JP5579360B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、目標の高分解能画像を生成するレーダ装置に関するものである。

レーダ画像の距離分解能は送信信号の帯域幅により、角度分解能は合成開口角により、それぞれ制限される。例えば３センチメートルの分解能を実現するためには５ギガヘルツの帯域幅を必要とするが、周波数資源の有効利用の観点から、これだけの帯域幅を占有することは難しい。この問題に対処する方法として、異なる位置に配置された複数のレーダを用い、例えば第１のレーダでは５．０から５．５ギガヘルツの周波数帯域、第２のレーダ装置では９．５から１０．０ギガヘルツの周波数帯域を使用してそれぞれ観測を行い、これらの受信信号スペクトルをレンジ方向、クロスレンジ方向に補間することによって、あたかも５から１０ギガヘルツの周波数帯域かつ、広い角度幅で観測したスペクトルを推定しようとする試みがなされている。この場合、２つのレーダから目標までの距離は一般に異なるので、それぞれで観測されたスペクトルの位相変化は連続でなく、またはコヒーレントではない。そこで、第１の周波数帯域で観測する第１のレーダと第２の周波数で観測する第２のレーダのスペクトルの位相を一致させた上で、これらのスペクトルに基づいて帯域を拡張することによりレンジおよびクロスレンジの高分解能化を図る方式がある（例えば非特許文献１参照）。

「送信周波数帯の異なる複数のレーダ観測に基づく２次元超解像アルゴリズム」、２００６年電子情報通信学会総合大会、Ｂ−２−８、Ｐ２４６、２００６年３月２４日−２７日、岩本雅史、諏訪啓

しかしながら、従来のレーダ装置は、複数のレーダで取得されたレーダ画像の投影面が一致またはほぼ一致することを前提としており、複数のレーダで取得されたレーダ画像の投影面が一致しない場合は、効果的に画像を合成して分解能を向上することができなかった。または、従来のレーダ装置において、投影面が完全に一致していなくても、合成することは不可能ではないが、十分な効果を得るためには、出来るだけ投影面を一致させる運用を強いられていた。

この発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、レーダで取得された複数のレーダ画像の投影面が一致しない場合に、投影面の相違を補償した後、帯域を拡張することにより、分解能を向上することが可能なレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーダ装置は、目標からみて異なる方位に配置されて目標を観測する複数のレーダと、前記レーダで得られ、前記投影面補償手段で投影面を一致させた複数の受信信号スペクトルの投影面を一致させる処理を行う投影面補償手段と、前記レーダで得られる複数の受信信号スペクトルの位相を一致させる処理を行う相互コヒーレント化手段と、前記相互コヒーレント化手段で位相を一致させた受信信号スペクトルを、レンジ方向またはクロスレンジ方向に内挿または外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成する帯域拡張手段と、前記帯域拡張手段で生成された連続スペクトルのレンジとクロスレンジをそれぞれ圧縮する圧縮手段とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、複数のレーダ画像の投影面が一致しない場合に、一つの画像生成面上に投影した後に、帯域の合成処理を行うことで投影面の相違を補償した後、帯域を拡張することにより、分解能を向上することができる。

実施の形態１．
図１と図２は、この発明のレーダ装置の観測のジオメトリを示す説明図である。この実施の形態１では、図１に示すように、２つのレーダの送受信アンテナ１ａ，１ｂが目標１８から見て互いに異なる方位に設置されていることを想定している。なお、図２において、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、目標１８に固定した座標系であり、ｚ軸が目標１８の回転運動の回転軸と一致するように座標軸が定義されている。また、原点は、目標１８上の任意の点とした。この目標に固定の座標系において、観測開始時点での送受信アンテナ１ａおよび１ｂの位置は、極座標で表すと、それぞれ（ｒ_１，θ_１，φ_１）、（ｒ_２，θ_２，φ_２）である。

図３は、この発明の実施の形態１によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。図３において、送受信機２ａ，２ｂは、送受信アンテナ１ａ，１ｂを用いて同一の周波数帯域で目標１８を観測する第１、第２のレーダを構成する。投影面補償手段１９は、第１、第２のレーダで観測されるレーダ画像の投影面の違いを補償する処理を行うもので、第１、第２のレーダで得られる受信信号スペクトルの投影面を一致させる。２次元相互コヒーレント化手段３は、送受信機２ａ，２ｂで得られた後、投影面補償手段１９で投影面の相違を補償された後の受信スペクトル信号の位相を一致させる処理を行う手段である。

２次元帯域拡張手段４は、２次元相互コヒーレント化手段３で得られた位相を一致させた受信信号スペクトルを、レンジ方向またはクロスレンジ方向に内挿または外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成する手段である。レンジ圧縮手段５は、２次元帯域拡張手段４で生成された連続スペクトルのレンジを圧縮する手段である。クロスレンジ圧縮手段６は、レンジ圧縮手段５でレンジが圧縮された連続スペクトルのクロスレンジを圧縮する手段である。表示手段７は、処理して得られた目標の画像を表示する手段である。

図４は、図３に示した投影面補償手段１９の詳細な機能構成を示すブロック図である。図３に示すように、投影面補償手段１９は、第１のレーダと第２のレーダで観測された画像を合成して得られる高分解能画像の投影面を設定する処理を行う画像生成面設定手段１９ａと、合成して得られる高分解能画像において、点像がぼけることなく結像する点を含む焦点面を設定する処理を行う焦点面設定手段１９ｂと、第１のレーダと第２のレーダで観測された受信スペクトル信号を投影する処理を行うスペクトル投影手段１９ｃとを有する。

図５と図６は、投影面補償手段１９の動作を説明するための図である。この実施の形態１では、図２に示すとおり、２つのレーダが異なる位置に配置されており、目標１８の回転運動との関係から、２つのレーダで観測されるレーダ画像の投影面の位置が必ずしも一致しないことを前提としている。また、２つのレーダは異なる周波数帯域で動作することを想定している。この場合の信号スペクトルは模式的に図５で示される。図５の各軸は、それぞれ図２のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向のスペクトルｆ_x 、ｆ_y 、ｆ_ｚを表す。また、第１および第２のレーダによって観測されるスペクトル信号１５ａとスペクトル信号１５ｂは、ｆ_x −ｆ_y −ｆ_ｚ空間内で、図５のようにマッピングされる。

本実施の形態１においては、投影面補償手段１９以外の動作は従来の技術と同様である。したがって、以下では図４乃至図６を用いて投影面補償手段１９の動作について説明する。まず、第１のレーダと第２のレーダは、それぞれパルスをＨ_１個、Ｈ_２個送受信することとする。目標１８はその間に回転運動をしているため、目標に固定した座標系において、各レーダの位置は移動する。ここでは、第１のレーダがｈ_１番目のパルスを送受信している時の送受信アンテナ１ａの位置ベクトルを、ｒｒ_１（ｈ_１）（ｈ_１＝０，１，・・・，Ｈ_１−１）と表し、第２のレーダがｈ_２番目のパルスを送受信しているときの送受信アンテナ１ｂの位置ベクトルをｒｒ_２（ｈ_２）（ｈ_２＝０，１，・・・，Ｈ_２−１）と表す。

画像生成面設定手段１９ａは、ｘ−ｙ−ｚ座標空間内の原点を通る任意の平面を画像生成面として設定する。この平面の向きには特に制限は無く、任意の平面を設定すればよいが、例えば、第１のレーダと第２のレーダで観測されるレーダ画像の投影面からできる限り逸脱しないように設定するためには、画像生成面を定義するレンジ方向単位ベクトルｉｉｒとクロスレンジ方向単位ベクトルｉｉｃおよび、法線方向単位ベクトルｉｉｎを以下によって設定する。

まず、送受信アンテナ１ａと送受信アンテナ２ａの位置ベクトルを集めた行列ＲＲを次式によって定義する。定義から明らかだが、ＲＲは３×（Ｈ _１ ＋Ｈ _２ ）行列である。

次に、ＲＲを特異値分解して、最大特異値に対応する左特異値ベクトルを画像生成面のレンジ方向単位ベクトルｉｉｒとし、２番目の特異値に対応する左特異値ベクトルを画像生成面のクロスレンジ方向単位ベクトルｉｉｃとし、最小特異値に対応する左特異値ベクトルを法線方向単位ベクトルｉｉｎとする。

焦点面設定手段１９ｂは、ｘ−ｙ−ｚ空間内で、焦点を合わせる面として、ｘ−ｙ平面に平行な平面を一つ、焦点面として設定する。投影面の異なる複数の画像を合成する場合、投影面の相違により、ある散乱点の反射信号が投影される位置が投影面によって異なる。したがって、投影面の異なる画像を合成する場合、このずれを補償しない限り、一つの散乱点の信号が画像上で１点に結像しない。ここで設定した焦点面は、次のスペクトル投影手段１９ｃにおいて、この焦点面の上にある散乱点からの反射信号は、合成後の高分解能画像において１点に結像させることが出来るという意味で、出力される高分解能画像において焦点の合った面である。なお、本実施の形態の説明においては、図６に示すとおり、焦点面のｚ座標をｚｆとする。

次に、スペクトル投影手段１９ｃの動作について説明する。送受信機２ａ，２ｂは、それぞれ送受信アンテナ１ａ，１ｂで受信した信号を検波後、サンプリングして離散化するが、第１のレーダの受信スペクトル信号のサンプル点の周波数をｆ_１，ｍ（ｍ＝０，１，・・・，Ｍ_１-１）とする。すると、ｈ１ヒット目の受信スペクトル信号はｆｘ−ｆｙ−ｆｚ空間において、次式で表される点にマッピングされる。

また、第２のレーダの受信スペクトル信号のサンプル点の周波数をｆ_２，ｍ（ｍ＝０，１，・・・，Ｍ_２-１）とすると、同様に以下の点にマッピングされる。

スペクトル投影手段１９ｃにおいては、スペクトル領域においてこれらの点にマッピングされる信号を、画像生成面設定手段１９ａで設定されたレンジ方向単位ベクトルｉｉｒとクロスレンジ方向単位ベクトルｉｉｃおよび、法線方向単位ベクトルｉｉｎで定義される平面上に投影する処理を行う。図６に示すとおりｚ軸に平行な方向に投影する。例えば、式（２）で表される点にマッピングされた信号を、次式で表される点に投影する。

スペクトル投影手段１９ｃにおいては、高さｚｆで、ｘ−ｙ平面に平行な焦点面にある散乱点からの反射信号が結像するように、次式の位相補償処理を行う。

さらに、スペクトル投影手段においては、画像再生面上で、サンプリング間隔が一定となるように、補間処理を行う。この処理は良く知られたポーラーフォーマットアルゴリズムなどを用いることで実現できる。

以上のように、この実施の形態１によれば、複数レーダの受信信号を一つの画像生成面上に投影した後に、帯域の合成処理を行うようにしたので、各レーダで得られるレーダ画像の投影面が異なる場合でも、合成処理を適用できる効果を得る。また、この実施の形態１によれば、焦点面を任意に設定するので、合成処理において焦点を合わせる領域を設定することが可能である。

図７は、本実施の形態１の効果を説明するための図である。図において、２３は第１と第２のレーダで受信した受信スペクトル信号を、画像生成面に投影した結果のスペクトルを模擬したものである。２４と２６は、それぞれ第１と第２のレーダで受信した受信スペクトル信号をフーリエ変換して得られたレーダ画像を模擬したものである。ここで、観測シーン内には３つの点目標が存在していることを想定している。２５は２３のスペクトル信号に、２次元相互コヒーレント化処理を施した結果であり、２７は帯域内挿処理後のスペクトル、２８は帯域内挿処理後のスペクトルをフーリエ変換して得られた高分解能画像である。このように、本実施の形態１の処理によって、分解能を向上できる。

この発明は、レーダの受信信号を入力として処理することで説明したが、代わりに、それぞれのレーダで観測された目標の複素画像を２次元逆フーリエ変換して得られる空間スペクトルを入力として処理してもよく、同様な効果が得られることは明らかである。

なお、本実施の形態１においては、レーダを２つ用いた構成について説明したが、２つ以上の複数のレーダが存在する場合への拡張は自明である。また、レーダを１つ用いた構成とし、時間差を置いて２回以上観測を実施することで、１つのレーダを用いても目標を異なるアスペクト角度から観測することが可能なので、１つのレーダを用いて複数回の観測を実施するような構成としても良い。

この場合、レーダとして、目標に対して送受信アンテナを配置し、所定の周波数帯域で目標を所定の時間間隔をおいて少なくとも２回観測する単一のレーダを備えると共に、レーダが先に観測した受信信号を蓄積する記憶手段を備え、投影面補償手段１９により、レーダが２回目に観測した受信信号と先に観測し記憶手段に蓄積された受信信号のスペクトルの投影面を一致させる処理を行い、２次元相互コヒーレント化手段３により、レーダが２回目に観測した受信信号と先に観測し記憶手段に蓄積された受信信号のスペクトルの位相を一致させる処理を行い、２次元帯域拡張手段４により、２次元相互コヒーレント化手段３で位相を一致させた受信信号スペクトルを、レンジ方向またはクロスレンジ方向に内挿または外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成するようにし、圧縮手段５及びクロスレンジ圧縮手段６により、２次元帯域拡張手段４で生成された連続スペクトルのレンジとクロスレンジをそれぞれ圧縮するようにすればよい。

さらに、本実施の形態１において、各レーダで観測されたレーダ画像のスペクトルは互いに重複しないことを前提としていたが、画像生成面上に投影した結果のスペクトルが互いに重複する場合は、重複する領域の信号の相互相関関数のピーク位置から、位相の調整係数ΔθとΔφを推定することが可能である。この場合、相互コヒーレント化の処理を行う２次元相互コヒーレント化手段３は、重複する領域の信号の相互相関関数を算出し、ピーク位置を検出する構成に置き換えればよい。

また、本実施の形態１においては、固定されたレーダから移動目標を観測する、いわゆる逆合成開口レーダを対象として説明を行ってきたが、レーダが移動する、いわゆる合成開口レーダに適用してもよく、同様な効果を得ることができる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。図８において、図３に示す実施の形態１の構成と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、２０は、第１、第２のレーダで観測されるレーダ画像の投影面の違いを補償する処理を行う複数投影面補償手段であり、複数の焦点面に対して焦点を合わせた複数の補償結果を出力する。また、２１は、異なる焦点面が結像するように合成した複数の画像を比較して、結像していないと判定される部分を各画像から除去する処理を行う焦点面外信号除去手段である。さらに、２２は、結像していない部分をそれぞれ除去した画像を再度合成して、画像全域にわたって結像した合成画像を得る処理を行う画像再合成手段である。その他の構成は実施の形態１と同様である。

図９は、図８に示した複数投影面補償手段２０の詳細な機能構成を示すブロック図である。図９に示すように、複数投影面補償手段２０は、第１のレーダと第２のレーダで観測された画像を合成して得られる高分解能画像の投影面を設定する処理を行う画像生成面設定手段２０ａと、合成して得られる高分解能画像において、点像がぼけることなく結像する点を含む焦点面を設定する処理を行う複数焦点面設定手段２０ｂと、第１のレーダと第２のレーダで観測された受信スペクトル信号を投影する処理を行う複数スペクトル投影手段２０ｃとを有する。

次に、動作を説明する。複数投影面補償手段２０は、まず、画像生成面設定手段２０ａにおいて合成画像を生成する画像生成面を設定する。この動作は実施の形態１と全く同様である。次に、複数焦点面設定手段２０ｂは、高さの異なる複数の焦点面を設定する。各焦点面はｘ−ｙ平面に平行で、各焦点面のｚ座標をそれぞれｚｆ１、ｚｆ２、・・・とする。複数スペクトル投影手段２０ｃは、第１のレーダと第２のレーダで観測された受信スペクトル信号を投影する処理を行う手段である。投影処理は、実施の形態１と同様であるが、複数設定した焦点面のそれぞれについて結像するように次式に従って位相補償した結果を出力する。

２次元相互コヒーレント化手段３〜クロスレンジ圧縮手段６までの動作は実施の形態１と同様であるが、本実施の形態２においては、設定した複数の焦点面についてそれぞれ結像するように合成画像を複数枚生成する。焦点面外信号除去手段２１は、生成された複数の合成画像を比較し、同じ位置にある点像のうち、そのメインローブ幅が所定の閾値よりも太いとみなされる領域の信号を除去する。焦点面外信号除去手段２１によって、結像しない点の信号を除去した後、再び２次元相互コヒーレント化手段３において、２次元相互コヒーレント化処理を実施する。焦点面以外に存在する散乱点からの反射信号は、２次元相互コヒーレント化処理の精度低下を引き起こすため、このように、信号を除去した後に再度コヒーレント化処理を実施することで、精度を向上できる。

画像再合成手段２２は、前記焦点面外信号除去手段２１によって、結像しない点の信号を除去した後、再び２次元相互コヒーレント化処理、帯域拡張処理を実施して得られる複数の高分解能画像を再合成することで、全域にわたって焦点の合った画像を得る。再合成の方法としては、各画像から焦点の合っている領域を切り出して合成したり、全画像の電力平均をとるなどの方法がある。

以上のように、この実施の形態２によれば、複数の焦点面を設け、各焦点面に焦点を合わせた複数の合成画像を生成し、これら複数の合成画像の中からそれぞれ合焦した領域を抽出して合成するように構成したので、画像の全域に渡って焦点の合った画像を得ることが可能である。

この発明のレーダ装置の観測のジオメトリを示す説明図である。 この発明のレーダ装置の観測のジオメトリを示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。 図３に示した投影面補償手段１９の詳細な機能構成を示すブロック図である。 図３に示した投影面補償手段１９の動作を説明するための図である。 図３に示した投影面補償手段１９の動作を説明するための図である。 この発明の実施の形態１によるレーダ装置の効果を説明するための図である。 この発明の実施の形態２によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。 図８に示した複数投影面補償手段２０の詳細な機能構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ レーダの送受信アンテナ、２ａ，２ｂ 送受信機、３ ２次元相互コヒーレント化手段、４ ２次元帯域拡張手段、５ レンジ圧縮手段、６ クロスレンジ圧縮手段、７ 表示手段、１８ 目標、１９ 投影面補償手段、１９ａ 画像生成面設定手段、１９ｂ 焦点面設定手段、１９ｃ スペクトル投影手段、２０ 複数投影面補償手段、２１ 焦点面外信号除去手段、２２ 画像再合成手段、２０ａ 画像生成面設定手段、２０ｂ 複数焦点面設定手段、２０ｃ 複数スペクトル投影手段。

Claims (6)

1. 目標からみて異なる方位に配置されて目標を観測する複数のレーダと、
   前記レーダで得られる複数の受信信号スペクトルの投影面を一致させる処理を行う投影面補償手段と、
   前記レーダで得られ、前記投影面補償手段で投影面を一致させた複数の受信信号スペクトルの位相を一致させる処理を行う相互コヒーレント化手段と、
   前記相互コヒーレント化手段で位相を一致させた受信信号スペクトルを、レンジ方向またはクロスレンジ方向に内挿または外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成する帯域拡張手段と、
   前記帯域拡張手段で生成された連続スペクトルのレンジとクロスレンジをそれぞれ圧縮する圧縮手段と
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
2. 請求項１に記載のレーダ装置において、
   前記投影面補償手段は、
   前記レーダで得られた複数の画像を合成して得られる高分解能画像の投影面としての画像生成面を設定する処理を行う画像生成面設定手段と、
   合成して得られる高分解能画像において、点像が結像する面である焦点面を設定する焦点面設定手段と、
   前記レーダで得られる複数の受信信号スペクトルを、前記焦点面設定手段によって設定された面内に存在する散乱点については結像するようにして、前記画像生成面設定手段によって設定された画像生成面に投影する処理を行うスペクトル投影手段と
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
3. 請求項１または２に記載のレーダ装置において、
   前記相互コヒーレント化手段は、前記レーダで得られる複数の受信信号スペクトルの位相を、レンジとクロスレンジについて一致させてそれぞれの受信信号のスペクトルを生成する２次元相互コヒーレント化手段でなり、
   前記帯域拡張手段は、前記２次元相互コヒーレント化手段で位相を一致させたそれぞれの受信信号のスペクトルを、レンジ方向とクロスレンジ方向に内挿または外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成する２次元帯域拡張手段でなり、
   前記圧縮手段は、前記２次元帯域拡張手段で生成された連続スペクトルのレンジとクロスレンジをそれぞれ圧縮する
   ことを特徴とするレーダ装置。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載のレーダ装置において、
   前記複数のレーダの代わりに、目標に対して送受信アンテナを配置し、所定の周波数帯域で目標を所定の時間間隔をおいて少なくとも２回観測する単一のレーダを備えると共に、当該単一のレーダが先に観測した受信信号を蓄積する記憶手段を備え、
   前記投影面補償手段は、前記単一のレーダが２回目に観測した受信信号と先に観測し前記記憶手段に蓄積された受信信号のスペクトルの投影面を一致させる処理を行い、
   前記相互コヒーレント化手段は、前記単一のレーダが２回目に観測した受信信号と先に観測し記憶手段に蓄積された受信信号のスペクトルの位相を一致させる処理を行い、
   前記帯域拡張手段は、前記相互コヒーレント化手段で位相を一致させた受信信号スペクトルを、レンジ方向またはクロスレンジ方向に内挿または外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成し、
   前記圧縮手段は、前記帯域拡張手段で生成された連続スペクトルのレンジとクロスレンジをそれぞれ圧縮する
   ことを特徴とするレーダ装置。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のレーダ装置において、
   前記投影面補償手段は、複数の焦点面に対して焦点を合わせた複数の補償結果を出力する複数投影面補償手段でなり、
   前記複数投影面補償手段は、前記レーダで観測された複数の画像を合成して得られる高分解能画像の投影面としての画像生成面を設定する処理を行う画像生成面設定手段と、前記レーダで得られる受信信号スペクトルを、前記複数焦点面設定手段によって設定された各面内に存在する散乱点については結像するようにして、前記画像生成面設定手段によって設定された画像生成面にそれぞれ投影する処理を行う複数スペクトル投影手段とを有する
   ことを特徴とするレーダ装置。
6. 請求項５に記載のレーダ装置において、
   前記複数スペクトル投影手段で投影されたスペクトルから、帯域拡張処理及び圧縮処理を実施し、それぞれ高分解能画像を生成した後、生成された複数の高分解能画像を比較し、各画像で結像していない部分を検出して除去する焦点面外信号除去手段と、
   前記焦点面外信号除去手段によって除去した複数の高分解能画像を再度合成して、画像全域にわたって結像した合成画像を得る画像再合成手段と
   をさらに備えた
   ことを特徴とするレーダ装置。

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