JP6080783B2 - 画像を生成する方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、包括的には、合成開口レーダーシステムに関し、より詳細には、スキャンモードおよびスライディングスポットライトモードのレーダーシステムに関する。

モノスタティック合成開口レーダー（ＳＡＲ：synthetic aperture radar）システムは、撮像解像度と地表エリアカバレッジとのトレードオフを提供する。ストリップマップＳＡＲでは、レーダーアンテナは、このアンテナを把持しているプラットフォームがある経路に沿って移動するときに、あるエリアに向けられ、データを収集して、ある特定の解像度およびエリアサイズのレーダー画像を生成する。

撮像解像度およびエリアカバレッジに対する種々の用途の要件を満たすために、レーダーアンテナも、種々のモードで電子的または機械的のいずれかで操作することができる。より高い撮像解像度が必要とされるとき、ＳＡＲシステムは、対象となる同じスポットを常に照射するようにアンテナを操作することによって、スポットライトモードで動作し、ストリップマップモードＳＡＲと比較して、より高い撮像解像度およびより小さなカバレッジを有する画像を生成する。

スライディングスポットライトＳＡＲ（ハイブリッドストリップマップ／スポットライトＳＡＲとも呼ばれる）等の中間ＳＡＲモードも知られている。それらのモードは、ストリップマップＳＡＲとスポットライトＳＡＲとのトレードオフを利用して、ストリップモードと比較して改善された方位解像度と、スポットライトモードと比較して改善された地表カバレッジとを有するＳＡＲ画像を生成する。

スライディングスポットライトモードでは、レーダーアンテナは、ビーム中心が、照射されているエリアよりもレーダーから遠く離れた点で交差するように操作される。交点が撮像エリア平面に近づいてきた場合、スライディングスポットライトモードは、スポットライトモードに切り替わる。交点が無限遠に遠ざかった場合、モードは、ストリップマップモードになる。その意味で、スライディングスポットライトモードは、スポットライトモードおよびストリップマップモードの双方を一般化したものである。

より大きなエリアを監視する必要があるとき、スキャンモードＳＡＲが好ましく、そのアンテナアレイは、スポット間で対象となるエリアをスキャンするように操作され、より大きなエリアではあるが、はるかに低い解像度の画像が得られる。しかしながら、多くの用途では、大きなカバレッジおよび高解像度の双方が所望されている。これは、単一の基線観測を用いた従来のＳＡＲシステムでは達成が困難である。

近年、圧縮センシング（ＣＳ：compressive sensing）の開発が、レーダー撮像を含むセンシングの用途に重要な影響を与えてきている。ＣＳおよびそのレーダーへの応用は、解像度とカバレッジとのトレードオフを緩和するのに用いることができる。ＣＳ理論は、これまで可能と考えられてきたものよりも少ない測定値を用いて、信号を正確に再構成することができることを示している。ＣＳに基づくＳＡＲシステムは、同じエリアを撮像するのに測定する必要がある反射が、従来のＳＡＲと比較して、はるかに少ない。従来技術の取り組みは、パルスタイミングまたはビーム操作をランダム化するとともに、スパース最適化を用いて再構成することによって、解像度の改善またはカバレッジの増大を達成する。

ＣＳによって、信号のナイキストレートと比較してより少ない数の測定値を用いて、それらの信号の正確な再構成が可能になる。このサンプリングレート削減は、ランダム化された測定値、改良された信号モデル、および非線形再構成アルゴリズムを用いて達成される。ＳＡＲシステムでは、これは、大幅な解像度またはカバレッジ改善につながる。例えば、関連出願は、レンジカバレッジを損なうことなく方位解像度を大幅に増大させることが可能であり、解像度を損なうことなくカバーされるエリアを大幅に増大させることも可能であることを実証している。

本発明の実施の形態は、大きなカバレッジを維持しながら、レーダー画像の解像度を増大させるランダム操作可能ＳＡＲを提供する。本方法は、圧縮センシング（ＣＳ）技法を用いる。

従来のスキャンモードＳＡＲおよびスライディングスポットライトモードＳＡＲと比較して、本方法および本システムは、操作に関して、より大きな柔軟性を提供する。本発明は、より高い撮像解像度と、柔軟な形状の撮像エリアとを提供する。

各パルス送信において、ビーム中心は、ランダムに操作され、パルスが、対象となる大きなエリア内に一様に位置するスポットをランダムにカバーするようになっている。このランダム化によって、測定が高解像度の画像再構成のための十分な情報を取得することが確保される。本方法は、ＣＳ再構成の要件を満たすように、事前に設計することができる。

大きなエリアのＳＡＲ画像は、ＣＳに基づく再構成プロセスを用いて、全体として再構成される。その結果、ランダム操作可能ＳＡＲシステムは、改善された再構成性能、および、より重要なことに、柔軟な形状の撮像エリアを提供する。

焦点は、ビーム中心のランダムかつ一様な操作を前提としたＣＳに基づく画像再構成プロセスにある。ランダム操作可能ＳＡＲによって取得された測定値は、高いサンプリングレートの生のデータのサブナイキストサンプリングとして扱われ、欠落しているデータは、ＣＳ技法によって再構成される。次に、高解像度レーダー画像が、ＣＳ再構成されたレーダーエコーに基づいて生成される。

開示される本システムおよび本方法は、スポットライトＳＡＲを一般化して、スライディングスポットライトモードＳＡＲおよびスキャンモードＳＡＲに類似したＣＳ−ＳＡＲモードを生成する。スポット中心が直線上に位置しているとき、このＳＡＲシステムは、スライディングスポットライトモードで動作する。スポット中心が２次元平面内にランダムに分布しているとき、このＳＡＲシステムは、スキャンモードで動作する。その結果として、システムは、通常のスライディングスポットライトモードＳＡＲまたはスキャンモードＳＡＲと同じカバレッジを達成することができるとともに、解像度が大幅に改善される。ＣＳ−ＳＡＲモードは、ランダム操作されるアンテナアレイを利用して、撮像エリア内の各点について、通常のスライディングスポットライトモードまたはスキャンモードよりも大きな有効開口を達成する。本方法は、ＣＳに基づく信号モデルおよび再構成手順を用いて、より大きな有効開口に対応した、はるかに高い解像度で、取得されたデータから画像を再構成することができる。

送信パルスのタイミングをランダム化した米国特許出願第１３／０７７５９７号の「High Resolution SAR Imaging Using Non-Uniform Pulse Timing」とは対照的に、本明細書のシステムは、従来のＳＡＲシステムと同様に動作する。パルスが一様なパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ：pulse repetition frequency）で送信され、それらのエコーが受信される。米国特許出願第１３／７７００９６号の「System and Method for Multiple Spotlight Synthetic Radar Imaging Using Random Beam Steering」では、カバーされるエリアは、少数のスポットに区画され、ビームがランダムに操作されて、各パルス送信において、スポットのうちの１つがカバーされる。各スポットは、個別に撮像され、スポットごとに個別の画像が再構成され、その結果、解像度を失うことなく、より大きなカバレッジがもたらされる。

本明細書に記載したシステムおよび方法の目的は、同じカバレッジを維持しながら撮像解像度を増大させることである。本明細書に記載したシステムおよび方法は、より柔軟な操作を組み込んでいる。シーンを少数のスポットに区画するのではなく、ここでは、各パルス送信においてビーム中心がランダムに操作され、それによってビームが撮像エリア内においてランダムで一様に位置するスポットをカバーする。撮像エリアは、各ビームのサイドローブからのリークを適宜考慮に入れて、その全体が再構成される。その結果として、システムは、改善された再構成の性能、および、より重要なことに、より大きな柔軟性を提供する。特に、撮像エリアは、サイズがスポットライトサイズの整数倍でなければならない関連出願とは対照的に、任意のサイズを有することができる。

スライディングスポットライトモードで動作する従来の合成開口レーダー（ＳＡＲ）システムの概略図である。 本発明の実施の形態によるスライディングスポットライトＳＡＲシステムの概略図である。 スキャンモードで動作する従来の合成開口レーダー（ＳＡＲ）システムの概略図である。 本発明の実施の形態によるスキャンＳＡＲシステムの概略図である。 本発明の実施の形態によるランダム操作合成開口レーダーシステムを用いて画像を生成するシステムおよび方法のブロック図である。 従来のスキャンモードＳＡＲおよび本発明の実施の形態によるランダム操作ＳＡＲシステムを用いてＳＡＲ取得のために得られた結果を比較する画像を含む図である。

本発明の実施の形態は、画像を生成するシステムおよび方法を提供し、この画像は、合成開口レーダー（ＳＡＲ）画像である。ＣＳに基づく画像再構成プロセスに関する実施の形態は、操作可能パルスビームを前提とする。これは、ビームパターンを電子的に制御することによって、またはアンテナのアレイを機械的に操作することによって実現することができる。

基礎となるＳＡＲ画像を疎な部分と密な部分とに分解することによって、本発明による撮像方法は、ＣＳを用いて疎な部分を再構成するとともに、最小二乗法を用いて密な部分を推定する。スパースモデル化および最小二乗法を組み込むことによって、スパース正則化のみを用いた従来のＣＳ技法よりも性能は優れている。

図１Ａは、スライディングスポットライトモードで動作する従来の線形モノスタティック均等仮想アレイ（mono-static uniform virtual array）を示している。図２Ａは、スキャンモードで動作する従来のシステムを示している。エリアまたはシーン１０１を撮像するために、移動レーダープラットフォームが、一様なパルスレートでパルス１０３を送信するとともに、対象となるエリアによって反射された受信信号を測定しながら、経路１０２に沿って移動する。従来のスライディングスポットライトモードでは、送信パルスビームは、その主ローブが、対象となるエリアよりもＳＡＲシステムから遠く離れた点に照準を当てるように、一様に操作される。エリアからの各反射は、事実上、送信パルスと、パルスによって照射されたスポットの反射率との畳み込みである。

したがって、データ取得プロセスは、以下の線形演算としてモデル化することができる。

その画像形成プロセスの目標は、アレイエコーｙおよび取得関数Φを所与として、対象となる信号ｘを求めることである。最小二乗解法は、Φの一般逆行列を用いてｘを求めることである。

実際のＳＡＲシステムでは、Φは、一般的には、正確にモデル化することが困難であり、その反転は、計算コストが高い。通常、アレイ画像形成は、チャープスケーリングアルゴリズムおよび波数アルゴリズム等の十分に確立された手順を用いて反転を近似することによって達成される。

図１Ｂおよび図２Ｂに示すように、本発明によるＳＡＲシステムは、スライディングスポットライトモードＳＡＲまたはスキャンモードＳＡＲにおいて、パルスを一様に送信して、エコーを受信することによって動作する。相違は、ランダム化されたアレイ操作にある。本発明では、アレイが移動する際に、同じスポットまたは隣接するスライディングスポットを常に照射するようにアレイを操作するのではなく、対象となるエリア内のランダムなロケーションにおける異なるスポット１０５が照射される。各スポットは、同じサイズとすることができる。従来技術とは対照的に、対象となるエリアは、任意の形状を有することができる。

測定されるシーン内の各点は、移動プラットフォームの経路におけるいくつかの位置から照射される。これらの位置は、プラットフォームがパルスを送信する全ての位置からランダムに選択される。この全ての位置は、プラットフォームの経路上で規則的な間隔を有する。したがって、シーン内の各点の有効開口は、従来のスポットライトモードと同様に、プラットフォームの経路全体である。これとは対照的に、スライディングスポットライトモードまたはスキャンモードでは、プラットフォームの経路の一部でしか点が照射されず、有効開口は、はるかに小さくなる。

有効開口の増大によって、複雑化がもたらされる。他の全てのパラメーターを同じに保ったまま、シーンのサイズが増大した場合、シーン内の各点が受け取る照射パルスは、より少なくなる。すなわち、測定される回数は、より少なくなる。換言すれば、同じ数の測定値が、より大きなシーンを復元するのに用いられる。より大きなシーンがＣＳ方法を用いて復元可能であるためには、そのシーンも、より疎であるべきか、または一般的には、より多くの構造を示すべきである。シーンのスパース性または他の構造が、従来のスライディングスポットライトＳＡＲまたはスキャンモードＳＡＲよりも解像度をどの程度改善することができるのか、または従来のＳＡＲよりもカバーされるエリアをどの程度改善することができるのかのトレードオフを最終的に決定する。

ここで、取得された測定値からエリアの画像を再構成するＣＳ手順に焦点を当てる。アレイビームのランダム化操作が決定された後、その結果取得されるものは、線形システム

によってモデル化することができる。しかしながら、この場合、従来のＳＡＲの動作とは対照的に、システムΦは、劣決定である。すなわち、このシステムは、簡単な方法で反転することができない。

従来のＣＳにおいて反転を行うために、ｘは、一般にスパース信号として扱われる。そのモデルは、一般に、レーダー撮像では正確ではない。ある領域における強い成分が、レーダー撮像に存在している可能性がある間、残余は、常に大きく見え、考慮に入れるのが困難である。

図３に示すように、ｘをスパース信号として単に扱うのではなく、本発明では、ｘは、疎な部分ｘ_ｓ３１１と、密な残余ｘ_ｒ３２１とに分解される。

したがって、合成開口レーダー（ＳＡＲ）取得プロセスは、線形演算としてモデル化される。すなわち、対象となるエリア（スポット）からの各反射は、以下の方程式によって表される線形システムによって示されるように、事実上、送信パルスと、このパルスによって照射されたスポットの反射率との畳み込みである。

式中、ｙ_ｉ３０１は、ｉ番目の送信パルスに対応する受信されたレーダー信号（エコー）を示し、ｘは、スポットの複素数値反射率を示し、行列Ａ_ｉは、ＳＡＲパルス発信取得システムを表し、ｎは雑音である。

行列Ａ_ｉで表されたシステムは、ｉ番目のパルス送信におけるビーム操作の効果をモデル化する。スポットの画像を構成するために、圧縮センシング（ＣＳ）プログラム３１０を用いて疎な成分

が最初に求められる。

次に、残余

を用いて、ｘの密な成分の最小二乗推定値（ＬＳＥ：least square estimate）３２１を生成する。総推定値は、これらの２つの成分の和３２０である。

式中、Ａおよび

は、全てのパルスｉについて組み合わされたシステムおよび残余を表す。効率的な計算のために、線形システムＡ_ｉは、アンテナの平面の法線から大きなオフセット（斜視角（squint angle））を考慮して、波数プロセスを用いて求めることができる。

最終画像４０３は、スパースではなく、正確に言えば、スパース正則化を用いて推定された疎な成分と、最小二乗正則化を用いて推定された密な成分とを組み合わせたものである。この再構成方法は、当該技術分野において知られているように、メモリおよび入／出力インターフェースに接続されたプロセッサにおいて実行することができる。

図４は、従来のスキャンモードＳＡＲおよび本発明者のランダム操作ＳＡＲシステムの双方を用いて、複素数値地表反射率を有するエリア４０１に関してＳＡＲ取得用に得られた結果並びにそれぞれの再構成された画像４０２および４０３を比較したものである。真の地表反射率４０１の大きさが提示されている。画像４０２は、エリア全体をカバーするが非常に低い解像度を示す従来のスキャンモードＳＡＲによって生成される。画像４０３は、本発明によるＣＳ再構成方法を用いる本発明によるランダム操作ＳＡＲを用いた結果である。画像において明らかなように、ランダム化取得を用いて再構成された画像の方が、スキャンモード取得と比較してはるかに鮮明である。ランダム操作可能ＳＡＲでは、従来のスキャンモードＳＡＲと比較して、地表における微細な構造のぼけが大幅に少ない。

その理由は、ランダム操作モードの有効開口が、スキャンモードの有効開口よりもはるかに大きいからである。このように、上記信号モデルを用いると、本発明による方法は、強い反射物を識別して、それらの強い反射物をはるかに高い解像度で再構成することによって、画像の構造を利用することができる。

Claims (10)

1. 画像を生成する方法であって、前記画像は、合成開口レーダー（ＳＡＲ）画像であり、該方法は、
   操作可能なアンテナアレイを用いて、エリアに送信パルスのビームを方向付けるステップであって、前記ビームは、前記操作可能なアンテナアレイによって前記エリアにランダムに方向付けされ、前記エリアは、前記アンテナアレイが経路に沿って移動する間、前記送信パルスによって一様に照射され、前記ビームによって照射されている前記エリア内のスポットは、２次元平面内でランダムに分布する、方向付けするステップと、
   前記送信パルスの反射に起因した前記エリアからの受信信号に再構成手順を適用して、前記エリアに対応する前記画像を生成する、適用するステップと、
   を含み、各ステップは、プロセッサにおいて実行される、画像を生成する方法。
2. 前記画像は、疎な成分と残余成分とを組み合わせたものであり、前記方法は、
   前記疎な成分を生成するために、圧縮センシング手順を適用するステップと、
   前記残余成分を生成するために、最小二乗正則化を適用するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記方向付けるステップは、スライディングスポットライトモードで行われる、請求項１に記載の方法。
4. 前記方向付けるステップは、スキャンモードで行われる、請求項１に記載の方法。
5. 前記エリアは、任意の形状を有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記画像の解像度が増大される、請求項１に記載の方法。
7. 前記方向付けるステップは、移動プラットフォームからであり、前記エリア内の各スポットは、前記移動プラットフォームの経路に沿ったいくつかの位置から照射される、請求項１に記載の方法。
8. 前記疎な成分は、密な成分を生成するのに用いられる、請求項２に記載の方法。
9. 画像を生成するシステムであって、前記画像は、合成開口レーダー（ＳＡＲ）画像であり、該システムは、
   操作可能なアンテナアレイを用いて、パルスのビームをエリアにランダムに発するように構成された送信機であって、前記エリアは、前記アンテナアレイが経路に沿って移動する間、前記パルスによって一様に照射され、前記ビームによって照射されている前記エリア内のスポットは、２次元平面内でランダムに分布する、送信機と、
   前記パルスの反射に起因した前記エリアからの受信信号に再構成手順を適用して、前記エリアに対応する前記画像を生成するように構成されたプロセッサと、
   を備える、画像を生成するシステム。
10. 画像を生成するシステムであって、前記画像は、合成開口レーダー（ＳＡＲ）画像であり、該システムは、
    エリアに送信パルスのビームを方向付けるように構成された操作可能なアンテナアレイであって、前記ビームは、前記操作可能なアンテナアレイによって前記エリアにランダムに方向付けされ、前記エリアは、前記アンテナアレイが経路に沿って移動する間、前記送信パルスによって一様に照射され、前記ビームによって照射されている前記エリア内のスポットは、２次元平面内でランダムに分布する、操作可能なアンテナアレイと、
    前記送信パルスの反射に起因した前記エリアからの受信信号に適用される再構成手順を含み、前記エリアに対応する前記画像を生成するプロセッサと
    を備える、画像を生成するシステム。

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