Transcript 講習スライド（原理・概要）

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