JP6411248B2 - 気象レーダシステム、気象レーダおよび気象レーダシステムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、気象レーダに応用することの可能な協調制御型レーダシステムに関する。

近年になり開発が進められている協調制御型レーダシステムは、マルチスタティック方式として知られるレーダシステムの一例である。マルチスタティックレーダの多くは、一つの送受信局と複数の受信局とを備える。例えば、フェーズドアレイ／ＤＢＦ（Digital Beam Forming）機能を持つレーダ（送受信局）と、二次元ＤＢＦ機能を持つレーダ（受信局）とを組み合わせることが考えられている。この種のレーダシステムは気象観測などへの応用が期待されている。

フェーズドアレイ／ＤＢＦレーダは気象現象を高速に観測することができる。二次元ＤＢＦレーダは、送受信局から送信された電波（以下、レーダ波と称する）による側方散乱を観測することができる。これらのレーダを協調的に動作させることで気象現象を短時間に高密度で、かつ三次元的に観測することが可能になり、ひいては極端気象の予兆を確実に検知できるようになる。

"電波資源拡大のための研究開発研究開発課題便覧 平成２５年５月 総務省 総合通信基盤局電波部 電波政策課",２０ページ"周波数の有効利用を可能とする協調制御型レーダシステムの研究開発"，[online]，［平成２７年１月１５日検索］,インターネット，<URL : http://www.tele.soumu.go.jp/resource/j/fees/purpose/pdf/25kenkyukaihatsu.pdf#6>

気象レーダの運用には電波干渉への対策が重要である。特に、近傍の気象レーダからのレーダパルスによる干渉は観測結果に多大な影響をもたらすので、既知の技術よりも、より積極的な干渉抑圧技術が要望されている。
目的は、電波干渉を抑圧して観測精度を高めた気象レーダシステム、気象レーダおよび気象レーダシステムの制御方法を提供することにある。

実施形態によれば、気象レーダシステムは、第１レーダおよび第２レーダと、取得部と、同期制御部とを具備する。第１レーダおよび第２レーダは、互いに通信ネットワークに接続されそれぞれ主ビームを回転可能である。取得部は、第１レーダの主ビームの回転方向及び回転速度を、通信ネットワークを介して取得する。同期制御部は、第２レーダの主ビームを、回転方向と同方向かつ回転速度と同じ速度で、第１レーダの主ビームと同期して回転させる。

図１は、第１の実施形態に係る気象レーダシステムの一例を示す図である。 図２は、図１に示される気象レーダシステムの一例を示す機能ブロック図である。 図３は、複数の気象レーダの主ビームが同相で回転している状態の一例を示す図である。 図４は、既存の気象レーダシステムにおいて主ビームが回転する様子を説明するための図である。 図５は、複数の気象レーダの主ビームが同期しつつ逆相で回転している状態の一例を示す図である。

図１は、実施形態に係る気象レーダシステムの一例を示す図である。このシステムは気象レーダ１００と気象レーダ２００を備える。気象レーダ１００および気象レーダ２００はそれぞれ地理的に異なる位置（例えばＡ県の県庁所在地とＢ県の県庁所在地など）に設置され、通信ネットワークＮＷを介して互いに通信可能である。

一つ一つのレーダ局（サイト）を単独で運用するよりも複数のサイトを協調させるほうが、より有益な気象情報を得られることがある。例えば、同じ気象現象を複数方向から観測することで、三次元ドップラー速度を観測することができる。これにより突発的な竜巻やダウンバーストなどの、極端気象の予兆検知に資するデータを得られる。

気象レーダ１００と気象レーダ２００とを協調して動作させるために、互いのレーダ装置における時刻を高精度に同期させる必要がある。例えば、気象レーダ１００および気象レーダ２００が、それぞれＧＰＳ（Global Positioning System）衛星から時刻情報を取得することで互いの時刻を同期させることが可能である。または、気象レーダ１００および気象レーダ２００に高精度のクロック発振器を設けることでも、両レーダの時刻を高精度に同期させることが可能である。あるいは、一方のレーダ（局）の時刻を通信ネットワークＮＷを介して他方の局に通知するようにしても良い。

図２は、図１に示される気象レーダシステムの一例を示す機能ブロック図である。気象レーダ１００は、送信信号発生部１０、送信部１１、サーキュレータ１２、ビーム制御部１３、アンテナ部１４、受信部１５および信号処理部１６を備える。

送信信号発生部１０により発生された送信種信号は送信部１１でレーダパルス信号に変換され、サーキュレータ１２を介してビーム制御部１３に入力される。ビーム制御部１３はアンテナ部１４を制御して主ビームを形成し、主ビームからレーダパルスを放射する。

アンテナ部１４は、例えばアレイ状に配列される複数のアンテナ素子を備える、２次元フェーズドアレイアンテナである。ビーム制御部１３は、主ビームの指向方向を電子的に変化させ、主ビームを例えば一定の回転速度（角速度）および位相で回転させる。主ビームの回転方向及び回転速度を含むビーム諸元情報は、記憶部１８に記憶される（ビーム諸元情報１８a）。

アンテナ部１４は、機械駆動方式、あるいはＤＢＦ（Digital Beam Forming）技術により送信ビームおよび受信ビームを電子的に走査可能である。つまりアンテナ部１４により形成される主ビームは回転可能である。ビーム制御部１３はアンテナ部１４の形成する受信ビームを回転させて空間をスキャンし、また、受信ビームパターンの形状を制御する。

雨滴などの観測対象からのレーダエコーは、アンテナ部１４により捕捉される。アンテナ部１４からの信号はビーム制御部１３を介して受信部１５で受信され、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換された後に直交検波（Ｉ／Ｑ検波）される。信号処理部１６は受信部１５から出力されるＩ／Ｑ信号を処理して、受信電力やドップラー速度を算出する。

なおアンテナ部１４は、レーダエコーのほか、気象レーダ２００の主ビーム（メインローブ）、あるいはサイドローブから直接的に到来する電波（干渉波）をも捕捉してしまうことがある。実施形態ではこの干渉波を防止可能とする技術を開示する。

さらに気象レーダ１００は、制御部１７および通信部１９を備える。このうち通信部１９は、通信ネットワークＮＷを介して気象レーダ２００と通信する。制御部１７は、例えばメモリを有するプロセッサとして実現される。あるいは制御部１７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを備えるコンピュータであっても良い。制御部１７は信号処理部１６から取得した種々の情報に基づき、気象現象に関する様々な情報を計算する。

一方、気象レーダ２００は、送信信号発生部２０、送信部２１、サーキュレータ２２、ビーム制御部２３、アンテナ部２４、受信部２５および信号処理部２６を備える。そして気象レーダ１００と同様の作用により、気象レーダ２００は、観測対象に対する種々の物理量を観測する。

特に、アンテナ部２４は、機械駆動方式、あるいはＤＢＦ（Digital Beam Forming）技術により送信ビームおよび受信ビームを電子的に走査可能である。つまりアンテナ部２４により形成される主ビームは回転可能である。

さらに気象レーダ２００は、制御部２７、記憶部２８および通信部２９を備える。通信部２９は、通信ネットワークＮＷを介して気象レーダ１００と通信する。制御部２７は、例えばメモリを有するプロセッサとして実現される。あるいは制御部２７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを備えるコンピュータであっても良い。

ところで、制御部２７は、実施形態に係る処理機能として取得部２７ａ、同期制御部２７ｂ、および、計算部２７ｃを備える。
取得部２７ａは、気象レーダ１００から通信ネットワークＮＷ経由でビーム諸元情報１８ａを取得する。このビーム諸元情報１８ａは、気象レーダ１００の主ビームの回転方向及び回転速度を含む。取得されたビーム諸元情報１８ａは、記憶部２８に記憶される
同期制御部２７ｂは、ビーム制御部２３により形成される自らの主ビームを、気象レーダ１００の主ビームと同期して回転させる。つまり同期制御部２７ｂは、自らの主ビームの回転速度を気象レーダ１００の主ビームの回転速度と同じにする。

両ビームの回転方向は、同じ場合と、互いに逆方向の場合とがある。回転方向が同じ場合には、両ビームの回転位相は互いに揃っていると表現できる。すなわち同期制御部２７ｂは、自らの主ビームを、気象レーダ１００の主ビームの回転方向と同方向かつ同じ回転速度で、気象レーダ１００の主ビームと同期して回転させる。

回転方向が逆の場合には、両ビームの回転位相が逆相であると表現できる。すなわち同期制御部２７ｂは、自らの主ビームを、気象レーダ１００の主ビームの回転方向と逆方向かつ同じ回転速度で、気象レーダ１００の主ビームと同期して回転させる。気象レーダ１００の時刻と気象レーダ２００の時刻とを高精度に同期させることで、このような制御が可能になる。

計算部２７ｃは、信号処理部２６から取得した種々の情報に基づき、気象現象に関する様々な情報を計算する。例えば計算部２７ｃは、自ら算出した目標のドップラー速度と、気象レーダ１００から取得した目標のドップラー速度とを用いてセンサフュージョン処理を実行し、同じ目標についてのドップラー速度を算出する。これにより気象レーダ単独での運用に比べ、気象情報の精度を高めることができる。

上記構成において、取得部２７a、同期制御部２７ｂ、同期制御部２７ｃ、計算部２７ｃは、例えば、メモリに記憶された専用のソフトウェア（プログラム）に記載された命令をＣＰＵが実行して実現される処理機能、として実装（インプリメント）されることができる。上記構成を基礎として、次に、複数の実施形態について説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態では、気象レーダ１００の主ビームの回転方向と気象レーダ２００の主ビームの回転方向とが同じ（同相）であるケースについて説明する。

図３は、複数（３基）の気象レーダの主ビームが同相で回転している状態の一例を示す図である。各気象レーダにそれぞれ符号１００，２００，３００を付して区別する。気象レーダ１００，２００，３００はいずれも通信ネットワークＮＷに接続される。気象レーダ３００は気象レーダ２００と同様の構成を備えるとする。つまり図３は、気象レーダ２００および３００が、気象レーダ１００の主ビームの回転方向と同相で自らの主ビームを回転させている状態を示す。

図３に示されるように、回転する主ビームが気象レーダごとに同期していれば、複数の主ビームが交差することを防止できる。つまり各気象レーダ間で時刻が同期制御されるので、主ビームの回転方向および回転速度を高精度に合わせることが可能である。このような制御により、ビーム指向性が交差することを防ぎ、干渉を回避し、干渉による観測精度への悪影響を防止することが可能になる。特に、近傍の気象レーダからの、比較的利得の高い干渉を回避することが可能となる。

すなわち第１の実施形態によれば、気象レーダ１００における時刻と、気象レーダ２００における時刻とを高精度に同期させ、互いのレーダ装置を協調して動作させる。また、気象レーダ１００および気象レーダ２００に通信機能を持たせ、気象レーダ１００のビーム諸元情報を、通信ネットワークＮＷ経由で気象レーダ１００から気象レーダ２００に通知する。ビーム諸元情報は、気象レーダ１００の主ビームの回転方向、及び回転速度を含む。そして、気象レーダ１００の主ビームの回転方向と同方向に、かつ、気象レーダ１００の主ビームの回転速度と同じ速度で、気象レーダ２００の主ビームを回転させる。すなわち気象レーダ２００の主ビームを、気象レーダ１００の主ビームと同期して回転させるようにした。

気象レーダの干渉対策においては、与干渉局のサイドローブから放射された電波が被干渉局のメインローブで受信されることが想定される。既存の気象レーダは回転駆動型のパラボラアンテナを用いていたので、図４に示されるように、複数の気象レーダ間の電波発射方向を自由に精度良く制御できず、干渉を回避することが難しかった。

仮に電波発射方向を自由に精度良く制御できたとしても、既存の気象レーダは方位角方向の回転及び仰角方向の回転がいずれも機械駆動であるので、干渉を生じやすい。しかも気象レーダに特有の事情として、同じ指向方向に連続して数１０〜１００程度のパルスを送信する観測方法が採用されていることから、干渉の生じる頻度がますます大きくなっていた。

既存の気象レーダは、既知の与干渉局（同じ周波数帯を利用する近傍の気象レーダ等）や未知の与干渉局（航空機搭載レーダ、無線ＬＡＮ、ＵＷＢ等）からの電波干渉を抑圧する機能を備えてはいる。しかしながらその手法は、レーダ波の中心周波数を与干渉局の中心周波数と異ならせるといった簡易的なものなので効果は薄い。

これに対し実施形態では、複数の気象レーダの主ビームを、互いの情報通信機能を活かすことで、完全に同期した状態で回転させることが可能になる。これにより気象レーダ間での干渉を抑圧し、観測精度を向上させることができる。すなわちこの実施形態によれば、気象レーダ１００および気象レーダ２００の主ビームの回転方向及び速度を高精度に同期させることで電波干渉の可能性を抑えられる。

また第１の実施形態によれば、ゲリラ豪雨のたまごなど特定の観測対象にビームを向けて３次元に速度観測を行うような観測モードにおいても、電波発射方向を精度良く制御することができ、高精度な観測かつ干渉を低減することが可能になる。

これらのことから、電波干渉を抑圧して観測精度を高めた気象レーダシステム、気象レーダおよび気象レーダシステムの制御方法を提供することが可能となる。

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、気象レーダ１００の主ビームの回転方向と気象レーダ２００の主ビームの回転方向とが逆（逆相）であるケースについて説明する。
第２の実施形態において、気象レーダ２００の同期制御部２７ｂは、気象レーダ２００の主ビームを、気象レーダ１００の主ビームの回転方向と逆方向かつ同じ回転速度で、気象レーダ１００の主ビームと同期して回転させる。これにより図５に示されるような状態が実現される。

図５は、複数の気象レーダの主ビームが同期しつつ逆相で回転している状態の一例を示す図である。図５において、気象レーダ１００は時計回り方向に、気象レーダ２００は反時計回り方向に、それぞれ主ビームを回転させる。このとき、同期制御部２７ｂは、２局間を結ぶ直線上で互いの主ビームが向き合うように、各ビームの回転位相を制御する。

ビームスキャン中に、信号処理部２６は、観測対象のドップラー速度情報を取得する。そして計算部２７ｃは、自らの主ビームと気象レーダ１００の主ビームとが既定の交差角で交差する状態において取得されたドップラー速度情報に基づいて、デュアルドップラー法により、観測対象の速度を計算する。

特に第２の実施形態では、気象レーダ１００の主ビームと気象レーダ２００の主ビームとが交差する角度（交差角）が３０°〜１５０°の範囲に在る状態で取得されたドップラー速度情報に基づいて、観測対象の速度を計算する。

図５において、気象レーダ１００，２００の主ビームが向き合うとき、交差角が１８０°になるので、デュアルドップラー法による速度計算の精度が劣化する。そこで第２の実施形態では、交差角が９０°±６０°のときに取得された情報に基づいて、観測対象の速度を計算する。

以上述べたように第２の実施形態では、デュアルドップラー法による３次元速度観測モードにおいて、気象レーダ１００，２００の間を結ぶ直線（基線）上で各々の主ビームが向き合うように、同じ速度かつ逆方向の回転となるように制御する。これにより干渉の影響を最小にすることができる。

ちなみに主ビームを同じ方向に回転させるケースでは、複数レーダ間で同じ対象を観測しようとしても数十秒から数分の遅れを生じる。これに対し第２の実施形態では、複数の主ビームの回転方向を逆回転としているので、同時刻での速度観測が可能になる。すなわち第２の実施形態では、干渉の生じることを積極的に利用して、デュアルドップラー法による３次元での速度観測を実施できるようにしている。また、同じ気象現象を複数方向から観測することで、三次元ドップラー速度の観測が可能となり、極端気象の予兆検知に資するデータを得ることが可能になる。これらのことから第２の実施形態によれば、干渉の影響を最小限に抑えて観測精度を向上させるとともに、観測対象の速度を高精度で観測可能な気象レーダシステム、気象レーダおよび気象レーダシステムの制御方法を提供することが可能となる。

なお、上記説明における「プロセッサ」の概念は、例えば、専用又は汎用のprocessor, circuit(circuitry), processing circuit(circuitry), operation circuit(circuitry), arithmetic circuit(circuitry)、或いは、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ））、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array：ＦＰＧＡ））などを含む。実施形態の各構成要素（各機能ブロック）は、単一のプロセッサに限らず複数のプロセッサによっても実現することができる。または、複数の構成要素（複数の処理部）を、単一のプロセッサによって実現することも可能である。

また、この発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、システムを構成する気象レーダの数なども、図示した値に限定されるものではない。例えば第２の実施形態において３以上の気象レーダが関係するケースでも、それぞれのレーダの対において図５に示すような関係が成立していればよい。つまり、対を成す２つのレーダの主ビームが、これらのレーダを結ぶ基線方向において対向（正対）するように、各レーダの回転速度を制御すればよい。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…送信信号発生部、１１…送信部、１２…サーキュレータ、１３…ビーム制御部、１４…アンテナ部、１５…受信部、１６…信号処理部、１７…制御部、１８…記憶部、１８ａ…ビーム諸元情報、１９…通信部、２０…送信信号発生部、２１…送信部、２２…サーキュレータ、２３…ビーム制御部、２４…アンテナ部、２５…受信部、２６…信号処理部、２７…制御部、２７ａ…取得部、２７ｂ…同期制御部、２７ｃ…計算部、２８…記憶部、２９…通信部、１００，２００，３００…気象レーダ

Claims (9)

1. 互いに通信ネットワークに接続されそれぞれ主ビームを回転可能な第１レーダおよび第２レーダと、
   前記第１レーダの主ビームの回転方向及び回転速度を、前記通信ネットワークを介して取得する取得部と、
   前記第２レーダの主ビームを、前記回転方向と逆方向かつ前記回転速度と同じ速度で、前記第１レーダの主ビームと同期して回転させる同期制御部と、
   前記第１レーダの主ビームと前記第２レーダの主ビームとが既定の交差角で交差する状態で取得されたドップラー速度情報に基づいて観測対象の速度を計算する計算部とを具備する、気象レーダシステム。
2. 前記計算部は、前記第１レーダの主ビームと前記第２レーダの主ビームとが３０°〜１５０°の範囲で交差する状態で取得された前記ドップラー速度情報に基づいて前記観測対象の速度を計算する、請求項１に記載の気象レーダシステム。
3. 前記第１レーダおよび前記第２レーダの少なくともいずれか一方は、前記主ビームを電子的に回転可能である、請求項１または２のいずれか１項に記載の気象レーダシステム。
4. 主ビームを形成するビーム形成部と、
   通信ネットワークを介して通信可能な他のレーダ装置から、当該他のレーダ装置の主ビームの回転方向及び回転速度を、前記通信ネットワークを介して取得する取得部と、
   前記ビーム形成部により形成された主ビームを、前記回転方向と逆方向かつ前記回転速度と同じ速度で、前記他のレーダの主ビームと同期して回転させる同期制御部と、
   前記同期制御部により回転された主ビームと前記他のレーダ装置の主ビームとが既定の交差角で交差する状態で取得されたドップラー速度情報に基づいて観測対象の速度を計算する計算部とを具備する、気象レーダ。
5. 前記計算部は、前記同期制御部により回転された主ビームと前記他のレーダ装置の主ビームとが３０°〜１５０°の範囲で交差する状態で取得された前記ドップラー速度情報に基づいて前記観測対象の速度を計算する、請求項４に記載の気象レーダ。
6. 前記ビーム形成部は、電子的に回転可能な主ビームを形成する、請求項４または５のいずれか１項に記載の気象レーダ。
7. 互いに通信ネットワークに接続されそれぞれ主ビームを回転可能な第１レーダおよび第２レーダを具備する気象レーダシステムに備わるコンピュータにより実行される、気象レーダシステムの制御方法であって、
   前記コンピュータが、前記第１レーダの主ビームの回転方向及び回転速度を、前記通信ネットワークを介して取得し、
   前記コンピュータが、前記第２レーダの主ビームを、前記回転方向と逆方向かつ前記回転速度と同じ速度で、前記第１レーダの主ビームと同期して回転させ、
   前記コンピュータが、前記第１レーダの主ビームと前記第２レーダの主ビームとが既定の交差角で交差する状態で取得されたドップラー速度情報に基づいて観測対象の速度を計算する、気象レーダシステムの制御方法。
8. 前記コンピュータは、前記第１レーダの主ビームと前記第２レーダの主ビームとが３０°〜１５０°の範囲で交差する状態で取得された前記ドップラー速度情報に基づいて前記観測対象の速度を計算する、請求項７に記載の気象レーダシステムの制御方法。
9. 前記第１レーダおよび前記第２レーダの少なくともいずれか一方は、前記主ビームを電子的に回転可能である、請求項７または８のいずれか１項に記載の気象レーダシステムの制御方法。