JP3282777B2 - フエイズドアレイ・ドップラーソーダー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大気汚染の防止などを
目的として上空の風向や風速を測定するのに利用される
風速測定用ドップラー探査装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】スモッグなどの大気汚染への対策を講じ
る際に必要な上空の風向・風速のデータを収集すること
などを目的として、風速測定用ドップラー探査装置が開
発されている。この風速測定用ドップラー探査装置は、
音波や電波を上空の大気中に向けて放射し、水蒸気や汚
染物質の含有率の差に起因する大気の組成の揺らぎや、
温度差などに起因する密度の揺らぎなど大気の音響ある
いは電気特性の不連続箇所で発生する微弱な反射波を受
信する。そして、この受信した反射波に含まれる周波数
のドップラーシフト量からこの反射波を生じさせた不連
続箇所の移動速度、すなわちその箇所の風速・風向を検
出するように構成されている。

【０００３】上記ドップラー探査装置の一つとして、フ
エイズドアレイ式のものが知られている。このフエイズ
ドアレイ式のドップラー探査装置では、図２に示すよう
に、多数のトランスデューサがｘーｙ平面内にアレイ状
に配列され、各トランスデューサが東西南北の４方向に
所定量の位相差をもたせて励振される。これに伴い、各
励振方向に位相面が揃った４本の超音波ビームがｘーｙ
平面に立てた法線（天頂方向）と所定のチルト角θをな
す方向に順次放射される。位相差を持たせない状態で
は、ｘーｙ平面に立てた法線の方向、垂直方向に超音波
ビームが放射される。従って、真上と東西南北のチルト
角の方向に順次５本の超音波ビームが放射され、５ビー
ム法と称される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来、上空の風速・風
向は上述の５ビーム法などを利用して比較的高精度で検
出されてきた。しかしながら、大気汚染の防止や予想を
徹底するためには、単に風速・風向を検出するだけでな
く、風速の乱流量（２次モーメント）を検出することも
必要になる。これは、煙突から排出される煙などの汚染
源については、その広がりの大きさが風速の乱流量に支
配されるからである。従って、本発明の目的は風速の乱
流量を精度良く検出できるフエイズドアレイ型ドップラ
ー探査装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のフエイズドアレ
イ型ドップラー探査装置によれば、各風速成分の実測さ
れた速度の標準偏差σ_uM ² _, σ_VM ² _, σ_WM ² から σ_uM ² ＝σ_uT ² ＋VAR(δVr) sec²θ＋VAR(δVrz)tan²θ σ_vM ² ＝σ_vT ² ＋VAR(δVr) sec²θ＋VAR(δVrz)tan²θ σ_wM ² ＝σ_wT ² ＋VAR(δVrz) ただし、VAR(δVr) ，VAR(δVrz)は５ビーム法で測定し
た風速成分の測定誤差の標準偏差、の数式に従って、真
の標準偏差σ_uT ² _, σ_VT ² _, σ_WT ² を算定するように構
成されている。

【０００６】

【作用】図２に示した、５本のラジアルビームによって
測定された風速の水平成分Ux，Vxは次式で与えられる。 ここで、図２も参照して、Ｖrxはラジアル風速の実測
値、n,e,s,w と zはそれぞれ５本のラジアルビームの
北、東、南、西及び天頂方向への成分を示す添字、u,v
及びw は風速成分、θはチルト角を有する超音波ビーム
の仰角、δVrx はラジアル風速の実測誤差である。

【０００７】Strauchらによって提案された方法(1987)
に従って、各方向における測定の差としてＤu 及びＤv
が定義される Ｄu ＝Ｕｅ−Ｕｗ＝（δＶre＋δＶrw ) secθ−２δＶrz tanθ Ｄv ＝Ｕn −Ｕs ＝（δＶrn＋δＶrs ) secθ−２δＶrz tanθ (7)

【０００８】座標変換によるＤＣとＤＳの次のように組
を導入すると、δＶrzはＤＣ軸上のみに出現するが、δ
Ｖrx 誤差は各軸上に出現する。 ＤＣ＝（Ｄv ＋Ｄu ）／√2 ＝[(δＶre＋δＶrw＋δＶrn＋δＶrs) sec θ− 4δＶrz tanθ] ／√2 ＤＳ＝（Ｄv −Ｄu ）／√2 ＝−[(δＶre＋δＶrw−δＶrn−δＶrs) sec θ] ／√2 (8)

【０００９】ここで、δＶrxの平均値がゼロで、その標
準偏差がＶＡＲ（δＶr)に等価であると仮定すれば、Ｄ
ＣとＤＳの標準偏差は、 ＶＡＲ（ＤＣ) ＝２ＶＡＲ（δＶr)sec²θ＋８ＶＡＲ（δＶrz) tan²θ ＶＡＲ（ＤＳ) ＝２ＶＡＲ（δＶr)sec²θ (9)

【００１０】このように、ＤＳがチルト角方向のラジア
ル速度のランダム誤差によってのみばらつくのに対し
て、ＤＣはチルト角方向と垂直方向の双方におけるラン
ダム誤差を含む。これらの標準偏差は実測によって評価
可能であり、例えば、次の表３はISIE内の観測（ Takes
hisa ら,1992 ) から見積もられた誤差項である。

【００１１】チルト角方向のラジアル風速の誤差項ＶＡ
Ｒ（δＶr)^1/2 は、高度 75mでは0.11 m/sであり、高度
300ｍでは 0.18m/sである。これに対して、ＶＡＲ（δ
Ｖrz)^1/2は、高度 75mでは0.08 m/sであり、高度 300m
では 0.16 m/s である。ＶＡＲ（ＤＳ）から算定された
ＶＡＲ（δＶr)^1/2 が垂直方向のＶＡＲ（δＶrz)^1/2よ
りも若干大きくなったのは、超音波ビームの広がり空間
内における風速の風速の不均一さによるものと思われ
る。

【００１２】上記関係を利用すれば、測定誤差から分離
された(10)式に示すような乱流量(風速の２次モーメン
ト）である風速風向の標準偏差が得られる。ただし、σ
_xM ²は各風速成分の実測された速度の標準偏差であり、
σ_xT ² は得られるべき真の標準偏差、ｕ_m はｕの平均値
である。 σ_uM ² ＝σ_ue ² ＝σ_uw ² ＝ＶＡＲ（Ｕｅ−ｕ_m ）＝ＶＡＲ（Ｕｗ−ｕ_m ） ＝ＶＡＲ（ｕ’＋δＶr secθ−δＶrz tanθ ) ＝σ_uT ² ＋ＶＡＲ（δＶr) sec² θ＋ＶＡＲ（δＶrz）tan²θ σ_vM ² ＝σ_vn ² ＝σ_vs ² ＝σ_vT ² ＋ＶＡＲ（δＶr) sec² θ＋ＶＡＲ（δＶrz）tan²θ σ_wM ² ＝σ_wT ² ＋ＶＡＲ（δＶrz）

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例のフエイズドアレ
イ・ドップラーソーダーの構成を示すブロック図であ
り、１０はコントローラ、２０は送受信回路、３０はフ
エイズドアレイ・アンテナである。

【００１４】コントローラ１０は、ＣＰＵ１１、ＲＯＭ
／ＲＡＭ１２、デバイス入出力回路１３、Ａ／Ｄ変換回
路１４、入力インタフェース回路１５及び出力インタフ
ェース回路１６を備えている。送受信回路２０は、コン
トロールロジック２１、電力増幅器２２、送受信切替え
スイッチ２３、前置増幅器２４、ミキサー２５、バンド
パス・フィルタ２６、時間と共に利得が変更せしめられ
る可変利得増幅器２７及び検波器２８を備えている。ド
ップラーシフト量の検出は、シンプルホモダイン方式と
ＦＦＴ（高速フーリエ変換）との組合せによって行われ
る。

【００１５】フエイズドアレイ・アンテナ３０は、トラ
ンスデューサー素子数を従来の５×５個のアレイから16
×16＝216 個のアレイに増加させることにより指向性の
改良が図られている。すなわち、この新システムの放射
ビームの半値幅Θは、従来システムのそれが Θ_old ≒
17^o であるのに対してΘ_new ≒10^o であり、サイドロー
ブもシェーディング手法によってかなり抑圧されてい
る。各トランスデューサは90mmホーン径を有すると共
に、2100Ｈｚの動作周波数における0.6 λの間隔で配列
され、アンテナ全体として150cm ×150cm の寸法と2.1m
² の開口面積を有している。ラジアルビームのチルト角
θは20^o である。ビームレベルは、1000ワットである。

【００１６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のフ
エイズドアレイ・ドップラーソーダーによれば、実測風
速の標準偏差σ_uM ² が真の標準偏差σ_uT ² と、装置誤差
と未知の誤差とを含む風速成分の測定誤差VAR(δVx) と
に分解されるように、信号処理過程におけるランダム誤
差補償が行われる。そして、δVxの標準偏差、すなわち
VAR(δVx) は５ビームのラジアル風速の測定から算定可
能である。従って、本発明のドップラーソーダーによれ
ば、乱流量である風速・風向の標準偏差の評価の改良が
可能になり、煙突から排出される煙などの汚染源の広が
りの大きさなどを高精度で解析できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のフエイズドアレイ・ドップ
ラーソーダーの構成を示すブロック図である。

【図２】上記実施例において天頂方向にチルト角を有し
て放射されるラジアルビームによって測定される風向・
風速を説明するための概念図である。

【符号の説明】

10 コントローラ 11 ＣＰＵ 20 送受信回路 30 フエイズドアレイ・アンテナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 特許法第30条第１項適用申請有り Ｙｏｓｈｉｋｉ Ｉ ｔｏ，Ｔ．Ｕｚａｗａ，Ｔ．Ｈａｎａｆｕｓａ，ａｎｄ Ｙ．Ｍｉｔｓｕｔａ”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｓｏｄ ａｒ”３−61 (72)発明者 花房 龍男 茨城県筑波市梅園二丁目24ー12 (56)参考文献 特開 平９−89917（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−154289（ＪＰ，Ａ) Ｓｔｅｖｅｎ．Ｆ．Ｃｌｉｆｆｏｒ ｄ，Ｊ．Ｃｈａｎａｒａｎ Ｋａｉｍａ ｌ，．．．，Ｇｒｏｕｎｄ−Ｂａｓｅｄ Ｒｅｍｏｔｅ Ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ ｉｎ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｓｔｕ ｄｉｅｓ：Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ，Ｐ ＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＴＨＥ ＩＥＥＥ，米国，ＩＥＥＥ，ＶＯＬ. 83，ＮＯ．３，ＭＡＲＣＨ 1994，313 −355 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 7/00 - 17/88 G01P 5/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】大気中に音波又は電波を放射し、その反射
   信号を受信して周波数のドップラーシフト量から上空の
   風速成分とその標準偏差を測定するフエイズドアレイ・
   ドップラーソーダーにおいて、 実測された各風速成分の標準偏差σ_uM ² _, σ_VM ² _, σ_WM
   ² から σ_uM ² ＝σ_uT ² ＋VAR(δVr) sec²θ＋VAR(δVrz)tan²θ σ_vM ² ＝σ_vT ² ＋VAR(δVr) sec²θ＋VAR(δVrz)tan²θ σ_wM ² ＝σ_wT ² ＋VAR(δVrz) ただし、VAR(δVr) ，VAR(δVrz)は５ビーム法で測定し
   た風速成分の測定誤差の標準偏差、 の数式に従って、真の標準偏差σ_uT ² _, σ_VT ² _, σ_WT ²
   を算定することを特徴とするフエイズドアレイ・ドップ
   ラーソーダー。