JP6296891B2 - 合成開口レーダ装置及びその画像処理方法 - Google Patents

Description

本実施形態は、合成開口レーダ装置及びその画像処理方法に関する。

従来の合成開口レーダ（ＳＡＲ：Synthetic Aperture Radar）装置では、固定目標の場合は合成開口時間内で一定の位置にあるため、ＳＡＲ処理において、固定目標に合成開口長Ｌの大開口アレイの位相を合わせて、最大ベクトルとなるように合成することが可能である。そこで、特定された画像化範囲において、ポーラフォーマット変換によって対象とする固定目標を正しい位置に画像化することが行われている（非特許文献１，２，３参照）。

ただし、ポーラフォーマット変換では画像化可能な領域に制約があり、その領域外にある固定目標を画像化することができない。特に、被搭載機が画像化範囲に対して近距離を高高度で飛行する場合には、画像化範囲の仰角（ＥＬ角）が大きくなって、画像に歪みが生じ、焦点範囲が狭くなるが、これをポーラフォーマット変換の際に補正することは困難であった。また、画像化範囲が方位角（Ａｚ角）方向に広く、ビーム走査が必要となる場合に、画像更新レートが高いと合成開口長を広くとることができず、画像分解能が劣化していた。

ＳＡＲ方式（レンジ圧縮）：大内、"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、pp.131-149(2003) ＳＡＲ方式（Ａｚ圧縮）：大内、"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、pp.171-178(2003) ＳＡＲ方式（大開口アレイ合成、スポットライトＳＡＲ）：吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.280-283(1996) ＳＡＲ処理方式（ポーラフォーマット変換再構成処理）：MEHRDAD SOUMEKH,"Synthetic Aperture Radar Signal Processing", JOHN WILEY & SONS,INC.,pp.319-325(1999) アフィン変換：田村、‘コンピュータ画像処理’、Ohmsha、pp288-290（2002）

以上述べたように、従来の合成開口レーダ装置では、固定目標の画像化範囲が距離方向、仰角方向、方位角方向に広い場合に、画像更新レートを高くすると合成開口長を広くとることができず、画像分解能が劣化するという課題があった。

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、固定目標の画像化範囲の広さによらず、十分な合成開口長をとることができ、画像分解能の向上を図ることのできる合成開口レーダ装置とその画像処理方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本実施形態に係る合成開口レーダ装置は、被搭載移動体の移動に沿ってレーダ波を特定の画像化範囲に向けて得られたビーム出力をＳＡＲ（Synthetic Aperture Radar）処理して画像化する場合に、前記受信信号を所定のスレショルドに基づいて前記画像化範囲を近距離範囲と遠距離範囲に分割し、前記近距離範囲の受信信号をレンジ−ドップラ変換することによりＳＡＲ画像を生成し、前記遠距離範囲の受信信号をポーラフォーマット変換することによりＳＡＲ画像を生成し、前記近距離範囲及び前記遠距離範囲それぞれで得られるＳＡＲ画像を統合する。

第１の実施形態に係る合成開口レーダ装置の構成を示すブロック図。 図１に示す装置において、信号処理器の処理の流れを示すフローチャート。 図１に示す装置において、合成開口処理における画像化範囲を説明するための概念図。 図１に示す装置において、機体フライト軸（飛翔経路）と画像化範囲との位置関係を示す概念図。 図１に示す装置において、ＦＦＴ画像の生成方法とＦＦＴ画像における固定目標の値を抽出する処理の流れを示すフローチャート。 図１に示す装置において、ＦＦＴ画像のＮ通りのオフセットを説明するための概念図。 図１に示す装置において、ポーラフォーマット変換の処理内容を示す概念図。 第２の実施形態に係る合成開口レーダ装置の構成を示すブロック図。 図８に示す装置において、信号処理器の処理の流れを示すフローチャート。 図８に示す装置において、アフィン変換による画像補正の処理内容を示す概念図。 図８に示す装置において、アフィン変換による画像補正の処理内容を示す概念図。 図８に示す装置において、画像統合の処理内容を示す概念図。 第３の実施形態に係る合成開口レーダ装置の構成を示すブロック図。 図１３に示す装置において、信号処理器の処理の流れを示すフローチャート。 図１３に示す装置において、複数のビームによりＡｚ範囲を広げた様子を示す図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１乃至図７を参照して、第１の実施形態に係る航空機搭載の合成開口レーダ装置を説明する。

図１は上記合成開口レーダ装置（以下、ＳＡＲ）の系統構成を示すブロック図、図２はその具体的な処理の流れを示すフローチャートである。図１において、アンテナ１は複数のアンテナ素子を配列して大開口アレイを形成してなるフェーズドアレイアンテナであり、送受信器２の送受信部２１から繰り返し供給される特定周波数の送信パルス信号（以下、ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency）信号）を指定方向に送出してその反射波を受信する。送受信部２１はアンテナ１の複数のアンテナ素子でそれぞれ受信された信号をビーム制御部２２からの指示に従って位相制御を施し合成することで、画像化したい範囲に受信ビームを形成する（図２：ステップＳ１１）。受信ビームで得られた受信信号は信号処理器３に送られる。

この信号処理器３は、ＡＤ（Analog-Digital）変換部３１、レンジ判定部３２、レンジ圧縮部３３１，３３２、オフセット補正部３４１，３４２、オフセット量制御部３５１，３５２、Ａｚ圧縮部３６１，３６２、画像化部３７、画像統合部３８を備える。

上記ＡＤ変換部３１は、送受信器２から供給されるＰＲＦ受信信号をディジタル信号に変換する（図２：ステップＳ１２）もので、その変換結果はレンジ判定部３２に送られる。レンジ判定部３２はＰＲＦ受信信号をレンジスレッショルドと比較して、近距離か遠距離かを判定する（図２：ステップＳ１３）。遠距離と判定されたＰＲＦ受信信号はレンジ圧縮部３３１、オフセット補正部３４１、オフセット量制御部３５１、Ａｚ圧縮部３６１及び画像化部３７による遠距離用ＳＡＲ処理部に送られ、近距離と判定されたＰＲＦ受信信号はレンジ圧縮部３３２、オフセット補正部３４２、オフセット量制御部３５２、Ａｚ圧縮部３６２による近距離用ＳＡＲ処理部に送られる。

遠距離用ＳＡＲ処理部において、レンジ圧縮部３３１は、合成開口の受信サイクル毎に、ディジタル化された開口アレイのＰＲＦ受信信号をレンジ（距離）方向にパルス圧縮する（図２：ステップＳ１４）。パルス圧縮は、入力信号とパルス圧縮用の参照信号との相関処理であり、これを周波数軸で行う(非特許文献１参照）。具体的には、周波数軸上において、入力信号のＦＦＴ（高速フーリエ変換：Fast Fourier Transform）結果と参照信号のＦＦＴ結果の乗算を行い、ＦＦＴ画像を得る。このレンジ圧縮されたＦＦＴ画像はオフセット補正部３４１に送られる。このオフセット補正部３４１は、オフセット量制御部３５１の制御に従って設定されるオフセット量で（図２：ステップＳ１５）、クロスレンジ圧縮（後段のＡｚ圧縮）する画像化範囲の中心（画像中心）をＮ通りに調整するための処理である（図２：ステップＳ１６）。オフセット補正を施されたＦＦＴ画像はＡｚ圧縮部３６１に送られ、アジマス角（クロスレンジ）方向にパルス圧縮を施されて（図２：ステップＳ１７）、画像化部３７に送られる。上記画像化部３７は、入力されるＮ通りのＦＦＴ画像を順次ポーラフォーマット変換することにより２次元ＦＦＴ画像を生成し（図２：ステップＳ１８）、一時保存して（図２：ステップＳ１９）、遠距離の画像範囲全域について画像化を実行する（図２：ステップＳ２０）。

一方、近距離用ＳＡＲ処理部において、レンジ圧縮部３３２は、遠距離用の場合と同様に、合成開口の受信サイクル毎に、ディジタル化された開口アレイのＰＲＦ受信信号をレンジ（距離）方向にパルス圧縮してＦＦＴ画像を得る（図２：ステップＳ２１）。このレンジ圧縮されたＦＦＴ画像はオフセット補正部３４２に送られる。このオフセット補正部３４２は、オフセット量制御部３５２の制御に従って設定されるオフセット量で（図２：ステップＳ２２）、クロスレンジ圧縮（後段のＡｚ圧縮）する画像化範囲の中心（画像中心）をＮ通りに調整するための処理である（図２：ステップＳ２３）。オフセット補正を施されたＦＦＴ画像はＡｚ圧縮部３６２に送られる。このＡｚ圧縮部３６２は、オフセット補正された近距離のＦＦＴ画像に対して、アジマス角（クロスレンジ）方向にパルス圧縮を施し（図２：ステップＳ２４）、一時保存して（図２：ステップＳ２５）、近距離の画像範囲全域についてのＦＦＴ画像を取得する（図２：ステップＳ２６）。

上記画像化部３７に保存された遠距離のＦＦＴ画像と、Ａｚ圧縮部３６２に保存された近距離のＦＦＴ画像は画像統合部３８に送られて互いに統合され（図２：ステップＳ２７）、これによって画像化範囲における１サイクル分のＦＦＴ画像が得られる。続いて、次のサイクルの画像化処理が実行される。

上記構成による合成開口レーダ装置において、図３を参照して、ＳＡＲ方式について概略説明する。図３は、スポットライトＳＡＲ（非特許文献３参照）の場合であり、この方式では、搭載レーダによる実開口ビームを画像化範囲に常に照射するようにビームを向けて、合成開口時間（１サイクル）内でＰＲＩ(Pulse Repetition Interval）間隔で送信したパルス毎に、ＰＲＩ内のレンジセル単位でデータを取得する。この取得データを用いてＳＡＲ処理を実施して、ＳＡＲ画像を得る。

尚、図３はスポットライトＳＡＲの場合の図であるが、ＳＡＲ画像が得られるのであれば、側方を観測するストリップマップＳＡＲ等の他の方式でもよい。図４に座標系の定義を示す。図４において、Ｘ軸をレンジ、Ｙ軸をクロスレンジとし、被搭載機のフライト方向速度をクロスレンジ方向とし、被搭載機の位置から移動目標の座標点を（Ｘ，Ｙ）、速度ベクトルをＶとする。

上記構成において、レンジ圧縮によるレンジ−ドップラ軸のＦＦＴ画像（以下、ＦＦＴ画像と呼ぶ）の生成方法とＦＦＴ画像における移動目標の値を抽出する方法について、図５に示す処理フローを参照して説明する。

まず、サンプリング時間ｔ、合成開口長のサンプル点ｕのデータを取得すると（ステップＳ３１）、レンジ圧縮を実行する（非特許文献１参照：ステップＳ３２〜Ｓ３３）。ここで、レンジ圧縮は、入力信号とレンジ圧縮用信号の相関処理であり、これを周波数領域で行う場合について定式化すると次の通りである。

時間軸上の信号にするには、このsを逆フーリエ変換すればよいが、このあとクロスレンジ圧縮（Ａｚ圧縮、非特許文献２参照）を行うために、信号sの（ω、ｕ）軸のままとする。

次にクロスレンジの参照信号fs0を生成する。

尚、オフセット値（Xcalfft, Ycalfft, Zcalfft）は、ＦＦＴ画像を生成するために必要であるが、ポーラフォーマット変換を実施する処理ではポーラフォーマット変換前のクロスレンジ圧縮の際にオフセットを設定するため不要である。ただし、オフセットによる効果を説明するためには必要であるため、以下に図６を参照して説明する。

まず、前述のsとクロスレンジ圧縮用のfs0を乗算して信号csを得る。

これを用いて、ｕ軸でＦＦＴして信号fcs（ω、ku）を得る。

ＦＦＴ画像出力は、fcsのω軸に関する逆ＦＦＴにより算出できる。

図６にＦＦＴ画像のＮ通りのオフセットを説明するための概念図を示す。このＦＦＴ画像では、Ｘ軸がパルス圧縮によるレンジ（目標までの往復時間ｔ に比例、t 軸）、Ｙ軸がＦＦＴによるクロスレンジ（ドップラー成分に比例、ku軸）に対応する。固定目標の画像中心を（Xc, Yc）とすると、固定目標の画像化範囲は（Xc±X0，Yc±Y0）である。固定目標は、この画像生成範囲以上の場合もあるため、広範囲に合成するためには、画像中心を変えたＮ通り（図６ではＮ＝９）の画像を生成し、画像生成後、全体画像を統合するものとする。

このＦＦＴ画像は、ポーラフォーマット変換を用いないため、角度分解能が低い。ただし、近距離においては、角度分解能が低くてもクロスレンジ分解能は遠距離に比べて高いため、所定の距離スレショルド以下の近距離において用いる。

次に遠距離側の画像生成手法として、図５を参照してポーラフォーマット変換によるSAR画像処理手法について述べる（非特許文献４参照）。パルス圧縮の出力ｓまでは、上述と同様である。まず、このｓを用いて、ｕ軸に関してフーリエ変換する（ステップＳ３４）。

次に、画像化範囲を適切に設定するためにＮ通りのオフセット値（Xoff, Yoff）を用いて、図６に示すように固定目標の画像中心をずらしてオフセット補正を行う。

また、kx, kyは次式により求めることができる。

このクロスレンジ参照信号を用いて、次式によりfsmを算出する。

続いて、fsm を用いて、図７に示すポーラフォーマット変換を行い、kx, ky軸で格子点のデータF（kx,ky）を生成する（ステップＳ３６）。ポーラフォーマット変換は、取得データを用いて、（kx、ky）軸の格子点のデータを、内挿手法等を用いて算出する手法であり、細部については非特許文献に示される通りであり、ここではその説明を割愛する。このfsmを用いて、２次元逆ＦＦＴにより画像を生成し出力する（ステップＳ３７）。

以上の説明から明らかなように、第１の実施形態では、ＦＦＴ画像と同様に、広範囲に合成するために、画像中心を変えたＮ通りの画像を生成し、画像生成後、全体画像を統合する。このように、ＳＡＲ処理において、近距離から遠距離まで画像を生成する際に、所定の距離でスレショルドを設けて近距離と遠距離に分割し、近距離範囲は、画像生成範囲が広いレンジ−ドップラ変換を用いて画像生成し、遠距離範囲は分解能が高いポーラフォーマット変換を用いて画像生成するようにして、両者を統合するようにしている。したがって、固定目標の画像化範囲を距離方向、仰角方向、方位角方向に広げ、画像更新レートを高くしても、合成開口長を広くとることができ、広範囲の画像を高い分解能で生成し出力することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態で生成した画像には歪が生じる場合があり、これを補正する手法について述べる。図８は図１に示した第１の実施形態の構成に、歪補正機能を追加した場合の構成を示すブロック図、図９は図８に示す信号処理器の処理の流れを示すフローチャートである。図８及び図９において、図１及び図２と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図８において、図１と異なる点は、遠距離側処理において、ポーラフォーマット変換による画像化部３７の後段にアファイン変換部３９１及びパラメータ制御部４０１による画像補正部を備え、近距離側処理において、Ａｚ圧縮部３６２の後段に同じくアファイン変換部３９２及びパラメータ制御部４０２による画像補正部を備える点にある。また、図９において、図２と異なる点は、ステップＳ２７の画像統合処理の前に、遠距離画像及び近距離画像のそれぞれをアファイン変換により補正するステップＳ２８が追加された点にある。

すなわち、第１の実施形態において、Ｎ通りのオフセット量を用いて画像生成した各々の画像は、画像中心が異なるために、スクイント角（フライト軸に対するビーム指向方向の角度）による位置ずれや歪みが生じている。そこで、第２の実施形態では、これを補正するために次式で示すアフィン変換を行う（図１０、非特許文献５参照）。

例えば、拡大縮小、平行移動の場合のみであると、次式となる。

上記アフィン変換について、図１０（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。
一般に行列で表現すると、次の通りである。
（ａ）拡大縮小の場合（図１０（ａ）参照）

（ｂ）平行移動の場合（図１０（ｂ）参照）

（ｃ）回転移動の場合（図１０（ｃ）参照）

（ｄ）スキュー（θx）の場合（図１０（ｄ）参照）

（ｅ）スキュー（θy）の場合（図１０（ｅ）参照）

尚、複合した変換の場合は、変換の順に行列の乗算の形で変換すればよい。例えば、回転→平行移動の場合は、図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように変換することになる。この複合変換は次式で表現される。

以上の説明から明らかなように、上記処理において、（１３）式の各係数は、基準位置（Prefx, Prefy）の固定目標を発生させ、（１２）式の出力の固定目標の位置を真の位置に補正するように決める。そして、オフセット量の異なるＭ通りの補正画像を振幅加算し、さらに画像の中心位置の異なるＮ通り（全体画像をＮ分割）の画像を合成して、全体としての統合画像が得られる。

ここで、ポーラフォーマット変換では、例えば図１２（ａ）に示すように、設定された画像領域以上に対象目標がある場合には、画像抜けが生じてしまう。これに対して、本実施形態では、図１２（ｂ）に示すように、画像中心の異なる複数の画像を振幅加算により統合するようにしているので、画像抜けが生じることなく適正な画像が得られる。

ここで、これらの歪補正用のパラメータを、被搭載機の位置から画像化範囲までの距離、Ａｚ角、ＥＬ角による角度毎に、テーブル化しておくと、処理の高速化を実現できる。テーブル化の方法としては、画像信号生成、画像生成を行うシミュレ−タにより、距離、Ａｚ角、ＥＬ角毎に真の位置における基準画像を生成し、その画像の歪を補正するように事前に決めておけばよい。分割した画像は、補正後、図１２（ｂ）のように分割画像の振幅値を加算するか、所定の範囲毎に上書きする等により合成を行うとよい。

（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態では、単一のビーム幅内の画像生成範囲を広げる手法について述べた。次に、複数のビームによりＡｚ範囲を広げる場合について述べる。
図１３は図８に示した第２の実施形態の構成に、複数ビーム形成機能を追加した場合の構成を示すブロック図、図１４は図１３に示す信号処理器の処理の流れを示すフローチャートである。図１３及び図１４において、図８及び図９と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図１３において、図８と異なる点は、送受信器２において、ビーム制御部２２をＰＲＩ毎ビーム制御部２３に置き換え、ＰＲＩ毎にビーム指向方向を切替制御するようにした点にある。また、図１４において、図９と異なる点は、ステップＳ１１のＰＲＦ送受信処理の前に、ビーム方向を順次切り替えるステップＳ２９が追加された点にある。

すなわち、Ａｚ範囲を広げるためには、ビ−ム指向方向を図１５（ａ）に示すように切り換え、図１５（ｂ）に示すように指向方向毎にＭ回走査する必要がある。画像生成の更新時間をＴｓとすると、１回の走査あたりＴｓ／Ｍの時間となり、合成開口長Ｌは次式となる。

この場合、画像更新時間Ｔs が短い場合には、Ｌが短くなるため、その逆数に比例する画像分解能が劣化する。この対策として、ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）毎にビーム方向を変える方式を採用する。この系統を図１３に、また処理フローを図１４に、説明図を図１５に示す。ＰＲＩ毎にビーム方向を変えることにより、画像化範囲のどの方向も画像更新時間Ｔs が同じになり、その時間観測が行われるため、合成開口長をＬとして、高い画像分解能を確保することができる。

尚、上記実施形態の合成開口処理方式については、ポーラフォーマット変換の画像再構成処理（非特許文献４）について説明したが、他の合成開口処理方式でよいことは勿論である。

また、本実施形態は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…アンテナ、２…送受信器、２１…送受信部、２２…ビーム制御部、２３…ＰＲＩ毎ビーム制御部、３…信号処理器、３１…ＡＤ（Analog-Digital）変換部、３２…レンジ判定部、３３１，３３１…レンジ圧縮部、３４１，３４２…オフセット補正部、３５１，３５２…オフセット量制御部、３６１，３６２…Ａｚ圧縮部、３７…画像化部、３８…画像統合部、３９１，３９２…アファイン変換部、４０１，４０２…パラメータ制御部

Claims (6)

1. 被搭載移動体の移動に沿ってレーダ波を特定の画像化範囲に向けて得られた受信信号をＳＡＲ（Synthetic Aperture Radar）処理して画像化する合成開口レーダ装置において、
   前記受信信号を所定のスレショルドに基づいて前記画像化範囲を近距離範囲と遠距離範囲に分割する距離分割手段と、
   前記近距離範囲の受信信号をレンジ−ドップラ変換することによりＳＡＲ画像を生成する近距離処理手段と、
   前記遠距離範囲の受信信号をポーラフォーマット変換することによりＳＡＲ画像を生成する遠距離処理手段と、
   前記近距離処理手段及び前記遠距離処理手段それぞれで得られるＳＡＲ画像を統合する画像統合手段と
   を具備する合成開口レーダ装置。
2. さらに、前記近距離処理手段及び遠距離処理手段それぞれで得られるＳＡＲ画像の歪を補正する補正手段を備え、
   前記補正手段は、前記画像化範囲を分割し、分割範囲毎の焦点に対応する距離、Ａｚ角、ＥＬ角に応じて予め決定される歪補正用のパラメータを保有するテーブルを備え、前記分割範囲毎に前記テーブルから対応するパラメータを読み出して画像歪を補正し、各分割範囲の補正画像を合成する請求項１記載の合成開口レーダ装置。
3. さらに、前記画像化範囲に対応するＡｚ範囲内をＡｚ方向に１〜Ｎ（Ｎは２以上の整数）まで分割し、ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）毎に順に１〜ＮのＡｚ分割範囲にビーム指向方向を変化させるビーム制御手段を備え、
   前記１〜ＮのＡｚ分割範囲について前記ＳＡＲ処理を行う請求項１または２記載の合成開口レーダ装置。
4. 被搭載移動体の移動に沿ってレーダ波を特定の画像化範囲に向けて得られたビーム出力の受信信号をＳＡＲ（Synthetic Aperture Radar）処理して画像化する合成開口レーダ装置の画像処理方法において、
   前記画像化範囲を所定のスレショルドに基づいて近距離範囲と遠距離範囲に分割し、
   前記近距離範囲の受信信号をレンジ−ドップラ変換することによりＳＡＲ画像を生成し、
   前記遠距離範囲の受信信号をポーラフォーマット変換することによりＳＡＲ画像を生成し、
   前記近距離範囲及び前記遠距離範囲それぞれで得られるＳＡＲ画像を統合する合成開口レーダ装置の画像処理方法。
5. さらに、前記近距離範囲及び前記遠距離範囲それぞれで得られるＳＡＲ画像の歪を補正するために、前記画像化範囲を分割し、分割範囲毎の焦点に対応する距離、Ａｚ角、ＥＬ角に応じて予め決定される歪補正用のパラメータを保有しておき、前記分割範囲毎に対応するパラメータで画像歪を補正し、各分割範囲の補正画像を合成する請求項４記載の合成開口レーダ装置の画像処理方法。
6. さらに、前記画像化範囲に対応するＡｚ範囲内をＡｚ方向に１〜Ｎ（Ｎは２以上の整数）まで分割し、ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）毎に順に１〜ＮのＡｚ分割範囲にビーム指向方向を変化させ、前記１〜ＮのＡｚ分割範囲について前記ＳＡＲ処理を行う請求項４または５記載の合成開口レーダ装置の画像処理方法。

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