JP5094436B2

JP5094436B2 - 合成開口レーダのためのレーダ画像再生装置

Info

Publication number: JP5094436B2
Application number: JP2008006801A
Authority: JP
Inventors: 正芳土田; 俊夫若山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-01-16
Also published as: JP2009168609A

Description

この発明は、合成開口レーダのためのレーダ画像再生装置、特にレーダの移動と共にビーム指向角を変化させる合成開口レーダ観測で得られたデータに対する画像再生に関する。

合成開口レーダのアジマス分解能の向上を目的として、ドップラ帯域幅を広げるために、レーダの移動とともにアンテナビームの指向角度を変化させて観測する観測モード(ハイブリッドストリップマップスポットライトモード)がある。この観測モードで得られる信号のドップラ帯域幅は、アジマス方向のサンプリング帯域幅、つまり、パルス繰り返し周波数(ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency)よりも大きいため、サンプリング帯域を越えたドップラスペクトルに折り返しが生じる。この折り返しを補償せずに画像再生処理を行うと、偽像の発生や、アジマス分解能劣化等の画質劣化が生じる。

従来の合成開口レーダのためのレーダ画像再生装置は、このドップラスペクトルの折り返しの解消を、アジマス時間軸上での畳み込み演算と、アジマスフーリエ変換により行う。同装置では、まず、レーダで受信、記録されたデータに対しアジマス時間軸上で参照信号を畳み込むことによってドップラ帯域の広がりを取り除く(つまり、アジマス方向での２次位相変化を取り除く)。その後アジマスフーリエ変換、アジマス時間軸上でのアップサンプリングと参照関数の畳み込みを経て、サンプリング周波数帯域を拡張する。そして、既にアジマス方向の２次の位相変化が取り除かれていることを考慮し、画像再生処理におけるフィルタ関数を変更して画像再生する(例えば、非特許文献１)。

R. Lanari、S. Zoffoli、E. Sansosti、G. Fornaro、F. Serafino、"New approach for hybrid strip-map/spotlight SAR data focusing"、IEE Proc.-Radar、Sonar Navig.、Vol. 148、No. 6、pp.363-372、Dec. 2001

従来の合成開口レーダのためのレーダ画像再生装置は、２回のアジマス時間上での畳み込みが必要であるため、処理時間が増大するという問題点があった。また、同アジマス時間上での畳み込み処理を実現するための装置構成が複雑になるという問題があった。さらに、画像再生処理におけるフィルタ関数の変更が必要となるため、従来の画像再生処理をそのまま流用することはできないという問題があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、高速に動作し、かつ、簡易な装置構成で、後段の画像再生処理に変更がない従来のアルゴリズムを用いることができる合成開口レーダのためのレーダ画像再生装置を得ることを目的とする。

この発明は、アジマス方向に沿ってレーダを移動させながらビームをビーム指向角を変えながら照射し、照射ビームの観測領域中にある散乱体での反射ビームを受信して得たデータからレーダ画像を再生する合成開口レーダのためのレーダ画像再生装置であって、サンプリング帯域を越えたドップラスペクトルの折り返しを解消するドップラ折り返し解消部と、折り返しが解消されたデータに基づいてレーダの画像再生処理を行うレーダ画像再生処理部と、を備え、前記ドップラ折り返し解消部が、観測領域中にある散乱体のアジマス位置に応じたドップラ中心周波数の軌跡を算出し、所定の第一の参照関数を乗じてドップラ周波数の傾斜を変更するドップラ傾斜変更部と、前記ドップラ傾斜変更部で得られたデータにアジマス方向フーリエ変換を施した後に、アジマス方向の両側にゼロを詰めてサンプリング帯域を観測領域のドップラ帯域幅以上に増やし、その後にアジマス方向逆フーリエ変換を施すサンプリング帯域確保部と、前記サンプリング帯域確保部で得られたデータに前記第一の参照関数と共役な所定の第二の参照関数を乗じてドップラ周波数の傾斜を復元するドップラ傾斜復元部と、を含むことを特徴とする合成開口レーダのためのレーダ画像再生装置にある。

この発明では、高速に動作し、かつ、簡易な装置構成で、画像再生処理に変更がない従来のアルゴリズムを用いることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による合成開口レーダのためのレーダ画像再生装置の構成を示すブロック図である。図１において、記録データ格納部１は合成開口レーダで受信、記録されたデータを格納する。このデータとは、レーダがアジマス軸方向に沿って移動しながら、ビームをビーム指向角を変えながら照射し、その照射ビームの散乱体等での反射ビームを受信したものである。出力格納部２は本装置の出力である画像再生処理部５０の出力(画像再生データ)を格納する。ドップラ折り返し解消部１０は、ドップラ傾斜変更部２０、サンプリング帯域確保部３０、ドップラ傾斜復元部４０で構成され、ドップラスペクトルの折り返しを解消する。

ドップラ傾斜変更部２０は複素乗算器２１より構成され、レーダで受信、記録され記録データ格納部１に格納されたデータに対して第１の参照関数１の乗算を行う。サンプリング帯域確保部３０は、アジマスフーリエ変換器３１、ゼロ詰め処理器３２、アジマス逆フーリエ変換器３３より構成され、ドップラ帯域幅分のサンプリング帯域を確保する。ドップラ傾斜復元部４０は複素乗算器４１より構成され、サンプリング帯域確保部３０の出力に、第２の参照関数２の乗算を行う。画像再生処理部５０はドップラ傾斜復元部４０の出力に対して画像再生処理を施す。

なお、記録データ格納部１と出力格納部２は例えば、メモリやデータベースにより構成される。また、ドップラ折り返し解消部１０と画像再生処理部５０はプログラムに従って動作するコンピュータで構成されても、またそれぞれ専用の電子回路や素子で構成するようにしてもよい。

次に動作について説明する。図２はこの実施の形態１によるレーダ画像再生装置の処理動作を示すフローチャートである。まずステップＳＴ１０において、ドップラ折り返し解消部１０が記録データ格納部１より記録データを読み込む。次にステップＳＴ２０において、ドップラ傾斜変更部２０が、観測領域中にある散乱体のアジマス位置に応じたドップラ中心周波数の軌跡を算出する。

この散乱体のアジマス位置に応じたドップラ中心周波数の軌跡について、図３を用いて説明する。図３の(ａ)は、レーダ１００と地表面上の散乱体Ａ１０１，散乱体Ｂ１０２，散乱体Ｃ１０３の幾何学的関係を示す図である。図３の(ａ)において、レーダ１００はＸ軸方向に沿って移動しながら、ビームを地表にビーム指向角を変えながら照射している。ここで、ビーム指向中心１０４はレーダビームを指向させる点であり、地表面上の観測領域よりも遠方にあるとする。そして、地表面上でのアジマス位置が異なる、地表面上の散乱体Ａ１０１，散乱体Ｂ１０２，散乱体Ｃ１０３が観測されるものとする。この内、散乱体Ｂ１０２は観測領域の中心に位置する散乱体とする。

また、図３の(ｂ)は、散乱体Ａ１０１，散乱体Ｂ１０２，散乱体Ｃ１０３が持つドップラ周波数を表す図である。図３の(ｂ)の横軸はアジマス時刻を示し、レーダ１００が散乱体Ｂ１０２の真横(レーダがＸ軸上を移動中に散乱体Ｂ１０２がＸ軸に直交する方向に位置した状態)に位置する時刻を０とする。また縦軸はドップラ周波数を示す。散乱体Ａ１０１，散乱体Ｂ１０２，散乱体Ｃ１０３は、それぞれ図中に散乱体Ａのドップラ軌跡２０１、散乱体Ｂのドップラ軌跡２０２、散乱体Ｃのドップラ軌跡２０３として表す曲線状のドップラ周波数の変化をもつ。レーダが照射するビームには幅があるため、このドップラ軌跡の内、散乱体がビームに照射される範囲２０４で示す範囲内のドップラ周波数成分が観測される。そして、観測領域のドップラ帯域幅２０５、１散乱体当りのドップラ帯域幅２０６、瞬時ドップラ帯域幅２０７は、散乱体がビームに照射される範囲２０４により決まる。

そして、散乱体がビームに照射される範囲２０４内にある、散乱体Ａのドップラ軌跡２０１、散乱体Ｂのドップラ軌跡２０２、散乱体Ｃのドップラ軌跡２０３の中点を結ぶ線分が、ドップラ中心周波数の軌跡２０８となる。ドップラ中心周波数の軌跡２０８の傾きは、レーダのビーム指向中心１０４(図３の(ａ)参照)が地表面よりも遠方に設定される場合には、散乱体Ａのドップラ軌跡２０１、散乱体Ｂのドップラ軌跡２０２、散乱体Ｃのドップラ軌跡２０３の傾きよりも小さくなる。一方、レーダのビーム指向中心１０４が地表面上の点Ｂ(＝散乱体Ｂ)と一致する場合には、散乱体Ｂのドップラ軌跡２０２の傾きと一致する。

レーダ観測におけるＰＲＦ(パルス繰り返し周波数)、すなわち、アジマス方向のサンプリング帯域幅２０９は、瞬時ドップラ帯域幅２０７よりも大きくとられるが、レンジアンビギュイティが発生する等の制約からさらに大きくとることは難しく、一般に観測領域のドップラ帯域幅２０５よりも小さい。そこで、サンプリング帯域幅２０９を超えた分のドップラ周波数が折り返しを生じる。

次にステップＳＴ２１おいて、ドップラ傾斜変更部２０が、データからドップラ中心周波数の傾きを取り除く。この操作は、複素乗算器２１が、例えば、式(１)で示される第一の参照関数１(Ｓ_ref1)を、データに乗ずることで実現する。

Ｓ_ref1(ｎ)＝exp[ｊ(４πＲ_ｃ(ｎ)／λ)] (１)

ここで、ｎはアジマス方向のヒット、λは波長、Ｒ_ｃ(ｎ)はヒットｎにおけるビーム指向中心１０４とレーダ１００間の距離を示す。

このステップＳＴ２１における操作の効果を、図４を用いて説明する。図４は、このステップＳＴ２１の操作及びこれに続く後述のステップ(ＳＴ２１〜ＳＴ４０)の操作による、データのドップラスペクトルの変化を説明する模式図である。図４の(ａ)から(ｄ)において、横軸はアジマス時刻を表し、縦軸はドップラ周波数を表している。図４の(ａ)は記録データのドップラ周波数を表しており、これは図３の(ｂ)に示した観測領域のドップラ軌跡で、サンプリング帯域幅２０９を超えた部分が折り返したドップラスペクトルの状態を示す。図４の(ａ)中の一点鎖線がドップラ中心周波数の軌跡(図３の(ｂ)の２０８)である。ステップＳＴ２１でのドップラ中心周波数の傾きを取り除く操作により、データのドップラスペクトルは図４の(ｂ)のようになる。同図に示すように、ドップラ中心周波数の傾きを取り除いた後のデータのドップラスペクトルはサンプリング帯域内に収まり、折り返しがなくなる。

なお、ここでは、ドップラ傾斜を変更するための第一の参照関数１を式(１)で与えたが、これに限られるものではなく、ドップラ傾斜変更後のデータのドップラ帯域がサンプリング帯域内に収まるものであれば、他の式を用いても良い。

次にステップＳＴ３１において、サンプリング帯域確保部３０に、ドップラ傾斜変更部２０の出力が入力される。そして、アジマスフーリエ変換器３１が、データをアジマス方向フーリエ変換する。

次にステップＳＴ３２において、ゼロ詰め処理器３２が、アジマス方向フーリエ変換により得られたアジマス方向のスペクトルの両側にゼロを詰め、サンプリング帯域を図３の(ｂ)に示す観測領域のドップラ帯域幅２０５以上に増やす。この結果、データのサンプリング帯域は図４の(ｃ)のようになる。

次にステップＳＴ３３において、アジマス逆フーリエ変換器３３が、データをアジマス方向逆フーリエ変換する。

次にステップＳＴ４０において、ドップラ傾斜復元部４０に、サンプリング帯域確保部３０の出力が入力される。そして、ドップラ傾斜復元部４０がデータのドップラ中心周波数の傾きを復元する。この操作は、複素乗算器４１が、上述の式(１)で示す第一の参照関数１(Ｓ_ref1)と共役な関係にある、式(２)で示される第二の参照関数２(Ｓ_ref2)をデータに乗ずることで実現する。

Ｓ_ref2(ｎ)＝exp[−ｊ(４πＲ_ｃ(ｎ)／λ)] (２)

この結果、図４の(ｄ)に示すように、データのドップラスペクトルの折り返しが解消される。

次にステップＳＴ５０において、画像再生処理部５０が、ドップラ傾斜復元部４０の出力に対して、画像再生処理を行う。この画像再生処理は、レンジドップラー画像再生処理、チャープスケーリング画像再生処理、拡張チャープスケーリング画像再生処理や、オメガＫ画像再生処理など、ストリップマップ観測データに適用可能な一般的な画像再生処理を任意に用いる。

以上のように、ドップラスペクトルの折り返しを解消した後で画像再生するようにしているので、偽造の発生やアジマス分解能劣化等を回避して、所望の画質のレーダ画像を得ることができる。

また、ドップラスペクトルの折り返の解消を、簡易な演算操作、すなわち複素乗算、フーリエ変換、そしてゼロ詰め処理のみで実現するため、高速に動作し、装置構成を簡易にすることができる。

また、ドップラスペクトルの折り返しの解消に伴う信号特性の変化は一切ないため、後段の画像再生処理に従来のアルゴリズムを一切の変更なく用いることができる。

この発明の一実施の形態による合成開口レーダのためのレーダ画像再生装置の構成を示すブロック図である。図１のレーダ画像再生装置の処理動作を示すフローチャートである。この発明によるレーダ画像再生装置の動作を説明するための図である。この発明によるレーダ画像再生装置の動作を説明するための図である。

符号の説明

１記録データ格納部、２出力格納部、１０ドップラ折り返し解消部、２０ドップラ傾斜変更部、２１，４１複素乗算器、３０サンプリング帯域確保部、３１アジマスフーリエ変換器、３２ゼロ詰め処理器、３３アジマス逆フーリエ変換器、４０ドップラ傾斜復元部、５０画像再生処理部、１００レーダ、１０１散乱体Ａ、１０２散乱体Ｂ、１０３散乱体Ｃ、１０４ビーム指向中心、２０１散乱体Ａのドップラ軌跡、２０２散乱体Ｂのドップラ軌跡、２０３散乱体Ｃのドップラ軌跡、２０４散乱体がビームに照射される範囲、２０５観測領域のドップラ帯域幅、２０６１散乱体当たりのドップラ帯域幅、２０７瞬時ドップラ帯域幅、２０８ドップラ中心周波数の軌跡、２０９サンプリング帯域幅。

Claims

アジマス方向に沿ってレーダを移動させながらビームをビーム指向角を変えながら照射し、照射ビームの観測領域中にある散乱体での反射ビームを受信して得たデータからレーダ画像を再生する合成開口レーダのためのレーダ画像再生装置であって、
サンプリング帯域を越えたドップラスペクトルの折り返しを解消するドップラ折り返し解消部と、
折り返しが解消されたデータに基づいてレーダの画像再生処理を行うレーダ画像再生処理部と、
を備え、
前記ドップラ折り返し解消部が、
観測領域中にある散乱体のアジマス位置に応じたドップラ中心周波数の軌跡を算出し、所定の第一の参照関数を乗じてドップラ周波数の傾斜を変更するドップラ傾斜変更部と、
前記ドップラ傾斜変更部で得られたデータにアジマス方向フーリエ変換を施した後に、アジマス方向の両側にゼロを詰めてサンプリング帯域を観測領域のドップラ帯域幅以上に増やし、その後にアジマス方向逆フーリエ変換を施すサンプリング帯域確保部と、
前記サンプリング帯域確保部で得られたデータに前記第一の参照関数と共役な所定の第二の参照関数を乗じてドップラ周波数の傾斜を復元するドップラ傾斜復元部と、
を含む
ことを特徴とする合成開口レーダのためのレーダ画像再生装置。
前記第一及び第二の参照関数がレーダとビーム指向中心間の距離で決定されることを特徴とする請求項１に記載の合成開口レーダのためのレーダ画像再生装置。