JP2015055577A - 気象レーダ装置および気象観測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで低仰角での高精度な遠距離観測と、低仰角から高仰角の同時観測とを両立することができる気象レーダ装置および気象観測方法を提供する。【解決手段】第１アンテナ部は、気象目標を観測する観測空間のうちの低仰角領域に送信ビームを形成して電子走査する。第２アンテナ部は、観測空間のうちの高仰角領域に第１アンテナ部の送信ビームより幅広い送信ビームを形成して電子走査する。送信手段は、送信時、第１アンテナ部による低仰角領域への電波の送信と、第２アンテナ部による高仰角領域への電波の送信とを行う。受信手段は、受信時、第１アンテナ部で受信ビームを形成して、気象目標から反射される、第１アンテナ部から低仰角領域へ送信された電波の反射波および第２アンテナ部から高仰角領域へ送信された電波の反射波を受信する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、例えば、雨や雲等の気象現象を三次元で観測する気象レーダ装置および気象観測方法に関する。

一般に、気象レーダ装置のアンテナには、円形放物面のパラボラアンテナが用いられている。このパラボラアンテナを用いる気象レーダ装置は、ペンシルビームと呼ばれる細いビームを形成して、水平方向に３６０°回転して１平面の観測データを取得した後に、アンテナ仰角を上げて次の１平面を取得することを繰り返し、三次元データを収集する。このため、パラボラアンテナを用いる気象レーダ装置では、高速三次元観測を実現することは困難であった。

これに対して、電子走査方式の気象レーダ装置は、仰角面内は電子走査でアンテナビームを制御し、方位面内を機械的に回転させることにより高速三次元観測を実現している。

また、気象レーダ装置は、主に低仰角の観測が主体であり、遠距離観測に必要な高い実効等方放射電力および二重偏波を用いた高精度な観測のための良好な交差偏波特性が求められる。その一方、高仰角の観測は水平方向と比較して近距離の観測となり高い実効等方放射電力は求められず、また高仰角のため二重偏波の特性を活かした観測が困難となり交差偏波特性に求められる要求は低い。

特開２０１０−２５６３３３号公報 特開２０１１−２１９８３号公報

上記電子走査方式の気象レーダ装置では、高速三次元観測を実現しているものの、低仰角での高精度な遠距離観測と、低仰角から高仰角の同時観測（例えば、仰角０°〜９０°）とを両立することは困難であった。また、上述したように、低仰角の観測には比較的大開口で高電力、かつ交差偏波特性の良好なアンテナが必要で高価・大型であり、高仰角の観測には比較的小開口で小電力、かつ交差偏波特性に対する条件は緩く安価・小型なアンテナで十分である。

そこで、本実施形態の目的は、低コストで低仰角での高精度な遠距離観測と、低仰角から高仰角の同時観測とを両立することができる気象レーダ装置および気象観測方法を提供することにある。

本実施形態によれば、気象レーダ装置は、第１アンテナ部と、第２アンテナ部と、送信手段と、受信手段とを具備する。第１アンテナ部は、気象目標を観測する観測空間のうちの低仰角領域に送信ビームを形成して電子走査する。第２アンテナ部は、前記第１アンテナ部の開口面より小さい開口面を有し、前記観測空間のうちの高仰角領域に前記第１アンテナ部の送信ビームより幅広い送信ビームを形成して電子走査する。送信手段は、送信時、前記第１アンテナ部による前記低仰角領域への電波の送信と、第２アンテナ部による前記高仰角領域への電波の送信とを行う。受信手段は、受信時、前記第１アンテナ部で受信ビームを形成して、前記気象目標から反射される、前記第１アンテナ部から前記低仰角領域へ送信された電波の反射波および前記第２アンテナ部から前記高仰角領域へ送信された電波の反射波を受信する。

本実施形態に係る気象レーダ装置の一例を示す模式図。 図１に示す気象レーダ装置の機能構成を示すブロック図。 本実施形態に係る気象レーダ装置の気象観測の一例を示す図。 本実施形態に係る気象レーダ装置による観測空間の高速三次元観測の一例を示す図。 従来の気象レーダ装置の気象観測の一例を示す図。 従来の気象レーダ装置による観測空間の高速三次元観測の一例を示す図。

以下、本実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る気象レーダ装置の一例を示す模式図である。

図１に示す気象レーダ装置は、例えば、図１に示すアンテナ部１１から送信される送信ビームで各方位における三次元の観測空間を電子走査し、雨や雲等の気象現象を観測する。

図２は、図１に示す気象レーダ装置の機能構成を示すブロック図である。

図２において、この気象レーダ装置は、第１アンテナ部１１−１、第２アンテナ部１１−２、送受切換部１２、送信信号生成部１３および信号処理部１４を備える。

第１アンテナ部１１−１は、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子を有する電子走査式のアンテナで構成される。第１アンテナ部１１−１は、送信時、後述する送信信号に基づく電波を上記複数のアンテナ素子から送信して送信ビームを形成し、形成した送信ビームにより低仰角領域の観測空間に電波を放射する。

第１アンテナ部１１−１は、比較的大きい開口面を有しており、低仰角領域の観測空間を送信ビームを絞って電子走査することができる。低仰角領域については、可能な限り遠方を観測するため、第１アンテナ部１１−１として、遠距離観測のための高い実効等方放射電力および二重偏波を用いた高精度な観測のための良好な交差偏波特性を有するアンテナを使用する。

第２アンテナ部１１−２は、第１アンテナ部１１−１と同様に、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子を有する電子走査式のアンテナで構成される。第２アンテナ部１１−２は、送信時、上記複数のアンテナ素子から送信信号に基づく電波を送信して送信ビームを形成し、形成した送信ビームにより高仰角領域の観測空間に電波を放射する。

第２アンテナ部１１−２は、第１アンテナ部１１−１の開口面より小さい開口面を有するため、第１アンテナ部１１−１で形成される送信ビームよりもビーム幅の広いファンビームを形成することが可能である。第２アンテナ部１１−２は、高仰角領域の観測空間をビーム幅の広いファンビームで電子走査する。ここで、高仰角領域を観測する場合、雨雲が存在可能な対流圏(地上１４ｋｍ程度)までを観測するため、低仰角領域の気象観測よりも近距離の観測で足りる。このため、第２アンテナ部１１−２は、高い実効等方放射電力が不要である。また、高仰角領域の気象現象を観測するため、二重偏波の特性を活かした観測が困難となる。このため、第２アンテナ部１１−２は、良好な交差偏波特性が求められない。したがって、本実施形態では、第２アンテナ部１１−２として、比較的小開口で小電力、かつ交差偏波特性に対する条件が緩く、安価・小型なアンテナを使用することが可能である。

送受切換部１２は、後述する信号処理部１４から出力され、送信信号生成部１３を介して入力される送受信タイミング信号に基づいて、送信信号、及び受信信号の第１アンテナ部１１−１への伝送経路を切り換える。

送信信号生成部１３は、信号処理部１４から出力される送受信タイミング信号の送信タイミングに応じて、上記第１アンテナ部１１−１および第２アンテナ部１１−２へ出力する送信信号を生成する。この送信信号により、第１アンテナ部１１−１による低仰角領域への電波の送信と、送信信号に基づく第２アンテナ部１１−２による高仰角領域への電波の送信とが行われる。ここで、第１アンテナ部１１−１および第２アンテナ部１１−２へそれぞれ出力する送信信号のパラメータ（送信電力、送信周波数および送信パルス幅等）は、気象条件や装置条件等に応じて最適な数値に変更してもよい。

信号処理部１４は、送信信号生成部１３へ送受信タイミング信号を出力する。また、信号処理部１４は、受信時、第１アンテナ部１１−１で受信ビームを形成して、上記気象目標から反射される、第１アンテナ部１１−１から低仰角領域へ送信された電波の反射波および第２アンテナ部１１−２から高仰角領域へ送信された電波の反射波を受信する。信号処理部１４は、第１アンテナ部１１−１で受信された反射波に基づく受信信号を入力し、入力した受信信号を信号処理する。

ここで、第１アンテナ部１１−１により反射波を受信するのは、第２アンテナ部１１−２よりも第１アンテナ部１１−１のほうが細い形状の受信ビームを出力することが可能で、この細い形状の受信ビームによる空間分解能が高いためである。また、第１アンテナ部１１−１および第２アンテナ部１１−２の両方で反射波を受信する場合、第２アンテナ部１１−２による反射波を受信するための受信系統を新たに設けなければならないため、コストアップにつながる可能性がある。このため、本実施形態の気象レーダ装置では、高仰角領域からの反射波および低仰角領域からの反射波を受信する場合、第１アンテナ部１１−１を共用する。

図３は、本実施形態に係る気象レーダ装置の気象観測の一例を示す図である。

図３に示すように、気象レーダ装置は、第１アンテナ部１１−１から送信されるビーム幅の狭い送信ビームで低仰角領域を電子走査する。また、気象レーダ装置は、第２アンテナ部１１−２から送信されるビーム幅の広い送信ビームで高仰角領域を電子走査する。

なお、本実施形態の気象レーダ装置は、第１アンテナ部１１−１および第２アンテナ部１１−２で形成される送信ビームにより低仰角と高仰角の観測空間を同時に走査してもよいし、別々のタイミングで走査を行うことも可能である。走査のタイミングは、信号処理部１４から出力される送受信タイミング信号に準ずる。

次に、上記構成における気象レーダ装置による気象観測の一例を示す。具体例として、半径６０ｋｍ、高度１４ｋｍの観測空間において、気象現象を観測する場合について説明する。

仰角については、観測範囲が円状ではなく長方形状になるため、仰角によって観測する距離が異なるようにする。これは、仰角毎に仰角処理単位を変化させないと無駄に多くのデータを取得することになり、特に高速観測に影響を与えるためである。よって観測範囲を考慮して仰角処理単位を設定しなければならないが、ここでは簡単に送信ビーム毎に仰角処理単位を設定する方式とする。

仰角処理単位は、仰角毎に設定した最大スラントレンジ（アンテナ部から気象目標までの直線距離）を代表値として送信ビーム毎に計算可能である。また、仰角毎の処理単位が決まると送信ビーム毎に同時形成ビーム数が計算可能である。さらに最大スラントレンジから送信ビーム毎にパルス繰り返し周波数を計算可能である。最後にこれらより高速三次元観測に必要な時間が計算可能である。なお、本実施形態でのビーム幅とはアンテナ正面方向のビーム幅であり、ビーム走査によるビーム幅増大の影響は無視している。

図４は、本実施形態に係る気象レーダ装置による観測空間の高速三次元観測の一例を示す図である。

図４に示すように、実施形態の気象レーダ装置は、低仰角領域を電子走査する送信ビームのビーム幅を１５°、高仰角領域を電子走査する送信ビームのビーム幅を６０°として、観測空間の高速三次元観測を行う。以下に観測結果を示す。

上記観測結果に示すように、上記観測空間の高速三次元観測を行う場合、本実施形態に係る気象レーダ装置は、観測に２２．３秒かかる。

ここで、比較のため、従来の気象レーダ装置による気象観測について説明する。

図５は、従来の気象レーダ装置の気象観測の一例を示す図である。

図５に示すように、気象レーダ装置は、１つのアンテナ部を設け、アンテナ部で形成する送信ビーム幅を一定として、観測空間を走査する。

図６は、従来の気象レーダ装置による観測空間の高速三次元観測の一例を示す図である。

図６に示すように、従来の気象レーダ装置は、送信ビーム幅を一定（１５°）にして、仰角０°〜９０°までの観測を行う。なお、図４と同様に、半径６０ｋｍ、高度１４ｋｍの観測空間において、気象現象を観測する。以下に観測結果を示す。

上記観測結果で示すように、従来の気象レーダ装置は、観測に３７．４秒かかる。

すなわち、本実施形態の気象レーダ装置によれば、従来の気象レーダよりも仰角０°〜９０°までの観測時間を約半分に短縮することが可能である。

また、本実施形態の気象レーダ装置は、観測時間が約半分になるため、パルスヒット数を２倍にすることが可能であり、パルスヒット数が２倍になると空間分解能が向上するため、気象観測の誤差を約３割小さくすることが可能となる。

以上述べたように、本実施形態に係る気象レーダ装置は、主に低仰角領域の観測空間を電子走査する、遠距離観測のための高い実効等方放射電力および二重偏波を用いた高精度な観測のための良好な交差偏波特性を有する第１アンテナ部１１−１および主に高仰角領域の観測空間を電子走査する、比較的小開口で小電力、かつ交差偏波特性に対する条件が緩く、安価・小型な第２アンテナ部１１−２を備え、受信時は第１アンテナ部１１−１で低仰角領域と高仰角領域とを共用にする。

この気象レーダ装置は、高仰角の観測に高価なアンテナを使用せず、安価・小型なアンテナを使用することにより、低コストで三次元観測を実現することが可能となる。また、この気象レーダ装置は、観測空間における低仰角領域および高仰角領域の観測を各アンテナ部により分担しているため、従来の気象レーダ装置よりも高速な三次元観測を実現することが可能となる。また、この気象レーダ装置は、観測時間の短縮によりパルスヒット数を向上させることが可能なため、空間分解能が向上し、高精度化を図ることが可能である。

したがって、本実施形態に係る気象レーダ装置は、低コストで低仰角での高精度な遠距離観測と、低仰角から高仰角の同時観測とを両立することができる。

なお、上記実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この実施形態は、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。この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。

１１…アンテナ部、１１−１…第１アンテナ部、１１−２…第２アンテナ部、１２…送受切換部、１３…送信信号生成部、１４…信号処理部。

Claims (3)

1. 気象目標を観測する観測空間のうちの低仰角領域に送信ビームを形成して電子走査する第１アンテナ部と、
   前記第１アンテナ部の開口面より小さい開口面を有し、前記観測空間のうちの高仰角領域に前記第１アンテナ部の送信ビームより幅広い送信ビームを形成して電子走査する第２アンテナ部と、
   送信時、前記第１アンテナ部による前記低仰角領域への電波の送信と、前記第２アンテナ部による前記高仰角領域への電波の送信とを行う送信手段と、
   受信時、前記第１アンテナ部で受信ビームを形成して、前記気象目標から反射される、前記第１アンテナ部から前記低仰角領域へ送信された電波の反射波および前記第２アンテナ部から前記高仰角領域へ送信された電波の反射波を受信する受信手段と
   を具備する気象レーダ装置。
2. 前記第１アンテナ部および第２アンテナ部は、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子を備える請求項１記載の気象レーダ装置。
3. 気象目標を観測する観測空間のうちの低仰角領域に送信ビームを形成して電子走査し、
   前記観測空間のうちの高仰角領域に幅広い送信ビームを形成して電子走査し、
   送信時、前記低仰角領域への電波の送信と、第２アンテナ部による前記高仰角領域への電波の送信とを行い、
   受信時、受信ビームを形成して、前記気象目標から反射される、前記低仰角領域へ送信された電波の反射波および前記高仰角領域へ送信された電波の反射波を受信する気象観測方法。

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