JP2012058160A - 気象レーダ装置及び気象観測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元気象データを一定の高い観測精度で取得すること。
【解決手段】本実施形態に係る気象レーダ装置は、複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナ１１と、アンテナ１１により各方位方向について複数の仰角方向に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信する送受信部１３と、上記仰角方向の変化に対して送受信部１３で受信された信号のＳ／Ｎ（signal-to-noise ratio）と観測精度との関係に基づいて上記ヒット数を変更させる送信タイミング信号を生成する信号処理部１４と、この送信タイミング信号に従って送信信号を作成する送信制御部１５とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、雨や雲などの気象現象を三次元で観測する気象レーダ装置及び気象観測方法に関する。

従来のパラボナアンテナ型の気象レーダは、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続けて、三次元の降水データを収集している（例えば、非特許文献１を参照。）。この観測シーケンスを実施するには５分〜１０分程度要し、時々刻々と変化する積乱雲等の観測には十分な時間・空間分解能がとれていなかった。

また、従来のパラボラアンテナを用いた気象レーダの場合、どの方向を探知するかに関わらずパルス繰り返し周波数およびＳ／Ｎ（signal-to-noise ratio：信号対雑音電力比）が一定である。そのため、ヒット数を一定にすると、気象情報の精度も一定となる。

吉田 孝 監修、「改訂 レーダ技術」、社団法人電子情報通信学会、平成８年１０月１日、初版、"第９章 気象レーダ"、Ｐ２３８−２５３

一方、気象レーダ装置としてフェーズドアレイアンテナ（アレイアンテナ）を用いた場合、ヒット数を一定にしても気象情報の精度が一定にならない場合がある。何故ならば、仰角の走査方向に応じて損失が異なり、受信時のＳ／Ｎが仰角方向に応じて異なるためである。例えば、アンテナ開口面に対する正面から離れるほど損失は大きくなりＳ／Ｎは悪くなる。つまり、ヒット数を一定にすると気象情報の精度が探知空間ごとにばらついてしまう。

本実施形態の目的は、三次元気象データを一定の高い観測精度で取得することができる気象レーダ装置及び気象観測方法を提供することにある。

本実施形態に係る気象レーダ装置は、複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナ部と、前記アンテナ部により各方位方向について複数の仰角方向に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信する送受信部と、前記仰角方向の変化に対して前記送受信部で受信された信号のＳ／Ｎ（signal-to-noise ratio）と観測精度との関係に基づいて前記ヒット数を変更させる送信タイミング信号を生成する信号処理部と、前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成する送信制御部とを具備する。

また、本実施形態に係る気象観測方法は、複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナを具備する気象レーダに用いられる気象観測方法であって、前記アンテナにより各方位方向について複数の仰角方向に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信し、前記仰角方向の変化に対して前記受信された信号のＳ／Ｎ（signal-to-noise ratio）と観測精度との関係に基づいて前記ヒット数を変更させる送信タイミング信号を生成し、前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成するものである。

本実施形態に係る気象レーダ装置を示す機能ブロック図。 アンテナの素子配置の一例を示す図。 アンテナ開口面の仰角と有効開口面積の関係を示す図。 アンテナ開口面の仰角とビーム幅の関係を示す図。 探知範囲を示す図。 ヒット数の決定処理を示すフローチャート。 気象情報の観測精度とヒット数との関係を示す図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る気象レーダ装置及び気象観測方法を説明する。

図１は、本実施形態に係る気象レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。図１において、この気象レーダ装置は、アンテナ１１と、送受切換器１２と、送受信部１３と、信号処理部１４と、送信制御部１５とを備える。

アンテナ１１は、図２に示すように、複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列した１次元フェーズドアレイアンテナで構成される。アンテナ素子１１−１〜１１−ｎは、例えば、スロットアンテナで形成される。スロット導波管を複数配列することで、仰角方向でのビーム方向を位相走査により電気的に制御できる。また、スロットアンテナを用いて機械的にビームを絞ることで、方位角方向に鋭い指向性が得られる。

送信制御部１５は、後述する信号処理部１４からの送信タイミング信号に従って、レーダ電波の仰角方向の送出角度を決める位相制御情報を含む送信信号を作成する。送受信部１３は、この送信信号を増幅し、レーダ電波として送受切換器１２を介してアンテナ１１から空中に送出する。

アンテナ１１に降水などの気象目標からの反射波が到来すると、送受切換器１２を介して送受信部１３で受信され、Ａ／Ｄ変換された後にＩ／Ｑ検波される。信号処理部１４は、送受信部１３で検波されたＩ／Ｑ信号をもとに、受信電力やドップラ速度を算出する。

次に、このように構成された気象レーダ装置が実行する観測方法について説明する。
信号処理部１４から送信タイミング信号が送られると、送受信部１３は、送信制御部１５からの送信信号に従って、アンテナ１１を水平方向に３６０°回転させるとともに、位相制御により仰角方向にパルスを放射することで、三次元の気象観測情報を収集する。

ここで、気象レーダ装置としてフェーズドアレイアンテナ（アレイアンテナ）を用いた場合、ヒット数を一定にしても気象情報の精度が一定にならない場合がある。これは、走査する仰角方向に応じて損失が異なり、受信時のＳ／Ｎが仰角方向に応じて異なるためである。

ここで、送受信部１３で受信される電力強度（受信電力）Ｐ_ｒの平均値は、下記式１のレーダ方程式により与えられる。式１において、レーダ方程式により算出されるパラメータで変数として、送信電力Ｐ_ｔ、アンテナ利得Ｇ_ｔ、送信パルス幅ｈ、ビーム幅θ_０、探知距離ｒ、波長λがある。なお、εは複素誘電率、Ｄは粒子の直径である。

従来のパラボラ型の気象レーダでは仰角方向の変化に対して上記のパラメータは変化しないが、フェーズドアレイ方式の気象レーダの場合、送信電力Ｐ_ｔ、空中線送信利得Ｇ_ｔ、送信ビーム幅（垂直）θ_Ｖ、探知距離ｒ、といったパラメータが変化する。これらのパラメータが変化することにより、仰角により受信電力が異なる。

［送信電力Ｐ_ｔ］
上述したように、アンテナ１１は、複数の送信素子を一次元に配置したアレーアンテナであるため、送信素子数を変化させることができる。例えば、上記図２を用いて説明すると、ある仰角では１１−１〜１１−４の４素子、またある仰角では１１−１〜１１−８の８素子といったように送信素子数を変化させることができる。送信素子数と送信電力は比例関係（送信電力＝送信素子数×１素子あたりの送信出力）にあるため、送信素子数を変化させると送信出力が変化することになる。ただし、送信素子数と１ビームでの観測範囲はトレードオフの関係にあるため、送信出力はなるべく小さくすることが望ましい。

［空中線送信利得Ｇ_ｔ］
空中線送信利得は送信開口長（送信開口長＝送信素子数×素子間隔）に比例する。図３に、アンテナ開口面の仰角とアンテナの有効開口面積の関係を示す。図３中Ａ１に示すように、アンテナの正対方向で有効開口面積は最大となり、図３中Ａ２，Ａ３のように、ビーム形成位置がアンテナ正対方向から離れるほど有効開口面積が狭くなる。したがって、図４の実線で示すように、アンテナ有効開口面積が広くなるほど指向性利得は高くなり、図４の破線で示されるように、アンテナ有効開口面積が狭くなるほど指向性利得は低下する。

また、上述したように、アンテナ１１の送信素子数を変化させると空中線送信利得が変化することになる。例えば、上記図２を用いて説明すると、ある仰角では１１−１〜１１−４の４素子、またある仰角では１１−１〜１１−８の８素子を用いる場合、４素子を用いる場合の送信時の送信開口は１１−１から１１−４までの距離となるが、８素子を用いる場合の送信時の送信開口は１１−１から１１−８までの距離となる。つまり送信素子数を変化させると空中線送信利得が変化することになる。なお、空中線受信利得は変化しない。

［ビーム幅（垂直）θ_Ｖ］
ビーム幅は送信開口と反比例の関係にある。そのため、アレーアンテナの場合、送信素子数を変化させるとビーム幅（垂直）が変化することになる。したがって、図４の実線で示すように、アンテナ有効開口面積が広くなるほどビーム幅は狭くなり、図４の破線で示されるように、アンテナ有効開口面積が狭くなるほどビーム幅が広くなる。

［探知距離ｒ］
図５に探知範囲の例を示す。図５から、仰角を変化させた際に探知距離が変化することがわかる。探知距離が大きくなると受信電力は低下する。

すなわち、上述したパラメータの変化からわかるように、アンテナ開口面に対する正面から離れるほど損失は大きくなりＳ／Ｎは悪くなる。つまり、ヒット数を一定にすると気象情報の観測精度が探知空間ごとにばらつく。

また、フェーズドアレイアンテナを用いた気象レーダ装置は、ある空間に対する気象情報の時間分解能を重視したレーダシステムである。つまり、Ｓ／Ｎが悪い空間に対しても気象情報の精度を十分満たすようなヒット数によってヒット数を一定にすると、Ｓ／Ｎが良い空間に対しては必要以上のパルスを送信することになる。つまり、必要以上に送信するパルスは、時間分解能を低下させ、フェーズドアレイアンテナの特長を失わせる。

すなわち、受信電力が大きいほどＳ／Ｎが大きくなり観測精度は向上し、単位空間に対する送信パルスの数（ヒット数）が多いほど分散が小さくなり観測精度が向上する。したがって、観測精度を一定にした場合、受信電力を大きくするほどヒット数を少なくすることができる。ヒット数の変更は、信号処理部１４において送信タイミングを制御する際に行う。図６は、ヒット数の決定処理を示すフローチャートである。

ステップ２１において、探知距離や利得等の諸条件よりレーダ方程式を解くことで受信電力を算出する。ステップ２２において、受信帯域幅に基づいて雑音電力を算出する。ステップ２３において、上記ステップ２１で算出された受信電力を上記ステップ２２で算出された雑音電力で割ることによりＳ／Ｎが求められる。

ステップ２４において、所定のパルス繰り返し周波数におけるＳ／Ｎとヒット数との関係は図７のように得られる。図７は横軸にヒット数、縦軸に降雨強度（ｄＢ）や風速（ｍ／ｓ）の気象情報観測精度を表したものである。図７において、で必要な観測精度をしきい値とすると、上記ステップ２３で求めたＳ／Ｎからヒット数を一意に求めることができる（ステップ２５）。

以上述べたように、本実施形態では、フェーズドアレイ方式の気象レーダ装置において、仰角により受信電力が変化する場合にＳ／Ｎに基づいて観測精度を一定にすることで、送信パルスのヒット数を削減することができ、時間分解能を高めることができる。このようにすることで、一定の高い観測精度で気象情報を得ることが可能となる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１１…アンテナ、１２…送受切換器、１３…送受信部、１４…信号処理部、１５…送信制御部、１１−１〜１１−ｎ…アンテナ素子。

Claims (2)

1. 複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナ部と、
   前記アンテナ部により各方位方向について複数の仰角方向に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信する送受信部と、
   前記仰角方向の変化に対して前記送受信部で受信された信号のＳ／Ｎ（signal-to-noise ratio）と観測精度との関係に基づいて前記ヒット数を変更させる送信タイミング信号を生成する信号処理部と、
   前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成する送信制御部と
   を具備することを特徴とする気象レーダ装置。
2. 複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナを具備する気象レーダに用いられる気象観測方法であって、
   前記アンテナにより各方位方向について複数の仰角方向に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信し、
   前記仰角方向の変化に対して前記受信された信号のＳ／Ｎ（signal-to-noise ratio）と観測精度との関係に基づいて前記ヒット数を変更させる送信タイミング信号を生成し、
   前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成することを特徴とする気象観測方法。

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