フェーズドアレイ気象レーダーの概念検討

1. 108-face (36-AZ & 3-EL) Tx Antennas with 4-face 2D-DBF Rx antennas Bistatic Rx site with 2-face 2D-DBF antennas on a bldg. wall Dual-Doppler lobes ～60 km 集中豪雨 日本の気象災害による死者・行方不明者数の経年変化 （気象庁「異常気象レポート2005」より） 竜巻・突風 10秒以内の３次元スキャン 格子間隔 100 m 突風による羽越線脱線事故 佐呂間町の竜巻（Ｆ３） 延岡竜巻による列車横転 過去10年間の水害被害額等の水位 （「平成19年度水害統計調査」より） ～500 m (Beam Width =1 deg) 30 km フェーズドアレイ気象レーダーの概念検討 佐藤晋介、安井元昭、村山泰啓、井口俊夫、熊谷博 (NICT) １．はじめに ＜背景＞ 　・ 日本の気象災害による被害は、社会基盤の整備や気象情報の高度化などにより以前より減少しているが、例えば2004年には台風２３号や新潟、福島豪雨などにより全国各地で激甚な水害が多発し、死者・行方不明者は11年ぶりに 300人を越えた。 2005年末から2006年にかけては、突風による羽越線脱線事故、延岡竜巻、佐呂間竜巻が相次いで発生し、甚大な被害がもたらされた。 　・ 安心・安全な社会の実現のために、気象災害（風水害、土砂災害等）の予測および被害軽減に対する社会的ニーズは大きく、特に近年頻発している突発的局所的現象（集中豪雨、竜巻突風等）に対する対策が求められている。 　・ 気象災害を引き起こすような突発的局所的現象は降水を伴うことが多いため、それらを直接観測できる気象レーダーの果たす役割は大きい。 ＜本研究の目的＞ 　・ 現状の気象レーダー観測の課題と問題点を整理して、突発的局所的現象の観測に必要な気象レーダーの概念検討を行う。 フェーズドアレイ気象レーダー観測のイメージ ４．アレイ素子数に関する検討 ２．日本の気象レーダーの現状と課題 ３．フェーズドアレイレーダーの検討 ３．１ フェーズドアレイ方式の検討 ＜現状＞ 　・ 日本における気象レーダー観測は、気象庁の現業レーダー20台(2007年度中に11台がドップラー化)および国土交通省のレーダ雨量計26台が日本全国をカバーしている。 　・ 空港ドップラーレーダーや大学・研究機関による研究用のマルチパラメータレーダー観測など。 ＜課題＞ アクティブ・アレイレーダー パッシブ・アレイレーダー デジタルビームフォーミング（ＤＢＦ） ① 5～10分かけて行われる３次元ボリュームスキャンでは　　　　時間分解能が不十分 ・ アンテナのパターン形成をデジタル処理で実現するため、同時に複数のアンテナパターンが形成できる。 ・ アクティブ・フェーズドアレイと組み合わせることが多いが、更にコスト増となる。 ・ バイスタティックレーダーではＤＢＦ受信局として利用できる。 グレーティング・ローブが発生しない条件における素子数 ・ 各素子の送信電力は小さくても構わないので、固体素子の送信機が使用できる。 ・ いくつかの送受信機が故障してもレーダー全体の影響は小さい。 ・ アクティブ・フェーズドアレイを実現するには、素子数に比例してコストが増大する。 ・ 汎用の大電力送信管が使えるが送信機が故障するとレーダーが機能停止する。 ・ 従来のパラボラアンテナを用いたレーダーに比べてコストを低減るのが困難。 ⇒ AZ方向±４５°、EL方向±１５°にスキャン できる Φ２ｍ の２Dフェーズドアレイ場合、 １０９ ｘ ８１ ＝ ８８２９個の素子が必要となる。 ５．時間・空間分解能に関する検討 いずれのフェーズドアレイ方式でも、観測可能な角度は±４５°～±６０°程度なので、従来の３６０°スキャンする気象レーダーと同じ観測を行うためには、３～４面のアンテナ面が必要となり、更にコスト増となる。 竜巻を直接観測するためには、 ・ 空間分解能： 竜巻の直径＝数10m～数100m ⇒ 10～100 m ・ 時間分解能： 竜巻の寿命＝数10秒～数10分 ⇒ 10～100 sec SPY-1A on NWRT, OK 沖縄偏波降雨レーダ（COBRA) Parabolic Antenna Phased Array Radar ３．２ 低コストなフェーズドアレイレーダーの例 ⇒ 電子的アンテナスキャンを行うフェーズドアレイレーダー １０秒以下の時間分解能はフェーズドアレイでは実現可能だが、１００ｍ以下の空間分解能（ビーム幅方向）の実現は容易でない。※ レンジ方向の空間分解能は、パルス圧縮によって容易に小さくできる。 ② 数10km以上の観測レンジでは空間分解能が不十分 で地球の曲率による低層の不可視領域が生じる PARの主要パラメータの例 ・ PRI = 400us & 533 us (2.5 kHz & 1.9 kHz) --> Rmax = 60 km, Vmax (hold) = 105 m/s ・ Pulse Width = 50us (0.5us x 100 compress) ・ AZ = 0-90 deg, EL = 0-30 deg (1.0deg int.) --> 2700 sectors 10秒間の観測シーケンスとすると、 ・ 送受パルス毎切替の場合 ⇒ 積分数 8 ・ EL方向同時送受信の場合 ⇒ 積分数 240 --> ５倍オーバーサンプルでも十分積分数がとれる ビームの広がり ・ ビーム幅方向へ５倍程度のオーバーサンプル ・ レーダーエコーのデコンボリューション技術開発 案１： １次元フェーズドアレイ ＋ ＡＺ方向回転 ・ 仰角（EL)方向のみ電子スキャンを行い、方位角（AZ)方向には機械的に回転させる。 ・ 図ではTRMM/PR、GPM/DPRで実績のある導波管スロットアレイアンテナ（＋固体化送信機）を想定しているが、一次放射器をフェーズドアレイにしたオフセットパラボラなどの利用も考えられる。 ・ 駆動部分があるため、運用・保守コストの極端な低コスト化は難しい。 案２： ファンビーム送信 ＋ ２次元DBF受信 ・ 方位角（AZ)方向にブロードなファンビームをトーラスアンテナで送信し、２次元のプレーナアレイのDBFアンテナで受信する。 ・ DBF受信局を別の場所にも設置することで、バイスタティック・ドップラーネットワーク観測が可能となる。 ・ 駆動部分はないが、方位角～９０°の範囲の観測に限られる。 ・ ２次元DBF受信機の低コスト化が課題。 低層観測 ギャップ レンジ30km レンジに対するビームの広がり レンジに対する下層の観測ギャップの高度（4/3等価地球半径、レーダ高度＝0m） ⇒多数の中距離気象レーダーによるネットワーク観測 ６．レーダー観測データの高度化 フェーズドアレイ気象レーダ網観網による将来の竜巻・突風予報のイメージ ＜ユーザーニーズ（例）＞・ 一般市民、マスコミ一目でわかる危険地域 短時間予測情報、など・ 災害対策部署 リアルタイムの雨量・風情報 地図に重ねた詳細マップ　　正確な積算雨量情報、など・ 気象庁・民間気象会社 リアルタイムの詳細情報 数値モデルへ同化できる情報・ 研究機関 連続した観測データアーカイブ ③ 気象レーダーの導入および運用・保守コストの削減 ⇒ 固体化送信機、汎用部品（通信用など）の利用など ④ 周波数割当および混信低減の問題 ⇒ パルス変調方式、GPS時刻による時空間シェアーなど ⑤ 地表面クラッタなど不要エコーの除去 ⇒ 信号処理、アレイアンテナのルヌ点調整など ⑥ 正確な降雨量の推定 （降雨減衰の補正、および 降水種別、粒径分布(Z-R関係)の推定など） ⇒ 二重偏波レーダー、ネットワークによる異なる方向 からの観測など ⑦ エンドユーザーが必要とする適切なレーダー観測 データの提供（情報のインテリジェンス化） ⇒ see ６． 10% 50% T 10% ★ 80% 50% MC 80% 30min GF 20min 案３： １０８面アンテナ送信＋バイスタティック２次元DBF受信 ・ ビーム幅 １０°のホーンアンテナをEL方向に３段、AZ方向に３６列ならべて ランダムな順番で連続的に数百倍の伸長パルスを送信する（位相制御は 行わない）。 受信は、 １°以下のビームを形成できる２次元DBFバイスタ ティックアンテナで行い、パルス圧縮で感度を確保する。 ・ 駆動部分なしで、AZ=0～360°EL=0～30°のスキャンが可能であり、 ２次元DBFアンテナによるバイスタティック・ドップラーネットワーク （dual-Doppler) 観測も可能となる。 ・ 108面送信アンテナと（上図では１２台の）２次元DBF受信局の製造コストが鍵。 10min T:竜巻検知、MC:メソサイクロン（竜巻親雲）、GF:突風前線 ユーザによって必要とする情報が異なることを踏まえて、観測データを適切な形に変換する自動解析処理およびリアルタイム配信システムの開発が重要。