(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛翔体に搭載され、インターフェロメトリ機能を有した合成開口レーダーにおいて、
観測点の高度についてはインターフェロメトリ処理によって求め、
その各観測点の高度情報を用いて、観測点ごとに真のアンテナ入射角θ２を求め、高度一定とした場合の仮の入射角θ１と真の入射角θ２それぞれのアンテナゲインをテーブルから読み取ることで、アンテナゲインの差を補正することによって、
地表面高度の変化に起因するアンテナパターンの角度のずれによって生じるアンテナゲインのずれを補正する
ことを特徴とする合成開口レーダーのアンテナパターン補正方法。
【請求項２】
飛翔体が、高度約１万ｍを飛行する航空機である
請求項１に記載の合成開口レーダーのアンテナパターン補正方法。
【請求項３】
インターフェロメトリ処理が、航空機の機体の両側部に取り付けられた２基のアンテナによって行われる
請求項２に記載の合成開口レーダーのアンテナパターン補正方法。
【請求項４】
合成開口レーダーが、ＬバンドとＸバンドの２周波を備え、
各周波数で偏波を利用したポラリメトリ機能を有する
請求項１ないし３に記載の合成開口レーダーのアンテナパターン補正方法。
【請求項５】
アンテナパターンの補正値が、後方散乱係数の補正に連携している
請求項１ないし４に記載の合成開口レーダーのアンテナパターン補正方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機等の飛翔体に搭載された合成開口レーダーのアンテナパターンを補正する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
衛星に搭載された合成開口レーダーでは、地表面の観測エリアにおける入射角変化は数度以内であるので、観測点に位置する対象物の入射角特性等は大きな問題にはならない。
一方、航空機に搭載された合成開口レーダーは、分解能が高いことから地表面の詳細な観測が可能であり、火山噴火、地震等による地殻変動モニタ、土砂災害エリアの同定等多くの利用分野がある。そのためには、後方散乱係数を正確に求める必要がある。
【０００３】
ところが、飛行高度が１２ｋｍ程度の航空機搭載合成開口レーダーにおいては、観測幅を１５ｋｍ程度確保しようとすると、入射角は３０度から６１度となり変化が大きい。そのために用いられるアンテナはレンジ方向に広い指向性をもち、電波の強度が距離の２乗に比例することを相殺するコセカント２乗パターンを用いることが多い。
しかし、アンテナと地表のジオメトリーが正確でないと、アンテナパターンを正しく補正できず、間違った後方散乱係数を得ることになってしまう。これは、山岳域など、地表面高度が大きく変化するエリアを観測する場合に顕著に現れる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、地表面高度が大きく変化するエリアであっても、アンテナパターンを正しく補正して、後方散乱係数をより正確に得られる合成開口レーダーのアンテナパターン補正方法を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は次の構成を備える。
すなわち、飛翔体に搭載され、インターフェロメトリ機能を有した合成開口レーダーにおいて、インターフェロメトリ処理によって観測点の高度を求め、その高度情報を用いて真のアンテナ入射角を求めることで、アンテナゲインの補正を行って、地表面高度の変化によるアンテナパターンを補正することを特徴とする。
【０００６】
ここで、飛翔体を、高度約１万ｍを飛行する航空機として、安全で利便性の高い観測に寄与させてもよい。
【０００７】
インターフェロメトリ処理を、航空機の機体の両側部に取り付けられた２基のアンテナによって行って、観測点の高度情報を簡易に得ることに寄与させてもよい。
【０００８】
合成開口レーダーを、ＬバンドとＸバンドの２周波を備え各周波数で偏波を利用したポラリメトリ機能を有するもので構成して、データ処理の容易さに寄与させてもよい。
【０００９】
アンテナパターンの補正を、後方散乱係数の補正に連携させて、観測対象物に関する高精度のデータ処理に寄与させてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。
なお、ここでは、飛翔体として、航空機を挙げて説明するが、気球や低高度を飛行する衛星等にも適用可能である。
【００１１】
一般に、電波を用いたレーダーで高い解像度を得るためには、大きなアンテナと時間的に短いパルス波を用いる必要がある。例えば、Ｘバンドの電波で１２，０００ｍの高度から地上の１．５ｍの物体を識別するためには、径が２５０ｍ以上の巨大なアンテナが必要になる。
そのため、アジマス方向に比較的幅広いビームを照射しながら飛行して、アンテナの開口面を実効的に大きく合成することにより、航空機に搭載した小型のアンテナでも仮想的に大きなアンテナを用いた場合と同様の効果を得るようにした。
この合成開口レーダーによって得た対象物の後方散乱係数は、測定対象の表面及び表面に近い内部の状態や、物質の特性を検知するのに有効な物理量である。
【００１２】
本発明者らが開発した航空機搭載３次元合成開口レーダー（Ｐｉ−ＳＡＲ）は、平行及び交差の全ての偏波の組合せでデータを取得するポラリメトリ機能や、主従２基のアンテナで電波を受信して観測点の高度情報を取得できるインターフェロメトリ（トポグラフィック・マッピンング）機能を備え、地表分解能１．５ｍ、高さ方向分解能２ｍを実現する。
このレーダーは、ＬバンドとＸバンドとの２周波合成開口レーダで構成され、それぞれの周波数で偏波を利用したポラリメトリ機能があり、更に、Ｘバンドでは主従２基のアンテナによるインターフェロメトリ機能により地形の高さを含む３次元の画像を取得できるものである。
【００１３】
図１は、Ｘバンドレーダーのブロック図である。
送信信号は、Ｘバンドで１００ＭＨｚ、Ｌバンドで５０ＭＨｚのチャープ信号としてアンテナに給電され地表に向けて送信される。地表面で反射された電波は、アンテナから受信機内で位相を保存したまま、受信利得等を適正に処理されて、Ａ／Ｄ変換される。このデータは、航空機の姿勢等の補助データと共にレコーダで記録される。テープに記録されたデータは読み出し用のヘッドで即時に読み出され、実時間処理装置に送られる。実時間処理装置はＸ、Ｌバンドの任意の偏波について処理を行い、画面上に表示される。
Ｌバンドのシステムでは、従アンテナがなく、またデータレコーダが１台であることを除けば、Ｘバンドの場合とほぼ同様である。
【０００１４】
ポラリメトリ機能に関しては、電波の電界の振動方向が垂直方向と水平方向に偏った２種類の偏波を送信および受信する機能を有する。樹木や人工構造物などの多くの対象物は、その形状や性質によって異なった偏波面の回転を示すので、送信電波の偏波と受信電波の偏波の組み合わせを変えて観測することによって、散乱係数だけでなく対象物の偏波に関する全ての情報を得ることができる。そのため、地上の植生や土地利用の詳細な分類や、海上の波浪の詳細な観測などに特に有効である。
【００１５】
なお、マイクロ波（Ｘ、Ｌ、Ｃバンドなど）の偏波特性を用いて、地表の対象物の後方散乱特性を分析するには、偏波シグネチャ図が有効である。
この偏波シグネチャ図は、送受信アンテナの偏波状態を規定する偏波楕円のパラメータを変えた場合に、後方散乱係数がどのように変化するかを３次元的に表示するものであり、観測対象物の形状や配置などを反映させることができる。
偏波シグネチャ図で代表される偏波シグネチャの形状特徴による後方散乱係数の偏波特性を分析して分類すると、観測対象物の性質や特徴を解明することができる。
【００１６】
インターフェロメトリ機能に関しては、対象物から反射された電波を、空間的に離れて配設された２基のアンテナで受信し、それらの受信信号の間の位相差から、三角測量に類似する原理により対象物の方位や距離を得る機能を有する。
本実施例では、航空機の機体の両側部にそれぞれアンテナを取り付けて、インターフェロメトリ処理を行なって、地表の高さ方向を含めた３次元的な画像を得る。
【００１７】
このような合成開口レーダーは、地形や、地質、植生、波浪や海氷などの海洋現象、土壌水分や積雪などの水文過程等の定量的観測、古環境の解明などを介した森林破壊、砂漠化、土壌破壊、地球温暖化等の地球環境問題の対処、更には、火山噴火や、洪水、地震などの自然災害、海洋油汚染や船舶の難破などの事故のモニター等に有用に用いられ得る。
特に、開口合成やパルス圧縮等の信号処理を施すことにより、非常に高い分解能を得られると共に、マイクロ波を用いているために、雲などの天候や昼夜を問わず映像を取得できる利点がある。
また、航空機に搭載したので、観測ごとに分解能、観測幅、入射角等、最適なパラメータを選択した観測が可能で、観測幅を抑えれば衛星搭載型の約１０分の１以下程度の高い分解能での観測も可能である。また、衛星が数日に一度程度、毎回ほぼ決まったコース、ほぼ決まった方向からデータを取得するのに対し、航空機は、迅速にかつさまざまな方向からの観測も可能あり、例えば災害などの場合には、毎日あるいは一日に何度も観測するといった機動的な観測が可能である。
【００１８】
本発明者らが開発した航空機搭載合成開口レーダーは、シングルパスでのインターフェロメトリ処理機能を備えることで、地表観測点の高度情報を得ることができる。この高度情報を用いると、アンテナと地表のジオメトリーを正確に計算することができ、アンテナパターンの適正化が可能である。これに伴い、正確な後方散乱係数を得ることができる。
なお、高度は、約１０ｍ四方のエリアでの平均値を用いている。
【００１９】
本実施例では、地表面高度が大きく変化するエリアとして、富士山の北側斜面を選んで観測を行った。
観測した地表高度は、約１４００ｍから３５００ｍと急峻に変化している。
航空機の飛行速度は、２２０ｍ／ｓであり、高度は、１２，０００ｍ、観測エリアは、航空機の飛行方向に６ｋｍ、レンジ方向に４ｋｍ（グランド投影時）である。
【００２０】
一般的な合成開口レーダー再生処理の流れと同様に、レンジ圧縮処理後にアンテナパターンを含めたラジオメトリック処理を施し、その後、動揺補正を行い、最後にアジマス圧縮を行った。
この場合のレンジアンテナパターン補正は、図２に示すアンテナパターンのジオメトリーのように、観測エリアの平均高度（ｈ）のみを考慮したものとなっている。
しかし、図示のように、一般的には地表面高度が変化している場合、同一スラントレンジでの入射角がθ１からθ２へと変化してしまう。
【００２１】
合成開口レーダーの標準的観測高度（Ｈ）である１２，０００ｍにおいて、スラントレンジ距離を一定とした場合の地表面高度の変化による観測対象物への入射角の変化を図３に示す。
図３からわかるように、地表面高度を０ｍと仮定して処理を施したエリアの実際の高度が１，０００ｍであった場合、入射角は３０度から３７度に変化してしまう。その結果、この差によるアンテナゲインの違いが補正誤差となって現れる。
【００２２】
アンテナパターンの補正を行うには、各観測地点の地表高度データが必要である。
そのため、始めにインターフェロメトリ処理によって各点の高度を求める。その高度情報を用いて、各点（ピクセル）ごとの真の入射角（θ２）を求め、θ１とθ２それぞれのアンテナゲインをテーブルから読み取ることによって、送受それぞれのゲイン差の補正を行なう。
なお、レンジアンテナパターンはコカセント２乗に近く設計してある。
【００２３】
今回観測対象とした富士山北側斜面の画像で、中央付近の入射角は補正前が４０度、補正後が４７度程度となった。このときのアンテナロール角は６０度で設定してあり、４０度では４７度に比べアンテナゲインが低いためゲインを増加させる方向で補正されている。つまり、後方散乱係数は、実際より高く計算されてしまう。
【００２４】
図４に、地表面高度を考慮する前後のアンテナパターンとスラント距離の関係、並びにその差を示す。一番手前では約３．４ｄＢの差があることがわかる。
図４で示したグラフは、１基のアンテナゲインの差であり、実際には送受信共に補正しなければならない。つまり補正量はおおよそ上記の２倍になる。
【００２５】
このようにして補正を施した画像を図５に示す。また、その図の横向きの線の断面での補正前後の反射係数も同時に示す。
この例での補正値は左右で３ｄＢ、山頂付近ではほぼ０ｄＢであることがわかる。
同様の補正を各編波、Ｌバンドのデータに対しても施した。また、異なる観測パスについても同様の補正を行ったところ、アンテナのロール角と入射角の関係から多い場合は１０ｄＢ以上の補正となった画像データも存在した。
なお、図５において、航空機は画像の右から左へ飛行し、電波は上から下に照射されていて、画像の大きさは、航空機の飛行方向に６ｋｍ、レンジ方向に４ｋｍとなっている。インターフェロメトリで求めた１４００ｍから２００ｍ間隔の等高線を付記してある。
また、富士山の傾斜を考慮した後方散乱係数を調べると、補正後の値はＵ１ａｂｙらのまとめたＨａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｒａｄａｒ  ＳｃａｔｔｅｒｉｎｇＳｔａｔｉｓｔｉｃｓ  ｆoｒ  Ｔｅｒｒａｉｎの裸地・砂利等の散乱係数と良い一致が見られた。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の合成開口レーダーのアンテナパターン補正方法は、上述の構成を備えることによって、次の効果を奏する。
すなわち、請求項１に記載の補正方法によると、インターフェロメトリ処理によって得た観測点の高度を用いて、真のアンテナ入射角を求め、アンテナゲインの補正を行うことができるので、地表面高度が大きく変化するエリアであっても、地表面高度の変化によるアンテナパターンを正しく補正して、後方散乱係数をより正確に得ることができる。特に、求値処理が自己完結している利点がある。
【００２７】
請求項２に記載の補正方法によると、高度約１万ｍを飛行する航空機を利用するので、火山の噴火時等においても安全にかつ簡易に観測を行うことができる。
【００２８】
請求項３に記載の補正方法によると、航空機の機体に取り付けた２基のアンテナでインターフェロメトリ処理を行うので、簡易に観測点の高度情報を得ることができる。
【００２９】
請求項４に記載の補正方法によると、ＬバンドとＸバンドの２周波の全ての偏波（ポラリメトリ）に対して簡易に補正処理を行うので、偏波間での後方散乱係数の比較も容易に行える。
【００３０】
請求項５に記載の補正方法によると、アンテナパターンの補正が後方散乱係数の補正に連携されるので、観測対象物に関する様々な解析を精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｘバンドレーダーのブロック図
【図２】アンテナパターンのジオメトリーを示す説明図
【図３】スラントレンジ距離を一定とした場合における地表面高度変化による観測対象物への入射角変化を示すグラフ
【図４】地表面高度を考慮する前後のアンテナパターンとスラント距離の関係、並びにその差を示すグラフ
【図５】アンテナパターン補正を施した画像、並びにその図の横向きの線の断面での補正前後の反射係数を示すグラフ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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