JP2779563B2 - ドップラー音波レーダの送受信装置 - Google Patents

ドップラー音波レーダの送受信装置

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JP2779563B2
JP2779563B2 JP4076253A JP7625392A JP2779563B2 JP 2779563 B2 JP2779563 B2 JP 2779563B2 JP 4076253 A JP4076253 A JP 4076253A JP 7625392 A JP7625392 A JP 7625392A JP 2779563 B2 JP2779563 B2 JP 2779563B2
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芳樹 伊藤
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、飛行場上空の風速高度
分布の観測などに利用されるドップラー音波レーダの送
受信装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】飛行場上空の風速高度分布の観測や、大
気汚染の予測などを目的として、大気境界層内の各高度
の風向・風速を地上から測定する装置として、ドップラ
ー音波レーダが使用されている。このドップラー音波レ
ーダは、地上から上空の大気中に強力な音波パルスを発
射し、大気中に少なからず存在する密度の揺らぎ(所謂
かげろう)の領域から反射されて戻ってくる微弱なエネ
ルギーの反射波を送受兼用の送受波器で集音し、電気信
号に変換し、所望の測定高度に該当する時間軸上の信号
を切り出し、高速フーリエ変換(FFT)などの手法を
用いて送出周波数からの相対ドップラーシフト量を検出
し、風向・風速を算定する構成となっている。風向・風
速を三次元的に検出する場合には、放射方向を相互にず
らしながら3台の送受波器が設置される。
【0003】送受兼用の送受波器に受信される反射波の
エネルギーは、放射パルスの10-9〜10 -11程度にま
で減衰を受けた微弱なものとなるため、必要なSN比を
確保するために、放射する音波パルスのエネルギーは数
百Wから1KWもの大きな値に設定される。この放射音
波パルスの波形は、図5に例示するように、数千Hz程
度の正弦波(純音) を数十msec から数百msec 程度の
期間にわたって連続させたようなものである。また、周
辺の雑音の周波数スペクトルが場所によって異なるた
め、1000Hzから5000Hz程度にわたる複数の
周波数を発振できるようにしておき、使用場所に応じて
雑音レベルが最低の周波数を選択して送出している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のドップラー
音波レーダでは、強力なエネルギーの可聴音を放射する
必要があり、また大気の状況次第では意外な方向への反
射が生じるため、思いがけない所から騒音の苦情を受け
る場合がある。従って、この種のドップラー音波レーダ
では、放射音波のエネルギーをいかにして低減するかが
重要であり、そのためには周囲雑音が最低の周波数をい
かにして選択するかが鍵となる。従来は装置の設置時に
雑音レベルを測定し、最低レベルの周波数に最も近い周
波数を送出周波数として固定している。このため、その
後の状況の変化によって送出周波数が最低雑音レベルの
周波数からずれてしまい、結果として大きな放射エネル
ギーが必要になるという問題がある。
【0005】このため、音波の放射の直前に毎回雑音レ
ベルを測定し、最低レベルの周波数に最も近い送出周波
数を選択する対策も考えられる。しかしながら、音波の
放射に先立って毎回雑音レベルを測定するという方法で
は、そのぶん測定に時間がかかり大気の状況の速い変化
には対応できなくなるという問題がある。
【0006】また、雑音源が飛行機や自動車などの移動
体であれば、音波を放射してから反射波を受けるまでの
数秒程度の短期間内に最低雑音レベルの周波数が変化し
てしまい、結果的には最適の送出周波数の選択に失敗し
てしまうという問題がある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明のドップラー音波
レーダの送受信装置は、可聴周波数帯の異なる周波数の
複数の正弦波を含む音波パルスを放射し、反射波に含ま
れる複数の周波数成分のそれぞれについてドップラーシ
フト量の検出が行われ、これら検出されたドップラーシ
フト量のうち少なくとも一つから風速が算定されるよう
に構成されている。
【0008】
【作用】本発明によれば、可聴周波数帯の異なる周波数
の複数の正弦波を含む音波パルスが放射され、反射波に
含まれる複数の周波数成分のそれぞれについてドップラ
ーシフト量の検出が行われる。これら検出されたドップ
ラーシフト量のうち少なくとも一つ、例えば最高のSN
比のものから風速が算定される。この結果、雑音の発生
状況が急変した場合でも常に最高のSN比の送出周波数
についてドップラーシフト量が検出可能となる。
【0009】また、複数の正弦波成分を含むために放射
音波パルスのエネルギーが増加するが、複数の周波数成
分を含む音波の評価騒音レベルは単一の周波数のみから
成る純音の評価雑音レベルに比べて5dB高い値が許容
できることから、4個程度の周波数成分を含み6dB程
度エネルギーが増加しても評価騒音レベルは純音の場合
と同程度となる。
【0010】
【実施例】図1は、本発明の一実施例にドップラー音波
送受信装置の構成を示すブロック図であり、11は制御
部、12a〜12dは異なる周波数の正弦波信号を出力
する発振回路、13は信号合成回路、14はパルスゲー
ト回路、15は電力増幅回路、16は送受切替え回路、
17は前置増幅回路、18はTVG増幅回路、19は帯
域通過濾波回路(BPF)、20はA/D変換回路であ
る。更に、21はバス、22はCPU、23はROM/
RAM、24は高速フーリエ変換(FFT)回路、25
は入出力(I/O)回路、26は入出力インタフェース
回路、27は表示・出力部、28はキーボードである。
【0011】CPU22は、キーボード28から入出力
インタフェース部26を介して測定開始の指令を受ける
と、入出力回路25を介して制御部11を起動する。起
動された制御部11は発振回路12a〜12dを起動
し、それぞれから1600Hz、2400Hz、320
0Hz、4800Hzの正弦波を出力させる。各正弦波
の信号は合成回路13で合成され、制御部11からの指
令に従い数十msecから数百msec 程度の期間にわたって
開かれるパルスゲート回路14を通過することにより、
図2に示すような波形のパルス信号となって電力増幅回
路15に供給され、数百W乃至1KWのレベルまで増幅
され、送受切替え回路16を経て兼用の送受波器(図示
せず)に連なるケーブルC上に送出される。
【0012】こののち、図3に例示するように、上空か
らの反射波が音波パルスの放射からある時間遅れて兼用
の送受波器で受波されケーブルC上に出現する。この反
射波は、送受切替え回路16を経て前記増幅回路17に
供給され、TVG増幅回路18に供給される。このTV
G(タイム・バリアブル・ゲイン)増幅回路18は、放
射音波パルスの伝播に伴うエネルギーの拡散損失と吸収
損失とを補うために、時間と共に適宜な速さで、例えば
時間の2乗に比例する速さで利得が時間と共に増加せし
められる。増幅された反射パルスは、1600Hz、2
400Hz、3200Hz、4800Hz近傍の周波数
成分のみを通過せしめる帯域通過濾波回路(BPF)1
9において不要な周波数成分が除去されたのちA/D変
換回路29に供給され、ディジタル信号に変換され、バ
ス21を介してCPU22に転送され、ROM/RAM
23に保存される。
【0013】CPU22は、ROM/RAM23に保存
した反射波を含む受信信号のうち所望の高度に相当する
時間軸上の成分、例えば図3に例示するうように音波パ
ルスの放射からT時間経過した時点のΔTの時間幅の成
分を切出してFFT回路24に供給する。FFT回路2
4は、この信号を処理することにより、周波数スペクト
ルに変換してCPU22に転送する。この周波数スペク
トルのうち、1600Hz、2400Hz、3200H
z、4800Hzの各送出周波数の近傍のものを例示す
れば、図4のようになる。図4において、(A)はある
送出周波数の近傍ではドップラーシフトを受けた反射波
の周波数が高SN比で検出されている例を示し、(B)
は他の送出周波数の近傍ではSNが低いためドップラー
シフトを受けた反射波の周波数の検出が不能の場合を示
している。
【0014】CPU22は、FFT回路24から受取っ
たデータを検査し、最高のSN比で検出されたドップラ
ーシフト量δfを対応の送出周波数Fで規格化すること
により相対ドップラーシフト量δf/Fを算定し、これ
に音速の半分の値を乗算することにより風向と風速を算
定する。なお、風向はドップラーシフト量δfの極性か
ら決定される。また、一般に使用される三次元的な風向
・風速は、相互にずらして設置した3台の送受信のそれ
ぞれを用いて計測した風向・風速成分を合成することに
よって算定される。
【0015】このように、四つの周波数成分についてド
ップラーシフト量を検出する構成であるから、雑音の発
生状況に応じて、あるいは統計的な処理を組合せること
により高精度の風速の測定が可能になる。測定結果は、
キーボード28からの指令に従って表示・出力部27に
転送され、ディスプレイ表示されたり、印字出力された
り、あるいは磁気ディスク装置などに保存される。
【0016】以上、本発明に係わるドップラー音波レー
ダの送受信装置を一実施例によって説明したが、本発明
の要旨の範囲内で各種の変形実施例が考えられる。これ
らの変形実施例のうち主要なもののみを以下に列挙す
る。
【0017】最高のSN比で検出された相対ドップラー
シフト量から風速を算定する代わりに、所定値以上のS
N比で検出された相対ドップラーシフト量を平均化し、
この平均値から風速の平均値を算定する構成。
【0018】所定値以上のSN比で検出された相対ドッ
プラーシフト量のうち最近接の2個のみを選択し、これ
らの平均値に基づいて風向と風速を算定する構成。
【0019】周波数の異なる三つあるいは二つ、さらに
は五つ以上の正弦波を合成して放射音波パルスを作成す
る構成。
【0020】検出された最高SN比に応じて、電力増幅
回路15の利得を低下させる構成。
【0021】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
わるドップラー音波レーダの送受信装置は、可聴周波数
帯の異なる周波数の複数の正弦波を含む音波パルスを放
射し、反射波に含まれる複数の周波数成分のそれぞれに
ついてドップラーシフト量の検出を行い、これら検出し
たドップラーシフト量のうち少なくとも一つ、例えば最
高SN比のものから風速を算定する構成であるから、評
価騒音レベルを考慮した最小の騒音のもとで所期の目的
を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係わるドップラー音波レー
ダの送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1の送受信装置から送受波器に送出される放
射パルスの波形を例示する概念図である。
【図3】送受波器から図1に入力される反射波の波形を
例示する概念図である。
【図4】図1のFFT回路で検出される反射波の周波数
のスペクトルを例示する概念図である。
【図5】従来のドップラー音波レーダから放射される音
波パルスの波形を例示する概念図である。
【符号の説明】
11 制御部 12a〜12d 異なる周波数の正弦波を発生する発振回路 13 合成回路 15 電力増幅回路 14 パルスゲート回路 22 CPU 24 FFT回路
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01S 3/80 - 3/86 G01S 5/18 - 5/30 G01S 7/52 - 7/66 G01S 15/00 - 15/96 G01P 5/00 G01W 1/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】可聴周波数帯の音波をパルス状に大気中に
    放射し、大気中に存在する密度の揺らぎの領域から反射
    された反射波を受信してこの反射波に含まれる周波数成
    分のドップラーシフト量から所望の高度の風速を検出す
    るドップラー音波レーダの送受信装置において、 前記放射される音波は異なる周波数の四つ程度の正弦波
    を含み、 前記反射波に含まれる複数の周波数成分のそれぞれにつ
    いて検出されたドップラーシフト量のうちSN比が最高
    のものから風速が算定されることを特徴とするドップラ
    ー音波レーダの送受信装置。
  2. 【請求項2】可聴周波数帯の音波をパルス状に大気中に
    放射し、大気中に存在する密度の揺らぎの領域から反射
    された反射波を受信してこの反射波に含まれる周波数成
    分のドップラーシフト量から所望の高度の風速を検出す
    るドップラー音波レーダの送受信装置において、 前記放射される音波は異なる周波数の四つ程度の正弦波
    を含み、 前記反射波に含まれる複数の周波数成分のそれぞれにつ
    いて検出されたドップラーシフト量のうちSN比が所定
    値以上のものだけが平均化され、この平均値から風速が
    算定されることを特徴とするドップラー音波レーダの送
    受信装置。
  3. 【請求項3】可聴周波数帯の音波をパルス状に大気中に
    放射し、大気中に存在する密度の揺らぎの領域から反射
    された反射波を受信してこの反射波に含まれる周波数成
    分のドップラーシフト量から所望の高度の風速を検出す
    るドップラー音波レーダの送受信装置において、 前記放射される音波は異なる周波数の四つ程度の正弦波
    を含み、 前記反射波に含まれる複数の周波数成分のそれぞれにつ
    いて検出されたドップラーシフト量のうちSN比が所定
    値以上でかつ所定値以内近接するもののみが平均化さ
    れ、この平均値から風速が算定されることを特徴とする
    ドップラー音波レーダの送受信装置。
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