画像レーダ装置及び信号処理装置
【課題】レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる複数ビーム観測方式を実現する画像レーダ装置及び信号処理装置を得る。
【解決手段】同一または異なるプラットフォームに送信アンテナ及び複数の受信アンテナを搭載する画像レーダ装置であって、前記送信アンテナ及び複数の受信アンテナは、レーダの移動に伴いレーダビームの指向方向を変化させながら観測する。また、送受信アンテナ間隔の２乗をレーダ波長と観測対象領域のレンジとの積の２倍で割ったものに円周率を乗じた位相を持つ複素関数が１とみなせるように、送受信アンテナ間隔、レーダ波長、観測対象領域までのレンジを設計する。
【解決手段】同一または異なるプラットフォームに送信アンテナ及び複数の受信アンテナを搭載する画像レーダ装置であって、前記送信アンテナ及び複数の受信アンテナは、レーダの移動に伴いレーダビームの指向方向を変化させながら観測する。また、送受信アンテナ間隔の２乗をレーダ波長と観測対象領域のレンジとの積の２倍で割ったものに円周率を乗じた位相を持つ複素関数が１とみなせるように、送受信アンテナ間隔、レーダ波長、観測対象領域までのレンジを設計する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる複数ビーム観測方式の画像レーダ装置及び信号処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
合成開口レーダ観測では、アジマス方向の高分解能化とレンジ方向の観測領域の拡大を同時に行うことは難しい。これはそれぞれを実現するために必要なパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）に対する要求が相反するためである。
【０００３】
アジマス方向の高分解能化には、ドップラー周波数帯域以上の高いＰＲＦが要求される。一方、レンジ方向の観測領域の拡大には、観測領域の拡大に伴うエコーの受信時間の増加に応じて、低いＰＲＦが要求される。
【０００４】
そこで、レンジ方向の観測領域拡大とアジマス方向の高分解能化を同時に実現すべく、複数のレーダビームを用いる合成開口レーダの観測方式がある（以下、複数ビーム観測方式と呼ぶ）。
【０００５】
例えば、図６に示すように、１つの送信アンテナＴｘと２つの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２を用いる複数レーダビーム観測方式では、物理的なＰＲＦは送信アンテナでのパルス照射間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）の逆数となるが、実効的なＰＲＦをその２倍（つまり、ＰＲＩは半分）とすることができる。物理的なＰＲＦを低く設定できるためレンジ領域の観測領域を狭める必要がない。そして、等価的に幅の広い１つのレーダビームを形成することでアジマス分解能を改善している。
【０００６】
この複数レーダビーム観測方式のための従来の画像レーダ装置及びその信号処理装置は、複数の受信アンテナで得た観測信号をスペクトル上で合成し、等価的な１つの受信アンテナで得た観測信号を生成した後で、画像再生処理を行っていた（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
各受信アンテナで得られた観測信号のアジマス方向のスペクトル（以降、アジマススペクトル）は、図７に示すように、物理的なＰＲＦが受信アンテナのビームの幅で決まるアジマス周波数帯域（瞬時ドップラー周波数帯域）幅よりも狭いため、エイリアシング誤差を持つ。
【０００８】
そこで、各受信アンテナのアジマススペクトル上での合成において、このエイリアシング誤差を相殺して解消する復元フィルタ（Reconstruction Filter）を適用し、エイリアシング誤差を含まないアジマススペクトルを得るようにしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】G. Krieger, N. Gebert, and A. Moreira, "SAR Signal Reconstruction from Non-Uniform Displaced Phase Centre Sampling," IEEE IGARSS’04, vol.3, 20-24, Ｐ1763-1766, 2004．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の画像レーダ装置及び信号処理装置は、観測対象領域のドップラー周波数帯域幅が瞬時ドップラー周波数帯域幅と同じあり、エイリアシング誤差がアジマススペクトルの端部にのみ発生することを前提としていた。
【００１１】
このようなエイリアシング誤差の発生は、図８（ａ）に示すように送信アンテナ及び受信アンテナを備える各レーダからのレーダビームを固定した一方向に向けて照射する観測（以降、ストリップマップ観測モード）では成立するが、図８（ｂ）に示すようにレーダの移動に伴いレーダの照射方向をビーム指向中心３１に向けるように変化させながら観測する場合は成り立たない。
【００１２】
このレーダの照射方向を変化させながら観測する例には、スライディングスポットライト観測（あるいは、ハイブリッドストリップマップ・スポットライト観測）モードやスポットライト観測モードがある。
【００１３】
図９を用いて、これら観測モードの違いに伴うアジマススペクトルの違いを説明する。図９（ａ）は、ストリップ観測モードにおける、アジマス時間ごとのアジマススペクトルを表す模式図である。横軸はアジマス時間（スロウタイム）であり、観測中心に位置する目標にレーダが最近接する時刻を０とする。縦軸はドップラー周波数である。そして、紙面に垂直な軸がパワースペクトルを示す。
【００１４】
ここでは、レーダビームの照射方向がレーダの進行方向と垂直な方向（クロストラック方向）であるとする。アジマススペクトルは、レーダビームが照射される方向のドップラー周波数を中心として、瞬時ドップラー周波数帯域幅分の広がりを持つ。この瞬時ドップラー周波数帯域幅は、観測対象領域のドップラー周波数帯域幅と一致している。そして、観測信号がアジマス方向にＰＲＦでサンプルされていることから、ドップラー周波数軸方向にＰＲＦの周期で繰り返す。
【００１５】
そのため、アジマススペクトルのうちＰＲＦを超えたドップラー周波数をもつ成分が、ＰＲＦ以下のドップラー周波数をもつ成分と重なってしまいエイリアシング誤差が生じる。ストリップマップ観測では、レーダビームが照射される方向が一定、つまりドップラー中心周波数が一定であるため、図９（ａ）の網掛けで示すように、エイリアシング誤差が発生するドップラー周波数はアジマス時間によらず同じで、かつ、アジマススペクトルのドップラー周波数軸方向の端部となる。
【００１６】
次に、図９（ｂ）に、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測でのアジマス時間ごとのアジマススペクトルを表す。この観測方式では、観測対象領域のドップラー周波数帯域幅が瞬時ドップラー周波数帯域幅よりも広い。そして、ドップラー中心周波数がアジマス時間に応じて変化するので、アジマススペクトルのドップラー周波数の範囲がアジマス時間と共に変化する。これに伴い、エイリアシング誤差が発生するドップラー周波数の範囲も、アジマス時間に伴い変化する。さらに、図９（ｂ）中のサンプリング帯域幅（ＰＲＦと等価）を超えたアジマススペクトルはサンプリング帯域幅内に折り返す。
【００１７】
したがって、これらレーダビームの照射方向を変化させる観測では、エイリアシング誤差がスペクトルの端部に発生するという前提条件が成り立たない。このため、従来の画像レーダ装置及び信号処理装置では、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測で得られた受信信号中のエイリアシング誤差を相殺し解消することができないという問題点があった。この結果、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる場合は、複数ビーム観測方式が採用できなかった。
【００１８】
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、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる複数ビーム観測方式を実現する画像レーダ装置及び信号処理装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この発明に係る画像レーダ装置及び信号処理装置は、同一または異なるプラットフォームに送信アンテナ及び複数の受信アンテナを搭載する画像レーダ装置であって、前記送信アンテナ及び複数の受信アンテナは、レーダの移動に伴いレーダビームの指向方向を変化させながら観測することを特徴とする。
【００２０】
また、この発明に係る信号処理装置は、各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ格納する複数の格納部と、前記複数の格納部から各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ読み込みレンジ圧縮する複数のレンジ圧縮部と、各複数のレンジ圧縮部でレンジ圧縮されたデータにアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを補償するための複素関数をそれぞれ乗ずる複数の乗算部と、前記複数の乗算部の出力をアジマス方向にそれぞれフーリエ変換する複数のアジマスＤＦＴ部と、前記複数のアジマスＤＦＴ部によりアジマス方向にフーリエ変換されたデータに含まれるエイリアシング誤差を解消するための復元フィルタをそれぞれ適用する複数の復元フィルタ部と、前記複数の復元フィルタ部からの復元フィルタ適用後の複数のデータをアジマススペクトル上で合成して１つのデータにする合成部と、前記合成部による合成後のアジマススペクトルをアジマス方向に逆フーリエ変換するアジマスＩＤＦＴ部と、前記アジマスＤＦＴ部の出力に対し、先に補償したアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを戻すための複素関数を乗ずる乗算部と、前記乗算部の出力に対し画像再生処理を行う画像再生部と、前記復元フィルタ部から前記画像再生部までの処理をレンジ毎に設計して適用するための反復処理部と、前記画像再生部の出力結果を格納する出力格納部とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
また、この発明に係る画像レーダ装置は、送受信アンテナ間隔の２乗をレーダ波長と観測対象領域のレンジとの積の２倍で割ったものに円周率を乗じた位相を持つ複素関数が１とみなせるように、送受信アンテナ間隔、レーダ波長、観測対象領域までのレンジを設計したことを特徴とする。
【００２２】
さらに、この発明に係る信号処理装置は、各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ格納する複数の格納部と、前記複数の格納部から各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ読み込みアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを補償するための複素関数を乗ずる複数の乗算部と、前記複数の乗算部の出力をアジマス方向にそれぞれフーリエ変換する複数のアジマスＤＦＴ部と、前記複数のアジマスＤＦＴ部によりアジマス方向にフーリエ変換されたデータに含まれるエイリアシング誤差を解消するための復元フィルタをそれぞれ適用する複数の復元フィルタ部と、前記複数の復元フィルタ部からの復元フィルタ適用後の複数のデータをアジマススペクトル上で合成して１つのデータにする合成部と、前記合成部による合成後のアジマススペクトルをアジマス方向に逆フーリエ変換するアジマスＩＤＦＴ部と、前記アジマスＤＦＴ部の出力に対し、先に補償したアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを戻すための複素関数を乗ずる乗算部と、前記乗算部の出力に対し画像再生処理を行う画像再生部と、前記画像再生部の出力結果を格納する出力格納部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、アジマス時間に応じたドップラー中心周波数の変化を補償した上で復元フィルタを適用するようにしているので、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測で得られる観測信号に対してもエイリアシング誤差を解消することができる。
【００２４】
また、送受信アンテナ間隔の２乗をレーダ波長と観測対象領域のレンジとの積の２倍で割ったものに円周率を乗じた位相を持つ複素関数が１とみなせるように、受信アンテナ間隔、レーダ波長、または、観測対象領域のレンジを設定した画像レーダ装置を設計し、復元フィルタがレンジに依存しないようにしているので、復元フィルタをレンジ毎に設計及び適用する必要がなくなり、信号処理に必要となる計算負荷を大幅に軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態１に係る画像レーダ装置及び信号処理装置を示すブロック構成図である。
【図２】図１に示す実施の形態１に係る画像レーダ装置及び信号処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】図２のステップＳＴ２０５からステップＳＴ２１４までの動作の効果を説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る画像レーダ装置及び信号処理装置を示すブロック構成図である。
【図５】図４に示す実施の形態２に係る画像レーダ装置及び信号処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】複数レーダビーム観測方式の説明図である。
【図７】各受信アンテナで得られた観測信号のアジマス方向のスペクトルンを説明する図である。
【図８】レーダビームを固定した一方向に向けて照射する観測する場合と、レーダの移動に伴いレーダの照射方向をビーム指向中心に向けるように変化させながら観測する場合のエイリアシング誤差の発生を説明する図である。
【図９】観測モードの違いに伴うアジマススペクトルの違いを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態1に係る画像レーダ装置及び信号処理装置を示すブロック構成図である。なお、ここでは便宜上、受信アンテナが２つある場合を想定して説明する。受信アンテナが２つ以上ある場合は、各受信アンテナに応じたブロックを受信アンテナ個数分用意すればよい。
【００２７】
図１に示す画像レーダ装置及び信号処理装置は、大別して、画像レーダ装置１００と信号処理装置２００とから構成される。画像レーダ装置１００は、送信アンテナ（Ｔｘ）１０１、受信アンテナ（Ｒｘ１）１０２、受信アンテナ（Ｒｘ２）１０３を備える。
【００２８】
ここで、受信アンテナ（Ｒｘ１）１０２と受信アンテナ（Ｒｘ２）１０３を基準とした送信アンテナ（Ｔｘ）１０１の位置（アジマス方向の距離）を、それぞれΔｘ１、Δｘ２とする。送信アンテナ（Ｔｘ）１０１、受信アンテナ（Ｒｘ１）１０２と受信アンテナ（Ｒｘ２）１０３は、同一のプラットフォーム上、またはそれぞれが別のプラットフォーム上に設置される。
【００２９】
なお、プラットフォームとは、人工衛星や、航空機等のレーダを搭載する移動体を指す。送信アンテナ（Ｔｘ）１０１から放射され観測対象領域で反射された電波は、受信アンテナ（Ｒｘ１）１０２と受信アンテナ（Ｒｘ２）１０３で同時に受信される。
【００３０】
そして、信号処理装置２００は、ＲＸ１格納部２０１、ＲＸ２格納部２０２、Ｒｘ１用レンジ圧縮部２０３、Ｒｘ２用レンジ圧縮部２０４、Ｒｘ１用乗算部２０５、Ｒｘ２用乗算部２０６、Ｒｘ１用アジマスＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）部２０７、Ｒｘ２用アジマスＤＦＴ部２０８、反復処理部２０９、復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ；Ｒ０）２１０、復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ；Ｒ０）２１１、合成部２１２、アジマスＩＤＦＴ（Inverse Discrete Fourier Transform）部２１３、乗算部２１４、画像再生処理Ａ部２１５、出力格納部２１６を備える。
【００３１】
なお、この説明及び以降の説明において、「部」という語は、専用の電子回路または素子を意味しているが、汎用的な中央演算装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）を搭載したコンピュータに所定の処理を実行させるコンピュータプログラムモジュールの形で構成するようにしても良い。また、ＤＦＴとＩＤＦＴの語は、離散信号に対するフーリエ変換と逆フーリエ変換を表す。
【００３２】
次に動作について説明する。図２は、実施の形態１による画像レーダ装置及び信号処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。まず、ステップＳＴ１００において、画像レーダ装置１００の受信アンテナ（Ｒｘ１）１０２、受信アンテナ（Ｒｘ２）１０３で受信されたデータが、Ｒｘ１格納部２０１とＲｘ２格納部２０２に格納される。
【００３３】
ステップＳＴ２００において、Ｒｘ１用レンジ圧縮部２０３と、Ｒｘ２用レンジ圧縮部２０４により、それぞれＲｘ１格納部２０１とＲｘ２格納部２０２のデータが読み込まれレンジ圧縮される。
【００３４】
ステップＳＴ２０５において、Ｒｘ１用乗算部２０５とＲｘ２用乗算部２０６が、それぞれＲｘ１用レンジ圧縮部２０３とＲｘ２用レンジ圧縮部２０４でレンジ圧縮された信号に対し、式（１）で表される関数を乗算する。
【００３５】
【数１】
【００３６】
ここで、Ｒｃはビーム指向中心の最近接レンジである。また、λはレーダ波長、ｖはレーダの速度、ｔａはアジマス時間である。この複素関数の乗算により、アジマススペクトルにおけるドップラー中心周波数のアジマス時間に応じた変化、つまり、アジマススペクトルのアジマス時間に対する傾きを補償する。
【００３７】
なお、ここでは、ドップラー中心周波数のアジマス時間に応じた変化を補償するための関数を式（１）で与えたが、これに限るものではなく、同じ効果をもつ関数であればよい。
【００３８】
ステップＳＴ２０７で、Ｒｘ１用アジマスＤＦＴ部２０７とＲｘ２用アジマスＤＦＴ部２０８が、それぞれＲｘ１用乗算部２０５とＲｘ２用乗算部２０６の出力をアジマス方向にフーリエ変換する。
【００３９】
ステップＳＴ２０９で、反復処理部２０９に、Ｒｘ１用アジマスＤＦＴ部２０７とＲｘ２用アジマスＤＦＴ部２０８の出力が入力される。反復処理部２０９では、レンジＲ０の設定を変えながら、観測対象領域の全レンジに渡る回数分、以降のステップＳＴ２１０からステップＳＴ２１５までの処理を繰り返し行う。
【００４０】
ステップＳＴ２１０において、復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ，Ｒ０）２１０と復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ，Ｒ０）部２１１が、それぞれＲｘ１用アジマスＤＦＴ部２０７とＲｘ２用アジマスＤＦＴ部２０８の出力に対し、復元フィルタを適用する。この復元フィルタの式は、例えば式（２）（非特許文献１参照）で与えられる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ｆａはアジマス方向周波数（ドップラー周波数）、ｆＰＲＦはＰＲＦを示す。このｆａの範囲は、受信アンテナの個数をｎとした場合に、
【００４３】
【数３】
【００４４】
となる。また、ｖはレーダの速度である。
【００４５】
なお、ここでは２つの受信アンテナを用いる場合の復元フィルタを式（２）で与えたが、これに限られるものではなく、同等の効果を持つ式で与えられる復元フィルタを適用しても良い。
【００４６】
ステップＳＴ２１２において、合成部２１２が、アジマススペクトル上で復元フィルタ適用後の各受信アンテナの信号を合成し、エイリアシング誤差を相殺することで解消する。
【００４７】
ステップＳＴ２１３において、アジマスＩＤＦＴ部２１３が、合成部２１２の出力をアジマス方向に逆フーリエ変換する。
【００４８】
ステップＳＴ２１４で、乗算部２１４が、アジマスＩＤＦＴ部２１３の出力に対し、式（３）で与えられる関数を乗算する。
【００４９】
【数４】
【００５０】
この複素関数の乗算により、ステップＳＴ２０５で補償した、アジマススペクトルにおけるドップラー中心周波数のアジマス時間に応じた変化を元に戻す。なお、ここでは、ドップラー中心周波数のアジマス時間に応じた変化を元に戻す関数を式（３）で与えたが、これに限るものではなく、同じ効果をもつ関数であれば良い。
【００５１】
ここで、ステップＳＴ２０５からステップＳＴ２１４までの動作の効果を、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、各受信アンテナで得られた受信信号のアジマス時間毎のアジマススペクトルを示す。横軸はアジマス時間、縦軸はドップラー周波数、紙面に垂直な軸がパワースペクトルを表す。
【００５２】
先の図９（ｂ）に示したようにレーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測では、エイリアシング誤差が発生するドップラー周波数の範囲はアジマス時間に伴い変化する。さらに、サンプリング帯域幅を超えたアジマススペクトルはサンプリング帯域幅内に折り返す。この結果、受信信号のアジマススペクトル中におけるエイリアシング誤差は、図３（ａ）の網掛けで示すように、サンプリング帯域幅内を斜めに横断している。
【００５３】
次に、図３（ｂ）は、ステップＳＴ２０５で、式（１）で表される関数を受信信号に乗算した後の、アジマス時間毎のアジマススペクトルを表す。式（１）で示す複素関数の乗算によりアジマススペクトルのアジマス時間に対する傾きを補正したことで、エイリアシング誤差が発生するドップラー周波数はアジマススペクトルの端部に位置するようになる。つまり、図９（ａ）に示したストリップマップ観測時のアジマススペクトルと同等となる。
【００５４】
図３（ｃ）は、ステップＳＴ２１０で復元フィルタを適用し、ステップＳＴ２１２で各受信アンテナの信号を合成した後のアジマススペクトルを表す。この段階で、エイリアシング誤差は解消され、サンプリング帯域は２×ｆＰＲＦ（受信アンテナ数がｎ個の場合はｎ×ｆＰＲＦ）に拡大されている。
【００５５】
そして、図３（ｄ）は、アジマススペクトル合成後の信号に、式（３）で示される複素関数を乗算した後のアジマススペクトルを表す。ここでは、アジマススペクトルにおけるドップラー中心周波数のアジマス時間に応じた変化が戻されている。この段階のアジマススペクトルは、瞬時ドップラー周波数帯域幅よりも広い２×ｆＰＲＦ（受信アンテナ数がｎ個の場合はｎ×ｆＰＲＦ）相当のＰＲＦで、単一のレーダビームを用いて観測した受信信号のアジマススペクトルと等価になっている。
【００５６】
次に、ステップＳＴ２１５において、画像再生処理部２１５が、乗算部２１４の出力に対し画像再生処理を行う。この画像再生処理は、単一のレーダビームを用いてレーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測で得た受信信号をレンジ圧縮した信号に対する画像再生処理であれば良い。この画像再生処理では、再生結果の内レンジＲ０の結果のみが有効な再生結果となる。
【００５７】
ステップＳＴ２１６において、反復処理部２０９が、観測対象領域の全てのレンジについて、ステップＳＴ２１０からステップＳＴ２１５までの繰り返し処理を終えれば反復ループを終了する。ステップＳＴ２１７において、反復処理部２０９が、出力格納部２１６に再生結果を出力する。
【００５８】
以上のように、実施の形態１によれば、アジマス時間に応じたドップラー中心周波数の変化を補償した上で復元フィルタを適用するようにしているので、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測で得られる観測信号に対してもエイリアシング誤差を解消することができる。
【００５９】
この結果、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる場合においても、複数ビーム観測方式を可能にしている。複素関数の乗算のみでドップラー中心周波数の変化の補償と復元を実現しているので、僅かな計算負荷の増加のみで、ストリップマップ観測向けの信号処理をレーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測向けに拡張することができる。
【００６０】
実施の形態２．
以上の実施の形態１では、反復処理により復元フィルタをレンジ毎に設計して適用したものであるが、次に受信アンテナの間隔をある条件を満たすように設計することで反復処理を回避した実施の形態２を示す。
【００６１】
以下、この発明の実施の形態２を図に基づいて説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係る画像レーダ装置及び信号処理装置を示すブロック構成図である。図４において図１に示す実施の形態１の構成と同一または相当する部分については同一記号を付して説明を省略する。
【００６２】
この実施の形態２では、実施の形態１にあった反復処理部２０９が省かれている。また、復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ；Ｒ０）２１０と復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ；Ｒ０）２１１が復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ）３１０と復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ）３１１に置き換えられている。さらに、実施の形態１の画像再生処理Ａ部２１５が、単一のレーダビームを用いてレーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測で得た受信信号（レンジ圧縮していない信号）に対する画像再生処理を行う画像再生処理Ｂ部３１５に置き換わっている。
【００６３】
この実施の形態２では、受信アンテナ（Ｒｘ１）１０２と受信アンテナ（Ｒｘ２）１０３を基準とした送信アンテナ（Ｔｘ）１０１の位置（アジマス方向の距離）Δｘ１とΔｘ２を、式（４）を満たすように設計する。すなわち、送受信アンテナ間隔の２乗をレーダ波長と観測対象領域のレンジとの積の２倍で割ったものに円周率を乗じた位相を持つ複素関数が１とみなせるように、送受信アンテナ間隔を設計する。
【００６４】
【数５】
【００６５】
ここで、Ｒは観測対象領域までのレンジを現す。例えば、衛星搭載画像レーダではレンジＲが非常に大きな値をとるため、式（４）を満たすように送受信アンテナ間隔を設計するのは容易である。
【００６６】
なお、式（４）を満たすように、送受信アンテナ間隔だけでなく、レーダ波長λや観測対象領域までのレンジＲを設定しても良い。
【００６７】
次に動作について説明する。図５は、実施の形態２による画像レーダ装置及び信号処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。図５において図２に示す実施の形態１のフローチャートと同一または相当する部分については同一記号を付して説明を省略する。
【００６８】
ステップＳＴ３１０において、復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ）３１０と復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ）部３１１が、それぞれＲｘ１用乗算部２０５とＲｘ２用乗算部２０６の出力に対し、復元フィルタを適用する。
【００６９】
この復元フィルタの式は、例えば式（５）で与えられる。
【００７０】
【数６】
【００７１】
なお、ここでは２つの受信アンテナを用いる場合の復元フィルタを式（５）で与えたが、これに限られるものではなく、同等の効果を持つ式で与えられる復元フィルタを適用しても良い。
【００７２】
ステップＳＴ３１５において、画像再生処理Ｂ部３１５が、乗算部２１４の出力に対し画像再生処理を行う。この画像再生処理は、単一のレーダビームを用いてレーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測で得た観測信号に対する画像再生処理であれば良い。
【００７３】
以上のように、実施の形態２によれば、式（５）を満たすべく、受信アンテナ間隔、レーダ波長、または、観測対象領域のレンジを設定した画像レーダ装置を設計し、復元フィルタがレンジに依存しないように（つまり、復元フィルタの式にＲ０が含まれないように）しているので、復元フィルタをレンジ毎に設計及び適用する必要がなくなり、信号処理に必要となる計算負荷を大幅に軽減することができる。
【００７４】
また、復元フィルタをレンジ圧縮後の信号に適用する必要がなくなるため、画像再生処理部に採用できるアルゴリズムを、レンジ圧縮後の信号を対象とするアルゴリズムに限定する必要がなくなり、アルゴリズムの選択肢を増やすことができる。
【００７５】
さらに、反復処理に必要な回路がなくなり、さらに、複数の受信アンテナで得た受信信号を合成するための処理部分と、画像再生部分の独立性が高められるので、装置の構成を簡潔にすることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１００ 画像レーダ装置、１０１ 送信アンテナ（Ｔｘ）、１０２ 受信アンテナ（Ｒｘ１）、１０３ 受信アンテナ（Ｒｘ２）、２００ 信号処理装置、２０１ ＲＸ１格納部、２０２ ＲＸ２格納部、２０３ Ｒｘ１用レンジ圧縮部、２０４ Ｒｘ２用レンジ圧縮部、２０５ Ｒｘ１用乗算部、２０６ Ｒｘ２用乗算部、２０７ Ｒｘ１用アジマスＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）部、２０８ Ｒｘ２用アジマスＤＦＴ部、２０９ 反復処理部、２１０ 復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ；Ｒ０）、２１１ 復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ；Ｒ０）、２１２ 合成部、２１３ アジマスＩＤＦＴ（Inverse Discrete Fourier Transform）部、２１４ 乗算部、２１５ 画像再生処理Ａ部、２１６ 出力格納部、３１０ 復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ）、３１１ 復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ）、３１５ 画像再生処理Ｂ部。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる複数ビーム観測方式の画像レーダ装置及び信号処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
合成開口レーダ観測では、アジマス方向の高分解能化とレンジ方向の観測領域の拡大を同時に行うことは難しい。これはそれぞれを実現するために必要なパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）に対する要求が相反するためである。
【０００３】
アジマス方向の高分解能化には、ドップラー周波数帯域以上の高いＰＲＦが要求される。一方、レンジ方向の観測領域の拡大には、観測領域の拡大に伴うエコーの受信時間の増加に応じて、低いＰＲＦが要求される。
【０００４】
そこで、レンジ方向の観測領域拡大とアジマス方向の高分解能化を同時に実現すべく、複数のレーダビームを用いる合成開口レーダの観測方式がある（以下、複数ビーム観測方式と呼ぶ）。
【０００５】
例えば、図６に示すように、１つの送信アンテナＴｘと２つの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２を用いる複数レーダビーム観測方式では、物理的なＰＲＦは送信アンテナでのパルス照射間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）の逆数となるが、実効的なＰＲＦをその２倍（つまり、ＰＲＩは半分）とすることができる。物理的なＰＲＦを低く設定できるためレンジ領域の観測領域を狭める必要がない。そして、等価的に幅の広い１つのレーダビームを形成することでアジマス分解能を改善している。
【０００６】
この複数レーダビーム観測方式のための従来の画像レーダ装置及びその信号処理装置は、複数の受信アンテナで得た観測信号をスペクトル上で合成し、等価的な１つの受信アンテナで得た観測信号を生成した後で、画像再生処理を行っていた（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
各受信アンテナで得られた観測信号のアジマス方向のスペクトル（以降、アジマススペクトル）は、図７に示すように、物理的なＰＲＦが受信アンテナのビームの幅で決まるアジマス周波数帯域（瞬時ドップラー周波数帯域）幅よりも狭いため、エイリアシング誤差を持つ。
【０００８】
そこで、各受信アンテナのアジマススペクトル上での合成において、このエイリアシング誤差を相殺して解消する復元フィルタ（Reconstruction Filter）を適用し、エイリアシング誤差を含まないアジマススペクトルを得るようにしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】G. Krieger, N. Gebert, and A. Moreira, "SAR Signal Reconstruction from Non-Uniform Displaced Phase Centre Sampling," IEEE IGARSS’04, vol.3, 20-24, Ｐ1763-1766, 2004．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の画像レーダ装置及び信号処理装置は、観測対象領域のドップラー周波数帯域幅が瞬時ドップラー周波数帯域幅と同じあり、エイリアシング誤差がアジマススペクトルの端部にのみ発生することを前提としていた。
【００１１】
このようなエイリアシング誤差の発生は、図８（ａ）に示すように送信アンテナ及び受信アンテナを備える各レーダからのレーダビームを固定した一方向に向けて照射する観測（以降、ストリップマップ観測モード）では成立するが、図８（ｂ）に示すようにレーダの移動に伴いレーダの照射方向をビーム指向中心３１に向けるように変化させながら観測する場合は成り立たない。
【００１２】
このレーダの照射方向を変化させながら観測する例には、スライディングスポットライト観測（あるいは、ハイブリッドストリップマップ・スポットライト観測）モードやスポットライト観測モードがある。
【００１３】
図９を用いて、これら観測モードの違いに伴うアジマススペクトルの違いを説明する。図９（ａ）は、ストリップ観測モードにおける、アジマス時間ごとのアジマススペクトルを表す模式図である。横軸はアジマス時間（スロウタイム）であり、観測中心に位置する目標にレーダが最近接する時刻を０とする。縦軸はドップラー周波数である。そして、紙面に垂直な軸がパワースペクトルを示す。
【００１４】
ここでは、レーダビームの照射方向がレーダの進行方向と垂直な方向（クロストラック方向）であるとする。アジマススペクトルは、レーダビームが照射される方向のドップラー周波数を中心として、瞬時ドップラー周波数帯域幅分の広がりを持つ。この瞬時ドップラー周波数帯域幅は、観測対象領域のドップラー周波数帯域幅と一致している。そして、観測信号がアジマス方向にＰＲＦでサンプルされていることから、ドップラー周波数軸方向にＰＲＦの周期で繰り返す。
【００１５】
そのため、アジマススペクトルのうちＰＲＦを超えたドップラー周波数をもつ成分が、ＰＲＦ以下のドップラー周波数をもつ成分と重なってしまいエイリアシング誤差が生じる。ストリップマップ観測では、レーダビームが照射される方向が一定、つまりドップラー中心周波数が一定であるため、図９（ａ）の網掛けで示すように、エイリアシング誤差が発生するドップラー周波数はアジマス時間によらず同じで、かつ、アジマススペクトルのドップラー周波数軸方向の端部となる。
【００１６】
次に、図９（ｂ）に、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測でのアジマス時間ごとのアジマススペクトルを表す。この観測方式では、観測対象領域のドップラー周波数帯域幅が瞬時ドップラー周波数帯域幅よりも広い。そして、ドップラー中心周波数がアジマス時間に応じて変化するので、アジマススペクトルのドップラー周波数の範囲がアジマス時間と共に変化する。これに伴い、エイリアシング誤差が発生するドップラー周波数の範囲も、アジマス時間に伴い変化する。さらに、図９（ｂ）中のサンプリング帯域幅（ＰＲＦと等価）を超えたアジマススペクトルはサンプリング帯域幅内に折り返す。
【００１７】
したがって、これらレーダビームの照射方向を変化させる観測では、エイリアシング誤差がスペクトルの端部に発生するという前提条件が成り立たない。このため、従来の画像レーダ装置及び信号処理装置では、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測で得られた受信信号中のエイリアシング誤差を相殺し解消することができないという問題点があった。この結果、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる場合は、複数ビーム観測方式が採用できなかった。
【００１８】
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、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる複数ビーム観測方式を実現する画像レーダ装置及び信号処理装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この発明に係る画像レーダ装置及び信号処理装置は、同一または異なるプラットフォームに送信アンテナ及び複数の受信アンテナを搭載する画像レーダ装置であって、前記送信アンテナ及び複数の受信アンテナは、レーダの移動に伴いレーダビームの指向方向を変化させながら観測することを特徴とする。
【００２０】
また、この発明に係る信号処理装置は、各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ格納する複数の格納部と、前記複数の格納部から各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ読み込みレンジ圧縮する複数のレンジ圧縮部と、各複数のレンジ圧縮部でレンジ圧縮されたデータにアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを補償するための複素関数をそれぞれ乗ずる複数の乗算部と、前記複数の乗算部の出力をアジマス方向にそれぞれフーリエ変換する複数のアジマスＤＦＴ部と、前記複数のアジマスＤＦＴ部によりアジマス方向にフーリエ変換されたデータに含まれるエイリアシング誤差を解消するための復元フィルタをそれぞれ適用する複数の復元フィルタ部と、前記複数の復元フィルタ部からの復元フィルタ適用後の複数のデータをアジマススペクトル上で合成して１つのデータにする合成部と、前記合成部による合成後のアジマススペクトルをアジマス方向に逆フーリエ変換するアジマスＩＤＦＴ部と、前記アジマスＤＦＴ部の出力に対し、先に補償したアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを戻すための複素関数を乗ずる乗算部と、前記乗算部の出力に対し画像再生処理を行う画像再生部と、前記復元フィルタ部から前記画像再生部までの処理をレンジ毎に設計して適用するための反復処理部と、前記画像再生部の出力結果を格納する出力格納部とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
また、この発明に係る画像レーダ装置は、送受信アンテナ間隔の２乗をレーダ波長と観測対象領域のレンジとの積の２倍で割ったものに円周率を乗じた位相を持つ複素関数が１とみなせるように、送受信アンテナ間隔、レーダ波長、観測対象領域までのレンジを設計したことを特徴とする。
【００２２】
さらに、この発明に係る信号処理装置は、各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ格納する複数の格納部と、前記複数の格納部から各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ読み込みアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを補償するための複素関数を乗ずる複数の乗算部と、前記複数の乗算部の出力をアジマス方向にそれぞれフーリエ変換する複数のアジマスＤＦＴ部と、前記複数のアジマスＤＦＴ部によりアジマス方向にフーリエ変換されたデータに含まれるエイリアシング誤差を解消するための復元フィルタをそれぞれ適用する複数の復元フィルタ部と、前記複数の復元フィルタ部からの復元フィルタ適用後の複数のデータをアジマススペクトル上で合成して１つのデータにする合成部と、前記合成部による合成後のアジマススペクトルをアジマス方向に逆フーリエ変換するアジマスＩＤＦＴ部と、前記アジマスＤＦＴ部の出力に対し、先に補償したアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを戻すための複素関数を乗ずる乗算部と、前記乗算部の出力に対し画像再生処理を行う画像再生部と、前記画像再生部の出力結果を格納する出力格納部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、アジマス時間に応じたドップラー中心周波数の変化を補償した上で復元フィルタを適用するようにしているので、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測で得られる観測信号に対してもエイリアシング誤差を解消することができる。
【００２４】
また、送受信アンテナ間隔の２乗をレーダ波長と観測対象領域のレンジとの積の２倍で割ったものに円周率を乗じた位相を持つ複素関数が１とみなせるように、受信アンテナ間隔、レーダ波長、または、観測対象領域のレンジを設定した画像レーダ装置を設計し、復元フィルタがレンジに依存しないようにしているので、復元フィルタをレンジ毎に設計及び適用する必要がなくなり、信号処理に必要となる計算負荷を大幅に軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態１に係る画像レーダ装置及び信号処理装置を示すブロック構成図である。
【図２】図１に示す実施の形態１に係る画像レーダ装置及び信号処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】図２のステップＳＴ２０５からステップＳＴ２１４までの動作の効果を説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る画像レーダ装置及び信号処理装置を示すブロック構成図である。
【図５】図４に示す実施の形態２に係る画像レーダ装置及び信号処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】複数レーダビーム観測方式の説明図である。
【図７】各受信アンテナで得られた観測信号のアジマス方向のスペクトルンを説明する図である。
【図８】レーダビームを固定した一方向に向けて照射する観測する場合と、レーダの移動に伴いレーダの照射方向をビーム指向中心に向けるように変化させながら観測する場合のエイリアシング誤差の発生を説明する図である。
【図９】観測モードの違いに伴うアジマススペクトルの違いを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態1に係る画像レーダ装置及び信号処理装置を示すブロック構成図である。なお、ここでは便宜上、受信アンテナが２つある場合を想定して説明する。受信アンテナが２つ以上ある場合は、各受信アンテナに応じたブロックを受信アンテナ個数分用意すればよい。
【００２７】
図１に示す画像レーダ装置及び信号処理装置は、大別して、画像レーダ装置１００と信号処理装置２００とから構成される。画像レーダ装置１００は、送信アンテナ（Ｔｘ）１０１、受信アンテナ（Ｒｘ１）１０２、受信アンテナ（Ｒｘ２）１０３を備える。
【００２８】
ここで、受信アンテナ（Ｒｘ１）１０２と受信アンテナ（Ｒｘ２）１０３を基準とした送信アンテナ（Ｔｘ）１０１の位置（アジマス方向の距離）を、それぞれΔｘ１、Δｘ２とする。送信アンテナ（Ｔｘ）１０１、受信アンテナ（Ｒｘ１）１０２と受信アンテナ（Ｒｘ２）１０３は、同一のプラットフォーム上、またはそれぞれが別のプラットフォーム上に設置される。
【００２９】
なお、プラットフォームとは、人工衛星や、航空機等のレーダを搭載する移動体を指す。送信アンテナ（Ｔｘ）１０１から放射され観測対象領域で反射された電波は、受信アンテナ（Ｒｘ１）１０２と受信アンテナ（Ｒｘ２）１０３で同時に受信される。
【００３０】
そして、信号処理装置２００は、ＲＸ１格納部２０１、ＲＸ２格納部２０２、Ｒｘ１用レンジ圧縮部２０３、Ｒｘ２用レンジ圧縮部２０４、Ｒｘ１用乗算部２０５、Ｒｘ２用乗算部２０６、Ｒｘ１用アジマスＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）部２０７、Ｒｘ２用アジマスＤＦＴ部２０８、反復処理部２０９、復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ；Ｒ０）２１０、復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ；Ｒ０）２１１、合成部２１２、アジマスＩＤＦＴ（Inverse Discrete Fourier Transform）部２１３、乗算部２１４、画像再生処理Ａ部２１５、出力格納部２１６を備える。
【００３１】
なお、この説明及び以降の説明において、「部」という語は、専用の電子回路または素子を意味しているが、汎用的な中央演算装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）を搭載したコンピュータに所定の処理を実行させるコンピュータプログラムモジュールの形で構成するようにしても良い。また、ＤＦＴとＩＤＦＴの語は、離散信号に対するフーリエ変換と逆フーリエ変換を表す。
【００３２】
次に動作について説明する。図２は、実施の形態１による画像レーダ装置及び信号処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。まず、ステップＳＴ１００において、画像レーダ装置１００の受信アンテナ（Ｒｘ１）１０２、受信アンテナ（Ｒｘ２）１０３で受信されたデータが、Ｒｘ１格納部２０１とＲｘ２格納部２０２に格納される。
【００３３】
ステップＳＴ２００において、Ｒｘ１用レンジ圧縮部２０３と、Ｒｘ２用レンジ圧縮部２０４により、それぞれＲｘ１格納部２０１とＲｘ２格納部２０２のデータが読み込まれレンジ圧縮される。
【００３４】
ステップＳＴ２０５において、Ｒｘ１用乗算部２０５とＲｘ２用乗算部２０６が、それぞれＲｘ１用レンジ圧縮部２０３とＲｘ２用レンジ圧縮部２０４でレンジ圧縮された信号に対し、式（１）で表される関数を乗算する。
【００３５】
【数１】
【００３６】
ここで、Ｒｃはビーム指向中心の最近接レンジである。また、λはレーダ波長、ｖはレーダの速度、ｔａはアジマス時間である。この複素関数の乗算により、アジマススペクトルにおけるドップラー中心周波数のアジマス時間に応じた変化、つまり、アジマススペクトルのアジマス時間に対する傾きを補償する。
【００３７】
なお、ここでは、ドップラー中心周波数のアジマス時間に応じた変化を補償するための関数を式（１）で与えたが、これに限るものではなく、同じ効果をもつ関数であればよい。
【００３８】
ステップＳＴ２０７で、Ｒｘ１用アジマスＤＦＴ部２０７とＲｘ２用アジマスＤＦＴ部２０８が、それぞれＲｘ１用乗算部２０５とＲｘ２用乗算部２０６の出力をアジマス方向にフーリエ変換する。
【００３９】
ステップＳＴ２０９で、反復処理部２０９に、Ｒｘ１用アジマスＤＦＴ部２０７とＲｘ２用アジマスＤＦＴ部２０８の出力が入力される。反復処理部２０９では、レンジＲ０の設定を変えながら、観測対象領域の全レンジに渡る回数分、以降のステップＳＴ２１０からステップＳＴ２１５までの処理を繰り返し行う。
【００４０】
ステップＳＴ２１０において、復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ，Ｒ０）２１０と復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ，Ｒ０）部２１１が、それぞれＲｘ１用アジマスＤＦＴ部２０７とＲｘ２用アジマスＤＦＴ部２０８の出力に対し、復元フィルタを適用する。この復元フィルタの式は、例えば式（２）（非特許文献１参照）で与えられる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ｆａはアジマス方向周波数（ドップラー周波数）、ｆＰＲＦはＰＲＦを示す。このｆａの範囲は、受信アンテナの個数をｎとした場合に、
【００４３】
【数３】
【００４４】
となる。また、ｖはレーダの速度である。
【００４５】
なお、ここでは２つの受信アンテナを用いる場合の復元フィルタを式（２）で与えたが、これに限られるものではなく、同等の効果を持つ式で与えられる復元フィルタを適用しても良い。
【００４６】
ステップＳＴ２１２において、合成部２１２が、アジマススペクトル上で復元フィルタ適用後の各受信アンテナの信号を合成し、エイリアシング誤差を相殺することで解消する。
【００４７】
ステップＳＴ２１３において、アジマスＩＤＦＴ部２１３が、合成部２１２の出力をアジマス方向に逆フーリエ変換する。
【００４８】
ステップＳＴ２１４で、乗算部２１４が、アジマスＩＤＦＴ部２１３の出力に対し、式（３）で与えられる関数を乗算する。
【００４９】
【数４】
【００５０】
この複素関数の乗算により、ステップＳＴ２０５で補償した、アジマススペクトルにおけるドップラー中心周波数のアジマス時間に応じた変化を元に戻す。なお、ここでは、ドップラー中心周波数のアジマス時間に応じた変化を元に戻す関数を式（３）で与えたが、これに限るものではなく、同じ効果をもつ関数であれば良い。
【００５１】
ここで、ステップＳＴ２０５からステップＳＴ２１４までの動作の効果を、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、各受信アンテナで得られた受信信号のアジマス時間毎のアジマススペクトルを示す。横軸はアジマス時間、縦軸はドップラー周波数、紙面に垂直な軸がパワースペクトルを表す。
【００５２】
先の図９（ｂ）に示したようにレーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測では、エイリアシング誤差が発生するドップラー周波数の範囲はアジマス時間に伴い変化する。さらに、サンプリング帯域幅を超えたアジマススペクトルはサンプリング帯域幅内に折り返す。この結果、受信信号のアジマススペクトル中におけるエイリアシング誤差は、図３（ａ）の網掛けで示すように、サンプリング帯域幅内を斜めに横断している。
【００５３】
次に、図３（ｂ）は、ステップＳＴ２０５で、式（１）で表される関数を受信信号に乗算した後の、アジマス時間毎のアジマススペクトルを表す。式（１）で示す複素関数の乗算によりアジマススペクトルのアジマス時間に対する傾きを補正したことで、エイリアシング誤差が発生するドップラー周波数はアジマススペクトルの端部に位置するようになる。つまり、図９（ａ）に示したストリップマップ観測時のアジマススペクトルと同等となる。
【００５４】
図３（ｃ）は、ステップＳＴ２１０で復元フィルタを適用し、ステップＳＴ２１２で各受信アンテナの信号を合成した後のアジマススペクトルを表す。この段階で、エイリアシング誤差は解消され、サンプリング帯域は２×ｆＰＲＦ（受信アンテナ数がｎ個の場合はｎ×ｆＰＲＦ）に拡大されている。
【００５５】
そして、図３（ｄ）は、アジマススペクトル合成後の信号に、式（３）で示される複素関数を乗算した後のアジマススペクトルを表す。ここでは、アジマススペクトルにおけるドップラー中心周波数のアジマス時間に応じた変化が戻されている。この段階のアジマススペクトルは、瞬時ドップラー周波数帯域幅よりも広い２×ｆＰＲＦ（受信アンテナ数がｎ個の場合はｎ×ｆＰＲＦ）相当のＰＲＦで、単一のレーダビームを用いて観測した受信信号のアジマススペクトルと等価になっている。
【００５６】
次に、ステップＳＴ２１５において、画像再生処理部２１５が、乗算部２１４の出力に対し画像再生処理を行う。この画像再生処理は、単一のレーダビームを用いてレーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測で得た受信信号をレンジ圧縮した信号に対する画像再生処理であれば良い。この画像再生処理では、再生結果の内レンジＲ０の結果のみが有効な再生結果となる。
【００５７】
ステップＳＴ２１６において、反復処理部２０９が、観測対象領域の全てのレンジについて、ステップＳＴ２１０からステップＳＴ２１５までの繰り返し処理を終えれば反復ループを終了する。ステップＳＴ２１７において、反復処理部２０９が、出力格納部２１６に再生結果を出力する。
【００５８】
以上のように、実施の形態１によれば、アジマス時間に応じたドップラー中心周波数の変化を補償した上で復元フィルタを適用するようにしているので、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測で得られる観測信号に対してもエイリアシング誤差を解消することができる。
【００５９】
この結果、レーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる場合においても、複数ビーム観測方式を可能にしている。複素関数の乗算のみでドップラー中心周波数の変化の補償と復元を実現しているので、僅かな計算負荷の増加のみで、ストリップマップ観測向けの信号処理をレーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測向けに拡張することができる。
【００６０】
実施の形態２．
以上の実施の形態１では、反復処理により復元フィルタをレンジ毎に設計して適用したものであるが、次に受信アンテナの間隔をある条件を満たすように設計することで反復処理を回避した実施の形態２を示す。
【００６１】
以下、この発明の実施の形態２を図に基づいて説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係る画像レーダ装置及び信号処理装置を示すブロック構成図である。図４において図１に示す実施の形態１の構成と同一または相当する部分については同一記号を付して説明を省略する。
【００６２】
この実施の形態２では、実施の形態１にあった反復処理部２０９が省かれている。また、復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ；Ｒ０）２１０と復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ；Ｒ０）２１１が復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ）３１０と復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ）３１１に置き換えられている。さらに、実施の形態１の画像再生処理Ａ部２１５が、単一のレーダビームを用いてレーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測で得た受信信号（レンジ圧縮していない信号）に対する画像再生処理を行う画像再生処理Ｂ部３１５に置き換わっている。
【００６３】
この実施の形態２では、受信アンテナ（Ｒｘ１）１０２と受信アンテナ（Ｒｘ２）１０３を基準とした送信アンテナ（Ｔｘ）１０１の位置（アジマス方向の距離）Δｘ１とΔｘ２を、式（４）を満たすように設計する。すなわち、送受信アンテナ間隔の２乗をレーダ波長と観測対象領域のレンジとの積の２倍で割ったものに円周率を乗じた位相を持つ複素関数が１とみなせるように、送受信アンテナ間隔を設計する。
【００６４】
【数５】
【００６５】
ここで、Ｒは観測対象領域までのレンジを現す。例えば、衛星搭載画像レーダではレンジＲが非常に大きな値をとるため、式（４）を満たすように送受信アンテナ間隔を設計するのは容易である。
【００６６】
なお、式（４）を満たすように、送受信アンテナ間隔だけでなく、レーダ波長λや観測対象領域までのレンジＲを設定しても良い。
【００６７】
次に動作について説明する。図５は、実施の形態２による画像レーダ装置及び信号処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。図５において図２に示す実施の形態１のフローチャートと同一または相当する部分については同一記号を付して説明を省略する。
【００６８】
ステップＳＴ３１０において、復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ）３１０と復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ）部３１１が、それぞれＲｘ１用乗算部２０５とＲｘ２用乗算部２０６の出力に対し、復元フィルタを適用する。
【００６９】
この復元フィルタの式は、例えば式（５）で与えられる。
【００７０】
【数６】
【００７１】
なお、ここでは２つの受信アンテナを用いる場合の復元フィルタを式（５）で与えたが、これに限られるものではなく、同等の効果を持つ式で与えられる復元フィルタを適用しても良い。
【００７２】
ステップＳＴ３１５において、画像再生処理Ｂ部３１５が、乗算部２１４の出力に対し画像再生処理を行う。この画像再生処理は、単一のレーダビームを用いてレーダの移動に伴いレーダビームの照射方向を変化させる観測で得た観測信号に対する画像再生処理であれば良い。
【００７３】
以上のように、実施の形態２によれば、式（５）を満たすべく、受信アンテナ間隔、レーダ波長、または、観測対象領域のレンジを設定した画像レーダ装置を設計し、復元フィルタがレンジに依存しないように（つまり、復元フィルタの式にＲ０が含まれないように）しているので、復元フィルタをレンジ毎に設計及び適用する必要がなくなり、信号処理に必要となる計算負荷を大幅に軽減することができる。
【００７４】
また、復元フィルタをレンジ圧縮後の信号に適用する必要がなくなるため、画像再生処理部に採用できるアルゴリズムを、レンジ圧縮後の信号を対象とするアルゴリズムに限定する必要がなくなり、アルゴリズムの選択肢を増やすことができる。
【００７５】
さらに、反復処理に必要な回路がなくなり、さらに、複数の受信アンテナで得た受信信号を合成するための処理部分と、画像再生部分の独立性が高められるので、装置の構成を簡潔にすることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１００ 画像レーダ装置、１０１ 送信アンテナ（Ｔｘ）、１０２ 受信アンテナ（Ｒｘ１）、１０３ 受信アンテナ（Ｒｘ２）、２００ 信号処理装置、２０１ ＲＸ１格納部、２０２ ＲＸ２格納部、２０３ Ｒｘ１用レンジ圧縮部、２０４ Ｒｘ２用レンジ圧縮部、２０５ Ｒｘ１用乗算部、２０６ Ｒｘ２用乗算部、２０７ Ｒｘ１用アジマスＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）部、２０８ Ｒｘ２用アジマスＤＦＴ部、２０９ 反復処理部、２１０ 復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ；Ｒ０）、２１１ 復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ；Ｒ０）、２１２ 合成部、２１３ アジマスＩＤＦＴ（Inverse Discrete Fourier Transform）部、２１４ 乗算部、２１５ 画像再生処理Ａ部、２１６ 出力格納部、３１０ 復元フィルタ部Ｐ１（ｆａ）、３１１ 復元フィルタ部Ｐ２（ｆａ）、３１５ 画像再生処理Ｂ部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一または異なるプラットフォームに送信アンテナ及び複数の受信アンテナを搭載する画像レーダ装置であって、
前記送信アンテナ及び複数の受信アンテナは、レーダの移動に伴いレーダビームの指向方向を変化させながら観測する
ことを特徴とする画像レーダ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ格納する複数の格納部と、
前記複数の格納部から各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ読み込みレンジ圧縮する複数のレンジ圧縮部と、
各複数のレンジ圧縮部でレンジ圧縮されたデータにアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを補償するための複素関数をそれぞれ乗ずる複数の乗算部と、
前記複数の乗算部の出力をアジマス方向にそれぞれフーリエ変換する複数のアジマスＤＦＴ部と、
前記複数のアジマスＤＦＴ部によりアジマス方向にフーリエ変換されたデータに含まれるエイリアシング誤差を解消するための復元フィルタをそれぞれ適用する複数の復元フィルタ部と、
前記複数の復元フィルタ部からの復元フィルタ適用後の複数のデータをアジマススペクトル上で合成して１つのデータにする合成部と、
前記合成部による合成後のアジマススペクトルをアジマス方向に逆フーリエ変換するアジマスＩＤＦＴ部と、
前記アジマスＤＦＴ部の出力に対し、先に補償したアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを戻すための複素関数を乗ずる乗算部と、
前記乗算部の出力に対し画像再生処理を行う画像再生部と、
前記復元フィルタ部から前記画像再生部までの処理をレンジ毎に設計して適用するための反復処理部と、
画像再生部の出力結果を格納する出力格納部と
を備えたことを特徴とする信号処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載の画像レーダ装置において、
送受信アンテナ間隔の２乗をレーダ波長と観測対象領域のレンジとの積の２倍で割ったものに円周率を乗じた位相を持つ複素関数が１とみなせるように、送受信アンテナ間隔、レーダ波長、観測対象領域までのレンジを設計した
ことを特徴とする画像レーダ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ格納する複数の格納部と、
前記複数の格納部から各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ読み込みアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを補償するための複素関数を乗ずる複数の乗算部と、
前記複数の乗算部の出力をアジマス方向にそれぞれフーリエ変換する複数のアジマスＤＦＴ部と、
前記複数のアジマスＤＦＴ部によりアジマス方向にフーリエ変換されたデータに含まれるエイリアシング誤差を解消するための復元フィルタをそれぞれ適用する複数の復元フィルタ部と、
前記複数の復元フィルタ部からの復元フィルタ適用後の複数のデータをアジマススペクトル上で合成して１つのデータにする合成部と、
前記合成部による合成後のアジマススペクトルをアジマス方向に逆フーリエ変換するアジマスＩＤＦＴ部と、
前記アジマスＤＦＴ部の出力に対し、先に補償したアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを戻すための複素関数を乗ずる乗算部と、
前記乗算部の出力に対し画像再生処理を行う画像再生部と、
前記画像再生部の出力結果を格納する出力格納部と
を備えたことを特徴とする信号処理装置。
【請求項１】
同一または異なるプラットフォームに送信アンテナ及び複数の受信アンテナを搭載する画像レーダ装置であって、
前記送信アンテナ及び複数の受信アンテナは、レーダの移動に伴いレーダビームの指向方向を変化させながら観測する
ことを特徴とする画像レーダ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ格納する複数の格納部と、
前記複数の格納部から各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ読み込みレンジ圧縮する複数のレンジ圧縮部と、
各複数のレンジ圧縮部でレンジ圧縮されたデータにアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを補償するための複素関数をそれぞれ乗ずる複数の乗算部と、
前記複数の乗算部の出力をアジマス方向にそれぞれフーリエ変換する複数のアジマスＤＦＴ部と、
前記複数のアジマスＤＦＴ部によりアジマス方向にフーリエ変換されたデータに含まれるエイリアシング誤差を解消するための復元フィルタをそれぞれ適用する複数の復元フィルタ部と、
前記複数の復元フィルタ部からの復元フィルタ適用後の複数のデータをアジマススペクトル上で合成して１つのデータにする合成部と、
前記合成部による合成後のアジマススペクトルをアジマス方向に逆フーリエ変換するアジマスＩＤＦＴ部と、
前記アジマスＤＦＴ部の出力に対し、先に補償したアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを戻すための複素関数を乗ずる乗算部と、
前記乗算部の出力に対し画像再生処理を行う画像再生部と、
前記復元フィルタ部から前記画像再生部までの処理をレンジ毎に設計して適用するための反復処理部と、
画像再生部の出力結果を格納する出力格納部と
を備えたことを特徴とする信号処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載の画像レーダ装置において、
送受信アンテナ間隔の２乗をレーダ波長と観測対象領域のレンジとの積の２倍で割ったものに円周率を乗じた位相を持つ複素関数が１とみなせるように、送受信アンテナ間隔、レーダ波長、観測対象領域までのレンジを設計した
ことを特徴とする画像レーダ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ格納する複数の格納部と、
前記複数の格納部から各受信アンテナで受信されたデータをそれぞれ読み込みアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを補償するための複素関数を乗ずる複数の乗算部と、
前記複数の乗算部の出力をアジマス方向にそれぞれフーリエ変換する複数のアジマスＤＦＴ部と、
前記複数のアジマスＤＦＴ部によりアジマス方向にフーリエ変換されたデータに含まれるエイリアシング誤差を解消するための復元フィルタをそれぞれ適用する複数の復元フィルタ部と、
前記複数の復元フィルタ部からの復元フィルタ適用後の複数のデータをアジマススペクトル上で合成して１つのデータにする合成部と、
前記合成部による合成後のアジマススペクトルをアジマス方向に逆フーリエ変換するアジマスＩＤＦＴ部と、
前記アジマスＤＦＴ部の出力に対し、先に補償したアジマス時間に応じたドップラー中心周波数の傾きを戻すための複素関数を乗ずる乗算部と、
前記乗算部の出力に対し画像再生処理を行う画像再生部と、
前記画像再生部の出力結果を格納する出力格納部と
を備えたことを特徴とする信号処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２２３８１１（Ｐ２０１０−２２３８１１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７２３３７（Ｐ２００９−７２３３７）
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２４日（２００９．３．２４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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