JP4165336B2 - 風速レーダ - Google Patents

Description

この発明は、レンズアンテナを介して信号を送、受信し、大気層での風向、風速分布等を測定する風速レーダに関する。

地表からの放射・吸収の影響が直接及ぶ大気層での大気運動の観測をすることは地球環境を知る上で重要であり、その一環として各高度毎の風向・風速分布の観測が行なわれている。このような観測に用いられる風速レーダでは、風の向き、即ち風向を測定するために電波を放射する方向を、最小限天頂、及び北、東向きで天頂角θ方向の３方向に、通常はデータの信頼性を向上するために天頂、及び東西南北向きで天頂角θ方向の５方向に放射して測定が行なわれる。

このような風速レーダの主要構成部材であるアンテナの形式については、古くはパラボラアンテナ方式が用いられていたが、装置が大型で、性能が劣るなどの理由で現在では性能重視の視点からフェーズドアレイ方式が最も多く採用されており、上記以外の形式の、例えばレンズアンテナ方式は種々の問題があるため採用された例はない。フェーズドアレイ方式のアンテナは、素子アンテナの給電信号の相対位相を変えることにより指向性、即ち送受信される電波の送受信方向を任意に制御することができるアンテナであり、多数の素子アンテナを平面状に配列して形成され、送受信される方向の電波の位相面を揃えるため予め素子アンテナの位相を位置によって変化させるよう各素子アンテナに所定の位相量を与える移相器が接続される。

ところで各地の風速・風向の観測を簡易に行なうためには、風速レーダは移動が簡単に行なえるように装置全体の小型化、構造の簡単化が必要であり、回路、部品、ケーブル等を極力減らし、低コスト化する必要があるが、機能的にはデータの同時性を確保するため電波（ビーム）の切替は高速に行なう必要があり、強風時のデータの安定性の観点から風圧を受け難い構造であることが望ましく、電波の方向の天頂角θは可変とするのが良い。

風速レーダに対して要望されるこのような条件に対し、フェーズドアレイアンテナは、アンテナ面が平面で地面に平行であるため風の影響を受け難く、強風時であっても安定してデータが取得でき、各素子アンテナの位相を制御してビーム方位を切替えるため、高速切替えが可能である点で、機能的には適合する。しかし、構造の簡単化、低コスト化の視点からは全く不十分である。これは、次のような理由による。

フェーズドアレイアンテナを風速レーダの主要部材として利用する場合、風速レーダとしての特性を満足するための条件として、例えば送受信電波についてのアンテナ利得が３０ｄＢｉ以上であることが必要であるが、このような条件を満たすためには１００以上の素子アンテナを並べる必要がある。又、各々の素子アンテナにはビーム方位切替えに必要な移相器が１つずつ接続され、これら移相器には必要な位相量を移相器で変化させるための制御回路や制御線等が必要となり、このため構造が極めて複雑となる。さらに、アンテナが複数の素子アンテナから構成されているため、送、受信器も複数必要となり、フェーズドアレイアンテナは非常にコスト高となる。

一方、パラボラアンテナを風速レーダの主要構成部材として利用する場合、次の２つの形式のいずれかのものとなる。即ち、（ａ）パラボラアンテナ３個を用いる形式、（ｂ）パラボラアンテナ１個を機械的に動かす形式である。（ａ）の形式の場合、天頂、北、東向きのそれぞれの方位に対応するパラボラアンテナ３個を設置し、それぞれを切替えて観測をする形式であるが、方位切替えは電子的切替であるから高速切替えが可能である。

しかし、直径１ｍ以上ある大きなアンテナ３個を並べて設置するため非常に嵩張り、大きな設置面積が必要であり、設置場所の制限を受ける。従って、装置の小型化には原理的な構造上適さず、コスト的にも高くなる。又、パラボラアンテナは風圧を受け易い構造であるため、台風等の強風時には風の影響でアンテナが揺れ、観測データに影響を与えるため、データの正確性、安定性に欠ける。さらに、パラボラアンテナは固定設置されるため、ビーム天頂角θは容易に変えることができない。

（ｂ）の形式の場合、種々の観測方向にパラボラアンテナの開口面を対応させるように自由に回転移動できるため、全ての方位に対し１台のパラボラアンテナで済み、（ａ）の形式ほど嵩張ることはないが、直径１ｍ以上の大きなアンテナを傾けたり、目的の方位に動かして固定するためには、アンテナに対して極めて大きなアンテナ支持機構や制御機構が必要となり、必然的に装置が大型化する。従って、やはり装置の小型化は困難である。又、機械操作でアンテナの方向を変えるため、方位切替えに時間が掛り、各方位間での観測データの同時性が得られず、激しい気象変化には対応できない。さらに、（ａ）の形式の場合と同様に、台風等の強風時にデータの正確性、安定性に欠けるという問題がある。

さらに、レンズアンテナはルーネベルグレンズとして古くから知られている電波レンズを用いたものであり、原理的にはともかくとして実用化するには種々の困難があり、近年その材料及び成形法の進歩に伴って注目されている。

上記ルーネベルグレンズは、中心の球核とそれを取り巻く複数の異径球殻により球形のレンズとして形成され、誘電材料を用いて半径方向に比誘電率を異ならせたものであり、各球殻部の比誘電率εγが次式に従うものと定義される。
εγ＝２−（ｒ／Ｒ）²
Ｒ：球の半径
ｒ：球の中心からの距離
なお、誘電材料とは、常誘電性、強誘電性、若しくは反強誘電性を示し、かつ電気伝導性を有さない材料である。

上記レンズ用の誘電材料として一般的に用いられているものは、合成樹脂の発泡体であり、合成樹脂にチタン酸アルカリ土類金属塩などの無機高誘電フィラーを加えてそれを発泡させたものも知られている。これ等の誘電発泡体の比誘電率は、発泡倍率を異ならせて比重を制御することにより目標値に調整され、高比重である程高い比誘電率を得ることができる。

誘電発泡体は、原料（合成樹脂単体や合成樹脂と無機高誘電フィラーの混合物）に加熱により分解して窒素ガス等の気体を発生する発泡剤を添加し、これを所望形状の金型に入れて発泡させる化学発泡法や、揮発性発泡剤を含浸させたペレット状材料を予め金型外で予備発泡させ、得られた予備発泡ビーズを所望形状の金型に充填した後、水蒸気等で加熱して再度発泡させると同時に隣接ビーズを互いに融着させるビーズ発泡法により製造される。

このような成形法の進展により近年電波の誘電体損失（減衰率）が小さく実用化レベルのレンズアンテナが得られるようになった。しかし、実用化レベルのレンズアンテナが可能となったとしても、例えば地上と通信衛星間との通信などに利用する場合であればともかく、風速レーダのように標的物に対して発射された電波が反射されて戻る微弱な電波を受信して標的物の情報を得るような用途においては、レンズアンテナを用いることはアンテナ技術の専門家にとって全く対象外のものであった。従って、このような形式の風速レーダが提案された例はない。

この発明は、上記のような従来の風速レーダの種々の問題点に留意して、大気層内での気流の風速、風向を測定するレーダとして高性能なフェーズドアレイ方式と同程度の機能で、かつ小型軽量、構造が簡易で、コストが安い新方式の風速レーダを提供することを課題とする。

この発明は、上記の課題を解決する手段として、誘電材料を用いて比誘電率が半径方向に所定の割合で変化するように形成した球形の電波レンズを支持部材で支持し、レンズ外周に接して又は沿って一次放射器を配設し、一次放射器に送、受信器を接続すると共に、送、受信される電波を制御する制御装置を備え、観測すべき所望の複数の方位角方向に電波レンズを介して送、受信される電波の焦点位置に一次放射器を配設し、前記一次放射器は、天頂、及び東西南北と所定の天頂角θをなす方位方向のそれぞれに対応する５箇所の焦点位置に配置し、さらに、前記一次放射器を支持する複数の支持レールを備え、前記複数の支持レールは、互いに直交して設けられており、前記一次放射器を天頂方向、及び前記互いに直交する支持レール上に配設した風速レーダとしたのである。

このような構成としたこの発明の風速レーダは、所定の天頂角の方位方向に対応する焦点位置に配設された一次放射器から電波を送り出す。電波レンズを経由して放射された電波が上空の大気層の気流に反射されて戻る微弱な電波を電波レンズで焦点位置に集めて一次放射器で受け、受信器により受信して制御回路内で演算により風速、風向の情報を得る。その測定原理は、従来公知であるフェーズドアレイ方式の風速レーダの場合と同じである。

即ち、レーダから放射された電波は大気乱流により一部が散乱し、同時に気流の速度によるドップラ効果で周波数シフトが生じ、これを観測することにより風速、風向が測定できる。このような測定の際に、電波レンズはルーネベルグレンズである球形又は半球形のものが用いられ、その電波の減衰率は小さく、微弱な電波であっても検出し得るに十分なアンテナ利得を有する。

又、上記測定では一次放射器で送、受信される電波は、一次放射器が測定すべき、例えば天頂、及び東西南北と天頂角θを成す方位方向のそれぞれに対応する焦点位置に置かれている又は他の位置から移動して焦点位置に置かれ得るようになっているため、それぞれの焦点位置の一次放射器から送信すればその焦点位置の一次放射器へ直ちに反射された電波が戻り、所定の方位方向の電波信号が得られる。従って、この電波信号を検出し、演算処理することにより風速、風向のデータが得られる。

以上詳細に説明したように、この発明の風速レーダは球形又は半球形の電波レンズの外周に天頂、東西南北に対し所定の天頂角の方位方向に対応する焦点位置に一次放射器を配設したから複数方向の一次放射器を高速切替えしてデータの同時性を確保し、電波レンズが球形又は半球形であるため風圧の影響を受けず、一次放射器には移相器を接続する必要がなく多数の素子アンテナを必要としないから、装置の小型軽量化、及び構造の簡単化が容易で、回路、部品、ケーブル等を極力減少させることができ、低コスト化を図ることができるなどの画期的な効果が得られる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の風速レーダＡ₁ の概略構成図である。図において、１はルーネベルグレンズとして知られている球形の電波レンズであり、これを支持部材２で支持している。支持部材２は電波レンズ１の直径Ｒより若干小さい径の環状支持板２ａ内に電波レンズ１を受け、環状支持板を支持脚材２ｂで支持している。電波レンズ１の下方には所望の観測方向に対応する複数の一次放射器３（図示の例では３_H 、３_N 、３_S 、３_E 、３_W の５個）が固定配置されている。これら一次放射器３は、支持軸４に支持された支持レール５ａ、５ｂ上に支持されている。６はレドーム、８はケーシング、１０は送、受信器、制御装置等を収納した制御ボックスである。

電波レンズ１は、無機高誘電フィラーを含む誘電発泡体の球核１₁ を中心に配置し、その外側に無機高誘電フィラーを含む異径球殻の誘電発泡体１₂ 、……、１_n を順次積層して構成されている。なお、球殻形状の誘電発泡体１₂ 、……、１_n は、半割りの半球殻を一対に組立てて球殻を形成したものである。ルーネベルグレンズ形の上記電波レンズ１は、既に述べたεγ＝２−（ｒ／Ｒ）² の式に略従うように比誘電率を中心部でおよそ２から外側へ向かっておよそ１となるように変化させる。

この比誘電率の調整を発泡倍率のみを変えて行なうと、外周側では中心側の１０倍以上の倍率が必要となるため、高誘電フィラーの添加割合を中心側で増加させ、外周側で減少させるとよい。又、上記誘電発泡体１_n の層数ｎは、任意数であるが、通信用のアンテナの場合通常８〜９程度でも十分であるのに対し、風速レーダに適合するために、例えば１６〜１８と２倍以上に設定し、誘電発泡体各層による誘電率の変化をきめ細かくなめらかに変化するように設定する。

一次放射器３は、この例では風速レーダとして観測しようとする地上から上空の観測領域に対しそれぞれ天頂方向、及び北、南、東、西の各方位に対し所定の天頂角θを成す方位角方向に対応する焦点位置に５個の素子アンテナを設けたものである。なお、一次放射器としてはホーンアンテナ、パッチアンテナ、スロットアンテナなどがあり、そのいずれの形式のものでもよい。

天頂角θは通常１０°〜１５°の範囲の適当な角度に設定される。図示の例では一次放射器３のそれぞれは、支持レール５ａ、５ｂ上に対応する方位角方向に固定設置されているものとしている。しかし、天頂角θを上記範囲内で変化させることができるよう支持レール５ａ、５ｂに対し図示しないガイドローラを介して移動可能で、かつ所定の方位角位置に固定できるようにするのが好ましい。

図２に示すように、上記複数個の一次放射器３には、それぞれ送信器１１、受信器１２が接続され、発振器１１ｆからの所定パルスの信号を送信器１１で増幅して一次放射器３から電波レンズ１を経由して大気層へ向けて放射し、上空の大気層で反射されて戻る微弱な電波を同じく電波レンズ１を経由して一次放射器３で受け、その信号を制御器１３の制御により送受切替器１４を介して切替えられた受信器１２で受信して信号検出器１５により検出した後信号処理器１６へ送り、検出した信号を演算処理して大気層の風速、風向の情報を得るように構成されている。

上記発振器１１ｆは複数の一次放射器３に対し、複数の発振器１１ｆの信号をそれぞれの一次放射器３に対し送り出す。受信器１２は、複数の一次放射器３のそれぞれに対応して複数（図示の例では５個）が接続され、各方位角方向からの電波をそれぞれの受信器１２で受信するように設けられている。なお、送信器１１、受信器１２は複数の一次放射器３に対して１組のみ設け、切替器１４を制御してそれぞれの一次放射器３を選択できるように構成してもよい。

上記の構成とした実施形態の風速レーダでは、大気層の風速、風向の情報が次のように観測できる。即ち、送信器１１から送り出され、一次放射器３の１つから所定方向（図示の例では南）（３_S ）の天頂角θに向けて電波レンズ１を経てパルス状の電波が放射されると、この電波は上空で大気の乱れ（乱流）に伴う屈折率の揺らぎにより僅かであるが散乱され、高度に対応する時間遅延を伴って電波レンズ１へ戻る。従って、散乱波強度を時間の関数として測定することにより高度別のデータを得ることができる。このような測定は受信器１２で受信した電波信号を制御ボックス１０内で演算することにより得られる。

上記演算は次のようにして求められる。上空の大気層での乱流は大気の乱れ（風）に乗って移動するため、散乱された電波はドップラ効果により散乱点における風速Ｖに比例した周波数変位（ドップラシフト）を受ける。このドップラシフトΔｆと視線方向風速（風速の電波放射方向成分）Ｖｒの間には 次の関係式が成立する。

ここで、ｆ：放射電波の周波数、ｃ：光速である。

上式（１）において、視線方向風速Ｖｒは光速ｃに比べると無視できる程小さいから、上式（１）を展開し、２次の項以下を無視すると次の式を得る。

一次放射器３から放射される電波の方位を天頂に向けると、（２）式から風の鉛直成分Ｖｚが求められる。次に、電波方位を天頂から角度±θだけ傾いた方向に切換えてそれらの視線方向風速Ｖｒ（θ）を測定することにより風の水平成分Ｖｈを次式より求める。この場合、電波の測定範囲内での風は一様であると仮定する。

上式（３）において、θと−θは、例えば東と西、又は北と南に対応する。以上から、各高度における風速、風向の高度分布を得ることができる。

図３に第２実施形態の風速レーダＢ_１の概略構成を示す。この風速レーダＢ_１は、上述した実施形態のものと異なり、電波レンズ１’が半球状であり、反射板７を備えている点が大きく異なるが、その他に支持部材２が省略され、支持軸４が反射板７を支持し、この反射板７上に半球状の電波レンズ１’が置かれ、反射板７に支持された支持レール５ａに交差状に支持レール５ｂを設け、その各支持レール上に４つの一次放射器３_Ｎ、３_Ｓ、３_Ｅ、３_Ｗが配設され、交差点に一次放射器３_Ｈが置かれている点が第１実施形態と異なる。

複数の一次放射器３（３_N 〜３_W 、３_H ）から放射された電波は、電波レンズ１’から反射板７で反射されて所定の方位角方向へ放射され、それぞれの方向から戻る電波が反射板７で反射され焦点位置に設置されている一次放射器３で受信されることについては第１実施形態と同じであり、電波レンズ１’が半球状であるため重量が半減し、小型化、軽量化される。複数の一次放射器３（３_N 〜３_W 、３_H ）は天頂角θで北南、東西、天頂のそれぞれの方位角方向に対応した位置に固定設置されているが、天頂角θを例えば１０°〜１５°の範囲で移動できるように図示しないガイドローラを備えておくとよい。

この発明の風速レーダは、地表からの電波により大気層での風向、風速分布等をレンズアンテナを利用して簡易に、かつ正確に測定できるものであり、大気運動の観測に広く利用される。

第１実施形態の風速レーダＡ_１の概略構成図 同上の全体概略構成及び作用の説明図 第２実施形態の風速レーダＢ_１の概略構成図

符号の説明

１ 電波レンズ
２ 支持部材
３ 一次放射器
４ 支持軸
５ 支持レール
６ レドーム
７ 反射板
８ ケーシング
１０ 制御ボックス
１１ 送信器
１１ｆ 発振器
１２ 受信器
１３ 制御器
１４ 送受切替器
１５ 信号検出器
１６ 信号処理器

Claims (2)

1. 誘電材料を用いて比誘電率が半径方向に所定の割合で変化するように形成した球形の電波レンズを支持部材で支持し、レンズ外周に接して又は沿って一次放射器を配設し、一次放射器に送、受信器を接続すると共に、送、受信される電波を制御する制御装置を備え、観測すべき所望の複数の方位角方向に電波レンズを介して送、受信される電波の焦点位置に一次放射器を配設し、前記一次放射器は、天頂、及び東西南北と所定の天頂角θをなす方位方向のそれぞれに対応する５箇所の焦点位置に配置し、さらに、前記一次放射器を支持する複数の支持レールを備え、前記複数の支持レールは、互いに直交して設けられており、前記一次放射器を天頂方向、及び前記互いに直交する支持レール上に配設した風速レーダ。
2. 前記球形の電波レンズに代えて球形レンズを２分した半球形の電波レンズ及び電波を反射する反射板を備えたことを特徴とする請求項１に記載の風速レーダ。

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