(57)【要約】【課題】少ない演算量で気象エコーの受信強度を算出できる気象レーダ信号処理装置を提供する。【解決手段】入力された時間系列データを周波数系列データに変換する高速フーリエ変換部１３と、高速フーリエ変換部１３からの周波数系列データからクラッタを除去する高速フーリエ変換系処理部１４と、高速フーリエ変換系処理部１４でクラッタが除去された周波数系列データのパワースペクトラムを加算平均することにより受信強度を算出するスペクトル加算部２０とを備える。【選択図】      図１
2005017143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された時間系列データを周波数系列データに変換する高速フーリエ変換部と、
前記高速フーリエ変換部からの周波数系列データからクラッタを除去する高速フーリエ変換系処理部と、
前記高速フーリエ変換系処理部でクラッタが除去された周波数系列データのパワースペクトラムを加算平均することにより受信強度を算出するスペクトル加算部と、
を備えることを特徴とする気象レーダ信号処理装置。
【請求項２】
前記スペクトル加算部は、方位方向の所定範囲の周波数系列データに基づいてパワースペクトラムを加算平均することを特徴とする請求項１記載の気象レーダ信号処理装置。
【請求項３】
前記スペクトル加算部からの加算平均を、距離方向の所定範囲について更に加算平均し、受信強度を算出する距離平均部を更に備えることを特徴とする請求項２記載の気象レーダ信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気象レーダ装置で使用される気象レーダ信号処理装置に関し、特に信号処理における演算量を減らす技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、気象レーダ装置において使用される気象レーダ信号処理装置が知られている。この気象レーダ信号処理装置は、送信波が目標物で反射されることにより得られる気象エコーを処理して受信強度を算出するといった信号処理を行う。このような従来の気象レーダ信号処理装置の構成を図４に示す。
【０００３】
この気象レーダ信号処理装置は、Ａ／Ｄ変換部１０、直交検波部１１、共通処理部１２、高速フーリエ変換（以下、「ＦＦＴ」という）部１３、ＦＦＴ系処理部１４、逆ＦＦＴ部１５、時間軸での処理部１６、系統切換部１７、方位平均部１８及び距離平均部１９から構成されている。
【０００４】
Ａ／Ｄ変換部１０は、気象エコーを受信したアンテナ（図示しない）からアナログの受信信号として送られてくる時間系列信号をデジタル信号に変換する。このＡ／Ｄ変換部１０から出力されるデジタル信号は、直交検波部１１に送られる。
【０００５】
直交検波部１１は、Ａ／Ｄ変換部１０から送られてくるデジタル信号を直交検波する。直交検波された信号は、時間軸上のデータであり、Ｉ（ｎ）、Ｑ（ｎ）と表すことができる。ここで、０≦ｎ≦Ｎ−１であり、Ｎは時間系列のデータ数を表す。直交検波部１１で直交検波された信号は、共通処理部１２に送られる。
【０００６】
共通処理部１２は、直交検波部１１から送られてくる信号に所定の処理を施し、ＦＦＴ部１３及び時間軸での処理部１６に送る。
【０００７】
ＦＦＴ部１３は、高速フーリエ変換を行うことにより、共通処理部１２から送られてくる時間軸上のデータ（時間系列データ）を周波数軸上のデータ（周波数系列データ）に変換する。このＦＦＴ部１３で高速フーリエ変換することにより得られた周波数系列データを、ＦＩ（ｍ）、ＦＱ（ｍ）で表す。ここで、０≦ｍ≦Ｍ−１であり、Ｍは周波数系列のデータ数（ＦＦＴポイント数）を表す。ＦＦＴ部１３で高速フーリエ変換されたデータは、ＦＦＴ系処理部１４に送られる。
【０００８】
ＦＦＴ系処理部１４は、ドップラー速度を持たない信号であるグランドクラッタを除去する処理を行う。グランドクラッタが除去された信号を、Ｆ’Ｉ（ｍ）、Ｆ’Ｑ（ｍ）で表す。ＦＦＴ系処理部１４でグランドクラッタが除去された信号は、逆ＦＦＴ部１５に送られる。
【０００９】
逆ＦＦＴ部１５は、周波数軸上でグランドクラッタが除去された信号を再び時間軸上のデータに戻す。この逆ＦＦＴ部１５で逆高速フーリエ変換することより得られたＭ個の時間系列データは、Ｉ’（ｍ）、Ｑ’（ｍ）で表すことができる。この逆ＦＦＴ部１５の出力は、系統切換部１７を経由して方位平均部１８に送られる。
【００１０】
方位平均部１８は、まず、受信強度Ｓ（ｍ）を算出する。受信強度（ｍ）は、下記式（１）で算出される。
【００１１】
Ｓ（ｍ）＝Ｉ’（ｍ）２＋Ｑ’（ｍ）２…（１）
次に、方位平均部１８は、方位方向の受信強度の加算平均を算出する。加算平均は、下記式（２）で算出される。
【００１２】
加算平均＝ΣＳ’（ｍ）／Ｍ…（２）
方位平均部１８で算出された方位方向の受信強度の加算平均は距離平均部１９に送られる。
【００１３】
距離平均部１９は、方位平均部１８から送られてくる受信強度の加算平均に対して、距離方向の受信強度の加算平均を算出し、気象レーダ信号処理装置の処理結果として出力する。この処理結果は、或る方位及び距離にある小領域の受信強度を表している。
【００１４】
時間軸での処理部１６は、非コヒーレント型ＭＴＩ（Ｍｏｖｉｎｇ  Ｔａｒｇｅｔ  Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）処理を行う。この処理では、詳細は後述するが、時間系列データのままでグランドクラッタが除去される。この時間軸での処理部１６での処理によって得られた時間系列データは、系統切換部１７を経由して方位平均部１８に送られ、上述した処理が実行される。
【００１５】
従って、ユーザは、系統切換部１７の設定によって、グランドクラッタの除去処理を周波数系列データで行うか時間系列データで行うかを選択できるようになっている。
【００１６】
以上説明したように、従来の気象レーダ信号処理装置は、時間系列データとして入力される受信信号に対し、距離レンジ毎に、方位方向に高速フーリエ変換することにより周波数系列データに変換してグランドクラッタの除去を行い、その後、逆高速フーリエ変換によって時間系列データに戻された結果と、時間軸での処理することにより得られた結果との何れかを、方位方向及び距離方向の平均化処理を行って気象エコーの受信強度を算出する。
【００１７】
なお、関連する技術として、探知物標が小さい場合でも、海面などの本来不要なクラッタを除去して探知物標からの信号のみを有効に抽出できるようにしたレーダ装置が知られている（特許文献１参照）。
【００１８】
このレーダ装置は、周波数スペクトル算出手段によって、アンテナ回転ごとに特定方位及び距離におけるレーダ反射信号を順次サンプリングして得られる時系列信号の周波数スペクトルを算出し、算出された周波数スペクトルに基づいて、フィルタ手段で時系列信号の内から直流成分と、この直流成分を除いた残りの周波数スペクトルの最大ピークを示すクラッタ周波数成分とをそれぞれ検出し、検出したこれらの直流成分とクラッタ周波数成分の各パワーに対してそれぞれ固有の重み付けをした値を加算して出力する。そして、レベル比較手段で、フィルタ手段の出力信号を所定のしきい値レベルと比較して、その出力信号が所定のしきい値レベル以上の場合にのみこの出力信号を取り出すように構成されている。
【００１９】
【特許文献１】
特開平６−１９４４４２号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、周波数軸上での信号処理は、気象エコーとグランドクラッタを分離する上で有効な手段であるが、ＦＦＴ及び逆ＦＦＴ処理が必要なことから、その演算量が膨大になるという問題がある。特に、ＣＰＵ、ＤＳＰ等によるソフトウェアでリアルタイム処理を実現するためには多くのプロセッサ資源を必要とし、ハードウェア及びソフトウェアの規模が増大する。
【００２１】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、少ない演算量で気象エコーの受信強度を算出できる気象レーダ信号処理装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明に係る気象レーダ信号処理装置は、入力された時間系列データを周波数系列データに変換する高速フーリエ変換部と、高速フーリエ変換部からの周波数系列データからクラッタを除去する高速フーリエ変換系処理部と、高速フーリエ変換系処理部でクラッタが除去された周波数系列データのパワースペクトラムを加算平均することにより受信強度を算出するスペクトル加算部とを備えることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、入力された時間系列データを高速フーリエ変換することにより得られた周波数系列データからクラッタを除去し、クラッタが除去された周波数系列データのパワースペクトラムを加算平均して受信強度を算出するように構成したので、受信強度は周波数系列データから直接算出される。従って、従来の気象レーダ信号処理装置のように逆高速フーリエ変換を行う必要はないので、演算量を減らすことができる。その結果、ＣＰＵ、ＤＳＰ等によるソフトウェアでリアルタイム処理を実現するためのプロセッサ資源を少なくすることができ、ハードウェア及びソフトウェアの規模を小さくできる。
【００２４】
また、スペクトル加算部は、方位方向の所定範囲の周波数系列データに基づいてパワースペクトラムを加算平均することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明は、スペクトル加算部からの加算平均を、距離方向の所定範囲について更に加算平均し、受信強度を算出する距離平均部を更に備えることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下においては、従来の技術の欄で説明した構成部分に相当する部分には、従来の技術の欄で使用した符号と同じ符号を用いて説明する。
【００２７】
図１は本発明の実施の形態に係る気象レーダ信号処理装置の構成を示すブロック図である。気象レーダ信号処理装置は、Ａ／Ｄ変換部１０、直交検波部１１、共通処理部１２、ＦＦＴ部１３、ＦＦＴ系処理部１４、スペクトル加算部２０、時間軸での処理部１６、系統切換部１７、方位平均部１８及び距離平均部１９から構成されている。
【００２８】
Ａ／Ｄ変換部１０は、気象エコーを受信したアンテナ（図示しない）からアナログの受信信号として送られてくる時間系列信号をデジタル信号に変換する。このＡ／Ｄ変換部１０から出力されるデジタル信号は、直交検波部１１に送られる。
【００２９】
直交検波部１１は、Ａ／Ｄ変換部１０から送られてくるデジタル信号を直交検波する。この直交検波された信号は、時間軸上のデータ（時間系列データ）であり、方位方向にだけ注目すると、Ｉ（ｎ）、Ｑ（ｎ）と表すことができる。ここで、０≦ｎ≦Ｎ−１であり、Ｎは時間系列のデータ数（方位方向ヒット数）を表す。図２の斜線部分で示すように、ある距離レンジにおける方位方向のヒット数を例えば”４”とする。そして、直交検波部１１で検波された信号は、共通処理部１２に送られる。
【００３０】
共通処理部１２は、直交検波部１１から送られてくる信号に所定の処理を施した後に、ＦＦＴ部１３及び時間軸での処理部１６に送る。
【００３１】
ＦＦＴ部１３は、高速フーリエ変換を行うことにより、共通処理部１２から送られてくる時間軸上のデータ（時間系列データ）を周波数軸上のデータ（周波数系列データ）に変換する。このＦＦＴ部１３で高速フーリエ変換することにより得られた周波数系列データを、ＦＩ（ｍ）、ＦＱ（ｍ）で表す。ここで、０≦ｍ≦Ｍ−１であり、Ｍは周波数系列のデータ数（ＦＦＴポイント数）を表す。ＦＦＴ部１３で高速フーリエ変換されたデータは、ＦＦＴ系処理部１４に送られる。
【００３２】
ＦＦＴ系処理部１４は、ドップラー速度を持たない信号であるグランドクラッタを除去する処理を行う。このグランドクラッタが除去された信号を、Ｆ’Ｉ（ｍ）、Ｆ’Ｑ（ｍ）で表す。ＦＦＴ系処理部１４でグランドクラッタが除去された信号は、スペクトル加算部２０に送られる。
【００３３】
スペクトル加算部２０では、まず、下記式（３）に従って、パワースペクトラムＰ（ｍ）が算出される。
【００３４】
Ｐ（ｍ）＝Ｆ’Ｉ（ｍ）２＋Ｆ’Ｑ（ｍ）２…（３）
次に、下記式（４）に従って、算出されたパワースペクトラムＰ（ｍ）の加算平均Ｐｔが求められる。
【００３５】
Ｐｔ＝ΣＰ（ｍ）／Ｎ…（４）
次に、下記式（５）に従って正規化が行われる。
【００３６】
Ｓ（ｍ）＝Ｐｔ／Ｍ…（５）
高速フーリエ変換は、時間系列データを周波数系列データに変換しているだけであるので、時間系列データのパワーと周波数系列データのパワーは等価である。換言すれば、パワーの総和は、時間領域と周波数領域とで同じである。従って、パワーの総和を入力データ数（時間系列データの処理ヒット数）で除算することにより、受信強度を算出することができる。このスペクトル加算部２０で得られたデータは、系統切換部１７に送られる。
【００３７】
時間軸での処理部１６は、非コヒーレント型ＭＴＩ（Ｍｏｖｉｎｇ  Ｔａｒｇｅｔ  Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）処理を行う。気象レーダにて低高度の気象エコーを観測する場合、受信信号には気象エコーの他に、地形から反射した地形エコーが重畳されている。気象レーダシステムでは、雷雲の低仰角での対流域を捉えるためには、地形エコーを十分に抑圧し、ドップラーデータの品質を確保する必要がある。
【００３８】
地形エコーは固定目標からのエコーであり、そのドプラー速度は「０ｍ／ｓ」の成分として得られる。地形エコーの重畳した気象エコーのスペクトラム解析を行うと、図３に示すように、地形エコーは、空中線の回転や風の揺らぎに起因してゼロ速度を中心に「±０．４ｍ／ｓ」幅のスペクトラムとして得られる。これに対し、気象エコーは、任意の速度を中心にガウシアン分布したスペクトラムとして得られる。従って、ゼロ速度付近の低周波領域の成分を高域通過フィルタで除去することにより、地形エコーを除去できる。この周波数上における地形エコー除去をコヒーレント型ＭＴＩという。
【００３９】
なお、気象エコーは、ゼロ速度付近においても出現する。このため、カットオフ特性が緩やかであると、ゼロ速度付近の気象エコーも消去されてしまい、速度精度が劣化する。従って、ゼロ速度付近の速度精度を高めるためには、高域通過フィルタに対して急峻なカットオフ特性が要求される。この要求に応える高域通過フィルタとしては、カットオフ特性が急峻で、且つ少ない次数で消去比を高くとることのできるＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ  Ｉｍｐｕｌｓｅ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）型の楕円型フィルタを用いることができる。対して、反射波の合成振幅変動の違いを利用して地形エコーを除去する技術として非コヒーレント型ＭＴＩがあり、これらを総称してＭＴＩ処理と呼ぶ。時間軸での処理して両方を備えている。時間軸での処理部１６から出力される地形エコーが除去された気象エコーを表す時間系列データは、方位平均部１８に送られる。
【００４０】
方位平均部１８は、時間軸での処理部１６で地形エコーが除去された時間系列データに基づいて、方位方向の所定範囲の受信強度の加算平均を算出する。この方位平均部１８で算出された方位方向の受信強度の加算平均は系統切換部１７に送られる。
【００４１】
系統切換部１７は、ユーザの設定に応じて、スペクトル加算部２０の出力又は方位平均部１８の出力を距離平均部１９に送る。従って、ユーザは、系統切換部１７の設定によって、グランドクラッタの除去処理を周波数系列データで行うか時間系列データで行うかを選択できるようになっている。
【００４２】
距離平均部１９は、系統切換部１７から送られてくる方位方向の受信強度の加算平均に対して、距離方向の受信強度の加算平均を算出し、気象レーダ信号処理装置の処理結果として出力する。この処理結果は、或る方位及び距離にある小領域の受信強度を表している。
【００４３】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る気象レーダ信号処理装置によれば、時間系列データのパワーと周波数系列データのパワーとは等価であることに着目し、周波数系列データから直接に受信強度を算出するように構成したので、従来の気象レーダ信号処理装置のように演算量の多い逆高速フーリエ変換は行われない。従って、演算量が減少するので、ＣＰＵ、ＤＳＰ等によるソフトウェアでリアルタイム処理を実現するためのプロセッサ資源を少なくすることができ、ハードウェア及びソフトウェアの規模を小さくできる。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、入力された時間系列データを高速フーリエ変換することにより得られた周波数系列データからクラッタを除去し、クラッタが除去された周波数系列データのパワースペクトラムを加算平均して受信強度を算出するように構成したので、受信強度は周波数系列データから直接算出される。従って、従来の気象レーダ信号処理装置のように演算量の多い逆高速フーリエ変換を行う必要はないので、少ない演算量で気象エコーの受信強度を算出できる気象レーダ信号処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る気象レーダ信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る気象レーダ信号処理装置における方位方向の平均処理を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る気象レーダ信号処理装置における時間軸での処理を説明するための図である。
【図４】従来の気象レーダ信号処理装置を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
１０  Ａ／Ｄ変換部
１１  直交検波部
１２  共通処理部
１３  ＦＦＴ部
１４  ＦＦＴ系処理部
１６  時間軸での処理部
１７  系統切換部
１８  方位平均部
１９  距離平均部
２０  スペクトル加算部
【図１】
2005017143.tif 000003
【図２】
2005017143.tif 000004
【図３】
2005017143.tif 000005
【図４】
2005017143.tif 000006