JP2011021983A - 気象レーダ装置及びレーダ信号処理方法 - Google Patents

気象レーダ装置及びレーダ信号処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】レーダ受信信号の処理負荷を軽減することができる気象レーダ装置を提供する。
【解決手段】気象レーダ装置は、複数のアンテナ素子から位相制御により仰角方向に複数のレーダビームを形成すると共に方位方向を順次変化させて電波を送信し、気象目標からの反射波を受信する空中線装置１と、反射波の受信信号による複数の受信ビームを形成するＤＢＦ処理部２１と、受信ビームを三次元の直交座標メッシュにマッピングし、メッシュに複数の受信ビームが含まれる場合は１つを選択した後にビーム合成し直交座標系の受信データを出力する信号処理装置２とを具備する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば、雨や雲などの気象現象を観測する気象レーダ装置及びレーダ信号処理方法に関する。
従来のパラボナアンテナ型の気象レーダは、ペンシルビームと呼ばれる細いビームを形成して、水平方向に３６０°回転して１平面の観測データを取得した後に、アンテナ仰角を上げて次の１平面を取得することを続けて、三次元の降水データを収集する。そして、信号処理装置では極座標データを出力し、各サイトのレーダデータを合成する際に直交座標変換を実施していた（例えば、非特許文献１を参照。）。
吉田 孝 監修、「改訂 レーダ技術」、社団法人電子情報通信学会、平成８年１０月１日、初版、"第９章 気象レーダ"、Ｐ２３８−２５３
ところが、フェーズドアレイアンテナを用いて気象レーダを構成した場合、マルチビームを同時に処理することが可能となる。しかしながら、レーダ受信信号の信号処理のデータレートが高くなるため、信号処理装置の処理負荷が増大し、処理が追いつかなくなるという問題がある。
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、レーダ受信信号の処理負荷を軽減することができる気象レーダ装置及びレーダ信号処理方法を提供することにある。
上記目的を達成するためにこの発明に係る気象レーダ装置は、複数のアンテナ素子から位相制御により仰角方向に複数のレーダビームを形成すると共に方位方向を順次変化させて電波を送信し、気象目標からの反射波を受信するアンテナ部と、前記反射波の受信信号による複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成部と、前記受信ビームを三次元の直交座標メッシュにマッピングし、前記メッシュに複数の受信ビームが含まれる場合には１つを選択した後にビーム合成し直交座標系の受信データを出力する信号処理部とを具備する。
また、この発明に係るレーダ信号処理方法は、複数のアンテナ素子から位相制御により仰角方向に複数のレーダビームを形成すると共に方位方向を順次変化させて電波を送信し、気象目標からの反射波を受信するアンテナ部を備えるレーダ装置に用いられるレーダ信号処理方法であって、前記反射波の受信信号による複数の受信ビームを形成し、前記受信ビームを三次元の直交座標メッシュにマッピングし、前記メッシュに複数の受信ビームが含まれる場合には１つを選択した後にビーム合成し直交座標系の受信データを出力するものである。
したがってこの発明によれば、レーダ受信信号の処理負荷を軽減することができる気象レーダ装置及びレーダ信号処理方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る気象レーダ装置の構成例を示す図。 図１に示す信号処理装置の動作を示すフローチャート。 直交座標メッシュへのマッピング処理例を示す図。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る気象レーダ装置の構成例を示したものである。
図１において、この気象レーダ装置は、空中線装置１と、信号処理装置２と、データ処理装置３と、監視制御装置４とを備える。
空中線装置１は、例えば、複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列した１次元フェーズドアレイアンテナを備える。空中線装置１は、信号処理装置２からの制御信号に従って、上記複数のアンテナ素子から電波を送信し、位相制御により仰角方向に複数のビームを形成して走査を行い、降水などの気象目標からの反射波を受信する。
また、気象レーダ装置は任意空間の気象目標を観測する必要があるため、空中線装置１は、監視制御装置４からの制御信号に従って、駆動モータの回転等によりアンテナの方位方向を順次変化させる。
一方、空間上の気象目標からの反射波を受信すると、空中線装置１は、受信されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換して、Ｉ／Ｑ検波し、検波したＩ／Ｑ信号を信号処理装置２に与える。
信号処理装置２は、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）処理部２１において、空中線装置１から与えられたＩ／Ｑ信号による複数の受信ビームを形成する。受信電力やドップラ速度等の受信データを算出する。信号処理装置２は、三次元の極座標メッシュと三次元の直交座標メッシュとを変換可能な座標変換マップ２２を予め記憶している。信号処理装置２は、この座標変換マップ２２を用いて、上記形成された複数の受信ビームを三次元の直交座標メッシュにマッピングし、メッシュに複数の受信ビームが含まれる場合には１つのビームを選択した後にビーム合成し受信電力やドップラ速度等を算出する。つまり、信号処理装置２からは直交座標系の受信データが出力される。
また、信号処理装置２は、監視制御装置４からの制御信号に従って、レーダ電波の送出角度を決める位相制御信号を空中線装置１に送信する。
データ処理装置３は、信号処理装置２から出力された受信データをもとに、受信電力から降雨強度を算出し、ドップラ速度から補正後のドップラ速度を算出する。
監視制御装置４は、所定の観測手順に基づいて、各装置に制御信号を送出するほか、各装置の監視情報を一括して管理する。
次に、このように構成された気象レーダ装置におけるレーダ信号処理について説明する。図２は、信号処理装置２の動作を示すフローチャートである。
空中線装置１から信号処理装置２にＩ／Ｑ信号が入力され、ＤＢＦ処理部２１においてＩ／Ｑ信号による受信ビーム形成が行われる（ステップＳ２ａ）。信号処理装置２は、ステップＳ２ａで形成された受信ビームを座標変換マップ２２を用いて直交座標系にマッピングする（ステップＳ２ｂ）。そして、直交座標メッシュのうち受信ビームが重複する場合は１つの受信ビームを選択する（ステップＳ２ｃ）。図３は、直交座標メッシュへのマッピング処理例を示したものである。ここでは、例えば、直交座標メッシュに対して占める割合が最も大きい受信ビームを選択する。その他にも、メッシュの中心に位置する受信ビームを選択するようにしてもよい。信号処理装置２は、上記ステップＳ２ｃで選択された受信ビームをもとにビーム合成し（ステップＳ２ｄ）、直交座標系の受信データを出力する（ステップＳ２ｅ）。
一般的なレーダ装置においては、信号処理装置２では極座標系で処理を行っていたため、その後のデータ処理装置３で直交座標系のデータに変換して表示等を行っていた。これに対し、上記実施形態では、信号処理装置２においてＤＢＦ処理により形成された受信ビームを直交座標系にマッピングし、直交座標メッシュ上で重複する受信ビームのデータを予め間引くようにすることで処理対象のデータを削減することができる。
したがって上記実施形態によれば、レーダ受信信号の処理負荷を軽減することが可能なレーダ装置を実現することができる。
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
１…空中線装置、２…信号処理装置、２１…ＤＢＦ処理部、２２…座標変換マップ、３…データ処理装置、４…監視制御装置。

Claims (6)

  1. 複数のアンテナ素子から位相制御により仰角方向に複数のレーダビームを形成すると共に方位方向を順次変化させて電波を送信し、気象目標からの反射波を受信するアンテナ部と、
    前記反射波の受信信号による複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成部と、
    前記受信ビームを三次元の直交座標メッシュにマッピングし、前記メッシュに複数の受信ビームが含まれる場合には１つを選択した後にビーム合成し直交座標系の受信データを出力する信号処理部と
    を具備することを特徴とする気象レーダ装置。
  2. 前記信号処理部は、前記メッシュに対して占める割合が最も大きい受信ビームを選択することを特徴とする請求項１記載の気象レーダ装置。
  3. 前記信号処理部は、前記メッシュの中心に位置する受信ビームを選択することを特徴とする請求項１記載の気象レーダ装置。
  4. 複数のアンテナ素子から位相制御により仰角方向に複数のレーダビームを形成すると共に方位方向を順次変化させて電波を送信し、気象目標からの反射波を受信するアンテナ部を備えるレーダ装置に用いられるレーダ信号処理方法であって、
    前記反射波の受信信号による複数の受信ビームを形成し、
    前記受信ビームを三次元の直交座標メッシュにマッピングし、前記メッシュに複数の受信ビームが含まれる場合には１つを選択した後にビーム合成し直交座標系の受信データを出力することを特徴とするレーダ信号処理方法。
  5. 前記メッシュに対して占める割合が最も大きい受信ビームを選択することを特徴とする請求項４記載のレーダ信号処理方法。
  6. 前記メッシュの中心に位置する受信ビームを選択することを特徴とする請求項４記載のレーダ信号処理方法。
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