JP5606095B2

JP5606095B2 - レーダ装置

Info

Publication number: JP5606095B2
Application number: JP2010037557A
Authority: JP
Inventors: 俊夫若山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: JP2011174750A

Description

この発明は、例えば衛星や航空機等からなるプラットフォームから高分解能に地表面を観測する合成開口レーダ(SAR, Synthetic Aperture Radar)等からなるレーダ装置に関する。

合成開口レーダ(SAR, Synthetic Aperture Radar)は、衛星や航空機から高分解能に地表面を観測する装置である。高分解能に撮像された地表面のうち、災害や植生の生育などのよって変化した領域のみを抽出する処理は、画像を解析する作業の効率化に有用である。変化検出処理の一手法としてコヒーレント変化抽出と呼ばれる手法が知られている。この手法は、異なる時刻で撮像された同じ領域の複素振幅レーダ画像の相互相関を算出し、相互相関の絶対値が小さい領域が、２回の撮像の間の時刻に生じた地表面変化であるとみなす。例えば下記特許文献１には、変化抽出の空間分解能を向上するための手法が提案されている。

コヒーレント変化抽出は、レーダ画像の各画素の複素振幅の位相の変化も考慮されるため、電波の波長オーダの微小な変化も捉えることが可能である。しかし、植生領域などを観測した場合には、風により樹木上の葉が微小に揺れることなどにより、短時間のうちに画像間の相関が低下する。そのため、災害などの時間的に不連続あるいは非定常的な事象により変化した領域だけでなく、定常的に変化している領域も変化として抽出される。画像解析者が非定常的な変化に注目している場合、定常的な変化が抽出されることは、分析作業の効率低下につながる。

特開２００８−３１０３９１号公報

従来の変化抽出処理は、変化の定常性、非定常性を考慮していないため、定常的な変化と非定常的な変化の両方が同時に抽出されるため、画像解析者が注目対象としていない領域までもが抽出されてしまい、分析作業が非効率になってしまうという問題があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、定常的な変化と非定常的な変化を識別し、分析作業効率の向上を図ったレーダ装置を提供することを目的とする。
またこの発明では、定常的な変化について、変化の時定数に注目することにより、定常的変化の種類を判別することを可能にした。

本発明に係るレーダ装置は、波動を照射し観測対象で反射した波動を受信して前記観測対象を画像化するレーダ装置であって、前記観測対象の同一領域の３つ以上のレーダ画像を相対的に短い短時間差と前記短時間差に比べて相対的に長い長時間差で得るレーダ画像生成手段と、前記短時間差および長時間差についてそれぞれに２つのレーダ画像の相互相関を計算して相互相関画像を生成する画像相関手段と、前記短時間差における相互相関が第１の所定値よりも小さくなる前記相互相関画像の領域を定常変化領域として抽出し、前記長時間差における相互相関が第２の所定値よりも小さくなる前記相互相関画像の領域でかつ前記短時間差における定常変化領域以外の領域を非定常変化領域として抽出する変化領域判定手段と、を備えたことを特徴とする。

この発明では、定常的な変化と非定常的な変化を識別することで、分析作業効率の向上が図れる。

この発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。この発明によるレーダ装置の衛星間距離を設定する基準を説明するための図である。この発明によるレーダ装置における変化の分類を表す図である。この発明の実施の形態２によるレーダ装置の衛星の構成を示す図である。この発明の実施の形態３によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態３によるレーダ装置における画素の相関時間の算出を説明するための図である。この発明の実施の形態３によるレーダ装置における注目する活動度のみを抽出する方法を説明するための図である。

以下、この発明によるレーダ装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１において、００１Ａは第１の衛星、００２Ａは波動である例えばレーダ波の送受信、すなわちレーダ波を生成するとともに、受信波に受信処理を行うことにより受信信号を生成する送受信部、００３Ａは送受信部００２Ａで生成されたレーダ波を００６Ａに示すように空間へ放射するとともに、地表面１００で散乱されたレーダ波を空間から取り込むアンテナ、００４Ａは受信信号を衛星外に伝送するために、受信信号の情報を含む通信波を生成する伝送部、００５Ａは通信波００７Ａを衛星外へ放射する伝送アンテナである。

第１の衛星００１Ａは、送受信部００２Ａ、アンテナ００３Ａ、伝送部００４Ａ、伝送アンテナ００５Ａを搭載している。また第２の衛星００１Ｂは第１の衛星００１Ａと同様な、送受信部００２Ｂ、アンテナ００３Ｂ、伝送部００４Ｂ、伝送アンテナ００５Ｂを搭載している。

０１０は第１および第２の衛星００１Ａ，００１Ｂから伝送された通信波００７Ａ，００７Ｂを受信してデータ処理を行うデータ処理装置である地上局、０１１は伝送アンテナ００５Ａ，００５Ｂから放射された通信波を地上局０１０に取りこむ地上局アンテナ、０１２は通信波００７Ａ，００７Ｂから受信信号を複製するデータ受信部、０１３はデータ受信部０１２で複製された受信信号に画像再生データ処理を施すことによりレーダ画像を生成する画像再生部、０１４はレーダ画像を蓄積する画像蓄積部、０１５Ａおよび０１５Ｂは画像蓄積部０１４から取り出した２つのレーダ画像の相互相関を計算することにより相互相関画像を生成する第１および第２の画像相関部、０１６Ａおよび０１６Ｂはそれぞれ第１の画像相関部０１５Ａ、第２の画像相関部０１５Ｂで得られた相互相関画像から相関係数が小さい領域を変化領域とみなして抽出する第１および第２の変化領域抽出部、０１７は第１および第２の変化領域抽出部０１６Ａ，０１６Ｂで抽出された領域から変化領域を選択する変化領域選択部である。

次に動作について説明する。この実施の形態のレーダ装置は、第１の衛星００１Ａに搭載された構成要素、第２の衛星００１Ｂに搭載された構成要素、地上局０１０の構成要素により、レーダ画像の撮像から変化領域の選択的抽出までの機能を実現している。

第１の衛星００１Ａに搭載された構成要素の動作をまず説明する。これらの構成要素の動作は、一般の合成開口レーダの動作と同様のものである。まず送受信部００２Ａでレーダ波を生成する。一般には周波数が直線的に変化する周波数変調を施されたパルス波がレーダ波として用いられる。生成されたレーダ波はアンテナ００３Ａを介して空間へと放射される。００６Ａで示す放射されたレーダ波は地表面１００で散乱される。その一部は第１の衛星００１Ａの方へ戻ってくるため、アンテナ００３Ａによって空間から散乱波を受信波として取り込む。受信波は送受信部００２Ａにて増幅あるいは周波数変換などにより、データ処理に適した形に変換される。ここでは変換後の信号を受信信号と呼ぶことにする。

受信信号は伝送部００４Ａによって、空間伝送に適した形に変調され、伝送アンテナ００５Ａを介して通信波００７Ａとして空間へと放射される。通信波００７Ａは地上局０１０で受信され、データ処理が行われる。

データ処理装置である地上局０１０の動作を以下に述べる。地上局アンテナ０１１は空間から通信波００７Ａを取り込み、データ受信部０１２へと出力する。データ受信部０１２では、伝送部００４Ａで施された変調を復調することにより、受信信号を再生する。この受信信号に対して、画像再生部０１３にてレーダ画像を生成する。レーダ画像を再生するアルゴリズムには様々なものが知られているが、この発明では特にアルゴリズムの種類は問わない。再生されたレーダ画像の各画素は複素振幅のデータ値を保持している。再生されたレーダ画像は画像蓄積部０１４に蓄積される。このレーダ画像をここではレーダ画像Ａと呼ぶ。

以上は第１の衛星００１Ａで撮像したレーダ画像の蓄積までを説明した。同様のレーダ画像の撮像および蓄積は第２の衛星００１Ｂついても行われる。第１の衛星００１Ａと第２の衛星００１Ｂは、同じ軌道を一定の時間差を伴って飛行している。言い換えると、第１の衛星００１Ａと第２の衛星００１Ｂは、空間上で一定の間隔を保った状態で飛行している。第２の衛星００１Ｂにおいても、第１の衛星００１Ａが撮像したのと同じ領域のレーダ画像が画像再生部０１３で生成され、画像蓄積部０１４に蓄積される。ただし、第２の衛星００１Ｂで撮像されたレーダ画像は衛星間の距離と衛星の速度で定まる時間差を持って撮像されたものとなる。このレーダ画像をここではレーダ画像Ｂと呼ぶことにする。

第１の画像相関部０１５Ａでは、レーダ画像Ａとレーダ画像Ｂの相互相関(係数)を計算することにより相互相関画像を生成する。この相互相関画像をここでは相互相関画像ＡＢと呼ぶことにする。相互相関画像ＡＢは、レーダ画像Ａを撮像した時刻と、レーダ画像Ｂを撮像した時刻の間に生じた地表面変化が低い相関係数の領域として確認することができる。第１の変化領域抽出部０１６Ａでは、予め設定した閾値(第１の所定の閾値)よりも相関係数が小さい領域を変化領域として抽出する。この領域を変化領域ＡＢと呼ぶことにする。

第１の衛星００１Ａと第２の衛星００１Ｂの間の距離は、定常的変化により相互相関画像ＡＢの相関が十分低下するだけ十分な長さとする。これを具体的に以下に述べる。定常的変化は地表面１００の散乱体がゆらぎを持つことにより生じる。ゆらぎを持つ領域内の注目画素について、ゆらぎの大きさがドップラースペクトルのスペクトル幅によって表現できるとし、その速度幅(標準偏差)をσ_ｖとする。注目画素からの反射信号の時定数τ_ｃは次式で表される。

τ_ｃ＝λ／{２√(２)πσ_ｖ} (１)

ただし、λはレーダ送信波長である。プラットフォーム(衛星)の速度をＶ_ｓとすると、観測時間差が時定数と一致するプラットフォーム間隔Ｌ_ｃは次式となる。

Ｌ_ｃ＝λＶ_ｓ／{２√(２)πσ_ｖ} (２)

実際のプラットフォーム間隔ＬをＬ_ｃよりも長くすれば、短時間差で定常変化のコヒーレンスが低下し、定常変化領域を特定することができる。その結果、長時間差でのコヒーレンス画像から、定常変化領域を除去し、非定常変化領域のみの抽出が可能になる。

衛星搭載ＳＡＲの典型的な例として、送信周波数帯(バンド：ｂａｎｄ)がＬ、Ｃ、Ｘ、Ｋｕの場合について、最小ベースライン長(＝プラットフォーム間隔)を計算した例を図２に示す。植生の速度幅が仮に０．１ｍ／ｓと見込めるとすると、プラットフォーム間隔(距離)Ｌは２５０ｍ以上とすれば、短時間差で相関が落ちるため、定常変化として検出することができる。

第１の衛星００１Ａおよび第２の衛星００１Ｂは、軌道によって定まる回帰周期、例えば数日あるいは数ヶ月の周期で、同じ地表面１００の撮像が可能になる。回帰した際にも前述と同様のレーダ画像の撮像が行われる。例えば、第１の衛星００１Ａで回帰後のレーダ画像Ｃを画像再生部０１３で再生し、画像蓄積部０１４に蓄積する。

第２の画像相関部０１５Ｂでは、レーダ画像Ａとレーダ画像Ｃとの相互相関(係数)を計算することにより相互相関画像ＡＣを生成する。相互相関画像ＡＣには、レーダ画像Ａを撮像した時刻と、レーダ画像Ｃを撮像した時刻の間に生じた地表面１００の変化が、低い相関係数の領域として確認することができる。第２の変化領域抽出部０１６Ｂでは、予め設定した閾値(第２の所定の閾値)よりも相関係数が小さい領域を変化領域として抽出する。これは従来のコヒーレント変化抽出処理である。抽出された領域を変化領域ＡＣとする。ただし、相互相関画像ＡＣでは、常に変化が生じている定常変化領域も、低い相関値となる。

そこで、変化領域選択部０１７では、短時間差で変化抽出した変化領域ＡＢと、長時間差で変化抽出した変化領域ＡＣを比較することにより、非定常的な変化のみを抽出する。具体的には、図３に示すように、短時間差では変化抽出されず(すなわちコヒーレンスが低下せず)、長時間差のみで変化が抽出される(コヒーレンスが低下する)領域を、非定常的な変化がある領域として抽出する。

以上のような図１に示したこの発明によるレーダ装置によれば、コヒーレント変化検出のような微小変化検出において、植生のように定常的に変化する領域と非定常的な変化の生じた領域を識別して抽出することが可能になる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２によるレーダ装置の衛星の構成を示す図である。地上局に関しては図１し示したものと基本的に同じである。前述の実施の形態１では図１に示すように、アンテナ００３Ａとアンテナ００３Ｂを別々の衛星００１Ａ，００１Ｂに搭載する例を示した。これは、短時間差で定常的変化のコヒーレンスが十分低下するだけ衛星間距離を離すためであったが、定常的変化のコヒーレンス低下が確認できる程度にアンテナ間隔を離すことができるのであれば、アンテナ００３Ａとアンテナ００３Ｂを、図４に示す構成のように一つの衛星００１(アンテナ００３Ａ，００３Ｂのためのそれぞれ送受信部００２，００８を設けた)に距離をおいて搭載してもよい。この場合、レーダ画像はアンテナ間の距離と衛星の速度で定まる時間差を持って撮像されたものとなる。

図２によれば、送信周波数が高周波になる程、短い衛星間距離でコヒーレンスが低下する。同一衛星で短時間差を構成する場合は、送信周波数は高周波とするとコヒーレンス低下を確認しやすくなる。また、アンテナ間距離が短い分だけコヒーレンス低下量が少なくなるので、コヒーレンス推定の推定精度を向上させる必要がある。例えば空間平均による平滑化に用いる平均点数(マルチルック数)を増やすことが必要となる。

以上のような図４に示した構成の衛星を使用すれば、短時間差のコヒーレンス低下の量が小さくなるため、コヒーレンス低下の確認がしずらくなるが、単一衛星で定常的変化の識別が可能になるという利点がある。

なお実施の形態１，２において、第１および第２の衛星００１Ａ，００１Ｂ(実施の形態２の場合は衛星００１)、地上局０１０の地上局アンテナ０１１、データ受信部０１２、画像再生部０１３、画像蓄積部０１４がレーダ画像生成手段を構成し、第１および第２の画像相関部０１５Ａ，０１５Ｂが画像相関手段を構成し、第１および第２の変化領域抽出部０１６Ａ，０１６Ｂおよび変化領域選択部０１７が変化領域判定手段を構成する。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。上述の各実施の形態では、相互相関を計算する時間差が短時間差と長時間差の２つだけであった。これを拡張し、短時間差の情報をより詳細に得るために、この実施の形態では、図５に示すように３つ以上の衛星(図５では４つの衛星の場合を示した)を用いて、複数の時間差を短時間差として得られるようにしている。

図５において、各衛星００１Ａ〜００１Ｄの構成は図１の第１および第２の衛星００１Ａ，００１Ｂと同じである。データ処理装置である地上局０１０ａは、各衛星００１Ａ〜００１Ｄから伝送された通信波００７を地上局０１０に取りこむ地上局アンテナ０１１、通信波００７から受信信号を複製するデータ受信部０１２、データ受信部０１２で複製された受信信号に画像再生データ処理を施すことによりレーダ画像を生成する画像再生部０１３、レーダ画像を蓄積する画像蓄積部０１４、画像蓄積部０１４から取り出した２つのレーダ画像の相互相関関数を計算することにより相互相関画像を生成する画像相関部０１５、予め設定した基準値(所定の基準値)まで相互相関関数が低下する時間差(時定数)を相互相関画像の各画素毎に算出し、相関時間画像を生成する相関時間画像算出・表示部０１８を備える。

このように３つ以上の衛星を用いることにより、図６に示す模式図で示すように、各画素毎に、時間差の増加とともに相互相関関数が低下する様子が分かるようになる。すなわち相互相関関数の形状が分かるようになる。これにより、予め設定した基準値まで相互相関関数が低下する時間差を時定数と定義すれば、相互相関関数から時定数を求めることができる。相関時間画像算出・表示部０１８では、このような時定数を相互相関画像の各画素毎に算出し、相関時間画像を得る。

相互相関時間は定常変化の種類、あるいは地表面上での人為的な活動の活動度によって変わる。複数衛星による短時間差の相互相関係数の算出結果に加えて、複数回帰での撮像間での相互相関係数の算出結果も用いることにより、図７に示すように秒単位から日単位、あるいは月単位での相関時間の相違を知ることができる。ある相関時間の領域のみを相関時間画像から抽出すれば、地表面の種別の分類(植生か否か)や活動度の違いも知ることが可能となる。相関時間画像算出・表示部０１８は、このような相関時間画像から所定範囲の相関時間を持つ画素のみを抽出して表示するようにしてもよい。

なお実施の形態３において、衛星００１Ａ〜００１Ｄ、地上局０１０の地上局アンテナ０１１、データ受信部０１２、画像再生部０１３、画像蓄積部０１４がレーダ画像生成手段を構成し、画像相関部０１５が画像相関手段を構成し、相関時間画像算出・表示部０１８が相関時間演算手段を構成する。

なお、上記各実施の形態ではプラットフォームが衛星である場合について説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、プラットフォームを航空機等の他の飛行体としてもよい。
また、データ処理装置を地上局として地上に配置する構成を説明したが、データ処理装置は必ずしも地上に設置しなくてもよい。例えば複数の衛星(飛行体)のいずれか１つにデータ処理装置を設定し、衛星上のデータ処理装置で変化領域を選択的に抽出するようにしてもよい。
またこの発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせも全て含むことは云うまでもない。

００１衛星、００１Ａ第１の衛星、００１Ｂ第２の衛星、００２Ａ，００２Ｂ、００８送受信部、００３Ａ，００３Ｂアンテナ、００４Ａ，００４Ｂ伝送部、００５Ａ，００５Ｂ伝送アンテナ、００７Ａ，００７Ｂ通信波、０１０，０１０ａ地上局、０１１地上局アンテナ、０１２データ受信部、０１３画像再生部、０１４画像蓄積部、０１５Ａ第１の画像相関部、０１５Ｂ第２の画像相関部、０１６Ａ第１の変化領域抽出部、０１６Ｂ第２の変化領域抽出部、０１７変化領域選択部、０１８相関時間画像算出・表示部、１００地表面。

Claims

波動を照射し観測対象で反射した波動を受信して前記観測対象を画像化するレーダ装置であって、
前記観測対象の同一領域の３つ以上のレーダ画像を相対的に短い短時間差と前記短時間差に比べて相対的に長い長時間差で得るレーダ画像生成手段と、
前記短時間差および長時間差についてそれぞれに２つのレーダ画像の相互相関を計算して相互相関画像を生成する画像相関手段と、
前記短時間差における相互相関が第１の所定値よりも小さくなる前記相互相関画像の領域を定常変化領域として抽出し、前記長時間差における相互相関が第２の所定値よりも小さくなる前記相互相関画像の領域でかつ前記短時間差における定常変化領域以外の領域を非定常変化領域として抽出する変化領域判定手段と、を備えたことを特徴とするレーダ装置。
前記レーダ画像生成手段が、レーダ画像を得るための１つのアンテナをそれぞれに搭載した同じ軌道を一定の時間差を伴って飛行する２つのプラットフォームを含み、前記短時間差が前記２つのプラットフォームの一定の時間差で定まり、前記長時間差が前記２つのプラットフォームの回帰周期で定まることを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
前記レーダ画像生成手段が、レーダ画像を得るための所定の軌道を飛行するとともに前記軌道に沿って距離をおいて２つのアンテナを搭載した１つのプラットフォームを含み、前記短時間差が前記２つのアンテナの距離と前記１つのプラットフォームの速度とで定まり、前記長時間差が前記１つのプラットフォームの回帰周期で定まることを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
波動を照射し観測対象で反射した波動を受信して前記観測対象を画像化するレーダ装置であって、
前記観測対象の同一領域の３つ以上のレーダ画像を複数の時間差で撮像して得るレーダ画像生成手段と、
各時間差毎にレーダ画像の相互相関を計算する画像相関手段と、
各画素の相互相関関数から各画素の相関時間を算出して相関時間画像を求める相関時間処理手段と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
前記相関時間処理手段が、相関時間画像から所定範囲の相関時間を持つ画素のみを抽出して表示することを特徴とする請求項４に記載のレーダ装置。