JP6819794B2 - レーダ画像処理装置、レーダ画像処理方法およびレーダ画像処理プログラム - Google Patents

レーダ画像処理装置、レーダ画像処理方法およびレーダ画像処理プログラム Download PDF

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Description

本発明は、レーダによって取得された画像データを処理するレーダ画像処理装置、レーダ画像処理方法およびレーダ画像処理プログラムに関する。
地表の様子等を観測することを目的として、観測したい地域を上空から観測して解析する装置として、合成開口レーダ（ＳＡＲ：Synthetic Aperture Radar）がある。
ＳＡＲにおけるアンテナは、上空から地表に電磁波を照射する。ＳＡＲは、電磁波の反射波の強度を取得する。そして、ＳＡＲは、反射波の強度を用いて地表の様子を観測する。
ＳＡＲは、上空のアンテナと電磁波を反射した物体との間の距離に基づいて、反射波の強度の二次元マップ画像（以下、「ＳＡＲ画像」という。）を作成する。ＳＡＲ画像の高解像度化のために、ＳＡＲでは、パルス圧縮技術が用いられる。
パルス圧縮技術は、周波数が時間に対して線形に変調（チャープ変調）された電磁波を送信波として用いる技術である。電磁波の地上からの反射波に対して、参照信号との相関処理が施される。その結果、信号エネルギーが狭い時間幅に集中するので、高分解能画像が得られる。
電磁波の照射方向（レンジ方向）の高分解能化は、パルス圧縮技術の送信パルスの変調で実現される。アンテナの進行方向（アジマス方向）の高分解能化は、地表物とアンテナとの間の距離に依存する受信信号の位相変化すなわちドップラー効果を用いることによって実現される。
パルス圧縮によって、反射波はsinc関数の形状を持つようになる。その結果、本来の地表物の位置に生じる大きなピーク（メインローブ）以外に、本来の地表物に近接した位置に小さなピーク（サイドローブ）が生ずる。サイドローブのピークの高さは、メインローブのピークの高さに比例する。すると、強い反射および散乱を呈する地表物のメインローブに由来するサイドローブのピークが、その周囲にある弱い反射および散乱を呈する地表物のメインローブのピークを上回ることがある。そのような場合には、弱い反射および散乱を呈する地表物の観測が妨げられてしまう。
サイドローブが存在すると地表物の認識および検出の精度が低下するので、ＳＡＲ画像を用いた物体認識や物体検出において、サイドローブが抑圧されることが好ましい。
サイドローブを抑圧する方法として、一般に、パルス圧縮時に窓関数を適用する方法が用いられる。しかし、窓関数を適用した場合、サイドローブを抑圧すると同時にメインローブの幅が広がるので、画像の解像度が低下するという問題がある。
非特許文献１に、窓関数を使用せず、パルス圧縮後のＳＡＲデータであるSingle Look Complex （ＳＬＣ）に対して所定の操作を施す手法が記載されている。具体的には、ＳＬＣデータにおける注目画素とその周辺の画素との画素値の相関に基づいて、注目画素がメインローブによる画素であるのか、サイドローブによる画素であるのか、それ以外の画素であるのかが判定される。すなわち、画素の種類が判定される。そして、メインローブによる画素であると判定された場合には画素値が維持され、サイドローブによる画素であると判定された場合には画素値が０にされ、それ以外の画素であると判定された場合には周辺画素を用いたローパスフィルタが当該画素に適用される。そのような操作によって、メインローブの分解能の低下を防ぎつつ、サイドローブが抑圧される。
また、ＳＡＲ画像には、サイドローブ以外の地表物の認識や検出を妨げる要因として、スペックル（スペックルノイズ）と呼ばれる乗法性ノイズが含まれる。スペックルは、画像を劣化させて画像の解析を困難にする。
画像処理におけるノイズ抑圧手法を応用したスペックル抑圧手法が数多く提案されている。
例えば、非特許文献２には、一般的な画像処理のノイズ抑圧に有効であるとされるＢＭ３Ｄ（Block Matching and 3D Collaborative Filtering ）を乗法性ノイズモデルに拡張した方式であるＳＡＲ−ＢＭ３Ｄが提案されている。非特許文献２には、入力画像の冗長性や画素値の相関を利用することによって、スペックルを効果的に抑圧できることが示されている。
H. C. Stankwitz, R. J. Dallaire, and J. R. Fienup, "Nonlinear Apodization for Sidelobe Control in SAR Imagery", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 31, no. 1, pp. 267-279, Jan. 1995 S. Parrilli, M. Poderico, C. V. Angelino and L. Verdoliva, "A Nonlocal SAR Image Denoising Algorithm Based on LLMMSE Wavelet Shrinkage", IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 50, no. 2, pp. 606-616, Feb. 2012 T. Xiong, S. Wang, B. Hou, Y. Wang and H. Liu, "A Resample-Based SVA Algorithm for Sidelobe Reduction of SAR/ISAR Imagery With Noninteger Nyquist Sampling Rate", IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 53, no. 2, pp. 1016-1028, Feb. 2015
非特許文献１等にサイドローブ抑圧手法が開示され、非特許文献２等にスペックル抑圧手法が開示されているが、両手法が協調することは想定されていない。現状では、サイドローブとスペックルという性質が異なるノイズ要因を抑圧するには、入力されたＳＡＲ画像に対して、サイドローブ抑圧のための処理とスペックル抑圧のための処理とを直列的に実行せざるを得ない。
しかし、サイドローブ抑圧のための処理とスペックル抑圧のための処理とを直列的に実行すると、以下のような課題が生ずる。
サイドローブ抑圧のための処理が実行された後にスペックル抑圧のための処理が実行される場合、スペックル抑圧の性能が低下する可能性がある。一方、スペックル抑圧のための処理が実行された後にサイドローブ抑圧のための処理が実行される場合にも、スペックル抑圧の性能が低下する可能性がある。
図８は、サイドローブ抑圧のための処理が先に実行される場合の課題を説明するための説明図である。（Ａ）に例示するＳＡＲ画像に対してサイドローブ抑圧のための処理が実行されると、注目画素がサイドローブによる画素（（Ａ）における小さい白丸参照））であると判定された場合、当該画素値は０にされる（（Ｂ）における小さい黒丸参照））。よって、当該画素にサイドローブ成分以外の成分が存在していても、その成分は除去されてしまう。
さらに、そのような画像（（Ｂ）に例示する画像）には、周辺画素に対する相関が低いメインローブの成分が残存している。すると、そのような画像に対してスペックル抑圧のための処理が実行されると、スペックル抑圧の効果が減少し、画像のぼけやメインローブのピークの低下が発生する（図８における（Ｃ）参照）。
図９は、スペックル抑圧のための処理が先に実行される場合の課題を説明するための説明図である。入力されるＳＡＲ画像（（Ａ）に例示するＳＡＲ画像）には、周辺画素に対する相関が低いメインローブの成分による画素やサイドローブによる画素が存在することがある。そのような画像に対してスペックル抑圧のための処理が実行されると、スペックル抑圧の効果が低減し、画像のぼけやメインローブのピークの低下が発生する（図９における（Ｂ）参照）。
さらに、そのような画像（（Ｂ）に例示する画像）に対してサイドローブ抑圧のための処理が実行されると（図９における（Ｃ）参照）、ぼけの影響で、サイドローブであるのかメインローブであるのかの判定の精度が低下する。その結果、効果的にサイドローブを抑圧することができない。
本発明は、反射波の強度の二次元マップ画像中に含まれるサイドローブおよびスペックルの抑圧の効果を高めるレーダ画像処理装置、レーダ画像処理方法およびレーダ画像処理プログラムを提供することを目的とする。
本発明によるレーダ画像処理装置は、観測された反射波の強度の二次元マップ画像の各画素位置において、二次元マップ画像の各画素を注目画素として、各々の注目画素が、メインローブによる画素とサイドローブによる画素とそれ以外の画素とのうちのいずれの種類に属するかを推定する推定手段と、推定手段によって推定された各画素の種類に基づく画素値補間処理で生成される画素値で、メインローブによる画素の画素値およびサイドローブによる画素の画素値を置換して第一の補正画像を生成する画素値置換手段と、第一の補正画像に対してスペックル抑圧処理を適用して第二の補正画像を生成するスペックル抑圧手段と、二次元マップ画像と、第二の補正画像と、画素の種類とを用いて、スペックルとサイドローブとが抑圧された出力画像を生成する出力画像生成手段とを備えることを特徴とする。
本発明によるレーダ画像処理方法は、観測された反射波の強度の二次元マップ画像の各画素位置において、二次元マップ画像の各画素を注目画素として、各々の注目画素が、メインローブによる画素とサイドローブによる画素とそれ以外の画素とのうちのいずれの種類に属するかを推定し、推定された各画素の種類に基づく画素値補間処理で生成される画素値で、メインローブによる画素の画素値およびサイドローブによる画素の画素値を置換して第一の補正画像を生成し、第一の補正画像に対してスペックル抑圧処理を適用して第二の補正画像を生成し、二次元マップ画像と、第二の補正画像と、画素の種類とを用いて、スペックルとサイドローブとが抑圧された出力画像を生成することを特徴とする。
本発明によるレーダ画像処理プログラムは、コンピュータに、観測された反射波の強度の二次元マップ画像の各画素位置において、二次元マップ画像の各画素を対象として、メインローブによる画素とサイドローブによる画素とそれ以外の画素とのうちのいずれの種類に属するかを推定する処理と、推定された各画素の種類に基づく画素値補間処理で生成される画素値で、メインローブによる画素の画素値およびサイドローブによる画素の画素値を置換して第一の補正画像を生成する処理と、第一の補正画像に対してスペックル抑圧処理を適用して第二の補正画像を生成する処理と、二次元マップ画像と、第二の補正画像と、画素の種類とを用いて、スペックルとサイドローブとが抑圧された出力画像を生成する処理とを実行させることを特徴とする。
本発明によれば、反射波の強度の二次元マップ画像中に含まれるサイドローブおよびスペックルが効果的に抑圧される。
レーダ画像処理装置の実施形態の構成例を示すブロック図である。 画像処理部の構成例を示すブロック図である。 出力ＳＡＲ画像生成部の構成例を示すブロック図である。 実施形態の画像処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態の効果を説明するための説明図である。 プログラムを用いた情報処理システムの例を示すブロック図である。 レーダ画像処理装置の主要部を示すブロック図である サイドローブ抑圧のための処理が先に実行される場合の課題を説明するための説明図である。 スペックル抑圧のための処理が先に実行される場合の課題を説明するための説明図である。
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、レーダ画像処理装置の実施形態の構成例を示すブロック図である。
図１に示すように、レーダ画像処理装置は、画像入力部１０と、画像処理部２０と、画像出力部３０とを備えている。
画像入力部１０は、画像データが蓄積される画像データベース、または、複数の画像データベースが接続されるネットワークなどで実現される。本実施形態では、ＳＡＲ画像データ（二次元マップ画像データ）が画像入力部１０から画像処理部２０に入力される。以下、ＳＡＲ画像データとして、ＳＬＣを例にする。なお、ＳＡＲ画像データは、例えば、レーダから観測領域に照射され、レーダによって観測された観測領域からの反射波の強度による画像データである。
画像処理部２０は、入力されるＳＡＲ画像に対してサイドローブ抑圧およびスペックル抑圧の協調処理を行う。そして、画像処理部２０は、サイドローブおよびスペックルが抑圧されたＳＡＲ画像を画像出力部３０に出力する。
画像出力部３０は、例えば、ディスプレイ、プリンタ、画像データを保持するハードディスクやメモリカードなどの記憶媒体、または、それらが接続されるネットワークで実現される。画像出力部３０は、画像の表示、画像の蓄積または画像の伝送を行う。
図２は、画像処理部２０の構成例を示すブロック図である。画像処理部２０は、ＳＬ（Sidelobe）／ＭＬ（Mainlobe）画素推定部２１、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２、スペックル抑圧部２３、および出力ＳＡＲ画像生成部２４を備える。
ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、画像入力部１０から入力されるＳＡＲ画像の各画素を対象として、メインローブによる画素であるのか、サイドローブによる画素であるのか、それ以外の画素であるのかを推定する。そしてＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、メインローブによる画素の位置およびサイドローブによる画素の位置を示す情報であるＳＬ／ＭＬ画素位置情報（具体的には、画素の位置を示すデータ）をＳＬ／ＭＬ画素置換部２２と出力ＳＡＲ画像生成部２４とに出力する。
ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２は、画像入力部１０からＳＡＲ画像を入力する。また、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２は、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１から、ＳＬ／ＭＬ画素位置情報を入力する。ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２は、入力されたＳＡＲ画像と入力されたＳＬ／ＭＬ画素位置情報とに基づいて、第一の補正ＳＡＲ画像を生成する。ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２は、第一の補正ＳＡＲ画像を、画素の補間処理（画素値補間処理）で生成する。
具体的には、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２は、メインローブによる画素およびサイドローブによる画素の周辺に存在する画素であって、メインローブによる画素でもなくサイドローブによる画素でもない画素を用いて画素の補間処理を行う。従って、第一の補正ＳＡＲ画像には、メインローブに起因する画素およびサイドローブに起因する画素は存在しない。そして、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２は、第一の補正ＳＡＲ画像をスペックル抑圧部２３に出力する。
スペックル抑圧部２３は、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２から入力された第一の補正ＳＡＲ画像に対して、スペックル抑圧処理を適用し、スペックルが抑圧された第二の補正ＳＡＲ画像を生成する。そして、スペックル抑圧部２３は、第二の補正ＳＡＲ画像を出力ＳＡＲ画像生成部２４に出力する。
出力ＳＡＲ画像生成部２４は、画像入力部１０から入力されるＳＡＲ画像と、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１から入力されるＳＬ／ＭＬ画素位置情報と、スペックル抑圧部２３から出力される第二の補正ＳＡＲ画像とに基づいて、第二の補正ＳＡＲ画像にメインローブ情報（メインローブの画素値を示す情報）を重畳することによって出力ＳＡＲ画像を生成する。そして出力ＳＡＲ画像生成部２４は、出力ＳＡＲ画像を画像出力部３０に出力する。
次に、レーダ画像処理装置における各ブロックの動作を説明する。
最初に、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１の動作を説明する。まず、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１が、入力されたＳＡＲ画像から、メインローブによる画素またはサイドローブによる画素の位置を推定する処理を説明する。ここでは、非特許文献１に記載されたＳＶＡを使用して処理を行う場合を例にする。
入力ＳＡＲ画像をＩ、ＳＶＡ適用後のＳＡＲ画像をＩSAV と定義する。画素位置(x,y) における、画像水平方向のＳＶＡ処理の結果は、（１）式で表される。
Figure 0006819794
なお、入力ＳＡＲ画像はＳＬＣであるため、各画素値は複素数である。（１）式は、複素数の実部と虚部のそれぞれに対して独立して適用される。なお、非特許文献３の第２章に、（１）式に関する記載がある。簡単のため、y を固定し、水平方向を例にして（１）式を説明する。画素位置x0の地表物から発生した反射波は、パルス圧縮適用後、sinc関数で表されるので、画素位置x の画素値Ｉ(x) は、（２）式で表される。
Figure 0006819794
（２）式のＩ(x) を（１）式におけるｗ(x,y) の式に代入すると、（３）式が得られる。
Figure 0006819794
（３）式から、（４）式が導出される。
Figure 0006819794
メインローブは、理想的には１画素のみで発生する。したがって、画素値は、メインローブによる画素と推定される画素でのみ負の値になる。それ以外の画素の画素値は、０以上の値になる。また、画素が地表物における１点のみからの信号に対応し、かつ、ノイズが存在しなければ、ｗ(x) は０．５以上の値にならない。しかし、実際には複数の地表物からの信号の重なりやノイズの存在によって、ｗ(x) ＞０．５になる場合もある。この場合には、画素は、メインローブによる画素でもなくサイドローブによる画素でもないと推定される。
ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、各画素位置でｗ(x,y) を算出し、その値に基づいて、画素が、メインローブによる画素であるのか、サイドローブによる画素であるのか、それ以外の画素であるのかを推定する。すなわち、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、画素の種類の推定処理を実行する。そして、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、例えば、（５）式で表されるようなデータを、各画素の推定結果Ｅ(x,y) として記憶部（図示せず）に格納する。なお、原理的にはγmin=0 、γmax=1/2 でよいが、画質調整のために変更してもよい。
Figure 0006819794
ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、推定処理を、画像の水平方向と垂直方向のそれぞれに対して実行する。ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、水平方向の推定結果ＥH 、垂直方向の推定結果ＥVを算出する。そして、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、水平方向の推定結果と垂直方向の推定結果とを統合して、注目画素(x,y) の推定結果Ｅ(x,y) を下記１．〜３．のように生成する。
なお、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、注目画素の水平方向または垂直方向の近傍に位置する画素（近傍画素）の画素値と注目画素の画素値との関係を用いて、注目画素の種類（メインローブによる画素であるのか、サイドローブによる画素であるのか、それ以外の画素であるのか）を推定する。なお、ここでは、注目画素に隣接する画素（±１の位置の画素）を近傍画素として使用するが、近傍画素の範囲を広げてもよい。また、整数画素位置の画素だけでなく、小数画素位置の画素を生成して処理してもよい。
１．ＥH(x,y)とＥV(x,y)とのうちのいずれか一方または両方がメインローブに基づく場合には、Ｅ(x,y) ＝０とされる。すなわち、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、注目画素(x,y) をメインローブによる画素として扱う。換言すれば、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、画像の水平方向に対して推定された画素の種類と垂直方向に対して推定された画素の種類とのうちの少なくとも一方がメインローブによる画素であるときに、注目画素を、メインローブによる画素と見なす。
２．ＥH(x,y)とＥV(x,y)とのうちのいずれか一方がサイドローブに基づき、他方がメインローブに基づくものではない場合には、Ｅ(x,y) ＝１とされる。すなわち、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、注目画素(x,y) をサイドローブによる画素として扱う。換言すれば、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、両方向（垂直方向および水平方向）に対して推定された画素の種類ともメインローブによる画素でなく、かつ、少なくとも一方がサイドローブによる画素であるときに、注目画素を、サイドローブによる画素であると見なす。
３．上記の１．および２．の条件のいずれにも該当しない場合には、Ｅ(x,y) ＝２とされる。すなわち、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、注目画素(x,y) を、その他の画素（メインローブによる画素でもなくサイドローブによる画素でもない。）として扱う。
上記の１．〜３．の条件をまとめると、表１に示すように表される。
Figure 0006819794
入力ＳＡＲ画像の各画素値は複素数であるから、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、上記の処理を実部と虚部とのそれぞれに対して独立に適用する。つまり、推定結果Ｅ(x,y) は、実部と虚部のそれぞれに関して独立に算出される。独立して算出された推定結果を、表２に示すように統合して使用してもよい。
Figure 0006819794
ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、以上に説明したように算出した推定結果Ｅ(x,y) を、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２および出力ＳＡＲ画像生成部２４に出力する。
次に、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２の動作を説明する。ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２は、例えば、以下のように、入力ＳＡＲ画像のメインローブによる画素の画素値およびサイドローブによる画素の画素値を補間処理によって生成した画素値に置換することによって、第一の補正ＳＡＲ画像を生成する。
入力ＳＡＲ画像をＩ、第一の補正ＳＡＲ画像をＩ1 とする。注目画素(x,y) がメインローブによる画素またはサイドローブによる画素であるとき、すなわちＥ(x,y) ＜２であるとき、Ｉ1(x,y)は、（６）式にように算出される。
Figure 0006819794
ｔ1 ,ｔ2 は、フィルタカーネルの長さを表す。（６）式に示すように、メインローブによる画素およびサイドローブによる画素の画素値は、他の画素（メインローブによる画素でもなくサイドローブによる画素でもない。）を用いた補間によって生成される画素値に置換される。
なお、（６）式において、ｔ1 ,ｔ2 は、１などの少ない数である。すなわち、メインローブによる画素の補正後の画素値およびサイドローブによる画素の補正後の画素値は、メインローブによる画素でもなくサイドローブによる画素でもない画素であって近傍の画素（メインローブによる画素またはサイドローブによる画素の近傍画素）を用いて、補間処理によって決定される。
また、補間のための算出式は（６）式に限定されない。例えば、（７）式のように、注目画素からの距離に基づいてフィルタ係数に重みｄ(i,j) をつけてもよい。
Figure 0006819794
なお、入力ＳＡＲ画像の各画素値は複素数であるから、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２は、上記の処理を実部と虚部とのそれぞれに対して独立に適用する。すなわち、各画素の推定結果Ｅ(x,y) が実部と虚部で独立している場合に、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２は、実部での補間処理を、実部に関する推定結果を用いて行い、虚部での補間処理を、虚部に関する推定結果を用いて行う。なお、各画素の推定結果Ｅ(x,y) が、実部の推定結果と虚部の推定結果とが統合されたものである場合には、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２は、実部および虚部での補間処理を、実部と虚部とで共通の推定結果を用いて行う。
ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２は、以上に説明したように算出した第一の補正ＳＡＲ画像Ｉ1をスペックル抑圧部２３に出力する。
次に、スペックル抑圧部２３の動作を説明する。スペックル抑圧部２３は、第一の補正ＳＡＲ画像Ｉ1 に対してスペックル抑圧手法を適用して第二の補正ＳＡＲ画像Ｉ2 を生成する。
第一の補正ＳＡＲ画像Ｉ1 には、周辺画素との相関が低いメインローブによる画素やサイドローブによる画素が存在しない。したがって、スペックル抑圧部２３は、スペックルを効果的に抑制することができる。
スペックル抑圧部２３は、画素間の相関や冗長性を用いるノイズ抑圧手法として、例えば、離散コサイン変換（ＤＣＴ：Discrete Cosine Transform ）を冗長に用いるRedundant ＤＣＴ（R-DCT ）と呼ばれる手法を用いる。
スペックル抑圧部２３は、R-DCTによって、注目画素(x,y) を左上に配したｎ×ｎ画素のブロックに対してDCT を適用しｎ×ｎの係数ブロックＦを得る。そして、スペックル抑圧部２３は、係数ブロックＦの係数位置(i,j) のDCT 係数値に対して、しきい値パラメータτを用いて、（８）式によるしきい値処理を適用する。
Figure 0006819794
なお、(i,j) ＝0,0) は、直流成分であるため処理されない。
スペックル抑圧部２３は、上記のようなしきい値処理後の係数ブロックＦ’に対して逆DCT を適用して、ノイズが抑圧された画素ブロックを得る。スペックル抑圧部２３は、しきい値処理および逆DCT を、ブロックを１画素ずつずらしながら、各ブロックが冗長にオーバーラップするように適用する。そして、スペックル抑圧部２３は、各ブロックパターンにおいて得られたノイズ抑圧後のブロックを統合することによって、最終的なノイズ抑圧後の画像を得る。なお、ブロックの統合は、画素位置ごとの平均処理を意味する。
また、本実施形態では、スペックル抑圧手法としてR-DCT が用いられるが、スペックル抑圧手法は、R-DCT 限定されない。一例として、非特許文献２に記載された手法を用いてもよい。
次に、出力ＳＡＲ画像生成部２４の構成と動作を説明する。
図３は、出力ＳＡＲ画像生成部２４の構成例を示すブロック図である。図３に示す例では、出力ＳＡＲ画像生成部２４は、残差生成部２４１と合成部２４２とを備える。
残差生成部２４１は、画像入力部１０から入力される入力ＳＡＲ画像と、スペックル抑圧部２３から入力される第二の補正ＳＡＲ画像とを入力する。残差生成部２４１は、入力ＳＡＲ画像と第二の補正ＳＡＲ画像との残差画像を生成する。そして、残差生成部２４１は、生成した残差画像を合成部２４２に出力する。
合成部２４２は、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１から入力されるＳＬ／ＭＬ画素位置情報（メインローブによる画素の位置およびサイドローブによる画素の位置を示す。）と、スペックル抑圧部２３から入力される第二の補正ＳＡＲ画像Ｉ2 と、残差生成部２４１から入力される残差画像とに基づいて、出力ＳＡＲ画像を生成する。そして、合成部２４２は、出力ＳＡＲ画像を画像出力部３０に出力する。
次に、出力ＳＡＲ画像生成部２４の動作を説明する。
残差生成部２４１は、入力ＳＡＲ画像Ｉと第二の補正ＳＡＲ画像Ｉ2 とから、下記のように残差画像Ｒを作成する。
Ｒ(x,y) ＝Ｉ(x,y)−Ｉ2(x,y)
合成部２４２は、第二の補正ＳＡＲ画像Ｉ2 と、残差画像Ｒと、画素の推定結果Ｅとを用いて、出力ＳＡＲ画像Ｏ(x,y) を生成する。具体的には、合成部２４２は、（９）式に示すように、残差画像Ｒにおけるメインローブによる画素値を第二の補正ＳＡＲ画像Ｉ2 に重畳することによって、出力ＳＡＲ画像Ｏ(x,y) を生成する。
Figure 0006819794
画素位置(x,y) の画素がメインローブによる画素であるとき、すなわち、s(x,y)=1であるとき、（９）式が用いられると、
Ｏ(x,y) = Ｉ2(x,y)＋Ｒ(x,y)
= Ｉ2(x,y)＋Ｉ(x,y)−Ｉ2 (x,y)
= Ｉ(x,y)
となるので、メインローブの情報は維持される。
なお、画素位置(x,y) の画素がメインローブによる画素とサイドローブによる画素とのいずれでもない場合には、スペックルの過抑制による本来の信号へのダメージを低減するために、残差成分の一部を出力ＳＡＲ画像に重畳する処理が加えられてもよい。
一例として、合成部２４２は、ｒ×Ｒ(x,y) のように残差画像Ｒの一定の割合を補正値として出力ＳＡＲ画像に重畳してもよい。
また、スペックルが信号依存性ノイズであることを考慮し、合成部２４２は、注目画素における信号値の推定値であるＩ2(x,y) を入力として、事前のノイズ解析によって関数化されたノイズ関数σ（・）によって注目画素におけるノイズ重畳量を推定し、ノイズ分を差し引いた残差成分を補正値として出力ＳＡＲ画像に重畳してもよい。この場合、合成部２４２は、乗法性ノイズであるスペックルを、対数化によって加法性ノイズに変換してから差分処理を行った後、指数化によって元のスケールに戻す処理を適用してもよい。
次に、本実施形態の画像処理の流れを、図４のフローチャートを参照して説明する。
例えば、ユーザが、画像入力部１０において、処理対象とするＳＡＲ画像を選択し、画像処理部２０への入力を決定する。
ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、入力されたＳＡＲ画像に対して、画像の水平方向における画素の種類の推定を行う（ステップＳ１０１）。さらに、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、画像の垂直方向における画素の種類の推定を行う（ステップＳ１０２）。そして、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１は、水平垂直各方向の推定結果を統合する（ステップＳ１０３）。なお、入力ＳＡＲ画像の画素値は複素数であるため、各処理は実部と虚部に対して独立に実行される。
ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２は、推定されたＳＬ／ＭＬ画素の情報を用いて、入力ＳＡＲ画像のメインローブの画素値およびサイドローブの画素値に対して、補間処理を適用して画素値の置換を行い、メインローブの成分とサイドローブの成分とが存在しない第一の補正ＳＡＲ画像を生成する（ステップＳ１０４）。
スペックル抑圧部２３は、第一の補正ＳＡＲ画像に対して、スペックル抑圧手法を適用して、第二の補正ＳＡＲ画像を生成する（ステップＳ１０５）。
次に、残差生成部２４１は、入力ＳＡＲ画像と第二の補正ＳＡＲ画像との差分画像（残差画像）を生成する（ステップＳ１０６）。
そして、出力ＳＡＲ画像生成部２４は、第二の補正ＳＡＲ画像に対し、メインローブの画素値を維持するように、残差画像の値を重畳し、出力ＳＡＲ画像を生成する（ステップＳ１０７）。
図５は、本実施形態の効果を説明するための説明図である。
ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１によって、（Ａ）に例示する入力ＳＡＲ画像の各画素に対して、メインローブによる画素であるのか、サイドローブによる画素であるのか、それ以外の画素であるのかが推定される。そして、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２によって、第一の補正画像として、メインローブの成分とサイドローブの成分が存在しない画像が生成される（図５（Ｂ）参照）。
さらに、スペックル抑圧部２３によって、第一の補正画像に対してスペックル抑圧処理が適用されて、第二の補正画像が生成される（図５（Ｃ）参照）。そして、出力ＳＡＲ画像生成部２４によって、第二の補正画像に対して、メインローブの画素値が維持するように補正されて出力ＳＡＲ画像が生成される（図５（Ｄ）参照）。
なお、本実施形態における各ブロックをハードウェアで構成することも可能であるが、コンピュータプログラムにより実現することも可能である。例えば、図６に示すように、プログラムメモリ１０１（例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ）に格納されているプログラムに従って動作するＣＰＵ（Central Processing Unit ）等のプロセッサ１００によって、上述した実施形態における各ブロック（ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２、スペックル抑圧部２３、および出力ＳＡＲ画像生成部２４）の機能または機能の一部を実現することができる。
なお、データメモリ１０２は半導体メモリや磁気記録媒体等で実現可能であるが、データメモリ１０２には、例えば、ＳＡＲ画像データが格納される。
また、上記の実施の形態では、レーダ装置として、航空機や人工衛星などに搭載されることが想定される合成開口レーダが例示されたが、そのような合成開口レーダ以外のレーダ装置であって、パルス圧縮技術および合成開口技術が用いられるレーダ装置に対して、本発明を適用可能である。
図７は、レーダ画像処理装置の主要部を示すブロック図である。図７に示すように、レーダ画像処理装置は、観測された反射波の強度の二次元マップ画像の各画素位置において、二次元マップ画像の各画素の各々を対象として、メインローブによる画素とサイドローブによる画素とそれ以外の画素とのうちのいずれの種類に属するかを推定する推定部１（実施形態では、ＳＬ／ＭＬ画素推定部２１で実現される。）と、推定部１によって推定された各画素の種類に基づく画素値補間処理で生成される画素値で、メインローブによる画素の画素値およびサイドローブによる画素の画素値を置換して第一の補正画像（実施形態では、第一の補正ＳＡＲ画像）を生成する画素値置換部２（実施形態では、ＳＬ／ＭＬ画素置換部２２で実現される。）と、第一の補正画像に対してスペックル抑圧処理を適用して第二の補正画像（実施形態では、第二の補正ＳＡＲ画像）を生成するスペックル抑圧部３（実施形態では、スペックル抑圧部２３で実現される。）と、二次元マップ画像と、第二の補正画像と、画素の種類とを用いて、スペックルとサイドローブとが抑圧された出力画像（実施形態では、出力ＳＡＲ画像）を生成する出力画像生成部４（実施形態では、出力ＳＡＲ画像生成部２４で実現される。）とを備える。
推定部１は、例えば、推定した各画素の種類を示すデータを記憶部に格納しておく。画素値置換部２は、記憶部からデータを読み出して各画素の種類を特定する。また、画素値置換部２は、例えば、生成した第一の補正画像を示すデータを記憶部に格納しておく。スペックル抑圧部３は、記憶部からデータを読み出して第一の補正画像を入手する。また、スペックル抑圧部３は、例えば、生成した第二の補正画像を示すデータを記憶部に格納しておく。出力画像生成部４は、記憶部からデータを読み出して、第一の補正画像および第二の補正画像を入手する。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）観測された反射波の強度の二次元マップ画像の各画素位置において、前記二次元マップ画像の各画素を注目画素として、各々の注目画素が、メインローブによる画素とサイドローブによる画素とそれ以外の画素とのうちのいずれの種類に属するかを推定する推定手段と、
前記推定手段によって推定された各画素の種類に基づく画素値補間処理で生成される画素値で、前記メインローブによる画素の画素値および前記サイドローブによる画素の画素値を置換して第一の補正画像を生成する画素値置換手段と、
前記第一の補正画像に対してスペックル抑圧処理を適用して第二の補正画像を生成するスペックル抑圧手段と、
前記二次元マップ画像と、前記第二の補正画像と、前記画素の種類とを用いて、スペックルとサイドローブとが抑圧された出力画像を生成する出力画像生成手段とを備える
ことを特徴とするレーダ画像処理装置。
（付記２）前記推定手段は、画像の水平方向と垂直方向の各々に対して前記画素の種類を推定する
付記１のレーダ画像処理装置。
（付記３）前記推定手段は、画像の水平方向に対して推定された前記画素の種類と、垂直方向に対して推定された前記画素の種類とを統合する
付記２のレーダ画像処理装置。
（付記４）前記推定手段は、画像の水平方向に対して推定された前記画素の種類と垂直方向に対して推定された前記画素の種類とのうちの少なくとも一方がメインローブによる画素であるときに前記注目画素をメインローブによる画素と見なし、両方向に対して推定された前記画素の種類ともメインローブによる画素でなく、かつ、少なくとも一方がサイドローブによる画素であるときに前記注目画素をサイドローブによる画素と見なす
付記３のレーダ画像処理装置。
（付記５）前記推定手段は、前記注目画素の水平方向または垂直方向の近傍に位置する画素の画素値と前記注目画素の画素値との関係に基づいて前記画素の種類を推定する
付記１から付記４のいずれかのレーダ画像処理装置。
（付記６）前記画素値置換手段は、前記注目画素の近傍に位置するメインローブによる画素でもサイドローブによる画素でもない画素を用いて前記注目画素の画素値に関する前記画素値補間処理を実行する
付記１から付記５のいずれかのレーダ画像処理装置。
（付記７）前記出力画像生成手段は、前記出力画像を生成するときに、前記二次元マップ画像と前記第二の補正画像との残差画像を、前記画素の種類に基づいて補正し、補正した残差画像を前記第二の補正画像に重畳する
付記１から付記６のいずれかのレーダ画像処理装置。
（付記８）観測された反射波の強度の二次元マップ画像の各画素位置において、前記二次元マップ画像の各画素を注目画素として、各々の注目画素が、メインローブによる画素とサイドローブによる画素とそれ以外の画素とのうちのいずれの種類に属するかを推定し、
推定された各画素の種類に基づく画素値補間処理で生成される画素値で、前記メインローブによる画素の画素値および前記サイドローブによる画素の画素値を置換して第一の補正画像を生成し、
前記第一の補正画像に対してスペックル抑圧処理を適用して第二の補正画像を生成し、
前記二次元マップ画像と、前記第二の補正画像と、前記画素の種類とを用いて、スペックルとサイドローブとが抑圧された出力画像を生成する
ことを特徴とするレーダ画像処理方法。
（付記９）画像の水平方向と垂直方向の各々に対して前記画素の種類を推定する
付記８のレーダ画像処理方法。
（付記１０）画像の水平方向に対して推定された前記画素の種類と、垂直方向に対して推定された前記画素の種類とを統合する
付記９のレーダ画像処理方法。
（付記１１）画像の水平方向に対して推定された前記画素の種類と垂直方向に対して推定された前記画素の種類とのうちの少なくとも一方がメインローブによる画素であるときに前記注目画素をメインローブによる画素と見なし、両方向に対して推定された前記画素の種類ともメインローブによる画素でなく、かつ、少なくとも一方がサイドローブによる画素であるときに前記注目画素をサイドローブによる画素と見なす
付記１０のレーダ画像処理方法。
（付記１２）前記注目画素の水平方向または垂直方向の近傍に位置する画素の画素値と前記注目画素の画素値との関係に基づいて前記画素の種類を推定する
付記８から付記１１のいずれかのレーダ画像処理方法。
（付記１３）前記注目画素の近傍に位置するメインローブによる画素でもサイドローブによる画素でもない画素を用いて前記注目画素の画素値に関する前記画素値補間処理を実行する
付記８から付記１２のいずれかのレーダ画像処理方法。
（付記１４）前記出力画像を生成するときに、前記二次元マップ画像と前記第二の補正画像との残差画像を、前記画素の種類に基づいて補正し、補正した残差画像を前記第二の補正画像に重畳する
付記８から付記１３のいずれかのレーダ画像処理方法。
（付記１５）コンピュータに、
観測された反射波の強度の二次元マップ画像の各画素位置において、前記二次元マップ画像の各画素を対象として、メインローブによる画素とサイドローブによる画素とそれ以外の画素とのうちのいずれの種類に属するかを推定する処理と、
推定された各画素の種類に基づく画素値補間処理で生成される画素値で、前記メインローブによる画素の画素値および前記サイドローブによる画素の画素値を置換して第一の補正画像を生成する処理と、
前記第一の補正画像に対してスペックル抑圧処理を適用して第二の補正画像を生成する処理と、
前記二次元マップ画像と、前記第二の補正画像と、前記画素の種類とを用いて、スペックルとサイドローブとが抑圧された出力画像を生成する処理と
を実行させるためのレーダ画像処理プログラム。
（付記１６）付記８から付記１４のいずれかのレーダ画像処理方法を実現するためのレーダ画像処理プログラム。
この出願は、２０１７年１０月２日に出願された日本特許出願２０１７−１９２４９６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記の実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
１ 推定部
２ 画素値置換部
３ スペックル抑圧部
４ 出力画像生成部
１０ 画像入力部
２０ 画像処理部
２１ ＳＬ／ＭＬ画素推定部
２２ ＳＬ／ＭＬ画素置換部
２３ スペックル抑圧部
２４ 出力ＳＡＲ画像生成部
３０ 画像出力部
１００ プロセッサ
１０１ プログラムメモリ
１０２ データメモリ
２４１ 残差生成部
２４２ 合成部

Claims (10)

  1. 観測された反射波の強度の二次元マップ画像の各画素位置において、前記二次元マップ画像の各画素を注目画素として、各々の注目画素が、メインローブによる画素とサイドローブによる画素とそれ以外の画素とのうちのいずれの種類に属するかを推定する推定手段と、
    前記推定手段によって推定された各画素の種類に基づく画素値補間処理で生成される画素値で、前記メインローブによる画素の画素値および前記サイドローブによる画素の画素値を置換して第一の補正画像を生成する画素値置換手段と、
    前記第一の補正画像に対してスペックル抑圧処理を適用して第二の補正画像を生成するスペックル抑圧手段と、
    前記二次元マップ画像と、前記第二の補正画像と、前記画素の種類とを用いて、スペックルとサイドローブとが抑圧された出力画像を生成する出力画像生成手段とを備える
    ことを特徴とするレーダ画像処理装置。
  2. 前記推定手段は、画像の水平方向と垂直方向の各々に対して前記画素の種類を推定する
    請求項１記載のレーダ画像処理装置。
  3. 前記推定手段は、画像の水平方向に対して推定された前記画素の種類と、垂直方向に対して推定された前記画素の種類とを統合する
    請求項２記載のレーダ画像処理装置。
  4. 前記推定手段は、画像の水平方向に対して推定された前記画素の種類と垂直方向に対して推定された前記画素の種類とのうちの少なくとも一方がメインローブによる画素であるときに前記注目画素をメインローブによる画素と見なし、両方向に対して推定された前記画素の種類ともメインローブによる画素でなく、かつ、少なくとも一方がサイドローブによる画素であるときに前記注目画素をサイドローブによる画素と見なす
    請求項３記載のレーダ画像処理装置。
  5. 前記推定手段は、前記注目画素の水平方向または垂直方向の近傍に位置する画素の画素値と前記注目画素の画素値との関係に基づいて前記画素の種類を推定する
    請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載のレーダ画像処理装置。
  6. 前記画素値置換手段は、前記注目画素の近傍に位置するメインローブによる画素でもサイドローブによる画素でもない画素を用いて前記注目画素の画素値に関する前記画素値補間処理を実行する
    請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載のレーダ画像処理装置。
  7. 前記出力画像生成手段は、前記出力画像を生成するときに、前記二次元マップ画像と前記第二の補正画像との残差画像を、前記画素の種類に基づいて補正し、補正した残差画像を前記第二の補正画像に重畳する
    請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載のレーダ画像処理装置。
  8. 観測された反射波の強度の二次元マップ画像の各画素位置において、前記二次元マップ画像の各画素を注目画素として、各々の注目画素が、メインローブによる画素とサイドローブによる画素とそれ以外の画素とのうちのいずれの種類に属するかを推定し、
    推定された各画素の種類に基づく画素値補間処理で生成される画素値で、前記メインローブによる画素の画素値および前記サイドローブによる画素の画素値を置換して第一の補正画像を生成し、
    前記第一の補正画像に対してスペックル抑圧処理を適用して第二の補正画像を生成し、
    前記二次元マップ画像と、前記第二の補正画像と、前記画素の種類とを用いて、スペックルとサイドローブとが抑圧された出力画像を生成する
    ことを特徴とするレーダ画像処理方法。
  9. 前記注目画素の水平方向または垂直方向の近傍に位置する画素との画素値と前記注目画素との関係に基づいて前記画素の種類を推定する
    請求項８記載のレーダ画像処理方法。
  10. コンピュータに、
    観測された反射波の強度の二次元マップ画像の各画素位置において、前記二次元マップ画像の各画素を対象として、メインローブによる画素とサイドローブによる画素とそれ以外の画素とのうちのいずれの種類に属するかを推定する処理と、
    推定された各画素の種類に基づく画素値補間処理で生成される画素値で、前記メインローブによる画素の画素値および前記サイドローブによる画素の画素値を置換して第一の補正画像を生成する処理と、
    前記第一の補正画像に対してスペックル抑圧処理を適用して第二の補正画像を生成する処理と、
    前記二次元マップ画像と、前記第二の補正画像と、前記画素の種類とを用いて、スペックルとサイドローブとが抑圧された出力画像を生成する処理と
    を実行させるためのレーダ画像処理プログラム。
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