(57)【要約】【課題】高精度な散乱体の観測を人工衛星を用いて行うことのできる観測方法を提供すること。【解決手段】人工衛星から地表面に向けて略天底方向にレーダを発射し、その反射波を測定することにより該地表面と該人工衛星との間に分布する散乱体の位置を観測する衛星観測方法において、所定のパルスパターンによるレーダの発射を行う。そして、散乱体の各構成部位からの反射波を処理し、その高度情報を得ると共に、反射波から該各構成部位のドップラ速度を測定する。【選択図】  図４
2005010046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星から地表面に向けて略天底方向にレーダを発射し、その反射波を測定することにより該地表面と該人工衛星との間に分布する散乱体の位置を観測する衛星観測方法であって、
少なくとも該散乱体の各構成部位からの反射波を処理して、該各構成部位の高度情報を得ると共に、
該反射波の測定時に、該反射波から該各構成部位のドップラ速度を測定する
ことを特徴とする散乱体の衛星観測方法。
【請求項２】
前記散乱体の衛星観測方法において、
所定のパルスパターンによるレーダの発射を行う
請求項１に記載の散乱体の衛星観測方法。
【請求項３】
前記レーダが、
１つの偏波成分からなる第１レーダと、該第１レーダの偏波成分と直交する偏波成分からなる第２レーダとをそれぞれ発射する構成であって、
該第１レーダと該第２レーダとを所定のパルスペア間隔で発射すると共に、
該第１レーダ及び第２レーダの組から構成されるパルスペアを所定のパルスパターンで発射する
請求項２に記載の散乱体の衛星観測方法。
【請求項４】
前記パルスペア間隔が、
１０マイクロ秒ないし６０マイクロ秒である
請求項３に記載の散乱体の衛星観測方法。
【請求項５】
前記パルスペアを発射するパルスパターンが、
概ね２２０マイクロ秒毎に該パルスペアを発射する繰り返しである
請求項３又は４に記載の散乱体の衛星観測方法。
【請求項６】
前記散乱体が、
主に水分から成る粒子の集合である
請求項１ないし５に記載の散乱体の衛星観測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工衛星からレーダを発射して例えば雲などの散乱体を観測する方法に関し、特にドップラ観測の方法に関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
雲は降雨や日射量に密接に関連し、気象情報の中でももっとも重要な要素の１つである。雲の状態を正確に把握することは気象観測において必須であり、近年問題となっている地球温暖化への影響を調査する上でも必要である。
天気予報などでも見られるように、気象衛星を用い、雲の世界的な分布を撮影し、雲の表面分布（雲の上端のみが見える）を観測する技術は広く知られている。
【０００３】
しかし、雲の表面分布情報では高精度な気象の分析や、地球温暖化の高精度予測は困難であり、より詳細な雲の観測が求められている。
これを実現する方法として、例えば上空又は地上からレーダを雲に向けて発射し、その反射波を観測することによって、雲の立体的な分布を観測する技術が開発されており、例えば本件出願人らによる航空機搭載雲レーダ（ＳＰＩＤＥＲ  ：  Ｓｐｅｃｉａｌ  Ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ  Ｉｃｅ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｅｘｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｒａｄａｒ）が非特許文献１に開示されている。
【非特許文献１】Ｈｏｒｉｅ，Ｈ．，  Ｉｇｕｃｈｉ，Ｔ．，  Ｈａｎａｄｏ，Ｈ．，  Ｋｕｒｏｉｗａ，Ｈ．，  Ｏｋａｍｏｔｏ，Ｈ．，    Ｋｕｍａｇａｉ，Ｈ．，２０００：  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  ９５−ＧＨｚ  Ａｉｒｂｏｒｎｅ  Ｃｌｏｕｄ  Ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ  Ｒａｄａｒ（ＳＰＩＤＥＲ）  −Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ａｓｐｅｃｔｓ−，  ＩＥＩＣＥ  ＴＲＡＮＳ．ＣＯＭＭＵＮ．，ＶＯＬ．Ｅ８３−Ｂ，ＮＯ．９，２０１０−２０２０．
【０００４】
ＳＰＩＤＥＲでは、偏波、ドップラを測定できる多機能レーダである。一方向だけでなく、広い範囲の観測を可能とするため、送受信機を収納しているユニットとアンテナは一体となって回転出来るようになっている。アンテナは航空機の進行方向に直交して最大＋４０度〜−９０度（直下方向が０度）走査することが可能である。
【０００５】
ＳＰＩＤＥＲのような雲レーダは気象衛星に見られた弱点を克服し、雲の内部構造を観測することができ、雲底高度、雲頂高度、雲水量、雲氷量などの気象学的に重要なパラメータを得られることから、極めて効果的である。
しかし、ＳＰＩＤＥＲは航空機搭載型のレーダであり、局部的に観測することはできても、全体的に、かつ恒常的に観測することは不可能であり、従来の気象衛星のように人工衛星に搭載し、広域に、かつ連続的な観測を行うことが必要である。
【０００６】
なお、このようなドップラレーダーとして、地形の地形学的測量に用いられるものとして、下記の特許文献がある。
【特許文献１】特表２００１−５０１７３２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の有する問題点に鑑みて創出されたものであって、その目的は高精度な散乱体の観測を人工衛星を用いて行うことのできる観測方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の情報検索方法は、以下の特徴を備える。
すなわち、人工衛星から地表面に向けて略天底方向にレーダを発射し、その反射波を測定することにより該地表面と該人工衛星との間に分布する散乱体の位置を観測する衛星観測方法であって、少なくとも該散乱体の各構成部位からの反射波を処理して、該各構成部位の高度情報を得ると共に、該反射波の測定時に、該反射波から該各構成部位のドップラ速度を測定する。
【０００９】
ここで、レーダを発射する際に、所定のパルスパターンに基づいて発射する構成をとることもできる。
【００１０】
前記レーダが、１つの偏波成分からなる第１レーダと、該第１レーダの偏波成分と直交する偏波成分からなる第２レーダとをそれぞれ発射する構成であって、第１レーダと第２レーダとを所定のパルスペア間隔で発射すると共に、第１レーダ及び第２レーダの組から構成されるパルスペアを所定のパルスパターンで発射する構成でもよい。
ここで、パルスペア間隔が、１０マイクロ秒ないし６０マイクロ秒としてもよい。
【００１１】
前記パルスペアを発射するパルスパターンが、概ね２２０マイクロ秒毎に該パルスペアを発射する繰り返しである構成でもよい。
【００１２】
前記散乱体が、主に水分から成る粒子の集合であるときに上記発明を適用することもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に示した実施例に基づいて説明する。なお、実施形態は、本発明の主旨から逸脱しないかぎり適宜変更可能なものである。
図１には本発明における散乱体の人工衛星による観測方法の全体図を示す。人工衛星（１）から地表に向けてレーダ送信機（１ａ）から天底方向にレーダ（２）を発射し、途中の雲（３）などの散乱体による後方散乱をアンテナ（１ｂ）によって受信する。このとき、受信波を解析して雲の立体的な構造を得ることはもちろん、ドップラ観測を行い、雲の天底方向の速度を得る。
【００１４】
レーダ送信機（１ａ）及びアンテナ（１ｂ）は任意の部材を用いることができるが、本実施例においては、ミリ波帯、特に降雨レーダなどよりはるかに高い周波数９４ＧＨｚ帯（本実施例では９４．０５ＧＨｚ）を用いている。
これは、観測対象とする雲粒が、雨粒よりはるかに小さく（約１００分の１）、雲レーダは降雨レーダに比べて大幅に高感度化されることが必要なためである。
なお、このような高い周波数で高出力を得られる送信機は近年になって開発されており、地上設置の雲レーダや、本件出願人らによる航空機搭載型雲レーダには採用されている。
【００１５】
本発明では、上記のレーダが発射可能なレーダ送信機（１ａ）を人工衛星（１）に搭載することを特徴とし、特に、科学的検証に基づいてその可能性を確認した。以下、詳述する。
人工衛星は、航空機搭載型と異なり、はるか上空からレーダ（２）を発射するため、仮に完全な天底方向にレーダを発射したとしても、レーダが０．２度程度のビーム幅を生じるため、天底方向以外の成分の反射波を受信してしまう。
また、人工衛星は軌道修正などの制御によって、常に完全な天底方向のレーダを発射することが難しい。
【００１６】
ここで、人工衛星は高度４５０ｋｍを秒速７．５ｋｍの高速度で移動しており、本発明におけるドップラ観測ではこのわずかな天底方向以外の反射波が測定結果に深刻な影響を及ぼしてしまう。
この影響を除去するためには、衛星の軌道情報を参照して補正するか、天底方向に変動のない地表からの反射波により補正することが必要である。
【００１７】
別な問題として、レーダでは一定の間隔でレーダを発射するが、その間隔に依存するダイナミックレンジが十分に広くないと、観測したドップラ速度のエイリアシングが生じ、正しいドップラ速度が得られない。上記補正を行う上で、正しいドップラ速度の観測は必須であり、任意のパルス間隔でその広いダイナミックレンジが得られるかという問題もある。
【００１８】
従来、地上観測におけるレーダ反射因子及びドップラ速度の測定では、パルス幅０．５マイクロ秒とする等間隔のパルスパターンを用いた例や、航空機から直下方向を観測する際に、パルス幅１マイクロ秒とするパルスパターンの例がある。
本実施例では上記広いダイナミックレンジを得る２つの偏波成分からなるレーダをパルスパターンに従って発射することを提案する。すなわち、水平偏波成分からなるＨ偏波と、垂直偏波成分からなるＶ偏波を一定の間隔で発射すると共に、そのパルスペアを、一定の間隔で発射する。
【００１９】
このパルスペアの間隔ＴＳはダイナミックレンジと、その精度を決定する重要なパラメータであり、平均ドップラ速度＜ｖ＞は次の数式１により算出できる。
【数式１】
2005010046.tif 000003
ここで、λはレーダ波長、Ｎαは平均するパルスペアの数、Ｈ＊はＨの複素共役、Ｈｉは固定された範囲で受信されたｉ次のＨ偏波信号、Ｖｉは同じ固定された範囲で受信されたｉ次のＶ偏波信号である。
Ｎａが無限であれば、ｖには誤差がないことになるが、実際にＮａは有限であるから、必ず誤差を含み、この誤差は経験的に同じ値となっている。
【００２０】
図２には本発明に係る衛星搭載用のレーダシステムの構成図を、図３にはレーダ発振部の構成図を示す。さらに、図４は本実施例で用いたパルスパターンを示す。Ｈ偏波（１０）とＶ偏波（１１）とを間隔Ｔｓ（１２）で発射する。直交偏波成分のパルスペア（１０）（１１）は間隔Ｔ（１３）で発射する。このようなパルスパターンについては非特許文献２で紹介されている。
このパターンの中で、パルスペア（１０）（１１）は繰り返し間隔Ｔ（１３）より小さい間隔Ｔｓ（１２）のパルスペアの中で送信される。
【００２１】
【非特許文献２】Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｓ．，  Ｈ．Ｋｕｍａｇａｉ，  ａｎｄ  Ｈ．Ｋｕｒｏｉｗａ，  ２００２：  Ａ  ｐｒｏｐｏｓａｌ  ｏｆ  ｐｕｌｓｅ−ｐａｉｒ  Ｄｏｐｐｌｅｒ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｎ  ａ  ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ  ｃｌｏｕｄ−ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ  ｒａｄａｒ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｗ−ｂａｎｄ，  Ｊ．Ａｔｍｏｓ．  Ｏｃｅａｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，  １９，１２９４−１３０６．
【００２２】
このようなパルスパターンによりレーダを発射するために、本システムは、データ処理装置（１００）、及びＩＦ（中間周波数帯）ユニット（１０１）、アンテナ制御装置（１０２）、冷却装置（１０３）を衛星本体内に備えると共に、ＲＦポッド（１０４）を付設し、該ＲＦポッド（１０４）内には、アンテナ制御装置（１０４）によって制御されてアンテナの向きを調整するモータ（１０５）、ＲＦ（高周波数帯）ユニット（１０６）、アンテナ（１０７）が配設されている。
データ処理装置（１００）への制御命令は、地上局に設置された操作用コンピュータ（１０８）から地上局側アンテナ（１１０）及び衛星側アンテナ（１１１）を介して通信される。また、観測データも、同様に通信されて、操作用コンピュータ（１０９）に付設されたメモリ・ハードディスク等の外部記憶手段（１０９）に蓄積される。
【００２３】
図３のように、低ノイズＩＦユニット（２００）が１２０ＭＨｚの基準信号を発振し、それが９４．０５ＧＨｚに変調（２０１）されると共に、ＥＩＫ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ  Ｋｌｙｓｔｒｏｎ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：拡張相互作用クライストロンアンプ）（２０２）に入力する。
ＥＩＫ（２０２）の出力はフェライトスイッチ回路ネットワーク（２０３）を通して直交モード変換器（ＯＭＴ）（２０４）のどちらのポートにも送信される。
２つの偏波信号は、２つの同一な受信チャンネルで同時に受信される。そして、ＬＮＡ（Ｌｏｗ  Ｎｏｉｓｅ  Ａｍｐｌｉｆｅｒ：低ノイズ増幅器）（２０５）（２０５）から出力された信号は、再びＩＦ帯に変換される。このとき、まず４．３２ＧＨｚ、次いで１２０ＭＨｚと２段階に変調される。
【００２４】
また、２つの偏波信号の各チャンネルは、それぞれ別の検波器（２０６）（２０７）（２０６）（２０７）に入力される。１つは、ログ検波器（２０６）であり、もう１つはＩ／Ｑ検波器（直交検波器）（２０７）である。前者は広いダイナミックレンジにおいて信号の大きさを測定することができるものであり、後者はドップラー信号及び偏波間位相差の位相測定が可能なものである。
【００２５】
ところで、偏波ダイバーシチ技術はＨ偏波とＶ偏波間の相互結合の少ないことが必要である。相互結合をしない球状の雲の滴を想定している。相互結合は送信機内のＨ偏波とＶ偏波間で想定され、受信機では無視できる。
本実施例では、パルス間隔として、Ｔ＝２２２μ秒を使用している。偏波ダイバーシチのレーダで明確に測定される範囲はｃ・Ｔ／２で計算でき（ｃは光速）、約３３ｋｍである。
【００２６】
ここで、上記のパルスパターンの有効性を示すために、シミュレーションを行い、その結果について説述する。
シミュレーション方法の基本的な考えは次のようである。Ｈ偏波およびＶ偏波のパルスペアの数Ｎαを生成する。これらの信号から、上記数式１で＜ｖ＞Ｎαを計算する。＜ｖ＞Ｎαの添え字Ｎαは＜ｖ＞ＮαがＨ偏波およびＶ偏波パルスペアの数Ｎαから平均処理で計算されることを表している。
＜ｖ＞Ｎαは平均処理で実験的に測定するので、常にある程度の誤差を有している。＜ｖ＞Ｎαの誤差は＜ｖ＞Ｎαの大きな数（Ｎｓ）から評価する。これは次のように説明されている。Ｎｓ＜ｖ＞Ｎαの数は追加のＨ偏波およびＶ偏波パルスペアから計算する。平均ドップラ速度の標準偏差はＮｓ＜ｖ＞Ｎαの数から直接計算する。相対誤差はこの標準偏差から計算できる。平均されるパルスペアの数と測定されたドップラ速度の相対誤差間の関係は数Ｎαを変化して得られる。
【００２７】
パルスペア間に相関がなければ、ドップラ速度はパルスペア処理から計算することはできない。互いに相関し、連続しているパルスペアで構成されているレーダ信号は、雲の滴に関する後述のモデルに基づいてコンピュータによるシミュレーションを行える。
【００２８】
すなわち、Ｈｉ信号は雲の滴から後方散乱される信号のベクトルの和を取って計算でき、Ｖｉ信号はＴｓの間の雲の滴の移動で起きるので、各雲の滴の位相をシフトしてシミュレーションできる。ＴｓがＴに比べて十分小さいので、ＨｉとＶｉは互いに相関する。一方、ＴがＴｓに比べて十分大きいので、ＨｉとＶｉはＨｉ＋１とＶｉ＋１にほとんど相関しない。（非特許文献３参照）
【００２９】
【非特許文献３】Ａｍａｙｅｎｇ，Ｐ．，  Ｊ．Ｔｅｓｔｕｄ，  ａｎｄ  Ｍ．Ｍａｒｚｏｕｎｇ，  １９９３：  Ｐｒｏｐｏｓａｌ  ｆｏｒ  ａ  ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ  ｄｕａｌ−ｂｅａｍ  ｒａｉｎ  ｒａｄａｒ  ｗｉｔｈ  Ｄｏｐｐｌｅｒ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，  Ｊ．Ａｔｍｏｓ．  Ｏｃｅａｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，  １０，２６２−２７６．
【００３０】
ここで、雲の滴に関するモデルを次のように行う。物理的な雲の滴のモデルは乱数を使って大きさの分布を発生するために雲の滴の大きさの分布の公式を作ることが必要である。雲の滴の大きさの分布の公式を作成するのにしばしば対数正規型分布が使われている。（非特許文献４・４参照）
また、雲の滴の平均直径（ＭＤＤ）および液水量（ＬＷＣ）については、非特許文献６における研究結果を用いた。
【００３１】
【非特許文献４】Ｆｒｉｓｃｈ，  Ａ．Ｓ．，  Ｃ．Ｗ．Ｆａｉｒａｌｌ，  ａｎｄ  Ｊ．Ｂ．  Ｓｎｏｄｅｒ，  １９９５：  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｓｔｒａｔｕｓ  ｃｌｏｕｄ  ａｎｄ  ｄｒｉｚｚｌｅ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ  ｉｎ  ＡＳＴＥＸ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｋａ−ｂａｎｄ  Ｄｏｐｐｌｅｒ  ｒａｄｅｒ  ａｎｄ  ａ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ，  Ｊ．Ａｔｍｏｓ．  Ｓｃｉ．，  ５２，２７８８−２７９９．
【非特許文献５】Ｐｒｕｐｐａｃｈｅｒ，Ｈ．Ｒ．  ａｎｄ  Ｊ．Ｄ．Ｋｌｅｔｔ，１９９７：  Ｍｉｃｒｏｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  ｃｌｏｕｄｓ  ａｎｄ  ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ，  Ｋｌｕｗｅｒ  ａｃａｄｅｍｉｃ  ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，  ９５４  ｐｐ．
【非特許文献６】Ｈｅｙｍｓｆｉｅｌｄ，Ａ．Ｊ．，  Ｌ．Ｍ．Ｍｉｌｏｓｈｅｖｉｃｈ，  ａｎｄ  Ａ．Ｓｌｉｎｇｏ，  １９９１：Ａｎ  ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｌ  ａｎｄ  ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｈｉｇｈｌｙ  ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄ  ａｌｔｏｃｕｍｕｌｕｓ，  Ｊ．Ａｔｍｏｓ．  Ｓｃｉ．，４８，９２３−９４５．
【００３２】
これらの文献における知見を用いて、雲の滴の大きさＮ（Ｘ）の対数正規型分布は次の数式２で与えられる。
【数式２】
2005010046.tif 000004
ここで、Ｘはμｍによる雲の滴の直径Ｄの対数であり、Ｘ０はＸの平均値であり、σｘはＸの標準偏差であり、Ｎｔは単位量（ｃｍ−３）当たりの雲の滴の総数である。σｘはＬＷＣから計算できる。ｇ／ｍ３によるＬＷＣは次の数式３で与えられる。
【数式３】
2005010046.tif 000005
【００３３】
以上の計算による結果を表１に示す。
表１において、いろいろな高度における雲のパラメータ、Ｎｔ、ＭＤＤ、ＬＷＣ、σｘ、Ｚ、ＶｍおよびＶＤＯＰはそれぞれ、単位量当たりの雲の滴の総数、雲の滴の平均直径、液水量、対数正規型分布の雲の滴の大きさの標準偏差、レーダー反射係数、静止大気中の雲の滴の平均終端落下速度およびドップラ速度である。
【００３４】
【表１】
2005010046.tif 000006
【００３５】
これにより、レーダ反射係数Ｚ（ｍｍ６／ｍｍ３）は次の数式（４）によって雲の滴の大きさの分布で表される。
【数式４】
2005010046.tif 000007
ここで１０−３・１０ｘはｍｍによる雲の滴の直径である。表１には方程式４から計算したｄＢＺ単位のＺも挙げてある。
【００３６】
非特許文献７などで開示されるように、静止大気Ｖｉ（ｃｍ／ｓｅｃ）中の雲の滴の終端落下速度が雲の滴の直径Ｄ（μｍ）の関数として次の数式５のように表せ、これも表１で挙げてある。
【数式５】
2005010046.tif 000008
ここで、α１とα２は定数で、それぞれ４．０・１０３と１．２・１０４である。
【００３７】
【非特許文献７】Ｇｏｓｓａｒｄ，Ｅ．Ｅ．，  Ｊ．Ｂ．Ｓｎｉｄｅｒ，  Ｅ．Ｅ．  Ｃｌｏｔｈｉａｕｘ，  Ｂ．Ｍａｒｔｎｅｒ，  Ｊ．Ｓ．  Ｇｉｂｓｏｎ，  Ｒ．Ａ．  Ｋｒｏｐｆｌｉ，  ａｎｄ  Ａ．Ｓ．  Ｆｒｉｓｃｈ，  １９９７：  Ｔｈｅ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｏｆ  ８−ｍｍ  ｒａｄａｒｓ  ｆｏｒ  ｒｅｍｏｔｅｌｙ  ｓｅｎｓｉｎｇ  ｃｌｏｕｄ  ｄｒｏｐ  ｓｉｚｅ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ，  Ｊ．Ａｔｍｏｓ．  Ｏｃｅａｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，  １４，  ７６−８７．
【００３８】
さらに、静止大気（Ｖｍ）の中の雲の滴の平均終端落下速度は次の数式６から計算でき、これも表１に挙げてある。
【数式６】
2005010046.tif 000009
【００３９】
本発明のようにパルスペア動作のあるドップラレーダは、レーダ信号がレイリー散乱で重み付けされているので、Ｖｍを測定できない。代わりに、ドップラレーダはドップラ速度（ＶＤＯＰ）を測定する。これは次の数式７で計算できる。表１には方程式（７）から計算したＶＤＯＰも挙げてある。
【数式７】
2005010046.tif 000010
【００４０】
ここで、ドップラ観測からＶｍを予測するにはドップラ速度のスペクトルが必要である。パルスペア動作からＶｍを予測するのは不可能であり、もしこれが必要ならば、人工衛星のハードウエアがもっと複雑にならざるを得ない。本発明のパルスペア動作は人工衛星のハードウエアを簡単にすることに寄与するものである。
【００４１】
図５にレーダを使って、天底方向に雲を測定する説明図を示す。アンテナビーム幅は２θ（２θ＝０．１°）（２０）である。範囲分解能は２５０ｍである。測定高度は識別範囲の中央の海抜に相当する。識別範囲に０〜３６０°のランダムな初期位相をもって配列した１０１０個の対数正規型分布の雲の滴を発生する。
Ｈｉ信号は雲の滴からの後方散乱信号のベクトル和を取って計算できる。Ｖｉ信号は、Ｖｉ信号がＴｓの間の雲の滴の移動と人工衛星の移動で発生するように、雲の滴それぞれの位相をシフトしてシミュレーションできる。
【００４２】
この雲の滴のｊ次の位相シフト（Δφｊ）は、次の数式８で計算できる。
【数式８】
2005010046.tif 000011
ここでＶｔｊは雲の滴のｊ次の終端落下速度で、図５に示すように、αｊ（２１）は−θ〜θの範囲の雲の滴のｊ次の最下点の方向からの角度で、βｊ（２２）は０〜３６０°の範囲の雲の滴のｊ次の飛行方向からの角度である。λはｃｍ単位のレーダ波長である。
【００４３】
雲の滴からの後方散乱信号のベクトル和はフェーザ図で計算する。このように識別範囲に入ったり出たりする一部の雲の滴の影響を考えず、シミュレーションに使用する雲の滴の数は常に一定としている。
雲の滴からの後方散乱のベクトルの和を取る際に、ガウシャン式（非特許文献７を参照。）（ｅｘｐ（−２．７８θ２ｊ／θ２））で近似されるアンテナパターンを考え、雑音信号がベクトル和に加わるので雑音の影響を考慮する。ＳＮＲの影響は雑音レベルの電力を変化して調査できる。
【００４４】
【非特許文献８】Ｓｋｏｌｎｉｋ，Ｍ．Ｉ．，１９８４：  Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  ｒａｄａｒ  ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｓｅｃｏｎｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ，  Ｍｃｇｒａｗ−ｈｉｌｌ  ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｂｏｏｋ  ｃｏｍｐａｎｙ，  ５８１  ｐｐ．
【００４５】
ところで、上記のパルスパターンで、Ｔｓ（１２）の間の雲の滴の位相シフトが小さい時、ＨｉとＶｉは互いに相関するが、実際にはＴ（１３）（２２２マイクロ秒）の間の雲の滴の位相シフトは非常に大きいため、ＨｉとＶｉはほとんどＨｉ＋１とＶｉ＋１に相関しない。
このため、ＨｉとＶｉ信号を発生した後、異なる乱数を使って、Ｈｉ＋１とＶｉ＋１信号を計算し、識別範囲内にランダムに配列した雲の滴をまた発生するようしている。
【００４６】
ベクトル和の総数は雲の滴×Ｎα×Ｎｓ×２として定義する。コンピュータの処理時間を考慮すると、ベクトル和の総数は２×１０２０とするのが好適である。雲の滴の数は１０１０なので、１０１０個のＨおよびＶの信号対がコンピュータで発生できる最大数である。従って、Ｎαが増加すると、Ｎｓが減少する。ドップラ速度誤差を計算する際に、サンプルの大きさＮｓは一定ではない。
【００４７】
次に、本発明の実施において最適なＴｓを検討する。非特許文献２では、表１にある高度７３６０ｍのＭＤＤおよびσｘをレーダ信号のシミュレーションに使っている。高度７３６０ｍでＭＤＤおよびσｘに対して特性を定め、高度７３６０−１２５ｍ〜７３６０＋１２５ｍの範囲の識別範囲が雲の滴で均一に満たされていると、想定している。目標識別範囲が雲頂に存在することを想定しており、電波の減衰を考慮しない。
【００４８】
シミュレーションの結果として、図６にパルス間隔ＴｓとＮα＝６００での＜ｖ＞の相対誤差との関係を、雑音レベルをパラメータとして示す。表１に示すように、高度７３６０ｍのＺは−１２．４ｄＢＺである。異なる５個のＺ（−３０．０、−２５．０、−２０．０、−１５．０および−１０．０ｄＢＺ）を等価雑音信号としてベクトル和を取った後に加える。このように、対応するＳＮＲは１７．６、１２．６、７．６、２．６および−２．４ｄＢである。
【００４９】
図６はアンテナビーム幅を通過する人工衛星の高速の影響を計算に入れていたものである。なお、アンテナビームを通過する人工衛星の高速の影響を考慮しない場合のシミュレーションによると、各ＳＮＲに対する相対誤差は図６に比べて小さくなることが分かっている。
非特許文献２でも開示されているように、＜ｖ＞の誤差は相反する事由によるものであり、一方では小さいＴｓの場合にドップラ位相シフト検出の分解能が減少することであり、もう一方では大きいＴｓではパルスペア間の相関の劣化が生じることによるものである。
【００５０】
すなわち、Ｔｓが小さい時には、ドップラ位相シフトが非常に小さいので、雑音の加わった信号から小さいドップラ位相シフトを正確に測定することが困難である。そのために、＜ｖ＞の相対誤差は小さいＴｓで大きくなる。
逆にＴｓが大きくなると、パルスペア間の相関は劣化する。そのために、＜ｖ＞の相対誤差が大きくなる。
【００５１】
以上が図６におけるグラフの特徴である。そして、これらを総合的に検討すると、図６において曲線それぞれに対する＜ｖ＞の相対誤差は、Ｔｓ＝６０μ秒周辺で最小になることがわかる。
【００５２】
アンテナの方向が最下点方向と異なると、雲の滴の垂直方向の移動の測定は人工衛星の移動で邪魔される。この場合に、ドップラ速度のエイリアシングが起きなければ、ドップラ速度は人工衛星の航行データあるいは地表のドップラ速度を参照して補正できる。ドップラ速度のエイリアシングを避けるには、ドップラ速度に広いダイナミックレンジが必要である。アンテナのビーム配列の確度は一般的な要求として０．１°であり、本実施例でも上述のようにこの値を用いている。
【００５３】
アンテナのビーム配列の確度が０．１°未満に保たれている時には、速度のダイナミックレンジはドップラ速度のエイリアシングを避けるために、１０ｍ／ｓを超えると考えられる。想定される等価雑音レベルは約−２０．０ｄＢＺであり、図６の１点鎖線に対応している。
【００５４】
ところで、アンテナのビーム配列の確度０．１°を満足しない場合、ドップラ速度のエイリアシングを避けるためには、もっと広いダイナミックレンジが要求されるため、本発明ではその場合に対応可能なＴｓを検討する。
偏波ダイバーシチを使って、パルスペア処理に使われるドップラ速度のダイナミックレンジは±λ／４Ｔｓから計算でき、例えばＴｓ＝１０μ秒に対するドップラ速度のダイナミックレンジは７９．７ｍ／ｓに拡大することができる。
【００５５】
従って、以下に２個のＴｓ（１０μ秒および６０μ秒）を使用した場合のドップラ速度の誤差について説述する。
図７及び図８にＮα（パルスペアの数）と＜ｖ＞の相対誤差の関係を図６と同じ雑音レベルのパラメータとして示す。図７はＴｓ＝１０μ秒の場合に相当し、図８はＴｓ＝６０μ秒の場合に相当する。
これらの結果は表１に示すように高度７３６０ｍでＭＤＤおよびσｘで特性を定めたレーダ信号に基づいている。
【００５６】
これらのレーダ信号をシミュレーションするために、高度７３２０−１２５ｍ〜７３２０＋１２５ｍの範囲の識別範囲が均一の雲の滴で満たされていると仮定し、高度７３２０ｍにおけるＭＤＤおよびσｘで特性を定めている。また、目標識別範囲が雲頂にあるとしている。
【００５７】
上述の通り、小さいＴｓでのドップラ位相シフトは非常に小さいので、雑音の混入している信号からこの小さいドップラ位相シフトを正確に測定することは困難である。このような理由で、＜ｖ＞の相対誤差は小さいＴｓのときに大きくなる。これは図７及び図８でも確認できる。
また、図７と図８の比較から、Ｔｓ＝１０μ秒に対する相対誤差は同じ雑音レベルで常にＴｓ＝６０μ秒の場合よりも大きいことが分かる。
【００５８】
想定している等価雑音レベルは約−２０．０ｄＢＺで、図７及び図８の１点鎖線（４０）（５０）で示されている。また、＜ｖ＞の相対誤差は図７・図８のＮα＝１０４で最小になっている。平均処理のための人工衛星の飛行距離Ｌは次の数式９で与えられる。
【数式９】
2005010046.tif 000012
【００５９】
Ｎα＝１０４では、Ｌは約１６．８ｋｍ必要である。Ｌの距離の間は平均処理するために雲が均一であると仮定している。アンテナビーム幅で決まる地表での水平空間の分解能は約１．５ｋｍである。Ｎα＝１０４の時、水平空間の分解能は１．５ｘ１６．８ｋｍである。Ｎαが１０４より大きくなれば、＜ｖ＞の確度が上がるが、水平空間の分解能は低下するため、Ｎαは１０４を超える範囲は用いないこととした。
【００６０】
ドップラ速度の許容できる相対誤差はたとえば、目標として５０％以下を想定している。そこで、１９．５±１９．５／２．０  ｃｍ／ｓの範囲のＶＤＯＰを測定できることが目標である。
図７・図８のＴｓ＝１０μ秒とＴｓ＝６０μ秒に対するＮα＝１０４での１点鎖線で示されている＜ｖ＞の相対誤差はそれぞれ、約７０％と２０％である。
【００６１】
ところで、Ｔｓ＝６０μ秒に対する＜ｖ＞の相対誤差の２０％は目標誤差より低い。一方、Ｔｓ＝１０μ秒に対する＜ｖ＞の相対誤差の７０％は目標誤差より大きい。このことからは、Ｔｓ＝６０μ秒に静止大気中の雲の滴の終端落下速度の測定は可能であることが分かるが、Ｔｓ＝１０μ秒ではやや誤差が大きいことが分かる。
【００６２】
しかし、結果はＳＮＲに左右され、ＳＮＲは雲に対するＺの値で決まる。雲に対するＺの世界的な分布は現状では十分に分かっておらず、ドップラ速度のエイリアシングを避けるために広いダイナミックレンジが必要である時、Ｔｓ＝１０μ秒の使用は衛星に搭載している雲の形状を捉えるレーダには、有効な可能性がある。
従って、図７・図８からも分かるように、Ｔｓ＝１０μ秒〜６０μ秒の範囲、より好適には相対誤差を５０％以下にすることができるＴｓ＝３０μ秒〜６０μ秒の範囲を選ぶことにより、ドップラ速度のダイナミックレンジの拡大の最適化および＜ｖ＞の誤差の減少に寄与する。
【００６３】
いろいろなＴｓとＳＮＲで測定した＜ｖ＞の誤差を解析している。２個のＴｓ（１０μ秒および６０μ秒）を選択の余地のある値として使った。Ｔｓ＝６０μ秒に対するドップラ速度のダイナミックレンジは１３．３ｍ／ｓである。ドップラ速度のダイナミックレンジ１３．３ｍ／ｓがエイリアシングを避けるのに充分であれば、測定される＜ｖ＞の誤差を効果的に減らせるＴｓ＝６０μ秒が適している。
【００６４】
また、アンテナのビーム配列の確度が０．１°以内でなければ、ドップラ速度のエイリアシングを避けるために、ドップラ速度のダイナミックレンジはもっと広いことが必要である。すなわち、ドップラ速度のダイナミックレンジは１０μ秒のＴｓで広くすることができる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明の散乱体の衛星観測方法は、上述の構成を備えるので、以下の効果を奏する。
すなわち、請求項１の発明では、人工衛星から地表面に向けて略天底方向にレーダを発射し、その反射波を測定することにより該地表面と該人工衛星との間に分布する散乱体の位置を観測する際に、少なくとも該散乱体の各構成部位からの反射波を処理して、該各構成部位の高度情報を得ると共に、該反射波の測定時に、該反射波から該各構成部位のドップラ速度を測定する、衛星に搭載可能な散乱体の観測方法を提供することができる。
【００６６】
請求項２に記載の発明では、所定のパルスパターンによるレーダの発射を行うことにより、誤差の少ないドップラ速度の測定に寄与し、ひいては高精度な上記散乱体の位置観測を実現することができる。
【００６７】
請求項３に記載の発明では、レーダが１つの偏波成分からなる第１レーダと、該第１レーダの偏波成分と直交する偏波成分からなる第２レーダとをそれぞれ発射する構成であって、第１レーダと該第２レーダとを所定のパルスペア間隔で発射すると共に、第１レーダ及び第２レーダの組から構成されるパルスペアを所定のパルスパターンで発射することによって、誤差の少ないドップラ速度の測定に寄与し、ひいては高精度な上記散乱体の位置観測を実現することができる。
【００６８】
また、請求項４に記載の発明では、パルスペア間隔が、１０マイクロ秒ないし６０マイクロ秒であるとすることで、ドップラ速度の測定の誤差を最小限に抑えることができる。
【００６９】
請求項５に記載の発明では、パルスペアを発射するパルスパターンが、概ね２２０マイクロ秒毎に該パルスペアを発射する繰り返しとすることにより、誤差の少ないドップラ速度の測定に寄与し、ひいては高精度な上記散乱体の位置観測を実現することができる。
【００７０】
請求項６に記載の発明では、前記散乱体が、主に水分から成る粒子の集合とすることにより、本発明を例えば雲の分布の観測などに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における散乱体の人工衛星による観測方法の全体図である。
【図２】本発明に係る衛星搭載用のレーダシステムの構成図である。
【図３】本発明に係るレーダ発振部の構成図である。
【図４】本発明に係るパルスパターンである。
【図５】天底方向に雲を測定するときの説明図である。
【図６】パルス間隔と相対誤差との関係を示すグラフである。
【図７】パルス間隔を１０μ秒としたときのパルスペアの数と相対誤差との関係を示すグラフである。
【図８】パルス間隔を６０μ秒としたときのパルスペアの数と相対誤差との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  Ｈ偏波
１１  Ｖ偏波
１２  パルスペアの間隔Ｔｓ
１３  パルスペアを発射する間隔Ｔ
【図１】
2005010046.tif 000013
【図２】
2005010046.tif 000014
【図３】
2005010046.tif 000015
【図４】
2005010046.tif 000016
【図５】
2005010046.tif 000017
【図６】
2005010046.tif 000018
【図７】
2005010046.tif 000019
【図８】
2005010046.tif 000020