(57)【要約】【課題】エコー反射強度のばらつきにを低減しターゲットの速度を高い精度で算出することの可能なレーダ装置とその信号処理方法を提供すること。【解決手段】ＰＲＦを切り替え可能なレーダ装置にあって、ＰＲＦごとの位相回転量がターゲットのドップラー速度に比例するということに基づいて、受信したパルスエコーの位相回転量を基準値であるＰＲＦに基づく値に補正するようにする。これによりＰＲＦによらず速度算出に係る受信データを統一的に扱えるようにし、より多くの受信データを用いてターゲットのドップラー速度を算出するようにする。したがって、エコー反射強度のばらつきを平均化する効果を高められ、速度算出の精度を向上させることが可能になる。【選択図】      図２
2006226954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーダパルスを送信しレーダエコーを受信する送受信部と、
前記レーダパルスのパルス繰返し周波数を基準値に対して段階的に切り替える切替手段と、
前記レーダエコーから観測される位相角データに基づいてターゲットの速度を算出する信号処理部とを具備し、
この信号処理部は、
前記レーダエコーの位相回転量が前記ターゲットの速度に比例することに基づいて、前記基準値と異なるパルス繰り返し周波数のもとで送信されたレーダパルスに基づくレーダエコーの位相角データを、基準値のパルス繰り返し周波数における観測値に相当する位相角データに補正する補正手段と、
前記補正された位相角データを含む複数の位相角データを用いて前記ターゲットの速度を算出する算出手段とを備えることを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
前記算出手段は、同じパルス繰り返し周波数で送信されたレーダパルスの数よりも多数の位相角データを用いて前記ターゲットの速度を算出することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項３】
前記算出手段は、連続するレーダエコーに基づく位相角データを用いて前記ターゲットの速度を算出することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項４】
レーダパルスを送信しレーダエコーを受信するレーダ装置に用いられる信号処理方法において、
前記レーダパルスのパルス繰返し周波数を基準値に対して段階的に切り替える切替ステップと、
前記レーダエコーから観測される位相角データに基づいてターゲットの速度を算出する信号処理ステップとを具備し、
この信号処理ステップは、
前記レーダエコーの位相回転量が前記ターゲットの速度に比例することに基づいて、前記基準値と異なるパルス繰り返し周波数のもとで送信されたレーダパルスに基づくレーダエコーの位相角データを、基準値のパルス繰り返し周波数における観測値に相当する位相角データに補正する補正ステップと、
前記補正された位相角データを含む複数の位相角データを用いて前記ターゲットの速度を算出する算出ステップとを含むことを特徴とする信号処理方法。
【請求項５】
前記算出ステップは、同じパルス繰り返し周波数で送信されたレーダパルスの数よりも多数の位相角データを用いて前記ターゲットの速度を算出するステップであることを特徴とする請求項４に記載の信号処理方法。
【請求項６】
前記算出ステップは、連続するレーダエコーに基づく位相角データを用いて前記ターゲットの速度を算出するステップであることを特徴とする請求項４に記載の信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば気象レーダや移動体追尾レーダなどのレーダ装置と、この種のレーダ装置における信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
気象現象における風速や、航空管制などにおいて移動する目標の速度を算出するためにドップラレーダが用いられる（例えば、下記特許文献１〜３を参照）。この種のレーダ装置においてはターゲット（目標）により反射されたエコーの位相回転量（位相角）からその速度が算出される。  
レーダパルスの送信繰返し周期（ＰＲＦ）を切り替えることによりターゲットの探知距離や観測速度の拡大を可変する技術がある。例えば観測速度の上限はＰＲＦの値に左右されるが、異なるＰＲＦにおいて得られた速度データを組み合わせることで個々のＰＲＦの観測速度の上限を超える速度を算出することができる。
【特許文献１】特開平６−３４７５２号公報
【特許文献２】特開平１１−９４９３２号公報
【特許文献３】特開２０００−２３０９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、よく知られているようにエコー反射強度のばらつきの大きいターゲットに対しては速度の算出精度が劣化する。特に気象レーダなど、自然現象を観測対象とするレーダ装置にあってはこの傾向が大きい。これに対処するには観測データすなわちパルスエコーから観測される位相角データの数を多くしてばらつきを平均化することが有効である。
【０００４】
しかしながら既存のレーダ装置においては、ターゲットの速度は個々のＰＲＦに閉じた格好でしか算出できない。つまりＰＲＦの異なるレーダを複数用いたとしても、速度そのものは、個々のＰＲＦにおいて受信された位相角データを用いてＰＲＦごとに算出するほかはない。このため速度の算出に利用できるパルスエコーの数が各ＰＲＦにおけるパルスヒット数を超えることは無く、速度算出に用いることのできるデータの量が必然的に頭打ちになることから観測精度に限界があることが分かってきた。まして、ＰＲＦごとに送信されるパルスの数の少ないレーダ装置にあってはエコー反射強度のばらつきの影響がさらに大きく、観測精度が劣化することから何らかの対処が望まれている。  
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、エコー反射強度のばらつきによらずターゲットの速度を高い精度で算出することの可能なレーダ装置とその信号処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明の一態様によれば、レーダパルスを送信しレーダエコーを受信する送受信部と、前記レーダパルスのパルス繰返し周波数を基準値に対して段階的に切り替える切替手段と、前記レーダエコーから観測される位相角データに基づいてターゲットの速度を算出する信号処理部とを具備し、この信号処理部は、前記レーダエコーの位相回転量が前記ターゲットの速度に比例することに基づいて、前記基準値と異なるパルス繰り返し周波数のもとで送信されたレーダパルスに基づくレーダエコーの位相角データを、基準値のパルス繰り返し周波数における観測値に相当する位相角データに補正する補正手段と、前記補正された位相角データを含む複数の位相角データを用いて前記ターゲットの速度を算出する算出手段とを備えることを特徴とするレーダ装置が提供される。
【０００６】
一般に、異なるＰＲＦで送信されたレーダパルスに基づくレーダエコーの、パルスヒット間の位相差は、ターゲットの速度が一定であってもＲＰＦごとに異なる。このことが、異なるＰＲＦの位相角データを用いて速度を求めることができない原因となっている。上記構成によればＰＲＦごとの位相差の違いが補正されるので、あたかも同じＰＲＦで送信されたかのような受信データを生成することができる。
【０００７】
すなわち発明者は、位相のずれ量がＰＲＦに反比例しターゲットの速度に比例することに着目し、この事実に基づいて位相角データを補正できることに着想した。これにより、各ＰＲＦごとに観測される位相角データを横断的に用いて、ＰＲＦが異なっていても位相角データを統一的に処理することが可能になる。従って既存のレーダ装置よりも速度算出に係るデータ数を格段に多くすることが可能となり、エコー反射強度のばらつきの大きいターゲットに対しても速度算出の精度を向上させることが可能になる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、エコー反射強度のばらつきを低減しターゲットの速度を高い精度で算出することの可能なレーダ装置とその信号処理方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は本発明に係るレーダ装置の一実施の形態を示す機能ブロック図である。図１において変調部１２は、インタフェース（Ｉ／Ｆ）を介して与えられる信号処理部１１の制御のもとで、指定された変調方式の中間周波信号のディジタル値を生成する。このディジタル値はＤ／Ａ変換部１３によりアナログ化され、送信中間周波数信号（ｆｉ）が生成される。この送信中間周波信号は送受信装置１４においてレーダパルスの送信周波数にまでアップコンバートされ、電力増幅されたのち空中線１５から空間に送出される。
【００１０】
空中線１５から送出された周波数ｆ０のレーダパルスは雨粒などのターゲットにより反射され、レーダエコーが戻ってくる。このレーダエコーはターゲットの移動速度を反映するドップラー周波数（ｆｄ）を伴い、その受信周波数は（ｆ０＋ｆｄ）と表される。レーダエコーは空中線１５を介して送受信装置１４に達し、増幅されたのちダウンコンバートされて（ｆｉ＋ｆｄ）の受信中間周波数信号が生成される。この受信中間周波数信号はＡ／Ｄ変換部１６によりディジタル値に変換されたのち復調部１７により直交検波される。
【００１１】
直交検波された信号は復調部１７において複数の変調方式により復調される。これにより得られたＱ成分（実数成分）およびＩ成分（虚数成分）の受信データは、インタフェース（Ｉ／Ｆ）を介して信号処理部１１に与えられる。信号処理部１１は受信データからエコーの反射強度、ターゲットの速度および速度幅などの観測データを算出する。特に、受信データから観測される位相角データにより、ターゲットのドップラー速度を算出することができる。
【００１２】
ところで信号処理部１１は、この実施形態に係わる処理機能として切替処理部１１ａと、補正処理部１１ｂと、算出処理部１１ｃとを備える。切替処理部１１ａは、レーダパルスの送信繰返し周波数（ＰＲＦ）を、例えば一定のパルス発数ごとに段階的に切り替える。ＰＲＦの最低値を基準値とし、この基準値に対して例えば３０発数ごとにパルス間隔を短縮するなどといった手法が考えられる。逆に、ＰＲＦの最高値を基準値とし、この基準値から一定パルス数ごとに降順でパルス間隔を延長するようにしても良い。ＰＲＦが最高値（または最低値）に達した後は、再び最低値（または最高値）のＰＲＦからのパルス送信が繰り返される。
【００１３】
補正処理部１１ｂは、基準値と異なるＰＲＦのもとで送信されたレーダパルスに基づくレーダエコーの位相角データを、基準値のＰＲＦにおける観測値に相当する位相角データに補正する。この補正処理のため補正処理部１１ｂは、レーダエコーの位相回転量がターゲットの速度に比例し、ＰＲＦに反比例するという事実を利用する。算出処理部１１ｃは、補正処理部１１ｂにより補正された位相角データを含む複数の位相角データを用いてターゲットの速度を算出する。特に算出処理部１１ｃは、連続するレーダエコーに基づく位相角データを用いてターゲットの速度を算出する。
【００１４】
補正処理により、位相角データをＲＰＦによらず統一的に用いて速度を算出することが可能になる。このため速度算出に係るデータ数が、個々のＰＲＦにおけるパルスヒット数に縛られることが無くなり、同じＰＲＦで送信されたレーダパルスの数よりも多数の位相角データを用いてターゲットの速度を算出することができる。なるべく多数の位相角データを用いることにより、エコー反射強度のばらつきを平均化して算出量の精度を上げることができる。次に、上記構成における作用を詳しく説明する。
【００１５】
図２は、図１のレーダ装置の処理手順を示す流れ図である。基準値であるＰＲＦ１においては、受信信号はＡ／Ｄ変換ののちＩ／Ｑ検波される。そして連続するパルスヒット間の位相差が算出される。ＰＲＦ１よりも値の小さいＰＲＦ２においても同様の手順によりパルスヒット間の位相差が算出されるが、こののち補正ステップにより、ＰＲＦ２における位相差は、ＰＲＦ１における位相差に相当する値に補正される。これによりＰＲＦ１およびＰＲＦ２における位相差を統一的に扱うことが可能になり、これらの位相差を用いてターゲットのドップラー速度が算出される。
【００１６】
図３は、同じターゲットからのエコーの位相角がＰＲＦの値により異なる様子を説明するための模式図である。３段階のＰＲＦを例にとり、ＰＲＦ１＞ＰＲＦ２＞ＰＲＦ３とする。一般に、レーダの受信信号から速度を求めるにはパルスヒット間の位相差がまず求められる。ただしＰＲＦが異なれば、ターゲットの速度が同じであっても位相差の値が異なる。図３に示されるようにＰＲＦ１〜ＰＲＦ３に対する位相角はそれぞれθ１〜θ３であり、互いに異なる値である。
【００１７】
さて、ＰＲＦごとの位相差のずれは、ターゲットのドップラー速度に比例しＰＲＦに反比例する。そこでこの実施形態では、ＰＲＦ１、ＰＲＦ２、ＰＲＦ３同士で位相差を一旦算出しておき、その値から補正する位相の大きさを決めるようにする。以下に数式を用いて説明する。まずＰＲＦ１〜ＰＲＦ３に対してそれぞれパルスエコーの受信データから位相角θを求める。
【００１８】
＜ＰＲＦ１に対する演算＞
ＰＲＦ１のパルスエコーの実部および虚部は、パルスペア法を用いると次式（１）、（２）により表される。  
【数１】
2006226954.tif 000003
【００１９】
ＰＲＦ１のパルスエコーの位相角は、次式（３）のように表される。  
【数２】
2006226954.tif 000004
【００２０】
ＰＲＦ１のパルスエコーの最大速度は、次式（４）のように表される。  
【数３】
2006226954.tif 000005
【００２１】
なお式（４）においてＣは光速であり、ｆ０は送信パルスの周波数である。
【００２２】
＜ＰＲＦ２に対する演算＞
同様に、ＰＲＦ２のパルスエコーの実部および虚部は次式（５）、（６）により表される。またＰＲＦ２のパルスエコーの位相角は、次式（７）のように表される。さらにＰＲＦ２のパルスエコーの最大速度は、次式（８）のように表される。  
【数４】
2006226954.tif 000006
【００２３】
＜ＰＲＦ３に対する演算＞
同様に、ＰＲＦ３のパルスエコーの実部および虚部は次式（９）、（１０）により表される。またＰＲＦ３のパルスエコーの位相角は、次式（１１）のように表される。さらにＰＲＦ３のパルスエコーの最大速度は、次式（１２）のように表される。  
【数５】
2006226954.tif 000007
【００２４】
式（８）、（１２）においてもＣは光速であり、ｆ０は送信パルスの周波数である。
【００２５】
次に、ＰＲＦ２におけるＩＱデータを、レーダパルスをＰＲＦ１で送信した値に相当するデータに補正する。補正値に（′）を付し、その実部は式（１３）により、虚部は式（１４）によりそれぞれ表される。  
【数６】
2006226954.tif 000008
【００２６】
同様に、ＰＲＦ３におけるＩＱデータを、レーダパルスをＰＲＦ１で送信した値に相当するデータに補正する。補正値の実部は式（１５）により、虚部は式（１６）によりそれぞれ表される。  
【数７】
2006226954.tif 000009
【００２７】
次に、各ＰＲＦの値を、実部および虚部ごとに合成すると次式（１７）、（１８）が得られる。  
【数８】
2006226954.tif 000010
【００２８】
式（１７）、（１８）を用いて、次式（１９）によりドップラー速度を算出することができる。  
【数９】
2006226954.tif 000011
【００２９】
なお速度ベクトルの大きさ（スカラー量）は、式（１７）、（１８）を用いて次式（２０）のように表される。
【数１０】
2006226954.tif 000012
【００３０】
図４は、上記の演算処理による位相角の補正を示す模式図である。上記の演算処理によれば、ＰＲＦ２、ＰＲＦ３における位相角はいずれも、ＰＲＦ１における位相角に相当する値に補正される。すなわち本実施形態によれば、異なるＰＲＦで送信されたパルスに基づく受信波が、同じＰＲＦの受信波に補正される。これにより、各ＰＲＦにおけるパルスヒット数は少数であっても、異なるＰＲＦに跨ってデータを利用できるので、より多くのデータを用いて速度を算出することができる。
【００３１】
図５は、比較のため既存のレーダ装置における処理手順を示す流れ図である。既存の技術では、同じＰＲＦごとにそれぞれドップラー速度が算出される。このため速度算出に係るデータ数に上限があり、反射強度のばらつきの多きいターゲットに対しては演算の精度が劣化しがちであるという不具合があった。
【００３２】
これに対して本実施形態では、ＰＲＦを切り替え可能なレーダ装置にあって、ＰＲＦごとの位相回転量がターゲットのドップラー速度に比例するということに基づいて、受信したパルスエコーの位相回転量を基準値であるＰＲＦに基づく値に補正するようにする。これによりＰＲＦによらず速度算出に係る受信データを統一的に扱えるようにし、より多くの受信データを用いてターゲットのドップラー速度を算出するようにする。したがって、エコー反射強度のばらつきを平均化する効果を高められ、速度算出の精度を向上させることが可能になる。以上のことから、エコー反射強度のばらつきを低減させ、ターゲットの速度を高い精度で算出することの可能なレーダ装置とその信号処理方法を提供することが可能となる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば図１においてＤ／Ａ変換部１３、およびＡ／Ｄの変換部１６の機能は、他の機能ブロックに併せ持たせることもできる。また本発明は、気象レーダに限定されることなく他のドップラーレーダにももちろん適用することができる。またＰＲＦ１に限らず、ＰＲＦ２やＰＲＦ３など、他のＰＲＦを基準値としても良い。またＰＲＦは３段階に限らず、上記開示した技術はさらに多くのＰＲＦに対しても適用することができる。さらに本発明は単独のレーダ装置おいてＰＲＦを切り替えるのでなく、ＰＲＦのそれぞれ異なる複数のレーダ装置を組み合わせた、いわゆるレーダシステムに対しても適用することが可能である。
【００３４】
さらに、本発明は上記実施形態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により、種々の発明を形成できる。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。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係るレーダ装置の一実施の形態を示す機能ブロック図。
【図２】図１のレーダ装置の処理手順を示す流れ図。
【図３】同じターゲットからのエコーの位相角がＰＲＦの値により異なる様子を説明するための模式図。
【図４】本発明の実施の形態における演算処理による位相角の補正を示す模式図。
【図５】比較のため既存のレーダ装置における処理手順を示す流れ図。
【符号の説明】
【００３６】
１１…信号処理部、１１ａ…切替処理部、１１ｂ…補正処理部、１１ｃ…算出処理部、１２…変調部、１３…Ｄ／Ａ変換部、１４…送受信部、１５…空中線、１６…Ａ／Ｄ変換部、１７…復調部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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