JP5395692B2

JP5395692B2 - 気象レーダ装置及び気象観測方法

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Publication number: JP5395692B2
Application number: JP2010017554A
Authority: JP
Inventors: 文彦水谷; 将一和田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: US8009080B2; US20100253574A1; JP2010256333A

Description

この発明は、例えば、雨や雲などの気象現象を三次元で観測する気象レーダ装置及び気象観測方法に関する。

従来のパラボナアンテナ型の気象レーダは、ペンシルビームと呼ばれる細いビームを形成して、水平方向に３６０°回転して１平面の観測データを取得した後に、アンテナ仰角を上げて次の１平面を取得することを続けて、三次元の降水データを収集している（例えば、非特許文献１を参照。）。この観測シーケンスを実施するには５分〜１０分程度要し、時々刻々と変化する積乱雲等の観測には十分な時間・空間分解能がとれていなかった。

吉田孝監修、「改訂レーダ技術」、社団法人電子情報通信学会、平成８年１０月１日、初版、"第９章気象レーダ"、Ｐ２３８−２５３

上述したように、従来のパラボラアンテナを用いた気象レーダ装置では、竜巻や突風などの突発的かつ局所的な現象の検出が困難であった。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、三次元気象データを時間及び空間的に高解像度で収集可能な気象レーダ装置及び気象観測方法を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の一態様は、レーダパルスを送信し、反射パルスを受信する複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したアクティブフェーズドアレイ方式のアンテナユニットと、仰角方向の観測範囲を複数の観測仰角に分割し、各観測仰角を複数の領域に区分し、互いに隣接しない複数の領域のセットをパルス送信繰り返し間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に割り当て、前記セット内の各領域に対して前記仰角方向にファン形状の送信ビームをそれぞれ形成する送信ビーム形成手段と、前記複数の領域のそれぞれに対してペンシル形状の複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成手段とを具備する気象レーダ装置を提供する。

この発明の他の態様は、レーダパルスを送信し、反射パルスを受信する複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したアクティブフェーズドアレイ方式のアンテナユニットと、仰角方向の観測範囲を複数の観測仰角に分割し、各観測仰角を複数の領域に区分し、互いに隣接しない領域のセット毎に互いに異なるレーダパルスの送信周波数を割り当て、パルス送信繰り返し間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）で前記複数の領域に対して前記仰角方向にファン形状の複数の送信ビームを形成する送信ビーム形成手段と、前記複数の領域のそれぞれ対してペンシル形状の複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成手段とを具備する気象レーダ装置を提供する。

また、この発明の他の態様は、レーダパルスを送信し、反射パルスを受信する複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したアクティブフェーズドアレイ方式のアンテナユニットを具備する気象レーダに用いられる気象観測方法であって、仰角方向の観測範囲を複数の観測仰角に分割し、各観測仰角を複数の領域に区分し、互いに隣接しない複数の領域のセットをパルス送信繰り返し間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に割り当て、前記セット内の各領域に対して前記仰角方向にファン形状の送信ビームをそれぞれ形成し、前記複数の領域のそれぞれに対してペンシル形状の複数の受信ビームを形成することを特徴とする気象観測方法を提供する。

また、この発明の他の態様は、レーダパルスを送信し、反射パルスを受信する複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したアクティブフェーズドアレイ方式のアンテナユニットを具備する気象レーダに用いられる気象観測方法であって、仰角方向の観測範囲を複数の観測仰角に分割し、各観測仰角を複数の領域に区分し、互いに隣接しない領域のセット毎に互いに異なるレーダパルスの送信周波数を割り当て、パルス送信繰り返し間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）で前記複数の領域に対して前記仰角方向にファン形状の複数の送信ビームを形成し、前記複数の領域のそれぞれに対してペンシル形状の複数の受信ビームを形成することを特徴とすることを特徴とする気象観測方法を提供する。

したがってこの発明によれば、三次元気象データを時間及び空間的に高解像度で収集可能な気象レーダ装置及び気象観測方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る気象レーダ装置の構成例を示す図。図１の気象データ装置のシステム系統の一例を示す図。図２のアンテナ部の構成例を示す図。レーダパルス送信動作を示すフローチャート。観測仰角の割り当て例を示す図。レーダパルス送信時の観測シーケンスを示す図。送受信ビームの一例を示す模式図。反射パルス受信動作を示すフローチャート。送受信ビームの他の例を示す模式図。レーダパルス送信時の観測シーケンスの他の例を示す図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る気象レーダ装置の構成例を示したものである。図１において、この気象レーダ装置は、空中線装置１と、信号処理装置２と、データ処理装置３と、監視制御装置４とを備える。空中線装置１は、アンテナユニット１１と、送信ビーム形成ユニット１２とを備える。

図２に、この気象レーダ装置の系統図の一例を示す。アンテナユニット１１は、複数のアンテナ素子１１−１、フィルタ１１−２、送受信切換器（duplexer）１１−３、送信モジュール１１−４及び受信モジュール１１−５を備える。送信モジュール１１−４は、増幅器１１−４１及び移相器１１−４２を備える。受信モジュール１１−５は、増幅器１１−５１及び移相器１１−５２を備える。さらに、アンテナ装置１は、局部発振器１−３、Ａ／Ｄ変換器１−４、Ｉ／Ｑ検波器１−５、Ｄ／Ａ変換器１−６及び電源供給部１−７を備える。図２に示すように、気象レーダ装置は、１００本程度のアンテナ素子１１−１を備える。アンテナ素子１１−１のうちの数十素子は送受信切換器１１−３を介して送信機１１−４及び受信機１１−５に接続される。残りは受信機１１−５に接続される。受信系統は、４素子程度でサブアレイ化される。

光変換部は、Ｅ／Ｏ変換器５−１及びＯ／Ｅ変換器５−２を備える。光変換部は、光ロータリジョイントを利用してＥ／Ｏ−Ｏ／Ｅ変換を行う。アンテナ装置１は、光変換部を介して信号処理装置２に接続される。信号処理装置２は、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）２−１により構成されるＤＢＦ（digital beam forming）処理部と、ＤＳＰ（digital signal processor）２−２とを備える。データ処理部３は、ＤＳＰ３−１により構成される信号処理部と、ＰＣ（personal computer）３−２により構成されるデータ変換部と、ＰＣ３−３により構成されるデータ結合部とを備える。

図３にアンテナユニット１１の構成例を示す。アンテナユニット１１は、１００本程度のアンテナ素子１１−１を鉛直方向に配列した１次元フェーズドアレイアンテナで構成される。アンテナ素子１１−１は、スロットアンテナで構成される。例えば、１／２波長の間隔でスロット３２を設けた長さ２ｍのスロット導波管３１で形成される。このスロット導波管３１を１００本程度鉛直に配列することによって、アンテナユニット１１の高さ２ｍ程度となる。スロットアンテナを用いて機械的にビームを絞ることで、方位角方向に鋭い指向性が得られ、方位角のビーム幅をほぼ１°とすることができる。

また、１００本程度のアンテナ素子のうち中央部分の数十素子は、送信モジュール１１−４を有し送受信アンテナとして動作する。残りの素子は受信アンテナとしてのみ動作する。送信時に、ファンビームを形成するにはアンテナ開口面を小さくする必要があるが、一定以上の送信電力を確保する必要があるため、送信素子数は、素子１つあたりの電力によって決められる。

レーダパルス送信時に、空中線装置１は、監視制御装置４からの制御信号に従って、空中線を水平方向に３６０°回転させるとともに、送信パルス信号を増幅し、レーダ電波を空中に送出する。送信ビーム形成ユニット１２は、仰角方向の角度範囲を複数の観測仰角に分割し、各観測仰角の観測期間内に、当該観測仰角を複数領域に区分し、互いに隣接しない複数の領域のセットをパルス送信繰り返し間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に割り当て、セット内の複数の領域に対して仰角方向にファン形状の送信ビームをそれぞれ形成する。

一方、アンテナユニット１１により空間上の気象目標からの反射波を受信すると、空中線装置１は、受信されたアナログ信号を４素子程度でサブアレイ化したのちに、受信周波数に変換し、Ａ／Ｄ変換して、Ｉ（In-Phase）／Ｑ（Quadrature）検波する。検波されたＩ／Ｑデータは、光変換部を介して信号処理装置２に与えられる。

信号処理装置２は、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）を行う受信ビーム形成ユニット２１を備える。受信ビーム形成ユニット２１は、デジタル処理により仰角方向に複数のペンシル形状の受信ビームを形成する。信号処理装置２は、空中線装置１から与えられたＩ／Ｑデータから、受信電力及びドップラ速度を算出する。また、信号処理装置２は、監視制御装置４からの制御信号に従って、レーダ電波の送出角度を決める位相制御信号を空中線装置１に送信する。

データ処理装置３は、信号処理装置２で算出された受信電力やドップラ速度データから、降雨強度及び補正後のドップラ速度を算出する。

監視制御装置４は、後述する観測シーケンスに基づき、各装置に制御信号を送出するほか、各装置の監視情報を一括して管理する。

次に、このように構成された気象レーダ装置が実行する三次元気象データの観測シーケンスについて説明する。

（レーダパルス送信動作）
図４は、レーダパルス送信動作を示すフローチャートである。
送信ビーム形成ユニット１２は、監視制御装置４からの制御信号にしたがって、仰角方向の観測範囲を複数の観測仰角に分割する（ステップＳ１ａ）。図５は、仰角方向の観測範囲（０〜９０°）を５つの観測仰角に分割した例を示す。各観測仰角１〜５には、１８°の仰角が割り当てられる（ステップＳ２ａ）。例えば、図５に示すように、観測仰角１〜５には、０〜１８°、１８〜３６°、３６〜５４°、５４〜７２°、７２〜９０°がそれぞれ割り当てられる。さらに各観測仰角の観測期間内に、当該観測仰角を複数領域に区分し、互いに隣接しない複数の領域のセットをパルス送信繰り返し間隔（ＰＲＩ）に割り当てる（ステップＳ３ａ）。例えば、図５に示すように、各観測仰角は６つの領域に区分され、領域１，３，５の組合せと領域２，４，６とで時分割される。

図６は、レーダパルス送信時の観測シーケンスの一例であり、ＰＲＩ１１１〜ＰＲＩ１１ｎにおける領域１，３，５の組合せと、ＰＲＩ１２１〜ＰＲＩ２２ｎにおける領域２，４，６の組合せとで時分割した例を示したものである。そして、送信ビーム形成ユニット１２は、１ＰＲＩでセット内の各領域に３つの送信ビームを同時に形成し（ステップＳ４ａ）、各送信ビームの仰角ビーム幅を３°程度にしてレーダパルスを送信する（ステップＳ５ａ）。

図７に、送受信ビームの一例を模式的に示す。送信時には、仰角ビーム幅がほぼ３°のファン形状の送信ビーム７０１，７０３，７０５と領域２，４，６に対応する送信ビームとを交互に時分割で形成することで、観測仰角１８°をカバーする。図７に示すように、送信ビーム１，３，５は、互いに隣接しない領域の組み合わせに対して形成されるので、干渉を防ぐことができる。

（反射パルス受信動作）
図８は、反射パルス受信動作を示すフローチャートである。
空中線装置１は、アンテナユニット１１において、１００程度のアンテナ素子数で反射パルスを受信し（ステップＳ１ｂ）、受信系統を４素子程度ずつアナログビーム合成（サブアレイ化）により受信波を合成する（ステップＳ２ｂ）。サブアレイ化により、チャネル数を減少することができ、後段の構成を簡易にし、処理時間を短縮できる。空中線装置１は、合成波をチャネル数２５程度でＡ／Ｄ変換し、Ｉ／Ｑ検波する（ステップＳ３ｂ）。

Ｉ／Ｑデータは信号処理装置２に与えられ、受信ビーム形成ユニット２１によりＤＢＦ方式を用いて合成される（ステップＳ４ｂ）。受信ビーム形成ユニット２１は、上記図７に示したように、１ＰＲＩあたり送信ビーム７０１，７０３，７０５に対して、仰角ビーム幅がほぼ１°のペンシル形状の９本のアンテナパターンをＤＢＦ処理で同時形成する。これにより、１ＰＲＩあたり仰角９°分の受信波を同時に処理することができる。

信号処理装置２は、ＤＢＦ後のデータに基づいて、通常の気象レーダ信号処理により、受信電力、ドップラ速度、速度幅等のデータを出力する。データ処理装置３は、信号処理装置２より出力された受信電力をレーダ方程式に基づいて降水強度（ｍｍ・ｈ）に変換する。ドップラ速度については折り返し補正等を実施する。

したがって、上記実施形態によれば、三次元気象データを時間及び空間的に高解像度で収集可能な気象レーダ装置を実現することができる。これにより、例えば、水平３０ｋｍ四方、鉛直１４ｋｍの空間において、１００ｍ立方毎の空間分解能で時間分解能１０秒周期の三次元降水・風速観測を実施することが可能となる。

（変形例）
図９は、送受信ビームの他の例を模式的に示したものである。ファン形状の送信ビーム９０１−９０６がおよそ３°の仰角ビーム幅で領域１−６に対応して同時に形成される。送信ビーム９０１，９０３及び９０５は、送信周波数ｆ１を用いて形成される。送信ビーム９０２，９０４及び９０６は、ｆ１と異なる送信周波数ｆ２を用いて形成される。

図１０は、この場合のレーダパルス送信時の観測シーケンスの一例である。送信ビーム形成ユニット１２は、上記５と同様に、仰角方向の観測範囲（０〜９０°）を５つの観測仰角に分割し、各観測仰角を６つの領域に区分する。互いに隣接しない複数の領域のセットで互いに異なるレーダパルスの送信周波数を割り当てる。例えば、領域１，３，５のセットには送信周波数ｆ１を、領域２，４，６のセットには送信周波数ｆ２を割り当てる。送信ビーム形成ユニット１２は、１ＰＲＩにおいて、領域１−６に対して、仰角方向に３°程度のファン形状の６つの送信ビームを同時に形成する。

図９に示すように、１ＰＲＩあたり送信ビーム９０１−９０６に対して、仰角ビーム幅がほぼ１°のペンシル形状の１８本のアンテナパターンをＤＢＦ処理で同時形成する。これにより、１ＰＲＩあたり仰角１８°分の受信波を同時に処理することができる。

図７では、同一の送信周波数のレーダパルスについて送信ビームを形成したため、干渉を防ぐために同時に形成される送信ビームの角度を離す必要があった。図９、１０に示したように、１ＰＲＩ内で仰角方向に隣接する領域の送信ビームのレーダパルスの送信周波数を異なるように割り当てることで、１ＰＲＩ内で観測できる仰角分解能を高めることが可能となる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…空中線装置、１１…アンテナユニット、１２…送信ビーム形成ユニット、２…信号処理装置、２１…受信ビーム形成ユニット、３…データ処理装置、４…監視制御装置、１１−１…アンテナ素子、１１−２…フィルタ、１１−３…送受信切換器、１１−４…送信モジュール、１１−４１…増幅器、１１−４２…移相器、１１−５…受信モジュール、１１−５１…増幅器、１１−５２…移相器、１−３…局部発振器、１−４…Ａ／Ｄ変換器、１−５…Ｉ／Ｑ検波器、１−６…Ｄ／Ａ変換器、１−７…電源供給部、５−１…Ｅ／Ｏ変換器、５−２…Ｏ／Ｅ変換器、２−１…ＦＰＧＡ、２−２…ＤＳＰ、３−１…ＤＳＰ、３−２…ＰＣ、３−３…ＰＣ、３１…スロット導波管、３２…スロット。

Claims

レーダパルスを送信し、反射パルスを受信する複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したアクティブフェーズドアレイ方式のアンテナユニットと、
仰角方向の観測範囲を複数の観測仰角に分割し、各観測仰角を複数の領域に区分し、互いに隣接しない複数の領域のセットをパルス送信繰り返し間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に割り当て、前記セット内の各領域に対して前記仰角方向にファン形状の送信ビームをそれぞれ形成する送信ビーム形成手段と、
前記複数の領域のそれぞれに対してペンシル形状の複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成手段とを具備することを特徴とする気象レーダ装置。
レーダパルスを送信し、反射パルスを受信する複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したアクティブフェーズドアレイ方式のアンテナユニットと、
仰角方向の観測範囲を複数の観測仰角に分割し、各観測仰角を複数の領域に区分し、互いに隣接しない領域のセット毎に互いに異なるレーダパルスの送信周波数を割り当て、パルス送信繰り返し間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）で前記複数の領域に対して前記仰角方向にファン形状の複数の送信ビームを形成する送信ビーム形成手段と、
前記複数の領域のそれぞれ対してペンシル形状の複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成手段とを具備することを特徴とする気象レーダ装置。
前記アンテナユニットは、一部のアンテナ系に送信モジュールが設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の気象レーダ装置。
前記アンテナ素子は、スロットアンテナを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の気象レーダ装置。
前記アンテナユニットは、受信系統をサブアレイ化することを特徴とする請求項１又は２に記載の気象レーダ装置。
前記受信ビーム形成手段は、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）方式であることを特徴とする請求項１又は２に記載の気象レーダ装置。
レーダパルスを送信し、反射パルスを受信する複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したアクティブフェーズドアレイ方式のアンテナユニットを具備する気象レーダに用いられる気象観測方法であって、
仰角方向の観測範囲を複数の観測仰角に分割し、
各観測仰角を複数の領域に区分し、
互いに隣接しない複数の領域のセットをパルス送信繰り返し間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に割り当て、
前記セット内の各領域に対して前記仰角方向にファン形状の送信ビームをそれぞれ形成し、
前記複数の領域のそれぞれに対してペンシル形状の複数の受信ビームを形成することを特徴とする気象観測方法。
レーダパルスを送信し、反射パルスを受信する複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したアクティブフェーズドアレイ方式のアンテナユニットを具備する気象レーダに用いられる気象観測方法であって、
仰角方向の観測範囲を複数の観測仰角に分割し、
各観測仰角を複数の領域に区分し、
互いに隣接しない領域のセット毎に互いに異なるレーダパルスの送信周波数を割り当て、
パルス送信繰り返し間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）で前記複数の領域に対して前記仰角方向にファン形状の複数の送信ビームを形成し、
前記複数の領域のそれぞれに対してペンシル形状の複数の受信ビームを形成することを特徴とする気象観測方法。