JP4245422B2

JP4245422B2 - Synthetic aperture radar equipment

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Publication number: JP4245422B2
Application number: JP2003187773A
Authority: JP
Inventors: 秀樹長谷川; 山本　　和彦; 雅史岩本; 勇次森本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP2005024311A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、地表や海面を観測して画像化する合成開口レーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の合成開口レーダ装置は、ＳＡＲ（ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＲａｄａｒ）センサが目標に高周波パルス信号を放射して、その高周波パルス信号の反射信号を受信して受信信号を生成し、動揺センサがＳＡＲセンサから高周波パルス信号が放射された時点の移動プラットフォームの位置を観測し、その受信信号と移動プラットフォームの位置からＳＡＲ画像を再生する。ここで、ＳＡＲ画像は２次元の高分解能画像である。
【０００３】
移動プラットフォームが所定の軌道を移動することにより、合成開口レーダ装置はＳＡＲ画像を再生するが、移動プラットフォームがこの所定の軌道から外れる動揺によって生じるＳＡＲ画像の中心を基準とした受信信号の位相誤差は、ＳＡＲ画像内の目標の位置によって異なり、動揺補償処理では、この違いが十分小さいとしてＳＡＲ画像の中心の値によりＳＡＲ画像全体を補償している。
【０００４】
しかし、移動プラットフォームの動揺が大きくなると、目標毎に異なるＳＡＲ画像の中心を基準とした受信信号の位相誤差が大きくなり、位相誤差を推定して補償するオートフォーカス処理では、ＳＡＲ画像内の受信信号の位相誤差を一定と仮定して処理を行うために大きな位相誤差を補償できず、ＳＡＲ画像の分解能が劣化する。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｗ．Ｇ．Ｃａｒｒａｒａ，Ｒ．Ｓ．Ｇｏｏｄｍａｎ，Ｒ．Ｍ．Ｍａｊｅｗｓｋｉ，“ＳｐｏｔｌｉｇｈｔＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＲａｄａｒ”，ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅ，１９９５（ｐ１３−ｐ１４、Ｆｉｇｕｒｅ２．１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の合成開口レーダ装置は以上のように構成されており、移動プラットフォームの動揺の状態によらず、一度に再生するＳＡＲ画像の大きさは一定であるため、移動プラットフォームの動揺が大きくなると、ＳＡＲ画像の中心を基準とした受信信号の位相誤差が大きくなり、再生するＳＡＲ画像の分解能が劣化するという課題があった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、移動プラットフォームの動揺の状態に応じて一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定することにより、ＳＡＲ画像の中心を基準としたＳＡＲ画像内の受信信号の位相誤差を抑圧してＳＡＲ画像の分解能を高めることができる合成開口レーダ装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る合成開口レーダ装置は、移動プラットフォームに搭載され地表や海面のＳＡＲ画像を得る合成開口レーダ装置において、高周波パルス信号を放射し、その反射信号を受信して受信信号を出力するＳＡＲセンサと、上記移動プラットフォームの位置、速度、加速度の動揺データを出力する動揺センサと、上記動揺センサより出力された動揺データに基づき、ＳＡＲ画像の中心を基準とした移動プラットフォームの動揺による受信信号の位相誤差が、ＳＡＲ画像の周縁において所定値以下になるよう一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定する画像サイズ決定部と、上記ＳＡＲセンサより出力された受信信号を入力し、上記画像サイズ決定部により決定された画像サイズのＳＡＲ画像を再生する画像再生処理部と、上記動揺センサの仕様によって決定される動揺センサの計測誤差を格納している計測誤差モデルを備え、上記画像サイズ決定部が、上記計測誤差モデルに格納されている上記動揺センサの計測誤差を考慮して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、ＳＡＲセンサ１は、アンテナ、送信機及び受信機等から構成され、航空機や衛星等の移動プラットフォームに搭載される。ＳＡＲセンサ１は、高周波パルス信号を生成して観測領域に高周波パルス信号を放射し、その高周波パルス信号の反射信号を受信して受信信号を出力する。
【００１０】
動揺センサ２は、ＳＡＲセンサ１から高周波パルス信号が放射された時点の移動プラットフォームの速度、加速度を計測し、移動プラットフォームの位置を求めて、移動プラットフォームの位置、速度、加速度の動揺データを出力する。
【００１１】
画像サイズ決定部３は、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データに基づき、ＳＡＲ画像の中心を基準とした移動プラットフォームの動揺による受信信号の位相誤差が、ＳＡＲ画像の周縁において所定値以下になるよう一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定する。なお、この実施の形態１では、画像サイズ決定部３は、動揺センサ２の計測誤差を考慮しないで、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定するものとする。
【００１２】
画像再生処理部４は、ＳＡＲセンサ１より出力された受信信号を入力し、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データに基づき受信信号の位相を補償すると共に、位置、速度、加速度の動揺データに基づき構成したマッチドフィルタにより、画像サイズ決定部３により決定された画像サイズのＳＡＲ画像を再生する。なお、このＳＡＲ画像は２次元の高分解能画像である。
【００１３】
オートフォーカス処理部５は、画像再生処理部４により再生されたＳＡＲ画像から位相誤差を推定し、推定した位相誤差によりＳＡＲ画像を補償することにより、オートフォーカス処理を行って高分解能のＳＡＲ画像６を出力する。
【００１４】
次に動作について説明する。
図２はこの発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置の処理の流れを示すフローチャートである。ステップＳＴ１において、ＳＡＲセンサ１は高周波パルス信号を生成し、アンテナから高周波パルス信号を観測領域に放射してその高周波パルス信号の反射信号を受信する。また、ＳＡＲセンサ１は収集された信号を増幅し、中間周波数に変換しデジタル信号に変換して受信信号を出力する。
【００１５】
ステップＳＴ２において、動揺センサ２は、ＳＡＲセンサ１から高周波パルス信号が放射された時点の移動プラットフォームの速度、加速度を計測し、移動プラットフォームの位置を求めて、移動プラットフォームの位置、速度、加速度の動揺データを出力し、画像サイズ決定部３は動揺センサ２からの移動プラットフォームの位置、速度、加速度の動揺データを読み込む。
【００１６】
ここで、動揺センサ２が移動プラットフォームの位置を求める方法について説明する。
図３はＸＹＺ座標系の観測座標を示す図である。図３において、点Ｃは移動プラットフォームが移動する軌道の中心（合成開口中心）におけるアンテナの位相中心位置で、点Ｃを通る鉛直線と地表面の交点を座標原点Ｏとする。Ｚ軸を直線ＯＣ上にとり、ビーム照射方向を表すベクトルとＺ軸の外積をＸ軸と定義すると、Ｙ軸はＺ軸とＸ軸の外積で定義される。
【００１７】
このとき、観測領域の中心を点Ａ、ＹＺ平面内においてＹ軸に平行で点Ｃを通る直線と直線ＣＡの為す角をアンテナ俯角θ_depとする。また、移動プラットフォームに動揺がない場合の移動プラットフォームの軌道をＫ軸とし、Ｋ軸をＸＹ平面に射影した直線がＸ軸と為す角をスクイント角θ_sqとする。
【００１８】
また、図３において、Ｒ₀は合成開口中心におけるアンテナ位相中心Ｃと観測領域の中心の点Ａの距離を示し、点Ｂは観測領域の中心の点Ａより離れた目標の点を示し、位置Ｑは動揺センサ２の計測誤差を考慮した場合のアンテナ位相中心の位置を示している。
【００１９】
動揺センサ２の計測誤差を考慮しない場合のアンテナ位相中心の位置ＰをＸＹＺ座標系の位置（ｘ_p，ｙ_p，ｚ_p）で表すと次の式（１）で示される。ここで、（ｖ_x，ｖ_y，ｖ_z）は計測した移動プラットフォームの速度ベクトル、（α_x，α_y，α_z）は計測した移動プラットフォームの加速度ベクトル、ｔは時刻を示している。
【数１】

【００２０】
移動プラットフォームはＫ軸で示す軌道を移動しつつ、ＳＡＲセンサ１は高周波パルス信号を送信した後、一定時間、その反射信号を受信して１次元の信号列を得る。また、この送受信を複数回繰り返して上記の１次元の信号列を複数行得る。これより、受信信号は２次元の受信信号で表すことができる。以降、先に構成される受信信号の方向を受信信号のレンジ方向、後に構成される受信信号の方向を受信信号のヒット方向と呼ぶ。
【００２１】
図２のステップＳＴ３において、画像サイズ決定部３は、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データに基づき、ＳＡＲ画像の中心を基準とした移動プラットフォームの動揺による受信信号の位相誤差が、ＳＡＲ画像の周縁において所定値以下になるよう一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定する。
【００２２】
ステップＳＴ４において、画像再生処理部４は、ＳＡＲセンサ１より出力された受信信号を入力し、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データに基づき受信信号の位相を補償すると共に、位置、速度、加速度の動揺データに基づき構成したマッチドフィルタにより、画像サイズ決定部３により決定された画像サイズのＳＡＲ画像を再生する。なお、このＳＡＲ画像は２次元の高分解能画像である。ここで、２次元のＳＡＲ画像のうち、高周波パルス信号の送受信方向の軸をＳＡＲ画像のレンジ軸、レンジ軸と直交する軸をＳＡＲ画像のアジマス軸と呼称する。
【００２３】
ステップＳＴ５において、オートフォーカス処理部５は、画像再生処理部４により再生されたＳＡＲ画像から位相誤差を推定し、推定した位相誤差によりＳＡＲ画像を補償することにより、オートフォーカス処理を行って高分解能のＳＡＲ画像６を出力する。
【００２４】
図４は図２のステップＳＴ３における画像サイズの決定処理の流れを示すフローチャートである。ステップＳＴ１１において、一度に再生するＳＡＲ画像の一辺の長さＷを仮定する。
【００２５】
以降の処理では、仮定した一辺の長さＷのＳＡＲ画像内の各点（ｘ_t，ｙ_t）、すなわち、下記の式（２）を満足する各点（ｘ_t，ｙ_t）の受信信号の位相誤差を求めるが、受信信号の位相誤差はＳＡＲ画像の中心に近づくにつれて小さくなることに着目すると、仮定した一辺の長さＷのＳＡＲ画像の周縁上の各点（ｘ_t，ｙ_t）、すなわち、下記の式（３）を満足する各点（ｘ_t，ｙ_t）における受信信号の位相誤差を求めることによって、仮定したＳＡＲ画像内の受信信号の最大の位相誤差を求めることができる。
【数２】

【００２６】
図５は仮定した一辺の長さＷのＳＡＲ画像の周縁上の各点（ｘ_t，ｙ_t）と中心の点Ａを示す図であり、この周縁上の各点の間隔は適宜決められた所定の間隔とする。
【００２７】
ステップＳＴ１２において、仮定した一辺の長さＷのＳＡＲ画像の周縁上の各点（ｘ_t，ｙ_t）における各受信信号の位相φ_PBとＳＡＲ画像の中心における受信信号の位相φ_QAを下記のようにして求める。ここで、位相φ_PBは図３においてアンテナ位相中心の位置Ｐから点Ｂを観測して得られる受信信号の位相を示し、位相φ_QAは図３において点Ｑから点Ａを観測して得られる受信信号の位相を示している。なお、この実施の形態１のように、動揺センサ２の計測誤差を考慮しない場合には点Ｑは点Ｐと一致するが、後述する実施の形態２のように、動揺センサ２の計測誤差を考慮する場合の説明を簡単にするために、ここでは点Ｑを用いて説明する。
【００２８】
ここで、仮定した一辺の長さＷのＳＡＲ画像の再生処理について説明する。
ＳＡＲ画像の再生処理は、ポーラーフォーマット法により、レンジ方向及びヒット方向の２次元に拡がった受信信号を、目標の座標である１点に圧縮することにより行われる。
【００２９】
図６はポーラーフォーマット法の処理を説明する図であり、レンジ方向ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）、レンジ圧縮参照信号との乗算、位相補償、補間、レンジ方向ＩＦＦＴ（ＩｎｖｅｒｓｅＦＦＴ）、アジマス方向ＦＦＴの各処理によりＳＡＲ画像を再生する。
【００３０】
図６において、受信信号のレンジ方向に受信信号をＦＦＴし、レンジ圧縮の参照信号を乗算する。レンジ圧縮の参照信号は、送信した高周波パルス信号と逆の傾きの周波数変調がかかった信号をＦＦＴしたものである。
【００３１】
次に、ＳＡＲ画像中心までの距離に相当する位相を受信信号ｓ₁から補償する位相補償処理と、位相補償処理後の受信信号ｓ₂を補間する処理により、受信信号のヒット方向の信号列が正弦波になるように受信信号を処理することによって、アジマス方向の信号の圧縮を実現する。この手順を図７及び図８を用いて簡単に説明する。なお、ここでは簡単のため、移動プラットフォームに動揺が生じていない場合を想定して説明する。
【００３２】
図７は図３の三角形ＣＰＡを含む平面ωを示す図であり、図７において、Ｂは点目標、ηは角ＣＡＰ、φ_ACPは角ＡＣＰである。また、Ｙ’軸は平面ωが平面ＹＺと交わる直線上の軸、Ｘ’軸は平面ω上でＹ’軸と直交する軸として定義する。ＳＡＲセンサ１はＫ軸上を移動しながら観測領域に周波数変調されたパルス信号を送受信し、受信信号は角度ηと瞬時波長λの関数として得られる。
【００３３】
いま、図６において、レンジ圧縮の参照信号を乗じた直後の受信信号をｓ₁とすると、ポーラーフォーマットは受信信号ｓ₁から線分ＰＡの長さに相当する位相φ_PAを次の式（４）で補償して受信信号ｓ₂を生成する。
【数３】

【００３４】
次に、受信信号ｓ₂を図８に示す空間周波数領域の極座標（λ，η）上に写像し、これをデカルト座標（Ｘ_p，Ｙ_p）上にリサンプルすることによって、アジマス方向の信号の圧縮を実現する。空間周波数領域のデカルト座標系（Ｘ_p，Ｙ_p）と極座標系（λ，η）の関係を次の式（５）、（６）に示す。
【数４】

【００３５】
例えばチャープ変調信号の場合には、受信信号ｓ₂（λ，η）は図８に示す扇形の領域に写像され、この扇形の領域内の長方形について、記録した受信信号をＸ_p軸及びＹ_p軸に沿って等間隔にリサンプルし、各々フーリエ変換することによって画像を得ることができる。このとき、Ｘ_p軸に沿ってフーリエ変換した結果はアジマス軸Ｘ’に、Ｙ_p軸に沿ってフーリエ変換した結果はレンジ軸Ｙ’に写像される。以上がポーラーフォーマットの原理である。
【００３６】
観測領域の中心の点ＡからＸ軸方向にｘ_t、Ｙ軸方向にｙ_t離れた目標を点Ｂとする。移動プラットフォームのアンテナ位相中心の位置は点Ｐであるため、点Ｂを観測して得られる図６の受信信号ｓ₁の位相φ_PBは次の式（７）で表される。ここに、Ｒ₀は合成開口中心におけるアンテナ位相中心Ｃと観測領域の中心の点Ａの距離を表す。
【数５】

なお、画像サイズ決定部３が上記式（７）式の計算をする場合に、波長λ、距離Ｒ₀及びアンテナ俯角θ_depは予め設定された値を使用するが、ＳＡＲセンサ１の測定毎に変動する場合には、ＳＡＲセンサ１より画像サイズ決定部３に通知される。
【００３７】
一方、動揺センサ２は点Ｑを移動していると計測するため、ポーラーフォーマットの位相補償量φ_QA、すなわち、点Ｑと点Ａの距離に相当する位相は次の式（８）で表される。
【数６】

【００３８】
以上のようにして、図４のステップＳＴ１２における、仮定したＳＡＲ画像の周縁上の各点（ｘ_t，ｙ_t）における各受信信号の位相φ_PBとＳＡＲ画像の中心における受信信号の位相φ_QAが求められる。
【００３９】
図４のステップＳＴ１３において、仮定したＳＡＲ画像の周縁上の各点（ｘ_t，ｙ_t）における各受信信号の位相φ_PBとＳＡＲ画像の中心における受信信号の位相φ_QAとの差の位相φ_Bを次の式（９）により求める。
【数７】

この位相の差φ_Bは、ポーラーフォーマットにおけるＳＡＲ画像中心までの距離に相当する位相を補償する位相補償処理後の受信信号ｓ₂の位相となる。
【００４０】
ステップＳＴ１４において、デカルト座標軸Ｘ_p上に生じる受信信号の位相誤差を求めるために、ポーラーフォーマットの原理に基づいて、以下に示すように、位相φ_Bをデカルト座標軸Ｘ_pの関数で表す。
【００４１】
ポーラーフォーマット法では、空間周波数領域においてＸ_pに沿って受信信号をフーリエ変換することによりアジマス方向の像を得る。そこで、ここでは図８に示すように、Ｙ_p＝Ｙ_p0＝２／λ₀の直線上の受信信号を考える。ただし、λ₀はλ₀＝２／Ｙ_p0を満たす瞬時波長である。図８から分かるように、直線Ｙ_p＝Ｙ_p0＝２／λ₀上の受信信号は、次の瞬時波長λと、角度ηの条件で観測される。ここで、次の式（１０）と式（１１）の関係を満足するλとηを選んで観測を行い、図８の直線Ｙ_p＝Ｙ_p0上に受信信号を得るものとする。
【数８】

【００４２】
また、図７の三角形ＣＰＡに正弦定理を適用し、次の式（１２）を得る。さらに、φ_ACPについて次の式（１３）が成り立つ。ここに、●はベクトルの内積を表す。
【数９】

【００４３】
このように、式（１）、（７）、（８）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）を用いると、時間ｔの関数である式（９）のφ_Bを、デカルト座標軸Ｘ_pの関数として表すことができる。まず、式（９）は、式（７）と式（８）の差となっており、式（７）、（８）は各々式（１）を用いると時間ｔの関数として求められる。一方、時間ｔとデカルト座標軸Ｘ_pの関係はλ、ηを媒介変数として式（１０）、（１１）、（１２）、（１３）から求めることができる。求めた時間ｔとデカルト座標軸Ｘ_pの関係式を用いて変数変換を行うことで、次の式（１４）に示すように位相φ_Bをデカルト座標軸Ｘ_pの関数として表すことができる。
【数１０】

すなわち、ステップＳＴ１４において、画像サイズ決定部３は、式（１０）〜式（１３）を用いて時間ｔの関数である式（９）のφ_Bを、デカルト座標軸Ｘ_pの関数に変換して式（１４）を得る。
【００４４】
ステップＳＴ１５において、移動プラットフォームの動揺が完全に補償できた場合の位相φ_B’を求める。ポーラーフォーマット法では、観測領域内では電波伝播の波面を平面であると仮定している。そこで、この条件を満たすようにポーラーフォーマット法の位相補償処理後の位相φ_B’を求め、φ_Bとφ_B’の差をとると、ポーラーフォーマット法において、移動プラットフォームの動揺による位相誤差を求めることができる。この仮定により求めたφ_B’を次の式（１５）に示す。ここで、ＰＡは点Ｐを基準とした点Ａの位置ベクトルを表わし、ＡＢは点Ａを基準とした点Ｂの位置ベクトルを表す。
【数１１】

【００４５】
ステップＳＴ１６において、ポーラーフォーマットの原理に基づいて、位相φ_B’をデカルト座標軸Ｘ_pの関数で表す。ここでは、ステップＳＴ１４と同様にして、式（１０）から式（１３）に従い、時間ｔの関数である式（１５）の位相φ_B’を、次の式（１６）に示すようにデカルト座標軸Ｘ_pの関数として表す。
【数１２】

【００４６】
ステップＳＴ１７において、移動プラットフォームの動揺による位相誤差Δφ_Bを、上記式（１４）、（１６）を用いて次の式（１７）により求める。
【数１３】

【００４７】
移動プラットフォームの動揺による位相誤差はＳＡＲ画像の中心に近付くにつれて小さくなる。このため、移動プラットフォームの動揺にあわせて画像サイズを制限すると、画像内の分解能劣化を一定値以下に抑圧できる。
【００４８】
ステップＳＴ１８において、ＳＡＲ画像の中心を基準とした移動プラットフォームの動揺による位相誤差Δφ_ABを次の式（１８）により求める。この位相誤差Δφ_ABは、式（１８）に示すように、観測領域の中心ＡからＸ軸方向にｘ_t、Ｙ軸方向にｙ_t離れた点の目標Ｂに生じる位相誤差と、観測領域の中心Ａに生じる位相誤差の差によって求めることができる。
【数１４】

【００４９】
ステップＳＴ１９において、上記ステップＳＴ１１で仮定した再生するＳＡＲ画像の一辺の長さＷを変化させて、上記ステップＳＴ１２からＳＴ１８までの処理を繰り返し、次の式（１９）により、所定のしきい値Δφ_threを越えない最大の位相誤差Δφ_ABを求め、そのときの一辺の長さＷを一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズとして決定する。ここで、ｍａｘ（ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）ｆｏｒｘ，ｙ，ｚ）はｆ（ｘ，ｙ，ｚ）のｘ，ｙ，ｚに関する最大値を表す。
【数１５】

【００５０】
また、所定のしきい値Δφ_threは許容する分解能劣化に応じて設定する。例えば、オートフォーカス法によりＳＡＲ画像の中心を結像させた場合に、ＳＡＲ画像の周縁においても分解能を劣化させないためには、Δφ_thre＝π／４とする。
【００５１】
以上の処理によって求めたＷを一度に再生する画像の一辺の長さに設定して、画像再生処理部４がＳＡＲ画像を再生すると、再生されたＳＡＲ画像の分解能劣化が所定のしきい値Δφ_threで決まる値以下となる。
【００５２】
以上のように、この実施の形態１によれば、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データを使用して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定してＳＡＲ画像を再生することにより、移動プラットフォームの動揺が大きい場合にも、分解能が高いＳＡＲ画像を得ることができるという効果が得られる。
【００５３】
実施の形態２．
図９はこの発明の実施の形態２による合成開口レーダ装置の構成を示すブロック図である。図９において、計測誤差モデル７は動揺センサ２の仕様によって決定される動揺センサ２の計測誤差を格納している。
【００５４】
また、画像サイズ決定部８は、計測誤差モデル７に格納されている動揺センサ２の計測誤差を考慮して、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データに基づき、ＳＡＲ画像の中心を基準とした移動プラットフォームの動揺による受信信号の位相誤差が、ＳＡＲ画像の周縁において所定値以下になるよう一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定する。その他の構成は実施の形態１の図１に示す構成と同じものである。
【００５５】
次に動作について説明する。
図１０はこの発明の実施の形態２による合成開口レーダ装置の処理の流れを示すフローチャートである。図１０において、ステップＳＴ１，ＳＴ２の処理は、実施の形態１の図２に示すステップＳＴ１，ＳＴ２の処理と同じである。
【００５６】
ステップＳＴ３１において、画像サイズ決定部８は、計測誤差モデル７に格納されている動揺センサ２の仕様によって決定される動揺センサ２の計測誤差を読み込む。
【００５７】
ステップＳＴ３２において、画像サイズ決定部８は、読み込んだ動揺センサ２の計測誤差を考慮して、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データに基づき、ＳＡＲ画像の中心を基準とした移動プラットフォームの動揺による受信信号の位相誤差が、ＳＡＲ画像の周縁において所定値以下になるよう一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定する。
【００５８】
図１０のステップＳＴ４，ＳＴ５の処理は、実施の形態１の図２に示すステップＳＴ４，ＳＴ５の処理と同じである。
【００５９】
図１１は図１０のステップＳＴ３２における画像サイズの決定処理の流れを示すフローチャートである。ステップＳＴ２１において、動揺センサ２からの位置、速度、加速度の動揺データと、計測誤差モデル７からの動揺センサ２の計測誤差により、次の式（２０）により動揺センサ２の計測誤差を考慮した移動プラットフォームの位置を求める。ここで、ｄｖ_x，ｄｖ_y，ｄｖ_zは動揺センサ２の速度計測誤差を示し、ｄα_x，ｄα_y，ｄα_zは動揺センサ２の加速度計測誤差を示している。
【数１６】

【００６０】
図１１のステップＳＴ１１の処理は実施の形態１の図４のステップＳＴ１１の処理と同じである。
【００６１】
図１１のステップＳＴ２２において、仮定したＳＡＲ画像の周縁上の各点（ｘ_t，ｙ_t）における各受信信号の位相φ_PBと、動揺センサ２の計測誤差を考慮したＳＡＲ画像の中心における受信信号の位相φ_QAを求める。ここで、仮定したＳＡＲ画像の周縁上の各点（ｘ_t，ｙ_t）における各受信信号の位相φ_PBについては、実施の形態１の図４のステップＳＴ１２における式（７）を用いて求めるが、動揺センサ２の計測誤差を考慮したＳＡＲ画像の中心における受信信号の位相φ_QAをについては、式（８）の代りに次の式（２１）により求める。
【数１７】

【００６２】
図１１のステップＳＴ１３〜ＳＴ１９の処理は、実施の形態１の図４のステップＳＴ１３〜ＳＴ１９の処理と同じである。
【００６３】
以上のように、この実施の形態２によれば、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データを使用し、動揺センサ２の計測誤差を考慮して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定してＳＡＲ画像を再生することにより、画像サイズを精度良く決定することができ、移動プラットフォームの動揺が大きい場合にも、さらに分解能が高いＳＡＲ画像を得ることができるという効果が得られる。
【００６４】
実施の形態３．
図１２はこの発明の実施の形態３による合成開口レーダ装置の構成を示すブロック図である。図１２において、動揺データ−画像サイズ対応テーブル９は、動揺センサ２より出力される位置、速度、加速度の動揺データと、ＳＡＲ画像の中心を基準とした移動プラットフォームの動揺による受信信号の位相誤差がＳＡＲ画像の周縁において所定値以下となるよう予め計算された一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズとの対応を格納している。
【００６５】
また、画像サイズ決定部１０は、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データより、動揺データ−画像サイズ対応テーブル９を参照して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定する。その他の構成は実施の形態１の図１に示す構成と同じものである。
【００６６】
次に動作について説明する。
図１３はこの発明の実施の形態３による合成開口レーダ装置の処理の流れを示すフローチャートである。図１３において、ステップＳＴ１，ＳＴ２の処理は、実施の形態１の図２に示すステップＳＴ１，ＳＴ２の処理と同じである。
【００６７】
ステップＳＴ４１において、画像サイズ決定部１０は、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データより、動揺データ−画像サイズ対応テーブル９を参照して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定する。図１３のステップＳＴ４，ＳＴ５の処理は、実施の形態１の図２に示すステップＳＴ４，ＳＴ５の処理と同じである。
【００６８】
以上のように、この実施の形態３によれば、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データを使用し、動揺データ−画像サイズ対応テーブル９を参照して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定してＳＡＲ画像を再生することにより、ＳＡＲ画像の画像サイズを高速に決定することができ、移動プラットフォームの動揺が大きい場合にも、分解能が高いＳＡＲ画像を効率良く得ることができるという効果が得られる。
【００６９】
実施の形態４．
図１４はこの発明の実施の形態４による合成開口レーダ装置の構成を示すブロック図である。図１４において、計測誤差モデル７は、実施の形態２の図９と同様に、動揺センサ２の仕様によって決定される動揺センサ２の計測誤差を格納している。
【００７０】
また、動揺データ−画像サイズ対応テーブル１１は、動揺センサ２より出力される位置、速度、加速度の動揺データと、ＳＡＲ画像の中心を基準とした移動プラットフォームの動揺による受信信号の位相誤差がＳＡＲ画像の周縁において所定値以下となるよう動揺センサ２の計測誤差を考慮して予め計算された一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズとの対応を格納している。
【００７１】
さらに、画像サイズ決定部１２は、動揺センサ２からの位置、速度、加速度の動揺データと、計測誤差モデル７に格納されている動揺センサ２の計測誤差より、動揺データ−画像サイズ対応テーブル１１を参照して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定する。その他の構成は実施の形態１の図１に示す構成と同じものである。
【００７２】
次に動作について説明する。
図１５はこの発明の実施の形態４による合成開口レーダ装置の処理の流れを示すフローチャートである。図１５において、ステップＳＴ１，ＳＴ２の処理は、実施の形態１の図２に示すステップＳＴ１，ＳＴ２の処理と同じである。また、ステップＳＴ３１の処理は、実施の形態２の図１０に示すステップＳＴ３１の処理と同じである。
【００７３】
ステップＳＴ５１において、画像サイズ決定部１２は、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データと、計測誤差モデル７に格納されている動揺センサ２の計測誤差より、動揺データ−画像サイズ対応テーブル１１を参照して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定する。図１５のステップＳＴ４，ＳＴ５の処理は、実施の形態１の図２に示すステップＳＴ４，ＳＴ５の処理と同じである。
【００７４】
以上のように、この実施の形態４によれば、動揺センサ２より出力された位置、速度、加速度の動揺データと、計測誤差モデル７に格納されている動揺センサ２の計測誤差を使用し、動揺データ−画像サイズ対応テーブル１１を参照して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定してＳＡＲ画像を再生することにより、画像サイズを高速に精度良く決定することができ、決定移動プラットフォームの動揺が大きい場合にも、より分解能が高いＳＡＲ画像を効率良く得ることができるという効果が得られる。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、移動プラットフォームに搭載され地表や海面のＳＡＲ画像を得る合成開口レーダ装置において、高周波パルス信号を放射し、その反射信号を受信して受信信号を出力するＳＡＲセンサと、上記移動プラットフォームの位置、速度、加速度の動揺データを出力する動揺センサと、上記動揺センサより出力された動揺データに基づき、ＳＡＲ画像の中心を基準とした移動プラットフォームの動揺による受信信号の位相誤差が、ＳＡＲ画像の周縁において所定値以下になるよう一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定する画像サイズ決定部と、上記ＳＡＲセンサより出力された受信信号を入力し、上記画像サイズ決定部により決定された画像サイズのＳＡＲ画像を再生する画像再生処理部と、上記動揺センサの仕様によって決定される動揺センサの計測誤差を格納している計測誤差モデルを備え、上記画像サイズ決定部が、上記計測誤差モデルに格納されている上記動揺センサの計測誤差を考慮して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定することにより、移動プラットフォームの動揺が大きい場合にも、分解能が高いＳＡＲ画像を得ることができるという効果がある。また、動揺センサの計測誤差を考慮して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定してＳＡＲ画像を再生することにより、画像サイズを精度良く決定することができ、移動プラットフォームの動揺が大きい場合にも、さらに分解能が高いＳＡＲ画像を得ることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】ＸＹＺ座標系の観測座標を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置の画像サイズの決定処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】この発明の実施の形態１による合成開口レーダ装置における仮定した一辺の長さＷのＳＡＲ画像の周縁上の各点と中心を示す図である。
【図６】ポーラーフォーマット法の処理を説明する図である。
【図７】図３の三角形ＣＰＡを含む平面ωを示す図である。
【図８】空間周波数領域のデカルト座標系と極座標系の関係を説明する図である。
【図９】この発明の実施の形態２による合成開口レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態２による合成開口レーダ装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】この発明の実施の形態２による合成開口レーダ装置の画像サイズの決定処理の流れを示すフローチャートである。
【図１２】この発明の実施の形態３による合成開口レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】この発明の実施の形態３による合成開口レーダ装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１４】この発明の実施の形態４による合成開口レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】この発明の実施の形態４による合成開口レーダ装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ＳＡＲセンサ、２動揺センサ、３画像サイズ決定部、４画像再生処理部、５オートフォーカス処理部、６ＳＡＲ画像、７計測誤差モデル、８画像サイズ決定部、９動揺データ−画像サイズ対応テーブル、１０画像サイズ決定部、１１動揺データ−画像サイズ対応テーブル、１２画像サイズ決定部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a synthetic aperture radar apparatus that observes and images the ground surface and the sea surface, for example.
[0002]
[Prior art]
In a conventional synthetic aperture radar apparatus, a SAR (Synthetic Aperture Radar) sensor emits a high-frequency pulse signal to a target, receives a reflection signal of the high-frequency pulse signal, generates a reception signal, and a vibration sensor generates a high-frequency signal from the SAR sensor. The position of the mobile platform at the time when the pulse signal is emitted is observed, and the SAR image is reproduced from the received signal and the position of the mobile platform. Here, the SAR image is a two-dimensional high-resolution image.
[0003]
When the moving platform moves along a predetermined trajectory, the synthetic aperture radar apparatus reproduces the SAR image. However, the phase error of the received signal with respect to the center of the SAR image generated by the movement of the moving platform out of the predetermined trajectory is Depending on the position of the target in the SAR image, the fluctuation compensation process compensates the entire SAR image with the center value of the SAR image, assuming that this difference is sufficiently small.
[0004]
However, when the movement platform is greatly shaken, the phase error of the received signal based on the center of the SAR image that differs for each target increases, and in the autofocus process that estimates and compensates for the phase error, the received signal in the SAR image is increased. Since the processing is performed assuming that the phase error is constant, a large phase error cannot be compensated for, and the resolution of the SAR image deteriorates.
[0005]
[Non-Patent Document 1]
W. G. Carrara, R.A. S. Goodman, R.A. M.M. Majewski, “Spotlight Synthetic Aperture Radar”, Arttech House, 1995 (p13-p14, FIG. 2.1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional synthetic aperture radar apparatus is configured as described above. Since the size of the SAR image to be reproduced at a time is constant regardless of the state of the mobile platform's shaking, when the shaking of the mobile platform increases, the SAR There has been a problem that the phase error of the received signal with respect to the center of the image becomes large, and the resolution of the SAR image to be reproduced deteriorates.
[0007]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems. By determining the image size of the SAR image to be reproduced at one time according to the shaking state of the mobile platform, the center of the SAR image is used as a reference. An object of the present invention is to obtain a synthetic aperture radar apparatus capable of suppressing the phase error of the received signal in the SAR image and increasing the resolution of the SAR image.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Synthetic aperture radar apparatus according to the present invention,In a synthetic aperture radar device mounted on a mobile platform to obtain a SAR image of the ground surface or the sea surface, a SAR sensor that radiates a high-frequency pulse signal, receives the reflected signal and outputs a received signal, and the position, speed, Based on the motion sensor that outputs the motion data of acceleration, and the motion data output from the motion sensor, the phase error of the received signal due to the motion of the mobile platform relative to the center of the SAR image is a predetermined value at the periphery of the SAR image. An image size determining unit that determines an image size of a SAR image to be reproduced at one time and a reception signal output from the SAR sensor are input so that the SAR image having the image size determined by the image size determining unit is input. The image replay processing unit to be replayed and the motion set determined by the motion sensor specifications An image of a SAR image to be reproduced at a time in consideration of the measurement error of the motion sensor stored in the measurement error model. Determine the sizeIs.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below.
Embodiment 1 FIG.
1 is a block diagram showing a configuration of a synthetic aperture radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, the SAR sensor 1 includes an antenna, a transmitter, a receiver, and the like, and is mounted on a mobile platform such as an aircraft or a satellite. The SAR sensor 1 generates a high frequency pulse signal, emits the high frequency pulse signal to the observation region, receives a reflection signal of the high frequency pulse signal, and outputs a reception signal.
[0010]
The motion sensor 2 measures the speed and acceleration of the mobile platform at the time when the high-frequency pulse signal is emitted from the SAR sensor 1, obtains the position of the mobile platform, and outputs the motion data of the position, speed, and acceleration of the mobile platform. .
[0011]
Based on the position, velocity, and acceleration fluctuation data output from the fluctuation sensor 2, the image size determination unit 3 causes the phase error of the received signal due to the movement of the moving platform relative to the center of the SAR image at the periphery of the SAR image. The image size of the SAR image to be reproduced at a time is determined so as to be equal to or less than a predetermined value. In the first embodiment, the image size determination unit 3 determines the image size of the SAR image to be reproduced at a time without considering the measurement error of the fluctuation sensor 2.
[0012]
The image reproduction processing unit 4 receives the reception signal output from the SAR sensor 1, compensates the phase of the reception signal based on the position, velocity, and acceleration fluctuation data output from the fluctuation sensor 2, and also detects the position, velocity, The SAR image having the image size determined by the image size determination unit 3 is reproduced by the matched filter configured based on the acceleration fluctuation data. The SAR image is a two-dimensional high resolution image.
[0013]
The autofocus processing unit 5 estimates a phase error from the SAR image reproduced by the image reproduction processing unit 4 and compensates the SAR image by the estimated phase error, thereby performing an autofocus process to obtain a high-resolution SAR image 6. Is output.
[0014]
Next, the operation will be described.
FIG. 2 is a flowchart showing a process flow of the synthetic aperture radar apparatus according to the first embodiment of the present invention. In step ST1, the SAR sensor 1 generates a high frequency pulse signal, radiates the high frequency pulse signal from the antenna to the observation region, and receives a reflected signal of the high frequency pulse signal. The SAR sensor 1 amplifies the collected signal, converts it to an intermediate frequency, converts it into a digital signal, and outputs a received signal.
[0015]
In step ST2, the motion sensor 2 measures the speed and acceleration of the mobile platform at the time when the high-frequency pulse signal is emitted from the SAR sensor 1, obtains the position of the mobile platform, and shakes the position, speed, and acceleration of the mobile platform. The data is output, and the image size determination unit 3 reads the motion platform position, velocity, and acceleration motion data from the motion sensor 2.
[0016]
Here, a method in which the motion sensor 2 determines the position of the moving platform will be described.
FIG. 3 is a diagram showing observation coordinates in the XYZ coordinate system. In FIG. 3, point C is the phase center position of the antenna at the center of the trajectory along which the moving platform moves (synthetic aperture center), and the intersection of the vertical line passing through point C and the ground surface is the coordinate origin O. If the Z axis is taken on the straight line OC and the outer product of the vector representing the beam irradiation direction and the Z axis is defined as the X axis, the Y axis is defined as the outer product of the Z axis and the X axis.
[0017]
At this time, the angle between the straight line CA and the straight line passing through the point C parallel to the Y axis in the YZ plane and the center of the observation area is the antenna depression angle θ._depAnd In addition, the trajectory of the moving platform when the moving platform is not shaken is the K axis, and the angle formed by the straight line obtained by projecting the K axis on the XY plane and the X axis is the squint angle θ._sqAnd
[0018]
In FIG. 3, R₀Indicates the distance between the antenna phase center C at the center of the synthetic aperture and the point A at the center of the observation area, the point B indicates a target point far from the point A at the center of the observation area, and the position Q indicates a measurement error of the motion sensor 2. This shows the position of the antenna phase center when
[0019]
The position P of the antenna phase center when the measurement error of the fluctuation sensor 2 is not taken into consideration is expressed as the position (x_p, Y_p, Z_p) Is expressed by the following formula (1). Where (v_x, V_y, V_z) Is the velocity vector of the measured mobile platform, (α_x, Α_y, Α_z) Indicates the measured acceleration vector of the mobile platform, and t indicates the time.
[Expression 1]

[0020]
While the moving platform moves along the trajectory indicated by the K-axis, the SAR sensor 1 transmits a high-frequency pulse signal, and then receives the reflected signal for a predetermined time to obtain a one-dimensional signal sequence. Moreover, this transmission / reception is repeated a plurality of times to obtain a plurality of rows of the one-dimensional signal sequence. Thus, the received signal can be represented by a two-dimensional received signal. Hereinafter, the direction of the received signal configured first is referred to as a range direction of the received signal, and the direction of the received signal configured later is referred to as a hit direction of the received signal.
[0021]
In step ST3 of FIG. 2, the image size determination unit 3 determines the phase error of the received signal due to the movement of the mobile platform based on the center of the SAR image based on the position, speed, and acceleration fluctuation data output from the fluctuation sensor 2. However, the image size of the SAR image to be reproduced at one time is determined so that it is below a predetermined value at the periphery of the SAR image.
[0022]
In step ST4, the image reproduction processing unit 4 receives the reception signal output from the SAR sensor 1, compensates the phase of the reception signal based on the position, velocity, and acceleration fluctuation data output from the fluctuation sensor 2, and The SAR image having the image size determined by the image size determination unit 3 is reproduced by the matched filter configured based on the fluctuation data of the position, velocity, and acceleration. The SAR image is a two-dimensional high resolution image. Here, in the two-dimensional SAR image, an axis in the transmission / reception direction of the high-frequency pulse signal is referred to as a range axis of the SAR image, and an axis orthogonal to the range axis is referred to as an azimuth axis of the SAR image.
[0023]
In step ST5, the autofocus processing unit 5 estimates the phase error from the SAR image reproduced by the image reproduction processing unit 4, compensates the SAR image by the estimated phase error, performs autofocus processing, and performs high resolution. SAR image 6 is output.
[0024]
FIG. 4 is a flowchart showing the flow of the image size determination process in step ST3 of FIG. In step ST11, the length W of one side of the SAR image to be reproduced at a time is assumed.
[0025]
In the subsequent processing, each point (x in the SAR image having a length W of one side assumed is assumed._t, Y_t), That is, each point (x satisfying the following formula (2):_t, Y_t), The phase error of the received signal decreases as it approaches the center of the SAR image. Each point (x_t, Y_t), That is, each point (x satisfying the following expression (3):_t, Y_t), The maximum phase error of the received signal in the assumed SAR image can be obtained.
[Expression 2]

[0026]
FIG. 5 shows each point (x on the periphery of the SAR image having the assumed length W of one side._t, Y_t) And the center point A, and the interval between the points on the periphery is a predetermined interval determined as appropriate.
[0027]
In step ST12, each point (x on the periphery of the assumed SAR image having a side length W) (x_t, Y_t) Phase φ of each received signal_PBAnd the phase φ of the received signal at the center of the SAR image_QAIs obtained as follows. Where phase φ_PBIndicates the phase of the received signal obtained by observing the point B from the position P of the antenna phase center in FIG._QA3 shows the phase of the received signal obtained by observing point A from point Q in FIG. Note that the point Q coincides with the point P when the measurement error of the fluctuation sensor 2 is not considered as in the first embodiment, but the measurement error of the fluctuation sensor 2 is reduced as in the second embodiment described later. In order to simplify the explanation in the case of consideration, here, explanation will be made using the point Q.
[0028]
Here, the assumed SAR image reproduction process with the length W of one side will be described.
The SAR image reproduction process is performed by compressing a received signal spread in two dimensions in the range direction and the hit direction to one point which is a target coordinate by the polar format method.
[0029]
FIG. 6 is a diagram for explaining processing of the polar format method. Each of a range direction FFT (Fast Fourier Transform), multiplication with a range compression reference signal, phase compensation, interpolation, range direction IFFT (Inverse FFT), and azimuth direction FFT. The SAR image is reproduced by processing.
[0030]
In FIG. 6, the received signal is FFTed in the range direction of the received signal and multiplied by a reference signal for range compression. The reference signal for range compression is an FFT of a signal that has been subjected to frequency modulation with the opposite slope to the transmitted high-frequency pulse signal.
[0031]
Next, the phase corresponding to the distance to the center of the SAR image is set as the received signal s.₁Compensation from phase compensation processing and received signal s after phase compensation processing₂The signal in the azimuth direction is compressed by processing the received signal so that the signal sequence in the hit direction of the received signal becomes a sine wave by the process of interpolating. This procedure will be briefly described with reference to FIGS. Here, for the sake of simplicity, description will be made assuming that the mobile platform is not shaken.
[0032]
FIG. 7 is a diagram showing a plane ω including the triangle CPA of FIG. 3, in which B is a point target, η is an angle CAP, φ_ACPIs the corner ACP. The Y ′ axis is defined as an axis on a straight line where the plane ω intersects the plane YZ, and the X ′ axis is defined as an axis orthogonal to the Y ′ axis on the plane ω. The SAR sensor 1 transmits / receives a frequency-modulated pulse signal to the observation region while moving on the K axis, and the received signal is obtained as a function of the angle η and the instantaneous wavelength λ.
[0033]
Now, in FIG. 6, the received signal immediately after being multiplied by the reference signal for range compression is s.₁Then, the polar format is the received signal s.₁Phase φ corresponding to the length of line segment PA_PAIs compensated by the following equation (4) and the received signal s₂Is generated.
[Equation 3]

[0034]
Next, the received signal s₂Is mapped onto the polar coordinates (λ, η) in the spatial frequency domain shown in FIG._p, Y_p) Resample up to achieve azimuth signal compression. Cartesian coordinate system (X_p, Y_p) And the polar coordinate system (λ, η) are shown in the following equations (5) and (6).
[Expression 4]

[0035]
For example, in the case of a chirp modulation signal, the received signal s₂(Λ, η) is mapped to the fan-shaped area shown in FIG. 8, and the received signal recorded for the rectangle in the fan-shaped area is represented by X_pAxis and Y_pImages can be obtained by resampling at equal intervals along the axis and Fourier transforming each. At this time, X_pThe result of Fourier transform along the axis is the azimuth axis X ′, Y_pThe result of Fourier transform along the axis is mapped to the range axis Y '. The above is the principle of the polar format.
[0036]
X in the X-axis direction from the center point A of the observation area_t, Y in the Y-axis direction_tLet B be the remote target. Since the position of the antenna phase center of the mobile platform is the point P, the received signal s of FIG.₁Phase φ_PBIs represented by the following equation (7). Where R₀Represents the distance between the antenna phase center C at the center of the synthetic aperture and the point A at the center of the observation region.
[Equation 5]

When the image size determination unit 3 calculates the above equation (7), the wavelength λ and the distance R₀And antenna depression angle θ_depUses a preset value, but if it varies for each measurement of the SAR sensor 1, the image size determination unit 3 is notified from the SAR sensor 1.
[0037]
On the other hand, since the fluctuation sensor 2 measures that the point Q is moving, the phase compensation amount φ of the polar format_QAThat is, the phase corresponding to the distance between the point Q and the point A is expressed by the following equation (8).
[Formula 6]

[0038]
As described above, each point (x on the periphery of the assumed SAR image in step ST12 in FIG._t, Y_t) Phase φ of each received signal_PBAnd the phase φ of the received signal at the center of the SAR image_QAIs required.
[0039]
In step ST13 of FIG. 4, each point (x_t, Y_t) Phase φ of each received signal_PBAnd the phase φ of the received signal at the center of the SAR image_QAThe phase of the difference between_BIs obtained by the following equation (9).
[Expression 7]

This phase difference φ_BIs a received signal s after phase compensation processing that compensates the phase corresponding to the distance to the center of the SAR image in the polar format.₂It becomes the phase.
[0040]
In step ST14, Cartesian coordinate axis X_pIn order to determine the phase error of the received signal generated above, based on the principle of the polar format, as shown below, the phase φ_BCartesian coordinate axis X_pIt is expressed by the function of
[0041]
The polar format method uses X in the spatial frequency domain._pAn image in the azimuth direction is obtained by Fourier transforming the received signal along Therefore, here, as shown in FIG._p= Y_p0= 2 / λ₀Consider the received signal on the straight line. Where λ₀Is λ₀= 2 / Y_p0It is an instantaneous wavelength that satisfies As can be seen from FIG. 8, the straight line Y_p= Y_p0= 2 / λ₀The above received signal is observed under the conditions of the next instantaneous wavelength λ and angle η. Here, λ and η satisfying the relationship of the following equations (10) and (11) are selected and observed, and the straight line Y in FIG._p= Y_p0Assume that the received signal is obtained above.
[Equation 8]

[0042]
Further, the sine theorem is applied to the triangle CPA in FIG. 7 to obtain the following expression (12). Furthermore, φ_ACPThe following equation (13) holds for. Here, ● represents the inner product of the vectors.
[Equation 9]

[0043]
In this way, using the expressions (1), (7), (8), (10), (11), (12), and (13), φ in the expression (9) that is a function of the time t_B, Cartesian coordinate axis X_pCan be expressed as a function of First, Equation (9) is the difference between Equation (7) and Equation (8), and Equations (7) and (8) can be obtained as a function of time t using Equation (1), respectively. On the other hand, time t and Cartesian coordinate axis X_pCan be obtained from equations (10), (11), (12), and (13) using λ and η as parameters. Calculated time t and Cartesian coordinate axis X_pBy performing variable conversion using the relational expression, the phase φ is expressed as shown in the following expression (14)._BCartesian coordinate axis X_pCan be expressed as a function of
[Expression 10]

That is, in step ST14, the image size determination unit 3 uses the expressions (10) to (13) to calculate φ in Expression (9) that is a function of time t._B, Cartesian coordinate axis X_p(14) is obtained.
[0044]
In step ST15, the phase φ in the case where the movement platform motion is completely compensated_B' The polar format method assumes that the wavefront of radio wave propagation is a plane in the observation region. Therefore, the phase φ after the phase compensation processing of the polar format method so as to satisfy this condition_B'_BAnd φ_BTaking the difference of ′, the phase error due to the movement of the moving platform can be obtained in the polar format method. Φ obtained by this assumption_B'Is represented by the following equation (15). Here, PA represents the position vector of point A with respect to point P, and AB represents the position vector of point B with respect to point A.
## EQU11 ##

[0045]
In step ST16, based on the principle of the polar format, the phase φ_B'Is Cartesian coordinate axis X_pIt is expressed by the function of Here, in the same manner as in step ST14, the phase φ in equation (15), which is a function of time t, according to equations (10) to (13)._B'Is a Cartesian coordinate axis X as shown in the following equation (16):_pExpressed as a function of
[Expression 12]

[0046]
In step ST17, the phase error Δφ due to the shaking of the mobile platform_BIs obtained by the following equation (17) using the above equations (14) and (16).
[Formula 13]

[0047]
The phase error due to the shaking of the mobile platform decreases as it approaches the center of the SAR image. For this reason, if the image size is limited in accordance with the movement of the mobile platform, resolution degradation in the image can be suppressed to a certain value or less.
[0048]
In Step ST18, the phase error Δφ due to the movement of the moving platform with reference to the center of the SAR image._ABIs obtained by the following equation (18). This phase error Δφ_ABIs expressed in the X-axis direction from the center A of the observation region as shown in the equation (18)._t, Y in the Y-axis direction_tIt can be obtained from the difference between the phase error occurring at the target B at a distant point and the phase error occurring at the center A of the observation region.
[Expression 14]

[0049]
In step ST19, the length W of one side of the SAR image to be reproduced assumed in step ST11 is changed, and the processing from steps ST12 to ST18 is repeated, and a predetermined threshold value Δφ is obtained by the following equation (19)._threMaximum phase error Δφ not exceeding_ABAnd the length W of one side at that time is determined as the image size of the SAR image to be reproduced at one time. Here, max (f (x, y, z) for x, y, z) represents the maximum value for x, y, z of f (x, y, z).
[Expression 15]

[0050]
Further, a predetermined threshold value Δφ_threIs set according to the allowable resolution degradation. For example, in the case where the center of the SAR image is imaged by the autofocus method, in order not to degrade the resolution even at the periphery of the SAR image, Δφ_thre= Π / 4.
[0051]
When the W obtained by the above processing is set to the length of one side of the image to be reproduced at once, and the image reproduction processing unit 4 reproduces the SAR image, the resolution degradation of the reproduced SAR image has a predetermined threshold value Δφ._threOr less than the value determined by.
[0052]
As described above, according to the first embodiment, the position, velocity, and acceleration fluctuation data output from the fluctuation sensor 2 is used to determine the image size of the SAR image to be reproduced at one time, and to create the SAR image. By reproducing, even when the mobile platform is largely shaken, it is possible to obtain an SAR image with high resolution.
[0053]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of a synthetic aperture radar apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 9, the measurement error model 7 stores the measurement error of the fluctuation sensor 2 determined by the specification of the fluctuation sensor 2.
[0054]
Further, the image size determination unit 8 considers the measurement error of the motion sensor 2 stored in the measurement error model 7 and based on the motion data of the position, speed, and acceleration output from the motion sensor 2, The image size of the SAR image to be reproduced at one time is determined so that the phase error of the received signal due to the movement of the mobile platform with respect to the center is equal to or less than a predetermined value at the periphery of the SAR image. Other configurations are the same as those shown in FIG. 1 of the first embodiment.
[0055]
Next, the operation will be described.
FIG. 10 is a flowchart showing a process flow of the synthetic aperture radar apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 10, the processes of steps ST1 and ST2 are the same as the processes of steps ST1 and ST2 shown in FIG. 2 of the first embodiment.
[0056]
In step ST <b> 31, the image size determination unit 8 reads the measurement error of the motion sensor 2 determined by the specification of the motion sensor 2 stored in the measurement error model 7.
[0057]
In step ST <b> 32, the image size determination unit 8 considers the measurement error of the read shake sensor 2 and uses the center of the SAR image as a reference based on the shake data of the position, speed, and acceleration output from the shake sensor 2. The image size of the SAR image to be reproduced at a time is determined so that the phase error of the received signal due to the movement of the mobile platform is less than or equal to a predetermined value at the periphery of the SAR image.
[0058]
The processing in steps ST4 and ST5 in FIG. 10 is the same as the processing in steps ST4 and ST5 shown in FIG. 2 of the first embodiment.
[0059]
FIG. 11 is a flowchart showing the flow of the image size determination process in step ST32 of FIG. In step ST21, the movement considering the measurement error of the fluctuation sensor 2 by the following equation (20) based on the fluctuation data of the position, velocity and acceleration from the fluctuation sensor 2 and the measurement error of the fluctuation sensor 2 from the measurement error model 7. Find the platform position. Where dv_x, Dv_y, Dv_zIndicates the speed measurement error of the vibration sensor 2 and dα_x, Dα_y, Dα_zIndicates an acceleration measurement error of the motion sensor 2.
[Expression 16]

[0060]
The process in step ST11 in FIG. 11 is the same as the process in step ST11 in FIG. 4 of the first embodiment.
[0061]
In step ST22 of FIG. 11, each point (x_t, Y_t) Phase φ of each received signal_PBAnd the phase φ of the received signal at the center of the SAR image considering the measurement error of the fluctuation sensor 2_QAAsk for. Here, each point (x on the periphery of the assumed SAR image)_t, Y_t) Phase φ of each received signal_PBIs obtained using equation (7) in step ST12 of FIG. 4 of the first embodiment, but the phase φ of the received signal at the center of the SAR image in consideration of the measurement error of the fluctuation sensor 2_QAIs obtained by the following equation (21) instead of equation (8).
[Expression 17]

[0062]
The processing in steps ST13 to ST19 in FIG. 11 is the same as the processing in steps ST13 to ST19 in FIG. 4 of the first embodiment.
[0063]
As described above, according to the second embodiment, the SAR image that is reproduced at a time using the fluctuation data of the position, velocity, and acceleration output from the fluctuation sensor 2 and taking the measurement error of the fluctuation sensor 2 into consideration. By reproducing the SAR image by determining the image size, it is possible to accurately determine the image size, and it is possible to obtain a SAR image having a higher resolution even when the mobile platform is largely shaken. can get.
[0064]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of a synthetic aperture radar apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 12, the shaking data-image size correspondence table 9 shows the shaking data of the position, velocity, and acceleration output from the shaking sensor 2 and the phase error of the received signal due to the shaking of the moving platform based on the center of the SAR image. The correspondence with the image size of the SAR image that is calculated in advance so as to be equal to or less than a predetermined value at the periphery of the SAR image is stored.
[0065]
Further, the image size determination unit 10 determines the image size of the SAR image to be reproduced at one time with reference to the motion data-image size correspondence table 9 from the motion data of the position, speed, and acceleration output from the motion sensor 2. To do. Other configurations are the same as those shown in FIG. 1 of the first embodiment.
[0066]
Next, the operation will be described.
FIG. 13 is a flowchart showing the flow of processing of the synthetic aperture radar apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 13, the processes of steps ST1 and ST2 are the same as the processes of steps ST1 and ST2 shown in FIG. 2 of the first embodiment.
[0067]
In step ST41, the image size determination unit 10 refers to the motion data-image size correspondence table 9 based on the motion data of the position, velocity, and acceleration output from the motion sensor 2, and the image size of the SAR image to be reproduced at one time. To decide. The processes in steps ST4 and ST5 in FIG. 13 are the same as the processes in steps ST4 and ST5 shown in FIG. 2 of the first embodiment.
[0068]
As described above, according to the third embodiment, the motion data of the position, velocity, and acceleration output from the motion sensor 2 is used, and the motion data-image size correspondence table 9 is referred to reproduce at a time. By determining the image size of the SAR image and reproducing the SAR image, the image size of the SAR image can be determined at high speed, and a SAR image with high resolution can be efficiently obtained even when the mobile platform is largely shaken. The effect that it can be obtained.
[0069]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of a synthetic aperture radar apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 14, the measurement error model 7 stores the measurement error of the sway sensor 2 determined by the specification of the sway sensor 2 as in FIG. 9 of the second embodiment.
[0070]
In addition, the motion data-image size correspondence table 11 shows the motion error data of the position, velocity and acceleration output from the motion sensor 2 and the phase error of the received signal due to the motion of the mobile platform based on the center of the SAR image. The correspondence with the image size of the SAR image to be reproduced at once calculated in advance in consideration of the measurement error of the motion sensor 2 so as to be equal to or less than a predetermined value at the periphery of the image is stored.
[0071]
Further, the image size determination unit 12 calculates the motion data-image size correspondence table 11 from the motion data of the position, velocity, and acceleration from the motion sensor 2 and the measurement error of the motion sensor 2 stored in the measurement error model 7. With reference to this, the image size of the SAR image to be reproduced at one time is determined. Other configurations are the same as those shown in FIG. 1 of the first embodiment.
[0072]
Next, the operation will be described.
FIG. 15 is a flowchart showing a flow of processing of the synthetic aperture radar apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 15, the processes of steps ST1 and ST2 are the same as the processes of steps ST1 and ST2 shown in FIG. 2 of the first embodiment. Further, the process of step ST31 is the same as the process of step ST31 shown in FIG. 10 of the second embodiment.
[0073]
In step ST <b> 51, the image size determination unit 12 calculates the vibration data-image size based on the position, velocity, and acceleration fluctuation data output from the fluctuation sensor 2 and the measurement error of the fluctuation sensor 2 stored in the measurement error model 7. With reference to the correspondence table 11, the image size of the SAR image to be reproduced at one time is determined. The processes in steps ST4 and ST5 in FIG. 15 are the same as the processes in steps ST4 and ST5 shown in FIG. 2 of the first embodiment.
[0074]
As described above, according to the fourth embodiment, the position, velocity, and acceleration fluctuation data output from the fluctuation sensor 2 and the measurement error of the fluctuation sensor 2 stored in the measurement error model 7 are used. With reference to the motion data-image size correspondence table 11, by determining the image size of the SAR image to be reproduced at once and reproducing the SAR image, the image size can be determined at high speed and with high accuracy, and the determined mobile platform Even in the case where the sway is large, it is possible to efficiently obtain a SAR image with higher resolution.
[0075]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention,In a synthetic aperture radar device mounted on a mobile platform to obtain a SAR image of the ground surface or the sea surface, a SAR sensor that radiates a high-frequency pulse signal, receives the reflected signal and outputs a received signal, and the position, speed, Based on the motion sensor that outputs the motion data of acceleration, and the motion data output from the motion sensor, the phase error of the received signal due to the motion of the mobile platform relative to the center of the SAR image is a predetermined value at the periphery of the SAR image. An image size determining unit that determines an image size of a SAR image to be reproduced at one time and a reception signal output from the SAR sensor are input so that the SAR image having the image size determined by the image size determining unit is input. The image replay processing unit to be replayed and the motion set determined by the motion sensor specifications An image of a SAR image to be reproduced at a time in consideration of the measurement error of the motion sensor stored in the measurement error model. Determine the sizeAccordingly, there is an effect that it is possible to obtain a high-resolution SAR image even when the mobile platform is largely shaken.In addition, considering the measurement error of the motion sensor, the image size of the SAR image to be reproduced at one time is determined and the SAR image is reproduced, so that the image size can be determined with high accuracy, and the movement platform is greatly shaken. Even in this case, an effect that a SAR image with higher resolution can be obtained is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a synthetic aperture radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a process flow of the synthetic aperture radar apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing observation coordinates in an XYZ coordinate system.
FIG. 4 is a flowchart showing a flow of an image size determination process of the synthetic aperture radar device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing points and centers on the periphery of a SAR image having a length W of one side assumed in the synthetic aperture radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 6 is a diagram illustrating processing of a polar format method.
7 is a diagram showing a plane ω including a triangle CPA in FIG. 3;
FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between a Cartesian coordinate system and a polar coordinate system in a spatial frequency domain.
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a synthetic aperture radar apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 10 is a flowchart showing a process flow of the synthetic aperture radar apparatus according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a flowchart showing a flow of an image size determination process of the synthetic aperture radar device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of a synthetic aperture radar apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 13 is a flowchart showing a process flow of the synthetic aperture radar apparatus according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of a synthetic aperture radar apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 15 is a flowchart showing a process flow of the synthetic aperture radar apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 SAR sensor, 2 motion sensor, 3 image size determination unit, 4 image playback processing unit, 5 autofocus processing unit, 6 SAR image, 7 measurement error model, 8 image size determination unit, 9 motion data-image size correspondence table, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Image size determination part, 11 Fluctuation data-image size correspondence table, 12 Image size determination part.

Claims

移動プラットフォームに搭載され地表や海面のＳＡＲ画像を得る合成開口レーダ装置において、
高周波パルス信号を放射し、その反射信号を受信して受信信号を出力するＳＡＲセンサと、
上記移動プラットフォームの位置、速度、加速度の動揺データを出力する動揺センサと、
上記動揺センサより出力された動揺データに基づき、ＳＡＲ画像の中心を基準とした移動プラットフォームの動揺による受信信号の位相誤差が、ＳＡＲ画像の周縁において所定値以下になるよう一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定する画像サイズ決定部と、
上記ＳＡＲセンサより出力された受信信号を入力し、上記画像サイズ決定部により決定された画像サイズのＳＡＲ画像を再生する画像再生処理部と、上記動揺センサの仕様によって決定される動揺センサの計測誤差を格納している計測誤差モデルを備え、
上記画像サイズ決定部が、上記計測誤差モデルに格納されている上記動揺センサの計測誤差を考慮して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定することを特徴とする合成開口レーダ装置。In a synthetic aperture radar device that is mounted on a mobile platform and obtains SAR images of the ground surface and sea surface,
A SAR sensor that emits a high-frequency pulse signal, receives the reflected signal, and outputs a received signal;
A motion sensor that outputs motion data of the position, speed, and acceleration of the mobile platform;
Based on the shaking data output from the shaking sensor, the phase error of the SAR image that is reproduced at a time so that the phase error of the received signal due to the shaking of the mobile platform with respect to the center of the SAR image is below a predetermined value at the periphery of the SAR image. An image size determination unit for determining an image size;
An input signal received from the SAR sensor and an image reproduction processing unit that reproduces the SAR image having the image size determined by the image size determining unit, and a measurement error of the motion sensor determined by the specifications of the motion sensor With a measurement error model that stores
The synthetic aperture radar apparatus, wherein the image size determination unit determines an image size of a SAR image to be reproduced at a time in consideration of a measurement error of the motion sensor stored in the measurement error model .

移動プラットフォームに搭載され地表や海面のＳＡＲ画像を得る合成開口レーダ装置において、
高周波パルス信号を放射し、その反射信号を受信して受信信号を出力するＳＡＲセンサと、
上記移動プラットフォームの位置、速度、加速度の動揺データを出力する動揺センサと、
上記動揺センサの仕様によって決定される動揺センサの計測誤差を格納している計測誤差モデルと、
上記動揺センサより出力される動揺データと、ＳＡＲ画像の中心を基準とした移動プラットフォームの動揺による受信信号の位相誤差がＳＡＲ画像の周縁において所定値以下となるよう上記動揺センサの計測誤差を考慮して予め計算された一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズとの対応を格納している動揺データ−画像サイズ対応テーブルと、
上記動揺センサより出力された動揺データと上記計測誤差モデルに格納されている動揺センサの計測誤差により、上記動揺データ−画像サイズ対応テーブルを参照して、一度に再生するＳＡＲ画像の画像サイズを決定する画像サイズ決定部と、
上記ＳＡＲセンサより出力された受信信号を入力し、上記画像サイズ決定部により決定された画像サイズのＳＡＲ画像を再生する画像再生処理部とを備えたことを特徴とする合成開口レーダ装置。In a synthetic aperture radar device that is mounted on a mobile platform and obtains SAR images of the ground surface and sea surface,
A SAR sensor that emits a high-frequency pulse signal, receives the reflected signal, and outputs a received signal;
A motion sensor that outputs motion data of the position, speed, and acceleration of the mobile platform;
A measurement error model storing the measurement error of the vibration sensor determined by the specification of the vibration sensor;
Taking into account the measurement error of the vibration sensor so that the phase error of the vibration data output from the vibration sensor and the received signal due to the movement of the mobile platform relative to the center of the SAR image is less than or equal to a predetermined value at the periphery of the SAR image. A motion data-image size correspondence table storing correspondence with the image size of the SAR image to be reproduced at once calculated in advance,
The image size of the SAR image to be reproduced at one time is determined by referring to the motion data-image size correspondence table based on the motion data output from the motion sensor and the motion error of the motion sensor stored in the measurement error model. An image size determination unit to perform,
A synthetic aperture radar apparatus comprising: an image reproduction processing unit that receives a reception signal output from the SAR sensor and reproduces a SAR image having an image size determined by the image size determination unit.

画像再生処理部により再生されたＳＡＲ画像から位相誤差を推定し、推定した位相誤差により上記ＳＡＲ画像を補償して出力するオートフォーカス処理部を備えたことを特徴とする請求項２記載の合成開口レーダ装置。 3. The synthetic aperture according to claim 2, further comprising an autofocus processing unit that estimates a phase error from the SAR image reproduced by the image reproduction processing unit and compensates and outputs the SAR image by the estimated phase error. Radar device.