JP2012154883A - レーダ装置及び気象観測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パルス繰返し時間内の送信ビームを同一周波数帯を用いて複数送信する場合であっても、送信ビーム間の干渉の影響を低減することが可能なレーダ装置及び気象観測方法を提供する。
【解決手段】 レーダ装置は、変調パルス生成部、デジタル−アナログ変換部、第１の周波数変換部、第１及び第２の送信モジュール及びアンテナユニットを具備する。変調パルス生成部は、第１及び第２の変調パルス信号を、同一タイミングで生成する。デジタル−アナログ変換部は、第１及び第２の変調パルス信号を第１及び第２のアナログ信号に変換する。第１の周波数変換部は、第１及び第２のアナログ信号の周波数を変換し、第１及び第２の送信パルス信号とする。第１及び第２の送信モジュールは、第１及び第２の送信ビームを形成するための処理を行う。アンテナユニットは、第１及び第２の送信パルス信号を第１及び第２の送信ビームで送信する第１及び第２のアンテナ素子を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、フェーズドアレイレーダを用いて電子走査を行うことで、例えば、雨及び雲等の気象現象を観測するレーダ装置及び気象観測方法に関する。

気象観測用のレーダ装置は、アンテナからパルス状の電波を送信し、雨粒等に反射して戻ってきた反射信号のドップラ成分を解析することで目標の強度、速度等を算出する。この種のレーダ装置において、単位時間当たりの観測範囲を拡大するため、パルス繰返し時間内の送信ビームを複数送信することが提案されている。ここで、パルス繰返し時間とは、電波を送信し、反射信号を受信するまでの時間のことである。

ところで、現在の気象観測用のレーダ装置で使用可能な周波数帯域は、電波の有効利用の観点より狭帯域にならざるを得ない。そのため、通例、パルス繰返し時間内の送信ビームを複数送信しようとすると、各送信ビームは同一の周波数帯域となる。しかしながら、パルス繰返し時間内の送信ビームを同一周波数帯を用いて複数送信しようとする場合、一方の送信ビームが他方の送信ビームにとって不要波となり干渉が生じるという問題がある。

特開２０１０−１８１２７３号公報

以上のように、従来のレーダ装置では、パルス繰返し時間内の送信ビームを同一周波数帯を用いて複数送信する場合、送信ビーム間で干渉が生じるという問題がある。

そこで、目的は、パルス繰返し時間内の送信ビームを同一周波数帯を用いて複数送信する場合であっても、送信ビーム間の干渉の影響を低減することが可能なレーダ装置及び気象観測方法を提供することにある。

実施形態によれば、レーダ装置は、変調パルス生成部、デジタル−アナログ変換部、第１の周波数変換部、第１の送信モジュール、第２の送信モジュール及びアンテナユニットを具備する。変調パルス生成部は、互いに干渉しない第１及び第２の変調方式でそれぞれ変調された第１及び第２の変調パルス信号を、予め設定したパルス繰返し時間内の同一タイミングで生成する。デジタル−アナログ変換部は、前記第１及び第２の変調パルス信号を第１及び第２のアナログ信号に変換する。第１の周波数変換部は、前記第１及び第２のアナログ信号の周波数を変換し、第１及び第２の送信パルス信号に変換する。第１の送信モジュールは、前記第１の送信パルス信号に対して、第１の送信ビームを形成するための処理を行う。第２の送信モジュールは、前記第２の送信パルス信号に対して、第２の送信ビームを形成するための処理を行う。アンテナユニットは、前記第１の送信パルス信号を前記第１の送信ビームで送信する第１のアンテナ素子と、前記第２の送信パルス信号を前記第２の送信ビームで送信する第２のアンテナ素子とを備える。

実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図である。 図１の変調パルス生成部で生成される変調パルス信号の変調方式の例を示す図である。 図１の受信処理部の機能構成を示すブロック図である。 図１のレーダ装置が第１及び第２の送信パルス信号を送信する際の動作を示すフローチャートである。 図１のレーダ装置が形成する第１及び第２の送信ビーム及び、第１乃至第６の受信ビームを示す図である。 図１のレーダ装置からの第１及び第２の送信パルス信号の送信タイミングを示す図である。 図１のＤＳＰが受信処理をする際の動作を示すフローチャートである。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すレーダ装置は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１１、送信系統１２、アンテナユニット１３及び受信系統１４を具備する。

ＤＳＰ１１は、送信処理部１１１及び受信処理部１１２を備える。送信処理部１１１は、第１及び第２の送信パルス信号を送信するタイミングを指示する送信トリガを送信系統１２へ出力する。なお、第１及び第２の送信パルス信号と、受信処理部１１２とについては後ほど詳述する。

送信系統１１は、変調パルス生成部１２１、デジタル−アナログ変換部１２２、周波数変換部１２３、第１の分配部１２４、第２の分配部１２５、第１の送信モジュール１２６−１〜１２６−１２、第２の送信モジュール１２７−１〜１２７−１２及び送受信切替器１２８−１〜１２８−２４を備える。

変調パルス生成部１２１は、デジタル処理により、互いに干渉しない第１及び第２の変調方式で変調した第１及び第２の変調パルス信号を、予め設定したパルス繰返し時間内の同一のタイミングで生成する。このとき、変調パルス生成部１２１は、第１及び第２の変調パルス信号を、送信処理部１１１からの送信トリガに従って生成する。なお、第１及び第２の変調方式は、第１及び第２の送信パルス信号が、例えば、図２に示す第１及び第２の送信周波数でアンテナユニット１３から送信されるような変調方式をいう。図２によれば、第１の送信周波数は時間の経過と共に増大し、第２の送信周波数は時間の経過と共に減少する。

デジタル−アナログ変換部１２２は、変調パルス生成部１２１からの第１及び第２の変調パルス信号を中間周波数帯の第１及び第２のアナログ信号に変換する。

周波数変換部１２３は、デジタル−アナログ変換部１２２からの第１及び第２のアナログ信号の周波数を送信周波数に変換し、第１及び第２の送信パルス信号とする。周波数変換部１２３は、第１の送信パルス信号を第１の分配部１２４へ出力し、第２の送信パルス信号を第２の分配部１２５へ出力する。

第１の分配部１２４は、周波数変換部１２３からの第１の送信パルス信号を第１の送信モジュール１２６−１〜１２６−１２へ分配する。第２の分配部１２５は、周波数変換部１２３からの第２の送信パルス信号を第２の送信モジュール１２７−１〜１２７−１２へ分配する。

第１の送信モジュール１２６−１〜１２６−１２は、位相器及び増幅器を備える。第１の送信モジュール１２６−１〜１２６−１２は、位相器により、ファン形状の第１の送信ビームを形成するように、第１の送信パルス信号の位相を変化させる。また、第１の送信モジュール１２６−１〜１２６−１２は、増幅器により、第１の送信パルス信号の電力を増幅する。

第２の送信モジュール１２７−１〜１２７−１２は、位相器及び増幅器を備える。第２の送信モジュール１２７−１〜１２７−１２は、位相器により、ファン形状の第２の送信ビームを形成するように、第２の送信パルス信号の位相を変化させる。また、第２の送信モジュール１２７−１〜１２７−１２は、増幅器により、第２の送信パルス信号の電力を増幅する。

第１及び第２の送信モジュール１２６−１〜１２６−１２，１２７−１〜１２７−１２から出力された第１及び第２の送信パルス信号は、送受信切替器１２８−１〜１２８−２４を介して、アンテナユニット１３へ出力される。

アンテナユニット１３は、アクティブフェーズドアレイ方式を採用し、アンテナ素子１３１−１〜１３１−１２８を備える。なお、アンテナユニット１３に備えられるアンテナ素子の数は、１２８個に限定される訳ではなく、１２８個以上であっても以下であっても構わない。

アンテナ素子１３１−１〜１３１−１２は、送受信切替器１２８−１〜１２８−１２を介して第１の送信モジュール１２６−１〜１２６−１２と、受信モジュール１４１−１〜１４１−１２とに接続する。アンテナ素子１３１−１３〜１３１−２４は、送受信切替器１２８−１３〜１２８−２４を介して第２の送信モジュール１２７−１〜１２７−１２と、受信モジュール１４１−１３〜１４１−２４とに接続する。アンテナ素子１３１−２５〜１３１−１２８は、受信モジュール１４１−２５〜１４１−１２８と接続する。

アンテナ素子１３１−１〜１３１−２４は、第１及び第２の送信モジュール１２６−１〜１２６−１２，１２７−１〜１２７−１２から出力された第１及び第２の送信パルス信号を送信する。

第１及び第２の送信パルス信号は、目標物により反射され、反射信号としてレーダ装置に到来する。アンテナユニット１３は、アンテナ素子１３１−１〜１３１−１２８により、反射信号を受信し、受信系統１４へ出力する。

受信系統１４は、受信モジュール１４１−１〜１４１−１２８、周波数変換部１４２−１〜１４２−１２８、アナログ−デジタル変換部１４３−１〜１４３−１２８を備える。

受信モジュール１４１−１〜１４１−１２８は、増幅器を備える。受信モジュール１４１−１〜１４１−１２８は、増幅器により、アンテナ素子１３１−１〜１３１−１２８からの反射信号の電力を増幅する。

周波数変換部１４２−１〜１４２−１２８は、受信モジュール１４１−１〜１４１−１２８からの反射信号の周波数を中間周波数に変換し、受信信号とする。

アナログ−デジタル変換部１４３−１〜１４３−１２８は、周波数変換部１４２−１〜１４２−１２８からの受信信号をデジタル信号に変換し、ＤＳＰ１１へ出力する。

ＤＳＰ１１は、受信処理部１１２により、アナログ−デジタル変換部１４３−１〜１４３−１２８からのデジタル信号の受信処理を行う。

図３は、本実施形態に係る受信処理部１１２の機能構成を示すブロック図である。図３に示す受信処理部１１２は、直交検波部１１２１−１〜１１２１−１２８、ビーム形成部１１２２−１〜１１２２−６、第１の復調部１１２３−１〜１１２３−３及び第２の復調部１１２４−１〜１１２４−３を備える。

直交検波部１１２１−１〜１１２１−１２８は、アナログ−デジタル変換部１４３−１〜１４３−１２８からのデジタル信号を直交検波し、Ｉ／Ｑ信号に変換する。

ビーム形成部１１２２−１〜１１２２−６は、それぞれが独自のペンシル形状の受信ビームを形成するように動作する。例えば、ビーム形成部１１２２−１は、直交検波部１１２１−１〜１１２１−１２８からのＩ／Ｑ信号にアンテナ素子に応じたビームウェイトを乗じる。そして、ビーム形成部１１２２−１は、乗算後のＩ／Ｑ信号を足し合わせ、ビーム形成部１１２２−１独自の受信ビームを形成する。なお、本実施形態では、ビーム形成部の数を６個としたが、ビーム形成部の数は、これに限定されず、６個以上でも以下でも構わない。

第１の復調部１１２３−１〜１１２３−３は、第１の変調方式に対応した第１の復調方式を用い、ビーム形成部１１２２−１〜１１２２−３にて合成したＩ／Ｑ信号を復調する。これにより、Ｉ／Ｑ信号に含まれる第１及び第２の変調パルス信号の成分のうち、第１の変調パルス信号の成分のみが復調されることとなる。

第２の復調部１１２４−１〜１１２４−３は、第２の変調方式に対応した第２の復調方式を用い、ビーム形成部１１２２−４〜１１２２−６にて合成したＩ／Ｑ信号を復調する。これにより、Ｉ／Ｑ信号に含まれる第１及び第２の変調パルス信号の成分のうち、第２の変調パルス信号の成分のみが復調されることとなる。

次に、以上のように構成されたレーダ装置による動作を説明する。

図４は、本実施形態に係るレーダ装置が第１及び第２の送信パルス信号を送信する際の動作を示すフローチャートである。図５は、本実施形態に係るレーダ装置が形成する第１及び第２の送信ビーム及び、第１乃至第６の受信ビームを模式的に示す図である。

まず、変調パルス生成部１２１は、送信処理部１１１からの送信トリガに基づいて、第１及び第２の変調パルス信号を生成する（ステップＳ４１）。デジタル−アナログ変換部１２２は、第１及び第２の変調パルス信号を中間周波数帯の第１及び第２のアナログ信号に変換する（ステップＳ４２）。周波数変換部１２３は、第１及び第２のアナログ信号の周波数を送信周波数に変換し、第１及び第２の送信パルス信号とする（ステップＳ４３）。

第１及び第２の分配部１２４，１２５は、第１及び第２の送信パルス信号を第１の送信モジュール１２６−１〜１２６−１２及び第２の送信モジュール１２７−１〜１２７−１２へそれぞれ分配する（ステップＳ４４）。

第１の送信モジュール１２６−１〜１２６−１２は、図５に示す第１の送信ビームを形成するように第１の送信パルス信号の位相を変化させた後、送信電力を増幅する。また、第２の送信モジュール１２７−１〜１２７−１２は、図５に示す第２の送信ビームを形成するように第２の送信パルス信号の位相を変化させた後、送信電力を増幅する（ステップＳ４５）。

増幅された第１及び第２の送信パルス信号は、アンテナ素子１３１−１〜１３１−１２，１３１−１３〜１３１−２４からそれぞれ出力される。図６は、本実施形態に係るレーダ装置からの第１及び第２の送信パルス信号の送信タイミングを示す模式図である。図６に示すように、アンテナ素子１３１−１〜１３１−１２，１３１−１３〜１３１−２４は、同一のパルス繰返し時間で、第１及び第２の送信パルス信号を送信する。

図７は、本実施形態に係るレーダ装置のＤＳＰ１１が受信処理をする際の動作を示すフローチャートである。

直交検波部１１２１−１〜１１２１−１２８は、アナログ−デジタル変換部１４３−１〜１４３−１２８からのデジタル信号を直交検波する（ステップＳ７１）。

ビーム形成部１１２２−１〜１１２２−６は、それぞれが直交検波部１１２１−１〜１１２１−１２８からのＩ／Ｑ信号を用い、独自の受信ビームを形成する（ステップＳ７２）。例えば、ビーム形成部１１２２−１により図５に示す第１の受信ビームが形成され、ビーム形成部１１２２−２により図５に示す第２の受信ビームが形成され、ビーム形成部１１２２−３により図５に示す第３の受信ビームが形成され、ビーム形成部１１２２−４により図５に示す第４の受信ビームが形成され、ビーム形成部１１２２−５により図５に示す第５の受信ビームが形成され、ビーム形成部１１２２−６により図５に示す第６の受信ビームが形成される。

第１の復調部１１２３−１〜１１２３−３は、ビーム形成部１１２２−１〜１１２２−３により形成された第１乃至第３の受信ビームにより受信された信号のうち、第１の変調パルス信号の成分を復調する。第２の復調部１１２３−４〜１１２３−６は、ビーム形成部１１２２−４〜１１２２−６により形成された第４乃至第６の受信ビームにより受信された信号のうち、第２の変調パルス信号の成分を復調する（ステップＳ７３）。これにより、第１乃至第３の受信ビームにより受信した信号に含まれる第１の変調パルス信号の成分のみが復調され、第４乃至第６の受信ビームにより受信した信号に含まれる第２の変調パルス信号の成分のみが復調されることとなる。

以上のように、上記実施形態では、互いに干渉しない２種類の変調方式によりそれぞれ変調した２波の送信パルス信号を、同一のタイミングかつ同一周波数帯域で互いに異なる方向へ送信するようにしている。これにより、パルス繰返し時間内の送信ビームを同一周波数帯を用いて複数形成する場合であっても、送信パルス信号同士が干渉し合うことはない。

また、上記実施形態では、形成された受信ビーム毎に第１又は第２の復調方式に基づいた復調を行うようにしている。これにより、同一のタイミングで２波の送信パルス信号を送信したとしても、反射信号からそれぞれの信号成分を分離することが可能となる。

したがって、本実施形態に係るレーダ装置によれば、パルス繰返し時間内の送信ビームを同一周波数帯を用いて複数送信する場合であっても、送信ビーム間の干渉の影響を低減することができる。このため、雨及び雲等の気象現象を観測するのにかかる時間が、従来よりも短縮されることとなる。

なお、本実施形態では、送信系統１１に変調パルス生成部１２１が含まれる場合について説明したが、これに限定される訳ではない。例えば、変調パルス生成部１２１の機能は、送信処理部１１１に含まれていても構わない。

また、本実施形態では、送信系統１２及び受信系統１４に接続するアンテナ素子は２４個あり、受信系統１４のみに接続するアンテナ素子は１０４個ある場合を例に説明している。しかしながら、これに限定される訳ではない。例えば、送信系統１２にのみ接続するアンテナ素子が２４個あり、受信系統１４にのみ接続するアンテナ素子が１２８個ある場合であっても構わない。

また、本実施形態では、送信系統１２に接続するアンテナ素子は２４個である場合を例に説明したが、送信系統１２に接続するアンテナ素子の数は２４個に限定される訳ではない。

また、本実施形態では、ビーム形成部１１２２−１〜１１２２−３に第１の復調部１１２３−１〜１１２３−３が接続し、ビーム形成部１１２２−４〜１１２２−６に第２の復調部１１２４−１〜１１２４−３が接続される場合を例に説明したが、これに限定される訳ではない。送信ビーム及び受信ビームの形成方向によっては、第１及び第２の復調部は、実施形態とは別のビーム形成部に接続される場合もありうる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１…ＤＳＰ
１１１…送信処理部
１１２…受信処理部
１１２１−１〜１１２１−１２８…直交検波部
１１２２−１〜１１２２−６…ビーム形成部
１１２３−１〜１１２３−３…第１の復調部
１１２４−１〜１１２４−３…第２の復調部
１２…送信系統
１２１…変調パルス生成部
１２２…デジタル−アナログ変換部
１２３…周波数変換部
１２４…第１の分配部
１２５…第２の分配部
１２６−１〜１２６−１２…第１の送信モジュール
１２７−１〜１２７−１２…第２の送信モジュール
１２８−１〜１２８−２４…送受信切替器
１３…アンテナユニット
１３−１〜１３−１２８…アンテナ素子
１４…受信系統
１４１−１〜１４１−１２８…受信モジュール
１４２−１〜１４２−１２８…周波数変換部
１４３−１〜１４３−１２８…アナログ−デジタル変換部

Claims (10)

1. 互いに干渉しない第１及び第２の変調方式でそれぞれ変調された第１及び第２の変調パルス信号を、予め設定したパルス繰返し時間内の同一タイミングで生成する変調パルス生成部と、
   前記第１及び第２の変調パルス信号を第１及び第２のアナログ信号に変換するデジタル−アナログ変換部と、
   前記第１及び第２のアナログ信号の周波数を変換し、第１及び第２の送信パルス信号に変換する第１の周波数変換部と、
   前記第１の送信パルス信号に対して、第１の送信ビームを形成するための処理を行う第１の送信モジュールと、
   前記第２の送信パルス信号に対して、第２の送信ビームを形成するための処理を行う第２の送信モジュールと、
   前記第１の送信パルス信号を前記第１の送信ビームで送信する第１のアンテナ素子と、前記第２の送信パルス信号を前記第２の送信ビームで送信する第２のアンテナ素子とを備えるアンテナユニットと
   を具備することを特徴とするレーダ装置。
2. 前記アンテナユニットは、第３のアンテナ素子をさらに備え、前記第１及び第２の送信パルス信号が目標物により反射された反射信号を、前記第１乃至第３のアンテナ素子のうち少なくとも前記第３のアンテナ素子で受信し、
   前記アンテナユニットで受信された反射信号の周波数を変換し、受信信号に変換する第２の周波数変換部と、
   前記受信信号をデジタル信号に変換するデジタル−アナログ変換部と、
   前記デジタル信号を用いて複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成部と、
   前記複数の受信ビームのうち、いずれかの受信ビームにより受信された信号を、前記第１の変調方式に対応する第１の復調方式で復調する第１の復調部と、
   前記複数の受信ビームのうち、その他の受信ビームにより受信された信号を、前記第２の変調方式に対応する第２の復調方式で復調する第２の復調部と
   をさらに具備することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記第１の変調方式は、前記第１の送信パルス信号の送信周波数が時間経過と共に増大する変調方式であり、
   前記第２の変調方式は、前記第２の送信パルス信号の送信周波数が時間経過と共に減少する変調方式であることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
4. 前記第１及び第２の送信ビームは、ファン形状であることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
5. 互いに干渉しない第１及び第２の変調方式でそれぞれ変調され、予め設定したパルス繰返し時間内の同一タイミングで送信された第１及び第２の送信パルス信号が目標物で反射された反射信号を受信するアンテナユニットと、
   前記反射信号の周波数を変換し、受信信号に変換する周波数変換部と、
   前記受信信号をデジタル信号に変換するデジタル−アナログ変換部と、
   前記デジタル信号を用いて複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成部と、
   前記複数の受信ビームのうち、いずれかの受信ビームにより受信された信号を、前記第１の変調方式に対応する第１の復調方式で復調する第１の復調部と、
   前記複数の受信ビームのうち、その他の受信ビームにより受信された信号を、前記第２の変調方式に対応する第２の復調方式で復調する第２の復調部と
   を具備することを特徴とするレーダ装置。
6. 前記第１の変調方式は、前記第１の送信パルス信号の送信周波数が時間経過と共に増大する変調方式であり、
   前記第２の変調方式は、前記第２の送信パルス信号の送信周波数が時間経過と共に減少する変調方式であることを特徴とする請求項５記載のレーダ装置。
7. 前記受信ビームは、ペンシル形状であることを特徴とする請求項２及び５のいずれかに記載のレーダ装置。
8. 互いに干渉しない第１及び第２の変調方式でそれぞれ変調された第１及び第２の変調パルス信号を、予め設定したパルス繰返し時間内の同一タイミングで生成し、
   前記第１及び第２の変調パルス信号を第１及び第２のアナログ信号に変換し、
   前記第１及び第２のアナログ信号の周波数を変換し、第１及び第２の送信パルス信号に変換し、
   前記第１の送信パルス信号に対して、第１の送信ビームを形成するための処理を施し、
   前記第１の送信パルス信号を前記第１の送信ビームで送信し、
   前記第２の送信パルス信号に対して、第２の送信ビームを形成するための処理を施し、
   前記第２の送信パルス信号を前記第２の送信ビームで送信することを特徴とする気象観測方法。
9. 前記第１及び第２の送信パルス信号が目標物により反射された反射信号を受信し、
   前記反射信号の周波数を変換し、受信信号に変換し、
   前記受信信号をデジタル信号に変換し、
   前記デジタル信号を用いて複数の受信ビームを形成し、
   前記複数の受信ビームのうち、いずれかの受信ビームにより受信された信号を、前記第１の変調方式に対応する第１の復調方式で復調し、
   前記複数の受信ビームのうち、その他の受信ビームにより受信された信号を、前記第２の変調方式に対応する第２の復調方式で復調することを特徴とする請求項８記載の気象観測方法。
10. 前記第１の変調方式は、前記第１の送信パルス信号の送信周波数が時間経過と共に増大する変調方式であり、
    前記第２の変調方式は、前記第２の送信パルス信号の送信周波数が時間経過と共に減少する変調方式であることを特徴とする請求項８記載の気象観測方法。

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