JP2012093257A - レーダ画像処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】合成開口時間が長いことで大きなスクイント角での観測や、レンジの帯域幅が大きい観測でも、処理効率を低下させずに画像劣化のない高分解能な画像を生成するレーダ画像処理装置を得る。
【解決手段】レーダ画像処理装置は、レーダ装置の移動と送信波のレンジ帯域に基いて受信信号をアジマス方向に分割し、分割した受信信号にフーリエ変換をアジマス方向に施し、フーリエ変換を施した受信信号にパルス圧縮処理をレンジ方向に施し、レンジ方向に圧縮した受信信号にアジマス方向の参照関数を乗算してアジマス方向位相補償信号を生成し、アジマス方向位相補償信号にスケーリング処理をアジマス方向に施し、アジマス方向にスケーリング処理した受信信号にアジマス方向の逆フーリエ変換を施し、アジマス方向に逆フーリエ変換を施した受信信号を合成して高分解能画像を生成する。
【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画像処理装置に関するものである。

合成開口レーダ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄｅｒ：ＳＡＲ）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ー帯域がパルス繰り返し周波数（以下、「ＰＲＦ」と略記する）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。本法は、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いる（例えば、非特許文献１参照）。

本法の特徴は、ドップラー帯域が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（ＳＰＥＣｔｒａｌ ＡＮａｌｙｓｉｓ：ＳＰＥＣＡＮ）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。

スポットライトモードやスライディングスポットライトモードでは、地上ターゲットまたは回転中心へビーム中心を向けながら観測する。そのため、軌道に対して垂直なゼロドップラー方向とビームの送信方向（視線方向）でなす角であるスクイント角は連続的に変化し、通常、観測中心位置でゼロ近傍、観測開始／終了位置で最も大きなスクイント角をとる。サブアパーチャ法では、観測データを時間領域で分割したサブアパーチャ単位で再生処理を行うため、各サブアパーチャにおけるスクイント角は異なる。

サブアパーチャ法では、ドップラー帯域がＰＲＦを超えないサブアパーチャの範囲を決定する際、式（１）、（２）によりヒット毎に決定される観測の最大瞬時ドップラー周波数ｆ_{ｄｏｐ＿ｍａｘ}と最小瞬時ドップラー周波数ｆ_{ｄｏｐ＿ｍｉｎ}の差がＰＲＦとなるアジマス時刻範囲をサブアパーチャとしている。

ここで、ｆ_ｒは送信周波数、ｃは光速度、Ｖ_ｐはレーダの移動速度、Ｑ_ｓｑはレーダの移動方向に対して垂直な方向とビームの送信方向（視線方向）とでなす角であるスクイント角、θ_ａはアジマス方向のビーム幅を示す。

分割再生処理したサブアパーチャを結合する時に使用するスペクトル解析法（ＳＰＥＣＡＮ）は、入力信号のアジマス方向の位相が２次の変化（線形周波数変化）を持つ信号を前提としており、これにデランプ処理とフーリエ変換を施すことで周波数軸上に結像させる手法である。

そこでサブアパーチャ法では、分割した処理範囲ごとにレンジ・ドップラー領域でアジマス圧縮を行った信号に対し、式（３）に示すアジマススケーリング関数Ｈ_ａｓの複素乗算処理とアジマス逆フーリエ変換を全レンジに対して行うことで正確な２次の位相変化を持つ処理信号を作成し、ＳＰＥＣＡＮ処理によるサブアパーチャ結合の入力としている。

ここで、ｆ_{ｄｏｐ＿ｒａｔｅ}は観測時のドップラー周波数変化速度、ｆ_ａはアジマス周波数を示す。

このとき、式（３）のアジマススケーリング関数Ｈ_ａｓの乗算とアジマス逆フーリエ変換を行うことで時間領域に変換された信号の有効信号幅は、分割領域の受信信号が持つドップラー帯域をドップラー周波数変化速度で除した時間幅となる。

スクイント角がほぼ０近傍のサブアパーチャでは、受信信号のドップラー帯域幅は、サブアパーチャの時間幅とドップラー周波数変化速度の積で与えられる。そのため、再生処理後、アジマススケーリング関数で補償した後にアジマス逆フーリエ変換を行うと、有効信号幅は元の時間幅とほぼ同じ幅にスケーリングされる。

スクイント観測したサブアパーチャのドップラー帯域幅は、送信パルスの線形周波数変調（レンジ帯域）に伴うドップラー周波数変化分のドップラー帯域が拡大する。そのため、アジマス逆フーリエ変換後の有効信号幅はサブアパーチャの時間幅よりも大きくなる。

Ｊ．Ｍｉｔｔｅｒｍａｙｅｒ、他２名、Ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ ＳＡＲ Ｄａｔａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｃａｌｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ ＯＮ ＧＥＯＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＲＥＭＯＴＥ ＳＥＮＳＩＮＧ、Ｓｅｐｔ．１９９９、Ｖｏｌ．３７、Ｎｏ．５、ｐ．２１９８−２２１４

従来のサブアパーチャアルゴリズムでは、切り出したサブアパーチャ幅で再生処理するため、アジマス逆フーリエ変換後の処理信号では、レンジ帯域によるドップラー帯域の拡大は折り返しとして現れる。そこで、その折り返しが影響する領域は、隣り合うサブアパーチャのオーバーラップ分となるように分割処理を行い、分割再生処理後に折り返しが影響しない領域のみを切り出して結合していた。
ところが、スクイントが大きい観測や、レンジ帯域幅が大きい観測ほどドップラー帯域の拡大幅が大きくなるため、必要とするオーバーラップ領域が拡大し、処理効率が低下した。
また、瞬時ドップラー帯域幅に対してＰＲＦが十分大きくない場合、レンジ帯域によるドップラー帯域の拡大幅がサブアパーチャ幅より大きくなると折り返しが影響しない領域が消失し、サブアパーチャを結合できず、高分解能画像を作成できない問題が発生した。

この発明は、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、合成開口時間が長いことで大きなスクイント角での観測や、レンジの帯域幅が大きい観測でも、処理効率を低下させずに画像劣化のない高分解能な画像を生成するレーダ画像処理装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーダ画像処理装置は、レーダ装置の移動と送信波のレンジ帯域に基いて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、前記アジマス方向に分割された受信信号にフーリエ変換をアジマス方向に施して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と、前記アジマスフーリエ変換後受信信号にパルス圧縮処理をレンジ方向に施してレンジ方向圧縮受信信号を生成するレンジ方向圧縮部と、前記レンジ方向圧縮受信信号にアジマス方向の参照関数を乗算してアジマス方向位相補償信号を生成するアジマス参照関数乗算部と、前記アジマス方向位相補償信号にスケーリング処理をアジマス方向に施してアジマススケーリング後受信信号を生成するアジマススケーリング部と、前記アジマススケーリング後受信信号にアジマス方向の逆フーリエ変換を施してアジマス逆フーリエ変換後受信信号を生成するアジマス逆フーリエ変換部と、前記アジマス逆フーリエ変換後受信信号を合成して高分解能画像を生成するアジマス方向結合部とを備える。

この発明に係るレーダ画像処理装置は、受信パルスの変調によるドップラー帯域の拡大分の折り返しを０詰め処理で回避することで、従来よりもスクイントの大きい観測やレンジ帯域幅が大きな観測データに対しても、信号劣化のない画像を効率よく作成可能となる。

この発明の実施の形態１に係るレーダ画像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に係るレーダ画像処理装置のアジマス方向分割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に係るレーダ画像処理装置のアジマス方向結合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に係るレーダ画像処理装置のアジマス方向分割部の動作の概略を説明するための図である。 この発明の実施の形態１に係るレーダ画像処理装置のアジマス方向結合部の動作の概略を説明するための図である。

以下、本発明のレーダ画像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．
図１は、本発明の実施形態１に係るレーダ画像処理装置の構成を表すブロック図である。
本発明の実施形態１に係るレーダ画像処理装置は、図１に示すように、アジマス方向分割部１０、アジマスフーリエ変換部２０、レンジ方向圧縮部３０、アジマス参照関数乗算部４０、アジマススケーリング部５０、アジマス逆フーリエ変換部６０、アジマス方向結合部７０を備える。

図２は、図１に示したアジマス方向分割部１０の内部構成を表すブロック図である。
アジマス方向分割部１０は、図２に示すように、最大／最小瞬時ドップラー周波数算出部１１、アジマス方向切り出し範囲決定部１２、アジマス方向０詰め幅算出部１３、アジマス方向切り出し部１４、アジマス方向０詰め部１５を備える。

図３は、図１に示したアジマス方向結合部７０の内部構成を表すブロック図である。
アジマス方向結合部７０は、図３に示すように、アジマスデランプ処理部７１、処理信号加算部７２、フルアジマスフーリエ変換部７３を備える。

次に、本発明の実施形態１に係るレーダ画像処理装置の動作を説明する。
一般に合成開口レーダ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、本発明はアジマス方向の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言及しない。実際には一般的に知られている手法を用いればよい。

図１のレーダ画像処理装置は、アジマス方向分割部１０で行うアジマス方向の分割処理とアジマス方向結合部７０で行うアジマス方向の結合処理以外は、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１０では、分割された受信信号のドップラー周波数がＰＲＦよりも小さい周波数幅に収まるように、受信信号をアジマス方向に分割する。ここでの具体的な動作については後述する。

アジマスフーリエ変換部２０では、各分割信号にフーリエ変換をアジマス方向に施してアジマスフーリエ変換後受信信号を生成する。
次に、レンジ方向圧縮部３０では、アジマスフーリエ変換後受信信号にパルス圧縮処理をレンジ方向に施し高分解能化し、レンジ方向圧縮受信信号を生成する。
次に、アジマス参照関数乗算部４０では、レンジ方向圧縮受信信号にアジマス方向の参照関数を乗算し、アジマス方向の変調を取り除き、アジマス方向位相補償信号を生成する。
次に、アジマススケーリング部５０では、アジマス結合時に必要な変調を加えるために、アジマス方向位相補償信号にスケーリング処理をアジマス方向に施し、位相補償を実施し、アジマススケーリング後受信信号を生成する。
次に、アジマス逆フーリエ変換部６０では、アジマススケーリング後受信信号にアジマス方向の逆フーリエ変換を施し、アジマス方向の結合処理に必要な変調を有したアジマス逆フーリエ変換後受信信号を生成する。

次に、アジマス方向結合部７０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。ここでの具体的な動作については後述する。

次に、アジマス方向分割部１０の動作を説明する。
まず、最大／最小瞬時ドップラー周波数算出部１１では、観測点に対する受信信号のヒット毎の最大瞬時ドップラー周波数ｆ_{ｄｏｐ＿ｍａｘ}と最小瞬時ドップラー周波数ｆ_{ｄｏｐ＿ｍｉｎ}を式（１）と式（２）から算出する。

このとき、送信周波数ｆ_ｒは式（４）に従うとし、送信パルスが線形周波数変調を持つことを考慮する。ここで、ｆ_ｃは送信波の中心周波数、ｆ_τは周波数変調を示しており、この周波数変調ｆ_τは、式（５）に示すように、レンジ帯域Ｂ_ｒの幅を持つ。

従って、観測点から連続して受信した信号に含まれる最大瞬時ドップラー周波数ｆ_{ｄｏｐ＿ｍａｘ}と最小瞬時ドップラー周波数ｆ_{ｄｏｐ＿ｍｉｎ}は、式（６）、式（７）となり、レーダの移動速度Ｖ_ｐに依存するドップラー周波数と、レンジ帯域Ｂ_ｒに依存するドップラー周波数から決定される。

アジマス方向切り出し範囲決定部１２の動作を図４を用いて説明する。図４は観測中のドップラー周波数の変化を表しており、式（６）、式（７）により求めた最大瞬時ドップラー周波数ｆ_{ｄｏｐ＿ｍａｘ}と最小瞬時ドップラー周波数ｆ_{ｄｏｐ＿ｍｉｎ}に挟まれた領域が観測領域内のドップラー周波数である。
図４に示すように、受信信号のドップラー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ー周波数帯域を持ち、ＰＲＦよりも広帯域となる。図４ に示すように観測領域のドップラー周波数がＰＲＦ内に収まるように観測データを分割していき、分割領域（サブアパーチャ）として切り出す開始／終了位置を決定する。この時、分割領域間にオーバーラップは設けない。図４では６個の分割領域（サブアパーチャ）に分けた例を示している。通常、瞬時ドップラー帯域の最大値と最小値との差分はヒット毎に変化するため、各分割領域幅は異なる値となる。

アジマス方向０詰め幅算出部１３では、以下の様にして分割信号毎に０詰めする幅を算出する。まず、式（８）に従い各分割信号に受信パルスの変調により発生するドップラー帯域の拡大幅に相当するアジマス時間幅Ｔ_ｅｘｔを算出する。ここで、θ_ｓｑ（η_ｓｔ）は分割領域の開始時刻η_ｓｔにおけるスクイント角、θ_ｓｑ（η_ｅｄ）は分割領域の終了時刻η_ｅｄにおけるスクイント角を表す。

式（８）により算出したアジマス時間幅Ｔ_ｅｘｔはアジマス逆フーリエ変換後に折り返しが発生する時間幅に相当するため、このアジマス時間幅以上の領域を０詰め処理することで折り返しが回避可能となる。

この時、アジマス方向切り出し範囲決定部１２で決定した分割領域幅と、式（８）により算出した０詰め時間幅の和が各分割信号に必要な総処理時間幅となるが、これは分割領域毎に異なる。分割領域毎に総処理時間幅が異なるまま以下に続く再生処理を行うと、アジマス方向結合時に信号刻みが不連続となり処理が煩雑になるため、再生処理時には分割信号毎の総処理時間幅は統一されていることが望ましい。その為、各分割信号の総処理時間幅の中で最大時間幅を再生処理時の処理時間幅とし、そこから各分割領域幅を差し引いた時間幅を０詰め幅とすればよい。

アジマス方向切り出し部１４では受信信号からアジマス方向切り出し範囲決定部１２で決定した切り出し開始／終了位置を用いて受信信号から分割領域（サブアパーチャ）を切り出す。

次に、アジマス方向０詰め部１５にて、分割領域毎の受信信号にアジマス方向０詰め幅算出部１３で算出したアジマス時間幅分の０詰めを行ってアジマス方向に分割された受信信号を生成し、アジマス方向分割部１０から出力する。

次に、アジマス方向結合部７０の動作を図５に従い説明する。
まず、アジマスデランプ処理部７１にて、処理された各分割信号に対し、式（９）に示すアジマス方向にデランプ処理用補償関数Ｈ_ｄｒによる位相補償を行う。ここで、ηは観測時刻（アジマス時刻）を示す。

このアジマスデランプ処理により、アジマス方向に付与されていた２次の位相変化を取り除かれ、フルアジマスフーリエ変換部７３でのアジマスフーリエ変換にてアジマス方向の圧縮画像が得られる。

処理信号加算部７２の動作について図５を用いて示す。アジマス方向分割部１０で分割され、アジマスフーリエ変換部２０からアジマスデランプ処理部７１までの過程を経て処理された処理信号は、アジマス方向０詰め部で拡張した０詰め領域の分だけ隣り合う分割領域とオーバーラップした信号となる。そこで、オーバーラップ部分は加算処理を行うことで分割処理した各処理済み信号を結合し、全分割領域を結合した処理信号を作成する。

最後に、フルアジマスフーリエ変換部７３にて、結合した全信号をアジマス方向にフーリエ変換することで高分解能化したＳＡＲ画像を出力する。

本発明の従来技術との相違は、受信パルスの変調によるドップラー帯域の拡大を考慮してアジマス方向の分割処理を行うことである。さらに分割信号にドップラー帯域拡大分に相当する領域を０詰め補填してから信号処理を行い、処理信号を合成する際に加算処理にてオーバーラップ部分を結合処理することである。

本実施の形態のレーダ画像処理装置によれば、受信パルスの変調によるドップラー帯域の拡大分の折り返しを０詰め処理で回避することで、従来よりもスクイントの大きい観測やレンジ帯域幅が大きな観測データに対しても、信号劣化のない画像を効率よく作成可能となる。

１０ アジマス方向分割部、１１ 最大／最小瞬時ドップラー周波数算出部、１２ アジマス方向切り出し範囲決定部、１３ アジマス方向０詰め幅算出部、１４ アジマス方向切り出し部、１５ アジマス方向０詰め部、２０ アジマスフーリエ変換部、３０ レンジ方向圧縮部、４０ アジマス参照関数乗算部、５０ アジマススケーリング部、６０ アジマス逆フーリエ変換部、７０ アジマス方向結合部、７１ アジマスデランプ処理部、７２ 処理信号加算部、７３ フルアジマスフーリエ変換部。

Claims (4)

1. レーダ装置の移動と送信波のレンジ帯域に基いて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、
   前記アジマス方向に分割された受信信号にフーリエ変換をアジマス方向に施して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と、
   前記アジマスフーリエ変換後受信信号にパルス圧縮処理をレンジ方向に施してレンジ方向圧縮受信信号を生成するレンジ方向圧縮部と、
   前記レンジ方向圧縮受信信号にアジマス方向の参照関数を乗算してアジマス方向位相補償信号を生成するアジマス参照関数乗算部と、
   前記アジマス方向位相補償信号にスケーリング処理をアジマス方向に施してアジマススケーリング後受信信号を生成するアジマススケーリング部と、
   前記アジマススケーリング後受信信号にアジマス方向の逆フーリエ変換を施してアジマス逆フーリエ変換後受信信号を生成するアジマス逆フーリエ変換部と、
   前記アジマス逆フーリエ変換後受信信号を合成して高分解能画像を生成するアジマス方向結合部と
   を備えることを特徴とするレーダ画像処理装置。
2. 前記アジマス方向分割部は、
   前記レーダ装置の移動に伴うスクイント角および前記送信波のレンジ帯域に基いて、観測中の最大瞬時ドップラー周波数および最小瞬時ドップラー周波数を算出する最大／最小瞬時ドップラー周波数部と、
   切り出した受信信号のドップラー周波数がパルス繰り返し周波数内に収まるように前記最大瞬時ドップラー周波数および前記最小瞬時ドップラー周波数を元に前記受信信号を切り出す切り出し範囲を決定するアジマス方向切り出し範囲決定部と、
   前記受信信号を前記切り出し範囲に従って切り出して切り出し後受信信号を生成するアジマス方向切り出し部と
   を有することを特徴とする請求項１に記載のレーダ画像処理装置。
3. 前記アジマス方向分割部は、
   前記レーダ装置の移動に伴うスクイント角と前記送信波のレンジ帯域送信波の帯域よるドップラー周波数の拡大幅に相当する時間幅を算出するアジマス方向０詰め幅算出部と、
   前記ドップラー周波数の拡大幅に相当する時間幅分の０信号を、前記切り出し後受信信号に設定するアジマス方向０詰め部と
   を有することを特徴とする請求項２に記載のレーダ画像処理装置。
4. 前記アジマス方向結合部は、
   アジマス方向のデランプ処理を行うために位相補償処理を行うことにより、アジマスデランプ後受信信号を生成するアジマスデランプ処理部と、
   前述アジマスデランプ後受信信号を加算処理により結合信号を生成する処理信号加算部と、
   前記結合信号にアジマス方向のフーリエ変換を施すことにより、アジマス方向に圧縮された高分解能画像を生成するフル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３に記載のレーダ画像処理装置。

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