JP2016045132A

JP2016045132A - 気象レーダ装置

Info

Publication number: JP2016045132A
Application number: JP2014170778A
Authority: JP
Inventors: 秀人後藤; Hideto Goto; 文彦水谷; Fumihiko Mizutani; 将一和田; Masakazu Wada
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2016-04-04

Abstract

【課題】送信ビームを有効に活用して、気象観測することができる気象レーダ装置を提供することである。
【解決手段】実施形態の気象レーダは、フェーズドアレイアンテナと、ビーム処理手段とを持つ。フェーズドアレイアンテナは、複数のアンテナ素子を有する。ビーム処理手段は、仰角方向にビーム幅が広く、かつ方位角方向にビーム幅が狭い送信ビーム（第１送信ビーム）と、方位角方向にビーム幅が広く、かつ仰角方向にビーム幅が狭い送信ビーム（第２送信ビーム）との両方を形成するように、フェーズドアレイアンテナを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、気象レーダ装置に関する。

現在、気象レーダ装置の１つとして、電子走査方式の気象レーダ装置が設置され、この気象レーダ装置によって気象観測が行われている。電子走査方式の気象レーダ装置は、平面上に配列された多数の小さなアンテナからなるフェーズドアレイアンテナを備える。この気象レーダ装置は、該フェーズドアレイアンテナを用いて、仰角方向にビーム幅が広く、かつ方位角方向にビーム幅が狭い送信ビーム（第１送信ビーム）、あるいは方位角方向にビーム幅が広く、かつ仰角方向にビーム幅が狭い送信ビーム（第２送信ビーム）を放射して電子走査し、フェーズドアレイアンテナを機械的に方位面内を回転させることによって、周囲の気象状況を高速３次元観測することができる。ところで、上記従来技術では、上記第１送信ビーム、あるいは第２送信ビームのいずれかのみしか使用しておらず、両方の送信ビームを有効に活用して、気象状況を観測することをしていなかった。

特開２０１０−２５６３３３号公報

本発明が解決しようとする解題は、送信ビームを有効に活用して、気象観測することができる気象レーダ装置を提供することである。

実施形態の気象レーダ装置は、フェーズドアレイアンテナと、ビーム処理手段とを持つ。フェーズドアレイアンテナは、複数のアンテナ素子を有する。ビーム処理手段は、仰角方向にビーム幅が広く、かつ方位角方向にビーム幅が狭い送信ビーム（第１送信ビーム）と、方位角方向にビーム幅が広く、かつ仰角方向にビーム幅が狭い送信ビーム（第２送信ビーム）との両方を形成するように、フェーズドアレイアンテナを制御する。

本実施形態に係る気象レーダ装置の外観図である。本実施形態に係る気象レーダ装置の機能ブロック図である。本実施形態に係る気象レーダ装置におけるアンテナ部１を示す模式図である。本実施形態に係る気象レーダ装置における第１送信ビームｂ１及び第２送信ビームｂ２を示す模式図である。本実施形態に係る気象レーダ装置におけるビーム切替用テーブルを示す模式図である。地面に近い観測範囲に第１送信ビームｂ１を放射した場合におけるメインローブＭ１及びサイドローブＳ１，Ｓ２を示す模式図（ａ）と、第２送信ビームｂ２を放射した場合におけるメインローブＭ１１及びサイドローブＳ１１，Ｓ１２を示す模式図（ｂ）である。

以下、実施形態の気象レーダ装置を、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る気象レーダ装置は、送信ビームを放射し、該送信ビームにより各方位における三次元の観測空間を電子走査することによって、雨や雲等の気象現象を観測するものである。

気象レーダ装置は、図１及び図２に示すように、アンテナ部１と、送受信切替部２と、送信信号生成部３と、信号処理部４と、データ処理部５とを持つ。図１は、本実施形態に係る気象レーダ装置の外観図である。また、図２は、本実施形態に係る気象レーダ装置の機能ブロック図である。

アンテナ部１は、気象観測用の送信ビームを外部に放射すると共に、送信ビームにより放射された送信波の反射波を受信ビームにより受信するものであり、図３に示すように、複数のアンテナ素子１ａを縦方向及び横方向にアレイ状に配列した２次元フェーズドアレイアンテナである。図３は、本実施形態に係る気象レーダ装置におけるアンテナ部１を示す模式図である。

このアンテナ部１のアンテナ素子１ａは、例えば、スロットアンテナによって構成される。このスロットアンテナを、縦方向及び横方向にアレイ状に配列した２次元フェーズドアレイアンテナの高さは、例えば、約２ｍ程度である。アンテナ部１では、送信時、送受信切替部２を介して、送信信号生成部３から入力される送信信号に基づいて電波を上記複数のアンテナ素子１ａから放射することによって送信ビームを形成し、形成した送信ビームにより三次元の観測空間を電子走査する。

また、アンテナ部１では、スロットアンテナによりビームを機械的に絞ることで、仰角方向あるいは方位角方向に鋭い指向性が得られ、仰角方向あるいは方位角のビーム幅を絞ることができる。また、アンテナ部１は、方位角方向に３６０度回転するための回転駆動部を持ち、送信ビームの送信時に、送信に同期して、信号処理部４によって上記回転駆動部が制御されて、３６０度回転する。

送受信切替部２は、後述する信号処理部４から出力され、送信信号生成部３を介して入力される送受信タイミング信号に基づいて、送信信号及び受信信号のアンテナ部１への伝送経路を切り換える。

送信信号生成部３は、信号処理部４から入力される送信ビーム選択信号に基づいて仰角方向にビーム幅が広く、かつ方位角方向にビーム幅が狭い送信ビーム（第１送信ビームｂ１）あるいは、方位角方向にビーム幅が広く、かつ仰角方向にビーム幅が狭い送信ビーム（第２送信ビームｂ２）をアンテナ部１に形成させるための送信信号を生成する。なお、上記第１送信ビームｂ１及び第２送信ビームｂ２は、図４に示すように、アンテナ部１から放射される。図４は、本実施形態に係る気象レーダ装置における第１送信ビームｂ１及び第２送信ビームｂ２を示す模式図である。

また、送信信号生成部３は、信号処理部４から入力される送受信タイミング信号の送信タイミングに応じて上記送信信号に基づきアンテナ部１に送信ビームを送信させる。ここで、送信信号生成部３からアンテナ部１に出力される送信周波数や送信パルス幅等のパラメータは、気象条件や装置条件等に応じて最適な数値に変更するようにしてもよい。

信号処理部４は、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）によるデジタル処理により上記第１送信ビームｂ１あるいは第２送信ビームｂ２がアンテナ部１から電波が放射されるように、送信信号生成部３を制御するものである。つまり、信号処理部４は、制御信号を送信信号生成部３に出力することによって、第１送信ビームｂ１あるいは第２送信ビームｂ２をアンテナ部１から放射するための送信信号を送信信号生成部３に生成させる。

また、信号処理部４は、送信タイミング及び受信タイミングを制御するための送受信タイミング信号を生成して、送信信号生成部１３に出力する。また、信号処理部４は、アンテナ部１が受信した受信ビームに基づく受信信号を生成して、データ処理部５に出力する。
データ処理部５は、アンテナ部１を介して信号処理部４に入力された受信信号に基づいて、降雨強度等の気象状況を算出する。

次に、このように構成された本気象レーダ装置の動作について説明する。
本気象レーダ装置は、仰角方向にビーム幅が広く、かつ方位角方向にビーム幅が狭い第１送信ビームｂ１と、方位角方向にビーム幅が広く、かつ仰角方向にビーム幅が狭い第２送信ビームｂ２とを切り替えてアンテナ部１から送信することを特徴とするものである。

例えば、気象レーダ装置の信号処理部４は、第１送信ビームｂ１と、第２送信ビームｂ２とを切り替えて、アンテナ部１から送信するために、以下の特徴的な処理を実行する。つまり、信号処理部４は、送信ビームの送信方向である仰角方向に応じて第１送信ビームｂ１と、第２送信ビームｂ２とを切り替える。例えば、信号処理部４は、内部に、図５に示すビーム切替用テーブルを記憶し、該ビーム切替用テーブルに従い、仰角方向に応じて第１送信ビームｂ１と、第２送信ビームｂ２とを切り替える。

上記ビーム切替用テーブルは、図５に示すように、仰角方向に応じて、送信ビームの種類（第１送信ビームｂ１あるいは第２送信ビームｂ２）が登録されたデータテーブルである。図５は、本実施形態に係る気象レーダ装置におけるビーム切替用テーブルを示す模式図である。

例えば、図５に示すように、仰角方向の観測範囲（０〜９０度）を５つの観測仰角に分割し、各観測範囲のうち、最も仰角が低い観測範囲である「０〜１８度」に第２送信ビームが割り当てられ、「０〜１８度」よりも仰角が高い「１９〜３６度」、「３７〜５４度」、「５５〜７２度」、「７３〜９０度」それぞれの観測範囲に第１送信ビームｂ１が割り当てる。

これは、仰角が低い観測範囲、つまり、地面に近い観測範囲では、送信ビームのサイドローブによるグランドクラッタが発生しやすく、そのグランドクラッタをできるだけ抑制するためである。つまり、地面に近い観測範囲（例えば、仰角「０〜１８度」）に、仰角方向にビーム幅が広く、かつ方位角方向にビーム幅が狭い第１送信ビームｂ１を送信した場合には、縦方向に長い送信ビームであるため、地面に多くの送信ビームが照射されてグランドクラッタによる影響を受け易くなる。

具体的には、第１送信ビームｂ１を放射した場合、図６（ａ）に示すように、第１送信ビームｂ１のメインローブＭ１と共に、上下にサイドローブＳ１，Ｓ２が発生する。このサイドローブＳ１，Ｓ２のうち、下側のサイドローブＳ２の多くが地面に放射されるため、グランドクラッタが発生しやすくなる。図６は、地面に近い観測範囲に第１送信ビームｂ１を放射した場合におけるメインローブＭ１及びサイドローブＳ１，Ｓ２を示す模式図（ａ）と、第２送信ビームｂ２を放射した場合におけるメインローブＭ１１及びサイドローブＳ１１，Ｓ１２を示す模式図（ｂ）である。

一方、第２送信ビームｂ２は、方位角方向にビーム幅が広く、かつ仰角方向にビーム幅が狭い、つまり、横方向に長い送信ビームであるため、地面に放射される送信ビームが少なく、グランドクラッタによる影響を受けにくい。

具体的には、第２送信ビームｂ２を放射した場合、図６（ｂ）に示すように、第２送信ビームｂ２のメインローブＭ１２と共に、水平方向にサイドローブＳ１１，Ｓ１２が発生する。このサイドローブＳ１１，Ｓ１２は、地面に放射されにくいため、グランドクラッタが発生しにくい。このため、地面に近い観測範囲（例えば、仰角「０〜１８度」）には、第２送信ビームｂ２が割り当てられている。

信号処理部４は、上記ビーム切替用テーブルに基づいて動作することで、観測範囲「０〜１８度」である場合には、アンテナ部１が第２送信ビームｂ２を送信するように、送信信号生成部３を制御し、一方、観測範囲「１９〜３６度」、「３７〜５４度」、「５５〜７２度」、「７３〜９０度」である場合には、アンテナ部１が第１送信ビームｂ１を送信するように、送信信号生成部３を制御する。

また、第１送信ビームｂ１をアンテナ部１から放射する場合、図３に示すアンテナ部１の複数のアンテナ素子１ａのうち、第１範囲１１内のアンテナ素子１ａ、つまり、フェーズドアレイアンテナであるアンテナ部１における縦方向における真ん中の領域に属するアンテナ素子１ａを使用することで、第１送信ビームｂ１を形成することができる。

一方、第２送信ビームｂ２をアンテナ部１から放射する場合、図３に示すアンテナ部１の複数のアンテナ素子１ａのうち、第２範囲１２内のアンテナ素子１ａ、つまり、フェーズドアレイアンテナであるアンテナ部１における横方向の真ん中の領域に属するアンテナ素子１ａを使用することで、第２送信ビームｂ２を形成することができる。

つまり、信号処理部４は、送信信号生成部３を制御して、アンテナ部１の複数のアンテナ素子１ａのうち、送信ビームの送信に使用するアンテナ素子１ａを選択的に決めることで、第１送信ビームｂ１と、第２送信ビームｂ２とを切り替えることができる。

また、信号処理部４は、受信ビームの受信時にも、以下の特徴的な処理を実行する。
つまり、信号処理部４は、アンテナ部１によって受信された受信ビームにより得られる垂直偏波信号／水平偏波信号を用いて、これら垂直偏波信号／水平偏波信号の純度を向上させる処理を行った後、データ処理部５に出力する。なお、純度とは例えば垂直偏波信号に水平偏波信号が混じっていることを指しており、原因は幾何学的なもの（原理的に避けられない）やアンテナの電気的特性によるもの、アンテナ以降の受信回路や送信回路の特性バラつきや安定度による。純度を向上させる処理としては、受信ビームを形成する方向毎に純度を予め測定（振幅、位相等）しておき、この逆特性を用いる方法などがある。

そして、データ処理部５は、この受信信号に基づいてアンテナ部１を介して信号処理部４に入力された受信信号に基づいて、降雨強度等の気象状況を算出する。これによって、気象観測の精度を向上させることができる。

このような本実施形態によれば、仰角方向にビーム幅が広く、かつ方位角方向にビーム幅が狭い第１送信ビームｂ１と、方位角方向にビーム幅が広く、かつ仰角方向にビーム幅が狭い第２送信ビームｂ２とを選択的に形成することによって、送信ビームを有効に活用して、気象観測することができる。

また、本実施形態によれば、第２送信ビームｂ２をアンテナ部１から放射する場合、アンテナ部１の複数のアンテナ素子１ａのうち、第１範囲１１内のアンテナ素子１ａ、つまり、フェーズドアレイアンテナであるアンテナ部１における横方向の真ん中の領域のアンテナ素子１ａを使用することによって、第２送信ビームを形成することができる。

また、本実施形態によれば、仰角方向にビーム幅が広く、かつ方位角方向にビーム幅が狭い、つまり、縦方向に長い第１送信ビームを地面から遠い観測範囲（例えば、仰角「１８〜９０度」）に照射し、一方、方位角方向にビーム幅が広く、かつ仰角方向にビーム幅が狭い、つまり、横方向に長い第２送信ビームを地面に近い観測範囲（例えば、仰角「０〜１８度」）に照射するため、地面に放射される送信ビームが少なく、グランドクラッタによる影響を受けにくい。

また、本実施形態によれば、信号処理部４が、アンテナ部１によって受信された受信ビームにより得た受信信号（垂直偏波信号／水平偏波信号）の純度を向上させる処理を行うことも可能なため、気象観測の精度を向上させることができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、仰角方向にビーム幅が広く、かつ方位角方向にビーム幅が狭い第１送信ビームｂ１と、方位角方向にビーム幅が広く、かつ仰角方向にビーム幅が狭い第２送信ビームｂ２とを選択的に形成することにより、送信ビームを有効に活用して、気象観測することができる。

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。

１…アンテナ部、２…送受信切替部、３…送信信号生成部、４…信号処理部、５…データ処理部、１ａ…アンテナ素子

Claims

複数のアンテナ素子を有するフェーズドアレイアンテナと、
仰角方向にビーム幅が広く、かつ方位角方向にビーム幅が狭い送信ビーム（第１送信ビーム）と、方位角方向にビーム幅が広く、かつ仰角方向にビーム幅が狭い送信ビーム（第２送信ビーム）とのいずれかを選択的に形成するように、前記フェーズドアレイアンテナを制御するビーム処理手段とを具備する気象レーダ装置。
前記ビーム処理手段は、所定のしきい値より低い仰角範囲である低仰角領域に、前記第２送信ビームを送信するようにフェーズドアレイアンテナを制御し、所定のしきい値より高い仰角範囲である高仰角領域に、前記第１送信ビームを送信するようにフェーズドアレイアンテナを制御する請求項１に記載の気象レーダ装置。
前記ビーム処理手段は、フェーズドアレイアンテナによって受信された受信ビームのうち、気象観測に有効な垂直偏波及び水平偏波からなる受信ビームのみの受信処理を行う請求項１または２に記載の気象レーダ装置。