(57)【要約】 【課題】観測する方向によって気象観測範囲が異なる条件下において、気象情報の時間分解能を向上させ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。  【解決手段】気象目標を観測する方向または範囲に応じて送信ビームの広がりが変化するように、複数の送受信モジュールを選択的にＯＮ／ＯＦＦしてアンテナ開口面を変化させる。  【選択図】図１
2015055614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子をアレイ状に配列し、気象目標に向けて送信ビームを放射しその反射信号を受信するアンテナ部と、
前記アンテナ部が備える複数のアンテナ素子それぞれに対応して設けられ、前記アンテナ素子に対して送受信する信号を制御する複数の送受信モジュールと、
前記複数の送受信モジュールに送信信号を分配し、前記複数の送受信モジュールからの受信信号を合成する分配合成手段と、
前記送信信号の送信時に前記複数の送受信モジュールそれぞれについてＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御手段と
を具備し、
前記制御手段は、前記気象目標を観測する方向または範囲に応じて前記送信ビームの広がりが変化するように、前記複数の送受信モジュールを選択的にＯＮ／ＯＦＦしてアンテナ開口面を変化させる気象レーダ装置。
【請求項２】
複数のアンテナ素子をアレイ状に配列し、気象目標に向けて送信ビームを放射しその反射信号を受信するアンテナ部と、前記アンテナ部が備える複数のアンテナ素子それぞれに対応して設けられ、前記アンテナ素子に対して送受信する信号を制御する複数の送受信モジュールと、前記複数の送受信モジュールに送信信号を分配し、前記複数の送受信モジュールからの受信信号を合成する分配合成手段と、前記送信信号の送信時に前記複数の送受信モジュールそれぞれについてＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御手段とを備える気象レーダ装置に用いられる気象観測方法において、
前記気象目標を観測する方向または範囲に応じて前記送信ビームの広がりが変化するように、前記複数の送受信モジュールを選択的にＯＮ／ＯＦＦしてアンテナ開口面を変化させる気象観測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、例えば、雨や雲等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】
一般に、雨や雲等の気象現象を観測するための気象レーダ装置では、アンテナにパラボラアンテナやアレイアンテナが用いられている。
【０００３】
パラボラアンテナを用いる気象レーダ装置は、パラボラアンテナによりペンシルビームと呼ばれる細いビームを形成しつつ、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、アンテナ仰角を上げて次の１平面を取得する処理を繰り返すことで、三次元の降水データを収集している。しかしながら、この観測シーケンスを実施するには５分〜１０分程度の時間を要し、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。また、アンテナの構造上、開口面積が一定であるため、アンテナ開口面を変化させて送信ビームの広がり角度を調整することができない。
【０００４】
これに対して、アレイアンテナ（例えば、フェーズドアレイアンテナ）を用いる気象レーダ装置は、使用するアンテナ素子数を変化させることにより、アンテナ開口面を変化させることが可能である。すなわち、アレイアンテナを用いる気象レーダ装置は、アンテナ開口面を狭くすることにより送信ビームの角度を広げることができ、これによって広範囲に渡って気象現象を観測することが可能である。このため、パラボラアンテナを用いる気象レーダ装置と比較して、所定の空間に対する時間分解能が高い。
【０００５】
しかしながら、従来のアレイアンテナを用いる気象レーダ装置は、観測範囲（例えば雲の広がり具合、降雨範囲等）が観測する方向によって異なる場合であっても、アンテナ開口面を固定したまま気象観測を行っている。つまり、アレイアンテナを用いる気象レーダ装置では、観測する方向に応じて気象観測範囲が異なっていてもアンテナ開口面を変化させずに気象現象を観測しているため、観測範囲が広がっている場合には十分な時間分解能が得られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２５６３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、従来の気象レーダ装置は、観測する方向によって気象現象の観測範囲が異なる場合であっても、アンテナ開口面を固定して気象観測を行っているため、時間分解能が限定されてしまい、観測範囲が広がっている場合には十分な時間分解能が得られていない。
【０００８】
そこで、目的は、観測する方向によって気象観測範囲が異なる条件下において、気象情報の時間分解能を向上させ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】
【０００９】
実施形態によれば、気象レーダ装置は、アンテナ部と、複数の送受信モジュールと、分配合成手段と、制御手段とを具備する。アンテナ部は、複数のアンテナ素子をアレイ状に配列し、気象目標に向けて送信ビームを放射しその反射信号を受信する。複数の送受信モジュールは、前記アンテナ部が備える複数のアンテナ素子それぞれに対応して設けられ、前記アンテナ素子に対して送受信する信号を制御する。分配合成手段は、前記複数の送受信モジュールに送信信号を分配し、前記複数の送受信モジュールからの受信信号を合成する。制御手段は、前記送信信号の送信時に前記複数の送受信モジュールそれぞれについてＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。また、制御手段は、前記気象目標を観測する方向または範囲に応じて前記送信ビームの広がりが変化するように、前記複数の送受信モジュールを選択的にＯＮ／ＯＦＦしてアンテナ開口面を変化させる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る気象レーダ装置の一例を示すブロック図。
【図２】図１に示すアンテナ部の一例を示すブロック図。
【図３】図１に示す信号処理部における送信素子数の決定方法を示すブロック図。
【図４】図１に示す気象レーダ装置により形成される送信ペンシルビームの一例を示す図。
【図５】図１に示す気象レーダ装置により形成される送信ファンビームの一例を示す図。
【図６】従来の気象レーダ装置における気象観測方法を示す図。
【図７】実施形態に係る気象レーダ装置における、気象現象を観測する方向または範囲に応じた気象観測方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、実施形態に係る気象レーダ装置の一例を示すブロック図である。
【００１３】
図１に示す気象レーダ装置は、複数のアンテナ部１１−１〜１１−ｍ、送信分配部１２、受信合成部１３、信号処理部１４、及び送信制御部１５を備える。
【００１４】
複数のアンテナ部１１−１〜１１−ｍは、後述する送信分配部１２を介して伝送される送信信号を送信ビームとして気象目標に向けて放射し、その反射信号を受信合成部１３を介して受信する。
【００１５】
ここで、アンテナ部１１−１〜１１−ｍの構成について、図２を用いて詳しく説明する。
【００１６】
図２は、図１に示すアンテナ部１１−１〜１１−ｍの一例を示すブロック図である。実施形態では、アンテナ部１１−１について説明する。
【００１７】
アンテナ部１１−１〜１１−ｍは、複数のアンテナ素子１１−１１〜１１−１ｎ、複数の送受信モジュール１１−２１〜１１−２ｎ及び複数の送受切換部１１−３１〜１１−３ｎを有する。
【００１８】
複数のアンテナ素子１１−１１〜１１−１ｎは、後述する送信分配部１２を介して伝送される送信信号を送信ビームとして気象目標に向けて放射し、その反射信号を受信合成部１３を介して受信するためのアンテナ開口面を形成する。なお、アンテナ部１１−１に備える複数のアンテナ素子１１−１１〜１１−１ｎは、例えば、アレイ状に配置される。
【００１９】
複数の送受信モジュール１１−２１〜１１−２ｎは、複数のアンテナ素子１１−１１〜１１−１ｎに対応して設けられる。複数の送受信モジュール１１−２１〜１１−２ｎは、アンテナ素子１１−１１〜１１−１ｎに対して送受信する信号の位相を制御する。また、複数の送受信モジュール１１−２１〜１１−２ｎは、送受信信号の振幅を制御する。
【００２０】
複数の送受切換部１１−３１〜１１−３ｎは、後述する信号処理部１５から送信され、送信制御部１４を介して入力される送受信タイミングに基づいて、上記送信信号、及び受信信号の伝送経路を切り換える。なお、送受信タイミングは、信号処理部１４から送信される送受信制御信号に含まれる。
【００２１】
送信分配部１２は、後述する送信制御部１５で生成される送信信号をアンテナ部１１−１〜１１−ｍの数だけ分配する。
【００２２】
受信合成部１３は、アンテナ部１１−１〜１１−ｍそれぞれで受信される反射波に基づく複数の受信信号を入力し、入力した複数の受信信号を合成する。なお、受信信号は、受信した反射波に基づくアナログ信号で合成しても、当該アナログ信号をデジタル信号に変換して合成してもよい。
【００２３】
信号処理部１４は、送信時、アンテナ開口面を変化させるために、使用するアンテナ素子１１−１１〜１１−１ｎの素子数を決定する。信号処理部１４は、使用するアンテナ素子数を送受信制御信号を生成する際に行う。信号処理部１４は、送信時に使用するアンテナ素子情報を送受信制御信号に含めて、送信制御部１５へ送信する。
【００２４】
図３は、図１に示す信号処理部１４における送信時に使用するアンテナ素子数の決定方法を示すブロック図である。信号処理部１４は、探知距離、パルス幅、利得、波長及び各種損失等の諸条件の下でレーダ方程式を解くことにより、送信信号の送信に必要な送信素子数を一意に求めることが可能である。上記レーダ方程式は、例えば、下記のように表すことが可能である。
【数１】
2015055614.tif 000003
【００２５】
従来のパラボラアンテナを用いる気象レーダ装置では仰角方向の変化に対して上記のパラメータは変化しない。しかしながら、実施形態の気象レーダ装置では、送信電力Ｐｔ、利得Ｇ０、送信ビーム幅θ０及び探知距離ｒ等のパラメータが変化する。このとき、送信電力Ｐｔは、送信時に使用するアンテナ素子数と比例関係にある（送信電力Ｐｔ＝アンテナ素子数×１素子あたりの送信出力）。すなわち、実施形態の気象レーダ装置は、上記レーダ方程式を解くことで、送信時に必要なアンテナ素子数を一意に求めることが可能である。
【００２６】
また、信号処理部１４は、受信時、受信合成部１３で合成された受信信号を入力し、入力した受信信号を信号処理する。
【００２７】
送信制御部１５は、信号処理部１４から送信される送受信制御信号に含まれる送信タイミングに従って、レーダ電波の送出角度を決める位相制御情報を含む送信信号を生成する。送信制御部１５は、生成した送信信号を送信分配部１２を介して、それぞれのアンテナ部１１−１〜１１−ｍへ送信する。
【００２８】
また、送信制御部１５は、送受信制御信号に含まれる送信時に使用するアンテナ素子情報に基づいて、ＯＮ／ＯＦＦ制御信号をそれぞれのアンテナ部１１−１〜１１−ｍへ送信し、複数の送受信モジュール１１−２１〜１１−２ｎのＯＮ／ＯＦＦを制御する。このとき、送信制御部１５は、送信信号の送信タイミングに合わせて、複数の送受信モジュール１１−２１〜１１−２ｎのＯＮ／ＯＦＦを制御する。送信制御部１５は、気象現象を観測する方向または範囲に応じて送信ビームの広がりが変化するように、アンテナ開口面を形成する複数のアンテナ素子に対応する複数の送受信モジュール１１−２１〜１１−２ｎを選択的にＯＮ／ＯＦＦする。送信制御部１５は、例えば、気象現象を観測する方向のうち、水平方向の気象現象を観測する場合、アンテナ開口面を形成する複数のアンテナ素子に対応する複数の送受信モジュール１１−２１〜１１−２ｎを全てＯＮ状態に制御する。また、送信制御部１５は、例えば、気象現象を観測する方向のうち、鉛直方向の気象現象を観測する場合、アンテナ開口面を形成する複数のアンテナ素子に対応する複数の送受信モジュール１１−２１〜１１−２ｎの一部のみをＯＮ状態に制御する。
【００２９】
次に、上記構成による気象観測方法の流れについて説明する。
【００３０】
図４は、図１に示す気象レーダ装置により形成される送信ペンシルビームの一例を示す図である。図４に示す気象レーダ装置は、アンテナ部１１−１〜１１−５を５段有する気象レーダ装置の構成を示している。
【００３１】
気象レーダ装置は、例えば、送信制御部１５から送信されるＯＮ／ＯＦＦ制御信号に基づいて、対応する複数の送受信モジュールを全てＯＮ状態に制御する。これにより、気象レーダ装置は、図４に示すペンシルビームを形成することが可能となる。
【００３２】
図５は、図１に示す気象レーダ装置により形成される送信ファンビームの一例を示す図である。図５に示す気象レーダ装置は、図４と同様に、アンテナ部１１−１〜１１−５を５段有する気象レーダ装置の構成を示している。
【００３３】
気象レーダ装置は、例えば、送信制御部１５から送信されるＯＮ／ＯＦＦ制御信号に基づいて、対応する複数の送受信モジュールのうち、アンテナ部１１−３に対応する複数の送受信モジュールをＯＮ状態に制御する。これにより、気象レーダ装置は、図５に示すファンビームを形成することが可能となる。
【００３４】
実施形態の気象レーダ装置は、使用する送受信モジュールを選択的にＯＮ／ＯＦＦすることでアンテナ開口面を変化させ、上記図４及び図５に示すビームを気象現象を観測する方向または範囲に応じて使い分ける。
【００３５】
ここで、実施形態に示す気象レーダ装置における気象観測方法と比較するために、従来の気象レーダ装置における気象観測方法を説明する。
【００３６】
図６は、従来の気象レーダ装置における気象観測方法を示す図である。
【００３７】
図６に示すように、気象レーダ装置は、観測する方向で気象現象を観測する範囲が異なる場合、アンテナ開口面を固定して気象観測を行っている。つまり、フェーズドアレイアンテナを用いる気象レーダ装置は、観測する方向に応じてアンテナ開口面を変化させて気象現象を観測しない。すなわち、図６に示すように、気象レーダ装置は、気象現象を観測するすべての方向において、ペンシルビームを形成して、各方向の気象現象を観測している。
【００３８】
図７は、実施形態に係る気象レーダ装置における、気象現象を観測する方向または範囲に応じた気象観測方法を示す図である。
【００３９】
図７に示すように、観測する方向または範囲によって要求される観測は異なる。例えば、水平方向は可能な限りの観測範囲が求められるのに対し、鉛直方向は雨雲が存在可能な対流圏(地上１４ｋｍ程度)までしか観測が求められることはない。
【００４０】
すなわち、図７に示す気象レーダ装置は、気象現象を観測する方向または範囲に応じて、使用するアンテナ素子のＯＮ／ＯＦＦ制御により、ビーム幅を変化させる。実施形態の気象レーダ装置は、例えば、気象現象を観測する方向または範囲のうち、水平方向の気象現象を観測する場合、複数の送受信モジュールを全てＯＮ状態に制御する。これにより、気象レーダ装置は、ペンシルビームを形成して、遠距離の気象現象を観測することが可能となる。
【００４１】
また、気象レーダ装置は、例えば、気象現象を観測する方向または範囲のうち、鉛直方向の気象現象を観測する場合、複数の送受信モジュールの一部のみをＯＮ状態に制御する。これにより、気象レーダ装置は、ファンビームを形成して、広範囲の気象現象を観測することが可能となる。
【００４２】
上記構成によれば、実施形態の気象レーダ装置は、送信時に使用するアンテナ素子１１−１１〜１１−１ｎのＯＮ／ＯＦＦ制御により使用するアンテナ素子数を変化させる。これにより、気象レーダ装置は、アンテナ開口面を観測する方向または範囲に応じて変化させ、送信ビームの角度及び探知距離を変化させる。これにより、気象レーダ装置は、気象情報の観測精度を一定に保ったまま、高速な観測を実現することが可能となる。
【００４３】
したがって、実施形態の気象観測レーダは、観測する方向によって気象観測範囲が異なる条件下において、気象情報の時間分解能を向上させることができる。
【００４４】
なお、実施形態の気象レーダ装置は、例えば、水平方向の気象現象を観測する場合、ペンシルビームを形成して遠距離の気象現象を観測し、鉛直方向の気象現象を観測する場合、ファンビームを形成して広範囲の気象現象を観測すると記載したが、この限りではない。気象レーダ装置は、気象現象を観測したい範囲に応じて、任意に送信ビームの角度及び探知距離を変更してもよい。
【００４５】
以上、実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この実施形態は、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。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００４６】
１１−１〜１１−ｍ…アンテナ部、１１−１１〜１１−１ｎ…アンテナ素子、１１−２１〜１１−２ｎ…送受信モジュール、１１−３１〜１１−３ｎ…送受切換部、１２…送信分配部、１３…受信合成部、１４…信号処理部、１５…送信制御部。
【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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