JP5888153B2 - 画像レーダ装置および信号処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、画像レーダ装置および信号処理装置に関するものである。

合成開口レーダ装置、いわゆるＳＡＲ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）は、衛星または航空機等に搭載されたアンテナから送信信号を電波として地上へ照射し、地上からの反射信号から画像（以下、ＳＡＲ画像という）を再生する画像レーダ装置である。

ＳＡＲの距離分解能は送信信号の周波数帯域の逆数に比例することから、距離分解能を向上するために送信信号の周波数帯域を広げると、受信機の周波数帯域も広げることになり、広帯域増幅器、高速Ａ／Ｄ変換機等が求められる。

そこで、送信信号の周波数帯域を広げずに距離分解能を向上させるため、例えば特許文献１では異なる周波数帯域で観測されたＳＡＲ画像の位相を補正して合成することにより距離分解能を向上させる方法が提案されている。

特開２００７−２２５４４２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来の画像レーダ装置においては、後述するように、複数の信号（指数関数）の和で表した信号モデルを推定し、この信号モデルにて位相補正量を推定するとき、信号数の推定に失敗し、正しい位相補正量が推定されないことで、合成後のＳＡＲ画像に偽像が発生し、画質が劣化する場合がある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、互いに異なる周波数帯域で観測された複数のＳＡＲ画像を合成する場合に、信号数と信号モデルの推定によらずに位相補正量を算出し、合成後のＳＡＲ画像の偽像を抑圧して、ＳＡＲ画像としての画質改善を行うことを目的としている。

この発明に係る画像レーダ装置は、互いに異なる複数の周波数帯域の波動を複数のセンサでそれぞれ受信した複数の受信信号に基づいて画像を再生する画像レーダ装置であって、前記複数の受信信号に基づいてそれぞれ再生された複数の画像の位相をφ変化させて合成し、この合成した画像の１−ノルムが最小となる前記φを位相補正量とする位相補正量算出手段と、前記位相補正量算出手段で算出された位相補正量を用いて、前記複数の受信信号に基づいてそれぞれ再生された複数の画像の位相を補正する位相補正手段と、前記位相補正手段で位相が補正された複数の画像を合成する画像合成手段と、を備えたものである。

この発明は、画像レーダ装置において、合成後の画像の偽像を抑圧し、画質改善を行うことができる。

この発明の実施の形態１による画像レーダ装置を示す構成図 この発明の実施の形態１による画像レーダ装置を示す構成図 この発明の実施の形態１による画像レーダ装置を示す構成図 この発明の実施の形態１による画像レーダ装置を説明するための説明図 この発明の実施の形態２による画像レーダ装置を示す構成図

実施の形態１．
図１〜図３は、この発明の実施の形態１による画像レーダ装置を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図１において、１ａは送受信機、１ｂは送受信機、２ａはアンテナ、２ｂはアンテナ、３ａＳＡＲ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）画像再生手段、３ｂはＳＡＲ画像再生手段、４は位置あわせ手段、５は位相補正量算出手段としてのレンジ方向位相補正量算出手段、６は位相補正手段としてのレンジ方向位相補正手段、７は画像合成手段、８は表示手段である。

図１において、ここでは、２つの互いに異なる周波数帯域ｆａ、ｆｂを想定し、周波数帯域ｆａで観測されたＳＡＲ画像の情報を第１の画像と呼び、周波数帯域ｆｂで観測されたＳＡＲ画像の情報を第２の画像と呼ぶ。なお、互いに異なる周波数帯域は２つに限られるものではなく、３つ以上の場合にも、アンテナやＳＡＲ画像再生手段を３つ以上設けることを初めとして構成を拡張可能である。

図２は、位置あわせ手段４を詳細に示す構成図である。図２において、４００ａは絶対値算出手段、４００ｂは絶対値算出手段、４０１ａは２次元フーリエ変換手段、４０１ｂは２次元フーリエ変換手段、４０２は乗算手段、４０３は２次元逆フーリエ変換手段、４０４は最大値検出手段、４０５はレンジ・アジマス補正量算出手段、４０６はレンジ・アジマス補正手段である。

図３は、レンジ方向位相補正量算出手段５を詳細に示す構成図である。図３（ａ）、（ｂ）において、５００は周波数補正手段であり、図３（ａ）において、５０１は１−ノルム最小化手段であり、図３（ｂ）において、５０１ａはｐ−ノルム最大化手段である。

なお、この発明の実施の形態１による画像レーダ装置は、例えば地上面に沿って移動している衛星または航空機といったプラットホーム（図示せず）に搭載されている。または、アンテナ２ａ、２ｂおよび送受信機１ａ、１ｂがプラットホームに搭載され、ＳＡＲ画像再生手段３ａ、３ｂ〜表示手段８で構成される信号処理装置が地上に配置されるように構成しても良く、また、ＳＡＲ画像再生手段３ａ、３ｂを初めとして、信号処理装置の一部がプラットホームに搭載されても良い。このとき、信号処理装置で処理される画像の情報は、プラットホームと地上間の通信手段で通知されるようにすれば良い。

次に動作について説明する。図１において、送受信機１ａ、１ｂは、異なる周波数帯域ｆａ、ｆｂの信号をアンテナ２ａ、２ｂにそれぞれ出力する。アンテナ２ａ、２ｂは、入力された信号をそれぞれ電波として送信し、この送信された信号は、目標、例えば地上面で反射され、アンテナ２ａ、２ｂで周波数帯域ｆａ、ｆｂの反射信号としてそれぞれ受信される。

なお、この発明の実施の形態１では、送受信でアンテナ２ａ、２ｂを兼用するモノスタティックレーダとして説明しているが、もちろん送受信で別のアンテナを用意したマルチスタティックレーダとして構成するようにしても良い。また、送受信される波動は電波に限られるものではなく、光波や音波といった波動に拡張可能であり、このとき、アンテナに代え、その波動に対応したセンサを用いるようにすれば良い。

図１において、アンテナ２ａ、２ｂで受信された周波数帯域ｆａ、ｆｂの反射信号は、送受信機１ａ、１ｂにそれぞれ出力され、送受信機１ａ、１ｂは、入力された信号に、信号増幅、検波、フィルタ等の処理を行い、ＳＡＲ画像再生手段３ａ、３ｂにそれぞれ出力する。

ＳＡＲ画像再生手段３ａ、３ｂは、入力された周波数帯域ｆａ、ｆｂの受信信号から第１の画像、第２の画像をそれぞれ再生する。このとき、ＳＡＲ画像の再生アルゴリズムとして、例えば、「Ｉａｎ Ｇ． Ｃｕｍｍｉｎｇ，他， ”ｄｉｇｉｔａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｒａｄａｒ ｄａｔａ，” １４６〜１５７ページ，Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ， ２００５．」に開示されている「レンジドップラーアルゴリズム」、「チャープスケーリングアルゴリズム」、または、「Ｏｍｅｇａ−Ｋアルゴリズム」を用いる。

ここで、同じ領域を観測したＳＡＲ画像であっても、撮像時刻や軌道のずれ等により第１の画像と第２の画像ではレンジ方向およびアジマス方向に位置ずれが生じる場合がある。そこで、第１の画像と第２の画像の位置を合わせるため、ＳＡＲ画像再生手段３ａ、３ｂでそれぞれ再生された第１の画像、第２の画像は位置あわせ手段４へ出力される。もちろん、第１の画像、第２の画像間で位置ずれが生じない場合には、位置あわせ手段４は省略するようにしても良い。

図２において、位置あわせ手段４は、第１の画像と第２の画像の相関をとり、相互相関値が最大となる位置からレンジ方向の位置ずれおよびアジマス方向の位置ずれを推定する処理を行っている。以下、位置あわせ手段４における詳しい処理を説明する。

絶対値算出手段４００ａ、４００ｂは、第１の画像の絶対値、第２の画像の絶対値をそれぞれ算出する。２次元フーリエ変換手段４０１ａ、４０１ｂは、絶対値算出手段４００ａ、４００ｂから出力された第１の画像、第２の画像に対し、２次元フーリエ変換をそれぞれ行い周波数領域に変換する。

乗算手段４０２は、２次元フーリエ変換された第１の画像と第２の画像を周波数領域で乗算する。２次元逆フーリエ変換手段４０３は、乗算手段４０２で乗算された画像に対し２次元逆フーリエ変換を行う。最大値検出手段４０４は、２次元逆フーリエ変換後の画像の振幅の最大値を探索し検出する。レンジ・アジマス補正量算出手段４０５は、検出された最大値の位置からレンジ方向の位置ずれの補正量およびアジマス方向の位置ずれの補正量を算出する。レンジ・アジマス補正手段４０６は、算出されたレンジ方向の位置ずれの補正量およびアジマス方向の位置ずれの補正量を用いて第２の画像のレンジ方向の位置ずれおよびアジマス方向の位置ずれを補正する。

以上のような位置あわせ手段４の処理による第１の画像と第２の画像の位置あわせの精度は、１枚のＳＡＲ画像の分解能程度しかなく、複数のＳＡＲ画像を合成して距離分解能を向上するため、より精度の良い位相オーダーでの位置あわせが望ましい。そのため、レンジ方向位相補正量算出手段５は、第１の画像と第２の画像の位相補正量を算出する。以下、レンジ方向位相補正量算出手段５における詳しい処理を説明する。

図３（ａ）、（ｂ）において、位置あわせ手段４による位置あわせ後の第１の画像と第２の画像をそれぞれI₁[l,m]とI₂[l,m]と表す。ただし、I₁[l,m]とI₂[l,m]は複素数であり、l、mはそれぞれレンジ方向、アジマス方向のサンプル点を示し、lは1〜L点、mは1〜M点とする。Lは自然数、Mは自然数である。

図３（ａ）、（ｂ）において、第２の画像I₂[l,m]は、第１の画像I₁[l,m]とは異なる周波数帯域で観測されている。そのため、周波数補正手段５００は、第２の画像I₂[l,m]の周波数を補正する。周波数を補正された第２の画像をI'₂[l,m]と表す。

次に、図３（ａ）において、１−ノルム最小化手段５０１は、式（１）に示すように、位相φについて探索し第１の画像I₁[l,m]と第２の画像I'₂[l,m]との合成画像の１−ノルムが最小となるような位相補正量αを求める。これにより、第１の画像I₁[l,m]と第２の画像I'₂[l,m]が最も良く一致するような位相補正量を求めることができる。

または、図３（ｂ）に示すように、レンジ方向位相補正量算出手段５において、１−ノルム最小化手段５０１に代えてｐ−ノルム最大化手段５０１ａを備えるように構成するようにしても良い。このとき、ｐ−ノルム最大化手段５０１ａは、式（２）に示すように、第１の画像I₁[l,m]と第２の画像I'₂[l,m]との合成画像のｐ−ノルムが最大となるような位相補正量αを求める。ただし、ｐは２よりも大きい実数である。

なお、式（２）を用いることにより、ｐを大きい値とするほど、式（１）を用いる場合に比べて、例えば位相補正量が小さいとき、より精度良く位相補正量を求めることが可能となる。

そして、図３（ａ）、（ｂ）において、レンジ方向位相補正手段６は、第２の画像I'₂[l,m]に対し、式（１）、（２）から求めた位相補正量αを用いて位相の補正を行う。

次に、図１において、画像合成手段７は、第１の画像I₁[l,m]とレンジ方向位相補正手段６で位相補正された第２の画像I'₂[l,m]とを合成し、高距離分解能化を行い、高距離分解能なＳＡＲ画像を得る。表示手段８は、この合成後の高距離分解能なＳＡＲ画像を画面に表示する。

また、図４は、この発明の実施の形態１による画像レーダ装置を説明するための説明図であり、図４（ａ）は、特許文献１に開示されている従来の画像レーダ装置の課題を説明し、図４（ｂ）は、この発明の実施の形態１による画像レーダ装置の作用効果を説明するためのものである。なお、図において、互いに異なる周波数帯域ｆａ、ｆｂで観測されたＳＡＲ画像を周波数軸上で示し、説明の簡略化のため、１次元の周波数スペクトルを示している。

図４（ａ）において、特許文献１に開示されている従来の画像レーダ装置は、周波数帯域ｆａ、ｆｂで観測されたＳＡＲ画像に対してそれぞれ固有値解析を行い、信号数の推定を行い、その信号数を用いて信号モデルの推定を行う。その後、従来の画像レーダ装置は、周波数帯域ｆａ、ｆｂで非線形最小二乗法を用い、周波数帯域ｆａ、ｆｂの信号間の位相補正量の推定を行い、周波数帯域ｆａ、ｆｂで観測されたＳＡＲ画像の位相を補正して合成し、最後に、逆フーリエ変換を行い、高距離分解能なＳＡＲ画像を得る。しかし、従来の画像レーダ装置においては、図４（ａ）に示すように、信号数の推定に失敗すると、信号モデルが誤り、正しい位相補正量が推定されないことから、レンジ方向にずれて合成され、合成後のＳＡＲ画像に不要ピークによる偽像が発生し、画質の劣化が生じる場合があるという問題点があったのである。

これに対し、図４（ｂ）において、この発明の実施の形態１による画像レーダ装置は、１−ノルム最小化またはｐ−ノルム最大化を用いて位相補正量の推定を行うことにより、信号数と信号モデルの推定を用いないで位相補正量を算出することが可能となり、正しい位相補正量が推定でき、レンジ方向にずれることなく合成され、不要ピークによる偽像を発生させずに高距離分解能化が可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態１による画像レーダ装置においては、互いに異なる周波数帯域で観測された複数のＳＡＲ画像を合成し高距離分解能化を行うにあたり、合成画像の１−ノルムが最小となるような位相補正量または合成画像のｐ−ノルムが最大となるような位相補正量を求め、この求めた位相補正量で位相が補正されたＳＡＲ画像を合成するようにしている。これにより、互いに異なる周波数帯域で観測された複数のＳＡＲ画像の合成後の偽像を抑圧し、ＳＡＲ画像としての画質改善を行うことができるという作用効果を奏する。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２による画像レーダ装置を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図５において、９は投影面補正手段であり、それ以外の構成は、図１に示した実施の形態１による画像レーダ装置と同じであるため、その動作も含めて説明を省略する。

次に動作について説明する。実施の形態１で説明したように同じ領域を観測したＳＡＲ画像であっても、第１の画像と第２の画像では、撮像時刻や軌道のずれ等によりレンジ方向の位置ずれおよびアジマス方向の位置ずれが生じる場合がある。さらに、撮像時刻や軌道のずれ等により投影面のずれも生じる場合がある。

そこで、図５において、投影面補正手段９は、ＳＡＲ画像再生手段３ａ、３ｂでそれぞれ再生された第１の画像、第２の画像の投影面を一致させる処理を行う。この処理方法としては、例えば特開２００９−５２９６０号公報に記載された投影面補償手段が行う処理方法を用いる。次に、位置あわせ手段４は、投影面を一致させる処理が行われた第１の画像と第２の画像のレンジ方向の位置ずれおよびアジマス方向の位置ずれを補正する処理を行う。

以上のように、この発明の実施の形態２による画像レーダ装置においては、実施の形態１と同じ構成に加え、投影面補正手段を設け、第１の画像と第２の画像の投影面を一致させるようにしている。これにより、撮像時刻や軌道のずれ等により投影面のずれが生じる場合にも、実施の形態１と同様に、互いに異なる周波数帯域で観測された複数のＳＡＲ画像の合成後の偽像を抑圧し、ＳＡＲ画像としての画質改善を行うことができるという作用効果を奏する。

なお、上述の実施の形態１、２によるレーダ装置では、互いに異なる２つの周波数帯域でそれぞれ観測された２つのＳＡＲ画像の合成の場合の実施例について説明したが、これに限られるものではなく、Ｎを２以上の自然数とし、Ｎ個のＳＡＲ画像の合成の場合に拡張可能である。例えば、第１の画像と第２の画像との位相補正および合成後の画像に対し、レンジ方向位相補正量算出手段５およびレンジ方向位相補正手段６により、第３の画像との位相補正および合成を行い、この処理を第Ｎの画像まで繰り返すように構成すれば、同様の作用効果を奏する。

１ａ、１ｂ 送受信機、２ａ、２ｂ アンテナ、３ａ、３ｂ ＳＡＲ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）画像再生手段、４ 位置あわせ手段、５ レンジ方向位相補正量算出手段、６ レンジ方向位相補正手段、７ 画像合成手段、８ 表示手段、９ 投影面補正手段、５００ 周波数補正手段、５０１ １−ノルム最小化手段、５０１ａ ｐ−ノルム最大化手段。

Claims (6)

1. 互いに異なる複数の周波数帯域の波動を複数のセンサでそれぞれ受信した複数の受信信号に基づいて画像を再生する画像レーダ装置であって、
   前記複数の受信信号に基づいてそれぞれ再生された複数の画像の位相をφ変化させて合成し、この合成した画像の１−ノルムが最小となる前記φを位相補正量とする位相補正量算出手段と、
   前記位相補正量算出手段で算出された位相補正量を用いて、前記複数の受信信号に基づいてそれぞれ再生された複数の画像の位相を補正する位相補正手段と、
   前記位相補正手段で位相が補正された複数の画像を合成する画像合成手段と、
   を備えたことを特徴とする画像レーダ装置。
2. 互いに異なる複数の周波数帯域の波動を複数のセンサでそれぞれ受信した複数の受信信号に基づいて画像を再生する画像レーダ装置であって、
   前記複数の受信信号に基づいてそれぞれ再生された複数の画像の位相をφ変化させて合成し、ｐを２よりも大きい実数とするとき、この合成した画像のｐ−ノルムが最大となる前記φを位相補正量とする位相補正量算出手段と、
   前記位相補正量算出手段で算出された位相補正量を用いて、前記複数の受信信号に基づいてそれぞれ再生された複数の画像の位相を補正する位相補正手段と、
   前記位相補正手段で位相が補正された複数の画像を合成する画像合成手段と、
   を備えたことを特徴とする画像レーダ装置。
3. 前記複数の受信信号に基づいてそれぞれ再生された複数の画像のレンジ方向およびアジマス方向の位置あわせを行う位置合わせ手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像レーダ装置。
4. 前記複数の受信信号に基づいてそれぞれ再生された複数の画像の間の投影面のずれを補正する投影面補正手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の画像レーダ装置。
5. 互いに異なる複数の周波数帯域の波動をそれぞれ受信した複数の受信信号に基づいて画像を再生する信号処理装置であって、
   前記複数の受信信号に基づいてそれぞれ再生された複数の画像の位相をφ変化させて合成し、この合成した画像の１−ノルムが最小となる前記φを位相補正量とする位相補正量算出手段と、
   前記位相補正量算出手段で算出された位相補正量を用いて、前記複数の受信信号に基づいてそれぞれ再生された複数の画像の位相を補正する位相補正手段と、
   前記位相補正手段で位相が補正された複数の画像を合成する画像合成手段と、
   を備えたことを特徴とする信号処理装置。
6. 互いに異なる複数の周波数帯域の波動をそれぞれ受信した複数の受信信号から画像を再生する信号処理装置であって、
   前記複数の受信信号に基づいてそれぞれ再生された複数の画像の位相をφ変化させて合成し、ｐを２よりも大きい実数とするとき、この合成した画像のｐ−ノルムが最大となる前記φを位相補正量とする位相補正量算出手段と、
   前記位相補正量算出手段で算出された位相補正量を用いて、前記複数の受信信号に基づいてそれぞれ再生された複数の画像の位相を補正する位相補正手段と、
   前記位相補正手段で位相が補正された複数の画像を合成する画像合成手段と、
   を備えたことを特徴とする信号処理装置。

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