(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの受信信号を合成処理およびＳＡＲ処理することによりＳＡＲ画像を得るための信号処理装置であって、
送受信共用の複数のアンテナ素子が並設されたアレーアンテナと、
前記複数のアンテナ素子のすべてを用いて電波を送信するための分配器と、
前記分配器を介して前記複数のアンテナ素子から送信電波を放射させるための送信機と、
前記複数のアンテナ素子からの各受信ビームを２組に合成して２つのビーム信号を生成する２つの合成器と、
前記２つのビーム信号を受信する２つの受信機と、
前記２つの受信機を介した２つの受信信号を合成する合成処理部と、
前記合成処理部からの合成信号を用いてＳＡＲ画像を生成するＳＡＲ処理部と、
を備え、
前記２つの合成器は、
前記複数のアンテナ素子による送信時のビームパターンの１ｓｔサイドローブと、前記複数のアンテナ素子による受信時のビームパターンの１ｓｔヌルとが重なるように、
前記複数のアンテナ素子の両端側に位置する第１の所定数のアンテナ素子を受信時に用いるとともに、
前記第１の所定数を、前記複数のアンテナ素子の個数の約７０％に設定したことを特徴とする合成開口レーダ装置。
【請求項２】
前記複数のアンテナ素子の中央部に位置する第２の所定数のアンテナ素子は、前記２つのビーム信号を受信する際にオーバーラップしていることを特徴とする請求項１に記載の合成開口レーダ装置。
【請求項３】
前記複数のアンテナ素子の両端部に、受信専用の第２の所定数のアンテナ素子が並設されていることを特徴とする請求項１に記載の合成開口レーダ装置。
【請求項４】
２つの受信信号を合成処理およびＳＡＲ処理することによりＳＡＲ画像を得るための信号処理装置であって、
送受信共用の複数のアンテナ素子が並設されたアレーアンテナと、
前記複数のアンテナ素子のすべてを用いて電波を送信するための分配器と、
前記分配器を介して前記複数のアンテナ素子から送信電波を放射させるための送信機と、
前記複数のアンテナ素子からの受信ビームを個別に受信する複数の受信機と、
前記複数の受信機を介した複数のビーム信号から２つのビーム信号に対応した受信信号を生成する２つのビーム形成演算処理部と、
前記２つのビーム形成演算処理部からの２つの受信信号を合成する合成処理部と、
前記合成処理部からの合成信号を用いてＳＡＲ画像を生成するＳＡＲ処理部と、
を備え、
前記２つのビーム形成演算処理部は、
前記複数のアンテナ素子による送信時のビームパターンの１ｓｔサイドローブと、前記複数のアンテナ素子による受信時のビームパターンの１ｓｔヌルとが重なるように、
前記複数のアンテナ素子の両端側に位置する第１の所定数のアンテナ素子に対応した受信機からのビーム信号を用いるとともに、
前記第１の所定数を、前記複数のアンテナ素子の個数の約７０％に設定したことを特徴とする合成開口レーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の送受信ビームを用いることにより、高い指向性利得を維持しつつ、低サイドローブのアンテナパターンを形成して観測を行う合成開口レーダ装置（ＳＡＲシステム）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＳＡＲは、人工衛星または航空機などを用いたリモートセンシングの分野では、雲などの天候に左右されず、高分解能で地表を撮像することができるセンサとしてよく知られている。
【０００３】
ＳＡＲシステムにおいては、アンテナから地表面に向けて電波を送信し、地表面で反射した電波を受信することによって観測を実現しているが、所望領域以外からの電波の反射信号が偽像成分（アンビギュイティ）として画像化されることを回避するために、所望の観測領域にのみ電波が照射されるように、アンテナには指向性の優れた低サイドローブのアンテナが用いられる。
【０００４】
アンテナの低サイドローブ化は、開口に適切なウェイトを付けて合成することにより実現可能であるが、この場合、一方では、開口効率が低下して、同じ開口面積であっても利得が低下することが知られている。
【０００５】
また、近年においては、ＳＡＲシステムの高分解能化を実現するために、アンテナ開口を分割受信することにより、ビーム幅を広げつつ多数の受信ビームを形成するマルチビームＳＡＲシステムが注目されている。
【０００６】
さらに、１つの送信開口および複数の受信開口を用いたＳＡＲシステムにおいて、各開口からの受信信号を、Ａ／Ｄ変換前に適切な重み付けを行いつつ合成することにより、ビーム形状の最適化を実現したプレビームシェーピング技術も提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｎ．Ｇｅｂｅｒｔ，Ｇ．Ｋｒｉｅｇｅｒ  ａｎｄ  Ａ．Ｍｏｒｅｉｒａ，Ｈｉｇｈ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｗｉｄｅ  Ｓｗａｔｈ  ＳＡＲ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，Ｓｙｓｔｅｍ  Ｄｅｓｉｇｎ，ＥＵＳＡＲ２００６，Ｆｉｇ．１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＳＡＲシステム（合成開口レーダ装置）は、非特許文献１に記載のプレビームシェーピング技術によりアンテナビーム形成した場合でも、前述の低サイドローブ化にともなう利得低下を回避することができないという課題があった。
【０００９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、送信開口の寸法および開口数と、デュアルビームのプレビームシェーピング技術における受信開口の寸法および開口数と、を最適化して組み合わせることにより、開口効率の低下によるアンテナ利得低下が生じることなく、低サイドローブアンテナビームを実現し、アンビギュイティを抑制したＳＡＲ画像の取得が可能な合成開口レーダ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】
【００１０】
この発明に係る合成開口レーダ装置は、２つの受信信号を合成処理およびＳＡＲ処理することによりＳＡＲ画像を得るための信号処理装置であって、送受信共用の複数のアンテナ素子が並設されたアレーアンテナと、複数のアンテナ素子のすべてを用いて電波を送信するための分配器と、分配器を介して複数のアンテナ素子から送信電波を放射させるための送信機と、複数のアンテナ素子からの各受信ビームを２組に合成して２つのビーム信号を生成する２つの合成器と、２つのビーム信号を受信する２つの受信機と、２つの受信機を介した２つの受信信号を合成する合成処理部と、合成処理部からの合成信号を用いてＳＡＲ画像を生成するＳＡＲ処理部と、を備え、２つの合成器は、複数のアンテナ素子による送信時のビームパターンの１ｓｔサイドローブと、複数のアンテナ素子による受信時のビームパターンの１ｓｔヌルとが重なるように、複数のアンテナ素子の両端側に位置する第１の所定数のアンテナ素子を受信時に用いるとともに、第１の所定数を、複数のアンテナ素子の個数の約７０％に設定したものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、アンテナ開口を最大効率で用いた利得最大の観測と、低サイドローブによる２つの受信ビームによるデュアルビームＳＡＲ観測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１に係る合成開口レーダ装置のシステム全体を示すブロック構成図である。
【図２】図１内のアレーアンテナによる全開口送信時のビームパターンを示す説明図である。
【図３】図１内のアレーアンテナによる全開口送信時のアンテナパターン（送受信ビームパターン）を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１における受信開口を図式的に示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるアンテナパターンの低サイドローブ化の効果を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る合成開口レーダ装置のシステム全体を示すブロック構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る合成開口レーダ装置のシステム全体を示すブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係る合成開口レーダ装置のシステム全体を示すブロック構成図である。
【００１４】
図１において、合成開口レーダ装置は、アレーアンテナ１と、送信機３と、受信機７、８と、ＳＡＲ画像を生成する信号処理装置９とにより構成されている。
アレーアンテナ１は、複数のアンテナ素子２と、送信用の分配器４と、受信用の合成器５、６とを備えている。
信号処理装置９は、データファイルＤＦ１、ＤＦ２と、合成処理部１０と、ＳＡＲ処理部１１とを備えている
【００１５】
アレーアンテナ１においては、ＮＴＸ個（＃１〜＃ＮＴＸ）の送受信共用のアンテナ素子２がリニアアレー状に並設されている。
送信機３からの送信信号は、分配器４により分配されて各アンテナ素子２に供給され、各アンテナ素子２から送信電波として放射される。
【００１６】
また、物体からの反射電波は、ＮＴＸ個のアンテナ素子２により受信され、各受信ビームのうち、図１中の左端からＮＲＸ個（ＲＸ＜ＴＸ）のアンテナ素子２（＃１〜＃ＮＲＸ）からの受信ビームは、一方の合成器５に入力される。
同様に、図中の右端からＮＲＸ個のアンテナ素子２（＃ＮＴＸ〜（＃ＮＲＸ−ｏｖｅｒｗｒａｐ）の受信ビームは、他方の合成器６に入力される。
これにより、合成器５、６からは、各ＮＲＸ個の受信信号を合成した２つのビーム信号Ｂ１、Ｂ２が生成される。
【００１７】
合成器５、６からの２つのビーム信号Ｂ１、Ｂ２は、それぞれ、受信機７、８を介して信号処理装置９に入力され、信号処理装置９内のデータファイルＤＦ１、ＤＦ２に、各ビーム信号Ｂ１、Ｂ２に対応した受信信号として個別に格納される。
【００１８】
データファイルＤＦ１、ＤＦ２に格納された２つのビーム信号Ｂ１、Ｂ２の受信信号は、リコンストラクションフィルタまたは復元フィルタなどからなる合成処理部１０に入力されて合成される。
合成処理部１０から生成された合成信号は、ＳＡＲ処理部１１に入力され、ＳＡＲ画像となって信号処理装置９から出力される。
【００１９】
なお、アレーアンテナ１は、アレーアンテナ全般が該当し、アンテナ素子２のみで構成されるパッシブアレーアンテナに限らず、各アンテナ素子２において移相器を備えたパッシブフェーズドアレーアンテナであってもよく、また、各アンテナ素子２において増幅器を備えたアクティブフェーズドアレーアンテナであってもよい。
【００２０】
図２はアレーアンテナ１による送信ビームパターンを示す説明図であり、ＮＴＸ個のアレーアンテナ１による全開口送信時のビームパターンを示している。
図３は全開口送信時のアンテナパターン（送受信ビームパターン）を示す説明図であり、図２の送信ビームパターンに対応している。
【００２１】
図４はこの発明の実施の形態１における受信開口を図式的に示す説明図であり、アレーアンテナ１内の両端部に位置する各受信素子数ＮＲＸの受信ビームを合成（Σ）することにより２つのビーム信号Ｂ１、Ｂ２が得られることを示している。
図５はこの発明の実施の形態１によるアンテナパターンの低サイドローブ化の効果を示す説明図であり、改善前の１ｓｔサイドローブＰ１よりも、改善後の１ｓｔサイドローブＰ１’の振幅レベルが低減されていることが分かる。
【００２２】
図２のように、すべてのアンテナ素子２を用いて均等に送信した場合、送受信されるアンテナパターンは、図３に示すように、ＳＩＮＣ関数の形状となることが知られている。
この場合、開口効率が最大で利得の高いアンテナを実現することが可能であるが、メインローブＭｏの横に位置する１ｓｔサイドローブＰ１のレベルがもっとも高く、最大利得は理論的に１３［ｄＢ］が限界である。
【００２３】
図３のアンテナパターンのビーム幅（メインローブＭｏの幅）は、使用されるアンテナ素子２の個数に比例し、１ｓｔサイドローブＰ１および１ｓｔヌルＱ１の位置は、アンテナ素子２の個数に比例して移動する。
【００２４】
ＳＡＲシステムにより観測される受信信号は、送受信時のアンテナパターンの合成で受信されることになるので、受信側のアンテナ素子２の利用個数を最適化して、送信アンテナパターン（図２）の１ｓｔサイドローブＰ１の位置に、受信アンテナパターンの１ｓｔヌルＱ１の方向を重ねることにより、送受信トータル（図３）での１ｓｔサイドローブＰ１の低減を実現することができる。
【００２５】
上記方法により、送受信トータル（図３）での１ｓｔサイドローブＰ１の低減に関して、最大３ｄＢの改善を図ることが可能となる。
このとき、送信時のアンテナ素子２の個数ＮＴＸに対する最適な受信時のアンテナ素子２の個数ＮＲＸの求め方は、以下の通りである。
まず、送信アンテナ素子数ＮＴＸを用いて、以下の式（１）から変数ｘＡＴＸを求める。
【００２６】
【数１】
0005460458.tif 000002
【００２７】
式（１）は、解析解を求めることができないので、ＮＥＷＴＯＮ法のような数値解法を用いて変数ｘＡＴＸを求めることが可能であるが、厳密ではなく、以下の式（２）を用いて変数ｘＡＴＸを設定してもよい。
【００２８】
【数２】
0005460458.tif 000003
【００２９】
式（２）において、係数αは０．６〜０．８程度の任意の数値であり、サイドローブレベルの低減とともに、利得量などを考慮して決定される値である。
【００３０】
次に、式（１）または式（２）で求めた変数ｘＡＴＸと、以下の式（３）とから、受信時のアンテナ素子２の個数ＮＲＸを求める。
【００３１】
【数３】
0005460458.tif 000004
【００３２】
ここで、変数ｘＡＴＸとして、式（２）内の係数α（＝０．６〜０．８）による近似解を用いた場合には、式（３）から求められる受信時のアンテナ素子２の個数ＮＲＸは、概して以下の式（４）で表される。
【００３３】
【数４】
0005460458.tif 000005
【００３４】
式（４）から、送受信時のアンテナ素子２の各個数の比率（ＮＴＸ：ＮＲＸ）は、概して、以下のように表される。
【００３５】
ＮＴＸ：ＮＲＸ≒１：α
【００３６】
したがって、図１のように、合成器５、６で合成する複数の受信ビームに関して、受信時にオーバーラップするアンテナ素子２の個数をＮｏｖｅｒｗｒａｐとして、合成器５、６のそれぞれに信号分配して入力するアンテナ素子２を設けることにより、送信時および受信時に利用するアンテナ素子２の個数ＮＴＸが同一のままで、式（４）の関係を満たすことが可能となる。
なお、受信時に２つの合成器５、６に対してオーバーラップするアンテナ素子２の個数Ｎｏｖｅｒｗｒａｐは、以下の式（５）により求められる。
【００３７】
【数５】
0005460458.tif 000006
【００３８】
ここで、変数ｘＡＴＸとして、係数αによる近似解を用いた場合には、オーバーラップ個数Ｎｏｖｅｒｗｒａｐは、概して、以下の式（６）で表される。
【００３９】
【数６】
0005460458.tif 000007
【００４０】
式（６）から、オーバーラップ個数Ｎｏｖｅｒｗｒａｐは、近似的に、０．２〜０．６ＮＴＸとなる。
【００４１】
以上のように、この発明の実施の形態１（図１）に係る合成開口レーダ装置は、２つの受信信号を合成処理およびＳＡＲ処理することによりＳＡＲ画像を得るために、送受信共用の複数のアンテナ素子２が並設されたアレーアンテナ１と、複数のアンテナ素子２のすべてを用いて電波を送信するための分配器４と、分配器４を介して複数のアンテナ素子２から送信電波を放射させるための送信機３と、複数のアンテナ素子２からの各受信ビームを２組に合成して２つのビーム信号Ｂ１、Ｂ２を生成する２つの合成器５、６と、２つのビーム信号Ｂ１、Ｂ２を受信する２つの受信機７、８と、２つの受信機７、８を介した２つの受信信号を合成する合成処理部１０と、合成処理部１０からの合成信号を用いてＳＡＲ画像を生成するＳＡＲ処理部１１と、を備えている。
【００４２】
２つの合成器５、６は、複数のアンテナ素子２による送信時のビームパターンの１ｓｔサイドローブＰ１と、複数のアンテナ素子２による受信時のビームパターンの１ｓｔヌルＱ１とが重なるように、複数のアンテナ素子２の両端側に位置するＮＲＸ個（第１の所定数）のアンテナ素子２を受信時に用いる。
また、受信時に用いる個数ＮＲＸ（第１の所定数）は、複数のアンテナ素子２の個数（ＮＴＸ個）の約７０％に設定されている。
複数のアンテナ素子２の中央部に位置するＮｏｖｅｒｗｒａｐ個（第２の所定数）のアンテナ素子２は、２つのビーム信号Ｂ１、Ｂ２を受信する際にオーバーラップしている。
【００４３】
このように、送信開口の寸法および開口数と、デュアルビーム（Ｂ１、Ｂ２）のプレビームシェーピング技術における受信開口の寸法および開口数と、を最適化して組み合わせることにより、開口効率の低下によるアンテナ利得低下が生じることなく、低サイドローブアンテナビームを実現し、アンビギュイティを抑制したＳＡＲ画像を取得することが可能となる。
【００４４】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１）では、複数のアンテナ素子２の中央部に位置するアンテナ素子２を受信時におけるオーバーラップ素子として用いたが、図６のように、複数のアンテナ素子２の両端部の外側に、受信専用の第２の所定数のアンテナ素子２Ａを追加並設して、オーバーラップ素子を解消してもよい。
【００４５】
図６はこの発明の実施の形態２に係る合成開口レーダ装置のシステム全体を示すブロック構成図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ａ」を付して詳述を省略する。
なお、受信専用のアンテナ素子２Ａは、送受信共用のアンテナ素子であってもよく、受信時のみにＯＦＦ制御されるように構成してもよい。
【００４６】
図６においては、前述（図１）の構成に対して、受信専用のアンテナ素子２Ａが追加された点のみが異なる。
図６の構成により、前述と同様の作用効果を奏するうえ、図１内のオーバーラップ素子が不要となる。
【００４７】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２（図１、図６）では、複数のアンテナ素子２からの受信ビームを２組のビーム信号Ｂ１、Ｂ２に合成した後に、２つの受信機７、８で受信したが、図７のように、アンテナ素子２の個数ＮＴＸと同数の受信機７Ｂを介して各受信ビームを受信し、信号処理装置９Ｂ内の２つのビーム形成演算処理部１９、２０により２つの受信信号を生成してもよい。
【００４８】
図７はこの発明の実施の形態３に係る合成開口レーダ装置のシステム全体を示すブロック構成図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｂ」を付して詳述を省略する。
図７においては、前述（図１）のプレビームシェーピング技術に代えて、すべてのアンテナ素子２からの受信ビームを受信するＤＢＦ方式を適用している。
【００４９】
図７において、アレーアンテナ１Ｂは、複数（ＮＴＸ個）のアンテナ素子２と、分配器４とを備えており、各アンテナ素子２は、複数（ＮＴＸ台）の受信機７Ｂに個別に接続されている。
【００５０】
信号処理装置９Ｂは、各受信機７Ｂに個別に接続された複数（ＮＴＸ個）のデータファイルＤＦと、２つのビーム形成演算処理部１９、２０と、前述と同様の合成処理部１０およびＳＡＲ処理部１１とを備えている。
この場合、複数のアンテナ素子２からの各受信ビームは、アンテナ素子２の個数と同数（ＮＴＸ台）の受信機７Ｂを介して受信され、複数のビーム信号として信号処理装置９Ｂに入力される。
【００５１】
信号処理装置９Ｂにおいては、各受信機７Ｂからのビーム信号（データ）を、各データファイルＤＦに格納し、ビーム形成演算処理部１９、２０によりビーム形成処理を行い、２つのビーム信号に対応した受信信号を生成する。
以下、２つのビーム信号（受信信号）を合成処理部１０で合成し、ＳＡＲ処理部１１でＳＡＲ画像を生成する。
【００５２】
以上のように、この発明の実施の形態３（図７）に係る信号処理装置は、２つの受信信号を合成処理およびＳＡＲ処理することによりＳＡＲ画像を得るために、送受信共用の複数のアンテナ素子２が並設されたアレーアンテナ１と、複数のアンテナ素子２のすべてを用いて電波を送信するための分配器４と、分配器４を介して複数のアンテナ素子２から送信電波を放射させるための送信機３と、複数のアンテナ素子２からの受信ビームを個別に受信する複数の受信機７Ｂと、複数の受信機７Ｂを介した複数のビーム信号から２つのビーム信号に対応した受信信号を生成する２つのビーム形成演算処理部１９、２０と、２つのビーム形成演算処理部１９、２０からの２つの受信信号を合成する合成処理部１０と、合成処理部１０からの合成信号を用いてＳＡＲ画像を生成するＳＡＲ処理部１１と、を備えている。
【００５３】
２つのビーム形成演算処理部１９、２０は、複数のアンテナ素子２による送信時のビームパターンの１ｓｔサイドローブＰ１と、複数のアンテナ素子２による受信時のビームパターンの１ｓｔヌルＱ１とが重なるように、複数のアンテナ素子２の両端側に位置するＮＲＸ個（第１の所定数）のアンテナ素子２に対応した受信機７Ｂからのビーム信号を用いる。
また、各ビーム形成演算処理部１９、２０が用いる受信機７Ｂの個数ＮＲＸ（第１の所定数）は、複数のアンテナ素子の個数（ＮＴＸ個）の約７０％に設定されている。
【００５４】
これにより、送信時には、アレーアンテナ１内のＮＴＸ個のアンテナ素子２のすべてを用い、受信時には、送信アンテナパターンの１ｓｔサイドローブＰ１の方位と、受信アンテナパターンの１ｓｔヌルＱ１の方位とを合わせるように、ＮＲＸ個のアンテナ素子２を用いて合成および受信し、２つのビーム信号（受信信号）を、合成処理部１０で合成することができる。
したがって、前述と同様に、高い開口能率を維持し、かつ高い指向性利得を維持し、低サイドローブのアンテナパターンを両立したアレーアンテナを用いた合成開口レーダ装置を得ることができる。
【００５５】
なお、上記実施の形態１〜３では、ＳＡＲシステムで使用する場合について述べたが、その他のデュアルビームアンテナを用いたレーダシステムにおいても、低サイドローブアンテナとして適用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５６】
１、１Ｂ  アレーアンテナ、２、２Ａ  アンテナ素子、３  送信機、４  分配器、５、６  合成器、７、７Ｂ、８  受信機、９、９Ｂ  信号処理装置、１０  合成処理部、１１  ＳＡＲ処理部、１９、２０  ビーム形成演算処理部、Ｂ１、Ｂ２  ビーム信号、ＤＦ、ＤＦ１、ＤＦ２  データファイル、Ｍｏ  メインローブ、Ｎｏｖｅｒｗｒａｐ  オーバーラップ個数、ＮＲＸ  受信素子数、ＮＴＸ  送信素子数、Ｐ１  １ｓｔサイドローブ、Ｑ１  １ｓｔヌル、Ｐ１’  改善後の１ｓｔサイドローブ。
【図１】
0005460458.tif 000008
【図２】
0005460458.tif 000009
【図３】
0005460458.tif 000010
【図４】
0005460458.tif 000011
【図５】
0005460458.tif 000012
【図６】
0005460458.tif 000013
【図７】
0005460458.tif 000014