JP2012018154A - レーダ受信信号処理装置とその方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 レーダ受信信号を周波数領域に変換することで周波数スペクトルを取得し(ステップS11)、取得された周波数スペクトルをエコー群それぞれの密度関数の和(混合密度関数)でモデリングし(ステップS12)、混合密度関数のパラメータの最適値を学習することにより推定し(ステップS13)、推定したパラメータから目標信号の平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力を算出し、観測結果として出力する(ステップS14)。
【選択図】図2
Description
図6は上記実施形態を気象レーダ信号処理装置に適用した場合の具体例(実施例1とする)であり、レーダ受信信号から降水量、風速を算出する場合の処理の流れを示すフローチャートである。
f1(x|θ1) = (2πθ12)-1/2exp{-(x-θ11)2/(2θ12)} …(1)
また、気象エコーをモデリングする分布として次式(2)で表されるフォン・ミーゼス分布f2(x|θ2) を用いる。
f2(x|θ2) = exp{θ22 cos(x-θ21)}/{2πI0(θ22)} …(2)
I0 は0次の修正ベッセル関数を表す。
f(x|θ) = τ1f1(x|θ1) +τ2f2(x|θ2) …(3)
続いて、与えた混合密度関数から混合比T1,i 、T2,i を次式(4),(5)で算出する(ステップS43)。
T1,i = τ1f1(xi|θ1)/{f(x|θ)} …(4)
T2,i = τ2f2(xi|θ2)/{f(x|θ)} …(5)
次に、予め観測したデータから事前分布を決定する(ステップS44)。まず、不要信号の電力値に関するパラメータは次式(6)で表されるベータ分布p1(τ1)に従うとする。
p1(τ1) = {τ1 α-1(1-τ1)β-1}/B(α,β) …(6)
ここでB(α,β)はベータ関数を表す。
p2(θ11) = (2πφ2)-1/2exp{-(θ11-φ1)2/(2φ2)} …(7)
また、不要信号のスペクトル幅に関するパラメータは次式(8)で表されるガンマ分布p3(θ12) に従うとする。
p3(θ12) = b-aθ12 a-1 exp(-θ12/b)/Γ(a) …(8)
ここで、Γ(a) はガンマ関数を表す。これら事前分布のパラメータα、β、φ1 、φ2 、a 、b は事前に観測した不要信号のデータから決定する。
Q(θ|θ(t)) = Σn i=1 [yiT1,i{logτ1f1(θ1|xi)} + yiT2,i{logτ2f2(θ2|xi)}]
+S1log{p1(τ1)} +S2log{p2(θ11)} + S3log{p3(θ12)} …(9)
ここで、n はフーリエ変換のサンプル点数を表す。また、(t)はステップS43,S45の繰返し回数を表す。各パラメータの更新式を以下に示す。
τ2 = 1-τ1 …(11)
θ11 = {Σn i=1 yiT1,ixi +S2(φ1θ12/φ2)}/{Σn i=1 yiT1,i + S2(θ12/φ2)}
…(12)
θ12=(1-S3){Σn i=1 yiT1,i (xi-θ11)2/Σn i=1 yiT1,i }
+S3{-Σn i=1 yiT1,i+2(a-1)+[{Σn i=1 yiT1,i-2(a-1)}2+8/bΣn i=1 yiT1,i(xi-θ11)2]1/2}/{4/b}
…(13)
θ21 = tan-1{(Σn i=1 yiT2,isinxi)/(Σn i=1 yiT2,icosxi)} …(14)
I1(θ22)/I0(θ22) = Σn i=1 yiT2,icos(xi − θ21)/ Σn i=1 yiT2,i …(15)
以上のように、θ22は式(15)を解くことで得る。また、S1 、S2 、S3 は1か0をとり、不要信号の電力値に関する事前知識を用いる場合はS1 =1、用いない場合はS1 =0である。また、不要信号のドップラー周波数に関する事前知識を用いる場合はS2 =1、用いない場合はS2 =0である。また、不要信号のスペクトル幅に関する事前知識を用いる場合はS3 =1、用いない場合はS3 =0である。
ところで、上記実施例1では、受信信号の周波数スペクトルを、気象エコー、地形エコー(グランドクラッタ)をそれぞれ仮定した2つの密度関数の和でモデリングした場合について説明した。このような処理によれば、ある程度の効果が期待できるが、実際の受信信号には気象エコー、地形エコーの他に雑音等の不要成分(以下、不要エコーと称する)が含まれている。そのような受信信号の周波数スペクトルを気象エコー、地形エコーをそれぞれ仮定した2つの密度関数の和でモデリングすることは、気象エコー推定にて誤差を生むことが想定される。
f1(x|θ1) = (2πθ12)-1/2exp{-(x-θ11)2/(2θ12)} …(16)
また、気象エコーをモデリングする分布として次式(17)で表されるフォン・ミーゼス分布f2(x|θ2) を用いる。
f2(x|θ2) = exp{θ22 cos(x-θ21)}/{2πI0(θ22)} …(17)
I0 は0次の修正ベッセル関数を表す。
ここでVnyqはナイキスト速度を表す。
f(x|θ) = τ1f1(x|θ1) +τ2f2(x|θ2) +τ3f3(x|θ3) …(19)
続いて、与えた混合密度関数から混合比T1,i 、T2,i 、T3,iをそれぞれ次式(20),(21),(22)で算出する(ステップS43)。
T1,i = τ1f1(xi|θ1)/{f(xi|θ)} …(20)
T2,i = τ2f2(xi|θ2)/{f(xi|θ)} …(21)
T3,i = τ3f3(xi|θ3)/{f(xi|θ)} …(22)
次に、予め観測したデータから事前分布を決定する(ステップS44)。まず、不要信号の電力値に関するパラメータは次式で表されるベータ分布p1(τ1)に従うとする。
p1(τ1) = {τ1 α-1(1-τ1)β-1}/B(α,β) …(23)
ここでB(α,β)はベータ関数を表す。
p2(θ11) = (2πφ2)-1/2exp{-(θ11-φ1)2/(2φ2)} …(24)
また、不要信号のスペクトル幅に関するパラメータは次式で表されるガンマ分布p3(θ12) に従うとする。
p3(θ12) = b-aθ12 a-1 exp(-θ12/b)/Γ(a) …(25)
ここで、Γ(a) はガンマ関数を表す。これら事前分布のパラメータα、β、φ1 、φ2 、a 、b は事前に観測した不要信号のデータから決定する。
Q(θ|θ(t)) = Σn i=1 [yiT1,i{logτ1f1(θ1|xi)}+ yiT2,i{logτ2f2(θ2|xi)}
+ yiT3,i{logτ3f3(θ3|xi)}]
+S1log{p1(τ1)} +S2log{p2(θ11)} + S3log{p3(θ12)} …(26)
ここで、n はフーリエ変換のサンプル点数を表す。また、(t)はステップS43,S45の繰返し回数を表す。
τ1 = {Σn i=1 yiT1,i + S1(α-1)}/{Σn i=1 yi + S1(α+β-2)} …(27)
τ2 = {Σn i=1 yiT2,i - S1τ1Σn i=1 yiT2,i}/{Σn i=1 yi(T2,i+S1T3,i)}
…(28)
τ3 = 1-τ1-τ2 …(29)
θ11 = {Σn i=1 yiT1,ixi +S2(φ1θ12/φ2)}/{Σn i=1 yiT1,i + S2(θ12/φ2)}
…(30)
θ12=(1-S3){Σn i=1 yiT1,i (xi-θ11)2/Σn i=1 yiT1,i }
+S3{-Σn i=1 yiT1,i+2(a-1)+[{Σn i=1 yiT1,i-2(a-1)}2
+8/bΣn i=1 yiT1,i(xi-θ11)2]1/2}/{4/b} …(31)
θ21 = tan-1{(Σn i=1 yiT2,isinxi)/(Σn i=1 yiT2,icosxi)} …(32)
I1(θ22)/I0(θ22) = Σn i=1 yiT2,icos(xi − θ21)/ Σn i=1 yiT2,i …(33)
ここでθ22は式(33)を解くことで得られる。また、S1 、S2 、S3 は1か0をとり、不要信号の電力値に関する事前知識を用いる場合はS1 = 1、用いない場合はS1 =0である。また、不要信号のドップラー周波数に関する事前知識を用いる場合はS2 =1、用いない場合はS2 =0である。また、不要信号のスペクトル幅に関する事前知識を用いる場合はS3 =1であり、用いない場合はS3 =0である。
Claims (20)
- 一定周期で繰り返し得られるレーダ受信信号からエコー群それぞれがもつ、平均ドップラー周波数、スペクトル幅、受信電力から決定される周波数スペクトルを取得する取得手段と、
前記取得されたレーダ受信信号の周波数スペクトルの形状を前記エコー群それぞれの密度関数の和によりモデリングする処理を繰り返して学習することにより最適な混合密度関数を推定する推定手段と、
前記推定された混合密度関数のパラメータから前記レーダ受信信号に含まれる任意のエコーの情報を抽出する抽出手段と
を具備することを特徴とするレーダ受信信号処理装置。 - 前記取得手段は、前記レーダ受信信号を周波数領域に変換して前記周波数スペクトルを取得することを特徴とする請求項1記載のレーダ受信信号処理装置。
- 前記推定手段は、前記エコー群からなる周波数スペクトルを混合密度関数に当て嵌め、その当て嵌まり具合をペナルティ付きの尤度関数でもって評価し、前記尤度関数の隠れ変数を算出し前記ペナルティ付き尤度関数の期待値を前記混合密度関数の各パラメータについて最大化する、という手順を前記パラメータの値が収束するまで繰り返すことで、前記ペナルティ付きの尤度関数が最大となるパラメータを推定することを特徴とする請求項1記載のレーダ受信信号処理装置。
- 前記推定手段は、前記エコー群の持つ平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力の統計的性質から混合密度関数の各パラメータが従う事前分布を決定し、前記事前分布を前記ペナルティとして尤度関数に付加することで前記ペナルティ付き尤度関数を決定することを特徴とする請求項3記載のレーダ受信信号処理装置。
- 前記推定手段は、前記事前分布の決定処理において、前記レーダ受信信号の単独エコーを予め観測することで、前記事前分布の統計量を算出し決定することを特徴とする請求項4記載のレーダ受信信号処理装置。
- 前記抽出手段は、前記推定手段で推定した混合密度関数のパラメータのうち前記任意のエコーに関するパラメータから前記任意のエコーの周波数スペクトルを決定している平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力を算出し前記任意のエコーの情報として抽出することを特徴とする請求項1記載のレーダ受信信号処理装置。
- 前記レーダ受信信号が気象レーダの信号であり、前記エコー群が気象エコー及び地形エコーであるとき、
前記取得手段は、前記レーダ受信信号から気象エコーと地形エコーそれぞれがもつ、平均ドップラー周波数、スペクトル幅、受信電力から決定される周波数スペクトルを取得し、
前記推定手段は、前記取得されたレーダ受信信号の周波数スペクトルの形状を前記気象エコー及び地形エコーそれぞれの密度関数の和によりモデリングする処理を繰り返して学習することにより最適な混合密度関数を推定し、
前記抽出手段は、前記推定された混合密度関数のパラメータうち前記気象エコーに関するパラメータから前記気象エコーの平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力を算出し前記気象エコーの情報として抽出するものとし、
さらに、前記抽出された平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力から降水量、風速を算出する算出手段を具備することを特徴とする請求項1記載のレーダ受信信号処理装置。 - 前記推定手段は、
前記気象エコー及び地形エコーからなる周波数スペクトルを混合密度関数に当て嵌め、その当て嵌まり具合をペナルティ付きの尤度関数でもって評価し、前記尤度関数の隠れ変数を算出し前記ペナルティ付き尤度関数の期待値を前記混合密度関数の各パラメータについて最大化する、という手順を前記パラメータの値が収束するまで繰り返すことで、前記ペナルティ付きの尤度関数が最大となるパラメータを推定し、
前記ペナルティ付き尤度関数の決定処理において、前記エコー群の持つ平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力の統計的性質から混合密度関数の各パラメータが従う事前分布を決定し、前記事前分布を前記ペナルティとして尤度関数に付加することで前記ペナルティ付き尤度関数を決定し、
前記事前分布の決定処理において、前記レーダ受信信号の単独エコーとして晴天時に地形エコーのみを観測し、雨天時に地形エコーの存在しない範囲を予め観測することで統計量を算出し決定することを特徴とする請求項7記載のレーダ受信信号処理装置。 - 前記レーダ受信信号が気象レーダの信号であり、前記エコー群が気象エコー、地形エコー及びその他の不要エコーであるとき、
前記取得手段は、前記レーダ受信信号から気象エコー、地形エコー及び不要エコーそれぞれがもつ、平均ドップラー周波数、スペクトル幅、受信電力から決定される周波数スペクトルを取得し、
前記推定手段は、前記取得されたレーダ受信信号の周波数スペクトルの形状を混合密度関数によりモデリングする処理を繰り返して学習することにより最適な混合密度関数を推定し、
前記抽出手段は、前記推定された混合密度関数のパラメータうち前記気象エコーに関するパラメータから前記気象エコーの平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力を算出し前記気象エコーの情報として抽出するものとし、
さらに、前記抽出された平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力から降水量、風速を算出する算出手段を具備することを特徴とする請求項1記載のレーダ受信信号処理装置。 - 前記推定手段は、
前記気象エコー、地形エコー及び不要エコーからなる周波数スペクトルを混合密度関数に当て嵌め、その当て嵌まり具合をペナルティ付きの尤度関数でもって評価し、前記尤度関数の隠れ変数を算出し前記ペナルティ付き尤度関数の期待値を前記混合密度関数の各パラメータについて最大化する、という手順を前記パラメータの値が収束するまで繰り返すことで、前記ペナルティ付きの尤度関数が最大となるパラメータを推定し、
前記ペナルティ付き尤度関数の決定処理において、前記エコー群の持つ平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力の統計的性質から混合密度関数の各パラメータが従う事前分布を決定し、前記事前分布を前記ペナルティとして尤度関数に付加することで前記ペナルティ付き尤度関数を決定し、
前記事前分布の決定処理において、前記レーダ受信信号の単独エコーとして晴天時に地形エコーのみを観測し、雨天時に地形エコーの存在しない範囲を予め観測することで統計量を算出し決定することを特徴とする請求項9記載のレーダ受信信号処理装置。 - 一定周期で繰り返し得られるレーダ受信信号からエコー群それぞれがもつ、平均ドップラー周波数、スペクトル幅、受信電力から決定される周波数スペクトルを取得し、
前記取得されたレーダ受信信号の周波数スペクトルの形状を前記エコー群それぞれの密度関数の和によりモデリングする処理を繰り返して学習することにより最適な混合密度関数を推定し、
前記推定された混合密度関数のパラメータから前記レーダ受信信号に含まれる任意のエコーの情報を抽出することを特徴とするレーダ受信信号処理方法。 - 前記周波数スペクトルの取得は、前記レーダ受信信号を周波数領域に変換して前記周波数スペクトルを取得することを特徴とする請求項11記載のレーダ受信信号処理方法。
- 前記混合密度関数の推定は、前記エコー群からなる周波数スペクトルを混合密度関数に当て嵌め、その当て嵌まり具合をペナルティ付きの尤度関数でもって評価し、前記尤度関数の隠れ変数を算出し前記ペナルティ付き尤度関数の期待値を前記混合密度関数の各パラメータについて最大化する、という手順を前記パラメータの値が収束するまで繰り返すことで、前記ペナルティ付きの尤度関数が最大となるパラメータを推定することを特徴とする請求項11記載のレーダ受信信号処理方法。
- 前記混合密度関数の推定は、前記エコー群の持つ平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力の統計的性質から混合密度関数の各パラメータが従う事前分布を決定し、前記事前分布を前記ペナルティとして尤度関数に付加することで前記ペナルティ付き尤度関数を決定することを特徴とする請求項13記載のレーダ受信信号処理方法。
- 前記混合密度関数の推定は、前記事前分布の決定処理において、前記レーダ受信信号の単独エコーを予め観測することで、前記事前分布の統計量を算出し決定することを特徴とする請求項14記載のレーダ受信信号処理装置。
- 前記エコーの情報の抽出は、前記推定された混合密度関数のパラメータのうち前記任意のエコーに関するパラメータから前記任意のエコーの周波数スペクトルを決定している平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力を算出し前記任意のエコーの情報として抽出することを特徴とする請求項11記載のレーダ受信信号処理方法。
- 前記レーダ受信信号が気象レーダの信号であり、前記エコー群が気象エコー及び地形エコーであるとき、
前記周波数スペクトルの取得は、前記レーダ受信信号から気象エコーと地形エコーそれぞれがもつ、平均ドップラー周波数、スペクトル幅、受信電力から決定される周波数スペクトルを取得し、
前記混合密度関数の推定は、前記取得されたレーダ受信信号の周波数スペクトルの形状を前記気象エコー及び地形エコーそれぞれの密度関数の和によりモデリングする処理を繰り返して学習することにより最適な混合密度関数を推定し、
前記エコーの情報抽出は、前記推定された混合密度関数のパラメータうち前記気象エコーに関するパラメータから前記気象エコーの平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力を算出し前記気象エコーの情報として抽出するものとし、
さらに、前記抽出された平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力から降水量、風速を算出することを特徴とする請求項11記載のレーダ受信信号処理方法。 - 前記混合密度関数の推定は、
前記気象エコー及び地形エコーからなる周波数スペクトルを混合密度関数に当て嵌め、その当て嵌まり具合をペナルティ付きの尤度関数でもって評価し、前記尤度関数の隠れ変数を算出し前記ペナルティ付き尤度関数の期待値を前記混合密度関数の各パラメータについて最大化する、という手順を前記パラメータの値が収束するまで繰り返すことで、前記ペナルティ付きの尤度関数が最大となるパラメータを推定し、
前記ペナルティ付き尤度関数の決定処理において、前記エコー群の持つ平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力の統計的性質から混合密度関数の各パラメータが従う事前分布を決定し、前記事前分布を前記ペナルティとして尤度関数に付加することで前記ペナルティ付き尤度関数を決定し、
前記事前分布の決定処理において、前記レーダ受信信号の単独エコーとして晴天時に地形エコーのみを観測し、雨天時に地形エコーの存在しない範囲を予め観測することで統計量を算出し決定することを特徴とする請求項15記載のレーダ受信信号処理方法。 - 前記レーダ受信信号が気象レーダの信号であり、前記エコー群が気象エコー、地形エコー及びその他の不要エコーであるとき、
前記周波数スペクトルの取得は、前記レーダ受信信号から気象エコー、地形エコー及び不要エコーそれぞれがもつ、平均ドップラー周波数、スペクトル幅、受信電力から決定される周波数スペクトルを取得し、
前記混合密度関数の推定は、前記取得されたレーダ受信信号の周波数スペクトルの形状を前記気象エコー、地形エコー及び不要エコーそれぞれの密度関数の和によりモデリングする処理を繰り返して学習することにより最適な混合密度関数を推定し、
前記エコーの情報抽出は、前記推定された混合密度関数のパラメータうち前記気象エコーに関するパラメータから前記気象エコーの平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力を算出し前記気象エコーの情報として抽出するものとし、
さらに、前記抽出された平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力から降水量、風速を算出することを特徴とする請求項11記載のレーダ受信信号処理方法。 - 前記混合密度関数の推定は、
前記気象エコー、地形エコー及び不要エコーからなる周波数スペクトルを混合密度関数に当て嵌め、その当て嵌まり具合をペナルティ付きの尤度関数でもって評価し、前記尤度関数の隠れ変数を算出し前記ペナルティ付き尤度関数の期待値を前記混合密度関数の各パラメータについて最大化する、という手順を前記パラメータの値が収束するまで繰り返すことで、前記ペナルティ付きの尤度関数が最大となるパラメータを推定し、
前記ペナルティ付き尤度関数の決定処理において、前記エコー群の持つ平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力の統計的性質から混合密度関数の各パラメータが従う事前分布を決定し、前記事前分布を前記ペナルティとして尤度関数に付加することで前記ペナルティ付き尤度関数を決定し、
前記事前分布の決定処理において、前記レーダ受信信号の単独エコーとして晴天時に地形エコーのみを観測し、雨天時に地形エコーの存在しない範囲を予め観測することで統計量を算出し決定することを特徴とする請求項17記載のレーダ受信信号処理方法。
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