JP2011169869A

JP2011169869A - レーダ信号処理装置

Info

Publication number: JP2011169869A
Application number: JP2010036403A
Authority: JP
Inventors: Nariyoshi Takase; 成宜高瀬
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】合成開口時間が長くなった場合でも、分解能劣化等のない画像を生成するレーダ信号処理装置を得る。
【解決手段】レーダ装置の移動経路及び観測点の座標に基づき、アジマス参照関数を算出するアジマス参照関数算出部７と、受信信号をアジマス方向に分割するアジマス方向分割部１と、分割された受信信号に対して、アジマス方向にフーリエ変換を施すことにより、アジマスフーリエ変換後受信信号を生成するアジマスフーリエ変換部２と、前記アジマスフーリエ変換後受信信号に、算出されたアジマス参照関数を乗じることにより、位相補償後受信信号を生成する参照関数乗算部３と、前記位相補償後受信信号にアジマス方向逆フーリエ変換を施すことにより、分割画像を生成するアジマス逆フーリエ変換部５と、前記分割画像を合成することにより高分解能画像を生成するアジマス結合部６とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーダ装置からの受信信号に対して、移動方向と平行な方向の分解能を向上する信号処理を行うことにより観測領域の画像を得るレーダ信号処理装置に関するものである。

合成開口レーダ（ＳＡＲ：Synthetic Aperture Radar）は、航空機や衛星などの移動体に搭載され、地表面を観測するレーダである。移動中に受信した受信信号に信号処理を施すことにより角度分解能を向上し、観測対象となる地表面の画像を得ることが可能である。

サブアパーチャ法は合成開口レーダ（ＳＡＲ）による画像再生アルゴリズムの１つであり、スポットライト観測や、スライディングスポットライト観測のような、受信データにおける全ドップラ帯域がパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）よりも大きい観測データを処理するためのアルゴリズムである。

このサブアパーチャ法は、ドイツ航空宇宙センターが開発した商用衛星ＴｅｒｒａＳＡＲ−Ｘの再生処理として用いられており、例えば非特許文献１にその手法が説明されている。

サブアパーチャ法の特徴は、ドップラ帯域がＰＲＦを超えない範囲（サブアパーチャ）に受信データを分割した後、各サブアパーチャ単位で再生処理を行い、最終段でスペクトル解析法（ＳＰＥＣＡＮ：Spectral Analysis）を利用して各サブアパーチャを合成して、高分解能な画像を形成することである。

サブアパーチャ法では、再生処理にチャープスケーリングアルゴリズム（ＣＳＡ：Chirp Scaling Algorithm）が用いられている。このＣＳＡでの処理では、プラットフォームの軌道は等速直線運動であることを前提としており、観測点とレーダ間のスラントレンジＲ［η］が、次の式（１）のような双曲線型になることを前提としている。

ここで、Ｒ_０はレーダまでの最近接距離、ηは最近接距離となる時間を基準としたアジマス時刻、Ｖ_ｒはプラットフォームの速度を表す。このとき、アジマス周波数領域（ドップラ周波数領域）におけるアジマス圧縮時の参照関数Ｈ_ａｚは、次の式（２）で行っている。

J. Mittermayer et al.,: "Spotlight SAR Data Processing Using the Frequency Scaling Algorithm", IEEE Trans. on Geosc. and Remote Sensing, Vol.37, No.5, pp. 2198-2214, Sept. 1999.

式（２）のアジマス参照関数は、式（１）が成り立つことが前提となっている。このアルゴリズムは、これまで、送信周波数の高い航空機搭載ＳＡＲや衛星搭載ＳＡＲのような、式（１）の観測点とレーダ間のスラントレンジが双曲線型となる合成開口長の短い環境で用いられてきた。ところが、アジマス分解能は送信周波数とおよそ反比例の関係となるため、低送信周波数ＳＡＲの場合、同じアジマス分解能を得るためには合成開口時間を大きくとる必要がある。合成開口時間を大きくとる場合、衛星環境では軌道が曲線形であるためにスラントレンジ軌跡が双曲線型から外れ、式（２）によるアジマス圧縮処理では分解能劣化や、サイドローブ特性劣化を引き起こすという問題点があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、合成開口時間が長くなった場合にも、適切なアジマス圧縮処理を行うことにより、分解能劣化やサイドローブ特性劣化のない画像を生成することができるレーダ信号処理装置を得ることを目的とする。

本発明に係るレーダ信号処理装置は、レーダ装置の移動経路及び観測対象領域内の観測点の座標に基づいて、アジマス参照関数を算出するアジマス参照関数算出部と、受信信号をアジマス方向に分割するアジマス方向分割部と、前記アジマス方向分割部によって分割された受信信号に対して、アジマス方向にフーリエ変換を施すことにより、アジマスフーリエ変換後受信信号を生成する第１のアジマスフーリエ変換部と、前記アジマスフーリエ変換後受信信号に、前記アジマス参照関数算出部によって算出されたアジマス参照関数を乗じることにより、位相補償後受信信号を生成する参照関数乗算部と、前記位相補償後受信信号にアジマス方向逆フーリエ変換を施すことにより、分割画像を生成するアジマス逆フーリエ変換部と、前記分割画像を合成することにより高分解能画像を生成するアジマス結合部とを備えるものである。

本発明に係るレーダ信号処理装置によれば、合成開口時間が長くなった場合にも、適切なアジマス圧縮処理を行うことにより、分解能劣化やサイドローブ特性劣化のない画像を生成することができる。

この発明の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置のスラントレンジ軌跡算出部の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置のサブアパーチャ法の概要を説明するための図である。この発明の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置のアジマス参照信号の範囲を示す図である。この発明の実施の形態２に係るレーダ信号処理装置のアジマス参照関数算出部の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２に係るレーダ信号処理装置のアジマス参照信号の範囲を示す図である。

以下、本発明のレーダ信号処理装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置について図１から図４までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置の構成を示すブロック図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この発明の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置は、アジマス方向分割部１と、アジマスフーリエ変換部２と、参照関数乗算部３と、アジマススケーリング部４と、アジマス逆フーリエ変換部５と、アジマス結合部６と、アジマス参照関数算出部７とが設けられている。

また、アジマス参照関数算出部７は、スラントレンジ軌跡算出部７１と、アジマス参照信号算出部７２と、アジマス範囲設定部７３と、アジマスフーリエ変換部７４とが設けられている。

図２は、この発明の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置のスラントレンジ軌跡算出部の構成を示すブロック図である。

図２において、スラントレンジ軌跡算出部７１は、地上観測点設定部７１１と、多項式近似係数算出部７１２と、多項式近似係数保存部７１３と、スラントレンジ軌跡復元部７１４とが設けられている。

つぎに、この実施の形態１に係るレーダ信号処理装置の動作について図面を参照しながら説明する。

図３は、この発明の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置のサブアパーチャ法の概要を説明するための図である。また、図４は、この発明の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置のアジマス参照信号の範囲を示す図である。

一般に、合成開口レーダ（ＳＡＲ）は、レンジ方向とアジマス方向の両方を高分解能化する信号処理が行われる。しかし、本発明の実施の形態１はアジマス方向を高分解能化する信号処理に関するものであるため、レンジ方向の高分解能化処理、具体的にはパルス圧縮処理については特に説明しない。実際には、一般的に知られている手法を用いればよい。

この実施の形態１に係るレーダ信号処理装置は、移動しながら観測領域へ波動を照射するとともに、観測領域で散乱された波動を受信するレーダ装置において、その受信信号に対して、移動方向と平行な方向の分解能を向上する信号処理を行うことにより観測領域の画像を得るもので、アジマス参照関数の算出をアジマス参照関数算出部７で行う以外は、従来のサブアパーチャ法と同様の信号処理を行う。

まず、アジマス方向分割部１では、受信信号を図３（ｂ）に示すようにアジマス方向で分割する。図３に示すように、受信信号のドップラ周波数はアジマス時間の経過とともに変化し、観測時間全体としては広いドップラ周波数帯域を持ち、パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）よりも広帯域となる。しかし、アジマス方向の分割により、各分割のドップラ周波数帯域はＰＲＦを超えないようにする。

アジマスフーリエ変換部２では、分割開口毎にアジマス方向のフーリエ変換を行う。そして、参照関数乗算部３では、アジマス参照関数算出部７で算出されたアジマス参照関数をアジマスフーリエ変換後の受信信号に乗算する。

アジマススケーリング部４では、アジマススケーリングに必要な位相補償を施し、アジマス逆フーリエ変換部５では、逆フーリエ変換を施すことにより、分割開口毎の低分解能な画像を生成する。

さらに、アジマス結合部６では、分割開口毎に得られた低分解能な画像を合成することにより、一つの高分解能な画像を生成する。先の非特許文献１では、スペクトル解析法（ＳＰＥＣＡＮ）を利用して合成を行っている。

本発明の実施の形態１と従来技術の相違は、レーダの照射方向と姿勢から求めた地上観測点と軌道から算出したスラントレンジＲ［η］から、直にアジマス参照関数を導出してアジマス圧縮処理に用いることである。こうすることで、真のドップラ変化に適合したアジマス参照関数を作成することができるため、分解能劣化や、サイドローブ特性劣化を抑制することができる。

アジマス参照関数算出部７における参照関数作成の手順は以下の通りである。

アジマス圧縮時に使用する参照関数（マッチドフィルタ）は、アジマス周波数軸におけるドップラ変化による位相変調である。そこで、スラントレンジ軌跡算出部７１では、レンジ時刻τにあるターゲットのスラントレンジ軌跡Ｒ［τ，η］を作成する。具体的な作成方法については後述する。

作成したスラントレンジ軌跡Ｒ［τ，η］を用いて、アジマス参照信号算出部７２では、式（３）によりアジマス参照信号ｈ［τ，η］を作成する。

このアジマス参照信号ｈ［τ，η］をアジマス範囲設定部７３で設定したアジマス幅だけ取り出し、アジマスフーリエ変換部７４でアジマス方向にフーリエ変換することで、アジマス周波数軸におけるドップラ変化による位相変調が得られ、これが次の式（４）で表すアジマス参照関数となる。

アジマス範囲設定部７３によるアジマス幅の設定方法について次に説明する。

サブアパーチャ法は、図３に示すように、アジマス方向にＰＲＦを元に開口分割した単位で再生処理を行う。このとき各サブアパーチャで必要となるアジマス参照関数幅は、サブアパーチャ内の受信信号内全体のドップラ幅を満足する必要が有るため、図４のようにサブアパーチャ幅Ｔ＿ｓｕｂよりも広い時間幅Ｔ＿ｒｅｆのスラントレンジ変化が必要となる。そこで、時間幅Ｔ＿ｒｅｆのアジマス幅をアジマス範囲設定部７３で設定する。

参照関数乗算部３では、アジマス圧縮処理として、アジマス周波数軸上で受信信号に参照関数を乗算する。アジマス圧縮直前の画像データのアジマス方向の周波数刻みは１／Ｔ＿ｓｕｂとなる。ところが、時間幅Ｔ＿ｒｅｆでアジマス参照関数を作成すると、１／Ｔ＿ｒｅｆの刻みの参照関数となる。そこで、１／Ｔ＿ｓｕｂの刻みに合せるために、参照関数に補間処理を施し、１／Ｔ＿ｓｕｂ刻みのアジマス参照関数の値を得る。

スラントレンジ軌跡算出部７１では、レンジ時刻τにある観測点のスラントレンジ軌跡Ｒ［τ，η］をレンジ毎に求める。

スラントレンジ軌跡算出部７１は、以下のような手順でスラントレンジ軌跡の算出を行う。

（１）地上観測点設定部７１１では、観測中心時刻におけるビーム中心方向の地上観測点を求める。求める観測点はレンジ方向のビーム照射範囲程度とし、およそ等オフナディア角間隔で複数点算出する。

（２）多項式近似係数算出部７１２では、地上観測点設定部７１１で設定した各観測点位置と軌道情報により得られるヒット毎のレーダ装置位置からスラントレンジ軌跡Ｒ_ｍ［η］を算出し、アジマス時刻とスラントレンジの関係を最小二乗法により多項式近似の係数（ａ_ｎ，ｍ，ａ_{ｎ−１，ｍ}，…，ａ_０，ｍ）を算出する。

（３）さらに、多項式近似係数算出部７１２では、求めたスラントレンジ軌跡の多項式近似係数（４次近似なら５個）について、同じ次元の係数毎に観測点までのスラントレンジＲ_０との関係を最小二乗法により多項式近似の係数（Ｃ_ｎ，ｍ，Ｃ_{ｎ−１，ｍ}，…，Ｃ_０，ｍ）を算出する。レンジによる係数の変化は大きくないので、近似は２次で十分である。ただし、再生処理中のＲＣＭＣ（Range Cell Migration Compensation）処理においてどのレンジへマイグレーション補正するか（０ドップラレンジか、観測中心レンジか）に応じて、係数算出に用いる観測点までのスラントレンジを合わせる必要がある。

再生処理においては、（１）−（３）の係数算出を事前に行い、多項式近似係数保存部７１３に保存しておく。そして、アジマス参照関数の作成時において、スラントレンジ軌跡復元部７１４でレンジ毎にスラントレンジ軌跡を復元する。

なお、以上の説明では、レーダ装置は電波を送受信するものとしたが、本発明の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置は、レーダ装置が送受信する波動の種類は特に問わない。例えば、音波やレーザ光を用いたレーダ装置でも同様に適用可能である。

本実施の形態１に係るレーダ信号処理装置によれば、参照関数をスラントレンジ軌跡から導出したものを用いることにより、合成開口時間が長くなった場合にも、適切なアジマス圧縮処理を行うことにより、分解能劣化やサイドローブ特性劣化のない画像を生成することが可能になる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るレーダ信号処理装置について図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態２に係るレーダ信号処理装置のアジマス参照関数算出部の構成を示すブロック図である。また、図６は、この発明の実施の形態２に係るレーダ信号処理装置のアジマス参照信号の範囲を示す図である。

上記の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置では、アジマス圧縮直前の画像データのアジマス方向の周波数刻みは１／Ｔ＿ｓｕｂとなる。ところが、必要な分のスラントレンジ幅Ｔ＿ｒｅｆでアジマス参照関数を作成すると、刻み１／Ｔ＿ｒｅｆの参照関数となる。そのため、１／Ｔ＿ｓｕｂの刻みに合せるために補間処理が必要となる。そこで、この実施の形態２では、参照関数の刻みを合せる処理を効率化する。

この実施の形態２に係るレーダ信号処理装置は、上記の実施の形態１に係るレーダ信号処理装置と比較して、アジマス参照関数算出部７Ａの構成が異なるだけで、その他の部分は同じ構成を持つ。

図５において、アジマス参照関数算出部７Ａは、スラントレンジ軌跡算出部７１と、アジマス参照信号算出部７２と、アジマス範囲設定部７３と、アジマスフーリエ変換部７４と、アジマス範囲拡張部７５と、アジマス参照関数間引き部７６とが設けられている。

アジマス範囲設定部７３では、アジマス参照関数として必要なアジマス幅Ｔ＿ｒｅｆを設定することは上記の実施の形態１と同じであるが、図５のアジマス参照関数算出部７Ａでは、アジマス範囲拡張部７５でアジマス幅を拡張する。

具体的には、サブアパーチャ幅Ｔ＿ｓｕｂの整数倍のアジマス参照関数幅Ｔ＿ｒｅｆ２＝Ｎ＊Ｔ＿ｓｕｂ分の領域を確保し、Ｔ＿ｒｅｆの領域外は０としてアジマス参照関数を作成する。これにより、アジマス参照関数の刻みは１／（Ｎ＊Ｔ＿ｓｕｂ）となる。

アジマス参照関数間引き部７６では、ＦＦＴ処理により得られた参照関数をＮ個ごとに間引く。これにより、アジマスフーリエ変換後の受信信号とアジマス参照関数のアジマス刻みが１／Ｔ＿ｓｕｂで一致するため、補間処理なく両者を乗算するだけで効率良くアジマス圧縮が可能になる。

１アジマス方向分割部、２アジマスフーリエ変換部、３参照関数乗算部、４アジマススケーリング部、５アジマス逆フーリエ変換部、６アジマス結合部、７アジマス参照関数算出部、７Ａアジマス参照関数算出部、７１スラントレンジ軌跡算出部、７２アジマス参照信号算出部、７３アジマス範囲設定部、７４アジマスフーリエ変換部、７５アジマス範囲拡張部、７６アジマス参照関数間引き部、７１１地上観測点設定部、７１２多項式近似係数算出部、７１３多項式近似係数保存部、７１４スラントレンジ軌跡復元部。

Claims

レーダ装置の移動経路及び観測対象領域内の観測点の座標に基づいて、アジマス参照関数を算出するアジマス参照関数算出部と、
受信信号をアジマス方向に分割するアジマス方向分割部と、
前記アジマス方向分割部によって分割された受信信号に対して、アジマス方向にフーリエ変換を施すことにより、アジマスフーリエ変換後受信信号を生成する第１のアジマスフーリエ変換部と、
前記アジマスフーリエ変換後受信信号に、前記アジマス参照関数算出部によって算出されたアジマス参照関数を乗じることにより、位相補償後受信信号を生成する参照関数乗算部と、
前記位相補償後受信信号にアジマス方向逆フーリエ変換を施すことにより、分割画像を生成するアジマス逆フーリエ変換部と、
前記分割画像を合成することにより高分解能画像を生成するアジマス結合部と
を備えたことを特徴とするレーダ信号処理装置。
前記アジマス参照関数算出部は、
レーダ装置の移動経路及び観測対象領域内の観測点の座標に基づいて、スラントレンジ軌跡を算出するスラントレンジ軌跡算出部と、
前記スラントレンジ軌跡により定まる位相を持つアジマス参照信号を算出するアジマス参照信号算出部と、
前記アジマス参照信号をアジマス方向にフーリエ変換することにより、アジマス参照関数を算出する第２のアジマスフーリエ変換部とを有する
ことを特徴とする請求項１記載のレーダ信号処理装置。
前記アジマス参照関数算出部は、
分割内の受信信号が有するドップラ周波数帯域と同じ周波数帯域をアジマス参照関数が保有するように、前記第２のアジマスフーリエ変換部に入力するアジマス参照信号のアジマス方向の幅を設定するアジマス範囲設定部をさらに有する
ことを特徴とする請求項２記載のレーダ信号処理装置。
前記アジマス参照関数算出部は、
前記アジマス範囲設定部によって設定されたアジマス方向の幅を拡張し、拡張範囲のアジマス参照信号に０を設定するアジマス範囲拡張部と、
前記第２のアジマスフーリエ変換部によって算出されたアジマス参照関数をアジマス方向に間引くアジマス参照関数間引き部とをさらに有する
ことを特徴とする請求項３記載のレーダ信号処理装置。
前記スラントレンジ軌跡算出部は、
観測中心時刻におけるビーム中心方向の地上観測点を設定する地上観測点設定部と、
レンジ時刻とアジマス時刻に関する関数でスラントレンジ軌跡を近似する多項式近似関数の係数を算出する多項式近似係数算出部と、
前記多項式近似関数の係数を保存する多項式近似係数保存部と、
アジマス参照関数の算出時において、レンジ毎にスラントレンジ軌跡を復元するスラントレンジ軌跡復元部とを含む
ことを特徴とする請求項２記載のレーダ信号処理装置。