JP2004347540A - Method, program, and device for signal processing in wind profiler - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空中へ向けて複数方向に電磁波等のプローブ波を送信し、大気乱流や降水粒子等の散乱体による反射波を受信し、それら送受信信号を処理することで、風向風速や乱流強度、降雨強度の高度分布などの気象を、短時間で連続的に無人遠隔観測するウィンドプロファイラにおいて、信号データを処理する方法、並びに、その方法を実施するプログラムと装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風向風速や降雨などに関する気象情報は、災害防止等に有用な情報である。
例えば、上空の風向風速を計測する手段としては、ゾンデが挙げられる。ゾンデを用いた観測では、ゾンデを上げた時刻におけるデータしか得られない。そのため、観測の時間分解能が芳しくなかった。
【０００３】
それに対して、ウィンドプロファイラと呼ばれる大気レーダを用いて、分単位の時間分解能で気象データ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で大気を観測する原理の概要は次の通りである。ウィンドプロファイラはドップラーレーダの一種であり、一般的には、電磁波の送受信装置、信号処理装置、風速ベクトル算出装置、表示記録装置などによって構成される。アンテナによって上空の複数方向へ送信された電磁波の反射波が、アンテナによって受信され、その受信波が送受信装置によって増幅、周波数変換、検波されてビデオ信号に変換される。そのビデオ信号は、信号処理装置によって周波数解析され、ドップラー速度が算出される。
【０００４】
算出されるドップラー速度は、レーダの送受信方向への射影成分である。そこで、観測領域の風速分布が一様であると仮定し、その範囲内で観測方向を複数設定することで、風速ベクトル算出装置によって複数の観測方向のドップラー速度から、実際の風速ベクトルが算出される。
【０００５】
ウィンドプロファイラは、大気乱流等によって散乱される非常に微弱な反射波を観測対象とするため、ＳＮ比が小さいことが難点である。
これに対処するため、一般的な信号データ処理の流れは、以下のように、まずＳＮ比を向上させるためのディジタル信号処理を行い、次にノイズの影響を回避しつつ所望信号を抽出する処理を行った後、風速等の各種物理量を求めることになる。
【０００６】
ディジタル信号処理は、時間領域で行うものと、ドップラー周波数領域で行うものとに大別できる。
時間領域で行う信号処理には、レーダの距離分解能を損なわずにＳＮ比を向上させるパルス圧縮や、計測対象の変化が小さい時間内で信号を積分しＳＮ比を向上させるコヒーレント積分や、受信信号の時間変化を各ドップラー周波数に分解する複素フーリエ変換などがある。
ドップラー周波数領域で行う信号処理には、複素フーリエ変換で得られた複素スペクトルの２乗和を取ってパワースペクトルを算出するドップラースペクトルの算出や、複数のドップラースペクトルを加算してＳＮ比を向上させるインコヒーレント積分などがある。
【０００７】
ＳＮ比を向上させた後、所望の信号を抽出するには、ドップラースペクトルの中から、大気乱流等の散乱体による所望信号のピークを探知し抽出する。この過程で所望信号を正しく抽出することが、計測精度を高める上で非常に重要である。
【０００８】
抽出した所望信号から、レーダのアンテナビーム方向に沿った信号強度やドップラー速度やスペクトル幅などの諸物理量を、観測高度毎に算出する。通常は、鉛直方向と、それから東西南北のそれぞれに若干傾斜した方向との計５方向のビームを用いて観測するので、このレーダの送受信方向物理量は、観測高度毎のほか、観測方向毎にも得られる。
【０００９】
観測方向の異なる複数のドップラー速度を用いて、風速３成分（東西、南北、鉛直方向の風速）すなわち風速ベクトルを算出する。この過程は、アルゴリズムに依存せず一意的な結果が得られることが多い。
【００１０】そして最後に、算出した風速ベクトル等の物理量が妥当であるかどうかを吟味する。通常、各物理量が連続的な時間分布、高度分布をすることを利用して、連続性に欠けるデータを取り除く。このスクリーニング処理は、レーダの送受信方向物理量の算出を行った直後に行われることも多い。
【００１１】
このような一連の過程において、ドップラースペクトルの中から所望信号を正しく抽出することが、計測精度を高める上で特に重要である。
図１は、ドップラースペクトルの一例を模式的に示すグラフである。
ドップラースペクトルは、各観測方向に沿った複数の観測高度において求められるため、１回の観測で得られるドップラースペクトルの総数は、観測方向数と観測高度数との積となる。１つの観測方向に沿った複数の観測高度で得られたドップラースペクトルを示したグラフを図２に示す。
【００１２】
所望信号は、ドップラースペクトル上で比較的幅の狭いピークとして現れるが、ピークが低い場合にはノイズに埋もれやすく、非所望信号によるスペクトルピークを所望信号であると誤認することがありうる。
非所望信号としては、大地や建造物などの固定物からの散乱信号であるグランドクラッタ、海面波からの散乱信号であるシークラッタ、航空機や鳥などの飛翔体からの散乱信号、他の無線局からの信号などが挙げられる。
雨粒や氷晶などの降水粒子による散乱信号は、降雨強度等を計測する際には所望信号として扱われるが、大気乱流による散乱信号を計測する際には非所望信号として扱われる。
【００１３】
グランドクラッタによるピークは、ドップラースペクトル上における出現位置や形状の特徴がある程度予想できるのに対し、その他の非所望信号は出現する場所や時間が不定であり、予め予想して対処することは非常に困難である。
【００１４】
所望信号を抽出する最も単純な方法は、各観測高度のドップラースペクトル上で最も高いピークを検索して取り出す方法である。この方法は、計算量が少ないため、低速の計算機を用いる場合に利用されたが、所望信号よりも非所望信号が大きい場合は非所望信号を抽出してしまう問題があった。
そこで、次のスクリーニング処理において、抽出した信号の時間と高度に関する連続性を確認し、誤って抽出した非所望信号がその連続性に欠けることを根拠として識別し削除する方法を取ってきた。
【００１５】
このスクリーニングは、所望信号の数が誤って抽出した非所望信号の数よりも十分に多い場合には、意図した動作をするが、逆の場合は、むしろ所望信号の方が削除されるなど、効果が得られない問題があった。
更に、ドップラースペクトルから一旦誤ったピークを抽出してしまうと、仮にピークが低いが識別可能な所望信号が存在したとしても、それが生かされず、スクリーニングの結果、データの抜けが生じる問題もあった。
【００１６】
また、３つ以上の観測方向で取得したドップラー速度を合成して、風速ベクトルを求める従来の方法は、１回の観測で走査する複数の観測方向から得られたドップラー速度を用いていた。すなわち、１観測毎、独立に風速ベクトルを求めていた。
複数の観測方向におけるドップラー速度が正確に求められていれば、結果として得られる風速ベクトルの精度も良いことになる。しかし、全ての観測方向について高精度でドップラー速度を求められるとは限らないため、実際にはドップラー速度の誤差が風速ベクトルへ伝播して精度が低下しやすい。
【００１７】
そこで、ドップラー速度の精度を高めるために、予め観測方向毎にドップラー速度の時間と高度に関する連続性を考慮してスクリーニング処理し異常値を削除するが、それらを完全に取り除くことは困難である。なぜなら、ＳＮ比が低く非所望信号に起因する異常値が相対的に多い観測高度などでは、スクリーニングが効果的に機能しないからである。
更に、スクリーニングの結果、欠測扱いとなった観測高度の値は、その周囲の値で補間するなどしない限り風速ベクトルを求められないという問題もある。
【００１８】ウィンドプロファイラに関する従来技術には、
【特許文献１】特開平１１−２５８３５８号
【特許文献２】特開２００１−１５９６３６号
【特許文献３】特開２００２−１６８９４８号
も開示されている。
【００１９】特許文献２は、風速ベクトルの算出精度を向上させるためのものであり、ドップラー速度の時間と高度に関する連続性を考慮してスクリーニング処理する記載がある。しかし、ＳＮ比が低く非所望信号に起因する異常値が相対的に多い観測高度などでは、スクリーニングが効果的に機能しないため、十分精度の高いドップラー速度を得ることは依然として困難である。
【００２０】
以上のように、ウィンドプロファイラは、非常に微弱な反射波を観測対象とするため、従来技術によっては、ノイズの影響を回避しつつ所望信号を正確に抽出し、精度の高い風速ベクトルなど諸物理量を求めることが困難であった。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、所望信号を正確に抽出し、精度の高い風速ベクトルなど諸物理量を求めることができるウィンドプロファイラの信号処理方法、並びに、その方法を実施するプログラムと装置を提供することを課題とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のウィンドプロファイラにおける信号処理方法は、次の構成を備える。
すなわち、空中へ向けて複数方向にプローブ波を送信し、空中に存する散乱体で反射されたプローブ波を受信し、それら送受信信号を処理することで、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求めるウィンドプロファイラにおいて、観測されたドップラースペクトルの中から所望の信号を仮抽出し、仮抽出された所望信号データより、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを試算し、その送受信方向の諸物理量または風速ベクトルの試算データを、観測によるドップラースペクトル上にフィードバックして、その試算データに最も類似する観測データを所望信号として、ドップラースペクトルの中から再抽出し、再抽出した所望信号データに基づいて送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求めることを特徴とする。
【００２３】
また、空中へ向けて複数方向にプローブ波を送信し、空中に存する散乱体で反射されたプローブ波を受信し、それら送受信信号を処理することで、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求めるウィンドプロファイラにおいて、観測されたドップラースペクトルの中から、所望の信号を抽出するに当たり、略同一の条件下で複数回の観測を行い、観測時間を指標として連続的な関係にある一連のドップラースペクトルから、類似性の高いドップラースペクトルを抽出して、抽出されたドップラースペクトルの中から、所望の信号を求めるようにしてもよい。
【００２４】
また、空中へ向けて複数方向にプローブ波を送信し、空中に存する散乱体で反射されたプローブ波を受信し、それら送受信信号を処理することで、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求めるウィンドプロファイラにおいて、観測されたドップラースペクトルの中から、所望の信号を抽出するに当たり、略同一の条件下で複数回の観測を行い、観測時間を指標として連続的な関係にある一連のドップラースペクトルから、同一のドップラー速度成分について独立にメジアンフィルタをかけた後、メジアン値に近い複数の値の平均を取ることによって、所望のドップラースペクトルを求めるようにしてもよい。
【００２５】
また、空中へ向けて複数方向にプローブ波を送信し、空中に存する散乱体で反射されたプローブ波を受信し、それら送受信信号を処理することで、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求めるウィンドプロファイラにおいて、観測されたドップラースペクトルの中から、所望の信号を抽出するに当たり、観測高度を指標として連続的な関係にある条件下で一連の観測を行い、隣接する観測高度におけるドップラースペクトルの間で、各スペクトル中にあるピーク間の類似性を求め、その類似性に基づいて各スペクトルのピークを連続的に追跡することで高度プロファイルを形成し、得られた複数の高度プロファイルの中から、妥当性の高い高度プロファイルを選定し、選定された高度プロファイルに帰属するドップラースペクトルの中から、所望の信号を求めるようにしてもよい。
【００２６】
その際、ピークの類似性を、少なくとも、信号強度の比と、スペクトル幅の比と、ドップラー速度の差とを独立変数とする多次元空間距離の小ささで表現してもよい。
【００２７】
また、空中へ向けて複数方向にプローブ波を送信し、空中に存する散乱体で反射されたプローブ波を受信し、それら送受信信号を処理することで、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求めるウィンドプロファイラにおいて、観測されたドップラースペクトルの中から抽出された所望信号データより、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを算出するに当たり、略全ての観測高度にわたって、距離分解能の異なる複数の観測モードで観測を行い、得られた略全てのドップラー速度を用いて、特異行列分解法によって、所望の風速ベクトルを求めるようにしてもよい。
【００２８】
本発明のウィンドプロファイラにおける信号処理方法を実施するプログラムは、空中へ向けて複数方向にプローブ波を送信し、空中に存する散乱体で反射されたプローブ波を受信し、それら送受信信号を処理することで、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求めるウィンドプロファイラにおいて、観測されたドップラースペクトルの中から所望の信号を仮抽出するステップ、仮抽出された所望信号データより、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを試算するステップ、その送受信方向の諸物理量または風速ベクトルの試算データを、観測によるドップラースペクトル上にフィードバックして、その試算データに最も類似する観測データを所望信号として、ドップラースペクトルの中から再抽出するステップ、再抽出した所望信号データに基づいて送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求めるステップとを有することを特徴とする。
【００２９】
本発明のウィンドプロファイラにおける信号処理方法を実施する装置は、空中へ向けて複数方向にプローブ波を送信し、空中に存する散乱体で反射されたプローブ波を受信し、それら送受信信号を処理することで、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求めるウィンドプロファイラにおいて、観測されたドップラースペクトルの中から所望の信号を仮抽出する手段、仮抽出された所望信号データより、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを試算する手段、その送受信方向の諸物理量または風速ベクトルの試算データを、観測によるドップラースペクトル上にフィードバックして、その試算データに最も類似する観測データを所望信号として、ドップラースペクトルの中から再抽出する手段、再抽出した所望信号データに基づいて送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求める手段とを有することを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用い本発明の実施形態を説明する。
なお、ここでは、空中へ向けて放射するプローブ波として電磁波を挙げるが、音波等も利用可能である。また、実施例として用いたウィンドプロファイラは、沖縄県国頭郡大宜味村の通信総合研究所大宜味大気観測施設に設置されたものである。
【００３１】
ウィンドプロファイラは、非常に微弱な反射波を観測対象とするため、ノイズの影響を回避しつつ所望信号を正確に抽出することが肝要である。
これに対処するため、本発明では、所望信号の抽出に当たり、各観測高度のドップラースペクトルを独立して取り扱って所望信号を抽出するのではなく、ドップラースペクトルの段階で、時間と高度に関しての連続性を考慮するようにした。
【００３２】
ウィンドプロファイラでは短時間の間隔で観測を連続的に行うことができるので、得られるドップラースペクトルは、急激な変化をもたらす飛翔体等によるノイズがなければ、略同一の結果が期待される。
そこで、各観測高度毎に、略同一の条件下で１０回程度の複数回観測を行い、観測時間を指標として連続的な関係にある一連のドップラースペクトルを求める。その複数のドップラースペクトルの中から、類似性の高いドップラースペクトルを抽出して、統計的信頼性の高いドップラースペクトルとしてから、所望信号を抽出する。
【００３３】
ドップラースペクトルの信頼性を高める計算操作としては、メジアンフィルタと算術平均とを併用する。
すなわち、時間的に隣接する複数の観測から、同一観測高度かつ同一のドップラー速度成分が複数の時刻において得られるが、これらを大きさ順に並べた数値列の中央を採用するメジアンフィルタをかけた後、その中央値に近い複数の数値を平均することで、時間に関しての連続性を考慮した高信頼性の所望信号抽出に寄与させる。
【００３４】
高度に関しての連続性については、観測高度を指標として連続的な関係にある条件下で一連の観測を行い、まず、隣接する観測高度におけるドップラースペクトルの間で、各スペクトル中にあるピーク間の類似性を求める。図３は、隣接する観測高度におけるドップラースペクトルを模式的に示したグラフである。例えば、図では、ピーク（Ｂ）とピーク（Ｄ）との間の類似性、ピーク（Ｂ）とピーク（Ｅ）との間の類似性、ピーク（Ｂ）とピーク（Ｆ）との間の類似性が算出され、比較される。
そして、その類似性に基づいて各スペクトルのピークを連続的に追跡することで高度プロファイルを形成し、得られた複数の高度プロファイルの中から、妥当性の高い高度プロファイルを選定し、選定された高度プロファイルに帰属するドップラースペクトルの中から、所望の信号を求めることで、高度に関しての連続性を考慮した高信頼性の所望信号抽出に寄与させる。
【００３５】
ピークの類似性を表す指標としては、隣接する観測高度におけるピーク同士の「距離ｄ」を新たに定義する。
２つのピークのそれぞれで正規化した信号強度、スペクトル幅、ドップラー速度などのピークの特性を数値化し、その信号強度の比ｘ、スペクトル幅の比ｙ、ドップラー速度の差ｚなど、両者の差異をそれぞれ独立変数として多次元空間上に座標Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ，……）をプロットする。そして、その座標の原点からの距離（ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＋……）１／２を「距離ｄ」と定義する。
すると、その多次元空間上の「距離ｄ」の小ささで、ピークの類似性を表現することができる。
これらにより、短時間で消滅する非所望信号から所望信号を識別する点、及び、ピークの低い所望信号を抽出する点において、精度が向上した。
【００３６】
また、従来においては、１観測毎、独立に風速ベクトルを求めていた。従来方法では、低ＳＮ比によりドップラー速度の計測精度の悪い観測高度において、風速ベクトルの精度も悪化することが問題であった。
高高度では、レーダの送受信装置と観測対象の散乱体との距離が大きいことや、大気濃度が薄くなって電磁波反射率が急激に減少することにより、受信信号のＳＮ比が低くなることが多い。そのため、ドップラースペクトルを正確に検出するためには、インコヒーレント積分の数を多くしてパワースペクトルのゆらぎを小さくする必要がある。また、風が地表面の影響をあまり受けないことから、風速ベクトルの時間変化は小さいので、風速ベクトル算出の時間分解能は低高度の場合より低くてもあまり問題とならない。
【００３７】
通常のウィンドプロファイラ観測は、ＳＮ比が低くてもよい低高度では距離分解能を高めて詳細に計測し、逆に高高度はできるだけＳＮ比が高くなるように距離分解能を低くして荒く計測するなど、高度別に必要なＳＮ比を勘案して複数の観測モードを順に切り替える観測方法をとっている。
ここで、低高度用の観測モードにおいては、比較的低高度でＳＮ比が低下し計測精度に悪影響が生じ得るが、そのような観測高度のドップラー速度を、高高度用の観測モードの結果を使って推定すれば、低ＳＮ比の信号を的確に抽出することが可能となる。
【００３８】
そこで、本発明では、略全ての観測高度にわたって、距離分解能の異なる複数の観測モードで観測を行い、得られた略全てのドップラー速度を用いて、一意的に送受信方向の諸物理量や風速ベクトルの高度分布を求めるようにした。
具体的には、特異行列分解法（Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を応用して、未知変数である風速３成分よりも多くのドップラー速度を用いて、妥当な風速ベクトルを求める方法を採用した。
なお、ここで求めた風速ベクトルは、最終的な値として確定されるものではなく、次に述べるように、各観測時におけるドップラースペクトル上の所望信号を抽出するための初期値とすることが好ましい。
【００３９】
すなわち、観測されたドップラースペクトルの中から所望の信号を仮抽出し、仮抽出された所望信号データより、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを試算し、その送受信方向の諸物理量または風速ベクトルの試算データを、観測によるドップラースペクトル上にフィードバックする。このフィードバックには、試算データによる上記風速ベクトル初期値を、各観測ビーム方向へ射影してドップラー速度を求めて、その試算データに最も類似する観測データを所望信号としてドップラースペクトルの中から再抽出し、再抽出した所望信号データに基づいて送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求める。
【００４０】
このフィードバック処理は、統計的信頼性の高い平均的な風速ベクトルを先に求め、それを初期値として各観測時における風速ベクトルを再計算するというものである。そのため、低ＳＮ比の観測高度において風速値が真値から大きく外れることを避けることが可能となる。
これによって、ウィンドプロファイラによる実時間データを、気象予報等に有効に利用できる。
【００４１】
本発明のよる信号処理装置は、少なくとも、観測されたドップラースペクトルの中から所望の信号を仮抽出する手段、仮抽出された所望信号データより、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを試算する手段、その送受信方向の諸物理量または風速ベクトルの試算データを、観測によるドップラースペクトル上にフィードバックして、その試算データに最も類似する観測データを所望信号として、ドップラースペクトルの中から再抽出する手段、再抽出した所望信号データに基づいて送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求める手段を備える。
【００４２】
図４は、本発明による信号処理プログラムの要部を示すアルゴリズムである。
ウィンドプロファイラの特に実時間データ処理において、大気乱流や降水粒子などの散乱体により反射された所望信号成分を、他のノイズ成分の影響を避けながら抽出し、低ＳＮ比の観測高度においても統計的信頼性の高い値を求められるようにした。
ドップラースペクトルから所望信号成分を抽出する過程においては、時間連続性に関して、複数回の観測結果を用いて、各観測高度のドップラースペクトルを統計的信頼性の高いドップラースペクトルとしてから、所望信号を抽出する方法とした。高度連続性に関しては、隣接する観測高度におけるピーク同士の類似性を算出し、それに基づいて連続的なピークを追跡して高度プロファイルを求め、複数の高度プロファイルの中から妥当なものを取り出す方法とした。
【００４３】
ドップラー速度から風速ベクトルを算出する過程においては、異なる観測モードから得られたドップラー速度を略全て用いて、特異行列分解法により妥当な風速ベクトルのプロファイルを算出する方法とした。
【００４４】
次いで、上記で仮に求めた風速ベクトルを各観測方向へ射影して、ドップラースペクトル上に現れる所望信号のおおよその位置を求め、各観測におけるドップラースペクトル上のピークのうち、その位置の近くにある類似ピークを改めて所望信号として選定し、観測毎の送受信方向（視線）物理量や風速ベクトルを求めるというフィードバック法を採用した点に特徴がある。
【００４５】
【発明の効果】
本発明のウィンドプロファイラにおける信号処理方法及びそのプログラムと装置によると、次の効果を奏する。 すなわち、所望信号の強度が他のノイズに比べて低い状況においても、正確に所望信号を抽出し、欠測の少ない高精度なデータ処理を実現した。この結果、スクリーニング処理はほぼ不要となり実時間性が向上し、精度の高い風速ベクトルなど諸物理量を求めることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ドップラースペクトルの一例を模式的に示したグラフ
【図２】１つの観測方向に沿って複数の観測高度で得られたドップラースペクトルを示したグラフ
【図３】隣接する観測高度におけるドップラースペクトルを模式的に示したグラフ
【図４】信号処理プログラムの要部を示すアルゴリズム[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention transmits a probe wave such as an electromagnetic wave in a plurality of directions toward the air, receives a reflected wave from a scatterer such as an atmospheric turbulence or a precipitation particle, and processes these transmission / reception signals, thereby obtaining wind direction and speed. The present invention relates to a method of processing signal data in a wind profiler for continuously and unattended remote observation of weather such as flow intensity and altitude distribution of rainfall intensity in a short time, and a program and an apparatus for implementing the method.
[0002]
[Prior art]
The weather information on the wind direction and the rainfall is useful information for disaster prevention.
For example, a means for measuring the wind direction and speed in the sky includes a sonde. Observation using a sonde can only obtain data at the time the sonde was raised. Therefore, the time resolution of observation was not good.
[0003]
On the other hand, a technique for measuring weather data with a time resolution of a minute unit using an atmospheric radar called a wind profiler is being established.
The outline of the principle of observing the atmosphere with the wind profiler is as follows. The wind profiler is a type of Doppler radar, and generally includes an electromagnetic wave transmission / reception device, a signal processing device, a wind speed vector calculation device, a display recording device, and the like. Reflected waves of electromagnetic waves transmitted in a plurality of directions in the sky by the antenna are received by the antenna, and the received wave is amplified, frequency-converted, detected, and converted into a video signal by a transmission / reception device. The video signal is frequency-analyzed by a signal processor to calculate the Doppler velocity.
[0004]
The calculated Doppler velocity is a projection component of the radar in the transmission / reception direction. Therefore, assuming that the wind speed distribution in the observation area is uniform and setting a plurality of observation directions within the range, the actual wind speed vector is calculated from the Doppler velocities in the plurality of observation directions by the wind speed vector calculation device. You.
[0005]
Since the wind profiler targets a very weak reflected wave scattered by atmospheric turbulence or the like, it is a disadvantage that the SN ratio is small.
To deal with this, the general flow of signal data processing is as follows: first, digital signal processing for improving the SN ratio is performed, and then, processing for extracting a desired signal while avoiding the influence of noise. After that, various physical quantities such as the wind speed are determined.
[0006]
Digital signal processing can be broadly divided into those performed in the time domain and those performed in the Doppler frequency domain.
The signal processing performed in the time domain includes pulse compression that improves the SN ratio without impairing the range resolution of the radar, coherent integration that integrates the signal within a time when the change in the measurement target is small, and improves the SN ratio. There is a complex Fourier transform for decomposing the time change of each into Doppler frequencies.
In the signal processing performed in the Doppler frequency domain, the Doppler spectrum is calculated by calculating the power spectrum by taking the sum of squares of the complex spectrum obtained by the complex Fourier transform, or the SNR is improved by adding a plurality of Doppler spectra. Incoherent integration and the like.
[0007]
In order to extract a desired signal after improving the SN ratio, a peak of the desired signal due to a scatterer such as atmospheric turbulence is detected and extracted from the Doppler spectrum. It is very important to correctly extract a desired signal in this process in order to increase the measurement accuracy.
[0008]
From the extracted desired signal, various physical quantities such as signal strength, Doppler velocity, and spectrum width along the antenna beam direction of the radar are calculated for each observation altitude. Normally, observations are made using beams in a total of five directions: a vertical direction and a direction slightly inclined to each of north, south, east and west. Therefore, the physical quantity in the transmission and reception directions of this radar is not only for each observation altitude but also for each observation direction. can get.
[0009]
Using a plurality of Doppler velocities having different observation directions, three wind speed components (east-west, north-south, and vertical wind speeds), that is, wind speed vectors are calculated. This process often yields unique results independent of the algorithm.
[0010] Finally, it is examined whether the calculated physical quantity such as the wind velocity vector is appropriate. Usually, data having a lack of continuity is removed by utilizing the fact that each physical quantity has a continuous time distribution and altitude distribution. This screening process is often performed immediately after calculating the physical quantity in the transmission / reception direction of the radar.
[0011]
In such a series of processes, it is particularly important to correctly extract a desired signal from the Doppler spectrum in order to increase measurement accuracy.
FIG. 1 is a graph schematically showing an example of the Doppler spectrum.
Since the Doppler spectrum is obtained at a plurality of observation altitudes along each observation direction, the total number of Doppler spectra obtained by one observation is the product of the number of observation directions and the number of observation altitudes. FIG. 2 is a graph showing Doppler spectra obtained at a plurality of observation altitudes along one observation direction.
[0012]
The desired signal appears as a relatively narrow peak on the Doppler spectrum, but if the peak is low, it is easily buried in noise, and a spectrum peak due to an undesired signal may be erroneously recognized as a desired signal.
Undesired signals include ground clutter, which is a scattered signal from fixed objects such as the earth and buildings, sea clutter, which is a scattered signal from sea surface waves, scattered signals from flying objects such as aircraft and birds, and signals from other radio stations. And the like.
A scattered signal due to raindrops such as raindrops and ice crystals is treated as a desired signal when measuring rainfall intensity and the like, but is treated as an undesired signal when measuring a scattered signal due to atmospheric turbulence.
[0013]
Peaks due to ground clutter can be expected to some extent at the appearance position and shape characteristics on the Doppler spectrum, whereas the appearance and time of other undesired signals are uncertain, and it is very difficult to predict and deal with them in advance. Have difficulty.
[0014]
The simplest method of extracting a desired signal is to search for and extract the highest peak on the Doppler spectrum at each observation altitude. This method is used when a low-speed computer is used because the calculation amount is small. However, when the undesired signal is larger than the desired signal, there is a problem that the undesired signal is extracted.
Therefore, in the next screening process, a method has been adopted in which the continuity of the extracted signal with respect to time and altitude is confirmed, and the undesired signal erroneously extracted is identified and deleted on the basis of lack of the continuity.
[0015]
This screening performs the intended operation when the number of desired signals is sufficiently larger than the number of undesired signals extracted by mistake, but in the opposite case, the desired signal is rather deleted. There was a problem that the effect could not be obtained.
Furthermore, once an erroneous peak is extracted from the Doppler spectrum, even if a low peak but a discernible desired signal is present, it is not utilized, and there is a problem that data is lost as a result of screening. .
[0016]
Further, the conventional method of obtaining a wind speed vector by combining Doppler velocities acquired in three or more observation directions uses Doppler velocities obtained from a plurality of observation directions scanned in one observation. That is, the wind speed vector was obtained independently for each observation.
If the Doppler velocities in a plurality of observation directions are accurately obtained, the accuracy of the resulting wind velocity vector will be good. However, since Doppler velocities cannot always be determined with high accuracy in all observation directions, errors in Doppler velocities actually propagate to wind speed vectors, and accuracy tends to decrease.
[0017]
Therefore, in order to improve the accuracy of the Doppler velocity, screening processing is performed in advance in consideration of the continuity of the time and altitude of the Doppler velocity for each observation direction, and abnormal values are deleted. However, it is difficult to completely remove them. This is because screening does not function effectively at observation altitudes where the SN ratio is low and abnormal values due to undesired signals are relatively large.
Further, as a result of the screening, the value of the observed altitude which has been treated as a missing measurement has a problem that the wind speed vector cannot be obtained unless the surrounding values are interpolated.
The prior art relating to wind profilers includes:
[Patent Document 1] JP-A-11-258358 [Patent Document 2] JP-A-2001-159636 [Patent Document 3] JP-A-2002-168948 is also disclosed.
Patent Document 2 is for improving the calculation accuracy of a wind speed vector, and describes a screening process in consideration of continuity of Doppler speed with respect to time and altitude. However, at observation altitudes where the S / N ratio is low and outliers due to undesired signals are relatively large, screening does not function effectively, and it is still difficult to obtain a sufficiently accurate Doppler velocity.
[0020]
As described above, since the wind profiler targets very weak reflected waves, some conventional techniques accurately extract a desired signal while avoiding the effects of noise, and obtain various physical quantities such as a highly accurate wind speed vector. Was difficult to seek.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is to provide a signal processing method of a wind profiler capable of accurately extracting a desired signal and obtaining various physical quantities such as a high-accuracy wind velocity vector, and a program and an apparatus for implementing the method. And
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a signal processing method in a wind profiler according to the present invention has the following configuration.
That is, a probe wave is transmitted in a plurality of directions toward the air, a probe wave reflected by a scatterer existing in the air is received, and those transmission / reception signals are processed to obtain various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction. In the profiler, a desired signal is temporarily extracted from the observed Doppler spectrum, and from the temporarily extracted desired signal data, various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction are calculated, and various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction are calculated. The trial calculation data is fed back to the Doppler spectrum obtained by observation, the observation data most similar to the trial calculation data is re-extracted from the Doppler spectrum as a desired signal, and various transmission and reception directions are determined based on the re-extracted desired signal data. It is characterized in that a physical quantity or a wind speed vector is obtained.
[0023]
In addition, a probe wave is transmitted in a plurality of directions toward the air, a probe wave reflected by a scatterer existing in the air is received, and these transmission / reception signals are processed to obtain various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction. In the profiler, from among the observed Doppler spectra, to extract a desired signal, a plurality of observations are made under substantially the same conditions, and from a series of Doppler spectra having a continuous relationship with the observation time as an index, A Doppler spectrum having high similarity may be extracted, and a desired signal may be obtained from the extracted Doppler spectrum.
[0024]
In addition, a probe wave is transmitted in a plurality of directions toward the air, a probe wave reflected by a scatterer existing in the air is received, and these transmission / reception signals are processed to obtain various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction. In the profiler, from among the observed Doppler spectra, to extract a desired signal, a plurality of observations are made under substantially the same conditions, and from a series of Doppler spectra having a continuous relationship with the observation time as an index, After independently applying the median filter to the same Doppler velocity component, a desired Doppler spectrum may be obtained by averaging a plurality of values close to the median value.
[0025]
In addition, a probe wave is transmitted in a plurality of directions toward the air, a probe wave reflected by a scatterer existing in the air is received, and these transmission / reception signals are processed to obtain various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction. In the profiler, to extract a desired signal from the observed Doppler spectrum, a series of observations are performed under conditions of continuous relationship using the observation altitude as an index, and the Doppler spectrum at the adjacent observation altitude is The similarity between peaks in each spectrum is determined, and an altitude profile is formed by continuously tracking the peaks of each spectrum based on the similarity. High altitude profile and select Doppler spectra belonging to the selected altitude profile Et al., May be obtained the desired signal.
[0026]
At this time, the similarity of the peaks may be represented by at least a small multidimensional spatial distance in which at least the signal intensity ratio, the spectrum width ratio, and the Doppler velocity difference are independent variables.
[0027]
In addition, a probe wave is transmitted in a plurality of directions toward the air, a probe wave reflected by a scatterer existing in the air is received, and these transmission / reception signals are processed to obtain various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction. In the profiler, when calculating various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions from the desired signal data extracted from the observed Doppler spectrum, observations are made in multiple observation modes with different distance resolutions over almost all observation altitudes. Then, a desired wind speed vector may be obtained by a singular matrix decomposition method using almost all the obtained Doppler velocities.
[0028]
A program for implementing the signal processing method in the wind profiler of the present invention transmits a probe wave in a plurality of directions toward the air, receives a probe wave reflected by a scatterer existing in the air, and processes the transmitted / received signals. In a wind profiler for obtaining various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions, a step of temporarily extracting a desired signal from the observed Doppler spectrum, and from the temporarily extracted desired signal data, various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions The step of trial calculation, the estimated data of various physical quantities in the transmission / reception direction or wind speed vector is fed back to the Doppler spectrum by observation, and the observation data most similar to the estimated data is re-extracted from the Doppler spectrum as the desired signal. Step, re-extracted desired signal Characterized by a step of determining various physical quantity or wind vector transceiver direction based on the data.
[0029]
An apparatus for performing a signal processing method in a wind profiler of the present invention transmits a probe wave in a plurality of directions toward the air, receives a probe wave reflected by a scatterer existing in the air, and processes the transmitted and received signals. In a wind profiler for obtaining various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions, means for temporarily extracting a desired signal from the observed Doppler spectrum, and various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions from the temporarily extracted desired signal data The means for calculating the estimated value, the estimated data of various physical quantities in the transmission and reception directions or wind speed vectors are fed back to the Doppler spectrum by observation, and the observation data most similar to the estimated data as the desired signal is re-extracted from the Doppler spectrum. Means based on the re-extracted desired signal data And having a means for obtaining various physical quantity or wind vector in the receive direction.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Here, an electromagnetic wave is used as a probe wave radiated toward the air, but a sound wave or the like can also be used. The wind profiler used as an example was installed at the Ogimi Atmosphere Observation Facility of the Communications Research Laboratory in Ogimi Village, Kunigami-gun, Okinawa Prefecture.
[0031]
Since a wind profiler targets a very weak reflected wave as an observation target, it is important to accurately extract a desired signal while avoiding the influence of noise.
In order to cope with this, in the present invention, in extracting a desired signal, the Doppler spectrum at each observation altitude is not handled independently to extract the desired signal. Was taken into account.
[0032]
Since observations can be performed continuously at short intervals in the wind profiler, almost the same results are expected in the obtained Doppler spectrum unless there is noise caused by a flying object or the like that causes a sudden change.
Therefore, for each observation altitude, a plurality of observations of about 10 times are performed under substantially the same conditions, and a series of Doppler spectra having a continuous relationship are obtained using the observation time as an index. A Doppler spectrum with high similarity is extracted from the plurality of Doppler spectra, and a desired signal is extracted from the Doppler spectrum with high statistical reliability.
[0033]
As a calculation operation for improving the reliability of the Doppler spectrum, a median filter and an arithmetic mean are used together.
In other words, the same observation altitude and the same Doppler velocity component can be obtained at multiple times from multiple temporally adjacent observations, but after applying a median filter that employs the center of a numerical sequence in which these are arranged in size order. By averaging a plurality of numerical values close to the median value, it contributes to highly reliable extraction of a desired signal in consideration of continuity with respect to time.
[0034]
Concerning the continuity of altitude, a series of observations are performed using the observation altitude as an index under the condition of a continuous relationship. First, the similarity between the peaks in each spectrum between Doppler spectra at adjacent observation altitudes Seeking sex. FIG. 3 is a graph schematically showing Doppler spectra at adjacent observation altitudes. For example, in the figure, the similarity between peak (B) and peak (D), the similarity between peak (B) and peak (E), and the similarity between peak (B) and peak (F). Similarity is calculated and compared.
Then, an altitude profile is formed by continuously tracking peaks of each spectrum based on the similarity, and an altitude profile having high validity is selected from the obtained altitude profiles, and the selected altitude profile is selected. By obtaining a desired signal from the Doppler spectrum belonging to the altitude profile, it contributes to highly reliable extraction of a desired signal in consideration of continuity regarding altitude.
[0035]
As an index indicating the similarity of peaks, a “distance d” between peaks at adjacent observation altitudes is newly defined.
The characteristics of the peaks such as the signal intensity, spectrum width, and Doppler velocity normalized by each of the two peaks are quantified, and the difference between the two, such as the signal intensity ratio x, the spectrum width ratio y, and the Doppler velocity difference z, is calculated. The coordinates P (x, y, z,...) Are plotted on a multidimensional space as independent variables. Then, a distance (x 2 + y 2 + z 2 +...) 1/2 from the origin of the coordinates is defined as “distance d”.
Then, the similarity of peaks can be expressed by the small “distance d” in the multidimensional space.
As a result, the accuracy is improved in that a desired signal is identified from an undesired signal that disappears in a short time, and a desired signal having a low peak is extracted.
[0036]
Conventionally, the wind speed vector has been obtained independently for each observation. In the conventional method, there is a problem that the accuracy of the wind velocity vector is deteriorated at an observation altitude where the measurement accuracy of the Doppler velocity is low due to a low SN ratio.
At high altitudes, the signal-to-noise ratio of the received signal often decreases because the distance between the radar transceiver and the scatterer to be observed is large, or the atmospheric concentration decreases and the electromagnetic wave reflectance sharply decreases. . Therefore, in order to accurately detect the Doppler spectrum, it is necessary to increase the number of incoherent integrations and reduce the fluctuation of the power spectrum. Further, since the wind is not greatly affected by the ground surface, the time change of the wind speed vector is small. Therefore, even if the time resolution for calculating the wind speed vector is lower than that at the low altitude, there is not much problem.
[0037]
In normal wind profiler observation, the SN ratio may be low. At low altitudes, the distance resolution is increased and detailed measurement is performed. Conversely, at high altitudes, the distance resolution is lowered so that the SN ratio is as high as possible, and rough measurement is performed. In addition, an observation method is adopted in which a plurality of observation modes are sequentially switched in consideration of a required SN ratio for each altitude.
Here, in the observation mode for the low altitude, the S / N ratio may decrease at a relatively low altitude and adversely affect the measurement accuracy. If it estimates using it, it becomes possible to extract the signal of low SN ratio exactly.
[0038]
Therefore, in the present invention, over almost all observation altitudes, observations are made in a plurality of observation modes with different distance resolutions, and by using almost all the obtained Doppler velocities, various physical quantities in the transmission and reception directions and wind velocity vectors are uniquely determined. Altitude distribution was obtained.
Specifically, a method of obtaining an appropriate wind speed vector by applying a singular matrix decomposition method (Singular Value Decomposition) and using more Doppler velocities than the wind speed three components, which are unknown variables, was adopted.
The wind speed vector obtained here is not determined as a final value, but is preferably set as an initial value for extracting a desired signal on the Doppler spectrum at each observation as described below. .
[0039]
That is, a desired signal is tentatively extracted from the observed Doppler spectrum, and from the tentatively extracted desired signal data, various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction are estimated, and various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction are estimated. The data is fed back on the observed Doppler spectrum. For this feedback, the wind speed vector initial value based on the estimated data is projected to each observation beam direction to obtain the Doppler velocity, and the observation data most similar to the estimated data is re-extracted from the Doppler spectrum as a desired signal. Then, various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions are obtained based on the re-extracted desired signal data.
[0040]
In this feedback process, an average wind speed vector with high statistical reliability is obtained first, and the wind speed vector at each observation is recalculated using the average wind speed vector as an initial value. Therefore, it is possible to prevent the wind speed value from deviating significantly from the true value at the observation altitude with a low SN ratio.
As a result, real-time data from the wind profiler can be effectively used for weather forecasts and the like.
[0041]
The signal processing device according to the present invention is at least a means for temporarily extracting a desired signal from the observed Doppler spectrum, a means for trial calculation of various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions from the temporarily extracted desired signal data, Means for re-extracting the estimated data of various physical quantities or wind speed vectors in the transmission and reception directions on the Doppler spectrum by observation, and re-extracting the observed data most similar to the estimated data as a desired signal from the Doppler spectrum, re-extraction Means for calculating various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction based on the desired signal data thus obtained.
[0042]
FIG. 4 is an algorithm showing a main part of the signal processing program according to the present invention.
In the real-time data processing of the wind profiler, in particular, the desired signal components reflected by scatterers such as atmospheric turbulence and precipitation particles are extracted while avoiding the effects of other noise components, and the statistics are obtained even at low SN ratio observation altitudes. To obtain a highly reliable value.
In the process of extracting a desired signal component from the Doppler spectrum, with respect to time continuity, a plurality of observation results are used, and a Doppler spectrum at each observation altitude is converted into a Doppler spectrum with high statistical reliability, and a desired signal is extracted. Method. Regarding altitude continuity, a method of calculating the similarity between peaks at adjacent observation altitudes, tracking continuous peaks based on it, finding an altitude profile, and extracting a valid one from multiple altitude profiles, did.
[0043]
In the process of calculating the wind speed vector from the Doppler speed, a method of calculating an appropriate wind speed vector profile by a singular matrix decomposition method using almost all Doppler velocities obtained from different observation modes.
[0044]
Then, the wind speed vector temporarily obtained above is projected in each observation direction to obtain an approximate position of a desired signal appearing on the Doppler spectrum, and similar peaks near the position among the peaks on the Doppler spectrum in each observation are obtained. It is characterized in that a feedback method is adopted in which a peak is newly selected as a desired signal, and a transmission / reception direction (line of sight) physical quantity and a wind speed vector for each observation are obtained.
[0045]
【The invention's effect】
According to the signal processing method in the wind profiler of the present invention and its program and device, the following effects can be obtained. That is, even in a situation where the strength of the desired signal is lower than other noises, the desired signal is accurately extracted, and high-precision data processing with few missing data is realized. As a result, the screening process becomes almost unnecessary, real-time performance is improved, and various physical quantities such as a highly accurate wind speed vector can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph schematically showing an example of a Doppler spectrum. FIG. 2 is a graph showing Doppler spectra obtained at a plurality of observation altitudes along one observation direction. FIG. 3 is a Doppler at an adjacent observation altitude. Fig. 4 is a graph schematically showing a spectrum. Fig. 4 Algorithm showing a main part of a signal processing program.
Claims (8)
観測されたドップラースペクトルの中から所望の信号を仮抽出し、
仮抽出された所望信号データより、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを試算し、
その送受信方向の諸物理量または風速ベクトルの試算データを、観測によるドップラースペクトル上にフィードバックして、その試算データに最も類似する観測データを所望信号として、ドップラースペクトルの中から再抽出し、
再抽出した所望信号データに基づいて送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求める ことを特徴とするウィンドプロファイラにおける信号処理方法。In a wind profiler that transmits probe waves in multiple directions toward the air, receives probe waves reflected by scatterers existing in the air, and processes those transmission and reception signals, it calculates various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions. ,
Temporarily extract the desired signal from the observed Doppler spectrum,
From the tentatively extracted desired signal data, trial calculation of various physical quantities or wind speed vectors in the transmission and reception directions,
The estimated data of various physical quantities or wind speed vectors in the transmission / reception direction are fed back on the Doppler spectrum by observation, and the observation data most similar to the estimated data as a desired signal is re-extracted from the Doppler spectrum,
A signal processing method in a wind profiler, wherein various physical quantities or wind velocity vectors in a transmission / reception direction are obtained based on desired signal data extracted again.
観測されたドップラースペクトルの中から、所望の信号を抽出するに当たり、
略同一の条件下で複数回の観測を行い、
観測時間を指標として連続的な関係にある一連のドップラースペクトルから、類似性の高いドップラースペクトルを抽出して、
抽出されたドップラースペクトルの中から、所望の信号を求める
ことを特徴とするウィンドプロファイラにおける信号処理方法。In a wind profiler that transmits probe waves in multiple directions toward the air, receives probe waves reflected by scatterers existing in the air, and processes those transmission and reception signals, it calculates various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions. ,
In extracting a desired signal from the observed Doppler spectrum,
Performed multiple observations under approximately the same conditions,
By extracting Doppler spectra with high similarity from a series of Doppler spectra that have a continuous relationship with the observation time as an index,
A signal processing method in a wind profiler, wherein a desired signal is obtained from the extracted Doppler spectrum.
観測されたドップラースペクトルの中から、所望の信号を抽出するに当たり、
略同一の条件下で複数回の観測を行い、
観測時間を指標として連続的な関係にある一連のドップラースペクトルから、
同一のドップラー速度成分について独立にメジアンフィルタをかけた後、
メジアン値に近い複数の値の平均を取ることによって、
所望のドップラースペクトルを求める
ことを特徴とするウィンドプロファイラにおける信号処理方法。In a wind profiler that transmits probe waves in multiple directions toward the air, receives probe waves reflected by scatterers existing in the air, and processes those transmission and reception signals, it calculates various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions. ,
In extracting a desired signal from the observed Doppler spectrum,
Performed multiple observations under approximately the same conditions,
From a series of Doppler spectra that have a continuous relationship with the observation time as an index,
After independently applying median filtering for the same Doppler velocity component,
By taking the average of multiple values close to the median value,
A signal processing method in a wind profiler, which obtains a desired Doppler spectrum.
観測されたドップラースペクトルの中から、所望の信号を抽出するに当たり、
観測高度を指標として連続的な関係にある条件下で一連の観測を行い、
隣接する観測高度におけるドップラースペクトルの間で、各スペクトル中にあるピーク間の類似性を求め、
その類似性に基づいて各スペクトルのピークを連続的に追跡することで高度プロファイルを形成し、
得られた複数の高度プロファイルの中から、妥当性の高い高度プロファイルを選定し、
選定された高度プロファイルに帰属するドップラースペクトルの中から、所望の信号を求める
ことを特徴とするウィンドプロファイラにおける信号処理方法。In a wind profiler that transmits probe waves in multiple directions toward the air, receives probe waves reflected by scatterers existing in the air, and processes those transmission and reception signals, it calculates various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions. ,
In extracting a desired signal from the observed Doppler spectrum,
A series of observations are made under conditions of continuous relationship using the observation altitude as an index,
Determine the similarity between peaks in each spectrum between Doppler spectra at adjacent observation altitudes,
Forming an altitude profile by continuously tracking the peaks of each spectrum based on their similarity,
From the obtained multiple altitude profiles, select a highly appropriate altitude profile,
A signal processing method in a wind profiler, wherein a desired signal is obtained from a Doppler spectrum belonging to a selected altitude profile.
少なくとも、信号強度の比と、スペクトル幅の比と、ドップラー速度の差とを独立変数とする多次元空間距離の小ささで表現する
請求項４に記載のウィンドプロファイラにおける信号処理方法。Peak similarity
5. The signal processing method in the wind profiler according to claim 4, wherein the signal is represented by at least a small multidimensional spatial distance having a signal strength ratio, a spectrum width ratio, and a Doppler velocity difference as independent variables.
観測されたドップラースペクトルの中から抽出された所望信号データより、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを算出するに当たり、
略全ての観測高度にわたって、距離分解能の異なる複数の観測モードで観測を行い、
得られた略全てのドップラー速度を用いて、特異行列分解法によって、所望の風速ベクトルを求める
ことを特徴とするウィンドプロファイラにおける信号処理方法。In a wind profiler that transmits probe waves in multiple directions toward the air, receives probe waves reflected by scatterers existing in the air, and processes those transmission and reception signals, it calculates various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions. ,
From the desired signal data extracted from the observed Doppler spectrum, in calculating various physical quantities or wind speed vectors in the transmission and reception directions,
Over almost all observation altitudes, observe in multiple observation modes with different distance resolutions,
A signal processing method in a wind profiler, wherein a desired wind speed vector is obtained by a singular matrix decomposition method using substantially all of the obtained Doppler velocities.
観測されたドップラースペクトルの中から所望の信号を仮抽出するステップ、
仮抽出された所望信号データより、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを試算するステップ、
その送受信方向の諸物理量または風速ベクトルの試算データを、観測によるドップラースペクトル上にフィードバックして、その試算データに最も類似する観測データを所望信号として、ドップラースペクトルの中から再抽出するステップ、
再抽出した所望信号データに基づいて送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求めるステップ、
とを有することを特徴とするウィンドプロファイラにおける信号処理プログラム。In a wind profiler that transmits probe waves in multiple directions toward the air, receives probe waves reflected by scatterers existing in the air, and processes those transmission and reception signals, it calculates various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions. ,
Temporarily extracting a desired signal from the observed Doppler spectrum,
From the temporarily extracted desired signal data, a step of trial calculation of various physical quantities or wind speed vectors in the transmission and reception directions,
Estimating data of various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction is fed back on the Doppler spectrum by observation, and the observation data most similar to the estimated data is obtained as a desired signal, and a step of re-extracting from the Doppler spectrum,
Obtaining various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction based on the re-extracted desired signal data;
And a signal processing program in a wind profiler.
観測されたドップラースペクトルの中から所望の信号を仮抽出する手段、
仮抽出された所望信号データより、送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを試算する手段、
その送受信方向の諸物理量または風速ベクトルの試算データを、観測によるドップラースペクトル上にフィードバックして、その試算データに最も類似する観測データを所望信号として、ドップラースペクトルの中から再抽出する手段、 再抽出した所望信号データに基づいて送受信方向の諸物理量または風速ベクトルを求める手段、
とを有することを特徴とするウィンドプロファイラにおける信号処理装置。In a wind profiler that transmits probe waves in multiple directions toward the air, receives probe waves reflected by scatterers existing in the air, and processes those transmission and reception signals, it calculates various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions. ,
Means for temporarily extracting a desired signal from the observed Doppler spectrum,
Means for trial calculation of various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission and reception directions from the temporarily extracted desired signal data,
Means for re-extracting the estimated data of various physical quantities or wind velocity vectors in the transmission / reception direction on the Doppler spectrum by observation, and re-extracting from the Doppler spectrum the observation data most similar to the estimated data as a desired signal, re-extraction Means for determining various physical quantities or wind speed vectors in the transmission and reception directions based on the desired signal data
And a signal processing device in the wind profiler.
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