(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気に向けて複数の方向にビームを発射し、上記大気の反射エコーを受信して複素受信信号を生成する送受信手段と、
上記複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、上記ビーム毎、高度毎にスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出するドップラ速度算出手段と、
上記高度毎に算出した上記ドップラ速度の上記ビーム間の整合性を確認し、確認した高度毎の上記ビーム間の整合性と上記ドップラ速度を出力するビーム間整合性確認手段と、
上記確認されたビーム間の整合性に基づき、風速ベクトルを算出するための高度毎のビームの組合せを選択し、選択した高度毎の上記ビームの組合せと上記ドップラ速度を出力するビーム選択手段と、
選択した高度毎の上記ビームの組合せと上記ドップラ速度に基づき、高度毎に風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出手段とを
備えたことを特徴とするウィンドプロファイラ装置。
【請求項２】
ビーム間整合性確認手段が、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を用いて、高度毎に上記ビームの複数個の組合せによる風速ベクトルを試算し、試算した風速ベクトルの差を所定のしきい値と比較することにより、高度毎に風速ベクトルの一致度を判定して、上記ドップラ速度の上記ビーム間の整合性を確認する
ことを特徴とする請求項１記載のウィンドプロファイラ装置。
【請求項３】
ビーム選択手段が、ビーム間整合性確認手段から出力されたビーム間の整合性が高い場合は予め定められた所定のビームの組合せを高度毎に選択し、ビーム間の整合性が低い場合は各ビームについてドップラ速度の距離方向の連続度を算出し、距離方向にドップラ速度が連続しているビームの組合せを高度毎に選択する
ことを特徴とする請求項１記載のウィンドプロファイラ装置。
【請求項４】
ビーム選択手段が、所定の窓長を有する距離方向の中央値フィルタを使用してドップラ速度の距離方向の連続度を算出する
ことを特徴とする請求項３記載のウィンドプロファイラ装置。
【請求項５】
ビーム選択手段が、ビーム間整合性確認手段から出力されたビーム間の整合性が高い場合は予め定められた所定のビームの組合せを高度毎に選択し、ビーム間の整合性が低い場合は各ビームについてドップラ速度の時間方向の連続度を算出し、時間方向にドップラ速度が連続しているビームの組合せを高度毎に選択する
ことを特徴とする請求項１記載のウィンドプロファイラ装置。
【請求項６】
ビーム選択手段が、所定の窓長を有する時間方向の中央値フィルタを使用してドップラ速度の時間方向の連続度を算出する
ことを特徴とする請求項５記載のウィンドプロファイラ装置。
【請求項７】
ビーム間整合性確認手段が、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を用いて、高度毎に上記ビームの複数個の組合せによる風速ベクトルを試算し、試算した風速ベクトルの差を所定のしきい値と比較することにより、高度毎に風速ベクトルの一致度を判定して、上記ドップラ速度の上記ビーム間の整合性を確認し、全てのビームでドップラ速度の整合が確認されなかった場合に、一部のビームを組み合わせて部分的な整合性が取れないかを確認し、ビーム間の部分的整合性を出力する
ことを特徴とする請求項１記載のウィンドプロファイラ装置。
【請求項８】
ビーム間整合性確認手段が、高度毎に上記ドップラ速度のビーム間の整合性を確認できない場合に、ドップラ速度算出手段が、ビーム毎、高度毎に他のスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出する
ことを特徴とする請求項１記載のウィンドプロファイラ装置。
【請求項９】
ドップラ速度算出手段が、算出した低い高度のドップラ速度をビーム間整合性確認手段に出力し、算出した高い高度のドップラ速度をビーム選択手段に出力する
ことを特徴とする請求項１記載のウィンドプロファイラ装置。
【請求項１０】
ビーム間整合性確認手段によるビーム間整合性の確認結果に基づき、送受信手段が発射するビーム本数又はビーム方向を制御するビーム発射制御手段を
備えたことを特徴とする請求項１記載のウィンドプロファイラ装置。
【請求項１１】
ビーム間整合性確認手段によるビーム間整合性が低いときに、ビーム発射制御手段がビーム本数を増加する
ことを特徴とする請求項１０記載のウィンドプロファイラ装置。
【請求項１２】
ビーム間整合性確認手段によるビーム間整合性が低いときに、ビーム発射制御手段がビームの仰角を大きくする
ことを特徴とする請求項１０記載のウィンドプロファイラ装置。
【請求項１３】
大気に向けて複数の方向にビームを発射し、上記大気の反射エコーを受信して複素受信信号を生成する送受信手段と、
上記複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、上記ビーム毎、高度毎に複数のスペクトルピークに対応する複数のドップラ速度を算出する複数ドップラ速度算出手段と、
上記高度毎に、上記複数のドップラ速度の中から、ビーム間で整合するように各ビームのドップラ速度を選択して出力するドップラ速度選択手段と、
選択した高度毎の上記各ビームのドップラ速度に基づき、高度毎に風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出手段とを
備えたことを特徴とするウィンドプロファイラ装置。
【請求項１４】
大気に向けて複数の方向にビームを発射し、上記大気の反射エコーを受信して複素受信信号を生成する送受信手段と、
上記複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、上記ビーム毎、高度毎に複数のスペクトルピークに対応する複数のドップラ速度を算出する複数ドップラ速度算出手段と、
上記高度毎に、上記複数のドップラ速度の中から、ビーム間で整合するように全てのビームのドップラ速度を選択して出力するドップラ速度選択手段と、
選択した高度毎の上記全てのビームのドップラ速度に基づき、高度毎に風速ベクトルの平均値を算出する平均風速ベクトル算出手段とを
備えたことを特徴とするウィンドプロファイラ装置。
【請求項１５】
大気に向けて複数の方向にビームを発射し、上記大気の反射エコーを受信して複素受信信号を生成する送受信手段と、
上記複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、上記ビーム毎、高度毎にスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出するドップラ速度算出手段と、
上記高度毎に算出した上記ドップラ速度の上記ビーム間の整合性を確認する際に、全ビームのうちの一部のビームを組合せたときに、部分的な整合性が取れないかを確認し、確認した高度毎の上記ビーム間の部分的整合性と上記ドップラ速度を出力するビーム間整合性確認手段と、
上記確認されたビーム間の部分的整合性に基づき、風速ベクトルを算出するための高度毎のビームの組合せを全て選択し、選択した高度毎の上記ビームの全ての組合せと上記ドップラ速度を出力するビーム選択手段と、
選択した高度毎の上記ビームの全ての組合せと上記ドップラ速度に基づき、高度毎に複数の風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出手段とを
備えたことを特徴とするウィンドプロファイラ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、上空大気の風速ベクトルを計測する大気レーダであるウィンドプロファイラ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風向・風速の情報は気象予報に必要な情報の一つである。風向・風速を計測する最も一般的な方法は、地上に風向・風速計を設置することであるが、その場合は、地上の風向・風速計では地表付近の風しか測定できない。気象予報をより正確にするためには、上空の風向・風速も知ることが必要であるが、従来はゾンデ等による観測でしか上空の風を計測することができなかった。ゾンデ観測では、ゾンデを上げた時刻のデータしか得ることができないため、観測の時間分解能が数時間以上と低いことが欠点であった。
【０００３】
それに対して、近年、ウィンドプロファイラ装置と呼ばれる大気レーダにより、上空の風向・風速を計測する技術が確立されつつある。ウィンドプロファイラ装置では、１分〜数分毎に上空の風向・風速を計測することが可能となる。このような高い時間分解能により計測された上空の風情報は、気象予報の精度向上に有効となると期待されている。
【０００４】
ここで、ウィンドプロファイラ装置で大気を計測する原理を説明する。ウィンドプロファイラ装置から送信された電波（ビーム）は、大気の屈折率の粗密が散乱体となって反射される。反射された電波はウィンドプロファイラ装置で受信される。散乱体が上空の風と共に流れていると、受信された電波はドップラ効果によって周波数が変化する。この周波数の変化を一般のドップラレーダと同様に検出することにより、上空の風速を測定する。ただし、ドップラレーダで直接計測される風速は、実際の風速の視線方向への射影成分のみとなる。そこで、ウィンドプロファイラ装置上空のある一定領域の風速分布が一様であると仮定して、ウィンドプロファイラ装置の観測方向を複数方向に変えて測定を行うことにより、３次元の風速ベクトルの合成を行う。
【０００５】
図２７はウィンドプロファイラ装置における３次元風速ベクトルの算出原理を説明する図である。図２７（ａ）はウィンドプロファイラ装置におけるビーム方向の例を示す図である。この例では、東、西、南、北及び天頂方向の計５つの方向にビームを向けて観測している。天頂方向以外のビームの天頂角は、例えば１０度程度に設定される。３次元風速ベクトルは、東西方向成分、南北方向成分、鉛直方向成分に分けることができる。鉛直方向成分は天頂方向に指向したビーム（以後天頂ビームと呼ぶ）で得られるドップラ速度そのものとなる。東西方向成分は東方向に指向したビーム（以後東ビームと呼ぶ。他の方角についても同様とする）のドップラ速度と西ビームのドップラ速度を使用して求めることができる。
【０００６】
図２７（ｂ）は、東西方向に水平に風が吹いている場合に、東ビームと西ビームでどのようなドップラ速度が観測されるかを示した図である。図に示すように、西から東に風が吹いている場合には、西ビームでは近づく方向のドップラ速度が観測され、東ビームでは遠ざかる方向のドップラ速度が観測される。このように、異なるビーム方向で同一の風を観測すると、異なるドップラ速度が得られることから、ビーム間のドップラ速度の差異から水平風成分を算出することが可能となる。同様にして、北ビームと南ビームを用いれば、風速の南北方向成分を算出することができる。
【０００７】
以上では、空中線から発射されるビームを５つの方向に向けて３次元風速ベクトルを求める場合について説明したが、３次元風速ベクトルを求めるためには、最低限３ビームを用いるだけでも良い。例として、ビームを天頂方向、東方向、北方向に向けた場合を考える。風速の鉛直方向成分は、天頂ビームのドップラ速度と一致する。風速の東西方向成分は、東ビームのドップラ速度から鉛直方向成分を差し引くことにより算出できる。また、風速の南北方向成分は、北ビームのドップラ速度から鉛直方向成分を差し引くことにより算出できる。
【０００８】
複数の方向にビームを向けるために、複数の反射鏡型空中線等のフェーズドアレイタイプでない空中線を用いる場合には、通常、ビーム方向の数だけ反射鏡が用いられる。そのため、ビーム本数を３次元風速ベクトル算出に最低限必要な３つとし、反射鏡の数を最小限必要な３つとしていることが多い。それに対して、フェーズドアレイを用いたウィンドプロファイラ装置では、一つの空中線でビームを瞬時に切換えることができるため、図２７（ａ）に示したように、東、西、南、北及び天頂方向の５つの方向にビームを走査することが多い。
【０００９】
このようなウィンドプロファイラ装置の従来技術を示す文献として、例えば、Ｈａｓｈｉｇｕｃｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｐｌａｎｅｔａｒｙ  ｂｏｕｎｄａｒｙ  ｌａｙｅｒ  ｏｖｅｒ  ｅｑｕａｔｏｒｉａｌ  Ｉｎｄｏｎｅｓｉａ  ｗｉｔｈ  ａｎ  Ｌ  ｂａｎｄ  ｃｌｅａｒ−ａｉｒ  Ｄｏｐｐｌｅｒ  ｒａｄａｒ：Ｉｎｉｔｉａｌ  ｒｅｓｕｌｔｓ，Ｒａｄｉｏ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．３０，ｎｏ．４，ｐｐ．１０４３−１０５４，１９９５では、３つのパラボラ型空中線を用いて、天頂、東、北の３つの方向を観測し、風速ベクトルを測定する装置について説明している。
【００１０】
また、Ｃａｒｔｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｉｎ  ＵＨＦｌｏｗｅｒ  ｔｒｏｐｏｓｈｅｒｉｃ  ｗｉｎｄ  ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ  ａｔＮＯＡＡ’ｓ  Ａｅｒｏｎｏｍｙ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｒａｄｉｏ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．３０，ｎｏ．４，ｐｐ．９７７−１００１，１９９５では、固定型の３つの空中線を用いる種類の装置の説明に加えて、フェーズドアレイ型の空中線を用いて、５方向にビームを指向する種類の装置について紹介している。そして、方位角が１８０度異なる斜め方向の２つのビーム（例えば東ビームと西ビーム）のドップラ速度から、水平風（東西風）を求めることを示している。
【００１１】
このように、フェーズドアレイを用いたウィンドプロファイラ装置では、通常５つのビーム方向を観測して３次元風速ベクトルを計測するが、３次元風速ベクトル算出に最低限必要なビーム本数は３であり、ビーム本数が５本の観測は冗長性のあるものと言える。実際には、従来のフェーズドアレイ方式のウィンドプロファイラ装置では、３次元風速ベクトルの３成分のうち、鉛直風は天頂ビームのドップラ速度をそのまま利用し、東西風は東ビームと西ビームのドップラ速度から算出し、南北風は北ビームと南ビームからドップラ速度を算出するというように、成分毎に用いるビームは固定されていた。即ち、従来は冗長性を利用したデータ処理は行われていなかった。
【００１２】
次に、ウィンドプロファイラ装置による風速ベクトル算出における課題について説明する。一般にウィンドプロファイラ装置では、風速の空間的一様性を仮定することにより３次元ベクトルを求める。上空大気の流れは、高度が高くなるに従って地表面の影響を受けにくくなるため、風速の空間的一様性が高くなる。しかし、低い高度では、大気の流れが地表面の影響を受けるため、風速の空間的一様性が低下する。大気の流れの一様性が低くなると、風速ベクトル算出精度が劣化する。特に低い高度領域で精度劣化の可能性が高くなる。
【００１３】
図２８は従来のウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。図において、１は大気に向けて複数の方向にビームを発射すると共に大気で反射された反射エコーを受信する空中線、２は大気に向けて発射する複数のビームを生成して空中線１に出力すると共に、空中線１が受信した大気の反射エコーを入力して複素受信信号（Ｉビデオ信号及びＱビデオ信号）を生成する送受信手段、３は送受信手段２が生成した複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、ビーム毎、高度毎にスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出するドップラ速度算出手段、６はドップラ速度算出手段３が算出したドップラ速度を使用して、高度毎に風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出手段である。
【００１４】
図２９は従来の風速ベクトル算出状況を説明する図である。この図では、特に東西風の算出状況を説明するために、天頂ビーム、東ビーム、西ビームで得られるデータについて説明している。図における３つのグラフは、左からそれぞれ、西ビーム、天頂ビーム、東ビームで得られたドップラ速度であり、横軸がドップラ速度、縦軸が高度を示している。天頂ビームで得られたドップラ速度は、そのまま風速の鉛直方向成分となる。また、西ビームと東ビームのドップラ速度を使用して、風速の東西方向成分が算出される。
【００１５】
大気の流れが同一高度で空間的に一様となる高度では、東ビームと西ビームのデータから算出される東西風、東ビームと天頂ビームのデータから算出される東西風、西ビームと天頂ビームのデータから算出される東西風は全て一致し、各ビーム間で整合がとれている。ところが、ウィンドプロファイラ装置上空のある高度において、大気の流れの不均一領域が西側に存在したとすると、西ビームのみ空間的不均一の影響を受けるために、ビームの選択の仕方により算出される東西風が異なってしまい、各ビーム間で各不整合となる。
【００１６】
フェーズドアレイ型空中線を用いた装置において、水平風算出のために、どの方向にビームを指向すれば良いかについては、例えば特開平１０−１９７５４９号公報でも述べられている。本先行技術によると、「水平面内の風速の分布の均一度が良好」な条件においては、方位角が１８０度異なる斜め方向の２つのビームのドップラ速度から風速を求めることが良いとしている。また、「水平面内の風速の分布の均一度が良好でない」条件では、天頂方向とこの天頂方向から傾いた斜め方向の２つのビームのドップラ速度から風速を算出するのが良いとしている。
【００１７】
そして、「水平面内の風速の分布の均一度が良好でない」例として、「測定装置が海岸に設置されている場合、一方の測定箇所は海面の上空で、他方の測定箇所が陸地の上空となり、各箇所の風速がある程度異なる」という状況を挙げ、設置場所によって観測方法を切換えることを述べている。しかしながら、地形が上空の風に及ぼす影響は複雑であり、同じ場所であっても気象条件によりその影響が変化する。よって、本先行技術では、観測方法の選択を経験的に行う必要があり、実際には観測方法を最適にすることが難しいという課題があった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のウィンドプロファイラ装置は、以上のように、上空の風の流れが同一高度で空間的に一様であることを前提にしており、空間的一様性が低くなると、風速ベクトル算出精度が劣化したり、風速ベクトルが算出できないという課題があった。
【００１９】
また、風の空間的一様性に応じて、空中線のビーム方向を選択するとしても、従来技術では、その選択を経験的な判断で行う必要があり、観測方法を最適化することが実質上困難であるという課題があった。
【００２０】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、上空の大気観測において、観測の冗長性を利用することにより、大気の流れの空間的一様性の度合を判断して、一様性が低い場合にも、３次元風速ベクトルの算出を精度良く行うことができるウィンドプロファイラ装置を得ることを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、大気に向けて複数の方向にビームを発射し、上記大気の反射エコーを受信して複素受信信号を生成する送受信手段と、上記複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、上記ビーム毎、高度毎にスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出するドップラ速度算出手段と、上記高度毎に算出した上記ドップラ速度の上記ビーム間の整合性を確認し、確認した高度毎の上記ビーム間の整合性と上記ドップラ速度を出力するビーム間整合性確認手段と、上記確認されたビーム間の整合性に基づき、風速ベクトルを算出するための高度毎のビームの組合せを選択し、選択した高度毎の上記ビームの組合せと上記ドップラ速度を出力するビーム選択手段と、選択した高度毎の上記ビームの組合せと上記ドップラ速度に基づき、高度毎に風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出手段とを備えたものである。
【００２２】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、ビーム間整合性確認手段が、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を用いて、高度毎に上記ビームの複数個の組合せによる風速ベクトルを試算し、試算した風速ベクトルの差を所定のしきい値と比較することにより、高度毎に風速ベクトルの一致度を判定して、上記ドップラ速度の上記ビーム間の整合性を確認するものである。
【００２３】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、ビーム選択手段が、ビーム間整合性確認手段から出力されたビーム間の整合性が高い場合は予め定められた所定のビームの組合せを高度毎に選択し、ビーム間の整合性が低い場合は各ビームについてドップラ速度の距離方向の連続度を算出し、距離方向にドップラ速度が連続しているビームの組合せを高度毎に選択するものである。
【００２４】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、ビーム選択手段が、所定の窓長を有する距離方向の中央値フィルタを使用してドップラ速度の距離方向の連続度を算出するものである。
【００２５】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、ビーム選択手段が、ビーム間整合性確認手段から出力されたビーム間の整合性が高い場合は予め定められた所定のビームの組合せを高度毎に選択し、ビーム間の整合性が低い場合は各ビームについてドップラ速度の時間方向の連続度を算出し、時間方向にドップラ速度が連続しているビームの組合せを高度毎に選択するものである。
【００２６】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、ビーム選択手段が、所定の窓長を有する時間方向の中央値フィルタを使用してドップラ速度の時間方向の連続度を算出するものである。
【００２７】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、ビーム間整合性確認手段が、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を用いて、高度毎に上記ビームの複数個の組合せによる風速ベクトルを試算し、試算した風速ベクトルの差を所定のしきい値と比較することにより、高度毎に風速ベクトルの一致度を判定して、上記ドップラ速度の上記ビーム間の整合性を確認し、全てのビームでドップラ速度の整合が確認されなかった場合に、一部のビームを組み合わせて部分的な整合性が取れないかを確認し、ビーム間の部分的整合性を出力するものである。
【００２８】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、ビーム間整合性確認手段が、高度毎に上記ドップラ速度のビーム間の整合性を確認できない場合に、ドップラ速度算出手段が、ビーム毎、高度毎に他のスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出するものである。
【００２９】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、ドップラ速度算出手段が、算出した低い高度のドップラ速度をビーム間整合性確認手段に出力し、算出した高い高度のドップラ速度をビーム選択手段に出力するものである。
【００３０】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、ビーム間整合性確認手段によるビーム間整合性の確認結果に基づき、送受信手段が発射するビーム本数又はビーム方向を制御するビーム発射制御手段を備えたものである。
【００３１】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、ビーム間整合性確認手段によるビーム間整合性が低いときに、ビーム発射制御手段がビーム本数を増加するものである。
【００３２】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、ビーム間整合性確認手段によるビーム間整合性が低いときに、ビーム発射制御手段がビームの仰角を大きくするものである。
【００３３】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、大気に向けて複数の方向にビームを発射し、上記大気の反射エコーを受信して複素受信信号を生成する送受信手段と、上記複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、上記ビーム毎、高度毎に複数のスペクトルピークに対応する複数のドップラ速度を算出する複数ドップラ速度算出手段と、上記高度毎に、上記複数のドップラ速度の中から、ビーム間で整合するように各ビームのドップラ速度を選択して出力するドップラ速度選択手段と、選択した高度毎の上記各ビームのドップラ速度に基づき、高度毎に風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出手段とを備えたものである。
【００３４】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、大気に向けて複数の方向にビームを発射し、上記大気の反射エコーを受信して複素受信信号を生成する送受信手段と、上記複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、上記ビーム毎、高度毎に複数のスペクトルピークに対応する複数のドップラ速度を算出する複数ドップラ速度算出手段と、上記高度毎に、上記複数のドップラ速度の中から、ビーム間で整合するように全てのビームのドップラ速度を選択して出力するドップラ速度選択手段と、選択した高度毎の上記全てのビームのドップラ速度に基づき、高度毎に風速ベクトルの平均値を算出する平均風速ベクトル算出手段とを備えたものである。
【００３５】
この発明に係るウィンドプロファイラ装置は、大気に向けて複数の方向にビームを発射し、上記大気の反射エコーを受信して複素受信信号を生成する送受信手段と、上記複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、上記ビーム毎、高度毎にスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出するドップラ速度算出手段と、上記高度毎に算出した上記ドップラ速度の上記ビーム間の整合性を確認する際に、全ビームのうちの一部のビームを組合せたときに、部分的な整合性が取れないかを確認し、確認した高度毎の上記ビーム間の部分的整合性と上記ドップラ速度を出力するビーム間整合性確認手段と、上記確認されたビーム間の部分的整合性に基づき、風速ベクトルを算出するための高度毎のビームの組合せを全て選択し、選択した高度毎の上記ビームの全ての組合せと上記ドップラ速度を出力するビーム選択手段と、選択した高度毎の上記ビームの全ての組合せと上記ドップラ速度に基づき、高度毎に複数の風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出手段とを備えたものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。図において、１は大気に向けて複数の方向にビームを発射すると共に大気で反射された反射エコーを受信する空中線、２は大気に向けて発射する複数のビームを生成して空中線１に出力すると共に、空中線１が受信した大気の反射エコーを入力して複素受信信号（Ｉビデオ信号及びＱビデオ信号）を生成する送受信手段、３は送受信手段２が生成した複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、ビーム毎、高度毎にスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出するドップラ速度算出手段である。
【００４１】
また、図１において、４はドップラ速度算出手段３が高度毎に算出したドップラ速度について、高度毎に各ビーム間の整合性を確認し、確認した高度毎のビーム間の整合性と、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を出力するビーム間整合性確認手段、５はビーム間整合性確認手段４により確認されたビーム間の整合性に基づき、風速ベクトルを算出するための高度毎のビームの組合せを選択し、選択した高度毎のビームの組合せと、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を出力するビーム選択手段、６はビーム選択手段５が選択した高度毎のビームの組合せとドップラ速度に基づき、高度毎に風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出手段である。
【００４２】
次に動作について説明する。
図２はこの発明の実施の形態１による風速ベクトル算出方法の処理フローを示す図である。ステップＳＴ１１において、ドップラ速度算出手段３は、送受信手段２が生成した複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、ビーム毎、高度毎にスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出する。ステップＳＴ１２において、ビーム間整合性確認手段４は、ドップラ速度算出手段３が算出したドップラ速度について、高度毎にビーム間の整合性を確認し、確認した整合性と、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を出力する。
【００４３】
ステップＳＴ１３において、ビーム選択手段５は、ビーム間整合性確認手段４により確認された整合性に基づき、風速ベクトルを算出するための高度毎の任意のビームの組合せを選択し、選択した高度毎のビームの組合せと、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を出力する。ここでは、上記ステップＳＴ１２でビーム間の整合性が高い場合には、ビーム選択手段５は風速ベクトルを算出するための予め定められた所定のビームの組合せを選択し、ビーム間の整合性が低い場合には、ビーム選択手段５はドップラ速度の距離方向又は時間方向の連続度が高いビームから風速ベクトルを算出するためのビームの組合せを選択する。そして、ステップＳＴ１４において、風速ベクトル算出手段６は、ビーム選択手段５が選択した高度毎のビームの組合せとドップラ速度に基づき、高度毎に風速ベクトルを算出する。
【００４４】
図３はビーム間整合性確認手段４の処理フローを示す図である。ステップＳＴ１２１において、ビーム間整合性確認手段４は、ドップラ速度算出手段３により算出されたビーム毎、高度毎のドップラ速度を用いて、高度毎にビームの複数個の組合せによる風速ベクトルを試算する。ステップＳＴ１２２において、ビーム間整合性確認手段４は、試算した風速ベクトルの差を所定のしきい値と比較することにより、高度毎に風速ベクトルの一致度を判定して、ドップラ速度のビーム間の整合性を確認する。
【００４５】
図４はビーム選択手段５の処理フローを示す図である。ステップＳＴ１３１において、ビーム選択手段５は、ビーム間整合性確認手段４から出力されたビーム間の整合性が高い場合は、各ビームについて、ドップラ速度の高度方向の連続度、即ち距離方向の連続度を算出する。ステップＳＴ１３２において、ビーム選択手段５は、ドップラ速度が距離方向に連続しているビームの組合せを選択し、選択したビームの組合せと、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を出力する。なお、上記図３のステップＳＴ１２２で、各ビーム間の整合性が高い場合には、上記ステップＳＴ１３１の処理を行わずに、ステップＳＴ１３２において、ビーム選択手段５は、例えば、東西風は東ビームと西ビーム、鉛直風は天頂ビームというように、予め定められた所定のビームの組合せを高度後に選択する。
【００４６】
ここでは、東、西、南、北及び天頂の計５つの方向にビームを切換える場合を想定する。もし上空大気の流れが、ある高度の水平面内で一様であれば、天頂ビーム、東ビーム、西ビームの３つのビームのうちで、どの２つのビームのデータを選択しても、その高度の東西風と鉛直風の値は同じとなる。
【００４７】
ところが、上空大気の流れの不均一が大きい場合には、選択するビームの組合せによって東西風及び鉛直風の値は異なるものとなる。図５はドップラ速度のビーム間整合性を説明する図である。例えば、西、天頂、東の３つのビームによって得られたドップラ速度が、図５に示すような状況である場合、西ビームの１高度点において、風の場が乱れていることにより、この高度においては、どの２つのビームを選択するかによって、算出される東西風と鉛直風が異なる値となる。すなわち、この高度でビーム間の整合性がとれなくなり不整合となる。図に示すように、東西風を求める場合に、不整合となる高度においては天頂ビームと東ビームを採用し、それ以外の整合している高度においては東ビームと西ビームを採用する。
【００４８】
図６はビーム間整合性確認の原理を説明する図である。ここで、ビーム間整合性確認手段４は、図３のステップＳＴ１２１とステップ１２２において、ビーム間整合性を例えば図６のようにして求める。この図において、風速ベクトルＶＡは東ビームと西ビームから東西風と鉛直風を算出したもの、風速ベクトルＶＢは東ビームと天頂ビームから東西風と鉛直風を算出したものである。ビーム間の整合性がとれていない場合、風速ベクトルＶＡと風速ベクトルＶＢが一致しないことになる。そこで、両ベクトルの差の大きさを、試算した風速ベクトルの一致度、すなわち、ビーム間整合性の一致度を示す値とし、この大きさが予め定めておいた所定のしきい値を超える場合に、ビーム間整合性が低く不整合であると判定する。
【００４９】
ビーム間に不整合がある場合にも、大気の乱れが空間的に局所的なものであるとすると、ドップラ速度の高度方向の連続性、即ち距離方向の連続性を調べることにより、空間的に局所的な風がどこにあるかを知ることができる。そこで、ビーム間整合性が低い場合に、各ビームにおいて、その高度のデータが距離方向で不連続となっていないかどうかを調べる。図５の場合、ビーム間整合性が低い高度では、西ビームが距離方向に不連続となっていることから、西ビームが局所的な風を観測していると判断する。
【００５０】
図７はドップラ速度の距離方向の連続度を調べる方法を示す図である。ドップラ速度の距離方向の連続度は、例えば図７により知ることができる。図において、図７（ａ）のグラフは観測されたドップラ速度の高度（即ち距離）分布を示している。このドップラ速度のデータの不連続度を以下のようにして検出する。まず図７（ａ）に示すデータに、所定の窓長を有する距離方向の中央値フィルタを施すことにより、図７（ｂ）に示すようにデータの連続成分を求めて、元のドップラ速度のデータと求めたデータの連続成分の差を、図７（ｃ）に示すデータの不連続成分として抽出し、データの不連続度を示す指標とする。このデータの不連続成分が所定のしきい値を越えた場合に、データの不連続度が検出されたと判断する。この中央値フィルタは、インパルス性雑音等の不要応答を除去するために使用されもので、その特性は経験的に設定された所定の窓長により決定される。
【００５１】
このように、ビーム間整合性確認手段４により確認された不整合の生じた高度について、ビーム選択手段５が、図４に示すステップＳＴ１３１において、それぞれのビームについてドップラ速度の不連続度を計算すれば、どのビームが距離方向に不連続であるかを判断することができる。
【００５２】
上記図５の例では、ある高度において、西ビームのみが不連続である場合を示しているが、同じ高度において、西ビームと天頂ビーム又は東ビームの２つのビームに不連続が発生している場合には、不連続度の低いビームを採用するか、この高度のデータを欠損扱いとする。
【００５３】
以上のように、この実施の形態１によれば、上空の風の空間分布が一様でない場合にも、ビーム間整合性確認手段４がビーム間の整合性を確認することにより風の非一様性を検出し、ビーム選択手段５が各ビームについてドップラ速度の距離方向の連続度を調べて、一様な風の流れを観測しているビームの組合せを選択し、風速ベクトル算出手段６が、選択されたビームの組合せと、ドップラ速度を用いて風速ベクトルを算出することにより、大気の一様性が低い場合にも、精度良く風速ベクトルを算出することができるという効果が得られる。
【００５４】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、ドップラ速度の距離方向の連続度を調べることにより、風の流れの不均一な部分を検出し、その不均一性の影響を受けないビームを選択することにより風速ベクトルを求めているが、風速の不均一性は、空間的な距離方向だけでなく、時間方向にも不連続であることが多い。そこで、この実施の形態２は、不均一領域の検出のために時間方向の連続度を調べるものである。この実施の形態２によるウィンドプロファイラ装置の構成及び風速ベクトル算出方法の処理フローは、実施の形態１の図１及び図２と同じである。
【００５５】
次に動作について説明する。
図８はこの実施の形態２によるビーム選択手段５の処理フローを示す図であり、図９はドップラ速度の時間方向の連続度を調べる方法を示す図である。図２のステップＳＴ１２で、ビーム間のドップラ速度の整合性が低いと判断された場合、不均一な風の流れは時間的に局所的であるとすると、不均一性の影響を受けたビームでは時間的な不連続が生じる。そこで、図８のステップＳＴ１３３において、ビーム選択手段５は、不整合の生じた高度において、図９に示すように各ビームの時間方向の連続度を調べる。
【００５６】
即ち、ある１つのビームのドップラ速度のデータから過去何点かの一定距離（高度）のドップラ速度のデータを抽出し、所定の窓長を有する時間方向の中央値フィルタを使用して、過去の平均的なドップラ速度から、データを処理している現時点のドップラ速度が大きく離れていないかどうかを調べる。過去の平均的な値としては、例えば過去のデータの中央値を採用する。図９の場合、過去のドップラ速度値が中央値からの所定のしきい値内に分布しているのに対し、現時点の値は中央値から所定のしきい値外に大きく離れているため、時間方向の不連続が生じていると判断する。このように、現時点の値と中央値との差を、時間方向の連続度を示す指標として用いる。なお、この時間方向の中央値フィルタは、インパルス性雑音等の不要応答を除去するために使用され、その特性は経験的に設定された所定の窓長により決定される。
【００５７】
ステップ１３４において、ビーム選択手段５は、時間方向にドップラ速度が連続しているビームの組合せを、風速ベクトルの算出に使用するビームの組合せとして選択し、選択したビームの組合せと、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を出力する。なお、上記図３のステップＳＴ１２２において、各ビーム間の整合性が高い場合には、上記ステップＳＴ１３３の処理を行わずに、ステップＳＴ１３４において、ビーム選択手段５は、例えば、東西風は東ビームと西ビーム、鉛直風は天頂ビームというように、予め定められた所定の組合せを選択する。
【００５８】
また、例えば、西ビーム、天頂ビーム、東ビームの３つのビームのドップラ速度について、ビーム間の整合性を確認する場合に、同一高度において２つのビームに時間的な不連続が発生している場合には、不連続度の低いビームを採用するか、この高度のデータを欠損扱いとする。
【００５９】
以上のように、この実施の形態２によれば、上空の風の空間分布が一様でない場合にも、ビーム整合性確認手段４がビーム間の整合性を確認することによって風の非一様性を検出し、ビーム選択手段５が各ビームについてドップラ速度の時間方向の連続度を調べることにより、一様な風の流れを観測しているビームの組合せを選択し、風速ベクトル算出手段６が、選択されたビームの組合せとドップラ速度を用いて風速ベクトルを算出することにより、大気の一様性が低い場合にも、精度良く風速ベクトルを算出することができるという効果が得られる。
【００６０】
実施の形態３．
上記実施の形態１及び実施の形態２では、例えば３つのビームに対してビーム間の整合性を確認している。これはビーム間の整合性を確認するには少なくとも３つのビームが必要になるからである。この場合は、３つのビーム全てのビーム間の整合性を確認していることになる。しかし、ウィンドプロファイラ装置のビーム数が多い場合には、全てのビームで整合性が取れなくても、一部のビーム組合せにおいてドップラ速度のビーム間の整合性が取れる場合がある。そこで、この実施の形態３はビーム間の部分的整合性の取れたビームのドップラ速度のみを用いて風速ベクトルを算出するものである。この実施の形態３によるウィンドプロファイラ装置の構成及び風速ベクトル算出方法の処理フローは、実施の形態１の図１及び図２と同じである。
【００６１】
次に動作について説明する。
図１０はこの発明の実施の形態３によるビーム間整合性確認手段４の処理フローを示す図である。図において、ステップＳＴ１２１，ＳＴ１２２は、実施の形態１の図３に示す処理と同じである。例えば東西面内に、天頂角αの東ビーム、天頂角βの東ビーム、天頂ビーム、天頂角βの西ビーム、天頂角αの西ビームの計５本のビームが向けられたとする。ただし、α＞βとする。もし、ウィンドプロファイラ装置上空の東側の領域で風が乱れていたために、５本のビーム間でのドップラ速度の整合性が低かったとする。この場合でも、天頂から西側の領域で風が一様に流れていれば、天頂ビーム、天頂角βの西ビーム、天頂角αの西ビームの３つのビームでは、ビーム間の部分的整合性が取れることになる。よって、これら３つのビームのドップラ速度を用いれば、正しく風速ベクトルを求めることができる。
【００６２】
そこで、図１０のステップＳＴ１２２の風速ベクトル一致度の判定で、全ビーム間の整合性がないと判定された場合には、ステップＳＴ１２３において、ビーム間整合性確認手段４は、全ビームのうちの一部のビームを組合せたときに、部分的整合性が取れないかどうかを確認し、その部分的整合性の確認結果とドップラ速度を出力する。部分的整合性の確認については、具体的には、天頂ビームと複数の西ビームの間での部分的整合性、天頂ビームと複数の東ビームの間での部分的整合性を確認すれば良い。また、ある１ビームのみで地形や鳥等によるクラッタが混入した可能性を考慮して、複数ビームのうちの１つのビームのみを除外して部分的整合性を確認しても良い。
【００６３】
ビーム間整合性確認手段４が出力する部分的な整合性の度合いとして、実施の形態１の図６における|ＶＡ−ＶＢ|の値を使用する。ただし、この実施の形態では、多数のビーム方向で観測しているので、選択したビーム間の整合性の度合いは、選択したビーム間整合性の度合いの平均値を用いる。例えば、水平風Ａ，Ｂ，Ｃの３つの場合の整合性の度合いは、
（|ＶＡ−ＶＢ|＋|ＶＢ−ＶＣ|＋|ＶＣ−ＶＡ|）／３
より求める。
【００６４】
以上のように、この実施の形態３によれば、上空大気の風の一様性が低い場合も、ビーム間整合性確認手段４がドップラ速度のビーム間の部分的整合性を確認し、ビーム選択手段５が一様な風の流れを観測しているビームの組合せを選択し、風速ベクトル算出手段６が、選択されたビームの組合せとドップラ速度により風速ベクトルを算出することが可能となるため、風速ベクトルを欠損なく算出でき、風速ベクトルの算出率を向上することができるという効果が得られる。
【００６５】
実施の形態４．
上記の実施の形態では、ドップラ速度算出手段３が算出した各ビームのドップラ速度に対して、どのビームのドップラ速度を用いるかによって、風速ベクトル算出の精度を向上していたが、この実施の形態では、ビーム間整合性確認手段４によるビーム間の整合性の確認結果を、ドップラ速度算出手段３にフィードバックすることにより、風速ベクトル算出の精度を向上させるものである。
【００６６】
図１１はこの発明の実施の形態４によるウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。基本的な構成は、上記実施の形態１の図１に示す構成と同等であるが、この実施の形態４におけるドップラ速度算出手段３は、送受信手段２が生成した複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、ビーム毎、高度毎にドップラ速度を算出すると共に、ビーム間整合性確認手段４によるビーム間の整合性の確認結果により、ドップラスペクトルにおける他のピークスペクトルに対応するドップラ速度を算出する。
【００６７】
次に動作について説明する。
図１２はこの発明の実施の形態４による風速ベクトル算出方法の処理フローを示す図である。ドップラ速度算出手段３によるステップＳＴ１１の処理、及びビーム間整合性確認手段４によるＳＴ１２の処理は、上記実施の形態１と同様の処理である。ステップＳＴ２１において、ビーム間の整合性が高い場合には、ステップＳＴ１３，ＳＴ１４において、実施の形態１と同様にして処理を行い風速ベクトルを算出する。
【００６８】
上記ステップＳＴ２１で、ビーム間の整合性が低い場合には、ステップＳＴ１１に戻り、ドップラ速度算出手段３は、複素受信信号から算出したドップラスペクトルが複数のピークを持つ場合に、他のスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出してビーム間整合性確認手段４に出力する。ステップＳＴ１２において、ビーム間整合性確認手段４は、他のピークスペクトルに対応するドップラ速度について、ビーム間の整合性を確認し、ステップＳＴ２１に移行する。
【００６９】
図１３はドップラスペクトルが複数のスペクトルピークを持つ場合のドップラ速度のビーム間の整合性を説明する図である。この場合、ビーム間整合性確認手段４が、ドップラ速度算出手段３により算出されたドップラ速度のビーム間の整合性を確認すると、ある高度でビーム間の整合性が低いことが確認される。その原因は、西ビームにおけるドップラ速度の算出において、図１３の上部に示したように、ドップラスペクトル中に複数のスペクトルピークが存在したためである。このような状況となる原因としては、ＳＮ比が低いためスペクトルピークの検出を誤ったり、地形や鳥等によるクラッタエコーが大気エコーに混入したり、西ビーム照射範囲内に風の乱れがありレーダ分解能セル内に複数の流れが存在したことが考えられる。
【００７０】
図１３の場合、西ビームではドップラスペクトル上の第２ピークを検出するべきところを、第１ピークを検出してドップラ速度を求めたために、天頂ビーム及び東ビームと整合が取れなくなったわけである。そこで、図１２のステップＳＴ２１において、ビーム間の整合性が低い場合に、ステップＳＴ１１に戻り、ドップラ速度算出手段３は各ビームのドップラスペクトル上に第２ピークが存在するかどうかを確認し、もし第２ピークがあれば、その第２ピークに対応するドップラ速度を算出して、ビーム間整合性確認手段４に出力する。
【００７１】
ビーム間整合性確認手段４は、ステップＳＴ１２において、第２ピークに対応するドップラ速度についてビーム間の整合性を確認する。第２ピークは複数のビームで検出される可能性があるため、ステップＳＴ２１において、ビーム間の整合性が高いことを確認できるまで、各ビームで第１ピーク又は第２ピークいずれかを選択する組合せ全ての場合について、ドップラ速度を算出してビーム間の整合性の確認を行う。
【００７２】
ビーム間で第１ピーク、第２ピークをどのように組合せても、ドップラ速度のビーム間の整合が低い場合には、第３ピーク以降を使っても良い。ただし、ピーク数が多くなると、ビーム間のスペクトルピークの組合せの数が膨大となるため、スペクトルピークに対応するドップラ速度の計算には適当な制限を設けても良い。
【００７３】
ステップＳＴ２１において、ビーム間の整合性が高い場合には、ステップＳＴ１３において、ビーム選択手段４が、予め定めた所定のビームの組合せを選択すれば良いが、例えば、できるだけ第１ピークが選択されたビームを用いるという選択基準により選択しても良い。ステップＳＴ１４の処理は、実施の形態１の図２のステップＳＴ１４の処理と同等である。
【００７４】
また、上記ステップＳＴ２１において、ビーム間の整合性が低い場合には、実施の形態１又は実施の形態２のように、距離方向・時間方向の大気の連続度を考慮したビーム選択を行っても良い。
【００７５】
以上のように、この実施の形態４によれば、上空大気の風の一様性が低い場合も、ビーム間整合性確認手段４がドップラ速度のビーム間の整合性を確認し、ビーム間の整合性が低い場合に、ドップラ速度算出手段３がドップラスペクトルの他のスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出することにより、大気エコーのドップラ速度の算出精度が向上するため、風速ベクトルの算出精度を向上させることができるという効果が得られる。
【００７６】
実施の形態５．
上記実施の形態４では、ドップラスペクトル上にスペクトルピークが複数存在する場合に、ビーム間の整合性の確認結果に応じて、他のスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出することにより問題を解決したが、この実施の形態５は、複数のスペクトルピークがある際には、予め複数のスペクトルピークにそれぞれ対応する複数のドップラ速度を算出し、算出された複数のドップラ速度の中から、ビーム間の整合性がとれるようなドップラ速度を選択するものである。
【００７７】
図１４はこの発明の実施の形態５によるウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。図において、１３はドップラスペクトル上にスペクトルピークが複数存在する場合に、ビーム毎、高度毎に複数のスペクトルピークに対応する複数のドップラ速度を算出する複数ドップラ速度算出手段、１５は高度毎に、複数のドップラ速度の中から、ビーム間の整合性が最も整合するように、各ビームのドップラ速度を選択するドップラ速度選択手段であり、その他の構成は実施の形態１の図１に示す構成と同等である。
【００７８】
次に動作について説明する。
図１５はこの発明の実施の形態５による風速ベクトル算出方法の処理フローを示す図である。ステップＳＴ３１において、複数ドップラ速度算出手段１３は、複素受信信号から求めたドップラスペクトル上に、複数のスペクトルピークが存在する場合には、複数のスペクトルピークに対応する複数のドップラ速度を算出する。
【００７９】
ステップＳＴ３２において、ドップラ速度選択手段１５は、複数ドップラ速度算出手段１３から出力された複数のドップラ速度の中から、高度毎にビーム間の整合性が最も整合するようにビームのドップラ速度を選択して出力する。
【００８０】
図１６はドップラ速度選択手段１５の処理フローを示す図である。ドップラ速度の選択手順について、例えば東西風、鉛直風を求める場合には、初めに２つのビームから第１ピークのドップラ速度を選択し、それらのドップラ速度と整合するようなドップラ速度を残りのビームから選択する。ステップＳＴ３２１において、東ビームと西ビームの第１ピークから算出されたドップラ速度を選択する。これら２つのドップラ速度が上空の一様な風によるものであるとすると、天頂ビームでもその風に対応するスペクトルピークが存在するはずである。そこで、ステップＳＴ３２２において、東ビームと西ビームのドップラ速度から算出された鉛直風に対応するドップラ速度が、複数ドップラ速度算出手段１３で得られた天頂ビームの複数のドップラ速度の算出結果の中に含まれているかどうかを確認し、含まれていれば、その天頂ビームのドップラ速度を抽出する。
【００８１】
同様にして、ステップＳＴ３２３において、東ビームと天頂ビームの第１ピークから算出されたドップラ速度を選択し、ステップＳＴ３２４において、それに対応するドップラ速度を西ビームから抽出し、また、ステップＳＴ３２５において、西ビームと天頂ビームの第１ピークから算出されたドップラ速度を選択し、ステップＳＴ３２６において、それに対応するドップラ速度を東ビームから抽出することを試みる。
【００８２】
以上の手順により、全てのビームのドップラ速度が整合し、かつ少なくとも２つのビームにおいて、第１ピークのドップラ速度が選択されるような組合せが得られる。しかし、場合によっては、この処理だけでは適切なドップラ速度の組合せが得られないことがある。その際は、１つのビームから第１ピークのドップラ速度を選択し、もう１つのビームから第２ピークのドップラ速度を選択し、それらのドップラ速度と整合するようなドップラ速度を残りのビームから選択する。さらに、それでも適切なドップラ速度の組合せが得られない場合には、２つのビームで第２ピークのドップラ速度を選択し、それらのドップラ速度と整合するようなドップラ速度を残りのビームから選択する。このようにして、順次、レベルの低いピークのドップラ速度を用いて、整合性のあるドップラ速度の組合せを探索する。
【００８３】
このような処理により、各高度において、全てのビーム間で整合するように、各ビームのドップラ速度が選択される。全てのビーム間で整合が取れていれば、どのビームを選択して風速ベクトルを算出しても良いが、例えば、できるだけＳＮ比の良いデータを用いるために、ピークレベルの大きいドップラ速度が得られたビームを選択し、そのビームのドップラ速度を使用しても良い。また、従来のウィンドプロファイラ装置と同様に、風速ベクトルを用いるビームを固定しても良い。
【００８４】
同様にして、風速ベクトルのうちの南北風成分についても、北ビーム、南ビーム、天頂ビームを用いた同様の手順で算出することができる。以上のようにして、ドップラ速度選択手段１５から、高度毎に風速ベクトル算出に用いるビームのドップラ速度が出力されるため、図１５のステップＳＴ１４において、風速ベクトル算出手段６は、ドップラ速度選択手段１５で選択されたドップラ速度を用いて、実施の形態１と同様にして高度毎に風速ベクトルを算出する。
【００８５】
図１７はこの発明の実施の形態５によるウィンドプロファイラ装置の他の構成を示すブロック図である。図において、ドップラ速度選択手段１５は、全てのビームについて整合し選択されたドップラ速度を出力し、平均風速ベクトル算出手段１６は、複数のビーム組合せで得られる風速ベクトルを全て算出し、それらを平均したものを最終的な風速ベクトルとして出力する。
【００８６】
以上のように、この実施の形態５によれば、上空大気の風の一様性が低い場合も、複数ドップラ速度算出手段１３がドップラスペクトルの複数のスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出し、ドップラ速度選択手段１５がビーム間で整合するドップラ速度を選択することにより、大気エコーのドップラ速度の算出精度が向上するため、風速ベクトルの算出精度を向上させることができるという効果が得られる。
【００８７】
また、図１７に示すように、ドップラ速度選択手段１５が、全てのビームについて整合し選択されたドップラ速度を出力し、平均風速ベクトル算出手段１６が、複数のビーム組合せで得られる風速ベクトルを全て算出し、それらを平均したものを最終的な風速ベクトルとして出力することにより、風速ベクトルの算出精度をさらに向上させることができるという効果が得られる。
【００８８】
実施の形態６．
上記実施の形態では、最終的に１つの風速ベクトルのみを算出していたが、この実施の形態６は、ビーム数が十分多い場合に複数の風速ベクトルを算出するものである。図１８はこの発明の実施の形態６によるウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。図において、４は実施の形態３と同様に、ビーム間の部分的整合性とドップラ速度を出力するビーム整合性確認手段、５は部分的整合性があると判断された全てのビームの組合せを選択するビーム選択手段、２６はビーム選択手段５が選択した全てのビーム組合せを用いて、複数の風速ベクトルを算出する複数風速ベクトル算出手段であり、その他の構成は実施の形態１の図１に示す構成と同等である。
【００８９】
次に動作について説明する。
図１９はこの発明の実施の形態６による風速ベクトル算出方法の処理フローを示す図である。実施の形態３と同様に、ウィンドプロファイラ装置のビーム数が多い場合に、ステップＳＴ１１において、ドップラ速度算出手段３がビーム毎、高度毎にドップラ速度を算出し、ステップＳＴ１２において、ビーム間整合性確認手段４が、全てのビームのうちの一部のビームを組合せたときに、部分的整合性が取れないかどうかを確認して、部分的整合性の確認結果と、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を出力する。
【００９０】
ステップＳＴ４１において、ビーム選択手段５は、部分的な整合性があると判断されたビームの複数の組合せを選択して出力する。ステップＳＴ４２において、複数風速ベクトル算出手段２６は、ビーム選択手段５が選択したビームの複数の組合せと、ドップラ速度を用いて、複数の風速ベクトルを算出する。
【００９１】
図２０は複数の風速ベクトルを算出する状況を示す図であり、東西面内に５つの方向にビームを向けて観測する場合の例を示している。ここでは、上空の西側のみで風速が異なり局所風が算出されるために、５本のビーム全てではドップラ速度の整合性が取れない。しかし、天頂ビームと２本の東ビームの間ではドップラ速度の整合性があり、さらに２本の西ビームの間でもドップラ速度の整合性がある。そこで、ビーム選択手段５が、天頂ビームと２つの東ビームによるビームの組合せと、２つの西ビームによるビームの組合せを選択して出力し、複数風速ベクトル算出手段２６が天頂から東側の風速ベクトルと、西側の風速ベクトルの２つの風速ベクトルを算出することにより、天頂から東側の風速分布と、この風速分布と異なる天頂から西側の風速分布を確認することができる。
【００９２】
以上のように、この実施の形態６によれば、ビーム選択手段５が部分的に整合性があるビームの複数の組合せを選択し、風速ベクトル算出手段２６が、選択されたビームの複数の組合せにより、複数の風速ベクトルを算出することにより、上空の領域毎の風速分布を知ることができるため、大気の流れをより正確に知ることができるという効果が得られる。
【００９３】
実施の形態７．
上記実施の形態では、各ビームで得られるドップラ速度のビーム間の整合性を調べることにより、風速ベクトルの算出精度を向上させるものであるが、従来の風速ベクトル算出法に比べて信号処理の計算量が増加する。しかし、風の一様性が低くなるのは、主として地形の影響を受けやすい低い高度であるため、この実施の形態７は、ビーム整合性の確認による風速ベクトル精度向上の処理を、低い高度に限定して行うものである。図２１はこの発明の実施の形態７によるウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図であり、基本的な構成は上記実施の形態１の図１に示す構成と同等であるが、ドップラ速度算出手段３が、算出した低い高度のドップラ速度をビーム間整合性確認手段４に出力し、算出した高い高度のドップラ速度をビーム選択手段５に出力する点が異なっている。
【００９４】
次に動作について説明する。
図２２はこの発明の実施の形態７による風速ベクトル算出方法の処理フローを示す図である。ステップＳＴ１１，ＳＴ１４の処理は、実施の形態１の図２に示す各処理と同等である。ステップＳＴ１１におけるドップラ速度の算出後、ステップＳＴ４１において、ドップラ速度算出手段３は、算出したドップラ速度のデータが、低い高度領域のデータかを判断し、低い高度領域のデータである場合には、算出したドップラ速度をビーム間整合性確認手段４に出力する。一方、高い高度領域のデータである場合には、算出したドップラ速度をビーム選択手段５に直接出力する。
【００９５】
ステップＳＴ１２において、ビーム間整合性確認手段４は低い高度領域のドップラ速度についてビーム間の整合性を確認し、ビーム間の整合性の確認結果とドップラ速度を出力する。ステップＳＴ１３において、ビーム選択手段５は、ドップラ速度算出手段３からの高い高度領域のドップラ速度と、ビーム間整合性確認手段４から出力されたビーム間の整合性の確認結果と低い高度領域のドップラ速度を用いて、風速ベクトルを算出するためのビームを選択する。ステップＳＴ１４において、風速ベクトル算出手段６は実施の形態１と同様に風速ベクトルを算出する。
【００９６】
図２３は低い高度のみでビーム間整合性の確認を行うことを説明する図である。図に示されるように、上空の風の流れが地形の影響を受けるのは、主として低い高度領域、特に高度１ｋｍ以下の領域である。従って、ビーム間整合性を確認することの効果は、特に低い高度領域で大きいと考えられる。そこで、風速の乱れの大きい低い高度領域のみで、ドップラ速度のビーム間整合性を確認し、高い高度領域では、従来のようにビーム間整合性を確認しないで、風速ベクトル算出を行うようにすれば、信号処理の計算量の増加を最小限に抑えることができる。
【００９７】
以上のように、この実施の形態７によれば、ビーム間整合性確認手段４によるビーム間の整合性の確認を、低い高度領域のみに限定することにより、低い高度での風速ベクトル算出精度を向上させながら、全体の計算量の増加を抑えることができるという効果が得られる。
【００９８】
実施の形態８．
上記実施の形態では、ウィンドプロファイラ装置のビーム本数やビーム方向は一定に保った場合について説明を行ったが、この実施の形態８は、風の一様性に応じて送受信手段２からのビーム発射を制御するものである。ここでは、ビーム間の整合性の度合が風の一様性の度合表す指標として用いることができるため、ビーム間の整合性の度合に応じてビーム発射の制御を行うものである。
【００９９】
図２４はこの発明の実施の形態８によるウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。図において、７はビーム間整合性確認手段４が確認したビーム間の整合性の度合いに応じてビーム発射を制御するビーム発射制御手段であり、その他の構成については、実施の形態１の図１に示すのものと同等である。
【０１００】
次に動作について説明する。
ドップラ速度算出手段３，ビーム間整合性確認手段４，ビーム選択手段５，風速ベクトル算出手段６の処理については、実施の形態１の処理と同様である。ビーム発射制御手段７は、ビーム間整合性確認手段４で得られるビーム間の整合性の情報を基に、ビーム本数又はビーム方向を決定して送受信手段２に出力する。送受信手段２は、ビーム発射制御手段７が決定したビーム本数又はビーム方向に基づき、大気に向けて発射する複数のビームを生成して空中線１に出力する。
【０１０１】
図２５は大気の状態によりビーム本数を制御することを説明する図である。図２５（ａ）に示すように風の一様性が高い場合には、ビーム間の整合性が取れる可能性が高いためにビーム数は少なくても良い。ビーム本数を少なくすれば、観測周期を短くすることができるため時間分解能が向上する。また、積分数を多くすることにより、ドップラ速度の算出精度を向上させることも考えられる。一方、図２５（ｂ）に示すように風の一様性が低い場合には、天頂角数を多くしビーム本数を増やして様々なビーム仰角で観測を行えば、部分的にビーム間のドップラ速度の整合性が取れるようになる。そのため、多数のビームの中から、部分的な整合性が得られるようなビームの組合せを選択して、風速ベクトルの算出を行うことが可能となる。
【０１０２】
図２６は大気の状態によりビーム方向を制御することを説明する図である。水平風はビーム間のドップラ速度の差異から算出されるため、図２６（ａ）に示すように風の空間的一様性が高い場合には、ビーム間のドップラ速度の差が大きくなるようにビーム仰角を下げた方が、風速ベクトル算出の精度が向上する。一方、図２６（ｂ）に示すように風の一様性が低い場合には、天頂角を小さくしビーム仰角を大きくした方が、風の空間的な乱れの影響を受けにくくなる。
【０１０３】
以上のように、この実施の形態８によれば、ビーム間整合性の度合に応じて、ビーム発射制御手段７がビーム本数又はビーム方向を制御することにより、風の空間的非一様性の影響を最低限に抑えながら、風速ベクトルの算出精度を向上させることができるという効果が得られる。
【０１０４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、大気に向けて複数の方向にビームを発射し、大気の反射エコーを受信して複素受信信号を生成する送受信手段と、複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、ビーム毎、高度毎にスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出するドップラ速度算出手段と、高度毎に算出したドップラ速度のビーム間の整合性を確認し、確認した高度毎のビーム間の整合性とドップラ速度を出力するビーム間整合性確認手段と、確認されたビーム間の整合性に基づき、風速ベクトルを算出するための高度毎のビームの組合せを選択し、選択した高度毎のビームの組合せとドップラ速度を出力するビーム選択手段と、選択した高度毎のビームの組合せとドップラ速度に基づき、高度毎に風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出手段とを備えたことにより、大気の一様性が低い場合にも、精度良く風速ベクトルを算出することができるという効果がある。
【０１０５】
この発明によれば、ビーム間整合性確認手段が、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を用いて、高度毎に上記ビームの複数個の組合せによる風速ベクトルを試算し、試算した風速ベクトルの差を所定のしきい値と比較することにより、高度毎に風速ベクトルの一致度を判定して、ドップラ速度の上記ビーム間の整合性を確認することにより、大気の一様性が低い場合にも、精度良く風速ベクトルを算出することができるという効果がある。
【０１０６】
この発明によれば、ビーム選択手段が、ビーム間整合性確認手段から出力されたビーム間の整合性が高い場合は予め定められた所定のビームの組合せを高度毎に選択し、ビーム間の整合性が低い場合は各ビームについてドップラ速度の距離方向の連続度を算出し、距離方向にドップラ速度が連続しているビームの組合せを高度毎に選択することにより、大気の一様性が低い場合にも、精度良く風速ベクトルを算出することができるという効果がある。
【０１０７】
この発明によれば、ビーム選択手段が、ビーム間整合性確認手段から出力されたビーム間の整合性が高い場合は予め定められた所定のビームの組合せを高度毎に選択し、ビーム間の整合性が低い場合は各ビームについてドップラ速度の時間方向の連続度を算出し、時間方向にドップラ速度が連続しているビームの組合せを高度毎に選択することにより、大気の一様性が低い場合にも、精度良く風速ベクトルを算出することができるという効果がある。
【０１０８】
この発明によれば、ビーム間整合性確認手段が、ビーム毎、高度毎のドップラ速度を用いて、高度毎に上記ビームの複数個の組合せによる風速ベクトルを試算し、試算した風速ベクトルの差を所定のしきい値と比較することにより、高度毎に風速ベクトルの一致度を判定して、ドップラ速度のビーム間の整合性を確認し、全てのビームでドップラ速度の整合が確認されなかった場合に、一部のビームを組み合わせて部分的な整合性が取れないかを確認し、ビーム間の部分的整合性を出力することにより、風速ベクトルを欠損なく算出でき、風速ベクトルの算出率を向上することができるという効果がある。
【０１０９】
この発明によれば、ビーム間整合性確認手段が、高度毎に上記ドップラ速度のビーム間の整合性を確認できない場合に、ドップラ速度算出手段が、ビーム毎、高度毎に他のスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出することにより、上空大気の風の一様性が低い場合も、大気エコーのドップラ速度の算出精度が向上するため、風速ベクトルの算出精度を向上させることができるという効果がある。
【０１１０】
この発明によれば、ドップラ速度算出手段が、算出した低い高度のドップラ速度をビーム間整合性確認手段に出力し、算出した高い高度のドップラ速度をビーム選択手段に出力することにより、低い高度での風速ベクトル算出精度を向上させながら、全体の計算量の増加を抑えることができるという効果がある。
【０１１１】
この発明によれば、ビーム間整合性確認手段によるビーム間整合性の確認結果に基づき、送受信手段が発射するビーム本数又はビーム方向を制御するビーム発射制御手段を備えたことにより、風の空間的非一様性の影響を最低限に抑えながら、風速ベクトルの算出精度を向上させることができるという効果がある。
【０１１２】
この発明によれば、大気に向けて複数の方向にビームを発射し、大気の反射エコーを受信して複素受信信号を生成する送受信手段と、複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、ビーム毎、高度毎に複数のスペクトルピークに対応する複数のドップラ速度を算出する複数ドップラ速度算出手段と、高度毎に、複数のドップラ速度の中から、ビーム間で整合するように各ビームのドップラ速度を選択して出力するドップラ速度選択手段と、選択した高度毎の各ビームのドップラ速度に基づき、高度毎に風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出手段とを備えたことにより、上空大気の風の一様性が低い場合も、大気エコーのドップラ速度の算出精度が向上するため、風速ベクトルの算出精度を向上させることができるという効果がある。
【０１１３】
この発明によれば、大気に向けて複数の方向にビームを発射し、大気の反射エコーを受信して複素受信信号を生成する送受信手段と、複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、ビーム毎、高度毎に複数のスペクトルピークに対応する複数のドップラ速度を算出する複数ドップラ速度算出手段と、高度毎に、複数のドップラ速度の中から、ビーム間で整合するように全てのビームのドップラ速度を選択して出力するドップラ速度選択手段と、選択した高度毎の全てのビームのドップラ速度に基づき、高度毎に風速ベクトルの平均値を算出する平均風速ベクトル算出手段とを備えたことにより、上空大気の風の一様性が低い場合も、風速ベクトルの算出精度をさらに向上させることができるという効果がある。
【０１１４】
この発明によれば、大気に向けて複数の方向にビームを発射し、大気の反射エコーを受信して複素受信信号を生成する送受信手段と、複素受信信号からドップラスペクトルを求めて、ビーム毎、高度毎にスペクトルピークに対応するドップラ速度を算出するドップラ速度算出手段と、高度毎に算出したドップラ速度のビーム間の整合性を確認する際に、全ビームのうちの一部のビームを組合せたときに、部分的な整合性が取れないかを確認し、確認した高度毎のビーム間の部分的整合性とドップラ速度を出力するビーム間整合性確認手段と、確認されたビーム間の部分的整合性に基づき、風速ベクトルを算出するための高度毎のビームの組合せを全て選択し、選択した高度毎のビームの全ての組合せとドップラ速度を出力するビーム選択手段と、選択した高度毎のビームの全ての組合せとドップラ速度に基づき、高度毎に複数の風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出手段とを備えたことにより、上空の領域毎の風速分布を知ることができるため、大気の流れをより正確に知ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１によるウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】  この発明の実施の形態１による風速ベクトル算出方法の処理フローを示す図である。
【図３】  この発明の実施の形態１によるビーム間整合性確認手段の処理フローを示す図である。
【図４】  この発明の実施の形態１によるビーム選択手段の処理フローを示す図である。
【図５】  この発明の実施の形態１においてドップラ速度のビーム間の整合性を説明する図である。
【図６】  この発明の実施の形態１においてビーム間の整合性確認の原理を説明する図である。
【図７】  この発明の実施の形態１においてドップラ速度の距離方向の連続度を調べる方法を示す図である。
【図８】  この発明の実施の形態２によるビーム選択手段の処理フローを示す図である。
【図９】  この発明の実施の形態２においてドップラ速度の時間方向の連続度を調べる方法を示す図である。
【図１０】  この発明の実施の形態３によるビーム間整合性確認手段の処理フローを示す図である。
【図１１】  この発明の実施の形態４によるウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】  この発明の実施の形態４による風速ベクトル算出方法の処理フローを示す図である。
【図１３】  この発明の実施の形態４においてドップラスペクトルが複数のピークを持つ場合のドップラ速度のビーム間の整合性を説明する図である。
【図１４】  この発明の実施の形態５によるウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】  この発明の実施の形態５による風速ベクトル算出方法の処理フローを示す図である。
【図１６】  この発明の実施の形態５によるドップラ速度選択手段の処理フローを示す図である。
【図１７】  この発明の実施の形態５によるウィンドプロファイラ装置の他の構成を示すブロック図である。
【図１８】  この発明の実施の形態６によるウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。
【図１９】  この発明の実施の形態６による風速ベクトル算出方法の処理フローを示す図である。
【図２０】  この発明の実施の形態６において複数の風速ベクトルを算出する状況を示す図である。
【図２１】  この発明の実施の形態７によるウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。
【図２２】  この発明の実施の形態７による風速ベクトル算出方法の処理フローを示す図である。
【図２３】  この発明の実施の形態７において低い高度のみでビーム間の整合性の確認を行うことを説明する図である。
【図２４】  この発明の実施の形態８によるウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。
【図２５】  この発明の実施の形態８において大気の状態によりビーム本数を制御することを説明する図である。
【図２６】  この発明の実施の形態８において大気の状態によりビーム方向を制御することを説明する図である。
【図２７】  ウィンドプロファイラ装置における３次元風速ベクトルの算出原理を説明する図である。
【図２８】  従来のウィンドプロファイラ装置の構成を示すブロック図である。
【図２９】  従来の風速ベクトル算出状況を説明する図である。
【符号の説明】
１  空中線、２  送受信手段、３  ドップラ速度算出手段、４  ビーム間整合性確認手段、５  ビーム選択手段、６  風速ベクトル算出手段、７  ビーム発射制御手段、１３  複数ドップラ速度算出手段、１５  ドップラ速度選択手段、１６  平均風速ベクトル算出手段、２６  複数風速ベクトル算出手段。
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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