JP6278732B2 - 海洋レーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、観測海域に電波を送信し、その反射信号を分析することで流況を観測する海洋レーダ装置に関する。

海洋を観測する方法に、固定的に設けられたレーダ、波浪計または監視カメラなどがある。これらの手段を比較すると、天候に左右されにくい、連続した時間の観測が可能で広い範囲を観測対象にできる、地平線の向こうまで観測できるなどの理由で、レーダで海洋の観測を行うことが他の方法に比べて有利な面が多い。

観測海域の流況を観測する海洋レーダは、固定的に設けられたレーダであり、観測海域に向けて電波を照射し、海面の波による凹凸に共鳴して散乱する反射波から、海流の流向と流速、および、波浪の高さと周期を測定するものである。海洋レーダは周波数変調連続波（ＦＭ−ＣＷ：Frequency Modulation-Continuous Wave）方式、もしくは周波数変調間欠的連続波（ＦＭ−Ｉ−ＣＷ：Frequency Modulation-Interrupted-Continuous Wave）方式のレーダ装置が主流となっている。

例えば、特許文献１には、観測海域にアンテナを向けレーダ波を照射してエコーを受信し、エコー強度の時系列からドップラスペクトルを求めて海象情報を抽出するブラッグ共鳴散乱機構を利用した短波海洋レーダ観測装置が記載されている。特許文献１の海洋レーダ観測装置は、エコー強度の時系列を複数の時系列に分割して各時系列の標準偏差を計算し、該標準偏差の大きさに基づきノイズを含む不正常な時系列か否かを判断することにより、該不正常な時系列を除いた時系列により平均ドップラスペクトルを求める。そして、レンジ方向の観測範囲をブロック分割し、該分割されたブロック内で流れの回帰曲線を求めて該回帰曲線に基づき流れの変動の標準偏差を求め、回帰曲線からのズレと標準偏差に基づき不正常な流速値を検出し補正する。

特開平１１−８３９９２号公報

海洋レーダ装置では、流速や流向検出の感度は、海面でのレーダ電波の反射信号のドップラスペクトルをいかに効率的に検知できるかに左右されるので、不要反射をどれだけ抑圧するかが課題となっている。

海洋レーダ装置による観測では、受信した反射波の中に海面からの反射波（以下、「ブラッグ散乱」という。）だけではなく、観測覆域にある建造物等の固定の構造体、および船舶、航空機などの移動体による反射波も含まれている。固定の構造体による反射は速度変化が生じないため弁別しやすく、大きな問題にはなりにくい。しかし、移動体からの反射は移動体の速度によってブラッグ散乱と弁別しにくくなり、海域の流況を誤って処理をしてしまう可能性がある。

この発明は、上記のような問題を解決するためのもので、海洋レーダ装置において不要反射を抑圧して、海流の流向と流速を検出する精度を向上させることを目的とする。

この発明に係る海洋レーダ装置は、上記のような課題を解決するため、信号処理機、移動体情報取得部、データ変換部および合成処理部を備える。信号処理機は、レーダの送信機から放射されて海面で反射される電波を受信し、距離と方位で区切られたセル毎にドップラスペクトル分布としてレーダのデータを生成する。移動体情報取得部は、レーダの覆域を航行する移動体の位置と速度の情報を取得する。データ変換部は、移動体情報取得部で取得した移動体の位置と速度を、レーダからの位置に対応したセルの、速度に対応するドップラスペクトルに変換した移動体データを生成する。合成処理部は、移動体の位置に対応したセルのドップラスペクトル分布から、移動体データのドップラスペクトルを除去してレーダのデータを出力する。

この発明に係る海洋レーダ装置は、観測海域にいる移動体から反射したであろう電波から得られるドップラスペクトルを観測したドップラスペクトルから除去するので、誤って移動体の速度を海流として検出する可能性を低減する。その結果、海流の流向と流速を検出する精度を向上できる。

本発明の実施の形態に係る海洋レーダ装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態に係る海洋レーダ装置の信号処理機の出力を示す図である。 海洋レーダ装置の出力例を示す図である。 実施の形態に係る移動体に対応するドップラスペクトルを示す図である。 実施の形態に係る海洋レーダ装置において、出力データから移動体に対応するドップラスペクトルを除去した結果を示す図である。 実施の形態に係る移動体情報取得の動作の一例を示すフローチャートである。 実施の形態に係るレーダデータ表示の動作の一例を示すフローチャートである。

図１は、本発明の実施の形態に係る海洋レーダ装置の構成例を示すブロック図である。図１に示す海洋レーダ装置１００において、送信機１は海洋に向けてＦＭ変調を行った連続波（ＣＷ：Continuous Wave）信号を送信空中線２から送信する。受信機４は、反射した電波を受信空中線３で受信する。流れの標準観測は、観測したい海域の範囲で、方位毎に設けた複数のアンテナで方位毎に観測する。

受信機４は、複数の受信空中線３で受信した電波それぞれに送信機１の送信するＦＭ変調を行ったＣＷ信号と混合し、複数の受信空中線３に対応した複数のチャネルのビート信号を生成する。このようにして生成した複数のチャネルのビート信号は、それぞれが信号の反射点とレーダとの間の距離に対応した周波数の信号となる。受信機４では、それぞれのビート信号をＡ−Ｄ（Analogue to Digital）変換し、複数のチャネルのデジタル信号を信号処理機５に出力する。

信号処理機５は、複数のチャネルのデジタル信号を受信機４から入力して、方位分離部６では、ＤＢＦ（デジタルビームホーミング）により方位毎に分離する。さらに、距離分離部７では、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を行い、信号を周波数すなわち距離により分離する。このようにして、受信信号を、方位分離部６のＤＢＦおよび、距離分離部７のＦＦＴの分解能に応じた大きさの、方位および距離で区切られたセル毎のデータに分離する。

海洋レーダ装置１００では、受信した反射波を距離毎に分離し、各距離においてエコーの時系列を作る。この時系列のサンプリング間隔時間は、パルスレーダ方式の場合は、パルス繰り返し周期であり、ＦＭ−ＣＷ方式またはＦＭ−Ｉ−ＣＷ方式の場合は掃引時間間隔である。この時系列のデータをＦＦＴ解析して、ドップラスペクトル分布を得る。通常、観測された時系列を複数個分割し、各スペクトル解析を行い、得られたスペクトルについて平均ドップラスペクトル分布を求めて、Ｓ／Ｎ比を向上させている。この平均分布から、海象情報を抽出することになる。この、平均ドップラスペクトル分布が海洋レーダ装置１００の基本的な観測解析データである。

海洋レーダ装置１００では、第１回ＦＦＴで１掃引単位でＦＦＴ解析を行い、掃引回数個のスペクトルを得る。このスペクトルはレンジ方向のエコーのエネルギー分布を表す。距離毎の並び換えでは、掃引毎のスペクトル分布から同じ距離区分のエコーのエネルギー値を集め、掃引時間毎のエネルギーの時系列を作る。第２回ＦＦＴで時系列のＦＦＴ解析を行い、ドップラスペクトルを得る。そして、数個のスペクトル計算を行い、その平均をとる。

図２は、実施の形態に係る海洋レーダ装置の信号処理機の出力を示す図である。図２では、信号処理機５が出力するドップラスペクトルの内の、方位と距離で区切られたセルの一つについての出力を示している。図１のドップラ分離部８では、セル毎のデータに分離したデータを複数回収集し、ＦＦＴを行うことで、セル毎に海流の流速により生じたドップラスペクトルを生成する。信号処理機５は、距離と方位で区切られたセル毎の海流のドップラスペクトルとなったデータを合成処理部９に出力する。

このスペクトルから、流れのアルゴリズムで解析される流れは、アンテナの視線方向の流れの大きさである。流れのベクトルを求めるためには２つのアンテナの視線方向で観測したドップラスペクトルを必要とする。海洋レーダ観測では、距離を離して設置した２つの海洋レーダ装置１００を用いて、同じ海域を異なる方向で観測したデータから、流れのベクトルを求める。本実施の形態では、海洋レーダ装置１００毎に、観測域を航行する移動体から反射されたであろう電波から生成されるドップラスペクトルを、観測したドップラスペクトルから除去する。

図１の二次レーダ（ＳＳＲ：Secondary Surveillance Radar）１１は、発信源（質問側、Interrogater）から発した質問信号に、航空機等（応答側、Responser）に搭載された応答システム（トランスポンダ）が応答した信号を受信して、航空機等の識別符号、位置、高度および速度などの情報を得るレーダーシステムである。ＳＳＲ１１は、ＳＳＲ空中線１２で航空機の応答信号を受信し、ＳＳＲ受信機１３で航空機の識別符号、位置、高度および速度などの情報に変換する。ＳＳＲ受信機１３は、海洋レーダ装置１００の覆域を航行する移動体（航空機等）の位置と速度の情報を取得する移動体情報取得部の１つである。

ＳＳＲ１１は、変換した航空機の識別符号、位置、高度および速度などに、受信した時刻の情報を対応づけて記憶部１７に記憶する。そのとき、受信機４の動作時間範囲、すなわち前述の海洋レーダ装置１００の観測時間に、観測している方位の範囲を航行する航空機のデータを記憶部１７に記憶する。

自動船舶識別装置（ＡＩＳ：Automatic Identification System）１４は、国際ＶＨＦを利用して船舶を自動識別し、位置情報等を把握できる装置である。船舶に搭載されたＡＩＳ装置は、識別符号、船名、位置、針路、速さ、目的地などのデータを発信する。ＡＩＳ１４は、船舶のＡＩＳ装置が発信した信号をＡＩＳ空中線１５で受信し、ＡＩＳ受信機１６で識別符号、位置、針路および速さなどの情報に変換する。ＡＩＳ受信機１６は、海洋レーダ装置１００の覆域を航行する移動体（船舶）の位置と速度の情報を取得する移動体情報取得部の１つである。

ＡＩＳ１４は、変換した船舶の識別符号、位置、針路および速さなどに、受信した時刻の情報を対応づけて記憶部１７に記憶する。ＡＩＳ１４は、海洋レーダ装置１００の観測時間に観測している方位の範囲を航行する船舶のデータを記憶部１７に記憶する。

データ変換部１８は、記憶部１７に記憶されているＳＳＲ１１、ＡＩＳ１４のデータのうち、受信機４の観測時間に観測していた方位の範囲を航行していた移動体のデータを読み出す。そして、そのデータを信号処理機５のレーダ位置情報を基準としたレーダデータのフォーマットに変換し、合成処理部９に出力する。

データ変換部１８では、航空機または船舶などの移動体の位置を海洋レーダ装置１００からの距離と方位に変換して、それに対応するレーダデータのセルを特定できる。また、速度すなわち針路と速さから、海洋レーダ装置１００の視線方向のドップラ周波数に変換する。

図３は、海洋レーダ装置の信号処理機５の出力例を示す図である。図３は、信号処理機５が出力する、それぞれの距離における、ドップラスペクトルを表すものである。ドップラ周波数の正の範囲は、海洋レーダ装置１００に近づく方向の速度を、負の範囲は海洋レーダ装置１００から遠ざかる方向の速度を表す。図３では、それぞれの距離における、海流のドップラスペクトル分布が示されている。また、図３では、観測域を航行する移動体で反射された電波から生成されたドップラスペクトルが、点Ｐで示されている。

図４は、海洋レーダ装置のデータ変換部１８が変換した、移動体に対応するドップラスペクトルを示す図である。図４は、データ変換部１８が出力する、それぞれの距離における、移動体に対応するドップラスペクトルを示している。図４には、データ変換部１８で移動体の位置と速度をレーダデータのフォーマットに変換したデータが、点Ｑで示されている。

図１の合成処理部９は、図３に示されるドップラ分離部８から入力されたレーダ観測値と、図４に示されるデータ変換部１８から入力された移動体の位置と速度をレーダデータのフォーマットに変換したデータ（ドップラスペクトル）を比較し、レーダのデータの移動体の位置に該当するセルに、移動体の速度に該当するドップラスペクトルがあるか、両者の整合を確認する。移動体の位置および速度とレーダ観測値が整合し、対応するドップラスペクトルが観測したドップラスペクトルにある場合は、レーダのデータの移動体の位置に該当するセルの、移動体の速度に該当するドップラスペクトルを除去する。合成処理部９は、移動体に対応するドップラスペクトルを除去したレーダデータを表示部１０に出力する。

図５は、実施の形態に係る海洋レーダ装置において、合成処理部９が、信号処理機５の出力データからデータ変換部１８が出力する移動体に対応するドップラスペクトルを除去した結果を示す図である。図３に示される点Ｐのドップラスペクトルと、図４に示される点Ｑのドップラスペクトルが整合するので、それが除去されて図５に示される不要反射が抑圧されたデータが得られる。

なお、実際に移動体で反射される電波から生成されるドップラスペクトルは、移動体が観測時間に移動すること、移動体の大きさおよび形状、並びに、マルチパスなどの誤差によって拡がりを持っている。そこで、レーダフォーマットに変換したデータ（ドップラスペクトル）を想定されるレーダの誤差の大きさに拡大して、ドップラスペクトルから除去するとよい。

図６は、実施の形態に係る移動体情報取得の動作の一例を示すフローチャートである。ＡＩＳ１４は、船舶のＡＩＳ装置が発信した信号をＡＩＳ空中線１５で受信し、ＡＩＳ受信機１６で識別符号、位置、針路および速さなどの情報に変換する（ステップＳ１１）。海洋レーダ装置１００の観測時間に観測している方位の範囲を航行する船舶のデータがあれば（ステップＳ１２；Ｙ）、船舶の位置、針路、速さおよび時刻を記憶部１７に記憶する（ステップＳ１３）。該当するデータがなければ（ステップＳ１２；Ｎ）、データを記憶することはない。

ＳＳＲ１１は、ＳＳＲ空中線１２で航空機の応答信号を受信し、ＳＳＲ受信機１３で航空機の識別符号、位置、高度および速度などの情報に変換する（ステップＳ１４）。海洋レーダ装置１００の観測時間に観測している方位の範囲を航行する航空機のデータがあれば（ステップＳ１５；Ｙ）、航空機の位置と速度および時刻を記憶部１７に記憶する（ステップＳ１６）。該当するデータがなければ（ステップＳ１５；Ｎ）、データを記憶することはない。そして、ステップＳ１１に戻って、ＡＩＳ受信から繰り返す。

図７は、実施の形態に係るレーダデータ表示の動作の一例を示すフローチャートである。送信機１から電波を送信し、反射した電波を受信機４で受信して、複数のチャネルのデジタル信号を信号処理機５に出力する（ステップＳ２１）。信号処理機５は、方位および距離で区切られたセル毎のドップラスペクトルデータを生成する（ステップＳ２２）。

データ変換部１８は、記憶部１７から観測時間に観測していた方位の範囲を航行していた移動体のデータを読み出す（ステップＳ２３）。データ変換部１８は、セル毎に該当する移動体のデータを抽出する（ステップＳ２４）そして、そのデータを信号処理機５のレーダ位置情報を基準としたレーダからの位置と速度に対応するドップラスペクトルに変換し、合成処理部９に出力する（ステップＳ２５）。

合成処理部９は、レーダのデータ（ドップラスペクトル）に移動体に対応するドップラスペクトルがあれば（ステップＳ２６；Ｙ）、レーダのデータから移動体の位置と速度に対応するドップラスペクトルを削除する（ステップＳ２７）。そして、レーダのデータを表示する（ステップＳ２８）。

レーダのデータに移動体に対応するドップラスペクトルがなければ（ステップＳ２６；Ｎ）、レーダのデータをそのまま表示する（ステップＳ２８）。海洋レーダ装置１００は、ステップＳ２１に戻って、レーダ反射波受信から繰り返す。

以上により、本実施の形態に係る海洋レーダ装置１００では、不要な情報となる移動体に対応するドップラスペクトルを削除することで、移動体で反射する電波から海面の流れを誤って検出することを軽減させることができる。また、除去するドップラスペクトルを広めに設定することで、ドップラおよびレンジ方向に広がったとしても、影響を低減することが可能である。

なお、実施の形態では、海洋レーダ装置１００がＦＭ変調したＣＷ信号を用いる場合を想定して説明した。海洋レーダ装置１００としては、パルスレーダを使用してもよい。パルスレーダを使用する場合、送信機１はパルス信号を送信し、受信機４は反射信号を受信し、信号処理機５では、距離分離部７において、周波数の代わりに反射信号の反射時間により距離分離を行なう。その他の動作は、ＦＭ−ＣＷを用いる場合またはＦＭ−Ｉ−ＣＷを用いる場合と同様である。

１ 送信機、２ 送信空中線、３ 受信空中線、４ 受信機、５ 信号処理機、６ 方位分離部、７ 距離分離部、８ ドップラ分離部、９ 合成処理部、１０ 表示部、１１ 二次レーダ（ＳＳＲ）、１２ ＳＳＲ空中線、１３ ＳＳＲ受信機（移動体情報取得部）、１４ 自動船舶識別装置（ＡＩＳ）、１５ ＡＩＳ空中線、１６ ＡＩＳ受信機（移動体情報取得部）、１７ 記憶部、１８ データ変換部、１００ 海洋レーダ装置。

Claims (4)

1. レーダの送信機から放射されて海面で反射される電波を受信し、距離と方位で区切られたセル毎にドップラスペクトル分布として前記レーダのデータを生成する信号処理機と、
   前記レーダの覆域を航行する移動体の位置と速度の情報を取得する移動体情報取得部と、
   前記移動体情報取得部で取得した移動体の位置と速度を、前記レーダからの位置に対応した前記セルの、前記速度に対応するドップラスペクトルに変換した移動体データを生成するデータ変換部と、
   前記移動体の位置に対応した前記セルのドップラスペクトル分布から、前記移動体データのドップラスペクトルを除去して前記レーダのデータを出力する合成処理部と、
   を備える海洋レーダ装置。
2. 前記移動体情報取得部は、自動船舶識別装置を含み、該自動船舶識別装置で受信する移動体の位置と速度の情報を取得する、請求項１に記載の海洋レーダ装置。
3. 前記移動体情報取得部は、二次レーダ装置の受信機を含み、二次レーダのトランスポンダを搭載する移動体の位置と速度の情報を取得する、請求項１または２に記載の海洋レーダ装置。
4. 前記合成処理部は、前記移動体データのドップラスペクトルの幅を前記レーダの誤差の大きさに拡大して除去した前記レーダのデータを出力する、請求項１から３のいずれか１項に記載の海洋レーダ装置。

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