JP4836497B2 - レーダ装置とその信号処理方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、雨や雲の動的な状況をとらえるドップラ気象レーダに用いられるレーダ装置とその信号処理方法に関する。

従来、ドップラレーダでターゲットの速度を求める方式の一つとして、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）が用いられている。ＦＦＴ方式は、高速のＤＳＰ（Digital Signal Processor）が登場し、信号処理がソフトウェア的にリアルタイムで処理できるようになったことから実用化された。ＦＦＴ方式は、受信される位相信号を周波数領域（速度領域）に変換し、速度スペクトルの最大値を読み取ることによりドップラ速度を検出する方式である（例えば、非特許文献１を参照。）。
東芝レビュー ５５巻５号、２０００年５月１日発行、「ドップラ気象レーダ」、ｐ．２８−３０

ところが、気象エコーのような受信波のばらつきが大きいターゲットからドップラ速度を求める際、従来のＦＦＴ方式による信号処理方式では、ばらつきの大きさが速度精度に大きく影響してきた。気象エコーのようにターゲットの速度が乱れている場合、得られる速度スペクトルも乱れているため、例えば、ピーク検出や電力平均のような通常の速度算出方法では、ばらつきが大きいことやナイキスト速度付近の速度の折り返しにより、得られる速度精度が悪くなるという問題があった。

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、観測対象の速度分布のばらつきが大きい場合や速度の折返しが発生した場合でも、信頼性の高いドップラ速度を算出できるレーダ装置とその信号処理方法を提供することができる。

上記目的を達成するためにこの発明に係わるレーダ装置は、レーダパルスを送信しレーダエコーを受信する送受信部と、上記レーダエコーの受信信号から複数のドップラ速度値それぞれの電力強度分布を示す速度スペクトルを求め、この速度スペクトルに基づいてターゲットのドップラ速度を算出する信号処理部とを備える。そして、上記信号処理部は、上記速度スペクトルのドップラ速度値それぞれの電力強度を、正の最大速度が＋πに当たり、負の最大速度が−πに当たるように、極座標系の電力ベクトルに変換し、変換された電力ベクトルを合成することにより電力合成ベクトルを求め、この電力合成ベクトルの偏角をもとにターゲットのドップラ速度を算出するものである。

また、この発明に係わる信号処理方法は、レーダパルスを送信しレーダエコーを受信するレーダ装置に用いられる信号処理方法において、上記レーダエコーの受信信号から複数のドップラ速度値それぞれの電力強度分布を示す速度スペクトルを求め、この速度スペクトルに基づいてターゲットのドップラ速度を算出する信号処理ステップを備える。そして、上記信号処理ステップは、上記速度スペクトルのドップラ速度値それぞれの電力強度を、正の最大速度が＋πに当たり、負の最大速度が−πに当たるように、極座標系の電力ベクトルに変換して、変換された電力ベクトルを合成することにより電力合成ベクトルを求め、この電力合成ベクトルの偏角をもとにターゲットのドップラ速度を算出するものである。

上記構成によるレーダ装置及び信号処理方法では、速度スペクトルを極座標系の電力強度分布に変換して、各電力ベクトルの加重平均を算出することにより、ターゲットのドップラ速度を算出している。これにより、従来行われていた速度スペクトルの単なるピーク検出や電力平均と比較すると、速度分布のばらつきが大きい場合や速度の折返しがある場合にも信頼性の高いドップラ速度を算出することが可能となる。

したがって、この発明によれば、観測対象の速度分布のばらつきが大きい場合や速度の折返しが発生した場合でも、信頼性の高いドップラ速度を算出できるレーダ装置とその信号処理方法を提供することができる。

図１は、この発明に係わるレーダ装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。
変調部１２は、信号処理部１１からインタフェース（Ｉ／Ｆ）を介して与えられる制御のもと、指定された変調方式の中間周波信号のディジタル値を生成する。このディジタル値は、Ｄ／Ａ変換部１３においてアナログ値に変換され、送信中間周波数信号（ｆｉ）が生成される。生成された送信中間周波数信号は、送受信部１４においてレーダパルスの送信周波数にまでアップコンバートされ、電力増幅されたのち空中線１５から空間に送出される。

空中線１５から送出された周波数ｆ０のレーダパルスは、雨粒などのターゲットにより反射され、レーダエコーが戻ってくる。このレーダエコーはターゲットの移動速度を反映するドップラ周波数（ｆｄ）を伴い、その受信周波数は（ｆ０＋ｆｄ）と表される。レーダエコーは、空中線１５を介して送受信部１４に到来し、増幅されたのちダウンコンバートされて（ｆｉ＋ｆｄ）の受信中間周波数信号が生成される。この受信中間周波数信号はＡ／Ｄ変換部１６によりディジタル値に変換されたのち復調部１７により直交検波される。

さらに、直交検波された信号は、復調部１７において複数の変調方式により復調される。これにより得られたＩ成分（同相成分）およびＱ成分（直交位相成分）の受信データは、インタフェース（Ｉ／Ｆ）を介して信号処理部１１に与えられる。信号処理部１１は受信データからエコーの反射強度、ターゲットの速度および速度幅などの観測データを算出する。特に、受信データに対してＦＦＴ処理を行うことにより得られる速度スペクトルから、ターゲットのドップラ速度を算出することができる。

図２は、図１のレーダ装置の処理手順を示す流れ図である。受信信号は、Ａ／Ｄ変換されたのち、直交検波され、Ｉ成分（同相成分）、Ｑ成分（直交位相成分）の信号がそれぞれ出力される。さらに、信号処理部１１では、出力されたＩ／Ｑ信号に対して、ＦＦＴ処理を行う。このＦＦＴ処理では、上記Ｉ／Ｑ信号を周波数領域に変換し、速度スペクトルを得ることができる。このようにして得られる速度スペクトルをもとにターゲットのドップラ速度を検出する。

次に、図３及び図４を参照して信号処理部１１が行うドップラ速度の算出処理について説明する。図３は、ドップラ速度算出処理の手順とその内容を示すフローチャートである。また、図４には、ドップラ速度算出処理の概念図を示す。
はじめに、ステップＳ３ａにおいて、上述したＦＦＴ処理により得られる速度スペクトルのドップラ速度値それぞれの電力強度を極座標系の電力ベクトルに変換する。この様子を図４のＰ１〜Ｐ８で示す。次に、ステップＳ３ｂにおいて、上記変換された極座標系の電力ベクトル（Ｐ１〜Ｐ８）を合成し、電力合成ベクトル（Ｐ）を求める。そして、ステップＳ３ｃにおいて、上記求められた電力合成ベクトルの偏角を求め、この偏角をもとにステップＳ３ｄによりドップラ速度を算出する。このような手順で、図４に示すようにドップラ速度が求められる。

以下に数式を用いて具体的な処理方法について述べる。
−Ｖmax≦Ｖi≦Ｖmaxのドップラ速度を、次式により−π≦θｉ≦πの角度に置き換えて、極座標系での電力分布に変換する。
θｉ＝πＶｉ／Ｖmax …（１）
式（１）において、θｉは電力ベクトルの偏角［rad］、Ｖｉはドップラ速度、Ｖmaxはナイキスト速度を表す。

次に、上記置き換えられた電力ベクトルの分布を次式によりベクトル合成する。

Ｐｖ＝Ｐreal＋jＰimage …（２）
Ｐreal＝Σ(Ｐi・cosθi) …（３）
Ｐimage＝Σ（Ｐi・sinθi） …（４）
ここで、Ｐｖはドップラ速度の強度合成ベクトル、Ｐrealは電力合成ベクトルの実数部、Ｐimageは電力合成ベクトルの虚数部である。また、Ｐiは各速度毎の電力値、θiは各電力ベクトルの偏角［rad］である。

そうすると、電力合成ベクトルの偏角θavgは、次式により算出できる。
θavg＝arc tan（Ｐimage／Ｐreal） …（５）
式（５）により求められた電力合成ベクトルの偏角θavgをもとに、次式によりドップラ速度ｖを算出する。
ｖ＝Ｖmax・θavg／π …（６）
以上述べたように、この発明の上記実施形態では、電力強度分布を示す速度スペクトルのドップラ速度値それぞれの電力強度を極座標系の電力ベクトルに変換する。次に、上記変換された極座標系の電力ベクトルを合成し、電力合成ベクトルを求める。そして、求められた電力合成ベクトルの偏角を求め、この電力合成ベクトルの偏角をもとにドップラ速度を算出するものである。

この発明は、特に次のような場合に効果を発揮する。例えば、速度スペクトルに大きなばらつきがある場合に、単なるピーク検出によりドップラ速度を求めると、速度分布にかかわらず読み取った最大値によりドップラ速度が検出されてしまう。これに対し本発明では、速度分布の広い範囲の電力強度を用いてドップラ速度を算出するため、信頼性の高いドップラ速度値を求めることができる。

また、速度スペクトルに速度の折返しが発生した場合にも有効である。図５に速度の折返しが発生した場合における本発明のドップラ速度算出処理の概念図を示す。従来のように速度スペクトルの電力分布を単純に平均して速度を求めると、ターゲットのドップラ速度が大きくなった場合、ナイキスト速度を超える領域が折り返してしまい正しいドップラ速度値が得られない。しかしながら、図５に示すように、速度スペクトルを一旦極座標系の電力ベクトル分布に変換することにより、折返し付近の速度を正確に求めることができる。

したがってこの発明によれば、従来行われていた速度スペクトルの単なるピーク検出や電力平均と比較すると、速度分布のばらつきが大きい場合や速度の折返しがある場合にも信頼性の高いドップラ速度を算出することが可能となる。

なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば図１においてＤ／Ａ変換部１３、およびＡ／Ｄの変換部１６の機能は、他の機能ブロックに併せ持たせることもできる。また本発明は、気象レーダに限定されることなく他のドップラレーダにも適用することができる。

要するにこの発明は、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。

この発明に係わるレーダ装置の一実施形態を示す機能ブロック図。 図１に示すレーダ装置の信号処理手順を示す図。 図１に示すレーダ装置のドップラ速度算出処理の手順とその内容を示すフローチャート。 図１に示すレーダ装置のドップラ速度算出処理を示す概念図。 図１に示すレーダ装置のドップラ速度算出処理を示す概念図。

符号の説明

１１…信号処理部、１２…変調部、１３…Ｄ／Ａ変換部、１４…送受信部、１５…空中線、１６…Ａ／Ｄ変換部、１７…復調部。

Claims (2)

1. レーダパルスを送信しレーダエコーを受信する送受信部と、
   前記レーダエコーの受信信号から複数のドップラ速度値それぞれの電力強度分布を示す速度スペクトルを求め、この速度スペクトルに基づいてターゲットのドップラ速度を算出する信号処理部と
   を具備し、
   前記信号処理部は、
   前記速度スペクトルのドップラ速度値それぞれの電力強度を、正の最大速度が＋πに当たり、負の最大速度が−πに当たるように、極座標系の電力ベクトルに変換する変換手段と、
   前記電力ベクトルを合成することにより電力合成ベクトルを求める合成手段と、
   前記電力合成ベクトルの偏角をもとにターゲットのドップラ速度を算出する算出手段と
   を備えることを特徴とするレーダ装置。
2. レーダパルスを送信しレーダエコーを受信するレーダ装置に用いられる信号処理方法において、
   前記レーダエコーの受信信号から複数のドップラ速度値それぞれの電力強度分布を示す速度スペクトルを求め、この速度スペクトルに基づいてターゲットのドップラ速度を算出する信号処理ステップを備え、
   前記信号処理ステップは、
   前記速度スペクトルのドップラ速度値それぞれの電力強度を、正の最大速度が＋πに当たり、負の最大速度が−πに当たるように、極座標系の電力ベクトルに変換する変換ステップと、
   前記電力ベクトルを合成することにより電力合成ベクトルを求める合成ステップと、
   前記電力合成ベクトルの偏角をもとにターゲットのドップラ速度を算出する算出ステップと
   を備えることを特徴とする信号処理方法。

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