(57)【要約】【課題】  レーダによる風速計測装置において、風速空間分布の空間伝搬時間または空間伝搬方向を考慮することにより、精度の高い風速ベクトルの算出を行う。【解決手段】  複数の異なる方向にビームを指向して得られた大気のドップラ速度を算出するドップラ速度算出部と、算出されたドップラ速度に基づいて風速空間分布が空間中を伝搬する空間伝搬時間を推定する空間分布伝搬時間推定部と、ドップラ速度算出部で算出された各ビームで得られるドップラ速度の時系列を、推定された空間伝搬時間に対応する時間だけ移動させて補償するドップラ速度時間補償部と、複数のビーム方向に対する伝搬時間補償後のドップラ速度の時系列に基づいて風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出部とを備える。【選択図】        図１
2005189177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間に電磁波を放射し、大気で反射された電磁波を受信し、周波数解析によりドップラ速度を算出し、そのドップラ速度から風速を得る風速計測装置の風速ベクトル算出装置であって、
複数の異なる方向にビームを指向して得られた大気のドップラ速度を算出するドップラ速度算出部と、
算出されたドップラ速度に基づいて風速空間分布が空間中を伝搬する空間伝搬時間を推定する空間分布伝搬時間推定部と、
前記ドップラ速度算出部で算出された各ビームで得られるドップラ速度の時系列を、推定された空間伝搬時間に対応する時間だけ移動させて補償するドップラ速度時間補償部と、
複数のビーム方向に対する伝搬時間補償後のドップラ速度の時系列に基づいて風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出部と
を備えたことを特徴とする風速ベクトル算出装置。
【請求項２】
空間分布伝搬時間推定部が、
ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度の中から、一定の時間長を持つドップラ速度の時系列データを異なる２つのビーム方向について選択し、選択された２つのドップラ速度の時系列データの相互相関関数を算出する相互相関関数算出部と、
算出された相互相関関数のピークを検出し、そのピークにおける時間差を風速空間分布の空間伝搬時間として出力するピーク検出部と
を有したことを特徴とする請求項１記載の風速ベクトル算出装置。
【請求項３】
空間分布伝搬時間推定部が、
ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度の中から、一定の時間長を持つドップラ速度の時系列データを異なる２つのビーム方向について選択し、選択された２つのドップラ速度の時系列データの相互相関関数を算出する相互相関関数算出部と、
算出された相互相関関数のピークを検出し、そのピークにおける時間差を風速空間分布の空間伝搬時間として出力するピーク検出部と、
風速空間分布の伝搬速度が観測領域で一様であると仮定して、前記相互相関関数算出部が用いたのとは別のビーム方向における風速空間分布の空間伝搬時間を推定し出力する伝搬時間推定部と
を有したことを特徴とする請求項１記載の風速ベクトル算出装置。
【請求項４】
空間分布伝搬時間推定部が、
ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度の中から、一定の時間長を持つドップラ速度の時系列データを異なる２つのビーム方向について選択し、選択された２つのドップラ速度の時系列データの相互相関関数を算出する相互相関関数算出部と、
算出された相互相関関数のピークを検出し、そのピークにおける時間差を風速空間分布の空間伝搬時間として出力するピーク検出部と、
前記ピーク検出部で得られた空間伝搬時間と空間伝搬距離に基づいて、複数のビームについて２ビーム方向の組み合わせで空間伝搬速度をそれぞれ算出する空間伝搬速度算出部と、
算出され空間伝搬速度を平均化して平均空間伝搬速度を算出する空間伝搬速度平均部と、
算出された平均空間伝搬速度から各ビームの空間伝搬時間を算出する空間伝搬時間算出部と
を有したことを特徴とする請求項１記載の風速ベクトル算出装置。
【請求項５】
空間分布伝搬時間推定部が、
ドップラ速度算出部で算出され複数の異なるビーム方向のドップラ速度に基づいて仮風速ベクトルを算出する仮風速ベクトル算出部と、
２方向のビームそれぞれの観測点を通り、かつ算出された仮風速ベクトルと直交する直線をそれぞれ伝搬面とし、両伝搬面間の距離を仮風速ベクトルの大きさで除することにより、両観測点間を伝搬する風速空間分布の空間伝搬時間を算出する伝搬時間算出部と
を有したことを特徴とする請求項１記載の風速ベクトル算出装置。
【請求項６】
空間分布伝搬時間推定部は、ドップラ速度算出部で算出され複数の異なるビーム方向のドップラ速度の時系列を時間方向に平滑化する速度時系列平滑部を有し、
仮風速ベクトル算出部が、前記速度時系列平滑部で得られた時間平滑後のドップラ速度に基づいて仮風速ベクトルを算出するようにしたことを特徴とする請求項５記載の風速ベクトル算出装置。
【請求項７】
空間に電磁波を放射し、大気で反射された電磁波を受信し、周波数解析によりドップラ速度を算出し、そのドップラ速度から風速を得る風速計測装置の風速ベクトル算出装置であって、
複数の異なる方向にビームを指向して得られた大気のドップラ速度を算出するドップラ速度算出部と、
入力される風速ベクトルに基づいて風速空間分布が空間中を伝搬する空間伝搬時間を推定する空間分布伝搬時間推定部と、
前記ドップラ速度算出部で算出された各ビームで得られるドップラ速度の時系列を、推定された空間伝搬時間に対応する時間だけ移動させて補償するドップラ速度時間補償部と、
複数のビーム方向に対する伝搬時間補償後のドップラ速度の時系列に基づいて風速ベクトルを算出し、算出した風速ベクトルを前記空間分布伝搬時間推定部算出部へ入力する風速ベクトルとする風速ベクトル算出部とを備え、
前記空間分布伝搬時間推定部が、前記入力される風速ベクトルと一致する速度と方向で風速空間分布が伝搬すると仮定して、各ビーム方向における風速空間分布の空間伝搬時間を算出する伝搬時間算出部を有したことを特徴とする風速ベクトル算出装置。
【請求項８】
空間分布伝搬時間推定部、ドップラ速度時間補償部および風速ベクトル算出部から構成されるループ処理を繰り返すようにしたことを特徴とする請求項７記載の風速ベクトル算出装置。
【請求項９】
空間に電磁波を放射し、大気で反射された電磁波を受信し、周波数解析によりドップラ速度を算出し、そのドップラ速度から風速を得る風速計測装置の風速ベクトル算出装置であって、
複数の異なる方向にビームを指向して得られた大気のドップラ速度を算出するドップラ速度算出部と、
算出されたドップラ速度に基づいて風速空間分布が空間中を伝搬する空間伝搬方向を推定する空間分布伝搬方向推定部と、
推定された風速空間分布の空間伝搬方向と前記ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度に基づいて、前記空間伝搬方向と平行な１つの直線を設定し、設定した直線と複数の異なる観測の方向とがそれぞれ交わる点のドップラ速度を各ビームから抽出するドップラ速度抽出部と、
抽出されたドップラ速度から風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出部とを備えたことを特徴とする風速ベクトル算出装置。
【請求項１０】
空間分布伝搬方向推定部が、
異なる２つのビーム方向で得られた同一時刻のドップラ速度の相互相関係数を、ビーム方向によって同一または異なる距離のドップラ速度の時系列から算出することにより、風向軸相互相関関数を求める風向軸相互相関関数算出部と、
求められた風向軸相互相関関数のピークを検出し、ピーク位置における風向を、風速空間分布の空間伝搬方向として出力するピーク検出部とを備えたことを特徴とする請求項９記載の風速ベクトル算出装置。
【請求項１１】
空間分布伝搬方向推定部が、
ドップラ速度算出部で算出され複数の異なるビーム方向のドップラ速度に基づいて仮風速ベクトルを算出する仮風速ベクトル算出部と、
算出された仮風速ベクトルの方向を風速空間分布の空間伝搬方向として出力する伝搬方向抽出部と
を有したことを特徴とする請求項９記載の風速ベクトル算出装置。
【請求項１２】
空間分布伝搬方向推定部は、ドップラ速度算出部で算出され複数の異なるビーム方向のドップラ速度の時系列を時間方向に平滑化する速度時系列平滑部を有し、
仮風速ベクトル算出部が、前記速度時系列平滑部で得られた時間平滑後のドップラ速度に基づいて仮風速ベクトルを算出するようにしたことを特徴とする請求項１１記載の風速ベクトル算出装置。
【請求項１３】
空間に電磁波を放射し、大気で反射された電磁波を受信し、周波数解析によりドップラ速度を算出し、そのドップラ速度から風速を得る風速計測装置の風速ベクトル算出装置であって、
複数の異なる方向にビームを指向して得られた大気のドップラ速度を算出するドップラ速度算出部と、
入力される風速ベクトルに基づいて風速空間分布が空間中を伝搬する空間伝搬方向を推定する空間分布伝搬方向推定部と、
推定された空間伝搬方向と前記ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度に基づいて、前記空間伝搬方向と平行な１つの直線を設定し、設定した直線と複数の異なる観測の方向とがそれぞれ交わる点のドップラ速度を各ビームから抽出するドップラ速度抽出部と、
抽出されたドップラ速度から風速ベクトルを算出し、算出した風速ベクトルを前記空間分布伝搬方向推定部へ入力する風速ベクトルとする風速ベクトル算出部とを備え、
前記空間分布伝搬方向推定部が、前記入力される風速ベクトルを仮風速ベクトルとして、仮風速ベクトルの方向を風速空間分布の伝搬方向として出力する伝搬方向算出部を有したことを特徴とする風速ベクトル算出装置。
【請求項１４】
空間分布伝搬方向推定部、ドップラ速度抽出部および風速ベクトル算出部から構成されるループ処理を繰り返すようにしたことを特徴とする請求項１３記載の風速ベクトル算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電磁波を空間に放射し、大気で反射された電磁波を受信することにより風速を計測する風速計測装置に用いられる風速ベクトル算出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風速の空間分布の観測は、気象監視や気象予測において重要な観測項目となっている。例えば空港気象ドップラレーダでは、滑走路周辺の風速分布を観測することにより、風が急変している位置を検出している。この検出結果は、飛行計画に反映され、航空交通の安全性の向上に寄与している。このようなドップラ効果を用いて風観測を行うレーダでは、レーダから観測対象を見たときの視線方向の風速成分のみが計測され、レーダの視線方向と直交する方向の風速成分については直接計測することができない。しかし、レーダの視線方向と直交する方向の風速成分をも計測することにより、風速ベクトルを観測したいというニーズも多い。
【０００３】
上述のニーズに対応するために、複数の地点にドップラレーダを配置し、同じ観測領域を同時に観測し、異なる方向から計測したドップラ速度を合成することにより、風速ベクトルを算出する観測手法がある。ただし、複数のドップラレーダの利用は費用がかかるため、単一のドップラレーダで風速ベクトルを算出する観測手法が取られることも多い。この場合、観測対象である大気の風速分布が空間的に一様であるという仮定を利用して、異なる観測方向で得られたドップラ速度を合成することにより風速ベクトルを求めている。この方法の１つに、ＶＡＤ（Velocity Azimuth Display）法と呼ばれているものがある（例えば、非特許文献１参照）。また、少数のビーム方向で観測されたドップラ速度を用いて風速ベクトルを算出する方法に、ウィンドプロファイラと呼ばれている技術がある（例えば、非特許文献２、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５９６３６号公報
【非特許文献１】H. Sauvageot, ”Rader Meteorology”, U.S.A., Artech House, INC. 1992, p.210-213
【非特許文献２】D. A. Carter et al., Development in UHF lower tropospheric wind profiling at NOAA’s Aeronomy Laboratory”, Radio Science, vol.30, Number.4, 1995, pp.977-1001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の風速ベクトル算出の方法は、いずれも、風の空間的一様性を仮定して、異なる複数のビーム方向で観測されたドップラ速度を合成することにより算出するものであった。これは、時間平均長が長くとるために、風速計測の時間分解能が低くなる場合は問題ないが、時間分解能が高い場合には、風の空間分布が空間的に伝搬する時間だけ時系列変化の時間差が生じることになり、風速ベクトル算出に誤差が生じるという問題があった。この状況を例えば、図１７を用いて説明する。図において、方向１と方向２の２方向でドップラ速度を観測し、このドップラ速度を用いて風速ベクトルを算出することを考える。ここで、図の右下から左上に向かう方向に風が存在している状態において、一時的に強い風速を持つ大気の塊が通過したとする。その場合に方向１と方向２で観測されるドップラ速度は図１８に示すようになる。すなわち、方向２で、まず大きなドップラ速度が観測され、続いて方向１で、大きなドップラ速度が観測される。このように、風速空間分布の空間伝搬時間に対応する時間差だけ、ビーム方向によってドップラ速度の時系列変化に時間差が生じる。しかし、従来の方法ではこのような時間差を考慮していないため、風速ベクトル算出の精度に劣化を生じていた。
【０００６】
この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、レーダによる風速計測装置において、風速空間分布の空間伝搬時間または空間伝搬方向を考慮することにより、精度の高い風速ベクトルの算出を行うことのできる風速ベクトル算出装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る風速ベクトル算出装置は、空間に電磁波を放射し、大気で反射された電磁波を受信し、周波数解析によりドップラ速度を算出し、そのドップラ速度から風速を得る風速計測装置の風速ベクトル算出装置であって、複数の異なる方向にビームを指向して得られた大気のドップラ速度を算出するドップラ速度算出部と、算出されたドップラ速度に基づいて風速空間分布が空間中を伝搬する空間伝搬時間を推定する空間分布伝搬時間推定部と、ドップラ速度算出部で算出された各ビームで得られるドップラ速度の時系列を、推定された空間伝搬時間に対応する時間だけ移動させて補償するドップラ速度時間補償部と、複数のビーム方向に対する伝搬時間補償後のドップラ速度の時系列に基づいて風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出部とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、風速空間分布の空間伝搬時間を、異なるビーム方向で観測されたドップラ速度の時系列から推定し補償するようにしているので、精度の高い風速ベクトル算出を行うことができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図２はこの発明の風速ベクトル算出装置を適用する典型的な風速ベクトル計測装置の全体構成を表すブロック図である。図において、風速ベクトル計測装置は、基準信号発生部１、送信部２、送受信切替部３、電磁波送受部４、受信部５、信号処理部６、ビーム走査部７からなる構成を持つ。
次に、風速ベクトル計測装置の動作について説明する。
基準信号発生部１は基準信号を発生し、送信部２に入力する。この基準信号が入力されると、送信部２では、基準信号に同期する高出力の送信信号を発生させる。発生した送信信号は、送受信切替部３を経由して電磁波送受部４から空間に放射される。ここで、風速ベクトル計測装置が、例えば光波レーダ方式で実現されている場合には、電磁波送受部４から放射されるのはレーザビームとなる。ビーム走査部７では、電磁波送受部４から放射される電磁波の放射方向を複数の方向に制御している。
【００１０】
空間に放射された電磁波は大気によって反射される。反射された電磁波は電磁波送受部４で受信され、その受信信号は送受信切替部３を経由して受信部５に入力される。入力された受信信号は、受信部５内の増幅器で増幅された後に、基準信号発生部１から入力される基準信号と混合することにより、低い周波数帯に周波数変換された受信低周波信号として取り出される。ビーム走査部７により電磁波の放射方向を制御しているから、受信低周波信号は複数のビーム方向に対して得られる。複数のビーム方向で得られた受信低周波信号に対して、信号処理部６で信号処理がなされ、風速ベクトルが得られる。この信号処理部６には、以下に述べるようなこの発明の風速ベクトル算出装置６１〜６４のいずれかを適用することができる。
【００１１】
図１はこの発明の実施の形態１による風速ベクトル算出装置の構成を示すブロック図である。図において、風速ベクトル算出装置６１は、ドップラ速度算出部１０１、空間分布伝搬時間推定部１０２、ドップラ速度時間補償部１０３および風速ベクトル算出部１０４を備えている。
【００１２】
次に、風速ベクトル算出装置６１の動作について説明する。
複数のビーム方向での観測で得られた受信低周波信号に対して、ドップラ速度算出部１０１では、受信低周波信号の時系列を周波数領域の信号に変換することにより、目標である大気のドップラ速度を得る。周波数領域への変換には、例えばフーリエ変換の手法が用いられる。空間分布伝搬時間推定部１０２では、ドップラ速度算出部１０１で算出されたドップラ速度に基づいて、風速空間分布が空間中を伝搬する時間（これを空間伝搬時間とする。）を推定する。
【００１３】
ドップラ速度時間補償部１０３は、各ビームで得られるドップラ速度の時系列の時間を、推定された空間伝搬時間に対応する時間だけ移動させて補償する。この補償方法は、例えば、２つのビーム方向で観測している場合に、ビーム１からビーム２まで風速空間分布が伝搬する空間伝搬時間がｔ１であるとすると、ビーム２の受信低周波信号から得られたドップラ速度の時系列を時間ｔ１だけ進めることである。あるいは、ビーム１の受信低周波信号から得られたドップラ速度時系列を時間ｔ１だけ遅らせることである。
【００１４】
風速ベクトル算出部１０４は、複数のビーム方向に対する伝搬時間補償後のドップラ速度に基づいて風速ベクトルを算出する。ビームを連続的に方位角方向に走査する場合には、ＶＡＤ法を用いればよい。また、少数の離散的なビーム方向で観測した場合には、非特許文献の方法と同様に風速ベクトルを算出すればよい。
【００１５】
図３は空間分布伝搬時間推定部の構成を示すブロック図である。図において、空間分布伝搬時間推定部１０２は、相互相関関数算出部１１１およびピーク検出部１１２を有する。相互相関係数算出部１１１では、ドップラ速度算出部１０１で算出されたドップラ速度が入力されると、その中から一定の時間長を持つドップラ速度の時系列データを２つのビーム方向について選択し、選択された２つのドップラ速度の時系列データの相互相関関数を算出する。ピーク検出部１１２では、算出された相互相関関数の絶対値の最大値（ピーク）を検出し、そのときの時間差を風速空間分布の空間伝搬時間として出力する。
【００１６】
図３の空間分布伝搬時間推定部１０２では、２つの方向のビームのドップラ速度の時系列の相互相関関数が最大となる時間差を時間補正の量とすることについて述べた。しかし、３つ以上のビーム方向で観測したドップラ速度から風速ベクトルを算出する場合には、相互相関関数の算出に用いたのとは別のビーム方向で観測されたドップラ速度の時間補償も行う必要がある。そのような場合に適用する空間分布伝搬時間推定部の構成を図４に示す。この構成は、図３の構成に伝搬時間推定部１１３が加わったものである。
伝搬時間推定部１１３では、風速空間分布の空間伝搬速度が観測領域で一様であると仮定して、線形補間によって、相互相関関数の算出に用いたのとは別のビーム方向における風速空間分布の空間伝搬時間を推定する。これにより、ＶＡＤ法などの３つ以上のビーム方向で得られたドップラ速度を用いて風速ベクトルを算出する場合にも、空間伝搬時間を考慮した風速ベクトル算出精度の向上が可能となる。
【００１７】
さらに別の空間分布伝搬時間推定部の構成例を図５に示す。この構成は、図３の構成に空間伝搬速度算出部１１４、空間伝搬速度平均部１１５および空間伝搬時間算出部１１６が加わったものである。ここでは、２ビーム方向の組み合わせで得られる空間伝搬速度を、複数のビームの組み合わせで算出し、その平均値から空間全体での平均的な空間伝搬時間を得るようにしている。具体的には、空間伝搬速度算出部１１４では、ピーク検出部１１２で得られた空間伝搬時間と伝搬距離とに基づいて空間伝搬速度を算出する。２ビーム方向の組み合わせで複数のビームについてこの処理を実行した結果を、空間伝搬速度平均部１１５に与えて平均化し平均空間伝搬速度を算出する。空間全体においてこの平均空間伝搬速度で伝搬すると仮定して、空間伝搬時間算出部１１６では、各ビームの空間伝搬時間を算出する。このことにより、３つ以上の多数のビームで得られたドップラ速度を用いて空間伝搬時間を得るため、受信機雑音の影響などによってドップラ速度の精度が低下している場合にも、平均効果によって空間伝搬時間の推定精度の劣化を防ぐことができる。
なお、一般的に、風速空間分布の空間伝搬時間は空間位置によって異なる。したがって、この実施の形態１における空間伝搬時間の補償は、観測距離毎に行うようにするのがよい。ただし、風速空間分布の空間伝搬時間が観測領域内で一様として近似できる場合には、観測距離によらず一定の値で空間伝搬時間の補償を行うようにしてもよい。
【００１８】
以上のように、この実施の形態１によれば、複数の異なる方向にビームを指向して得られた大気のドップラ速度を算出し、算出された風速空間分布が空間中を伝搬する空間伝搬時間を推定し、各ビームで得られるドップラ速度の時系列を、推定された空間伝搬時間に対応する時間だけ移動させて補償し、複数のビーム方向に対する伝搬時間補償後のドップラ速度に基づいて風速ベクトルを算出するようにしている。特に、風速空間分布の空間伝搬時間を、異なるビーム方向で観測されたドップラ速度の時系列の相互相関関数から推定するようにしているので、精度の高い風速ベクトル算出を行うことができる効果が得られる。
【００１９】
実施の形態２．
以上の実施の形態１では、風速空間分布の空間伝搬時間を、異なるビーム方向で観測されたドップラ速度の時系列の相互相関関数から推定することについて述べてきた。これに替えて、この実施の形態２では、風速空間分布の空間伝搬時間を、計測された風速ベクトルから推定することについて説明する。この実施の形態２の風速ベクトル算出装置は図１の構成と同じであるが、空間分布伝搬時間推定部１０２の構成が図６に示すように実施の形態１ものとは異なっている。この空間分布伝搬時間推定部１０２は、ドップラ速度時系列平滑部１２１、仮風速ベクトル算出部１２２および伝搬時間算出部１２３を有する。
【００２０】
次に、図６の空間分布伝搬時間推定部１０２の動作について説明する。
図１のドップラ速度算出部１０１は、複数の異なる方向にビームを指向して得られた大気のドップラ速度を算出しているが、ドップラ速度時系列平滑部１２１では、この伝搬時間補償前のドップラ速度の時系列を時間方向に平滑化する。この処理には、例えば移動平均フィルタが用いられる。仮風速ベクトル算出部１２２では、ドップラ速度時系列平滑部１２１の出力である時間平滑後のドップラ速度を用いて、仮風速ベクトルの算出を行い、伝搬時間算出部１２３へ出力する。この仮風速ベクトルは、風速空間分布の伝搬時間が補償されていないものであるが、ドップラ速度時系列平滑部１２１によって時間方向に平滑化されているため、時間分解能を犠牲にすることにより仮風速ベクトルの算出精度の劣化を防ぐようにしている。なお、仮風速ベクトルの算出精度の劣化を考慮しないで済む場合には、仮風速ベクトル算出部１２２は、ドップラ速度算出部１０１の伝搬時間補償前のドップラ速度から直接、仮風速ベクトルを算出するようにしてもよい。
【００２１】
次に、伝搬時間算出部１２３では、仮風速ベクトルから空間伝搬時間を算出する。この空間伝搬時間の推定方法を図７により説明する。仮風速ベクトルで表される方向と速度で風速空間分布が伝搬すると近似する。観測点１を通り、かつ仮風速ベクトルと直交する直線を伝搬面１とし、観測点２を通り、かつ仮風速ベクトルと直交する直線を伝搬面２と呼ぶことにする。風速空間分布が観測点２から観測点１まで伝搬する際の伝搬距離は、伝搬面１と伝搬面２の間の距離となる。そこで、この伝搬距離を観測点２の仮風速ベクトルの大きさで除したものが、観測点２から観測点１までの風速空間分布の空間伝搬時間となる。したがって、空間分布伝搬時間推定部１０２は、この空間伝搬時間を算出し出力することになる。
【００２２】
以上のように、この実施の形態２によれば、風速空間分布の空間伝搬時間を、仮風速ベクトルから推定するようにしたので、相互相関関数の演算を行わないため、少ない演算量で風速空間分布の伝搬時間を考慮した精度の高い風速ベクトル算出が可能となる。また、ドップラ速度の時系列を時間方向に平滑化することにより、仮風速ベクトル算出精度の劣化を防ぐことができるため、最終的に得られる風速ベクトルの精度が向上する効果が得られる。
【００２３】
実施の形態３．
上記実施の形態２では、仮風速ベクトル算出部１２２で伝搬時間補償前のドップラ速度を用いて仮の風速ベクトルを算出することについて述べてきた。これに替えて、この実施の形態３では、近い過去において伝搬時間補償後のドップラ速度を用いて風速ベクトル算出部１０４で算出された風速ベクトルの結果をそのまま仮風速ベクトルとして用いることについて説明する。図８は実施の形態３による風速ベクトル算出装置の構成を示すブロック図である。また、図９は実施の形態３に係る空間分布伝搬時間推定部の詳細を表すブロック図である。これら２つの図において、図１および図６に相当する構成部分には同一の符号を付して示す。この実施の形態３では、風速ベクトル算出装置６２の各構成部分の組み合わせ方が実施の形態２とは異なっている。
【００２４】
次に、風速ベクトル算出装置６２の動作について説明する。
風速ベクトル算出部１０４で得られた伝搬時間補償後の風速ベクトルが空間分布伝搬時間推定部１０２に入力される。空間分布伝搬時間推定部１０２では、入力された風速ベクトルを仮風速ベクトルとして、上記実施の形態２と同様に、図７で説明した方法により、伝搬時間算出部１２３によって風速空間分布の空間伝搬時間が推定される。ドップラ速度時間補償部１０３では、この空間伝搬時間だけドップラ速度算出部１０１から与えられるドップラ速度の時系列の時間を補償する。風速ベクトル算出部１０４において、最終的な風速ベクトルを算出する。
【００２５】
仮風速ベクトルとして空間分布伝搬時間推定部１０２に入力する風速ベクトルは、直前の時刻に風速ベクトル算出部１０４で得られた風速ベクトルを用いている。したがって、空間分布伝搬時間推定部１０２、ドップラ速度時間補償部０１０３および風速ベクトル算出部１０４の３つのブロックで構成されるループを繰返し実行することになり、風速ベクトル算出精度を向上させることができる。
【００２６】
ここで、観測開始直後の場合について説明する。
風速ベクトル算出部１０４での風速ベクトル算出がまだ行われていない段階では、空間分布伝搬時間推定部１０２の出力がないため、ドップラ速度時間補償部１０３には伝搬時間が入力されない。そのような段階では、ドップラ速度時間補償部１０３はドップラ速度の時間補償を行わないこととする。これにより、観測開始直後の時刻では算出される風速ベクトルの精度が低くなるが、次の時刻以降には時間補償されることになるから精度の高い風速ベクトルが算出されるようになり、問題はない。また、前述のように空間分布伝搬時間推定部１０２、ドップラ速度時間補償部１０３および風速ベクトル算出部１０４の３つのブロックで構成されるループ処理を繰返し実行することになるので、観測開始直後の時刻においても、時間補償された精度の高い風速ベクトルを算出することができる。
【００２７】
以上のように、この実施の形態３によれば、伝搬時間補償後に得られた風速ベクトルから風速空間分布の空間伝搬時間を推定するようにしているので、空間伝搬時間推定の精度が高くなり、それを用いて算出される風速ベクトルの精度も高くなる。さらに、反復してループ処理を行うことで、風速ベクトル算出精度をより向上させる効果が得られる。
【００２８】
実施の形態４．
上記実施の形態１乃至３では、風速空間分布の空間伝搬時間を補正することについて述べてきた。この実施の形態４では、風速空間分布の空間伝搬方向を補償することについて説明する。図１０はこの発明の実施の形態４による風速ベクトル算出装置の構成を示すブロック図である。図において、図１に相当する構成部分には同一の符号を付して示す。風速ベクトル算出装置６３は、図１の風速ベクトル算出装置６１の空間分布伝搬時間推定部１０２に替えて空間分布伝搬方向推定部２０２を備え、またドップラ速度時間補償部１０３に替えてドップラ速度抽出部２０３を備えている。
【００２９】
次に、風速ベクトル算出装置６３の動作について説明する。
ドップラ速度算出部１０１では、受信低周波信号の時系列を周波数領域の信号に変換することにより、目標である大気のドップラ速度を得る。周波数領域への変換には、例えばフーリエ変換の手法が用いられる。空間分布伝搬方向推定部２０２では、風速空間分布の空間伝搬方向を推定する。ドップラ速度抽出部２０３では、推定された空間伝搬方向と平行な直線上で観測されたドップラ速度を抽出する。具体的には、図１２に示すように、推定された空間伝搬方向と平行な１つの直線が観測の方向１を表す線分と交わる点を観測点１、同じ直線が異なる観測の方向２を表す線分と交わる点を観測点２とし、観測点１と観測点２のドップラ速度をそれぞれ抽出する。風速ベクトル算出部１０４では、抽出されたドップラ速度に基づいて風速ベクトルを算出する。
【００３０】
図１１は空間分布伝搬方向推定部２０２の詳細構成を表すブロック図である。図において、空間分布伝搬方向推定部２０２は、風向軸相互相関関数算出部２１１およびピーク検出部２１２を有する。図１３は観測の方向１と方向２の２つのビーム方向で観測している状況を表している。ここで、ビームの方向１の上にある観測点１を固定し、空間伝搬方向がθであるとする。ビームの方向２と空間伝搬方向を表す直線の交点を観測点２とすると、観測点１と観測点２では、ある空間伝搬時間を経て同一の風速空間分布を観測することになる。実際には、空間伝搬方向θは未知である。そこで、風向軸相互相関関数算出部２１１では、観測点１のドップラ速度の時系列と観測点２のドップラ速度の時系列の相互相関係数を、仮定するθを変化させて計算する。異なるθで計算した相互相関係数を集めてθの関数にしたものを風向軸相互相関関数と呼ぶことにする。換言すると、風向軸相互相関関数算出部２１１は、異なる２つのビーム方向で得られた同一時刻のドップラ速度の相互相関係数を、ビーム方向によって同一または異なる距離のドップラ速度の時系列から算出することにより、風向軸相互相関関数を求めることになる。ピーク検出部２１２では、この風向軸相互相関関数が最大となるθを検出し、そのθ、すなわちピーク位置における風向を風速空間分布の空間伝搬方向であるとして出力する。
【００３１】
なお、図１３において、例えばθが９０度となる場合には、図１３における左右の方向には風速空間分布は伝搬しない。この場合、観測点１から観測点２または観測点２から観測点１へと風速空間分布が伝搬するというような、観測点１と観測点２の組み合わせを得ることができない。このような場合には、風向軸相互相関関数に明確なピークが現れないことになる。その場合は、従来の方法と同様に、観測点１と観測点２がレーダから同一距離となるようにして、観測点１と観測点２のドップラ速度をドップラ速度抽出部２０３で抽出し、風速ベクトル算出部１０４による風速ベクトル算出を行えばよい。
以上の説明は、風速空間分布の空間伝搬方向に関する補償のみを行うものであるが、実施の形態１乃至３で述べた伝搬時間の補償も合わせて行うようにしてもよい。
【００３２】
以上のように、この実施の形態４によれば、異なるビーム方向でのドップラ速度を組み合わせる際に、各ビーム方向においてドップラ速度を抽出する距離を、風速空間分布の空間伝搬方向に基づいて選択するようにしているので、風速ベクトルの算出精度を向上させる効果が得られる。
【００３３】
実施の形態５．
上記実施の形態４では、風速空間分布の空間伝搬方向を、異なるビーム方向で観測されたドップラ速度の時系列の相互相関関数から推定することについて述べた。この実施の形態５では、風速空間分布の空間伝搬方向を、計測された風速ベクトルから推定することについて説明する。実施の形態５の風速ベクトル算出装置の構成は図１０のものと同じであるが、空間分布伝搬方向推定部２０２が図１４に示すような構成を有する。図１４において、空間分布伝搬方向推定部２０２は、ドップラ速度時系列平滑部１２１、仮風速ベクトル算出部１２２および伝搬方向抽出部２２３を有する。伝搬方向抽出部２２３以外は実施の形態２の図６で述べた構成部分と同じである。
【００３４】
次に、図１５の空間分布伝搬方向推定部２０２の動作について説明する。
ドップラ速度時系列平滑部１２１では、ドップラ速度算出部１０１から入力される伝搬方向補償前のドップラ速度の時系列を時間方向に平滑化する。仮風速ベクトル算出部１２２では、ドップラ速度時系列平滑部１２１の出力である時間平滑後のドップラ速度を用いて、仮風速ベクトルの算出を行い、伝搬方向抽出部２２３へ出力する。伝搬方向抽出部２２３では、算出された仮風速ベクトルについて、その方向を空間伝搬方向であるとみなしてドップラ速度抽出部２０３へ出力する。ドップラ速度抽出部２０３では、仮風速ベクトルの方向と平行な直線上で観測されたドップラ速度を抽出する。
なお、仮風速ベクトルの算出精度の劣化を考慮しないで済む場合には、仮風速ベクトル算出部１２２は、ドップラ速度算出部１０１のドップラ速度から直接、仮風速ベクトルを算出するようにしてもよい。
以上の説明では、風速空間分布の空間伝搬方向に関する補償のみを行うものであったが、前述の実施の形態１乃至３で述べた空間伝搬時間の補償も合わせて行うようにしてもよい。
【００３５】
以上のように、この実施の形態５によれば、相互相関関数の演算を行わないため、少ない演算量で風速空間分布の空間伝搬方向を考慮した精度の高い風速ベクトル算出を可能にする効果が得られる。また、ドップラ速度時系列を時間方向に平滑化することにより、仮風速ベクトル算出精度の劣化を防ぐことができるため、最終的に得られる風速ベクトルの精度が向上する効果が得られる。
【００３６】
実施の形態６．
前記実施の形態５では、仮風速ベクトル算出部１２２で伝搬方向補償前のドップラ速度を用いて仮風速ベクトルを算出することについて述べてきた。これに替えて、この実施の形態６では、近い過去において伝搬方向補償後のドップラ速度を用いて風速ベクトル算出部１０４で算出した風速ベクトルの結果を、そのまま仮風速ベクトルとして用いることについて説明する。図１５はこの発明の実施の形態６による風速ベクトル算出装置の構成を示すブロック図である。また、図１６はこの実施の形態６に係る空間分布伝搬方向推定部の構成を表すブロック図である。図において、図１０および図１４に相当する構成部分には同一の符号を付して示す。この実施の形態６は、各構成部分の組み合わせ方が実施の形態５のものとは異なっている。
【００３７】
次に、風速ベクトル算出装置６４の動作について説明する。
ここでは、風速ベクトル算出部１０４で得られた伝搬方向補償後の風速ベクトルを空間分布伝搬方向推定部２０２に入力する。空間分布伝搬方向推定部２０２では、入力された風速ベクトルを仮風速ベクトルとして、伝搬方向算出部２２３が仮風速ベクトルの方向を風速空間分布の伝搬方向として出力する。ドップラ速度抽出部２０３では、実施の形態４と同様にして、ドップラ速度を抽出し、風速ベクトル算出部１０４において、最終的な風速ベクトルを算出する。
【００３８】
仮風速ベクトルとして空間分布伝搬方向推定部２０２に入力する風速ベクトルは、直前の時刻に風速ベクトル算出部１０４で得られた風速ベクトルを用いている。したがって、空間分布伝搬方向推定部２０２、ドップラ速度抽出部２０３および風速ベクトル算出部１０４の３つのブロックで構成されるループ処理を繰返し実行することにより、風速ベクトル算出精度を向上させることができる。
【００３９】
ここで、観測開始直後の場合について説明する。
風速ベクトル算出部１０４での風速ベクトル算出がまだ行われていない段階では、空間分布伝搬方向推定部２０２の出力がないため、ドップラ速度抽出部２０３に伝搬方向が入力されない。そのような段階では、ドップラ速度抽出部２０３ではドップラ速度の伝搬方向補償を行わないこととする。これにより、観測開始直後の時刻では算出される風速ベクトルの精度が低くなるが、次の時刻以降には空間伝搬方向について補償された精度の高い風速ベクトルが算出されるようになるから問題はない。また、前述のように空間分布伝搬方向推定部２０２、ドップラ速度抽出部２０３および風速ベクトル算出部１０４の３つのブロックで構成されるループを繰返し実行することになるから、観測開始直後の時刻においても、時間補償された精度の高い風速ベクトルを算出することができる。
以上の説明では、風速空間分布の伝搬方向に関する補償のみを行うものであるが、実施の形態１乃至３で述べた伝搬時間の補償も合わせて行うようにしてもよい。
【００４０】
以上のように、この実施の形態６によれば、伝搬方向補償後に得られる風速ベクトルから風速空間分布の空間伝搬方向を推定するようにしているので、伝搬方向推定の精度が高くなり、それを用いて算出される風速ベクトルの精度も高くなる。さらに、反復処理を行うことにより、風速ベクトル算出精度をより向上させる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の実施の形態１による風速ベクトル算出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】典型的な風速ベクトル計測装置の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る空間分布伝搬時間推定部の構成を表すブロック図である。
【図４】の発明の実施の形態１に係る別の空間分布伝搬時間推定部の構成を表すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るのさらに別の空間分布伝搬時間推定部の構成を表すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る空間分布伝搬時間推定部の構成を表すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態２における仮風速ベクトルから空間伝搬時間を推定する方法を示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態３による風速ベクトル算出装置の構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態３に係る空間分布伝搬時間推定部の構成を表すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態４による風速ベクトル算出装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】この発明の実施の形態４に係る空間分布伝搬方向推定部の構成を表すブロック図である。
【図１２】この発明の実施の形態４における風速ベクトル算出方法を示す説明図である。
【図１３】この発明の実施の形態４における風向軸相互相関関数の計算について示す説明図である。
【図１４】この発明の実施の形態５に係る空間分布伝搬方向推定部の構成を表すブロック図である。
【図１５】この発明の実施の形態６による風速ベクトル算出装置の構成を示すブロック図である。
【図１６】この発明の実施の形態６に係る空間分布伝搬方向推定部の構成を表すブロック図である。
【図１７】従来の風速ベクトル計測例を示す説明図である。
【図１８】図１７の計測例で起こる風速変化パタンの時間軸方向のずれを示す説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０１  ドップラ速度算出部、１０２  空間分布伝搬時間推定部、１０３  ドップラ速度時間補償部、１０４  風速ベクトル算出部、１１１  相互相関関数算出部、１１２  ピーク検出部、１１３  伝搬時間推定部、１１４  空間伝搬速度算出部、１１５  空間伝搬速度平均部、１１６  空間伝搬時間算出部、１２１  ドップラ速度時系列平滑部、１２２  仮風速ベクトル算出部、１２３  伝搬時間算出部、２０２  空間分布伝搬方向推定部、２０３  ドップラ速度抽出部、２１１  風向軸相互相関関数算出部、２１２  ピーク検出部、２２３  伝搬方向抽出部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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