気象レーダ装置及び気象観測方法
【課題】三次元気象データを時間及び空間的に高解像度で確実に収集可能にすること。
【解決手段】本実施形態に係る気象レーダ装置は、複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナ１１と、パルス送信繰り返し期間（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に、仰角方向の互いに異なる複数の領域に対して複数のビームを放射することによりレーダ電波を送信し、前記ビーム毎の反射波を受信する送受信部１３と、前記ＰＲＩを前記ビームの全ての反射波の受信期間の終了までの期間とする送信タイミング信号を生成する信号処理部１４と、前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成する送信制御部１５とを具備する。
【解決手段】本実施形態に係る気象レーダ装置は、複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナ１１と、パルス送信繰り返し期間（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に、仰角方向の互いに異なる複数の領域に対して複数のビームを放射することによりレーダ電波を送信し、前記ビーム毎の反射波を受信する送受信部１３と、前記ＰＲＩを前記ビームの全ての反射波の受信期間の終了までの期間とする送信タイミング信号を生成する信号処理部１４と、前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成する送信制御部１５とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、雨や雲などの気象現象を三次元で観測する気象レーダ装置及び気象観測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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放射して、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、非特許文献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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、竜巻や突風などの突発的かつ局所的な現象の検出が困難であった。
【０００５】
本実施形態の目的は、三次元気象データを時間及び空間的に高解像度で確実に収集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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態に係る気象レーダ装置は、複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナ部と、パルス送信繰り返し期間（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に、仰角方向の互いに異なる複数の領域に対して複数のビームを放射することによりレーダ電波を送信し、前記ビーム毎の反射波を受信する送受信部と、前記ＰＲＩを前記ビームの全ての反射波の受信期間の終了までの期間とする送信タイミング信号を生成する信号処理部と、前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成する送信制御部と、
を具備する。
【０００７】
また、本実施形態に係る気象観測方法は、複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナを具備する気象レーダに用いられる気象観測方法であって、パルス送信繰り返し期間（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に、仰角方向の互いに異なる複数の領域に対して複数のビームを放射することによりレーダ電波を送信し、前記ビーム毎の反射波を受信し、前記ＰＲＩを前記ビームの全ての反射波の受信期間の終了までの期間とする送信タイミング信号を生成し、前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る気象レーダ装置を示す機能ブロック図。
【図２】送信ビームの一例を示す模式図。
【図３】実施例１の送受信タイミングを示す図。
【図４】実施例１の場合のビーム１における受信回数を示す図。
【図５】実施例２の送受信タイミングを示す図。
【図６】実施例２の場合のビーム１における受信回数を示す図。
【図７】実施例３の送受信タイミングを示す図。
【図８】実施例３の場合のビーム１における受信回数を示す図。
【図９】一般的な送受信タイミングの例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る気象レーダ装置及び気象観測方法を説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係る気象レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。図１において、この気象レーダ装置は、アンテナ１１と、送受切換器１２と、送受信部１３と、信号処理部１４と、送信制御部１５とを備える。
【００１１】
アンテナ１１は、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。アンテナ素子は、例えば、スロットアンテナで構成される。このスロット導波管を複数配列することで、仰角方向でのビーム方向を位相走査により電気的に制御できる。また、スロットアンテナを用いて機械的にビームを絞ることで、方位角方向に鋭い指向性が得られる。
【００１２】
送信制御部１５は、後述する信号処理部１４からの送信タイミング信号に従って、レーダ電波の仰角方向の送出角度を決める位相制御情報を含む送信信号を作成する。送受信部１３は、この送信信号を増幅し、レーダ電波として送受切換器１２を介してアンテナ１１から空中に送出する。
【００１３】
アンテナ１１に降水などの気象目標からの反射波が到来すると、送受切換器１２を介して送受信部１３で受信され、Ａ／Ｄ変換された後にＩ／Ｑ検波される。信号処理部１４は、送受信部１３で検波されたＩ／Ｑ信号をもとに、受信電力やドップラ速度を算出する。
【００１４】
次に、このように構成された気象レーダ装置が実行する観測方法について説明する。図２は、送信ビームの一例を示す模式図である。なお、送信ビーム数Ｎ＝３として以下の説明を行う。
【００１５】
信号処理部１４から送信タイミング信号が送られると、アンテナ１１は、送信制御部１５からの送信信号に従って、空中線を水平方向に３６０°回転させるとともに、パルス送信繰り返し期間（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）毎に仰角方向の互いに異なる領域に３本の送信ビームを放射する。このようにして、フェーズドアレイ方式による気象レーダ装置において、時間及び空間的分解能を高めた三次元気象データを収集できるようにする。
【００１６】
ここで、１ＰＲＩ内の送信ビームを複数にする場合における一般的に想定される送受信タイミングを図９に示す。ＰＲＩ毎に複数の送信ビームを放射にする場合、電波送信中は電波の受信ができないため、図９に示すようなブランク（観測できない空間）が生じてしまう。つまり、１ＰＲＩ内においてＮ回電波を送信する場合のブランクの数は、各受信ビームにつき（Ｎ−１）個となる。また、１ＰＲＩ内における送信ビームの数を増やすほど、ブランクの数も増える。気象レーダ装置の場合、ブランクが存在するとその空間の気象情報が完全に取得できなくなるという問題がある。以下、この課題を改善するために、信号処理部１４において生成される送信タイミング信号について、各実施例に従って説明する。
【００１７】
（実施例１）
図３は、実施例１の送受信タイミングを示す図である。実施例１は、各送信方向に対する送信回数（送信１回目、送信２回目）において、各ビームを一波のみ送信するものである。つまり、図３のように、ＰＲＩをＮ番目のビームのパルスの受信期間の終了までの期間と設定すると、ブランクの発生数を削減することができる。図４は、実施例１の場合のビーム１における各受信タイミングごとの受信回数を示したものである。図４から分かるように、各受信タイミングにおいて受信合計回数０のタイミングが存在してしまうという課題がある。
【００１８】
（実施例２）
図５は、実施例２の送受信タイミングを示す図である。実施例２は、ＰＲＩごとに各ビームの送信順序を変更したものである。図６に、実施例２の場合のビーム１における各受信タイミングごとの受信回数を示す。各受信タイミングにおいて受信合計回数０のタイミングが存在しなくなるため、上記実施例１の課題を解消することができる。
【００１９】
（実施例３）
図７は、実施例３の送受信タイミングを示す図である。実施例３は、上記実施例２において、さらに送信タイミングを調整することで受信合計回数を平均化するものである。図８に、実施例３の場合のビーム１における各受信タイミングごとの受信回数を示す。各受信タイミングにおいて受信合計回数が平均化されるため、このようにすると、上記実施例１の課題をさらに有効に解消することができる。
【００２０】
以上述べたように、本実施形態では、ＰＲＩごとにブランクの発生位置を変化させることで、ＰＲＩ内の送信ビームを複数にしてパルスの数を増やした場合でも、完全なブランクを発生させない気象観測が可能となる。また、各受信ビームのブランクは、受信する送信ビームとその他の送信ビームとの間の相対的な時間差によってブランクが発生する距離が決まるため、図５、７のように各送信ビーム間の相対的な時間差を変えることによって特定の空間にブランクを生じさせないようにすることができる。したがって、本実施形態によれば、三次元気象データを時間及び空間的に高解像度で確実に収集可能にすることが可能となる。
【００２１】
なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、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。
【符号の説明】
【００２２】
１１…アンテナ、１２…送受切換器、１３…送受信部、１４…信号処理部、１５…送信制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、雨や雲などの気象現象を三次元で観測する気象レーダ装置及び気象観測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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放射して、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、非特許文献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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、竜巻や突風などの突発的かつ局所的な現象の検出が困難であった。
【０００５】
本実施形態の目的は、三次元気象データを時間及び空間的に高解像度で確実に収集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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施形態に係る気象レーダ装置は、複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナ部と、パルス送信繰り返し期間（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に、仰角方向の互いに異なる複数の領域に対して複数のビームを放射することによりレーダ電波を送信し、前記ビーム毎の反射波を受信する送受信部と、前記ＰＲＩを前記ビームの全ての反射波の受信期間の終了までの期間とする送信タイミング信号を生成する信号処理部と、前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成する送信制御部と、
を具備する。
【０００７】
また、本実施形態に係る気象観測方法は、複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナを具備する気象レーダに用いられる気象観測方法であって、パルス送信繰り返し期間（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に、仰角方向の互いに異なる複数の領域に対して複数のビームを放射することによりレーダ電波を送信し、前記ビーム毎の反射波を受信し、前記ＰＲＩを前記ビームの全ての反射波の受信期間の終了までの期間とする送信タイミング信号を生成し、前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る気象レーダ装置を示す機能ブロック図。
【図２】送信ビームの一例を示す模式図。
【図３】実施例１の送受信タイミングを示す図。
【図４】実施例１の場合のビーム１における受信回数を示す図。
【図５】実施例２の送受信タイミングを示す図。
【図６】実施例２の場合のビーム１における受信回数を示す図。
【図７】実施例３の送受信タイミングを示す図。
【図８】実施例３の場合のビーム１における受信回数を示す図。
【図９】一般的な送受信タイミングの例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る気象レーダ装置及び気象観測方法を説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係る気象レーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。図１において、この気象レーダ装置は、アンテナ１１と、送受切換器１２と、送受信部１３と、信号処理部１４と、送信制御部１５とを備える。
【００１１】
アンテナ１１は、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。アンテナ素子は、例えば、スロットアンテナで構成される。このスロット導波管を複数配列することで、仰角方向でのビーム方向を位相走査により電気的に制御できる。また、スロットアンテナを用いて機械的にビームを絞ることで、方位角方向に鋭い指向性が得られる。
【００１２】
送信制御部１５は、後述する信号処理部１４からの送信タイミング信号に従って、レーダ電波の仰角方向の送出角度を決める位相制御情報を含む送信信号を作成する。送受信部１３は、この送信信号を増幅し、レーダ電波として送受切換器１２を介してアンテナ１１から空中に送出する。
【００１３】
アンテナ１１に降水などの気象目標からの反射波が到来すると、送受切換器１２を介して送受信部１３で受信され、Ａ／Ｄ変換された後にＩ／Ｑ検波される。信号処理部１４は、送受信部１３で検波されたＩ／Ｑ信号をもとに、受信電力やドップラ速度を算出する。
【００１４】
次に、このように構成された気象レーダ装置が実行する観測方法について説明する。図２は、送信ビームの一例を示す模式図である。なお、送信ビーム数Ｎ＝３として以下の説明を行う。
【００１５】
信号処理部１４から送信タイミング信号が送られると、アンテナ１１は、送信制御部１５からの送信信号に従って、空中線を水平方向に３６０°回転させるとともに、パルス送信繰り返し期間（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）毎に仰角方向の互いに異なる領域に３本の送信ビームを放射する。このようにして、フェーズドアレイ方式による気象レーダ装置において、時間及び空間的分解能を高めた三次元気象データを収集できるようにする。
【００１６】
ここで、１ＰＲＩ内の送信ビームを複数にする場合における一般的に想定される送受信タイミングを図９に示す。ＰＲＩ毎に複数の送信ビームを放射にする場合、電波送信中は電波の受信ができないため、図９に示すようなブランク（観測できない空間）が生じてしまう。つまり、１ＰＲＩ内においてＮ回電波を送信する場合のブランクの数は、各受信ビームにつき（Ｎ−１）個となる。また、１ＰＲＩ内における送信ビームの数を増やすほど、ブランクの数も増える。気象レーダ装置の場合、ブランクが存在するとその空間の気象情報が完全に取得できなくなるという問題がある。以下、この課題を改善するために、信号処理部１４において生成される送信タイミング信号について、各実施例に従って説明する。
【００１７】
（実施例１）
図３は、実施例１の送受信タイミングを示す図である。実施例１は、各送信方向に対する送信回数（送信１回目、送信２回目）において、各ビームを一波のみ送信するものである。つまり、図３のように、ＰＲＩをＮ番目のビームのパルスの受信期間の終了までの期間と設定すると、ブランクの発生数を削減することができる。図４は、実施例１の場合のビーム１における各受信タイミングごとの受信回数を示したものである。図４から分かるように、各受信タイミングにおいて受信合計回数０のタイミングが存在してしまうという課題がある。
【００１８】
（実施例２）
図５は、実施例２の送受信タイミングを示す図である。実施例２は、ＰＲＩごとに各ビームの送信順序を変更したものである。図６に、実施例２の場合のビーム１における各受信タイミングごとの受信回数を示す。各受信タイミングにおいて受信合計回数０のタイミングが存在しなくなるため、上記実施例１の課題を解消することができる。
【００１９】
（実施例３）
図７は、実施例３の送受信タイミングを示す図である。実施例３は、上記実施例２において、さらに送信タイミングを調整することで受信合計回数を平均化するものである。図８に、実施例３の場合のビーム１における各受信タイミングごとの受信回数を示す。各受信タイミングにおいて受信合計回数が平均化されるため、このようにすると、上記実施例１の課題をさらに有効に解消することができる。
【００２０】
以上述べたように、本実施形態では、ＰＲＩごとにブランクの発生位置を変化させることで、ＰＲＩ内の送信ビームを複数にしてパルスの数を増やした場合でも、完全なブランクを発生させない気象観測が可能となる。また、各受信ビームのブランクは、受信する送信ビームとその他の送信ビームとの間の相対的な時間差によってブランクが発生する距離が決まるため、図５、７のように各送信ビーム間の相対的な時間差を変えることによって特定の空間にブランクを生じさせないようにすることができる。したがって、本実施形態によれば、三次元気象データを時間及び空間的に高解像度で確実に収集可能にすることが可能となる。
【００２１】
なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、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。
【符号の説明】
【００２２】
１１…アンテナ、１２…送受切換器、１３…送受信部、１４…信号処理部、１５…送信制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナ部と、
パルス送信繰り返し期間（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に、仰角方向の互いに異なる複数の領域に対して複数のビームを放射することによりレーダ電波を送信し、前記ビーム毎の反射波を受信する送受信部と、
前記ＰＲＩを前記ビームの全ての反射波の受信期間の終了までの期間とする送信タイミング信号を生成する信号処理部と、
前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成する送信制御部と、
を具備することを特徴とする気象レーダ装置。
【請求項２】
前記送信制御部は、前記ＰＲＩ毎に前記ビームの送信順序を変更することを特徴とする請求項１記載の気象レーダ装置。
【請求項３】
前記送信制御部は、前記反射波の受信タイミングにおいて受信回数が平均化されるように前記ビームの送信タイミングを調整することを特徴とする請求項２に記載の気象レーダ装置。
【請求項４】
複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナを具備する気象レーダに用いられる気象観測方法であって、
パルス送信繰り返し期間（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に、仰角方向の互いに異なる複数の領域に対して複数のビームを放射することによりレーダ電波を送信し、前記ビーム毎の反射波を受信し、
前記ＰＲＩを前記ビームの全ての反射波の受信期間の終了までの期間とする送信タイミング信号を生成し、
前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成することを特徴とする気象観測方法。
【請求項５】
前記ＰＲＩ毎に前記ビームの送信順序を変更することを特徴とする請求項４記載の気象観測方法。
【請求項６】
前記反射波の受信タイミングにおいて受信回数が平均化されるように前記ビームの送信タイミングを調整することを特徴とする請求項５に記載の気象観測方法。
【請求項１】
複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナ部と、
パルス送信繰り返し期間（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に、仰角方向の互いに異なる複数の領域に対して複数のビームを放射することによりレーダ電波を送信し、前記ビーム毎の反射波を受信する送受信部と、
前記ＰＲＩを前記ビームの全ての反射波の受信期間の終了までの期間とする送信タイミング信号を生成する信号処理部と、
前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成する送信制御部と、
を具備することを特徴とする気象レーダ装置。
【請求項２】
前記送信制御部は、前記ＰＲＩ毎に前記ビームの送信順序を変更することを特徴とする請求項１記載の気象レーダ装置。
【請求項３】
前記送信制御部は、前記反射波の受信タイミングにおいて受信回数が平均化されるように前記ビームの送信タイミングを調整することを特徴とする請求項２に記載の気象レーダ装置。
【請求項４】
複数のアンテナ素子を鉛直方向に配列したフェーズドアレイ方式のアンテナを具備する気象レーダに用いられる気象観測方法であって、
パルス送信繰り返し期間（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）に、仰角方向の互いに異なる複数の領域に対して複数のビームを放射することによりレーダ電波を送信し、前記ビーム毎の反射波を受信し、
前記ＰＲＩを前記ビームの全ての反射波の受信期間の終了までの期間とする送信タイミング信号を生成し、
前記送信タイミング信号に従って送信信号を作成することを特徴とする気象観測方法。
【請求項５】
前記ＰＲＩ毎に前記ビームの送信順序を変更することを特徴とする請求項４記載の気象観測方法。
【請求項６】
前記反射波の受信タイミングにおいて受信回数が平均化されるように前記ビームの送信タイミングを調整することを特徴とする請求項５に記載の気象観測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−５２９２３（Ｐ２０１２−５２９２３Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９６０４６（Ｐ２０１０−１９６０４６）
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人情報通信研究機構「高度通信・放送研究開発委託研究／次世代ドップラーレーダー技術の研究開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人情報通信研究機構「高度通信・放送研究開発委託研究／次世代ドップラーレーダー技術の研究開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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