被観測対象物の観測方法及び装置
【課題】 航空機の機首方位を制御することにより、合成開口アンテナのヨーステアリング機能を用いずに、干渉させられる画像を得る。
【解決手段】 被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナ４を水平方向に移動させて、当該合成開口アンテナから電波を送受信する。前記合成開口アンテナ４で受信した反射波を画像データに信号処理する。前記処理を繰返し実行して得た複数の画像データを干渉処理してSAR画像データを取得する。前記合成開口アンテナを移動させる際に、前記飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを制御することにより、前記合成開口アンテナの前記被観測対象物に対する観測方向を一致させる。
【解決手段】 被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナ４を水平方向に移動させて、当該合成開口アンテナから電波を送受信する。前記合成開口アンテナ４で受信した反射波を画像データに信号処理する。前記処理を繰返し実行して得た複数の画像データを干渉処理してSAR画像データを取得する。前記合成開口アンテナを移動させる際に、前記飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを制御することにより、前記合成開口アンテナの前記被観測対象物に対する観測方向を一致させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成開口レーダを用いて被観測対象物を観測する被観測対象物の観測方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
国土地理院のホームページに掲載された文献によると、レーダは、アンテナから電波を観測対象物に向けて放射し、その観測対象物で反射した電波を受信して観測するものである。前記レーダを用いることにより、反射された電波から、観測対象物の大きさや表面の性質が分り、電波が戻ってくるまでの時間を測定することで、観測対象物までの概算の距離が測定可能である。
【０００３】
レーダ観測を行う場合、観測対象物の分解能を向上させるには、レーダのアンテナの指向性を絞って細いビームを観測対象物に向けて照射するのであるが、指向性を高めるには、アンテナの寸法を大きくする必要がある。例えば、人工衛星搭載レーダの場合、地表で１０ｍ或いはそれより高い分解能を得るには、アンテナの大きさ「開口」が１ｋｍを越えてしまい、人工衛星に搭載する機器として問題がある。
【０００４】
そこで、人工衛星や飛行機などの飛翔体が移動しながら電波を送受信して、大きな開口を持ったアンテナの場合と等価な画像を得るように、人工的に「開口」を「合成」させる技術として、合成開口レーダが開発されている。
【０００５】
この合成開口レーダを用いて、地殻の変動などを観測する技術が開発されておいる。この合成開口レーダを用いて、リピートパス干渉SAR（Synthetic Aperture Radar）画像を得ることにより、航空機や人工衛星から数センチの地殻変動や地すべり等を画像化することができる。
【０００６】
図９に示すように、航空機１によるリピートパス干渉SARは異なる時期に２回ほとんど同じフライトコース２ａ，２ｂからSAR画像を取得する。このフライトコース２ａ，２ｂは、以下の式のように波長、距離、分解能、入射角で決まる干渉限界以内である必要があり、Ｌバンド，３ｍ分解能，４０度入射角，１５．７Kmの観測距離では、約５２０ｍ以下の直径Ｄをもつパイプ状の空域Ｆ内に設定される。式 Ｂ＝λｒtanθ/２・Ｒｓとなる。ここで、Ｂ：干渉可能最大距離，λ：波長，θ：入射角，Ｒｓ：スラントレンジ分解能，ｒ：ターゲットまでの距離である。
【０００７】
前記取得したSAR画像には、観測対象物の表面の反射率の情報が信号振幅として記録されているとともに、観測対象物迄の距離情報も位相として記録されている。したがって、もしフライトコースが全く同じとすると、２つのSAR画像の同じ位置の位相の差分を求めると、それら２つのSAR画像を観測した時期の間に発生した観測対象物、例えば地殻の変化を画像化することができる。実際は、フライトコースを全く同じにすることは困難なため、ターゲットの標高による成分も画像化されてしまう。そのため、２回のフライトコースの差異による影響を補正することにより、標高の成分が除去され、ターゲットの変動成分のみ求めることができる。
【非特許文献１】国土地理院ホームページ（http://gsi.go.jp/sokuchi/sar/mechanism/）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、実際にリピートパス干渉SAR画像を得るには、２つの課題がある。その１つは、航空機は全く同じ軌道を飛行するのは非常に困難であり、横風などの影響を受けて、航空機は、GPS衛星３を利用したディファンレンシャルGPS方式に基づいて機首角（ヘディング角）と高度を補正しながら、パイプ状の空域Ｆの日的の軌道の近傍を飛んでいる。
【０００９】
この課題は実際の飛行軌跡が干渉限界距離で示される一定の誤差内であり、また、その誤差を波長に対して十分に高い精度で記録することができれば、補正することが可能である。実際には、キネマティックGPS方式を使って１ｃｍ程度の精度で、飛行機が空間中をどのような軌跡で飛んだかを記録し、その記録データに基づいて補正をしている。
【００１０】
リピートパス干渉SAR画像を得るには、もう1つの課題がある。従来の航空機によるリピートパス干渉SAR観測では、観測幅を広く取るために比較的高高度を飛行し、航空機の最も効率の良い速度を使用して、観測を行っている。日によって風速、風向が変わる。高高度においては季節によってほぼ一定方向に風が吹いている。しかし、その風速は日によって大きく変化することがある。航空機が高高度を飛行する場合、失速速度と最高速度が近くなり、速度を大きく変えることが困難であった。そのため、毎回観測するたびに、偏流角が変わり、観測データを十分に活用できないという問題がある。
【００１１】
前記課題は、従来の航空機によるリピートパス干渉SAR観測では、航空機の速度は毎回観測時、ほぼ一定であるので、２つのSAR画像を干渉させる際に、それぞれの画像のドップラー周波数帯域が一致している必要である。
【００１２】
すなわち、図１０に示すように、１回目の観測画像Ｇ１の信号ドップラー帯域と２回目の観測画像Ｇ２の信号ドップラー帯域との重なっている部分Ｏのみが干渉成分となる。干渉画像の空間分解能は、この重なっている部分Ｏの周波数帯域によって決定される。このため、重なっている部分Ｏが少ないと、空間分解能が低下した画像、または干渉画像が得られないという問題がある。
【００１３】
前記問題を解決する１つの方法は、合成開口レーダにヨーステアリング機能を持たせることである。ヨーステアリング機能を有する合成開口アンテナは、航空機の機首の方向に拘らず、そのビームセンタをドップラー周波数０Ｈｚ方向に向けることができる。
【００１４】
しかし、合成開口アンテナを回転させるためには、回転機構が複雑になり、重量の増加、高価格という間題がある。さらに、飛行中、航空機の機首方位は絶えず変動しているため、アンテナのビームセンタ方向がドップラー周波数０Hz方向に絶えず向いているように制御し続ける必要がある。
【００１５】
本発明の目的は、航空機の機首方位を補正することにより、ヨーステアリング機能を用いずに、干渉させられる画像が得られる被観測対象物の観測方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するため、本発明に係る被観測対象物の観測方法は、被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナを水平方向に移動させて、当該合成開口アンテナから電波を送受信するステップと、
前記合成開口アンテナで受信した反射波を画像データに信号処理するステップと、
前記ステップを繰返し実行して得た複数の画像データを干渉処理して干渉画像を得るステップを有し、
前記合成開口アンテナを移動させる際に、前記飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを制御することにより、前記合成開口アンテナの前記被観測対象物に対する観測方向を一致一させることを特徴とするものである。ここに、前記観測方向とは、航空機などの飛翔体の速度方向に対するアンテナビームセンタ方向の角度を意味する。
【００１７】
本発明によれば、合成開口アンテナを移動させる際に、飛翔体が受ける横風による偏流角を制御する。複数回のフライトを行った際にも、前記制御処理に基づいて、合成開口アンテナの被観測対象物に対する観測方向がほぼ同一の範囲に収束される。しかも、合成開口アンテナは、複数回のフライトにおいて、ほぼ同一の軌跡上を移動する。
【００１８】
前記合成開口アンテナの前記被観測対象物に対する観測方向を一致させるにあたっては、フライトコースに対する相対風向をθ度、風速をＶｗノット、飛翔体のフライトコースに対する機首方位の偏流角をφ度とすると、
前記飛翔体の飛翔速度Ｖａを、Ｖａ＝（Ｖｗｓｉｎθ）／ｓｉｎφとすることにより、複数回の前記合成開口アンテナの移動軌跡における前記飛翔体の偏流角をφ度に制御することができる。
【００１９】
また、前記飛翔体の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度での飛翔を避けて、前記飛翔体の飛翔高度を、失速速度と最高速度の間の速度許容範囲が広い高度に落して、前記飛翔体を飛翔させることが望ましい。この場合、前記飛翔体の飛翔高度を、３，０００ｍ〜６，２００ｍの範囲の高度に設定することが望ましい。
【００２０】
前記飛翔体の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度と比較して、失速速度と最高速度の間の速度許容範囲が広い高度では、季節風の向きが一定であり、しかも、その風速が比較的小さい。そのため、飛翔体の偏流角を容易に制御することが可能となり、複数回のフライトにおいて、合成開口アンテナの被観測対象物に対する観測方向を一致させることが可能となる。
【００２１】
また、被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナを水平方向に移動させる際に、１回目の観測では風向に対し４５度の角度をなすコースと、さらにそのコースから９０度方位を回転させた、風向と−４５度の角度をなすコースで前記合成開口アンテナを移動させて、画像データを取得することが望ましい。
【００２２】
これにより、２回目の観測時、風向きによって、一方の移動コースに沿って合成開口アンテナを移動させることが困難である場合にも、他方の移動コースに沿って合成開口アンテナを移動させることが可能となる。
【００２３】
以上の本発明に係る被観測対象物の観測方法を実施する観測装置は、被観測対象物の上空を飛翔体に搭載されて移動しながら、電波を送受信する合成開口レーダ送受信システムと合成開口アンテナと、前記合成開口アンテナで受信した反射波を画像化した複数の画像データを干渉処理して干渉画像を得る信号処理部と、前記合成開口アンテナを移動させる際に、前記飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを制御することにより、前記合成開口アンテナの前記被観測対象物に対する観測方向を統一させる機能を備えたフライト・マネジメント・システムを有する構成として構築する。
【００２４】
また、前記フライト・マネジメント・システムは、フライトコースに対する相対風向をθ度、風速をＶｗノット、飛翔体のフライトコースに対する偏流角をφ度とすると、偏流角φ度となる前記飛翔体の飛翔対気速度Ｖａを、Ｖａ＝（Ｖｗｓｉｎθ）／ｓｉｎφにすることにより、複数回の前記合成開口アンテナの移動軌跡における前記飛翔体の偏流角をφ度に統一させる構成とすることが望ましい。
【００２５】
前記フライト・マネジメント・システムは、前記飛翔体の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度での飛翔を避けて、前記飛翔体の飛翔高度を、失速速度と最高速度の間の速度許容範囲が広い高度に落して、前記飛翔体を飛翔させる機能を備えることが望ましい。
【００２６】
また、前記フライト・マネジメント・システムは、被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナを水平方向に移動させる際に、方向が異なる移動コースに前記合成開口アンテナを移動させる機能を備えていることが望ましいものである。この場合、相対的に９０度異なる方向の前記移動コース上に前記飛翔体を飛翔させることが望ましい。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように本発明によれば、合成開口アンテナを移動させる際に、飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを補正するため、複数回のフライトを行った際にも、前記補正処理に基づいて、合成開口アンテナの被観測対象物に対する観測方向をほぼ同一の範囲に収束することができる。さらに、合成開口アンテナを複数回のフライトにおいて、ほぼ同一の軌跡上を移動させることができる。
【００２８】
したがって、ヨーステアリング機能を用いずに、干渉させられるSAR画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００３０】
図１に示すように本発明の実施形態に係る被観測対象物の観測方法に用いる観測装置は、観測用電波を送受信するためのデバイスと、飛行情報検出部と、飛翔体としての航空機１を制御するためのシステムコントロール部と、信号処理部９と、データ記録部１０とから構成されている。これらは、飛翔体としての航空機１に搭載される。また、地上には、データ記録部１０aと、国土地理院のGPSネットワークからデータを入力し高精度な位置を計算するキネマティックGPS９ａと、信号処理部９が設置される。
【００３１】
前記観測用電波を送受信するためのデバイスは、合成開口（レーダ）アンテナ４と、切替部５と、高出力増幅器７と、送受信部８とを有している。
【００３２】
前記送受信部８は、送信信号を高出力増幅器７に出力する。前記高出力増幅器７は、送受信部８からの送信信号を増幅して切替部５に出力する。前記切替部５は、高出力増幅器７からの増幅された送信信号を合成開口アンテナ４に出力する。また前記切替部５は、合成開口アンテナ４で受信した受信信号を送受信部８に出力する。前記送受信部８は、切替部５から出力される受信信号を信号処理して、SARレーダ生データ信号としてのＩ／Ｑビデオ信号をデータ記録部１０に出力する。
【００３３】
前記合成開口アンテナ４は図２（ａ）に示すように、航空機１の胴体１ａの外部下面に固定して取付けられ、その表面がレドーム１１で覆われている。１２は、合成開口アンテナ４と切替部５を結線しているケーブルである。本実施形態では合成開口アンテナ４として平面パッチアンテナを用いているが、これに限られるものではない。平面パッチアンテナに代えて、平面スロットアンテナなどを用いてもよく、要は、観測用のビームを被観測対象物に向けて放射し、被観測対象物で反射した反射波を受信することができる構成であれば、いずれのものでもよい。
【００３４】
前記飛行情報検出部は図１に示すように、ディファレンシャルGPS１３と、慣性姿勢計測装置（IMU; Inertial Measurement Unit）１４と、コントローラ１５とから構成されている。
【００３５】
前記ディファレンシャルGPS１３には、二つの方法がある。その１つは、まもなく運用が開始される運輸多目的衛星のMSUSを利用し、衛星から送信される補正信号を利用し、GPS位置データの補正を行う方法である。もう１つの方法は海上保安庁が送信するDGPS用のビーコン電波を受信し、補正信号として用いる方法である。このディファレンシャルGPS１３の計測データは、データを取得するサンプリング周波数が数Hz程度の不連続なデータである。
【００３６】
前記慣性姿勢計測装置１４は、直交する３軸方向にそれぞれ設置された３個の加速計と３個のジャイロスコープから構成されている。前記加速計は、航空機１の３方向の加速度を検知し、前記ジャイロスコープは、３軸周りの角速度を検知する。
【００３７】
前記コントローラ１５は、前記ディファレンシャルGPS１３及び前記慣性姿勢計測装置１４の動作を制御している。また前記コントローラ１５は、前記キネマティックGPS１３及び前記慣性姿勢計測装置１４で取得した飛行情報を前記システムコントロール部に出力する。
【００３８】
前記システムコントロール部は図１に示すように、前記飛行情報検出部のコントローラ１５からの移動距離情報と姿勢方位角情報を受取る航空機情報入力Ｉ／Ｆ部１６と、フライト・マネジメント・システム１７を備えている。
【００３９】
フライト・マネジメント・システム１７は、内蔵コンピュータが航空機１の飛行条件に応じて燃料効率を最適とする演算処理を行い、その演算データにより操縦装置（autopilot system）と推力調整装置（auto throttle system）をコントロールする機能に加えて、離陸から着陸までの全飛行領域にわたって飛行管理を自動的に行う機能を備えている。フライト・マネジメント・システム１７の内蔵コンピュータは，航法データベースとして航法用データ（空港，滑走路，スポット，航空路，飛行ルートなどの情報）を記憶している。そして前記コンピュータは、水平面内の航法（lateral navigation：L-NAV）および高度方向の航法（vertical navigation：V-NAV）に関する情報をCRT画面上に提供する。
【００４０】
さらに、前記フライト・マネジメント・システム１７は、ディファレンシャルGPS１３から出力される信号に基づいて、航空機１の位置を割出す。さらに前記フライト・マネジメント・システム１７は、前記慣性姿勢計測装置１４、特に加速計が出力する加速度情報を積分して速度データを算出し、その速度データを積分して距離データを算出する。さらに前記コントローラ１５は、前記慣性姿勢計測装置１４、特にジャイロスコープが出力する角速度情報を積分して、航空機１の姿勢方位角を算出する。
【００４１】
さらに本発明の実施形態に係るフライト・マネジメント・システム１７は、前記航空機情報入力Ｉ／Ｆ部１６が受取った移動距離情報及び姿勢方位角情報などの航空機情報に基づいて、合成開口アンテナ４を被観測対象物の上空を移動させる際に、航空機１が受ける横風による偏流角のずれを補正することにより、合成開口アンテナ４の被観測対象物に対する観測方向を一致させる機能を備えている。
【００４２】
前記フライト・マネジメント・システム１７が備えている、合成開口アンテナ４の被観測対象物に対する観測方向を一致させる機能を具体的に説明すると、フライト・マネジメント・システム１７は図４に示すように、フライトコースに対する相対風向をθ度、風速をＶｗノット、飛翔体のフライトコースに対する偏流角をφ度とすると、偏流角φ度となる前記飛翔体の飛翔対気速度Ｖａを、Ｖａ＝（Ｖｗｓｉｎθ）／ｓｉｎφにすることにより、複数回の前記合成開口アンテナの移動軌跡における前記飛翔体の偏流角をφ度に統一させる。ここで、国際ノットの１ノット（Kt）＝１．８５２Kmである。
【００４３】
前記フライト・マネジメント・システム１７は、航空機１の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度での飛行（飛翔）を避けて、航空機１の飛行高度を、失速速度と最高速度の間の速度許容範囲が広い高度に落して、前記飛翔体を飛翔させる機能を備えている。この飛行高度の根拠について図５を用いて説明する。
【００４４】
図５において、航空機によるリピートパス干渉SAR観測では、観測幅が広く取れて燃料効率のよい比較的高高度、例えば１３．７ｋｍの高度を飛行し、航空機の最も効率の良い速度を使用して観測を行っている。前記高高度は、航空機の種類によるが、失速速度Ｍ１と最高速度Ｍ２が非常に接近して速度許容範囲Ｒ１が狭い高度である。
【００４５】
しかし、上述した高高度では、日によって風速、風向が変わる。しかも、季節による季節風が吹いているが、その風速は日によって大きく変化することがある。航空機が高高度を飛行する場合、失速速度と最高速度が非常に近くなり、速度を変えることが困難であった。そのため、毎回観測するたびに、偏流角が変わり、観測データを十分に活用できないという問題がある。
【００４６】
そこで、本発明の実施形態に係るフライト・マネジメント・システム１７は、航空機１の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度での飛翔を避けて、航空機１の飛行高度を、失速速度Ｍ１と最高速度Ｍ２の間の速度許容範囲Ｒ２が広い高度Ｈに落して、前記航空機１を飛行させている。この場合、航空機１の飛行高度Ｈを、約３，０００ｍ〜６，２００ｍ（約１万フィート〜２万フィート）の範囲の高度に設定している。この高度Ｈでは、季節風の向きが一定であり、しかも、その風速が日による変化が小さい。しかも、航空機１の速度の調整可能な範囲が広いので、図４に示すように、航空機１の偏流角φを容易に制御することが可能となり、複数回のフライトにおいて、合成開口アンテナ４の被観測対象物に対する合成開口による分解能及び移動軌跡を容易に一致させることが可能となる。
【００４７】
また、前記フライト・マネジメント・システム１７は図８に示すように、被観測対象物の上空を航空機１に搭載した合成開口アンテナ４を水平方向に移動させる際に、１回目の観測では、風向に対し４５度の角度をなすコースＦ１と、さらにそのコースから９０度方位を回転させた、風向と−４５度の角度をなすコースＦ２で前記合成開口アンテナ４を移動させる機能を備えている。この場合、相対的に９０度異なる方向の前記移動コースＦ１，Ｆ２上に前記航空機１を飛翔させることが望ましい。
【００４８】
前記送受信部８から出力されるSAR生データとしてのＩ／Ｑビデオ信号は、航空機１のフライト毎に高度、速度、位置、そのほかＧＰＳキネマティックポストプロセッシングに必要なデータとともに、データ記憶部１０に記録して置く。そして、地上において、前記信号処理部９は図６に示すように、干渉可能なフライトコースにて取得した２組のSAR生データをデータ記録部１０aから読み出しSAR画像再生処理を行う。このときに、データ記録部１０aから読み出されたキネマティックポストプロセッシング用のデータと、インターネットで得られる国土地理院のGPS基準データを使用し、フライトコースの高精度同定を行い、理想的フライトコースを飛んだ場合に得られるデータと等価になるような補正を行い、干渉可能な２つのSAR画像Ｓ１,Ｓ２が得られる。そして、SAR画像Ｓ１，Ｓ２を干渉処理して干渉SAR画像Ｓ３を得る。
【００４９】
前記信号処理部９はさらに、干渉処理、すなわち位相差抽出を行い、干渉画像を取得する。干渉SAR画像は縞模様の色によって表現される。この縞模様の色は、同じ位置での２回のSAR画像の距離の差に応じて生じる位相差を表している。このように、位相差は観測対象物の変化量に対応するため、縞模様は、その場所における観測対象物の変化に対応している。
【００５０】
前記干渉させたSAR生データ観測時のフライトコースにわずかでも差異がある場合（全く同じフライトコースでなかった場合）、干渉SAR画像データＳ３に、ターゲットエリアの山や丘などの高さに基づく干渉縞が含まれる。これらの干渉縞は、幾何学的な数値計算に基づいて補正を行い、その標高データによる干渉成分を削除し、地殻変動検出画像データＳ４を取得し、この地殻変動検出画像データＳ４に基づいて、地殻変動を検出する。この一連の画像処理は、汎用のものであり、本発明の特徴部分ではないので、その詳細について省略する。
【００５１】
次に、本発明の実施形態に係る動作について説明する。
【００５２】
本発明の実施形態において、図９に示すように、フライト・マネジメント・システム１７は、第１回目のフライトのために設定したフライトコース２ａに沿って航空機１を誘導しながら、航空機１に搭載された合成開口アンテナ４をフライトコース２ａに沿って被観測対象物１８の上空を移動させる。
【００５３】
合成開口アンテナ４がフライトコース２ａに沿って移動する際に、送受信部８は、送信信号を出力し、この送信信号を合成開口アンテナ４に送出す。合成開口アンテナ４は、受取った送信信号を被観測対象物１８に向けて放射する。また、合成開口アンテナ２は、被観測対象物１８で反射した反射波を受信し、その受信信号を送受信部８に出力する。
【００５４】
送受信部８は、合成開口アンテナ４からの受信信号を受取ると、この受信信号をSAR生データであるＩ／Ｑビデオ信号に変換して、このビデオ信号をデータ記録部１０に出力する。
【００５５】
このように、第１回目の航空機１によるSAR画像の取得が終了した時点で、次のフライトまでに地殻変動が予想される設定された期間をおいて、第２回目の航空機１によるフライトを行う。
【００５６】
第２回目の航空機１によるフライトは、第１回目の航空機１によるフライトを行った時期に対して時間が経過されており、航空機１が受ける横風の条件は異なっている場合がある。
【００５７】
図３（ａ）に示すように、航空機１は、設定されたフライトコースＦ３に沿って飛行している場合、すなわち航空機１に搭載された合成開口アンテナ４が正規の飛翔方向（設定されたフライトコースＦ３）に沿って移動している場合には、合成開口アンテナ４の被観測対象物１８に対する観測方向４ａは実線で示すようになっている。
【００５８】
しかし、航空機１が横風を受けて、そのフライトコースＦ４が、設定されたフライトコースＦ３に対して角度θ１だけずれると、合成開口アンテナ４の被観測対象物１８に対する観測方向４ａ１は２点鎖線で示すように、実線で示す正規の分解能４ａに対してずれてしまう。
【００５９】
このように、合成開口アンテナ４による被観測対象物１８に対する観測方向が１回目の観測とずれると、図１０に示すように、SARデータの第１回目の観測画像のアジマス方向ドップラー信号成分Ｇ１と第２回目の観測画像のアジマス方向ドップラー信号成分Ｇ２の重なった部分が少なくなる。そこで、重なる部分を多くする必要がある。
【００６０】
第１回目の干渉SAR画像の取得を行った航空機１のフライトコース２ａに沿って第２回目の航空機１による飛行を行い、合成開口アンテナ４を被観測対象物１８の上空に移動させる際に、航空機１の機首の偏流角φをコントロールする。
【００６１】
図７に示すように、先ずステップＳ１０において、フライト・マネジメント・システム１７は、第２回目の航空機１による飛行情報を図１に示す飛行情報検出部から得る。フライト・マネジメント・システム１７は、受取った飛行情報に基づいて、第１回目のSAR画像取得時の合成開口アンテナ４の向きと第２回目のSAR画像取得時の合成開口アンテナ４の向きが一致している場合（ステップＳ１０のYES）、ステップＳ１１の処理に移行して、引続いて合成開口アンテナ４の向きの一致・不一致の監視を継続して行う。
【００６２】
フライト・マネジメント・システム１７は、受取った飛行情報に基づいて、第１回目のSAR画像取得時の合成開口アンテナ４の向きと第２回目のSAR画像取得時の合成開口アンテナ４の向きが不一致であると判断した場合（ステップＳ１０のNO）、図４に示すように、フライトコースに対して航空機１と横風の相対風向角度がθである場合、航空機１はフライトコースに対して偏流角φの方向に速度Ｖａで飛行することにより、フライトコースに沿って実質的に飛行することとなる。
【００６３】
そこで、図７の演算処理のステップＳ１２において、フライト・マネジメント・システム１７は図４に示すように、フライトコースに対する相対風向をθ度、風速をＶｗノット、飛翔体のフライトコースに対する偏流角をφ度とすると、偏流角φ度となる前記飛翔体の飛翔対気速度Ｖａを、Ｖａ＝（Ｖｗｓｉｎθ）／ｓｉｎφにすることにより、複数回の前記合成開口アンテナの移動軌跡における前記飛翔体の偏流角をφ度に統一させる。
【００６４】
フライト・マネジメント・システム１７はステップＳ１３において、合成開口アンテナ４の向きの監視を継続し、偏流角φを制御した後の合成開口アンテナ４の向きが補正した向きになったか、すなわち、航空機１の偏流角が補正された後の偏流角φに制御されているかを判断する。
【００６５】
航空機１の偏流角φが補正されていない場合には、フライト・マネジメント・システム１７は、航空機１の速度を制御し（ステップＳ１４）、再度合成開口アンテナ４の向きの監視を継続し、偏流角φを補正した後の合成開口アンテナ４の向きが補正した向きになったか、すなわち、航空機１の偏流角が補正された後の偏流角φに補正されているかを判断する（ステップＳ１５）。
【００６６】
ステップＳ１５において、航空機１の速度制御を行った結果、合成開口アンテナ４の向きが修正されていなければ、その向きが修正されるまで航空機１の速度制御を継続して行う（ステップＳ１５のNO、ステップＳ１４）。
【００６７】
フライト・マネジメント・システム１７は、受取った飛行情報に基づいて、第１回目のSAR画像取得時の合成開口アンテナ４の向きと第２回目のSAR画像取得時の合成開口アンテナ４の向きが一致している場合（ステップＳ１５のYES）、ステップＳ１６の処理に移行して、引続いて合成開口アンテナ４の向きの一致・不一致の監視を継続して行う。
【００６８】
以上の説明では、合成開口アンテナ４を一方向にのみ移動させた場合について説明したが、これに限られるのものではない。
【００６９】
図８に示すように、被観測対象物の上空を航空機１に搭載した合成開口アンテナ４を水平方向に移動させる際に、１回目の観測では、風向に対し４５度の角度をなすコースＦ１と、さらにそのコースから９０度方位を回転させた、風向と−４５度の角度をなすコースＦ２で前記合成開口アンテナ４を移動させる機能を備えている。この場合、相対的に９０度異なる方向の前記移動コースＦ１，Ｆ２上に前記航空機１を飛翔させる。
【００７０】
第１回目のSAR画像データを取得した後、第２回目の合成開口アンテナ４を移動させる場合、風向きによっては、移動コースＦ２に沿って合成開口アンテナ４を移動させることが不可能な場合がある。
【００７１】
この場合には、２つの移動コースＦ１，Ｆ２のうち、残りの移動コースＦ１に沿って合成開口アンテナ４を移動させれば、第２回目の合成開口アンテナ４によるSAR画像データの取得を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上説明したように本発明によれば、合成開口アンテナを移動させる際に、飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを制御するため、複数回のフライトを行った際にも、前記補正処理に基づいて、合成開口アンテナの被観測対象物に対する観測方向がほぼ同一の範囲に収束することができる。さらに、合成開口アンテナを複数回のフライトにおいて、ほぼ同一の軌跡上を移動させることができ、ヨーステアリング機能を用いずに、干渉させられるSAR画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施形態に係る被観測対象物の観測装置を示す構成図である。
【図２】図２（ａ）は、合成開口アンテナを航空機に取付けた状態を示す正面図、図２（ｂ）は、レドームで表面が覆われた合成開口アンテナを示す平面図、図２（ｃ）は、レドームで表面が覆われた合成開口アンテナを断面した断面側面図である。
【図３】図３（ａ）は、設定されたフライトコースを飛行している状態を示す斜視図、図３（ｂ）は、横風を受けて飛行する状態を示す斜視図である。
【図４】横風を受けて飛行する場合の航空機の偏流角を調整するための説明図である。
【図５】本発明の実施形態における飛行高度を説明する説明図である。
【図６】取得したSAR生データを干渉させて干渉SAR画像データを得るまでの流れを示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態における動作を説明するフロートチャートである。
【図８】本発明の実施形態におけるフライトコースの例を示す説明図である。
【図９】リピートパス干渉SAR画像を取得するための飛行状態を説明する説明図である。
【図１０】干渉SAR画像を得るための干渉処理を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００７４】
１ 航空機（飛翔体）
４ 合成開口（レーダ）アンテナ
９ 信号処理部
１０ データ記録部（搭載側）
１０ａ データ記録再生部（地上側）
１３ ディファレンシャルGPS
１４ 慣性姿勢計測装置
１７ フライト・マネジメント・システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成開口レーダを用いて被観測対象物を観測する被観測対象物の観測方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
国土地理院のホームページに掲載された文献によると、レーダは、アンテナから電波を観測対象物に向けて放射し、その観測対象物で反射した電波を受信して観測するものである。前記レーダを用いることにより、反射された電波から、観測対象物の大きさや表面の性質が分り、電波が戻ってくるまでの時間を測定することで、観測対象物までの概算の距離が測定可能である。
【０００３】
レーダ観測を行う場合、観測対象物の分解能を向上させるには、レーダのアンテナの指向性を絞って細いビームを観測対象物に向けて照射するのであるが、指向性を高めるには、アンテナの寸法を大きくする必要がある。例えば、人工衛星搭載レーダの場合、地表で１０ｍ或いはそれより高い分解能を得るには、アンテナの大きさ「開口」が１ｋｍを越えてしまい、人工衛星に搭載する機器として問題がある。
【０００４】
そこで、人工衛星や飛行機などの飛翔体が移動しながら電波を送受信して、大きな開口を持ったアンテナの場合と等価な画像を得るように、人工的に「開口」を「合成」させる技術として、合成開口レーダが開発されている。
【０００５】
この合成開口レーダを用いて、地殻の変動などを観測する技術が開発されておいる。この合成開口レーダを用いて、リピートパス干渉SAR（Synthetic Aperture Radar）画像を得ることにより、航空機や人工衛星から数センチの地殻変動や地すべり等を画像化することができる。
【０００６】
図９に示すように、航空機１によるリピートパス干渉SARは異なる時期に２回ほとんど同じフライトコース２ａ，２ｂからSAR画像を取得する。このフライトコース２ａ，２ｂは、以下の式のように波長、距離、分解能、入射角で決まる干渉限界以内である必要があり、Ｌバンド，３ｍ分解能，４０度入射角，１５．７Kmの観測距離では、約５２０ｍ以下の直径Ｄをもつパイプ状の空域Ｆ内に設定される。式 Ｂ＝λｒtanθ/２・Ｒｓとなる。ここで、Ｂ：干渉可能最大距離，λ：波長，θ：入射角，Ｒｓ：スラントレンジ分解能，ｒ：ターゲットまでの距離である。
【０００７】
前記取得したSAR画像には、観測対象物の表面の反射率の情報が信号振幅として記録されているとともに、観測対象物迄の距離情報も位相として記録されている。したがって、もしフライトコースが全く同じとすると、２つのSAR画像の同じ位置の位相の差分を求めると、それら２つのSAR画像を観測した時期の間に発生した観測対象物、例えば地殻の変化を画像化することができる。実際は、フライトコースを全く同じにすることは困難なため、ターゲットの標高による成分も画像化されてしまう。そのため、２回のフライトコースの差異による影響を補正することにより、標高の成分が除去され、ターゲットの変動成分のみ求めることができる。
【非特許文献１】国土地理院ホームページ（http://gsi.go.jp/sokuchi/sar/mechanism/）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、実際にリピートパス干渉SAR画像を得るには、２つの課題がある。その１つは、航空機は全く同じ軌道を飛行するのは非常に困難であり、横風などの影響を受けて、航空機は、GPS衛星３を利用したディファンレンシャルGPS方式に基づいて機首角（ヘディング角）と高度を補正しながら、パイプ状の空域Ｆの日的の軌道の近傍を飛んでいる。
【０００９】
この課題は実際の飛行軌跡が干渉限界距離で示される一定の誤差内であり、また、その誤差を波長に対して十分に高い精度で記録することができれば、補正することが可能である。実際には、キネマティックGPS方式を使って１ｃｍ程度の精度で、飛行機が空間中をどのような軌跡で飛んだかを記録し、その記録データに基づいて補正をしている。
【００１０】
リピートパス干渉SAR画像を得るには、もう1つの課題がある。従来の航空機によるリピートパス干渉SAR観測では、観測幅を広く取るために比較的高高度を飛行し、航空機の最も効率の良い速度を使用して、観測を行っている。日によって風速、風向が変わる。高高度においては季節によってほぼ一定方向に風が吹いている。しかし、その風速は日によって大きく変化することがある。航空機が高高度を飛行する場合、失速速度と最高速度が近くなり、速度を大きく変えることが困難であった。そのため、毎回観測するたびに、偏流角が変わり、観測データを十分に活用できないという問題がある。
【００１１】
前記課題は、従来の航空機によるリピートパス干渉SAR観測では、航空機の速度は毎回観測時、ほぼ一定であるので、２つのSAR画像を干渉させる際に、それぞれの画像のドップラー周波数帯域が一致している必要である。
【００１２】
すなわち、図１０に示すように、１回目の観測画像Ｇ１の信号ドップラー帯域と２回目の観測画像Ｇ２の信号ドップラー帯域との重なっている部分Ｏのみが干渉成分となる。干渉画像の空間分解能は、この重なっている部分Ｏの周波数帯域によって決定される。このため、重なっている部分Ｏが少ないと、空間分解能が低下した画像、または干渉画像が得られないという問題がある。
【００１３】
前記問題を解決する１つの方法は、合成開口レーダにヨーステアリング機能を持たせることである。ヨーステアリング機能を有する合成開口アンテナは、航空機の機首の方向に拘らず、そのビームセンタをドップラー周波数０Ｈｚ方向に向けることができる。
【００１４】
しかし、合成開口アンテナを回転させるためには、回転機構が複雑になり、重量の増加、高価格という間題がある。さらに、飛行中、航空機の機首方位は絶えず変動しているため、アンテナのビームセンタ方向がドップラー周波数０Hz方向に絶えず向いているように制御し続ける必要がある。
【００１５】
本発明の目的は、航空機の機首方位を補正することにより、ヨーステアリング機能を用いずに、干渉させられる画像が得られる被観測対象物の観測方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するため、本発明に係る被観測対象物の観測方法は、被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナを水平方向に移動させて、当該合成開口アンテナから電波を送受信するステップと、
前記合成開口アンテナで受信した反射波を画像データに信号処理するステップと、
前記ステップを繰返し実行して得た複数の画像データを干渉処理して干渉画像を得るステップを有し、
前記合成開口アンテナを移動させる際に、前記飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを制御することにより、前記合成開口アンテナの前記被観測対象物に対する観測方向を一致一させることを特徴とするものである。ここに、前記観測方向とは、航空機などの飛翔体の速度方向に対するアンテナビームセンタ方向の角度を意味する。
【００１７】
本発明によれば、合成開口アンテナを移動させる際に、飛翔体が受ける横風による偏流角を制御する。複数回のフライトを行った際にも、前記制御処理に基づいて、合成開口アンテナの被観測対象物に対する観測方向がほぼ同一の範囲に収束される。しかも、合成開口アンテナは、複数回のフライトにおいて、ほぼ同一の軌跡上を移動する。
【００１８】
前記合成開口アンテナの前記被観測対象物に対する観測方向を一致させるにあたっては、フライトコースに対する相対風向をθ度、風速をＶｗノット、飛翔体のフライトコースに対する機首方位の偏流角をφ度とすると、
前記飛翔体の飛翔速度Ｖａを、Ｖａ＝（Ｖｗｓｉｎθ）／ｓｉｎφとすることにより、複数回の前記合成開口アンテナの移動軌跡における前記飛翔体の偏流角をφ度に制御することができる。
【００１９】
また、前記飛翔体の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度での飛翔を避けて、前記飛翔体の飛翔高度を、失速速度と最高速度の間の速度許容範囲が広い高度に落して、前記飛翔体を飛翔させることが望ましい。この場合、前記飛翔体の飛翔高度を、３，０００ｍ〜６，２００ｍの範囲の高度に設定することが望ましい。
【００２０】
前記飛翔体の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度と比較して、失速速度と最高速度の間の速度許容範囲が広い高度では、季節風の向きが一定であり、しかも、その風速が比較的小さい。そのため、飛翔体の偏流角を容易に制御することが可能となり、複数回のフライトにおいて、合成開口アンテナの被観測対象物に対する観測方向を一致させることが可能となる。
【００２１】
また、被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナを水平方向に移動させる際に、１回目の観測では風向に対し４５度の角度をなすコースと、さらにそのコースから９０度方位を回転させた、風向と−４５度の角度をなすコースで前記合成開口アンテナを移動させて、画像データを取得することが望ましい。
【００２２】
これにより、２回目の観測時、風向きによって、一方の移動コースに沿って合成開口アンテナを移動させることが困難である場合にも、他方の移動コースに沿って合成開口アンテナを移動させることが可能となる。
【００２３】
以上の本発明に係る被観測対象物の観測方法を実施する観測装置は、被観測対象物の上空を飛翔体に搭載されて移動しながら、電波を送受信する合成開口レーダ送受信システムと合成開口アンテナと、前記合成開口アンテナで受信した反射波を画像化した複数の画像データを干渉処理して干渉画像を得る信号処理部と、前記合成開口アンテナを移動させる際に、前記飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを制御することにより、前記合成開口アンテナの前記被観測対象物に対する観測方向を統一させる機能を備えたフライト・マネジメント・システムを有する構成として構築する。
【００２４】
また、前記フライト・マネジメント・システムは、フライトコースに対する相対風向をθ度、風速をＶｗノット、飛翔体のフライトコースに対する偏流角をφ度とすると、偏流角φ度となる前記飛翔体の飛翔対気速度Ｖａを、Ｖａ＝（Ｖｗｓｉｎθ）／ｓｉｎφにすることにより、複数回の前記合成開口アンテナの移動軌跡における前記飛翔体の偏流角をφ度に統一させる構成とすることが望ましい。
【００２５】
前記フライト・マネジメント・システムは、前記飛翔体の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度での飛翔を避けて、前記飛翔体の飛翔高度を、失速速度と最高速度の間の速度許容範囲が広い高度に落して、前記飛翔体を飛翔させる機能を備えることが望ましい。
【００２６】
また、前記フライト・マネジメント・システムは、被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナを水平方向に移動させる際に、方向が異なる移動コースに前記合成開口アンテナを移動させる機能を備えていることが望ましいものである。この場合、相対的に９０度異なる方向の前記移動コース上に前記飛翔体を飛翔させることが望ましい。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように本発明によれば、合成開口アンテナを移動させる際に、飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを補正するため、複数回のフライトを行った際にも、前記補正処理に基づいて、合成開口アンテナの被観測対象物に対する観測方向をほぼ同一の範囲に収束することができる。さらに、合成開口アンテナを複数回のフライトにおいて、ほぼ同一の軌跡上を移動させることができる。
【００２８】
したがって、ヨーステアリング機能を用いずに、干渉させられるSAR画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００３０】
図１に示すように本発明の実施形態に係る被観測対象物の観測方法に用いる観測装置は、観測用電波を送受信するためのデバイスと、飛行情報検出部と、飛翔体としての航空機１を制御するためのシステムコントロール部と、信号処理部９と、データ記録部１０とから構成されている。これらは、飛翔体としての航空機１に搭載される。また、地上には、データ記録部１０aと、国土地理院のGPSネットワークからデータを入力し高精度な位置を計算するキネマティックGPS９ａと、信号処理部９が設置される。
【００３１】
前記観測用電波を送受信するためのデバイスは、合成開口（レーダ）アンテナ４と、切替部５と、高出力増幅器７と、送受信部８とを有している。
【００３２】
前記送受信部８は、送信信号を高出力増幅器７に出力する。前記高出力増幅器７は、送受信部８からの送信信号を増幅して切替部５に出力する。前記切替部５は、高出力増幅器７からの増幅された送信信号を合成開口アンテナ４に出力する。また前記切替部５は、合成開口アンテナ４で受信した受信信号を送受信部８に出力する。前記送受信部８は、切替部５から出力される受信信号を信号処理して、SARレーダ生データ信号としてのＩ／Ｑビデオ信号をデータ記録部１０に出力する。
【００３３】
前記合成開口アンテナ４は図２（ａ）に示すように、航空機１の胴体１ａの外部下面に固定して取付けられ、その表面がレドーム１１で覆われている。１２は、合成開口アンテナ４と切替部５を結線しているケーブルである。本実施形態では合成開口アンテナ４として平面パッチアンテナを用いているが、これに限られるものではない。平面パッチアンテナに代えて、平面スロットアンテナなどを用いてもよく、要は、観測用のビームを被観測対象物に向けて放射し、被観測対象物で反射した反射波を受信することができる構成であれば、いずれのものでもよい。
【００３４】
前記飛行情報検出部は図１に示すように、ディファレンシャルGPS１３と、慣性姿勢計測装置（IMU; Inertial Measurement Unit）１４と、コントローラ１５とから構成されている。
【００３５】
前記ディファレンシャルGPS１３には、二つの方法がある。その１つは、まもなく運用が開始される運輸多目的衛星のMSUSを利用し、衛星から送信される補正信号を利用し、GPS位置データの補正を行う方法である。もう１つの方法は海上保安庁が送信するDGPS用のビーコン電波を受信し、補正信号として用いる方法である。このディファレンシャルGPS１３の計測データは、データを取得するサンプリング周波数が数Hz程度の不連続なデータである。
【００３６】
前記慣性姿勢計測装置１４は、直交する３軸方向にそれぞれ設置された３個の加速計と３個のジャイロスコープから構成されている。前記加速計は、航空機１の３方向の加速度を検知し、前記ジャイロスコープは、３軸周りの角速度を検知する。
【００３７】
前記コントローラ１５は、前記ディファレンシャルGPS１３及び前記慣性姿勢計測装置１４の動作を制御している。また前記コントローラ１５は、前記キネマティックGPS１３及び前記慣性姿勢計測装置１４で取得した飛行情報を前記システムコントロール部に出力する。
【００３８】
前記システムコントロール部は図１に示すように、前記飛行情報検出部のコントローラ１５からの移動距離情報と姿勢方位角情報を受取る航空機情報入力Ｉ／Ｆ部１６と、フライト・マネジメント・システム１７を備えている。
【００３９】
フライト・マネジメント・システム１７は、内蔵コンピュータが航空機１の飛行条件に応じて燃料効率を最適とする演算処理を行い、その演算データにより操縦装置（autopilot system）と推力調整装置（auto throttle system）をコントロールする機能に加えて、離陸から着陸までの全飛行領域にわたって飛行管理を自動的に行う機能を備えている。フライト・マネジメント・システム１７の内蔵コンピュータは，航法データベースとして航法用データ（空港，滑走路，スポット，航空路，飛行ルートなどの情報）を記憶している。そして前記コンピュータは、水平面内の航法（lateral navigation：L-NAV）および高度方向の航法（vertical navigation：V-NAV）に関する情報をCRT画面上に提供する。
【００４０】
さらに、前記フライト・マネジメント・システム１７は、ディファレンシャルGPS１３から出力される信号に基づいて、航空機１の位置を割出す。さらに前記フライト・マネジメント・システム１７は、前記慣性姿勢計測装置１４、特に加速計が出力する加速度情報を積分して速度データを算出し、その速度データを積分して距離データを算出する。さらに前記コントローラ１５は、前記慣性姿勢計測装置１４、特にジャイロスコープが出力する角速度情報を積分して、航空機１の姿勢方位角を算出する。
【００４１】
さらに本発明の実施形態に係るフライト・マネジメント・システム１７は、前記航空機情報入力Ｉ／Ｆ部１６が受取った移動距離情報及び姿勢方位角情報などの航空機情報に基づいて、合成開口アンテナ４を被観測対象物の上空を移動させる際に、航空機１が受ける横風による偏流角のずれを補正することにより、合成開口アンテナ４の被観測対象物に対する観測方向を一致させる機能を備えている。
【００４２】
前記フライト・マネジメント・システム１７が備えている、合成開口アンテナ４の被観測対象物に対する観測方向を一致させる機能を具体的に説明すると、フライト・マネジメント・システム１７は図４に示すように、フライトコースに対する相対風向をθ度、風速をＶｗノット、飛翔体のフライトコースに対する偏流角をφ度とすると、偏流角φ度となる前記飛翔体の飛翔対気速度Ｖａを、Ｖａ＝（Ｖｗｓｉｎθ）／ｓｉｎφにすることにより、複数回の前記合成開口アンテナの移動軌跡における前記飛翔体の偏流角をφ度に統一させる。ここで、国際ノットの１ノット（Kt）＝１．８５２Kmである。
【００４３】
前記フライト・マネジメント・システム１７は、航空機１の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度での飛行（飛翔）を避けて、航空機１の飛行高度を、失速速度と最高速度の間の速度許容範囲が広い高度に落して、前記飛翔体を飛翔させる機能を備えている。この飛行高度の根拠について図５を用いて説明する。
【００４４】
図５において、航空機によるリピートパス干渉SAR観測では、観測幅が広く取れて燃料効率のよい比較的高高度、例えば１３．７ｋｍの高度を飛行し、航空機の最も効率の良い速度を使用して観測を行っている。前記高高度は、航空機の種類によるが、失速速度Ｍ１と最高速度Ｍ２が非常に接近して速度許容範囲Ｒ１が狭い高度である。
【００４５】
しかし、上述した高高度では、日によって風速、風向が変わる。しかも、季節による季節風が吹いているが、その風速は日によって大きく変化することがある。航空機が高高度を飛行する場合、失速速度と最高速度が非常に近くなり、速度を変えることが困難であった。そのため、毎回観測するたびに、偏流角が変わり、観測データを十分に活用できないという問題がある。
【００４６】
そこで、本発明の実施形態に係るフライト・マネジメント・システム１７は、航空機１の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度での飛翔を避けて、航空機１の飛行高度を、失速速度Ｍ１と最高速度Ｍ２の間の速度許容範囲Ｒ２が広い高度Ｈに落して、前記航空機１を飛行させている。この場合、航空機１の飛行高度Ｈを、約３，０００ｍ〜６，２００ｍ（約１万フィート〜２万フィート）の範囲の高度に設定している。この高度Ｈでは、季節風の向きが一定であり、しかも、その風速が日による変化が小さい。しかも、航空機１の速度の調整可能な範囲が広いので、図４に示すように、航空機１の偏流角φを容易に制御することが可能となり、複数回のフライトにおいて、合成開口アンテナ４の被観測対象物に対する合成開口による分解能及び移動軌跡を容易に一致させることが可能となる。
【００４７】
また、前記フライト・マネジメント・システム１７は図８に示すように、被観測対象物の上空を航空機１に搭載した合成開口アンテナ４を水平方向に移動させる際に、１回目の観測では、風向に対し４５度の角度をなすコースＦ１と、さらにそのコースから９０度方位を回転させた、風向と−４５度の角度をなすコースＦ２で前記合成開口アンテナ４を移動させる機能を備えている。この場合、相対的に９０度異なる方向の前記移動コースＦ１，Ｆ２上に前記航空機１を飛翔させることが望ましい。
【００４８】
前記送受信部８から出力されるSAR生データとしてのＩ／Ｑビデオ信号は、航空機１のフライト毎に高度、速度、位置、そのほかＧＰＳキネマティックポストプロセッシングに必要なデータとともに、データ記憶部１０に記録して置く。そして、地上において、前記信号処理部９は図６に示すように、干渉可能なフライトコースにて取得した２組のSAR生データをデータ記録部１０aから読み出しSAR画像再生処理を行う。このときに、データ記録部１０aから読み出されたキネマティックポストプロセッシング用のデータと、インターネットで得られる国土地理院のGPS基準データを使用し、フライトコースの高精度同定を行い、理想的フライトコースを飛んだ場合に得られるデータと等価になるような補正を行い、干渉可能な２つのSAR画像Ｓ１,Ｓ２が得られる。そして、SAR画像Ｓ１，Ｓ２を干渉処理して干渉SAR画像Ｓ３を得る。
【００４９】
前記信号処理部９はさらに、干渉処理、すなわち位相差抽出を行い、干渉画像を取得する。干渉SAR画像は縞模様の色によって表現される。この縞模様の色は、同じ位置での２回のSAR画像の距離の差に応じて生じる位相差を表している。このように、位相差は観測対象物の変化量に対応するため、縞模様は、その場所における観測対象物の変化に対応している。
【００５０】
前記干渉させたSAR生データ観測時のフライトコースにわずかでも差異がある場合（全く同じフライトコースでなかった場合）、干渉SAR画像データＳ３に、ターゲットエリアの山や丘などの高さに基づく干渉縞が含まれる。これらの干渉縞は、幾何学的な数値計算に基づいて補正を行い、その標高データによる干渉成分を削除し、地殻変動検出画像データＳ４を取得し、この地殻変動検出画像データＳ４に基づいて、地殻変動を検出する。この一連の画像処理は、汎用のものであり、本発明の特徴部分ではないので、その詳細について省略する。
【００５１】
次に、本発明の実施形態に係る動作について説明する。
【００５２】
本発明の実施形態において、図９に示すように、フライト・マネジメント・システム１７は、第１回目のフライトのために設定したフライトコース２ａに沿って航空機１を誘導しながら、航空機１に搭載された合成開口アンテナ４をフライトコース２ａに沿って被観測対象物１８の上空を移動させる。
【００５３】
合成開口アンテナ４がフライトコース２ａに沿って移動する際に、送受信部８は、送信信号を出力し、この送信信号を合成開口アンテナ４に送出す。合成開口アンテナ４は、受取った送信信号を被観測対象物１８に向けて放射する。また、合成開口アンテナ２は、被観測対象物１８で反射した反射波を受信し、その受信信号を送受信部８に出力する。
【００５４】
送受信部８は、合成開口アンテナ４からの受信信号を受取ると、この受信信号をSAR生データであるＩ／Ｑビデオ信号に変換して、このビデオ信号をデータ記録部１０に出力する。
【００５５】
このように、第１回目の航空機１によるSAR画像の取得が終了した時点で、次のフライトまでに地殻変動が予想される設定された期間をおいて、第２回目の航空機１によるフライトを行う。
【００５６】
第２回目の航空機１によるフライトは、第１回目の航空機１によるフライトを行った時期に対して時間が経過されており、航空機１が受ける横風の条件は異なっている場合がある。
【００５７】
図３（ａ）に示すように、航空機１は、設定されたフライトコースＦ３に沿って飛行している場合、すなわち航空機１に搭載された合成開口アンテナ４が正規の飛翔方向（設定されたフライトコースＦ３）に沿って移動している場合には、合成開口アンテナ４の被観測対象物１８に対する観測方向４ａは実線で示すようになっている。
【００５８】
しかし、航空機１が横風を受けて、そのフライトコースＦ４が、設定されたフライトコースＦ３に対して角度θ１だけずれると、合成開口アンテナ４の被観測対象物１８に対する観測方向４ａ１は２点鎖線で示すように、実線で示す正規の分解能４ａに対してずれてしまう。
【００５９】
このように、合成開口アンテナ４による被観測対象物１８に対する観測方向が１回目の観測とずれると、図１０に示すように、SARデータの第１回目の観測画像のアジマス方向ドップラー信号成分Ｇ１と第２回目の観測画像のアジマス方向ドップラー信号成分Ｇ２の重なった部分が少なくなる。そこで、重なる部分を多くする必要がある。
【００６０】
第１回目の干渉SAR画像の取得を行った航空機１のフライトコース２ａに沿って第２回目の航空機１による飛行を行い、合成開口アンテナ４を被観測対象物１８の上空に移動させる際に、航空機１の機首の偏流角φをコントロールする。
【００６１】
図７に示すように、先ずステップＳ１０において、フライト・マネジメント・システム１７は、第２回目の航空機１による飛行情報を図１に示す飛行情報検出部から得る。フライト・マネジメント・システム１７は、受取った飛行情報に基づいて、第１回目のSAR画像取得時の合成開口アンテナ４の向きと第２回目のSAR画像取得時の合成開口アンテナ４の向きが一致している場合（ステップＳ１０のYES）、ステップＳ１１の処理に移行して、引続いて合成開口アンテナ４の向きの一致・不一致の監視を継続して行う。
【００６２】
フライト・マネジメント・システム１７は、受取った飛行情報に基づいて、第１回目のSAR画像取得時の合成開口アンテナ４の向きと第２回目のSAR画像取得時の合成開口アンテナ４の向きが不一致であると判断した場合（ステップＳ１０のNO）、図４に示すように、フライトコースに対して航空機１と横風の相対風向角度がθである場合、航空機１はフライトコースに対して偏流角φの方向に速度Ｖａで飛行することにより、フライトコースに沿って実質的に飛行することとなる。
【００６３】
そこで、図７の演算処理のステップＳ１２において、フライト・マネジメント・システム１７は図４に示すように、フライトコースに対する相対風向をθ度、風速をＶｗノット、飛翔体のフライトコースに対する偏流角をφ度とすると、偏流角φ度となる前記飛翔体の飛翔対気速度Ｖａを、Ｖａ＝（Ｖｗｓｉｎθ）／ｓｉｎφにすることにより、複数回の前記合成開口アンテナの移動軌跡における前記飛翔体の偏流角をφ度に統一させる。
【００６４】
フライト・マネジメント・システム１７はステップＳ１３において、合成開口アンテナ４の向きの監視を継続し、偏流角φを制御した後の合成開口アンテナ４の向きが補正した向きになったか、すなわち、航空機１の偏流角が補正された後の偏流角φに制御されているかを判断する。
【００６５】
航空機１の偏流角φが補正されていない場合には、フライト・マネジメント・システム１７は、航空機１の速度を制御し（ステップＳ１４）、再度合成開口アンテナ４の向きの監視を継続し、偏流角φを補正した後の合成開口アンテナ４の向きが補正した向きになったか、すなわち、航空機１の偏流角が補正された後の偏流角φに補正されているかを判断する（ステップＳ１５）。
【００６６】
ステップＳ１５において、航空機１の速度制御を行った結果、合成開口アンテナ４の向きが修正されていなければ、その向きが修正されるまで航空機１の速度制御を継続して行う（ステップＳ１５のNO、ステップＳ１４）。
【００６７】
フライト・マネジメント・システム１７は、受取った飛行情報に基づいて、第１回目のSAR画像取得時の合成開口アンテナ４の向きと第２回目のSAR画像取得時の合成開口アンテナ４の向きが一致している場合（ステップＳ１５のYES）、ステップＳ１６の処理に移行して、引続いて合成開口アンテナ４の向きの一致・不一致の監視を継続して行う。
【００６８】
以上の説明では、合成開口アンテナ４を一方向にのみ移動させた場合について説明したが、これに限られるのものではない。
【００６９】
図８に示すように、被観測対象物の上空を航空機１に搭載した合成開口アンテナ４を水平方向に移動させる際に、１回目の観測では、風向に対し４５度の角度をなすコースＦ１と、さらにそのコースから９０度方位を回転させた、風向と−４５度の角度をなすコースＦ２で前記合成開口アンテナ４を移動させる機能を備えている。この場合、相対的に９０度異なる方向の前記移動コースＦ１，Ｆ２上に前記航空機１を飛翔させる。
【００７０】
第１回目のSAR画像データを取得した後、第２回目の合成開口アンテナ４を移動させる場合、風向きによっては、移動コースＦ２に沿って合成開口アンテナ４を移動させることが不可能な場合がある。
【００７１】
この場合には、２つの移動コースＦ１，Ｆ２のうち、残りの移動コースＦ１に沿って合成開口アンテナ４を移動させれば、第２回目の合成開口アンテナ４によるSAR画像データの取得を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上説明したように本発明によれば、合成開口アンテナを移動させる際に、飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを制御するため、複数回のフライトを行った際にも、前記補正処理に基づいて、合成開口アンテナの被観測対象物に対する観測方向がほぼ同一の範囲に収束することができる。さらに、合成開口アンテナを複数回のフライトにおいて、ほぼ同一の軌跡上を移動させることができ、ヨーステアリング機能を用いずに、干渉させられるSAR画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施形態に係る被観測対象物の観測装置を示す構成図である。
【図２】図２（ａ）は、合成開口アンテナを航空機に取付けた状態を示す正面図、図２（ｂ）は、レドームで表面が覆われた合成開口アンテナを示す平面図、図２（ｃ）は、レドームで表面が覆われた合成開口アンテナを断面した断面側面図である。
【図３】図３（ａ）は、設定されたフライトコースを飛行している状態を示す斜視図、図３（ｂ）は、横風を受けて飛行する状態を示す斜視図である。
【図４】横風を受けて飛行する場合の航空機の偏流角を調整するための説明図である。
【図５】本発明の実施形態における飛行高度を説明する説明図である。
【図６】取得したSAR生データを干渉させて干渉SAR画像データを得るまでの流れを示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態における動作を説明するフロートチャートである。
【図８】本発明の実施形態におけるフライトコースの例を示す説明図である。
【図９】リピートパス干渉SAR画像を取得するための飛行状態を説明する説明図である。
【図１０】干渉SAR画像を得るための干渉処理を説明する説明図である。
【符号の説明】
【００７４】
１ 航空機（飛翔体）
４ 合成開口（レーダ）アンテナ
９ 信号処理部
１０ データ記録部（搭載側）
１０ａ データ記録再生部（地上側）
１３ ディファレンシャルGPS
１４ 慣性姿勢計測装置
１７ フライト・マネジメント・システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナを水平方向に移動させて、当該合成開口アンテナから電波を送受信するステップと、
前記合成開口アンテナで受信した反射波を画像データに信号処理するステップと、
前記ステップを繰返し実行して得た複数の画像データを干渉処理してSAR画像データを取得するステップを有し、
前記合成開口アンテナを移動させる際に、前記飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを制御することにより、前記合成開口アンテナの前記被観測対象物に対する観測方向を統一させることを特徴とする被観測対象物の観測方法。
【請求項２】
フライトコースに対する相対風向をθ度、風速をＶｗノット、フライトコースに対する飛翔体の偏流角をφ度とすると、
偏流角φ度となる前記飛翔体の飛翔対気速度Ｖａを、
Ｖａ＝（Ｖｗｓｉｎθ）／ｓｉｎφにすることにより、
複数回の前記合成開口アンテナの移動軌跡における前記飛翔体の偏流角をφ度に統一させることを特徴とする請求項１に記載の被観測対象物の観測方法。
【請求項３】
前記飛翔体の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度での飛翔を避けて、前記飛翔体の飛翔高度を、失速速度と最高速度の間の速度許容範囲が広い高度に落して、前記飛翔体を飛翔させることを特徴とする請求項１に記載の被観測対象物の観測方法。
【請求項４】
前記飛翔体の飛翔高度を、約３，０００ｍ〜６，２００ｍの範囲の高度に設定することを特徴とする請求項３に記載の被観測対象物の観測方法。
【請求項５】
被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナを水平方向に移動させる際に、方向が異なる移動コースに前記合成開口アンテナを移動させて、画像データを取得することを特徴とする請求項１に記載の被観測対象物の観測方法。
【請求項６】
前記移動コースを相対的に９０度異なる方向に設定することを特徴とする請求項５に記載の被観測対象物の観測方法。
【請求項７】
被観測対象物の上空を飛翔体に搭載されて移動しながら、電波を送受信する合成開口アンテナと、
前記合成開口アンテナで受信した反射波を画像化した複数の画像データを干渉処理してSAR干渉画像を得る信号処理部と、
前記合成開口アンテナを移動させる際に、前記飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを制御することにより、前記合成開口アンテナの前記被観測対象物に対する観測方向を一致させる機能を備えたフライト・マネジメント・システムを有することを特徴とする被観測対象物の観測装置。
【請求項８】
前記フライト・マネジメント・システムは、
フライトコースに対する相対風向をθ度、風速をＶｗノット、フライトコースに対する飛翔体の偏流角をφ度とすると、
偏流角φ度となる前記飛翔体の飛翔対気速度Ｖａを、
Ｖａ＝（Ｖｗｓｉｎθ）／ｓｉｎφにすることにより、
複数回の前記合成開口アンテナの移動軌跡における前記飛翔体の偏流角をφ度に統一させる機能を備えていることを特徴とする請求項７に記載の被観測対象物の観測装置。
【請求項９】
前記フライト・マネジメント・システムは、
前記飛翔体の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度での飛翔を避けて、前記飛翔体の飛翔高度を、失速速度と最高速度の間の速度許容範囲が広い高度に落して、前記飛翔体を飛翔させる機能を備えていることを特徴とする請求項７に記載の被観測対象物の観測装置。
【請求項１０】
前記フライト・マネジメント・システムは、
被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナを水平方向に移動させる際に、方向が異なる移動コースに前記合成開口アンテナを移動させる機能を備えていることを特徴とする請求項７に記載の被観測対象物の観測装置。
【請求項１１】
前記フライト・マネジメント・システムは、
相対的に９０度異なる方向の前記移動コース上に前記飛翔体を飛翔させる機能を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の被観測対象物の観測装置。
【請求項１】
被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナを水平方向に移動させて、当該合成開口アンテナから電波を送受信するステップと、
前記合成開口アンテナで受信した反射波を画像データに信号処理するステップと、
前記ステップを繰返し実行して得た複数の画像データを干渉処理してSAR画像データを取得するステップを有し、
前記合成開口アンテナを移動させる際に、前記飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを制御することにより、前記合成開口アンテナの前記被観測対象物に対する観測方向を統一させることを特徴とする被観測対象物の観測方法。
【請求項２】
フライトコースに対する相対風向をθ度、風速をＶｗノット、フライトコースに対する飛翔体の偏流角をφ度とすると、
偏流角φ度となる前記飛翔体の飛翔対気速度Ｖａを、
Ｖａ＝（Ｖｗｓｉｎθ）／ｓｉｎφにすることにより、
複数回の前記合成開口アンテナの移動軌跡における前記飛翔体の偏流角をφ度に統一させることを特徴とする請求項１に記載の被観測対象物の観測方法。
【請求項３】
前記飛翔体の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度での飛翔を避けて、前記飛翔体の飛翔高度を、失速速度と最高速度の間の速度許容範囲が広い高度に落して、前記飛翔体を飛翔させることを特徴とする請求項１に記載の被観測対象物の観測方法。
【請求項４】
前記飛翔体の飛翔高度を、約３，０００ｍ〜６，２００ｍの範囲の高度に設定することを特徴とする請求項３に記載の被観測対象物の観測方法。
【請求項５】
被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナを水平方向に移動させる際に、方向が異なる移動コースに前記合成開口アンテナを移動させて、画像データを取得することを特徴とする請求項１に記載の被観測対象物の観測方法。
【請求項６】
前記移動コースを相対的に９０度異なる方向に設定することを特徴とする請求項５に記載の被観測対象物の観測方法。
【請求項７】
被観測対象物の上空を飛翔体に搭載されて移動しながら、電波を送受信する合成開口アンテナと、
前記合成開口アンテナで受信した反射波を画像化した複数の画像データを干渉処理してSAR干渉画像を得る信号処理部と、
前記合成開口アンテナを移動させる際に、前記飛翔体が受ける横風による偏流角のずれを制御することにより、前記合成開口アンテナの前記被観測対象物に対する観測方向を一致させる機能を備えたフライト・マネジメント・システムを有することを特徴とする被観測対象物の観測装置。
【請求項８】
前記フライト・マネジメント・システムは、
フライトコースに対する相対風向をθ度、風速をＶｗノット、フライトコースに対する飛翔体の偏流角をφ度とすると、
偏流角φ度となる前記飛翔体の飛翔対気速度Ｖａを、
Ｖａ＝（Ｖｗｓｉｎθ）／ｓｉｎφにすることにより、
複数回の前記合成開口アンテナの移動軌跡における前記飛翔体の偏流角をφ度に統一させる機能を備えていることを特徴とする請求項７に記載の被観測対象物の観測装置。
【請求項９】
前記フライト・マネジメント・システムは、
前記飛翔体の失速速度と最高速度が接近して速度許容範囲が狭い高高度での飛翔を避けて、前記飛翔体の飛翔高度を、失速速度と最高速度の間の速度許容範囲が広い高度に落して、前記飛翔体を飛翔させる機能を備えていることを特徴とする請求項７に記載の被観測対象物の観測装置。
【請求項１０】
前記フライト・マネジメント・システムは、
被観測対象物の上空を飛翔体に搭載した合成開口アンテナを水平方向に移動させる際に、方向が異なる移動コースに前記合成開口アンテナを移動させる機能を備えていることを特徴とする請求項７に記載の被観測対象物の観測装置。
【請求項１１】
前記フライト・マネジメント・システムは、
相対的に９０度異なる方向の前記移動コース上に前記飛翔体を飛翔させる機能を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の被観測対象物の観測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−３３２５８（Ｐ２００７−３３２５８Ａ）
【公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２１７５６３（Ｐ２００５−２１７５６３）
【出願日】平成１７年７月２７日（２００５．７．２７）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月２７日（２００５．７．２７）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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