JPWO2017018062A1

JPWO2017018062A1 - 水蒸気観測装置

Info

Publication number: JPWO2017018062A1
Application number: JP2017531064A
Authority: JP
Inventors: 昌裕箕輪
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2036-06-08
Also published as: US20180209920A1; WO2017018062A1; JP6586462B2; EP3330700B1; EP3330700A4; US10502696B2; EP3330700A1

Abstract

本発明の水蒸気観測装置（１）は、互いに周波数が異なる第１送信波及び第２送信波を送波する送波部（２）と、水蒸気を通過した送信波が地表部分又は水面に反射して帰来する反射波を受信波として受波する受波部（２）と、第１送信波から得られる第１受信波から生成される第１受信情報と、第２送信波から得られる第２受信波から生成される第２受信情報とに基づき、送信波が通過した領域に含まれる水蒸気の量を算出する算出処理部（１０）と、を備えている。本発明によると、大気中の所望の位置に含まれる水蒸気量を確実に算出することが可能である。

Description

本発明は、大気中に含まれる水蒸気を観測する水蒸気観測装置に関する。

従来から知られている水蒸気観測装置として、例えば特許文献１の請求項４には、水蒸気による減衰量または移相量に格差がある２つの異なる周波数で気象目標に照射された送信波に応じて、前記気象目標から気象レーダの空中線系に個別に到来する反射波のレベルＬ１，Ｌ２、または位相φ１，φ２を計測する雑音計測手段と、前記気象目標の方向における水蒸気の量または分布に、前記レベルの差（＝Ｌ１−Ｌ２）または前記位相の差（φ１−φ２）を換算する換算手段と、を備えた水蒸気観測装置が開示されている。この水蒸気観測装置によれば、水蒸気の分布を、気象目標から到来した反射波に基づいて求めることができる。なお、特許文献１では、上記気象物標として雨雲が例示されている。

特開２０１３−２２４８８４号公報

ところで、上記気象目標としての雨雲は、その位置及び大きさが時々刻々と変化するため、所望の位置における水蒸気量を算出しようとした場合、その位置よりも遠方に雨雲が存在しない場合、水蒸気量を算出することができない。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、所望の位置の水蒸気量を確実に算出することである。

（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る水蒸気観測装置は、大気中に含まれる水蒸気の量を算出する水蒸気観測装置であって、互いに周波数が異なる第１送信波及び第２送信波を送波する送波部と、前記水蒸気を通過した前記送信波が地表部分又は水面に反射して帰来する反射波を受信波として受波する受波部と、前記第１送信波から得られる前記受信波としての第１受信波、から生成される第１受信情報と、前記第２送信波から得られる前記受信波としての第２受信波、から生成される第２受信情報とに基づき、前記送信波が通過した領域に含まれる前記水蒸気の量を算出する算出処理部と、を備えている。

なお、上述した地表部分とは、地上における表面部分のことであり、地面、山、岩壁、或いは建築物等が含まれる。また、上述した水面には、海面、湖面等が含まれる。

（２）好ましくは、前記算出処理部は、前記第１受信情報としての第１受信信号と、前記第２受信情報としての第２受信信号とのレベル差に基づき、前記送信波が通過した領域に含まれる前記水蒸気の量を算出する。

（３）更に好ましくは、前記算出処理部は、前記レベル差として、前記送信波が反射する反射地点からの前記第１受信信号と、前記反射地点からの前記第２受信信号と、のレベル差を検出するレベル差検出部と、前記レベル差検出部で検出された前記レベル差を、前記送波部の設置位置である基準位置から前記反射地点までに含まれる水蒸気の量に換算する水蒸気量換算部と、を有している。

（４）更に好ましくは、前記算出処理部は、前記基準位置から前記反射地点までに含まれる前記水蒸気の量と、前記基準位置からの距離とに基づき、前記基準位置と前記反射地点との間の任意の地点における水蒸気の量を算出する水蒸気量算出部、を更に有している。

（５）更に好ましくは、前記水蒸気量換算部は、前記基準位置から複数の前記反射地点のそれぞれまでの間に含まれる水蒸気の量を、前記基準位置からの距離位置と前記水蒸気の量とで特定される座標上にプロットすることにより累積水蒸気量グラフを生成し、
前記水蒸気量算出部は、前記累積水蒸気量グラフを微分することにより各前記反射地点における水蒸気の量を算出する。

（６）好ましくは、前記水蒸気量換算部は、前記基準位置を基準とした方位が同じであり且つ前記送波部からの距離が異なる２つの前記反射地点のそれぞれまでに含まれる水蒸気量を算出し、前記算出処理部は、前記水蒸気量換算部で算出された２つの前記水蒸気量に基づき、２つの前記反射地点の間の領域の水蒸気量を算出する水蒸気量算出部、を更に有している。

（７）好ましくは、前記送波部及び前記受波部は、これらが一体に形成された送受波部として設けられている。

（８）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る水蒸気観測装置は、大気中に含まれる水蒸気の量を算出する水蒸気観測装置であって、互いに周波数が異なる第１送信波及び第２送信波を送波する送波部と、前記送波部と異なる位置に配置されて前記水蒸気を通過した前記送信波を受信波として受波する受波部と、前記第１送信波から得られる前記受信波としての第１受信波、から生成される第１受信情報と、前記第２送信波から得られる前記受信波としての第２受信波、から生成される第２受信情報とに基づき、前記送信波が通過した領域に含まれる前記水蒸気の量を算出する算出処理部と、を備えている。

（９）好ましくは、前記算出処理部は、前記第１受信情報としての第１受信信号と、前記第２受信情報としての第２受信信号とのレベル差に基づき、前記送信波が通過した領域に含まれる前記水蒸気の量を算出する。

（１０）更に好ましくは、前記水蒸気観測装置は、前記送波部の設置位置である基準位置を基準とした方位が同じであり且つ前記送波部からの距離が異なる位置に配置された少なくとも２つの前記受波部、を備えている。

（１１）好ましくは、前記水蒸気観測装置は、格子状又は放射状に配置された複数の前記受波部を備えている。

（１２）好ましくは、前記水蒸気観測装置は、前記算出処理部によって算出された前記水蒸気の量の指標を表示する表示器、を更に備えている。

（１３）更に好ましくは、前記表示器は、前記算出処理部によって算出された前記水蒸気の量の分布を前記指標として表示する。

（１４）好ましくは、前記水蒸気観測装置は、前記算出処理部によって算出された前記水蒸気の量の指標又は分布を外部装置に出力するインターフェース、を更に備えている。

本発明によれば、所望の位置の水蒸気量を確実に算出できる。

本発明の実施形態に係る水蒸気観測装置の構成を示すブロック図である。図１に示す算出処理部の構成を示すブロック図である。（Ａ）は、第１受信信号に基づいて生成される第１エコーグラフを示す図であり、（Ｂ）は、第２受信信号に基づいて生成される第２エコーグラフを示す図である。（Ａ）は、レベル差グラフを示す図であり、（Ｂ）は、累積水蒸気量グラフを示す図である。アンテナから送波された第１及び第２の送信波と、特定の反射対象（地表部分又は水面）で反射して帰来する第１及び第２の受信波とを模式的に示す図である。距離位置毎水蒸気量グラフを示す図である。操作・表示装置に表示される水蒸気分布図の一例を示す図であって、その一部を拡大して示す図である。変形例に係る水蒸気観測装置の構成を示すブロック図である。図８に示す送波ユニット及び受波ユニットの位置関係を模式的に示す平面図である。図８に示す算出処理部の構成を示すブロック図である。送波用アンテナによって送波された第１及び第２の送信波が各受波用アンテナによって受信波として受波される様子を模式的に示す図である。変形例に係る水蒸気観測装置が有する送波ユニット及び受波ユニットの位置関係を模式的に示す平面図であって、図９に対応させて示す図である。変形例に係る水蒸気観測装置の算出処理部の構成を示すブロック図である。変形例に係る水蒸気観測装置の送波ユニット及び受波ユニットの位置関係を模式的に示す図であって、図９に対応させて示す図である。変形例に係る水蒸気観測装置の構成を示すブロック図である。

図１は、本発明の実施形態に係る水蒸気観測装置１の構成を示すブロック図である。以下では、本発明の実施形態に係る水蒸気観測装置１について、図を参照して説明する。図１に示す水蒸気観測装置１は、水蒸気量を観測可能な観測領域内の各地点に含まれる水蒸気量を算出することにより、当該観測領域における水蒸気量の分布を算出可能に構成されている。

［全体構成］
水蒸気観測装置１は、図１に示すように、アンテナ２と、送受信装置３と、算出処理部１０と、操作・表示装置４（表示器）とを備えている。

アンテナ２は、指向性の強いパルス状電波（送信波）を送波可能なレーダアンテナである。また、アンテナ２は、物標からの反射波を受波するように構成されている。アンテナ２から送波された送信波は、距離方向（アンテナ２を中心とした径方向）に向かって進む際、その途中に存在する水蒸気を通過した後に地表部分又は水面（主に海面）で反射し、受信波としてアンテナ２で受波される。水蒸気観測装置１は、パルス状電波を送波してから反射波を受波するまでの時間を測定する。これにより、水蒸気観測装置１は、該水蒸気観測装置１（より正確には、アンテナ２）から物標までの距離を検出することができる。アンテナ２は、水平面上で３６０°回転可能に構成されている。アンテナ２は、パルス状電波の送波方向を変えながら（アンテナ角度を変えながら）、電波の送受波を所定のタイミング毎に繰り返し行うように構成されている。以上の構成で、水蒸気観測装置１は、水蒸気観測装置１周辺の水蒸気量の観測を、３６０°にわたり行うことができる。アンテナ２で受波された反射波は、受信信号に変換された後、受信機８に出力される。

なお、以下の説明では、パルス状電波を送波してから次のパルス状電波を送波するまでの動作を「スイープ」という。また、電波の送受信を行いながらアンテナを３６０°回転させる動作を「スキャン」と呼ぶ。

また、アンテナ２は、互いに周波数が異なる２種類の送信波及び受信波を送受波可能に構成されている。本実施形態では、アンテナ２からは、１０ＧＨｚ程度の周波数を有する第１送信波、及び２２ＧＨｚ程度の周波数を有する第２送信波、が送波される。アンテナ２から送波された第１送信波及び第２送信波は、それぞれ、水蒸気を通過した後に地表部分又は水面で反射し、第１受信波及び第２受信波として、アンテナ２に受波される。第１送信波及び第２送信波は、交互に送波されてもよく、或いは同時に送波されてもよい。また、アンテナ２で受波された第１受信波及び第２受信波は、それぞれ、第１受信信号（第１受信情報）及び第２受信信号（第２受信情報）に変換される。

ここで、本実施形態において、上述のような１０ＧＨｚ程度の周波数を有する送信波と、２２ＧＨｚ程度の周波数を有する第２送信波とを用いる理由について説明する。１０ＧＨｚ程度の周波数を有する電磁波の減衰定数（０．０１ｄＢ／ｋｍ未満）のうち水蒸気に起因する部分は非常に小さい。すなわち、１０ＧＨｚ送信波は、水蒸気中を進んでも該水蒸気によって大きく減衰することはない。一方、２２ＧＨｚ程度の周波数を有する電磁波の減衰定数（０．３ｄＢ／ｋｍ程度）のうち水蒸気に起因する部分は比較的大きい。すなわち、第２送信波は、水蒸気中を進むことにより該水蒸気に起因して大きく減衰する。本実施形態に係る水蒸気観測装置１では、詳しくは後述するが、この特性を利用して各地点における水蒸気量を推定している。

送受信装置３は、送受切替部５と、信号発生器６と、送信機７と、受信機８とを備えている。送受切替部５は、送信時には、送信機７からアンテナ２に送信信号が送られる接続に切り替える。また、送受切替部５は、受信時には、アンテナ２からの受信信号（電気信号）が受信機８に送られる接続に切り替える。

信号発生器６は、アンテナ２から送波される第１送信波及び第２送信波の基となる送信信号を生成する。この送信信号は、送信機７で増幅された後、送受切替部５を介してアンテナ２へ出力される。

受信機８は、アンテナ２から出力された受信信号（第１受信信号及び第２受信信号）を増幅し、増幅した受信信号をＡ／Ｄ変換する。その後、受信機８は、デジタル信号に変換された前記受信信号を、算出処理部１０に対して出力する。

図２は、図１に示す算出処理部１０の構成を示すブロック図である。算出処理部１０は、受信機８から出力された第１受信信号及び第２受信信号に基づき、観測領域内の各地点における水蒸気量を算出するように構成されている。算出処理部１０は、図２に示すように、第１エコーレベル算出部１１と、第２エコーレベル算出部１２と、レベル差検出部１３と、水蒸気量換算部１４と、距離位置毎水蒸気量算出部１５と、を備えている。この算出処理部１０は、例えば図示しないプロセッサ（ＣＰＵ、ＦＰＧＡ等）及びメモリ等のデバイスで構成される。例えば、ＣＰＵがメモリからプログラムを読み出して実行することにより、算出処理部１０を、第１エコーレベル算出部１１、第２エコーレベル算出部１２、レベル差検出部１３、水蒸気量換算部１４、及び距離位置毎水蒸気量算出部１５として機能させることができる。

第１エコーレベル算出部１１は、アンテナ２の設置位置である基準位置を基準とした各方位方向から到来する第１送信波の反射波（第１受信波）から得られる受信信号（第１受信信号）に基づき、各方位方向における各距離位置からのエコーレベル（信号強度）を算出する。図３（Ａ）は、横軸を距離位置とし且つ縦軸を各距離位置から帰来するエコー信号のエコーレベルとした座標上に、ある方位方向からのエコー信号を構成する各サンプルをプロットしたグラフ（第１エコーグラフＥＧ_１）である。第１エコーレベル算出部１１は、図３（Ａ）に示すような第１エコーグラフＥＧ_１を、方位毎に生成する。なお、上述した距離位置とは、アンテナ２を基準とした場合において、該アンテナ２からその距離だけ離れた位置を指す。例えば、ある方位方向における距離位置が１ｋｍの位置とは、当該ある方位方向に沿った位置であってアンテナ２から１ｋｍ離れた位置のことである。

第２エコーレベル算出部１２は、アンテナ２を基準とした各方位方向から到来する第２送信波の反射波（第２受信波）から得られる受信信号（第２受信信号）に基づき、各方位方向における各距離位置からのエコーレベルを算出する。図３（Ｂ）は、横軸を距離位置とし且つ縦軸を各距離位置から帰来するエコー信号のレベルとした座標上に、ある方位方向からのエコー信号を構成する各サンプルをプロットしたグラフ（第２エコーグラフＥＧ _２）である。第２エコーレベル算出部１２は、図３（Ｂ）に示すような第２エコーグラフＥＧ_２を、方位毎に生成する。

レベル差検出部１３は、第１エコーレベル算出部１１によって算出されたある地点（反射地点）から帰来する第１受信波のエコーレベルと、第２エコーレベル算出部１２によって算出された前記ある地点から帰来する第２受信波のエコーレベルと、のレベル差ΔＬｖを算出する。レベル差検出部１３は、観測領域内の各地点において、このレベル差ΔＬｖを算出する。図４（Ａ）は、横軸を距離位置とし且つ縦軸を各距離位置における前記レベル差ΔＬｖとした座標上に、ある方位方向において距離位置ごとに算出された前記レベル差ΔＬｖをプロットしたグラフ（レベル差グラフＤＧ）である。すなわち、図４（Ａ）に示すグラフは、図３（Ａ）に示す第１エコーグラフＥＧ_１と、図３（Ｂ）に示す第２エコーグラフＥＧ_２との差分をとることにより生成されたグラフである。レベル差検出部１３は、図４に示すようなレベル差グラフＤＧを、方位毎に生成する。

図４（Ｂ）は、水蒸気量換算部１４によって生成されたグラフであって、図４（Ａ）の縦軸を水蒸気量に換算したグラフである。水蒸気量換算部１４は、レベル差検出部１３によって検出された地点毎のレベル差ΔＬｖを、水蒸気量に換算する。具体的には、水蒸気量換算部１４は、距離位置毎のレベル差ΔＬｖと、基準位置（アンテナ２の位置）から各距離位置までの範囲に含まれる水蒸気量との間に対応関係があることを利用して、距離位置毎のレベル差ΔＬｖを、各距離位置までの範囲に含まれる水蒸気量に換算する。水蒸気量換算部１４によって生成されるグラフ（図４（Ｂ）参照）では、横軸が距離位置を示し、縦軸が基準位置から各距離位置までの範囲に含まれる水蒸気の量に対応している。すなわち、このグラフは、横軸方向に沿って水蒸気量が徐々に増える累積水蒸気量グラフＡＷＧとして生成される。

ここで、上述した距離位置毎のレベル差とアンテナ２から各距離位置までの範囲に含まれる水蒸気量との間に対応関係がある理由について、説明する。図５は、アンテナ２から送波された第１及び第２の送信波と、特定の反射対象（地表部分又は水面）で反射して帰来する第１及び第２の受信波とを模式的に示す図である。図５では、第１及び第２の送信波のエコー強度が１０、第１受信波のエコー強度が７、第２受信波のエコー強度が６、となっている例を挙げている。なお、図５においては、地表部分（又は水面）を模式的に三角形状で図示しているが、実際には、地表部分（又は水面）は、送受信波の進行方向に沿って広がっている。

上述したように、１０ＧＨｚ程度の周波数を有する電磁波は、水蒸気に起因して大きく減衰することがない。よって、第１送信波のエコー強度１０と第１受信波のエコー強度７との差（すなわち、第１送信波の減衰量）は、水蒸気以外の要因に起因するものと考えられる。一方、２２ＧＨｚ程度の周波数を有する電磁波は、水蒸気に起因して大きく減衰する。よって、第２送信波のエコー強度１０と第２受信波のエコー強度６との差（すなわち、第２送信波の減衰量）は、水蒸気及び水蒸気以外の要因に起因するものと考えられる。これにより、第１受信波のエコー強度７と第２受信波のエコー強度６とのレベル差ΔＬｖは、送信波が通過した領域Ｚに含まれる水蒸気の量に起因するものと考えることができる。よって、前記レベル差ΔＬｖとアンテナ２から各距離位置までの範囲に含まれる水蒸気量との間に対応関係がある、と考えることができる。

図６は、距離位置毎水蒸気量算出部１５によって生成された距離位置毎水蒸気量グラフＷＧであって、図４（Ｂ）に示すグラフ（累積水蒸気量グラフＡＷＧ）を距離位置毎に微分して得られるグラフ、である。距離位置毎水蒸気量算出部１５は、水蒸気量換算部１４によって生成された累積水蒸気量グラフＡＷＧを距離方向に微分した距離位置毎水蒸気量グラフＷＧを生成する。距離位置毎水蒸気量算出部１５は、アンテナ２を基準とした方位毎に上記距離位置毎水蒸気量グラフＷＧを生成し、それらを統合して、アンテナ２を中心とした各方位の各距離位置における水蒸気量を示す水蒸気分布図ＤＭを生成する。

図７は、操作・表示装置４に表示される水蒸気分布図ＤＭの一例を示す図であって、その一部を拡大して示す図である。操作・表示装置４には、図７に示すように、距離位置毎水蒸気量算出部１５によって生成された水蒸気分布図ＤＭが表示される。操作・表示装置４では、水蒸気観測装置１が設置された地点を含む地図上の各地点に、水蒸気の量に対応した色調が表示される。これにより、ユーザは、地図上の各地点における水蒸気量を把握することができる。なお、図７では、上述した色を、ドットの密度に対応させて示している。具体的には、水蒸気量が多い地点には高密度のドットが表示され、水蒸気量が少ない地点には、低密度のドットが表示されている。

［効果］
以上のように、本実施形態に係る水蒸気観測装置１では、水蒸気による減衰の度合が異なる２つの周波数帯（１０ＧＨｚ付近及び２２ＧＨｚ付近）の電磁波の反射波から得られる第１受信信号と第２受信信号とに基づき、電磁波が通過した領域に含まれる水蒸気の量を算出している。こうすると、水蒸気以外の要因による送信波の減衰量を除去することが可能となり、水蒸気による送信波の減衰量のみを抽出することができる。これにより、電磁波が通過した領域に含まれる水蒸気の量を算出することができる。

しかも、水蒸気観測装置１によれば、水蒸気を通過した後に地表部分又は水面に反射して帰来する反射波を、受信波として受波している。地球における表面部分は、前記地表部分及び水面（主に海面）によって構成されていると考えることができる。よって、当該地表部分及び水面の反射波に基づいて水蒸気量を算出することで、アンテナ２の設置位置を適切に選択することにより、地上における全ての領域の水蒸気量を算出することが可能となる。

従って、水蒸気観測装置１によれば、所望の位置の水蒸気量を確実に算出することができる。

また、水蒸気観測装置１によれば、第１受信信号と第２受信信号とのレベル差に基づき、電磁波が通過した領域に含まれる水蒸気の量を算出している。こうすると、水蒸気以外の要因による送信波の減衰量が適切に除去され、水蒸気による送信波の減衰量のみが抽出される。これにより、電磁波が通過した領域に含まれる水蒸気の量を算出することができる。

また、水蒸気観測装置１によれば、レベル差検出部１３及び水蒸気量換算部１４を用いることにより、アンテナ２の設置位置から受信信号の反射地点までに含まれる水蒸気の量を適切に算出することができる。

また、水蒸気観測装置１では、電磁波を送受波可能な送受波部としてのアンテナ２を設けているため、電磁波を送信する部分及び受波する部分を一体にできる。その結果、水蒸気観測装置１全体をコンパクト化できる。

また、水蒸気観測装置１では、アンテナ２の位置を基準とした同じ方位の各地点におけるレベル差ΔＬｖを検出し、当該レベル差ΔＬｖを水蒸気量に換算している。上述のように、レベル差ΔＬｖと、アンテナ２から各距離位置までの範囲に含まれる水蒸気量との間には対応関係があるため、該レベル差ΔＬｖを検出することにより、アンテナ２から各距離位置までの範囲に含まれる水蒸気量の量を適切に算出することができる。

また、水蒸気観測装置１では、累積水蒸気量グラフＡＷＧを微分することにより、各地点における水蒸気の量を算出している。これにより、各地点における水蒸気の量を適切且つ容易に算出することができる。

また、水蒸気観測装置１では、各地点における水蒸気量が、その水蒸気量を表す指標としての色調によって示される。これにより、ユーザは、各地点に含まれる水蒸気量を容易に把握することができる。

また、水蒸気観測装置１では、アンテナ２を中心とした各方位の各距離位置における水蒸気量を示す水蒸気分布図ＤＭが操作・表示装置４に表示される。これにより、ユーザは、観測領域内における水蒸気の分布を把握することができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

（１）図８は、変形例に係る水蒸気観測装置１ａの構成を示すブロック図である。また、図９は、図８に示す送波ユニット２０（送波用アンテナ２ａ）及び受波ユニット２１（受波用アンテナ２ｂ）の位置関係を模式的に示す平面図である。図９では、送波ユニット２０の位置がハッチング無しの丸印で、受波ユニット２１の位置がハッチング有りの丸印で、それぞれ模式的に図示されている。本変形例に係る水蒸気観測装置１ａは、送信波を送波する側のユニットである送波ユニット２０、受信波を受波する側のユニットである複数の受波ユニット２１、算出処理部１０ａ、及び操作・表示装置４を備えている。

送波ユニット２０は、送波用アンテナ２ａと、信号発生器６と、送信機７と、を備えている。送波用アンテナ２ａは、送信波を送波するためのものであって、上記実施形態のアンテナ２と同様、第１送信波及び第２送信波のそれぞれを送波可能に構成されている。送波ユニット２０では、信号発生器６で生成された、第１送信波及び第２送信波のそれぞれの基となる送信信号が、送信機７で増幅された後、アンテナ２ａへ出力される。

各受波ユニット２１は、送波ユニット２０と異なる位置に配置されている。各受波ユニット２１は、図９に示すように、送波ユニット２０を中心として格子状に配列されている。各受波ユニット２１は、受波用アンテナ２ｂ及び受信機８ａを備えている。

受波用アンテナ２ｂは、受信波を受波するためのものであって、上記実施形態のアンテナ２と同様、第１受信波及び第２受信波のそれぞれを受波可能に構成されている。受波用アンテナ２ｂで受波された受信波は、上記実施形態の場合と同様、第１受信信号及び第２受信信号に変換された後、対応する受信機８ａで増幅及びＡ／Ｄ変換され、無線等によって算出処理部１０ａに送信される。

図１０は、図８に示す算出処理部の構成を示すブロック図である。また、図１１は、送波用アンテナ２ａによって送波された第１及び第２の送信波が各受波用アンテナ２ｂによって受信波として受波される様子を模式的に示す図である。なお、図１１では、同じ方位に沿って直線状に並ぶ受波ユニットの位置を破線によって模式的に示している。また、図１１では、受波ユニットの符号を、送波用アンテナ２ａに近い方から順に、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、としている。

算出処理部１０ａは、図１０に示すように、第１エコーレベル算出部１１ａと、第２エコーレベル算出部１２ａと、レベル差検出部１３ａと、水蒸気量換算部１４ａと、距離位置毎水蒸気量算出部１５ａと、を備えている。

第１エコーレベル算出部１１ａは、送波用アンテナ２ａから送波された第１送信波のうち受波用アンテナ２ｂに到達した第１受信波から得られた第１受信信号のエコーレベルを算出する。第１エコーレベル算出部１１ａは、各受波用アンテナ２ｂで得られた第１受信信号のエコーレベルを算出する。

第２エコーレベル算出部１２ａは、送波用アンテナ２ａから送波された第２送信波のうち受波用アンテナ２ｂに到達した第２受信波から得られた第２受信信号のエコーレベルを算出する。第２エコーレベル算出部１２ａは、各受波用アンテナ２ｂで得られた第２受信信号のエコーレベルを算出する。

レベル差検出部１３ａは、各受波用アンテナ２ｂで得られた第１受信信号のエコーレベルと、同じ受波用アンテナ２ｂで得られた第２受信信号のエコーレベルと、のレベル差を検出する。

水蒸気量換算部１４ａは、レベル差検出部１３によって検出された、受波ユニット２１毎のレベル差を、水蒸気量に換算する。具体的には、水蒸気量換算部１４は、受波ユニット２１毎に検出されたレベル差と、送波ユニット２０から各受波ユニット２１までの範囲に含まれる水蒸気量との間に対応関係があることを利用して、受波ユニット２１毎に検出されたレベル差を、送波ユニット２０から各受波ユニット２１までの範囲に含まれる水蒸気量に換算する。

距離位置毎水蒸気量算出部１５ａは、同じ方位に直線状に並ぶ受波ユニット２１のうち隣接する受波ユニット（図１１に示す例の場合、受波ユニット２１ａ及び２１ｂ、受波ユニット２１ｂ及び２１ｃ）のそれぞれで算出された水蒸気量の差を算出することにより、観測領域内の各地点（観測領域内に含まれる各小領域）における水蒸気量を算出する。具体的には、距離位置毎水蒸気量算出部１５ａは、図１１を参照して、受波ユニット２１ｂで算出された水蒸気量（すなわち、領域Ｚａ，Ｚｂに含まれる水蒸気量）と、受波ユニット２１ａで算出された水蒸気量（すなわち、領域Ｚａに含まれる水蒸気量）との差をとることにより、領域Ｚｂに含まれる水蒸気量を算出する。同様に、距離位置毎水蒸気量算出部１５ａは、受波ユニット２１ｃで算出された水蒸気量（すなわち、領域Ｚａ，Ｚｂ，Ｚｃに含まれる水蒸気量）と、受波ユニット２１ｂで算出された水蒸気量（すなわち、領域Ｚａ，Ｚｂに含まれる水蒸気量）との差をとることにより、領域Ｚｃに含まれる水蒸気量を算出する。距離位置毎水蒸気量算出部１５ａは、方位方向に隣接するその他の受波ユニットについても同様の処理を行う。これにより、本変形例に係る水蒸気観測装置１ａでも、上記実施形態に係る水蒸気観測装置１の場合と同様、観測領域内の各地点における水蒸気量が算出される。

［効果］
以上のように、本変形例に係る水蒸気観測装置１ａでは、送波用アンテナ２ａと受波用アンテナ２ｂとを異なる位置に配置している。そして、受波用アンテナ２ｂが受波した互いに周波数が異なる第１及び第２の受信波の差に基づき、当該受信波が通過した領域に含まれる水蒸気の量を算出している。水蒸気観測装置１ａの場合、受波用アンテナ２ｂの配置を、送波用アンテナ２ａとの間で水蒸気量を算出したい領域を挟むように設定することで、所望の位置の水蒸気量を確実に算出することができる。

また、水蒸気観測装置１ａでは、送波用アンテナ２ａを基準とした方位が同じであり且つ送波用アンテナ２ａからの距離が異なるように、２つの受波用アンテナ２ｂ（例えば、図１１を参照して、受波ユニット２１ａ及び２１ｂの受波用アンテナ、受波ユニット２１ｂ及び２１ｃの受波用アンテナ）を配置している。水蒸気観測装置１ａの場合、水蒸気量を算出したい領域を挟むようにこれら２つの受波用アンテナ２ｂを配置することで、送波用アンテナ２ａの位置に関わらず、所望の位置の水蒸気量を確実に算出することができる。

また、水蒸気観測装置１ａでは、受波用アンテナ２ｂを格子状に配置しているため、当該受波用アンテナ２ｂが格子状に配置された領域内の各小領域における水蒸気量を算出することができる。

（２）図１２は、変形例に係る水蒸気観測装置が有する送波ユニット２０及び受波ユニット２１の位置関係を模式的に示す平面図であって、図９に対応させて示す図である。図８及び図９に示す変形例では、受波ユニット２１を格子状に配列したが、これに限らない。具体的には、図１２に示すように、送波ユニット２０を基準とした方位が同じであり且つ送波ユニット２０からの距離が異なる位置に、２つの受波ユニット２１を配置してもよい。この変形例の場合、例えば水蒸気量を観測したい領域を挟むように２つの受波ユニット２１を設置することで、必要な受波ユニット２１の数を少なくしつつ、所望の領域における水蒸気量を観測することができる。

（３）上記実施形態では、１つのアンテナ２によって送信波の送波及び受信波の受波を行ったが、これに限らず、送波用のアンテナと受波用のアンテナとを設け、それらを別々の位置に配置してもよい。

（４）上記実施形態では、送信波として、１０ＧＨｚ程度の周波数を有する電磁波と、２２ＧＨｚ程度の周波数を有する電磁波とを用いたが、これに限らない。具体的には、減衰定数のうち水蒸気に起因する部分が互いに異なる送信波であれば、どのような周波数帯の電磁波を送信波として用いてもよい。

（５）図１３は、変形例に係る水蒸気観測装置の算出処理部１０ｂの構成を示すブロック図である。上述した実施形態では、距離位置毎水蒸気量算出部１５を設け、観測領域内の各地点における水蒸気量を算出したが、これに限らない。具体的には、本変形例のように、距離位置毎水蒸気量算出部１５を省略した構成であってもよい。この場合、各方位における、アンテナ２の位置から各地点までの領域に含まれる水蒸気の量を算出することができる。

（６）上述した実施形態に係る水蒸気観測装置１では、累積水蒸気量グラフＡＷＧ（図４（Ｂ）参照）を距離方向に微分して、方位毎に各距離位置における水蒸気量を算出したが、これに限らず、２つの地点のそれぞれにおけるレベル差ΔＬｖを検出した後、これらのレベル差ΔＬｖの差分をとることにより、水蒸気量を算出してもよい。このとき、上述した２つの地点を、水蒸気量を算出したい領域を挟むように選択することにより、所望領域に含まれる水蒸気量を、図８に示すように複数の受波用アンテナを設置することなく算出することができる。

（７）上記実施形態では、操作・表示装置４に水蒸気分布図ＤＭが表示される例を挙げて説明したが、これに限らない。具体的には、例えば一例として、所定地点における水蒸気量が数値として操作・表示装置４に表示されてもよい。

（８）図１４は、変形例に係る水蒸気観測装置の送波ユニット２２及び受波ユニット２３の位置関係を模式的に示す図であって、図９に対応させて示す図である。図８から図１１を用いて説明した変形例では、図９に示すように、受波ユニット２１を格子状に配列したが、これに限らず、その他の配列であってもよい。具体的には、図１４に示すように、送波ユニット２２を中心として受波ユニット２３を放射状に配列してもよい。更には、受波ユニットを、２次元状でなく、３次元状に配置してもよい。

（９）図１５は、変形例に係る水蒸気観測装置１ｂの構成を示すブロック図である。本変形例に係る水蒸気観測装置１ｂは、上記実施形態に係る水蒸気観測装置１と比べて、操作・表示装置４を備えておらず、その代わりに、水蒸気分布図ＤＭに関するデータを外部装置５０に出力するためのインターフェース１６を備えている。インターフェース１６としては、例えば一例として、ケーブルが接続されるコネクタ等が挙げられる。外部装置５０としては、例えば一例として、水蒸気分布図ＤＭが表示されるディスプレイ等が挙げられる。この水蒸気観測装置１ｂによれば、算出処理部１０によって算出された水蒸気の量に関する情報を、外部の装置に表示させることができる。

１，１ａ，１ｂ水蒸気観測装置
２アンテナ（送波部、受波部、送受波部）
２ａ送波用アンテナ（送波部）
２ｂ受波用アンテナ（受波部）
１０，１０ａ，１０ｂ算出処理部

Claims

大気中に含まれる水蒸気の量を算出する水蒸気観測装置であって、
互いに周波数が異なる第１送信波及び第２送信波を送波する送波部と、
前記水蒸気を通過した前記送信波が地表部分又は水面に反射して帰来する反射波を受信波として受波する受波部と、
前記第１送信波から得られる前記受信波としての第１受信波、から生成される第１受信情報と、前記第２送信波から得られる前記受信波としての第２受信波、から生成される第２受信情報とに基づき、前記送信波が通過した領域に含まれる前記水蒸気の量を算出する算出処理部と、
を備えていることを特徴とする、水蒸気観測装置。
請求項１に記載の水蒸気観測装置において、
前記算出処理部は、前記第１受信情報としての第１受信信号と、前記第２受信情報としての第２受信信号とのレベル差に基づき、前記送信波が通過した領域に含まれる前記水蒸気の量を算出することを特徴とする、水蒸気観測装置。
請求項２に記載の水蒸気観測装置において、
前記算出処理部は、
前記レベル差として、前記送信波が反射する反射地点からの前記第１受信信号と、前記反射地点からの前記第２受信信号と、のレベル差を検出するレベル差検出部と、
前記レベル差検出部で検出された前記レベル差を、前記送波部の設置位置である基準位置から前記反射地点までに含まれる水蒸気の量に換算する水蒸気量換算部と、
を有していることを特徴とする、水蒸気観測装置。
請求項３に記載の水蒸気観測装置において、
前記算出処理部は、前記基準位置から前記反射地点までに含まれる前記水蒸気の量と、前記基準位置からの距離とに基づき、前記基準位置と前記反射地点との間の任意の地点における水蒸気の量を算出する水蒸気量算出部、を更に有していることを特徴とする、水蒸気観測装置。
請求項４に記載の水蒸気観測装置において、
前記水蒸気量換算部は、前記基準位置から複数の前記反射地点のそれぞれまでの間に含まれる水蒸気の量を、前記基準位置からの距離位置と前記水蒸気の量とで特定される座標上にプロットすることにより累積水蒸気量グラフを生成し、
前記水蒸気量算出部は、前記累積水蒸気量グラフを微分することにより各前記反射地点における水蒸気の量を算出することを特徴とする、水蒸気観測装置。
請求項３に記載の水蒸気観測装置において、
前記水蒸気量換算部は、前記基準位置を基準とした方位が同じであり且つ前記送波部からの距離が異なる２つの前記反射地点のそれぞれまでに含まれる水蒸気量を算出し、
前記算出処理部は、前記水蒸気量換算部で算出された２つの前記水蒸気量に基づき、２つの前記反射地点の間の領域の水蒸気量を算出する水蒸気量算出部、を更に有していることを特徴とする、水蒸気観測装置。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の水蒸気観測装置において、
前記送波部及び前記受波部は、これらが一体に形成された送受波部として設けられていることを特徴とする、水蒸気観測装置。
大気中に含まれる水蒸気の量を算出する水蒸気観測装置であって、
互いに周波数が異なる第１送信波及び第２送信波を送波する送波部と、
前記送波部と異なる位置に配置されて前記水蒸気を通過した前記送信波を受信波として受波する受波部と、
前記第１送信波から得られる前記受信波としての第１受信波、から生成される第１受信情報と、前記第２送信波から得られる前記受信波としての第２受信波、から生成される第２受信情報とに基づき、前記送信波が通過した領域に含まれる前記水蒸気の量を算出する算出処理部と、
を備えていることを特徴とする、水蒸気観測装置。
請求項８に記載の水蒸気観測装置において、
前記算出処理部は、前記第１受信情報としての第１受信信号と、前記第２受信情報としての第２受信信号とのレベル差に基づき、前記送信波が通過した領域に含まれる前記水蒸気の量を算出することを特徴とする、水蒸気観測装置。
請求項９に記載の水蒸気観測装置において、
前記送波部の設置位置である基準位置を基準とした方位が同じであり且つ前記送波部からの距離が異なる位置に配置された少なくとも２つの前記受波部、を備えていることを特徴とする、水蒸気観測装置。
請求項９又は請求項１０に記載の水蒸気観測装置において、
格子状又は放射状に配置された複数の前記受波部を備えていることを特徴とする、水蒸気観測装置。
請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の水蒸気観測装置において、
前記算出処理部によって算出された前記水蒸気の量の指標を表示する表示器、を更に備えていることを特徴とする、水蒸気観測装置。
請求項１２に記載の水蒸気観測装置において、
前記表示器は、前記算出処理部によって算出された前記水蒸気の量の分布を前記指標として表示することを特徴とする、水蒸気観測装置。
請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の水蒸気観測装置において、
前記算出処理部によって算出された前記水蒸気の量の指標又は分布を外部装置に出力するインターフェース、を更に備えていることを特徴とする、水蒸気観測装置。