(57)【要約】      （修正有）【課題】より小さい大きさのレーダ気象システムの距離気象データの表示品質を改善するシステム及び方法を提供する。【解決手段】プロセッサは、アンテナと関連する量子化反射率データのカラムを気象レーダシステムから受信する。プロセッサは、受信した量子化反射率データのカラムと関連するアンテナよりも大きなアンテナのためのビームパターンと関連する推定される量子化反射率データに基づいて、この量子化反射率データのカラムを調整する。本発明は、制約を緩和するために、概念上の「所望のアンテナ」を利用している。これにより、アルゴリズムが最適解により速やかに収束させ、一方でメモリ要求を低減する。また、所望のアンテナ応答に整合する平滑な摂動関数を利用して最適な平滑出力を提供し、アルゴリズムの収束をより速やかにし、メモリ要求を低減し、かつ出力をスメアーすることなしに量子化に対応する。【選択図】図８
2012168164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセッサ（４２）において、
アンテナ（５６）によってサンプリングされた量子反射率データのカラムを受信するステップと、
前記受信された量子化反射率データのカラムに関する前記アンテナよりも大きなアンテナのビームパターンに関連する推定される反射率データに基づいて、前記量子化反射率データのカラムを調整するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記調整するステップは、
a)  より大きいアンテナに関連する第１のビーム幅関数による、推定される最適な生の反射率信号の畳み込みに基づいて、推定される大きなアンテナの生の反射率信号を提供するステップと、前記推定されるアンテナの生の反射率信号は第１の値であり、
b)  所定の調整値を前記推定される大きなアンテナの生の反射率信号に加えることによって、第２の値を作成するステップと、
c)  前記推定される大きなアンテナの生の反射率信号から所定の調整値を引くことにより、第３の値を作成するステップと、
d)  前記第１から第３の値を、より小さいアンテナと関連する第２のビーム幅関数により畳み込むステップと、
e)  前記第１から第３の値の畳み込みの結果を、前以て画定した数の高度レベルに量子化することにより、第１、第２、及び第３の量子化反射率推定値を生成するステップと、
f)  前記第１、第２、及び第３の量子化反射率推定値を、前記受信された量子化反射率値と比較するステップと、
g)  比較結果のいずれが最良の結果であるかを決定するステップと、
h)  決定された結果に基づいて、前記第１、第２、及び第３の値を調整するステップと、
i)  最適な結果が達成されるまで、d)からh)を反復するステップと、
j)  ３次元メモリに前記最良の結果を記憶するステップと、
を含み、
前記比較するステップは、各前記第１、第２、及び第３の量子化反射率推定値と前記受信された量子化反射率値の間の平均平方誤差（MSE）を計算するステップを含み、前記決定するステップは、いずれのMSE計算が前記最低MSE値となるかを決定するステップを含み、
前記最適な結果は、所定レベルを又はd)-h)の所定反復回数より下のMSE結果を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
アンテナによってサンプリングされた量子化反射率データのカラムを生成するよう構成されたレーダシステム（４０）と、
３次元バッファを備えたメモリ（４３）と、
前記レーダシステム及び前記メモリと信号通信し、受信した量子化反射率データのカラムに関連するアンテナよりも大きなアンテナのビームパターンに関連する推定された反射率データに基づいて、前記量子化反射率データのカラムを調整するよう構成されるプロセッサ（４２）と、
を備え、
前記プロセッサはさらに、
a) 大きい方のアンテナに関する第１のビーム幅関数による、推定される最適な生の反射率信号の畳み込みに基づいて、推定される大きなアンテナの反射率信号を提供し、前記推定されるアンテナの生の反射率信号は第１の値であり、
b)  所定の調整値を前記推定される大きなアンテナの生の反射率信号に加えることによって、第２の値を作成し、
c)  前記推定される大きなアンテナの生の反射率信号から所定の調整値を差し引くことによって、第３の値を作成し、
d)  前記第１から第３の値を、より小さいアンテナと関連する第２のビーム幅関数により畳み込み、
e)  前記第１から第３の値の畳み込みの結果を、前以て画定した数の高度レベルに量子化することにより、第１、第２、及び第３の量子化反射率推定値を生成し、
f)  前記第１、第２、及び第３の量子化反射率推定値を、前記受信された量子化反射率値と比較し、
g)  比較結果のいずれが最良の結果であるかを決定し
h)  決定された結果に基づいて、第１、第２、及び第３の値を調整し、
i)  最適な結果が達成されるまで、d)からh)を反復し、そして
j)  ３次元メモリに最良の結果を記憶する、
ように構成され、
前記プロセッサは、各第１、第２、及び第３の量子化反射率推定値と前記受信された量子反射率値の間の平均平方誤差（MSE）を計算することによって比較し、前記プロセッサはいずれのMSE計算が前記最低MSE値となるかを決定することによって決定し、
前記最適な結果は、所定レベルを又はd)-h)の所定反復回数より下のMSE結果を含み、前記プロセッサは、所定レンジを超える量子化反射率データ上でのみ調整をすることによって調整をする、
システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気象レーダのビームシャープニング及び逆量子化に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0001]航空機搭載用気象レーダアンテナの物理的な最大サイズの制限により、希望する狭いアンテナビームが得られないことが頻繁にあり、そのために、表示される気象データの希望より詳細でない結果となる。これは特に垂直表示（この業界では比較的新しい）で明白であり、小型のアンテナ（例えば、ビジネスジェットで使用されるもの）ではさらに悪化する。
【０００３】
[0002]周知のドップラービームシャープニング技術は、航空機の直前または垂直方向ではうまく機能しない。また、気象の自然のドップラーノイズは別の挑戦であろう。
[0003]小型航空機は小型の広ビームアンテナにのみ適合し、このためビームシャープニング能力を制限する。
【発明の概要】
【発明が解決しょうとする課題】
【０００４】
[0004]図1及び図２は、１５：１拡大垂直スケールのために、垂直表示でいくつかの問題を明白に示している。問題は以下の通りである。
[0005]-アンテナビーム幅により、低分解能：
[0006]-三次元データの量子化により、濃淡むらのある外観、及び
[0007]-表示のための出力を滑らにする試みは、平滑さ間のトレードオフおよびさらに分解能損失となる。
【０００５】
[0008]周波数領域に変換し、そして逆のビームパターン（実際のアンテナ及び“ソフト化された”概念上のアンテナのいずれか）により乗算する直接の方策は、実際のデータに対しては動作しない。これは非常に小さな数に分割することを含むためにデータが不安定になるためである。
【発明を解決するための手段】
【０００６】
[0009]プロセッサは、アンテナに関連する量子化された反射率データのカラムをレーダシステムから受信する。プロセッサは、この量子化反射率データのカラムを、受信した量子化反射率データのカラムに関するアンテナよりも大きなアンテナのビームパターンに関連する推定される量子化反射率データに基づいて調整する。
【０００７】
[0010]本発明は、制約を緩和するために、概念上の「所望のアンテナ」を利用している（すなわち、より狭いビームにより「より大きのアンテナ」をシミュレートする）。これにより、アルゴリズムが最適解により速やかに収束させ、一方でメモリ要求を低減する。本発明はまた、所望のアンテナ応答に整合する平滑な（例えば、ガウス）摂動関数を利用する。これは最適な平滑出力を提供し、アルゴリズムの収束をより速やかにし、メモリ要求を低減し、かつ出力をスメアーすることなしに量子化に対応する。
本発明の実施形態を以下の図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来技術の航空機搭載用気象レーダアンテナによって生成された結果を示す。
【図２】従来技術の航空機搭載用気象レーダアンテナによって生成された結果を示す。
【図３】本発明により構成されたシステム例を示す。
【図４】三次元バッファからの理想的なデータの縦カラムを示す。
【図５】図４に示されたデータの反射率値を示す。
【図６】従来技術のシステムのモデルを例示する。
【図７】本発明により構成されたシステムのモデルを例示する。
【図８】本発明により構成されたプロセス例のフローチャートを例示する。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0019]本発明は、レンジにおける気象レーダ表示の細部を改善するためのシステム、方法、及びコンピュータプログラム製品である。図３は、本発明により構成された例示のシステム３０を示したものである。システム３０は、気象レーダシステム４０、プロセッサ４２、メモリ４３、表示装置４４、他の航空機システム４６、ユーザインターフェース４８を含む。プロセッサ４２は、気象レーダシステム４０、表示装置４４、他の航空機システム４６、ユーザインターフェース４８、及びメモリ４３と電気的に結合されている。例示の気象レーダシステム４０は、レーダコントローラ５０、トランスミッタ５２、レシーバ５４、及びアンテナ５６を含む。レーダコントローラ５０は、１又は複数の他の航空機システム４６から受信した航空機データ（例えば、位置、方位、ロール、ヨー、ピッチ、等）に基づいて、アンテナ５６を介して信号の送受信を実行するために、トランスミッタ５２及びレシーバ５４を制御する。
【００１０】
[0020]気象レーダシステム４０は、主に気象及び地形を含む外部環境によって送信パルスの散乱から生じる信号を受信する。受信信号はプロセッサ４２に渡され、プロセッサ４２は受信信号を用いて、メモリ４３（すなわち、三次元（3D）バッファ）に含まれる気象反射率の推定を更新する。プロセッサ４２は、ユーザインターフェース４８から送信された任意の制御信号又はプロセッサ４２内の設定に基づいて、表示装置４４上の提示のための画像を生成する。
【００１１】
[0021]本発明は、三次元気象バッファからの反射率の１次元縦カラム、及びこのカラムデータに関連する最適曲線に焦点を当てている。図４及び図５を参照されたい。
[0022]図６は、従来技術のシステムのモデルを示している。三次元バッファの最適出力は、高度の関数である「生の」反射率データ（ビーム関数r (x)）である。生の反射率データr (x)は、ビームパターン関数B(x)で畳み込みされる。それから、a(x)を作成するためにノイズが追加される。a(x)信号は、高度-量子化反射率であるq(n)を生成するために量子化される。高度-量子化反射率信号q(n)は測定可能であり、かつメモリ４３内の３Dバッファに記憶されるものである。
[0023]図７は、本発明により創作されたビームシャープニングモデルを示している。実際のアンテナのビーム関数B(x)は、次の２つの部分BL(x)、Bc(x)に分けられる。
【００１２】
−この２つの部分の畳み込みは元のビーム関数B(x)と等しい、そして
−第１の部分は所望量のビームシャープニングと等しい（例えば、「６０インチ（１５２．４ｃｍ）」アンテナ）。
【００１３】
[0024]疑似真理信号t(x)は、「実真理」生の反射率データ（最適）r(x)を、半分のビーム幅（あるいは等価的には直径の２倍）をもつアンテナに対応するビーム形重み付け関数BL(x)で畳み込みすることによって決定される。他の大きさのアンテナに対応する重み付け関数を使用してもよい。BL(x)は、より小さな（しかし無限に小さくはない）ビーム幅をもつ概念上は「より大きい」アンテナのビーム幅関数である。「生の」反射率がBL(x)で畳み込まれると、「より滑らかな」（詳細ではなく）関数が生成される。シャープニング処理（図８）は、この畳み込みされた関数t(x)上で収束を試みる。これはより迅速な収束を可能にする。r(x)は論理上の反射率データに基づいている。
【００１４】
[0025]そして、図７のモデルは図６のモデルと同じことを実行する。Bc(x)は「補償」ビーム幅関数であり、これは「より大きな」（例えば６０インチ（１５２．４ｃｍ））アンテナからデータを取り出し、かつ畳み込みにより、より小さな「実」（例えば３０インチ（７６．２ｃｍ））アンテナで達成されるものと論理上同一である偶（詳細にではなく）関数を提供する。
【００１５】
[0026]図８に示すように、反復平均平方誤差（MSE）技術が使用されて、モデル出力と、3次元バッファ内にある実際の量子化データとの間のMSEを最小化する。図７に示すように、連続的な「ガウス」t＾(x)（＾はｔの頭上に付されている）は、t(x)に対して行われている。t＾(x)は、３つの異なる方法でBc(x)により畳み込みされる。一般的なB(x)関数の例は、
【００１６】
【数１】
2012168164.tif 000003
【００１７】
であり、ここで、
ｋ＝4ln√２
θa=ビーム幅
θ30=３度
θ60=θL＝１．５度
θc=２．６度
であり、
-第１に、加算シフト摂動関数により、
-第２に、減算シフト摂動関数により、
-第３に、シフト摂動関数なしに、畳み込みされる。
【００１８】
[0027]畳み込みはそれぞれ、q^(n)（＾はｑの頭上に付されている）を得るためにN高度レベルに量子化される。Nは、「平滑さ」に対してボクセル数（メモリロケーション）をトレードオフする設計上の決定に基づいて選択される。ハネウェル・インコーポレーテッド社製のRDR−４０００では、Nはレンジの関数として決定され、N高度レベルを０〜６０，０００フィート（１８、０００ｍ）のレンジに合わせている。例えば、
２０NMバッファ：N＝３２
４０NMバッファ：N=１６
８０NMバッファ：N＝８
１６０NMバッファ：N＝４
３２０NMバッファ：N＝２、である。
【００１９】
[0034]それから、量子化結果q^(n)のそれぞれのMSE及び反射率信号q(n)が決定される。ガウス摂動関数は、どのガウスq^(n)が最低のMESを持つかに基づいてシフトされる。シフトされたガウス関数は、デルタファクタと結合される。この結合により、t^(x)に加えられた又はt^(x)から差し引かれた値が、次の反復のために調整される。所定の反復回数又は「目標」MSEが達成されると、処理は完了する。
【００２０】
[0034]以下に要約される経験的な変分法のアプローチが取られる。
-t(x)の最新推定を摂動し、
-MSEが減少する場合は摂動された関数を維持し、そうでなければ以前の低いMSEに戻る。
【００２１】
[0035]反射率データ（図５参照）の所望のビーム形と整合する平滑摂動関数、すなわちガウスが使用される。ガウス関数は、連続する推測上の独立変数に沿ってシフトされる。
【００２２】
[0036]推定t^(x)は、理想r(x)と完全には一致しないが、推定t^(x)は、量子化又は非量子化バージョンの結果よりも真に確実により近い。同等の最適化が用いられてもよい。
[0037]本発明はさらに、移動型、平均化型、又は補間型の平滑動作から、さらなる「広がり」なしに、最適に平滑な出力を提供する。
【００２３】
[0038]図８の処理が完了と決定された後、最低MSEをもつq^(n)に基づいて、q(n)が変えられる（３Dバッファに記憶される）。新しいq(n)データから、垂直プロファイルビューディスプレイに対して画像が生成されると、その画像はより大きなアンテナから生成された画像に匹敵する。このため、３０インチ（７６．２ｃｍ）アンテナを持つシステムは、より大きな６０インチ（１５２．４ｃｍ）アンテナにt(x)が関連付けられている場合は、６０インチ（１５２．４ｃｍ）アンテナのシステムに近い働きをする。
【００２４】
[0039]一実施形態では、図８に示した反復処理は、所定の距離を超えたq(n)データ上のみで実行される。この所定の距離は、アンテナの大きさに基づいている。例えば、システムが３０インチ（７６．２ｃｍ）アンテナを備えている場合は、反復処理は４０nmを超えたデータ上でのみ実行される。しかし、システムが２０インチ（５０．８ｃｍ）アンテナを備えていれば、反復処理は、より近いレンジを超えるデータ上で実行される。
【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】
2012168164.tif 000009
【図７】
2012168164.tif 000010
【図８】
2012168164.tif 000011
【外国語明細書】
2012168164000001.pdf