(57)【要約】【課題】本開示は、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減し、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示する。【解決手段】本開示は、あるレンジビンにおいて、算出された反射因子Ｚ（θ）と、方向θＡにメインローブを有する受信ビームの指向特性Ｂ（θＡ，θ）と、の乗算値Ｚ（θ）Ｂ（θＡ，θ）に関して、方向θＡにメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算値ＺＳｐ（θＡ）を算出する反射因子積算部４１と、そのレンジビンにおいて、方向θＡにおいて算出された反射因子Ｚ（θＡ）から積算値ＺＳｐ（θＡ）を減算した結果が所定の閾値ＺＴｈ以下であるときに、方向θＡにおいて算出された反射因子Ｚ（θＡ）が偽像によるものであると判定する偽像判定部４２と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、
あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算値を算出する反射因子積算部と、
前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算値を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定部と、
を備えることを特徴とする気象レーダ偽像判定装置。
【請求項２】
前記反射因子積算部は、前記あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある仰角にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、前記ある仰角にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの仰角範囲のうちの、前記ある仰角より低い仰角範囲において、前記積算値を算出する
ことを特徴とする、請求項１に記載の気象レーダ偽像判定装置。
【請求項３】
前記反射因子積算部は、所定の仰角より高い仰角において、前記積算値を算出し、前記偽像判定部は、前記所定の仰角より高い仰角において、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであるか実像によるものであるかを判定する
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の気象レーダ偽像判定装置。
【請求項４】
ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、
あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算値を算出する反射因子積算ステップと、
前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算値を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定ステップと、
を順にコンピュータに実行させるための気象レーダ偽像判定プログラム。
【請求項５】
ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、
あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算値を算出する反射因子積算ステップと、
前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算値を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定ステップと、
を順に備えることを特徴とする気象レーダ偽像判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ビーム方向の電子走査を行なうフェーズドアレイ気象レーダにおける、反射因子が偽像によるものか実像によるものであるかを判定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
仰角方向の電子走査を行なうことにより、仰角方向の高速スキャンを行なうことができる、フェーズドアレイ気象レーダが知られている。ここで、送受信アンテナ素子の励振振幅及び励振位相を適応的に制御して、送受信ビームの仰角方向の指向性を適応的に調整する、アダプティブビームフォーミングが知られている（例えば、特許文献１等を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０６４１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
気象レーダの表示画像を図１に示す。ここで、約２０ｋｍ〜２５ｋｍのレンジ及び約０°〜２０°の仰角において、積乱雲が表示されている。しかし、約２３ｋｍのレンジ及び約２０°〜４５°の仰角において、積乱雲の上層部による実像が表示されているのか、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されているのか、明確ではない。
【０００５】
そこで、受信ビームの仰角方向の指向性を適応的に調整して、受信ビームのサイドローブによる偽像を低減する、アダプティブビームフォーミングが考えられる。しかし、受信アンテナ素子の励振振幅及び励振位相を適応的に制御すると、計算量が大きくなる。そして、受信ビームのサイドローブレベルを低くすると、受信ビームのメインローブ幅が広くなり、受信ビームのゲインが小さくなり、観測精度が低くなる。
【０００６】
そこで、前記課題を解決するために、本開示は、ビーム方向の電子走査を行なうフェーズドアレイ気象レーダにおいて、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減し、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、その方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算値を算出する。そして、その方向において算出された反射因子からその積算値を減算した結果が小さいときに、その方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する。一方で、その方向において算出された反射因子からその積算値を減算した結果が大きいときに、その方向において算出された反射因子が実像によるものであると判定する。
【０００８】
具体的には、本開示は、ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算値を算出する反射因子積算部と、前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算値を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定部と、を備えることを特徴とする気象レーダ偽像判定装置である。
【０００９】
また、本開示は、ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算値を算出する反射因子積算ステップと、前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算値を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定ステップと、を順にコンピュータに実行させるための気象レーダ偽像判定プログラムである。
【００１０】
また、本開示は、ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある方向にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、前記ある方向にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの角度範囲において、積算値を算出する反射因子積算ステップと、前記あるレンジビンにおいて、前記ある方向において算出された反射因子から前記積算値を減算した結果が所定の閾値以下であるときに、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定ステップと、を順に備えることを特徴とする気象レーダ偽像判定方法である。
【００１１】
この構成によれば、少なくとも１種類の受信ビームを形成するのみでよいため、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減することができる。そして、メインローブ幅が狭い受信ビームを形成して反射因子を算出することに制限がなくなるため、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することができる。
【００１２】
また、本開示は、前記反射因子積算部は、前記あるレンジビンにおいて、算出された反射因子と、ある仰角にメインローブを有する受信ビームの指向特性と、の乗算値に関して、前記ある仰角にメインローブを有する受信ビームのサイドローブの仰角範囲のうちの、前記ある仰角より低い仰角範囲において、前記積算値を算出することを特徴とする気象レーダ偽像判定装置である。
【００１３】
この構成によれば、積乱雲等が発達しにくい高仰角側において、反射因子と指向特性との乗算値を積算する必要がなくなるため、計算量を小さくすることができる。
【００１４】
また、本開示は、前記反射因子積算部は、所定の仰角より高い仰角において、前記積算値を算出し、前記偽像判定部は、前記所定の仰角より高い仰角において、前記ある方向において算出された反射因子が偽像によるものであるか実像によるものであるかを判定することを特徴とする気象レーダ偽像判定装置である。
【００１５】
この構成によれば、積乱雲等が発達しやすい低仰角側において、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されにくいことを利用して、計算量を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本開示によれば、ビーム方向の電子走査を行なうフェーズドアレイ気象レーダにおいて、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減し、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】気象レーダの表示画像を示す図である。
【図２】本開示の気象レーダ装置の構成を示す図である。
【図３】本開示の偽像判定の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】本開示の偽像と判定する場合の処理を示す図である。
【図５】本開示の実像と判定する場合の処理を示す図である。
【図６】本開示の送受信ビームの形成方法を示す図である。
【図７】本開示の送受信ビームの形成方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。
【００１９】
本開示の気象レーダ装置の構成を図２に示す。本開示の偽像判定の処理手順を図３に示す。気象レーダ装置Ｍは、送信ビーム形成装置１、受信ビーム形成装置２、送受信ビーム制御装置３及び偽像判定装置４を備える。偽像判定装置４は、反射因子積算部４１及び偽像判定部４２を備える。汎用のコンピュータに偽像判定プログラムをインストールすることにより、そのコンピュータを偽像判定装置４として機能させることができる。
【００２０】
送信ビーム形成装置１及び受信ビーム形成装置２は、フェーズドアレイアンテナであるが、図６及び図７と関連して後に詳述する。送受信ビーム制御装置３は、送受信ビームの仰角方向の指向性を調整するが、図３から図５までと関連して後に詳述する。
【００２１】
まず、所定の角度θＴｈより高い仰角θＡでの処理手順を説明する（ステップＳ１においてＹＥＳ）。積乱雲等が発達しにくい高仰角側において、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されやすいことを考慮して、以下のような処理手順を実行する。
【００２２】
送受信ビーム制御装置３は、メインローブ幅が狭い受信ビームを形成するように、受信ビーム形成装置２を制御する。そして、反射因子積算部４１は、仰角０≦θ≦θＡ及びあるレンジビンにおいて、反射因子Ｚ（θ）を算出する（ステップＳ２）。具体的には、反射因子積算部４１は、受信電力Ｐ（θ）を送信ゲインＧＴｘ及び受信ゲインＧＲｘで規格化して、反射因子Ｚ（θ）を算出する（数１を参照、Ｃは比例係数。）。
【数１】
2019152609.tif 000003
【００２３】
さらに、反射因子積算部４１は、そのレンジビンにおいて、算出された反射因子Ｚ（θ）と、仰角θＡにメインローブを有する受信ビームの指向特性Ｂ（θＡ，θ）と、の乗算値Ｚ（θ）Ｂ（θＡ，θ）に関して、仰角θＡにメインローブを有する受信ビームのサイドローブの仰角範囲のうちの、仰角θＡより低い仰角範囲において、積算値ＺＳｐ（θＡ）を算出する（ステップＳ３）。ここで、ΔＢＷを受信ビームのメインローブ全幅とすると、Ｚ（θ）の積分範囲を０≦θ≦θＡ−ΔＢＷ／２とすることになる（数２の第１行を参照。）。そして、ＢＳｉｄｅ＿ａｖを受信ビームの平均的なサイドローブレベルとすると、ＢＳｉｄｅ＿ａｖをＺ（θ）の積分記号の外側に出すことができる（数２の第２行を参照。）。
【数２】
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【００２４】
本開示の偽像と判定する場合の処理を図４に示す（ステップＳ４においてＹＥＳ、ステップＳ５及びステップＳ６）。図４では、受信ビームのメインローブの仰角θＡより低い、受信ビームのサイドローブの仰角θＳにおいては、積乱雲等が分布している。一方で、受信ビームのメインローブの仰角θＡにおいては、積乱雲等が分布していない。
【００２５】
よって、反射因子Ｚ（θＡ）は、受信ビームのサイドローブ（仰角θＳ）による寄与のみ含んでおり、受信ビームのメインローブ（仰角θＡ）による寄与を含んでいない。そして、積算値ＺＳｐ（θＡ）も、受信ビームのサイドローブ（仰角θＳ）による寄与のみ含んでおり、受信ビームのメインローブ（仰角θＡ）による寄与を含んでいない。
【００２６】
そこで、偽像判定部４２は、そのレンジビンにおいて、仰角θＡにおいて算出された反射因子Ｚ（θＡ）から積算値ＺＳｐ（θＡ）を減算した結果Ｚ（θＡ）−ＺＳｐ（θＡ）が所定の閾値ＺＴｈ以下であると判定する（ステップＳ４においてＹＥＳ）。そして、偽像判定部４２は、そのレンジビンにおいて、仰角θＡにおいて算出された反射因子Ｚ（θＡ）が偽像によるものであると判定する（ステップＳ５）。
【００２７】
ここで、数２の第１行のように、積算値ＺＳｐ（θＡ）の算出精度が高いことを考慮したうえで、所定の閾値ＺＴｈ［ｄＢＺ］を±数ｄＢＺより大きく設定すればよい。或いは、数２の第２行のように、積算値ＺＳｐ（θＡ）の算出精度が低いことを考慮したうえで、所定の閾値ＺＴｈ［ｄＢＺ］を±１０数ｄＢＺより大きく設定すればよい。
【００２８】
さらに、偽像判定部４２は、反射因子Ｚ（θＡ）を無効に設定するか、信号がないとみなせる小さな値を正規の反射因子Ｚ（θＡ）として採用する（ステップＳ６）。
【００２９】
このように、少なくとも１種類の受信ビームを形成するのみでよいため、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減することができる。
【００３０】
本開示の実像と判定する場合の処理を図５に示す（ステップＳ４においてＮＯ、ステップＳ７及びステップＳ８）。図５では、受信ビームのメインローブの仰角θＡより低い、受信ビームのサイドローブの仰角θＳにおいては、積乱雲等が分布している。そして、受信ビームのメインローブの仰角θＡにおいても、積乱雲等が分布している。
【００３１】
よって、反射因子Ｚ（θＡ）は、受信ビームのサイドローブ（仰角θＳ）による寄与を含むのみならず、受信ビームのメインローブ（仰角θＡ）による寄与を含んでいる。一方で、積算値ＺＳｐ（θＡ）は、受信ビームのサイドローブ（仰角θＳ）による寄与のみ含んでおり、受信ビームのメインローブ（仰角θＡ）による寄与を含んでいない。
【００３２】
そこで、偽像判定部４２は、そのレンジビンにおいて、仰角θＡにおいて算出された反射因子Ｚ（θＡ）から積算値ＺＳｐ（θＡ）を減算した結果Ｚ（θＡ）−ＺＳｐ（θＡ）が所定の閾値ＺＴｈを超えていると判定する（ステップＳ４においてＮＯ）。そして、偽像判定部４２は、そのレンジビンにおいて、仰角θＡにおいて算出された反射因子Ｚ（θＡ）が実像によるものであると判定する（ステップＳ７）。
【００３３】
ここで、（１）受信ビームのメインローブレベルが、受信ビームの平均的なサイドローブレベルより、ＺＭ［ｄＢＺ］だけ高いことを考慮したうえで、そして、（２）受信ビームのメインローブ幅が、受信ビームの第１サイドローブ幅に、ほぼ等しいことを考慮したうえで、所定の閾値ＺＴｈ［ｄＢＺ］をＺＭ［ｄＢＺ］より小さく設定すればよい。
【００３４】
このように、メインローブ幅が狭い受信ビームを形成して反射因子を算出することに制限がなくなるため、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することができる。
【００３５】
次に、所定の角度θＴｈより低い仰角θＡでの処理手順を説明する（ステップＳ１においてＮＯ）。積乱雲等が発達しやすい低仰角側において、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されにくいことを考慮して、以下のような処理手順を実行する。
【００３６】
送受信ビーム制御装置３は、メインローブ幅が狭い受信ビームを形成するように、受信ビーム形成装置２を制御する。そして、反射因子積算部４１は、仰角θＡ及びあるレンジビンにおいて、反射因子Ｚ（θＡ）を算出する（ステップＳ８）。具体的には、反射因子積算部４１は、受信電力Ｐ（θＡ）を送信ゲインＧＴｘ及び受信ゲインＧＲｘで規格化して、反射因子Ｚ（θＡ）を算出する（数３を参照、Ｃは比例係数。）。
【数３】
2019152609.tif 000005
【００３７】
このように、積乱雲等が発達しやすい低仰角側において、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されにくいことを利用して、計算量を小さくすることができる。
【００３８】
本開示の送受信ビームの形成方法を図６及び図７に示す。送受信ビーム制御装置３は、一の送信ビームのビーム幅に含まれる複数の受信ビームを一の送信ビームと同時に形成するように、送信ビーム形成装置１及び受信ビーム形成装置２を制御する。
【００３９】
送信ビーム形成装置１は、仰角方向のビーム幅がより広い送信ビームで、電波を雨雲等の物標へと照射するために、発振器１１、複数の送信アンテナ素子１４、及び、各送信アンテナ素子１４についての各移相器１２及び各増幅器１３から構成される。
【００４０】
受信ビーム形成装置２は、仰角方向のビーム幅がより狭い受信ビームで、雨雲等の物標から反射又は散乱された電波を受信するために、複数の受信アンテナ素子２１、各受信アンテナ素子２１についての各増幅器２２、各移相器２３、及び、各移相器２３からの出力を合成する合成器２４から構成される。また、複数の受信ビームを一の送信ビーム内に同時に形成するために、各々の受信ビームについて複数の受信アンテナ素子２１を共用したうえで、各々の受信ビームについて各々の受信ビーム形成装置２を搭載している。
【００４１】
本開示のフェーズドアレイ気象レーダでは、送信ビームの仰角方向のビーム幅（図６及び図７では、約１０°）を広くするとともに、受信ビームの仰角方向のビーム幅（図６及び図７では、約１°）を狭くすることにより、複数の受信ビームを一の送信ビーム内に同時に形成する。そして、送信ビームの仰角方向及び複数の受信ビームの仰角方向を、約１０°だけ同時に移動させることにより、仰角方向の高速スキャンを行なう。
【００４２】
実施形態では、Ｚ（θ）の積分範囲を０≦θ≦θＡ−ΔＢＷ／２のみに限ることにより、計算量を小さくしている。変形例として、Ｚ（θ）の積分範囲をθＡ＋ΔＢＷ／２≦θ≦π／２にも広げることにより、高仰角の雨雲等による偽像を検出してもよい。
【００４３】
なお、ステップＳ１の所定の角度θＴｈを低い仰角に設定すれば、広範の領域の偽像を判定できるが、ステップＳ２、Ｓ３の計算量を増大させる。そこで、過去の観測例に基づいて、ステップＳ１の所定の角度θＴｈを偽像の影響が大きくなる仰角に設定すれば、適切な領域の偽像を判定できるうえ、ステップＳ２、Ｓ３の計算量を低減できる。
【００４４】
実施形態では、仰角方向について、本開示の発明を適用している。変形例として、仰角方向のみならず、方位角方向についても、本開示の発明を適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本開示の気象レーダ偽像判定装置、プログラム及び方法は、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減し、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することができる。
【符号の説明】
【００４６】
Ｍ：気象レーダ装置
１：送信ビーム形成装置
２：受信ビーム形成装置
３：送受信ビーム制御装置
４：偽像判定装置
１１：発振器
１２：移相器
１３：増幅器
１４：送信アンテナ素子
２１：受信アンテナ素子
２２：増幅器
２３：移相器
２４：合成器
４１：反射因子積算部
４２：偽像判定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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