気象レーダ装置及び気象観測方法
【課題】風観測における風速速度範囲を維持しつつ、気象情報の精度を高めることができる気象レーダ装置を提供すること。
【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、各方位方向に対する観測仰角毎に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信する送受信部１３と、前記所定のヒット数の中の特定のヒット数を放射する毎に前記観測仰角を変更させ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、各方位方向に対する観測仰角毎に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信する送受信部１３と、前記所定のヒット数の中の特定のヒット数を放射する毎に前記観測仰角を変更させ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形成して、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。
【０００３】
また、従来のパラボラアンテナを用いた気象レーダの場合、アンテナ開口面に対して正面方向空間のみ探知可能であるため、アンテナ仰角を変化させることなく観測仰角を変化させることができなかった。つまり、探知距離に応じた時間間隔で設定したヒット数のビームを放射していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
一方、気象レーダ装置としてフェーズドアレイアンテナを用いた場合、電子走査によりアンテナ仰角を変化させることなく探知空間を仰角方向に変化させることができる。しかし、従来技術を踏襲する場合、観測仰角ごとに設定したヒット数のビームを放射し、その後、観測仰角を変化させ、同様に設定したヒット数のビームを放射するという動作を繰り返す観測方法となる。この場合、風観測を目的としてパルス間の間隔を短くすると気象情報の精度が悪くなり、気象情報の精度向上を目的としてパルス間の間隔を長くすると風観測の風速範囲を狭めることになる。
【０００６】
本実施形態の目的は、風観測における風速速度範囲を維持しつつ、気象情報の精度を高めることができる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】
【０００７】
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、各方位方向に対する観測仰角毎に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信する送受信部と、前記所定のヒット数の中の特定のヒット数を放射する毎に前記観測仰角を変更させ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。
【０００８】
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、各方位方向に対する観測仰角毎に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信し、前記所定のヒット数の中の特定のヒット数を放射する毎に前記観測仰角を変更させ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】
【０００９】
【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】観測仰角の割り当て例を示す図。
【図３】送信ビームの一例を示す模式図。
【図４】パルス送信時の観測シーケンスを示す図。
【図５】パルス送信動作を示すフローチャート。
【図６】一般的な観測シーケンスを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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形成される。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。
【００１３】
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、パルス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、パルスとして送受切換器１２を介してアンテナ１１から空中に送出する。
【００１４】
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。
【００１５】
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、仰角方向の観測範囲（０〜９０°）を４つの観測仰角θに区分した例を示す。信号処理部１４から送信タイミング信号が送られると、送受信部１２は、送信制御部１５からの送信信号に従って、アンテナ１１を水平方向に３６０°回転させるとともに、各方位方向について観測仰角毎に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信する。アンテナ１１が形成する送信ビームの一例を図３に示す。本実施形態では、観測仰角毎に６ヒットのパルスを送出するものとする。
【００１６】
図４に、パルス送信時の観測シーケンスを示す。本実施形態では、信号処理部１４は、観測仰角を特定のタイミング（図４では３ヒット）で変更するように送信タイミング信号を生成する。また、再度同一の観測仰角に送信するため、探知時間に対する探知空間あたりのヒット数は変化することはない。
【００１７】
図５を参照して、具体的なビームの放射手順を説明する。図５は、パルス送信動作を示すフローチャートである。ここでは、上記図４の場合を例にして説明を行う。
【００１８】
先ず、ステップ１１において、信号処理部１４は、観測仰角をＲＯＭ等の記憶媒体（図示せず）から読み込み、観測仰角の変更指示を送信制御部１５に与える。なお、観測仰角の種類は、例えば図２の観測仰角１〜４のように定められ、予めＲＯＭ等に記録される。
【００１９】
また、ステップ１２において、信号処理部１４は、送信信号の制御を行う。ここでは、送信パルスの長さや送信タイミング、受信間隔や受信タイミングなどの情報を上記記憶媒体から読み込み、送信制御部１５に与える。
【００２０】
ステップ１３において、ステップ１１及びステップ１２により得られる観測仰角及び送信タイミングに基づいて送信制御部１５において送信信号が作成され、この送信信号をもとに送受信部１３によりアンテナ１１からパルスが放射される。
【００２１】
次に、ステップ１４において、信号処理部１４は、予め決められた特定のヒット数（図４では３ヒット）を満たしているか否かの判定を行い、特定のヒット数を満たしている場合は、ステップ１５に移行する。一方、ステップ１４において、特定のヒット数が満たされていない場合は、上記ステップ１２の処理から繰り返される。
【００２２】
ステップ１５において、信号処理部１４は、全ての観測仰角（図４では観測仰角１〜４）について放射されたか否かの判定を行う。全ての観測仰角について放射が行われた場合は、ステップ１６に移行する。まだ、全ての観測仰角における放射が済んでいない場合は、上記ステップ１１からの処理を繰り返し行う。
【００２３】
ステップ１６において、上述した処理を繰り返す回数を満たしているかどうかの判定を行い、満たしている場合は、ＥＮＤに移行し処理を終了する。満たされていない場合は、上記ステップ１１からの処理を繰り返す。
【００２４】
ここで、方位方向を機械走査、仰角方向を電子走査で行う場合の気象レーダ装置における一般的に想定される観測シーケンスを図６に示す。上記図４を例にした場合、各方位方向に対する観測仰角を変更するタイミングは、観測仰角毎に設定されたヒット数（６ヒット）を満たす場合であった。つまり、観測仰角ごとに設定したヒット数のビームを放射し、その後、観測仰角を変化させ、同様に設定したヒット数のビームを放射するという動作を繰り返す観測方法となる。この場合、風観測を目的としてパルス間の間隔を短くすると、サンプル間の相関が高まり気象情報の精度が悪くなる。反対に、気象情報の精度向上を目的としてパルス間の間隔を長くすると、風観測の風速範囲を狭めることになる。
【００２５】
これに対し、本実施形態では、例えば、上記図４に示したように、観測仰角毎に設定されたヒット数（６ヒット）の中の特定のヒット数（３ヒット）毎に観測仰角を変更させてパルスを放射するようにしている。このようにすることで、風観測を目的としてパルス間の間隔を短くしても、精度良く気象情報を得ることができる。したがって、本実施形態によれば、フェーズドアレイアンテナを用いた気象レーダ装置において、風観測における風速速度範囲を維持することができ、かつ同一方向に送信する期間を複数にすることによってサンプル間の相関が下がり気象情報の精度を高めることが可能となる。
【００２６】
なお、本発明の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】
【００２７】
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形成して、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。
【０００３】
また、従来のパラボラアンテナを用いた気象レーダの場合、アンテナ開口面に対して正面方向空間のみ探知可能であるため、アンテナ仰角を変化させることなく観測仰角を変化させることができなかった。つまり、探知距離に応じた時間間隔で設定したヒット数のビームを放射していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
一方、気象レーダ装置としてフェーズドアレイアンテナを用いた場合、電子走査によりアンテナ仰角を変化させることなく探知空間を仰角方向に変化させることができる。しかし、従来技術を踏襲する場合、観測仰角ごとに設定したヒット数のビームを放射し、その後、観測仰角を変化させ、同様に設定したヒット数のビームを放射するという動作を繰り返す観測方法となる。この場合、風観測を目的としてパルス間の間隔を短くすると気象情報の精度が悪くなり、気象情報の精度向上を目的としてパルス間の間隔を長くすると風観測の風速範囲を狭めることになる。
【０００６】
本実施形態の目的は、風観測における風速速度範囲を維持しつつ、気象情報の精度を高めることができる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】
【０００７】
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、各方位方向に対する観測仰角毎に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信する送受信部と、前記所定のヒット数の中の特定のヒット数を放射する毎に前記観測仰角を変更させ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。
【０００８】
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、各方位方向に対する観測仰角毎に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信し、前記所定のヒット数の中の特定のヒット数を放射する毎に前記観測仰角を変更させ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】
【０００９】
【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】観測仰角の割り当て例を示す図。
【図３】送信ビームの一例を示す模式図。
【図４】パルス送信時の観測シーケンスを示す図。
【図５】パルス送信動作を示すフローチャート。
【図６】一般的な観測シーケンスを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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形成される。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。
【００１３】
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、パルス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、パルスとして送受切換器１２を介してアンテナ１１から空中に送出する。
【００１４】
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。
【００１５】
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、仰角方向の観測範囲（０〜９０°）を４つの観測仰角θに区分した例を示す。信号処理部１４から送信タイミング信号が送られると、送受信部１２は、送信制御部１５からの送信信号に従って、アンテナ１１を水平方向に３６０°回転させるとともに、各方位方向について観測仰角毎に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信する。アンテナ１１が形成する送信ビームの一例を図３に示す。本実施形態では、観測仰角毎に６ヒットのパルスを送出するものとする。
【００１６】
図４に、パルス送信時の観測シーケンスを示す。本実施形態では、信号処理部１４は、観測仰角を特定のタイミング（図４では３ヒット）で変更するように送信タイミング信号を生成する。また、再度同一の観測仰角に送信するため、探知時間に対する探知空間あたりのヒット数は変化することはない。
【００１７】
図５を参照して、具体的なビームの放射手順を説明する。図５は、パルス送信動作を示すフローチャートである。ここでは、上記図４の場合を例にして説明を行う。
【００１８】
先ず、ステップ１１において、信号処理部１４は、観測仰角をＲＯＭ等の記憶媒体（図示せず）から読み込み、観測仰角の変更指示を送信制御部１５に与える。なお、観測仰角の種類は、例えば図２の観測仰角１〜４のように定められ、予めＲＯＭ等に記録される。
【００１９】
また、ステップ１２において、信号処理部１４は、送信信号の制御を行う。ここでは、送信パルスの長さや送信タイミング、受信間隔や受信タイミングなどの情報を上記記憶媒体から読み込み、送信制御部１５に与える。
【００２０】
ステップ１３において、ステップ１１及びステップ１２により得られる観測仰角及び送信タイミングに基づいて送信制御部１５において送信信号が作成され、この送信信号をもとに送受信部１３によりアンテナ１１からパルスが放射される。
【００２１】
次に、ステップ１４において、信号処理部１４は、予め決められた特定のヒット数（図４では３ヒット）を満たしているか否かの判定を行い、特定のヒット数を満たしている場合は、ステップ１５に移行する。一方、ステップ１４において、特定のヒット数が満たされていない場合は、上記ステップ１２の処理から繰り返される。
【００２２】
ステップ１５において、信号処理部１４は、全ての観測仰角（図４では観測仰角１〜４）について放射されたか否かの判定を行う。全ての観測仰角について放射が行われた場合は、ステップ１６に移行する。まだ、全ての観測仰角における放射が済んでいない場合は、上記ステップ１１からの処理を繰り返し行う。
【００２３】
ステップ１６において、上述した処理を繰り返す回数を満たしているかどうかの判定を行い、満たしている場合は、ＥＮＤに移行し処理を終了する。満たされていない場合は、上記ステップ１１からの処理を繰り返す。
【００２４】
ここで、方位方向を機械走査、仰角方向を電子走査で行う場合の気象レーダ装置における一般的に想定される観測シーケンスを図６に示す。上記図４を例にした場合、各方位方向に対する観測仰角を変更するタイミングは、観測仰角毎に設定されたヒット数（６ヒット）を満たす場合であった。つまり、観測仰角ごとに設定したヒット数のビームを放射し、その後、観測仰角を変化させ、同様に設定したヒット数のビームを放射するという動作を繰り返す観測方法となる。この場合、風観測を目的としてパルス間の間隔を短くすると、サンプル間の相関が高まり気象情報の精度が悪くなる。反対に、気象情報の精度向上を目的としてパルス間の間隔を長くすると、風観測の風速範囲を狭めることになる。
【００２５】
これに対し、本実施形態では、例えば、上記図４に示したように、観測仰角毎に設定されたヒット数（６ヒット）の中の特定のヒット数（３ヒット）毎に観測仰角を変更させてパルスを放射するようにしている。このようにすることで、風観測を目的としてパルス間の間隔を短くしても、精度良く気象情報を得ることができる。したがって、本実施形態によれば、フェーズドアレイアンテナを用いた気象レーダ装置において、風観測における風速速度範囲を維持することができ、かつ同一方向に送信する期間を複数にすることによってサンプル間の相関が下がり気象情報の精度を高めることが可能となる。
【００２６】
なお、本発明の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】
【００２７】
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、
各方位方向に対する観測仰角毎に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信する送受信部と、
前記所定のヒット数の中の特定のヒット数を放射する毎に前記観測仰角を変更させ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】
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、
各方位方向に対する観測仰角毎に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信し、
前記所定のヒット数の中の特定のヒット数を放射する毎に前記観測仰角を変更させ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、
各方位方向に対する観測仰角毎に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信する送受信部と、
前記所定のヒット数の中の特定のヒット数を放射する毎に前記観測仰角を変更させ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】
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、
各方位方向に対する観測仰角毎に所定のヒット数のパルスを送信し、その反射波を受信し、
前記所定のヒット数の中の特定のヒット数を放射する毎に前記観測仰角を変更させ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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−５８１６２（Ｐ２０１２−５８１６２Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０３７２４（Ｐ２０１０−２０３７２４）
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【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２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【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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