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JP2001133471A - 風速計測装置および方法 - Google Patents

風速計測装置および方法

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Publication number
JP2001133471A
JP2001133471A JP31192699A JP31192699A JP2001133471A JP 2001133471 A JP2001133471 A JP 2001133471A JP 31192699 A JP31192699 A JP 31192699A JP 31192699 A JP31192699 A JP 31192699A JP 2001133471 A JP2001133471 A JP 2001133471A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
frequency
sampling data
altitude
predetermined
domain
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP31192699A
Other languages
English (en)
Inventor
Katsuyuki Imai
克之 今井
Yoshizo Shibano
儀三 芝野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP31192699A priority Critical patent/JP2001133471A/ja
Publication of JP2001133471A publication Critical patent/JP2001133471A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 周波数領域において、ＳＮ比向上を行なうこ
とができる風速計測装置及び方法を提供する。 【解決手段】 加算ＦＦＴデータＸ（ｍ）の初期値とし
て、ＦＦＴデータＸ0（ｍ）の値が設定される（Ｓ２
４）。カウンタｋが１つインクリメントされる間に、カ
ウンタｌをＬ回変化させ、ｋ番目のＦＦＴデータＸ
k（ｍ）の位相調整値を見つける（Ｓ３０〜Ｓ３６）。
すなわち、ＦＦＴデータＸk（ｍ）の位相をｌΔθずつ
変化させたＬ個のＦＦＴデータを作成し、Ｌ個のＦＦＴ
データの各々を、０番目から（ｋ−１）番目までのＦＦ
Ｔデータの加算値である加算ＦＦＴデータＸ（ｍ）と加
算する。加算結果の絶対値のピーク値が最大となるよう
に、ｌの値を選択する（Ｓ３６）。この加算結果は、ｋ
個のＦＦＴデータの位相をそれぞれ同位相とし、加算し
た値に相当する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、風速計測装置およ
び方法に関し、特に、ドップラー効果を用いた風速計測
装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】地球を覆う大地は、地表面から順に対流
圏、成層圏、中間圏、熱圏に大きく区分される。その中
でも最下層の対流圏において、特に地表面との摩擦や、
地面からの放射・吸収の影響が直接及ぶ地表面から高度
数ｋｍまでの層は、大気境界層（Atmospheric Boundary
Layer）と呼ばれる。この大気境界層は我々の社会生活
に密接に関係した領域であり、この領域内の大気運動を
観測することは、気象観測にとどまらず、たとえば地球
環境問題に関する研究、または航空機に影響を及ぼすウ
ィンドシアと呼ばれる局地的乱流の発生要因を究明する
上においても非常に重要である。
【０００３】これまで大気境界層における大気運動の観
測手段として、鉄塔やラジオゾンデによる直接観測や、
レーザーレーダや音波レーダ等が用いられてきたが、観
測時の気象条件に大きく左右されることや、観測可能高
度の限界、また十分な高度・時間分解能が得られない等
の問題から、近年ではマイクロ波帯の電波を用いたレー
ダによる観測が主流となりつつある。
【０００４】レーダは、上空に向けてパルス電波を放射
し、大気の乱れ（乱流）に伴う屈折率の揺らぎによって
散乱される電波（エコー）を解析し、ドップラー効果に
よる周波数変位を求め、風速を推定する。
【０００５】エコーのパワーは非常に小さく、これを正
確に測定することが重要な事項となっている。微弱な電
波を検出する最も基本的な方法はアンテナの感度をでき
るだけ高くすることである。すなわち、ＳＮ比（signal
-to-noise ratio）を高くすることである。しかし、Ｓ
Ｎ比を高くするためには、アンテナのサイズを大きくす
る必要があり、コスト的に問題がある。
【０００６】アンテナのサイズを変えずに、出力電波の
パワーを大きくすることも考えられるが、レーダの冷却
装置等が大型化し、これもコスト的に問題ある。したが
って、ハード面からのＳＮ比の向上には限界が存在す
る。
【０００７】このため、従来からソフト面でのデータ処
理によりＳＮ比の向上が図られてきた。ＳＮ比向上のた
めのデータ処理法として、時間領域コヒーレント積分法
が従来知られている。時間領域コヒーレント積分法と
は、エコーを時間領域で同位相となるように位相調整し
た後、積分し、ＳＮ比の向上を図るものである。風によ
るエコーの規則性により、多数の測定データを積分した
ときにエコーは電圧和になるため、エコーの電力はデー
タ点数の２乗に比例して増加する。これに対し、ノイズ
の不規則（ランダム）性により、ノイズは電力和になる
ため、ノイズ電力はデータ点数に比例して増加する。し
たがって、ＳＮ比はデータ点数に比例して向上する。
【０００８】よって、データ点数を増大させればＳＮ比
をいくらでも向上させることができるように見える。し
かし、時間領域コヒーレント積分の回数を増大すること
は、その後の周波数を求める処理において用いられる高
速フーリエ変換（以下「ＦＦＴ」という）のサンプル時
間間隔の増加を招き、結果として、測定可能最大風速が
低下することが知られている。そのため、時間領域コヒ
ーレント積分の回数には限界がある。我々は、実用的な
時間領域コヒーレント積分の回数におけるＳＮ比の改善
が２２ｄＢであることを実験的に確認した。
【０００９】さらに、ＳＮ比の向上を図るため、ＦＦＴ
によって得られる周波数成分データを所定サンプル数採
取し、それらの振幅の加算を行ない、データの平滑化を
行なうインコヒーレント積分と呼ばれる手法も用いられ
ている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかし、インコヒーレ
ント積分では、その性質から帰結される様にＳＮ比改善
はあまり期待できない。それは、周波数成分の振幅のみ
を用いた平滑化を行なっており、位相成分を考慮してい
ないからである。このため、雑音のランダム性が失わ
れ、インコヒーレント積分を行なっても、雑音の相殺効
果がなく、すべてが相加的になってしまう。
【００１１】本発明は、上述の課題を解決するためにな
されたもので、その目的は、周波数領域において、ＳＮ
比向上を行なうことができる風速計測装置及び方法を提
供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
係る風速計測装置は、所定周波数のパルス状電磁波を所
定の時間間隔で上空大気中に放射する電磁波放射手段
と、予め定められた複数の高度における大気の動揺によ
り散乱されて帰ってくるエコー（散乱波）を受信するエ
コー受信手段と、エコー受信手段に接続され、エコーを
所定周波数と同一の周波数を有する基準電磁波と混合
し、エコーの周波数と基準電磁波の周波数との差成分を
所定間隔でサンプリングする第１のサンプリング手段
と、エコー受信手段に接続され、エコーを、基準電磁波
に対し９０°位相がずれた所定周波数と同一の周波数を
有する直交位相電磁波と混合し、エコーの周波数と直交
位相電磁波の周波数との差成分を所定間隔でサンプリン
グする第２のサンプリング手段と、第１および第２のサ
ンプリング手段に接続され、相互に９０°位相の異なる
差成分のうち、一方を実数部、他方を虚数部とする時間
領域複素サンプリングデータを、各高度ごとに所定サン
プル数準備する時間領域複素サンプリングデータ獲得手
段と、時間領域複素サンプリングデータ獲得手段に接続
され、各高度ごとに、所定サンプル数の時間領域複素サ
ンプリングデータを周波数領域複素サンプリングデータ
に変換する周波数変換手段と、周波数変換手段に接続さ
れ、各高度ごとに、所定個数（Ｋ個、Ｋは２以上の整
数）の周波数領域複素サンプリングデータの位相が同位
相となるように、位相調整を行なった後、複素数のまま
加算する周波数領域コヒーレント積分手段と、周波数領
域コヒーレント積分手段に接続され、各高度ごとに、周
波数領域コヒーレント積分手段の出力に基づいて、風速
を計算する風速計算手段とを含む。
【００１３】周波数領域複素サンプリングデータの位相
を同位相とし、周波数領域で加算することにより、エコ
ーは電圧和となり、サンプルデータ数の２乗に比例して
増加する。また、ノイズはそのランダム性により電力和
となり、サンプルデータ数に比例して増加する。このた
め、ＳＮ比はサンプルデータ数に比例して増加する。こ
のような周波数領域でのコヒーレント積分を行なうこと
により、さらなるＳＮ比の向上を図ることができる。
【００１４】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明の構成に加えて、周波数領域コヒーレント積分手
段は、各高度ごとに、Ｋ個の周波数領域複素サンプリン
グデータの加算値の絶対値のピーク値が最大となるよう
に、Ｋ個の周波数領域複素サンプリングデータの位相を
調整し、加算する。
【００１５】周波数領域複素サンプリングデータの加算
値の絶対値のピーク値が最大となるように、位相を調整
することにより、位相が不明の周波数領域複素サンプリ
ングデータ同士の加算であっても、位相が同位相となる
ように調整することができる。
【００１６】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の発明の構成に加えて、周波数領域コヒーレント積分手
段は、予め定められた高度に対して、Ｋ個の周波数領域
複素サンプリングデータの加算値の絶対値のピーク値が
最大となるように、Ｋ個の周波数領域複素サンプリング
データの位相を調整し、加算する第１の手段と、第１の
手段に接続され、予め定めれた高度以外の高度の各々に
対して、Ｋ個の周波数領域複素サンプリングデータの位
相を、第１の手段で加算結果を求める際に用いた位相の
調整値を用いてそれぞれ調整し、加算する第２の手段と
を含む。
【００１７】確実に位相の調整値が求まる高度に対して
のみ、位相の調整値を求め、その他の高度に対してはそ
の調整値を用いて周波数領域複素サンプリングデータの
位相を調整する。このため、周波数領域複素サンプリン
グデータのエコーが微弱な高い高度においても、確実に
位相の調整ができるとともに、位相調整にかかる時間を
削減することができ、高速に風速を求めることができ
る。
【００１８】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれかに記載の発明の構成に加えて、時間領域複素サ
ンプリングデータ獲得手段は、第１および第２のサンプ
リング手段に接続され、各高度ごとに、時間領域複素サ
ンプリングデータを所定数だけ獲得し、加算する時間領
域コヒーレント積分手段と、時間領域コヒーレント積分
手段に接続され、各高度ごとに時間領域コヒーレント積
分手段の出力を所定サンプル数準備するコヒーレント積
分値獲得手段とを含む。
【００１９】フーリエ変換する前の時間領域複素サンプ
リングデータに対しても時間領域コヒーレント積分を行
なうことにより、エコーは電圧和になるため、エコーの
電力はデータ点数の２乗に比例して増加する。また、ノ
イズの不規則（ランダム）性により、ノイズは電力和に
なるため、ノイズ電力はデータ点数に比例して増加す
る。したがって、ＳＮ比はデータ点数に比例して向上
し、さらなるＳＮ比の向上を行なうことができる。
【００２０】請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の
いずれかに記載の発明の構成に加えて、風速計算手段
は、周波数領域時間領域コヒーレント積分手段に接続さ
れ、各高度および周波数成分ごとに、周波数領域複素サ
ンプリングデータの振幅を計算して、予め定められた回
数だけ加算するインコヒーレント積分手段と、インコヒ
ーレント積分手段に接続され、インコヒーレント積分手
段の出力に基づいて、風速を計算する風速計測装置とを
含む。
【００２１】周波数領域複素サンプリングデータについ
て、さらに、インコヒーレント積分を行なうことによ
り、平滑化の効果が期待できる。
【００２２】請求項６に記載の発明に係る風速計測方法
は、所定周波数のパルス状電磁波を所定の時間間隔で上
空大気中に放射するステップと、予め定められた複数の
高度における大気の動揺により散乱されて帰ってくるエ
コー（散乱波）を受信するステップと、エコーを所定周
波数と同一の周波数を有する基準電磁波と混合し、エコ
ーの周波数と基準電磁波の周波数との差成分を所定間隔
でサンプリングするステップと、エコーを、基準電磁波
に対し９０°位相がずれた所定周波数と同一の周波数を
有する直交位相電磁波と混合し、エコーの周波数と直交
位相電磁波の周波数との差成分を所定間隔でサンプリン
グするステップと、相互に９０°位相の異なる差成分の
うち、一方を実数部、他方を虚数部とする時間領域複素
サンプリングデータを、各高度ごとに所定サンプル数準
備するステップと、各高度ごとに、所定サンプル数の時
間領域複素サンプリングデータを周波数領域複素サンプ
リングデータに変換するステップと、各高度ごとに、所
定個数（Ｋ個、Ｋは２以上の整数）の周波数領域複素サ
ンプリングデータの位相が同位相となるように、位相調
整を行なった後、複素数のまま加算するステップと、各
高度ごとに、周波数領域複素サンプリングデータの加算
値に基づいて、風速を計算するステップとを含む。
【００２３】周波数領域複素サンプリングデータの位相
を同位相とし、周波数領域で加算することにより、エコ
ーは電圧和となり、サンプルデータ数の２乗に比例して
増加する。また、ノイズはそのランダム性により電力和
となり、サンプルデータ数に比例して増加する。このた
め、ＳＮ比はサンプルデータ数に比例して増加する。こ
のような周波数領域でのコヒーレント積分を行なうこと
により、さらなるＳＮ比の向上を図ることができる。
【００２４】請求項７に記載の発明は、請求項６に記載
の発明の構成に加えて、複素数のまま加算するステップ
は、各高度ごとに、Ｋ個の周波数領域複素サンプリング
データの加算値の絶対値のピーク値が最大となるよう
に、Ｋ個の周波数領域複素サンプリングデータの位相を
調整し、加算するステップを含む。
【００２５】周波数領域複素サンプリングデータの加算
値の絶対値のピーク値が最大となるように、位相を調整
することにより、位相が不明の周波数領域複素サンプリ
ングデータ同士の加算であっても、位相が同位相となる
ように調整することができる。
【００２６】請求項８に記載の発明は、請求項６に記載
の発明の構成に加えて、複素数のまま加算するステップ
は、予め定められた高度に対して、Ｋ個の周波数領域複
素サンプリングデータの加算値の絶対値のピーク値が最
大となるように、Ｋ個の周波数領域複素サンプリングデ
ータの位相を調整し、加算するステップと、予め定めれ
た高度以外の高度の各々に対して、Ｋ個の周波数領域複
素サンプリングデータの位相を、予め定められた高度に
対する加算結果を求める際に用いた位相の調整値を用い
てそれぞれ調整し、加算するステップとを含む。
【００２７】確実に位相の調整値が求まる高度に対して
のみ、位相の調整値を求め、その他の高度に対してはそ
の調整値を用いて周波数領域複素サンプリングデータの
位相を調整する。このため、周波数領域複素サンプリン
グデータのエコーが微弱な高い高度においても、確実に
位相の調整ができるとともに、位相調整にかかる時間を
削減することができ、高速に風速を求めることができ
る。
【００２８】請求項９に記載の発明は、請求項６〜８の
いずれかに記載の発明の構成に加えて、各高度ごとに所
定サンプル数準備するステップは、各高度ごとに、時間
領域複素サンプリングデータを所定数だけ獲得し、加算
するステップと、各高度ごとに、所定数の時間領域複素
サンプリングデータの加算結果を所定サンプル数準備す
るステップとを含む。
【００２９】フーリエ変換する前の時間領域複素サンプ
リングデータに対しても時間領域コヒーレント積分を行
なうことにより、エコーは電圧和になるため、エコーの
電力はデータ点数の２乗に比例して増加する。また、ノ
イズの不規則（ランダム）性により、ノイズは電力和に
なるため、ノイズ電力はデータ点数に比例して増加す
る。したがって、ＳＮ比はデータ点数に比例して向上
し、さらなるＳＮ比の向上を行なうことができる。
【００３０】請求項１０に記載の発明は、請求項６〜９
のいずれかに記載の発明の構成に加えて、風速を計算す
るステップは、各高度および周波数成分ごとに、周波数
領域複素サンプリングデータの振幅を計算して、予め定
められた回数だけ加算するステップと、周波数領域複素
サンプリングデータの振幅の加算結果に基づいて、風速
を計算するステップとを含む。
【００３１】周波数領域複素サンプリングデータについ
て、さらに、インコヒーレント積分を行なうことによ
り、平滑化の効果が期待できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明の実施の
形態に係るレーダ（風速計測装置）２０は、アンテナ２
２と、後述する移相器２４に接続され、移相器２４およ
びアンテナ２２を介して、天頂方向および天頂方向から
それぞれ１０度傾斜した東西南北４方向の計５方向にパ
ルス状の電波（以下「パルス波」という）を送信する送
信部２６と、移相器２４に接続され、アンテナ２２およ
び移相器２４を介して、空気中で反射されるエコーを受
信する受信部２８と、アンテナ２２、送信部２６および
受信部２８に接続され、送信部２６より送信される電波
および受信部２８で受信される電波の位相をシフトし、
パルス波の放射方向およびエコーの受信方向を調整する
移相器２４と、受信部２８に接続され、エコーをパルス
波と同一の周波数を有する電磁波（基準電磁波）と混合
し、エコーの周波数と基準電磁波の周波数との差を検出
し、かつエコーを、基準電磁波に対し９０°位相がずれ
たパルス波と同一の周波数を有する電磁波（直交位相電
磁波）と混合し、エコーの周波数と直交位相電磁波の周
波数との差を検出するドップラー検出器３２と、ドップ
ラー検出器３２に接続され、ドップラー検出器３２の出
力を収集し、上空の各高度における風速を求め、アンテ
ナ２２より放射される電波のパルス幅、エコーのサンプ
リングによる検出間隔およびサンプリング数などをセッ
トするデータ収集処理装置３４と、移相器２４、送信部
２６および受信部２８に接続され、移相器２４、送信部
２６および受信部２８を駆動するドライバ３０と、ドラ
イバ３０およびデータ収集処理装置３４に接続され、デ
ータ収集処理装置３４でセットされた各種パラメータに
基づいて、ドライバ３０を介して、移相器２４のパラメ
ータの切換え、パルス信号の発生および送出、位相変調
などの制御を行なうアンテナコントローラ３６とを含
む。
【００３３】レーダ２０は、地上から高度数千メートル
あるいはそれ以上の範囲の風速を指定された高度間隔
（たとえば１００ｍ間隔）で測定する。アンテナ２２
は、２．８ｍ×２．８ｍ程度の大きさの平面状のアレイ
アンテナである。アンテナコントローラ３６は、ドライ
バ３０を介して送信部２６および移相器２４を作動さ
せ、上述の５方向へ順次パルス波を放射する。データ収
集処理装置３４は、ＤＳＰ（Digital Signal Processo
r）やコンピュータなどで構成される。
【００３４】図２を参照して、レーダ２０の各部は以下
のように動作する。アンテナ２２よりパルス波が順次放
射される。受信部２８はアンテナ２２および移相器２４
を介してエコーを受信する。ドップラー検出器３２は、
エコーを上述の基準電磁波と混合し、エコーの周波数と
基準電磁波の周波数との差成分（以下「周波数差成分」
という）を所定間隔でサンプリングするとともに、エコ
ーを上述の直交位相電磁波と混合し、エコーの周波数と
直交位相電磁波の周波数との周波数差成分を所定間隔で
サンプリングする。データ収集処理装置３４は、２種類
のサンプリングデータのうち、一方（たとえば位相の進
んだ方）を実数部、他方（たとえば位相の遅れた方）を
虚数部とする時間領域複素サンプリングデータを獲得す
る（Ｓ２）。各高度ごとに時間領域複素サンプリングデ
ータがサンプリングされる。以下の説明では、サンプリ
ング数、すなわち計測される高度数をＲとする。
【００３５】図３を参照して、データ収集処理装置３４
は、各高度ごとに、ＮＣ個（ＮＣは２以上の整数）の時
間領域複素サンプリングデータを収集し、積分すること
により１つの積分データｘk（ｎ）を得る。ｋは、後述
するＦＦＴデータの番号に対応し、ｎが積分データの番
号に対応する。データ収集処理装置３４は、各高度ごと
に、１２８個（ｎ＝０〜１２７）の積分データを得るま
で、時間領域複素サンプリングデータの収集および積分
を繰返す（Ｓ４）。このようにして、図４に示すような
データ列が各高度ごとに得られる。図４は、縦軸を周波
数差成分の積分値、横軸を積分データの番号とするグラ
フを示す。
【００３６】再度図２を参照して、データ収集処理装置
３４は、各高度ごとに、１２８個の積分データを用い
て、複素ＦＦＴを行なう（Ｓ６）。１２８個の積分デー
タを正弦波でモデル化すると、各点の値は式（１）のよ
うに表わすことができる。なお、ＦＦＴでなくとも、他
の周波数変換手段（たとえばフーリエ変換）であっても
よい。
【００３７】データ収集処理装置３４は、式（１）で表
わされた１２８個の積分データにＦＦＴを施し、１つの
ＦＦＴデータを得る。データ収集処理装置３４は、Ｋ個
（ｋ＝０〜Ｋ−１）のＦＦＴデータを得るまで同様の処
理を繰返す（Ｓ６）。ＦＦＴのアルゴリズムは周知の技
術であるため、その詳細な説明はここでは繰返さない。
【００３８】ＦＦＴデータは（Ｉ＋ｊＱ）と複素表現さ
れる（但し、Ｉは実数部、Ｑは虚数部）。以下の説明で
は、ＦＦＴは、時間領域で得られたデータを周波数領域
のデータに変換する線形演算である。このため、時間領
域でランダム性を有する雑音データは、周波数領域に変
換されてもランダム性を保有する。このランダム性は、
Ｉ成分およびＱ成分でそれぞれ保有されている。
【００３９】ＦＦＴデータは、式（２）のように表わす
ことができる。ＦＦＴデータにおいて、位相角θkを導
入するのは、各ＦＦＴデータを採取する中間の作業にお
いては、アンテナの制御作業が存在したり、割込み制御
の発生の可能性があり、ＦＦＴデータ間で同期を保つこ
とが極めて困難であることによる。当然のことながら、
これらの位相角θkの値は不明である。
【００４０】
【数１】
【００４１】エコーを強調するには、ＦＦＴデータを未
知位相角θkだけ補正し、ＦＦＴデータ相互の位相角が
同位相となるように調整を行なった後、加算する周波数
領域でのコヒーレント積分を行なえばよいが、位相角θ
kの値は不明である。このため、単純にコヒーレント積
分を行なうことはできない。
【００４２】したがって、以下に説明する方法で、Ｋ個
のＦＦＴデータを同位相となるよう調整した後、加算
し、１つの加算ＦＦＴデータを得る（Ｓ８）。なお、加
算ＦＦＴデータはアンテナビームごとに求められる。デ
ータ収集処理装置３４は、加算ＦＦＴデータの振幅のピ
ーク値に対応する周波数を求め、その周波数に基づき風
速および風向を計算する（Ｓ１０）。周波数を用いた風
速の演算方法は周知の技術である。このため、その詳細
な説明はここでは繰返さない。なお、風速および風向の
計算は、各高度ごとに行なわれる。これら複数高度にお
ける風速および風向の計算は、並列に行なわれる。
【００４３】図５を参照して、Ｓ８の処理について詳述
する。図５に示す処理は、ある１つの高度に対する処理
である。このため、その他の高度に対しては、同様の処
理が行なわれる。
【００４４】データ収集処理装置３４は、ＦＦＴデータ
Ｘk（ｍ）（ｍ＝０，１，２，…，Ｎ−１、ｋ＝０，
１，２，…，Ｋ−１）を、図示しないメモリに保持する
（Ｓ２２）。加算ＦＦＴデータＸ（ｍ）の初期値とし
て、ＦＦＴデータＸ0（ｍ）の値を設定する（Ｓ２
４）。カウンタｋを０に設定する（Ｓ２６）。カウンタ
ｋを１つインクリメントする（Ｓ２８）。
【００４５】カウンタｌを０にセットする（Ｓ３０）。
ＦＦＴデータＸk（ｍ）の位相角をｌΔθだけずらし、
Ｘ（ｍ）に加算したデータＸ(l)（ｍ）を作成する（Ｓ
３２）。カウンタｌのとり得る範囲を０≦ｌ≦Ｌ−１と
した場合、ΔθはΔθ＝２π／Ｌで表わされる。すなわ
ち、ｌを０からＬ−１まで変化させると、ｌΔθは０ラ
ジアンから２πラジアンまでΔθ刻みで変化することと
なる。定数Ｌの値は、適当に定められる。たとえば、Ｌ
＝７２の場合には、（２π／７２ラジアン）＝５°刻み
でＸk（ｍ）の位相角が変化する。
【００４６】カウンタｌが（Ｌ−１）未満か否かを判定
し（Ｓ３４）、カウンタｌが（Ｌ−１）未満であれば、
カウンタｌを１つインクリメントする（Ｓ３５）。その
後、Ｓ３２の処理を繰返す。カウンタｌが（Ｌ−１）以
上であれば（Ｓ３４でＮＯ）、Ｓ３６以降の処理を行な
う。Ｓ３４までの処理で、Δθ刻みで位相を変化させた
ＦＦＴデータＸk（ｍ）に加算ＦＦＴデータＸ（ｍ）を
加算したデータＸ(l)（ｍ）（ｌ＝０，１，…，Ｌ−
１）が得られる。
【００４７】次に、カウンタｌおよびｍを変化させて、
データＸ(l)（ｍ）の絶対値を求め、カウンタｌのとり
得る値ごとにデータＸ(l)（ｍ）の絶対値がピークとな
る位置ｍを求める。ピーク位置でのデータＸ(l)（ｍ）
の絶対値を比較し、ピーク位置でのデータＸ(l)（ｍ）
絶対値の値が最大となるときのカウンタｌの値を選択
し、そのときのカウンタｌの値をｌｌとする（Ｓ３
６）。すなわち、データＸ(l )（ｍ）の振幅が最大とな
るときのカウンタｌの値をｌｌとする。加算ＦＦＴデー
タＸ（ｍ）とＦＦＴデータＸk（ｍ）とを同位相として
加算したときには、加算結果の振幅が最大となる。この
ため、振幅が最大となるデータＸ(l)（ｍ）は、同位相
で加算ＦＦＴデータＸ（ｍ）とＦＦＴデータＸk（ｍ）
とを加算したことに相当する。
【００４８】データＸ(l)（ｍ）を新たな加算ＦＦＴデ
ータＸ（ｍ）とする（Ｓ３８）。カウンタｋが（Ｋ−
１）未満か否かを判断し（Ｓ４０）、カウンタｋが（Ｋ
−１）未満であれば（Ｓ４０でＹＥＳ）、Ｓ２８に戻
り、カウンタｋを１つインクリメントした後、Ｓ３０以
下の処理を繰返す。
【００４９】カウンタｋが（Ｋ−１）以上であれば（Ｓ
４０でＮＯ）、処理を終了する。それまでに求められた
加算ＦＦＴデータＸ（ｍ）の値は、ＦＦＴデータＸ
k（ｍ）（ｋ＝１，２，…，Ｋ−１）を周波数領域でコ
ヒーレント積分した後の値に相当する。
【００５０】以上のようにして、位相角が不明なＦＦＴ
データＸk（ｍ）をコヒーレント積分することにより、
ＦＦＴ後でもＳＮ比の改善が行なわれる。ＳＮ比の向上
度は、近似的に１０ｌｏｇ10Ｋ（ｄＢ）で表わされる。
【００５１】しかし、実際にはＳＮ比改善を行ないたい
高い高度では、エコーの電力が非常に小さくＳＮ比が悪
いかまたはノイズに埋もれているため、上述のＳ３６に
おける最大値判定が簡単に行なわれない場合がある。ま
た、測定するすべての高度に対して、上述の加算ＦＦＴ
データを得る処理（Ｓ８の処理）を行なったのでは計算
量が膨大となり、リアルタイムの風速計算が困難であ
る。このため、以下に示すように、Ｓ８の処理を変更し
てもよい。
【００５２】受信エコーのパワーは、高度の２乗に逆比
例するため、高度０〜３ｋｍ程度までは、エコーのパワ
ーが比較的強い。しかし、高度が３ｋｍを超えるとパワ
ーが弱くなるため、値ｌｌの推定が困難となる。このた
め、定常的に測定されるたとえば高度２ｋｍのエコーに
基づいて値ｌｌの推定を行ない、それ以外の高度につい
ては、高度２ｋｍのときの値ｌｌを用いて、加算ＦＦＴ
データの算出を行なう。
【００５３】以下の説明では、Ｘh k（ｍ）と表わすとき
は、高度ｈに対するｋ番目のＦＦＴデータを表わすもの
とし、Ｘh（ｍ）と表わすときは、高度ｈに対する加算
ＦＦＴデータを表わすものとする。
【００５４】図６を参照して、基準となる高度ｈ＝２ｋ
ｍに対する加算ＦＦＴデータＸ2（ｍ）の初期値とし
て、高度ｈ＝２ｋｍに対する０番目のＦＦＴデータＸ2 0
（ｍ）を設定する（Ｓ５０）。カウンタｋの値を１に設
定する（Ｓ５１）。高度ｈを２ｋｍに設定する（Ｓ５
２）。図５に示すＳ３０〜Ｓ３６の処理に従って、高度
ｈ＝２ｋｍのｋ番目のＦＦＴデータＸ2 k（ｍ）に対応し
た値ｌｌを求める（Ｓ５４）。
【００５５】高度ｈに風速を測定する最低の高度ｈmin
を設定する（Ｓ５６）。高度ｈのＦＦＴデータＸ
h k（ｍ）の位相をｌｌΔθだけシフトさせ、加算ＦＦＴ
データＸh（ｍ）に累積加算する（Ｓ５８）。高度ｈが
最高高度ｈmaxに達したか否かを判断し（Ｓ６０）、高
度ｈが最高高度ｈmaxに達していなければ（Ｓ６０でＹ
ＥＳ）、高度ｈを高度ステップΔｈだけ増加させ（Ｓ６
４）、Ｓ５８以降の処理を繰返す。高度ｈが最高高度ｈ
maxに達していれば（Ｓ６０でＮＯ）、カウンタｋが
（Ｋ−１）未満か否かを判断する（Ｓ６２）。カウンタ
ｋが（Ｋ−１）未満であれば（Ｓ６２でＹＥＳ）、カウ
ンタｋを１つインクリメントし（Ｓ６６）、Ｓ５２以降
の処理を繰返す。カウンタｋが（Ｋ−１）以上であれば
（Ｓ６２でＮＯ）、処理を終了する。
【００５６】以上のような処理を行なうことにより、す
べての高度について確実に周波数領域でのコヒーレント
積分を行なうことができる。その上、すべての高度に対
して図５に示す方法を適用する場合に比べ、所要計算時
間を１／４程度に削減することができることを実験的に
確認した。
【００５７】次に、ＳＮ比の向上度について検討する。
５方向のパルス波に対してそれぞれ１回のＦＦＴを施す
のに必要な時間ＴFFTは、式（３）のように表わすこと
ができる。
【００５８】 ＴFFT＝ＮＢ・ＮＦ・Ｔｓ …（３） ここで、ＮＢ：アンテナビーム方位数 ＮＦ：ＦＦＴサンプル点数 Ｔｓ：サンプリング間隔 たとえば、ＮＢ＝５、ＮＦ＝１２８、Ｔｓ＝４ｍｓとす
ると、ＴFFTは２．５６（ｓｅｃ）となる。このため、
風速を測定するための平均時間を約１分間とした場合に
は、ＦＦＴデータの数Ｋは、Ｋ＝６０／２．５６＝２３
となる。このため、１０ｌｏｇ10Ｋ＝１０ｌｏｇ10２３
＝１３．６（ｄＢ）程度のＳＮ比向上が期待できる。ア
ンテナ２２のＳＮ比を１３．６（ｄＢ）向上させるに
は、開口面積を２０倍程度にしなければならないことを
考えると、このＳＮ比向上は極めて価値の高いものであ
る。一方、従来のインコヒーレント積分を行なった場合
には、平滑化の効果はあるものの、ＳＮ比の向上はあま
り期待できない。
【００５９】また、風速を測定するための平均時間を約
１０分間とした場合には、ＦＦＴデータの数は、Ｋ＝６
００／２．５６＝２３４となる。このため、ＳＮ比の向
上度は、１０ｌｏｇ10Ｋ＝１０ｌｏｇ10２３４＝２３．
７（ｄＢ）となり、さらに、１０（ｄＢ）程度の向上が
期待できる。
【００６０】なお、図２のＳ８の処理の後に、従来と同
様のインコヒーレント積分を行なうようにしてもよい。
【００６１】また、電波のかわりに、光（たとえばレー
ザ光）を用いて風速を計測してもよい。
【００６２】以上説明したように、本発明の実施の形態
に係るレーダによれば、ＦＦＴデータを複素数のまま取
扱い、各ＦＦＴデータの位相が同位相となるように位相
を調整して加算する。その加算したデータに基づいて風
速の測定が行なわれる。このため、ＳＮ比をＦＦＴデー
タの数に比例して増加させることができる。
【００６３】また、測定条件のよいたとえば高度２ｋｍ
のＦＦＴデータより位相調整のパラメータを求め、その
他の高度のＦＦＴデータにそのパラメータを適用し、位
相を調整するようにした。これにより、エコーのパワー
が小さい高度についても確実に周波数領域でのコヒーレ
ント積分を行なうことができる。また、位相調整パラメ
ータを求める時間を短縮することができるため、風速測
定時間を短縮することができる。
【００６４】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係るレーダの構成を示
す図である。
【図２】 レーダの実行する処理を説明するためのフロ
ーチャートである。
【図３】 各種データの遷移を説明するための図であ
る。
【図４】 積分データをプロットすることにより得られ
るグラフである。
【図５】 ＦＦＴデータの加算処理を説明するフローチ
ャートである。
【図６】 ＦＦＴデータの加算処理の他の例を説明する
フローチャートである。
【符号の説明】
２０ レーダ、２２ アンテナ、２４ 移相器、２６
送信部、２８ 受信部、３０ ドライバ、３２ ドップ
ラー検出器、３４ データ収集処理装置、３６アンテナ
コントローラ。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定周波数のパルス状電磁波を所定の時
    間間隔で上空大気中に放射する電磁波放射手段と、 予め定められた複数の高度における大気の動揺により散
    乱されて帰ってくるエコー（散乱波）を受信するエコー
    受信手段と、 前記エコー受信手段に接続され、前記エコーを前記所定
    周波数と同一の周波数を有する基準電磁波と混合し、前
    記エコーの周波数と前記基準電磁波の周波数との差成分
    を所定間隔でサンプリングする第１のサンプリング手段
    と、 前記エコー受信手段に接続され、前記エコーを、前記基
    準電磁波に対し９０°位相がずれた前記所定周波数と同
    一の周波数を有する直交位相電磁波と混合し、前記エコ
    ーの周波数と前記直交位相電磁波の周波数との差成分を
    前記所定間隔でサンプリングする第２のサンプリング手
    段と、 前記第１および第２のサンプリング手段に接続され、相
    互に９０°位相の異なる差成分のうち、一方を実数部、
    他方を虚数部とする時間領域複素サンプリングデータ
    を、各高度ごとに所定サンプル数準備する時間領域複素
    サンプリングデータ獲得手段と、 前記時間領域複素サンプリングデータ獲得手段に接続さ
    れ、各高度ごとに、前記所定サンプル数の時間領域複素
    サンプリングデータを周波数領域複素サンプリングデー
    タに変換する周波数変換手段と、 前記周波数変換手段に接続され、各高度ごとに、所定個
    数（Ｋ個、Ｋは２以上の整数）の前記周波数領域複素サ
    ンプリングデータの位相が同位相となるように、位相調
    整を行なった後、複素数のまま加算する周波数領域コヒ
    ーレント積分手段と、 前記周波数領域コヒーレント積分手段に接続され、各高
    度ごとに、前記周波数領域コヒーレント積分手段の出力
    に基づいて、風速を計算する風速計算手段とを含む、風
    速計測装置。
  2. 【請求項２】 前記周波数領域コヒーレント積分手段
    は、各高度ごとに、前記Ｋ個の周波数領域複素サンプリ
    ングデータの加算値の絶対値のピーク値が最大となるよ
    うに、前記Ｋ個の周波数領域複素サンプリングデータの
    位相を調整し、加算する、請求項１に記載の風速計測装
    置。
  3. 【請求項３】 前記周波数領域コヒーレント積分手段
    は、 予め定められた高度に対して、前記Ｋ個の周波数領域複
    素サンプリングデータの加算値の絶対値のピーク値が最
    大となるように、前記Ｋ個の周波数領域複素サンプリン
    グデータの位相を調整し、加算する第１の手段と、 前記第１の手段に接続され、前記予め定めれた高度以外
    の高度の各々に対して、前記Ｋ個の周波数領域複素サン
    プリングデータの位相を、前記第１の手段で加算結果を
    求める際に用いた位相の調整値を用いてそれぞれ調整
    し、加算する第２の手段とを含む、請求項１に記載の風
    速計測装置。
  4. 【請求項４】 前記時間領域複素サンプリングデータ獲
    得手段は、 前記第１および第２のサンプリング手段に接続され、各
    高度ごとに、前記時間領域複素サンプリングデータを所
    定数だけ獲得し、加算する時間領域コヒーレント積分手
    段と、 前記時間領域コヒーレント積分手段に接続され、各高度
    ごとに前記時間領域コヒーレント積分手段の出力を前記
    所定サンプル数準備するコヒーレント積分値獲得手段と
    を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の風速計測装
    置。
  5. 【請求項５】 前記風速計算手段は、 前記周波数領域時間領域コヒーレント積分手段に接続さ
    れ、各高度および周波数成分ごとに、前記周波数領域複
    素サンプリングデータの振幅を計算して、予め定められ
    た回数だけ加算するインコヒーレント積分手段と、 前記インコヒーレント積分手段に接続され、前記インコ
    ヒーレント積分手段の出力に基づいて、風速を計算する
    風速計測装置とを含む、請求項１〜４のいずれかに記載
    の風速計測装置。
  6. 【請求項６】 所定周波数のパルス状電磁波を所定の時
    間間隔で上空大気中に放射するステップと、 予め定められた複数の高度における大気の動揺により散
    乱されて帰ってくるエコー（散乱波）を受信するステッ
    プと、 前記エコーを前記所定周波数と同一の周波数を有する基
    準電磁波と混合し、前記エコーの周波数と前記基準電磁
    波の周波数との差成分を所定間隔でサンプリングするス
    テップと、 前記エコーを、前記基準電磁波に対し９０°位相がずれ
    た前記所定周波数と同一の周波数を有する直交位相電磁
    波と混合し、前記エコーの周波数と前記直交位相電磁波
    の周波数との差成分を前記所定間隔でサンプリングする
    ステップと、 相互に９０°位相の異なる差成分のうち、一方を実数
    部、他方を虚数部とする時間領域複素サンプリングデー
    タを、各高度ごとに所定サンプル数準備するステップ
    と、 各高度ごとに、前記所定サンプル数の時間領域複素サン
    プリングデータを周波数領域複素サンプリングデータに
    変換するステップと、 各高度ごとに、所定個数（Ｋ個、Ｋは２以上の整数）の
    前記周波数領域複素サンプリングデータの位相が同位相
    となるように、位相調整を行なった後、複素数のまま加
    算するステップと、 各高度ごとに、前記周波数領域複素サンプリングデータ
    の加算値に基づいて、風速を計算するステップとを含
    む、風速計測方法。
  7. 【請求項７】 複素数のまま加算する前記ステップは、
    各高度ごとに、前記Ｋ個の周波数領域複素サンプリング
    データの加算値の絶対値のピーク値が最大となるよう
    に、前記Ｋ個の周波数領域複素サンプリングデータの位
    相を調整し、加算するステップを含む、請求項６に記載
    の風速計測方法。
  8. 【請求項８】 複素数のまま加算する前記ステップは、 予め定められた高度に対して、前記Ｋ個の周波数領域複
    素サンプリングデータの加算値の絶対値のピーク値が最
    大となるように、前記Ｋ個の周波数領域複素サンプリン
    グデータの位相を調整し、加算するステップと、 前記予め定めれた高度以外の高度の各々に対して、前記
    Ｋ個の周波数領域複素サンプリングデータの位相を、前
    記予め定められた高度に対する加算結果を求める際に用
    いた位相の調整値を用いてそれぞれ調整し、加算するス
    テップとを含む、請求項６に記載の風速計測方法。
  9. 【請求項９】 各高度ごとに所定サンプル数準備する前
    記ステップは、 各高度ごとに、前記時間領域複素サンプリングデータを
    所定数だけ獲得し、加算するステップと、 各高度ごとに、前記所定数の時間領域複素サンプリング
    データの加算結果を前記所定サンプル数準備するステッ
    プとを含む、請求項６〜８のいずれかに記載の風速計測
    方法。
  10. 【請求項１０】 風速を計算する前記ステップは、 各高度および周波数成分ごとに、前記周波数領域複素サ
    ンプリングデータの振幅を計算して、予め定められた回
    数だけ加算するステップと、 前記周波数領域複素サンプリングデータの振幅の加算結
    果に基づいて、風速を計算するステップとを含む、請求
    項６〜９のいずれかに記載の風速計測方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004061476A1 (ja) * 2002-12-27 2004-07-22 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha レーザーレーダ装置
JP2014081331A (ja) * 2012-10-18 2014-05-08 Mitsubishi Electric Corp 風計測装置

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US7209222B2 (en) 2002-12-27 2007-04-24 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Laser radar apparatus
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