JP2006226711A - Radar - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-altitude high-resolution rainfall radar having a distance resolution of several meters for highly-accurate rainfall observation. <P>SOLUTION: This radar, which is a wide-band bistatic small-sized low-output rainfall pulse radar using a full-digital pulse compression technology, is constituted of an optional signal generator (AWG), a transmitter/receiver, an A/D conversion board, a GPS, a transmitting/receiving antenna and a plurality of amplifiers for amplifying signals. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、レーダー装置に関し、より詳細には、パルス圧縮技術を用いた広帯域バイスタティック降雨レーダーに関する。   The present invention relates to a radar apparatus, and more particularly to a broadband bistatic rain radar using a pulse compression technique.

レーダーによる降水強度の観測には、広範囲にわたって三次元空間の観測を行えるという利点があるが、地上に設置した雨量計を真値とした場合、レーダー雨量と真値との間には様々な誤差要因が存在する。例えば、水平風による雨滴の移流や落下中の雨滴の蒸発、不十分なBeam Fillingなどが誤差として影響を与える。その中でも重大な誤差要因の一つとして、低高度高分解能プロファイルが得られないことが挙げられる。特に山岳地の多い日本における従来のレーダーでは、クラッタの影響やモノスタティックアンテナなどの影響で地上から数百メートルや数キロメートル以上でしかプロファイルを得ることができないために、上述した低高度での雨滴の移流や蒸発に対する評価ができずに正確な地表に降る雨量の推定が困難であった。   The observation of precipitation intensity by radar has the advantage of being able to observe a three-dimensional space over a wide range, but when the rain gauge installed on the ground is assumed to be a true value, there are various errors between the radar rainfall and the true value. There are factors. For example, advection of raindrops by horizontal wind, evaporation of raindrops during fall, insufficient beam filling, etc. will affect as errors. Among them, one of the important error factors is that a low altitude and high resolution profile cannot be obtained. The conventional radar in Japan, especially in mountainous areas, can obtain a profile only several hundred meters or several kilometers from the ground due to the effects of clutter and monostatic antennas. It was difficult to accurately estimate the amount of rainfall that falls on the surface of the earth without evaluating the advection and evaporation.

また、百数十メートル程度の距離分解能を有するレーダーでは、パルスボリューム内での降雨の均一性を仮定しているレーダー方程式が成立しない可能性がある。このようなBeam filling errorを抑え、精度の高い降雨観測を行うには、高距離分解能を有するレーダーが必要であり、実用上、低出力であることが望まれる。   Further, in a radar having a distance resolution of about a few hundred tens of meters, there is a possibility that the radar equation assuming the uniformity of rainfall within the pulse volume may not be established. In order to suppress such beam filling errors and perform highly accurate rainfall observation, a radar having a high range resolution is required, and it is desired that the radar output be practically low.

パルスレーダーにおいて、その基本性能である最大探知距離と距離分解能の向上のために、尖頭送信出力の増大とパルス幅の挟化が行われてきた。しかし、尖頭送信出力には限界があり、またパルス幅を狭くすることは送信信号が広帯域になるため、S/N比の低下につながり、結果として探知距離が短くなる。このようなトレードオフを解決するため、送信パルス幅を長くし、送信パルス内で帯域幅を広帯域に変調を施す方式がパルス圧縮方式として考案された(例えば、非特許文献1)。パルス圧縮技術は以前から主に軍事用のレーダーに用いられてきたが、気象用レーダーではあまり応用例がない。その理由として、レンジサイドローブの問題が挙げられる。レンジサイドローブとは圧縮パルスの時間軸の前後に存在する偽エコーであり、降雨分布の把握と降水量の推定に影響をあたえるという問題がある。
古濱 洋治、 岡本 謙一、増子 治信 「人工衛星によるマイクロ波リモートセンシング」 電子情報通信学会、東京 1997年
In the pulse radar, in order to improve the maximum detection distance and the distance resolution, which are the basic performance, the peak transmission output has been increased and the pulse width has been narrowed. However, there is a limit to the peak transmission output, and narrowing the pulse width leads to a decrease in the S / N ratio because the transmission signal has a wide band, resulting in a short detection distance. In order to solve such a trade-off, a method of increasing the transmission pulse width and modulating the bandwidth in a wide range within the transmission pulse has been devised as a pulse compression method (for example, Non-Patent Document 1). Pulse compression technology has been used mainly for military radars for a long time, but there are few applications for weather radars. The reason is the problem of the range side lobe. The range side lobe is a false echo that exists before and after the time axis of the compression pulse, and has the problem of affecting the grasp of the rainfall distribution and the estimation of precipitation.
Yoji Furudate, Kenichi Okamoto, Harunobu Masuko “Microwave Remote Sensing Using Artificial Satellites” IEICE, Tokyo 1997

近年のデジタル技術の進歩により、高速デジタルサンプリングや任意信号発生器を利用してソフトウェア上でのパルス圧縮が可能となり、レンジサイドローブは、任意信号発生器などで送信波形を作成する際、変調方式を工夫することによって低減できる可能性が見えてきた。また、安価なシステム構成を実現できる可能性が見えてきた。   Recent advances in digital technology have enabled high-speed digital sampling and pulse compression on software using an arbitrary signal generator, and range sidelobe is a modulation method used when creating a transmission waveform with an arbitrary signal generator. The possibility that it can be reduced by devising this has become apparent. In addition, it has become possible to realize an inexpensive system configuration.

この発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、フルデジタルのパルス圧縮システムを採用することにより、従来の降雨レーダーよりも0〜1200m程度の低高度域において高い距離分解能を有するバイスタティック小型低出力のレーダー装置を提供するものである。   The present invention has been made in view of such circumstances, and has a high distance resolution in a low altitude range of about 0 to 1200 m as compared with a conventional rain radar by adopting a full digital pulse compression system. A bistatic small low-power radar device is provided.

この発明は、観測用の原信号を発生する任意信号発生器と、原信号をパルス圧縮によりアップコンバートしかつ増幅することによりRF波を出力する送信部と、送信部からのRF波を大気中へ出射し物体で反射された前記RF波を受信するアンテナと、受信されたRF波を増幅しかつ前記位相同期発信器を用いてダウンコンバートすることによりIF信号を得る受信部と、IF信号をA/D変換するA/D変換器と、信号発生器とA/D変換器とを同期させる基準クロックを提供する基準クロック提供部とを備えるレーダー装置を提供する。
前記任意信号発生器が、変調された擬似ノイズ信号およびチャープ信号を発生するように構成してもよい。
送信部が、位相固定オシレーターをさらに備え、位相固定オシレーターからの信号を用いて原信号をアップコンバートし、受信部が前記位相固定オシレーターから信号を用いてダウンコンバートするように構成してもよい。
さらに、前記送信部が、その帯域幅が20MHz〜100MHz、中心周波数が1GHz〜20GHzの範囲にあるRF波を出力するように構成してもよい。
また、前記アンテナが、送信用の送信アンテナと受信用の受信アンテナとからなっていてもよい。
さらにまた、前記アンテナが、雨滴あるいは雲中の氷ならびに水に反射されたRF波を受信してよい。
前記受信部が、受信したRF波をその中心周波数10MHz〜100MHzのIF波にダウンコンバートするように構成してもよい。
The present invention relates to an arbitrary signal generator that generates an original signal for observation, a transmission unit that outputs an RF wave by up-converting and amplifying the original signal by pulse compression, and an RF wave from the transmission unit in the atmosphere An antenna that receives the RF wave emitted from and reflected by the object, a receiving unit that amplifies the received RF wave and down-converts using the phase-synchronized oscillator, and an IF signal There is provided a radar apparatus including an A / D converter that performs A / D conversion, and a reference clock providing unit that provides a reference clock that synchronizes the signal generator and the A / D converter.
The arbitrary signal generator may be configured to generate a modulated pseudo noise signal and a chirp signal.
The transmission unit may further include a phase-locked oscillator, and may be configured such that the original signal is up-converted using a signal from the phase-locked oscillator, and the reception unit is down-converted using the signal from the phase-locked oscillator.
Furthermore, the transmission unit may be configured to output an RF wave having a bandwidth in the range of 20 MHz to 100 MHz and a center frequency in the range of 1 GHz to 20 GHz.
The antenna may be composed of a transmission antenna for transmission and a reception antenna for reception.
Furthermore, the antenna may receive RF waves reflected by raindrops or ice in the clouds and water.
The receiving unit may be configured to down-convert the received RF wave into an IF wave having a center frequency of 10 MHz to 100 MHz.

この発明のパルスレーダーは、中心周波数が高周波数であるので、従来の降雨レーダーに比べて低高度域において高い距離分解能の鉛直プロファイルを得ることができる。即ち、降雨の落下する様子をより高い分解能で観測して降雨の詳細な挙動を得ることができる。従って、地表に降る雨量を正確に推定することができる。   Since the center frequency of the pulse radar according to the present invention is high, it is possible to obtain a vertical profile having a high distance resolution in a low altitude region as compared with a conventional rainfall radar. That is, it is possible to obtain detailed behavior of the rain by observing the falling of the rain with higher resolution. Therefore, it is possible to accurately estimate the amount of rain falling on the ground surface.

以下、図面に示す実施形態に基づいてこの発明をさらに詳述する。
<レーダー装置の構成>
図1は、本発明によるレーダー装置(以下、ブロードバンドレーダーという)の実施の一態様を示すブロック図である。本レーダーは主に、任意信号発生器(AWG)、送受信機、A/D変換ボード、GPS、送信用カセグレンアンテナ、受信用角錐ホーンアンテナで構成されている。
任意信号発生器では、任意の送信信号を作成することができ、今回の降雨観測ではパルス幅を128μs、中心周波数60MHz、帯域80MHzのチャープ信号を作成し出力している。また任意信号発生器からの送信パルスの立ち上がりに同期して出力されるトリガ信号をA/D変換ボードのデータ取得開始のトリガに使用している。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on embodiments shown in the drawings.
<Configuration of radar device>
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a radar apparatus (hereinafter referred to as broadband radar) according to the present invention. This radar mainly consists of an arbitrary signal generator (AWG), a transceiver, an A / D conversion board, GPS, a transmission Cassegrain antenna, and a receiving pyramid horn antenna.
The arbitrary signal generator can generate an arbitrary transmission signal. In this rainfall observation, a chirp signal with a pulse width of 128 μs, a center frequency of 60 MHz, and a band of 80 MHz is generated and output. In addition, the trigger signal output in synchronization with the rising edge of the transmission pulse from the arbitrary signal generator is used as a trigger to start data acquisition on the A / D conversion board.

送受信機の送信部では、二つのPLO(Phase Locked Oscillator、位相同期発信器)で任意信号発生器からの信号を中心周波数15.75GHzまでアップコンバートし、さらにアンプによって約110mWまで増幅している。   In the transmitter of the transceiver, the signal from the arbitrary signal generator is up-converted to a center frequency of 15.75 GHz by two PLOs (Phase Locked Oscillators) and further amplified to about 110 mW by an amplifier.

送受信アンテナは、ともに垂直方向に向けて設置しており、送信用カセグレンアンテナは直径45cmでビーム幅2.5°、利得が33dBとなっている。また、受信用角錐ホーンアンテナはビーム幅が15°、利得が20dBである。   The transmitting and receiving antennas are both installed vertically, and the transmitting Cassegrain antenna has a diameter of 45 cm, a beam width of 2.5 °, and a gain of 33 dB. The receiving pyramid horn antenna has a beam width of 15 ° and a gain of 20 dB.

ホーンアンテナで受信された降雨からの散乱信号は、送受信機の受信部に入力し、中心周波数60MHzまでダウンコンバートしている。そして、そのIF信号を直接A/D変換ボードでデジタルサンプリングしている。A/D変換ボードの性能は垂直分解能12bit、サンプリング周波数400MS/s、メモリ4Mpointsとなっており、サンプリングされたデータは、接続してあるPCに保存され、ソフトウェアでのパルス圧縮処理が行われる。   Scattered signals from rainfall received by the horn antenna are input to the receiver of the transceiver and down-converted to a center frequency of 60 MHz. The IF signal is digitally sampled directly by the A / D conversion board. The A / D conversion board has a vertical resolution of 12 bits, a sampling frequency of 400 MS / s, and a memory of 4 Mpoints. The sampled data is stored in the connected PC and subjected to pulse compression processing by software.

本レーダーのシステムでは、GPSから出力されている高精度10MHz基準信号を用いて、A/D変換ボードと任意信号発生器の内部クロックを同期させている。またGPSを使ってデータ取得用のPC、ディスドロメータ(Disdrometer)、さらに比較に用いるマイクロレインレーダ(MicroRainRadar)との3台のPC間での時刻同期も行っている。   In this radar system, the A / D converter board and the internal clock of the arbitrary signal generator are synchronized using a high-precision 10MHz reference signal output from GPS. It also synchronizes the time between three PCs, a PC for data acquisition using GPS, a Disdrometer, and a MicroRainRadar used for comparison.

<パルス圧縮の手法>
パルス圧縮には送信信号で区別すると主に、周波数変調方式と符号変調方式があり、周波数変調方式には線形や非線形での変調方式、さらに符号変調方式にはバーカ符号、コンプリメンタリ符号、M系列等様々な方式がある。ブロードバンドレーダーでは、Chirp波形を送信する線形周波数変調方式を採用している。
<Pulse compression method>
There are mainly frequency modulation method and code modulation method for pulse compression, and frequency modulation method is linear or non-linear modulation method, and code modulation method is Barker code, complementary code, M sequence, etc. There are various methods. Broadband radar uses a linear frequency modulation method that transmits Chirp waveforms.

また、パルス圧縮処理の手法としては、SAWフィルターを用いるようなアナログ的な手法と、ソフトウェア上で行う手法があるが、ブロードバンドレーダーではIF信号を直接A/D変換ボードでデジタルサンプリングを行い、ソフトウェア上でパルス圧縮を行った。   In addition, there are analog compression methods using SAW filters and software methods for pulse compression processing, but broadband radar performs digital sampling of IF signals directly with an A / D conversion board, and software Pulse compression was performed above.

パルス圧縮処理のフローチャートを図2に示す。パルス圧縮をデジタル処理で施すことは、受信信号(Received signal)と送信信号(Reference signal)の間で相互相関をとることであり、本レーダーでは、相関処理に高速フーリエ変換(FFT)を使用し、送信信号の共役複素数をMatched Filterとして使用した。また、A/D変換ボードでサンプリングされた実数データは、Hilbert変換を用いてI/Q信号からなる複素解析信号を作り、圧縮処理を行っている。   A flowchart of the pulse compression process is shown in FIG. Applying pulse compression digitally means cross-correlation between the received signal and the reference signal, and this radar uses fast Fourier transform (FFT) for correlation processing. The conjugate complex number of the transmission signal was used as a matched filter. In addition, real data sampled by the A / D conversion board uses the Hilbert transform to create a complex analysis signal consisting of I / Q signals and compresses it.

パルス圧縮後の波形の包絡線f(t)は、T:パルス幅、B:帯域幅とすると次式で表すことができる。
この波形にはsinc関数が含まれており、降雨観測においてsinc関数のメインローブの両端に発生するサイドローブが偽エコーとして現れたり、強い散乱付近の弱い散乱をマスクしてしまう。このレンジサイドローブを低減するために、送信信号のパルス内で、ブラックマンハリス窓関数を振幅変調として使用した。また式(1)から振幅が
パルス圧縮を施すことで得られる距離分解能Δtは、
となる。
The envelope f (t) of the waveform after pulse compression can be expressed by the following equation where T: pulse width and B: bandwidth.
This waveform includes a sinc function, and side lobes generated at both ends of the main lobe of the sinc function appear in the rain observation as a false echo, or mask weak scattering near strong scattering. In order to reduce this range side lobe, the Blackman Harris window function was used as amplitude modulation in the pulse of the transmission signal. Also, the amplitude is
The distance resolution Δt obtained by applying pulse compression is
It becomes.

<距離分解能および運用諸元>
式(2)から本レーダーの諸元を用いて理論上の距離分解能を計算すると1.9mとなる。しかし、本レーダーではパルス圧縮によって発生するレンジサイドローブの低減のために、任意信号発生器内でチャープパルスに対して、ブラックマンハリス窓関数をAM乗算した波形を用いている。このことにより、メインローブの幅が広くなり距離分解能は悪化しているが、実験で計測したメインローブから求めた距離分解能は約4mであった。これは、現在運用されている気象レーダーと比較して十分高距離分解能であることがいえる。
<Distance resolution and operation specifications>
If the theoretical distance resolution is calculated from the equation (2) using the specifications of this radar, it is 1.9m. However, in this radar, in order to reduce the range side lobe generated by the pulse compression, a waveform obtained by multiplying the chirp pulse by the Blackman Harris window function in the arbitrary signal generator is used. As a result, the width of the main lobe was widened and the distance resolution was deteriorated, but the distance resolution obtained from the main lobe measured in the experiment was about 4 m. This is a sufficiently high range resolution compared to the weather radar currently in operation.

本レーダーで用いている任意信号発生器では、ほぼ任意のパルス幅でチャープ信号が作成可能である。パルス幅の決定には、観測対象である雨滴が速度を持っていることを考慮しパルス内での位相の変化が十分無視できる程度のパルス幅とした。例えば、雨滴の落下速度を5m/sとした場合、パルス幅が1msとすると、波長が約2cmであるのに対して、パルス内で雨滴が5mm(波長の約1/4)移動してしまうことになる。パルス幅が128μsであれば雨滴の移動は0.64mm(波長の約1/31.11deg)となり、位相の変化が十分無視できると考えられる。任意信号発生器ではさらにパルス幅の短い信号も作成可能だが、十分なパルス圧縮比を得る為に、128μsに決定した。   The arbitrary signal generator used in this radar can generate a chirp signal with an almost arbitrary pulse width. In determining the pulse width, considering that the raindrops to be observed have speed, the pulse width is set such that the phase change within the pulse can be sufficiently ignored. For example, if the drop speed of raindrops is 5 m / s and the pulse width is 1 ms, the wavelength is about 2 cm, whereas the raindrops move 5 mm (about 1/4 of the wavelength) within the pulse. It will be. If the pulse width is 128 μs, the movement of the raindrop is 0.64 mm (about 1 / 31.11 deg of the wavelength), and the phase change is considered to be negligible. The arbitrary signal generator can generate signals with shorter pulse widths, but in order to obtain a sufficient pulse compression ratio, it was decided to be 128 μs.

また、パルス繰返し時間は図3にある様に、一つのシーケンスで64発のパルスを送信し、それぞれのシーケンスの間隔は2sとしている。これは、A/D変換ボードの性能によって決定された。本レーダーでは、それぞれのパルスに対してPC上でパルス圧縮処理を行い、dBに換算した後、二秒値として64回のアベレージングと、一分値として1920回のアベレージングを行っている。
As shown in FIG. 3, the pulse repetition time is 64 pulses transmitted in one sequence, and the interval between each sequence is 2 s. This was determined by the performance of the A / D conversion board. In this radar, each pulse is subjected to pulse compression processing on the PC, converted into dB, and then averaged 64 times as a 2-second value and 1920 times as a minute value.

<ブロードバンドレーダーの校正>
次に、ブロードバンドレーダーの絶対校正について述べる。
本レーダーの絶対校正の手順としては、まずシステムの設計値から求められるレーダー定数C0を用いたレーダー方程式を導出する。そしてそのレーダー方程式を用いて、受信電力から距離40mにおける降雨減衰の影響を含んだ等価レーダー反射因子Zmを算出し、ブロードバンドレーダーに近接して設置してあるディスドロメータで観測されるZeを真値としてF値を求める
ディスドロメータは地上に設置している測器のため、ブロードバンドレーダーとの空間的・時間的な不一致が生じるが、高度の差は40mしかなく、その間において雨滴の蒸発や降雨減衰などの誤差は無視できると考えられる。また、時間的にも数秒の時間のズレが生じるが、1分値での比較を考えると十分無視できる誤差であると言える。さらに、パルス圧縮後では送受信アンテナ間の洩れ込みによる鋭いピークが高度0mに現れる。その影響を受けない最低高度として40mでの比較を行った。
<Broadband radar calibration>
Next, absolute calibration of broadband radar is described.
As an absolute calibration procedure of the radar, first, a radar equation using a radar constant C 0 obtained from a system design value is derived. Then, using the radar equation, the equivalent radar reflection factor Zm including the effect of rain attenuation at a distance of 40 m is calculated from the received power, and the Ze observed by the disdrometer installed close to the broadband radar is calculated. The F value is calculated as a disdrometer, because it is a measuring instrument installed on the ground, there is a spatial and temporal inconsistency with broadband radar, but the altitude difference is only 40 m, and raindrop evaporation and Errors such as rainfall attenuation are considered negligible. Also, although there is a time lag of several seconds, it can be said that this error can be sufficiently ignored when considering comparisons with 1-minute values. Furthermore, after pulse compression, a sharp peak due to leakage between the transmitting and receiving antennas appears at an altitude of 0 m. A comparison was made at 40m as the minimum altitude that is not affected.

本レーダーでは、送受信のアンテナが利得もビーム幅も異なるアンテナを使用している。このため、以下に示すバイスタティックレーダーに適用できるレーダー方程式を導出し用いている。   In this radar, antennas with different gain and beam width are used for transmitting and receiving antennas. For this reason, the radar equation applicable to the bistatic radar shown below is derived and used.

まず、単一散乱体の場合のレーダー方程式は以下の様に表される。
ここで、Pr,Ptは受信電力と送信電力、λは送信波の波長、Gt,Grは送信側と受信側のアンテナ利得、Rt,Rrは散乱体までの距離、σは散乱体のレーダー断面積となっている。この式に、次式のアンテナ利得に関する仮定式を適用する。
ここで、G0はビーム中心方向(θ=0)の最大利得、2θhをビーム幅とする。そして、式(3)と式(4)から、受信電力を散乱体積Vについて積分する。
式(6)において、Gt0,Gr0は送信と受信のアンテナ利得、hはパルス空間長、θt0,θr0は送信と受信のアンテナビーム幅である。
First, the radar equation for a single scatterer is expressed as follows:
Here, P r and P t are reception power and transmission power, λ is the wavelength of the transmission wave, G t and G r are antenna gains on the transmission side and reception side, R t and R r are distances to the scatterers, and σ Is the radar cross section of the scatterer. The following assumption formula regarding the antenna gain is applied to this expression.
Here, G 0 is the maximum gain in the beam center direction (θ = 0), and 2θ h is the beam width. Then, the received power is integrated with respect to the scattering volume V from the equations (3) and (4).
In Expression (6), G t0 and G r0 are transmission and reception antenna gains, h is a pulse space length, and θ t0 and θ r0 are transmission and reception antenna beam widths.

また、本レーダーの校正ではパルス圧縮処理による影響をレーダー方程式に組み込んでいる。受信したエコーにパルス圧縮を施した後の出力は、パルス圧縮された送信信号を送信した場合のエコーとみなすことができる。つまり、式(6)での送信電力とパルス空間長を、実際に送信した値を用いるのではなくあらかじめソフトウェア上でパルス圧縮を行った信号の電力とパルス空間長を用いている。このようにして求めたZm、R、Ptの関係式はdB表記で次式のように表される。
次に、式(7)を用いて求めたR=40mでのブロードバンドレーダーの観測値Zmと同時刻でのディスドロメータで観測されたZeの散布図を図4に示す。図の破線はの関数を表しており、実線は散布図に対して傾きを1に固定して最小二乗近似した直線式を表している。この時ディスドロメータで観測されたZeが20dBZ以下の降雨に対しては、ブロードバンドレーダーでは送信電力不足のため検出できていないとみなして直線近似している。その直線式を次式に示す。
式(8)での切片0.72dBがdB表記のF値となる。
In addition, this radar calibration incorporates the effects of pulse compression processing into the radar equation. The output after pulse compression is applied to the received echo can be regarded as an echo when a pulse-compressed transmission signal is transmitted. In other words, the transmission power and the pulse space length in Expression (6) are not the values that are actually transmitted, but the signal power and the pulse space length that have been subjected to pulse compression in advance on the software. The relational expressions of Zm, R, and Pt obtained in this way are expressed in dB notation as follows:
Next, FIG. 4 shows a scatter diagram of Ze observed with a disdrometer at the same time as the observed value Zm of broadband radar at R = 40 m obtained using Equation (7). The broken line in the figure represents the function of, and the solid line represents a linear equation that approximates the least squares with the slope fixed to 1 with respect to the scatter diagram. At this time, the rainfall observed with the disdrometer is 20 dBZ or less, and the broadband radar assumes that it cannot be detected due to insufficient transmission power, and approximates it linearly. The linear equation is shown below.
The intercept 0.72 dB in the equation (8) is the F value in dB.

<測定例>
次に、前述の運用諸元で降雨観測を行った結果について説明する。さらに、ブロードバンドレーダーの観測結果(Zm)とディスドロメータの値(Ze)、近接して設置してあるマイクロレインレーダの値(Zm)との比較・検証を行った結果について説明する。マイクロレインレーダはKバンドFM-CWレーダーであり、距離分解能40mで時間分解能1分となっている。
<Measurement example>
Next, a description will be given of the results of rainfall observation performed with the above-mentioned operation specifications. Furthermore, the results of comparing and verifying the observation results (Zm) of the broadband radar with the values of the disdrometer (Ze) and the values of the microrain radar (Zm) installed in the vicinity will be described. The micro rain radar is a K-band FM-CW radar with a distance resolution of 40 m and a time resolution of 1 minute.

まず、ブロードバンドレーダーのZm、ディスドロメータで観測されたZeとマイクロレインレーダのZmの時系列での比較を行った。ブロードバンドレーダーとマイクロレインレーダは高度40mでの観測値、ディスドロメータは地上での観測値、それぞれ1分値での比較を行った図を、図5と図6に示す。   First, we compared Zm of broadband radar, Ze observed by disdrometer, and Zm of microrain radar in time series. Figures 5 and 6 show a comparison between the broadband radar and the microrain radar at 40m altitude, and the disdrometer at the ground level.

図からも非常に良く一致していることが分かり、さらにディスドロメータとマイクロレインレーダ両者に対してブロードバンドレーダーとの相関係数を求めたところ、どちらに対しても相関係数0.98と非常に良い相関が得られた。   From the figure, it can be seen that there is a very good agreement, and further, when the correlation coefficient with broadband radar was obtained for both the disdrometer and the microrain radar, the correlation coefficient was 0.98 for both. A good correlation was obtained.

次に、ブロードバンドレーダーで観測されたZm(2秒値)の鉛直プロファイルを図7に示す。また、図8にはマイクロレインレーダで観測されたZm(1分値)の鉛直プロファイルを示す。両方の図はともに横軸が時間で縦軸が高度となっており、観測時間は21:00〜22:00である。この図から、MRRに比べてブロードバンドレーダーでは降雨の落下する様子が高分解能で観測できていることがわかる。   Next, Fig. 7 shows the vertical profile of Zm (2-second value) observed by broadband radar. FIG. 8 shows a vertical profile of Zm (1 minute value) observed by the microrain radar. In both figures, the horizontal axis is time and the vertical axis is altitude, and the observation time is from 21:00 to 22:00. From this figure, it can be seen that the falling of rain can be observed with higher resolution by broadband radar than MRR.

前述のように、本願発明に基づいてレーダー装置の設計、作成を行い、作成したレーダー装置を用いて、降雨の鉛直プロファイルを観測した。そしてレーダーの絶対校正を行い、さらに近接して設置してあるディスドロメータとマイクロレインレーダを用いて相互に比較・検証を行った。その結果、観測結果は双方に対して非常によく一致した結果を示しており、降雨観測に対する有効性が示された。さらに鉛直プロファイルの観測結果からは、マイクロレインレーダの分解能では観測できなかった降雨の詳細な挙動を得ることができた。   As described above, the radar device was designed and created based on the present invention, and the vertical profile of rainfall was observed using the created radar device. Then, the radar was calibrated and compared with each other using a disdrometer and a micro rain radar installed in close proximity. As a result, the observation results showed a very good agreement with both, indicating the effectiveness of rainfall observation. In addition, from the observation results of the vertical profile, it was possible to obtain detailed behavior of rainfall that could not be observed with the resolution of the microrain radar.

この発明のレーダー装置は、降雨レーダーをはじめとする各種用途のレーダーとして有用である。特に有用な用途例として以下のようなものが考えられる。
まず、空港周辺の積乱雲をモニタリングしてダウンバースト対策とするために、各滑走路に3〜4基のこの発明のレーダーを配置しておけば、着陸する飛行機に正確に警報を発することが可能になる。現在の空港にはトップラーレーダーが装備されているが、個の発明のレーダーのような低高度域の局所的な観測を行うことはできないからである。
The radar device of the present invention is useful as a radar for various applications including a rain radar. The following are examples of particularly useful applications.
First, in order to monitor the cumulonimbus cloud around the airport and take measures against downburst, if 3 to 4 radars according to the present invention are arranged on each runway, it is possible to accurately warn the landing airplane. become. This is because the current airport is equipped with a topler radar, but it cannot perform local observations in the low altitude region like the radar of the individual invention.

さらに、限定された地域の雨量を正確に予測するために、人工衛星の雲の観測データに基づいて降雨量を予測している現在のアルゴリズムに、この発明のレーダーによる観測データを追加することで、より正確な予測が可能になる。現在のレーダーは、1〜2km上空の雨の観察を行っているので、観察された雨が地上に達するまでに20〜40分かかり、地上での状況との乖離が大きいが、この発明のレーダーは、より低高度域の観測が可能であるので、例えば、雨が地上に達する数分前の状況を観測してより正確な予測を実現することができる。従って、水害警報の基礎データに利用するなどの方法が考えられる。   Furthermore, in order to accurately predict the rainfall in a limited area, the observation data by the radar of the present invention is added to the current algorithm that predicts the precipitation based on the cloud observation data of the satellite. , Enabling more accurate predictions. Since the current radar observes rain over 1-2 km, it takes 20-40 minutes for the observed rain to reach the ground, and there is a great discrepancy from the situation on the ground. Since it is possible to observe lower altitude regions, for example, it is possible to realize a more accurate prediction by observing the situation several minutes before the rain reaches the ground. Therefore, a method such as using it for basic data of flood warning is conceivable.

また、気象研究用の観測機材としてこれまでに観測できなかったデータの収集に用いることも考えられる。例えば、雲の中の氷と水の誘電率の差を観察してブライトバンド、即ち氷のメルティングレイヤーの観測データを得ることができる。これによって、雨の降り方、例えば、時間による降雨量の変化について新たな観点から研究を行うことができる。   It can also be used to collect data that could not be observed as observation equipment for meteorological research. For example, observation of a bright band, that is, an ice melting layer can be obtained by observing a difference in dielectric constant between ice and water in a cloud. This makes it possible to conduct research from a new point of view on how rain falls, for example, changes in rainfall over time.

本発明によるレーダー装置の実施の一態様を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the one aspect | mode of the implementation of the radar apparatus by this invention. 図1のレーダー装置におけるパルス圧縮処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the pulse compression process in the radar apparatus of FIG. 図1のレーダー装置における繰り返しパルス波形とその時間とを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the repetitive pulse waveform and its time in the radar apparatus of FIG. 本願発明のレーダー装置の観測値Zmと従来技術の装置であるディスドロメータの観測値Zeとの対応関係を示すグラフである。It is a graph which shows the correspondence of the observation value Zm of the radar apparatus of this invention, and the observation value Ze of the disdrometer which is a prior art apparatus.

本願発明のレーダー装置の観測値Zm(実線)、従来技術の装置であるディスドロメータの観測値Ze(破線)、従来技術の異なる装置であるマイクロレインレーダの観測値Zm(一転鎖線)の同時間帯におけるそれぞれの時系列変化を示すグラフである。The observation value Zm (solid line) of the radar device of the present invention, the observation value Ze (dashed line) of the disdrometer which is a conventional device, and the observation value Zm (one-dot chain line) of a microrain radar which is a different device of the prior art It is a graph which shows each time-sequential change in a time slot | zone. 本願発明のレーダー装置の観測値Zm(実線)、従来技術の装置であるディスドロメータの観測値Ze(破線)、従来技術の異なる装置であるマイクロレインレーダの観測値Zm(一転鎖線)の図5と異なる時間帯におけるそれぞれの時系列変化を示すグラフである。Diagram of the observed value Zm (solid line) of the radar device of the present invention, the observed value Ze (dashed line) of the disdrometer which is a conventional device, and the observed value Zm (one-dot chain line) of a microrain radar which is a device different from the prior art 5 is a graph showing each time-series change in a time zone different from FIG. 本願発明のレーダー装置で観測されたZmの鉛直プロファイルを示すグラフである。It is a graph which shows the vertical profile of Zm observed with the radar apparatus of this invention. 従来技術の装置であるマイクロレインレーダで観測されたZm(1分値)の鉛直プロファイルを示す。A vertical profile of Zm (1 minute value) observed by a microrain radar which is a device of the prior art is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 任意信号発生器、AWG
2 送受信機
3 A/D変換器、A/D変換ボード
4 GPS
5 送信アンテナ、カセグレンアンテナ
6 受信アンテナ、角錐ホーンアンテナ
7 PC、パーソナルコンピュータ
11、12 位相同期発信器、PLO、Phase Locked Oscillator
13、14、15、16、17、18 AMP、アンプ
1 Arbitrary signal generator, AWG
2 Transceiver 3 A / D converter, A / D conversion board 4 GPS
5 Transmitting antenna, Cassegrain antenna 6 Receiving antenna, pyramid horn antenna 7 PC, personal computer 11, 12 Phase synchronized oscillator, PLO, Phase Locked Oscillator
13, 14, 15, 16, 17, 18 AMP, amplifier

Claims (7)

観測用の原信号を発生する任意信号発生器と、
原信号をパルス圧縮によりアップコンバートしかつ増幅することによりRF波を出力する送信部と、
送信部からのRF波を大気中へ出射し物体で反射された前記RF波を受信するアンテナと、
受信されたRF波を増幅しかつ前記位相同期発信器を用いてダウンコンバートすることによりIF信号を得る受信部と、
IF信号をA/D変換するA/D変換器と、
信号発生器とA/D変換器とを同期させる基準クロックを提供する基準クロック提供部とを備えるレーダー装置。
An arbitrary signal generator for generating an original signal for observation;
A transmitter that outputs an RF wave by up-converting and amplifying the original signal by pulse compression;
An antenna for emitting the RF wave from the transmission unit to the atmosphere and receiving the RF wave reflected by the object;
A receiver that amplifies the received RF wave and obtains an IF signal by down-converting using the phase-synchronized oscillator;
An A / D converter for A / D converting the IF signal;
A radar apparatus comprising: a reference clock providing unit that provides a reference clock for synchronizing a signal generator and an A / D converter.
前記任意信号発生器が、変調された擬似ノイズ信号およびチャープ信号を発生する請求項1記載のレーダー装置。   The radar apparatus according to claim 1, wherein the arbitrary signal generator generates a modulated pseudo noise signal and a chirp signal. 前記送信部が、位相固定オシレーターをさらに備え、位相固定オシレーターからの信号を用いて原信号をアップコンバートし、
受信部が前記位相固定オシレーターから信号を用いてダウンコンバートする請求項1記載のレーダー装置。
The transmission unit further includes a phase-locked oscillator, up-converts the original signal using a signal from the phase-locked oscillator,
The radar apparatus according to claim 1, wherein the receiving unit performs down-conversion using a signal from the phase-locked oscillator.
前記送信部が、その帯域幅が20MHz〜100MHz、中心周波数が1GHz〜20GHzの範囲にあるRF波を出力する請求項1記載のレーダー装置。   The radar device according to claim 1, wherein the transmission unit outputs an RF wave having a bandwidth of 20 MHz to 100 MHz and a center frequency of 1 GHz to 20 GHz. 前記アンテナが、送信用の送信アンテナと受信用の受信アンテナとからなる請求項1記載のレーダー装置。   The radar apparatus according to claim 1, wherein the antenna includes a transmission antenna for transmission and a reception antenna for reception. 前記アンテナが、雨滴あるいは雲中の氷ならびに水に反射されたRF波を受信する請求項1記載のレーダー装置。   The radar apparatus according to claim 1, wherein the antenna receives an RF wave reflected by raindrops or ice in a cloud and water. 前記受信部が、受信したRF波をその中心周波数10MHz〜100MHzのIF波にダウンコンバートする請求項1記載のレーダー装置。   The radar apparatus according to claim 1, wherein the receiving unit down-converts the received RF wave into an IF wave having a center frequency of 10 MHz to 100 MHz.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101220954B1 (en) 2010-10-18 2013-01-10 메테오르 주식회사 System and method for estimating rainfall using a ship radar
JP2014066548A (en) * 2012-09-25 2014-04-17 Mitsubishi Electric Corp Laser radar device
CN112213703A (en) * 2020-08-18 2021-01-12 成都信息工程大学 Method and device for inverting cloud parameters by using millimeter wave cloud radar

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