(57)【要約】【課題】精度の高い降雨観測のための、数メートルの距離分解能を有する低高度高分解能降雨レーダーを提供すること。【解決手段】本発明のレーダー装置は、フルデジタルのパルス圧縮技術を用いた広帯域バイスタティック小型低出力の降雨パルスレーダーで、任意信号発生器（ＡＷＧ）、送受信機、Ａ／Ｄ変換ボード、ＧＰＳ、送受信用アンテナおよびそれらの信号を増幅する複数のアンプで構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測用の原信号を発生する任意信号発生器と、
原信号をパルス圧縮によりアップコンバートしかつ増幅することによりＲＦ波を出力する送信部と、
送信部からのＲＦ波を大気中へ出射し物体で反射された前記ＲＦ波を受信するアンテナと、
受信されたＲＦ波を増幅しかつ前記位相同期発信器を用いてダウンコンバートすることによりＩＦ信号を得る受信部と、
ＩＦ信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、
信号発生器とＡ／Ｄ変換器とを同期させる基準クロックを提供する基準クロック提供部とを備えるレーダー装置。
【請求項２】
前記任意信号発生器が、変調された擬似ノイズ信号およびチャープ信号を発生する請求項１記載のレーダー装置。
【請求項３】
前記送信部が、位相固定オシレーターをさらに備え、位相固定オシレーターからの信号を用いて原信号をアップコンバートし、
受信部が前記位相固定オシレーターから信号を用いてダウンコンバートする請求項１記載のレーダー装置。
【請求項４】
前記送信部が、その帯域幅が２０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ、中心周波数が１ＧＨｚ〜２０ＧＨｚの範囲にあるＲＦ波を出力する請求項１記載のレーダー装置。
【請求項５】
前記アンテナが、送信用の送信アンテナと受信用の受信アンテナとからなる請求項１記載のレーダー装置。
【請求項６】
前記アンテナが、雨滴あるいは雲中の氷ならびに水に反射されたＲＦ波を受信する請求項１記載のレーダー装置。
【請求項７】
前記受信部が、受信したＲＦ波をその中心周波数１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚのＩＦ波にダウンコンバートする請求項１記載のレーダー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーダー装置に関し、より詳細には、パルス圧縮技術を用いた広帯域バイスタティック降雨レーダーに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーダーによる降水強度の観測には、広範囲にわたって三次元空間の観測を行えるという利点があるが、地上に設置した雨量計を真値とした場合、レーダー雨量と真値との間には様々な誤差要因が存在する。例えば、水平風による雨滴の移流や落下中の雨滴の蒸発、不十分なBeam Fillingなどが誤差として影響を与える。その中でも重大な誤差要因の一つとして、低高度高分解能プロファイルが得られないことが挙げられる。特に山岳地の多い日本における従来のレーダーでは、クラッタの影響やモノスタティックアンテナなどの影響で地上から数百メートルや数キロメートル以上でしかプロファイルを得ることができないために、上述した低高度での雨滴の移流や蒸発に対する評価ができずに正確な地表に降る雨量の推定が困難であった。
【０００３】
また、百数十メートル程度の距離分解能を有するレーダーでは、パルスボリューム内での降雨の均一性を仮定しているレーダー方程式が成立しない可能性がある。このようなBeam filling errorを抑え、精度の高い降雨観測を行うには、高距離分解能を有するレーダーが必要であり、実用上、低出力であることが望まれる。
【０００４】
パルスレーダーにおいて、その基本性能である最大探知距離と距離分解能の向上のために、尖頭送信出力の増大とパルス幅の挟化が行われてきた。しかし、尖頭送信出力には限界があり、またパルス幅を狭くすることは送信信号が広帯域になるため、S/N比の低下につながり、結果として探知距離が短くなる。このようなトレードオフを解決するため、送信パルス幅を長くし、送信パルス内で帯域幅を広帯域に変調を施す方式がパルス圧縮方式として考案された（例えば、非特許文献１）。パルス圧縮技術は以前から主に軍事用のレーダーに用いられてきたが、気象用レーダーではあまり応用例がない。その理由として、レンジサイドローブの問題が挙げられる。レンジサイドローブとは圧縮パルスの時間軸の前後に存在する偽エコーであり、降雨分布の把握と降水量の推定に影響をあたえるという問題がある。
【非特許文献１】古濱  洋治、  岡本  謙一、増子  治信  「人工衛星によるマイクロ波リモートセンシング」  電子情報通信学会、東京  1997年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年のデジタル技術の進歩により、高速デジタルサンプリングや任意信号発生器を利用してソフトウェア上でのパルス圧縮が可能となり、レンジサイドローブは、任意信号発生器などで送信波形を作成する際、変調方式を工夫することによって低減できる可能性が見えてきた。また、安価なシステム構成を実現できる可能性が見えてきた。
【０００６】
この発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、フルデジタルのパルス圧縮システムを採用することにより、従来の降雨レーダーよりも０〜１２００ｍ程度の低高度域において高い距離分解能を有するバイスタティック小型低出力のレーダー装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、観測用の原信号を発生する任意信号発生器と、原信号をパルス圧縮によりアップコンバートしかつ増幅することによりＲＦ波を出力する送信部と、送信部からのＲＦ波を大気中へ出射し物体で反射された前記ＲＦ波を受信するアンテナと、受信されたＲＦ波を増幅しかつ前記位相同期発信器を用いてダウンコンバートすることによりＩＦ信号を得る受信部と、ＩＦ信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、信号発生器とＡ／Ｄ変換器とを同期させる基準クロックを提供する基準クロック提供部とを備えるレーダー装置を提供する。
前記任意信号発生器が、変調された擬似ノイズ信号およびチャープ信号を発生するように構成してもよい。
送信部が、位相固定オシレーターをさらに備え、位相固定オシレーターからの信号を用いて原信号をアップコンバートし、受信部が前記位相固定オシレーターから信号を用いてダウンコンバートするように構成してもよい。
さらに、前記送信部が、その帯域幅が２０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ、中心周波数が１ＧＨｚ〜２０ＧＨｚの範囲にあるＲＦ波を出力するように構成してもよい。
また、前記アンテナが、送信用の送信アンテナと受信用の受信アンテナとからなっていてもよい。
さらにまた、前記アンテナが、雨滴あるいは雲中の氷ならびに水に反射されたＲＦ波を受信してよい。
前記受信部が、受信したＲＦ波をその中心周波数１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚのＩＦ波にダウンコンバートするように構成してもよい。
【発明の効果】
【０００８】
この発明のパルスレーダーは、中心周波数が高周波数であるので、従来の降雨レーダーに比べて低高度域において高い距離分解能の鉛直プロファイルを得ることができる。即ち、降雨の落下する様子をより高い分解能で観測して降雨の詳細な挙動を得ることができる。従って、地表に降る雨量を正確に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面に示す実施形態に基づいてこの発明をさらに詳述する。
＜レーダー装置の構成＞
図１は、本発明によるレーダー装置（以下、ブロードバンドレーダーという）の実施の一態様を示すブロック図である。本レーダーは主に、任意信号発生器(AWG)、送受信機、A/D変換ボード、GPS、送信用カセグレンアンテナ、受信用角錐ホーンアンテナで構成されている。
任意信号発生器では、任意の送信信号を作成することができ、今回の降雨観測ではパルス幅を128μs、中心周波数60MHz、帯域80MHzのチャープ信号を作成し出力している。また任意信号発生器からの送信パルスの立ち上がりに同期して出力されるトリガ信号をA/D変換ボードのデータ取得開始のトリガに使用している。
【００１０】
送受信機の送信部では、二つのPLO(Phase Locked Oscillator、位相同期発信器)で任意信号発生器からの信号を中心周波数15.75GHzまでアップコンバートし、さらにアンプによって約110mWまで増幅している。
【００１１】
送受信アンテナは、ともに垂直方向に向けて設置しており、送信用カセグレンアンテナは直径45cmでビーム幅2.5°、利得が33dBとなっている。また、受信用角錐ホーンアンテナはビーム幅が15°、利得が20dBである。
【００１２】
ホーンアンテナで受信された降雨からの散乱信号は、送受信機の受信部に入力し、中心周波数60MHzまでダウンコンバートしている。そして、そのIF信号を直接A/D変換ボードでデジタルサンプリングしている。A/D変換ボードの性能は垂直分解能12bit、サンプリング周波数400MS/s、メモリ4Mpointsとなっており、サンプリングされたデータは、接続してあるPCに保存され、ソフトウェアでのパルス圧縮処理が行われる。
【００１３】
本レーダーのシステムでは、GPSから出力されている高精度10MHz基準信号を用いて、A/D変換ボードと任意信号発生器の内部クロックを同期させている。またGPSを使ってデータ取得用のPC、ディスドロメータ（Disdrometer）、さらに比較に用いるマイクロレインレーダ（MicroRainRadar）との3台のPC間での時刻同期も行っている。
【００１４】
＜パルス圧縮の手法＞
パルス圧縮には送信信号で区別すると主に、周波数変調方式と符号変調方式があり、周波数変調方式には線形や非線形での変調方式、さらに符号変調方式にはバーカ符号、コンプリメンタリ符号、M系列等様々な方式がある。ブロードバンドレーダーでは、Chirp波形を送信する線形周波数変調方式を採用している。
【００１５】
また、パルス圧縮処理の手法としては、SAWフィルターを用いるようなアナログ的な手法と、ソフトウェア上で行う手法があるが、ブロードバンドレーダーではIF信号を直接A/D変換ボードでデジタルサンプリングを行い、ソフトウェア上でパルス圧縮を行った。
【００１６】
パルス圧縮処理のフローチャートを図2に示す。パルス圧縮をデジタル処理で施すことは、受信信号(Received signal)と送信信号(Reference signal)の間で相互相関をとることであり、本レーダーでは、相関処理に高速フーリエ変換(FFT)を使用し、送信信号の共役複素数をMatched Filterとして使用した。また、A/D変換ボードでサンプリングされた実数データは、Hilbert変換を用いてI/Q信号からなる複素解析信号を作り、圧縮処理を行っている。
【００１７】
パルス圧縮後の波形の包絡線ｆ(t)は、Ｔ:パルス幅、Ｂ:帯域幅とすると次式で表すことができる。
【数１】
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この波形にはsinc関数が含まれており、降雨観測においてsinc関数のメインローブの両端に発生するサイドローブが偽エコーとして現れたり、強い散乱付近の弱い散乱をマスクしてしまう。このレンジサイドローブを低減するために、送信信号のパルス内で、ブラックマンハリス窓関数を振幅変調として使用した。また式(1)から振幅が
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パルス圧縮を施すことで得られる距離分解能Δtは、
【数２】
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となる。
【００１８】
＜距離分解能および運用諸元＞
式(2)から本レーダーの諸元を用いて理論上の距離分解能を計算すると1.9mとなる。しかし、本レーダーではパルス圧縮によって発生するレンジサイドローブの低減のために、任意信号発生器内でチャープパルスに対して、ブラックマンハリス窓関数をAM乗算した波形を用いている。このことにより、メインローブの幅が広くなり距離分解能は悪化しているが、実験で計測したメインローブから求めた距離分解能は約4ｍであった。これは、現在運用されている気象レーダーと比較して十分高距離分解能であることがいえる。
【００１９】
本レーダーで用いている任意信号発生器では、ほぼ任意のパルス幅でチャープ信号が作成可能である。パルス幅の決定には、観測対象である雨滴が速度を持っていることを考慮しパルス内での位相の変化が十分無視できる程度のパルス幅とした。例えば、雨滴の落下速度を5m/sとした場合、パルス幅が1msとすると、波長が約2cmであるのに対して、パルス内で雨滴が5mm（波長の約1/4）移動してしまうことになる。パルス幅が128μsであれば雨滴の移動は0.64mm（波長の約1/31.11deg）となり、位相の変化が十分無視できると考えられる。任意信号発生器ではさらにパルス幅の短い信号も作成可能だが、十分なパルス圧縮比を得る為に、128μsに決定した。
【００２０】
また、パルス繰返し時間は図3にある様に、一つのシーケンスで64発のパルスを送信し、それぞれのシーケンスの間隔は2sとしている。これは、A/D変換ボードの性能によって決定された。本レーダーでは、それぞれのパルスに対してPC上でパルス圧縮処理を行い、dBに換算した後、二秒値として64回のアベレージングと、一分値として1920回のアベレージングを行っている。
【表１】
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【００２１】
＜ブロードバンドレーダーの校正＞
次に、ブロードバンドレーダーの絶対校正について述べる。
本レーダーの絶対校正の手順としては、まずシステムの設計値から求められるレーダー定数Ｃ0を用いたレーダー方程式を導出する。そしてそのレーダー方程式を用いて、受信電力から距離40mにおける降雨減衰の影響を含んだ等価レーダー反射因子Zmを算出し、ブロードバンドレーダーに近接して設置してあるディスドロメータで観測されるZeを真値としてF値を求める
ディスドロメータは地上に設置している測器のため、ブロードバンドレーダーとの空間的・時間的な不一致が生じるが、高度の差は40mしかなく、その間において雨滴の蒸発や降雨減衰などの誤差は無視できると考えられる。また、時間的にも数秒の時間のズレが生じるが、1分値での比較を考えると十分無視できる誤差であると言える。さらに、パルス圧縮後では送受信アンテナ間の洩れ込みによる鋭いピークが高度0mに現れる。その影響を受けない最低高度として40mでの比較を行った。
【００２２】
本レーダーでは、送受信のアンテナが利得もビーム幅も異なるアンテナを使用している。このため、以下に示すバイスタティックレーダーに適用できるレーダー方程式を導出し用いている。
【００２３】
まず、単一散乱体の場合のレーダー方程式は以下の様に表される。
【数３】
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ここで、Ｐr，Ｐtは受信電力と送信電力、λは送信波の波長、Ｇt，Ｇrは送信側と受信側のアンテナ利得、Ｒt，Ｒrは散乱体までの距離、σは散乱体のレーダー断面積となっている。この式に、次式のアンテナ利得に関する仮定式を適用する。
【数４】
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ここで、Ｇ0はビーム中心方向(θ＝０)の最大利得、２θhをビーム幅とする。そして、式(3)と式(4)から、受信電力を散乱体積Ｖについて積分する。
【数５】
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式(6)において、Ｇt0，Ｇr0は送信と受信のアンテナ利得、ｈはパルス空間長、θt0，θr0は送信と受信のアンテナビーム幅である。
【００２４】
また、本レーダーの校正ではパルス圧縮処理による影響をレーダー方程式に組み込んでいる。受信したエコーにパルス圧縮を施した後の出力は、パルス圧縮された送信信号を送信した場合のエコーとみなすことができる。つまり、式(6)での送信電力とパルス空間長を、実際に送信した値を用いるのではなくあらかじめソフトウェア上でパルス圧縮を行った信号の電力とパルス空間長を用いている。このようにして求めたZm、R、Ptの関係式はdB表記で次式のように表される。
【数６】
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次に、式(7)を用いて求めたR=40mでのブロードバンドレーダーの観測値Zmと同時刻でのディスドロメータで観測されたZeの散布図を図4に示す。図の破線はの関数を表しており、実線は散布図に対して傾きを1に固定して最小二乗近似した直線式を表している。この時ディスドロメータで観測されたZeが20dBZ以下の降雨に対しては、ブロードバンドレーダーでは送信電力不足のため検出できていないとみなして直線近似している。その直線式を次式に示す。
【数７】
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式(8)での切片0.72dBがdB表記のF値となる。
【００２５】
＜測定例＞
次に、前述の運用諸元で降雨観測を行った結果について説明する。さらに、ブロードバンドレーダーの観測結果(Zm)とディスドロメータの値(Ze)、近接して設置してあるマイクロレインレーダの値(Zm)との比較・検証を行った結果について説明する。マイクロレインレーダはKバンドFM-CWレーダーであり、距離分解能40mで時間分解能1分となっている。
【００２６】
まず、ブロードバンドレーダーのZm、ディスドロメータで観測されたZeとマイクロレインレーダのZmの時系列での比較を行った。ブロードバンドレーダーとマイクロレインレーダは高度40mでの観測値、ディスドロメータは地上での観測値、それぞれ1分値での比較を行った図を、図5と図6に示す。
【００２７】
図からも非常に良く一致していることが分かり、さらにディスドロメータとマイクロレインレーダ両者に対してブロードバンドレーダーとの相関係数を求めたところ、どちらに対しても相関係数0.98と非常に良い相関が得られた。
【００２８】
次に、ブロードバンドレーダーで観測されたZm(2秒値)の鉛直プロファイルを図7に示す。また、図8にはマイクロレインレーダで観測されたZm(1分値)の鉛直プロファイルを示す。両方の図はともに横軸が時間で縦軸が高度となっており、観測時間は21:00〜22:00である。この図から、MRRに比べてブロードバンドレーダーでは降雨の落下する様子が高分解能で観測できていることがわかる。
【００２９】
前述のように、本願発明に基づいてレーダー装置の設計、作成を行い、作成したレーダー装置を用いて、降雨の鉛直プロファイルを観測した。そしてレーダーの絶対校正を行い、さらに近接して設置してあるディスドロメータとマイクロレインレーダを用いて相互に比較・検証を行った。その結果、観測結果は双方に対して非常によく一致した結果を示しており、降雨観測に対する有効性が示された。さらに鉛直プロファイルの観測結果からは、マイクロレインレーダの分解能では観測できなかった降雨の詳細な挙動を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
この発明のレーダー装置は、降雨レーダーをはじめとする各種用途のレーダーとして有用である。特に有用な用途例として以下のようなものが考えられる。
まず、空港周辺の積乱雲をモニタリングしてダウンバースト対策とするために、各滑走路に３〜４基のこの発明のレーダーを配置しておけば、着陸する飛行機に正確に警報を発することが可能になる。現在の空港にはトップラーレーダーが装備されているが、個の発明のレーダーのような低高度域の局所的な観測を行うことはできないからである。
【００３１】
さらに、限定された地域の雨量を正確に予測するために、人工衛星の雲の観測データに基づいて降雨量を予測している現在のアルゴリズムに、この発明のレーダーによる観測データを追加することで、より正確な予測が可能になる。現在のレーダーは、１〜２ｋｍ上空の雨の観察を行っているので、観察された雨が地上に達するまでに２０〜４０分かかり、地上での状況との乖離が大きいが、この発明のレーダーは、より低高度域の観測が可能であるので、例えば、雨が地上に達する数分前の状況を観測してより正確な予測を実現することができる。従って、水害警報の基礎データに利用するなどの方法が考えられる。
【００３２】
また、気象研究用の観測機材としてこれまでに観測できなかったデータの収集に用いることも考えられる。例えば、雲の中の氷と水の誘電率の差を観察してブライトバンド、即ち氷のメルティングレイヤーの観測データを得ることができる。これによって、雨の降り方、例えば、時間による降雨量の変化について新たな観点から研究を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明によるレーダー装置の実施の一態様を示すブロック図である。
【図２】図１のレーダー装置におけるパルス圧縮処理を示すフローチャートである。
【図３】図１のレーダー装置における繰り返しパルス波形とその時間とを示す説明図である。
【図４】本願発明のレーダー装置の観測値Zmと従来技術の装置であるディスドロメータの観測値Zeとの対応関係を示すグラフである。
【００３４】
【図５】本願発明のレーダー装置の観測値Zm（実線）、従来技術の装置であるディスドロメータの観測値Ze（破線）、従来技術の異なる装置であるマイクロレインレーダの観測値Zm（一転鎖線）の同時間帯におけるそれぞれの時系列変化を示すグラフである。
【図６】本願発明のレーダー装置の観測値Zm（実線）、従来技術の装置であるディスドロメータの観測値Ze（破線）、従来技術の異なる装置であるマイクロレインレーダの観測値Zm（一転鎖線）の図５と異なる時間帯におけるそれぞれの時系列変化を示すグラフである。
【図７】本願発明のレーダー装置で観測されたZmの鉛直プロファイルを示すグラフである。
【図８】従来技術の装置であるマイクロレインレーダで観測されたZm(1分値)の鉛直プロファイルを示す。
【符号の説明】
【００３５】
１    任意信号発生器、ＡＷＧ
２    送受信機
３    Ａ／Ｄ変換器、Ａ／Ｄ変換ボード
４    ＧＰＳ
５    送信アンテナ、カセグレンアンテナ
６    受信アンテナ、角錐ホーンアンテナ
７    ＰＣ、パーソナルコンピュータ
１１、１２    位相同期発信器、ＰＬＯ、Phase Locked Oscillator
１３、１４、１５、１６、１７、１８    ＡＭＰ、アンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006226711.tif 000014
【図４】
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【図５】
2006226711.tif 000016
【図６】
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【図７】
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【図８】
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