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技術 3次元(3D)シーン画像を生成するシステム及び方法

出願人 三菱電機株式会社
発明者 デホン・リウ
出願日 2015年12月3日 (4年6ヶ月経過) 出願番号 2015-236491
公開日 2016年7月21日 (3年11ヶ月経過) 公開番号 2016-130726
状態 特許登録済
技術分野 無線伝送方式一般(ダイバーシチ方式等) レーダ方式及びその細部
主要キーワード 空間ロケーション 仮想アレイ 理想直線 レイオーバー 移動撮像 部分組 送信要素 圧縮センシング
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年7月21日)のものです。
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図面 (5)

課題

少ないチャネルで、データ収集時間及び費用節減され、高分解能の画像をもたらすことができる、3次元(3D)シーン画像を生成するシステム及び方法を提供する。

解決手段

送信アンテナ及び受信アンテナとしてアンテナ部分組を選択することによって、1組のアンテナを含むMIMOアレイ310を用いてシーンの3次元(3D)シーン画像を生成する。MIMOアレイが可変速度で移動している間、送信アンテナの部分組を用いてシーン内無線周波数(RF)信号が送信される。RF信号は、受信アンテナの部分組においてMIMOデータとして受信され、MIMOデータはアライン及び正則化される。次に、圧縮センシング(CS)ベース再構成手順が、アラインされたMIMOデータに適用され、シーンの3D画像が生成される。

概要

背景

従来の単一チャネル仮想アンテナアレイシステムは、広帯域無線周波数(RF)信号及び大きな合成開口(synthetic aperture)を用いて、2次元(2D)距離−方位画像(2D range-azimuth image)を生成する。高度情報を一切有しない2D方位画像は、2D距離−方位平面への3Dシーン投影である。したがって、3D地形等のシーンの3D構造は、投影後に保持されない。加えて、この投影は、レイオーバー(layover)及びシャドーイング(shadowing)等の幾つかのアーチファクト(artifact(人工物))を生じる場合がある。レイオーバーアーチファクトでは、様々な仰角を有する幾つかの地形パッチが同じ距離−方位セルマッピングされる。シャドーイングアーチファクトでは、幾つかのエリアは、遮蔽構造に起因してアレイ撮像システムによって可視でない。これらのアーチファクトは、干渉法によるアレイ撮像技法を用いる場合であっても、単一ベースライン観測によって解消することができない。

3D撮像を行うために、高度次元において多重ベースライン観測が必要である。多重ベースライン観測は、単一チャネルプラットフォームの複数のパス、又は複数チャネルプラットフォームの単一のパスによって取得することができる。

3D撮像機能を有する複数チャネルプラットフォームとしての移動MIMOシステムは以下の利点を有する。第1に、MIMOアレイの複数のアンテナによって、自由度が大幅に増大する。第2に、移動MIMOプラットフォームによって、クロストラックサンプリングを満たすためのはるかに多くの送信機受信機の組み合わせを提供することができ、結果として高度分解能が大幅に改善される。

しかしながら、移動MIMOアレイプラットフォームも幾つかのトレードオフ被る。第1に、同時送信チャネル総数は、自己干渉を回避するように制限される。従来のMIMOアレイの場合、送信要素は通常固定される。第2に、移動MIMOアレイの空間ロケーションは、運動誤差を受ける。これによって、補償されないままであるとき、不明瞭性及び焦点ぼけが生じ得る。

図1に示すように、通常、方位(y)方向に沿って動く(120)従来のMIMOアレイシステム110は、様々な高度において、点散乱体130を用いてシーンの3D画像を生成する。速度ベクトルの大きさは一定であり、方向は直線である。アレイは、固定の受信機(×、◆)と、通常、アレイの各端部に固定の送信機(×)とを含む。

図2は、従来の3D撮像方法を示す。ここで、MIMOアレイは、一定の速度で移動しており、送信機及び受信機は固定である。すなわち、アレイの全ての送信機及び受信機は、送信及び受信の間、同じである。送信機は、無線周波数(RF)信号をシーン上に送出し、これらは反射され、受信機によって受信される。受信したRF信号210に対応するデータ211を用いて、アラインされた(230)2D画像221を生成する(220)。次に、アラインされた画像に3D画像再構成が適用され、3D画像241が得られる。

概要

少ないチャネルで、データ収集時間及び費用節減され、高分解能の画像をもたらすことができる、3次元(3D)シーン画像を生成するシステム及び方法を提供する。送信アンテナ及び受信アンテナとしてアンテナの部分組を選択することによって、1組のアンテナを含むMIMOアレイ310を用いてシーンの3次元(3D)シーン画像を生成する。MIMOアレイが可変速度で移動している間、送信アンテナの部分組を用いてシーン内に無線周波数(RF)信号が送信される。RF信号は、受信アンテナの部分組においてMIMOデータとして受信され、MIMOデータはアライン及び正則化される。次に、圧縮センシング(CS)ベース再構成手順が、アラインされたMIMOデータに適用され、シーンの3D画像が生成される。

目的

第2に、移動MIMOプラットフォームによって、クロストラックサンプリングを満たすためのはるかに多くの送信機−受信機の組み合わせを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

1組のアンテナを含むMIMOアレイを用いてシーンの3次元(3D)シーン画像を生成する方法であって、送信アンテナ及び受信アンテナとして前記アンテナの部分組を選択するステップと、前記MIMOアレイが可変速度で移動している間、前記送信アンテナの部分組を用いて前記シーン内無線周波数(RF)信号を送信するステップと、前記受信アンテナの部分組において、前記シーンによって反射される前記RF信号をMIMOデータとして受信するステップと、前記MIMOデータをアライン及び正則化するステップと、圧縮センシング(CS)ベース再構成手順をアラインされた前記MIMOデータに適用して前記シーンの前記3D画像を生成するステップと、を含む、3次元(3D)シーン画像を生成する方法。

請求項2

前記MIMOデータは、時間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MIMOアレイの向きは固定である、請求項1に記載の方法。

請求項4

前記MIMOアレイは、方位方向及び高度方向においてランダムジッターを受ける、請求項1に記載の方法。

請求項5

必要とされるチャネル総数は、従来の移動MIMOシステムよりも少ない、請求項1に記載の方法。

請求項6

全てのデータは全体として、前記圧縮センシング(CS)ベースの再構成手順によって処理される、請求項1に記載の方法。

請求項7

前記圧縮センシング法は、反復再構成法である、請求項1に記載の方法。

請求項8

前記可変速度は、方位方向及び距離方向のランダムジッターを伴って前記アレイを空間的にかつ一様に分散させる、請求項1に記載の方法。

請求項9

前記MIMOアレイは線形である、請求項1に記載の方法。

請求項10

送信される前記RF信号は直交である、請求項1に記載の方法。

請求項11

前記シーンのスパース性を利用することによって、反復手順を用いて欠落データを埋めることを更に含む、請求項1に記載の方法。

請求項12

1組のアンテナを含むMIMOアレイを用いてシーンの3次元(3D)シーン画像を生成するシステムであって、前記MIMOアレイが可変速度で移動している間、前記シーン内へRF信号を送信するように構成される、ランダムに選択された送信アンテナの部分組と、前記シーンによって反射される前記RF信号を、MIMOデータとして、受信するように構成される、ランダムに選択された受信アンテナの部分組と、前記MIMOデータをアライン及び正則化し、圧縮センシング(CS)ベースの再構成手順をアラインされた前記MIMOデータに適用して前記シーンの前記3D画像を生成するように構成されるプロセッサと、を備える、3次元(3D)シーン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3D撮像に関し、より詳細には、アンテナMIMOアレイの使用、及び圧縮センシング(CS(compressive sensing))に基づく3D画像再構成に関する。

背景技術

0002

従来の単一チャネル仮想アンテナアレイシステムは、広帯域無線周波数(RF)信号及び大きな合成開口(synthetic aperture)を用いて、2次元(2D)距離−方位画像(2D range-azimuth image)を生成する。高度情報を一切有しない2D方位画像は、2D距離−方位平面への3Dシーン投影である。したがって、3D地形等のシーンの3D構造は、投影後に保持されない。加えて、この投影は、レイオーバー(layover)及びシャドーイング(shadowing)等の幾つかのアーチファクト(artifact(人工物))を生じる場合がある。レイオーバーアーチファクトでは、様々な仰角を有する幾つかの地形パッチが同じ距離−方位セルマッピングされる。シャドーイングアーチファクトでは、幾つかのエリアは、遮蔽構造に起因してアレイ撮像システムによって可視でない。これらのアーチファクトは、干渉法によるアレイ撮像技法を用いる場合であっても、単一ベースライン観測によって解消することができない。

0003

3D撮像を行うために、高度次元において多重ベースライン観測が必要である。多重ベースライン観測は、単一チャネルプラットフォームの複数のパス、又は複数チャネルプラットフォームの単一のパスによって取得することができる。

0004

3D撮像機能を有する複数チャネルプラットフォームとしての移動MIMOシステムは以下の利点を有する。第1に、MIMOアレイの複数のアンテナによって、自由度が大幅に増大する。第2に、移動MIMOプラットフォームによって、クロストラックサンプリングを満たすためのはるかに多くの送信機受信機の組み合わせを提供することができ、結果として高度分解能が大幅に改善される。

0005

しかしながら、移動MIMOアレイプラットフォームも幾つかのトレードオフ被る。第1に、同時送信チャネル総数は、自己干渉を回避するように制限される。従来のMIMOアレイの場合、送信要素は通常固定される。第2に、移動MIMOアレイの空間ロケーションは、運動誤差を受ける。これによって、補償されないままであるとき、不明瞭性及び焦点ぼけが生じ得る。

0006

図1に示すように、通常、方位(y)方向に沿って動く(120)従来のMIMOアレイシステム110は、様々な高度において、点散乱体130を用いてシーンの3D画像を生成する。速度ベクトルの大きさは一定であり、方向は直線である。アレイは、固定の受信機(×、◆)と、通常、アレイの各端部に固定の送信機(×)とを含む。

0007

図2は、従来の3D撮像方法を示す。ここで、MIMOアレイは、一定の速度で移動しており、送信機及び受信機は固定である。すなわち、アレイの全ての送信機及び受信機は、送信及び受信の間、同じである。送信機は、無線周波数(RF)信号をシーン上に送出し、これらは反射され、受信機によって受信される。受信したRF信号210に対応するデータ211を用いて、アラインされた(230)2D画像221を生成する(220)。次に、アラインされた画像に3D画像再構成が適用され、3D画像241が得られる。

0008

本発明の実施形態は、1組のアンテナを備えた移動多入力多出力(MIMO)線形アレイを用いた3D撮像のためのシステム及び方法を提供する。移動MIMOアレイは、ランダム送信チャネルを用い、圧縮センシング(CS)ベースの撮像を適用して、ランダムチャネル及び運動誤差を考慮に入れて3D撮像問題に対処する。

0009

特に、実施形態は、理想直線トラックに沿うが、可変速度及びアクロストラックジッターを伴って動くアクロストラック線形MIMOアレイを用いる。

0010

送信チャネルに対する制限を考慮すると、送信チャネルの総数は、従来の移動MIMOアレイのように制限される。しかしながら、本発明の実施形態によれば、送信アンテナ及び受信アンテナ部分組(subset)はランダムに選択される。このランダム選択によって、改善された撮像性能で、MIMOデータ収集における更なる自由度が提供される。

0011

MIMOアレイの速度変動に起因して、有効仮想アレイは、方位方向及び距離方向においてランダムジッターを有して空間的に一様分布する。ランダム性によって、線形測定値コヒーレントでなく、シーン情報を完全に捕捉することが確実になる。このため、測定は、観測下のシーンを復元するのに適切な正則化を用いて、非線形圧縮センシングに基づく再構成プロセスによって反転することができる。

0012

理想完全チャネル動作と比較して、収集データチャネル制約に起因してランダムな送信チャネルが欠落しており、ジッターに起因して非一様な空間位置においてサンプリングされる。収集データは、その全体を処理され、圧縮センシングに基づく反復3D撮像を用いて高分解能の3D画像が生成される。

0013

本システムは従来のシステムを上回る幾つかの利点を提供する。第1に、本システムは、送信チャネルにおいて、従来の移動MIMOシステムよりも多くの自由度を提供する。第2に、CSベースの方法は、ランダム送信チャネル及び運動誤差に対処し、速度変動及びロケーションジッターによって生じる不明瞭性を抑制することを可能にし、この結果、従来の方法を用いて得られるよりも高い分解能の画像をもたらす。第3に、本システムは、より少ないチャネルを用いて3D撮像を行うことができ、これによって、データ収集の時間及び費用節減し、完全チャネル動作に匹敵する撮像性能を提供する。チャネルの総数の低減によって、撮像されるシーンの大きさを増大させるか、又はより高い分解能を提供することができる。

図面の簡単な説明

0014

従来のMIMOレーダー撮像の概略図である。
従来の移動MIMOシステム及び方法のブロック図である。
本発明の実施形態による、圧縮センシングベースの3D撮像の概略図である。
本発明の実施形態による、移動MIMOアレイを用いた3D画像を生成するシステム及び方法のブロック図である。

実施例

0015

本発明の実施形態は、1組のアンテナを備えた移動多入力多出力(MIMO)線形アレイを用いた3D撮像のためのシステム及び方法を提供する。移動MIMOアレイは、ランダム送信チャネルを用い、圧縮センシング(CS)ベースの撮像を適用して、ランダムチャネル及び運動誤差を考慮に入れて3D撮像問題に対処する。

0016

図3に示すように、移動している(320)MIMOアレイ310によって収集されるデータを検討する。アレイの向きは、高度(z)方向に平行である。アレイは、ランダムに選択された送信アンテナ(×)及び受信アンテナ(×、◆)の部分組を含む。送信アンテナは、信号が送信された後にRF信号を受信するのにも用いることができることに留意されたい。アレイは、方位方向及び高度方向においてランダムクロストラックジッターを受ける可能性がある。これらは本発明の実施形態によって補正される。

0017

図4は、本発明の実施形態による3D撮像方法を示す。本方法は、送信アンテナ及び受信アンテナとして、1組のアンテナの部分組310を選択する(410)。次に、MIMOアレイが変動する速度で移動している間、送信アンテナの部分組を用いて、無線周波数(RF)信号が、反射器402を含むシーン401上に送信される。MIMOアレイは、移動中、ジッターを受け、このため速度の大きさ及び方向の双方が変動する。

0018

反射されたRF信号は、MIMOデータ411として受信アンテナの部分組において受信される。MIMOデータ411は、アラインされたMIMOデータを生成するようにアラインされる(440)。MIMOデータは時間において一様にサンプリングされる。次に、圧縮センシング(CS)ベースの再構成手順が、アラインされたMIMOデータに適用され(450)、シーンの3D画像451が生成される。

0019

上記のステップは、当該技術分野において既知のように、バスによって、データ411及び421を記憶するためのメモリと、入/出力インターフェースと、アンテナとに接続されるプロセッサ400において実行することができる。

0020

一般的に、全てのアンテナはデータを送信及び受信することができる。しかしながら、送信信号間の干渉を回避するために、送信チャネルはRFパルス送信ごとに制限されている。従来の移動MIMOシステムの場合、これらの送信チャネルは、幾つかの送信アンテナに固定される。本発明によるシステムでは、全ての利用可能なアンテナの組からランダムに選択された、例えば2つの送信アンテナによって直交信号が送信されると仮定し、これにより更なる柔軟性及び潜在的により良好な撮像性能がもたらされる。

0021

パルス繰り返し周波数PRF)は、MIMOアレイの移動中、固定されている。しかしながら、MIMOアレイの空間ジッターに起因して、有効な空間サンプリングロケーションは直線において一様でない。

0022

CSベースの画像再構成は、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埋め、すなわちほとんどのデータ要素はゼロであり、次に全ての(全部の又は完全な)データに対し、高速距離移動撮像を行う。

0023

結果は、本発明によるシステム及びCSベースの方法を用いて、速度変動及びロケーションジッターによって生じる曖昧性を抑制し、従来のシステム及び方法を用いるよりも高分解能の画像をもたらすことができることを実証している。さらに、従来のMIMOシステムよりも少ないチャネルを用いて3D撮像を行うことができ、これによって、データ収集のための時間及び費用が節減され、完全チャネル動作に匹敵する撮像性能が提供される。チャネルの総数の低減によって、より大きなシーン又はより高い分解能を撮像する可能性も提供される。

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