JP5594946B2

JP5594946B2 - レーダ画像処理装置

Info

Publication number: JP5594946B2
Application number: JP2008212713A
Authority: JP
Inventors: 正芳土田; 俊夫若山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2028-08-21
Also published as: JP2010048651A

Description

この発明は、観測対象に対して異なる複数の方向から送信されて観測対象で反射されたレーダビームを合成開口レーダで受信し、得られた記録データに基づいてレーダ画像を再生するレーダ画像処理装置に関する。

従来の合成開口レーダ装置は、レーダビームの照射角度が異なる複数の合成開口レーダ画像を、その干渉性が最大となるようにリサンプルすることにより、画像間の位置合わせ（レジストレーション）を実行している（例えば、特許文献１参照）。

ここで、従来の合成開口レーダ装置では、再生後のレーダ画像に対してリサンプリングを実行しているが、リサンプリングの際に実行される補間処理において誤差を生じる恐れがある。そのため、リサンプリング後のデータに処理誤差が重畳し、レジストレーション精度が低下するという問題点があった。また、補間処理の処理負荷が高いという問題点もあった。

そこで、上記の問題点を解決するものとして、例えば以下のものが挙げられる。
従来のレーダ画像処理方法は、再生後のレーダ画像に対してリサンプリングを実行するのではなく、レーダ画像を再生する過程でリサンプリングを実行し、画像再生におけるパラメータを調整することにより、レーダビームの照射角度に伴うデータのサンプリング間隔の違いを補償し、レジストレーションを実行している（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００４−１９１０５３号公報Ａ．Ｍｏｒｅｉｒａ，Ｊ．Ｍｉｔｔｅｒｍａｙｅｒ，ａｎｄＲ．Ｓｃｈｅｉｂｅｒ，"ＥｘｔｅｎｄｅｄＣｈｉｒｐＳｃａｌｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＡｉｒ−ａｎｄＳｐａｃｅｂｏｒｎｅＳＡＲＤａｔａＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎＳｔｒｉｐｍａｐａｎｄＳｃａｎＳＡＲＩｍａｇｉｎｇＭｏｄｅｓ"，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅａｎｄＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇ，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．５，Ｓｅｐ１９９６，ｐｐ．１１２３−１１３６

しかしながら、従来技術には、次のような問題点があった。
従来のレーダ画像処理方法では、スクイント角が存在する場合に、リサンプリングを実行するためのレンジの伸縮変更機能を、スクイント角に対応したドップラー中心周波数のオフセット補償に転化している。ここで、ドップラー中心周波数のオフセット補償を実行した場合には、レンジの伸縮変更を実行することができず、画像再生過程においてリサンプリングを実行することができない。
そのため、例えば合成開口レーダの観測自由度を向上させるために、スクイント角を含む記録データを用いてレーダ画像を再生しようとした場合には、画像再生過程においてリサンプリングを実行することができず、レジストレーションを実行することができないという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、スクイント角を含む記録データに対しても、画像再生過程においてレンジ方向のリサンプリングを実行し、高精度なレーダ画像のレジストレーションを実現することができるレーダ画像処理装置を提供することにある。

この発明に係るレーダ画像処理装置は、観測対象に対して異なる複数の照射角度から送信され、観測対象で反射されたレーダビームを合成開口レーダで受信して得られた記録データに基づいて、合成開口レーダ画像を再生するレーダ画像処理装置であって、画像再生過程において、記録データに対して、レンジ方向のサンプリング間隔の伸縮変更を実行するとともに、観測時のスクイント角に対応するドップラー中心周波数のオフセット補正を実行する画像再生手段を備えたものである。

この発明のレーダ画像処理装置によれば、画像再生手段は、画像再生過程において、記録データに対して、レンジ方向のサンプリング間隔の伸縮変更を実行するとともに、観測時のスクイント角に対応するドップラー中心周波数のオフセット補正を実行する。
そのため、スクイント角を含む記録データに対しても、画像再生過程においてレンジ方向のリサンプリングを実行し、高精度なレーダ画像のレジストレーションを実現することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ画像処理装置を示すブロック構成図である。
図１において、このレーダ画像処理装置は、記録データ格納部１と、画像再生部２（画像再生手段）と、出力格納部３とを備えている。

記録データ格納部１は、観測対象に対して異なる複数の方向（照射角度）から送信されて観測対象で反射されたレーダビームを合成開口レーダで受信し、得られた記録データ（生データとも呼ばれる）を格納する。
画像再生部２は、記録データ格納部１と出力格納部３との間に設けられ、記録データ格納部１または出力格納部３とのデータのやりとり、または画像再生部２を構成する各部位（後述する）間のデータのやりとりを制御する。
出力格納部３は、画像再生部２からの出力を格納する。

画像再生部２は、１次動揺補償部２１、アジマススペクトル拡張部２２、チャープスケーリング部２３、バルクＲＣＭ補正・レンジ圧縮部２４、剰余位相補償部２５、アジマススペクトル収縮部２６、２次動揺補償部２７、近似位相誤差補償部２８、アジマス圧縮部２９、および参照レンジ調整部３０を備えている。

なお、この実施の形態１において、部位という言葉は、専用の電子回路または素子のことを意味しているが、これに限定されず、汎用的な中央演算装置（ＣＰＵ：ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）を搭載したコンピュータに構成され、所定の処理を実行するコンピュータプログラムモジュールのことを意味してもよい。

続いて、画像再生部２の各部位の機能について説明する。
１次動揺補償部２１は、記録データの参照レンジに対する動揺補償を実行する。ここで、参照レンジとは、観測中心のレンジのことをいう。
アジマススペクトル拡張部２２は、１次動揺補償部２１からの出力に対して、全レンジにおけるドップラー周波数に折り返しが生じないように、アジマススペクトル帯域を拡張する。

チャープスケーリング部２３は、アジマススペクトル拡張部２２からの出力に対して、画像再生過程において、レンジ方向のサンプリング間隔の伸縮変更を実行するとともに、観測時のスクイント角に対応するドップラー中心周波数のオフセット補正を実行する。
バルクＲＣＭ（ＲａｎｇｅＣｅｌｌＭｉｇｒａｔｉｏｎ）補正・レンジ圧縮部２４は、チャープスケーリング部２３からの出力に対して、レンジマイグレーション補正およびレンジ圧縮を実行する。

剰余位相補償部２５は、バルクＲＣＭ補正・レンジ圧縮部２４からの出力に対して、剰余位相補償を実行し、チャープスケーリング部２３での処理によって発生した剰余位相を取り除く。
アジマススペクトル収縮部２６は、剰余位相補償部２５からの出力に対して、複数のレーダ画像間でアジマス方向のサンプリング間隔が等しくなるように、アジマススペクトル帯域を収縮させる。

２次動揺補償部２７は、アジマススペクトル収縮部２６の出力に対して、参照レンジ以外のレンジに対する動揺補償を実行する。
近似位相誤差補償部２８は、２次動揺補償部２７からの出力に対して、近似位相誤差補償を実行し、チャープスケーリング部２３での処理おける近似によって発生した誤差を補償する。

アジマス圧縮部２９は、近似位相誤差補償部２８からの出力に対して、アジマス圧縮を実行する。
参照レンジ調整部３０は、アジマス圧縮部２９からの出力に対して、スクイント角の違いに伴う参照レンジの結像位置の差異を調整する。

次に、図２のフローチャートを参照しながら、上記構成のレーダ画像処理装置の動作について説明する。
まず、画像再生部２は、記録データ格納部１に格納された記録データを読み込む（ステップＳ１）。ここで、この記録データには、レーダのアンテナで受信されたデータに加えて、観測時のレーダの姿勢や航跡情報が含まれている。

続いて、１次動揺補償部２１は、記録データの参照レンジ（観測中心のレンジ）に対して、動揺補償を実行する（ステップＳ２）。この結果、記録データは、参照レンジに対して直線状の航跡で得られたデータとなる。このとき、参照レンジ以外のレンジについては、レンジの差異に応じたずれが残っているが、このずれは、後段の２次動揺補償部２７によって補償される。

次に、アジマススペクトル拡張部２２は、１次動揺補償部２１からの出力に対して、アジマス方向にフーリエ変換を実行する（ステップＳ３）。
また、アジマススペクトル拡張部２２は、全てのレンジにおいてアジマス方向スペクトルの折り返しが発生しないように、アジマス方向スペクトルの帯域を拡張する（ステップＳ４）。このレンジドップラー領域における信号は、非特許文献１にも示されているように、次式（１）で表される。

式（１）において、τはレンジ方向時間、ｖはレーダと地表面上の観測対象との相対速度、ｒ_０はレーダが観測対象に最近接するときのレンジ、λはレーダビームの波長、ｃは光速度、Ｃは複素定数、ｗ_ａは送受信のアジマスアンテナパターン、ｗ_ｒは送信されるレンジ方向パルスの抱絡線、ｆ_ａはドップラー周波数を示している。
また、Ｒ（ｆ_ａ；ｒ_０）はレンジドップラー領域におけるドップラー周波数ｆ_ａでのレンジマイグレーション、ｋ（ｆ_ａ；ｒ_０）はレンジ方向チャープの変更後のレート（ｍｏｄｉｆｉｅｄｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｒａｔｅ）を示している。
ここで、β（ｆ_ａ）はレンジマイグレーションを表す因数であり、次式（２）に表す関係式が成立する。

続いて、チャープスケーリング部２３は、次式（３）で表されるスケーリング関数Ｈ_１を生成し、アジマススペクトル拡張部２２からの出力に対して乗算する（ステップＳ５）。

式（３）において、ｒ_ｒｅｆは参照レンジ、ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}は参照アジマス周波数を示している。ここで、参照アジマス周波数ｆ_{ａ＿ｒｅｆ}は、スクイント角に対応したドップラー中心周波数のオフセット相当に設定される。また、αはレンジの伸縮を変更するためのパラメータである。

なお、式（３）のスケーリング関数Ｈ_１は、サンプリング間隔の伸縮変更を実行するレンジスケーリング関数に、ドップラー中心周波数のオフセットを補正するためのパラメータを組み込むことによって生成される。
すなわち、スケーリング関数Ｈ_１は、上述した非特許文献１で与えられたレンジスケーリング関数において、変数ａ（ｆ_ａ）を次式（４）のように置き換え、変数ａ_ｓｃｌ（ｆ_ａ）を次式（５）のように置き換えることによって得られる。

式（３）において、ドップラー中心周波数のオフセットがない場合、すなわちｆ_{ａ＿ｒｅｆ}＝０の場合に、式（４）および式（５）は、非特許文献１中の変数設定と等価になる。この式（３）を用いることにより、画像再生過程において、レンジ方向のサンプリング間隔の伸縮変更を実行するとともに、観測時のスクイント角に対応するドップラー中心周波数のオフセット補正を同時に実行することができる。

ここで、式（３）に示されたパラメータαの設定について、図３を参照して説明する。
図３は、レーダ観測の幾何と再生結果の歪みとの関係を示す説明図である。
図３において、レーダＡ５１は、スクイント角θ_Ａで、レーダＢ５２は、スクイント角θ_Ｂで、それぞれ地表面を観測している。また、スクイント角は、レーダに設けられた角度センサによって得ることができる。なお、ここでは、説明を簡潔にするために、スクイント角θ_Ｂ＝０°として説明する。
地表面上の散乱点５３は、レーダＢ５２の画像中で、アジマス位置ｘに間隔Δｙで結像している。一方、散乱点５３は、レーダＡ５１の画像中で、アジマス位置ｘに間隔Δｙｃｏｓθ_Ａで結像している。
このように、地表面上の同一の散乱点５３であっても、スクイント角の違いに応じて、レンジ方向の間隔が互いに異なる。そこで、パラメータαを、各レーダ観測のスクイント角θを用いて、次式（６）に示されるように設定する。パラメータαを式（６）のように設定することにより、レンジ方向の間隔をスクイント角によらず統一することができる。

図２に戻って、次に、バルクＲＣＭ補正・レンジ圧縮部２４は、チャープスケーリング部２３からの出力に対して、レンジ方向にフーリエ変換を実行する（ステップＳ６）。
また、バルクＲＣＭ補正・レンジ圧縮部２４は、次式（７）で表される参照関数Ｈ_２を乗算し、レンジ方向のチャープとバルクＲＣＭとの除去を実行する（ステップＳ７）。

式（７）において、ｆ_ｒはレンジ周波数を示している。また、式（７）の参照関数Ｈ_２には、上記式（３）のスケーリング関数Ｈ_１において示された、非特許文献１のレンジスケーリング関数からの変更に対応した変更が含まれている。

続いて、バルクＲＣＭ補正・レンジ圧縮部２４は、レンジ方向逆フーリエ変換を実行する（ステップＳ８）。
このレンジ方向逆フーリエ変換により、バルクＲＣＭの補正およびレンジ圧縮が完了する。

次に、剰余位相補償部２５は、バルクＲＣＭ補正・レンジ圧縮部２４からの出力に対して、次式（８）で表される参照関数Ｈ_３を乗算し、チャープスケーリング操作によって発生した剰余位相を補償する（ステップＳ９）。

続いて、アジマススペクトル収縮部２６は、剰余位相補償部２５からの出力に対して、上記ステップＳ４で拡張したアジマススペクトル帯域を収縮させる（ステップＳ１０）。
ここでは、元のアジマススペクトル帯域幅まで収縮させるのではなく、画像再生対象とする複数の記録データの再生結果におけるアジマスピクセル間隔が等価になるように、複数の記録データ間で統一したアジマススペクトル帯域幅まで収縮させる。
この統一したアジマススペクトル帯域幅は、対象とする記録データ間におけるアジマススペクトル帯域幅の最大値以上であれば、任意に設定してよい。

次に、２次動揺補償部２７は、アジマススペクトル収縮部２６の出力に対して、２次動揺補償処理を実行する（ステップＳ１１）。
２次動揺補償処理では、まず、アジマススペクトル収縮部２６の出力に対してアジマス方向逆フーリエ変換を実行する。続いて、上記ステップＳ２で補償できなかった参照レンジ以外の各レンジに対する動揺補償を実行する。次に、再度アジマス方向逆フーリエ変換を実行する。

続いて、近似位相誤差補償部２８は、２次動揺補償部２７からの出力に対して、次式（９）で表される補償関数Ｅを乗算し、上記ステップＳ５におけるスケーリング関数Ｈ_１の近似によって発生した近似位相誤差を補償する（ステップＳ１２）。

式（９）において、Ｆ_ｒはレンジ方向の窓関数に応じて変化するパラメータであり、窓関数がない場合は、１／３で与えられる。また、Ｂ_ｒはレンジ方向周波数帯域幅を示している。

なお、この近似位相誤差は、例えば「Ｊ．Ｍｉｔｔｅｒｍａｙｅｒ，Ａ．ＭｏｒｅｉｒａａｎｄＲ．Ｓｈｅｉｂｅｒ，“Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｐｈａｓｅｅｒｒｏｒｓａｒｉｓｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｃｈｉｒｐｓｃａｌｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ”，ＩＧＡＲＳＳ’９８，ｖｏｌ．２，１９９８ｐｐ．１１８０−１１８２」に示されるように、本来レンジ毎に更新されるべき２次レンジ圧縮項を、参照レンジｒ_ｒｅｆの値で近似することにより発生する。

次に、アジマス圧縮部２９は、近似位相誤差補償部２８からの出力に対して、次式（１０）で表される参照関数Ｈ_４を乗算し、アジマス方向の周波数変調を除去する（ステップＳ１３）。

式（１０）において、ｒ_{ｏ、ｓｃｌ}は伸縮された後のレンジを表す変数であり、次式（１１）で表される。

続いて、アジマス圧縮部２９は、アジマス方向逆フーリエ変換を実行する（ステップＳ１４）。
このアジマス方向逆フーリエ変換により、アジマス圧縮が完了する。

次に、参照レンジ調整部３０は、アジマス圧縮部２９からの出力に対して、レンジ周波数領域において、次式（１２）で表されるシフト関数Ｈ_{ｓｈｉｆｔ}を乗算し、スクイント角に応じた参照レンジの位置のずれを補償する（ステップＳ１５）。

続いて、画像再生部２は、参照レンジ調整部３０からの出力を出力格納部３に出力し（ステップＳ１６）、図２に処理を終了する。
なお、この実施の形態１では、レーダ観測時の軌道および姿勢情報に基づいて各パラメータを設定したが、これに限定されるものではない。例えば、ドップラー周波数推定や画像間の干渉性に基づいて推定した画像間のずれ量をもとにして、各パラメータを設定してもよい。

この発明の実施の形態１に係るレーダ画像処理装置によれば、画像再生手段は、画像再生過程において、記録データに対して、レンジ方向のサンプリング間隔の伸縮変更を実行するとともに、観測時のスクイント角に対応するドップラー中心周波数のオフセット補正を実行する。
すなわち、画像再生手段は、レンジ方向のサンプリング間隔の伸縮変更を実行するレンジスケーリング関数に、観測時のスクイント角に対応するドップラー中心周波数のオフセットを補正するためのパラメータを組み込むことで、画像再生過程において、記録データに対して、サンプリング間隔の伸縮変更を実行するとともに、ドップラー中心周波数のオフセット補正を実行する。
そのため、スクイント角を含む記録データに対しても、画像再生過程においてレンジ方向のリサンプリングを実行し、レンジ方向のサンプリング間隔を揃えて、高精度なレーダ画像のレジストレーションを実現することができる。

また、アジマススペクトル収縮部が、複数の記録データ間で統一するようにアジマススペクトルの帯域幅を収縮させるので、画像間のアジマスサンプリング間隔を揃えることができ、さらに高精度なレーダ画像のレジストレーションを実現することができる。
また、画像再生手段は、画像再生処理に用いられるパラメータのみを変更することによって再生画像のリサンプリングを実行しているので、従来技術と比較して、追加的な処理を必要とせず、高速に処理を実行することができる。

また、画像再生手段は、複素乗算およびフーリエ変換のみで画像再処理を実行しているので、計算機効率が高く、高速化のための最適化を容易に行うことができる。
また、バルクＲＣＭ補正・レンジ圧縮部が、レンジマイグレーション補正を実行することにより、誤差の大きな補間処理を実行する必要がなくなるので、画像再生処理を高精度に実行することができる。
また、近似位相誤差補償部が、チャープスケーリング部での処理おける近似によって発生した誤差を補償するので、画像再生処理を高精度に実行することができる。

この発明の実施の形態１に係るレーダ画像処理装置を示すブロック構成図である。この発明の実施の形態１に係るレーダ画像処理装置の動作を示すフローチャートである。レーダ観測の幾何と再生結果の歪みとの関係を示す説明図である。

符号の説明

１記録データ格納部、２画像再生部（画像再生手段）、３出力格納部、２１１次動揺補償部、２２アジマススペクトル拡張部、２３チャープスケーリング部、２４バルクＲＣＭ補正・レンジ圧縮部、２５剰余位相補償部、２６アジマススペクトル収縮部、２７２次動揺補償部、２８近似位相誤差補償部、２９アジマス圧縮部、３０参照レンジ調整部。

Claims

観測対象に対して異なる複数の照射角度から送信され、前記観測対象で反射されたレーダビームを合成開口レーダで受信して得られた記録データに基づいて、合成開口レーダ画像を再生するレーダ画像処理装置であって、
画像再生過程において、前記記録データに対して、レンジ方向のサンプリング間隔の伸縮変更を実行するとともに、観測時のスクイント角に対応するドップラー中心周波数のオフセット補正を実行する画像再生手段を備えたことを特徴とするレーダ画像処理装置。
前記画像再生手段は、前記サンプリング間隔の伸縮変更を実行するレンジスケーリング関数に、前記ドップラー中心周波数のオフセットを補正するためのパラメータを組み込むことで、画像再生過程において、前記記録データに対して、前記サンプリング間隔の伸縮変更を実行するとともに、前記ドップラー中心周波数のオフセット補正を実行することを特徴とする請求項１に記載のレーダ画像処理装置。