JPH11512531A - Ｓａｒレーダシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、合成開口レーダシステム、特に、広角アンテナビームを有するものに関する。局部的バックプロジェクションＳＡＲプロセッサを用いることにより、コンピュータによる必要な累乗積演算が実際的となる。ＳＡＲレーダシステムは、レーダビークルの軌跡セグメント、すなわち、惑星表面上に結像された至近点の各々を、レーダ信号の波長特性に関して、前記小開口の遠方界領域内に位置せしめる程度に短く設定された小開口と呼ばれる複数セグメントを通じて、信号振幅を収集し、各小開口より得られたデータから、小開口長と波長とで決定される角度分解能を有し、各々が小開口内の所定位置に関連する指向性レーダビームのセットを合成し、地勢図に基づくか、又は惑星表面が例えば平坦であるとの仮定に基づいて同表面の状態を推定し、更には、プラットホーム位置と地上点によって決定される距離及びビーム方向における、すべての小開口についての振幅の和によって、イメージを形成するすべての地上点のレーダ反射を演算するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ＳＡＲレーダシステム 本発明は、ＳＡＲレーダシステムに関するものである。このシステムは、地表 面もしくは他の惑星表面の上方を移動する運搬体（ビークル）によって支持され 、前記地表面等のレーダ波長分解像を得るための手段を備えたＳＡＲレーダに関 するものである。合成開口レーダとして周知されたＳＡＲ技術は、最近まで実現 可能な分解能が波長より粗いものとして知られてきた。極広帯域、すなわちＵＷ Ｂは、ここに１オクターブ以上の相対帯域幅を有するレーダ信号を使用するもの として理解される。このような広帯域幅は波長位の距離分解能（レンジレゾリュ ーション）をもたらすものである。この場合、高い方位分解能は広いアスペクト 角度間隔（概ね３０°〜１２０°）にわたる信号を捕捉するレーダアンテナを必 要とする。アンテナはレーダ運搬体が地表面上の１区域（パッチ）を通過する間 に、この区域を照射するために操縦可能な方式、すなわちスポットライトＳＡＲ であるか、又はアンテナビームが全適用アスペクト角度間隔を連続的に照射でき るように十分広角であること、すなわちストリップマップＳＡＲとして構成され る。データ収集のために、大きい相対帯域幅及び広アスペクト間隔を組み合わせ たものは、分解能に必要な波長制限を、例えばスウェーデン特許第８４０６００ ７−８号（４５６１１７）、ヨーロッパ特許第８６９００３０６．１号（２０２ ３２０）、及び米国特許第４８６６４４６号、及び同第４９６５５８２号（いず れも参考文献として本明細書に編入する）において開示された、ＣＡＲＡＢＡＳ システム（コヒーレント全無線周波数帯域検出システム）において達成されたよ うにして実現される。 レーダを支持する運搬体は、航空機、無人空中ビークル、いわゆるＵＡＶ、又 は人工衛星などである。レーダはまた、他の惑星の表面を探査するための宇宙ビ ークル上にも装備することができる。 ストリップマップＳＡＲモードは、特に、広域監視のための適している。広域 ストリップマップＳＡＲ結像における波長分解能は、データ量を莫大にしないた め、１ＧＨｚ以下のレーダ周波数を要求する。これによって得られる分解能はメ ートル単位となるであろう。 ストリップマップＳＡＲ結像は、レーダの生データについて一定の流れを生成 する定常的プロセスである。自明の必要事項として、収集されたデータのＳＡＲ 処理がデータ収集速度と合致した歩調において行われなければならない。この要 求は、以後リアルタイム演算容量と称する。波長分解能型ストリップマップＳＡ Ｒデータのリアルタイム処理を行う為には、効率的な方法が必要であり、これを もって本発明の特定の目的とするものである。 引用するＣＡＲＡＢＡＳレーダシステムは、波長分解能型ストリップマップＳ ＡＲ処理において必要な事項を例示している。ＣＡＲＡＢＡＳは種々のパラメー タ設定とともに動作するようにプログラムされるが、次のような特定の選択を行 うことができる。 レーダ周波数バンド ２０〜７０ＭＨｚ アスペクト角度間隔 １３０° 方位×距離分解能 １．５×３ｍ 地上速度 １００ｍ／ｓ 直距離概括間隔（直距離スワズインターバル） １２〜２０ｋｍ 受信デューティファクタ ５７％ ステップ帯域幅 ２．２ＭＨｚ ステップ数 ２３ ステップ滞留時間 ５２５μｓ ＰＲＦ（パルス繰返し周波数） ８４Ｈｚ 受信機ダイナミックレンジ １４ビット 受信機サンプリング周波数 ５ＭＨｚ 受信機出力速度 ７０メガビット／ｓ 平均データ速度 ４１メガビット／ｓ かくしてレーダ信号はほぼ２オクターブの帯域幅をカバーし、かつレーダビー クルの１側に対し、１３０°広角ビームとして伝送される。全伝送シーケンスは ２３の周波数ステップに分割され、その間、信号は次の周波数ステップの送信が 行われるまでに完全に送信される。かくしてステップは２．２ＭＨｚの帯域幅を カバーし、この帯域幅においてデータは５ＭＨｚの割合で抜き取られる。適度な サンプリング速度は１４ビットのＡＤダイナミックレンジを可能にする。これは レーダ受信機が人為的な高周波緩衝（混信：ＲＦＩ）によって飽和しないために 重要である。なお、この混信周波数は１ＧＨｚより十分低い。 ＲＦＩを生ずる無線トラヒック信号は、帯域幅が１ｋＨｚ以下であるような集 中スペクトルピークとして現れる。レーダ受信機が直線動作型であれば、これら のピークは受信レーダ信号においてフィルタ処理され得る。受信機が直線動作し ない場合には、各占有バンドの外側のレーダ信号が影響を受けないようにするた め、各周波数ステップにおける受信時間を可能な限り長くすることが重要である 。同様に、送信レーダ信号はその送信信号における既知の無線バンドの急激なノ ッチング（落ち込み）を許容するために長くすべきである。既知の無線トラヒッ クへのレーダからの緩衝はこれによって回避される。ここに、５７％の受信デュ ーティファクタは各周波数ステップにおける受信が３００μｓ間続き、２００μ ｓ間において送信されることを意味する。この２００μｓは送信及び受信モード 間の切替えのための与えられた許容時間である。したがって、混信のフィルタ処 理を行うためのスペクトル分解能は３ｋＨｚであり、信号伝達のノッチングを行 うためのスペクトル分解能は５ｋＨｚである。 受信時間の究極的な制限は、各周波数ステップのための循環時間を十分に短く しなければならないことであり、これは後方散乱信号がドップラ帯域幅に関する ナイキストレートにおいてサンプリングできることを意味する。この時間制限は 決定的なものであり、地上速度又は概括幅、すなわち空中カバー容量を減少すれ ば、方位分解能又は距離分解能を微細化できないという不都合を阻止するもので ある。 ＲＦＩの排除及び補償はＳＡＲ処理チェーンにおける適当なステージにおいて 達成されなければならない。本発明は、この要求によく適合するものである。 １３０°のアスペクト角積分間隔は、処理における特定の関係を要求する。ま ず、レーダプラットホームの運動における不規則性を補償することに特別の注意 が払われなければならない。基本ＳＡＲ処理は、レーダデータが運動の直線軌跡 に沿って均等に収集されることを要求する。マイクロ波ＳＡＲが直線軌跡からの 既知の逸脱を生じた場合、又は未知の運動誤差に関する処理の補正を行うための いわゆる自動焦点調整（オートフォーカシング）によってプロセスを補正するた めには、種々の方法が実施される。低周波ＳＡＲの場合、データは広アスペクト 角度間隔から収集されるため、運動誤差はマイクロ波ＳＡＲの場合よりも複雑な 経路においてこれらのデータに影響する。かくしてマイクロ波ＳＡＲ法は、運動 補正及びオートフォーカシングのためには適用されない。 一般的な地表面はそれが木々で覆われている場合であっても、１００ＭＨｚよ り低いレーダ周波数における極めて微弱な後方散乱を発生するということが知ら れている。しかしながら、断崖の岩だなや巨大ビルディング、マスト、パワーケ ーブルなどのような地表面上の個々の特徴は、全後方散乱エネルギの顕著な部分 を占めるものである。この効果は、低周波ＳＡＲイメージヒストグラムにおいて 、薄いがしかし長く尾を引いた高輝度画素として現出する。微弱な画素は基本的 なマイクロ波ＳＡＲにおけるようなレーリー分布となるであろう。 この尾引き現象は、低周波ＳＡＲ結像におけるＲＦＩの衝撃と運動誤差の双方 にとって重要である。運動誤差は点拡大機能を有するサイドローブを生ずること によりＳＡＲ結像に影響する。また、ＲＦＩ付加ノイズは無線トラヒックに干渉 する占有周波数に適合した帯域消去フィルタを要求する。この帯域消去フィルタ は更なるサイドローブ効果を導入する。これらが正確に補償されないと、２つの 誤差源は強力な点散乱源からの後方散乱エネルギを全ＳＡＲイメージ上に被せ、 微細なレーダイメージの特徴を覆い隠すことになる。他方、単一の強力な散乱源 は短い合成開口間隔にわたってほとんど検出されない。この事実は、運動誤差と スペクトルノッチを補償するための重要な手段を提供する。しかしながら、補償 プロセスはこれらの処理が適当に前処理されたデータ上で動作できるように構造 化されなければならない。 下記の説明においてＵＷＢ‐ＳＡＲ処理の基本技術が明らかにされる。ＵＷＢ レーダがインパルス原理において動作するのでなければ、レーダデータは全帯域 幅を横切って圧縮されたパルスであると仮定される。かくしてレーダ生データは 距離及び方位位置の関数とみなされる。 ＵＷＢ‐ＳＡＲ処理に関するより詳細な説明を行うため、幾つかの数学的定義 を行うものとする。まず、カーテシアン座標系においてｘはクロストラックレン ジ（交差軌跡距離）、そして、ｙは方位位置とする。概括間隔内の地表面は密度 関数ｆ（ｘ，ｙ）によって表され、レーダ生データはこの関数を積分したものと して、 ここに、Φ（θ）はアンテナ線図によるデータの重みである。アンテナビームは 、ここでは１３０°と極めて広角であるため、上式はレーダビークルの一方の側 では近似的にΦ（θ）＝１とし、他方の側ではΦ（θ）＝０と置くことにより、 単純化され、その結果、 ここに、ｆ（ｘ，ｙ）＝ｆ（−ｘ，ｙ）が基本的に仮定される。式は厳密に反転 される積分式の形をとる。その反転式はスペクトル関係式として表現される。 ここに、ｆ^(F.F)はｆの二次元フーリエ変換であり、ｇ^(H.F)は最初の式に関する ハンケル変換であり、そのフーリエ変換はｇの二次に関するものである。 反転式（３）はＳＡＲ処理の実行において用いられる。それは演算効率に関す る１つの重要な利点を用いる。実際上、必要な浮動小数点演算は、必要な二次元 フーリエ変換及びフーリエ‐ハンケル変換によって決定される。例えば、正方形 イメージの場合、１辺がＮ画素であれば、演算処理はＮ² × logＮ位の浮動小数 点演算である。（３）の欠点はそれが開口に沿って必要なフーリエ変換を実行で きるものとして、全合成開口にわたるデータを収集しなければならないという理 由によりリアルタイム処理には適さないことである。すなわち、リアルタイム方 式の場合には、新たな生データの延長バッファ記憶を行い、その間において、先 のデータの処理を続行することが要求される。別の欠点は、上式が運動誤差を処 理するために簡単に変形できないということである。しかしながら、運動補償は 特別の事前又は事後処理ステップとして実行することができる。 演算処理に用いられる別の反転公式は、次の通りである。式（１）の近似式（ ２）において、データのバックプロジェクション（後方射影）を定義する。 次に、 ーリエ変換である。式（５）はそれがイメージ平面における微分演算として選択 的に認められるものではあっても、基本的にランプフィルタと呼ばれるものであ る。実用上、ランプフィルタは省略されることがあり、ＳＡＲ処理はバックプロ ジェクションステージのみに基づく場合がある。 式（４）はデータセットｇ（ｒ，ｙ）における双曲線に沿った積分である。自 明の数値演算として、ピタゴラスの定義からイメージのＮ²画素の各々について のＮ個の方位位置に対する各距離が演算され、次に、対応する距離及び方位位置 のデータを検索し、更に、これらすべてのデータ値を加えて、画素値を得る。こ のバックプロジェクション技術は、明らかにピタゴラスの距離計算をＮ³回行う ことにより数値的に決定される。 このようにしてバックプロジェクションはフーリエ法よりもコンピュータ演算 の特徴が色濃く反映されたものであるが、運動誤差を取り扱うために容易に適用 することができる。不規則なレーダプラットホームパスに対する（４）式の自明 の一般化は、次の通りである。 ここにＰは地表面上の点、Ｑはプラットホーム位置、‖ＰＱ‖はこれら２点間 の距離であり、ｓ（Ｑ）はプラットホームの移動距離をＱの関数として表したも のである。プラットホームパスの不規則性が小さい場合、（４）式は正確な反転 公式に対するよりよい近似値を得るために、ランプフィルタによって追従される 。逸脱が大きい場合においても、バックプロジェクション式（６）は何らのラン プフィルタを伴うことなく、妥当な品質のＳＡＲイメージを生成することができ る。 バックプロジェクションに関するコンピュータ負担を説明するため、引用され たＣＡＲＡＢＡＳのための性能指数が用いられる。１３０°のアスペクト角積分 間隔は、１６ｋｍの中間クロスレンジにおいて６５ｋｍの合成開口を表している 。与えられたＰＲＦ及び地上速度によれば、軌跡に沿ったサンプリング密度は１ ．２ｍであり、これによって各画素が５．５×１０⁴回のピタゴラス距離計算が なされるべきである。分解能の指数は毎秒３．６×１０⁵分解能要素がカバーさ れることを暗示している。したがって、１．９×１０¹⁰回のピタゴラス距離計算 は、達成されるべきリアルタイム容量に対し１秒間当たりにおいて実行されなけ ればならない。１０ギガフロップ台の処理を可能とするコンピュータが対応して 要求されるが、これは並列処理アーキテクチャの場合においても実際的な性能指 数ではない。 本発明は、バックプロジェクションスキームの変形を提供する。示唆されるス キームはＮ³処理であるよりは、Ｎ²イメージのためにＮ^5/2演算を要求する。こ れによりコンピュータ処理工程の必要性を実用的なレベルまで減少させる。これ は本発明によって達せられる。 以下、本発明は、添付の図面を参照して詳細に説明される。 図面の簡単な説明 図１は、種々の用語の幾何学的説明を与える図である。 図２は、レーダプラットホーム、遠隔ＳＡＲプロセッサにデータを中継するデ ータリンク及びＳＡＲプロセッサの構造を含む本発明の一実施例を示す図である 。 は、開口上のいずれかの点がこの小イメージ（サブイメージ）の遠方界中に存在 するように選択される。したがって、開口に沿ったデータ分布、特に、このサブ イメージに沿ったデータの分布は、このサブイメージ（図１）内に中心合わせさ れた発散ビーム内の仮想面たりうる波面により形成され、ビーム幅Δθ＝λ／Ｌ を有する。このようなビームは距離rΔθ≧Ｌに沿って開口と交差する。ここに 、間隔Ｌ内の異なった開口位置において収集されたサブイメージデータは、周知 の方法においてレンジシフトされた直後とみなして、これを省略する。 もし、反射が１つのサブイメージ中に集中した場合、サンプル率Ｉ／Ｌまで薄 められたデータセットは、ＳＡＲイメージの再構成にとって十分なものとなる。 この場合、大地は極めて広角のアンテナビームにより照射され、サブイメージの 方向以外の方向からの後方散乱信号が干渉して処理における延長ノイズを生成す る。しかしながら、そのデータを長さＬの開口セグメントに沿って前処理するこ とにより、すべての時点でそのサブイメージを指向する指向性ビームを合成し、 これによって競合反射を排除することが可能である。実現可能なビーム幅は、Δ θ＝λ／Ｌ≒ｒ／Ｌ、すなわちビーム幅は、厳密にサブイメージをカバーするこ とができる。 示唆された方法において、ＳＡＲ処理を達成するためのコンピュータ処理を検 証すると、全ＳＡＲイメージは定義された範囲の複数サブイメージに分割され、 データは前述した小開口に区分される。 これら２つの仕事は並列的に実施され、したがって、コンピュータ演算は２つ の仕事の中の多数の演算動作の総和として与えられる。 概略評価の場合、画素サイズ及びサンプリング密度はλ_minの位（オーダ）を 有するものとして把握され、ｒ_min≒Ｎ及びＬ≒√Ｎとなる。ここに、小開口の 長さＬ≒√Ｎは√Ｎ本の異なったビームが合成されることを意味する。各ビーム は約Ｎ個の距離分解能セルを含んでいる。かくして小開口データは、距離及び角 度によって与えられるＮ^3/2個のセルとして再分配される。これらのデータは小 開口に沿って√Ｎ個のデータサンプルを加算することにより達せられ、この結果 、各小開口を処理するために、Ｎ²回の演算を要する。総合成された開口はＮ位 の長さを有し、これに沿って√Ｎの小開口が配列され、その結果、Ｎ^5/2の演算 が全開口に沿った小開口の演算処理を行うために要求される。 サブイメージによるイメージ形成の場合、各サブイメージはＬ×Ｌ＝Ｎ画素か らなることに留意すべきである。これら画素の各々は、各小開口から１つの寄与 を受ける。√Ｎ個の小開口が存在するため、サブイメージを形成するにあたって は、結局Ｎ^3/2の演算が必要とされる。Ｎ／√Ｎ×Ｎ／√Ｎ＝Ｎのサブイメージ が存在するため、小開口データから完全ＳＡＲイメージを得る場合には、Ｎ^5/2 の演算が要求される。 その結果、地球的バックプロジェクション（背後射影：ＧＢＰ）に対し、サブ イメージに基づくバックプロジェクション（以下、ローカルバックプロジェクシ ョン：ＬＢＰと称する）は、コンピュータ演算を係数√Ｎにより減少させる。Ｃ ＡＲＡＢＡＳの適用においては、およそＮ≒１００００、すなわち√Ｎ≒１００ となる。ＧＢＰは１０ギガフロップ位の浮動小数点演算を要求するため、ＬＢＰ は１００メガフロップ位の浮動小数点演算を要求する。後者の演算は、並列処理 アーキテクチャのための実際的な演算指数である。 ＵＷＢストリップマップＳＡＲ処理 すでに述べた通り、リアルタイム処理はストリップマップＳＡＲ結像処理に対 して必然的に要求される。低周波数‐高分解能システムの場合、このような処理 スキームによって次の条件が満たされなければならない。 （Ａ）データ収集とＳＡＲイメージの現出との間には、演算用データメモリの 必要性を最小化するために最小の遅延しか生じないのが望ましい。 （Ｂ）コンピュータによる浮動小数点容量を最小化するために多数の浮動小数 点演算が要求されることに関連し、プロセスは効率よく設計しなければならない 。 （Ｃ）単一のＣＰＵにおいて処理タスクのすべてを処理しきれないため、マル チプロセッサコンピュータアーキテクチャにおいてマッピングするためにはプロ セスチェインを用いることが望ましい。 （Ｄ）プロセスはパルス圧縮、アンテナパターン補償、ＲＦＩ排除及び運動補 償などの特定のステップがプロセスチェインの適当なステージにおいて導入され るようにすべきである。 上に述べたことから、局部的バックプロジェクションは条件（Ａ）及び（Ｂ） 間の現実的な妥協によってのみ処理される。この技術は（Ｃ）によりコンピュー タ演算を異なったＣＰＵに対して、演算をマッピングするに適したものであるこ とが明らかである。最後に、ＬＢＰはその次の説明（Ｄ）において引用された特 別のタスクのためのプロセスチェインへの顕著な侵入となるものである。これら 特定のステップがどのようにしてＬＢＰ処理チェインに導入されるか、及びその ＬＢＰ処理が幾つかのプロセッサによって分配処理されるためにどのようにして 分割されるかについては、これ以後詳細に説明する。 この全プロセスを述べると、上記よりも詳細なレベルにおける数学的表記法が 導入される。ステップ周波数受信レーダの生データはreceive（ω_m.ｒ_n.ｙ_k）と して表される。５２５μｓのステップ滞留時間及び４１ＭＨｚ／ｓの平均データ 速度は、各周波数ステップが１４ビットデータの１５００サンプルを提供するこ とを意味している。ＰＲＦ＝８５Ｈｚ及びプラットホーム地上速度１００ｍ／ｓ が与えられ、Δｙ＝ｙ_k−ｙ_k-1＝１．２ｍという方位位置が与えられる。更に、 データΔω＝ω_m−ω_m-1＝２．２ＭＨｚであり、この場合、与えられた性能指数 ω_mは２３ステップにおいて２０ＭＨｚから７０ＭＨｚまで変化する。更に、ｒ_{m in} ＝１．２ｋｍ及び７０ＭＨｚにおいてλ＝４ｍを与えると、小開口及 うにして小開口に沿った２１０の方位位置が決定され、その結果、１２ｋｍ〜２ ０ｋｍの概括間隔が３２個のサブイメージによって架橋される。 混信防止、広帯域スペクトル再構成 この第１段階は、混信をフィルタ除外するものであり、それは１５００個のサ ンプル距離レコード、receive（ω_m.ｒ_n.ｙ_k）を２０４８個のサンプルレコード 上におくことにより、receive^(I.F.I)（ω_m.ｒ_n.ｙ_k）を得るためのＦＦＴ（フ ーリエ変換）が実行される。開口をｙ軸に沿って２５０メガセグメントに副分割 し、２．５秒内に２１０の方位位置をカバーする。混信がこの時間内において一 定であるものとすれば、各周波数ステップω_mの間に、２１０個のｙ値にわたっ てパワースペクトル‖receive^(I.F.I)（ω_m.ω_n.ｙ_k）‖²の総和を演算する。あ る閾値の上方にあるこのスペクトルのピークは混信として遮断され、２ てノッチフィルタ処理される。かくして隣接方位位置に対する同一の周波数ステ ップは、同数のノッチセットを有することになる。次に、フィルタ処理された信 号は逆ＦＦＴによって獲得される。その後、受信信号の１５００サンプル間隔を 検索するために加えられた尾部が除去される。全手続におけるコンピュータの負 担は、２０４８点のフーリエ変換及び２３の周波数ステップにわたるその逆変換 を実施することにより決定される。これらの演算は、２３×２×５×２０４８× ²log ２０４８≒５．２メガフロップである（Ｎ点フーリエ変換は５Ｎ ²log Ｎ フロップを要するものとする）。 パルス圧縮は送信信号と受信信号との相関関係に依存する。これは完全ステッ プ滞留時間ｔ_dwell＝５２５μｓのフルステップ滞留時間にわたるものである。 サンプリング密度５ＭＨｚにおいて、滞留時間は２６２５サンプルに対応する。 両信号のゼロパッド及び４０９６点の相関性が適用される。このコンピュータ負 担は対応的なフーリエ変換と類似であり、異なった周波数ステップを通じて約５ ×２３×４０９６× ²log ４０９６≒５．７メガフロップを要求する。得られた 信号は周波数２．５ＭＨｚ、又は等価的に６０ｍ距離間隔において抜き取られた ＩＱ（すなわち、複素ゼロキャリヤ）信号、step（ω_m.ｒ_n.ｙ_k）として表現 される。実際のＳＡＲ概括距離より短い距離レコード中の１２ｋｍ部分を除去す ることにより、各周波数ステップについて７５０−１２０００／６０≒５５０の 距離サンプルステップ、step（ω_m.ｒ_n.ｙ_k）が存在することになる。２３の周 波数ステップを通じて各方位位置について、２３×５５０＝１２６５０サンプル が存在する。全２０ＭＨｚ〜７０ＭＨｚにわたる距離分解能範囲の数が２の累乗 に等しい場合において、それは特に実用的である。信号、step（ω_m.ｒ_n.ｙ_k） を上方変換及び加算し、パルス圧縮信号を次式によって１６３８４点に拡張する 。 広帯域レンジレコードの１６３８４値の各々は、２３の掛け算から得られたも のであるため、広帯域スペクトル構成のコンピュータ負担は２３×１６３８４≒ ０．４メガフロップとなる。 混信除去、パルス圧縮及び広帯域スペクトルの再構成は、ＰＲＦレート８４Ｈ ｚにおいて実行される。かくしてこれら異なったステップのオンライン処理のた めのコンピュータ寄与は、８４×（５．２＋５．７＋０．４）メガフロップ≒１ ギガフロップである。 ＬＢＰ小開口処理、ＩＮＳ運動方式、ダーウィン的緩和 パルス圧縮の次の処理ステップは、小開口データを角度従属データに変換する ことである。この処理はＲＦＩノッチングのために選択された厳密に２５０ｍの 等距離に分割して実行される。出力はｇ_yk（θ_m．ｒ_n）の形をとる。ここに、ラ ベルｙ_kは小開口の時間位置である。演算基本式は、 ここに、Φ（θ）は、式（１）に関連して導入されたアンテナ線図の重み関数 である。関数lookup（r_n−ｉΔｙ_sinθ_m）はｒ_n−ｉΔｙ_sinθ_mに最も近い離散 的レンジｒ_n'の指数n'を追求する。既知の不規則運動の場合、式は次のように変 形される。 アンテナ線図の重み関数はこの場合、プラットホーム方位の変化に基づく方位 位置の関数である。‖Ｑ_kＱ_k+i‖θ_mは方位位置Ｑ_k及びＱ_k+iを接続するベクト ルの方向θ_mにおける方向余弦を表すものである。小開口間隔は短いため、慣性 航法システムＩＮＳの限られた精度が‖Ｑ_kＱ_k+i‖θ_mの評価を満足させる。 いずれかの式は１６３８４レンジ値の各々に加えられ、これら２１０の複素演 算の各々を構成する。達成された角度分解能はλ_min／Ｌ≒１°であり、これは １３０°アスペクト角度間隔にわたるため、１３０方向における関数値が必要と なる。このコンピュータ処理はかくして小開口当たり１６３８４×２１０×１３ ０≒４５０メガフロップとなる。 スウェーデン国特許出願第９４０３８７２−６号に記載された“ダーウィン的 緩和”処理は、前述したＣＡＲＡＢＡＳ像固定方式に基づきスペクトル中に導入 されたＲＦＩノッチの改変を示唆している。放射周波数スペクトルｇ_yk ^(I.F)（ θ_m，ω_n）における対応したノッチは、ステップ周波数動作中に原始的に導入さ れたものとして見出される。しかしながら、角度分解能１°は小開口処理によっ て得られたものであるため、いずれか固定されたアスペクト角方向における距離 の関数として幾つかの強力な点状散乱体が識別される。ダーウィン的緩和は、強 度においてこれらの点状散乱源を分類し、繰返し手続により、これらを改変して ゼロ化されたスペクトル中の部分と交換する。これは距離及び周波数範囲間にお いて最大 ²log １６３８４≒１４の連続変換を要求する。実際上は、１０以上の 変換が要求されることはない。この技術はまた、距離範囲における分類を必要 とする。これは巧妙な技術によって総数１６３８４× ²log １６３８４の演算と なる。かくして１１×１６３８４× ²log １６３８４サイズにおける最大１０プ ロセスが実行される。これらの演算は１３０の角度方向の各々について実行され なければならない。したがって、演算の総数は１３０×１０×１１×１６３８４ × ²log １６３８４≒３メガフロップとなる。 無線周波数ピークの改変が終了すると、距離範囲におけるデータが出現する。 強力な距離応答（分類手続によって得られる）のリストは出力に加えられ、後続 の運動方式用オートフォーカスに用いられる。 小開口処理及びダーウィン的緩和処理は、２．５秒毎に更新されたデータセッ ト上で行われる。かくして演算レートは、（３＋０．４５）／２．５≒１．４メ ガフロップとなる。 サブイメージ処理、オートフォーカス（座標焦点調整） 分解能よりわずかに小さいイメージ画素が選択される。１．５ｍの方位分解能 と３ｍの距離分解能か与えられ、これによって画素サイズ２．４×１．２ｍが選 択される。各２５０×２５０ｍのサブイメージは１０５×２１０＝２２０５０画 素を収容する。前述した通り、サブイメージ中の各画素方向及び距離によって与 えられた小開口データを加えることにより得られた振幅は、バックプロジェクシ ｘ_i，ｙ_i）で表される。ここに、｜ｉ−ｋ｜≦５３及び｜ｊ−ｌ｜≦１０５で がそれら１３０°の積分間隔内にある場合の全サブイメージ中について、ＲＡＭ 内に維持されなければならない。プラットホームが別の小開口を通過し、かつそ の小開口処理が実行されると、再びこの漸化式（recursion）を反復実行するこ とができる。ゼロオーダ改変スキームは、各演算された距離に対する至近の不連 続データ値を検索し、ビーム方向が満足される。ここに、 この場合、低い角度分解能の小開口データの方向は、各サブイメージの中心位 置にのみ依存することに留意すべきである。 データ更新は２．５秒毎に生ずるため、サブイメーシ当たりの演算速度は、２ ２０５０／２．５≒１０キロフロップとなる。６５ｋｍの平均開口（１３０°の アスペクト角について）は、６２２９２画素によってカバーされ、交差軌跡の概 括間隔３３３３画素によってカバーされる。その結果、３３３３×６２２９２≒ ２×１０⁷画素が、２．５秒の小開口間隔中において更新されなけばならない。 そのコンピュータ処理は、したがって、２×１０⁷／２．５≒８０メガフロップ となる。 強力な点反射素子のリストは、オートフォーカスデータに対しても用いられる 。このオートフォーカスの原理は、既知方向における３点の目標に対する正確な 距離が全３方向におけるプラットホーム位置の特定をもたらすということである 。点反射素子がプラットホームのまわりによく展開している場合には、位置精度 は増大する。単一的かつ強力な点反射素子が偏在することにより、我々は、小開 口データｇ_{Q current}（θ_m.ｒ_n）で隣接した強力散乱体のリストにおいて、少な くとも３つのこのようなアスペクト角の広がりをもつことができる。最新の小開 口については、先の小開口に比較してこれらの各々に対する距離及びアスペクト 角のわずかな変化のみが存在する。距離を変化することにより、プラットホーム 位置が先行する小開口について知られているものとして最新の小開口に対するプ ラットホーム位置を検索することが可能である。小開口処理におけるプラットホ ームの方位位置については、ＩＮＳ情報がアスペクト角の変化を説明するに十分 なものとなる。この方法において処理を進めると、小開口から小開口へのオート フォーカス処理は、次のように実行される。 この式において地表面が平坦であるとすれば、Ｚ＝０が地表面と一致した式で あり、ｘ軸、ｙ軸が地表面の広がりを表すことになる。この式はＩＮＳシステム によって認識するには小さすぎるような運動誤差を補正するものである。実際上 、画素サイズ、すなわち１０ｋｍ台の完全合成開口を通じて発生する１ｍより小 さい誤差は、このようにして処理中に補正する。 ランプフィルタ処理 に用いられる。このサブイメージは分布したバックプロジェクションの同時出力 を構成するとともに、２５０ｍの均等方位間隔をカバーするものである。連合し た２５０ｍの方位イメージストリップにわたる交差軌跡一次元ＦＦＴが実行され 、次に、交差軌跡距離周波数の係数と逆ＦＦＴとの掛け算が行われる。各サブイ メージは１６８の交差軌跡距離範囲を含んでいるため、全部で３２×１６８＝５ ２３６の交差軌跡距離範囲が存在する。各交差軌跡イメージストリップはこの長 さの３３６ラインからなっている。プラットホーム地上速度が１００ｍ／ｓであ り、新たなイメージストリップが２．５秒毎に生成されるため、８１９２点のＦ ＦＴ及びそれらの逆変換を毎秒１３４回行うというコンピュータ演算容量が要求 される。その結果、コンピュータの負担は、２×５×１３４×８１９２× ²log （８１９４）≒１４４メガフロップとなる。 目標識別及び位置決め ダーウィン的緩和及びオートフォーカスステージにおいて採用される強力点散 乱体のリストは、わずかに余分の演算コストを当てることにより地上座標系とし て割当てられる。このようなリストは、更なる目標検知解析のために実際のＳＡ Ｒイメージとともに適当に生成される。 処理セグメンテーション 前段の説明において全体的なＳＡＲ処理タスクが連続した複数ステージへの割 り込みであると述べたが、それに必要なリアルタイム演算速度は最新のマルチプ ロセッサコンピュータカードによって達せられる。かくして全処理は、そのよう なカードセットからなるコンピュータ構造上にマッピングするに適したものとな る。これらの異なったカードに適合し、かつそれらカード間のデータ移転接続に 対する要求は、次のように分析される。 このようなマルチカード／マルチプロセッサ構造は、Ａ、Ｂ、Ｃとラベル付け される３つの主メモリ領域に関連して基本的に組織される。これらの領域は、図 ２に示すように１〜８とラベル付けされた異なったプロセスによってアクセスさ れる。プロセス１及び２、すなわちＲＦＩ検出及びパルス圧縮は、領域１に対す るアクセスのみを要求する。プロセス４及び５、すなわち小開口処理及びダーウ ィン的緩和は、領域Ｂへのアクセスを要求する。更に、プロセス７及び８、すな わちサブイメージ更新及びランプフィルタ処理は、領域Ｃへのアクセスを要求す る。異なったメモリ領域は１回データリンクと接続され、それらは新たなデータ が入来する平均速度においてデータを移転させなければならない。これらの相互 接続は、太矢印ａ、ｂ、ｃとして指示されるが、それらは十分なデータバッファ 容量を有するものと理解すべきである。 異なった領域への異なったプロセスの割当は、プロセスの拡大尺粒状化（larg e scale granularity）を表す。縮尺粒状化はデータが開口に沿って要求される か否か、角度方向において等価的に要求されるか否か、又はレンジレコードとし て要求されるか否かを指示する矢印によって描かれている。メモリ領域Ａ及びＢ の各々は２方向においてアクセスされるため、そられは更に、分割することがで きない。しかしながら、領域Ｃはそれらの方位範囲が任意に細かく選択される場 合のレンジストリップとして分割され得る。 メモリ領域とバッファとの間の移転速度は、少なくとも平均データ開口速度（ 入来するレーダ生データにおいて４１メガビット／ｓ）より速くなければならな い。これはデータ移動時間がコンピュータ処理時間を大きく浸食しないためであ る。まず、メモリ領域Ｃを考察する。これは２．５秒毎の完全概括幅を有する１ つの小開口ストリップに対応するデータにおいてタップ処理されたものである。 これらのデータが移転されると、領域Ｃは相互接続バッファｃから取り出される べき新たなデータの受入れ態勢に入れる。データはダーウィン的緩和及び小開口 処理が２．５秒毎の各小開口に対して完了したとき、領域Ｂからバッファｃにロ ードされる。領域Ｂのデータはやはり２．５秒毎、すなわちＲＦＩ検出が達成さ れる小開口間隔の通過後において、バッファｂから獲得される。最後に、入来デ ータの定常的な流れは２．５秒間においてバッファ記憶され、単一のパッケージ として領域Ａ中にロードされる。 各周波数ステップは１５００の距離データサンプルを収集し、そのために２３ ステップが実行され、ＰＲＦは８４Ｈｚとなる。かくして２．５秒の小開口時間 を通じて、１４ビット整数データにおける２．５×８４×２３×１５００≒７． ２メガ個のサンプルが抜き取られる。データは１サンプル当たり４バイトとした 単一の浮動小数点フォーマットに変換される。このようにして領域Ａには３０メ ガバイトが記憶される。バッファａは１４ビットの整数をストアし、したがって 、１サンプル当たり２バイトを必要とする。これはバッファメモリサイズが１５ メガバイトであることを意味する。バッファａから領域Ａへのデータ移転速度は 、４１メガビット／ｓ、すなわち５０メガバイト／ｓ又はそれ以上の平均データ 速度より速くなければならない。 小開口処理及びダーウィン的緩和の要求に従ってメモリ領域Ｂには、１６３８ ４×２１０≒３．５×１０⁶個のサンプルがストアされなければならない。これ らは複素浮動小数点データであり、したがって、１サンプル当たり８バイトを要 求する。要求されたメモリサイズはやはりｂにおけるバッファ容量が３０メガバ イトであることにより、約３０メガバイトとなる。 サブイメージ処理の場合、要求されるＲＡＭはかなり大きくなる。しかしなが ら、イメージ画素は低周波ＳＡＲイメージの絶対振幅及びダイナミックレンジに 関して、何が知られているかに応じて２バイトの整数複素値として表現される。 要求されるＲＡＭは１回に取り扱われる２×１０⁷画素に対応する。１画素当た り４バイトが要求される。領域Ｃにおいて８００メガバイトが要求される。デー タがＢからｃに移管されているとき、整数フォーマットへの変換が実行される。 かくしてｃに関するメモリ要求は、１サンプル当たり４バイト、したがって、１ ５メガバイトのバッファ容量となる。 更新演算速度は、単に８０メガフロップであるため、メモリ領域Ｃは個別分離 したカードに物理的に対応し、プロセッサカード上に分配されたメモリバンクの 場合より遅い速度になると評価される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９８年１月２０日 【補正内容】 補正した請求の範囲 １．惑星表面の上方を移動するビークルを含むＳＡＲレーダシステムであって、 ビークルの位置を判定するための手段と、 前記惑星表面に向かってビークルから帯域幅の少なくとも１オクターブのス パンにおいてレーダ信号を繰り返し送信するための手段と、 後方散乱された等しい信号をビークル上において受信するための手段であっ て、１組の異なったビークル位置のセットに対して割り当てられた後方散乱信号 を、良好な距離分解能においてその惑星表面のイメージに変換し、その際、直接 受信されたレーダリターンとして、又は送信信号が長くなる場合には、周知のパ ルス圧縮技術の成果として、短いパルスを用いるようにした前記受信手段とを備 えたものであり、 前記システムはバックプロジェクションを用いるとともに、 レーダビークルの軌跡セグメント、すなわち、惑星表面上に結像された至 近点の各々を、レーダ信号の波長特性に関して、前記小開口の遠方界領域内に位 置せしめる程度に短く設定された合成開口の中の合成小開口、略して小開口と呼 ばれる複数セグメントを通じて、信号振幅を収集し、 各小開口より得られたデータから、小開口長と波長とで決定される角度分 解能を有し、各々が小開口内の所定位置に関連する指向性レーダビームのセット を合成し、 地勢図に基づくか、又は惑星表面が例えば平坦であるとの仮定に基づいて 同表面の状態を推定し、更には、 プラットホーム位置と地上点によって決定される距離及びビーム方向にお ける、すべての小開口についての振幅の和によって、イメージを形成するすべて の地上点のレーダ反射を演算することによりＳＡＲイメージを生成するように構 成されたものであることを特徴とするＳＡＲレーダシステム。 ２．振幅の総和がビークル軌跡に比較的平行な方向から振幅に対する重み付けを 小さくするようにした重み係数を用い、これによってサイドルッキング指向性ア ンテナのアンテナ線図を模擬するようにしたことを特徴とする請求項１に記 載のＳＡＲレーダシステム。 ３．ビークルに支持されたレーダアンテナが少なくとも３０°の区分を照射する ようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＳＡＲレーダシステ ム。 ４．小開口の長さ及び最短波長によって決定される角度分解能を有するレーダビ ームを各小開口において得られたデータの信号処理によって獲得し、前記信号処 理が各ビークル位置から開口内の共通信号点へのビーム方向において投射された 距離シフトレーダ手段であって、ビークル位置において記録されたものからなる ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載したＳＡＲレーダシステム 。 ５．惑星表面の諸点の反射率が全レーダイメージを形成する惑星表面点の複数の セットである複数のサブイメージに分割し、小開口の長さと同一桁まで方位及び 傾斜レンジにおいて延長した惑星表面点のセットである複数のサブイメージに分 割することによって演算され、その場合において、ただ１つの指向性ビームが各 小開口に対するサブイメージ内の惑星表面点の反射率演算に寄与するようにした ことを特徴とする請求項４に記載のＳＡＲレーダシステム。 ６．ビークルの小開口から小開口への相対運動が、最強の反射体の小開口から小 開口へのレンジシフトを、周知の地勢図に基づくビークルの相対移動の検索に適 用するためのレンジ及び角度の関数として各小開口毎に得られた振幅を分類する ことにより得られるようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に 記載したＳＡＲレーダシステム。 ７．惑星表面が平坦であると仮定して演算を実行するようにした請求項６記載の ＳＡＲレーダシステム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．惑星表面の上方を移動するビークルを含むＳＡＲレーダシステムであって、 ビークルの位置を判定するための手段と、 前記惑星表面に向かってビークルからレーダ信号を繰り返し送信するための 手段と、 後方散乱された等しい信号をビークル上において受信するための手段であっ て、１組の異なったビークル位置のセットに対して割り当てられた後方散乱信号 を、良好な距離分解能においてその惑星表面のイメージに変換し、その際、直接 受信されたレーダリターンとして、又は送信信号が長くなる場合には、周知のパ ルス圧縮技術の成果として、短いパルスを用いるようにした前記受信手段とを備 えたものであり、 前記システムの特徴として、 レーダビークルの軌跡セグメント、すなわち、惑星表面上に結像された至 近点の各々を、レーダ信号の波長特性に関して、前記小開口の遠方界領域内に位 置せしめる程度に短く設定された小開口と呼ばれる複数セグメントを通じて、信 号振幅を収集し、 各小開口より得られたデータから、小開口長と波長とで決定される角度分 解能を有し、各々が小開口内の所定位置に関連する指向性レーダビームのセット を合成し、 地勢図に基づくか、又は惑星表面が例えば平坦であるとの仮定に基づいて 同表面の状態を推定し、更には、 プラットホーム位置と地上点によって決定される距離及びビーム方向にお ける、すべての小開口についての振幅の和によって、イメージを形成するすべて の地上点のレーダ反射を演算するように構成されたＳＡＲレーダシステム。 ２．振幅の総和がビークル軌跡に比較的平行な方向から振幅に対する重み付けを 小さくするようにした重み係数を用い、これによってサイドルッキング指向性ア ンテナのアンテナ線図を模擬するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の ＳＡＲレーダシステム。 ３．送信及び受信レーダ信号が少なくとも共通帯域幅の１オクターブのスパンを 有するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＳＡＲレーダ システム。 ４．ビークルに支持されたレーダアンテナが少なくとも３０°の区分を照射する ようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載したＳＡＲレー ダシステム。 ５．小開口の長さ及び最短波長によって決定される角度分解能を有するレーダビ ームを各小開口において得られたデータの信号処理によって獲得し、前記信号処 理が各ビークル位置から開口内の共通信号点へのビーム方向において投射された 距離シフトレーダ手段であって、ビークル位置において記録されたものからなる ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載したＳＡＲレーダシステム 。 ６．惑星表面の諸点の反射率が全レーダイメージを形成する惑星表面点の複数の セットである複数のサブイメージに分割し、小開口の長さと同一桁まで方位及び 傾斜レンジにおいて延長した惑星表面点のセットである複数のサブイメージに分 割することによって演算され、その場合において、ただ１つの指向性ビームが各 小開口に対するサブイメージ内の惑星表面点の反射率演算に寄与するようにした ことを特徴とする請求項５に記載のＳＡＲレーダシステム。 ７．ビークルの小開口から小開口への相対運動が、最強の反射体の小開口から小 開口へのレンジシフトを、周知の地勢図に基づくビークルの相対移動の検索に適 用するためのレンジ及び角度の関数として各小開口毎に得られた振幅を分類する ことにより得られるようにしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に 記載したＳＡＲレーダシステム。 ８．惑星表面が平坦であると仮定して演算を実行するようにした請求項７記載の ＳＡＲレーダシステム。