JP3163297B2 - 短波海洋レーダ観測装置 - Google Patents
短波海洋レーダ観測装置Info
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- 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
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- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、観測海域にアンテ
ナを向けレーダ波を照射してエコーを受信し、エコー強
度の時系列からドップラスペクトルを求めて海象情報を
抽出するブラッグ共鳴散乱機構を利用した短波海洋レー
ダ観測装置に関する。
ナを向けレーダ波を照射してエコーを受信し、エコー強
度の時系列からドップラスペクトルを求めて海象情報を
抽出するブラッグ共鳴散乱機構を利用した短波海洋レー
ダ観測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図３は観測原理を説明するためのレーダ
波と波浪成分波のブラッグ共鳴散乱の模式図、図４はド
ップラスペクトルの特徴を説明するための図、図５は波
浪成分波の方向スペクトルとドップラスペクトルの２つ
のピークスペクトルの関係を説明するための図である。
波と波浪成分波のブラッグ共鳴散乱の模式図、図４はド
ップラスペクトルの特徴を説明するための図、図５は波
浪成分波の方向スペクトルとドップラスペクトルの２つ
のピークスペクトルの関係を説明するための図である。
【０００３】短波海洋レーダの海象計測の基本的な原理
は、ブラッグ共鳴後方散乱機構に基づくものである。す
なわち、図３に模式的に示すように、レーダ波を波浪成
分波にブラッグ共鳴させ、この波浪成分波からのエコー
を受信することによって、海の流れと波浪情報を抽出す
るものである。ブラッグ共鳴条件は、アンテナ入射角ゼ
ロに対して、次の〔数１〕となる。
は、ブラッグ共鳴後方散乱機構に基づくものである。す
なわち、図３に模式的に示すように、レーダ波を波浪成
分波にブラッグ共鳴させ、この波浪成分波からのエコー
を受信することによって、海の流れと波浪情報を抽出す
るものである。ブラッグ共鳴条件は、アンテナ入射角ゼ
ロに対して、次の〔数１〕となる。
【０００４】
【数１】
【０００５】共鳴する波浪成分波が海に全く存在しない
場合は観測できないが、このような海の状態はほとんど
起こらない。短波海洋レーダ観測装置において、レーダ
局より観測したい海域にアンテナを向け、レーダ波を照
射して受信されるエコーは、レーダの空間分解能内にあ
る、〔数１〕の共鳴条件を満たす波浪成分波による後方
散乱エコーである。このエコーのドップラスペクトル
は、図４に示すように、第１次散乱と第２次散乱のスペ
クトルによって構成される。そのうち、前者は〔数１〕
を満たす波浪成分波による、１次オーダーのエコーであ
る。海象情報の中の流れ情報は、第１次散乱スペクトル
のみの解析によって得られ、波浪情報は、第１次散乱と
第２次散乱スペクトルの解析によって得られる。以下
に、従来使用されている流れのアルゴリズムについて詳
しく説明する。
場合は観測できないが、このような海の状態はほとんど
起こらない。短波海洋レーダ観測装置において、レーダ
局より観測したい海域にアンテナを向け、レーダ波を照
射して受信されるエコーは、レーダの空間分解能内にあ
る、〔数１〕の共鳴条件を満たす波浪成分波による後方
散乱エコーである。このエコーのドップラスペクトル
は、図４に示すように、第１次散乱と第２次散乱のスペ
クトルによって構成される。そのうち、前者は〔数１〕
を満たす波浪成分波による、１次オーダーのエコーであ
る。海象情報の中の流れ情報は、第１次散乱スペクトル
のみの解析によって得られ、波浪情報は、第１次散乱と
第２次散乱スペクトルの解析によって得られる。以下
に、従来使用されている流れのアルゴリズムについて詳
しく説明する。
【０００６】上述したように、流れ情報アルゴリズム
は、第１次散乱スペクトルに基づくものであり、流れ情
報は、このピークの周波数情報で決定されるものであ
る。図４から分かるように、第１次散乱スペクトルピー
クは２つあり、それぞれはプラス周波数領域とマイナス
周波数領域にある。これは図５から示されるように、次
のような理由からである。
は、第１次散乱スペクトルに基づくものであり、流れ情
報は、このピークの周波数情報で決定されるものであ
る。図４から分かるように、第１次散乱スペクトルピー
クは２つあり、それぞれはプラス周波数領域とマイナス
周波数領域にある。これは図５から示されるように、次
のような理由からである。
【０００７】海の波浪スペクトルは、あらゆる方位に分
布する特性を有する。よって、〔数１〕を満たす波浪成
分波のスペクトルも図５の右図に示すように、あらゆる
方向に分布している。ある方位にアンテナを固定して観
測すると、必ず２つの共鳴スペクトルピーク周波数が観
測される。すなわち、これらの波は、レーダアンテナに
向かって来る波浪成分波と遠ざかる波浪成分波であ
る。これらのドップラピーク周波数は、アンテナのビー
ム方向に伝搬する、共鳴した波浪成分波の波形の移動速
度で決まる。もし表層に流れがあれば、その波浪成分波
の波形の移動速度は位相速度＋表層流の和の速度とな
る。その波の位相速度ＣW は波長λW が決まれば、流体
理論より、深海波の場合、次の〔数２〕で与えられる。
布する特性を有する。よって、〔数１〕を満たす波浪成
分波のスペクトルも図５の右図に示すように、あらゆる
方向に分布している。ある方位にアンテナを固定して観
測すると、必ず２つの共鳴スペクトルピーク周波数が観
測される。すなわち、これらの波は、レーダアンテナに
向かって来る波浪成分波と遠ざかる波浪成分波であ
る。これらのドップラピーク周波数は、アンテナのビー
ム方向に伝搬する、共鳴した波浪成分波の波形の移動速
度で決まる。もし表層に流れがあれば、その波浪成分波
の波形の移動速度は位相速度＋表層流の和の速度とな
る。その波の位相速度ＣW は波長λW が決まれば、流体
理論より、深海波の場合、次の〔数２〕で与えられる。
【０００８】
【数２】
【０００９】ここでπは円周率で、ｇは重力加速度であ
る。表層流のない時は波浪成分波の位相速度のみとな
る。これに対するドップラ周波数をＦd0とおくと、表層
流の評価式は次の〔数３〕になる。
る。表層流のない時は波浪成分波の位相速度のみとな
る。これに対するドップラ周波数をＦd0とおくと、表層
流の評価式は次の〔数３〕になる。
【００１０】
【数３】
【００１１】上記〔数３〕での±は、Ｆd ＜０の時＋を
とり、Ｆd ≧０の時−をとるものとする。Ｆd からＦd0
を差し引くことは、波浪成分波の位相速度を取り除き、
表層流分（Ｆd ±Ｆd0）を得ることになる。
とり、Ｆd ≧０の時−をとるものとする。Ｆd からＦd0
を差し引くことは、波浪成分波の位相速度を取り除き、
表層流分（Ｆd ±Ｆd0）を得ることになる。
【００１２】流れの計算を具体的に説明する。はじめ
に、ドップラ周波数Ｆd0を求める。レーダ周波数からレ
ーダ波長が容易に計算されるので、共鳴条件〔数１〕か
ら、ブラッグ共鳴する波浪成分波の波長λW が得られ
る。この波長λW を〔数２〕に代入すると、位相速度Ｃ
W が得られる。この速度のドップラ周波数Ｆd0は、〔数
３〕において、（Ｆdt±Ｆd0）をＦd0と置き換えて、流
速にＣW を代入すれば、求めることが出来る。
に、ドップラ周波数Ｆd0を求める。レーダ周波数からレ
ーダ波長が容易に計算されるので、共鳴条件〔数１〕か
ら、ブラッグ共鳴する波浪成分波の波長λW が得られ
る。この波長λW を〔数２〕に代入すると、位相速度Ｃ
W が得られる。この速度のドップラ周波数Ｆd0は、〔数
３〕において、（Ｆdt±Ｆd0）をＦd0と置き換えて、流
速にＣW を代入すれば、求めることが出来る。
【００１３】次にドップラスペクトルピーク周波数Ｆd
からの流速計算を説明する。これは、〔数３〕から容易
にできる。すなわち、観測されたドップラスペクトル分
布からピーク周波数Ｆd を求め、これを〔数３〕に代入
すれば、流速値が得られることになる。
からの流速計算を説明する。これは、〔数３〕から容易
にできる。すなわち、観測されたドップラスペクトル分
布からピーク周波数Ｆd を求め、これを〔数３〕に代入
すれば、流速値が得られることになる。
【００１４】ここで注意すべきことは、第１に上記の流
れはアンテナの視線方向の流れであり、正の値はアンテ
ナに向かって来る流れ、負の値は遠ざかる流れとなるこ
とである。よって、表層流の流れベクトルを観測するた
めには、アンテナの方位が異なる、少なくとももう１台
のレーダによる同時観測を必要とすることである。第２
に、上述したようにドップラ周波数のプラスとマイナス
の領域から、それぞれ流れの情報が得られることであ
る。正常なドップラスペクトル（外部及び内部ノイズが
受信エコーに比べて十分に小さいこと）であれば、〔数
３〕から同一な流れの値を得る。一方、図５で示したよ
うに、これらスペクトルピーク値は、波浪の方向スペク
トルに比例する。よって、これらのピーク値は波浪の方
向スペクトル分布と類似した値をもつために、必ずしも
等しくならず、いずれかが大きい場合が多い。このよう
なことから、外部ノイズの混入した場合、特に小さいス
ペクトルピークはノイズで埋もれてしまう危険性がある
ことである。このような情況から、常に大きいスペクト
ルピーク値をもつピーク周波数の流速値とする方法が一
般に採られてきた。次に最近実施された従来の短波海洋
レーダ観測装置により流れのアルゴリズムの概要を述べ
る。
れはアンテナの視線方向の流れであり、正の値はアンテ
ナに向かって来る流れ、負の値は遠ざかる流れとなるこ
とである。よって、表層流の流れベクトルを観測するた
めには、アンテナの方位が異なる、少なくとももう１台
のレーダによる同時観測を必要とすることである。第２
に、上述したようにドップラ周波数のプラスとマイナス
の領域から、それぞれ流れの情報が得られることであ
る。正常なドップラスペクトル（外部及び内部ノイズが
受信エコーに比べて十分に小さいこと）であれば、〔数
３〕から同一な流れの値を得る。一方、図５で示したよ
うに、これらスペクトルピーク値は、波浪の方向スペク
トルに比例する。よって、これらのピーク値は波浪の方
向スペクトル分布と類似した値をもつために、必ずしも
等しくならず、いずれかが大きい場合が多い。このよう
なことから、外部ノイズの混入した場合、特に小さいス
ペクトルピークはノイズで埋もれてしまう危険性がある
ことである。このような情況から、常に大きいスペクト
ルピーク値をもつピーク周波数の流速値とする方法が一
般に採られてきた。次に最近実施された従来の短波海洋
レーダ観測装置により流れのアルゴリズムの概要を述べ
る。
【００１５】図６は従来の短波海洋レーダ装置による流
れのアルゴリズムの概要を説明するための図であり、Ｖ
ＨＦレーダで使用しているデータ処理フローである（例
えば徳田等（1997) ：「ＶＨＦ沿岸海洋レーダの開発と
流れの観測」、海岸工学論文集、第４４巻、ｐｐ．１２
７６−１２８０）、徳田・永松（1999) 「短波海洋レー
ダの表層流の自動抽出方の開発」、海洋調査技術、第１
０巻、第３号参照）。このレーダの関係する基本的なレ
ーダ諸元は、次のようになる。
れのアルゴリズムの概要を説明するための図であり、Ｖ
ＨＦレーダで使用しているデータ処理フローである（例
えば徳田等（1997) ：「ＶＨＦ沿岸海洋レーダの開発と
流れの観測」、海岸工学論文集、第４４巻、ｐｐ．１２
７６−１２８０）、徳田・永松（1999) 「短波海洋レー
ダの表層流の自動抽出方の開発」、海洋調査技術、第１
０巻、第３号参照）。このレーダの関係する基本的なレ
ーダ諸元は、次のようになる。
【００１６】 レーダ方式 ：ＦＭＩＣＷ方式 アンテナ照射方式 ：ナロービーム発信ナロービーム受信方式 レーダ周波数 ：41.90MHz 周波数掃引幅 ：300KHz レンジ方向の分解能 ：500m レンジ方向の観測範囲：0.5km 〜25km この具体例はレーダ方式として、ＦＭＩＣＷ方式（Ｆre
quency ＭodulatedＩnterrupted Ｃontinuous Ｗave
Ｍethod ）で、アンテナの照射方式はナロービーム（na
rrow beam)発信ナロービーム受信方式の場合である。短
波海洋レーダ観測装置は、レーダ波の発信、エコーの受
信及び信号処理を行うＡレーダ局とＢレーダ局の２つの
局、各局のアンテナの視線方向の流れ情報に基づき時間
と空間の補正を行い海象情報の抽出を行うセンター局か
らなる。Ａレーダ局とＢレーダ局は、最大観測距離の半
分程度離して設置される。
quency ＭodulatedＩnterrupted Ｃontinuous Ｗave
Ｍethod ）で、アンテナの照射方式はナロービーム（na
rrow beam)発信ナロービーム受信方式の場合である。短
波海洋レーダ観測装置は、レーダ波の発信、エコーの受
信及び信号処理を行うＡレーダ局とＢレーダ局の２つの
局、各局のアンテナの視線方向の流れ情報に基づき時間
と空間の補正を行い海象情報の抽出を行うセンター局か
らなる。Ａレーダ局とＢレーダ局は、最大観測距離の半
分程度離して設置される。
【００１７】短波海洋レーダ観測装置では、受信された
エコーを距離毎に分離し、各距離においてエコーの時系
列を作る。この時系列のサンプリング間隔時間は、パル
スレーダ方式の場合は、パルス繰り返し周期で、ＦＭＩ
ＣＷ方式の場合は掃引時間間隔となる。この時系列に対
してＦＦＴ解析を行い、ドップラスペクトル分布を得
る。さらに、Ｓ／Ｎを稼ぐために、通常観測された時系
列を複数個分割し、各スペクトル解析を行い、得られた
スペクトルについて平均ドップラスペクトル分布を求め
る方法が採られている。この平均分布から、海象情報を
抽出することになる。よって、平均ドップラスペクトル
分布が短波海洋レーダの基本的な観測解析データとな
る。
エコーを距離毎に分離し、各距離においてエコーの時系
列を作る。この時系列のサンプリング間隔時間は、パル
スレーダ方式の場合は、パルス繰り返し周期で、ＦＭＩ
ＣＷ方式の場合は掃引時間間隔となる。この時系列に対
してＦＦＴ解析を行い、ドップラスペクトル分布を得
る。さらに、Ｓ／Ｎを稼ぐために、通常観測された時系
列を複数個分割し、各スペクトル解析を行い、得られた
スペクトルについて平均ドップラスペクトル分布を求め
る方法が採られている。この平均分布から、海象情報を
抽出することになる。よって、平均ドップラスペクトル
分布が短波海洋レーダの基本的な観測解析データとな
る。
【００１８】主な処理の概要を説明すると、各レーダ局
において、第１回ＦＦＴでは、１掃単位でＦＦＴ解析を
行い、掃引回数個のスペクトルを得る。このスペクトル
はレンジ方向のエコーのエネルギー分布を表す。距離毎
の並び換えでは、前記のスペクトル分布から同じ距離の
エコーのエネルギー値を集め、掃引時間毎のエネルギー
の時系列を作る。第２回ＦＦＴでは、前記の時系列のＦ
ＦＴ解析を行い、ドップラスペクトルを得る。このスペ
クトルのＳ／Ｎを稼ぐために数個のスペクトル計算を行
い、その平均操作を行う。このスペクトルから、流れの
アルゴリズムで解析される流れは、アンテナの視線方向
の流れだけで、まだ流れのベクトルが得られていない。
において、第１回ＦＦＴでは、１掃単位でＦＦＴ解析を
行い、掃引回数個のスペクトルを得る。このスペクトル
はレンジ方向のエコーのエネルギー分布を表す。距離毎
の並び換えでは、前記のスペクトル分布から同じ距離の
エコーのエネルギー値を集め、掃引時間毎のエネルギー
の時系列を作る。第２回ＦＦＴでは、前記の時系列のＦ
ＦＴ解析を行い、ドップラスペクトルを得る。このスペ
クトルのＳ／Ｎを稼ぐために数個のスペクトル計算を行
い、その平均操作を行う。このスペクトルから、流れの
アルゴリズムで解析される流れは、アンテナの視線方向
の流れだけで、まだ流れのベクトルが得られていない。
【００１９】流れのベクトルを求めるためには２つのア
ンテナの視線方向の流れを必要とし、かつそれらの流れ
は、同時刻で同場所の値でなければならない。そのた
め、センター局では、１次散乱スペクトルと２次散乱ス
ペクトルの分離を行って、１次散乱スペクトルからアン
テナ視線方向の流れ計算を行う。そして、時間・空間補
正では、アンテナの視線方向の流れ情報について、時間
と空間の補正を行う。各ビームは５分間毎に観測時刻が
異なり、その周期は１時間毎になる。よって、データの
同時性を得るためにはすべてのビームの観測時刻を正時
に補正すればよい。これが時間補正である。空間補正
は、流れベクトルの表示座標に依存する。
ンテナの視線方向の流れを必要とし、かつそれらの流れ
は、同時刻で同場所の値でなければならない。そのた
め、センター局では、１次散乱スペクトルと２次散乱ス
ペクトルの分離を行って、１次散乱スペクトルからアン
テナ視線方向の流れ計算を行う。そして、時間・空間補
正では、アンテナの視線方向の流れ情報について、時間
と空間の補正を行う。各ビームは５分間毎に観測時刻が
異なり、その周期は１時間毎になる。よって、データの
同時性を得るためにはすべてのビームの観測時刻を正時
に補正すればよい。これが時間補正である。空間補正
は、流れベクトルの表示座標に依存する。
【００２０】なお、レーダ方式として、ＦＭＩＣＷ方式
でなく、パルスレーダ方式であれば、図６での第１回目
のＦＦＴ解析は必要としない。また、アンテナ照射方式
として、ＤＢＦ（digital beam forming) のアンテナ方
式で、ブロードビーム（broad beam）発信ナロービーム
受信方式であれば、図６のビーム回数（アンテナ回転）
及び時間補間を必要としないことになる。以上のことに
より、図６で示されたデータ処理フローは、上記のすべ
ての方式に適合する。一般的な短波海洋レーダの処理フ
ローと言える。
でなく、パルスレーダ方式であれば、図６での第１回目
のＦＦＴ解析は必要としない。また、アンテナ照射方式
として、ＤＢＦ（digital beam forming) のアンテナ方
式で、ブロードビーム（broad beam）発信ナロービーム
受信方式であれば、図６のビーム回数（アンテナ回転）
及び時間補間を必要としないことになる。以上のことに
より、図６で示されたデータ処理フローは、上記のすべ
ての方式に適合する。一般的な短波海洋レーダの処理フ
ローと言える。
【００２１】次に、本発明者等が既に提案している上記
表層流の抽出アルゴリズム（特開平１１−８３９９２号
公報参照）について説明する。図７は異常流速値の検出
と補正の処理フローを示す図である。このアリゴリズム
において、もっとも困難な問題は第１次散乱スペクトル
ピーク周波数の抽出における異常値の検出と補正であ
り、次のような２つの考え方を採用して対処している。
第１はブラッグ共鳴散乱のドップラ特性である。第２は
海の流れの空間分布特性である。はじめに、第１のブラ
ッグ共鳴散乱のドップラ特性について説明する。すでに
説明したように、波浪成分波はあらゆる方向に伝搬する
ので、レーダをある方位に向けかつブラッグ共鳴条件が
成り立つ場合は、２つの共鳴スペクトルピーク周波数が
観測される。すなわち、レーダアンテナに向かってくる
波浪成分と遠ざかる波浪成分波で、それぞれドップラス
ペクトルのプラス周波数領域とマイナス周波数領域にピ
ーク周波数をもつ。これらから、２つの流れが得られる
が、正常なスペクトルであれば、同一の流れとなること
である。第２の海の流れの空間分布の特性について説明
する。海の流れは空間的に、すなわちレーダの空間分解
能のスケール（数百メートル〜数キロメートル）で一般
に滑らかに分布する。よって同時にレンジ方向で観測さ
れる分布は、例えばアンテナ方向（レンジ方向）におい
ても、滑らかに分布することになる。
表層流の抽出アルゴリズム（特開平１１−８３９９２号
公報参照）について説明する。図７は異常流速値の検出
と補正の処理フローを示す図である。このアリゴリズム
において、もっとも困難な問題は第１次散乱スペクトル
ピーク周波数の抽出における異常値の検出と補正であ
り、次のような２つの考え方を採用して対処している。
第１はブラッグ共鳴散乱のドップラ特性である。第２は
海の流れの空間分布特性である。はじめに、第１のブラ
ッグ共鳴散乱のドップラ特性について説明する。すでに
説明したように、波浪成分波はあらゆる方向に伝搬する
ので、レーダをある方位に向けかつブラッグ共鳴条件が
成り立つ場合は、２つの共鳴スペクトルピーク周波数が
観測される。すなわち、レーダアンテナに向かってくる
波浪成分と遠ざかる波浪成分波で、それぞれドップラス
ペクトルのプラス周波数領域とマイナス周波数領域にピ
ーク周波数をもつ。これらから、２つの流れが得られる
が、正常なスペクトルであれば、同一の流れとなること
である。第２の海の流れの空間分布の特性について説明
する。海の流れは空間的に、すなわちレーダの空間分解
能のスケール（数百メートル〜数キロメートル）で一般
に滑らかに分布する。よって同時にレンジ方向で観測さ
れる分布は、例えばアンテナ方向（レンジ方向）におい
ても、滑らかに分布することになる。
【００２２】上記の考え方を基に、異常値の検出法は主
に第２の特性に基づくもので、具体的な手順を示したの
が図７であり、それは次のようになる。観測されるレ
ンジ範囲を、流れ分布が直線分布で近似できる範囲に分
割する。ただし、分割する範囲の大きさは、回帰直線の
統計処理が十分に可能な観測点の数を確保できる範囲の
広さとすること。分割されたレンジ内で、流れの回帰
直線を求め、この回帰直線をもとにレンジ内での流れの
変動の標準偏差を作成する。この標準偏差値を基準とし
て異常検出を行う。
に第２の特性に基づくもので、具体的な手順を示したの
が図７であり、それは次のようになる。観測されるレ
ンジ範囲を、流れ分布が直線分布で近似できる範囲に分
割する。ただし、分割する範囲の大きさは、回帰直線の
統計処理が十分に可能な観測点の数を確保できる範囲の
広さとすること。分割されたレンジ内で、流れの回帰
直線を求め、この回帰直線をもとにレンジ内での流れの
変動の標準偏差を作成する。この標準偏差値を基準とし
て異常検出を行う。
【００２３】次に、検出された異常値の補正法を上記の
回帰直線を基に述べる。これは、主に上記の特性の第１
に基づくものである。上述したように、外部ノイズが受
信された場合、２つのスペクトルピークのうちで、小さ
いピークのノイズに埋もれる危険性がある。このため
に、次のような近似解を考えた。第１次近似として、こ
れら２つのピーク周波数の中で、スペクトル値が高いも
のとした。この流れの値の妥当性は、レンジ方向の流速
分布の特性から判定する。具体的には、上述した回帰曲
線からのズレから判断する。もしズレが標準偏差値に比
べて大きく、不適当と判断すると、第２次近似として、
もう１つのピーク値を使用する。同様な方法で、流れの
値の適正を調べる。第２次近似解でも不適当であれば、
正常な前後のレンジ方向の値から推定する。不適当値が
連続しなければ、正常な両端の値からの平均値で近似す
る。２つ異常連続する場合は、回帰曲線の値で近似する
ものである。
回帰直線を基に述べる。これは、主に上記の特性の第１
に基づくものである。上述したように、外部ノイズが受
信された場合、２つのスペクトルピークのうちで、小さ
いピークのノイズに埋もれる危険性がある。このため
に、次のような近似解を考えた。第１次近似として、こ
れら２つのピーク周波数の中で、スペクトル値が高いも
のとした。この流れの値の妥当性は、レンジ方向の流速
分布の特性から判定する。具体的には、上述した回帰曲
線からのズレから判断する。もしズレが標準偏差値に比
べて大きく、不適当と判断すると、第２次近似として、
もう１つのピーク値を使用する。同様な方法で、流れの
値の適正を調べる。第２次近似解でも不適当であれば、
正常な前後のレンジ方向の値から推定する。不適当値が
連続しなければ、正常な両端の値からの平均値で近似す
る。２つ異常連続する場合は、回帰曲線の値で近似する
ものである。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】図８はＶＨＦレーダで
１ビーム方向で観測されたドップラスペクトルの例を示
す図、図９は図８のレンジ９ｋｍでのドップラスペクト
ルの例を示す図である。表層流のスペクトルピーク周波
数の異常値の検出と補正は、２つの第１次散乱スペクト
ルピークが正常に観測されることを前提としている。第
１次散乱スペクトルは、通常の場合、非常に大きく、多
少の外部ノイズがあっても、ほとんど影響されない。し
かしながら、例えば周辺の切り立った岩礁の海岸からの
多重反射が卓越する場合、第１次散乱は、ドップラスペ
クトル分布において、必ずしももっとも高いスペクトル
ピークにならない危険性がある。典型的な例は、先に説
明した従来のＶＨＦレーダにおいて図８に示した。この
図はアンテナをある方位に固定して、約５分間エコーを
観測し得られたドップラスペクトルであり、０．５ｋｍ
〜２５ｋｍの範囲で、２つ山のスペクトルピークが生じ
たと推定される。これら２つ山のスペクトルピークがあ
るレンジの点のみに存在するなら、図７に示したアルゴ
リズムで十分に対処できる。しかしながら、図８から分
かるように、あるレンジ距離の範囲に２つ山が連続的に
分布するときは、図７のアルゴリズムだけでは十分に対
処できない。このアルゴリズムを図８に適用すると、２
つ山のピークのあるレンジ範囲で、点線で示した偽り
（照合観測値に一致しない値）のスペクトルピーク分布
を抽出してしまう。詳しく検討するために図８のレンジ
９ｋｍでのドップラスペクトルの例を示したのが図９で
ある。図７のアルゴリズムでは、第１にＮ１のピーク周
波数を選び、レンジ方向に滑らかな分布上にあれば、こ
の値から決まる流れを抽出することになる。しかしなが
ら、照合観測（従来の流速計による同時表層流観測）か
らはこの値は偽りの値で、Ｓ１とＳ２のピーク周波数に
よる値が正しいことが示された。すなわち、Ｎ１とＮ２
のピーク周波数から抽出される流れは照合観測の流れと
反対向きとなり一致せず、多重反射による偽りの外部ノ
イズと推定される。
１ビーム方向で観測されたドップラスペクトルの例を示
す図、図９は図８のレンジ９ｋｍでのドップラスペクト
ルの例を示す図である。表層流のスペクトルピーク周波
数の異常値の検出と補正は、２つの第１次散乱スペクト
ルピークが正常に観測されることを前提としている。第
１次散乱スペクトルは、通常の場合、非常に大きく、多
少の外部ノイズがあっても、ほとんど影響されない。し
かしながら、例えば周辺の切り立った岩礁の海岸からの
多重反射が卓越する場合、第１次散乱は、ドップラスペ
クトル分布において、必ずしももっとも高いスペクトル
ピークにならない危険性がある。典型的な例は、先に説
明した従来のＶＨＦレーダにおいて図８に示した。この
図はアンテナをある方位に固定して、約５分間エコーを
観測し得られたドップラスペクトルであり、０．５ｋｍ
〜２５ｋｍの範囲で、２つ山のスペクトルピークが生じ
たと推定される。これら２つ山のスペクトルピークがあ
るレンジの点のみに存在するなら、図７に示したアルゴ
リズムで十分に対処できる。しかしながら、図８から分
かるように、あるレンジ距離の範囲に２つ山が連続的に
分布するときは、図７のアルゴリズムだけでは十分に対
処できない。このアルゴリズムを図８に適用すると、２
つ山のピークのあるレンジ範囲で、点線で示した偽り
（照合観測値に一致しない値）のスペクトルピーク分布
を抽出してしまう。詳しく検討するために図８のレンジ
９ｋｍでのドップラスペクトルの例を示したのが図９で
ある。図７のアルゴリズムでは、第１にＮ１のピーク周
波数を選び、レンジ方向に滑らかな分布上にあれば、こ
の値から決まる流れを抽出することになる。しかしなが
ら、照合観測（従来の流速計による同時表層流観測）か
らはこの値は偽りの値で、Ｓ１とＳ２のピーク周波数に
よる値が正しいことが示された。すなわち、Ｎ１とＮ２
のピーク周波数から抽出される流れは照合観測の流れと
反対向きとなり一致せず、多重反射による偽りの外部ノ
イズと推定される。
【００２５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、正しい共鳴スペクトルピークを抽
出できるようにするものである。
決するものであって、正しい共鳴スペクトルピークを抽
出できるようにするものである。
【００２６】そのために本発明は、観測海域にアンテナ
を向けレーダ波を照射してエコーを受信し、エコー強度
の時系列からドップラスペクトルを求めて表層流情報を
抽出するブラッグ共鳴散乱機構を利用した短波海洋レー
ダ観測装置において、観測されたドップラスペクトルを
マイナス周波数領域とプラス周波数領域に分離し、一方
を周波数軸に沿って、ゼロのアンテナ視線方向の流れに
対応するドップラ周波数だけ平行移動してマイナス周波
数領域とプラス周波数領域を重ね合わせて両者の和の平
均演算を行って得られるドップラスペクトルに基づき、
アンテナ視線方向の流れ情報を決めるドップラスペクト
ルピーク周波数の抽出を行うことを特徴とするものであ
る。
を向けレーダ波を照射してエコーを受信し、エコー強度
の時系列からドップラスペクトルを求めて表層流情報を
抽出するブラッグ共鳴散乱機構を利用した短波海洋レー
ダ観測装置において、観測されたドップラスペクトルを
マイナス周波数領域とプラス周波数領域に分離し、一方
を周波数軸に沿って、ゼロのアンテナ視線方向の流れに
対応するドップラ周波数だけ平行移動してマイナス周波
数領域とプラス周波数領域を重ね合わせて両者の和の平
均演算を行って得られるドップラスペクトルに基づき、
アンテナ視線方向の流れ情報を決めるドップラスペクト
ルピーク周波数の抽出を行うことを特徴とするものであ
る。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る短波海洋レ
ーダ観測装置の実施の形態を説明するための図、図２は
図８に示すスペクトルの重ね合わせの処理を行ったスペ
クトルの例を示す図である。
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る短波海洋レ
ーダ観測装置の実施の形態を説明するための図、図２は
図８に示すスペクトルの重ね合わせの処理を行ったスペ
クトルの例を示す図である。
【００２８】本発明に係る短波海洋レーダ観測装置によ
る表層流の抽出アルゴリズムでは、図１に示すようにま
ず、ドップラスペクトルφをマイナス周波数領域のφＡ
とプラス周波数領域のφＢに分離する（）。次に、マ
イナス周波数領域のφＡを周波数軸に沿ってドップラ周
波数−Ｆd0だけ平行移動してマイナス周波数領域のφＢ
に重ね（）、
る表層流の抽出アルゴリズムでは、図１に示すようにま
ず、ドップラスペクトルφをマイナス周波数領域のφＡ
とプラス周波数領域のφＢに分離する（）。次に、マ
イナス周波数領域のφＡを周波数軸に沿ってドップラ周
波数−Ｆd0だけ平行移動してマイナス周波数領域のφＢ
に重ね（）、
【００２９】
【数４】
【００３０】によりマイナスの周波数軸で対数の和の平
均演算を行い（）、重ね合わされたドップラスペクト
ル分布を求める（）。この重ね合わせの処理を行った
スペクトル分布が、正しく抽出された表層流情報のスペ
クトルピーク周波数の分布となり、このドップラスペク
トル分布に基づき、先に図７で説明した従来の異常流速
値の検出と補正の処理を行う。
均演算を行い（）、重ね合わされたドップラスペクト
ル分布を求める（）。この重ね合わせの処理を行った
スペクトル分布が、正しく抽出された表層流情報のスペ
クトルピーク周波数の分布となり、このドップラスペク
トル分布に基づき、先に図７で説明した従来の異常流速
値の検出と補正の処理を行う。
【００３１】上記処理により求められる重ね合わてのド
ップラスペクトル分布について詳しく説明する。多重反
射等による大きなスペクトルピークとブラッグ散乱１次
オーダースペクトルピークの識別は、次のようなブラッ
グ散乱特性で可能となる。すなわち、図５と〔数３〕で
述べように、ブラッグ共鳴した波浪成分波はアンテナに
対して近づく波と遠ざかる波によるスペクトルピークが
あり、正常なドップラスペクトルであれば、〔数３〕か
ら両者のピーク周波数から得られる流れは同一になるこ
とである。この同一な流れ条件は、正の周波数領域での
周波数差（Ｆd−Ｆd0）と負の周波数領域での周波数差
（Ｆd ＋Ｆd0）が等しい条件となる。このことは２つの
周波数領域を各表層流ゼロの周波数に一致するように平
行移動すれば、流れに対応する周波数ズレは完全に一致
することになる。そして、移動後の周波数軸で２つのド
ップラスペクトルの和の平均をとれば、抽出したい正常
なピークは強め合うために強調され、Ｓ／Ｎが非常に改
善される。一方、上記の多重反射等の外部ノイズピーク
は、ブラッグ散乱特性を有しないために、お互いに平均
化され、非常に小さくなる。このような効果をさらに高
めるために、２つのドップラスペクトルの和の平均は、
単純な算術的な和の平均より、スペクトル値の対数の和
の平均の方がよい。
ップラスペクトル分布について詳しく説明する。多重反
射等による大きなスペクトルピークとブラッグ散乱１次
オーダースペクトルピークの識別は、次のようなブラッ
グ散乱特性で可能となる。すなわち、図５と〔数３〕で
述べように、ブラッグ共鳴した波浪成分波はアンテナに
対して近づく波と遠ざかる波によるスペクトルピークが
あり、正常なドップラスペクトルであれば、〔数３〕か
ら両者のピーク周波数から得られる流れは同一になるこ
とである。この同一な流れ条件は、正の周波数領域での
周波数差（Ｆd−Ｆd0）と負の周波数領域での周波数差
（Ｆd ＋Ｆd0）が等しい条件となる。このことは２つの
周波数領域を各表層流ゼロの周波数に一致するように平
行移動すれば、流れに対応する周波数ズレは完全に一致
することになる。そして、移動後の周波数軸で２つのド
ップラスペクトルの和の平均をとれば、抽出したい正常
なピークは強め合うために強調され、Ｓ／Ｎが非常に改
善される。一方、上記の多重反射等の外部ノイズピーク
は、ブラッグ散乱特性を有しないために、お互いに平均
化され、非常に小さくなる。このような効果をさらに高
めるために、２つのドップラスペクトルの和の平均は、
単純な算術的な和の平均より、スペクトル値の対数の和
の平均の方がよい。
【００３２】さらに、２つ山のスペクトルピーク観測例
を示した図８及び図９のドップラスペクトルで本発明に
よる重ね合わせの処理を行ったスペクトルの例に基づき
本発明を説明する。図９の実線は観測されたドップラス
ペクトルである。はじめに正の周波数領域（０Ｈｚ〜２
Ｈｚ）を切り出し、０．６６Ｈｚの点を負の周波数領域
（−２Ｈｚ〜０Ｈｚ）の−０．６６Ｈｚの点に一致する
ように周波数軸を平均移動し、両者のスペクトル値の対
数の和の平均をとる。この分布は図において、重ね合わ
せ分布として、点線で示される。点線の分布に対して、
正常なスペクトルピークが、ブラッグ散乱特性の効果に
より、多重反射のピークより明らかに大きくなる。よっ
て、スペクトルの最大のピークの周波数を抽出すれば、
正常なピーク周波数が得られ、正常な表層流が抽出され
たことになる。
を示した図８及び図９のドップラスペクトルで本発明に
よる重ね合わせの処理を行ったスペクトルの例に基づき
本発明を説明する。図９の実線は観測されたドップラス
ペクトルである。はじめに正の周波数領域（０Ｈｚ〜２
Ｈｚ）を切り出し、０．６６Ｈｚの点を負の周波数領域
（−２Ｈｚ〜０Ｈｚ）の−０．６６Ｈｚの点に一致する
ように周波数軸を平均移動し、両者のスペクトル値の対
数の和の平均をとる。この分布は図において、重ね合わ
せ分布として、点線で示される。点線の分布に対して、
正常なスペクトルピークが、ブラッグ散乱特性の効果に
より、多重反射のピークより明らかに大きくなる。よっ
て、スペクトルの最大のピークの周波数を抽出すれば、
正常なピーク周波数が得られ、正常な表層流が抽出され
たことになる。
【００３３】図２は図８のすべてのレンジ方向のドップ
ラスペクトルに上記の重ね合わせの処理を行った結果を
示したものであり、点線で示されている両者を比較する
と分かるように、２つ山のうち、図２に示すブラッグ散
乱特性による重ね合わせの分布の方が、正しいピークの
識別が可能となる。すなわち、図２に示す点線によれ
ば、２つ山のレンジ５ｋｍ〜１５ｋｍの範囲において、
図８に示す点線のピークと異なる、正しいピークを示し
ている。
ラスペクトルに上記の重ね合わせの処理を行った結果を
示したものであり、点線で示されている両者を比較する
と分かるように、２つ山のうち、図２に示すブラッグ散
乱特性による重ね合わせの分布の方が、正しいピークの
識別が可能となる。すなわち、図２に示す点線によれ
ば、２つ山のレンジ５ｋｍ〜１５ｋｍの範囲において、
図８に示す点線のピークと異なる、正しいピークを示し
ている。
【００３４】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、観測海域にアンテナを向けレーダ波を照射し
てエコーを受信し、エコー強度の時系列からドップラス
ペクトルを求めて表層流情報を抽出するブラッグ共鳴散
乱機構を利用した短波海洋レーダ観測装置において、観
測されたドップラスペクトルをマイナス周波数領域とプ
ラス周波数領域に分離し、一方を周波数軸に沿って、ゼ
ロのアンテナ視線方向の流れに対応するドップラ周波数
だけ平行移動してマイナス周波数領域とプラス周波数領
域を重ね合わせて両者の和の平均演算を行って得られる
ドップラスペクトルに基づき、アンテナ視線方向の流れ
情報を決めるドップラスペクトルピーク周波数の抽出を
行うので、外部ノイズピークが平均化されて小さくな
り、強調された正常な共鳴スペクトルピークを抽出でき
る。
によれば、観測海域にアンテナを向けレーダ波を照射し
てエコーを受信し、エコー強度の時系列からドップラス
ペクトルを求めて表層流情報を抽出するブラッグ共鳴散
乱機構を利用した短波海洋レーダ観測装置において、観
測されたドップラスペクトルをマイナス周波数領域とプ
ラス周波数領域に分離し、一方を周波数軸に沿って、ゼ
ロのアンテナ視線方向の流れに対応するドップラ周波数
だけ平行移動してマイナス周波数領域とプラス周波数領
域を重ね合わせて両者の和の平均演算を行って得られる
ドップラスペクトルに基づき、アンテナ視線方向の流れ
情報を決めるドップラスペクトルピーク周波数の抽出を
行うので、外部ノイズピークが平均化されて小さくな
り、強調された正常な共鳴スペクトルピークを抽出でき
る。
【００３５】いろいろな沿岸域でレーダ観測を行うと、
観測地域の局地的な外部ノイズを受ける。この外部ノイ
ズは、自局で発信している短波レーダ波に関係するもの
とそうでないものに分けられる。一般にノイズ除去を困
難にする外部ノイズは前者である。このようなノイズ
は、多重反射によるものが多いと言われ、識別が難し
く、かつその影響が広範囲に及ぶので、その除去法は簡
単でない。本発明は、ブラッグ散乱機構で生じたエコー
信号を確実に識別することができ、ブラッグ散乱機構の
特性の判定条件に基づく合理的なものであり、本発明に
よって抽出された流れは、照合観測結果と非常に一致す
る結果を示した。
観測地域の局地的な外部ノイズを受ける。この外部ノイ
ズは、自局で発信している短波レーダ波に関係するもの
とそうでないものに分けられる。一般にノイズ除去を困
難にする外部ノイズは前者である。このようなノイズ
は、多重反射によるものが多いと言われ、識別が難し
く、かつその影響が広範囲に及ぶので、その除去法は簡
単でない。本発明は、ブラッグ散乱機構で生じたエコー
信号を確実に識別することができ、ブラッグ散乱機構の
特性の判定条件に基づく合理的なものであり、本発明に
よって抽出された流れは、照合観測結果と非常に一致す
る結果を示した。
【図１】 本発明に係る短波海洋レーダ観測装置の実施
の形態を説明するための図である。
の形態を説明するための図である。
【図２】 図８に示すスペクトルの重ね合わせの処理を
行ったスペクトルの例を示す図である。
行ったスペクトルの例を示す図である。
【図３】 観測原理を説明するためのレーダ波と波浪成
分波のブラッグ共鳴散乱の模式図である。
分波のブラッグ共鳴散乱の模式図である。
【図４】 ドップラスペクトルの特徴を説明するための
図である。
図である。
【図５】 波浪成分波の方向スペクトルとドップラスペ
クトルの２つのピークスペクトルの関係を説明するため
の図である。
クトルの２つのピークスペクトルの関係を説明するため
の図である。
【図６】 従来の短波海洋レーダ装置による流れのアル
ゴリズムの概要を説明するための図である。
ゴリズムの概要を説明するための図である。
【図７】 異常流速値の検出と補正の処理フローを説明
するための図である。
するための図である。
【図８】 ＶＨＦレーダで１ビーム方向で観測されたド
ップラスペクトルの例を示す図である。
ップラスペクトルの例を示す図である。
【図９】 図８のレンジ９ｋｍでのドップラスペクトル
の例を示す図である。
の例を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−292273（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−93007（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−237465（ＪＰ，Ａ) 特開2000−266863（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−237477（ＪＰ，Ａ) 特開2000−310678（ＪＰ，Ａ) 特許296120（ＪＰ，Ｂ２) 特表 平７−502591（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01S 13/95 G01W 1/00
Claims (1)
- 【請求項１】 観測海域にアンテナを向けレーダ波を照
射してエコーを受信し、エコー強度の時系列からドップ
ラスペクトルを求めて表層流情報を抽出するブラッグ共
鳴散乱機構を利用した短波海洋レーダ観測装置におい
て、観測されたドップラスペクトルをマイナス周波数領
域とプラス周波数領域に分離し、一方を周波数軸に沿っ
て、ゼロのアンテナ視線方向の流れに対応するドップラ
周波数だけ平行移動してマイナス周波数領域とプラス周
波数領域を重ね合わせて両者の和の平均演算を行って得
られるドップラスペクトルに基づき、アンテナ視線方向
の流れ情報を決めるドップラスペクトルピーク周波数の
抽出を行うことを特徴とする短波海洋レーダ観測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12665599A JP3163297B2 (ja) | 1999-05-07 | 1999-05-07 | 短波海洋レーダ観測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12665599A JP3163297B2 (ja) | 1999-05-07 | 1999-05-07 | 短波海洋レーダ観測装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000314773A JP2000314773A (ja) | 2000-11-14 |
| JP3163297B2 true JP3163297B2 (ja) | 2001-05-08 |
Family
ID=14940603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12665599A Expired - Lifetime JP3163297B2 (ja) | 1999-05-07 | 1999-05-07 | 短波海洋レーダ観測装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3163297B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4827330B2 (ja) * | 2001-07-09 | 2011-11-30 | 日本無線株式会社 | レーダ波浪測定方法及び装置 |
| JP4825183B2 (ja) * | 2007-09-21 | 2011-11-30 | 財団法人電力中央研究所 | 表層流速推定方法、装置並びにプログラム |
| JP5238531B2 (ja) * | 2009-01-29 | 2013-07-17 | 長野日本無線株式会社 | レーダ装置、海洋レーダ観測装置およびドップラ周波数データ算出方法 |
| JP6137961B2 (ja) * | 2013-06-21 | 2017-05-31 | 三菱電機株式会社 | 海洋レーダ装置 |
| DE102015104776B4 (de) | 2015-03-27 | 2023-08-31 | Infineon Technologies Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten von Radarsignalen |
| JP6260877B2 (ja) * | 2016-02-24 | 2018-01-17 | 国際航業株式会社 | 海洋レーダによる津波検知装置、海洋レーダによる津波検知プログラム、及び海洋レーダの性能検証方法 |
| CN106501804A (zh) * | 2016-11-25 | 2017-03-15 | 中国石油大学(华东) | 一种利用全极化sar回波数据解析海面风浪谱的方法 |
| CN107995765B (zh) * | 2017-10-19 | 2020-09-04 | 上海无线电设备研究所 | 一种等离子腔测试背景消除方法 |
-
1999
- 1999-05-07 JP JP12665599A patent/JP3163297B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000314773A (ja) | 2000-11-14 |
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