JP5284230B2

JP5284230B2 - 気象レーダシステムとその信号処理方法

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Publication number: JP5284230B2
Application number: JP2009210923A
Authority: JP
Inventors: 文彦水谷; 将一和田; 寛石澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: EP2296009B1; EP2296009A3; US8416119B2; US20110063164A1; EP2296009A2; JP2011059016A

Description

この発明は、降雨測定などを行う気象レーダシステムに係り、特に受信信号から干渉波成分を除去する技術に関する。

レーダ装置で使用される送信周波数は、用途によって決められ、一般的に高い分解能や精度が要求される場合には高い周波数が用いられる。気象レーダ装置の送信周波数は、周波数範囲の分類の中で、ＣバンドやＸバンドが用いられ、２．５ＭＨｚ間隔などの一定の周波数毎に免許制で割り当てられている。しかしながら、自局と他局の送信周波数が異なっていても設置位置が近い場合には、お互いの受信信号に電波干渉を与えることがある。他のレーダサイト等からの信号などが干渉波として受信信号に混入すると、受信信号の感度が低減し、受信電力やドップラ速度を正しく測定できないという問題があった。

なお、本願に関連する公知文献として次のようなものがある（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００２−１３９５６５公報

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、受信信号から高精度に干渉波成分を除去することができる気象レーダシステムとその信号処理方法を提供することにある。

本発明に係る気象レーダシステムとその信号処理方法は、上記目的を達成するために、以下のような手段を講じている。

第１の態様は、観測対象に向けてレーダ波を送信し、その反射波を受信する送受信手段と、前記反射波の受信信号を主系統と少なくとも１つの他系統とに分配する分配手段と、前記他系統の信号から他の無線局からの干渉波信号を抽出する抽出手段と、前記主系統の信号から前記抽出された干渉波信号を除去する除去手段とを具備するものである。

第２の態様は、上記第１の態様において、前記除去手段は、前記干渉波信号の振幅及び位相の少なくとも一方を調整して、前記受信信号から減算するものである。

第３の態様は、上記第１又は第２の態様において、前記抽出手段は、前記他系統の信号に前記他の無線局の送信周波数に対応する発振信号を与えるものである。

第４の態様は、上記第１又は第２の態様において、前記抽出手段は、前記他系統の信号のうち前記他の無線局の送信周波数に対応する帯域を通過させるフィルタを備えるものである。

第５の態様は、上記第１又は第２の態様において、前記抽出手段は、前記他系統の信号を周波数成分に変換した後の信号から前記他の無線局の送信周波数に対応する帯域を抽出するものである。

第６の態様は、上記第１又は第２の態様において、前記抽出手段は、前記他系統の信号を直交検波し、複素平面上で周波数成分に変換した後の信号から前記他の無線局の送信周波数に対応する帯域を抽出するものである。

したがってこの発明によれば、受信信号から高精度に干渉波成分を除去することができる気象レーダシステムとその信号処理方法を提供することができる。

本発明に係る気象レーダシステムの一実施形態を示すブロック構成図。干渉波による混信を示す概念図。図１の信号処理装置の第１実施例の処理系統を示す図。図１の信号処理装置の第２実施例の処理系統を示す図。図１の信号処理装置の第３実施例の処理系統を示す図。図１の信号処理装置の第４実施例の処理系統を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の図において、同符号は同一部分または対応部分を示す。

図１は、本発明に係る気象レーダシステムの一実施形態を示すブロック構成図である。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、及び遠隔表示装置２４を備える。

上記構成において、遠隔監視制御装置２３からの監視制御信号が監視制御装置１８を通して信号処理装置１７に送られると、信号処理装置１７内では、内部に格納されている種信号のデジタルデータが発生され、Ｄ／Ａ変換された後、送信ＩＦ信号として周波数変換装置１６に送られ、それぞれＲＦ信号にアップコンバートされる。

周波数変換装置１６で得られた送信ＲＦ信号は、送信装置１２、１４により遠距離の観測可能な送信電力に増幅される。増幅された送信電波は、空中線装置１１より空間に送出される。

空間上の降水からの送信電波による反射波はいずれも上記空中線装置１１にて捕捉され、それぞれ受信装置１３にて受信され、周波数変換装置１６でＩＦ信号に変換された後、共に信号処理装置１７に送られる。

信号処理装置１７は、受信ＩＦ信号をＡ／Ｄ変換し、Ｉ／Ｑ検波した後、受信電力及びドップラ速度を算出する機能を持つ。さらに、この信号処理装置１７は、他のレーダサイトなどからの電波干渉の影響を低減し受信信号の感度を向上させるための干渉波除去機能を有する。干渉波除去機能の詳細については後述する。

データ変換装置１９は、信号処理装置１７で得られる受信電力から降水強度を算出し、ドップラ速度の補正を行う。データ表示装置２０はデータ変換装置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はレーダサイト外に通信手段を講じてデータ変換装置１９で解析されたデータを転送する。遠隔表示装置２４はレーダサイトから転送されてきたデータを表示、または解析等を実施する。また、遠隔監視制御装置２３は監視制御装置１８と同様にレーダシステムの監視が可能である。

次に、上記構成による気象レーダシステムの信号処理装置１７で行う干渉波除去処理について各実施例にしたがって説明する。
図２は、干渉波による混信を示した概念図である。図２において、実線は、送信周波数ｆ０を用いた場合の自局の受信信号を示し、破線は、送信周波数ｆ１（例えば、ｆ１＝ｆ０＋２．５ＭＨｚ）を場合の他局の受信信号を示したものである。図２中の斜線部分は、他局からの干渉波が混入した信号として得られる。受信信号の感度を向上させるには、この不要な干渉波信号を除去することが必要である。

（実施例１）
図３は、図１の信号処理装置１７の第１実施例の処理系統を示したものである。帯域１０ＭＨｚの受信ＩＦ信号を２系統に分配し、主系統には自局の送信周波数ｆ０の発振信号をミキシングし、他系統には他局の送信周波数ｆ１の発振信号をミキシングして、６０ＭＨｚのクロックで受信ＩＦ信号をＡ／Ｄ変換する。デジタル化された各受信データの帯域を例えば帯域１．２ＭＨｚのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）に通過させて波形整形し、送信周波数ｆ０，ｆ１に対応する受信データをそれぞれ抽出する。抽出された送信周波数ｆ０，ｆ１に対応する受信データは、直交検波され、Ｉ成分（同相；In-phase成分）、Ｑ成分（直交；Quadrature成分）の信号にそれぞれ分離され、干渉波除去が行われる。

干渉波除去は、例えば、次のような手法で行う。第１の手法として、他局の送信周波数ｆ１の受信データに閾値（例えば−１００ｄＢｍ）以上のデータが算出された場合に干渉波が到来したとみなし、自局の送信周波数ｆ０に対応するＩＱ信号を方位平均対象から除去する。第２の手法として、除去の対象となったデータを１つ前のヒットのデータで置き換える。第３の手法として、除去の対象となったヒットの自局の送信周波数ｆ０に対応するＩＱデータと他局の送信周波数ｆ１に対応するＩＱデータとをそれぞれ複素平面上で高速フーリエ変換（ＦＦＴ）する。そして、自局のスペクトル波形からあらかじめ取得しておく相手局の送信波の周波数スペクトルを用いて、相手局のｆ１の入力レベルから干渉波の周波数スペクトルを計算し、干渉波の分を周波数ごとに減算した後、逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）する。なお、減算処理の際には、必要に応じて振幅補正や位相補正を行う。
このように、干渉波除去されたＩＱ信号を用いて、受信電力の算出及びドップラ速度の算出を行う。

（実施例２）
図４は、図１の信号処理装置１７の第２実施例の処理系統を示したものである。干渉波の周波数は、例えばｆ０＋２．５ＭＨｚ、ｆ０＋５ＭＨｚ、ｆ０−２．５ＭＨｚ、ｆ０−５ＭＨｚと想定されているものとする。

帯域１０ＭＨｚの受信ＩＦ信号を６０ＭＨｚのクロックでＡ／Ｄ変換する。デジタル化された信号を５系統に分配する。主系統の信号は、自局の送信周波数ｆ０に対応する１．２ＭＨｚの帯域に通過特性を有するＢＰＦを通過した後に直交検波される。その他の４系統の信号は、干渉波の周波数ｆ０＋２．５ＭＨｚ、ｆ０＋５ＭＨｚ、ｆ０−２．５ＭＨｚ、ｆ０−５ＭＨｚにそれぞれ対応する帯域に通過特性を有するＢＰＦを通過した後に直交検波される。そして、上記実施例１と同様の手法で、干渉波の周波数ｆ０＋２．５ＭＨｚ、ｆ０＋５ＭＨｚ、ｆ０−２．５ＭＨｚ、ｆ０−５ＭＨｚにそれぞれ対応するＩＱ信号をもとに自局の送信周波数ｆ０に対応するＩＱ信号から干渉波と判定されたデータを除去または減算する。

（実施例３）
図５は、図１の信号処理装置１７の第３実施例の処理系統を示したものである。上記実施例２と同様に、干渉波の周波数は、ｆ０＋２．５ＭＨｚ、ｆ０＋５ＭＨｚ、ｆ０−２．５ＭＨｚ、ｆ０−５ＭＨｚと想定されているものとする。

帯域１０ＭＨｚの受信ＩＦ信号を６０ＭＨｚのクロックでＡ／Ｄ変換する。デジタル化された信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）し周波数軸上のスペクトル波形を表すデータに変換し、５系統に分配する。主系統のデータは、自局の送信周波数ｆ０に対応する１．２ＭＨｚの帯域に通過特性を有するＢＰＦを通過した後に逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）により時間軸上のデータに変換される。その他の４系統の信号は、干渉波の周波数ｆ０＋２．５ＭＨｚ、ｆ０＋５ＭＨｚ、ｆ０−２．５ＭＨｚ、ｆ０−５ＭＨｚにそれぞれ対応する帯域に通過特性を有するＢＰＦを通過した後に逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）される。そして、干渉波の周波数ｆ０＋２．５ＭＨｚ、ｆ０＋５ＭＨｚ、ｆ０−２．５ＭＨｚ、ｆ０−５ＭＨｚにそれぞれ対応するデータについて閾値（例えば−１００ｄＢｍ）を設けて干渉波の有無を判定する。干渉波有りと判定された周波数について、あらかじめ取得しておく相手局の送信波の周波数スペクトルを用いて、相手局のｆ１の入力レベルから干渉波の周波数スペクトルを計算し、自局の送信周波数ｆ０に対応するデータから干渉波を減算して除去する。なお、減算処理の際には、必要に応じて振幅補正や位相補正を行う。干渉波が除去されたデータに対して直交検波を行い、Ｉ成分、Ｑ成分に分離された信号を用いて、受信電力の算出及びドップラ速度の算出を行う。

（実施例４）
図６は、図１の信号処理装置１７の第３実施例の処理系統を示したものである。上記実施例２と同様に、干渉波の周波数は、ｆ０＋２．５ＭＨｚ、ｆ０＋５ＭＨｚ、ｆ０−２．５ＭＨｚ、ｆ０−５ＭＨｚと想定されているものとする。

帯域１０ＭＨｚの受信ＩＦ信号を６０ＭＨｚのクロックでＡ／Ｄ変換する。デジタル化された信号を直交検波し、Ｉ成分、Ｑ成分の信号に分離する。分離されたＩＱ信号は、複素平面上でＦＦＴされ、このＩＱスペクトルデータは５系統に分配される。主系統のＩＱスペクトルデータは、自局の送信周波数ｆ０に対応する１．２ＭＨｚの帯域に通過特性を有するＢＰＦを通過した後に逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）により時間軸上のデータに変換される。その他の４系統のＩＱスペクトルデータは、干渉波の周波数ｆ０＋２．５ＭＨｚ、ｆ０＋５ＭＨｚ、ｆ０−２．５ＭＨｚ、ｆ０−５ＭＨｚにそれぞれ対応する帯域に通過特性を有するＢＰＦを通過した後に逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）される。そして、干渉波の周波数ｆ０＋２．５ＭＨｚ、ｆ０＋５ＭＨｚ、ｆ０−２．５ＭＨｚ、ｆ０−５ＭＨｚにそれぞれ対応するデータについて閾値（例えば−１００ｄＢｍ）を設けて干渉波の有無を判定する。干渉波有りと判定された周波数について、あらかじめ取得しておく相手局の送信波の周波数スペクトルを用いて、相手局のｆ１の入力レベルから干渉波の周波数スペクトルを計算し、自局の送信周波数ｆ０に対応するデータから干渉波を減算して除去する。なお、減算処理の際には、必要に応じて振幅補正や位相補正を行う。干渉波が除去されたＩＱ信号を用いて、受信電力の算出及びドップラ速度の算出を行う。

以上述べたように、上記実施形態では、受信ＩＦ信号を主系統と少なくとも１つの他系統とに分配して、他系統の信号から他の無線局の送信周波数に対応する帯域の信号を抽出して、主系統の信号から抽出した信号を除去又は減算するものである。これにより、他のレーダサイト等からの信号などが干渉波として受信信号に混入した場合でも、干渉波を確実に除去することができるため、受信信号の感度を向上させ、受信電力やドップラ速度を正しく測定できるようになる。

なお、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。

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。

Claims

観測対象に向けて第１の送信周波数のレーダ波を送信し、その反射波を受信する送受信手段と、
前記反射波の受信信号を主系統と少なくとも１つの他系統とに分配する分配手段と、
前記分配手段で主系統として分配された信号から前記第１の送信周波数に基づいて主系統信号を抽出すると共に、前記他系統として分配された信号から他の無線局が送信する少なくとも１つの第２の送信周波数に基づいて干渉波信号を抽出する抽出手段と、
前記主系統信号から前記干渉波信号を除去する除去手段と
を具備することを特徴とする気象レーダ装置。
前記除去手段は、前記干渉波信号の振幅及び位相の少なくとも一方を調整して、前記主系統信号から減算することを特徴とする請求項１記載の気象レーダ装置。
前記抽出手段は、前記他系統として分配された信号に前記第２の送信周波数に対応する発振信号を与えることを特徴とする請求項１又は２に記載の気象レーダ装置。
前記抽出手段は、前記他系統として分配された信号のうち前記第２の送信周波数に対応する帯域を通過させるフィルタを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の気象レーダ装置。
前記抽出手段は、前記他系統として分配された信号を周波数成分に変換した後の信号から前記第２の送信周波数に対応する帯域を抽出することを特徴とする請求項１又は２に記載の気象レーダ装置。
前記抽出手段は、前記他系統として分配された信号を直交検波し、複素平面上で周波数成分に変換した後の信号から前記第２の送信周波数に対応する帯域を抽出することを特徴とする請求項１又は２に記載の気象レーダ装置。
観測対象に向けて第１の送信周波数のレーダ波を送信し、その反射波を受信する気象レーダ装置に用いられる方法であって、
前記反射波の受信信号を主系統と少なくとも１つの他系統とに分配する分配ステップと、
前記分配ステップで主系統として分配された信号から前記第１の送信周波数に基づいて主系統信号を抽出すると共に、前記他系統として分配された信号から他の無線局が送信する少なくとも１つの第２の送信周波数に基づいて干渉波信号を抽出する抽出ステップと、
前記主系統信号から前記干渉波信号を除去する除去ステップと
を具備することを特徴とする信号処理方法。
前記除去ステップは、前記干渉波信号の振幅及び位相の少なくとも一方を調整して、前記主系統信号から減算することを特徴とする請求項７記載の信号処理方法。
前記抽出ステップは、前記他系統として分配された信号に前記第２の送信周波数に対応する発振信号を与えることを特徴とする請求項７又は８に記載の信号処理方法。
前記抽出ステップは、前記他系統として分配された信号のうち前記第２の送信周波数に対応する帯域に通過特性を有するフィルタを用いることを特徴とする請求項７又は８に記載の信号処理方法。
前記抽出ステップは、前記他系統として分配された信号を周波数成分に変換した後の信号から前記第２の送信周波数に対応する帯域を抽出することを特徴とする請求項７又は８に記載の信号処理方法。
前記抽出ステップは、前記他系統として分配された信号を直交検波し、複素平面上で周波数成分に変換した後の信号から前記第２の送信周波数に対応する帯域を抽出することを特徴とする請求項７又は８に記載の信号処理方法。