JP6249110B1 - 合成開口レーダ装置 - Google Patents

Abstract

本発明の合成開口レーダ装置は、焦点の位置を定める焦点情報を複数格納する焦点情報格納部（１０３）と、移動するプラットフォームから観測対象に対して照射され、観測対象で反射された電波の受信信号から、焦点情報格納部に格納された複数の焦点情報に対応したレーダ画像をそれぞれ再生する画像再生部（１０４）と、画像再生部で再生されたレーダ画像の結像の状態を表す指標を所定の領域毎に算出する指標算出部（３０２）と、複数のレーダ画像においてそれぞれ算出された指標に基づいて複数のレーダ画像を合成する合成部（４０１）とを備えた合成開口レーダ装置である。これにより、観測対象の位置情報を用いることなく、鮮明なレーダ画像を得ることができる。

Description

この発明は、移動可能なプラットフォームに搭載されて地表等を観測する合成開口レーダ装置に関する。

合成開口レーダ（ＳＡＲ， Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）装置は、航空機や人工衛星等の移動するプラットフォームに搭載したＳＡＲセンサから観測対象に対して電波のパルス波を繰り返し照射し、観測対象からの反射波を受信し、送受信時のプラットフォームと観測対象の位置情報、及び反射波の受信信号を基にＳＡＲ画像を再生する。プラットフォームと観測対象の位置情報が不正確な場合、再生したＳＡＲ画像は、主にアジマス方向（プラットフォームの進行方向、ＳＡＲセンサから観測対象に向かう視線方向に直交する方向、クロスレンジ方向）にぼける。プラットフォームの位置情報は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）受信機や慣性計測装置（ＩＭＵ、Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）等で取得することができるが、観測対象の位置は未知である。そこで、従来は、別のセンサや観測機会により取得した数値標高モデル（ＤＥＭ、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ）を利用して観測対象の位置を取得していた（例えば、非特許文献１）。

Ｋ． Ａ． Ｃａｍａｒａ ｄｅ Ｍａｃｅｄｏ， Ｒ． Ｓｃｈｅｉｂｅｒ， "Ｐｒｅｃｉｓｅ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ− ａｎｄ ａｐｅｒｔｕｒｅ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｆｏｒ ａｉｒｂｏｒｎｅ ＳＡＲ， " ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｇｅｏｓｃｉ． Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓ． Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ． ２， ｎｏ． ２， ｐｐ． １７２−１７６， Ａｐｒｉｌ ２００５．

従来の合成開口レーダ装置は、観測領域のＤＥＭがあることが前提となっていたため、観測領域のＤＥＭが無い場合には平面を想定してレーダ画像を再生せざるを得ず、想定した平面から外れた位置にある観測対象はアジマス方向にぼけるという問題があった。
また、ＤＥＭがある場合でも、例えば、ＤＥＭ作成時とＳＡＲ観測時との間に建設された人工構造物等は、レーダ画像の再生に利用する情報がＤＥＭに含まれないため、アジマス方向にぼけるという問題があった。同様に、観測領域内の移動体についても、観測時刻毎の位置情報がＤＥＭに含まれず、不明であるため、アジマス方向にぼけるという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、ＤＥＭのような観測対象の位置情報を用いることなく、ぼけずに結像したレーダ画像を得ることを目的とする。

この発明に係る合成開口レーダ装置は、移動するプラットフォームから観測対象に対して照射され、観測対象で反射された電波の受信信号から、焦点の位置を定める複数の焦点情報にそれぞれ対応した複数のレーダ画像を再生する画像再生部と、画像再生部で再生された複数のレーダ画像に所定の領域を設定し、レーダ画像の振幅値、または振幅値から算出した電力値を基に計算した自己相関係数を用いて、前記複数のレーダ画像の領域毎に結像の状態を表す指標を算出する指標算出部と、複数のレーダ画像の領域毎に、それぞれ算出された指標に基づいて複数のレーダ画像の対応する画素値を合成して一枚のレーダ画像を生成する合成部とを備えた合成開口レーダ装置である。

この発明によれば、上記のように構成したことにより、ＤＥＭのような観測対象の位置情報を用いることなく、鮮明なレーダ画像を得ることができる。

この発明の実施の形態１における合成開口レーダ装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１における合成開口レーダ装置の構成を示す機能構成図である。 この発明の実施の形態１における合成開口レーダ装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１における合成開口レーダ装置の指標算出の動作を示すフローチャートである。 ＳＡＲ画像のサンプリングの例を示す図である。 画像のぼけ具合と自己相関係数との関係を示す図である。 この発明の実施の形態１における合成開口レーダ装置の画像合成処理を示す図である。 この発明の実施の形態１における合成開口レーダ装置の自己相関係数の算出に用いるシフト量と窓サイズの求め方を示す図である。 画像の差異と自己相関係数の算出に用いる窓サイズとの関係を示す図である。 画像の差異と自己相関係数の算出に用いる窓サイズとの関係を示す図である。

本発明は、移動するプラットフォームから照射され、観測対象で反射された電波を受信して得られる受信信号から、レーダ画像を再生する合成開口レーダ装置に関するものであり、特に、複数の焦点情報に対応してそれぞれ再生された複数のレーダ画像において、画像の結像の状態を表す指標を算出し、算出した指標に基づいて複数のレーダ画像を合成した多焦点のレーダ画像を生成することを特徴とするものである。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して以下に説明する。なお、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態による合成開口レーダ装置１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図において、合成開口レーダ装置１は、ＳＡＲセンサ１０、軌道位置・姿勢計測センサ２０、演算装置３０、記憶装置４０、画像表示装置５０を備える。

ＳＡＲセンサ１０は、ＳＡＲアンテナ、送受信機、アナログ・デジタルコンバータ等（いずれも図示せず）からなる装置である。ＳＡＲセンサ１０は、移動するプラットフォームに搭載され、電波のパルス波をＳＡＲアンテナから放射し、観測対象で反射された電波をＳＡＲアンテナで受信する。ＳＡＲアンテナで受信された受信信号は、送受信機で信号処理された後、アナログ・デジタルコンバータでデジタル信号に変換されて出力される。
軌道位置・姿勢計測センサ２０は、ＧＰＳ受信機、ＧＰＳアンテナ、ＩＭＵ等からなる装置である。軌道位置・姿勢計測センサ２０は、移動するプラットフォームに搭載され、プラットフォームの軌道位置および姿勢を計測して出力する。
演算装置３０は、中央処理装置（ＣＰＵ、Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等からなるプロセッサ３１と、メモリ３２とで構成される。演算装置３０は、ＳＡＲセンサ１０から出力された受信信号から画像を再生して出力する。画像を再生する処理は、必要な処理を記述したプログラムがメモリ３２に格納され、メモリ３２に格納されたプログラムをプロセッサ３１が実行することにより実現される。
記憶装置４０はハードディスク等である。記憶装置４０には、画像やパラメータ等が格納される。
画像表示装置５０はディスプレイ等である。画像表示装置５０には、演算装置３０で再生された画像が表示される。

図２は、本発明の実施の形態１の合成開口レーダ装置１の構成を示す機能構成図である。図において、合成開口レーダ装置１は、データ取得部１０１、計測部１０２、焦点情報格納部１０３、画像再生部１０４、位置合わせ部２０１、位置合わせ画像格納部２０２、パラメータ格納部３０１、指標算出部３０２、合成部４０１、表示部５０１、多焦点画像格納部６０１を備える。

データ取得部１０１は、図１に示すＳＡＲセンサ１０に対応する。データ取得部１０１は、プラットフォームに搭載され、パルス波の送信と受信とを繰り返して得た反射波の受信信号とともに、パルス波の送信と受信との繰り返し周期、およびパルス送受信時刻等のセンサ情報を出力する。

計測部１０２は、図１に示す軌道位置・姿勢計測センサ２０に対応する。計測部１０２は、プラットフォームの軌道位置・姿勢に関する情報、例えば、緯度・経度・高さ等で表されるプラットフォームの位置、ロール角・ピッチ角・ヨー角・速度・加速度等で表されるプラットフォームの姿勢等を一定間隔もしくは不等間隔に計測して出力する。プラットフォームの位置は、地球固定座標系でも、プラットフォーム固有のローカル座標系でも構わない。

焦点情報格納部１０３は、図１に示す記憶装置４０に対応し、焦点の位置を定める焦点情報を複数格納する。焦点情報とは、画像を再生する際に焦点を合わせる標高、あるいは焦点の緯度・経度・高度等、再生に必要となる情報である。

画像再生部１０４は、図１に示す演算装置３０に対応し、データ取得部１０１から出力された受信信号およびセンサ情報と、計測部１０２から出力された軌道位置・姿勢に関する情報と、焦点情報格納部１０３から読み出された複数の焦点情報とを入力し、焦点情報毎に画像を再生して出力する。つまり、焦点情報格納部１０３に２つの焦点情報が格納されている場合には、それぞれの焦点情報に基づいて、同一の受信信号から２つの画像が再生され、出力される。焦点情報毎に再生される画像としては、例えば、合成開口レーダ画像、逆合成開口レーダ画像、ＳＡＲトモグラフィ画像、Ｃｉｒｃｕｌａｒ ＳＡＲ画像等が該当する。なお、以下では、これらの画像をまとめて「レーダ画像」とも言う。また、各焦点情報に合わせて再生した画像を「焦点情報毎の画像」または「焦点毎の画像」とも言う。

位置合わせ部２０１は、図１に示す演算装置３０に対応し、画像再生部１０４で焦点情報毎に再生された画像を入力し、各画像の対応する位置が互いに重なるよう位置合わせし、位置合わせした画像を出力する。
位置合わせ画像格納部２０２は、図１に示す記憶装置４０に対応し、位置合わせ部２０１から出力された複数の画像を格納する。

パラメータ格納部３０１は、図１に示す記憶装置４０に対応し、この後で説明する指標算出部３０２で使用するアジマス方向シフト量等のパラメータを格納する。
指標算出部３０２は、図１の演算装置３０に対応し、パラメータ格納部３０１に格納されたパラメータと、位置合わせ画像格納部２０２に格納された焦点情報毎の画像とを入力とし、画像再生部１０４で再生された画像の結像状態を評価するための指標、言い換えると、画像がぼけているか鮮明かを表す指標を画像内に設定された所定の領域毎に算出して出力する。領域の大きさは、１画素×１画素以上とする。

合成部４０１は、図１に示す演算装置３０に対応し、位置合わせ画像格納部２０２に格納された焦点情報毎の画像と、指標算出部３０２から出力された指標を入力とし、焦点情報毎の画像において算出された指標に基づいて、焦点情報毎の画像を合成して１つの多焦点画像を生成し、出力する。

表示部５０１は、図１に示す画像表示装置５０に対応し、合成部４０１で生成された多焦点画像を表示する。
多焦点画像格納部６０１は、図１に示す記憶装置４０に対応し、合成部４０１で生成された多焦点画像を格納する。

なお、本実施の形態では、データ取得部１０１（ＳＡＲセンサ１０）、計測部１０２（軌道位置・姿勢計測センサ２０）、表示部５０１（画像表示装置５０）、多焦点画像格納部６０１が合成開口レーダ装置１に含まれる構成について説明したが、これに限定するものではなく、これらの一部または全てが合成開口レーダ装置１とは別に、合成開口レーダ装置１の外部に設けられる構成であっても差し支えない。

次に、合成開口レーダ装置１の動作について、フローチャートを参照して説明する。
図３は、実施の形態１の合成開口レーダ装置１の動作を示すフローチャートである。以下では、一例として、複数の焦点情報に対応してそれぞれ再生された複数のＳＡＲ画像を用いて、多焦点のＳＡＲ画像を生成する場合について説明する。

ステップＳ１において、画像再生部１０４は、データ取得部１０１から出力される受信信号、計測部１０２から出力されるプラットフォームの位置情報、焦点情報格納部１０３に格納される焦点情報を基に、ＳＡＲ画像を再生する。焦点情報格納部１０３に格納される焦点情報により、画像の焦点が２つ以上定められるので、画像再生部１０４は各焦点に対応したＳＡＲ画像をそれぞれ再生する。画像再生の方法としては、例えば、レンジドップラー法、チャープスケーリング法、ω−Ｋ法、ポーラフォーマット法、バックプロジェクション法がある。

焦点については、例えば、非特許文献２のように、標高０ｍ、１００ｍ、２００ｍのように所定の高さ毎に焦点面を定めてもよい。この場合、それぞれの高さに合わせて反射波の信号の位相や受信タイミングを補正することで、焦点毎の画像を再生することができる。また、例えば、特許文献１のように、観測領域内で水平方向５０ｍごとに設定した格子点を焦点の位置としてもよい。この場合には、それぞれの格子点の位置に合わせて反射波の信号の位相や受信タイミングを補正することで、焦点毎の画像を再生することができる。さらに、例えば、それぞれの格子点を焦点の位置として定め、まず、一つの焦点Ａに合わせて再生した画像を画像Ａとし、その後、他の焦点Ｂ，Ｃ，・・・の位置周辺が結像するように画像Ａを補正するオートフォーカス処理により、焦点を変えた画像Ｂ，Ｃ，・・・を生成してもよい。

Ａ． Ｒｅｉｇｂｅｒ， Ｒ． Ｓｃｈｅｉｂｅｒ，Ｍ． Ｊａｇｅｒ， Ｐ． Ｐｒａｔｓ−Ｉｒａｏｌａ， Ｉ． Ｈａｊｎｓｅｋ， Ｔ． Ｊａｇｄｈｕｂｅｒ， Ｋ． Ｐ． Ｐａｐａｔｈａｎａｓｓｉｏｕ， Ｍ． Ｎａｎｎｉｎｉ， Ｅ． Ａｇｕｉｌｅｒａ， Ｓ． Ｂａｕｍｇａｒｔｎｅｒ， Ｒ． Ｈｏｒｎ， Ａ． Ｎｏｔｔｅｎｓｔｅｉｎｅｒ， ａｎｄ Ａ． Ｍｏｒｅｉｒａ， "Ｖｅｒｙ−ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｒａｄａｒ ｉｍａｇｉｎｇ： Ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，" Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ， ｖｏｌ． １０１， ｎｏ． ３， ｐｐ． ７５９ − ７８３， Ｍａｒ． ２０１３．

特開２００７−２５６０５８号公報

ステップＳ２において、画像再生部１０４は、全ての焦点情報について画像再生の処理が実行されたか否かを判定する。画像再生の処理が実行されていない焦点情報がある場合には、ステップＳ１に戻り、画像再生の処理を実行する。全ての焦点について画像再生の処理が実行された場合には、ステップＳ３へ進む。

ステップＳ３において、位置合わせ部２０１は、ステップＳ１で焦点毎に再生された複数のＳＡＲ画像において、同一の画素に同一の観測対象が位置するように、位置合わせの処理を実行する。複数のＳＡＲ画像は同一の受信信号から再生されるが、焦点が異なるため、受信信号に対する位相や距離の補正量が異なり、焦点毎に画像のずれが生じる。位置合わせの処理において、位置合わせ部２０１は、例えば、一枚の画像を基準画像（マスター画像）に定め、他の画像（スレーブ画像）とマスター画像とのずれ量を画像間の相互相関係数の計算等により測定し、ずれが無くなるようにスレーブ画像をリサンプルする。位置合わせした後の焦点毎のＳＡＲ画像は、位置合わせ画像格納部２０２に格納される。

次に、ステップＳ４において、指標算出部３０２は、位置合わせした後のＳＡＲ画像毎に、画像の結像状態を評価する指標を算出する。指標は、ＳＡＲ画像の結像具合、もしくはぼけ具合を数値化したもので、画素毎、もしくは複数の画素を含む所定の領域毎に１つずつ定められる。指標としては、例えば、画像の自己相関係数、自己相関関数、エントロピー、標準偏差等が利用できる。

ステップＳ５において、指標算出部３０２は、全ての焦点について指標算出の処理が実行されたか否かを判定する。指標算出の処理が実行されていない焦点がある場合には、ステップＳ４に戻り、指標算出の処理を実行する。全ての焦点について指標算出の処理が実行された場合には、ステップＳ６へ進む。

ここで、ステップＳ４の指標算出処理について、フローチャートを参照して詳細に説明する。
図４は、指標算出の動作を示すフローチャートである。以下では、自己相関係数を用いて指標を算出し、アジマス方向の結像状態のみ評価する場合について説明する。また、アジマス方向の結像具合を表す指標を画素毎に計算する場合について説明する。自己相関係数は、ぼけた画像ほど値が大きくなり、鮮明な画像ほど値が小さくなる。なお、自己相関係数を画像の結像状態の評価指標とすることができる理由については、後述する。

ステップＳ４１において、指標算出部３０２は、アジマス方向にＳＡＲ画像をアップサンプルする。
ＳＡＲ画像をサンプルする理由について、図を参照して説明する。
図５は、ＳＡＲ画像のサンプリングの例を示す図である。図において、破線はＳＡＲ画像の真の信号の振幅を示し、真の信号からサンプルしたサンプル点を直線で繋ぐ実線はサンプリング後の信号の振幅を示す。図５（ａ）と図５（ｂ）に示す例において、真の信号の振幅形状は同一だが、サンプリング後の振幅形状は異なる。具体的には、サンプル点の位置の違いにより、図５（ａ）のサンプリング後の振幅形状は、図５（ｂ）のサンプリング後の振幅形状に比べて鋭いピークを持つように見える。このようなサンプルする位置による振幅形状の違いが出ないようにするため、指標算出部３０２は、アジマス方向にＳＡＲ画像をアップサンプルすることで信号の真の振幅形状に近い画像を得る。アップサンプル率は１倍以上とする。アップサンプルする方法としては、例えば、ＳＡＲ画像をアジマス方向にフーリエ変換し、信号帯域の両端をゼロ詰めしてアジマス方向に逆フーリエ変換する方法等が知られている。

次に、ステップＳ４２において、指標算出部３０２は、画像の局所的な自己相関係数を計算する際に用いるシフト量をパラメータ格納部３０１から取得する。なお、シフト量は、パラメータ格納部３０１に予め格納されると説明したが、これに限定するものではなく、再生する多焦点画像毎に適宜シフト量を算出してもよい。

次に、ステップＳ４３において、指標算出部３０２は、画像の局所的な自己相関係数を計算する際に用いる窓サイズをパラメータ格納部３０１から取得する。なお、窓サイズについても、画像毎に最適な窓サイズを算出してもよい。シフト量と窓サイズの算出方法は、後で詳細に説明する。

ステップＳ４４において、指標算出部３０２は、位置合わせ画像格納部２０２に格納された画像を読み出し、自己相関係数を計算するためにアジマス方向に画像をシフトさせる。シフト量は、パラメータ格納部３０１に予め格納された値、またはステップＳ４２で算出したシフト量の最大値に基づいて定められた１つ以上のシフト量から選択される。
画像のアジマス方向へのシフトは、図５に示したサンプル点の変更に相当する。また、一定の大ききだけシフトさせた場合、信号の広がりが大きいほど、シフトさせた信号とシフトさせていない信号とのずれは相対的に小さいため、自己相関係数は低下しない。ただし、信号の広がりは画像のぼけの程度だけでなく、観測対象の大きさによっても変わる。
そこで、指標算出部３０２は、２つ以上のシフト量で計算した自己相関係数から最終的な自己相関係数を計算することにより、様々なサンプル点（図５に示すサンプリング後の振幅形状）で結像具合を評価するようにしてもよい。これにより、ステップＳ４１のアップサンプリングの効果と同様に、真の振幅形状とサンプル後の振幅形状との違いが自己相関係数の計算結果に与える影響を緩和することができる。

次に、ステップＳ４５において、指標算出部３０２は、ＳＡＲ画像のスペックルを低減する。スペックルとは、観測領域に複数の反射体がある場合に、反射体からの反射波同士が干渉して発生する乗法性雑音のように画像の振幅値が揺らぐものである。スペックル低減の手法として、例えば、画像の移動平均、広沢フィルタ（非特許文献３）等が知られている。これらの手法は、画素値を局所的に平均するため、スペックルが抑圧されるとともに画像の分解能が低下する。アジマス分解能が低下するとアジマス方向の結像を正確に評価できないため、ステップＳ４５のスペックル低減処理では、アジマス分解能が低下しないようレンジ方向のみ画素値を平均する。

広沢春任、「１ルックの合成開口レーダ画像のスペックルの低減」、電子情報通信学会論文誌，Ｖｏｌ．Ｊ７５−Ｂ−ＩＩ，Ｎｏ．３ ｐｐ．１９７−２００（１９９２年）

ステップＳ４６において、指標算出部３０２は、パラメータ格納部３０１に予め格納された窓サイズ、またはステップＳ４３で算出した窓サイズの最大値に基づいて定められた１つ以上の窓サイズから、窓サイズを選択する。
その後、指標算出部３０２は、選択した窓サイズＷａ、およびステップＳ４４で選択したアジマス方向のシフト量Δａに基づき、位置合わせ画像格納部２０２から読み出した画像、およびステップＳ４４においてシフトさせた画像から、画素位置（ａ，ｒ）毎に自己相関係数を計算する。自己相関係数は、ＳＡＲ画像の各画素の振幅値、もしくは電力値を基に計算する。ＳＡＲ画像の振幅値Ｐｊ（ａ，ｒ）を基に計算する自己相関係数γ（ａ，ｒ，Δａ，Ｗａ）は、例えば、式（１）、もしくは式（２）により求められる。式（１）は、式（２）のレンジ方向の窓サイズの画素数Ｗｒ＝１の場合の自己相関係数に相当する。なお、振幅値Ｐｊの添字のｊは、各焦点の画像に対して一枚ごとに設定した数値であり、ｊ＝１，２，…，Ｎ（Ｎは設定した焦点の数）である。

自己相関係数γ（ａ，ｒ，Δａ，Ｗａ）は、画像中のアジマス方向の位置ａ、レンジ方向の位置ｒ毎に、また、パラメータとして設定された値の範囲に従い、アジマス方向のシフト量Δａ、およびアジマス方向の窓サイズＷａ毎に計算される。重み係数ｗ（ｐ）は、任意の値とし、例えば、全て１でもよいし、一部が１、他が０でもよいし、値ｐごとに異なる値でもよい。式（２）による自己相関係数の計算に用いるレンジ画素数Ｗｒは、パラメータ格納部３０１に格納された定数である。
自己相関係数γ（ａ，ｒ，Δａ，Ｗａ）は、各焦点に合わせて再生されたＳＡＲ画像の画素毎に存在し、設定されたシフト量Δａ、および窓サイズＷａの数だけ存在する。

ステップＳ４７において、指標算出部３０２は、全ての窓サイズについて自己相関係数の計算処理が実行されたか否かを判定する。自己相関係数の計算処理が実行されていない窓サイズがある場合には、ステップＳ４６に戻り、自己相関係数の計算処理を実行する。全ての窓サイズについて自己相関係数の計算処理が実行された場合には、ステップＳ４８へ進む。

ステップＳ４８において、指標算出部３０２は、全てのシフト量について自己相関係数の計算処理が実行されたか否かを判定する。自己相関係数の計算処理が実行されていないシフト量がある場合には、ステップＳ４４に戻り、アジマス方向のシフト処理、スペックル低減処理、自己相関係数の計算処理を実行する。全てのシフト量について自己相関係数の計算処理が実行された場合には、ステップＳ４９へ進む。

ステップＳ４９において、指標算出部３０２は、シフト量や窓サイズを変えて計算した複数の自己相関係数γから、焦点ｊに合わせて再生したＳＡＲ画像の結像の状態を評価する指標Ｉｊ（ａ，ｒ）を画素毎に決定する。指標Ｉｊ（ａ，ｒ）は、例えば、自己相関係数γ（ａ，ｒ，Δａ，Ｗａ）の各画素の座標（ａ，ｒ）毎の最小値、すなわち、Δａ，Ｗａを変えながら計算した自己相関係数γ（ａ，ｒ，Δａ，Ｗａ）の最小値でもよいし、和、積等の計算結果でもよい。

ここで、自己相関係数が画像の結像状態の評価指標となる理由について、図を参照して説明する。図６は、ぼけ具合の異なる２つの画像Ａと画像Ｂにおける輝点の振幅を示す図である。図６（ａ）に示す画像Ａは、図６（ｂ）に示す画像Ｂに比べて鮮明に結像している。画像Ａと画像Ｂを同じシフト量だけシフトして画像Ａ’と画像Ｂ’を生成した場合、より結像している画像Ａにおいては、よりぼけている画像Ｂと比較して、シフト前後の輝点の振幅同士が離れている。言い換えると、画像Ａは、画像Ｂと比較して、シフトする前の輝点とシフトした後の輝点との振幅の重なりが少ない。つまり、画像Ａと画像Ａ’とは、類似性が低く自己相関係数が低下する。このように、自己相関係数が小さいほど、画像が鮮明に結像していると判断できることから、自己相関係数は、画像の結像状態を評価する指標とすることができる。

再び、図３のフローチャートの説明に戻る。

ステップＳ６において、合成部４０１は、各焦点ｊの画像の画素毎に計算した結像評価の指標Ｉｊ（ａ，ｒ）に基づいて、位置合わせ画像格納部２０２に格納された焦点毎の画像を合成し、一枚の画像を出力する。

次に、画像を合成する処理について、図を参照して説明する。
図７は、実施の形態１の合成開口レーダ装置１の画像合成処理を示す図である。設定した焦点の数Ｎは３とする。指標Ｉｊ（ａ，ｒ）は、自己相関係数に基づく値なので、値が小さいほど鮮明に結像していることを表す。

合成部４０１は、焦点毎の画像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の同一座標（ａ，ｒ）の画素における指標Ｉ１（ａ，ｒ）、Ｉ２（ａ，ｒ）、Ｉ３（ａ，ｒ）を比較し、最も結像している画像の画素値Ｐｊ（ａ、ｒ）を抽出する。図において、Ｉ３（ａ，ｒ）＜Ｉ２（ａ，ｒ）＜Ｉ１（ａ，ｒ）の関係が成り立つとする。この場合、合成部４０１は、指標Ｉｊ（ａ，ｒ）が最も小さい画像３が最も結像していると判断し、画像３の画素値Ｐ３（ａ，ｒ）を抽出する。抽出された画素値Ｐ３（ａ，ｒ）は、合成後の画像である多焦点画像Ｐｆｓの座標（ａ，ｒ）の画素値となる。合成部４０１は、画像中の全ての画素（ａ，ｒ）において、各焦点の画像間で指標を比較し、最も結像している画素の抽出を実施する。

上記では、自己相関係数のように、鮮明に結像するほど小さくなる値を指標とする場合について説明したが、例えば、エントロピーのように、最も結像している場合に最大となる値を指標として選択してもよい。このように、結像評価の指標に利用する値によって、結像している場合の指標の大小が変わる。したがって、合成部４０１では、最も結像していると指標が示す画素の画素値を抽出し、多焦点画像の画素値とする。

また、多焦点画像の画素値は、図７のように各焦点の画像から抽出した画素値をそのまま利用してもよいし、式（３）のように、指標を重み係数として平均した結果を利用してもよい。
さらに、指標に応じて合成して生成する多焦点画像の画素値は、ＳＡＲ画像の複素数の値そのものでもよいし、ＳＡＲ画像の画素の振幅でもよいし、画素の電力値でもよい。

また、図３，４のフローチャートにおける、焦点、シフト量、窓サイズによる繰り返し処理の順番は、指標の算出方法に応じて適宜入れ替えても差し支えない。

ここで、自己相関係数の計算に用いる窓サイズ、およびシフト量の一例について説明する。
図８は、シフト量と窓サイズの算出方法を示す図である。図において、太い曲線は、アジマス方向のシフト量と、画像全体で計算した自己相関係数との関係を表す。振幅画像Ａと振幅画像Ｂは、異なる焦点情報に合わせて再生されたＳＡＲ画像を表す。また、図中の破線は、シフト量の増加に比例して自己相関係数が減少する区間の自己相関係数を延長したものである。各破線において、自己相関係数が所定値、例えば、０となるときのシフト量をそれぞれＳ_Ａ，Ｓ_Ｂとする。なお、図中の破線は、例えば、自己相関係数の曲線上において、自己相関係数が１となる位置と０．５となる位置とを結ぶ直線を延長したものであってもよいし、自己相関係数が０．６となる位置の接線であってもよい。また、Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂは、破線で示す自己相関係数が０以外の任意の値となるときのシフト量から求めてもよいし、図中の自己相関係数の曲線が所定値となるときのシフト量から求めてもよい。以下の説明では、シフト量の増加に比例して自己相関係数が減少する区間以外では、図中の破線を自己相関係数とし、破線で示す自己相関係数が０となるときのシフト量からＳ_Ａ，Ｓ_Ｂを得る場合について説明する。

自己相関係数が０となるときのシフト量Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂは、画像Ａ，Ｂの中で最も広がった信号の幅（建物等、画像の中で最大の観測対象の大きさ）にそれぞれ相当する。また、画像のぼけは、観測対象の一部から判断するより、全体から判断したほうが分かり易いため、窓サイズを観測対象の大きさに合わせることで、画像の結像状態を正確に判断することができる。
そこで、自己相関係数を算出する際の窓サイズを、全ての振幅画像の中で最も広がった信号の幅、つまり、自己相関係数が０となるシフト量Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂの中で最も大きい値を最大値とする範囲内で設定することで、画像中の観測対象に対応した窓サイズを設定することができる。また、その範囲内で窓サイズを変えて自己相関係数を計算することで、画像中の様々な幅の観測対象に対応することができる。

一方、自己相関係数を算出する際のシフト量は、例えば、自己相関係数が０となるシフト量Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂのうち最小となる値を最大値とする範囲内で設定されることで、無駄な計算を削減した効率的な計算をすることができる。その理由について以下で説明する。
合成開口レーダ装置１の動作で説明したように、異なる焦点に合わせて再生した画像において、シフト量を変えながら自己相関係数を計算し、結果が最小となる画像を最も鮮明に結像しているとみなす処理は、最も少ないシフト量で自己相関係数が０となる画像を探すことに対応する。このため、あるシフト量において、画像Ａの局所的な自己相関係数が０となる場合、画像Ａ以外の画像の局所的な自己相関係数が０でなければ、画像Ａが最も鮮明に結像していると判断することができる。一方、画像Ａ以外の画像の局所的な自己相関係数が既に０ならば、画像Ａよりも先に自己相関係数が０となった画像が最も鮮明に結像していると判断することができる。
一方、画像の局所的な自己相関係数が画像の全域において０となる場合には、画像全体の自己相関係数も０になることが分かっている。
よって、シフト量を増やしながら自己相関係数を計算したとき、少なくとも１つの画像において画像全体の自己相関係数が０になった段階で、最も鮮明に結像している画像を決定することができる。

以上のように、異なる焦点情報に合わせて再生されたＳＡＲ画像の全体の自己相関係数を用いて、シフト量と窓サイズの最大値を予め算出し、最大値以下の範囲内でシフト量と窓サイズを適宜設定してもよい。

次に、自己相関係数の計算に用いる窓サイズの他の一例について説明する。
自己相関係数の計算では、使用する窓サイズが大きいほど、画像の結像状態を評価する指標を正確に計算することができるが、指標の分布の空間分解能は劣化する。このため、様々な大きさの窓サイズで計算した自己相関係数の最小値を指標として使用することで、空間分解能の劣化を抑制しながら正確な指標を算出することができる。その理由について、図を参照して説明する。

図９，１０は、画像の振幅形状の差異と、自己相関係数の計算に用いる窓サイズとの関係を示す図である。
図９に示すように、画像Ａの信号の振幅形状と画像Ｂの信号の振幅形状との差が小さい場合、相関計算で用いる窓サイズＷａが大きいほど、画像Ａの自己相関係数と画像Ｂの自己相関係数との差が明確になる。つまり、窓サイズＷａが大きくなるほど、自己相関係数の誤差が小さくなり、自己相関係数の値を正確に比較することができる。
一方で、図１０に示すように、画像中の信号が局在している場合には、信号の広がり以上に窓サイズＷａを大きくしても、自己相関係数に差が現れない。また、窓サイズＷａが信号の広がり相当の場合に、画像Ａ、画像Ｂともに自己相関が最小となる。よって、信号の広がり以上に窓サイズを広げることは、空間分解能の劣化を招く上、自己相関係数が変わらないため、有益ではない。さらに、雑音やサイドローブ等の影響により信号が無いところでも振幅が０にならない場合は、信号の広がり以上に窓サイズを広げると自己相関係数が大きくなる恐れがある。したがって、窓サイズが信号の広がりと一致することが望ましい。
また、窓サイズが信号の広がりと一致した場合に自己相関係数が最小値となるので、様々な窓サイズで自己相関係数を計算し、結果が最小となるときの窓サイズを採用することで、信号の広がりが窓サイズと一致した場合の自己相関係数を得ることができる。

以上のように、本実施の形態の合成開口レーダ装置によれば、焦点の位置を定める焦点情報を複数格納する焦点情報格納部と、移動するプラットフォームから観測対象に対して照射され、観測対象で反射された電波の受信信号から、焦点情報格納部に格納された複数の焦点情報に対応したレーダ画像をそれぞれ再生する画像再生部と、画像再生部で再生されたレーダ画像の結像の状態を表す指標をレーダ画像の所定の領域毎に算出する指標算出部と、複数のレーダ画像においてそれぞれ算出された指標に基づいて複数のレーダ画像を合成する合成部とを備えるように構成したので、ＤＥＭ等の他の観測で得た情報を使う必要がない。したがって、他の観測の情報がない観測領域を含む画像全体で結像したレーダ画像を得ることができる。

また、ＳＡＲによる観測と同時にＤＥＭ等の情報を得る装置構成にする必要もないため、ＤＥＭ等の情報を同時に得る構成と比べて装置の規模を小さく、重量を軽くすることができる。

また、本実施の形態では、アジマス方向の結像を評価する指標、つまり、アジマス方向のみレーダ画像をシフトして計算した自己相関係数から決定した指標を使用する合成開口レーダ装置について説明したが、これに限定するものではなく、アジマス方向とレンジ方向の結像を評価する指標を使用しても差し支えない。なお、本実施の形態のように、レーダ画像をアジマス方向にシフトして自己相関係数を算出し、アジマス方向のみ結像を評価することにより、レンジ方向とアジマス方向の２軸で評価する場合と比較して演算量を削減し、計算時間の短縮と計算機の省電力化を実現することができる。

また、本実施の形態によれば、指標算出部は、レーダ画像の振幅値、または振幅値から算出した電力値を用いて指標を算出する。このように、画像の結像情報を含まない位相の代わりに振幅値や電力値を用いることで、位相を利用した場合と比較して画像の結像状態を評価する指標を正確に計算することが可能となり、より正確に結像した多焦点画像を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、指標算出部は、レーダ画像の局所的な自己相関係数に基づいて、結像状態を評価する指標を算出する。このように、自己相関係数を用いることで、エントロピー、画素の振幅、電力値等の標準偏差を用いる場合と比較して、計算に使用する画素数が少ない場合でも正確に結像を評価することができる。その結果、分解能の高い指標の分布図を作成することができ、分解能の高い多焦点画像を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、指標算出部は、アップサンプルしたレーダ画像を用いて指標を算出する。これにより、画像のサンプル位置の違いによる結像評価の指標の違いが小さくなるため、より正確な結像評価指標を計算することができ、より正確に結像した多焦点画像を得ることができる。
ることができる。

また、本実施の形態によれば、指標算出部は、様々なシフト量で結像評価の指標を計算する。これにより、アップサンプリングの効果と同じく、画像のサンプル位置の違いによる結像評価の指標の違いが小さくなるため、より正確な結像評価指標を計算することができ、より正確に結像した多焦点画像を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、指標算出部は、複数のレーダ画像において、シフト量を変更しながら算出した自己相関係数が第１の所定値となるときのシフト量のうち、最小となるシフト量をシフト量の最大値とする。これにより、無駄な計算を削減した効率的な計算をすることができる。

また、本実施の形態によれば、指標算出部は、様々な窓サイズで自己相関係数を計算し、その最小値を画像の結像状態を評価する指標とする。これにより、画像の信号の広がりに応じて正確に自己相関係数を計算し、かつ、結像評価の指標の分布の分解能を高く保つことできるため、高分解能の多焦点画像を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、指標算出部は、複数のレーダ画像において、シフト量を変更しながら算出した自己相関係数が第２の所定値となるときのシフト量のうち、最大となるシフト量を窓サイズの最大値とする。これにより、有効な窓サイズより大きいサイズで自己相関係数を計算する無駄を削減することができるため、演算回数を最小限に抑えることが可能となり、計算時間の短縮と計算機の省電力化を実現することができる。

また、本実施の形態によれば、指標算出部は、レーダ画像のアジマス方向の分解能を維持しつつスペックル低減する。これにより、結像評価に用いる画像におけるアジマス方向の画素値の分布を保ちつつスペックルが低減できるため、レンジ・アジマス分解能ともに劣化する従来のスペックル低減を用いた場合と比較して、より正確な結像評価の指標を計算することができ、より正確に結像した多焦点画像を得ることができる。

１ 合成開口レーダ装置、１０ ＳＡＲセンサ、２０ 軌道位置・姿勢計測センサ、３０ 演算装置、３１ プロセッサ、３２ メモリ、４０ 記憶装置、５０ 画像表示装置、１０１ データ取得部、１０２ 計測部、１０３ 焦点情報格納部、１０４ 画像再生部、２０１ 位置合わせ部、２０２ 位置合わせ画像格納部、３０１ パラメータ格納部、３０２ 指標算出部、４０１ 合成部、５０１ 表示部、６０１ 多焦点画像格納部。

Claims (12)

1. 移動するプラットフォームから観測対象に対して照射され、前記観測対象で反射された電波の受信信号から、焦点の位置を定める複数の焦点情報にそれぞれ対応した複数のレーダ画像を再生する画像再生部と、
   前記画像再生部で再生された前記複数のレーダ画像に所定の領域を設定し、前記レーダ画像の振幅値、または前記振幅値から算出した電力値を基に計算した自己相関係数を用いて、前記複数のレーダ画像の前記領域毎に結像の状態を表す指標を算出する指標算出部と、
   前記複数のレーダ画像の前記領域毎に、それぞれ算出された前記指標に基づいて前記複数のレーダ画像の対応する画素値を合成して一枚のレーダ画像を生成する合成部と
   を備えた合成開口レーダ装置。
2. 前記合成部は、前記複数のレーダ画像の前記領域毎に前記指標を比較し、比較した結果に基づいて前記複数のレーダ画像の対応する画素値を合成す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. 前記指標算出部は、前記レーダ画像の画素毎に前記指標を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の合成開口レーダ装置。
4. 前記指標算出部は、アップサンプルした前記レーダ画像を用いて前記指標を算出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の合成開口レーダ装置。
5. 前記指標算出部は、複数のシフト量で算出した自己相関係数に基づいて前記指標を算出することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の合成開口レーダ装置。
6. 前記指標は、複数のシフト量で算出した自己相関係数の最小値、和、または積であることを特徴とする請求項５に記載の合成開口レーダ装置。
7. 前記指標算出部は、前記複数のレーダ画像において、シフト量を変更しながら算出した自己相関係数が第１の所定値となるときのシフト量のうち、最小となるシフト量を最大値とする範囲内でシフト量を設定することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の合成開口レーダ装置。
8. 前記指標算出部は、前記レーダ画像をアジマス方向にシフトして自己相関係数を算出することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の合成開口レーダ装置。
9. 前記指標算出部は、複数の窓サイズで算出した自己相関係数に基づいて前記指標を算出することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の合成開口レーダ装置。
10. 前記指標は、複数の窓サイズで算出した自己相関係数の最小値、和、または積であることを特徴とする請求項９に記載の合成開口レーダ装置。
11. 前記指標算出部は、前記複数のレーダ画像において、シフト量を変更しながら算出した自己相関係数が第２の所定値となるときのシフト量のうち、最大となるシフト量を最大値とする範囲内で窓サイズを設定することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の合成開口レーダ装置。
12. 前記指標算出部は、アジマス方向の分解能を維持してスペックル低減した前記レーダ画像を用いて前記指標を算出することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の合成開口レーダ装置。

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