JP2009244254A - Ｖｈｆ／ｕｈｆレーダー局を使用して河川流量パラメータを監視するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】VHF/UHFレーダー局を使用して河川流量パラメータを監視するシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】河岸と作動的な関係に位置しているVHF/UHFレーダーを使用して河川および水路の表面流速および体積放流量を監視するシステムおよび方法が記載されている。この周波数領域は、ブラッグ波速度の正確な推定および除去を可能にさせる。この周波数域はまた、河川表面に存在する短い風浪起伏期間にも適合され、作動がほとんど常に可能である。方位角決定の方法もまた開示されている。河川横断方向距離に対する川上表面速度プロファイル/川下表面速度プロファイルが、レーダーの受信範囲内の何千個もの点での単一のレーダーからの動径速度成分のマップから構成され得る。高流量条件下でドップラーエイリアシングを補償する方法もまた明らかにされている。
【選択図】図４

Description

1.発明の分野
本発明は、一般にレーダーに関し、より具体的にはVHF/UHFレーダー局を使用して河川流量パラメータを監視するシステムおよび方法に関する。

2.関連技術の説明
河川流量の監視、特に、時間の関数としてある点を通り過ぎる体積放流量（volume discharge）の監視は、1世紀以上前に遡る十分に確立したテクノロジーである。現在米国では、何千ものストリーム観測システム（stream gauging system）が使用されている。多くの市民は、農業、洪水制御/監視、ボート運転などにおける決定のため河川放流量を自由に入手可能であることに依存している。残念ながら、従来の方法はすべてが水中に設置されたセンサを使用する不利があり、したがって、センサの耐用期間が制限され、保守費用が高い。そのため、「非接触」代替品の必要性が、米国地質調査所（U.S. Geological Survey）、州当局などを含む多数によって明言されている。河川横断方向の速度プロファイルを取得することは、現在、全河川放流量を推定するプロセスへの許容可能な入力データセットであると考えられている。

高周波（HF）レーダーは、海洋表面上の流れをマッピングする広範な用途が見出されている。この理由の一部は、高周波レーダーの長い波長の信号が、主要な海洋表面波から散乱されたとき、はるかに広範に利用されているマイクロ波レーダーではあり得ない、非常に簡単で、強固に物理的で、かつ現象論的である解釈をもたらすことである。流れまたは表面流量パターンは、ブラッグ散乱波、すなわち、レーダーに近づきかつレーダーから遠ざかるレーダー波長の半分の散乱波からドップラーシフトを生じさせる。ブラッグ波を運ぶ流れは、公知の波誘導速度に起因して流れから付加的なドップラーシフトを与え、付加的なドップラーシフトは波誘導速度についての知識に基づいて抽出されることがある。海洋の同じ点を観察している沿岸の2つまたはそれ以上のレーダーにより、動径から各マップ点における全水平速度ベクトルを構築することが可能である。特許文献1および特許文献2は、HFレーダー沿岸流マッピングレーダーのテクノロジーについて記載し、特許文献3は、これらの流れマッピングレーダーの方位角が超小型アンテナを使用して決定される方法について記載している。しかし、河川表面を観察するHFレーダーは、HF波長に対応する長いブラッグ波が、より規模の小さい河川および水路には存在しないので、適していない。

波長が数センチメートルの範囲にあるマイクロ波レーダーが、河川速度プロファイリングのために試されている。同様に正確なレンジ測定を行うドップラー版は、高価であり、したがって普及するには魅力が乏しいという不利な点がある。別の不利な点は、波長が非常に短いために散乱メカニズムが複雑であり、このため、海洋上のHFおよび河川上の極超短波（UHF）では非常に巧く機能する簡単なブラッグ波分散関係が適用できないので、水速度抽出が不正確になり、精度の低い経験則が確立されなければならない、ということである。これに対して、皿型パラボラアンテナを用いる狭ビームの形成は十分に理解されている概念である。河川監視のためのマイクロ波レーダーの使用の例は非特許文献1に見出される。

マイクロ波レーダーがもつUHFで同じ狭ビーム幅を実現するためには、サイズが数十メートルのアンテナが要求される。このことは、構造上のサイズおよびコストの両方の観点から、容認するには重大な障害である。現在常用されている小型アンテナ付きのHF海流マッピングレーダーは、広い視野角（最大360°）のために高い指向性利得を犠牲にすることで大きなサイズの制約を回避する。特許文献2は、小型であり、交差ループ付きで同じ場所に配置された、モノポールアンテナにより構成された方向探知レーダーシステムについて記載している。

UHF河川速度監視レーダーの例は非特許文献2に記載されている。このシステムは、300MHzで作動し、河岸にヤギ（YAGI）アンテナを使用する。しかし、この中国のシステムには2つの重大な制限がある。第一に、ヤギアンテナは非常に広いビーム幅を有している。従来の配置でヤギアンテナがのみが使用されると、ヤギアンテナは、方位角分解能が著しく低下した、速度プロファイルまたはマップを生成し、これはバイアスをもたらす。第二に、このシステムは、レシーバーのダイナミックレンジを重視するCW（連続波または非パルス信号フォーマット）を使用する。弱信号を取り扱うため、Maらは、干渉低減フェンスがそれらの間に設けられた別個の送信アンテナおよび受信アンテナの必要性を検討している。このことは、アンテナ配置がもはや小型ではなく、低コストシステムでもないため、ロバストオペレーション（robust operation）に対し著しく不利な条件となる。

米国特許第4,172,255号 米国特許第5,361,072号 米国特許第5,990,834号

"Measurement of River Surface Currents with Coherent Microwave Systems," Plant et al., IEEE Trans. Geoscience & Remote Sensing, Vol. 43, No. 6, pp. 1242-1257, 2005 "UHF Surface Current Radar Hardware System Design," Ma et al., IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 15, No. 12, pp. 904-906, 2005

したがって、UHF河川監視レーダーが提供する多数の有利性を実現するため、本発明者らは、解決されるべき多数の障害を認識した。本発明は、リアルタイム河川流量および放流量監視のための費用効率の高いVHF/UHFアプローチを提供することにより、上記問題およびその他の問題を解決する。

発明の概要
本発明は、VHF/UHFレーダー局を使用して河川流量パラメータを監視するシステムおよび方法を提供する。1つの態様では、河川流量パラメータを監視するシステムは、河岸と作動的な関係に位置している少なくとも1つのアンテナアレイを有するレーダー局、少なくとも1つのアンテナアレイに連結されている少なくとも1つの受信チャンネル、少なくとも1つの受信チャンネルに連結されている方向探知モジュール、方向探知モジュールに連結されているエイリアシング除去モジュール、ならびにエイリアシング除去モジュールに連結され、河川横断方向距離の関数として川下表面流量のプロファイルを計算するように作動するプロファイリングモジュール、およびエイリアシング除去ブロックに連結され、河川放流量を推定するためにレーダー局によって測定された表面速度のサブセットを利用するように作動するインデキシングモジュールからなる群より選択される少なくとも1つのモジュールを含む。

別の態様では、河川流量パラメータを監視する方法は、河岸と作動的な関係に位置しているレーダー局からデータを受信する段階；受信されたデータを前処理する段階と、前処理されたデータに方向探知（DF）アルゴリズムを適用する段階；DFデータにエイリアシング除去アルゴリズムを適用する段階；ならびに河川横断方向距離の関数として川下表面流量のプロファイルを計算する段階、および河川放流量を推定するためにレーダー局によって測定された表面速度のサブセットを利用する段階のうちの少なくとも一方を実行する段階を含む。さらに別の態様では、コンピュータプログラムが記録されているコンピュータ読み取り可能な媒体は、上記の段階の1つまたは複数をコンピュータに実行させる。

本発明は、表面波からの後方散乱に基づいて河川流量および/またはストリーム流量を決定するVHF/UHFレーダーシステムおよび方法を提供する。放射された周波数のドップラーシフトは、レーダーによって観測される河川表面上の各点での動径速度の尺度を与える。その後、この動径速度マップおよびその情報は、殆どのユーザにとっての関心対象である重要な量である体積放流量を推定するため利用可能である。レーダー局は、河岸に位置することがあるので、水中に設置されている機器に依存する従来の河川観測方法のある特定の不利な点を解決する。これはまた、マイクロ波レーダーより頑強性があり、費用効率の高い解決策を提供する。

本発明の目的は、河川表面で見られる起伏に適合させるためVHF/UHF周波数帯を（HFまたはマイクロ波に代えて）利用するシステムおよび方法を提供することである。1つの態様では、約200MHz〜3GHzの間の周波数が使用される。VHF/UHFは、流れまたは流速から波速度を除去するために、ブラッグドップラー分散関係の使用も可能にし、これはマイクロ波周波数では行えなかったことである。

本発明の別の目的は、狭ビームを形成および走査するためにUHFで通常必要とされる大型アンテナサイズを克服するシステムおよび方法を提供することである。本目的は、たとえば、ヤギアンテナを用いる従来のビーム形成（BF）ではなく、非常に効率的な方向探知（DF）アルゴリズムを利用することによって達成されて、それにより、ドップラーレーダーに通常付随するサイズ、コストおよび複雑さが低減され得る。

本発明のさらに別の目的は、河岸のUHFレーダーからの動径マップ速度データに数学モデルを当てはめるシステムおよび方法を提供することである。上述された独特のDF方法の結果として、この動径速度マップは、豊富な冗長データの源であり、岸から岸までの距離に伴う河川速度の正確なプロファイルを可能にさせる。

本発明のさらなる目的は、河川流量が強いときに生じ、さもなければこのようなストリーム流量状況では動径速度を抽出する能力を限定することになるドップラーエイリアシングによってもたらされる制約を克服することである。

本発明のさらに別の目的は、河川の一方側からもう一方側へ速度が連続的に測定され得ない場合に河川体積放流量を計算するシステムおよび方法を提供することである。このような技術は、選択された河川位置で経験的な較正から水位流量曲線を作成することに基づいて、その他のセンサ（音響ドップラー観測記録装置のような）に対し作成されており、インデックス法と呼ばれている。

「連結された」という用語は接続されている状態と定義されるが、直接的に接続されている必要はなく、かつ、機械的に接続されている必要もない。

「1つの（a）」および「1つの（an）」という用語は、本開示がそうではないことを明示的に要求しない限り、1つまたは複数と定義される。

「実質的に」、「約」、「およそ」という用語、およびこれらの変形は、当業者によって理解されるように、特定された事項のうちの大部分であるが、特定された事項のうちの全部である必要はないと定義される。1つの非限定的な態様では、「実質的に」という用語は、特定された事項の10％の以内の範囲、好ましくは5％の以内の範囲、より好ましくは1％の以内の範囲、および最も好ましくは0.5％の以内の範囲を指している。

「含む（comprise）」（ならびに、「含む（comprises）」および「含んでいる（comprising）」のような「含む（comprise）」の任意の形態）と、「有する（have）」（ならびに、「有する（has）」および「有している（having）」のような「有する（have）」の任意の形態）と、「含む（include）」（ならびに、「含む（includes）」および「含んでいる（including）」のような「含む（include）」の任意の形態）と、「包含する（contain）」（ならびに、「包含する（contains）」および「包含している（containing）」のような「包含する（contain）」の任意の形態）という用語は非限定的連結動詞である。その結果、1つまたは複数の段階または要素を「含む（comprises）」、「有する（has）」、「含む（includes）」または「包含する（contains）」方法または装置は、これらの1つまたは複数の段階または要素を保有しているが、これらの1つまたは複数の要素だけを保有しているとして限定されているわけではない。同様に、1つまたは複数の特徴を「含む（comprises）」、「有する（has）」、「含む（includes）」または「包含する（contains）」方法の段階または装置の要素は、これらの1つまたは複数の特徴を保有しているが、これらの1つまたは複数の特徴だけを保有しているとして限定されているわけではない。さらに、ある特定の方式で構成される装置または構造体は、少なくともその方式で構成されるが、記載されていない方式で構成されてもよい。

本発明（１）は、 河岸と作動的な関係に位置している少なくとも2つのアンテナアレイを有するレーダー局と、
各アンテナアレイに連結されている少なくとも1つの受信チャンネルと、
少なくとも1つの受信チャンネルに連結されている方向探知モジュールと、
方向探知モジュールに連結されているエイリアシング除去モジュールと、
エイリアシング除去モジュールに連結され、河川横断方向の距離の関数として川下表面流量のプロファイルを計算するように作動するプロファイリングモジュール、および
エイリアシング除去モジュールに連結され、河川放流量を推定するためにレーダー局によって測定された表面速度のサブセットを利用するように作動するインデキシングモジュール
からなる群より選択される少なくとも1つのモジュール
とを含む、河川流量パラメータを監視するシステムである。
本発明（２）は、レーダー局が約半波長の間隔で離された3つのヤギ・ウダ（Yagi-Uda）アンテナアレイを含み、かつ2つの末端アレイが中央アレイに対して約±30°の方位角で傾けられている、本発明（１）のシステムである。
本発明（３）は、レーダー局が約200MHz〜3GHzの間で作動する、本発明（１）のシステムである。
本発明（４）は、各受信チャンネルが、アンテナアレイから受信された信号をダウンコンバート、復調、デジタル化、およびスペクトル解析するように作動可能である、本発明（１）のシステムである。
本発明（５）は、受信チャンネルが、河川表面上の散乱セルからのレンジを分解し、かつ周波数を河川速度に関係付けるドップラースペクトルを作成するように作動可能である、本発明（１）のシステムである。
本発明（６）は、方向探知モジュールが、方位角分解能を増加させるため、アンテナアレイからのデータストリームに方向探知（DF）アルゴリズムを適用するように作動可能である、本発明（１）のシステムである。
本発明（７）は、DFブロックに連結され、かつ方位角計算に使用される予測された振幅パターンおよび位相パターンをDFブロックへ提供するように作動可能である記憶パターンデータベース
をさらに含む、本発明（６）のシステムである。
本発明（８）は、DFモジュールが、一つまたは複数の動径速度で単一および二重の角度の方位角解から得られるデータへの最良適合を決定する、本発明（７）のシステムである。
本発明（９）は、送信された信号および受信された信号をパルス化およびゲーティング（gating）するための、アンテナアレイの少なくとも1つの要素に連結されたスイッチ
をさらに含む、本発明（１）のシステムである。
本発明（１０）は、インデキシングブロックに連結され、かつ予め較正された水位流量曲線を記憶するように作動可能である水位流量曲線データベース
をさらに含む、本発明（１）のシステムである。
本発明（１１）は、プロファイリングモジュールに連結され、かつ河川横断方向の一つまたは複数の点で水深平均流量を計算するように作動可能である水深平均モジュール
をさらに含む、本発明（１）のシステムである。
本発明（１２）は、水深平均モジュールに連結され、かつ河川横断方向の水の断面積を計算するために使用される河川データを記憶するように作動可能である河川データデータベース
をさらに含む、本発明（１１）のシステムである。
本発明（１３）は、河岸と作動的な関係に位置しているレーダー局からデータを受信する段階、
受信されたデータを前処理する段階、
前処理されたデータに方向探知（DF）アルゴリズムを適用する段階、
DFデータにエイリアシング除去アルゴリズムを適用する段階、ならびに
河川横断方向の距離の関数として川下表面流量のプロファイルを計算する段階、および
河川放流量を推定するためにレーダー局によって測定された表面速度のサブセットを利用する段階
のうちの少なくとも一方を実行する段階
を含む、河川流量パラメータを決定するための方法である。
本発明（１４）は、レーダー局が約200MHz〜3GHzの間で作動する、本発明（１３）の方法である。
本発明（１５）は、受信されたデータを前処理する段階が、受信されたデータをダウンコンバートする段階、復調する段階、デジタル化する段階、およびスペクトル解析する段階を含む、本発明（１３）の方法である。
本発明（１６）は、スペクトル解析する段階が、河川表面上の散乱セルからのレンジを分解する段階、および周波数を河川速度に関係付けるドップラースペクトルを作成する段階を含む、本発明（１５）の方法である。
本発明（１７）は、方向探知アルゴリズムが方位角分解能を増加するように作動可能である、本発明（１３）の方法である。
本発明（１８）は、川下表面流量のプロファイルを使用して河川放流量を決定するために河川横断方向の一つまたは複数の点で水深平均流量を計算する段階をさらに含む、本発明（１）の方法である。
本発明（１９）は、河岸と作動的な関係に位置しているレーダー局からデータを受信する段階、
受信されたデータを前処理する段階、
前処理されたデータに方向探知（DF）アルゴリズムを適用する段階、
DFデータにエイリアシング除去アルゴリズムを適用する段階、ならびに
河川横断方向の距離の関数として川下表面流量のプロファイルを計算する段階、および
河川放流量を推定するためにレーダー局によって測定された表面速度のサブセットを利用する段階
のうちの少なくとも一方の段階
をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムが記録されている、コンピュータ読み取り可能な媒体である。
本発明（２０）は、コンピュータプログラムが、川下表面流量のプロファイルを使用して河川放流量を決定するため、コンピュータに河川横断方向の一つまたは複数の点で水深平均流量をさらに計算させる、本発明（１９）のコンピュータ読み取り可能な媒体である。

本発明はVHF/UHFレーダー局を使用して河川流量パラメータを監視するシステムおよび方法を提供する。

本発明のより完全な理解のため、ここで、以下の図面を参照する。
本発明の1つの態様によるVHF/UHFレーダー局を示す。 本発明の別の態様による信号処理システムのブロック図である。 本発明の別の態様によるUHFでのヤギアンテナシステムについて予測される振幅および位相パターンのグラフである。 本発明のある特定の態様を記述するために使用される種々の流速で現れるレーダーにおける方位角に対する動径速度の曲線を示す。 本発明の1つの態様による河川表面上の動径流速のマップである。 本発明の別の態様による河川横断方向距離の関数としての川下流量のプロファイルである。 本発明のさらに別の態様による時間の関数としてのレーダー速度-推定河川流量の時間履歴のグラフである。 本発明のある特定の態様を実施するため適したコンピュータシステムのブロック図である。

発明の詳細な説明
以下の詳細な説明では、例示的な本発明の態様を示している添付図面が参照されている。これらの態様は、当業者が過度の実験をすることなく発明を実施できるように十分に詳細に記載されている。しかし、本明細書において記載されている態様および例は、例示のためだけに提示され、制限のために提示されていないことが理解されるべきである。種々の置換、改変、付加、および再構成が本発明の精神を逸脱することなく行われ得る。したがって、以下の記載は、限定された意味で解釈されるべきでなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲だけによって規定される。

ここで図1Aを参照すると、VHF/UHFレーダー局が本発明の1つの態様に従って描かれている。3つの指向性ヤギ・ウダ（Yagi-Uda）アンテナアレイ（YAGI）100〜102および筐体は、それぞれが河岸と作動的な関係に位置しているマストに連結されることがある。アンテナアレイ100〜102は、その利得によって、HFで使用される全方向式アンテナより大きな感度、すなわち、より大きな信号対雑音比（SNR）を提供する。VHF/UHFレーダー局は、受信中に送信することを避けるためにパルス化およびゲーティング（gating）を使用することがあり、これによって、送信アンテナおよび受信アンテナが相互に干渉しないように送信アンテナおよび受信アンテナを互いに分離させる方法の必要と共に、送信アンテナおよび受信アンテナを別個にする必要をなくす。

さらに、方向探知（DF）アルゴリズムが優れた方向分解能のため望ましい狭ビーム幅を提供するために使用されることがある。好ましい態様では、ヤギアレイ100〜102は、約半波長の間隔で離され、2つの末端アレイ100および102は中央要素101に関しておよそ±30°の方位角に傾けられている。しかし、当業者が本開示を考慮して直ちに認識するように、その他の構成が特定の用途に応じて適することがある。

図1Bは本発明の別の態様による信号処理システムのブロック図を示している。本システムの1つまたは複数の要素は、たとえば、図1Aに示された筐体内に設置されることがある。供給源103からの信号は、104において増幅され、送信/受信（T/R）スイッチ105を通過した後、中央のヤギアレイ101によって放射される。このアレイは、好ましくは、より大きいビーム幅を提供するために十分に短く、そのため、このアレイの放射エネルギーが観察される河川領域に満ちあふれる。信号は、水面上の波の起伏から散乱され、波のスペクトル成分のうちレーダー波長の正確に半分であるものだけがレーダーに対して後方散乱し得る。この現象はブラッグ散乱と呼ばれる。レーダーに向かう波とレーダーから遠ざかる波の両方の波が観測され、これらの波の動径速度によって引き起こされたドップラーシフトがフーリエスペクトル解析によって分解される。その結果、UHF周波数以下で、これらのスペクトルエコーは、互いに分離され得る。これらのブラッグ波を運ぶ流れは、レーダーによって測定される余分なドップラーシフトを付加する。UHFより高い周波数（すなわち、マイクロ波）では、これらの効果は、もはや簡単に分離できないような形式で、スペクトル的に混合または重畳されるので、精度および有用性が低下する。

本発明の1つの態様では、後方散乱された信号は、3つのヤギアンテナ100〜102の全部によって受信される。これらの信号は、3つの同一の受信チャンネル106〜108を通過する。チャンネル106〜108によって処理されるとき、受信された信号は周波数がダウンコンバートされ、掃引周波数送信波形のレプリカと混合することによって復調される。このプロセスは、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第5,361,072号に記載されている。好ましくは、所望の情報が約2kHzの帯域幅に包含され、オーディオ帯域アナログ・デジタル変換器109〜111によってデジタル化され得る。

結果として生じるデジタルデータストリームは、ブロックまたはモジュール112〜114を通過し、そこでスペクトル解析される。1つの態様では、スペクトル解析は、二重FFT（fast Fourier transform）を含む。第1のFFTは、レーダーから河川表面上のレーダー散乱セルまでのレンジを分解し、このセル内のエコーは円環の内部に含まれる。第2のFFTはドップラースペクトルを作成し、ドップラースペクトルの周波数は速度に関連付けられる。同様に、この処理は米国特許第5,361,072号に記載されている。

マイクロ波の実施の場合とは異なって、後方散乱エコーの各スペクトルビンについてのドップラーシフトは正確に動径流速に関連付けられている。より弱い流量条件下で、この関係は、以下の式によって与えられる：

式（1）
式中、

は零ドップラー位置（Hzで測定されたドップラーシフト）の正側（上側の符号）および/または負側（下側の符号）におけるエコービンのドップラーシフトである。これらの2つの側波帯からの冗長な情報が存在するので、一方または両方の側波帯が完全な速度パターンを包含し得る。これらのドップラーシフトに対応する動径速度、

は、正であるときに、レーダーの方を向いていると考えられ、メートル/秒で与えられる。レーダー波長λは公知であり、gは重力加速度である。

ブロックまたはモジュール115のデジタル処理は、式（1）に基づいて得られる動径速度ビンのそれぞれに対し、方向探知（DF）アルゴリズムを3つのアンテナからのデータストリームに適用する。例示的なDFアルゴリズムは、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第5,990,834号に記載されているように、データへの最良適合が各動径速度で単一の角度または二重の角度の方位角解から得られるかどうかを決定する。この段階は、約1°の方位角の分解能を達成すると同時に、ヤギアンテナの高利得およびSNRを実現する。DFアルゴリズムの適用の一部には正確なアンテナパターン（振幅および位相の両方を含む）が必要である。これは河川上の視野内を旋回するトランスポンダを用いてアンテナを測定（較正）することによって提供され得る。または、正確に計算されたアンテナパターンは、特定のヤギアンテナ設計およびアレイの幾何学的性質に基づく。記憶されたパターン116は、DFブロックまたはモジュール115に入力され、方位角計算に使用される。図2は、本発明の別の態様によりUHFでヤギアンテナシステムについて予測される振幅パターンおよび位相パターンを示している。

上記の方法は、流れまたはストリーム流量が弱い場合に、特に適用可能である。強い流れからの弱い流れの区分は、式（1）の右辺の第1項が第2項と等しいかまたはそれ以上であるときに起こる。このとき、所望の流速に対するドップラーは、公知のブラッグ波速度に対するドップラー（末項）より大きく、望ましくない重なりの領域は「エイリアス化」と呼ばれる。図3は、UHFで、たとえば、350MHzにおいて（この場合に）、強い河川流量で生じるドップラーエイリアシングを示している。最も上側のパネルは、2つの考えられる例示的な河川速度プロファイルを示している。これらの河川速度プロファイルは、200m幅の直線水路の横断方向距離の関数として川下表面速度プロファイルを示している。これらの曲線は1という最大値をとるように正規化される。実線曲線は、水路の幅方向で変化しない一定流量を仮定している。破線曲線は、水路の中央で単位1に達し、河岸の両端で零まで下がるより現実的な例示的なプロファイルである。

図3の中央パネルは、例として、1m/sの最大流速を利用している。すなわち、上側パネルの正規化された単位速度の値が1m/sを表している。2つにグループ分けされた曲線が中央パネルにプロットされている。これらは、岸沿いに上流から下流に見る方位角、すなわち、＋90°から-90°までの関数として観測されたドップラーシフト、

である。実線のドップラー曲線は上側パネルの一定プロファイルに対応し、破線曲線は岸で零まで下がるプロファイルを表している。上側の2つの曲線は上側の符号に対応して正のドップラーエコー領域を表し、下側の2つの曲線は負のドップラー領域からの下側の符号に対応する。これらの2つの曲線は、上述の式の第2項を表し、角度に対して一定である、ブラッグ波の固有位相速度に由来する、緑色の曲線を中心としている。2組の曲線は、相互に殆ど完全に分離されている（換言すると、プロットを横切る水平線は一方の曲線の組と交差することができるが、もう一方の組と交差しない）。これは、「弱流量」の場合であり、この最大流速に対してエイリアシング問題は存在しない。この状況では、または、より弱い流速の場合、「エイリアシング除去」を利用する必要はない。

最大流量が、図3の上側パネルの正規化プロファイルに従って、3m/sまで増加するならば、最も下側のパネルは、方位角に対するエコードップラー関係を示している。この状況は、今度は、大幅にエイリアス化されている。レーダーによって測定された点は、DF方位角決定後に、赤色曲線の周りにクラスター化している。所与の動径流速（垂直軸上の所与のドップラーシフトに対応する）を選ぶと、グラフを横切る水平線は2つの方位角領域を通過する。これらの2つの領域は2つの重なり合うブラックスペクトル領域を表す±符号に対応している。水平線は一方だけを通過すべきである。したがって、エイリアス化されていない中央パネルで行われ得るように、動径流速を単一方位角だけに関連付けることは不可能である。このことは、2つの緑色ブラッグ線速度の間の中間領域において特に難しいが、この領域の外側のかなりの範囲についても当てはまる。

したがって、流れまたはストリーム流量が強いとき、エイリアス化された領域は、エイリアシング除去ブロックまたはモジュール117に具現化された手順を使用して分離されることがある。図3の下側パネルに示されているようにDFブロック115の出力がクラスター化する原因となるブラッグ散乱の基礎となる物理的現象を認識することにより、本発明の1つの態様は曖昧性を解決し取り去る。たとえば、この知識と、本明細書において明らかにされたドップラー方位角解を統合する方法とに基づいて、エイリアシング除去アルゴリズムが2つの垂直領域を分離するために適用され、その後、エイリアシングが除去される。これを行う1つの例示的な様式は、指定された方位角ビン内のドップラーデータに適合する2つのピークをもつ関数を使用することである。たとえば、およそ18°〜22°の角度セクタ内で、2つのピークをもつモデルがドップラーデータ点のすべてに適合するように構築され得る。このとき、下側ピークは、上述の式の負符号と組になり、上側ピークは正符号と組になり、曖昧性が取り除かれる。

信号処理におけるこの時点で、ドップラー/ブラッグ式がエイリアシング除去後に適用され、河川表面上の流量の動径速度マップが構築された。このような動径速度マップの例が図4に示されている。この図では、実際の動径速度が、本明細書において開示されている態様を使用して15分間にわたって測定されている。垂直軸および次元は、200メートル離れている下側の岸から上側の岸まで河川を横切る距離を表す。水平軸は河川に沿った距離である。通常、河岸は、短い距離にわたって十分に平行であるので、このような描写が実際的である。

河川体積放流量をもたらす1つの好ましい態様は、河川横断方向距離の関数として図1のブロックまたはモジュール118で計算される川下表面流量のプロファイルから始まる。当業者は本開示の観点から他の技術も同様に適用可能であることを容易に認識するが、河川横断方向プロファイルを導き出す2つの例示的な技術を後述する。

第1の態様では、2つの人工ビーム401および402が、図4に示されているように河川横断方向にまたいで選択された角度で形成される。2つのビームの内側にある所与のレンジにおける2つの動径速度から、川下速度および河川横断方向速度が三角法で導出され得る。次に、この川下成分は、近岸から特定の距離で使用される。このプロセスは、プロファイルが構築されるまで、各レンジで繰り返される。このプロセスで仮定されていることは、流量がこれらの空間スケールにわたって川上/川下の距離によって変化しないことである。河川横断方向にまたぐ多数のビームは、レーダーによって測定された動径速度情報の大きな扇形のため、明らかにされている2つの推定値の他に、川下流量の冗長な推定量を与えるために作成され得る。これらの同じ情報の推定量はより強固なプロファイルを提供するために平均化され得る。

第2の態様では、岸に平行した帯403が図4に示されているように作成される。この帯内の動径速度のすべてが収集され、最小二乗フィッティングプロセスのためのデータベクトルになる。適合されるモデルには、川下流量および河川横断方向流量、すなわち、多数の動径速度から導出される2つの情報を含み得る。これは、殆どの最新市販計算パッケージで利用できるサブルーチンコールによって解法される過剰決定線形最小二乗問題になる。この最小二乗フィッティングプロセスでは、必要に応じて、付加的な情報が、より多くのパラメータをモデルに含めることにより導き出されることがある。たとえば、川下の河川横断方向流量を、川下距離に伴って不変である定数項に加えて、川下距離に対して線形的、二次的などで変化させることも可能である。次いで、このより複雑な流量を記述する付加的なパラメータは、この帯内にある動径速度データベクトルから導出されることがある。したがって、河川に沿って距離が変化しないという仮定は取り除かれる。

付加的な態様または代替的な態様では、たとえば、速度プロファイル中の二乗平均平方根（RMS）誤差、信頼限界、および、その他の不確定度の尺度のような、その他の変動情報が動径速度マップから抽出されることがある。これらのデータ共分散の導出は、行列演算によって実現される線形最小二乗モデルフィッティングの一部分である。これらの方法は河川速度プロファイリングに有利な用途がある。

上記の段階の1つまたは複数がブロック118で適用された後、川下表面速度のプロファイルが取得されることがある。上記の様式で実際に測定され抽出された例は、図4の動径速度マップに基づいて、図5に示されている。この河川横断距離に関する速度の例示的なプロファイルは、川下速度プロファイルを示すデータ点上にエラーバーとして示すRMS不確定度も含んでいる。

水深平均流量は、表面流量におよそ0.85を乗じることによって得られることがある。ブロックまたはモジュール119において、水深平均流量は、河川を横断するプロファイルの各点で計算される。基準データに関する河床プロファイルの形状および河川の高度（「河川水位」）がデータベース121に記憶され、119へ入力される。これらは河川を横断しての水の断面積を計算するために使用される。この断面プロファイルの各水柱が水深平均流量によって乗じられると、これらの積の和または積分は、所望の、この点を通過する水の体積を、毎秒立方メートル単位で与える。この点を通過する水の体積は河川放流量120と呼ばれる。

ある種の状況では、レーダーからの速度プロファイルは河川幅全体に及ばない。これらの場合、ブロックまたはモジュール123によって適用されるインデキシング法は、レーダー局が測定し得る表面速度のサブセットを利用することがある。インデックスに基づく放流量計算は、典型的に、場所ごとに特異的な較正を必要とする。この較正は、独立した手段を使用して1〜2日間に亘る河川幅距離および水深に関する速度プロファイルを作成することを含み得る。たとえば、ボート配備型速度センサは昇降され、ボート搭載型鉛直音響ドップラープロファイラは、ボートが河川幅を横切るときに、水深に対する流れを測定する。これらの独立した測定値および底部プロファイル知識から、放流量が独立して計算される。次に、この放流量はVHF/UHF（またはその他のインデックスセンサ）速度に沿ってプロットされる。両者間の経験的関係は「水位流量曲線」と呼ばれる。当業者は本開示を考慮して他の技術が同様に適用可能であり得ることを容易に認めるが、利用可能なVHF/UHFレーダー速度データを使用して放流量を導出する2つの例示的な技術を後述する。

第1の態様では、方位角0°で、すなわち、河岸上のレーダーから直接的に沖を見る方位角で、図4に示されている曲線の勾配が決定される。勾配は放流量の非常に感度のよい指標であることが分かっている。特に、勾配が急になるほど、放流量が多い。厳密な関係は、122に記憶され、ブロック123において適用される、予め較正された水位流量曲線から得られる。結果として生じる出力124は所望の放流量である。

第2の態様では、河川の固定部分だけの速度プロファイルまたは速度平均が利用される。この部分は速度データを生み出すために経験的に選択されてもよい。たとえば、200mの幅の河川では、40m〜120mの間の区間が、「水位流量」放流量較正と十分に匹敵する強固な、信頼性のある速度平均を生み出す。場所ごとに特異的な較正は、122に記憶され、放流量124を生み出すためブロック123によって適用される水位流量曲線を生成し得る。

UHFレーダーおよび音響河川横断水中速度計（UVM）からの平均速度の例は図6に示されている。UVMは、カリフォルニア州のある場所で数年間にわたって、米国地質調査所によって配置および使用され、UVMが測定する速度は水位流量曲線による放流量にうまく関連付けられていた。図6はUHFレーダーがUVM速度を正確に再現することを示し、この場合、40m〜120mの間のレーダー平均表面速度が使用され、比較された。15分の測定時点毎にレーダー速度エラーバーまたは不確定度もまた示されている。この場合、水路は1日2回の逆転の原因である流量の干満があるサクラメントデルタ（Sacramento Delta）における2つの最も広い河川を繋いでいる。

1つの態様では、本明細書において記載されている機能のうちの少なくとも一部はマイクロプロセッサまたはマイクロプロセッサベースの装置によって実行される。本発明の種々の態様を実施するソフトウェア、コンピュータプログラムロジック、またはコードセグメントは、コンピュータプログラムプロダクトのコンピュータ読み取り可能な媒体に記憶されることがある。「コンピュータ読み取り可能な媒体」という用語は、情報を記憶または転送可能な任意の媒体を含む。コンピュータプログラムプロダクトの例は、電子回路、半導体記憶装置、ROM、フラッシュメモリ、消去可能なROM（EROM）、floppyディスク、コンパクトディスクCD-ROM、光ディスク、ハードディスクなどを含む。コードセグメントは、インターネットなどのようなコンピュータネットワークを介してダウンロードされることがある。

図7は、本発明の態様を使用するために適合した（たとえば、態様に付随したソフトウェアを記憶および/または実行する）コンピュータシステム700を示している。中央処理装置（「CPU」）701はシステムバス702に連結されている。CPU 701は任意の汎用CPUであってもよい。しかし、本発明の態様は、CPU 701が本明細書において記載されているようなインベンティブなオペレーションをサポートする限り、CPU 701のアーキテクチャによって限定されるわけではない。バス702は、SRAM、DRAMまたはSDRAMであってもよいランダムアクセスメモリ（「RAM」）703に連結されている。ROM 704もまたバス702に連結され、PROM、EPROM、またはEEPROMであってもよい。

バス702は、入力/出力（「I/O」）コントローラカード705、通信アダプタカード711、ユーザインターフェイスカード708、およびディスプレイカード709にも連結されている。I/Oアダプタカード705は、ハードドライブ、CDドライブ、フロッピーディスクドライブ、テープドライブの1つまたは複数のような記憶装置706をコンピュータシステム700に接続する。I/Oアダプタ705は、システムが文書、写真、論文などのような情報の紙コピーを印刷することを可能にさせるプリンタ（図示せず）にも接続されている。プリンタは、プリンタ（たとえば、ドットマトリックス、レーザーなど）、ファクシミリ機、スキャナ、またはコピー機であってもよいことに注意されたい。通信カード711は、コンピュータシステム700を、電話網、ローカルエリアネットワーク（「LAN」）および/もしくはワイドエリアネットワーク（「WAN」）、Ethernetネットワーク、ならびに/またはインターネットの1つまたは複数であってもよいネットワーク712に連結するため適合している。ユーザインターフェイスカード708は、キーボード713、ポインティングデバイス707などのようなユーザ入力装置をコンピュータシステム700に連結する。ディスプレイカード709は、ディスプレイ装置710上の表示を制御するためにCPU 701によって駆動される。

1つの態様では、本発明は、海洋表面流を、河川で見られる、より短い距離および小さな起伏にマッピングするため、HFレーダーによって使用される周波数を有利に拡大縮小し、それにより、VHF/UHF周波数帯を利用する。好ましくは、本明細書において記載されているシステムによって使用される周波数の範囲は約200MHz〜3GHzである。このように、本発明は、これらの高周波数でさもなければ生じる多数の障害を克服しながら、ある種のHFの原理をうまく利用する。

UHF（河川上の）は適合するがマイクロ波については機能しない、水波の非常に正確な1次ドップラー関係を利用するため、本発明によって取り組まれている幾つかの課題に対処しなければならない。たとえば、河川流速が高いとき（たとえば、0.8m/sより大きいとき）、前進する水波エコーからのスペクトル領域と後退する水波エコーからのスペクトル領域とが重なり合い、すなわち、エイリアス化される。これは、エイリアシング除去のある種の方法が適用され得ない限り、情報を抽出する際に重大な問題を引き起こす。詳細に上述されているように、本発明のある特定の態様はこのエイリアシング問題を解決する。

河川表面流量の動径速度マップは、方位角を取得するために方向探知が使用された後に、何百個ものデータ点を有することがある。これは、2方向だけに狭ビームを形成するマイクロ波レーダーの場合とは異なる。したがって、本明細書において開示されているUHFシステムでは利用可能な大量のデータが存在する。しかし、これらの何百個もの動径速度は2次元全速度流れベクトル場の1次元マッピングを構成する。したがって、適切なモデルがこの動径速度場に適合し得る。モデルは河川体積放流量を推定するために必要とされる流量の本質を表す。本明細書において開示されているある態様を使用して取得される非常に大量の動径速度データ点は、単に川上流量/川下流量を与えるだけにとどまらない流量の生成モデルを提供する。そして、詳細に上述されているように、本発明のある態様は、先行技術で使用される簡単な2ビームの概念より遙かに多くの情報の抽出を可能にする。

非常に幅の広い河川に対し、または穏やかな条件下で、測定された動径速度は河川幅まで及ばないことがある。幾つかの理由のため、測定された流れが一方または両方の岸に到達できない。これらの場合、川上/川下速度の岸から岸までのプロファイルは構築され得ない。典型的にこの欠点の影響を受ける先行技術の機器は、たとえば、音響ドップラープロファイラ（ADP）を含む。これらの場合、「水位流量曲線」を構築することにより、すなわち、放流量をある程度強固なセンサデータの測定に関連付ける各レーダー位置で制御された較正を実行することにより依然として全体積放流量が得られる。本発明のある種の態様は、河川放流量を取得するための強固なインデックス法につながる水位流量曲線較正技術を提供する。その上、本明細書において開示されたUHFレーダーシステムは、侵食の害を受けないという意味で「非接触」である。

本発明のある種の態様およびこれらの態様の利点が本明細書において詳細に記載されているが、種々の変更、置換および代替が添付の特許請求の範囲によって規定された本発明の精神および範囲を逸脱することなく行われ得ることが理解されるべきである。さらに、本発明の範囲は、本明細書において記載されたプロセス、機械、製品、手段、方法、および段階の特定の態様に限定されることが意図されていない。当業者が本開示から容易に理解するように、本明細書において記載された対応する態様と実質的に同じ機能を実行するか、または実質的に同じ結果を達成する、既存の、または今後開発されるその他のプロセス、機械、製品、手段、方法、もしくは段階が、本発明によって利用され得る。したがって、添付の特許請求の範囲は、このようなプロセス、機械、製品、手段、方法、または段階をその範囲内に含むことを意図している。

参考文献
以下の発行された米国特許は参照により本明細書に組み入れられる：米国特許第6,862,922号、第6,856,276号、第6,844,849号、第6,774,837号、第6,586,748号、第5,990,834号、第5,361,072号、および第4,172,255号。以下の特許出願もまた参照により本明細書に組み入れられる：米国特許出願公開第2005/0007276号、“Circular Superdirective Receive Antenna Arrays”、2003年7月10日出願；米国特許出願公開第2004/0090363号、“Ocean surface current mapping with bistatic HF radar”、2003年10月27日出願；米国特許出願公開第2003/0213291号、“Radio wave measurement of surface roughness through electromagnetic boundary conditions”、2002年5月17日出願；米国特許出願公開第2003/0071751号、“Ocean surface current mapping with bistatic HF radar”、2001年12月19日出願；米国特許出願公開第2003/0038744号、“Synthesis of total surface current vector maps by fitting normal modes to single-site HF radar data”、2002年4月1日出願；および米国特許出願公開第2003/0025629号、“Multi-station HF FMCW radar frequency sharing with GPS time modulation multiplexing”、2002年3月28日出願。

Claims (20)

1. 河岸と作動的な関係に位置している少なくとも2つのアンテナアレイを有するレーダー局と、
   各アンテナアレイに連結されている少なくとも1つの受信チャンネルと、
   少なくとも1つの受信チャンネルに連結されている方向探知モジュールと、
   方向探知モジュールに連結されているエイリアシング除去モジュールと、
   エイリアシング除去モジュールに連結され、河川横断方向の距離の関数として川下表面流量のプロファイルを計算するように作動するプロファイリングモジュール、および
   エイリアシング除去モジュールに連結され、河川放流量を推定するためにレーダー局によって測定された表面速度のサブセットを利用するように作動するインデキシングモジュール
   からなる群より選択される少なくとも1つのモジュール
   とを含む、河川流量パラメータを監視するシステム。
2. レーダー局が約半波長の間隔で離された3つのヤギ・ウダ（Yagi-Uda）アンテナアレイを含み、かつ2つの末端アレイが中央アレイに対して約±30°の方位角で傾けられている、請求項1記載のシステム。
3. レーダー局が約200MHz〜3GHzの間で作動する、請求項1記載のシステム。
4. 各受信チャンネルが、アンテナアレイから受信された信号をダウンコンバート、復調、デジタル化、およびスペクトル解析するように作動可能である、請求項1記載のシステム。
5. 受信チャンネルが、河川表面上の散乱セルからのレンジを分解し、かつ周波数を河川速度に関係付けるドップラースペクトルを作成するように作動可能である、請求項1記載のシステム。
6. 方向探知モジュールが、方位角分解能を増加させるため、アンテナアレイからのデータストリームに方向探知（DF）アルゴリズムを適用するように作動可能である、請求項1記載のシステム。
7. DFブロックに連結され、かつ方位角計算に使用される予測された振幅パターンおよび位相パターンをDFブロックへ提供するように作動可能である記憶パターンデータベース
   をさらに含む、請求項6記載のシステム。
8. DFモジュールが、一つまたは複数の動径速度で単一および二重の角度の方位角解から得られるデータへの最良適合を決定する、請求項7記載のシステム。
9. 送信された信号および受信された信号をパルス化およびゲーティング（gating）するための、アンテナアレイの少なくとも1つの要素に連結されたスイッチ
   をさらに含む、請求項1記載のシステム。
10. インデキシングブロックに連結され、かつ予め較正された水位流量曲線を記憶するように作動可能である水位流量曲線データベース
    をさらに含む、請求項1記載のシステム。
11. プロファイリングモジュールに連結され、かつ河川横断方向の一つまたは複数の点で水深平均流量を計算するように作動可能である水深平均モジュール
    をさらに含む、請求項1記載のシステム。
12. 水深平均モジュールに連結され、かつ河川横断方向の水の断面積を計算するために使用される河川データを記憶するように作動可能である河川データデータベース
    をさらに含む、請求項11記載のシステム。
13. 河岸と作動的な関係に位置しているレーダー局からデータを受信する段階、
    受信されたデータを前処理する段階、
    前処理されたデータに方向探知（DF）アルゴリズムを適用する段階、
    DFデータにエイリアシング除去アルゴリズムを適用する段階、ならびに
    河川横断方向の距離の関数として川下表面流量のプロファイルを計算する段階、および
    河川放流量を推定するためにレーダー局によって測定された表面速度のサブセットを利用する段階
    のうちの少なくとも一方を実行する段階
    を含む、河川流量パラメータを決定するための方法。
14. レーダー局が約200MHz〜3GHzの間で作動する、請求項13記載の方法。
15. 受信されたデータを前処理する段階が、受信されたデータをダウンコンバートする段階、復調する段階、デジタル化する段階、およびスペクトル解析する段階を含む、請求項13記載の方法。
16. スペクトル解析する段階が、河川表面上の散乱セルからのレンジを分解する段階、および周波数を河川速度に関係付けるドップラースペクトルを作成する段階を含む、請求項15記載の方法。
17. 方向探知アルゴリズムが方位角分解能を増加するように作動可能である、請求項13記載の方法。
18. 川下表面流量のプロファイルを使用して河川放流量を決定するために河川横断方向の一つまたは複数の点で水深平均流量を計算する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
19. 河岸と作動的な関係に位置しているレーダー局からデータを受信する段階、
    受信されたデータを前処理する段階、
    前処理されたデータに方向探知（DF）アルゴリズムを適用する段階、
    DFデータにエイリアシング除去アルゴリズムを適用する段階、ならびに
    河川横断方向の距離の関数として川下表面流量のプロファイルを計算する段階、および
    河川放流量を推定するためにレーダー局によって測定された表面速度のサブセットを利用する段階
    のうちの少なくとも一方の段階
    をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムが記録されている、コンピュータ読み取り可能な媒体。
20. コンピュータプログラムが、川下表面流量のプロファイルを使用して河川放流量を決定するため、コンピュータに河川横断方向の一つまたは複数の点で水深平均流量をさらに計算させる、請求項19記載のコンピュータ読み取り可能な媒体。

Images