CN101467066A - 风速雷达 - Google Patents

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Abstract

一种风速雷达(1)，具备：球形的发送接收用的电波透镜(2)，是采用电介质使相对介电常数在半径方向以给定的比例变化地形成的；以及发送接收用的一次辐射器(3Z、3N、3S、3E及3W)，沿着上述电波透镜的外周，配设于向要观测的多个方位角方向通过电波透镜而发送接收的电波的焦点位置。电波透镜(2)由支撑部件(7)支撑。并且，载置电波透镜(2)的支撑部件(7)的表面(7a)具有与电波透镜(2)的形状匹配的球面形状。

Description

风速雷达
技术领域
本发明涉及通过透镜天线而发送、接收信号，测量大气层中的风向、风速分布等的风速雷达。
背景技术
以前，为气象观测、航空管制等目的而使用各种雷达装置。这些雷达装置是从天线向对象物照射微波等高频电波，接收来自该对象物的反射波，从而进行对象物的大小、形状、距离、移动方向、移动速度等的检测。例如，用于观测气象状态的气象雷达装置是对雨等的水滴照射电波，进行接收到的反射波的分析，从而检测降水域的大小、降水量等。
还有，进行直接受到来自地表的辐射/吸收的影响的大气层中的大气运动的观测，对于了解地球环境是非常重要的，作为其中的一环，是进行采用风速雷达的按高度的风向/风速分布的观测。该风速雷达为了测量风的方向(即风向)，最小限度是向天顶方向及相对于北、东各方位构成给定的天顶角θ的方位角方向的3方向辐射电波而进行测量。还有，在提高数据的可靠性时，向天顶方向及相对于北、南、东、西各方位构成给定的天顶角θ的方位角方向的5方向辐射电波而进行测量。
还有，作为这样的风速雷达的主要构成部件的天线的形式，以前是采用抛物面天线、相控阵列方式的天线。此处，为了简单进行各地的风速/风向的观测，要使风速雷达能简单地进行移动，需要装置整体的小型化、构造的简单化。因此，必须极力减少电路、零部件、电缆等而降低成本，但为了确保数据的同时性，电波的切换必须高速地进行。还有，从强风时的数据稳定性的观点来看，优选的是不易受到风压的构造，优选的是电波方向的天顶角θ可变。
此处，在利用抛物面天线作为风速雷达的主要构成部件的场合，采用以下两种形式。即，(a)使用3个抛物面天线的形式，(b)机械地驱动1个抛物面天线的形式。
(a)的形式是设置与天顶、北、东各方位对应的3个抛物面天线，切换各抛物面天线而进行观测的形式。可是，因为是排列设置3个具有1m以上直径的天线的形式，所以非常庞大，需要大的设置面积，受到设置场所的限制。因此，难以实现装置的小型化，成本也会变高。还有，抛物面天线是容易受到风压的构造，所以在台风等强风时，由于风的影响，天线会摇曳，对观测数据带来影响。因此，缺乏数据的准确性、稳定性。再有，抛物面天线是固定设置的，所以不能容易地变更电波方向的天顶角θ。
(b)的形式的场合，是通过旋转移动，在各种观测方向都能使抛物面天线的开口面对应，所以对于所有方位，设置1台抛物面天线即可。因此，不像上述(a)的形式那样庞大。可是，为了把具有1m以上直径的大天线倾斜，将其驱动到目的方位而固定，对于天线，需要极大的天线支撑机构、控制机构。因此，装置必然会大型化。还有，因为是进行机械操作来改变天线的方向的方式，所以方位的切换需要长的时间。因此，不能得到各方位间的观测数据的同时性，不能对应剧烈的气象变化。再有，与(a)的形式的场合一样，在台风等强风时缺乏数据的准确性、稳定性，这是存在的问题。
相控阵列方式的天线是可通过改变单元天线的供电信号的相对相位而任意地控制指向性，即所发送接收的电波的发送接收方向的天线。并且，采用按平面状排列许多单元天线来形成，统一所发送接收的方向的电波的相位面的方式。因此，预先连接有移相器，移相器把给定的相位量给予各单元天线，使单元天线的相位按照单元天线所配置的位置而变化。
该相控阵列方式的天线，因为天线面是平面，并且与地面平行，所以不易受到风的影响，即使是强风时也能取得稳定数据。还有，因为是控制各单元天线的相位来切换波束方位，所以能进行高速切换。
在利用相控阵列方式的天线作为风速雷达的主要部件的场合，作为满足风速雷达的特性的条件，例如，所发送接收的电波的天线增益必须为30dBi以上。可是，为了满足该条件，需要排列100个以上的单元天线。还有，需要在每个单元天线上连接一个波束方位的切换所需的移相器，这些移相器需要控制电路、控制线等，控制电路、控制线等用于通过移相器来改变必要的相位量。因此，风速雷达的构造极为复杂。再有，因为天线由多个单元天线构成，所以发送、接收器也需要有多个，相控阵列方式的天线的成本非常高。
因此，为满足对上述风速雷达要求的各种条件，公开了使用透镜天线的风速雷达。具体而言，该风速雷达具备：采用电介质材料使相对介电常数在半径方向以给定的比例变化地形成的球形的电波透镜；配置在通过电波透镜向希望的多个方位角方向发送、接收的电波的焦点位置的多个一次辐射器；以及与该一次辐射器连接的发送、接收器。该电波透镜是所谓的路尼伯格透镜，是以前公知的电波透镜，是在具有比电波透镜的直径小些的直径的环状支撑板上载置电波透镜，由脚材支撑该支撑板，从而支撑电波透镜的构成。根据这样的风速雷达，可通过多个一次辐射器的高速切换来确保数据的同时性，不易受到风压的影响，所以能确保强风时的数据的稳定性，并且能实现装置整体的小型化、构造的简单化及低成本化，这是所记载的(例如参照专利文献1)。
此处，对于下列专利文献1中记载的风速雷达而言，作为形成路尼伯格透镜的电介质材料，是使用合成树脂的发泡体。可是，例如在使用直径800mm的路尼伯格透镜的场合，该路尼伯格透镜的重量约50kg。还有，路尼伯格透镜由合成树脂的发泡体形成，所以强度低，容易变形。因此，在上述把路尼伯格透镜载置在环状的支撑板上来支撑该路尼伯格透镜的构成中，由于自重，路尼伯格透镜有时会变形或损坏，有时会难以适当地支撑路尼伯格透镜，这是存在的问题。
专利文献1：特开2005—61905号公报
发明内容
此处，对于上述专利文献1中记载的风速雷达而言，作为形成路尼伯格透镜的电介质材料，是使用合成树脂的发泡体。可是，例如在使用直径800mm的路尼伯格透镜的场合，该路尼伯格透镜的重量约50kg。还有，路尼伯格透镜由合成树脂的发泡体形成，所以强度低，容易变形。因此，在上述的在环状的支撑板上载置路尼伯格透镜来支撑该路尼伯格透镜的构成中，路尼伯格透镜由于自重，有时会变形或损坏，有时会难以适当地支撑路尼伯格透镜，这是存在的问题。
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，对于具备采用电介质材料使相对介电常数在半径方向以给定的比例变化地形成的球形的电波透镜的风速雷达而言，提供一种能有效地防止电波透镜的变形、破损的风速雷达。
为了达到上述目的，本发明的一方式提供一种具备球形的发送接收用的电波透镜、发送接收用的一次辐射器和支撑电波透镜的支撑部件的风速雷达。发送接收用的电波透镜是采用电介质使相对介电常数在半径方向以给定的比例变化地形成的。发送接收用的一次辐射器是沿着电波透镜的外周，配设于向要观测的多个方位角方向通过电波透镜而发送接收的电波的焦点位置。载置电波透镜的支撑部件的表面具有与电波透镜的形状匹配的球面形状。
根据此构成，在支撑部件表面上可均等地分散电波透镜的负荷。因此，作为电波透镜，即使是采用使用电介质使相对介电常数在半径方向以给定的比例变化地形成的球形的路尼伯格透镜(例如直径为800mm，重量为50kg)的场合，也能有效地防止路尼伯格透镜的变形或破损。结果，在具备电波透镜的风速雷达中就能适当地支撑电波透镜。
在上述风速雷达中，优选的是在支撑部件上形成用于收纳一次辐射器的收纳部。根据该构成，能在由支撑部件适当地支撑电波透镜的状态下，容易地把一次辐射器配置在焦点位置。
在上述风速雷达中，优选的是支撑部件由纤维强化塑料材料形成。根据该构成，纤维强化塑料材料耐负荷性出色，所以能由支撑部件确实地支撑电波透镜。还有，能减薄支撑部件的厚度，所以能有效地抑制从一次辐射器辐射或向一次辐射器入射的电波透过支撑部件时的该电波的透过损耗及相位变化。还有，纤维强化塑料材料耐热性出色，温度变化所造成的尺寸变化小，所以能有效地防止长期使用所造成的支撑部件的变形、破损。再有，纤维强化塑料材料加工性出色，所以容易把支撑部件的表面加工成与电波透镜的形状匹配的球面形状，支撑部件的制造变得容易。
在上述风速雷达中，优选的是纤维强化塑料材料的纤维强化材料选自玻璃纤维、聚乙烯纤维及聚四氟乙烯纤维所组成的群中的至少1种。根据该构成，可进一步有效地抑制支撑部件上的电波的透过损耗。
还有，在上述风速雷达中，优选的是支撑部件由选自聚烯烃类树脂、聚苯乙烯类树脂及氟类树脂所组成的群中的至少1种来形成。根据该构成，能有效地抑制从一次辐射器辐射或向一次辐射器入射的电波透过支撑部件时的该电波的透过损耗和相位变化。再有，这些树脂加工性出色，所以容易把支撑部件的表面加工成与电波透镜的形状匹配的球面形状，支撑部件的制造变得容易。
在上述风速雷达中，优选的是支撑部件由发泡倍率为40以上的树脂发泡体来形成。根据该构成，能由具有与空气的介电常数极为接近的介电常数的树脂发泡体来形成支撑部件。因此，可进一步有效地抑制支撑部件上的电波的透过损耗。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的风速雷达的整体构成的局部断面图。
图2是用于说明支撑风速雷达的电波透镜的支撑部件的立体图。
图3是用于说明本发明的实施方式所涉及的风速雷达的风速、风向的测量方法的图。
图4是表示本发明的实施方式所涉及的风速雷达的变形例的局部断面图。
图5是图4的局部放大图。
图6是表示本发明的实施方式所涉及的风速雷达的变形例的局部断面图。
图7是表示本发明的实施方式所涉及的风速雷达的变形例的局部断面图。
图8(a)～(c)是用于说明本发明的实施方式所涉及的风速雷达的排列的图。
具体实施方式
以下说明本发明的优选实施方式。图1是表示本发明的实施方式所涉及的风速雷达的整体构成的局部断面图，图2是用于说明支撑风速雷达的电波透镜的支撑部件的立体图。还有，图3是用于说明本发明的实施方式所涉及的风速雷达所涉及的风速、风向的测量方法的图。
如图1所示，该风速雷达1具备：发送接收用的电波透镜2；以及沿着该电波透镜2的外周配设的多个发送接收用的一次辐射器3(本实施方式中是5个发送接收用的一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W)。另外，符号Z表示天顶方向，符号N表示北方向，符号S表示南方向，符号E表示东方向，符号W表示西方向。
该电波透镜2是呈球形的路尼伯格透镜，由中心的球核21和包围它的多个不同直径球壳22、…、2n-1、2n形成为球形的透镜，是采用电介质使相对介电常数在半径方向以给定的比例变化地形成的。另外，此处说的电介质是指呈现常介电性、强介电性或反强介电性并且不具有导电性的东西。由该路尼伯格透镜构成的电波透镜2按各球壳部的相对介电常数ε γ大致遵从ε γ＝2—(r/R)2的式子的方式形成，并且把中心部位的相对介电常数设定为约2，按从该中心部位到外侧介电常数成为约1的方式变化。另外，在上述式中，R是球的半径，r是离球中心的距离。还有，在本实施方式中，可使用电波透镜2的直径例如为800mm、600mm、450mm的东西。
作为该路尼伯格透镜用的电介质，例如可使用聚乙烯树脂、聚丙烯树脂等聚烯烃类的合成树脂发泡体。还有，也可使用对该合成树脂加上氧化钛、钛酸盐、锆酸盐等无机高介电填充物，使其发泡所得的东西。并且，这些介电发泡体的相对介电常数是使发泡倍率不同，控制比重，从而调整到目标值，通过该调整，就能获得高比重、高达某种程度的相对介电常数。
还有，若只改变发泡倍率而进行该相对介电常数的调整，则外周侧必须为中心侧的10倍以上的倍率，所以使无机高介电填充物的添加比例在中心侧增加，在外周侧减少即可。还有，上述球核的层数n是任意数，在本实施方式的风速雷达1中，例如设定为16～18，按使各球核的介电常数的变化细小、光滑地变化的方式来设定。
还有，作为介电发泡体的制造方法，例如，可以列举对原料(合成树脂单体或合成树脂和无机高介电填充物的混合物)，添加通过加热而分解，产生氮气等气体的发泡剂，将其放入希望的形状的模具而使之发泡的化学发泡法。还有，可以列举使浸渍挥发性发泡剂的小球状材料预发泡，把所获得的预发泡空心颗粒填充到希望形状的模具之后，用水蒸气等加热而再次使之发泡，使邻接空心颗粒互相融接的空心颗粒发泡法。
一次辐射器3采用其断面形状为大致矩形状或大致圆形状的开口部的电磁喇叭天线、在波导管中安装了电介质杆的电介质杆天线等。还有，作为一次辐射器3，也可以采用微带天线、狭缝天线、偶极子等线状天线及环形天线等。还有，从一次辐射器3发送接收的电波的电场的方向性(偏振波)可以是线性偏振波(例如垂直偏振波、水平偏振波)也可以是圆偏振波(例如右旋偏振波、左旋偏振波)。另外，如图1所示，一次辐射器3支撑在被轴部4支撑的支撑轨道5、6上。
还有，一次辐射器3，如图1所示，是在从地上到上空的观测区域中的要观测的希望的多个方位角方向所对应的电波透镜2的焦点位置(即向要观测多个方位角方向通过电波透镜2发送接收的电波的焦点位置)，配设了5个发送接收用的一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W。具体而言，与从地上到上空的观测区域中的向天顶方向及相对于北、南、东、西各方位构成给定的天顶角θ的方位角方向发送接收的电波的焦点位置对应，配设了5个发送接收用的一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W。另外，该一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W由未图示的同轴电缆连接于后述的控制部9的发送器11及接收器12。
还有，在本实施方式中，天顶角θ是在10°～15°的范围内设定为恰当的角度。在图1中，一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W是各自在支撑轨道5、6上固定设置在上述多个方位角方向所对应的电波透镜2的焦点位置。另外，优选的是按可移动地设置在支撑轨道5、6上，并且能固定在给定的方位角位置的方式分别构成一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W，使天顶角θ能在上述范围内变化。
还有，如图1、图2所示，电波透镜2由支撑部件7支撑。具体而言，电波透镜2的表面2a的一部分载置于支撑部件7的表面7a，由支撑部件7支撑电波透镜2。并且，如图1、图2所示，载置电波透镜2的支撑部件7的表面7a具有与电波透镜2的形状(即球形)匹配的球面形状。根据这样的构成，可在支撑部件7的表面7a上使电波透镜2的负荷均等地分散，所以作为电波透镜2，在使用由合成树脂的发泡体形成的，例如直径为800mm，重量为50kg的路尼伯格透镜的场合，能有效地防止该路尼伯格透镜的变形或破损。
还有，在本实施方式中，如图1所示，在支撑部件7上形成了用于收纳一次辐射器3等的收纳部17。借助于该收纳部17，在由支撑部件7适当地支撑电波透镜2的状态下，能在电波透镜2的焦点位置容易地配置一次辐射器3。
还有，这样，在支撑部件7内部收纳一次辐射器3等的构成中，在通过电波透镜2，从一次辐射器3辐射电波或者使电波向一次辐射器3入射时，该电波会透过支撑部件7。因此，支撑部件7需要具有出色的电波透过性(即透过损耗少、相位变化小的特性)。还有，支撑部件7需要具有能承受电波透镜2的负荷的强度(即耐负荷性)。因此，在本实施方式中，为了确保出色的电波透过性及耐负荷性，作为构成支撑部件7的材料，优选采用由纤维强化材料和基质树脂构成的纤维强化塑料(FRP)材料。
因为该纤维强化塑料材料的耐负荷性出色，所以使用由纤维强化塑料材料形成的支撑部件7就能确实地支撑电波透镜2。还有，因为纤维强化塑料材料的耐负荷性出色，所以能减薄由纤维强化塑料材料形成的支撑部件7的厚度。再有，选择电波透过性出色(即相对介电常数低、介质损耗角正切值低)的纤维强化材料、基质树脂，就能有效地抑制从一次辐射器3辐射或者向一次辐射器3入射的电波在透过支撑部件7时的该电波的透过损耗和相位变化。还有，纤维强化塑料材料耐热性出色、温度变化所造成的尺寸变化小，所以能有效地防止长期使用所造成的支撑部件7的变形、破损。再有，纤维强化塑料材料加工性出色，所以容易把支撑部件7的表面7a加工成与电波透镜2的形状匹配的球面形状，支撑部件7的制造变得容易。
作为纤维强化塑料材料的纤维强化材料，例如可以列举玻璃纤维、阿拉迈德纤维和尼龙纤维、聚乙烯纤维、聚四氟乙烯(PTFE)纤维等，这些纤维可以单体地或者组合地使用。其中，作为纤维强化材料，使用玻璃纤维、聚乙烯纤维和聚四氟乙烯纤维，可进一步有效地抑制电波的透过损耗。还有，使用玻璃纤维中石英(SiO2)的纯度高(例如纯度为99％)的石英玻璃纤维、上述聚四氟乙烯纤维，可把电波的透过损耗抑制到最小限度，因而是特别优选的。
还有，作为纤维强化塑料材料的基质树脂，可以采用热固化性树脂及热塑性树脂。作为热固化性树脂，例如可以列举不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、环氧树脂和双马来酰亚胺树脂。还有，作为热塑性树脂，例如可以列举聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂和聚醚砜树脂等。另外，这些树脂可以单体地或者组合地使用。还有，从兼顾电波透过性和耐负荷性的观点来看，由纤维强化塑料材料形成的支撑部件7的厚度优选的是1mm～5mm。
还有，在本实施方式中，作为形成支撑部件7的材料，可以使用合成树脂代替上述纤维强化塑料材料。作为该树脂，可以采用热固化性树脂及热塑性树脂，从有效地抑制电波的透过损耗和相位变化的观点来看，可优选使用聚烯烃类树脂、聚苯乙烯类树脂及氟类树脂。还有，这些树脂与上述纤维强化塑料材料一样，因为加工性出色，所以容易把支撑部件7的表面7a加工成与电波透镜2的形状匹配的球面形状，支撑部件7的制造变得容易。作为聚烯烃类树脂，例如可以列举聚乙烯、聚丙烯、乙烯—丙烯共聚物、乙烯—丁烯共聚物和丙烯—丁烯共聚物等。还有，作为聚苯乙烯类树脂，例如可以列举聚苯乙烯、苯乙烯—丙烯腈共聚物、苯乙烯—丁二烯共聚物、苯乙烯—异丁烯酸共聚物、苯乙烯—甲基丙烯酸甲酯共聚物和苯乙烯—丙烯酸共聚物。还有，作为氟类树脂，可以列举聚四氟乙烯、四氟乙烯—六氟丙烯共聚物(FEP)等。
作为形成支撑部件7的材料，也可以使用具有高发泡倍率的树脂发泡体。从电波透过性的观点来看，优选的是在电波透镜2和一次辐射器3之间只存在介电常数为1的空气。因此，为了使形成在电波透镜2和一次辐射器3之间存在的支撑部件7的材料的介电常数降低到与空气的介电常数极为接近的介电常数，需要使用具有高发泡倍率的发泡体来形成支撑部件7。在本实施方式中，可使用发泡倍率为40以上的树脂发泡体，由具有与空气的介电常数极为接近的介电常数的发泡体来形成支撑部件7。因此，作为上述纤维强化塑料材料，与使用玻璃纤维、聚乙烯纤维和聚四氟乙烯纤维的情况一样，能进一步有效地抑制电波透过支撑部件7时的该电波的透过损耗和相位变化。
还有，作为形成具有这样的高发泡倍率的树脂发泡体的树脂，例如可优选使用上述聚烯烃类树脂、聚苯乙烯类树脂和氟类树脂。还有，从提高电波透过性的观点来看，由具有高发泡倍率的发泡体形成的支撑部件7的厚度优选的是10mm～100mm。
还有，如图1所示，风速雷达1具备用于保护电波透镜2、一次辐射器3、支撑部件7等免受风雨、积雪的罩8，电波透镜2、一次辐射器3、支撑部件7等收纳在罩8的内部。还有，罩8要具有出色的电波透过性，所以在本实施方式中，为了确保出色的电波透过性，作为构成罩8的材料，例如优选使用上述纤维强化塑料(FRP)材料。另外，本实施方式的风速雷达1，如图1所示，在该罩8的下方，具备收纳后述的发送器11、接收器12等的控制部9。
其次，用图3说明风速雷达1所涉及的风速、风向的测量方法。如图3所示，风速雷达1的控制部9具备：生成高频信号的振荡器10；与该振荡器10连接，放大由振荡器10生成的高频信号的发送器11；以及放大反射或后方散射回来的微弱的高频电波信号的接收器12。还有，控制部9具备与发送器11、接收器12及一次辐射器3连接而进行所发送接收的信号的切换的切换器13，一次辐射器3(即多个一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W各自)通过切换器13而与发送器11、接收器12连接。还有，控制部9具备：与接收器12连接，检测由该接收器12接收到的信号的信号检测器14；以及与信号检测器14连接，处理由该信号检测器14检测到的信号，运算大气层T的风速、风向信息的信号处理器15。
还有，控制部9具备作为控制装置的计算机16，通过启动雷达装置控制程序来进行振荡器10、发送器11、接收器12、切换器13、信号检测器14和信号处理器15的控制。
在以上构成的情况下，在进行风速、风向的观测时，首先，由振荡器10生成给定的高频信号，该高频信号被送出到发送器11。接着，高频信号由发送器11放大，被送出到多个一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W各自。然后，放大后的高频信号作为高频电波20，从一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W各自通过电波透镜2，向空间中的上述要观测的希望的多个方位角方向辐射。接着，把由上空的大气层T反射，从各方位角方向返回的微弱的高频电波21用电波透镜2集聚在焦点位置，通过电波透镜2，由多个一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W各自接收。
这时，在本实施方式中，如上所述，按照向要观测的多个方位角方向，例如天顶及与东西南北构成天顶角θ的方位角方向通过电波透镜2发送接收的电波的焦点位置，配设一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W。因此，如果从配设在各个焦点位置的一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W发送电波，则直接反射的电波会返回到各焦点位置的一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W，能获得给定的方位角方向的电波信号。因此，可向多个方位角方向同时发送接收电波，所以可提高所收集的数据的同时性。还有，可缩短数据收集时间。
并且，一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W各自接收的电波信号被送出到由切换器13切换到的接收器12。接着，在接收器12中，高频信号被放大，经由信号检测器14被送出到信号处理器15，由该信号处理器15处理由信号检测器14检测到的信号，获得大气层T的风速、风向的信息。
另外，可以与多个一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W分别对应而设置多个发送器11及接收器12(即5个发送器11和5个接收器12)。还有，也可以对于多个一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W只设置1组发送器11及接收器12(即1个发送器11和1个接收器12)，通过控制切换器13从多个一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W中选择辐射电波(或者电波入射)的一次辐射器。
还有，在本实施方式的风速雷达1中，从风速雷达1辐射的电波的一部分被大气紊流所散射，并且由于气流的速度所造成的多普勒效应而产生频率移动，通过观测它来观测大气层T的风速、风向的信息。
即，例如，如图3所示，对于南方向S，若向着构成给定的天顶角θ的方位角方向，从一次辐射器3S经由电波透镜2而辐射脉冲状的电波，则该电波在上空由于与大气的混乱(紊流)伴随的折射率的摆动而稍微被散射，伴随与高度对应的时间延迟而返回到电波透镜2。因此，把散射波强度作为时间的函数来测量，就能按高度获得风速、风向数据，这样的测量是把由接收器12接收到的电波信号在上述控制部9中运算来获得的。
还有，在本实施方式中，在进行该测量时，如上所述，使用球形的路尼伯格透镜作为电波透镜2。因此，即使是电波的衰减率小、微弱的电波也能充分检测。还可提供强度高并且也不易受风压的电波透镜2。因此，在设置于受台风袭来等强风的地域的场合，也能提供耐风性出色的风速雷达1。
还有，在本实施方式的风速雷达1中，与上述相控阵列方式的天线不同，一次辐射器3不需要连接移相器，并且不需要许多单元天线。因此，能实现装置的小型轻量化和构造的简化，并且能极力减少电路、零部件、电缆等，所以能实现低成本化。
其次，参照图3来说明上述控制部9的运算。上空的大气层T的紊流随大气的混乱(即风)K而移动，所以散射后的电波由于多普勒效应而出现图3所示的散射点A处的与风速V成比例的频率位移(即多普勒移动)Δf。并且，在该多普勒移动Δf和视线方向风速(风速的电波辐射方向成分)Vr之间，若把辐射电波的频率设为f，把光速设为c，则下面的(式1)成立。
Δf = f { c + Vr c - Vr - 1 } …(式1)
还有，在上述(式1)中，视线方向风速Vr是小到与光速c相比可忽略的程度，所以展开上述(式1)，忽略2次项以下，则得到下面的(式2)。
Vr = c Δf 2 f …(式2)
并且，在使从一次辐射器3辐射的电波的方位向着天顶方向Z的场合，可根据(式2)求出风速V的铅垂成分Vz。其次，把电波的方位变更为相对于天顶方向Z按角度±θ倾斜的方向，测量该视线方向风速Vr(θ)，从而根据下面的(式3)求出风速V的水平分量Vh。另外，在该场合，假定电波的测量范围内的风K是一样的。
Vh = Vr ( θ ) - Vr ( - θ ) 2 sin θ …(式3)
另外，在上述(式3)中，θ和—θ例如对应于东和西(或者北和南)。根据以上情况，能得到各高度上的风速及风向的高度分布。这样，本实施方式的风速雷达1就能根据来自地表的电波，利用透镜天线简便且准确地测量大气层中的风向、风速分布等，能广泛地用于大气运动的观测。
根据以上说明的本实施方式，能得到以下效果。
(1)本实施方式的风速雷达1具备：采用电介质按相对介电常数在半径方向以给定的比例变化的方式形成的球形的电波透镜2；以及支撑该电波透镜2的支撑部件7。并且，载置电波透镜2的支撑部件7的表面7a具有与电波透镜2的形状匹配的球面形状。因此，在支撑部件7的表面7a上可均等地分散电波透镜2的负荷，所以即使在使用重量大的路尼伯格透镜的场合，也能有效地防止该路尼伯格透镜的变形或破损。结果，在具有电波透镜2的风速雷达1中可适当地支撑电波透镜2。
(2)在本实施方式中，在支撑部件7上形成了收纳一次辐射器3的收纳部17。因此，在由支撑部件7适当地支撑电波透镜2的状态下，能容易地把一次辐射器3配置在电波透镜2的焦点位置。
(3)在本实施方式中，由耐负荷性出色的纤维强化塑料材料形成支撑部件7。因此，可由支撑部件7确实地支撑电波透镜2。还有，能减薄支撑部件7的厚度，所以能有效地抑制从一次辐射器3辐射或向一次辐射器3入射的电波透过支撑部件7时的该电波的透过损耗及相位变化。还有，纤维强化塑料材料耐热性出色，温度变化所造成的尺寸变化小，所以能有效地防止支撑部件7的变形、破损。再有，纤维强化塑料材料加工性出色，所以支撑部件7的制造变得容易。
(4)在本实施方式中，作为形成支撑部件7的纤维强化塑料材料的纤维强化材料，是使用玻璃纤维、聚乙烯纤维及PTFE纤维。因此，可进一步有效地抑制支撑部件7上的电波的透过损耗。
(5)在本实施方式中，由聚烯烃类树脂、聚苯乙烯类树脂及氟类树脂形成支撑部件7。因此，能有效地抑制从一次辐射器3辐射或向一次辐射器3入射的电波透过支撑部件7时的该电波的透过损耗和相位变化。再有，这些树脂加工性出色，所以支撑部件7的制造变得容易。
(6)在本实施方式中，由发泡倍率为40以上的树脂发泡体形成支撑部件。因此，可进一步有效地抑制支撑部件7上的电波的透过损耗。
另外，上述实施方式也可以按以下方式变更。
在上述实施方式中，是与向多个方位角方向发送接收的电波的焦点位置对应而配设多个一次辐射器3Z、3N、3S、3E及3W，不过，也可以是与向多个方位角方向发送接收的电波的焦点位置对应而可移动地配设1个一次辐射器3。具体而言，如图4、图5所示，在风速雷达50中，互相正交地设置支撑轨道5、6，并且例如向着南北方向设置支撑轨道5，向着东西方向设置支撑轨道6。并且，把1个一次辐射器3在图中的箭头方向可移动地设置在支撑轨道5、6上，使之停止于向天顶方向及相对于北、南、东、西各方位构成给定的天顶角θ的方位角方向发送接收的电波的焦点位置，在各停止位置测量风速、风向数据。另外，风速、风向数据的测量方法与上述实施方式一样。根据这样的构成，能用1个一次辐射器3测量风速、风向数据，所以能抑制成本增加。
还有，如图6所示，在风速雷达51中，也可以只在一方位方向延伸设置支撑一次辐射器3的支撑轨道30，并且可旋转地设置支撑支撑轨道30的轴部4。在该场合，在向天顶方向Z发送接收的电波的焦点位置固定配设一次辐射器3Z，并且在支撑轨道30上可移动地设置1个一次辐射器3。并且，使该一次辐射器3停止于向相对于北、南、东、西各方位构成给定的天顶角θ的方位角方向发送接收的电波的焦点位置，在各停止位置测量风速、风向数据。
还有，也可以如图7所示的风速雷达52那样，在图6所示的风速雷达51中，省略在向天顶方向Z发送接收的电波的焦点位置配设的一次辐射器3Z，在支撑轨道30上可移动地只设置1个一次辐射器3。在该场合，使该一次辐射器3停止于向天顶方向及相对于北、南、东、西各方位构成给定的天顶角θ的方位角方向发送接收的电波的焦点位置，在各停止位置测量风速、风向数据。
还有，形成支撑部件7的材料只要具有上述电波透过性、耐负荷性及加工性即可，可以使用其他材料。例如，可以使用陶瓷材料、木材等作为形成支撑部件7的材料。
还有，可以排列使用多个风速雷达1。具体而言，例如可以如图8(a)所示，排列4个风速雷达1，也可以如图8(b)所示，排列7个风速雷达。还可以如图8(c)所示，排列13个风速雷达1。根据这样的构成，能加大电波透镜2的物理面积，所以能提高天线增益和发送功率。结果就能提高雷达的性能(例如观测高度)。另外，在该场合，图3中说明了的振荡器10、信号检测器14及信号处理器15等可以对于多个风速雷达1分别设置，也可以对于多个风速雷达1整体只设置1个振荡器10、信号检测器14及信号处理器15等。
工业实用性
作为本发明的应用例子，可以列举通过透镜天线而发送、接收信号，测量大气层中的风向、风速分布等的风速雷达。

Claims (6)

1.一种风速雷达，其特征在于，具备：
球形的发送接收用的电波透镜，是采用电介质使相对介电常数在半径方向以给定的比例变化地形成的；
发送接收用的一次辐射器，沿着上述电波透镜的外周，配设于向要观测的多个方位角方向通过上述电波透镜而发送接收的电波的焦点位置；以及
支撑部件，支撑上述电波透镜，
载置上述电波透镜的上述支撑部件的表面具有与上述电波透镜的形状匹配的球面形状。
2.根据权利要求1所述的风速雷达，其特征在于，在上述支撑部件上形成了用于收纳上述一次辐射器的收纳部。
3.根据权利要求2所述的风速雷达，其特征在于，上述支撑部件由纤维强化塑料材料形成。
4.根据权利要求3所述的风速雷达，其特征在于，上述纤维强化塑料材料的纤维强化材料选自玻璃纤维、聚乙烯纤维及聚四氟乙烯纤维所组成的群中的至少1种。
5.根据权利要求2所述的风速雷达，其特征在于，上述支撑部件由选自聚烯烃类树脂、聚苯乙烯类树脂及氟类树脂所组成的群中的至少1种来形成。
6.根据权利要求5所述的风速雷达，其特征在于，上述支撑部件由发泡倍率为40以上的树脂发泡体来形成。
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