1980年代以降、異常気象、地球温暖化、オゾン量減少に代表されるように、地球環境の変化が社会的問題となってきており、短い周期で広域的な観測が期待できる地球観測衛星網の充実と、得られたデータの解析による上記現象の機構解明が重要な課題となってきた。合成開口レーダ(Synthetic Aperture Radar:SAR)はアクティブレーダの一つであり、二次元圧縮処理により地表を約10メートルの分解能で、天候、昼夜に関係なく観測できることから、地球観測にとって、非常に有効な搭載センサである。SARは1950年代に初登場し、Seasat(1978)によりその原理が確認され、1990年代になって定常的に運用される機器の一つに成長した。

　SARが観測するのは地表面からの反射信号である。それを二次元圧縮した後、レーダー方程式を用いて地球表面の規格化後方散乱断面積(⁰)に変換すれば、これは観測対象物の散乱特性を表現する基本的なパラメタとなる。近年、⁰と観測対象物(あるいはその物理量)の定量的な関係に関する研究が進み、森林バイオマス量(ton/ha)、植物種毎のバイオマス量(ton/ha)、土壌水分量(%g/g)、海氷分布、積雪深分布等を⁰から推定しようとする傾向にある。これによると、⁰が約1dBの精度で計測されれば、これらの物理量が全体レンジの20〜30%の精度で求まる。一方、SARはコヒーレントな移動観測系であり、スペックルの影響を受け、画像には斑点状の雑音が広がる。それを平滑化等で取り除いた後、正しい⁰を求めることをSARの校正という。一般に、⁰(期待値)とSAR画像の画素値の関係は

　で与えられる。ここで、P_Cは受信信号の相関電力、P_recは受信機雑音、P_satは飽和雑音、G_recは受信機利得、G_antはアンテナ利得、Aはピクセル面積、Rはスラントレンジ、CFは校正係数である。従って、校正はレーダ方程式を構成する各要素の正しい推定を必要とする。衛星搭載機器は、打ち上げ前後で、環境条件が大幅に異なるために、機器が予測と離れた動作をする可能性が高い。従って、本論文はこれらの点を考慮し、衛星搭載用SARによる地表面⁰の計測方法について研究した。尚、スペックル除去については本論文の範囲外とする。

6.まとめ

　本研究は、SARで観測する⁰を校正する方法について、理論的、実験的な検証を行った。その結果、以下の結論を得た。

　1)飽和したSAR画像の補正が可能になった(20%の飽和率に対しても、本方法は暗い対象物は+0.6dB、明るいものは0dBの残留バイアス誤差。それに対して、在来方法は各々-1.5dB、-2dBの残留誤差)。

　2)平坦な熱帯雨林データを用いて軌道上のアンテナパターンが相対精度0.1dBで推定できる。

　3)周波数シフト校正装置はシフト量40Hz以下で使用すべきである。また、校正係数は積分法を使用すべきである。

　最後に、本方法と在来方法で飽和した富士山画像を処理した例を図1、図2に示す。図1は左右均一な明るさで処理されるのに対し、図2は右にゆくほど補正し切れていないことがわかる。

図1 本方法で処理した富士山画像図2 従来方法で処理した富士山画像。

　本論文は、「A Study on Measurement of Normalized Radar Cross Section of Earth Surfaces by Spaceborne Synthetic Aperture Radar(衛星搭載用合成開口レーダを用いた地表の規格化後方散乱断面積の計測に関する研究)」と題し、地球観測用の衛星搭載合成開口レーダの画像から地表面の規格化後方散乱断面積を定量的に求めるための較正技術に関する一連の研究をまとめたものであって、英文で記され、全8章から成る。

　第1章「序論」では、合成開口レーダ(以下SARと略記)の地球観測センサーとしての意義、規格化後方散乱断面積の定義と地表面の主要観測対象物の後方散乱特性、SARに必要とされる規格化後方散乱断面積の測定精度、SAR較正手法の概要と課題を述べ、結びに本論文の構成を示している。

　第2章は「合成開口レーダの較正の背景」と題し、SARの撮像原理、SARの較正に関わるシステム上の主要要素を要約した上で、SARの較正に関する従来からの研究の概要、較正精度の現状を述べ、そこで解決すべき課題が、SAR相関出力のより高度な定式化、アンテナパターン測定の高精度化、外部較正装置のより適切な使用、地形の傾きに関する補正、等であると論じ、併せて、本論文に述べる研究が目標とした較正の精度を提示している。

　第3章は「合成開口レーダ相関出力に対するレーダ方程式」と題し、海と陸を含む観測域などにおいてSARの受信機出力に起こる飽和を問題として取り上げ、信号の相関処理において非線形処理により飽和を補正する新しい方法を提案している。飽和が観測対象物からの散乱波成分に関わる飽和雑音を発生すると考えることにより、相関出力を観測対象面の規格化後方散乱断面積、熱雑音電力、AD変換器の量子化雑音電力、受信信号の飽和率、およびレーダのシステムパラメータの関数として与える新たなレーダ方程式を定式化、それに基づいて、画像を補正する手順を具体的に与えている。定量的な評価により、提案する補正法が目標とする精度を満たすことを示すと共に、20%以上飽和したSARデータに適用し、補正が適正に行われることを実例をもって示している。

　第4章は「分布ターゲットを用いた衛星搭載合成開口レーダのアンテナパターンの測定」であり、衛星搭載SARのアンテナの放射パターンを軌道上で拡散的な散乱体である熱帯雨林を利用して測定する方法に関して、利用区域を適切に抽出する新たな工夫を行うとともに、パターンの推定法を精密化し、軌道上のSARに関して、0.1dBという僅かな平均残差でアンテナパターンを推定することに成功している。

　第5章は「周波数シフト可能な能動型レーダ較正器を用いる較正」であり、反射波の周波数を偏移させることにより反射点の位置を見かけ上移動させることができる能動型のレーダリフレクターに関して、利得、空間分解能などの応答特性の理論的な解析を行うとともに衛星搭載SARによる実験を行い、SAR較正への適用性を定量的に明らかにしている。

　第6章「熱帯雨林と外部較正器を用いた合成開口レーダ較正実験」では、衛星搭載合成開口レーダの実画像の較正に関して総合的な検証実験を行った結果を述べている。モザイク画像を生成し、その連結の一様性を見ることによりアンテナパターン推定の適切さを確認すると共に、レーダリフレクターを用いる外部較正では、画像の濃度値を規格化後方散乱断面積に変換する較正係数を、飽和した画像も含めて、従来のSAR較正の水準に比較して十分高い精度で求めており、結果は本研究で設定した精度を満たすものとなっている。

　第7章は「合成開口レーダ干渉計を用いた規格化後方散乱断面積の地形勾配に関する補正」で、規格化後方散乱断面積の測定値は地形に傾きがある場合に補正されなければならないが、その補正法の一つであるSAR干渉計の活用に関して、従来に比べてより厳密な定式化を行うとともに、新しい誤差モデルを作成、実画像に適用して、0.3dBという高い精度で散乱断面積を補正できることを示している。

　第8章「結論」では、主要な成果をまとめている。

　以上これを要するに、本論文は、地球観測用の衛星搭載合成開口レーダに関し、画像データから地表面の規格化後方散乱断面積を計測するための較正技術について、レーダ方程式の総合的な定式化を始めとする、高精度化のための一連の新たな手法上の提案を行い、それらの有効性を実例をもって実証したもので、電子情報工学上貢献するところが少なくない。

　よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。