次世代ドップラー

Development Plan of
a Phased Array Radar
in Japan
Shinsuke Satoh (NICT),
Masakazu Wada, Fumihiko Mizutani, Masahiro Tanabe (Toshiba),
Tomoo Ushio, Zen Kawasaki (Osaka University),
Yasuhiro Murayama, and Toshio Iguchi (NICT)
KU-OU Symposium@Kyoto Univ, Nov. 10, 2009
Social Background
・ In Japan, severe weather disasters
caused by tornadoes or localized
heavy rainfalls have occurred
frequently in the last few years.
・ JMA added a Doppler function to
most of the operational C-band
radar.
・ The River Bureau of MLIT is now
planning to install multiple X-band
MP-radar.
Flash flood in the Toga river,
Kobe （28 July 2008）
Xバンドレーダ
配置予定エリア
The observation area of
MLIT C-band radar, and
the installation area of
X-band MP radar.
Fatal accident in the sewerage at
Zoshigaya, Tokyo （5 Aug 2008）
Num of occurrences of
heavy rainfalls (> 50 mm/h)
F3 tornado in Saroma,
Hokkaido （7 Nov 2006）
Railcars overturned by
tornado in Nobeoka,
Miyazaki (17 Sept 2006)
1978
1988
1998
2008
Problems of commonly used
weather radar
Beam
width
Observation Gap
A 3-dim volume scan by
a parabolic antenna
requires time of 5 –10 min
Electrical scan radar
( high temporal resolution )
- Observation gap by the earth curvature
- Radar beam spread
are appeared at a long range
Short-range radar network
( high spatial resolution )
The solution is …
A low-cost
phased array radar
Trend of weather radar in U.S.
Earth curvature
effects prevent
72% of the troposphere below
1 km from being
observed.
NEXRAD （Current Radar Network）
GAP
A network of
X-band
Center for Adaptive Sensing of the Atmosphere (CASA) polarimetric radars
・ Univ（UMass, OU, CSU, UPRM）、Government （NOAA/NSSL、ORNL）、
Industry （Raytheon、IBM、Vaisala, Weather Channel）
・ ~10 year program (2003=)、$42M / 5-year (inc. $17M from NFS)
・ rapid sacn radar network  phased array radar （2nd Phase）
・ Rain, Urban Flooding / Wind, storm prediction / mountainous rain
National Weather Radar Testbed (NWRT)
・ Phased Array Antenna (SPY-1A)
・ S-band (change to 750kW Klystron)
90º sector scan < 1min
Rapid-DOW
・ 6-beam using 6-Freq,
・ 2.4m array Antenna
・ 12 tilt volume scan in 12 sec
NETRAD （Future Radar Network）
May 3rd 1999 Tornadoes, OK
R&D of a next-generation Doppler radar
To measure and predict sudden and localized meteorological disasters, we should research and
develop a next-generation Doppler radar which measures 3-dimentional structure of heavy rainfalls,
tornadoes, and so on in a resolution of 100 m in less than 10 sec.
Budget：～$7M（2008～2012）
Subject A: Dev. of phased array radar system
・
・
・
・
・
measure 30 x 30 x 14 km in less than 10 sec
grid size less than 100 m (after coordinate conversion)
reduction of interference tech for the network obs.
remote operation, real-time data proc. & delivery
low-cost system, reduction of maintenance const
竜巻・突風
industry-academiagovernment project
NICT
sponsored
research
集中豪雨
10秒以内の３次元スキャン
格子間隔 100 m
Entrusted it
to Toshiba
& Osaka
Univ.
Subject B: Performance assessment & field experiment
洪水・土砂崩れ
R&D Schedule
２００８（Ｈ２０）
・Conceptual Design
・Tx/Rx module, antenna
(test production)
２００９（Ｈ２１）
・ Preliminary Design
・ Simulation
・ Dev. of phased array
elements
・
・
・
・
Dev. of ground clutter reduction technique
Simulation for over-sampling, beam sharpening, etc.
Radar operation technique to satisfy the user needs
Validation in field experiments for practical use
２０１０（Ｈ２２）
２０１１（Ｈ２３）
・ Critical Design
・ Ground clutter
elimination technique
・ Dev. of the radar system
・ Detailed Design
・ Operation technique
・ Dev. Of the radar system
２０１２（Ｈ２４）
・ Field experiment
・ Dev. data proc. & ana.
system
・ Sustaining Design
Conceptual Design of the nextgeneration Doppler radar
～2m
～2m
＜Basic concept＞
＜Antenna scan＞
High cost performance
・General phased array radar is
high-priced.
・Combination of 1-dim array and
DBF（Digital Beam Forming) to
realize 3-dim obs. in 10 sec.
・Target price is in the same
range of the parabolic antenna
radar system.
3-dim volume scan in a rotation
• Horizontal beam (～1°) made
by a slot-array antenna
• 1-dim active phased array in
vertical direction
- Fan beam ( >3°) Tx in vertical
- Simultaneous pencil beams Rx
(～1°) made by DBF
(to increase the num of samples)
R&D Schedule and progress
FY2008
FY2009
System design
Tx module design & test production
Rx-module design & test production
Toshiba
Antenna design & test production
FY2010
FY2011
Radar system
production
Validation
of antenna
Data proc
improvement
Validation
Data proc
S/W
Signal proc. design
S/W design
Osaka
Univ
Validation
radar
FY2012
Signal proc S/W
Field-exp
validation
Data analysis
technique
Validation
method
Test
exp
Field
experiment
Evaluation
Test productions for reduction in size and weight
Tx module （GaN solid-state device）
Slot antennas
Rx module （30x70 mm / 4 elements）
Promotion of the next-generation
Doppler radar research
・ This research was assigned to “Acceleration project for applying results
for the benefit of society” by CSTP (Council for Science and Technology
Policy, Cabinet office in Japan) in 2008, and was promoted collaborating
with some ministries and agencies in Japan.
・ This phased-array radar is to gather disaster information as a part of
“Disaster information and communications system”, which is an
enforcement of policy of MIC (Ministry of Internal Affairs and
Communications).
本技術開発
Acceleration project for applying results for the benefit of society (CSTP)
Disaster information and communications system (MIC)
Promotion for practical application
ICT Forum for Security and Safety
Disaster and crisis management ICT symposium
次世代安心・安全ＩＣＴフォーラム
災害・危機管理ＩＣＴシンポジウム２００９
総
「竜巻・突風・ゲリラ豪雨の観測を目指して」
会
会長：高畑文雄（早稲田大教授）
副会長：柴崎亮介（東京大教授）
運営委員会
センシング技術部会
企画部会
通信技術部会
部会長：津田敏隆
（京都大教授）
部会長：大森慎吾
（NICT理事）
部会長：森川博之
（東京大教授）
Phased-array Radar WG （Chair：Ishihara@MRI）
- investigation into promoting widespread utilization
- promotion and edification of phased-array radar
フォーラムの主な活動内容
• 技術の普及・啓発・広報
• 実証実験
• 標準化を狙った戦略的研究
開発推進
• 関連府省、研究機関等との
連携促進
一般会員：６９団体
個人会員：７４名
（H20.6.9現在）
産学官連携
センシング技術開発
平成２1年２月6日１０：００～１６：３０
会場：パシフィコ横浜
参加者数：約２00名
主催：次世代安心・安全ＩＣＴフォーラム、情報通信研究機構
後援：内閣府、総務省、文部科学省、国土交通省、防衛省
＜プログラム＞
開会挨拶
情報通信研究機構理事長
宮原秀夫
10:05- 来賓挨拶
総務省総務副大臣
石崎岳
内閣府総合科学技術会議議員奥村直樹
10:15- 近年の豪雨災害の実態山田正（中央大学）
10:55- 降雨情報システム「東京アメッシュ」久野清人（東京都下水道局）
11:35- 竜巻・突風災害について小林文明（防衛大学校）
13:30- 気象災害情報について植松久芳（気象予報士）
14:10- フェーズドアレイレーダへの期待
石原正仁（気象研究所）
15:10- パネルディスカッション：ユーザが必要とする情報について
コーディネータ：井口俊夫（NICT）
パネリスト：
五道仁実（国土交通省河川局）細川直史（消防庁消防技術政策室）
井上潔（東京都下水道局）
植松久芳（気象予報士）
楠研一（気象研究所）
和田将一（東芝）
実証実験
製品化、公的機関
等への導入促進
http://www.scat.or.jp/ictfss/
会場風景
パネル
ディスカ
ッション
Promoting Widespread Utilization
Short-time forecast of rainfalls
１５：００
１５：１０
１５：２０
Short-time forecast of tornadoes
上空3000mの雨雲から、地
上に雨粒が到達する
時間は10分程度
雨粒が大きく成長し、
降下を始める。
上空で雨粒が急速に
成長を開始
１３：５１：１０、35.6789N, 140.1234E
メソサイクロン（竜巻の親雲）から
漏斗雲（竜巻）が発生
雨雲の移動
72 km/h
降雨
上昇気流
上昇気流
積乱雲が発生
15～16時頃まで、A地区では
夕立が発生しやすい状態
15時20分頃、A地区で非常に
強い雨が突然降り出す
現在、A地区で非常に強い雨を
降らせている雨雲は、15時40分
頃にB地区に移動する
フェーズド
アレイレーダー
観測データ
データセンター
１３：５１：２０、35.6801N, 140.1251E
竜巻がタッチダウン
上昇気流
大きな雨粒が、
地上に到達。
通信事業者
約１０秒毎の立体観測により、積乱雲内部に
おける雨粒の成長や落下状態、風速場などの
変化を捉えることで、豪雨やダウンバーストに
ついて、局地的・短時間予測を出すことが可能
１３：５１：２５
あなたの直ぐ近く
で竜巻が発生。１
０秒以内に身近
なものに隠れて
下さい。
周囲１km以内の
人の携帯に緊急
連絡
１３：５１：３５
あなたのいる場所
は、数分以内に竜
巻が接近します。直
ちに安全な建物（ト
イレなど）に避難し
て下さい。
竜巻の進行方向
10km以内の人の携
帯に緊急連絡
< Problems associated with widespread utilization >
- How to use a 3-dim high-resolution data?
(Most users require 2-dim surface rainfall map)
- Requirement of temporal/spatial resolution?
(Researchers expect new observational results, but
general users cannot imagine the results.)
- Effective utilization method and useful products?
Nikkei newspaper （17 Nov 2008)
Application field of phased array radar
○○県△△市竜巻注意情報
平成××年4月20日10時29分
△△地方気象台発表
○○県△△市では竜巻発生
のおそれがあります。発生
予測時刻と場所は以下の
地図のとおりです。
頑丈な建物内に移動するなど、
安全確保に努めてください。
数値予報モデルへのデータ同化、
きめ細かな竜巻注意情報
【気象庁】
洪水予測、土砂災害予測
【河川局】
ダム放流（洪水調整）
【ダム管理事務所】
リアルタイムで
観測データ
を配信
航空管制【航空局】
ユーザが必要
とする情報
の提供
突発的・局所的現象の解明
【研究機関・大学】
低コスト
レーダーの開発
住民避難勧告【市町村】
Evacuation call [municipality]
次世代ドップラーレーダー技術の研究開発
【総務省・NICT】
一般市民への情報提供
【民間気象会社】
列車安全運行【鉄道会社】
Train operating
下水道ポンプ制御【市町村】
Sewerage pump [municipality]
Summary
As a low-cost rapid scan radar system, we are
developing a X-band 1-dim phased-array radar
with a combination of fan-bean Tx and DBF Rx.
 The first phased-array radar will be manufactured in 2011, and will be validated in field
experiments in 2012.
 We are promoting this project for not only
research use but also practical use at the
earliest possible time through collaboration
between industry, academia and government.

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