 、ＴＲ₃ とする。合成開口処理ではこの遅延時間を計算して必要な信号の切り出しを行い、動揺が無い場合は波形を揃えて切り出すことができる。しかし図３（ｂ）に示すように動揺がある場合、実際に切り出すべき信号の遅延時間はＴＲ₁ ＋Ｄ₁ 、ＴＲ₂ ＋Ｄ₂ 、ＴＲ₃ ＋Ｄ₃ であるため、反射波の遅延時間をＴＲ₁ 、ＴＲ₂ 、ＴＲ₃ として切り出すと、切り出される信号はずれてしまい、誤った信号を用いて合成開口処理をしてしまう。

そこでプラットフォームの正確な位置を計測し、反射波の正確な遅延時間を計算し直して波形を切り出すことができれば、動揺が無い場合と同じように揃った波形で合成開口処理を行うことができる。それが位置情報を用いた動揺補正の原理であり、それを図で表したものが図４である。

図４において、動揺の影響により各位置における信号の遅延時間がＴＲ₁ ＋Ｄ₁ 、ＴＲ₂ ＋Ｄ₂ 、ＴＲ₃ ＋Ｄ₃ となったとき、プラットフォームの位置を計測して切り出す範囲もＴＲ₁ ＋Ｄ₁ 、ＴＲ₂ ＋Ｄ₂ 、ＴＲ₃ ＋Ｄ₃ を基準とすることで、動揺が無い場合とほぼ同じ信号を切り出すことができる。これにより合成開口処理に動揺が与える影響を最小限に留められる。ここで最小限に留めるという表現を使ったのは、照射パルスを補正した訳ではないからである。動揺により異なる場所から照射したパルスは、本来の場所から照射するパルスとは本質的に異なり、そのパルスを照射後に補正することは物理的に不可能である。

図５はこのような位置情報を用いた動揺補正の処理フローを示す図であり、プラットフォームの計測位置情報を用いて受信反射信号群の遅延時間を計算して必要な信号を切り出し、動揺がない場合とほぼ同じにして合成開口処理し、探査位置の画像を得る。

このような位置情報を用いて動揺補正を行う場合、その位置情報の精度が非常に重要となる。例えば、取得した位置情報が不正確であった場合、動揺補正を行った結果が補正前よりも悪化する場合もある。それを表したものが図６である。

本来ならば位置情報を用いて反射信号を切り出す範囲をＴＲ₁ ＋Ｄ₁ 、ＴＲ₂ ＋Ｄ₂ 、ＴＲ₃ ＋Ｄ₃ を基準とすべきであったものが、位置情報が不正確なためにＴＲ₁ ＋Ｄ₁ ′、ＴＲ₂ ＋Ｄ₂ ′、ＴＲ₃ ＋Ｄ₃ ′となってしまったとする。もしも動揺によってずれた位置誤差Ｄ₁ 、Ｄ₂ 、Ｄ₃ よりも、計測位置と現在位置との誤差Ｄ₁ ′−Ｄ₁ 、Ｄ₂ ′−Ｄ₂ 、Ｄ₃ ′−Ｄ₃ の方が大きければ、切り出す範囲はさらにずれ、合成開口結果もさらに悪化する。合成開口処理の結果に影響を与えないために必要な位置測位の精度は、一般に使用波長の１０分の１程度とされている。

従来、補正効果を向上させるためには計測精度をあげる以外に方法が無いと考えられていた。そのため、出来る限り位置情報を真の位置に近づけることが重要とされてきた。しかし現在の技術における移動物体の位置測位の精度は、例えば、最も優れている測位装置の一つであるＧＰＳを用いてもおよそ１ｍである。しかし、例えばソーナーで使用する波の波長は長くても１０ｃｍ程度であり、要求される測位精度はその１０分の１以下のｌｃｍとなる。そのために位置情報の精度が根本的に足らず、特に、ソーナー分野においては、位置情報をそのまま用いる補正で良い結果を得るには至っていない。

このように、従来、補正処理の向上には出来るだけ真の位置に近い計測位置情報を用いることが重要とされている。しかし本発明者らのこれまでの研究で、必ずしもそうでは無いことが明らかとなった。本発明者らの行った水槽実験で、動揺のずれ量は同じ場合でも、その周波数が異なる場合には結果に大きな違いが出ることが明らかになった。

さらに位置情報を用いて動揺補正を行う場合、全体として位地情報の精度が悪くとも、ある一部の周波数帯域において精度が高い情報が含まれているならば、その帯域だけの情報を用いた補正でも有効な補正効果が得られることがわかった。そのシミュレーション結果が図７（ａ）及び図７（ｂ）である。

シミュレーションでは水平距離にして５００ｍ離れた一つの点目標を、パルス幅１０ｍｓ、パルス中心周波数１０．５ｋＨｚ、パルス帯域１ｋＨｚの合成開口ソーナーで観測した。このときの合成開口長は１５ｍ、プラットフォーム速度は０．２５ｍ毎秒、送信パルス間隔１秒、音速は１５００ｍ毎秒である。そしてプラットフォームは目標方向に動揺しており、振幅は３ｍｐｐで周波数が０．１Ｈｚと０．０１Ｈｚの動揺が同時に加わっている。図の横軸はプラットフォームに対する目標の進行方向（アジマス方向）相対位置を、縦軸はプラットフォーム進行方向に対して垂直方向（レンジ方向）の、目標までの絶対距離を表し、ちょうど目標を上から見下ろした画像である。図７（ａ）は動揺の補正前、図７（ｂ）は０．０１Ｈｚの動揺のみを補正した結果である。図７（ｂ）においては０．１Ｈｚ３ｍｐｐの動揺の影響がそのまま残っているので、測位精度として必要とされる波長の１０分の１であるｌｃｍの、実に３００倍の動揺が残っている。しかしながら、その結果は補正前と比較して大きく向上していることが分かる。

以上の事実をふまえ、本発明では、まずプラットフォーム位置を周知の手段を使って計測し、位置の動揺を周波数解析する。そして解析した周波数領域（単独周波数の場合もあれば複数周波数成分が重なっている場合もある）に基づいて演算し、プラットフォームの仮想位置情報（仮想航跡）を生成する。そして、生成した仮想位置情報に基づいてプラットフォーム各位置における反射波の遅延時間を計算し、受信反射波から必要な信号を切り出して合成開口処理する。このような処理を、動揺周波数領域、探査目標までの距離、合成開口長、音波の周波数等を変化させ、シミュレーションにより、予め合成開口処理の結果がもっとも向上する動揺周波数領域を求めてデータベースとして持っておく。そして、動揺補正を行う場合には、与えられた条件（探査目標までの距離、合成開口長、音波の周波数等）に対する最適な動揺周波数領域をデータベースを参照して求め、この周波数領域に基づいてプラットフォームの仮想位置情報を生成し、生成した仮想位置情報に基づいて反射波の遅延時間を計算し、信号を切り出して合成開口処理する。この場合、仮想位置情報は必ずしも真の位置に近付くとは限らず、この点が本発明の特徴であり、従来方法との本質的な違いである。
〔実施例〕
図８は本発明の処理フローを示す図である。
まず、プラットフォームの位置を周知の手段を使って計測し、計測位置情報を周知のフーリエ変換、ウエーブレット変換により周波数解析する。そして、予め求められているデータベースを参照して最適の周波数領域に着目して演算処理し、プラットフォームの仮想位置情報を生成する。そして、仮想位置情報から反射波の遅延時間を計算して、受信反射から必要な信号を切り出して合成開口処理し、目標とする画像情報を得る。

従来の動揺補正と、図８の処理フローに基づいた動揺補正方法の結果を比較したものが図９（ａ）及び図９（ｂ）である。目標は前述のシミュレーションと同じく水平距離にして５００ｍ離れた一つの点目標であり、合成開口ソーナーの作動条件はまったく同じである。図の横軸はプラットフォームに対する目標の進行方向（アジマス方向）相対位置を、縦軸はプラットフォーム進行方向に対して垂直方向（レンジ方向）の、目標までの絶対距離を表し、目標を上から見下ろした画像である点は図７の場合と動揺である。プラットフォームは目標方向に動揺しており、その振幅はｌｍｐｐで、周波数は０．１Ｈｚと０．０１Ｈｚである。補正に用いる位置情報には意図的に外乱を加え、精度を落した。参考までに図９（ｃ）に動揺が無い場合の結果を示す。

この際に行われた動揺周波数に着目した演算処理では、位置情報の高周波数成分を除去する処理を行った。それは位置情報の周波数解析の結果、高周波成分に比較的大きな精度の悪化があるとことが判明しているからである。処理の過程では実際の動揺の位置情報も一部除去しているため、生成する仮想位置情報は実際の位置情報の一部が欠落したものであり、波長の１０分の１以上の誤差を含んでいる。図９（ｂ）、図９（ｃ）の比較から分かるように、本発明の動揺補正方法により、動揺の無い場合とほぼ同じ画像が得られていることが分かる。

本発明によれば、有効に合成開口処理システムにおけるプラットフォームの動揺補正を行うことができるので産業上の利用価値は大きい。

合成開口処理を説明する概念図である。 プラットフォームが動揺した状況を説明する図である。 プラットフォーム動揺による処理信号のずれを説明する図である。 位置情報を用いた動揺補正の原理を説明する図である。 位置情報を用いた動揺補正の処理フローを示す図である。 動揺補正により合成開口結果が補正前より悪化する例を示す図である。 ある周波数帯域の情報を用いた補正シミュレーション結果を示す図である。 動揺補正の処理フローを示す図である。 動揺補正の結果を比較する図である。

符号の説明

Ｐ…プラットフォーム、１、２、３…プラットフォーム位置、１′、２′、３′…外乱の影響を受けたプラットフォーム位置、Ｃ…コンピュータ。

Claims (3)

1. 合成開口ソーナーにおけるプラットフォームの位置を計測して位置の動揺を周波数解析し、合成開口処理の結果が最も向上する動揺周波数領域を、条件を変えてシミュレーションにより求めてデータベース化する段階、
   与えられた条件に対する最適な動揺周波数領域をデータベースを参照して求める段階、
   データベースから求めた最適な動揺周波数領域に基づいてプラットフォームの仮想位置情報を生成する段階、
   生成した仮想位置情報に基づいて反射波の遅延時間を算出し、受信反射波から必要な信号を切り出す段階、
   切り出した信号に基づいて合成開口処理する段階、
   からなる合成開口ソーナーにおけるプラットフォーム動揺補正方法。
2. 前記周波数解析はフーリエ変換により行うことを特徴とする請求項１記載の動揺補正方法。
3. 前記周波数解析はウエーブレット変換により行うことを特徴とする請求項１記載の動揺補正方法。

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