時間領域法を用いた二重偏波レーダ処理システム
本発明の実施形態では、二重偏波レーダシステムにおける環境パラメータの改良された推定を提供する。いくつかの実施形態では、環境パラメータは、２つの直交する偏波状態において受信されたデータの線形結合を用いて推定されうる。特に、発明の実施形態は、二重偏波レーダシステムにおける地上反射波及びノイズの低減を改良する。さらに、発明の実施形態はまた、二重偏波レーダシステムにおける、反射率の差及び／または同極の相関係数の大きさの少なくともいずれか、及び位相差を決定するためのシステムを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、時間領域法を用いた二重偏波レーダ処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
気象レーダシステムの基本的な目的の１つは、降水の定量的な測定結果を提供するために、地球を取り巻く大気をサンプリングすることである。従前の気象レーダは、しばしば１００キロメートルオーダーの長距離に渡るカバレッジを提供する。従前のレーダシステムがどのように機能するかは、図１に概略的に図示されている。本図において、レーダは、丘や山１０４のような隆起した地理的特徴の頂上に配置されている。レーダは、距離に応じてほぼ線形的に分散する電磁ビーム１０８を生成する。故に図には、レーダからの距離に応じて、ビーム幅がどのように増加するかが示されている。システム１００がサンプリングしようと試みる、存在しうる様々な気象パターンの例１１６は、地球の表面１１２上の異なる位置に示されている。
【０００３】
気象レーダでは、地上標的からの信号は、反射波（clutter）として表される。レーダ信号の品質及び定量適利用を改良するためには、レーダ信号全体における反射波の影響を低減することが一般的に望ましい。このような低減は、ドップラー周波数が０周辺のノッチフィルタを適用することにより従来達成されてきた。このような手法による主な不都合は、気象エコーが小さな視線速度を有する場合における信号損失である。レーダ信号処理における近年の進展は、反射波の抑圧における改良である。例えば、１つの方法は、点在するスペクトル線上を補間する、進化したスペクトルフィルタを用いることにより、点在する効果を補う方法である。スペクトルフィルタ技術の制限は、スペクトルモーメント推定において、制限されたサンプリング長により引き起こされるスペクトル漏損の影響である。結果として、反射波対信号比を調整するために、スペクトル処理は成功する反射波抑圧を制限する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の実施形態では、レーダ観測において、地上からの反射波及びノイズの少なくともいずれかを低減するために、二重偏波パラメータ時間領域法（「ＤＰＴＤＭ」：dual-polarization parametric time-domain method）を用いる。それ故、このような実施形態では、二重偏波レーダを用いて注目領域を調査する方法を提供する。レーダ信号は、２つの偏波状態で注目領域に伝播され、後方散乱データは２つの偏波状態で受信される。いくつかの実施形態では、２つの偏波状態は直交関係をなす。時系列データのスペクトルモーメントは、２つの偏波状態のそれぞれについて計算されうる。２つの偏波状態におけるデータを線形結合する新たな時系列は構築されうる。いくつかの実施形態において、２つの偏波状態におけるデータの線形結合は、複素数の値となりうる。同極の相関係数の大きさ及び位相は、線形結合時系列の尤度関数を最大化することにより決定されうる。
【０００５】
いくつかの実施形態において、２つの偏波状態におけるデータの線形結合は、Ｖα＝Ｖｈ＋αＶｖにより表され、尤度関数は、
（１）
で表されうる。ここで、
である。尤度関数の最大値は、ｘに関してＬαの差を解くことにより決定されうる。いくつかの実施形態において、同極の相関係数実数及び虚数部は、αが実数である場合、
（２）
及び、α＝ｊβである場合、
（３）
で決定されうる。いくつかの実施形態において、α及びβの整数値は±１に設定され、α及びβの後続値は
（４）
で決定されうる。
【０００６】
故に、発明の様々な実施形態は、直交する偏波状態において受信されたレーダデータの線形結合を用いて、環境係数の判定を提供する。特に、地上からの反射波及びノイズの低減効果は、本明細書に示される実施形態を用いることにより増加されうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】従来のレーダシステムの実施の略図を示す。（全米科学アカデミーのレポート「複合地域にわたる鉄砲水の予測」から複製した）
【図２】従来のレーダシステムと二重偏波レーダシステムとを比較した図を示している。
【図３Ａ】、
【図３Ｂ】いくつかの実施形態に係る、二重偏波レーダシステムの送信機側の簡略化されたブロック図を示す。
【図４】いくつかの実施形態に係る、二重偏波レーダシステムの受信機側の簡略化されたブロック図を示す。
【図５】いくつかの実施形態に係る、二重偏波レーダを用いて注目領域の状態を定義する処理のフローチャートを示す。
【図６】いくつかの実施形態に係る、反射率の差、同極の相関係数（｜ρｃｏ｜）、及び伝播位相差（Φｄｐ）の少なくともいずれかを決定する処理のフローチャートを示す。
【図７】いくつかの実施形態に係る、線形結合データαにおける係数を推定するフローチャートを示す。
【図８】推定された伝播位相差（Φｄｐ）の位置とαの初期選択との間の対応を示す。
【図９Ａ】、
【図９Ｂ】、
【図９Ｃ】パルス対処理（９Ａ）、スペクトルフィルタ（９Ｂ）、及び本明細書において述べられる二重偏波パラメータ時間領域法（９Ｃ）をそれぞれ用いて、注目領域における反射率の差の比較を示している。
【図９Ｄ】、
【図９Ｅ】、
【図９Ｆ】パルス対処理（９Ｄ）、スペクトルフィルタ（９Ｅ）、及び本明細書において述べられる二重偏波パラメータ時間領域法（９Ｆ）をそれぞれ用いて、注目領域における速度計測結果の差の比較を示している。
【図１０Ａ】、
【図１０Ｂ】、
【図１０Ｃ】パルス対処理（１０Ａ）、スペクトルフィルタ（１０Ｂ）、及び本明細書において述べられる二重偏波パラメータ時間領域法（１０Ｃ）をそれぞれ用いて、注目領域における伝播位相差（Φｄｐ）の計測結果の比較を示している。
【図１０Ｄ】、
【図１０Ｅ】、
【図１０Ｆ】パルス対処理（１０Ｄ）、スペクトルフィルタ（１０Ｅ）、及び本明細書において述べられる二重偏波パラメータ時間領域法（１０Ｆ）をそれぞれ用いて、注目領域における同極の相関係数（ρｃｏ）の計測結果の比較を示している。
【図１１Ａ】、
【図１１Ｂ】本明細書に記載された実施形態を用いて、方位角２７５度及び３１５度における推定されたρｃｏのレンジプロファイルを示している。
【図１２Ａ】、
【図１２Ｂ】本明細書に記載された実施形態を用いて推定する｜ρｃｏ｜及びΦｄｐにおける誤差を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
発明のいくつかの実施形態は、二重偏波パラメータ時間領域法を用いて、注目領域内の環境パラメータを決定するシステムを提供する。従来技術は、単一偏波及び二重偏波の少なくともいずれかのレーダデータにおける、様々なパラメータを推定しうる、パラメータ時間領域法（ＰＴＤＭ：parametric time domain method）により提供していた。このような方法及び／またはシステムは、２００７年７月３０日に出願された、「パラメータ時間領域法を用いた地上反射波低減（Ground Clutter Mitigation Using a Parametric Time Domain Method）」と題された米国特許公開第１１／８３０５７４号公報において示されており、当該公報の全記載は、引用により本明細書に組み込まれる。ＰＴＤＭは、それぞれの偏波について、受信されたレーダデータにおける、反射波、降水、及びノイズの良好なモデルを提供する。しかしながら、ＰＴＤＭは、偏波されたデータ間における相関性を考慮していない。発明のいくつかの実施形態では、２つの偏波チャネル間の相関性を調査するためにモデル及び推定量を提供する。
【０００９】
図２は、単一偏波状態を有する従来のレーダシステム２１０と、二重偏波レーダシステム２２０（あるいは偏波レーダシステム）との比較する図を示している。二重偏波レーダシステム２２０は、しばしば図においては垂直偏波及び水平偏波として示される、２つの直交する偏波状態を送信及び受信することができる。二重偏波レーダシステムは、反射率の差、同極の相関係数、線形減極比、及び特定の位相差の少なくともいずれかを含む、気象学の多くの重要なパラメータを提供しうる。
【００１０】
図３Ａは、いくつかの実施形態に係る二重偏波レーダシステムの送信機側の簡略的なブロック図３００を示している。このような送信機は、パルス対パルス基準において、あらゆる２つの直交する偏波状態間の偏波状態を切り替えることができる。送信機３０５は、導波路スイッチングデバイス３１０に、信号及び波形信号の少なくともいずれかを、提供及び／または送信することができる。波スイッチングデバイス３１０は、高出力導波路スイッチである。波スイッチングデバイス３１０は、波形信号の所望の偏波に基づいて、送信機３０５からデュープレクサ（duplexer）３２０への送信を切り替えうる。波スイッチングデバイス３１０は例えば、機械式モータ駆動回転翼スイッチ、及び電気制御フェライトサーキュレータスイッチの少なくともいずれかを含みうる。
【００１１】
デュープレクサ３２０は、送信波形信号から受信した信号を分離しうる。なお、受信した信号は適切な偏波受信機に送信されうる。マイクロ波偏波ネットワーク３２５は、アンテナ３３０への適切な入力波形信号を合成するために用いられうる、可変比率出力分配器及び可変位相シフトの少なくともいずれかを含みうる。
【００１２】
図３Ｂは、いくつかの実施形態に係る二重偏波レーダシステムの受信機側の簡略化されたブロック図３６０を示している。このような受信機は、データ共分散行列（共分散行列については後述する）の一部である、様々な項（実数及び虚数の両方）を計測しうる。マイクロ波偏波ネットワーク３２５は、アンテナ３３０からの後方散乱レーダ信号を受信し、受信した信号は、デュープレクサ３２０により、送信信号から二重化される。低ノイズ増幅器３３５は、信号フィルタのために使用されうる。それぞれの偏波チャネルのミキサ３４０は、固定局部発振器（ＳＴＡＬＯ：stable local oscillator）を用いて受信した信号を合成するために使用されうる。中間周波数は、中間周波数増幅器３４５を用いて増幅され、後方散乱信号は、検出器３５０において両方の偏波について検出されうる。
【００１３】
図４は発明の様々な実施形態を用いて、環境パラメータの計算をする二重偏波レーダシステムに接続されたコンピュータシステム４００のブロック図を示している。コンピュータシステム４００は、図２及び／または図３に示されるいかなる、あるいはすべての計算を実行するために用いられうる。図は、個々のシステム要素が、分離されて、あるいはより統合された方式でどのように実装されうるかを示している。コンピュータ４００は、バス４２６を介して電気的に接続されたハードウェア要素を備えて示されている。ネットワークインタフェース４５２は、例えばインターネットのようなネットワークを通じて、計算デバイス４００と他のコンピュータとを通信接続しうる。ハードウェア要素は、プロセッサ４０２、入力デバイス４０４、出力デバイス４０６、記憶デバイス４０８、コンピュータ読み取り可能記録媒体リーダ４１０ａ、通信システム４１４、ＤＳＰや専用プロセッサのような処理加速器４１６、及びメモリ４１８を含みうる。コンピュータ読み取り可能記録媒体４１０ａは、さらにコンピュータ読み取り可能記録媒体４１０ｂが接続され、当該接続は、コンピュータ読み取り可能情報を含む、リモート、ローカル、固定、及び着脱可能な記憶デバイスの少なくともいずれかに加えて、一時記憶及び／または恒久記憶記録メディアを統合的に表す。
【００１４】
二重偏波レーダシステムインタフェース４５０は、バス４２６に接続される。いくつかの実施形態において、二重偏波レーダシステムインタフェース４５０は、いかなる形式の通信インタフェースであってよい。たとえば、二重偏波レーダシステムインタフェース４５０は、ＵＳＢインタフェース、ＵＡＲＴインタフェース、シリアルインタフェース、パラレルインタフェース他、であってよい。二重偏波レーダシステムインタフェース４５０は、二重偏波レーダシステムに直接接続されるように構成されうる。
【００１５】
コンピュータシステム４００は、ワーキングメモリ４２０内に現在は設けられているものとして示される、オペレーティングシステム、及び本明細書に記載された方法及び処理の少なくともいずれかを実装するために設計されたプログラムのようなその他のコードを含む、ソフトウェア要素も備える。いくつかの実施形態では、その他のコード４４２は、二重偏波レーダシステムからのユーザ入力を受信、及び本明細書に記載される様々な実施形態に係るデータを操作するための指示を提供するソフトウェアを含みうる。いくつかの実施形態において、その他のコード４２２は、天候事象を予測あるいは予報するソフトウェアを含む、及び／またはリアルタイムの気象予報及び警告の少なくともいずれかを提供しうる。相当な変化が特定の供給に応じて用いられうることは、同一の技術分野に属する当業者には容易に理解されるであろう。例えば、カスタマイズされたハードウェアが用いられてもよい、及び／または特定の要素は、ハードウェア、ソフトウェア（アプレットのような携帯ソフトウェアを含む）、あるいはその両方に実装されてもよい。さらに、ネットワーク入出力デバイスのような、他の計算デバイスへの接続が使用されうる。
【００１６】
図３Ａ、３Ｂ、及び図４は、特定のブロックを参照して本明細書で説明されるが、ブロックが記載の便宜上定義され、構成部品の特定の物理的装置を暗示するものではないことは理解されるべきである。さらに、ブロックは物理的に異なる構成に相当する必要はない。
【００１７】
発明の方法の概要は、図５のフローチャート５００を用いて提供される。方法５００は、ブロック５０４において示されるように、二重偏波レーダ信号を注目領域に伝搬することにより開始する。サンプリングされた時系列データは、ブロック５０８で２つの偏波について収集され、注目領域の時間領域パラメータモデルのための二重偏波パラメータを決定する処理に用いられる。特定のモデルが以下に説明されるが、発明の代替的な実施形態では、他の二重偏波パラメータモデルを用いてもよい。
【００１８】
ブロック５１２で、同極の時系列データのスペクトルモーメントが推定されうる。例えば、スペクトルモーメントは、本技術分野で知られているＰＴＤＭ及び／またはＧＭＡＰ法を用いることにより推定されうる。いくつかの実施形態では、同極データの対数尤度関数の総和は、スペクトルモーメントのために最小化され、解かれうる。他の実施形態では、同極データの対数尤度関数の総和は、スペクトルモーメントのために最大化され、解かれうる。いくつかの実施形態において、反射率の差も、２つの偏波のスペクトルモーメントから推定されうる。ブロック５１６で、α及びβ＝ｊαは前回の距離ゲート（range gate）から推定された二重偏波パラメータを用いて決定されうる。ブロック５２０で、例えばＶα＝Ｖｈ＋αＶｖの２つの偏波ベクトルの線形結合の対数尤度関数は、最小化されうる。他の実施形態において、対数尤度関数は最大化されうる。この最小化（あるいは最大化）から、同極の相関係数の大きさ及び／または位相は、ブロック５３２で決定されうる。
【００１９】
発明のいくつかの実施形態では、２つの偏波レーダデータの線形結合から、同極の相関係数の大きさ及び位相を推定しうる。このような推定はたとえば、コンピュータシステム４００を用いて実行されうる。図６は、複素平面において、ρｃｏの偏角である、同極の相関係数（ρｃｏ）の大きさ、及び伝播位相差（Φｄｐ）を決定するために生じうる、このような処理６００のフローチャートを示している。処理６００は、ブロック６０５で開始し、ブロック６１０で、２つの偏波について、注目領域の後方散乱からの電圧読み出し（voltage readings）を受信しうる。例えば、電圧読み出しは垂直偏波及び水平偏波された信号からのデータを含みうる。
【００２０】
ブロック６１５において、ＶＨ及びＶＶの両方についての尤度関数の総和は、水平及び垂直スペクトルモーメントを得るために最小化される。それぞれの偏波（ｈ，ｖ）についての尤度関数は、
（５）
で示される。ここで、Ｒｈ，ｖはサンプリングレートＴｓにおける計測データの共分散行列であり、
（６）
で与えられ、そして
はＨ信号についてサンプリングされた共分散行列であり、
はＶ信号についてサンプリングされた共分散行列である。スペクトルモーメントは、
（７）
であり、ここで
は降水信号出力、
は降水スペクトル幅、
は降水の平均速度、
は反射波出力、
は反射波スペクトル幅、
はノイズ出力、及びλはレーダ波長を示し、ｊは
であり、δはクロネッカー関数である。
【００２１】
２つの偏波についての降水スペクトルモーメントは、対数尤度関数を最小化することにより得られる。
（８）
スペクトルモーメントがブロック６２０で決定されると、
は
（９）
から決定されうる。
【００２２】
カウンタｎは、ブロック６２５で最初の距離ビン（range bin）の開始で、１に初期化される。ブロック６２７で、ｎがいくつかの予め定められた、及び／またはユーザにより定義された定数Ｃ未満であるかどうかを判定されうる。いくつかの実施形態において、Ｃは２、３、４、５、６、７、８、９、１０他、となりうる。ｎがＣ未満である場合、α及びβは、ブロック６３０で、複素平面の偏角Φｄｐから決定されうる。最初の距離ビン（Ｃ未満のビン数）のα及びβの値は、図８において示されるように、＋１あるいは−１となるように推定されうる。いくつかの実施形態において、最初のビンの偏角についての偏角Φｄｐは推定技術を用いて推定されうる。例えば、最初の少数のビンについては、０°＜Φｄｐ＜９０°の場合はα＝−１及びβ＝１である。９０°＜Φｄｐ＜１８０°の場合は、α＝１及びβ＝１である。１８０°＜Φｄｐ＜２７０°の場合は、α＝１及びβ＝−１である。２７０°＜Φｄｐ＜３６０°の場合は、α＝−１及びβ＝−１である。そして処理６００はブロック６３５に進む。
【００２３】
ブロック６２７において、ｎがＣよりも大きかった場合、α及びα＝ｊβは
（１０）
を用いて推定されうる。数１０において、
は前回の距離ビンについての同極の相関係数である。
【００２４】
ブロック６３５で、２つの偏波ベクトルの線形結合は、
Ｖα＝Ｖｈ＋αＶｖ （１１）
として構築されうる。ここで、Ｖｈは水平偏波信号についてサンプリングされた電圧データ、及びＶｖは垂直偏波信号についてサンプリングされた電圧データである。
【００２５】
線形結合データＶαについての対数尤度関数は、
（１２）
で表される。ここで、Ｒｃは反射波についての共分散行列、ＲＮはノイズについての共分散行列、
は降水についての水平偏波共分散行列、
は降水についての垂直偏波共分散行列、及び
はＶαについてサンプリングされた共分散行列である。
【００２６】
いくつかの実施形態において、Ｌαはｘを０に近づけることに関して、尤度関数の微分係数を設定することにより最小化されうる。
（１３）
ここで、
（１４）
である。結果として得られた最小化された尤度関数Ｌαは、同極の相関係数の実数及び虚数部の値を生成しうる。
【００２７】
ブロック６４５で、αが実数である場合、次の式からρｃｏの実数部を決定することができる。
（１５）
そして、αが虚数、α＝ｊβ（βは実数）である場合、次の式からρｃｏの虚数部を決定することができる。
（１６）
【００２８】
ブロック６３０、６２０、及び６４０で決定されたような、α、βの値、Ｚｄｒの推定値、推定されたｘを用いることにより、ブロック６４５で、ρｃｏの実数及び虚数部を得るための式１５及び式１６を解く。ブロック６５０で、ρｃｏの大きさ及び偏角（Φｄｐ）は、ｎ番目の距離ビンについての、ρｃｏの実数及び絶対値から決定されうる。
【００２９】
ブロック６５５で、ｎがデータセットにおける距離ゲートの数Ｎに等しい場合、処理６００はブロック６６０で終了する。しかしながら、ｎは距離ゲートの数未満である場合、ｎはブロック６６５で増加させられ、処理６００はブロック６２７に戻る。
【００３０】
図７は、いくつかの実施形態に係る、α及びβの最適値を推定する方法７００を示している。ブロック７１０で、処理７００はビン数ｎが予め定められた値ｘ未満、例えば１０未満であるか否かを判定する。いくつかの実施形態において、ｘは１、２、３、４、５、６、７、８、９他、に等しい。ｎがｘ未満である場合、最初の少数のビンのデータを参照し、ブロック７２０で複素平面においてΦｄｐの位置からρｃｏを推定しうる。０°＜Φｄｐ＜９０°である場合、ブロック７３０に示されるようにα＝−１及びβ＝１となる。９０°＜Φｄｐ＜１８０°である場合、ブロック７４０に示されるようにα＝１及びβ＝１となる。１８０°＜Φｄｐ＜２７０°である場合、ブロック７５０に示されるようにα＝１及びβ＝−１となる。２７０°＜Φｄｐ＜３６０°である場合、ブロック７６０に示されるようにα＝−１及びβ＝−１となる。ビン数ｎが予め定められた値ｘより大きい場合、α及びβの最適値はブロック７７０及び７８０に示されるように決定されうる。
【００３１】
図９Ａ乃至９Ｃは、パルス対処理（９Ａ）、スペクトルフィルタ（９Ｂ）、及び本明細書に記載されるような二重偏波パラメータ時間領域法（９Ｃ）を用いた場合の、注目領域における反射率の比較を示している。図９Ｃに見られるように、地上反射波及びノイズの少なくともいずれかは、かなり低減されている。
【００３２】
図９Ｄ乃至９Ｆは、パルス対処理（９Ｄ）、スペクトルフィルタ（９Ｅ）、及び本明細書に記載されるような二重偏波パラメータ時間領域法（９Ｆ）を用いた場合の、注目領域における速度計測結果の比較を示している。図９Ｆに見られるように、地上反射波及びノイズの少なくともいずれかは、かなり低減されている。さらに、図９Ｆは竜巻及び／またはハリケーンの巡回シグニチャ指標（circular signature indicative）の特性を示している。この巡回シグニチャは、図９Ｄ及び９Ｅに可視化したものとは異なる（あるいは起こり得ない）。
【００３３】
図１０Ａ乃至１０Ｃは、パルス対処理（１０Ａ）、スペクトルフィルタ（１０Ｂ）、及び本明細書に記載されるような二重偏波パラメータ時間領域法（１０Ｃ）を用いた場合の、注目領域における同極の相関係数（ρｃｏ）の計測結果の比較を示している。図１０Ｃに見られるように、発明の実施形態を用いることにより、地上反射波及びノイズの少なくともいずれかは、かなり低減されている。
【００３４】
図１０Ｄ乃至１０Ｆは、パルス対処理（１０Ｄ）、スペクトルフィルタ（１０Ｅ）、及び本明細書に記載されるような二重偏波パラメータ時間領域法（１０Ｆ）を用いた場合の、注目領域における伝播位相差（Φｄｐ）の計測結果の比較を示している。また図１０Ｆに見られるように、発明の実施形態を用いることにより、地上反射波及びノイズの少なくともいずれかは、かなり低減されている。
【００３５】
図１１Ａ及び１１Ｂは、２７５度及び３１５度の方位角において、本明細書に記載された実施形態、及びＧＭＡＰ法の両方を用いて推定された｜ρｃｏ｜についてのレンジプロファイルを示している。信号が弱い、即ちＳＮＲが小さい箇所においてＧＭＡＰの｜ρｃｏ｜は低いことが示されている。さらに、反射率及び相関係数の両方の閾値化を用いることにより、ＧＭＡＰでは気象エコーと反射波との間で、良好な分類が提供されていない。反射波があらわれる領域において、ＧＭＡＰの｜ρｃｏ｜の標準偏差は非常に高い。反射波の漏損スペクトル点となりうることにより説明される。本明細書に記載のいくつかの実施形態は、時間領域において動作するため、これらの実施形態はこの漏損の問題による影響を受けない。さらに、本明細書に記載の実施形態は、ＧＭＡＰよりも良好なノイズレベルを推定することができる。ノイズが信号から適切に除去されない場合、より正確に推定された｜ρｃｏ｜を提供することができる。
【００３６】
図１２Ａ及び１２Ｂは、本明細書に記載の実施形態を用いて１６個のサンプリングデータのみにより推定されたρｃｏ及びΦｄｐにおける誤差を示している。図に示されるとおり、このような推定誤差は許容可能である。
【００３７】
回路、論理モジュール、ブロック、プロセッサ、及び他の要素の少なくともいずれかは、様々な動作を実行するために構成されているものとしてここでは記載された。同一の技術分野に属する当業者は、構成が設計、設置、相互接続、及び／または特定の要素のプログラムの実装により、また構成された要素が異なる動作を再構成可能であってもなくてもよいように実装されることにより達成され得ることを理解するだろう。例えば、プログラム可能なプロセッサは、適切な実行可能なコードを提供することにより構成され得る、専用の論理回路は論理ゲート及び他の回路素子に適切に接続することにより構成され得る、など。
【００３８】
上述した実施形態は、特定のハードウェア及びソフトウェア要素を参照したが、同一の技術分野に属する当業者は、ハードウェア及びソフトウェア要素の少なくともいずれかの異なる組み合わせが用いられてもよいし、ハードウェアに実装されるものとして記載された特定の動作はソフトウェアまたはその他の手段に実装されてもよいことは、理解するだろう。
【００３９】
本発明の様々な特徴を組み入れたコンピュータプログラムは、様々なコンピュータ読み取り可能な記録媒体に符号化されてもよい。適切な媒体は、磁気ディスクあるいはテープ、ＣＤやＤＶＤのような光学記録媒体、フラッシュメモリ等である。プログラムコードが符号化されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、互換デバイスにパッケージされてもよいし、他のデバイスに分割されて提供されてもよい。さらにプログラムコードは符号化され、インターネットを含む様々なプロトコルに適合する有線及び／または無線ネットワークを介して送信されてもよく、これにより例えばインターネットダウンロード等の手段で配布してもよい。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、時間領域法を用いた二重偏波レーダ処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
気象レーダシステムの基本的な目的の１つは、降水の定量的な測定結果を提供するために、地球を取り巻く大気をサンプリングすることである。従前の気象レーダは、しばしば１００キロメートルオーダーの長距離に渡るカバレッジを提供する。従前のレーダシステムがどのように機能するかは、図１に概略的に図示されている。本図において、レーダは、丘や山１０４のような隆起した地理的特徴の頂上に配置されている。レーダは、距離に応じてほぼ線形的に分散する電磁ビーム１０８を生成する。故に図には、レーダからの距離に応じて、ビーム幅がどのように増加するかが示されている。システム１００がサンプリングしようと試みる、存在しうる様々な気象パターンの例１１６は、地球の表面１１２上の異なる位置に示されている。
【０００３】
気象レーダでは、地上標的からの信号は、反射波（clutter）として表される。レーダ信号の品質及び定量適利用を改良するためには、レーダ信号全体における反射波の影響を低減することが一般的に望ましい。このような低減は、ドップラー周波数が０周辺のノッチフィルタを適用することにより従来達成されてきた。このような手法による主な不都合は、気象エコーが小さな視線速度を有する場合における信号損失である。レーダ信号処理における近年の進展は、反射波の抑圧における改良である。例えば、１つの方法は、点在するスペクトル線上を補間する、進化したスペクトルフィルタを用いることにより、点在する効果を補う方法である。スペクトルフィルタ技術の制限は、スペクトルモーメント推定において、制限されたサンプリング長により引き起こされるスペクトル漏損の影響である。結果として、反射波対信号比を調整するために、スペクトル処理は成功する反射波抑圧を制限する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の実施形態では、レーダ観測において、地上からの反射波及びノイズの少なくともいずれかを低減するために、二重偏波パラメータ時間領域法（「ＤＰＴＤＭ」：dual-polarization parametric time-domain method）を用いる。それ故、このような実施形態では、二重偏波レーダを用いて注目領域を調査する方法を提供する。レーダ信号は、２つの偏波状態で注目領域に伝播され、後方散乱データは２つの偏波状態で受信される。いくつかの実施形態では、２つの偏波状態は直交関係をなす。時系列データのスペクトルモーメントは、２つの偏波状態のそれぞれについて計算されうる。２つの偏波状態におけるデータを線形結合する新たな時系列は構築されうる。いくつかの実施形態において、２つの偏波状態におけるデータの線形結合は、複素数の値となりうる。同極の相関係数の大きさ及び位相は、線形結合時系列の尤度関数を最大化することにより決定されうる。
【０００５】
いくつかの実施形態において、２つの偏波状態におけるデータの線形結合は、Ｖα＝Ｖｈ＋αＶｖにより表され、尤度関数は、
（１）
で表されうる。ここで、
である。尤度関数の最大値は、ｘに関してＬαの差を解くことにより決定されうる。いくつかの実施形態において、同極の相関係数実数及び虚数部は、αが実数である場合、
（２）
及び、α＝ｊβである場合、
（３）
で決定されうる。いくつかの実施形態において、α及びβの整数値は±１に設定され、α及びβの後続値は
（４）
で決定されうる。
【０００６】
故に、発明の様々な実施形態は、直交する偏波状態において受信されたレーダデータの線形結合を用いて、環境係数の判定を提供する。特に、地上からの反射波及びノイズの低減効果は、本明細書に示される実施形態を用いることにより増加されうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】従来のレーダシステムの実施の略図を示す。（全米科学アカデミーのレポート「複合地域にわたる鉄砲水の予測」から複製した）
【図２】従来のレーダシステムと二重偏波レーダシステムとを比較した図を示している。
【図３Ａ】、
【図３Ｂ】いくつかの実施形態に係る、二重偏波レーダシステムの送信機側の簡略化されたブロック図を示す。
【図４】いくつかの実施形態に係る、二重偏波レーダシステムの受信機側の簡略化されたブロック図を示す。
【図５】いくつかの実施形態に係る、二重偏波レーダを用いて注目領域の状態を定義する処理のフローチャートを示す。
【図６】いくつかの実施形態に係る、反射率の差、同極の相関係数（｜ρｃｏ｜）、及び伝播位相差（Φｄｐ）の少なくともいずれかを決定する処理のフローチャートを示す。
【図７】いくつかの実施形態に係る、線形結合データαにおける係数を推定するフローチャートを示す。
【図８】推定された伝播位相差（Φｄｐ）の位置とαの初期選択との間の対応を示す。
【図９Ａ】、
【図９Ｂ】、
【図９Ｃ】パルス対処理（９Ａ）、スペクトルフィルタ（９Ｂ）、及び本明細書において述べられる二重偏波パラメータ時間領域法（９Ｃ）をそれぞれ用いて、注目領域における反射率の差の比較を示している。
【図９Ｄ】、
【図９Ｅ】、
【図９Ｆ】パルス対処理（９Ｄ）、スペクトルフィルタ（９Ｅ）、及び本明細書において述べられる二重偏波パラメータ時間領域法（９Ｆ）をそれぞれ用いて、注目領域における速度計測結果の差の比較を示している。
【図１０Ａ】、
【図１０Ｂ】、
【図１０Ｃ】パルス対処理（１０Ａ）、スペクトルフィルタ（１０Ｂ）、及び本明細書において述べられる二重偏波パラメータ時間領域法（１０Ｃ）をそれぞれ用いて、注目領域における伝播位相差（Φｄｐ）の計測結果の比較を示している。
【図１０Ｄ】、
【図１０Ｅ】、
【図１０Ｆ】パルス対処理（１０Ｄ）、スペクトルフィルタ（１０Ｅ）、及び本明細書において述べられる二重偏波パラメータ時間領域法（１０Ｆ）をそれぞれ用いて、注目領域における同極の相関係数（ρｃｏ）の計測結果の比較を示している。
【図１１Ａ】、
【図１１Ｂ】本明細書に記載された実施形態を用いて、方位角２７５度及び３１５度における推定されたρｃｏのレンジプロファイルを示している。
【図１２Ａ】、
【図１２Ｂ】本明細書に記載された実施形態を用いて推定する｜ρｃｏ｜及びΦｄｐにおける誤差を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
発明のいくつかの実施形態は、二重偏波パラメータ時間領域法を用いて、注目領域内の環境パラメータを決定するシステムを提供する。従来技術は、単一偏波及び二重偏波の少なくともいずれかのレーダデータにおける、様々なパラメータを推定しうる、パラメータ時間領域法（ＰＴＤＭ：parametric time domain method）により提供していた。このような方法及び／またはシステムは、２００７年７月３０日に出願された、「パラメータ時間領域法を用いた地上反射波低減（Ground Clutter Mitigation Using a Parametric Time Domain Method）」と題された米国特許公開第１１／８３０５７４号公報において示されており、当該公報の全記載は、引用により本明細書に組み込まれる。ＰＴＤＭは、それぞれの偏波について、受信されたレーダデータにおける、反射波、降水、及びノイズの良好なモデルを提供する。しかしながら、ＰＴＤＭは、偏波されたデータ間における相関性を考慮していない。発明のいくつかの実施形態では、２つの偏波チャネル間の相関性を調査するためにモデル及び推定量を提供する。
【０００９】
図２は、単一偏波状態を有する従来のレーダシステム２１０と、二重偏波レーダシステム２２０（あるいは偏波レーダシステム）との比較する図を示している。二重偏波レーダシステム２２０は、しばしば図においては垂直偏波及び水平偏波として示される、２つの直交する偏波状態を送信及び受信することができる。二重偏波レーダシステムは、反射率の差、同極の相関係数、線形減極比、及び特定の位相差の少なくともいずれかを含む、気象学の多くの重要なパラメータを提供しうる。
【００１０】
図３Ａは、いくつかの実施形態に係る二重偏波レーダシステムの送信機側の簡略的なブロック図３００を示している。このような送信機は、パルス対パルス基準において、あらゆる２つの直交する偏波状態間の偏波状態を切り替えることができる。送信機３０５は、導波路スイッチングデバイス３１０に、信号及び波形信号の少なくともいずれかを、提供及び／または送信することができる。波スイッチングデバイス３１０は、高出力導波路スイッチである。波スイッチングデバイス３１０は、波形信号の所望の偏波に基づいて、送信機３０５からデュープレクサ（duplexer）３２０への送信を切り替えうる。波スイッチングデバイス３１０は例えば、機械式モータ駆動回転翼スイッチ、及び電気制御フェライトサーキュレータスイッチの少なくともいずれかを含みうる。
【００１１】
デュープレクサ３２０は、送信波形信号から受信した信号を分離しうる。なお、受信した信号は適切な偏波受信機に送信されうる。マイクロ波偏波ネットワーク３２５は、アンテナ３３０への適切な入力波形信号を合成するために用いられうる、可変比率出力分配器及び可変位相シフトの少なくともいずれかを含みうる。
【００１２】
図３Ｂは、いくつかの実施形態に係る二重偏波レーダシステムの受信機側の簡略化されたブロック図３６０を示している。このような受信機は、データ共分散行列（共分散行列については後述する）の一部である、様々な項（実数及び虚数の両方）を計測しうる。マイクロ波偏波ネットワーク３２５は、アンテナ３３０からの後方散乱レーダ信号を受信し、受信した信号は、デュープレクサ３２０により、送信信号から二重化される。低ノイズ増幅器３３５は、信号フィルタのために使用されうる。それぞれの偏波チャネルのミキサ３４０は、固定局部発振器（ＳＴＡＬＯ：stable local oscillator）を用いて受信した信号を合成するために使用されうる。中間周波数は、中間周波数増幅器３４５を用いて増幅され、後方散乱信号は、検出器３５０において両方の偏波について検出されうる。
【００１３】
図４は発明の様々な実施形態を用いて、環境パラメータの計算をする二重偏波レーダシステムに接続されたコンピュータシステム４００のブロック図を示している。コンピュータシステム４００は、図２及び／または図３に示されるいかなる、あるいはすべての計算を実行するために用いられうる。図は、個々のシステム要素が、分離されて、あるいはより統合された方式でどのように実装されうるかを示している。コンピュータ４００は、バス４２６を介して電気的に接続されたハードウェア要素を備えて示されている。ネットワークインタフェース４５２は、例えばインターネットのようなネットワークを通じて、計算デバイス４００と他のコンピュータとを通信接続しうる。ハードウェア要素は、プロセッサ４０２、入力デバイス４０４、出力デバイス４０６、記憶デバイス４０８、コンピュータ読み取り可能記録媒体リーダ４１０ａ、通信システム４１４、ＤＳＰや専用プロセッサのような処理加速器４１６、及びメモリ４１８を含みうる。コンピュータ読み取り可能記録媒体４１０ａは、さらにコンピュータ読み取り可能記録媒体４１０ｂが接続され、当該接続は、コンピュータ読み取り可能情報を含む、リモート、ローカル、固定、及び着脱可能な記憶デバイスの少なくともいずれかに加えて、一時記憶及び／または恒久記憶記録メディアを統合的に表す。
【００１４】
二重偏波レーダシステムインタフェース４５０は、バス４２６に接続される。いくつかの実施形態において、二重偏波レーダシステムインタフェース４５０は、いかなる形式の通信インタフェースであってよい。たとえば、二重偏波レーダシステムインタフェース４５０は、ＵＳＢインタフェース、ＵＡＲＴインタフェース、シリアルインタフェース、パラレルインタフェース他、であってよい。二重偏波レーダシステムインタフェース４５０は、二重偏波レーダシステムに直接接続されるように構成されうる。
【００１５】
コンピュータシステム４００は、ワーキングメモリ４２０内に現在は設けられているものとして示される、オペレーティングシステム、及び本明細書に記載された方法及び処理の少なくともいずれかを実装するために設計されたプログラムのようなその他のコードを含む、ソフトウェア要素も備える。いくつかの実施形態では、その他のコード４４２は、二重偏波レーダシステムからのユーザ入力を受信、及び本明細書に記載される様々な実施形態に係るデータを操作するための指示を提供するソフトウェアを含みうる。いくつかの実施形態において、その他のコード４２２は、天候事象を予測あるいは予報するソフトウェアを含む、及び／またはリアルタイムの気象予報及び警告の少なくともいずれかを提供しうる。相当な変化が特定の供給に応じて用いられうることは、同一の技術分野に属する当業者には容易に理解されるであろう。例えば、カスタマイズされたハードウェアが用いられてもよい、及び／または特定の要素は、ハードウェア、ソフトウェア（アプレットのような携帯ソフトウェアを含む）、あるいはその両方に実装されてもよい。さらに、ネットワーク入出力デバイスのような、他の計算デバイスへの接続が使用されうる。
【００１６】
図３Ａ、３Ｂ、及び図４は、特定のブロックを参照して本明細書で説明されるが、ブロックが記載の便宜上定義され、構成部品の特定の物理的装置を暗示するものではないことは理解されるべきである。さらに、ブロックは物理的に異なる構成に相当する必要はない。
【００１７】
発明の方法の概要は、図５のフローチャート５００を用いて提供される。方法５００は、ブロック５０４において示されるように、二重偏波レーダ信号を注目領域に伝搬することにより開始する。サンプリングされた時系列データは、ブロック５０８で２つの偏波について収集され、注目領域の時間領域パラメータモデルのための二重偏波パラメータを決定する処理に用いられる。特定のモデルが以下に説明されるが、発明の代替的な実施形態では、他の二重偏波パラメータモデルを用いてもよい。
【００１８】
ブロック５１２で、同極の時系列データのスペクトルモーメントが推定されうる。例えば、スペクトルモーメントは、本技術分野で知られているＰＴＤＭ及び／またはＧＭＡＰ法を用いることにより推定されうる。いくつかの実施形態では、同極データの対数尤度関数の総和は、スペクトルモーメントのために最小化され、解かれうる。他の実施形態では、同極データの対数尤度関数の総和は、スペクトルモーメントのために最大化され、解かれうる。いくつかの実施形態において、反射率の差も、２つの偏波のスペクトルモーメントから推定されうる。ブロック５１６で、α及びβ＝ｊαは前回の距離ゲート（range gate）から推定された二重偏波パラメータを用いて決定されうる。ブロック５２０で、例えばＶα＝Ｖｈ＋αＶｖの２つの偏波ベクトルの線形結合の対数尤度関数は、最小化されうる。他の実施形態において、対数尤度関数は最大化されうる。この最小化（あるいは最大化）から、同極の相関係数の大きさ及び／または位相は、ブロック５３２で決定されうる。
【００１９】
発明のいくつかの実施形態では、２つの偏波レーダデータの線形結合から、同極の相関係数の大きさ及び位相を推定しうる。このような推定はたとえば、コンピュータシステム４００を用いて実行されうる。図６は、複素平面において、ρｃｏの偏角である、同極の相関係数（ρｃｏ）の大きさ、及び伝播位相差（Φｄｐ）を決定するために生じうる、このような処理６００のフローチャートを示している。処理６００は、ブロック６０５で開始し、ブロック６１０で、２つの偏波について、注目領域の後方散乱からの電圧読み出し（voltage readings）を受信しうる。例えば、電圧読み出しは垂直偏波及び水平偏波された信号からのデータを含みうる。
【００２０】
ブロック６１５において、ＶＨ及びＶＶの両方についての尤度関数の総和は、水平及び垂直スペクトルモーメントを得るために最小化される。それぞれの偏波（ｈ，ｖ）についての尤度関数は、
（５）
で示される。ここで、Ｒｈ，ｖはサンプリングレートＴｓにおける計測データの共分散行列であり、
（６）
で与えられ、そして
はＨ信号についてサンプリングされた共分散行列であり、
はＶ信号についてサンプリングされた共分散行列である。スペクトルモーメントは、
（７）
であり、ここで
は降水信号出力、
は降水スペクトル幅、
は降水の平均速度、
は反射波出力、
は反射波スペクトル幅、
はノイズ出力、及びλはレーダ波長を示し、ｊは
であり、δはクロネッカー関数である。
【００２１】
２つの偏波についての降水スペクトルモーメントは、対数尤度関数を最小化することにより得られる。
（８）
スペクトルモーメントがブロック６２０で決定されると、
は
（９）
から決定されうる。
【００２２】
カウンタｎは、ブロック６２５で最初の距離ビン（range bin）の開始で、１に初期化される。ブロック６２７で、ｎがいくつかの予め定められた、及び／またはユーザにより定義された定数Ｃ未満であるかどうかを判定されうる。いくつかの実施形態において、Ｃは２、３、４、５、６、７、８、９、１０他、となりうる。ｎがＣ未満である場合、α及びβは、ブロック６３０で、複素平面の偏角Φｄｐから決定されうる。最初の距離ビン（Ｃ未満のビン数）のα及びβの値は、図８において示されるように、＋１あるいは−１となるように推定されうる。いくつかの実施形態において、最初のビンの偏角についての偏角Φｄｐは推定技術を用いて推定されうる。例えば、最初の少数のビンについては、０°＜Φｄｐ＜９０°の場合はα＝−１及びβ＝１である。９０°＜Φｄｐ＜１８０°の場合は、α＝１及びβ＝１である。１８０°＜Φｄｐ＜２７０°の場合は、α＝１及びβ＝−１である。２７０°＜Φｄｐ＜３６０°の場合は、α＝−１及びβ＝−１である。そして処理６００はブロック６３５に進む。
【００２３】
ブロック６２７において、ｎがＣよりも大きかった場合、α及びα＝ｊβは
（１０）
を用いて推定されうる。数１０において、
は前回の距離ビンについての同極の相関係数である。
【００２４】
ブロック６３５で、２つの偏波ベクトルの線形結合は、
Ｖα＝Ｖｈ＋αＶｖ （１１）
として構築されうる。ここで、Ｖｈは水平偏波信号についてサンプリングされた電圧データ、及びＶｖは垂直偏波信号についてサンプリングされた電圧データである。
【００２５】
線形結合データＶαについての対数尤度関数は、
（１２）
で表される。ここで、Ｒｃは反射波についての共分散行列、ＲＮはノイズについての共分散行列、
は降水についての水平偏波共分散行列、
は降水についての垂直偏波共分散行列、及び
はＶαについてサンプリングされた共分散行列である。
【００２６】
いくつかの実施形態において、Ｌαはｘを０に近づけることに関して、尤度関数の微分係数を設定することにより最小化されうる。
（１３）
ここで、
（１４）
である。結果として得られた最小化された尤度関数Ｌαは、同極の相関係数の実数及び虚数部の値を生成しうる。
【００２７】
ブロック６４５で、αが実数である場合、次の式からρｃｏの実数部を決定することができる。
（１５）
そして、αが虚数、α＝ｊβ（βは実数）である場合、次の式からρｃｏの虚数部を決定することができる。
（１６）
【００２８】
ブロック６３０、６２０、及び６４０で決定されたような、α、βの値、Ｚｄｒの推定値、推定されたｘを用いることにより、ブロック６４５で、ρｃｏの実数及び虚数部を得るための式１５及び式１６を解く。ブロック６５０で、ρｃｏの大きさ及び偏角（Φｄｐ）は、ｎ番目の距離ビンについての、ρｃｏの実数及び絶対値から決定されうる。
【００２９】
ブロック６５５で、ｎがデータセットにおける距離ゲートの数Ｎに等しい場合、処理６００はブロック６６０で終了する。しかしながら、ｎは距離ゲートの数未満である場合、ｎはブロック６６５で増加させられ、処理６００はブロック６２７に戻る。
【００３０】
図７は、いくつかの実施形態に係る、α及びβの最適値を推定する方法７００を示している。ブロック７１０で、処理７００はビン数ｎが予め定められた値ｘ未満、例えば１０未満であるか否かを判定する。いくつかの実施形態において、ｘは１、２、３、４、５、６、７、８、９他、に等しい。ｎがｘ未満である場合、最初の少数のビンのデータを参照し、ブロック７２０で複素平面においてΦｄｐの位置からρｃｏを推定しうる。０°＜Φｄｐ＜９０°である場合、ブロック７３０に示されるようにα＝−１及びβ＝１となる。９０°＜Φｄｐ＜１８０°である場合、ブロック７４０に示されるようにα＝１及びβ＝１となる。１８０°＜Φｄｐ＜２７０°である場合、ブロック７５０に示されるようにα＝１及びβ＝−１となる。２７０°＜Φｄｐ＜３６０°である場合、ブロック７６０に示されるようにα＝−１及びβ＝−１となる。ビン数ｎが予め定められた値ｘより大きい場合、α及びβの最適値はブロック７７０及び７８０に示されるように決定されうる。
【００３１】
図９Ａ乃至９Ｃは、パルス対処理（９Ａ）、スペクトルフィルタ（９Ｂ）、及び本明細書に記載されるような二重偏波パラメータ時間領域法（９Ｃ）を用いた場合の、注目領域における反射率の比較を示している。図９Ｃに見られるように、地上反射波及びノイズの少なくともいずれかは、かなり低減されている。
【００３２】
図９Ｄ乃至９Ｆは、パルス対処理（９Ｄ）、スペクトルフィルタ（９Ｅ）、及び本明細書に記載されるような二重偏波パラメータ時間領域法（９Ｆ）を用いた場合の、注目領域における速度計測結果の比較を示している。図９Ｆに見られるように、地上反射波及びノイズの少なくともいずれかは、かなり低減されている。さらに、図９Ｆは竜巻及び／またはハリケーンの巡回シグニチャ指標（circular signature indicative）の特性を示している。この巡回シグニチャは、図９Ｄ及び９Ｅに可視化したものとは異なる（あるいは起こり得ない）。
【００３３】
図１０Ａ乃至１０Ｃは、パルス対処理（１０Ａ）、スペクトルフィルタ（１０Ｂ）、及び本明細書に記載されるような二重偏波パラメータ時間領域法（１０Ｃ）を用いた場合の、注目領域における同極の相関係数（ρｃｏ）の計測結果の比較を示している。図１０Ｃに見られるように、発明の実施形態を用いることにより、地上反射波及びノイズの少なくともいずれかは、かなり低減されている。
【００３４】
図１０Ｄ乃至１０Ｆは、パルス対処理（１０Ｄ）、スペクトルフィルタ（１０Ｅ）、及び本明細書に記載されるような二重偏波パラメータ時間領域法（１０Ｆ）を用いた場合の、注目領域における伝播位相差（Φｄｐ）の計測結果の比較を示している。また図１０Ｆに見られるように、発明の実施形態を用いることにより、地上反射波及びノイズの少なくともいずれかは、かなり低減されている。
【００３５】
図１１Ａ及び１１Ｂは、２７５度及び３１５度の方位角において、本明細書に記載された実施形態、及びＧＭＡＰ法の両方を用いて推定された｜ρｃｏ｜についてのレンジプロファイルを示している。信号が弱い、即ちＳＮＲが小さい箇所においてＧＭＡＰの｜ρｃｏ｜は低いことが示されている。さらに、反射率及び相関係数の両方の閾値化を用いることにより、ＧＭＡＰでは気象エコーと反射波との間で、良好な分類が提供されていない。反射波があらわれる領域において、ＧＭＡＰの｜ρｃｏ｜の標準偏差は非常に高い。反射波の漏損スペクトル点となりうることにより説明される。本明細書に記載のいくつかの実施形態は、時間領域において動作するため、これらの実施形態はこの漏損の問題による影響を受けない。さらに、本明細書に記載の実施形態は、ＧＭＡＰよりも良好なノイズレベルを推定することができる。ノイズが信号から適切に除去されない場合、より正確に推定された｜ρｃｏ｜を提供することができる。
【００３６】
図１２Ａ及び１２Ｂは、本明細書に記載の実施形態を用いて１６個のサンプリングデータのみにより推定されたρｃｏ及びΦｄｐにおける誤差を示している。図に示されるとおり、このような推定誤差は許容可能である。
【００３７】
回路、論理モジュール、ブロック、プロセッサ、及び他の要素の少なくともいずれかは、様々な動作を実行するために構成されているものとしてここでは記載された。同一の技術分野に属する当業者は、構成が設計、設置、相互接続、及び／または特定の要素のプログラムの実装により、また構成された要素が異なる動作を再構成可能であってもなくてもよいように実装されることにより達成され得ることを理解するだろう。例えば、プログラム可能なプロセッサは、適切な実行可能なコードを提供することにより構成され得る、専用の論理回路は論理ゲート及び他の回路素子に適切に接続することにより構成され得る、など。
【００３８】
上述した実施形態は、特定のハードウェア及びソフトウェア要素を参照したが、同一の技術分野に属する当業者は、ハードウェア及びソフトウェア要素の少なくともいずれかの異なる組み合わせが用いられてもよいし、ハードウェアに実装されるものとして記載された特定の動作はソフトウェアまたはその他の手段に実装されてもよいことは、理解するだろう。
【００３９】
本発明の様々な特徴を組み入れたコンピュータプログラムは、様々なコンピュータ読み取り可能な記録媒体に符号化されてもよい。適切な媒体は、磁気ディスクあるいはテープ、ＣＤやＤＶＤのような光学記録媒体、フラッシュメモリ等である。プログラムコードが符号化されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、互換デバイスにパッケージされてもよいし、他のデバイスに分割されて提供されてもよい。さらにプログラムコードは符号化され、インターネットを含む様々なプロトコルに適合する有線及び／または無線ネットワークを介して送信されてもよく、これにより例えばインターネットダウンロード等の手段で配布してもよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二重偏波レーダの送信機を用いて、注目領域に偏波レーダ信号を伝播する工程と、
前記注目領域内で散乱されてサンプリングされた同極の時系列レーダデータを、前記二重偏波レーダを用いて収集する工程であって、前記同極の時系列レーダデータが垂直偏波データ及び水平偏波データを有する工程と、
前記垂直偏波データ及び水平偏波データの複素線形結合から、前記水平偏波データ及び垂直偏波データ間の、反射率の差及び同極の相関係数の少なくとも１つを決定する工程と、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記水平偏波データ及び前記垂直偏波データの線形結合は、
Ｖα＝ＶＨ＋αＶＶ
として表せることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ｎ番目の距離ゲートの測定結果についてαの最適値は、
として推定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ｎ番目の距離ゲートの測定結果についてα＝ｊβの最適値は、
として推定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
レーダを用いて注目領域を調査する方法であって、
二重偏波レーダシステムを用いて、前記注目領域に偏波レーダ信号を伝播する工程と、
前記注目領域内で散乱された、２つの偏波についての時系列レーダデータを収集する工程と、
定義されたパラメータセットについて、前記注目領域のパラメトリックモデル内の二重偏波時系列データのそれぞれについて、尤度関数を計算する工程と、
総和された前記尤度関数の極値を検出するために、パラメータセットを変える工程と、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項６】
それぞれの偏波について前記尤度関数は、
であり、Ｒｈ，ｖは要素を有する水平及び垂直偏波のモデル共分散行列
ｋ，ｌ＝１，...，Ｎ
であり、
Ｔｓはサンプリング期間、
λはレーダ信号の波長、
ｊは
、及び
σはクロネッカー関数であり、
前記パラメータセットは
降水信号の強度である
、
降水スペクトル幅である
、
降水量の平均速度である
、
反射強度である
、
反射スペクトル幅である
、及び
ノイズ強度である
を備えることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記極値は、大域的な極値であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記極値は、最小値であることを特徴とする請求項５に記載の方法
【請求項９】
Ｖα＝ＶＨ＋αＶＶを設定する工程と、
Ｖαについて、対数尤度関数を最小化する工程と、をさらに備え、
前記対数尤度関数は、
であり、
はＶαのサンプル共分散行列であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
αが実数の場合、
であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ｎ番目の距離ゲートについてαの最適値は、
により決定されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
α＝ｊβの場合、
であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
ｎ番目の距離ゲートについてβの最適値は、
により決定されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
レーダを用いて注目領域を調査する方法であって、
二重偏波レーダシステムを用いて、前記注目領域に偏波レーダ信号を伝播する工程と、
前記注目領域内で散乱された、第１の偏波を有する第１の時系列レーダデータを、レーダを用いて収集する工程と、
前記注目領域で散乱された、第２の偏波を有する第２の時系列レーダデータを、レーダを用いて収集する工程であって、前記第１の偏波及び前記第２の偏波が実質的に直交している工程と、
前記２つの偏波のスペクトルモーメントを推定する工程と、
前記第１の時系列レーダデータ及び前記第２の時系列レーダデータの線形結合を用いて、反射率の差、同極の相関係数の大きさ、及び当該同極の相関係数の位相の少なくともいずれかを推定する工程と、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記同極の相関係数の大きさ、及び当該同極の相関係数の位相の少なくともいずれかは、前記第１の時系列レーダデータ及び前記第２の時系列レーダデータを用いて推定されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の時系列レーダデータの尤度関数、及び前記第２の時系列レーダデータの尤度関数を加算することにより、総和された尤度関数を生成する手段と、
前記第１の時系列レーダデータ及び前記第２の時系列レーダデータの前記スペクトルモーメントを推定するために、前記総和された尤度関数を最大化する手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の時系列レーダデータ及び前記第２の時系列レーダデータの線形結合は、
Ｖα＝ＶＨ＋αＶＶと、
（α＝ｊβ）と、
を備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記同極の相関係数の大きさ及び位相を推定する工程は、前記第１の時系列レーダデータ及び前記第２の時系列レーダデータの線形結合の負対数尤度関数を最小化する工程を含み得ることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
互いに実質的に直交する偏波信号を送信する二重偏波送信機と、
第１の偏波方向において第１の信号、及び第２の偏波方向において第２の信号を受信する二重偏波受信機であって、前記第１の偏波及び前記第２の偏波が実質的に直交している二重偏波受信機と、
少なくとも前記二重偏波受信機に連結されたコンピュータシステムであって、前記第１の信号及び前記第２の信号の線形結合を用いて、反射率の差、同極の相関係数の大きさ、及び当該同極の相関係数の位相の少なくともいずれかを推定するコンピュータシステムと、
を備えることを特徴とするレーダシステム。
【請求項２０】
注目領域にレーダ信号を伝送する伝送手段と、
前記注目領域から、第１の偏波状態における後方散乱レーダ信号、及び第２の偏波状態における後方散乱レーダ信号を受信する受信手段と、
前記第１の偏波状態における後方散乱レーダ信号、及び前記第２の偏波状態における後方散乱レーダ信号のスペクトルモーメントを推定し、前記第１の偏波状態における後方散乱レーダ信号、及び前記第２の偏波状態における後方散乱レーダ信号の線形結合を用いて、反射率の差、同極の相関係数の大きさ、及び当該同極の相関係数の位相の少なくともいずれかを推定する計算手段と、
を備えることを特徴とするレーダシステム。
【請求項１】
二重偏波レーダの送信機を用いて、注目領域に偏波レーダ信号を伝播する工程と、
前記注目領域内で散乱されてサンプリングされた同極の時系列レーダデータを、前記二重偏波レーダを用いて収集する工程であって、前記同極の時系列レーダデータが垂直偏波データ及び水平偏波データを有する工程と、
前記垂直偏波データ及び水平偏波データの複素線形結合から、前記水平偏波データ及び垂直偏波データ間の、反射率の差及び同極の相関係数の少なくとも１つを決定する工程と、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記水平偏波データ及び前記垂直偏波データの線形結合は、
Ｖα＝ＶＨ＋αＶＶ
として表せることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ｎ番目の距離ゲートの測定結果についてαの最適値は、
として推定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ｎ番目の距離ゲートの測定結果についてα＝ｊβの最適値は、
として推定されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
レーダを用いて注目領域を調査する方法であって、
二重偏波レーダシステムを用いて、前記注目領域に偏波レーダ信号を伝播する工程と、
前記注目領域内で散乱された、２つの偏波についての時系列レーダデータを収集する工程と、
定義されたパラメータセットについて、前記注目領域のパラメトリックモデル内の二重偏波時系列データのそれぞれについて、尤度関数を計算する工程と、
総和された前記尤度関数の極値を検出するために、パラメータセットを変える工程と、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項６】
それぞれの偏波について前記尤度関数は、
であり、Ｒｈ，ｖは要素を有する水平及び垂直偏波のモデル共分散行列
ｋ，ｌ＝１，...，Ｎ
であり、
Ｔｓはサンプリング期間、
λはレーダ信号の波長、
ｊは
、及び
σはクロネッカー関数であり、
前記パラメータセットは
降水信号の強度である
、
降水スペクトル幅である
、
降水量の平均速度である
、
反射強度である
、
反射スペクトル幅である
、及び
ノイズ強度である
を備えることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記極値は、大域的な極値であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記極値は、最小値であることを特徴とする請求項５に記載の方法
【請求項９】
Ｖα＝ＶＨ＋αＶＶを設定する工程と、
Ｖαについて、対数尤度関数を最小化する工程と、をさらに備え、
前記対数尤度関数は、
であり、
はＶαのサンプル共分散行列であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
αが実数の場合、
であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ｎ番目の距離ゲートについてαの最適値は、
により決定されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
α＝ｊβの場合、
であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
ｎ番目の距離ゲートについてβの最適値は、
により決定されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
レーダを用いて注目領域を調査する方法であって、
二重偏波レーダシステムを用いて、前記注目領域に偏波レーダ信号を伝播する工程と、
前記注目領域内で散乱された、第１の偏波を有する第１の時系列レーダデータを、レーダを用いて収集する工程と、
前記注目領域で散乱された、第２の偏波を有する第２の時系列レーダデータを、レーダを用いて収集する工程であって、前記第１の偏波及び前記第２の偏波が実質的に直交している工程と、
前記２つの偏波のスペクトルモーメントを推定する工程と、
前記第１の時系列レーダデータ及び前記第２の時系列レーダデータの線形結合を用いて、反射率の差、同極の相関係数の大きさ、及び当該同極の相関係数の位相の少なくともいずれかを推定する工程と、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記同極の相関係数の大きさ、及び当該同極の相関係数の位相の少なくともいずれかは、前記第１の時系列レーダデータ及び前記第２の時系列レーダデータを用いて推定されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の時系列レーダデータの尤度関数、及び前記第２の時系列レーダデータの尤度関数を加算することにより、総和された尤度関数を生成する手段と、
前記第１の時系列レーダデータ及び前記第２の時系列レーダデータの前記スペクトルモーメントを推定するために、前記総和された尤度関数を最大化する手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の時系列レーダデータ及び前記第２の時系列レーダデータの線形結合は、
Ｖα＝ＶＨ＋αＶＶと、
（α＝ｊβ）と、
を備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記同極の相関係数の大きさ及び位相を推定する工程は、前記第１の時系列レーダデータ及び前記第２の時系列レーダデータの線形結合の負対数尤度関数を最小化する工程を含み得ることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
互いに実質的に直交する偏波信号を送信する二重偏波送信機と、
第１の偏波方向において第１の信号、及び第２の偏波方向において第２の信号を受信する二重偏波受信機であって、前記第１の偏波及び前記第２の偏波が実質的に直交している二重偏波受信機と、
少なくとも前記二重偏波受信機に連結されたコンピュータシステムであって、前記第１の信号及び前記第２の信号の線形結合を用いて、反射率の差、同極の相関係数の大きさ、及び当該同極の相関係数の位相の少なくともいずれかを推定するコンピュータシステムと、
を備えることを特徴とするレーダシステム。
【請求項２０】
注目領域にレーダ信号を伝送する伝送手段と、
前記注目領域から、第１の偏波状態における後方散乱レーダ信号、及び第２の偏波状態における後方散乱レーダ信号を受信する受信手段と、
前記第１の偏波状態における後方散乱レーダ信号、及び前記第２の偏波状態における後方散乱レーダ信号のスペクトルモーメントを推定し、前記第１の偏波状態における後方散乱レーダ信号、及び前記第２の偏波状態における後方散乱レーダ信号の線形結合を用いて、反射率の差、同極の相関係数の大きさ、及び当該同極の相関係数の位相の少なくともいずれかを推定する計算手段と、
を備えることを特徴とするレーダシステム。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図９Ｅ】
【図９Ｆ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１０Ｅ】
【図１０Ｆ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図９Ｅ】
【図９Ｆ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１０Ｅ】
【図１０Ｆ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【公表番号】特表２０１１−５２０１２５（Ｐ２０１１−５２０１２５Ａ）
【公表日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０８６７５（Ｐ２０１１−５０８６７５）
【出願日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４３１８０
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１３７７０２
【国際公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（５９２２４６５８７）コロラド ステート ユニバーシティー リサーチ ファウンデーション (17)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４３１８０
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１３７７０２
【国際公開日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【出願人】（５９２２４６５８７）コロラド ステート ユニバーシティー リサーチ ファウンデーション (17)
【Ｆターム（参考）】
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