JP6592092B2 - 水蒸気観測システム - Google Patents

Description

本発明は、大気中に含まれる水蒸気を観測する水蒸気観測システムに関する。

従来から知られている水蒸気観測システムとして、例えば非特許文献１では、パッシブレーダを用いて大気中に含まれる水蒸気量を観測するシステムが開示されている。このシステムでは、電波塔から送波される地上デジタル放送波の伝搬遅延を求めることにより、所望の地点における水蒸気量を測定している。

川村誠治、"地上デジタル放送波を用いた水蒸気観測"、[Online]、情報通信研究機構、[平成２７年６月２２日検索]、インターネット（URL：http://aer.nict.go.jp/people/rrs_kawamura.html）

ところで、上述したシステムの場合、例えば地上デジタル放送波の送波条件等に変更があると、その変更に応じてシステムを改良する必要が生じる場合がある。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、外部システムの状況によらず水蒸気を観測できる水蒸気観測システムを提供することである。

（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る水蒸気観測システムは、大気中に含まれる水蒸気を観測する水蒸気観測システムであって、送信波を送波する送波部と、前記送波部とは異なる位置に配置され、前記送信波を第１受信波として受波する受波部としての第１受波部と、前記送波部及び前記第１受波部とは異なる位置に配置され、前記送信波を第２受信波として受波する受波部としての第２受波部と、前記第１受信波及び前記第２受信波に基づき、前記第１受信波が通過した領域に含まれる水蒸気の量を基準とした、前記第２受信波が通過した領域に含まれる水蒸気の量を、位置基準相対水蒸気量として算出する位置基準相対水蒸気量算出部と、を備えている。

（２）好ましくは、前記水蒸気観測システムは、互いに異なる位置に配置された複数の前記第２受波部を備えている。

（３）更に好ましくは、前記送波部、前記第１受波部、及び複数の前記第２受波部は、これらを互いに繋いだ直線が上方から視て格子状となるように配列されている。

（４）好ましくは、前記水蒸気観測システムは、前記送波部と前記受波部とが一体化された送受波部と備えている。

（５）更に好ましくは、前記水蒸気観測システムは、前記送受波部として設けられ、前記送波部からの前記送信波を受けて送信波を送波するトランスポンダを備えている。

（６）好ましくは、前記送波部及び前記受波部の一方は、他方よりも上方に配置されている。

（７）好ましくは、前記位置基準相対水蒸気量算出部は、前記送信波のレベルから前記第１受信波のエコーレベルを減算した第１減衰量と、前記送信波のレベルから前記第２受信波のエコーレベルを減算した第２減衰量とに基づき、前記位置基準相対水蒸気量を算出する。

（８）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る水蒸気観測システムは、大気中に含まれる水蒸気を観測する水蒸気観測システムであって、第１送信波、及び該第１送信波から遅れて第２送信波を送波する送波部と、前記第１送信波及び第２送信波のそれぞれが固定物に反射して帰来する反射波のそれぞれを第１受信波及び第２受信波として受波する受波部、又は、前記送波部と異なる位置に配置され、前記第１送信波及び前記第２送信波のそれぞれを、第１受信波及び第２受信波のそれぞれとして受波する受波部と、前記第１受信波及び前記第２受信波に基づき、前記第１送信波が送波されてから前記受波部に受波されるまでの間に該第１送信波が通過した領域に含まれる水蒸気の量を基準とした、前記第２送信波が送波されてから前記受波部に受波されるまでの間に該第２送信波が通過した領域に含まれる水蒸気の量を、時刻基準相対水蒸気量として算出する時刻基準相対水蒸気量算出部と、を備えている。

（９）好ましくは、前記水蒸気観測システムは、複数の前記受波部であって、それぞれが、互いに異なる位置に配置されるとともに、前記送波部と異なる位置に配置され、前記第１送信波及び前記第２送信波のそれぞれを前記第１受信波及び前記第２受信波のそれぞれとして受波する複数の前記受波部、を備えている。

（１０）更に好ましくは、前記送波部及び複数の前記受波部は、これらを互いに繋いだ直線が上方から視て格子状となるように配列されている。

（１１）好ましくは、前記送波部及び前記受波部の一方は、他方よりも上方に配置されている。

（１２）好ましくは、前記時刻基準相対水蒸気量算出部は、前記第１送信波のレベルから前記第１受信波のエコーレベルを減算した第１減衰量と、前記第２送信波のレベルから前記第２受信波のエコーレベルを減算した第２減衰量とに基づき、前記時刻基準相対水蒸気量を算出する。

（１３）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る水蒸気観測システムは、大気中に含まれる水蒸気を観測する水蒸気観測システムであって、送信波を送波する送波部と、前記送信波が固定物に反射して帰来する反射波を受信波として受波する受波部、又は、前記送波部と異なる位置に配置され、前記送信波を受信波として受波する受波部と、比較対象となる基準水蒸気量を基準とした水蒸気の相対値である相対水蒸気量を、前記受波部で受波された受信波に基づいて算出する相対水蒸気量算出部と、を備えている。

（１４）好ましくは、前記水蒸気観測システムは、前記送波部とは異なる位置に配置され、前記送信波を第１受信波として受波する前記受波部としての第１受波部と、前記送波部及び前記第１受波部とは異なる位置に配置され、前記送信波を第２受信波として受波する前記受波部としての第２受波部と、を備え、前記相対水蒸気量算出部は、前記第１受信波及び前記第２受信波に基づき、前記第１受信波が通過した領域に含まれる水蒸気の量を基準とした、前記第２受信波が通過した領域に含まれる水蒸気の量である位置基準相対水蒸気量を、前記相対水蒸気量として算出する位置基準相対水蒸気量算出部である。

（１５）更に好ましくは、前記位置基準相対水蒸気量算出部は、前記送信波のレベルから前記第１受信波のエコーレベルを減算した第１減衰量と、前記送信波のレベルから前記第２受信波のエコーレベルを減算した第２減衰量とに基づき、前記位置基準相対水蒸気量を算出する。

（１６）好ましくは、前記送波部は、第１送信波、及び該第１送信波よりも遅れて送波される第２送信波を、前記送信波として送波し、前記受波部は、前記第１送信波及び前記第２送信波のそれぞれが固定物に反射して帰来する反射波のそれぞれを前記受信波としての第１受信波及び第２受信波として受波し、又は、前記送波部と異なる位置に配置され、前記第１送信波及び前記第２送信波のそれぞれを、前記受信波としての第１受信波及び第２受信波のそれぞれとして受波し、前記相対水蒸気量算出部は、前記第１受信波及び前記第２受信波に基づき、前記第１送信波が送波されてから前記受波部に受波されるまでの間に該第１送信波が通過した領域に含まれる水蒸気の量を基準とした、前記第２送信波が送波されてから前記受波部に受波されるまでの間に該第２送信波が通過した領域に含まれる水蒸気の量である時刻基準相対水蒸気量を、前記相対水蒸気量として算出する時刻基準相対水蒸気量算出部である。

（１７）更に好ましくは、前記時刻基準相対水蒸気量算出部は、前記第１送信波のレベルから前記第１受信波のエコーレベルを減算した第１減衰量と、前記第２送信波のレベルから前記第２受信波のエコーレベルを減算した第２減衰量とに基づき、前記時刻基準相対水蒸気量を算出する。

（１８）好ましくは、前記水蒸気観測システムは、前記位置基準相対水蒸気量算出部によって算出された前記位置基準相対水蒸気量の指標を表示する表示部、を更に備えている。

（１９）更に好ましくは、前記表示部は、前記位置基準相対水蒸気量算出部によって算出された前記位置基準相対水蒸気量の分布を前記指標として表示する。

（２０）好ましくは、前記水蒸気観測システムは、前記時刻基準相対水蒸気量算出部によって算出された前記時刻基準相対水蒸気量の指標を表示する表示部、を更に備えている。

（２１）更に好ましくは、前記表示部は、前記時刻基準相対水蒸気量算出部によって算出された前記時刻基準相対水蒸気量の分布を前記指標として表示する。

本発明によれば、外部システムの状況によらず水蒸気を観測できる水蒸気観測システムを提供できる。

本発明の実施形態に係る水蒸気観測システムの構成を示す模式図である。 図１に示す送波部及び受波部の構成を示すブロック図であって、（Ａ）は送波部の構成を示すブロック図、（Ｂ）は受波部の構成を示すブロック図である。 送波部及び受波部と、水蒸気観測領域Ｚ及び各エリアＺ１〜Ｚ８との位置関係を模式的に示す図である。 図１に示す算出処理部の構成を示すブロック図である。 図４に示す算出処理部で行われる処理によって得られる演算結果について説明するためのグラフである。 変形例に係る水蒸気観測システムの構成を示す模式図である。 図６に示す送受波部の構成を示すブロック図である。 変形例に係る水蒸気観測システムの構成を示す模式図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、変形例に係る水蒸気観測システムが有する送波部及び受波部の位置関係を模式的に示す図である。 変形例に係る水蒸気観測システムの構成を示す模式図である。 変形例に係る水蒸気観測システムの構成を示すブロック図である。 図１１に示す水蒸気観測システムの送受波部と、該送受波部によって送波された送信波と、該送信波が反射する固定物とを模式的に示す図である。 図１１に示す算出処理部の構成を示すブロック図である。 図１３に示す算出処理部で行われる処理によって得られる演算結果について説明するためのグラフである。 固定物が位置する方位毎に算出された時刻基準相対水蒸気量をグラフ化した一例を示す図である。 変形例に係る水蒸気観測システムの構成を示すブロック図である。

図１は、本発明の実施形態に係る水蒸気観測システム１の構成を示す模式図である。また、図２は、送波部Ｔｘ及び受波部Ｒｘの構成を示すブロック図であって、図２（Ａ）は送波部Ｔｘの構成を示すブロック図、図２（Ｂ）は受波部Ｒｘの構成を示すブロック図である。また、図３は、送波部Ｔｘ及び受波部Ｒｘと、図１に示す水蒸気観測システム１で水蒸気を観測可能な領域（水蒸気観測領域Ｚ）及び該水蒸気観測領域Ｚに含まれる各エリアＺ１〜Ｚ８との位置関係を模式的に示す図である。

以下では、本発明の実施形態に係る水蒸気観測システム１について、図を参照して説明する。図１に示す水蒸気観測システム１は、図１及び図３を参照して、水蒸気観測領域Ｚ内の各エリアＺ２〜Ｚ８における水蒸気量の相対値、具体的には、所定エリア（本実施形態の場合、エリアＺ１）における水蒸気量を基準とした他のエリアＺ２〜Ｚ８における水蒸気量（相対水蒸気量、位置基準相対水蒸気量）を算出可能に構成されている。また、水蒸気観測システム１は、水蒸気観測領域Ｚ内における相対水蒸気量の分布を算出可能に構成されている。なお、水蒸気観測領域Ｚは、例えば一例として、数十キロメートル四方の領域である。

［全体構成］
水蒸気観測システム１は、図１に示すように、送波部Ｔｘと、複数の受波部Ｒｘ（Ｒｘ_１〜Ｒｘ_８）と、算出処理部１０と、表示部９とを備えている。受波部Ｒｘ_１は第１受波部として設けられ、受波部Ｒｘ_２〜Ｒｘ_８は第２受波部として設けられている。

送波部Ｔｘ及び受波部Ｒｘは、図３に示すように、水蒸気観測領域Ｚにおいて、送波部Ｔｘ及び複数の受波部Ｒｘを互いに繋いだ直線が、上方から視て格子状となるように配置されている。図３に示す例では、送波部Ｔｘが水蒸気観測領域Ｚの中心に配置され、各受波部Ｒｘが送波部Ｔｘの周辺に配置されている。しかしながら、送波部Ｔｘと受波部Ｒｘとの位置関係については、これに限らず、その他の位置関係であってもよい。

送波部Ｔｘは、図２（Ａ）に示すように、送波用アンテナ２、信号発生器３、及び送信機４を有している。

送波用アンテナ２は、指向性の強い電波（送信波）を送波可能なレーダアンテナである。送波用アンテナ２からは、例えば一例として２２ＧＨｚの周波数を有する電波が送波される。送波用アンテナ２から送波された電波は、距離方向（送波用アンテナ２を中心とした径方向）に向かって進む際、その途中に存在する水蒸気によって減衰し、受信波として受波部Ｒｘの受波用アンテナ５に受波される。送波用アンテナ２は、水平面上で３６０°回転可能に構成されている。送波用アンテナ２は、一定の回転速度で電波の送波方向を変えながら（アンテナ角度を変えながら）、電波の送波を行うように構成されている。これにより、送波用アンテナ２は、所定の時間間隔Ｔで各受波部Ｒｘに送信波を送波する。なお、時間間隔Ｔは、送波用アンテナ２が１回転するのに必要な時間に相当する。

信号発生器３は、送波用アンテナ２から送波される電波の基となる送信信号を生成する。この送信信号は、送信機４で増幅された後、送波用アンテナ２へ出力される。

各受波部Ｒｘは、受波用アンテナ５と、受信機６とを有している。

受波用アンテナ５は、送波用アンテナ２からの電波を受波可能に構成されている。受波用アンテナ５は、指向性の強い電波（受信波）を受波可能なレーダアンテナである。受波用アンテナ５は、受信ビームが送波用アンテナ２に向かうように設定されている。各受波用アンテナ５は、所定の時間間隔Ｔで受信波を受波する。受波用アンテナ５で所定の時間間隔Ｔ毎に受波された受信波は、受信信号として順次、受信機６に出力される。なお、以下では、第１受波部Ｒｘ_１の受波用アンテナ５によって受波された電波を第１受信波、第２受波部Ｒｘ_２〜Ｒｘ_８の受波用アンテナ５によって受波された電波を第２受信波、と称する場合がある。

受信機６は、受波用アンテナ５から出力された受信信号を増幅し、増幅した受信信号をＡ／Ｄ変換する。その後、受信機６は、デジタル信号に変換された前記受信信号を、算出処理部１０に対して送信する。

図４は、図１に示す算出処理部１０の構成を示すブロック図である。また、図５は、算出処理部１０で行われる処理によって得られる演算結果について説明するためのグラフである。算出処理部１０は、受信レベル算出部１１と、減衰量算出部１２と、相対水蒸気量算出部１３（位置基準相対水蒸気量算出部）と、分布画像生成部１４とを有している。この算出処理部１０は、例えば図示しないプロセッサ（ＣＰＵ、ＦＰＧＡ等）及びメモリ等のデバイスで構成される。例えば、ＣＰＵがメモリからプログラムを読み出して実行することにより、算出処理部１０を、受信レベル算出部１１、減衰量算出部１２、相対水蒸気量算出部１３（位置基準相対水蒸気量算出部）、及び分布画像生成部１４として機能させることができる。

受信レベル算出部１１は、各受波部Ｒｘ_１〜Ｒｘ_８で順次受信された受信波のエコーレベルを、各受波部Ｒｘから送信された受信信号に基づいて算出する。

減衰量算出部１２は、図５を参照して、送波部Ｔｘから送波された送信波のレベルＴＬと、各受波部Ｒｘ_１〜Ｒｘ_８で受波された受信波のエコーレベルＲＬ_１〜ＲＬ_８とに基づき、各エリアＺ１〜Ｚ８を通過した電波の減衰量Ａ（Ａ_１〜Ａ_８）を算出する。具体的には、減衰量算出部１２は、送波部Ｔｘから送波された送信波のレベルＴＬから各受波部Ｒｘ_１〜Ｒｘ_８で受波された受信波のエコーレベルを減算し、その減算値を減衰量Ａ_１〜Ａ_８として算出する。減衰量算出部１２は、減衰量Ａ_１〜Ａ_８を、所定の時間間隔Ｔ毎に順次、算出する。なお、送信波のレベルＴＬが第１受信波のエコーレベルＲＬ_１で減算された値は、第１減衰量Ａ_１として算出される。また、送信波のレベルＴＬが第２受信波のエコーレベルＲＬ_２〜ＲＬ_８で減算された値は、第２減衰量Ａ_２〜Ａ_８として算出される。

相対水蒸気量算出部１３は、予め設定された基準エリア（例えばＺ１）における減衰量Ａ_１と、他のエリアＺ２〜Ｚ８における減衰量Ａ_２〜Ａ_８とに基づき、エリアＺ１における水蒸気量を基準とした各エリアＺ２〜Ｚ８における水蒸気量（相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８）を算出する。具体的には、相対水蒸気量算出部１３は、各エリアＺ２〜Ｚ８における減衰量Ａ_２〜Ａ_８から、基準エリアＺ１における減衰量Ａ_１を減算して減算値Ｂ_２〜Ｂ_８を得る。そして、相対水蒸気量算出部１３は、このようにして得られた各減算値Ｂ_２〜Ｂ_８に所定の係数を乗算することにより、各エリアＺ２〜Ｚ８の相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８を算出する。相対水蒸気量算出部１３は、相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８を、所定の時間間隔Ｔ毎に順次、算出する。

ここで、相対水蒸気量算出部１３によって行われている処理のように、各エリアＺ２〜Ｚ８における減衰量Ａ_２〜Ａ_８から、基準エリアにおける減衰量Ａ_１を減算した値に基づいて、相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８が得られる理由について説明する。

各エリアＺ_１〜Ｚ_８を伝播する電波の減衰量Ａ_１〜Ａ_８は、図５を参照して、当該電波が伝搬した経路に含まれる水蒸気の量に起因する水蒸気起因減衰量Ｖａｐ_１〜Ｖａｐ_８と、それ以外の要因に起因する他要因減衰量Ｏｔｈ_１〜Ｏｔｈ_８とに分けて考えることができる。ここで、エリアＺ１〜Ｚ８は、互いに比較的近接したエリアであるため、他要因減衰量Ｏｔｈ_１〜Ｏｔｈ_８は、エリアＺ_１〜Ｚ_８によらず概ね同じであると考えることができる。よって、各エリアＺ２〜Ｚ８での減衰量Ａ_２〜Ａ_８からエリアＺ１での減衰量Ａ_１を減算すると、他要因減衰量Ｏｔｈ_１〜Ｏｔｈ_８が相殺される。これにより、各減衰量Ａ_２〜Ａ_８から減衰量Ａ_１を減算した減算値Ｂ_２〜Ｂ_８は、相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８に対応する値であることが分かる。よって、この減算値Ｂ_２〜Ｂ_８に所定の定数を乗算することにより、各エリアＺ２〜Ｚ８の相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８を得ることができる。なお、減算値Ｂ_２〜Ｂ_８に乗算される定数には、例えば、実験等によって予め得られた定数が用いられる。

分布画像生成部１４は、相対水蒸気量算出部１３によって算出された各エリアＺ２〜Ｚ８の相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８に基づき、該相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８の分布画像を生成する。分布画像生成部１４は、相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８の分布画像を、所定の時間間隔Ｔ毎に順次、生成する。

表示部９には、分布画像生成部１４によって生成された相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８の分布画像が表示される。表示部９に表示される分布画像は、直近で生成された分布画像に随時、更新される。表示部９には、例えば一例として、各エリアＺ２〜Ｚ８の相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８に対応する色調が、該表示部９に表示される地図上に、重ねて表示される。例えば一例として、相対水蒸気量が多いエリアは赤色で示され、相対水蒸気量が少ないエリアは青色で表示される。これにより、ユーザは、各エリアＺ２〜Ｚ８における相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８を把握することができる。

［効果］
以上のように、本実施形態に係る水蒸気観測システム１では、送波部Ｔｘから送波された電波が、該送波部Ｔｘとは異なる位置に配置された受波部Ｒｘによって受波されるまでの間に、電波の伝搬経路に含まれる水蒸気に起因して減衰する。すなわち、受波部Ｒｘによって受波された電波には、該電波の伝搬経路に含まれる水蒸気に関する情報が含まれている。よって、本実施形態のように受波部Ｒｘによって受波された電波を解析することにより、基準水蒸気量（本実施形態の場合、エリアＺ１に含まれる水蒸気量）を基準とした、各エリアＺ２〜Ｚ８に含まれる水蒸気の相対値である相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８を算出することができる。

また、水蒸気観測システム１では、本システム１によって送信された電波が基となり、前記相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８が算出される。よって、例えば、電波塔から送波される地上デジタル放送波の伝搬遅延に基づいて水蒸気量を算出する場合と比べると、他のシステムの状況に関係なく、水蒸気を観測することができる。

従って、水蒸気観測システム１によれば、外部システムの状況によらず水蒸気を観測できる水蒸気観測システムを提供できる。

また、水蒸気観測システム１では、送波部Ｔｘと、第１受波部Ｒｘ_１と、第２受波部Ｒｘ_２〜Ｒｘ_８とが、互いに異なる位置に配置されている。そして、水蒸気観測システム１では、第２受波部Ｒｘ_２〜Ｒｘ_８で受波された受信波と、第１受波部Ｒｘ_１で受波された受信波とに基づき、第１受信波が通過した領域（基準エリアＺ１）に含まれる水蒸気の量を基準とした、第２受信波が通過した領域（各エリアＺ２〜Ｚ８）に含まれる水蒸気の量である相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８を算出することができる。すなわち、水蒸気観測システム１によれば、基準エリアＺ１）での水蒸気量を基準とした他のエリアの水蒸気量を算出することができる。

また、水蒸気観測システム１では、複数の第２受波部Ｒｘ_２〜Ｒｘ_８を設けることにより、水蒸気観測領域Ｚ内における相対水蒸気量の分布を算出することができる。

また、水蒸気観測システム１では、送波部Ｔｘ及び複数の受波部Ｒｘ_１〜Ｒｘ_８が、これらを互いに繋いだ直線が上方から視て格子状となるように配列されている。これにより、水蒸気観測領域Ｚに含まれる各エリアＺ１〜Ｚ８を、水蒸気観測領域Ｚ内において位置的に均一に設定することができるため、水蒸気観測領域Ｚの各地点の相対水蒸気量を万遍なく算出できる。

また、水蒸気観測システム１では、送信波のレベルから第１受信波のエコーレベルを減算した値（第１減衰量Ａ_１）と、送信波のレベルから第２受信波のエコーレベルを減算した値（第２減衰量Ａ_２〜Ａ_８）とに基づき、相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８が算出されている。具体的には、相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８は、各第２減衰量Ａ_２〜Ａ_８を第１減衰量Ａ_１で減算した値に、所定の定数が乗算されることにより算出されている。これにより、各減衰量Ａ_１〜Ａ_８に含まれる水蒸気以外の要因に起因する減衰量（他要因減衰量）を相殺できるため、相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８を適切に算出することができる。

また、水蒸気観測システム１では、２２ＧＨｚの周波数を有する電波が用いられている。２２ＧＨｚの周波数を有する電波は、上述のように、水蒸気によって大きく減衰する。よって、本実施形態のように２２ＧＨｚの周波数を有する電波を用いることで、図５を参照して、他要因減衰量Ｏｔｈ_１〜Ｏｔｈ_８に対する水蒸気起因減衰量Ｖａｐ_１〜Ｖａｐ_８の割合を大きくできる。これにより、第２減衰量Ａ_２〜Ａ_８から第１減衰量Ａ_１を減算する際に発生する他要因減衰量Ｏｔｈ_１〜Ｏｔｈ_８の差が相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８に影響しにくくなるため、相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８をより正確に算出することができる。

また、水蒸気観測システム１の表示部９には、各地点における位置基準相対水蒸気量が、その水蒸気量を表す指標としての色調によって示される。これにより、ユーザは、各地点に含まれる位置基準水蒸気量を容易に把握することができる。

また、水蒸気観測システム１の表示部９には、位置基準相対水蒸気量の分布画像が表示される。これにより、ユーザは、水蒸気観測領域Ｚ内における位置基準相対水蒸気量の分布を把握することができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

（１）図６は、変形例に係る水蒸気観測システム１ａの構成を示す模式図である。また、図７は、水蒸気観測システム１ａの送受波部ＴＲｘの構成を示すブロック図である。上述した実施形態では、１つの送波部Ｔｘと複数の受波部Ｒｘとを有する水蒸気観測システム１を構成したが、これに限らない。具体的には、図６に示すように、複数の送受波部ＴＲｘを有する水蒸気観測システム１を構成してもよい。なお、以下では、本変形例に係る水蒸気観測システム１ａについて、上記実施形態と異なる部分について主に説明し、その他の部分については説明を省略する。

水蒸気観測システム１ａは、複数の（本実施形態の場合、９個の）送受波部ＴＲｘと、算出処理部１０と、表示部９とを備えている。

複数の送受波部ＴＲｘは、図６に示すように、複数の送受波部ＴＲｘを互いに繋いだ直線が、上方から視て格子状となるように配置されている。

送受波部ＴＲｘは、図７に示すように、アンテナ７と、送受切替部８と、信号発生器３と、送信機４と、受信機６と、を備えている。信号発生器３、送信機４、及び受信機６については、上述した実施形態の場合と同様であるため、その説明を省略する。

アンテナ７は、電波の送波及び受波の双方が可能なレーダアンテナである。各アンテナ７は、回転可能であるとともに、他のアンテナ７への電波の送波と、他のアンテナ７からの電波の受波とを繰り返し行うように構成されている。各アンテナ７は、上述した実施形態の場合と同様、２２ＧＨｚの周波数を有する電波を送波する。この電波は、他のアンテナ７に向かって進む際、その途中に存在する水蒸気によって減衰し、受信波として該他のアンテナ７に受波される。該受信波は、受信信号として受信機６に出力される。

送受切替部８は、送波時には、送信機４からアンテナ７に送信信号が送られる接続に切り替える。また、送受切替部８は、受波時には、アンテナ７からの受信信号が受信機６に送られる接続に切り替える。

そして、本変形例の算出処理部１０でも、上記実施形態の算出処理部１０の場合と同様、各送受波部ＴＲｘによって受波された受信波から得らえる受信信号によって各エリアＺ２〜Ｚ８の相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８が算出され、該相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８の分布画像が生成される。

以上のように、本変形例に係る水蒸気観測システム１ａでも、上記実施形態の場合と同様、外部システムの状況によらず水蒸気を観測できる水蒸気観測システムを提供できる。

また、水蒸気観測システム１ａによれば、相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８をより正確に算出することができる。具体的には、対向する一対の送受波部ＴＲｘについて、一方から他方への送信波に基づいて算出された相対水蒸気量と、他方から一方への送信波に基づいて算出された相対水蒸気量とを平均化することで、より正確な相対水蒸気量を算出できる。

また、水蒸気観測システム１ａによれば、図６にも示すように、上記実施形態の場合と比べて、電波が送受波される経路を増やすことができるため、より高い分解能で水蒸気分布を算出することができる。

（２）図８は、変形例に係る水蒸気観測システム１ｂの構成を示す模式図である。上述した実施形態では、１つの送波部Ｔｘと複数の受波部Ｒｘとを有する水蒸気観測システム１を構成したが、これに限らない。具体的には、上記実施形態（図１参照）における受波部Ｒｘを、トランスポンダＴＰに置き換えた構成であってもよい（図８参照）。このような構成であっても、上述した実施形態の場合と同様、外部システムの状況によらず水蒸気を観測できる水蒸気観測システムを提供できる。

また、水蒸気観測システム１ｂによれば、図６に示す変形例に係る水蒸気観測システム１ａの場合と同様、相対水蒸気量Ｃ_２〜Ｃ_８をより正確に算出することができる。具体的には、対向する送受波部ＴＲｘ及びトランスポンダＴＰについて、送受波部ＴＲｘからトランスポンダＴＰへの送信波に基づいて算出された相対水蒸気量と、トランスポンダＴＰから送受波部ＴＲｘへの送信波に基づいて算出された相対水蒸気量とを平均化することで、より正確な相対水蒸気量を算出できる。

（３）図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、それぞれ、変形例に係る水蒸気観測システムが有する送波部Ｔｘ及び受波部Ｒｘ_１，Ｒｘ_２の位置関係を示す模式図である。上述した実施形態では、送波部Ｔｘ及び複数の受波部Ｒｘを、該送波部Ｔｘ及び複数の受波部Ｒｘを互いに繋ぐ直線が上方から視て格子状となるように配置したが、これに限らず、その他の配置であってもよい。例えば、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に示すように、１つの送波部Ｔｘと、２つの受波部Ｒｘ_１，Ｒｘ_２とを有する水蒸気観測システムを構成してもよい。この場合、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）に示すように、送波部Ｔｘを基準とした２つの受波部Ｒｘ_１，Ｒｘ_２の向きを極力同じ向きとすると、各受波部Ｒｘ_１，Ｒｘ_２に向かって送波される送信波が伝播する経路が、図９（Ａ）に示す場合と比べて近接する。そうすると、エリアＺ１，Ｚ２が近接し、各エリアＺ１，Ｚ２における他要因減衰量Ｏｔｈ_１，Ｏｔｈ_２（図５参照）の差が小さくなるため、相対水蒸気量をより正確に算出することができる。

（４）図１０は、変形例に係る水蒸気観測システム１ｃの構成を示す模式図である。本変形例では、３つの受波部Ｒｘ_１〜Ｒｘ_３が、互いに異なる高さ位置に配置されている。図１０に示す例では、受波部Ｒｘ_１が山ＭＴの麓に設置され、受波部Ｒｘ_２が山ＭＴの中腹に設置され、受波部Ｒｘ_３が山ＭＴの頂上に設置されている。このように、複数の受波部Ｒｘ_１，Ｒｘ_２，Ｒｘ_３を異なる高さ位置に配置することで、鉛直方向における相対水蒸気量の分布を得ることが可能となる。なお、本変形例において、各受波部Ｒｘ_１〜Ｒｘ_３が設置される対象は山以外であってもよく、例えば一例として、鉄塔、或いはビル等であってもよい。

（５）上述した実施形態では、相対水蒸気量の基準となるエリア（基準エリアＺ１）が予め設定されている例を挙げて説明したが、これに限らない。具体的には、例えば一例として、水蒸気観測システムに操作部としての操作パネル（図示省略）等を設け、ユーザが当該操作パネルを操作することにより所望の基準エリアが設定されるように、水蒸気観測システムを構成してもよい。これにより、ユーザが所望の基準エリアを設定できるため、使い勝手のよい水蒸気観測システムを提供できる。

（６）図１１は、変形例に係る水蒸気観測システム１ｄの構成を示すブロック図である。また、図１２は、図１１に示す水蒸気観測システム１ｄの送受波部ＴＲｘａと、該送受波部ＴＲｘａによって送波された送信波と、該送信波が反射する固定物Ｓとを模式的に示す図である。

上述した実施形態及び変形例では、比較対象となる基準水蒸気量を基準とした水蒸気の相対値である相対水蒸気量として、位置基準相対水蒸気量を算出したが、これに限らない。本変形例では、相対水蒸気量として、時刻基準相対水蒸気量を算出することができる。この時刻基準相対水蒸気量とは、第１送信波が送波されてから受波部に受波されるまでの間に該第１送信波が通過したエリアＺ１〜Ｚ８に含まれる水蒸気の量を基準とした、第１送信波よりも遅れて送波される第２送信波が送波されてから受波部に受波されるまでの間に該第２送信波が通過したエリアＺ１〜Ｚ８に含まれる水蒸気の量、である。すなわち、時刻基準相対水蒸気量とは、各エリアＺ１〜Ｚ８における水蒸気量の変化量である。なお、以下で説明する本変形例では、時刻基準相対水蒸気量を、単に相対水蒸気量と称する場合もある。

水蒸気観測システム１ｄは、図１１に示すように、１つの送受波部ＴＲｘａと、算出処理部１０ａと、表示部９とを備えている。

送受波部ＴＲｘａは、アンテナ７ａと、送受切替部８と、信号発生器３と、送信機４と、受信機６とを有している。送受波部ＴＲｘａでは、アンテナ７ａが、水平面上で回転しながら、該アンテナ７ａを基準とした各方位に位置する固定物Ｓに対して電波の送波を行うとともに各固定物Ｓで反射した電波を受波する（図１２参照）。そして、送受波部ＴＲｘａでは、アンテナ７ａによって、各方位からの反射波（受信波）が順次受波され、順次受波された受信波のそれぞれから生成された受信信号が、順次、算出処理部１０ａに出力される。本変形例の場合においても、送受波部によって送受波される電波の周波数は、２２ＧＨｚに設定されている。

ここで、上述した送信波のうち、各固定物Ｓに対して最初に送波される送信波は第１送信波であり、該第１送信波から遅れて順次、送波される送信波は第２送信波である。また、第１送信波の反射波は、第１受信波であり、第２送信波の反射波は、第２受信波である。なお、固定物Ｓは、自然界に存在する固定物（木、陸、山等）であってもよいし、或いは人工的な建築物（ビル、鉄塔等）であってもよい。

図１３は、算出処理部１０ａの構成を示すブロック図である。また、図１４は、算出処理部１０ａで行われる処理によって得られる演算結果について説明するためのグラフである。算出処理部１０ａは、受信レベル算出部１１ａと、減衰量算出部１２ａと、相対水蒸気量算出部１５（時刻基準相対水蒸気量算出部）と、分布画像生成部１４ａとを有している。

受信レベル算出部１１ａは、各方位から到来する受信波のエコーレベルを、送受波部ＴＲｘａから順次出力される受信信号に基づいて算出する。

減衰量算出部１２ａは、図１４を参照して、固定物Ｓが位置する方位毎に、送受波部ＴＲｘａから送波された送信波のレベルＴＬから、該送受波部ＴＲｘａで受波された、時刻ｔｎ（ｎ＝１，２，…）毎の受信波のエコーレベルＲＬ_ｎを減算し、その減算値を減衰量Ａ_ｎとして算出する。なお、第１送信波のレベルＴＬが第１受信波のエコーレベルＲＬ_１で減算された値は、第１減衰量Ａ_１として算出される。また、第２送信波のレベルＴＬが第２受信波のエコーレベルＲＬ_２，ＲＬ_３，…で減算された値は、第２減衰量Ａ_２，Ａ_３，…として算出される。

相対水蒸気量算出部１５は、図１４を参照して、予め設定された基準時刻ｔ１での各エリアＺ１〜Ｚ８における減衰量Ａ_１と、その後の時刻ｔｎ（ｎ＝２，３，…）での各エリアＺ１〜Ｚ８における減衰量Ａ_ｎとに基づき、エリア毎に、基準時刻ｔ１における水蒸気量を基準とした、その後の各時刻ｔｎでの水蒸気量（相対水蒸気量Ｄ_ｎ）を算出する。具体的には、相対水蒸気量算出部１５は、時刻ｔｎにおける減衰量Ａ_ｎから、基準時刻ｔ１における減衰量Ａ_１を減算して減算値Ｂ_ｎを得る。そして、相対水蒸気量算出部１５は、このようにして得られた各減算値Ｂ_ｎ（ｎ＝２，３，…）に所定の定数を乗算することにより、各時刻での相対水蒸気量Ｄ_ｎ（ｎ＝２，３，…）を算出する。相対水蒸気量算出部１５は、相対水蒸気量Ｄ_ｎ（ｎ＝２，３，…）を、エリアＺ１〜Ｚ８毎に算出する。なお、相対水蒸気量算出部１５によって上述のような処理を行うことにより相対水蒸気量Ｄ_ｎが得られる理由については、上記実施形態の場合と同様であるため、その説明を省略する。

図１５は、あるエリアにおける相対水蒸気量Ｄ_ｎをグラフ化した一例を示す図である。このように、相対水蒸気量算出部１５によれば、各エリアＺ１〜Ｚ８における相対水蒸気量（すなわち、基準時刻ｔ１での水蒸気量を基準とした、その後の各時刻ｔｎにおける水蒸気量の時間変化）が算出される。

分布画像生成部１４ａは、相対水蒸気量算出部１５によって算出された各エリアＺ１〜Ｚ８における相対水蒸気量Ｄ_ｎに基づき、該相対水蒸気量Ｄ_ｎの分布画像を生成する。分布画像生成部１４ａは、所定のタイミング毎に（すなわち、各時刻ｔ２，ｔ３，…において）算出される各エリアＺ１〜Ｚ８の相対水蒸気量に基づき、水蒸気観測領域Ｚにおける相対水蒸気量Ｄ_ｎの分布画像を随時、生成する。

表示部９には、分布画像生成部１４ａによって生成された相対水蒸気量Ｄ_ｎの分布画像が表示される。表示部９に表示される分布画像は、直近の時刻ｔｎで生成された分布画像に随時、更新される。なお、表示部９には、図１５に示すグラフ（各エリアにおける水蒸気量の変化を示すグラフ）が表示されてもよい。

以上のように、本変形例に係る水蒸気観測システム１ｄによれば、本システム１ｄによって送信された電波が基となり、前記相対水蒸気量Ｄ_ｎが算出される。従って、水蒸気観測システム１ｄによれば、外部システムの状況によらず水蒸気を観測できる水蒸気観測システムを提供できる。

また、水蒸気観測システム１ｄによれば、基準時刻ｔ１での水蒸気量を基準とした、該基準時刻ｔ１以降の各時刻ｔｎ（ｎ＝２，３，…）における水蒸気量、すなわち時刻基準相対水蒸気量Ｄ_ｎ（ｎ＝２，３，…）を算出することができる。すなわち、水蒸気観測システム１ｄによれば、所定エリアにおける水蒸気量の変化量を得ることができる。

また、水蒸気観測システム１ｄによれば、送信波のレベルから第１受信波のエコーレベルを減算した値（第１減衰量Ａ_１）と、送信波のレベルから第２受信波のエコーレベルを減算した値（第２減衰量Ａ_ｎ）とに基づき、相対水蒸気量Ｄ_ｎが算出されている。具体的には、相対水蒸気量Ｄ_ｎは、各第２減衰量Ａ_ｎを第１減衰量Ａ_１で減算した値に、所定の定数が乗算されることにより算出されている。これにより、相対水蒸気量Ｄ_ｎを適切に算出することができる。

また、水蒸気観測システム１ｄの表示部９には、各地点における時刻基準相対水蒸気量が、その水蒸気量を表す指標としての色調によって示される。これにより、ユーザは、各地点に含まれる時刻基準水蒸気量を容易に把握することができる。

また、水蒸気観測システム１ｄの表示部９には、時刻基準相対水蒸気量の分布画像が表示される。これにより、ユーザは、水蒸気観測領域Ｚ内における時刻基準相対水蒸気量の分布を把握することができる。

（７）図１６は、変形例に係る水蒸気観測システム１ｅの構成を示すブロック図である。図１１及び図１２に示す変形例では、相対水蒸気量を算出するための水蒸気観測システムの構成として、送波部及び受波部が一体化された送受波部ＴＲｘａを有する水蒸気観測システム１ｄを例に挙げて説明した。そして、この水蒸気観測システム１ｄでは、送受波部ＴＲｘａから送波された送信波が固定物Ｓに反射して帰来する反射波（受信波）を該送受波部ＴＲｘａで受波し、該受信波に基づいて、相対水蒸気量Ｄ_ｎを算出した。しかし、これに限らず、例えば一例として、図１６に示す各構成要素を有する水蒸気観測システム１ｅを構成してもよい。

水蒸気観測システム１ｅでは、送波部Ｔｘから送波された送信波が、該送波部Ｔｘとは異なる位置に配置された受波部Ｒｘによって、受信波として受波される。そして、水蒸気観測システム１ｅは、各受波部Ｒｘによって受波された受信波に基づき、図１１及び図１２に示す変形例に係る水蒸気観測システム１ｄの算出処理部１０ａの場合と同様にして、各エリアＺ１〜Ｚ８の時刻基準相対水蒸気量を、所定のタイミング毎に算出する。送波部Ｔｘ及び複数の受波部Ｒｘは、これらを互いに繋いだ直線が上方から視て格子状となるように配置されている。

以上のように、本変形例に係る水蒸気観測システム１ｅでは、複数の受波部Ｒｘ_１〜Ｒｘ_８を設けることにより、基準時刻ｔ１での水蒸気量を基準としたそれ以降の時刻における水蒸気量の変化量の分布を得ることができる。

また、水蒸気観測システム１ｅでは、送波部Ｔｘ及び複数の受波部Ｒｘ_１〜Ｒｘ_８が、これらを互いに繋いだ直線が上方から視て格子状となるように配列されている。これにより、水蒸気観測領域Ｚに含まれる各エリアＺ１〜Ｚ８を、水蒸気観測領域Ｚ内において位置的に均一に設定することができるため、水蒸気観測領域Ｚにおける相対水蒸気量を万遍なく算出できる。

（８）図１６に示す変形例では、送波部Ｔｘ及び複数の受波部Ｒｘを、該送波部Ｔｘ及び複数の受波部Ｒｘを互いに繋ぐ直線が上方から視て格子状となるように配置したが、これに限らず、その他の配置であってもよい。例えば、送波部Ｔｘ及び複数の受波部Ｒｘ_１，Ｒｘ_２の配置が、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に示すような配置であってもよい。更には、１つの送波部Ｔｘ及び１つの受波部Ｒｘを備えた水蒸気観測システムを構成してもよい。

（９）図１６に示す変形例では、送波部Ｔｘ及び複数の受波部Ｒｘを平面状に配置したが、これに限らず、例えば一例として、図１０を参照して、各受波部を、互いに異なる高さ位置に配置してもよい。このように、複数の受波部Ｒｘ_１，Ｒｘ_２，Ｒｘ_３を異なる高さ位置に配置することで、鉛直方向における相対水蒸気量の分布を得ることが可能となる。

（１０）上記実施形態では、２２ＧＨｚの周波数を有する電波を送信波として用いる例を挙げて説明したが、これに限らず、水蒸気を吸収する周波数（例えば１８３ＧＨｚ）を有する電波であれば、その他の周波数帯の電波を用いてもよい。

（１１）図１に示す実施形態等では、複数の受波部Ｒｘを２次元状に配置する例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、複数の受波部を３次元状に配置することもできる。これにより、相対水蒸気量の３次元的な分布を生成することが可能となる。

１，１ａ〜１ｅ 水蒸気観測システム
Ｔｘ 送波部
ＴＰ トランスポンダ（送受波部）
ＴＲｘ，ＴＲｘａ 送受波部（送波部、受波部）
Ｒｘ，Ｒｘ_１〜Ｒｘ_８ 受波部
１３ 相対水蒸気量算出部（位置基準相対水蒸気量算出部）
１５ 相対水蒸気量算出部（時間基準相対水蒸気量算出部）

Claims (8)

1. 大気中に含まれる水蒸気を観測する水蒸気観測システムであって、
   地上に配置され、送信波を送波する送波部と、
   地上であって、前記送波部とは異なる位置に配置され、前記送信波を第１受信波として受波する受波部としての第１受波部と、
   地上であって、前記送波部及び前記第１受波部とは異なる位置に配置され、前記送信波を第２受信波として受波する受波部としての第２受波部と、
   前記送信波のレベルから前記第１受信波のエコーレベルを減算した第１減衰量と、前記送信波のレベルから前記第２受信波のエコーレベルを減算した第２減衰量とに基づき、前記第１受信波が通過した領域に含まれる水蒸気の量に対する、前記第２受信波が通過した領域に含まれる相対的な水蒸気の量を、位置基準相対水蒸気量として算出する位置基準相対水蒸気量算出部と、
   を備えていることを特徴とする、水蒸気観測システム。
2. 請求項１に記載の水蒸気観測システムであって、
   互いに異なる位置に配置された複数の前記第２受波部を備えていることを特徴とする、水蒸気観測システム。
3. 請求項２に記載の水蒸気観測システムであって、
   前記送波部、前記第１受波部、及び複数の前記第２受波部は、これらを互いに繋いだ直線が上方から視て格子状となるように配列されていることを特徴とする、水蒸気観測システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水蒸気観測システムであって、
   前記送波部と前記受波部とが一体化された送受波部と備えていることを特徴とする、水蒸気観測システム。
5. 請求項４に記載の水蒸気観測システムであって、
   前記送受波部として設けられ、前記送波部からの前記送信波を受けて送信波を送波するトランスポンダを備えていることを特徴とする、水蒸気観測システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の水蒸気観測システムであって、
   前記送波部及び前記受波部の一方は、他方よりも上方に配置されていることを特徴とする、水蒸気観測システム。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の水蒸気観測システムであって、
   前記位置基準相対水蒸気量の指標を表示する表示部、を更に備えていることを特徴とする、水蒸気観測システム。
8. 請求項７に記載の水蒸気観測システムであって、
   前記表示部は、前記位置基準相対水蒸気量の分布を前記指標として表示することを特徴とする、水蒸気観測システム。

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