[S-TT39] 合成開口レーダーとその応用

[STT39-05] FMCW SAR搭載ドローン観測による急峻な地形におけるSLC画像の作成とその精度評価

*重光 勇太朗¹、石塚 師也¹、林 為人¹、杉山 智之²、岸本 宗丸²、高橋 武春² (1.京都大学、2.日鉄鉱コンサルタント株式会社)

キーワード：ドローン、FMCW SAR、SLC画像、コヒーレンス

近年，ドローンの位置推定精度の向上により，合成開口レーダを搭載したドローンの研究がいくつか行われている．例えば，Bekar et al. (2022)では77GHzのfrequency-modulated continuous-wave（FMCW）レーダーシステムを用いて，高精度のSingle Look Complex（SLC）画像が作成された．ドローンは，SAR解析のための他のどのプラットフォームよりも軌道の柔軟性があるため，急峻な地形で有効である．そのため，衛星観測では観測が困難なエリアにおいて，SARを搭載したドローンが重要な役割を果たすことが期待される．しかしながら，先行研究ではマイクロ波の反射を得やすいようなエリアでの実験観測が多くみられる一方，急峻な地形でのSAR搭載ドローンの適用について議論が不十分である．本研究では，鉱山においてSAR搭載ドローンを用いた観測実験を行い，SLC画像を作成し評価することによって，急峻な地形でのSAR搭載ドローンの観測システムの妥当性を検証した．観測対象エリアの鉱山は山間部と裸地部を含み，裸部からのレーダの反射が期待された．使用したレーダは12.875GHz FMCWレーダーシステムで，レンジ方向の合成開口処理がフーリエ変換だけで済むという利点がある．SAR解析の要となるアジマス方向の合成開口処理には，時間軸上で参照波の畳み込み積分を行う方式を採用した．ドローンはDJI社のMatrice 300を使用した．ドローンの位置推定にはReal Time Kinematic（RTK）方式を採用し，あらかじめ設定した軌道と比較して数10 cm以下の軌道誤差に抑えることに成功した．合計4回の観測実験のうち，ドローンの速度を1，3，5，3m/sの順で変化させ，ドローンの速度の違いによるSLC画像への影響について検討した．SLC画像の干渉性の評価には，2枚の画像から計算されるコヒーレンスを用いて定量評価を行った．
　その結果，鉱山の裸地からレーダ反射強度の高い結果が得られ，裸地形に近い形のSLC画像を得ることができた．また，4回の実験すべてのデータから裸地形と整合的な結果が得られ，観測実験の再現性が高いことが示された．一方，山間部ではレーダ反射強度が低く，マイクロ波が散乱した結果と考えられる．次に，ドローンの速度と解像度の関係性について検討した．その結果，ドローンの速度が上がるにつれ，観測対象物の解像度が上がることが確認された．特に，ドローンの速度が5m/sのとき，アジマス方向の解像度は約10m以下となり，比較的良い精度を示した．今後，ドローンの位置推定精度やSAR解析による軌道誤差の除去精度が向上するにつれて，解像度が向上すると考えられる．最後に，位相の干渉性を定量的に評価するために，ドローン速度3m/sにおける2枚の画像のコヒーレンスを算出した．アジマス方向の分解能0.9m，探索窓サイズ5×5の条件で，コヒーレンス分布は平均値約0.5，標準偏差0.2の正規分布の形になり，一定程度の干渉性があることが示された．コヒーレンスは1に近づくことが望ましいが，今後，ドローンの軌道誤差を取り除くことで，より良いコヒーレンスが得られることが期待される．以上の結果から，ドローンをプラットフォームとしたSAR解析は，急峻な地形でも適用可能であることが示唆された．