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技術 エリアの3D画像を生成する方法およびエリアの3D画像を生成するシステム

出願人 三菱電機株式会社
発明者 デホン・リウペトロス・ティー・ボウフォウノス
出願日 2015年2月24日 (5年9ヶ月経過) 出願番号 2015-034006
公開日 2015年9月28日 (5年1ヶ月経過) 公開番号 2015-169657
状態 特許登録済
技術分野 レーダ方式及びその細部
主要キーワード 仮想開口 空間ロケーション SARシステム 独立システム 合計本数 生データセット ダウンサンプリングレート 移動プラットフォーム
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年9月28日)のものです。
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図面 (9)

課題

取得する必要のある生データの総量を減らし、高度の分解能を上げる、エリアの3D画像を生成する方法およびエリアの3D画像を生成するシステムを提供する。

解決手段

方法は、まず、1つまたは複数のSARシステムを用いてエリアから複数のデータセット401を取得することによって、エリアの3D合成開口レーダSAR)画像を生成する。各SARシステムは、1つまたは複数の平行なベースラインと、複数のパルス繰り返し周波数PRF)とを有する。各ベースラインのPRFは異なる。データセットを登録するとともに整列し、整列したデータセットを作成する。次に、整列したデータセットに3D圧縮センシング再構成手順420を適用し、エリアに対応する3D画像430を生成する。

概要

背景

合成開口レーダSAR)システムは、移動プラットフォームに配置されたアンテナ動きを利用して大きな仮想開口部を合成し、結果として高分解能イメージングをもたらす。異なる空間ロケーションにおける各仮想配列は、ベースラインを形成する。単一パス(単一ベースライン)SARシステムは、対象エリアの2次元(2D)距離方位反射率を高度分解能なしでイメージングすることが可能である。しかしながら、エリアの3次元(3D)地形特徴等の3D構造は保持されない。

2D画像は、本質的には3D反射率空間の2D距離方位イメージング平面への投影である。この投影によって、いくつかのアーチファクトが生じる場合がある。例えば、レイオーバアーチファクトでは、異なる仰角を有するいくつかの地形パッチが同じ距離方位分解能セルマッピングされる。非特許文献1を参照されたい。

シャドーイングアーチファクトでは、ある特定のエリアが、照射経路に別の構造があることに起因してSARシステムにとって不可視である。これらのアーチファクトは、たとえ干渉SAR技法を用いたとしても、単一パスで解像することができない。

TerraSAR−XおよびCOSMO−Skymedの人工衛星打ち上げによって、3Dイメージングが可能になった。これらのシステムは、異なるベースラインおよび時間において収集された複数のパスからの複素SAR画像スタックを利用し、散乱オブジェクトの3Dロケーションおよび動き情報捕捉する3D画像を形成する。非特許文献2を参照されたい。

単一レーダプラットフォームに搭載されたアンテナ101の複数のベースライン配列を用いて、3D高度、距離および方位空間に関して3D画像を生成する従来の3DSARシステムが図1に示される。この図は、異なる高度の点散乱体102を示す。

図2は、図1のシステムの従来の3Dイメージングプロセスを示す。データ201は、各ベースライン(1,...,N)101で取得される。2DSARイメージング210は、各データ201に独立して適用され、2D画像(I1,I2,...,IN)215を構成する。画像は、登録および整列され(220)、その後、3D画像再構成(230)によって3D画像240が取得される。

3D画像は、散乱体が同じ距離方位ロケーションに存在する場合でも、追加の高度次元を用いて、高度に沿って複数の散乱体を分けることができる。しかしながら、3D画像は、いくつかのトレードオフを要する。第1に、プラットフォームは、複数のベースラインにおいて画像を取得するために、対象エリアにわたっていくつかのパスを行う必要がある。これにより、データ収集は、時間および非常に高い費用を要するものとなる。第2に、高度分解能は、仰角開口の小ささに起因して、距離および方位の分解能に比べて大幅に劣る。この仰角開口は、現代のSARセンサにおいて、例えば直径約500メートルの緊密な(tight)軌道チューブ(orbital tube)として知られる。

高度分解能は、圧縮センシング(CS)に基づく手法を用いて改善することができる。非特許文献3を参照されたい。このCS手法は、複数のベースラインと、単一SARプラットフォームの単一PRFとを用いる。この方法では、2D距離方位画像は、ベースラインごとに再構成される。そして、圧縮センシングに基づく方法が高度分解能を改善するために用いられる。この方法は、2D距離方位ピクセルごとのスパース性しか考慮していない。

概要

取得する必要のある生データの総量を減らし、高度の分解能を上げる、エリアの3D画像を生成する方法およびエリアの3D画像を生成するシステムを提供する。方法は、まず、1つまたは複数のSARシステムを用いてエリアから複数のデータセット401を取得することによって、エリアの3D合成開口レーダ(SAR)画像を生成する。各SARシステムは、1つまたは複数の平行なベースラインと、複数のパルス繰り返し周波数(PRF)とを有する。各ベースラインのPRFは異なる。データセットを登録するとともに整列し、整列したデータセットを作成する。次に、整列したデータセットに3D圧縮センシング再構成手順420を適用し、エリアに対応する3D画像430を生成する。

目的

本発明の実施形態は、合成開口レーダ(SAR)イメージングのための圧縮センシング(CS)に基づく方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

エリアの3D画像を生成する方法であって、前記3D画像は、合成開口レーダSAR)画像であり、前記方法は、1つまたは複数のSARシステムを用いて前記エリアから複数のデータセットを取得するステップであって、各SARシステムは、1つまたは複数の平行なベースラインと、複数のパルス繰り返し周波数PRF)とを有し、各ベースラインの前記PRFは異なる、ステップと、前記データセットを登録するとともに整列し、整列したデータセットを作成するステップと、前記整列したデータセットに3D圧縮センシング再構成手順を適用し、前記エリアに対応する前記3D画像を生成するステップと、を備え、前記ステップは、プロセッサで実行される、エリアの3D画像を生成する方法。

請求項2

前記データセットは、各ベースラインにおいて一様にサンプリングされる、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記ベースラインは、互いに平行である、請求項1に記載の方法。

請求項4

前記ベースラインの合計本数は、従来の3DSARシステムのものと比べて実質的に少ない、請求項1に記載の方法。

請求項5

前記データは、複数のSARシステム、または単一SARシステムの複数のパスから取得される、請求項1に記載の方法。

請求項6

前記複数のベースラインは、ランダムに空間的に分布する、請求項1に記載の方法。

請求項7

仰角開口が単一SARの軌道チューブよりも大きい、請求項1に記載の方法。

請求項8

全ての前記データセットが処理される、請求項1に記載の方法。

請求項9

前記圧縮センシング方法は、反復再構成方法である、請求項1に記載の方法。

請求項10

高度分解能が従来の3DSARシステムのものよりも実質的に高い、請求項1に記載の方法。

請求項11

エリアの3D画像を生成するシステムであって、前記3D画像は、合成開口レーダ(SAR)画像であり、前記システムは、前記エリアから複数のデータセットを取得するように構成された1つまたは複数のSARシステムであって、各SARシステムは、1つまたは複数の平行なベースラインと、複数のパルス繰り返し周波数(PRF)とを有し、各ベースラインの前記PRFは異なる、1つまたは複数のSARシステムと、前記データセットを登録するとともに整列し、整列したデータセットを作成し、前記整列したデータセットに3D圧縮センシング再構成手順を適用し、前記エリアに対応する前記3D画像を生成するように構成されたプロセッサと、を備えた、エリアの3D画像を生成するシステム。

技術分野

0001

本発明は、包括的には合成レーダシステムに関し、より詳細には、3次元断層イメージングシステムに関する。

背景技術

0002

合成開口レーダSAR)システムは、移動プラットフォームに配置されたアンテナ動きを利用して大きな仮想開口部を合成し、結果として高分解能イメージングをもたらす。異なる空間ロケーションにおける各仮想配列は、ベースラインを形成する。単一パス(単一ベースライン)SARシステムは、対象エリアの2次元(2D)距離方位反射率を高度分解能なしでイメージングすることが可能である。しかしながら、エリアの3次元(3D)地形特徴等の3D構造は保持されない。

0003

2D画像は、本質的には3D反射率空間の2D距離方位イメージング平面への投影である。この投影によって、いくつかのアーチファクトが生じる場合がある。例えば、レイオーバアーチファクトでは、異なる仰角を有するいくつかの地形パッチが同じ距離方位分解能セルマッピングされる。非特許文献1を参照されたい。

0004

シャドーイングアーチファクトでは、ある特定のエリアが、照射経路に別の構造があることに起因してSARシステムにとって不可視である。これらのアーチファクトは、たとえ干渉SAR技法を用いたとしても、単一パスで解像することができない。

0005

TerraSAR−XおよびCOSMO−Skymedの人工衛星打ち上げによって、3Dイメージングが可能になった。これらのシステムは、異なるベースラインおよび時間において収集された複数のパスからの複素SAR画像スタックを利用し、散乱オブジェクトの3Dロケーションおよび動き情報捕捉する3D画像を形成する。非特許文献2を参照されたい。

0006

単一レーダプラットフォームに搭載されたアンテナ101の複数のベースライン配列を用いて、3D高度、距離および方位空間に関して3D画像を生成する従来の3DSARシステムが図1に示される。この図は、異なる高度の点散乱体102を示す。

0007

図2は、図1のシステムの従来の3Dイメージングプロセスを示す。データ201は、各ベースライン(1,...,N)101で取得される。2DSARイメージング210は、各データ201に独立して適用され、2D画像(I1,I2,...,IN)215を構成する。画像は、登録および整列され(220)、その後、3D画像再構成(230)によって3D画像240が取得される。

0008

3D画像は、散乱体が同じ距離方位ロケーションに存在する場合でも、追加の高度次元を用いて、高度に沿って複数の散乱体を分けることができる。しかしながら、3D画像は、いくつかのトレードオフを要する。第1に、プラットフォームは、複数のベースラインにおいて画像を取得するために、対象エリアにわたっていくつかのパスを行う必要がある。これにより、データ収集は、時間および非常に高い費用を要するものとなる。第2に、高度分解能は、仰角開口の小ささに起因して、距離および方位の分解能に比べて大幅に劣る。この仰角開口は、現代のSARセンサにおいて、例えば直径約500メートルの緊密な(tight)軌道チューブ(orbital tube)として知られる。

0009

高度分解能は、圧縮センシング(CS)に基づく手法を用いて改善することができる。非特許文献3を参照されたい。このCS手法は、複数のベースラインと、単一SARプラットフォームの単一PRFとを用いる。この方法では、2D距離方位画像は、ベースラインごとに再構成される。そして、圧縮センシングに基づく方法が高度分解能を改善するために用いられる。この方法は、2D距離方位ピクセルごとのスパース性しか考慮していない。

先行技術

0010

Gini他「Layover solution in multibaselineSARinterferometry」IEEE Trans. Antennas and propagation, vol. 38(4), pp. 1344−1356, Oct 2002.
Fornaro他「Three−dimensional focusing with multipass SAR data」IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing, vol. 41(3), pp. 507−517, March 2003.
Zhu他「Tomographic SAR inversion by L1−norm regularization − the compressive sensing approach」IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing, vol. 48(10), pp. 3839−3846, Oct 2010.

0011

本発明の実施形態は、合成開口レーダ(SAR)イメージングのための圧縮センシング(CS)に基づく方法を提供する。本方法は、取得する必要のある生データの総量を減らし、高度の分解能を上げる。特に、本実施形態は、複数の平行なベースラインにおいて収集されたSARデータを方位高度平面において用いる。高度の分解能は、従来の3DSARシステムのものと比べて実質的に高い。その増加量は約4倍である。

0012

各ベースラインの高度は、利用可能な高度空間においてランダム分布する。さらに、各ベースラインにおけるアンテナ配列は、一定パルス繰り返し周波数(PRF)またはパルス繰り返しレートPRR)を用いる。これらは、時間単位(例えば、秒)ごとのパルス数である。各ベースラインのPRFは異なる。したがって、複数のベースラインによって、データ取得に柔軟性がもたらされる。例えば、データは、単一SARプラットフォームの複数のパスにおいて取得することもできるし、様々なSARプラットフォームから取得することもできる。全てのベースラインが空間領域に整列および配置されるとすると、CSに基づく反復イメージング方法を用いることで、マルチベースラインデータを用いて高分解能3D反射率マップを生成することができる。

0013

実施形態はいくつかの利点を提供する。特に、CSに基づく方法を用いることで、非常に少ない数のベースラインのみを用いて3D反射率を生成することができる。これにより、データ収集に要する時間および費用が削減される。第2に、異なるPRFのデータを一緒に処理することで、単一SARプラットフォームの複数のパスからのみならず、複数のレーダプラットフォームからのデータも融合することが可能になる。複数のプラットフォームによって、単一SARプラットフォームに比べてはるかに大きな仮想仰角開口を形成することが可能になる。その結果、非常に高い高度分解能、例えば、従来の3DSARシステムの4倍の高度分解能が得られる。

0014

本方法は、3D断層SARイメージングおよびCSに基づくSARイメージングに関するが、新たな寄与をなすものである。実施形態は、従来技術とは異なり、マルチベースラインデータにおいて複数の異なるPRFを可能にする。これにより、データソースが単一SARプラットフォームから複数のプラットフォームに拡張され、はるかに大きな仰角開口が可能になる。さらに、実施形態は、取得された生データに対し直接動作する、新たなCSに基づく反復イメージング方法を提供する。

図面の簡単な説明

0015

従来の断層合成開口レーダシステムの概略図である。
従来のマルチベースライン合成開口レーダシステムのブロック図である。
本発明の実施形態に係る、圧縮センシングに基づく3D合成開口レーダシステムの概略図である。
本発明の実施形態に係る、図3の複数の合成開口レーダシステムを用いて3D画像を生成するシステムおよび方法のブロック図である。
従来のイメージングの点散乱体を示す図である。
本発明の実施形態に係る、CSに基づくイメージングの点散乱体を示す図である。
従来技術の、図5Aの再構成を示す図である。
本発明の実施形態に係る、図5Bの再構成を示す図である。

実施例

0016

図3および図4に示すように、本発明の実施形態は、合成開口レーダ(SAR)3D画像を生成する方法を提供する。本方法は、複数のベースライン301および複数のパルス繰り返し周波数(PRF)においてデータセットを取得する。複数のベースラインは、対象エリアにわたっていくつかのパスを行う単一プラットフォーム、または同じエリアにわたってパスする複数の異なるプラットフォームを用いて確立することができる。

0017

この説明において、点散乱体302とともに、3D空間に配置された3Dオブジェクトを考慮する。空間において高度方向に沿ってランダムに分布する、合計70本のベースラインを考慮する。これらのベースラインは、高度に沿って均一な間隔で置かれた281本の可能なベースラインから選択される。図3を参照されたい。ベースラインの合計本数は、従来の3DSARシステムにおけるものと比べて実質的に少ない。

0018

シミュレーションにおいて、従来の3DSARシステムに必要とされるベースラインの全体本数の25%しか必要としない。その上で、高度分解能を約4倍に上げることができる。

0019

各ベースラインにおいて、SAR生データセットは一定PRFで取得される。一方、異なるベースラインに関して、対応するPRFは、他のPRFと異なるようにランダムに選択される。特に、全てのベースラインからのデータセットは、ベースPRFから始まって、ランダム整数値によってダウンサンプリングされる。つまり、各PRFは、ベースPRFの一部であり、ダウンサンプリングレートは、セット{2,3,4,5}からランダムに選択される。全てのデータセットは完全に整列しているとみなす

0020

2つの異なる手法を比較する。第1の従来手法は、それぞれが異なるPRFを有する70本のベースラインでの削減されたデータ収集と、従来のイメージング方法とを用いる。本発明に係る手法では、削減されたデータ収集と、本発明のCSに基づくイメージング手法とを用いる。従来の3Dイメージングにおいては、データをアップサンプリングし、欠落データをゼロで補うことによって、近距離レンジマイグレーションイメージング手順(near−field range migration imaging procedure)を用いる。この手順は、取得されたデータから高速ビーム形成結果を生成し、取得演算子の逆を実施する。

0021

CSに基づくイメージングにおいては、シーンのスパース性を利用する反復手順を用いて欠落データを補い、その後、高速マイグレーションイメージングを行う。

0022

図4に示されるように、データセット401は、SARシステムのセット{1,...,N}から取得される。上述したように、データセットは、単一システムの複数のパスにおいて取得することができる(405)。ここで、この説明において、各パスは独立したデータセット、または異なるSARシステムによる複数のパス、または単一システムおよび独立システムの複数のパスの何らかの組合せを生成する。

0023

データセット401は、登録および整列され(410)、整列したデータセット415が生成される。整列の後、整列した複数のベースライン、複数のPRFデータセット415に、CSに基づく3D画像再構成が直接適用され(420)、3DSAR画像430が取得される。

0024

図5Aは、ダウンサンプリングに起因する方位および高度におけるエイリアシング501が見られる場合のある、従来のイメージングの点散乱体を示す。

0025

図5Bは、本発明の実施形態に係る、CSに基づくイメージングの、エイリアシングが除かれた点散乱体を示す。

0026

図6Aは、方位および高度の双方で大幅な劣化および低分解能を有する図5Aの再構成を示す。

0027

図6Bは、図5Bの再構成を示す。図示されるように、CSに基づく手法は、利用可能なデータが限られているのにかかわらず、再構成を大幅に改善する。実際、復元は全ての利用可能なデータを用いる従来のイメージングに非常に近い。

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