特許 6740112 信号処理装置、および気象レーダ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6740112

(24)【登録日】2020年7月28日

(45)【発行日】2020年8月12日

(54)【発明の名称】信号処理装置、および気象レーダ装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 13/95 20060101AFI20200730BHJP

   G01S 7/32 20060101ALI20200730BHJP

【ＦＩ】

   G01S13/95

   G01S7/32 230

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-245874(P2016-245874)

(22)【出願日】2016年12月19日

(65)【公開番号】特開2018-100857(P2018-100857A)

(43)【公開日】2018年6月28日

【審査請求日】2019年6月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】特許業務法人 志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木下 雅勝

(72)【発明者】

【氏名】山田 亜希子

(72)【発明者】

【氏名】水谷 文彦

【審査官】 梶田 真也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０１３１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１８４１８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０４５５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１５５１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２８２７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２２０４４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０８６８０９２２（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ １／７２ − １／８２

Ｇ０１Ｓ ３／８０ − ３／８６

Ｇ０１Ｓ ５／１８ − ７／４２

Ｇ０１Ｓ ７／５２ − ７／６４

Ｇ０１Ｓ １３／００ − １５／９６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンテナを用いて、所定のパルス幅の第１の送信波と、前記所定のパルス幅よりも長いパルス幅の第２の送信波とを送信する送信部と、
前記第１の送信波および前記第２の送信波の反射波を受信する受信部と、
前記受信部により受信した前記第１の送信波の反射波に基づいて第１の受信信号を検出する第１の処理部と、
前記受信部により受信した前記第２の送信波の反射波に基づいて第２の受信信号を検出する第２の処理部と、
前記第１の処理部により検出された前記第１の受信信号に基づいて、所定の近距離領域に存在する物体によって反射された前記第２の送信波の反射波に含まれるサイドローブ成分の信号を予測する予測部と、
前記第２の処理部により検出された前記第２の受信信号から、前記予測部により予測された前記サイドローブ成分の信号を除去する除去部と、
前記第１の受信信号と、前記除去部により前記サイドローブ成分の信号が除去された前記第２の受信信号とを合成する合成部と、
を備える、信号処理装置。

【請求項2】

前記予測部は、前記近距離領域に存在する物体の位置が、前記近距離領域のうち、前記近距離領域よりも自装置から遠い遠距離領域に近いほど、前記遠距離領域における前記近距離領域に近い位置に前記サイドローブ成分の信号が発生すると予測する、
請求項１に記載の信号処理装置。

【請求項3】

前記予測部は、前記第１の送信波の強度が高いほど、前記サイドローブ成分の信号の強度が高いと予測する、
請求項１または２に記載の信号処理装置。

【請求項4】

前記第２の処理部は、前記受信部により受信した前記第２の送信波の反射波の強度を表す信号における時間軸を圧縮した前記第２の受信信号を検出する、
請求項１から３のうちいずれか１項に記載の信号処理装置。

【請求項5】

前記予測部は、前記第２の処理部における時間軸の圧縮比が高いほど、前記サイドローブ成分の信号の強度が高いと予測する、
請求項４に記載の信号処理装置。

【請求項6】

前記合成部は、前記第１の受信信号と、前記第２の受信信号のうち前記近距離領域よりも自装置から遠い遠距離領域に存在する物体の位置を表す信号とを合成する、
請求項１から５のうちいずれか１項に記載の信号処理装置。

【請求項7】

前記請求項１から６のうちいずれか１項に記載の信号処理装置と、
前記合成部により合成された信号に基づいて、気象状況を解析する解析部と
を備える、気象レーダ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、信号処理装置、および気象レーダ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、複数種類の送信波を送信し、送信した送信波の反射波を解析することで気象状況を観測する気象レーダ装置が知られている。気象レーダ装置は、近距離の気象状況を観測する場合には、短パルスの送信波を送信し、反射物の距離等を測定する。気象レーダ装置は、遠距離の気象状況を観測する場合、長パルスの送信波を送信する。気象レーダ装置は、長パルスの送信波の反射波を受信したことに基づく信号の時間軸を圧縮して、反射物の距離等を測定する。気象レーダ装置は、近距離領域の気象状況と、遠距離の気象状況とを合成した観測結果を作成する。

【0003】

長パルスの送信波の反射波を受信したことに基づく信号の時間軸を圧縮した場合、反射物の位置を表す信号（メインローブ）の前後に虚像（サイドローブ）が発生する。これにより、近距離領域に存在する物体で反射した長パルスの反射波を圧縮した場合において、圧縮後の虚像が遠距離領域に出現する場合がある。この場合、近距離領域と遠距離領域との境界において気象状況が不連続になる可能性があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−１９１１３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、気象状況の不連続を抑制することができる信号処理装置、および気象レーダ装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の信号処理装置は、送信部と、受信部と、第１の処理部と、第２の処理部と、予測部と、除去部と、合成部と、を持つ。前記送信部は、アンテナを用いて、所定のパルス幅の第１の送信波と、前記所定のパルス幅よりも長いパルス幅の第２の送信波とを送信する。前記受信部は、前記第１の送信波および前記第２の送信波の反射波を受信する。前記第１の処理部は、前記受信部により受信した前記第１の送信波の反射波に基づいて第１の受信信号を検出する。前記第２の処理部は、前記受信部により受信した前記第２の送信波の反射波に基づいて第２の受信信号を検出する。前記予測部は、前記第１の処理部により検出された前記第１の受信信号に基づいて、所定の近距離領域に存在する物体によって反射された前記第２の送信波の反射波に含まれるサイドローブ成分の信号を予測する。前記除去部は、前記第２の処理部により検出された前記第２の受信信号から、前記予測部により予測された前記サイドローブ成分の信号を除去する。前記合成部は、前記第１の受信信号と、前記除去部により前記サイドローブ成分の信号が除去された前記第２の受信信号とを合成する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施形態の気象レーダ装置１の一例を示すブロック図。

【図2】実施形態の気象レーダ装置１の位置と、気象状況を観測する範囲との関係を示す図。

【図3】実施形態の気象レーダ装置１により短パルス幅の送信波を送信したことに対して反射波を受信する時間的な関係を示す図。

【図4】実施形態の気象レーダ装置１により長パルス幅の送信波を送信したことに対して反射波を受信する時間的な関係を示す図。

【図5】実施形態の気象レーダ装置１によりサイドローブＳＬ１を抑制することを説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、実施形態の信号処理装置、および気象レーダ装置を、図面を参照して説明する。

【0009】

図１は、実施形態の気象レーダ装置１の一例を示すブロック図である。気象レーダ装置１は、例えば、アンテナ部１０と、送受信切替部２０と、送信信号生成部３０と、レーダ信号処理部４０と、解析部５０とを備える。

【0010】

アンテナ部１０は、例えば、フェーズドアレイアンテナである。フェーズドアレイアンテナは、平面状に配列された多数のアンテナ素子と、アンテナ素子のそれぞれに接続された多数の移相器とを備える。さらに、アンテナ部１０は、送信信号を増幅する送信アンプを備える。さらに、アンテナ部１０は、受信信号を増幅する受信アンプ、および受信フィルタなどを備える。

【0011】

アンテナ部１０は、仰角方向および方位角方向において所定のビーム幅に調整された送信ビームを送信する。アンテナ部１０は、送信ビームを放射して電子走査し、フェーズドアレイアンテナを機械的に回転させることによって、周囲の気象状況を観測する。

【0012】

送受信切替部２０は、送信信号をアンテナ部１０に供給するタイミングと、受信信号をレーダ信号処理部４０に供給するタイミングとを切り替える。

【0013】

送信信号生成部３０は、例えば、所定の周波数の送信信号を生成する励振器である。送信信号生成部３０は、アンテナ部１０を用いて、送信波を送信する送信部として機能する。送信信号生成部３０は、例えば、短パルス信号生成部３２と、長パルス信号生成部３４とを備える。短パルス信号生成部３２は、所定のパルス幅（以下、短パルス幅）の送信波を送信するための短パルス信号を生成する。長パルス信号生成部３４は、所定のパルス幅よりも長いパルス幅（以下、長パルス幅）の送信波を送信するための長パルス信号を生成する。送信信号生成部３０は、例えば、短パルス幅の送信波と、長パルス幅の送信波とを所定間隔で繰り返してアンテナ部１０から送信させる。

【0014】

図２は、実施形態の気象レーダ装置１の位置と、気象状況を観測する範囲との関係を示す図である。短パルス信号は、気象レーダ装置１から所定の近距離Ｄ１における気象状況を測定する送信波を生成するための信号である。所定の近距離Ｄ１は、例えば、気象レーダ装置１から４〜１０［Ｋｍ］の範囲内の距離を含む領域(以下、近距離領域（第１の領域）)である。短パルス幅は、例えば、１．３３μｓｅｃである。長パルス信号は、近距離領域よりも気象レーダ装置１から遠い距離Ｄ２の範囲（以下、遠距離領域（第２の領域））における気象状況を測定する送信波を生成するための信号である。遠距離領域は、例えば、近距離領域から遠い、長パルス信号が物体に反射した反射波が気象レーダ装置１で検出することができる領域である。長パルス幅は、例えば、２０〜８０μｓｅｃである。

【0015】

図１に戻る。レーダ信号処理部４０は、例えば、短パルス信号処理部４１と、エコー発生予測部４２と、長パルス信号処理部４３と、エコー除去部４４と、信号合成部４５とを備える。これらの機能部は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、これらの機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアが協働することで実現されてもよい。

【0016】

短パルス信号処理部４１は、短パルス幅の送信波の反射波をアンテナ部１０により受信したことにより生成された受信信号（以下、短パルス受信信号）を取得する。短パルス受信信号は、近距離領域に存在する物体の位置を表す信号である。短パルス信号処理部４１は、短パルス受信信号に対してＡ／Ｄ変換処理などを行って、信号合成部４５に供給する。

【0017】

エコー発生予測部４２は、短パルス信号処理部４１から供給された短パルス受信信号に基づいて、近距離領域に存在する物体によって反射された短パルス幅の送信波の反射波に含まれるサイドローブ成分の信号の位置および強度を予測する（予測部）。エコー発生予測部４２は、近距離領域に存在する物体の位置が、近距離領域のうち、遠距離領域に近いほど、遠距離領域における近距離領域との境界付近の位置に、サイドローブ成分が発生すると予測する。また、さらに、エコー発生予測部４２は、短パルス幅の送信波の強度が高いほど、サイドローブ成分の信号の強度が高いと予測する。さらに、エコー発生予測部４２は、長パルス信号処理部４３における時間軸の圧縮比が高いほど、サイドローブ成分の信号の強度が高いと予測する。さらに、エコー発生予測部４２は、送信信号生成部３０における送信信号の変調方式に基づいて、サイドローブ成分の位置および強度を予測してもよい。

【0018】

なお、エコー発生予測部４２は、サイドローブＳＬ１の位置および強度を、関数により演算してもよい。エコー発生予測部４２は、例えば下記の式で示すように、サイドローブの幅を、送信信号の変調方式（ＭＤ）、送信波のパルス幅（Ｔ）、変調幅（Ｂ）の関数として演算してもよい。
[SL]＝function（MD,B,T）

【0019】

また、一般にパルス圧縮後の波形(レンジサイドローブ)は、下記の式１で表現される。式１において、＊は共役複素数を示す。式１において、r(t)は受信信号(受信信号は、送信信号x(t)が反射してきたものであり、送信信号の強度と遅延が変更されたものと考えられる。)、△ｔはサンプリング間隔(≦１／△ｆ)、ＮはＴ/Δt(Ｔは送信パルス幅)、ｘ^＊(iΔt)はトランスバーサルフィルタの乗算器の係数である。

【数1】

【0020】

送信信号の変調方式（ＭＤ）とは、直線的に送信信号の周波数を変化させる周波数変調方式（ＬＦＭ（Liner Frequency Modulation））、パルス圧縮時の参照波に時間軸で窓関数を掛けた周波数変調方式（ＬＦＭ＋時間軸窓関数）、COS関数を利用した窓関数を掛けた周波数変調方式などが挙げられる。送信幅のパルス幅（Ｔ）とは、送信信号のパルス幅である。変調幅（Ｂ）とは、１つの長パルス幅の送信波を送信する間における送信信号の周波数の変化幅である。変調幅（Ｂ）は、例えば、７２μｓｅｃの送信波を送信する間に２．５ＭＨｚの幅で送信信号の周波数を変更させる場合、「２．５ＭＨｚ」である。

【0021】

長パルス信号処理部４３は、長パルス幅の送信波の反射波をアンテナ部１０により受信したことにより生成された受信信号（以下、長パルス受信信号）を取得する。長パルス受信信号は、近距離領域および遠距離領域に存在する物体の位置を表す信号である。長パルス信号処理部４３は、長パルス受信信号のうち、近距離領域の物体を検出する信号を除外する。すなわち、長パルス受信信号は、遠距離領域に存在する物体を検出する信号を含む。長パルス信号処理部４３は、長パルス受信信号に対してＡ／Ｄ変換処理、およびパルス圧縮処理を行う。パルス圧縮処理は、長パルス受信信号における時間軸を圧縮する。これにより、長パルス信号処理部４３は、信号強度を高くして、位置の測定精度を高くする。

【0022】

エコー除去部４４は、長パルス信号処理部４３により検出された長パルス受信信号から、エコー発生予測部４２により予測されたサイドローブ成分の信号を除去する（除去部）。

【0023】

信号合成部４５は、短パルス信号処理部４１により取得した短パルス受信信号と、エコー除去部４４によりサイドローブ成分の信号が除去された長パルス受信信号とを合成する。

【0024】

解析部５０は、信号合成部４５により合成された受信信号に基づいて、気象状況を解析する。解析部５０は、例えば、受信信号に基づいて、気象状況を表示する。表示装置５０は、例えば、信号強度に基づいて表示色を変化させた表示データを生成して、気象状況を表す画像を生成する。これにより、解析部５０は、気象レーダ装置１から近距離領域および遠距離領域の気象状況をユーザに提示することができる。

【0025】

図３は、実施形態の気象レーダ装置１により短パルス幅の送信波を送信したことに対して反射波を受信する時間的な関係を示す図である。図３の上図に示すように、気象レーダ装置１は、時刻ｔ０から送信期間（Ｔｓ−１）において短パルス幅の送信波を送信する。その後、気象レーダ装置１は、時刻ｔ１からｔ２における受信期間Ｔｒ−１で、短パルス幅の送信波の反射波を受信する。例えば、気象レーダ装置１から距離Ｄ１の位置に物体ＯＢがある場合、気象レーダ装置１は、時刻ｔ２において短パルス幅の送信波の反射波を受信する。これにより、気象レーダ装置１は、図３の下図に示すように、距離Ｄ１において検出電圧が高い短パルス受信信号を取得することができる。

【0026】

図４は、実施形態の気象レーダ装置１により長パルス幅の送信波を送信したことに対して反射波を受信する時間的な関係を示す図である。図４の上図に示すように、気象レーダ装置１は、時刻ｔ０から送信期間（Ｔｓ−２）において長パルス幅の送信波を送信する。その後、気象レーダ装置１は、時刻ｔ１１からｔ１３における受信期間Ｔｒ−２で、長パルス幅の送信波の反射波を受信する。例えば、気象レーダ装置１から距離Ｄ２の位置に物体ＯＢ１２がある場合、気象レーダ装置１は、時刻ｔ１３において長パルス幅の送信波の反射波を受信する。これにより、気象レーダ装置１は、図４の下図に示すように、距離Ｄ２において検出電圧が高い長パルス受信信号を取得することができる。

【0027】

図４の上図に示すように、気象レーダ装置１から距離Ｄ１の位置の物体ＯＢが存在し、且つ気象レーダ装置１から距離Ｄ１１の位置に物体ＯＢ１１が存在するものとする。短パルス幅の送信波および長パルス幅の送信波は、物体ＯＢにより反射され、反射波（ＳＰ，ＬＰ）として気象レーダ装置１に到来する。長パルス幅の送信波は、物体ＯＢ１１により反射され、反射波（ＬＰ）として気象レーダ装置１に到来する。なお、短パルス幅の送信波は、物体ＯＢ１１に届かずに消失する。

【0028】

物体ＯＢにより反射したことに基づく長パルス受信信号を圧縮した場合、図４の下図に示すように、距離Ｄ１に対応する位置に出現するメインローブＭＬ１の距離的な前後に、サイドローブＳＬ１およびＳＬ２が出現する。このため、距離Ｄ１から距離Ｄ１１までの遠距離領域に物体が存在しないにも拘わらず、サイドローブＳＬ１が存在することによって、高い検出電圧となっていることが分かる。以上より、近距離領域と遠距離領域との境界付近において、物体の検出結果が連続的になっていることが分かる。

【0029】

さらに、サイドローブＳＬ１と物体ＯＢ１１により反射したことにより出現するメインローブＭＬ２とが、互いに重畳していることが分かる。以上より、物体ＯＢ１１が距離Ｄ１１の位置に存在するにも拘わらず、サイドローブＳＬ１により、あたかも、物体がＤ１からＤ１１に亘って存在するような結果になっていることが分かる。これにより、物体の観測する位置精度が低下する恐れがある。なお、メインローブＭＬ２の距離的な前後に位置するサイドローブの図示を省略している。

【0030】

図５は、実施形態の気象レーダ装置１によりサイドローブＳＬ１を抑制することを説明する図である。エコー発生予測部４２は、近距離領域に存在する物体ＯＢにより出現するサイドローブＳＬ１の位置および強度を予測する。エコー除去部４４は、予測されたサイドローブＳＬ１の位置における信号強度を、遠距離領域において対応する位置の信号強度から除去する。これにより、エコー除去部４４は、サイドローブＳＬ１＃のように、サイドローブＳＬ１よりも信号強度を低くすることができる。

【0031】

以上説明した気象レーダ装置１によれば、短パルス幅の送信波および長パルス幅の送信波の反射波を受信し、短パルス受信信号に基づいて、近距離領域に存在する物体によって反射された長パルス受信信号に含まれるサイドローブ成分の信号を予測する。気象レーダ装置１は、長パルス受信信号から、予測されたサイドローブ成分の信号を除去するので、短パルス受信信号に含まれるサイドローブが遠距離領域に出現した場合であっても、長パルス受信信号からサイドローブ成分を除去することができる。この結果、気象レーダ装置１によれば、近距離領域と遠距離領域との境界付近において気象状況の連続性が損なわれることを抑制することができる。

【0032】

また、気象レーダ装置１によれば、近距離領域に存在する物体の位置が、遠距離領域に近いほど、遠距離領域における近距離領域に近い位置にサイドローブ成分の信号が発生すると予測するので、遠距離領域における近距離領域に近い位置におけるサイドローブの影響を抑制することができる。

【0033】

さらに、気象レーダ装置１によれば、短パルス幅の送信波の強度が高いほどサイドローブ成分の信号の強度が高いと予測するので、遠距離領域におけるサイドローブの影響を更に抑制することができる。

【0034】

さらに、気象レーダ装置１によれば、長パルス信号処理部４３における時間軸の圧縮比が高いほどサイドローブ成分の信号の強度が高いと予測するので、遠距離領域における位置精度を高くするためにパルス圧縮の比率を高くしても、遠距離領域におけるサイドローブの影響を効果的に抑制することができる。

【0035】

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、アンテナ部１０を用いて、短パルス幅の送信波と、長パルス幅の送信波とを送信する送信信号生成部３０短パルス幅の送信波および長パルス幅の送信波の反射波を受信するアンテナ部１０と、短パルス幅の送信波の反射波に基づいて短パルス受信信号を検出する短パルス信号処理部４１と、長パルス幅の送信波の反射波に基づいて長パルス受信信号を検出する長パルス信号処理部４３と、短パルス受信信号に基づいて、近距離領域に存在する物体によって反射された長パルス幅の送信波の反射波に含まれるサイドローブ成分の信号を予測するエコー発生予測部４２と、長パルス受信信号から、予測されたサイドローブ成分の信号を除去するエコー除去部４４とを持つので、サイドローブの影響により気象状況の不連続を抑制することができる。

【0036】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、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同様に、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ものである。

【符号の説明】

【0037】

１…気象レーダ装置、１０…アンテナ部、２０…送受信切替部、３０…送信信号生成部、３２…短パルス信号生成部、３４…長パルス信号生成部、４０…レーダ信号処理部、４１…短パルス信号処理部、４２…エコー発生予測部、４３…長パルス信号処理部、４４…エコー除去部、４５…信号合成部、５０…解析部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】