講習スライド(原理・概要)

Report
合成開口レーダー
Synthetic Aperture Radar
(RAdio Detection And Ranging)
電波による 探知 および 測距
レーダー
受信信号の強度
建物からのエコー
時間
距離 × 2 = 時間 × 光速
レーダー画像(空港監視レーダー)
サイドルッキングレーダー
マイクロ波を横斜め
下方向に照射
直下にレーダ波を照射すると?
どちらからの後方散乱波か解らない!
アジマス方向
(照射順)
衛星搭載レーダーの観測
(ニアレンジ)
(ファーレンジ)
レンジ方向
(1回照射に対する時間順)
PALSAR level1.0 data(IMG-)
分解能が低い
パルスの送受信
振幅
t=パルス幅
送信
受信 送信
受信
時間
パルス送信から受信までの時間(t)
= 距離(r) × 2 ÷ 速度(c:光速)
ターゲットが2つある場合
受信信号
Bからのエコー
Aからのエコー
A
分離できない
B
分離できる
レンジ方向の分解能
パルス幅
(30μsec)
分解能は?
(光速:3×108m/sec)
t > |tA – tB| = |2rA/c -2rB/c|
分解能:rA -rB = tc/2 = 4500m
チャープパルスの利用
バンド幅
周波数
矩形パルスの代わりに,チャープパルスを用いる
fc=0の場合
中心周波数
パルス幅
時間
チャープ信号:
St(t) = exp{j(2pfct +iat2)} (-t/2 < t < t/2)
a = pB / t
fc:中心周波数,B:バンド幅,t:パルス幅
Matched filter
送信信号
St(t) = exp{j(2pfct +iat2)}
圧縮されたパルス
送信信号と
受信信号の
相互相関処理
受信信号
Ss(t) = exp{j(2pfc(t-TD)
+ia(t-TD)2)}
g(t)=t exp(-jfcTD)sinc{a(t-TD)t}
g(t)=∫Ss(t+x)St*(x)dx
t = 1/バンド幅(BR) = 1/30MHz
レンジ分解能 = ct/2 = c / (2BR) = 5m
周波数領域での圧縮処理
送信信号
(時間領域)
受信信号
(時間領域)
FFT+
FFT+
送信信号
(周波数領域)
受信信号
(周波数領域)
乗算
画像
(周波数領域)
FFT-
画像
(時間領域)
Azimuth方向の分解能
ビーム幅
アジマス方向の分解能: rb
r:スラントレンジ
b:ビーム幅(波長÷アンテナ長)
r=800km,b= 0.2/10 = 0.02rad
アジマス分解能:16km
擬似的にアンテナを合成
合成開口
合成開口
V
ドップラー効果に
よって変調される
R0
アジマス参照信号:
St(t) = exp{j(2pfDCt +ibt2)} (-TA/2 < t < TA/2)
b = -2pV2 / lR0
fDC:ドップラー中心周波数,V:衛星速度,
l:波長,R0:スラントレンジ長の基準値
アジマス圧縮処理後の分解能
Dta(パルス幅)= R0l/2V2TSA,
TSA:合成開口時間
LSA (合成開口長) = VTSA = R0l/l,
l:アンテナ長
アジマス分解能 = VDta = R0l/2VTSA = l/2
アジマス分解能は,アンテナ長の半分
アジマス分解能は,スラントレンジの長さによらない
SAR処理まとめ
• レンジ圧縮(チャープ変調):
参照関数はセンサーの設計による
• アジマス圧縮(ドップラー変調):
参照関数を求めるために,ドップラー
中心周波数,衛星速度が必要
PALSAR画像
防災研究所
レーダーの散乱
表面散乱
体積散乱
反射
Imaginary
ピクセル内の散乱
Real
ピクセル内での散乱
位相と振幅
SAR干渉法
SAR干渉法,干渉SAR,InSAR,
SAR interferometry,Interferometric SAR
2回の観測で得られた画像において,対応するピ
クセル間で位相差を求める手法.
衛星-ピクセル間距離(スラントレンジ)の変化を
求める
干渉処理
スラントレンジの差(r1 – r2)
(位相差:-4p(r1-r2)/l)
位相差
(干渉画像)
2回目の観測
fSLC = -4pri/l
1回目の観測
振幅
位相
アフィン変換
range = x, azimuth = y
range_offset_polynomial:
azimuth_offset_polynomial:
A0
B0
A1
B1
A2
B2
A3
B3
x offset = A0 + A1×x + A2×y + A3×x×y
y offset = B0 + B1×x + B2×y + B3×x×y
A0(0.1)
A1(0.05)
A2(0.05)
A3(0.01)
位置あわせ
B0(0.1)
B1(0.05)
B2(0.05)
B3(0.01)
平行移動,スケール,シアー
位相変化
位相(スラントレンジ)が変化する原因
・観測位置の差(forb:軌道縞)
・地形(ftopo:地形縞)
・地殻変動(fdisp:変動縞)
・ノイズ(v:大気・電離層による遅延等)
ftotal = forb + ftopo + fdisp + v
軌道縞
レンジ位置が異なれば,スラントレンジの差
((r2,1-r1,1)と(r2,2-r1,2))は異なる
Sat2
Sat2
BPARA
Sat1
B
r1,2
r1,1
r2,2
r2,1
a
Sat1
q
forb = -4p(r1 – r2) / l
= 4pBsin(q – a) / l
= 4pBPARA / l
アジマス
軌道縞
レンジ
地形縞
ピクセルの高さ(h)が異なれば,スラントレンジの差
((r2,1-r1,1)と(r2,2-r1,2))は異なる
Sat2
Sat2
Sat1
B
r
a
Sat1
dq
BPERP
q
r1
i
r1
h
ftopo= 4pB/l{sin(q+dq–a)–sin(q–a)}
≈ 4pBcos(q–a) dq /l
= 4phBcos(q–a) / rlsin(i)
= 4phBPERP(q–a) / rlsin(i)
なぜなら rdq = h / sin(i)
アジマス
地形縞
レンジ
軌道間ベクトル
変動縞
2回目の観測
(r2)
1回目の観測
(r1)
forb = -4p(r1-r2)/l
= 4pDr/l
Dr = uxdx + uydy + uzdz
変位ベクトルと視線方向ベクトルとの内積
レーダ波照射方向(line-of-sight: LOS)
アセンディング(昇交)軌道
ディセンディング(降交)軌道
j:北からのアジマス方位角
オフナディア角:
正確にはピクセルごとに異なる
一般に示されるのは代表値.
オフナディア角
q
i
j
入射角:
ピクセルごとに異なる
入射角
オフナディア角 ≠ 入射角
LOS単位ベクトル (sin(j+90)sini sin(j+90)cosi -cosi)
大気ノイズ
伝搬速度
が変化
同じ距離でも,見かけ上の距
離差が生じる.
JERS-1(9506-9606)
電離層ノイズ
汶川地震に関する
PALSAR干渉画像
Imaginary
ピクセル内の散乱
Real
ピクセル内での散乱
位相と振幅
PS-InSAR
Imaginary
Imaginary
Persistent Scatterers InSAR
永続
散乱体 SAR干渉法
Real
位相
位相
Real
時間
時間
(after Hooper et al., 2007)
PSの抽出
福島(2011)
シグナルの分離
fobs = fdef + fatm + forb + fDEM + noise
求めるパラメータ
空間的に相関
時間的に無相関
PSでは小さい
軌道情報から除去
残差は推定
推定
時間方向にハイパスフィルター
空間方向にローパスフィルター
軌道情報とDEMから除去
残差は推定

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