JP2015148452A - 合成開口レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】海面の全体的な波に埋もれて検出が難しい、移動物体やそれにより発生した波（航跡）等を検出するための合成開口レーダ装置を得る。
【解決手段】複数のチャープ方式や、複数の周波数による送信信号を用いることにより、得られた受信ビデオ信号から、それぞれに対応した複数のSAR画像を生成するSAR信号処理部９を有する。また複数のSAR画像は、送信信号の方式及び、電波を反射する目標のドップラ周波数に応じて異なる位置ずれが生じるため、この性質を利用して、複数のSAR画像の位置合わせ、差分算出を行うことにより、海面の全体的な波による影響をキャンセルして航跡を検出することを可能とする航跡検出部１０を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数のチャープ方式や、複数の中心周波数による送信信号を用いることにより、移動物体やそれにより発生した海面の波等を検出する合成開口レーダ装置に関するものである。

合成開口レーダ（Synthetic Aperture Radar :SAR）は、航空機や衛星等に搭載され、移動しつつ側方に電波を送受信して観測を行い、得られたデータを信号処理することにより観測領域の二次元の高分解能画像である合成開口レーダ画像（以下、SAR画像ともいう）を得ることが出来るレーダである。
SAR画像は様々な利用をされているが、海面監視にも利用されており、SAR画像を用いて船舶の移動等に伴う海面の波（航跡）の情報を検出することができる（例えば特許文献１、非特許文献１）。

特許第３７８５８２４号公報

X. Xiangwei, et al., "An Enhancing Normalized Radon Transform Method for Ship Wake Detection in SAR Imagery," EUSAR 2012, pp.559-562, April 2012.

一般的に、海面の波は、風向き・うねりに応じた海面の全体的な波と、船舶の移動等に伴う局所的な波である航跡が重畳されたものである。海面の全体的な波が大きい場合には、船舶の移動等に伴う航跡は、SAR画像上、全体的な波に埋もれて検出が難しいという問題があった。
特に、移動体が船舶ではなく潜水艦の場合には、移動に伴い発生する波が非常に小さいため、SAR画像上、全体的な波に埋もれて検出が難しいという問題があった。

この発明は、係る課題を解決するために成されたものであり、移動物体により発生した海面上の航跡を検出することを目的とする。

この発明に係る合成開口レーダ装置は、複数のチャープ方式の電波を同じ撮像領域に向けて送信し、前記撮像領域からの反射電波を各々受信する送受信部と、前記送受信部で受信した受信信号から、各チャープ方式の受信信号のみを用いて各チャープ方式に対応するＳＡＲ画像を生成するＳＡＲ信号処理部と、同じ位置が重なるように位置合わせをした前記ＳＡＲ画像の差分を算出することにより、目標を検出する航跡検出部とを備える。

この発明に係る合成開口レーダ装置によれば、海面の全体的な波の影響をキャンセルすることによって、従来、全体的な波に埋もれて検出が難しかった移動物体により発生した海面上の航跡を精度よく検出できる。

実施の形態１における合成開口レーダ装置の運用状態図である。 実施の形態１における送信パルスの図である。 実施の形態１における合成開口レーダ装置のブロック図である。 実施の形態１におけるSAR信号処理部の処理フロー図である。 実施の形態１におけるUPチャープとDOWNチャープの違いによる影響を示した図である。 実施の形態１における航跡検出部の処理フロー図である。 実施の形態１における航跡検出SAR画像生成の概念図である。

実施の形態１．
以下、図を用いて、この発明の実施の形態１に係る合成開口レーダ装置について説明する。図１は実施の形態1による合成開口レーダ装置１の運用状態図を示している。

図１において、合成開口レーダ装置１は、飛行体の一例である航空機２に搭載されており、移動しながら撮像領域３に向けて電波を送信し、撮像領域３からの反射電波を受信する。
撮像領域３には、海面４の全体的な波と、移動物体５による波である航跡６がある。航跡は一般に移動物体の進行方向後方に、ハの字状に形成される。
海面の全体的な波と航跡は、異なる方向に進行する。航跡はハの字状に形成されるため、たとえハの字の片側の航跡が、全体的な波の進行方向と一致した場合でも、他方の片側の航跡は、全体的な波の進行方向と異なることとなる。
図１では合成開口レーダ装置を搭載する飛行体として航空機としているが、衛星としてもよい。移動体は例えば船舶であり、あるいは潜水艦であってもよい。

一般に合成開口レーダは、周波数変調したチャープパルスを、PRI（Pulse Repetition Interval、パルス繰り返し周期）の周期で繰り返し送信する。
図２は、本実施の形態に係る合成開口レーダから送信する送信パルスの図である。実施の形態１では、図２に示すように、１パルスごとにチャープ方式を変え、UPチャープパルス、DOWNチャープパルスを切り替えて送信するものとする。
UPチャープパルスとは、時間とともに周波数を増加させる変調パルスのことであり、DOWNチャープパルスとは、時間とともに周波数を減少させる変調パルスのことである。

図３は、実施の形態１における合成開口レーダ装置１の構成を示すブロックである。
合成開口レーダ装置１は、アンテナ部７と、送受信部８と、SAR信号処理部９と、航跡検出部１０を備える。
送受信部８から出力された送信信号を、アンテナ部７により撮像領域に向けて電波として送信し、撮像領域からの反射電波をアンテナ部７により受信する。
受信信号を送受信部８で受信ビデオ信号に変換し、SAR信号処理部９にてSAR複素画像（振幅情報だけではなく、位相情報を含むSAR画像）を生成し、そのSAR複素画像を用いて、航跡検出部１０で、航跡を検出する。
SAR信号処理部９では、UPチャープパルスの受信ビデオを用いて生成したSAR複素画像と、DOWNチャープパルスの受信ビデオを用いて生成したSAR複素画像の２種類の画像を生成する。

図４は、SAR信号処理部９の処理フローを示した図である。
まず、送受信部８からの受信ビデオ信号がUPチャープか、DOWNチャープかをステップｓ１１（ｓ１１とする。以下同じ）で判定する。
送信パルスの順番でどちらのチャープ方式か決まっているので、例えば図２のようにUPチャープから送信した場合には、奇数パルス目はUPチャープ、偶数パルス目はDOWNチャープのように判定することができる。
UPチャープの受信ビデオ信号については、UPチャープパルス圧縮処理（ｓ１２）によりパルス圧縮を行い、SAR画像化処理（ｓ１４）にてSAR複素画像を生成する。
DOWNチャープの受信ビデオ信号についても同様に、DOWNチャープパルス圧縮処理（ｓ１３）によりパルス圧縮を行い、SAR画像化処理（ｓ１４）にてSAR複素画像を生成する。
パルス圧縮処理及びSAR画像化処理は、従来の合成開口レーダで一般的に実施されているものと同様のものである。
生成したUPチャープによるSAR複素画像とDOWNチャープによるSAR複素画像は、航跡検出部１０において使用する。

図５は、（ａ）UPチャープと（ｂ）DOWNチャープの違いによる影響を示した図である。
図５を用いて、UPチャープとDOWNチャープの違いによる受信信号への影響を説明する。
受信信号には、合成開口レーダ装置と目標との相対速度に応じたドップラ周波数が生じる。パルス圧縮処理は、周波数に応じた遅延フィルタ（マッチドフィルタ）により狭いパルスに圧縮しているため、受信信号をパルス圧縮すると、ドップラ周波数に相当する遅延分のずれが圧縮後の信号に生じる。UPチャープとDOWNチャープでは、パルス圧縮処理の遅延フィルタの特性が異なるため、逆方向のずれとなり、このずれがSAR画像上の位置のずれになる。

図１で説明したとおり、海面の全体的な波と航跡は、異なる方向に進行しているため、それぞれから受信信号のドップラ周波数も異なることとなる。そのため、海面の全体的な波と、航跡ではSAR画像上の位置ずれ量が異なる。この位置ずれ量の違いを利用して、航跡を検出する。
UPチャープによるSAR画像とDOWNチャープによるSAR画像では、１PRIの時間ずれた画像となっているが、海面の波の変化に比べて非常に小さい時間であるため、ドップラ周波数による位置ずれの差異に比べて無視できる。

図６は、航跡検出部１０の処理フロー図である。SAR信号処理部で生成されたUPチャープとDOWNチャープのSAR複素画像を、それぞれ補間処理（ｓ１５）において、公知の補間処理技術を利用してアップサンプリングする。これは、海面の全体的な波と、航跡の位置ずれ量が、SAR複素画像のピクセルサイズより小さい場合を想定し、後段の位置合わせ処理（ｓ１７）で、より細かな位置合わせを行うことを目的としている。SAR複素画像のピクセルサイズが位置ずれ量よりも十分小さい場合には、補間処理１５を省略してもよい。
UPチャープとDOWNチャープの補間処理後のSAR複素画像を、それぞれ振幅画像処理（ｓ１６）において、各ピクセルの複素データを絶対値にすることにより、SAR振幅画像を生成する。

位置合わせ処理（ｓ１７）から差分画像算出処理（ｓ１８）により航跡検出SAR画像を得るまでの概念図を図７に示す。
位置合わせ処理１７において、UPチャープとDOWNチャープのSAR振幅画像２０、２１を重ねて各画像の海面の全体的な波が一致するように、位置合わせをする。具体的には、SAR振幅画像の中で海面の全体的な波（船舶等の移動体及びその周辺を含まない領域）を各画像から切り出して、それらの相関値が最大になるように、位置合わせを行う。
差分画像算出処理１８において、位置合わせをしたUPチャープとDOWNチャープそれぞれのSAR振幅画像の差分の絶対値を算出し、海面の全体的な波をキャンセルした航跡検出SAR画像２２を得る。

航跡検出SAR画像に、公知の線分検出技術であるハフ変換やラドン変換等による航跡検出処理１９を施し、航跡検出結果を得る。

また、位置ずれ量は電波反射目標の速度と比例していることから、航跡検出SAR画像における航跡または移動目標のUPチャープとDOWNチャープの位置ずれ量を測定することにより、それぞれの速度も算出できる。

この実施の形態１では、海面を撮像した場合を例に説明したが、海面の全体的な波を陸地に、航跡を陸地の移動目標に置き換えて考えると、同じように検出可能であることから、海面以外の陸地を撮像しても同様の効果がある。

実施の形態２．
実施の形態１では送信パルスのチャープ方式をUPチャープとDOWNチャープの２つ用いているが、実施の形態２では、送信パルスのチャープ方式はUPチャープかDOWNチャープのどちらか１つとし、１パルスごとに、２つの中心周波数（周波数１、周波数２）を切り替えて用いる。

実施の形態２では、実施の形態１と類似しているため、実施の形態１で使用した図を用いて違いを説明する。
図２の送信パルスの図において、本実施の形態では、UPチャープパルスを周波数１のパルス、DOWNチャープパルスを周波数２のパルスに置き換えるものとする。
また、図４のパルス圧縮処理１２、１４は、本実施の形態では、使用しているチャープ方式のパルス圧縮処理に置き換えるものとする。
また、図５においては、チャープ方式が同じとなるが、ドップラ周波数は中心周波数に比例するため、周波数１、周波数２のパルスで位置ずれ量が異なる。
この周波数１と周波数２のパルスで位置ずれ量が異なることを利用することで、航跡検出を行うことができる。

なお、図６、図７では、UPチャープを周波数１、DOWNチャープを周波数２に置き換え、実施の形態１と同様な方法により航跡検出結果を得ることができる。

また、合成開口レーダは複数のアンテナ開口を用いた干渉型SARであるインターフェロメトリSARであってもよい。

１ 合成開口レーダ装置、２ 航空機、３ 撮像領域、４ 海面、５ 移動物体、６ 航跡、７ アンテナ部、８ 送受信部、９ SAR信号処理部、１０ 航跡検出部、ｓ１１ チャープ方式判定、ｓ１２ UPチャープパルス圧縮処理、ｓ１３ DOWNチャープパルス圧縮処理、ｓ１４ SAR画像化処理、ｓ１５ 補間処理、ｓ１６ 振幅画像処理、ｓ１７ 位置合わせ処理、ｓ１８ 差分画像算出処理、ｓ１９ 航跡検出処理、２０ SAR振幅画像[UPチャープ]、２１ SAR振幅画像[DOWNチャープ]、２２ 航跡検出SAR画像。

Claims (9)

1. 複数のチャープ方式の電波を同じ撮像領域に向けて送信し、前記撮像領域からの反射電波を各々受信する送受信部と、
   前記送受信部で受信した受信信号から、各チャープ方式の受信信号のみを用いて各チャープ方式に対応するＳＡＲ（Synthetic Aperture Radar）画像を生成するＳＡＲ信号処理部と、
   同じ位置が重なるように位置合わせをした前記ＳＡＲ画像の差分を算出することにより、目標を検出する航跡検出部と、
   を備えることを特徴とする合成開口レーダ装置。
2. 前記複数のチャープ方式は、時間とともに周波数を増加させる変調方式のUPチャープ方式と、時間とともに周波数を減少させる方式のDOWNチャープ方式であることを特徴とする請求項１記載の合成開口レーダ装置。
3. 前記送受信部は、複数のチャープ方式の電波を交互に、PRIの周期で繰り返し送信することを特徴とする請求項１、２いずれか記載の合成開口レーダ装置。
4. 複数の中心周波数の電波を同じ撮像領域に向けて交互に送信し、前記撮像領域からの反射電波を各々受信する送受信部と、
   前記送受信部で受信した受信信号から、各々の中心周波数の受信信号のみを用いてＳＡＲ画像を生成するＳＡＲ信号処理部と、
   同じ位置が重なるように位置合わせをした前記ＳＡＲ画像の差分を算出することにより、目標を検出する航跡検出部と、
   を備えることを特徴とする合成開口レーダ装置。
5. 前記撮像領域は海面であり、前記目標は前記海面を移動する移動物体により形成される海面の航跡であることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の合成開口レーダ装置。
6. 前記移動体は潜水艦であることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の合成開口レーダ装置。
7. 前記位置合わせは、前記ＳＡＲ画像の中で海面の全体の波を各ＳＡＲ画像から切り出し、切り出した各ＳＡＲ画像の波同士の相関値を比較することにより行うことを特徴とする請求項５、６いずれか記載の合成開口レーダ装置。
8. 前記海面の航跡は、ハの字状、あるいは、ハの字のどちらか片側のみの形状であることを特徴とする請求項５記載の合成開口レーダ装置。
9. 複数のアンテナ開口を用いた干渉型ＳＡＲであることを特徴とする請求項１〜８いずれか記載の合成開口レーダ装置。

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