JP7779398B2 - 信号処理装置および信号処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、信号処理装置および信号処理方法に関する。

合成開口レーダ（ＳＡＲ：synthetic Aperture Radar）技術は、飛翔体（人工衛星や飛行機等）が移動しながら、飛翔体に搭載されたレーダにおけるアンテナが電磁波を送受信し、大きな開口を持ったアンテナの場合と等価な画像（ＳＡＲ画像）が得られるように人工的に開口を合成する技術である。以下、飛翔体として、人工衛星を例にする。人工衛星をＳＡＲ衛星ということがある。

広い領域が撮影されたＳＡＲ画像に対する需要が高まっている。また、高解像度のＳＡＲ画像対する需要が高まっている。また、ビデオＳＡＲに関する研究が進められている。ＳＡＲ画像を高解像度化するために、長期間に亘って撮影領域にアンテナを向けることによって合成開口長を長くすることが考えられる。また、スクイント撮影（スクイント観測）を行うときに、アンテナのスクイント角を大きくすることによって、撮影領域を広げることが考えられる（例えば、特許文献１参照）。スクイント撮影では、アジマス方向またはその逆方向にアンテナを傾けて撮影領域が撮影される。また、スクイント撮影では、アンテナの傾きが変動することもある。

なお、特許文献２には、地上投影方法（地上投影変換）の一例が記載されている。

特開２０１２－０９３２５７号公報 国際公開第２０１０／１４９１３２号

スクイント撮影が実行される場合、人工衛星に搭載されたレーダが受信した受信信号（観測信号）に基づいて画像が生成されるときに、図１７に例示するように、スペクトル（強度分布）Ａが傾く。傾きの程度は、スクイント角に依存する。図１７は、観測信号に基づく画像化後のスペクトルＡを模式的に表す説明図である。具体的には、図１７には、観測信号をフーリエ変換した後のスペクトルＡが示されている。スペクトルＡは、信号が存在する領域であるともいえる。図１７において、アジマス周波数軸に平行な辺とレンジ周波数軸に水平な辺からなる矩形の領域Ｂは、傾きがない場合のスペクトルを示す。

スペクトルＡは、アジマス周波数方向とレンジ周波数方向のそれぞれに、帯域幅が広がっている。スペクトルＡ内の全ての信号を対象としてサンプリングしようとすると、スペクトルＡを包含する領域Ｃを対象とする必要がある。なお、サンプリングは、アジマス周波数軸とレンジ周波数軸と２軸のそれぞれに沿って実行されるとする。例えば、スペクトルＡと同サイズの領域ＢスペクトルＡをサンプリングすると、エイリアシングが生じる可能性がある。したがって、スペクトルＡよりも広い領域Ｃを対象とするサンプリングが求められる。領域Ｃを対象とするサンプリングを行うと、データ量が増大する。すなわち、スクイント撮影が実行される場合などには、レーダ画像のデータ量が増大してしまうという課題がある。

本発明は、レーダ画像のデータ量の増大を抑制することを目的の一つとする。

本発明による信号処理装置は、スペクトルの周囲に画素を追加するアップサンプル手段と、画像化アルゴリズムとしてのゼロドップラーアルゴリズムに基づいて画像化処理を行うゼロドップラー結像処理手段と、画像化処理の結果のスペクトルを回転させる回転処理手段と、スペクトルの周囲の画素数を減らす処理を行うダウンサンプル手段とを備え、衛星の進行方向に直交する直交方向とは異なる方向に信号を照射する衛星が該信号を照射する方向を表す第１方向と、進行方向および直交方向がなす平面において第１方向に直交する第２方向とに沿って表すデータ形式にて、信号に対する反射信号に関する情報を作成する。

本発明による信号処理方法は、コンピュータがスペクトルの周囲に画素を追加し、画像化アルゴリズムとしてのゼロドップラーアルゴリズムに基づいて画像化処理を行い、画像化処理の結果のスペクトルを回転させ、スペクトルの周囲の画素数を減らす処理を行い、衛星の進行方向に直交する直交方向とは異なる方向に信号を照射する衛星が該信号を照射する方向を表す第１方向と、進行方向および直交方向がなす平面において第１方向に直交する第２方向とに沿って表すデータ形式にて、信号に対する反射信号に関する情報を、コンピュータが作成する。

本発明による信号処理プログラムは、コンピュータに、スペクトルの周囲に画素を追加させ、画像化アルゴリズムとしてのゼロドップラーアルゴリズムに基づいて画像化処理を行わせ、画像化処理の結果のスペクトルを回転させ、スペクトルの周囲の画素数を減らす処理を行わせ、衛星の進行方向に直交する直交方向とは異なる方向に信号を照射する衛星が該信号を照射する方向を表す第１方向と、進行方向および直交方向がなす平面において第１方向に直交する第２方向とに沿って表すデータ形式にて、信号に対する反射信号に関する情報を作成する処理を実行させる。

本発明によれば、画像を生成するためのデータ量の増大を抑制できる。

レーダ画像の投影面、飛翔体例えば人工衛星、地表面、各種方向を説明するための説明図である。 レーダ画像の座標系の例を説明するための説明図である。 レーダ画像の座標系の例を説明するための説明図である。 レーダ画像の座標系の例を説明するための説明図である。 第１の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。 第２の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。 第２の実施形態の信号処理装置の動作を示すフローチャートである。 第３の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。 第３の実施形態の信号処理装置の動作を示すフローチャートである。 第３の実施形態におけるシフト処理を説明するための説明図である。 第４の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。 ゼロドップラーを説明するための説明図である。 第４の実施形態におけるゼロドップラー処理を説明するための説明図である。 第５の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。 第６の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。 斜交座標情報を説明するための説明図である。 第７の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。 ＣＰＵを有するコンピュータの一例を示すブロック図である。 観測信号をフーリエ変換した後のスペクトルＡを模式的に表す説明図である。

図１は、レーダ画像の投影面、飛翔体例えば人工衛星、地表面、各種方向を説明するための説明図である。図１には、人工衛星の進行方向と、人工衛星のアンテナの向く方向であるアンテナ方向とが示されている。その２つの方向がなす平面が投影面として示されている。また、進行方向に対して直交し、投影面に含まれる方向を進行方向直交方向として示している。以下、アンテナ方向をレンジ方向と呼ぶ。また、衛星進行方向直交方向は、後述するようにドップラーが０になる方向である。よって、その方向を、ゼロドップラー（Zero Doppler）方向とも呼ぶ。ゼロドップラー方向とアンテナ方向とがなす角をスクイント角とし、この角度がおおよそ５度を超える場合をハイスクイントとする。

一般に、レーダ画像においては、ゼロドップラー方向とレンジ方向とを同一として扱うことが多い。しかし、ハイスクイントの場合にはその違いを無視することができないため、明確に区別して扱うことにする。衛星は、アンテナを備えている。アンテナがレンジ方向に照射した電磁波が楕円で示されている部分に当たり、跳ね返ってきたものについて、その位相の遅れや反射の強さ等が記録される。なお、レーダ画像における投影については、衛星軌道上のある位置に対して、その衛星進行方向と垂直に交わる平面内でその位置からの距離が等しい全ての位置からの反射が加算され、その全ての位置の中でレーダ画像投影面と交差する位置に記録される。また、衛星が進行するごとに電磁波の照射位置がずれていき、異なる衛星位置に対して異なる地上の位置の電磁波の反射が記録される。

合成開口レーダにおいては、複数の衛星位置から広がりをもって照射された電磁波の反射を合成することにより、ある衛星位置から仮に小さな広がりで照射された電磁波の反射が算出される。その際の合成後の衛星位置のことをアジマス等と呼称する。実態として衛星位置との違いはないため、ここではアジマスと衛星位置とを区別しないことにする。すなわち、アジマス方向とは衛星進行方向のことである。その方向に展開される座標軸をアジマス軸と呼称する。なお、図１に示すように平らな地表面とそれに平行となる直線である軌道に基づいて説明したが、現実の衛星における球面である、地表面と曲線である衛星軌道に対しても同様である。また、曲面と曲線である地表面と衛星軌道によって取得されたレーダ画像に対して、それに近いレーダ画像を取得できる平面と直線である地表面と衛星軌道を近似的に導出できることは公知である。この近似幾何上でのスクイント角を実効スクイント角等と呼称するが、以下の説明では特にそれらを区別しない。

図２Ａ～図２Ｃは、レーダ画像の座標系の例を説明するための説明図である。すなわち、図２Ａ～図２Ｃは、図１に示す投影面内における座標系を示している。図２Ａには、人工衛星１の進行方向とそれに直交する方向とを２軸とする座標系が示されている。座標系の軸方向は、サンプリングの方向に対応する。図２Ｂには、人工衛星１の進行方向と人工衛星のレンジ方向とを２軸とする座標系が示されている。図２Ｃには、人工衛星１のレンジ方向とそれに直交する方向とを２軸とする座標系が示されている。なお、格子は、空間を分割する複数の縦の線と横の線との各々を意味する。格子で囲まれた四角形のメッシュは画素に相当する。すなわち、レーダ画像は、多数のメッシュで構成される。図２Ａおよび図２Ｃには、一つのメッシュすなわち一つの画素がマーキングで明示されている。以下、レンジ方向をアンテナ方向という。

図２Ａに示された座標系が用いられる場合には、図１７に例示されたようにスペクトラムが傾く。その結果、エイリアシングを回避するためにデータ量が多くなる。なお、観測信号は例えば記憶装置に格納されている。図２Ａに示された座標系が用いられる場合には、一例として、観測信号に対応する、ゼロドップラー方向での時刻が、記憶装置に保存されている。ゼロドップラーは、衛星の移動で生じるドップラーが０になる方向のことである。一般に、ドップラーが０になる方向は、衛星の移動速度ベクトルと直交する方向である。多くの場合に、ゼロドップラーは、軌道直交方向またはそれに地球の時点に依存した観測対象の移動速度を加味した方向ことである。また、ゼロドップラー方向での時刻は、観測対象が衛星から見てゼロドップラーの方向（軌道直交方向）の真正面位置を通過した時刻である。すなわち、衛星画像処理システムは、一般に、その衛星の軌道と各画素のゼロドップラーの時刻とを結びつけることによって、各画素における衛星の位置を算出することができるようになっている。

図２Ｂに示された座標系が用いられる場合には、スペクトラムは、平行四辺形状になる。その結果、図２Ａに示された座標系が用いられる場合に比べて、エイリアシングを回避するために要するデータの量は減る。しかし、レーダ画像を加工する場合、例えば移動させるような場合に、処理の負担が大きくなる。図２Ｂに示された座標系が用いられる場合には、一例として、アンテナ方向に対する遅延時間と、撮影時間中にアンテナがレンジ方向を向き続けていたと仮定した場合に散乱体がアンテナ正面に来る時刻とが、観測信号に対応付けた形で記憶装置に保存されている。なお、遅延時間は、電磁波が発射されてから反射波が受信されるまでの時間である。

図２Ｃに示す座標系は、下記の実施形態において用いられる座標系である。図２Ｃに示す座標系を用いて、２軸のそれぞれに沿ってサンプリングが実行される場合、不要な信号をサンプリングの対象にしなくてよい。したがって、レーダ画像のデータ量の増大が抑制される。

図２Ｃに示された座標系は、例えば、衛星が、該衛星の進行方向に直交する方向とは異なる方向に信号を照射する場合に用いることができる座標系である。該信号は、衛星に搭載されたレーダから地表等の観測対象に向けて照射される。そして、該信号に対する反射を表す反射信号における信号強度の強弱に応じて、観測対象の有無や、該観測対象の形状が観測される。

そして、観測された信号の強度は、たとえば、図２Ｃに示された座標系で計測されたデータ形式で表される。座標系における１つの軸は、衛星が信号を照射する方向（便宜上、「第１方向」と表すことがある。）に沿った軸である。スクイント角が０よりも大きな値の場合に、第１方向は、衛星の進行方向に直交する直交方向とは異なる方向である。他方の軸は、該進行方向および該直交方向がなす平面において、第１方向に直交する方向（便宜上、「第２方向」と表すことがある。）に沿った軸である。よって、反射信号に関する情報は、第１方向と第２方向とに沿って表すデータ形式で作成される。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

実施形態１．
図３は、第１の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。図３に示す信号処理装置は、傾斜画像生成部１００と、衛星観測データ記憶部１３０とを備えている。

衛星観測データ記憶部１３０には、観測信号１３１と衛星情報１３２とが格納されている。観測信号は、人工衛星のレーダで受信された受信信号である。衛星情報は、衛星位置、アンテナ方向、帯域幅などを含む。

傾斜画像生成部１００は、衛星情報に基づいて、例えば、図２Ｃに例示された２軸を生成する。そして、傾斜画像生成部１００は、所定の方法を用いて、各画素の散乱強度を求める。

言い換えると、傾斜画像生成部（または、情報作成部）１００は、図２Ｃを参照しながら上述したような、第１方向と第２方向とに沿って表すデータ形式にて、散乱強度に関する情報を作成する。第１方向は、衛星の進行方向に直交する直交方向とは異なる方向に信号を照射する衛星が、該信号を照射する方向を表す方向である。第２方向は、該進行方向および該直交方向とがなす平面において、該第１方向とに直交する方向である。

実施形態２．
図４は、第２の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。図４に示す信号処理装置は、傾斜画像生成部１００と、衛星観測データ記憶部１３０とを備えている。第２の実施形態では、傾斜画像生成部１００は、格子生成部１１１と逆投影部１１２とを含む。第２の実施形態の信号処理装置は、図３に示された第１の実施形態の信号処理装置の一具体例に相当する。

格子生成部１１１は、衛星情報に基づいて、あらかじめ、図２Ｃに例示された格子を生成する。逆投影部１１２は、逆投影法（Back Projection）を用いて、各画素の散乱強度
を求める。

次に、図５のフローチャートを参照して、第１の実施形態の信号処理装置の動作を説明する。

格子生成部１１１は、衛星情報に基づいて格子を生成する（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１で、格子生成部１１１は、帯域幅等の解像度算出に利用しうるパラメータと、アンテナ方向とを基に格子を生成する。なお、格子生成部１１１は、格子を、アンテナ方向と、アンテナ方向と衛星移動方向のベクトルが張る平面に存在しアンテナ方向と直交する方向との２軸で生成する。

なお、２軸は厳密に直交していなくてもよい。また、２軸は、厳密にアンテナ方向と衛星移動方向のベクトルが張る平面に存在していなくてもよい。現実の人工衛星は、地球表面の曲がり具合等に応じて宇宙空間上の曲線を飛行するので、アンテナ方向や衛星の移動方向が１つに定まらない。よって、アンテナ方向は、複数の方向のうちの代表的な方向であってもよい。すなわち、アンテナ方向は、複数の方向のうちの一部であってもよい。また、衛星の移動方向は、複数の方向のうちの代表的な方向であってもよい。すなわち、衛星の移動方向は、複数の方向のうちの一部であってもよい。

逆投影部１１２は、格子によって形成される各メッシュに対して、Back Projectionを
実行する（ステップＳ１０２）。Back Projectionは、生成されるべき画素毎に相関積分
値を計算することによって各画素を生成する方法である。すなわち、逆投影部１１２は、アンテナ方向とそれに直交する方向とを２軸とし、軸に平行な複数の格子によって形成される複数のメッシュを含む領域に、レーダ画像を生成することができる。

実施形態３．
図６は、第３の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。図６に示す信号処理装置は、傾斜画像生成部１００と、衛星観測データ記憶部１３０とを備えている。第３の実施形態では、傾斜画像生成部１００は、オメガＫアルゴリズムを使用する。第３の実施形態では、傾斜画像生成部１００は、２次元（２Ｄ）フーリエ変換部１１３、レンジスペクトルシフト部１１４、アジマススペクトルシフト部１１５、および２Ｄ逆フーリエ変換部１１６を含む。第３の実施形態の信号処理装置は、図３に示された第１の実施形態の信号処理装置の他の具体例に相当する。なお、一般的なオメガＫアルゴリズムは、２次元フーリエ変換後に実行されるレンジスペクトルシフト処理およびアジマススペクトルシフト処理を含む。

第３の実施形態では、例えば、アンテナ方向に対する遅延時間と、撮影時間中にアンテナがレンジ方向を向き続けていたと仮定した場合に散乱体がアンテナ正面に来る時刻とが、観測信号に対応付けた形で衛星観測データ記憶部１３０に、衛星情報１３２として保存されている。

２Ｄフーリエ変換部１１３は、観測信号を２次元フーリエ変換する。レンジスペクトルシフト部１１４は、レンジ方向のスペクトルシフト処理を行う。アジマススペクトルシフト部１１５は、アジマス方向のスペクトルシフト処理を行う。２Ｄ逆フーリエ変換部１１６は、２次元逆フーリエ変換を行う。

次に、図７のフローチャートおよび図８の説明図を参照して、第３の実施形態の信号処理装置の動作を説明する。図８は、シフト処理を説明するための説明図である。

２Ｄフーリエ変換部１１３は、観測信号を２次元フーリエ変換する（ステップＳ１０３）。レンジスペクトルシフト部１１４は、スペクトルをレンジ方向でシフトする（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４において、レンジスペクトルシフト部１１４は、アジマス周波数に対応するシフト量だけスペクトルをシフトする。次いで、アジマススペクトルシフト部１１５は、スペクトルをアジマス方向でシフトする（ステップＳ１０５）。

第３の実施形態では、衛星観測データ記憶部１３０における衛星情報１３２が用いられる場合、図８における上段の左側に例示されたスペクトルが得られる。なお、そのようなスペクトルは、図２Ｂに例示された座標系でのスペクトルに相当する。ステップＳ１０４の処理が実行されると、図８における上段の右側に例示されているような、アジマス方向において湾曲するスペクトルが得られる。

以下、シフト処理の具体的な処理の一例を説明する。

レンジ時間をτとし、アジマス時間をηとする。観測信号をｓ（τ，η）とする。アンテナ方向をθ_sqとする。電磁波の周波数の波数に対応するレンジ波数をｋ_carrierとする
。

また、レンジ方向の空間周波数をｋ_rgとする。アジマス方向の空間周波数をｋ_azとする。観測信号の２次元フーリエ変換によって、２次元スペクトルＳ（ｋ_rg, ｋ_az）が得られる。なお、２Ｄフーリエ変換部１１３は、レンジ方向に対する（光速／２）のスケーリング処理、および、アジマス方向に対する衛星速度によるスケーリング処理も実行する。

レンジスペクトルシフト部１１４が、（ｋ_rg, ｋ_az）で示される位置の値を（ｋ’_rg, ｋ_az）に移動されると、すなわちシフトさせると、図８における上段の右側に例示されたスペクトルが得られる。ｋ’_rgは、（１）式で表される。（１）式において、Ｃ₁は、任
意の定数である。

なお、Ｃ₁を（２）式で表されるようにした場合には、ｋ’_rgの周波数特性は、元の観
測信号の周波数特性に最も近くなる。また、Ｃ₁を（３）式で表されるようにした場合に
は、レンジ帯域の中心が０になり、画像の移動処理などにおいて必要になる補間処理が最もやりやすくなる。また、レンジ方向でエイリアシングを回避しやすくなる。

第３の実施形態では、アジマススペクトルシフト部１１５が、スペクトルのアジマス方向の傾き（図８における上段の右側参照）を是正する。具体的には、アジマススペクトルシフト部１１５は、（ｋ’_rg, ｋ_az）を（ｋ’_rg, ｋ’_az）に移動させる。ただし、ｋ’_azは、（４）式で表される。（４）式において、Ｃ₂は、任意の定数である。なお、sinθ_sqは、図８における上段の右側に例示されているスペクトルにおける傾きに対応する。

アジマススペクトルシフト部１１５が、（ｋ’_rg, ｋ_az）を（ｋ’_rg, ｋ’_az）に移動させることによって、図８における下段に例示されるようなスペクトルが得られる。なお、Ｃ₂＝０の場合には、アジマス帯域の中心が０になり、アジマス方向でエイリアシング
を回避しやすくなる。

なお、（１）式におけるtanθ_sqおよび（４）式におけるsinθ_sqは、tanθ_sqに近い値
およびsinθ_sqに近い値であってもよい。すなわち、理想的には衛星に搭載された測位シ
ステムやアンテナの制御情報等に基づいて厳密なスクイント角を用いるが、例えば正確な測位システム情報が利用できない場合に地上から反射された電磁波のドップラーシフトから逆算して用いてもよい。また、画像化の処理においては曲線の軌道を直線として近似したり曲面の地上を平面として近似する場合があるが、その近似された幾何におけるスクイント角相当のものとして、例えば、θ_sqとして、実効スクイント角を用いてもよい。また、θ_sqとして、地上から見た反射波の入射角を用いてもよい。

その後、２Ｄ逆フーリエ変換部１１６は、２次元逆フーリエ変換を行う（ステップＳ１０６）。

第３の実施形態では、図８における下段に例示されるようなスペクトルが得られる。すなわち、不要な信号が低減される。したがって、レーダ画像のデータ量の増大が抑制される。

なお、第３の実施形態でも、実質的に、アンテナ方向とそれに直交する方向とを２軸のいずれかに平行な格子によって形成される複数のメッシュを含む領域に、レーダ画像が生成される。

実施形態４．
図９は、第４の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。図９に示す信号処理装置は、傾斜画像生成部１００と、衛星観測データ記憶部１３０とを備えている。第４の実施形態では、傾斜画像生成部１００は、アップサンプル部１１７、ゼロドップラー結像処理部１１８、回転処理部１１９、およびダウンサンプル部１２０を含む。第４の実施形態では、傾斜画像生成部１００は、画像化アルゴリズムとして、一般的なゼロドップラーアルゴリズムを使用する。ゼロドップラーアルゴリズムは、ゼロドップラー方向と衛星軌道方向との二軸で画像化する画像化方法一般を意味する。

アップサンプル部１１７は、画素数を増やす処理を行う。ゼロドップラー結像処理部１１８は、ゼロドップラーアルゴリズムに基づく画像化処理すなわち結像処理としてのゼロドップラー処理を行う。回転処理部１１９は、画像化処理結果のスペクトルを回転させる処理を行う。ダウンサンプル部１２０は、スペクトルの周囲の画素数を減らす処理を行う。

図１０は、ゼロドップラーを用いた画像化処理を説明するための説明図である。ゼロドップラー処理が用いられる場合には、ゼロドップラー時刻と呼ばれる時刻情報が保存がされる。ゼロドップラー時刻は、レーダが実際に信号を受信する時刻とは異なっている。スクイント角θ_sqが小さい場合には、受信時刻とゼロドップラー時刻との乖離は少ない。よって、ゼロドップラー時刻に補間した衛星位置で地上投影しても、レーダ画像においてずれは生じない。しかし、高スクイントの場合には、受信時刻とゼロドップラー時刻とが大きく異なるので、ずれが生じる。

なお、ゼロドップラー処理が用いられる場合に、観測信号に基づいて画像が生成されるときに、図１７に例示されたように、スペクトルが傾く。その結果、エイリアシングが生じやすくなる。

第４の実施形態では、ゼロドップラー処理が用いられる場合でも、エイリアシングの発生が回避される。

図１１は、ゼロドップラー処理を説明するための説明図である。図１１における上段の左側に例示されるように、観測信号に基づいて画像が生成されるときにスペクトルが傾く。そこで、アップサンプル部１１７は、スペクトル全体がサンプリング可能になるように、実際のスペクトルの周囲に画素値０の画素を追加する（図１１における上段の右側参照）。

ゼロドップラー結像処理部１１８は、ゼロドップラー処理を実行する。ゼロドップラー処理によって、レーダ画像が得られる。しかし、図１１における下段の左側に例示されるように、スペクトルが傾く。回転処理部１１９は、スペクトルの傾きがなくなるように、画像に回転処理を施す。スペクトルの傾きを是正する。回転処理部１１９による回転処理が実行されると、図１１における下段の中央に例示されるように、スペクトルの傾きがなくなる。ダウンサンプル部１２０は、スペクトルが存在しない部分の画素を削除する（図１１における下段の右側参照）。

第４の実施形態の信号処理装置は、アップサンプルによってエイリアシングを回避できる。また、信号処理装置は、回転処理を行った後に実行されるダウンサンプルによってレーダ画像のデータ量の増大を抑制できる。

なお、上記の各実施形態は、送信アンテナと受信アンテナとが異なる位置に存在するバイスタティック構成にも適用可能である。バイスタティック構成の場合には、送信アンテナの対象物体に対する方向と、受信アンテナの対象物体に対する方向とがなす角の二等分線方向を１つの軸とし、その直交方向をもう１つの軸とすればよい。

また、複数軌道で撮影を行って立体的な合成開口処理をおこなうトモグラフィに対して、上記の各実施形態を適用可能である。トモグラフィの場合には、例えば、２次元のスクイント画像同様に、１つの軸をアンテナ方向とし、もう１つの軸を、アンテナ方向に垂直で、かつ、衛星軌道とアンテナ方向がなす面内の方向とする。そして、そのような２軸が構成する面に対して法線方向をエレベーション方向として三次元格子を作成すると、エイリアシングの発生を効果的に防ぐことができる。

バイスタティックトモグラフィ（送信機衛星が１台であるが、複数の受信機衛星が飛行する形態）では、アンテナ方向の代わりに送信機アンテナ方向と受信機アンテナ方向の角の二等分線方向を用いることによって、上記の各実施形態を適用できる。

なお、第４の実施形態でも、実質的に、アンテナ方向とそれに直交する方向とを２軸のいずれかに平行な格子によって形成される複数のメッシュを含む領域に、レーダ画像が生成される。

実施形態５．
第５の実施形態の信号処理装置は、高解像度モードまたは広域モードに効果的に適用される。例えば、ＳＡＲ画像を高解像度化するために、人工衛星に搭載されているレーダのアンテナを長期間に亘って撮影領域に向けることによって合成開口長を長くすることが考えられる。ＳＡＲ画像を高解像度化するための処理が実行されるモードを、高解像度モードとする。

また、例えば、アンテナのスクイント角を変化させながら撮影を行うことによって、撮影領域を広げることができる。広い範囲を撮影領域とするモードを、広域モードとする。以下、アンテナのスクイント角を変化させることを、アンテナを振ると表現することがある。

図１２に示す信号処理装置は、傾斜画像生成部１０１と、衛星観測データ記憶部１３０と、位相変調推定部２００とを備えている。

第５の実施形態では、傾斜画像生成部１０１は、第１の実施形態における傾斜画像生成部１００と同じ機能を有する。ただし、傾斜画像生成部１０１は、アンテナを振ったことによる影響を考慮して画像化処理を行う。例えば、画像化結果に、各時刻のアンテナの方向に依存した位相変調を表す位相変調情報が含まれる。したがって、画像における画像の位置に依存した帯域の変化を、位相変調情報から算出したり、その影響を取り除いたりすることができる。

第５の実施形態では、傾斜画像生成部１０１がレーダ画像を出力するとともに、位相変調推定部２００が、位相変調情報を出力する。位相変調推定部２００は、アンテナ方向に直交する方向の各座標における位相変調量を算出する。なお、アンテナ方向では、位相変調量は、ほぼ一定である。

撮影時に人工衛星が散乱体に近づく時には、ドップラー周波数が高い。人工衛星と散乱体との距離がほほ一定の状態で撮影が行われるときには、人工衛星は散乱体に近づきもせず遠ざかりもしないので、ドップラー周波数は０である。アンテナが振られると、人工衛星が散乱体に近づく状態と人工衛星と散乱体との距離がほほ一定の状態との双方が繰り返し現れる。

すなわち、アンテナが振られると、画像化後の各々の画素に対応する散乱体に対して電磁波が当たる時刻が異なるので、電磁波が当たった時刻のアンテナ方向に依存した帯域の変化が起こる。その結果、画像全体において位相変調が現れる。画素位置が異なると帯域が異なるので、例えば、画像の左端に対してエイリアシングしないようなサンプリングを行ったとしても、画像の右端に対してエイリアシングを起こしてしまうおそれがある。

第５の実施形態では、信号処理装置は、信号処理装置の出力を利用する画像処理装置などの装置に、位相変調情報を提供する。以下、画像処理装置などの装置を、他の装置という。

十分に遠方を撮影している条件下では、画素位置に依存した帯域の変化は帯域中心のシフトとして生じ、帯域幅の変化はかなり小さい。そのことを利用して、例えば、各画素およびその近傍から得られる帯域中心に対して０からシフトさせる位相変調を算出し、算出した位相変調をレーダ画像から除去することによってエイリアシングを回避しつつ、平行移動等の画像処理を行うことができる。

また、他の装置が干渉処理等を実行する場合、干渉処理等で、位相変調をレーダ画像から除去する処理を行った後に、互いに画像の移動による位置合わせ処理し、その後、位相変調を再付加してから干渉処理を行うことができる。また、他の装置は、位置合わせされた画像同士の干渉処理と、各々の画像に付加される位相変調同士の干渉処理とを行い、画像同士の干渉処理結果に位相変調同士の干渉処理結果を付加することによって、エイリアシングの発生を防止しつつ、正確に位相を保持した干渉処理を行える。

また、他の装置は、位相変調情報を利用することによって、エイリアシングの発生を防止しつつ、位相情報を失わずに画像を変形できる。特に、上記の各実施形態のレーダ処置装置のように斜交した座標系で画像化結果を得る場合には、以下のような効果も得られる。

すなわち、他の装置が、斜交した座標系で画像化結果について位相変調情報を計算する場合、アンテナ方向の画素位置依存性がなく、アンテナ方向に垂直な方向に二次の関数で位相変調情報を近似できるので、変形による伸縮等の処理を多項式の変形処理として簡単に行える。

また、他の装置が、干渉ＳＡＲ（Synthetic Aperture Radar Interferometry）によっ
て画像生成する場合などに、第５の実施形態の信号処理装置を利用するときに、位相変調を除去した状態で互いに位置合わせして２つのレーダ画像を干渉させることができる。他の装置は、干渉に、位相変調同士での干渉結果を付加し直す。そのような処理を実行することによって、他の装置は、処理中のエイリアシング等を回避しながら干渉処理を実行できる。

なお、位相変調推定部２００は、位相変調を、画像化アルゴリズムにおいて使用される係数の組み合わせで算出することができる。また、位相変調推定部２００は、位相変調を、衛星軌道とスクイント角と注視点位置とのみから計算することもできる。位相変調推定部２００は、位相変調を、衛星軌道と撮影対象の位置と注視点位置とのみから計算することもできる。

実施形態６．
図１３は、第６の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。図１３に示す信号処理装置は、傾斜画像生成部１００と、衛星観測データ記憶部１３０と、画像処理部３００と、地上投影部３０１とを備えている。傾斜画像生成部１０２は、第１の実施形態における傾斜画像生成部１００と同じ機能を有する。

第６の実施形態の信号処理装置の構成は、第１の実施形態の信号処理装置に、画像処理部３００と地上投影部３０１とが追加された構成である。なお、第１の実施形態以外の実施形態の信号処理装置に、画像処理部３００と地上投影部３０１とが追加されてもよい。

ただし、傾斜画像生成部１０２は、傾斜画像生成部１００の機能に加えて、斜交座標情報を作成する機能も有する。

画像処理部３００は、傾斜画像生成部１０２が生成したデータすなわちレーダ画像に対して画像処理を行う。地上投影部３０１は、画像処理結果を地上投影する地上投影処理を行う。

絶対値画像への変換や変化検知結果など、空間周波数が狭くなる画像処理が行われることがある。画像処理部３００が、そのような画像処理を行うときに、傾斜画像生成部１０２が生成したデータをそのまま使用して画像処理を行い、次いで、地上投影部３０１が地上投影処理を行うことによって、処理の計算量を削減できる。

斜交座標情報は、衛星軌道からのシフト量や座標軸方向等を含む。ただし、斜交座標情報が、例えば図１４に示すような情報、すなわち、レンジ方向、レンジ方向に対して垂直な方向、画像中心距離を含んでいれば、地上投影部３０１は、衛星軌道に基づく投影処理を行える。なお、レンジ方向およびレンジ方向に対して垂直な方向が傾斜画像生成部１０２から出力されるように構成されているのは、それらが必ずしも厳密な情報でなくてよいためである。

地上投影部３０１は、例えば、以下のように、地上投影処理を実行する。

地上投影部３０１は、レーダ画像における各々の画素が、どの衛星時刻で受信され、衛星軌道に対してどの距離にあるかを、画素番号と斜交座標情報に基づいて算出する。そして、地上投影部３０１は、地上投影を行う。例えば、地上投影部３０１は、地上の立体形状に基づいて、衛星軌道から等距離にある円と地上の立体との交差を算出する。地上投影部３０１は、より簡便に、撮影対象地点の中心における地球楕円体の接面との交差を算出してもよい。

例えば、接面を平面とし、小規模な領域における投影を行う場合には、地上投影部３０１は、特許文献２に記載された方法を若干改変することによって、Ground Control Pointすなわち地上位置とＳＡＲ画素位置を確実に整合させられる点の位置合わせと、簡単な変形によって、投影処理や位置合わせの補正処理を実現できる。なお、特許文献２に記載された方法ではアンテナ方向と衛星進行方向との２軸による座標系が用いられているのに対して、第６の実施形態では、アンテナ方向とアンテナ直交方向の２軸が使用されるように改変される。

また、特許文献２に記載された方法では、画像中の軸を表すベクトルが先に投影される。そして、各画素の投影位置が、画像中心位置に対して先に投影されたベクトルが加算された相対位置として計算される。

実施形態７．
図１５は、第７の実施形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。図１５に示す信号処理装置は、傾斜画像生成部１００と、衛星観測データ記憶部１３０と、ベクトルデータ抽出部３０２と、地上投影部３０１とを備えている。傾斜画像生成部１０２は、第１の実施形態における傾斜画像生成部１００と同じ機能を有する。

第７の実施形態の信号処理装置の構成は、第１の実施形態の信号処理装置に、ベクトルデータ抽出部３０２と地上投影部３０３とが追加された構成である。なお、第１の実施形態以外の実施形態の信号処理装置に、ベクトルデータ抽出部３０２と地上投影部３０３とが追加されてもよい。第７の実施形態の信号処理装置の構成は、第６の実施形態の信号処理装置における画像処理部３００に代えて、ベクトルデータ抽出部３０２が設けられた構成である。なお、地上投影部３０３は、地上投影部３０１と同様に地上撮影処理を行うが、地上投影部３０３の入力はベクトルデータである。

第６の実施形態と同様に、傾斜画像生成部１０２は、傾斜画像生成部１００の機能に加えて、斜交座標情報を作成する機能も有する。

ベクトルデータ抽出部３０２は、例えば、レーダ画像に画像処理が施された画像から、ベクトルデータを取得する。一例として、画像処理としてセマンティックセグメンテーションが実行される場合には、画素や画素群を接続したポリゴンを取得できる。地上投影部３０１は、ベクトルデータに基づいて地上投影処理を行う。

ベクトルデータに基づく地上投影処理の処理負荷は比較的小さい。すなわち、第７の実施形態の信号処理装置は、エイリアシングを防止しつつ、短期間で地上投影処理を実行できる。

なお、ベクトルデータ抽出部３０２は、干渉データ解析機能を含んでいてもよい。

上記の実施形態における各構成要素は、１つのハードウェアで構成可能であるが、１つのソフトウェアでも構成可能である。また、各構成要素は、複数のハードウェアでも構成可能であり、複数のソフトウェアでも構成可能である。また、各構成要素のうちの一部をハードウェアで構成し、他部をソフトウェアで構成することもできる。

上記の実施形態における各機能を、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッ
サやメモリ等を有するコンピュータで実現可能である。例えば、記憶装置に上記の実施形態における方法を実施するためのプログラムを格納し、各機能を、記憶装置に格納されたプログラムをＣＰＵで実行することによって実現してもよい。

図１６は、ＣＰＵを有するコンピュータの一例を示すブロック図である。コンピュータは、信号処理装に実装される。ＣＰＵ１０００は、記憶装置１００１に格納された信号処理プログラムに従って処理を実行することによって、上記の実施形態における信号処理装置の機能を実現する。

具体的には、第１の実施形態の場合には、コンピュータは、傾斜画像生成部１００の機能を実現する。第２の実施形態の場合には、コンピュータは、格子生成部１１１および逆投影部１１２の機能を実現する。第３の実施形態の場合には、コンピュータは、２Ｄフーリエ変換部１１３、レンジスペクトルシフト部１１４、アジマススペクトルシフト部１１５、および２Ｄ逆フーリエ変換部１１６の機能を実現する。第４の実施形態の場合には、コンピュータは、アップサンプル部１１７、ゼロドップラー結像処理部１１８、回転処理部１１９、およびダウンサンプル部１２０の機能を実現する。第５の実施形態の場合には、コンピュータは、傾斜画像生成部１００および位相変調推定部２００の機能を実現する。第６の実施形態の場合には、コンピュータは、傾斜画像生成部１０２、画像処理部３００、および地上投影部３０１の機能を実現する。第７の実施形態の場合には、コンピュータは、傾斜画像生成部１０２、ベクトルデータ抽出部３０２、および地上投影部３０３の機能を実現する。

記憶装置１００１は、例えば、非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）である。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの
実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読
媒体の具体例として、磁気記録媒体（例えば、ハードディスク）、光磁気記録媒体（例えば、光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc-Read Only Memory）、ＣＤ－Ｒ（Compact Disc-Recordable）、ＣＤ－Ｒ／Ｗ（Compact Disc-ReWritable）、半導体メモリ
（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM
）、フラッシュＲＯＭ）がある。

衛星観測データ記憶部１３０は、記憶装置１００１で実現可能である。

また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium ）に格納されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体には、例えば、有線通信路または無線通信路を介して、すなわち、電気信号、光信号または電磁波を介して、プログラムが供給される。

メモリ１００２は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）で実現され、ＣＰＵ１０００が処理を実行するときに一時的にデータを格納する記憶手段である。メモリ１００２に、記憶装置１００１または一時的なコンピュータ可読媒体が保持するプログラムが転送され、ＣＰＵ１０００がメモリ１００２内のプログラムに基づいて処理を実行するような形態も想定しうる。

信号処理装置は、アンテナ方向に直交する方向の各座標における位相変調量を算出する位相変調推定手段（実施形態では、位相変調推定部２００で実現される。）を備えていてもよい。

信号処理装置は、レーダ画像に対して画像処理を施す画像処理手段（実施形態では、画像処理部３００で実現される。）と、画像処理の結果を地上投影する処理を行う地上投影手段（実施形態では、地上投影部３０１で実現される。）とを備えていてもよい。

信号処理装置は、レーダ画像に画像処理が施された画像から、ベクトルデータを取得するベクトルデータ抽出手段（実施形態では、ベクトルデータ抽出部３０２で実現される。）と、ベクトルデータに基づく地上投影処理を行う地上投影手段（実施形態では、地上投影部３０３で実現される。）とを備えていてもよい。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１００，１０１，１０２ 傾斜画像生成部
１１１ 格子生成部
１１２ 逆投影部
１１３ ２Ｄフーリエ変換部
１１４ レンジスペクトルシフト部
１１５ アジマススペクトルシフト部
１１６ ２Ｄ逆フーリエ変換部
１１７ アップサンプル部
１１８ ゼロドップラー結像処理部
１１９ 回転処理部
１２０ ダウンサンプル部
１３０ 衛星観測データ記憶部
１３１ 観測信号
１３２ 衛星情報
２００ 位相変調推定部
３００ 画像処理部
３０１，３０３ 地上投影部
３０２ ベクトルデータ抽出部
１０００ ＣＰＵ
１００１ 記憶装置
１００２ メモリ

Claims (5)

1. スペクトルの周囲に画素を追加するアップサンプル手段と、
   画像化アルゴリズムとしてのゼロドップラーアルゴリズムに基づいて画像化処理を行うゼロドップラー結像処理手段と、
   前記画像化処理の結果のスペクトルを回転させる回転処理手段と、
   スペクトルの周囲の画素数を減らす処理を行うダウンサンプル手段とを備え、
   衛星の進行方向に直交する直交方向とは異なる方向に信号を照射する衛星が該信号を照射する方向を表す第１方向と、前記進行方向および前記直交方向がなす平面において前記第１方向に直交する第２方向とに沿って表すデータ形式にて、前記信号に対する反射信号に関する情報を作成する
   信号処理装置。
2. 前記第２方向の各座標における位相変調量を算出する位相変調推定手段を備えた
   請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記第１方向と、前記第２方向とを軸とする複数の格子を生成する格子生成手段と、
   逆投影法によって、前記複数の格子の間に画素を生成する逆投影手段とを備えた
   請求項１または請求項２に記載の信号処理装置。
4. コンピュータが
   スペクトルの周囲に画素を追加し、
   画像化アルゴリズムとしてのゼロドップラーアルゴリズムに基づいて画像化処理を行い、
   前記画像化処理の結果のスペクトルを回転させ、
   スペクトルの周囲の画素数を減らす処理を行い、
   衛星の進行方向に直交する直交方向とは異なる方向に信号を照射する衛星が該信号を照射する方向を表す第１方向と、前記進行方向および前記直交方向がなす平面において前記第１方向に直交する第２方向とに沿って表すデータ形式にて、前記信号に対する反射信号に関する情報を、前記コンピュータが作成する
   信号処理方法。
5. コンピュータに、
   スペクトルの周囲に画素を追加させ、
   画像化アルゴリズムとしてのゼロドップラーアルゴリズムに基づいて画像化処理を行わせ、
   前記画像化処理の結果のスペクトルを回転させ、
   スペクトルの周囲の画素数を減らす処理を行わせ、
   衛星の進行方向に直交する直交方向とは異なる方向に信号を照射する衛星が該信号を照射する方向を表す第１方向と、前記進行方向および前記直交方向がなす平面において前記第１方向に直交する第２方向とに沿って表すデータ形式にて、前記信号に対する反射信号に関する情報を作成する処理
   を実行させるための信号処理プログラム。