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JP5652040B2 - Sar装置 - Google Patents

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JP5652040B2 JP2010174086A JP2010174086A JP5652040B2 JP 5652040 B2 JP5652040 B2 JP 5652040B2 JP 2010174086 A JP2010174086 A JP 2010174086A JP 2010174086 A JP2010174086 A JP 2010174086A JP 5652040 B2 JP5652040 B2 JP 5652040B2
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Description

本発明は、SAR装置に関する。
人工衛星や航空機等の飛翔体を利用したリモートセンシングの分野では、地表の状態を撮像するためのセンサとして、マイクロ波帯を用いる4偏波合成開口レーダ(フルポラリメトリSAR;Synthetic Aperture Radar、以下フルポラリメトリSARと称す)が用いられている。
関連するフルポラリメトリSARの技術が、特許文献1に記載されている。特許文献1に記載されたフルポラリメトリSARでは、通常、H偏波(水平偏波)の送信パルスとV偏波(垂直偏波)の送信パルスを交互に送信する。その上で、H偏波の地表反射波とV偏波の地表反射波を、各偏波に対応した2つのアンテナと受信系により同時に受信する。
特開2010−085169号公報(段落「0043」〜「0044」、図4)
しかしながら、上述した特許文献1に記載したフルポラリメトリSARでは、平行偏波成分(HH成分、VV成分)の反射波は、交差偏波成分(HV成分、VH成分)の反射波に比べ、反射輝度(後方散乱係数)が高い。そのため、交差偏波成分の反射波(HV成分、VH成分)を受信する時は、前後の平行偏波成分(HH成分、VV成分)の送信パルスによるレンジ・アンビギュイティ(虚像)が強く受信される問題があった。
図6に、H偏波(水平偏波)の送信パルスとV偏波(垂直偏波)の送信パルスを交互に送信した場合の受信波の成分を示す。送信では、パルス毎にH偏波(水平偏波)の送信パルスとV偏波(垂直偏波)を観測対象に送信する。観測対象から反射された反射波は、H偏波(水平偏波)を受信する第一の受信機1と、V偏波(垂直偏波)を受信する第二の受信器により受信される。
H偏波(水平偏波)を受信する第一の受信機は、平行偏波成分(HH成分)と交差偏波成分(VH成分)の反射波を受信する。V偏波(垂直偏波)を受信する第二の受信機は、平行偏波成分(VV成分)と交差偏波成分(HV成分)の反射波を受信する。平行偏波成分(HH成分、VV成分)の反射波は、交差偏波成分(HV成分、VH成分)の反射波に比べ、反射輝度が高い。すなわち、交差偏波成分の反射波(HV成分、VH成分)を受信する時は、前後の平行偏波成分(HH成分、VV成分)の送信パルスによるレンジ・アンビギュイティ(虚像)が強く受信される。
その結果、受信した反射波の交差偏波成分(HV成分、VH成分)のレンジS/A(信号対虚像比)が悪くなるという課題があった。
本発明の目的は、上述したSAR装置において、受信した反射波の交差偏波成分(HV成分、VH成分)のレンジS/A(信号対虚像比)が悪くなるという課題を解決するSAR装置を提供することにある。
本発明のSAR装置は、H偏波の受信信号を受信する第一の受信機と、V偏波の受信信号を受信する第二の受信機と、周波数変調されたパルス信号を生成し、出力する送信機と、パルス信号が入力される度に入力されたパルス信号の位相を0度と180度に切り替え、出力する移相器と、送信機または移相器から出力されたパルス信号をH偏波で送信すると共に、H偏波の受信信号を受信し、受信したH偏波の受信信号を第一の受信機に出力するH偏波アンテナと、送信機または移相器から出力されたパルス信号をV偏波で送信すると共に、V偏波の受信信号を受信し、受信したV偏波の受信信号を第二の受信機に出力するV偏波アンテナと、を有する。
本発明によるSAR装置によれば、受信した反射波の交差偏波成分(HV成分、VH成分)のレンジS/A(信号対虚像比)を改善することができる。
本発明による第一の実施形態のSAR装置の構成を示すブロック図である。 本発明による第一の実施形態のSAR装置の動作を示すフローチャート図である。 本発明による第一の実施形態の送信偏波と受信波の成分を示す図である。 本発明による第二の実施形態のSAR装置及びSAR画像再生解析装置の構成を示すブロック図である。 本発明による第二の実施形態のタイミング補正処理部の一例を示すブロック図ある。 一般的なSAR装置の送信偏波と受信波の成分を示す図である。
以下に図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
[第一の実施形態]
図1は、本発明による第一の実施形態のSAR装置の構成を示すブロック図である。図1において、SAR装置1は、送信機11と、第一の受信機12と、第一の受信機13と、移相器14と、H偏波アンテナ15と、V偏波アンテナ16と、H偏波側サーキュレータ17とV偏波側サーキュレータ18とから構成される。
送信機11は、周波数変調された送信パルス信号を生成する。例えば、直線周波数に変調された線形パルス変調器が挙げられる。第一の受信機12は、観測対象から反射したH偏波の受信信号を受信する。第二の受信機13は、観測対象から反射したV偏波の受信信号を受信する。これらの受信機は、受信信号を受信する一般的な受信機である。
移相器14は、送信パルス毎に位相を切り替える。H偏波アンテナ15と、V偏波アンテナ16は、H偏波及びV偏波でパルス信号を送信し、H偏波及びV偏波の受信信号を受信するアンテナである。H偏波側サーキュレータ17とV偏波側サーキュレータ18は、送信ルートと受信ルートを切り替えるものである。
送信機11から出力された送信パルス信号は、2分岐され、サーキュレータを介して、H偏波アンテナ15とV偏波アンテナ16に送信される。送信機11とV偏波アンテナ用のサーキュレータ18の間の移相器14は、制御装置19が発生したPRI(Pulse Repetition Interval)トリガにより、送信パルス毎に0度と180度の位相に切り替わる。ここで、制御装置19は、任意のPRIで送信トリガや受信ゲート等のタイミング信号を発生し、各部のタイミング制御を行う装置である。
従って、H偏波アンテナ15からはH偏波の送信パルスが送信され、V偏波アンテナ16からは、H偏波の位相に対し、送信パルス毎に0度と180度に位相が変化した+V偏波と−V偏波送信パルスが交互に送信される。なお、ここではH偏波に対する相対位相0度のV偏波を+V偏波、相対位相180度のV偏波を−V偏波と称している。すなわち、全体で見ると、H偏波に対し偏波面が+45度と−45度に傾いた互いに直交する2種類の直線偏波が、H偏波アンテナ15とV偏波アンテナ16から交互に観測対象(例えば、地表が挙げられる)に向かい送信される。
以下、各々の偏波を、H偏波と+V偏波の送信パルスを+45度送信偏波(H偏波送信+V偏波送信)、H偏波と−V偏波の送信パルスを−45度送信偏波(H偏波送信−V偏波送信)と称する。
なお、本実施形態では、送信機11とV偏波アンテナ用のサーキュレータ18の間に移相器14が接続されているが、送信機11とH偏波アンテナ用のサーキュレータ17の間に接続されていてもよい。この場合、V偏波アンテナ16からはV偏波が送信され、H偏波アンテナ15からは、送信パルス毎に0度と180度に位相が変化した+H偏波と−H偏波が交互に送信される。
続いて、観測対象からの反射波を、H偏波アンテナ15とV偏波アンテナ16で受信する。受信後、H偏波アンテナ用のサーキュレータ17とV偏波アンテナ用のサーキュレータ18を介し、第一の受信機12(H受信)と第二の受信機13(V受信)により各々受信し、デジタルデータとして出力する。
次に、本実施形態の動作のフローチャートを図2に示す。初めに、送信機11は、周波数変調されたパルス信号でパルス信号が発生する度に180度位相が異なるパルス信号を送信する(S2)。
次に、H偏波アンテナ15は、H偏波の受信信号を受信し、受信したH偏波を第一の受信機12に出力する(S3−1)。また、V偏波アンテナ16は、V偏波の受信信号を受信し、受信したV偏波を第二の受信機13に出力する(S3−2)。
図3に、+45度送信偏波の送信パルスと−45度送信偏波の送信パルスを交互に送信した場合の受信波の成分を示す。送信では、上述したように送信パルス毎に移相器14が変化するため、+45度送信偏波の送信パルスと−45度送信偏波の送信パルスを交互に送信する。観測対象から反射された反射波は、H偏波(水平偏波)を受信する第一の受信機12と、V偏波(垂直偏波)を受信する第二の受信器13により受信される。
第一の受信機12は、送信パルス信号+45度送信偏波を受信する場合は、HH+VH信号成分を受信し、送信パルス信号−45度送信偏波を受信する場合は、HH−VH信号成分を受信する。また、第一の受信機12が、HH+VH信号成分を受信した場合は、HH+VH信号成分の前後のHH−VH信号成分が虚像成分となる。この時、信号成分HH+VHと虚像成分HH−VHの反射波の輝度の差は、特許文献1における平行偏波成分(HH成分、VV成分)と交差偏波成分(HV成分、VH成分)の反射波の反射輝度の比が小さくなる。
そのため、信号成分HH+VHと虚像成分HH−VHの反射波は、平行偏波成分(HH成分、VV成分)と交差偏波成分(HV成分、VH成分)の反射波より、送信パルスによるレンジ・アンビギュイティ(虚像)が小さくなる。すわなち、受信した反射波の交差偏波成分(HV成分、VH成分)のレンジS/A(信号対虚像比)を改善することができる。
[第二の実施形態]
図4は、本発明による第二の実施形態のSAR装置及びSAR画像再生解析装置の構成を示すブロック図である。図4において、SAR装置2の各構成は第一の実施形態と同様である。SAR画像再生解析装置3は、SAR装置からのH偏波受信データとV偏波受信データからSAR画像を再生するSAR画像再生処理部31と、SAR画像の偏波分離を行う偏波分離処理部32と、フルポラリメトリSAR画像生成を生成するフルポラリメトリSAR画像生成部33と、受信データを各成分に分離する分離処理部34、35より構成される。偏波分離処理部32は、タイミング補正処理・偏波分離処理部36、37より構成される。タイミング補正処理・偏波分離処理部は例えば、図5に示すタイミング補正処理・偏波分離処理部41、42のような構成が挙げられる。
第一の受信機22から出力されたH受信データは、SAR画像再生解析装置3の分離処理部34に入力される。分離処理部34に入力されたH受信データは、送信パルス毎に+45度送信H偏波受信データと−45度送信H偏波受信データに分離され、SAR画像再生処理部31に出力される。画像再生処理部31では各々の成分のSAR画像に再生される。
第二の受信機23から出力されたV受信データは、SAR画像再生解析装置3の分離処理部35に入力される。分離処理部35に入力されたH受信データは、送信パルス毎に+45度送信V偏波受信データと−45度送信V偏波受信データに分離され、各々、SAR画像再生処理部31に出力される。画像再生処理部31では各々の成分のSAR画像に再生される。分離処理部34、35としては、±45度の送信H偏波受信データ及び±45度送信V偏波受信データを分離することができればよく、例えば一般的な偏波分離器を用いることができる。
従って、SAR画像再生処理部31では、処理分離部34から出力された+45度送信H偏波及び−45度送信H偏波と、処理分離部34から出力された+45度送信V偏波及び−45度送信V偏波の4種類の偏波に対応するSAR画像が再生される。再生された4種類の偏波に対応するSAR画像は、偏波分離処理部32に入力され、偏波分離処理部32の記憶装置(図示なし)に記憶される。
ここで、SAR画像再生処理部31から出力され、偏波分離処理部32の記憶装置に記憶された4種類の偏波に対応するSAR画像は、+45度送信と−45度送信の偏波の画像間では1パルス分のタイミングがずれている。
そのため、タイミング補正処理・偏波分離処理部36、37において、1パルス分のタイミングのずれを補正する偏波間のタイミング補正を行う。この偏波間のタイミング補正は、一般的なタイミング補正処理を適用できる。タイミング補正処理を行った上で、H及びV偏波の各受信データについて、+45度直線偏波送信データと−45度直線偏波送信データの両者の和と差を取ることで偏波分離処理を行う。この計算は、偏波分離処理部32の演算部(図示なし)で行われる。
タイミング補正・偏波分離されたHH成分、HV成分、VH成分、VV成分の各成分は、フルポラリメトリSAR画像部33に出力される。フルポラリメトリSAR画像部33は、各成分に基づいて、SAR画像データを再生する。フルポラリメトリSAR画像部33は、HH成分、HV成分、VH成分、VV成分をフルポラリメトリSAR画像に再生する汎用装置であればよい。SAR画像再生処理部31及びフルポラリメトリSAR画像生成部33は、汎用の構成のものである。
ここで、偏波分離処理部32で行われる偏波分離について更に詳細に説明する。初めに、一般的なH偏波(水平偏波)の送信パルスとV偏波(垂直偏波)の送信パルスを交互に送信し、H偏波(水平偏波)とV偏波(垂直偏波)を受信する場合の偏波分離処理について説明する。
H偏波(水平偏波)とV偏波(垂直偏波)を受信した観測データは、HH成分(H偏波送信・H偏波受信)、HV成分(H偏波送信・V偏波受信)、VH成分(V偏波送信・H偏波受信)、VV成分(V偏波送信・V偏波受信)の4偏波成分からなる。各成分は、下記の式1から式4で示される。
H送信H受信データ:Dh1=HHs+VHa:S(信号)−HH成分、A(虚像)−VH成分 式1
H送信V受信データ:Dh2=HVs+VVa:S(信号)−HV成分、A(虚像)−VV成分 式2
V送信H受信データ:Dv1=VHs+HHa:S(信号)−VH成分、A(虚像)−HH成分 式3
V送信V受信データ:Dv2=VVs+HVa:S(信号)−VV成分、A(虚像)−HV成分 式4
ここで、HHs、HVs、VHs、VVsは信号を示し、HHa、HVa、VHa、VVaは虚像を示す。これらの4偏波成分を、各成分毎にSAR画像化を行うことによって、4偏波SAR画像を取得している。この時、H偏波送信の画像(HH偏波とHV偏波)とV偏波送信の画像(VH偏波とVV偏波)では1パルス分のタイミングのずれがあるため、タイミング補正を行っている。
一方、本実施形態のSAR装置は、タイミング補正処理・偏波分離処理部36において、1パルス分のタイミングのずれを補正するための偏波間のタイミング補正と偏波分離を行っている。すなわち、+45度直線偏波送信データと−45度直線偏波送信データの両者のタイミング補正を行った上で、両者の和と差を計算する。タイミング補正処理は、前述の一般的なタイミング補正処理が適用できる。4種類の偏波データ(+45度送信H受信、+45度送信V受信、−45度送信H受信、−45度送信V受信)の信号成分と虚像成分は、それぞれ式5〜式8で示される。
+45度送信H受信データ:Dp1=(HHs+VHs)+(HHa−VHa) 式5
+45度送信V受信データ:Dp2=(HVs+VVs)+(HVa−VVa) 式6
−45度送信H受信データ:Dm1=(HHs−VHs)+(HHa+VHa) 式7
−45度送信V受信データ:Dm2=(HVs−VVs)+(HVa+VVa) 式8
ここで、偏波間の位相誤差の補正を掛けた後、式5と式7の和の平均値及び差の平均値及び式6と式8の和の平均値及び差の平均値の平均値を計算する。例えば、式5と式7の和の平均値は、(Dp1+Dm1)/2となる。それぞれの結果は、式9〜式12のように示される。
(Dp1+Dm1)/2=HHs+HHa:S(信号)−HH成分、A(虚像)−HH成分 式9
(Dp1−Dm1)/2=VHs−VHa:S(信号)−VH成分、A(虚像)−VH成分 式10
(Dp2+Dm2)/2=HVs+HVa:S(信号)−HV成分、A(虚像)−HV成分 式11
(Dp2−Dm2)/2=VVs−VVa:S(信号)−VV成分、A(虚像)−VV成分 式12
HHs、HVs、VHs、VVsは信号を示し、HHa、HVa、VHa、VVaは虚像を示し、各パラメータは全て複素数である。
式9〜式12に示すように、式5と式7、式6と式8のそれぞれの和と差を取ることにより、HH成分、VH成分、VV成分、VH成分に分離することができる。例えば、+45度送信H受信データ:Dp1と、+45度送信V受信データ:Dm1の和を取ることでHH成分の信号を得ることができる。また、この信号成分は、虚像の成分と同じになる。
本実施形態では、偏波分離処理前の受信のデータの段階では、図3に示すように、+45度送信H偏波の信号を受信する際、前後のパルスによる−45度送信H偏波の反射波のレンジ・アンビギュイティが混入する等、送信波の異なる偏波成分のアンビギュイティが混入する。しかし、偏波分離処理を行うことにより、HH成分、HV成分、VH成分、VV成分の各偏波の画像には、信号と同じ偏波成分のレンジ・アンビギュイティのみ残る。
この時、信号とアンビギュイティが同じ偏波成分であるので、信号が交差偏波でアンビギュイティが並行偏波である場合に比べ、反射輝度の差から、レンジ・アンビギュイティは少ない。すわなち、特許文献1に記載のフルポラリメトリSARに比べ、レンジS/A(信号対虚像比)を改善することができる。
本実施の形態では、移相器の位相を0度と180度を切り替えることで、+45度偏波と−45度偏波に送信偏波を切り替えたが、送信パルス毎に切り替える移相器の位相の関係は180度であれば良い。例えば、移相器の位相を+90度と−90度とすることで、右旋と左旋の円偏波を交互に送信することもできる。
この時の関係式は下式の通りとなる。「j」は虚数であり、各パラメータは全て複素数である。
左旋円偏波送信H受信データ:Dl1=(HHs+j・VHs)+(HHa−jVHa) 式13
左旋円偏波送信V受信データ:Dl2=(HVs+j・VVs)+(HVa−j・VVa) 式14
右旋円偏波送信H受信データ:Dr1=(HHs−j・VHs)+(HHa+j・VHa) 式15
右旋円偏波送信V受信データ:Dr2=(HVs−j・VVs)+(HVa+j・VVa) 式16
(Dl1+Dr1)/2=HHs+HHa:S(信号)−HH成分、A(虚像)−HH成分 式17
(Dl1−Dr1)/(2・j)=VHs−VHa:S(信号)−VH成分、A(虚像)−VH成分 式18
(Dl2+Dr2)/2=HVs+HVa:S(信号)−HV成分、A(虚像)−HV成分 式19
(Dl2−Dr2)/(2・j)=VVs−VVa:S(信号)−VV成分、A(虚像)−VV成分 式20
本実施の形態では、送信と受信でアンテナを共用しているが、送信と受信で別々のアンテナを構成しても良い。例えば、送信用には+45度送信偏波アンテナと−45度送信偏波アンテナとし、受信用にはH偏波アンテナとV偏波アンテナとしても良い。
また、送信偏波と受信偏波は、送信の偏波をH偏波とV偏波、受信の偏波を+45度受信偏波と−45度受信偏波というような組み替えを行っても良い。2種類の受信偏波と同じ偏波を同一パルス内で送信し、それと直交する偏波成分の送信と交互に繰り返す構成であれば良い。また、アンテナの構成は、フェーズドアレイアンテナを使用する構成でも良い。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記記載に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
1、2 SAR装置
3、 SAR画像再生解析装置
11、21 送信機
12、22 第一の受信機
13、23 第二の受信機
14、24 移相器
15、25 H偏波アンテナ
16、26 V偏波アンテナ
17、18、27、28 サーキュレータ
19、29 制御装置
31 SAR画像再生処理部
32 偏波分離処理部
33 フルポラリメトリSAR画像部
34、35 分離処理部
36、37、41、42 タイミング補正処理・偏波分離処理部

Claims (9)

  1. タイミング信号を出力する制御装置と、
    前記タイミング信号に基づいて周波数変調されたパルス信号を生成する送信機と、
    前記生成されたパルス信号を2分割する分割手段と、
    前記タイミング信号に基づいて、前記2分割された一方のパルス信号の位相を0度と180度とに交互に切り替えて出力する移相器と、
    前記2分割された他方のパルス信号を第1の偏波で送信すると共に、前記送信した第1の偏波が観測対象によって反射された第1の偏波の受信信号を受信する第一のアンテナと、
    前記位相器から出力されたパルス信号を前記第1の偏波と直交する第2の偏波で送信すると共に、前記送信した第2の偏波が観測対象によって反射された前記第2の偏波の受信信号を受信する第二のアンテナと、
    前記受信された第1の偏波の受信信号を受信処理する第一の受信機と、
    前記受信された第2の偏波の受信信号を受信処理する第二の受信機と、
    を備えるSAR装置。
  2. 前記第1の偏波はH偏波であり、前記第2の偏波はV偏波である、請求項1に記載のSAR装置。
  3. 前記第1の偏波はV偏波であり、前記第2の偏波はH偏波である、請求項1に記載のSAR装置。
  4. 前記第一のアンテナの接続先を、前記送信機または前記第一の受信機に切り替える第一のサーキュレータと、
    前記第二のアンテナの接続先を、前記移相器または前記第二の受信機に切り替える第二のサーキュレータと、
    をさらに備える請求項1乃至3のいずれか1項に記載のSAR装置。
  5. 前記受信処理された第1の偏波の受信信号および第2の偏波の受信信号からフルポラリメトリSAR画像を生成するSAR画像再生解析装置をさらに備える請求項1乃至4のいずれか1項に記載のSAR装置。
  6. タイミング信号を出力し、
    前記タイミング信号に基づいて周波数変調されたパルス信号を生成して出力し、
    前記出力されたパルス信号を2分割して出力し、
    前記タイミング信号に基づいて、前記2分割された一方のパルス信号の位相を0度と180度とに交互に切り替えて出力し、
    前記2分割された他方のパルス信号を第1の偏波で送信すると共に、前記位相器から出力されたパルス信号を前記第1の偏波と直交する第2の偏波で送信し、
    前記送信した第1の偏波が観測対象によって反射された第1の偏波の受信信号を受信すると共に、前記送信された第2の偏波が観測対象によって反射された前記第2の偏波の受信信号を受信し、
    前記受信された第1の偏波の受信信号および第2の偏波の受信信号を受信処理する、
    レーダ方法。
  7. 前記第1の偏波はH偏波であり、前記第2の偏波はV偏波である、請求項6に記載のレーダ方法。
  8. 前記第1の偏波はV偏波であり、前記第2の偏波はH偏波である、請求項6に記載のレーダ方法。
  9. 前記受信処理した第1の偏波の受信信号および第2の偏波の受信信号からフルポラリメトリSAR画像を生成する、請求項6乃至8のいずれか1項に記載のレーダ方法。
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