JP6333196B2

JP6333196B2 - エリアの３ｄ画像を生成する方法およびエリアの３ｄ画像を生成するシステム

Info

Publication number: JP6333196B2
Application number: JP2015034006A
Authority: JP
Inventors: デホン・リウ; ペトロス・ティー・ボウフォウノス
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2035-02-24
Also published as: US20150253423A1; JP2015169657A; US9864054B2

Description

本発明は、包括的には合成レーダシステムに関し、より詳細には、３次元断層イメージングシステムに関する。

合成開口レーダ（ＳＡＲ）システムは、移動プラットフォームに配置されたアンテナの動きを利用して大きな仮想開口部を合成し、結果として高分解能イメージングをもたらす。異なる空間ロケーションにおける各仮想配列は、ベースラインを形成する。単一パス（単一ベースライン）ＳＡＲシステムは、対象エリアの２次元（２Ｄ）距離方位反射率を高度分解能なしでイメージングすることが可能である。しかしながら、エリアの３次元（３Ｄ）地形特徴等の３Ｄ構造は保持されない。

２Ｄ画像は、本質的には３Ｄ反射率空間の２Ｄ距離方位イメージング平面への投影である。この投影によって、いくつかのアーチファクトが生じる場合がある。例えば、レイオーバアーチファクトでは、異なる仰角を有するいくつかの地形パッチが同じ距離方位分解能セルにマッピングされる。非特許文献１を参照されたい。

シャドーイングアーチファクトでは、ある特定のエリアが、照射経路に別の構造があることに起因してＳＡＲシステムにとって不可視である。これらのアーチファクトは、たとえ干渉ＳＡＲ技法を用いたとしても、単一パスで解像することができない。

ＴｅｒｒａＳＡＲ−ＸおよびＣＯＳＭＯ−Ｓｋｙｍｅｄの人工衛星の打ち上げによって、３Ｄイメージングが可能になった。これらのシステムは、異なるベースラインおよび時間において収集された複数のパスからの複素ＳＡＲ画像のスタックを利用し、散乱オブジェクトの３Ｄロケーションおよび動き情報を捕捉する３Ｄ画像を形成する。非特許文献２を参照されたい。

単一レーダプラットフォームに搭載されたアンテナ１０１の複数のベースライン配列を用いて、３Ｄ高度、距離および方位空間に関して３Ｄ画像を生成する従来の３ＤＳＡＲシステムが図１に示される。この図は、異なる高度の点散乱体１０２を示す。

図２は、図１のシステムの従来の３Ｄイメージングプロセスを示す。データ２０１は、各ベースライン（１，．．．，Ｎ）１０１で取得される。２ＤＳＡＲイメージング２１０は、各データ２０１に独立して適用され、２Ｄ画像（Ｉ_１，Ｉ_２，．．．，Ｉ_Ｎ）２１５を構成する。画像は、登録および整列され（２２０）、その後、３Ｄ画像再構成（２３０）によって３Ｄ画像２４０が取得される。

３Ｄ画像は、散乱体が同じ距離方位ロケーションに存在する場合でも、追加の高度次元を用いて、高度に沿って複数の散乱体を分けることができる。しかしながら、３Ｄ画像は、いくつかのトレードオフを要する。第１に、プラットフォームは、複数のベースラインにおいて画像を取得するために、対象エリアにわたっていくつかのパスを行う必要がある。これにより、データ収集は、時間および非常に高い費用を要するものとなる。第２に、高度分解能は、仰角開口の小ささに起因して、距離および方位の分解能に比べて大幅に劣る。この仰角開口は、現代のＳＡＲセンサにおいて、例えば直径約５００メートルの緊密な（ｔｉｇｈｔ）軌道チューブ（ｏｒｂｉｔａｌｔｕｂｅ）として知られる。

高度分解能は、圧縮センシング（ＣＳ）に基づく手法を用いて改善することができる。非特許文献３を参照されたい。このＣＳ手法は、複数のベースラインと、単一ＳＡＲプラットフォームの単一ＰＲＦとを用いる。この方法では、２Ｄ距離方位画像は、ベースラインごとに再構成される。そして、圧縮センシングに基づく方法が高度分解能を改善するために用いられる。この方法は、２Ｄ距離方位ピクセルごとのスパース性しか考慮していない。

Ｇｉｎｉ他「ＬａｙｏｖｅｒｓｏｌｕｔｉｏｎｉｎｍｕｌｔｉｂａｓｅｌｉｎｅＳＡＲｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ」ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ａｎｔｅｎｎａｓａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ｖｏｌ．３８（４），ｐｐ．１３４４−１３５６，Ｏｃｔ２００２．Ｆｏｒｎａｒｏ他「Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆｏｃｕｓｉｎｇｗｉｔｈｍｕｌｔｉｐａｓｓＳＡＲｄａｔａ」ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅａｎｄＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇ，ｖｏｌ．４１（３），ｐｐ．５０７−５１７，Ｍａｒｃｈ２００３．Ｚｈｕ他「ＴｏｍｏｇｒａｐｈｉｃＳＡＲｉｎｖｅｒｓｉｏｎｂｙＬ１−ｎｏｒｍｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ − ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｅｎｓｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈ」ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅａｎｄＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇ，ｖｏｌ．４８（１０），ｐｐ．３８３９−３８４６，Ｏｃｔ２０１０．

本発明の実施形態は、合成開口レーダ（ＳＡＲ）イメージングのための圧縮センシング（ＣＳ）に基づく方法を提供する。本方法は、取得する必要のある生データの総量を減らし、高度の分解能を上げる。特に、本実施形態は、複数の平行なベースラインにおいて収集されたＳＡＲデータを方位高度平面において用いる。高度の分解能は、従来の３ＤＳＡＲシステムのものと比べて実質的に高い。その増加量は約４倍である。

各ベースラインの高度は、利用可能な高度空間においてランダムに分布する。さらに、各ベースラインにおけるアンテナ配列は、一定パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）またはパルス繰り返しレート（ＰＲＲ）を用いる。これらは、時間単位（例えば、秒）ごとのパルス数である。各ベースラインのＰＲＦは異なる。したがって、複数のベースラインによって、データ取得に柔軟性がもたらされる。例えば、データは、単一ＳＡＲプラットフォームの複数のパスにおいて取得することもできるし、様々なＳＡＲプラットフォームから取得することもできる。全てのベースラインが空間領域に整列および配置されるとすると、ＣＳに基づく反復イメージング方法を用いることで、マルチベースラインデータを用いて高分解能３Ｄ反射率マップを生成することができる。

実施形態はいくつかの利点を提供する。特に、ＣＳに基づく方法を用いることで、非常に少ない数のベースラインのみを用いて３Ｄ反射率を生成することができる。これにより、データ収集に要する時間および費用が削減される。第２に、異なるＰＲＦのデータを一緒に処理することで、単一ＳＡＲプラットフォームの複数のパスからのみならず、複数のレーダプラットフォームからのデータも融合することが可能になる。複数のプラットフォームによって、単一ＳＡＲプラットフォームに比べてはるかに大きな仮想仰角開口を形成することが可能になる。その結果、非常に高い高度分解能、例えば、従来の３ＤＳＡＲシステムの４倍の高度分解能が得られる。

本方法は、３Ｄ断層ＳＡＲイメージングおよびＣＳに基づくＳＡＲイメージングに関するが、新たな寄与をなすものである。実施形態は、従来技術とは異なり、マルチベースラインデータにおいて複数の異なるＰＲＦを可能にする。これにより、データソースが単一ＳＡＲプラットフォームから複数のプラットフォームに拡張され、はるかに大きな仰角開口が可能になる。さらに、実施形態は、取得された生データに対し直接動作する、新たなＣＳに基づく反復イメージング方法を提供する。

従来の断層合成開口レーダシステムの概略図である。従来のマルチベースライン合成開口レーダシステムのブロック図である。本発明の実施形態に係る、圧縮センシングに基づく３Ｄ合成開口レーダシステムの概略図である。本発明の実施形態に係る、図３の複数の合成開口レーダシステムを用いて３Ｄ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。従来のイメージングの点散乱体を示す図である。本発明の実施形態に係る、ＣＳに基づくイメージングの点散乱体を示す図である。従来技術の、図５Ａの再構成を示す図である。本発明の実施形態に係る、図５Ｂの再構成を示す図である。

図３および図４に示すように、本発明の実施形態は、合成開口レーダ（ＳＡＲ）３Ｄ画像を生成する方法を提供する。本方法は、複数のベースライン３０１および複数のパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）においてデータセットを取得する。複数のベースラインは、対象エリアにわたっていくつかのパスを行う単一プラットフォーム、または同じエリアにわたってパスする複数の異なるプラットフォームを用いて確立することができる。

この説明において、点散乱体３０２とともに、３Ｄ空間に配置された３Ｄオブジェクトを考慮する。空間において高度方向に沿ってランダムに分布する、合計７０本のベースラインを考慮する。これらのベースラインは、高度に沿って均一な間隔で置かれた２８１本の可能なベースラインから選択される。図３を参照されたい。ベースラインの合計本数は、従来の３ＤＳＡＲシステムにおけるものと比べて実質的に少ない。

本シミュレーションにおいて、従来の３ＤＳＡＲシステムに必要とされるベースラインの全体本数の２５％しか必要としない。その上で、高度分解能を約４倍に上げることができる。

各ベースラインにおいて、ＳＡＲ生データセットは一定ＰＲＦで取得される。一方、異なるベースラインに関して、対応するＰＲＦは、他のＰＲＦと異なるようにランダムに選択される。特に、全てのベースラインからのデータセットは、ベースＰＲＦから始まって、ランダム整数値によってダウンサンプリングされる。つまり、各ＰＲＦは、ベースＰＲＦの一部であり、ダウンサンプリングレートは、セット｛２，３，４，５｝からランダムに選択される。全てのデータセットは完全に整列しているとみなす。

２つの異なる手法を比較する。第１の従来手法は、それぞれが異なるＰＲＦを有する７０本のベースラインでの削減されたデータ収集と、従来のイメージング方法とを用いる。本発明に係る手法では、削減されたデータ収集と、本発明のＣＳに基づくイメージング手法とを用いる。従来の３Ｄイメージングにおいては、データをアップサンプリングし、欠落データをゼロで補うことによって、近距離レンジマイグレーションイメージング手順（ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄｒａｎｇｅｍｉｇｒａｔｉｏｎｉｍａｇｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）を用いる。この手順は、取得されたデータから高速のビーム形成結果を生成し、取得演算子の逆を実施する。

ＣＳに基づくイメージングにおいては、シーンのスパース性を利用する反復手順を用いて欠落データを補い、その後、高速マイグレーションイメージングを行う。

図４に示されるように、データセット４０１は、ＳＡＲシステムのセット｛１，．．．，Ｎ｝から取得される。上述したように、データセットは、単一システムの複数のパスにおいて取得することができる（４０５）。ここで、この説明において、各パスは独立したデータセット、または異なるＳＡＲシステムによる複数のパス、または単一システムおよび独立システムの複数のパスの何らかの組合せを生成する。

データセット４０１は、登録および整列され（４１０）、整列したデータセット４１５が生成される。整列の後、整列した複数のベースライン、複数のＰＲＦデータセット４１５に、ＣＳに基づく３Ｄ画像再構成が直接適用され（４２０）、３ＤＳＡＲ画像４３０が取得される。

図５Ａは、ダウンサンプリングに起因する方位および高度におけるエイリアシング５０１が見られる場合のある、従来のイメージングの点散乱体を示す。

図５Ｂは、本発明の実施形態に係る、ＣＳに基づくイメージングの、エイリアシングが除かれた点散乱体を示す。

図６Ａは、方位および高度の双方で大幅な劣化および低分解能を有する図５Ａの再構成を示す。

図６Ｂは、図５Ｂの再構成を示す。図示されるように、ＣＳに基づく手法は、利用可能なデータが限られているのにかかわらず、再構成を大幅に改善する。実際、復元は全ての利用可能なデータを用いる従来のイメージングに非常に近い。

Claims

エリアの３Ｄ画像を生成する方法であって、
前記３Ｄ画像は、合成開口レーダ（ＳＡＲ）画像であり、
前記方法は、
１つまたは複数のＳＡＲシステムを用いて前記エリアから複数のデータセットを取得するステップであって、各ＳＡＲシステムは、少なくともペアの平行なベースラインと、複数のパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）とを有し、各ベースラインの所定のＰＲＦは他のＰＲＦと異なるように前記複数のＰＲＦからランダムに選択される、ステップと、
前記データセットを登録するとともに整列し、整列したデータセットを作成するステップと、
前記整列したデータセットに圧縮センシングに基づく方法を適用し、前記エリアに対応する前記３Ｄ画像を生成するステップと、
を備え、
前記ステップは、プロセッサで実行される、
エリアの３Ｄ画像を生成する方法。
前記データセットは、各ベースラインにおいて一様にサンプリングされる、
請求項１に記載の方法。
前記ベースラインは、互いに平行である、
請求項１に記載の方法。
前記データセットは、複数のＳＡＲシステム、または単一ＳＡＲシステムの複数のパスから取得される、
請求項１に記載の方法。
前記複数のベースラインは、ランダムに空間的に分布する、
請求項１に記載の方法。
全ての前記データセットが処理される、
請求項１に記載の方法。
前記圧縮センシングに基づく方法は、反復再構成方法である、
請求項１に記載の方法。
エリアの３Ｄ画像を生成するシステムであって、
前記３Ｄ画像は、合成開口レーダ（ＳＡＲ）画像であり、
前記システムは、
前記エリアから複数のデータセットを取得するように構成された１つまたは複数のＳＡＲシステムであって、各ＳＡＲシステムは、少なくともペアの平行なベースラインと、複数のパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）とを有し、各ベースラインの所定のＰＲＦは他のＰＲＦと異なるように前記複数のＰＲＦからランダムに選択される、１つまたは複数のＳＡＲシステムと、
前記データセットを登録するとともに整列し、整列したデータセットを作成し、前記整列したデータセットに圧縮センシングに基づく方法を適用し、前記エリアに対応する前記３Ｄ画像を生成するように構成されたプロセッサと、
を備えた、エリアの３Ｄ画像を生成するシステム。
エリアの３Ｄ画像を生成するためのコンピュータプログラムを記憶した非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
前記３Ｄ画像は、合成開口レーダ（ＳＡＲ）画像であり、
前記コンピュータプログラムは、
１つまたは複数のＳＡＲシステムを用いて前記エリアから複数のデータセットを取得するステップであって、各ＳＡＲシステムは、少なくともペアの平行なベースラインと、複数のパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）とを有し、各ベースラインの所定のＰＲＦは他のＰＲＦと異なるように前記複数のＰＲＦからランダムに選択される、ステップと、
前記データセットを登録するとともに整列し、整列したデータセットを作成するステップと、
前記整列したデータセットに圧縮センシングに基づく方法を適用し、前記エリアに対応する前記３Ｄ画像を生成するステップと、
をプロセッサに実行させる命令のセットを備え、
前記ステップは、プロセッサで実行される、
非一時的なコンピュータ可読媒体。