JP2005308754A

JP2005308754A - 空港観測用気象レーダ

Info

Publication number: JP2005308754A
Application number: JP2005134241A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Wada; 将一和田; Yasuhiro Katsuyama; 靖博勝山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】空港観測用として、離着陸経路について、水滴の有無にかかわらず、風向・風速を算出できるようにする。
【解決手段】空中線部１１によりパルスビームを放射してその反射波を受信し、信号処理部１７にてその信号強度から覆域内の降雨・雲発生領域を観測する。ここで、降雨・雲発生領域の風向・風速情報を得たい場合には、信号処理部１７にて、その領域のレイリー散乱によるドップラ・エコー成分を観測し、この観測結果から風向・風速を算出する。離着陸経路に降雨・雲が認められない状況では、空中線部１１により形成されるビームの指向方向をその観測対象とする離着陸経路に向け、信号処理部１７にて、反射波の受信信号からブラッグ散乱によるエコー成分を観測し、この観測結果から風向・風速を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波の反射波から水滴の有無や風向・風速等を算出する気象観測機器に属する気象レーダに係り、特に空港観測用のものに関する。

従来の気象レーダは、雲や雨等の水滴からのレイリー散乱による反射波から、水滴の分布を観測する気象観測センサである。特に、気象ドップラレーダは、上記水滴分布の観測に加えて、反射波のドップラ成分から水滴の移動速度を観測し、水滴が存在する空間の風向・風速を算出することも可能にした気象レーダである。したがって、現状の気象レーダにおいては、風向・風速が算出できる領域は水滴が存在する場合に限られている。

以上述べたように、従来の気象レーダでは、水滴が存在する場合しか風向・風速を算出することができない。このため、空港では、降雨・雲が発生していない状況では、気象レーダの風向・風速算出が望めないため、他の風向・風速観測の専用観測機器の配置を余儀なくされている。但し、従来の風向・風速観測の専用観測機器であるウインドプロファイラや境界層レーダでは、鉛直方向での観測で広範囲の観測がなされるものであり、離着陸経路に沿って風観測を行うような、局所的な観測で運用されている例はない。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、雨や雲等の水滴からのドップラ・エコーが無い場合でも風観測が可能で、降雨・雲発生状況にかかわらず離着陸経路の風向・風速を観測することのできる空港観測用気象レーダを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係る空港観測用気象レーダは、以下のような特徴的構成を有する。

（１）ビーム指向方向を制御可能な空中線によりパルスビームを空港内に放射してその反射波を受信し、その信号強度から前記空港内の降雨・雲発生領域を観測する空港観測用気象レーダにおいて、前記空中線により形成されるビームの指向方向を前記空港内の離着陸経路の方向に向けて、前記反射波の受信信号からブラッグ散乱によるエコー成分を観測し、この観測結果からビーム指向方向に対する風向・風速分布を算出するブラッグ散乱観測手段を備えることを特徴とする。

上記構成による空港観測用気象レーダでは、空港内の降雨・雲発生領域観測結果から水滴がない場合でも、離着陸経路に対してブラッグ散乱によるエコー成分を観測することで、離着陸経路に対する風向・風速分布を算出可能としている。

（２）ビーム指向方向を制御可能な空中線によりパルスビームを空港面内に放射してその反射波を受信し、その信号強度から前記空港面内の降雨・雲発生領域を観測する空港観測用気象レーダにおいて、単位観測周期内で、前記空中線により形成されるビームの指向方向を旋回させながら、複数仰角についてレイリー散乱のエコー成分を観測して前記覆域内の降雨・雲発生領域の情報を求める降雨・雲発生領域情報取得手段と、前記降雨・雲発生領域情報に基づいて、前記空中線により形成されるビームの指向方向を空港内の前記降雨・雲発生領域に向けて、前記反射波の受信信号からレイリー散乱によるドップラ・エコー成分を観測し、この観測結果から風向・風速分布を算出するレイリー散乱観測手段と、前記ビームの指向方向を前記空港内の離着陸経路の方向に向けて、前記反射波の受信信号からブラッグ散乱によるエコー成分を観測し、この観測結果からビーム指向方向に対する風向・風速分布を算出するブラッグ散乱観測手段とを具備することを特徴とする。

上記構成による空港観測用気象レーダでも、空港内に降雨や雲が発生しておらず、レイリー散乱によるエコーが観測できない場合でも、離着陸経路に対してブラッグ散乱によるエコー成分を観測することで、離着陸経路に対する風向・風速分布を算出可能としている。

（３）（１）または（２）の構成において、前記ブラッグ散乱観測手段による観測時には、前記空中線により形成されるビームの指向方向を一定時間固定して、観測されたエコー成分を蓄積処理することを特徴とする。

上記構成による空港観測用気象レーダでは、ブラッグ散乱によるエコー成分が極めて小さいことを考慮して、ビーム指向方向を固定して観測されたエコー成分を蓄積することで、観測精度を向上させている。

以上述べたように、本発明に係る空港観測用気象レーダは、ブラッグ散乱による乱流観測機能を備えているので、雨や雲等の水滴からのドップラ・エコーが無い場合でも、覆域内の任意の方向に対する風向・風速分布の算出が可能となる。

したがって、雨や雲等の水滴からのドップラ・エコーが無い場合でも風観測が可能で、降雨・雲発生状況にかかわらず離着陸経路の風向・風速を観測することのできる空港観測用気象レーダを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

ここで、本実施形態の空港観測用気象レーダにおいては、水滴成分がなくても風観測を行えるようにするために、レイリー散乱の他にブラッグ散乱の反射波を観測する機能を付加し、この機能により乱流域を特定し、その乱流域の移動から風向・風速を算出するものとする。

図１は本発明により風観測機能を強化した空港観測用気象レーダの構成を示すもので、空中線部１１は、送受信切替部１２から入力した送信パルス信号をビーム方向へ電波として送信すると共に、その反射波を受信し、その受信信号を送受信切替部１２へ出力する機能を有する。

空中線制御部１３は、上記空中線部１１に対し、モード判定部１４からのモード情報に応じて、ビーム方向の走査パターンを変更する機能を有する。

送受信切替部１２は、送信部１５からの送信パルス信号を空中線部１１へ出力し、空中線部１１からの受信信号を受信部１６へ出力するための信号切替を行う機能を有する。

送信部１５は、探索距離に応じた周期で繰り返し送信パルス信号を発生し、送受信切替部１２へ出力すると共に、パルス送信タイミングを示すトリガ信号を生成して受信部１６へ出力する機能を有する。

受信部１６は、送信部１５からのトリガ信号の間隔で送受信切替部１２からの受信信号を取り込み、周波数変換、増幅等の処理を行った後、信号処理部１７へ出力する機能を有する。

信号処理部１７は、受信部１６から入力した信号に対して、モード判定部１４からのモード情報に応じた各種信号処理（ＦＦＴ処理、周波数スペクトル積算処理、速度算出処理等）を行い、強度成分（雨量情報）と速度成分（風速情報）等を抽出した後、それらの情報をモード判定部１４及び表示部１８へ出力する機能を有する。

モード判定部１４は、信号処理部１７から入力した情報を基に降雨・雲観測主体か乱流観測主体かを判定し、そのモード情報（降雨・雲観測モード／乱流観測モード）を信号処理部１７及び空中線制御部１３へ出力する。

表示部１８は、信号処理部１７から入力した情報を基に、雨量の３次元分布、任意の方向に対する風向・風速分布等を画面上に表示する機能を有する。

次に、本発明の特徴となる動作例について説明する。本発明の特徴的な動作は、図１に示す構成のうち、空中線制御部１３と信号処理部１７、及びモード判定部１４の動作に集約される。以下、この３構成の動作について、従来の技術と比較しながら説明する。

まず、空中線制御部１３のモード別動作例について説明する。

従来の空港観測用気象レーダにあっては、図２に示すように、ビーム方向を一定の速度で回転させて全方位を走査し、１回転毎に低仰角から高仰角へステップ的に変化させて、方位、仰角別に降雨・雲観測（ＣＡＰＰＩ：Constant Altitude PPI）及び風算出（ＶＡＤ：Velocity Azimuth Display，ＶＶＰ：Volume Velocity Processing）を行い、この観測を繰り返し実行するようにしている。

一方、ブラッグ散乱を利用して風向・風速を求める従来の気象観測センサとして、ウインドプロファイラや境界層レーダがある。これらの気象観測センサでは、天頂方向とこの天頂方向から数度傾け、互いに９０度開いた２方向（例えば北方向、東方向）の計３方向について順次一定期間づつ乱流観測を行い、各方向の乱流状態を比較することで各高度の風向・風速を算出するようにしている。

これに対し、本実施形態の空港観測用気象レーダにおいては、図３あるいは図４に示すアンテナ走査パターンにより、単位観測期間内に降雨・雲観測モードと乱流観測モードの両方の観測モードを時分割に切り替えて行うことを特徴とする。その観測モードの割合は、覆域全体に対する降雨域の割合から適宜選定する。

図３及び図４に示すように、初回は降雨・雲観測モードとし、降雨域の割合を求めてモード判定を行う。降雨域がある一定以上の場合は、図３に示すように、従来の空港観測用気象レーダにて行われているＣＡＰＰＩシーケンスによる降雨・雲観測、及びＶＡＤやＶＶＰによる風観測を主体とする。一方、降雨域がある一定以下の場合は、図４に示すように、ある一定方向（図４においては天頂方向）の乱流観測を主体とする。

ここで、ブラッグ散乱からの反射波は、レイリー散乱からの反射波に比べて電波強度が小さいため、空中線のビーム方向を観測方向に一定時間停止させて観測を実施するものとする。したがって、水滴がある領域ではレイリー散乱によるドップラ・エコー観測から風向・風速を算出する方がブラッグ散乱によるエコー観測から風向・風速を算出するよりも効率的である。このことから、ブラッグ散乱によるエコー観測は、降雨・雲発生領域以外の領域に限られる。

尚、降雨・雲観測を主体とするか乱流観測を主体とするかの判定は、初回のＣＡＰＰＩによる降雨域情報により、後述するモード判定部１４にて決定する。また、図３及び図４に示すアンテナ走査パターン例では、乱流観測を天頂方向としているが、本発明においては乱流観測方向を天頂方向だけに限定することはせず、様々な用途に応じて任意の方向に対する乱流観測を可能とするものとする。

次に、信号処理部１７の動作例について説明する。

まず、従来の空港観測用気象レーダにおける信号処理では、図５に示すように、受信信号に対して平均処理（Ｓ１１）を行うことで強度信号（雨量情報）を求め、パルスペア処理（Ｓ１２）を行うことで速度信号（風速情報）を求めている。また、ウインドプロファイラや境界層レーダの信号処理では、図６に示すように、受信信号のＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理（Ｓ２１）によって時間軸領域の信号を周波数軸領域の信号に変換し、周波数スペクトル積算処理（Ｓ２２）を行った後、速度算出処理（Ｓ２３）を行うことで、速度信号（風速情報）を得るようにしている。

これに対し、本実施形態の空港観測用気象レーダにおける信号処理では、図７に示すように、受信信号のＦＦＴ処理（Ｓ３１）を行った後、周波数スペクトル積算処理（Ｓ３２）を行い、この積算処理結果から強度算出処理（Ｓ３３）及び速度算出処理（Ｓ３４）を行って、強度信号（雨量情報）及び速度信号（風速情報）を得る。

ここで、ブラッグ散乱からのエコー強度はレイリー散乱からのエコー強度と比べて遙かに小さい。そこで、周波数スペクトル積算処理（Ｓ３２）において、モード情報に基づいて積算回数を切り替える。例えば、降雨・雲観測モードでは周波数スペクトル積算処理回数を１回とし、乱流観測モードでは所要のＳ／Ｎ比が得られるように複数回の積算処理を行うものとする。

次に、モード判定部１４の動作例について説明する。

信号処理部１７から天頂を含めた降雨域情報を入力し、降雨域がある一定値を超えるか超えないかを判別し、降雨・雲観測主体か乱流観測主体かの判定を行い、その情報（降雨・雲観測モード／乱流観測モード）を信号処理部１７及び空中線制御部１３へ出力する。

具体的な判定基準の一例を次に示す。図８に示すように、天頂方向を含む高度別ＣＡＰＰＩ出力において、降雨域が全覆域に対してある一定割合以上を占める場合に降雨・雲観測を主体とするモードとし、ある一定割合以下の場合は乱流観測を主体とするモードとする。

但し、乱流観測を主体とするモードでも、観測方向に降水がある時は、降雨・雲観測を主体とする。特に、ブラッグ散乱による乱流観測において、レイリー散乱の影響で受信強度がある一定値以上となる場合、降水があると判断し、降雨・雲観測主体にモードを切り替えるものとする。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の構成による空港観測用気象レーダでは、水滴成分のある領域についてはレイリー散乱のドップラ・エコー成分から風向・風速情報を取得し、水滴成分のない領域についてはブラッグ散乱のエコー成分から風向・風速情報を取得するようにしているので、水滴成分の有無にかかわらず風向・風速情報が得られるようになり、覆域内のどの領域でも風向・風速情報の取得が可能となる。

ここで、ブラッグ散乱のエコー成分を利用しているウインドプロファイラと比較した場合、ウインドプロファイラではＶＨＦまたはＵＨＦ帯の電波を用いるため、空中線が数十メートル四方の巨大な開口面積を要し、空中線の指向方向を固定せざるを得ないが、気象レーダではＣまたはＸ帯の電波を用い、開口面積が半径数メートル程度であるため、任意の方向に指向可能である。

このことから、空港の離着陸経路近傍の乱流（マイクロバースト等）といった非常に規模の小さな気象現象まで直接観測することが可能となる。

したがって、両者の機能を兼ね備えた本発明による空港観測用気象レーダは、降雨・雲の発生状況に依存せずに風速・風速情報が得られ、幅広い運用が可能となる。

本発明に係る空港観測用気象レーダの一実施形態の構成を示すブロック図。同実施形態の空港観測用気象レーダにおけるビーム走査パターンと比較するための従来の気象レーダのビーム走査パターンを示すパターン波形図。同実施形態の空港観測用気象レーダにおいて、降雨域がある一定以上の場合のビーム走査パターンを示すパターン波形図。同実施形態の空港観測用気象レーダにおいて、降雨域がある一定以下の場合のビーム走査パターンを示すパターン波形図。同実施形態の空港観測用気象レーダにおける信号処理手順と比較するための従来の気象レーダの信号処理手順を示す系統図。同実施形態の空港観測用気象レーダにおける信号処理手順と比較するための従来のウインドプロファイラあるいは境界層レーダの信号処理手順を示す系統図。同実施形態の空港観測用気象レーダにおける信号処理手順を示す系統図。同実施形態のモード判定基準の一例を説明するための高度別ＣＡＰＰＩ出力例を示す図。

符号の説明

１１…空中線部
１２…送受信切替部
１３…空中線制御部
１４…モード判定部
１５…送信部
１６…受信部
１７…信号処理部
１８…表示部

Claims

ビーム指向方向を制御可能な空中線によりパルスビームを空港内に放射してその反射波を受信し、その信号強度から前記空港内の降雨・雲発生領域を観測する空港観測用気象レーダにおいて、
前記空中線により形成されるビームの指向方向を前記空港内の離着陸経路の方向に向けて、前記反射波の受信信号からブラッグ散乱によるエコー成分を観測し、この観測結果からビーム指向方向に対する風向・風速分布を算出するブラッグ散乱観測手段を備えることを特徴とする空港観測用気象レーダ。
ビーム指向方向を制御可能な空中線によりパルスビームを空港面内に放射してその反射波を受信し、その信号強度から前記空港面内の降雨・雲発生領域を観測する空港観測用気象レーダにおいて、
単位観測周期内で、前記空中線により形成されるビームの指向方向を旋回させながら、複数仰角についてレイリー散乱のエコー成分を観測して前記覆域内の降雨・雲発生領域の情報を求める降雨・雲発生領域情報取得手段と、
前記降雨・雲発生領域情報に基づいて、前記空中線により形成されるビームの指向方向を空港内の前記降雨・雲発生領域に向けて、前記反射波の受信信号からレイリー散乱によるドップラ・エコー成分を観測し、この観測結果から風向・風速分布を算出するレイリー散乱観測手段と、
前記ビームの指向方向を前記空港内の離着陸経路の方向に向けて、前記反射波の受信信号からブラッグ散乱によるエコー成分を観測し、この観測結果からビーム指向方向に対する風向・風速分布を算出するブラッグ散乱観測手段とを具備することを特徴とする空港観測用気象レーダ。
前記ブラッグ散乱観測手段による観測時には、前記空中線により形成されるビームの指向方向を一定時間固定して、観測されたエコー成分を蓄積処理することを特徴とする請求項１または２に記載の空港観測用気象レーダ。