JPH10509511A - 大気圏外レーダで得た画像に影響する非ユークリッド効果の評価方法及びこの方法を実行するための人工衛星 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電離層を通して伝播する大気圏外レーダからのレーダ波に含まれる位相シフトを評価する方法に関する。同じ人工衛星に搭載されてｍλ₁＝ｎλ₂（但し、ｍとｎは整数）なる関係を満たす波長λ₁とλ₂でそれぞれ動作する二つの大気圏外レーダ（１，２）を用いて得た複数対のレーダ画像（１ａ，１ｂ；２ａ，２ｂ）から第１と第２の干渉像（１ｃ，２ｃ）を形成し、第１と第２の干渉像の各々の位相φ₁とφ₂との線形結合ｎφ₁−ｍφ₂を求め、この線形結合の分数部分により、前記干渉像の形成に用いた前記大気圏外レーダからの画像に影響を及ぼす非ユークリッド効果を表現する。

Description

【発明の詳細な説明】 大気圏外レーダで得た画像に影響する非ユークリッド効果の評価方法およびこ の方法を実行するための人工衛星 本発明は、人工衛星による画像観測、特に大気圏外レーダによる画像観測に関 するものである。 大気圏外レーダによる撮像は、人間の視覚に近い物理特性に依存する周知の光 学撮像方式とは異なっている。大気圏外レーダによって得られる画像は、撮像対 象が大気圏外レーダによって従前の光学系で利用されていたマイクロメータ波長 よりもかなり長いデシメータ波長（３ｃｍ〜２５ｃｍ）で観測されるので、従来 の光学系によって得られる画像とはその内容が異なっている。また大気圏外レー ダは撮像対象を照射するための放射源を自身で備えた能動装置であるので、夜間 並びに昼間での観測が可能であり、波長を適宜選ぶことにより雲を不感とする観 測もできるなど、画像の入手法によっても画像内容が異なってくる。従って、大 気圏外レーダは「全天候」の画像観測を可能とし、運用上の多くの利点をもたら すものである。しかしながら、宇宙空間で１０ｍ以上もあるアンテナを展開させ ることは困難であるので、大気圏外レーダの本来の角度分解能は極めて劣ってお り、おおよそ１／２度程度である（これに対して人間の目は約１０倍も良好であ る）。従って、レーダ画像観測ではシステム本来の分解能はあてにしない。人工 衛星の飛行方向に直角な方向の分解能は、人工衛星上の搭載機器でエコー到来時 間の解析（全てのレーダが準拠する原理）を行うことによって得られ、また飛行 方向に平行な方向の分解能は、合成開口レーダで知られているデジタル処理によ って得られるが、このデジタル処理は地上で果たされると共に多量のコンピュー タ処理を要する。レーダの「画像」の各走査線はレーダから放射された一つのパ ルスに対応すると共に、画像の縦の列の表示を与えるようにエコー到来時間順に 並んだサンプルの列に変換される。これらのサンプルは振幅と反射波の位相を表 す複素数である。上述した合成開口レーダのデジタル処理では、例えば雲に対す る不感性や夜間の運用能力などの主な運用上の品質特性に加えて、人工衛星に搭 載されたレーダにより干渉計の手法で狭い間隔距離を計測可能とするように、処 理後の信号の複素特性が保存される。 反射波の位相には、レーダによって照射された対象、即ち「ターゲット」（例 えばペブルやブランチなど）として知られた観測対象を構成する要素の位置、分 布および放射電磁特性に関する情報が含まれている。異なる日付でほぼ同一状態 の元に得られたレーダ画像を比較することにより、干渉像の形成で位置情報を他 の情報から分離可能である。レーダ干渉法は２０年以上も昔から提案されて試験 されてきており、有用な参考文献としては、「IEEE Proceedings，Vo１.62，No. 6（１９７４年６月）」にあるエル・シー・グラハムによる「トポグラフィマッ ピング用合成干渉計レーダ」と題する刊行物を挙げることができる。 位相情報は以下の三つのファクターにより影響を受け、そのうちの始めの二つ は未知である。 １：ターゲットでのレーダ波の反射によりターゲットの電磁気特性に関連して 生じる位相シフト。 ２：一つの画素（ピクセル）内の複数のターゲットの相対位置に関連する位相 シフト。ピクセルの最終的な位相は、そのピクセル内で各々振幅により重み付け された様々なターゲットからの情報成分の複合組合せの結果に対応する。 ３：移動ターゲットもしくは観測条件の変動によると思われる位相シフト。 レーダ干渉計手法による観測を実行する場合、上記最初の二つのファクターは 未知ではあるものの時間的には安定しているものと仮定される。この仮定は、第 １のファクターについてはターゲットが物理的に安定であることを含み、第２の ファクターについては人工衛星の二つの照射路程間におけるレーダ入射角の変動 を抑制する幾何学的安定性を含んでいる。従って、地上の表面状態は二つの画像 を得る間に極端に変化してはならず（例えば海面の場合は除外）、また人工衛星 はその初期軌道に極めて接近して（最大でも数百ｍ以内に）追従させなければな らない。 仮に上述の仮定が正しいとした場合、二つのレーダ画像間の第３のファクター による位相変化は、二つの画像間の位相差を表す干渉像を形成することで得るこ とができる。これらの位相差は以下の四つの情報成分の組合せの結果であると考 えられる。 １：二つの画像を得る間に軌道上を接近してくるか又は離れて行くかという衛 星の軌道情報。上述したように軌道は互いに近接していなければならず、但し実 際上は同一または平行であってはならない。 ２：僅かに異なる二つの視点から観測したときのトポグラフィーによって生じ るステレオ効果。 ３：二つの画像を得る間に起きた全体としてのターゲットの総変位。 ４：大気中の伝播路程長の変化と電離層による位相変動。これらの変動は、様 々な波長に影響を与える位相変動が光路長の一律の増加・減少では説明できない ことから、「非ユークリッド効果」としても知られている。 実際に、位相の影響を伴うファクターの各情報成分を個々に評価することは困 難である。 それでも、以下の１及び２の検討は幾らかの助けとなる。 １：移動する大地による影響は、入手画像間のどのような軌道偏差であっても 所定の時間間隔をカバーする全ての干渉像に必ず現れる。例えば、４月と５月に 入手した画像から形成された干渉像において大地が移動していたように見える場 合、３月と６月に入手された画像で形成される干渉像にも同様なことが必ず生じ る。 ２：大気中の伝播による影響は、この伝播による影響を受けたいずれの特定画 像からの情報成分を含む干渉像の全てに必ず見出される。 非ユークリッド効果は、位相に影響する他のファクターを定量した後の演繹で 評価することができる。この定量は、距離測定が曖昧であるという事実により困 難とされており、その理由は、法（modu1o）にレーダの波長λしか与えることが できないからである。即ち、波長が５ｃｍの場合、２ｃｍの間隔は７ｃｍの間隔 と同じに見えてしまう。完璧な計測結果は、測定結果から失われる波長の整数値 を示すように画像中に亘って一点から他点へ位相を「広げる（unwrapping）」こ とにより構築することができる。これに関する参考文献としては、ゴールドシュ タイン他による「人工衛星レーダ干渉計測：二次元位相アンラッピング」と題す る報文（Radio Science，Vo１.23，No.4，pp.713-720，1988．7-8月）を挙げる ことができる。この位相拡開操作はやはり自動化が困難で、出願人の知るところ で は非ユークリッド効果を簡単且つ正確に評価することを可能とする方法は存在し ない。 そこで本発明の目的は、非ユークリッド効果を特にその実行のために位相の拡 開の必要なく評価可能とする画像処理方法を提案することにある。 本発明の方法は、以下の手順、即ち、 同じ人工衛星に搭載されてｍλ₁＝ｎλ₂（但し、ｍとｎは整数）なる関係を満 たす波長λ₁とλ₂でそれぞれ動作する二つの大気圏外レーダを用いて得た複数対 のレーダ画像から第１と第２の干渉像を形成する段階と、 第１と第２の干渉像の各々の位相φ₁とφ₂との線形結合ｎφ₁−ｍφ₂を求め、 この線形結合の分数部分で前記干渉像の形成に用いた前記大気圏外レーダからの 画像に影響を及ぼす非ユークリッド効果を表現する段階、 とを備えたことを特徴とするものである。ここで、ｍ＝２またはｍ＝３、及びｎ ＝１とするのが最も好適である。 本発明はこの方法を実行するための人工衛星も提供し、この人工衛星は、それ ぞれ波長λ₁とλ₂とで動作する二基のレーダを搭載していることを特徴とするも のである。 本発明はまた、上述の方法を実行することによって得られた非線形効果の新た な表現も提供する。 本発明は以下の説明を読むこと及び添付図面を参照することで一層理解されよ う。 添付図面において、図１は本発明の二基の大気圏外レーダを装備した観測衛星 の台座を示す模式図であり、図２は人工衛星上の各レーダからの画像の処理手順 の概略を示す説明ブロック図である。 図１は極端に略図化して二基の合成開口大気圏外レーダ１および２を示してお り、これらのレーダ自体については公知であるので詳述しないが、両方とも地球 観測衛星の共通台座３に取り付けられている。 二基のレーダ１および２はそれぞれ波長λ₁とλ₂で動作するように設計されて おり、これらの波長はｍλ₁＝ｍλ₂の関係を満足し、ここでｍとｎは整数である 。 各レーダは、第１レーダ１が一対のレーダ画像１ａと１ｂを、第２レーダ２が 別の一対のレーダ画像２ａと２ｂを形成すべく用いられており、これらの対の画 像からそれぞれ干渉像１ｃと２ｃが従来通りの手法で形成される。画像１ａは画 像２ａと同時に得られ、同様に画像１ｂは画像２ｂと同時に得られる。 干渉像１ｃと２ｃとでは幾何学的な路程偏差Ｄが同一であるので、以下の関係 式を適用する。 Ｄ＋Ｅ（λ₁）＝ｋ₁λ₁＋λ₁φ₁ （１） Ｄ＋Ｅ（λ₂）＝ｋ₂λ₂＋λ₂φ₂ （２） ｍλ₁＝ｎλ₂ （３） ここで、ｋ₁とｋ₂は整数、φ₁とφ₂はそれぞれ干渉像１ｃと２ｃで計測された 位相であり、またＥ（λ₁）とＥ（λ₂）は波長λ₁とλ₂でレーダ波の伝搬に影響 を与える非ユークリッド効果、即ち評価すべき対象を表す。 式（１）と式（２）は以下のように表すこともできる。 Ｄ＝ｋ₁λ₁＋λ₁［φ₁−Ｅ（λ₁）／λ₁］ （４） Ｄ＝ｋ₂λ₂＋λ₂［φ₂−Ｅ（λ₂）／λ₂］ （５） 式（４）−（５）を実行することにより、 ｋ₂λ₂−ｋ₁λ₁＝λ₁［φ₁−Ｅ（λ₁）／λ₁］ −λ₂［φ₂−Ｅ（λ₂）／λ₂］ （６） 式（３）と式（６）を結合して、 ［ｍｋ₂−ｎｋ₁］λ₁＝ｎλ₁［φ₁−Ｅ（λ₁）／λ₁］ −ｍλ₁［φ₂−Ｅ（λ₂）／λ₂］ （７） 式（７）の分数部分を取り出して、 frac（ｎφ₁−ｍφ₂） ＝frac（ｍＥ（λ₂）／λ₂−ｎＥ（λ₁）／λ₁） 干渉像１ｃと２ｃを読み取ることでφ₁とφ₂を知れば、非ユークリッド効果は 以下の分数部分の値として表現することができる。 ｍＥ（λ₂）／λ₂−ｎＥ（λ₁）／λ₁ ｍとｎの値は好ましくは２、最大でも３に制限するが、これは乗算及び結合処 理により干渉像中のノイズ分が（ｍ²＋ｎ²）^1/2だけ増加するからである。 以上のように、本発明によれば、同じ人工衛星に搭載された二基のレーダを用 い、単純な整数比または分数比の関係にある二波長で動作させることにより、位 相に影響する他の効果から非ユークリッド効果を容易に分離して表現することが でき、この場合、位相を整数倍にすることは当業者に容易なことである。 従って、二つの干渉像を線形結合することにより、位相の拡開の必要なしに、 電離層中で生じる伝播効果をマップに描くこと及びそのような効果が除去された 干渉像を生成することが可能となる。 このため、本発明は地形の小変位の計測に好適であり、特に、 １：地震に伴う地形変位の計測と、地震の前および後の変位の探査、 ２：噴火に先立つ火山の隆起の検出、 ３：地滑りの計測、 ４：氷河の前進速度の計測、 ５：沖合プラットフォームの定置監視、 ６：採鉱、ガス採掘、石油採掘、または地下核実験による地盤沈下の監視、 ７：植物成長速度の直接計測による作柄の等級付け、 などの用途に適している。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年１０月１６日 【補正内容】 請求の範囲 １．大気圏外レーダ（１；２）で得た画像に影響する非ユークリッド効果、特 に前記レーダによって発射され電離層を通して伝播するレーダ波による位相シフ トを評価する方法であって、 同じ人工衛星に搭載されてｍλ₁＝ｎλ₂（但し、ｍとｎは整数）なる関係を満 たす波長λ₁とλ₂でそれぞれ動作する二つの大気圏外レーダ（１，２）を用いて 得た複数対のレーダ画像（１ａ，１ｂ；２ａ，２ｂ）から第１と第２の干渉像（ １ｃ，２ｃ）を形成し、 第１と第２の干渉像の各々の位相φ₁とφ₂との線形結合ｎφ₁−ｍφ₂を求め、 この線形結合の分数部分により、前記干渉像の形成に用いた前記大気圏外レーダ からの画像に影響を及ぼす非ユークリッド効果を表現することを特徴とする方法 。 ２．ｍを整数２または３のいずれかに設定し、ｎ＝１とすることを特徴とする 請求項１に記載の方法。 ３．それぞれ波長λ₁とλ₂で動作し、複数対のレーダ画像（１ａ，１ｂ；２ａ ，２ｂ）を生成するための 二基の大気圏外レーダ（１，２）を搭載した人工衛星 と、前記複数対のレーダ画像から前記第１と第２の干渉像（１ｃ、２ｃ）を形成 する手段と、前記第１と第２の干渉像の各波長の線形結合を実行する手段とを備 えた ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法を実行するための装置。 ４．前記両大気圏外レーダが合成開口レーダであることを特徴とする請求項３ に記載の装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．大気圏外レーダ（１；２）で得た画像に影響する非ユークリッド効果、特 に前記レーダによって発射され電離層を通して伝播するレーダ波による位相シフ トを評価する方法であって、 同じ人工衛星に搭載されてｍλ₁＝ｎλ₂（但し、ｍとｎは整数）なる関係を満 たす波長λ₁とλ₂でそれぞれ動作する二つの大気圏外レーダ（１，２）を用いて 得た複数対のレーダ画像（１ａ，１ｂ；２ａ，２ｂ）から第１と第２の干渉像（ １ｃ，２ｃ）を形成し、 第１と第２の干渉像の各々の位相φ₁とφ₂との線形結合ｎφ₁−ｍφ₂を求め、 この線形結合の分数部分により、前記干渉像の形成に用いた前記大気圏外レーダ からの画像に影響を及ぼす非ユークリッド効果を表現することを特徴とする方法 。 ２．ｍを整数２または３のいずれかに設定し、ｎ＝１とすることを特徴とする 請求項１に記載の方法。 ３．それぞれ波長λ₁とλ₂で動作する二基の大気圏外レーダ（１，２）を搭載 したことを特徴とする請求項１または２に記載の方法を実行するための人工衛星 。 ４．前記両大気圏外レーダが合成開口レーダであることを特徴とする請求項３ に記載の人工衛星。 ５．請求項１又は２に記載の方法を実行することによって得られた非ユークリ ッド効果の表現。