JP2019120659A

JP2019120659A - レーダ装置及びレーダ方式

Info

Publication number: JP2019120659A
Application number: JP2018002498A
Authority: JP
Inventors: 栄一吉川; Eiichi Yoshikawa; 知雄牛尾; Tomoo Ushio
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2019-07-22

Abstract

【課題】狭角に対する送信電力を低下させることなく、一パルス繰返時間内に複数の狭角の情報を得ることができるレーダ装置及びレーダ方式を提供すること。【解決手段】アンテナより送信されるレーダ送信波を所定の狭角で所望の方向へビーム形成し、所定の時間幅で順次方向を切り替えながらアンテナより前記ビーム形成したレーダ送信波を送信する。ディジタルビームフォーミング信号処理により所定の狭角で所望の方向へのアンテナビームを形成し、送信されたレーダ送信波を受信し、形成したアンテナビームにより受信したレーダ受信波から順次切り替えた各方向の所定の狭角に対する各受信信号を取り出す。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば気象観測に用いられるレーダ装置及びレーダ方式に関する。

近年、豪雨や竜巻といった極端気象による被害が度々報告されている。また極端気象の発生頻度は、地球の温暖化に伴って上昇すると予測されている。特に都市部において極端気象が発生した場合、人的、経済的共に、大きな被害が発生する懸念があり、重大な社会問題の一つとして広く認識されている。

極端気象は、数百ｍ・数十分という空間・時間規模を有する局所的な現象であるため、これを早期に検知し警報するためには、従来の気象レーダが有する空間分解能・観測頻度（百ｍ・数十分）を向上させることが有効な解決策である。

こういった動機から、フェーズドアレー技術を適用した気象レーダ、フェーズドアレー気象レーダ（Phased-Array Weather Radar; PAWR）が開発された（非特許文献１参照）。PAWRは、デジタルビーム形成（Digital Beam Forming; DBF）技術を用いることで、複数方向を一パルス繰返時間内に観測することが可能となった（非特許文献２参照）。
その結果、観測に必要な時間が大幅に短縮され、３０秒や１０秒といった極めて高い観測頻度を実現した。

PAWRは現在、総務省の研究プロジェクトにおける実証段階にあり、近い将来、極端気象による被害を抑えるための重要な社会インフラとして活用されることが期待されている。

水谷、後藤、「豪雨など極端気象の兆候をとらえるフェーズドアレー気象レーダ」、東芝レビュー、Vol. 69, No. 12, 2014。 ?E. Yoshikawa et al., "MMSE Beam Forming on Fast-Scanning Phased Array Weather Radar," IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 51, no. 5, 2013.

現在確立している先述のフェーズドアレー技術では、広角に電磁波を放射し、降水粒子からの散乱波を受信した後に、DBF信号処理によって狭角に分解するという手順を取ることで、複数の狭角の情報を一パルス繰返時間内に得ることができる。
この方式の原理的な欠点は、広角に電磁波を放射することによって、各狭角に対する送信電力が低下してしまうことである。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、各狭角に対する送信電力を低下させることなく、一パルス繰返時間内に複数の狭角の情報を得ることができるレーダ装置及びレーダ方式を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るレーダ装置は、アンテナより送信されるレーダ送信波を所定の狭角で所望の方向へビーム形成することが可能であり、所定の時間幅で順次方向を切り替えながら前記アンテナより前記ビーム形成したレーダ送信波を送信する送信部と、ディジタルビームフォーミング信号処理により所定の狭角で所望の方向へのアンテナビームを形成することが可能であり、前記送信されたレーダ送信波を受信し、前記形成したアンテナビームにより前記受信したレーダ受信波から前記順次切り替えた各方向の所定の狭角に対する各受信信号を取り出す受信部とを具備する。

本発明では、所定の時間幅で順次方向を切り替えながら所定の狭角にビーム形成したレーダ送信波をアンテナより送信するので、各狭角に対する送信電力を低下させることなく、一パルス繰返時間内に複数の狭角の情報を得ることができる。

本発明の一形態に係るレーダ装置は、ドップラー速度を観測することが可能な繰り返し送信時間間隔内で、所定の観測角度範囲のすべての前記狭角に対して前記ビーム形成したレーダ送信波を送信できるように前記所定の時間幅及び／又は前記狭角が設定されている。

これにより、本発明に係るレーダ装置によりドップラー速度を観測することができる。

本発明の一形態に係るレーダ装置は、前記アンテナとしてフェーズドアレーアンテナをさらに具備し、前記受信部が、前記フェーズドアレーアンテナを介して前記送信部より送信されたレーダ送信波を受信する。これにより、簡単な構成のレーダ装置が実現できる。

本発明の一形態に係るレーダ方式は、アンテナより送信されるレーダ送信波を所定の狭角で所望の方向へビーム形成し、所定の時間幅で順次方向を切り替えながら前記アンテナより前記ビーム形成したレーダ送信波を送信する。

本発明の一形態に係るレーダ方式は、上記方式において、ディジタルビームフォーミング信号処理により所定の狭角で所望の方向へのアンテナビームを形成し、前記送信されたレーダ送信波を受信し、前記形成したアンテナビームにより前記受信したレーダ受信波から前記順次切り替えた各方向の所定の狭角に対する各受信信号を取り出す。

本発明の一形態に係るレーダ方式は、ドップラー速度を観測することが可能な繰り返し送信時間間隔内で、所定の観測角度範囲のすべての前記狭角に対して前記ビーム形成したレーダ送信波を送信できるように前記所定の時間幅及び／又は前記狭角を設定する。

本発明により、各狭角に対する送信電力を低下させることなく、一パルス繰返時間内に複数の狭角の情報を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１に示したレーダ装置の動作を説明するための図である。現在確立しているフェーズドアレー技術によるレーダ方式の概要を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
〈レーダ装置の構成〉
図１は、本発明の一実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
レーダ装置１は、フェーズドアレーアンテナ１０と、送信部２０と、受信部３０と、デュプレクサ４０と、各部を総括的に制御する制御部５０とを有する。
レーダ装置１は、典型的には、気象レーダや風のレーダなどに用いられる。レーダ装置１は、典型的には地上設置型フェーズドアレー気象レーダ（Phased-Array Weather Radar; PAWR）である。

気象レーダの場合には、レーダ送受信の使用周波数帯域として例えばＧＨｚ帯を用い、風のレーダの場合には、レーダ送受信の使用周波数帯域として例えばＭＨｚ帯を用いる。

フェーズドアレーアンテナ１０は、電子的走査によりビーム方向の可変が可能な、すなわち電子的にビーム走査が可能なアンテナである。フェーズドアレーアンテナ１０は、複数のアンテナ素子１１を一次元又は二次元状に配列して構成され、各アンテナ素子１１に対して供給される送信波（電磁波）の位相を制御することで電子的なビーム走査が可能である。

送信部２０は、フェーズドアレーアンテナ１０より送信されるレーダ送信波を所定の狭角で所望の方向へビーム形成するように位相調整することが可能である。送信部２０は、所定の時間幅で順次方向を切り替えながらフェーズドアレーアンテナ１０よりビーム形成したレーダ送信波を送信する。

送信部２０は、送信機２１と、複数の移相器２２とを有する。送信機２１は、フェーズドアレーアンテナ１０より送信されるレーダ送信波の信号を生成する。送信機２１により生成されたレーダ送信波の信号は、複数の移相器２２に送られる。本実施形態では、送信波は無変調でパルス形状である。

各移相器２２は、各アンテナ素子１１に対応して設けられている。各移相器２２の位相調整は、所定の制御によって行われる。各移相器２２によって位相が調整されたレーダ送信波の信号は、それぞれデュプレクサ４０を介して対応する各アンテナ素子１１に供給される。各移相器２２による位相を調整することで、フェーズドアレーアンテナ１０より送信されるレーダ送信波のビーム走査がされる。

受信部３０は、ディジタルビームフォーミング（Digital Beam Forming; DBF）信号処理により所定の狭角で所望の方向へのアンテナビームを形成することが可能である。受信部３０は、形成したアンテナビームによりフェーズドアレーアンテナ１０より受信したレーダ受信波から、送信部２０において順次切り替えた各方向の所定の狭角に対する各受信信号を同時に取り出す。

受信部３０は、複数のサンプリング回路３１と、ディジタル信号処理部３２と、信号復調部３３とを有する。
各サンプリング回路３１は、各アンテナ素子１１に対応して設けられている。各サンプリング回路３１は、典型的には低雑音増幅器（ＬＮＡ）、ダウンコンバータ（Ｄ−Ｃ）及びＡＤ変換器（Ａ−Ｄ）などから構成される。各サンプリング回路３１は、フェーズドアレーアンテナ１０の各アンテナ素子１１で受信されたレーダ受信波の信号をサンプリングする。

ディジタル信号処理部３２は、ＤＢＦ処理としてディジタル信号にそれぞれウエイトを与えて合成することで、ディジタル上でアンテナビームを形成し、受信信号を受信するものであり、ウエイトを与えて合成する際に異なるウエイトの組み合わせによる並列処理によってマルチビームを同時に形成することが可能である。ディジタル信号処理部３２は、送信部２０において順次切り替えた各方向の所定の狭角に対する複数のアンテナビームを形成し、形成したアンテナビームごとに受信信号を取り出す。
受信部３０の基本的な構成と動作は、非特許文献１及び非特許文献２などに記載されており、これらの記載も本明細書の開示の範囲である。

なお、本発明は、マルチビームでなくシングルのアンテナビームをディジタル信号処理部３２により形成するものであってもよい。その場合に、複数のサンプリング回路３１より出力される各方向に対する各受信信号を一旦蓄積し、ディジタル信号処理部３２により順次切り替えた各方向の所定の狭角に対するアンテナビームに順次切り替えながら順次受信信号を取り出すように構成すればよい。

〈レーダ装置の動作〉
図２は、このように構成されたレーダ装置１の動作を説明するための図である。
レーダ装置１は、フェーズドアレーアンテナ１０より所定の狭角θ_Ｎで第１の方向Ｄ_１へビーム形成された送信波ＳＷ_１が送信される。この送信波ＳＷ_１は所定の時間Ｔ_ｐの間送信される。

続けて、レーダ装置１は、フェーズドアレーアンテナ１０より所定の狭角θ_Ｎで第２の方向Ｄ_２へビーム形成された送信波ＳＷ_２が送信される。この送信波ＳＷ_２は所定の時間Ｔ_ｐの間送信される。

同様に、第３の方向Ｄ_３へビーム形成された送信波ＳＷ_３が所定の時間Ｔ_ｐの間送信され、以下、順次、同様に第Ｎの方向Ｄ_Ｎまでビーム形成された送信波ＳＷ_Ｎが所定の時間Ｔ_ｐの間送信される。

つまり、このレーダ装置１では、Ｔ（Ｔ_ｐ×Ｎ）時間の間に、広角θ（θ_Ｎ×Ｎ）の範囲で順次狭角θ_Ｎずつ方向を変えながら時間間隔Ｔ_ｐのパルス形状の送信波ＳＷ_１〜ＳＷ_Ｎである電磁波が放射されるように、電子走査によって切り替える。

このようにすることで、最初の狭角θ_Ｎに対しては、切り替えまでの時間幅Ｔ_ｐに対応するパルスを送信することと等価になる。これを繰り返し、目的とする全ての狭角θ_Ｎに対して、パルス送信を行う。

ここで、ドップラー速度を観測するために、パルスを一定時間間隔で繰り返し送信する必要がある場合は、上記の操作を最初の狭角から繰り返す。つまり、上記のＴ（Ｔ_ｐ×Ｎ）時間の間（ドップラー速度を観測することが可能な繰り返し送信時間間隔）で全ての狭角θ_Ｎに対する電磁波の放射を繰り返し行う。その結果、目的とするすべての狭角θ_Ｎに対して、角度切り替えの時間幅Ｔ_ｐに対応するパルスを、一定時間間隔Ｔで送信することと等価になる。
受信信号は、各アンテナ素子１１及びサンプリング回路３１で個別にデジタルサンプリングが行われる。

各サンプリング回路３１でサンプリングされたサンプリングデータに対し、ディジタル信号処理部３２にてDBF信号処理を適用し、狭角θ_Ｎを取り出せば、その狭角θ_Ｎに対してのみパルス送信を繰り返した場合の受信信号が取り出せる。

ディジタル信号処理部３２では、DBF信号の並列処理により、同時に異なる狭角θ_Ｎの信号を取り出すことが可能であるため、これによって複数の狭角（θ_Ｎ×Ｎ）に対して個別にパルス送信を繰り返した場合と等価の受信信号が取り出せる。

〈レーダ装置の作用・効果〉
本発明の比較例として現在確立している先述のフェーズドアレー技術によるレーダ方式の概要を図３に示す。この技術では、広角に電磁波を放射し、降水粒子からの散乱波を受信した後に、DBF信号処理によって狭角に分解するという手順を取ることで、複数の狭角の情報を一パルス繰返時間内に得ることができる。しかし、この方式の原理的な欠点は、広角に電磁波を放射することによって、各狭角に対する送信電力が低下してしまうことである。これに対して、本発明のレーダ装置は、以下の作用・効果を有する。

（１）観測精度及び観測距離の増大
既確立方式のような送信電力の低下がないため、同じ送信パルスを使用する場合、本発明に係るレーダ装置の方がより高感度の観測を行うことが可能である。レーダにおいて高感度であるということはすなわち、観測精度、観測距離及び観測頻度に優れていることを意味する。

（２）レーダシステムにおける重量、サイズ、コストの改善
既確立方式のフェーズドアレー気象レーダ（Phased array weather radar：PAWR）は、送信信号を長時間パルスとする（長時間放射する）ことによって、送信電力を増大させることができる。パルスを長時間化することによる距離分解能の劣化は、パルスに変調を施し距離分解信号処理を適用することによって補償することができる。
同等のエネルギーを送信する場合は、既確立方式と本発明に係るレーダ装置の性能は同等になると考えられるが、本発明に係るレーダ装置では変調を施すための複雑な送信系を必要としないという利点がある。
また、DBF処理と距離分解信号処理の両方をリアルタイムで実行することは、現代の計算機技術を持ってしても容易ではないのだが、本発明に係るレーダ装置は距離分解信号処理を必要としないという利点がある。
これらシステムの簡素化に関する利点は、レーダシステムの重量、サイズ、コストの改善をもたらす。

（３）消費電力の改善
送信系において、既確立方式ではパルスを生成する必要があるのに対し、本発明に係るレーダ装置では連続波を生成するのみで良い。連続波の送信はパルスの送信に比して効率が良いため、消費電力が改善する。

そして、本実施形態では、レーダ装置１を地上設置型PAWRに使用することで、レーダ性能の最重要要素である高感度という当該レーダ装置１の利点を生かすことできる。また、都市防災のためには気象レーダを複数台設置して協調観測を行うことが望ましいため、レーダシステムの簡素化による、重量、サイズ、コスト、消費電力の改善も、重要な利点である。

また、航空機搭載気象レーダ、人工衛星搭載降水レーダにも、フェーズドアレー技術を適用したレーダが搭載されている。これらはプラットフォームによって重量、サイズ、消費電力が厳しく制限されるため、本発明の利点が重要である。

〈産業上の利用可能性〉
本発明に係るレーダ装置は、典型的には、以下に示すレーダシステムに利用することが可能である。

（１）地上設置型気象レーダ
地上設置型気象レーダでは、近年フェーズドアレー機能を有した気象レーダが開発され、その高頻度・高精度観測により、都市防災や空港安全、気象予測精度向上等の実用用途に大きな役割を果たしつつある。しかし、現在のフェーズドアレー気象レーダが有する高頻度・高精度観測をもってしても、これらの実用用途にからは更なる改善を求められている。そのため発明方式がもたらす効果は、特に都市防災（一般・航空・鉄道）においてニーズが高いと考えられる。

（２）航空機搭載気象レーダ
現在旅客機には標準で気象レーダが搭載されている。航空機搭載品は常に搭載性能向上を求められるため、小型・軽量・低消費電力を実現する提案方式が広く用いられる可能性がある。また、航空機事故の要因として、気象現象は多くの割合を占める。観測精度及び観測距離、観測頻度の向上は、不安全気象現象の検出率の向上につながるため、恒常的なニーズがあると言える。

（３）衛星搭載気象レーダ
衛星搭載気象レーダとしては、熱帯降雨観測衛星（Tropical Rainfall Measuring Mission; TRMM）に搭載された降雨レーダ（Precipitation Radar：PR）、地球環境変動観測ミッション（Global Change Observation Mission：GCOM）衛星に搭載された二周波降水レーダ（Dual-frequency Precipitation Radar：DPR）等が挙げられる。衛星搭載気象レーダは、地球規模の水循環を観測することが可能で、得られた知見は、近い将来起こるとされている地球規模の水問題への対応に貢献することが期待されている。衛星搭載気象レーダにおいては、搭載性を向上することがそのまま打ち上げ費用の削減等といったコストメリットにつながる上、観測精度及と観測頻度については一層の向上が期待されているため、提案方式の貢献が期待できる。

（４）自動車搭載レーダ
車載レーダは、現在すでに普及している。提案方式の利点の中では特に、高頻度観測による安全性の向上が重要な役割を果たす。

〈その他〉
本発明は、上記の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において様々な形態に変形して実施することが可能であり、また様々な応用が可能である。そのような変形や応用の範囲も本発明の技術的範囲に属する。
例えば、上記の実施形態では、パルスの狭角の切り替えを所定の方向に沿って順番に行っていたが、方向のこのような順番でなくてもよくよい。
また、各狭角に送信されるパルスの幅は、一定でなくてもよい。
さらに、各狭角に送信されるパルスは、変調されていてもよい。
また、受信側のアンテナは、送信側のフェーズドアレーアンテナと共有するものであったが、受信側に別個にアンテナを設けてもよい。
さらに、本発明に係るレーダ装置は、フェーズドアレーアンテナを含まない構成であってもよい。この場合に、本発明に係るレーダ装置がフェーズドアレーアンテナに接続される構成となる。

１：レーダ装置
１０：フェーズドアレーアンテナ
２０：送信部
３０：受信部
Ｔ_ｐ：所定の時間
θ_Ｎ：狭角

Claims

アンテナより送信されるレーダ送信波を所定の狭角で所望の方向へビーム形成することが可能であり、所定の時間幅で順次方向を切り替えながら前記アンテナより前記ビーム形成したレーダ送信波を送信する送信部と、
ディジタルビームフォーミング信号処理により所定の狭角で所望の方向へのアンテナビームを形成することが可能であり、前記送信されたレーダ送信波を受信し、前記形成したアンテナビームにより前記受信したレーダ受信波から前記順次切り替えた各方向の所定の狭角に対する各受信信号を取り出す受信部と
を具備するレーダ装置。
請求項１に記載のレーダ装置であって、
ドップラー速度を観測することが可能な繰り返し送信時間間隔内で、所定の観測角度範囲のすべての前記狭角に対して前記ビーム形成したレーダ送信波を送信できるように前記所定の時間幅及び／又は前記狭角が設定されている
レーダ装置。
請求項１又は２に記載のレーダ装置であって、
前記アンテナとしてフェーズドアレーアンテナをさらに具備し、
前記受信部は、前記フェーズドアレーアンテナを介して前記送信部より送信されたレーダ送信波を受信する
レーダ装置。
アンテナより送信されるレーダ送信波を所定の狭角で所望の方向へビーム形成し、
所定の時間幅で順次方向を切り替えながら前記アンテナより前記ビーム形成したレーダ送信波を送信する
レーダ方式。
請求項４に記載のレーダ方式であって、
ディジタルビームフォーミング信号処理により所定の狭角で所望の方向へのアンテナビームを形成し、
前記送信されたレーダ送信波を受信し、
前記形成したアンテナビームにより前記受信したレーダ受信波から前記順次切り替えた各方向の所定の狭角に対する各受信信号を取り出す
レーダ方式。
請求項４又は５に記載のレーダ方式であって、
ドップラー速度を観測することが可能な繰り返し送信時間間隔内で、所定の観測角度範囲のすべての前記狭角に対して前記ビーム形成したレーダ送信波を送信できるように前記所定の時間幅及び／又は前記狭角を設定する
レーダ方式。