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JP6349937B2 - 変動検出装置、変動検出方法および変動検出用プログラム - Google Patents

変動検出装置、変動検出方法および変動検出用プログラム Download PDF

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Description

本発明は、地表や物体の変動を検出するための変動検出装置、変動検出方法および変動検出用プログラムに関し、特に、ＰＳ−ＩｎＳＡＲ技術を利用して地表や物体の変動を検出する変動検出装置、変動検出方法および変動検出用プログラムに関する。
地表や物体の変動を計算する技術の１つに、ＰＳ−ＩｎＳＡＲ（Permanent/Persistent Scatters Interferometric Synthetic Aperture Radar）と呼ばれる技術がある（例えば、非特許文献１および非特許文献２）。ＰＳ−ＩｎＳＡＲは、ＰＳ（Permanent/Persistent Scatters）特性を有する点に対して合成開口レーダ（Synthetic Aperture Radar：ＳＡＲ）が取得したデータであるＳＡＲデータに、干渉（Interferometry）技術を適用して、地表上やある物体上の点における変位を測定する技術である。電波は、光波と異なり、雲や雨などを通過するため、天候や夜間に関係なく観測できるという特徴を有している。以下、ＰＳ−ＩｎＳＡＲにおいて変位を測定する地表上や物体上の点を、測定点という。なお、地表上や物体上の各点は、合成開口レーダの撮影視野の各分解能セルに対応している。
ここで、ＰＳ特性は、電波の散乱特性が時間経過によって変化しない特性である。植物や波などはＰＳ特性を有さない例であるが、大抵の人工構造物はその多くの場所がＰＳ特性を有している。しかし、ＰＳ−ＩｎＳＡＲにおいて、ある場所を測定点として用いるためには、ＰＳ特性に加えて、ある程度の後方散乱強度（以下、反射強度という）が必要である。これは、反射強度が弱いと雑音に信号が埋もれてしまうためである。このように測定点が限られてしまうことがＰＳ−ＩｎＳＡＲの価値を低下させていた。
例えば、一面平板のような形状の箇所では、後方散乱が弱く、ＰＳ特性を有していても測定点にはなりにくいことが知られている。また、例えば、コーナーリフレクタ（Corner Reflector：ＣＲ）に用いられるような、正方形または直角二等辺三角形の板３枚をお互いが直角に向くようにつなぎ合わせたような形状の箇所（例えば、窓枠の四隅等）では、後方散乱が返ってきやすいことから、測定点に適していることが知られている。
また、本発明に関連する技術として、例えば、特許文献１には、合成開口レーダ画像（ＳＡＲ画像）の精密幾何学補正における地上基準点の選択を容易にするために、アクティブリフレクタ等の能動型反射器を主として構成される地上基準点装置を合成開口レーダの画像撮像視野内に設置することが記載されている。
また、例えば特許文献２には、偏波特性の異なる複数の電波が反射して得られる散乱波の少なくとも３種類の偏波成分を測定した結果を測定位置ごとに偏波特性データとして予め記憶装置に記憶しておき、記憶された偏波特性データを用いて各測定位置にある物体が人工物か否かを判定する技術が記載されている。
また、例えば、非特許文献３には、多偏波ＳＡＲ画像データの後方散乱係数とされる４つのデータであって、受信偏波の楕円方位角（ellipse orientation angle）ψｒ、受信偏波の楕円率角（ellipticity angle）χｒ、送信偏波の楕円方位角ψｔおよび送信偏波の楕円率角χｒの４つのデータの値の異なる３つのセット（例えば、ＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＶ偏波）を赤、緑、青に対応させて、多偏波ＳＡＲ画像データの疑似カラー合成表示を行うことが記載されている。また、非特許文献３には、多偏波ＳＡＲ画像データの利用例の１つとして、２つの対象物のコントラストを最大にする送受信条件を求めて、これにより、識別したい特定の対象物とその他の対象物との画素値の比を最大にして表示する例が示されている。
特開２００１−９１６５０号公報 特許第５３０５９８５号公報
Alessandro Ferretti, Claudio Prati, and Fabio Rocca, "Nonliner subsidencd Rate Estimation Using Permanent Svatterers in Differntial SAR Interferometry", IEEE TRANSACTION ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL.38, No.5, Sep 2000. Alessandro Ferretti, Claudio Prati, and Fabio Rocca, "Permanent Scatteres in SAR Interferometry", IEEE TRANSACTION ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL.39, No.1, Jan 2001. 寛渕 哲也，"グランドトルースデータと光学センサ画像データで検証した災害観測手法としての多周波・多偏波ＳＡＲ画像データの有用性"，防災科学技術研究所研究報告 第６３号，２００２年６月．
ところで、実際のＰＳ−ＩｎＳＡＲ処理では、決められた偏波方向のＳＡＲ画像だけを用いて、地表上または物体上の点（以下、地点という）における変位を測定している。具体的には、代表的な送受信偏波の組合せであるＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波、ＶＶ偏波の中から一つの送受信偏波の組合せを選び、選んだ送受信偏波の組合せによるＳＡＲ画像を、変動を検出したい期間の前後に渡る複数の時刻分取得して、変動検出のための演算処理が行われている。
ここで、Ｈ（Horizontal）偏波は、水平偏波すなわち電界の振動方向である偏波方向が水平面と平行である偏波を表している。また、Ｖ（Vertival）偏波は、垂直偏波すなわち偏波方向が水平面と垂直である偏波を表している。また、送受信偏波の組合せにおける最初のアルファベットは送信の偏波方向を表し、２つ目のアルファベットは受信の偏波方向を表わしている。したがって、ＨＨ偏波は、水平偏波の電波を送信して水平偏波の電波を受信することを表している。また、ＨＶ偏波は、水平偏波の電波を送信して垂直偏波の電波を受信することを表している。また、ＶＨ偏波は、垂直偏波の電波を送信して水平偏波の電波を受信することを表している。また、ＶＶ偏波は、垂直偏波の電波を送信して垂直偏波の電波を受信することを表している。
一般に、ある偏波方向の電磁波がある地点に照射され、その地点にある構造物に反射して戻ってくるとき、その地点にある構造物の形状や材質等によっては、偏波方向が回転して戻ってくる。そのときの偏波の回転角は、その地点にある構造物の形状や材質等によって異なり、事前に予測するのは困難である。
したがって、道路や鉄道、橋といった広い範囲に渡る人工構造物の歪みや剥がれ等による経年劣化を、ＰＳ点における微小な変動の検出により測定することを考えた場合に、１つの送受信偏波の組合せによるＳＡＲ画像を用いるだけでは、測定可能な点が少なく、十分な精度を得ることができないという問題があった。これは、好適な送受信偏波の組合せは場所ごとに異なるが、１つの送受信偏波の組合せによるＳＡＲ画像しか用いない場合には、他の送受信偏波の組合せによるＳＡＲ画像で反射強度が強い点があってもその点を測定点として用いることができないからである。
なお、特許文献１に記載されているような地上基準点装置を、変動を検知したい位置に設置すれば、それら地上基準点装置からの強い反射によってその地上基準点装置を設置した地点における変位を測定することは可能である。しかし、人工構造物の劣化診断に用いることを考えた場合、そのような地上基準点装置を長期にわたり人工構造物の任意の場所に設定するのは困難であり、また仮に設置できてもコストがかかるという問題があった。
なお、特許文献２に記載されている技術は、散乱成分分析により人工物と自然物とを区別するために、測定位置ごとに少なくとも３種類の偏波成分を測定した結果である偏波特性データを用いているものであり、そこには、偏波特性データを用いて、変位を測定可能な地点をいかに多くまたは見逃さずに検出するかといったことについては何ら考慮されていない。
また、非特許文献３に記載されている技術は、３種類の偏波成分による後方散乱強度の異なり具合を色相によって判別できるようにしよう、また、反射機構の異なる物質の差を画像上で強調して表示しようというものである。そこには、後方散乱係数を利用して、変位を測定可能な地点をいかに多くまたは見逃さずに検出するかといったことについては何ら考慮されていない。
変位を測定可能な地点を増やすことができれば、変動検出の感度を上げることができ、検出精度の向上に寄与できるものと考えられる。
そこで、本発明は、感度良く変動を検出できる観測システム、変動検出装置、変動検出方法、測定点増加方法およびプログラムを提供することを目的とする。
本発明による変動検出装置は、特定領域を含む撮影視野内の分解能セルに対応するピクセルの各々に対応づけて、略同一時刻に合成開口レーダが観測した送受信偏波の組合せがＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波である基本４偏波組による観測データから生成される反射強度および位相を示す情報を少なくとも保持するＳＡＲ画像組を２組以上入力するＳＡＲ画像組入力手段と、入力されたＳＡＲ画像組のうちの少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて、対象ピクセルの各々に対して、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定する偏波組決定手段と、偏波組決定手段によって決定された偏波組と、入力されたＳＡＲ画像組とに基づいて、対象ピクセルに対応する地点における変位を測定する変位測定手段とを備え、偏波組決定手段は、対象ピクセルの各々に対して、予め定められている偏波組の候補の中から、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定し、偏波組の候補が、ＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波の４種類であることを特徴とする。
また、本発明による変動検出方法は、特定領域を含む撮影視野内の分解能セルに対応するピクセルの各々に対応づけて、略同一時刻に合成開口レーダが観測した送受信偏波の組合せがＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波である基本４偏波組による観測データから生成される反射強度および位相を示す情報を少なくとも保持するＳＡＲ画像組を２組以上入力し、入力されたＳＡＲ画像組のうちの少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて、対象ピクセルの各々に対して、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定し、決定された偏波組と、入力されたＳＡＲ画像組とに基づいて、対象ピクセルに対応する地点における変位を測定し、偏波組を決定する際に、対象ピクセルの各々に対して、予め定められている偏波組の候補であるＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波の４種類の中から、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定することを特徴とする。
また、本発明による変動検出用プログラムは、コンピュータに、特定領域を含む撮影視野内の分解能セルに対応するピクセルの各々に対応づけて、略同一時刻に合成開口レーダが観測した送受信偏波の組合せがＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波である基本４偏波組による観測データから生成される反射強度および位相を示す情報を少なくとも保持するＳＡＲ画像組を２組以上入力するＳＡＲ画像組入力処理、入力されたＳＡＲ画像組のうちの少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて、対象ピクセルの各々に対して、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定する偏波組決定処理、および決定された偏波組と、入力されたＳＡＲ画像組とに基づいて、対象ピクセルに対応する地点における変位を測定する変位測定処理を実行させ、偏波組決定処理で、対象ピクセルの各々に対して、予め定められている偏波組の候補であるＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波の４種類の中から、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定させることを特徴とする。
本発明によれば、変位を測定可能な地点をより多くまたは見逃さずに検出できるため、感度良く変動を検出することができる。
第１の実施形態の観測システムの構成例を示す構成図である。 第１の実施形態の変動検出装置１の構成例を示すブロック図である。 ＳＡＲ画像組入力手段１０１が入力するＳＡＲ画像組系列の例を示す説明図である。 偏波を説明するための説明図である。 変動検出手段１０５の一例を示すブロック図である。 変動検出手段１０５の他の例を示すブロック図である。 第１の実施形態の変動検出装置１の動作の一例を示すフローチャートである。 第１の実施形態の変動検出装置１の動作の他の例を示すフローチャートである。 第１の実施形態の変動検出装置１の動作の他の例を示すフローチャートである。 第２の実施形態の変動検出装置１の構成例を示すブロック図である。 第２の実施形態の変動検出手段１０５の一例を示すブロック図である。 第２の実施形態の変動検出手段１０５の他の例を示すブロック図である。 本発明の概要を示すブロック図である。
実施形態１．
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の観測システムの構成例を示す構成図である。図１に示す観測システムは、変動検出装置１と、人工衛星や航空機等の飛翔体２に搭載された合成開口レーダ３とを備える。また、図１において、符号４は合成開口レーダ３によるＳＡＲ画像の撮影視野（撮影領域）を表している。
本実施形態において、合成開口レーダ３は、略同一場所に対して、略同一時刻に、ＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波、ＶＶ偏波の４種類の送受信偏波の組合せ（以下、基本４偏波組という）による散乱波を観測できる多偏波観測モードを有する。このような多偏波観測モードは、例えば、合成開口レーダ３が少なくとも１つの送信機と２つの受信機とを備え、送信機がＨ偏波とＶ偏波の電波パルスを交互に送信し、２つの受信機（Ｈ偏波に対応した受信機とＶ偏波に対応した受信機）がそれぞれの電波パルスの後方散乱エコーを同時に受信することにより実現できる。このようにして、基本４偏波組による反射強度および相対位相を測定する。ここで、「略同一場所」および「略同一時刻」の「略」の範囲は、校正機能により観測データが同一場所および同一時刻で観測されたとみなせるデータに校正可能な範囲であれば特に問わないが、実際は上記送信機における電波パルスの１周期分の照射場所のずれおよび照射時刻のずれを指す場合が多い。
本発明では、略同一場所に対して、略同一時刻に観測された基本４偏波組による観測データから生成されるＳＡＲ画像またはそれと同等の情報をＳＡＲ画像組という。
一般に、ＳＡＲ画像と呼ばれる情報には、各ピクセルが対応する地点における、受信電界の振幅または反射強度を示す情報と、受信したパルスの位相を示す情報である位相情報とが含まれる。なお、反射強度の平方根が受信電界の振幅である。以下、本発明では、受信電界の振幅を示す情報も反射強度を示す情報として扱うものとする。したがって、ＳＡＲ画像は、各ピクセルに対応づけられるデータ（画素情報とも呼ばれる）として、当該ピクセルに対応する地点における反射強度および位相を示す情報を少なくとも有する画像であると換言できる。ＳＡＲ画像において、各ピクセルに対応づけられるデータは、ＳＡＲデータと呼ばれる。本発明では、ＳＡＲデータを、反射強度を示す情報と、位相を示す情報とを含む情報と定義する。合成開口レーダ３は、ＳＡＲデータを生成するための信号処理で、照射時刻のずれや場所のずれに対して所定の校正処理を行ってもよい。また、ＳＡＲ画像には、付随する情報として、送信および受信に用いた偏波の情報や、観測時間や、入射角や、軌道の情報といった観測条件が含まれていてもよい。
また、ＳＡＲ画像組は、略同一場所に対して、略同一時刻に観測された基本４偏波組による観測データから生成されるＳＡＲ画像またはそれと同等の情報を有するものであれば、データ構造は特に問わない。例えば、ＳＡＲ画像組は、各々が基本４偏波組のいずれかの送受信偏波の組合せに対応した４枚のＳＡＲ画像であってもよいし、各ピクセルに、基本４偏波組による４つのＳＡＲデータ（例えば、４種の反射強度および位相の情報）が対応づけられた１枚のＳＡＲ画像であってもよい。
飛翔体２には、合成開口レーダ３を含む合成開口レーダシステムが搭載されている。合成開口レーダシステムは、例えば、合成開口レーダ３と、信号処理手段と、合成開口レーダ３による観測の結果得られたＳＡＲ画像組を時系列に沿って記憶する記憶手段と、要求に応じて記憶されているＳＡＲ画像組またはその時系列データを所定のフォーマットで出力するＳＡＲ画像出力手段とを含む。
また、図２は、本実施形態の変動検出装置１の構成例を示すブロック図である。図２に示す変動検出装置１は、ＳＡＲ画像組入力手段１０１と、最適偏波組検出手段１０２と、測定点情報記憶手段１０３と、偏波回転処理手段１０４と、変動検出手段１０５と、検出結果出力手段１０６とを備える。
ＳＡＲ画像組入力手段１０１は、変動の検出対象とされる特定領域をその撮影視野に含む２組以上のＳＡＲ画像組であって、略同一場所に対して、観測時間の異なる２組以上のＳＡＲ画像組を入力する。以下、特定領域を、関心領域（Region of Interest：ＲＯＩ）と呼ぶ場合がある。ここで入力されるＳＡＲ画像組には、ユーザが指定した、変動を検出したい時間区間の前後の時刻に対応するＳＡＲ画像組が少なくとも含まれる。以下、ユーザが指定した変動を検出したい時間区間の前後の時刻を指定時刻という場合がある。なお、時間区間は１つとは限らない。また、ＳＡＲ画像組入力手段１０１が入力する２組以上のＳＡＲ画像組を、略同一場所に対して、観測時刻の異なる観測データから生成されるＳＡＲ画像組の集合という意味で「ＳＡＲ画像組系列」という場合がある。
図３は、ＳＡＲ画像組入力手段１０１が入力するＳＡＲ画像組系列の例を示す説明図である。ＳＡＲ画像組入力手段１０１は、例えば、図３に示されるような、観測時刻の異なるｎ組（例えば、数十組）のＳＡＲ画像組からなるＳＡＲ画像組系列を入力してもよい。
ＳＡＲ画像組入力手段１０１は、例えば、飛翔体２に搭載されている合成開口レーダシステムのＳＡＲ画像出力手段が出力するＳＡＲ画像組の時系列データを直接受信して、ＳＡＲ画像組系列を入力してもよい。そのような場合、ＳＡＲ画像組入力手段１０１は、有線または無線による通信ネットワークを介して合成開口レーダシステムに接続し、所定のフォーマットに従って所望するＳＡＲ画像組の時系列データを要求し、その応答として送信されるＳＡＲ画像組の時系列データを、ＳＡＲ画像組系列として受信してもよい。なお、ＳＡＲ画像組入力手段１０１は、一般的なファイル入力手段であって、ユーザが所定の方法で合成開口レーダシステムに接続して取得したＳＡＲ画像組の時系列データや、さらにそれを所定のフィーマットに変換したものなどを、ＳＡＲ画像組系列としてユーザ操作に応じて入力してもよい。
最適偏波組検出手段１０２は、ＳＡＲ画像組入力手段１０１によって入力された少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて、対象ピクセルについて、最適な送受信偏波の組合せである最適偏波組を検出する。本実施形態の最適偏波組検出手段１０２は、後述する偏波回転処理手段１０４が提供する偏波回転処理を利用して、ピクセルごとに、最適偏波組を検出する。なお、最適偏波組の検出に用いるＳＡＲ画像組は、どの時刻のＳＡＲ画像組であってもよい。ここで、対象ピクセルは、例えば、関心領域に対応する画像領域に含まれる各ピクセルであったり、ユーザが指定されたピクセルである。
例えば、最適偏波組検出手段１０２は、入力されたＳＡＲ画像組の中から最適偏波組の検出処理に用いるＳＡＲ画像組を１組決定し、決定した１組のＳＡＲ画像組を用いて、各ピクセルに対して、偏波回転処理により、予め定めておいた最適偏波組の各候補による反射強度を算出する。そして、各候補の反射強度の算出結果に基づいて、当該ピクセルにおける最適偏波組を決定してもよい。
ここで、偏波回転処理は、偏波合成とも呼ばれる処理であり、基本４偏波組によるＳＡＲデータ（特に、反射強度と相対位相）から、任意の送受信偏波の組合せによる反射強度を求める処理である。合成開口レーダによって略同一場所および略同一時刻に観測されたＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波による反射強度と相対位相とを用いると、撮影視野４の各分解能セルの完全な散乱行列を求めることができ、この散乱行列から各分解能セルの完全な偏波特性を計算することができる。ここで、分解能セルは、合成開口レーダが後方散乱を観測する地表の単位区画であり、ＳＡＲ画像におけるピクセルに相当する。この分解能セルは、合成開口レーダの地上分解能より定まる。各ピクセルの完全な偏波特性が求まれば、それを基に任意の送受信偏波の組合せによる反射強度を求めることができる。
ＳＡＲデータから得られるこのような情報の例として、ポラリメトリックＳＡＲデータが挙げられる。ポラリメトリックＳＡＲデータは、散乱波の散乱時の変化位相を表現したデータである。
以下、偏波回転処理について簡単に説明する。平面波の偏波の一般的表現は楕円偏波であり、図４に示されるように角度χと角度ψで記述できる。ここで、角度χは楕円の丸みを表し、角度ψは長軸の水平方向からの角度を表している。また、散乱波の偏波ベクトルｑｓは、送信アンテナの偏波ベクトルｑｔと散乱行列Ｓを用いて以下の式（１）のように表される。
Figure 0006349937
散乱行列Ｓは、２×２の複素行列であり、入射偏波ベクトルと散乱偏波ベクトルを対応づけている。また、散乱行列Ｓの要素Ｓｊｉは偏波ｉの入射波に対する偏波ｊの散乱波の電界の大きさと位相の変化を表している。この散乱行列Ｓの各要素は、基本４偏波組のＳＡＲデータに相当する。
ｑｒを受信アンテナの偏波ベクトルとすると、受信電界の複素振幅Ｖと散乱パワー（反射強度）Ｐは以下の式（２）のように表される。なお、左肩のｔは転置行列を表し、右肩の＊は複素共役を表している。
Ｖ＝ｑｒ ｔＳｑｔ，
Ｐ＝ＶＶ＊ ・・・（２）
散乱行列Ｓが求まれば、ｑｔとｑｒで規定される任意の送受信偏波の組合せについてその応答（受信電界の複素振幅Ｖや散乱パワーＰ）を計算できる。
なお、偏波ベクトルの代わりにストークスベクトルを用いて入射波と散乱波との対応関係を求めることも可能である。例えば、入射波のストークスベクトルＧｔと、散乱波のストークスベクトルＧｒとは、以下の式（３）に示すような関係にある。
Ｐ＝Ｇｒ ｔＦＧｔ ・・・（３）
ここで、Ｆは、ストークス行列と呼ばれる４×４の実行列である。また、ストークスベクトルＧｔとＧｒとはそれぞれ、以下の式（４）に示される４つのストークスパラメータＧ０，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３からなる４次元ベクトルである。なお、ａｈとａｖはそれぞれ、電界ベクトルの水平成分Ｅｈの振幅と、垂直成分Ｅｖの振幅である。また、δは、Ｅｈの位相δｈとＥｖの位相δｖの差（δｈ−δｖ）である。なお、偏波ベクトルが複素数表現であるのに対して、ストークスベクトルは実数表現である。詳細は省略するが、ストークス行列Ｆの要素は、散乱行列Ｓの要素から周知の関係に従って求められる。
Ｇ０＝ａｈ ２＋ａｖ ２ ，
Ｇ１＝ａｈ ２−ａｖ ２ ，
Ｇ２＝２ａｈａｖｃｏｓδ ，
Ｇ３＝２ａｈａｖｓｉｎδ ・・・（４）
このような散乱行列Ｓまたはストークス行列Ｆから任意の送受信偏波の組合せに対する散乱強度を求める方法には、例えば、次のような方法がある。
まず、求めたい送受信偏波の組における送受信アンテナのストークスベクトルＧｔ，Ｇｒの各要素を、次の式（５）に示すように楕円偏波のχとψで記述する。
Ｇ０＝１．０ ，
Ｇ１＝ｃｏｓ（２χ）ｃｏｓ（２ψ） ，
Ｇ２＝ｃｏｓ（２χ）ｓｉｎ（２ψ） ，
Ｇ３＝ｓｉｎ（２χ） ・・・（５）
なお、χ＝０°は直線偏波、｜χ｜＝４５°は円偏波、χ＜０は右回り、χ＞０は左回りの偏波を表す。また、ψ＝０°は水平偏波、ψ＝９０°垂直偏波を表す。χの変域は−４５°から４５°まで、ψの変域は０°から１８０°までである。例えば、χ＝０°かつψ＝０°は直線の水平偏波を表し、χ＝３５°かつψ＝９０°は左回り楕円で長軸が水平方向の偏波を表す。
次に、対象とするターゲットエリアのピクセルのストークス行列Ｆを各要素ごとに平均し、平均ストークス行列Ｆ’を求める。
次に、送信アンテナのストークスベクトルＧｔと、受信アンテナのストークスベクトルＧｒと、求めた平均ストークス行列Ｆとを、上述の式（３）に代入（ただし、ＦをＦ’とする）して散乱パワーＰを求める。なお、ストークス行列を平均ストークス行列Ｆ’とするのは、コヒーレントな電波を用いて面状に分布する対象を計測した場合に生じるスペックルノイズを低減するためである。ここで、複数の対象ストークス行列Ｆを加算平均して散乱パワーＰを求めることにより、複数の対象からの散乱パワーＰを加算平均することができる。
なお、上述したような偏波特性および任意の送受信偏波の組による散乱パワーＰを求める方法は、例えば、上述した非特許文献３にも記載されている。
送受信偏波を変化させると、偏波によってターゲットの散乱強度が変化する。最適偏波組検出手段１０２は、このような偏波回転処理を利用して、予め定めておいた最適偏波組の各候補のうち最も強い反射強度が得られた候補の送受信偏波の組合せを、最適偏波組として検出してもよい。
最適偏波組の候補とする送受信偏波の組合せは、特に限定されない。すなわち、送信波および受信波に対して、それぞれ偏波の回転角が０〜１８０度の範囲に含まれる偏波を任意に設定できる。ここで、偏波の回転角は、水平偏波の偏波角度を０度としたときの当該偏波の偏波角度である。なお、偏波の回転角は、図４に示される角度ψに相当し、例えばＨ偏波であれば０度、Ｖ偏波であれば９０度となる。また、回転角の０度と１８０度とは同じ偏波を表わしている。最適偏波組の候補は、例えば、送信および受信の直線偏波を０度（水平）から１８０度まで＋５度ずつ回転させたものの組合せであってもよい。送信偏波の回転角をαｔとし、受信偏波の回転角をαｒとし、それらの組合せを｛αｔ，αｒ｝と表現すると、上記例の場合、最適偏波組の候補＝｛｛｛０，０｝，．．．，｛０，１７５｝｝，｛｛５，０｝，．．．，｛５，１７５｝｝，・・・，｛｛１７５，０｝，．．．，｛１７５，１７５｝｝｝となる。
また、最適偏波組検出手段１０２は、２組以上のＳＡＲ画像組を用いる場合には、各ＳＡＲ画像組を用いて各候補について反射強度を求め、反射強度の平均が最も高い候補や、反射強度の平均が所定値以上で反射強度のばらつきが最も小さい候補を最適偏波組に選んでもよい。
また、最適偏波組検出手段１０２は、全ての候補に対して反射強度を求めた結果、いずれの候補も反射強度が所定値以上とならなかった場合には、当該ピクセルは測定点には適さないとして、最適偏波組なしとしてもよい。
また、例えば、最適偏波組検出手段１０２は、最適偏波組を求める際に、まず変動が生じていないとされる期間中に撮影された２組以上のＳＡＲ画像組を用いて、ＰＳ特性を有するか否かを判定してもよい。最適偏波組検出手段１０２は、例えば、基本４偏波組のいずれかの送受信偏波の組による上記期間中の相対位相の変化幅が所定値以上であった場合には、ＰＳ特性を有していないとして、上記反射強度に基づく判定の如何にかかわらず、当該ピクセルは測定点には適さないとして、最適偏波組なしとしてもよい。
また、最適偏波組検出手段１０２は、最適偏波組の検出時間を短縮したい場合には、例えば、最適偏波組を、予め定めておいた最適偏波組の候補の中で所定の閾値以上の反射強度となる送受信偏波の組合せとしてもよい。そのような場合、最適偏波組検出手段１０２は、例えば、複数設けられた最適偏波組の候補に対して、所定の順番で偏波回転処理により反射強度を求め、最初に反射強度が所定の閾値以上となった候補を、当該ピクセルにおける最適偏波組としてもよい。以下では、最適偏波組における送受信偏波の回転角の組合せを、最適回転角組と称する場合がある。最適偏波組検出手段１０２による最適偏波組の決定は、最適回転角組を決定していると言うことも可能である。
最適偏波組検出手段１０２は、そのようにして得た各ピクセルにおける最適偏波組を示す情報を含む測定点情報を生成し、後述する測定点情報記憶手段１０３に記憶する。最適偏波組を示す情報は、例えば、送信偏波の回転角と、受信偏波の回転角とを含む情報であってもよい。なお、最適偏波組なしが検出された場合、最適偏波の組を示す情報には、その旨を示す情報が登録される。
測定点情報は、ＰＳ−ＩｎＳＡＲにおける測定点に関する情報であって、例えば、ピクセルまたはピクセルが対応する地点の位置情報と、最適偏波組を示す情報と対応づけた情報であってもよい。また、測定点情報は、位置情報と、最適偏波組を示す情報とに加えて、検出の際に求めた最適偏波組による反射強度（反射強度の平均を含む）や、偏波特性を示す情報（散乱行列Ｓやストークス行列Ｆ等）を含んでいてもよい。また、さらに、最適偏波組の検出日時や、検出に用いたＳＡＲ画像組の情報を含んでいてもよい。
測定点情報記憶手段１０３は、測定点情報を記憶する。
偏波回転処理手段１０４は、偏波回転処理を提供する手段であり、少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて、指定されたピクセルにおける、指定された送受信偏波の組合せによる反射強度を算出する。
変動検出手段１０５は、測定点情報記憶手段１０３に記憶されている測定点情報と、入力されたＳＡＲ画像組系列とに基づいて、変動検出の対象とされたピクセルに対応する地点における変動を検出する。
検出結果出力手段１０６は、変動検出手段１０５による検出結果を出力する。
以下、本実施形態の変動検出手段１０５についてさらに詳しく説明する。図５は、変動検出手段１０５の一例を示すブロック図である。図５に示す変動検出手段１０５Ａは、回転ＳＡＲデータ生成手段１５１と、変位測定手段１５２Ａとを含む。
回転ＳＡＲデータ生成手段１５１は、測定点情報記憶手段１０３に記憶されている測定点情報によって示される対象ピクセルの最適偏波組と、入力されたＳＡＲ画像組系列に含まれる指定時刻のＳＡＲ画像組とに基づいて、対象ピクセルの各々に対して、少なくとも２つの異なる時刻に対応する回転ＳＡＲデータであって、それぞれが対応する時刻における当該ピクセルの最適偏波組によるＳＡＲデータである回転ＳＡＲデータを生成する。回転ＳＡＲデータ生成手段１５１は、例えば、偏波回転処理手段１０４が提供する偏波回転処理を利用して、対象ピクセルについて、指定時刻（より具体的には指定時刻に含まれる各時刻）に対応する回転ＳＡＲデータを生成してもよい。以下、回転ＳＡＲデータ生成手段１５１が生成する対象ピクセルの指定時刻に対応する回転ＳＡＲデータを、対象ピクセルについての観測時刻の異なる観測データから生成される回転ＳＡＲデータの集合という意味で、対象ピクセルの「回転ＳＡＲデータ系列」という場合がある。
回転ＳＡＲデータ生成手段１５１は、例えば、対象ピクセルの各々に対して、ＳＡＲ画像組系列に含まれる指定時刻のＳＡＲ画像組を用いて、指定時刻に含まれる時刻ごとに、最適偏波組を指定した偏波回転処理を行うことにより、各対象ピクセルについての回転ＳＡＲデータ系列を生成できる。
なお、回転ＳＡＲデータは、最適偏波組が基本４偏波組のいずれかである場合には、入力されたＳＡＲ画像組に含まれるＳＡＲデータをそのまま利用してもよい。
変位測定手段１５２Ａは、対象ピクセルについての回転ＳＡＲデータ系列を用いて、対象ピクセルに対応する地点の変位を測定する。変位測定手段１５２Ａは、より具体的には、対象ピクセルについての回転ＳＡＲデータ系列をＰＳ−ＩｎＳＡＲ処理に用いて、対象ピクセルに対応する地点における、変動による位相差を算出する。ＰＳ−ＩｎＳＡＲ処理では、比較対象とされた対象ピクセルのＳＡＲデータ間に現れる位相差のうち、高さによる位相差を除去して、変動による位相差を求めることにより、対象ピクセルに対応する地点における変位を測定できる。
例えば、ｎ組のＳＡＲ画像組を含むＳＡＲ画像組系列が入力され、そのｎ組のＳＡＲ画像組が取得された各時刻が指定時刻として指定された場合、変位測定手段１５２Ａには、１つの対象ピクセルにつき、時刻ｔ１〜ｔｎのいずれかに対応するｎ個の回転ＳＡＲデータを含む回転ＳＡＲデータ系列が入力される。
そのような場合に、例えば、変位測定手段１５２Ａは、最初の時刻とそれ以降の各時刻間に現れる位相差の最大値や、隣り合った時刻間に現れる位相差の累計値等を、対象ピクセルの指定時刻間における変位を示す情報として出力してもよい。具体的には、時刻ｔ１に対応する回転ＳＡＲデータと、時刻ｔ２〜ｔｎの各々に対応する回転ＳＡＲデータ間に現れる位相差を求め、求めた位相差の最大値を、対象ピクセルの指定時刻間における変位を示す情報として出力してもよい。また、例えば、変位測定手段１５２Ａは、時刻ｔ１に対応する回転ＳＡＲデータと時刻ｔ２に対応する回転ＳＡＲデータ間に現れる位相差，時刻ｔ２に対応する回転ＳＡＲデータと時刻ｔ３に対応する回転ＳＡＲデータ間に現れる位相差，・・・，時刻ｔ（ｎ−１）に対応する回転ＳＡＲデータと時刻ｔｎに対応する回転ＳＡＲデータ間に現れる位相差を求め、求めた位相差の累計値（ただし、２πを上限とする）を、対象ピクセルの指定時刻間における変位を示す情報として出力してもよい。
このような場合、検出結果出力手段１０６は、変位測定手段１５２Ａから出力される各対象ピクセルの指定時刻間における変位を示す情報を、各対象ピクセルに対応する地点における変動の検出結果を示す情報として出力してもよい。
また、検出結果出力手段１０６は、変位測定手段１５２Ａから出力される各対象ピクセルの指定時刻間における変位を示す情報を基に、差分干渉画像を生成して表示してもよい。差分干渉画像は、少なくとも対象ピクセルの各々に対応づけて、当該ピクセルが対応する地点における変動による位相差の情報または該位相差の大きさに応じた画素情報を保持する画像である。これにより、出力先で、差分干渉画像の表示において、各画素を、当該画素に対応する地点における変位量に応じて色分け等できる。検出結果出力手段１０６は、生成する差分干渉画像において、対象ピクセル以外のピクセルについては、測定対象外もしくは変位なしの旨の情報を保持させてもよい。
また、図６は、変動検出手段１０５の他の例を示すブロック図である。図６に示す変動検出手段１０５Ｂは、回転ＳＡＲデータ生成手段１５１と、回転ＳＡＲ画像生成手段１５３Ｂと、変位測定手段１５２Ｂとを含む。
回転ＳＡＲデータ生成手段１５１は、図５に示した変動検出手段１０５Ａの回転ＳＡＲデータ生成手段１５１と同様である。
回転ＳＡＲ画像生成手段１５３Ｂは、生成された各対象ピクセルについての回転ＳＡＲデータ系列を統合して、指定時刻の各時刻に対応する回転ＳＡＲ画像を生成する。
ここで、回転ＳＡＲ画像は、少なくとも対象ピクセルに対応づけて、当該ピクセルの最適偏波組によるＳＡＲデータである回転ＳＡＲデータを少なくとも保持する画像である。なお、回転ＳＡＲ画像は、通常のＳＡＲ画像と違って、ピクセルごとに送受信偏波の組合せが異なりうる画像である。
なお、回転ＳＡＲ画像生成手段１５３Ｂは、各回転ＳＡＲ画像において、対象ピクセル以外のピクセルについては、無効の旨や反射強度をゼロとした回転ＳＡＲデータを保持させてもよいし、例えば、ＳＡＲ画像組系列に含まれる当該時刻の基本４偏波組のいずれか１つの送受信偏波の組によるＳＡＲデータを選び、それを保持させてもよい。
変位測定手段１５２Ｂは、生成された複数時刻に対応する回転ＳＡＲ画像を用いて、少なくとも対象ピクセルに対応する地点における変位を測定し、測定結果を表す差分干渉画像を生成する。変位測定手段１５２Ｂは、例えば、複数時刻に対応するＳＡＲ画像を用いたＰＳ−ＩｎＳＡＲ処理と同様の処理を行えばよい。
なお、上述した変位測定手段１５２Ａでは、入力データが、ピクセル単位のデータである回転ＳＡＲデータ系列であり、出力データが、ピクセル単位の測定結果を示す情報であったのに対して、変位測定手段１５２Ｂでは、入力データが、画像単位のデータである回転ＳＡＲ画像であり、出力データが、画像単位の測定結果である差分干渉画像である点が異なる。このように、変位測定手段への入出力データのフォーマットを選べることができる。
本実施形態において、ＳＡＲ画像組入力手段１０１は、例えば、データ入力装置と、プログラムに従って動作する情報処理装置とによって実現される。また、最適偏波組検出手段１０２、偏波回転処理手段１０４および変動検出手段１０５は、例えば、プログラムに従って動作する情報処理装置によって実現される。また、測定点情報記憶手段１０３は、例えば、記憶装置によって実現される。検出結果出力手段１０６は、例えば、データ出力装置と、プログラムに従って動作する情報処理装置とによって実現される。
次に、本実施形態の動作を説明する。図７は、本実施形態の変動検出装置１の動作の一例を示すフローチャートである。図７には、関心領域内のユーザが指定した地点について変位測定を行って対象物の歪み等を検出する変動検出装置１の動作の例が示されている。なお、以下では、変動検出装置１が、変動検出手段１０５として、図５に示される変動検出手段１０５Ａを備えている場合を例に用いて説明する。
本例では、まず、ユーザに、関心領域を決定させる（ステップＳ１０１）。例えば、変動検出装置１は、関心領域を指定するための関心領域指定画面等のユーザインタフェースを有し、該ユーザインタフェースを介して、ユーザに関心領域の情報を入力させてもよい。関心領域の情報は、例えば、中心地点の緯度経度および半径等であってもよい。また、例えば、合成開口レーダ３の撮影視野４をマッピングした地図等を表示して、その地図上で関心領域の範囲等を指定させてもよい。
次に、ＳＡＲ画像組入力手段１０１は、関心領域を含む領域に対して異なる時刻に取得されたＳＡＲ画像組を含むＳＡＲ画像組系列を入力する（ステップＳ１０２）。
次に、変動検出装置１は、ユーザに、関心領域内において特に変位を測定したい地点（測定点）を１つ以上、指定させる（ステップＳ１０３）。例えば、変動検出装置１は、測定点を指定するための測定点指定画面等のユーザインタフェースを有し、該ユーザインタフェースを介して、ユーザに測定点の情報を入力させてもよい。測定点の情報は、例えば、地表における位置を示す情報（緯度経度等）であってもよいし、取得したＳＡＲ画像組系列に含まれるＳＡＲ画像におけるピクセル座標であってもよい。なお、変動検出装置１は、地表における位置とＳＡＲ画像におけるピクセル位置との対応関係を示す情報を保持しているものとする。また、以下、本例において指定された測定点に対応するピクセルを対象ピクセルとする。
次に、最適偏波組検出手段１０２は、入力されたＳＡＲ画像組系列に含まれる少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて偏波回転処理を行うことにより、対象ピクセルの最適偏波組を検出する（ステップＳ１０４）。また、最適偏波組検出手段１０２は、検出された対象ピクセルの最適偏波組を示す情報を含む測定点情報を生成し、測定点情報記憶手段１０３に記憶する。
次に、変動検出手段１０５の回転ＳＡＲデータ生成手段１５１は、測定点情報によって示される対象ピクセルの最適偏波組と、ＳＡＲ画像組系列に含まれる指定時刻に対応するＳＡＲ画像組とに基づいて、対象ピクセルについての回転ＳＡＲデータ系列を生成する（ステップＳ１０５）。
次に、変動検出手段１０５の変位測定手段１５２Ａは、生成された対象ピクセルの回転ＳＡＲデータ系列を用いてＰＳ−ＩｎＳＡＲ処理を行うことにより、対象ピクセルに対応する地点（測定点として指定された地点）における変位を測定する（ステップＳ１０６）。そして、変位測定手段１５２Ａは、例えば、測定の結果得られた対象ピクセルの指定時刻間における変位を示す情報を出力する。なお、対象ピクセルによっては最適偏波組であっても反射強度が小さい、またはＰＳ特性を有していないなど測定点の条件を満たさず、測定不能を示す情報が出力される場合がある。
最後に、検出結果出力手段１０６は、指定された地点における変動の検出結果を示す情報として、ステップＳ１０６で得られた情報を出力する（ステップＳ１０７）。検出結果出力手段１０６は、例えば、変位測定手段１５２Ａから得られた対象ピクセルの指定時刻間における変位を示す情報に基づいて、指定された地点における変動の有無を判定して、その結果（変動有無）とともにステップＳ１０６で得られた情報を出力してもよい。
対象ピクセルが複数ある場合すなわち測定点が複数指定された場合は、ステップＳ１０４〜Ｓ１０７の処理を繰り返し行う。
このような方法によれば、ユーザが指定した測定点における変動を検出できる可能性を高めることができる。なぜなら、変動検出装置１が当該地点に対応するピクセルの最適偏波組を求めた上で、複数時刻における当該地点の最適偏波組によるＳＡＲデータである回転ＳＡＲデータ系列を生成して、ＰＳ−ＩｎＳＡＲ処理を行うからである。例えば、１つの送受信偏波の組合せによるＳＡＲデータを用いるのみの場合、当該地点は該送受信偏波の組による反射強度が小さく測定点として処理できない可能性がある。それに対して、本発明によれば、そのような点であっても、他に反射強度の大きい送受信偏波の組合せがあれば、その送受信偏波の組合せを用いて当該地点における変位を測定できる。このことは、本発明によって変動検出の感度が向上したことに他ならない。
また、図８は、本実施形態の変動検出装置１の動作の他の例を示すフローチャートである。図８には、関心領域に対応するＳＡＲ画像の画像領域に含まれる全てのピクセルについて変位測定を行って対象物の歪み等を検出する変動検出装置１の動作の例が示されている。本例でも、変動検出装置１が、変動検出手段１０５として、図５に示される変動検出手段１０５Ａを備えている場合を例に用いて説明する。なお、ステップＳ１０１〜Ｓ１０２は図７に示した例と同じであるため、説明を省略する。
また、本例では、関心領域に対応するＳＡＲ画像の画像領域に含まれる全てのピクセルを対象ピクセルとする。
本例では、ＳＡＲ画像組系列が入力されると（ステップＳ１０２）、最適偏波組検出手段１０２が、入力されたＳＡＲ画像組系列に含まれる少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて、対象ピクセルの各々について偏波回転処理を行うことにより、各対象ピクセルの最適偏波組を検出する（ステップＳ２０１）。また、最適偏波組検出手段１０２は、得られた各対象ピクセルの最適偏波組を示す情報を含む測定点情報を生成し、測定点情報記憶手段１０３に記憶する。
次に、変動検出手段１０５の回転ＳＡＲデータ生成手段１５１は、測定点情報によって示される各対象ピクセルの最適偏波組と、ＳＡＲ画像組系列に含まれる指定時刻に対応するＳＡＲ画像組とに基づいて、各対象ピクセルの回転ＳＡＲデータ系列を生成する（ステップＳ２０２）。
次に、変動検出手段１０５の変位測定手段１５２Ａは、生成された各対象ピクセルの回転ＳＡＲデータ系列を用いて、対象ピクセルごとにＰＳ−ＩｎＳＡＲ処理を行うことにより、各対象ピクセルに対応する地点における変位を測定する（ステップＳ２０３）。変位測定手段１５２Ａは、例えば、測定の結果得られた各対象ピクセルの指定時刻間における変位を示す情報を出力する。なお、対象ピクセルによっては反射強度が小さくて位相差の情報が得られないなど測定点の条件を満たさず、測定不能を示す情報が得られる場合がある。
最後に、検出結果出力手段１０６は、ステップＳ２０３で得られた情報を基に差分干渉画像を生成し、生成した差分干渉画像を、関心領域における変動の検出結果を示す情報として出力する（ステップＳ２０４）。
このように、本例では、関心領域に含まれる全てのピクセルを対象にして、最適偏波組を求める処理、最適偏波組による回転ＳＡＲデータ系列を生成する処理、回転ＳＡＲデータ系列を用いて変動による位相差を求める処理（ＰＳ−ＩｎＳＡＲ処理）を行い、その結果を差分干渉画像にして出力している。この方法によれば、ユーザは、関心領域に含まれる各ピクセルに対応する地点が測定点の条件を満足しているか否かを特に知らなくても、関心領域に含まれる全ての測定可能な地点を使って変動を検出できる。このことは、本発明によって変動検出の感度が向上したことに他ならない。また、変動検出結果を差分干渉画像として出力すれば、関心領域内で変動があった地点が即座にわかるなど検出結果の視認性を高めることができる。
また、図９は、本実施形態の変動検出装置１の動作の他の例を示すフローチャートである。図９には、関心領域に対応するＳＡＲ画像の画像領域に含まれる全てのピクセルについて変位測定を行って対象物の歪み等を検出する変動検出装置１の動作の例が示されている。本例では、変動検出装置１が、変動検出手段１０５として、図６に示される変動検出手段１０５Ｂを備えている場合を例に用いて説明する。なお、ステップＳ１０１〜Ｓ１０２の処理は、図７に示した例と同じであるため、説明を省略する。また、ステップＳ２０１〜Ｓ２０２の処理は、図８に示した例と同じであるため、説明を省略する。
また、本例では、関心領域に対応するＳＡＲ画像の画像領域に含まれる全てのピクセルを対象ピクセルとする。
本例では、変動検出手段１０５の回転ＳＡＲデータ生成手段１５１が、各対象ピクセルの回転ＳＡＲデータ系列を生成すると（ステップＳ２０２）、回転ＳＡＲ画像生成手段１５３Ｂが、指定時刻に含まれる時刻ごとに、各対象ピクセルの回転ＳＡＲデータ系列に含まれる当該時刻に対応する回転ＳＡＲデータを統合して、指定時刻に対応する回転ＳＡＲ画像を生成する（ステップＳ３０１）。
次に、変動検出手段１０５の変位測定手段１５２Ｂは、生成された指定時刻に対応する回転ＳＡＲ画像を用いて、ＰＳ−ＩｎＳＡＲ処理を行うことにより、差分干渉画像を生成する（ステップＳ３０２）。
最後に、検出結果出力手段１０６は、少なくとも関心領域における変動の検出結果を示す情報として、ステップＳ３０２で得られた差分干渉画像を出力する（ステップＳ３０３）。
このように、本例では、関心領域に含まれる全てのピクセルを対象にして、最適偏波組を求める処理、最適偏波組による回転ＳＡＲデータ系列を生成する処理、各ピクセルの回転ＳＡＲデータ系列から指定時刻に対応する回転ＳＡＲ画像を生成する処理、指定時刻に対応する回転ＳＡＲ画像を用いて差分干渉画像を生成する処理（ＰＳ−ＩｎＳＡＲ処理）を行い、その結果である差分干渉画像を出力している。この方法によれば、図８に例示した方法による効果に加えて、複数の時刻に対応したＳＡＲ画像を入力して差分干渉画像を出力するような既存のＰＳ−ＩｎＳＡＲ処理を利用することができる。
以上のように、本実施形態によれば、全てのピクセルについて１種類の送受信偏波の組合せによるＳＡＲデータを用いる方法に比べて測定点を容易に増やすことができるので、対象とする物体または地表の変動をより精密に検出できる。例えば、歪みを検出したい人工構造物上にＰＳ特性を有する地点があっても、１種類の送受信偏波の組によるＳＡＲデータではその地点の反射強度が弱くて雑音に埋もれてしまっていたような場合であっても、ピクセルごとに反射強度の高い他の任意の送受信偏波の組によるＳＡＲデータを用いてその地点における変位を測定できるので、歪みを検出できるようになるといった効果がある。
また、このようにして測定可能な測定点が増えることによって、ビル、道路、橋等の人口構造物の劣化診断や、地盤沈下測定、地殻変動測定等の土地起伏の変化診断などがより精密に行えるという効果が得られる。
実施形態２．
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１０は、本発明の第２の実施形態の変動検出装置１の構成例を示すブロック図である。図１０に示す変動検出装置１は、図２に示す第１の実施形態の変動検出装置１と比べて、偏波回転処理手段１０４が省略されている点が異なる。
本実施形態における最適偏波組検出手段１０２は、第１の実施形態の最適偏波組検出手段１０２と基本的に同じであるが、最適偏波組の候補を、ＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波の基本４偏波組のみとしている点が異なる。
すなわち、本実施形態の最適偏波組検出手段１０２は、ＳＡＲ画像組系列に含まれる１組のＳＡＲ画像組を用いて、ピクセルごとに、基本４偏波組の中から最適偏波組を検出（選択）する。最適偏波組検出手段１０２は、例えば、ＳＡＲ画像組系列に含まれる１組のＳＡＲ画像組に含まれる対象ピクセルの基本４偏波組によるＳＡＲデータに示される反射強度等を比較して、最適偏波組の候補である基本４偏波組の中から、最適偏波組とする送受信偏波の組み合わせを１つ選べばよい。なお、選択方法は第１の実施形態と同様でよい。また、最適偏波組検出手段１０２は、そのようにして得られた各対象ピクセルの最適偏波組を示す情報を含む測定点情報を生成し、測定点情報記憶手段１０３に記憶する。
また、本実施形態の変動検出手段１０５は、測定点情報に基づき、必要に応じてＳＡＲ画像組系列に含まれる指定時刻における対象ピクセルの基本４偏波組によるＳＡＲデータの中から該対象ピクセルの最適偏波組によるＳＡＲデータを選択的に用いて、対象ピクセルに対応する地点における変動を検出する。
図１１は、本実施形態の変動検出手段１０５の一例を示すブロック図である。図１１に示す変動検出手段１０５Ｃは、変位測定手段１５２Ｃを含む。
変位測定手段１５２Ｃは、図５に例示した変動検出手段１０５Ａの変位測定手段１５２Ａと基本的に同じであるが、対象ピクセルについての回転ＳＡＲデータ系列を用いる代わりに、ＳＡＲ画像組系列に含まれる指定時刻における対象ピクセルの基本４偏波組によるＳＡＲデータを用いる点が異なる。変位測定手段１５２Ｃは、例えば、ＳＡＲ画像組系列に含まれる指定時刻における対象ピクセルの基本４偏波組によるＳＡＲデータが入力されると、測定点情報に基づいて、各時刻につき最適偏波組によるＳＡＲデータを選択して、対象ピクセルに対応する地点における変位を測定する。
なお、変位測定手段１５２Ｃは、測定点情報に基づき、ＳＡＲ画像組系列に含まれる指定時刻における当該ピクセルの最適偏波組によるＳＡＲデータを選択して用いる点以外は、上述した変位測定手段１５２Ａと同様である。
また、図１２は、本実施形態の変動検出手段１０５の他の例を示すブロック図である。図１２に示す変動検出手段１０５Ｄは、回転ＳＡＲ画像生成手段１５３Ｄと、変位測定手段１５２Ｂとを含む。
回転ＳＡＲ画像生成手段１５３Ｄは、図６に例示した第１の実施形態の変動検出手段１０５の回転ＳＡＲ画像生成手段１５３Ｂと基本的に同じであるが、対象ピクセルについての回転ＳＡＲデータ系列を用いる代わりに、ＳＡＲ画像組系列に含まれる指定時刻における対象ピクセルの基本４偏波組によるＳＡＲデータを用いる点が異なる。回転ＳＡＲ画像生成手段１５３Ｄは、例えば、ＳＡＲ画像組系列に含まれる指定時刻における対象ピクセルの基本４偏波組によるＳＡＲデータが入力されると、時刻ごとに、測定点情報に基づいて、対象ピクセルの各々に対して最適偏波組によるＳＡＲデータを選択し、それらを統合して、指定時刻に対応する回転ＳＡＲ画像を生成する。
なお、回転ＳＡＲ画像生成手段１５３Ｄは、測定点情報に基づき選択したＳＡＲ画像組系列に含まれる指定時刻における当該ピクセルの最適偏波組によるＳＡＲデータを用いる点以外は、上述した回転ＳＡＲ画像生成手段１５３Ｂと同様である。
以上のように、本実施形態によれば、偏波回転処理を行わないさらに簡易な構成であっても、全てのピクセルについて１種類の送受信偏波の組合せによるＳＡＲデータを用いる方法に比べて測定点を増やすことができるので、対象とする物体または地表の変動をより精密に検出できる。なお、他の点については第１の実施形態と同様である。
また、上記各実施形態では、測定点情報を記憶する手段として、変動検出装置が測定点情報記憶手段１０３を備える例を示したが、測定点情報記憶手段１０３を省略することも可能である。そのような場合には、最適偏波組検出手段１０２から直接、変動検出手段１０５に、測定点情報を出力すればよい。
次に、本発明の概要について説明する。図１３は、本発明による変動検出装置の概要を示すブロック図である。図１３に示すように、本発明による変動検出装置は、ＳＡＲ画像組入力手段５０１と、偏波組決定手段５０２と、変位測定手段５０３とを備えている。
ＳＡＲ画像組入力手段５０１（例えば、ＳＡＲ画像組入力手段１０１）は、特定領域（関心領域）を含む撮影視野内の分解能セルに対応するピクセルの各々に対応づけて、略同一時刻に合成開口レーダが観測した送受信偏波の組合せがＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波である基本４偏波組による観測データから生成される反射強度および位相を示す情報を少なくとも保持するＳＡＲ画像組を２組以上入力する。
偏波組決定手段５０２（例えば、最適偏波組検出手段１０２）は、入力されたＳＡＲ画像組のうちの少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて、対象ピクセルの各々に対して、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定する。ここで、対象ピクセルは、例えば、関心領域に対応する画像領域内の各ピクセルであったり、該画像領域内の指定されたピクセルである。
変位測定手段５０３（例えば、変動検出手段１０５、特に変位測定手段１５２Ａ、変位測定手段１５２Ｂ、変位測定手段１５２Ｃ）は、偏波組決定手段５０２によって決定された偏波組と、入力されたＳＡＲ画像組とに基づいて、対象ピクセルに対応する地点における変位を測定する。
このような特徴的要素を備えているので、ＰＳ−ＩｎＳＡＲにおいて変位を測定可能な地点を多くまたは見逃さずに検出でき、したがって感度良く変動を検出することができる。
また、偏波組決定手段５０２は、対象ピクセルの各々に対して、予め定められている偏波組の候補の中から、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定してもよい。
また、偏波組の候補が、ＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波の４種類であってもよい。
また、偏波組の候補が、偏波回転角が０度〜１８０度のいずれかである送信偏波と、偏波回転角が０度〜１８０度のいずれかである受信偏波との組合せの集合であってもよい。
また、本発明による変動検出装置は、指定された点を画像領域に含む少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて、当該点における任意の送受信偏波の組合せによる反射強度を算出する偏波回転処理手段（例えば、偏波回転処理手段１０４）と、対象ピクセルの各々に対して、偏波回転処理手段を利用して、入力されたＳＡＲ画像組から、少なくとも２つの時刻に対応する回転ＳＡＲデータであって、それぞれ対応する時刻における決定された偏波組による反射強度および位相を示す情報を含む回転ＳＡＲデータを生成する回転ＳＡＲデータ生成手段（例えば、変動検出手段１０５、特に回転ＳＡＲデータ生成手段１５１）とを備え、偏波組決定手段は、対象ピクセルの各々に対して、偏波回転処理手段を利用して、入力されたＳＡＲ画像のうちの少なくとも１組のＳＡＲ画像組から、予め定められている偏波組の各候補の反射強度を算出し、算出した各候補の反射強度に基づいて偏波組を決定し、変位測定手段は、対象ピクセルの各々に対して、回転ＳＡＲデータ生成手段によって生成された当該ピクセルの少なくとも２つの時刻に対応する回転ＳＡＲデータに基づいて、当該ピクセルに対応する地点における変位を測定してもよい。
また、本発明による変動検出装置は、さらに、偏波組決定手段によって決定された偏波組と、入力されたＳＡＲ画像組とに基づいて、少なくとも２つの時刻に対応する回転ＳＡＲ画像であって、それぞれが少なくとも対象ピクセルの各々に対応づけて、対応する時刻における決定された偏波組による反射強度および位相を示す情報を少なくとも保持する回転ＳＡＲ画像を生成する回転ＳＡＲ画像生成手段（例えば、変動検出手段１０５、特に回転ＳＡＲ画像生成手段１５３Ｂ、回転ＳＡＲ画像生成手段１５３Ｄ）を備え、変位測定手段は、回転ＳＡＲ画像生成手段によって生成された少なくとも２つの時刻に対応する回転ＳＡＲ画像を用いて、対象ピクセルの各々に対して、当該ピクセルに対応する地点における変位を測定してもよい。
また、本発明による変動検出装置は、変位測定手段による変位の測定結果に基づき、少なくとも対象ピクセルの各々に対応づけて、当該ピクセルが対応する点における変動による位相差を示す情報または該位相差の大きさに応じた画素情報を保持する画像である差分干渉画像を生成する差分干渉画像生成手段（例えば、検出結果出力手段１０６）を備えていてもよい。
以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
本発明は、変動検出用途や、ＰＳ−ＩｎＳＡＲを利用する用途に限らず、ある点における電波の散乱波における反射強度および位相を示す情報に基づく当該点における位相の変化を利用するものであれば、好適に適用可能である。
１ 変動検出装置
２ 飛翔体
３ 合成開口レーダ
４ 撮影視野
１０１ ＳＡＲ画像組入力手段
１０２ 最適偏波組検出手段
１０３ 測定点情報記憶手段
１０４ 偏波回転処理手段
１０５、１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃ、１０５Ｄ 変動検出手段
１０６ 検出結果出力手段
１５１ 回転ＳＡＲデータ生成手段
１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ 変位測定手段
１５３Ｂ、１５３Ｄ 回転ＳＡＲ画像生成手段
５０１ ＳＡＲ画像組入力手段
５０２ 偏波組決定手段
５０３ 変位測定手段

Claims (6)

  1. 特定領域を含む撮影視野内の分解能セルに対応するピクセルの各々に対応づけて、略同一時刻に合成開口レーダが観測した送受信偏波の組合せがＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波である基本４偏波組による観測データから生成される反射強度および位相を示す情報を少なくとも保持するＳＡＲ画像組を２組以上入力するＳＡＲ画像組入力手段と、
    入力されたＳＡＲ画像組のうちの少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて、対象ピクセルの各々に対して、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定する偏波組決定手段と、
    前記偏波組決定手段によって決定された偏波組と、入力されたＳＡＲ画像組とに基づいて、前記対象ピクセルに対応する地点における変位を測定する変位測定手段とを備え、
    前記偏波組決定手段は、対象ピクセルの各々に対して、予め定められている偏波組の候補の中から、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定し、
    前記偏波組の候補が、ＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波の４種類である
    ことを特徴とする変動検出装置。
  2. 指定された点を画像領域に含む少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて、当該点における任意の送受信偏波の組合せによる反射強度を算出する偏波回転処理手段と、
    対象ピクセルの各々に対して、前記偏波回転処理手段を利用して、入力されたＳＡＲ画像組から、少なくとも２つの時刻に対応する回転ＳＡＲデータであって、それぞれ対応する時刻における当該ピクセルの決定された偏波組による反射強度および位相を示す情報を含む回転ＳＡＲデータを生成する回転ＳＡＲデータ生成手段とを備え、
    前記偏波組決定手段は、対象ピクセルの各々に対して、前記偏波回転処理手段を利用して、入力されたＳＡＲ画像のうちの少なくとも１組のＳＡＲ画像組から、予め定められている偏波組の各候補の反射強度を算出し、算出した各候補の反射強度に基づいて偏波組を決定し、
    前記変位測定手段は、前記対象ピクセルの各々に対して、前記回転ＳＡＲデータ生成手段によって生成された当該ピクセルの少なくとも２つの時刻に対応する回転ＳＡＲデータに基づいて、当該ピクセルに対応する地点における変位を測定する
    請求項１に記載の変動検出装置。
  3. 前記偏波組決定手段によって決定された偏波組と、入力されたＳＡＲ画像組とに基づいて、少なくとも２つの時刻に対応する回転ＳＡＲ画像であって、それぞれが少なくとも前記対象ピクセルの各々に対応づけて、対応する時刻における当該ピクセルの決定された偏波組による反射強度および位相を示す情報を少なくとも保持する回転ＳＡＲ画像を生成する回転ＳＡＲ画像生成手段を備え、
    前記変位測定手段は、前記回転ＳＡＲ画像生成手段によって生成された少なくとも２つの時刻に対応する回転ＳＡＲ画像を用いて、前記対象ピクセルの各々に対して、当該ピクセルに対応する地点における変位を測定する
    請求項２に記載の変動検出装置。
  4. 前記変位測定手段による変位の測定結果に基づき、少なくとも対象ピクセルの各々に対応づけて、当該ピクセルが対応する点における変動による位相差を示す情報または該位相差の大きさに応じた画素情報を保持する画像である差分干渉画像を生成する差分干渉画像生成手段を備えた
    請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の変動検出装置。
  5. 特定領域を含む撮影視野内の分解能セルに対応するピクセルの各々に対応づけて、略同一時刻に合成開口レーダが観測した送受信偏波の組合せがＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波である基本４偏波組による観測データから生成される反射強度および位相を示す情報を少なくとも保持するＳＡＲ画像組を２組以上入力し、
    入力されたＳＡＲ画像組のうちの少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて、対象ピクセルの各々に対して、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定し、
    決定された偏波組と、入力されたＳＡＲ画像組とに基づいて、前記対象ピクセルに対応する地点における変位を測定し、
    前記偏波組を決定する際に、対象ピクセルの各々に対して、予め定められている偏波組の候補であるＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波の４種類の中から、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定する
    ことを特徴とする変動検出方法。
  6. コンピュータに、
    特定領域を含む撮影視野内の分解能セルに対応するピクセルの各々に対応づけて、略同一時刻に合成開口レーダが観測した送受信偏波の組合せがＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波である基本４偏波組による観測データから生成される反射強度および位相を示す情報を少なくとも保持するＳＡＲ画像組を２組以上入力するＳＡＲ画像組入力処理、
    入力されたＳＡＲ画像組のうちの少なくとも１組のＳＡＲ画像組を用いて、対象ピクセルの各々に対して、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定する偏波組決定処理、および
    決定された偏波組と、入力されたＳＡＲ画像組とに基づいて、前記対象ピクセルに対応する地点における変位を測定する変位測定処理を実行させ、
    前記偏波組決定処理で、対象ピクセルの各々に対して、予め定められている偏波組の候補であるＨＨ偏波、ＨＶ偏波、ＶＨ偏波およびＶＶ偏波の４種類の中から、反射強度が所定値以上または最も強い偏波組を決定させる
    ための変動検出用プログラム。
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