JP2013015454A

JP2013015454A - レーダ装置及び干渉波除去方法

Info

Publication number: JP2013015454A
Application number: JP2011149382A
Authority: JP
Inventors: Takashi Murano; 隆村野; Hideki Marui; 英樹丸井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-24

Abstract

【課題】干渉波による影響を除去してパルス圧縮時のサイドローブを低減する。
【解決手段】ＩＱ検波部１７１は、受信信号を直交検波してＩＱデータを求める。干渉波除去部１７２は、ＩＱデータから干渉波の影響を除去する。干渉波除去処理では、同一ヒットでの対象レンジ目の電力値を周囲のレンジ目の電力値に基づいて補正し、同一ヒット間で位相変化が保たれるようにデータ補正が行なわれる。パルス圧縮部１７３は、位相変調または周波数変調が施された送信パルスの受信信号において、その復調を施す際に変調送信波との自己相関をとることによって送信パルスより幅の短いパルスに変換する処理を行う。このとき、干渉波除去処理において位相状態が保持されているので、パルス圧縮後の出力にサイドローブが発生することを抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば気象レーダシステムに用いられるレーダ装置及び干渉波除去方法に関する。

気象レーダは、雲や雨の降雨粒子によって反射されるエコーの強さを検出し、気象状況を観測あるいは予測するために用いられている。気象レーダを用いた観測を行う際に、他のレーダサイト等からの信号が干渉波として受信信号に混入することがある。このような干渉波を除去する技術として、干渉波が混入したと判定された受信信号を、１ヒット前の受信信号で置き換える手法が提案されている（非特許文献１参照）。

しかしながら、上記の手法では、干渉波による影響を受けたデータを１ヒット前のデータで置き換えてしまうため、受信信号の位相情報を保持することができない。このため、送信パルスとして位相変調または周波数変調を施した長いパルスを用いて、受信後の処理においてその復調を施して短いパルスに変換するパルス圧縮レーダのようなレーダ装置では、干渉が生じた場合に、パルス圧縮後のレンジサイドローブが増大することがある。

気象庁，「空港気象ドップラーレーダー製作仕様書（鹿児島空港）」，平成１８年５月，ｐ．１９

以上述べたように、従来のレーダ装置の干渉波除去方法として提案されている手法では、干渉波による影響を受けたデータを１ヒット前のデータで置き換えてしまうため、受信信号の位相情報を保持することができず、パルス圧縮レーダのようなレーダ装置では、干渉が生じた場合に、パルス圧縮後のレンジサイドローブが増大してしまうことがある。

本実施形態は前記のような問題に鑑みなされたもので、干渉波による影響を除去することが可能なレーダ装置及び干渉波除去方法を提供することを目的とする。

本実施形態に係るレーダ装置は、ヒット単位で観測対象から反射された受信波の直交検波を行い、レンジ番号に沿って同相成分と直交成分で表される電力値を求める直交検波手段と、前記受信波に干渉波が混入しているか否かを、前記同相成分の時系列データ及び前記直交成分の時系列データに基づいて判定する干渉波判定手段と、前記干渉波判定手段で前記受信波に干渉波が混入していると判定した場合に、同一ヒットでの対象レンジ目の電力値を周囲のレンジ目の電力値に基づいて補正することで前記干渉波を除去する干渉波除去手段と、前記干渉波除去手段によって前記干渉波が除去された受信信号に基づいて、前記観測対象の受信強度及びドップラー速度を算出する算出手段とを具備することを特徴とする。

また、本実施形態に係る干渉波除去方法は、ヒット単位で観測対象から反射された受信波の直交検波を行い、レンジ番号に沿って同相成分と直交成分で表される電力値を求め、前記受信波に干渉波が混入しているか否かを、前記同相成分の時系列データ及び前記直交成分の時系列データに基づいて判定し、前記干渉波判定で前記受信波に干渉波が混入していると判定した場合に、同一ヒットでの対象レンジ目の電力値を周囲のレンジ目の電力値に基づいて補正し、前記干渉波除去手段によって前記干渉波が除去された受信信号に基づいて、前記観測対象の受信強度及びドップラー速度を算出することを特徴とする。

本実施形態に係るパルス圧縮レーダを用いた気象レーダシステムの構成を示すブロック図。図１に示すシステムの信号処理部の詳細な構成を示すブロック図。本実施形態に係る干渉波除去処理を示すフローチャート。本実施形態の干渉波除去処理を説明するための波形図。

以下、図面を参照して本実施形態について説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るパルス圧縮レーダを用いて降水強度を観測する気象レーダシステムの構成を示すブロック図である。

このシステムは、空中線装置（アンテナ）１１、送信装置１２、受信装置１３、周波数変換装置１６、信号処理装置１７、監視制御装置１８、データ変換装置１９、データ表示装置２０、データ蓄積装置２１、データ通信装置２２、遠隔監視制御装置２３、遠隔表示装置２４から構成される。

このうち遠隔監視制御装置２３及び遠隔表示装置２４は、レーダサイトに設けられた他の装置からは遠方に設けられており、システムを遠隔監視及び遠隔制御するために用いられる。

システムを監視又は制御するための監視制御信号は、遠隔監視制御装置２３から監視制御装置１８に送られる。監視制御装置１８は、監視制御信号に応じて制御信号を信号処理装置１７に送信する。また、監視制御装置１８は、信号処理装置１７からの監視信号を受信して遠隔監視制御装置２３に転送する。

信号処理装置１７は、監視制御装置１８からのデジタル制御信号に応じてアナログの送信ＩＦ（中間周波数）信号を周波数変換装置１６に出力する。周波数変換装置１６は、送信ＩＦ信号を送信ＲＦ（無線周波数）信号に変換（アップコンバート）し、送信装置１２に出力する。送信装置１２は、送信ＲＦ信号を遠距離での観測が可能な送信電力の送信電波に増幅し、空中線装置１１に出力する。

送信電波は空中線装置１１から空中に放射され、観測対象によって反射される。気象レーダシステムにおける観測対象は、所定の有効反射面積内に存在する降雨粒子である。

観測対象からの反射波（受信電波）は、空中線装置１１によって捕捉され、受信装置１３に受信される。受信装置１３は、受信した受信電波を復調し、受信ＲＦ信号として周波数変換装置１６に出力する。周波数変換装置１６は、受信ＲＦ信号を受診ＩＦ信号に周波数変換（ダウンコンバート）して信号処理装置１７に出力する。

信号処理装置１７は、周波数変換装置１６から出力された受信ＩＦ信号に対して、ＩＱ検波、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換、干渉波除去、パルス圧縮、受信強度算出、ドップラー速度算出等の、所要の信号処理を施す。

図２は上記信号処理装置１７の詳細な構成を示すブロック図である。図２に示す信号処理部１７は、ＩＱ検波部１７１、干渉波除去部１７２、パルス圧縮部１７３及び信号処理部１７４を備えている。

ＩＱ検波部１７１は、受信信号を２系統に分配して、互いに９０°位相オフセットした基準中間周波数発信信号（ＣＯＨＯ信号）によって直交検波（ＩＱ検波）する。これによって、Ｉ(同相；In-phase)データ及びＱ(直交；Quadrature)データが生成される。Ｉデータ及びＱデータは、Ａ／Ｄ変換回路（図示せず）よってＡ／Ｄ変換されて干渉波除去部１７２に出力される。

干渉波除去部１７２は、後述する干渉波除去処理によって、ＩＱデータから干渉波の影響を除去する。干渉波除去処理では、パルスヒット間で位相変化の時間連続性が保たれるようにデータ補正が行なわれる。この干渉波除去処理のため、干渉波除去部１７２は、所定のヒット数のＩＱ時系列データを保持するバッファを有していてもよい。

パルス圧縮部１７３は、位相変調または周波数変調が施された送信パルスの受信信号において、その復調を施す際に変調送信波との自己相関をとることによって送信パルスより幅の短いパルスに変換する処理を行う。

信号処理部１７４は、干渉波の影響が除去され、パルス圧縮されたＩＱデータの平均電力に基づいて受信強度を算出し、また、ＩＱデータの位相変化量からドップラー速度を算出する。

上記構成による信号処理装置１７によってデジタル信号処理された信号処理データ（受信強度やドップラー速度）は、データ変換装置１９に出力される。データ変換装置１９は、信号処理装置１７が算出した受信強度やドップラー速度に基づいて、データを解析しレーダ反射因子等や降水強度等を検出する。データ表示装置２０は、例えばＬＣＤ等の表示装置であり、データ変換装置１９で解析されたデータを表示する。データ蓄積装置２１は、例えばハードディスクドライブ（ＨＤＤ）等の記憶装置を有し、データ変換装置１９で解析されたデータを蓄積する。

データ通信装置２２は、当該解析データを、無線又は有線の通信ネットワークを介してレーダサイト外の遠隔表示装置２４に転送する。遠隔表示装置２４は、例えばＬＣＤ等の表示装置を有し、データ通信装置２２から転送されてきたデータを表示する。

遠隔表示装置２４に表示されたデータに基づいて、遠隔地からレーダサイトを解析し、遠隔監視制御装置２３によってレーダサイトを監視及び制御することができる。

上記構成による気象レーダシステムにおいて、以下に干渉波を除去する手法について説明する。

図３は本実施形態に係る干渉波除去処理を示すフローチャートである。この処理では、干渉波判定処理Ｓ１において、干渉波発生の有無を判定し、干渉波ありと判定された場合に、干渉波除去処理Ｓ２を実行する流れとなっている。

干渉波判定処理Ｓ１として、第１の判定方法について説明する。

まず、ヒット番号をi(=1,2,…)、レンジ番号をj(=1,2,…)、C1,C2,C3を干渉波判定しきい値とし、ＩＱ検波部１７１で得られた干渉波除去処理前のＩＱデータをinIQ(i,j)、干渉波除去部１７１による干渉波除去後のＩＱデータをoutIQ(i,j)とする。

上記前提の下で、同一レンジ（ｊレンジ番目）におけるi-2ヒット目、i-1ヒット目、iヒット目の電力値を比較して、ｉヒット目の干渉波の判定を行う。具体的には、以下の（１）式が成立するときに「干渉波あり」と判定する。

すなわち、（１）式の方法は、干渉波除去処理前のi-2ヒット目とi-1ヒット目の電力値（入力ＩＱデータの絶対値の２乗）を比較してその大きい方（max）と小さい方（min）の比率を求め、干渉波判定しきい値C1より小さく、かつi-1ヒット目とiヒット目の電力値（入力ＩＱデータの絶対値の２乗）の比率が干渉波判定値C2より大きいとき、「干渉波あり」と判定する。

また、干渉波判定処理Ｓ１として、第２の判定方法について説明する。

図４はレンジ方向の各レンジ区分それぞれの電力値分布を示しており、干渉波により波形が乱れている様子を示している。この判定方法では、同一ヒット（iヒット目）におけるj-nレンジ目、jレンジ目、j+nレンジ目の電力値を用いてjレンジ目の干渉波判定を行う。具体的には、以下の（２）式が成立するときに「干渉波あり」と判定する。

すなわち、j-nレンジ目とj+nレンジ目それぞれの電力値Ｐ１，Ｐ４を加算して２で割り、その結果Ｐ２とjレンジ目の電力値Ｐ３との比率を求め、この値Ｐ３／Ｐ２が判定しきい値C3より大きいとき、「干渉波あり」と判定する。

尚、上記の判定方法では、Ｐ３／Ｐ２の比率に基づいて判定しているが、これに限らず、Ｐ３／Ｐ１，Ｐ３／Ｐ４それぞれの比率であっても同様に実施可能である。

次に、干渉波除去処理Ｓ２について説明する。

まず、ｉヒット目、ｊレンジ目のＩＱデータをoutIQ(i,j)とする。「干渉波あり」と判定された場合には、次式（３）により干渉波成分を抑圧して出力する。

すなわち、上記抑圧による除去処理は、j-nレンジ目及びj+nレンジ目の電力値Ｐ１，Ｐ４の和を２分した結果Ｐ２とjレンジ目の電力値Ｐ３との比率の平方根を係数として、入力ＩＱデータに乗算することによって干渉波部分を抑圧する。

尚、上記の例では、Ｐ２／Ｐ３の平方根を係数としたが、Ｐ１／Ｐ３の平方根、Ｐ４／Ｐ３の平方根を係数に用いてもよい。

上記除去処理によれば、過去のヒットにおける同一レンジのデータによる置き換えではなく、同一ヒットでの対象レンジ目の電力値を周囲のレンジ目の電力値に基づいて補正しているので、基本的に位相変化は生じない。

したがって、本実施形態の気象レーダシステムでは、干渉波除去に際して位相変化が生じないので、パルス圧縮において無用なレンジサイドローブの発生を防止することができ、これによって降水強度やドップラー速度を精度良く算出することが可能となる。また、干渉波発生判定が誤判定で、誤って除去処理が行われたとしても、サイドローブが増大してしまうことはない。

尚、上述の実施形態では、説明を簡単にするために個々のパラメータをｎで表現したが、このｎは同一の値であってもよいし、互いに別々の値であってもよい。具体的には、（２）式のｎを（４）式のようにｋ，ｌに置き換え、(３)式のｎをｍ，ｎに置き換え、それぞれを任意の値として処理するようにしても同様に実施可能である。

また、上記実施形態では、一例として、降雨量等を観測するための気象レーダにおける干渉波除去について説明した。しかしながら、上述の実施形態は、航空機を検出する空港監視レーダ等、他の１次レーダにも適用可能である。特に、航空機検出レーダでは、観測される受信波の振幅は変わらず、位相のみが変化する。本実施形態に係るレーダ装置によれば、このように位相のみが変化する場合であっても、より正確に干渉波の影響を除去することができるようになる。

上述のように、信号処理によって電波干渉の影響を除去することで、密な周波数配置や同一周波数の再利用等による周波数の有効利用を進展させることができるようになる。

また、上記実施形態は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わせでもよい。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、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…空中線装置（アンテナ）、１２…送信装置、１３…受信装置、１６…周波数変換装置、１７…信号処理装置、１８…監視制御装置、１９…データ変換装置、２０…データ表示装置、２１…データ蓄積装置、２２…データ通信装置、２３…遠隔監視制御装置、２４…遠隔表示装置、１７１…ＩＱ検波部、１７２…干渉波除去部、パルス圧縮部、１７４…信号処理部。

Claims

ヒット単位で観測対象から反射された受信波の直交検波を行い、レンジ番号に沿って同相成分と直交成分で表される電力値を求める直交検波手段と、
前記受信波に干渉波が混入しているか否かを、前記同相成分の時系列データ及び前記直交成分の時系列データに基づいて判定する干渉波判定手段と、
前記干渉波判定手段で前記受信波に干渉波が混入していると判定した場合に、同一ヒットでの対象レンジ目の電力値を周囲のレンジ目の電力値に基づいて補正することで前記干渉波を除去する干渉波除去手段と、
前記干渉波除去手段によって前記干渉波が除去された受信波の電力値に基づいて、前記観測対象の受信強度、ドップラー速度の少なくともいずれかを算出する算出手段と、
を具備することを特徴とするレーダ装置。
前記干渉波除去手段は、同一ヒットにおける周囲のレンジ目の電力値に基づいて係数を算出し、当該係数を前記対象レンジ目の電力値に乗算することで干渉波を除去することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
前記干渉波判定手段は、同一ヒットにおける周囲のレンジ目の電力値を用いて対象レンジの干渉波判定を行うことを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
前記ヒットの番号をi(=1,2,…)、レンジの番号をj(=1,2,…)、干渉波判定しきい値をC(=1,2,…)とし、干渉波除去処理前のＩＱデータをinIQ(i,j)、干渉波除去後のＩＱデータをoutIQ(i,j)、k,l,m,nを任意の自然数とするとき、
前記干渉波判定手段は、

の処理を行い、
前記干渉波除去手段は、

の処理を行うことを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
ヒット単位で観測対象から反射された受信波の直交検波を行い、レンジ番号に沿って同相成分と直交成分で表される電力値を求め、
前記受信波に干渉波が混入しているか否かを、前記同相成分の時系列データ及び前記直交成分の時系列データに基づいて判定し、
前記干渉波判定で前記受信波に干渉波が混入していると判定した場合に、同一ヒットでの対象レンジ目の電力値を周囲のレンジ目の電力値に基づいて補正し、
前記干渉波除去手段によって前記干渉波が除去された受信波の電力値に基づいて、前記観測対象の受信強度、ドップラー速度の少なくともいずれかを算出することを特徴とするレーダ装置の干渉波除去方法。
前記干渉波除去は、同一ヒットにおける周囲のレンジ目の電力値に基づいて係数を算出し、当該係数を前記対象レンジ目の電力値に乗算することで干渉波を除去することを特徴とする請求項５記載のレーダ装置の干渉波除去方法。
前記干渉波判定は、同一ヒットにおける周囲のレンジ目の電力値を用いて対象レンジの干渉波判定を行うことを特徴とする請求項５記載のレーダ装置の干渉波除去方法。
前記ヒットの番号をi(=1,2,…)、レンジの番号をj(=1,2,…)、干渉波判定しきい値をC(=1,2,…)とし、干渉波除去処理前のＩＱデータをinIQ(i,j)、干渉波除去後のＩＱデータをoutIQ(i,j)、k,l,m,nを任意の自然数とするとき、
前記干渉波判定手段は、

の処理を行い、
前記干渉波除去手段は、

の処理を行うことを特徴とする請求項５記載のレーダ装置の干渉波除去方法。