JPS5838878A - ホログラフイツク物体探知方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、計算機ホログラフィ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っ
て、目標物を高分解能に像再生するホログラフィック物
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、レーダやンーナに用いら
れ【いるようなパルスエコー法や、合成開口法を用いた
レーダホログラフィ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、単一のキャリア周波数ｔ
もった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＃１ａ１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、チャー１パルス等の特殊な波形管発生させ【相関検
出を行うチャープレーダがあるが、特殊なデバイスか必
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Ｋ
よっ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かある。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
問題であった。

一方、レーダホｐグラフィは、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
によっ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、情報のキャリアとして、
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
あった。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　／＜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って距
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
、異なっ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った。

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っていた。

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
フィの持つ欠点を解決したホログラフィック物体探知方
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
ホログラフィック物体探知方法上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
逃理、像阿生処理などの数値的処理上池すことにより、
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
によって分解能の良い物体探知全行うことができ、多周
波レーダホログラフィの手法の適用範囲七人げることを
可能にしたホログラフィッ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
、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、多数の周波数成分から成る任意の波形金持つ送信波
を用い受信平面上の多数の測定点において、前記物体か
らの反射波を受信し、前記多数の測定点についての位置
情報と、前記多数の測定点における受信波群とをホログ
ラムデータとして使用し、前記受信平面上の位置を表わ
すコ変数および時間変数の関数であるテスト関数と受信
波形関数との間に空間座標を変数とする像振幅関数金定
義し、該像振幅関数會駿体位置において最大にするテス
ト関数を用いて、Ｍ記ホログラムデータかも数値処理に
よって高分解能の物体像を再生することを特徴とする。

本発明では、前記測定点の各々における受信波群の各々
をパルス圧縮フィルタに通してパルス圧縮を行って距離
方向の分解能を同上させた後に、ｍ１像振幅関数を数値
的に処理することによって高分解能の物体像を再生する
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上用いても本発明による
探知方法全実施することか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′
１ｋｇ−ｙ平面上の点Ｘｉ　＝　（ｚｔ＋　ｙｔ＋　ｏ
）に置き、目標物Ｔｇから反射される波を受信する受信
アンテナＲを、ｚ　−ｙ平面上の点Ｘ、　＝１＝（ｚｒ
。

ｙｒｓｏ）に置く。Ｚ　−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（＝（ｓ、　
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　（Ｘ）と表わ丁。また、送
信波ｕ（ｔ）の伝搬速度ｔＣと表わ丁。

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両足して受信アン
テナを走査する場合には、走査平面上の受信アンテナ８
の位置×、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ｘ−Ｘｔにある送信アンテナＴ
から送信されるとき、ｘｗ％、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）′に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【説明する。今、送信アン
テナＴから周波数ｆなる周波数成分について複素振幅′
ＵＶ）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
根１１１ｇＶ（Ｘｒ、ｔ）は、フレネル・キルヒホッフ
の回折檀分により次式で表わされる。

ｄｓｄｙ＃！　　　　　　　　　　　　　　　　　（１
）ここに　　０ｔ・一点Ｘにおける物体面上の法線と点
Ｘ、Ｘｔを結ぶ線分とが成す、角 θｒ・一点Ｘにおける物体面上の法線と点Ｘ　＝　Ｘｒ
　ｔ−結ぶ線分とが成丁角ｌｔ・一点×とＸｔとの距離 ｚｒ−・・点Ｘと×１との距離 であり・１ｔｅｌｒは、それぞれ し） で与えられる。送信波ｕ（ｔ）は、周波数ｆにおいて、
その複素振幅Ｕ（ｆ）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。

ｊ２π／１ 送信波として■（１）・　　　を送信したときには、受
信波の複素振幅Ｖ（Ｘｒ、／）は式（１）で与えられた
。

従って、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　（Ｘｒ、　ｔ　）とし
て次式か得られる。

ｄｚｄｙｄｚ　　　　　　　　　　　　　　　（４）但
し、ｕ’（ｔ）はｕ　（ｔ）の微分を表わす。

式（４）によって、送信アンテナＴが点Ｘｔ　、受信ア
ンテナＲが点×ｒにあるときの送信波ｕ（ｔ）と受信波
’ｔ　（Ｘｒ、　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か一体となって構成されたアンテナ、すなわち送
受一体アンテナ’ｌ”、Ｒ（特別には図示せず）ｔ−仮
定する。このとき、点Ｘｉおよび点×、が一致すること
から、１＝ｌｔ−ノｒ、θ＝１１１％　ｘｘｍ　（ｊｒ
として式（４）を書き替えると次式が得られる。

（５） ここで、さらに、点Ｘ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、槙＃冨−（６） ！ が成り立つ。従って、式＜５）ｅ　（５）から次式の受
信波形間数マ（Ｘｒ、ｔ）が得られる。

（７） この式により【、送受一体アンテナが点×１にあるとき
の送信波ｕ（ｔ）と受信波マ（Ｘｒ、ｔ）との関係が明
らかとなった。ここで％　Ｘｒは任意であ不から・式（
７）より走査平面上でアンテナ管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。

以下のし明では、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
を走査して一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Ｘｎに一つだけ存在
する場合の送信波ｕ（ｔ）と受信波マ（Ｘｒ、ｔ）との
関係を説明する。このとき、反射率分布ｇ　（Ｘ）は次
式で表わされると考えてよい。

ｇ（×）−δ（Ｘ−Ｉｎン　　　　　　　　　　　　　
　　（８）但し、ａはデルタ関数である。すなわち、空
間中の点Ｘ−Ｘ、に＄５いてのみ反射が起こるわ＋−で
ある。式（８）を式（１′）に代入することによって、
このときの受信波マ（Ｘｒ、ｔ）が得られる。すなわち
、但し、Ｉｎは点物体と送受一体アンテナＴ、Ｒとの距
離であり、 Ｉｎ　−Ｉ　Ｘｖ　−Ｘｎ　ｌ−［Ｃ５ｅｒ−ｘｎ）”
＋　（ｙｒ　　ｙｎ）”十％望（１０） で与えられる。以上で点物体によって反射された波の受
信波形か得られる。

本発明における像再生法は次のような考え方に基づ（、
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。従って、一つの点物体に対する
像のあいまいさを最４）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（Ｘｒ、ｔ）とテスト関数ｈ（Ｘ、ｔ）との
間に、１次元の空間座標を変数とする関数ａ（×）を定
−し、像振幅関数と呼ぶことにする。すなわち、 ａ　（Ｘ）　””　ｌ　ｆｆｆ　Ｙ（Ｘｒ、　ｔ　）ｈ
（Ｘ−Ｘｒ、　ｔ）　ｄ　ｔｄ＃ｒｄｙｒ　Ｉｏ（１す
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（×）１度マ（Ｘｒ、　ｔ）ｈ（Ｘ−Ｘｒ、　ｔ）ｄ
ｔｄＬｒｒｄ３１’ｒ（１２）像振幅関数ａ（Ｘ）ｉ定
義したことによって、上述の像再生法の問題は、点物体
の位置Ｘ＝Ｘ、における像振幅関数１（×）の値、すな
わち像振幅を最大にするようなテスト間数ｈ（Ｘ、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（り）において、ｖ（Ｘｒ、ｔ
）−Ｋｓｖｔ（Ｘｙ）ｖ出−””）　　（１５）Ｋ１＝
１／２ｆＣ，ｖｔ（Ｘｒ）−”ｎ／ｊｎ”＋　　ｖｓ（
ｔ）＝ｕ’（ｔ）と定義する。同様にテスト関数りを、
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（Ｘ　Ｘｒ、ｔ）−に＊ｈｔ（Ｘ−Ｘｙ）ｈ＊（””
”旬ｔ）（１４） 但し、Ｘ−×、＋Δ×ｎ、ｈ＋Δら一１ｘｒ　　ｘ、−
Δｘｎｌとする。式＜１５）＊　　（１４）ｔ一式（１
２）に代入すると・ｂｃｘ、十ΔＸｎ）−Ｋｆｆｆｖｔ
（Ｘｒ）ｈｔ（Ｘｎ十ΔＸｎ−Ｘｒ）（１５） か得られる。従って、問題は、式（１５）において、ｌ
ＸｎがＣのときの関数すの値、すなわちｂ（Ｘｎ）を最
大にするような関数ｈ１とり、を見つけることになる。

ここで、次式を定義する。

ｗｔ（ｔｏ）−Ｊ’　ｖｍ（ｔ）ｈｓ（ｔｏ−ｔ）ａｔ
　　　（１６）この式は、マｚ（ｔ）なる入力が、イン
パルスレスポンスｈａ（ｔ）を持つフィルタに加わった
ときの％　ｔｏにおける出力応答ｖｓ（ｔ）の値を示す
式である。式（１６）を（１５）に代入すると。

ｂＣＸｎ十ΔＸｎ）− （１７） となる。さて、ΔＸｎ＝ｅのとき、すなわちΔｌ二〇の
とき、Ｗ８の値が最大となるような関数ｈ！を求める。

ここで、ｈｓ（ｔ）とｖｔ（ｔ）のエネルギが一定であ
るという条件の下に、この間ｍを解くと、次式％式％ （１８） 但し、Ｈａ（ｊｅｔ　Ｖｓ（１）はそれぞれｈａ（Ｌ）
＋　ｖｍ（ｔ）のフーリエ変換である。式（１３）にお
いて、マｚ（ｔ）　−ｕ’（ｔ）であるから、ｖｓ（ｆ
）＝Ｊコπｆ″Ｕ■となる。式（１８）で与えられるＨ
、げ）はマｓ　（ｔ）に対してλ＝００ときにマツチド
フィルタとなり、λ＝ｌのときは逆フィルタとなる。従
って、λがｌに近いほどｖｚ（ｔ）の先鋭度は大きくな
る。以上述べたように、このフィルタは、入力波マｘ（
ｔ）に作用して、パルス圧縮１−行う効果を持ち、従っ
て、距離方向の分解能同上に役立つ。

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ｈ！を決定する。ここで、ＪＸｎとして走査
平面に平行なベクトルを考える。

４８ｍ　−（ｌｘ、Δｙ、０）　　　　　　　　（１９
）このとき、Ｗ３の値ははぼ一定であるため、式（１７
）％式％） （２０） さて、ＪＸｎ−ｅのとき関数すの値が最大となるような
間数ｈ１を求める。ここで−ｈａ（Ｘ）のエネルギが一
足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４１フィルタの理論から。

が得られる。このよ５′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ったように、像振幅関数ａ（
Ｘ）ｔ一式（１りのように定義した場合、得られたテス
ト間数ｈ（％、ｔ）は、煮物体の存在する位置ＸネＸ１
において、像振幅関数を最大ならしめる効果を持ち、距
離方向の分解能を同上させるためのパルス圧縮を行うフ
ィ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。フィルタＨｓ（ｆｌは、式（１８）に
示されるように、パラメータλを除けば、送信波によっ
て一意に建まるので、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を鎚えること
によってフィルタの出力パルスの先鋭度を制御すること
ができる。

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、送受信アンテナか分離している場合
についても、式の若干の変更によっ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な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５
ｗ、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１図に示−ｆ０第２Ｎにおいて、ｌは信号発生器
、コはアンテナ、３は受信波送信装置、φはＡ／Ｄ変換
器、！はディジタルフィルタ、４は蓄積装置、７は位置
測定器、ｒはＡ／Ｄ変換器、デはアンテナ移動装置、Ｉ
Ｏは関数発生装置、／／は積分器である。アンテナコお
よび受信波送信装置３はアンテナ移動装ｆｉ１１に塔載
し、受信平間上の多数の測定点にアンテナ移動装置デを
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管収集す
る。まず信号発生器ｌによつ【アンテナコを駆動して送
信波ｕ（ｔ）を送信する。目標物によって反射された波
を再びアンテナ２によって受信して受信波送信装置Ｊに
供給し、その出力ＩＡ／Ｄ変換器参でディジタル信号に
変換する。そのディジタル信号を式（１８）に基づく構
成のディジタルフィルタｌに入力し、そのフィル・り出
力を蓄積装置ｔに記録する。他方、位置測定Ｄ７によっ
て測定した位置情報ｔ−Ａ／Ｄ変換器ｊによってディジ
タル信号に変換し１そのディジタル信号をも蓄積装置乙
に記録しておく。アンテナ移動装置りによってアンテナ
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からのかかる関数と蓄
積装＆６から読み出した所要のデータとを積分器／／に
供給し、それによって式（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（２＝ｘ０＝Ｊ　７ＦＬ　、　
Ｚ　＝ｘＺ０＝　Ｏ，ｊｆｉ　）に無限長の線状切体か
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、受信波形が不変に保たれるため、Ｘ＠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参図
に示すようになる。第５図は第２図のＡ／Ｄ変換変換器
用力を、各受信装置について測定した結果を示し、第６
図はＡ／Ｄ変換変換器用力をフィルタｊ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／ｌの出力、すなわち像振幅を求めた結果である
。９７図から、線状物体の存在する位置（＃闘Ｘ、踵Ｊ
＠、！纏２・諺０．　ｊ　ｆｉ　）に像振幅のピークが
あり、本発明により解像力が向上していることか分かる
。

以上詳述したようＫ、本発明は、任意の送信波形を持つ
送信機と受信機の少な（とも一方を平面走査して、目標
切体からの反射波形管受信機によって受信記録し、得ら
れた反射波情報をホーグラム情報として数値的に処理し
、以て数値的に像再庄會行う方決ｔｍ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１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（像再庄アル
ゴリズムに従った像再主が可能となる。

更に本発明によれば、従来からパルス圧縮技術として用
いられる相関地理をより一般化し、圧縮率の一層の向上
を目的としたパルス圧縮フィルタ會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
っていないので、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７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１図は本発明の一実施例を示すブロック図
、［７図は物体の形状と位置および送受一体のアンテナ
との関係を示す線図、第参図は第１図に示した物体上探
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ムＤ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軸方向の座標をとって示
す線図、第６図は第１図示の各々の波形にパルス圧縮上
池した結果を示す１也、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縮図である。 Ｔ・・・送信アンテナ、　　Ｒ・−受信アンテナ、Ｔｇ
・・・目標物、　　　　　ｌ・・・信号発生器、２・・
・送受一体アンテナ％　　Ｊ−受信波送信装置、４１’
−Ａ／Ｄ［換器、　　　　！−ディジタルフィルタ、ｔ
−蓄積装置、　　　　７−位置測定器、１−Ａ／Ｄ変換
器、　　　　ターアンテナ移動装置。 ｌθ・・・関数管発生させる装置、 ／ｌ・・・積分器。 特許出願人　　日本電信電話公社 第４図 ’ｌ（初） ０２４６８１θ　１２　　Ｉ４　　Ｉ６　　／θ　２０
ｔ、４（７１δン Ｚ→（ｗｒ） Ｔ；→（ｎδ）

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１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、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にお
   いて、前記物体からの反射波管受信し、前記多数の測定
   点についての位置情報と、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使用し、　ＩＩＴＪ
   記受信平面上の位置を表わすコ変数および時間変数の関
   数であるテスト関数と受信波形関数との間に空間座標を
   変数とする像振幅関数ｔ′定義し、該像振＠関数を物体
   位置において最大にするテスト関数を用いて、前記ホロ
   グラムデータから数値処理によって高分解能の物体像を
   再生することを特徴とするホログラフィック物体探知方
   法。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の物体探知方法におい
   て、前記測定点の各々における受信波群の各々をパルス
   圧縮フィルタに通してパルス圧縮を行って距離方向の分
   解能を向上させた後に、前記像振幅関数を数値的に処理
   することによって高分解能の物体像を再生することを特
   徴とするホログラフィック物体探知方法。