JP5737831B2 - 移動目標検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、低速で移動する移動目標を高精度に検出する移動目標検出装置に関するものである。

一般に、レーダは、指向性を有するアンテナから電磁波を放射し、目標からの散乱波を観測する。このとき、目標からの散乱波と同時に、地表面からの不要反射（以下、「クラッタ」と称する）が観測される。このため、反射の小さな目標を検出することは、容易でない。そこで、例えば、反射の小さい移動目標を観測する場合には、ドップラー効果を利用して、地表面からのクラッタを抑圧し、移動目標を検出する方法が用いられている。

ところが、レーダプラットフォームが移動する場合には、アンテナビームの角度方向の拡がりに応じて、クラッタのドップラー周波数も拡がってしまう。このため、低速で移動する移動目標の信号と、クラッタの信号との分別が困難な場合が発生する。

そこで、アンテナ開口をアンテナの移動方向に分割して、連続する２パルス間において等価的にアンテナが静止している状況を作り出し、クラッタを抑圧する技術（Ｇｒｏｕｎｄ Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ：以下、「ＧＭＴＩ」と称する）が考案されている。

図１２は、従来の移動目標検出装置を用いて移動目標を観測するときの一例を示す観測ジオメトリである。図１２における移動目標検出装置は、レーダプラットフォーム１に搭載され、レンジ方向に移動する移動目標２を観測する。移動目標検出装置には、送受信アンテナ３が備えられている。

なお、図１２において、送受信アンテナ３のアンテナ開口面は、レーダプラットフォーム１の進行方向に平行となっている。また、送受信アンテナ３のビームは、アンテナ開口面に対して垂直となっている。さらに、送受信アンテナ３のビームは、図１２に示すような、フットプリント４となっている場合を例に挙げて説明する。また、以下においては、２次元平面を仮定して動作を説明するが、これらの仮定を満足しない場合においても、容易に拡張して考えることが可能である。

図１３は、送受信アンテナ３の開口を分割した様子を示す図である。図１３において、第１の送信パルスは、電気的位相中心位置５ａにおいて送信される。また、第１の送信パルスは、５ｂにおいて受信される。このため、第１の送信パルスの送受信の電気的位相中心位置は、５ａと５ｂの中間点α（図１３の破線）とみなすことができる。同様に、第２の送信パルスは、電気的位相中心位置６ａにおいて送信される。また、第２の送信パルスは、６ｂにおいて受信される。このため、第２の送信パルスの送受信の電気的位相中心位置も、６ａと６ｂの中間点α（図１３の破線）とみなすことができる。

従って、第１及び第２のアンテナ開口で受信されるデータの電気的位相中心位置は、中間点αで等価的に同一とみなすことができる。すなわち、第１及び第２の送信パルスによる観測は、空間的に静止した位置（中間点α）から行われるとみなすことができる。

このような観測を一定回数繰り返すことによって取得された２つの受信信号のそれぞれを、第１及び第２のデータ格納部にそれぞれ蓄積する。また、蓄積されたそれぞれの受信信号を画像再生処理部へ送り、２枚分のレーダ画像を再生する。なお、レーダ画像の再生原理及び手順は、合成開口レーダ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ：以下「ＳＡＲ」と称する）の画像再生処理として、一般的に広く知られており、説明は省略する。

上述で説明したように、２枚のレーダ画像は、空間的には同一の位置から観測されたデータとみなすことができるが、観測した時刻が１パルス間隔分ずれていることが特徴である。これにより、地表面の静止目標は、２つの画像再生処理の結果に基づいて同一の信号として現れる。一方、移動目標の反射波は、第１及び第２のパルス間に移動した分の位相回転が生じる。

この特性を利用して、複素データ差分処理や複素相関処理による２枚のレーダ画像の差分又は複素相関を算出する。これにより、移動目標からの信号と、静止目標からのクラッタとの信号に差異が生じ、移動目標を検出することができる。

例えば、第１及び第２のアンテナで取得したクラッタの信号のデータが完全に一致している場合、複素データの差分は、原点に分布する。同様に、第１及び第２のアンテナで取得したクラッタの信号のデータが完全に一致している場合、複素相関を算出した結果は、実軸上に分布する。一方、移動目標の信号は、複素データ差分処理及び複素関数処理に関わらず、複素平面上に分布する。

そこで、従来技術の１つとして、例えば、以下のものが挙げられる。
２枚のレーダ画像間の位相差、及び移動目標とクラッタとの信号の強度比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｃｌｕｔｔｅｒ Ｒａｔｉｏ：以下、「ＳＣＲ」と称する）を２つの変数として、次式（１）において与えられた誤警報確率Ｐ_ｆａの下で、検出確率を最大化する閾値Ｐ_ｔｈを算出する。そして、確率密度Ｐ（η、ψ）が閾値Ｐ_ｔｈ以下のものを移動目標であるとして検出する移動目標検出装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

なお、上式（１）のＰ（η、ψ）は、クラッタの複素平面上での確率密度分布を与える式である。また、上式（１）のηは、受信信号の振幅である。さらに、上式（１）のψは、位相角である。

Ｃ．Ｈ．Ｇｉｅｒｕｌｌ著、「Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｌｏｏｋ ＳＡＲ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍｓ ｆｏｒ ＣＦＡＲ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒｏｕｎｄ Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔｓ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＧＥＯＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＲＥＭＯＴＥ ＳＥＮＳＩＮＧ、２００４年４月、ＶＯＬ．４２、ＮＯ．４、ｐ．６９１−７０１

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来技術では、２枚のレーダ画像が空間的には同一の位置から観測されたデータではあるが、観測した時刻が１パルス間隔分ずれているという特性を利用して、移動目標の検出を行っていた。しかしながら、受信信号の振幅や位相は、風の影響による樹木などの揺らぎ、あるいは受信機の熱雑音によって変動する。このため、空間的に同一の位置からクラッタを観測した場合においても、完全に同一な信号を受信することが困難な場合があった。

例えば、第１のアンテナにより受信された信号の画像再生結果と、第２のアンテナにより受信された信号の画像再生結果との差分を算出した場合、クラッタ信号が完全に一致していれば、原点に分布する。しかし、上述で説明したような変動要因により、完全に同一な信号を受信できない場合には、クラッタ信号おいても複素平面上に分布する。

図１４は、静止目標であるクラッタ信号が、移動目標と同様に複素平面上に分布した場合を示す分布図である。図１４に示すように、低速度で移動する目標の場合には、空間的に同一の位置から観測された２枚のレーダ画像間の位相差が小さい。このため、低速度で移動する移動目標の信号（図１４中のＡ）がクラッタ信号（図１４中のＢ）に埋もれてしまう。この結果、従来技術では、低速度で移動する移動目標を検出することが困難であるといった問題点があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、地上面を低速度で移動する移動目標をより確実に検出することができる移動目標検出装置を得ることを目的とする。

本発明に係る移動目標検出装置は、プラットフォームの移動方向に分割可能な開口を持つアンテナに対して、所定の観測時間差を有する第１の観測地点及び第２の観測地点における観測時期を設定する観測時期設定手段と、第１の観測地点及び第２の観測地点のそれぞれに対応してアンテナから取得された２枚のＳＡＲ画像を格納するデータ格納部と、第１の観測地点及び第２の観測地点のそれぞれに対応して、データ格納部に格納された２枚のＳＡＲ画像間の位相差をそれぞれ算出する位相差算出手段と、位相差算出手段によって算出された第１の観測地点の位相差から、移動目標の第１の位置および移動速度を特定するとともに、移動目標が移動速度で第２の観測地点まで移動した際の第２の位置を推定する移動目標位置推定手段と、前記第１の位置における位相差をＹ座標とし、前記第２の位置における位相差をＸ座標としてプロットしたときの原点座標からの距離を結合位相差として算出し、第１の位置における位相差と第２の位置における位相差との差分が所定差以内であり、かつ、前記結合位相差が所定閾値よりも大きい場合に、移動目標を真の移動目標と判断する移動目標検出手段とを備え、移動目標検出手段は、移動速度から算出した位相差の√２倍の値を所定閾値として用いるものである。

本発明に係る移動目標検出装置よれば、所定の観測時間差を有する少なくとも２箇所以上の地点での観測結果に基づいて、移動目標であるか否かを判断することにより、地上面を低速度で移動する移動目標をより確実に検出することができる移動目標検出装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る移動目標検出装置を用いて、地表面を移動する移動目標を観測する場合の説明図である。 図１の移動目標検出装置の内部構成図である。 移動目標がアジマス方向へのずれが生じない場合を画素で示す図である。 移動目標がアジマス方向へのずれが生じた場合を画素で示す図である。 位相差分布算出手段によって算出された結合位相差分布を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る移動目標検出装置の内部構成図である。 本発明の実施の形態３に係る移動目標検出装置の内部構成図である。 本発明の実施の形態４に係る移動目標検出装置の内部構成図である。 本発明の実施の形態５に係る移動目標検出装置の内部構成図である。 レンジ方向に速度を有する移動目標を一般的な合成開口処理により画像化した結果を示す図である。 移動目標がアジマス方向へ速度を持っている場合と、移動目標がアジマス方向へ速度を持っていない場合とを示す図である。 従来の移動目標検出装置を用いて移動目標を観測するときの一例を示す観測ジオメトリである。 送受信アンテナの開口を分割した様子を示す図である。 静止目標であるクラッタ信号が、移動目標と同様に複素平面上に分布した場合を示す分布図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る移動目標検出装置を用いて、地表面を移動する移動目標を観測する場合の説明図である。従来技術では、１つの観測地点において一定回数繰り返し行った観測結果に基づいて、移動目標の検出を行っていた。これに対して、本実施の形態１では、２箇所以上の複数の観測地点においてそれぞれ一定回数繰り返し行った観測結果に基づいて、移動目標の検出を行うことを技術的特徴としている。

なお、本実施の形態１においては、説明を容易にするため、図１に示すように、２箇所の観測地点である観測１と観測２とで実施したＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理による検出結果を用いて、移動目標検出を行う場合について説明する。しかしながら、本実施の形態１における移動目標検出は、このような図１の構成に限定されるものではない。３箇所以上の観測地点により得られる複数個のＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理による検出結果を用いて移動目標検出を行ってもよい。

移動目標検出装置１０は、図１に示すように、観測１及び観測２の２箇所において、地表面を移動する移動目標を観測する。なお、本実施の形態１における移動目標は、レンジ方向にのみ一定の速度（低速）で移動しているものとする。また、地表面には、植生も配置されているものとする。

図２は、本発明の実施の形態１における移動目標検出装置１０の内部構成図である。図２における移動目標検出装置１０は、観測時期設定手段２０、送受信アンテナ３０、データ格納部４０ａ、４０ｂ、位相差算出手段５０ａ、５０ｂ、移動目標位置推定手段６０、位相差分布算出手段７０、移動目標検出手段８０及び出力データ格納部９０を備えている。なお、詳細は、後述するが、移動目標検出装置１０内の各手段・各部は、概略、以下のように機能する。

観測時期設定手段２０は、観測１及び観測２の２箇所におけるレーダ送受信時期の指令信号を、送受信アンテナ３０に対して出力する。なお、観測１と観測２のレーダ送受信時期（観測時間差）は、移動目標の移動速度に応じて設定する。

送受信アンテナ３０は、観測時期設定手段２０からの指令信号に基づいて、観測１及び観測２の２箇所におけるレーダの送受信を実施する。なお、観測１及び観測２のそれぞれにおいて一定回数繰り返し観測を行うための、送受信アンテナ３０の機能・動作は、先の図１３で説明した従来技術と同様であり、説明を省略する。

データ格納部４０ａには、観測１において送受信アンテナ３０により取得された２枚のＳＡＲ画像が格納される。また、データ格納部４０ｂには、観測２において送受信アンテナ３０により取得された２枚のＳＡＲ画像が格納される。

位相差算出手段５０ａは、データ格納部４０ａに格納された２枚のＳＡＲ画像間の位相差を算出する。また、位相差算出手段５０ｂは、データ格納部４０ｂに格納された２枚のＳＡＲ画像間の位相差を算出する。

移動目標位置推定手段６０は、位相差算出手段５０ａによって算出された２枚のＳＡＲ画像間の位相差に基づいて、移動目標の速度を算出する。さらに、移動目標位置推定手段６０は、算出した移動目標の速度と、観測１におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理の結果とに基づいて、観測２における移動目標の位置を推定する。

位相差分布算出手段７０は、位相差算出手段５０ａ、５０ｂにおいて算出されたそれぞれの位相差に基づいて、結合位相差分布を算出する。

移動目標検出手段８０は、位相差分布算出手段７０によって算出された結合位相差分布と、所定の閾値との比較に基づいて、移動目標を検出し、検出結果を出力データ格納部９０に格納させる。

次に、図２に示したような本実施の形態１における移動目標検出装置１０の一連動作について、より具体的に説明する。なお、レーダ画像の再生原理及び手順は、ＳＡＲの画像再生処理として広く知られているため、説明を省略する。

位相差算出手段５０ａ、５０ｂは、データ格納部４０ａ、４０ｂのそれぞれに格納されている２枚のＳＡＲ画像の位相差φを、次式（２）に基づいて算出する。
φ（ｍ、ｎ）＝∠（Ｚ_１（ｍ、ｎ）Ｚ_２ ^＊（ｍ、ｎ）） （２）

上式（１）のＺ_１（ｍ、ｎ）は、１枚目のＳＡＲ画像の位置（ｍ、ｎ）が持つデータ値である。また、上式（１）のＺ_２（ｍ、ｎ）は、２枚目のＳＡＲ画像の位置（ｍ、ｎ）が持つデータ値である。また、上式（１）の∠は、複素数の位相角をとる演算子である。さらに、上式（１）の＊は、複素共役である。

なお、予め２回のＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理用データの位相差を使用者が算出し、データ格納部４０ａ、４０ｂに格納することで、本処理は不要となる。

次に、移動目標位置推定手段６０は、位相差算出手段５０ａによって算出された２枚のＳＡＲ画像間の位相差から移動目標のレンジ方向の速度を算出する。なお、移動目標の移動速度と２枚のＳＡＲ画像間の位相差とには、次式（３）の関係がある。
ψ＝４πＶＴ_ｐ／λ （３）

上式（３）のＶは、移動目標のスラントレンジ方向の速度である。また、上式（３）のＴ_ｐは、開口分割処理によりアロングトラック方向に分割された２枚の送受信アンテナ３０の１回目及び２回目の観測間隔である。さらに、上式（３）のλは、波長である。

ここで、上式（３）の移動目標のスラントレンジ方向の速度Ｖは、移動目標のグランドレンジ方向の速度Ｖ_ｇｎｄと、次式（４）の関係がある。
Ｖ_ｇｎｄ＝Ｖ／ｓｉｎθ （４）
ここで、上式（４）のθは、観測オフナディア角である。このため、上式（３）において、スラントレンジ方向の速度Ｖの代わりに、上式（４）の速度Ｖ_ｇｎｄを用いてもよい。

さらに、移動目標位置推定手段６０は、スラントレンジ方向の移動目標の速度Ｖと、観測１におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理の観測データ及び観測２におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理の観測データ取得の観測時間差とから、観測２におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理によって得られる移動目標の観測位置の推定値Ｙを、次式（５）に基づいて推定する。
Ｙ＝ＶΔｔ （５）

上式（５）のΔｔは、観測１におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理用データの観測時刻と、観測２におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理用データの観測時刻との観測間隔（観測時間差）である。

ここで、観測２で得られたＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理の結果における移動目標の検出位置を図３、４に示す破線で囲まれた領域内で探索する。なお、破線の大きさは、観測１における移動目標の位相差から算出される移動速度と、予め決められている観測１及び観測２における観測時間差により決定される。

移動目標は、スラントレンジ方向に一定の速度（低速）で移動している場合、観測１におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理結果による移動目標の位置（画素）と、観測２におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理結果による移動目標の位置（画素）との間では、アジマス方向へのずれは発生しない（図３における破線で囲まれた領域参照）。従って、観測２における移動目標の位置は、上式（５）にスラントレンジ方向の移動目標の速度Ｖを適用して算出される位置（図３（ｂ）の斜線部分に相当）に現れることが予想される。

なお、観測１及び観測２の間に、移動目標がスラントレンジ方向に加速度を持っており、移動速度が変化した場合、観測１におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理結果による移動目標の位置（画素）と、観測２におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理結果による移動目標の位置（画素）との間では、アジマス方向へのずれが発生する（図４における破線で囲まれた領域参照）。この際には、レンジ方向とアジマス方向とを加えた範囲（図４の破線部）を探索することで、観測１及び観測２における移動目標の位置を特定できる。

このように、観測１におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理結果に基づいて観測２における移動目標の範囲を予測し、予測した範囲内において、観測１及び観測２におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理結果による移動目標の信号同士を関連付けることが可能となる。信号同士を関連付ける方法としては、例えば、探索範囲内に含まれる信号の相関を算出し、相関値が最大となる点を観測１及び観測２におけるそれぞれの移動目標の位置として特定する方法などが挙げられる。

次に、位相差分布算出手段７０は、移動目標位置推定手段６０によって特定された観測１における移動目標の画素の位相差φ_１と、観測２における移動目標の画素の位相差φ_２とを用いて、結合位相差分布Ｐ_１２を算出する。より具体的には、この結合位相差分布Ｐ_１２は、図５に示すように、位相差φ_１をＹ軸、位相差φ_２をＸ軸としてプロットすることで得られる。

このとき、植生などによってランダムな位相差が生じた場合には、観測１及び観測２におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理データの位相差が無相関となる。従って、結合位相差分布Ｐ_１２には、図５に示すように、原点を中心とするクラッタ領域が分布する。

一方、移動目標が一定の速度で移動する場合には、観測１及び観測２における位相差が同じ位相差として観測される。従って、結合位相差分布Ｐ_１２としては、図５における「移動目標」で示した位置、すなわち、観測１における位相差φ_１と観測２における位相差φ_２がほぼ同じ値となる位置に分布する。

次に、移動目標検出手段８０は、結合位相差分布Ｐ_１２に対して予め設定された閾値Ｐ_ｔｈによる閾値処理を実施する。ここで、閾値Ｐ_ｔｈは、検出した移動目標の速度から算出した位相差の√２倍の値として設定することができ、図５に示した結合位相差分布Ｐ_１２において、この閾値Ｐ_ｔｈは、半径Ｐ_ｔｈの円として表すことができる。

そして、移動目標検出手段８０は、観測１における位相差φ_１と観測２における位相差φ_２がほぼ同じ値となり、かつＰ_１２＞Ｐ_ｔｈであった場合（すなわち、位相差φ_１と位相差φ_２が、ともに検出した移動目標の速度から算出した位相差よりも大きい場合に相当）、移動目標であると判断する。一方、移動目標検出手段８０は、Ｐ_１２≦Ｐ_ｔｈであった場合、移動目標ではないと判断する。そして、移動目標検出手段８０は、検出結果を出力データ格納部９０に出力する。なお、図示されていないが、表示部は、出力データ格納部９０からの出力データに基づいて、検出結果を表示する。

以上のように、実施の形態１によれば、所定の観測時間差を有する少なくとも２箇所以上の地点での観測結果に基づいて、移動目標であるか否かを判断している。これにより、移動目標の信号とクラッタ信号とを明確に識別でき、地上面を低速度で移動する移動目標を、より確実に検出することができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、移動目標を検出するための閾値として、検出した移動目標の位相差に基づく値を設定する場合について説明した。これに対して、本発明の実施の形態２では、クラッタの位相差分布の理論値を用いて予め設定した誤警報確率を満たす閾値を算出し、移動目標を検出するための閾値を設定する場合について説明する。

図６は、本発明の実施の形態２に係る移動目標検出装置１０の内部構成図である。先の実施の形態１における図２の移動目標検出装置１０と比較すると、本実施の形態２における図６の移動目標検出装置１０は、コヒーレンス算出手段１００ａ、１００ｂ及び閾値算出処理手段１１０をさらに備えている点が異なっている。なお、他の構成は、先の実施の形態１と同様であり、説明を省略する。

ここで、詳細は、後述するが、移動目標検出装置１０内のコヒーレンス算出手段１００ａ、１００ｂ及び閾値算出処理手段１１０は、概略、以下のように機能する。

コヒーレンス算出手段１００ａ、１００ｂは、データ格納部４０ａ、４０ｂのそれぞれに格納されている２枚のＳＡＲ画像間のコヒーレンスを算出する。

閾値算出処理手段１１０は、コヒーレンス算出手段１００ａ、１００ｂによって算出されたそれぞれのコヒーレンスに基づいて、位相差分布の結合確率密度を算出する。また、閾値算出処理手段１１０は、予め設定した誤警報確率を満足する閾値を、結合確率密度に基づいて算出する。

次に、本実施の形態２で新たに追加されたコヒーレンス算出手段１００ａ、１００ｂ及び閾値算出処理手段１１０を中心に、本実施の形態２における移動目標検出装置の動作を、以下に説明する。

まず、コヒーレンス算出手段１００ａ、１００ｂは、ＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理を実施のするために、データ格納部４０ａ、４０ｂのそれぞれに格納されている２枚のＳＡＲ画像間のコヒーレンスを、次式（６）に基づいて算出する。

上式（６）のＮは、ウィンドの大きさであり、コヒーレンスを推定するために用いる画素数に相当する。また、上式（６）のδは、振幅である。さらに、上式（６）のθは、偏角である。

なお、コヒーレンスは、２枚のＳＡＲ画像が同一軌道で取得されるという条件下において、地表面に変化がない場合には、１に近い値となる。一方、その条件下において、地表面に変化がある場合には、１よりも小さい値となる。

次に、閾値算出処理手段１１０は、コヒーレンス算出手段１００ａ、１００ｂによって算出された２枚のＳＡＲ画像処理データ間のコヒーレンスから算出される位相差分布から、クラッタの結合確率密度を算出する。そして、予め設定された誤警報確率を満足するような移動目標を検出するための閾値を算出する。

ここで、一様な領域においての２枚のＳＡＲ画像間の位相差は、複素相関（コヒーレンス）を用いて、次式（７）のように表される（例えば、Ｊ．Ｓ．Ｌｅｅ、Ｋ．Ｗ．Ｈｏｐｐｅｌ、Ｓ．Ａ．Ｍａｎｇｏ、ａｎｄＡ．Ｒ．Ｍｉｌｌｅｒ著、「Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ Ｐｈａｓｅ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｌｏｏｋ Ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ＳＡＲ Ｉｍａｇｅｒｙ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＧＥＯＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＲＥＭＯＴＥ ＳＥＮＳＩＮＧ、１９９４年１月、ＶＯＬ．３２、ＮＯ．５、ｐ．１０１７−１０２８参照）。

上式（７）のδは、２枚のＳＡＲ画像のコヒーレンスである。また、上式（７）のＫは、マルチルック数である。また、上式（７）のβは、δｃｏｓ［φ−θ］である。また、上式（７）のΓは、ガンマ関数である。さらに、上式（７）のＦは、ガウスの超幾何関数である。

観測１及び観測２におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理用データにおいて、観測される植生などのようにランダムな位相差が分布する移動目標の場合、観測１及び観測２におけるＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理間の位相差の結合確率密度分布は、観測１における位相差分布と、観測２における位相差分布とを、完全に独立としてみなすことができる。従って、結合確率密度関数は、次式（８）のように、各ＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理間の位相差分布の積で表すことができる。
Ｐ_１２［φ_１、φ_２］＝Ｐ_１［φ_１］Ｐ_２［φ_２］ （８）

上式（８）のφ_１は、１回目（観測１）のＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理に用いる２枚のＳＡＲ画像間の位相差である。また、上式（８）のφ_２は、２回目（観測２）のＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理に用いる２枚のＳＡＲ画像間の位相差である。

ここで、上式（７）と、予め設定された誤警報確率Ｐ_ｆａとに基づいて、検出確率が最大となる閾値Ｐ_ｔｈを、次式（９）から算出する。

そして、移動目標検出手段８０は、閾値算出処理手段１１０によって算出されたＰ_ｔｈに基づいて、閾値処理を実施する。移動目標検出手段８０は、Ｐ_１２［φ_１、φ_２］＞Ｐ_ｔｈであった場合、移動目標であると判断する。一方、移動目標検出手段８０は、Ｐ_１２［φ_１、φ_２］≦Ｐ_ｔｈであった場合、移動目標ではないと判断する。

以上のように、実施の形態２によれば、クラッタの位相差分布の理論値を用いて、予め設定した誤警報確率を満たす閾値を算出し、移動目標の検出を行っている。これにより、先の実施の形態１よりも、より確実に地上面を低速度で移動する移動目標を検出することができる。

実施の形態３．
先の実施の形態２では、予め設定した誤警報確率と各ＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理用データである２枚のＳＡＲ画像間のコヒーレンスから閾値を理論的に算出し、移動目標を検出する場合について説明した。これに対して、本実施の形態３では、位相差分布を算出した直後に、予め移動目標検出処理を粗く実施し、静止目標を早い段階で排除することで、処理も高速化を図る場合について説明する。

図７は、本発明の実施の形態３に係る移動目標検出装置１０の内部構成図である。先の実施の形態２における図６の移動目標検出装置１０と比較すると、本実施の形態３における図７の移動目標検出装置１０は、移動目標検出処理手段１２０ａ、１２０ｂをさらに備えている点が異なっている。なお、他の構成は、先の実施の形態２と同様であり、説明を省略する。

ここで、詳細は、後述するが、移動目標検出装置１０内の移動目標検出処理手段１２０ａ、１２０ｂは、概略、以下のように機能する。

移動目標検出処理手段１２０ａ、１２０ｂは、それぞれ位相差算出手段５０ａ、５０ｂによって算出された２枚のＳＡＲ画像間の位相差を指標として、閾値処理を実施することにより、移動目標を検出する。

次に、本実施の形態３で新たに追加された移動目標検出処理手段１２０ａ、１２０ｂを中心に、本実施の形態３における移動目標検出装置の動作を、以下に説明する。

移動目標検出処理手段１２０ａは、位相差算出手段５０ａによって算出された２枚のＳＡＲ画像の位相差を指標として、予め設定された閾値Ｐ_ｔｈに基づいて移動目標を検出する。同様に、移動目標検出処理手段１２０ｂは、位相差算出手段５０ｂによって算出された２枚のＳＡＲ画像の位相差を指標として、予め設定された閾値Ｐ_ｔｈに基づいて移動目標を検出する。

このときの判断方法は、先の実施の形態１における移動目標検出手段８０によるものと同等である。すなわち、移動目標検出処理手段１２０ａ、１２０ｂは、Ｐ_１２＞Ｐ_ｔｈであった場合、移動目標であると判断する。一方、移動目標検出処理手段１２０ａ、１２０ｂは、Ｐ_１２≦Ｐ_ｔｈであった場合、移動目標ではないと判断する。なお、閾値Ｐ_ｔｈの値は、低めに設定することで、より低速の移動目標を検出することができる。

以上のように、実施の形態３によれば、それぞれの観測地点において、位相差分布を算出した直後に、予め移動目標検出処理を粗く実施し、静止目標を早い段階で排除することができる。これにより、移動目標を事前に絞り込むことができ、移動目標の検出処理の高速化を図ることができる。

なお、上述の実施の形態３では、２枚のＳＡＲ画像間の位相差を指標として、予め設定された閾値Ｐ_ｔｈに基づいて、移動目標を検出する場合について説明したが、必ずしもこのような構成に限定されるものではない。例えば、非特許文献１に記載されているようなＳＣＲを指標とし目標検出など、移動目標を粗く推定できれば、どのような手法を用いることも可能である。

実施の形態４．
先の実施の形態３では、複数回のＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理の結果を統合する前に、粗く移動目標検出を実施し、移動候補を絞った処理を行う場合について説明した。これに対して、本実施の形態４では、本来、固定目標であるものを移動目標として誤検出してしまう場合の対策について説明する。

ビルなどの建造物の場合、レーダ装置の観測誤差により生じる僅かな位相差により、本来は固定目標であっても、移動目標として検出してしまう可能性があった。そこで、本実施の形態４では、複数回のＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理において、常に同一画素に含まれる目標については、僅かな位相差があった場合にも、静止目標として判断し、誤検出の低減を図っている。

図８は、本発明の実施の形態４に係る移動目標検出装置１０の内部構成図である。先の実施の形態３における図７の移動目標検出装置１０と比較すると、本実施の形態４における図８の移動目標検出装置１０は、目標位置判定手段１３０をさらに備えている点が異なっている。なお、他の構成は、先の実施の形態３と同様であり、説明を省略する。

ここで、詳細は、後述するが、移動目標検出装置１０内の目標位置判定手段１３０は、概略、以下のように機能する。

目標位置判定手段１３０は、移動目標検出手段８０によって検出された移動目標の位置を判定し、検出した移動目標が受信信号の高い静止目標であるか否かを判定する。

次に、本実施の形態４で新たに追加された目標位置判定手段１３０を中心に、本実施の形態４における移動目標検出装置の動作を、以下に説明する。

先の実施の形態１〜３における移動目標検出手段８０による、観測１及び観測２においてのＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理用データである２枚のＳＡＲ画像間の位相差分布の結合確率に基づく検出結果には、移動目標の他にも、構造物などのＳＣＲの非常に高いデータが含まれる可能性がある。

従って、低速目標を検出しようとした場合、建造物などの高ＳＣＲ目標は、観測機器の熱雑音などの僅かな観測誤差の影響で、移動目標検出処理手段１２０ａ、１２０ｂ及び移動目標検出手段８０においても、移動目標として検出されてしまう。

そこで、目標位置判定手段１３０は、移動目標検出手段８０の結果に基づいて、移動目標と検出された目標の２枚のＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理結果の画素の位置を評価する。すなわち、目標位置判定手段１３０は、目標の位置がレンジ方向に変化しているか否かを判断することで、建造物等の静止目標を識別する。

このとき、目標位置判定手段１３０は、移動目標であれば、目標の位置がレンジ方向へ変化するので、移動目標であると判定する。一方、目標位置判定手段１３０は、構造物などの完全に停止している目標であれば、目標の位置が変化することはないので、静止目標であると判定する。

以上のように、実施の形態４によれば、移動目標と検出された目標の２枚のＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理結果の画素の位置を評価し、位置が変化しているか否かを判断している。これにより、本来静止目標である目標を移動目標であると誤検出することを防止でき、先の実施の形態１〜３よりも、より確実に地上面を低速度で移動する移動目標を検出することができる。

実施の形態５．
先の実施の形態１〜４では、レンジ方向のみに移動する移動目標の検出を行う移動目標検出装置について説明した。これに対して、本発明の実施の形態５では、アジマス方向への速度を有する移動目標についても検出を行う移動目標検出装置について説明する。

ここで、本発明における実施の形態５では、取得時間の異なる２枚のＳＡＲ画像から地表面に生じた変化を抽出する技術の１つであるＣＣＤ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｃｈａｎｇｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）を組み合わせることにより、移動目標検出及び変化抽出処理を同時に実施する。これにより、アジマス方向への速度を有する移動目標の検出についても実施することができる。

なお、本発明における実施の形態５では、変化抽出の方法としてＣＣＤを例に挙げて説明するが、これに限定されない。例えば、２枚のＳＡＲ画像から変化を抽出する手法であれば、輝度変化などによる変化抽出方法を用いてもよい。

図９は、本発明の実施の形態５に係る移動目標検出装置１０の内部構成図である。先の実施の形態４における図８の移動目標検出装置１０と比較すると、本実施の形態５における図９の移動目標検出装置１０は、コヒーレンス算出手段１００ｃ、画像データ選択部１４０、変化抽出処理手段１５０、アジマスずれ補正手段１６０及び変化目標検出処理手段１７０をさらに備えている。なお、他の構成は、先の実施の形態４と同様であり、説明を省略する。

ここで、詳細は、後述するが、移動目標検出装置１０内の画像データ選択部１４０、変化抽出処理手段１５０、アジマスずれ補正手段１６０及び変化目標検出処理手段１７０は、概略、以下のように機能する。なお、新たに追加されているコヒーレンス算出手段１００ｃの構成・機能は、先の実施の形態１〜４のコヒーレンス算出手段１００ａ、１００ｂと同様であるため、説明を省略する。

画像データ選択部１４０は、観測１及び観測２において取得された２枚のＳＡＲ−ＧＭＴＩ処理用データを、それぞれの観測の中から１枚選択する。なお、本発明における実施の形態５では、図１３において受信１に相当する受信アンテナで観測されたデータを例に挙げて説明するが、これに限定されるものではない。観測１及び観測２のデータのどちらか一方を選択するのであれば、どの組み合わせを用いてもよい。

変化抽出処理手段１５０は、コヒーレンス算出手段１００ｃにおいて算出されたコヒーレンスマップに基づいて、変化領域を抽出する。

移動目標がレンジ方向に移動した場合、画像再生処理の結果、結像する位置がアジマス方向にずれた位置に結像する。アジマスずれ補正手段１６０は、このアジマス方向へのずれを補正する。

変化目標検出処理手段１７０は、移動目標として検出されたデータと、ＣＣＤにより検出された地形変化とから、２回の観測（観測１及び観測２）における変化目標を検出する。

次に、本実施の形態５で新たに追加された変化抽出処理手段１５０、アジマスずれ補正手段１６０及び変化目標検出処理手段１７０を中心に、本実施の形態５における移動目標検出装置の動作を、以下に説明する。

まず、変化抽出処理手段１５０は、コヒーレンス算出手段１００ｃにおいて算出された２枚のＳＡＲ画像間のコヒーレンスマップに対して、予め設定された閾値を用いて閾値処理することにより、変化領域を抽出する。

ここで、閾値の設定方法は、誤警報確率に基づいて設定することができる（例えば、Ｍａｒｋ Ｐｒｅｉｓｓ、Ｄｏｕｇ Ｇｒａｙ、ａｎｄＮｉｃｋ Ｓｔａｃｙ著、「Ａ Ｃｈａｎｇｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｒｅｐｅａｔ Ｐａｓｓ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ＳＡＲ」、ＩＥＥＥ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、２００３． ＩＧＡＲＳＳ、０３．２００３、２、２１−２５参照）。

なお、本発明の実施の形態５では、閾値の設定方法を誤警報確率に基づいて設定する方法を例に挙げて説明するが、これに限定されない。使用者が任意に設定した閾値を用いてもよい。また、本処理では、コヒーレンスの低い領域を変化領域として抽出するものであれば、どのような方法を用いても構わない。

ここで、レンジ方向に速度を有する移動目標を、一般的な合成開口処理により画像化した結果は、図１０のようになる。この図１０に示すように、結像位置が本来の位置から、レンジ速度に応じてアジマス方向にずれることが知られている。

そこで、アジマスずれ補正手段１６０は、この結像位置のずれを、推定された移動目標の位相差から算出されるレンジ方向の推定速度と、変化抽出において変化のあった領域とを用いて補正する。

レンジ方向に速度を有する移動目標のアジマス方向への結像位置のずれは、次式（１０）のように表される（例えば、大内 和夫著、「リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎」、東京電気大学出版局、２００４年参照）。
Ｘ＝−（Ｒ_０／Ｖ_ｓａｔ）Ｖ （１０）

上式（１０）のＲ_０は、アジマス時刻ｔ＝０［ｓｅｃ］のときの移動目標とアンテナとの距離である。また、上式（１０）のＶ_ｓａｔは、レーダプラットフォームの移動速度である。なお、アジマス時刻は、合成開口時間をＴ_ａとした場合、
−Ｔ_ａ／２≦ｔ≦Ｔ_ａ／２
で与えられる。

このように、アジマスずれ補正手段１６０は、上式（１０）を用いて、検出された移動目標の検出位置を補正することができる。

ここで、図１１に示すように、検出された移動目標は、変化抽出処理手段１５０及びアジマスずれ補正手段１６０において得られた移動目標からの受信信号と、移動目標が移動したことによる地表面の変化との両端が同じ位置に観測されているならば、アジマス方向への速度を持っていないことがわかる。

一方、移動目標がアジマス方向に速度を持っていた場合には、移動目標の検出結果と、ＣＣＤによる変化抽出結果の位置にずれが生じることがわかる。

変化目標検出処理手段１７０は、このような特性を利用して、移動目標のアジマス方向の速度を推定する。移動目標のアジマス方向の速度は、アジマス方向のずれを補正した移動目標の位置と、変化抽出処理の結果の終端との距離差を観測１及び観測２の間の観測時間で割ることで推定する。従って、移動目標のアジマス速度や、観測１及び観測２の間の目標の軌跡を追跡することができる。

以上のように、実施の形態５によれば、移動目標検出及び変化抽出処理を行うことにより、アジマス方向への速度を有する移動目標の検出についても行うことができる。この結果、移動目標のアジマス速度や観測１及び観測２の間の目標の軌跡を追跡することができる。

１０ 移動目標検出装置、２０ 観測時期設定手段、３０ 送受信アンテナ、４０ａ、４０ｂ データ格納部、５０ａ、５０ｂ 位相差算出手段、６０ 移動目標位置算出手段、７０ 位相差分布算出手段、８０ 移動目標検出手段、９０ データ出力部、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ コヒーレンス算出手段、１１０ 閾値算出処理手段、１２０ａ、１２０ｂ 移動目標検出処理手段、１３０ 目標位置判定手段、１４０ 画像データ選択部、１５０ 変化抽出処理手段、１６０ アジマスずれ補正手段、１７０ 変化目標検出処理手段。

Claims (5)

1. プラットフォームの移動方向に分割可能な開口を持つアンテナに対して、所定の観測時間差を有する第１の観測地点及び第２の観測地点における観測時期を設定する観測時期設定手段と、
   前記第１の観測地点及び前記第２の観測地点のそれぞれに対応して前記アンテナから取得された２枚のＳＡＲ画像を格納するデータ格納部と、
   前記第１の観測地点及び前記第２の観測地点のそれぞれに対応して、前記データ格納部に格納された前記２枚のＳＡＲ画像間の位相差をそれぞれ算出する位相差算出手段と、
   前記位相差算出手段によって算出された前記第１の観測地点の位相差から、移動目標の第１の位置および移動速度を特定するとともに、前記移動目標が前記移動速度で前記第２の観測地点まで移動した際の第２の位置を推定する移動目標位置推定手段と、
   前記第１の位置における位相差をＹ座標とし、前記第２の位置における位相差をＸ座標としてプロットしたときの原点座標からの距離を結合位相差として算出し、前記第１の位置における位相差と前記第２の位置における位相差との差分が所定差以内であり、かつ、前記結合位相差が所定閾値よりも大きい場合に、前記移動目標を真の移動目標と判断する移動目標検出手段と
   を備え、
   前記移動目標検出手段は、前記移動速度から算出した位相差の√２倍の値を前記所定閾値として用いる
   ことを特徴とする移動目標検出装置。
2. プラットフォームの移動方向に分割可能な開口を持つアンテナに対して、所定の観測時間差を有する第１の観測地点及び第２の観測地点における観測時期を設定する観測時期設定手段と、
   前記第１の観測地点及び前記第２の観測地点のそれぞれに対応して前記アンテナから取得された２枚のＳＡＲ画像を格納するデータ格納部と、
   前記第１の観測地点及び前記第２の観測地点のそれぞれに対応して、前記データ格納部に格納された前記２枚のＳＡＲ画像間の位相差をそれぞれ算出する位相差算出手段と、
   前記位相差算出手段によって算出された前記第１の観測地点の位相差から、移動目標の第１の位置および移動速度を特定するとともに、前記移動目標が前記移動速度で前記第２の観測地点まで移動した際の第２の位置を推定する移動目標位置推定手段と、
   前記第１の位置における位相差をＹ座標とし、前記第２の位置における位相差をＸ座標としてプロットしたときの原点座標からの距離を結合位相差として算出し、前記第１の位置における位相差と前記第２の位置における位相差との差分が所定差以内であり、かつ、前記結合位相差が所定閾値よりも大きい場合に、前記移動目標を真の移動目標と判断する移動目標検出手段と
   を備え、
   前記第１の観測地点及び前記第２の観測地点のそれぞれに対応して、前記データ格納部に格納された前記２枚のＳＡＲ画像間の複素相関を算出するコヒーレンス算出手段と、
   前記第１の観測地点及び前記第２の観測地点のそれぞれに対応して算出された前記複素相関から理論的な結合確率密度を算出し、予め設定された誤警報確率を満たす閾値を前記結合確率密度に基づいて算出する閾値算出処理手段と
   をさらに備え、
   前記移動目標検出手段は、前記閾値算出処理手段によって算出された前記閾値を前記所定閾値として用いる
   ことを特徴とする移動目標検出装置。
3. 請求項１または２に記載の移動目標検出装置において、
   前記移動目標検出手段により算出された前記結合位相差が、静止目標を排除する目的であらかじめ設定された低速度から算出した位相差の√２倍の値以下となる前記移動目標を検出対象から除外する移動目標検出処理手段をさらに備えることを特徴とする移動目標検出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の移動目標検出装置において、
   前記移動目標検出手段により前記真の移動目標であると判断された移動目標について、前記第１の観測地点と前記第２の観測地点での検出位置を比較し、両者の位置偏差が所定値以下である場合には、静止目標であると判断し、真の移動目標から除外する目標位置判定手段をさらに備えることを特徴とする移動目標検出装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の移動目標検出装置において、
   前記第１の観測地点に対応して前記データ格納部に格納された前記２枚のＳＡＲ画像の中から１枚を選択するとともに、前記第２の観測地点に対応して前記データ格納部に格納された前記２枚のＳＡＲ画像の中から１枚を選択する画像データ選択部と、
   前記画像データ選択部により選択された２枚のＳＡＲ画像間の複素相関を算出する第２のコヒーレンス算出手段と、
   前記第２のコヒーレンス算出手段により算出された前記複素相関の分布から、変化の生じた領域を抽出する変化抽出処理手段と、
   前記移動目標のレンジ方向の移動速度と、前記変化抽出処理手段によって抽出された前記変化領域とに基づいて、前記移動目標検出手段により真の移動目標と判断された移動目標に対してアジマス方向のずれを補正するアジマスずれ補正手段と、
   前記観測時期設定手段によって設定された前記観測時期と、前記アジマスずれ補正手段による補正後の前記真の移動目標の位置と、前記変化抽出処理手段によって抽出された前記変化領域とに基づいて、前記真の移動目標のアジマス方向の速度を推定する変化目標検出処理手段と
   をさらに備えることを特徴とする移動目標検出装置。

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