JP6544277B2 - 合成開口レーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、航空機、衛星等に搭載する高分解能レーダに係り、地表、海面等を観測し、画像化するための合成開口レーダ装置に関する。

合成開口レーダは、航空機、衛星等の移動体に搭載される。合成開口レーダは、移動しつつ側方に電波を送受信して地表、海面等の観測を行い、ＳＡＲ(Synthetic Aperture Radar)画像再生処理により、二次元の高分解能なＳＡＲ画像を得る。

電波の送信側と受信側を異なる位置に設置し、送信側と受信側の情報を通信により接続するバイスタティックレーダが知られている。このバイスタティックレーダと合成開口レーダ装置を組み合わせたレーダは、バイスタティック合成開口レーダ装置と呼ばれる。

特開２０１１−１９１０９９号公報

バイスタティック合成開口レーダ装置は、送信側の送信機器及び受信側の受信機器を異なる移動体に搭載する。この際、送信機器と受信機器を離して別々に運用するため、送信機器と受信機器のアンテナビームが同時刻に同位置に重なるように、時刻の同期制御及びアンテナビーム制御等を行う。この時刻を同期させる手段としてＧＰＳ受信機を用いて、送信機器の送信信号と受信機の受信信号による合成開口レーダ信号処理について、高精度の時刻同期を図ることができる。

ここで、ＧＰＳ受信機におけるＧＰＳ信号の受信状況があまり期待できない環境で一時的に装置を運用する場合、またはＧＰＳ衛星が老朽化する等して一時的にＧＰＳの時刻精度が劣化した場合、時刻同期精度が劣化するという問題がある。

また、衛星、航空機等の移動体は進行方向に対して高速に移動する。このため異なる移動体に搭載された送信機器と受信機器の間で、時刻同期に対する精度要求が非常に高くなるという問題がある。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであって、異なる移動体に搭載した送信機器と受信機器の間で、各々のＧＰＳ受信機の時刻精度を緩和したバイスタティック合成開口レーダ装置を得ることを目的とする。

この発明による合成開口レーダ装置は、高周波パルス信号を空間に放射する送信用アンテナと、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、このＧＰＳ信号を基に送信側時刻同期用信号を出力する送信側時刻同期部と、上記送信側時刻同期部からの送信側時刻同期用信号を用いて時刻の同期を行い、同期した時刻に合わせて高周波パルス信号を生成する励振機及び信号処理器と、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、このＧＰＳ信号を基に受信側時刻同期用信号を出力する受信側時刻同期部と、を有し、移動体に搭載された送信機器と、上記送信用アンテナから送信され、ターゲットで反射した高周波パルス信号を受信する受信用アンテナと、上記受信用アンテナで受信した高周波パルス信号を復調する受信機と、上記受信機で受信した高周波パルス信号のデータを、全てのビームの組み合わせでＤＢＦ処理し、受信信号レベルが最も高い組み合わせにて受信アンテナビームを形成するＤＢＦ処理器と、上記ＤＢＦ処理器による複数時刻で得られた受信アンテナビームを開口合成し、ＳＡＲ(Synthetic Aperture Radar)画像を得る信号処理器と、を有し、移動体に搭載された受信機器とを備えたものである。

この発明によれば、送信機器と受信機器をＧＰＳ信号により時刻同期して信号処理を行うバイスタティックレーダにおいて、ＤＢＦ処理による広範囲の受信信号を用いて、送信アンテナビームに対して受信アンテナビームを同時刻に同位置に重ねることができるので、時刻同期精度を緩和することができる。

実施の形態１による合成開口レーダ装置の構成を示す図である。 実施の形態１による合成開口レーダ装置の処理の流れを示す図である。 実施の形態１による合成開口レーダ装置において、送信機器を搭載した移動体と、受信機器を搭載した移動体の移動に伴う受信アンテナビームの形成例を示す図である。

以下、この発明に係る実施の形態１について説明する。
図１は、実施の形態１によるバイスタティック合成開口レーダ装置の構成を示す図である。図１において、実施の形態１によるバイスタティック合成開口レーダ装置は、送信機器１０と受信機器２０が、衛星、航空機等の異なる移動体にそれぞれ搭載される。

送信機器１０は、送信用アンテナ１と、励振機及び信号処理器２と、時刻同期部３から構成される。受信機器２０は、受信用アンテナ４と、受信機５と、ＤＢＦ(digital beam forming)処理器６と、信号処理器７と、時刻同期部８から構成される。

送信機器１０において、送信用アンテナ１、励振機及び信号処理器２、及び時刻同期部３は、航空機や衛星等の移動体に搭載される。励振機及び信号処理器２は、送信側時刻同期部３からの送信側時刻同期用信号を用いて時刻の同期を行い、同期した時刻に合わせて予め定められたタイミングで高周波パルス信号を生成し、送信用アンテナ１に出力し、送信アンテナビームを形成する。送信用アンテナ１は、励振機及び信号処理器２から出力された高周波パルス信号を空間に放射する。送信側時刻同期部３は、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、この信号を基に、送信側時刻同期用信号を励振機及び信号処理器２に出力する。この送信側時刻同期部３は、従来のバイスタティック合成開口レーダ装置で使用される時刻同期部よりも時刻精度の低いものを使用する。

受信機器２０において、受信用アンテナ４、受信機５、ＤＢＦ処理器６、信号処理器７及び時刻同期部８は、航空機や衛星等の移動体に搭載される。受信用アンテナ４は、送信用アンテナ１から送信され、ターゲットで反射した高周波パルス信号を受信する。受信機５は、受信用アンテナ４で受信した高周波パルス信号をディジタルデータとして復調する。ＤＢＦ処理器６は、受信機５で復調した高周波パルス信号のディジタルデータについて、受信アンテナビームを形成するＤＢＦ(digital beam forming)処理を行う。ＤＢＦ処理は、広範囲に受信アンテナビームを走査して信号を受信し、信号処理器７で複数の受信時刻の受信信号を合成することで、受信アンテナビームに指向性を持たせることができる。ＤＢＦ処理では、一度に広範囲の信号を受信できるため、送信側の励振機及び信号処理器２と受信側のＤＢＦ処理器６及び信号処理器７との時刻同期の精度を低下させても、送信側の送信用アンテナ１の送信アンテナビームと受信側の受信用アンテナ４の受信アンテナビームを同時刻に同位置に重ねることが可能となる。これによって、送信側時刻同期部３及び受信側時刻同期部８の時刻同期に対する精度要求を下げることが可能である。

信号処理器７は、ＤＢＦ処理器６でＤＢＦ処理した受信アンテナビームに対応する受信信号のディジタルデータについて、受信側時刻同期部８からの受信側時刻同期用信号に基づいて、複数の受信時刻の受信信号のディジタルデータを開口合成するＳＡＲ画像再生処理を行い、ＳＡＲ画像を得る。受信側時刻同期部８は、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、このＧＰＳ信号を基に受信側時刻同期用信号をＤＢＦ処理器６及び信号処理器７に出力する。この受信用時刻同期部８は、従来のバイスタティック合成開口レーダ装置で使用される時刻同期部よりも時刻精度の低いものを使用する。

ここで、送信用時刻同期部３と受信用時刻同期部８の時刻同期精度が高い場合、ＤＢＦ処理による受信アンテナビームの形成方向が正確に確定する。しかしながら時刻同期精度が低い場合、ＤＢＦ処理による受信ビームの形成方向を推定する必要を生じる。受信アンテナビームの形成方向を推定する方法は複数あるが、以下に一例を示す。

ＤＢＦ処理器６は、受信機５により受信した高周波パルス信号のデータについて、時刻同期部８から出力される受信側時刻同期用信号に基づき、所定のタイミングの複数の受信時刻においてＤＢＦ処理を行う。また、ＤＢＦ処理器６は、複数の送信時刻と複数の受信時刻の全てのビーム数の組み合わせについて、ＤＢＦ処理を行った各送信時刻で送信した高周波パルス信号と各受信時刻における複数の受信アンテナビームとの組合せを生成する。受信機５の受信信号レベルが最も高くなる送信時刻Ｔ１と受信時刻Ｔ２における特定の受信アンテナビームの組み合わせが、時刻同期精度が高い場合のＤＢＦ処理による受信アンテナビームの形成方向と同じになる。

図２は、実施の形態１におけるＤＢＦ処理器６及び信号処理器７の処理の流れを示す図である。
図２のステップＳ０において、受信機５は受信した各高周波パルス信号をディジタルデータに変換する。
ステップＳ１において、ＤＢＦ処理器６は、受信機５で得られた各高周波パルス信号のディジタルデータを全てのビーム数の組み合わせでＤＢＦ処理する。

次に、ステップＳ２において、ＤＢＦ処理器６は、受信信号レベルが最も高い組み合わせにて受信アンテナビームを形成する。

更に、信号処理器７は、ＤＢＦ処理した信号から画像再生処理を行い、ＳＡＲ画像データを得る。

図３は、送信機器１０を搭載した移動体１００と、受信機器２０を搭載した移動体２００の移動に伴う受信アンテナビームの形成例を示す図である。図３において、移動体１００が送信アンテナビーム１１０をビーム照射領域１２０に照射している様相を示し、移動体２００が受信アンテナビーム２１０をビーム照射領域２２０に照射している様相を示す。受信アンテナビーム２１０は複数有って、そのうち１つの領域はビーム照射領域１２０と重なり、同時刻に同じ位置で送信アンテナビームと受信アンテナビームが重なる領域を有している。

ＤＢＦ処理器６は、受信アンテナビーム２１０を広範囲に走査し、送信アンテナビーム１１０と重なる位置で、複数の受信時刻の受信信号を合成することにより、受信アンテナビームに指向性を持たせる。このようにＤＢＦ処理によって、一度に広範囲の信号を受信できるため、送信側の送信機器１０と受信側の受信機器２０の時刻同期の精度を低下させても、送信側と受信側の各アンテナビームを同時刻に同位置に重ねることが可能となり、時刻同期に対する精度要求を下げることが可能となる。このためＧＰＳ衛星の時刻精度が一時的に期待できなくなる場所でも利用可能であり、汎用性が高い。

実施の形態１による合成開口レーダ装置は、高周波パルス信号を空間に放射する送信用アンテナ１と、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、このＧＰＳ信号を基に送信側時刻同期用信号を出力する送信側時刻同期部３と、上記送信側時刻同期部３からの送信側時刻同期用信号を用いて時刻の同期を行い、同期した時刻に合わせて高周波パルス信号を生成する励振機及び信号処理器２と、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、このＧＰＳ信号を基に受信側時刻同期用信号を出力する受信側時刻同期部８を有し、移動体に搭載された送信機器と、上記送信用アンテナ１から送信され、ターゲットで反射した高周波パルス信号を受信する受信用アンテナ４と、上記受信用アンテナ４で受信した高周波パルス信号を復調する受信機５と、上記受信機５で受信した高周波パルス信号のデータを、全てのビームの組み合わせでＤＢＦ処理し、受信信号レベルが最も高い組み合わせにて受信アンテナビームを形成するＤＢＦ処理器６と、上記ＤＢＦ処理器６による複数時刻で得られた受信アンテナビームを開口合成し、ＳＡＲ(Synthetic Aperture Radar)画像を得る信号処理器７を有し、移動体に搭載された受信機器２０を備えたことを特徴とする。

これによって、送信機器１０と受信機器２０をＧＰＳ信号により時刻同期して信号処理を行うバイスタティックレーダにおいて、ＤＢＦ処理による広範囲の受信信号を用いて、送信アンテナビームに対して受信アンテナビームを同時刻に同位置に重ねることができるので、時刻同期精度を緩和することができる。

１ 送信用アンテナ、２ 励振機及び信号処理器、３ 送信側時刻同期部、４ 受信用アンテナ、５ 受信機、６ ＤＢＦ処理器、７ 信号処理器、８ 受信側時刻同期部、１０ 送信機器、２０ 受信機器。

Claims (1)

1. 送信機器と受信機器を時刻同期して信号処理を行うバイスタティックレーダをなす合成開口レーダ装置であって、
   高周波パルス信号を空間に放射する送信用アンテナと、
   ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、このＧＰＳ信号を基に送信側時刻同期用信号を出力する送信側時刻同期部と、
   上記送信側時刻同期部からの送信側時刻同期用信号を用いて時刻の同期を行い、同期した時刻に合わせて高周波パルス信号を生成する励振機及び信号処理器と、
   を有し、移動体に搭載された送信機器と、
   ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号を受信し、このＧＰＳ信号を基に受信側時刻同期用信号を出力する受信側時刻同期部と、
   上記送信用アンテナから送信され、ターゲットで反射した高周波パルス信号を受信する受信用アンテナと、
   上記受信用アンテナで受信した高周波パルス信号を復調する受信機と、
   上記受信機で受信した高周波パルス信号のデータについて、上記受信側時刻同期部から出力される受信側時刻同期用信号に基づき、所定のタイミングの複数の受信時刻においてＤＢＦ処理を行い、複数の送信時刻と複数の受信時刻の全てのビーム数の組み合わせについて、ＤＢＦ処理を行った各送信時刻で送信した高周波パルス信号と各受信時刻における複数の受信アンテナビームとの組み合わせを生成し、受信信号レベルが最も高くなる送信時刻と受信時刻における受信アンテナビームの組み合わせから、送信アンテナビームに重なる領域を有するように受信アンテナビームを形成するＤＢＦ処理器と、
   上記ＤＢＦ処理器による複数時刻で得られた受信アンテナビームを開口合成し、ＳＡＲ(Synthetic Aperture Radar)画像を得る信号処理器と、
   を有し、移動体に搭載された受信機器と、
   を備えた合成開口レーダ装置。

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