JP2017003539A - Meteorological radar device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、気象現象を観測する気象レーダ装置に関する。 The present invention relates to a meteorological radar apparatus for observing meteorological phenomena.
降雨、降雪、雷雲、台風などの気象現象を観測する装置として、１次元フェーズドアレイアンテナを有する気象レーダ装置がある。１次元フェーズドアレイアンテナを有する気象レーダ装置では、方位角方向に機械的に回転可能で、仰角方向には電気的に指向方向を制御する。気象レーダ装置では、仰角方向の異なる領域に複数のファンビームを送信し、デジタルビームフォーミング技術(digital beam forming, DBF)によりファンビーム内に複数のペンシル状の細いビームを形成して受信する（特許文献１）。 As an apparatus for observing meteorological phenomena such as rainfall, snowfall, thunderclouds, and typhoons, there is a weather radar apparatus having a one-dimensional phased array antenna. In a weather radar apparatus having a one-dimensional phased array antenna, it can be mechanically rotated in the azimuth direction and electrically controlled in the elevation direction. In the weather radar system, multiple fan beams are transmitted to areas with different elevation angles, and a plurality of pencil-shaped thin beams are formed and received in the fan beam by digital beam forming technology (digital beam forming, DBF). Reference 1).
仰角方向の異なる領域に放射される複数のファンビームを放射するごとに、通常は、そのファンビームで観測する空間での反射波がすべて受信できる時間を待つ。仰角方向が異なる複数のファンビームを連続して放射し、すべての仰角方向のファンビームの反射された信号を同時に受信する技術がある。ビームを放射している間は受信できないので、先に放射するファンビームでは観測できない距離範囲が存在する。ファンビームを連続して発射する時間間隔を観測ごとに変化させることで、特定の距離範囲が観測不可にならないようにする気象レーダ装置も提案されている（特許文献２）。 Each time a plurality of fan beams radiated to different regions in the elevation angle are radiated, it usually waits for a time during which all reflected waves in the space observed by the fan beams can be received. There is a technique in which a plurality of fan beams having different elevation directions are continuously emitted, and reflected signals of all the elevation direction fan beams are received simultaneously. Since the beam cannot be received while the beam is emitted, there is a distance range that cannot be observed with the fan beam that is emitted first. There has also been proposed a weather radar device that changes the time interval at which the fan beam is continuously emitted for each observation so that a specific distance range does not become unobservable (Patent Document 2).
従来の１次元フェーズドアレイアンテナを有する気象レーダ装置では、仰角方向に複数のファンビームを送信する。複数のファンビームの形状は、どれも同じである。これは、観測空間の半径と高度がほぼ等しいためと考えられる。観測空間の半径を大きくすると、観測する高度はあまり変わらないので、高仰角では観測すべき距離が短くなり、低仰角では長くなる。仰角によらずファンビームの広がり角を同じにすると、低仰角では高出力の送信ビームが必要になり、高仰角では送信ビームの出力は低仰角の場合よりも小さくてよい。そのため、送信ビームを生成する送信用増幅器は大出力のものが必要になるが、大出力の送信用増幅器を有効に利用できないことになる。 In a weather radar apparatus having a conventional one-dimensional phased array antenna, a plurality of fan beams are transmitted in the elevation angle direction. The plurality of fan beams have the same shape. This is probably because the radius and altitude of the observation space are almost equal. When the radius of the observation space is increased, the observed altitude does not change much, so the distance to be observed becomes shorter at a high elevation angle and becomes longer at a low elevation angle. When the fan beam divergence angle is the same regardless of the elevation angle, a high-power transmission beam is required at a low elevation angle, and at a high elevation angle, the output of the transmission beam may be smaller than that at a low elevation angle. For this reason, a transmission amplifier for generating a transmission beam needs to have a high output, but the high output transmission amplifier cannot be used effectively.
パルス送信ごとに送信タイミングをずらす方法では、複数回の観測の中で観測できない回が、どの距離範囲でも存在することになる。一般的な気象レーダにおけるドップラー速度観測手法の１つに、複数回の観測データをＦＦＴ(Fast Fourier Transform)により周波数領域に変換し、ドップラー速度を算出する手法がある。パルス送信ごとに送信タイミングをずらす方法では、ＦＦＴが適用できない。 In the method of shifting the transmission timing for each pulse transmission, there are times that cannot be observed among a plurality of observations in any distance range. One method for observing Doppler velocities in a general weather radar is a method of calculating Doppler velocities by converting observation data of a plurality of times into a frequency domain by FFT (Fast Fourier Transform). FFT cannot be applied in the method of shifting the transmission timing for each pulse transmission.
この発明に係る気象レーダ装置は、決められた高度以下で決められた距離以内の外形が円筒状の観測空間に電波を放射し、観測空間で反射された電波を受信するアンテナ素子をアレイ状に配置したフェーズドアレイアンテナと、アンテナ素子の配列方向が鉛直方向を含む平面内になるようにフェーズドアレイアンテナを支持し、鉛直方向に平行な方位軸の回りにフェーズドアレイアンテナを回転させる支持回転部と、フェーズドアレイアンテナのアンテナ素子に供給する送信信号を制御して、方位角方向に決められた広がり角を有するファンビームを、中心方向の仰角が大きいファンビームの仰角の広がり角が中心方向の仰角が小さいファンビームよりも大きくなるように、かつ複数のファンビームで観測空間を覆うように生成する送信部と、アンテナ素子が受信した電波から生成した受信信号を処理して、観測空間の気象情報を求める信号処理部と、支持回転部、送信部、受信部および信号処理部を制御する制御部とを備えたものである。 The weather radar device according to the present invention has an array of antenna elements that radiate radio waves into a cylindrical observation space whose outer shape is within a predetermined distance below a predetermined altitude and receive the radio waves reflected from the observation space. The arranged phased array antenna, a support rotating unit that supports the phased array antenna so that the arrangement direction of the antenna elements is in a plane including the vertical direction, and rotates the phased array antenna about an azimuth axis parallel to the vertical direction; By controlling the transmission signal supplied to the antenna element of the phased array antenna, a fan beam having a divergence angle determined in the azimuth angle direction is used. A transmitter that generates an image so as to be larger than a small fan beam and cover the observation space with a plurality of fan beams; A signal processing unit that processes reception signals generated from radio waves received by the antenna element to obtain weather information in the observation space, and a control unit that controls the support rotation unit, the transmission unit, the reception unit, and the signal processing unit Is.
この発明に係る気象レーダ装置によれば、仰角方向の異なる領域に複数のファンビームの広がり角を同じにした場合よりも、送信ビームの最大出力を低減できる。 According to the weather radar apparatus according to the present invention, the maximum output of the transmission beam can be reduced as compared with the case where the spread angles of the plurality of fan beams are made the same in regions having different elevation angles.
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る気象レーダ装置の構成を説明する図である。図２は、実施の形態１に係る気象レーダ装置が生成するファンビームの仰角方向の形状の例を説明する図である。気象レーダ装置１００は、観測空間２１（図２に図示）に電波を放射し観測空間２１で反射された電波を受信するフェーズドアレイアンテナ１、フェーズドアレイアンテナ１を支持し方位軸の回りに回転させる支持回転部２、フェーズドアレイアンテナ１から送信する信号を生成する送信部３、フェーズドアレイアンテナ１で受信した信号をデジタル信号に変換して直交検波する受信部４、受信部４が生成した受信信号をＤＢＦ処理して観測区間２１の気象情報を生成する信号処理部５、送信部３と受信部４で望ましいビーム形状を生成するための設定情報を記憶するビームパラメータ記憶部６、支持回転部２と送信部３と受信部４と信号処理部５を制御する制御部７を有する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a weather radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a diagram for explaining an example of the shape in the elevation angle direction of the fan beam generated by the weather radar apparatus according to the first embodiment. The
観測空間２１は、例えば、高度２０ｋｍまで、半径２００ｋｍ以内の外形が円筒状の空間である。フェーズドアレイアンテナ１は、アンテナ素子を例えば１次元のアレイ状に配置した、各アンテナ素子から送信する電波の位相および振幅を制御できるアンテナである。アンテナ素子は、送信アンテナ素子および受信アンテナ素子であってもよいし、送受信アンテナ素子であってもよい。アンテナ素子が配列される方向は、鉛直方向を含む平面内に存在し、鉛直方向と決められた角度、例えば１５度を有する方向である。支持回転部２は、アンテナ素子が配列される方向が鉛直方向を含む平面内に存在するように、フェーズドアレイアンテナ１を支持する。また、支持回転部２は鉛直方向に平行な方位軸の回りに、フェーズドアレイアンテナ１を回転させる。支持回転部２は、その方位角での観測をするために必要な時間が経過するごとに、決められた角度の刻み幅だけフェーズドアレイアンテナ１を回転させる。方位角の刻み幅は、１周３６０度を決められた数、例えば５１２で割った角度である。５１２で割った場合には、約０.７度になる。方位角の刻み幅は、観測空間の外周で方位角方向に決められた距離分解能が得られるように決める。
The
送信部３は、アンテナ素子のそれぞれに適切な位相と振幅の送信信号を供給して、所望の形状の送信ビームを形成して観測空間に放射する。送信ビームは、信号をパルス状に送信するので、送信パルスとも呼ぶ。送信ビームは、方位角の広がり角が例えば約０.７度と小さく、仰角方向の広がり角が例えば２０度から５０度になるようなファンビームである。仰角方向の異なる領域に複数のファンビームを放射することで、仰角方向に観測空間を覆う。低仰角では遠くまで観測する必要があるので、利得を大きくし仰角方向のビーム幅が狭い送信ファンビームを形成する。高仰角では比較的に短距離の観測でよいので、利得を小さくし仰角方向の広がり角が大きいファンビームを形成する。なお、観測空間２１での気象情報が取得できるように、観測空間２１内の各点で最少検出感度以上の感度が得られるように、各ファンビームの送信利得および受信利得を調整する。送信部３が望ましいビーム形状を生成する際には、ビームパラメータ記憶部６に記憶された設定情報を使用する。
The
受信部４は、アンテナ素子のそれぞれが受信した電波から生成する受信信号をデジタル化した信号を直交検波する。信号処理部５は、直交検波されたデジタル受信信号にＤＢＦ処理を適用して、所望の方向からの受信信号を生成する。ＤＢＦ処理では、アンテナ素子のそれぞれが受信する受信信号に適切な位相と振幅を有する複素数を乗算して加算することで、受信信号を生成する。信号処理部５が望ましいビーム形状で受信する際には、ビームパラメータ記憶部６に記憶された設定情報を使用する。ビームパラメータ記憶部６に記憶される設定情報は、ビーム形状が望ましくなるように予め計算されたものである。受信部を無くして、アンテナ素子が出力する受信信号を信号処理部に入力するようにしてもよい。
The
信号処理部５は、さらに、ＤＢＦ処理で生成されたペンシルビームの反射波の受信信号を処理して、降雨、雷雲などの気象情報を生成する。制御部７は、観測空間２１の気象情報が得られるように、支持回転部２と送信部３と受信部４と信号処理部５を制御する。仰角ごとに全方位角で観測を実施してもよいし、ある方位角で全仰角の観測を実施して方位角を変更するようにしてもよい。
The
図２において、低仰角では、仰角方向の広がり角が約２２度でビームの中心方向の仰角が１０度であるファンビーム３１で観測する。高仰角では、仰角方向の広がり角が約４２度でビームの中心方向の仰角が４０度であるファンビーム３２で観測する。中心方向の仰角が大きいファンビームの仰角方向の広がり角が、中心方向の仰角が小さいファンビームよりも大きくなるように生成することで、０度から６０度までの仰角の範囲の観測空間２１を２個のファンビームで観測できる。なお、仰角が６０度を超える範囲を含む近距離は、近距離用の気象レーダ装置で観測する。
In FIG. 2, at a low elevation angle, observation is performed with a fan beam 31 having a spread angle in the elevation direction of about 22 degrees and an elevation angle in the center direction of the beam of 10 degrees. At a high elevation angle, the observation is performed with the
図３は、比較例としての、仰角方向の広がり角が同じである３個のファンビームの形状の例を説明する図である。仰角方向の広がり角をファンビームの中心方向の仰角によらず同じにして、広がり角が約２０度の３個のファンビームで、観測空間２１を観測する。図３の場合と比較すると、この発明では仰角方向に２個のファンビームにすることができる。仰角方向のファンビームの数を減らすことで、減らしたファンビームでの観測時間が不要になり、観測時間を短縮できる。
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of the shape of three fan beams having the same spread angle in the elevation angle direction as a comparative example. The
ファンビーム３２の仰角方向の広がり角をファンビーム３１の仰角方向の広がり角よりも大きくしているので、ファンビーム３１を出力するために必要な電力と、ファンビーム３２を出力するために必要な電力との差が、小さくなる。そのため、送信ビームを生成する送信用増幅器を、仰角によらずファンビームの仰角方向の広がり角を同じにした場合よりも、より利用率を高くして利用できる。さらに、各送信ファンビームの仰角方向の広がり角を、各送信ファンビームでの観測距離を考慮して、各送信ファンビームを生成するのに必要な電力をほぼ同じにすることで、送信ビームの最大出力を低減できる。送信ビームの最大出力が同じであれば、観測距離を長くできる。
以上の点は、他の実施の形態にもあてはまる。
Since the divergence angle of the
The above points also apply to other embodiments.
実施の形態２．
実施の形態２は、気象レーザ装置が放射するファンビームの仰角方向の形状をその中心方向に対して左右非対称にした場合である。図４は、この発明の実施の形態２に係る気象レーダ装置が生成するファンビームの仰角方向の形状の例を説明する図である。実施の形態２に係る気象レーダ装置１００Ａ（図示せず）は、生成するファンビーム３１Ａ、３２Ａを、そのファンビーム内の低仰角の部分で仰角がより大きい部分よりも利得を大きくし、より遠くまで観測できるようにしている。これは、水平方向に近い部分では観測距離まで観測する必要があるのに対して、観測距離の地点での観測高度の上限の箇所を通る仰角よりも大きい仰角では、観測高度に到達するまでの距離だけが観測できればよいので、利得を小さくできるからである。こうすることで、図４に示す高仰角側のファンビーム３２Ａでは、最も低い仰角の箇所と最も高い仰角の箇所では、ファンビームの動径が４倍近く違うことになる。
The second embodiment is a case where the shape of the fan beam radiated by the weather laser apparatus is asymmetrical with respect to the center direction. FIG. 4 is a diagram for explaining an example of the shape in the elevation direction of the fan beam generated by the weather radar apparatus according to
このようにファンビームの仰角方向の形状が、仰角が大きくなるほど動径を短くなるようにして、観測空間をちょうど覆うような形状にすることにより、各送信ファンビームを生成するのに必要な消費電力を低減できる。また、同じ出力の気象レーダ装置で、観測距離を拡大できる。 In this way, the shape of the fan beam in the elevation angle direction is such that the radius becomes shorter as the elevation angle becomes larger, and the shape that just covers the observation space, the consumption necessary to generate each transmission fan beam. Electric power can be reduced. In addition, the observation distance can be expanded with a weather radar device having the same output.
実施の形態３．
実施の形態３は、異なる仰角にファンビームを連続して放射し、異なる仰角のファンビームの反射波を同時に受信する場合である。図５は、この発明の実施の形態３に係る気象レーダ装置の異なる仰角のファンビームを連続して放射し、複数のファンビームの反射波を同時に受信する場合の動作手順を説明する図である。図６は、実施の形態３に係る気象レーダ装置の動作を説明するために使用するファンビームの例を説明する図である。実施の形態３に係る気象レーダ装置１００Ｂ（図示せず）は、水平方向から順に、ファンビーム４１、ファンビーム４２、ファンビーム４３と、３個のファンビームを生成する。ファンビームの仰角方向の広がり角は、高仰角のファンビームほど大きくしている。逆に観測すべき距離は、高仰角のファンビームほど短くなる。
The third embodiment is a case where fan beams are continuously emitted at different elevation angles and the reflected waves of the fan beams having different elevation angles are received simultaneously. FIG. 5 is a diagram for explaining an operation procedure when the weather radar apparatus according to
この実施の形態３では、ファンビーム４１を送信し、その反射波を待つことなしにファンビーム４２、ファンビーム４３の順に、続けて送信ファンビームを送信する。図６では、ファンビーム４１、４２、４３のそれぞれに関して、ファンビームを送信する期間と、ファンビームの反射波を受信する期間とを示している。３個のファンビームを送信後に、３つのファンビームを放射した方向からの反射波を待ち受ける。ファンビーム４１では、ファンビーム４２とファンビーム４３を送信している間である、反射波が受信できない観測不可区間５１が存在する。同様に、ファンビーム４２では、ファンビーム４３を送信している期間が、反射波を受信できない観測不可区間５２になる。図５では、観測不可区間５１、５２に斜線を施している。
In the third embodiment, the
観測不可区間５１で受信できない距離範囲内での気象現象を観測するために、ファンビーム４１の送信から、ファンビーム４１の観測距離での反射波が戻る時間が経過した後に、再度、ファンビーム４１を送信する。そして、観測不可期間５１より長く、例えば１．２倍に決められた期間だけ、反射波を受信する。その次に、ファンビーム４２を再度、送信する。そして、観測不可期間５２に少し余裕を持たせた時間だけ、反射波を受信する。
In order to observe a meteorological phenomenon within a distance range that cannot be received in the
図７は、比較例としての、異なる仰角ごとにファンビームを放射してその反射波を受信する場合の動作手順を説明する図である。最初に、ファンビーム４１を送信し、ファンビーム４１の観測距離での反射波が戻る時間が経過するまで、反射波を受信する。次に、ファンビーム４２を送信し、ファンビーム４２の観測距離での反射波が戻る時間が経過するまで、反射波を受信する。最後に、ファンビーム４３を送信し、ファンビーム４３の観測距離での反射波が戻る時間が経過するまで、反射波を受信する。
FIG. 7 is a diagram for explaining an operation procedure when a fan beam is emitted for each different elevation angle and the reflected wave is received as a comparative example. First, the
実施の形態３のビーム送信および受信方法により観測時間が短くなることを説明する。ファンビーム４１、ファンビーム４２、ファンビーム４３の送信に要する時間はどれも同じで、ＴＳとする。ファンビーム４１、ファンビーム４２、ファンビーム４３の反射波の受信時間を、それぞれＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３とする。ここに、ＴＲ１＞ＴＲ２＞ＴＲ３の関係がある。ファンビーム４１とファンビーム４２を再送する時間を、ＴＳとする。再送したビームを待つ時間をファンビーム４１でＴＲＡ１とする。ファンビーム４２でＴＲＡ２とする。ＴＲＡ１＜ＴＲ２の関係がある。ＴＲＡ２＜ＴＲ３の関係がある。
It will be described that the observation time is shortened by the beam transmission and reception method of the third embodiment.
この実施の形態３のビーム送信および受信方法でのパルスの送信開始から受信完了までの時間をＴＴＡとすると、以下の式で計算できる。
ＴＴＡ＝ＴＳ＋ＴＲ１＋ＴＳ＋ＴＲＡ１＋ＴＳ＋ＴＲＡ２ (1)
＝３ＴＳ＋ＴＲ１＋ＴＲＡ１＋ＴＲＡ２ (1A)
比較例の場合でのパルスの送信開始から受信完了までの時間をＴＴＣとすると、以下の式で計算できる。
ＴＴＣ＝ＴＳ＋ＴＲ１＋ＴＳ＋ＴＲ２＋ＴＳ＋ＴＲ３ (2)
＝３ＴＳ＋ＴＲ１＋ＴＲ２＋ＴＲ３ (2A)
When the time from the start of pulse transmission to the completion of reception in the beam transmission and reception method according to the third embodiment is TTA , it can be calculated by the following equation.
T TA = T S + T R1 + T S + T RA1 + T S + T RA2 (1)
= 3T S + T R1 + T RA1 + T RA2 (1A)
If the time from the start of pulse transmission to the completion of reception in the case of the comparative example is TTC , it can be calculated by the following equation.
T TC = T S + T R1 + T S + T R2 + T S + T R3 (2)
= 3T S + T R1 + T R2 + T R3 (2A)
ＴＲＡ１＜ＴＲ２およびＴＲＡ２＜ＴＲ３の関係があるので、以下が成立する。
ＴＴＡ＜ＴＴＣ (3)
Since there is a relationship of T RA1 <T R2 and T RA2 <T R3 , the following holds.
T TA <T TC (3)
例えば、ＴＳ＝５０μｓ、ＴＲ１＝１０００μｓ、ＴＲ２＝７００μｓ、ＴＲ３＝４００μｓ、ＴＲＡ１＝１２０μｓ、ＴＲＡ２＝６０μｓとすると、この実施の形態３では、ＴＴＡ＝１３８０μｓとなる。比較例で、ＴＴＣ＝２２５０μｓとなる。ファンビームを複数の仰角方向に連続して送信し、全仰角方向からの反射波を同時に待ち受けることで、全仰角方向での観測時間が半分近くに大きく短縮できることが分かる。仰角方向のファンビームの数が多くなるほど、時間の短縮の度合いが大きくなる。
For example, when T S = 50 μs, T R1 = 1000 μs, T R2 = 700 μs, T R3 = 400 μs, T RA1 = 120 μs, and T RA2 = 60 μs, in this
実施の形態４．
実施の形態４は、高仰角でのファンビームの方位角方向の広がり角を大きくする場合である。図８は、この発明の実施の形態４に係る気象レーダ装置の構成を説明する図である。図９は、実施の形態４に係る気象レーダ装置が生成するファンビームの形状の例を説明する図である。
The fourth embodiment is a case where the spread angle in the azimuth direction of the fan beam at a high elevation angle is increased. FIG. 8 is a diagram for explaining the configuration of a weather radar apparatus according to
実施の形態２に係る気象レーダ装置１００Ｃは、アンテナ素子を２次元のアレイ状に配列したフェーズドアレイアンテナ１Ａを有する。アンテナ素子を２次元のアレイ状に配列することで、仰角方向だけでなく方位角方向に関しても、フェーズドアレイアンテナ１Ａの指向性を電気的に変化させることができる。フェーズドアレイアンテナ１Ａを、アンテナ素子の一方の配列方向が鉛直方向を含む平面内に存在し、他方の配列方向が鉛直方向と垂直な方向になるように、支持回転部２が支持する。
The weather radar apparatus 100C according to the second embodiment includes a phased
図９の上部にファンビームの仰角方向の形状を示す。仰角方向の形状は、図４に示す、実施の形態３で使用したファンビームの例と同様な形状である。図９の下部に、観測上限高度での地表面に水平な面でのファンビームの形状を示す。低仰角側からファンビーム６１、ファンビーム６２、ファンビーム６３と呼ぶ。方位角方向のファンビームの広がり角は、高仰角で近距離を観測するファンビームほど大きくなるようにしている。その理由は、直交座標系で同じ距離分解能を得るには、近距離を観測する場合の方位角方向の分解能は、遠距離を観測する場合よりも大きくてもよいからである。また、高仰角では観測距離が短くアンテナ利得を小さくできるので、仰角方向の広がり角だけでなく、方位角方向の広がり角も大きくできる。
The shape of the fan beam in the elevation angle direction is shown in the upper part of FIG. The shape in the elevation angle direction is similar to the example of the fan beam used in the third embodiment shown in FIG. The lower part of FIG. 9 shows the shape of the fan beam on a plane parallel to the ground surface at the observation upper limit altitude. They are called a
この実施の形態４では、仰角方向の広がり角だけでなく方位角の広がり角も変化させて、決められた送信出力以下で、送信ファンビームを送信する。仰角ごとに方位角方向を一周することを繰り返すことで、全仰角および全方位角の観測空間を観測できる。この実施の形態では、高仰角になるほど方位角方向に一周するのに要する時間を短くできるので、全観測空間を観測する時間を短くすることができる。 In the fourth embodiment, not only the divergence angle in the elevation angle direction but also the azimuth angle divergence angle is changed, and the transmission fan beam is transmitted below the determined transmission output. The observation space of all elevation angles and all azimuth angles can be observed by repeating one round of the azimuth direction for each elevation angle. In this embodiment, the higher the elevation angle, the shorter the time required to make a round in the azimuth direction, so the time for observing the entire observation space can be shortened.
実施の形態５．
実施の形態５は、実施の形態３と実施の形態４とを組み合わせた場合である。つまり、高仰角でのファンビームの方位角方向の広がり角を大きくし、かつ異なる仰角のファンビームを連続して放射し、異なる仰角のファンビームの反射波を同時に受信する場合である。図１０は、この発明の実施の形態５に係る気象レーダ装置の異なる仰角のファンビームを連続して放射し、複数のファンビームの反射波を同時に受信する場合の動作手順を説明する図である。図１１は、実施の形態５に係る気象レーダ装置の動作を説明するために使用するファンビームの例を説明する図である。図１１の上部にファンビームの仰角方向の形状を示す。図１１の下部に、観測上限高度での地表面に水平な面でのファンビームの形状を示す。
The fifth embodiment is a case where the third embodiment and the fourth embodiment are combined. In other words, the fan beam at a high elevation angle is enlarged in the azimuth direction, the fan beams with different elevation angles are continuously emitted, and the reflected waves of the fan beams with different elevation angles are received simultaneously. FIG. 10 is a diagram for explaining the operation procedure when the weather radar apparatus according to
この実施の形態５では、図１１の上部に示すように、低仰角側からファンビーム７１、７２、７３の３個のファンビームを放射する。図１１の下部に示すように、方位角の広がり角は、ファンビーム７１とファンビーム７２とは同じである。最も高仰角のファンビーム７３の方位角方向の広がり角は、ファンビーム７１およびファンビーム７２の広がり角の約２．２倍である。また、ファンビーム７３の方位角方向の中心角を、ファンビーム７１、７２と少しずらしている。ファンビーム７１、７２の範囲内では、図１１の下部に示す距離の軸線として示す方向の受信ペンシルビーム８１Ａを生成して受信する。ファンビーム７３に対しては、受信ペンシルビーム８１Ａと、その下側に示す受信ペンシルビーム８１Ｂとを生成して受信する。受信ペンシルビーム８１Ａと受信ペンシルビーム８１Ｂとの間の方位角の差は、方位角の変更の１刻み幅に相当する角度である。
In the fifth embodiment, as shown in the upper part of FIG. 11, three
ファンビーム７１，７２、７３の仰角方向の広がり角は、方位角方向の広がり角をこのように設定できるように、各ファンビームの送信に要する電力を、送信可能な最大出力の範囲内でできるだけ同じになるように設定する。 The spread angle in the elevation direction of the fan beams 71, 72, 73 can be set so that the power required for transmission of each fan beam is within the range of the maximum transmittable power so that the spread angle in the azimuth direction can be set in this way. Set to be the same.
図１０に示すように、この実施の形態５では、隣接する２個の方位角での観測を１組として動作する。図１０の前半部分は図５に示すものと同じである。最も高仰角のファンビーム７３では、方位角の隣接する２方向を同時に観測する。そのため、方位角を１刻み幅変更した後での後半部分では、ファンビーム７３は放射しない。そのため、ファンビーム７２に観測不可期間は存在しなくなる。また、ファンビーム７１の観測不可期間５１Ａが短くなり、再放射して反射波を受信する期間が短くなる。
As shown in FIG. 10, in the fifth embodiment, the observations at two adjacent azimuth angles are operated as one set. The first half of FIG. 10 is the same as that shown in FIG. With the
このように、高仰角のファンビームの方位角の広がり角を、最も低仰角のファンビームの方位角の広がり角の２倍よりも大きくすることで、その高仰角のファンビームの放射を方位角の変更ごとに実施する必要がなくなり、異なる仰角方向へファンビームを連続して送信しながら、全方位角の観測をより高速に実施できる。 In this way, by setting the azimuth spread angle of the high elevation fan beam to be larger than twice the azimuth spread angle of the lowest elevation fan beam, the radiation of the high elevation fan beam is reduced to the azimuth angle. It is not necessary to carry out every change, and it is possible to observe all azimuths at higher speed while continuously transmitting fan beams in different elevation directions.
高仰角のファンビームの方位角の広がり角を、最も低仰角のファンビームの方位角の広がり角の３倍より大きくしてもよい。最も低仰角のファンビームで、複数の方位のペンシルビームを生成して受信できるようにしてもよい。 The azimuth divergence angle of the high elevation fan beam may be greater than three times the azimuth divergence angle of the lowest elevation fan beam. A pencil beam of a plurality of directions may be generated and received with the fan beam having the lowest elevation angle.
なお、本願発明はその発明の精神の範囲内において各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の変形や省略が可能である。 Note that the present invention can be freely combined with each other, or can be modified or omitted within the spirit of the invention.
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ 気象レーダ装置
１ フェーズドアレイアンテナ
２ 支持回転部
３ 送信部
４ 受信部
５ 信号処理部
６ ビームパラメータ記憶部
７ 制御部
３１、３２、３１Ａ、３２Ａ ファンビーム
４１、４２、４３ ファンビーム
５１、５１Ａ、５２ 観測不可空間
６１、６２、６３ ファンビーム
７１、７２、７３ ファンビーム
８１Ａ、８１Ｂ 受信ペンシルビーム
100, 100A, 100B, 100C Weather radar device 1 Phased
Claims (5)
前記アンテナ素子の配列方向が鉛直方向を含む平面内になるように前記フェーズドアレイアンテナを支持し、鉛直方向に平行な方位軸の回りに前記フェーズドアレイアンテナを回転させる支持回転部と、
前記フェーズドアレイアンテナの前記アンテナ素子に供給する送信信号を制御して、方位角方向に決められた広がり角を有するファンビームを、中心方向の仰角が大きい前記ファンビームの仰角方向の広がり角が中心方向の仰角が小さい前記ファンビームよりも大きくなるように、かつ複数の前記ファンビームが仰角方向に前記観測空間を覆うように生成する送信部と、
前記アンテナ素子が受信した電波から生成した受信信号を処理して、前記観測空間の気象情報を求める信号処理部と、
前記支持回転部、前記送信部および前記信号処理部を制御する制御部と
を備えた気象レーダ装置。 A phased array antenna in which antenna elements that radiate radio waves into a cylindrical observation space and receive the radio waves reflected by the observation space are arranged in an array, and the outer shape within a predetermined distance at a predetermined altitude or less
A support rotation unit that supports the phased array antenna so that the arrangement direction of the antenna elements is in a plane including a vertical direction, and rotates the phased array antenna around an azimuth axis parallel to the vertical direction;
The transmission signal supplied to the antenna element of the phased array antenna is controlled so that the fan beam having a divergence angle determined in the azimuth direction is centered on the divergence angle of the fan beam having a large elevation angle in the center direction. A transmission unit that generates a plurality of fan beams so as to cover the observation space in an elevation angle direction so that an elevation angle in a direction is larger than that of the fan beam;
Processing a received signal generated from radio waves received by the antenna element, and obtaining weather information of the observation space; and
A weather radar apparatus comprising: a control unit that controls the support rotation unit, the transmission unit, and the signal processing unit.
仰角が大きい前記ファンビームの方位角の広がり角を仰角が小さい前記ファンビームよりも大きくなるように前記送信部が生成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気象レーダ装置。 The phased array antenna is also arranged in a direction perpendicular to the vertical direction,
The weather radar apparatus according to claim 1, wherein the transmission unit generates the azimuth spread angle of the fan beam having a large elevation angle so as to be larger than that of the fan beam having a small elevation angle.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2015
- 2015-06-16 JP JP2015120830A patent/JP2017003539A/en active Pending
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