JP5171517B2

JP5171517B2 - 画像レーダ装置

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Publication number: JP5171517B2
Application number: JP2008252842A
Authority: JP
Inventors: 啓諏訪; 正芳土田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP2010085169A

Description

本発明は、画像レーダ装置に関し、特に、ターゲットの偏波特性を観測するポラリメトリック画像レーダ装置に関する。

ターゲットの偏波特性を観測するポラリメトリックレーダは、例えば、非特許文献１に記載のようなものが、古くから知られている。この従来のポラリメトリックレーダを用いると、ターゲットの電波散乱の偏波特性を観測することができるため、ターゲット識別などに有効であることが知られている。航空機や衛星に、このポラリメトリックレーダを搭載して合成開口レーダ（ＳＡＲ：ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＲａｄａｒ）の観測を実施すると、地表面の偏波特性を計測することができるため、土地被覆や地勢の観測に極めて有用であることが知られている。

しかし、従来のこのポラリメトリックレーダの観測においては、水平偏波と垂直偏波を交互に送信する必要がある。このため、単偏波の観測と比較すると、ＰＲＦ（ＰｕｌｓｅＲｅｐｅｔｉｔｉｏｎＦｒｅｑｕｅｎｃｙ：パルス送信周波数）が２倍になってしまう問題がある。特に、合成開口レーダにおいては、このことによってクロストラック方向（プラットフォームの軌道と垂直な方向）の観測幅が半減してしまうため、一度に観測できる領域が狭くなる問題がある。一方、観測幅を半減させないようにＰＲＦを固定すると、送信偏波当たりのＰＲＦが半減してしまい、達成可能なアジマス分解能が半減してしまう。

アジマス方向の高分解能化にはドップラー帯域以上の高いＰＲＦが要求される一方、クロストラック方向の観測領域の拡大には、観測領域の拡大に伴うエコーの受信時間増加に応じて、低いＰＲＦが要求される。このようなトレードオフの問題は、複数の受信ビームを用いて観測することによって解決できることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。以下、この方式を複数ビーム観測方式と呼ぶこととする。

図７は、従来の複数ビーム観測方式の説明図である。例えば、この図７に示すように、１つの送信アンテナと２つの受信アンテナを用いる複数ビーム観測方式では、物理的なＰＲＦは、送信アンテナでのパルス照射間隔（ＰＲＩ：ＰｕｌｓｅＲｅｐｅｔｉｔｉｏｎＩｎｔｅｒｖａｌ）の逆数となるが、実効的なＰＲＦをその２倍（つまり、ＰＲＩは半分）とすることができる。物理的なＰＲＦを低く設定できるため、レンジ領域の観測領域を狭める必要がない。そして、等価的に幅の広い１つのレーダビームを形成することで、アジマス分解能を改善している。

この複数レーダビーム観測方式のためのレーダ画像再生装置は、複数の受信アンテナで得た観測信号をスペクトル上で合成し、等価的な１つの受信アンテナで得た観測信号を生成した後に、画像再生処理を行う。図８は、従来の複数ビーム観測方式において、各受信アンテナで得られた観測信号のアジマス方向のスペクトルを示した図である。図８に示すように、物理的なＰＲＦで決まるサンプリング帯域幅が受信アンテナのビームの幅で決まるアジマス周波数（ドップラー周波数）帯域よりも狭いため、エイリアシング誤差を持つ。そこで、スペクトル上での合成において、このエイリアシング誤差を相殺して解消する復元フィルタ（ＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＦｉｌｔｅｒ）を適用し、エイリアシング誤差を含まないスペクトルを得るようにしている。

山口芳雄、"レーダポラリメトリの基礎と応用偏波を用いたレーダリモートセンシング"電子情報通信学会、２００７ G. Krieger, N. Gebert, and A. Moreira, "SAR Signal Reconstruction from Non-Uniform Displaced Phase Centre Sampling, " IEEE IGARSS’04, vol.3, 20-24, p.1763-1766, 2004．

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
背景技術にて述べたとおり、従来のフルポラリメトリ方式は、ＰＲＦが倍増するため、特に合成開口レーダにおいては、クロストラック方向の観測幅が半減してしまう問題がある。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、クロスレンジ方向の観測幅を減少させずに、ポラリメトリの観測を可能とする画像レーダ装置を得ることを目的とする。

本発明に係る画像レーダ装置は、ある偏波面を持ち、それぞれの位相中心がプラットフォーム軌道方向に適当な距離を開けて配置され、１つ以上の送受信用第１偏波アンテナと１つ以上の受信用第１偏波アンテナとで構成される複数の第１偏波アンテナと、複数の第１偏波アンテナとは異なる偏波面を持ち、それぞれの位相中心がプラットフォーム軌道方向に適当な距離を開けて配置され、１つ以上の送受信用第２偏波アンテナと１つ以上の受信用第２偏波アンテナとで構成される複数の第２偏波アンテナと、１つ以上の送受信用第１偏波アンテナと、１つ以上の送受信用第２偏波アンテナとが接続され、送受信用第１偏波アンテナまたは送受信用第２偏波アンテナのいずれか一方からパルスを出力する送信機と、複数の第１偏波アンテナおよび複数の第２偏波アンテナによる受信信号を入力し、信号処理を施してデジタル受信信号を生成する受信機と、１つ以上の送受信用第１偏波アンテナからパルスを送信する第１偏波モードに切り換えた場合には、複数の第１偏波アンテナのうちの２つ以上と複数の第２偏波アンテナのうちの１つ以上とを受信機に接続するように切り換え、１つ以上の送受信用第２偏波アンテナからパルスを送信する第２偏波モードに切り換えた場合には、複数の第２偏波アンテナのうちの２つ以上と複数の第１偏波アンテナのうちの１つ以上とを受信機に接続するように切り換える偏波切換器と、第１偏波モードおよび第２偏波モードのそれぞれのモードにおいて、３つ以上のアンテナから受信したそれぞれの受信信号に対応して受信機で生成されるデジタル受信信号に基づいて、第１偏波成分、第２偏波成分、および交差偏波成分の合成開口レーダ画像を生成する複数ビーム合成開口レーダ画像再生手段とを備えた画像レーダ装置において、複数の第１偏波アンテナは、１つの送受信用第１偏波アンテナと１つの受信用第１偏波アンテナとで構成され、複数の第２偏波アンテナは、１つの送受信用第２偏波アンテナと１つの受信用第２偏波アンテナとで構成され、送信機は、送受信用第１偏波アンテナと送受信用第２偏波アンテナとが接続され、偏波切換器による切り換え動作により送受信用第１偏波アンテナまたは送受信用第２偏波アンテナのいずれか一方からパルスを出力し、受信機は、送受信用第１偏波アンテナに接続され、送受信用第１偏波アンテナによる受信信号を入力し、信号処理を施して第１デジタル受信信号を出力する第１偏波受信機と、送受信用第２偏波アンテナに接続され、送受信用第２偏波アンテナによる受信信号を入力し、信号処理を施して第２デジタル受信信号を出力する第２偏波受信機と、受信用第１偏波アンテナと受信用第２偏波アンテナとに接続され、偏波切換器による切り換え動作により受信用第１偏波アンテナまたは受信用第２偏波アンテナのいずれか一方のアンテナの受信信号を入力し、信号処理を施して第３デジタル受信信号を出力する兼用受信機とで構成され、偏波切換器は、パルスを送受信用第１偏波アンテナから送信する第１偏波モードに切り換えた場合には、受信用第１偏波アンテナの受信信号を兼用受信機に入力するように切り換え、パルスを送受信用第２偏波アンテナから送信する第２偏波モードに切り換えた場合には、受信用第２偏波アンテナの受信信号を兼用受信機に入力するように切り換え、複数ビーム合成開口レーダ画像再生手段は、第１デジタル受信信号、第２デジタル受信信号、および第３デジタル受信信号を用いて、第１偏波成分、第２偏波成分、および交差偏波成分の合成開口レーダ画像を生成するものである。

本発明に係る画像レーダ装置によれば、従来のポラリメトリ方式の構成に、さらに受信アンテナと受信機を加えてポラリメトリ方式と複数ビーム観測方式を組み合わせるように構成することにより、クロスレンジ方向の観測幅を減少させずに、ポラリメトリの観測を可能とする画像レーダ装置を得ることができる。

以下、本発明の画像レーダ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
以下では、まず、図１、図２に基づいて、フルポラリメトリ方式の原理とフルポラリメトリ方式による観測量の性質について説明する。前述のとおり、フルポラリメトリ方式によれば、ターゲットの偏波特性を観測することができるが、あるターゲットの偏波特性は、下式（１）の散乱行列（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｍａｔｒｉｘ）Ｓで表される。

ｈとｖは、それぞれ水平偏波（Ｈ偏波）、垂直偏波（Ｖ偏波）を意味しており、例えば、ｈｖは、垂直偏波送信、水平偏波受信（これをＨＶ偏波成分・ＨＶ偏波チャネルなどと呼ぶことがある。受信偏波・送信偏波の順となることに注意）を示している。送受信アンテナの偏波状態を、それぞれ複素ベクトルＥｔ、Ｅｒで表すと、散乱行列がＳで与えられる散乱体による散乱波を受信した場合の受信電圧Ｖと受信電力Ｐは、それぞれ下式（２）で表される。

ここで、‖Ｅｔ‖＝‖Ｅｒ‖＝１とする（‖ ‖はベクトルノルムを意味する）。また、Ｋは、偏波状態以外のアンテナ特性や距離等で決まる定数であり、Ｒａは、受信アンテナに付加された整合負荷であり、Ｔは、転置を表す。なお、以下では、送受信の偏波状態に着目して議論を進めるため、偏波状態に関係のない係数Ｋ、Ｒａの項は無視した下式（３）の表現を用いる。

上式（２）、（３）より、ターゲットの散乱行列が観測できれば、任意の送受信偏波の組み合わせで観測した場合の受信電圧と電力を、計算によって求めることが可能であることが分かる。

ここで、モノスタティック構成のレーダの場合には、相反定理により、下式（４）の関係が成り立つ。

このことは、例えば、非特許文献１などに記載されており、公知である。すなわち、交差偏波成分において、送信偏波と受信偏波を入れ替えても、散乱係数は一致するということに他ならない。

以上の前提を踏まえて、次に、従来技術の画像レーダ装置の基本構成および動作について説明する。図１は、従来の画像レーダ装置の構成図であり、フルポラリメトリ方式の送受信部の基本構成を示している。この図１に示した画像レーダ装置は、送信機１、偏波切換器２、送受切換器３ａ、３ｂ、水平偏波アンテナ４、垂直偏波アンテナ５、水平偏波受信機６、および垂直偏波受信機７で構成される。

送信機１は、偏波切換器２および送受切換器３ａと３ｂを通して、それぞれ水平偏波アンテナ４と垂直偏波アンテナ５に接続されている。一方、水平偏波受信機６と垂直偏波受信機７は、それぞれ送受切換器３ａと３ｂを介して水平偏波アンテナ４と垂直偏波アンテナ５に接続されている。水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５は、このような構成を備えることで、ともに送受信が可能であり、送受信用アンテナに相当する。

送信機１は、パルス信号を生成し、偏波切換器２は、当該パルス信号を送受切換器３ａに送る。すると、当該パルス信号は、送受切換器３ａを介して水平偏波アンテナ４から空間に放射される。空間に放射されたパルス信号は、観測対象によって散乱される。そして、観測対象によって散乱された散乱波は、水平偏波アンテナ４と垂直偏波アンテナ５でそれぞれ受信される。

水平偏波アンテナ４と垂直偏波アンテナ５で受信された各受信信号は、送受切換器３ａと３ｂを介してそれぞれ水平偏波受信機６と垂直偏波受信機７に送られる。水平偏波受信機６と垂直偏波受信機７は、水平偏波アンテナ４と垂直偏波アンテナ５が受信した散乱波の受信信号のそれぞれに対して、位相検波処理とＡ／Ｄ変換処理を実施し、それぞれの受信信号の振幅と位相を示すデジタル受信信号を出力する。

次いで、送信機１がパルス信号を再び生成すると、偏波切換器２は、当該パルス信号を今度は送受切換器３ｂに送る。すると、当該パルス信号は、送受切換器３ｂを介して垂直偏波アンテナ５から空間に放射される。空間に放射されたパルス信号は、観測対象によって散乱される。そして、観測対象によって散乱された散乱波は、水平偏波アンテナ４と垂直偏波アンテナ５でそれぞれ受信される。

水平偏波アンテナ４と垂直偏波アンテナ５で受信された各受信信号は、送受切換器３ａと３ｂを介してそれぞれ水平偏波受信機６と垂直偏波受信機７に送られる。水平偏波受信機６と垂直偏波受信機７は、水平偏波アンテナ４と垂直偏波アンテナ５が受信した散乱波の受信信号のそれぞれに対して、位相検波処理とＡ／Ｄ変換処理を実施し、それぞれの受信信号の振幅と位相を示すデジタル受信信号を出力する。以下、このような処理を交互に繰り返すこととなる。

次に、図２は、従来の画像レーダ装置の動作原理の説明図であり、水平偏波アンテナ４と垂直偏波アンテナ５の各時刻の動作モードについて示している。図２中のインターバルは、４つの偏波チャネルにおける受信信号の一組を得るのに要する動作のひとまとめである。インターバルの時間をＴ（秒）とする。

図２に示す動作での観測を複数回反復してデータを蓄積した後、合成開口の処理などにより、高分解能のレーダ画像を再生する。ここで、合成開口の処理は、例えば、大内和夫著「リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎」などに記載されており、公知である。

次に、本実施の形態１による画像レーダ装置の構成および動作について、図面に基づいて説明する。図３は、本発明の実施の形態１における画像レーダ装置の構成図である。この図３に示した画像レーダ装置は、送信機１、偏波切換器２ａ、２ｂ、送受切換器３ａ、３ｂ、水平偏波アンテナ４ａ、４ｂ、垂直偏波アンテナ５ａ、５ｂ、水平偏波受信機６、垂直偏波受信機７、受信機８、および複数ビーム合成開口レーダ画像再生手段９で構成される。

従来の画像レーダ装置における図１の構成と比較すると、偏波切換器２ｂ、水平偏波アンテナ４ｂ、垂直偏波アンテナ５ｂ、受信機８からなる新たな受信構成を備えている点が異なっている。

送信機１は、偏波切換器２ａおよび送受切換器３ａと３ｂを通して、それぞれ水平偏波アンテナ４ａと垂直偏波アンテナ５ａに接続されている。一方、水平偏波受信機６と垂直偏波受信機７は、それぞれ送受切換器３ａと３ｂを介して水平偏波アンテナ４ａと垂直偏波アンテナ５ａに接続されている。これらの構成は、従来と同等のものである。従って、水平偏波アンテナ４ａおよび垂直偏波アンテナ５ａは、このような構成を備えることで、ともに送受信が可能であり、送受信用アンテナに相当する。

さらに、本実施の形態１における新たな受信構成においては、受信機８が、偏波切換器２ｂを介して水平偏波アンテナ４ｂと垂直偏波アンテナ５ｂに接続されている。水平偏波アンテナ４ｂおよび垂直偏波アンテナ５ｂは、このような構成を備えることで、ともに受信のみが可能であり、受信用アンテナに相当する。また、受信機８は、水平偏波と垂直偏波を切り換え受信できる兼用受信機に相当する。

そして、水平偏波受信機６、垂直偏波受信機７、および受信機８のそれぞれにおける受信信号は、複数ビーム合成開口レーダ画像再生手段９への入力信号となる。

送信機１は、パルス信号を生成し、偏波切換器２ａは、当該パルス信号を送受切換器３ａに送る。すると、当該パルス信号は、送受切換器３ａを介して水平偏波アンテナ４ａから空間に放射される。空間に放射されたパルス信号は、観測対象によって散乱される。そして、観測対象によって散乱された散乱波は、水平偏波アンテナ４ａと垂直偏波アンテナ５ａ、および水平偏波アンテナ４ｂでそれぞれ受信される。

水平偏波アンテナ４ａと垂直偏波アンテナ５ａで受信された各受信信号は、送受切換器３ａと３ｂを介してそれぞれ水平偏波受信機６と垂直偏波受信機７に送られる。また、水平偏波アンテナ４ｂで受信された受信信号は、偏波切換器２ｂを介して受信機８に送られる。なお、このとき、偏波切換器２ｂは、受信機８を水平偏波アンテナ４ｂに接続するように動作しているものとする。

水平偏波受信機６、垂直偏波受信機７、および受信機８は、水平偏波アンテナ４ａ、垂直偏波アンテナ５ａ、および水平偏波アンテナ４ｂが受信した散乱波の受信信号のそれぞれに対して、位相検波処理とＡ／Ｄ変換処理を実施し、それぞれの受信信号の振幅と位相を示すデジタル受信信号を出力する。

次いで、送信機１がパルス信号を再び生成すると、偏波切換器２ａは、当該パルス信号を今度は送受切換器３ｂに送る。すると、当該パルス信号は、送受切換器３ｂを介して垂直偏波アンテナ５ａから空間に放射される。空間に放射されたパルス信号は、観測対象によって散乱される。そして、観測対象によって散乱された散乱波は、水平偏波アンテナ４ａ、垂直偏波アンテナ５ａ、および垂直偏波アンテナ５ｂでそれぞれ受信される。

水平偏波アンテナ４ａと垂直偏波アンテナ５ａで受信された各受信信号は、送受切換器３ａと３ｂを介してそれぞれ水平偏波受信機６と垂直偏波受信機７に送られる。また、垂直偏波アンテナ５ｂで受信された受信信号は、偏波切換器２ｂを介して受信機８に送られる。なお、このとき、偏波切換器２ｂは、受信機８を垂直偏波アンテナ５ｂに接続するように動作しているものとする。

水平偏波受信機６、垂直偏波受信機７、および受信機８は、水平偏波アンテナ４ａ、垂直偏波アンテナ５ａ、および垂直偏波アンテナ５ｂが受信した散乱波の受信信号のそれぞれに対して、位相検波処理とＡ／Ｄ変換処理を実施し、それぞれの受信信号の振幅と位相を示すデジタル受信信号を出力する。

複数ビーム合成開口レーダ画像再生手段９は、それぞれのデジタル受信信号を用いて、ＨＨ偏波成分、ＶＶ偏波成分、および交差偏波成分の合成開口レーダ画像を生成する。交差偏波成分の画像については、ＨＶ成分とＶＨ成分を交互に利用して生成する。

次に、図４は、本発明の実施の形態１における画像レーダ装置の動作原理の説明図であり、水平偏波アンテナ４ａ、４ｂ、および垂直偏波アンテナ５ａ、５ｂの各時刻の動作モードについて示している。図４中のインターバルの時間Ｔ（秒）は、先の図２に示すインターバルＴ（秒）と同一である。インターバルＴ（秒）の間に、まず、水平偏波アンテナ４ａからパルスを送信し、観測対象からの散乱波を、水平偏波アンテナ４ａ、４ｂおよび垂直偏波アンテナ５ａで受信する。このインターバルでの一連の処理を水平偏波モードと称することとする。

次のインターバルでは、垂直偏波アンテナ５ａからパルスを送信し、観測対象からの散乱波を、水平偏波アンテナ４ａ、および垂直偏波アンテナ５ａ、５ｂで受信する。このインターバルでの一連の処理を垂直偏波モードと称することとする。以降、各アンテナは、上記２回分のインターバルの動作（すなわち、水平偏波モードと垂直偏波モードの動作）を反復する。

先の図２に示した従来のポラリメトリ方式の場合には、水平偏波送信の周期および垂直偏波送信の周期は、いずれもＴ（秒）である。これに対し、図４に示す本実施の形態１による方式の場合には、水平偏波送信の周期および垂直偏波送信の周期は、いずれも２Ｔ（秒）であり、この点が注目に値する。

本発明の対象である画像レーダ装置は、人工衛星や航空機などの移動プラットフォームに搭載されており、パルスの送受信を繰り返す間、軌道に沿って移動している。本実施の形態１では、説明を簡単にするため、プラットフォームは、直線軌道を速度ｖ（ｍ／ｓｅｃ）の等速で移動することとする。

図５は、本発明の実施の形態１における画像レーダ装置の各アンテナの位置関係および動作に関する説明図である。より具体的には、ｎヒット目からｎ＋３ヒット目のパルスを送受信する間の、水平偏波アンテナ４ａ、４ｂ、および垂直偏波アンテナ５ａ、５ｂの位置関係および動作を説明するための図である。なお、ここで、ヒットとは、一回のパルス送受信を意味する。

図５に示すように、水平偏波アンテナ４ａと４ｂの位相中心は、進行方向にある適当な距離を有するように配置されている。本実施の形態１においては、その距離は、２ｖＴとしている。同様に、垂直偏波アンテナ５ａと５ｂの位相中心は、進行方向にある適当な距離を有するように配置されている。

なお、水平偏波アンテナ４ａと垂直偏波アンテナ５ａの位相中心が一致することは必須ではないが、本実施の形態１においては、これらの位相中心は、一致するものとして説明する。同様に、水平偏波アンテナ４ｂと垂直偏波アンテナ５ｂの位相中心が一致することも必須ではないが、本実施の形態１においては、これらの位相中心も、一致するものとして説明する。

図５において、△印は、水平偏波アンテナ４ａ、４ｂ、および垂直偏波アンテナ５ａ、５ｂで送受信を行った場合の位相中心を示している。例えば、ｎヒット目において、水平偏波アンテナ４ａで送信し、水平偏波アンテナ４ａあるいは垂直偏波アンテナ５ａで受信した場合の送受信の位相中心は、水平偏波アンテナ４ａと垂直偏波アンテナ５ａの位相中心に一致するため、左側の△印の位置となる。

また、ｎヒット目において、水平偏波アンテナ４ａで送信し、水平偏波アンテナ４ｂで受信した場合の送受信の位相中心は、水平偏波アンテナ４ａと水平偏波アンテナ４ｂの位相中心の中間に位置するため、右側の△印の位置となる。ここで重要なポイントは、１回のパルス送受信で、空間的には２点で観測できていることである。

これにより、例えば、ＨＨ偏波チャネルについてみると、パルス送受信の周期は、２Ｔ（秒）であり、その間にプラットフォームは、２ｖＴ（ｍ）だけ移動しているにもかかわらず、空間的にはｖＴの間隔でサンプリングできている。

複数ビーム合成開口レーダ画像再生手段９は、以下のようにして、ＨＨ偏波成分、ＶＶ偏波成分、および交差偏波成分の合成開口レーダ画像を生成する。

１）ＨＨ偏波成分の合成開口レーダ画像の再生
ｎヒット目、ｎ＋２ヒット目、ｎ＋４ヒット目、・・・において、水平偏波アンテナ４ａで送信し水平偏波アンテナ４ａで受信した信号と水平偏波アンテナ４ａで送信し水平偏波アンテナ４ｂで受信した信号を用いて、複数ビーム観測方式による合成開口レーダ画像を再生する。なお、上記において、複数ビーム観測方式による合成開口レーダ画像の再生法としては、背景技術に記した非特許文献２に記載の方法などを用いればよい。

２）ＶＶ偏波成分の合成開口レーダ画像の再生
ｎ＋１ヒット目、ｎ＋３ヒット目、ｎ＋５ヒット目、・・・において、垂直偏波アンテナ５ａで送信し垂直偏波アンテナ５ａで受信した信号と、垂直偏波アンテナ５ａで送信し垂直偏波アンテナ５ｂで受信した信号を用いて、複数ビーム観測方式による合成開口レーダ画像を再生する。

３）交差偏波成分の合成開口レーダ画像の再生
ｎヒット目、ｎ＋２ヒット目、ｎ＋４ヒット目、・・・において、水平偏波アンテナ４ａで送信し垂直偏波アンテナ５ａで受信した信号と、ｎ＋１ヒット目、ｎ＋３ヒット目、ｎ＋５ヒット目、・・・において、垂直偏波アンテナ５ａで送信し水平偏波アンテナ４ａで受信した信号を用いて、複数ビーム観測方式による合成開口レーダ画像を再生する。

本実施の形態１の構成を有する画像レーダ装置の特徴は、特に、ここで示した交差偏波成分の信号の観測法、および合成開口レーダ画像の再生法にある。先の図３〜図５を用いて説明したとおり、水平偏波アンテナ４ａで送信した際は、垂直偏波アンテナ５ｂでは受信をせず、垂直偏波アンテナ５ａで送信した際は、水平偏波アンテナ４ｂでは受信をしていない。これによって、受信機を４個に増やさず、３個で構成することが可能となった。

このような観測をしても、上式（４）に示すとおり、交差偏波成分は、送信偏波と受信偏波が入れ替わっても一致するため、ＨＶ成分の信号とＶＨ成分の信号とは同じであるという事実を鑑みれば、ｎヒット目で観測されたＶＨ成分、ｎ＋１ヒット目で観測されたＨＶ成分、ｎ＋２ヒット目で観測されたＶＨ成分、ｎ＋３ヒット目で観測されたＨＶ成分、・・・というように、ＨＶ成分とＶＨ成分を交互に使用することで、空間的なサンプル間隔をｖＴ（ｍ）で保持することができる。

そして、これらの信号を集めて複数ビーム観測方式による合成開口レーダ画像の再生法を適用することで、交差偏波成分の合成開口レーダ画像を再生することが可能となる。

なお、水平偏波アンテナ４ｂと垂直偏波アンテナ５ｂにそれぞれ受信機を接続して、常に同時受信するように構成すれば、ＨＶ偏波チャネルとＶＨ偏波チャネルについても、それぞれ別個に合成開口レーダ画像を再生することが可能となることは明らかである。この場合、受信機が４個に増えるが、厳密には電離層中のファラデー回転の影響を無視できない場合に、ＨＶ偏波チャネルとＶＨ偏波チャネルの受信信号は、一致しないため、ＨＶ偏波チャネルとＶＨ偏波チャネルについても、それぞれ別個に合成開口レーダ画像を再生した方が望ましい場合もある。

以上のように、実施の形態１によれば、従来のポラリメトリ方式の構成に、さらに受信アンテナと受信機を加えてポラリメトリ方式と複数ビーム観測方式を組み合わせるように構成している。これにより、クロスレンジ方向の観測幅を減少させずに、ポラリメトリの観測を可能とすることができる。

ここで、ポラリメトリ方式と複数ビーム観測方式をそのまま組み合わせた場合は、４個の受信機が必要となる。しかしながら、交差偏波成分は、送信偏波と受信偏波が入れ替わっても一致することに着目して、ＨＶ偏波チャネルの信号とＶＨ偏波チャネルの信号を利用して交差偏波成分の画像を再生するように構成している。これにより、受信機の数を４個から３個に削減することができる。

なお、本実施の形態１においては、水平偏波と垂直偏波の組み合わせで構成したが、任意の２偏波（第１偏波と第２偏波）の組み合わせで構成できることは明らかである。その他の２偏波の組み合わせの例としては、左旋円偏波と右旋円偏波の組み合わせなどが挙げられる。ここで、実装上は、水平偏波アンテナと垂直偏波アンテナを用いて、両アンテナ間の給電位相差を９０度進める・９０度遅らせるなどの方法で、左旋円偏波と右旋円偏波を送信してもよい。

また、本実施の形態１においては、受信ビームの数が２本の場合について説明したが、ビーム数を３本以上としても、同様の構成が可能である。仮に、ビーム数をＮ本とする場合、ポラリメトリ方式と複数ビーム観測方式をそのまま組み合わせた場合は、２Ｎ個の受信機が必要となる。しかしながら、本実施の形態１で示すように、交差偏波成分は、送信偏波と受信偏波が入れ替わっても一致することに着目すると、受信機の数を２＋（Ｎ−１）個まで削減できる。

また、本実施の形態１においては、送信アンテナを受信アンテナの一方と一致させる構成で説明しているが、複数のサブアレイ構成のアンテナを用いて、そのうちの適当なサブアレイを送信に用いる構成などとしてもよい。

さらに、本実施の形態１においては、ＰＲＦを制御して、軌道上の空間サンプル間隔が常に一定になるように構成している。しかしながら、送受信の位相中心の間隔と、プラットフォームの移動によるサンプル位置の移動量とは、必ずしも一致していなくても、適切な復元フィルタを用いることで、合成開口レーダ画像の再生は可能である。この復元フィルタについては、例えば、非特許文献２に記載されており、公知である。

また、本実施の形態１における図３の構成においては、水平偏波アンテナ４ｂと垂直偏波アンテナ５ｂを、偏波切換器２ｂを通して受信機８に接続するように構成している。しかしながら、本発明は、このような構成には限定されない。

図６は、本発明の実施の形態１における画像レーダ装置の別の構成図である。この図６に示した画像レーダ装置は、送信機１、偏波切換器２ａ、２ｂ、送受切換器３ａ、３ｂ、水平偏波アンテナ４ａ、４ｂ、垂直偏波アンテナ５ａ、５ｂ、水平偏波受信機６、垂直偏波受信機７、受信機８、および複数ビーム合成開口レーダ画像再生手段９で構成される。

この図６の構成は、構成要素としては、先の図３の構成と同じであるが、接続関係が異なっている。図６に示すように、水平偏波アンテナ４ｂと垂直偏波アンテナ５ｂは、それぞれ水平偏波受信機６と垂直偏波受信機７に接続される。その代わり、水平偏波アンテナ４ａと垂直偏波アンテナ５ａは、偏波切換器２ｂを通して受信機８と接続されている。

ただし、このように構成すると、ＨＶ偏波とＶＨ偏波の観測が完全なモノスタティック構成ではなくなるため、厳密にはＨＶ偏波とＶＨ偏波の同一性は保証されない。しかし、レーダと観測対象の距離は、アンテナの位相中心間の距離と比較すると圧倒的に長いので、送信と受信の位相中心間の距離は、ほとんど無視してかまわない。

従来の画像レーダ装置の構成図である。従来の画像レーダ装置の動作原理の説明図である。本発明の実施の形態１における画像レーダ装置の構成図である。本発明の実施の形態１における画像レーダ装置の動作原理の説明図である。本発明の実施の形態１における画像レーダ装置の各アンテナの位置関係および動作に関する説明図である。本発明の実施の形態１における画像レーダ装置の別の構成図である。従来の複数ビーム観測方式の説明図である。従来の複数ビーム観測方式において、各受信アンテナで得られた観測信号のアジマス方向のスペクトルを示した図である。

符号の説明

１送信機、２ａ、２ｂ偏波切換器、３ａ、３ｂ送受切換器、４ａ水平偏波アンテナ（送受信用第１偏波アンテナ）、４ｂ水平偏波アンテナ（受信用第１偏波アンテナ）、５ａ垂直偏波アンテナ（送受信用第２偏波アンテナ）、５ｂ垂直偏波アンテナ（受信用第２偏波アンテナ）、６水平偏波受信機（第１偏波受信機）、７垂直偏波受信機（第２偏波受信機）、８受信機（兼用受信機）、９複数ビーム合成開口レーダ画像再生手段。

Claims

ある偏波面を持ち、それぞれの位相中心がプラットフォーム軌道方向に適当な距離を開けて配置され、１つ以上の送受信用第１偏波アンテナと１つ以上の受信用第１偏波アンテナとで構成される複数の第１偏波アンテナと、
前記複数の第１偏波アンテナとは異なる偏波面を持ち、それぞれの位相中心がプラットフォーム軌道方向に適当な距離を開けて配置され、１つ以上の送受信用第２偏波アンテナと１つ以上の受信用第２偏波アンテナとで構成される複数の第２偏波アンテナと、
前記１つ以上の送受信用第１偏波アンテナと、前記１つ以上の送受信用第２偏波アンテナとが接続され、前記送受信用第１偏波アンテナまたは前記送受信用第２偏波アンテナのいずれか一方からパルスを出力する送信機と、
前記複数の第１偏波アンテナおよび前記複数の第２偏波アンテナによる受信信号を入力し、信号処理を施してデジタル受信信号を生成する受信機と、
前記１つ以上の送受信用第１偏波アンテナからパルスを送信する第１偏波モードに切り換えた場合には、前記複数の第１偏波アンテナのうちの２つ以上と前記複数の第２偏波アンテナのうちの１つ以上とを前記受信機に接続するように切り換え、前記１つ以上の送受信用第２偏波アンテナからパルスを送信する第２偏波モードに切り換えた場合には、前記複数の第２偏波アンテナのうちの２つ以上と前記複数の第１偏波アンテナのうちの１つ以上とを前記受信機に接続するように切り換える偏波切換器と、
前記第１偏波モードおよび前記第２偏波モードのそれぞれのモードにおいて、３つ以上のアンテナから受信したそれぞれの受信信号に対応して前記受信機で生成されるデジタル受信信号に基づいて、第１偏波成分、第２偏波成分、および交差偏波成分の合成開口レーダ画像を生成する複数ビーム合成開口レーダ画像再生手段と
を備えた画像レーダ装置において、
前記複数の第１偏波アンテナは、１つの送受信用第１偏波アンテナと１つの受信用第１偏波アンテナとで構成され、
前記複数の第２偏波アンテナは、１つの送受信用第２偏波アンテナと１つの受信用第２偏波アンテナとで構成され、
前記送信機は、前記送受信用第１偏波アンテナと前記送受信用第２偏波アンテナとが接続され、前記偏波切換器による切り換え動作により前記送受信用第１偏波アンテナまたは前記送受信用第２偏波アンテナのいずれか一方からパルスを出力し、
前記受信機は、前記送受信用第１偏波アンテナに接続され、前記送受信用第１偏波アンテナによる受信信号を入力し、信号処理を施して第１デジタル受信信号を出力する第１偏波受信機と、前記送受信用第２偏波アンテナに接続され、前記送受信用第２偏波アンテナによる受信信号を入力し、信号処理を施して第２デジタル受信信号を出力する第２偏波受信機と、前記受信用第１偏波アンテナと前記受信用第２偏波アンテナとに接続され、前記偏波切換器による切り換え動作により前記受信用第１偏波アンテナまたは前記受信用第２偏波アンテナのいずれか一方のアンテナの受信信号を入力し、信号処理を施して第３デジタル受信信号を出力する兼用受信機とで構成され、
前記偏波切換器は、前記パルスを前記送受信用第１偏波アンテナから送信する第１偏波モードに切り換えた場合には、前記受信用第１偏波アンテナの受信信号を前記兼用受信機に入力するように切り換え、前記パルスを前記送受信用第２偏波アンテナから送信する第２偏波モードに切り換えた場合には、前記受信用第２偏波アンテナの受信信号を前記兼用受信機に入力するように切り換え、
前記複数ビーム合成開口レーダ画像再生手段は、前記第１デジタル受信信号、前記第２デジタル受信信号、および前記第３デジタル受信信号を用いて、第１偏波成分、第２偏波成分、および交差偏波成分の合成開口レーダ画像を生成する
ことを特徴とする画像レーダ装置。
請求項１に記載の画像レーダ装置において、
前記複数ビーム合成開口レーダ画像再生手段は、前記送受信用第１偏波アンテナより送信し、前記送受信用第２偏波アンテナで受信した信号に基づく第２デジタル受信信号と、前記送受信用第２偏波アンテナより送信し、前記送受信用第１偏波アンテナで受信した信号に基づく第１デジタル受信信号とを組み合わせることで、前記交差偏波成分の合成開口レーダ画像を再生する
ことを特徴とする画像レーダ装置。
請求項１または２に記載の画像レーダ装置において、
前記送受信用第１偏波アンテナと前記送受信用第２偏波アンテナは、位相中心位置が一致するように配置され、
前記受信用第１偏波アンテナと前記受信用第２偏波アンテナは、位相中心位置が一致するように配置される
ことを特徴とする画像レーダ装置。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の画像レーダ装置において、
前記偏波切換器は、前記第１偏波モードと前記第２偏波モードとを、所定のパルス繰返し周期で交互に切り換える
ことを特徴とする画像レーダ装置。
請求項４に記載の画像レーダ装置において、
前記パルス繰返し周期をＴ（秒）とし、プラットフォームが速度ｖ（ｍ／ｓ）で移動する場合において、前記送受信用第１偏波アンテナと前記受信用第１偏波アンテナとの位相中心の間の距離、および前記送受信用第２偏波アンテナと前記受信用第２偏波アンテナとの位相中心の間の距離が、いずれも前記プラットフォーム軌道方向に２ｖＴ（ｍ）となるように配置されることを特徴とする画像レーダ装置。
請求項４または５に記載の画像レーダ装置において、
前記複数ビーム合成開口レーダ画像再生手段は、１回のパルス送受信をヒットと呼ぶときに、ｎヒット目、ｎ＋２ヒット目、ｎ＋４ヒット目、・・・において、前記送受信用第１偏波アンテナで送信し前記送受信用第１偏波アンテナで受信した信号に基づく第１デジタル受信信号と、前記送受信用第１偏波アンテナで送信し前記受信用第１偏波アンテナで受信した信号に基づく第３デジタル受信信号とを用いて、第１偏波成分の合成開口レーダ画像を複数ビーム観測方式による合成開口レーダ画像として再生し、ｎ＋１ヒット目、ｎ＋３ヒット目、ｎ＋５ヒット目、・・・において、前記送受信用第２偏波アンテナで送信し前記送受信用第２偏波アンテナで受信した信号に基づく第２デジタル受信信号と、前記送受信用第２偏波アンテナで送信し前記受信用第２偏波アンテナで受信した信号に基づく第３デジタル信号とを用いて、第２偏波成分の合成開口レーダ画像を複数ビーム観測方式による合成開口レーダ画像として再生し、ｎヒット目、ｎ＋２ヒット目、ｎ＋４ヒット目、・・・において、前記送受信用第１偏波アンテナで送信し前記送受信用第２偏波アンテナで受信した信号に基づく第２デジタル受信信号と、ｎ＋１ヒット目、ｎ＋３ヒット目、ｎ＋５ヒット目、・・・において、前記送受信用第２偏波アンテナで送信し前記送受信用第１偏波アンテナで受信した信号に基づく第１デジタル受信信号とを用いて、交差偏波成分の合成開口レーダ画像を複数ビーム観測方式による合成開口レーダ画像として再生する
ことを特徴とする画像レーダ装置。
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の画像レーダ装置において、
前記２つの第１偏波アンテナは、水平偏波アンテナであり、前記２つの第２偏波アンテナは、垂直偏波アンテナである
ことを特徴とする画像レーダ装置。
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の画像レーダ装置において、
前記２つの第１偏波アンテナは、左旋円偏波アンテナであり、前記２つの第２偏波アンテナは、右旋偏波アンテナである
こと特徴とする画像レーダ装置。