TRMM搭載降雨レーダ

衛星搭載降雨レーダに関する研究：
TRMM/GPM降雨レーダ，合成開口降雨レーダ（PSAR）
卒業研究に関連して
島根大学 総合理工学部 古津年章
地球規模の降水分布観測が，衛星搭載降雨レーダにより実現され
た．（1997年11月打上げ，熱帯降雨観測衛星TRMM）
問題点
・空間分解能が数km：対流性降雨構造の把握が困難，また降水強
度推定にバイアス誤差をもたらす．
・Ｚ因子から降雨強度などの物理量推定精度改善
・レーダ自体の性能改善など
更なる科学的要求：降水粒子の識別，対流活動の強さ，上昇・下降
気流の推定．
次世代衛星搭載降水レーダに向けての基礎研究・・・
ＴＲＭＭ搭載降雨レーダ
飛行速度: 7.3 km/sec
PR: 降雨レーダ
TMI: TRMMマイクロ波観測装置
VIRS: 可視赤外観測装置
PR
VIRS
TMI
250 m
760 km
215 km
720 km
6∼50km
4km
2km
1
TRMM降雨レーダの構成
送受信系
固体電力
増幅器
アンテナ系
低雑音
増幅器
･
･
･
･
･
･
･
･
ｴﾚﾒﾝﾄ #1
･
･
･
･
固体電力
増幅器
分
合
波
器
お
よ
び
移
相
器
同（冗長系）
信号処理系
（主系）
低雑音
増幅器
テコ
レマ
メン
トド
リ・
ｴﾚﾒﾝﾄ #128
TRMM降雨レーダの外観
アンテナ給電部 (128 素子)
２ｍ
２ｍ
2
TRMM降雨レーダにおける技術的チャレンジ
・距離が350kmと遠い。
・距離が350kmと遠い。
→
→ 大きなアンテナ径（空間分解能） 大きなアンテナ径（空間分解能） →
大送信電力、低雑音化（感度）
→ 大送信電力、低雑音化（感度）
・地表面散乱強度 >> 降雨エコー強度
・地表面散乱強度 >> 降雨エコー強度
（Kuバンド、1mm/hで 約百万対１）
（Kuバンド、1mm/hで 約百万対１）
→
→ 低サイドローブアンテナ 低サイドローブアンテナ →
→ 低レンジサイドローブパルス波形
低レンジサイドローブパルス波形
・高速で移動する衛星からの｢隙間の無い｣ｱﾝﾃﾅ走査
・高速で移動する衛星からの｢隙間の無い｣ｱﾝﾃﾅ走査
（0.6秒で215km走査、瞬時に走査基点へ移動）
（0.6秒で215km走査、瞬時に走査基点へ移動）
→
→ フェーズドアレイ方式 フェーズドアレイ方式 →
→ 高速かつ安定な位相制御
高速かつ安定な位相制御
・雑音レベルの推定，フェージング誤差の軽減
・雑音レベルの推定，フェージング誤差の軽減
フェージング雑音の軽減のメリットと方策
メリット： ランダム誤差の減少，実質的な感度
改善
方策：できるだけ多くの「独立サンプル」を平均
する．何回もパルスを送信．別の周波数で観
測．距離方向に加算．それらを組合わせる．
より進んだ方式：アダプティブ走査・・・観測した
い領域にエネルギを集中させる．如何に行う
か？が問題．
3
空間分解能改善のメリットと方策
メリット： より詳細な降雨構造把握，降雨強度
推定精度の改善・・・ 重要なテーマ
方策：基本的には大きなアンテナを使う．アン
テナパターンが正確にわかれば，信号処理に
よる若干の改善は可能と思われる．
新しい（次世代に向けての）方式：合成開口降
雨レーダ．やや斜め入射の場合，地表面エコー
と「un-focused SAR」でより現実的なシステム
が可能か？
TRMM 降雨レーダで測定した
海面｢規格化レーダ断面積｣の入射角特性
規格化レーダ断面積 (dB)
16
海面 無降雨, 2/14∼3/6 1998,
海面、無降雨、 2/14∼3/6 1998、18軌道
18 軌道
12
若干斜め入射時には，レー
ダ断面積の分散が小さ
い −＞ 地表面エコーの
減衰測定が比較的精度
よくできる．SARと同様の
原理で，空間分解能も実
質的に上げられる．
8
ARMAR
ARMAR
CAMPR
CAMPR
4
0
-4
-8
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
入射角 (度)
4
通常の合成開口レーダ(SAR)
Unfocused とは，衛星位
置による位相補正を行わ
ない簡易方式．リアルタ
イム処理可能．分解能は
SARほどは向上しない．
合成開口長は，
衛星速度，波長，
ドップラスペクトル
に依存
PSAR観測の概念
TRMM-next
の諸元では
Lpsarは概ね
12∼18ｍ
PSAR分解能は
2σvR/U
実際のアンテ
ナサイズ lh
実開口分解能
は λR/lh
5
SARとPSAR（合成開口降雨レーダ）の違い
SARは，観測対象が
固定の仮定で受信信
号のドップラ周波数ト
レンドを推定，マッチド
フィルタ処理を行い，
ビーム圧縮．地表面観
測を想定し，ファンビー
ムを用いる．−＞制限
が緩い．
PSARは，観測対象が揺ら
ぐ，３次元分布することで設
計が困難．−＞ ペンシルビー
ムが必要．衛星進行方向
のビーム圧縮は，降水自体
の動きによる受信信号揺ら
ぎの相関時間τdec （ドップ
ラ周波数スペクトル広がり
の逆数）内に制限．
ドップラ速度SD：σvとすると，
τdec = 波長/（2 σv ）
システム設計の流れ
システム設計条件
Focused
分解能
Unfocused
分解能
②
降雨ランダム運動
影響評価
物理モデル
検討
①
シミュレーション
プログラム作成
③
etc
位相補正
（高機能・複雑）
④
・感度
・サイドローブ
レベル
・A/Dサンプリング
Unfocused
（機能制限・簡易）
PSARシステム設計
6
シミュレーション結果の一例
(合成開口長12m，実開口アンテナ長5m)
-3
受信信号電力
-6
シミュレーション
(dB)
理論値
レーダポジション (m)
Unfocused処理の概念
L
Luf
位相差
無視
できない
hu
Unfocused合成開口長
Lufm = λh 2
Lpsar
h
位相差
無視
できる
開口長
π/4以内
分解能
L > Luf > L psar > Lreal
X < X uf < X psar < X real
T
7
PSARの面白い性質：雨滴粒径分布のスペクトル解析機能
− 焦点（ゼロドップラ）位置の粒子落下速度依存性 −
衛星進行方向
衛星の位置
VS
θ
Vsθ=Vs
H
θ
X (D)
= Vt (D)
H
ZのXスペクトル
Zx (x)
xT
x
ビームシフト量X
xR
Vt
雨域のにじみ(2σ)
雨滴直径対終端落下速度特性とPSAR映像
地上
12
雨滴により終端落下速度
が異なる．
高度3km
Vt (m/sec)
10
雨滴によりドップラシフト
トレンドが異なる．PSAR
でフォーカスする位置が
異なる．
8
6
4
2
Comparison of Vt formulae
0
0
1
2
3
4
D (mm)
5
6
異なる雨滴は異なる位置
に映像化される．
降雨分布は単なるアンテ
ナパターン重み付けとは
異なる広がりを持つ．
8
雨滴粒径分布と積分降雨パラメータ
雨滴直径：D，雨滴粒径分布：N (D )
雨滴個数： N t = ∫
Dmax
N (D ) dD
0
Dmax 4
D 2v D N D
π
3
2
0
Dmax
σ t D N D dD
0
降雨強度： R = ∫
( )
減衰係数： k = ∫
( ) ( )
レーダ断面積：η = ∫
Dmax
0
σ b (D )N (D ) dD
= π 4 K
5
2 Dmax
λ
レーダ反射因子 Z = ∫
Dmax
0
( ) ( ) dD
∫0
D 6 N (D ) dD
D 6 N (D ) dD
降雨粒子の粒径分布と ずれ距離 分布
ビームシフト量[m]
600
500
400
300
99年5月∼10月
回帰直線
99年11月∼12月
回帰直線
200
100
0
0
10
20
30
Zdb[dBZ]
40
50
60
9
降雨粒子の粒径分布と にじみ 分布
ビームにじみ量[m]
250
99年5月∼10月
回帰直線
99年11月∼12月
回帰直線
200
150
100
50
0
0
10
20
30
Zdb[dBZ]
40
50
60
位置ずれ検出のための「基準」：表面反射波減衰
R (mm/h), Z/3000, A(dB)
Zpsar/3000
Rain rate
Atten.
100
80
60
40
20
0
2
3
4
5
6
7
衛星進行方向距離 (km)
8
9
10
10
PSAR_Z(res:0.3km)
Surface Att
30
25
20
15
10
97年9/04
5
0
3
3.5
Ｚ因子と表面反射電
力にフェージング雑
音を加える．相関関
数最大位置から推定．
4
4.5
5
5.5
6
衛星進行方向距離 (km)
PSAR（分解能0.3km）Ｚと表面反射波の減衰(dB)
970922
50
Ｚ因子/3000, Atten.(dB)
PSAR観測Ｚ因子と
表面反射減衰によ
る位置ずれ推定シ
ミュレーション
Ｚ因子/3000, Atten.(dB)
PSAR（分解能0.3km）Ｚと表面反射波の減衰(dB) 970904
40
35
PSAR_Z(res:0.3km)
40
Surface Att
97年9/22
30
20
10
0
PSAR（分解能0.3km）Ｚと表面反射波の減衰(dB) 990825
Ｚ因子/3000, Atten.(dB)
35
99年8/25
30
4
4.5
5.5
6
6.5
衛星進行方向距離 (km)
7
7.5
PSAR_Z(res:0.3km)
・SDは15∼20ｍ，平均値
は97年9月22日以外は計
算値とほぼ一致．
Surface Att
25
5
20
15
10
5
0
2.5
3
3.5
4
4.5
衛星進行方向距離 (km)
5
5.5
シミュレーションにおける相関関数計算例
1999 8/25
Corr. coefficient
1
Date RMS誤差
0.8
0.6
0.4
97/09/04
15 m
97/09/22
15 m
99/8/25
24 m
100m -> 1.8 m/sec
0.2
0
2
3
4
5
Shift distance (m/100)
6 ガウス性誤差付加量
表面エコー １dB
降雨エコー 0.5 dB
11
卒業研究について
・PSAR：システム設計ｰｰ>詳細検討実施＊
雨滴粒径分布の影響
Simulation１＊−＞航空機搭載レーダデータ利用
Cross-track分解能改善
−＞表面参照法とPSARの複合方式
Unfocused方式の利用： 平成15年度卒業研究実施
ー＞SIR-Cデータの処理？
・衛星搭載レーダにおけるアダプティブ走査： どのような
方式？その効果は？−−＞最適化問題
12