(57)【要約】【課題】位相誤差の影響の小さい強雨領域での距離分解能の劣化を防止したレーダ信号処理装置および方法を得る。【解決手段】水平偏波受信信号Ｈと垂直偏波受信信号Ｖとの偏波間の位相差φｄｐを算出する位相差算出部４と、水平偏波受信信号Ｈまたは垂直偏波受信信号Ｖからエコー強度Ａを算出するエコー強度算出部１と、エコー強度Ａから降雨強度の暫定推定値Ｒａを算出する暫定推定値算出部２と、暫定推定値Ｒａを用いて、位相差φｄｐの距離微分を計算する際の距離微分区間Ｄを設定する距離微分区間設定部３と、距離微分区間Ｄを用いて位相差φｄｐを距離で微分し、位相差距離微分値Ｋｄｐを算出する距離微分算出部５と、位相差距離微分値Ｋｄｐから降雨強度推定値Ｒを算出する降雨強度推定部６とを備えた。【選択図】        図１
2005017082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平偏波および垂直偏波の２つの電波を空間に放射し、ターゲットで反射された電波を、２つの偏波で水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号として受信し、前記水平偏波受信信号および前記垂直偏波受信信号に対して処理を施すことにより二重偏波計測値を取得するレーダ信号処理装置であって、前記水平偏波受信信号と前記垂直偏波受信信号との偏波間の位相差を算出する位相差算出部と、
前記水平偏波受信信号および前記垂直偏波受信信号の少なくとも一方からエコー強度を算出するエコー強度算出部と、
前記エコー強度から降雨強度の暫定推定値を算出する暫定推定値算出部と、
前記暫定推定値を用いて、前記位相差の距離微分を計算する際の第１の距離微分区間を設定する距離微分区間設定部と、
前記第１の距離微分区間を用いて前記位相差を距離で微分し、第１の位相差距離微分値を算出する距離微分算出部と、
前記第１の位相差距離微分値から降雨強度推定値を算出する降雨強度推定部とを備えたことを特徴とするレーダ信号処理装置。
【請求項２】
前記距離微分区間設定部は、前記降雨強度推定値を用いて第２の距離微分区間を再設定し、
前記距離微分算出部は、前記第２の距離微分区間を用いて、前記位相差の第２の位相差距離微分値を再度算出することを特徴とする請求項１に記載のレーダ信号処理装置。
【請求項３】
水平偏波および垂直偏波の２つの電波を空間に放射し、ターゲットで反射された電波を、２つの偏波で水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号として受信し、前記水平偏波受信信号および前記垂直偏波受信信号に対して処理を施すことにより二重偏波計測値を取得するレーダ信号処理装置であって、前記水平偏波受信信号と前記垂直偏波受信信号との偏波間の位相差を算出する位相差算出部と、
全距離で一定の第１の距離微分区間を設定する距離微分区間設定部と、
前記第１の距離微分区間を用いて前記位相差を距離で微分し、第１の位相差距離微分値を算出する距離微分算出部と、
前記第１の位相差距離微分値から降雨強度推定値を算出する降雨強度推定部とを備え、
前記距離微分区間設定部は、前記降雨強度推定値を用いて第２の距離微分区間を再設定し、
前記距離微分算出部は、前記第２の距離微分区間を用いて、前記位相差の第２の位相差距離微分値を再度算出することを特徴とするレーダ信号処理装置。
【請求項４】
水平偏波および垂直偏波の２つの電波を空間に放射し、ターゲットで反射された電波を、２つの偏波で水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号として受信し、前記水平偏波受信信号および前記垂直偏波受信信号に対して処理を施すことにより二重偏波計測値を取得するレーダ信号処理方法であって、前記水平偏波受信信号および前記垂直偏波受信信号の少なくとも一方からエコー強度を算出する第１のステップと、
前記エコー強度から降雨強度の暫定推定値を算出する第２のステップと、
前記暫定推定値を用いて第１の距離微分区間を設定する第３のステップと、
前記水平偏波受信信号と前記垂直偏波受信信号との偏波間の位相差を算出する第４のステップと、
前記第１の距離微分区間を用いて前記位相差を距離で微分し、第１の位相差距離微分値を算出する第５のステップと、
前記第１の位相差距離微分値から降雨強度推定値を算出する第６のステップとを備えたことを特徴とするレーダ信号処理方法。
【請求項５】
前記第３のステップにおいて、前記第１の距離微分区間は、前記暫定推定値が大きければ大きいほど短く設定され、前記暫定推定値が小さければ小さいほど長く設定されることを特徴とする請求項４に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項６】
前記第３のステップにおいて、前記第１の距離微分区間は、前記暫定推定値が不連続に変化する点を跨がないように設定されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項７】
前記第６のステップに続いて、反復処理を継続するか否かを判定する第７のステップと、
前記第７のステップにより反復処理を継続すると判定された場合に、前記降雨強度推定値を用いて第２の距離微分区間を再設定し、前記第５のステップに戻る第８のステップと、
前記第７のステップにより反復処理を継続しないと判定された場合に、前記水平偏波受信信号および前記垂直偏波受信信号に対する処理を終了する第９のステップとを備えたことを特徴とする制御信号請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項８】
前記第８のステップにおいて、前記第２の距離微分区間は、前記降雨強度推定値が大きければ大きいほど短く設定され、前記降雨強度推定値が小さければ小さいほど長く設定されることを特徴とする請求項７に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項９】
前記第８のステップにおいて、前記第２の距離微分区間は、前記降雨強度推定値が不連続に変化する点を跨がないように設定されることを特徴とする請求項７または請求項８に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項１０】
前記第７のステップにおいて、反復処理の実行回数が所定回数に達していない場合には、反復処理の継続条件を満たすものと判定し、前記反復処理の実行回数が前記所定回数に達した場合には、信号処理の終了条件を満たすものと判定することを特徴とする請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項１１】
前記第７のステップにおいて、今回の反復処理で算出された降雨強度推定値と、前回の反復処理で算出された降雨強度推定値との推定値偏差の絶対値が、所定の基準値以上を示す場合には、反復処理の継続条件を満たすものと判定し、前記推定値偏差の絶対値が前記所定の基準値よりも小さい場合には、信号処理の終了条件を満たすものと判定することを特徴とする請求項７から請求項１０までのいずれか１項に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項１２】
前記第７のステップにおいて、今回の反復処理で算出された距離微分区間と、前回の反復処理で算出された距離微分区間との区間偏差の絶対値が、所定の基準区間値以上を示す場合には、反復処理の継続条件を満たすものと判定し、前記区間偏差の絶対値が前記所定の基準区間値よりも小さい場合には、信号処理の終了条件を満たすものと判定することを特徴とする請求項７から請求項１１までのいずれか１項に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項１３】
前記第８のステップにおいて、前記降雨強度推定値の相対誤差が一定となるように、前記第２の距離微分区間を設定することを特徴とする請求項７から請求項１２までのいずれか１項に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項１４】
前記第１または第２のステップにおいて、前記エコー強度または前記暫定推定値を、距離方向に平滑化処理することを特徴とする請求項４から請求項１３までのいずれか１項に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項１５】
前記第１または第２のステップにおいて、前記エコー強度または前記暫定推定値を、方位角方向または仰角方向に平滑化処理することを特徴とする請求項４から請求項１４までのいずれか１項に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項１６】
前記第１または第２のステップにおいて、前記エコー強度または前記暫定推定値を、時間方向に平滑化処理することを特徴とする請求項４から請求項１５までのいずれか１項に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項１７】
水平偏波および垂直偏波の２つの電波を空間に放射し、ターゲットで反射された電波を、２つの偏波で水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号として受信し、前記水平偏波受信信号および前記垂直偏波受信信号に対して処理を施すことにより二重偏波計測値を取得するレーダ信号処理方法であって、
全距離で一定の第１の距離微分区間を設定する第１のステップと、
前記水平偏波受信信号と前記垂直偏波受信信号との偏波間の位相差を算出する第２のステップと、
前記第１の距離微分区間を用いて前記位相差を距離で微分し、第１の位相差距離微分値を算出する第３のステップと、
前記第１の位相差距離微分値から降雨強度推定値を算出する第４のステップと、
反復処理を継続するか否かを判定する第５のステップと、
前記反復処理を継続すると判定された場合に、前記降雨強度推定値を用いて第２の距離微分区間を再設定し、前記第４のステップに戻る第６のステップと、
前記反復処理を継続しないと判定された場合に、前記水平偏波受信信号および前記垂直偏波受信信号に対する処理を終了する第７のステップとを備えたことを特徴とするレーダ信号処理方法。
【請求項１８】
前記第６のステップにおいて、前記降雨強度推定値を距離方向に平滑化した後に、前記第２の距離微分区間を再設定することを特徴とする請求項１７に記載のレーダ信号処理方法。
【請求項１９】
前記第６のステップにおいて、前記降雨強度推定値の相対誤差が一定となるように、前記第２の距離微分区間を設定することを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載のレーダ信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水平偏波および垂直偏波の２つの電波を空間に放射し、反射電波の水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号を処理して二重偏波計測値を取得する気象観測用の二重偏波レーダの信号処理装置および方法に関し、特に位相誤差の影響の小さい強雨領域での距離分解能の劣化を防止したレーダ信号処理装置および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においては、エコー強度と降雨強度との間に成立する関係式を用いて、降雨強度推定値を算出している。
従来用いられている一般的な関係式としては、以下の式（１）があげられる。
【０００３】
【数１】
2005017082.tif 000003
【０００４】
ただし、式（１）において、Ｒは降雨強度［ｍｍ／ｈ］、Ｂおよびβは定数である。Ｚはレーダ反射因子［ｍｍ６／ｍ３］であり、降雨の単位体積当たりのレーダ反射率に対応している。定数Ｂおよびβは、降雨のタイプによって異なるものの、標準的には、Ｂ＝２００、β＝１．６の値がよく用いられている。
しかし、式（１）の関係は、実際には雨滴の粒径分布によって大きく変化するので、単一偏波の気象レーダを用いて正確な降雨強度を求めることは困難であった。
【０００５】
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成しており、大きな粒径の雨滴の場合には回転楕円体の扁平度が大きく、小さな粒径の雨滴の場合には、回転楕円体の扁平度が小さくほぼ球形となる。
したがって、従来から、水平偏波および垂直偏波の２つの偏波を用いた二重偏波レーダによる気象観測システムが提案されており、これにより、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）が得られるので、高精度の降雨強度の計測が可能になる（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００６】
また、近年では、降雨強度の計測の精度向上に有効なパラメータ値として、特に位相差距離微分値Ｋｄｐ（降雨領域を電波が通過する途中で生じる偏波間の位相差を距離微分したパラメータ値）が注目されている。
【０００７】
二重偏波レーダを用いた従来のレーダ信号処理装置は、種信号発生部、送信部、分割部、第１、第２の送受切替部、空中線、第１、第２の受信部および信号処理部を備え、種信号発生部からの種信号（空中に放射する送信波の元）を、送信部で大電力信号に増幅して送信波としている。また、通常、送信波は、レーダ観測の距離分解能を確保するためにパルス変調が施される。
【０００８】
送信波は、分割部により２分割された後、それぞれ、第１、第２の送受信切替部に入力され、送信タイミングにおいては分割部から出力された送信波が空中線に伝送される。
空中線は、第１の送受信切替部から伝送された送信波を、水平偏波で大気中に放射し、第２の送受信切替部から伝送された送信波を、垂直偏波で大気中に放射する。
【０００９】
一方、受信タイミングにおいては、空中線での受信波が、それぞれ第１、第２の受信部に伝送される。
大気で反射された反射電波のうちの水平偏波成分は、空中線から第１の送受切替部を経て第１の受信部に伝送され、反射電波のうちの垂直偏波成分は、空中線から第２の送受切替部を経て第２の受信部に伝送される。
第１、第２の受信部は、それぞれ入力された水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号に対して、増幅および周波数変換を施す。
【００１０】
第１、第２の受信信号からの周波数変換後の受信信号は、信号処理部により信号処理が施される。
ここで、位相差距離微分値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
【数２】
2005017082.tif 000004
を距離微分することにより、以下の式（２）のように表される。
【００１１】
【数３】
2005017082.tif 000005
【００１２】
ただし、
【数４】
2005017082.tif 000006
はそれぞれ距離
【数５】
2005017082.tif 000007
における水平偏波受信信号と垂直偏波受信信号の位相差である。
【００１３】
位相差
【数６】
2005017082.tif 000008
は、水平偏波信号と垂直偏波信号との相互相関係数の位相を計算することにより、以下の式（３）のように表される。
【００１４】
【数７】
2005017082.tif 000009
【００１５】
ただし、式（３）において、
【数８】
2005017082.tif 000010
は水平偏波を送信して水平偏波を受信することにより得られる受信信号、
【数９】
2005017082.tif 000011
は、垂直偏波を送信して垂直偏波を受信することにより得られる受信信号である。また、
【数１０】
2005017082.tif 000012
は集合平均を、＊は複素共役をそれぞれ表す。
実際の信号処理においては、信号のエルゴード性を仮定して、時間平均また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の平均処理または積分処理となる。ここで、平均処理または積分処理に用いられるデータ数を、積分数と称する。
【００１６】
このように、位相差距離微分値Ｋｄｐから降雨強度を推定する二重偏波レーダの場合、信号処理部は、位相差算出部、距離微分算出部および降雨強度推定部を有し、位相差算出部は、各距離の水平偏波受信信号と垂直偏波受信信号との偏波間の位相差
【数１１】
2005017082.tif 000013
を算出する。また、距離微分算出部は、算出された位相差の距離微分の計算、すなわち、前述の式（２）を実行して位相差距離微分値Ｋｄｐを算出し、降雨強度推定部は、位相差距離微分値Ｋｄｐを降雨強度に変換する。
位相差距離微分値Ｋｄｐを降雨強度に変換する式としては、以下の式（４）があげられる（たとえば、非特許文献２参照）。
【００１７】
【数１２】
2005017082.tif 000014
【００１８】
ただし、式（４）において、
【数１３】
2005017082.tif 000015
は降雨強度［ｍｍ／ｈ］、λはレーダ電波の波長［ｃｍ］であり、位相差距離微分値Ｋｄｐの単位は［ｄｅｇ／ｋｍ］である。
【００１９】
前述のように、位相差距離微分値Ｋｄｐは、降雨強度の計測の精度向上に有効であるが、降雨の弱い領域では、位相差の距離変化率が小さいことが知られている。
したがって、計測値に含まれる位相誤差に、位相差の距離変化が埋もれてしまい、位相差距離微分値の精度が劣化するおそれがある。
一方、微分演算の距離区間を広げれば、２点の距離間での位相差の変化が大きくなるので、距離微分における位相誤差の影響は小さくなるが、計測の距離分解能が劣化する問題が生じる。
【００２０】
【非特許文献１】
「若山他、気象レーダにおける二周波観測およ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」
【非特許文献２】
「Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｊ．Ｄｏｖｉａｋ  ａｎｄ  Ｄｕｓａｎ  Ｓ．Ｚｒｎｉｃ，Ｄｏｐｐｌｅｒ  Ｒａｄａｒ  ａｎｄ  Ｗｅａｔｈｅｒ  Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ，Ｓｅｃｏｎｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、Ｉｎｃ．，１９９３．ｐ．２３４」
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーダ信号処理装置および方法は以上のように、式（２）から算出される位相差距離微分値（位相差の距離変化率）Ｋｄｐが降雨の弱い領域で小さいので、位相差距離微分値の精度が劣化するおそれがあり、また、微分演算の距離区間を広げると、計測における距離分解能が劣化するという問題点があった。
【００２２】
さらに、降雨強度が距離方向に対して急激に変化する点においては、偏波間の位相差の距離方向の変化率がその変化点の前後で変化するので、この変化点を挟んで、式（２）の距離微分を行うと、距離微分の精度が劣化するという問題点があった。
【００２３】
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、位相誤差の影響の小さい強雨領域での距離分解能の劣化を防止したレーダ信号処理装置を得ることを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーダ信号処理装置は、水平偏波および垂直偏波の２つの電波を空間に放射し、ターゲットで反射された電波を、２つの偏波で水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号として受信し、水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号に対して処理を施すことにより二重偏波計測値を取得するレーダ信号処理装置であって、水平偏波受信信号と垂直偏波受信信号との偏波間の位相差を算出する位相差算出部と、水平偏波受信信号または垂直偏波受信信号からエコー強度を算出するエコー強度算出部と、エコー強度から降雨強度の暫定推定値を算出する暫定推定値算出部と、暫定推定値を用いて、位相差の距離微分を計算する際の第１の距離微分区間を設定する距離微分区間設定部と、第１の距離微分区間を用いて位相差を距離で微分し、第１の位相差距離微分値を算出する距離微分算出部と、第１の位相差距離微分値から降雨強度推定値を算出する降雨強度推定部とを備えたものである。
【００２５】
また、この発明に係るレーダ信号処理装置は、水平偏波および垂直偏波の２つの電波を空間に放射し、ターゲットで反射された電波を、２つの偏波で水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号として受信し、水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号に対して処理を施すことにより二重偏波計測値を取得するレーダ信号処理装置であって、水平偏波受信信号と垂直偏波受信信号との偏波間の位相差を算出する位相差算出部と、全距離で一定の第１の距離微分区間を設定する距離微分区間設定部と、第１の距離微分区間を用いて位相差を距離で微分し、第１の位相差距離微分値を算出する距離微分算出部と、第１の位相差距離微分値から降雨強度推定値を算出する降雨強度推定部とを備え、距離微分区間設定部は、降雨強度推定値を用いて第２の距離微分区間を再設定し、距離微分算出部は、第２の距離微分区間を用いて、位相差の第２の位相差距離微分値を再度算出するものである。
【００２６】
また、この発明に係るレーダ信号処理方法は、水平偏波および垂直偏波の２つの電波を空間に放射し、ターゲットで反射された電波を、２つの偏波で水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号として受信し、水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号に対して処理を施すことにより二重偏波計測値を取得するレーダ信号処理方法であって、水平偏波受信信号または垂直偏波受信信号からエコー強度を算出する第１のステップと、エコー強度から降雨強度の暫定推定値を算出する第２のステップと、暫定推定値を用いて第１の距離微分区間を設定する第３のステップと、水平偏波受信信号と垂直偏波受信信号との偏波間の位相差を算出する第４のステップと、第１の距離微分区間を用いて位相差を距離で微分し、第１の位相差距離微分値を算出する第５のステップと、第１の位相差距離微分値から降雨強度推定値を算出する第６のステップとを備えたものである。
【００２７】
また、この発明に係るレーダ信号処理方法は、水平偏波および垂直偏波の２つの電波を空間に放射し、ターゲットで反射された電波を、２つの偏波で水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号として受信し、水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号に対して処理を施すことにより二重偏波計測値を取得するレーダ信号処理方法であって、全距離で一定の第１の距離微分区間を設定する第１のステップと、水平偏波受信信号と垂直偏波受信信号との偏波間の位相差を算出する第２のステップと、第１の距離微分区間を用いて位相差を距離で微分し、第１の位相差距離微分値を算出する第３のステップと、第１の位相差距離微分値から降雨強度推定値を算出する第４のステップと、反復処理を継続するか否かを判定する第５のステップと、反復処理を継続すると判定された場合に、降雨強度推定値を用いて第２の距離微分区間を再設定し、第４のステップに戻る第６のステップと、反復処理を継続しないと判定された場合に、水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号に対する処理を終了する第７のステップとを備えたものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１によるレーダ信号処理装置を示すブロック構成図である。また、図２はこの発明の実施の形態１による動作を示すフローチャート、図３はこの発明の実施の形態１による位相差変化に応じた距離微分区間の設定例を示す説明図である。
【００２９】
図１において、水平偏波受信信号Ｈおよび垂直偏波受信信号Ｖが入力されるレーダ信号処理装置は、水平偏波受信信号Ｈからエコー強度Ａを算出するエコー強度算出部１と、エコー強度Ａから降雨強度の暫定推定値Ｒａを算出する暫定推定値算出部２と、暫定推定値Ｒａから距離微分区間Ｄを設定する距離微分区間設定部３と、水平偏波受信信号Ｈと垂直偏波受信信号Ｖとの偏波間の位相差φｄｐを算出する位相差算出部４と、距離微分区間Ｄを用いて位相差φｄｐの位相差距離微分値Ｋｄｐを算出する距離微分算出部５と、位相差距離微分値Ｋｄｐから降雨強度推定値Ｒを算出する降雨強度推定部６とを備えている。
【００３０】
次に、図１に示したこの発明の実施の形態１による動作について説明する。
まず、エコー強度算出部１は、水平偏波受信信号Ｈから受信信号の電力値であるエコー強度Ａを算出する。
一般に、レーダのターゲットとなる雨滴は、ランダムに空間分布するので、受信信号もランダムな性質を持つ。
したがって、エコー強度Ａの算出時においては、複数回のレーダパルス送信で得られ且つ統計的に独立な複数の受信信号を平均化処理（すなわち、積分処理）することにより、エコー強度Ａの推定値のゆらぎを抑圧して、算出精度を向上させている。
【００３１】
暫定推定値算出部２は、気象レーダ方程式を用いて、エコー強度Ａから降雨のレーダ反射因子を計算し、さらに、レーダ反射因子と降雨強度との関係式を用いて、レーダ反射因子を降雨強度の暫定推定値Ｒａに変換する。
レーダ反射因子と降雨強度（暫定推定値Ｒａ）との間の関係式としては、たとえば、前述の式（１）が用いられる。
【００３２】
距離微分区間設定部３は、暫定推定値算出部２で得られた暫定推定値Ｒａに基づいて、位相差距離微分値（後述する）を算出するための距離微分区間Ｄを設定し、これを距離微分算出部５に入力する。
いま、前述の式（２）の
【数１４】
2005017082.tif 000016
に、それぞれ、
【数１５】
2005017082.tif 000017
の位相誤差が加わったとする。このとき、
【数１６】
2005017082.tif 000018
は独立であることから、降雨強度
【数１７】
2005017082.tif 000019
の相対誤差
【数１８】
2005017082.tif 000020
は、以下の式（５）で表される。
【数１９】
2005017082.tif 000021
ただし、式（５）において、
【数２０】
2005017082.tif 000022
であり、且つ、
【数２１】
2005017082.tif 000023
の二乗平均誤差の平方根がともに、
【数２２】
2005017082.tif 000024
であると仮定している。
上記式（５）から、降雨強度に反比例する距離微分区間Ｄを設定すれば、降雨強度の相対誤差は一定となる。
【００３３】
また、図３のように、局所的に強い降雨が存在し、降雨強度が不連続に変化する場合には、不連続変化点Ｐを跨がないように、各距離微分区間Ｄを設定する。
具体的には、暫定推定値Ｒａの暫定位相差距離微分値Ｋａを算出し、暫定位相差距離微分値Ｋａが大きくなる点を不連続変化点Ｐとして検出し、距離微分区間Ｄを不連続変化点Ｐの前後で分割する。こうして、各受信信号Ｈ、Ｖの偏波間の位相差φｄｐの位相差距離微分値Ｋｄｐを計算するための距離微分区間Ｄが設定される。
【００３４】
一方、位相差算出部４は、水平偏波受信信号Ｈと垂直偏波受信信号Ｖとの位相差φｄｐを算出し、これを距離微分算出部５に入力する。
したがって、距離微分算出部５は、距離微分区間設定部３で設定された距離微分区間Ｄを用いて、位相差φｄｐの位相差距離微分値Ｋｄｐを算出する。
【００３５】
なお、前述したように、暫定推定値算出部２内のレーダ反射因子推定部において積分処理を行うのと同様の理由により、位相差算出部４においても、各受信信号Ｈ、Ｖの有するランダムな性質に起因する推定値のゆらぎを抑制するために、複数回のレーダパルス送信で得られた複数の受信信号での平均的な位相差φｄｐが算出されるように、積分処理が行われる。
【００３６】
最後に、降雨強度推定部６は、距離微分算出部５で算出された位相差距離微分値Ｋｄｐを降雨強度推定値Ｒに変換する。このときの変換処理においては、たとえば前述の式（４）が用いられる。
降雨強度推定部６で得られた降雨強度推定値Ｒは、最終的な降雨強度の二重偏波計測値として外部機器（図示せず）に出力される。
【００３７】
次に、図２を参照しながら、上記処理動作の具体的手順について説明する。
まず、水平偏波受信信号Ｈからエコー強度Ａを推定し（ステップＳ１）、気象レーダ方程式を用いて、エコー強度Ａからレーダ反射因子を算出する（ステップＳ２）。
また、レーダ反射因子と降雨強度との間に成立する関係式として、たとえば、式（１）を仮定して、レーダ反射因子から降雨強度の暫定推定値Ｒａを算出する（ステップＳ３）。
【００３８】
続いて、降雨強度の暫定推定値Ｒａから、距離微分区間Ｄを設定する（ステップＳ４）。
このとき、距離微分区間Ｄは、降雨強度の暫定推定値Ｒａが大きければ大きいほど短く設定され、暫定推定値Ｒａが小さければ小さいほど長く設定される。
また、図３に示すように、距離微分区間Ｄは、暫定推定値Ｒａが不連続に変化する点Ｐを跨がないように設定される。
【００３９】
次に、水平偏波受信信号Ｈと垂直偏波受信信号Ｖとの偏波間の位相差φｄｐを各距離で算出し（ステップＳ５）、算出された位相差φｄｐを距離方向に微分することにより、位相差距離微分値Ｋｄｐを算出する（ステップＳ６）。
ここで、位相差距離微分値Ｋｄｐの算出に用いる位相差データの距離区間幅としては、上記ステップＳ４で設定された距離微分区間Ｄが用いられる。
最後に、位相差距離微分値Ｋｄｐと降雨強度との関係式として、たとえば、式（４）を用いて、降雨強度推定値Ｒを算出し（ステップＳ７）、図２の処理を終了する。
【００４０】
なお、ここでは、エコー強度Ａの推定演算を、水平偏波受信信号Ｈに基づいて実行したが、垂直偏波受信信号Ｖに基づいて算出してもよく、または、水平偏波受信信号Ｈおよび垂直偏波受信信号Ｖの両方に基づいて算出してもよい。
【００４１】
また、前述のように、レーダのターゲットとなる降雨からのエコーは、ランダムな性質を有しており、ランダムな性質に起因するエコー強度Ａのゆらぎは、積分処理によって抑制することができるが、積分数が十分に多くない場合には、ゆらぎが残ることもある。
そこで、ステップＳ１〜Ｓ４において、受信信号のエコー強度Ａから距離微分区間Ｄを設定する際に、エコー強度Ａまたは暫定推定値Ｒａのいずれかの処理段階において、暫定推定値Ｒａに対して距離方向に平滑化処理を施しておけば、エコー強度のゆらぎの影響を受けることなく、距離微分区間Ｄを安定且つ高精度に設定することができる。
【００４２】
また、レーダビームを水平または垂直に走査しながら降雨の空間分布を計測するような場合には、距離方向の平滑化処理に代えて、または、距離方向の平滑化処理に加えて、角度方向（方位角方向、または、仰角方向）に、エコー強度Ａ、レーダ反射因子、暫定推定値Ｒａのいずれかに対して平滑化処理を施してもよく、距離方向の平滑化処理と同様の作用効果を奏する。
さらに、レーダ観測を時間方向に繰り返す場合は、エコー強度Ａ、レーダ反射因子、暫定推定値Ｒａのいずれかに対して、時間方向に平滑化処理を施してもよく、同様の作用効果を奏する。
【００４３】
以上の二重偏波レーダ装置によれば、各受信信号Ｈ、Ｖの偏波間の位相差から降雨強度推定値Ｒを算出する際に、エコー強度Ａの情報を用いて距離微分区間Ｄを設定することにより、降雨強度が強い場合であっても、降雨強度の計測精度を維持したまま、降雨状況に応じて高い距離分解能を得ることができる。
また、距離微分区間Ｄは、暫定推定値Ｒａが高い場合に短く設定され、暫定推定値Ｒａが低い場合に長く設定されるので、さらに降雨強度の計測精度を維持し且つ降雨強度の高い領域で高い距離分解能を得ることができる。
また、図３に示すように、距離微分区間ＤＢは、暫定推定値Ｒａが不連続に変化する点Ｐを跨がないように設定されるので、降雨強度が距離方向に不連続に変化する場合にも、降雨強度推定値Ｒの精度劣化を回避することができる。
【００４４】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、エコー強度Ａから推定された暫定推定値Ｒａを用いて距離微分区間Ｄを設定したが、暫定推定値Ｒａの精度が十分高くない場合には、必ずしも最適な距離微分区間Ｄが設定されるとは限らないので、位相差距離微分値Ｋｄｐから算出された降雨強度推定値Ｒを用いて、さらに距離微分区間を再設定してもよい。
【００４５】
図４は降雨強度推定値を用いてさらに距離微分区間を再設定したこの発明の実施の形態２によるレーダ信号処理装置を示すブロック構成図である。また、図４はこの発明の実施の形態２による動作を示すフローチャートである。
図４において、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｂ」を付して詳述を省略する。
また、図５において、前述（図２参照）と同様の処理については、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｂ」を付して詳述を省略する。
【００４６】
図４において、降雨強度推定部６Ｂにより算出された降雨強度推定値ＲＢは、距離微分区間設定部３Ｂにフィードバックされており、距離微分区間設定部３Ｂは、距離微分区間ＤＢを再設定して距離微分算出部５Ｂに入力し、距離微分算出部５Ｂは、再設定された距離微分区間ＤＢから位相差距離微分値ＫｄｐＢを再度算出する点が、前述（図１参照）と異なっている。
また、図５において、ステップＳ６Ｂ、Ｓ７Ｂは、前述（図２参照）のステップＳ６、Ｓ７にそれぞれ対応しており、ステップＳ１８、Ｓ１９は、追加された反復処理である。
【００４７】
前述のように、エコー強度Ａから推定される暫定推定値Ｒａの精度が不十分な場合に対処するために、この場合、距離微分区間設定部３Ｂは、位相差距離微分値ＫｄｐＢから推定演算された降雨強度推定値ＲＢを用いて、距離微分区間ＤＢを再設定するようになっている。
すなわち、距離微分算出部５Ｂは、エコー強度Ａから設定した距離微分区間を用いて、一旦、位相差距離微分値を算出し、降雨強度推定部６Ｂは、最初の位相差距離微分値による降雨強度推定値ＲＢを一旦算出する。
【００４８】
続いて、距離微分区間設定部３Ｂは、降雨強度推定値ＲＢを用いて距離微分区間ＤＢを再設定し、距離微分算出部５Ｂは、距離微分区間ＤＢを用いて位相差距離微分値Ｋｄｐを算出し、降雨強度推定部６Ｂは、位相差距離微分値Ｋｄｐに基づく降雨強度推定値ＲＢの算出を行う。
このように、降雨強度推定値ＲＢの算出を反復して実行することにより、降雨強度推定値ＲＢの算出精度を向上させることができる。
【００４９】
次に、図５を参照しながら、この発明の実施の形態２による上記処理動作の具体的手順について説明する。
なお、ここでは、水平偏波受信信号Ｈからエコー強度Ａを推定する場合を示しているが、垂直偏波受信信号Ｖから推定してもよく、水平偏波受信信号Ｈおよび垂直偏波受信信号Ｖの両方から推定してもよい。
まず、前述と同様に、水平偏波受信信号Ｈからエコー強度Ａを推定し（ステップＳ１）、エコー強度Ａから気象レーダ方程式を用いてレーダ反射因子を算出し（ステップＳ２）、レーダ反射因子と降雨強度との関係式（前述の式（１））を仮定して降雨強度の暫定推定値Ｒａを算出し（ステップＳ３）、暫定推定値Ｒａから前述の条件下で距離微分区間Ｄを設定し（ステップＳ４）、各受信信号Ｈ、Ｖの偏波間の位相差φｄｐを各距離で算出する（ステップＳ５）。
【００５０】
次に、ステップＳ５で算出された位相差φｄｐを距離方向に微分して、位相差距離微分値ＫｄｐＢを算出する（ステップＳ６Ｂ）。このとき、距離微分算出に用いられる位相差データの距離区間幅としては、初期においては、ステップＳ４で設定された距離微分区間Ｄが適用され、反復処理時においては、後述するステップＳ１９で設定される距離微分区間ＤＢが適用される。
続いて、距離微分算出部５Ｂにより算出された位相差距離微分値ＫｄｐＢと降雨強度との関係式として、たとえば、前述の式（４）を用いて、降雨強度推定値ＲＢを算出する（ステップＳ７Ｂ）。
【００５１】
次に、ステップＳ６ＢおよびＳ７Ｂの反復処理を継続するか否かを判定し（ステップＳ１８）、反復処理の終了条件を満たし、反復処理を継続しない（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、その時点での降雨強度推定値ＲＢを最終的な降雨強度の計測値として採用し、図５の処理を終了する。
一方、ステップＳ１８において、反復処理の継続条件を満たし、反復処理を継続する（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、ステップＳ７Ｂで算出された降雨強度推定値ＲＢを用いて距離微分区間ＤＢを再設定し（ステップＳ１９）、ステップＳ６Ｂに戻って上記処理を繰り返す。
【００５２】
このとき、ステップＳ１８の判定基準としては、距離微分区間ＤＢの変化が所定の基準値と比べて十分小さくなった場合に、反復処理の終了条件を満たすと判定することが考えられる。
すなわち、今回の反復処理で算出された降雨強度推定値ＲＢ（ｎ）と、前回の反復処理で算出された降雨強度推定値ＲＢ（ｎ−１）との推定値偏差ΔＲＢの絶対値（＝｜ＲＢ（ｎ）−ＲＢ（ｎ−１）｜）が、所定の基準値α以上を示す場合には、反復処理の継続条件を満たすものと判定し、推定値偏差ΔＲＢの絶対値が所定の基準値αよりも小さい場合には、信号処理の終了条件を満たすものと判定する。
【００５３】
また、ステップＳ１８での他の判定基準として、反復回数の上限値（所定回数Ｎ）をあらかじめ設定しておき、反復処理の実行回数が所定回数Ｎ（≧１）に達した場合に、信号処理の終了条件を満たすものと判定して反復処理を終了し、反復処理の実行回数が所定回数Ｎに達していない場合には、反復処理の継続条件を満たすものと判定して反復処理を繰り返してもよい。
【００５４】
また、距離微分区間ＤＢの前回値と今回値との区間偏差（変化量）ΔＤＢの絶対値が所定の基準区間値γ以上を示す場合には、反復処理の継続条件を満たすものと判定し、推定値偏差ΔＤＢの絶対値が所定の基準区間値γよりも小さい場合には、信号処理の終了条件を満たすものと判定してもよい。さらに、上記各条件を組合せて適用してもよい。
【００５５】
このように、各受信信号の偏波間の位相差φｄｐから降雨強度を推定する際に、まずエコー強度Ａの情報を用いて距離微分区間Ｄを設定するとともに、降雨強度推定値ＲＢに基づく距離微分区間ＤＢの設定処理を反復し、距離微分区間ＤＢの設定精度を改良することにより、さらに高精度の降雨強度推定値ＲＢが得られ、降雨強度が強い場合でも、降雨強度の計測精度を維持したまま、降雨状況に応じて高い距離分解能を実現することができる。
また、再設定される距離微分区間ＤＢは、降雨強度推定値ＲＢが高い場合に短く設定され、降雨強度推定値ＲＢが低い場合に長く設定されるので、さらに降雨強度の計測精度を維持し且つ降雨強度の高い領域で高い距離分解能を得ることができる。
また、距離微分区間Ｄは、暫定推定値Ｒａが不連続に変化する点を跨がないように設定されるので、降雨強度が不連続に変化する状況でも降雨強度を正確に推定できる。
また、再設定される距離微分区間ＤＢは、降雨強度推定値ＲＢが不連続に変化する点を跨がないように設定されるので、降雨強度が距離方向に不連続に変化する場合にも、降雨強度推定値ＲＢの算出精度が劣化することもない。
また、所定回数Ｎの反復処理を実行した場合に反復処理を完了することにより、演算時間の増加を最低限に抑えたまま、降雨強度の計測精度と距離分解能を高めることができる。
また、今回の降雨強度推定値ＲＢ（ｎ）と、前回の反復処理で算出された降雨強度推定値ＲＢ（ｎ−１）との推定値偏差ΔＲＢの絶対値が、所定の基準値αよりも小さい場合に、反復処理を完了することにより、距離微分区間ＤＢを最適に設定することができ、降雨強度の計測精度を維持し、且つ可能な範囲で高い距離分解能を得ることができる。
また、エコー強度Ａまたは暫定推定値Ｒａを、距離方向、時間方向または角度方向（方位角または仰角方向）に平滑化して距離微分区間Ｄを設定することにより、エコー強度Ａまたは位相値の統計的ゆらぎが大きい場合にも、適切に距離微分区間を設定することができる。
【００５６】
実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２では、受信信号のエコー強度Ａから距離微分区間Ｄ、ＤＢを設定したが、エコー強度Ａの情報を用いることなく、反復処理による改良手法のみを用いて、各受信信号Ｈ、Ｖの偏波間の位相差φｄｐの距離微分区間の最適化を実現してもよい。
図６はエコー強度Ａの情報を用いずに反復処理のみを用いて距離微分区間を最適化したこの発明の実施の形態３によるレーダ信号処理装置を示すブロック構成図である。また、図７はこの発明の実施の形態３による動作を示すフローチャートである。
【００５７】
図６において、前述（図４参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｃ」を付して詳述を省略する。
また、図７において、前述（図５参照）と同様の処理については、前述と同一符号を付して、または前述と同一符号の後に「Ｃ」を付して詳述を省略する。
図６において、前述（図４参照）のエコー強度算出部１および暫定推定値算出部２は省略されており、距離微分区間設定部３Ｃは、全距離で一定の距離微分区間ＤＣを設定するようになっている。
【００５８】
図７において、まず、距離微分区間設定部３Ｃは、全距離で一定の距離微分区間ＤＣを設定する（ステップＳ４Ｃ）。
このとき、距離微分区間ＤＣは、通常時に最適となる区間幅よりも広めに設定されており、これにより、位相差距離微分値ＫｄｐＣの空間分解能は低下するが、全距離区間にわたって安定に距離微分を実行することができる。
【００５９】
一方、位相差算出部２は、ステップＳ５において、水平偏波受信信号Ｈと垂直偏波受信信号Ｖとの偏波間の位相差φｄｐを各距離で算出する。
次に、ステップＳ５で算出された位相差φｄｐを距離方向に微分することにより、位相差距離微分値ＫｄｐＣを算出する（ステップＳ６Ｃ）。
このとき、位相差距離微分値ＫｄｐＣの算出に用いられる位相差データの距離区間幅としては、初期においては、ステップＳ４Ｃで設定された距離微分区間ＤＣが適用され、反復処理時においては、後述するステップＳ１９Ｃで設定される距離微分区間ＤＣが適用される。
【００６０】
続いて、位相差距離微分値ＫｄｐＣと降雨強度との関係式として、たとえば、前述の式（４）を用いて、降雨強度推定値ＲＣを算出する（ステップＳ７Ｃ）。
最後に、反復処理を継続するか否かを判定し（ステップＳ１８Ｃ）、反復処理を継続する（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、ステップＳ７Ｃで算出された降雨強度推定値ＲＣを用いて距離微分区間を再設定し（ステップＳ１９Ｃ）、反復処理を継続しない（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、その時点での降雨強度推定値ＲＣを最終的な降雨強度の計測値に採用し、図７の処理を終了する。
【００６１】
なお、前述と同様に、反復処理（ステップＳ１９Ｃ）において、距離微分区間ＤＣは、降雨強度推定値ＲＣが大きければ大きいほど短い値に設定され、且つ、降雨強度推定値ＲＣが不連続に変化する点を跨がないように設定される。
また、ステップＳ１９Ｃにおいて、距離微分区間ＤＣは、降雨強度推定値ＲＣが距離方向に平滑化された後に再設定され、また、降雨強度推定値ＲＣの相対誤差が一定となるように設定される。
【００６２】
また、ステップＳ１８Ｃでの判定基準としては、距離微分区間ＤＣの区間偏差ΔＤＣが所定の基準区間値γｃと比べて十分小さくなった場合に、反復処理の終了条件を満たすものと判定してもよい。
また、反復回数の上限値をあらかじめ所定回数Ｎとして設定しておき、所定回数Ｎだけ反復処理を実行した場合に、反復処理の終了条件を満たすものと判定してもよく、さらに、基準区間値γｃより小さい区間偏差ΔＤＣと、所定回数Ｎの反復処理とのいずれか一方の基準を満たした場合に反復を終了するようにしてもよい。
【００６３】
このように、全距離で一定の距離微分区間ＤＣを設定するステップＳ４Ｃと、各受信信号Ｈ、Ｖの偏波間の位相差φｄｐを算出するステップＳ５と、距離微分区間ＤＣを用いて位相差φｄｐを距離で微分し、位相差距離微分値ＫｄｐＣを算出するステップＳ６Ｃと、位相差距離微分値ＫｄｐＣから降雨強度推定値ＲＣを算出するステップＳ７Ｃと、反復処理を継続するか否かを判定するステップＳ１８Ｃと、反復処理を継続すると判定された場合に、降雨強度推定値ＲＣを用いて距離微分区間ＤＣを再設定し、ステップＳ６Ｃに戻るステップＳ１９Ｃと、反復処理を継続しないと判定された場合に、図７の処理を終了するステップとを備え、位相差φｄｐから降雨強度推定値ＲＣを算出する際に、距離微分区間ＤＣの設定を反復改良することにより、降雨強度が強い場合であっても、降雨強度の計測精度を維持したまま、高い距離分解能を実現することができる。
また、降雨強度推定値ＤＣを距離方向に平滑化して距離微分区間を再設定することにより、位相値の統計的ゆらぎが大きい場合にも、適切に距離微分区間を設定することができる。
さらに、距離微分区間ＤＣを、降雨強度推定値ＲＣの相対誤差が一定となるように設定することにより、降雨強度の相対誤差を一定に保ったまま、降雨強度の強い領域で距離分解能を高めることができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、水平偏波および垂直偏波の２つの電波を空間に放射し、ターゲットで反射された電波を、２つの偏波で水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号として受信し、水平偏波受信信号および垂直偏波受信信号に対して処理を施すことにより二重偏波計測値を取得するレーダ信号処理装置であって、水平偏波受信信号と垂直偏波受信信号との偏波間の位相差を算出する位相差算出部と、水平偏波受信信号または垂直偏波受信信号からエコー強度を算出するエコー強度算出部と、エコー強度から降雨強度の暫定推定値を算出する暫定推定値算出部と、暫定推定値を用いて、位相差の距離微分を計算する際の第１の距離微分区間を設定する距離微分区間設定部と、第１の距離微分区間を用いて位相差を距離で微分し、第１の位相差距離微分値を算出する距離微分算出部と、第１の位相差距離微分値から降雨強度推定値を算出する降雨強度推定部とを備えたので、位相誤差の影響の小さい強雨領域での距離分解能の劣化を防止したレーダ信号処理装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるレーダ信号処理装置を示すブロック構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるレーダ信号処理装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１による降雨強度が不連続に変化する点における偏波間の位相差算出処理を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるレーダ信号処理装置を示すブロック構成図である。
【図５】この発明の実施の形態２によるレーダ信号処理装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態３によるレーダ信号処理装置を示すブロック構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３によるレーダ信号処理装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  エコー強度算出部、２  暫定推定値算出部、３、３Ｂ、３Ｃ  距離微分区間設定部、４  位相差算出部、５、５Ｂ、５Ｃ  距離微分算出部、６、６Ｂ、６Ｃ  降雨強度推定部、Ａ  エコー強度、Ｄ、ＤＢ、ＤＣ  距離微分区間、Ｈ  水平偏波受信信号、Ｋｄｐ、ＫｄｐＢ、ＫｄｐＣ  位相差距離微分値、Ｐ  不連続変化点、Ｒａ  暫定推定値、Ｒ、ＲＢ、ＲＣ  降雨強度推定値、Ｖ  垂直偏波受信信号、φｄｐ  位相差、Ｓ１  第１のステップ、Ｓ３  第２のステップ、Ｓ４、Ｓ４Ｃ  第３のステップ、Ｓ５  第４のステップ、Ｓ６、Ｓ６Ｂ、Ｓ６Ｃ  第５のステップ、Ｓ７、Ｓ７Ｂ、Ｓ７Ｃ  第６のステップ、Ｓ１８、Ｓ１８Ｃ  第７のステップ、Ｓ１９、Ｓ１９Ｃ  第８のステップ。
【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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【図６】
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【図７】
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