JP2019152606A

JP2019152606A - 気象レーダ偽像判定装置、プログラム及び方法

Info

Publication number: JP2019152606A
Application number: JP2018039691A
Authority: JP
Inventors: 太郎柏柳; Taro Kashiwayagi; 和臣諸富; Kazuomi Morotomi
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2038-03-06
Also published as: JP7057164B2

Abstract

【課題】計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減し、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示する気象レーダ偽像判定装置を提供する。【解決手段】同一のビーム方向及び同一のレンジビンにおいて、メインローブ幅がより狭くサイドローブレベルがより高い第１の受信ビームが形成されているときにおける第１の反射因子Ｚと、メインローブ幅がより広くサイドローブレベルがより低い第２の受信ビームが形成されているときにおける第２の反射因子Ｚと、を算出する反射因子算出部と、同一のビーム方向θ及び同一のレンジビンにおいて、第１の反射因子Ｚから第２の反射因子Ｚを減算した結果が所定の閾値Ｚ以上であるときに、第１の反射因子Ｚ及び第２の反射因子Ｚが偽像によるものであると判定する偽像判定部と、を備える。【選択図】図４

Description

本開示は、ビーム方向の電子走査を行なうフェーズドアレイ気象レーダにおける、反射因子が偽像によるものか実像によるものであるかを判定する技術に関する。

仰角方向の電子走査を行なうことにより、仰角方向の高速スキャンを行なうことができる、フェーズドアレイ気象レーダが知られている。ここで、送受信アンテナ素子の励振振幅及び励振位相を適応的に制御して、送受信ビームの仰角方向の指向性を適応的に調整する、アダプティブビームフォーミングが知られている（例えば、特許文献１等を参照。）。

特開２０１４−０６４１１４号公報

気象レーダの表示画像を図１に示す。ここで、約２０ｋｍ〜２５ｋｍのレンジ及び約０°〜２０°の仰角において、積乱雲が表示されている。しかし、約２３ｋｍのレンジ及び約２０°〜４５°の仰角において、積乱雲の上層部による実像が表示されているのか、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されているのか、明確ではない。

そこで、受信ビームの仰角方向の指向性を適応的に調整して、受信ビームのサイドローブによる偽像を低減する、アダプティブビームフォーミングが考えられる。しかし、受信アンテナ素子の励振振幅及び励振位相を適応的に制御すると、計算量が大きくなる。そして、受信ビームのサイドローブレベルを低くすると、受信ビームのメインローブ幅が広くなり、受信ビームのゲインが小さくなり、観測精度が低くなる。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、ビーム方向の電子走査を行なうフェーズドアレイ気象レーダにおいて、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減し、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することを目的とする。

前記課題を解決するために、メインローブ幅がより狭くサイドローブレベルがより高い第１の受信ビームが形成されているときにおける第１の反射因子と、メインローブ幅がより広くサイドローブレベルがより低い第２の受信ビームが形成されているときにおける第２の反射因子と、を算出する。そして、第１の反射因子から第２の反射因子を減算した結果が大きいときに、第１の反射因子及び第２の反射因子が偽像によるものであると判定する。一方で、第１の反射因子から第２の反射因子を減算した結果が小さいときに、第１の反射因子及び第２の反射因子が実像によるものであると判定する。

具体的には、本開示は、ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、同一のビーム方向及び同一のレンジビンにおいて、メインローブ幅がより狭くサイドローブレベルがより高い第１の受信ビームが形成されているときにおける第１の反射因子と、メインローブ幅がより広くサイドローブレベルがより低い第２の受信ビームが形成されているときにおける第２の反射因子と、を算出する反射因子算出部と、前記同一のビーム方向及び前記同一のレンジビンにおいて、前記第１の反射因子から前記第２の反射因子を減算した結果が所定の閾値以上であるときに、前記第１の反射因子及び前記第２の反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定部と、を備えることを特徴とする気象レーダ偽像判定装置である。

また、本開示は、ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、同一のビーム方向及び同一のレンジビンにおいて、メインローブ幅がより狭くサイドローブレベルがより高い第１の受信ビームが形成されているときにおける第１の反射因子と、メインローブ幅がより広くサイドローブレベルがより低い第２の受信ビームが形成されているときにおける第２の反射因子と、を算出する反射因子算出ステップと、前記同一のビーム方向及び前記同一のレンジビンにおいて、前記第１の反射因子から前記第２の反射因子を減算した結果が所定の閾値以上であるときに、前記第１の反射因子及び前記第２の反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定ステップと、を順にコンピュータに実行させるための気象レーダ偽像判定プログラムである。

また、本開示は、ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、同一のビーム方向及び同一のレンジビンにおいて、メインローブ幅がより狭くサイドローブレベルがより高い第１の受信ビームが形成されているときにおける第１の反射因子と、メインローブ幅がより広くサイドローブレベルがより低い第２の受信ビームが形成されているときにおける第２の反射因子と、を算出する反射因子算出ステップと、前記同一のビーム方向及び前記同一のレンジビンにおいて、前記第１の反射因子から前記第２の反射因子を減算した結果が所定の閾値以上であるときに、前記第１の反射因子及び前記第２の反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定ステップと、を順に備えることを特徴とする気象レーダ偽像判定方法である。

この構成によれば、少なくとも２種類の受信ビームを形成するのみでよいため、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減することができる。

また、本開示は、前記偽像判定部は、前記同一のビーム方向及び前記同一のレンジビンにおいて、前記第１の反射因子から前記第２の反射因子を減算した結果が前記所定の閾値未満であるときに、前記第１の反射因子及び前記第２の反射因子が実像によるものであると判定し、前記第１の反射因子を正規の反射因子として採用することを特徴とする気象レーダ偽像判定装置である。

この構成によれば、メインローブ幅がより狭い受信ビームを形成して反射因子を算出するため、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することができる。

また、本開示は、前記反射因子算出部は、所定の仰角より低い仰角において、前記第２の反射因子を算出せず前記第１の反射因子のみ算出し、前記偽像判定部は、前記所定の仰角より低い仰角において、前記第１の反射因子を正規の反射因子として採用することを特徴とする気象レーダ偽像判定装置である。

この構成によれば、積乱雲等が発達しやすい低仰角側において、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されにくいことを利用して、計算量を小さくすることができる。

このように、本開示によれば、ビーム方向の電子走査を行なうフェーズドアレイ気象レーダにおいて、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減し、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することができる。

気象レーダの表示画像を示す図である。本開示の気象レーダ装置の構成を示す図である。本開示の偽像判定の処理手順を示すフローチャートである。本開示の偽像と判定する場合の処理を示す図である。本開示の実像と判定する場合の処理を示す図である。本開示の送受信ビームの形成方法を示す図である。本開示の送受信ビームの形成方法を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

本開示の気象レーダ装置の構成を図２に示す。本開示の偽像判定の処理手順を図３に示す。気象レーダ装置Ｍは、送信ビーム形成装置１、受信ビーム形成装置２、送受信ビーム制御装置３及び偽像判定装置４を備える。偽像判定装置４は、反射因子算出部４１及び偽像判定部４２を備える。汎用のコンピュータに偽像判定プログラムをインストールすることにより、そのコンピュータを偽像判定装置４として機能させることができる。

送信ビーム形成装置１及び受信ビーム形成装置２は、フェーズドアレイアンテナであるが、図６及び図７と関連して後に詳述する。送受信ビーム制御装置３は、送受信ビームの仰角方向の指向性を調整するが、図３から図５までと関連して後に詳述する。

まず、所定の角度θ_Ｔｈより高い仰角θ_Ａでの処理手順を説明する（ステップＳ１においてＹＥＳ）。積乱雲等が発達しにくい高仰角側において、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されやすいことを考慮して、以下のような処理手順を実行する。

送受信ビーム制御装置３は、メインローブ幅がより狭くサイドローブレベルがより高い第１の受信ビームを形成するように、受信ビーム形成装置２を制御する。そして、反射因子算出部４１は、仰角θ_Ａ及びあるレンジビンにおいて、第１の受信ビームが形成されているときにおける第１の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）を算出する（ステップＳ２）。具体的には、反射因子算出部４１は、受信電力Ｐ_１（θ_Ａ）を送信ゲインＧ_Ｔｘ及び受信ゲインＧ_Ｒｘ１で規格化して、第１の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）を算出する（数１を参照、Ｃは比例係数。）。

送受信ビーム制御装置３は、メインローブ幅がより広くサイドローブレベルがより低い第２の受信ビームを形成するように、受信ビーム形成装置２を制御する。そして、反射因子算出部４１は、仰角θ_Ａ及び同一のレンジビンにおいて、第２の受信ビームが形成されているときにおける第２の反射因子Ｚ_２（θ_Ａ）を算出する（ステップＳ３）。具体的には、反射因子算出部４１は、受信電力Ｐ_２（θ_Ａ）を送信ゲインＧ_Ｔｘ及び受信ゲインＧ_Ｒｘ２で規格化して、第２の反射因子Ｚ_２（θ_Ａ）を算出する（数２を参照、Ｃは比例係数。）。

本開示の偽像と判定する場合の処理を図４に示す（ステップＳ４においてＹＥＳ、ステップＳ５及びステップＳ６）。図４では、受信ビームのメインローブの仰角θ_Ａより低い、受信ビームのサイドローブの仰角θ_Ｓにおいては、積乱雲等が分布している。一方で、受信ビームのメインローブの仰角θ_Ａにおいては、積乱雲等が分布していない。

よって、第１、２の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）、Ｚ_２（θ_Ａ）は、第１、２の受信ビームのサイドローブ（仰角θ_Ｓ）による寄与のみ含んでおり、第１、２の受信ビームのメインローブ（仰角θ_Ａ）による寄与を含んでいない。ここで、第１の受信ビームのサイドローブレベルは、第２の受信ビームのサイドローブレベルより高いため、第１の受信ビームのサイドローブによる寄与は、第２の受信ビームのサイドローブによる寄与より大きくなる。

そこで、偽像判定部４２は、仰角θ_Ａ及び同一のレンジビンにおいて、第１の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）から第２の反射因子Ｚ_２（θ_Ａ）を減算した結果Ｚ_１（θ_Ａ）−Ｚ_２（θ_Ａ）が所定の閾値Ｚ_Ｔｈ以上であると判定する（ステップＳ４においてＹＥＳ）。そして、偽像判定部４２は、仰角θ_Ａ及び同一のレンジビンにおいて、第１の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）及び第２の反射因子Ｚ_２（θ_Ａ）が偽像によるものであると判定する（ステップＳ５）。

ここで、第１の受信ビームの平均的なサイドローブレベルが、第２の受信ビームの平均的なサイドローブレベルより、Ｚ_Ｓ［ｄＢＺ］だけ高いことを考慮したうえで、所定の閾値Ｚ_Ｔｈ［ｄＢＺ］をＺ_Ｓ［ｄＢＺ］より小さく設定すればよい。

さらに、偽像判定部４２は、反射因子Ｚ（θ_Ａ）を無効に設定するか、信号がないとみなせる小さな値又は第２の反射因子Ｚ_２（θ_Ａ）を正規の反射因子Ｚ（θ_Ａ）として採用する（ステップＳ６）。

このように、少なくとも２種類の受信ビームを形成するのみでよいため、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減することができる。

本開示の実像と判定する場合の処理を図５に示す（ステップＳ４においてＮＯ、ステップＳ７及びステップＳ８）。図５では、受信ビームのメインローブの仰角θ_Ａより低い、受信ビームのサイドローブの仰角θ_Ｓにおいては、積乱雲等が分布している。そして、受信ビームのメインローブの仰角θ_Ａにおいても、積乱雲等が分布している。

よって、第１、２の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）、Ｚ_２（θ_Ａ）は、第１、２の受信ビームのサイドローブ（仰角θ_Ｓ）による寄与を含むのみならず、第１、２の受信ビームのメインローブ（仰角θ_Ａ）による寄与を含んでいる。ここで、第１の受信ビームのメインローブレベルは、第２の受信ビームのメインローブレベルより高いものの、第１の受信ビームのメインローブによる寄与は、第２の受信ビームのメインローブによる寄与とほぼ等しくなる。なぜならば、第１、２の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）、Ｚ_２（θ_Ａ）は、受信電力Ｐ_１（θ_Ａ）、Ｐ_２（θ_Ａ）を送信ゲインＧ_Ｔｘ及び受信ゲインＧ_Ｒｘ１、Ｇ_Ｒｘ２で規格化したものだからである。

そこで、偽像判定部４２は、仰角θ_Ａ及び同一のレンジビンにおいて、第１の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）から第２の反射因子Ｚ_２（θ_Ａ）を減算した結果Ｚ_１（θ_Ａ）−Ｚ_２（θ_Ａ）が所定の閾値Ｚ_Ｔｈ未満であると判定する（ステップＳ４においてＮＯ）。そして、偽像判定部４２は、仰角θ_Ａ及び同一のレンジビンにおいて、第１の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）及び第２の反射因子Ｚ_２（θ_Ａ）が実像によるものであると判定する（ステップＳ７）。

ここで、所定の閾値Ｚ_Ｔｈ［ｄＢＺ］を０［ｄＢＺ］より大きく設定すればよい。或いは、第１の受信ビームのメインローブ幅の全体に渡り、積乱雲等が分布しているが、第２の受信ビームのメインローブ幅の一部のみに、積乱雲等が分布している場合を考慮したうえで、所定の閾値Ｚ_Ｔｈ［ｄＢＺ］を〜３［ｄＢＺ］より大きく設定すればよい。

さらに、偽像判定部４２は、第１の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）を正規の反射因子Ｚ（θ_Ａ）として採用する（ステップＳ８）。

このように、メインローブ幅がより狭い受信ビームを形成して反射因子を算出するため、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することができる。

次に、所定の角度θ_Ｔｈより低い仰角θ_Ａでの処理手順を説明する（ステップＳ１においてＮＯ）。積乱雲等が発達しやすい低仰角側において、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されにくいことを考慮して、以下のような処理手順を実行する。

送受信ビーム制御装置３は、メインローブ幅がより狭くサイドローブレベルがより高い第１の受信ビームを形成するように、受信ビーム形成装置２を制御する。そして、反射因子算出部４１は、仰角θ_Ａ及びあるレンジビンにおいて、第１の受信ビームが形成されているときにおける第１の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）を算出する（ステップＳ９）。具体的には、反射因子算出部４１は、受信電力Ｐ_１（θ_Ａ）を送信ゲインＧ_Ｔｘ及び受信ゲインＧ_Ｒｘ１で規格化して、第１の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）を算出する（数３を参照、Ｃは比例係数。）。

そして、偽像判定部４２は、第１の反射因子Ｚ_１（θ_Ａ）を正規の反射因子Ｚ（θ_Ａ）として採用する（ステップＳ１０）。

このように、積乱雲等が発達しやすい低仰角側において、受信ビームのサイドローブによる偽像が表示されにくいことを利用して、計算量を小さくすることができる。

本開示の送受信ビームの形成方法を図６及び図７に示す。送受信ビーム制御装置３は、一の送信ビームのビーム幅に含まれる複数の受信ビームを一の送信ビームと同時に形成するように、送信ビーム形成装置１及び受信ビーム形成装置２を制御する。

送信ビーム形成装置１は、仰角方向のビーム幅がより広い送信ビームで、電波を雨雲等の物標へと照射するために、発振器１１、複数の送信アンテナ素子１４、及び、各送信アンテナ素子１４についての各移相器１２及び各増幅器１３から構成される。

受信ビーム形成装置２は、仰角方向のビーム幅がより狭い受信ビームで、雨雲等の物標から反射又は散乱された電波を受信するために、複数の受信アンテナ素子２１、各受信アンテナ素子２１についての各増幅器２２、各移相器２３、及び、各移相器２３からの出力を合成する合成器２４から構成される。また、複数の受信ビームを一の送信ビーム内に同時に形成するために、各々の受信ビームについて複数の受信アンテナ素子２１を共用したうえで、各々の受信ビームについて各々の受信ビーム形成装置２を搭載している。

本開示のフェーズドアレイ気象レーダでは、送信ビームの仰角方向のビーム幅（図６及び図７では、約１０°）を広くするとともに、受信ビームの仰角方向のビーム幅（図６及び図７では、約１°）を狭くすることにより、複数の受信ビームを一の送信ビーム内に同時に形成する。そして、送信ビームの仰角方向及び複数の受信ビームの仰角方向を、約１０°だけ同時に移動させることにより、仰角方向の高速スキャンを行なう。

実施形態では、仰角方向について、本開示の発明を適用している。変形例として、仰角方向のみならず、方位角方向についても、本開示の発明を適用してもよい。

本開示の気象レーダ偽像判定装置、プログラム及び方法は、計算量を大きくせず受信ビームのサイドローブによる偽像を低減し、観測精度を低くせず積乱雲等による実像を表示することができる。

Ｍ：気象レーダ装置
１：送信ビーム形成装置
２：受信ビーム形成装置
３：送受信ビーム制御装置
４：偽像判定装置
１１：発振器
１２：移相器
１３：増幅器
１４：送信アンテナ素子
２１：受信アンテナ素子
２２：増幅器
２３：移相器
２４：合成器
４１：反射因子算出部
４２：偽像判定部

Claims

ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、
同一のビーム方向及び同一のレンジビンにおいて、メインローブ幅がより狭くサイドローブレベルがより高い第１の受信ビームが形成されているときにおける第１の反射因子と、メインローブ幅がより広くサイドローブレベルがより低い第２の受信ビームが形成されているときにおける第２の反射因子と、を算出する反射因子算出部と、
前記同一のビーム方向及び前記同一のレンジビンにおいて、前記第１の反射因子から前記第２の反射因子を減算した結果が所定の閾値以上であるときに、前記第１の反射因子及び前記第２の反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定部と、
を備えることを特徴とする気象レーダ偽像判定装置。
前記偽像判定部は、前記同一のビーム方向及び前記同一のレンジビンにおいて、前記第１の反射因子から前記第２の反射因子を減算した結果が前記所定の閾値未満であるときに、前記第１の反射因子及び前記第２の反射因子が実像によるものであると判定し、前記第１の反射因子を正規の反射因子として採用する
ことを特徴とする、請求項１に記載の気象レーダ偽像判定装置。
前記反射因子算出部は、所定の仰角より低い仰角において、前記第２の反射因子を算出せず前記第１の反射因子のみ算出し、前記偽像判定部は、前記所定の仰角より低い仰角において、前記第１の反射因子を正規の反射因子として採用する
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の気象レーダ偽像判定装置。
ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、
同一のビーム方向及び同一のレンジビンにおいて、メインローブ幅がより狭くサイドローブレベルがより高い第１の受信ビームが形成されているときにおける第１の反射因子と、メインローブ幅がより広くサイドローブレベルがより低い第２の受信ビームが形成されているときにおける第２の反射因子と、を算出する反射因子算出ステップと、
前記同一のビーム方向及び前記同一のレンジビンにおいて、前記第１の反射因子から前記第２の反射因子を減算した結果が所定の閾値以上であるときに、前記第１の反射因子及び前記第２の反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定ステップと、
を順にコンピュータに実行させるための気象レーダ偽像判定プログラム。
ビーム方向の電子走査を行ない、受信電力を送信ゲイン及び受信ゲインで規格化して反射因子を算出するフェーズドアレイ気象レーダにおいて、
同一のビーム方向及び同一のレンジビンにおいて、メインローブ幅がより狭くサイドローブレベルがより高い第１の受信ビームが形成されているときにおける第１の反射因子と、メインローブ幅がより広くサイドローブレベルがより低い第２の受信ビームが形成されているときにおける第２の反射因子と、を算出する反射因子算出ステップと、
前記同一のビーム方向及び前記同一のレンジビンにおいて、前記第１の反射因子から前記第２の反射因子を減算した結果が所定の閾値以上であるときに、前記第１の反射因子及び前記第２の反射因子が偽像によるものであると判定する偽像判定ステップと、
を順に備えることを特徴とする気象レーダ偽像判定方法。