JP7057165B2 - 気象レーダ偽像判定装置、プログラム及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、ビーム方向の電子走査を行なうフェーズドアレイ気象レーダにおける、反射因子が偽像によるものか実像によるものであるかを判定する技術に関する。

仰角方向の電子走査を行なうことにより、仰角方向の高速スキャンを行なうことができる、フェーズドアレイ気象レーダが知られている。ここで、送受信アンテナ素子の励振振幅及び励振位相を適応的に制御して、送受信ビームの仰角方向の指向性を適応的に調整する、アダプティブビームフォーミングが知られている（例えば、特許文献１等を参照。）。

特開２０１４－０６４１１４号公報

気象レーダの表示画像を図１に示す。ここで、約２０ｋｍ～２５ｋｍのレンジ及び約０°～２０°の仰角において、積乱雲が表示されている。しかし、約２３ｋｍのレンジ及び約２０°～４５°の仰角において、積乱雲の上層部による実像が表示されているのか、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されているのか、明確ではない。

そこで、受信ビームの仰角方向の指向性を適応的に調整して、受信ビームのサイドローブによる偽像を低減する、アダプティブビームフォーミングが考えられる。しかし、受信アンテナ素子の励振振幅及び励振位相を適応的に制御すると、計算量が大きくなる。そして、受信ビームのサイドローブレベルを低くすると、受信ビームのメインローブ幅が広くなり、受信ビームのゲインが小さくなり、観測精度が低くなる。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、ビーム方向の電子走査を行なうフェーズドアレイ気象レーダにおいて、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減し、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することを目的とする。

前記課題を解決するために、あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、その方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算値を算出する。そして、その方向において算出された反射因子からその積算値を減算した結果が小さいときに、その方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する。一方で、その方向において算出された反射因子からその積算値を減算した結果が大きいときに、その方向において算出された反射因子が実像によるものであると判定する。

具体的には、本開示は、ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算値を算出する反射因子積算部と、前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算値を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定部と、を備えることを特徴とする気象レーダ偽像判定装置である。

また、本開示は、ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算値を算出する反射因子積算ステップと、前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算値を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定ステップと、を順にコンピュータに実行させるための気象レーダ偽像判定プログラムである。

また、本開示は、ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算値を算出する反射因子積算ステップと、前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算値を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定ステップと、を順に備えることを特徴とする気象レーダ偽像判定方法である。

この構成によれば、少なくとも１種類の受信ビームを形成するのみでよいため、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減することができる。そして、メインローブ幅が狭い受信ビームを形成して反射因子を算出することに制限がなくなるため、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することができる。

また、本開示は、前記反射因子積算部は、前記あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある仰角にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、前記ある仰角にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの仰角範囲のうちの、前記ある仰角より低い仰角範囲において、前記積算値を算出することを特徴とする気象レーダ偽像判定装置である。

この構成によれば、積乱雲等が発達しにくい高仰角側において、反射因子と指向特性との乗算値を積算する必要がなくなるため、計算量を小さくすることができる。

また、本開示は、前記反射因子積算部は、所定の仰角より高い仰角において、前記積算値を算出し、前記偽像判定部は、前記所定の仰角より高い仰角において、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであるか実像によるものであるかを判定することを特徴とする気象レーダ偽像判定装置である。

この構成によれば、積乱雲等が発達しやすい低仰角側において、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されにくいことを利用して、計算量を小さくすることができる。

このように、本開示によれば、ビーム方向の電子走査を行なうフェーズドアレイ気象レーダにおいて、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減し、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することができる。

気象レーダの表示画像を示す図である。 本開示の気象レーダ装置の構成を示す図である。 本開示の偽像判定の処理手順を示すフローチャートである。 本開示の偽像と判定する場合の処理を示す図である。 本開示の実像と判定する場合の処理を示す図である。 本開示の送受信ビームの形成方法を示す図である。 本開示の送受信ビームの形成方法を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

本開示の気象レーダ装置の構成を図２に示す。本開示の偽像判定の処理手順を図３に示す。気象レーダ装置Ｍは、送信ビーム形成装置１、受信ビーム形成装置２、送受信ビーム制御装置３及び偽像判定装置４を備える。偽像判定装置４は、反射因子積算部４１及び偽像判定部４２を備える。汎用のコンピュータに偽像判定プログラムをインストールすることにより、そのコンピュータを偽像判定装置４として機能させることができる。

送信ビーム形成装置１及び受信ビーム形成装置２は、フェーズドアレイアンテナであるが、図６及び図７と関連して後に詳述する。送受信ビーム制御装置３は、送受信ビームの仰角方向の指向性を調整するが、図３から図５までと関連して後に詳述する。

まず、所定の角度θ_Ｔｈより高い仰角θ_Ａでの処理手順を説明する（ステップＳ１においてＹＥＳ）。積乱雲等が発達しにくい高仰角側において、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されやすいことを考慮して、以下のような処理手順を実行する。

送受信ビーム制御装置３は、メインローブ幅が狭い受信ビームを形成するように、受信ビーム形成装置２を制御する。そして、反射因子積算部４１は、仰角０≦θ≦θ_Ａ及びあるレンジビンにおいて、反射因子Ｚ（θ）を算出する（ステップＳ２）。具体的には、反射因子積算部４１は、受信電力Ｐ（θ）を送信ゲインＧ_Ｔｘ及び受信ゲインＧ_Ｒｘで規格化して、反射因子Ｚ（θ）を算出する（数１を参照、Ｃは比例係数。）。

さらに、反射因子積算部４１は、そのレンジビンにおいて、算出された反射因子Ｚ（θ）と、仰角θ_Ａにメインローブを有する受信ビームの指向特性Ｂ（θ_Ａ，θ）と、の乗算値Ｚ（θ）Ｂ（θ_Ａ，θ）に関して、仰角θ_Ａにメインローブを有する受信ビームのサイドローブの仰角範囲のうちの、仰角θ_Ａより低い仰角範囲において、積算値Ｚ_Ｓｐ（θ_Ａ）を算出する（ステップＳ３）。ここで、ΔＢ_Ｗを受信ビームのメインローブ全幅とすると、Ｚ（θ）の積分範囲を０≦θ≦θ_Ａ－ΔＢ_Ｗ／２とすることになる（数２の第１行を参照。）。そして、Ｂ_{Ｓｉｄｅ＿ａｖ}を受信ビームの平均的なサイドローブレベルとすると、Ｂ_{Ｓｉｄｅ＿ａｖ}をＺ（θ）の積分記号の外側に出すことができる（数２の第２行を参照。）。

本開示の偽像と判定する場合の処理を図４に示す（ステップＳ４においてＹＥＳ、ステップＳ５及びステップＳ６）。図４では、受信ビームのメインローブの仰角θ_Ａより低い、受信ビームのサイドローブの仰角θ_Ｓにおいては、積乱雲等が分布している。一方で、受信ビームのメインローブの仰角θ_Ａにおいては、積乱雲等が分布していない。

よって、反射因子Ｚ（θ_Ａ）は、受信ビームのサイドローブ（仰角θ_Ｓ）による寄与のみ含んでおり、受信ビームのメインローブ（仰角θ_Ａ）による寄与を含んでいない。そして、積算値Ｚ_Ｓｐ（θ_Ａ）も、受信ビームのサイドローブ（仰角θ_Ｓ）による寄与のみ含んでおり、受信ビームのメインローブ（仰角θ_Ａ）による寄与を含んでいない。

そこで、偽像判定部４２は、そのレンジビンにおいて、仰角θ_Ａにおいて算出された反射因子Ｚ（θ_Ａ）から積算値Ｚ_Ｓｐ（θ_Ａ）を減算した結果Ｚ（θ_Ａ）－Ｚ_Ｓｐ（θ_Ａ）が所定の閾値Ｚ_Ｔｈ以下であると判定する（ステップＳ４においてＹＥＳ）。そして、偽像判定部４２は、そのレンジビンにおいて、仰角θ_Ａにおいて算出された反射因子Ｚ（θ_Ａ）が偽像によるものであると判定する（ステップＳ５）。

ここで、数２の第１行のように、積算値Ｚ_Ｓｐ（θ_Ａ）の算出精度が高いことを考慮したうえで、所定の閾値Ｚ_Ｔｈ［ｄＢＺ］を±数ｄＢＺより大きく設定すればよい。或いは、数２の第２行のように、積算値Ｚ_Ｓｐ（θ_Ａ）の算出精度が低いことを考慮したうえで、所定の閾値Ｚ_Ｔｈ［ｄＢＺ］を±１０数ｄＢＺより大きく設定すればよい。

さらに、偽像判定部４２は、反射因子Ｚ（θ_Ａ）を無効に設定するか、信号がないとみなせる小さな値を正規の反射因子Ｚ（θ_Ａ）として採用する（ステップＳ６）。

このように、少なくとも１種類の受信ビームを形成するのみでよいため、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減することができる。

本開示の実像と判定する場合の処理を図５に示す（ステップＳ４においてＮＯ、ステップＳ７及びステップＳ８）。図５では、受信ビームのメインローブの仰角θ_Ａより低い、受信ビームのサイドローブの仰角θ_Ｓにおいては、積乱雲等が分布している。そして、受信ビームのメインローブの仰角θ_Ａにおいても、積乱雲等が分布している。

よって、反射因子Ｚ（θ_Ａ）は、受信ビームのサイドローブ（仰角θ_Ｓ）による寄与を含むのみならず、受信ビームのメインローブ（仰角θ_Ａ）による寄与を含んでいる。一方で、積算値Ｚ_Ｓｐ（θ_Ａ）は、受信ビームのサイドローブ（仰角θ_Ｓ）による寄与のみ含んでおり、受信ビームのメインローブ（仰角θ_Ａ）による寄与を含んでいない。

そこで、偽像判定部４２は、そのレンジビンにおいて、仰角θ_Ａにおいて算出された反射因子Ｚ（θ_Ａ）から積算値Ｚ_Ｓｐ（θ_Ａ）を減算した結果Ｚ（θ_Ａ）－Ｚ_Ｓｐ（θ_Ａ）が所定の閾値Ｚ_Ｔｈを超えていると判定する（ステップＳ４においてＮＯ）。そして、偽像判定部４２は、そのレンジビンにおいて、仰角θ_Ａにおいて算出された反射因子Ｚ（θ_Ａ）が実像によるものであると判定する（ステップＳ７）。

ここで、（１）受信ビームのメインローブレベルが、受信ビームの平均的なサイドローブレベルより、Ｚ_Ｍ［ｄＢＺ］だけ高いことを考慮したうえで、そして、（２）受信ビームのメインローブ幅が、受信ビームの第１サイドローブ幅に、ほぼ等しいことを考慮したうえで、所定の閾値Ｚ_Ｔｈ［ｄＢＺ］をＺ_Ｍ［ｄＢＺ］より小さく設定すればよい。

このように、メインローブ幅が狭い受信ビームを形成して反射因子を算出することに制限がなくなるため、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することができる。

次に、所定の角度θ_Ｔｈより低い仰角θ_Ａでの処理手順を説明する（ステップＳ１においてＮＯ）。積乱雲等が発達しやすい低仰角側において、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されにくいことを考慮して、以下のような処理手順を実行する。

送受信ビーム制御装置３は、メインローブ幅が狭い受信ビームを形成するように、受信ビーム形成装置２を制御する。そして、反射因子積算部４１は、仰角θ_Ａ及びあるレンジビンにおいて、反射因子Ｚ（θ_Ａ）を算出する（ステップＳ８）。具体的には、反射因子積算部４１は、受信電力Ｐ（θ_Ａ）を送信ゲインＧ_Ｔｘ及び受信ゲインＧ_Ｒｘで規格化して、反射因子Ｚ（θ_Ａ）を算出する（数３を参照、Ｃは比例係数。）。

このように、積乱雲等が発達しやすい低仰角側において、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されにくいことを利用して、計算量を小さくすることができる。

本開示の送受信ビームの形成方法を図６及び図７に示す。送受信ビーム制御装置３は、一の送信ビームのビーム幅に含まれる複数の受信ビームを一の送信ビームと同時に形成するように、送信ビーム形成装置１及び受信ビーム形成装置２を制御する。

送信ビーム形成装置１は、仰角方向のビーム幅がより広い送信ビームで、電波を雨雲等の物標へと照射するために、発振器１１、複数の送信アンテナ素子１４、及び、各送信アンテナ素子１４についての各移相器１２及び各増幅器１３から構成される。

受信ビーム形成装置２は、仰角方向のビーム幅がより狭い受信ビームで、雨雲等の物標から反射又は散乱された電波を受信するために、複数の受信アンテナ素子２１、各受信アンテナ素子２１についての各増幅器２２、各移相器２３、及び、各移相器２３からの出力を合成する合成器２４から構成される。また、複数の受信ビームを一の送信ビーム内に同時に形成するために、各々の受信ビームについて複数の受信アンテナ素子２１を共用したうえで、各々の受信ビームについて各々の受信ビーム形成装置２を搭載している。

本開示のフェーズドアレイ気象レーダでは、送信ビームの仰角方向のビーム幅（図６及び図７では、約１０°）を広くするとともに、受信ビームの仰角方向のビーム幅（図６及び図７では、約１°）を狭くすることにより、複数の受信ビームを一の送信ビーム内に同時に形成する。そして、送信ビームの仰角方向及び複数の受信ビームの仰角方向を、約１０°だけ同時に移動させることにより、仰角方向の高速スキャンを行なう。

実施形態では、Ｚ（θ）の積分範囲を０≦θ≦θ_Ａ－ΔＢ_Ｗ／２のみに限ることにより、計算量を小さくしている。変形例として、Ｚ（θ）の積分範囲をθ_Ａ＋ΔＢ_Ｗ／２≦θ≦π／２にも広げることにより、高仰角の雨雲等による偽像を検出してもよい。

なお、ステップＳ１の所定の角度θ_Ｔｈを低い仰角に設定すれば、広範の領域の偽像を判定できるが、ステップＳ２、Ｓ３の計算量を増大させる。そこで、過去の観測例に基づいて、ステップＳ１の所定の角度θ_Ｔｈを偽像の影響が大きくなる仰角に設定すれば、適切な領域の偽像を判定できるうえ、ステップＳ２、Ｓ３の計算量を低減できる。

実施形態では、仰角方向について、本開示の発明を適用している。変形例として、仰角方向のみならず、方位角方向についても、本開示の発明を適用してもよい。

本開示の気象レーダ偽像判定装置、プログラム及び方法は、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減し、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することができる。

Ｍ：気象レーダ装置
１：送信ビーム形成装置
２：受信ビーム形成装置
３：送受信ビーム制御装置
４：偽像判定装置
１１：発振器
１２：移相器
１３：増幅器
１４：送信アンテナ素子
２１：受信アンテナ素子
２２：増幅器
２３：移相器
２４：合成器
４１：反射因子積算部
４２：偽像判定部

Claims (5)

1. ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、
   あるレンジビンにおいて、算出された反射因子がある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性で重み付けされた重み付き反射因子に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算された積算反射因子を算出する反射因子積算部と、
   前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算反射因子を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定部と、
   を備え、
   前記反射因子積算部は、前記あるレンジビンにおいて、前記重み付き反射因子に関して、ある仰角方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの仰角範囲のうちの、前記ある仰角方向より低い仰角範囲において、前記積算反射因子を算出する
   ことを特徴とする気象レーダ偽像判定装置。
2. 前記反射因子積算部は、所定の仰角より高い仰角において、前記積算反射因子を算出し、前記偽像判定部は、前記所定の仰角より高い仰角において、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであるか実像によるものであるかを判定する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の気象レーダ偽像判定装置。
3. ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、
   あるレンジビンにおいて、算出された反射因子がある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性で重み付けされた重み付き反射因子に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算された積算反射因子を算出する反射因子積算部と、
   前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算反射因子を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定部と、
   を備え、
   前記反射因子積算部は、所定の仰角より高い仰角において、前記積算反射因子を算出し、前記偽像判定部は、前記所定の仰角より高い仰角において、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであるか実像によるものであるかを判定する
   ことを特徴とする気象レーダ偽像判定装置。
4. ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、
   あるレンジビンにおいて、算出された反射因子がある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性で重み付けされた重み付き反射因子に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算された積算反射因子を算出する反射因子積算ステップと、
   前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算反射因子を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定ステップと、
   を順にコンピュータに実行させ、
   前記反射因子積算ステップは、前記あるレンジビンにおいて、前記重み付き反射因子に関して、ある仰角方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの仰角範囲のうちの、前記ある仰角方向より低い仰角範囲において、前記積算反射因子を算出する
   ことを特徴とする気象レーダ偽像判定プログラム。
5. ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、
   あるレンジビンにおいて、算出された反射因子がある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性で重み付けされた重み付き反射因子に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算された積算反射因子を算出する反射因子積算ステップと、
   前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算反射因子を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定ステップと、
   を順に備え、
   前記反射因子積算ステップは、前記あるレンジビンにおいて、前記重み付き反射因子に関して、ある仰角方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの仰角範囲のうちの、前記ある仰角方向より低い仰角範囲において、前記積算反射因子を算出する
   ことを特徴とする気象レーダ偽像判定方法。

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