(57)【要約】【課題】飛翔経路方向の３次元空間に存在する目標を高分解能かつ高精度で観測して追尾することができる合成開口レーダ装置を提供する。【解決手段】  飛翔体に搭載される合成開口レーダ装置であって、飛翔体の飛翔経路軸に対して円錐状に形成されるビームのクロスレンジ方向の分解能をあげて目標を含む画像を生成する合成開口レーダ処理部１〜８と、合成開口レーダ処理部により生成された画像に含まれる目標が最小になるよう飛翔経路中心を設定する飛翔経路中心設定部９と、飛翔経路中心設定部で設定された飛翔経路中心と目標の中心とが一致するように飛翔体を誘導する誘導制御部１０を備えている。【選択図】図２
2008281474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛翔体に搭載される合成開口レーダ装置であって、
前記飛翔体の飛翔経路軸に対して円錐状に形成されるビームのクロスレンジ方向の分解能をあげて目標を含む画像を生成する合成開口レーダ処理部と、
前記合成開口レーダ処理部により生成された画像に含まれる目標が最小になるよう飛翔経路中心を設定する飛翔経路中心設定部と、
前記飛翔経路中心設定部で設定された飛翔経路中心と目標の中心とが一致するように飛翔体を誘導する誘導制御部と、
を備えたことを特徴とする合成開口レーダ装置。
【請求項２】
前記飛翔経路中心設定部は、複数通りの飛翔経路中心を設定し、該設定した複数の飛翔経路中心の各々に対して前記合成開口レーダ処理部から得られた画像の強度の変化よって目標の形状を認識し、
前記誘導制御部は、前記飛翔経路中心設定部で認識された目標の形状の任意の点に飛翔体を誘導することを特徴とする請求項１記載の合成開口レーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成開口レーダ（ＳＡＲ；Synthetic Aperture Radar）装置に関し、特に３次元空間に存在する目標を検出対象とするエンドファイア（飛翔経路）型の合成開口レーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、移動しながら電波を対象物に照射し、その反射波を解析することにより、対象物の起伏や構造を明らかにする合成開口レーダ装置（以下、「ＳＡＲ装置」と略する場合もある）が知られている。
【０００３】
このＳＡＲ装置は、一般に、飛翔経路の側方の地上に存在する目標（２次元目標）を観測するために使用される。このＳＡＲ装置を用いて、空中の飛翔経路方向に存在する目標、つまり３次元空間の目標を観測すると、ＳＡＲ装置がリニアアレイセンサを基本としているために、図９（ａ）に示すような円錐状のビームが形成される。
【０００４】
したがって、図９（ｂ）の輝度図に示すように、例えば破線で囲った領域に目標が存在するものとすると、径方向全体に高輝度の画像が得られるので、円錐の中のどの方向に目標が存在するかを区別できない。
【非特許文献１】大内、“リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎”、東京電機大学出版局（2003）  pp.176-178
【非特許文献２】大内、“リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎”、東京電機大学出版局（2003）  pp.210-217
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来のＳＡＲ装置では、３次元空間の目標を観測すると、目標が存在する位置を区別できない画像が得られるので、目標の中心を特定できず、追尾等を実施することができないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、飛翔経路方向の３次元空間に存在する目標を高分解能かつ高精度で観測して追尾することができる合成開口レーダ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、第１の発明は、飛翔体に搭載される合成開口レーダ装置であって、飛翔体の飛翔経路軸に対して円錐状に形成されるビームのクロスレンジ方向の分解能をあげて目標を含む画像を生成する合成開口レーダ処理部と、合成開口レーダ処理部により生成された画像に含まれる目標が最小になるよう飛翔経路中心を設定する飛翔経路中心設定部と、飛翔経路中心設定部で設定された飛翔経路中心と目標の中心とが一致するように飛翔体を誘導する誘導制御部とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、飛翔経路中心設定部は、複数通りの飛翔経路中心を設定し、該設定した複数の飛翔経路中心の各々に対して合成開口レーダ処理部から得られた画像の強度の変化よって目標の形状を認識し、誘導制御部は、飛翔経路中心設定部で認識された目標の形状の任意の点に飛翔体を誘導することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、合成開口レーダ処理部によって合成開口長を十分とり、飛翔経路軸に対して円錐状に形成されるビームのクロスレンジ方向の分解能をあげて目標の画像を生成し、円錐状のどこに目標が存在しても、画像の径方向の大きさが最小になる場合の飛翔経路中心が、目標の中心に一致することを利用して、目標の中心方向に飛翔体を誘導するので、飛翔経路方向の３次元空間に存在する目標を高分解能かつ高精度で観測して追尾することができる。
【００１０】
また、第２の発明によれば、複数通りの飛翔経路中心を設定し、設定した複数の飛翔経路中心の各々に対応する画像の強度の変化よって目標の形状を認識し、認識された目標の形状の任意の点に飛翔体を誘導するように構成したので、目標の中心のみならず、任意の点を追尾することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
まず、ＳＡＲの原理について説明する。図１は、ＳＡＲのモデルを示す。このモデルは、一般的なモデルとして、側方監視を行う場合の例を示しており、飛翔体に搭載されたＳＡＲ装置で電波を送受信して合成開口レーダ処理（以下、「ＳＡＲ処理」という）を行うことにより目標を探知する状態を示している。
【００１３】
今、送受信信号をｅ（ｔ）とし、ＡＺ（クロスレンジ）圧縮用の参照信号をｒ（ｔ）とすると、ＡＺ圧縮後の信号ｓ（ｔ）は、次式で算出できる（非特許文献１参照）。
【数１】
2008281474.tif 000003
【００１４】
ここで、
ｅ（ｔ）      ；送受信信号
Ｅ（ｆ）      ；ｅ（ｔ）のフーリエ変換
ｒ（ｔ）      ；参照信号
Ｒ（ｆ）      ；ｒ（ｔ）のフーリエ変換
ｓ（ｔ）      ；ＳＡＲ画像
Ｓ（ｆ）      ；ｓ（ｔ）のフーリエ変換
ＦＦＴ［  ］  ；フーリエ変換
ＦＦＴ-1［  ］；逆フーリエ変換
＊            ；複素共役
ＳＡＲ処理では、目標の飛翔経路や機体動揺が存在する場合は、参照信号の補正が必要である。図２は、この参照信号の補正を行うように構成された、本発明の実施例１に係るＳＡＲ装置の機能的な構成を示すブロック図である。参照信号の補正方法としては、ＧＰＳ／ＩＮＳ（全地球測位システム；Global Positioning System／慣性航法システム；Inertial Navigation System）を用いた補正と、オートフォーカスによる補正（非特許文献２参照）とが用いられる。
【００１５】
ＳＡＲ装置は、第１ＦＦＴ部１、第２ＦＦＴ部２、乗算部３、ＩＦＦＴ部４、高輝度抽出部５、ＧＰＳ／ＩＮＳ部６、補正値処理部７、参照信号処理部８、飛翔経路中心設定部９および誘導制御部１０を備えている。本発明の合成開口レーダ処理部は、第１ＦＦＴ部１、第２ＦＦＴ部２、乗算部３、ＩＦＦＴ部４、高輝度抽出部５、ＧＰＳ／ＩＮＳ部６、補正値処理部７および参照信号処理部８から構成されている。
【００１６】
第１ＦＦＴ部１は、式（１）にしたがって、図示しない受信機から入力される送受信信号ｅ（ｔ）をフーリエ変換し、信号Ｅ（ｆ）として乗算部３に送る。第２ＦＦＴ部２は、式（２）にしたがって、参照信号処理部８から送られてくる参照信号ｒ（ｔ）をフーリエ変換し、信号Ｒ（ｆ）として乗算部３に送る。
【００１７】
乗算部３は、式（３）にしたがって、第１ＦＦＴ部１から送られてくる信号Ｅ（ｆ）と第２ＦＦＴ部２から送られてくる信号Ｒ（ｆ）を乗算し、信号Ｓ（ｆ）としてＩＦＦＴ部４に送る。ＩＦＦＴ部４は、式（４）にしたがって、乗算部３から送られてくる信号Ｓ（ｆ）を逆フーリエ変換する。このＩＦＦＴ部４で逆フーリエ変換することにより得られた信号ｓ（ｔ）は、ＳＡＲ画像として、高輝度抽出部５および飛翔経路中心設定部９に送られる。なお、このＳＡＲ画像は、本発明の「画像」に対応する。
【００１８】
高輝度抽出部５は、ＩＦＦＴ部４から送られてくる信号ｓ（ｔ）によって示されるＳＡＲ画像から高輝度部分を抽出する。この高輝度抽出部５で抽出された高輝度部分を表す信号は、補正値処理部７に送られる。ＧＰＳ／ＩＮＳ部６は、ＧＰＳ衛星航法と慣性航法システムとを組み合わせ、連続的に高精度な位置、速度、姿勢情報等を生成する。このＧＰＳ／ＩＮＳ部６で生成された情報は、補正値処理部に送られる。
【００１９】
補正値処理部７は、高輝度抽出部５から送られてくる高輝度部分を表す信号、および、ＧＰＳ／ＩＮＳ部６から送られてくる情報に基づき参照信号を補正するための補正値を生成し、参照信号処理部８に送る。この補正値処理部７で生成された補正値に基づき参照信号が補正されることにより、振幅が大きくシャープな補正後のＳＡＲ画像が得られる。参照信号処理部８は、補正値処理部７から送られてくる補正値にしたがって参照信号を補正し、新たな参照信号ｒ（ｔ）として第２ＦＦＴ部２に送る。
【００２０】
飛翔経路中心設定部９は、ＩＦＦＴ部４から送られてくる信号ｓ（ｔ）によって示されるＳＡＲ画像に含まれる目標が最小になるよう飛翔経路中心を設定する。この飛翔経路中心設定部９で設定された飛翔経路中心は、誘導制御部１０に送られる。誘導制御部１０は、飛翔経路中心設定部９で設定された飛翔経路中心に向くように飛翔体を誘導する。
【００２１】
次に、本発明の実施例１に係る合成開口レーダ装置の動作を説明する。ここでは、図９に示すような、エンドファイア（飛翔経路）方向を中心としたＳＡＲ処理を行う場合について説明する。
【００２２】
エンドファイア方向においては、飛翔経路軸を中心として、その周りに、円錐状に高分解能のビームを形成できる。このビームで目標を観測する際には、図３と図４とに比較して示すように、目標の中心と飛翔経路中心の一致度により、円錐状のビームで観測されるＳＡＲ画像の大きさ（径方向の広がり）が異なり、飛翔経路中心と目標の中心が一致した場合に、ＳＡＲ画像が最も小さくなる。
【００２３】
例えば、図３（ａ）に破線で囲って示すように、飛翔経路中心からずれた位置に目標が存在する場合は、図３（ｂ）の輝度図に示すように、中心部が低輝度で、その周囲が全体的に高輝度のＳＡＲ画像が得られる。この場合、図３（ｃ）の強度分布図に示すように、ＳＡＲ画像の径方向の広がりが大きく（幅広に）なる。
【００２４】
一方、図４（ａ）に破線で囲って示すように、飛翔経路中心の近傍に目標が存在する場合は、図４（ｂ）の輝度図に示すように、中心部およびその周囲が全体的に高輝度で、外周部が低輝度のＳＡＲ画像が得られる。この場合、図４（ｃ）の強度分布図に示すように、ＳＡＲ画像の径方向の広がりは小さく（幅狭に）なる。したがって、飛翔経路中心を変更することによって、ＳＡＲ画像の大きさが最も小さくなる点を見つければ、目標の中心を決定することができる。
【００２５】
図５は、飛翔経路中心設定部９において行われる飛翔経路中心を変更する方法を説明するための図である。ＩＦＦＴ部４から得られるＳＡＲ画像を、図５（ａ）に示すように、Ｘ軸とＹ軸が直交する２次元空間に割り当てる。この時点では、目標の中心は飛翔経路中心から離れた位置に存在する。
【００２６】
この状態で、図５（ｂ）に示すように、飛翔経路中心をＸ軸の方向に動かして、ＳＡＲ画像が最も小さくなる位置を探してＸ軸方向の位置を決定する。その後、図５（ｃ）に示すように、飛翔経路中心をＹ軸の方向に動かして、ＳＡＲ画像が最も小さくなる位置を探してＹ軸方向の位置を決定する。このようにして決定されたＸ軸およびＹ軸方向のＳＡＲ画像が最も小さくなる点が目標の中心として決定され、その目標の中心が飛翔経路中心として設定される。
【００２７】
なお、上述した飛翔経路中心を変更する方法では、まず、飛翔経路中心をＸ軸方向に動かした後にＹ軸方向に動かすように構成したが、先にＹ軸方向の動かした後に、Ｘ軸方向に動かすように構成することもできる。
【００２８】
次に、本発明の実施例１に係る合成開口レーダ装置の動作を、飛翔体の誘導処理を中心に、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００２９】
飛翔体の誘導処理では、まず、ＧＰＳ／ＩＮＳ補正処理が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、ＧＰＳ／ＩＮＳ部６は、連続的に高精度な位置、速度、姿勢情報等を生成して補正値処理部７に送る。補正値処理部７は、ＧＰＳ／ＩＮＳ部６から送られてきた情報に基づき参照信号を補正するための補正値を生成し、参照信号処理部８に送る。参照信号処理部８は、補正値処理部７から送られてくる補正値にしたがって参照信号を補正し、新たな参照信号ｒ（ｔ）として第２ＦＦＴ部２に送る。
【００３０】
次いで、ＳＡＲ処理が行われる（ステップＳ１２）。すなわち、第１ＦＦＴ部１は、図示しない受信機から入力される送受信信号ｅ（ｔ）をフーリエ変換し、信号Ｅ（ｆ）として乗算部３に送る。また、第２ＦＦＴ部２は、参照信号処理部８から送られてくる参照信号ｒ（ｔ）をフーリエ変換し、信号Ｒ（ｆ）として乗算部３に送る。乗算部３は、第１ＦＦＴ部１から送られてくる信号Ｅ（ｆ）と第２ＦＦＴ部２から送られてくる信号Ｒ（ｆ）を乗算し、信号Ｓ（ｆ）としてＩＦＦＴ部４に送る。ＩＦＦＴ部４は、乗算部３から送られてくる信号Ｓ（ｆ）を逆フーリエ変換して信号ｓ（ｔ）を生成し、ＳＡＲ画像として、高輝度抽出部５および飛翔経路中心設定部９に送る。
【００３１】
次いで、高輝度点抽出処理が行われる（ステップＳ１３）。すなわち、高輝度抽出部５は、ＩＦＦＴ部４から送られてくる信号ｓ（ｔ）によって示されるＳＡＲ画像の高輝度部分を抽出し、補正値処理部７に送る。
【００３２】
次いで、オートフォーカス処理が行われる（ステップＳ１４）。補正値処理部７は、例えば、高輝度抽出部５から送られてくる画像からピーク値（極大値）を抽出し、この抽出したピーク値の回りのクロスレンジ方向の所定範囲のＭセルの信号をフーリエ変換し、このフーリエ変換により得られた信号を用いて参照信号を補正するための補正値を生成して参照信号処理部８に送る。参照信号処理部８は、補正値処理部７から送られてきた補正値にしたがって参照信号を補正し、新たな参照信号ｒ（ｔ）として第２ＦＦＴ部２に送る。
【００３３】
次いで、ＳＡＲ処理が行われる（ステップＳ１５）。すなわち、このステップＳ１４においては、上述したステップＳ１２における処理と同様にして、ＳＡＲ画像が生成され、高輝度抽出部５および飛翔経路中心設定部９に送られる。
【００３４】
次いで、ＳＡＲ画像が最小であるかどうかが調べられる（ステップＳ１６）。すなわち、飛翔経路中心設定部９は、図５を参照して説明した手順で、ＩＦＦＴ部４から送られてくる信号ｓ（ｔ）によって示されるＳＡＲ画像に含まれる目標が最小であるかどうかを調べる。このステップＳ１６において、ＳＡＲ画像が最小でないことが判断されると、次いで、飛翔経路中心設定処理が行われる（ステップＳ１７）。すなわち、飛翔経路中心設定部９は、図５を参照して説明した手順で、飛翔経路中心を変更して誘導制御部１０に送る。
【００３５】
次いで、誘導制御処理が行われる（ステップＳ１８）。すなわち、誘導制御部１０は、飛翔経路中心設定部９から送られてくる飛翔経路中心に向くように飛翔体を誘導する。その後、ステップＳ１５に戻り、ＳＡＲ画像に含まれる目標が最小になるまで、上述した処理が繰り返される。そして、ステップＳ１６において、ＳＡＲ画像が最小でないことが判断されると、飛翔体の誘導処理は終了する。
【００３６】
以上説明したように、本発明の実施例１に係る合成開口レーダ装置によれば、合成開口レーダ処理によって合成開口長を十分とり、飛翔経路軸に対して円錐状に形成されるビームのクロスレンジ方向の分解能をあげて目標の画像を生成し、円錐状のどこに目標が存在しても、画像の径方向の大きさが最小になる場合の飛翔経路中心が、目標の中心に一致することを利用して、目標の中心方向に飛翔体を誘導するように構成したので、飛翔経路方向の３次元空間に存在する目標を高分解能かつ高精度で観測して追尾することができる。
【実施例２】
【００３７】
本発明の実施例２に係る合成開口レーダ装置は、実施例１で説明した方法を用いて目標の形状（広がり）を認識するようにしたものである。この実施例２に係る合成開口レーダ装置の構成は、飛翔経路中心設定部９の機能を除き、図２に示した実施例１に係る合成開口レーダ装置の構成と同じである。
【００３８】
飛翔経路中心設定部９は、実施例１で説明した目標の中心を決定する機能に加え、決定した目標の中心の周りに飛翔経路中心を移動させて、目標の振幅の変化を観測することにより、目標の形状（広がり）を認識する。
【００３９】
図７は、飛翔経路中心設定部９において行われる目標の形状を認識する原理を説明するための図である。飛翔経路中心設定部９は、図７（ａ）に示すような飛翔経路中心が目標の中心に一致している状態から、図７（ｂ）に示すように、飛翔経路中心を他の複数の位置に設定し、ＳＡＲ画像の強度を収集する。この場合、目標が飛翔経路中心から所定範囲内に存在すれば強度が大になり、そうでなければ強度は小になる。したがって、複数の飛翔経路中心の強度をプロットすることにより、図７（ｃ）に示すような目標の形状を認識することができる。
【００４０】
次に、本発明の実施例２に係る合成開口レーダ装置の動作を、飛翔体の誘導処理を中心に、図８に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、以下では、図６のフローチャートに示した実施例１に係る合成開口レーダ装置における飛翔体の誘導処理と同一の処理を行う部分には、実施例１で使用した符号と同一の符号を付して説明を簡略化する。
【００４１】
飛翔体の誘導処理では、まず、ＧＰＳ／ＩＮＳ補正処理が行われる（ステップＳ１１）。次いで、ＳＡＲ処理が行われる（ステップＳ１２）。次いで、高輝度点抽出処理が行われる（ステップＳ１３）。次いで、オートフォーカス処理が行われる（ステップＳ１４）。次いで、ＳＡＲ処理が行われる（ステップＳ１５）。次いで、ＳＡＲ画像が最小であるかどうかが調べられる（ステップＳ１６）。このステップＳ１６において、ＳＡＲ画像が最小でないことが判断されると、次いで、飛翔経路中心設定処理が行われる（ステップＳ１７）。次いで、誘導制御処理が行われる（ステップＳ１８）。その後、ステップＳ１５に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００４２】
上記ステップＳ１６において、ＳＡＲ画像が最小でないことが判断されると、飛翔経路中心の設定処理が行われる（ステップＳ１９）。すなわち、飛翔経路中心設定部９は、現在設定されている飛翔経路中心の周りに新たな飛翔経路中心を設定する。
【００４３】
次いで、強度確認および保存が行われる（ステップＳ２０）。すなわち、飛翔経路中心設定部９は、ステップＳ１９で設定した飛翔経路中心によって得られるＳＡＲ画像の強度を調べ、その強度の大小を、図示しないメモリに保存する。
【００４４】
次いで、飛翔経路中心の設定が、あらかじめ定められている数だけ終了したかどうかが調べられる（ステップＳ２１）。このステップＳ２１において、飛翔経路中心の設定が終了していないことが判断されると、ステップＳ１９に戻って上述した処理が繰り返される。
【００４５】
一方、ステップＳ２１において、飛翔経路中心の設定が終了したことが判断されると、形状認識処理が行われる（ステップＳ２２）。すなわち、飛翔経路中心設定部９は、メモリに保存された強度の大小をプロットすることにより、目標の形状を認識する。以上により、飛翔体の誘導処理は終了する。このようにして目標の形状を認識することができれば、図示は省略するが、目標の中心や中心以外の任意の点を追尾することができる。
【００４６】
以上説明したように、本発明の実施例１に係る合成開口レーダ装置によれば、複数通りの飛翔経路中心を設定し、この設定した複数の飛翔経路中心の各々に対応する画像の強度の変化よって目標の形状を認識し、この認識された目標形状の中心に飛翔体を誘導するように構成したので、目標の中心のみならず、任意の点を追尾することができる。
【００４７】
なお、上述した実施例１および実施例２では、ＳＡＲ処理におけるクロスレンジ方向の分解能を向上させる場合について説明したが、レンジ方向については、パルス圧縮等の技術を用いることにより、分解能を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、３次元空間の前方に存在する目標を追尾する合成開口レーダ装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施例１に係る合成開口レーダ装置で行われるＳＡＲの原理を説明するためのモデルを示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る合成開口レーダ装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１に係る合成開口レーダ装置の動作原理（その１）を説明するための図である。
【図４】本発明の実施例１に係る合成開口レーダ装置の動作原理（その２）を説明するための図である。
【図５】本発明の実施例１に係る合成開口レーダ装置の動作において、飛翔経路中心を変更する方法を説明するための図である。
【図６】本発明の実施例１に係る合成開口レーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施例２に係る合成開口レーダ装置の動作において、目標の形状を認識する処理を説明するための図である。
【図８】本発明の実施例１に係る合成開口レーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】従来の合成開口レーダ装置を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  第１ＦＦＴ部
２  第２ＦＦＴ部
３  乗算部
４  ＩＦＦＴ部
５  高輝度抽出部
６  ＧＰＳ／ＩＮＳ部
７  補正値処理部
８  参照信号処理部
９  飛翔経路中心設定部
１０  誘導制御部
【図１】
2008281474.tif 000004
【図２】
2008281474.tif 000005
【図３】
2008281474.tif 000006
【図４】
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【図５】
2008281474.tif 000008
【図６】
2008281474.tif 000009
【図７】
2008281474.tif 000010
【図８】
2008281474.tif 000011
【図９】
2008281474.tif 000012