JP2014001974A - 気象レーダ装置、気象観測方法及び気象観測プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】無降雨箇所を降雨箇所として認識する事象の発生を低減させることが可能な気象レーダ装置を提供する。
【解決手段】気象レーダ装置は、空中線装置、信号処理装置、データ変換部、記憶部、閾値算出部及びデータ補正部を具備する。空中線装置は、予め設定される観測領域における観測点毎に設定される送信ビームによりレーダパルスを放射し、放射したレーダパルスが反射された反射パルスを受信する。信号処理装置は、観測点毎に設定される受信ビームを形成し、反射パルスの受信強度を算出する。データ変換部は、観測点毎に算出される受信強度に基づいて観測範囲における強度分布を取得する。記憶部は、送信ビーム及び受信ビームのアンテナパターンを予め記憶する。閾値算出部は、強度分布とアンテナパターンとを参照し、観測点毎の閾値を算出する。データ補正部は、観測点毎の降水強度を、当該観測点についての閾値を用いて補正することで、強度分布を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、雨や雲等の気象現象を観測する気象レーダ装置と、この気象レーダ装置で用いられる気象観測方法及び気象観測プログラムとに関する。

フェーズドアレイアンテナを用いた気象レーダ装置は、パラボラアンテナを用いた気象レーダ装置に比べて高速に、かつ、広範囲に気象現象を観測することが可能である。

ところで、気象レーダ装置は、アンテナパターンにおけるメインローブの方向に雨雲等が実在しない場合であっても、サイドローブの方向に位置する雨雲等からの気象エコーをサイドローブにより受信する場合がある。一般に、フェーズドアレイアンテナを用いた気象レーダ装置では、パラボラアンテナを用いた気象レーダ装置に比べて仰角方向のサイドローブレベルが高い。そのため、フェーズドアレイアンテナを用いた気象レーダ装置は、サイドローブにより受信した擬似エコーを、メインローブの方向に実在する雨雲からの気象エコーであると誤認する場合がある。この場合、フェーズドアレイアンテナを用いた気象レーダ装置は、メインローブの方向に雨雲がある、つまり、無降雨箇所を降雨箇所として認識してしまう。

特開２０１０−２５６３３３号公報

以上のように、フェーズドアレイアンテナを用いた気象レーダ装置は、サイドローブにより受信された擬似エコーを気象エコーであると誤認し、無降雨箇所を降雨箇所として認識してしまうおそれがある。

そこで、目的は、観測データが雨雲等からの気象エコーなのか、サイドローブにより受信された擬似エコーなのかを識別することで、無降雨箇所を降雨箇所として認識する事象の発生を低減させることが可能な気象レーダ装置と、この気象レーダ装置で用いられる気象観測方法及び気象観測プログラムとを提供することにある。

実施形態によれば、気象レーダ装置は、空中線装置、信号処理装置、データ変換部、記憶部、閾値算出部及びデータ補正部を具備する。空中線装置は、予め設定される観測領域における観測点毎に設定される送信ビームによりレーダパルスを放射し、前記放射したレーダパルスが反射された反射パルスを受信する。信号処理装置は、前記観測点毎に設定される受信ビームを形成し、前記反射パルスの受信強度を算出する。データ変換部は、前記観測点毎に算出される受信強度に基づき、前記観測点毎の降水強度を算出することで、前記観測範囲における強度分布を取得する。記憶部は、前記観測点毎の送信ビーム及び受信ビームのアンテナパターンを予め記憶する。閾値算出部は、前記強度分布と、前記アンテナパターンとを参照し、前記観測点毎の閾値を算出する。データ補正部は、前記観測点毎の降水強度を、当該観測点についての閾値を用いて補正することで、前記強度分布を補正する。

本実施形態に係る気象レーダ装置の概要を示す図である。 図１の気象レーダ装置の機能構成を示すブロック図である。 仰角４５度、方位角０度における送信ビームのアンテナパターンの例を示す図である。 仰角４５度、方位角０度における受信ビームのアンテナパターンの例を示す図である。 仰角４５度、方位角０度の送信ビームのアンテナパターンと受信ビームのアンテナパターンとを合成したアンテナパターンの例を示す図である。 図２に示すデータ変換装置が擬似エコーによる誤認識を抑制した強度分布を作成する際のフローチャートを示す。 図６を説明する際に用いる送受信ビームのアンテナパターンの例を示す図である。 図６を説明する際に用いる強度分布の例を示す図である。

以下、実施の形態について、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概要を示す模式図である。気象レーダ装置は、フェーズドアレイアンテナを有するアンテナユニット１１を備える。気象レーダ装置は、例えば、図１に示すような送信ビーム及び受信ビームを形成する。

図２は、図１の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に示す気象レーダ装置は、空中線装置１０、信号処理装置２０及びデータ変換装置３０を具備する。

空中線装置１０は、アンテナユニット１１及び送受信装置１２を備える。

送受信装置１２は、信号処理装置２０から供給される送信トリガに従い、所定の変調方式に基づいて変調された、デジタル形式の変調信号を作成する。送受信装置１２は、デジタル形式の変調信号をアナログ形式かつＩＦ帯の送信ＩＦ信号へデジタル−アナログ変換する。送受信装置１２は、送信ＩＦ信号の周波数をＲＦ帯へアップコンバートし、パルス信号とする。送受信装置１２は、作成したパルス信号をアンテナユニット１１へ出力する。

アンテナユニット１１は、移相器、増幅器、及び、複数のアンテナ素子からなるフェーズドアレイアンテナを備える。アンテナユニット１１は、ファン形状の送信ビームが形成されるように、移相器によりパルス信号の位相を操作する。アンテナユニット１１は、位相を操作したパルス信号を、増幅器により増幅し、フェーズドアレイアンテナに配置される複数のアンテナ素子から放射する。空中線装置１０は、観測シーケンスで設定されている観測点へ向けてパルス信号を送信し、予め設定された観測範囲に対する観測を行う。観測点は、仰角及び方位角により指定される。アンテナユニット１１により形成される送信ビームのアンテナパターンは、観測点毎に異なる。送信ビームのアンテナパターンには、メインローブ及びサイドローブが含まれ、メインローブ及びサイドローブの振幅は既知である。図３は、仰角４５度、方位角０度における送信ビームのアンテナパターンの例を示す図である。図３（ａ）は方位角面でのアンテナパターンを示し、図３（ｂ）は仰角面でのアンテナパターンを示す。

放射されたパルス信号は、観測対象によって反射され、反射パルスとしてアンテナユニット１１のフェーズドアレイアンテナにより捕捉される。

アンテナユニット１１は、反射パルスを増幅器により増幅し、増幅した反射パルスの位相を移相器により操作し、位相を操作した反射パルスを送受信装置１２へ出力する。

送受信装置１２は、アンテナユニット１１から供給される反射パルスをＩＦ帯にダウンコンバートした後、アナログ−デジタル変換し、デジタル形式の反射パルスを信号処理装置２０へ出力する。

信号処理装置２０は、パルス信号を放射するタイミングを指示する送信トリガを空中線装置１０へ出力する。

また、信号処理装置２０は、送受信装置１２で受信処理が施された反射パルスに対して、ＩＱ検波、受信ビームのビーム形成及びパルス圧縮を行う。なお、信号処理装置２０により形成される受信ビームのアンテナパターンは、観測点毎に異なる。受信ビームのアンテナパターンには、メインローブ及びサイドローブが含まれ、メインローブ及びサイドローブの振幅は既知である。図４は、仰角４５度、方位角０度における受信ビームのアンテナパターンの例を示す図である。図４（ａ）は方位角面でのアンテナパターンを示し、図４（ｂ）は仰角面でのアンテナパターンを示す。

信号処理装置２０は、パルス圧縮された反射パルスに基づき、受信強度を算出する。信号処理装置２０は、算出した受信強度をデータ変換装置３０へ出力する。

データ変換装置３０は、例えばマイクロプロセッサからなるＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが処理を実行するためのプログラムやデータを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等とを含む。データ変換装置３０は、アプリケーション・プログラムをＣＰＵに実行させることにより、データ変換部３１、閾値算出部３２、メモリ３３、データ補正部３４の機能を実現する。

データ変換部３１は、信号処理装置２０で算出された受信強度をレーダ方程式に基づいて降水強度データに変換する。データ変換部３１は、観測点毎に取得される受信強度を降水強度データに変換することで、予め設定された観測範囲における対象降雨の強度分布を取得する。データ変換部３１は、取得した対象降雨の強度分布を閾値算出部３２及びデータ補正部３４へ出力する。

メモリ３３は、観測点毎の送信ビームについての情報と、観測点毎の受信ビームについての情報とを予め記憶している。図５は、仰角４５度、方位角０度の送信ビームのアンテナパターンと受信ビームのアンテナパターンとを合成したアンテナパターンの例を示す図である。図５（ａ）は方位角面でのアンテナパターンを示し、図５（ｂ）は仰角面でのアンテナパターンを示す。

閾値算出部３２は、データ変換部３１により取得された強度分布と、メモリ３３に記憶されている各観測点における送信ビーム及び受信ビームのアンテナパターンとを参照し、全ての観測点毎に閾値を算出する。閾値算出部３２は算出した全ての観測点の閾値をデータ補正部３４へ出力する。なお、ここでは、全ての観測点について閾値を算出する場合を説明するが、誤認識がないことが明らかである観測点を含むことが明らかである場合等には、その観測点についての閾値を算出しなくても構わない。つまり、必ずしも全ての観測点についての閾値を算出する必要はない。

閾値算出部３２による閾値の算出は、例えば以下のように行われる。閾値算出部３２は、強度分布から雨雲の強度及び位置を把握する。把握した雨雲がメインローブの形成方向にある場合、閾値算出部３２は、この雨雲からの気象エコーが、メインローブで受信されることにより取得される降水強度を算出する。また、閾値算出部３２は、所定の観測点における送受信ビームのアンテナパターンにおけるサイドローブを把握する。閾値算出部３２は、把握した雨雲からの気象エコーが、把握したサイドローブのうちこの雨雲の位置に対応するサイドローブで受信されることにより取得される降水強度を算出する。複数の位置に雨雲が存在する場合、各雨雲の位置に対応するサイドローブ毎に降水強度が算出される。閾値算出部３２は、算出された複数の降水強度のうち、最大の降水強度をこの観測点における閾値とする。閾値算出部３２は、全ての観測点で以上の処理を行い、全ての観測点における閾値を算出する。

データ補正部３４は、データ変換部３１で取得された観測点毎の強度分布を、閾値算出部３２で算出された閾値に基づいて補正する。データ補正部３４は、補正後の強度分布を例えばＬＣＤ等の表示部（図示せず）へ出力する。

データ補正部３４による補正は、例えば以下のように行われる。データ補正部３４は、所定の観測点におけるメインローブの降水強度、及び／又は、各サイドローブの降水強度が、この観測点について算出された閾値未満であるか否かを判断する。降水強度が閾値未満である場合、データ補正部３４は、この降水強度を零とする。データ補正部３４は、この処理を、閾値を算出した観測点毎に行う。データ補正部３４は、補正結果を用いて対象降雨の強度分布を作成する。

次に、以上のように構成された気象レーダ装置のデータ変換装置３０が擬似エコーによる誤認識を抑制した強度分布を作成する際の動作を説明する。図６は、本実施形態に係る気象レーダ装置のデータ変換装置３０が擬似エコーによる誤認識を抑制した強度分布を作成する際のフローチャートを示す。また、図７は、図６を用いてデータ変換装置３０の動作を説明する際に用いる送受信ビームのアンテナパターンの例を示す模式図である。なお、図７は、仰角４５度、方位角０度における仰角面でのアンテナパターンである。

まず、データ変換部３１は、観測範囲における各観測点の受信強度を信号処理装置２０から受信し、受信した受信強度を降水強度データに変換する（ステップＳ６１）。これにより、観測範囲における対象降雨の強度分布が取得される。図８は、ステップＳ６１において取得される対象降雨の強度分布の例を示す模式図である。図８では、仰角４５度、方位角０度に降水強度２０ｄＢの第１の雨雲と、仰角６０度、方位角０度に降水強度８０ｄＢの第２の雨雲とが観測される。

閾値算出部３２は、第１の雨雲が仰角４５度、方位角０度に位置し、降水強度２０ｄＢを有することを把握する。また、閾値算出部３２は、第２の雨雲が仰角６０度、方位角０度に位置し、降水強度８０ｄＢを有することを把握する（ステップＳ６２）。

閾値算出部３２は、例えば、図７に示す仰角４５度、方位角０度のアンテナパターンを把握する（ステップＳ６３）。図７によれば、仰角６０度におけるサイドローブの振幅は−５０ｄＢである。

閾値算出部３２は、第１の雨雲からの気象エコーがメインローブで受信されることにより取得される第１の降水強度を算出し、第２の雨雲からの気象エコーが仰角６０度のサイドローブで受信されることにより取得される第２の降水強度を算出する（ステップＳ６４）。ここでは、第１の降水強度は２０ｄＢと算出され、第２の降水強度は８０ｄＢ−５０ｄＢ＝３０ｄＢと算出される。閾値算出部３２は、第１及び第２の降水強度のうち、大きい方の降水強度、すなわち第２の降水強度を閾値とする（ステップＳ６５）。閾値算出部３２は、ステップＳ６２〜ステップＳ６５の処理を観測範囲における全ての観測点で繰り返し、全ての観測点における閾値を算出する（ステップＳ６６）。

データ補正部３４は、仰角４５度、方位角０度での観測点におけるメインローブの第１の降水強度と、サイドローブの第２の降水強度とが、閾値３０ｄＢ未満であるか否かを判断する（ステップＳ６７）。データ補正部３４は、閾値３０ｄＢ未満である第１の降水強度を誤認識による雨雲からのエコーであるとして零とし、第１の降水強度を除いた第２の降水強度を、仰角４５度、方位角０度での降水強度とする（ステップＳ６８）。データ補正部３４は、ステップＳ６７，Ｓ６８の処理を観測範囲における全ての観測点で繰り返し、全ての観測点における降水強度を補正する（ステップＳ６９）。この補正処理により、図８に示す第１の雨雲は、第２の雨雲からの気象エコーをサイドローブが受信した擬似エコーによるものであると判断され、削除されることになる。

以上のように、本実施形態では、閾値算出部３２は、観測範囲において観測された強度分布と、予め記憶されている観測点毎の送受信ビームのアンテナパターンとを参照し、観測点毎に閾値を算出する。データ補正部３４は、観測された強度分布に基づいて、メインローブ及び／又はサイドローブにより受信される降水強度をそれぞれ算出し、算出した降水強度が閾値を超えるか否かを判断する。これにより、気象レーダ装置は、メインローブ及び／又はサイドローブで受信された降水強度が、実在する雨雲からの気象エコーによるものなのか、又は、サイドローブにより受信された擬似エコーによるものなのかを識別することが可能となる。また、データ補正部３４は、識別結果に基づき、観測された強度分布を補正する。これにより、観測により得られた強度分布に含まれる雨雲のうち、実在する雨雲と、この実在する雨雲からの擬似エコーにより発生した実在しない雨雲とを識別することが可能となる。

したがって、本実施形態に係る気象レーダ装置によれば、観測データが雨雲等からの気象エコーなのか、サイドローブにより受信された擬似エコーなのかを識別することで、無降雨箇所を降雨箇所として認識する事象の発生を低減させることができる。

なお、上記実施形態では、データ補正部３４は、メインローブ及び／又はサイドローブの降水強度のうち、閾値未満である降水強度を零としたが、これに限定される訳ではない。例えば、データ補正部３４は、所定の観測点の降水強度から閾値を減じるようにしても構わない。これにより、複数の雨雲が実在する場合であっても、無降雨箇所を降雨箇所として認識する事象の発生を低減させることが可能となる。

本発明の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。

１０…空中線装置、１１…アンテナユニット、１２…送受信装置、２０…信号処理装置、３０…データ変換装置、３１…データ変換部、３２…閾値算出部、３３…メモリ、３４…データ補正部

Claims (12)

1. 予め設定される観測領域における観測点毎に設定される送信ビームによりレーダパルスを放射し、前記放射したレーダパルスが反射された反射パルスを受信する空中線装置と、
   前記観測点毎に設定される受信ビームを形成し、前記反射パルスの受信強度を算出する信号処理装置と、
   前記観測点毎に算出される受信強度に基づき、前記観測点毎の降水強度を算出することで、前記観測範囲における強度分布を取得するデータ変換部と、
   前記観測点毎の送信ビーム及び受信ビームのアンテナパターンを予め記憶する記憶部と、
   前記強度分布と、前記アンテナパターンとを参照し、前記観測点毎の閾値を算出する閾値算出部と、
   前記観測点毎の降水強度を、当該観測点についての閾値を用いて補正することで、前記強度分布を補正するデータ補正部と
   を具備することを特徴とする気象レーダ装置。
2. 前記閾値算出部は、前記アンテナパターンにおけるメインローブ及びサイドローブについての情報を前記記憶部から取得し、前記強度分布に示される対象物に基づく前記メインローブにおける第１の強度と、前記対象物に基づく前記サイドローブにおける第２の強度とを算出し、前記第１及び第２の強度のうち、最大の強度を前記閾値とすることを特徴とする請求項１記載の気象レーダ装置。
3. 前記データ補正部は、前記観測点毎に、前記第１及び第２の強度のうち前記閾値未満の強度を零とすることを特徴とする請求項２記載の気象レーダ装置。
4. 前記データ補正部は、前記観測点毎に、前記降水強度から前記閾値を減算することを特徴とする請求項２記載の気象レーダ装置。
5. 予め設定される観測領域における観測点毎へレーダパルスを放射し、前記放射したレーダパルスが反射された反射パルスを受信する気象レーダ装置で用いられる気象観測方法において、
   前記レーダパルスを放射する際に形成する送信ビーム、及び、前記反射パルスを受信する際に形成する受信ビームのアンテナパターンを、前記観測点毎に予め記憶し、
   前記観測点毎に受信される反射パルスに基づき、前記観測点毎の降水強度を算出することで、前記観測範囲における強度分布を取得し、
   前記強度分布と、前記アンテナパターンとを参照し、前記観測点毎の閾値を算出し、
   前記観測点毎の降水強度を、当該観測点についての閾値を用いて補正することで、前記強度分布を補正することを特徴とする気象観測方法。
6. 前記アンテナパターンにおけるメインローブ及びサイドローブについての情報を読み出し、
   前記強度分布に示される対象物に基づく前記メインローブにおける第１の強度と、前記対象物に基づく前記サイドローブにおける第２の強度とを算出し、
   前記第１及び第２の強度のうち、最大の強度を前記閾値とすることを特徴とする請求項５記載の気象観測方法。
7. 前記観測点毎に、前記第１及び第２の強度のうち前記閾値未満の強度を零とすることで、前記降水強度を補正することを特徴とする請求項６記載の気象観測方法。
8. 前記観測点毎に、前記降水強度から前記閾値を減算することで、前記降水強度を補正することを特徴とする請求項６記載の気象観測方法。
9. 予め設定される観測領域における観測点毎へレーダパルスを放射し、前記放射したレーダパルスが反射された反射パルスを受信する気象レーダ装置で用いられる気象観測プログラムにおいて、
   前記レーダパルスを放射する際に形成する送信ビーム、及び、前記反射パルスを受信する際に形成する受信ビームのアンテナパターンを、前記観測点毎に予め記憶する処理と、
   前記観測点毎に受信される反射パルスに基づき、前記観測点毎の降水強度を算出することで、前記観測範囲における強度分布を取得する処理と、
   前記強度分布と、前記アンテナパターンとを参照し、前記観測点毎の閾値を算出する処理と、
   前記観測点毎の降水強度を、当該観測点についての閾値を用いて補正することで、前記強度分布を補正する処理と
   を前記気象レーダ装置のコンピュータに実行させることを特徴とする気象観測プログラム。
10. 前記閾値を算出する処理は、前記アンテナパターンにおけるメインローブ及びサイドローブについての情報を読み出し、前記強度分布に示される対象物に基づく前記メインローブにおける第１の強度と、前記対象物に基づく前記サイドローブにおける第２の強度とを算出し、前記第１及び第２の強度のうち、最大の強度を前記閾値とすることを特徴とする請求項９記載の気象観測プログラム。
11. 前記強度分布を補正する処理は、前記観測点毎に、前記第１及び第２の強度のうち前記閾値未満の強度を零とすることを特徴とする請求項１０記載の気象観測プログラム。
12. 前記強度分布を補正する処理は、前記観測点毎に、前記降水強度から前記閾値を減算することを特徴とする請求項１０記載の気象観測プログラム。

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