JP5787805B2 - 不均一なパルスタイミングを用いた高解像度ｓａｒ撮像 - Google Patents

Description

この発明は、包括的には合成開口レーダー(ＳＡＲ)に関し、より詳細には、レーダーパルスが不均一にタイミング付けされる方法及びシステムに関する。

合成開口レーダー(ＳＡＲ)は、リモートセンシング用途において大きな関心が寄せられている高解像度レーダー撮像技術である。ＳＡＲは、人工衛星、航空機、車両、船等のレーダープラットフォームの動きを利用して、高解像度で大きなエリアを撮像することができる非常に大きな開口を有する仮想アレイを合成する。

従来のＳＡＲは、均一のレートでパルス信号を送信する。送信パルスは通常、周波数が増加又は減少する、線形周波数変調(ＦＭ)チャープ(それぞれアップチャープ又はダウンチャープ)である。対象領域から反射された対応する受信エコーは、処理され、二次元複素値画像が再構築される(すなわち、所望の情報が、画像の振幅及び位相の双方において伝達される)。プラットフォームの動きに対して垂直な軸(レンジ)上の画像の解像度は、送信パルスの帯域幅によって決まる一方、動きの軸(アジマス)に沿った解像度は、パルスレート又はパルス繰返し周波数(ＰＲＦ)に依拠する。

従来のＳＡＲは、撮像されるアジマスの解像度と撮像されるレンジの長さとの間の基本的なトレードオフを示す。これは、パルス送信をエコー受信から分離する必要性に起因する。ほとんどの従来のＳＡＲシステムは、パルスの送信と受信エコーの受信に同じアンテナを用いる。このため、パルスが送信されている間、レーダーは別のパルスの反射エコーを受信することができない。アンテナが別々である場合であっても、それらが近接していることによって、送信アンテナのパルス送信中に受信アンテナにおける大きな干渉が生じる。このため、受信信号は、反射エコーからの情報を含むとしても、最小限の情報しか含まない。

ＰＲＦが非常に高い場合、送信パルスは受信エコーの受信と干渉し、欠落データが生じる。換言すれば、２つの送信パルス間の時間間隔は、次のパルスが送信される前に反射エコーを完全に取得することができるように十分長くなければならない。

合成開口レーダー(ＳＡＲ)は、リモートセンシング用途において大きな影響を有する基本的な技術である。ＳＡＲはレーダープラットフォームの動きに依存して大きな開口を合成し、大きなエリアの高解像度の撮像を達成する。しかしながら、均一のパルス出力に依存する従来のＳＡＲシステムは、アジマス解像度とレンジカバレッジ長との間の基本的なトレードオフの難点がある。

この発明に係る開口レーダー(ＳＡＲ)システムは、不均一な送信パルスを発生するパルス発生器と、前記送信パルスの反射エコーを受信するエコー受信機と、前記エコー受信機で受信された反射エコーのサンプルから、前記送信パルスの撮像対象エリアの散乱係数が前記受信された反射エコーに対して忠実である度合いを示す忠実度判断基準とＳＡＲ画像の信号モデルに基づきＳＡＲ画像の再構築を行う再構築手段と、を備え、前記送信パルス及び前記反射エコーは時間において重なり合い、前記重なり合ったパルスからの欠落データが時間において異なる相対ロケーションにある、ことを特徴とする。

この発明に係る開口レーダー(ＳＡＲ)システムは、従来のＳＡＲ取得の基本的なアジマス解像度制限を克服し、従来よりも高解像度の撮像を達成する。

従来技術の均一なパルス及び反射エコーのタイミング図である。 ＰＲＦが高く、受信エコーが互いに、かつ送信パルスと干渉するときの、従来技術の均一なパルス及び反射エコーのタイミング図である。 ＰＲＦが高く、受信エコーが互いに、かつ送信パルスと干渉するときの、従来技術の均一なパルス及び反射エコーのタイミング図である。 この発明の実施の形態によるランダムパルスのタイミング図である。 グランドトルースＳＡＲ画像と、従来技術のＳＡＲ画像と、この発明の実施の形態によるＳＡＲ画像とを比較する図である。 グランドトルースＳＡＲ画像と、従来技術のＳＡＲ画像と、この発明の実施の形態によるＳＡＲ画像とを比較する図である。 グランドトルースＳＡＲ画像と、従来技術のＳＡＲ画像と、この発明の実施の形態によるＳＡＲ画像とを比較する図である。 この発明の実施の形態によるＳＡＲシステム及び方法のブロック図である。 高パルス繰返し周波数(ＰＲＦ)の場合の従来技術の均一に離間されたパルスタイミングの地上カバレッジ(ground coverage)の概略図である。 高平均ＰＲＦの場合の不均一に離間されたパルスタイミングの地上カバレッジの概略図である。

２つの重なり合うパルスの干渉を回避するために、この発明の実施の形態は非コヒーレントなパルス出力を用いることができる。特に、近接するパルスが直交するか又は非常に非コヒーレントであること、例えばアップチャープの後にダウンチャープが続くことが保証される。このとき、反復的な再構築方法によって、画像を再構築しながら、重なり合った応答を切り離すことができる。非コヒーレントなパルス出力を用いることは、解像度を改善するが、この発明の実施の形態に必須ではない。

この発明によるＳＡＲパルス出力方式によって、レンジ長とアジマス解像度との間のトレードオフが大きく改善され、従来のパルス出力の基本的な制限が克服される。この発明の実施の形態は、以下の新規な特徴を組み合わせる。
１)パルスタイミングは、高いアジマス解像度を達成し、パルス送信に起因する欠落データを全ての利用可能なレンジに均等に分散させるために、比較的高い平均ＰＲＦ及びパルス間の小さな最小間隔を有するランダム化されたパルスタイミングである。
２)パルスは、互いに直交するか又は非コヒーレントであり、重なり合った受信パルスの分離の改善を可能にすることができる。
３)反復再構築手順が欠落データ及び重なり合ったパルスに対処し、画像モデルを組み込む。

この発明の一部分は、圧縮センシング(ＣＳ)における近年の成果によって動機付けられている。ＣＳは基本的に信号取得を再検討し(revisit)、サンプリング、及びナイキストレートよりも大幅に少ない数のサンプルを用いた保証された信号再構築を可能にする。信号処理において、ナイキストレートは、帯域制限された信号の帯域幅の２倍、又はエイリアシングを回避するのに必要な最小サンプリングレートである。このサンプリングレート低減は、ランダム化されたサンプリング、改善した信号モデル及び計算再構築手順によって達成される。

ランダム化によって、線形サンプルが非コヒーレントであり、パルスを完全に取得することが保証される。このため、サンプルは、モデルを用いた非線形再構築プロセスによって反転し、取得されたパルスを回復し、ＳＡＲ画像を再構築することができる。

図１Ａは、従来技術において用いられるタイミングを用いた均一なパルス１０１及び反射エコー１０２を示している。送信パルスのタイミングは、反射エコー全体が送信パルス間に含まれるようになっている。

図１Ｂは、従来技術において用いられるような均一なタイミングを用い、かつ高ＰＲＦ(すなわち送信パルス間の小さなタイミング間隔)を用いた均一なパルス１０１及び反射エコー１０２を示している。図は、受信エコーが互いに、かつ送信パルスと重なり合い、それによって干渉１１０及び欠落データ１２０が生じることを具体的に示している。従来技術のアルゴリズムはそのような問題に対処することができない。

図２Ａは、従来技術において用いられるような均一なパルス２０１及び反射エコー２０２を示しているが、非コヒーレントなパルス(例えばアップチャープ及びダウンチャープ)が送信において交互になっている。間隔の短いパルス出力の場合、２つ以上の反射が重なり合う場合があり、反射をより良好に分離することを可能にするには、３つ以上の異なるパルスが必要である。パルスが分離している場合であっても、送信パルスからの干渉によって、応答において欠落データ２１０が生じる。パルスタイミングが規則的である場合、欠落データ２１０は常に反射パルスの同じレンジロケーションに位置する。

通常、反復方法が欠落データに対処することができる。しかしながら、最良の手法であっても、同じレンジロケーションが常に欠落している場合に依然として問題を有する。結果の画像は回復不可能な領域５５０を有し、すなわち、中心ストリップがそのレンジロケーション間隔で欠落している。

図２Ｂに示すように、この発明の実施の形態において、パルス２０３のタイミングを不均一にすることによってこの問題を回避する。これは、例えば、１つの実施の形態ではパルスタイミングをランダム化又は疑似ランダム化することによって、又は別の実施の形態では周期的な不均一なシーケンスを用いることによって達成することができる。次に、不均一にタイミング付けされた反射２０４によって、反射パルスからの欠落データが時間において異なるロケーションにあることが保証される。応答がアジマスにおいて大きく重なり合うので、これは、欠落データがＳＡＲ画像において均等に分散され、対象エリアのカバレッジが実質的に均一になることも保証する。このカバレッジの例が図５Ｂに示されている。

画像再構築
ＳＡＲ取得プロセス全体を、線形演算

として記載することができ、ここで、ｙは受信エコーを表し、ｘは撮像されたエリアの散乱係数であり、Φはレーダーパラメーターに依拠するＳＡＲ取得関数をモデル化し、ｎは雑音である。

画像再構築プロセスは、反射ｙ及び取得関数Φを所与として逆問題を解くことによって対象の信号ｘを求める。取得関数Φが可逆である場合、ｘを求めるのにΦの逆関数又は疑似逆関数を用いることが明白な選択である。

従来のＳＡＲでは、これは、レンジドップラーアルゴリズム(ＲＤＡ)、又はチャープスケーリングアルゴリズム(ＣＳＡ)等の十分に確立されたアルゴリズムのうちの１つを用いて達成される。

この発明による再構築は、欠落データに起因して、より複雑であり、場合によっては劣決定である。このため、逆関数

を検討する。ここで、第１項はデータ忠実度を制御し、第２項のｇ(ｘ)はＳＡＲ画像の信号モデルを組み込む正則化項(regularizer)である。ラグランジュパラメーターλは２つの項間のトレードオフを制御する。

この発明の場合、圧縮センシング手法と同様に、

を用いる。ここで、Ｂ(・)は、ウェーブレット基底等の或る基底変換である。

この問題を解くために、固定点連続(ＦＰＣ)アルゴリズムに類似した軟閾値処理を用いた反復勾配降下法を用いる。反復勾配降下法は、取得演算Φ及びその随伴関数Φ^Ｈを用い、ＣＳＡを用いて効率的に求めることができる。

図３は画像再構築を比較している。図３Ａはグランドトルースの場合である。図３Ｂは完全に均一なパルスを用いた従来のＣＳＡ撮像の場合である。明らかに、図３Ｃの画像は図３Ａのグランドトルースの画像にはるかにより類似している。この発明によるランダムチャープタイミング方式によってアジマス解像度が向上することが観察される。

図４はこの発明の実施の形態によるＳＡＲシステム及び方法４００を示している。システムは、移動している(４５１)プラットフォーム４５０上に配置された、ランダムパルス発生器４１０と、エコー受信機４２０と、コントローラー４３０とを備える。コントロ−ラーは、パルスのパルス繰返し周波数(ＰＲＦ)を求め、送信パルス及び受信エコーのタイミングを調整する。

不均一にタイミング付けされたパルス４０１がＳＡＲアンテナ４４０によって送信され、ターゲット４０３によって反射され、後にパルス受信機によって取得される。

固定点連続(ＦＰＣ)及びチャープスケーリングアルゴリズム(ＣＳＡ)を用いた圧縮センシング４６０を反射パルスに適用し、スパースなサンプル４６１を取得する。スパースなサンプルからＳＡＲ画像４０４が再構築される(４７０)。

Claims (4)

1. 不均一な送信パルスを発生するパルス発生器と、
   前記送信パルスの反射エコーを受信するエコー受信機と、
   前記エコー受信機で受信された反射エコーのサンプルから、前記送信パルスの撮像対象エリアの散乱係数が前記受信された反射エコーに対して忠実である度合いを示す忠実度判断基準とＳＡＲ画像の信号モデルに基づきＳＡＲ画像の再構築を行う再構築手段と、
   を備え、
   前記送信パルス及び前記反射エコーは時間において重なり合い、
   前記重なり合ったパルスからの欠落データが時間において異なる相対ロケーションにある、
   ことを特徴とする開口レーダー(ＳＡＲ)システム。
2. 前記再構築手段は前記忠実度判断基準と前記信号モデルとの間のトレードオフを制御するパラメータを用いることを特徴とする請求項１に記載の開口レーダー(ＳＡＲ)シ
   ステム。
3. 前記再構築手段は、閾値処理を用いた反復勾配降下法を用いることを特徴とする請求項
   １に記載の開口レーダー(ＳＡＲ)システム。
4. 不均一な送信パルスを発生するパルス発生器と、
   前記送信パルスの反射エコーを受信するエコー受信機と、
   前記エコー受信機で受信された反射エコーのサンプルからＳＡＲ画像の再構築を行う再
   構築手段と、
   を備え、
   前記送信パルス及び前記反射エコーは時間において重なり合い、
   前記重なり合ったパルスからの欠落データが時間において異なる相対ロケーションにあり、
   前記送信パルスのタイミングがランダム又は疑似ランダムである、
   ことを特徴とする開口レーダー(ＳＡＲ)システム。

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