(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ部と、制御系を含む電気回路部と、ＳＡＲ画像装置と、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置とを有し、
前記アンテナ部が、送受信モジュール毎に送信偏波を水平偏波又は垂直偏波に切替可能であって、水平偏波と垂直偏波の２つの偏波で同時に受信可能な垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナであり、
前記制御系が、垂直偏波と水平偏波とを同時に送信することで直線偏波送信を、また水平偏波送信と垂直偏波送信との位相をずらすことで円偏波送信を実現し、受信時に水平偏波と垂直偏波の２偏波同時受信に設定するものであり、
前記コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置が、水平偏波・垂直偏波同時送信の下でのコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理について観測幅内のレンジ方向位置に応じて相対位相に対応した処理を行う、共分散行列演算部と、ルック角・相対位相演算部と、収束演算部及び共分散行列演算部とを含み、
前記共分散行列演算部が、複素データである水平偏波受信データと垂直偏波受信データとをターゲットベクトルとして取扱い、前記ターゲットベクトルについて、近接ピクセルの空間平均により、共分散行列のデータを求めるものであり、
前記ルック角・相対位相演算部が、幾何学的な関係に基づいて画像の観測位置におけるルック角を求め、その求めたルック角に基づいて水平偏波と垂直偏波との相対位相を求めるものであり、
前記収束演算部が、前記共分散行列のデータと前記水平偏波と垂直偏波との相対位相のデータに基づいてフルポラリメトリのターゲットベクトルの共分散行列に相当する演算結果を出力するものであることを特徴とする合成開口レーダ。
【請求項２】
前記共分散行列演算部が、複素データである水平偏波受信データと垂直偏波受信データとをターゲットベクトルとして取扱い、前記ターゲットベクトルについて、近接ピクセルの空間平均により、
【数４】
0005040549.tif 000011
に基づいて共分散行列のデータを求める請求項１に記載の合成開口レーダ。
【請求項３】
前記ルック角・相対位相演算部が、幾何学的な関係に基づいて画像の観測位置でのルック角に基づいて
式（２ａ）、式（２ｂ）又は式（２ｃ）
４５度直線偏波送信設定時の相対位相δφ
δφ = ２π×N×ｄ／λ×(ｓｉｎ(β−γ)−ｓｉｎ(β−α))  ・・・・・・・（２ａ）
左旋円偏波送信設定時の相対位相δφ
δφ = ２π×N×ｄ／λ×(ｓｉｎ(β−γ) −ｓｉｎ(β−α)) ＋π／２・・・（２ｂ）
右旋円偏波送信設定時の相対位相δφ
δφ = ２π×N×ｄ／λ×(ｓｉｎ(β−γ) −ｓｉｎ(β−α)) −π／２・・・（２ｃ）
に基づいて、水平偏波と垂直偏波との相対位相を求める請求項１に記載の合成開口レーダ。
【請求項４】
前記収束演算部が、前記共分散行列のデータと前記水平偏波と垂直偏波との相対位相のデータに基づき、
初期値として交差偏波データの分散Ｘ＝０として、式（５）より｜ρＨ−Ｖ｜を計算し、それを式（６）に代入して交差偏波データの分散Ｘを計算し、これを再び式（５）に代入することを繰り返して、｜ρＨ−Ｖ｜と交差偏波データの分散Ｘを収束させ、収束した交差偏波データの分散Ｘを式（７）〜（９）に代入することで、水平−水平偏波データの分散Ｈと、垂直−垂直偏波データの分散Ｖと、水平−水平偏波データと垂直−垂直偏波データとの共分散Ｐとを求め、これらを式（１１）に代入することで、式（１０）に示すフルポラリメトリのターゲットベクトルの共分散行列に相当する演算結果を得る請求項１に記載の合成開口レーダ。
【数５】
0005040549.tif 000012
【数６】
0005040549.tif 000013
【数７】
0005040549.tif 000014
【数８】
0005040549.tif 000015
【数９】
0005040549.tif 000016
【数１０】
0005040549.tif 000017
【数１１】
0005040549.tif 000018
【請求項５】
垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナで受信した信号に基づいてコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理を行うにあたって、垂直偏波と水平偏波とを同時に送信することで直線偏波送信を、また水平偏波送信と垂直偏波送信との位相をずらすことで円偏波送信を実現し、受信時に水平偏波と垂直偏波の２偏波同時受信に設定するものであり、
コンピュータに、
複素データである水平偏波受信データと垂直偏波受信データとをターゲットベクトルとして取扱い、前記ターゲットベクトルについて、近接ピクセルの空間平均により、共分散行列のデータを求め、
幾何学的な関係に基づいて画像の観測位置におけるルック角を求め、その求めたルック角に基づいて水平偏波と垂直偏波との相対位相を求め、
前記共分散行列のデータと前記水平偏波と垂直偏波との相対位相のデータに基づいてフルポラリメトリのターゲットベクトルの共分散行列に相当する演算結果を出力することにより、
水平偏波・垂直偏波同時送信の下でのコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理について観測幅内のレンジ方向位置に応じて相対位相に対応した処理を実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項６】
前記コンピュータに、
複素データである水平偏波受信データと垂直偏波受信データとをターゲットベクトルとして取扱い、前記ターゲットベクトルについて、近接ピクセルの空間平均により、
【数４】
0005040549.tif 000019
に基づいて共分散行列のデータを求め、
幾何学的な関係に基づいて画像の観測位置でのルック角に基づいて
式（２ａ）、式（２ｂ）又は式（２ｃ）
４５度直線偏波送信設定時の相対位相δφ
δφ = ２π×N×ｄ／λ×(ｓｉｎ(β−γ)−ｓｉｎ(β−α))  ・・・・・・・（２ａ）
左旋円偏波送信設定時の相対位相δφ
δφ = ２π×N×ｄ／λ×(ｓｉｎ(β−γ) −ｓｉｎ(β−α)) ＋π／２・・・（２ｂ）
右旋円偏波送信設定時の相対位相δφ
δφ = ２π×N×ｄ／λ×(ｓｉｎ(β−γ) −ｓｉｎ(β−α)) −π／２・・・（２ｃ）
に基づいて
水平偏波と垂直偏波との相対位相を求め、
前記共分散行列のデータと前記水平偏波と垂直偏波との相対位相のデータに基づき、
初期値として交差偏波データの分散Ｘ＝０として、式（５）より｜ρＨ−Ｖ｜を計算し、それを式（６）に代入して交差偏波データの分散Ｘを計算し、これを再び式（５）に代入することを繰り返して、｜ρＨ−Ｖ｜と交差偏波データの分散Ｘを収束させ、収束した交差偏波データの分散Ｘを式（７）〜（９）に代入することで、水平−水平偏波データの分散Ｈと、垂直−垂直偏波データの分散Ｖと、水平−水平偏波データと垂直−垂直偏波データとの共分散Ｐとを求め、これらを式（１１）に代入することで、式（１０）に示すフルポラリメトリのターゲットベクトルの共分散行列に相当する演算結果を得る機能を実行させる請求項５に記載のプログラム。
【数５】
0005040549.tif 000020
【数６】
0005040549.tif 000021
【数７】
0005040549.tif 000022
【数８】
0005040549.tif 000023
【数９】
0005040549.tif 000024
【数１０】
0005040549.tif 000025
【数１１】
0005040549.tif 000026
【請求項７】
送受信モジュール毎に送信偏波を水平偏波又は垂直偏波に切替可能であって、水平偏波と垂直偏波の２つの偏波で同時に受信可能な垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナを用い、前記フェーズドアレイアンテナで受信した信号に基づいて、水平偏波・垂直偏波同時送信の下でのコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理について観測幅内のレンジ方向位置に応じて相対位相に対応した処理を行うコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理方法であって、
垂直偏波と水平偏波とを同時に送信することで直線偏波送信を、また水平偏波送信と垂直偏波送信との位相をずらすことで円偏波送信を実現し、受信時に水平偏波と垂直偏波の２偏波同時受信に設定し、
複素データである水平偏波受信データと垂直偏波受信データとをターゲットベクトルとして取扱い、前記ターゲットベクトルについて、近接ピクセルの空間平均により、共分散行列のデータを求め、
幾何学的な関係に基づいて画像の観測位置におけるルック角を求め、その求めたルック角に基づいて水平偏波と垂直偏波との相対位相を求め、
前記共分散行列のデータと前記水平偏波と垂直偏波との相対位相のデータに基づいてフルポラリメトリのターゲットベクトルの共分散行列に相当する演算結果を出力することにより、
水平偏波・垂直偏波同時送信の下でのコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理について観測幅内のレンジ方向位置に応じて相対位相に対応した処理を行うことを特徴とするコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理方法。
【請求項８】
複素データである水平偏波受信データと垂直偏波受信データとをターゲットベクトルとして取扱い、前記ターゲットベクトルについて、近接ピクセルの空間平均により、
【数４】
0005040549.tif 000027
に基づいて共分散行列のデータを求め、
幾何学的な関係に基づいて画像の観測位置でのルック角に基づいて
式（２ａ）、式（２ｂ）又は式（２ｃ）
４５度直線偏波送信設定時の相対位相δφ
δφ = ２π×N×ｄ／λ×(ｓｉｎ(β−γ)−ｓｉｎ(β−α))  ・・・・・・・（２ａ）
左旋円偏波送信設定時の相対位相δφ
δφ = ２π×N×ｄ／λ×(ｓｉｎ(β−γ) −ｓｉｎ(β−α)) ＋π／２・・・（２ｂ）
右旋円偏波送信設定時の相対位相δφ
δφ = ２π×N×ｄ／λ×(ｓｉｎ(β−γ) −ｓｉｎ(β−α)) −π／２・・・（２ｃ）
に基づいて
水平偏波と垂直偏波との相対位相を求め、
前記共分散行列のデータと前記水平偏波と垂直偏波との相対位相のデータに基づき、
初期値として交差偏波データの分散Ｘ＝０として、式（５）より｜ρＨ−Ｖ｜を計算し、それを式（６）に代入して交差偏波データの分散Ｘを計算し、これを再び式（５）に代入することを繰り返して、｜ρＨ−Ｖ｜と交差偏波データの分散Ｘを収束させ、収束した交差偏波データの分散Ｘを式（７）〜（９）に代入することで、水平−水平偏波データの分散Ｈと、垂直−垂直偏波データの分散Ｖと、水平−水平偏波データと垂直−垂直偏波データとの共分散Ｐとを求め、これらを式（１１）に代入することで、式（１０）に示すフルポラリメトリのターゲットベクトルの共分散行列に相当する演算結果を得る処理を実行する請求項７に記載のコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理方法。
【数５】
0005040549.tif 000028
【数６】
0005040549.tif 000029
【数７】
0005040549.tif 000030
【数８】
0005040549.tif 000031
【数９】
0005040549.tif 000032
【数１０】
0005040549.tif 000033
【数１１】
0005040549.tif 000034
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汎用型の垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナを用いて、円偏波又は直線偏波による送信／垂直及び水平偏波による受信のコンパクト・ポラリメトリＳＡＲを実現するための合成開口レーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
合成開口レーダ(ＳＡＲ： Synthetic Aperture Radar)のデータは、通常、送信偏波と受信偏波について、各々、水平偏波(Ｈ偏波)と垂直偏波(Ｖ偏波)の組合せにより、４種類の偏波状態、すなわち、水平−水平偏波（Ｈ−Ｈ）、水平−垂直偏波（ＨＶ）、垂直−垂直偏波（ＶＶ）、垂直−水平偏波（ＶＨ）を取り得る。
【０００３】
前記４種類の偏波のデータがあれば、観測対象の反射偏波特性を完全に再現することができるが、４種類の偏波を同時に取得するためには、フルポラリメトリＳＡＲが必要とされる。フルポラリメトリＳＡＲでは、１パルス毎に水平偏波と垂直偏波とを交互に送信し、両方の偏波で同時に受信することで、４種類の偏波データを取得する。
【０００４】
特に衛星ＳＡＲでは、フルポラリメトリＳＡＲでの観測幅やデータ量が課題となるため、近年、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲが提案されている。コンパクト・ポラリメトリＳＡＲは、円偏波又は４５度直線偏波で送信を行い、水平偏波と垂直偏波との２偏波で受信を行うＳＡＲであり、レーダの反射特性を利用し、統計処理を行うことで、４種類の偏波状態を再現する。その方法は例えば、非特許文献１に示されている。また、非特許文献２には、一般化したアンテナを用いて、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲを実現する構成が示されている。
【非特許文献１】Jean-Claude Souyris, Roger Fj&oslash;rtoft, Sandra Mingot, and Jong-Sen Lee, “Compact Polarimetry Based on Symmetry Properties of Geophysical Media: The π/4 Mode”, IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, 2005
【非特許文献２】R.Keith Raney, “Hybrid-Polarity SAR Architecture”,IGARSS’2006
【特許文献１】特開２００６−３２２８４８号公報
【特許文献２】特開２００２−０６４３２１号公報
【特許文献３】特開平０３−０８９６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１及び２に開示されたコンパクト・ポラリメトリＳＡＲでは、送信が円偏波又は４５度直線偏波、受信が水平偏波と垂直偏波とであり、異なる種類の偏波を使用する必要があるため、構成が複雑になるという課題がある。
【０００６】
また、従来のフルポラリメトリＳＡＲや、水平−水平（ＨＨ）偏波や垂直−垂直（ＶＶ）偏波等の単偏波によるＳＡＲでも運用できるようにしようとすると、さらに構成が複雑化し、質量増加・アンテナロスの増加・信頼性低下等が発生するという課題がある。
【０００７】
また、特許文献１は、水平偏波（Ｈ）と垂直偏波（Ｖ）とを交互に送信するフルポラリメトリＳＡＲを対象とするものであるが、本発明が意図する水平偏波（Ｈ）と垂直偏波（Ｖ）とを同時に送信するコンパクト・ポラリメトリＳＡＲとは、ＳＡＲの実現方法を全く異にするものである。
【０００８】
また、特許文献２には、所定の偏波特性を有する第３のアレーアンテナと第３のアレーアンテナの偏波特性に対して直交する偏波特性を有する第４のアレーアンテナとを組み合わせた構成が開示され、特許文献３には、相対位相の設定で同相に設定することで全体の偏波を垂直又は水平偏波に設定する構成が開示されているが、送信が円偏波又は４５度直線偏波、受信が水平偏波と垂直偏波との異なる種類の偏波を用いるには、位相中心を共用するＨ偏波放射素子・Ｖ偏波放射素子に対し同時に送信給電をする必要がある等、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲの構成が複雑になるという課題がある。
【０００９】
本発明の目的は、汎用型の垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナを利用して、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲを簡単に実現する合成開口レーダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明に係る合成開口レーダは、アンテナ部と、制御系を含む電気回路部と、ＳＡＲ画像再生装置と、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置とを有し、
前記アンテナ部が、送受信モジュール毎に送信偏波を水平偏波又は垂直偏波に切替可能であって、水平偏波と垂直偏波の２つの偏波で同時に受信可能な垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナであり、
前記制御系が、送信時に前記フェーズドアレイアンテナのアンテナ面を電気的に分割して、その一方を水平偏波送信、残りを垂直偏波送信に設定し、受信時に水平偏波と垂直偏波の２偏波同時受信に設定するものであり、
前記コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置が、前記アンテナ部・電気回路部により送受信され前記ＳＡＲ画像再生装置により各々画像化された複素データである水平偏波受信データと垂直偏波受信データとをターゲットベクトルとして取扱い、フルポラリメトリのターゲットベクトルの共分散行列に相当する演算結果を得ることでコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理を行うものであることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係るプログラムは、送受信モジュール毎に送信偏波を水平偏波又は垂直偏波に切替可能であって、水平偏波と垂直偏波の２つの偏波で同時に受信可能な垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナを制御するコンピュータに、
送信時に前記フェーズドアレイアンテナのアンテナ面を電気的に分割して、その一方を水平偏波送信、残りを垂直偏波送信に設定し、受信時に水平偏波と垂直偏波の２偏波同時受信に設定する機能を実行させることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係るプログラムは、垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナで受信した信号に基づいてコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理を行うコンピュータに、
複素データである水平偏波受信データと垂直偏波受信データとをターゲットベクトルとして取扱い、前記ターゲットベクトルについて、近接ピクセルの空間平均により、共分散行列のデータを求め、
幾何学的な関係に基づいて画像の観測位置におけるルック角を求め、その求めたルック角に基づいて水平偏波と垂直偏波との相対位相を求め、
前記共分散行列のデータと前記水平偏波と垂直偏波との相対位相のデータに基づいてフルポラリメトリのターゲットベクトルの共分散行列に相当する演算結果を出力することにより、
水平偏波・垂直偏波同時送信の下でのコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理について観測幅内のレンジ方向位置に応じて相対位相に対応した処理を実行させることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係るコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理方法は、送受信モジュール毎に送信偏波を水平偏波又は垂直偏波に切替可能であって、水平偏波と垂直偏波の２つの偏波で同時に受信可能な垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナを用い、前記フェーズドアレイアンテナで受信した信号に基づいて、水平偏波・垂直偏波同時送信の下でのコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理について観測幅内のレンジ方向位置に応じて相対位相に対応した処理を行うコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理方法であって、
送信時に前記フェーズドアレイアンテナのアンテナ面を電気的に分割して、その一方を水平偏波送信、残りを垂直偏波送信に設定し、受信時に水平偏波と垂直偏波の２偏波同時受信に設定し、
複素データである水平偏波受信データと垂直偏波受信データとをターゲットベクトルとして取扱い、フルポラリメトリのターゲットベクトルの共分散行列に相当する演算結果を得ることでコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理を行うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、汎用型の垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナを用いてコンパクト・ポラリメトリＳＡＲを実現でき、従って、円偏波送信素子や４５度直線偏波送信素子を使用する必要がなく、また、位相中心を共用する水平偏波素子と垂直偏波素子に同時に送信給電する必要がなく、簡単なアンテナ構成でコンパクト・ポラリメトリＳＡＲを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
本発明の実施形態の基本的な構成を図１及び２に基づいて説明する。本発明の実施形態では図１に示すように、アンテナ部１として、送受信モジュール毎に送信偏波を水平偏波又は垂直偏波に切替可能であって、かつ水平偏波と垂直偏波との２つの偏波で同時に受信可能なフルポラリメトリＳＡＲを実現するために使用されている垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナを用いる。電気回路部２、特にその制御系２５の制御の下で、前記フェーズドアレイアンテナをエレベーション方向に電気的に分割し、その一方を水平偏波送信、残りを垂直偏波送信にそれぞれ設定する。そして、前記制御系２５の制御の下で、前記フェーズドアレイアンテナによる受信は、汎用のフルポラリメトリＳＡＲと同様に、水平偏波と垂直偏波との２偏波同時受信に設定する。そして、前記制御系２５の制御の下で、送受信モジュールの位相設定を、ビーム指向の制御に必要な設定とすることで直線偏波送信（特に４５度直線偏波送信）のコンパクト・ポラリメトリＳＡＲを、また、ビーム指向の制御に必要な位相設定に加えて送信のみ、水平偏波送信の送受信モジュールと垂直偏波送信の送受信モジュールとの位相をずらす（特にπ／２ラジアン（９０度））ことで、円偏波送信のコンパクト・ポラリメトリＳＡＲを実現する。さらに、ビーム中心以外では完全な直線偏波送信又は円偏波送信とはならず、楕円偏波送信となるため、観測幅内の位置による水平偏波と垂直偏波との間の相対位相のずれに応じたコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理を行う。
【００１７】
上述した本発明の実施形態に係るポラリメトリＳＡＲ処理方法を実施するための合成開口レーダは図１及び２に示すように、アンテナ部１と、制御系２５を含む電気回路部２と、ＳＡＲ画像再生装置３と、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４とを有している。
【００１８】
そして、アンテナ部１が、送受信モジュール毎に送信偏波を水平偏波又は垂直偏波に切替可能であって、水平偏波と垂直偏波との２つの偏波で同時に受信可能な垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナで構成している。また、前記制御系２５が、送信時に前記フェーズドアレイアンテナをエレベーション方向に電気的に分割して、その一方を水平偏波送信、残りを垂直偏波送信にそれぞれ設定し、受信時に水平偏波と垂直偏波との２偏波同時受信に設定している。また、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４が、前記アンテナ部１・電気回路部２により送受信され前記ＳＡＲ画像再生装置３により各々画像化された複素データである水平偏波受信データと垂直偏波受信データとをターゲットベクトルとして取扱い、フルポラリメトリのターゲットベクトルの共分散行列に相当する演算結果を得ることでコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理を行う構成としたものである。
【００１９】
制御系２５が、前記フェーズドアレイアンテナ１の送受信モジュールの位相設定を、ビーム指向の制御に必要な設定とすることで直線偏波送信（特に４５度直線偏波）の制御を行い、前記ビーム指向の制御に必要な設定に加えて水平偏波送信の送受信モジュールと垂直偏波送信の送受信モジュールとで位相をずらす（特にπ／２（９０度））ことで円偏波送信の制御を行う構成としてもよいものである。
【００２０】
コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４が図２に示すように、水平偏波・垂直偏波同時送信の下でのコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理について観測幅内のレンジ方向位置に応じて相対位相に対応した処理を行う、共分散行列演算部４ａと、ルック角・相対位相演算部４ｂと、収束演算部４ｃとを含み、
共分散行列演算部４ａが、複素データである水平偏波受信データと垂直偏波受信データとをターゲットベクトルとして取扱い、前記ターゲットベクトルについて、近接ピクセルの空間平均により、共分散行列のデータを求め、
ルック角・相対位相演算部４ｂが、幾何学的な関係に基づいて画像の観測位置におけるルック角を求め、その求めたルック角に基づいて水平偏波と垂直偏波との相対位相を求め、
収束演算部４ｃが、前記共分散行列のデータと前記水平偏波と垂直偏波との相対位相のデータに基づいてフルポラリメトリのターゲットベクトルの共分散行列に相当する演算結果を出力する構成としてもよいものである。
【００２１】
なお、上述した電気回路２の制御系２５及びコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４とをハードウェアとして構築したが、制御系２５及びコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４が実行する上述した機能をソフトウェアとして構築し、これをコンピュータに実行させるプログラムとして構築してもよいものである。
【００２２】
次に、具体例を用いて本発明の実施形態を更に詳細に説明する。
【００２３】
本発明の実施形態に係る合成開口レーダは、その基本的構成が図１に示すように、アンテナ部１と、電気回路部２の制御系２５と、サンプリングデータからＳＡＲ画像データを再生するＳＡＲ画像再生装置３と、ＳＡＲ画像データからコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ画像データを生成するコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４とを有しているが、図２に基づいて、アンテナ部１と、電気回路部２と、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４との具体的な構成について説明する。なお、ＳＡＲ画像再生装置３は、汎用の構成のものを用いている。ＳＡＲ画像再生装置３は、図２に示す受信系２３，２４が出力するサンプリングデータに基づいてＳＡＲ画像データを再生することが可能な構成であればよく、本発明の実施形態に係る特徴がＳＡＲ画像再生装置３にないため、その詳細を省略している。
【００２４】
電気回路部２は図２に示すように、送信信号を生成しアンテナ部１に出力する１系統の送信系２２と、アンテナ部１からの２偏波の受信信号を各々受信・サンプリングを行う２系統の受信系２３及び２４と、全体の制御を行う制御系２５より構成される。
【００２５】
アンテナ部１は、複数の送受信モジュール（ＴＲＭ）１１と、各送受信モジュール１１に接続されたＶ偏波放射素子１２及びＨ偏波放射素子１３と、各送受信モジュール１１と電気回路部２との間で送信信号の分配と受信信号の合成とを行う分合波器１４とより構成される。
【００２６】
各送受信モジュール１１には、Ｖ偏波放射素子１２とＨ偏波放射素子１３とが共に接続されており、Ｖ偏波放射素子１２又はＨ偏波放射素子１３のいずれかに対し送信信号を出力すると共に、Ｖ偏波放射素子１２とＨ偏波放射素子１３との両方の信号を各々受信することが可能である。
【００２７】
送受信モジュール１１は図４に示すように、送信と受信、偏波毎に位相を変更可能な移相器１１ｄ，１１ｊと、ＬＮＡ１１ｂ，１１ｈと、ＨＰＡ１１ｆと、スイッチ１１ｃ，１１ｅと、サーキュレータ１１ａ，１１ｇ等を含む一般的な構成のものである。送受信モジュール１１による送信は、１パルスではＶ偏波放射素子１２又はＨ偏波放射素子１３のいずれか一方のみに送信可能な(同時に送信する必要がない)一般的な構成である。また、送受信モジュール１１による受信は、Ｖ偏波放射素子１２又はＨ偏波放射素子１３から別々に同時に受信可能である。
【００２８】
図２に示す制御系２５が、電気回路部２の全体の制御を行う他に、フェーズドアレイアンテナ１の送受信モジュールの位相設定を、ビーム指向の制御に必要な設定とすることで直線偏波送信（特に４５度直線偏波）の制御を行い、前記ビーム指向の制御に必要な設定に加えて水平偏波送信の送受信モジュールと垂直偏波送信の送受信モジュールとで位相をずらす（特にπ／２（９０度））ことで円偏波送信の制御を行う。なお、上述した電気回路２の制御系２５をハードウェアとして構築したが、制御系２５が実行する上述した機能をソフトウェアとして構築し、これをコンピュータに実行させるプログラムとして構築してもよいものである。
【００２９】
図２に示すコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４が、水平偏波・垂直偏波同時送信の下でのコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理について観測幅内のレンジ方向位置に応じて相対位相に対応した処理を行う、共分散行列演算部４ａと、ルック角・相対位相演算部４ｂと、収束演算部４ｃとを含んでいる。共分散行列演算部４ａが、複素データである水平偏波受信データと垂直偏波受信データとをターゲットベクトルとして取扱い、前記ターゲットベクトルについて、近接ピクセルの空間平均により、共分散行列のデータを求める。ルック角・相対位相演算部４ｂが、幾何学的な関係に基づいて画像の観測位置におけるルック角を求め、その求めたルック角に基づいて水平偏波と垂直偏波との相対位相を求める。収束演算部４ｃが、前記共分散行列のデータと前記水平偏波と垂直偏波との相対位相のデータに基づいてフルポラリメトリのターゲットベクトルの共分散行列に相当する演算結果を出力する。なお、上述したコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４をハードウェアとして構築したが、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４が実行する上述した機能をソフトウェアとして構築し、これをコンピュータに実行させるプログラムとして構築してもよいものである。
【００３０】
次に、図２に示す本発明の実施形態に係る合成開口レーダを用いて、ポラリメトリＳＡＲ処理方法を実施する場合を説明する。
【００３１】
図３は、フェーズドアレイアンテナ１を正面方向から見た図であり、アンテナの送受信モジュールの偏波・位相の設定を示している。図３において、横方向がアジマス（Ａｚ）方向であり、上下方向がエレベーション(ＥＬ)方向を示している。図３の例では、フェーズドアレイアンテナ１のアンテナ面を２分割し、その上半分では送信をＶ偏波／０度、受信をＨ＋Ｖ偏波／０度に設定し、下半分では送信をＨ偏波／＋０度又は−９０度又は＋９０度、受信をＨ＋Ｖ偏波／＋０度に設定している。
【００３２】
図７は、本実施形態におけるアンテナ面の偏波・位相設定を示すものであり、フェーズドアレイアンテナ１の複数のＨ偏波素子１２と複数のＶ偏波素子１３とがアンテナ面を形成している。図６の下方向が真下方向であり、角度βの方向がアンテナ法線方向であり、角度αの方向にアンテナ面からビームが放射される（ビーム方向）。図６において、斜めのアンテナ面に沿う方向がエレベーション方向（ＥＬ）である。
【００３３】
図７での「Ｎｏ」の欄に記載したＮｏ．１〜２Ｎは各送受信モジュール１１に対応する各偏波素子１２，１３の番号を示している。また、「送信偏波」は、図３に示すアンテナ面をエレベーション(ＥＬ)方向に２分割していることを示している。具体的には、送受信モジュール１１の複数の素子１２，１３によるアンテナ面が、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．Ｎまでの素子で形成される上半分のアンテナ面と、Ｎｏ．Ｎ＋１〜Ｎｏ．２Ｎまでの素子で形成される下半分のアンテナ面に２分割され、その上半分のアンテナ面を使ってＶ偏波での送信を行い、下半分のアンテナ面を使ってＨ偏波での送信を行う。なお、図７には、４５度直線偏波送信、左旋円偏波送信、右旋円偏波送信に場合分けして、送信偏波、送信位相を記載しており、さらに受信での受信偏波と受信位相を追加して記載している。
【００３４】
フェーズドアレイアンテナ１のアンテナ面を使って受信する場合には、全ての送受信モジュール１１とも、Ｈ偏波とＶ偏波とを同時に受信する。
【００３５】
本実施形態における送信時の信号経路が図５に示すような太い矢印で示す経路であり、受信時の信号経路が図６に示すような太い矢印で示す経路である。
【００３６】
また、電気回路部２の制御系２５は、同時受信する際における光受信モジュール１１の位相設定を、所定のビーム走査の角度に必要な位相φ（ｉ）に設定する。前記位相φ（ｉ）を式（１）に示す。式（１）において、位相φ（ｉ）は送受信モジュール１１の番号ｉに相当する位相を示し、ｄは番号ｉの送受信モジュール１１とこれに隣接する更新モジュール１１とにおける素子間隔を示し、λは波長を示し、βは図７でのアンテナ法線方向を示し、αはアンテナ面に対するビーム方向を示している。
φ（ｉ）＝ −｛２π×ｉ×ｄ×ｓｉｎ（β−α）｝／λ  ・・・・・（１）
【００３７】
また、電気回路部２の制御系２５は、送信する際における光受信モジュール１１の位相設定を行う場合、式（１）に示す位相φ（ｉ）に加えて、アンテナ面での下半分のみ、０ラジアン、＋π／２ラジアン（９０度）又は−π／２ラジアン（−９０度）を加算して、送信時の送受信モジュールの位相設定を行う。なお、逆に、アンテナ面での上半分のみ、０ラジアン、＋π／２ラジアン（９０度）又は−π／２ラジアン（−９０度）を加算して、送信時の送受信モジュールの位相設定を行うようにしてもよいものである。
【００３８】
上述した制御系２５の制御により、アンテナ面全体では、上半分からはＶ偏波で、下半分からは０又はπ／２ラジアン遅れた（又は進んだ）位相でＨ偏波での送信が行われ、全体として４５度直線偏波又は円偏波で送信されることになる。受信はＨ偏波とＶ偏波との両方を複数の送受信モジュール１１で同時に受信することで、コンパクト・ポラリメトリを実現する。なお、実際に送受信モジュール１１に設定する位相は、上記位相を２πラジアンで割った余り(０〜２πラジアン)である。
【００３９】
ただし、この場合、完全に４５度直線偏波又は円偏波となるのは、図７に示すビーム方向(ビーム指向の中心)のみである。水平偏波と垂直偏波との相対位相は、観測幅内のレンジ方向位置により異なり、楕円偏波となる。
【００４０】
図８において、アンテナ面から放射されたビームで地表の地表位置Ａ点を観測した際におけるアンテナ面の真下方向に対する地表位置Ａ点の角度をルック角γとすると、ルック角γに対応する地表位置Ａにおける水平偏波と垂直偏波の相対位相δφは式（２）である。４５度直線偏波送信設定時の相対位相δφを式（２ａ）、左旋回円偏波送信設定時の相対位相δφを式（２ｂ）、右旋回円偏波送信設定時の相対位相δφを式（２ｃ）としてそれぞれ示す。
４５度直線偏波送信設定時の相対位相δφ
δφ = ２π×N×ｄ／λ×(ｓｉｎ(β−γ)−ｓｉｎ(β−α))  ・・・・・・（２ａ）
左旋円偏波送信設定時の相対位相δφ
δφ = ２π×N×ｄ／λ×(ｓｉｎ(β−γ) −ｓｉｎ(β−α)) ＋π／２・・（２ｂ）
右旋円偏波送信設定時の相対位相δφ
δφ = ２π×N×ｄ／λ×(ｓｉｎ(β−γ) −ｓｉｎ(β−α)) −π／２・・（２ｃ）
【００４１】
図８では、４５度直線偏波送信設定時、左旋円偏波送信設定時及び右旋円偏波送信設定時と、Ａ点における水平偏波と垂直偏波との相対位相との関係を対応して記載している。
【００４２】
コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４は、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理を、図８に示す地表の観測幅内のレンジ方向位置に応じて式（２ａ），（２ｂ），（２ｃ）に示す相対位相δφに対応して行う。４５度直線偏波(δφ=0)の場合のコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理は、例えば、非特許文献１に示されているが、本実施形態でのコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理では、図８に示す地表の観測幅内の位置により相対位相δφが変化する楕円偏波であるため、相対位相δφに対応した処理を行う。
【００４３】
コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４による処理を図９に基づいて具体的に説明する。コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４の共分散演算部４ａは、ＳＡＲ画像再生装置３が出力するデータを入力する（図９のステップＳ１）。ＳＡＲ画像再生装置３が出力するデータはＳＡＲ画像データである。前記ＳＡＲ画像の各ピクセルは、水平偏波受信と垂直偏波受信との２つのデータｋφＨ及びｋφＶより構成される。２つのデータｋφＨ及びｋφＶは、それぞれ複素データである。両偏波データをベクトルとして扱ったのが、ターゲットベクトルｋφであり、式（３）で定義する。
【数３】
0005040549.tif 000002
【００４４】
共分散演算部４ａは、式（３）で定義したターゲットベクトルｋφについて、近傍ピクセルの空間平均により、式（４）により、共分散行列を求める（図９のステップＳ２）。
【数４】
0005040549.tif 000003
式（４）において、右上付き*は複素共約を、演算子<・>は近傍ピクセルの空間平均を示す。
【００４５】
コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４のルック角・相対位相演算部４ｂは、図８に示す幾何的な関係から、画像の地表位置Ａ点におけるルック角γを求める。さらにルック角・相対位相演算部４ｂは、求めたγから、式（２）（式（２ａ），（２ｂ），（２ｃ））に基づき、水平偏波と垂直偏波との相対位相δφを求める（図９のステップＳ３）。
【００４６】
次に、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４の収束演算部４ｃは、共分散演算部４ａが求めた共分散行列（式（４））と、ルック角・相対位相演算部４ｂが求めた相対位相δφ（図８）とを元に、式（５）〜（９）の収束演算によって、Ｈ，Ｖ，Ｘ，Ｐをそれぞれ計算する（図９のステップＳ４，Ｓ５）。
【００４７】
具体的に説明すると、収束演算部４ｃは、初期値として交差偏波データの分散Ｘ＝０を置いて、まず、式（５）より｜ρＨ−Ｖ｜の値を計算する。その｜ρＨ−Ｖ｜の値を式（６）に代入して、交差偏波データの分散Ｘの値を計算する。収束演算部４は、計算した交差偏波データの分散Ｘの値を再び式（５）に代入することを繰り返し、｜ρＨ−Ｖ｜と交差偏波データの分散Ｘとを収束させる。
【数５】
0005040549.tif 000004
【数６】
0005040549.tif 000005
【００４８】
次に、収束演算部４ｃは、収束した前記交差偏波データの分散Ｘの値を式（７）〜（９）に代入することで、水平−水平偏波データの分散Ｈ，垂直−垂直偏波データの分散Ｖ，水平―水平偏波のデータと垂直−垂直偏波データとの共分散Ｐを求め、その求めたＨ，Ｖ，Ｘ，Ｐを式（１１）に代入することで、フルポラリメトリの式（１０）に示すターゲットベクトルｋＦＰの共分散行列（式（１１））に相当する演算結果を得る（図９のステップＳ６）。なお、式（１０）のｈ，ｘ，ｖは、フルポラリメトリの水平−水平偏波（ＨＨ）データ、垂直−垂直（ＶＶ）データ、交差偏波データ（ＨＶ）に相当する。
【数７】
0005040549.tif 000006
【数８】
0005040549.tif 000007
【数９】
0005040549.tif 000008
【数１０】
0005040549.tif 000009
【数１１】
0005040549.tif 000010
【００４９】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、汎用型の垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナを用いてコンパクト・ポラリメトリＳＡＲを実現することができる。したがって、円偏波送信素子や４５度直線偏波送信素子を使用する必要がなく、また、位相中心を共用する水平偏波素子と垂直偏波素子とに同時に送信給電する必要がなく、簡単なアンテナ構成でコンパクト・ポラリメトリＳＡＲを実現する効果がある。
【００５０】
また、汎用型の垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナを使用するため、コンパクト・ポラリメトリＳＡＲだけでなく、フルポラリメトリＳＡＲや、水平−水平（ＨＨ）や垂直−垂直（ＶＶ）等の単偏波を用いたＳＡＲでも運用できる。
【００５１】
また、フェーズドアレイアンテナの送信アンテナ面をエレベーション方向に分割しているため、送信のエレベーション方向ビーム幅は受信のビーム幅の約２倍となるが、送受信の合成ビーム幅が狭い受信ビーム幅とほぼ同じであり、信号対虚像比等の性能は大きく損なわれない効果がある。
【００５２】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
【００５３】
図１及び図２では、アンテナ面をエレベーション方向に分割した上半分をＶ偏波送信、下半分をＨ偏波送信としたが、逆に、分割したアンテナ面の上半分を使ってＨ偏波での送信、下半分を使ってＶ偏波での送信を行うようにしてもよいものである。また、図３に示す付加位相についても、逆でも良い。さらに、図３に示す付加位相は、必ずしも０度や±９０度でなくても良い。この場合は、図８に示す水平偏波と垂直偏波の相対位相δφに付加位相分を追加することで実現できる。
【００５４】
また、図２に示す例では、Ｈ偏波放射素子とＶ偏波放射素子とが同じ送受信モジュール１１に接続される構成となっているが、別々の送受信モジュール１１に接続される構成でも良い。また、図４に示す送受信モジュールの構成は一例であり、送信と受信、偏波毎に位相を変更できる機能があれば、他の構成でも良い。
【００５５】
また、各送受信モジュールは１偏波のみを受信する構成として、図１０に示すように、フェーズドアレイアンテナ１のアンテナ面をエレベーション方向（ＥＬ）とアジマス方向（Ａｚ）にそれぞれ２分割し、その上半分の左側での送信をＶ偏波／＋０度、受信をＨ偏波／＋０度に設定し、上半分の右側での送信をＶ偏波／＋０度、受信をＶ偏波／＋０度に設定し、その下半分の左側での送信をＨ偏波／＋０度又は±９０度、受信をＨ偏波／＋０度に設定し、下半分の右側での送信をＨ偏波／＋０度又は±９０度、受信をＶ偏波／＋０度に設定してもよいものである。なお、図１０において、左側と右側との送信及び受信の偏波と付加位相との関係を逆にしてもよいものである。
【００５６】
また、図１２に示すように、送受信モジュール１１が、送受信にそれぞれ共用する、移相器１１ｒと、ＬＮＡ１１ｎと、ＨＰＡ１１ｐと、スイッチ１１ｋ，１１ｑと、サーキュレータ１１ｍとにより構成されている。図１２に示す送受信モジュール１１は、Ｈ偏波とＶ偏波とを同時に受信する構成に代えて、パルス毎にＨ偏波とＶ偏波とを交互に受信するように構成してある。この場合、図１１に示すように、Ｈ偏波で受信する際には、アンテナ面を分割した上半分での送信をＶ偏波／＋０度、受信をＨ偏波／＋０度に設定し、その下半分での送信をＨ偏波／＋０度又は−９０度又は＋９０度、受信をＨ偏波／＋０度に設定し、Ｖ偏波で受信する際には、アンテナ面を分割した上半分での送信をＶ偏波／＋０度、受信をＶ偏波／＋０度に設定し、その下半分での送信をＨ偏波／＋０度又は−９０度又は＋９０度、受信をＶ偏波／＋０度に設定し、これらをパルス毎に切り替える。
【００５７】
図１１及び図１２に示す例では、受信偏波を交互に切り替えるため、パルス繰り返し周期を速くする必要があり、観測幅が制限されるが、送受信モジュール１１・電気回路部２共に、受信系が１系統のみで良いため、全体構成を簡略化・軽量化できる効果がある。
【００５８】
また、図７の実施形態では、ビーム指向制御分の位相設定を理想的な設定としているが、成形アンテナパターンを考慮した位相設定としても良い。また、図７では、エレベーション方向にのみビーム指向を走査する構成としているが、エレベーション方向（ＥＬ）及びアジマス方向（Ａｚ）の２方向にビーム指向を走査する設定としても良い。
【００５９】
また、図１及び図３に示す例では、送信偏波・位相をエレベーション方向に分割しているが、アジマス(Ａｚ)方向に分割しても良い。また、図２では、ＳＡＲ画像再生装置３とコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置４とが別々の装置であるが、一台のコンピュータに対応する処理ソフトウェアを搭載しても良い。また、図２におけるＶ偏波放射素子とＨ偏波放射素子との送受信モジュール１１に対する接続関係は逆であってもよいものである。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明によれば、汎用型の垂直・水平偏波共用フェーズドアレイアンテナを用いてコンパクト・ポラリメトリＳＡＲを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係る合成開口レーダの基本的構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る合成開口レーダの具体的な一例を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態において、フェーズドアレイアンテナの偏波及び付加位相の設定の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態における送受信モジュールの具体的な一例を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施形態における送信時の信号経路を示す図である。
【図６】本発明の実施形態における受信時の信号経路を示す図である。
【図７】本発明の実施形態におけるアンテナ面の偏波・位相設定の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態における水平偏波と垂直偏波との相対位相の関係を示す図である。
【図９】本発明の実施形態におけるコンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態において、フェーズドアレイアンテナの偏波及び付加位相の設定の他の例を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態において、受信偏波を交互に切り替える設定を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態において、単偏波受信の例を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  アンテナ部（フェーズドアレイアンテナ）
２  電気回路部
３  ＳＡＲ画像再生装置
４  コンパクト・ポラリメトリＳＡＲ処理装置
１１  送受信モジュール
１２  Ｖ偏波放射素子
１３  Ｈ偏波放射素子
２５  制御系
【図１】
0005040549.tif 000035
【図２】
0005040549.tif 000036
【図３】
0005040549.tif 000037
【図４】
0005040549.tif 000038
【図５】
0005040549.tif 000039
【図６】
0005040549.tif 000040
【図７】
0005040549.tif 000041
【図８】
0005040549.tif 000042
【図９】
0005040549.tif 000043
【図１０】
0005040549.tif 000044
【図１１】
0005040549.tif 000045
【図１２】
0005040549.tif 000046