JP5354705B1

JP5354705B1 - レーダの信号処理方法及び装置

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Publication number: JP5354705B1
Application number: JP2013107541A
Authority: JP
Inventors: 哲也田川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: JP2014202741A

Abstract

【課題】従来のデータ補間方法では、レーダから同一距離の受信電力値を用いてスイープライン間のデータを補間するため、一般に地表面からの高度や大気の温度プロファイルに従ってレーダ反射因子が変化する気象目標を観測対象にする場合には正確にデータを補間することが難しい。
【解決手段】レーダから同一距離の観測データに限定せず、複数の周波数帯間で相関が最大となる位置を補間処理を行うレンジビンの基準として観測データを選択し、補間処理を行う。複数の周波数帯の電波を送受信するレーダの場合には、異なる周波数間で異なる重み付けを掛けた上で、相関が最大となる位置を基準として観測データを選択し、補間処理を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーダの信号処理における、データ補間方法及び装置に関する。

気象レーダ装置は、アンテナビームを走査しながら電波を送信し、降水などの気象目標からの反射波を受信し、その受信電力から降水分布を推定することを可能にする。受信電力値はビーム走査角とレーダからの距離の関数、つまりレーダ位置を原点とする極座標系で表すことができる。受信電力値の分布を直交座標系に変換し画面表示する際に画素欠けが生じる場合について特許文献１では、隣接するスイープラインの観測データを用いて、レーダから同一距離の受信電力値に基づいてスイープライン間でデータの補間を行っている。

地上に設置されるレーダの場合、レーダと観測対象（気象目標など）の位置関係がレーダから見て水平方向もしくは上空の方向にあり、アンテナビームを走査する方向は水平方向よりも上空方向となる（特許文献４の場合）。それに対して航空機や人工衛星に搭載されるレーダの場合には、水平方向よりも下方にアンテナビームを走査する。航空機や人工衛星に搭載されるレーダは地上設置のレーダに比べて広範囲を観測することができる。

従来のデータ補間方法では、レーダから同一距離の受信電力値を用いてスイープライン間のデータを補間するため、一般に地面からの高度によってレーダ反射因子が変化する気象目標を観測対象にする場合には正確にデータを補間することが難しい。アンテナビーム走査により観測範囲が数百km以上に及ぶ場合には、地球の丸みのため地表面からの高度変化の影響が大きくなり一層難しくなる。

また、人工衛星や航空機搭載のレーダでは、機体の姿勢変動や機械的・熱的な環境の変動のためにアンテナビームの指向精度が低下するため、ビーム指向誤差を補償するためのデータ補間又は補正を行う必要性がある。自動車等の移動体に搭載されるレーダでも同様である。

以上の課題を解決するために、第一発明は、複数の周波数帯(C,X,Ku,Ka,W帯ごとに降水などによる電波の減衰量・レーダ反射因子が異なる)の電波を送受信する気象レーダによる受信データについて、異なる周波数間で受信信号の相関が最大となる位置を補間処理を行うレンジビンの基準として観測データを選択し、補間処理を行う。

第二発明は、アンテナビームの指向誤差データに基づいて本来のビーム方向を求め、そのビーム方向について、異なる周波数間で受信信号の相関が最大となる位置を補間処理を行うレンジビンの基準として観測データを選択し、データ補間処理を行う。

複数の周波数帯を用いるレーダでは、異なる周波数間で観測データを換算して利用することができる。Ka,W帯のように降雨減衰が強い周波数帯の観測データで減衰により反射波が受信機のノイズレベル以下となる場合には、低い周波数（C,X,Ku帯）の同時観測データを換算して利用する。

本発明によれば、気象レーダによる観測において、広範囲に及ぶ気象目標からのレーダ反射波の補間を精度良く行うことができる。また、アンテナビームの指向精度が低下しやすい人工衛星や航空機搭載の気象レーダによる観測データの処理において、データ補間とビームの指向誤差の補正を精度良く行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は各種プラットフォーム上の気象レーダと気象目標の位置関係を示す図、図２は本発明に係る気象レーダの信号処理における、データ補間方法及び装置の実施形態を示す図である。図３はデータ補間方法を説明するフローチャートである。

図１は、各種プラットフォーム上の気象レーダ１〜３のいずれかにより広範囲を観測する場合の模式図であり、特に飛翔体搭載型レーダによる観測の場合について、空中線４による観測方向２１，２２とデータ補間処理を行う方向２０の位置関係を示す。従来技術（特許文献１）では、補間値１０を得るにはレーダから等距離Rの位置の観測データ１１、１２を基に補間処理を行う。

図２に示すように、空中線と送受信機を通して電波を送受信し、信号処理装置によりアンテナビーム走査角度ごと並びにレンジビンごとの観測データとそのデータの座標を得る。

データ補間部における処理は、まずビーム方向と観測データ・観測データの座標を入力し、補間処理する方向を与える。ビーム指向誤差が０でない場合には、補間処理する方向を本来のビーム方向とし、その方向のデータを補間処理によって求めることもできる（ビーム指向誤差の補正処理）。

図１に示すように、複数の周波数帯の受信信号間で相関を計算し、相関が最大となるレンジビンのオフセットΔR1、ΔR2を求める。ΔR1、ΔR2分ずれた位置の観測データ１３，１４に重み付けw1,w2をかけて、データ補間処理を行う方向２０の補間値１０を得る。この処理をレンジビンごとに繰り返し行う。

図１では、観測方向として２方向のみ（２１，２２）を図示しているが、飛翔体搭載のレーダの場合、レーダ位置の移動に従って、またアンテナビーム走査によって、補間対象の方向の周囲に多くの観測方向を有することになる。複数の周波数(C,X,Ku,Ka,W帯など)の観測データを用いる場合も含めて周辺の観測方向の数をｎとする。重み付けw1,w2,…wnを距離加重法、クリギング(Kriging)法、動径基底関数法などによって求める。

現実の観測データでは、レンジ方向の分解能関数・アンテナパターン等の影響により観測データはレンジ方向に広がっているので、それに応じて観測データに重み付けを加える場合もある。その場合、重み付けはw1(r),w2(r),…wn(r)という距離rの関数として表せる。

気象目標からの反射波（観測データ）は特許文献２の式（１）と同様に表せる。

ここでRはレーダからの距離、P(R)は受信電力(Watt)、Cはレーダのシステム定数、Z(R)は途中降雨減衰補正定数と大気減衰補正定数を含むレーダ反射因子(mm⁶/m³)である。Cはレーダの校正等により予め決められた値である。Z(R)は数１とP(R)の測定値から求められる。

補間処理に利用する観測データとして、まずZ(R)を考える。図１のように雨域の上空に氷粒の層がある状態を気象レーダにより観測する場合について、図４にZ(R)の鉛直プロファイルの例を示す。簡単の為に方向２０〜２２のZ(R)の鉛直プロファイルが同じ場合を図示する。0℃高度近傍では降水の融解層からの強い散乱のピークが現れる。地表面近傍では地表面クラッタが一定の高度２５まで及ぶ。

従来技術（特許文献１）では、レーダから同一距離のデータを補間に利用するため、例えばデータ１０を得るために観測データ１１，１２に基づいて補間処理を行う。気象目標からのレーダ反射因子は、気象目標（降水など）の状態に従って変化するという特徴に着目して、複数の周波数帯間で受信データの相関が最大となる位置を補間処理を行うレンジビンの基準として、補間に用いる観測データ（例では１３，１４）を選択する。計算は数２または、その対数（dB値）での計算式（数３）により補間処理を行う。

ここでｈは地上からの高度（ｍ）、t0は地上付近の温度（℃）、Γは標準大気の気温減率（０．００６５℃/ｍ）である。大気の０℃高度は海面上でも緯度・経度によって分布にばらつきがある。０℃高度や大気の温度プロファイルを基準にして補間処理することでも、気象目標の状態（降雨・降雪等の固体降水）に合わせて補間を行うことができる。

以上では、補間処理に利用する観測データとしてZ(R)を基にしているが、受信電力P(R)、Z(R)に減衰補正を行った後のZe(R)、Ze(R)から求めた降水強度(mm/h)も同様に補間処理に利用できる。

複数の周波数(C,X,Ku,Ka,W帯など)の観測データを用いる場合には、特許文献３と同様に受信品質の良い周波数のデータを利用する。図４の鉛直プロファイルの例では、融解層近傍からの強い受信エコーの相互相関を複数の周波数帯間で求め、相関が最大となる位置を補間処理を行うレンジビンの基準とする。複数の周波数帯のデータが利用できる場合には、相関が最大となる位置を利用することで地表面位置のデータベースに依存せずに補間処理を行うことができる。

以下に、本件分割出願における原出願（特願２０１３−０７５６３７）の分割直前の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１] アンテナビームを走査して電波を送受信する手段と、
ビーム走査ごとに受信信号を測定する手段と、
そのビーム走査間で受信信号を線形又は非線形の関数により補間する手段を備える、飛翔体搭載のレーダ装置において、
前記補間手段は、地表面からの高度に基づいて、補間する受信信号のレンジビンを選択する手段を有することを特徴とする飛翔体搭載のレーダ装置。
[２] 飛翔体搭載のレーダ装置により求められた受信信号をアンテナビーム走査間で線形又は非線形の関数により補間する際に、地表面からの高度に基づいて補間する受信信号のレンジビンを選択することを特徴とする補間方法。
[３]請求項１の飛翔体搭載レーダ装置は、アンテナビームの指向誤差データに基づいて本来のビーム方向の受信信号を前記補間手段により得ることを特徴とする飛翔体搭載のレーダ装置。

本発明の産業上の利用可能性は、レーダの特に、航空機、人工衛星等の移動体に搭載される気象レーダの、アンテナビーム走査間のデータを補間処理する装置として役立つ。

各種プラットフォーム上の気象レーダと気象目標の位置関係を示す図である。本発明の実施形態を示す図である。データ補間方法を説明するフローチャートである。ビーム方向毎のレーダ反射因子の鉛直プロファイルとその位置関係を示す図である。

１〜３：レーダ装置
４：飛翔体搭載レーダの空中線
１０：補間して求めるデータ
１１〜１４：観測するビーム方向のデータ
２０：補間対象の方向
２１、２２：観測するビーム方向
２３：レーダからの距離Rの等レンジ線
２４：地表面からの等高度線
２５：地表面クラッタが及ぶ高度
３１：送受信機
３２：信号処理装置
３３：データ補間部

特許3734619号「レーダー装置及び類似装置並びに同装置でのデータ補間方法」特許2617673号「気象レーダ装置」特許3408943号「２周波計測方法及び多周波レーダ装置」特開平9-257929 「レーダ装置」

Claims

複数の周波数帯の電波を送受信する手段と、
アンテナビームを走査して電波を送受信する手段と、
周波数帯ごと並びにビーム走査により得られる観測方向ごとの受信信号を測定する手段と、
その周波数帯間で受信信号を線形又は非線形の関数により補間する補間手段を備えるレーダ装置において、
前記補間手段は、複数の周波数帯間で受信信号の相関を求め、
相関が最大となる位置に基づいて、補間する受信信号のレンジビンを選択する手段を有することを特徴とするレーダ装置。
請求項１のレーダ装置は、アンテナビームの指向誤差データに基づいて本来のビーム方向の受信信号を前記補間手段により得ることを特徴とするレーダ装置。
複数の周波数帯の電波を送受信するレーダ装置によりビーム走査して求められた観測方向ごとの受信信号を線形又は非線形の関数により補間する際に、複数の周波数帯間で受信信号の相関を求め、相関が最大となる位置に基づいて、補間する受信信号のレンジビンを選択する手段を有することを特徴とする補間方法。