JP3557462B2

JP3557462B2 - オフライン・バイスタティック・ドップラーレーダシステム

Info

Publication number: JP3557462B2
Application number: JP2001355438A
Authority: JP
Inventors: 晋介佐藤; ワーマンジョシュア
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2021-11-21
Also published as: JP2003156557A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オフライン・バイスタティック・ドップラーレーダシステムに関し、特に、送信レーダの情報をネットワークを用いることなく受信局側において検知又は生成することにより、オフラインでのバイスタティック・ドップラーレーダ観測を可能とするオフライン・バイスタティック・ドップラーレーダシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常のレーダは、送信局と受信局とが物理的に同一の場所に設置されたモノスタティック・ドップラーレーダからなる。これに対して、送信局と受信局とを物理的に距離をおいて設置するものをバイスタティックレーダという。
【０００３】
バイスタティック・ドップラーレーダシステムは、図８に示すように、１個の主レーダ（送信局）Ｔと複数台（この場合は３個）のリモートの受信局（受信機）Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３とで構成される。主レーダＴのみが送信し、受信局Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が観測目標物（例えば、降雨）からの散乱を非走査型の広い角度特性を持つアンテナで受信する。なお、図８における矢印が観測により得られた水平風速ベクトル（風速場）である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
バイスタティック・ドップラーレーダシステムにおいては、主レーダの情報が、複数の受信局の各々に対して、オンラインでほぼリアルタイムで送信されている（多少の遅れはあるが、観測には支障はない）。このため、通常は、主レーダ（送信レーダ）と各々の受信局との間がネットワークで接続される。運用上、実際のネットワークとしては、電話回線等の公衆網を介したネットワークが利用される。主レーダの情報としては、送信パルス周期、パルス送信時刻、送信パルス位相等がある。これらの主レーダの情報は、バイスタティック・ドップラーレーダ観測の実現のためには必要不可欠な情報である。
【０００５】
しかし、災害や故障等の何らかの原因で、ネットワークが切断されたり、通信が不調になる場合がある。又は、受信局を設置しようとする場所が、公衆回線の使えない山頂であったり、無線通信が不通である等の何らかの理由でネットワークを利用できない場所である場合がある。このような場合には、主レーダの情報を受信局に知らせることができないので、バイスタティック・ドップラーレーダ観測ができなくなってしまう。
【０００６】
本発明は、受信局側において送信レーダの情報を検知又は生成することにより、ネットワークを用いることなく、オフラインでのバイスタティック・ドップラーレーダ観測を可能とするバイスタティック・ドップラーレーダシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のオフライン・バイスタティック・ドップラーレーダシステムは、ドップラーレーダからなる送信局と、受信局とを備える。受信局は、送信局と所定の距離をおいて設けられたバイスタティック受信局であって、送信局からの直接波を受信するように固定的に設けられたリファレンスアンテナと、ＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信部と、リファレンスアンテナでの受信の結果及びＧＰＳ信号に基づいて、ドップラーレーダのアンテナ回転速度を示すアンテナ回転速度情報と、送信パルスの周期、パルス送信時刻及び位相とを示す送信パルス情報とを生成する情報生成処理部とを有する。
【０００８】
また、本発明のオフライン・バイスタティック・ドップラーレーダシステムは、ドップラーレーダからなる送信局と、送信局と所定の距離をおいて設けられたバイスタティック受信局とを備える。送信局は、ＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信部と、ＧＰＳ信号の所定の周波数の基準クロックを用いて、ドップラーレーダの送信パルス位相を取り決めた第１の時刻を基準として、第１の時刻の後の第２の時刻について、ドップラーレーダの送信パルスの周期、パルス送信時刻及び位相とを示す送信パルス情報を算出する位相校正処理部と、算出された送信パルス情報に基づいてドップラーレーダの送信パルスを送信する送信機とを備える。受信局は、ＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信部と、ＧＰＳ信号の所定の周波数の基準クロックを用いて、ドップラーレーダの送信パルス位相を取り決めた第１の時刻を基準として、第１の時刻の後の第２の時刻について、ドップラーレーダの送信パルスの周期、パルス送信時刻及び位相とを示す送信パルス情報を算出する位相校正処理部と、算出された送信パルス情報に基づいてドップラーレーダの送信パルスを受信する受信機とを備える。
【０００９】
以上のように、本発明のオフライン・バイスタティック・ドップラーレーダシステムによれば、バイスタティック・ドップラー信号処理に必要な送信パルス情報を、受信局側において検知又は生成することができる。即ち、バイスタティック・ドップラーレーダ観測の実現のために必要不可欠な情報である送信レーダの情報を、ネットワークを用いることなく、受信局側において得ることができる。従って、ネットワークが不要であるので、バイスタティック・ドップラーレーダ観測がネットワークの切断や不調により中止される等の影響を受けることを防止でき、また、ネットワークを引けない場所にでも受信局を設置することができる。これにより、バイスタティック・ドップラーレーダシステムの自由度をより高くすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、バイスタティック・ドップラーレーダシステム構成図であり、本発明のバイスタティック・ドップラーレーダシステムの構成を示す。なお、図１及び図２は模式的な図であり、距離の縮尺に対してアンテナＡＴ等の大きさは大きく示している。
【００１１】
バイスタティック・ドップラーレーダシステムは、図１に示すように、送信局Ｔと、この送信局Ｔと所定の距離（例えば数十Ｋｍ）をおいて設けられた少なくとも１個の受信局Ｒとからなる。送信局Ｔと受信局Ｒとの位置で、図１及び図２に示すように、送信局Ｔと受信局Ｒとを結ぶ直線（ベースラインＢＬ）が定まり、円弧状のデュアルドップラー解析範囲（デュアルローブ）Ｋが定まる。デュアルドップラー解析範囲Ｋは、当該レーダシステムにより実用的な精度の風速ベクトルが観測（解析）できる範囲である。この例の受信局Ｒは、デュアルドップラー解析範囲Ｋを観測するアンテナ（観測用アンテナ）ＡＴの他に、リファレンスアンテナＡＴ−Ｒを備える。
【００１２】
バイスタティック・ドップラーレーダシステムでは、１個のドップラーレーダからなる送信局Ｔのみが電波を送信し、１又は複数の受信局Ｒが、観測目標物（例えば、降雨）Ｓからの反射波（散乱）を、非走査型の広い角度特性を持つアンテナＡＴで受信する。受信局Ｒは、図３に示すように、アンテナＡＴ、リファレンスアンテナＡＴ−Ｒ、切替スイッチＳＷ、１個の受信機１、切替スイッチ制御部２、周知のＧＰＳ（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）信号を受信するＧＰＳ受信部３、情報生成処理部４を備える。
【００１３】
アンテナＡＴは、デュアルドップラー解析範囲Ｋをバイスタティック・ドップラーレーダ観測するアンテナ（観測用アンテナ）である。アンテナＡＴは、図示しないが、例えば固定ファンビームの反射板を付加した導波管スロットアンテナ（ＳｌｏｔｔｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＡｎｔｅｎｎａ）からなる。アンテナＡＴは、ベースラインＢＬの片側のデュアルドップラー解析範囲Ｋを観測する。効率よく観測するために、アンテナＡＴは、デュアルドップラー解析範囲Ｋ（図２の点線で示す範囲）を最大とするような方向に設定される。
【００１４】
リファレンスアンテナＡＴ−Ｒは、送信局Ｔからの直接波を受信するように固定的に設けられる。リファレンスアンテナＡＴ−Ｒは、指向性を持つホーンアンテナ又は小型パラボラアンテナ等からなり、送信局Ｔのドップラーレーダの方向に向けて設定されることにより、送信局Ｔが出力する直接波を受信する。観測用のアンテナＡＴは、通常、送信局Ｔからの直接波を受信できる方向に向けては設置されない。このアンテナＡＴをモータ等を用いてリファレンスアンテナとして流用することも可能ではあるが、安価なホーンアンテナを別個に設ける方が、価格の面でも安定運用の面でも有利である。
【００１５】
切替スイッチＳＷは、アンテナＡＴ及びリファレンスアンテナＡＴ−Ｒに接続され、これらを切り替える。切替スイッチＳＷとしては、挿入損失が少なくかつ安価な周知の機械式低速スイッチが用いられる。必要に応じて、アンテナＡＴ及びリファレンスアンテナＡＴ−Ｒの直下に増幅器（図示せず）を設置して、導波管スロットアンテナからの信号を増幅してから、切替スイッチＳＷ（及び受信機１）に信号を送るようにしてもよい。
【００１６】
切替スイッチ制御部２は、所定の時間毎に、切替スイッチＳＷを切り替える。即ち、切替スイッチＳＷは、通常時（観測時）にはアンテナＡＴからの受信信号を選択して受信機１に出力し、観測開始時及び所定の時間毎（リファレンス観測時）にはリファレンスアンテナＡＴ−Ｒからの受信信号を選択して受信機１に出力するように、切り替えられる。これにより、信号処理のための受信機１は、アンテナＡＴ及びリファレンスアンテナＡＴ−Ｒで共用でき、１個だけ設ければよい。リファレンス観測の時間間隔は送信局Ｔの送信機の位相安定性能に依存するが、例えば、クライストロン型送信機の場合は、１〜数時間毎に１回リファレンス観測を行なえばよい。送信位相が安定しないマグネトロン型送信機の場合は、より頻繁にあるいは常時リファレンス観測を行う必要があるが、本発明によるオフライン・バイスタティック・ドップラーレーダシステムによれば実現可能である。
【００１７】
ＧＰＳ受信部３は、ＧＰＳ信号を受信するためのアンテナを備え、ＧＰＳ信号を受信する。ＧＰＳ受信部３が受信したＧＰＳ信号は、受信機１の情報生成処理部４に送られる。ＧＰＳ信号の１０ＭＨｚのクロックが位相検波の基準信号として用いられ、これにより送信パルスの位相が求められる。
【００１８】
受信機１は、周知の増幅器、信号処理回路等からなり、切替スイッチＳＷを介して、アンテナＡＴ及びリファレンスアンテナＡＴ−Ｒからの信号を受信して、周知の強度信号処理及びドップラー信号処理を行なう。また、受信機１は、リファレンスアンテナＡＴ−Ｒにおいて受信した信号を出力する。この観測の結果である受信機１の出力は情報生成処理部４に送られる。リファレンスアンテナＡＴ−Ｒからの出力（即ち、送信局Ｔのドップラーレーダの直接波）が入力された場合における受信機１の出力は、例えば図４に示すような波形となる。
【００１９】
情報生成処理部４は、リファレンスアンテナＡＴ−Ｒでの受信の結果及びＧＰＳ信号に基づいて、送信局Ｔのドップラーレーダのアンテナ回転速度情報と、送信パルスの（繰り返し）周期、パルス送信時刻及び位相とを示す送信パルス情報とを生成する。これらの情報は受信機１に含まれる信号処理部（図示せず）に入力され、この後受信機１により行なわれるバイスタティック・ドップラーレーダ観測において用いられる。
【００２０】
図４の波形は、直接波であるので、ドップラーレーダ（主レーダ）のアンテナパターンに相当する信号である。数分間のリファレンス観測により、複数個の前記アンテナパターンに相当する信号が得られる。この波形において、送信局Ｔのドップラーレーダのメインビームが各々の波形のピークとして現れる。そこで、あるピークから次のピークまでの時間をｔ１とすると、送信局Ｔのドップラーレーダのアンテナ回転速度は３６０／ｔ１により求まる（推定できる）。また、図４に示すように、メインビームに含まれる複数個の受信パルスの時間間隔をｔ２とすると、パルス繰り返し周期ＰＲＦは１／ｔ２により求まる。また、ある受信パルスの送信時刻（送信タイミング）は、現在時刻をＴ、ベースラインの距離をＢＬとすると、Ｔ−ＢＬ／Ｃ（Ｃは光速）により求まる。更に、各々の受信パルスについて、図５に示すように、ＧＰＳ信号の１０ＭＨｚの信号を基準に位相検波することにより、送信パルスの位相が求まる。なお、送信局と受信局は固定されており、直接波を対象としているので、図５において、ドップラー速度は「０」と仮定することができる。
【００２１】
この例のバイスタティック・ドップラーレーダシステムにより観測を行なう場合、バイスタティック・ドップラーレーダ観測の開始に先立って、数分間だけ、切替スイッチＳＷをリファレンスアンテナＡＴ−Ｒを選択するように切り替える。これにより、リファレンスアンテナＡＴ−Ｒによるリファレンス観測が行なわれる。これにより、情報生成処理部４において、前述のようにしてアンテナ回転速度情報と送信パルス情報とが得られる。但し、アンテナ回転速度情報が不要又は既知の場合、リファレンス観測時間を数秒〜数十秒に減らすことができる。
【００２２】
この後、切替スイッチＳＷをアンテナＡＴを選択するように切り替えて、当該システムによるバイスタティック・ドップラーレーダ観測が行なわれる。この時、情報生成処理部４において求めたアンテナ回転速度情報と送信パルス情報とが用いられる。一方、バイスタティック・ドップラーレーダ観測を続けている間に、情報生成処理部４において求めたアンテナ回転速度情報及び送信パルス情報と実際の値との差異に起因する誤差（オフセット）が、少しずつではあるが、累積され徐々に大きくなってくる。そこで、例えば１時間（乃至３時間）おきに、数分間だけ、切替スイッチＳＷをリファレンスアンテナＡＴ−Ｒを選択するように切り替え、リファレンス観測を行なう。そして、新たに得られたアンテナ回転速度情報等を用いてバイスタティック・ドップラーレーダ観測を行なう。これにより、アンテナ回転速度情報等のズレによる観測への影響を、事実上排除することができる。
【００２３】
図６は、リファレンスアンテナを用いないオフライン・バイスタティック・ドップラーレーダシステム構成図であり、前述のオフライン・バイスタティック・ドップラーレーダシステムとは別の構成を示す。
【００２４】
この例において、送信局Ｔは位相校正処理部１１とＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信部１２と主レーダからの送信を行なう送信機１３とを備える。受信局Ｒは、情報生成処理部４に代わる位相校正処理部５を備える。位相校正処理部１１及び５は、ＧＰＳ信号の所定の周波数（１０ＭＨｚ）の基準クロックを用いて、ドップラーレーダのパルス送信時刻及び位相とを示す送信パルス情報を算出する。この時、送信パルスの周期は予め決めておくものとする。
【００２５】
例えば、送信局Ｔ及び受信局Ｒの双方において、以下のように取り決める。即ち、図７に示すように、ある時刻（１９７０年１月１日０時０分０．００００００秒）を基準として、その時の送信局Ｔのドップラーレーダの送信パルスの位相が「０」であると取り決める。また、送信パルス周期を例えば１２００Ｈｚと決めておく。そこで、位相校正処理部１１及び５は、このように送信局Ｔのドップラーレーダの送信パルスの位相の決められている第１の時刻を基準として、その時刻から、ＧＰＳ信号の１０ＭＨｚの信号の受信パルスの数をカウントする。これにより、第１の時刻の後の第２の時刻（実際に観測を始める時刻）について、ドップラーレーダのパルス送信時刻及び位相とを示す送信パルス情報を、前記パルス数のカウント値を用いて周知の計算により算出することができる。
【００２６】
この時、位相校正処理部１１及び５は、特に、送信パルスの位相が「０」となり、現在時刻よりも後の時刻に相当するパルス送信時刻を求める。例えば、現在２０００年５月３日であるとして、その日の観測計画を立案する際に、位相校正処理部１１及び５は、当該期間において前記条件を満たすパルス送信時刻を求める。このパルス送信時刻としては、複数の値が求まる。この中から、例えば、現在時刻に最も近い２０００年５月３日６時０分０．０秒が選択される。位相校正処理部１１及び５は、この値を送信機１３と受信機１とに入力する。送信機１３は、当該時刻に送信パルス位相を「０」として、送信を開始する。また、受信機１は、当該時刻に対応する送信局Ｔのドップラーレーダの送信パルスの位相を「０」として、バイスタティック・ドップラーレーダ観測を行なう。
【００２７】
実際には、前述の場合と同様に、算出した位相と実際の位相との差異に起因する誤差（オフセット）が、少しずつではあるが、累積され徐々に大きくなってくる。そこで、例えば１時間（乃至３時間）おきに、前記条件を満たすパルス送信時刻を求め、送信機１３では、その時刻において送信パルスの位相を「０」として、再び送信を行なう。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、オフライン・バイスタティック・ドップラーレーダシステムにおいて、アンテナ回転速度情報と送信パルス情報とからなる送信レーダの情報を受信局側において検知又は生成する。これにより、バイスタティック・ドップラーレーダ観測の実現のために必要不可欠な情報である送信レーダの情報を、ネットワークを用いることなく、受信局側において得ることができる。従って、ネットワークが不要であるので、バイスタティック・ドップラーレーダ観測がネットワークの切断や不調により中止される等の影響を受けることを防止でき、また、ネットワークを引けない場所にでも受信局を設置することができ、バイスタティック・ドップラーレーダシステムの自由度をより高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイスタティック・ドップラーレーダシステム構成図である。
【図２】バイスタティック・ドップラーレーダシステム構成図である。
【図３】バイスタティック・ドップラーレーダシステム構成図である。
【図４】受信波説明図である。
【図５】受信波説明図である。
【図６】他のバイスタティック・ドップラーレーダシステム構成図である。
【図７】受信波説明図である。
【図８】発明の背景説明図である。
【符号の説明】
Ｔ送信局
Ｒ受信局
Ｓ観測目標物
ＡＴアンテナ
ＡＴ−Ｒリファレンスアンテナ
ＳＷ切替スイッチ
１受信機
２切替スイッチ制御部
３ＧＰＳ受信部
４情報生成処理部

Claims

ドップラーレーダからなる送信局と、
前記送信局と所定の距離をおいて設けられたバイスタティック受信局であって、前記送信局からの直接波を受信するように固定的に設けられたリファレンスアンテナと、ＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信部と、前記リファレンスアンテナでの受信の結果及び前記ＧＰＳ信号に基づいて前記ドップラーレーダのアンテナ回転速度情報と、送信パルスの周期、パルス送信時刻及び位相とを示す送信パルス情報とを生成する情報生成処理部とを有する受信局とを備える
ことを特徴とするオフライン・バイスタティック・ドップラーレーダシステム。
ドップラーレーダからなる送信局と、
前記送信局と所定の距離をおいて設けられたバイスタティック受信局とを備え、
前記送信局が、ＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信部と、前記ＧＰＳ信号の所定の周波数の基準クロックを用いて、前記ドップラーレーダの送信パルス位相を取り決めた第１の時刻を基準として、前記第１の時刻の後の第２の時刻について、前記ドップラーレーダの送信パルスの周期、パルス送信時刻及び位相とを示す送信パルス情報を算出する位相校正処理部と、前記算出された送信パルス情報に基づいて前記ドップラーレーダの送信パルスを送信する送信機とを備え、
前記受信局が、ＧＰＳ信号を受信するＧＰＳ受信部と、前記ＧＰＳ信号の所定の周波数の基準クロックを用いて、前記ドップラーレーダの送信パルス位相を取り決めた第１の時刻を基準として、前記第１の時刻の後の第２の時刻について、前記ドップラーレーダの送信パルスの周期、パルス送信時刻及び位相とを示す送信パルス情報を算出する位相校正処理部と、前記算出された送信パルス情報に基づいて前記ドップラーレーダの送信パルスを受信する受信機とを備える
ことを特徴とするオフライン・バイスタティック・ドップラーレーダシステム。