ドキュメンテーション

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合成開口レーダー (SAR) 処理

SAR [1] は、物理サイズ、開口、アンテナなどに起因する従来の解像度制限を超える、高解像度レーダー出力を計算する手法です。SAR では、アンテナ運動を活かして、物理アンテナが実際よりも大きいかのように、大きな "仮想" 開口を合成します。この例では、SAR 手法を使用して、航空機搭載レーダー プラットフォームを使用した遠距離領域の高解像度後方散乱画像を形成します。

このモデルは、次の概念を示しています。

  1. 実際的な合成 SAR データの処理

  2. 整合フィルター処理など、重要な信号処理操作の実装

  3. DSP System Toolbox™ ブロックと MATLAB® コードのシステム コンテキストでの連結

この例で使用するモデルは、MIT Lincoln Laboratory で開発された HPEC (High-Performance Embedded Computing) チャレンジ ベンチマークと呼ばれるベンチマークに基づいています。このベンチマークは、簡略化された SAR 処理連鎖を示します。このベンチマークで行われる簡略化は、実際の SAR システムとは異なり、MIT Lincoln Laboratory によって次のように指定されています。[2]:

  • 観測対象領域は、航空機の飛行経路から厳密に 90 度の位置にあります。

  • 開口は、観測対象領域の交差範囲 (Y 次元) と同等です。

ベンチマークには、画像形成とパターン認識の両方が含まれます。Simulink® モデルは、ベンチマークから 画像形成関数 'genSARImage' (カーネル 1) のみを実行します。詳細は、HPEC チャレンジ ベンチマークの Web サイト [3] を参照してください。

真理値データの確認

SAR システムは、頭上を飛行する航空機によって画像処理された、地上にある 6x8 グリッドの反射体についてのデータを収集します。ベンチマークのために MATLAB® コードによって生成された最終的な画像を次に示します。デモンストレーションのモデルではこの画像が再生されます。

raw センサー データの確認

(合成) raw SAR データ出力を調べます。SAR システムは一連のパルスを伝送し、伝送されたパルスごとにアンテナから一連のサンプルを収集します。これらのサンプルは 1 つの 2 次元データセットに集められます。1 つのパルスに応答して収集されたサンプルに対応するデータセット次元は、"高速" 次元または "範囲" 次元と呼ばれます。もう 1 つの次元は "低速" 次元と呼ばれます。地上では、低速次元は航空機の運動方向 ("交差範囲" 次元とも呼ばれる) に対応しています。このモデルへの入力は、センサーから送られる未処理のデータを表す、1 つの収集データセットです。この未処理データには、実際に表示されるものが何かを推測できる、認識可能なパターンはありません。

手順 1: デジタル フィルター処理とスポットライト SAR の処理

モデルの最初のサブシステムでは 3 つの操作が行われます。

  • 高速フィルター処理は各パルスの出力を周波数領域に変換し、ユニット反射体からの期待出力でたたみ込みを行います。

  • デジタル スポットライトは、交差範囲の出力を処理します。

  • 帯域拡張では、画像周波数領域で FFT とゼロ付加を使用して、交差範囲の解像度を高めます。

順 FFT と逆 FFT は、処理のこの部分のバルクを形成します。モデルの方程式の数字は、ベンチマークの説明に関するドキュメント内の方程式を示しています [2]。

手順 2: 2 次元整合フィルター処理

2 次元整合フィルター処理では、理想点反射体のインパルス応答で前の段階の出力をたたみ込みます。整合フィルター処理は周波数領域で乗算することで実行されます。これは空間領域のたたみ込みと等価です。

手順 3:極-直交座標内挿

モデルを実行してデータを処理します。整合フィルター処理した画像では、反射体がすべて存在しても、範囲内の反射体の最も近い行と最も遠い行の出力は不鮮明になります。さらに、反射体が地上に均等間隔で並んでいても、処理画像では均等間隔になりません。また、実際にオブジェクトを含む出力の領域を重視する必要があります。

画像の極-直交座標内挿を行うと、これらの問題が修正されます。モデルを実行すると、左側の画像は整合フィルター処理画像 (内挿前) になり、右側の画像は最終的な出力になります。これらの各画像は、2 次元の逆 FFT を使用して空間領域に変換されます。SAR システムの最終的な出力では、6x8 グリッドの反射体を重視し、不鮮明ではない明確なピークを表示します。

極-直交座標内挿の詳細

極-直交座標内挿では、アップサンプリングと内挿を行って、出力画像の範囲解像度を高めます。内挿操作では、周波数領域の整合フィルター処理画像を入力に使用します。入力画像の各行が出力画像の複数行にマップされます。各入力行のマップ先となる出力行の数は、内挿に使用される関数 sinc のサイドローブの数によって決まります。次の図は、整合フィルター処理した画像の各点について、出力画像に寄与する行の中心座標を示します。図の曲線は、極グリッドから直交グリッドへの変換を示します。極-直交座標内挿は、MATLAB® コードで実行されます。MATLAB コードでは、最小限の一時ストレージで効果的にループ操作とインデックス操作を表現できます。

参考文献

[1] Soumekh, Mehrdad.Synthetic Aperture Radar Signal Processing With MATLAB Algorithms. John Wiley and Sons, 1999.

[2] MIT Lincoln Laboratory."HPCS Scalable Synthetic Compact Application #3:Sensor Processing, Knowledge Formation, and Data I/O," Version 1.03, 15 March 2007.

[3] MIT Lincoln Laboratory."High-Performance Embedded Computing Challenge Benchmark."

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