JPS5843708B2

JPS5843708B2 - 気象レ−ダ装置

Info

Publication number: JPS5843708B2
Application number: JP51070508A
Authority: JP
Inventors: 紀雄清水; 周一五島
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1976-06-16
Filing date: 1976-06-16
Publication date: 1983-09-28
Also published as: US4139847A; JPS52153691A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はマイクロ波パルスを送受信して、受信波の振幅
検波出力を情報として利用する一般の気象レーダにおい
て、グランドクラツタを自動的に除去すると同時に、グ
ランドクラツタと重畳している気象エコー強度の定量的
測定も可能とする気象レーダ装置に関する。

周知のように、気象レーダはいわゆる気象目標よりのエ
コー（以下気象エコーという）を検出し、その平均電力
より雨量を算出して気象情報を得るものである。

気象レーダは広範囲の気象目標の分布を即時的に把握で
きる有力な気象側器であるが、その測定出力には大量の
情報を含んでいるので、人手による処理では気象レーダ
情報の十分な活用は困難である。

電子計算機による処理は人手を補う有力な手段であるが
、気象レーダ情報を電子計算機へ入力するには次に述べ
るグランドクラツタの除去が必要条件である。

すなわち気象レーダ情報には検出を必要とする気象エコ
ーと共に、山岳、丘陵、建造物などの陸地上の固定目標
からのエコー（以下グランドクラツタという）が重畳し
ている場合が多く、グランドクラツタの存在は気象目標
の識別、気象エコーの反射強度の定量的な測定および電
子計算機による気象レーダ観測の自動化の著しい障害と
なっている。

この問題に対応する従来の最も一般的な方法は人手によ
る方法で、レーダ観測者が経験と熟練によって主観的に
グランドクラツタと気象エコーを識別し、気象エコーの
みのスケッチ図を作成している。

しかし一般の気象レーダでは対数受信機を採用している
ために、グランドクラックと重畳した気象エコーの振幅
は対数特性によって圧縮された状態になっているので、
グランドクラツタ上の気象エコーの検出とその定量的な
測定は非常に困難な作業であった。

またこの方法では人手を必要とするので自動化は不可能
であった。

自動的にグランドクラツタを除去する従来の方式の一つ
は、晴天時のグランドクラツタの分布状態を大容量の記
憶装置に記憶させておき、降雨時のエコーから減算する
ものであるが、グランドクラツタの振幅は電波伝播条件
および地面、樹木、建物などの含水量の変化によって、
数時間内に大幅に変化するので、グランドクラツタの効
果的な除去と気象エコーの定量的測定は困難であった。

ここでグランドクラツタ記憶装置の容量について計算し
てみる。

一般的な値として、距離方向のサンプリングをＩＪａｎ
ごとに０〜３００／ｚまで３００個、方位方向のサンプ
リングを１°ごとにＯ〜３６０°まで３６０方位とした
場合、特定の空中線仰角における記憶容量は３００Ｘ３
６０＝１０８．０００語となり、空中線仰角が変化すれ
ばそれに応じて必要な記憶容量が増加するので、大容量
の記憶装置を必要とする欠点があった。

そして大容量の記憶装置にレーダ情報を高速で人出力す
るので電子計算機による制御・表示が必要であり、装置
が大形で高価となり、実時間処理ができないなどの欠点
もあった。

自動的にグランドクラツタを除去する従来のもう一つの
方式は、グランドクラツタの振幅は時間的にほとんど変
化しないのに対して、気象エコーの振幅は短時間に大幅
に変動するのを利用して、グランドクラツタの存在を検
出し、グランドクラツタが存在すると判断した部分は観
測不可能地域として、気象エコーの有無にかかわらずレ
ーダ情報を棄却するものである。

この方式の場合、広範囲にわたってグランドクラツタが
存在すると、はとんどの気象レーダ情報が捨てられてし
まう欠点があった。

本発明はこれらの従来の方式の欠点を解決するためにな
されたもので、気象エコーとグランドクラツタの振幅変
動の統計的特性の違いに着目して、グランドクラツタを
自動的に除去すると同時にグランドクラツタと重畳して
いる気象エコーの定量的測定を可能にする気象レーダ装
置を提供するものである。

以下本発明の詳細な説明に入る前に本発明の原理につい
て説明する。

まず気象エコーの振幅変動の特性についてのべる。

レーダの送信パルス幅をｒ１電波伝播速度を０１空中線
から目標までの距離をｒ１空中線の水平ビーム幅をθｈ
１垂直ビーム幅をθ。

とすると、送信波によって目標が照射される体積Ｖ（以
下目標体積という）は ■＝πｃｒ２θ。

θｈτ／８となる。特定の目標体積内に存在する多数の
独立に変動する降水粒子からの反射波の合成である気象
エコーの振幅Ｘは、パルス送受信ごとに不規則に変動す
る。

その変動の速さは降水粒子相互の相対速度に関係するが
、気象レーダのパルス送信繰返し周期の１〜３倍（数ｍ
ｓ）で独立になる。

また受信波の包絡線に比例する振幅検波（直線検波）を
おこなったとき、気象エコーの振幅の確率密度関数ｐ
（Ｘ）はレーレ分布に従う。

すなわち、ここでＸ≧０このとき気象エコーの自乗平均値Ｘ２及び分散σｘ２は
次式で表わされる。

分散σｘ２はエコーの不規則変動成分の実効量を表わす
。

気象用パルスレーダの送信周期をＴとすると、距離ｒ１
空中線仰角θ。

、方位角θｈの目標体積から反射される受信波の振幅Ｘ
は離散的に観測できて、Ｘ（ｎＴ）Ｉｒ、θ。

、θｈ・・・ここでれは整数と表わせるが、以下簡単の
ために、Ｘ（ｎＴ）ｌｒ、θｅ１θｈ＝Ｘ（ｔ）として取
り扱う。

そして一般にＸは電圧の次元を持っているから、σｘ′
−〔電圧〕２＝〔電力〕の次元であるので、以下σｘ２
を交流電力と呼ぶことにする。

また同様の理由から（２）式で定義したＸ２を平均電力
と呼ぶことにする。

さらに気象エコーの特性が一様とみなせる目標体積から
の反射信号Ｘ（ｔ）は定常時系列に属してエルゴード性
を持つので、時間平均と集合平均は等しいものとして取
扱う。

（２）、（３）式より（４）式は気象エコーの平均
電力と交流電力の比が一定になることを示している。

従って気象エコーの交流電力が測定できれば、それと比
例関係にある平均電力を求めることができる。

気象エコーとは対照的に、グランドクラツタの振幅は数
ｍｓ程度の時間内では一定である。

すなわち直流成分のみである。

（４）式は気象エコーが単独で存在するときの関係であ
る。

次に気象エコーとグランドクラツタが共存する場合につ
いて説明する。

まず空中線に人力する受信電界を求め、次に受信波の包
絡線に比例する振幅検波出力の確率密度関数を求めて、
最後に振幅検波出力における平均電力と交流電力の関係
について説明する。

空中線に人力する気象エコーの波形Ｘ（ｔ）は一般に次
の形で表わされる。

Ｘ（ｔ）” Ｘ（１）ＣＯ５（ω。

ｔ＋φ（ｔ） ” ””””曲°曲°（５）ここでω。

：気象エコーの平均周波数Ｘ（ｔ）：レイリー分布す
る不規則変数φ（１）ニ一様分布する不規則変数気象レーダの送信周波数をωい気象エコーの平均ドプラ
周波数偏移をωｄとすると、。

、ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・（６）ここでωｄ（ω１次にグランドクラツタの振幅ｇ（ｔ）は次の形で表わさ
れる。

ｇ（ｔ）＝Ｐ００Ｓω１ｔ＝Ｐｃｏｓ（ω。

ｔ−ωｄｔ）−・−・（７）ここでＰニゲランドク
ラッタの振幅で短い時間内では一定と考えてよい。

空中線人力における気象エコーとグランドクラックの合
成液ｙ（ｔ）は、ｙ（１）＝Ｐｃｏｓ（ω。

１−ωｄｔ）＋Ｘ（Ｉ）””・・”””（８）ｙ
（ｔ）を包絡線Ｖ（ｔ）と位相φ（１）で表わすと、ｙ
（ｔ）＝■（ｔ）ｃＯｓ〔ωｃｔ＋φ（Ｉ））＝＝（
９）ｙ（１）は受信機で中間周波数領域に変換されて、
狭帯域増幅した後に直線検波される。

従って直線検波出力は（９）式の■（、）に比例する。

Ｖ（ｔ）の確率密度関数、（Ｖ）は、Ｖ（ｔ）、φ（
１）およびωｄｔの結合確率密度関数をφ（、）および
ωｄｔについて積分して求めると、ここで■≧０ＩＯ（Ｘ）’変形ベッセル関数２σ２＝気象エコーの平均電力振幅検波出力Ｖの平均値を■とするとき、■の分散σｖ
２は、 σｖ２＝ｆｏ（ＶＶ）２（Ｖ）ｄＶ’・”−
−”・（１１）σＶ′は検波出力の交流電力である。

００）式で、グランドクラツタが存在しないとき、（ｐ
＝ｏ）は（１）式となり検波出力■はレーレ−分布する
。

気象エコーの平均電力に比して、グランドクラツタの電
力が十分大のときは（２）式よりＰ２）Ｘ２．Ｐ２）σ
２．Ｐ＝：Ｖ従ってＰ■）σ２となり、右辺の変形ベッ
セル関数は次のように近似できる。

従って００）式は次のようになる。

ここで■≧００２）式は平均値Ｐ１分散σ２のガウス分布を示してい
る。

グランドクラツタが非常に強い場合の、〔気象エコーの
平均電力（Ｘ２）〕／検波出力の交流電力（σｖ２）〕
比は（２）、（１１）、（１２）式よりグラン
ドクラツタが存在しない場合のＸ２／σＶ′は（４）式
より中間の強さのグランドクラツタが存在する場合のσＶ′
の変化を明らかにするために、第１図に０１）式の計算
結界を示す。

横軸は〔グランドクラツタ電力（Ｐ２）／気象エコーの
平均電力（Ｘ２））である。

縦軸は〔気象エコーの平均電力（Ｘ２）／検波出力の交
流電力（σｖ２）〕である。

図に示すようにグランドクラツタの大きさがＯに近づく
と、Ｘ２／σＶ′は（４）式で計算された値（６，６８
ｄＢ）に漸近する。

またグランドラックが気象エコーより十分大になるとＸ
２／σｖ２は（１２）、（１３）式より漸近する。

従って気象エコーにグランドクラツタが重畳している場
合に検波出力の交流電力を測定すれば、気象エコーの平
均電力Ｘ２を求めることができる。

第１図に示すようにＸ２を正確に求めるにはグランドク
ラツタの大きさＰ２を知る必要があるがｐ２を知るこ
とができなかったとしても、Ｘ２／σｖ２の値として第
１図の中間の値（４，８５ｄＢ）を用いれば、測定誤差
は１．８４ｄＢ以内におさまる。

もともと強いグランドクラツタの現れる地域では、気象
エコー強度から推定される降雨強度の信頼性が低いこと
はよく知られている。

しかしグランドクラツタと重なっている気象エコーの存
在を発見することは重要な情報である。

また現在の気象レーダのエコー強度測定精度はグランド
クラツタの存在しない地域で数ｄＢ程度であり、グラン
ドクラツタの存在する地域では一般に気象エコーの発見
が困難であり、エコーを発見できたとしてもその測定誤
差は大幅に増加する。

従って実用的な立場で考えた場合、〔気象エコーの平均
電力（Ｘ２）／検波出力の交流電力（σｖ２）〕はググ
ランドクララの大きさに無関係に一定値としてもさしつ
かえない。

従って本発明は上記特性に着目して、気象エコーの不規
則変動が独立になる送信周期の整数倍の時間間隔におい
て、検波信号の振幅の比較をおこない、その間に変動し
ない気象エコーの直流成分とグランドクラツタを除去し
て、気象エコーの交流電力を検出する。

次にそれと比例関係にある気象エコーの平均電力を推定
するものである。

以下具体的に、図面により説明する。

同時に各部の動作を明確にするために、０１）式で定義
した検波出力の交流電力σｖ２を求める過程を数式によ
り説明する。

第２図は本発明の一実施例である。１は送信機、２は送
受切換器、３は空中線、４は局部発振器、５はミクサ、
６は対数増幅器、７は対数−直線変換器、８は交流成分
検出回路、９は単極性化回路、１０は平均化回路、１１
は直線一対数変換回路である。

１〜６は一般的な気象レーダ送受信機の構成である。

対数増幅器６は振幅検波出力が中間周波人力の対数に比
例するもので、非常に広範囲の振幅を持つ気象エコーを
飽和することなく増幅して測定するために採用されてい
る。

７〜１１は本発明の効果を得るための構成例である。

対数−直線変換器７は、対数比例入力を直線比例出力に
変換（逆対数変換）するもので、変換器の出力信号は（
１０）式のような確率密度関数を示す。

変換器７はアナログ的には対数ダイオードなどを利用し
て、デジタル的に読み出し専用メモリにより容易に実現
できる。

なお、本発明では対数増幅器６を使用した気象用パルス
レーダとして説明したが、対数増幅器６の代りに直線増
幅器を使用することにより対数−直線変換器７を省くこ
とができる。

交流成分検出回路８は気象エコーの不規則変動成分（交
流成分）を検出するためのもので、その変動が独立にな
るような送信周期の整数倍の時間遅延させた人力信号と
遅延させない信号とを比較して、直流成分を除去して交
流成分を出力する。

交流成分検出回路８の最も簡単な構成例を第３図に示す
。

第３図は１送信周期間におけるビデオ信号を比較する回
路で、周知のＭＴＩ用単−消去器と同一のものである。

図で１２は遅延線、１３は減算器であり、遅延線１２は
パルスレーダの１送信周期（数ｍｓ）の遅延時間を有
する。

交流成分検出回路８の人力を■（、）、出力をＷ（ｔ）
とすると、（１８）式で■（１）と■（ているから、Ｔ）の不規則変動は独立とし従って、交流成分検出回路８の出力は入力の２倍の交流
電力を持つ。

遅延線１２の遅延時間は１送信周期に対応する時間に限
らず不規則変動の早さに合わせて設定することにより所
期の目的を達成できる。

交流成分検出回路８は、周知のＭＴＩ消去器の中から適
当な特性のものを選択してもよく、容易に構成できる。

単極性化回路９は両波整流回路を用いる。

平均化回路１０は距離方向平均化には低域ろ波器を、方
位方向平均化にはビデオ積分器の一方または両方向によ
り構成する。

平均化区間は気象目標が一様な特性を持っている範囲内
でおこなう。

たとえば〔距離方向１ｋＸＩＸ方位方向２°〕の区間で
ある。

単極性化回路９の出力をＺ（１）とすると、その確率密
度関数ｐ（ｘ）は次のようにガウス関数で近似できる。

従って平均化回路１０の出力より気象エコーの交流成分
σヮを直接測定できる。

直線一対数変換器１１は、８〜１０の部分で直線領域で
処理された人力を従来の気象レーダと同様の対数比例出
力に変換するもので、アナログ的には対数ダイオードな
どにより、デジタル的には読み出し専用メモリにより容
易に実現できる。

直線一対数変換器１１の出力をＧ（１）とすると、（２
湯弐より、本発明の所期の目的は０５）式の関係を使用して、振幅
検波出力の交流電力σｖ２より、気象エコーの平均電力
Ｘ２を測定することである。

（１５）式より（２４）式において（２３）式の関係に
よりσ７を消去すれば従って直線一対数変換器１１の出
力を２倍にして定数を減算すれば、気象エコーの平均電
力が容易に測定できる。

平均電力Ｘ２の雨量への換算は従来の気象レーダと同様
におこなう。

次に第４図の波形図により第２図の各部の動作について
説明する。

第４図はマイクロ波パルスを送信したときの第２図の各
部における受信波形である。

図で横軸は時間または距離である。送信から受信までの
時間が目標までの距離ｒに対応する。

縦軸は信号の振幅である。

ａ、ｂ、ｃは対数−直線変換器７の出力波形である
。

ａは気象エコー１４．１５，１６のみが存在するときで
、気象エコーの確率密度関数はレーレ−分布するので振
幅が大きい部分はど大きい交流成分を持つ。

ｂはグランドクラツタ１７，１８，１９のみが存在する
場合である。

Ｃは気象エコー１４，１５，１６とグランドクラック１
７．１８，１９が重畳した場合で、以下対数−直線変換
器７の出力がＣの波形の場合について各部の動作を説明
する。

ｄは交流成分検出回路８の出力波形である。

気象エコー１４．１５，１６の直流成分およびグランド
クラツタ１７．１Ｂ、１９が除去されて、気象エコーの
交流成分が出力される。

交流成分検出回路８の出力は両極性となり、その平均値
は０である。

ｅは単極性化回路９の出力波形である。

ｆは平均化回路１０の出力波形である。

直線一対数変換回路１１は従来の気象レーダと同様の対
数比例ビデオを出力する。

変換回路１１の出力から気象エコーの平均電力が容易に
もとまる。

ここで説明した実施例は周知のノンコヒレントＭＴＩレ
ーダと類似しているが、本発明はグランドクラツタと重
畳している気象エコーの検出と定量測定を目的としてお
り、気象エコーの平均電力がその交流電力に比例するこ
とに着目したものであり、グランドクラツタの有無にか
かわらず使用できるので極めて実用性が高く、画期的な
効果を持つものである。

以上説明したように、本発明は気象エコーとグランドク
ラツタの統計的特性の相違を利用して、送信周期の整数
倍の時間内（数ｍｓ）に自動的にグランドクラツタの
除去と気象エコーの平均電力の測定をおこなえるので、
グランドクラツタと重畳する気象エコーの定量的測定が
実時間で高精度にできて、装置も小形、低価格、高信頼
性となりアナログ方式でもデジタル方式でも容易に実現
できる。

そして電子計算機による気象レーダ情報処理が可能にな
るという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定原理を説明するための図、第２図
は本発明の一実施例を示す構成図、第３図は第２図にお
ける交流成分検出回路８の構成例を示す図、第４図は第
２図に示す実施例の動作を説明するための波形図である
。８・・・交流成分検出回路、９・・・単極性化回路、１
０・・・平均化回路、１２・・・遅延線、１３・・・減
算器。

Claims

【特許請求の範囲】

１対数増幅器を使用した気象用パルスレーダにおいて
、対数比例人力を直線比例出力に変換する対数−直線変
換器と、気象エコーの不規則変動成分（交流成分）の変
動が独立になるような送信周期の整数倍の時間遅延させ
た入力信号と遅延させない信号とを比較して、直流成分
を除去して交流成分を出力する交流成分検出回路と、該
交流成分検出回路の両極性信号出力を単極性信号にする
単極性化回路と、該単極性化回路の出力の変動成分の実
効振幅を出力する平均化回路と、該平均化回路の出力か
ら気象エコーの平均電力を求める直線一対数変換器とを
備え、グランドクラツタを除去して気象目標の定量的測
定を可能としたことを特徴とする気象レーダ装置。