JP6695513B1 - 信号処理装置及び信号処理方法 - Google Patents

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Abstract

パルス波動が繰り返し空間に送信され、反射された前記パルス波動の反射波の受信信号、前記受信信号から導出されたドップラスペクトル、前記ドップラスペクトルから地形エコーを除去した地形エコー除去後スペクトルから気象パラメータのうち、気象エコーと地形エコーとで挙動が異なるものを用いて第１の気象エコー領域を求め、前記気象パラメータのうち、挙動がドップラ速度に非依存のものを用いて第２の気象エコー領域を求める、又は、前記気象パラメータを用いてドップラ速度ゼロの気象エコー領域を求め、前記第１の気象エコー領域と前記第２の気象エコー領域とから、又は、前記第１の気象エコー領域と前記ドップラ速度ゼロの気象エコー領域とから、気象エコー領域を決定する。このようにして、地形エコー除去処理により減衰、すなわち、誤って抑圧したゼロドップラの気象エコーを復元することが容易な信号処理装置及び信号処理方法を得る。

Description

この発明は、減衰したゼロドップラの気象エコーを復元することが容易な信号処理装置及び信号処理方法に関するものである。
従来、遠隔に存在する目標や物体の距離及び速度を計測し、不要波を除去し、目標物を精度良く計測するものとして、電磁波や音波などの波動を用いた観測装置（計測装置）がある。このような観測装置（計測装置）においては、レーダ装置、ライダー（光波レーダ）装置、ソーダ（音波レーダ）装置などを使ったパルスドップラの技術が知られている。パルスドップラの技術には、基本掃引周期外（距離計測範囲の外）エコーを使用するもの又は除去するものがある。また、パルスドップラの技術は、目標物を降水粒子（雨粒）とする気象レーダ装置などの観測装置（計測装置）にも使用されている。以降は、気象レーダ装置（特に、パルスドップラレーダ装置）を観測装置の例として説明を行なうが、本願に係る信号処理装置及び信号処理方法は、電磁波を用いた気象レーダ装置への適用に限らず、気象を観測する観測装置に適用できるものである。
気象レーダ装置は、空間にパルス状の電磁波を放射するとともに、空間内の目標物である気象粒子（降水粒子）で散乱された反射波を受信し、受信信号に信号処理を施すことにより、対象の位置や、強度（電力）、ドップラ速度、スペクトル幅等を計測するものとして知られている。気象レーダにおいては、３次元空間を高速かつ高密度に計測する要求があるが、水平に近い仰角で計測すると、多かれ少なかれ地面や山、建造物等からの反射である地形エコー（グランドクラッタとも呼ばれる）が受信される。また、計測する仰角がある程度大きい場合でも、ビームのサイドローブによって近距離の地形エコーが捉えられることがある。
このように、気象レーダ装置においては、仰角が、ある程度大きい場合でもサイドローブが近距離の地形に捉えられることがある。地形エコーが混入するとドップラスペクトル上には地形と降水による二つのピークが出現し、地形エコーは降水（気象エコー）のドップラ速度を見かけ上ゼロ方向にシフトさせるだけでなく、一般に突出した電力を持つことから強度（電力）すなわち雨量強度も過大評価させる。そのため、地形エコーを除去する必要がある。地形エコーを除去する処理は、一般に、ＭＴＩ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）と呼ばれる。
ＭＴＩの手法としては、地形エコーの信号はドップラ速度がゼロ付近の低周波域に集中している性質を利用し、時系列位相差信号の低周波ろ過フィルタを用いて除去する手法がある。また、ドップラスペクトル上でドップラ速度ゼロ付近を除去し、さらに、その除去域を周辺の信号で補間することで地形エコーとともに抑圧されたドップラ速度ゼロ付近の気象エコーの回復を図る手法などが一般に知られている。
全レンジセルに対して、ＭＴＩを行うと少なからず気象エコーも減衰させてしまう場合がある。このような場合に対して、クラッタマップと呼ばれる予め地形エコーの位置（レンジセル）を記録したマップを用いて、地形エコーの位置にのみＭＴＩを適用する方式がある。また、特定地点と非特定地点とのいずれであるかを判定して補正値を使う方式（例えば、特許文献１参照）もある。しかし、クラッタマップや特定地点で対処できるのは通常の電波伝搬による位置が不変の地形エコーのみであり、ＡＰ（Ａｎｏｍａｌｏｕｓ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）クラッタと呼ばれる大気条件によって出現位置が変わる異常伝搬による地形エコーには対処ができない。
ＡＰクラッタにも対処できる手法としては、受信強度の空間的な変動量（テクスチャと呼ばれる）が、地形エコーは気象エコーよりも大きい性質や、地形エコーの信号の位相の積み上がり方（ばらつき）が気象エコーの位相の積み上がり方に比べて大きい性質などを利用する方式がある（例えば、非特許文献１参照）。この方式では、観測ごとに対象とするレンジセルが地形エコーであるか否かを判定し、地形エコーである場合に限りＭＴＩを適用することで気象エコーの減衰を低減している。このような動的にＭＴＩを適用するか否かを判定する方法でも、気象エコーが地形エコーのようにドップラ速度がゼロ付近で、かつ、スペクトル幅が狭い場合（Ｚｅｒｏ−Ｉｓｏｄｏｐと呼ばれる）には誤って抑圧する場合がある。
気象エコーが地形エコーのようにドップラ速度がゼロ付近で、かつ、スペクトル幅が狭い場合に誤って抑圧することを避ける方式としては、二つの異なる時刻で観測したドップラ速度がゼロ付近の領域（以降、ゼロドップラ領域と称する）の時間的な動きを利用してゼロドップラ領域を特定し、ゼロドップラ領域の気象エコー減衰を抑止するものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開２０１７−６７５０４号公報 特開２０１１−１１２３７３号公報
Ｊ．Ｃ．Ｈｕｂｂｅｒｔ，Ｍ．Ｄｉｘｏｎ，ａｎｄ Ｓ．Ｍ．Ｅｌｌｉｓ，Ｗｅａｔｈｅｒ Ｒａｄａｒ Ｇｒｏｕｎｄ Ｃｌｕｔｔｅｒ．Ｐａｒｔ ＩＩ：Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，Ｊ．Ａｔｍｏｓ．Ｏｃｅａｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌ．，２６，１１８１−１１９７，２００９．
しかし、特許文献２に開示される方法は、２時刻の間でゼロドップラ領域に変動がなければゼロドップラ領域を特定できず、地形エコー除去処理によりゼロドップラが減衰してしまうという課題があった。
この発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、地形エコー除去処理により減衰したゼロドップラの気象エコーを復元することが容易な信号処理装置及び信号処理方法に関するものである。
この発明に係る信号処理装置及び信号処理方法は、パルス波動が繰り返し空間に送信され、反射された前記パルス波動の反射波の受信信号、前記受信信号から導出されたドップラスペクトル、前記ドップラスペクトルから地形エコーを除去した地形エコー除去後スペクトルから求められた気象パラメータを用いたものにおいて、前記気象パラメータのうち、気象エコーと地形エコーとで挙動が異なるものを用いて第１の気象エコー領域を求め、前記気象パラメータのうち、挙動がドップラ速度に非依存のものを用いて第２の気象エコー領域を求め、前記第１の気象エコー領域と前記第２の気象エコー領域とを合わせた領域を気象エコー領域と決定することを特徴とするものである。
以上のように、この発明によれば、気象パラメータの特性を利用して、気象エコー領域を決定することで、地形エコー除去処理により減衰、すなわち、誤って抑圧したゼロドップラの気象エコーを復元すること、すなわち、誤って抑圧させないことが容易な信号処理装置及び信号処理方法を得ることができる。
この発明の実施の形態１及び２に係る信号処理装置の機能ブロック図である。 この発明の実施の形態１から３に係る信号処理装置及び信号処理方法が適用された観測装置の観測領域の一例を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る信号処理方法のフローチャートである。 この発明の実施の形態１から３に係る信号処理装置及び信号処理方法におけるエコー類別の一例を示す模式図である。 この発明の実施の形態２に係る信号処理方法のフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係る信号処理装置の機能ブロック図である。 この発明の実施の形態３に係る信号処理方法のフローチャートである。 この発明の実施の形態１から３に係る信号処理装置の機能ブロック図である。
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る信号処理装置及び信号処理方法については図１から図４を用いて説明する。特に、実施の形態１に係る信号処理方法については図３を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係る信号処理装置を適用した気象レーダ装置（観測装置、計測装置）の機能ブロック図である。図１とは異なる機能ブロックの構成でも本願は実施できる。つまり、図１に示すものは、一例のブロック構成である。本願の図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する場合がある。
図１において、実施の形態１に係る信号処理装置を適用した気象レーダ装置は、送信部１、送受切替部２、空中線部３（アンテナ部３）、受信部４、信号処理部５（信号処理部５は、本願に係る信号処理装置に相当）を備えている。これらが、実施の形態１に係る気象レーダ装置といえる。換言すると、実施の形態１に係る観測装置（計測装置）は、送信部１、送受切替部２、空中線部３（アンテナ部３）又は光スキャナ部３或いは音波スピーカ部３、受信部４、信号処理部５（本願に係る信号処理装置）を備えているといえる。空中線部３（アンテナ部３）又は光スキャナ部３或いは音波スピーカ部３は、波動送出・受入部３といえる。このような波動送出・受入部３は送受が別体でもよい。
図１において、送信部１は、送信波の元となる基準信号を発生し、基準信号にパルス変調、送信ごとに初期位相が変化するような位相変調、周波数変換、増幅を行うものである。送受切替部２は、送信部１で生成された送信波であるパルス波動を空中線部３へと出力するとともに、空中線部３から受信波を取り込むものである。空中線部３は、パルス波動を送信波として空間に放射するとともに、空間中に存在する物体で反射されて到来した電波（反射波動）を受信波（反射波）として取得するものである。受信部４は、空中線部３で受信して送受切替部２を経由した受信波を取り込み、周波数変換、増幅した後、受信波を検波することにより受信信号（パルス波動の反射波の受信信号）を生成し信号処理部５へ送るものである。
図１において、信号処理装置５は、実施の形態１に係る信号処理装置である。信号処理装置５は、スペクトル算出部７、地形エコー除去部８、気象パラメータ推定部９、エコー類別部１０、気象エコー領域判定部１１（エコー領域判定部１１）、気象エコー領域再構成部１２、気象パラメータ出力部１３を有している。図１に例示するように、スペクトル算出部７及び地形エコー除去部８は、信号処理装置５の外部に設けてもよい。表示部６は、信号処理装置５（気象パラメータ出力部１３）から出力された（気象エコー領域再構成部１２が決定した）気象エコー領域に相当するレンジセルにおける気象パラメータを予め定められた方法で表示する例えば、液晶ディスプレイなどの表示装置である。表示部６は、気象パラメータ推定部９から出力された気象パラメータを予め定められた方法で表示してもよい。
図１において、スペクトル算出部７は、受信部４で生成された受信信号にフーリエ変換を施し、ドップラスペクトルを生成する。地形エコー除去部８は、地形エコーを推定して除去するもので、スペクトル算出部７で生成されたドップラスペクトルに対し、ゼロドップラ付近の信号を除去し、その後除去された点周辺を補間する地形エコー除去処理を施し、地形エコー除去後のドップラスペクトルを生成するものである。詳しくは、地形エコー除去部８は、反射されたパルス波動の反射波の受信信号から導出されたドップラスペクトルから地形エコーを推定する。このとき、スペクトル算出部７で生成されたドップラスペクトルに対して、地形エコーのスペクトル分布をフィッティングにより推定することが好ましい。地形エコー除去部８は、推定した地形エコーのスペクトル分布に含まれるドップラスペクトルを除去する。
図１において、気象パラメータ推定部９は、パルス波動が繰り返し空間に送信され、反射されたパルス波動の反射波の受信信号、この受信信号からスペクトル算出部７が導出したドップラスペクトル、このドップラスペクトルから地形エコー除去部８が地形エコーを除去した地形エコー除去後スペクトルから気象パラメータを求めるものである。詳しくは、受信部４で生成された受信信号（時系列信号）およびスペクトル算出部７で生成されたドップラスペクトルおよび地形エコー除去部８で生成された地形エコー除去後のドップラスペクトルに対し、後述する位相や信号強度（レーダ反射因子）や地形エコー除去前後の強度差等の気象パラメータを推定する処理を行う。
図１において、エコー類別部１０は、気象パラメータのうち、気象エコーと地形エコーとで挙動が異なるものを用いて第１の気象エコー領域を求めるものである。詳しくは、気象パラメータ推定部９で生成された気象パラメータを用いて、各レンジセルの信号が気象エコーであるのか、地形エコーであるのか、両者が混在したものであるのか、それ以外の雑音もしくは判定不能なものであるのか、を判定する処理を行う。気象エコー領域判定部１１（エコー領域判定部１１）は、気象パラメータのうち、挙動がドップラ速度に非依存のものを用いて第２の気象エコー領域を求めるものである。詳しくは、気象パラメータ推定部９で生成された気象パラメータのうち、ドップラ速度の値によって変化しない気象パラメータを用いて、各レンジセルの信号が気象エコーであるのか否かを判定する処理を行う。
図１において、気象エコー領域再構成部１２は、第１の気象エコー領域と第２の気象エコー領域とから、最終的な気象エコー領域と決定するものである。詳しくは、エコー類別部１０で生成されたエコー類別結果のうち、気象エコーと判定された領域（第１の気象エコー領域）と、気象エコー領域判定部１１で生成された気象エコー領域（第２の気象エコー領域）を用いて気象エコー領域を再構成する処理を行う。気象パラメータ出力部１３は、気象パラメータ推定部９で生成された気象パラメータと気象エコー領域再構成部１２で生成された気象エコー領域を入力とし、気象エコーと判定された領域の所定の気象パラメータを出力する処理を行うものである。詳しくは、気象エコー領域再構成部１２が決定した気象エコー領域に相当するレンジセルにおける気象パラメータを出力するものである。
次に、図２から図４を用いて、実施の形態１に係る信号処理装置（観測装置の主要部である信号処理部５）の動作を説明する。すなわち、実施の形態１に係る信号処理方法を説明する。なお、実施の形態１に係る信号処理方法は、パルス波動が繰り返し空間に送信され、反射されたパルス波動の反射波の受信信号、受信信号から導出されたドップラスペクトル、ドップラスペクトルから地形エコーを除去した地形エコー除去後スペクトルから求められた気象パラメータを用いる信号処理方法である。
図２は、観測装置の観測領域の一例を示し、地形エコー領域および気象エコー領域の分布状況を示す模式図である。図２において、領域Ａは、地形エコーのみが存在する領域である。領域Ｂは、気象エコーが地形エコーに重畳する領域である。領域Ｂ’は、領域Ｂに地形エコー除去処理を行った結果、気象エコーのみとなった領域である。領域Ｃは、ゼロドップラとなる気象エコー領域である。領域Ｄは、エコー類別処理（エコー類別ステップ）で気象エコーと類別された領域である。領域Ｄ’は気象エコーのみの（ただし、ゼロドップラを含まない）領域である。領域Ｅは、気象エコーも地形エコーも含まない、もしくは、雑音、もしくは、判定不能な領域である。また、領域Ａ、Ｂ（Ｂ’）、Ｃ、Ｄ’は互いに共通部分（重複）を持たない。すなわち、領域ＣはＢ（Ｂ’）を含まない。また、領域Ａ，Ｂ（Ｂ’）、Ｄも互いに共通部分（重複）を持たない。
また、図２において、領域Ｃ＋領域Ｄ’は、気象エコー領域判定処理（気象エコー領域判定ステップ）で気象エコーと判定された領域を表し、領域Ａ＋領域Ｂが本来の地形エコー領域を、領域Ｂ’＋領域Ｃ＋領域Ｄ＋領域Ｄ’が、本来の気象エコー領域を表す。なお、図２では、領域Ｄは領域Ｃ＋領域Ｄ’に包含されるように例示しているが、領域Ｄが領域Ｃ＋領域Ｄ’を包含する場合も有り得る。
図３のフローチャートを用いて、実施の形態１に係る信号処理方法（実施の形態１に係る信号処理装置の動作）を詳しく説明する。ステップ１４（ＳＴ１４）からステップ１６（ＳＴ１６）のみを実施の形態１に係る信号処理方法としてもよい。ステップ１１（ＳＴ１１）であるスペクトル算出ステップは、スペクトル算出部７が、レンジセル毎に受信信号（時系列）に対してフーリエ変換を施し（ドップラ）スペクトルを算出する。次に、ステップ１２（ＳＴ１２）である地形エコー除去ステップを行う。ＳＴ１２は、ＳＴ１１で算出したスペクトルに対し、地形エコー除去部８が、地形エコー除去を行い、地形エコー除去後のスペクトルを生成する。
ＳＴ１２の地形エコー除去の方法としては、スペクトル上においてドップラ速度ゼロを中心とし、所定のスペクトル幅分の成分を除去した後、除去された成分の両端を線形補間する方法や、地形エコー成分に対してドップラ速度ゼロを中心とした第１のガウシアン型のスペクトルでフィッティングして推定し、その第１のガウシアン型スペクトルに含まれる成分を除去した後、残存するスペクトル点を第２のガウシアン型スペクトルでフィッティングし、除去されたスペクトル点を第２のガウシアン型スペクトルの点に置き換える方法を用いることができる。また、ここでは、地形エコー除去をスペクトル上で行っているが、時間軸上の受信信号に対して非回帰型の低周波ろ過楕円フィルタを適用することもできる。
受信信号（時系列）、ＳＴ１１で求めたスペクトル、ＳＴ１２で求めた地形エコー除去後のスペクトルを用いて、気象パラメータ推定ステップであるステップ１３（ＳＴ１３）を気象パラメータ推定部９が行う。気象パラメータとしては、スペクトルモーメントとして推定する強度（電力）、ドップラ速度、スペクトル幅の他、所定空間（レンジ、方位）内の受信信号の位相の変動量、同様に強度の変動量、ドップラ速度の変動量、スペクトル幅の変動量、地形エコー除去処理前後の強度差（Ｃｌｕｔｔｅｒ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｒａｔｉｏ；ＣＳＲ）、さらに、二重偏波レーダの場合には、レーダ反射因子差の変動量、偏波間位相差の変動量、偏波間相関係数の変動量等を用いることができる。
なお、ここでは、強度（電力）とレーダ反射因子は同義的に扱っている。また、空間内の変動量はテクスチャパラメータとも呼ばれ、以下の式（１）のように計算される。代表的な気象パラメータの例を表１に示す。
式（１）において、Ｔは変動量を、ｙは元となるパラメータを、ｉはレンジ方向の番号、ｊはアジマス方向の番号、ｍはレンジ（ビン）数を、μは平均を、それぞれ表す。なお、式（１）では演算量低減のためレンジ方向にのみｍ個の空間の変動量を算出しているが、アジマス方向にも所定数に広げることもできる。
表１では、気象パラメータが地形エコーの場合の挙動、気象エコー（ゼロドップラ以外）の場合の挙動、気象エコー（ゼロドップラ）の場合の挙動を記載している。なお、気象パラメータとしては、表１の他にも、例えば、非特許文献１に記載されているＣＰＡ（Ｃｌｕｔｔｅｒ Ｐｈａｓｅ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）等を含むことができる。
次に、ステップ１４（ＳＴ１４）であるエコー類別ステップは、気象パラメータのうち、気象エコーと地形エコーとで挙動が異なるものを用いて第１の気象エコー領域を求めるものである。詳しくは、ＳＴ１３で求めた気象パラメータを用いて、エコー類別部１０がエコー類別処理を行い、第１の気象エコー領域（図２における領域Ｂ’、領域Ｄ）を推定する。
ＳＴ１４によるエコー類別処理の例を図４に示す。図４のエコー類別処理の例では、少なくとも１つ以上の気象パラメータを用いて気象エコーとしての評価値と地形エコーとしての評価値を求め、それぞれの評価値と所定の閾値との大小比較を行い、それが気象エコー（領域Ｄ）であるのか、地形エコー（領域Ａ）であるのか、地形エコーに気象エコーが重畳した領域もしくはドップラ速度がゼロ付近に分布している気象エコー領域（領域Ｂ＋領域Ｃ）であるか、その他（領域Ｅ）であるかを決定している。ここで、気象パラメータを用いたエコー類別処理においては、領域Ｂと領域Ｃとは性質が類似し明確な区別が困難である場合が多いため、以降、これらの領域を合わせたものを混在した領域とする。また、第１の気象エコー領域（領域Ｂ’、領域Ｄ）は、気象エコーのみの領域（領域Ｄ）と、気象エコーと地形エコーとが混在した領域（領域Ｂ＋領域Ｃ）に地形エコー除去処理を適用して気象エコーのみとなった領域（領域Ｂ’）とを統合して得られたものである。よって、第１の気象エコー領域には地形エコー除去処理によって過抑圧されない領域Ｃが含まれるが、後述する第２の気象エコー領域内の領域Ｃと区別するため、第１の気象エコー領域中の領域Ｃは明示しないこととする。
図４（ａ）は、エコー類別処理のブロック図である。図４（ｂ）は、エコー類別処理で用いるメンバシップ関数の模式図である。図４（ｃ）は、判定例である。図４（ａ）ではパラメータκｉからパラメータκｉ＋ｎ-１のｎ個の気象パラメータを入力とし、それぞれに対応するメンバシップ関数（図４（ｂ）に記載のもの）を参照することによりメンバシップ値ＭＳＦ（κｉ）を求める。次に、メンバシップ値ＭＳＦ（κｉ）に対応する重み係数ｗ（κｉ）を乗じたものを加算し、その結果を重み係数の総和で除すことにより評価値Ｓ（気象エコーとしての評価値Ｓｗ、地形エコーとしての評価値Ｓｃを求める。その後、図４（ｃ）の例のように所定閾値を用いて判定を行い、エコー類別結果を得る。なお、図４ではメンバシップ関数によりエコー類別処理を行う例を示したが、例えば、気象パラメータごとに所定閾値との比較を順に行いエコーを類別する決定木による判定法や、ＳＶＭ（Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｃｈｉｎｅ）や、ニューラルネットワークや、深層学習などの機械学習による判定法を用いることもできる。
次に、ステップ１５（ＳＴ１５）である気象エコー領域判定ステップ（エコー領域判定ステップ）は、気象パラメータのうち、挙動がドップラ速度に非依存のものを用いて第２の気象エコー領域を求めるものである。詳しくは、ＳＴ１３で求めた気象パラメータを用いて、気象エコー領域判定部１１が気象エコー領域判定処理を行い、第２の気象エコー領域（図２における領域Ｃ、領域Ｄ’）を推定する。気象エコー領域判定処理は、ＳＴ１４と同様の処理を用いることができる。ただし、ここで使用する気象パラメータは、ドップラ速度の挙動に依存しない、すなわち、ゼロドップラとゼロドップラ以外とで挙動が等しいパラメータを用いる。表１の例では、信号強度変動量や、レーダ反射因子差変動量を用いる。
ステップ１６（ＳＴ１６）である気象エコー領域再構成ステップは、第１の気象エコー領域と第２の気象エコー領域とを合わせた領域を気象エコー領域と決定するものである。詳しくは、ＳＴ１４で求めた第１の気象エコー領域と、ＳＴ１５で求めた第２の気象エコー領域の和集合により第３の気象エコー領域（図２における領域Ｂ’、領域Ｃ、領域Ｄ、領域Ｄ’）を算出する。ＳＴ１４の第１の気象エコー領域では気象エコー領域から地形エコー領域を確実に除去するために（地形エコーと挙動が類似する）気象エコーの減衰を許容する気象パラメータを用いて判定を行う。一方、ＳＴ１５の第２の気象エコー領域では気象エコー領域のみを抽出するため、気象エコーと地形エコーとが重畳した領域の抽出が困難である。そこで、両者を統合することでゼロドップラ領域を含んだ本来の気象エコー領域の再現が可能となる。
なお、ステップ１６（ＳＴ１６）において、和集合算出の際、第１の気象エコー領域には地形エコー除去処理により抑圧されている可能性はあるもののゼロドップラの気象エコー領域Ｃのレンジセルが含まれるためこの領域Ｃのレンジセルと、第２の気象エコー領域に含まれる領域Ｃのレンジセルとが重複する。第１の気象エコー内の気象エコーと地形エコー重複領域と、第２の気象エコーのレンジセルとが重複した場合は、地形エコー除去の影響を受けていない第２の気象エコーのレンジセルを選択する。また同様に、第１の気象エコー領域内の領域Ｄのレンジセルと、第２の気象エコー領域のレンジセルとが重複する可能性がある。この場合は、地形エコー等との比較評価を経ており気象エコーとしての信頼性が高い第１の気象エコー領域（領域Ｄ）のレンジセルを選択する。
気象パラメータ出力ステップであるステップ１７（ＳＴ１７）は、気象パラメータ出力部１３が、ＳＴ１６で求めた最終的な気象エコー領域である第３の気象エコー領域（領域Ｂ’、領域Ｃ、領域Ｄ、領域Ｄ’）に対応するレンジセルの気象パラメータ（ＳＴ１３で算出済）を出力する。なお、好ましくは、気象エコー領域判定部１１（ＳＴ１５）は、気象パラメータのうち、信号強度の変動量、スペクトル幅変動量、レーダ反射因子差の変動量、偏波間相関係数の変動量の少なくとも一つを用いることができる。好ましくは、エコー類別部１０（ＳＴ１４）は、気象パラメータのうち、ドップラスペクトルと地形エコー除去後スペクトルとの信号強度差と、信号強度、スペクトル幅、位相の変動量、信号強度の変動量、スペクトル幅変動量、レーダ反射因子差の変動量、偏波間位相差の変動量のうち少なくとも一つとを用いることができる。
以上のように、実施の形態１に係る信号処理装置及び信号処理方法は、気象エコーと地形エコーの弁別性能が高い判定による気象エコー領域の判定結果と、気象エコーのみ判定結果を統合し、最終的な気象エコー領域を構成しているので、地形エコー除去処理により減衰したゼロドップラの気象エコーを復元でき、その結果、精度の高い気象パラメータを得ることができる。
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る信号処理装置及び信号処理方法については図１、図２、図４、図５を用いて説明する。特に、実施の形態２に係る信号処理方法については図５を用いて説明する。実施の形態２と実施の形態１とで共通の部分は説明を省略する場合がある。本願の図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する場合がある。実施の形態１に係る信号処理装置及び信号処理方法では、第１の気象エコー領域と第２の気象エコー領域の和集合を最終的な（第３の）気象エコー領域としていたが、異なる形態によりゼロドップラの減衰を低減した気象エコー領域を構成することもできる。実施の形態２に係る信号処理装置の機能ブロック構成は、実施の形態１と同じく図１である。実施の形態２は、エコー類別部１０及び気象エコー領域再構成部１２の動作が実施の形態１とは異なる。
実施の形態２に係る信号処理装置では、エコー類別部１０が（エコー類別ステップで）、少なくとも気象エコーと地形エコーとが混在する領域を含む第１の混在領域を実施の形態１でいう第１の気象エコー領域として求める。好ましくは、エコー類別部１０が（エコー類別ステップで）、第１の混在領域と、第１の混在領域以外の気象エコーが存在する第１の気象エコー領域とを求める。気象エコー領域再構成部１２（気象エコー領域再構成ステップ）は、第１の混在領域における第１の混在領域と第２の気象エコー領域との重複領域以外を第２の混在領域とし、重複領域のうち、第２の気象エコー領域に相当する部分（結果的に、ドップラ速度ゼロの気象エコー領域となる部分）を共通領域として、第２の混在領域と共通領域とを合わせた領域を最終的な気象エコー領域と決定する。好ましくは、気象エコー領域再構成部１２が（気象エコー領域再構成ステップで）、第２の混在領域と共通領域とを合わせた領域に「第１の混在領域以外の気象エコーが存在する第１の気象エコー領域」を加えた領域を最終的な気象エコー領域と決定する。
図５のフローチャートを用いて、実施の形態２に係る信号処理方法（実施の形態２に係る信号処理装置の動作）を詳しく説明する。ステップ２４（ＳＴ２４）からステップ２６（ＳＴ２６）のみを実施の形態２に係る信号処理方法としてもよい。図５において、ステップ２１からステップ２３（ＳＴ２１からＳＴ２３）は、それぞれ図３に記載のステップ１１からステップ１３（ＳＴ１１からＳＴ１３）と同様の処理である。実施の形態１では、その後のエコー類別部１０の処理（図３のＳＴ１４）では、気象エコーのみと判定された領域Ｄと、気象エコーと地形エコーの混在領域と判定された領域に対して地形エコー除去を行った結果、領域Ｂ’（地形エコー除去前の混在領域は領域Ｂ、領域Ｃであるが、地形エコー除去により領域Ｃは減衰し領域Ｂ’のみが残った）を統合し第１の気象エコー領域（領域Ｂ’、領域Ｄ）としていた。
一方、実施の形態２では、エコー類別ステップであるステップ２４（ＳＴ２４）は、気象パラメータのうち、気象エコーと地形エコーとで挙動が異なるものを用いて、少なくとも気象エコーと地形エコーとが混在する領域を含む第１の混在領域を求めるものである。詳しくは、ＳＴ２４では気象エコーのみと判定された領域Ｄを第１の気象エコー領域とし、地形エコー除去処理前の混在領域である領域Ｂ、領域Ｃを、第１の混在領域とする。その後、第２の気象エコー領域ＣＤ’を求めるステップ２５（ＳＴ２５）は図３のＳＴ１５と同様である。
次に、気象エコー領域再構成ステップであるステップ２６（ＳＴ２６）を行う。ＳＴ２６は、第１の混在領域における第１の混在領域と第２の気象エコー領域との重複領域以外を第２の混在領域とし、重複領域のうち、第２の気象エコー領域に相当する部分を共通領域として、第２の混在領域と共通領域とを合わせた領域を気象エコー領域と決定するものである。詳しくは、気象エコー領域再構成部１２において、ＳＴ２４で得られた、第１の混在領域（領域Ｂ、領域Ｃ）と、ＳＴ２５で得られた第２の気象エコー領域（領域Ｃ、領域Ｄ’）との共通領域である領域Ｃを、第１の混在領域（領域Ｂ、領域Ｃ）から減じて生成した第２の混在領域（領域Ｂ）と、共通領域である領域Ｃと、ＳＴ２４で得られた第１の気象エコー領域Ｄの和集合を求め、最終的な気象エコー領域である第３の気象エコー領域（領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｄ）を生成する。最後に、第２の混在領域の値を地形エコー除去後の値に置き換え（この操作で領域Ｂは領域Ｂ’となる）、ＳＴ２６で求めた第３の気象エコー領域（領域Ｂ’、領域Ｃ、領域Ｄ）に対応するレンジセルの気象パラメータ（ＳＴ２３で算出済）を出力する（ＳＴ２７）。
実施の形態２に係る信号処理装置及び信号処理方法で得られる第３の気象エコー領域（領域Ｂ’、領域Ｃ、領域Ｄ）と、実施の形態１に係る信号処理装置及び信号処理方法で得られる第３の気象エコー領域（領域Ｂ’、領域Ｃ、領域Ｄ、領域Ｄ’）との違いは、領域Ｄ’を含むか否かである。領域Ｄ’は気象パラメータの空間的な変動量（テクスチャ）に基づいて抽出された領域であり、ゼロドップラの影響を受けにくい利点はある。しかし、気象エコーとしての性質の有無に基づいた評価のみを行い地形エコーである可能性を排除していないため、地形エコーや雑音等の信号が混入している可能性がゼロではない。したがって、受信信号の信号対雑音電力比が比較的低い場合や、気象エコーと地形エコーの差異が出にくい状況では、実施の形態２に係る信号処理装置及び信号処理方法で得られる第３の気象エコー領域（領域Ｂ’、領域Ｃ、領域Ｄ）の方が、気象エコーの検知性能が高い可能性がある。
以上のように、実施の形態２に係る信号処理装置及び信号処理方法は、ゼロドップラを持つ気象エコー領域のみを明示的に特定し最終的な気象エコー領域を構成しているので、地形エコー除去処理によるゼロドップラ領域の気象エコーの減衰を回避でき、その結果、精度の高い気象パラメータを得ることができる。また、実施の形態２に係る信号処理装置及び信号処理方法は、地形エコーが混入する可能性が低い気象エコー領域を用いて最終的な気象エコー領域を構成しているので、気象エコー領域の検知性能が向上し、その結果、精度の高い気象パラメータを得ることができる。
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る信号処理装置及び信号処理方法については図２、図４、図６、図７を用いて説明する。特に、実施の形態３に係る信号処理方法については図７を用いて説明する。図６は、実施の形態３に係る信号処理装置を適用した気象レーダ装置（観測装置、計測装置）の機能ブロック図である。図３とは異なる機能ブロックの構成でも本願は実施できる。つまり、図３に示すものは、一例のブロック構成である。実施の形態３と実施の形態１及び２とで共通の部分は説明を省略する場合がある。本願の図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する場合がある。実施の形態２では、エコー類別処理によって混在領域と判定された領域と、気象エコーパラメータの空間的変動（テクスチャ）の性質に基づいて気象エコー領域と判定された領域の共通部分を結果的にゼロドップラ領域として抽出していた。実施の形態３では、ゼロドップラ領域を、気象パラメータとしてドップラ速度を用いることで直接得るものである。
実施の形態３は、エコー領域判定部１１（気象エコー領域判定部１１）及び気象エコー領域再構成部１２の動作が実施の形態２とは異なり、エコー領域判定部１１（気象エコー領域判定部１１）に代えて、エコー領域判定部１４（ゼロドップラ領域判定部１４）を備えている。図７において、ゼロドップラ領域判定部１４（エコー領域判定部１４）は、気象パラメータを用いてドップラ速度ゼロの気象エコー領域を求めるものである。詳しくは、ドップラ速度ゼロを中心とした予め定められたドップラ速度閾値の範囲内にある領域、及び、スペクトル幅が所定のスペクトル幅閾値の範囲内にある領域の少なくとも一方の領域をドップラ速度ゼロの気象エコー領域として求めるものである。気象エコー領域再構成部１２は、第１の気象エコー領域（厳密には、第１の混在領域、又は、第１の混在領域及び第１の混在領域以外の気象エコーが存在する第１の気象エコー領域）とドップラ速度ゼロの気象エコー領域とから、気象エコー領域を決定するものである。
図６に示すゼロドップラ領域判定部１４は、気象パラメータ推定部９で生成された気象パラメータのうちドップラ速度を用いて、ゼロドップラ速度のレンジセルを特定する処理を行う。なお、ゼロドップラ領域は、ドップラ速度がナイキスト速度を超えて折り返して再びゼロ付近になった領域でも生じることから、ここで用いるドップラ速度は折り返し補正前のものとする。次に、図６および図７を用いて、実施の形態３に係る信号処理方法（実施の形態３に係る信号処理装置の動作）を説明する。
図７のフローチャートを用いて、実施の形態３に係る信号処理方法（実施の形態３に係る信号処理装置の動作）を詳しく説明する。ステップ３４（ＳＴ３４）からステップ３６（ＳＴ３６）のみを実施の形態３に係る信号処理方法としてもよい。図７において、ステップ３１からステップ３４（ＳＴ３１からＳＴ３４）は、それぞれ図５に記載のステップ２１からステップ２４（ＳＴ２１からＳＴ２４）と同様の処理である。ステップ３５（ＳＴ３５）であるゼロドップラ領域判定ステップ（エコー領域判定ステップ）は、気象パラメータを用いてドップラ速度ゼロの気象エコー領域を求めるものである。詳しくは、ゼロドップラ領域判定部１４において、ＳＴ３３で得られた気象パラメータからドップラ速度がゼロプラスマイナス所定のドップラ速度閾値の範囲内にあり、かつ／もしくは、スペクトル幅が所定のスペクトル幅閾値の範囲内にある領域をゼロドップラ領域Ｃと判定する。
次に、ステップ３６（ＳＴ３６）である気象エコー領域再構成ステップは、第１の混在領域における第１の混在領域とドップラ速度ゼロの気象エコー領域との重複領域以外を第２の混在領域とし、ドップラ速度ゼロの気象エコー領域を共通領域として、第２の混在領域と共通領域とを合わせた領域を最終的な気象エコー領域と決定するものである。詳しくは、ＳＴ３５で得られたゼロドップラ領域（領域Ｃ）を、ＳＴ３４で得られた第１の混在領域（領域Ｂ、領域Ｃ）から減じて求めた第２の混在領域（領域Ｂ）と、ゼロドップラ領域（領域Ｃ）と、ＳＴ３４で得られた第１の気象エコー領域（領域Ｄ）との和集合として、最終的な気象エコー領域である第３の気象エコー領域（領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｄ）を求める。ＳＴ３７は、図５のＳＴ２７と同様である。なお、領域Ｂのレンジセルの値は地形エコー除去後の値に置き換える（領域Ｂ’となる）。
実施の形態３に係る信号処理装置及び信号処理方法では、直接ドップラ速度ゼロ付近が特定できることから、ゼロドップラ領域の推定精度が向上する。以上のように、実施の形態３に係る信号処理装置及び信号処理方法は、ゼロドップラ領域を直接ドップラ速度から特定しているので、ゼロドップラ領域の推定精度が向上し、その結果、精度の高い気象パラメータを得ることができる。
図８は、実施の形態１から３に係る信号処理装置を適用した気象レーダ装置（観測装置、計測装置）の機能ブロック図である。図８とは異なる機能ブロックの構成でも本願は実施できる。つまり、図８に示すものは、一例のブロック構成である。図８において、エコー領域判定部１５は、気象エコー領域判定部１１及びゼロドップラ領域判定部１４の少なくとも一方の機能を有するものである。
図８に示すように、実施の形態１から３に係る信号処理装置は、パルス波動が繰り返し空間に送信され、反射されたパルス波動の反射波の受信信号、受信信号から導出されたドップラスペクトル、ドップラスペクトルから地形エコーを除去した地形エコー除去後スペクトルから気象パラメータを求める気象パラメータ推定部９と、気象パラメータのうち、気象エコーと地形エコーとで挙動が異なるものを用いて第１の気象エコー領域を求めるエコー類別部１０と、気象パラメータのうち、挙動がドップラ速度に非依存のものを用いて第２の気象エコー領域を求めるエコー領域判定部１１（気象エコー領域判定部１１）、又は、気象パラメータを用いてドップラ速度ゼロの気象エコー領域を求めるエコー領域判定部１４（ゼロドップラ領域判定部１４）と、第１の気象エコー領域と第２の気象エコー領域とから、又は、第１の気象エコー領域とドップラ速度ゼロの気象エコー領域とから、気象エコー領域（第３の気象エコー領域）を決定する気象エコー領域再構成部１２と、気象エコー領域再構成部１２が決定した気象エコー領域（第３の気象エコー領域）に相当するレンジセルにおける気象パラメータを出力する気象パラメータ出力部１３とを備えているといえる。
実施の形態１から３に係る信号処理方法は、気象パラメータのうち、気象エコーと地形エコーとで挙動が異なるものを用いて第１の気象エコー領域を求めるエコー類別ステップと、気象パラメータのうち、挙動がドップラ速度に非依存のものを用いて第２の気象エコー領域を求めるエコー領域判定ステップ（気象エコー領域判定ステップ）、又は、気象パラメータを用いてドップラ速度ゼロの気象エコー領域を求めるエコー領域判定ステップ（ゼロドップラ領域判定ステップ）と、第１の気象エコー領域と第２の気象エコー領域とから、又は、第１の気象エコー領域とドップラ速度ゼロの気象エコー領域とから、気象エコー領域（第３の気象エコー領域）を決定する気象エコー領域再構成ステップとを備えているといえる。
実施の形態１から３に係る信号処理装置及び信号処理方法は、受信信号から導出した気象パラメータを用いて、対象とするレンジセルが気象エコーであるか、地形エコーであるか等の類別を行い、ゼロドップラを持つ気象エコー領域に対して、地形エコー除去処理を行わないように気象エコーを再構成するので、気象エコーの減衰を低減し、精度の高い気象パラメータ推定を行うことができる。
１ 送信部、２ 送受信切替部、３ 空中線部（アンテナ部、波動送出・受入部）、 ４ 受信部、５ 信号処理部、６ 表示部、７ スペクトル算出部、 ８ 地形エコー除去部、９ 気象パラメータ推定部、１０ エコー類別部、１１ 気象エコー領域判定部（エコー領域判定部）、１２ 気象エコー領域再構成部、１３ 気象パラメータ出力部、１４ ゼロドップラ領域判定部（エコー領域判定部）、１５ エコー領域判定部。

Claims (9)

  1. パルス波動が繰り返し空間に送信され、反射された前記パルス波動の反射波の受信信号、前記受信信号から導出されたドップラスペクトル、前記ドップラスペクトルから地形エコーを除去した地形エコー除去後スペクトルから気象パラメータを求める気象パラメータ推定部と、前記気象パラメータのうち、気象エコーと地形エコーとで挙動が異なるものを用いて第１の気象エコー領域を求めるエコー類別部と、前記気象パラメータのうち、挙動がドップラ速度に非依存のものを用いて第２の気象エコー領域を求めるエコー領域判定部と、前記第１の気象エコー領域と前記第２の気象エコー領域とから、気象エコー領域を決定する気象エコー領域再構成部と、前記気象エコー領域再構成部が決定した気象エコー領域に相当するレンジセルにおける前記気象パラメータを出力する気象パラメータ出力部とを備え、
    前記エコー類別部は、少なくとも前記気象エコーと前記地形エコーとが混在する領域を含む第１の混在領域を前記第１の気象エコー領域として求め、
    前記気象エコー領域再構成部は、前記第１の混在領域における前記第１の混在領域と前記第２の気象エコー領域との重複領域以外を第２の混在領域とし、前記重複領域のうち、前記第２の気象エコー領域に相当する部分を共通領域として、前記第２の混在領域と前記共通領域とを合わせた領域を前記気象エコー領域と決定し、前記第２の混在領域の値を地形エコー除去後の値に置き換えることを特徴とする信号処理装置。
  2. 前記エコー領域判定部は、前記気象パラメータのうち、信号強度の変動量、スペクトル幅変動量、レーダ反射因子差の変動量、偏波間相関係数の変動量の少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
  3. パルス波動が繰り返し空間に送信され、反射された前記パルス波動の反射波の受信信号、前記受信信号から導出されたドップラスペクトル、前記ドップラスペクトルから地形エコーを除去した地形エコー除去後スペクトルから気象パラメータを求める気象パラメータ推定部と、前記気象パラメータのうち、気象エコーと地形エコーとで挙動が異なるものを用いて第１の気象エコー領域を求めるエコー類別部と、前記気象パラメータのうち、挙動がドップラ速度に非依存のものを用いて第２の気象エコー領域を求めるエコー領域判定部と、前記第１の気象エコー領域と前記第２の気象エコー領域とから、気象エコー領域を決定する気象エコー領域再構成部と、前記気象エコー領域再構成部が決定した気象エコー領域に相当するレンジセルにおける前記気象パラメータを出力する気象パラメータ出力部とを備え、
    前記エコー類別部は、少なくとも前記気象エコーと前記地形エコーとが混在する領域を含む第１の混在領域を前記第１の気象エコー領域として求め、
    前記気象エコー領域再構成部は、前記第１の混在領域における前記第１の混在領域と前記第２の気象エコー領域との重複領域以外を第２の混在領域とし、前記重複領域のうち、前記第２の気象エコー領域に相当する部分を共通領域として、前記第２の混在領域と前記共通領域とを合わせた領域を前記気象エコー領域と決定し、
    前記エコー領域判定部は、前記気象パラメータのうち、信号強度の変動量、スペクトル幅変動量、レーダ反射因子差の変動量、偏波間相関係数の変動量の少なくとも一つを用いることを特徴とする信号処理装置。
  4. 前記エコー類別部は、前記気象パラメータのうち、
    前記ドップラスペクトルと前記地形エコー除去後スペクトルとの信号強度差と、
    信号強度、スペクトル幅、位相の変動量、信号強度の変動量、スペクトル幅変動量、レーダ反射因子差の変動量、偏波間位相差の変動量のうち少なくとも一つとを、
    用いることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３のいずれか１項に記載の信号処理装置。
  5. パルス波動が繰り返し空間に送信され、反射された前記パルス波動の反射波の受信信号、前記受信信号から導出されたドップラスペクトル、前記ドップラスペクトルから地形エコーを除去した地形エコー除去後スペクトルから求められた気象パラメータを用いた信号処理方法において、
    前記気象パラメータのうち、気象エコーと地形エコーとで挙動が異なるものを用いて第１の気象エコー領域を求めるエコー類別ステップと、前記気象パラメータのうち、挙動がドップラ速度に非依存のものを用いて第２の気象エコー領域を求めるエコー領域判定ステップと、前記第１の気象エコー領域と前記第２の気象エコー領域とを合わせた領域を気象エコー領域と決定する気象エコー領域再構成ステップとを備え、
    前記エコー領域判定ステップは、前記気象パラメータのうち、信号強度の変動量、スペクトル幅変動量、レーダ反射因子差の変動量、偏波間相関係数の変動量の少なくとも一つを用いることを特徴とする信号処理方法。
  6. パルス波動が繰り返し空間に送信され、反射された前記パルス波動の反射波の受信信号、前記受信信号から導出されたドップラスペクトル、前記ドップラスペクトルから地形エコーを除去した地形エコー除去後スペクトルから求められた気象パラメータを用いた信号処理方法において、
    前記気象パラメータのうち、気象エコーと地形エコーとで挙動が異なるものを用いて、少なくとも前記気象エコーと前記地形エコーとが混在する領域を含む第１の混在領域を求めるエコー類別ステップと、前記気象パラメータのうち、挙動がドップラ速度に非依存のものを用いて第２の気象エコー領域を求めるエコー領域判定ステップと、前記第１の混在領域における前記第１の混在領域と前記第２の気象エコー領域との重複領域以外を第２の混在領域とし、前記重複領域のうち、前記第２の気象エコー領域に相当する部分を共通領域として、前記第２の混在領域と前記共通領域とを合わせた領域を気象エコー領域と決定し、前記第２の混在領域の値を地形エコー除去後の値に置き換える気象エコー領域再構成ステップとを備えたことを特徴とする信号処理方法。
  7. 前記エコー類別ステップは、前記第１の混在領域以外の気象エコーが存在する第１の気象エコー領域を求め、
    前記気象エコー領域再構成ステップは、前記第２の混在領域と前記共通領域とを合わせた領域に第１の気象エコー領域を加えた領域を前記気象エコー領域と決定することを特徴とする請求項６に記載の信号処理方法。
  8. 前記エコー領域判定ステップは、前記気象パラメータのうち、信号強度の変動量、スペクトル幅変動量、レーダ反射因子差の変動量、偏波間相関係数の変動量の少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の信号処理方法。
  9. 前記エコー類別ステップは、前記気象パラメータのうち、
    前記ドップラスペクトルと前記地形エコー除去後スペクトルとの信号強度差と、
    信号強度、スペクトル幅、位相の変動量、信号強度の変動量、スペクトル幅変動量、レーダ反射因子差の変動量、偏波間位相差の変動量のうち少なくとも一つとを、
    用いることを特徴とする請求項６、請求項７、請求項８のいずれか１項に記載の信号処理方法。
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