(57)【要約】【課題】  電波干渉を抑圧して観測精度を高めた気象レーダシステムを提供すること。【解決手段】  実施形態によれば、気象レーダシステムは、送信ビームを電子走査可能な第１レーダと、受信ビームを電子走査可能な第２レーダとを具備する。第２レーダは、時刻に対する受信ビームの指向方向を示す受信ビームスケジュールを第１レーダに通知する通知部を備える。第１レーダは、取得部と、走査制御部とを備える。取得部は、通知された受信ビームスケジュールを取得する。走査制御部は、受信ビームの指向方向と送信ビームの指向方向との相関を最小限とすべく、取得された受信ビームスケジュールに基づいて送信ビームの指向方向を切り替える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信ビームを電子走査可能な第１レーダと、
受信ビームを電子走査可能な第２レーダとを具備し、
前記第２レーダは、
時刻に対する前記受信ビームの指向方向を示す受信ビームスケジュールを前記第１レーダに通知する通知部を備え、
前記第１レーダは、
前記通知された受信ビームスケジュールを取得する取得部と、
前記受信ビームの指向方向と前記送信ビームの指向方向との相関を最小限とすべく、前記取得された受信ビームスケジュールに基づいて前記送信ビームの指向方向を切り替えることを特徴とする、気象レーダシステム。
【請求項２】
前記走査制御部は、単位方向あたりのレーダパルスの連続送信数を最小限とすべく前記送信ビームの指向方向を制御することを特徴とする、請求項１に記載の気象レーダシステム。
【請求項３】
さらに、前記連続送信数の最適値を気象条件に応じて算出する最適値算出部を具備し、
前記走査制御部は、前記連続送信数の最適値に基づいて前記送信ビームの指向方向を切り替えることを特徴とする、請求項２記載の気象レーダシステム。
【請求項４】
さらに、前記第１レーダの時刻と前記第２レーダの時刻とを同期させる同期制御部を具備することを特徴とする、請求項１記載の気象レーダシステム。
【請求項５】
送信ビームを電子走査可能な第１レーダと、受信ビームを電子走査可能な第２レーダとを具備する気象レーダシステムに適用可能な制御方法であって、
前記第２レーダが、時刻に対する前記受信ビームの指向方向を示す受信ビームスケジュールを前記第１レーダに通知し、
前記第１レーダが、前記通知された受信ビームスケジュールを取得し、
前記第１レーダが、前記受信ビームの指向方向と前記送信ビームの指向方向との相関を最小限とすべく、前記取得された受信ビームスケジュールに基づいて前記送信ビームの指向方向を切り替えることを特徴とする、気象レーダシステムの制御方法。
【請求項６】
前記走査することは、単位方向あたりのレーダパルスの連続送信数を最小限とすべく前記送信ビームの指向方向を制御することを特徴とする、請求項５に記載の気象レーダシステムの制御方法。
【請求項７】
さらに、前記第１レーダが、前記連続送信数の最適値を気象条件に応じて算出し、
前記走査することは、前記連続送信数の最適値に基づいて前記送信ビームの指向方向を切り替えることを特徴とする、請求項６記載の気象レーダシステムの制御方法。
【請求項８】
さらに、前記第１レーダの時刻と前記第２レーダの時刻とを同期させることを特徴とする、請求項５記載の気象レーダシステムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、協調制御型レーダシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になり開発が進められている協調制御型レーダシステムは、マルチスタティック方式として知られるレーダシステムの一例である。マルチスタティックレーダの多くは、一つの送受信局と複数の受信局とを備える。例えば、フェーズドアレイ／ＤＢＦ（Digital Beam Forming）機能を持つレーダ（送受信局）と、二次元ＤＢＦ機能を持つレーダ（受信局）とを組み合わせることが考えられている。この種のレーダシステムは気象観測などへの応用が期待されている。
【０００３】
フェーズドアレイ／ＤＢＦレーダは気象現象を高速に観測することができる。二次元ＤＢＦレーダは、送受信局から送信された電波（以下、レーダ波と称する）による側方散乱を観測することができる。これらのレーダを協調的に動作させることで気象現象を短時間に高密度で、かつ三次元的に観測することが可能になり、ひいては竜巻やダウンバースト等の極端気象の予兆を確実に検知できるようになる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】“電波資源拡大のための研究開発研究開発課題便覧 平成２５年５月 総務省 総合通信基盤局電波部 電波政策課”,２０ページ“周波数の有効利用を可能とする協調制御型レーダシステムの研究開発”，[online]，［平成２７年１月１５日検索］,インターネット，<URL : http://www.tele.soumu.go.jp/resource/j/fees/purpose/pdf/25kenkyukaihatsu.pdf#6>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
気象レーダの運用には電波干渉への対策が重要である。特に、近傍の気象レーダからのレーダパルスによる干渉は観測結果に多大な影響をもたらすので、従来よりも、より積極的な干渉抑圧技術が要望されている。  
目的は、電波干渉を抑圧して観測精度を高めた気象レーダシステムおよびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、気象レーダシステムは、送信ビームを電子走査可能な第１レーダと、受信ビームを電子走査可能な第２レーダとを具備する。第２レーダは、時刻に対する受信ビームの指向方向を示す受信ビームスケジュールを第１レーダに通知する通知部を備える。第１レーダは、取得部と、走査制御部とを備える。取得部は、通知された受信ビームスケジュールを取得する。走査制御部は、受信ビームの指向方向と送信ビームの指向方向との相関を最小限とすべく、取得された受信ビームスケジュールに基づいて送信ビームの指向方向を切り替える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る気象レーダシステムの一例を示す図である。
【図２】図２は、図１に示される気象レーダシステムの一例を示す機能ブロック図である。
【図３】図３は、実施形態に係る気象レーダシステムにおける処理手順の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、実施形態に係る気象レーダシステムの一例を示す図である。このシステムは送受信局１００と受信局２００を備える。送受信局１００および受信局２００はそれぞれ地理的に異なる位置（例えばＡ県の県庁所在地とＢ県の県庁所在地など）に設置され、通信ネットワークＮＷを介して互いに通信可能である。実施形態では送受信局１００を与干渉局とし、受信局２００を被干渉局とする。
【０００９】
一つ一つのレーダ局（サイト）を単独で運用するよりも複数のサイトを協調させるほうが、より有益な気象情報を得られることがある。例えば、同じ気象現象を複数方向から共通の周波数を用いて観測することで、周波数資源を有効に利用しつつ三次元ドップラ速度を観測することができる。これにより突発的な竜巻やダウンバーストなどの、極端気象の予兆検知に資するデータを得られる。
【００１０】
図２は、図１に示される気象レーダシステムの一例を示す機能ブロック図である。送受信局１００は、送信信号発生部１０、送信部１１、サーキュレータ１２、送信ビーム制御部１３、アンテナ部１４、受信部１５および信号処理部１６を備える。
【００１１】
送信信号発生部１０により発生された送信種信号は送信部１１でレーダパルス信号に変換され、サーキュレータ１２を介して送信ビーム制御部１３に入力される。送信ビーム制御部１３はアンテナ部１４からレーダパルスを放射する。
【００１２】
アンテナ部１４は、例えばアレイ状に配列される複数のアンテナ素子を備える、２次元フェーズドアレイアンテナである。送信ビーム制御部１３は、アンテナ部１４の形成する送信ビームを電子的に走査し、また、送信ビームパターンの形状を制御する。
【００１３】
さらに送受信局１００は、制御部１７、記憶部１８および通信部１９を備える。このうち通信部１９は、通信ネットワークＮＷを介して受信局２００と通信する。  
制御部１７は、例えばメモリを有するプロセッサとして実現される。制御部１７は、送受信局１００を気象レーダとして運用するための機能に加え、実施形態に係る処理機能として取得部１７a、スキャン制御部１７ｂおよび同期制御部１７ｃを備える。
【００１４】
取得部１７aは、受信局２００から通信ネットワークＮＷを介して通知された受信ビームスケジュール２５aを取得し、記憶部１８に記憶させる。受信ビームスケジュール２５aは、受信局２００の形成する受信ビームの、時刻に対する指向方向を示す情報である。つまり受信ビームスケジュール２５ａは、受信ビームの３次元的な指向方向を時刻ごと（例えばマイクロ秒、ナノ秒単位の瞬間ごと）に対応付けた情報である。受信ビームスケジュールを参照すれば、受信ビームが或る時刻に何処を指向しているかを知ることができる。ここでいう「方向」は３次元的な向きを示すもので、例えば直交座標系において（ｘ，ｙ，ｚ）の３つの要素を持つベクトルで定義可能である。
【００１５】
スキャン制御部１７ｂは、送信ビーム制御部１３を制御して送信ビームの指向方向を変化させ、ビームによる空間の走査（スキャン）を実施する。またスキャン制御部１７ｂは、受信ビームスケジュール２５aを参照して、受信ビームの指向方向と送信ビームの指向方向との相関が最小限になるように、送信ビームの指向方向を時系列で切り替える。
【００１６】
特に、スキャン制御部１７ｂは、連続して送信されるレーダパルスの単位方向あたりの数（連続送信数）を最小限とすべく、送信ビームの指向方向を制御する。つまりスキャン制御部１７ｂは同じ方向を長期にわたって指向するのでなく、指向方向を短い時間間隔で切り替える。例えば指向方向を（パルス送信周期×２）のインターバルで切り替えれば、１つの指向方向あたりのパルスの連続送信数は２になる。
【００１７】
同期制御部１７ｃは、送受信局１００の時刻と、受信局２００の時刻とを同期させる。一例として、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）衛星から取得した時刻情報に基づいて、送受信局１００の時刻と受信局２００の時刻とを同期させることが可能である。または送受信局１００および受信局２００に高精度のクロック発振器を設けることでも、両局の時刻を高精度に同期させることが可能である。あるいは、一方の局の時刻を通信ネットワークＮＷを介して他方の局に通知するようにしても良い。
【００１８】
受信局２００は、アンテナ部２０、受信ビーム制御部２１、受信部２２、信号処理部２３を備える。このうちアンテナ部２０は、例えば２次元フェーズドアレイアンテナであり、ＤＢＦ技術により受信ビームを走査可能である。受信ビーム制御部２１はアンテナ部２０の形成する受信ビームを電子的に走査し、また、受信ビームパターンの形状を制御する。
【００１９】
降雨などの気象目標からのレーダエコーは、アンテナ部２０により捕捉される。アンテナ部２０からの信号は受信ビーム制御部２１を介して受信部２２で受信され、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換された後に直交検波（Ｉ／Ｑ検波）される。信号処理部２３は受信部２２から出力されるＩ／Ｑ信号を処理して、受信電力やドップラ速度を算出する。これにより気象現象に関する様々な知見を得ることができる。
【００２０】
なおアンテナ部２０は、レーダエコーのほか、送受信局１００から直接的に到来する電波（干渉波）をも捕捉してしまうことがある。実施形態ではこの干渉波を効果的に抑圧できるようにする技術を開示する。
【００２１】
さらに受信局２００は、制御部２４、記憶部２５および通信部２６を備える。このうち通信部２６は、通信ネットワークＮＷを介して送受信局１００と通信する。  
制御部２４は、例えばメモリを有するプロセッサとして実現される。制御部２４は、受信局２００を気象レーダとして運用するための機能に加え、実施形態に係る処理機能として通知部２４a、および同期制御部２４ｂを備える。
【００２２】
通知部２４aは、記憶部２５に記憶される受信ビームスケジュール２５aを、通信ネットワークＮＷを介して送受信局１００に通知する。同期制御部２４ｂは、送受信局１００の時刻と、受信局２００の時刻とを同期させる。
【００２３】
上記構成において、取得部１７a、スキャン制御部１７ｂ、同期制御部１７ｃ、通知部２４a、および同期制御部２４ｂは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）がメモリに記憶された専用のソフトウェア（プログラム）に記載された命令を実行して実現される処理機能、として実装（インプリメント）されることができる。次に、上記構成における作用を説明する。
【００２４】
図３は、実施形態に係る気象レーダシステムにおける処理手順の一例を示すフローチャートである。図３において、受信局２００は受信ビームスケジュール２５ａを送受信局１００に通知する（ステップＳ１）。送受信局１００は受信ビームスケジュール２５ａを通信ネットワークＮＷ経由で取得し（ステップＳ２）、記憶部１８に記憶する（ステップＳ３）。
【００２５】
次に、送受信局１００のスキャン制御部１７ｂは受信ビームスケジュール２５ａを考慮した送信ビームスケジュールを作成し、記憶部１８に記憶させる（ステップＳ４）。スキャン制御部１７ｂは受信局２００の受信ビームスケジュール２５ａを参照することで、自らの発する電波が受信局２００で干渉波として受信されることを防止する。具体的には、スキャン制御部１７ｂは、受信ビームスケジュール２５ａに基づいて、受信局２００の受信ビームの指向方向と自らの発する送信ビームの指向方向との相関を最小限とするための送信ビームスケジュールを作成する。つまりスキャン制御部１７ｂは、取得した受信ビームスケジュール２５ａに基づいて送信ビームの指向方向を制御する。
【００２６】
送信ビームスケジュールは、例えば、送信ビームの３次元的な指向方向を時刻ごと（例えばマイクロ秒、ナノ秒単位の瞬間ごと）に対応付けた情報である。それぞれの指向方向をＤｉ（０≦ｉ≦Ｎ）として区別することとする。
【００２７】
送信ビームスケジュールが決まると、スキャン制御部１７ｂは、ビーム走査を開始する（ステップＳ６〜Ｓ１０のループ）。スキャン制御部１７ｂは、まず指向方向Ｄ０からレーダパルスを送信し（ステップＳ７）、パルスの連続送信数が例えば２に達すると（ステップＳ８でＹｅｓ）、ｉをインクリメントして次の指向方向Ｄ１に移る（ステップＳ９）。このようにしてｉがＮに達するまで送信ビームの走査が繰り返され、全ての指向方向につきレーダパルスが送信される。
【００２８】
一方、受信局２００は、受信ビームスケジュール２５ａに基づいて受信ビームを走査し（ステップＳ１１）、レーダ受信処理を実施して気象データを得る（ステップＳ１２）。送受信局１００とは異なる他の電波源からの干渉波が検知されると（ステップＳ１３でＹｅｓ）、受信局２００は干渉波除去処理により受信信号から干渉波の成分を除去する（ステップＳ１４）。他の電波源からの干渉波が検知されなければ（ステップＳ１３でＮｏ）、受信局２００はステップＳ１３からステップＳ１５の手順に移る。
【００２９】
ステップＳ１１〜ステップＳ１４の手順は電波諸元情報を取得すべき次の周期が来るまで繰り返し実行される。そして、例えば２４時間の周期が経過すると処理手順はステップＳ１５からステップＳ１に戻り、受信ビームスケジュール２５ａが送受信局１００に再び通知される。
【００３０】
以上述べたように実施形態によれば、送受信局１００および受信局２００に通信機能を持たせ、通信ネットワークＮＷ経由で受信ビームスケジュールを受信局２００から送受信局１００に通知する。そして送受信局１００は、自らの発する送信ビームの指向方向と、受信局２００の受信ビームの指向方向との相関を最小限とすべく、受信ビームスケジュールに基づいて送信ビームの指向方向を切り替える。
【００３１】
受信ビームスケジュールに基づいて、送受信局１００（干渉局）は、受信局２００（被干渉局）が電波干渉を受けるビーム指向方向を正確に把握することができる。この方向を避けるように送信ビームを走査すれば受信局２００における電波干渉を最小限に抑えることができる。従って受信局２００における観測精度を高めることができる。
【００３２】
気象レーダの干渉対策においては、与干渉局のサイドローブから放射された電波が被干渉局のメインローブで受信されることが想定される。既存の気象レーダは回転駆動型のパラボラアンテナを用いていたので、複数の気象レーダ間の電波発射方向を自由に精度良く制御できず、干渉を回避することが難しかった。
【００３３】
仮に電波発射方向を自由に精度良く制御できたとしても、既存の気象レーダは方位角方向の回転及び仰角方向の回転がいずれも機械駆動であるので、干渉の生じるエリアが必ず生じる。しかも気象レーダに特有の事情として、同じ指向方向に連続して数１０〜１００程度のパルスを送信する観測方法が採用されていることから、干渉の生じる頻度がますます大きくなっていた。
【００３４】
既存の気象レーダは、既知の与干渉局（同じ周波数帯を利用する近傍の気象レーダ等）や未知の与干渉局（航空機搭載レーダ、無線ＬＡＮ、ＵＷＢ等）からの電波干渉を抑圧する機能を備えてはいる。しかしながらその手法は、レーダ波の中心周波数を与干渉局の中心周波数と異ならせるといった簡易的なものなので効果は薄い。
【００３５】
これに対し実施形態では、送受信局１００は、電子走査によりビーム指向方向を瞬時に切り替えることができる。また送受信局１００は、送信ビームから放射される単位方向におけるレーダパルス間の相関を最小とすべく、単位方向あたりのレーダパルスの連続送信数を最小限（例えば２パルス）に抑えるようにしている。これにより受信局２００への干渉を抑圧しつつもパルス間の相関を少なくして観測精度を向上させることができる。すなわちこの実施形態によれば、送受信局１００および受信局２００のビーム指向方向を互いの同期をとりつつ高精度に制御することで電波干渉の可能性を抑えられる。さらに、指向方向あたりの連続送信パルス数を最小限にしているので、パルス間の相関を少なくして高精度な気象観測が可能となる。
【００３６】
これらのことから、電波干渉を抑圧して観測精度を高めた気象レーダシステムおよびその制御方法を提供することが可能となる。
【００３７】
なお、この発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、同じ指向方向に連続して送信するパルス数を最小限にして気象レーダ間の干渉を抑圧しても、気象レーダ間でのビーム指向方向制御パターンに（ビーム指向方向の相関）があると、想定よりも長時間の干渉の生じる可能性がある。この現象は、気象レーダ間ごとのビーム指向方向制御パターンを、互いの（ビーム指向方向の相関）が最小となるようにそれぞれ選択することで回避することが可能である。なお（ビーム指向方向の相関）とは、例えば、与干渉局のサイドローブからの放射波が被干渉局のメインローブで受信されるようなビーム指向方向の関係を示す。
【００３８】
具体的には、送受信局１００の送信ビーム指向方向の制御パターンを、同一方向に送信するパルス間の相関を十分に下げられるように決定する。そして、送信ビームのサイドローブが受信局２００の方向を指向している間はその方向に送信ビーム／受信ビームを指向させない、または指向する頻度が低くなるようなビーム指向方向となるように制御する。
【００３９】
また、実施形態では送受信局１００を与干渉局とし受信局２００を被干渉局として説明したが、これに限定されるものではない。例えば２基の送受信局が対向するような形態もあり得るし、複数の送受信局と複数の受信局を備えるシステムや、全て送受信局であるシステムも有り得る。
【００４０】
また実施形態では、単位方向あたりのレーダパルスの連続送信数を最小の２としたが、これに限られるものではない。３、４あるいはそれ以上でもよいが、同一方向に連続して最低でも２つのレーダパルスを送信すれば、ドップラ速度を観測することができる。パルス相関を最小にまで減らすことを重視するのであれば、連続送信数を１、つまりパルス送信のたびにビーム指向方向を変えればよい。
【００４１】
また、気象条件やパルス強度に応じて連続送信数を変更するようにしても良い。あるいは、送受信局１００の制御部１７に、連続送信数の最適値を気象条件に応じて算出する最適値算出部を備えるようにしても良い。このケースでは、スキャン制御部１７ｂは、最適値算出部により算出された連続送信数の最適値に基づいて、送信ビームの指向方向を切り替える。
【００４２】
また実施形態では、方位角方向または仰角方向のいずれかのビーム走査が機械駆動であるレーダ装置に対しても適用可能である。つまり仰角方向または方位角方向について電子走査可能なレーダ装置であれば実施形態の手法を適用できる。さらに、機械駆動については複数のレーダ間で必ずしも同期を取る必要はない。
【００４３】
また、「プロセッサ」の概念は、例えば、専用又は汎用のprocessor, circuit(circuitry), processing circuit(circuitry), operation circuit(circuitry), arithmetic circuit(circuitry)、或いは、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ））、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array：ＦＰＧＡ））などを含む。実施形態の各構成要素（各機能ブロック）は、単一のプロセッサに限らず複数のプロセッサによっても実現することができる。または、複数の構成要素（複数の処理部）を、単一のプロセッサによって実現することも可能である。
【００４４】
いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１０…送信信号発生部、１１…送信部、１２…サーキュレータ、１３…送信ビーム制御部、１４…アンテナ部、１５…受信部、１６…信号処理部、１７…制御部、１７ａ…取得部、１７ｂ…スキャン制御部、１７ｃ…同期制御部、１８…記憶部、１９…通信部、２０…アンテナ部、２１…受信ビーム制御部、２２…受信部、２３…信号処理部、２４…制御部、２４ａ…通知部、２４ｂ…同期制御部、２５…記憶部、２５ａ…受信ビームスケジュール、２６…通信部、１００…送受信局、２００…受信局
【図１】
2016166836.tif 000003
【図２】
2016166836.tif 000004
【図３】
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