JP5238531B2 - レーダ装置、海洋レーダ観測装置およびドップラ周波数データ算出方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定周期で周波数が掃引される送信信号の反射信号を利用して、所定方向に沿った所定距離毎の海の表層流速を観測するレーダ装置、このレーダ装置を複数備えて面的に海の表層流速を観測する海洋レーダ観測装置、およびこれらの装置に使用されるドップラ周波数データ算出方法に関するものである。

この種のレーダ装置の基本的な構成として、下記特許文献１において従来の技術として開示されたレーダ装置（レーダ局）の構成が知られている。このレーダ装置では、まず、第１回ＦＦＴ処理において、１掃引単位でＦＦＴ解析を行い、掃引回数個のスペクトルを算出する。この場合、このスペクトルは、レンジ（距離）方向のエコーのエネルギー分布を表したものとなっている。次いで、算出された掃引回数個のスペクトルを距離毎に並び換える並び換え処理を実行する。この処理では、第１回ＦＦＴ処理で算出されたスペクトルから同じ距離のエコーのエネルギー値を集めて時系列を作成する。次いで、この距離毎の時系列に対して第２回ＦＦＴ処理を実行して、ドップラスペクトルを算出する。最後に、このドップラスペクトルのＳ／Ｎを稼ぐため、数個の時系列から算出したドップラスペクトルを平均する。この場合、最終的に算出されたドップラスペクトルは、アンテナの視線方向の流速を示したものとなっている。

特開２０００−３１４７７３号公報（第３頁、第６図）

ところが、上記の基本的な構成を備えたレーダ装置には、以下の解決すべき課題が存在している。すなわち、このレーダ装置では、上記したようにドップラスペクトルのＳ／Ｎを稼ぐため、数個の時系列から算出したドップラスペクトルを平均する処理を行っている。したがって、このレーダ装置には、最終的なドップラスペクトルの算出周期が時系列を数個（必要数）算出する周期によって制限されるため、最終的なドップラスペクトルの算出周期の更なる短縮が容易でなく、津波のような表層流速変化の速い現象の検出が難しいという解決すべき課題が存在している。

本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、表層流速変化の速い現象を検出し得るレーダ装置および海洋レーダ観測装置、並びに算出周期の短縮を図りつつドップラ周波数データに現れる一次散乱スペクトルピークの周波数を正確に算出可能としてこれらの装置に使用されたときに表層流速変化の速い現象を検出可能にし得るドップラ周波数データ算出方法を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載のレーダ装置は、所定の掃引周期で周波数が掃引される送信信号についての所定方向からの反射信号をサンプリングして当該反射信号についての振幅を示す第１振幅データに変換し、当該第１振幅データに基づいて当該所定方向における所定距離毎のドップラ周波数データを算出するレーダ装置であって、処理部を備え、当該処理部は、前記第１振幅データに対して、前記掃引周期のｎ周期（ｎは２以上の任意の整数）分ずつを、ｎ未満の任意の掃引周期でオーバーラップさせつつグループ化するグループ化処理と、前記グループ毎に、前記第１振幅データに対して前記掃引周期単位でフーリエ変換を施すことにより、前記所定方向における前記所定距離毎の前記振幅を示す第２振幅データを当該掃引周期単位で算出する１次フーリエ変換処理と、前記第２振幅データの各グループに対して、当該各グループに含まれている当該各第２振幅データを前記掃引周期順で前記所定距離毎に並び替えてグループ化する並び替え処理と、当該並び替え処理によってグループ化された前記第２振幅データに対して、グループ毎に振幅がゼロを示すゼロデータを所定数ずつ付加して新たな第２振幅データとするゼロデータ付加処理と、当該ゼロデータ付加処理がされた前記各グループに含まれている前記第２振幅データに対してフーリエ変換を施して前記所定距離毎の前記ドップラ周波数データを算出する２次フーリエ変換処理とを実行する。

また、請求項２記載のレーダ装置は、請求項１記載のレーダ装置において、前記処理部は、前記１次フーリエ変換処理において、前記掃引周期単位でのフーリエ変換に先立ち、当該掃引周期毎に前記振幅がゼロを示すゼロデータを所定数ずつ充填して新たな第１振幅データとする。

また、請求項３記載のレーダ装置は、請求項１または２記載のレーダ装置において、送信アンテナから海洋に向けて送信されたレーダ信号の反射波を受信した複数の受信アンテナからそれぞれ出力された受信信号をサンプリングして当該受信信号についての振幅を示す受信データにそれぞれ変換するＡ／Ｄ変換部を備え、前記処理部は、前記受信データに対して所定のビーム形成法を適用して前記第１振幅データに変換する方位分解処理を実行する。

また、請求項４記載のレーダ装置は、請求項３記載のレーダ装置において、前記複数の受信アンテナを備え、前記複数の受信アンテナのうちの少なくとも１つは、送信信号を出力する信号発生部と前記Ａ／Ｄ変換部とに交互に切り換えて接続可能に構成されて、前記信号発生部に接続されたときには前記送信信号を前記レーダ信号として送信する前記送信アンテナとして機能する。

また、請求項５記載のレーダ装置は、請求項１または２記載のレーダ装置において、送信アンテナから海洋に向けて送信されたレーダ信号の反射波を受信する１本の指向性を有する受信アンテナを備え、前記受信アンテナから出力された受信信号をサンプリングして当該受信信号についての振幅を示す受信データに変換すると共に、当該受信データを前記第１振幅データとして出力するＡ／Ｄ変換部を備えている。

請求項６記載の海洋レーダ観測装置は、請求項１から５のいずれかに記載の複数のレーダ装置と、前記各レーダ装置でそれぞれ算出された前記ドップラ周波数データに基づいて、前記海洋における所望海域の表層海流の流速および流向を算出する処理装置とを備えている。

請求項７記載のドップラ周波数データ算出方法は、所定の掃引周期で周波数が掃引される送信信号についての所定方向からの反射信号をサンプリングして当該反射信号についての振幅を示す第１振幅データに変換し、当該第１振幅データに基づいて当該所定方向における所定距離毎のドップラ周波数データを算出するドップラ周波数データ算出方法であって、前記第１振幅データに対して、前記掃引周期のｎ周期（ｎは２以上の任意の整数）分ずつを、ｎ未満の任意の掃引周期でオーバーラップさせつつグループ化するグループ化処理と、前記グループ毎に、前記第１振幅データに対して前記掃引周期単位でフーリエ変換を施すことにより、前記所定方向における前記所定距離毎の前記振幅を示す第２振幅データを当該掃引周期単位で算出する１次フーリエ変換処理と、前記第２振幅データの各グループに対して、当該各グループに含まれている当該各第２振幅データを前記掃引周期順で前記所定距離毎に並び替えてグループ化する並び替え処理と、当該並び替え処理によってグループ化された前記第２振幅データに対して、グループ毎に振幅がゼロを示すゼロデータを所定数ずつ付加して新たな第２振幅データとするゼロデータ付加処理と、当該ゼロデータ付加処理がされた前記各グループに含まれている前記第２振幅データに対してフーリエ変換を施して前記所定距離毎の前記ドップラ周波数データを算出する２次フーリエ変換処理とを実行する。

請求項１記載のレーダ装置および請求項６記載の海洋レーダ観測装置では、処理部が、所定方向からの反射信号についての振幅を示す第１振幅データに対して、掃引周期のｎ周期分ずつを、ｎ未満の任意の掃引周期でオーバーラップさせつつグループ化する処理を連続して実行しつつ、このようにしてグループ化された第１振幅データに対して１次フーリエ変換処理を実行して（いわゆる短時間フーリエ変換処理を実行して）距離分解することにより、第２振幅データを算出し、この第２振幅データを掃引周期順で処理距離毎に並び替えしてグループ化し、並び替え後の第２振幅データに対して２次フーリエ変換処理を実行してドップラ周波数データを算出する。したがって、数個の時系列から算出したドップラ周波数データを平均する平均処理を行わないため、最終的なドップラ周波数データの算出周期を十分に短縮することができる。この結果、短時間に表層海流の流速が変化する現象（例えば津波）の検出確度を飛躍的に高めることができる。

また、このレーダ装置および海洋レーダ観測装置によれば、処理部が、２次フーリエ変換処理において、付加されたゼロデータを含む第２振幅データに対してフーリエ変換を施してドップラ周波数データを算出するため、計算上の周波数分解能を向上させることができ、これによってドップラ周波数データ（ドップラスペクトル）に現れる一次散乱スペクトルピークの周波数を正確に算出することができる。この結果、表層海流の発生していない状態において一次散乱スペクトルピークが現れる周波数からのシフト量についても正確に算出することができる結果、このシフト量に基づいて表層海流の流速を正確に算出することができる。

請求項２記載のレーダ装置および請求項６記載の海洋レーダ観測装置によれば、処理部が、１次フーリエ変換処理の対象となる第１振幅データに対してゼロデータを付加してデータ数を増加させることにより、１次フーリエ変換によって算出される第２振幅データの数を増加（距離分解能を向上）させることができる。

請求項３記載のレーダ装置および請求項６記載の海洋レーダ観測装置によれば、送信アンテナから海洋に向けて送信されたレーダ信号の反射波を受信した複数の受信アンテナからそれぞれ出力された受信信号をサンプリングして得られるこの受信信号についての振幅を示す受信データに対して、処理部が、ＤＢＦ法などのビーム形成法を実行して、方位分解処理を実行するため、時間を要する受信アンテナを実際に回転させる処理を不要にできるため、最終的なドップラ周波数データの算出周期を大幅に短縮することができる。

請求項４記載のレーダ装置および請求項６記載の海洋レーダ観測装置によれば、複数の受信アンテナのうちの少なくとも１つを送信アンテナとして機能させるため、アンテナの数を低減することができる。

請求項５記載のレーダ装置および請求項６記載の海洋レーダ観測装置によれば、１本の指向性を有する受信アンテナを用いて、送信アンテナから海洋に向けて送信されたレーダ信号の反射波を受信するため、方位分解処理を省くことができる。

請求項７記載のドップラ周波数データ算出方法では、所定の掃引周期で周波数が掃引される送信信号についての所定方向からの反射信号をサンプリングして反射信号についての振幅を示す第１振幅データに変換し、第１振幅データに基づいて所定方向における所定距離毎のドップラ周波数データを算出するに際して、第１振幅データに対して、掃引周期のｎ周期分ずつを、ｎ未満の任意の掃引周期でオーバーラップさせつつグループ化するグループ化処理と、グループ毎に、第１振幅データに対して掃引周期単位でフーリエ変換を施すことにより、所定方向における所定距離毎の振幅を示す第２振幅データを掃引周期単位で算出する１次フーリエ変換処理と、第２振幅データの各グループに対して、各グループに含まれている各第２振幅データを掃引周期順で所定距離毎に並び替えてグループ化する並び替え処理と、並び替え処理によってグループ化された第２振幅データに対して、グループ毎に振幅がゼロを示すゼロデータを所定数ずつ付加して新たな第２振幅データとするゼロデータ付加処理と、ゼロデータ付加処理がされた各グループに含まれている第２振幅データに対してフーリエ変換を施して所定距離毎のドップラ周波数データを算出する２次フーリエ変換処理とを実行する。

したがって、このドップラ周波数データ算出方法によれば、数個の時系列から算出したドップラ周波数データを平均する平均処理を行わないため、最終的なドップラ周波数データの算出周期を十分に短縮することができる。また、２次フーリエ変換処理において、付加されたゼロデータを含む第２振幅データに対してフーリエ変換を施してドップラ周波数データを算出するため、計算上の周波数分解能を向上させることができ、これによってドップラ周波数データ（ドップラスペクトル）に現れる一次散乱スペクトルピークの周波数を正確に算出することができる。

海洋レーダ観測装置１および海洋レーダ局２の構成図である。 方位分解された状態の第１振幅データＤ１を模式的に示した説明図である。 図２の１方向分の第１振幅データＤ１をグループ化処理によってグループ化する内容を模式的に示した説明図である。 図３のグループ化された第１振幅データＤ１を１次フーリエ変換処理によって距離分解して第２振幅データＤ２とする内容を模式的に示した説明図である。 図４の距離分解された第２振幅データＤ２を並び替え処理によって並び替える内容を模式的に示した説明図である。 図５の並び替えられた第２振幅データＤ２にゼロデータ付加処理によってゼロデータｖ（０）を付加する内容を模式的に示した説明図である。 ２次フーリエ変換処理によって得られるドップラスペクトルＤｄｐを示す特性図である。 第１のシミュレーションにおいて、基準となる表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化を示す特性図である。 第１のシミュレーションにおいて、ゼロデータｖ（０）を付加したシミュレーションによって得られた表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化を示す特性図である。 第１のシミュレーションにおいて、ゼロデータｖ（０）を付加しないシミュレーションによって得られた表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化を示す特性図である。 第２のシミュレーションにおいて、基準となる表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化を示す特性図である。 第２のシミュレーションにおいて、ゼロデータｖ（０）を付加したシミュレーションによって得られた表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化を示す特性図である。 第２のシミュレーションにおいて、ゼロデータｖ（０）を付加しないシミュレーションによって得られた表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化を示す特性図である。 第３のシミュレーションにおいて、基準となる表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化を示す特性図である。 第３のシミュレーションにおいて、ゼロデータｖ（０）を付加したシミュレーションによって得られた表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化を示す特性図である。 第３のシミュレーションにおいて、ゼロデータｖ（０）を付加しないシミュレーションによって得られた表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化を示す特性図である。 第１振幅データＤ１にゼロデータ付加処理によってゼロデータｕ（０）を付加する内容を模式的に示した説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るレーダ装置および海洋レーダ観測装置の実施の形態について説明すると共に、このレーダ装置において使用されるドップラ周波数データ算出方法の実施の形態について説明する。

図１に示す海洋レーダ観測装置１は、複数（一例として２つ）の海洋レーダ局２Ａ，２Ｂ（以下、特に区別しないときには「海洋レーダ局２」ともいう）、および基地局（本発明における処理装置の一例）３を備えて、海洋上の任意の海域Ａにおける表層海流の海流ベクトルＶ（流速および流向）を観測可能に構成されている。

各海洋レーダ局２は、本発明におけるレーダ装置で構成されて、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式またはＦＭＩＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式などの所定の掃引周期で周波数が掃引される送信信号（レーダ信号）を海面に照射し、海面においてブラッグ後方散乱して戻ってくる反射信号（エコー）を受信して、方位分解処理、距離分解処理、およびドップラ周波数分解処理を実行することにより、後述する観測海域におけるすべての単位海域内の表層海流についてのドップラスペクトル（本発明におけるドップラ周波数データ）Ｄｄｐを算出する。

具体的には、各海洋レーダ局２は、図１に示すように、１本の送信アンテナ２１、信号発生部２２、複数（本例では一例として８本）の受信アンテナ２３、受信アンテナ２３と同数の信号受信部２４、および１つの処理部２５をそれぞれ備えている。この場合、信号発生部２２は、ＦＭＣＷ方式またはＦＭＩＣＷ方式により、所定の掃引周期で周波数が掃引される（周波数変調された）短波帯の送信信号Ｓｔｘを生成して、送信アンテナ２１に出力する。一例として、信号発生部２２は、レーダ周波数が周波数ｆ０（例えば、２４．５ＭＨｚ）の信号を、±ｆ１（例えば、±１５０ＫＨｚ）の周波数掃引幅で周波数変調することにより、送信信号Ｓｔｘを生成する。送信アンテナ２１は、一例として八木アンテナであり、入力した送信信号Ｓｔｘを海上にレーダ信号としてブロードビームの状態で送信する。例えば、海洋レーダ局２の正面方向を基準角（０°）としたときに−４５°〜４５°の走査角範囲に含まれる海域が観測海域であるときには、送信アンテナ２１は、少なくともこの走査角範囲を含む範囲（例えば、基準角０°を中心として±９０°の範囲（走査角−９０°〜９０°の範囲））にレーダ信号を送信する。

各受信アンテナ２３は、例えば、無指向性のアンテナで構成されている。また、各受信アンテナ２３は、例えば、後述の方位分解処理において必要な角度分解能を確保し得る受信アンテナのビームパターンを形成可能とするため、０．５λ（λは、送信信号Ｓｔｘの波長）間隔で一列に、基準角０°に対して直交する仮想直線上に配設されている。また、各受信アンテナ２３は、海面で反射されたレーダ信号（反射波）をそれぞれ受信して、対応する信号受信部２４に出力する。また、各信号受信部２４は、対応する受信アンテナ２３から出力される信号に対して中間周波との混合を行うことにより、ベースバンド信号に復調して、受信信号Ｓｒｘとして出力する。

処理部２５は、図１に示すように、信号受信部２４と同数（受信アンテナ２３と同数でもある）のＡ／Ｄ変換器（同図中では「Ａ／Ｄ」と表記する）２５ａ、信号処理プロセッサ（同図中では「ＤＳＰ」と表記する）２５ｂおよびメモリ２５ｃを備えて構成されている。この場合、各Ａ／Ｄ変換器２５ａは、対応する信号受信部２４から出力された受信信号Ｓｒｘを所定のサンプリング周期でサンプリングすることにより、受信信号Ｓｒｘの振幅を示す受信データＤｒを生成する。信号処理プロセッサ２５ｂは、各Ａ／Ｄ変換器２５ａから出力される受信データＤｒを入力してメモリ２５ｃに記憶させる。また、信号処理プロセッサ２５ｂは、メモリ２５ｃに記憶されている各受信信号Ｓｒｘの受信データＤｒに対して方位分解処理を実行すると共に、この処理によって算出される振幅データに対して、本発明に係るドップラ周波数データ算出方法を実行することにより、すなわち、グループ化処理、１次フーリエ変換処理（距離分解処理）、並び替え処理、ゼロデータ付加処理、および２次フーリエ変換処理（ドップラ周波数分解処理）を実行することにより、方位分解処理における方位分解能および距離分解処理における距離分解能で観測海域を分割して得られる最小海域（単位海域）内の表層海流についてのドップラスペクトルＤｄｐを観測海域全域に亘り算出して、メモリ２５ｃに記憶させる。また、海洋レーダ局２Ａでは、信号処理プロセッサ２５ｂは、メモリ２５ｃに記憶されているこのドップラスペクトルＤｄｐをドップラスペクトルＤｄｐ１として基地局３に出力し、海洋レーダ局２Ｂでは、信号処理プロセッサ２５ｂは、メモリ２５ｃに記憶されているこのドップラスペクトルＤｄｐをドップラスペクトルＤｄｐ２として基地局３に出力する。

基地局３は、各海洋レーダ局２Ａ，２Ｂと通信回線を介して接続されて、各海洋レーダ局２Ａ，２Ｂから出力される観測海域内のすべての単位海域の表層海流についてのドップラスペクトルＤｄｐ１，Ｄｄｐ２を受信する。また、基地局３は、これらのドップラスペクトルＤｄｐ１，Ｄｄｐ２に基づいて、所望の海域（単位海域）Ａにおける表層海流の流速および流向（海流ベクトルＶ）を算出する。

次に、海洋レーダ局２Ａ，２Ｂおよび海洋レーダ観測装置１の動作について、図面を参照して説明する。

この海洋レーダ観測装置１の動作状態において、各海洋レーダ局２Ａ，２Ｂでは、それぞれの送信アンテナ２１からレーダビームを海面に照射し、その反射波を各受信アンテナ２３が受信し、各信号受信部２４が受信信号Ｓｒｘとして出力し、この受信信号Ｓｒｘに基づいて処理部２５がドップラスペクトルＤｄｐ１，Ｄｄｐ２をそれぞれ生成して基地局３に出力する動作を繰り返し実行する。

具体的に、各海洋レーダ局２Ａ，２Ｂにおける処理部２５の詳細な動作について図面を参照して説明する。なお、海洋レーダ局２Ａ，２Ｂの動作は同一であるため、海洋レーダ局２Ａを例に挙げてその動作を説明する。海洋レーダ局２Ａでは、信号発生部２２が、送信信号Ｓｔｘを生成して、送信アンテナ２１に出力する。これにより、送信信号Ｓｔｘが、送信アンテナ２１からブロードビームの状態でレーダ信号として海上に照射される。次いで、照射されたレーダ信号は、海面で散乱波となり、その一部が海洋レーダ局２Ａに反射波として戻って来る。海洋レーダ局２Ａで観測される反射波は、散乱波のうちの海洋レーダ局２Ａの視線方向（レーダ視線方向）に沿った成分であるが、図７に示すように、そのドップラスペクトルには、ブラッグ散乱現象により、２つの一次散乱スペクトルピークＰ１，Ｐ２が、送信信号Ｓｔｘの周波数ｆ０を基準（ゼロ）としたときに、そのプラス周波数領域とマイナス周波数領域とに現れる。具体的には、２つの一次散乱スペクトルピークＰ１，Ｐ２は、表層海流が存在しないときにも周波数（±ｆｄ０）の位置に現れるが、表層海流が存在しているときには、表層海流の流向に応じた方向にシフトして周波数（±ｆｄ）の位置に現れる。詳細には、表層海流の流向が海洋レーダ局２に近づくものであるときには、図７に示すように、プラス周波数にシフトして現れ、遠ざかるものであるときには、図７とは逆にマイナス周波数にシフトして現れる。また、このときの表層海流の流速（視線流速）Ｖｒは、下記式に示すように、表層海流の存在に起因して生じる周波数のシフト量（ｆｄ−ｆｄ０）に基づいて算出される。
流速Ｖｒ＝光速×（ｆｄ−ｆｄ０）／（２×ｆ０）

各受信アンテナ２３は、すべての海域からの反射波（すべての角度から到来するすべての距離からの反射波）を受信すると共に、受信した信号を対応する信号受信部２４に出力する。各信号受信部２４は、対応する受信アンテナ２３から入力した信号をベースバンド信号に復調することにより、受信信号Ｓｒｘとして出力する。この場合、各受信アンテナ２３は、上記したように所定の間隔（０．５λ）を空けて設置されているため、同一の海域からの反射波であっても、その設置位置の差に従い、位相差が生じた状態でこの反射波を受信する。これにより、各受信信号Ｓｒｘ間にも、同様の位相差が発生している。

処理部２５では、各Ａ／Ｄ変換器２５ａが、対応する信号受信部２４から出力される受信信号Ｓｒｘを入力すると共にＡ／Ｄ変換することにより、受信信号Ｓｒｘの振幅（レベル）を示す受信データＤｒを生成して信号処理プロセッサ２５ｂに出力する。信号処理プロセッサ２５ｂは、各受信データＤｒをメモリ２５ｃに記憶する。次いで、信号処理プロセッサ２５ｂは、メモリ２５ｃに記憶した各受信データＤｒに対するデータ処理を実行する。

このデータ処理では、信号処理プロセッサ２５ｂは、まず、メモリ２５ｃに記憶した各受信データＤｒに対して方位分解処理を実行する。この方位分解処理では、信号処理プロセッサ２５ｂは、一例として、一掃引周期分の送信信号Ｓｔｘについての受信データＤｒをメモリ２５ｃに記憶する都度、これらの受信データＤｒに対してビーム形成処理（本例では一例として、ビーム形成法としてのＤＢＦ法）を施して、所定の視線方向に主ビームが向くビームパターンを形成し、このビームパターンのアンテナで海域からの反射波を受信したときに得られる受信データとしての第１振幅データＤ１（ｕ（１），ｕ（２），・・・，ｕ（ｊ）。ｊは、一掃引周期中でのＡ／Ｄ変換器２５ａのサンプリング数）を各受信データＤｒに基づいて算出して、所定の視線方向（走査角）に対応させてメモリ２５ｃに記憶させる。信号処理プロセッサ２５ｂは、このビーム形成処理、および第１振幅データＤ１の算出・記憶処理を、予め規定された走査角範囲（例えば、−４５°〜４５°）に亘り、ビームパターンにおける主ビームの視線方向（走査角）を所定の走査角（任意の単位走査角。例えば５°）ずつ増加させながら実行する。これにより、メモリ２５ｃには、図２に示すように、単位走査角毎（視線方向毎）に方位分解された１掃引周期分の第１振幅データＤ１が、掃引回数順に連続して記憶されていく。

次いで、信号処理プロセッサ２５ｂは、単位走査角毎（視線方向毎）に方位分解された第１振幅データＤ１に対して、方位毎にグループ化処理を実行する。このグループ化処理では、信号処理プロセッサ２５ｂは、掃引周期のｎ周期（ｎは２以上の任意の整数）分ずつを、ｎ未満の任意の掃引周期でオーバーラップさせつつグループ化する処理を連続して実行する。図３に示す例では、ｎ（＝２５６）周期分ずつを、一例として１２８（＝２５６／２）掃引周期でオーバーラップさせつつグループ化する。本例では、一例として、２５６周期分の第１振幅データＤ１は、２分間分のデータに相当するため、１分間分ずつオーバーラップさせつつグループ化することになる。なお、図３では、発明の理解を容易にするため、１つの方位の第１振幅データＤ１についてのグループ化処理を示しているが、グループ化処理は、すべての方位の第１振幅データＤ１について実行される。

続いて、信号処理プロセッサ２５ｂは、グループ化処理においてグループ化された各方位の第１振幅データＤ１に対して１次フーリエ変換処理（距離分解処理）をグループ毎に実行する。この１次フーリエ変換処理では、信号処理プロセッサ２５ｂは、図４に示すように、第１振幅データＤ１のグループ毎に、第１振幅データＤ１に対して掃引周期単位でフーリエ変換（窓関数は一例としてハミング窓関数）を施すことにより、所定方向（所定の視線方向）における所定距離毎の受信信号Ｓｒｘの振幅を示す第２振幅データＤ２（ｖ（１），ｖ（２），・・・，ｖ（ｋ）。ｋは、距離分解能によって決定される２以上の整数）を掃引周期単位で算出してメモリ２５ｃに記憶させる。なお、同図では、発明の理解を容易にするため、１つの方位の第１振幅データＤ１に対する１次フーリエ変換処理を示しているが、１次フーリエ変換処理は、すべての方位の第１振幅データＤ１について実行される。

次いで、信号処理プロセッサ２５ｂは、グループ化された各方位の第２振幅データＤ２に対して、各グループ内で並び替える並び替え処理を実行する。この並び替え処理では、信号処理プロセッサ２５ｂは、図５に示すように、各グループにおいて、破線枠で囲んだようにして同じ距離の第２振幅データＤ２同士を組にすると共に、各組を距離の順に並べることにより、各第２振幅データＤ２を並び替える。この場合、１つの距離の組に含まれる各第２振幅データＤ２（例えば、ｖ（１），・・・，ｖ（１））は、掃引回数の早い順に並べられる。なお、同図では、発明の理解を容易にするため、１つの方位の第２振幅データＤ２に対する並び替え処理を示しているが、並び替え処理は、すべての方位の第２振幅データＤ２について実行される。

続いて、信号処理プロセッサ２５ｂは、並び替え処理が施された各方位の第２振幅データＤ２の各グループに対して、図６に示すように、振幅がゼロを示すゼロデータｖ（０）を所定数ずつ付加して新たな第２振幅データＤ２とするゼロデータ付加処理を実行する。具体的に、このゼロデータ付加処理では、信号処理プロセッサ２５ｂは、図５に示す各グループに含まれる第２振幅データＤ２の各組（ｖ（１），・・・，ｖ（１）の組など）に対して、図６に示すように、所定数（一例として、各組の第２振幅データＤ２と同数）ずつゼロデータｖ（０）を付加して、各組に含まれる第２振幅データＤ２の数を、後述する２次フーリエ変換処理において必要とする精度を確保し得る数まで増加させる。なお、同図では、発明の理解を容易にするため、１つの方位の第２振幅データＤ２に対するゼロデータ付加処理を示しているが、ゼロデータ付加処理は、すべての方位の第２振幅データＤ２について実行される。また、同図では、各組の第２振幅データＤ２に対して、同図中の上側にゼロデータｖ（０）を付加しているが、同図中の下側にゼロデータｖ（０）を付加する構成を採用することもできる。

次いで、信号処理プロセッサ２５ｂは、２次フーリエ変換処理を実行する。この２次フーリエ変換処理では、信号処理プロセッサ２５ｂは、各方位の各グループの各組に含まれる第２振幅データＤ２（付加されたゼロデータｖ（０）を含む）に対してフーリエ変換を施して、各方向における所定距離毎のドップラスペクトルＤｄｐ（図７参照）を算出する。この算出されたドップラスペクトルＤｄｐの算出については、上記したように２次フーリエ変換処理が施される各組に含まれる第２振幅データＤ２の数がゼロデータｖ（０）の数分だけ増加させられているため、ゼロデータｖ（０）を付与しない状態において２次フーリエ変換処理を施して得られたドップラスペクトルと比較して、計算上の周波数分解能が高められている。このため、ドップラスペクトルに現れる一次散乱スペクトルピークＰ１，Ｐ２の周波数（±ｆｄ）が一層正確に算出可能となっている。また、信号処理プロセッサ２５ｂは、算出した各方向における所定距離毎のドップラスペクトルＤｄｐを、方向（視線方向）および所定距離に対応させてメモリ２５ｃに記憶させる。

信号処理プロセッサ２５ｂは、このドップラスペクトルＤｄｐの算出およびメモリ２５ｃへの記憶を、観測海域のすべての単位海域について、つまり、走査角範囲に規定されたすべての方向におけるすべての距離に位置する単位海域について実行する。また、信号処理プロセッサ２５ｂは、観測海域のすべての単位海域についてのドップラスペクトルＤｄｐの算出およびメモリ２５ｃへの記憶を完了した後に、すべての単位海域についてのドップラスペクトルＤｄｐをメモリ２５ｃから読み出して、ドップラスペクトルＤｄｐ１として基地局３に出力する。なお、海洋レーダ局２Ｂも海洋レーダ局２Ａと同様にして、ドップラスペクトルＤｄｐを算出して、算出したドップラスペクトルＤｄｐをドップラスペクトルＤｄｐ２として基地局３に出力する。

基地局３は、各海洋レーダ局２から受信した各ドップラスペクトルＤｄｐ１，Ｄｄｐ２に基づいて、所望の単位海域における表層海流の流速および流向（海流ベクトルＶ）を算出する。例えば、海洋レーダ局２Ａにおける走査角θ１の視線方向と、海洋レーダ局２Ｂにおいて走査角θ２の視線方向との交点に所望の単位海域（海域Ａ）が位置しているときには、基地局３は、まず、海洋レーダ局２Ａから海域Ａまでの距離Ｌ１と走査角θ１とを算出すると共に、海洋レーダ局２Ｂから海域Ａまでの距離Ｌ２と走査角θ２とを算出する。次いで、海洋レーダ局２Ａから受信したドップラスペクトルＤｄｐ１の中から、視線方向が走査角θ１と一致し、かつ距離Ｌ１に位置する単位海域についてのドップラスペクトルＤｄｐを特定して、走査角θ１に沿った表層海流の流速Ｖｒと流向とを算出する。また、海洋レーダ局２Ｂから受信したドップラスペクトルＤｄｐ２の中から、視線方向が走査角θ２と一致し、かつ距離Ｌ２に位置する単位海域についてのドップラスペクトルＤｄｐを特定して、走査角θ２に沿った表層海流の流速Ｖｒと流向とを算出する。最後に、算出した２つの流速Ｖｒを、互いの流向を考慮して合成する。これにより、海域Ａにおける表層海流の流速および流向が観測（測定）される。

このように、この海洋レーダ局２および海洋レーダ観測装置１では、上記のドップラ周波数データ算出方法を実行する信号処理プロセッサ２５ｂが、単位走査角毎（視線方向毎）に方位分解された第１振幅データＤ１に対して、掃引周期のｎ周期（ｎは２以上の任意の整数）分ずつを、ｎ未満の任意の掃引周期（詳しくは、１以上ｎ未満の任意の整数の掃引周期）でオーバーラップさせつつグループ化する処理を連続して実行しつつ、このようにしてグループ化された第１振幅データＤ１に基づいて、単位海域でのドップラスペクトルＤｄｐをいわゆる短時間フーリエ変換によって算出する。したがって、この海洋レーダ局２によれば、従来のレーダ装置とは異なり、数個の時系列から算出したドップラスペクトルを平均する平均処理を行わないため、最終的なドップラスペクトルＤｄｐの算出周期を従来のレーダ装置と比較して十分に短縮することができる。この結果、短時間に表層海流の流速が変化する現象（例えば津波）の検出確度を飛躍的に高めることができる。

また、この海洋レーダ局２および海洋レーダ観測装置１によれば、信号処理プロセッサ２５ｂは、２次フーリエ変換処理において、付加されたゼロデータｖ（０）を含む第２振幅データＤ２に対してフーリエ変換を施してドップラスペクトルＤｄｐを算出するため、計算上の周波数分解能を向上させることができ、これによってドップラスペクトルＤｄｐに現れる一次散乱スペクトルピークＰ１，Ｐ２の周波数（±ｆｄ）を正確に算出することができる。この結果、表層海流の発生していない状態において一次散乱スペクトルピークＰ１，Ｐ２が現れる周波数（±ｆｄ０）からのシフト量（ｆｄ−ｆｄ０）についても正確に算出することができる結果、このシフト量（ｆｄ−ｆｄ０）に基づいて表層海流の流速Ｖｒを正確に算出することができる。

第２振幅データＤ２に対してゼロデータｖ（０）を付加することにより、表層海流の流速Ｖｒの算出精度が向上する様子について、シミュレーションを実施した。その結果を図８〜図１６に示す。

第１のシミュレーションは、１つの海洋レーダ局２において、所定の視線方向における所定距離（近距離：１．５ｋｍ）に位置する単位海域での表層海流の流速Ｖｒが図８に示すように時間的に変化したと仮定したときに、この単位海域での表層海流の流速Ｖｒをゼロデータｖ（０）を付加して算出した結果と、ゼロデータｖ（０）を付加しないで算出した結果とをシミュレーションで算出するものである。このシミュレーションの結果によれば、ゼロデータｖ（０）を付加して算出した場合の単位海域での表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化は、図９に示すように、図８に示される基準となる表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化に極めて近いものとなり、流速Ｖｒのピークが正確に検出できることが確認される。一方、ゼロデータｖ（０）を付加しないで算出した場合の単位海域での表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化は、図１０に示すように、流速Ｖｒのピークが潰れた波形となるため、流速Ｖｒのピークが正確に検出できないことが確認される。

第２のシミュレーションは、１つの海洋レーダ局２において、所定の視線方向における所定距離（中距離：４０．５ｋｍ）に位置する単位海域での表層海流の流速Ｖｒが図１１に示すように時間的に変化したと仮定したときに、この単位海域での表層海流の流速Ｖｒをゼロデータｖ（０）を付加して算出した結果と、ゼロデータｖ（０）を付加しないで算出した結果とをシミュレーションで算出するものである。このシミュレーションの結果によれば、ゼロデータｖ（０）を付加して算出した場合の単位海域での表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化は、図１２に示すように、図１１に示される基準となる表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化に極めて近いものとなり、流速Ｖｒのピークが正確に検出できることが確認される。一方、ゼロデータｖ（０）を付加しないで算出した場合の単位海域での表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化は、図１３に示すように、流速Ｖｒの時間変化が全く再現されておらず、流速Ｖｒのピークが正確に検出できないことが確認される。

第３のシミュレーションは、１つの海洋レーダ局２において、所定の視線方向における所定距離（遠距離：６０ｋｍ）に位置する単位海域での表層海流の流速Ｖｒが図１４に示すように時間的に変化したと仮定したときに、この単位海域での表層海流の流速Ｖｒをゼロデータｖ（０）を付加して算出した結果と、ゼロデータｖ（０）を付加しないで算出した結果とをシミュレーションで算出するものである。このシミュレーションの結果によれば、ゼロデータｖ（０）を付加して算出した場合の単位海域での表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化は、図１５に示すように、ピークが潰れてはいるものの、図１４に示される基準となる表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化をある程度再現した波形となっているため、流速Ｖｒのピークをある程度正確に検出可能であることが確認される。一方、ゼロデータｖ（０）を付加しないで算出した場合の単位海域での表層海流の流速Ｖｒについての時間的変化は、図１６に示すように、流速Ｖｒの時間変化が全く再現されておらず、流速Ｖｒのピークが正確に検出できないことが確認される。

以上のシミュレーション結果から、第２振幅データＤ２に対してゼロデータｖ（０）を付加することにより、近距離から遠距離までの広い距離範囲に亘り、表層海流の流速Ｖｒの算出精度が向上することが確認される。

また、この海洋レーダ局２および海洋レーダ観測装置１によれば、信号処理プロセッサ２５ｂが、ＤＢＦ法などのビーム形成処理を実行して、方位分解処理を実行するため、時間を要する受信アンテナを実際に回転させる処理を不要にできるため、最終的なドップラスペクトルＤｄｐの算出周期を大幅に短縮することができる。

なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、２次フーリエ変換処理の対象となる第２振幅データＤ２に対してゼロデータｖ（０）を付加してデータ数を増加させることにより、フーリエ変換によって算出されるドップラスペクトルＤｄｐの計算上の周波数分解能を向上させる構成を採用した例について上記したが、図１７に示すように、１次フーリエ変換処理の対象となる第１振幅データＤ１に対して所定数（一例として、各組の第１振幅データＤ１と同数）ずつゼロデータｕ（０）を付加してデータ数を増加させることにより、１次フーリエ変換によって算出される第２振幅データＤ２の数を増加（距離分解能を向上）させることもできる。

また、２つの海洋レーダ局２Ａ，２Ｂを備えた例について上記したが、３つ以上の海洋レーダ局２を備えた構成を採用することもできる。また、受信アンテナ２３と独立して送信アンテナ２１を配設する構成を採用しているが、複数の受信アンテナ２３のうちの少なくとも１つを送信時には信号発生部２２に切り換えて接続する構成（受信アンテナ２３のうちの少なくとも１つを信号発生部２２と信号受信部２４に交互に接続することで送信アンテナ２１として兼用する構成）とすることもできる。これにより、例えば、複数の受信アンテナ２３のうちの１つを送信時において信号発生部２２に切り換えて接続する構成を採用した場合、その１つの受信アンテナ２３は、Ａ／Ｄ変換器２５ａ（具体的には、Ａ／Ｄ変換器２５ａに接続される信号受信部２４）から信号発生部２２に切り換えて接続されたときには、入力した送信信号Ｓｔｘをレーダ信号として送信する送信アンテナとして機能する。このため、送信アンテナ２１を省いてアンテナの数を低減することができる。

また、複数の受信アンテナ２３を備え、処理部２５が各受信アンテナ２３からの信号に基づく各受信信号Ｓｒｘの受信データＤｒに対して方位分解処理を実行して、所定の走査角範囲に含まれる海域（観測海域）についてのドップラスペクトルＤｄｐを算出する構成について上記したが、観測する方向が一方向に限定されているときには、指向性を有する１本の受信アンテナを用いて、この一方向からの反射波を受信する構成を採用することもできる。この構成によれば、１本の受信アンテナから出力される受信信号Ｓｒｘ（具体的には、この受信アンテナに接続された１つの信号受信部２４から出力される受信信号Ｓｒｘ）をＡ／Ｄ変換部２５ａがサンプリングして受信データＤｒに変換するため、この受信データＤｒに基づいて、方位分解処理を行うことなく、この一方向についてのドップラスペクトルＤｄｐを算出することができる。

１ 海洋レーダ観測装置
２ 海洋レーダ局
２５ 処理部
Ｄ１ 第１振幅データ
Ｄ２ 第２振幅データ
Ｄｄｐ ドップラスペクトル
Ｓｒｘ 受信信号
Ｓｔｘ 送信信号

Claims (7)

1. 所定の掃引周期で周波数が掃引される送信信号についての所定方向からの反射信号をサンプリングして当該反射信号についての振幅を示す第１振幅データに変換し、当該第１振幅データに基づいて当該所定方向における所定距離毎のドップラ周波数データを算出するレーダ装置であって、
   処理部を備え、
   当該処理部は、
   前記第１振幅データに対して、前記掃引周期のｎ周期（ｎは２以上の任意の整数）分ずつを、ｎ未満の任意の掃引周期でオーバーラップさせつつグループ化するグループ化処理と、
   前記グループ毎に、前記第１振幅データに対して前記掃引周期単位でフーリエ変換を施すことにより、前記所定方向における前記所定距離毎の前記振幅を示す第２振幅データを当該掃引周期単位で算出する１次フーリエ変換処理と、
   前記第２振幅データの各グループに対して、当該各グループに含まれている当該各第２振幅データを前記掃引周期順で前記所定距離毎に並び替えてグループ化する並び替え処理と、
   当該並び替え処理によってグループ化された前記第２振幅データに対して、グループ毎に振幅がゼロを示すゼロデータを所定数ずつ付加して新たな第２振幅データとするゼロデータ付加処理と、
   当該ゼロデータ付加処理がされた前記各グループに含まれている前記第２振幅データに対してフーリエ変換を施して前記所定距離毎の前記ドップラ周波数データを算出する２次フーリエ変換処理とを実行するレーダ装置。
2. 前記処理部は、前記１次フーリエ変換処理において、前記掃引周期単位でのフーリエ変換に先立ち、当該掃引周期毎に前記振幅がゼロを示すゼロデータを所定数ずつ充填して新たな第１振幅データとする請求項１記載のレーダ装置。
3. 送信アンテナから海洋に向けて送信されたレーダ信号の反射波を受信した複数の受信アンテナからそれぞれ出力された受信信号をサンプリングして当該受信信号についての振幅を示す受信データにそれぞれ変換するＡ／Ｄ変換部を備え、
   前記処理部は、前記受信データに対して所定のビーム形成法を適用して前記第１振幅データに変換する方位分解処理を実行する請求項１または２記載のレーダ装置。
4. 前記複数の受信アンテナを備え、
   前記複数の受信アンテナのうちの少なくとも１つは、送信信号を出力する信号発生部と前記Ａ／Ｄ変換部とに交互に切り換えて接続可能に構成されて、前記信号発生部に接続されたときには前記送信信号を前記レーダ信号として送信する前記送信アンテナとして機能する請求項３記載のレーダ装置。
5. 送信アンテナから海洋に向けて送信されたレーダ信号の反射波を受信する１本の指向性を有する受信アンテナを備え、
   前記受信アンテナから出力された受信信号をサンプリングして当該受信信号についての振幅を示す受信データに変換すると共に、当該受信データを前記第１振幅データとして出力するＡ／Ｄ変換部を備えている請求項１または２記載のレーダ装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の複数のレーダ装置と、
   前記各レーダ装置でそれぞれ算出された前記ドップラ周波数データに基づいて、前記海洋における所望海域の表層海流の流速および流向を算出する処理装置とを備えている海洋レーダ観測装置。
7. 所定の掃引周期で周波数が掃引される送信信号についての所定方向からの反射信号をサンプリングして当該反射信号についての振幅を示す第１振幅データに変換し、当該第１振幅データに基づいて当該所定方向における所定距離毎のドップラ周波数データを算出するドップラ周波数データ算出方法であって、
   前記第１振幅データに対して、前記掃引周期のｎ周期（ｎは２以上の任意の整数）分ずつを、ｎ未満の任意の掃引周期でオーバーラップさせつつグループ化するグループ化処理と、
   前記グループ毎に、前記第１振幅データに対して前記掃引周期単位でフーリエ変換を施すことにより、前記所定方向における前記所定距離毎の前記振幅を示す第２振幅データを当該掃引周期単位で算出する１次フーリエ変換処理と、
   前記第２振幅データの各グループに対して、当該各グループに含まれている当該各第２振幅データを前記掃引周期順で前記所定距離毎に並び替えてグループ化する並び替え処理と、
   当該並び替え処理によってグループ化された前記第２振幅データに対して、グループ毎に振幅がゼロを示すゼロデータを所定数ずつ付加して新たな第２振幅データとするゼロデータ付加処理と、
   当該ゼロデータ付加処理がされた前記各グループに含まれている前記第２振幅データに対してフーリエ変換を施して前記所定距離毎の前記ドップラ周波数データを算出する２次フーリエ変換処理とを実行するドップラ周波数データ算出方法。

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