JP3903166B2 - 気象レーダの校正方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自然現象を対象とした気象レーダに関する技術である。特に、該レーダの校正手法に特徴を有する気象レーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球温暖化など地球規模の気候を考える上で、降水などによる水の循環が重要視されている。降水の把握については、地上に置かれた気象レーダや雨量計といった機器や熱帯降雨観測衛星などによっても行われている。
一方、降水を作り出すほかに、地球の放射エネルギーの伝搬などに主要な役割を果たしている雲の把握については、その観測手段の開発が未熟である。
【０００３】
従来の気象レーダは、雨の測定はできるが雲の測定はできなかった。これは雲に対するレーダの検出感度の問題である。レーダの感度は、雨や雲粒子の直径の６乗に比例する。
雨粒の平均直径は１ｍｍから５ｍｍであるのに対し、雲粒の平均直径は１０ミクロンから０．１ｍｍであり、雲粒は雨粒の１００分の１以下である。雲に対するレーダの感度は、降雨の場合に比べ１兆分の１以下になる。そこで、雲を観測するためにはレーダを非常に高感度化する必要がある。レーダの感度は、使用する電波の周波数の４乗に比例する。
【０００４】
そこで、周波数以外の条件を同じにできれば、高い周波数の電波を使用することで高感度化が達成できる。ただし、周波数を高くすると大気による電波の減衰が無視できなくなる等の要因により、高周波数化には技術的な困難が伴う。
このような理由から、高周波数のレーダについては開発が遅れ、上記有用な雲観測レーダが提供される弊害となっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて創出されたものであり、その目的は、従来に比して高周波数の気象レーダを開発し、雲等の気象現象を観測すると同時に、簡易な校正手法を編み出すことである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような気象レーダの校正方法を提供する。
本発明で使用する気象レーダは、気象現象を観測対象とし、該レーダの周波数が９５ＧＨｚ帯である。
そして、海面をレーダで測定することによって信号強度の基準に係る外部校正を行う構成において、前記校正は、後記する所定のレーダ方程式から求められる海面の規格化散乱断面積を使用することを特徴とする。
【０００７】
前記気象レーダは、雲の垂直分布又は３次元分布の少なくともいずれかを観測するレーダである。
【０００８】
前記気象レーダが、飛行機や気球等の大気圏における飛行物体に搭載されてもよいし、人工衛星に搭載されてもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施方法を実施例に基づいて説明する。なお、本発明の実施形態は以下に限定されず、その趣旨から逸脱しない範囲内で任意に変更可能である。
最初に、本発明で使用する気象レーダが特に観測対象とすることができる雲の観測についてその概略を説述する。
【００１０】
雲については、その観測手段があまりなく、雲は地球温暖化予測における最大の不確定要因とされている。そもそも、地球は太陽光線により暖められ、暖められた地球は赤外線を放射して冷却されることにより、地球の温度のバランスが保たれている。
そのなかで、低層にある雲は太陽光線を反射するので地球を冷却する効果があり、高層にある雲は地球からの赤外放射を遮断するので地球を暖める効果がある。
冬季には、雲が無い場合に地表付近が赤外放射により冷却される放射冷却現象が発生する。
【００１１】
このように、雲の把握については、雲の高さや厚さといった垂直分布の情報を調べる必要がある。さらに、雲水量や氷水量と言われる雲に含まれている水や氷の量、粒子の平均半径といった情報を得ることが地球温暖化の高精度予測につながる。
現在、使われている気象衛星では、可視光線や赤外線で「写真を撮る」ことにより雲の水平分布が観測できる。しかし、それからわかることは雲の頂上の情報のみであり、厚さやその下にある雲の内部の情報まではわからない。
【００１２】
一方、レーダは電波を発射して物体から反射された信号を受信するが、信号の強さだけでなく、発射からの時間差を測ることで物体までの距離も測定できる。そこで、このレーダ技術を用いて雲の垂直分布を測定できる計測器の開発が望まれており、本発明の創出につながっている。
【００１３】
本発明の実施例としては、航空機に搭載する雲観測レーダや、人工衛星搭載型の雲観測レーダがある。特に、地球規模で雲の垂直分布及び３次元分布を観測するため、人工衛星に搭載可能な雲観測レーダは非常に有用である。
これら、レーダで測定したデータを雲の物理量に変換するためには、まず、レーダの校正を行うことが必要である。
【００１４】
レーダの校正には、内部校正と外部校正の２通りがあるが、本発明は外部校正の技術に関するものである。
従来は、外部校正として、コーナーリフレクタなどの公知の散乱断面積を持った散乱体をレーダで測定して行っている。すなわち、熱帯降雨観測衛星に搭載された降雨レーダにおいて、コーナーリフレクタ、能動型反射機などを配置して校正している。
しかし、このような従来の校正用のターゲットを配設する手法ではなく、自然をターゲットに校正源として用いれば、様々な場所で校正を行うことになる。
そこで海面を校正源として用いるのが本発明の根幹をなす技術であり、この点につき以下説述する。
【００１５】
従来、より低周波数、例えば１４ＧＨｚのレーダにおいて、積分処理後の海面散乱が非常に安定していることが知られていた。しかし、上述のように雲の観測でも用いるためにはより高周波数のレーダの使用が必要であり、このような周波数帯で海面散乱の安定を調べ、校正源として用いることができるか否かは不明であった。
一般にマイクロ波帯における海面の規格化散乱断面積σ⁰は、電波の波長λや偏波ｐ、風向φ、風速Ｕ、電波の海面への入射角θによって記述される。電波の波長、偏波、風向を固定したとき、風速をパラメータとして、入射角依存性が記述できる。マイクロ波領域では、入射角２０度以下では準鏡面散乱が、２０度以上ではブラッグ散乱が支配的である。
【００１６】
衛星搭載レーダの入射角はほとんど０度に近く、準境面散乱の式を利用できる。このとき、海面の傾斜が等方性であり、ガウス分布であると見なせる場合には、σ⁰は次の式（１）で表される。
【式２】

ここで、Ｒλ（０）は入射角０度におけるフレネルの反射係数、ｓ²（λ，Ｕ）は表面傾斜の分散である。電波の波長を固定すれば、散乱断面積の入射角依存性は風速のみの関数となる。入射角０度の時のσ⁰（０）は次の式（２）で表される。
【式３】

【００１７】
次に、レーダ方程式を考えると、海面のような表面散乱の場合のレーダ方程式は式（３）のようになる。
【式４】

ここでｐ_r，ｐ_tは受信、送信電力、Ｇはアンテナ利得、λは電波の波長、Ｒはレンジ、Ｌはシステム損失、σ⁰は海面の規格化散乱断面積、Ａはビーム照射面積（観測領域）、
ｋは伝搬損失である。
【００１８】
ここで実施例として用いたレーダのパラメータとして、周波数が９５．０４０ＧＨｚ、アンテナビーム幅０．６度、パルス幅１．０マイクロ秒（観測時）であり、アンテナを航空機の進行方向に垂直な面内で走査する。この場合、ビーム幅の狭いレーダで海面を観測することになり、観測領域はパルス幅でなくビーム幅に制限される。よって、この場合のレーダ方程式は式（３）から式（４）のように表すことができる。
【式５】

ここで、Ｇ₀はアンテナ利得、θはアンテナビーム幅、θ_iは電波の海面への入射角、σ⁰（θ_i）は海面の規格化散乱断面積である。
【００１９】
実施にあたり、航空機からの観測実験を行った。そして、上記式（４）を用いて海面の散乱断面積を計算し、該結果の入射角特性を示したものが図１である。図１において、入射角１度ごとの平均及び分散、式（２）でフィッティングしたグラフ（１０）を示している。
図１において入射角依存性は、グラフ（１０）においてフィッティングするのに無理がないことがわかり、９５ＧＨｚ帯においても準鏡面散乱が支配的であると判断できる。
したがって、９５ＧＨｚ帯においても海面を校正源として用いることができるのである。ここで本発明が対象とする９５ＧＨｚ帯は、より詳しくは９０ＧＨｚないし１００ＧＨｚの周波数を有するレーダであって、該範囲内の周波数を法規等制限内において任意に設定することができる。
【００２０】
このように、実施例では航空機に搭載したレーダにおいて、海面を用いた校正が可能であり、従来難しかった高周波数のレーダを容易に用いることができるようになった。
上記実施例では航空機に搭載したが、本発明における気象レーダは、気球等の大気圏内で飛行する飛行物体や、人工衛星に搭載することも同様に可能であり、特に雲を観測可能な高精度なレーダを提供することができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は、以上の構成を備えるので、次の効果を奏する。
請求項１に記載の気象レーダの校正方法によると、微細な粒子であっても観測可能な高周波数のレーダを用いることができるので、高精度な気候の予測等が可能になり、広く科学技術の発展に寄与する。
そして、該高周波数のレーダでも海面をレーダで測定し、前記式（３）に示すレーダ方程式を使用して信号強度の基準に係る校正を行うことができる。
【００２２】
また、雲の垂直分布又は３次元分布の少なくともいずれか分布を観測することができるので、従来十分に観測できなかった該分布を観測し、より多角的な気象研究が可能になり、ひいては好適な気候の予測に寄与する。
【００２３】
請求項２に記載の気象レーダの校正方法によると、飛行機等に該気象レーダを搭載することができ、かつ校正が容易であるので、部分を限定し、必要時に観測を行える気象レーダを提供することができる。
【００２４】
請求項３に記載の気象レーダの校正方法によると、人工衛星に気象レーダを搭載することができるので、定常的な気象現象の観測が可能となり、特に地球規模での気象予測に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 入射角特性を示すグラフ
【符号の説明】
１０ フィッティンググラフ

Claims (3)

1. 雲の垂直分布又は３次元分布の少なくともいずれかの気象現象を観測対象とする気象レーダの校正方法であって、
   該レーダの周波数が、９５ＧＨｚ帯であり、
   海面をレーダで測定することによって信号強度の基準に係る外部校正を行う構成において、
   前記校正は、下記式（３）のレーダ方程式から求められる海面の規格化散乱断面積を使用するものであることを特徴とする気象レーダの校正方法。
   【式１】
   

   

   （式中、ｐ _r は受信電力、ｐ _t は送信電力、Ｇはアンテナ利得、λは電波の波長、Ｒはレンジ、Ｌはシステム損失、σ ⁰ は海面の規格化散乱断面積、Ａはビーム照射面積、ｋは伝搬損失を示す。）
2. 前記気象レーダが、
   大気圏における飛行物体に搭載される
   請求項１に記載の気象レーダの校正方法。
3. 前記気象レーダが、
   人工衛星に搭載される
   請求項１に記載の気象レーダの校正方法。

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