JPH0585028B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ ２次元平面のシーンから受信される放射線の
周波数スペクトルを決定するためのラジオメトリ
ツクイメージヤにおいて、 一連の円錐状指向性ビームパターンの範囲で受
信された放射線に対応する信号を出力する周波数
分散性直線アンテナであつて、各円錐状指向性ビ
ームパターンが予め定められた周波数範囲にわた
る周波数のそれぞれ特定の周波数に対するビーム
パターンであり、各ビームパターンが２次元シー
ンと交差する部分がそれぞれ並んで配置された円
錐曲線状区域を形成している周波数分散性直線ア
ンテナと、 前記周波数分散性直線アンテナの縦軸に実質的
に垂直で、前記シーンの２次元平面に平行な揺動
軸を中心として前記周波数分散性直線アンテナを
揺動させ、出力信号がシーンの全てのセグメント
からの予め定められた周波数範囲における全ての
放射線の受信を表わすデータを含むように前記ビ
ームパターンが２次元平面のシーンと交差する円
錐曲線状区域が２次元平面のシーンを走査するよ
うにその揺動を制御する揺動手段と、 前記周波数分散性直線アンテナにより受信され
た出力信号に含まれているデータを抽出して蓄積
するためのデータ蓄積手段と、 前記周波数分散性直線アンテナの受信出力信号
から抽出されて前記データ蓄積手段により蓄積さ
れるデータにおける曖味性を解消するために周波
数分散性直線アンテナを揺動とは別の態様で運動
するように制御する補足的なアンテナ運動手段
と、 シーンの実質上全てのセグメントの周波数スペ
クトルを決定するためにデータ蓄積手段により蓄
積されたデータを処理するデータ処理手段とを具
備していることを特徴とするラジオメトリツクイ
メージヤ。

２ 補足的なアンテナ運動手段は、実質的にシー
ン軸と揺動軸とに垂直な軸を中心に直線アンテナ
を制御可能に回転する回転手段を含み、揺動手段
および回転手段は、各円錐区域がシーンの各セグ
メントと複数回交差するように互いに共同して動
作する請求項１記載のラジオメトリツクイメージ
ヤ。

３ 実質上第１の周波数分散性直線アンテナと同
じ第２の周波数分散性直線アンテナを有し、第１
および第２の周波数分散性直線アンテナはシーン
を走査するための干渉計を形成するようにそれぞ
れ間隔を付けられ平行な関係にある請求項１記載
のラジオメトリツクイメージヤ。

４ 補足的なアンテナ運動は、シーンの方向に垂
直な軸に沿う２つの周波数分散性直線アンテナの
間の実効的間隔が制御可能に変化されるように、
２つのアンテナの縦軸と平行な軸に関して第１お
よび第２の周波数分散性直線アンテナを制御可能
に回転するための手段を含む請求項３記載のラジ
オメトリツクイメージヤ。

５ 補足的なアンテナ運動手段は、第１および第
２の周波数分散性直線アンテナをそれぞれが接近
および離れるように制御可能に移動しながらシー
ンの方向に垂直な軸に沿う２つのアンテナ間の実
効的間隔が制御可能に変化されるようにそれらの
平行関係を維持する手段を含む請求項３記載のラ
ジオメトリツクイメージヤ。

【発明の詳細な説明】

［発明の背景］ 本発明は一般にラジオメトリツクイメージヤ、
特に直線アレイアンテナおよびフアンビーム反転
を使用する２次元シーンの周波数スペクトルを定
めるラジオメトリツクイメージヤに関するもので
ある。

高い分解能のラジオメトリツクイメージヤは、
航空、気象学、悔洋学および天文学上の分野にお
いて実用的に多様に応用されている。ラジオメー
タは特に陸上の測量、大気および海洋の特徴、水
蒸気、降雨および悔面温度の測定、および曇りま
たは雨の下での水位現象と水面状況の評価等に対
して非常に適している。

シーンを複数の一連のフアンビームにより走査
する直線状アレイアンテナ（ラインソースアンテ
ナ）を使用してシーンの２次元イメージを提供す
る従来のマイクロウエーブラジオメータは、1984
年５月７日出願の米国特許第607869号明細書（発
明の名称“Microwave Radiometer Using
Fanbeam Inversion”）に示されている。この文
献は、“Spinrad”（Spinning Radiometer）とし
て参照されている。その明細書の中で示された１
実施例には機械的に走査されるピルボツクスアン
テナが含まれ、一方他の実施例には電子的に走査
され、回転可能な直線アレイアンテナが含まれて
いる。どちらの場合もアンテナ信号は適切に処理
されて、走査されているシーンの信号ラジオメト
リツクイメージを再構成する。

ラジオメトリツクイメージを応用するためには
多くの場合、走査されたシーンのそれぞれ一部分
を構成している各セグメントの範囲から放射され
る放射線の周波数スペクトルを知る必要がある。
過去においてこれは、ビームの方向が必要周波数
範囲に渡つて変化しない直線状アレイアンテナ、
すなわち非周波数分散性アンテナ線を使用するこ
とによつて達成された。バンドパスフイルタのバ
ンクは、アンテナ出力信号を複数の別々の周波数
ピンに分割し、それから１セツトの記録されたシ
ーンの映像が種々の周波数ピンに含まれたデータ
を使用して生成される。ロツトマンレンズまたは
プラナーリフレクタ（すなわちピルボツクス）の
ようなシステムに使用される多数の線源は、崇ば
り構造的に複雑である。スタンデイングウエーブ
配列のような他の直線状アレイアンテナは、レン
ズおよびリフレクタに比較すると小さくて軽い
が、帯域幅が不適切に限定されている。

それ故、広い周波数範囲に対してシーンの各セ
グメントから受信される放射線のスペクトルによ
り表わされるイメージを提供でき、不適切な大き
さや複雑性がなく、不適切に帯域幅が限定されな
いラジオメトリツクイメージヤが必要であると考
えられる。本発明はこの必要条件を満たすもので
ある。

［発明の要約］ この発明は軽量で周波数分散性直線状アレイア
ンテナを使用して画像化される２次元シーンの各
セグメントの周波数スペクトルを決定するラジオ
メトリツクイメージヤおよび関連方法に関する。
アンテナは、予め定められた周波数範囲に渡つて
いる個々の周波数を表わす複数の円錐状指向性ビ
ームパターンに含まれる範囲の受信放射線にそれ
ぞれ応じて出力信号を供給する。これらのフアン
ビームは、複数の間隔を付けた円錐区域において
走査されたシーンと交差する。円錐フアンビーム
が予め定められた方法でシーンを走査するよう
に、実質的にアンテナ軸に対して垂直でシーンに
平行な揺れ軸に関してアンテナを制御可能に揺ら
すロツキング手段が含まれている。アンテナ出力
信号は、予め定められた周波数範囲におけるシー
ンの全セグメントからの全ての放射の受信を示す
データを含んでいる。このデータはデータ蓄積手
段に蓄積される。本発明によるとラジオメトリツ
クイメージヤは、蓄積されたデータ中の多義性を
解決するために別の方法によりアンテナを制御し
て移動するための補足移動手段を有する。データ
処理手段は、その後全てのシーンのセグメントの
周波数スペクトルを決定するために蓄積されたデ
ータを処理する。

１実施例において補足移動手段は、アンテナを
実質的にアンテナ軸と揺れ軸に対して共に垂直な
軸に関して回転するように制御する手段を有す
る。そのためロツキング手段および回転手段は、
それぞれの円錐区域が複数回シーンの各セグメン
トと交差するように共に動作する。回転手段は、
増加する揺れのためにそれぞれの位置に対して実
質的に360度の範囲でアンテナを回転することが
好ましい。

本発明の他の実施例において、ラジオメトリツ
クイメージヤは、実質的に第１のアンテナと同じ
第２の周波数分散性直線アレイアンテナを有す
る。２つのアンテナは、シーンを走査するための
一連の円錐フアンビームを有する干渉計を形成す
るように間隔を置かれて各々平行に配置されてい
る。これはRADSAR（Radiometric Synthetic
Aperture Rader）と呼ばれる。

これら他の実施例において、補足移動手段は複
数の形態を取ることができる。その１例は、シー
ンに関して第１および第２のアンテナを実質的に
アンテナ軸に垂直でありシーンに平行な方向に移
動するものである。その代わり補足移動手段は２
つのアンテナをそれらの縦軸と平行な軸に関して
制御可能に回転する手段を含むことができる。こ
のようにシーンの方向に垂直な軸に沿う２つのア
ンテナの間の効果的な間隔は制御して変化させる
ことができる。さらに他の実施例において、２つ
のアンテナの平行な関係を維持しながら２つのア
ンテナをそれぞれが接近および離れるように制御
可能に移動する手段を含むことができる。これに
よりシーンの方向に垂直な軸に沿う２つのアンテ
ナの有効間隔は制御可能に変化される。

データ処理手段は複数のシーンの記録画像を都
合よく生成し、それぞれの画像は予め定められた
周波数範囲における特有の周波数帯域に対して蓄
積されたデータに基いている。これらの画像は、
変形されたラドン変換アルゴリズムを使用して都
合よく蓄積データから生成される。

本発明の他の特徴および効果は、本発明の原理
を例示により示されている添付図面を参照されて
いる以下の好ましい実施例の説明から明らかにな
る。

［図面の簡単な説明］ 第１図は、本発明の周波数分散性の１実施例に
よるラジオメトリツクイメージヤの簡単なブロツ
ク図であり、 第２図は第１図の直線アレイアンテナを示し、
２つの分離した周波数に対する円錐フアンビーム
を表わし、 第３図は第１図の直線アレイアンテナを示し、
走査されたシーンを伴う複数の円錐フアンビーム
の交差部を表わし、 第４図のａおよびｂは、２つの例示した回転位
置およびフアンビームに対する複数の例示したロ
ツキング位置に対して全て同じ周波数F₀におけ
る画像化されるべきシーンと交差する２組の円錐
状指向性ビームパターンの交差部を示し、 第５図は、円錐状指向性ビームパターンおよび
スピンラツド図に対する複数の回転位置に対して
画像化されたシーンの画像中における単一画素Ｐ
および複数の円錐状指向性ビームフアンビームと
の交差部を示し、 第６図は、走査を行なう干渉計を形成するよう
にそれぞれ間隔を付けられて平行に配置されてい
る２つの周波数分散性直線アレイアンテナ
（RADSAR）を含む本発明の別の実施例を簡単
に示している。

［実施例］ 図面を参照すると、特に第１図乃至第３図にお
いてシーン１１（第３図）を走査し、シーンの１
組の記録画像を生成するためのラジオメトリツク
イメージヤの第１の実施例が示されている。ラジ
オメトリツクイメージヤは、単一の周波数分散性
直線アレイアンテナ１３を具備し、このアンテナ
１３は一連の円錐状指向性ビームパターンの範囲
から受信された放射線に基づいて出力信号を発生
する。示されている。第２図にはそれらビームパ
ターンの２つだけが符号１５で示されている。こ
れらの円錐状指向性ビームパターンの範囲でそれ
ぞれ異なつた狭い特定の周波数帯域の放射線がア
ンテナ１３に受信される。ビームパターンは円錐
状であるからこの円錐の範囲内の円周方向の全て
の受信放射線は出力を生成する。それぞれのビー
ムパターンの周波数帯域は最低の限界周波数F₀
から最高の限界周波数F_oまで順次変化している。
円錐状ビームパターンは複数の角度の異なる別々
の円錐状ビームパターンか、或いは１つのビーム
パターン中で角度により周波数が順次順次変化す
るかのいずれかである。

アンテナ１３は、一端に入力ポートを備え、他
端に負荷を有する長い給電線を具備する通常の進
行波直線配列であることが好ましい。ラジエータ
はその長さに沿つて給電線と結合されている。

第３図において最もよく示されているように、
直線アンテナ１３によつて受光された円錐状ビー
ムパターン１５内の信号は、複数の間隔を付けら
れた円錐曲線区域１６においてシーン１１と交差
する。シーンが正確に平坦である場合、これらの
円錐曲線区域は事実上双曲線となる。しかしなが
らシーンが地球の球面一部分を成す場合には、円
錐曲線区域はさらに複雑な曲線を形成する。しか
し狭義において、双曲線はこれらの曲線の適切な
近似形として利用できるものである。

本発明によるとラジオメトリツクイメージヤ
は、円錐状ビームパターン１５がシーン１１を走
査し、各ビームがシーンのそれぞれの小さいセグ
メントと幾度も交差するように直線アンテナ１３
を複数の位置に制御可能に移動する走査機構１７
（第１図）を具備している。第１図乃至第３図の
実施例においてこの機構的走査は、実質的にシー
ンの方向に配列されている軸、すなわち第３図に
おけるＺ軸を中心にアンテナを制御可能に回転さ
せ、アンテナ軸に垂直でシーンに平行な軸、すな
わち第３図におけるＹ軸を中心にアンテナを揺動
することにより達成される。

各々の増加する揺動位置に対して、アンテナ１
３はその全回転である360度の範囲を回転する。
その結果のデータは、それぞれの増加する回転位
置において各周波数に対する走査の１組に組識化
される。第４図ａ，ｂはそのような走査の２組を
F₀円錐状ビームパターンに対して示している。
第４図ａは、複数の例示した揺動位置に対する
F₀円錐状ビームパターンの交差部分を特定の回
転位置に対して示し、第４ｂ図は、別の回転位置
に対する同じ例示した揺動位置に対するF₀円錐
状ビームパターンの交差部分を示している。各回
転位置において走査されているシーン１１におけ
る全てのセグメントは、各円錐状ビームパターン
によつて同時に交差される。アンテナが上記の揺
動および回転動作を行なう間に発生される出力信
号に含まれるデータは、次の処理のために蓄積さ
れる。

第１図を参照すると、本発明の第１の実施例で
あるラジオメトリツクイメージヤの簡単なブロツ
ク図が示されている。アンテナ出力信号は、適切
な増幅のためにライン１９上でアンテナ１３から
増幅器２１に送られる。増幅された信号は、ライ
ン２３上で各円錐状ビームパターンに対して１個
のフイルタを有する１群のバンドパスフイルタ２
５に供給される。フイルタ処理された信号は信号
の振幅を検知するためにライン２７によつて１群
の検知回路２９に供給される。検知された振幅
は、走査されているシーン１１と円錐状ビームパ
ターン１５の交差部分により限定されている円錐
区域１６に対するｎ個連続する狭い周波数帯域に
おいてアンテナにより受信された放射線強度の集
りを表わす。

１群の検知回路２９にバンクによつて生成され
たｎ個の強度信号は、ライン３１でデータ蓄積装
置３３に供給され、データ蓄積装置３３は次のサ
ブセグメント処理のためにデータを蓄積する。同
時にアンテナ１３のある特定の瞬間の揺動および
回転位置を表わすデータは、ライン３５で走査機
構１７からデータ蓄積装置３３に供給され、この
データはアンテナデータの適切な代表値を示す重
要なものである。蓄積データは、走査されている
シーン１１中の各小さいセグメントのスペクトル
を決定するために適切に処理されるため連続的に
ライン３７でデータ処理装置２９に出力される。
この結果が複数の記録平面画像となり、ライン４
１上の出力に対して画像はそれぞれ特有の狭い周
波数帯域において受信された放射線を表わす。

F₀からF_oまでの別々の周波数範囲おいてシー
ン１１の各セグメントにより放射された放射線の
強度は、セグメントそれぞれに対する蓄積データ
全てを適切に分解することにより測定される。特
にそれぞれの狭い周波数帯域に対して所定のセグ
メントを通過する走査全てに対する放射線強度測
定値は一緒に出されて平均化される。その平均値
が特定のセグメントによつて放射された放射線強
度の正確な測定値となる。このデータ分解方法
は、上記において参照されている米国特許出願第
607869号明細書に詳細に示されている。方法は事
実上明細書に示されている円錐状ビームパターン
反転方法の複合された変形方法であり、上記の方
法はｎ回反復され、それぞれF₀からF_oまでの予
め定められた周波数範囲おけるそれぞれの狭周波
数帯域のために１回づつ行われる。

それぞれのｎ個の狭い周波数帯域（すなわち
F₀乃至F_o）対して、円錐状ビームパターンがシ
ーンを走査するときにシーン１１と対応した円錐
状ビームパターン１５の交差部分によつて限定さ
れる円錐区域１６から受信される放射線は、シー
ンのプロフイールまたはプロジエクシヨンと命名
された関数を形成する。円錐区域が事実上直線な
らば、この関数はシーンのラドン変換となり、こ
のとは従来技術においてよく知られている。しか
しながら円錐区域は直線ではないため、ラドン変
換はデータの数学的な処理に使用できるように僅
かに変形されなくてはならない。このような変形
されたラドン変換は上記の明細書に詳細に示され
ている。

第５図は、スピンラツド構造のために特有のシ
ーンセグメントＰと交差する１つの特有周波数
（すなわちF₀）に対する１組の円錐区域を示して
いる。これらの円錐区域１６全てに対するF₀放
射線の測定値の平均が高い値である場合、これら
の高い値はこのシーンのセグメント中に位置され
た放射線エミツタの強度が対応して高くなつたた
めと考えられる。同様にこれらの交差する円錐区
域全ての平均値が比較的低い値である場合、この
セグメントから受信されたF₀の放射線の強度は
対応して低くなつたと考えられる。

第５図において、シーンのセグメントＰに対す
る比較的少ない数の交差円錐区域だけが例示され
ていると考えられる。アンテナの移動は、所望す
るいずれのレベルの分解能でも提供するように制
御可能である。例えば揺動動作は、１／３度の増
加分において40度の範囲で行われ、回転動作は同
様に１／３度の増加分において360度の範囲で行
われることができる。このことは、各シーンのセ
グメントおよび狭い周波数帯域それぞれに対する
1000の交差円錐区域に対して実行されるものであ
る。

第６図は本発明の別の実施例であり、この実施
例は空間中に設置された第２の周波数分散性直線
アレイアンテナ１３′を含む。これはRADSAR
構造と呼ばれている。２つのアンテナの円錐フア
ンビームは、その２つのアンテナがシーン１１′
を走査するための干渉計を形成するように実質上
アンテナ間の距離Ｄより大きい距離を取つて配列
されている。それぞれのフアンビームは、予め定
められた干渉計ローブパターンを有し、パターン
はその周波数およびアンテナ間の間隔Ｄにしたが
つて定められる。２つのアンテナからの信号は、
対応する周波数のローブパターンにより乗算され
たシーンにおいて予め定められた円錐区域１６′
により放射された放射線を表わす１組のプロフイ
ール（各周波数に対して１つ）を生成するために
適切に給合される（例えば乗算される）。

第６図の実施例は、２つのアンテナがアンテナ
軸に対して垂直であり走査されているシーンに対
して水平な軸すなわちＹ軸に関して制御可能に揺
動される第１図乃至第３図の実施例と類似してい
る。しかし第１図乃至第３図の実施例で行われて
いるように、アンテナをシーン方向に配列された
軸に関して回転する代わりに、この実施例は複数
の異なる方法のいずれかによりアンテナを移動
し、これらの方法は全てシーンに関する干渉計円
錐状ビームパターンを変換するように機能する。

本発明の干渉計の実施例の一例において２つの
アンテナ１３および１３′は、２つのアンテナ間
の一定距離Ｄを保ちながらアンテナ軸に対して垂
直でありシーンに対して平行な軸すなわち第６図
におけるＹ軸に沿つたシーン１１′に関して移動
するように動作される。この後者の運動は、非静
止軌道にある１機または２機の人工衛星上に２つ
のアンテナを設置することによつて達成される。
円錐状ビームパターンはそれぞれ干渉計を形成
し、その応答特性は角度方向の関数として予め定
められた方法において変化するため、この移動動
作は信号がどの特定時間に受信されても角度方向
が不明確であることを解決するために使用される
ことができる。第１図乃至第３図の実施例のよう
に、本発明のこの実施例により累算されたデータ
を処理するための適切な方法は、上記の明細書に
詳細に示されている。方法は明細書において示さ
れた方法の複合された変形であり、記述された方
法はｎ回反復され、狭い周波数帯域それぞれに対
して１回づつ行われる。

本発明の干渉計の実施例の２つの例において２
つのアンテナ１３および１３′は、シーン１１′の
方向に垂直な軸に沿つたそれらの効果的な間隔を
制御可能に変化するような方法で移動される。こ
れらの実施例の１つにおいてアンテナはそれら自
体の軸に平行な軸すなわち第６図におけるＸ軸を
中心に一緒に回転するように作られている。他の
実施例において２つのアンテナはそれぞれ接近ま
たは離れるように、すなわち第６図におけるＹ軸
に沿つて制御可能に動作される。いずれかの場合
においても、制御可能に変化される２つのアンテ
ナ間の距離は各円錐状ビームパターンの干渉計パ
ターンを変形し、アンテナが検知する放射線源の
特定方向における不明確性の解決に使用されるデ
ータを累算することを可能にする。再度このデー
タを分解し、各周波数に対する画像のようなシー
ンの１組の記録画像を生成する適切な方法が上記
の明細書に与えられる。次に行われる方法は明細
書に示されている１次元アパーチヤ合成方法の複
合された変形であり、この方法は狭い周波数帯域
それぞれのために１回づつｎ回反復されて行われ
る。

上記より本発明はシーンの複数の記録画像を提
供し、各画像は特有の狭い周波数帯域に対して受
信された放射線パターンに対応するものである改
善されたラジオメトリツクイメージヤを提供する
ものであると考えられる。ある実施例（スピンラ
ツド構造）は、複数の円錐状ビームパターンに基
く出力信号を供給する単一の周波数分散性直線ア
レイアンテナを含み、アンテナはある軸に関して
制御可能に揺動され、各円錐状ビームパターンが
シーンのセグメントとそれぞれ複数回交差するよ
うに垂直な軸を中心に制御可能に回転される。別
の実施例（RADSAR構造）においては、ラジオ
メトリツクイメージヤは第１のアンテナと平行に
配置されている第２の周波数分散性直線アレイア
ンテナを含み、円錐状ビームパターン干渉計を生
成する。２つのアンテナの移動、アンテナ軸に平
行な軸を中心とする２つのアンテナの回転、もし
くは２つのアンテナが接近および離れるような動
作のいずれかと組合せられた２つのアンテナの揺
動動作は、記録画像を製造する重要なデータを提
供するものである。

本発明は好ましい実施例を参照して詳細に説明
されてきたが、技術者は種々の修正が本発明の技
術的範囲を逸脱することなく行われることを理解
するであろう。したがつて本発明は以下の請求の
範囲によつてのみ限定されるものである。