合成開口レーダーの歴史

合成開口レーダーの歴史は、 1951年に数学者カール・A・ワイリーによる技術の発明と、その後10年間にわたる開発に始まります。当初は軍事用に開発されましたが、その後、惑星科学の分野で応用されてきました。

アリゾナ州リッチフィールドパークのグッドイヤー・エアクラフト社の数学者カール・A・ワイリー[ ^{1]は、1951年6月に}アトラス大陸間弾道ミサイル計画の相関誘導システムに取り組んでいるときに合成開口レーダーを発明した。^[2] 1952年初頭、ワイリーはフレッド・ヘイズリーおよびビル・ウェルティとともに、DOUSER（「ドップラー非ビーム捜索レーダー」）として知られる概念検証システムを構築した。1950年代から1960年代にかけて、グッドイヤー・エアクラフト社（後のグッドイヤー・エアロスペース社）は、ドン・ベッカーレッグの協力を得て、SAR技術に数多くの進歩をもたらした。^[3]

ワイリーの研究とは別に、1952年初頭にイリノイ大学制御システム研究所のシャーウィンらが行った実験では、「角度分解能が大幅に向上したレーダーシステムの基礎を提供できる」という結果が示され、あらゆる距離に同時に焦点を合わせることができるシステムにつながる可能性さえあることが示された。^[4]

これらのプログラムの両方で、レーダー反射の処理は電気回路フィルタリング方式で行われました。本質的には、ドップラー周波数の分離された離散帯域の信号強度によって、適切な範囲位置内の一致する角度位置に表示される画像強度が定義されました。反射信号の中央部分 (ゼロ ドップラー帯域) のみを使用すると、ビームの中央部分のみが存在するかのような効果が得られました。これがドップラー ビーム シャープニングという用語の由来です。隣接するゼロ以外のドップラー周波数帯域からの反射を表示することで、さらに「ビームの細分化」が実現しました (「非焦点レーダー」と呼ばれることもありますが、「半焦点レーダー」と見なされることもあります)。1954 年に申請された Wiley の特許でも、同様の処理が提案されていました。当時利用可能な回路が大きかったため、これらの方式で解像度をさらに向上できる範囲は限られていました。

この原理は、ゼネラル・エレクトリックのウォルター・ハウスが執筆した覚書^{[5]に含まれていた。これは、1952 年の国防総省の夏季研究会議 TEOTA (「陸軍の目」) [6]の当時の秘密報告書の一部であり、軍事偵察と情報収集の技術に役立つ新しい技術を特定することを目指していた。}ミシガン大学で 1953 年に実施された後続の夏季プログラム、ウルヴァリン計画では、ドップラー支援によるサブビーム幅分解能など、TEOTA のいくつかの主題が、国防総省 (DoD) がさまざまな学術研究機関や産業研究機関で後援する研究活動として特定された。同年、イリノイのグループは、サブビーム幅分解能がかなり高いことを示す「ストリップマップ」画像を生み出した。

1953 年にミシガン計画に割り当てられたいくつかのリモート センシング方式の中には、より高度な集束レーダー プロジェクトがありました。この計画は陸軍通信隊によって管理され、ミシガン大学ウィローラン研究センター(WRRC)の陸軍、海軍、空軍の 3 軍が後援するプログラムでした。当初は側方監視レーダー プロジェクトと呼ばれ、最初はレーダー研究所、後にレーダーおよび光学研究所として知られるグループによって実行されました。この計画では、いくつかの特定のドップラー シフトの短期的存在だけでなく、各ターゲットがビームを横切るときに各ターゲットから着実に変化するシフトの全履歴を考慮に入れることが提案されました。このグループのルイス・J・カトロナ博士、ウェストン・E・ビビアン、エメット・N・リースによる初期の分析では、このような完全に焦点を絞ったシステムは、あらゆる距離において、レーダー機に搭載され、常に機体の進路に横向きに向けられている実際のアンテナの幅（または、ある基準では半幅）に等しい解像度を生み出すはずであることが示されました。^[7]

必要なデータ処理は、受信信号と、さまざまな距離にある単位振幅ソースから予想される信号形式のサンプルとの相互相関を計算することでした。当時は、大型デジタル コンピュータでさえ、今日の 4 機能ハンドヘルド 計算機のレベルに近い機能しかなく、このような膨大な量の計算を行うことは到底できませんでした。代わりに、相関計算を行うデバイスは光相関器になりました。

移動アンテナで受信され、コヒーレントに検出された信号は、ブラウン管の面の直径を横切る単一の距離トレース線として表示され、その線の連続的な形状は、その線の長さに垂直に移動するフィルム上に投影された画像として記録されるという提案があった。現像されたフィルム上の情報は、その後、プロジェクトの主要なタスクとしてまだ考案されていない装置で実験室で処理される予定だった。最初のプロセッサ提案では、レンズの配置が、信号フィルムと既知の信号パターンを含む別のフィルムの両方に光を連続的に通過させることによって、記録された信号をポイントごとに既知の信号形状で乗算すると予想されていた。相関のその後の合計、つまり積分ステップは、1 つ以上の球面レンズと円筒形レンズの焦点合わせ動作によって、乗算積の適切なセットを収束させることによって実行されることになっていた。プロセッサは、実質的に、多数のチャネル (多数の光線) で一度に大規模なスカラー算術計算を実行する光アナログ コンピュータになるはずだった。最終的には、このようなデバイスが 2 つ必要になり、それらの出力が完全なソリューションの直交コンポーネントとして結合されます。

装置を小型に抑えたいという要望から、基準パターンを35mmフィルムに記録することになりました。すぐに実験してみると、フィルム上のパターンは非常に細かく、顕著な回折効果が現れ、最終的な焦点をシャープに合わせることができないことが判明しました。^[8]

これによって、相関器を考案していた物理学者のリースは、記録の軌道に沿ったストリップが一連の円形光学ゾーンプレートの直径方向のスライスのように機能するため、それらの効果自体が自然なプロセスによって必要な処理の重要な部分を実行できることを認識しました。このようなプレートはどれもレンズのように機能し、各プレートは任意の波長に対して特定の焦点距離を持ちます。スカラーと考えられていた記録は、多くの空間周波数の反対符号のベクトル 1 のペアとゼロ周波数の「バイアス」量として認識されるようになりました。必要な相関の合計は、スカラー 1 のペアから単一のベクトル 1 に変わりました。

各ゾーン プレート ストリップには、等しいが符号が逆の焦点距離が 2 つあります。1 つは実焦点で、通過するビームが焦点に収束する場所で、もう 1 つは仮想焦点で、別のビームがゾーン プレートの反対側の面を越えて発散したように見える場所です。ゼロ周波数 ( DC バイアス) コンポーネントには焦点はありませんが、収束ビームと発散ビームの両方が重なります。収束波コンポーネントから、他の 2 つの不要なヘイズが重ならない焦点の合った画像を取得するには、後者をブロックして、適切に配置された周波数帯域選択アパーチャを必要なビームだけが通過できるようにすることが重要です。

各レーダー範囲は、その範囲に比例した焦点距離を持つゾーンプレートストリップを生成します。この事実は、光学プロセッサの設計における主な複雑さとなりました。その結果、当時の技術雑誌には、範囲による焦点の変化に対処する方法に関する大量の資料が掲載されました。

このアプローチの大きな変更により、使用される光は単色かつコヒーレントである必要がありましたが、これはレーダー放射ではすでに必須条件でした。レーザーもまだ未来の話だったので、コヒーレント光源に最も近似できるものは、水銀灯の出力をランプのスペクトルの緑色帯域に一致するカラーフィルターに通し、非常に小さなビーム制限アパーチャにできるだけ集中させることでした。結果として得られる光量は非常に弱かったため、非常に長い露出時間を使用する必要がありましたが、適切なデータが利用可能になったときに使用できるように、実用的な光相関器が組み立てられました。

そのレーダーの作成は、既知の技術に基づくより簡単な作業でしたが、その作業では、最先端の信号直線性と周波数安定性の達成が求められました。適切な機器がレーダー研究所によって設計および構築され、C-46 (カーチス コマンド) 航空機に搭載されました。航空機は米国陸軍によって WRRC に引き渡され、WRRC のパイロットと地上要員によって飛行および保守されたため、レーダー研究所のニーズに一致する時間に多くの飛行に使用できました。これは、継続的に開発される複雑な機器の頻繁な再テストと「デバッグ」を可能にするために重要な機能でした。対照的に、イリノイのグループは、空軍に属する C-46 を使用し、事前の取り決めによってのみ空軍パイロットによって飛行したため、研究者の目には、機器の飛行テストの頻度が望ましくないほど制限され、テストからのフィードバックの帯域幅が低くなりました。(その後、より新しいコンベア航空機を使用した作業では、ミシガンのグループによる飛行スケジュールのローカル制御が継続されました。)

ミシガン州が選んだ幅5フィート（1.5メートル）の第二次世界大戦時の余剰アンテナは、理論上は5フィート（1.5メートル）の解像度が可能でしたが、当初はビーム幅の10％のデータのみが使用され、当時の目標は50フィート（15メートル）の解像度を実証することでした。解像度を高めるには、航空機が理想的な方向と飛行経路から逸脱したことを感知し、その情報を使用してアンテナの向きと受信信号に必要な修正を加えてから処理する手段をさらに開発する必要があることがわかっていました。大気のわずかな乱気流でも航空機がまっすぐ水平に飛行できず、50フィート（15メートル）の良好なデータが得られないという試行が何度も繰り返された後、1957年8月の夜明け前の飛行で^[9]、ウィローラン空港エリアの地図のような画像が得られました。画像の一部では50フィート（15メートル）の解像度が実証されましたが、その部分の照明ビーム幅は900フィート（270メートル）でした。このプログラムは成果が不十分と思われたため国防総省によって終了が検討されていましたが、最初の成功により、認識されたニーズへの解決策につながる開発を継続するためのさらなる資金が確保されました。

SAR の原理が初めて公に認められたのは、1960 年 4 月のプレス リリースで、米国陸軍の実験的な AN/UPD-1 システムに関するものでした。このシステムは、テキサス インスツルメンツ社製でビーチ L-23D航空機に搭載された空中要素と、WRRC 社製で軍用バンに搭載された移動式地上データ処理ステーションで構成されていました。当時、データ プロセッサの性質は明らかにされていませんでした。1961 年 2 月の IRE (米国無線技術者協会) 軍事電子工学専門グループのジャーナルに掲載された技術記事^[10]では、SAR の原理と C-46 および AN/UPD-1 の両方のバージョンについて説明されていましたが、データの処理方法や UPD-1 の最大解像度が約 50 フィート (15 m) であることは説明されていませんでした。しかし、1960 年 6 月の IRE 情報理論専門グループ号には、ミシガン グループのメンバーによる「光学データ処理およびフィルタリング システム」に関する長い記事^[11]が掲載されていました。レーダーにこれらの技術が使用されているとは言及されていませんでしたが、両方のジャーナルの読者は、一部の著者が共通する論文間のつながりの存在を非常に簡単に理解できました。

F-4 「ファントム」航空機の偵察バージョンに搭載される運用システムがすぐに考案され、ベトナムで短期間使用されたが、解像度が低いこと (UPD-1 と同様)、コヒーレント波画像の斑点の性質 (レーザー画像の斑点と同様)、および軍の写真判読者によく知られている角度/角度光学画像との距離/クロスレンジ画像の相違点があまり理解されていないことなどにより、ユーザーに好印象を与えることができなかった。このシステムがもたらした教訓は、その後の研究者、運用システム設計者、画像判読トレーナー、およびさらなる開発と取得のスポンサーである国防総省によって十分に活用された。

その後の研究で、この技術の潜在能力がようやく実現しました。その研究は、先進的なレーダー回路設計と理想的な直線飛行からの逸脱の精密な感知、レーザー光源を使用したより洗練された光学プロセッサ、そして非常に透明なガラスで作られた特別に設計された非常に大きなレンズに依存しており、ミシガンのグループは、約 5 年間隔でシステムの解像度を最初は 15 フィート (4.6 m)、次に 5 フィート (1.5 m)、そして 1970 年代半ばまでに 1 フィート (後者は、処理がまだ光学的に行われていた間、非常に短い距離間隔でのみ) まで向上させることができました。後者のレベルとそれに伴う非常に広いダイナミック レンジは、軍事上の懸念事項の多くの物体や、当時は機密扱いだった画像にアクセスできるセキュリティ クリアランスを持つさまざまな環境研究者が研究していた土壌、水、植物、氷の特徴を識別するのに適していることが証明されました。同様に、これらの高解像度の各ステップに続いて、すぐに運用システムも改良されました。

5 フィート (1.5 メートル) の解像度ステージでさえ、広範囲の帯をカバーしながらフィルムに信号を送るのに十分な詳細を提供するブラウン管 (画面の直径全体で約 2,000 個の識別可能な項目に制限) の能力に過度の負担をかけ、同様に光学処理システムに負担をかけました。しかし、ほぼ同じ時期に、デジタル コンピューターがようやく同様の制限なしに処理を実行できるようになり、その結果、フィルムの代わりにブラウン管モニターに画像を表示することで、色調の再現をより適切に制御し、より便利な画像測定が可能になりました。

長距離で最高の解像度の達成は、より大きな空中アンテナを振り回す機能を追加することで促進され、限られたターゲット領域をより強く照らしながら、複数の角度にわたってデータを収集し、アンテナ幅に対する解像度の制限を取り除きました。これはスポットライト モードと呼ばれ、連続したスワス画像ではなく、地形の孤立したパッチの画像を生成するようになりました。

SAR開発の初期段階では、大気圏外プラットフォームの軌道が非常に滑らかであるため、SAR運用に最適であることがわかっていました。人工地球衛星の初期の経験では、電離層と大気圏を通過する信号のドップラー周波数シフトが十分に安定しており、数百キロメートルの距離でも非常に細かい解像度を実現できることも実証されていました。^{[12]地球の最初の宇宙SAR画像は、現在}クイルと呼ばれているプロジェクトによって実証されました（2012年に機密解除されました）。^[13]

最初の作業が始まってから、有用な機密システムを作成する機能のいくつかは、さらに 20 年間存在しませんでした。その一見遅い進歩の速度は、レーザー、デジタル コンピューター、回路の小型化、コンパクトなデータ ストレージなどの他の発明の進歩によって促進されることがよくありました。レーザーの登場により、多数の並列アナログ チャネルが提供されたため、光データ処理は高速プロセスになりましたが、信号の焦点距離を距離に一致させるのに適した光チェーンの考案には多くの段階が踏まれ、新しい光学コンポーネントが必要になることが判明しました。このプロセスは光波の回折に依存していたため、防振マウント、クリーン ルーム、および高度に訓練されたオペレーターが必要でした。最も優れた場合でも、データ ストレージに CRT とフィルムを使用したため、画像の範囲の深さに制限がありました。

いくつかの段階で、デジタル計算機器に対するしばしば過度に楽観的な期待に応えるのに、予想よりはるかに長い時間がかかることが判明しました。たとえば、SEASATシステムは、デジタル プロセッサが利用可能になる前に軌道に乗る準備ができていたため、システムの動作をタイムリーに確認するには、迅速に組み立てられた光学記録および処理スキームを使用する必要がありました。1978 年に、最初のデジタル SAR プロセッサがカナダの航空宇宙会社MacDonald Dettwiler (MDA)によって開発されました。^[14]デジタル プロセッサがようやく完成し、使用されるようになったとき、当時のデジタル機器では、数秒のデータの実行ごとに 1 スワスの画像を作成するのに何時間もかかりました。^[15]それでも、速度は低下しましたが、画像の品質は向上しました。現代の方法では、高速性と高品質の両方を実現しています。

航空機が問題の地形上空を飛行することにより、高精度のデータを収集できます。1980 年代、NASA は、NASA のスペース シャトルに搭載する機器のプロトタイプとして、 NASA Convair 990で合成開口レーダーを運用しました。1986 年、この飛行機は離陸時に火災に見舞われました。1988 年、NASA はC、L、および P バンド SAR を再構築し、NASA DC-8航空機に搭載しました。AIRSAR と呼ばれるこの航空機は、2004 年まで世界中の場所でミッションを遂行しました。別の同様の航空機であるConvair 580 は、予算上の理由から 1996 年頃までカナダ遠隔探査センターによって飛行されていましたが、その時点でカナダ環境省に引き渡されました。現在、ほとんどの土地測量アプリケーションは衛星観測によって実行されています。ERS -1 /2、JERS-1、Envisat ASAR、およびRADARSAT-1などの衛星は、この種の観測を実行するために明確に打ち上げられました。それぞれの機能は、特に干渉測定のサポートにおいて異なりますが、いずれも膨大な量の貴重なデータを収集しています。スペース シャトルは、1980 年代の SIR-A および SIR-B ミッション、1994 年のシャトル レーダー研究所 (SRL) ミッション、および 2000 年のシャトル レーダー地形学ミッションでも合成開口レーダー装置を搭載しました。

ベネラ15号とベネラ16号、そしてその後に続いたマゼラン宇宙探査機は、合成開口レーダーを使用して数年にわたって金星の表面の地図を作成しました。

合成開口レーダーは、1978年にNASAのジェット推進研究所の海洋学衛星Seasatで初めて使用されました（このミッションでは高度計と散乱計も搭載されました）。その後、1981年、1984年、1994年のスペースシャトルの宇宙搭載型撮像レーダー（SIR）ミッションでさらに広範囲に開発されました。土星へのカッシーニミッションでは、大気のもやにより表面が直接光学的に検査できない部分がある火星の主要衛星タイタンの表面をSARでマッピングしました。マーズ・リコネッサンス・オービターのSHARADサウンディング・レーダーとマーズ・エクスプレスのMARSIS機器は、火星の極地の氷の表面下の岩盤を観測し、火星の中緯度にかなりの量の水氷がある可能性も示しました。 2009年に打ち上げられたルナ・リコネッサンス・オービターは、主に月の両極の水氷堆積物を探すために設計されたMini-RFと呼ばれるSAR機器を搭載しています。

Mineseeker プロジェクトは、超広帯域合成開口レーダーを搭載した飛行船をベースに、地域に地雷があるかどうかを決定するシステムを設計しています。最初の試験では有望な結果が出ており、このレーダーは埋められたプラスチック地雷さえも検出できます。

国家偵察局は、一般にラクロスまたはオニキスと呼ばれる合成開口レーダー衛星群（現在は機密解除）を維持している。

2009 年 2 月、SAR ベースの空中スタンドオフ レーダー ( ASTOR ) システムを搭載したSentinel R1監視航空機が RAF で運用を開始しました。

ドイツ連邦軍（Bundeswehr）の軍事用SAR-Lupe偵察衛星システムは、2008年7月22日から全面運用されています。

2021年1月現在、複数の民間企業が地球のSAR画像を収集するための衛星群の打ち上げを開始している。 ^[16]

アラスカ衛星施設は、 2013 年 6 月にリリースされた、新たに処理された 35 年前の Seasat SAR 画像を含む、現在および過去のミッションからの SAR データ製品とツールの作成、アーカイブ化、科学コミュニティへの配布を行っています。

南東部熱帯高度リモートセンシングセンター( CSTARS) は、さまざまな衛星からの SAR データ (およびその他のデータ) をダウンリンクして処理し、マイアミ大学ローゼンスティール海洋・大気・地球科学学部をサポートしています。CSTARS は、災害救助活動、海洋学および気象学の研究、港湾および海上安全保障の研究プロジェクトもサポートしています。

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