JP5196959B2 - レーダ装置 - Google Patents
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受信したパルス信号には、目標物で反射したパルス信号の他に、例えば、雨粒や雲等で反射した信号(気象クラッタ)が含まれている。目標物で反射したパルス信号がこの気象クラッタに埋もれると、目標物までの距離を測定することが困難になる。
ドップラー周波数の測定値を平均化するものとして、従来のレーダ信号処理装置は、クラッタのドップラー周波数を距離方向に測定した後、ドップラー周波数の測定値に対してレンジブロック単位で平均化処理を実行する平均処理部を備えている(例えば、特許文献1参照)。
そのため、気象クラッタのドップラー周波数を高精度に測定し、気象クラッタを適切に抑圧することができる。
図1は、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置を示すブロック構成図である。
図1において、このレーダ装置は、局部発振部1と、送信部2と、サーキュレータ3と、空中線部4と、受信部5と、気象クラッタ検出部6と、気象クラッタマップ作成部7と、第1折り返し補正部8と、切り換えスイッチ9と、第2折り返し補正部10と、データ記憶部11と、平均処理部12と、フィルタ設定部13と、クラッタ抑圧処理部14と、目標検出部15とを備えている。
送信部2は、低周波の正弦波信号をパルス変調して低周波送信パルス信号を発生する。また、送信部2は、局部発振部1からの局部発振信号を用いて、低周波送信パルス信号をギガヘルツ帯の高周波送信パルス信号に周波数変換して出力する。
空中線部4は、ビームを電子的に走査しながら、サーキュレータ3からの高周波送信パルス信号を空間に放射する。また、空中線部4は、空間中に存在する目標物で反射した高周波送信パルス信号を高周波受信パルス信号として受信する。
図2は、この発明の実施の形態1に係る低周波受信パルス信号のAD変換処理を示す説明図である。
図2において、低周波送信パルス信号は、パルス繰り返し時間間隔で発生され、高周波送信パルス信号に周波数変換されて送信される。また、目標物で反射して受信された高周波受信パルス信号は、低周波受信パルス信号に周波数変換される。
すなわち、低周波受信パルス信号をAD変換することにより、レーダからの距離毎の情報が得られる。また、AD変換した低周波受信パルス信号をパルス繰り返し時間毎に並べ替えることにより、同一距離におけるパルス繰り返し時間毎の時系列データが、各距離について作成される。
図2には、例として、デジタル化された低周波受信パルス信号がパルス繰り返し時間毎に並べ替えられて作成された第5距離における時系列データを示す。この時系列データのサンプリング時間間隔は、パルス繰り返し時間と一致する。
気象クラッタのドップラー周波数は、前述したパルスペア方式を用いて、次式(1)のように算出される。また、気象クラッタのドップラー周波数は、レーダ装置からの各距離について算出される。
また、気象クラッタの強度は、各距離について低周波受信パルス信号の電力または電圧を測定することによって求められる。
なお、気象クラッタのドップラー周波数および強度は、ビームが走査範囲(ビーム覆域)を走査するビーム走査毎に、各距離および各方位について測定される。
以下、図3を参照しながら、気象クラッタマップ作成部7で作成される気象クラッタマップについて説明する。
図3において、気象クラッタマップは、距離方向を横軸とし、ドップラー周波数および強度をそれぞれ縦軸として方位毎に作成されている。また、距離方向の各レンジセルは、図2で示した第1距離〜第9距離にそれぞれ対応している。
ここで、距離の折り返しを抑制するために、パルス繰り返し時間を大きくすることが考えられるが、この場合には、ドップラー周波数の折り返しが発生する。
式(2)において、Tsはパルス繰り返し時間を示している。
ドップラー周波数の折り返しが発生すると、真のドップラー周波数に最大折り返し周波数fmaxを偶数倍した値が加算または減算されるので、折り返しの発生前後で距離方向に不連続な領域が生じる。
以下、図5を参照しながら、第1折り返し補正部8によるドップラー周波数に対する距離方向の折り返し補正処理について説明する。
図5において、まず、第1折り返し補正部8は、距離毎に気象クラッタの強度とあらかじめ設定されたしきい値とを比較し、気象クラッタの強度がしきい値よりも小さい場合に、その気象クラッタのドップラー周波数および強度をノイズとして除去する。また、第1折り返し補正部8は、残った気象クラッタの強度のうち、強度が最大の距離(レンジセル)を検出し、この距離におけるドップラー周波数を基準(真)値とする。以下、このドップラー周波数の基準値を基準ドップラー周波数と表記する。
また、第1折り返し補正部8は、ドップラー周波数の折り返しが発生していると判断した場合には、ドップラー周波数fmがドップラー周波数fnに最も近くなるように、ドップラー周波数fmに最大折り返し周波数fmaxを偶数倍した値を加算または減算して、次式(4)で表されるドップラー周波数fpに補正する。
式(4)において、sは1または−1である。
そのため、ドップラー周波数および強度の測定値に対して、既存の処理であるメジアンフィルタ処理等のノイズ除去処理を事前に施す必要がある。
以下、図6を参照しながら、第1折り返し補正部8によるドップラー周波数に対する方位方向の折り返し補正処理について説明する。
図6において、まず、第1折り返し補正部8は、着目する第i方位において気象クラッタの強度が最大となる距離におけるドップラー周波数fiと、第i方位に隣接する第i+1方位において気象クラッタの強度が最大となる距離におけるドップラー周波数fi+1とを比較する。第1折り返し補正部8は、両者の差の絶対値が最大折り返し周波数fmaxよりも大きくなる場合、すなわち次式(5)が成り立つ場合に、ドップラー周波数の折り返しが発生していると判断する。
また、第1折り返し補正部8は、ドップラー周波数の折り返しが発生していると判断した場合には、第i+1方位のドップラー周波数が第i方位のドップラー周波数に最も近くなるように、第i+1方位のドップラー周波数を補正する。具体的には、第i+1方位における各距離のドップラー周波数のそれぞれに、最大折り返し周波数fmaxを偶数倍した値を加算または減算する。第i+1方位における各距離の補正後のドップラー周波数fi+1(x)は、次式(6)で表される。
次に、第1折り返し補正部8は、第i+1方位において気象クラッタの強度が最大となる距離におけるドップラー周波数fi+1と、第i+1方位に隣接する第i+2方位において気象クラッタの強度が最大となる距離におけるドップラー周波数fi+2とを比較する。第1折り返し補正部8は、以下、同様にして次々と隣接する方位方向のドップラー周波数を補正する。
切り換えスイッチ9をフィルタ設定部13側に切り換えた場合には、ビーム走査毎に折り返し補正処理が実行された気象クラッタのドップラー周波数、および気象クラッタの強度に基づいて、気象クラッタを抑圧するためのフィルタ係数が算出される。
一方、切り換えスイッチ9を第2折り返し補正部10側に切り換えた場合には、ビーム走査間で折り返し補正処理が実行され、平均化処理された気象クラッタのドップラー周波数(ドップラー周波数平均値)、および平均化処理された気象クラッタの強度に基づいて、フィルタ係数が算出される。
前述の第1折り返し補正部8は、気象クラッタのドップラー周波数に対する距離方向および方位方向の折り返し補正処理をビーム走査毎に実行している。しかしながら、ビーム走査毎に折り返しの向きがプラス方向側またはマイナス方向側となり、ビーム走査間で見ると、第1補正後ドップラー周波数の折り返しが発生している可能性がある。
以下、図7を参照しながら、第2折り返し補正部10による第1補正後ドップラー周波数に対する折り返し補正処理について説明する。
図7は、この発明の実施の形態1に係る第1補正後ドップラー周波数に対する折り返し補正処理を示す説明図である。
第2折り返し補正部10は、両者の差の絶対値が最大折り返し周波数fmaxよりも大きくなる場合、すなわち次式(7)が成り立つ場合に、第1補正後ドップラー周波数の折り返しが発生していると判断する。
また、第2折り返し補正部10は、第1補正後ドップラー周波数の折り返しが発生していると判断した場合には、j+1回目のビーム走査における第i方位の第1補正後ドップラー周波数が、j回目のビーム走査における第i方位の第1補正後ドップラー周波数に最も近くなるように、j+1回目のビーム走査における第i方位の第1補正後ドップラー周波数を補正する。具体的には、j+1回目のビーム走査の第i方位における各距離の第1補正後ドップラー周波数のそれぞれに、最大折り返し周波数fmaxを偶数倍した値を加算または減算する。j+1回目のビーム走査の第i方位における各距離の補正後の第1補正後ドップラー周波数fj+1,i(x)は、次式(8)で表される。
なお、第2折り返し補正部10によるビーム走査間の折り返し補正処理は、ビーム走査回数が2回以上になると実行することができる。すなわち、第2折り返し補正部10は、ビーム走査回数が2回以上になると、データ記憶部11に記憶された第1補正後ドップラー周波数を読み出す。また、第2折り返し補正部10は、第1補正後ドップラー周波数に対する折り返し補正処理を実行した後、第2補正後ドップラー周波数としてデータ記憶部11に格納する。
なお、平均化処理に用いるビーム走査回数は、固定の値であるとする。平均化処理に用いるビーム走査回数が多いほど、信号処理に用いるパルスヒット数が増加するので、気象クラッタのドップラー周波数の測定精度を向上させることができる。
フィルタ設定部13は、第1折り返し補正部8からの第1補正後ドップラー周波数および気象クラッタの強度が入力された場合には、第1補正後ドップラー周波数に減衰特性を有し、気象クラッタの強度以上の減衰量特性を有する帯域制限フィルタのフィルタ係数を算出する。
ここで、例えば公知のFIR型またはIIR型のデジタルフィルタにおけるフィルタ係数を設定することにより、気象クラッタを抑圧するフィルタが設定される。
目標検出部15は、例えば公知のCFAR(Constant False Alarm Rate)処理等の方法によって、目標物を検出する。
そのため、ビーム走査間で正確なドップラー周波数平均値を得ることができるので、気象クラッタのドップラー周波数を高精度に測定することができる。
また、このドップラー周波数平均値に基づいて帯域制限フィルタのフィルタ係数を正確に算出することにより、気象クラッタを適切に抑圧することができる。
上記実施の形態1では、平均処理部12において、第2補正後ドップラー周波数および気象クラッタの強度に対する平均化処理に用いるビーム走査回数は、固定の値であるとした。しかしながら、これに限定されず、平均化処理に用いるビーム走査回数は、目標検出部15における目標物の検出結果に応じて任意に設定されてもよい。
以下、目標検出部15における目標物の検出結果に応じて平均化処理に用いるビーム走査回数を可変設定する処理について説明する。
図8において、このレーダ装置は、図1に示した平均処理部12に代えて、平均処理部12Aを備えている。また、このレーダ装置は、目標検出部15における目標物の検出結果に応じて、第2補正後ドップラー周波数および気象クラッタの強度に対する平均化処理に用いるビーム走査回数を設定し、平均処理部12Aに出力する平均回数制御部16を備えている。
その他の構成については、前述の実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
図9において、所望信号対クラッタ信号の電力比が小さいほど、所望信号が気象クラッタに埋もれているので、平均化処理に用いるビーム走査回数が大きく設定されている。
なお、所望信号対クラッタ信号の電力比と、平均化処理に用いるビーム走査回数との関係は、図9に示されたものに限定されず、レーダ装置の仕様や電波環境等に応じて変更される。
そのため、気象クラッタのドップラー周波数および強度の測定精度を向上させることができるとともに、気象クラッタを抑圧するための帯域フィルタのフィルタ係数をより正確に算出することができる。
上記実施の形態1では、第2折り返し補正部10は、隣接する2回のビーム走査の間で第1補正後ドップラー周波数の折り返しの発生を判断し、第1補正後ドップラー周波数に対する折り返し補正処理を実行していた。しかしながら、これに限定されず、2回以上の複数回のビーム走査の間で第1補正後ドップラー周波数の折り返し方向を一度に判定し、この折り返し方向に基づいて、第1補正後ドップラー周波数に対する折り返し補正処理を実行してもよい。
以下、複数回のビーム走査の間で第1補正後ドップラー周波数の折り返し方向を判定し、第1補正後ドップラー周波数に対する折り返し補正処理を実行する処理について説明する。
図10において、このレーダ装置は、図1に示した第2折り返し補正部10に代えて、第2折り返し補正部10Bを備えている。また、このレーダ装置は、折り返し方向判定部17を備えている。
その他の構成については、前述の実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
図11は、この発明の実施の形態3に係る折り返し方向判定部17の動作を示す説明図である。ここでは、3回のビーム走査の間で第1補正後ドップラー周波数の折り返し方向を判定し、基準のビーム走査および折り返し補正処理を実行する必要のあるビーム走査を決定する処理について説明する。
具体的には、j−1回目、j回目、j+1回目のビーム走査のうち、強度が最大の気象クラッタを測定したビーム走査を基準のビーム走査とする。ここでは、j−1回目の第p方位において気象クラッタの強度が最大になったとし、j−1回目のビーム走査を基準のビーム走査と決定する。
そのため、2回以上の複数回のビーム走査について第1補正後ドップラー周波数に対する折り返し補正処理を実行する場合に、第1補正後ドップラー周波数の折り返し方向および折り返し補正処理を実行する必要のあるビーム走査が分かった上で、折り返し補正処理を実行することができる。
したがって、折り返し方向を逐一決定して折り返し補正処理を実行する場合と比較して、手順を簡素化することができる。
上記実施の形態1では、フィルタ設定部13において、ドップラー周波数平均値に減衰特性を有し、強度平均値以上の減衰量特性を有する帯域制限フィルタのフィルタ係数が算出されるとした。しかしながら、これに限定されず、気象クラッタの周波数幅を測定して、気象クラッタを抑圧するフィルタの帯域幅を設定してもよい。
以下、気象クラッタの周波数幅を測定して、気象クラッタを抑圧するフィルタの帯域幅を設定する処理について説明する。
図12において、このレーダ装置は、図1に示した気象クラッタ検出部6、気象クラッタマップ作成部7および平均処理部12に代えて、気象クラッタ検出部6C、気象クラッタマップ作成部7Cおよび平均処理部12Cを備えている。また、このレーダ装置は、フィルタ形状算出部19を備えている。
その他の構成については、前述の実施の形態1と同様であり、その説明を省略する。
ここで、気象クラッタのドップラー周波数および強度は、前述した実施の形態1で示した方法によって算出される。一方、気象クラッタの周波数幅は、低周波送信パルス信号を使用して、前述したパルスペア方式により、次式(9)のように算出される。なお、気象クラッタの周波数幅は、ビーム走査毎に、各距離および各方位について測定される。
なお、式(9)におけるR(x,Ts)およびR(x,0)は、次式(10)および次式(11)でそれぞれ表される。
気象クラッタマップ作成部7Cは、気象クラッタ検出部6Cから出力された気象クラッタのドップラー周波数、強度および周波数幅のデータに基づいて、ドップラー周波数、強度および周波数幅の距離特性を示す気象クラッタマップを、方位毎に作成する。
ここで、第i方位における周波数幅の距離特性を示す気象クラッタマップを図13に例示する。
そのため、気象クラッタを抑圧するフィルタの形状を正確に設定することができる。
上記実施の形態4では、フィルタ形状算出部19は、気象クラッタの強度および周波数幅について、平均処理部12Cで平均化された強度平均値および周波数幅平均値を用いてフィルタ形状を算出するとした。しかしながら、これに限定されず、気象クラッタの強度および周波数幅の最大値を検出し、これらの最大値を用いてフィルタ形状を算出してもよい。
以下、気象クラッタの強度および周波数幅の最大値を用いてフィルタ形状を算出する処理について説明する。
図14において、このレーダ装置は、図12に示した平均処理部12Cおよびフィルタ形状算出部19に代えて、平均処理部12Dおよびフィルタ形状算出部19Dを備えている。また、このレーダ装置は、最大値検出部20を備えている。
その他の構成については、前述の実施の形態4と同様であり、その説明を省略する。
最大値検出部20は、複数のビーム走査(ビーム走査間で平均化処理を実行しようとした場合のビーム走査回数)で、各方位について距離毎に気象クラッタの強度および周波数幅の最大値を検出し、強度最大値および周波数幅最大値を出力する。
そのため、フィルタの減衰特性を十分に確保することができ、気象クラッタの抑圧性能を向上させることができる。
この場合も、上記実施の形態4または5と同様の効果を奏することができる。
この場合も、上記実施の形態1〜5と同様の効果を奏することができる。
Claims (5)
- 周波数変換を行うための局部発振信号を発生して出力する局部発振部と、
低周波送信パルス信号を発生するとともに、前記局部発振信号を用いて前記低周波送信パルス信号を高周波送信パルス信号に周波数変換して出力する送信部と、
前記高周波送信パルス信号を空間に放射するとともに、目標物で反射した前記高周波送信パルス信号を高周波受信パルス信号として受信する空中線部と、
前記局部発振信号を用いて前記高周波受信パルス信号を低周波受信パルス信号に周波数変換するとともに、前記低周波受信パルス信号をAD変換して出力する受信部と、
デジタル化された前記低周波受信パルス信号から不要な信号である気象クラッタを検出し、前記気象クラッタのドップラー周波数および強度を出力する気象クラッタ検出部と、
ビームがレーダ覆域を走査するビーム走査毎に、前記ドップラー周波数に対する折り返し補正処理を実行し、第1補正後ドップラー周波数を出力する第1折り返し補正部と、
複数回の前記ビーム走査の間であるビーム走査間で、前記第1補正後ドップラー周波数に対する折り返し補正処理を実行し、第2補正後ドップラー周波数を出力する第2折り返し補正部と、
前記第2補正後ドップラー周波数に対する平均化処理を実行して、ドップラー周波数平均値を出力する平均処理部と、
前記ドップラー周波数平均値に基づいて、前記デジタル化された低周波受信パルス信号に含まれる前記気象クラッタを抑圧するためのフィルタ係数を算出するフィルタ設定部と、
前記フィルタ係数に基づいて、前記デジタル化された低周波受信パルス信号に対するフィルタ処理を実行し、前記気象クラッタを抑圧した抑圧後受信パルス信号を出力するクラッタ抑圧処理部と、
前記抑圧後受信パルス信号に基づいて前記目標物を検出する目標検出部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。 - 前記目標検出部における前記目標物の検出結果に応じて、前記平均化処理に用いる前記ビーム走査の回数を設定する平均回数制御部を備え、
前記平均処理部は、前記平均回数制御部で設定された前記ビーム走査の回数に応じて、前記平均化処理を実行することを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。 - 複数回の前記ビーム走査による前記第1補正後ドップラー周波数に基づいて、前記第1補正後ドップラー周波数の折り返し方向を判定する折り返し方向判定部を備え、
前記第2折り返し補正部は、前記折り返し方向判定部で判定された前記折り返し方向に応じて、前記第1補正後ドップラー周波数に対する折り返し補正処理を実行することを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。 - フィルタ形状算出部を備え、
前記気象クラッタ検出部は、前記気象クラッタの周波数幅を出力し、
前記平均処理部は、前記ビーム走査間で前記周波数幅に対する平均化処理を実行して周波数幅平均値を出力し、
前記フィルタ形状算出部は、前記周波数幅平均値を用いて、前記気象クラッタを抑圧するためのフィルタの形状を算出することを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。 - 最大値検出部を備え、
前記気象クラッタ検出部は、前記気象クラッタの強度を出力し、
前記最大値検出部は、前記気象クラッタの強度および前記気象クラッタの周波数幅の最大値を検出して強度最大値および周波数幅最大値を出力し、
前記フィルタ形状算出部は、前記強度最大値および前記周波数幅最大値を用いて、前記気象クラッタを抑圧するためのフィルタの形状を算出することを特徴とする請求項4に記載のレーダ装置。
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