JP5933295B2 - 合成開口レーダ装置およびその移動目標検出方法 - Google Patents

Description

この発明は、目標の高分解能画像を生成する合成開口レーダ装置、特に複数のアンテナ開口を用いて、受信した信号から移動目標の信号を検出する合成開口レーダ装置等に関する。

プラットフォームの移動方向(この方向をアロングトラック方向と呼ぶ)に２つ以上のアンテナ開口を並べ、各アンテナ開口で受信された信号を用いてそれぞれ合成開口レーダ(ＳＡＲ；Synthetic Aperture Radar)画像を生成した後、これらの画像を組み合わせて静止目標の信号を抑圧することにより、移動目標を検出する方式が知られている。

２つのアンテナ開口を用いた方式としては、例えば、非特許文献１に記載されている方式が知られている。非特許文献１に記載の方式では、２つのアンテナ開口で受信された信号を用いてそれぞれ合成開口レーダ画像を生成し、生成された２つの画像の位置あわせを実施した後に、複素振幅の差分あるいは位相差を算出し、差分画像や位相差画像を生成する。これら２つの画像は、若干の時間差をつけて同じ場所で観測した２枚の画像と理解することができる。すると、当然、静止目標の信号は２つの画像で一致するため、前記差分画像において、静止目標からの信号の振幅は抑圧される。また、前記位相差画像において、静止目標からの信号については位相差がほぼゼロである。一方で、移動目標は各画像を観測した時刻において位置がずれるため、前記差分画像において、振幅が抑圧されない。また、前記位相差画像において、位置ずれの分に対応した位相差が発生している。そこで、非特許文献１に記載の方式では、前記差分画像における絶対値や、位相差画像における位相差の大きい画素を、移動目標信号が存在する画素として検出する。

また、２つ以上のアンテナ開口を用いた方式については、例えば非特許文献２に記載されている方式が知られている。非特許文献２に記載のこの方式では、複数のアンテナ開口で受信した信号に、時空間フィルタを適用することによって移動目標を検出する。非特許文献２に記載のこの方式は、検出性能が高いが演算量が増大する問題がある。

特開２０１０−１７５３３０号公報

C. Gierull著、"Moving Target Detection with Along-Track SAR Interferometry"、Technical Report DRDC-OTTAWA-TR-2002-084、Defence Research & Development Canada、２００２年８月 J.H.Ender著、"Space-time processing for multichannel synthetic aperture radar"、Electronics & Communication Engineering Journal、pp.29-38、１９９９年２月 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」、東京電機大学出版局、２００４年１月

上記に述べたような、２つ以上のアンテナ開口を用いた合成開口レーダ画像による移動目標検出方式においては、アジマスアンビギュイティの信号が、移動目標として誤検出される問題が発生する場合がある。ここで、アジマスアンビギュイティとは、アナログのテレビ画面で発生するゴースト障害のように、アジマス方向にゴースト状の偽像が発生する現象のことであり、詳細は例えば非特許文献３などに詳しく記載されている。

合成開口レーダにおいて、アジマスアンビギュイティの発生は不可避である。合成開口レーダのシステム設計の際には、ビーム幅、プラットフォームの速度やパルス繰返し周期などのパラメータを最適化することで、アジマスアンビギュイティのレベルを可能な限り低減するように設計がなされる。しかしながら、アジマスアンビギュイティの成分を完全に排除することはできない。前記差分画像においては、移動目標の信号のみならず、アジマスアンビギュイティ成分の信号も抑圧されずに残存してしまう。あるいは前記位相差画像においては、移動目標の信号のみならず、アジマスアンビギュイティ成分の信号も位相差が発生してしまう。そのため、従来の技術においては、移動目標とアジマスアンビギュイティ成分を判別することが困難であった。

この発明は、上記課題を解消し、３つ以上のアンテナ開口を用いて観測した合成開口レーダ画像を適切に組み合わせることで、静止目標の信号と同時にアジマスアンビギュイティ成分の信号も抑圧することを可能にした合成開口レーダ装置およびその移動目標検出方法を提供することを目的とする。

この発明は、１つ以上のアンテナから放射された電磁波の観測対象での散乱波を前記アンテナを含む３つ以上のアンテナで受信するアンテナ部と、少なくとも前記各アンテナを搭載したプラットフォームの位置と速度を計測するプラットフォーム運動計測手段と、
前記プラットフォームの位置と速度および前記各アンテナで受信した信号から合成開口レーダ画像を再生するＳＡＲ画像再生手段と、前記ＳＡＲ画像再生手段で再生された各アンテナで受信した信号による合成開口レーダ画像の位置あわせをするレジストレーション手段と、前記プラットフォームの速度の情報から前記各合成開口レーダ画像の間の位置ずれ量を算出し、前記位置ずれ量の値を用いて静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧するフィルタを生成する静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段と、前記フィルタを前記合成開口レーダ画像に適用し、静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分の抑圧された出力信号を算出する静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ適用手段と、前記静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分の抑圧された出力信号について移動目標信号を検出する移動目標検出手段と、を備え、前記静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段において生成される静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧するフィルタの各要素は、受信アンテナが３つの場合であれば、前記位置ずれ量の値とパルス繰返し周波数とから下記式(１)と式(２)に従って算出され、受信アンテナが４つ以上の場合は、下記式(１)と、受信アンテナの数に応じて下記式(２)を拡張したものによって算出される、

ここで、
Ｗ：静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧するフィルタ
Ｉ：単位行列
Ｆａ：パルス繰返し周波数
η1、η2：画像の間の位置ずれ量の値
上付きのＨ：共役転置をあらわす
ことを特徴とする合成開口レーダ装置等にある。

この発明では、３つ以上のアンテナ開口を用いて観測した合成開口レーダ画像を適切に組み合わせることで、静止目標の信号と同時にアジマスアンビギュイティ成分の信号も抑圧することを可能できる。

この発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置による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による合成開口レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。 この発明の実施の形態２による合成開口レーダ装置の機能を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態２による合成開口レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。 この発明の実施の形態３による合成開口レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。

以下、この発明による合成開口レーダ装置およびその移動目標検出方法を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置による観測のジオメトリを示す説明図である。まず、図１を用いて、この発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置による観測信号について説明する。

図１において、１ａは送受信アンテナであり、１ｂと１ｃは受信アンテナである。送受信アンテナ１ａ、受信アンテナ１ｂ、受信アンテナ１ｃは、例えば同一のプラットフォームに搭載される。アンテナを搭載するプラットフォームとしては、航空機や人工衛星あるいは車両などの移動体を使用するのが良いが、これらに限るものではない。また、送受信アンテナ１ａ、受信アンテナ１ｂ、受信アンテナ１ｃは、プラットフォームの進行方向と平行に並べるものとする。なお、送受信アンテナ１ａ、受信アンテナ１ｂ、受信アンテナ１ｃは、同一のプラットフォームに搭載する必要はなく、別々のプラットフォームに搭載してもかまわないが、その場合は、各プラットフォームは同じ軌道を、進行方向に一列に並んで移動するものとする。

図１に示すとおり、送受信アンテナ１ａと受信アンテナ１ｂの距離をＬ1、送受信アンテナ１ａと受信アンテナ１ｃの距離をＬ２とする。θはオフナディア角、Ｖplfはプラットフォームの速度である。各アンテナで受信した信号を用いて再生し、位置あわせをした合成開口レーダ画像の信号をそれぞれｚ0(τ，η)、ｚ1(τ，η)、ｚ2(τ，η)とする。ここで、τ[秒]はレンジ方向軸を時間で表したものであり、Ｆａｓｔ Ｔｉｍｅ と呼ばれる。また、η[秒]はアジマス方向軸を時間で表したものであり、Ｓｌｏｗ Ｔｉｍｅ と呼ばれる。レンジ方向の距離ｒ[ｍ]と、アジマス方向の距離ａ[ｍ]と、τ、ηは、それぞれ次式の関係を満たす。

ただし、ｃは光速である。
なお、レンジ方向、アジマス方向に、それぞれΔτ、Δηの間隔でサンプリングされて離散化された合成開口レーダ画像をそれぞれ、ｚ0［ｍ，ｎ］、ｚ1［ｍ，ｎ］、ｚ2［ｍ，ｎ］と表現する。このとき、ｚ0［ｍ，ｎ］、ｚ1［ｍ，ｎ］、ｚ2［ｍ，ｎ］は次式によって定義される。

ｍとｎは、それぞれレンジ方向とアジマス方向の画素番号であり、ｍ＝１，２，…，Τ，η＝１，２，…，Ｎの値をとる。また、ＭとＮは、それぞれ、レンジ方向とアジマス方向の画素数である。

位置あわせをした合成開口レーダ画像に、静止目標からの信号と、移動目標からの信号が含まれている場合、受信信号は次式によってモデル化できる。

ここで、式(３)においては、受信信号ｚ0(τ，η)、ｚ1(τ，η)、ｚ2(τ，η)をまとめてベクトル形式で表現している。また、ｓ0(τ，η)、ｓ1(τ，η)、ｓ2(τ，η)は静止目標からの信号であり、ｔ0(τ，η)、ｔ1(τ，η)、ｔ2(τ，η)は移動目標からの信号である。

静止目標からの信号ｓ0(τ，η)、ｓ1(τ，η)、ｓ2(τ，η)は、観測時刻によって変化が無いので、次式の関係を満たす。

一方で、移動目標からの信号ｔ0(τ，η)、ｔ1(τ，η)、ｔ2(τ，η)については、各アンテナで受信した信号を用いて再生した画像の観測時刻が若干異なるため、その観測時刻差の間に移動目標が動いた距離分の位相差が発生するため、次式の関係が成立する。

ここで、Ｖtgtは移動目標のグランドレンジ方向の速度であり、θは入射角(＝オフナディア角)、λは波長である。
式(４)を式(３)に代入すると、次式の関係を得る。

すると、まず、受信信号に含まれる静止目標からの信号成分は、最小二乗法によって、次式のように推定することができる。

(６)式と式(７)から、移動目標の信号は、受信信号から静止目標の信号成分を差し引くことによって、次式のようにして推定できる。

(８)式に示す受信信号から静止目標信号成分を差し引く処理は、静止目標信号成分を抑圧する処理に他ならない。式(８)による静止目標信号抑圧処理後の消え残りの信号電力は次式で表される。

式(９)に示す出力電力(ハット)Ｐ_out(τ，η)が、静止目標信号抑圧後の信号電力であり、主な消え残りの成分は移動目標の信号であるため、この出力電力(ハット)Ｐ_out(τ，η)に対して、広く知られているＣＦＡＲ(Constant False Alarm Rate)処理や、閾値処理などの検出処理を適用する移動目標信号を検出することが可能である。

式(９)の出力電力(ハット)Ｐ_out(τ，η)を用いて移動目標を検出する処理においては、静止目標信号抑圧後の主な消え残りの成分が移動目標の信号であることを前提としているが、一般には、受信信号に含まれるアジマスアンビギュイティ成分も消え残るため、アジマスアンビギュイティ成分も移動目標として誤って検出してしまう問題が発生する。

以下では、まずアジマスアンビギュイティ成分の信号の特徴について説明した後、静止目標信号と、アジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧する方式について説明する。

簡単のため、以下では各アンテナで受信した信号を用いて再生した合成開口レーダ画像の１つのアジマスラインについての信号を扱うこととし、送受信アンテナ１ａと受信アンテナ１ｂと受信アンテナ１ｃの受信信号から再生された合成開口レーダ画像のＩアジマスラインを、それぞれｘ0(ｎΔη)、ｘ1(ｎΔη)、ｘ2(ｎΔη)と表す(ｎ＝１，２，…，Ｎ)。なお、ｘ0(ｎΔη)、ｘ1(ｎΔη)、ｘ2(ｎΔη)は、位置あわせ前の画像のアジマスラインの信号である。このとき、アジマス軸の単位は時間で表現しており、Δη(秒)はサンプリング間隔である。

合成開口レーダ画像においては、パルス繰返周波数Ｆaで決まるドップラー周波数の折り返しが発生している。そのため、例えばアジマスラインの信号ｘ0(ｎΔη)をフーリエ変換して得られるドップラースペクトルは、次のようにモデル化することができる。

ここで、Ｆ｛・｝はフーリエ変換を表す。また、Ｘorg(ｆ)は、折り返しが無い場合のドップラースペクトルであり、Ｋはドップラースペクトルの折り返しの回数である。無視できない折り返しの回数は、ビーム幅とプラットフォーム速度およびパルス繰返し周波数Ｆaの関係で決まるが、ここでは、一般的にＫ回の折り返しが発生しているものとしてモデル化する。なお、画像再生時に特にアップサンプルなどの処理を施していない場合は次式の関係が成立する。

位置あわせ前の画像は、アンテナの配置の間隔で決まるずれ分だけサンプル位置がアジマス方向にずれている。そこで、送受信アンテナ１ａの画像に対する受信アンテナ１ｂと受信アンテナ１ｃの画像のサンプル位置のずれ量を、それぞれη1、η2と置くと、ｘ1(ｎΔη)、ｘ2(ｎΔη)をフーリエ変換して得られるドップラースペクトルは、次のようにモデル化することができる。

ここで留意すべき点は、ドップラースペクトルの折り返しの影響のため、次式の関係が満たされないことである。

受信アンテナ１ｂと受信アンテナ１ｃの画像をリサンプルすることで、送受信アンテナ１ａの画像に対して位置あわせをした場合、位置あわせ後の信号ｚ0(ｎΔη)、ｚ1(ｎΔη)、ｚ2(ｎΔη)は、それぞれ次式の関係を満たす。

また、式(１４)に、式(１０)と、式(１２)とをフーリエ変換の推移側を考慮に入れて代入すると、位置あわせ後の信号ｚ0(ｎΔη)、ｚ1(ｎΔη)、ｚ2(ｎΔη)は、それぞれ改めて次のように表現しなおすことができる。

ここで、

は逆フーリエ変換を表す。ここで、式(１５)をベクトル形式で表現しなおすと、次式のように表される。

ただし、

さらに、移動目標信号が含まれる場合は、式(６)と同様に、受信信号は次式のように表される。

ただし、

式(１８)の信号モデルを踏まえると、静止目標信号とアジマスアンビギュイティの信号を同時に抑圧する方式は、最小二乗の規範に従って、次のように導出することができる。

ただし、

ここで、行列Ｗが、静止目標信号とアジマスアンビギュイティを同時に抑圧するためのフィルタである。また、上付きのＨは共役転置を表す。

ただし、ここでの例のようにアンテナ開口数が３つの場合は、抑圧できる信号は、静止目標信号に加えて、ドップラースペクトルの折り返しの１つ分に相当するアジマスアンビギュイティ成分のみである。すなわち、例えば静止目標信号と、ｋ＝１のドップラースペクトルの折り返しによるアジマスアンビギュイティ成分を抑圧する場合であれば、次式の行列Ａを用いて、抑圧フィルタＷを定義する。

アンテナパターンとパルス繰返し周期の関係を適切に設定することにより、ドップラースペクトルの折り返し成分のうち、高次のもの(折り返し数ｋが大きいもの)については、データ取得時に充分に抑圧しておくことが可能であるから、３開口の場合に、行列Ａの列を式(２２)のように限ってしまっても、充分な効果を期待することができる。

また、開口数を増やすことにより、同時に抑圧できるドップラースペクトルの折り返しの次数(ｋ)の数を増やすことは容易である。

図２はこの発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。

送信機３を送受切換器２を介して、送受信アンテナ１ａに接続する。送受信アンテナ１ａには送受切換器２を介して受信機４ａを接続する。また受信アンテナ１ｂと受信アンテナ１ｃにそれぞれ受信機４ｂと受信機４ｃを接続する。

まず、送信機３で生成されたパルス信号は、送受切換器２を介して送受信アンテナ１ａから空間に電磁波として放射される。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。観測対象によって散乱された散乱波を送受信アンテナ１ａと受信アンテナ１ｂと受信アンテナ１ｃとでそれぞれ受信する。送受信アンテナ１ａと受信アンテナ１ｂと受信アンテナ１ｃとでそれぞれ受信された各受信信号は、それぞれ受信機４ａと受信機４ｂと受信機４ｃに送られる。受信機４ａと受信機４ｂと受信機４ｃにおいて、送受信アンテナ１ａと受信アンテナ１ｂと受信アンテナ１ｃとで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。なお、受信機の数はアンテナの数よりも少なくてもかまわない。その場合は、スイッチを介して、１つの受信機を複数のアンテナと接続し、パルスの送受信毎にスイッチを切り替えことにより、複数の開口で信号を受信するようにすればよい。

また、送受信アンテナ１ａ、受信アンテナ１ｂ、受信アンテナ１ｃは、図１に示すとおり、プラットフォームの進行方向と平行に並べるものとし、送受信アンテナ１ａと受信アンテナ１ｂの距離をＬ1、送受信アンテナ１ａと受信アンテナ１ｃの距離をＬ2とする。

送信機３は上記のパルス信号を繰返し周期Δη(繰り返し周波数Ｆa)でパルスを繰り返し送信し、受信機４ａと受信機４ｂと受信機４ｃは、観測対象によって散乱された該パルス信号を繰り返し受信する。

プラットフォーム運動計測手段５は、該合成開口レーダ装置を搭載したプラットフォームの位置と速度を計測し出力する。

ＳＡＲ画像再生手段６ａ、ＳＡＲ画像再生手段６ｂ、ＳＡＲ画像再生手段６ｃは、それぞれ、受信機４ａ、受信機４ｂ、受信機４ｃによって受信された受信信号と、プラットフォーム運動計測手段５によって計測されたプラットフォーム位置と速度の情報を用いて、合成開口レーダ画像をそれぞれ再生する。ここで再生された画像をｘ0(ｍΔτ，ｎΔη)、ｘ1(ｍΔτ，ｎΔη)、ｘ2(ｍΔτ，ｎΔη)と表す。ＳＡＲ画像再生手段６ａ、ＳＡＲ画像再生手段６ｂ、ＳＡＲ画像再生手段６ｃにおける合成開口レーダ画像再生処理については公知であり、例えば上記非特許文献３などに記載されている処理を行う。ここでは詳細な説明は省略する。

レジストレーション手段７においては、プラットフォーム運動計測手段５によって計測されたプラットフォームの速度情報を用いて、ＳＡＲ画像再生手段６ａ、ＳＡＲ画像再生手段６ｂ、ＳＡＲ画像再生手段６ｃによってそれぞれ再生された合成開口レーダ画像のずれ量を算出し、ずれ量を補償することで、位置あわせを実施する。

ここで、プラットフォーム速度をＶplfとすると、ｘ0(ｍΔτ，ｎΔη)に対する、ｘ1(ｍΔτ，ｎΔη)とｘ2(ｍΔτ，ｎΔη)のアジマス方向のずれ量η1とη2は、それぞれ次式で表される。

レジストレーション手段７は、式(２３)で表されるアジマス方向のずれ量η1とη2を補償するようにリサンプリングを行い、位置あわせ後の合成開口レーダ画像、ｚ0(ｍΔτ，ｎΔη)，ｚ1(ｍΔτ，ｎΔη)，ｚ2(ｍΔτ，ｎΔη)を得る。

ｚ0(ｍΔτ，ｎΔη)，ｚ1(ｍΔτ，ｎΔη)，ｚ2(ｍΔτ，ｎΔη)には、受信機のゲインの相違などの影響で、振幅や位相にバイアス誤差が乗っている(含まれる)。そこで、位相補償手段８と振幅補償手段９は、位置あわせ後の合成開口レーダ画像間の比率から、それぞれ位相と振幅のバイアス誤差を推定して補償する。ｚ1(ｍΔτ，ｎΔη)に対するｚ0(ｍΔτ，ｎΔη)の比率の平均値と、ｚ2(ｍΔτ，ｎΔη)に対するｚ0(ｍΔτ，ｎΔη)の比率の平均値を、それぞれε1、ε2とすると、ε1、ε2は次式によって定義される。

位相補償手段８と振幅補償手段９においては、ｚ1(τ，η)およびｚ2(τ，η)について、それぞれε1、ε2の位相と振幅に相当する成分をそれぞれ補償する。これらの処理は併せて次式によって表現できる。

なお、式(２６)の処理は受信チャネル間の位相差と振幅差を補償する処理である。したがって、ε1、ε2の値を予め校正係数として計測しておき、保持しておくことができる場合は、観測毎に式(２５)によってこれらの値を推定する必要はない。

静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段１０は、プラットフォーム運動計測手段５によって計測されたプラットフォームの速度情報を用いて算出されたアジマス方向のずれ量η1とη2の値に基づいて、式(２１)および式(２２)にしたがって、静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタＷを生成する。

次いで、静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタ適用手段１１は、静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段１０において生成された静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタＷを、ｚ0(ｍΔτ，ｎΔη)と、位相補償処理および振幅補償処理済みのｚ1,cal(ｍΔτ，ｎΔη)，ｚ2,cal(ｍΔτ，ｎΔη)の組み合わせに対して、式(２０)にしたがって適用し、静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分の抑圧された信号電力を出力する。

最後に、移動目標検出手段１２は、静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタ適用手段１１によって出力された静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分の抑圧された信号電力に対して、閾値処理などを施して、移動目標信号を検出する。閾値処理には、一般に良く知られたＣＦＡＲ(Constant False Alarm Rate)処理などを使用すればよいが、検出処理については、ＣＦＡＲ処理に限るものではない。

以上のように、この実施の形態１によれば、３つ以上のアンテナ開口を用いて観測した３つ以上の合成開口レーダ画像を組み合わせて静止目標の信号を抑圧する際に、これらの合成開口レーダ画像間におけるアジマスアンビギュイティ成分の信号の位相差を観測条件から予め推定し、推定された位相差の情報に従って、アジマスアンビギュイティ成分も同時に抑圧するように構成したので、静止目標の信号と同時にアジマスアンビギュイティ成分の信号も抑圧することが可能である効果を奏する。

なお、本実施の形態においては、アンテナ開口が３つの場合を想定して定式化しているが、４つ以上の場合も同様の処理が可能であり、拡張は容易である。

また、静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段１０、レジストレーション手段７ではいずれか一方でアジマス方向のずれ量η1とη2の値を算出して双方で用いてもよい(図示省略)。
また、送受信アンテナ１ａ、受信アンテナ１ｂ，１ｃ、送受切換器２、送信機３、受信機４ａ〜４ｃがアンテナ部を構成する。
また、レジストレーション手段７がレジストレーション部を構成する。
また、位相補償手段８，振幅補償手段９が補償部を構成する。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による合成開口レーダ装置の機能を説明するための説明図である。

図３は、合成開口レーダ装置によって観測された受信信号のドップラースペクトルを表している。１０１が、パルス繰り返し周波数Ｆaでサンプリングすることで帯域制限を受ける前のドップラースペクトルＸorg(ｆ)を表している。ドップラースペクトルＸorg(ｆ)のドップラー周波数の広がりは、送受信のビーム形状で決まる。また、１０２と１０３は、パルス繰り返し周波数Ｆaでサンプリングすることによって発生したドップラースペクトルの折り返しＸorg(ｆ―Ｆａ)とＸorg(ｆ＋Ｆａ)を表している。

図３に示すように、一般に合成開口レーダ装置によって観測された受信信号のドップラースペクトルにおける折り返しのうち、主要な成分は１次の折り返しＸorg(ｆ―Ｆａ)とＸorg(ｆ＋Ｆａ)である。また、Ｘorg(ｆ―Ｆａ)の成分は、特に正のドップラー周波数領域に偏在しており、Ｘorg(ｆ＋Ｆａ)の成分は、負のドップラー周波数領域に偏在している。

そこで、本実施の形態においては、静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧するフィルタを適用する前に、信号のドップラースペクトルを半分に分割し、正のドップラー周波数領域と負のドップラー周波数領域には、異なるフィルタを適用するように構成する。

図４は、この発明の実施の形態２による合成開口レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。図４において、１３は信号ドップラー帯域分割手段であり、１４は信号ドップラー帯域合成手段である。その他の部分は図２の各部分に相当する。

信号ドップラー帯域分割手段１３においては、まず、ｚ0(ｍΔτ，ｎΔη)と、位相補償処理および振幅補償処理済みのｚ1,cal(ｍΔτ，ｎΔη)，ｚ2,cal(ｍΔτ，ｎΔη)をアジマス方向にフーリエ変換して、それぞれのドップラースペクトルを求める。

次いで、ドップラースペクトルを次のように分割する。

静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段１０においては、分割後のドップラースペクトルに対して、それぞれ静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧するフィルタを適用する。前述の通り、Ｘorg(ｆ―Ｆａ)の成分は、特に正のドップラー周波数領域に偏在しており、Ｘorg(ｆ＋Ｆａ)の成分は、負のドップラー周波数領域に偏在しているため、正のドップラー周波数領域に適用するフィルタ

と、負のドップラー周波数領域に適用するフィルタ

は、それぞれ次式のように構成する。

ただし、

静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタ適用手段１１は、静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段１０において生成された上記抑圧フィルタ

と

をそれぞれ正のドップラースペクトル信号と負のドップラースペクトル信号に適用し、次式によって静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧する。

信号ドップラー帯域合成手段１４は、静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタ適用手段１１において静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分の抑圧されたドップラースペクトル信号を合成したものに逆フーリエ変換を施す。

ただし、

最後に電力和を求めて得られた電力画像は、移動目標検出手段１２に送られる。

以上のように、この実施の形態２によれば、３つ以上のアンテナ開口を用いて観測した３つ以上の合成開口レーダ画像を組み合わせて静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧する際に、予めドップラースペクトル帯域を分割し、それぞれの帯域において主要な折り返しの次数に対応する信号を抑圧するように構成したので、静止目標信号成分と抑圧対象となるドップラースペクトル折り返し成分の合計が、アンテナ開口数と同じかそれ以上になっても、静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を効果的に抑圧することが可能である。

なお、本実施の形態においては、アンテナ開口が３つの場合を想定して、静止目標信号成分とドップラースペクトル折り返し成分の次数ｋ＝＋１とｋ＝−１に対応するアジマスアンビギュイティ成分の合わせて３つの成分を抑圧する方式について定式化しているが、アンテナ開口が４つ以上で、抑圧対象とする静止目標信号成分と折り返し成分の合計数が４以上の場合も同様の処理が可能であり、拡張は容易である。

また、本実施の形態においては、送受信のビームが進行方向に対して直交する方向に向いており、ビーム中心における信号のドップラー周波数がゼロである場合を想定している。そのため、ドップラースペクトルを分割する際に、ドップラー周波数ゼロの位置を境に、正のドップラー周波数領域と負のドップラー周波数領域に分割するとして説明を加えている。しかし、ビームがスクイントしている場合、すなわち、送受信のビームが進行方向に対して直交していない場合は、ビーム中心におけるドップラー周波数はゼロではない。この場合は、ビーム中心におけるドップラー周波数を境に、ビーム中心におけるドップラー周波数よりもドップラー周波数の高い領域と低い領域に分割することで(すなわち例えばドップラー周波数がビーム中心におけるドップラー周波数以上の領域と未満の領域に分割)、同様の効果を得ることが可能である。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３による合成開口レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。図５において、１５はオートフォーカス手段、１６はアジマスずれ量推定手段、１７は地形考慮型位相補償手段である。その他の部分は上記実施の形態の各部分に相当する。

プラットフォーム運動計測手段５によるプラットフォームの位置および速度の測定値には一般に一定の誤差が含まれている。そのため、ＳＡＲ画像再生手段６ａ〜６ｃによって再生された合成開口レーダ画像がぼけてしまう現象が少なからず発生する。オートフォーカス手段１５は、プラットフォーム運動計測手段５によるプラットフォームの位置および速度の測定値に誤差が含まれる場合に、観測信号からプラットフォームの位置および速度を推定することによって自動的に焦点をあわせる処理を行う。オートフォーカス手段１５で用いるオートフォーカス処理は公知であり、例えば上記非特許文献３などに記載されている処理を行う。ここでは詳細な説明は省略する。

次に、アジマスずれ量推定手段１６は、オートフォーカス手段１５によって、自動的に焦点をあわせることで結像した合成開口レーダ画像のｘ0(ｍΔτ，ｎΔη)とｘ1(ｍΔτ，ｎΔη)およびｘ0(ｍΔτ，ｎΔη)とｘ2(ｍΔτ，ｎΔη)の相互相関関数をそれぞれ求める。さらに、ここで得られた相互相関関数のピーク位置より、ｘ0(ｍΔτ，ｎΔη)に対するｘ1(ｍΔτ，ｎΔη)のずれ量η1と、ｘ0(ｍΔτ，ｎΔη)に対するｘ2(ｍΔτ，ｎΔη)のずれ量η2をそれぞれ求める。

続いて、アジマスずれ量推定手段１６で推定されたアジマス方向のずれ量η1とη2は、レジストレーション手段７と静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段１０に送られる。

レジストレーション手段７はアジマスずれ量推定手段１６で推定されたアジマス方向のずれ量η1とη2の値に基づいて、式(１３)に示すようにリサンプリングを実施し、画像間の位置あわせを実施する。

静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段１０は、アジマスずれ量推定手段１６で推定されたアジマス方向のずれ量η1とη2の値に基づいて、フィルタＷを構成する。

アンテナ開口の配置がアロングトラック方向に完全に一致しておらず、アンテナ開口間を結ぶ基線が、クロストラック方向の成分を持つ場合、レジストレーション後の画像間には、地形の影響による位相差が発生している。そこで、地形考慮型位相補償手段１７においては、地形の影響で発生した位相差を推定しながらこれを除去する処理を実施する。なお、地形考慮型位相補償手段１７の処理には、例えば上記特許文献１に記載の処理を用いることができる。ここでは詳細な説明は省略する。以降の動作は実施の形態２のものと基本的に同様である。

以上のように、この実施の形態３によれば、プラットフォーム運動計測手段５によるプラットフォームの位置および速度の測定値には一般に一定の誤差が含まれていることを考慮し、オートフォーカス手段１５を備えるように構成したので、プラットフォーム運動計測手段５によるプラットフォームの位置および速度の測定値の誤差の影響で画像が呆けてしまう現象を軽減できる効果を奏する。

また、プラットフォーム運動計測手段５によるプラットフォームの位置および速度の測定値には一般に一定の誤差が含まれていることを考慮し、アジマスずれ量推定手段１６を備えるように構成したので、静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段１０において、静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタを生成する際に使用するアジマス方向のずれ量η1とη2を観測合成開口レーダ画像から精度良く推定することが可能になる効果を奏する。

さらに、地形考慮型位相補償手段１７を備えるように構成したので、アンテナ開口の配置がアロングトラック方向に完全に一致しておらず、アンテナ開口間を結ぶ基線が、クロストラック方向の成分を持つ場合に発生してしまう地形に起因する位相差の影響を低減できる効果を奏する。

なお、レジストレーション手段７とアジマスずれ量推定手段１６がレジストレーション部を構成する。

またこの発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。

１ａ 送受信アンテナ、１ｂ，１ｃ 受信アンテナ、２ 送受切換器、３ 送信機、４ａ，４ｂ，４ｃ 受信機、５ プラットフォーム運動計測手段、６ａ，６ｂ，６ｃ ＳＡＲ画像再生手段、７ レジストレーション手段、８ 位相補償手段、９ 振幅補償手段、１０ 静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段、１１ 静止目標・アンビギュイティ同時抑圧フィルタ適用手段、１２ 移動目標検出手段、１３ 信号ドップラー帯域分割手段、１４ 信号ドップラー帯域合成手段、１５ オートフォーカス手段、１６ アジマスずれ量推定手段、１７ 地形考慮型位相補償手段。

Claims (7)

1. １つ以上のアンテナから放射された電磁波の観測対象での散乱波を前記アンテナを含む３つ以上のアンテナで受信するアンテナ部と、
   少なくとも前記各アンテナを搭載したプラットフォームの位置と速度を計測するプラットフォーム運動計測手段と、
   前記プラットフォームの位置と速度および前記各アンテナで受信した信号から合成開口レーダ画像を再生するＳＡＲ画像再生手段と、
   前記ＳＡＲ画像再生手段で再生された各アンテナで受信した信号による合成開口レーダ画像の位置あわせをするレジストレーション手段と、
   前記プラットフォームの速度の情報から前記各合成開口レーダ画像の間の位置ずれ量を算出し、前記位置ずれ量の値を用いて静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧するフィルタを生成する静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段と、
   前記フィルタを前記合成開口レーダ画像に適用し、静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分の抑圧された出力信号を算出する静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ適用手段と、
   前記静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分の抑圧された出力信号について移動目標信号を検出する移動目標検出手段と、
   を備え、
   前記静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段において生成される静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧するフィルタの各要素は、受信アンテナが３つの場合であれば、前記位置ずれ量の値とパルス繰返し周波数とから下記式(１)と式(２)に従って算出され、受信アンテナが４つ以上の場合は、下記式(１)と、受信アンテナの数に応じて下記式(２)を拡張したものによって算出される、
   

   

   ここで、
   Ｗ：静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧するフィルタ
   Ｉ：単位行列
   Ｆａ：パルス繰返し周波数
   η1、η2：画像の間の位置ずれ量の値
   上付きのＨ：共役転置をあらわす
   ことを特徴とする合成開口レーダ装置。
2. 前記レジストレーション手段での位置合わせ後の各合成開口レーダ画像をフーリエ変換してドップラースペクトルを算出し、ドップラースペクトルを分割する信号ドップラー帯域分割手段を備え、
   前記静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段が、前記信号ドップラー帯域分割手段から出力された分割後のスペクトル信号に対して、それぞれの帯域において、静止目標信号成分に加えて、ドップラースペクトルの主要な折り返しの次数に対応するアジマスアンビギュイティ成分を抑圧する、前記分割後のスペクトル信号のそれぞれのためのフィルタを生成し、
   前記静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ適用手段が、前記静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段で生成されたフィルタを、前記分割後のスペクトル信号のそれぞれに適用し、
   さらに、
   前記信号ドップラー帯域分割手段によって複数の帯域に分割されたドップラースペクトルについて、前記静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ適用手段がそれぞれ静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を抑圧した後に出力されたスペクトル信号を再び合成するドップラー帯域合成手段と、
   を備え、
   前記静止目標・アジマスアンビギュイティ同時抑圧フィルタ生成手段において、負のドップラー周波数領域で、静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧する前記フィルタの符号を変える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の合成開口レーダ装置。
3. 前記アンテナ部が、１つのアンテナから放射された電磁波の観測対象での散乱波を前記アンテナを含む３つのアンテナで受信し、
   前記信号ドップラー帯域分割手段が、各合成開口レーダ画像をフーリエ変換してドップラースペクトルを算出し、ビーム中心におけるドップラー周波数を境として、該ドップラー周波数以上のドップラー周波数の領域のスペクトルと、該ドップラー周波数未満の領域のスペクトルに分割する、ことを特徴とする請求項２に記載の合成開口レーダ装置。
4. 前記プラットフォーム運動計測手段の測定値誤差を考慮して、前記ＳＡＲ画像再生手段によって再生された各合成開口レーダ画像の間の位置ずれ量を、合成開口レーダ画像の相関関数のピーク位置に従って推定するアジマスずれ量推定手段を備えたことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の合成開口レーダ装置。
5. アンテナ開口の配置がアロングトラック方向に完全に一致しておらず、アンテナ開口間を結ぶ基線が、クロストラック方向の成分を持つ場合に、前記レジストレーション手段の後段で、画像間に発生する地形の影響による位相差成分を推定して除去する地形考慮型位相補償手段を備えたことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の合成開口レーダ装置。
6. 前記レジストレーション手段の後段で、位置あわせ後の合成開口レーダ画像間の比率から、それぞれ位相と振幅のバイアス誤差を推定して補償する位相・振幅補償部をさらに備えたことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の合成開口レーダ装置。
7. １つ以上のアンテナから放射された電磁波の観測対象での散乱波を前記アンテナを含む３つ以上のアンテナで受信するアンテナ部の少なくとも前記各アンテナを搭載したプラットフォームの位置と速度を計測する工程と、
   前記プラットフォームの位置と速度および前記各アンテナで受信した信号から合成開口レーダ画像を再生する工程と、
   前記合成開口レーダ画像を再生する工程で再生された各アンテナで受信した信号による合成開口レーダ画像の位置あわせをする工程と、
   前記プラットフォームの速度の情報から前記各合成開口レーダ画像の間の位置ずれ量を算出し、前記位置ずれ量の値を用いて、静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧するフィルタを生成する工程と、
   前記フィルタを前記合成開口レーダ画像に適用し、静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分の抑圧された出力信号を算出する工程と、
   前記静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分の抑圧された出力信号電力について移動目標信号を検出する工程と、
   を備え、
   前記フィルタを生成する工程において生成される静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧するフィルタの各要素は、受信アンテナが３つの場合であれば、前記位置ずれ量の値とパルス繰返し周波数とから下記式(３)と式(４)に従って算出され、受信アンテナが４つ以上の場合は、下記式(３)と、受信アンテナの数に応じて下記式(４)を拡張したものによって算出される、
   

   

   ここで、
   Ｗ：静止目標信号成分とアジマスアンビギュイティ成分を同時に抑圧するフィルタ
   Ｉ：単位行列
   Ｆａ：パルス繰返し周波数
   η1、η2：画像の間の位置ずれ量の値
   上付きのＨ：共役転置をあらわす
   ことを特徴とする合成開口レーダにおける移動目標検出方法。

Images