JP2014021031A - 目標観測支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、レーダ装置において、目標が位置し得る空間をスキャンし、その空間から到来したレーダ信号を該当する目標の観測に関し、構成の大幅な変更と、性能および機能の低下とが生じることなく、多様な方式のスキャンを精度よく安定に実現可能であることを目的とする。
【解決手段】目標が位置し得る空間をスキャンし、前記空間から到来したレーダ信号を前記目標の観測に供するスキャン手段と、前記空間の内、前記観測に要求される精度が高い領域ほど、前記レーダ信号の受信に供される空中線系の指向性を狭く設定する制御手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーダ装置において、目標が位置し得る空間をスキャンし、その空間から到来したレーダ信号を該当する目標の観測に供する目標観測支援装置に関する。

気象レーダは、積乱雲その他の気象目標に電波を照射し、その電波の反射波が到来する時刻やレベルで示される指示画像を指示画面に表示することにより、降雨域の位置、移動方向、速度その他の様々な気象情報の把握を可能とする。
図３は、従来の気象レーダの構成例を示す図である。

従来の気象レーダ２０では、送受信部２１のアンテナ端子に空中線系２２が接続され、その送受信部２１の復調出力は信号処理部２３の入力に接続される。信号処理部２３の出力は指示部２４の入力に接続され、これらの送受信部２１、信号処理部２３および指示部２４には、制御部２５の対応する入出力ポートが接続される。空中線系２２は、制御部２５の配下で旋回角や仰角の設定に併せて可変が図られ、これらの旋回角や仰角で示される方向に所定の幅の主ローブを有する開口アンテナとして構成される。

このような構成の気象レーダ装置では、各部は、制御部２５の配下で以下の通りに連係することにより、所定の地域に位置する積乱雲等を検出し、かつ気象情報を取得する。

送受信部２１は、送信波を所定の周期で生成する。空中線系２２は、制御部２５の配下で反復して行われるボリュームスキャンに供され、このようなボリュームスキャンの覆域に上記送信波を照射する。

なお、上記ボリュームスキャンは、気象レーダ２０によって行われるスキャンの一形態であり、例えば、図４(ａ)〜(ｅ)に示されるように、ボリュームスキャン、ＲＨＩスキャン、セクターＲＨＩスキャン、セクターＰＰＩスキャン、ＰＰＩスキャン等の何れであってもよい。

覆域に位置する積乱雲等において送信波が反射することによって発生した反射波は、空中線系２２に到来する。

送受信部２１は、このような反射波を受信して復調することによって上記スキャンに同期した復調信号を生成する。信号処理部２３は、その復調信号に、グランドクラッタの除去、ＭＴＩ(Moving
Target Indicator)等のレーダ信号処理を施すことによって、上記積乱雲等に関する気象情報を取得し、さらに、指示部２４に備えられた表示装置（図示されない。）の指示画面にこれらの気象情報および積乱雲等の地理的な位置を出力する。

なお、本発明に関連性がある先行技術としては、後述する特許文献１に掲載されるように、「複数個のアンテナと、該複数個のアンテナを切り換えるためのピンダイオードスイッチと、前記ピンダイオードスイッチに接続された送受信部とから構成されたレーダ装置と、該レーダ装置に接続された信号処理部と、該信号処理部に接続された表示器とから構成される」ことにより、「ヘリコプターが飛行するにあたり至近距離の障害物の方向と離隔距離を検知し衝突等の事故を防止する」点に特徴があるヘリコプター衝突防止レーダ装置があった。

特開平６−２４９９４３号公報

ところで、上述した従来の気象レーダ２０では、ボリュームスキャンの下で所望の方位および高度にある目標の計測の精度の確保を目的として、空中線系２２は、ペンシルビーム等の尖鋭な指向性を有する。

したがって、観測の対象である気象目標が分布する範囲が広範な高度や地域にあるほど、空中線系２２は、その範囲のボリュームスキャンのために主ローブの仰角を変更しながら数十回にも亘って旋回しなければならず、そのために、該当する気象目標の観測の応答性や実時間性が十分には確保されない可能性があった。

また、上記指向性を広げることは気象レーダ２０に要求される性能や機能が低下する要因となるため、多様な気象目標の観測を十分な速度で精度よく安定に実現可能な技術が要望されていた。

本発明は、構成の大幅な変更と、性能および機能の低下とが生じることなく、多様な方式のスキャン方式による観測を精度よく安定に実現可能な目標観測支援装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、スキャン手段は、目標が位置し得る空間をスキャンし、前記空間から到来したレーダ信号を前記目標の観測に供する。制御手段は、前記空間の内、前記観測に要求される精度が高い領域ほど、前記レーダ信号の受信に供される空中線系の指向性を狭く設定する。

すなわち、スキャンの過程では、高い精度で観測されるべき目標が位置する領域ほど、その目標から到来したレーダ信号の受信に供される空中線系の指向性が尖鋭に設定される。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の目標観測支援装置において、前記空中線系は、複数の空中線から構成される。前記制御手段は、前記複数の空中線の主ローブの範囲の一部を共通に維持する。

すなわち、複数の空中線によってそれぞれ形成される覆域には、これらの空中線の内、残りの空中線の全てまたは一部によって形成される覆域に重なる部位が確保される。

請求項３に記載の発明では、スキャン手段は、目標が位置し得る空間をスキャンし、前記空間から到来したレーダ信号を前記目標の観測に供する。制御手段は、前記空間の内、前記観測に要求される精度が高い領域ほど、指向性が狭い空中線系を前記スキャンに適用する。

すなわち、スキャンの過程では、高い精度で観測されるべき目標が位置する領域ほど、その目標から到来したレーダ信号の受信に供される空中線系として、指向性が狭い空中線系が用いられる。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の目標観測支援装置において、前記空中線系は、主ローブの範囲の一部が共通である複数の空中線から構成される。

すなわち、複数の空中線によってそれぞれ形成される覆域には、これらの空中線の内、残りの空中線の全てまたは一部によって形成される覆域に重なる部位が確保される。

請求項５に記載の発明では、請求項２または請求項４に記載の目標観測支援装置において、前記制御手段は、前記複数の空中線の内、主ローブの範囲の一部が共通である空中線の全てまたは一部に並行して到来したレーダ信号を抽出し、前記共通である一部の主ローブの方向にある目標の観測に供する。

すなわち、複数の空中線によって総合的に形成される覆域の内、これらの空中線の何れかに該当する２つ以上の空中線によって重複して形成される領域に位置する目標については、これらの領域を介して冗長に受信されるレーダ信号に基づくレーダ信号処理の下で観測される。

請求項６に記載の発明では、請求項２または請求項４に記載の目標観測支援装置において、前記制御手段は、前記複数の空中線の内、主ローブの範囲の一部が共通である空中線に並行して到来しないレーダ信号を前記観測の処理の対象から除外する。

すなわち、複数の空中線によって総合的に形成される覆域の内、これらの空中線の何れかに該当する２つ以上の空中線によって重複して形成される領域に位置する目標については、これらの領域を介して冗長に受信されるレーダ信号に基づくレーダ信号処理の下で誤検出が確度高く回避される。

本発明によれば、スキャンの対象となる全域において空中線系の指向性が一定である場合に比べて、そのスキャンの精度および効率が総合的に高められる。
また、本発明では、目標が位置し得る空間のスキャンは、複数の空中線に個別に到来したレーダ信号の相関あるいは組み合わせにより、精度よく効率的に実現される。
さらに、本発明では、所望の空間に位置する目標は、総合的にスキャンの効率化が図られ、かく多様な形態で観測される。
したがって、本発明が適用されたレーダ装置では、性能に併せて信頼性が高められ、かつ付加価値が高められる。

本発明の一実施形態を示す図である。 本実施形態における制御部の動作フローチャートである。 従来の気象レーダの構成例を示す図である。 気象レーダによって行われるスキャンの形態を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す図である。
本実施形態と図３に示す従来例との構成の相違は、送受信部２１、空中線系２２、信号処理部２３および制御部２５に代えて、それぞれ送受信部１１、空中線系１２、信号処理部１３および制御部１４が備えられ、その空中線系１２が制御部１４の対応するポートに接続された点にある。

図２は、本実施形態における制御部の動作フローチャートである。
以下、図１および図２を参照して本実施形態の動作を説明する。

本実施形態では、送受信部１１、空中線系１２、信号処理部１３および制御部１４は、図３に示す送受信部２１、空中線系２２、信号処理部２３および制御部２５と同様に連係することによって、気象レーダとしての基本的な機能を実現する。

本発明の特徴は、本実施形態では、送受信部１１、空中線系１２および信号処理部１３が制御部１４の配下で、以下の通りに連係する点にある。

制御部１４は、ボリュームスキャンの過程では、空中線系１２の主ローブの方位角ａおよび仰角ｅを以下のアルゴリズムに基づいて主導的に求め、その空中線系１２に設定する。

(1) 所定の離散値として設定され、あるいは更新された仰角ｅ毎に、以下の処理を行う。
(1-1) 既定の境界値ｖ_ｂ に対して以下の不等式i),ii)がそれぞれ成立する低層域Ｅ_Ｌ または高層域Ｅ_Ｈ として、観測の対象となるべき仰角ｅの範囲を識別する（図２ステップＳ１）。
ｅ＜ｖ_ｂ ・・・ i)
ｅ≧ｖ_ｂ ・・・ ii)

(1-2) 仰角ｅが低層域Ｅ_Ｌ の範囲である場合には、空中線系１２の主ローブの幅（以下、「ビーム幅」という。）φを既定の値φnarrowに設定し、かつ上記仰角ｅの後続する更新に際して適用されるべき増分（減分）Δをその値φnarrowに設定する（図２ステップＳ２）。

(1-3) 仰角Ｅが高層域Ｅ_Ｈ の範囲である場合には、空中線系１２のビーム幅φを既定の値φwide（＞φnarrow）に設定し、かつ上記仰角ｅの後続する更新に際して適用されるべき増分（減分）Δをその値φwideに設定する（図２ステップＳ３）。

また、制御部１４は、上記方位角ａ、仰角ｅ、ビーム幅φ（φnarrowまたはφwide）、増分（減分）Δ（以下、これらの組み合わせを単に「パラメータ」という。）を送受信部１１および信号処理部１３に適宜通知する（図２ステップＳ４）。

信号処理部１３および送受信部１１は、上記パラメータに併せて、観測の対象となるべき目標（の部位）との距離ｒに適した変調方式や電力の送信波を生成し、かつ空中線系１２を介して送信する。

また、送受信部１１および信号処理部１３は、上記パラメータおよび距離ｒに適した復調方式に基づく復調とレーダ信号処理とを行うことにより、既述の気象情報を取得して指示部２４に引き渡す。

すなわち、本実施形態では、低層域では、高層域に比べて、空中線系１２のビーム幅（主ローブの幅）φおよび仰角ｅの増分（減分）Δが狭く設定されるので、気象目標の観測が詳細に精度よく行われるべき低層域のボリュームスキャンに時間が優先的に多くが配分され、しかも、これらの低層域および高層域の何れにおいても、仰角ｅの増分（原文）Δが既述のビーム幅φに等しく設定される。

したがって、気象レーダの構成が大幅に変更されることなく、かつ性能および機能が無用に低下することなく、例えば、エコー頂高度や鉛直積算雨水量のような多様な気象目標の観測がボリュームスキャンに基づいて精度よく安定に、さらに高速に実現される。

なお、本実施形態では、空中線系１２の主ローブの幅および方向は、制御部１４の配下で行われるビームフォーミングにより設定され、かつ切り替えられている。
しかし、このようなビーム幅の設定や切り替えは、例えば、ビーム幅が異なる値に予め設定された２つのアンテナの何れか一方が制御部１４の配下で選択されることによって実現されてもよい。

また、本実施形態では、空中線系１２のビーム幅は、制御部１４の配下で二通りの内の何れか一方が選択されている。
しかし、本発明はこのような構成に限定されず、制御部１４による選択または切り替えの対象となるビーム幅の数は、「３」以上であってもよい。

さらに、本実施形態では、ビーム幅が異なるアンテナの方位角は必ずしも同じでなくてもよく、例えば、レーダ信号処理または指示画像の生成の過程で行われるマッピングの下で、アンテナの切り替えに応じた方位の変化や跳躍が吸収されてもよい。

また、本実施形態では、レーダ信号処理の過程でＦＦＴ(Fast Fourier Transfo)等のように演算対象の数や内容に制約がある処理が行われる場合には、そのレーダ信号処理の前段における演算対象の互換性が保たれ、あるいは後段において演算結果の互換性が保たれてもよい。

さらに、本実施形態では、ビーム幅が垂直方向のみについて変更されている。
しかし、本発明はこのような構成に限定されず、水平方向におけるビーム幅が並行して変更されてもよく、このような水平方向のビーム幅の変更に応じて空中線系１２によるスキャンの速度が可変されることにより、上記演算対象の互換性が保たれてもよい。

また、本実施形態では、信号処理部１３によって行われるレーダ信号処理には、ビーム幅の増減に応じて空中線系１２の主ローブの方向を示す仰角が変更される速度が加味されていない。

しかし、本発明はこのような構成に限定されず、例えば、風向や風速の観測に供される気象レーダでは、上記主ローブの方位角や仰角が変化する速度に起因する誤差の圧縮がレーダ信号処理の過程で図られてもよい。

さらに、本実施形態では、目標から空中線系１２には、その空中線系１２から放射された送信波の反射によって生じた反射波が到来している。
しかし、本発明は、このような構成に限定されず、空中線系１２とは異なるアンテナやサイトから上記送信波が放射されるレーダにも同様に適用可能である。

また、本実施形態では、空中線系１２の主ローブの仰角ｅは、既述の増分（減分）Δ毎に異なる離散値に順次切り替えられている。
しかし、本発明は、このような構成に限定されず、上記仰角ｅが増分（減分）Δ以上に割って増加（減少）する場合には、そのために欠測し、かつレーダ信号処理の対象とならなかった領域の指示画像は、そのレーダ信号処理の過程で行われる補完処理により補われてもよい。

さらに、本実施形態では、空中線系１２にビーム幅が異なる（同じであってもよい。）複数のアンテナの組み合わせとして備えられている場合には、これらのアンテナが並行して駆動され、かつ信号処理部１３が個々のアンテナに到来した反射波の信号処理を並行して行うことにより、以下に列記する何れかの形態でボリュームスキャンの速度のさらなる向上が図られてもよい。

(1) ビーム幅が異なり、かつ垂直方向に積み重ねられた複数のアンテナとして空中線系１２が構成され、単一のスキャンにより所望の方位角および仰角の範囲にある気象目標の観測が実現される

(2) ビーム幅が異なり、かつ垂直方向に積み重ねられた複数のアンテナとして空中線系１２が構成され、これらのアンテナの全てまたは一部の主ローブの仰角が可変されつつ行われる最小の回数のスキャンにより所望の方位角および仰角の範囲にある気象目標の観測が精度よく実現される。

(3) ビーム幅が異なり、かつ垂直方向に積み重ねられた複数のアンテナとして空中線系１２が構成され、これらのアンテナの内、中央に配置された特定のアンテナがファンビーム状の指向性を有して送信のみに用いられ、所定の回数のスキャンにより（上記特定のアンテナ以外のアンテナの主ローブが適宜可変されてもよい。）所望の方位角および仰角の範囲にある気象目標の観測が実現される。

(4) 上記(1)〜(3)において、垂直方向に隣接して配置されたアンテナの対毎に、双方に並行して到来した反射波で示される目標の仰角をこれらのアンテナの仰角の和（所望の重みに基づく積和）で示される値として識別される。

(5) 上記(1)〜(3)において、垂直方向に隣接して配置されたアンテナの対毎に、双方に並行して到来しなかった反射波がクラッタ（海面反射波を含む。）として除去される。

また、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲において多様な実施形態の構成が可能であり、構成要素の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。

以下、本願に開示された発明の内、「特許請求の範囲」に記載しなかった発明の構成、雇用および効果を「特許請求の範囲」、「課題を解決するための手段」、「発明の効果」の欄の記載に準じた様式により列記する。

［請求項７］ 請求項１に記載の目標観測支援装置において、
前記空中線系は、
指向性の設定が個別に可能である複数の空中線から構成され
前記制御手段は、
前記複数の空中線を並行して駆動することにより前記スキャンを行う
ことを特徴とする目標観測支援装置。
このような構成の目標観測支援装置では、請求項１に記載の目標観測支援装置において、前記空中線系は、指向性の設定が個別に可能である複数の空中線から構成される。前記制御手段は、前記複数の空中線を並行して駆動することにより前記スキャンを行う。
すなわち、目標が位置し得る空間のスキャンは、上記複数の空中線が並行して駆動されることにより、効率化され、かつ高速化される。
したがって、本発明が適用されたレーダ装置は、実時間性が高められ、かつ観測が可能な目標の高速の移動に柔軟に追従可能となる。
［請求項８］ 請求項３に記載の目標観測支援装置において、
前記空中線系は、
指向性が異なる複数の空中線から構成され
前記制御手段は、
前記複数の空中線を並行して駆動することにより前記スキャンを行う
ことを特徴とする目標観測支援装置。
このような構成の目標観測支援装置では、請求項３に記載の目標観測支援装置において、前記空中線系は、指向性が異なる複数の空中線から構成される。前記制御手段は、前記複数の空中線を並行して駆動することにより前記スキャンを行う。
すなわち、目標が位置し得る空間のスキャンは、上記複数の空中線が並行して駆動されることにより、効率化され、かつ高速化される。
したがって、本発明が適用されたレーダ装置は、実時間性が高められ、かつ観測が可能な目標の高速の移動に柔軟に追従可能となる。
［請求項９］ 請求項２、４、７、８の何れか１項に記載の目標観測支援装置において、
前記制御手段は、
前記複数の空中線によるスキャンの周期を共通に設定する
ことを特徴とする目標観測支援装置。
このような構成の目標観測支援装置では、請求項２、４、７、８の何れか１項に記載の目標観測支援装置において、前記制御手段は、前記複数の空中線によるスキャンの周期を共通に設定する。
すなわち、目標が位置し得る空間のスキャンは、その空間が配分されて割り付けられた複数の空中線の同期した協働によって実現される。
したがって、本発明が適用されたレーダ装置は、レーダ信号処理が複雑化するとなく実時間性および応答性が向上し、かつ目標の観測の精度が高められる。

１１,２１ 送受信部
１２,２２ 空中線系
１３,２３ 信号処理部
１４,２５ 制御部
２０ 気象レーダ
２４ 指示部

Claims (6)

1. 目標が位置し得る空間をスキャンし、前記空間から到来したレーダ信号を前記目標の観測に供するスキャン手段と、
   前記空間の内、前記観測に要求される精度が高い領域ほど、前記レーダ信号の受信に供される空中線系の指向性を狭く設定する制御手段と
   を備えたことを特徴とする目標観測支援装置。
2. 請求項１に記載の目標観測支援装置において、
   前記空中線系は、
   複数の空中線から構成され、
   前記制御手段は、
   前記複数の空中線の主ローブの範囲の一部を共通に維持する
   ことを特徴とする目標観測支援装置。
3. 目標が位置し得る空間をスキャンし、前記空間から到来したレーダ信号を前記目標の観測に供するスキャン手段と、
   前記空間の内、前記観測に要求される精度が高い領域ほど、指向性が狭い空中線系を前記スキャンに適用する制御手段と
   を備えたことを特徴とする目標観測支援装置。
4. 請求項３に記載の目標観測支援装置において、
   前記空中線系は、
   主ローブの範囲の一部が共通である複数の空中線から構成された
   ことを特徴とする目標観測支援装置。
5. 請求項２または請求項４に記載の目標観測支援装置において、
   前記制御手段は、
   前記複数の空中線の内、主ローブの範囲の一部が共通である空中線の全てまたは一部に並行して到来したレーダ信号を抽出し、前記共通である一部の主ローブの方向にある目標の観測に供する
   ことを特徴とする目標観測支援装置。
6. 請求項２または請求項４に記載の目標観測支援装置において、
   前記制御手段は、
   前記複数の空中線の内、主ローブの範囲の一部が共通である空中線に並行して到来しないレーダ信号を前記観測の処理の対象から除外する
   ことを特徴とする目標観測支援装置。