説明

二重偏波レーダ装置及び干渉判定方法

【課題】干渉波の混入を高精度に判定する。
【解決手段】 電力算出部172は、観測対象から反射された水平偏波受信波の電力値である水平偏波受信電力を算出し、電力算出部174は、観測対象から反射された垂直偏波受信波の電力値である垂直偏波受信電力を算出する。干渉判定部175は、垂直偏波受信電力に対する水平偏波受信電力の電力比を表す反射因子差を算出する。そして、干渉判定部175は、当該反射因子差が所定の閾値より大きい場合に、水平偏波受信波に干渉波が混入していると判定する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、二重偏波レーダ装置及び干渉判定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば気象レーダは、雲や雨の降雨粒子によって反射されるエコーの強さを検出し、気象状況を観測あるいは予測するために用いられている。近年では、従来の水平偏波のみを用いるレーダ装置に加えて、水平偏波と垂直偏波のパルス波を交互に発射し、観測対象からの反射強度の違いから観測対象の形状や大きさを観測する2重偏波レーダが用いられるようになっている。
【0003】
レーダを用いた観測の際に、他のレーダサイト等からの信号が干渉波として受信信号に混信することがある。また、マルチパスによる干渉が生じて、受信信号に不要な信号が混信することもある。このような干渉波を除去する技術として、非特許文献1には、干渉波が混入したと判定されたIQデータを、1ヒット前のIQデータで置換する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】気象庁,「空港気象ドップラーレーダー製作仕様書(鹿児島空港)」,平成18年5月,p.19
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に記載のドップラーレーダでは、水平偏波のパルスを発して当該水平偏波の反射を受信し、観測を行なっている。このため、水平偏波の受信データの振幅変化量に基づいて干渉波混入の有無が判定されている。しかしながら、このドップラーレーダでは、観測しようとする対象エコーと干渉波信号との受信レベル差が小さい場合に、干渉波信号の判別が困難である。
【0006】
本発明は前記のような問題に鑑みなされたもので、干渉波の混入を高精度に検出判定することが可能な二重偏波レーダ装置及び干渉判定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一実施形態に係る二重偏波レーダ装置は、観測対象から反射された水平偏波受信波の電力値である水平偏波受信電力と、前記観測対象から反射された垂直偏波受信波の電力値である垂直偏波受信電力を算出する受信電力算出手段と、前記垂直偏波受信電力に対する前記水平偏波受信電力の電力比を算出する電力比算出手段と、前記電力比が所定の閾値より大きい場合、前記水平偏波受信波に干渉波が混入していると判定する干渉判定手段とを具備する。
【0008】
また、本発明の一実施形態に係る二重偏波レーダ装置における干渉判定方法は、観測対象から反射された水平偏波受信波の電力値である水平偏波受信電力と、前記観測対象から反射された垂直偏波受信波の電力値である垂直偏波受信電力を算出する受信電力算出ステップと、前記垂直偏波受信電力に対する前記水平偏波受信電力の電力比を算出する電力比算出ステップと、前記電力比が所定の閾値より大きい場合、前記水平偏波受信波に干渉波が混入していると判定する干渉判定ステップを具備する。
【発明の効果】
【0009】
本発明の一実施形態に係る二重偏波レーダ装置によれば、垂直偏波受信電力に対する水平偏波受信電力の電力比を算出し、当該電力比が所定の閾値より大きい場合に、水平偏波受信波に干渉波が混入していると判定する。このため、干渉波の混入を高精度に判定することができる。
【0010】
また、本発明の一実施形態に係る干渉判定方法によれば、垂直偏波受信電力に対する水平偏波受信電力の電力比を算出し、当該電力比が所定の閾値より大きい場合に、水平偏波受信波に干渉波が混入していると判定する。このため、干渉波の混入を高精度に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の一実施形態に係る二重偏波レーダを用いた気象レーダシステムの構成を示すブロック図。
【図2】信号処理部の詳細な構成を示すブロック図。
【図3】本発明の一実施形態に係る干渉波除去処理を示すフローチャート。
【図4】反射因子差ZDRの統計的性質を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0013】
図1は本発明の一実施形態に係る二重偏波レーダを用いた気象レーダシステムの構成を示すブロック図である。この気象レーダシステムによれば、降水強度、ドップラー速度、降水粒子の形状や大きさを観測することができる。
【0014】
このシステムは、空中線装置(アンテナ)11、送信装置(水平偏波)12、受信装置(水平偏波)13、送信装置(垂直偏波)14、受信装置(垂直偏波)15、周波数変換装置16、信号処理装置17、監視制御装置18、データ変換装置19、データ表示装置20、データ蓄積装置21、データ通信装置22、遠隔監視制御装置23、遠隔表示装置24から構成される。
【0015】
このうち遠隔監視制御装置23及び遠隔表示装置24は、レーダサイトに設けられた他の装置からは遠方に設けられており、システムを遠隔監視及び遠隔制御するために用いられる。
【0016】
システムを監視又は制御するための監視制御信号は、遠隔監視制御装置23から監視制御装置18に送られる。監視制御装置18は、監視制御信号に応じて制御信号を信号処理装置17に送信する。また、監視制御装置18は、信号処理装置17からの監視信号を受信して遠隔監視制御装置23に転送する。
【0017】
信号処理装置17は、監視制御装置18からのデジタル制御信号に応じて、水平偏波及び垂直偏波のアナログ送信IF(中間周波数)信号を周波数変換装置16に出力する。周波数変換装置16は、水平偏波及び垂直偏波の送信IF信号を送信RF(無線周波数)信号に変換(アップコンバート)し、送信装置12及び送信装置14に出力する。
【0018】
送信装置12は、水平偏波の送信RF信号を、遠距離での観測が可能な送信電力を有する水平偏波の送信パルス波に増幅し、空中線装置11に出力する。送信装置14は、垂直偏波の送信RF信号を、遠距離での観測が可能な送信電力を有する垂直偏波の送信パルス波に増幅し、空中線装置11に出力する。
【0019】
水平偏波パルス及び垂直偏波パルスは空中線装置11から空中に放射され、観測対象によって反射される。例えば、気象レーダシステムにおける観測対象は、所定の有効反射面積内に存在する降雨粒子である。
【0020】
水平偏波パルス及び垂直偏波パルスに対する観測対象からの反射波(受信電波)は、空中線装置11によって捕捉され、受信装置13及び受信装置15に受信される。受信装置13は、受信した水平偏波の受信電波を復調し、受信RF信号として周波数変換装置16に出力する。受信装置15は、受信した垂直偏波の受信電波を復調し、受信RF信号として周波数変換装置16に出力する。
【0021】
周波数変換装置16は、水平偏波及び垂直偏波の受信RF信号を受信IF信号に周波数変換(ダウンコンバート)して信号処理装置17に出力する。
【0022】
信号処理装置17は、周波数変換装置16から出力された受信IF信号に対して、パルスヒット毎にIQ検波、アナログ−デジタル(A/D)変換、受信電力算出、干渉波除去、ドップラー速度算出等の、所要の信号処理を施す。また、信号処理装置17は、水平偏波と垂直偏波の反射強度の違いから、降水粒子の形状や大きさを検出する。
【0023】
信号処理装置17によってデジタル信号処理された信号処理データ(降水強度、ドップラー速度、降水粒子の形状)は、データ変換装置19に出力される。データ変換装置19は、信号処理装置17が算出した受信電力やドップラー速度に基づいてデータを解析する。データ表示装置20は、例えばLCD等の表示装置であり、データ変換装置19で解析されたデータを表示する。データ蓄積装置21は、例えばハードディスクドライブ(HDD)等の記憶装置を有し、データ変換装置19で解析されたデータを蓄積する。
【0024】
データ通信装置22は、当該解析データを、無線又は有線の通信ネットワークを介してレーダサイト外の遠隔表示装置24に転送する。遠隔表示装置24は、例えばLCD等の表示装置を有し、データ通信装置22から転送されてきたデータを表示する。
【0025】
遠隔表示装置24に表示されたデータに基づいて、遠隔地からレーダサイトを解析し、遠隔監視制御装置23によってレーダサイトを監視及び制御することができる。
【0026】
次に、本実施形態において信号処理部17によって実行される、干渉波除去処理について説明する。
【0027】
従来から運用されているレーダ装置は、水平偏波を送出して、水平偏波の反射波を補足するものが多い。このため、本実施形態に係る水平及び垂直両方の偏波を送出するレーダ装置では、すでに運用されているレーダ装置(他局)から水平偏波の干渉波が混入するが、垂直偏波の干渉は混入しにくいと想定される。従って、水平偏波と垂直偏波の反射波のレベルに大きな差が生じていれば、干渉波の影響が生じていると考えられる。
【0028】
図2は、信号処理部17において、干渉波除去処理に係る各部の構成を示すブロック図である。図2に示すように、信号処理部17は、IQ検波部(水平偏波)171、電力算出部(水平偏波)172、IQ検波部(垂直偏波)173、電力算出部(垂直偏波)174、干渉判定部175、及び干渉波除去部176を備えている。
【0029】
IQ検波部(水平偏波)171は、水平偏波の受信信号を2系統に分配して、互いに90°位相オフセットした基準中間周波数発信信号(COHO信号)によって直交検波(IQ検波)する。これによって、パルスヒット毎のI(同相;In-phase)データ(Iデータ)及びQ(直交;Quadrature)データ(Qデータ)が生成される。生成されたIデータ及びQデータは、A/D変換回路(図示せず)によってA/D変換されて水平偏波の電力算出部172に出力される。
【0030】
電力算出部172は、Iデータ及びQデータに基づいて、パルスヒット毎の水平偏波受信電力を算出する。i番目のヒット(iは任意の整数)による受信信号から検出されたIデータI(i)及びQデータQ(i)から、以下の式(1)に基づいて、水平偏波受信電力Pr(i)が算出される。受信電力Pr(i)は通常デシベル値で表される。
【0031】
【数1】

【0032】
IQ検波部(垂直偏波)173は、水平偏波の受信信号を2系統に分配して、互いに90°位相オフセットした基準中間周波数発信信号(COHO信号)によって直交検波(IQ検波)する。これによって、パルスヒット毎のI(同相;In-phase)データ(Iデータ)及びQ(直交;Quadrature)データ(Qデータ)が生成される。生成されたIデータ及びQデータは、A/D変換回路(図示せず)によってA/D変換されて垂直偏波の電力算出部174に出力される。
【0033】
電力算出部174は、Iデータ及びQデータに基づいて、パルスヒット毎の垂直偏波受信電力を算出する。i番目のヒット(iは任意の整数)による受信信号から検出されたIデータI(i)及びQデータQ(i)から、以下の式(2)に基づいて、垂直偏波受信電力Pr(i)が算出される。受信電力Pr(i)は通常デシベル値で表される。
【0034】
【数2】

【0035】
干渉判定部175は、電力算出部172が算出した水平偏波受信電力Pr(i)及び電力算出部174が算出した垂直偏波受信電力Pr(i)に基づいて、i番目のヒットの受信データに干渉波が混入しているか否かを判定する。すなわち、垂直偏波受信電力Pr(i)に対して、水平偏波受信電力Pr(i)の値が著しく大きい場合に、干渉波が混入していると判定される。
【0036】
干渉判定部175によって干渉波の混入が判定されると、干渉波除去部176は、干渉波の影響を除去する除去処理を行う。例えば干渉波除去部176は、干渉波の混入したiヒット目の水平偏波受信データ(IデータI(i)、QデータQ(i)、及び受信電力Pr(i))を無効化して、後段に転送されないように設定する。干渉波除去部176は、干渉波の混入した水平偏波受信データを、垂直偏波受信データによって置き換えてもよい。あるいは、干渉波の混入した水平偏波受信データを、前後のヒットの受信データの平均によって置き換えてもよい。
【0037】
次に、以上のように構成された信号処理部17による干渉波除去処理の手順について説明する。
【0038】
図3は、信号処理部17が実行する干渉波除去処理を示すフローチャートである。
【0039】
まず、周波数変換装置16から入力する水平及び垂直偏波の受信IF信号に対して、IQ検波部171及びIQ検波部173がIQ検波を行い、水平偏波のIデータ及びQデータと垂直偏波のIデータ及びQデータを生成する(ステップS1)。
【0040】
次に、電力算出部172が式(1)に基づいて水平偏波受信電力Pr(i)を算出し、電力算出部174が式(2)に基づいて垂直偏波受信電力Pr(i)を算出する(ステップS2)。
【0041】
干渉判定部175は、算出された水平偏波受信電力Pr(i)及び垂直偏波受信電力Pr(i)に基づいて、i番目のヒットの受信データに干渉波が混入しているか否かを判定する(ステップS3)。具体的には、デシベル値で表される水平偏波受信電力Pr(i)と垂直偏波受信電力Pr(i)の差が所定の閾値Cより大きいか否かが判断される。
【0042】
デシベル値で表された受信電力間の差分は、(3)式で表すように、反射因子差ZDRを表す。反射因子差ZDRは、水平偏波の反射因子Z(i)と垂直偏波の反射因子Z(i)の比をデシベル値で表したものである。水平偏波の反射因子Z(i)は水平偏波受信電力P(i)(ワット〔W〕単位)と所定係数の積であり、垂直偏波の反射因子Z(i)は垂直偏波受信電力P(i)(ワット〔W〕単位)と所定の係数の積である。
【0043】
【数3】

【0044】
すなわち、反射因子差ZDRは、水平偏波受信電力P(i)と垂直偏波受信電力P(i)の比をデシベル値で表したものである。
【0045】
この反射因子差ZDRの値が閾値Cより大きい場合、すなわち、垂直偏波受信電力Pr(i)に対して、水平偏波受信電力Pr(i)の値が大きい場合に、干渉判定部175は、干渉波が混入していると判定する(ステップS3で「干渉あり」)。また、反射因子差ZDRの値が閾値C以下の場合、干渉判定部175は、干渉波の混入がないと判定する(ステップS3で「干渉なし」)。閾値Cの定め方については、後述する。
【0046】
干渉判定部175が干渉波の混入があると判定すると(ステップS3で「干渉あり」)、干渉波除去部176によって、干渉波除去が行なわれる(ステップS4)。干渉波除去部176は、干渉波の混入したiヒット目の水平偏波の受信データ(IデータI(i)、QデータQ(i)、及び受信電力Pr(i))を無効化して、後段に転送されないように設定する。
【0047】
また、干渉波除去部176は、干渉波の混入した水平偏波受信電力Pr(i)を、垂直偏波受信電力Pr(i)によって置き換えてもよい。あるいは、干渉波除去部176は、水平偏波受信電力Pr(i)を、前後数ヒット分の受信電力の平均によって置き換えてもよい。同様に、水平偏波のIデータI(i)とQデータQ(i)が、垂直偏波のIデータI(i)とQデータQ(i)によって置き換えられてもよい。
【0048】
以上のようにして干渉除去が行なわれた水平及び垂直偏波の信号処理結果は、信号処理装置17から出力される(ステップS5)。
【0049】
一方、干渉判定部175が干渉波の混入がないと判定すると(ステップS3で「干渉なし」)、干渉波除去部176による干渉波除去が行なわれず、水平及び垂直偏波の信号処理結果は、そのまま信号処理装置17から出力される(ステップS5)。
【0050】
次に、干渉判定部175による干渉判定(図3のステップS3)のための閾値Cの定め方について説明する。
図4は、反射因子差ZDRの統計的性質を示す図である。図4において横軸は反射因子差ZDRのデシベル値を表し、縦軸はそれぞれの反射因子差の検出確率を表す。通常のレーダ装置では、空中線装置(アンテナ)11の交差偏波抑圧比は、40dB以上に設定されている。すなわち、水平偏波を受信する際には、水平偏波受信電力Pr(i)に対して、垂直偏波受信電力Pr(i)の値が40dB以上抑圧される。逆に、垂直偏波を受信する際には、垂直偏波受信電力Pr(i)に対して、水平偏波受信電力Pr(i)の値が40dB以上抑圧される。
【0051】
このため、水平偏波受信電力Pr(i)と垂直偏波受信電力Pr(i)の差分を示す反射因子差ZDRは、図4に示すように40dB以上になることがほとんどない。従って、この40dB付近に閾値Cを定めると、干渉判定部175が算出した反射因子差ZDRの値が閾値C以上の場合、水平偏波受信波が干渉波の影響を受けていると判断することができる。
【0052】
ただし、上述の閾値Cの決定方法は一例であり、他の方法によって閾値Cの値が定められてもよい。
【0053】
以上述べたように、本実施形態によるレーダシステムによれば、干渉判定部175は、水平偏波及び垂直偏波の受信電力の差により、干渉波の影響が生じているか否かを高精度に判定することができる。また、干渉波の影響が生じている場合、干渉波除去部176は受信データを無効化して、後段に伝達しないようにすることができる。更に、干渉波除去部176は、干渉波の影響を受けた受信データを補完することもできる。
【0054】
上述の実施形態では、一例として、水平偏波の受信電力が垂直偏波の受信電力よりも著しく大きい場合に、水平偏波の受信データに干渉波の影響が生じているとした。しかしながら、例えば他局が水平偏波ではなく、垂直偏波による観測を行っている場合は、上記実施形態とは逆に、垂直偏波の受信電力が水平偏波の受信電力よりも著しく大きい場合に、垂直偏波の受信データに干渉波の影響が生じていると判定されてもよい。
【0055】
上述の実施形態では、一例として、降雨量等を観測するための気象レーダにおける干渉波除去について説明した。しかしながら、上述の実施形態は、航空機を検出する空港監視レーダ等、他の1次レーダにも適用可能である。
【0056】
従来から運用されているレーダ装置では、水平偏波のみによる観測が行なわれていることが多いが、すでに運用されているレーダ装置に干渉波除去のためのフィルタ等を設けることが困難である。このため、新設されるレーダシステムに信号処理によって干渉波の除去を行なうことが重要である。
【0057】
上述のように、信号処理によって電波干渉の影響を除去することで、密な周波数配置や同一周波数の再利用等による周波数の有効利用を進展させることができるようになる。
【0058】
本願発明は、前記各実施形態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種々に変形することが可能である。さらに、前記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、1つの実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されたり、幾つかの実施形態に示される構成要件が組み合わされても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除されたり組み合わされた構成が発明として抽出され得るものである。
【符号の説明】
【0059】
11…空中線装置(アンテナ)、12…送信装置(水平偏波)、13…受信装置(水平偏波)、14…送信装置(垂直偏波)、15…受信装置(垂直偏波)、16…周波数変換装置、17…信号処理装置、18…監視制御装置、19…データ変換装置、20…データ表示装置、21…データ蓄積装置、22…データ通信装置、23…遠隔監視制御装置、24…遠隔表示装置、171…IQ検波部、172…電力算出部、173…IQ検波部、174…電力算出部、175…干渉判定部、176…干渉除去部。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
観測対象から反射された水平偏波受信波の電力値である水平偏波受信電力と、前記観測対象から反射された垂直偏波受信波の電力値である垂直偏波受信電力を算出する受信電力算出手段と、
前記垂直偏波受信電力に対する前記水平偏波受信電力の電力比を算出する電力比算出手段と、
前記電力比が所定の閾値より大きい場合、前記水平偏波受信波に干渉波が混入していると判定する干渉判定手段と、
を具備することを特徴とする二重偏波レーダ装置。
【請求項2】
前記干渉判定手段が、前記水平偏波受信波に干渉波が混入していると判定した場合に、前記水平偏波受信電力を受信データから除去する干渉波除去手段を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の二重偏波レーダ装置。
【請求項3】
前記干渉波除去手段は、前記水平偏波受信電力の値を、前記垂直偏波受信電力の値で置き換えることを特徴とする請求項2に記載の二重偏波レーダ装置。
【請求項4】
前記干渉波除去手段は、前記水平偏波受信電力の値を、前後の水平偏波受信電力の平均値で置き換えることを特徴とする請求項2に記載の二重偏波レーダ装置。
【請求項5】
前記電力比算出手段は、前記水平偏波受信電力に対する前記垂直偏波受信電力の電力比を算出し、
干渉判定手段は、前記水平偏波受信電力に対する前記垂直偏波受信電力の電力比が所定の閾値より大きい場合に、前記垂直偏波受信波に干渉波が混入していると判定することを特徴とする請求項1に記載の二重偏波レーダ装置。
【請求項6】
観測対象から反射された水平偏波受信波の電力値である水平偏波受信電力と、前記観測対象から反射された垂直偏波受信波の電力値である垂直偏波受信電力を算出する受信電力算出ステップと、
前記垂直偏波受信電力に対する前記水平偏波受信電力の電力比を算出する電力比算出ステップと、
前記電力比が所定の閾値より大きい場合、前記水平偏波受信波に干渉波が混入していると判定する干渉判定ステップと、
を具備することを特徴とする二重偏波レーダ装置における干渉判定方法。
【請求項7】
前記干渉判定ステップにおいて、前記水平偏波受信波に干渉波が混入していると判定された場合に、前記水平偏波受信電力を受信データから除去する干渉波除去ステップを更に備えることを特徴とする請求項6に記載の干渉判定方法。
【請求項8】
前記干渉波除去ステップは、前記水平偏波受信電力の値を、前記垂直偏波受信電力の値で置き換えることを特徴とする請求項7に記載の干渉判定方法。
【請求項9】
前記干渉波除去ステップは、前記水平偏波受信電力の値を、前後の水平偏波受信電力の平均値で置き換えることを特徴とする請求項7に記載の干渉判定方法。
【請求項10】
前記電力比算出ステップは、前記水平偏波受信電力に対する前記垂直偏波受信電力の電力比を算出し、
干渉判定ステップは、前記水平偏波受信電力に対する前記垂直偏波受信電力の電力比が所定の閾値より大きい場合に、前記垂直偏波受信波に干渉波が混入していると判定することを特徴とする請求項5に記載の干渉判定方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2011−59078(P2011−59078A)
【公開日】平成23年3月24日(2011.3.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−212191(P2009−212191)
【出願日】平成21年9月14日(2009.9.14)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】