JP6921035B2

JP6921035B2 - 合成開口レーダ

Info

Publication number: JP6921035B2
Application number: JP2018097709A
Authority: JP
Inventors: 寛朗藤原; 考浜崎; 紘一入部; 翔太片山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2038-05-22
Also published as: JP2019203733A

Description

本発明は、複数の受信ビームを形成して目標を観測する合成開口レーダ（ＳＡＲ：Synthetic Aperture Radar）に関する。

合成開口レーダ（以下、ＳＡＲとする）は、人工衛星または航空機などを用いたリモートセンシングの分野では、昼夜および天候に左右されず、高分解能で地表を撮像することができるセンサとして知られている。ＳＡＲの主要なパラメータには、分解能および観測幅がある。また、合成開口レーダの性能を表す分解能には、アジマス分解能およびレンジ分解能がある。

従来のＳＡＲの受信系統は、１つのアンテナに対して受信機およびデータ処理部を１台ずつ搭載した構成である。

ここで、アジマス分解能と観測幅とはトレードオフの関係にあり、アジマス分解能を向上させるにはパルス反復周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）を上げる必要があり、一方、観測幅を拡大するにはＰＲＦを下げる必要がある。

アジマス分解能と観測幅とのトレードオフを解消する手段の一つとして、複数開口受信方式（ＭＲＣ方式：Multiple Receive Channel方式）が存在する。ＭＲＣ方式では、アンテナ受信開口をアジマス方向に分割した複数のチャネルで信号を同時に受信し、各受信信号を独立に信号処理し、その処理結果を合成する。ＭＲＣ方式では、複数の受信開口である複数チャネルで信号を同時に受信するため、１回のパルス送受信におけるアジマス方向のサンプリング実施位置が増加する。ＭＲＣ方式を適用することにより、ＳＡＲは、ＰＲＦを上げることなくアジマス分解能を向上させることができる。すなわち、ＳＡＲは、観測幅を狭めることなくアジマス分解能を向上させることができる。また、ＭＲＣ方式を適用し、さらに、ＰＲＦを下げることにより、アジマス分解能を向上させつつ観測幅を拡大させることができる。

Y.Okada, S.Nakamura, K.Iribe, Y.Yokota, M.Tsuji, M.Tsuchida, K.Hariu, Y.Kankaku, S.Suzuki, Y.Osawa, and M.Shimada, "System design of wide swath, high resolution, full polarimietoric L-band SAR onboard ALOS-2", Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS) 2013 IEEE International, pp.894-897.

しかしながら、ＭＲＣ方式は、各チャネルでの受信信号を独立に処理するため、回路規模が増大するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回路規模を抑制しつつ観測性能を向上させることが可能な合成開口レーダを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる合成開口レーダは、第１のアンテナ開口および第２のアンテナ開口をアジマス方向に並べて形成するアンテナ部と、第２のアンテナ開口で受信した信号を、第１のアンテナ開口で受信した信号である第１の信号の周波数帯域とは異なる周波数帯域の第２の信号に変換する周波数変換部とを備える。また、合成開口レーダは、第１の信号と第２の信号とを合成する合成部と、合成部で生成された信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、アナログデジタル変換部が生成したデジタル信号を、デジタル信号を処理するデータ処理装置へ伝送するデータ伝送部と、第１のアンテナ開口で受信した信号と第２のアンテナ開口で受信した信号とを合成して単一開口受信信号を生成する合成器と、を備える。アナログデジタル変換部は、合成器が単一開口受信信号を生成した場合は単一開口受信信号をデジタル信号に変換し、合成器が単一開口受信信号を生成しない場合は合成部で生成された信号をデジタル信号に変換する。

本発明によれば、回路規模を抑制しつつ観測性能を向上させることが可能な合成開口レーダを実現できるという効果を奏する。

合成開口レーダの受信系統の一般的な構成を示す模式図ＭＲＣ方式を適用する一般的な合成開口レーダの受信系統の構成を示す模式図図２に示した一般的な合成開口レーダによる観測信号の周波数帯域とアンテナの受信帯域との関係を示す図本発明の実施の形態にかかる合成開口レーダの構成例を示す図実施の形態にかかる合成開口レーダを構成するデータ収集装置の概略構成を示す図実施の形態にかかるデータ収集装置の受信部およびデータ処理部の構成例を示す図実施の形態にかかる合成開口レーダによる受信信号である観測信号の周波数帯域とアンテナの受信帯域との関係の一例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる合成開口レーダを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

まず、ＭＲＣ方式を実現する一般的な合成開口レーダの構成について簡単に説明する。図１は、合成開口レーダの受信系統の一般的な構成を示す模式図である。図１において、矢印は受信信号の流れを示す。図１に示したように、一般的な合成開口レーダの受信系統は、１つのアンテナ１０１に対して、受信処理を行う受信回路１０２と、受信信号から得られるデータを処理するデータ処理回路１０３とをそれぞれ１つずつ備える。図２は、ＭＲＣ方式を実現する一般的な合成開口レーダの受信系統の構成を示す模式図である。図２において、矢印は受信信号の流れを示す。図２に示したように、ＭＲＣ方式を実現する一般的な合成開口レーダの受信系統は、アジマス方向に分割した受信開口を実現するアンテナ１１１および１１２で構成されるアンテナ部１１０と、各アンテナ受信回路１２１および１２２で構成される受信部１２０と、データ処理回路１３１および１３２で構成されるデータ処理部１３０とを備える。アンテナ１１１の開口を前開口、アンテナ１１２の開口を後開口とする。

図２に示した、ＭＲＣ方式を実現する一般的な合成開口レーダにおいて、アンテナ１１１および１１２は、観測対象によって散乱された観測信号を受信する。アンテナ１１１が受信した信号は、受信回路１２１に入力される。受信回路１２１は、アンテナ１１１から入力された受信信号に対して周波数変換処理、フィルタリング処理、増幅処理、復調処理などを行いデータ処理回路１３１へ出力する。データ処理回路１３１は、受信回路１２１からの入力信号に対してアナログデジタル変換を行い、得られたデジタル受信データを記録する。また、アンテナ１１２が受信した電波は、受信回路１２２に入力される。受信回路１２２は、アンテナ１１２から入力された受信信号に対して周波数変換処理、フィルタリング処理、増幅処理、復調処理などを行いデータ処理回路１３２へ出力する。データ処理回路１３２は、受信回路１２２からの入力信号に対してアナログデジタル変換を行い、得られたデジタル受信データを記録する。なお、データ処理回路１３１および１３２のそれぞれで生成され、記録されたデジタル受信データは、その後、図示を省略している伝送部により読み出され、各デジタル受信データを処理する地上システムへ伝送される。地上システムでは、各デジタル受信データに基づいて、観測結果である画像の生成、生成した画像の解析などを行う。

図３は、図２に示した合成開口レーダによる観測信号の周波数帯域とアンテナの受信帯域との関係を示す図である。受信帯域はアンテナ１１１および１１２の受信帯域である。図３に示したように、ＭＲＣ方式を実現する一般的な合成開口レーダは、前開口での受信信号および後開口での受信信号に対して独立に信号処理を行い、その処理結果を合成することで、１回のパルス送受信におけるアジマス方向のサンプリング位置を増加させ、アジマス方向の合成開口を拡張させる。しかし、ＭＲＣ方式を実現する一般的な合成開口レーダは、前開口および後開口のそれぞれで受信した信号を個別に処理するため、各周波数帯域の受信信号を処理するための回路である受信回路およびデータ処理回路を開口数と同じ２系統用意する必要がある。なお、図２および図３ではアンテナが２つの例を示したが、アンテナが３つ以上の場合も同様に、受信信号を処理するための回路をアンテナと同じ数だけ容易する必要がある。

実施の形態．
つづいて、本実施の形態にかかる合成開口レーダについて説明する。図４は、本発明の実施の形態にかかる合成開口レーダの構成例を示す図である。本実施の形態にかかる合成開口レーダ１００は、観測の対象領域である観測領域からの散乱波を受信して受信データを収集するデータ収集装置１と、データ収集装置１が収集したデータに基づいて観測結果である観測画像を生成するデータ処理装置２とを備える。データ収集装置１は、人工衛星または飛行機などの移動体に搭載される。一方、データ処理装置２は地上に設置される。

図５は、本実施の形態にかかる合成開口レーダを構成するデータ収集装置１の概略構成を示す図である。データ収集装置１は、アンテナ部１０、受信部２０およびデータ処理部３０を備える。アンテナ部１０は、アンテナ１１および１２で構成される。アンテナ１１および１２は、データ収集装置１が搭載される移動体の移動方向に沿って並べて設置される。アンテナ１１は、移動体の移動方向の前側に設けられ、アンテナ１２は後側に設けられる。アンテナ１１が形成する受信ビームの形状とアンテナ１２が形成する受信ビームの形状は同一とし、各受信ビームの照射範囲は異なるものとする。また、照射範囲同士は隣接しているものとする。以下の説明では、アンテナ１１の開口を第１のアンテナ開口である前開口、アンテナ１２の開口を第２のアンテナ開口である後開口とする。

本実施の形態にかかる合成開口レーダ１００のデータ収集装置１は、受信部２０が、後開口で受信した信号に対して周波数変換を実施し、周波数変換を実施して得られた周波数変換後の受信信号と、前開口で受信した信号とを合成する。合成した受信信号は、データ処理部３０を介して地上側のデータ処理装置２へ伝送される。地上側のデータ処理装置２は、データ収集装置１から伝送された受信信号に対して周波数分離処理を実施して２つの受信信号に分離する。これにより、本実施の形態にかかる合成開口レーダ１００は、データ収集装置１の受信回路が増大するのを抑制しつつ、上述したＭＲＣ方式を実現する。

図６は、本実施の形態にかかるデータ収集装置１の受信部２０およびデータ処理部３０の構成例を示す図である。

データ収集装置１の受信部２０は、合成器（ＣＭＢ：Combiner）２１と、スイッチ２２と、周波数変換ミキサ２３および２４と、検波器２５および２６と、周波数変換部２７を構成する周波数変換ミキサ２７Ａおよび２７Ｂと、合成部２８を構成する合成器２８Ａおよび２８Ｂとを備える。また、データ処理部３０は、アナログデジタル変換部３１Ａおよび３１Ｂと、記録部３２と、データ伝送部３３とを備える。

次に、本実施の形態にかかる合成開口レーダ１００の各部の動作について説明する。データ収集装置１のアンテナ部１０を構成するアンテナ１１および１２は、アジマス方向に分解したアンテナ開口を実現する。上述したように、アンテナ１１の開口が前開口、アンテナ１２の開口が後開口である。アンテナ１１および１２は、送信時は１つのビームを形成して図示しないパルス信号生成器から出力される送信パルスを観測領域に向け照射する。また、受信時は、アンテナ１１および１２のそれぞれが独立にビームを形成して観測領域からの散乱波を受信する。

データ収集装置１の受信部２０において、合成器２１およびスイッチ２２は、単一開口受信を実施するために設けられている。スイッチ２２の入力端子にはアンテナ１２が接続され、２つの出力端子の一方には合成器２１が接続され、他方には周波数変換ミキサ２４が接続されている。データ収集装置１は、スイッチ２２の出力先を合成器２１側に切り替えることで、合成器２１にてアンテナ１１からの受信信号とアンテナ１２からの受信信号とを合成するようになり、単一開口受信を実現できる。複数開口受信を行う場合、スイッチ２２の出力先は周波数変換ミキサ２４側に設定される。図６は、複数開口受信を行う場合の状態を示している。合成器２１は、スイッチ２２から受信信号の入力が無い場合、アンテナ１１から入力される受信信号をそのまま周波数変換ミキサ２３へ出力する。なお、合成器２１およびスイッチ２２は必須の構成ではない。データ収集装置１は合成器２１およびスイッチ２２を備えていなくてもよい。合成器２１およびスイッチ２２を備えない構成の場合、データ収集装置１は、常に複数開口受信を行う。

以下、スイッチ２２の出力先が周波数変換ミキサ２４側に設定され、合成開口レーダ１００が複数開口受信を行う場合について説明を行う。

アンテナ１１が受信した信号は合成器２１を介して周波数変換ミキサ２３に入力される。アンテナ１２が受信した信号はスイッチ２２を介して周波数変換ミキサ２４に入力される。

周波数変換ミキサ２３および２４は、それぞれ、入力される受信信号に対して図示しないパルス信号生成器が生成するローカル信号をミキシングし、受信信号の周波数帯域をＩＦ（Intermediate Frequency）帯にダウンコンバートする。周波数変換ミキサ２３からの出力信号は検波器２５に入力され、周波数変換ミキサ２４からの出力信号は検波器２６に入力される。

検波器２５および２６は、入力される受信信号に対して、図示しないパルス信号生成器が生成するＣＯＨＯ信号をミキシングすることにより位相同期検波を行い、受信信号を９０°位相差のＩｃｈ信号およびＱｃｈ信号に変換する。検波器２５および２６のそれぞれから出力されるＩｃｈ信号およびＱｃｈ信号はビデオ信号である。ＣＯＨＯ信号とは、観測用の送信パルス信号と周波数および位相が同じパルス信号である。検波器２５が出力するＩｃｈの受信信号であるＩｃｈ信号は合成器２８Ａに入力され、検波器２５が出力するＱｃｈの受信信号であるＱｃｈ信号は合成器２８Ｂに入力される。検波器２６が出力するＩｃｈ信号は周波数変換ミキサ２７Ａに入力され、検波器２６が出力するＱｃｈ信号は周波数変換ミキサ２７Ｂに入力される。

周波数変換ミキサ２７Ａおよび２７Ｂは、検波器２６から入力される受信信号に対して図示しないパルス信号生成器が生成するローカル信号をミキシングすることで周波数変換を行い、受信信号の周波数帯域を、検波器２５から出力される信号とは異なる周波数帯域に変換する。周波数変換ミキサ２７Ａが出力するＩｃｈ信号は合成器２８Ａに入力され、周波数変換ミキサ２７Ｂが出力するＱｃｈ信号は合成器２８Ｂに入力される。

合成器２８Ａは、アンテナ１１が受信した信号のＩｃｈ信号成分とアンテナ１２が受信した信号のＩｃｈ信号成分とを合成する。合成器２８Ｂは、アンテナ１１が受信した信号のＱｃｈ信号成分とアンテナ１２が受信した信号のＱｃｈ信号成分とを合成する。合成器２８Ａが出力する合成後のＩｃｈ信号はデータ処理部３０のアナログデジタル変換部３１Ａに入力される。合成器２８Ｂが出力する合成後のＱｃｈ信号はデータ処理部３０のアナログデジタル変換部３１Ｂに入力される。

ここで、受信部２０を実現する回路は、後開口の受信信号すなわちアンテナ１２による受信信号に対する周波数変換の影響を考慮し、アンテナ１１による受信信号が受信部２０に入力されてから出力されるまでの経路と、アンテナ１２による受信信号が受信部２０に入力されてから出力されるまでの経路とが同じ長さになるよう、等長化が行われている。

データ処理部３０のアナログデジタル変換部３１Ａおよび３１Ｂは、受信部２０から受け取ったビデオ帯の受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、記録部３２へ出力する。

記録部３２は、アナログデジタル変換部３１Ａおよび３１Ｂからの入力信号を記録する。

データ伝送部３３は、記録部３２に記録されたデジタル形式のＩｃｈ信号およびＱｃｈ信号を予め定められたタイミングで読み出し、地上に設置されたデータ処理装置２へ伝送する。データ伝送部３３がデータ処理装置２へ信号を伝送する際の伝送方式については規定しない。データ伝送部３３は、公知の無線通信方式のいずれかを使用してデータ処理装置２へ信号を送信すればよい。

図７は、本実施の形態にかかる合成開口レーダ１００による受信信号である観測信号の周波数帯域とアンテナの受信帯域との関係の一例を示す図である。

図７の＜１＞、＜２＞および＜３＞はそれぞれ、図６の＜１＞、＜２＞および＜３＞に対応している。すなわち、図６の＜１＞の箇所における観測信号の周波数帯域とアンテナの受信帯域の関係を示したものが図７の＜１＞であり、図６の＜２＞の箇所における観測信号の周波数帯域とアンテナの受信帯域の関係を示したものが図７の＜２＞であり、図６の＜３＞の箇所における観測信号の周波数帯域とアンテナの受信帯域の関係を示したものが図７の＜３＞である。図７は、アンテナ１１および１２のそれぞれによる観測信号のＩｃｈ信号の周波数帯域を示したものであるが、Ｑｃｈ信号の周波数帯域も同様である。

図６を参照しながら説明したように、合成開口レーダ１００は、後開口で受信した信号に周波数変換を実施することで、前開口および後開口のそれぞれの受信信号の周波数帯域が互いに重なり合わない状態にする（図７の＜１＞→＜２＞）。合成開口レーダ１００は、次に、フィルタにより分離可能な状態、すなわち、互いに重なり合わない異なる周波数帯域にした各受信信号を合成することで、単一の回路で信号処理を実施できる状態にする（図７の＜２＞→＜３＞）。ここでの信号処理とは、データ収集装置１のデータ処理部３０が行う処理、具体的には、受信信号に対してアナログデジタル変換を行い、データ処理装置２へ伝送する処理である。

データ収集装置１からデータ処理装置２へ伝送された受信信号は、データ処理装置２にてフィルタを用いて各開口での受信信号に分離される（図７の＜３＞→＜４＞）。その後、合成開口レーダ１００のデータ処理装置２が、後開口の受信信号に再度周波数変換を実施し、前開口および後開口の受信信号の周波数帯域を一致させる（図７の＜４＞→＜５＞）。データ処理装置２は、周波数帯域を一致させた後の前開口および後開口の受信信号に対して、ＭＲＣ方式に従った信号処理を行い観測結果である観測画像を生成する。周波数帯域を一致させた後の各受信信号に対してデータ処理装置２が行う信号処理は、従来のＭＲＣ方式を適用した場合と同様の処理である。

以上のように、本実施の形態にかかる合成開口レーダ１００のデータ収集装置１は、後開口で受信した信号を、前開口で受信した信号とは異なる周波数帯域の信号に変換する周波数変換部２７と、前開口で受信した信号を、後開口で受信し、周波数が変換された後の信号と合成する合成部２８と、を備える。これにより、前開口および後開口で受信した信号をアナログデジタル変換して地上のデータ処理装置２へ伝送するための回路をアンテナ開口数分備える必要が無くなる。よって、合成開口レーダ１００は、受信系統の回路規模を抑制しつつアジマス分解能の向上および観測幅の拡大の一方または双方を実現して観測性能を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、後開口の受信信号を周波数変換の対象とし、後開口の受信信号を前開口の受信信号とは異なる周波数帯域の受信信号に変換する構成例および動作例について説明したが、前開口の受信信号を周波数変換の対象として同様の処理を行うようにしてもよい。この場合、後開口が第１のアンテナ開口、前開口が第２のアンテナ開口となる。

また、本実施の形態では、アジマス方向の開口数を２とした場合の例について説明したが、アジマス方向の開口数を３以上とすることも可能である。この場合、各アンテナ開口で受信した信号のうち、１つを除いたそれ以外の受信信号の周波数帯域を変換し、各受信信号の周波数帯域が異なる状態にした後に合成すればよい。周波数帯域が異なる状態とは、周波数帯域同士が重なり合わずにフィルタで分離可能な状態をいう。この場合、周波数変換の対象ではない信号を受信したアンテナ開口が第１のアンテナ開口、周波数変換の対象の信号を受信したアンテナ開口が第２のアンテナ開口となる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１データ収集装置、２データ処理装置、１０，１１０アンテナ部、１１，１２，１０１，１１１，１１２アンテナ、２０，１２０受信部、２１，２８Ａ，２８Ｂ合成器、２２スイッチ、２３，２４，２７Ａ，２７Ｂ周波数変換ミキサ、２５，２６検波器、２７周波数変換部、２８合成部、３０，１３０データ処理部、３１Ａ，３１Ｂアナログデジタル変換部、３２記録部、３３データ伝送部、１００合成開口レーダ、１０２，１２１，１２２受信回路、１０３，１３１，１３２データ処理回路。

Claims

第１のアンテナ開口および第２のアンテナ開口をアジマス方向に並べて形成するアンテナ部と、
前記第２のアンテナ開口で受信した信号を、前記第１のアンテナ開口で受信した信号である第１の信号の周波数帯域とは異なる周波数帯域の第２の信号に変換する周波数変換部と、
前記第１の信号と前記第２の信号とを合成する合成部と、
前記合成部で生成された信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、
前記アナログデジタル変換部が生成したデジタル信号を、デジタル信号を処理するデータ処理装置へ伝送するデータ伝送部と、
前記第１のアンテナ開口で受信した信号と前記第２のアンテナ開口で受信した信号とを合成して単一開口受信信号を生成する合成器と、
を備え、
前記アナログデジタル変換部は、前記合成器が前記単一開口受信信号を生成した場合は前記単一開口受信信号をデジタル信号に変換し、前記合成器が前記単一開口受信信号を生成しない場合は前記合成部で生成された信号をデジタル信号に変換する、
ことを特徴とする合成開口レーダ。
前記第１のアンテナ開口は単一のアンテナ開口、前記第２のアンテナ開口は複数のアンテナ開口であり、
前記周波数変換部は、前記第２のアンテナ開口のそれぞれで受信した信号を、周波数帯域がそれぞれ異なる複数の第２の信号に変換する、
ことを特徴とする請求項１に記載の合成開口レーダ。
移動体に搭載されるデータ収集装置と、
地上に設置されるデータ処理装置と、
を備え、
前記データ収集装置は、
第１のアンテナ開口および第２のアンテナ開口をアジマス方向に並べて形成するアンテナ部と、
前記第２のアンテナ開口で受信した信号を、前記第１のアンテナ開口で受信した信号である第１の信号の周波数帯域とは異なる周波数帯域の第２の信号に変換する周波数変換部と、
前記第１の信号と前記第２の信号とを合成する合成部と、
前記合成部で生成された信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、
前記アナログデジタル変換部が生成したデジタル信号を前記データ処理装置へ伝送するデータ伝送部と、
前記第１のアンテナ開口で受信した信号と前記第２のアンテナ開口で受信した信号とを合成して単一開口受信信号を生成する合成器と、
を備え、
前記アナログデジタル変換部は、前記合成器が前記単一開口受信信号を生成した場合は前記単一開口受信信号をデジタル信号に変換し、前記合成器が前記単一開口受信信号を生成しない場合は前記合成部で生成された信号をデジタル信号に変換し、
前記合成器が前記単一開口受信信号を生成しない場合、
前記データ処理装置は、
前記データ収集装置から受信した前記デジタル信号に含まれる前記第１の信号および前記第２の信号を前記デジタル信号から抽出し、前記第２の信号を前記第１の信号の周波数帯域と同じ周波数帯域の信号に変換し、変換後の第２の信号と前記第１の信号とに基づいて観測結果を生成する、
ことを特徴とする合成開口レーダ。