JP5693857B2 - 気象レーダ装置及び気象観測方法 - Google Patents

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Description

この発明は、例えば、雨や雲などの気象現象を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、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。
なお、本願に関連する公知文献として次のようなものがある（例えば、特許文献１を参照。）。
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、急激な積乱雲の発達のような突発的かつ局地的な気象現象の探知が困難であった。
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、突発的かつ局地的な気象現象を的確に観測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に係る気象レーダ装置は、複数のアンテナ素子から電波を送信し、位相制御により仰角方向にビーム走査を行って気象目標からの反射波を受信するアンテナユニットと、前記アンテナユニットの開口面の仰角を駆動する駆動ユニットと、前記駆動ユニットにより前記開口面を観測範囲の最大距離方向に正対させた状態で前記アンテナユニットに前記ビーム走査を行わせ、前記反射波の受信信号をもとに前記気象目標を探知した時点で、前記駆動ユニットに前記開口面を前記気象目標に向けて正対させる制御ユニットとを具備する。
また、この発明に係る気象観測方法は、複数のアンテナ素子から電波を送信し、位相制御により仰角方向にビーム走査を行って前記気象目標からの反射波を受信するアンテナユニットと、前記アンテナユニットの開口面の仰角を駆動する駆動ユニットとを具備する気象レーダ装置に用いられる気象観測方法であって、前記駆動ユニットにより前記開口面を観測範囲の最大距離方向に正対させた状態で前記アンテナユニットに前記ビーム走査を行わせ、前記反射波の受信信号をもとに前記気象目標を探知した時点で、前記駆動ユニットに前記開口面を前記気象目標に向けて正対させるものである。
したがってこの発明によれば、突発的かつ局地的な気象現象を的確に観測可能な気象レーダ装置及び気象観測方法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の気象レーダ装置の観測手順を示すフローチャート。 広範囲観測モードの動作を示す図。 アンテナ開口面の仰角と有効開口面積の関係を示す図。 アンテナ開口面の仰角とビーム幅の関係を示す図。 局地観測モードの動作を示す図。 局地観測モード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、駆動ユニット１２とを備える。
アンテナユニット１１は、例えば、複数のアンテナ素子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。アンテナユニット１１は、信号処理装置２からの制御信号に従って、上記複数のアンテナ素子から電波を送信し、位相制御により仰角方向にビーム走査を行って、降水などの気象目標からの反射波を受信する。
気象レーダは、任意空間の気象目標を観測する必要があるため、駆動ユニット１２は、監視制御装置４からの制御信号に従って、駆動モータの回転等によりアンテナユニット１１の開口面の方位角、仰角を機械的に制御する。
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Ａ／Ｄ変換して、Ｉ（In-Phase）／Ｑ（Quadrature）検波し、検波したＩ／Ｑ信号を信号処理装置２に与える。
信号処理装置２は、空中線装置１から与えられたＩ／Ｑ信号から、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及び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信するほか、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が実行する観測シーケンスについて説明する。図２は、観測シーケンスを示すフローチャートである。
ステップＳ２１において、気象レーダは、晴天時あるいは気象目標を探知する前の段階において、図３に示すような広範囲観測モードとして動作する。すなわち、監視制御装置４は、駆動ユニット１２により観測範囲の最大探知距離の方向にアンテナ開口面を正対させた状態で、アンテナユニット１１に３６０°全方位を０〜９０°仰角でビーム走査させる。
図４は、アンテナ開口面の仰角とアンテナの有効開口面積の関係を示したものである。図５は、アンテナ開口面の仰角とビーム幅の関係を示したものである。図４中Ａ１に示すように、アンテナの正対方向で有効開口面積は最大となり、図４中Ａ２，Ａ３のように、ビーム形成位置がアンテナ正対方向から離れるほど有効開口面積が狭くなってしまう。図５に示すように、アンテナ有効開口面積が広くなるほど、ビーム幅は狭くなり指向性利得が高くなる。一方、アンテナ有効開口面積が狭くなるほど、ビーム幅が広くなり利得も低下する。利得が下がると、気象レーダは弱い雨などが探知できなくなる。このため、監視制御装置４は、ビーム中心位置を観測条件に応じてクリティカルに指向させるように、アンテナ開口面の仰角を制御する。
ステップＳ２２において、信号処理装置２により反射波の受信信号から気象目標が探知されると、ステップＳ２３に移行して、気象レーダは、図６に示すような局地観測モードとして動作する。監視制御装置４は、駆動ユニット１２にアンテナ開口面を気象目標に向けて正対させ、アンテナユニット１１に気象目標までの距離、気象目標の大きさに応じた地点をビーム走査させる。例えば、アンテナ開口面は、受信信号の最大受信電力強度が得られる仰角に制御される。
以上述べたように、上記実施形態では、フェーズドアレイ方式のアンテナユニットを備える気象レーダにおいて、晴天時などには、アンテナ開口面を観測範囲の最大距離方向に正対させた状態で３６０°全方位を０〜９０°仰角でビーム走査させ、雨雲等の気象目標を探知すると、アンテナ開口面を気象目標に向けて正対させて気象目標までの距離、気象目標の大きさに応じた地点をビーム走査させる。
このように構成することにより、ビーム中心位置を観測条件に応じてクリティカルに指向させることができ、急激な積乱雲の発達のような突発的かつ局地的な気象現象を的確に観測できるようになる。
さらに、上記ステップＳ２３の局地観測モードにおいて、図７に示すような観測シーケンスを適用することもできる。ステップＳ７１において、監視制御装置４は、信号処理装置２で算出された受信電力の値をもとに、例えば、方位角３６０°を４つに分割した第１〜第４方位毎に最大受信電力を計算する。ステップＳ７２において、監視制御装置４は、最大受信電力の地点の仰角をそれぞれ求める。ステップＳ７３において、監視制御装置４は、次回のスキャンで第１〜第４方位毎にアンテナ開口面が上記仰角になるように駆動ユニット１２を制御する。このように、複数の方位毎にアンテナ開口面を気象目標に向けて正対させるようにすることで、さらに高精度に気象現象を観測す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…駆動ユニット、２…信号処理装置、３…データ処理装置、４…監視制御装置。

Claims (6)

  1. 複数のアンテナ素子から電波を送信し、位相制御により仰角方向にビーム走査を行って気象目標からの反射波を受信するアンテナユニットと、
    前記アンテナユニットの開口面の仰角を駆動する駆動ユニットと、
    前記駆動ユニットにより前記開口面を観測範囲の最大距離方向に正対させた状態で前記アンテナユニットに前記ビーム走査を行わせ、前記反射波の受信信号をもとに前記気象目標を探知した時点で、前記駆動ユニットに前記開口面を前記気象目標に向けて正対させる制御ユニットとを具備することを特徴とする気象レーダ装置。
  2. 前記制御ユニットは、前記受信信号の最大受信電力強度に基づいて前記開口面の仰角を駆動することを特徴とする請求項１記載の気象レーダ装置。
  3. 前記制御ユニットは、前記気象目標を探知した時点で、前記受信信号から複数の方位毎に受信電力強度の最大値を計算し、前記最大値に基づいて複数の方位毎に前記開口面の仰角を駆動することを特徴とする請求項１記載の気象レーダ装置。
  4. 複数のアンテナ素子から電波を送信し、位相制御により仰角方向にビーム走査を行って気象目標からの反射波を受信するアンテナユニットと、前記アンテナユニットの開口面の仰角を駆動する駆動ユニットとを具備する気象レーダ装置に用いられる気象観測方法であって、
    前記駆動ユニットにより前記開口面を観測範囲の最大距離方向に正対させた状態で前記アンテナユニットに前記ビーム走査を行わせ、前記反射波の受信信号をもとに前記気象目標を探知した時点で、前記駆動ユニットに前記開口面を前記気象目標に向けて正対させることを特徴とする気象観測方法。
  5. 前記受信信号の最大受信電力強度に基づいて前記開口面の仰角を駆動することを特徴とする請求項４記載の気象観測方法。
  6. 前記気象目標を探知した時点で、前記受信信号から複数の方位毎に受信電力強度の最大値を計算し、前記最大値に基づいて複数の方位毎に前記開口面の仰角を駆動することを特徴とする請求項４記載の気象観測方法。
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