JP4735814B2

JP4735814B2 - モード切替式合成開口レーダ

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Publication number: JP4735814B2
Application number: JP2005147126A
Authority: JP
Inventors: 卓史藤村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: JP2006322848A

Description

本発明は、限られた重量・サイズ・消費電力・コストの中で、スポットライト合成開口レーダとポラリメトリ合成開口レーダの両方の機能を有するリソース効率の良いモード切替式合成開口レーダに関する。

合成開口レーダ（SAR; Synthetic Aperture Radar）は、アンテナとして、ビーム制御が容易なフェーズドアレイアンテナを用いる場合がある。前記SARの動作モードとして、高分解能を実現するスポットライト動作モードがある。図１７に従来例に係るスポットライト合成開口レーダの一例を示す。

従来例に係るスポットライトSARは図１７に示すように、アンテナ部１と電気回路部２とを有している。アンテナ部１は、送受信モジュール１１と、組をなす水平偏波放射素子１２及び垂直偏波放射素子１３と、分合波器１５とを備えている。電気回路部２は、サーキュレータ２１と、送信部２２と、制御部２５と、受信部２６とを備えている。そしてSAR画像再生装置３は、電気回路部２の受信部２６から出力されるサンプリングデータに基づいてSAR画像を再生するようになっている。

またSARの別の動作モードとして、複数の偏波による観測を行うポラリメトリ動作モードがある（特許文献１）。このポラリメトリSARは図１８に示すように、アンテナ部１の個々の送受信モジュール１１に２台の分合波器１５，１７を備え、電気回路部２に２系統の受信部２３，２４を備えている。
特開平９−１７８８４７号

しかしながら、SARにおいてスポットライト動作モードを実現するためには、アジマス（Az）方向にビーム走査が必要であり、複数の送受信モジュールをフェーズドアレイアンテナに実装する必要がある。したがって、図１７に示すフェーズドアレイ方式のスポットライトSARに、ポラリメトリ機能を追加すると、重量・サイズ・消費電力・コストが大幅に増加するという問題がある。

またポラリメトリSARを実現するためには、送受信モジュールの台数はスポットライトSARに比べて少なくて済むが、図１８に示すように各送受信モジュールに２系統の受信部２３，２４への同時出力機能が必要であり、図１７に示すスポットライトSARの構成で使用していた１系統のみの受信部２３への出力機能を送受信モジュールに比べて、重量・サイズ・消費電力が大きくなる。

従って、スポットライト動作モードとポラリメトリ動作モードの両方の動作モードを有するフェーズアレイアンテナ方式のSARでは、個々の動作モードのみしか持たないSARに比べ、質量・サイズ・消費電力が大きい送受信モジュールを多数用意する必要があり、SAR全体の質量・サイズ・消費電力・コストの合計が増加するという問題があった。

本発明の目的は、重量・消費電力・コストの増加を抑えつつ、スポットライトSAR機能とポラリメトリSAR機能の両方の機能を持つ合成開口レーダを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る合成開口レーダは、水平偏波と垂直偏波で送信及び受信を行う複数の放射素子と、前記放射素子との間に送信信号及び受信信号の授受を行うとともに、前記信号の位相シフトを行うとともに、垂直偏波と水平偏波を同時に受信しない複数の送受信モジュールと、前記放射素子から放射するためのパルス状送信信号を生成する送信部と、前記送信部から出力されるパルス状送信信号を分波して、前記複数の送受モジュールに分配する分波手段と、前記複数の送受信モジュールから出力される受信信号を合波する合波手段と、前記合波手段により合波された受信信号をデジタルデータに変換する受信部と、前記各構成要素を駆動制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記駆動制御機能に加えて、前記複数の送受モジュールの受信偏波を垂直偏波又は水平偏波に揃えた上で、スポットライト動作モードのためのビーム走査の駆動制御を行う機能と、前記複数の送受モジュールを分割し、複数の偏波で受信を行う動作モードのために、その分割した送受信モジュールを各々異なる偏波で受信を行う複数系統の受信系として駆動制御する機能とを少なくとも有し、前記スポットライト動作モードと前記複数の偏波で受信を行う動作モードとを切り替えるものであることを特徴とするものである。

本発明において、送信部が生成したパルス状送信信号は、分波手段により分波されて、送受信モジュールに入力する。放射素子は、送受信モジュールからの送信信号を受取ると、制御部で設定された偏波で放射する。放射素子から放射された送信信号が観測する対象物（ターゲット）に照射されると、反射されて放射素子に受信される。合波手段は、送受信モジュールから出力される受信信号を合波し、その合波信号を受信部に出力する。受信部は合波手段からの受信信号をデジタルデータに出力する。

本発明は、スポットライト動作モードでは複数の送受信モジュールが必要であるが、ポラリメトリ動作モードでは送受信モジュールの台数がスポットライト動作モード時に比べて少なくてもよいことに着目し、複数の送受信モジュールを複数の受信系に分割して、ポラリメトリ動作モードを実行する。具体的には、制御部は、前記複数の送受モジュールを分割し、その分割した送受信モジュールを複数系統の受信系として駆動制御する。

前記制御部は、アジマス方向へのビーム走査を行うためにアジマス方向に配置された前記送受信モジュールの位相を設定する機能を有することが望ましいものである。

前記制御部は、水平偏波の送信、垂直偏波の送信、或いは水平偏波及び垂直偏波の１パルス毎切替送信に切替える指令を前記送受信モジュールに出力する機能を有し、前記送受信モジュールは、前記制御部からの指令に基づいて信号ルートを切替えて送信信号を前記放射素子に送出することが望ましいものである。

前記制御部は、水平偏波の受信、垂直偏波の受信、或いは半数を水平偏波及び残りの半数を垂直偏波の受信に切替える指令を前記送受信モジュールに出力する機能を有することが望ましいものである。前記制御部は、水平偏波の受信時又は垂直偏波の受信時に全ての受信信号を合波する指令を前記合波手段に出力する機能を有することが望ましいものである。前記制御部は、前記複数の送受信モジュールを複数系統の受信系として駆動制御する際に前記合波手段に、受信系毎に送受信モジュールからの受信信号を合波する指令を出力する機能を有するものであることが望ましいものである。

また、前記複数の送受信モジュールを、アンテナ面の複数の放射素子に対応して配列し、前記制御部は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールの受信偏波状態を制御するようにしてもよいものである。この場合、前記複数の送受信モジュールを、アンテナ面の複数の放射素子に対応してマトリックス状に配列し、前記制御部は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールのアジマス方向とエレベーション方向との受信偏波状態を制御するようにしてもよいものである。

前記制御部は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールのアジマス方向の受信偏波状態を水平偏波と垂直偏波とに交互に制御する、或いはポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールのエレベーション方向の受信偏波状態を水平偏波と垂直偏波とに交互に制御する。

前記制御部は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールのアジマス方向の受信偏波状態を複数の群に区分けして水平偏波と垂直偏波とに交互に制御するようにしてもよいものである。また、前記制御部は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールのエレベーション方向の受信偏波状態を複数の群に区分けして水平偏波と垂直偏波とに交互に制御するようにしてもよいものである。

以上説明したように本発明によれば、スポットライト動作モードでは複数の送受信モジュールが必要であるが、ポラリメトリ動作モードでは送受信モジュールの台数がスポットライト動作モード時に比べて少なくてもよいことに着目し、複数の送受信モジュールを複数の受信系に分割して、ポラリメトリ動作モードを実行するため、重量・消費電力・コストの増加を抑えつつ、スポットライトSAR機能とポラリメトリSAR機能の両方の機能を持つ合成開口レーダを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
（実施形態１）

図１に示すように本発明の実施形態１に係る合成開口レーダは、アンテナ部１と、電気回路部２と、SAR画像再生装置３とを有している。なお、図のＨ偏波が水平偏波、Ｖ偏波が垂直偏波である。

アンテナ部１は、送受信モジュール１１と、組をなす水平偏波放射素子１２及び垂直放射素子１３と、分合波器１４とを有している。

送受信モジュール１１は、１系統の送信系と受信系を有し送信信号及び受信信号の増幅と位相シフトを行うものであり、複数台設置されている。

水平偏波放射素子１２及び垂直放射素子１３は、組をなして送受信モジュール１１に接続されている。水平偏波放射素子１２は、送受信モジュール１１から出力される送信信号を水平偏波で放射するとともに、観測する対象物（ターゲット）からの反射波を水平偏波で受信して送受信モジュール１１に出力する機能を備えている。垂直偏波放射素子１３は、送受信モジュール１１から出力される送信信号を垂直偏波で放射するとともに、ターゲットからの反射波を垂直偏波で受信して送受信モジュール１１に出力する機能を備えている。

分合波器１４は、電気回路部２から出力される送信信号を各送受信モジュール１１に分配すると共に、各送受信モジュール１１から出力される受信信号を受信偏波毎に合波して、その合波した受信信号を電気回路部２の受信部に受信偏波毎に出力する機能を備えている。分合波器１４は、複数の送受信モジュール１１に対して共通に１台設けられている。

電気回路部２は、サーキュレータ２１と、送信部２２と、制御部２５と、２系統の受信部２３，２４とを有している。

送信部２２は、SARのパルス状送信信号を生成し、その生成したパルス状送信信号をサーキュレータ２１に出力する機能を備えている。

サーキュレータ２１は、送信部２２から出力されるパルス状送信信号をアンテナ部１に出力するとともに、アンテナ部１から出力される２系統の受信信号のうち一方の受信信号を受信部２３に出力する機能を備えている。

受信部２３は、サーキュレータ２１を経由したアンテナ部１からの一方の受信信号を受信し、その受信信号をサンプリングしてデジタルデータに変換する機能を備えている。受信部２４は、アンテナ部１から出力される２系統の受信信号のうち他方の受信信号をアンテナ部１から直接受信し、その受信信号をサンプリングしてデジタルデータに変換する機能を備えている。

制御部２５は、サーキュレータ２１、送信部２２、受信部２３，２４、及びアンテナ部１の送受信モジュール１１，分合波器１４をそれぞれ駆動制御する機能を有し、さらに前記駆動制御機能に加えて、複数の送受モジュール１１を分割し、その分割した送受信モジュール１１を複数系統の受信系として駆動制御する機能を有している。

また、制御部２５は、アジマス方向へのビーム走査を行うためにアジマス方向に配置された送受信モジュール１１の位相を設定する機能を有している。

また、制御部２５は、水平偏波の送信、垂直偏波の送信、或いは水平偏波及び垂直偏波の１パルス毎切替送信に切替える指令を送受信モジュール１１に出力する機能を有している。送受信モジュール１１は、制御部２５からの指令に基づいて信号ルートを切替えて送信信号を放射素子１２，１３に送出するようになっている。

また、制御部２は、水平偏波の受信、垂直偏波の受信、或いは一部を水平偏波及び残りを垂直偏波の受信に切替える指令を送受信モジュール１１に出力する機能を有している。送受信モジュール１１は、制御部２５からの指令に基づいて信号ルートを切替えて受信信号を分合波器１４に送出するようになっている。

また、制御部２５は、水平偏波の受信時又は垂直偏波の受信時に全ての受信信号を合波する指令を分合波器１４に出力する機能を有している。また、制御部２５は、複数の送受信モジュール１１を複数系統の受信系として駆動制御する際に分合波器１４に、受信系毎に送受信モジュール１１からの受信信号を合波する指令を出力する機能をしている。

また図１０に示すように、複数の送受信モジュール１１を、アンテナ面の複数の放射素子１２，１３に対応して配列し、制御部２５は、ポラリメトリ動作時における送受信モジュール１１の受信偏波状態を制御するようにしてもよいものである。この場合、複数の送受信モジュール１１を、アンテナ面の複数の放射素子１２，１３に対応してマトリックス状に配列し、制御部２５は、ポラリメトリ動作時における送受信モジュール１１のアジマス方向とエレベーション方向との受信偏波状態を制御するようにしてもよいものである。

制御部２５は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュール１１のアジマス方向の受信偏波状態を水平偏波と垂直偏波とに交互に制御する、或いはポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールのエレベーション方向の受信偏波状態を水平偏波と垂直偏波とに交互に制御する。また、制御部２５は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュール１１のアジマス方向の受信偏波状態を複数の群に区分けして水平偏波と垂直偏波とに交互に制御するようにしてもよいものである。また、制御部２５は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュール１１のエレベーション方向の受信偏波状態を複数の群に区分けして水平偏波と垂直偏波とに交互に制御するようにしてもよいものである。

SAR画像再生装置３は、電気回路部２の２系統の受信部２３，２４によりサンプリングされたサンプリングデータに基づいて動作モードに応じて適切なSAR画像再生処理を行う機能を備えている。

次に、本発明の実施形態１に係る合成開口レーダの動作について図１〜図９に基づいて説明する。

先ず、モード切替の説明をする前に一般的な動作について説明する。図２〜図３は、送信時の信号の流れを示しており、図４〜図６は受信時の信号の流れを示している。

送信時の動作を図２及び図３について説明する。SARのパルス状送信信号は、送信部２２により生成され、その生成されたパルス状送信信号は、サーキュレータ２１を経由し、アンテナ部１の分合波器１４に送られる。

前記送信信号を受取ると、分合波器１４は送信信号を分波し、その分波した送信信号を各送受信モジュール１１に分配する。

各送受信モジュール１１は、制御部２５によって設定された送信位相で送信信号の位相シフトを行い、さらに増幅を行う。さらに各送受信モジュール１１は、制御部２５によって設定された偏波の送信信号を各水平偏波放射素子１２又は各垂直偏波放射素子１３に出力する。

水平偏波放射素子１２は、送受信モジュール１１からの送信信号を水平偏波で送信する。垂直偏波放射素子１３は、送受信モジュール１１からの送信信号を垂直偏波で送信する。

水平偏波放射素子１２及び垂直偏波放射素子１３から放射された送信信号は、ターゲットに向けて放射され、ターゲットに照射された場合に反射波として放射素子１２及び１３側に戻ってくる。

水平偏波放射素子１２は、戻ってくる反射波のうち水平偏波成分の反射波を受信し、垂直偏波放射素子１３は、戻ってくる反射波のうち垂直偏波成分の反射波を受信し、水平偏波放射素子１２及び垂直偏波素子１３は、水平偏波成分の受信信号，垂直偏波成分の受信信号を対応する送受信モジュール１１に出力する。

送受信モジュール１１は、制御部２５による設定に基づいて、偏波毎に水平偏波の受信信号と垂直偏波の受信信号とをそれぞれ増幅する。次に、送受信モジュール１１は、増幅した受信信号について、制御部２５により設定された受信位相に従って位相シフトを行い、その位相シフト後の受信信号を分合波器１４に送る。

送受信モジュール１１からの受信信号を受取ると、分合波器１４は、制御部２５からの制御に基づいて、複数の送受信モジュール１１から出力される受信信号を偏波毎に合波し、その合波した受信信号を電気回路部２に出力する。受信信号を電気回路部２に出力する際、分合波器１４は、サーキュレータ２１を経由して受信部２３に出力する、或いは直接受信部２４に出力する、或いはサーキュレータ２１を経由して受信部２３に出力するとともに、直接受信部２４に出力するという３つの出力形態を取る。

分合波器１４からの受信信号を受取ると、各受信部２３，２４は、入力した受信信号の周波数変換・増幅等を行い、デジタルデータとしてサンプリングし、そのサンプリングデータをSAR画像再生装置３に出力する。

SAR画像再生装置３は、前記サンプリングデータを受取ると、SARの動作モードに対応してSAR画像として再生する。

次に、高分解能を実現するスポットライト動作モード時の動作について説明する。図７は、スポットライト動作モードを説明するためのものであり、図１に示す本発明の実施形態に係る合成開口レーダを人工衛星や航空機などの飛行物体に搭載し、その飛行物体の高度を一定の高さに保ったまま矢印で示す進行方法に水平飛行を行いながら、地表の対象物を観測する場合を示している。説明の関係上、対象物は地表上に固定され、この対象物に対して合成開口レーダSARを相対移動させて観測を行う場合を想定している。対象物の観測範囲は、対象物を観測可能な範囲Ｓに設定している。

図７に示すスポットライト動作モードは、合成開口レーダの放射素子（アンテナ）１２，１３のアンテナビームの指向方向を実線及び一点鎖線で示すように時間と共に合成開口レーダSARの移動方法とは逆のアジマス（Az）方向に走査し、放射素子１２，１３からの送信信号を同じ観測範囲Ｓに向けて出力して、対象物を長時間観測することにより、高分解能化を実現する動作モードである。

図８（ａ）は、縦軸がアンテナビーム指向角度（Az方向）を示し、横軸が時刻を示すものであり、送受信モジュール１１に設定される送信位相と受信位相の制御を示す特性図であり、図８（ｂ）は、送受信モジュール１１の位相設定を示している。

各送受信モジュール１１に設定される送信位相と受信位相は図８に示すように、時間の変化とともに、放射素子１２，１３のアンテナビーム指向方向がAz方向に走査するように制御される。

スポットライト動作モード時には、全ての送受信モジュール１１に設定される偏波は、送信時，受信時において水平偏波或いは垂直偏波のうち１つの偏波に統一される。すなわち、全ての送受信モジュール１１に設定される偏波を水平偏波に設定した場合、送信信号のルートは図２の太線で示すルートを辿り、受信信号のルートは図４の太線で示すルートを辿る。

具体的に説明すると、図２に示すように、SRAの送信信号は、電気回路部送信系２２により生成され、その生成された送信信号は、サーキュレータ２１を経由し、アンテナ部１の分合波器１４に送られる。

前記送信信号を受取ると、分合波器１４は送信信号を分波し、その分波した送信信号を各送受信モジュール１１に分配する。各送受信モジュール１１は、制御部２５によって設定された水平偏波の送信位相で送信信号の位相シフトを行い、さらに増幅を行う。さらに各送受信モジュール１１は、制御部２５によって設定された水平偏波の送信信号を各水平偏波放射素子１２に出力する。

水平偏波放射素子１２は、送受信モジュール１１からの送信信号を水平偏波で地表の対象物に向けて送信する。水平偏波放射素子１２から放射された水平偏波の送信信号は、ターゲットに向けて放射され、ターゲットに照射された場合に反射波として放射素子１２側に戻ってくる。

図４に示すように、水平偏波放射素子１２は、戻ってくる水平偏波成分の反射波を受信し、水平偏波成分の受信信号を対応する送受信モジュール１１に出力する。

送受信モジュール１１は、制御部２５によって設定された水平偏波の受信信号のみを増幅する。次に、送受信モジュール１１は、増幅した水平偏波の受信信号について、制御部２５により設定された受信位相に従って位相シフトを行い、その位相シフト後の受信信号を分合波器１４に送る。

送受信モジュール１１からの水平偏波の受信信号を受取ると、分合波器１４は、制御部２５からの制御に基づいて、複数の送受信モジュール１１から出力される水平偏波の受信信号を合波し、その合波した受信信号を電気回路部２に出力する。受信信号を電気回路部２に出力する際、分合波器１４は、サーキュレータ２１を経由して受信部２３に出力する。なお図４とは異なり、受信部２３ではなく、直接受信部２４に出力するようにしてもよい。

分合波器１４から水平偏波の受信信号を受取ると、各受信部２３，２４は、入力した受信信号の周波数変換・増幅等を行い、デジタルデータとしてサンプリングし、そのサンプリングデータをSAR画像再生装置３に出力する。

SAR画像再生装置３は、前記サンプリングデータを受取ると、水平偏波の動作モードに対応してSAR画像として再生する。

また、全ての送受信モジュール１１に設定される偏波を垂直偏波に設定した場合、送信信号のルートは図３の太線で示すルートを辿り、受信信号のルートは図５の太線で示すルートを辿る。具体的に説明すると、図３に示すように、SRAのパルス状送信信号は、送信部２２により生成され、その生成された送信信号は、サーキュレータ２１を経由し、アンテナ部１の分合波器１４に送られる。

前記送信信号を受取ると、分合波器１４は送信信号を分波し、その分波した送信信号を各送受信モジュール１１に分配する。各送受信モジュール１１は、制御部２５によって設定された垂直偏波の送信位相で送信信号の位相シフトを行い、さらに増幅を行う。さらに各送受信モジュール１１は、制御部２５によって設定された垂直偏波の送信信号を各垂直偏波放射素子１３に出力する。

垂直偏波放射素子１３は、送受信モジュール１１からの送信信号を垂直偏波で地表の対象物に向けて送信する。垂直偏波放射素子１３から放射された垂直偏波の送信信号は、ターゲットに向けて放射され、ターゲットに照射された場合に反射波として放射素子１２側に戻ってくる。

図５に示すように、垂直偏波放射素子１３は、戻ってくる垂直偏波成分の反射波を受信し、垂直偏波成分の受信信号を対応する送受信モジュール１１に出力する。

送受信モジュール１１は、制御部２５によって設定された垂直偏波の受信信号のみを増幅する。次に、送受信モジュール１１は、増幅した垂直偏波の受信信号について、制御部２５により設定された受信位相に従って位相シフトを行い、その位相シフト後の受信信号を分合波器１４に送る。

送受信モジュール１１からの垂直偏波の受信信号を受取ると、分合波器１４は、制御部２５からの制御に基づいて、複数の送受信モジュール１１から出力される垂直偏波の受信信号を合波し、その合波した受信信号を電気回路部２に出力する。受信信号を電気回路部２に出力する際、分合波器１４は、サーキュレータ２１を経由して受信部２３に出力する。なお図５とは異なり、受信部２３ではなく、直接受信部２４に出力するようにしてもよい。

分合波器１４から垂直偏波の受信信号を受取ると、各受信部２３，２４は、入力した受信信号の周波数変換・増幅等を行い、デジタルデータとしてサンプリングし、そのサンプリングデータをSAR画像再生装置３に出力する。

SAR画像再生装置３は、前記サンプリングデータを受取ると、垂直偏波の動作モードに対応してSAR画像として再生する。

次に、複数の偏波でターゲットの観察を行うポラリメトリ動作モード時の動作について説明する。

ポラリメトリ動作モードは、水平偏波の送信と垂直偏波の送信とを交互に行い、受信は水平偏波と垂直偏波の両方の偏波で行い、４偏波でのターゲットの観測を実現する動作モードである。この４偏波とは、水平偏波の送信＋水平偏波の受信，水平偏波の送信＋垂直偏波の受信，垂直偏波の送信＋水平偏波の受信，垂直偏波の送信＋垂直偏波の受信を意味する。

制御部２５により送受信モジュール１１に設定される送信位相と受信位相は時間の変化に拘らず、基本的に一定であり、放射素子１２，１３からのアンテナビームの指向方向はAz方向に走査しない。

さらに図９に示すように、全ての送受信モジュール１１の送信偏波は、送信パルス毎に水平偏波と垂直偏波とを交互に切替動作が行われるように設定する。

さらに受信偏波については、複数の送受信モジュール１１のうち半数の送受信モジュール１１の受信偏波を水平偏波受信、残りの半数の送受信モジュール１１の受信偏波を垂直偏波に設定する。

そして、分合波器１４は、水平偏波受信の送受信モジュール１１から出力される受信信号を合波し、図６に示すようにその水平偏波受信信号をサーキュレータ２１に経由させて受信部２３に出力する。さらに分合波器１４は、垂直偏波受信の送受信モジュール１１から出力される受信信号を合波し、その垂直偏波受信信号を直接受信部２３に出力する。

つまり、送信時は、図９に示すように送信偏波を水平偏波と垂直偏波に交互に切替え、かつ送信信号のルートを図２と図３とに示す送信ルートに送信パルス毎に切替えることにより、送信信号をターゲットに向けて送出する。そして、受信ルートは図６に示すように、送受信モジュール１１を半数ずつ、水平偏波の受信と垂直偏波の受信に分けて、太線で示す受信ルートを経て２系統の受信部２３と２４とに受信信号を入力させる。

なお、図６では、水平偏波受信信号をサーキュレータ２１に経由して受信部２３に、垂直偏波の受信信号を直接受信部２４に入力するようにしたが、これに限られない。すなわち、垂直偏波の受信信号をサーキュレータ２１に経由して受信部２３に、水平偏波の受信信号を直接受信部２４に入力するようにしてもよいものである。

受信部２３及び２４は、分合波器１４から水平偏波，垂直偏波の受信信号を受取ると、入力した受信信号の周波数変換・増幅等を行い、デジタルデータとしてサンプリングし、そのサンプリングデータをSAR画像再生装置３に出力する。

SAR画像再生装置３は、前記サンプリングデータを受取ると、このサンプリングデータのポラリメトリ再生処理を行い、ポラリメトリ画像をとして再生する。

本実施形態のポラリメトリ動作モードは４偏波モードで実行する場合について説明したが、これに限られない。すなわち、ポラリメトリ動作モードを２偏波モードで実行してもよいものである。この２偏波モードでは、送信は水平偏波又は垂直偏波のいずれか一方に固定して行い、受信は、水平偏波の送信＋水平偏波の受信，水平偏波の送信＋垂直偏波の受信、又は垂直偏波の送信＋水平偏波の受信，垂直偏波の送信＋垂直偏波の受信モードを実行する。

次に、本実施形態に係る効果について説明する。スポットライト動作モードでは、放射素子のアンテナビームをAz方向に走査する必要があるため、フェーズドアレイ方式アンテナを採用する場合、従来例では、多数の送受信モジュールをアンテナに配置する必要がある。

一方、ポラリメトリ動作モードでは、２系統の受信系を必要とするため、従来例のポラリメトリ動作モードに対応する合成開口レーダでは、１台の送受信モジュールに２系統の受信系を備えていた。

これに対して、本発明の実施形態によれば、スポットライト動作モードでは全ての送受信モジュールを使用して、放射素子のアンテナビームをAz方向に走査させ、ポラリメトリ動作モードでは複数の送受信モジュールの台数を半分に分け、各々を二系統の受信系として対応させている。

したがって、個々の送受信モジュールの重量・サイズ・消費電力を増加させることなく、スポットライト動作モードの機能を有する合成開口レーダ（SAR）に、ポラリメトリ動作モードの機能を追加することができ、限られた重量・サイズ・消費電力・コストの中で前記スポットライト動作モードと前記ポラリメトリ動作モードの両方の機能を実現することができる。

さらに、放射素子による受信信号を分合波器から２系統の受信部に任意に切替えられるようにすると、一方の受信部に故障が生じた場合でも、他方の受信部を使用することにより、スポットライト動作モードを実行することができ、合成開口レーダの耐故障性を向上することができる。

なお、図１に示す本発明の実施形態では、受信部２３，２４から出力されるサンプリングデータを、合成開口レーダと一体に組込んだSAR画像再生装置３に直接入力させて、ターゲットの観測とSAR画像の表示とを同期させる構成としたが、これに限られない。すなわち、SAR画像再生装置３を合成開口レーダとは別体に、例えば地上などに設置し、サンプリングデータを一旦データレコーダに記憶させ、その記憶させたサンプリングデータを必要に応じてSAR画像再生装置３にSAR画像処理するようにしてもよいものである。

また、図１に示す本発明の実施形態では、２系統の受信部を独立させた構成となっているが、これに限られない。すなわち、１台の受信部を用い、この１台の受信部を水平偏波の受信部と垂直偏波の受信部とに切替えて受信動作を行うようにしてもよいものである。また受信部２３，２４には、分波合波器１４から出力される受信信号の周波数変換，サンプリングなどを行う機能を付加したが、これらの付加した機能を行う構成を、受信部と２３，２４とは別体の機器として構築するようにしてもよいものである。また分合波器１４は送信信号の分波と受信信号の合波とを行うものであるから、これらの機能別に構成してもよいものである。

また、図１に示す本発明の実施形態では、送信部２２に、合成開口レーダ用の送信信号を発生させる機能、その送信信号の周波数変換などの機能を付加したが、これらの付加した機能を行う構成を、送信部２２とは別体の機器として構築するようにしてもよいものである。
（実施形態２）

本発明の実施形態２として、ポラリメトリ動作モード時における送受信モジュールの受信時の偏波状態を示した例を図１０に示す。

図１０は、水平偏波放射素子１２と垂直放射素子１３とを１組として１つのアンテナ面内にマトリックス状に配列し、１組の水平偏波放射素子１２及び垂直偏波放射素子１３に対応して、複数の送受信モジュール１１がアンテナ面に対応してマトリックス状に配置されていることを想定して、送受信モジュール１１の受信時の偏波状態を示している。すなわち、図の1つのセルが１つの送受信モジュール１１の受信偏波の状態を示している。またアンテナ面の横方向（行方向）を、スポットライトでアンテナビームを操作させるAz方向とし、アンテナ面の縦方向（列方向）をエレベーション（EI）方向として設定している。

図１０（ａ）に示す例では、ポラリメトリ動作モード時における行方向の送受信モジュールの受信時の偏波状態は、Az方向に沿って水平偏波受信状態Hと垂直偏波受信状態Vとの交互に切替えられる。この場合、列方向に配列された送受信モジュール１１は、その列全体の送受信モジュール１１が共通に水平偏波受信状態H或いは垂直偏波受信状態Vのいずれかに設定される。

なお、図１０（ａ）に示す受信時の偏波状態は、図示の設定状態と逆の設定状態に変更してもよいものである。

図１０（ｂ）に示す例では、アンテナ面に対応して配置されたマトリックス状の送受信モジュール１１が、Az方向に沿って左右に２分割され、右側に位置する複数の送受信モジュール１１の受信時の偏波状態は、水平偏波受信状態に設定され、左側に位置する複数の送受信モジュール１１受信時の偏波状態は、垂直偏波受信状態に設定されている。

なお、図１０（ｂ）に示す受信時の偏波状態は、図示の設定状態と逆の設定状態に変更してもよいものである。

図１０（ｃ）に示す例では、Az方向、すなわちアンテナ面の行方向に沿う送受信モジュール１１の受信時の偏波状態は、水平偏波受信状態或いは垂直偏波受信状態のいずれかに共通に設定されている。さらにEI方向、すなわちアンテナ面の列方向に沿う送受信モジュール１１の受信時の偏波状態は、水平偏波受信状態と垂直偏波受信状態との交互に切替えられる。

なお、図１０（ｃ）に示す受信時の偏波状態は、図示の設定状態と逆の設定状態に変更してもよいものである。

図１０（ｄ）に示す例では、アンテナ面に対応して配置されたマトリックス状の送受信モジュール１１が、EI方向に沿って上下に２分割され、上側に位置する複数の送受信モジュール１１の受信時の偏波状態は、水平偏波受信状態に設定され、下側に位置する複数の送受信モジュール１１受信時の偏波状態は、垂直偏波受信状態に設定されている。

なお、図１０（ｄ）に示す受信時の偏波状態は、図示の設定状態と逆の設定状態に変更してもよいものである。

図１０（ａ）に示す例１、図１０（ｃ）に示す例３では、受信偏波当りのアンテナの開口長が送信偏波の開口長とほぼ同じであり、例２及び例３に比べて、アンテナ利得の点で有利である。

図１０（ｂ）に示す例２、図１０（ｄ）に示す例４では、例１及び例３に比べて同じ受信偏波の送受信モジュールが集中しているため、アンテナパターンの性能面で有利であると共に、実装しやすいという点で有利である。

なお、図１０（ｂ）及び図１０（ｄ）に示す送受信モジュール１１を分割する数は２に限定されるものではない。
（実施形態３）

本発明の実施形態３として、分合波器１４の具体的な一例を図１１に示す。

具体的に説明すると、ポラリメトリ動作モード時の受信偏波毎に組として送受信モジュール群１１Ａ，１１Ｂに２分割し、組単位で送受信モジュール１１Ａ，１１Ｂの出力側を共通のラインＬ１，Ｌ２に並列にそれぞれ接続する。そして、一方のラインＬ１をサーキュレータ２１の入力側に接続する。スイッチ１４２は、３端子を備えており、その第１の端子１４２ａに他方のラインＬ２が接続され、第２の端子１４２ｂに受信部２４の入力側が接続され、第３の端子１４２ｃにラインＬ１の分合波点１４１が接続されており、接続アーム１４２ｄにより端子１４２ａに対して残りの端子１４２ｂ，１４２ｃを選択して接続する構成になっている。図１１では、説明の都合上、送受信モジュール群１１ａと送受信モジュール群１１Ｂとを物理的に各々ひとまとまりのものとして図１０（ｃ）または（ｄ）のように別々に配置しているが、図１０（ａ）または（ｂ）のように交互に配置しても同じである。

図１１に示す分合波器１４を使用して送信・受信を行う場合の動作について説明する。

先ず、送信時の動作について説明する。スイッチ１４２は図１１に示すように、端子１４２ａと端子１４２ｃとを接続した状態に操作され、送受信モジュール１１Ａと分合波点１４１とを繋ぐルートに設定される。

送信系２２で生成されてサーキュレータ２１に通して分合波器１４に入力された送信信号は、分合波点１４１で分波される。

一方の分波された送信信号はラインＬ１まで伝送され、ラインＬ１に並列接続された個々の送受信モジュール１１Ａに分波されて入力する。

他方の分波された送信信号は、スイッチ１４２を経由してラインＬ２に伝送され、ラインＬ２に並列接続された残りの送受信モジュール１１Ｂに分波入力される。

次に、受信時の動作について説明する。スポットライト動作モードでは、スイッチ１４２の端子の接続関係は送信信号と同じルートに設定される。送受信モジュール１１Ａから出力される受信信号は、送信信号とは逆のルートを通して全て合波され、サーキュレータ２１を経由し、受信部２３に出力される。

一方、ポラリメトリ動作モードでは、スイッチ１４２の端子関係は、端子１４２ａと端子１４２ｂとが接続される関係、すなわち送受信モジュール１１Ｂと受信部２４とをつなぐルートに設定される。

したがって、送受信モジュール１１Ａから出力される受信信号は合波された後、分合波点１４１，サーキュレータ２１を経由して受信部２３に入力する。さらに、送受信モジュール１１Ｂから出力される受信信号は合波された後、スイッチ１４２を経由して受信部２４に出力される。
（実施形態４）

本発明の実施形態４として、分合波器１４の変更例を図１２に示す。図１２に示す分合波器１４は、組をなす送受信モジュール１１Ａと送受信モジュール１１Ｂとに対して分合波するルートにスイッチ１４４，１４６と分合波点１４３，１４５を設けた構成になっている。

送信時の動作について説明する。スイッチ１４４と１４６は共に送受信モジュール側と合波点１４３をつなぐルートに設定される。すなわち、スイッチ１４４は、操作されてその端子１４４ａと端子１４４ｂとが接続される状態に切り替り、スイッチ１４６は、操作されてその端子１４６ａと端子１４６ｃとが接続される状態に切り替る。

上述したスイッチ状態において、サーキュレータ２１から分合波器１４に入力された送信信号は分合波点１４３で分波され、各スイッチ１４４と１４６に出力される。スイッチ１４４と１４６を経由した各々の送信信号はさらに分波され、個々の送受信モジュール１１Ａ，１１Ｂにそれぞれ出力される。

受信時の動作について説明する。スポットライト動作モードでは、スイッチ１４４と１４６は送信と同じルートに設定される。送受信モジュール１１Ａから出力される受信信号は、送信とは逆のルートを通して全て合波され、サーキュレータ２１を経由し、受信部２３に出力される。また、スイッチ１４４と１４６を共に分合波点１４５につなぐルートに設定し、送受信モジュール１１Ａから出力される受信信号を分合波点１４５で合波して、この受信信号を受信部２４に出力するようにしてもよいものである。

一方、ポラリメトリ動作モード時は、スイッチ１４４を送受信モジュールと分合波点１４３とをつなぐルートに、スイッチ１４６を送受信モジュールと分合波点１４５とをつなぐルートに設定する。これにより、半数の送受信モジュールの受信信号は合波された後、スイッチ１４４・分合波点１４３・サーキュレータ２1を経由して受信部２３に、残り半数の送受信モジュールの受信信号は合波された後、スイッチ１４６・分合波点１４５を経由して受信部２４に出力される。また、ポラリメトリSARモード時の別の設定として、スイッチ１４４と１４６の設定を逆にして、スイッチ１４４を送受信モジュールと分合波点１４５とをつなぐルートに、スイッチ１４６を送受信モジュールと分合波点１４３とをつなぐルートに設定することも可能である。この時、受信部２３、受信部２４への出力信号は入れ替わる。

以上のように、図１２に示す実施形態によれば、二つのスイッチ１４４，１４６を切り替えることにより、送受信部から２つの受信部２３及び２４への受信ルートを任意に入れ替えることができる。

なお、図１、図１１及び図１２に示す実施形態では、複数の送受信モジュール１１に対して分合波器１４を１台配置したが、これに限られない。すなわち、複数の分合波器１４を多段に組合わせて、図１，図１１及び図１２に示すような送信・受信のルートを設定するようにしてもよいものである。
（実施形態５）

本発明の実施形態５として、放射素子１２，１３の変更例を図１３に示す。図１に示す実施形態では、組をなす水平偏波放射素子１２及び垂直偏波放射素子１３と送受信モジュール１１とを一対一で対応させたが、これに限られない。

図１３に示す実施形態では、１台の送受信モジュール１１に複数の水平偏波放射素子１２と複数の垂直偏波放射素子１３とを並列接続してある。そして、送受信モジュール１１は、分合波器１４から入力した送信信号を水平偏波送信信号と垂直偏波送信信号とに分波し、かつ、それぞれの偏波信号を分波し、それらの送信信号を対応する水平偏波放射素子１２，垂直偏波放射素子１３にそれぞれ出力する。

さらに、送受信モジュール１１は、水平偏波放射素子１２及び垂直放射素子１３で受信した受信信号を水平偏波受信信号と垂直偏波受信信号とに分波し、かつ、それぞれの偏波信号を分波し、それらの受信信号を対応する受信部２３，２４にそれぞれ出力する。
（実施形態６）

本発明の実施形態６として、送受信モジュール１１と放射素子１２，１３との間を接続する構成を図１４に示す。

図１４に示すように、スイッチ１５１〜１５４が各送受信モジュール１１の出力側に接続され、各スイッチ１５１〜１５４の端子１５１ａ〜１５４ａに水平偏波放射素子１２と垂直偏波放射素子１がそれぞれ接続されている。また、スイッチ１５１の端子１５１ｃとスイッチ１５３の端子１５３ｃとが分合波点１４７で接続されている。また、スイッチ１５２の端子１５２ｃとスイッチ１５４の端子１５４ｃとが分合波点１４８で接続されている。また、スイッチ１５１の端子１５１ｂとスイッチ１５３の端子１５３ｂとが分合波点１４９で接続されている。また、スイッチ１５２の端子１５２ｃとスイッチ１５４の端子１５４ｃとが分合波点１５０で接続されている。

図１４に示す実施形態は、上述した構成によりスイッチ１５１〜１５４を制御部２５により制御して、送信偏波・受信偏波の設定に応じて分合波の信号の流れを切り替える例である。次に送信時と受信時とにおける動作を図１５及び図１６に基づいて説明する。

図１５（ａ）は水平偏波送信時の動作を、図１５（ｂ）は垂直偏波送信時の動作をそれぞれ示している。

図１５（ａ）に示す水平偏波送信時には、制御部２５は、スイッチ１５１の端子１５１ａと端子１５１ｃ、スイッチ１５３の端子１５３ａと端子１５３ｂをそれぞれ接続する関係にスイッチ１５１，１５３を制御する。また、水平偏波側の分合波点１４７，１４９側に送信信号を出力するように送受信モジュール１１を制御する。

図１５（ａ）に示すスイッチの接続関係では、送受信モジュール１１からの水平偏波送信信号が分合波点１４７，１４９を経て水平偏波放射素子１２，１２にのみ出力される。

図１５（ｂ）に示す垂直偏波送信時には、制御部２５は、スイッチ１５２の端子１５２ａと端子１５２ｃ、スイッチ１５４の端子１５４ａと端子１５４ｂをそれぞれ接続する関係にスイッチ１５２，１５４を制御する。また、垂直偏波側の分合波点１４８，１５０側に送信信号を出力するように送受信モジュール１１を制御する。

図１５（ｂ）に示すスイッチの接続関係では、送受信モジュール１１からの垂直偏波送信信号が分合波点１４８，１５０を経て垂直偏波放射素子１３，１３にのみ出力される。

図１６（ａ）は水平偏波受信時の動作を、図１６（ｂ）は垂直偏波受信時の動作を、図１６（ｃ）は水平偏波受信と垂直偏波受信との併用による受信時の動作をそれぞれ示している。

図１６（ａ）に示す水平偏波受信時には、制御部２５は、スイッチ１５１の端子１５１ａと端子１５１ｃ、スイッチ１５３の端子１５３ａと端子１５３ｂをそれぞれ接続する関係にスイッチ１５１，１５３を制御する。また、水平偏波側の分合波点１４７，１４９側に受信信号を出力するように送受信モジュール１１を制御する。

図１６（ａ）に示すスイッチの接続関係では、水平偏波放射素子１２で受信した水平偏波受信信号がスイッチ１５１，１５３及び分合波点１４７，１４９を経由して送受信モジュール１１に入力する。

図１６（ｂ）に示す垂直偏波受信時には、制御部２５は、スイッチ１５２の端子１５２ａと端子１５２ｃ、スイッチ１５４の端子１５４ａと端子１５４ｂをそれぞれ接続する関係にスイッチ１５２，１５４を制御する。また、垂直偏波側の分合波点１４８，１５０側に受信信号を受信するように送受信モジュール１１を制御する。

図１６（ｂ）に示すスイッチの接続関係では、垂直偏波放射素子１３で受信した垂直偏波受信信号がスイッチ１５２，１５４及び分合波点１４８，１５０を経由して送受信モジュール１１に入力する。

図１６（ｃ）に示す水平偏波受信時及び垂直偏波受信時には、制御部２５は、スイッチ１５１の端子１５１ａと端子１５１ｃ、スイッチ１５２の端子１５２ａと端子１５２ｂ、スイッチ１５３の端子１５３ａと端子１５３ｃ、スイッチ１５４の端子１５４ａと端子１５４ｂをそれぞれ接続する関係にスイッチ１５１〜１５４を制御する。また、図の上下の送受信モジュール１１を、水平偏波側の分合波点１４７側からの受信信号、垂直偏波側の分合波点１５０側からの受信信号を各々受信するように、各々制御する。

図１６（ｃ）に示すスイッチの接続関係では、水平偏波放射素子１２で受信した水平偏波受信信号は、スイッチ１５１，１５３及び分合波点１４７を経由して送受信モジュール１１に入力する。

さらに図１６（ｃ）に示すスイッチの接続関係では、垂直偏波放射素子１３で受信した垂直偏波受信信号は、スイッチ１５２，１５４及び分合波点１５０を経由して送受信モジュール１１に入力する。

本実施例の効果として、ポラリメトリモードで全ての放射素子を使用して受信を行うため、性能的に図1の実施例より有利となる効果がある。

なお、スイッチ１５１，１５２，１５３，１５４・分合波点１４７，１４８，１４９，１５０は送受信モジュール１１の中に取り込む構成としても良い。

図１は、本発明の実施形態１に係る合成開口レーダを示す構成図である。図２は、水平偏波の送信時の信号ルートを示す図である。図３は、垂直偏波の送信時の信号ルートを示す図である。図４は、水平偏波の受信時の信号ルートを示す図である。図５は、垂直偏波の受信時の信号ルートを示す図である。図６は、ポラリメトリ動作時における受信信号のルートを示す図である。図７は、スポットライト動作時における動作を説明する図である。図８は、送受信モジュールの位相設定を説明する図である。図９は、アジマス方向に放射素子のビームを走査する動作を説明する図である。図１０は、ポラリメトリ動作時における送受信モジュールの受信時の偏波状態を示す図である。図１１は、本発明の実施形態に係る分合波器の構成を示す図である。図１２は、本発明の実施形態に係る分合波器の変更例を示す図である。図１３は、本発明の実施形態に係る放射素子の変更例を示す図である。図１４は、本発明の実施形態における送受信モジュールと放射素子との接続関係を示す図である。図１５は、図１４に示す放射素子の動作を説明する図である。図１６は、図１４に示す放射素子の動作を説明する図である。従来例に係るスポットライト合成開口レーダを示す構成図である。従来例に係るポラリメトリ合成開口レーダを示す構成図である。

符号の説明

１アンテナ部
２電気回路部
１１送受信モジュール
１２，１３放射素子
１４分合波器
２２送信部
２３，２４受信部
２５制御部

Claims

水平偏波と垂直偏波で送信及び受信を行う複数の放射素子と、
前記放射素子との間に送信信号及び受信信号の授受を行うとともに、前記信号の位相シフトを行うとともに、垂直偏波と水平偏波を同時に受信しない複数の送受信モジュールと、
前記放射素子から放射するためのパルス状送信信号を生成する送信部と、
前記送信部から出力されるパルス状送信信号を分波して、前記複数の送受モジュールに分配する分波手段と、
前記複数の送受信モジュールから出力される受信信号を合波する合波手段と、
前記合波手段により合波された受信信号をデジタルデータに変換する受信部と、
前記各構成要素を駆動制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記駆動制御機能に加えて、前記複数の送受モジュールの受信偏波を垂直偏波又は水平偏波に揃えた上で、スポットライト動作モードのためのビーム走査の駆動制御を行う機能と、前記複数の送受モジュールを分割し、複数の偏波で受信を行う動作モードのために、その分割した送受信モジュールを各々異なる偏波で受信を行う複数系統の受信系として駆動制御する機能とを少なくとも有し、前記スポットライト動作モードと前記複数の偏波で受信を行う動作モードとを切り替えるものであることを特徴とするモード切替式合成開口レーダ。
前記制御部は、アジマス方向へのビーム走査を行うためにアジマス方向に配置された前記送受信モジュールの位相を設定する機能を有することを特徴とする請求項１に記載のモード切替式合成開口レーダ。
前記制御部は、水平偏波の送信、垂直偏波の送信、或いは水平偏波及び垂直偏波の１パルス毎切替送信に切替える指令を前記送受信モジュールに出力する機能を有し、
前記送受信モジュールは、前記制御部からの指令に基づいて信号ルートを切替えて送信信号を前記放射素子に送出することを特徴とする請求項１に記載のモード切替式合成開口レーダ。
前記制御部は、水平偏波の受信、垂直偏波の受信、或いは半数を水平偏波及び残りの半数を垂直偏波の受信に切替える指令を前記送受信モジュールに出力する機能を有し、
前記送受信モジュールは、前記制御部からの指令に基づいて信号ルートを切替えて受信信号を前記合波手段に送出することを特徴とする請求項１に記載のモード切替式合成開口レーダ。
前記制御部は、水平偏波の受信時又は垂直偏波の受信時に全ての受信信号を合波する指令を前記合波手段に出力する機能を有することを特徴とする請求項１に記載のモード切替式合成開口レーダ。
前記制御部は、前記複数の送受信モジュールを複数系統の受信系として駆動制御する際に前記合波手段に、受信系毎に送受信モジュールからの受信信号を合波する指令を出力する機能を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のモード切替式合成開口レーダ。
前記複数の送受信モジュールは、アンテナ面の複数の放射素子に対応して配列され、
前記制御部は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールの受信偏波状態を制御する機能を有することを特徴とする請求項１に記載のモード切替式合成開口レーダ。
前記複数の送受信モジュールは、アンテナ面の複数の放射素子に対応してマトリックス状に配列され、
前記制御部は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールのアジマス方向とエレベーション方向との受信偏波状態を制御する機能を有することを特徴とする請求項７に記載のモード切替式合成開口レーダ。
前記制御部は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールのアジマス方向の受信偏波状態を水平偏波と垂直偏波とに交互に制御することを特徴とする請求項８に記載のモード切替式合成開口レーダ。
前記制御部は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールのエレベーション方向の受信偏波状態を水平偏波と垂直偏波とに交互に制御することを特徴とする請求項８に記載のモード切替式合成開口レーダ。
前記制御部は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールのアジマス方向の受信偏波状態を複数の群に区分けして水平偏波と垂直偏波とに交互に制御することを特徴とする請求項８に記載のモード切替式合成開口レーダ。
前記制御部は、ポラリメトリ動作時における前記送受信モジュールのエレベーション方向の受信偏波状態を複数の群に区分けして水平偏波と垂直偏波とに交互に制御することを特徴とする請求項８に記載のモード切替式合成開口レーダ。