JP6391054B2 - Synthetic Aperture Radar System for Widening Observation Area and High Resolution Using Identifiers - Google Patents
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Description
本発明は、合成開口レーダ装置からの観測信号を用いて地上又は海上の静止目標、または移動目標を識別する合成開口レーダ装置に関する。 The present invention relates to a synthetic aperture radar apparatus that identifies a stationary target or a moving target on the ground or sea using an observation signal from a synthetic aperture radar apparatus.
合成開口レーダ装置からの観測信号を用いて移動目標を識別する技術については、すでに論文、特許等の文献があり,その装置および方法については複数の提案がなされている。 There are already papers, patents, and other techniques for identifying a moving target using an observation signal from a synthetic aperture radar apparatus, and a plurality of proposals have been made for the apparatus and method.
非特許文献1では、衛星搭載用合成開口レーダ装置を用いて、移動目標の識別を行うために、PN系列(Pseudrandom Noise)を提案している。2種類の異種PN系列で交互にパルス内変調を行い、所定のPRF(Pulse Repetition Frequency)で衛星から送信されるパルス波を複数の点目標に向けて照射し、その後方散乱波である受信信号を送信パルス波と同一のPN系列で復調する。この復調成分は、開口合成されている。目標を点目標として近似し、式(1)に示す目標からの後方散乱波の前後パルス波復調信号成分の差分をウェーブレット変換することにより、移動目標の識別、及び移動目標のラジアル方向速度の特定が可能となる。 Non-Patent
ここで、PN(n),PN’(n)は,異種PN系列である。
Here, PN (n) and PN ′ (n) are heterogeneous PN sequences.
ウェーブレット変換は,式(3)に示すようにウェーブレット関数ψ(t)と式(1)の信号成分との
非特許文献2では、上述したウェーブレット変換の理論に基づいて、5点の点目標から構成される移動目標の位置、速度を特定している。式(3)は、複素関数であり、振幅情報からパラメータaを決定し、このaを用いて、位相情報から目標の位置、形状及び速度を推定している。 In
点目標の個数が非特許文献2で示されている場合のように5点程度であれば、移動目標の画像化は非特許文献2に示すように、パラメータa、bを掃引することによって比較的容易であるが、多数の点目標で構成される集合体の画像化は困難となる。また、パラメータaと速度ベクトルを含む複数の点目標の三次元位置との対応付けも明確ではない。 If the number of point targets is about 5 as shown in
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、多数の点目標で構成され、高分解能化された点目標の集合体の画像化を可能とする合成開口レーダ装置を得るものである。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to combine a plurality of point targets to enable imaging of a collection of point targets with high resolution. An aperture radar apparatus is obtained.
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、所定の変調信号で変調した送信波を観測領域全域に照射して得られる反射波を復調処理し、ウェーブレット変換する合成開口レーダ装置において、
前記観測領域を複数個に分割し、それぞれを個々の識別子に対応させるものとし、
前記識別子は、個々の前記観測領域とレーダ間の距離と速度を位相情報とした疑似信号をウェーブレット変換し、その出力を微分し、極大点を求めるものであって、前記極大点を観測領域全域にわたって算出、記憶し、
全極大点と、前記合成開口レーダ装置から前記観測領域に照射するレーダ波の反射波に対して、前記ウェーブレット変換処理を行った観測信号の点目標輝度点の集合体とから画像化処理を行うことを特徴とする。
前記ウェーブレット変換処理後の微分による前記極大点から算出した前記識別子のうち、前記極大点から、観測信号の高分解能化が実現できるという効果を有する。In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
The observation area is divided into a plurality of parts, each corresponding to an individual identifier,
The identifier is obtained by wavelet transforming a pseudo signal having phase information on the distance and velocity between each observation region and a radar, and differentiating the output to obtain a maximum point. Calculated, memorized,
Imaging processing is performed from all local maximum points and a set of point target luminance points of the observation signal subjected to the wavelet transform processing on the reflected wave of the radar wave irradiated to the observation region from the synthetic aperture radar device. It is characterized by that.
Among the identifiers calculated from the local maximum points obtained by differentiation after the wavelet transform process, the observation signal can be increased in resolution from the local maximum points.
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記前記極大点は、ウェーブレット関数の振動の中心周波数をω0、aはスケールであり、1/aをxとして、半径
大点であることを特徴とする合成開口レーダ装置。
前記ウェーブレット変換は、フーリエ変換と違って、時間軸に局在する波形を適切に検出できるという特徴を有している。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the local maximum point is ω0 as a center frequency of vibration of a wavelet function, a is a scale, 1 / a is x, and a radius
A synthetic aperture radar device characterized by being a large point.
Unlike the Fourier transform, the wavelet transform has a feature that a waveform localized on the time axis can be detected appropriately.
請求項3記載の発明は、請求項1乃至2記載の発明において、前記ウェーブレット変換パラメータaともう一方のウェーブレット変換パラメータbを用いて前記識別子
を作成し、前記観測領域を前記識別子に対応させることを特徴とする。
前記極大点と観測領域の点目標輝度点は、1対1に対応しており、前記観測領域を前記識別子によって構成することができる。The invention according to
And the observation area is made to correspond to the identifier.
The local maximum point and the point target luminance point of the observation area have a one-to-one correspondence, and the observation area can be configured by the identifier.
請求項4記載の発明は、請求項1乃至3記載の発明において、前記全識別子と観測信号である前記ウェーブレット変換出力の輝度点との照合処理により、前記観測信号を画像化することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the invention, the observation signal is imaged by performing a collation process between the all identifiers and the luminance point of the wavelet transform output as the observation signal. To do.
請求項5記載の発明は、請求項1乃至4記載の発明において、照合処理を実行する際に、前記ウェーブレット変換出力に混入している雑音成分を算出し、これを抑制する閾値処理を併せて実施することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the present invention, when performing the collation process, a noise component mixed in the wavelet transform output is calculated, and a threshold process for suppressing the noise component is also performed. It is characterized by carrying out.
上述したように多数の点目標で構成される目標に対して、本願において定義した識別子を適用することによって、広域化と高分解能化を実現する合成開口レーダ装置を提供することができる。 As described above, by applying the identifier defined in the present application to a target composed of a large number of point targets, it is possible to provide a synthetic aperture radar apparatus that realizes wide area and high resolution.
以下、本発明の実施形態について、衛星搭載用合成開口レーダを例として説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described by taking a satellite-borne synthetic aperture radar as an example.
似信号は,非特許文献1を参照すると次式で表示される。 The similar signal is displayed by the following formula when Non-Patent
与えられる。
Given.
式(5)の前記擬似信号は、非特許文献1を参照すれば、送信波と同一の前記PN系列で復調できる。 The pseudo signal of Expression (5) can be demodulated by the same PN sequence as that of the transmission wave by referring to
復調後の信号に対するウェーブレット変換は、フーリエ変換と違って、時間軸に局在する波形を適切に検出できるという特徴を有している。従って、前記点目標の位置及び速度の違いによる変化を検出することができる。前記ウェーブレット変換は、次式に示すようにウェーブレット関数ψ(t)と信号成分との内積で与えられる。 Unlike the Fourier transform, the wavelet transform for the demodulated signal has a feature that a waveform localized on the time axis can be detected appropriately. Therefore, it is possible to detect a change due to a difference in position and speed of the point target. The wavelet transform is given by the inner product of the wavelet function ψ (t) and the signal component as shown in the following equation.
ラメータである。bは,シフトであり、時間軸上を掃引するパラメータである。ψ(t)としては、次式で与えられるガボール・ウェーブレット関数を採用する。
It is a parameter. b is a shift and is a parameter that sweeps on the time axis. As ψ (t), a Gabor wavelet function given by the following equation is adopted.
点目標をt=bに固定し、パルス列のうち,m=0としたときの応答として、式(7)のウェーブレット変換を具体的に表現すると次式で表される。
As a response when the point target is fixed at t = b and m = 0 in the pulse train, the wavelet transform of Equation (7) is specifically expressed by the following equation.
る点目標の位置と速度の情報を有している。パラメータ1/aが大きくなり、ウェーブレット変換出力も大きくなることから、式(11)は単調増加減少関数である。従って、式(11)の極大点条件を求めるために、パラメータ1/aで微分すると次式が得られる。 Information on the position and speed of the point target. Since the
が近接し、前記半径が極小となる場合である。 Are close to each other and the radius is minimized.
上述した結果を確認するために、8パルス分差分処理の前記点目標のウェーブレット変換出力を図1に示す。ウェーブレット変換出力は、(b,1/a)平面上に振幅情報として図示されている。この図では、b35、1/a31で最大振幅となっている。この最大振幅点が前記点目標の前記極大点となる。In order to confirm the above-described result, the wavelet transform output of the point target of the 8-pulse difference process is shown in FIG. The wavelet transform output is shown as amplitude information on the (b, 1 / a) plane. In this figure, the maximum amplitude is b 35 and 1 / a 31 . This maximum amplitude point becomes the maximum point of the point target.
ここで,計算に用いた前記PN系列を適用した合成開口レーダの設計諸元を図2に示す。
集合を識別子ID(b,1/a)として、これを用いて前記点目標の位置と速度ベクトルを識別する。すなわち、前記識別子1とその要素を次式のように表す。Here, FIG. 2 shows the design parameters of the synthetic aperture radar to which the PN sequence used in the calculation is applied.
The set is used as an identifier ID (b, 1 / a) to identify the position and velocity vector of the point target. That is, the
ここで、前記識別子1の要素の識別可能な総数は、M×Nである。式(14)第1式に示すシフトbは、その最大値をパルス幅Tとする。また、式(14)第2式に示すスケール1/aは、分解能を向上させるために、上述したように、式(12)の円の半径が隣接円と重ならず、かつ極小となるように決定する。この半径を点半径と称する。点半径は、ω0を高くする(分解能に関する
Here, the total number of identifiable elements of the
前記識別子1と式(6)で定義される付加情報である速度を含む位置情報を次式のように表す。
ここで、第1項が位置情報で第2項が速度情報である。位置座標、速度の単位はm、m/sである。ここで、本願の数値例では、T=3×10−5、1/aN=3×107とし、M=60,N=60としている。Position information including speed, which is additional information defined by the
Here, the first term is position information and the second term is speed information. The unit of position coordinates and speed is m and m / s. Here, in the numerical example of the present application, T = 3 × 10 −5 , 1 / a N = 3 × 10 7 , M = 60, and N = 60.
三次元空間に分布する観測領域は、長方形又は、正方形とし、前記点目標の集合体は、定常状態では静止状態(速度0)にあるものとして、前記点目標を円として前記観測領域を分割する。この前記観測領域に前記識別子1の付加情報である位置情報に基づいて、分割点に前記識別子1を対応させる。観測領域が決定されたら、式(15)に示す前記速度をパラメータとして、前記識別子1と観測信号である前記ウェーブレット変換出力との照合処理を行う。前記照合処理は、前記識別子1と前記観測値との差分処理等によって実現できる。前記照合処理の結果の一例を図3に示す。図3から明らかなように、3個の前記点目標が分離、移動している。また、前記ガボール・ウェーブレット関数を用いた前記ウェーブレット変換の適用によって、次式に示すように、図2の設計諸元から前記PN系列のコード長から計算した分解能3.7mに対して、式(16)に示すように、点目標間の距離は、x方向,y方向に0.5mまで,識別可能であり,高分解能化されていることが分かる。 The observation area distributed in the three-dimensional space is rectangular or square, and the set of point targets is in a stationary state (speed 0) in a steady state, and the observation area is divided using the point target as a circle. . Based on the position information that is additional information of the
実際には、観測機器の雑音や空間上に存在するクラッタなどの誤差によって、前記識別子1と前記観測信号の対応は困難となる。次に、合成開口レーダの受信機雑音2が前記観測信号の輝点に誤差を与えるとして数値計算を行う。誤差がある場合のウェーブレット変換は、式(11)と同様な算法によって、次式のように表わされる。 Actually, the correspondence between the
ここで、n0(t)は,受信機雑音2であり、復調後の観測信号成分に付加して、式(17)に示すとおり、ウェーブレット変換されている。
式(17)をパラメータ1/aで微分すると、観測信号に雑音を含んだ場合のウェーブレット変換が前記極大点をとる条件は,次式で与えられる。Here, n 0 (t) is
When the equation (17) is differentiated by the
を座標軸として定義すると、
致する。以上から、前記観測信号に前記雑音2を含んだ場合でも、極大点条件は成立し、所定の1/aで極大値をとることが分かる。更に、前記雑音2を含んでいない式(12)と比較すると、円の中心も半径も異なり、雑音の量によっては、極大点となる1/aの値は異なる。前記識別子1は、前記雑音2を含んでいないため、この点目標を別のものと見なすようになり、識別に対する誤差が発生する。前記雑音2を抑制するために、前記照合処理を実施する際に、閾値処理を併せておこなう。シミュレーション結果を以下に示す。 Is defined as a coordinate axis,
I agree. From the above, it can be seen that even when the observed signal includes the
受信機雑音2は、乱数で発生させた白色雑音として、図4に示す.その平均値及び分散は、それぞれ0.031、0.289である.式(18)において、受信電力量を1として、雑音2を‐40dBから‐10dBまで付加した場合の観測信号ウェーブレット変換出力が変化する様子を、識別子1の要素であるID(b35,1/a42)と、式(17)第2式から算出した位相3と比較して、図5にまとめて示す。結果から明らかなように、‐20dB以上の雑音が付加された場合には、前記雑音2による極大点の条件の変化によって、前記1/aの値が変化している。結局、前記識別子1が有効となる雑音付加量としては、本計算例では、識別子1の要素ID(b35,1/a42)が同等である‐30dBまでである。また,図5に示すように、‐40dBと‐30dBとの位相量変化が0.05radである。従って、閾値PHΔは、前記識別子1の前記位相3の情報から与え、次式のように設定する。
ここで、PHは、理想状態(誤差なし)の位相である。Δは、上述したように、前記識別子1の要素が変化しない範囲の位相量変化から決定する。具体的には、理想状態の位相に、上述したように、雑音2を付加して識別子の要素が変化しない範囲で、識別子1の位相量変化の最大値をΔとする。本計算例では、閾値PHΔは−1.07radである。観測値の位相量が前記閾値を逸脱した場合には、その観測値を除去し、次の識別子1と観測値との前記照合処理を行う。
なお、上記雑音2は受信機から発生するとしたが、クラッタなど気象によって発生する雑音も同様に評価できる。
最終的な画像処理は、点目標の集合体の移動速度を0とした場合の観測領域上に前記差分処理の結果、すなわち移動成分をマッピングすることによって得られる。Here, PH is a phase in an ideal state (no error). As described above, Δ is determined from the phase amount change in a range where the element of the
Although the
The final image processing is obtained by mapping the result of the difference processing, that is, the moving component, on the observation area when the moving speed of the point target assembly is zero.
ガボール・ウェーブレット関数のウェーブレット変換と識別子を採用した結果、観測領域の広域化と高分解能化が実現できた。これにより微小速度で移動する点目標の識別により、精細な画像化が可能となった。本発明は、地震、土砂流、崖崩れ、津波など災害の早期発見や農作物、植生の生育の観察に応用できる。なお、本発明のレーダは、衛星に搭載することにより、リアルタイムで観測することが可能である。特に、準天頂衛星に搭載することにより、静止衛星と同様に常時観測することができる。 As a result of adopting wavelet transform and identifier of Gabor wavelet function, the observation area was widened and the resolution was improved. This enables fine imaging by identifying point targets that move at minute speeds. The present invention can be applied to early detection of disasters such as earthquakes, debris flows, landslides, and tsunamis, and observation of crops and vegetation growth. The radar according to the present invention can be observed in real time by being mounted on a satellite. In particular, by mounting on a quasi-zenith satellite, it is possible to observe constantly as with a geostationary satellite.
1・・・識別子
2・・・雑音
3・・・位相1 ...
Claims (5)
前記観測領域を複数個に分割し、それぞれを個々の識別子に対応させるものとし、前記個々の識別子は、前記観測領域とレーダ間の距離と速度を位相情報とした疑似信号をウェーブレット変換し、その出力を微分し、極大点を求めるものであって、前記極大点を観測領域全域にわたって算出、記憶し、全極大点と、前記合成開口レーダ装置から前記観測領域に照射するレーダ波の反射波に対して、前記ウェーブレット変換処理を行った観測信号の点目標輝度点の集合体とから、画像化処理を行うことを特徴とする合成開口レーダ装置。A synthetic aperture radar apparatus that demodulates a reflected wave obtained by irradiating the entire observation area with a transmission wave modulated with a predetermined modulation signal, and performs wavelet transform using a scale a and a shift b that are wavelet transform parameters ,
The observation area is divided into a plurality of parts, each of which corresponds to an individual identifier.The individual identifier is a wavelet transform of a pseudo signal having the phase information of the distance and speed between the observation area and the radar, The output is differentiated to obtain a local maximum point. The local maximum point is calculated and stored over the entire observation region, and the total local maximum point and the reflected wave of the radar wave irradiated to the observation region from the synthetic aperture radar device are calculated. On the other hand, a synthetic aperture radar apparatus characterized in that an imaging process is performed from an aggregate of point target luminance points of an observation signal subjected to the wavelet transform process.
前記極大点は、ウェーブレット関数の振動の中心周波数をω0、aはスケールであり、bはシフトであり、M 0 、N 0 を正の整数とし、1/aをxとして、半径が
点であることを特徴とする合成開口レーダ装置。The synthetic aperture radar device according to claim 1,
The maximum point is the center frequency of vibration of the wavelet function ω0, a is a scale, b is a shift, M 0 and N 0 are positive integers, 1 / a is x, and the radius is
A synthetic aperture radar device characterized by being a point.
前記ウェーブレット変換パラメータaともう一方のウェーブレット変換パラメータであるシフトbを用いて識別子
を作成し、前記観測領域を前記識別子に対応させることを特徴とする合成開口レーダ装置。The synthetic aperture radar device according to claim 1, wherein
An identifier using the wavelet transform parameter a and the shift b which is the other wavelet transform parameter
And the observation area is associated with the identifier.
前記識別子と、観測信号である前記ウェーブレット変換出力の輝度点との照合処理により、前記観測信号を画像化することを特徴とする合成開口レーダ装置。The synthetic aperture radar device according to claim 1, wherein
A synthetic aperture radar apparatus, wherein the observation signal is imaged by a collation process between the identifier and a luminance point of the wavelet transform output as an observation signal.
前記照合処理を実行する際に、前記観測信号に混入している雑音成分を算出し、これを抑制する閾値処理を併行して実施することを特徴とする合成開口レーダ装置。The synthetic aperture radar device according to claim 4 ,
A synthetic aperture radar device characterized in that, when executing the matching process, a noise component mixed in the observation signal is calculated and a threshold process for suppressing the noise component is performed in parallel.
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