WO2017199414A1

WO2017199414A1 - 気象レーダ装置

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Publication number: WO2017199414A1
Application number: PCT/JP2016/064978
Authority: WO
Inventors: 尚道中溝; 松田　知也; 生也柿元
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2017-11-23
Also published as: US20190339385A1; JP6266188B1; EP3460505A1; JPWO2017199414A1; EP3460505A4

Abstract

　気象レーダ装置において、アレイアンテナ部（１１）は、水平方向および仰角方向にアンテナ素子が配列され、空間に送信波を放射し、送信波の反射波を受信する。アンテナ駆動部（１５）は、アレイアンテナ部（１１）を方位角方向に回動させる。送信部（１２）は、方位角方向に広がる送信ファンビームを形成するように、それぞれのアンテナ素子から放射される送信波の振幅および位相を制御する。受信ビーム形成部（１８）は、反射波から各アンテナ素子が生成する受信信号を処理して、方位角方向に複数の受信ビームを形成する。受信ビーム割付部（１９）は、アレイアンテナ部（１１）が向く方位角が入力され、複数の受信ビームを、方位角の決められた範囲である方位角範囲にそれぞれ割付ける。気象観測部（２１）は、受信ビーム割付部（１９）で方位角範囲に割付けられた受信ビームから方位角範囲ごとに気象観測の結果を示す情報を得る。

Description

気象レーダ装置

　この発明は、気象レーダ装置に関し、特に、アクティブフェーズドアレイアンテナ方式の二次元のアレイアンテナ部を備える気象レーダ装置に関する。

　気象現象を高速で観測する装置として、一次元のフェーズドアレイ方式を採用する気象レーダ装置がある。特開２０１０－２５６３３３号公報（特許文献１）に記載された気象レーダ装置は、仰角方向に広いファンビームを送信し、ペンシル形状のマルチビームで受信する。この気象レーダ装置は、ファンビームを仰角方向に電子走査し、仰角方向を複数の領域に分けて観測する。

特開２０１０－２５６３３３号公報

　上述するとおり、一次元フェーズドアレイ方式を採用する従来の気象レーダ装置は、仰角方向に広いファンビームを使用し、このファンビームを仰角方向に電子走査することによって仰角方向を複数の領域（観測仰角）に分けて観測する。そして、従来の気象レーダ装置は、ファンビームの受信波に対して、ＤＢＦ（Digital　Beam　Forming）によってファンビーム内の各観測仰角において形成される複数の受信ペンシルビームにより複数の方向を同時に観測する。ＤＢＦは、アレイアンテナの各アンテナ素子で受信された信号をＡ／Ｄ変換した後にディジタル信号に対して位相を調整して合成するなどして、任意の方向に受信ビームを形成する技術である。ＤＢＦは、近年気象レーダにも採用されている。

　一般にレーダはパルス状の電波を空気中に放射させ、観測対象からの反射波を観測する。そうすることで、観測対象の距離や位置を認識している。アンテナが方位角方向に１回転しレーダが送信波を全方位に放射し終えたときに観測対象に送信波が当たる回数（パルス状電波の送信回数）を観測ヒット数という。一例では、観測ヒット数は３２ヒット必要とされる。従来手法では、方位角方向の機械的な走査速度に制限がある。その理由は、以下のようなことである。方位角方向の観測範囲が狭いため、全方位で観測１回当たりの観測ヒット数を確保するには、走査速度を低速とする必要がある。また、高速で走査すると、方位角方向の分解能が低下する。このため、空間的・時間的に局所的な現象である竜巻等のように、観測頻度を多くする必要がある現象の観測には、上記従来手法は適さない。また、方位角方向に移動または拡大する局所的気象現象を追尾するとき、方位角方向の駆動が必要であるため、観測に時間がかかる。これは一般的なパラボラアンテナ型気象レーダにもいえることである。

　また従来手法のように、方位角の幅が狭く仰角方向に幅広のビームを使用し、方位角方向について機械走査をしながら観測をする場合、機械駆動によりアンテナの向く方向が方位角方向に変動しているため、観測ヒットごとに指向方向がずれてしまう。すなわち、１パルスの送信波を送信した後に、次の１パルスを送信する際に、アンテナの向く方向が変わると観測対象の気象現象が移動していなくても同じ気象現象が観測されない。このため、方位角方向の分解能は、方位角方向のビーム幅よりも広くなり、悪化することとなる。これは一般的なパラボラアンテナ型気象レーダにもいえることである。

　この発明の主たる目的は、十分な観測ヒット数を確保しつつ従来よりも高速度で方位角方向に機械走査できる気象レーダ装置を提供することである。

　この発明は、要約すると、気象レーダ装置であって、アレイアンテナ部と、アンテナ駆動部と、送信部と、受信ビーム形成部と、受信ビーム割付部と、気象観測部とを備える。アレイアンテナ部は、水平方向および仰角方向にアンテナ素子が配列され、空間に送信波を放射し、送信波が空間で反射された反射波を受信する。アンテナ駆動部は、アレイアンテナ部を方位角方向に機械的に回動させる。送信部は、方位角方向に決められた角度幅以上の中心角を有する送信ファンビームを形成するように、それぞれのアンテナ素子から放射される送信波の振幅および位相を制御する。受信ビーム形成部は、送信ファンビームごとの反射波からアンテナ素子が生成する受信信号を処理して、方位角方向に複数の受信ビームを形成する。受信ビーム割付部は、アンテナ駆動部により回動するアレイアンテナ部が向く方位角であるアンテナ方位角が入力され、複数の受信ビームを、方位角の決められた範囲である方位角範囲にそれぞれ割付ける。気象観測部は、受信ビーム割付部で方位角範囲に割付けられた受信ビームから方位角範囲ごとに気象観測の結果を示す情報を得る。

　本発明によれば、十分な観測ヒット数を確保しつつ従来よりも高速度で方位角方向に機械走査できる。

実施の形態１における気象レーダ装置の構成を示す図である。実施の形態１における気象レーダ装置の方位角方向における送信ファンビームと受信ペンシルビームの形状を示す概念図である。実施の形態１における気象レーダ装置の仰角方向における送信ファンビームの形状と受信ペンシルビームの形状とを示す概念図である。アレイアンテナ部がある方位角方向を向いている場合の送信ファンビームと受信ペンシルビームの形状を示す概念図である。アレイアンテナ部の方位角方向が図４から角度φｄだけ回転した場合の送信ファンビームと受信ペンシルビームの形状を示す概念図である。図４、図５に示す受信ペンシルビームの切り替え処理を説明するためのフローチャートである。複数の仰角方向の観測領域を送信ビームおよび受信ビームで観測する方法を説明するための図である。受信ペンシルビームが方位角方向に１本の場合の検討例を示す図である。実施の形態２における気象レーダ装置が受信ペンシルビームの方向を変更する様子を示す図である。図９に示す受信ペンシルビームの角度補正処理を説明するためのフローチャートである。実施の形態３における気象レーダ装置の構成を示す図である。実施の形態３の気象レーダ装置が、局所的な気象現象を観測するために、ある決められた方位角範囲を機械駆動せずに観測する様子を示す図である。実施の形態３の気象レーダ装置が、局所的な気象現象を観測するために、仰角方向を電子走査により観測する様子を示す図である。実施の形態４の気象レーダ装置において、高仰角および低仰角におけるビーム形状の仰角方向の違いを示す図である。実施の形態４の気象レーダ装置において、高仰角および低仰角におけるビーム形状の方位角方向の違いを示す図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

　［実施の形態１］
　図１は、実施の形態１における気象レーダ装置の構成を示す図である。図１に示す気象レーダ装置は、アレイアンテナ部１１と、送信部１２と、受信部１３と、信号処理部１４と、アンテナ駆動部１５と、制御部１６とを含む。制御部１６は、信号処理部１４とアンテナ駆動部１５を制御する。

　アレイアンテナ部１１は、水平方向および仰角方向の二次元のアレイ状に配置された、複数組の受信用アンテナ素子および送信用アンテナ素子、または複数の送受信用アンテナ素子を有する。アレイアンテナ部１１は、アクティブフェーズドアレイアンテナである。送信用の各アンテナ素子は、送信部１２から供給される制御信号により位相および振幅が制御された送信信号を電波として空間に放射する。そうすることで、方位角方向および仰角方向の両方で、扇形の送信ビームの中心角、放射方向および形状を変更できる。扇形の中心角が大きい場合に幅広または広いと呼び、小さい場合に狭いと呼ぶ。受信用の各アンテナ素子は、受信した反射波から受信信号を生成して、受信部１３に出力する。

　アレイアンテナ部１１は、アンテナ駆動部１５によって方位角方向に機械的に駆動され、方位角方向に３６０°の観測が可能である。すなわち、アレイアンテナ部１１は機械的に方位角方向に３６０°の回転が可能なように構成されている。なお、方位角方向の機械的駆動とは、アレイアンテナ部１１が鉛直軸を中心に回動することを意味する。

　送信部１２は、アレイアンテナ部１１の各送信アンテナ素子に制御信号を送出する。制御信号により各送信アンテナ素子から放射される送信波を位相制御および振幅制御する。そうすることで、以下を実現する。
　(1)仰角方向に狭く、方位角方向に幅広の扇形の送信ビーム（以下、送信ファンビームという）がアレイアンテナ部１１から空中に放射される。
　(2)送信ファンビームを放射する仰角方向を変更して仰角方向に電子走査する。送信ファンビームの形状は、方位角方向に決められた角度幅以上の中心角を有するように形成される。送信ファンビームの方位角方向の中心角が決められた角度幅以上なので、送信ファンビームに対する反射波から生成された受信信号を処理して、方位角方向に複数の受信ビームが形成できる。
　(3)ビームの向く仰角に応じて、アレイアンテナ部１１から放射する上記送信ファンビームの仰角方向と方位角方向のどちらかまたは両方で、ビーム形状を変更することができる。

　信号処理部１４は、送信ビーム形成部１７、受信ビーム形成部１８、受信ビーム割付部１９、気象観測部２１を有する。送信ビーム形成部１７、受信ビーム形成部１８、受信ビーム割付部１９、気象観測部２１は、制御部１６により制御される。

　送信ビーム形成部１７は、送信ファンビームの形状ごとに、その形状のファンビームを送信するための各アンテナ素子へ給電する信号の位相制御情報および振幅制御情報を持っている。送信ビームを望ましい形状に形成するための位相制御情報および振幅制御情報のことを、送信ビーム形状情報と呼ぶ。送信ビーム形成部１７は、決められた数以下の数の送信ビーム形状情報を持っている。送信ビーム形成部１７は、制御部１６からの指令に応じて、指令された送信ビーム形状情報に対応した位相制御情報および振幅制御情報を送信部１２に送出する。また、受信部１３に対して、パルス生成に使用する種信号の種類とタイミングを制御する。送信部１２は、受信部１３から入力される種信号に基づきパルスを生成する。なお、送信部１２が発振器を有する場合は、種信号を送信部１２で生成する。

　アレイアンテナ部１１から空中に放射された送信波は、降雨および降雪等の観測対象によって反射され、反射波としてアレイアンテナ部１１が受信し、受信信号が生成されて受信部１３へ送られる。

　受信部１３は、アレイアンテナ部１１における各アンテナ素子からの受信信号を受信し、ダウンコンバートを行い、Ａ／Ｄ変換する。Ａ／Ｄ変換された受信信号を信号処理部１４に送る。受信部１３が受信信号を受信するタイミングは、信号処理部１４により制御される。

　受信ビーム形成部１８は、受信部１３から受けた受信信号に対し、Ｉ／Ｑ検波を行なった後にＤＢＦ処理を実施して、ビーム幅の狭いペンシル形状の受信ビーム（以下、受信ペンシルビームと呼ぶ場合がある）を形成する。受信ビーム形成部１８は、送信ファンビームが放射された方位角範囲内および仰角範囲内に複数の受信ビームを形成する。

　受信ビーム割付部１９は、アレイアンテナ部が異なる方位角を向く時の受信信号からそれぞれ形成された複数の受信ビームを、方位角の決められた範囲である方位角範囲にそれぞれ割付ける。気象観測部２１は、受信ビーム割付部１９で方位角範囲に割付けられた受信ビームを気象観測の結果を示す情報を得て、積算していく。なお、方位角範囲ごとに割付けられた受信ビームの集合を用意して、方位角範囲に割付けられるすべての受信ビームが割付けられた後に、その方位角範囲に対して割付けられた受信ビームの集合を気象観測部２１が処理するようにしてもよい。

　図２は、実施の形態１における気象レーダ装置の方位角方向における送信ファンビームと受信ペンシルビームの形状を示す概念図である。送信ファンビームＦＢの形状は破線で示され、受信ペンシルビームφ１～φ５の形状は実線で示されている。図２においては一度の送信ファンビームＦＢの送信に対して、受信ペンシルビームφ１～φ５によって５方向の方位角で同時に観測することができる。

　図３は、実施の形態１における気象レーダ装置の仰角方向における送信ファンビームの形状と受信ペンシルビームの形状とを示す概念図である。実施の形態１では、仰角方向においては送信ファンビームＦＢより細い、受信ペンシルビーム群θ１にて観測する。受信ペンシルビーム群θ１は、受信ペンシルビームθ１ａと受信ペンシルビームθ１ｂとを含む。受信ペンシルビーム群θ１は、図３では仰角方向に２列の場合を示すが、３列以上でも良く、１列であっても良い。

　なお、送信ファンビームＦＢは、仰角方向の断面においても扇形であるが、方位角方向により幅広な形状となっている。すなわち、送信ファンビームＦＢは、方位角方向の第１断面および仰角方向の第２断面が共に扇形であり、第２断面の扇形の中心角の角度が第１断面の扇形の中心角の角度よりも狭いビームである。

　図３では、一度の送信ファンビームＦＢの送信において、受信ペンシルビームθ１ａ，θ１ｂによって２方向の仰角で同時に観測できることが示されている。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面に相当する図であるが、受信ペンシルビームφ１～φ５のそれぞれに対して同様に仰角２方向の受信ペンシルビームθ１ａ，θ１ｂが形成される。このため、受信ペンシルビームの合計数は５×２＝１０となる。

　より具体的には、送信部１２に制御されてアレイアンテナ部１１が送信ファンビームを送信する。その反射波を受信して生成した受信信号に信号処理部１４でＤＢＦ処理を適用することによって、５×２本の受信ペンシルビームを得る。各受信ペンシルビームの受信信号の強度や位相などを観測することによって、方位角方向を５方向、仰角方向を２方向で観測することができる。したがって、同時に１０方向を観測することができる。

　なお、ＤＢＦ処理は、受信ペンシルビームの構成を自由に変えることができる。したがって、方位角５方向、仰角２方向に限らず、仰角１方向の受信ペンシルビームや、仰角３方向以上の任意のマトリックス状の受信ペンシルビームの構成を採用してもよい。受信ビーム形成部１８は、ＤＢＦ処理において、位相制御および重み付け係数制御等を行なうことによって、受信ビームのビーム形状をビームの向く仰角に応じて変更可能である。

　受信ビーム割付部１９は、アレイアンテナ部１１を機械的に回動させるアンテナ駆動部１５から出力される角度信号に基づき、気象観測部２１での信号処理に使用する受信ビームをアレイアンテナ部の向く方向に応じて方位角範囲に割付ける。

　図４は、アレイアンテナ部がある方位角方向を向いている場合の送信ファンビームと受信ペンシルビームの形状を示す概念図である。図５は、アレイアンテナ部の方位角方向が図４から角度φｄだけ回転した場合の送信ファンビームと受信ペンシルビームの形状を示す概念図である。図４において、アレイアンテナ部１１が向く方向をＹ軸方向として、水平面内でＹ軸方向と直交する方向をＸ軸とする。

　図４に示す状態では、受信ペンシルビームφ１～φ５が、それぞれ方位角方向の角度範囲である方位角範囲Ｒ_１～Ｒ_５を観測するのに用いられる。図４に示す状態（時刻ｔ＝ｔ０）では、方位角範囲Ｒ_３は、受信ペンシルビームφ３を用いて観測される。この状態から時刻を進めると（時刻ｔ＝ｔ１＞ｔ０）、本実施の形態の気象レーダ装置は図５に示す状態となる。図５では、アレイアンテナ部１１が機械的に回転して、Ｙ軸から角度φｄである方向を向いている。アレイアンテナ部１１が向く方位角をアンテナ方位角と呼ぶ。厳密には、アレイアンテナ部１１の電波放射面に垂直な方向の方位角方向の成分が、アンテナ方位角である。アンテナ方位角は、アンテナ駆動部１５から出力される角度信号から生成される。アンテナ方位角は、受信ビーム割付部１９に入力される。受信ビーム割付部１９は、アンテナ方位角に基づき、受信ペンシルビームφ１～φ５が、それぞれ方位角範囲Ｒ_２～Ｒ_６を観測するのに用いられるようにそれぞれ割付ける。

　図６は、図４、図５に示す受信ペンシルビームの切り替え処理を説明するためのフローチャートである。図６の処理は、受信ビーム割付部１９が起動されるごとに、その時点のアンテナ方位角φｄが入力されて、実行される。ここで、方位角範囲の数をＮとする。１個の方位角範囲Ｒ_ｊは、φ＝(３６０／Ｎ)度の角度幅を有する。

　まず、ステップＳ１において、受信ビーム割付部１９は、アンテナ駆動部１５からのアンテナ方位角φｄからｊ＝[φｄ／φ+0.5]を求める。ここで、[Ｘ]は、ガウス記号であり、実数Ｘ以下の最小の整数を表す。

　ステップＳ２で、ｊ１＝mod(ｊ,Ｎ)＋１などを、求める。ここで、mod(Ｘ,Ｙ)は、整数Ｘを整数Ｙで割った時の余りである。ｊ１は、受信ペンシルビームφ１が割付される方位角範囲Ｒに対する添え字である。ｊ２からｊ５に関しても同様である。

　ステップＳ３で、受信ペンシルビームφ１～φ５を、それぞれ方位角範囲Ｒ_ｊ１～Ｒ_ｊ５に割付ける。

　従来の方法では、方位角方向に一本のペンシルビームで観測を行なう。雨雲などの観測には、所定の観測ヒット数（たとえば３２ヒット）が得られるまでは、ペンシルビームの方向が決められた角度幅の範囲内であるように制御する必要があり、この制約からアンテナの機械的な方位角方向の回転速度は制限される。

　これに対して、実施の形態１に示す方法では、任意の方位角方向の角度範囲について、方位角方向に５方向の受信ペンシルビームφ１～φ５のうちその方位角範囲に入る受信ペンシルビームに順次切換えて使用する。この方法によって、アンテナを機械的に１回転させる間に、方位角方向に１方向の受信ペンシルビームの場合と比較して１つの方位角範囲あたり５倍の観測ヒット数を得ることができる。これは、各方位角範囲で観測ヒット数が同じ場合に、アンテナの機械的走査速度（回転速度）を従来比で５倍にできることを意味する。

　例えば、方位角方向に狭く仰角方向に広いファンビームを使用する従来の気象レーダでは、各方位で十分な観測ヒット数を得るために、アンテナを１回転させるのに２０秒必要であったとする。本実施の形態によれば、４秒でアンテナを１回転させても同じ観測ヒット数を得ることができる。気象レーダ装置が４秒周期で全方位を観測できるようになると、狭い範囲に非常に強い雨が降るいわゆるスポット豪雨や竜巻などの局所的現象を追尾しての観測が可能になる。また、本実施の形態によれば、全方位および全仰角を観測するのに要する時間も、従来よりも短縮される。

　このように、受信ペンシルビームをＤＢＦにより形成した後、気象観測部２１は、使用している送信ファンビームおよび受信ペンシルビームの形状の情報に基づき、各仰角範囲および各方位角範囲における受信ペンシルビームの受信信号に対して、送信利得、受信利得および各種損失を考慮した上で、降雨および降雪等の強度および各種観測情報を算出する処理を実行する。

　方位角方向にアレイアンテナ部１１をアンテナ駆動部１５によって回転させながら、上記プロセスを電子走査により低仰角から高仰角まで実行し、それを繰り返すことにより、三次元的な気象情報を得ることができる。

　図７は、複数の仰角方向の観測領域を送信ビームおよび受信ビームで観測する方法を説明するための図である。送信ファンビームＦＢ１を用いた観測においては、受信ペンシルビーム群θ１（ビームθ１ａおよびθ１ｂ）により、２仰角方向で同時に観測する。受信ペンシルビーム群θ１～θ４を順に用いて観測することによって、気象レーダ装置は、観測対象空間を三次元的に観測することができる。

　以上説明したように、実施の形態１の気象レーダ装置は、方位角方向の同時観測範囲が広がるという効果が得られるとともに、アンテナを方位角方向に高速度で機械駆動させても、観測ヒット数を確保できるという効果が得られる。

　［実施の形態２］
　実施の形態１では、アレイアンテナの方位角が機械的に回転された場合に、ある方位角範囲の観測を継続するために、その方位角範囲に対応させる受信ペンシルビームを切換えていた。しかし、受信ペンシルビームを切換えても、アレイアンテナの方位角が回転されているので受信ペンシルビームの中心が方位角範囲の中心からずれており観測条件が同じにならない。観測精度を上げるには、同じ方位角で決められた観測ヒット数を得ることが望ましい。そこで、実施の形態２では、実施の形態１に示す処理に加え、方位角方向にアレイアンテナを駆動中の観測において、アンテナ駆動部１５から信号処理部１４に送出する角度信号（アンテナ方位角）を用いて、受信ビーム形成部１８の位相制御および重み付け係数制御等を行なう。その結果、方位角方向の送信ファンビーム内において受信ペンシルビームの指向方向をアレイアンテナ部１１の向く方向が変化しても、同じ方位角を向いた受信ペンシルビームで観測できる。

　図８は、受信ペンシルビームが方位角方向に１本の場合の検討例を示す図である。従来の方位角方向でのビーム制御を行なわないフェーズドアレイ気象レーダや、パラボラアンテナ型気象レーダは、機械駆動するアンテナの向きφｄに従い、送信ビームおよび受信ペンシルビームの方位角が時々刻々と移動する。このため、図８に示すとおり観測範囲Ｒからφｄに応じて決まる角度だけずれた方向を観測することが起きる。

　図９は、実施の形態２における気象レーダ装置が受信ペンシルビームの方向を補正して生成する様子を示す図である。アレイアンテナ部１１に対して相対的に同じ方向に受信ペンシルビームを形成すると、受信ペンシルビームもファンビームＦＢと同様に、図９において破線で示すように方位角範囲の区分に対してずれる。実施の形態２の気象レーダ装置が有する受信ビーム形成部１８Ａは、アレイアンテナ部１１に対する相対的な方位角の方向を変更することで、方位角範囲の区分と一致した複数の受信ペンシルビームを形成する。その結果、図９において実線で示すように、５本の受信ペンシルビームφ１～φ５が、ファンビームＦＢに対して少し左寄りに指向している。方位角をどれだけずらすかは、例えば図６のフローにしたがってそれぞれの方位角範囲Ｒに割当てられる受信ペンシルビームが、その方位角範囲Ｒ_ｊの中心に来るように決める。アンテナの向きφｄが、方位角範囲Ｒ_ｊの幅φの１／２以上ずれると、受信ビームを割当てる方位角範囲の区分が変更になり、補正量が－φ／２からφ／２に変化する。このようにすることで、方位角軸の周りに一定の角速度で回転する機械駆動によってアンテナの向く方向が変わっても、決められた方位角方向である観測方位角で観測範囲Ｒ_ｊを観測することができる。

　図１０は、図９に示す受信ペンシルビームの角度補正処理を説明するためのフローチャートである。図１０の処理は、受信ビーム形成部１８Ａが起動されるごとに、その時点のアンテナ方位角φｄが入力されて、実行される。

　ステップＳ１１では、アレイアンテナ部１１の正面に形成される受信ペンシルビームφ３が割付けられる方位角範囲を示す整数ｋが、ｋ＝[φｄ／φ+0.5]と決められる。ｋ＝０は、受信ペンシルビームφ１～φ５が、それぞれ方位角範囲Ｒ_１～Ｒ_５に割付けられることを意味する。受信ペンシルビームφ３は、アレイアンテナ部１１の電波放射面に垂直な方向である。

　ステップＳ１２では、方位角修正量Δを、Δ＝ｋ*φ－φｄの計算式で決める。Δ＝０は、受信ペンシルビームφ３がアレイアンテナ部１１の電波放射面に垂直に放射されることを意味する。方位角修正量Δは、φ／２＞Δ≧－φ／２の範囲をとる。Δ＞０であれば、受信ペンシルビームφ３が回転方向側に修正されることを意味する。ステップＳ１３では、受信ペンシルビームφ１～φ５を、アレイアンテナ部の正面（電波放射面に垂直な方向）から方位角修正量Δだけずらした方向に形成する。

　従来の気象レーダで図９に示す観測と同等な観測を実現しようとすると、アンテナの方位角方向の回転の機械的な停止と駆動を繰り返すことが必要になる。そのような機械駆動を実現するには、高速かつ精度よく駆動できる高性能な駆動系が必要となる。実施の形態２では、方位角方向に受信ペンシルビームの方向を電子的に変更するので、一定の角速度で回転させる一般的な駆動系を使用する場合でも、方位角の分解能を方位角方向の受信ペンシルビームの間隔に維持できる。

　［実施の形態３］
　実施の形態３の気象レーダ装置は、実施の形態１の処理に加え、アレイアンテナ部１１を観測方向に向けて静止し、観測範囲内を区分して、それぞれの区分ごとに送信ファンビームを送信し、送信ファンビームの範囲内を複数の受信ペンシルビームにより観測する観測モードを有する点が特徴である。観測方向と範囲は外部から入力される。

　図１１は、実施の形態３における気象レーダ装置の構成を示す図である。制御部１６Ａは、静止観測制御部２２をその内部に有する。制御部１６Ａすなわち静止観測制御部２２は、アンテナ駆動部１５、受信ビーム形成部１８、受信ビーム割付部１９および気象観測部２１が以下のように動作するように制御する。アンテナ駆動部１５は、静止観測時にアレイアンテナ部１１が向く方位角である静止観測方位角にアレイアンテナ部１１を向けて静止させる。静止観測方位角と観測パターンは、運用者が指示する。静止すると、予め決められた５０程度の観測パターンの中から指示されたパターンで、静止観測方位角を含む決められた方位角および仰角の範囲である静止観測範囲を観測する。それぞれの観測パターンは、静止観測範囲の大きさ、静止観測範囲内での受信ビームの間隔などが異なる。送信部１２は、静止観測範囲を分割して覆う複数の送信ファンビームを生成する。送信ファンビームごとに複数の受信ビームを形成して、静止観測範囲の気象観測の結果を示す情報を得るように、受信ビーム形成部１８、受信ビーム割付部１９および気象観測部２１が動作する。

　図１２は、実施の形態３の気象レーダ装置が、局所的な気象現象を観測するために、決められた角度幅の方位角範囲を機械駆動せずに観測する様子を示す図である。図１３は、実施の形態３の気象レーダ装置が、局所的な気象現象を観測するために、仰角方向に仰角範囲が異なる複数の送信ファンビームを生成して観測する様子を示す図である。なお、方位角範囲を複数の送信ファンビームで覆うようにしてもよい。方位角方向に狭く仰角方向に幅広な送信ファンビームを生成してもよい。静止観測範囲を分割して覆う複数の送信ファンビームを生成すれば、どのような形状の送信ファンビームでもよい。

　図１２の例では、１１本の受信ペンシルビームφ１～φ１１が示されている。図１２に示すとおり、方位角方向の広範囲を、アンテナの機械駆動なしに観測できるため、局所的な気象現象（たとえば雨雲５０）を高頻度で観測し続けることができる。また、仰角方向については図１３に示すとおり、図７と同様な仰角方向に電子走査することで、局所的な気象現象が発生している範囲を三次元的に観測することができる。実施の形態３の気象レーダ装置は、観測時には機械駆動する必要が無いため、高頻度の観測を実現できる。なお、スポット豪雨などの強い雨の範囲が移動する場合などは、必要に応じて観測対象が観測範囲の中央に来るように、アンテナ駆動部１５によりアレイアンテナ部１１の向きを変更して、静止観測範囲の内部に観測すべき気象現象が入るようにする。

　たとえば、実施の形態１または２で説明した動作によって、局所的な気象現象を発見した場合に、実施の形態３に示すように観測モードを変更して、重点的に局所的な気象現象を観測することも可能である。

　［実施の形態４］
　実施の形態４では、実施の形態１に示すような方位角方向に広い送信ファンビームと、方位角方向に並ぶ数が仰角方向に並ぶ数よりも多い受信ペンシルビームとを用いることに加えて以下のようにこれらのビームの形状に変形を加える。

　図１４は、実施の形態４の気象レーダ装置において、高仰角および低仰角におけるビーム形状の仰角方向の違いを示す図である。図１５は、実施の形態４の気象レーダ装置において、高仰角および低仰角におけるビーム形状の方位角方向の違いを示す図である。

　実施の形態４では、高仰角の観測については、低仰角と比較し方位角方向に広い送信ファンビームを送信し、低仰角と比較し方位角方向に広い受信ペンシルビームを形成する。

　観測対象となる気象現象の発生高度は、所定の高さＨ以下である。このため図１４に示すように観測範囲Ｒ_１０を観測する際には、高仰角と低仰角では必要なビーム長が異なる。すなわち、高仰角の観測における送信ファンビームおよび受信ペンシルビーム３２が観測する距離は、低仰角の観測における送信ファンビームおよび受信ペンシルビーム３１が観測する距離と比較し、近距離でよい。

　同じ中心角の扇形でビームを送信する場合には、近距離のみを観測する場合、遠距離を観測する場合と比べてビームの広がりが少ない。このため、図１５に示すように、例えば遠距離の観測における送信ファンビームおよび受信ペンシルビーム４１と比較して、近距離の観測における送信ファンビームおよび受信ペンシルビーム４２の観測距離が１／２であるとする。その場合には、ビーム４１と比較してビーム４２の中心角を２倍に広げても、ビーム４２の最大観測距離における水平方向の距離分解能をビーム４１の分解能と同等とすることができる。このように、近距離観測では方位角方向の送信ファンビームの中心角を方位角方向に大きくし、受信ペンシルビームの方位角方向の間隔を大きくすることによって、近距離観測における同時観測範囲を広げることができ、観測時間を短縮することができる。

　最後に、実施の形態１～４について再び図を参照して総括する。図１に示す気象レーダ装置は、アレイアンテナ部１１と、アンテナ駆動部１５と、送信部１２と、受信ビーム形成部１８と、受信ビーム割付部１９と、気象観測部２１とを備える。アレイアンテナ部１１は、水平方向および仰角方向にアンテナ素子が配列され、空間に送信波を放射し、送信波が空間で反射された反射波を受信する。アンテナ駆動部１５は、アレイアンテナ部１１を方位角方向に機械的に回動させる。送信部１２は、方位角方向に決められた角度幅以上の中心角を有する送信ファンビームを形成するように、それぞれのアンテナ素子から放射される送信波の振幅および位相を制御する。受信ビーム形成部１８は、送信ファンビームごとの反射波からアンテナ素子が生成する受信信号を処理して、方位角方向に複数の受信ビームを形成する。受信ビーム割付部１９は、アンテナ駆動部１５により回動するアレイアンテナ部１１が向く方位角であるアンテナ方位角が入力され、複数の受信ビームを、方位角の決められた範囲である方位角範囲にそれぞれ割付ける。気象観測部２１は、受信ビーム割付部１９で方位角範囲に割付けられた受信ビームから方位角範囲ごとに気象観測の結果を示す情報を得る。

　好ましくは、図３に示すように、複数の受信ペンシルビームは、第１の仰角方向に形成された複数の第１の受信ペンシルビームθ１ａと、第２の仰角方向に形成された複数の第２の受信ペンシルビームθ１ｂとを含む。信号処理部１４は、図７に示すように、複数の第１の受信ペンシルビームθ１ａと複数の第２の受信ペンシルビームθ１ｂとを同時に仰角方向に走査する。これにより、受信ペンシルビームθ１ａ～θ４ａ，θ１ｂ～θ４ｂに示す位置が順次観測される。

　好ましくは、図９、図１０によって説明したように、信号処理部１４は、アンテナ駆動部１５によってアレイアンテナ部１１が回動された方位角方向の角度φｄに応じて、複数の受信ペンシルビームφ１～φ５のアレイアンテナ部１１の電波放射面を基準とした方位角方向の指向方向を変化させることによって、複数の受信ペンシルビームφ１～φ５の指向方向が決められた方位角の方向を向くようにする。

　好ましくは、図１４、図１５において説明したように、送信部１２は、第１の仰角範囲に形成された第１の送信ファンビーム３２，４２を、第１の仰角範囲よりも低い第２の仰角範囲に形成された第２の送信ファンビーム３１，４１と比べて、方位角方向の中心角を大きく形成する。受信ビーム形成部１８は、第１の仰角範囲における複数の受信ビーム３２，４２を、第２の仰角範囲における複数の受信ビーム３１，４１と比べて、方位角方向の間隔を大きく形成する。

　好ましくは、気象レーダ装置は、第１の観測モードと第２の観測モードとを有する。第１の観測モードで観測する際には、気象レーダ装置は、アレイアンテナ部１１を方位角方向に機械的に回動させて観測する。図１２、図１３で説明したように、第２の観測モードにおいて気象レーダ装置は、アレイアンテナ部１１の機械駆動を行なわず、指示された方位角を含む決められた方位角および仰角の範囲を観測する。第１の観測モードは、実施の形態１または２において説明した観測モードであり、第２の観測モードは実施の形態３で説明した観測モードである。

　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１１　アレイアンテナ部、１２　送信部、１３　受信部、１４　信号処理部、１５　アンテナ駆動部、１６，１６Ａ　制御部、１７　送信ビーム形成部、１８，１８Ａ　受信ビーム形成部、１９　受信ビーム割付部、２１　気象観測部、２２　静止観測制御部、５０　雨雲、φ１～φ５，θ１ａ～θ４ａ，θ１ｂ～θ４ｂ　受信ペンシルビーム、ＦＢ，ＦＢ１～ＦＢ４　送信ファンビーム。

Claims

　水平方向および仰角方向にアンテナ素子が配列され、空間に送信波を放射し、前記送信波が空間で反射された反射波を受信するアレイアンテナ部と、
　前記アレイアンテナ部を方位角方向に機械的に回動させるアンテナ駆動部と、
　方位角方向に決められた角度幅以上の中心角を有する送信ファンビームを形成するように、それぞれの前記アンテナ素子から放射される前記送信波の振幅および位相を制御する送信部と、
　前記送信ファンビームごとの前記反射波から前記アンテナ素子が生成する受信信号を処理して、方位角方向に複数の受信ビームを形成する受信ビーム形成部と、
　前記アンテナ駆動部により回動する前記アレイアンテナ部が向く方位角であるアンテナ方位角が入力され、複数の前記受信ビームを、方位角の決められた範囲である方位角範囲にそれぞれ割付ける受信ビーム割付部と、
　前記受信ビーム割付部で前記方位角範囲に割付けられた前記受信ビームから前記方位角範囲ごとに気象観測の結果を示す情報を得る気象観測部とを備えた、気象レーダ装置。
　前記受信ビーム形成部は、前記アンテナ方位角が入力され、前記方位角範囲ごとに決められた観測方位角を向くように、前記アンテナ方位角に応じて前記アレイアンテナ部に対する相対的な方位角の方向を変更して前記受信ビームを形成する、請求項１に記載の気象レーダ装置。
　前記受信ビーム形成部は、仰角方向にも複数の前記受信ビームを形成する、請求項１または請求項２に記載の気象レーダ装置。
　前記送信部は、第１の仰角範囲に形成された第１の送信ファンビームを、前記第１の仰角範囲よりも低い第２の仰角範囲に形成された第２の送信ファンビームと比べて、方位角方向の中心角を大きく形成し、
　前記受信ビーム形成部は、前記第１の仰角範囲における複数の前記受信ビームを、前記第２の仰角範囲における複数の前記受信ビームと比べて、方位角方向の間隔を大きく形成する、請求項３に記載の気象レーダ装置。
　前記アンテナ駆動部、前記送信部、前記受信ビーム形成部、前記受信ビーム割付部および前記気象観測部を制御する制御部を備え、
　前記制御部は、静止観測時に前記アレイアンテナ部が向く方位角である静止観測方位角を前記アレイアンテナ部が向いて静止するように前記アンテナ駆動部を制御し、
　前記制御部は、前記静止観測方位角を含む決められた方位角および仰角の範囲である静止観測範囲を分割して覆う複数の前記送信ファンビームを生成するように前記送信部を制御し、
　前記制御部は、前記送信ファンビームごとに複数の前記受信ビームを形成して、前記静止観測範囲の気象観測の結果を示す情報を得るように、前記受信ビーム形成部、前記受信ビーム割付部および前記気象観測部を制御する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の気象レーダ装置。