JP6328329B2 - 二重偏波レーダ装置及びレーダ信号処理方法 - Google Patents
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Description
一般に雨滴は、球を垂直方向に押し潰した回転楕円体に近い形状をなしている。大きな粒径の雨滴は扁平度が大きく、小さな粒径の雨滴は扁平度が小さくほぼ球形となる。このため、水平偏波と垂直偏波の双方を用いる二重偏波レーダ観測を行えば、雨滴の形状に関する情報として、粒径分布に対応する情報が得られるため、精度の高い降雨強度の計測が可能になる。
交差偏波比は、氷粒の形状や方向などの定性的な判別の指標となるものであり、ブライトバンドなどにおいて、降水粒子の中で送信偏波と直交する偏波の散乱(Zhv,Zvh)が比較的強い場合に有効なパラメータとなる。
(1)水平偏波を送信して水平偏波を受信する送受信処理である「水平偏波送信水平偏波受信」
(2)垂直偏波を送信して垂直偏波を受信する送受信処理である「垂直偏波送信垂直偏波受信」
(3)水平偏波を送信して垂直偏波を受信する送受信処理である「水平偏波送信垂直偏波受信」、あるいは、垂直偏波を送信して水平偏波を受信する送受信処理である「垂直偏波送信水平偏波受信」
なお、以下の非特許文献1には、「水平偏波送信水平偏波受信」と「垂直偏波送信垂直偏波受信」の2種類の偏波送受信処理を繰り返す場合において、ナイキスト速度が、単偏波の送受信処理等を行う場合と比べて減少しないようにするための方法が開示されている。
図1はこの発明の実施の形態1による二重偏波レーダ装置を示す構成図である。
また、図2はこの発明の実施の形態1による二重偏波レーダ装置の信号処理装置6を示す構成図であり、図3は図2の信号処理装置6のハードウェア構成図である。
図1〜3において、送受信装置1は送信機2、送受切替器3、アンテナ4及び受信機5から構成されており、下記に示す3種類の偏波送受信処理を繰り返し実施する。
(1)水平偏波を送信して水平偏波を受信する第1の送受信処理である「水平偏波送信水平偏波受信」
(2)垂直偏波を送信して垂直偏波を受信する第2の送受信処理である「垂直偏波送信垂直偏波受信」
(3)水平偏波を送信して垂直偏波を受信する第3の送受信処理である「水平偏波送信垂直偏波受信」、あるいは、垂直偏波を送信して水平偏波を受信する第4の送受信処理である「垂直偏波送信水平偏波受信」
送受切替器3は送信機2から出力された水平偏波又は垂直偏波をアンテナ4に出力し、アンテナ4により受信された水平偏波又は垂直偏波を受信機5に出力する装置である。
アンテナ4は送受切替器3から出力された水平偏波又は垂直偏波を空間に向けて放射する一方、空間に存在している雨滴等の観測対象に反射されて戻ってきた水平偏波又は垂直偏波を受信する。
受信機5はアンテナ4により受信された水平偏波又は垂直偏波の受信処理を実施し、その水平偏波又は垂直偏波の受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、デジタルの受信信号を信号処理装置6に出力する装置である。
表示装置7は例えば液晶ディスプレイなどから構成されており、信号処理装置6により算出された交差偏波比LDRやドップラー速度vハットなどを表示する装置である。
反射波強度算出部11は送受信装置1により第1の送受信処理で受信された水平偏波のデジタル受信信号から、当該水平偏波の電力値である反射波強度Vhh(第1の反射波強度)を算出するとともに、第2の送受信処理で受信された垂直偏波のデジタル受信信号から、当該垂直偏波の電力値である反射波強度Vvv(第2の反射波強度)を算出する処理を実施する。
また、反射波強度算出部11は第3の送受信処理で受信された垂直偏波のデジタル受信信号から、当該垂直偏波の電力値である反射波強度Vvh(第3の反射波強度)の算出処理、あるいは、第4の送受信処理で受信された水平偏波のデジタル受信信号から、当該水平偏波の電力値である反射波強度Vhv(第4の反射波強度)の算出処理を実施する。
さらに、反射波強度算出部11は算出したレーダ反射因子Zhh,Vvv,Zvh(またはZhv)と、レーダ反射因子差Zdrとを表示装置7に表示する処理を実施する。
また、交差偏波比算出部12は算出した交差偏波比LDRvh、あるいは、交差偏波比LDRhvを表示装置7に表示する処理を実施する。
また、速度算出部13は算出したドップラー速度vハットを表示装置7に表示する処理を実施する。
図4は信号処理装置6がコンピュータで構成される場合のハードウェア構成図である。
信号処理装置6がコンピュータで構成される場合、反射波強度算出部11、交差偏波比算出部12及び速度算出部13の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリ31に格納し、コンピュータのプロセッサ32がメモリ31に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図5はこの発明の実施の形態1による二重偏波レーダ装置の処理内容であるレーダ信号処理方法を示すフローチャートである。
図4の例では、プロセッサ32が1個の例を示しているが、コンピュータが複数のプロセッサ32を実装しているものであってもよい。
図6は送受信装置1により送受信される各偏波の間隔がTsである例を示す説明図である。
図6の例では、第1の送受信処理である「水平偏波送信水平偏波受信」が(3i−2)・Tsの時間に行われ、第2の送受信処理である「垂直偏波送信垂直偏波受信」が(3i−1)・Tsの時間に行われ、第3の送受信処理である「水平偏波送信垂直偏波受信」又は第4の送受信処理である「垂直偏波送信水平偏波受信」が3i・Tsの時間に行われている。
ただし、i=1,2,3,・・・,Iである。
Iはサンプルペア数(水平偏波送信水平偏波受信、垂直偏波送信垂直偏波受信、水平偏波送信垂直偏波受信(または垂直偏波送信水平偏波受信)それぞれのヒット数)である。
図6の例では、実施順序は、「水平偏波送信水平偏波受信」→「垂直偏波送信垂直偏波受信」→「水平偏波送信垂直偏波受信」の順番である。
この実施の形態1では、二重偏波レーダ装置の観測対象が雨滴である例を説明する。
送受切替器3は、送信機2から水平偏波又は垂直偏波を受けると、その水平偏波又は垂直偏波をアンテナ4に出力する。
アンテナ4は、送受切替器3から水平偏波又は垂直偏波を受けると、その水平偏波又は垂直偏波を空間に向けて放射する(図5のステップST1)。
アンテナ4は、水平偏波又は垂直偏波を空間に向けて放射したのち、観測対象である雨滴に反射されて戻ってきた水平偏波又は垂直偏波を受信する。
図6の例では、送信周期Tsで、水平偏波→垂直偏波→垂直偏波→水平偏波→垂直偏波→垂直偏波→・・・→水平偏波→垂直偏波→垂直偏波を受信する。
受信機5は、アンテナ4により受信された水平偏波又は垂直偏波の受信処理を実施し、その水平偏波又は垂直偏波の受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、デジタルの受信信号を信号処理装置6に出力する(ステップST2)。
以下、反射波強度算出部11による反射波強度Vhh,Vvv,Vvhの算出処理を具体的に説明する。
そのため、反射波強度算出部11が、反射波強度Vhh,Vvv,Vvhを算出する際、複数回の偏波の送信(パルスの送信)によって得られた複数のデジタル受信信号(統計的に独立な複数の受信信号)を平均化処理(積分処理)することで、後述する反射波強度の推定値のゆらぎを抑圧して反射波強度の精度を向上させることが望ましい。ただし、ここでの平均化処理の対象のデジタル受信信号は、複数回の第1の送受信処理で受信された水平偏波のデジタル受信信号同士、複数回の第2の送受信処理で受信された垂直偏波のデジタル受信信号同士であり、また、複数回の第3の送受信処理で受信された垂直偏波のデジタル受信信号同士である。
また、反射波強度算出部11は、複数回の第2の送受信処理で受信された垂直偏波のデジタル受信信号である後方散乱受信信号の電圧の合計、即ち、(n+1)番目のサンプルにおける反射波強度Vvv(n+1)を下記の式(5)のように算出する。
さらに、反射波強度算出部11は、複数回の第3の送受信処理で受信された垂直偏波のデジタル受信信号である後方散乱受信信号の電圧の合計、即ち、(n+2)番目のサンプルにおける反射波強度Vvh(n+2)を下記の式(6)のように算出する。なお、これらの反射波強度は、観測領域の方位角と距離の区分(格子)毎に算出される。
ここで、距離ri(n+1)は、一つ前の距離ri(n)にTsviだけプラスして移動したものであるため、下記の式(7)のように表される。
この積分範囲は、レーダ装置の精度等を考慮して、ユーザが任意に決定することができるが、例えば、送受信装置1により送受信される各偏波の間隔Tsと、送受信装置1による既知のビーム範囲(レーダを回転させる範囲)とから決定されることが想定される。
さらに、反射波強度算出部11は、レーダ反射因子Zhhとレーダ反射因子Zvhを交差偏波比算出部12に出力するとともに、レーダ反射因子Zhh,Zvv,Zvh及びレーダ反射因子差Zdrを表示装置7に表示する。
交差偏波比算出部12は、交差偏波比LDRvhを算出すると、その交差偏波比LDRvhを表示装置7に表示する。
即ち、速度算出部13は、反射波強度算出部11により算出された反射波強度Vhh,Vvv,Vvhから、送受信装置1により偏波が繰り返し送信される周期Tsでの各送信偏波における自己相関のラグRハット(Ts)を算出して、そのラグRハット(Ts)から送受信装置1により繰り返し送信される偏波間の位相差φハットDPを算出し、そのラグRハット(Ts)、偏波間の位相差φハットDP及びドップラー速度vハットを観測することが可能な範囲であるナイキスト速度vaから、観測対象のドップラー速度vハットを算出する。
明細書の文書中では、電子出願の関係上、“R”、“φ”の文字の上に“^”の記号を付することができないので、便宜上、“Rハット”、“φハット”のように表記している。
以下、速度算出部13によるドップラー速度vハットの算出処理を具体的に説明する。
式(10)において、Mはサンプルペア数(水平偏波送信水平偏波受信、垂直偏波送信垂直偏波受信、水平偏波送信垂直偏波受信(または垂直偏波送信水平偏波受信)それぞれのヒット数)である。
Rハットa(Ts)は、水平偏波受信時における水平偏波観点の共分散、即ち、第1の送受信処理で水平偏波が受信された時点での当該水平偏波と第2の送受信処理で受信された垂直偏波との共分散(第1の共分散)である。
Rハットb(Ts)は、垂直偏波観点の共分散、即ち、第2の送受信処理で垂直偏波が受信された時点での当該垂直偏波と第3の送受信処理で受信された垂直偏波との共分散(第2の共分散)である。
Rハットc(Ts)は、垂直偏波受信時における水平偏波観点の共分散、即ち、第3の送受信処理で垂直偏波が受信された時点での当該垂直偏波と第1の送受信処理で受信された水平偏波との共分散(第3の共分散)である。
ここで、位相である2(k0+kh)ri(n)は、0〜2πの間に一様に分布するため、式(15)のexp部分の期待値はi=lの時以外0になる。
式(16)において、ri(n)の平均を取ると、全体の距離の中間になることから、ri(n)をr0(中間の距離)とおくことができる。また、viの平均をとると、全体の速度の平均となることから、viをv(平均速度)とおくことができる。
また、前提として、水平偏波と垂直偏波のドップラシフト量は変わらないと仮定しているため、−2(k0+kh)Tsv=ψdである。
以上より、Rハットa(Ts)は、下記の式(18)のように表される。
式(19)に示すRハットb(Ts)は、
φDP=2(kh−kv)r0,ψd=−2(k0+kv)Tsv,ψd=−2(k0+kh)Tsvより、下記の式(20)のように表される。
式(21)に示すRハットc(Ts)は、
φDP=2(kh−kv)r0,ψd=−2(k0+kh)Tsvより、下記の式(22)のように表される。
ように表記している。
図7に示すように、Rハットaと、Rハットa+RハットbまたはRハットa+Rハットcとの位相差は、φDPであり、Rハットa+RハットbまたはRハットa+Rハットcと、RハットbまたはRハットcとの位相差は、φDP/2である。
また、Rハットa+Rハットb,Rハットa+Rハットcの位相は、ψdである。
即ち、送受信装置1により繰り返し送信される偏波間の位相差φハットDPは、下記の式(23)のように表される。
ここでは、速度算出部13が、送受信装置1により繰り返し送信される偏波間の位相差φハットDPとして、Rハットa(Ts)とRハットb(Ts)との偏角の2/3倍、または、Rハットa(Ts)とRハットc(Ts)との偏角の2/3倍を算出する例を示したが、送受信装置1により繰り返し送信される偏波間の位相差φハットDPとして、下記の式(24)に示すように、Rハットa(Ts)とRハットb(Ts)との偏角の2/3倍と、Rハットa(Ts)とRハットc(Ts)との偏角の2/3倍との平均を算出するようにしてもよい。
ここで、式(25)は、単偏波の送受信処理や、複数の偏波の同時送信同時受信の送受信処理を行う場合のドップラー速度vハットの算出式と同様であり、ドップラー速度vハットを観測することが可能な範囲であるナイキスト速度vaが、単偏波の送受信処理や、複数の偏波の同時送信同時受信処理を行う場合と同等のナイキスト速度まで回復している。
したがって、3種類の偏波送受信処理を繰り返す場合でも、単偏波の送受信処理や、複数の偏波の同時送信同時受信処理を行う場合と同等のナイキスト速度で、観測対象のドップラー速度vハットを算出することができる。
この場合、反射波強度算出部11は、複数回の第3の送受信処理で受信された垂直偏波のデジタル受信信号である後方散乱受信信号の電圧の合計、即ち、(n+2)番目のサンプルにおける反射波強度Vvh(n+2)を算出する代わりに、複数回の第4の送受信処理で受信された水平偏波のデジタル受信信号である後方散乱受信信号の電圧の合計、即ち、下記の式(26)に示すように、(n+2)番目のサンプルにおける反射波強度Vhv(n+2)を算出する。
この積分範囲は、レーダ装置の精度等を考慮して、ユーザが任意に決定することができるが、例えば、送受信装置1により送受信される各偏波の間隔Tsと、送受信装置1による既知のビーム範囲(レーダを回転させる範囲)とから決定されることが想定される。
さらに、反射波強度算出部11は、レーダ反射因子Zvvとレーダ反射因子Zhvを交差偏波比算出部12に出力するとともに、レーダ反射因子Zhh,Zvv,Zhv及びレーダ反射因子差Zdrを表示装置7に表示する。
交差偏波比算出部12は、交差偏波比LDRvhを算出すると、その交差偏波比LDRvhを表示装置7に表示する。
即ち、速度算出部13は、反射波強度算出部11により算出された反射波強度Vhh,Vvv,Vhvから、送受信装置1により偏波が繰り返し送信される周期Tsでの各送信偏波における自己相関のラグRハット(Ts)を算出して、そのラグRハット(Ts)から送受信装置1により繰り返し送信される偏波間の位相差φハットDPを算出し、そのラグRハット(Ts)、偏波間の位相差φハットDP及びナイキスト速度vaから、観測対象のドップラー速度vハットを算出する。
反射波強度算出部11により算出された反射波強度を用いて、ドップラー速度vハットを算出する場合、偏波の交互送信における自己相関の推定法(パルスペア法)では、ラグRハット(Ts)は、下記の式(28)のように表される。
Rハットc(Ts)は、水平偏波受信時における垂直偏波観点の共分散、即ち、第4の送受信処理で水平偏波が受信された時点での当該水平偏波と第1の送受信処理で受信された水平偏波との共分散(第4の共分散)である。
式(30)に示すRハットc(Ts)は、
φDP=2(kh−kv)r0,ψd=−2(k0+kh)Tsvより、下記の式(31)のように表される。
以降の速度算出部13の処理内容は、第3の送受信処理である「水平偏波送信垂直偏波受信」を実施する場合と同様である。
上記実施の形態1では、送受信装置1が、第3の送受信処理である「水平偏波送信垂直偏波受信」又は第4の送受信処理である「垂直偏波送信水平偏波受信」のいずれかを実施するものを示したが、第3の送受信処理である「水平偏波送信垂直偏波受信」と、第4の送受信処理である「垂直偏波送信水平偏波受信」との双方を実施することで、4種類の偏波送受信処理を繰り返すようにしてもよい。
図8の例では、第1の送受信処理である「水平偏波送信水平偏波受信」が(4i−3)・Tsの時間に行われ、第3の送受信処理である「水平偏波送信垂直偏波受信」が(4i−2)・Tsの時間に行われ、第2の送受信処理である「垂直偏波送信垂直偏波受信」が(4i−1)・Tsの時間に行われ、第4の送受信処理である「垂直偏波送信水平偏波受信」が4i・Tsの時間に行われている。
ただし、i=1,2,3,・・・,Iである。
Iはサンプルペア数(水平偏波送信水平偏波受信、垂直偏波送信垂直偏波受信、水平偏波送信垂直偏波受信、垂直偏波送信水平偏波受信それぞれのヒット数)である。
即ち、図8の例では、実施順序は、「水平偏波送信水平偏波受信」→「水平偏波送信垂直偏波受信」→「垂直偏波送信垂直偏波受信」→「垂直偏波送信水平偏波受信」の順番である。
この実施の形態2による二重偏波レーダ装置の構成図は、上記実施の形態1による二重偏波レーダ装置と同様に図1である。
次に動作について説明する。
送受切替器3は、送信機2から水平偏波又は垂直偏波を受けると、その水平偏波又は垂直偏波をアンテナ4に出力する。
アンテナ4は、送受切替器3から水平偏波又は垂直偏波を受けると、その水平偏波又は垂直偏波を空間に向けて放射する。
アンテナ4は、水平偏波又は垂直偏波を空間に向けて放射したのち、観測対象である雨滴に反射されて戻ってきた水平偏波又は垂直偏波を受信する。
図8の例では、送信周期Tsで、水平偏波→垂直偏波→垂直偏波→水平偏波→水平偏波→垂直偏波→垂直偏波→水平偏波→・・・→水平偏波→垂直偏波→垂直偏波→水平偏波を受信する。
受信機5は、アンテナ4により受信された水平偏波又は垂直偏波の受信処理を実施し、その水平偏波又は垂直偏波の受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、デジタルの受信信号を信号処理装置6に出力する。
また、第2の送受信処理で受信された垂直偏波のデジタル受信信号から、当該垂直偏波の電力値である反射波強度Vvvを算出するとともに、第4の送受信処理で受信された水平偏波のデジタル受信信号から、当該水平偏波の電力値である反射波強度Vhvを算出する。
以下、反射波強度算出部11による反射波強度Vhh,Vvh,Vvv,Vhvの算出処理を具体的に説明する。
また、反射波強度算出部11は、複数回の第3の送受信処理で受信された垂直偏波のデジタル受信信号である後方散乱受信信号の電圧の合計、即ち、(n+1)番目のサンプルにおける反射波強度Vvh(n+1)を下記の式(33)のように算出する。
反射波強度算出部11は、複数回の第2の送受信処理で受信された垂直偏波のデジタル受信信号である後方散乱受信信号の電圧の合計、即ち、(n+2)番目のサンプルにおける反射波強度Vvv(n+2)を下記の式(34)のように算出する。
さらに、反射波強度算出部11は、複数回の第4の送受信処理で受信された水平偏波のデジタル受信信号である後方散乱受信信号の電圧の合計、即ち、(n+3)番目のサンプルにおける反射波強度Vhv(n+3)を下記の式(35)のように算出する。なお、これらの反射波強度は、観測領域の方位角と距離の区分(格子)毎に算出される。
この積分範囲は、レーダ装置の精度等を考慮して、ユーザが任意に決定することができるが、例えば、送受信装置1により送受信される各偏波の間隔Tsと、送受信装置1による既知のビーム範囲(レーダを回転させる範囲)とから決定されることが想定される。
さらに、反射波強度算出部11は、レーダ反射因子Zhh,Zvh,Zvv,Zhvを交差偏波比算出部12に出力するとともに、レーダ反射因子Zhh,Zvh,Zvv,Zhv及びレーダ反射因子差Zdrを表示装置7に表示する。
また、交差偏波比算出部12は、そのレーダ反射因子Zvvとレーダ反射因子Zhvを下記の式(37)に代入することで、交差偏波比LDRhvを算出する。
交差偏波比算出部12は、交差偏波比LDRvh,LDRhvを算出すると、その交差偏波比LDRvh,LDRhvを表示装置7に表示する。
即ち、速度算出部13は、反射波強度算出部11により算出された反射波強度Vhh(n),Vvh(n+1),Vvv(n+2),Vhv(n+3)から、送受信装置1により偏波が繰り返し送信される周期Tsでの各送信偏波における自己相関のラグRハット(Ts)を算出して、そのラグRハット(Ts)から送受信装置1により繰り返し送信される偏波間の位相差φハットDPを算出し、そのラグRハット(Ts)、偏波間の位相差φハットDP及びナイキスト速度vaから、観測対象のドップラー速度vハットを算出する。
反射波強度算出部11により算出された反射波強度を用いて、ドップラー速度vハットを算出する場合、偏波の交互送信における自己相関の推定法(パルスペア法)では、ラグRハット(Ts)は、下記の式(38)のように表される。
Rハットa(Ts)は、第1の送受信処理で水平偏波が受信された時点での当該水平偏波と第3の送受信処理で受信された垂直偏波との共分散(第1の共分散)である。
Rハットb(Ts)は、第3の送受信処理で垂直偏波が受信された時点での当該垂直偏波と第2の送受信処理で受信された垂直偏波との共分散(第2の共分散)である。
Rハットc(Ts)は、第2の送受信処理で垂直偏波が受信された時点での当該垂直偏波と第4の送受信処理で受信された水平偏波との共分散(第3の共分散)である。
Rハットd(Ts)は、第4の送受信処理で水平偏波が受信された時点での当該水平偏波と第1の送受信処理で受信された水平偏波との共分散(第4の共分散)である。
式(44)に示すRハットa(Ts)は、
φDP=2(kh−kv)r0,ψd=−2(k0+kh)Tsv=−2(k0+kv)Tsvより、下記の式(45)のように表される。
式(46)に示すRハットb(Ts)は、
φDP=2(kh−kv)r0,ψd=−2(k0+kh)Tsvより、下記の式(47)のように表される。
式(48)に示すRハットc(Ts)は、
φDP=2(kh−kv)r0,ψd=−2(k0+kh)Tsv=−2(k0+kv)Tsvより、下記の式(49)のように表される。
式(50)に示すRハットd(Ts)は、
φDP=2(kh−kv)r0,ψd=−2(k0+kh)Tsv=−2(k0+kv)Tsvより、下記の式(51)のように表される。
図9に示すように、RハットaまたはRハットbと、Rハットa(またはRハットb)+Rハットc(またはRハットd)との位相差は、φDP/2であり、RハットcまたはRハットdと、Rハットa(またはRハットb)+Rハットc(またはRハットd)との位相差は、φDP/2である。
また、Rハットa(またはRハットb)+Rハットc(またはRハットd)の位相は、ψdである。
即ち、送受信装置1により繰り返し送信される偏波間の位相差φハットDPは、下記の式(52)のように表される。
ここでは、速度算出部13が、送受信装置1により繰り返し送信される偏波間の位相差φDPとして、Rハットa(Ts)とRハットc(Ts)との偏角、Rハットa(Ts)とRハットd(Ts)との偏角、Rハットb(Ts)とRハットc(Ts)との偏角、または、Rハットb(Ts)とRハットd(Ts)との偏角を算出する例を示したが、送受信装置1により繰り返し送信される偏波間の位相差φDPとして、下記の式(53)に示すように、Rハットa(Ts)とRハットc(Ts)との偏角と、Rハットa(Ts)とRハットd(Ts)との偏角と、Rハットb(Ts)とRハットc(Ts)との偏角と、Rハットb(Ts)とRハットd(Ts)との偏角との平均を算出するようにしてもよい。
ここで、式(54)は、単偏波の送受信処理や、複数の偏波の同時送信同時受信処理を行う場合のドップラー速度vハットの算出式と同様であり、ドップラー速度vハットを観測することが可能な範囲であるナイキスト速度vaが、単偏波の送受信処理や、複数の偏波の同時送信同時受信処理を行う場合と同等のナイキスト速度まで回復している。
したがって、4種類の偏波送受信処理を繰り返す場合でも、単偏波の送受信処理や、複数の偏波の同時送信同時受信処理を行う場合と同等のナイキスト速度vaで、観測対象のドップラー速度vハットを算出することができる。
なお、Rハットa(Ts)の代わりに、Rハットb(Ts)、Rハットc(Ts)又はRハットd(Ts)を式(54)に代入することで、ドップラー速度vハットを算出するようにしてもよい。
図10はこの発明の実施の形態3による二重偏波レーダ装置の信号処理装置6を示す構成図であり、図10において、図2と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
また、図11は図10の信号処理装置6のハードウェア構成図であり、図11において、図3と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
有効無効判定部14は例えばCPUを実装している半導体処理回路あるいはワンチップマイコンなどから構成されている有効無効判定処理回路26から実現されるものであり、反射波強度算出部11により算出されたレーダ反射因子Zvh(またはレーダ反射因子Zhv)が事前に設定された閾値Th以上であれば、そのレーダ反射因子Zvh(またはレーダ反射因子Zhv)が有効であると判定し、そのレーダ反射因子Zvh(またはレーダ反射因子Zhv)が閾値Th未満であれば、そのレーダ反射因子Zvh(またはレーダ反射因子Zhv)が無効であると判定する処理を実施する。
この実施の形態3では、閾値Thとしては、所定のノイズレベルから規定レベルだけ上の値が設定されるものを想定しているが、ユーザが任意に設定することができる。また、規定レベルは、レーダ装置の性能などから任意に決定される。
また、交差偏波比算出部15は有効無効判定部14により無効であると判定されれば、交差偏波比LDRvh,LDRvhの算出処理を実行しない。
また、速度算出部16は有効無効判定部14により無効であると判定されれば、例えば、非特許文献1に記載されているレーダ装置と同様に、反射波強度Vhhと、反射波強度Vvvとから、観測対象のドップラー速度vハットを算出する処理を実施する。
信号処理装置6がコンピュータで構成される場合、反射波強度算出部11、有効無効判定部14、交差偏波比算出部15及び速度算出部16の処理内容を記述しているプログラムを図4に示すコンピュータのメモリ31に格納し、そのコンピュータのプロセッサ32がメモリ31に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
上記実施の形態1では、交差偏波比算出部12が、常に、レーダ反射因子Zhhとレーダ反射因子Zvhとの比である交差偏波比LDRvh、あるいは、レーダ反射因子Zvvとレーダ反射因子Zhvとの比である交差偏波比LDRhvを算出するものを示したが、交差偏波の電力が低く、信号として不確かである場合には、交差偏波比LDRvhや交差偏波比LDRhvを高精度に算出することができない。
そこで、この実施の形態3では、交差偏波比LDRvhや交差偏波比LDRhvを高精度に算出することができる状況下にある場合だけ、交差偏波比LDRvhまたは交差偏波比LDRhvを算出するようにする。
具体的には、以下の通りである。
有効無効判定部14は、そのレーダ反射因子Zvh(またはレーダ反射因子Zhv)が閾値Th以上であれば、交差偏波の電力が高く、信号として確かであるため、そのレーダ反射因子Zvh(またはレーダ反射因子Zhv)が有効であると判定する。
一方、そのレーダ反射因子Zvh(またはレーダ反射因子Zhv)が閾値Th未満であれば、交差偏波の電力が低く、信号として不確かであるため、そのレーダ反射因子Zvh(またはレーダ反射因子Zhv)が無効であると判定する。
また、交差偏波比算出部15は、図2の交差偏波比算出部12と同様に、その算出した交差偏波比LDRvh、あるいは、交差偏波比LDRhvを表示装置7に表示する。
交差偏波比算出部15は、有効無効判定部14により無効であると判定されれば、交差偏波比LDRvh,LDRvhの算出処理を実行しない。
速度算出部16は、有効無効判定部14により無効であると判定されれば、例えば、非特許文献1に記載されているレーダ装置と同様に、2種類の偏波送受信処理で得られた反射波強度Vhhと反射波強度Vvvとから、観測対象のドップラー速度vハットを算出し、そのドップラー速度vハットを表示装置7に表示する。
Claims (8)
- 水平偏波を送信して水平偏波を受信する第1の送受信処理と、垂直偏波を送信して垂直偏波を受信する第2の送受信処理と、水平偏波を送信して垂直偏波を受信する第3の送受信処理又は垂直偏波を送信して水平偏波を受信する第4の送受信処理とを順番に繰り返し実施する送受信装置と、
前記送受信装置により前記第1の送受信処理で受信された水平偏波から、当該水平偏波の電力値である第1の反射波強度を算出し、前記第2の送受信処理で受信された垂直偏波から、当該垂直偏波の電力値である第2の反射波強度を算出し、前記第3の送受信処理で受信された垂直偏波から、当該垂直偏波の電力値である第3の反射波強度又は前記第4の送受信処理で受信された水平偏波から、当該水平偏波の電力値である第4の反射波強度を算出する反射波強度算出部と、
前記反射波強度算出部により算出された前記第1の反射波強度と前記第3の反射波強度との比、あるいは、前記第2の反射波強度と前記第4の反射波強度との比である交差偏波比を算出する交差偏波比算出部と、
前記反射波強度算出部により算出された前記第1の反射波強度と、前記第2の反射波強度と、前記第3の反射波強度又は前記第4の反射波強度とから、前記送受信装置により偏波が繰り返し送信される周期での各送信偏波における自己相関のラグを算出して、前記ラグから前記送受信装置により繰り返し送信される偏波間の位相差を算出し、前記ラグ、前記偏波間の位相差及びドップラー速度を観測することが可能な範囲であるナイキスト速度から、偏波を反射している観測対象のドップラー速度を算出する速度算出部と、
を備えた二重偏波レーダ装置。 - 前記速度算出部は、
前記ラグから、前記送受信装置により前記第1の送受信処理で水平偏波が受信された時点での当該水平偏波と前記第2の送受信処理で受信された垂直偏波との共分散である第1の共分散と、前記第2の送受信処理で垂直偏波が受信された時点での当該垂直偏波と前記第3の送受信処理で受信された垂直偏波又は前記第4の送受信処理で受信された水平偏波との共分散である第2の共分散と、前記第3の送受信処理で垂直偏波が受信された時点での当該垂直偏波又は前記第4の送受信処理で水平偏波が受信された時点での当該水平偏波と前記第1の送受信処理で受信された水平偏波との共分散である第3の共分散とを特定し、
前記送受信装置により繰り返し送信される偏波間の位相差として、前記第1の共分散と前記第2の共分散との偏角の3分の2倍、または、前記第1の共分散と前記第3の共分散との偏角の3分の2倍を算出することを特徴とする請求項1記載の二重偏波レーダ装置。 - 前記速度算出部は、
前記ラグから、前記送受信装置により前記第1の送受信処理で水平偏波が受信された時点での当該水平偏波と前記第2の送受信処理で受信された垂直偏波との共分散である第1の共分散と、前記第2の送受信処理で垂直偏波が受信された時点での当該垂直偏波と前記第3の送受信処理で受信された垂直偏波又は前記第4の送受信処理で受信された水平偏波との共分散である第2の共分散と、前記第3の送受信処理で垂直偏波が受信された時点での当該垂直偏波又は前記第4の送受信処理で水平偏波が受信された時点での当該水平偏波と前記第1の送受信処理で受信された水平偏波との共分散である第3の共分散とを特定し、
前記送受信装置により繰り返し送信される偏波間の位相差として、前記第1の共分散と前記第2の共分散との偏角の3分の2倍と、前記第1の共分散と前記第3の共分散との偏角の3分の2倍との平均を算出することを特徴とする請求項1記載の二重偏波レーダ装置。 - 水平偏波を送信して水平偏波を受信する第1の送受信処理と、水平偏波を送信して垂直偏波を受信する第3の送受信処理と、垂直偏波を送信して垂直偏波を受信する第2の送受信処理と、垂直偏波を送信して水平偏波を受信する第4の送受信処理とを順番に繰り返し実施する送受信装置と、
前記送受信装置により前記第1の送受信処理で受信された水平偏波から、当該水平偏波の電力値である第1の反射波強度を算出し、前記第2の送受信処理で受信された垂直偏波から、当該垂直偏波の電力値である第2の反射波強度を算出し、前記第3の送受信処理で受信された垂直偏波から、当該垂直偏波の電力値である第3の反射波強度を算出し、前記第4の送受信処理で受信された水平偏波から、当該水平偏波の電力値である第4の反射波強度を算出する反射波強度算出部と、
前記反射波強度算出部により算出された前記第1の反射波強度と前記第3の反射波強度との比、あるいは、前記第2の反射波強度と前記第4の反射波強度との比である交差偏波比を算出する交差偏波比算出部と、
前記反射波強度算出部により算出された前記第1の反射波強度と、前記第2の反射波強度と、前記第3の反射波強度と、前記第4の反射波強度とから、前記送受信装置により偏波が繰り返し送信される周期での各送信偏波における自己相関のラグを算出して、前記ラグから前記送受信装置により繰り返し送信される偏波間の位相差を算出し、前記ラグ、前記偏波間の位相差及びドップラー速度を観測することが可能な範囲であるナイキスト速度から、偏波を反射している観測対象のドップラー速度を算出する速度算出部と、
を備えた二重偏波レーダ装置。 - 前記速度算出部は、
前記ラグから、前記第1の送受信処理で水平偏波が受信された時点での当該水平偏波と前記第3の送受信処理で受信された垂直偏波との共分散である第1の共分散と、前記第3の送受信処理で垂直偏波が受信された時点での当該垂直偏波と前記第2の送受信処理で受信された垂直偏波との共分散である第2の共分散と、前記第2の送受信処理で垂直偏波が受信された時点での当該垂直偏波と前記第4の送受信処理で受信された水平偏波との共分散である第3の共分散と、前記第4の送受信処理で水平偏波が受信された時点での当該水平偏波と前記第1の送受信処理で受信された水平偏波との共分散である第4の共分散とを特定し、
前記送受信装置により繰り返し送信される偏波間の位相差として、前記第1の共分散と前記第3の共分散との偏角、前記第1の共分散と前記第4の共分散との偏角、前記第2の共分散と前記第3の共分散との偏角、または、前記第2の共分散と前記第4の共分散との偏角を算出することを特徴とする請求項4記載の二重偏波レーダ装置。 - 前記速度算出部は、
前記ラグから、前記第1の送受信処理で水平偏波が受信された時点での当該水平偏波と前記第3の送受信処理で受信された垂直偏波との共分散である第1の共分散と、前記第3の送受信処理で垂直偏波が受信された時点での当該垂直偏波と前記第2の送受信処理で受信された垂直偏波との共分散である第2の共分散と、前記第2の送受信処理で垂直偏波が受信された時点での当該垂直偏波と前記第4の送受信処理で受信された水平偏波との共分散である第3の共分散と、前記第4の送受信処理で水平偏波が受信された時点での当該水平偏波と前記第1の送受信処理で受信された水平偏波との共分散である第4の共分散とを特定し、
前記送受信装置により繰り返し送信される偏波間の位相差として、前記第1の共分散と前記第3の共分散との偏角と、前記第1の共分散と前記第4の共分散との偏角と、前記第2の共分散と前記第3の共分散との偏角と、前記第2の共分散と前記第4の共分散との偏角との平均を算出することを特徴とする請求項4記載の二重偏波レーダ装置。
- 送受信装置が、水平偏波を送信して水平偏波を受信する第1の送受信処理と、垂直偏波を送信して垂直偏波を受信する第2の送受信処理と、水平偏波を送信して垂直偏波を受信する第3の送受信処理又は垂直偏波を送信して水平偏波を受信する第4の送受信処理とを順番に繰り返し実施し、
反射波強度算出部が、前記送受信装置により前記第1の送受信処理で受信された水平偏波から、当該水平偏波の電力値である第1の反射波強度を算出し、前記第2の送受信処理で受信された垂直偏波から、当該垂直偏波の電力値である第2の反射波強度を算出し、前記第3の送受信処理で受信された垂直偏波から、当該垂直偏波の電力値である第3の反射波強度又は前記第4の送受信処理で受信された水平偏波から、当該水平偏波の電力値である第4の反射波強度を算出し、
交差偏波比算出部が、前記反射波強度算出部により算出された前記第1の反射波強度と前記第3の反射波強度との比、あるいは、前記第2の反射波強度と前記第4の反射波強度との比である交差偏波比を算出し、
速度算出部が、前記反射波強度算出部により算出された前記第1の反射波強度と、前記第2の反射波強度と、前記第3の反射波強度又は前記第4の反射波強度とから、前記送受信装置により偏波が繰り返し送信される周期での各送信偏波における自己相関のラグを算出して、前記ラグから前記送受信装置により繰り返し送信される偏波間の位相差を算出し、前記ラグ、前記偏波間の位相差及びドップラー速度を観測することが可能な範囲であるナイキスト速度から、偏波を反射している観測対象のドップラー速度を算出する
レーダ信号処理方法。 - 送受信装置が、水平偏波を送信して水平偏波を受信する第1の送受信処理と、水平偏波を送信して垂直偏波を受信する第3の送受信処理と、垂直偏波を送信して垂直偏波を受信する第2の送受信処理と、垂直偏波を送信して水平偏波を受信する第4の送受信処理とを順番に繰り返し実施し、
反射波強度算出部が、前記送受信装置により前記第1の送受信処理で受信された水平偏波から、当該水平偏波の電力値である第1の反射波強度を算出し、前記第2の送受信処理で受信された垂直偏波から、当該垂直偏波の電力値である第2の反射波強度を算出し、前記第3の送受信処理で受信された垂直偏波から、当該垂直偏波の電力値である第3の反射波強度を算出し、前記第4の送受信処理で受信された水平偏波から、当該水平偏波の電力値である第4の反射波強度を算出し、
交差偏波比算出部が、前記反射波強度算出部により算出された前記第1の反射波強度と前記第3の反射波強度との比、あるいは、前記第2の反射波強度と前記第4の反射波強度との比である交差偏波比を算出し、
速度算出部が、前記反射波強度算出部により算出された前記第1の反射波強度と、前記第2の反射波強度と、前記第3の反射波強度と、前記第4の反射波強度とから、前記送受信装置により偏波が繰り返し送信される周期での各送信偏波における自己相関のラグを算出して、前記ラグから前記送受信装置により繰り返し送信される偏波間の位相差を算出し、前記ラグ、前記偏波間の位相差及びドップラー速度を観測することが可能な範囲であるナイキスト速度から、偏波を反射している観測対象のドップラー速度を算出する
レーダ信号処理方法。
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