TWI387776B - 風速雷達 - Google Patents

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Description

風速雷達
本發明係關於經透鏡天線(lens antenna)傳收信號，以測定大氣層上之風向、風速分布等之風速雷達。
以往，因氣象觀測或航空管制等之目的使用各種雷達裝置。這些雷達裝置係為藉自天線朝對象物發射微波等之高頻電波，接收從該對象物反射之反射波以偵測對象物之大小和形狀、距離、移動方向、移動速度等之裝置。例如，若是係為用於觀測氣象狀態之氣象雷達裝置的情形，則對雨等之水滴發射電波，藉解析接收之反射波，以偵測降雨區之範圍，和降雨量等。
另外，觀測直接受到來自地表的放射、吸收之影響的大氣層上的大氣運動，在瞭解地理環境上係為非常重要，而做為觀測的一環，則係使用風速雷達以觀測每種高度之風向．風速之分布。此風速雷達，為了測定風的吹向(亦即，風向)，最小限度係對天頂方向，以及北、東各方位，在成既定之天頂角θ之方位角方向的3方向上發射電波以行測定。又，當要提高資料的可靠性時，則對天頂方向，以及北、南、東、西之各方位，在成既定之天頂角θ之方位角方向的5方向上發射電波以行測定。
另外，有關屬於這樣子的風速雷達之主要構成構件的天線之形式，以往係使用拋物線(parabola)、和相位化陣列(phased array)方式之天線。這裡，為了簡易地觀測各地之風向‧風速，風速裝置有必要作成為裝置整體小型化，構造簡單化俾能容易地移動。因此，有必要極力減少電路、零件、電纜等以降低成本，而為了確保同時性，電波的切換有必要高速地進行。另外，考量強風時之資料的安定性，期望係作形為不易受風壓的構造，電波方向之天頂角θ最好係為可變。
這裡，拋物線天線若是被利用做為風速雷達之主要構成構件之情形，則採用下述之兩種形式。亦即，(a)使用3個拋物線之形式，(b)機械地移動之1個拋物線之形式。
(a)的形式係為設置分別對應天頂、北、東之各個方位之3個拋物線天線，切換各個拋物線天線以行觀測之形式。但是，因為是併排設置3個具有1m以上直徑之天線的形式，故非常龐大，需要大的設置面積，從而受到設置場所的限制。因此，不容易實現裝置之小型化，成本也高漲。另外，拋物線天線因係為容易受風壓之構造，故遇到颱風等之強風時，因風的影響，天線搖動，影響到觀測資料。因此，缺少資料之正確性、安定性。再者，拋物線天線因係固定設置，故無法容易地改變電波方向之天頂角θ。
若是(b)的形式的情形，則藉旋轉移動，能使拋物線天線之開口面對應各種觀測方向，故對全部之方位，只要設置1台之拋物線天線即可。因此，沒有如上述(a)的形式那樣的龐大。但是，要使具有1m以上的直徑之大天線傾斜，移動到目標的方位後固定，對天線言，須要有極大之天線支撐機構和控制機構。從而，裝置必然會大型化。另外，因係為藉執行機械操作以改變天線的方向之方式，故切換方位所需之時間長。因此，各方位間之觀測旋轉的同時性無法獲得，從而無法對應急劇之氣象變化。再者，與(a)的形式之情形相同地，具有當遇到颱風等之強風時，欠缺資料之正確性、安定性的問題。
相位化陣列式之天線係為藉改變單位天線的供電信號的相對相位，能隨著地控制指向性，亦即，被傳收之電波的傳收方向之天線。係為採用將多數之單位天線配列成平面狀，以劃一傳收方向之電波的相位面之方式。因此連接有移相器，其係根據單位天線配置之位置，賦與各單位天線既定之相位量，以改變單位天線之相位。
此相位化陣列方式之天線，天線面係為平面，且與地面平行，因此不易受到風的影響，即便當遇到強風時，也能安定取得資料。另外，因係控制各個單位天線的相位、切換波束方位，故能進行高速切換。
若是係將相位化陣列方式之天線做為風速雷達之主要構件而利用之情形，則要滿足做為風速雷達之特性所要的條件，例如傳收之電波的天線增益須大於30dBi。但是，為了滿足此條件，必須併列100個以上之單位天線。另外，在各個單位天線上，須逐一連接被束方位切換所需之移相器，而在這些移相器上，需要有移相器改變必要之相位量所用之控制電路和控制線等。因此，風速雷達之構造變成極為複雜。再者，天線因係由多數之單位天線所構成，做傳收器也需要多數，相位化陣列方式之天線之成本逐變成非常高。
因此，對上述之風速雷達為了滿足所要求之種種條件，有揭示使用透鏡天線之風速雷達。更具體地說，此風速雷達具備使用介電體材料，且形成為相對介電係數在半徑方向上以既定之百分例變化那樣之球形狀之電波透鏡；配置在經電波透鏡，在所要之多數的方位角方向上傳、收之電波的焦點位置上之多數電波透鏡；及連接於該等電波透鏡之傳收器。此電波透鏡係為所謂魯內貝爾格(Luneberg)透鏡，遠久以來即為人所知悉之電波透鏡，其構成電波透鏡係被載置於具有直徑係比電波透鏡之直徑小若干的環狀支撐板上，該支撐板係被腳構件所支撐，從而支撐電波透鏡。據文件記載(例如，參照專利文獻1)，依這樣的風速雷達，藉多數電波透鏡之高速切換，能確保資料的同時性，因不易受風壓之影響，故能確保強風時之資料的安全性，另外，能實現裝置整體的小型化、構造之簡單化、及低成本化。
這裡，記載於下列專利文獻1上之風速雷達使用合成樹脂之發泡體作為形成魯內貝爾格透鏡的介電體材。但是，例如使用直徑為800mm的魯內貝爾格透鏡的情形，該魯內貝爾格透鏡的重量則約達50kg。又，因魯內貝爾格透鏡係由合成樹脂之發泡體形成，故強度弱，容易變形。於是，藉將魯內貝爾格透鏡置於上述之環狀支撐板上，以支撐該魯內貝爾格透鏡之構成，魯內貝爾格透鏡會有因自身的重量而產生變形，或破損之情形，從而具有不易適切地支撐魯內貝爾格透鏡之問題。
專利文獻1：日本專利公開公報特開2005-61095號
這裡，上列專利文獻1記載之風速雷達係使用合成樹脂之發泡體作為形成魯內貝爾格透鏡之介電體材料。但是，例如，若是使用直徑為800mm之魯內貝爾格透鏡之情形，該魯內貝爾格透鏡的重量則約達50kg。另外，魯內貝爾格透鏡因係由合成樹脂之發泡體形成，故強度弱，容易變形。於是，藉將魯內貝爾格透鏡載置於上述之環狀支撐板上，以支撐該魯內貝爾格透鏡之構成，魯內貝爾格透鏡會有因自身的重量而產生變形，或破損之情形，從而具有不易適切地支撐魯內貝爾格透鏡之情形的問題。
本發明係鑑於上述問題而創作出者，其目的係提供一種風速雷達，係為一種具備使用介電體材料，且係形成為相對介電係數係在半徑方向上以既定之百分例變化那樣之球形狀的電波透鏡的風速雷達，能有效果地防止電波透鏡之變形破損。
為了達成上述目的，本發明之一種形態係提供具備球形狀之傳收電波用之電波透鏡，傳收電波用之一次放射器，及支撐電波透鏡之支撐構件的風速雷達。傳收電波用之電波透鏡係使用介電體，且形成為相對介電係數係在半徑方向上，以既定之百分例變化那樣之形狀。傳收電波用之一次放射器係沿著電波透鏡之外周，配設在經電波透鏡，於應觀測之多數方位角方向上，傳收之電波的焦點位置上。載置電波透鏡之支撐構件的表面具有對合電波透鏡之形 狀的球面形狀。
依上述構成，在支撐構件之表面上，能將電波透鏡之載重均等地分散。因此，即便係為使用魯內貝爾格透鏡(例如，直徑為800mm，重量為50kg)，其係使用介電體，且形成為相對介電係數係在半徑方向上以既定之百分例變化那樣之球形狀，做為電波透鏡之情形，也能有效果地防止魯內貝爾格透鏡之變形，或破損。其結果，具備電波透鏡之風速雷達，電波透鏡能適切地被支撐。
上述之風速雷達，良好地在支撐構件上有形成用於收容一次放射器之收容部。依前述構成，在藉支撐構件適切地支撐電波透鏡之狀態下，能容易地將一次放射器配置於焦點位置上。
上述之風速雷達，支撐構件係良好地由纖維強化塑膠材料所形成。依此構成，纖維強化塑膠材料因具有優良之耐載重性，故能藉支撐構件，確實地支撐電波透鏡。又，因能將支撐構件之厚度作得薄，故一次放射器放射之電波，或入射到一次放射器之電波當透射支撐構件之際的該電波之透射損失，及相位變化能受到有效果地抑制。另外，纖維強化塑膠材具有良好之耐熱性，因溫度變化所產生之尺寸變化小，因此，能防止支撐構件因長期使用而產生變形或破損。另外，纖維強化塑膠材另具有優良之加工性，故容易將支撐構件之表面加工成對合電波透鏡之形狀的球面形狀，從而容易製造支撐構件。
上述之風速雷達，纖維強化塑膠材之纖維強化材係良好地從玻璃纖維、聚乙烯(polyethylene)纖維、及聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)纖維等之纖維群中選出之至少一種。依此構成，能更為有效果地抑制在支撐構件上之電波透射損失。
又，上述之風速雷達，支撐構件係良好地由從聚烯烴(polyolefin)系樹脂、聚苯乙烯(polystyrene)系樹脂、及氟系樹脂等之樹脂群中選出之至少一種所形成。依此構成，能有效果地抑制自一次放射器放射之電波，或入射到一次放射器之電波透射支撐構件之際的該電波之透射損失，及相位變化。另外，這些樹脂因加工性優良，故容易將支撐構件之表面對合電波透鏡之形狀，加工成球面形狀，從而容易製造支撐構件。
上述之電波透鏡，支撐構件係良好地由發泡倍率為40以上之樹脂發泡體所形成。依此構成，能藉具有介電係數之樹脂發泡體形成支撐構件。於是，能更為有效果地抑制電波透射支撐構件之損失。
 (實施發明所用之最佳形態)
下面將說明良好之實施形態。第1圖係為表示有關本發明之實施形態之風速雷達的整體構成之部分剖面圖，第2圖係為用於說明支撐風速雷達之電波透鏡的支撐構件之斜視圖。另外，第3圖係為用於說明有關本發明之實施形態之風速雷達所執行之風速、風向的測定方法之圖。
如第1圖所示，此風速雷達1具備傳收電波用之電波透鏡2，及沿著該電波透鏡2之外周配設之多數傳收電波用之一次放射器3(本實施形態，設有5個傳收電波用之一次放射器3Z,3N,3S,3E，及3W)。另外，符號Z,N,S,E及W係分別表示天頂方向、北方向、南方向、東方向、及西方向。
此電波透鏡2係為具有球形狀之魯內貝爾格透鏡，由中心的球核21 ，和包圍此球核21 之多數異徑球殼22 ,…,2n-1, 2n 所形成之球形狀之透鏡，係為使用介電體，且形成為相對介電係數係在半徑方向上以既定之百分例變化那樣之形狀者。另外，這裡所稱之介電體係指呈現出順鐵電現象(paraferroelectricity)、鐵電現象、或者反鐵電現象(antiferroelectricity)，不具有導電性之物質。由此魯內貝爾格透鏡作成之電波透鏡2係為各球殼部之相對介電係數εγ大略依從式εγ=2-(r/R)2 那樣地形成，同時中心部之相對介電係數係設定於約為2，而相對介電係數從該中心部朝外側變成1那樣地變化。再者，上述之式，R係為球的半徑，r係為距球中心之距離。另外，本實施形態，電波透鏡2之直徑能使用例如，800mm、600mm、450mm者。
作為此魯內貝爾格透鏡用之介電體，例如能使用聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂(polypropylene resin)等之聚烯烴系之合成樹脂之發泡體。另外，也能使用對該合成樹脂添加氧化鐵(titaniurn oxide)、鈦酸鹽(titanate)、鋯酸鹽(zirconate)等之無機鐵電填料(filler)，使其發泡之物。而，這些介電發泡體之相對介電係數係藉改變發泡倍率以控制比重，進 而被調整到目標值，藉該調整，能得出高比重，且某種程度之高相對介電係數。
又，若僅改變發泡倍率以調整此相對介電係數時，則在外周側之倍率必須係為中心側者之10倍以上，因此最好是無機鐵電填料之添加百分例在中心側要增加，在外周側則減少。另外，上述球核之層數n係為任意之數，但本實施形態之風速雷達1，係設定為例如，16~18，如此設定以使各球核之介電係數能細緻、圓滑地變化。
又，介電發泡體之製造方法之例有對原料(合成樹脂單體，合成樹脂和無機鐵電填料之混合物)，藉加熱分解，並添加會產生氮氣等之氣體的發泡劑，然後將其等注入所要形狀的模具內使發泡之化學發泡法。另外，有事先使含浸揮發性發泡劑之小丸(pellet)狀材料發泡，將得出之預先發泡之小珠(beads)充填於所要形狀之模具，然後以水蒸氣等加熱，使再度發泡，同時，使鄰接之小珠相互融結之小珠發泡法。
一次放射器3係使用斷面形狀略呈矩形狀或具有略呈圓形之開口部的電磁角天線(horn antenna)或在導波管上裝設介電體棒之介電體棒天線等。另外，也能使用微條天線(micro-strip antenna)、槽溝天線(slot-antenna)、雙極天線(dipole antenna)等之線狀天線、及環型天線(loop antenna)作為一次放射器3。另外，一次放射器3傳收之電波的電場之方向性(偏波)係直線偏波(例如，垂直偏波和水平偏波)、和圓偏波(例如，右旋偏波和左旋偏波)兩者皆佳。再者，如第1圖所示，一次放射器3係作成為被支撐在支撐軌道5,6上之構成，前述支撐軌道5,6則係被支撐於軸部4上。
又，一次放射器3係為如第1圖所示，在對應從地上到上空上之觀測領域上之應觀測的所要之多數方位角方向之電波透鏡2的焦點位置(亦即，經電波透鏡2在應觀測之多數方位角方向上傳收電波之焦點位置)上，配設5個傳收電波用之一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W者。更具體的說，係為對自地上到上空止之觀測領域上之天頂方向、及北、南東、西各方位，對應在於成既定之天頂角θ之方位角方向上傳收電波之焦點位置上，配設5個傳收電波用之一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W者。再者，這些一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W係作成藉未圖示之同軸電纜接到後述之控制部9的傳送器11、及接收器12之構成。
又，本實施形態，天頂角θ係在10°~15°之範圍內設定於適當之角度。第1圖示出一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W係在支撐軌道5,6上，固定設置在對應上述多數之方位角方向上之電波透鏡2的焦點位置上。另外，一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W各個係構成能移動地設置在支撐軌道5,6上，同時，能在既定之方位角位置上固定，良好地作成能在上述之範圍內，使天頂角θ變化。
另外，如第1圖、第2圖所示，電波透鏡2係作成為被支撐構件7支撐之構成。更具體的說，電波透鏡2之表面2a的一部分係被載置在支撐構件7的表面7a上，藉此，電波透鏡2被支撐構件7所支撐。而，如第1圖、第2圖所示，支撐構件7載置電波透鏡2之表面7a具有對合電波透鏡2之形狀(亦即，球形狀)的球面形狀。藉這樣的構成，在支撐構件7之表面7a上，能將電波透鏡2的載重均等地分散，因此，電波透鏡2即便是由合成樹脂之發泡體形成，例如，使用直徑為800mm，重量為50kg之魯內貝爾格透鏡之情形，也能有效果地防止該魯內貝爾格透鏡之變形，或破損。
又，本實施形態，如第1圖所示，在支撐構件7上形成有用於收容一次放射器3等之收容部17。在電波透鏡2被支撐構件7適切地支撐之狀態下，藉此收容部17能容易地將一次放射器3配置在電波透鏡2的焦點位置上。
另外，這樣子，將一次放射器3等收容於支撐構件7之內部之構成，當經由電波透鏡2，自一次放射器3放射電波，或者，當電波入射到一次放射器之際，該電波必透射支撐構件7。於是，支撐構件7必須具有優良之電波透射性(亦即，透射損失小、相位變化小的特性謂之)。又，支撐構件7也須有能承載電波透鏡2之載重的強度(亦即，耐載重性)。因此，本實施形態，為了確保優良之電波透射性，及耐載重性，做為構成支撐構件7之材料，係良好地使用纖維強化材和基質樹脂(matrix resin)構成之纖維強化塑膠(FRP)。
此纖維強化塑膠材因具有優良之耐載重性，故藉使用由纖維強化塑膠材形成之支撐構件7，能確實地支撐透鏡2。另外，纖維強化塑膠材因具有優良之耐載重性，故由纖維強化塑膠材形成之支撐構件7的厚度能作得薄。更甚者，藉選擇具有優良電波透射性(亦即，相對介電係數低、介電體損耗角正切(dielectric loss tangent)低)之纖維強化材和基質樹脂，當自一次放射器3，或者入射到一次放射器3之電波透射支撐構件之際，能有效果地抑制該電波之透射損失，及相位變化。另外，纖維強化塑膠材因耐熱性優，溫度變化所引起之尺寸變化小，故能有效果地防止因長期使用而造成支撐構件7之變形和破損。再者，纖維強化塑膠材因加工性優之故，容易將支撐構件7之表面7a加工成對合電波透鏡2之形狀，支撐構件7之製造變成容易。
做為纖維強化塑膠材之纖維強化材，例如有玻璃纖維、纖維尼龍(nylon)纖維、聚乙烯纖維、及聚四氟乙烯(PTFE)纖維等，這些纖維能夠單體或組合使用。其中，做為纖維強化材，藉使用玻璃纖維、聚乙烯纖維、及聚四氟乙烯纖維，能更加有效果地抑制電波的透射損失。另外，在玻璃纖維中，藉使用石英(SiO2 )的純度高(例如，純度為99%)之石英玻璃纖維，或上述之聚四氟乙烯纖維，因能將電波之透射損失抑制到最小，故特別良好。
又，做為玻璃強化塑膠材之基質樹脂，能使用熱硬化性樹脂及熱可塑性樹脂。而做為熱硬化性樹脂，例如，有不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂(phenolic resin)、環氧樹脂、及雙馬來酸酐縮亞胺(bis maleimide)樹脂等。另外，做為熱可塑性樹脂，例如，有聚醯胺(polyamido)樹脂、聚亞胺(polyimide)樹脂、聚醯胺亞胺樹脂、聚醚亞胺(polyether imide)樹脂、及聚醚碼樹脂(polyether sulfone resin)。另外，這些樹脂能被單體或組合使用。又，從兼顧電波透射性和耐載重性的觀點考量，由纖維強化塑膠材形成之支撐構件7的厚度係1mm~5mm為佳。
又，本實施形態，形成支撐構件7之材料也能使用合成樹脂替代上述之纖維強化塑膠材。做為該合成樹脂能使用熱硬化性樹脂及熱可塑性樹脂，從有效果地抑制電波的透射損失，及相位變化觀點，考量能良好地使用聚烯烴系樹脂或聚苯乙烯系樹脂、及氟系樹脂。又，這些樹脂係與上述之纖維強化塑膠材同樣地具有優良之加工性，因此，容易將支撐構件7之表面7a加工成對合電波透鏡2之形狀的球面形狀，從而容易製造支撐構件7。做為聚烯烴系樹脂，例如，有聚乙烯、聚丙烯、乙烯－丙烯共聚合體、乙烯丁烯共聚合體、及丙烯丁烯共聚合體等。又，做為聚苯乙烯系樹脂，例如，有聚苯乙烯、苯乙烯－丙烯腈(styrene－acrylonitrile)共聚合體、苯乙烯－丁二烯(butadiene)共聚合體、苯乙烯－甲基丙烯酸(methacrylic acid)共聚合體、苯乙烯－甲基丙烯酸甲基共聚合體、及苯乙烯－丙烯酸(acrylic acid)共聚合體。另外，做為氟系樹脂，有聚四氟乙烯、四氟乙烯－六氟丙烯(hexafluoro propylene)共聚合體(FEP)等。
做為形成支撐構件7之材料，也能使用具有高發泡倍率之樹脂發泡體。從電波透射性的觀點考量，在電波透鏡2與一次放射器3之間最好是僅存在介電係數為1之空氣。於是，為了將形成為存在於電波透鏡2與一次放射器3間的支撐構件7之材料的介電係數降低到極接近空氣之介電係數的介電係數，有必要使用具有高發泡倍率之發泡體，以形成支撐構件7。本實施形態，係藉使用發泡倍率為40以上之樹脂發泡體，能由具有介電係數極接近空氣的介電係數之發泡體形成支撐構件7。因此，與做為上述之纖維強化塑膠材，使用玻璃纖維、聚乙烯纖維、及聚四氟乙烯纖維之情形同樣地，能更有效果地抑制當電波透射支撐構件7之際，該電波之透射損失、及相位變化。
另外，做為形成具有這樣的高發泡倍率之樹脂發泡體之樹脂，能良適地使用例如，上述之聚烯烴系樹脂或聚苯乙烯系樹脂、及氟系樹脂。又，從所謂提高電波透射性之觀點考量，由具有高發泡倍率之發泡體形成之支撐構件7的厚度係10mm~100mm為佳。
另外，如第1圖所示，風速雷達1具備電波透鏡2、一次放射器3、及用於保護支撐構件7不受風雨和積雪之侵襲之雷達圓頂8，電波透鏡2、一次放射器2、支撐構件7等係收容於雷達圓頂8的內部。又，為了使雷達圓頂8成為具有優良之電波透射性，本實施形態為了確保優良之電波透射性，做為構成雷達圓頂8之材料係良適地使用例如，上述之纖維強化塑膠(FRP)材。另外，本實施形態之風速雷達1係如第1圖所示，在該雷達圓頂8之下方具備收容有下述之傳送器11、接收器12等之控制部9。
下面將參照第3圖說明風速雷達1所執行之風速、風向的測定方法。如第3圖所示，風速雷達1之控制部9具備產生高頻信號之振盪器10；接於該振盪器10，放大藉振盪器10產生之高頻信號之傳送器11；及放大反射或後於散亂而射回的微弱高頻電波之信號的接收器12。另外，控制部9具備傳送器11；接收器12；及與一次放射器3連接，執行被傳收之信號的切換之切換器13，一次放射器3(亦即，多數之一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W之各個)係作成為經切換器13接到傳送器11、接收器12之構成。又，控制部9另具備接於接收器12，偵測藉該接收器12接收之信號之信號偵測器14；及接於信號偵測器13，處理藉該信號偵測器14偵測之信號，以運算大氣層T之風速、風向之資訊的信號處理器15。
又，控制部9另具備做為控制手段之電腦16，藉起動雷達裝置控制程式，執行振盪器10、傳送器11、接收器12、切換器13、信號偵測器14、及信號處理器15之控制。
在上述之構成下，於執行風速、風向之觀測之際，首先，由振盪器10產生既定之高頻信號，並將該高頻信號送到傳送器11。其次，藉傳送器11放大高頻信號，接著，送到各個一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W。然後，被放大之高頻信號則做為高頻電波20，從各個一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W經電波透鏡2朝在上空中上述之應觀測的所要之多數方位角方向放射。接著，被上空之大氣層T反射，自各方位角方向回射之微弱高頻電波21則被電波透鏡2會聚在焦點位置上，經電波透鏡2被各個一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W所接收。
這時，本實施形態，如上述那樣，在對應應觀測之多數方位角方向，例如，天頂、及東西南北與天頂形成角θ之方位角方向，上經電波透鏡2傳收電波之焦點位置上，配設一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W。因此，若從配設在各個焦點位置上之一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W傳送電波時被反射之電波則立即朝在各個焦點位置上之一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W回射，從而能得到既定方位角方向之電波信號。於是，能同時在多數之方位角方向上傳收電波，因此，提昇收集之資料的同時性係可其目的。另外，也可實現縮短資料之收集時間。
本實施形態係構成為將各個一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W接收之電波信號送到藉切換器13切換之接收器12。接著，接收器12將高頻信號放大後經信號偵測器14送到信號處理器15，藉該信號處理器15處理信號偵測器14偵測之信號，進而得出大氣層T之風速、風向的資訊。
另外，也可作成對應各個一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W，設置傳送器11、及接收器12(亦即，分別設置5個傳送器11和5個接收器12)之構成。又，也可作成對多數之一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W僅設置1組傳送器11及接收器12(亦即，1個傳送器11和1個接收器12)，藉控制切換器13，從多數之一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W中，選擇放射電波(或者，使電波入射)之一次放射器之構成。
又，本實施形態之風速雷達1係藉觀測從風速雷達1放射之電波的一部分因大氣的亂流而散亂，同時因氣流之速度所引起之都卜效應(Doppler effect)而產生之頻率位移，以觀測大氣層T之風向、風速的資訊。
亦即，例如，如第3圖所示，對南向S朝成既定之天頂角θ的方位角方向，自一次放射器3S，經電波透鏡2放射脈衝狀之電波後，此電波在上空，由於折射率隨著大氣之擾亂(亂流)產生擺動，會稍稍散亂，依對應高度之時間遲延，回射到電波透鏡。因此，藉將散亂波強度做為時間的函數，進行測定，能得出不同高度之風速、風向之資料，這樣的測定係藉將接收器12接收之電波信號，在上述之控制部9上運算而得出。
又，本實施形態，在執行此項測定之際，如上述那樣，係使用球形狀之魯內貝爾格透鏡做為電波透鏡2。因此，電波之衰減率小，即便是微弱之電波也能充份地偵測出。另外，能提供強度高，且不易受風壓之電波透鏡2。因此，即便設置在會受颱風之侵襲，曝露於強風之地域之情形，也能提供耐風性優良之風速雷達1。
另外，本實施形態之風速雷達1係與上述之相位化陣列方式之天線不同，在一次放射器上不必連接移相器，另外，也不必要多數之單位天線。因此，能圖得信號之小型輕量化，及構造之簡單化。另外，因能極力減少電路、零件、電纜等，故也能實現低成本化。
下面將參照第3圖說明有關上述之控制部9之運算。在上空之大氣層T之亂流因係乘著大氣之擾亂(亦即，風)K而移動，散亂之電波，因都卜勒效應，如第3圖所示，產生與在散亂點A上之風速V成比例之頻率移位(亦即，都卜勒移位)△f。而，在此都卜勒移位△f與視線方向風速(radial wind－speed)(風速在電波放射方向上之成份)Vr之間，則成立下列之式子。
其中f係為放射電波之頻率，及c係為光速。
另外，上述(式1)，因視線方向風速Vr與光速c相比時係小得可以忽視之程度，故將前述(式1)展開，省略二次方以上之項，可得出下列(式2)。
而，若是將一次放射器3放射之電波的方位朝向天頂方向Z之情形，則從(式2)，能求出風速V之垂直成份Vz。其次，將電波的方向，對天頂方向z，變更為僅傾斜±θ之方向，藉測定此±θ之視線方向之風速Vr(θ)，能藉下述(式3)求出風速V之水平成份Vh。另外，這種情形，電波測定範圍內之風K係假設為一樣。
再者，上述(式3)θ和－θ，例如，係對應東和西(或者北和南)。藉上述，能得出不同高度上之風速及風向之高度分布。這樣子，本實施形態之風速雷達1係為利用透鏡天線，藉自地表放射之電波，能簡易地，且正確地測定大氣層上之風向、風速分布等之物，能廣泛地利用於大氣運動的觀察。
依以上說明之本實施形態，能得出下述之效果。
(1)本實施形態之風速雷達1具備使用介電體，且形成為相對介電係數係在半徑方向上以既定之百分例變化那樣之球形狀的電波透鏡2；和支撐該電波透鏡2之支撐構件7。而，載置電波透鏡2之支撐構件7之表面7a具有對合電波透鏡2之形狀的球面形狀。因此，在支撐構件7之表面7a上，能將電波透鏡2之載重均等地分散，因此，即便是使用重量大之魯內貝爾格透鏡之情形，也能有效果地抑制該魯內貝爾格透鏡之變形、或破損。結果，具備電波透鏡2之風速雷達1，電波透鏡2能被適切地支撐。
(2)本實施形態，支撐構件上形成有用於收容一次放射器3之收容部17。因此，在藉支撐構件7適切地支撐電波透鏡2之狀態下，能容易地將一次放射器2配置於電波透鏡2之焦點位置上。
(3)本實施形態，係作成藉耐載重性優之纖維強化塑膠材形成支撐構件7之構成。因此，藉支撐構件7能確實地支撐電波透鏡2。另外，因能將支撐構件7之厚度作得薄，故能有效果地抑制從一次放射器3放射，或者入射到一次放射器3之電波透鏡支撐構件7之際，該電波之透射損失、及相位變化。又，纖維強化塑膠材耐熱性優，溫度變化引起之尺寸變化小，因此，能有效果地抑制支撐構件7之變形或破損。再者，纖維強化塑膠材因加工性優之故，支撐構件7之製造也變成容易。
(4)本實施形態，係作成做為形成支撐構件7之纖維強化塑膠材之纖維強化材，係使用玻璃纖維、聚乙烯纖維、及PTFE纖維之構成。因此，能更有效果地抑制支撐構件7之電波透射損失。
(5)本實施形態，係作成藉聚烯烴系樹脂、聚苯乙烯系樹脂、及氟系樹脂形成支撐構件7之構成。因此，能有效果地抑制當從一次放射器3，或者入射到一次放射器3之電波透射支撐構件7之際，該電波之透射損失、及相位變化。再者，這些樹脂，因加工性優，故支撐構件7之製造也容易。
(6)本實施形態，係作成藉發泡倍率為40以上之樹脂發泡體形成支撐構件7之構成。因此，能更有效果地抑制支撐構件7之電波透射損失。
另外，上述之實施形態也能如下述那樣地變更。
上述之實施形態係作成將多數之一次放射器3Z,3N,3S,3E及3W配設在對應於在多數之方位角方向上傳收之電波的焦點位置上之構成，但也可作成對一個一次放射器3隨意移動俾對應於在多數之方位角方向上傳收之電波的焦點位置上而配設之構成。更具體言之，如第4圖、第5圖所示那樣之風速雷達50，支撐軌道5、6係相互正交地設置，同時，例如支撐軌道5係朝南北方向設置，支撐軌道6係朝東西方向設置。然後，將1個一次放射器3在支撐軌道5、6上，於圖中之箭頭方向上隨意移動地設置，並對天頂方向，及北、南、東、西各方位，停止於在形成既定之天頂角θ之方位角方向上被傳收之電波的焦點位置上，進而在各個停止位置上測定風速、風向的資料。另外，風速、風向資料的測定方法係與上述實施形態者相同。藉這樣的構成，利用1個一次放射器3，能測定風速、風向之資料，因此，能抑制成本的上昇。
另外，如第6圖所示，風速雷達51也可作成將支撐一次放射器3之支撐軌道30僅在一個方位方向上延伸，同時支撐支撐軌道30之軸部4係能隨意旋轉地設置之構成。這種情形，將1個一次放射器3Z固定配設在於天頂方向Z上傳收之電波的焦點位置上，同時將另1個一次放射器3能隨意移動地設在支撐軌道30上。然後，對北、南、東、西之各方位將該一次放射器3停止於在形成既定之天頂角θ的方位角方向上被傳收之電波的焦點位置上，進而在各個停止位置上，測定風速、風向之資料。
另外，如第7圖所示之風速雷達52那樣，也可作成省略掉在第6圖所示之風速雷達51上，配設在於在天頂方向Z上被傳收之電波的焦點位置上之一次放射器3Z，只有在支撐軌道30上設置1個能隨意地移動之一次放射器3之構成。這種情形，對天頂方向，及北、南、東、西之各個方位，使該一次放射器3停止於在形成既定之天頂角θ之方位角方向上被傳收之電波的焦點位置上，進而在各個停止位置上，測定風速、風向之資料。
又，形成支撐構件7之材料，只要係為具有上述之電波透射性、耐載重性、及加工性之物質，也可以使用其它之材料。例如，能使用陶瓷材料、或木材等做為形成支撐構件7之材料。
另外，能將多個風速雷達1併列使用。更具體的說，例如，如第8(a)圖所示那樣，能配列4個風速雷達1，如第8(b)圖所示那樣，能配列7個風速雷達1。另外，如第8(c)圖所示那樣，能配列13個風速雷達1。藉這樣的構成，因能增大電波透鏡2之物理上之面積，故能提昇天線增益和傳送電力。結果，能提高雷達之性能(例如，觀測高度)。再者，這種情形，如參照第3圖說明之振盪器10、信號偵測器14、及信號處理器15等可對多數之風速雷達1各別設置，或者，也可作成對多數之風速雷達1全部，只設置1個振盪器10、1個信號偵測器14及1個信號處理器15之構成。
(產業上之利用可能性)
本發明之活用例，有經由透鏡天線傳收信號，進而測定大氣層上之風向、風速分布等之風速雷達。
1．．．風速雷達
2．．．電波透鏡
3．．．一次放射器
4．．．軸部
5,6．．．支撐軌道
7．．．支撐構件
8．．．雷達圓頂
9．．．控制部
10．．．振盪器
11．．．傳送器
12．．．接收器
13．．．切換器
14．．．信號偵測器
15．．．信號處理器
第1圖係為表示有關本發明之實施形態之風速雷達的整體構成之部分剖面圖。
第2圖係為用於說明支撐風速雷達之電波透鏡的支撐構件之斜視圖。
第3圖係為用於說明有關本發明之實施形態之風速雷達所執行之風速、風向的測定方法之圖。
第4圖係為表示有關本發明之實施形態之風速雷達之變更例之部分剖面圖。
第5圖係為第4圖之部分放大圖。
第6圖係為表示有關本發明之實施形態之風速雷達之變更例的部分剖面圖。
第7圖係為表示有關本發明之實施形態之風速雷達的變更例之部分剖面圖。
第8(a)圖~第8(c)圖係為用於說明有關本發明之實施形態的風速雷達之配列之圖。
1．．．風速雷達
2．．．電波透鏡
2a．．．電波透鏡表面
21 ．．．球核
22 ,…,2n－1 ,2n ．．．異徑球殼
3．．．一次放射器
4．．．軸部
5,6．．．支撐軌道
7．．．支撐構件
7a．．．支撐構件表面
8．．．雷達圓頂
9．．．控制部
10．．．振盪器
17．．．收容部

Claims (5)

  1. 一種風速雷達，其特徵為具備：球形狀的傳送接收用之電波透鏡，其係使用介電體，以相對介電係數在半徑方向上依既定之比例變化的方式形成；傳送接收用的一次放射器，其係沿著前述電波透鏡之外周而配設於在觀測之多數方位角方向上透過前述電波透鏡傳送接收之電波的焦點位置上；及支撐構件，其係支撐前述電波透鏡，載置前述電波透鏡之前述支撐構件之表面具有與前述電波透鏡之形狀相符的球面形狀，在前述支撐構件上形成有用於收容前述一次放射器之收容部。
  2. 如申請專利範圍第1項之風速雷達，其中前述支撐構件係由纖維強化塑膠材料所形成。
  3. 如申請專利範圍第2項之風速雷達，其中前述纖維強化塑膠材料之纖維強化材料係由玻璃纖維、聚乙烯纖維、及聚四氟乙烯纖維所構成的群組中選出之至少一種纖維。
  4. 如申請專利範圍第1項之風速雷達，其中前述支撐構件係藉由聚烯烴系樹脂、聚苯乙烯系樹脂、及氟系樹脂所構成的群組中選出之至少一種樹脂所形成。
  5. 如申請專利範圍第4項之風速雷達，其中前述支撐構件係由發泡倍率為40以上之樹脂發泡體所形成。
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