JP3730486B2

JP3730486B2 - 気象レーダ

Info

Publication number: JP3730486B2
Application number: JP2000215024A
Authority: JP
Inventors: 将一和田; 靖博勝山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2020-07-14
Also published as: US20020005798A1; US6456227B2; JP2002031681A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波の反射波から水滴の有無や風向・風速等を算出する気象観測機器に属する気象レーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の気象レーダは、雲や雨等の水滴からのレイリー散乱による反射波から、水滴の分布を観測する気象観測センサである。特に、気象ドップラレーダは、上記水滴分布の観測に加えて、反射波のドップラ成分から水滴の移動速度を観測し、水滴が存在する空間の風向・風速を算出することも可能にした気象レーダである。したがって、現状の気象レーダにおいては、風向・風速が算出できる領域は水滴が存在する場合に限られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の気象レーダでは、水滴が存在する場合しか風向・風速を算出することができない。
【０００４】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、雨や雲等の水滴からのドップラ・エコーが無い場合でも風観測の可能な気象レーダを提供することを目的とする。
【０００５】
【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に係る気象レーダは、以下のような特徴的構成を有する。
【０００８】
（１）ビーム指向方向を制御可能な空中線によりパルスビームを放射してその反射波を受信し、その信号強度から覆域内の降雨・雲発生領域を観測する気象レーダにおいて、前記空中線により形成されるビームの指向方向を前記降雨・雲発生領域に向けて、前記反射波の受信信号からレイリー散乱によるドップラ・エコー成分を観測し、この観測結果から風向・風速分布を算出するレイリー散乱観測手段と、前記ビームの指向方向を任意の方向に向けて、前記反射波の受信信号からブラッグ散乱によるエコー成分を観測し、この観測結果からビーム指向方向に対する風向・風速分布を算出するブラッグ散乱観測手段とを具備し、単位観測周期内で、前記空中線により形成されるビームの指向方向を旋回させながら、複数仰角についてレイリー散乱のエコー成分を観測して前記覆域内の降雨・雲発生領域を求め、この降雨・雲発生領域の覆域内に占める割合に基づいて前記レイリー散乱観測手段と前記ブラッグ散乱観測手段を時分割で選択的に使用することを特徴とする。
【０００９】
上記構成による気象レーダでは、覆域内に降雨や雲が発生しておらず、レイリー散乱によるエコーが観測できない場合でも、任意の方向に対するブラッグ散乱によるエコー成分を観測することで、任意の方向に対する風向・風速分布を算出可能とし、単位観測周期内において、初期観測で覆域内の降雨・雲発生領域を求めて、覆域内における降雨・雲発生領域の割合からレイリー散乱観測を主体とするかブラッグ散乱観測を主体とするかを判断し、この判断結果から両者の使用回数の割合を制御して、観測効率を向上させている。
【００１６】
（２）（１）の構成において、前記レイリー散乱観測手段による観測時には、前記空中線により形成されるビームの指向方向を旋回させながら、複数仰角についてレイリー散乱のドップラ・エコー成分を観測し、前記ブラッグ散乱観測手段による観測時には、前記空中線により形成されるビームの指向方向を一定時間固定してエコー成分を観測することを特徴とする。
【００１７】
上記構成による気象レーダでは、ブラッグ散乱によるエコー成分がレイリー散乱によるエコー成分に比較して極めて小さいことを考慮して、レイリー散乱観測とブラッグ散乱観測とでビーム走査パターンを切り替えるようにしている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
ここで、本実施形態の気象レーダにおいては、水滴成分がなくても風観測を行えるようにするために、レイリー散乱の他にブラッグ散乱の反射波を観測する機能を付加し、この機能により乱流域を特定し、その乱流域の移動から風向・風速を算出するものとする。
【００２０】
図１は本発明により風観測機能を強化した気象レーダの構成を示すもので、空中線部１１は、送受信切替部１２から入力した送信パルス信号をビーム方向へ電波として送信すると共に、その反射波を受信し、その受信信号を送受信切替部１２へ出力する機能を有する。
【００２１】
空中線制御部１３は、上記空中線部１１に対し、モード判定部１４からのモード情報に応じて、ビーム方向の走査パターンを変更する機能を有する。
【００２２】
送受信切替部１２は、送信部１５からの送信パルス信号を空中線部１１へ出力し、空中線部１１からの受信信号を受信部１６へ出力するための信号切替を行う機能を有する。
【００２３】
送信部１５は、探索距離に応じた周期で繰り返し送信パルス信号を発生し、送受信切替部１２へ出力すると共に、パルス送信タイミングを示すトリガ信号を生成して受信部１６へ出力する機能を有する。
【００２４】
受信部１６は、送信部１５からのトリガ信号の間隔で送受信切替部１２からの受信信号を取り込み、周波数変換、増幅等の処理を行った後、信号処理部１７へ出力する機能を有する。
【００２５】
信号処理部１７は、受信部１６から入力した信号に対して、モード判定部１４からのモード情報に応じた各種信号処理（ＦＦＴ処理、周波数スペクトル積算処理、速度算出処理等）を行い、強度成分（雨量情報）と速度成分（風速情報）等を抽出した後、それらの情報をモード判定部１４及び表示部１８へ出力する機能を有する。
【００２６】
モード判定部１４は、信号処理部１７から入力した情報を基に降雨・雲観測主体か乱流観測主体かを判定し、そのモード情報（降雨・雲観測モード／乱流観測モード）を信号処理部１７及び空中線制御部１３へ出力する。
【００２７】
表示部１８は、信号処理部１７から入力した情報を基に、雨量の３次元分布、任意の方向に対する風向・風速分布等を画面上に表示する機能を有する。
【００２８】
次に、本発明の特徴となる動作例について説明する。本発明の特徴的な動作は、図１に示す構成のうち、空中線制御部１３と信号処理部１７、及びモード判定部１４の動作に集約される。以下、この３構成の動作について、従来の技術と比較しながら説明する。
【００２９】
まず、空中線制御部１３のモード別動作例について説明する。
【００３０】
従来の気象レーダにあっては、図２に示すように、ビーム方向を一定の速度で回転させて全方位を走査し、１回転毎に低仰角から高仰角へステップ的に変化させて、方位、仰角別に降雨・雲観測（ＣＡＰＰＩ：Constant Altitude PPI）及び風算出（ＶＡＤ：Velocity Azimuth Display，ＶＶＰ：Volume Velocity Processing）を行い、この観測を繰り返し実行するようにしている。
【００３１】
一方、ブラッグ散乱を利用して風向・風速を求める従来の気象観測センサとして、ウインドプロファイラや境界層レーダがある。これらの気象観測センサでは、天頂方向とこの天頂方向から数度傾け、互いに９０度開いた２方向（例えば北方向、東方向）の計３方向について順次一定期間づつ乱流観測を行い、各方向の乱流状態を比較することで各高度の風向・風速を算出するようにしている。
【００３２】
これに対し、本実施形態の気象レーダにおいては、図３あるいは図４に示すアンテナ走査パターンにより、単位観測期間内に降雨・雲観測モードと乱流観測モードの両方の観測モードを時分割に切り替えて行うことを特徴とする。その観測モードの割合は、覆域全体に対する降雨域の割合から適宜選定する。
【００３３】
図３及び図４に示すように、初回は降雨・雲観測モードとし、降雨域の割合を求めてモード判定を行う。降雨域がある一定以上の場合は、図３に示すように、従来の気象レーダにて行われているＣＡＰＰＩシーケンスによる降雨・雲観測、及びＶＡＤやＶＶＰによる風観測を主体とする。一方、降雨域がある一定以下の場合は、図４に示すように、ある一定方向（図４においては天頂方向）の乱流観測を主体とする。
【００３４】
ここで、ブラッグ散乱からの反射波は、レイリー散乱からの反射波に比べて電波強度が小さいため、空中線のビーム方向を観測方向に一定時間停止させて観測を実施するものとする。したがって、水滴がある領域ではレイリー散乱によるドップラ・エコー観測から風向・風速を算出する方がブラッグ散乱によるエコー観測から風向・風速を算出するよりも効率的である。このことから、ブラッグ散乱によるエコー観測は、降雨・雲発生領域以外の領域に限られる。
【００３５】
尚、降雨・雲観測を主体とするか乱流観測を主体とするかの判定は、初回のＣＡＰＰＩによる降雨域情報により、後述するモード判定部１４にて決定する。また、図３及び図４に示すアンテナ走査パターン例では、乱流観測を天頂方向としているが、本発明においては乱流観測方向を天頂方向だけに限定することはせず、様々な用途に応じて任意の方向に対する乱流観測を可能とするものとする。
【００３６】
次に、信号処理部１７の動作例について説明する。
【００３７】
まず、従来の気象レーダにおける信号処理では、図５に示すように、受信信号に対して平均処理（Ｓ１１）を行うことで強度信号（雨量情報）を求め、パルスペア処理（Ｓ１２）を行うことで速度信号（風速情報）を求めている。また、ウインドプロファイラや境界層レーダの信号処理では、図６に示すように、受信信号のＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理（Ｓ２１）によって時間軸領域の信号を周波数軸領域の信号に変換し、周波数スペクトル積算処理（Ｓ２２）を行った後、速度算出処理（Ｓ２３）を行うことで、速度信号（風速情報）を得るようにしている。
【００３８】
これに対し、本実施形態の気象レーダにおける信号処理では、図７に示すように、受信信号のＦＦＴ処理（Ｓ３１）を行った後、周波数スペクトル積算処理（Ｓ３２）を行い、この積算処理結果から強度算出処理（Ｓ３３）及び速度算出処理（Ｓ３４）を行って、強度信号（雨量情報）及び速度信号（風速情報）を得る。
【００３９】
ここで、ブラッグ散乱からのエコー強度はレイリー散乱からのエコー強度と比べて遙かに小さい。そこで、周波数スペクトル積算処理（Ｓ３２）において、モード情報に基づいて積算回数を切り替える。例えば、降雨・雲観測モードでは周波数スペクトル積算処理回数を１回とし、乱流観測モードでは所要のＳ／Ｎ比が得られるように複数回の積算処理を行うものとする。
【００４０】
次に、モード判定部１４の動作例について説明する。
【００４１】
信号処理部１７から天頂を含めた降雨域情報を入力し、降雨域がある一定値を超えるか超えないかを判別し、降雨・雲観測主体か乱流観測主体かの判定を行い、その情報（降雨・雲観測モード／乱流観測モード）を信号処理部１７及び空中線制御部１３へ出力する。
【００４２】
具体的な判定基準の一例を次に示す。図８に示すように、天頂方向を含む高度別ＣＡＰＰＩ出力において、降雨域が全覆域に対してある一定割合以上を占める場合に降雨・雲観測を主体とするモードとし、ある一定割合以下の場合は乱流観測を主体とするモードとする。
【００４３】
但し、乱流観測を主体とするモードでも、観測方向に降水がある時は、降雨・雲観測を主体とする。特に、ブラッグ散乱による乱流観測において、レイリー散乱の影響で受信強度がある一定値以上となる場合、降水があると判断し、降雨・雲観測主体にモードを切り替えるものとする。
【００４４】
以上の説明から明らかなように、本実施形態の構成による気象レーダでは、水滴成分のある領域についてはレイリー散乱のドップラ・エコー成分から風向・風速情報を取得し、水滴成分のない領域についてはブラッグ散乱のエコー成分から風向・風速情報を取得するようにしているので、水滴成分の有無にかかわらず風向・風速情報が得られるようになり、覆域内のどの領域でも風向・風速情報の取得が可能となる。
【００４５】
ここで、ブラッグ散乱のエコー成分を利用しているウインドプロファイラと比較した場合、ウインドプロファイラではＶＨＦまたはＵＨＦ帯の電波を用いるため、空中線が数十メートル四方の巨大な開口面積を要し、空中線の指向方向を固定せざるを得ないが、気象レーダではＣまたはＸ帯の電波を用い、開口面積が半径数メートル程度であるため、任意の方向に指向可能である。
【００４６】
このことから、例えば空港の離着陸経路近傍の乱流（マイクロバースト等）といった非常に規模の小さな気象現象まで直接観測することが可能となる。
【００４７】
したがって、両者の機能を兼ね備えた本発明による気象レーダは、降雨・雲の発生状況に依存せずに風速・風速情報が得られ、幅広い運用が可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る気象レーダは、ブラッグ散乱による乱流観測機能を備えているので、雨や雲等の水滴からのドップラ・エコーが無い場合でも、覆域内の任意の方向に対する風向・風速分布の算出が可能となる。
【００４９】
したがって、雨や雲等の水滴からのドップラ・エコーが無い場合でも、風観測の可能な気象レーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る気象レーダの一実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】同実施形態の気象レーダにおけるビーム走査パターンと比較するための従来の気象レーダのビーム走査パターンを示すパターン波形図。
【図３】同実施形態の気象レーダにおいて、降雨域がある一定以上の場合のビーム走査パターンを示すパターン波形図。
【図４】同実施形態の気象レーダにおいて、降雨域がある一定以下の場合のビーム走査パターンを示すパターン波形図。
【図５】同実施形態の気象レーダにおける信号処理手順と比較するための従来の気象レーダの信号処理手順を示す系統図。
【図６】同実施形態の気象レーダにおける信号処理手順と比較するための従来のウインドプロファイラあるいは境界層レーダの信号処理手順を示す系統図。
【図７】同実施形態の気象レーダにおける信号処理手順を示す系統図。
【図８】同実施形態のモード判定基準の一例を説明するための高度別ＣＡＰＰＩ出力例を示す図。
【符号の説明】
１１…空中線部
１２…送受信切替部
１３…空中線制御部
１４…モード判定部
１５…送信部
１６…受信部
１７…信号処理部
１８…表示部

Claims

ビーム指向方向を制御可能な空中線によりパルスビームを放射してその反射波を受信し、その信号強度から覆域内の降雨・雲発生領域を観測する気象レーダにおいて、
前記空中線により形成されるビームの指向方向を前記降雨・雲発生領域に向けて、前記反射波の受信信号からレイリー散乱によるドップラ・エコー成分を観測し、この観測結果から風向・風速分布を算出するレイリー散乱観測手段と、
前記ビームの指向方向を任意の方向に向けて、前記反射波の受信信号からブラッグ散乱によるエコー成分を観測し、この観測結果からビーム指向方向に対する風向・風速分布を算出するブラッグ散乱観測手段とを具備し、
単位観測周期内で、前記空中線により形成されるビームの指向方向を旋回させながら、複数仰角についてレイリー散乱のエコー成分を観測して前記覆域内の降雨・雲発生領域を求め、この降雨・雲発生領域の覆域内に占める割合に基づいて前記レイリー散乱観測手段と前記ブラッグ散乱観測手段を時分割で選択的に使用することを特徴とする気象レーダ。
前記レイリー散乱観測手段による観測時には、前記空中線により形成されるビームの指向方向を旋回させながら、複数仰角についてレイリー散乱のドップラ・エコー成分を観測し、前記ブラッグ散乱観測手段による観測時には、前記空中線により形成されるビームの指向方向を一定時間固定してエコー成分を観測することを特徴とする請求項１に記載の気象レーダ。