JPH0136598B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、計算機ホトグラフイ技術を用いた物
体の高分解能探知方法に関し、詳細には、送信機
と受信機とから構成されたレーダを目標物に対し
て平面走査させて、目標物体からの反射波形を受
信記録し、得られた反射波情報をホログラム情報
として数値的に処理することによつて、目標物を
高分解能に像再生するホログラフイツク物体探知
方法に関するものである。

従来の物体探知技術としては、レーダやソーナ
に用いられているようなパルスエコー法や、合成
開口法を用いたレーダホログラフイと称されるも
のがある。

パルスエコー法は、送波源から発射されたパル
スが物体で反射されて再び受信されるまでの時間
を測定して物体までの距離を知る方法であり、単
一のキヤリア周波数をもつたRFバースト信号や
ベースバンドパルスが通常用いられる。この場合
には、パルスの継続時間が短い程距離方向の分解
能は向上するが、探査距離等との関係から、パル
ス継続時間は過度に短くできないので、距離分解
能には限界がある。一方、この欠点を改善するた
めに、チヤープパルス等の特殊な波形を発生させ
て相関検出を行うチヤープレーダがあるが、特殊
なデバイスが必要となり、また装置が複雑となる
ので、特別な用途に用いられているにすぎない。
さらに、この方法には、送波ビームの指向性の広
がりによつて方位方向の分解能が距離に比例して
劣化し、高い分解能が得られないという本質的な
欠点がある。このことは特に小形の移動体アンテ
ナを用いる分野では大きな問題があつた。

一方、レーダホログラフイは、レーダを移動さ
せて採取した受信波形のホログラムを、再生処理
光学系や計算機によつて再生処理して方位方向の
分解能向上を図るもので、合成開口法の原理に基
づくものである。ここで、ホログラム信号の作成
のために、情報のキヤリアとして、単一周波数を
持つ連続波を用いるのが普通であるが、この場合
には距離方向の分解能が上がらないという欠点が
あつた。これに対して、波形の構造の明確な多数
の周波数成分を有する線形FMパルス等の特殊な
波形を用いたり、異なる周波数の連続波の重ね合
わせによつて距離方向の分解能を向上させる試み
がなされている。しかし、これらの場合には、特
殊な送波装置の必要なことや、異なつた周波数の
連続波の発生器が必要なことなど装置の構成の複
雑化を招く問題があつた。

さらにアンテナや超音波送信素子において、と
くに大出力の波形においてはリンギングなどの不
要成分が現われるので、これらの波形歪みのため
に相関検出を併用しても分解能の劣化の原因とな
つていた。

そこで、本発明の目的は、物体の探知距離によ
らず、方位方向および距離方向の分解能の高い物
体の探知を可能ならしめ、従来のパルスエコー法
およびレーダホログラフイの持つ欠点を解決した
ホログラフイツク物体探知方法を提案することに
ある。

本発明の他の目的は、多周波成分を持つ任意の
波形に対して適用可能であり、特殊な波形を発生
する装置を使用することなく分解能のよい物体探
知が可能な高分解能のホログラフイツク物体探知
方法を提案することにある。

本発明の更に他の目的は、受信波形に対してパ
ルス圧縮処理、像再生処理などの数値的処理を施
すことにより、通常のパルスエコー法に使用する
のと同様な簡便な装置によつて分解能の良い物体
探知を行うことができ、多周波レーダホログラフ
イの手法の適用範囲を広げることを可能にしたホ
ログラフイツク物体探知方法を提案することにあ
る。

かかる目的を達成するために、本発明は、送波
源より送信波を目標としての物体の存在する空間
に向けて発射し、物体からの反射波を、当該物体
より離れた受信平面上で受信機により検知して物
体を探知するにあたり、論理的に得られる受信波
形関数と、受信平面上の位置を表わす２変数およ
び時間変数の関数であるテスト関数との相関で表
される、空関座標を変数とする像振幅関数が、物
体位置において最大となるようにテスト関数をあ
らかじめ決定し、多数の周波数成分から成る任意
の波形を持つ送信波を用い、受信平面上の多数の
測定点で、物体からの反射波を受信することによ
り、多数の測定点の位置情報と、多数の測定点に
おける受信波群とホログラムデータとして得、対
象とする空間内の各位置毎に、テスト関数から生
成されるデータとホログラムデータとの相関を計
算して、像振幅（相関値）の空間分布を得ること
により、物体像を再生することを特徴とする。

本発明では、前記多数の測定点における受信波
群の各々を、送信波形より決定されるパルス圧縮
フイルタに通してホログラムデータとすることに
より、距離方向の分解能を向上させることが好適
である。

以下に本発明の構成を実施例に基づいて詳細に
説明する。

以下の説明中では、理解の明確さを与えるため
に、レーダの例を念頭において本発明を説明する
が、そのために送・受信機としてアンテナという
用語を用いるが、音波などの他のコヒーレントな
波動を用いても本発明による探知方法を実施する
ことが可能であること勿論である。

まず、本発明において、波形データを採取する
システムの構成について説明する。第１図に示す
ように、ｕ（ｔ）（ｔ：時間）なる波を送信する送
信アンテナＴをｘ−ｙ平面上の点〓_t＝（x_t、y_t、
ｏ）に置き、目標物Tgから反射される波を受信
する受信テンテナＲをｘ−ｙ平面上の点〓_r＝
（x_r、y_r、ｏ）に置く。ｘ−ｙ平面を以後走査平
面と呼ぶ。また、アンテナＴおよびＲと目標物
Tgが存在する空間の点の座標は、便宜上、ベク
トル記号〓（＝（ｘ、ｙ、ｚ））を用いて表わす。
送信アンテナＴが照射する空間の反射率分布をｇ
（〓）と表わす。また、送信波ｕ（ｔ）の伝搬速度
をＣと表わす。本発明探知方法では、走査平面上
で、送信アンテナＴまたは受信アンテナＲの少な
くとも一方を走査して反射波の採取を行い、例え
ば送信アンテナを固定して受信アンテナを走査す
る場合には、走査平面上の受信アンテナＲの位置
〓_rとその位置における受信波形を対として記録
し、ホログラム情報を得る。

さて、送信波ｕ（ｔ）が〓＝〓_tにある送信アン
テナＴから送信されるとき、〓＝〓_rにある受信
アンテナＲにどのような波が受信されるかについ
て次に説明する。まず、送信波ｕ（ｔ）を構成す
る個々の周波数成分のみが送信されている場合に
ついて説明する。今、送信アンテナＴから周波数
なる周波数成分について複素振幅〓（）なる
連続コヒーレント波が送信されていたとする。こ
のとき受信アンテナＲに受信される受信波の複素
振幅Ｖ（〓_r,f）は、フレネル・キルヒホツフの回
折積分により次式で表わされる。

ここに θ_t……点〓における物体面上の法線と点〓、〓_t
を結ぶ線分とが成す角 θ_r……点〓における物体面上の法線と点〓、〓_r
を結ぶ線分とが成す角 l_t……点〓と〓_tとの距離 l_r……点〓と〓_rとの距離 であり、l_t、l_rは、それぞれ l_t＝｜〓−〓_t｜＝［（ｘ−x_t）²＋（ｙ−y_t）²＋z²］^1
/2 l_r＝｜〓−〓_r｜＝［（ｘ−x_r）²＋（ｙ−y_r）²＋z²］^1
/2｝ (2) で与えられる。送信波ｕ（ｔ）は、周波数にお
いて、その複素振幅〓（）なる周波数成分を持
つと仮定したことにより、フーリエ変換を用いて
次のように表わされる。

ｕ（ｔ）＝∫^∞ _-∞〓（）e^j2〓^td (3) 送信波として〓（）e^j2〓^tを送信したときに
は、受信波の複素振幅Ｖ（〓_r,）は式(1)で与えら
れた。従つて、送信波としてｕ（ｔ）を送信した
ときには、式(1)と(3)とから受信波ｖ（〓_r,t）とし
て次式が得られる。

ｖ（〓_r,t）＝∫^∞ _-∞Ｖ（〓_r,）e^j2〓^td＝１／2
πC_∞ ∫∫∫ ∫∫∫^-∞ cosθ_t＋cosθ_r／2l_tl_rｇ（〓）u′（ｔ−l_t＋l_r／
Ｃ）dxdydz (4) 但し、u′（ｔ）はｕ（ｔ）の微分を表わす。

式(4)によつて、送信アンテナＴが点〓_t、受信
アンテナＲが点〓_rにあるときに送信波ｕ（ｔ）と
受信波ｖ（〓_r,t）との関係が明らかとなる。

ここで、特別な場合として、送信アンテナＴと
受信アンテナＲが一体となつて構成されたアンテ
ナ、すなわち送受一体アンテナＴ，Ｒ（特別には
図示せず）を仮定する。このとき、点〓_tおよび
点〓_rが一致することから、ｌ＝l_t＝l_r、θ＝θ_t＝
θ_rとして式(4)を書き替えると次式が得られる。

ｖ（〓_r,t） ＝１／2πC_∞ ∫∫∫^-∞ cosθ／l²ｇ（〓）u′（ｔ−2l／Ｃ）dxdydz (5) ここで、さらに、点〓における物体面上の法線
が走査平面と直交していると仮定すると、 cosθ＝ｚ／ｌ (6) が成り立つ。従つて、式(5)、(6)から次式の受信波
形関数ｖ（〓_r,t）が得られる。

ｖ（〓_r,t） ＝１／2πC_∞ ∫∫∫^-∞ ｚ／l³ｇ（〓）u′（ｔ−2l／Ｃ）dxdydz (7) この式によつて、送受一体アンテナが点〓_rに
あるときの送信波ｕ（ｔ）と受信波ｖ（〓_r,t）との
関係が明らかとなつた。ここで、〓_rは任意であ
るから、式(7)より走査平面上でアンテナを多数の
測定点に移動させて走査するときの任意の点にお
ける受信波形の関数が求められる。

以下の説明では、便宜上、送受一体アンテナ
Ｔ，Ｒを走査して物体を探知する場合についての
み説明するが、送信アンテナＴまたは受信アンテ
ナのいずれか一方を走査して物体を探知する場合
についても、全く同様に本発明を適用することが
できる。

次に、目標物Tgとして点物体が点〓_oに一つだ
け存在する場合の送信波ｕ（ｔ）と受信波ｖ（〓_r,
ｔ）との関係を説明する。このとき、反射率分布
ｇ（〓）は次式で表わされると考えてよい。

ｇ（〓）＝δ（〓−〓_o） (8) 但し、δはデルタ関数である。すなわち、空間
中の点〓＝〓_oにおいてのみ反射が起こるわけで
ある。式(8)を式(7)に代入することによつて、この
ときの受信波ｖ（〓_r,t）が得られる。すなわち、 ｖ（〓_r,t）＝１／2πC z_o／l³ _ou′（ｔ−2l_o／Ｃ(
9) 但し、l_oは点物体と送受一体アンテナＴ，Ｒと
の距離であり、 l_o＝｜〓_r−〓_o｜＝［（x_r−x_o）² ＋（y_r−y_o）²＋z_o ²］^1/2 (10) で与えられる。以上で点物体によつて反射された
波の受信波形が得られる。

本発明における像再生法は次のような考え方に
基づく。今、任意の物体を点物体の集合と考え
る。物体の像を分解能良く再生するということ
は、物体を構成するそれぞれの点物体の再生像の
あいまい度を小さくするということになる。従つ
て、一つの点物体に対する像のあいまいさを最小
にするような像再生法を考えればよい。この目的
のために、式(7)で与えられる受信波形関数ｖ（〓_r,
ｔ）とテスト関数ｈ（〓、ｔ）との間に、３次元の
空間座標を変数とする関数ａ（〓）を定義し、像
振幅関数と呼ぶことにする。すなわち、 ａ（〓）≡｜_∞ ∫∫∫^-∞ ｖ（〓_r,t） ｈ（〓−〓_r,t）dtdx_rdy_r｜ (11) ここで、式の導出の都合上、式(11)の右辺の絶対
値を除いたものをｂ（〓）と定義する。すなわち、 ｂ（〓）＝_∞ ∫∫∫^-∞ ｖ（〓_r,t）ｈ（〓−〓_r,t）dtdx_rdy_r (12) 像振幅関数ａ（〓）を定義したことによつて、
上述の像再生法の問題は、点物体の位置〓＝〓_o
における像振幅関数ａ（〓）の値、すなわち像振
幅を最大にするようなテスト関数ｈ（〓、ｔ）を
見つけるという汎関数の極値問題に帰着される。

以下、このような条件を満足するテスト関数ｈ
（〓、ｔ）について説明する。式(9)において、 ｖ（〓_r,t）＝K₁v₁（〓_r）v₂（ｔ−2l_o／Ｃ） （13） K₁＝1/2πC、v₁（〓_r）＝z_o／l_o ³、v₂（ｔ）＝u′（
ｔ） と定義する。同様にテスト関数ｈを、空間座標と
時間座標の関数に分離した形で、次式のように定
義する。

ｈ（〓−〓_r,t）＝K₂h₁（〓−〓_r） h₂（２（l_o＋Δl_o）／Ｃ−ｔ） （14） 但し、〓−〓_o＋Δ〓_o、l_o＋Δl_o＝｜〓_r−〓_o−
Δ〓_o｜とする。式（13）、（14）を式(12)に代入す
ると、 ｂ（〓_o＋Δ〓_o）＝Ｋ_∞ ∫∫∫ ∫∫∫^-∞ v₁（〓_r）h₁（〓_o＋Δ〓_o−〓_r）・v₂（ｔ−2ln／Ｃ
）h₂（２（l_o＋Δl_o）／Ｃ−ｔ）dtdx_rdy_r （15） が得られる。このように式（15）では任意の点〓
を、点物体の位置〓ｎからの変位Δ〓ｎとして表
現した。従つて、問題は、式（15）において、Δ
〓_oが０のときの関数ｂの値、すなわちｂ（〓_o）
を最大にするような関数h₁とh₂を見つけることに
なる。ここで、次式を定義する。

w₂（t₀）＝∫^∞ _-∞v₂（ｔ）h₂（t₀−ｔ）dt （16） この式は、v₂（ｔ）なる入力が、インパルスレ
スポンスh₂（ｔ）を持つフイルタに加わつたとき
の、t₀における出力応答w₂（ｔ）の値を示す式で
ある。式（16）を（15）に代入すると、 ｂ（〓_o＋Δ〓_o）＝Ｋ_∞ ∫∫ ∫∫^-∞ ｖ（〓_t）h₁（〓_o＋Δ〓_o−〓_r）w₂（2Δl_o／Ｃ）dx
_rdy_r となる。さて、Δ〓_o＝０のとき、すなわちΔl＝
〓のとき、w₂の値が最大となるような関数h₂を
求める。ここで、h₂（ｔ）とw₂（ｔ）のエネルギ
ーが一定であるという条件の下に、この問題を解
くと、次式が得られる。

H₂（）＝Ｖ〓（）／（１−λ）＋λ｜V₂（）｜²
、０＜λ＜ １ （18） 但し、H₂（）、V₂（）はそれぞれh₂（ｔ）、v₂
（ｔ）のフーリエ変換である。式（13）において、
v₂（ｔ）＝u′（ｔ）であるから、V₂（）＝j2π〓
（）となる。式（18）で与えられるH₂（）は
v₂（ｔ）に対してλ＝０のときにマツチフイルタ
となり、λ＝１のときは逆フイルタとなる。従つ
て、λが１に近いほぼw₂（ｔ）の先鋭度は大きく
なる。以上述べたように、このフイルタは、入力
波v₂（ｔ）に作用して、パルス圧縮を行う効果を
持ち、従つて、距離方向の分解能向上に役立つ。

次に、方位方向の分解能に着目して、空間座標
に関するテスト関数h₁を決定する。ここで、Δ〓
_ｏとして走査平面に平行なベクトルを考える。

Δ〓_o＝（Δx、Δy、０） （19） このとき、w₂の値はほぼ一定であるため、式
（17）から、 ｂ（〓_o＋Δ〓）＝ K_3∞ ∫∫^-∞ v₁（〓_r）h₁（〓_o＋Δ〓−〓_r）dx_rdy_r
（20） が得られる。

さて、Δ〓_o〓＝０のとき関数ｂの値が最大と
なるよう関数h₁を求める。ここで、h₂（〓）のエ
ネルギが一定であるという条件の下にこの問題を
解くと、公知の最適受信フイルタの理論から、 h₁（〓−〓_r）＝ｚ／｜〓_r−〓｜³ （21） が得られる。このようにして、式（14）、（18）、
（21）からテスト関数が決定される。

以上の議論から明らかになつたように、像振幅
関数ａ（〓）を式(11)のように定義した場合、得ら
れたテスト関数ｈ（〓、ｔ）は、点物体の存在す
る位置〓＝〓_oにおいて、像振幅関数を最大なら
しめる効果を持ち、距離方向の分解能を向上させ
るためのパルス圧縮を行うフイルタと方位方向の
分解能を向上させるための関数とをその中に有す
る。フイルタH₂（）は、式（18）に示されるよ
うに、パラメータλを除けば、送信波によつて一
意に定まるので、任意の送信波に対して適応的に
求めることができる。さらに、パラメータλを変
ることによつてフイルタの出力パルスの先鋭度を
制御することができる。

したがつて、以上述べたようにして決定され
た、式（14）、（18）、（21）で定義されるテスト関
数を用いて、式（17）で定義される像振幅を計算
できる。この像振幅の値の分布より物体の位置を
特定できることになる。

なお、以上の説明では、送受一体アンテナの例
についてのみ触れてきたが、送受信アンテナが分
離している場合についても、式の若干の変更によ
つて同様の像再生法を適用することが可能であ
る。

次に、送受一体のアンテナを走査して受信波形
を採取し、この受信波形にテスト関数を作用させ
て数値処理を行うことにより像振幅を計算して目
標物の像を得るという原理に基づく本発明物体探
知方法を実施する装置の一例を第２図に示す。第
２図において、１は信号発生器、２はアンテナ、
３は受信波送信装置、４はＡ／Ｄ変換器、５はデ
イジタルフイルタ、６は蓄積装置、７は位置測定
器、８はＡ／Ｄ変換器、９はアンテナ移動装置、
１０は関数発生装置、１１は積分器である。アン
テナ２および受信波送信装置３はアンテナ移動装
置９に塔載し、受信平面上の多数の測定点にアン
テナ移動装置９を移動させて、その各測定点の位
置情報を位置測定器７で取り出すと共に、以下の
ようにして受信データを収集する。まず信号発生
器１によつてアンテナ２を駆動して送信波ｕ（ｔ）
を送信する。目標物によつて反射された波を再び
アンテナ２によつて受信して受信波送信装置３に
供給し、その出力をＡ／Ｄ変換器４でデジタル信
号に変換する。そのデジタル信号を式（18）に基
づく構成のデジタルフイルタ５に入力し、そのフ
イルタ出力を蓄積装置６に記録する。他方、位置
測定器７によつて測定した位置情報をＡ／Ｄ変換
器８によつてデジタル信号に変換し、そのデジタ
ル信号をも蓄積装置６に記録しておく。アンテナ
移動装置９によつてアンテナを多数の測定点に移
動させることにより以上の過程をこれら多数の測
定点の各々に対して繰り返し行い、受信データを
収集する。これにより上記測定位置情報と各測定
位置に対応して得られた受信データとからなるホ
ログラムデータが得られる。この過程が終了した
後、式（21）に基づく関数を発生させる装置１０
から、対象とする空間内の各位置〓毎にデータを
生成させ、この生成データと蓄積装置６から読み
出した所要のホログラムデータとを積分器１１に
供給し、それによつて式（17）の積分を行い、像
振幅を求める。

第３図に示すような位置（ｘ＝x₀＝３ｍ、ｚ＝
z₀＝0.5ｍ）に無限長の線状物体がｙ軸に平行に
存在する場合に対して本発明の探知方法を適用し
た具体例について以下に示す。この場合には、走
査平面上でｙ軸に平行な直線上においてはどの位
置においても、受信波形が保たれるため、ｘ軸上
の走査だけで十分である。この場合における送信
波形は第４図に示すようになる。第５図はアンテ
ナ２をｘ方向に移動させながら測定したＡ／Ｄ変
換器４の出力を各受信位置ｘに対してそれぞれ表
示したホログラムデータである。第６図はＡ／Ｄ
変換器４の出力をフイルタ５に通して得られた出
力である。この出力は、もとのデータに比較して
波形が距離方向に圧縮されていることが分かる。
第７図は積分器１１の出力、すなわち像振幅を求
めた結果である。第７図から、線状物体の存在す
るアンテナ（ｘ＝x₀＝３ｍ、ｚ＝z₀＝0.5ｍ）に
像振幅のピークがあり、本発明により解線力が向
上していることが分かる。

以上詳述したように、本発明は、任意の送信波
形を持つ送信機と受信機の少なくとも一方を平面
走査して、目標物体からの反射波形を受信機によ
つて受信記録し、得られた反射波情報をホログラ
ム情報として数値的に処理し、以て数値的に像再
生を行う方法を提供するものであり、本発明によ
れば、どのような送信波を有する送信機を使用し
ても、点物体による反射波形が明確に定式化され
るので、パルス圧縮および開口合成に基づく像再
生アルゴリズムに従つた像再生が可能となる。

更に本発明によれば、従来からパルス圧縮技術
として用いられる相関処理をより一般化し、圧縮
率の一層の向上を目的としたパルス圧縮フイルタ
を導入することにより、距離方向の分解能を向上
させることが可能となる。

また、本発明探知方法では、再生過程において
近似を行つていないので、近接領域にある物体も
含めて、距離に依らず、分解能の良い物体の探知
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における反射波形データの採取
システムの概略図、第２図は本発明の一実施例を
示すブロツク図、第３図は物体の形状と位置およ
び送受一体のアンテナとの関数を示す線図、第４
図は第３図に示した物体を探知するのに用いる送
信波形の一例を示す信号波形図、第５図は第３図
示の物体からの反射波をAD変換して各々の受信
位置で書き並べ、下側の横軸に時間ｔ、上側の横
軸に対応する距離、縦軸にｘ軸方向の座標をとつ
て示す線図、第６図は第５図示の各々の波形にパ
ルス圧縮を施した結果を示す線図、第７図は第６
図示の結果に基づき像振幅を求めた結果を示す線
図である。 Ｔ……送信アンテナ、Ｒ……受信アンテナ、
Tg……目標物、１……信号発生器、２……送受
一体アンテナ、３……受信波送信装置、４……
Ａ／Ｄ変換器、５……デイジタルフイルタ、６…
…蓄積装置、７……位置測定器、８……Ａ／Ｄ変
換器、９……アンテナ移動装置、１０……関数を
発生させる装置、１１……積分器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 送波源より送信波を目標としての物体の存在
   する空間に向けて発射し、前記物体からの反射波
   を、当該物体より離れた受信平面上で受信機によ
   り検知して前記物体を探知するにあたり、 論理的に得られる受信波形関数と、前記受信平
   面上の位置を表わす２変数および時間変数の関数
   であるテスト関数との相関で表される、空間座標
   を変数とする像振幅関数が、物体位置において最
   大となるように前記テスト関数をあらかじめ決定
   し、 多数の周波数成分から成る任意の波形を持つ送
   信波を用い、受信平面上の多数の測定点で、前記
   物体からの反射波を受信することにより、前記多
   数の測定点の位置情報と、前記多数の測定点にお
   ける受信波群とをホログラムデータとして得、 対象とする空間内の各位置毎に、前記テスト関
   数から生成されるデータと前記ホログラムデータ
   との相関を計算して、像振幅（相関値）の空間分
   布を得ることにより、物体像を再生することを特
   徴とするホログラフイツク物体探知方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載のホログラフイ
   ツク物体探知方法において、前記多数の測定点に
   おける受信波群の各々を、送信波形より決定され
   るパルス圧縮フイルタに通してホログラムデータ
   とすることにより、距離方向の分解能を向上させ
   ることを特徴とするホログラフイツク物体探知方
   法。