JP4982229B2 - 移動目標検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動目標を検出する移動目標検出装置に関し、特に合成開口レーダ（ＳＡＲ；Synthetic Aperture Radar）を用いて移動目標を検出する技術に関する。

従来、移動目標検出装置の１つとして、移動しながらマイクロ波を目標に照射し、その反射波を解析することにより、目標を検出する合成開口レーダ装置（以下、「ＳＡＲ装置」と略する場合もある）が知られている。このＳＡＲ装置において行われるＳＡＲ処理は、参照信号と送受信信号との相関をとることにより、目標を高分解能で画像化する処理である。

ここで、ＳＡＲの原理について説明する。図９は、ＳＡＲのモデルを示し、移動体に搭載されたＳＡＲ装置でマイクロ波を送受信してＳＡＲ処理を行うことにより目標を検出する状態を示している。

送受信信号をｅ（ｔ）とし、ＡＺ（アジマス）圧縮用の参照信号をｒ（ｔ）とすると、ＡＺ圧縮後の信号ｓ（ｔ）は、次式で算出できる（例えば、非特許文献１参照）。

ここで、
ｅ（ｔ） ；送受信信号
Ｅ（ｆ） ；ｅ（ｔ）のフーリエ変換
ｒ（ｔ） ；参照信号
Ｒ（ｆ） ；ｒ（ｔ）のフーリエ変換
ｓ（ｔ） ；ＳＡＲ画像
Ｓ（ｆ） ；ｓ（ｔ）のフーリエ変換
ＦＦＴ［ ］ ；フーリエ変換
ＦＦＴ^-1［ ］；逆フーリエ変換
＊ ；複素共役
ｔ ；時間
ｆ ；周波数
参照信号ｒ（ｔ）は、次式で表すことができる。

この（５）式において、βはドップラー率であり、次式で表される。

ここで、
Ｖ ；飛翔速度
Ｒｃ ；飛翔経路と直交する目標までのスラントレンジ
λ ；波長
ＳＡＲ処理では、飛翔経路や機体動揺がある場合には、例えばオートフォーカス（例えば、非特許文献２参照）等による参照信号の補正が必要である。図１０は、このような参照信号の補正を行うＳＡＲ装置の機能的な構成を示すブロック図である。このＳＡＲ装置は、第１ＦＦＴ部１、第２ＦＦＴ部２、乗算部３、ＩＦＦＴ部４、補正値処理部５および参照信号処理部６から構成されている。

第１ＦＦＴ部１は、式（１）に示すように、図示しない受信機から入力される送受信信号ｅ（ｔ）をフーリエ変換し、信号Ｅ（ｆ）として乗算部３に送る。第２ＦＦＴ部２は、式（２）に示すように、参照信号処理部６から送られてくる信号ｒ（ｔ）をフーリエ変換し、信号Ｒ（ｆ）として乗算部３に送る。

乗算部３は、式（３）に示すように、第１ＦＦＴ部１から送られてくる信号Ｅ（ｆ）と第２ＦＦＴ部２から送られてくる信号Ｒ（ｆ）を乗算し、信号Ｓ（ｆ）としてＩＦＦＴ部４に送る。ＩＦＦＴ部４は、式（４）に示すように、乗算部３から送られてくる信号Ｓ（ｆ）を逆フーリエ変換する。このＩＦＦＴ部４における逆フーリエ変換により得られた信号ｓ（ｔ）は、ＳＡＲ画像として外部に出力されるとともに、補正値処理部５に送られる。

補正値処理部５は、ＩＦＦＴ部４から送られてくる信号ｓ（ｔ）に基づき参照信号を補正するための補正値を生成し、参照信号処理部６に送る。参照信号処理部６は、補正値処理部５から送られてくる補正値にしたがって参照信号を補正し、信号ｒ（ｔ）として第２ＦＦＴ部２に送る。

以上のように構成されるＳＡＲ装置においては、補正後の参照信号を用いてＳＡＲ処理を実施すれば、飛翔経路や動揺による誤差が補正されたＳＡＲ画像を得ることができる。

ところで、固定目標の場合は、上述した補正で目標を画像化できるが、移動目標の場合は、目標が移動速度を有するため、参照信号と送受信信号（目標信号）とに不一致が生じるため、目標の結像度が低下する。この対策として、目標の移動速度を観測し、速度に応じて参照信号を補正することが行われている。この場合、（５）式で示した参照信号を補正する必要があるが、この補正を行うためには、移動目標の速度ベクトルが必要である。

この速度ベクトルを求める方法としては、図１１に示すような、マルチルック間の移動を観測する方法が知られている（非特許文献４参照）。この方法では、速度ベクトルは、マルチルック間の所定のスレショルドを越える複数のピーク値の最大値の移動量から求められた移動ベクトルとマルチルック間の観測時間差とにより求められる。
大内、"リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎"、東京電機大学出版局（２００３） ｐｐ．１７６−１７８ 大内、"リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎"、東京電機大学出版局（２００３） ｐｐ．２１０−２１７ 大内、"リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎"、東京電機大学出版局（２００３） ｐｐ．２１８−２２３ M．Kirscht，"ESTIMATION OF VELOCITY，SHAPE，AND POSITION OF MOVING OBJECTS WITH SAR"，the Fourth International Airborne Remote Sensing Conference and Exhibition／21st Canadian Symposium on Remote Sensing，Ottawa，Ontario，Canada，21-24 June(1999)

しかしながら、上述した従来のＳＡＲ装置において、移動目標を検出するために、参照信号を補正するための速度ベクトルを全開口で算出すると、演算規模が増えるという問題がある。また、移動目標にはドップラー効果が生じるため、ＳＡＲ画像で移動目標の位置ずれが生じるという問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、演算処理規模の増加を抑えつつ、結像度の高いＳＡＲ画像を得ることができる移動目標検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、合成開口を分割するマルチルック処理によって得られた画像間の差の画像の論理積をとることにより移動目標検出処理により移動目標存在領域を抽出し、該抽出した移動目標存在領域のマルチルック間の移動ベクトルとマルチルック間の観測時間差とにより速度ベクトルを算出し、該算出した速度ベクトルをレンジ方向とクロスレンジ方向に分離し、クロスレンジ方向の速度ベクトルをクロスレンジ方向の参照信号の補正値として算出する補正値処理部と、前記補正値処理部で算出された補正値と（７）式と（８）式とを用いて補正された参照信号を生成する参照信号処理部と、

（ここで、ｅ（ｔ）は送受信信号、ｒ（ｔ）は参照信号、ｔは時間、βはドップラー率
Ｖａｚは補正値、Ｖは飛翔速度、Ｒｃは飛翔経路と直交する目標までのスラントレンジ、λは波長である。）
前記参照信号処理部からの補正された参照信号を用いて移動目標存在領域に対する合成開口画像を算出し、この合成開口全体の合成開口画像と合成する処理部とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、請求項２記載の発明において、補正値処理部は、移動目標の速度ベクトルを、マルチルック間の移動目標存在領域で所定のスレショルドを越える複数のピーク値の最大値、または、複数のピーク値の位置の平均位置または重心位置から算出した移動量とマルチルック間の観測時間差とにより算出することを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、前記補正値処理部は、さらに、移動目標のレンジ方向の速度ベクトルと（１１）式を用いて、ドップラーシフトによる移動目標の画像の位置ずれ量を算出し、

（ここで、ΔＸはドップラーシフトによる移動目標の画像の位置ずれ量、Ｖは飛翔速度、Vrは移動目標のレンジ方向の速度ベクトル、Ｒｃは飛翔経路と直交する目標までのスラントレンジである。）
前記処理部は、さらに、合成開口処理を行うことにより得られた画像に対して、前記補正値処理部で算出された位置ずれ量に基づき、該画像における移動目標の位置ずれを補正することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、移動目標を検出するために用いられる参照信号を補正するための速度ベクトルは、移動目標存在領域内でのみ算出すればよいので、演算規模を小さくすることができる。また、速度ベクトルをレンジ方向とクロスレンジ方向に分離し、クロスレンジ方向の速度ベクトルをクロスレンジ方向の参照信号の補正値として算出し、この算出された補正値を用いて補正された参照信号を用いて合成開口処理を行うので、結像度の高いＳＡＲ画像を得ることができる。

また、請求項２記載の発明によれば、移動目標の速度ベクトルを、マルチルック間の移動目標存在領域で所定のスレショルドを越える複数のピーク値の最大値、または、複数のピーク値の位置の平均位置または重心位置から算出した移動量とマルチルック間の観測時間差とにより算出するので、移動目標の正確な速度ベクトルを求めることができる。

また、請求項３記載の発明によれば、移動目標のレンジ方向の速度ベクトルと（１１）式を用いて、ドップラーシフトによる移動目標の画像の位置ずれ量を算出し、この算出した位置ずれ量に基づき、合成開口処理を行うことにより得られた画像における移動目標の位置ずれを補正するので、移動目標に生じるドップラー効果を排除して、正確な位置に移動目標が含まれるＳＡＲ画像を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る移動目標検出装置の機能的な構成を示すブロック図である。この移動目標検出装置は、図１０に示した従来のＳＡＲ装置に画像出力部７が追加されて構成されている。この画像出力部７は、ＩＦＦＴ部４から順次に送られてくる合成開口全体のＳＡＲ画像と移動目標存在領域（詳細は後述する）のＳＡＲ画像とを合成して出力する。

次に、本発明の実施例１に係る移動目標検出装置の動作を、移動目標検出処理を中心に、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。

移動目標検出処理では、まず、マルチルック処理が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、補正値処理部５は、図３（ａ）に示すような合成開口全体を、複数のルック（図示した例ではルック１〜ルック３の３個）に分割し、図３（ｂ）に示すような、複数の画像を得る。なお、図３では、マルチルック処理で３個のルックに分割する例を示しているが、分割数は任意である。各ルックにおける固定目標の位置は一定であるが、移動目標の位置は、各ルックにおいて変化している。

次いで、ＭＴＩ（Moving Target Indicator；移動目標検出）処理が行われる（ステップＳ１２）。すなわち、補正値処理部５は、図３（ｃ）に示すように、周知のＭＴＩ技術を用いてマルチルック間の強度差をとることにより、固定目標を取り除く。これにより、移動目標のみが存在する画像が生成される。

次いで、移動目標存在領域の抽出が行われる（ステップＳ１３）。すなわち、補正値処理部５は、ステップＳ１２で生成された複数の画像の論理積をとり、移動目標の粗画像を抽出する。そして、この抽出した粗画像の周囲の所定領域を、図３（ｄ）に示すように、移動目標存在領域とする。

次いで、移動ベクトルおよび速度ベクトルが算出される（ステップＳ１４）。すなわち、補正値処理部５は、ステップＳ１３で抽出した移動目標存在領域において、マルチルックの画像を用いて、移動目標存在領域のマルチルック間の移動ベクトルを算出し、さらに、この算出した移動ベクトルのマルチルック間の観測時間差により速度ベクトルを算出する。この移動ベクトルの算出については、実施例２において詳細に説明する。

次いで、参照信号の補正値が算出される（ステップＳ１５）。すなわち、補正値処理部５は、ステップＳ１４において速度ベクトルが算出されると、その速度ベクトルのクロスレンジ方向（ＡＺ軸方向）の成分Ｖａｚを求め、補正値として参照信号処理部６に送る。参照信号処理部６は、上述した（５）式および（６）式の代わりに、次式を用いて、参照信号ｒ（ｔ）を求める。

この（７）式において、ドップラー率βは、次式で表される。

次いで、ＳＡＲ処理が行われる（ステップＳ１６）。具体的には、移動目標存在領域の送受信信号に対して、次の処理が行われる。すなわち、送受信信号ｅ（ｔ）を第１ＦＦＴ部１でフーリエ変換することにより得られた信号Ｅ（ｔ）と、ステップＳ１５の処理によって参照信号処理部６から送られてくる参照信号ｒ（ｔ）を第２ＦＦＴ部２でフーリエ変換することにより得られた信号Ｒ（ｆ）とが乗算器３で乗算され、この乗算により得られた信号Ｓ（ｆ）をＩＦＦＴ部４において逆フーリエ変換することにより得られた信号ｓ（ｆ）が、移動目標存在領域のＳＡＲ画像として出力される。

一方、上記ステップＳ１１〜Ｓ１６の処理と並行して、合成開口の全体について、次の処理が行われる。すなわち、まず、所定の方法により参照信号の補正値が算出される（ステップＳ２１）。次いで、ステップＳ２１で算出された補正値を用いて、ＳＡＲ処理が行われる（ステップＳ２２）。これらステップＳ２１およびＳ２２の処理は、従来のＳＡＲ装置における処理と同じである。これにより、合成開口全体の画像が、移動目標補正前のＳＡＲ画像として出力される。

次いで、ＳＡＲ画像が合成される（ステップＳ１７）。すなわち、画像出力部７は、図４に示すように、ＩＦＦＴ部４から順次に送られてくる、ステップＳ２１およびＳ２２の処理により得られた合成開口全体のＳＡＲ画像（移動目標補正前のＳＡＲ画像）の中の移動目標存在領域に対応する部分を、ステップＳ１１〜Ｓ１６の処理により得られた移動目標存在領域のＳＡＲ画像で置き換えることにより合成する。この画像出力部７で合成された画像が、ＳＡＲ画像として外部に出力される。以上により、移動目標検出処理は終了する。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る移動目標検出装置によれば、移動目標を検出するために用いられる参照信号を補正するための速度ベクトルは、移動目標存在領域内でのみ算出すればよいので、演算規模を小さくすることができる。また、速度ベクトルに基づきクロスレンジ方向の参照信号の補正値を算出し、この算出された補正値を用いて補正された参照信号を用いて合成開口処理を行うので、結像度の高いＳＡＲ画像を得ることができる。

本発明の実施例２に係る移動目標検出装置は、補正値処理部５で行われる移動ベクトルおよび速度ベクトルの算出を具体化したものである。

移動目標の移動ベクトルは、図５に示すように、マルチルック間の移動目標存在領域内で所定のスレショルドを越える複数のピーク値の最大値を算出し、これらの最大値の移動量により求めることができる。

また、移動目標の移動ベクトルは、図６に示すように、複数のルックの各々の移動目標存在領域内で所定のスレショルドを越える複数のＭ個のピークを抽出し、その平均位置または重心位置の移動量により求めることができる。

この際、各ルックにおける平均位置Ｒａは、次式で求めることができる。

ここで、
Ｒｍ ；ｍ番目のピークの位置ベクトル（ｍ＝１〜Ｍ）
また、重心位置Ｒｇは、次式で求めることができる。

ここで、
Ａｍ ；強度（ｍ＝１〜Ｍ）
以上説明したように、本発明の実施例２に係る移動目標検出装置によれば、マルチルック間の移動目標存在領域で所定のスレショルドを越える複数のピーク値の最大値、または、複数のピーク値の位置の平均位置または重心位置から算出した移動量とマルチルック間の観測時間差とにより算出するで、移動目標の正確な速度ベクトルを求めることができる。

本発明の実施例３に係る移動目標検出装置は、上述した実施例１に係る移動目標検出装置において、さらに、ドップラーシフトによる目標のクロスレンジ方向（ＡＺ軸方向）の位置ずれを補正するものである。

図７は、本発明の実施例３に係る移動目標検出装置の機能的な構成を示すブロック図である。この移動目標検出装置は、図１に示した実施例１に係る移動目標検出装置の補正値処理部５の機能が変更されて補正値処理部５ａに置き換えられ、画像出力部７の機能が変更されて画像出力部７ａに置き換えられて構成されている。

補正値処理部５ａは、ＩＦＦＴ部４から送られてくる信号ｓ（ｔ）に基づき参照信号を補正するための補正値を生成して参照信号処理部６に送るとともに、ドップラーシフトによるクロスレンジ方向の位置ずれを算出し、クロスレンジ方向の位置ずれとして画像出力部７ａに送る。

クロスレンジ方向の位置ずれは、移動目標のレーダに対するレンジ方向の速度をｖrとすると、次式により与えられる（非特許文献３参照）。

ここで、
ΔＸ ；ドップラーシフトによるクロスレンジ方向の位置ずれ
Ｖ ；飛翔速度
Ｒｃ ；飛翔経路と直交する目標までのスラントレンジ
ｖｒ ；移動目標のレーダに対するレンジ方向の速度
速度ｖｒは、実施例１または実施例２において算出される速度ベクトルのレンジ方向の成分から求めることができる。

したがって、移動目標について、（１１）式の移動量分だけ、クロスレンジ方向に逆方向にずらせば、位置ずれを補正できる。

画像出力部７ａは、画像出力部７は、ＩＦＦＴ部４から順次に送られてくる合成開口全体のＳＡＲ画像と移動目標存在領域のＳＡＲ画像とを合成する他に、補正値処理部５ａから送られてくるクロスレンジ方向の位置ずれ補正値に応じてＳＡＲ画像を補正して出力する。具体的には、移動目標について、（１１）式の移動量分だけ、クロスレンジ方向に逆方向にずらして位置ずれを補正する。

次に、本発明の実施例３に係る移動目標検出装置の動作を、移動目標検出処理を中心に、図８に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、以下では、図２のフローチャートに示した実施例１に係る移動目標検出装置で行われる処理と同一の処理を行うステップには、図２に示した符号と同一の符号を付して説明を簡略化する。

移動目標検出処理では、まず、マルチルック処理が行われる（ステップＳ１１）。次いで、ＭＴＩ処理が行われる（ステップＳ１２）。次いで、移動目標存在領域の抽出が行われる（ステップＳ１３）。次いで、移動ベクトルおよび速度ベクトルが算出される（ステップＳ１４）。次いで、ＳＡＲ処理が行われる（ステップＳ１６）。次いで、距離ずれの補正が行われる（ステップＳ３１）。すなわち、画像出力部７ａは、補正値処理部５ａから送られてくるクロスレンジ方向の位置ずれ補正値に応じて、移動目標をクロスレンジ方向にずらして位置ずれを補正する。

一方、上記ステップＳ１１〜１６の処理と並行して、合成開口の全体について、次の処理が行われる。すなわち、まず、参照信号の補正値が算出される（ステップＳ２１）。次いで、ステップＳ２１で算出された補正値を用いて、ＳＡＲ処理が行われる（ステップＳ２２）。次いで、ＳＡＲ画像が合成される（ステップＳ１７）。すなわち、画像出力部７は、ステップＳ２１およびステップＳ２２の処理により得られた合成開口全体のＳＡＲ画像（移動目標補正前のＳＡＲ画像）の中の移動目標存在領域のＳＡＲ画像を、ステップＳ１１〜Ｓ１６およびステップＳ３１の処理により得られた移動目標存在領域のＳＡＲ画像で置き換えることにより合成して出力する。以上により、移動目標検出処理は終了する。

以上説明したように、本発明の実施例３に係る移動目標検出装置によれば、移動目標にはドップラー効果が生じるため、ＳＡＲ画像で移動目標の位置ずれが生じるという問題を解消できる。

本発明は、移動目標の鮮明な画像を高速で取得することが要求される移動目標検出装置に利用可能である。

本発明の実施例１に係る移動目標検出装置の機能的な構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る移動目標検出装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る移動目標検出装置で行われるマルチルック処理および移動目標存在領域の抽出処理を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る移動目標検出装置で行われるＳＡＲ画像の合成処理を説明するための図である。 本発明の実施例２に係る移動目標検出装置で行われる移動ベクトルおよび速度ベクトルの算出処理を説明するための図である。 本発明の実施例２に係る移動目標検出装置で行われる移動ベクトルおよび速度ベクトルの他の算出処理を説明するための図である。 本発明の実施例３に係る移動目標検出装置の機能的な構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３に係る移動目標検出装置の動作を示すフローチャートである。 従来の合成開口レーダ装置で行われるＳＡＲの原理を説明するためのモデルを示す図である。 従来の合成開口レーダ装置の機能的な構成を示すブロック図である。 従来の合成開口レーダ装置で行われるマルチルック間の移動を観測する方法を説明するための図である。

符号の説明

１ 第１ＦＦＴ部
２ 第２ＦＦＴ部
３ 乗算部
４ ＩＦＦＴ部
５、５ａ 補正値処理部
６ 参照信号処理部
７、７ａ 画像出力部

Claims (3)

1. 合成開口を分割するマルチルック処理によって得られた画像間の差の画像の論理積をとることにより移動目標検出処理により移動目標存在領域を抽出し、該抽出した移動目標存在領域のマルチルック間の移動ベクトルとマルチルック間の観測時間差とにより速度ベクトルを算出し、該算出した速度ベクトルをレンジ方向とクロスレンジ方向に分離し、クロスレンジ方向の速度ベクトルをクロスレンジ方向の参照信号の補正値として算出する補正値処理部と、
   前記補正値処理部で算出された補正値と（７）式と（８）式とを用いて補正された参照信号を生成する参照信号処理部と、
   

   

   （ここで、ｅ（ｔ）は送受信信号、ｒ（ｔ）は参照信号、ｔは時間、βはドップラー率
   Ｖａｚは補正値、Ｖは飛翔速度、Ｒｃは飛翔経路と直交する目標までのスラントレンジ、λは波長である。）
   前記参照信号処理部からの補正された参照信号を用いて移動目標存在領域に対する合成開口画像を算出し、この合成開口全体の合成開口画像と合成する処理部と、
   を備えたことを特徴とする移動目標検出装置。
2. 前記補正値処理部は、移動目標の速度ベクトルを、マルチルック間の移動目標存在領域で所定のスレショルドを越える複数のピーク値の最大値、または、複数のピーク値の位置の平均位置または重心位置から算出した移動量とマルチルック間の観測時間差とにより算出することを特徴とする請求項１記載の移動目標検出装置。
3. 前記補正値処理部は、さらに、移動目標のレンジ方向の速度ベクトルと（１１）式を用いて、ドップラーシフトによる移動目標の画像の位置ずれ量を算出し、
   

   

   （ここで、ΔＸはドップラーシフトによる移動目標の画像の位置ずれ量、Ｖは飛翔速度、Vrは移動目標のレンジ方向の速度ベクトル、Ｒｃは飛翔経路と直交する目標までのスラントレンジである。）
   前記処理部は、さらに、合成開口処理を行うことにより得られた画像に対して、前記補正値処理部で算出された位置ずれ量に基づき、該画像における移動目標の位置ずれを補正することを特徴とする請求項１または請求項２記載の移動目標検出装置。

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