JP5699404B2 - Radar received signal processing apparatus and method - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、レーダにおいて、目標信号と不要信号が混在するレーダ受信信号から目標信号のみを的確に検出するレーダ受信信号処理装置とその方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a radar reception signal processing apparatus and method for accurately detecting only a target signal from radar reception signals in which target signals and unnecessary signals are mixed in a radar.
周知のように、気象レーダは、気象目標のエコーを受信してその受信電力を解析することにより降水量を観測している。また、電磁波のドップラー効果を利用し、レーダ受信信号のドップラー周波数を解析することで風速も観測している。同様に、探知系レーダは飛翔体等のエコーを受信信号処理することにより飛翔体の探知を行っている。 As is well known, a weather radar observes precipitation by receiving an echo of a weather target and analyzing the received power. The wind speed is also observed by analyzing the Doppler frequency of the radar reception signal using the Doppler effect of electromagnetic waves. Similarly, the detection radar detects the flying object by processing the reception signal of the echo of the flying object or the like.
但し、レーダ受信信号には、目標信号だけでなく、大地、山岳、海面のエコー等からなる不要信号が含まれる。不要信号は観測の妨げとなるため、レーダの受信信号処理装置には、その不要信号を除去するために移動目標指示装置(Moving Target Indicator:MTI)が用いられる。 However, the radar reception signal includes not only the target signal but also an unnecessary signal composed of echoes of the earth, mountains, and the sea surface. Since unnecessary signals obstruct observation, a moving target indicator (MTI) is used in the received signal processing device of the radar to remove the unnecessary signals.
但し、MTIは、目標信号と不要信号の周波数変化の違いを利用して、予め遮断周波数が設定された低域遮断フィルタで不要信号を除去している。そのため、設定した遮断周波数以下の成分は目標信号、不要信号の区別をせずに除去してしまうことになる。 However, the MTI removes unnecessary signals with a low-frequency cutoff filter in which a cutoff frequency is set in advance using the difference in frequency change between the target signal and the unnecessary signal. Therefore, components below the set cut-off frequency are removed without distinguishing between the target signal and the unnecessary signal.
例えば、気象レーダにおいては、気象エコーと不要信号が同程度の周波数変化を持つ場合、的確に不要信号のみを除去することはできないため、降水量、風速を正しく観測することができない。 For example, in a weather radar, if the weather echo and the unnecessary signal have the same frequency change, it is not possible to accurately remove only the unnecessary signal, so that it is not possible to correctly observe precipitation and wind speed.
上述の如く、従来のレーダ受信信号処理装置にあっては、目標信号と不要信号が同程度の周波数変化を持つ場合、両者を的確に区別することができず、目標信号まで除去してしまうことがあった。 As described above, in the conventional radar received signal processing apparatus, when the target signal and the unnecessary signal have the same frequency change, the two cannot be accurately distinguished, and the target signal is removed. was there.
実施形態によれば、一定周期で繰り返し得られ、気象エコー及び地形エコーを含む気象レーダのレーダ受信信号を周波数領域に変換して周波数スペクトルを取得し、前記一定周期で取得されたレーダ受信信号の周波数スペクトルについて、前記気象エコーのスペクトル形状を表し、電力値、ドップラー周波数、スペクトル幅をパラメータとするフォン・ミーゼス分布による第1の密度関数及び前記地形エコーのスペクトル形状を表し、電力値、ドップラー周波数、スペクトル幅をパラメータとする正規分布による第2の密度関数の和である混合密度関数で順次モデリングする処理を、前記混合密度関数のエコー混合比、前記第1の密度関数及び第2の密度関数それぞれのパラメータを変数として繰り返し実行して、前記周波数スペクトルに対する混合密度関数の当て嵌まり具合が最大となるときの前記エコー混合比及び前記第1及び第2の密度関数それぞれのパラメータを最適値として順次推定し、前記フォン・ミーゼス分布に基づいて、前記推定手段で順次推定された前記第1の密度関数のパラメータである電力値、ドップラー周波数、スペクトル幅の最適値から前記レーダ受信信号に含まれる気象エコーの受信電力、平均ドップラー周波数、スペクトル幅を気象エコー情報として算出するものとし、前記パラメータの推定では、前記第2の密度関数を予め観測した地形エコーのデータから決定し、決定された第2の密度関数のパラメータを変数として、統計的性質から前記第2の密度関数が従う事前分布を決定し、決定された事前分布と前記レーダ受信信号の観測による尤度関数から事後分布を算出し、前記事後分布を最大化したときの前記混合密度関数のパラメータを最適値として推定するものとし、前記事後分布の最大化は、前記周波数スペクトルに対する前記混合密度関数の当て嵌まり具合をペナルティ付き尤度関数で評価し、前記ペナルティ付き尤度関数の期待値を最大化するときの前記混合密度関数の各パラメータを算出する、という手順を前記パラメータの値が収束するまで繰り返すものとし、前記ペナルティ付き尤度関数は、前記エコー群の持つ平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力の統計的性質から混合密度関数の各パラメータが従う事前分布を決定し、前記事前分布を前記ペナルティとして尤度関数に付加することで決定するものとする。 According to the embodiment, a radar radar reception signal of a weather radar including a weather echo and a terrain echo, which is repeatedly obtained at a constant period, is converted into a frequency domain to obtain a frequency spectrum, and the radar reception signal acquired at the constant period is obtained. The frequency spectrum represents the spectrum shape of the weather echo, and represents the spectrum shape of the first density function by the von Mises distribution having the power value, the Doppler frequency, and the spectrum width as parameters and the topographic echo, the power value, the Doppler frequency. A process of sequentially modeling with a mixed density function that is a sum of second density functions by a normal distribution with a spectral width as a parameter, an echo mixture ratio of the mixed density function, the first density function, and a second density function Each parameter is repeatedly executed as a variable, and the frequency spectrum is matched. That applies Mari degree of mixing density function sequentially estimated as the echo mixing ratio and the optimum value of the parameter of each of the first and second density function when a maximum, based on the von Mises distribution, the estimated The reception value, average Doppler frequency, and spectrum width of the meteorological echo included in the radar reception signal from the optimum values of the power value, Doppler frequency, and spectrum width, which are parameters of the first density function sequentially estimated by the means, are meteological echoes. In the estimation of the parameter, the second density function is determined from the data of terrain echoes observed in advance, and the parameter of the determined second density function is used as a variable from the statistical properties. A prior distribution followed by the second density function is determined, and the likelihood function obtained by observing the determined prior distribution and the radar reception signal is determined; The posterior distribution is calculated from the parameters, and the parameter of the mixed density function when the posterior distribution is maximized is estimated as an optimum value, and the maximization of the posterior distribution is performed by calculating the mixture density function with respect to the frequency spectrum. Evaluate the fit with a penalty-likelihood function and calculate each parameter of the mixed density function when maximizing the expected value of the penalty-likelihood function until the value of the parameter converges The penalty-likelihood function determines the prior distribution that each parameter of the mixed density function follows from the statistical properties of the average Doppler frequency, spectrum width, and received power of the echo group, and the prior distribution is The penalty is determined by adding to the likelihood function .
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
図1は実施形態に係るレーダ受信信号処理装置が適用される気象レーダ信号処理装置の構成を示すブロック図である。図1において、パルス信号発生部11で発生されたレーダパルス信号は送信装置12で周波数変換され電力増幅されて、サーキュレータ13を介してアンテナ14から空間に向けて放射される。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a weather radar signal processing device to which a radar reception signal processing device according to an embodiment is applied. In FIG. 1, the radar pulse signal generated by the
上記アンテナ14で受けたレーダ波の反射信号は、サーキュレータ13を介して受信装置15に送られる。この受信装置15は、アンテナ14で受けた信号を増幅し、ベースバンドに周波数変換するもので、その出力はレーダ受信信号処理装置16に送られる。
The reflected signal of the radar wave received by the
上記レーダ受信信号処理装置16は、入力されたレーダ受信信号をA/D変換器161でデジタルデータに変換し、IQ検波器162で複素形式のIQデータに変換し、観測処理器163で地形エコー成分を除去して気象エコーによる観測データを得る。
The radar reception
図2は上記観測処理器163において、レーダ受信信号(IQデータ)から目標信号(気象エコー成分)の平均ドップラー周波数、スペクトル幅、受信電力を算出する処理の流れを示すフローチャートである。
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of processing for calculating the average Doppler frequency, spectrum width, and received power of the target signal (meteorological echo component) from the radar received signal (IQ data) in the
まず、レーダ受信信号を周波数領域に変換することで周波数スペクトルを得る(ステップS11)。次に、得られた周波数スペクトルを混合密度関数でモデリングする(ステップS12)。続いて、混合密度関数のパラメータの最適値を学習により推定し(ステップS13)、推定したパラメータから目標信号の平均ドップラー周波数、スペクトル幅、受信電力を算出し、観測結果として出力する(ステップS14)。 First, a frequency spectrum is obtained by converting the radar received signal into the frequency domain (step S11). Next, the obtained frequency spectrum is modeled with a mixed density function (step S12). Subsequently, the optimum value of the parameter of the mixed density function is estimated by learning (step S13), and the average Doppler frequency, spectrum width, and received power of the target signal are calculated from the estimated parameter and output as the observation result (step S14). .
図3は、上記ステップS12において、周波数スペクトルを混合密度関数でモデリングする処理を説明するための波形図であり、Aは周波数スペクトル、Bは混合密度関数を示している。図3において、横軸Xはドップラー速度[m/s]、縦軸Yは振幅[dB]を示す。まず、周波数スペクトルをモデリングする混合密度関数を与える。混合密度関数は複数エコーそれぞれの密度関数の和で表され、そのパラメータはそれぞれのエコーの混合比とスペクトル形状に関係する値となっている。 FIG. 3 is a waveform diagram for explaining the process of modeling the frequency spectrum with the mixed density function in step S12, wherein A represents the frequency spectrum and B represents the mixed density function. In FIG. 3, the horizontal axis X represents the Doppler velocity [m / s], and the vertical axis Y represents the amplitude [dB]. First, a mixed density function for modeling the frequency spectrum is given. The mixed density function is represented by the sum of the density functions of a plurality of echoes, and the parameter is a value related to the mixing ratio and spectral shape of each echo.
上記周波数スペクトルに対応する最適な混合密度関数のパラメータの推定には、事前知識の利用が考えられる。図4に事前の知識を利用して最適な混合密度関数のパラメータを推定する場合の処理の流れを示す。 The use of prior knowledge can be considered for estimating the optimum parameter of the mixing density function corresponding to the frequency spectrum. FIG. 4 shows the flow of processing when estimating the parameters of the optimal mixing density function using prior knowledge.
図4において、まず事前の知識から複数エコーそれぞれの密度関数のパラメータを変数として、統計的性質からそれらが従う事前分布を決定する(ステップS21)。決定した事前分布と、観測による尤度から事後分布を算出し、事後分布を最大化することで最適な混合密度関数のパラメータを得る(ステップS22)。 In FIG. 4, first, prior distribution is determined from statistical properties using parameters of density function of each of a plurality of echoes as variables from prior knowledge (step S21). The posterior distribution is calculated from the determined prior distribution and the likelihood by observation, and the optimal mixture density function parameter is obtained by maximizing the posterior distribution (step S22).
図5は、上記事後分布を最大化することで混合密度関数の最適なパラメータを推定する方法を示すフローチャートである。まず周波数スペクトルと事前の知識を用いてペナルティ付きの尤度関数を決定する(ステップS31)。次に、決定されたペナルティ付きの尤度関数からペナルティ付き対数尤度関数の期待値を算出する(ステップS32)。続いて、ペナルティ付き対数尤度関数の期待値を最大化するパラメータを算出する(ステップ33)。ここでパラメータの値が収束したか否かを判断し(ステップS34)、収束しない場合にはステップS32に戻る。すなわち、期待値を最大化したパラメータを用いて、ペナルティ付き対数尤度関数の期待値算出からの手順を再び行い、パラメータの値が収束するまで繰り返す。この収束したパラメータの値をレーダ受信信号の周波数スペクトルをモデリングするのに最適な混合密度関数のパラメータとする。 FIG. 5 is a flowchart showing a method for estimating the optimum parameter of the mixed density function by maximizing the posterior distribution. First, a likelihood function with a penalty is determined using the frequency spectrum and prior knowledge (step S31). Next, an expected value of the logarithmic likelihood function with a penalty is calculated from the determined likelihood function with a penalty (step S32). Subsequently, a parameter that maximizes the expected value of the log-likelihood function with a penalty is calculated (step 33). Here, it is determined whether or not the parameter value has converged (step S34). If the parameter value has not converged, the process returns to step S32. That is, the procedure from the expected value calculation of the logarithmic likelihood function with a penalty is performed again using the parameter that maximizes the expected value, and is repeated until the parameter value converges. The value of the converged parameter is set as a parameter of a mixing density function that is optimal for modeling the frequency spectrum of the radar reception signal.
(実施例1)
図6は上記実施形態を気象レーダ信号処理装置に適用した場合の具体例(実施例1とする)であり、レーダ受信信号から降水量、風速を算出する場合の処理の流れを示すフローチャートである。
Example 1
FIG. 6 is a specific example when the above embodiment is applied to a weather radar signal processing apparatus (referred to as Example 1), and is a flowchart showing the flow of processing when calculating precipitation and wind speed from a radar received signal. .
図6において、まず、レーダ受信信号を周波数領域に変換し、周波数スペクトルの振幅成分yi を得る(ステップS41)。次に、得られた周波数スペクトルをモデリングする混合密度関数を与える(ステップ42)。ここで、不要信号(グランドクラッタのエコー成分)をモデリングする分布として、次式(1)で表される正規分布f1(x|θ1) を用いる。式(1)において、x はドップラー速度を表す。また、θ = (τ1,τ2,θ11,θ12,θ21,θ22) は混合密度関数のパラメータであり、初期値は任意に設定する。
f1(x|θ1) = (2πθ12)-1/2exp{-(x-θ11)2/(2θ12)} …(1)
また、気象エコーをモデリングする分布として次式(2)で表されるフォン・ミーゼス分布f2(x|θ2) を用いる。
f2(x|θ2) = exp{θ22 cos(x-θ21)}/{2πI0(θ22)} …(2)
I0 は0次の修正ベッセル関数を表す。
In FIG. 6, first, the radar reception signal is converted into the frequency domain, and the amplitude component y i of the frequency spectrum is obtained (step S41). Next, a mixed density function for modeling the obtained frequency spectrum is given (step 42). Here, a normal distribution f 1 (x | θ 1 ) expressed by the following equation (1) is used as a distribution for modeling an unnecessary signal (echo component of ground clutter). In equation (1), x represents the Doppler velocity. Θ = (τ 1 , τ 2 , θ 11 , θ 12 , θ 21 , θ 22 ) is a parameter of the mixing density function, and the initial value is arbitrarily set.
f 1 (x | θ 1 ) = (2πθ 12 ) -1/2 exp {-(x-θ 11 ) 2 / (2θ 12 )}… (1)
Further, the von Mises distribution f 2 (x | θ 2 ) expressed by the following equation (2) is used as a distribution for modeling the weather echo.
f 2 (x | θ 2 ) = exp {θ 22 cos (x-θ 21 )} / {2πI 0 (θ 22 )}… (2)
I 0 represents a zero-order modified Bessel function.
これらの式(1),(2)より、周波数スペクトルをモデリングする混合密度関数f(x|θ) を次式(3)とする。
f(x|θ) = τ1f1(x|θ1) +τ2f2(x|θ2) …(3)
続いて、与えた混合密度関数から混合比T1,i 、T2,i を次式(4),(5)で算出する(ステップS43)。
T1,i = τ1f1(xi|θ1)/{f(x|θ)} …(4)
T2,i = τ2f2(xi|θ2)/{f(x|θ)} …(5)
次に、予め観測したデータから事前分布を決定する(ステップS44)。まず、不要信号の電力値に関するパラメータは次式(6)で表されるベータ分布p1(τ1)に従うとする。
p1(τ1) = {τ1 α-1(1-τ1)β-1}/B(α,β) …(6)
ここでB(α,β)はベータ関数を表す。
From these equations (1) and (2), the mixed density function f (x | θ) for modeling the frequency spectrum is expressed by the following equation (3).
f (x | θ) = τ 1 f 1 (x | θ 1 ) + τ 2 f 2 (x | θ 2 )… (3)
Subsequently, the mixing ratios T 1, i and T 2, i are calculated by the following equations (4) and (5) from the given mixing density function (step S43).
T 1, i = τ 1 f 1 (x i | θ 1 ) / {f (x | θ)}… (4)
T 2, i = τ 2 f 2 (x i | θ 2 ) / {f (x | θ)}… (5)
Next, a prior distribution is determined from previously observed data (step S44). First, it is assumed that the parameter relating to the power value of the unnecessary signal follows the beta distribution p 1 (τ 1 ) expressed by the following equation (6).
p 1 (τ 1 ) = {τ 1 α-1 (1-τ 1 ) β-1 } / B (α, β)… (6)
Here, B (α, β) represents a beta function.
不要信号のドップラー周波数に関するパラメータは次式(7)で表される正規分布p2(θ11) に従うとする。
p2(θ11) = (2πφ2)-1/2exp{-(θ11-φ1)2/(2φ2)} …(7)
また、不要信号のスペクトル幅に関するパラメータは次式(8)で表されるガンマ分布p3(θ12) に従うとする。
p3(θ12) = b-aθ12 a-1 exp(-θ12/b)/Γ(a) …(8)
ここで、Γ(a) はガンマ関数を表す。これら事前分布のパラメータα、β、φ1 、φ2 、a 、b は事前に観測した不要信号のデータから決定する。
The parameter relating to the Doppler frequency of the unnecessary signal is assumed to follow a normal distribution p 2 (θ 11 ) expressed by the following equation (7).
p 2 (θ 11 ) = (2πφ 2 ) -1/2 exp {-(θ 11 -φ 1 ) 2 / (2φ 2 )}… (7)
Further, it is assumed that the parameter relating to the spectrum width of the unnecessary signal follows the gamma distribution p 3 (θ 12 ) expressed by the following equation (8).
p 3 (θ 12 ) = b -a θ 12 a-1 exp (-θ 12 / b) / Γ (a)… (8)
Here, Γ (a) represents a gamma function. These prior distribution parameters α, β, φ 1 , φ 2 , a and b are determined from data of unnecessary signals observed in advance.
次に、式(9) に示すペナルティ付き対数尤度関数の期待値を各パラメータで偏微分することで、各パラメータQ(θ|θ(t)) の最大化を行う(ステップS45)。
Q(θ|θ(t)) = Σn i=1[yiT1,i{logτ1f1(θ1|xi)} + yiT2,i{logτ2f2(θ2|xi)}]
+S1log{p1(τ1)} +S2log{p2(θ11)} + S3log{p3(θ12)} …(9)
ここで、n はフーリエ変換のサンプル点数を表す。また、(t)はステップS43,S45の繰返し回数を表す。各パラメータの更新式を以下に示す。
Next, each parameter Q (θ | θ (t) ) is maximized by partially differentiating the expected value of the log-likelihood function with penalty shown in Equation (9) with each parameter (step S45).
Q (θ | θ (t) ) = Σ n i = 1 [y i T 1, i {logτ 1 f 1 (θ 1 | x i )} + y i T 2, i {logτ 2 f 2 (θ 2 | x i )}]
+ S 1 log {p 1 (τ 1 )} + S 2 log {p 2 (θ 11 )} + S 3 log {p 3 (θ 12 )}… (9)
Here, n represents the number of sample points of the Fourier transform. Further, (t) represents the number of repetitions of steps S43 and S45. The update formula for each parameter is shown below.
τ1 = {Σn i=1 yiT1,i + S1(α-1)}/{Σn i=1 yi + S1(α+β-2)} …(10)
τ2 = 1-τ1 …(11)
θ11 = {Σn i=1 yiT1,ixi +S2(φ1θ12/φ2)}/{Σn i=1 yiT1,i + S2(θ12/φ2)}
…(12)
θ12=(1-S3){Σn i=1 yiT1,i (xi-θ11)2/Σn i=1 yiT1,i }
+S3{-Σn i=1 yiT1,i+2(a-1)+[{Σn i=1 yiT1,i-2(a-1)}2+8/bΣn i=1 yiT1,i(xi-θ11)2]1/2}/{4/b}
…(13)
θ21 = tan-1{(Σn i=1 yiT2,isinxi)/(Σn i=1 yiT2,icosxi)} …(14)
I1(θ22)/I0(θ22) = Σn i=1 yiT2,icos(xi − θ21)/ Σn i=1 yiT2,i …(15)
以上のように、θ22は式(15)を解くことで得る。また、S1 、S2 、S3 は1か0をとり、不要信号の電力値に関する事前知識を用いる場合はS1 =1、用いない場合はS1 =0である。また、不要信号のドップラー周波数に関する事前知識を用いる場合はS2 =1、用いない場合はS2 =0である。また、不要信号のスペクトル幅に関する事前知識を用いる場合はS3 =1、用いない場合はS3 =0である。
τ 1 = {Σ n i = 1 y i T 1, i + S 1 (α-1)} / {Σ n i = 1 y i + S 1 (α + β-2)}… (10)
τ 2 = 1-τ 1 (11)
θ 11 = {Σ n i = 1 y i T 1, i x i + S 2 (φ 1 θ 12 / φ 2 )} / {Σ n i = 1 y i T 1, i + S 2 (θ 12 / φ 2 )}
… (12)
θ 12 = (1-S 3 ) {Σ n i = 1 y i T 1, i (x i -θ 11 ) 2 / Σ n i = 1 y i T 1, i }
+ S 3 {-Σ n i = 1 y i T 1, i +2 (a-1) + [{Σ n i = 1 y i T 1, i -2 (a-1)} 2 + 8 / bΣ n i = 1 y i T 1, i (x i -θ 11 ) 2 ] 1/2 } / {4 / b}
…(13)
θ 21 = tan -1 {(Σ n i = 1 y i T 2, i sinx i ) / (Σ n i = 1 y i T 2, i cosx i )}… (14)
I 1 (θ 22 ) / I 0 (θ 22 ) = Σ n i = 1 y i T 2, i cos (x i − θ 21 ) / Σ n i = 1 y i T 2, i (15)
As described above, θ 22 is obtained by solving the equation (15). S 1 , S 2 , and S 3 take 1 or 0, and S 1 = 1 if prior knowledge about the power value of unnecessary signals is used, and S 1 = 0 if not. Further, S 2 = 1 is used when prior knowledge about the Doppler frequency of the unnecessary signal is used, and S 2 = 0 when not used. Further, S 3 = 1 is used when prior knowledge about the spectrum width of the unnecessary signal is used, and S 3 = 0 when not used.
次に、上記の式に従って算出したパラメータが収束しているかどうか判定する(ステップS46)。この判定処理において、混合比算出時のパラメータと、更新後のパラメータの差が1/1000以下の場合、パラメータが収束したと判定する。差がそれよりも大きい場合は、算出したパラメータを用いてステップS43,S45の処理を再び行う。 Next, it is determined whether or not the parameters calculated according to the above formula have converged (step S46). In this determination process, when the difference between the parameter at the time of calculating the mixture ratio and the updated parameter is 1/1000 or less, it is determined that the parameter has converged. If the difference is larger than that, the processes in steps S43 and S45 are performed again using the calculated parameters.
上記パラメータが収束したと判定された場合には、推定したフォン・ミーゼス分布のパラメータから、気象エコーの平均ドップラー周波数、スペクトル幅、受信電力を推定値として算出する(ステップS47)。続いて、推定した気象エコーの平均ドップラー周波数、スペクトル幅、受信電力から、降水量、風速を算出する(ステップS48)。 If it is determined that the parameters have converged, the average Doppler frequency, spectrum width, and received power of the weather echo are calculated as estimated values from the estimated von Mises distribution parameters (step S47). Subsequently, precipitation and wind speed are calculated from the estimated average Doppler frequency of the weather echo, spectrum width, and received power (step S48).
以上の処理を行うことにより、気象エコーに不要信号としてグランドクラッタによる地形エコーが重なる状況であっても、気象エコー、地形エコーそれぞれの成分を高精度に推定することができるので、気象エコーと地形エコーが混在するデータから降水量、風速を確実に推定することができる。 By performing the above processing, it is possible to estimate the components of the weather echo and the terrain echo with high accuracy even if the terrain echo by the ground clutter overlaps with the weather echo as an unnecessary signal. Precipitation and wind speed can be reliably estimated from data with mixed echoes.
(実施例2)
ところで、上記実施例1では、受信信号の周波数スペクトルを、気象エコー、地形エコー(グランドクラッタ)をそれぞれ仮定した2つの密度関数の和でモデリングした場合について説明した。このような処理によれば、ある程度の効果が期待できるが、実際の受信信号には気象エコー、地形エコーの他に雑音等の不要成分(以下、不要エコーと称する)が含まれている。そのような受信信号の周波数スペクトルを気象エコー、地形エコーをそれぞれ仮定した2つの密度関数の和でモデリングすることは、気象エコー推定にて誤差を生むことが想定される。
(Example 2)
In the first embodiment, the case where the frequency spectrum of the received signal is modeled by the sum of two density functions assuming a weather echo and a terrain echo (ground clutter) has been described. According to such processing, a certain degree of effect can be expected, but the actual reception signal includes unnecessary components such as noise (hereinafter referred to as unnecessary echo) in addition to the weather echo and the terrain echo. It is assumed that modeling the frequency spectrum of such a received signal as the sum of two density functions assuming a weather echo and a terrain echo will cause an error in weather echo estimation.
そこで、実施例2として、さらに雑音等の不要エコーを含む3つの密度関数の和でモデリングした場合について、再度図6を参照して説明する。 Therefore, as a second embodiment, a case where modeling is performed using the sum of three density functions including unnecessary echoes such as noise will be described with reference to FIG. 6 again.
図6において、まず、レーダ受信信号を周波数領域に変換し、周波数スペクトルの振幅成分yi を得る(ステップS41)。次に、得られた周波数スペクトルをモデリングする混合密度関数を与える(ステップ42)。ここでは、不要信号(地形エコー、不要エコー)をモデリングする分布として、次式(16)で表される正規分布f1(x|θ1) を用いる。ここで、x はドップラー速度を表す。θ = (τ1,τ2,τ3,θ11,θ12,θ21,θ22) は混合密度関数のパラメータであり、初期値は任意に設定する。
f1(x|θ1) = (2πθ12)-1/2exp{-(x-θ11)2/(2θ12)} …(16)
また、気象エコーをモデリングする分布として次式(17)で表されるフォン・ミーゼス分布f2(x|θ2) を用いる。
f2(x|θ2) = exp{θ22 cos(x-θ21)}/{2πI0(θ22)} …(17)
I0 は0次の修正ベッセル関数を表す。
In FIG. 6, first, the radar reception signal is converted into the frequency domain, and the amplitude component y i of the frequency spectrum is obtained (step S41). Next, a mixed density function for modeling the obtained frequency spectrum is given (step 42). Here, a normal distribution f 1 (x | θ 1 ) expressed by the following equation (16) is used as a distribution for modeling unnecessary signals (terrain echoes and unnecessary echoes). Where x represents the Doppler velocity. θ = (τ 1 , τ 2 , τ 3 , θ 11 , θ 12 , θ 21 , θ 22 ) is a parameter of the mixed density function, and the initial value is arbitrarily set.
f 1 (x | θ 1 ) = (2πθ 12 ) -1/2 exp {-(x-θ 11 ) 2 / (2θ 12 )}… (16)
Further, the von Mises distribution f 2 (x | θ 2 ) expressed by the following equation (17) is used as a distribution for modeling weather echoes.
f 2 (x | θ 2 ) = exp {θ 22 cos (x-θ 21 )} / {2πI 0 (θ 22 )}… (17)
I 0 represents a zero-order modified Bessel function.
また、上記以外の不要エコーをモデリングする分布として次式(18)で表される一様分布f3(x|θ3)を用いる。 Further, a uniform distribution f 3 (x | θ 3 ) expressed by the following equation (18) is used as a distribution for modeling unnecessary echoes other than the above.
f3(x|θ3) = 1/(2Vnyq) …(18)
ここでVnyqはナイキスト速度を表す。
f 3 (x | θ 3 ) = 1 / (2V nyq )… (18)
Here, V nyq represents the Nyquist speed.
これらの式(16),(17),(18)より、周波数スペクトルをモデリングする混合密度関数f(x|θ) を次式(19)とする。
f(x|θ) = τ1f1(x|θ1) +τ2f2(x|θ2) +τ3f3(x|θ3) …(19)
続いて、与えた混合密度関数から混合比T1,i 、T2,i 、T3,iをそれぞれ次式(20),(21),(22)で算出する(ステップS43)。
T1,i = τ1f1(xi|θ1)/{f(xi|θ)} …(20)
T2,i = τ2f2(xi|θ2)/{f(xi|θ)} …(21)
T3,i = τ3f3(xi|θ3)/{f(xi|θ)} …(22)
次に、予め観測したデータから事前分布を決定する(ステップS44)。まず、不要信号の電力値に関するパラメータは次式で表されるベータ分布p1(τ1)に従うとする。
p1(τ1) = {τ1 α-1(1-τ1)β-1}/B(α,β) …(23)
ここでB(α,β)はベータ関数を表す。
From these equations (16), (17), and (18), the mixed density function f (x | θ) for modeling the frequency spectrum is expressed by the following equation (19).
f (x | θ) = τ 1 f 1 (x | θ 1 ) + τ 2 f 2 (x | θ 2 ) + τ 3 f 3 (x | θ 3 )… (19)
Subsequently, the mixing ratios T 1, i , T 2, i , T 3, i are calculated from the given mixing density function by the following equations (20), (21), (22), respectively (step S43).
T 1, i = τ 1 f 1 (x i | θ 1 ) / {f (x i | θ)}… (20)
T 2, i = τ 2 f 2 (x i | θ 2 ) / {f (x i | θ)}… (21)
T 3, i = τ 3 f 3 (x i | θ 3 ) / {f (x i | θ)}… (22)
Next, a prior distribution is determined from previously observed data (step S44). First, it is assumed that the parameter relating to the power value of the unnecessary signal follows the beta distribution p 1 (τ 1 ) expressed by the following equation.
p 1 (τ 1 ) = {τ 1 α-1 (1-τ 1 ) β-1 } / B (α, β)… (23)
Here, B (α, β) represents a beta function.
不要信号のドップラー周波数に関するパラメータは次式で表される正規分布p2(θ11) に従うとする。
p2(θ11) = (2πφ2)-1/2exp{-(θ11-φ1)2/(2φ2)} …(24)
また、不要信号のスペクトル幅に関するパラメータは次式で表されるガンマ分布p3(θ12) に従うとする。
p3(θ12) = b-aθ12 a-1 exp(-θ12/b)/Γ(a) …(25)
ここで、Γ(a) はガンマ関数を表す。これら事前分布のパラメータα、β、φ1 、φ2 、a 、b は事前に観測した不要信号のデータから決定する。
It is assumed that the parameter relating to the Doppler frequency of the unnecessary signal follows a normal distribution p 2 (θ 11 ) expressed by the following equation.
p 2 (θ 11 ) = (2πφ 2 ) -1/2 exp {-(θ 11 -φ 1 ) 2 / (2φ 2 )}… (24)
Further, it is assumed that a parameter relating to the spectrum width of the unnecessary signal follows a gamma distribution p 3 (θ 12 ) expressed by the following equation.
p 3 (θ 12 ) = b -a θ 12 a-1 exp (-θ 12 / b) / Γ (a)… (25)
Here, Γ (a) represents a gamma function. These prior distribution parameters α, β, φ 1 , φ 2 , a and b are determined from data of unnecessary signals observed in advance.
次に、式(26) に示すペナルティ付き対数尤度関数の期待値を各パラメータで偏微分することで、各パラメータQ(θ|θ(t)) の最大化を行う(ステップS45)。
Q(θ|θ(t)) = Σn i=1[yiT1,i{logτ1f1(θ1|xi)}+ yiT2,i{logτ2f2(θ2|xi)}
+ yiT3,i{logτ3f3(θ3|xi)}]
+S1log{p1(τ1)} +S2log{p2(θ11)} + S3log{p3(θ12)} …(26)
ここで、n はフーリエ変換のサンプル点数を表す。また、(t)はステップS43,S45の繰返し回数を表す。
Next, each parameter Q (θ | θ (t) ) is maximized by partially differentiating the expected value of the log-likelihood function with penalty shown in Expression (26) with each parameter (step S45).
Q (θ | θ (t) ) = Σ n i = 1 [y i T 1, i {logτ 1 f 1 (θ 1 | x i )} + y i T 2, i {logτ 2 f 2 (θ 2 | x i )}
+ y i T 3, i {logτ 3 f 3 (θ 3 | x i )}]
+ S 1 log {p 1 (τ 1 )} + S 2 log {p 2 (θ 11 )} + S 3 log {p 3 (θ 12 )}… (26)
Here, n represents the number of sample points of the Fourier transform. Further, (t) represents the number of repetitions of steps S43 and S45.
各パラメータの更新式を以下に示す。
τ1 = {Σn i=1 yiT1,i + S1(α-1)}/{Σn i=1 yi + S1(α+β-2)} …(27)
τ2 = {Σn i=1 yiT2,i - S1τ1Σn i=1 yiT2,i}/{Σn i=1 yi(T2,i+S1T3,i)}
…(28)
τ3 = 1-τ1-τ2 …(29)
θ11 = {Σn i=1 yiT1,ixi +S2(φ1θ12/φ2)}/{Σn i=1 yiT1,i + S2(θ12/φ2)}
…(30)
θ12=(1-S3){Σn i=1 yiT1,i (xi-θ11)2/Σn i=1 yiT1,i }
+S3{-Σn i=1 yiT1,i+2(a-1)+[{Σn i=1 yiT1,i-2(a-1)}2
+8/bΣn i=1 yiT1,i(xi-θ11)2]1/2}/{4/b} …(31)
θ21 = tan-1{(Σn i=1 yiT2,isinxi)/(Σn i=1 yiT2,icosxi)} …(32)
I1(θ22)/I0(θ22) = Σn i=1 yiT2,icos(xi − θ21)/ Σn i=1 yiT2,i …(33)
ここでθ22は式(33)を解くことで得られる。また、S1 、S2 、S3 は1か0をとり、不要信号の電力値に関する事前知識を用いる場合はS1 = 1、用いない場合はS1 =0である。また、不要信号のドップラー周波数に関する事前知識を用いる場合はS2 =1、用いない場合はS2 =0である。また、不要信号のスペクトル幅に関する事前知識を用いる場合はS3 =1であり、用いない場合はS3 =0である。
The update formula for each parameter is shown below.
τ 1 = {Σ n i = 1 y i T 1, i + S 1 (α-1)} / {Σ n i = 1 y i + S 1 (α + β-2)}… (27)
τ 2 = {Σ n i = 1 y i T 2, i -S 1 τ 1 Σ n i = 1 y i T 2, i } / {Σ n i = 1 y i (T 2, i + S 1 T 3, i )}
… (28)
τ 3 = 1-τ 1 -τ 2 (29)
θ 11 = {Σ n i = 1 y i T 1, i x i + S 2 (φ 1 θ 12 / φ 2 )} / {Σ n i = 1 y i T 1, i + S 2 (θ 12 / φ 2 )}
… (30)
θ 12 = (1-S 3 ) {Σ n i = 1 y i T 1, i (x i -θ 11 ) 2 / Σ n i = 1 y i T 1, i }
+ S 3 {-Σ n i = 1 y i T 1, i +2 (a-1) + [{Σ n i = 1 y i T 1, i -2 (a-1)} 2
+ 8 / bΣ n i = 1 y i T 1, i (x i -θ 11 ) 2 ] 1/2 } / {4 / b}… (31)
θ 21 = tan -1 {(Σ n i = 1 y i T 2, i sinx i ) / (Σ n i = 1 y i T 2, i cosx i )}… (32)
I 1 (θ 22 ) / I 0 (θ 22 ) = Σ n i = 1 y i T 2, i cos (x i − θ 21 ) / Σ n i = 1 y i T 2, i … (33)
Here, θ 22 can be obtained by solving equation (33). S 1 , S 2 , and S 3 take 1 or 0, and S 1 = 1 if prior knowledge about the power value of the unnecessary signal is used, and S 1 = 0 otherwise. Further, S 2 = 1 is used when prior knowledge about the Doppler frequency of the unnecessary signal is used, and S 2 = 0 when not used. In addition, S 3 = 1 when prior knowledge about the spectrum width of unnecessary signals is used, and S 3 = 0 when not used.
次に、上記の式に従って算出したパラメータが収束しているかどうか判定する(ステップS46)。この判定処理において、混合比算出時のパラメータと、更新後のパラメータの差が1/1000以下の場合、パラメータが収束したと判定する。差がそれよりも大きい場合は、算出したパラメータを用いてステップS43,S45の処理を再び行う。 Next, it is determined whether or not the parameters calculated according to the above formula have converged (step S46). In this determination process, when the difference between the parameter at the time of calculating the mixture ratio and the updated parameter is 1/1000 or less, it is determined that the parameter has converged. If the difference is larger than that, the processes in steps S43 and S45 are performed again using the calculated parameters.
上記パラメータが収束したと判定された場合には、推定したフォン・ミーゼス分布のパラメータから、気象エコーの平均ドップラー周波数、スペクトル幅、受信電力を推定値として算出する(ステップS47)。続いて、推定した気象エコーの平均ドップラー周波数、スペクトル幅、受信電力から、降水量、風速を算出する(ステップS48)。 If it is determined that the parameters have converged, the average Doppler frequency, spectrum width, and received power of the weather echo are calculated as estimated values from the estimated von Mises distribution parameters (step S47). Subsequently, precipitation and wind speed are calculated from the estimated average Doppler frequency of the weather echo, spectrum width, and received power (step S48).
以上の処理を行うことにより、気象エコーに不要信号としてグランドクラッタによる地形エコー、雑音等の不要エコーが重なる状況であっても、気象エコー、地形エコー、不要エコーそれぞれの成分を高精度に推定することができるので、気象エコーと地形エコー及び不要エコーが混在するデータから降水量、風速を確実に推定することができる。 By performing the above processing, it is possible to accurately estimate the components of weather echoes, terrain echoes, and unwanted echoes even in situations where unwanted echoes such as ground clutter and noise are superimposed on the weather echoes as unwanted signals. Therefore, precipitation and wind speed can be reliably estimated from data in which weather echoes, topographic echoes and unnecessary echoes are mixed.
上記実施形態は気象レーダの場合を想定して説明したが、通常のレーダ装置、すなわちレーダ受信信号から不要信号を除去して目標信号を得る場合にも同様に実施可能である。また、アクティブフェーズドアレイレーダのように、送信ビームを電子走査させるレーダ装置やデジタルビームフォーミング技術を用いた複数の受信ビーム形成を行うレーダ装置を用いる場合にも同様に実施可能である。したがって、上記の実施形態によれば、同程度の周波数変化を持つ目標信号と不要信号が混在するレーダ受信信号から、目標信号のみを的確に検出するレーダ受信信号処理装置を提供することができる。 Although the above embodiment has been described assuming the case of a weather radar, the present invention can be similarly applied to a normal radar apparatus, that is, a case where a target signal is obtained by removing an unnecessary signal from a radar reception signal. Further, the present invention can be similarly implemented when using a radar apparatus that electronically scans a transmission beam, such as an active phased array radar, or a radar apparatus that forms a plurality of reception beams using digital beam forming technology. Therefore, according to the above embodiment, it is possible to provide a radar reception signal processing device that accurately detects only a target signal from a radar reception signal in which a target signal having a similar frequency change and an unnecessary signal are mixed.
尚、上記実施形態は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わせでもよい。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、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 In addition, the said embodiment is not limited as it is, In the implementation stage, a component can be deform | transformed and embodied in the range which does not deviate from the summary. Moreover, an appropriate combination of a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiment may be used. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
11… パルス信号発生部、12…送信装置、13…サーキュレータ、14…アンテナ、15…受信装置、16…レーダ受信信号処理装置、161…A/D変換器、162…IQ検波器、163…観測処理器。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記一定周期で取得されたレーダ受信信号の周波数スペクトルについて、前記気象エコーのスペクトル形状を表し、電力値、ドップラー周波数、スペクトル幅をパラメータとするフォン・ミーゼス分布による第1の密度関数及び前記地形エコーのスペクトル形状を表し、電力値、ドップラー周波数、スペクトル幅をパラメータとする正規分布による第2の密度関数の和である混合密度関数で順次モデリングする処理を、前記混合密度関数のエコー混合比、前記第1の密度関数及び第2の密度関数それぞれのパラメータを変数として繰り返し実行して、前記周波数スペクトルに対する混合密度関数の当て嵌まり具合が最大となるときの前記前記エコー混合比及び前記第1及び第2の密度関数それぞれのパラメータを最適値として順次推定する推定手段と、
前記フォン・ミーゼス分布に基づいて、前記推定手段で順次推定された前記第1の密度関数のパラメータである電力値、ドップラー周波数、スペクトル幅の最適値から前記レーダ受信信号に含まれる気象エコーの受信電力、平均ドップラー周波数、スペクトル幅を気象エコー情報として算出する気象エコー情報算出手段と
を具備し、
前記推定手段では、
前記第2の密度関数を予め観測した地形エコーのデータから決定し、決定された第2の密度関数のパラメータを変数として、統計的性質から前記第2の密度関数が従う事前分布を決定し、決定された事前分布と前記レーダ受信信号の観測による尤度関数から事後分布を算出し、前記事後分布を最大化したときの前記混合密度関数のパラメータを最適値として推定するものとし、
前記事後分布の最大化は、前記周波数スペクトルに対する前記混合密度関数の当て嵌まり具合をペナルティ付き尤度関数で評価し、前記ペナルティ付き尤度関数の期待値を最大化するときの前記混合密度関数の各パラメータを算出する、という手順を前記パラメータの値が収束するまで繰り返すものとし、
前記ペナルティ付き尤度関数は、前記エコー群の持つ平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力の統計的性質から混合密度関数の各パラメータが従う事前分布を決定し、前記事前分布を前記ペナルティとして尤度関数に付加することで決定ものとすることを特徴とするレーダ受信信号処理装置。 Obtaining means for obtaining a frequency spectrum by repeatedly converting a radar reception signal of a weather radar including a weather echo and a terrain echo into a frequency domain, which is repeatedly obtained at a constant period;
The first density function by the von Mises distribution representing the spectrum shape of the weather echo and the power value, the Doppler frequency, and the spectrum width as parameters for the frequency spectrum of the radar reception signal acquired at the fixed period and the topographic echo The process of sequentially modeling with a mixed density function that is the sum of a second density function by a normal distribution with the power value, Doppler frequency, and spectral width as parameters is represented by the echo mixture ratio of the mixed density function, The parameters of the first density function and the second density function are repeatedly executed as variables, and the echo mixture ratio and the first and second values when the fit of the mixed density function with respect to the frequency spectrum is maximized are maximized. estimation of sequentially estimating the second density function of each parameter as the optimum value And means,
Reception of weather echoes included in the radar reception signal from the optimum values of the power value, Doppler frequency, and spectrum width, which are parameters of the first density function sequentially estimated by the estimation unit based on the von Mises distribution. Including weather echo information calculating means for calculating power, average Doppler frequency, spectrum width as weather echo information ,
In the estimation means,
Determining the second density function from previously observed terrain echo data, using a parameter of the determined second density function as a variable, determining a prior distribution followed by the second density function from statistical properties; The posterior distribution is calculated from the determined prior distribution and the likelihood function by observation of the radar reception signal, and the parameter of the mixed density function when the posterior distribution is maximized is estimated as an optimum value.
The posterior distribution is maximized by evaluating the degree of fit of the mixed density function with respect to the frequency spectrum using a penalty likelihood function and maximizing the expected value of the penalty likelihood function. The procedure of calculating each parameter of is repeated until the value of the parameter converges,
The penalty-likelihood function determines the prior distribution that each parameter of the mixed density function follows from the statistical properties of the average Doppler frequency, spectrum width, and received power of the echo group, and the prior distribution is considered as the penalty. A radar received signal processing apparatus characterized by being determined by adding to a degree function .
前記一定周期で取得されたレーダ受信信号の周波数スペクトルについて、前記気象エコーのスペクトル形状を表し、電力値、ドップラー周波数、スペクトル幅をパラメータとするフォン・ミーゼス分布による第1の密度関数及び前記地形エコーのスペクトル形状を表し、電力値、ドップラー周波数、スペクトル幅をパラメータとする正規分布による第2の密度関数の和である混合密度関数で順次モデリングする処理を、前記混合密度関数のエコー混合比、前記第1の密度関数及び第2の密度関数それぞれのパラメータを変数として繰り返し実行して、前記周波数スペクトルに対する混合密度関数の当て嵌まり具合が最大となるときの前記エコー混合比及び前記第1及び第2の密度関数それぞれのパラメータを最適値として順次推定し、
前記フォン・ミーゼス分布に基づいて、前記推定手段で順次推定された前記第1の密度関数のパラメータである電力値、ドップラー周波数、スペクトル幅の最適値から前記レーダ受信信号に含まれる気象エコーの受信電力、平均ドップラー周波数、スペクトル幅を気象エコー情報として算出するものとし、
前記パラメータの推定では、
前記第2の密度関数を予め観測した地形エコーのデータから決定し、決定された第2の密度関数のパラメータを変数として、統計的性質から前記第2の密度関数が従う事前分布を決定し、決定された事前分布と前記レーダ受信信号の観測による尤度関数から事後分布を算出し、前記事後分布を最大化したときの前記混合密度関数のパラメータを最適値として推定するものとし、
前記事後分布の最大化は、前記周波数スペクトルに対する前記混合密度関数の当て嵌まり具合をペナルティ付き尤度関数で評価し、前記ペナルティ付き尤度関数の期待値を最大化するときの前記混合密度関数の各パラメータを算出する、という手順を前記パラメータの値が収束するまで繰り返すものとし、
前記ペナルティ付き尤度関数は、前記エコー群の持つ平均ドップラー周波数、スペクトル幅及び受信電力の統計的性質から混合密度関数の各パラメータが従う事前分布を決定し、前記事前分布を前記ペナルティとして尤度関数に付加することで決定するものとすることを特徴とするレーダ受信信号処理方法。 It is obtained repeatedly at a fixed period, and the radar signal received by the weather radar including weather echo and topographic echo is converted to the frequency domain to obtain the frequency spectrum,
The first density function by the von Mises distribution representing the spectrum shape of the weather echo and the power value, the Doppler frequency, and the spectrum width as parameters for the frequency spectrum of the radar reception signal acquired at the fixed period and the topographic echo The process of sequentially modeling with a mixed density function that is the sum of a second density function by a normal distribution with the power value, Doppler frequency, and spectral width as parameters is represented by the echo mixture ratio of the mixed density function, The parameters of the first density function and the second density function are repeatedly executed as variables, and the echo mixture ratio and the first and second values when the degree of fit of the mixed density function to the frequency spectrum is maximized. Sequentially estimate the parameters of each density function as optimal values ,
Reception of weather echoes included in the radar reception signal from the optimum values of the power value, Doppler frequency, and spectrum width, which are parameters of the first density function sequentially estimated by the estimation unit based on the von Mises distribution. Power, average Doppler frequency, and spectrum width shall be calculated as weather echo information .
In the estimation of the parameters,
Determining the second density function from previously observed terrain echo data, using a parameter of the determined second density function as a variable, determining a prior distribution followed by the second density function from statistical properties; The posterior distribution is calculated from the determined prior distribution and the likelihood function by observation of the radar reception signal, and the parameter of the mixed density function when the posterior distribution is maximized is estimated as an optimum value.
The posterior distribution is maximized by evaluating the degree of fit of the mixed density function with respect to the frequency spectrum using a penalty likelihood function and maximizing the expected value of the penalty likelihood function. The procedure of calculating each parameter of is repeated until the value of the parameter converges,
The penalty-likelihood function determines the prior distribution that each parameter of the mixed density function follows from the statistical properties of the average Doppler frequency, spectrum width, and received power of the echo group, and the prior distribution is considered as the penalty. A radar received signal processing method characterized by being determined by adding to a degree function .
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