JP6165350B2 - レーダ動画作成装置および方法 - Google Patents
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Description
特許文献1では、レーダ装置によりスポットライトモードで観測されたRAWデータを取得すると、そのRAWデータの中から、複数の部分的なRAWデータの分割を行い、各々の部分的なRAWデータに対して画像再生処理を実施することで、複数の部分的なSAR画像を生成し、観測領域の変化を確認できる方法を従来技術として設定している。
これに対して、この特許文献1に記載されている発明では、複数の部分的なRAWデータの抽出処理として、RAWデータの分割によってではなく、部分的なRAWデータ間の重複を許容して、RAWデータを切り出すことによって行っている。このようなRAWデータの切り出しを行って画像再生処理を実施して得られたSAR画像は滑らかに変化するので、より細かな目標の変化を確認することができる。
また、画像再構成部によりビームの照射領域毎に構成された動画用画像を順番に再生する動画用画像再生部を備え、動画用画像再生部が、サブ帯域の成分の帯域幅から、隣り合っているサブ帯域の成分の観測時刻差を算出し、観測時刻差の逆数から動画用画像を再生する際のフレームレートを決定するようにしたものである。
図1はこの発明の実施の形態1によるレーダ動画作成装置を示す構成図である。
図1において、レーダ装置1はストリップマップモード又はスライディングスポットライトモードで観測するレーダであり、例えば、ビームを地表面上のターゲットに照射したのち、そのターゲットからのエコーを受信し、そのエコーからRAWデータ(観測データ)として、例えばIQデータを生成する。
レーダ動画作成装置2はレーダ装置1により生成されたRAWデータに対する画像再生処理を実施して合成開口レーダ画像(以下、「SAR画像」と称する)を生成し、そのSAR画像から動画用画像を作成して、その動画用画像を再生する装置である。
なお、画像再生処理として、例えば、バックプロジェクションアルゴリズムなどが考えられるが、RAWデータからSAR画像を生成することができれば、どのようなアルゴリズムを用いるものであってもよい。
ここでは、レーダ装置1からRAWデータが送信され、合成開口レーダ画像生成部11によりRAWデータから生成されたSAR画像がSAR画像格納部12に格納される例を示しているが、レーダ装置1において、RAWデータからSAR画像が生成され、レーダ装置1からSAR画像が送信される場合には、そのSAR画像がSAR画像格納部12に格納されるものであってもよい。あるいは、過去の生成済みのプロダクトであるSAR画像がSAR画像格納部12に格納されるものであってもよい。
バンド切り出し部14はアジマスフーリエ変換部13により変換されたドップラー周波数帯域の成分から、複数のサブ帯域の成分を切り出す処理を実施する。
アジマス逆フーリエ変換部15はバンド切り出し部14により切り出された複数のサブ帯域の成分をアジマス方向に逆フーリエ変換することで、複数のサブ帯域の成分を時間領域の画像にそれぞれ変換する処理を実施する。なお、アジマス逆フーリエ変換部15は第2の変換部を構成している。
動画用画像格納部17は例えばRAMやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、画像再構成部16によりビームの照射領域毎に構成された動画用画像をそれぞれ格納する。
動画用画像再生部18は動画用画像格納部17に格納されている複数の動画用画像を順番に再生する処理を実施する。
ただし、図1のレーダ動画作成装置2は、構成要素のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものに限るものではなく、レーダ動画作成装置2の全体がコンピュータで構成されているものであってもよい。
図1のレーダ動画作成装置2がコンピュータで構成される場合、SAR画像格納部12及び動画用画像格納部17をコンピュータのメモリ41上に構成するとともに、合成開口レーダ画像生成部11、アジマスフーリエ変換部13、バンド切り出し部14、アジマス逆フーリエ変換部15、画像再構成部16及び動画用画像再生部18の処理内容を記述しているプログラムをメモリ41に格納し、コンピュータのプロセッサ42がメモリ41に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図2はこの発明の実施の形態1によるレーダ動画作成装置の処理内容であるレーダ動画作成方法を示すフローチャートである。
これに対して、スポットライトモードは、ビームの照射領域の中心が常に観測領域の中心に一致するようにビームの方向の変えながら観測を行うことを特徴とする。常に同様の観測領域をビームで照射することになるので、得られるSAR画像の観測範囲は狭いものの、合成開口角をストリップマップモードより大きくできることから、アジマス方向に高分解能なSAR画像が得られる特徴がある。
スライディングスポットライトモードについて説明する。スポットライトモードでは、常にビームの照射領域の中心と観測領域の中心とを一致させるようにビームの方向を変えていたが、スライディングスポットライトモードでは、ビームが地中を透過すると仮定した場合に、ビームの照射領域の中心が常に地中のある一点をとらえるようにビームの方向の変えながら観測を行うことを特徴とする。その結果、ストリップマップモードよりも合成開口角を大きくしてアジマス分解能を改善して、スポットライトモードよりもビーム照射範囲を広げて広域な画像を得ることが可能になる。つまり、スライディングスポットライトモードは、ストリップマップモードとスポットライトモードに対して中間的な性能を有する観測モードである。
この実施の形態1では、レーダ装置1の観測モードがストリップマップモード又はスライディングスポットライトモードである例を説明する。
図1のレーダ動画作成装置の処理内容を具体的に説明する前に、処理のバックグラウンドについて説明する。
図3はSAR画像から変換されたドップラー周波数帯域の成分及びレーダ装置1のビームパターンを示す説明図である。
ドップラー周波数帯域の成分100と、レーダ装置1のビームパターン103とは対応付けが存在しており、図3に示すように、ビームパターン103の前方向がドップラー周波数の高周波数成分に対応し、ビームパターン103の後ろ方向がドップラー周波数の低周波数成分に対応している。
ドップラー周波数帯域の成分100が分割されたサブ帯域の成分101−1〜101−3を時間領域にそれぞれ変換すると、時間領域の画像であるサブ画像102−1〜102−3が得られる。
このとき、ドップラー周波数帯域の成分100とビームパターン103の対応付けが存在しているため、サブ画像102−1は、ビームパターン103の分割パターンであるビームパターン103−1で照射されて得られた画像に対応し、サブ画像102−2は、ビームパターン103の分割パターンであるビームパターン103−2で照射されて得られた画像に対応する。
また、サブ画像102−3は、ビームパターン103の分割パターンであるビームパターン103−3で照射されて得られた画像に対応する。
ただし、ドップラー周波数帯域の成分100では帯域幅がB+であったが、サブ帯域の成分101−1〜101−3では帯域幅Bになり、帯域幅が狭くなっている。このため、サブ画像102−1〜102−3は、ドップラー周波数帯域の成分100の変換元のSAR画像より、アジマス分解能と信号対雑音電力比が劣化している点に注意が必要である。
図5は図1のレーダ動画作成装置2の処理内容の一部を示す説明図であり、図6は画像再構成部16の処理内容を示す説明図である。
レーダ装置1は、ストリップマップモード又はスライディングスポットライトモードで観測し、その観測データであるRAWデータをレーダ動画作成装置2に送信する。
ドップラー周波数帯域の成分22は、レンジビンの数分だけ存在しているが、図5では、説明の便宜上、アジマス方向の1次元だけに着目して、1レンジビン分のみを描画している。
フーリエ変換の方法として、例えば、FFT(Fast Fourier Transform)や、DFT(Discrete Fourier Transform)などを用いることができる。
図5では、ドップラー周波数帯域の成分22から、5個のサブ帯域の成分を切り出す例を示しており、具体的には、帯域幅がB+のドップラー周波数帯域の成分22から、帯域幅Bdifずつずらしながら、帯域幅がBのサブ帯域の成分23−1〜23−5を切り出すようにしている。ここでは、5個のサブ帯域の成分を切り出す例を示しているが、4個以下又は6個以上のサブ帯域の成分を切り出すようにしてもよいことは言うまでもない。
また、図5のようにB>Bdifと設定して、隣のサブ帯域の成分と帯域の一部を重複させることにより、特許文献1と同様に画像の変化を滑らかに確認できる効果が得られる。しかし、必ずしも図5のようにB>Bdifと設定する必要はない。
サブ帯域の成分23−1〜23−5についても、ドップラー周波数帯域の成分22と同様に、レンジビンの数分だけ存在しているが、図5では、説明の便宜上、アジマス方向の1次元だけに着目して、1レンジビン分のみを描画している。
また、動画に必要なアジマス分解能を達成するために必要な帯域幅Bを有するサブ帯域の成分23−1〜23−5を抽出しているので、サブ帯域から得られるサブ画像はアジマス方向のアップサンプルは行われていないものとする。
ただし、λは波長、vはプラットフォームの速度、Rはスラントレンジ距離である。
したがって、動画像の画質と、動画像内の変化の視認性の両者を勘案して、サブ帯域の成分23−1〜23−5の帯域幅Bを設定する必要がある。
サブ画像24−1〜24−5は、観測時刻がおおよそΔTdifずつずれた画像になっており、サブ画像24−1〜24−5のドップラー帯域幅はBである。
逆フーリエ変換の方法として、例えば、IFFT(Inverser Fast Fourier Transform)や、IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)などを用いることができる。
このため、アジマス方向のサンプル点数と、アジマス方向のピクセルスペーシングとを乗算した値が、SAR画像21とサブ画像24−kは同一になり、SAR画像21とサブ画像24−kの観測領域が一致する。したがって、サブ画像24−1〜24−5の観測領域も一致する。
しかし、画像再生後に、アジマス方向において合成開口長の半分の長さに相当する両端の領域を削除せず、SAR画像21の両端にアジマス分解能が劣化した領域が残存している場合には、サブ画像24−k内にビームが照射されていない領域が現れるようになる。したがって、SAR画像21の両端にアジマス分解能が劣化した領域が残存している場合、ビームの照射されていない領域であるために目標を確認できないという意味で、SAR画像21とサブ画像24−kの観測される領域が一致していない点には注意が必要である。
サブ画像24−k(k=1,2,・・・,5)のアジマス方向のピクセルスペーシングΔaは、間引き処理を行っていない場合、下記の式(5)のように表される。
サブ画像24−kに対する間引き処理を実施して、アジマス方向のデータ点数を1/Z倍にした場合には、式(5)のΔaにZを乗算した値が、アジマス方向のピクセルスペーシングになる。
以下、画像再構成部16による動画用画像25−l(l=1,2,・・・,L)の構成処理を具体的に説明する。
ここで、X=floor(v×ΔTdif/Δa)である。
floor()は、v×ΔTdif/Δaの整数部分を抽出することを示す演算記号である。
次に、サブ画像24−2からアジマス方向のX(l−1)+X+1〜X(l−1)+2X[pix]の画素列を抽出する。
同様に、サブ画像24−k(k=3,4,5)からアジマス方向のX(l−1)+(k−1)X+1〜X(l−1)+kX[pix]の画素列を抽出する。
画像再構成部16は、サブ画像24−1〜24−5の中から、照射領域#l=1の画素列をそれぞれ抽出すると、図6に示すように、それらの画素列を集めることで動画用画像25−1を構成する。動画用画像25−1は、レーダ装置1がΔT秒に相当する合成開口時間のビーム照射を実施して、画像再生処理を行うことで得られる画像を疑似的に再現している画像である。
画像再構成部16は、動画用画像25−1〜25−Lを構成すると、その動画用画像25−1〜25−Lを動画用画像格納部17に格納する。
これにより、レーダ装置1を搭載しているプラットフォームの移動に伴って、刻々と観測領域が移り変わっている状況が再現される。このため、移動目標の動きや海面の潮流といった変化を確認することができる。
これにより、動画像における移動目標の実速度を確認することができるようになる。このように、フレームレートを基準にBdifを設定することで、任意の再生速度で動画を確認できる。
したがって、通信量の削減を目的として、データ量が多いRAWデータをレーダ動画作成装置2に送信するのではなく、プラットフォーム3上でレーダ装置1により取得されたRAWデータからSAR画像21を生成して、そのSAR画像21をレーダ動画作成装置2に送信し、そのSAR画像21から動画用画像25−1〜25−Lを作成したいという要求や、過去の生成済みのプロダクトであるSAR画像21から動画用画像25−1〜25−Lを作成したいという要求などに対処することができるようになる。
ここで、図7はレーダ装置1を実装しているプラットフォーム3がSAR画像21を送信する場合のレーダ動画作成装置2を示す構成図であり、図7の構成では、合成開口レーダ画像生成部11がプラットフォーム3に実装されている。
上記実施の形態1では、ストリップマップモード又はスライディングスポットライトモードの観測モードに適用可能なレーダ動画作成装置2について示したが、この実施の形態2では、スポットライトモードの観測モードに適用可能なレーダ動画作成装置32について説明する。
レーダ装置31はスポットライトモードで観測するレーダであり、例えば、ビームを地表面上のターゲットに照射したのち、そのターゲットからのエコーを受信し、そのエコーからRAWデータ(観測データ)として、例えばIQデータを生成する。
レーダ動画作成装置32はレーダ装置31により生成されたRAWデータに対する画像再生処理を実施してSAR画像を生成し、そのSAR画像から動画用画像を作成して、その動画用画像を再生する装置である。
スポットライトモードの場合、レーダ装置31の地表面に対するビームの照射領域が固定されているため、図1の画像再構成部16が不要になっている。
合成開口レーダ画像生成部19はレーダ装置31により生成されたRAWデータを取得し、そのRAWデータに対する画像再生処理を実施してSAR画像を生成する処理を実施する。
なお、画像再生処理として、例えば、バックプロジェクションアルゴリズムなどが考えられるが、RAWデータからSAR画像を生成することができれば、どのようなアルゴリズムを用いるものであってもよい。
ただし、図8のレーダ動画作成装置32は、構成要素のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものに限るものではなく、レーダ動画作成装置32の全体がコンピュータで構成されているものであってもよい。
図9はこの発明の実施の形態2によるレーダ動画作成装置の処理内容であるレーダ動画作成方法を示すフローチャートである。
レーダ装置31は、スポットライトモードで観測し、その観測データであるRAWデータをレーダ動画作成装置32に送信する。
ドップラー周波数帯域の成分22は、レンジビンの数分だけ存在しているが、図5では、説明の便宜上、アジマス方向の1次元だけに着目して、1レンジビン分のみを描画している。
図5では、ドップラー周波数帯域の成分22から、5個のサブ帯域の成分を切り出す例を示しており、具体的には、帯域幅がB+のドップラー周波数帯域の成分22から、帯域幅Bdifずつずらしながら、帯域幅がBのサブ帯域の成分23−1〜23−5を切り出すようにしている。
サブ帯域の成分23−1〜23−5についても、ドップラー周波数帯域の成分22と同様に、レンジビンの数分だけ存在しているが、図5では、説明の便宜上、アジマス方向の1次元だけに着目して、1レンジビン分のみを描画している。
サブ画像24−1〜24−5は、観測時刻がおおよそΔTdifずつずれた画像になっており、サブ画像24−1〜24−5のドップラー帯域幅はBである。
レーダ装置31の観測モードがスポットライトモードの場合、レーダ装置31を搭載しているプラットフォームが移動しても、各観測時刻におけるビームの照射領域が変わらないため、上記実施の形態1のように、画像再構成部16が、サブ画像24−1〜24−5から動画用画像25−1〜25−Lを構成する必要がなく、サブ画像24−1〜24−5を動画用画像として用いることができる。
動画用画像格納部17には、動画用画像として、サブ画像24−1〜24−5が格納される。
これにより、動画像における移動目標の実速度を確認することができるようになる。このように、フレームレートを基準にBdifを設定することで、任意の再生速度で動画を確認できる。
したがって、通信量の削減を目的として、データ量が多いRAWデータをレーダ動画作成装置32に送信するのではなく、プラットフォーム3上でレーダ装置31により取得されたRAWデータからSAR画像21を生成して、そのSAR画像21をレーダ動画作成装置32に送信し、そのSAR画像21から動画用画像25−1〜25−Lを作成したいという要求や、過去の生成済みのプロダクトであるSAR画像21から動画用画像25−1〜25−Lを作成したいという要求などに対処することができるようになる。
ここで、図10はレーダ装置31を実装しているプラットフォーム3がSAR画像21を送信する場合のレーダ動画作成装置32を示す構成図であり、図10の構成では、合成開口レーダ画像生成部19がプラットフォーム3に実装されている。
また、この実施の形態2において、B>Bdifと設定すれば、バンド切り出し部14が、アジマスフーリエ変換部13により変換されたドップラー周波数帯域の成分22から、隣のサブ帯域の成分と帯域の一部が重複するように、サブ帯域の成分23−1〜23−5を切り出す構成となるので、滑らかに変化する動画用画像としてサブ画像24−1〜24−5を生成することができる、特許文献1と同様の効果を奏する。しかし、レーダ動画作成装置32の合成開口レーダ画像生成部19による画像再生処理は、重複部分に対する冗長的な画像再生処理を含んでいないため、特許文献1と同等の効果が得られるにもかかわらず、演算量が低減されている効果も得られている。
Claims (7)
- レーダ装置の観測データから生成された合成開口レーダ画像をドップラー周波数帯域の成分に変換する第1の変換部と、
前記第1の変換部により変換されたドップラー周波数帯域の成分から、複数のサブ帯域の成分を切り出すバンド切り出し部と、
前記バンド切り出し部により切り出された複数のサブ帯域の成分を時間領域の画像にそれぞれ変換する第2の変換部と、
前記レーダ装置によるビームの照射領域毎に、前記第2の変換部により変換された複数の時間領域の画像の中から、当該照射領域に対応する画素列をそれぞれ抽出し、それぞれ抽出した複数の画素列を集めて動画用画像を構成する画像再構成部と、
前記画像再構成部によりビームの照射領域毎に構成された動画用画像を順番に再生する動画用画像再生部とを備え、
前記動画用画像再生部は、前記サブ帯域の成分の帯域幅から、隣り合っているサブ帯域の成分の観測時刻差を算出し、前記観測時刻差の逆数から前記動画用画像を再生する際のフレームレートを決定することを特徴とするレーダ動画作成装置。 - 前記レーダ装置によりストリップマップモード又はスライディングスポットライトモードで観測されたデータに対する合成開口処理を実施して合成開口レーダ画像を生成し、前記合成開口レーダ画像を前記第1の変換部に出力する合成開口レーダ画像生成部を備えたことを特徴とする請求項1記載のレーダ動画作成装置。
- レーダ装置によりスポットライトモードで観測されたデータから生成された合成開口レーダ画像をドップラー周波数帯域の成分に変換する第1の変換部と、
前記第1の変換部により変換されたドップラー周波数帯域の成分から、複数のサブ帯域の成分を切り出すバンド切り出し部と、
前記バンド切り出し部により切り出された複数のサブ帯域の成分を、動画用画像として時間領域の画像にそれぞれ変換する第2の変換部と、
前記第2の変換部により変換された複数の時間領域の画像である動画用画像を順番に再生する動画用画像再生部とを備え、
前記動画用画像再生部は、前記サブ帯域の成分の帯域幅から、隣り合っているサブ帯域の成分の観測時刻差を算出し、前記観測時刻差の逆数から前記動画用画像を再生する際のフレームレートを決定することを特徴とするレーダ動画作成装置。 - 前記レーダ装置によりスポットライトモードで観測されたデータに対する合成開口処理を実施して合成開口レーダ画像を生成し、前記合成開口レーダ画像を前記第1の変換部に出力する合成開口レーダ画像生成部を備えたことを特徴とする請求項3記載のレーダ動画作成装置。
- 前記バンド切り出し部は、前記第1の変換部により変換されたドップラー周波数帯域の成分から、隣のサブ帯域の成分と帯域の一部が重複するように、複数のサブ帯域の成分を切り出すことを特徴とする請求項1または請求項3記載のレーダ動画作成装置。
- 第1の変換部が、レーダ装置の観測データから生成された合成開口レーダ画像をドップラー周波数帯域の成分に変換し、
バンド切り出し部が、前記第1の変換部により変換されたドップラー周波数帯域の成分から、複数のサブ帯域の成分を切り出し、
第2の変換部が、前記バンド切り出し部により切り出された複数のサブ帯域の成分を時間領域の画像にそれぞれ変換し、
画像再構成部が、前記レーダ装置によるビームの照射領域毎に、前記第2の変換部により変換された複数の時間領域の画像の中から、当該照射領域に対応する画素列をそれぞれ抽出し、それぞれ抽出した複数の画素列を集めて動画用画像を構成し、
動画用画像再生部が、前記画像再構成部によりビームの照射領域毎に構成された動画用画像を順番に再生し、
前記動画用画像再生部では、前記サブ帯域の成分の帯域幅から、隣り合っているサブ帯域の成分の観測時刻差を算出し、前記観測時刻差の逆数から前記動画用画像を再生する際のフレームレートを決定することを特徴とするレーダ動画作成方法。 - 第1の変換部が、レーダ装置によりスポットライトモードで観測されたデータから生成された合成開口レーダ画像をドップラー周波数帯域の成分に変換し、
バンド切り出し部が、前記第1の変換部により変換されたドップラー周波数帯域の成分から、複数のサブ帯域の成分を切り出し、
第2の変換部が、前記バンド切り出し部により切り出された複数のサブ帯域の成分を、動画用画像として時間領域の画像にそれぞれ変換し、
動画用画像再生部が、前記第2の変換部により変換された複数の時間領域の画像である動画用画像を順番に再生し、
前記動画用画像再生部では、前記サブ帯域の成分の帯域幅から、隣り合っているサブ帯域の成分の観測時刻差を算出し、前記観測時刻差の逆数から前記動画用画像を再生する際のフレームレートを決定することを特徴とするレーダ動画作成方法。
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