(57)【要約】【課題】観測対象の速度分布のばらつきが大きい場合でも、高い精度で観測対象の速度を算出する。【解決手段】パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）を切り替え可能なレーダ装置にあって、レーダエコーから観測される速度スペクトルをそれぞれ位相差ベクトルに変換する。そして、ＰＲＦごとの位相角が観測対象のドップラ速度に比例するということに基づいて、それぞれのＰＲＦの位相差ベクトルにより得られる位相角を基準値である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速度を算出するようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス繰り返し周波数に基づいてレーダパルスを繰り返し送信しレーダエコーを受信する送受信部と、
前記パルス繰り返し周波数を複数の周波数の中から選択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速度スペクトル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、
前記信号処理部は、
前記パルス繰り返し周波数ごとに前記速度スペクトルを位相差ベクトルに変換する変換手段と、
前記位相差ベクトルから求められる位相角が前記ターゲットの速度に比例することに基づいて、前記パルス繰り返し周波数の一つを基準にして、前記パルス繰り返し周波数の位相差ベクトルを、基準のパルス繰り返し周波数に相当する位相差ベクトルに補正する補正手段と、
前記補正された位相差ベクトルを含む複数の位相差ベクトルを合成し、前記合成された位相差ベクトルから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】
パルス繰り返し周波数に基づいて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、
前記パルス繰り返し周波数を複数の周波数の中から選択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速度スペクトル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、
前記信号処理ステップは、
前記パルス繰り返し周波数ごとに前記速度スペクトルを位相差ベクトルに変換する変換ステップと、
前記位相差ベクトルから求められる位相角が前記ターゲットの速度に比例することに基づいて、前記パルス繰り返し周波数の一つを基準にして、前記基準値と異なるパルス繰り返し周波数の位相差ベクトルを、基準のパルス繰り返し周波数に相当する位相差ベクトルに補正する補正ステップと、
前記補正された位相差ベクトルを含む複数の位相差ベクトルを合成し、前記合成された位相差ベクトルから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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、雨や雲の動的な状況をとらえるドップラ気象レーダに用いられるレーダ装置とその信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドップラレーダにおいて、移動速度の大きい気象エコーを検出するときには、受信される位相信号が送信波長の１周期を超える場合があり、ドップラ速度の検出において速度の折り返しが発生する。これに対し、レーダパルスの送信繰り返し周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）を切り替えることによりターゲットの最大速度検出範囲を拡大する技術がある。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（例えば、非特許文献１を参照。）。
【非特許文献１】東芝レビュー  ５５巻５号、２０００年５月１日発行、「ドップラ気象レーダ」、ｐ．２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、一般にドップラレーダでは、速度分布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ヒット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、ＰＲＦやパルスヒット数を変更するのは容易ではない。また、ターゲットの速度は個々のＰＲＦ毎に算出することしかできない。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り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速度分布のばらつきの影響がさらに大きく、観測精度が劣化する。  
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、観測対象の速度分布のばらつきが大きい場合でも、高い精度で観測対象の速度を算出できる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この発明に係わるレーダ装置は、パルス繰り返し周波数に基づいてレーダパルスを繰り返し送信しレーダエコーを受信する送受信部と、上記パルス繰り返し周波数を複数の周波数の中から選択的に切り替える切替手段と、上記レーダエコーから観測される速度スペクトル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備える。そして、上記信号処理部は、上記パルス繰り返し周波数ごとに上記速度スペクトルを位相差ベクトルに変換する変換手段と、上記位相差ベクトルから求められる位相角が上記ターゲットの速度に比例することに基づき、上記パルス繰り返し周波数の一つを基準にして、上記パルス繰り返し周波数の位相差ベクトルを基準のパルス繰り返し周波数に相当する位相差ベクトルに補正する補正手段とを備え、上記補正された位相差ベクトルを含む複数の位相差ベクトルを合成し、上記合成された位相差ベクトルから上記ターゲットの速度を算出するものである。
【０００６】
また、この発明に係わる信号処理方法は、パルス繰り返し周波数に基づいて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、上記パルス繰り返し周波数を複数の周波数の中から選択的に切り替える切替ステップと、上記レーダエコーから観測される速度スペクトル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備える。そして、上記信号処理ステップは、上記パルス繰り返し周波数ごとに上記速度スペクトルを位相差ベクトルに変換する変換ステップと、上記位相差ベクトルから求められる位相角が上記ターゲットの速度に比例することに基づき、上記パルス繰り返し周波数の一つを基準にして、上記基準値と異なるパルス繰り返し周波数の位相差ベクトルを基準のパルス繰り返し周波数に相当する位相差ベクトルに補正する補正ステップとを備え、上記補正された位相差ベクトルを含む複数の位相差ベクトルを合成し、上記合成された位相差ベクトルから上記ターゲットの速度を算出するものである。
【０００７】
上記構成によるレーダ装置では、異なるパルス繰り返し周波数で送信されたレーダパルスに基づくレーダエコーから速度スペクトルを観測し、この速度スペクトルを位相差ベクトルに変換し、基準となるパルス繰り返し周波数に相当する位相差ベクトルに補正して、異なるパルス繰り返し周波数により観測された速度スペクトルをパルス繰り返し周波数によらず統一的に用いて速度を算出するようにしている。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成によれば、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受信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。できるだけ多数の受信データを用いることにより、速度分布のばらつきを平均化して算出値の精度を上げることができる。したがって、この発明によれば、観測対象の速度分布のばらつきが大きい場合でも、高い精度で観測対象の速度を算出できる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、この発明に係わるレーダ装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。  
変調部１２は、信号処理部１１からインタフェース（Ｉ／Ｆ）を介して与えられる制御のもと、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においてアナログ値に変換され、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に到来し、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Ｉ成分（同相成分）およびＱ成分（直交位相成分）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速度スペクトルにより、ターゲットのドップラ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り返し周波数（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、異なるＰＲＦにより得られた速度スペクトルをそれぞれ位相差ベクトルに変換し、さらに変換された位相差ベクトルを基準となるＰＲＦに相当する位相差ベクトルに補正する。この補正処理には、位相差ベクトルから求められる位相角がターゲットの速度に比例する性質を利用する。また、算出処理部１１ｃは、補正処理部１１ｂにより補正された位相差ベクトルを合成して、合成されたベクトルによりターゲットの速度を算出する。
【００１４】
次に、上記構成におけるレーダ装置のターゲット速度算出処理について説明する。  
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変換され、Ｉ／Ｑ検波されたのち、さらに、ＦＦＴ処理が行われ、速度スペクトルが求められる。この速度スペクトルは、さらに位相差ベクトルに変換される。一方、ＰＲＦ２においても、ＰＲＦ１と同様の手順により、受信信号が位相差ベクトルに変換されるが、その後、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速度が算出される。
【００１５】
図３に、異なるＰＲＦの速度スペクトルを各ＰＲＦの位相差ベクトルに変換する方法を示す。ここでは３段階のＰＲＦを例にとり、ＰＲＦ１＞ＰＲＦ２＞ＰＲＦ３とする。各ＰＲＦの速度スペクトルからベクトル合成法によって得られた強度とドップラ速度とを、それぞれベクトルの長さと位相角とに置き換える。各ＰＲＦの折返し速度（Ｖmax(ＰＲＦ１)，Ｖmax(ＰＲＦ２) ，Ｖmax(ＰＲＦ３)）は、ＰＲＦによって値が異なるため、同じドップラ速度を観測していてもＰＲＦによって位相角が異なる。図３に示すように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。
【００１６】
また、ＰＲＦごとの位相差は、ターゲットのドップラ速度に比例する。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に対してそれぞれ速度スペクトルから位相角θを求める。
【００１７】
＜ＰＲＦ１に対する演算＞  
まず、ＰＲＦ１の速度スペクトルからベクトル合成法により得られた位相差ベクトル（ＲPRF1）の実部と虚部を求める。  
【数１】
2006349471.tif 000003
【００１８】
また、ＰＲＦ１の最大速度ＶmaxPRF1は、次式のように求められる。
【数２】
2006349471.tif 000004
【００１９】
なお式（３）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。
【００２０】
＜ＰＲＦ２に対する演算＞  
ＰＲＦ１と同様に、ＰＲＦ２の速度スペクトルからベクトル合成法により得られた位相差ベクトル（ＲPRF2）の実部と虚部、及びＰＲＦ２の最大速度ＶmaxPRF2を求める。
【数３】
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【００２１】
＜ＰＲＦ３に対する演算＞  
また同様に、ＰＲＦ３の速度スペクトルからベクトル合成法により得られた位相差ベクトル（ＲPRF3）の実部と虚部、及びＰＲＦ３の最大速度ＶmaxPRF3を求める。
【数４】
2006349471.tif 000006
【００２２】
式（６）、（９）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。
【００２３】
＜ＰＲＦ２のデータをＰＲＦ１によるデータに補正＞  
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（１０）により、虚部は式（１１）によりそれぞれ表される。  
【数５】
2006349471.tif 000007
【００２４】
＜ＰＲＦ２のデータをＰＲＦ１によるデータに補正＞  
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（１２）により、虚部は式（１３）によりそれぞれ表される。  
【数６】
2006349471.tif 000008
【００２５】
次に、各ＰＲＦの値を、実部および虚部ごとに合成すると次式（１４）、（１５）が得られる。  
【数７】
2006349471.tif 000009
【００２６】
式（１４）、（１５）を用いて、次式（１６）によりドップラ速度を算出することができる。  
【数８】
2006349471.tif 000010
【００２７】
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。
【００２８】
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、速度分布のばらつきの大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。
【００２９】
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、レーダエコーから観測される速度スペクトルをそれぞれ位相差ベクトルに変換する。そして、ＰＲＦごとの位相角が観測対象のドップラ速度に比例するということに基づいて、それぞれのＰＲＦの位相差ベクトルにより得られる位相角を基準値である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速度を算出するようにする。したがって、速度分布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、速度分布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。
【００３０】
なお、この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。
【００３１】
要するにこの発明は、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】
【００３２】
【図１】この発明に係わるレーダ装置の一実施形態の機能構成を示すブロック図。
【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】この発明の実施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】
【００３３】
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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