JP6472370B2 - ３次元（３ｄ）シーン画像を生成するシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には３Ｄ撮像に関し、より詳細には、アンテナのＭＩＭＯアレイの使用、及び圧縮センシング（ＣＳ（compressive sensing））に基づく３Ｄ画像再構成に関する。

従来の単一チャネル仮想アンテナアレイシステムは、広帯域無線周波数（ＲＦ）信号及び大きな合成開口（synthetic aperture）を用いて、２次元（２Ｄ）距離−方位画像（2D range-azimuth image）を生成する。高度情報を一切有しない２Ｄ方位画像は、２Ｄ距離−方位平面への３Ｄシーンの投影である。したがって、３Ｄ地形等のシーンの３Ｄ構造は、投影後に保持されない。加えて、この投影は、レイオーバー（layover）及びシャドーイング（shadowing）等の幾つかのアーチファクト（artifact（人工物））を生じる場合がある。レイオーバーアーチファクトでは、様々な仰角を有する幾つかの地形パッチが同じ距離−方位セルにマッピングされる。シャドーイングアーチファクトでは、幾つかのエリアは、遮蔽構造に起因してアレイ撮像システムによって可視でない。これらのアーチファクトは、干渉法によるアレイ撮像技法を用いる場合であっても、単一ベースライン観測によって解消することができない。

３Ｄ撮像を行うために、高度次元において多重ベースライン観測が必要である。多重ベースライン観測は、単一チャネルプラットフォームの複数のパス、又は複数チャネルプラットフォームの単一のパスによって取得することができる。

３Ｄ撮像機能を有する複数チャネルプラットフォームとしての移動ＭＩＭＯシステムは以下の利点を有する。第１に、ＭＩＭＯアレイの複数のアンテナによって、自由度が大幅に増大する。第２に、移動ＭＩＭＯプラットフォームによって、クロストラックサンプリングを満たすためのはるかに多くの送信機−受信機の組み合わせを提供することができ、結果として高度分解能が大幅に改善される。

しかしながら、移動ＭＩＭＯアレイプラットフォームも幾つかのトレードオフを被る。第１に、同時送信チャネルの総数は、自己干渉を回避するように制限される。従来のＭＩＭＯアレイの場合、送信要素は通常固定される。第２に、移動ＭＩＭＯアレイの空間ロケーションは、運動誤差を受ける。これによって、補償されないままであるとき、不明瞭性及び焦点ぼけが生じ得る。

図１に示すように、通常、方位（ｙ）方向に沿って動く（１２０）従来のＭＩＭＯアレイシステム１１０は、様々な高度において、点散乱体１３０を用いてシーンの３Ｄ画像を生成する。速度ベクトルの大きさは一定であり、方向は直線である。アレイは、固定の受信機（×、◆）と、通常、アレイの各端部に固定の送信機（×）とを含む。

図２は、従来の３Ｄ撮像方法を示す。ここで、ＭＩＭＯアレイは、一定の速度で移動しており、送信機及び受信機は固定である。すなわち、アレイの全ての送信機及び受信機は、送信及び受信の間、同じである。送信機は、無線周波数（ＲＦ）信号をシーン上に送出し、これらは反射され、受信機によって受信される。受信したＲＦ信号２１０に対応するデータ２１１を用いて、アラインされた（２３０）２Ｄ画像２２１を生成する（２２０）。次に、アラインされた画像に３Ｄ画像再構成が適用され、３Ｄ画像２４１が得られる。

本発明の実施形態は、１組のアンテナを備えた移動多入力多出力（ＭＩＭＯ）線形アレイを用いた３Ｄ撮像のためのシステム及び方法を提供する。移動ＭＩＭＯアレイは、ランダム送信チャネルを用い、圧縮センシング（ＣＳ）ベースの撮像を適用して、ランダムチャネル及び運動誤差を考慮に入れて３Ｄ撮像問題に対処する。

特に、実施形態は、理想直線トラックに沿うが、変動する速度及びアクロストラックジッターを伴って動くアクロストラック線形ＭＩＭＯアレイを用いる。

送信チャネルに対する制限を考慮すると、送信チャネルの総数は、従来の移動ＭＩＭＯアレイのように制限される。しかしながら、本発明の実施形態によれば、送信アンテナ及び受信アンテナの部分組（subset）はランダムに選択される。このランダム選択によって、改善された撮像性能で、ＭＩＭＯデータ収集における更なる自由度が提供される。

ＭＩＭＯアレイの速度変動に起因して、有効仮想アレイは、方位方向及び距離方向においてランダムジッターを有して空間的に一様分布する。ランダム性によって、線形測定値がコヒーレントでなく、シーン情報を完全に捕捉することが確実になる。このため、測定は、観測下のシーンを復元するのに適切な正則化を用いて、非線形圧縮センシングに基づく再構成プロセスによって反転することができる。

理想完全チャネル動作と比較して、収集データはチャネル制約に起因してランダムな送信チャネルが欠落しており、ジッターに起因して非一様な空間位置においてサンプリングされる。収集データは、その全体を処理され、圧縮センシングに基づく反復３Ｄ撮像を用いて高分解能の３Ｄ画像が生成される。

本システムは従来のシステムを上回る幾つかの利点を提供する。第１に、本システムは、送信チャネルにおいて、従来の移動ＭＩＭＯシステムよりも多くの自由度を提供する。第２に、ＣＳベースの方法は、ランダム送信チャネル及び運動誤差に対処し、速度変動及びロケーションジッターによって生じる不明瞭性を抑制することを可能にし、この結果、従来の方法を用いて得られるよりも高い分解能の画像をもたらす。第３に、本システムは、より少ないチャネルを用いて３Ｄ撮像を行うことができ、これによって、データ収集の時間及び費用が節減し、完全チャネル動作に匹敵する撮像性能を提供する。チャネルの総数の低減によって、撮像されるシーンの大きさを増大させるか、又はより高い分解能を提供することができる。

従来のＭＩＭＯレーダー撮像の概略図である。 従来の移動ＭＩＭＯシステム及び方法のブロック図である。 本発明の実施形態による、圧縮センシングベースの３Ｄ撮像の概略図である。 本発明の実施形態による、移動ＭＩＭＯアレイを用いた３Ｄ画像を生成するシステム及び方法のブロック図である。

本発明の実施形態は、１組のアンテナを備えた移動多入力多出力（ＭＩＭＯ）線形アレイを用いた３Ｄ撮像のためのシステム及び方法を提供する。移動ＭＩＭＯアレイは、ランダム送信チャネルを用い、圧縮センシング（ＣＳ）ベースの撮像を適用して、ランダムチャネル及び運動誤差を考慮に入れて３Ｄ撮像問題に対処する。

図３に示すように、移動している（３２０）ＭＩＭＯアレイ３１０によって収集されるデータを検討する。アレイの向きは、高度（ｚ）方向に平行である。アレイは、ランダムに選択された送信アンテナ（×）及び受信アンテナ（×、◆）の部分組を含む。送信アンテナは、信号が送信された後にＲＦ信号を受信するのにも用いることができることに留意されたい。アレイは、方位方向及び高度方向においてランダムクロストラックジッターを受ける可能性がある。これらは本発明の実施形態によって補正される。

図４は、本発明の実施形態による３Ｄ撮像方法を示す。本方法は、送信アンテナ及び受信アンテナとして、１組のアンテナの部分組３１０を選択する（４１０）。次に、ＭＩＭＯアレイが変動する速度で移動している間、送信アンテナの部分組を用いて、無線周波数（ＲＦ）信号が、反射器４０２を含むシーン４０１上に送信される。ＭＩＭＯアレイは、移動中、ジッターを受け、このため速度の大きさ及び方向の双方が変動する。

反射されたＲＦ信号は、ＭＩＭＯデータ４１１として受信アンテナの部分組において受信される。ＭＩＭＯデータ４１１は、アラインされたＭＩＭＯデータを生成するようにアラインされる（４４０）。ＭＩＭＯデータは時間において一様にサンプリングされる。次に、圧縮センシング（ＣＳ）ベースの再構成手順が、アラインされたＭＩＭＯデータに適用され（４５０）、シーンの３Ｄ画像４５１が生成される。

上記のステップは、当該技術分野において既知のように、バスによって、データ４１１及び４２１を記憶するためのメモリと、入／出力インターフェースと、アンテナとに接続されるプロセッサ４００において実行することができる。

一般的に、全てのアンテナはデータを送信及び受信することができる。しかしながら、送信信号間の干渉を回避するために、送信チャネルはＲＦパルス送信ごとに制限されている。従来の移動ＭＩＭＯシステムの場合、これらの送信チャネルは、幾つかの送信アンテナに固定される。本発明によるシステムでは、全ての利用可能なアンテナの組からランダムに選択された、例えば２つの送信アンテナによって直交信号が送信されると仮定し、これにより更なる柔軟性及び潜在的により良好な撮像性能がもたらされる。

パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）は、ＭＩＭＯアレイの移動中、固定されている。しかしながら、ＭＩＭＯアレイの空間ジッターに起因して、有効な空間サンプリングロケーションは直線において一様でない。

ＣＳベースの画像再構成は、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埋め、すなわちほとんどのデータ要素はゼロであり、次に全ての（全部の又は完全な）データに対し、高速距離移動撮像を行う。

結果は、本発明によるシステム及びＣＳベースの方法を用いて、速度変動及びロケーションジッターによって生じる曖昧性を抑制し、従来のシステム及び方法を用いるよりも高分解能の画像をもたらすことができることを実証している。さらに、従来のＭＩＭＯシステムよりも少ないチャネルを用いて３Ｄ撮像を行うことができ、これによって、データ収集のための時間及び費用が節減され、完全チャネル動作に匹敵する撮像性能が提供される。チャネルの総数の低減によって、より大きなシーン又はより高い分解能を撮像する可能性も提供される。

Claims (11)

1. １組のアンテナを含むＭＩＭＯアレイを用いてシーンの３次元（３Ｄ）画像を生成する方法であって、
   送信アンテナの部分組及び受信アンテナの部分組として前記アンテナの少なくとも１つの部分組を選択するステップと、
   前記ＭＩＭＯアレイが変動する速度で移動している間、前記送信アンテナの部分組を用いて前記シーン内に無線周波数（ＲＦ）信号を送信するステップと、
   前記受信アンテナの部分組において、前記シーンによって反射される前記ＲＦ信号をＭＩＭＯデータとして受信するステップと、
   前記ＭＩＭＯデータをアライン及び正則化するステップと、
   圧縮センシング（ＣＳ）ベースの再構成手順をアラインされた前記ＭＩＭＯデータに適用して前記シーンの前記３Ｄ画像を生成するステップと、
   を含む、３次元（３Ｄ）シーン画像を生成する方法。
2. 前記ＭＩＭＯデータは、時間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。
3. 前記ＭＩＭＯアレイの向きは固定である、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＭＩＭＯアレイは、方位方向及び高度方向においてランダムジッターを受ける、請求項１に記載の方法。
5. 全てのデータは全体として、前記圧縮センシング（ＣＳ）ベースの再構成手順によって処理される、請求項１に記載の方法。
6. 前記圧縮センシング法は、反復再構成法である、請求項１に記載の方法。
7. 前記変動する速度は、方位方向及び距離方向のランダムジッターを伴って前記アレイを空間的にかつ一様に分散させる、請求項１に記載の方法。
8. 前記ＭＩＭＯアレイは線形である、請求項１に記載の方法。
9. 送信される前記ＲＦ信号は直交である、請求項１に記載の方法。
10. 前記シーンのスパース性を利用することによって、反復手順を用いて欠落データを埋めることを更に含む、請求項１に記載の方法。
11. １組のアンテナを含むＭＩＭＯアレイを用いてシーンの３次元（３Ｄ）シーン画像を生成するシステムであって、
    前記ＭＩＭＯアレイが変動する速度で移動している間、前記シーン内へＲＦ信号を受信するように構成される、受信アンテナの部分組と、
    前記シーンによって反射される前記ＲＦ信号を、ＭＩＭＯデータとして、受信するように構成される、受信アンテナの他の部分組と、
    前記ＭＩＭＯデータをアライン及び正則化し、圧縮センシング（ＣＳ）ベースの再構成手順をアラインされた前記ＭＩＭＯデータに適用して前記シーンの前記３Ｄ画像を生成するように構成されるプロセッサと、
    を備える、３次元（３Ｄ）シーン画像を生成するシステム。

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