JP4935816B2 - 風速レーダー - 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ーに関する。

従来、気象観測や航空管制等の目的で、種々のレーダー装置が使用されている。これらのレーダー装置は、アンテナからマイクロ波等の高周波電波を対象物に向けて照射し、当該対象物からの反射波を受信することにより、対象物の大きさや形状、距離、移動方向、移動速度等の検知を行うものである。例えば、気象状態を観測するための気象レーダー装置の場合は、雨等の水滴に対して電波を照射し、受信した反射波の解析を行うことにより、降水域の大きさや降水量等を検知する。

また、地表からの放射・吸収の影響を、直接的に受ける大気層における大気運動の観測をすることは、地球環境を知る上で非常に重要であり、その一環として、風速レーダーを使用した高度毎の風向・風速分布の観測が行なわれている。この風速レーダーでは、風の向き（即ち、風向）を測定するために、電波を、最小限、天頂方向、及び北、東の各方位に対し、所定の天頂角θをなす方位角方向の３方向に放射して測定が行われる。また、データの信頼性を向上する際には、天頂方向、及び北、南、東、西の各方位に対し、所定の天頂角θをなす方位角方向の５方向に電波を放射して測定が行なわれる。

また、このような風速レーダーの主要構成部材であるアンテナの形式については、従来、パラボラアンテナやフェーズドアレイ方式のアンテナが用いられている。ここで、各地の風速・風向の観測を簡易に行なうためには、風速レーダー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る。そのため、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、データの同時性を確保するために、電波の切替は、高速に行なう必要がある。また、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、電波方向の天頂角θは可変とするのが好ましい。

ここで、パラボラアンテナを、風速レーダーの主要構成部材として利用する場合、次の２つの形式が採用される。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）の形式は、天頂、北、東の各方位に対応する３個のパラボラアンテナを設置し、各パラボラアンテナを切り替えて観測をする形式である。しかし、１ｍ以上の直径を有するアンテナを３個並べて設置する形式であるため、非常に嵩張り、大きな設置面積が必要となり、設置場所の制限を受ける。従って、装置の小型化を図ることが困難であり、コスト的にも高くなる。また、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。従って、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、電波方向の天頂角θを、容易に変更することができない。

（ｂ）の形式の場合、回転移動により、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ことができるため、全ての方位に対して、１台のパラボラアンテナを設置すればよい。従って、上述の（ａ）の形式ほど嵩張ることはない。しかし、１ｍ以上の直径を有する大きなアンテナを傾けて、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る。従って、必然的に装置が大型化する。また、機械操作を行うことにより、アンテナの方向を変える方式であるため、方位の切り替えに長時間必要となる。従って、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。

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る。そして、多数の素子アンテナを平面状に配列して形成し、送受信される方向の電波の位相面を揃える方式が採用される。従って、予め、素子アンテナの位相を、素子アンテナが配置される位置に基づいて変化させるように、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。

このフェーズドアレイ方式のアンテナは、アンテナ面が平面であり、かつ、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る。また、各素子アンテナの位相を制御してビーム方位を切り替えるため、高速切り替えが可能である。

フェーズドアレイ方式のアンテナを風速レーダーの主要部材として利用する場合、風速レーダーとしての特性を満足するための条件として、例えば、送受信される電波のアンテナ利得が３０ｄＢｉ以上であることが必要となる。しかし、この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。また、各々の素子アンテナには、ビーム方位の切り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る。従って、風速レーダーの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、フェーズドアレイ方式のアンテナは非常にコスト高となる。

そこで、上述の風速レーダーに対して要求される種々の条件を満たすべく、レンズアンテナを使用した風速レーダーが開示されている。より具体的には、この風速レーダーは、誘電体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された球形状の電波レンズと、電波レンズを介して、所望の複数の方位角方向に送、受信される電波の焦点位置に配置された複数の一次放射器と、当該一次放射器に接続された送、受信器とを備えている。この電波レンズは、いわゆる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であり、電波レンズの直径よりも若干小さい径を有する環状の支持板上に電波レンズが載置され、当該支持板を脚材により支持することにより、電波レンズが支持される構成となっている。このような風速レーダーによれば、複数の一次放射器の高速切り替えにより、データの同時性を確保でき、風圧の影響を受け難いため、強風時のデータの安定性を確保でき、また、装置全体の小型化、構造の簡単化、および低コスト化を図ることができると記載されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−６１９０５号公報

ここで、上記特許文献１に記載の風速レーダーにおいては、ルーネベルグレンズを形成する誘電体材料としては、合成樹脂の発砲体が使用される。しかし、例えば、直径が８００ｍｍのルーネベルグレンズを使用する場合、当該ルーネベルグレンズの重量は約５０ｋｇにもなる。また、ルーネベルグレンズは、合成樹脂の発砲体により形成されているため、強度が弱く、変形し易い。従って、上述の、環状の支持板上にルーネベルグレンズを載置することにより、当該ルーネベルグレンズを支持する構成では、ルーネベルグレンズが、自重により、変形、または破損する場合があり、ルーネベルグレンズを適切に支持することが困難になる場合があるという問題があった。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、誘電体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された球形状の電波レンズを備える風速レーダーにおいて、電波レンズの変形、破損を効果的に防止することができる風速レーダーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様では、球形状の送受信用の電波レンズと、送受信用の一次放射器と、電波レンズを支持する支持部材とを備えている風速レーダーが提供される。送受信用の電波レンズは、誘電体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されている。送受信用の一次放射器は、電波レンズの外周に沿って、観測すべき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配設されている。電波レンズが載置される支持部材の表面は、電波レンズの形状に合わせた球面形状を有し、支持部材には、一次放射器を収納するための収納部が形成されている。

同構成によれば、支持部材の表面において、電波レンズの荷重を均等に分散させることが可能になる。従って、電波レンズとして、誘電体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された球形状のルーネベルグレンズ（例えば、直径が８００ｍｍ、重量が５０ｋｇ）を使用する場合であっても、ルーネベルグレンズの変形、または破損を効果的に防止することができる。その結果、電波レンズを備える風速レーダーにおいて、電波レンズを適切に支持することが可能になる。また、支持部材により、電波レンズを適切に支持した状態で、一次放射器を焦点位置に容易に配置することができる。

上記の風速レーダーにおいて、支持部材が、繊維強化プラスチック材により形成されていることが好ましい。同構成によれば、繊維強化プラスチック材は、耐荷重性に優れているため、支持部材により、電波レンズを確実に支持することができる。また、支持部材の厚みを薄くすることができるため、一次放射器から放射、または一次放射器に入射される電波が支持部材を透過する際の、当該電波の透過損失、および位相変化を効果的に抑制することができる。また、繊維強化プラスチック材は、耐熱性に優れ、温度変化による寸法変化が小さいため、長期使用による、支持部材の変形や破損を防止することができる。さらに、繊維強化プラスチック材は、加工性に優れているため、支持部材の表面を、電波レンズの形状に合わせた球面形状に加工し易くなり、支持部材の製造が容易になる。

上記の風速レーダーにおいて、繊維強化プラスチック材の繊維強化材が、ガラス繊維、ポリエチレン繊維、およびポリテトラフルオロエチレン繊維からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。同構成によれば、支持部材における電波の透過損失をより一層効果的に抑制することが可能になる。

また、上記の風速レーダーにおいて、支持部材が、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、およびフッ素系樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１種により形成されていることが好ましい。同構成によれば、一次放射器から放射、または一次放射器に入射される電波が支持部材を透過する際の、当該電波の透過損失、および位相変化を効果的に抑制することができる。さらに、これらの樹脂は、加工性に優れているため、支持部材の表面を、電波レンズの形状に合わせた球面形状に加工し易くなり、支持部材の製造が容易になる。

上記の風速レーダーにおいて、支持部材が、発泡倍率が４０以上である樹脂発泡体により形成されていることが好ましい。同構成によれば、空気の誘電率に極めて近い誘電率を有する樹脂発砲体により、支持部材を形成することができる。従って、支持部材における電波の透過損失をより一層効果的に抑制することが可能になる。

以下に、本発明の好適な実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る風速レーダーの全体構成を示す部分断面図であり、図２は、風速レーダーの電波レンズを支持する支持部材を説明するための斜視図である。また、図３は、本発明の実施形態に係る風速レーダーによる風速、風向の測定方法を説明するための図である。

図１に示すように、この風速レーダー１は、送受信用の電波レンズ２と、当該電波レンズ２の外周に沿って配設された複数の送受信用の一次放射器３（本実施形態においては、５個の送受信用の一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗ）と、を備えている。なお、符号Ｚは、天頂方向、符号Ｎは北方向、符号Ｓは南方向、符号Ｅは東方向、および符号Ｗは西方向を示す。

この電波レンズ２は、球形状を有するルーネベルグレンズであり、中心の球核２１とそれを取り巻く複数の異径球殻２_２、…、２_ｎ−１、２_ｎにより球形状のレンズとして形成され、誘電体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されたものである。なお、ここでいう誘電体とは、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ものをいう。このルーネベルグレンズからなる電波レンズ２は、各球殻部の比誘電率εγが、およそεγ＝２−（ｒ／Ｒ）^２の式に従うように形成されるとともに、中心部の比誘電率を約２に設定し、当該中心部から外側へ向かって誘電率が約１となるように変化させたものである。なお、上記式において、Ｒは球の半径であり、ｒは球の中心からの距離である。また、本実施形態においては、電波レンズ２の直径が、例えば、８００ｍｍ、６００ｍｍ、４５０ｍｍのものが使用できる。

このルーネベルグレンズ用の誘電体としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン系の合成樹脂の発泡体を使用することができる。また、当該合成樹脂に酸化チタン、チタン酸塩、ジルコン酸塩等の無機高誘電フィラーを加え、それを発泡させたものも使用できる。そして、これら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、当該調整により、高比重で、ある程高い比誘電率を得ることができる。

また、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、無機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良い。また、上記球核の層数ｎは、任意数であるが、本実施形態における風速レーダー１においては、例えば、１６〜１８に設定し、各球核による誘電率の変化を、きめ細かく、滑らかに変化するように設定する。

また、誘電発泡体の製造方法としては、例えば、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）に対して、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、これを所望の形状の金型に入れて発泡させる化学発泡法が挙げられる。また、揮発性発泡剤を含浸させたペレット状材料を予め予備発泡させ、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が挙げられる。

一次放射器３は、その断面形状が略矩形状や略円形状の開口部を有する電磁ホーンアンテナや、導波管に誘電体ロッドを装着した誘電体ロッドアンテナ等が使用される。また、一次放射器３として、マイクロストリップアンテナ、スロットアンテナ、ダイポール等の線状アンテナ、およびループアンテナ等を使用することもできる。また、一次放射器３から送受信される電波の電界の方向性（偏波）は、直線偏波（例えば、垂直偏波や水平偏波）や円偏波（例えば、右旋偏波や左旋偏波）のいずれであっても良い。なお、図１に示すように、一次放射器３は、軸部４に支持された支持レール５、６上に支持される構成となっている。

また、一次放射器３は、図１に示すように、地上から上空までの観測領域における、観測すべき所望の複数の方位角方向に対応する、電波レンズ２の焦点位置（即ち、観測すべき複数の方位角方向に電波レンズ２を介して送受信される電波の焦点位置）に、５個の送受信用の一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗを配設したものである。より具体的には、地上から上空までの観測領域における、天頂方向、及び北、南、東、西の各方位に対し、所定の天頂角θをなす方位角方向に送受信される電波の焦点位置に対応して、５個の送受信用の一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗを配設したものである。なお、これらの一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗは、図示しない同軸ケーブルにより、後述する制御部９の送信器１１、および受信器１２に接続される構成となっている。

また、本実施形態においては、天頂角θは、１０°〜１５°の範囲内において、適当な角度に設定される。図１においては、一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗの各々は、支持レール５、６上において、上述の複数の方位角方向に対応する、電波レンズ２の焦点位置に、固定して設置されている。なお、一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗの各々を、支持レール５、６上を移動可能に設けるとともに、所定の方位角位置において固定することができるように構成し、天頂角θを、上述の範囲内において変化させることができるようにすることが好ましい。

また、図１、図２に示すように、電波レンズ２は、支持部材７により支持される構成となっている。より具体的には、電波レンズ２の表面２ａの一部が、支持部材７の表面７ａに載置されることにより、電波レンズ２が、支持部材７により支持される。そして、図１、図２に示すように、電波レンズ２が載置される支持部材７の表面７ａが、電波レンズ２の形状（即ち、球形状）に合わせた球面形状を有している。このような構成により、支持部材７の表面７ａにおいて、電波レンズ２の荷重を均等に分散させることが可能になるため、電波レンズ２として、合成樹脂の発砲体により形成され、例えば、直径が８００ｍｍ、重量が５０ｋｇのルーネベルグレンズを使用する場合であっても、当該ルーネベルグレンズの変形、または破損を効果的に防止することができる。

また、本実施形態においては、図１に示すように、支持部材７には、一次放射器３等を収納するための収納部１７が形成されている。この収納部１７により、支持部材７により、電波レンズ２を適切に支持した状態で、一次放射器３を電波レンズ２の焦点位置に容易に配置することができる。

また、このように、一次放射器３等を支持部材７の内部に収納する構成においては、電波レンズ２を経由して、一次放射器３から電波を放射、または、一次放射器３に電波を入射させる際に、当該電波が支持部材７を透過することになる。従って、支持部材７は、優れた電波透過性（即ち、透過損失が少なく、位相変化が小さい、という特性）を有することが必要になる。また、支持部材７は、電波レンズ２の荷重に耐え得る強度（即ち、耐荷重性）を有することが必要になる。そこで、本実施形態においては、優れた電波透過性、および耐荷重性を確保するために、支持部材７を構成する材料として、繊維強化材とマトリックス樹脂から構成される繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）材が好適に使用される。

この繊維強化プラスッチク材は、耐荷重性に優れているため、繊維強化プラスッチク材により形成された支持部材７を使用することにより、電波レンズ２を確実に支持することが可能になる。また、繊維強化プラスッチク材は、耐荷重性に優れているため、繊維強化プラスッチク材により形成される支持部材７の厚みを薄くすることができる。更に、電波透過性に優れた（即ち、比誘電率が低く、誘電正接が低い）繊維強化材やマトリックス樹脂を選択することにより、一次放射器３から放射、または一次放射器３に入射される電波が支持部材７を透過する際の、当該電波の透過損失、および位相変化を効果的に抑制することができる。また、繊維強化プラスチック材は、耐熱性に優れ、温度変化による寸法変化が小さいため、長期使用による、支持部材７の変形や破損を効果的に防止することができる。さらに、繊維強化プラスチック材は、加工性に優れているため、支持部材７の表面７ａを、電波レンズ２の形状に合わせた球面形状に加工し易くなり、支持部材７の製造が容易になる。

繊維強化プラスチック材の繊維強化材としては、例えば、ガラス繊維、アラミド繊維、およびナイロン繊維、ポリエチレン繊維、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）繊維等が挙げられ、これらの繊維を単体もしくは組み合わせて使用することができる。このうち、繊維強化材として、ガラス繊維、ポリエチレン繊維、およびポリテトラフルオロエチレン繊維を使用することにより、電波の透過損失をより一層効果的に抑制することが可能になる。また、ガラス繊維のうち、石英（ＳｉＯ_２）の純度が高い（例えば、純度が９９％）石英ガラス繊維や、上述のポリテトラフルオロエチレン繊維を使用することにより、電波の透過損失を最小限まで抑制することができるため、特に好ましい。

また、繊維強化プラスチック材のマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、およびビスマレイミド樹脂が挙げられる。また、熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、およびポリエーテルスルホン樹脂等が挙げられる。なお、これらの樹脂を単体もしくは組み合わせて使用することができる。また、電波透過性と耐荷重性を両立させるとの観点から、繊維強化プラスチック材により形成された支持部材７の厚みは、１ｍｍ〜５ｍｍが好ましい。

また、本実施形態においては、支持部材７を形成する材料として、上述の繊維強化プラスチック材の代わりに、合成樹脂を使用することができる。当該樹脂としては、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂を用いることができ、電波の透過損失、および位相変化を効果的に抑制するとの観点から、ポリオレフィン系樹脂や、ポリスチレン系樹脂、およびフッ素系樹脂が好適に使用できる。また、これらの樹脂は、上述の繊維強化プラスッチク材と同様に、加工性に優れているため、支持部材７の表面７ａを、電波レンズ２の形状に合わせた球面形状に加工し易くなり、支持部材７の製造が容易になる。ポリオレフィン系樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−ブテン共重合体、およびプロピレン−ブテン共重合体等が挙げられる。また、ポリスチレン系樹脂としては、例えば、ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−メタクリル酸共重合体、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体、およびスチレン−アクリル酸共重合体等が挙げられる。また、フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等が挙げられる。

支持部材７を形成する材料として、高発泡倍率を有する樹脂発砲体を使用することもできる。電波透過性の観点から、電波レンズ２と一次放射器３の間は、誘電率が１である空気のみが存在することが好ましい。従って、電波レンズ２と一次放射器３の間に存在する支持部材７を形成する材料の誘電率を、空気の誘電率に極めて近い誘電率まで低下させるためには、高発泡倍率を有する発砲体を使用して、支持部材７を形成する必要がある。本実施形態においては、発泡倍率が４０以上の樹脂発泡体を使用することにより、空気の誘電率に極めて近い誘電率を有する発砲体により、支持部材７を形成することができる。従って、上述の繊維強化プラスチック材として、ガラス繊維、ポリエチレン繊維、およびポリテトラフルオロエチレン繊維を使用する場合と同様に、電波が支持部材７を透過する際の、当該電波の透過損失、および位相変化をより一層効果的に抑制することができる。

また、このような高発泡倍率を有する樹脂発泡体を形成する樹脂としては、例えば、上述の、ポリオレフィン系樹脂や、ポリスチレン系樹脂、およびフッ素系樹脂が好適に使用できる。また、電波透過性を向上させるとの観点から、高発泡倍率を有する発砲体により形成された支持部材７の厚みは、１０ｍｍ〜１００ｍｍが好ましい。

また、図１に示すように、風速レーダー１は、電波レンズ２、一次放射器３、支持部材７等を雨風や積雪から保護するためのレドーム８を備えており、電波レンズ２、一次放射器３、支持部材７等は、レドーム８の内部に収納されている。また、レドーム８は、優れた電波透過性を有することが必要になるため、本実施形態では、優れた電波透過性を確保するために、レドーム８を構成する材料として、例えば、上述の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）材が好適に使用される。なお、本実施形態の風速レーダー１は、図１に示すように、当該レドーム８の下方には、後述の送信器１１、受信器１２等を収納した制御部９を備えている。

次に、風速レーダー１による風速、風向の測定方法を、図３を用いて説明する。図３に示す様に、風速レーダー１の制御部９は、高周波信号を生成する発振器１０と、当該発振器１０に接続され、発振器１０により生成された高周波信号を増幅する送信器１１と、反射、または後方散乱されて戻ってきた微弱な高周波電波の信号を増幅する受信器１２を備えている。また、制御部９は、送信器１１、受信器１２、および一次放射器３に接続され、送受信される信号の切り替えを行う切替器１３を備えており、一次放射器３（即ち、複数の一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗの各々）は、切替器１３を介して、送信器１１、受信器１２に接続される構成となっている。また、制御部９は、受信器１２に接続され、当該受信器１２により受信された信号を検出する信号検出器１４と、信号検出器１４に接続され、当該信号検出器１４により検出された信号を処理して、大気層Ｔの風速、風向の情報を演算する信号処理器１５を備えている。

また、制御部９は、制御手段としてのコンピュータ１６を備えており、レーダー装置制御プログラムを起動することにより、発振器１０、送信器１１、受信器１２、切替器１３、信号検出器１４、および信号処理器１５の制御を行う。

以上の構成の下、風速、風向の観測を行う際には、まず、発振器１０により、所定の高周波信号が生成され、当該高周波信号が送信器１１に送り出される。次いで、高周波信号が、送信器１１により増幅されて、複数の一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗの各々に送り出される。そして、増幅された高周波信号が、高周波電波２０として、一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗの各々から電波レンズ２を経由して、空間における、上述の、観測すべき所望の複数の方位角方向へ向けて放射される。次いで、上空の大気層Ｔで反射され、各方位角方向から戻ってくる微弱な高周波電波２１を、電波レンズ２で焦点位置に集めて、電波レンズ２を経由して、複数の一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗの各々で受ける。

この際、本実施形態においては、上述のごとく、観測すべき複数の方位角方向、例えば、天頂、及び東西南北と天頂角θをなす方位角方向に電波レンズ２を介して送受信される電波の焦点位置に対応して、一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗが配設されている。従って、各々の焦点位置に配設された一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗから電波を送信すれば、各焦点位置の一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗへ、直ちに反射された電波が戻り、所定の方位角方向の電波信号を得ることができる。従って、複数の方位角方向に同時に電波を送受信することが可能になるため、収集されるデータの同時性の向上を図ることができる。また、データ収集時間の短縮化を図ることができる。

そして、一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗの各々で受けた電波の信号が、切替器１３により切り替えられた受信器１２に送り出される。次いで、受信器１２において、高周波信号が増幅されて、信号検出器１４を経由して信号処理器１５に送り出され、当該信号処理器１５により、信号検出器１４により検出された信号を処理して、大気層Ｔの風速、風向の情報が得られる構成となっている。

なお、送信器１１、および受信器１２は、複数の一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗの各々に対応させて、複数個（即ち、５個の送信器１１と、５個の受信器１２）を設ける構成としても良い。また、送信器１１、および受信器１２を、複数の一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗに対して１組のみ（即ち、１個の送信器１１と、１個の受信器１２）設け、切替器１３を制御することにより、複数の一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗの中から、電波を放射する（または、電波が入射される）一次放射器を選択する構成としても良い。

また、本実施形態における風速レーダー１においては、風速レーダー１から放射された電波の一部が、大気の乱流により散乱されるとともに、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、大気層Ｔの風速、風向の情報を観測する。

即ち、例えば、図３に示すように、南方向Ｓに対し、所定の天頂角θをなす方位角方向に向けて、一次放射器３Ｓから、電波レンズ２を経由して、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、僅かではあるが散乱され、高度に対応する時間遅延を伴って電波レンズ２へ戻ってくる。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、高度別に風速、風向のデータを得ることができ、このような測定は、受信器１２で受信した電波の信号を、上述の制御部９において演算することにより得られる。

また、本実施形態においては、この測定を行う際に、上述のごとく、球形状のルーネベルグレンズを電波レンズ２として使用する。従って、電波の減衰率が小さく、微弱な電波であっても十分に検出することができる。また、強度が高く、かつ風圧も受け難い電波レンズ２を提供することが可能になる。従って、台風の襲来など、強風にさらされる地域に設置される場合においても、耐風性に優れた風速レーダー１を提供することができる。

また、本実施形態の風速レーダー１においては、上述のフェーズドアレイ方式のアンテナとは異なり、一次放射器３には移相器を接続する必要がなく、また、多数の素子アンテナを必要としない。従って、装置の小型軽量化、及び構造の簡素化を図ることができ、また、回路、部品、ケーブル等を極力減少させることができるため、低コスト化を図ることが可能になる。

次に、上述の制御部９における演算について、図３を参照して説明する。上空の大気層Ｔでの乱流は、大気の乱れ（即ち、風）Ｋ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、図３に示す、散乱点Ａにおける風速Ｖに比例した周波数変位（即ち、ドップラシフト）Δｆを受ける。そして、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、放射電波の周波数をｆ、光速をｃとすると、次の（式１）が成立する。

また、上記（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ため、上記（式１）を展開して、２次の項以下を無視すると、次の（式２）を得る。

そして、一次放射器３から放射される電波の方位を、天頂方向Ｚに向けた場合、（式２）より、風速Ｖの鉛直成分Ｖｚを求めることができる。次に、電波の方位を、天頂方向Ｚに対して、角度±θだけ傾いた方向に変更して、それらの視線方向風速Ｖｒ（θ）を測定することにより、風速Ｖの水平成分Ｖｈを、次の（式３）より求める。なお、この場合、電波の測定範囲内における風Ｋは、一様であると仮定する。

なお、上記（式３）において、θと−θは、例えば、東と西（または、北と南）に対応している。以上より、各高度における風速、および風向の高度分布を得ることができる。このように、本実施形態の風速レーダー１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することができる。

以上に説明した本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本実施形態の風速レーダー１は、誘電体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された球形状の電波レンズ２と、当該電波レンズ２を支持する支持部材７を備えている。そして、電波レンズ２が載置される支持部材７の表面７ａが、電波レンズ２の形状に合わせた球面形状を有している。従って、支持部材７の表面７ａにおいて、電波レンズ２の荷重を均等に分散させることが可能になるため、重量の大きいルーネベルグレンズを使用する場合であっても、当該ルーネベルグレンズの変形、または破損を効果的に防止することができる。その結果、電波レンズ２を備える風速レーダー１において、電波レンズ２を適切に支持することが可能になる。

（２）本実施形態においては、支持部材７に、一次放射器３を収納するための収納部１７が形成されている。従って、支持部材７により、電波レンズ２を適切に支持した状態で、一次放射器３を電波レンズ２の焦点位置に容易に配置することができる。

（３）本実施形態においては、支持部材７を、耐荷重性に優れた繊維強化プラスチック材により形成する構成としている。従って、支持部材７により、電波レンズ２を確実に支持することが可能になる。また、支持部材７の厚みを薄くすることができるため、一次放射器３から放射、または一次放射器３に入射される電波が支持部材７を透過する際の、当該電波の透過損失、および位相変化を効果的に抑制することができる。また、繊維強化プラスチック材は、耐熱性に優れ、温度変化による寸法変化が小さいため、支持部材７の変形や破損を効果的に防止することができる。さらに、繊維強化プラスチック材は、加工性に優れているため、支持部材７の製造が容易になる。

（４）本実施形態においては、支持部材７を形成する繊維強化プラスチック材の繊維強化材として、ガラス繊維、ポリエチレン繊維、およびＰＴＦＥ繊維を使用する構成としている。従って、支持部材７における電波の透過損失をより一層効果的に抑制することが可能になる。

（５）本実施形態においては、支持部材７を、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、およびフッ素系樹脂により形成する構成としている。従って、一次放射器３から放射、または一次放射器３に入射される電波が支持部材７を透過する際の、当該電波の透過損失、および位相変化を効果的に抑制することができる。さらに、これらの樹脂は、加工性に優れているため、支持部材７の製造が容易になる。

（６）本実施形態においては、支持部材を、発泡倍率が４０以上である樹脂発泡体により形成する構成としている。従って、支持部材７における電波の透過損失をより一層効果的に抑制することが可能になる。

なお、上記実施形態は以下のように変更しても良い。
上記実施形態においては、複数の方位角方向に送受信される電波の焦点位置に対応して、複数の一次放射器３Ｚ、３Ｎ、３Ｓ、３Ｅ、および３Ｗを配設する構成としたが、複数の方位角方向に送受信される電波の焦点位置に対応するように、１個の一次放射器３を移動自在に配設する構成としてもよい。より具体的には、図４、図５に示すように、風速レーダー５０において、支持レール５、６を、互いに直交して設けるとともに、例えば、支持レール５を南北方向に、支持レール６を東西方向に向けて設置する。そして、１個の一次放射器３を、支持レール５、６上を、図中の矢印の方向に移動自在に設けて、天頂方向、及び北、南、東、西の各方位に対し、所定の天頂角θをなす方位角方向に送受信される電波の焦点位置に停止させ、各停止位置で、風速、風向のデータを測定する。なお、風速、風向のデータの測定方法は、上述の実施形態と同様である。このような構成により、１個の一次放射器３により、風速、風向のデータを測定することができるため、コストアップを抑制することができる。

また、図６に示すように、風速レーダー５１において、一次放射器３を支持する支持レール３０を一方位方向にのみ延設するとともに、支持レール３０が支持される軸部４を回転自在に設ける構成としても良い。この場合、天頂方向Ｚに送受信される電波の焦点位置に、一次放射器３Ｚを固定して配設するとともに、１個の一次放射器３を、支持レール３０上を移動自在に設ける。そして、当該一次放射器３を、北、南、東、西の各方位に対し、所定の天頂角θをなす方位角方向に送受信される電波の焦点位置に停止させ、各停止位置で、風速、風向のデータを測定する。

また、図７に示す風速レーダー５２のように、図６に示した風速レーダー５１において、天頂方向Ｚに送受信される電波の焦点位置に配設された一次放射器３Ｚを省略し、１個の一次放射器３のみを、支持レール３０上を移動自在に設ける構成としても良い。この場合、当該一次放射器３を、天頂方向、及び北、南、東、西の各方位に対し、所定の天頂角θをなす方位角方向に送受信される電波の焦点位置に停止させ、各停止位置で、風速、風向のデータを測定する。

また、支持部材７を形成する材料は、上述した電波透過性、耐荷重性、および加工性を有するものであれば、他の材料を使用することができる。例えば、セラミック材料や、木材等を、支持部材７を形成する材料として使用することができる。

また、風速レーダー１を複数個、並べて使用することができる。より具体的には、例えば、図８（ａ）に示すように、４個の風速レーダー１を配列することができ、図８（ｂ）に示すように、７個の風速レーダーを配列することができる。また、図８（ｃ）に示すように、１３個の風速レーダー１を配列することができる。このような構成により、電波レンズ２の物理的な面積を大きくすることができるため、アンテナ利得と送信電力を向上させることが可能になる。その結果、レーダーの性能（例えば、観測高度）を向上させることが可能になる。なお、この場合、図３において説明した、発振器１０、信号検出器１４、および信号処理器１５等は、複数の風速レーダー１の各々に対して設けてもよく、また、複数の風速レーダー１の全体に対して、発振器１０、信号検出器１４、および信号処理器１５等を１個のみ設ける構成としてもよい。

本発明の活用例としては、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ーが挙げられる。

本発明の実施形態に係る風速レーダーの全体構成を示す部分断面図である。 風速レーダーの電波レンズを支持する支持部材を説明するための斜視図である。 本発明の実施形態に係る風速レーダーによる風速、風向の測定方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る風速レーダーの変形例を示す部分断面図である。 図４の部分拡大図である。 本発明の実施形態に係る風速レーダーの変形例を示す部分断面図である。 本発明の実施形態に係る風速レーダーの変形例を示す部分断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態に係る風速レーダーの配列を説明するための図である。

Claims (5)

1. 誘電体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された球形状の送受信用の電波レンズと、
   前記電波レンズの外周に沿って、観測すべき複数の方位角方向に前記電波レンズを介して送受信される電波の焦点位置に配設される送受信用の一次放射器と、
   前記電波レンズを支持する支持部材と、を備え、
   前記電波レンズが載置される前記支持部材の表面が、前記電波レンズの形状に合わせた球面形状を有し、
   前記支持部材には、前記一次放射器を収納するための収納部が形成されている
   ことを特徴とする風速レーダー。
2. 前記支持部材が、繊維強化プラスチック材により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の風速レーダー。
3. 前記繊維強化プラスチック材の繊維強化材が、ガラス繊維、ポリエチレン繊維、およびポリテトラフルオロエチレン繊維からなる群より選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項２に記載の風速レーダー。
4. 前記支持部材が、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、およびフッ素系樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１種により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の風速レーダー。
5. 前記支持部材が、発泡倍率が４０以上である樹脂発泡体により形成されていることを特
   徴とする請求項４に記載の風速レーダー。

Images