(57)【要約】【課題】従来は、レンジ圧縮後の２次元信号上で復元フィルタを適用しエイリアシング誤差を解消していたがレンジドップラー領域において、１散乱点信号はレンジセルマイグレーションを持ちレンジ方向に広がるため演算量が多く、復元フィルタ適用後の合成信号格納用記憶容量も大きかった。【解決手段】複数の受信アンテナで同時受信した観測信号を複数の格納部に夫々格納し格納した信号を複数のレンジ圧縮部で夫々レンジ圧縮し、レンジ圧縮した信号を複数のレンジセルマイグレーション補正部で夫々レンジセルマイグレーション補正し、補正信号を複数のコヒーレント加算部で夫々コヒーレントに加算し、加算結果に複数の復元フィルタ部で夫々復元フィルタを適用し、復元フィルタの適用結果を合成部で合成してアジマス方向のエイリアシングエラーを相殺解消した出力をアジマス圧縮部でアジマス圧縮を行う。【選択図】図３
2010060448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受信アンテナで同時受信された観測信号をそれぞれ格納する複数の格納部と、各受信アンテナで得られ、格納部に格納された信号をそれぞれレンジ圧縮する複数のレンジ圧縮部と、各レンジ圧縮部でレンジ圧縮された信号をそれぞれレンジセルマイグレーション補正する複数のレンジセルマイグレーション補正部と、各レンジセルマイグレーション補正結果をそれぞれコヒーレントに加算する複数のコヒーレント加算部と、各コヒーレント加算結果それぞれに復元フィルタを適用する複数の復元フィルタ部と、各受信アンテナで得られた信号に対するそれぞれの復元フィルタの適用結果を合成しアジマス方向のエイリアシングエラーを相殺させ解消する合成部と、前記合成部の出力に対しアジマス圧縮を行うアジマス圧縮部を備えたことを特徴とするレーダ画像再生装置。
【請求項２】
前記レンジセルマイグレーション補正部は、前記復元フィルタ部の前に設置され、前記復元フィルタに入力される信号が１次元信号となるようにすることを特徴とする請求項１に記載のレーダ画像再生装置。
【請求項３】
前記レンジ圧縮部は、レンジ圧縮処理として１次レンジ圧縮処理と２次レンジ圧縮処理を行い、２次レンジ圧縮処理はデータのアジマス周波数（ドップラー周波数）の範囲を、ドップラー中心周波数を中心とする繰り返し周波数（PRF：Pulse Repetition Frequency）分の帯域幅をもつ範囲として扱うのみでなく、帯域幅をPRFの整数倍シフトした複数の範囲も扱い、２次レンジ圧縮フィルタのアジマス周波数依存性を考慮した処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のレーダ画像再生装置。
【請求項４】
前記レンジセルマイグレーション補正部は、データのアジマス周波数の範囲を、ドップラー中心周波数を中心とするPRF分の帯域幅をもつ範囲として扱うだけでなく、帯域幅をPRFの整数倍シフトした複数の範囲としても扱い、それぞれの範囲でレンジセルマイグレーション補正を行うことで、信号のアジマス方向におけるエイリアシングを考慮したレンジマイグレーション補正を実現することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のレーダ画像再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人工衛星や航空機等の移動プッラットフォームに搭載される合成開口レーダ等のレーダ画像再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
合成開口レーダ観測では、アジマス方向の高分解能化とレンジ方向の観測領域の拡大を同時に行うことは難しい。これはそれぞれを実現するために必要なパルス繰り返し周波数（PRF：Pulse Repetition Frequency）に対する要求が相反するためである。アジマス方向の高分解能化には、ドップラー帯域以上の高いPRFが要求される。一方、レンジ方向の観測領域の拡大には、観測領域の拡大に伴うエコーの受信時間増加に応じて、低いPRFが要求される。そこで、レンジ方向の観測領域拡大とアジマス方向の高分解能化を同時に実現すべく、複数のレーダビームを用いる合成開口レーダの観測方式がある（以下、複数ビーム観測方式と呼ぶ）。例えば、図１に示すように、１つの送信アンテナと２つの受信アンテナを用いる複数ビーム観測方式では、物理的なPRFは送信アンテナでのパルス照射間隔(PRI：Pulse Repetition Interval)の逆数となるが、実効的なPRFをその２倍（つまり、PRIは半分）とすることができる。物理的なPRFを低く設定できるためレンジ領域の観測領域を狭める必要がない。そして、等価的に幅の広い１つのレーダビームを形成することでアジマス分解能を改善している。
【０００３】
この複数レーダビーム観測方式のための従来のレーダ画像再生装置は、複数の受信アンテナで得た観測信号をスペクトル上で合成し、等価的な１つの受信アンテナで得た観測信号を生成した後で、画像再生処理を行っていた（例えば、非特許文献１）。各受信アンテナで得られた観測信号のアジマス方向のスペクトルは、図２に示すように、物理的なPRFで決まるサンプリング帯域幅が受信アンテナのビームの幅で決まるアジマス周波数（ドップラー周波数）帯域よりも狭いため、エイリアシング誤差を持つ。そこで、スペクトル上での合成において、このエイリアシング誤差を相殺して解消する復元フィルタ（Reconstruction Filter）を適用し、エイリアシング誤差を含まないスペクトルを得るようにしている。
【０００４】
【非特許文献１】G. Krieger, N. Gebert, and A. Moreira, “SAR Signal Reconstruction from Non-Uniform Displaced Phase Centre Sampling, ” IEEE IGARSS’04, vol.3, 20-24, p.1763-1766, 2004．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のレーダ画像再生装置は、レンジ圧縮後の２次元信号上で復元フィルタを適用しエイリアシング誤差を解消していた。レンジドップラー領域において、レンジ圧縮後の１散乱点の信号は、レンジセルマイグレーション(RCM：Range Cell Migration)を持ちレンジ方向に広がっている。このレンジ方向の範囲がM点、アジマス周波数方向の範囲がN点であるとすると、L個の受信アンテナがある場合、２次元信号上で復元フィルタを適用するためには、1レンジ当りM×N×Lの演算量が必要であり、計算負荷が高いという問題点があった。さらに、復元フィルタを適用して合成した信号を格納するためにM×N×Lの配列を主記憶容量中に確保する必要があり、計算機要求が高いという問題があった。
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、演算量が少なく、かつ、大きな配列を必要としない、計算負荷および計算要求の小さなレーダ画像再生装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るレーダ画像再生装置は、複数の受信アンテナで同時受信された観測信号をそれぞれ格納する複数の格納部と、各受信アンテナで得られ、格納部に格納された信号をそれぞれレンジ圧縮する複数のレンジ圧縮部と、各レンジ圧縮部でレンジ圧縮された信号をそれぞれレンジセルマイグレーション補正する複数のレンジセルマイグレーション補正部と、各レンジセルマイグレーション補正結果をそれぞれコヒーレントに加算する複数のコヒーレント加算部と、各コヒーレント加算部の結果にそれぞれ復元フィルタを適用する複数の復元フィルタ部と、各受信アンテナで得られた信号に対するそれぞれの復元フィルタの複数の適用結果を合成しアジマス方向のエイリアシングエラーを相殺させ解消する合成部と、前記合成部の出力に対しアジマス圧縮を行うアジマス圧縮部を備える。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によるレーダ画像再生装置によれば、復元フィルタを適用する前に、エイリアシングを考慮したレンジセルマイグレーション補償を行い、信号のレンジ方向の広がりを補償しているので、復元フィルタを適用するデータ量を(1/Mに)削減することができ、このデータ量の削減により、復元フィルタ処理のための演算量を(1/Mに)減らし、処理を高速化することができる。
また、復元フィルタを適用するデータ量の削減により、復元フィルタ適用後の合成処理に必要な配列サイズを小さくすることができ、これに伴い配列の確保に必要な主記憶容量を抑圧でき、計算機要求を緩和できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図３はこの発明の実施の形態１によるレーダ画像再生装置を示すブロック構成図である。なお、ここでは便宜上、受信アンテナが2つある場合を想定して説明する。複数受信アンテナがある場合は、各受信アンテナに応じた処理ブロックを受信アンテナ個数分用意すればよい。
【０００９】
図３において、Rx1格納部１は受信アンテナ１で得られた観測信号を格納し、Rx2格納部２は受信アンテナ２で得られた観測信号を格納する。出力格納部３は、本装置の出力を格納する。レンジ圧縮部１１とレンジ圧縮部１２は、それぞれ受信アンテナ１と２で得られた観測信号をレンジ圧縮および２次レンジ圧縮する。折り返しを考慮したRCM補正部１３と折り返しを考慮したRCM補正部１４は、それぞれ対応するアンテナのレンジ圧縮された信号に対しレンジセルマイグレーション補正をする。コヒーレント加算部１５とコヒーレント加算部１６は、それぞれ対応するアンテナのレンジセルマイグレーション補正後の信号における、エイリアシングした部分とエイリアシングしていない部分をコヒーレントに加算する。復元フィルタ部P1(fa;R0)１７と復元フィルタ部P2(fa;R0)１８は、それぞれ対応するアンテナの信号のアジマススペクトルに対し復元フィルタを適用する。合成部１９は、復元フィルタ適用後の各受信アンテナの信号をアジマススペクトル上で合成する。アジマス圧縮部２０は、合成後の信号に対しアジマス圧縮処理を施す。
【００１０】
なお、この明細書の説明において、部位という語は、専用の電子回路または素子を意味しているが、汎用的な中央演算装置（CPU：Central Processing Unit）を搭載したコンピュータに所定の処理を実行させるコンピュータプログラムモジュールの形で構成するようにしても良い。
【００１１】
次に動作について説明する。
図４は、実施の形態１によるレーダ画像再生装置の処理の流れを示すフローチャートである。
まずステップST１において、レンジ圧縮部１１とレンジ圧縮部１２が、それぞれ受信アンテナ１と２で得られた観測信号に対しレンジ圧縮を行う。このレンジ圧縮は、レンジ方向の周波数領域で、式１で与えられる参照関数を乗ずることで実現する。
【００１２】
【数１】
2010060448.tif 000003
【００１３】
ここで、ｆrはレンジ方向周波数を表し、Ｋrは送信パルスのFM(Frequency Modulation)レートを表す。
なお、式１は周波数領域におけるレンジ方向のマッチドフィルタを示すが、レンジ周波数領域に限るものではなく、レンジ時間領域でマッチドフィルタを生成し、レンジ圧縮しても良い。
【００１４】
このレンジ圧縮の結果、レンジドップラー領域におけるレンジＲ０に位置する散乱点の信号の軌跡は、図４中100に示すようになる。信号の軌跡の内、アジマス周波数 ｆaの範囲が(−PRF/2，PRF/2) である成分は双曲線状の弧を描くが、ｆa＜−PRF/2 の成分とｆa＞PRF/2 の成分はエイリアシングして現れる。この内ｆa＜−PRF/2 の成分は PRF/2 側に現れ、ｆa＞PRF/2 の成分は−PRF/2 側に現れる。そして、これらエイリアシングした部分には、エイリアシング誤差が発生する。ここで、図４中100に示す、MはレンジRCMによるデータのレンジ方向の広がった範囲（データ点数）を示し、Nはアジマス方向の範囲(データ点数)に相当する。
【００１５】
次に、ST２において、再生処理対象となるデータのレンジに対するループ処理に入る。このループ処理では、後述する２次レンジ圧縮処理、復元フィルタ処理およびアジマス圧縮処理におけるレンジＲ０をループ毎に更新しながら設定する。このレンジの更新間隔はレンジビン間隔にするのが適当であるが、これに限られるものではなく、ユーザが任意に設定してよい。
【００１６】
そして、ステップST３において、データのアジマス周波数の区画に対するループ処理に入る。このループ処理は、データのアジマス周波数の範囲をループ毎に更新して設定する。本実施の形態１における説明のように、受信アンテナが２つの場合は、設定されるアジマス周波数ｆaの範囲は(−3PRF/2，−PRF/2)，(−PRF/2， PRF/2)および(PRF/2，3PRF/2)の３区画である。なお、受信アンテナがL個の場合は、アジマス周波数の範囲は式２のように（２L-1）区画となる。
【００１７】
【数２】
2010060448.tif 000004
【００１８】
ここでは、便宜上アジマス中心周波数（ドップラー中心周波数）ｆdcを0として記述したが、これに限るものではない。ビームスクイントでアジマス中心周波数ｆdcが非ゼロとなる場合は、上記アジマス周波数の範囲にｆdcをオフセットとして加えれば良い。
【００１９】
ステップST４において、レンジ圧縮部１１とレンジ圧縮部１２がそれぞれ受信アンテナ１と２の信号を２次元周波数空間で２次レンジ圧縮処理する。この２次レンジ圧縮処理は式３で与えられる関数を乗じることで実現する。
【００２０】
【数３】
2010060448.tif 000005
【００２１】
ここで、ｆaはアジマス方向周波数を示す。また、Ｒ0は処理対象レンジのレンジを示す。そして、ＫSTC(Ｒ0,ｆa)は式４で与えられる変数である。
【００２２】
【数４】
2010060448.tif 000006
【００２３】
ここで、V はレーダの速度、fcはレーダ送信周波数、cは光の速度、λはレーダ波長である。
なお、この２次レンジ圧縮処理は必須ではない。ビームスクイント角が小さい、あるいは、アジマス方向分解能が小さく、レンジとアジマス方向のカップリングが問題とならない場合は、この２次レンジ圧縮処理を省略しても良い。
【００２４】
ステップST５において、折り返しを考慮したRCM補正部１３と折り返しを考慮したRCM補正部１４が、それぞれ２次レンジ圧縮後の受信アンテナ１と２のデータに対しRCM補正を行う。ここでは、先の２次レンジ圧縮で設定した３つのアジマス周波数範囲において、式５を用いてアジマス周波数ｆaに対するレンジを算出する。
【００２５】
【数５】
2010060448.tif 000007
【００２６】
この操作を、図５を用いて説明する。同図は、式５で算出されるアジマス周波数ｆaに応じたレンジＲ(ｆa,Ｒ0)を示す模式図である。同図に示すように、式５を用いて算出したアジマス周波数ｆaに対するレンジは、アジマス周波数の範囲に応じて異なる。そして、このレンジの軌跡は、レンジドップラー領域におけるレンジ圧縮および２次レンジ圧縮後のレンジＲ0に位置する散乱点の信号の軌跡に一致する。そこで、式５に基づき、２次レンジ圧縮時と同じアジマス周波数の範囲の設定でレンジＲ(ｆa,Ｒ0)に位置するデータを集めることで、折り返しを考慮したRCM補正が可能となる。
この結果、図４中の200に示すように、アジマス周波数ｆaの範囲 (−3PRF/2，−PRF/2)，(−PRF/2， PRF/2) および (PRF/2，3PRF/2)のそれぞれについてRCM補正結果を得る。
【００２７】
ステップST６において、全てのアジマス周波数の区画に対し、ステップST４からST５までの処理が適用された場合は、アジマス周波数の区画に対するループを終了する。そうでない場合は、ループを継続する。
ステップST７において、コヒーレント加算部１５とコヒーレンス加算部１６が、それぞれ受信アンテナ１と２の信号に対し、前述したアジマス周波数ｆaの3つの区画におけるRMC補正結果をコヒーレントに加算する。この結果、図４中300に示すように、RCM補正前にM×N点に広がっていたデータの範囲はRCM補正後に1×N点となる。
ステップST８において、復元フィルタ部P1(fa;R0)17と復元フィルタ部P2(fa;R0)18が、RCM補正されたそれぞれの受信アンテナの信号に対し復元フィルタを適用する。この受信アンテナ１と２に対する、復元フィルタは例えば、式６で与えられる。
【００２８】
【数６】
2010060448.tif 000008
【００２９】
なお、ここでは２つの受信アンテナを用いる場合の復元フィルタを式６で与えたが、これに限られるものではなく、同等の効果を持つ式で与えられる復元フィルタを適用しても良い。
【００３０】
ステップST９において、合成部１９が、アジマススペクトル上で復元フィルタ適用後の各受信アンテナの信号を合成し、エイリアシング誤差を相殺することで解消する。この結果、図４中400に示すように、合成後の信号の範囲は1×2N点（受信アンテナがL個の場合は1×N×L点）となる。
【００３１】
ステップST１０において、全てのレンジビンに対し、ステップST３からステップST９までの処理が適用された場合は、データのレンジに対するループを終了する。そうでない場合は、全レンジビンに対して一連の処理が終わるまでループを続ける。
ステップST１１において、アジマス圧縮部２０が、合成後の信号に対しアジマス圧縮処理を施す。アジマス圧縮処理は、レンジドップラー領域において式７で与えられる関数を乗ずることで実現する。
【００３２】
【数７】
2010060448.tif 000009
【００３３】
なお、式７は周波数領域におけるアジマス方向のマッチドフィルタを示すが、アジマス圧縮処理はアジマス周波数領域のマッチドフィルタ処理に限るものではなく、アジマス時間領域でマッチドフィルタを生成し、アジマス時間領域でアジマス圧縮しても良い。
また、サブアパーチャアルゴリズムによるアジマス圧縮処理を導入し、データをアジマス方向で合成開口長以下に分割、アジマス圧縮処理した上で結合する手順をとっても良い。
そして、このアジマス圧縮処理によりレーダ画像再生が完了し、レーダ画像を得る。
【００３４】
以上のように、復元フィルタを適用する前に、エイリアシングを考慮したレンジセルマイグレーション補償を行い、信号のレンジ方向の広がりを補償しているので、復元フィルタを適用するデータ量を(1/Mに)削減することができる。
このデータ量の削減により、復元フィルタ処理のための演算量を(1/Mに)減らし、処理を高速化することができる。
また、復元フィルタを適用するデータ量を削減しているので、復元フィルタ適用後の合成処理に必要な配列サイズを小さくすることができ、これに伴い配列の確保に必要な主記憶容量を抑圧でき、計算機要求を緩和できる。
【００３５】
実施の形態２．
以上の実施の形態１は、２次レンジ圧縮処理をレンジＲ0を更新しながら適用して高精度な２次レンジ圧縮を行う形態であるが、次に2次レンジ圧縮処理のレンジＲ0を観測対象領域中央のレンジに固定することで演算量をさらに削減した実施の形態２を示す。
以下、この発明の実施の形態２を図に基づいて説明するが、図において実施の形態１と同一、または、相当する部分については同一記号を付して説明を省略する。
図６は、実施の形態２によるレーダ画像再生装置を示すブロック構成図である。実施の形態１とは、レンジに対するループ処理を表すフィードバックループの戻り位置が変更されている。
【００３６】
次に動作について説明する。
図７は、実施の形態２によるレーダ画像再生装置の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップST１_4において、レンジ圧縮部１１とレンジ圧縮部１２がそれぞれ受信アンテナ１と２のデータを２次元周波数空間で２次レンジ圧縮処理する。この２次レンジ圧縮処理は式８で与えられる関数を乗じることで実現する。
【００３７】
【数８】
2010060448.tif 000010
【００３８】
以上のように、２次レンジ圧縮処理を、後段のレンジに対するループ処理の前にレンジ圧縮処理とともに１回の演算で行っているので、レンジに対するループ処理内での２次レンジ圧縮処理の演算がなくなり、処理を高速化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
この発明は、人工衛星や航空機などの移動プッラットフォームに搭載され地表や海面等の高分解能画像を得る合成開口レーダに適用される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】１つの送信アンテナと２つの受信アンテナを用いる複数ビーム観測方式における物理的PRIと実効的PRIの関係説明図である。
【図２】各受信アンテナで得た観測信号のアジマス周波数帯域と、物理的なPRFで決まるサンプリング帯域の関係説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるレーダ画像再生装置を示すブロック構成図である。
【図４】実施の形態1によるレーダ画像再生装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】RCM補正後のアジマス周波数に対応するレンジの模式図である。
【図６】実施の形態２によるレーダ画像再生装置を示すブロック構成図である。
【図７】実施の形態２によるレーダ画像再生装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１；Rx1格納部、２；Rx2格納部、３；出力格納部、１１,１２；レンジ圧縮部、１３,１４；RCM補正部、１５,１６；コヒーレント加算部、１７；復元フィルタ部P1(fa;R0)、１８；復元フィルタ部P2(fa;R0)、１９；合成部、２０；アジマス圧縮部。
【図１】
2010060448.tif 000011
【図２】
2010060448.tif 000012
【図３】
2010060448.tif 000013
【図４】
2010060448.tif 000014
【図５】
2010060448.tif 000015
【図６】
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【図７】
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