(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置において、水平偏波で受信波を受信する第１の受信部と、垂直偏波で受信波を受信する第２の受信部と、当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角を計測する動揺センサと、このロール角とピッチ角とヨー角から算出される偏波のずれ角を用い上記第１の受信部からの水平偏波の受信波及び第２の受信部からの垂直偏波の受信波の信号から上記動揺による影響を除去する補正をする動揺補正処理部と、この補正後の水平偏波受信信号及び垂直偏波受信信号から上記二重偏波の計測値を算出する計測値算出部とを備えたことを特徴とする二重偏波レーダ装置。
【請求項２】
水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置において、水平偏波で受信波を受信する第１の受信部と、垂直偏波で受信波を受信する第２の受信部と、上記水平偏波受信信号及び垂直偏波受信信号から上記二重偏波の計測値を算出する計測値算出部と、当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角を計測する動揺センサと、このロール角とピッチ角とヨー角から算出される偏波のずれ角を用い上記二重偏波の計測値から上記動揺による影響を除去する補正をする動揺補正処理部とを備えたことを特徴とする二重偏波レーダ装置。
【請求項３】
水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置において、水平偏波で受信波を受信する第１の受信部と、垂直偏波で受信波を受信する第２の受信部と、当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角を計測する動揺センサと、このロール角とピッチ角とヨー角から算出される偏波のずれ角と所定のずれ角しきい値との比較に基づき上記第１の受信部からの水平偏波の受信波及び第２の受信部からの垂直偏波の受信波の信号を選別し除去する動揺信号除去部と、この除去後の残りの水平偏波受信信号及び垂直偏波受信信号から上記二重偏波の計測値を算出する計測値算出部とを備えたことを特徴とする二重偏波レーダ装置。
【請求項４】
水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置において、水平偏波で受信波を受信する第１の受信部と、垂直偏波で受信波を受信する第２の受信部と、上記水平偏波受信信号及び垂直偏波受信信号から上記二重偏波の計測値を算出する計測値算出部と、当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角を計測する動揺センサと、このロール角とピッチ角とヨー角から算出される偏波のずれ角と所定のずれ角しきい値との比較に基づき上記二重偏波の計測値を選別し除去する動揺信号除去部とを備えたことを特徴とする二重偏波レーダ装置。
【請求項５】
水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置の信号処理方法において、次のステップを有するもの。
（１）１パルス分の水平偏波及び垂直偏波の受信信号を入力するステップ。
（２）当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角から偏波のずれ角を算出するステップ。
（３）この偏波のずれ角を用い上記１パルス分の水平偏波及び垂直偏波の受信信号に動揺補正を施すステップ。
（４）上記ステップ（１）から（３）の処理を複数パルス分繰り返すステップ。
（５）上記ステップ（４）の処理によりＮパルス分の受信信号を蓄積し、その蓄積データを用いて１時刻分の二重偏波の計測値を算出するステップ。
【請求項６】
水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置の信号処理方法において、次のステップを有するもの。
（１）１パルス分の水平偏波及び垂直偏波の受信信号を入力するステップ。
（２）当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角から偏波のずれ角を算出するステップ。
（３）上記ステップ（１）から（２）の処理を複数パルス分繰り返すステップ。
（４）上記ステップ（３）の処理によりＮパルス分の受信信号を蓄積し、その蓄積データを用いて１時刻分の二重偏波の計測値を算出するステップ。
（４）上記ステップ（３）の処理による偏波のずれ角を用い上記１時刻分の二重偏波の計測値に動揺補正を施すステップ。
【請求項７】
水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置の信号処理方法において、次のステップを有するもの。
（１）１パルス分の水平偏波及び垂直偏波の受信信号を入力するステップ。
（２）当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角から偏波のずれ角を算出するステップ。
（３）上記ステップ（１）から（２）の処理を複数パルス分繰り返すステップ。
（４）上記ステップ（３）の処理によりＮパルス分の受信信号を蓄積し、その蓄積データを用いて１時刻分の偏波間強度比並びに偏波間相互相関係数の大きさ及び位相を算出するステップ。
（５）上記算出した偏波間強度比、偏波間相互相関係数の大きさ又は位相のうち、少なくとも１種類の算出値に距離方向の平滑処理を行うステップ。
（６）上記ステップ（５）の処理で平滑処理が行われた偏波間強度比、偏波間相互相関係数の大きさ及び位相と、上記平滑処理が行われていないパラメータについては上記ステップ（４）の処理で算出した偏波間強度比、偏波間相互相関係数の大きさ及び位相とを組み合わせて用い、１時刻分の二重偏波の計測値を算出するステップ。
（７）上記ステップ（３）の処理による偏波のずれ角を用い上記１時刻分の二重偏波の計測値に動揺補正を施すステップ。
【請求項８】
水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置の信号処理方法において、次のステップを有するもの。
（１）１パルス分の水平偏波及び垂直偏波の受信信号を入力するステップ。
（２）当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角から偏波のずれ角を算出するステップ。
（３）この偏波のずれ角と所定のずれ角しきい値との比較に基づき上記水平偏波の受信波及び垂直偏波の受信波の信号を選別し除去するステップ。
（４）上記ステップ（１）から（３）の処理を複数パルス分繰り返すステップ。
（５）上記ステップ（４）の処理によりＮパルス分の受信信号を蓄積し、その蓄積データを用いて１時刻分の二重偏波の計測値を算出するステップ。
【請求項９】
水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置の信号処理方法において、次のステップを有するもの。
（１）１パルス分の水平偏波及び垂直偏波の受信信号を入力するステップ。
（２）当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角から偏波のずれ角を算出するステップ。
（３）上記ステップ（１）から（２）の処理を複数パルス分繰り返すステップ。
（４）上記ステップ（３）の処理によりＮパルス分の受信信号を蓄積し、その蓄積データを用いて１時刻分の二重偏波の計測値を算出するステップ。
（５）上記偏波のずれ角と所定のずれ角しきい値との比較に基づき上記１時刻分の二重偏波の計測値を選別し除去するステップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、気象レーダ装置、特に二重偏波レーダ装置及びその信号処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から広く用いられている単一偏波の気象レーダでは、エコー強度と降雨強度の間に成立する関係式を用いて、降雨強度の推定を行っている。しかし、この関係式は雨滴の粒径分布によって大きく変化するため、単一偏波の気象レーダで正確な降雨強度を求めることは困難であった。
【０００３】
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。そのため、水平偏波と垂直偏波を用いた二重偏波レーダ観測を行えば、雨滴の形状に関する情報、すなわち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計測が可能になる。降雨領域を電波が通過する途中で生じる偏波間位相差に関する量であるＫｄｐは、降雨強度計測の精度向上に有効であると特に近年注目されている。二重偏波レーダによる気象観測については、例えば「非特許文献１」に一般的な説明がある。
【０００４】
図１０は従来からある二重偏波レーダの例である。この図において、００１は種信号発生部、００２は送信部、００３は分割部、００４Ａは第１の送受切替部（送受信切替部１）、００４Ｂは第２の送受切替部（送受切替部２）、００５は空中線、００６Ａは第１の受信部（受信部１）、００６Ｂは第２の受信部（受信部２）、００７は信号処理部、００８Ａは第１のＡＤ変換部（ＡＤ変換部１）、００８Ｂは第２のＡＤ変換部（ＡＤ変換部２）、０１０は計測値算出部である。
【０００５】
次に動作を説明する。種信号発生部００１では、レーダが空中に放射する送信波のもととなる種信号を発生する。この種信号は送信部００２にて加工され、その結果として送信波が送信部００２から出力される。具体的には、送信部００２にて種信号は大電力信号へと増幅される。送信部００２ではさらに必要に応じて送信波を変調する。通常は、レーダ観測における距離分解能を得るために、パルス変調が施される。
【０００６】
分割部００３では、送信部から出力された送信波を２分割し、それぞれ第１の送受信切替部００４Ａと第２の送受信切替部００４Ｂへと出力される。第１の送受信切替部００４Ａ及び第２の送受信切替部００４Ｂでは、レーダ装置の送信タイミングにおいては、分割部００３から出力された送信波を空中線００５へと伝送する。またレーダ装置の受信タイミングにおいては、空中線で受信された受信波をそれぞれ第１の受信部００６Ａ及び第２の受信部００６Ｂへと伝送する。
【０００７】
空中線００５は、第１の送受信切替部００４Ａから伝送される送信波と第２の送受信切替部００４Ｂから伝送される送信波の２つが入力される。空中線００５では、第１の送受信切替部００４Ａから伝送された送信波を水平偏波で大気中へ放射し、第２の送受信切替部００４Ｂから伝送された送信波を垂直偏波で大気中へ放射する。
【０００８】
大気で反射された反射電波は空中線００５で受信される。反射電波のうちの水平偏波成分は空中線００５から第１の送受切替部００４Ａを経て第１の受信部００６Ａへと伝送される。また、反射電波のうちの垂直偏波成分は空中線００５から第２の送受切替部００４Ｂを経て第２の受信部００６Ｂへと伝送される。第１の受信部００６Ａと第２の受信部００６Ｂは、それぞれ入力された水平偏波受信信号と垂直偏波受信信号に対して増幅及び周波数変換を施す。
【０００９】
第１の受信部００６Ａ及び第２の受信信号００６Ｂから出力される周波数変換後の受信信号は、信号処理部００７において信号処理が施される。信号処理部００７は第１のＡＤ変換部００８Ａ、第２のＡＤ変換部００８Ｂ、計測値算出部０１０から構成される。第１の受信部００６Ａから出力される周波数変換後の水平偏波受信信号は第１のＡＤ変換部００８Ａによってアナログ信号からディジタル信号へと変換される。変換された後の信号を以後は単に水平偏波受信信号と呼ぶことにする。また、第２の受信部００６Ｂから出力される周波数変換後の垂直偏波受信信号は第２のＡＤ変換部００８Ｂによってアナログ信号からディジタル信号へと変換される。変換された後の信号を以後は単に垂直偏波受信信号と呼ぶことにする。
【００１０】
二重偏波レーダで計測できる代表的な計測値として、偏波間強度比Ｚｄｒと偏波間位相差の距離微分Ｋｄｐがある。
【００１１】
Ｚｄｒは水平偏波で観測される受信電力と垂直偏波で観測される受信電力の比であり、次式によってレーダ観測データから算出される。
【００１２】
【数１】
0003707469.tif 000002
【００１３】
【外１】
0003707469.tif 000003
実際の信号処理では、信号のエルゴード性を仮定して、時間平均あるいは時間積分によって集合平均を実現する。すなわち、複数回のパルス送信により得られる信号を平均または積分する処理となる。この平均または積分に用いるデータ数をここでは積分数と呼ぶことにする。
【００１４】
Ｚｄｒが受信信号の強度に関する計測値であるのに対し、Ｋｄｐは受信信号の位相に関する計測値である。 降雨領域では、水平偏波と垂直偏波とで電波伝播媒体の屈折率が異なるため、両偏波で伝播遅延の量が異なる。このことから、単位距離当たりで水平偏波と垂直偏波の位相がどれだけずれるかを表すＫｄｐの値から降雨強度を推定することが可能である。Ｋｄｐによる降雨強度推定は、レーダ反射因子による降雨強度推定よりも降雨粒径分布への依存性が小さい。そのため、Ｋｄｐ計測は降雨強度計測精度の改善に有効であると期待されている。
【００１５】
Ｋｄｐは、レーダ観測データから得られる水平偏波と垂直偏波の間の偏波間位相差φdpを距離微分することにより得られる。
【００１６】
【数２】
0003707469.tif 000004
【００１７】
【外２】
0003707469.tif 000005
この位相差φdpは、次式のように、水平偏波信号と垂直偏波信号の相互相関係数の位相を計算することにより得られる。
【００１８】
【数３】
0003707469.tif 000006
【００１９】
なお、二重偏波レーダ装置の構成として、図１０では一つの送信部で発生された送信波を分割部で２分割し、水平偏波と垂直偏波を同時に送信するようなものとしているが、従来の二重偏波レーダ装置にはその他の構成を持つものもある。例えば、水平偏波と垂直偏波を同時に送信するのではなく、スイッチで両偏波を切り替えることにより、水平偏波と垂直偏波を交互に観測するものもある。
【００２０】
このような二重偏波レーダを船舶などの移動体上に搭載し、海洋上の気象観測を行う場合、船体の動揺によって偏波の方向が水平と垂直からずれるおそれがある。従来の船舶搭載気象レーダには、動揺修正装置として、船体動揺を打ち消す方向にレーダー空中線の方向を自動制御する装置を備えているが、この装置では空中線の偏波方向の補正まではできない。艦上で絶対水平面を保つ技術を採用することも考えられるが、気象レーダの数倍以上の費用となるため、この技術を利用することは現実的でない。
【００２１】
【非特許文献１】
「若山他、「気象レーダにおけるニ周波観測及び二重偏波観測の測定精度」、電子情報通信学会信学技報ＳＡＮＥ２０００−６」
【００２２】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、二重偏波観測で得られる偏波間の強度比Ｚｄｒと偏波間位相差Φｄｐ及びその距離微分Ｋｄｐに対して、信号処理によって動揺補正を実現することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る二重偏波レーダ装置は、水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置において、水平偏波で受信波を受信する第１の受信部と、垂直偏波で受信波を受信する第２の受信部と、当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角を計測する動揺センサと、このロール角とピッチ角とヨー角から算出される偏波のずれ角を用い上記第１の受信部からの水平偏波の受信波及び第２の受信部からの垂直偏波の受信波の信号から上記動揺による影響を除去する補正をする動揺補正処理部と、この補正後の水平偏波受信信号及び垂直偏波受信信号から上記二重偏波の計測値を算出する計測値算出部とを備えたものである。
【００２４】
この発明の請求項２に係る二重偏波レーダ装置は、水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置において、水平偏波で受信波を受信する第１の受信部と、垂直偏波で受信波を受信する第２の受信部と、上記水平偏波受信信号及び垂直偏波受信信号から上記二重偏波の計測値を算出する計測値算出部と、当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角を計測する動揺センサと、このロール角とピッチ角とヨー角から算出される偏波のずれ角を用い上記二重偏波の計測値から上記動揺による影響を除去する補正をする動揺補正処理部とを備えたものである。
【００２５】
この発明の請求項３に係る二重偏波レーダ装置は、水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置において、水平偏波で受信波を受信する第１の受信部と、垂直偏波で受信波を受信する第２の受信部と、当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角を計測する動揺センサと、このロール角とピッチ角とヨー角から算出される偏波のずれ角と所定のずれ角しきい値との比較に基づき上記第１の受信部からの水平偏波の受信波及び第２の受信部からの垂直偏波の受信波の信号を選別し除去する動揺信号除去部と、この除去後の残りの水平偏波受信信号及び垂直偏波受信信号から上記二重偏波の計測値を算出する計測値算出部とを備えたものである。
【００２６】
この発明の請求項４に係る二重偏波レーダ装置は、水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置において、水平偏波で受信波を受信する第１の受信部と、垂直偏波で受信波を受信する第２の受信部と、上記水平偏波受信信号及び垂直偏波受信信号から上記二重偏波の計測値を算出する計測値算出部と、当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角を計測する動揺センサと、このロール角とピッチ角とヨー角から算出される偏波のずれ角と所定のずれ角しきい値との比較に基づき上記二重偏波の計測値を選別し除去する動揺信号除去部とを備えたものである。
【００２７】
この発明の請求項５に係る二重偏波レーダ装置の信号処理方法は、水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置において、次のステップを有するものである。
（１）１パルス分の水平偏波及び垂直偏波の受信信号を入力するステップ。
（２）当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角から偏波のずれ角を算出するステップ。
（３）この偏波のずれ角を用い上記１パルス分の水平偏波及び垂直偏波の受信信号に動揺補正を施すステップ。
（４）上記ステップ（１）から（３）の処理を複数パルス分繰り返すステップ。
（５）上記ステップ（４）の処理によりＮパルス分の受信信号を蓄積し、その蓄積データを用いて１時刻分の二重偏波の計測値を算出するステップ。
【００２８】
この発明の請求項６に係る二重偏波レーダ装置の信号処理方法は、水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置の信号処理方法において、次のステップを有するもの。
（１）１パルス分の水平偏波及び垂直偏波の受信信号を入力するステップ。
（２）当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角から偏波のずれ角を算出するステップ。
（３）上記ステップ（１）から（２）の処理を複数パルス分繰り返すステップ。
（４）上記ステップ（３）の処理によりＮパルス分の受信信号を蓄積し、その蓄積データを用いて１時刻分の二重偏波の計測値を算出するステップ。
（５）上記ステップ（３）の処理による偏波のずれ角を用い上記１時刻分の二重偏波の計測値に動揺補正を施すステップ。
【００２９】
この発明の請求項７に係る二重偏波レーダ装置の信号処理方法は、水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置の信号処理方法において、次のステップを有するもの。
（１）１パルス分の水平偏波及び垂直偏波の受信信号を入力するステップ。
（２）当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角から偏波のずれ角を算出するステップ。
（３）上記ステップ（１）から（２）の処理を複数パルス分繰り返すステップ。
（４）上記ステップ（３）の処理によりＮパルス分の受信信号を蓄積し、その蓄積データを用いて１時刻分の偏波間強度比並びに偏波間相互相関係数の大きさ及び位相を算出するステップ。
（５）上記算出した偏波間強度比、偏波間相互相関係数の大きさ又は位相のうち、少なくとも１種類の算出値に距離方向の平滑処理を行うステップ。
（６）上記ステップ（５）の処理で平滑処理が行われた偏波間強度比、偏波間相互相関係数の大きさ及び位相と、上記平滑処理が行われていないパラメータについては上記ステップ（４）の処理で算出した偏波間強度比、偏波間相互相関係数の大きさ及び位相とを組み合わせて用い、１時刻分の二重偏波の計測値を算出するステップ。
（７）上記ステップ（３）の処理による偏波のずれ角を用い上記１時刻分の二重偏波の計測値に動揺補正を施すステップ。
【００３０】
この発明の請求項８に係る二重偏波レーダ装置の信号処理方法は、水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置の信号処理方法において、次のステップを有するもの。
（１）１パルス分の水平偏波及び垂直偏波の受信信号を入力するステップ。
（２）当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角から偏波のずれ角を算出するステップ。
（３）この偏波のずれ角と所定のずれ角しきい値との比較に基づき上記水平偏波の受信波及び垂直偏波の受信波の信号を選別し除去するステップ。
（４）上記ステップ（１）から（３）の処理を複数パルス分繰り返すステップ。
（５）上記ステップ（４）の処理によりＮパルス分の受信信号を蓄積し、その蓄積データを用いて１時刻分の二重偏波の計測値を算出するステップ。
【００３１】
この発明の請求項９に係る二重偏波レーダ装置の信号処理方法は、水平偏波及び垂直偏波で受信した受信波から二重偏波の計測値を計測する二重偏波レーダ装置の信号処理方法において、次のステップを有するもの。
（１）１パルス分の水平偏波及び垂直偏波の受信信号を入力するステップ。
（２）当該レーダ装置の動揺を表すロール角とピッチ角とヨー角から偏波のずれ角を算出するステップ。
（３）上記ステップ（１）から（２）の処理を複数パルス分繰り返すステップ。
（４）上記ステップ（３）の処理によりＮパルス分の受信信号を蓄積し、その蓄積データを用いて１時刻分の二重偏波の計測値を算出するステップ。
（５）上記偏波のずれ角と所定のずれ角しきい値との比較に基づき上記１時刻分の二重偏波の計測値を選別し除去するステップ。
【００３２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の二重偏波レーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、００１は種信号発生部、００２は送信部、００３は分割部、００４Ａは第１の送受切替部（送受信切替部１）、００４Ｂは第２の送受切替部（送受切替部２）、００５は空中線、００６Ａは第１の受信部（受信部１）、００６Ｂは第２の受信部（受信部２）、００７は信号処理部、００８Ａは第１のＡＤ変換部（ＡＤ変換部１）、００８Ｂは第２のＡＤ変換部（ＡＤ変換部２）、００９は受信信号動揺補正処理部、０１０は計測値算出部である。
【００３３】
次に動作を説明する。種信号発生部００１では、レーダが空中に放射する送信波のもととなる種信号を発生する。この種信号は送信部００２にて加工され、その結果として送信波が送信部００２から出力される。具体的には、送信部００２にて種信号は大電力信号へと増幅される。送信部００２ではさらに必要に応じて送信波を変調する。通常は、レーダの距離分解能を得るために、パルス変調が施される。
【００３４】
分割部００３では、送信部から出力された送信波を２分割し、それぞれ第１の送受信切替部００４Ａと第２の送受信切替部００４Ｂへと出力される。第１の送受信切替部００４Ａ及び第２の送受信切替部００４Ｂでは、レーダ装置の送信タイミングにおいては、分割部００２から出力された送信波を空中線００５へと伝送する。またレーダ装置の受信タイミングにおいては、空中線で受信された受信波をそれぞれ第１の受信部００６Ａ及び第２の受信部００６Ｂへと伝送する。
【００３５】
空中線００５は、第１の送受信切替部００４Ａから伝送される送信波と第２の送受信切替部００４Ｂから伝送される送信波の２つが入力される。空中線００５では、第１の送受信切替部００４Ａから伝送された送信波を水平偏波で大気中へ放射し、第２の送受信切替部００４Ｂから伝送された送信波を水平偏波で大気中へ放射する。
【００３６】
大気で反射された反射電波は空中線００５で受信される。反射電波のうちの水平偏波成分は空中線００５から第１の送受切替部００４Ａを経て第１の受信部００６Ａへと伝送される。また、反射電波のうちの垂直偏波成分は空中線００５から第２の送受切替部００４Ｂを経て第２の受信部００６Ｂへと伝送される。第１の受信部００６Ａと第２の受信部００６Ｂは、それぞれ入力された水平偏波受信信号と垂直偏波受信信号に対して増幅及び周波数変換を施す。
【００３７】
第１の受信部００６Ａ及び第２の受信信号００６Ｂから出力される周波数変換後の受信信号は、信号処理部００７において信号処理が施される。信号処理部００７は第１のＡＤ変換部００８Ａ、第２のＡＤ変換部００８Ｂ、受信信号動揺補正処理部００９、計測値算出部０１０から構成される。第１の受信部００６Ａから出力される周波数変換後の水平偏波受信信号は第１のＡＤ変換部００８Ａによってアナログ信号からディジタル信号へと変換される。変換された後の信号を以後は単に水平偏波受信信号と呼ぶことにする。また、第２の受信部００６Ｂから出力される周波数変換後の垂直偏波受信信号は第２のＡＤ変換部００８Ｂによってアナログ信号からディジタル信号へと変換される。変換された後の信号を以後は単に垂直偏波受信信号と呼ぶことにする。
【００３８】
受信信号動揺補正処理部００９では、水平偏波受信信号と垂直偏波受信信号を入力する。さらに受信信号動揺補正処理部００９は動揺センサからロール角、ピッチ角、ヨー角の３成分から成る動揺センサデータを入力する。受信信号動揺補正処理部００９では、動揺センサデータをもとに水平偏波受信信号と垂直偏波受信信号に動揺補正を施し、動揺補正後水平偏波受信信号と動揺補正後垂直偏波受信信号を出力する。
【００３９】
なお、二重偏波レーダ装置の構成として、図１では一つの送信部で発生された送信波を分割部で２分割し、水平偏波と垂直偏波を同時に送信するようなものとしているが、従来の二重偏波レーダ装置にはその他の構成を持つものもある。例えば、水平偏波と垂直偏波を同時に送信するのではなく、スイッチで両偏波を切り替えることにより、水平偏波と垂直偏波を交互に観測するものもある。この場合にも、動揺補正を信号処理で行う原理は同様に適用することができる。
【００４０】
動揺補正の具体的な方法を以下に説明する。
【００４１】
まず動揺データから偏波方向のずれ角θaを算出する手順を説明する。ロール角をθr、ピッチ角をθp、ヨー角をθyとする。動揺がない場合に空中線が水平偏波として放射する電波の偏波方向を単位ベクトルｅhとする。電波を放射する方位角をφとすると、ｅhは次式で表される。
【００４２】
【数４】
0003707469.tif 000007
【００４３】
ロール角θrが、ピッチ角がθp、ヨー角がθyの動揺がある場合に、空中線が水平偏波として放射する電波の偏波方向を単位ベクトルｅhtとすると、ｅhtは次式で表される。
【００４４】
【数５】
0003707469.tif 000008
【００４５】
ここで、Ｒr、Ｒp、Ｒyはそれぞれ次の式で定義される回転行列である。
【００４６】
【数６】
0003707469.tif 000009
【００４７】
【数７】
0003707469.tif 000010
【００４８】
【数８】
0003707469.tif 000011
【００４９】
水平面の単位法線ベクトルｎhは次式で表される。
【００５０】
【数９】
0003707469.tif 000012
【００５１】
水平偏波の方向が水平面となす角、すなわち偏波方向のずれ角をθaとする。θaは次式で算出される。
【００５２】
【数１０】
0003707469.tif 000013
【００５３】
次に受信信号に動揺補正を施す手順を説明する。
【００５４】
大気中の電波伝播及び後方散乱の効果を表す散乱行列Ｓを次式で定義する。
【００５５】
【数１１】
0003707469.tif 000014
【００５６】
空中線から放射される直前の送信電界Ｅtは、空中線の水平偏波チャネルから放射される電界成分Ｅt1と垂直偏波チャネルから放射される電界成分Ｅt2を用いて次式で定義される。
【００５７】
【数１２】
0003707469.tif 000015
【００５８】
また、空中線で受信された直後の受信電界Ｅrは、空中線の水平偏波チャネルで受信される電界成分Ｅr1と垂直偏波チャネルで受信される電界成分Ｅr2を用いて次式で定義される。
【００５９】
【数１３】
0003707469.tif 000016
【００６０】
ＥtとＥrの間には次式の関係がある。
【００６１】
【数１４】
0003707469.tif 000017
【００６２】
ただし、Ｒa+及びＲa-は偏波方向のずれ角θaを用いて次式で定義される回転行列である。
【００６３】
【数１５】
0003707469.tif 000018
【００６４】
【数１６】
0003707469.tif 000019
【００６５】
以上から、次式によりＳhh、Ｓvvを算出することができる。
【００６６】
【数１７】
0003707469.tif 000020
【００６７】
【外３】
0003707469.tif 000021
【００６８】
【数１８】
0003707469.tif 000022
【００６９】
【外４】
0003707469.tif 000023
【００７０】
【数１９】
0003707469.tif 000024
【００７１】
ただし、＊は複素共役を表す。
【００７２】
計測値算出部０１０では、動揺補正後水平受信信号と動揺補正後垂直偏波受信信号を用いてＺｄｒやＫｄｐなどの計測値を算出する。計測値算出方法は従来の二重偏波レーダと同じ方法、すなわち数１、数２、数３を用いれば良い。
【００７３】
図２は以上の処理の流れをフロー図にしたものである。ステップｓｔ００１とステップｓｔ００５で囲まれたステップｓｔ００２〜ステップｓｔ００４の処理は積分数回だけ繰り返される。ステップｓｔ００２では１ヒット分、すなわち１送信パルスに対応する受信信号を入力する。ステップｓｔ００３では、ｓｔ００２で入力したデータを観測した時刻におけるロール、ピッチ、ヨーの動揺データから、偏波方向のずれの角度（偏波ずれ角）を算出する。ステップｓｔ００４では数１７により受信信号に対して動揺補正を行う。ステップｓｔ００６では、ステップｓｔ００１からステップｓｔ００５までの処理で得られた積分数分の受信信号を用いて、計測値を算出する。
【００７４】
なお、以上の説明では二重偏波レーダについて説明したが、本実施形態の動揺補正方法は気象観測用途に限らず、一般的な二重偏波レーダに適用できるものである。
【００７５】
以上のように、本発明の実施の形態１では、信号処理によって船舶の動揺を補正するため、レーダ装置自体の水平面を安定に保つ機構を用いずに、正確な二重偏波観測を行うことが可能である。
【００７６】
実施の形態２．
以上の実施形態１は、ＡＤ変換直後の受信信号に対して動揺補正の処理を行うものであるが、次に計測値を算出した後、すなわち積分処理を行った後のデータに対して動揺補正処理を行う実施形態を示す。図３は、本発明の実施の形態２の二重偏波レーダの構成を示す図である。この図において、１０９は計測値動揺補正処理部である。その他の符号は前述のものと同じである。
【００７７】
次に動作を説明する。本実施の形態における二重偏波レーダの動作は、第１のＡＤ変換部００８Ａ及び第２のＡＤ変換部００８Ｂによって、水平偏波及び垂直偏波の受信信号をディジタル化するところまでは、前述の実施の形態１の二重偏波レーダと同じ動作である。実施の形態１の二重偏波レーダではＡＤ変換直後の信号に動揺補正を行っていたが、本実施の形態の二重偏波レーダでは、動揺補正を行う前に、計測値算出部０１０によって計測値をまず算出する。計測値を算出する式は従来と同じ方法、すなわち数１、数２、数３を用いる。
【００７８】
ただし、動揺補正が行われていないため、計測値算出部０１０から出力される計測値は動揺による誤差が含まれている。そこで、計測値動揺補正処理部では、動揺補正前の受信信号から算出された計測値に対して、動揺補正を行う。
【００７９】
なお、二重偏波レーダ装置の構成として、図３では一つの送信部で発生された送信波を分割部で２分割し、水平偏波と垂直偏波を同時に送信するようなものとしているが、従来の二重偏波レーダ装置にはその他の構成を持つものもある。例えば、水平偏波と垂直偏波を同時に送信するのではなく、スイッチで両偏波を切り替えることにより、水平偏波と垂直偏波を交互に観測するものもある。この場合にも、動揺補正を信号処理で行う原理は同様に適用することができる。
【００８０】
動揺補正に用いる式を以下に示す。まず、数１７によりＳhhは次式で表される。
【００８１】
【数２０】
0003707469.tif 000025
【００８２】
ただし、Ａは次式で定義される。
【００８３】
【数２１】
0003707469.tif 000026
【００８４】
【外５】
0003707469.tif 000027
【００８５】
【数２２】
0003707469.tif 000028
【００８６】
【数２３】
0003707469.tif 000029
【００８７】
同様にして、数１７によりＳvvは次式で表される。
【００８８】
【数２４】
0003707469.tif 000030
【００８９】
ただし、Ｂは次式で定義される。
【００９０】
【数２５】
0003707469.tif 000031
【００９１】
【外６】
0003707469.tif 000032
【００９２】
【数２６】
0003707469.tif 000033
【００９３】
ただし、Ｃ及びＤは次式で定義される。
【００９４】
【数２７】
0003707469.tif 000034
【００９５】
【数２８】
0003707469.tif 000035
【００９６】
【外７】
0003707469.tif 000036
【００９７】
【数２９】
0003707469.tif 000037
【００９８】
【外８】
0003707469.tif 000038
【００９９】
【数３０】
0003707469.tif 000039
【０１００】
図４は以上の処理の流れをフロー図にしたものである。ステップｓｔ１０１とステップｓｔ１０４で囲まれたｓｔ１０２〜ｓｔ１０３の処理は積分数回だけ繰り返される。ステップｓｔ１０２では１ヒット分の受信信号を入力する。ステップｓｔ１０３では、ｓｔ１０２で入力したデータを観測した時刻におけるロール、ピッチ、ヨーの動揺データから、偏波方向のずれの角度（偏波ずれ角）を算出する。
【０１０１】
ステップｓｔ１０１からステップｓｔ１０４までの処理によって、積分数分の受信信号が得られる。この積分数分のデータを用いて、ステップｓｔ１０５、ステップｓｔ１０６、ステップｓｔ１０７では、動揺による偏波のずれがないと仮定して、偏波間強度比Ｚdr、偏波間相互相関係数の大きさと位相の計測値を算出する。
【０１０２】
【外９】
0003707469.tif 000040
ただし、集合平均は積分数分のデータを時間平均または時間積分することにより実現する。
【０１０３】
【外１０】
0003707469.tif 000041
【０１０４】
なお、信号処理の途中で算出する補正前計測値の精度が不足する場合、距離方向に平滑化することによりランダムな誤差を低減することも有効である。図５はそのような処理を行う場合の処理の流れを示すフロー図である。この図において、ステップｓｔ２０１からステップｓｔ２０７の処理は図４のステップｓｔ１０１からステップｓｔ１０７の処理と同じであり、ステップｓｔ２０９からステップｓｔ２１４の処理は図４のステップｓｔ１０８からステップｓｔ１１３までの処理と同じである。図４と比較して図５の異なるのは、ステップｓｔ２０８が新たに挿入されたことである。ステップｓｔ２０８では各補正前計測値を距離方向に平滑化することにより、ランダムな誤差を低減するものである。
【０１０５】
以上のように、計測値算出後のデータに対しても、動揺補正により正しい計測値を得ることが可能である。計測値算出後ということは、すなわち積分後のデータに対して動揺補正を行うことを意味する。したがって、動揺補正の演算量は、受信信号に動揺補正を適用する場合に比べて少なくて済む。
【０１０６】
実施の形態３．
以上の実施形態では、信号処理によって動揺補正を行うものであるが、本実施の形態では、動揺量の小さい時間のデータのみを利用して信号処理を行うことにより、動揺による二重偏波計測値の誤差を低くするような二重偏波レーダ装置の形態について説明する。
【０１０７】
図６は本発明の実施の形態の二重偏波レーダの構成を示すブロック図である。この図において、２０９は大動揺受信信号除去部である。他の符号は前述のものと同じである。
【０１０８】
次に動作を説明する。
【０１０９】
動揺センサデータから偏波方向のずれ角θaを算出する。算出されたθaが予め設定したしきい値よりも大きくなる場合には、第１のＡＤ変換部００８Ａ及び第２のＡＤ変換部００８Ｂから出力されるデータを除去する。具体的には、受信信号の値に欠損値を入れるようにしても良いし、あるいは欠損であることを示す印をつけるようにしても良い。
【０１１０】
計測値算出部では、大動揺受信信号除去部２０９で除去されなかったデータのみを用いて計測値を算出する。動揺の状況によっては、大動揺受信信号除去部２０９におけるデータ除去により、十分な積分数が得られないこともある。そこで、予め設定した最低積分数よりも少ないデータ数しか積分できなかった場合には、その計測値を無効なものとするようにしても良い。
【０１１１】
なお、二重偏波レーダ装置の構成として、図６では一つの送信部で発生された送信波を分割部で2分割し、水平偏波と垂直偏波を同時に送信するようなものとしているが、従来の二重偏波レーダ装置にはその他の構成を持つものもある。例えば、水平偏波と垂直偏波を同時に送信するのではなく、スイッチで両偏波を切り替えることにより、水平偏波と垂直偏波を交互に観測するものもある。この場合にも、動揺補正を信号処理で行う原理は同様に適用することができる。
【０１１２】
図７は本発明の実施の形態の二重偏波レーダ装置の信号処理の流れを示すフロー図である。ステップｓｔ３０１からステップｓｔ３０６で囲まれたステップｓｔ３０２からｓｔ３０５までの処理は積分数回だけ繰り返される。ステップｓｔ３０２では１ヒット分の受信信号を入力する。ステップｓｔ３０３では、ｓｔ３０２で入力したデータを観測した時刻におけるロール、ピッチ、ヨーの動揺データから、偏波方向のずれの角度（偏波ずれ角）を算出する。
【０１１３】
ステップｓｔ３０４ではステップｓｔ３０３で算出した偏波ずれ角が予め設定した値を超えているか否かを判定する。もし超えている場合はステップｓｔ３０５へ進み、そうでない場合はｓｔ３０６へ進む。ステップｓｔ３０５では、偏波ずれ角が設定値を超える、すなわち動揺による観測誤差が大きくなると見なせる場合に、その時刻の受信信号を除去する。ステップｓｔ３０７では、ステップｓｔ３０５で除去されずに残ったデータを用いて計測値を算出する。
【０１１４】
本発明の実施形態によれば、動揺の小さい時間のデータのみを用いて計測値を算出するようにしているので、少ない演算量で誤差の少ない計測値を得ることができる。
【０１１５】
実施の形態４．
前述の実施の形態３では、動揺量の小さい時間のデータのみを利用して信号処理を行うことを考えた。動揺の周期がデータ積分時間に比べて十分に長い場合は、積分時間中の全データが動揺の大きい時間のデータとなるか、あるいは積分時間中の全データが動揺の小さい時間のデータとなるかのいずれかとなることがほとんどである。このことから本実施の形態では、動揺の周期が長い場合には計測値算出後にデータ除去の判定を行うようにする。
【０１１６】
図８は本発明の実施の形態の二重偏波レーダの構成を示すブロック図である。この図において、３０９は大動揺計測値除去部である。他の符号は前述のものと同じである。次に動作を説明する。
【０１１７】
動揺センサデータから偏波方向のずれ角θaを算出する。算出されたθaが予め設定したしきい値よりも大きくなる場合には、計測値算出部から出力されたデータを除去する。具体的には、計測値に欠損値を入れるようにしても良いし、あるいは欠損であることを示す印をつけるようにしても良い。
【０１１８】
動揺の大きさを評価する方法として、例えば積分開始時刻から積分終了時刻までの間に偏波ずれ角の絶対値が予め設定したしきい値を超えるか否かを判定することが考えられる。あるいは簡単には、積分時間中のある一時刻、例えば積分時間の区間の中央の時刻（平均時刻）の動揺量を判定するようにしても良い。
【０１１９】
なお、二重偏波レーダ装置の構成として、図８では一つの送信部で発生された送信波を分割部で2分割し、水平偏波と垂直偏波を同時に送信するようなものとしているが、従来の二重偏波レーダ装置にはその他の構成を持つものもある。例えば、水平偏波と垂直偏波を同時に送信するのではなく、スイッチで両偏波を切り替えることにより、水平偏波と垂直偏波を交互に観測するものもある。この場合にも、動揺補正を信号処理で行う原理は同様に適用することができる。
【０１２０】
図９は本発明の実施の形態の二重偏波レーダ装置の信号処理の流れを示すフロー図である。ステップｓｔ４０１からステップｓｔ４０４で囲まれたステップｓｔ４０２からｓｔ４０３までの処理は積分数回だけ繰り返される。ステップｓｔ４０２では１ヒット分の受信信号を入力する。ステップｓｔ４０３では、ｓｔ４０２で入力したデータを観測した時刻におけるロール、ピッチ、ヨーの動揺データから、偏波方向のずれの角度（偏波ずれ角）を算出し、その値を蓄積する。
【０１２１】
ステップｓｔ４０５では、ステップｓｔ４０２で入力した積分数分の受信信号を用いて計測値を計算する。ステップｓｔ４０６では、ｓｔ４０３で算出した積分数個の偏波ずれ角のうち、絶対値が最小となるものを抽出する。ステップｓｔ４０７では、ステップｓｔ４０６で抽出した偏波ずれ角の最小値がしきい値を超えるか否かを判定する。しきい値を超えた場合には、ステップｓｔ４０８にてその時刻の計測値を除去する。
【０１２２】
本発明の実施形態によれば、動揺の小さい時間の信号処理結果のみを残すようにするため、動揺による誤差の大きい計測値を出力することがない。
【０１２３】
【発明の効果】
以上のように、この発明の請求項１の二重偏波レーダ装置によれば、信号処理によって船舶の動揺を補正するため、レーダ装置自体の水平面を安定に保つ機構を用いずに、正確な二重偏波観測が可能となる。また、信号処理における積分処理前の受信信号に対して動揺補正を行うため、動揺補正の精度が高いという効果がある。
【０１２４】
また、この発明の請求項２の二重偏波レーダ装置によれば、積分処理後の計測値に対して動揺補正を行うため、動揺補正の演算量が少なくて済むという効果がある。
【０１２５】
また、この発明の請求項３の二重偏波レーダ装置によれば、動揺の小さい時間の受信信号のみを用いて計測値を算出するようにしているので、少ない演算量で誤差の少ない計測値を得ることができるという効果がある。
【０１２６】
また、この発明の請求項４の二重偏波レーダ装置によれば、動揺の小さい時間の信号処理結果のみを残すようにするため、動揺による誤差の大きい計測値を出力することがないという効果がある。
【０１２７】
また、この発明の請求項５のレーダ信号処理方法によれば、信号処理における積分処理前の受信信号に対して動揺補正を行うため、動揺補正の精度が高いという効果がある。
【０１２８】
また、この発明の請求項６のレーダ信号処理方法によれば、積分処理後の計測値に対して動揺補正を行うため、動揺補正の演算量が少なくて済むという効果がある。
【０１２９】
また、この発明の請求項７のレーダ信号処理方法によれば、信号処理の途中で距離方向に平滑化するため、動揺補正の精度が高くなるという効果がある。
【０１３０】
また、この発明の請求項８のレーダ信号処理方法によれば、動揺の小さい時間の受信信号のみを用いて計測値を算出するようにしているので、少ない演算量で誤差の少ない計測値を得ることができるという効果がある。
【０１３１】
また、この発明の請求項９のレーダ信号処理方法によれば、動揺の小さい時間の信号処理結果のみを残すようにするため、動揺による誤差の大きい計測値を出力することがないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１の二重偏波レーダ装置の構成を示すブロック図。
【図２】  この発明の実施の形態１の二重偏波レーダ信号処理方法の流れを示すフロー図。
【図３】  この発明の実施の形態２のレーダ装置の構成を示すブロック図。
【図４】  この発明の実施の形態２の二重偏波レーダ信号処理方法の流れを示すフロー図。
【図５】  この発明の実施の形態２の二重偏波レーダ信号処理方法の別の流れを示すフロー図。
【図６】  この発明の実施の形態３のレーダ装置の構成を示すブロック図。
【図７】  この発明の実施の形態３の二重偏波レーダ信号処理方法の流れを示すフロー図。
【図８】  この発明の実施の形態４のレーダ装置の構成を示すブロック図。
【図９】  この発明の実施の形態４の二重偏波レーダ信号処理方法の流れを示すフロー図。
【図１０】  従来のレーダ装置の構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
００１  種信号発生部、  ００２  送信部、  ００３  分割部、  ００４Ａ  第１の送受切替部、  ００４Ｂ  第２の送受切替部、  ００５  空中線、  ００６Ａ  第１の受信部、  ００６Ｂ  第２の受信部、  ００７  信号処理部、  ００８Ａ  第１のＡＤ変換部、  ００８Ｂ  第２のＡＤ変換部、  ００９  受信信号動揺補正処理部、  ０１０  計測値算出部、  １０９  計測値動揺補正処理部、  ２０９  大動揺受信信号除去部、  ３０９  大動揺計測値除去部。
【図１】
0003707469.tif 000042
【図２】
0003707469.tif 000043
【図３】
0003707469.tif 000044
【図４】
0003707469.tif 000045
【図５】
0003707469.tif 000046
【図６】
0003707469.tif 000047
【図７】
0003707469.tif 000048
【図８】
0003707469.tif 000049
【図９】
0003707469.tif 000050
【図１０】
0003707469.tif 000051