JP4067833B2 - Wind speed vector measuring device and wind speed vector calculating method - Google Patents

Description

よってヤコビアン行列Ａは式（２）のようになる。
【数１】

一般的な最小二乗法の理論によれば、線形最小条件から式（３）の方程式が得られる。
Ａ^Ｔ ＷＡｘ＝Ａ^Ｔ Ｗｙ （３）
ただし、ｘおよびｙは、それぞれ式（４）および式（５）で定義されるベクトルである。
【数２】

また、Ｗは誤差行列であり、式（６）で表される。
【数３】

ただし、σ_ｉ はドップラ速度観測値ｖ_ｄｉの誤差の標準偏差である。
式（３）の方程式は例えば次の式（７）により解くことができる。
ｘ＝（Ａ^Ｔ ＷＡ）^−１Ａ^Ｔ Ｗｙ （７）
あるいは、実際の数値計算では、ヤコビアン行列のＱＲ分解による解法が用いられることも多い。
【００１１】
図２０は従来のＶＡＤ法による風速ベクトル算出方法の処理手順を示すフローチャートである。
ステップＳＴ１〜ＳＴ４のループでは、受信部４から出力される受信信号をステップＳＴ２で入力し、ステップＳＴ３においてフーリエ変換などの周波数解析によりドップラ速度を算出する。方位角全周分のドップラ速度が蓄積された時点でステップＳＴ１〜ＳＴ４のループを抜ける。ステップＳＴ５では、各方位角におけるヤコビアン行列を算出する。ステップＳＴ６では、ステップＳＴ３で算出したドップラ速度とステップＳＴ５で算出されたヤコビアン行列を用いて、風速ベクトルを算出する。
以上の処理を継続する場合は、ステップＳＴ７からステップＳＴ１へ分岐し、処理を継続する。操作・表示部６からの指示により、処理を終了する場合には、ステップＳＴ７から処理終了へと分岐する。
【００１２】
なお、非降水の大気をターゲットとする光波レーダでは、ｗは風の鉛直成分に対応するが、降雨をターゲットとする一般の気象レーダでは、ｗは雨滴の落下速度に対応するものとなる。
【００１３】
図２２では方位角方向に全周を観測することにより、１周期分の正弦波に対応するドップラ速度が得られているが、一般には或る限られた範囲の方位角のデータのみを用いてもよい。一部分の方位角範囲のみを用いたＶＡＤ法は、特に局所ＶＡＤ法と呼ばれている。
【００１４】
図２１は従来の局所ＶＡＤ法による風速ベクトル算出方法の他の処理手順を示すフローチャートである。この図は、図２０のステップＳＴ４をステップＳＴ４ｂに置き換えたものである。すなわち、ドップラ速度を蓄積するループにおいて、全周分の方位角でのドップラ速度が蓄積されるまでループを繰り返すのではなく、一定の方位角範囲分のドップラ速度が蓄積された時点でループを終了する。
【００１５】
通常、ＶＡＤ法では高い仰角による観測を行う。この場合、風速の一様性を仮定する円周の半径は小さくなるため、一様性の仮定の妥当性も高くなる。距離と高度が１対１に対応するため、結果として、三次元風速ベクトルの高度分布が得られることになる。風速ベクトルの３成分のうち、一般的に鉛直風成分は水平風成分よりも大きさが小さいが、高仰角で観測する場合には、ドップラ速度に含まれる鉛直風成分ｗ ｓｉｎθはそれほど小さくならない。
【００１６】
また、鉛直風を測定する従来技術として、特開平７−５０２３４１号公報「マイクロバースト前兆検出システムのための下降気流速度推定装置」の記載がある。この従来技術では、送信波を１つのビームで送信し、大気からの反射波を仰角のわずかに異なる複数の受信ビームで受信する。２つの受信において仰角差があるため、両ビームではわずかにドップラ速度がずれる。そこで、両受信ビームで得られたドップラ速度の差から鉛直風成分を抽出するようにしている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の風速ベクトル計測装置や方法は以上のように構成されているので、次のような課題があった。
ＶＡＤ法は、高度方向の風速ベクトル分布を算出するものであるが、レーダの仰角を低くすることにより、風速ベクトルの水平分布を計測するニーズもある。水平分布を計測するという目的から、必然的に方位角方向全周で風速が一様であるという前提は成立しない。そこで、風速ベクトル算出に用いる観測データの方位角の区間を局所的に限定した局所ＶＡＤ法が用いられる。この場合、ＶＡＤ曲線である正弦波の一部分のみを用いるため、鉛直風成分（正弦波の直流成分）と水平風成分（正弦波の振幅）とを分離することが難しくなる。また、低仰角となることにより、もともと水平風に比べて大きさの小さい鉛直風が、視線方向へ射影されるときにより小さくなってしまう。これらのことから、低仰角観測で鉛直風を精度良く計測することが困難であるという問題があった。
【００１８】
また、特開平７−５０２３４１号公報に記載の技術では、送信ビームを２つの受信ビームで共用する必要があるため、２つの受信ビームの仰角差は小さくする必要がある。そこでは、観測を想定しているマイクロバーストのように、大きな下降流が存在する場合は、小さな仰角差でもドップラ速度差を得ることができる。しかし、一般的な気象状況では、鉛直風は数ｍ程度と小さいため、この技術のような方法では、仰角差によるドップラ速度差を有効に得ることができないという問題があった。
【００１９】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、複数の仰角で観測されたドップラ速度を用いて風速ベクトルを算出することにより、風速ベクトル、特に鉛直成分の精度がよい計測を実現する風速ベクトル計測装置および風速ベクトル算出方法を得ることを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る風速ベクトル計測装置は、送信波を生成する送信部と、生成された送信波を電磁波として空中へ放射すると共に、大気で反射された反射電磁波を受信し受信波として取り出す電磁波放射部と、電磁波放射部から放射される電磁波のビームを仰角方向および方位角方向に指向させると共に、仰角値および方位角値を出力する駆動部と、取り出された受信波を周波数変換して受信信号を生成する受信部と、生成された受信信号と出力された仰角値および方位角値とから風速ベクトルを算出する信号処理部とを備えた風速ベクトル計測装置において、信号処理部が、受信信号を周波数解析することによりドップラ速度を算出するドップラ速度算出部と、駆動部から入力された複数の仰角値および複数の方位角値に基づいて複数の仰角の各ヤコビアン行列を算出するヤコビアン行列算出部と、算出された各ヤコビアン行列を１つのヤコビアン行列に合成するヤコビアン行列合成部と、ヤコビアン行列合成部により合成されたヤコビアン行列を用いて、予め設定された仰角値および方位角値に基づいて、風速の空間分布が一様であることを仮定して得られるドップラ速度の方位角分布の正弦波モデルを仰角毎に設定し、ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度に正弦波モデルのそれぞれを当てはめることにより３次元風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出部とを有したものである。
【００２４】
この発明に係る風速ベクトル計測装置は、駆動部が、２つの仰角へ電磁波のビームを指向するようにしたものである。
【００２５】
この発明に係る風速ベクトル計測装置は、駆動部が、異なる仰角での水平走査を繰り返すように電磁波のビームを指向するようにしたものである。
【００２６】
この発明に係る風速ベクトル計測装置は、駆動部が、異なる方位角での鉛直走査を繰り返すように電磁波のビームを指向するようにしたものである。
【００２７】
この発明に係る風速ベクトル計測装置は、信号処理部が、ドップラ速度算出部で算出したドップラ速度を距離方向に内挿するドップラ速度内挿部を有し、この内挿されたドップラ速度を風速ベクトル算出部へ入力するようにしたものである。
【００２９】
この発明に係る風速ベクトル算出方法は、空中に電磁波を放射し、大気で反射された反射電磁波を受信して得た受信信号を周波数解析することによりドップラ速度を算出し、風速の空間分布の一様性を仮定することにより風速ベクトルを算出する風速ベクトル計測装置の風速ベクトル算出方法において、受信信号を入力するステップと、受信信号に周波数解析を施すことによりドップラ速度を算出するステップと、全方位角および全仰角に対してドップラ速度の算出を順次行わせ完了させるステップと、観測した方位角を部分区間に分割し、そのうちの１つを、風速ベクトル算出を行う方位角部分区間として選択するステップと、選択された方位角部分区間において仰角毎にヤコビアン行列を算出するステップと、仰角毎に算出されたヤコビアン行列を１つのヤコビアン行列に合成するステップと、合成されたヤコビアン行列と算出されたドップラ速度から線形方程式を解くことにより風速ベクトルを算出するステップと、全ての方位角部分区間について風速ベクトルの算出を順次行わせ完了させるステップとを有したものである。
【００３０】
この発明に係る風速ベクトル算出方法は、空中に電磁波を放射し、大気で反射された反射電磁波を受信して得た受信信号を周波数解析することによりドップラ速度を算出し、風速の空間分布の一様性を仮定することにより風速ベクトルを算出する風速ベクトル計測装置の風速ベクトル算出方法において、異なる方位角での鉛直走査を繰り返す電磁波のビームに対して得られる受信信号を入力するステップと、受信信号に周波数解析を施すことによりドップラ速度を算出するステップと、方位角部分区間内の方位角および全仰角に対してドップラ速度の算出を順次行わせ完了させるステップと、現在の方位角部分区間において仰角毎にヤコビアン行列を算出するステップと、仰角毎に算出されたヤコビアン行列を１つのヤコビアン行列に合成するステップと、合成されたヤコビアン行列と算出されたドップラ速度から線形方程式を解くことにより風速ベクトルを算出するステップと、受信信号を入力する期間において上記各ステップの処理を継続させるステップとを有したものである。
【００３１】
この発明に係る風速ベクトル算出方法は、線形方程式を解くことにより風速ベクトルを算出するステップにおいて、異なる仰角において等距離のデータを用いて風速ベクトルを算出するようにしたものである。
【００３２】
この発明に係る風速ベクトル算出方法は、受信信号に周波数解析を施すことによりドップラ速度を算出するステップの直後に、異なる仰角において同じ水平距離のドップラ速度を得るように、算出されたドップラ速度を距離方向で内挿するステップを有したものである。
【００３３】
この発明に係る風速ベクトル算出方法は、受信信号に周波数解析を施すことによりドップラ速度を算出するステップの直後に、異なる仰角において同じ高度のドップラ速度を得るように、算出されたドップラ速度を距離方向で内挿するステップを有したものである。
【００３４】
この発明に係る風速ベクトル算出方法は、空中に電磁波を放射し、大気で反射された反射電磁波を受信して得た受信信号を周波数解析することによりドップラ速度を算出し、風速の空間分布の一様性を仮定することにより風速ベクトルを算出する風速ベクトル計測装置の風速ベクトル算出方法において、観測した方位角を方位角部分区間に分割し、そのうちの１つを、風速ベクトル算出を行う方位角部分区間として選択するステップと、選択された方位角部分区間において仰角毎にヤコビアン行列を算出するステップと、仰角毎に算出されたヤコビアン行列を１つのヤコビアン行列に合成するステップと、全ての方位角部分区間に対してヤコビアン行列の算出を順次行わせ完了させるステップと、受信信号を入力するステップと、受信信号に周波数解析を施すことによりドップラ速度を算出するステップと、全方位角および全仰角に対してドップラ速度の算出を順次行わせ完了させるステップと、方位角区間の１つを選択するステップと、選択された方位角区間について、線形方程式を解くことにより合成されたヤコビアン行列から風速ベクトルを算出するステップと、全ての方位角部分区間に対して風速ベクトルの算出を順次行わせ完了させるステップとを有したものである。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による風速ベクトル計測装置の全体構成を示すブロック図で、この全体構成は前述した従来技術の図１８と大略同じ構成を持つが、この実施の形態１では信号処理部５０の内部構成が図１８の信号処理部５と異なる。したがって、同じ部分についての説明は省略する。
図２は実施の形態１に係る信号処理部５０の内部構成を示すブロック図で、図において、１０２−１〜１０２−ＮはＮ個のヤコビアン行列算出部、１０４はヤコビアン行列合成部である。１０１はドップラ速度算出部、１０３は線形方程式計算部（風速ベクトル算出部）である。
【００３６】
次に動作について説明する。
ドップラ速度算出部１０１が受信信号からドップラ速度を求め、線形方程式計算部１０３が最小二乗法により風速ベクトルを算出することは、図１９に示した従来の信号処理部５と同じである。ただし、従来は１つの仰角に対するヤコビアン行列をヤコビアン行列算出部１０２で求めていたのに対し、この実施の形態１では、用いた複数の仰角毎にヤコビアン行列をまず算出する。具体的には、ヤコビアン行列算出部１０２−１は仰角１で観測した場合の仰角値と方位角値からヤコビアン行列１を算出する。また、ヤコビアン行列算出部１０２−２では、仰角２で観測した場合の仰角値と方位角値とからヤコビアン行列２を算出する。以下同様にして、仰角Ｎでの観測に対応したヤコビアン行列Ｎまで算出する。個々のヤコビアン行列の算出方法は、従来の信号処理部５内のヤコビアン行列算出部１０２と同じである。
【００３７】
算出されたヤコビアン行列１からヤコビアン行列Ｎは、ヤコビアン行列合成部１０４において１つのヤコビアン行列にまとめられる。仰角ｉにおける方位角数をＭ_ｉ とすると、ヤコビアン行列ｉはＭ_ｉ 行３列の行列となる。ヤコビアン行列１からヤコビアン行列Ｎを、図３に示すように縦に並べる方向に連結することにより、１つのヤコビアン行列を生成する。生成されたヤコビアン行列の列数は３であり、行数は
【数４】

である。
【００３８】
図４はビーム走査の方法の例を示す説明図である。この例では、異なる仰角での水平走査を順に繰り返すようにしているため、従来の一般的な気象レーダに適用することも可能である。
【００３９】
図５はこの発明の実施の形態１による風速ベクトル算出方法の処理手順を示すフローチャートである。
ステップＳＴ１０１〜ＳＴ１０４のループでは、受信部４から出力される受信信号をステップＳＴ１０２で入力し、ステップＳＴ１０３においてフーリエ変換などの周波数解析によりドップラ速度を算出する。全方位角および全仰角分のドップラ速度が蓄積された時点でステップＳＴ１０１〜ＳＴ１０４のループから抜ける。ステップＳＴ１０５では、仰角１から仰角Ｎに対して、仰角毎にヤコビアン行列を算出する。ステップＳＴ１０６では、仰角毎のヤコビアン行列を１つのヤコビアン行列に合成する。
【００４０】
ステップＳＴ１０７では、ステップＳＴ１０３で算出したドップラ速度とステップＳＴ１０６で合成したヤコビアン行列を用いて、風速ベクトルを算出する。以上の処理を継続する場合は、ステップＳＴ１０８からステップＳＴ１０１へ分岐し、処理を継続する。操作・表示部６からの指示により、処理を終了する場合には、ステップＳＴ１０８から処理終了へと分岐する。
【００４１】
図６はこの実施の形態１に係る風速ベクトル算出方法の原理を示す説明図で、観測データ（ドップラ速度）へのモデル曲線（正弦波モデル）のフィッティングの状況を模式的に図示したものである。この例は、仰角数は２とし、仰角１の方が仰角２よりも低仰角とした場合である。図において、仰角１による観測結果を○、仰角２による観測結果を×で示す。破線で示す正弦波は仰角１のデータに対して当てはめた理論ＶＡＤ曲線であり、実線で示す正弦波は仰角２のデータに対して当てはめた理論ＶＡＤ曲線である。異なる２つの仰角を用いることにより、２つの理論ＶＡＤ曲線の差に鉛直風の情報が含まれるようになる。したがって、１つの仰角のみを用いた従来のＶＡＤ法に比べて、風速ベクトル、特に鉛直風成分の計測精度を向上させるのに、複数仰角によるＶＡＤ法が有効となる。
【００４２】
なお、風速ベクトル算出は、距離毎に行われるが、複数仰角を用いた場合には、仰角は異なってもほぼ同じ位置とみなせるデータを用いて風速ベクトルを合成するのがよい。例えば図７では、仰角は異なっても距離が同じであれば、風速ベクトルが同じであるとして、風速ベクトルを合成することを示している。ここでは、◇で示した点のドップラ速度を合成して距離Ｎの風速ベクトルを求め、△で示した点のドップラ速度を合成して距離Ｎ＋１の風速ベクトルを求め、□で示した点のドップラ速度を合成して距離Ｎ＋２の風速ベクトルを求めることを示している。
【００４３】
また、以上の説明では、水平走査を複数の仰角で実行して観測データを得るとしていたが、走査方法については必ずしも水平と限らなくてもよい。例えば、図８のようにｚ軸からずれた軸を中心とする円錐状走査を、走査方向と回転軸の間の角度を複数に変えて実行するようにしてもよい。この場合、図８に示すような高度範囲で風速が一様と仮定することになる。また風速ベクトル算出式については、円錐状走査の回転軸がｚ軸となるように座標系を回転して考えれば、水平走査の場合の式がそのまま使用できる。
なお、この実施の形態１では、風速ベクトルの計測について、モデルフィッティング法としてヤコビアン行列を用いた最小二乗法を説明してきたが、勿論、モデルフィッティング法の手法として他のものを用いても行うことができる。
【００４４】
以上のように、この実施の形態１によれば、複数の仰角を用いてＶＡＤ法による風速ベクトル計測を行うようにしているので、風速ベクトル、特に鉛直風を精度良く算出できる効果が得られる。また、仰角数を２とすれば、全観測方向の走査に要する時間を最小限にして、鉛直風計測精度を向上させる効果が得られる。さらに、等距離のドップラ速度データを合成して風速ベクトルを算出するようにしているので、処理を比較的簡易とする効果が得られる。
【００４５】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、全方位角範囲で一つのＶＡＤ曲線を当てはめることを想定した場合について示したものである。この実施の形態２では、方位角範囲のうちの部分的な方位角の区間（方位角部分区間）において、ＶＡＤ曲線を当てはめる場合について示す。この場合、前述した従来の局所ＶＡＤ法を、複数の仰角を観測する場合に拡張したものといえる。この実施の形態２に係る風速ベクトル計測装置の構成は、実施の形態１のものと同じであるが、風速ベクトル算出方法の処理の流れに異なる部分がある。
【００４６】
図９はこの発明の実施の形態２に係る風速ベクトル算出方法の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＳＴ２０１〜ＳＴ２０４のループでは、受信部４から出力される受信信号をステップＳＴ２０２で入力し、ステップＳＴ２０３においてフーリエ変換などの周波数解析によりドップラ速度を算出する。全方位角、仰角のドップラ速度が蓄積された時点でステップＳＴ２０１〜ＳＴ２０４のループを抜ける。
【００４７】
ステップＳＴ２０５〜ＳＴ２０９のループでは、方位角部分区間毎に風速ベクトルの算出を行う。
まず、ステップＳＴ２０６では、仰角１から仰角Ｎに対して、仰角毎にヤコビアン行列を算出する。ステップＳＴ２０７では、ＳＴ２０６で仰角毎に算出したヤコビアン行列を１つのヤコビアン行列へと合成する。ステップＳＴ２０８では、ステップＳＴ２０３で算出したドップラ速度とステップＳＴ２０７で合成したヤコビアン行列を用いて、風速ベクトルを算出する。ステップＳＴ２０９では、全ての方位角部分区間で風速ベクトルの算出が完了したかどうかを判定し、完了していればステップＳＴ２１０へ進み、未完了であればステップＳＴ２０６へ戻り、次の方位角部分区間の処理に進む。
以上の処理を継続する場合は、ステップＳＴ２１０からＳＴ２０１へ分岐し、処理を継続する。操作・表示部６からの指示により、処理を終了する場合には、ステップＳＴ２１０から処理終了へと分岐する。
【００４８】
図１０はこの実施の形態２に係る風速ベクトル算出方法の原理を示す説明図で、観測データ（ドップラ速度）へのモデルフィッティングの状況を模式的に図示したものである。ただし、仰角数は２としている。図において、仰角１による観測結果を○、仰角２による観測結果を×で示している。また、仰角１の方が仰角２よりも低仰角であるとしている。破線で示す正弦波は仰角１のデータに対して当てはめた理論ＶＡＤ曲線、実線で示す正弦波は仰角２のデータに対して当てはめた理論ＶＡＤ曲線である。異なる２つの仰角を用いることにより、２つの理論ＶＡＤ曲線の差に鉛直風の情報が含まれるようになる。方位角を部分区間に限定しているため、単一仰角を用いた場合には鉛直風成分に対応するＶＡＤ曲線の直流成分を抽出することが特に困難であるが、複数仰角を用いた場合には、仰角差の成分を検出することにより、鉛直風成分の抽出がより正確になる。
【００４９】
以上のように、この実施の形態２によれば、方位角範囲のうちの部分的な方位角の区間において、ＶＡＤ曲線を当てはめ、局所ＶＡＤ法を、複数の仰角を観測し、仰角差の成分を検出するようにしたので、鉛直風成分の抽出がより正確に行える効果が得られる。
【００５０】
実施の形態３．
上記実施の形態１および実施の形態２では、異なる仰角による水平走査を繰り返すことにより、ドップラ速度データを収集することを想定していたが、この実施の形態３では、異なる方位角による鉛直走査を繰り返すことにより、ドップラ速度データを収集することについて説明する。
図１２は実施の形態３に係る風速ベクトル計測装置のビーム走査方法を示す説明図で、異なる方位角による鉛直走査を繰り返す例を示したものである。この図では、仰角数が２の場合を想定し、観測を行う方向に●を表示している。まず駆動部７により電磁波放射部３を制御して仰角１で観測し、方位角を変えずに仰角２まで仰角を上昇させ、観測を行う。次に仰角を変えずにビームを水平方向へ移動させ、観測を行う。次に方位角を変えずに仰角を仰角１まで下げて、観測を行う。これを繰り返すことにより、仰角１と仰角２の観測を全方位角範囲で行う。
【００５１】
ここで、図１２では仰角１と仰角２とで同じ方位角で観測を行っているが、仰角１と仰角２とで異なる方位角で観測を行うようにしてもよい。例えば、図１３に示すように、水平走査中に仰角１と仰角２での観測を交互に繰り返すようにしてもよい。また、図１２と図１３では、仰角数を２として説明したが、仰角数は３以上であってもよい。
【００５２】
この実施の形態３に係る風速ベクトル計測装置の構成は実施の形態１のものと同じであるが、風速ベクトル算出方法の処理の流れにおいて下記のように異なる部分がある。
図１１はこの発明の実施の形態３に係る風速ベクトル算出方法の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＳＴ３０１〜ＳＴ３０４のループでは、受信部４から出力される受信信号をステップＳＴ３０２で入力し、ステップＳＴ３０３においてフーリエ変換などの周波数解析によりドップラ速度を算出する。現在の方位角部分区間の観測が完了し、その区間のドップラ速度が蓄積された時点でステップＳＴ３０１〜ＳＴ３０４のループを抜ける。ステップＳＴ３０５では、仰角１から仰角Ｎに対して、仰角毎に現在の方位角部分区間のヤコビアン行列を算出する。ステップＳＴ３０６では、ステップＳＴ３０５で仰角毎に算出したヤコビアン行列を１つのヤコビアン行列へと合成する。ステップＳＴ３０７では、ステップＳＴ３０３で算出したドップラ速度とステップＳＴ３０６で合成したヤコビアン行列を用いて、現在の方位角部分区間での風速ベクトルを算出する。
以上の処理を継続する場合は、ステップＳＴ３０８からステップＳＴ３０１へ分岐し、処理を継続する。操作・表示部６からの指示により、処理を終了する場合には、ステップＳＴ３０８から処理終了へと分岐する。
【００５３】
この実施の形態３によれば、全観測方向の観測が終了するのを待たずに、方位角部分区間の観測が終了する毎に、風速ベクトル算出結果を出力することができるので、実時間処理に適用するのに向いている。また、蓄積するドップラ速度データは方位角部分区間内のもののみであるため、蓄積に要するメモリが少ない場合にも実時間処理が可能となる効果が得られる。
【００５４】
実施の形態４．
前述の実施の形態１では、図７に示したように、仰角は異なっても距離が同じであれば、風速ベクトルが同じであるとして、風速ベクトルを合成することを示した。これに対し、この実施の形態４では、等水平距離または等高度のドップラ速度を用いて風速ベクトルを合成するようにしたものである。
この実施の形態４による風速ベクトル計測装置の全体構成は、信号処理部５０を置き換えることを除けば前述の図１と同じである。図１４はこの実施の形態４に係る風速ベクトル計測装置の信号処理部５１の内部構成を示すブロック図である。図において、１０６はドップラ速度内挿部で、他の構成の部分は図２の信号処理部５０と同じである。
【００５５】
次に信号処理部５１の動作について説明する。
ドップラ速度算出部１０１で算出されたドップラ速度は、ドップラ速度内挿部１０６に入力される。一般的にドップラ速度は距離分解能毎に得られるが、これを水平距離に置き換えた場合、異なる仰角では異なる水平距離でドップラ速度が算出されることになる。そこで、ドップラ速度内挿部１０６では、ドップラ速度を距離方向に内挿することにより、異なる仰角で同じ水平距離でのドップラ速度が得られるようにする。これを図１５に模式的に示す。図１５では、仰角２において、△のデータと□のデータを内挿することにより、水平距離Ｎ＋１の点（黒△で示した点）でのドップラ速度を求めることができる。よって、これを仰角１の△と合成すれば、同じ水平位置のデータを用いた風速ベクトル算出を行うことができる。この方法は、特に水平方向に風速分布の変化が大きい場合に有効である。
【００５６】
また、水平位置ではなく、同一高度での風速ベクトル合成を考えることもできる。この異なる仰角で等高度の観測点を組合せる方法の例を図１６に示す。図１６では、仰角２において、△のデータと◇のデータを内挿することにより、高度Ｎ＋１の点（黒△で示した点）でのドップラ速度を求めることができる。よって、これを仰角１の△と合成すれば、同じ高度のデータを用いた風速ベクトル算出を行うことができる。この方法は、特に高度方向に風速分布の変化が大きい場合に有効である。
【００５７】
ドップラ速度内挿部１０６から出力されたドップラ速度は、線形方程式計算部１０３へと出力され、風速ベクトル算出処理が施される。その他の動作については、実施の形態１の場合と同じである。
【００５８】
以上のように、この実施の形態４によれば、ドップラ速度内挿部１０６を備えることにより、水平方向に風速分布の変化が大きい場合、あるいは高度方向に風速分布の変化が大きい場合にも、風速一様性の前提条件からの実際の風速のずれの影響を小さくすることができるため、風速ベクトル算出精度の劣化を防ぐ効果が得られる。
【００５９】
実施の形態５．
これまで述べた実施の形態１乃至４では、ヤコビアン行列はその都度算出していた。しかし、ヤコビアン行列は観測する際の方位角と仰角によって定まるものであるから、予め観測方向が確定している場合には、ヤコビアン行列を予め計算しておくようにしてもよい。
【００６０】
図１７はこの発明の実施の形態５に係る風速ベクトル算出方法の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＳＴ５０１〜ＳＴ５０４のループでは、各方位角部分区間でのヤコビアン行列を計算する。
まず、ステップＳＴ５０２では、仰角１から仰角Ｎに対して、対象とする部分区間で仰角毎にヤコビアン行列を算出する。ステップＳＴ５０３では、ステップＳＴ５０２で仰角毎に算出したヤコビアン行列を１つのヤコビアン行列に合成する。ステップＳＴ５０４では、全ての方位角部分区間でヤコビアン行列の算出が完了したかどうかを判定する。全て完了している場合は、ステップＳＴ５０５へ分岐し、未完了の場合はステップＳＴ５０２に戻って、次の方位角部分区間におけるヤコビアン行列の算出処理に移る。
【００６１】
ステップＳＴ５０５〜ＳＴ５０８のループでは、受信部４から出力される受信信号をステップＳＴ５０６で入力し、ステップＳＴ５０７においてフーリエ変換などの周波数解析によりドップラ速度を算出する。全方位角および全仰角に対するドップラ速度が蓄積された時点でステップＳＴ５０５〜スＳＴ５０８のループを抜ける。
【００６２】
ステップＳＴ５０９〜ＳＴ５１１のループでは、方位角部分区間毎に風速ベクトルの算出を行う。
ステップＳＴ５１０では、ステップＳＴ５０７で算出したドップラ速度とステップＳＴ５０３で合成したヤコビアン行列を用いて、風速ベクトルを算出する。ステップＳＴ５１１では、全ての方位角部分区間に対して風速ベクトルの算出が完了したかどうかを判定し、完了していればステップＳＴ５１２へ進み、未完了であればステップＳＴ５１０へ戻り、次の方位角部分区間の処理に進む。
以上の処理を継続する場合は、ステップＳＴ５１２からステップＳＴ５０５へ分岐し、処理を継続する。操作・表示部６からの指示により、処理を終了する場合には、ステップＳＴ５１２から処理終了へと分岐する。
【００６３】
なお、以上のフローチャートは図９に示した風速ベクトル算出方法について、ヤコビアン行列を事前に計算するように修正したものであるが、同様の修正は、図５、図１１に示した風速ベクトル算出方法に対しても行うことができる。
【００６４】
以上のように、この実施の形態５によれば、ヤコビアン行列を予め計算するようにしたので、風速ベクトル算出に要する計算時間を短縮できる効果が得られる。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、送信波を生成する送信部と、生成された送信波を電磁波として空中へ放射すると共に、大気で反射された反射電磁波を受信し受信波として取り出す電磁波放射部と、電磁波放射部から放射される電磁波のビームを仰角方向および方位角方向に指向させると共に、仰角値および方位角値を出力する駆動部と、取り出された受信波を周波数変換して受信信号を生成する受信部と、生成された受信信号と出力された仰角値および方位角値とから風速ベクトルを算出する信号処理部とを備えた風速ベクトル計測装置において、信号処理部が、受信信号を周波数解析することによりドップラ速度を算出するドップラ速度算出部と、駆動部から入力された複数の仰角値および複数の方位角値に基づいて複数の仰角の各ヤコビアン行列を算出するヤコビアン行列算出部と、算出された各ヤコビアン行列を１つのヤコビアン行列に合成するヤコビアン行列合成部と、ヤコビアン行列合成部により合成されたヤコビアン行列を用いて、予め設定された仰角値および方位角値に基づいて、風速の空間分布が一様であることを仮定して得られるドップラ速度の方位角分布の正弦波モデルを仰角毎に設定し、ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度に正弦波モデルのそれぞれを当てはめることにより３次元風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出部とを有するように構成したので、風速ベクトル、特に鉛直風を精度良く算出することができる効果がある。また、予め設定された仰角値および方位角値に基づいて、風速の空間分布が一様であることを仮定して得られるドップラ速度の方位角分布の正弦波モデルを仰角毎に設定したため、ヤコビアン行列を予め算出することが可能となり、風速ベクトルの算出に要する計算時間の短縮を可能とする効果がある。
【００６９】
この発明によれば、駆動部が、２つの仰角へ電磁波のビームを指向するように構成したので、仰角数を２とすることにより、全観測方向の走査に要する時間を最小限にして、鉛直風の計測精度を向上させる効果がある。
【００７０】
この発明によれば、駆動部が、異なる仰角での水平走査を繰り返すように電磁波のビームを指向するように構成したので、従来からある一般的な気象レーダにも容易に適用することができるという効果がある。
【００７１】
この発明によれば、駆動部が、異なる方位角での鉛直走査を繰り返すように電磁波のビームを指向するように構成したので、異なる方位角での鉛直走査を繰り返すことにより計測を行うため、全観測方向の観測が終了するのを待たずに、方位角部分区間の観測が終了する毎に、風速ベクトルの算出結果を出力することができ、実時間処理に適し、また、蓄積するドップラ速度データは方位角部分区間内のもののみであるため、蓄積に要するメモリが少ない場合にも実時間処理が可能となる効果がある。
【００７２】
この発明によれば、信号処理部が、ドップラ速度算出部で算出したドップラ速度を距離方向に内挿するドップラ速度内挿部を有し、この内挿されたドップラ速度を風速ベクトル算出部へ入力するように構成したので、水平方向に風速分布の変化が大きい場合、あるいは高度方向に風速分布の変化が大きい場合にも、風速一様性の前提条件からの実際の風速のずれの影響を小さくすることができるため、風速ベクトル算出精度の劣化を防ぐことができる効果がある。
【００７４】
この発明によれば、空中に電磁波を放射し、大気で反射された反射電磁波を受信して得た受信信号を周波数解析することによりドップラ速度を算出し、風速の空間分布の一様性を仮定することにより風速ベクトルを算出する風速ベクトル計測装置の風速ベクトル算出方法において、受信信号を入力するステップと、受信信号に周波数解析を施すことによりドップラ速度を算出するステップと、全方位角および全仰角に対してドップラ速度の算出を順次行わせ完了させるステップと、観測した方位角を部分区間に分割し、そのうちの１つを、風速ベクトル算出を行う方位角部分区間として選択するステップと、選択された方位角部分区間において仰角毎にヤコビアン行列を算出するステップと、仰角毎に算出されたヤコビアン行列を１つのヤコビアン行列に合成するステップと、合成されたヤコビアン行列と算出されたドップラ速度から線形方程式を解くことにより風速ベクトルを算出するステップと、全ての方位角部分区間について風速ベクトルの算出を順次行わせ完了させるステップとを有するように構成したので、複数の仰角を用いてＶＡＤ法による風速ベクトル計測を行い、風速ベクトル、特に鉛直風を精度良く算出できると共に、方位角部分区間毎に風速ベクトルを算出することにより、風速ベクトルの水平方向の空間分布を得ることができる効果がある。
【００７５】
この発明によれば、空中に電磁波を放射し、大気で反射された反射電磁波を受信して得た受信信号を周波数解析することによりドップラ速度を算出し、風速の空間分布の一様性を仮定することにより風速ベクトルを算出する風速ベクトル計測装置の風速ベクトル算出方法において、異なる方位角での鉛直走査を繰り返す電磁波のビームに対して得られる受信信号を入力するステップと、受信信号に周波数解析を施すことによりドップラ速度を算出するステップと、方位角部分区間内の方位角および全仰角に対してドップラ速度の算出を順次行わせ完了させるステップと、現在の方位角部分区間において仰角毎にヤコビアン行列を算出するステップと、仰角毎に算出されたヤコビアン行列を１つのヤコビアン行列に合成するステップと、合成されたヤコビアン行列と算出されたドップラ速度から線形方程式を解くことにより風速ベクトルを算出するステップと、受信信号を入力する期間において上記各ステップの処理を継続させるステップとを有するように構成したので、複数の仰角を用いてＶＡＤ法による風速ベクトル計測を行い、風速ベクトル、特に鉛直風を精度良く算出できると共に、全観測方向の観測が終了するのを待たずに、方位角部分区間の観測が終了する毎に、風速ベクトル算出結果を出力することができ、実時間処理に適する効果がある。また、蓄積するドップラ速度データは方位角部分区間内のもののみであるため、蓄積に要するメモリが少ない場合にも実時間処理が可能となる効果がある。
【００７６】
この発明によれば、線形方程式を解くことにより風速ベクトルを算出するステップにおいて、異なる仰角において等距離のデータを用いて風速ベクトルを算出するように構成したので、比較的簡易に処理することができる効果がある。
【００７７】
この発明によれば、受信信号に周波数解析を施すことによりドップラ速度を算出するステップの直後に、異なる仰角において同じ水平距離のドップラ速度を得るように、算出されたドップラ速度を距離方向で内挿するステップを有するように構成したので、水平方向に風速分布の変化が大きい場合にも、風速一様性の前提条件からの実際の風速のずれの影響を小さくすることができるため、風速ベクトル算出精度の劣化を防ぐことができる効果がある。
【００７８】
この発明によれば、受信信号に周波数解析を施すことによりドップラ速度を算出するステップの直後に、異なる仰角において同じ高度のドップラ速度を得るように、算出されたドップラ速度を距離方向で内挿するステップを有するように構成したので、ドップラ速度内挿部を備えることにより、高度方向に風速分布の変化が大きい場合にも、風速一様性の前提条件からの実際の風速のずれの影響を小さくすることができるため、風速ベクトル算出精度の劣化を防ぐことができる効果がある。
【００７９】
この発明によれば、空中に電磁波を放射し、大気で反射された反射電磁波を受信して得た受信信号を周波数解析することによりドップラ速度を算出し、風速の空間分布の一様性を仮定することにより風速ベクトルを算出する風速ベクトル計測装置の風速ベクトル算出方法において、観測した方位角を方位角部分区間に分割し、そのうちの１つを、風速ベクトル算出を行う方位角部分区間として選択するステップと、選択された方位角部分区間において仰角毎にヤコビアン行列を算出するステップと、仰角毎に算出されたヤコビアン行列を１つのヤコビアン行列に合成するステップと、全ての方位角部分区間に対してヤコビアン行列の算出を順次行わせ完了させるステップと、受信信号を入力するステップと、受信信号に周波数解析を施すことによりドップラ速度を算出するステップと、全方位角および全仰角に対してドップラ速度の算出を順次行わせ完了させるステップと、方位角区間の１つを選択するステップと、選択された方位角区間について、線形方程式を解くことにより合成されたヤコビアン行列から風速ベクトルを算出するステップと、全ての方位角部分区間に対して風速ベクトルの算出を順次行わせ完了させるステップとを有するように構成したので、ヤコビアン行列を予め計算するようにしたため、風速ベクトル算出に要する計算時間を短縮できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による風速ベクトル計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】 同実施の形態１に係る信号処理部の内部構成を示すブロック図である。
【図３】 同実施の形態１に係るヤコビアン行列の合成方法を示す説明図である。
【図４】 同実施の形態１に係る風速ベクトル計測装置のビーム走査方法を示す説明図である。
【図５】 同実施の形態１による風速ベクトル算出方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】 同実施の形態１に係る風速ベクトル算出方法の原理を示す説明図である。
【図７】 同実施の形態１に係る風速ベクトル算出方法における観測点を組合せる方法を示す説明図である。
【図８】 同実施の形態１に係る円錐走査を行った場合の走査方法を説明する説明図である。
【図９】 同実施の形態２に係る風速ベクトル算出方法の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１０】 同実施の形態２に係る風速ベクトル算出方法の原理を示す説明図である。
【図１１】 同実施の形態３に係る風速ベクトル算出方法の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１２】 同実施の形態３に係る風速ベクトル計測装置のビーム走査方法を示す説明図である。
【図１３】 同実施の形態３に係る風速ベクトル計測装置の別のビーム走査方法を示す説明図である。
【図１４】 同実施の形態４に係る風速ベクトル計測装置の信号処理部の内部構成を示す説明図である。
【図１５】 同実施の形態４に係る風速ベクトル算出方法における観測点組合せ方法を示す説明図である。
【図１６】 同実施の形態４に係る風速ベクトル算出方法における他の観測点組合せ方法を示す説明図である。
【図１７】 同実施の形態５に係る風速ベクトル算出方法の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１８】 従来の風速ベクトル計測装置の構成を示すブロック図である。
【図１９】 従来の風速ベクトル計測装置の信号処理部の内部構成を示すブロック図である。
【図２０】 従来の風速ベクトル算出方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図２１】 従来の風速ベクトル算出方法の他の処理手順を示すフローチャートである。
【図２２】 従来の風速ベクトル算出方法の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 送信部、２ 送受切替部、３ 電磁波放射部、４ 受信部、５，５０，５１ 信号処理部、６ 操作・表示部、７ 駆動部、８ センサ制御部、１０１ ドップラ速度算出部、１０２，１０２−１〜１０２−Ｎ ヤコビアン行列算出部、１０３ 線形方程式計算部、１０４ ヤコビアン行列合成部、１０６ ドップラ速度内挿部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wind speed vector measuring apparatus and a wind speed vector calculating method for measuring a wind speed vector at a remote point using radio waves, light waves, or sound waves.
[0002]
[Prior art]
Observation of the spatial distribution of wind speed is an important observation item in weather monitoring and weather forecasting. For example, in airport weather Doppler radar, the position where the wind is changing suddenly is detected by observing the wind speed distribution around the runway. By reflecting the detection result in the flight plan, the safety of air traffic is improved. In radars that use the Doppler effect for wind observation, only the wind speed component in the line-of-sight direction when the observation target is viewed from the radar is measured, and the wind speed component in the direction orthogonal to the radar line-of-sight direction is measured directly. I can't. However, there are many needs to observe a three-dimensional vector of wind speed by measuring the wind speed component in the direction orthogonal to the radar line-of-sight direction.
[0003]
Therefore, an observation method may be employed in which Doppler radars are arranged at a plurality of points, the same observation area is observed simultaneously, and Doppler velocities measured from different directions are combined to calculate a wind speed vector. However, since the use of a plurality of Doppler radars is expensive, an observation method for calculating a wind speed vector with a single Doppler radar is often used. In this case, the wind speed vector is obtained by synthesizing Doppler velocities obtained in different observation directions using the assumption that the wind speed distribution of the atmospheric air to be observed is spatially uniform.
[0004]
FIG. 22 is a diagram showing the principle of a conventional wind speed vector calculation method called a VAD (Velocity Azimuth DISPLAY) method, and FIG. 22 (a) illustrates beam scanning in the VAD method. The Doppler velocity at each distance is calculated while scanning the aerial beam in the horizontal direction at a constant elevation angle θ. Now, if only the portion of the distance r is extracted from the observation range, the circumference on the horizontal plane at the altitude r sin θ can be obtained. In the VAD method, the wind speed vector is calculated on the assumption that the wind speed is uniform within this circumference. Assume that the x component of the wind speed vector is u, the y component is v, and the z component (that is, the vertical component) is w.
When only the Doppler velocity at a certain distance is extracted from the observed Doppler velocity and the Doppler velocity is plotted with the azimuth angle as the horizontal axis, a sinusoidal curve is plotted as shown in FIG. . The DC component of this sine wave is w sin θ, which corresponds to the magnitude of the vertical wind. The amplitude of the sine wave is u_h cos θ, which corresponds to the size of the horizontal wind. However, u_h Is the magnitude of the horizontal wind vector (u, v). Furthermore, the phase of the sine wave is an amount corresponding to the direction of the horizontal wind.
[0005]
The observed Doppler velocity includes an observation error. Therefore, a method of calculating a wind speed vector by model fitting a sine wave to the observation data is used. For example, the least square method is used for the model fitting.
[0006]
FIG. 18 is a block diagram showing the configuration of a conventional wind speed vector measuring apparatus. In the figure, 1 is a transmission unit, 2 is a transmission / reception switching unit, 3 is an electromagnetic wave emission unit, 4 is a reception unit, 5 is a signal processing unit, 6 is an operation / display unit, 7 is a drive unit, and 8 is a sensor control unit. .
FIG. 19 is a block diagram showing an internal configuration of the signal processing unit 5. In the figure, 101 is a Doppler velocity calculation unit, 102 is a Jacobian matrix calculation unit, and 103 is a linear equation calculation unit.
[0007]
Next, the operation will be described.
A transmission wave generated by the transmission unit 1 is radiated as an electromagnetic wave from the electromagnetic wave radiation unit 3 to the atmosphere via the transmission / reception switching unit 2. A part of the power of the electromagnetic wave radiated into the atmosphere is reflected by the atmosphere, and a part of the reflected electromagnetic wave is received as a received wave by the electromagnetic wave radiation unit 3. The received reception wave is transmitted to the receiving unit 4 via the transmission / reception switching unit 2. The receiving unit 4 performs processing such as amplification and frequency conversion on the input received wave to generate a received signal. The received signal is subjected to signal processing for Doppler velocity calculation and wind velocity vector calculation in the signal processing unit 5. The result of the signal processing is input to the operation / display unit 6 and displayed.
[0008]
Based on an instruction from the operation / display unit 6, the drive unit 7 controls the sensor control unit 8 to direct the electromagnetic wave beam radiated from the electromagnetic wave radiation unit 3 in the elevation direction and the azimuth direction. Further, the elevation value and the azimuth value in the beam direction of the electromagnetic wave radiation unit 3 are output from the drive unit 7 and input to the signal processing unit 5 to be used when calculating the wind speed vector.
[0009]
Next, the operation of the signal processing unit 5 will be described.
When the reception signal output from the reception unit 4 is input, the Doppler velocity calculation unit 101 calculates the Doppler velocity at each distance within the observation distance range from the input reception signal. As a method for calculating the Doppler velocity, for example, there is a method of performing a Fourier transform of a received signal. The Jacobian matrix calculation unit 102 calculates a Jacobian matrix from the elevation angle and azimuth angle corresponding to each observation. The linear equation calculation unit 103 uses the Jacobian matrix calculated by the Jacobian matrix calculation unit 102 and the Doppler velocity calculated by the Doppler velocity calculation unit 101 to calculate a wind speed vector by a linear least square method.
[0010]
Now, the elevation angle in horizontal scanning of the beam is θ, and the azimuth angle at the i-th azimuth angle is φ._i The wind speed vector is set as (u, v, w). However, in the wind speed vector, (u, v) is a horizontal wind component and w is a vertical wind component. At this time, azimuth φ_iDoppler velocity observed at_diIs represented by Formula (1).

Therefore, the Jacobian matrix A is as shown in Equation (2).
[Expression 1]

According to the general theory of least squares, the equation (3) is obtained from the linear minimum condition.
A^T WAx = A^T Wy (3)
However, x and y are vectors defined by Equation (4) and Equation (5), respectively.
[Expression 2]

W is an error matrix and is expressed by equation (6).
[Equation 3]

Where σ_i Is the Doppler velocity observation v_diIs the standard deviation of the error.
The equation (3) can be solved by the following equation (7), for example.
x = (A^T WA)^-1A^T Wy (7)
Alternatively, in actual numerical calculation, a solution method using QR decomposition of a Jacobian matrix is often used.
[0011]
FIG. 20 is a flowchart showing a processing procedure of a conventional wind speed vector calculation method using the VAD method.
In the loop of steps ST1 to ST4, the reception signal output from the receiving unit 4 is input in step ST2, and in step ST3, the Doppler velocity is calculated by frequency analysis such as Fourier transform. When the Doppler velocities for the entire azimuth are accumulated, the loop of steps ST1 to ST4 is exited. In step ST5, a Jacobian matrix at each azimuth is calculated. In step ST6, a wind speed vector is calculated using the Doppler speed calculated in step ST3 and the Jacobian matrix calculated in step ST5.
When continuing the above process, it branches from step ST7 to step ST1, and continues a process. When the process is ended by an instruction from the operation / display unit 6, the process branches from step ST7 to the end of the process.
[0012]
In the light wave radar targeting the non-precipitating atmosphere, w corresponds to the vertical component of the wind, but in a general weather radar targeting the rain, w corresponds to the falling speed of the raindrop.
[0013]
In FIG. 22, by observing the entire circumference in the azimuth angle direction, a Doppler velocity corresponding to a sine wave for one period is obtained. However, in general, only data on a limited range of azimuth angles is used. Also good. The VAD method using only a part of the azimuth angle range is particularly called a local VAD method.
[0014]
FIG. 21 is a flowchart showing another processing procedure of the conventional wind speed vector calculation method based on the local VAD method. In this figure, step ST4 of FIG. 20 is replaced with step ST4b. In other words, in a loop that accumulates Doppler velocities, the loop is not repeated until Doppler velocities at all azimuth angles are accumulated, but when the Doppler velocities for a certain azimuth range are accumulated, the loop ends. To do.
[0015]
Usually, the VAD method performs observation at a high elevation angle. In this case, since the radius of the circumference that assumes the uniformity of the wind speed is small, the validity of the assumption of uniformity is also high. Since the distance and the altitude have a one-to-one correspondence, the altitude distribution of the three-dimensional wind speed vector is obtained as a result. Of the three components of the wind speed vector, the vertical wind component is generally smaller than the horizontal wind component, but when observed at a high elevation angle, the vertical wind component w sinθ included in the Doppler velocity is not so small.
[0016]
Further, as a conventional technique for measuring the vertical wind, there is a description of Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-502341 “Downstream Airflow Speed Estimating Device for Microburst Precursor Detection System”. In this prior art, a transmission wave is transmitted by one beam, and a reflected wave from the atmosphere is received by a plurality of reception beams having slightly different elevation angles. Since there is a difference in elevation angle between the two receptions, the Doppler speed is slightly shifted between the two beams. Therefore, the vertical wind component is extracted from the difference between the Doppler velocities obtained with both received beams.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional wind speed vector measuring apparatus and method are configured as described above, there are the following problems.
The VAD method calculates the wind speed vector distribution in the altitude direction, but there is a need to measure the horizontal distribution of the wind speed vector by lowering the elevation angle of the radar. For the purpose of measuring the horizontal distribution, the assumption that the wind speed is inevitably uniform all around the azimuth direction is not satisfied. Therefore, the local VAD method is used in which the azimuth angle section of the observation data used for calculating the wind speed vector is locally limited. In this case, since only a part of the sine wave that is the VAD curve is used, it is difficult to separate the vertical wind component (DC component of the sine wave) and the horizontal wind component (amplitude of the sine wave). In addition, the low elevation angle causes the vertical wind, which is originally smaller than the horizontal wind, to become smaller when projected in the line-of-sight direction. For these reasons, there is a problem that it is difficult to accurately measure the vertical wind at low elevation observation.
[0018]
In the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-502341, the transmission beam needs to be shared by the two reception beams, so the elevation angle difference between the two reception beams needs to be reduced. There, if there is a large downward flow, such as a microburst that is supposed to be observed, a Doppler velocity difference can be obtained even with a small elevation angle difference. However, since the vertical wind is as small as several meters in a general weather situation, there is a problem that a method like this technique cannot effectively obtain a Doppler velocity difference due to an elevation angle difference.
[0019]
The present invention has been made to solve the above-described problems. By calculating the wind speed vector using the Doppler velocities observed at a plurality of elevation angles, the wind speed vector, particularly the vertical component can be measured with high accuracy. An object is to obtain a wind speed vector measuring device and a wind speed vector calculating method.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
  A wind velocity vector measuring device according to the present invention includes a transmission unit that generates a transmission wave, and an electromagnetic wave emission unit that radiates the generated transmission wave to the air as an electromagnetic wave and receives a reflected electromagnetic wave reflected from the atmosphere and extracts it as a reception wave. And directing the beam of the electromagnetic wave radiated from the electromagnetic wave radiation unit in the elevation angle direction and the azimuth angle direction, a drive unit for outputting the elevation angle value and the azimuth angle value, and frequency conversion of the received received wave to convert the received signal In a wind speed vector measuring device including a reception unit to generate and a signal processing unit to calculate a wind speed vector from the generated reception signal and the output elevation angle value and azimuth value, the signal processing unit converts the received signal to a frequency A plurality of elevation angles based on a plurality of elevation angle values and a plurality of azimuth angle values input from the drive unit; A Jacobian matrix calculation unit for calculating a respective Jacobian matrix, the Jacobian matrix synthesis unit for synthesizing the Jacobian matrix calculated in one Jacobian matrices,By Jacobian matrix synthesis unitUsing synthesized Jacobian matrixTheBased on preset elevation angle value and azimuth angle value, a sine wave model of azimuth distribution of Doppler velocity obtained assuming that the spatial distribution of wind speed is uniform is set for each elevation angle. A wind speed vector calculating unit that calculates a three-dimensional wind speed vector by applying each of the sine wave models to the Doppler speed calculated by the calculating unit.
[0024]
In the wind velocity vector measuring apparatus according to the present invention, the drive unit directs the electromagnetic wave beam to two elevation angles.
[0025]
In the wind velocity vector measuring apparatus according to the present invention, the drive unit directs the electromagnetic wave beam so as to repeat horizontal scanning at different elevation angles.
[0026]
In the wind velocity vector measuring device according to the present invention, the driving unit directs the beam of electromagnetic waves so as to repeat vertical scanning at different azimuth angles.
[0027]
In the wind velocity vector measuring apparatus according to the present invention, the signal processing unit has a Doppler velocity interpolation unit that interpolates the Doppler velocity calculated by the Doppler velocity calculation unit in the distance direction, and the interpolated Doppler velocity is converted into the wind velocity vector. This is input to the calculation unit.
[0029]
The method of calculating the wind speed vector according to the present invention calculates the Doppler speed by performing frequency analysis on the received signal obtained by radiating electromagnetic waves in the air and receiving the reflected electromagnetic waves reflected in the atmosphere, thereby obtaining a spatial distribution of the wind speed. In a wind speed vector calculation method of a wind speed vector measuring device that calculates wind speed vectors by assuming a characteristic, a step of inputting a received signal, a step of calculating a Doppler speed by performing frequency analysis on the received signal, and an omnidirectional Sequentially calculating and completing Doppler velocity calculations for angles and full elevation angles, dividing the observed azimuth angle into partial sections, and selecting one of them as the azimuth partial section for calculating the wind velocity vector And calculating a Jacobian matrix for each elevation angle in the selected azimuth partial section, and a Jacobian calculated for each elevation angle. A step of combining a matrix into a single Jacobian matrix, a step of calculating a wind speed vector by solving a linear equation from the combined Jacobian matrix and the calculated Doppler velocity, and a calculation of the wind velocity vector for all azimuth subsections Are sequentially performed and completed.
[0030]
The method of calculating the wind speed vector according to the present invention calculates the Doppler speed by performing frequency analysis on the received signal obtained by radiating electromagnetic waves in the air and receiving the reflected electromagnetic waves reflected in the atmosphere, thereby obtaining a spatial distribution of the wind speed. In a wind speed vector calculation method of a wind speed vector measuring device that calculates wind speed vectors by assuming the aspect, a step of inputting a received signal obtained for a beam of electromagnetic waves that repeats vertical scanning at different azimuth angles, and a received signal Calculating the Doppler velocity by performing frequency analysis on the azimuth, calculating and sequentially calculating the Doppler velocity with respect to the azimuth angle and the total elevation angle in the azimuth partial section, and the elevation angle in the current azimuth partial section. A step of calculating a Jacobian matrix for each step, and a Jacobian matrix calculated for each elevation angle is combined into one Jacobian matrix. A step, a step of calculating a wind speed vector by solving a linear equation from the synthesized Jacobian matrix and the calculated Doppler velocity, and a step of continuing the processing of each of the above steps in a period for inputting a received signal It is.
[0031]
In the method of calculating the wind speed vector according to the present invention, in the step of calculating the wind speed vector by solving a linear equation, the wind speed vector is calculated using equidistant data at different elevation angles.
[0032]
In the wind speed vector calculation method according to the present invention, immediately after the step of calculating the Doppler speed by performing frequency analysis on the received signal, the calculated Doppler speed is converted to the distance so as to obtain the Doppler speed of the same horizontal distance at different elevation angles. A step of interpolating in the direction.
[0033]
In the wind velocity vector calculation method according to the present invention, immediately after the step of calculating the Doppler velocity by performing frequency analysis on the received signal, the calculated Doppler velocity is obtained in the distance direction so as to obtain the same altitude Doppler velocity at different elevation angles. With an interpolating step.
[0034]
The method of calculating the wind speed vector according to the present invention calculates the Doppler speed by performing frequency analysis on the received signal obtained by radiating electromagnetic waves in the air and receiving the reflected electromagnetic waves reflected in the atmosphere, thereby obtaining a spatial distribution of the wind speed. In a wind speed vector calculation method of a wind speed vector measuring device that calculates wind speed vectors by assuming a uniformity, an observed azimuth angle is divided into azimuth angle sections, and one of them is an azimuth angle section for calculating a wind speed vector. Selecting as a section; calculating a Jacobian matrix for each elevation angle in the selected azimuth partial section; synthesizing a Jacobian matrix calculated for each elevation angle into a single Jacobian matrix; and all azimuth portions Sequentially calculating and completing a Jacobian matrix for the interval; inputting a received signal; and A step of calculating a Doppler velocity by performing wave number analysis, a step of sequentially calculating and completing Doppler velocity calculation for all azimuth angles and all elevation angles, and a step of selecting one of the azimuth angle intervals. And calculating a wind speed vector from a Jacobian matrix synthesized by solving a linear equation, and sequentially calculating and completing the calculation of the wind vector for all azimuth partial sections. Is.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a wind velocity vector measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. This overall configuration has substantially the same configuration as that of FIG. 18 of the prior art described above. The internal configuration of the processing unit 50 is different from the signal processing unit 5 of FIG. Therefore, the description of the same part is omitted.
2 is a block diagram showing the internal configuration of the signal processing unit 50 according to the first embodiment. In the figure, 102-1 to 102-N are N Jacobian matrix calculation units, and 104 is a Jacobian matrix synthesis unit. 101 is a Doppler velocity calculation unit, and 103 is a linear equation calculation unit (wind velocity vector calculation unit).
[0036]
Next, the operation will be described.
The Doppler velocity calculation unit 101 obtains the Doppler velocity from the received signal, and the linear equation calculation unit 103 calculates the wind velocity vector by the least square method, which is the same as the conventional signal processing unit 5 shown in FIG. However, while the Jacobian matrix for one elevation angle is conventionally obtained by the Jacobian matrix calculation unit 102, in the first embodiment, the Jacobian matrix is first calculated for each of the plurality of elevation angles used. Specifically, the Jacobian matrix calculation unit 102-1 calculates the Jacobian matrix 1 from the elevation value and the azimuth value when observed at the elevation angle 1. Further, the Jacobian matrix calculation unit 102-2 calculates the Jacobian matrix 2 from the elevation value and the azimuth value when observed at the elevation angle 2. In the same manner, calculation is performed up to the Jacobian matrix N corresponding to the observation at the elevation angle N. The calculation method of each Jacobian matrix is the same as that of the conventional Jacobian matrix calculation unit 102 in the signal processing unit 5.
[0037]
The calculated Jacobian matrix 1 to Jacobian matrix N are combined into one Jacobian matrix in the Jacobian matrix synthesis unit 104. The number of azimuths at elevation angle i is M_i Then, the Jacobian matrix i is M_i It becomes a matrix with 3 rows and columns. A single Jacobian matrix is generated by concatenating the Jacobian matrix 1 to the Jacobian matrix N in the direction in which they are arranged vertically as shown in FIG. The number of columns of the generated Jacobian matrix is 3, and the number of rows is
[Expression 4]

It is.
[0038]
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a beam scanning method. In this example, since horizontal scanning at different elevation angles is repeated in order, it can also be applied to a conventional general weather radar.
[0039]
FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure of the wind speed vector calculation method according to the first embodiment of the present invention.
In the loop of steps ST101 to ST104, the reception signal output from the receiving unit 4 is input in step ST102, and in step ST103, the Doppler velocity is calculated by frequency analysis such as Fourier transform. When the Doppler velocities for all azimuth angles and all elevation angles are accumulated, the process exits the loop of steps ST101 to ST104. In step ST105, from the elevation angle 1 to the elevation angle N, a Jacobian matrix is calculated for each elevation angle. In step ST106, the Jacobian matrix for each elevation angle is combined into one Jacobian matrix.
[0040]
In step ST107, a wind speed vector is calculated using the Doppler velocity calculated in step ST103 and the Jacobian matrix synthesized in step ST106. When continuing the above process, it branches from step ST108 to step ST101, and a process is continued. When the process is ended by an instruction from the operation / display unit 6, the process branches from step ST108 to the end of the process.
[0041]
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the principle of the wind speed vector calculation method according to the first embodiment, and schematically shows the situation of fitting a model curve (sine wave model) to observation data (Doppler speed). . In this example, the number of elevation angles is 2, and the elevation angle 1 is lower than the elevation angle 2. In the figure, the observation result at the elevation angle 1 is indicated by ○, and the observation result at the elevation angle 2 is indicated by ×. A sine wave indicated by a broken line is a theoretical VAD curve applied to data at an elevation angle 1, and a sine wave indicated by a solid line is a theoretical VAD curve applied to data at an elevation angle 2. By using two different elevation angles, vertical wind information is included in the difference between the two theoretical VAD curves. Therefore, compared with the conventional VAD method using only one elevation angle, the VAD method using a plurality of elevation angles is effective in improving the measurement accuracy of the wind velocity vector, particularly the vertical wind component.
[0042]
The wind speed vector calculation is performed for each distance, but when a plurality of elevation angles are used, it is preferable to synthesize the wind speed vector using data that can be regarded as substantially the same position even if the elevation angles are different. For example, FIG. 7 shows that when the elevation angle is different but the distance is the same, the wind speed vectors are the same and the wind speed vectors are combined. Here, the Doppler speed at the point indicated by ◇ is synthesized to obtain the wind speed vector at the distance N, the Doppler speed at the point indicated by Δ is synthesized to obtain the wind speed vector at the distance N + 1, and the Doppler at the point indicated by □ is obtained. It shows that the wind speed vector of the distance N + 2 is obtained by combining the velocities.
[0043]
In the above description, horizontal scanning is performed at a plurality of elevation angles to obtain observation data. However, the scanning method is not necessarily horizontal. For example, as shown in FIG. 8, a conical scan centered on an axis shifted from the z-axis may be executed by changing the angle between the scanning direction and the rotation axis to a plurality. In this case, it is assumed that the wind speed is uniform in the altitude range as shown in FIG. As for the wind speed vector calculation formula, if the coordinate system is rotated so that the rotation axis of the conical scan is the z axis, the formula for the horizontal scan can be used as it is.
In the first embodiment, the measurement of the wind speed vector has been described by using the least square method using the Jacobian matrix as the model fitting method, but of course, other methods may be used as the model fitting method. Can do.
[0044]
As described above, according to the first embodiment, wind velocity vector measurement by the VAD method is performed using a plurality of elevation angles, so that an effect of accurately calculating a wind velocity vector, particularly vertical wind, can be obtained. Further, if the number of elevation angles is 2, an effect of improving the vertical wind measurement accuracy by minimizing the time required for scanning in all observation directions can be obtained. Furthermore, since the wind speed vector is calculated by synthesizing equidistant Doppler velocity data, the effect of relatively simple processing can be obtained.
[0045]
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the case where it is assumed that one VAD curve is applied in the entire azimuth angle range is shown. In the second embodiment, a case where a VAD curve is applied in a partial azimuth angle section (azimuth angle partial section) in the azimuth angle range will be described. In this case, it can be said that the above-described conventional local VAD method is extended to a case where a plurality of elevation angles are observed. The configuration of the wind velocity vector measuring apparatus according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment, but there are differences in the flow of processing of the wind velocity vector calculation method.
[0046]
FIG. 9 is a flowchart showing the flow of processing of the wind speed vector calculation method according to Embodiment 2 of the present invention.
In the loop of steps ST201 to ST204, the reception signal output from the receiving unit 4 is input in step ST202, and in step ST203, the Doppler velocity is calculated by frequency analysis such as Fourier transform. When the Doppler velocities of all azimuths and elevations are accumulated, the process exits the loop of steps ST201 to ST204.
[0047]
In the loop of steps ST205 to ST209, the wind speed vector is calculated for each azimuth partial section.
First, in step ST206, from the elevation angle 1 to the elevation angle N, a Jacobian matrix is calculated for each elevation angle. In step ST207, the Jacobian matrix calculated for each elevation angle in ST206 is combined into one Jacobian matrix. In step ST208, a wind speed vector is calculated using the Doppler speed calculated in step ST203 and the Jacobian matrix synthesized in step ST207. In step ST209, it is determined whether or not the calculation of the wind speed vector has been completed in all azimuth partial sections. If completed, the process proceeds to step ST210. If not completed, the process returns to step ST206, and the next azimuth partial section is determined. Proceed to the process.
When continuing the above process, it branches from step ST210 to ST201, and a process is continued. When the process is ended by an instruction from the operation / display unit 6, the process branches from step ST210 to the process end.
[0048]
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the principle of the wind velocity vector calculation method according to the second embodiment, and schematically shows the state of model fitting to observation data (Doppler velocity). However, the elevation angle number is 2. In the figure, the observation result at the elevation angle 1 is indicated by ○, and the observation result at the elevation angle 2 is indicated by ×. Further, it is assumed that the elevation angle 1 is lower than the elevation angle 2. A sine wave indicated by a broken line is a theoretical VAD curve applied to data at an elevation angle 1, and a sine wave indicated by a solid line is a theoretical VAD curve applied to data at an elevation angle 2. By using two different elevation angles, vertical wind information is included in the difference between the two theoretical VAD curves. Since the azimuth angle is limited to a partial section, it is particularly difficult to extract the DC component of the VAD curve corresponding to the vertical wind component when a single elevation angle is used. By detecting the component of the elevation difference, the extraction of the vertical wind component becomes more accurate.
[0049]
As described above, according to the second embodiment, in a partial azimuth angle section of the azimuth angle range, a VAD curve is applied, a local VAD method is used to observe a plurality of elevation angles, and an elevation angle difference component Since the vertical wind component is extracted more accurately, the effect of detecting the vertical wind component can be obtained.
[0050]
Embodiment 3 FIG.
In the first embodiment and the second embodiment, it is assumed that Doppler velocity data is collected by repeating horizontal scanning at different elevation angles, but in this third embodiment, vertical scanning at different azimuth angles is performed. The collection of Doppler velocity data by repetition will be described.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a beam scanning method of the wind velocity vector measuring apparatus according to the third embodiment, and shows an example in which vertical scanning with different azimuth angles is repeated. In this figure, assuming that the number of elevation angles is 2, ● is displayed in the direction of observation. First, the electromagnetic wave radiation unit 3 is controlled by the drive unit 7 to observe at an elevation angle 1, and the elevation angle is increased to an elevation angle 2 without changing the azimuth angle to perform observation. Next, the observation is performed by moving the beam horizontally without changing the elevation angle. Next, the elevation angle is lowered to an elevation angle 1 without changing the azimuth angle, and observation is performed. By repeating this, the elevation angle 1 and the elevation angle 2 are observed in the omnidirectional range.
[0051]
Here, in FIG. 12, observation is performed at the same azimuth at elevation angle 1 and elevation angle 2, but observation may be performed at different azimuth angles at elevation angle 1 and elevation angle 2. For example, as shown in FIG. 13, observation at elevation angle 1 and elevation angle 2 may be alternately repeated during horizontal scanning. 12 and 13, the number of elevation angles has been described as 2, but the number of elevation angles may be 3 or more.
[0052]
The configuration of the wind velocity vector measuring apparatus according to the third embodiment is the same as that of the first embodiment, but there are differences as follows in the flow of processing of the wind velocity vector calculation method.
FIG. 11 is a flowchart showing the flow of processing of the wind speed vector calculation method according to Embodiment 3 of the present invention.
In the loop of steps ST301 to ST304, the received signal output from the receiving unit 4 is input in step ST302, and the Doppler velocity is calculated by frequency analysis such as Fourier transform in step ST303. When the observation of the current azimuth partial section is completed and the Doppler velocity in that section is accumulated, the process exits the loop of steps ST301 to ST304. In step ST305, from the elevation angle 1 to the elevation angle N, the Jacobian matrix of the current azimuth angle partial section is calculated for each elevation angle. In step ST306, the Jacobian matrix calculated for each elevation angle in step ST305 is combined into one Jacobian matrix. In step ST307, using the Doppler velocity calculated in step ST303 and the Jacobian matrix synthesized in step ST306, a wind speed vector in the current azimuth angle partial section is calculated.
When continuing the above process, it branches from step ST308 to step ST301, and a process is continued. When the process is terminated by an instruction from the operation / display unit 6, the process branches from step ST308 to the process end.
[0053]
According to the third embodiment, it is possible to output the wind speed vector calculation result every time the observation of the azimuth partial section is completed without waiting for the observation in all the observation directions to be completed. Suitable for applying to. Further, since the Doppler velocity data to be accumulated is only in the azimuth partial section, an effect is obtained that enables real-time processing even when the memory required for accumulation is small.
[0054]
Embodiment 4 FIG.
In the above-described first embodiment, as shown in FIG. 7, when the elevation angle is different but the distance is the same, it is assumed that the wind speed vector is the same and the wind speed vector is synthesized. On the other hand, in the fourth embodiment, the wind velocity vector is synthesized using the equal horizontal distance or the equal altitude Doppler velocity.
The overall configuration of the wind speed vector measuring apparatus according to the fourth embodiment is the same as that of FIG. 1 described above except that the signal processing unit 50 is replaced. FIG. 14 is a block diagram showing an internal configuration of the signal processing unit 51 of the wind velocity vector measuring apparatus according to the fourth embodiment. In the figure, reference numeral 106 denotes a Doppler velocity interpolation unit, and other components are the same as those of the signal processing unit 50 of FIG.
[0055]
Next, the operation of the signal processing unit 51 will be described.
The Doppler speed calculated by the Doppler speed calculation unit 101 is input to the Doppler speed interpolation unit 106. In general, the Doppler speed is obtained for each distance resolution, but when this is replaced with a horizontal distance, the Doppler speed is calculated at different horizontal distances at different elevation angles. Therefore, the Doppler velocity interpolation unit 106 interpolates the Doppler velocity in the distance direction so that the Doppler velocity at the same horizontal distance can be obtained at different elevation angles. This is schematically shown in FIG. In FIG. 15, the Doppler velocity at the point of the horizontal distance N + 1 (the point indicated by black Δ) can be obtained by interpolating Δ data and □ data at the elevation angle 2. Therefore, if this is combined with Δ of elevation angle 1, wind speed vector calculation using data at the same horizontal position can be performed. This method is particularly effective when the change in the wind speed distribution is large in the horizontal direction.
[0056]
It is also possible to consider wind speed vector synthesis at the same altitude instead of the horizontal position. FIG. 16 shows an example of a method of combining observation points of equal altitude at different elevation angles. In FIG. 16, the Doppler velocity at the point of altitude N + 1 (the point indicated by black Δ) can be obtained by interpolating the data of Δ and the data of 仰 at the elevation angle 2. Therefore, if this is combined with Δ of the elevation angle 1, wind speed vector calculation using the same altitude data can be performed. This method is particularly effective when the change in wind speed distribution is large in the altitude direction.
[0057]
The Doppler velocity output from the Doppler velocity interpolation unit 106 is output to the linear equation calculation unit 103 and subjected to wind velocity vector calculation processing. Other operations are the same as those in the first embodiment.
[0058]
As described above, according to the fourth embodiment, by providing the Doppler speed interpolation unit 106, even when the change in the wind speed distribution in the horizontal direction is large or the change in the wind speed distribution in the altitude direction is large, Since the influence of the deviation of the actual wind speed from the precondition of the wind speed uniformity can be reduced, the effect of preventing the deterioration of the wind speed vector calculation accuracy can be obtained.
[0059]
Embodiment 5. FIG.
In Embodiments 1 to 4 described so far, the Jacobian matrix is calculated each time. However, since the Jacobian matrix is determined by the azimuth angle and the elevation angle at the time of observation, if the observation direction is determined in advance, the Jacobian matrix may be calculated in advance.
[0060]
FIG. 17 is a flowchart showing a process flow of the wind speed vector calculation method according to the fifth embodiment of the present invention.
In the loop of steps ST501 to ST504, a Jacobian matrix in each azimuth angle partial section is calculated.
First, in step ST502, a Jacobian matrix is calculated for each elevation angle in the target partial section from elevation angle 1 to elevation angle N. In step ST503, the Jacobian matrix calculated for each elevation angle in step ST502 is combined into one Jacobian matrix. In step ST504, it is determined whether the calculation of the Jacobian matrix has been completed in all the azimuth partial sections. If all are completed, the process branches to step ST505. If not completed, the process returns to step ST502, and the process proceeds to the calculation process of the Jacobian matrix in the next azimuth angle partial section.
[0061]
In the loop of steps ST505 to ST508, the reception signal output from the reception unit 4 is input in step ST506, and in step ST507, the Doppler velocity is calculated by frequency analysis such as Fourier transform. When the Doppler velocities for all azimuth angles and all elevation angles are accumulated, the process exits the loop of steps ST505 to ST508.
[0062]
In the loop of steps ST509 to ST511, the wind speed vector is calculated for each azimuth partial section.
In step ST510, a wind speed vector is calculated using the Doppler velocity calculated in step ST507 and the Jacobian matrix synthesized in step ST503. In step ST511, it is determined whether or not the calculation of the wind speed vector has been completed for all the azimuth partial sections. If completed, the process proceeds to step ST512, and if not completed, the process returns to step ST510 and the next azimuth angle is determined. Proceed to processing of the partial section.
When continuing the above process, it branches from step ST512 to step ST505, and a process is continued. When the process is ended by an instruction from the operation / display unit 6, the process branches from step ST512 to the end of the process.
[0063]
The above flow chart is a modification of the wind speed vector calculation method shown in FIG. 9 so that the Jacobian matrix is calculated in advance, but the same correction is applied to the wind speed vector calculation method shown in FIGS. Can also be done.
[0064]
As described above, according to the fifth embodiment, since the Jacobian matrix is calculated in advance, an effect of reducing the calculation time required for calculating the wind speed vector can be obtained.
[0068]
【The invention's effect】
  As aboveAccording to the present invention, a transmission unit that generates a transmission wave, an electromagnetic wave emission unit that radiates the generated transmission wave to the air as an electromagnetic wave, receives a reflected electromagnetic wave reflected by the atmosphere, and extracts it as a reception wave, and electromagnetic wave emission A driving unit that directs the beam of electromagnetic waves radiated from the head in the elevation and azimuth directions, and outputs an elevation value and an azimuth value, and a reception unit that generates a reception signal by frequency-converting the extracted received wave And a signal processing unit that calculates a wind speed vector from the generated reception signal and the output elevation angle value and azimuth value, the signal processing unit performs frequency analysis on the reception signal, Based on a plurality of elevation angle values and a plurality of azimuth values input from the drive unit, a Doppler velocity calculation unit that calculates the Doppler velocity, and a plurality of Jacobian matrices of a plurality of elevation angles. A Jacobian matrix calculation unit configured to output, a Jacobian matrix synthesis unit for synthesizing the Jacobian matrix calculated in one Jacobian matrices,By Jacobian matrix synthesis unitUsing synthesized Jacobian matrixTheBased on preset elevation angle value and azimuth angle value, a sine wave model of azimuth distribution of Doppler velocity obtained assuming that the spatial distribution of wind speed is uniform is set for each elevation angle. Since it is configured to have a wind velocity vector calculation unit that calculates a three-dimensional wind velocity vector by applying each of the sine wave models to the Doppler velocity calculated by the calculation unit,There is an effect that it is possible to accurately calculate the wind speed vector, particularly the vertical wind. Also,Since the sine wave model of the azimuth distribution of Doppler velocities obtained assuming that the spatial distribution of the wind speed is uniform based on the preset elevation angle value and azimuth angle value is set for each elevation angle, the Jacobian matrix is It is possible to calculate in advance, and it is possible to reduce the calculation time required for calculating the wind speed vector.
[0069]
According to the present invention, since the driving unit is configured to direct the beam of electromagnetic waves to two elevation angles, by setting the number of elevation angles to 2, the time required for scanning in all observation directions can be minimized, and This has the effect of improving wind measurement accuracy.
[0070]
According to the present invention, the drive unit is configured to direct the electromagnetic wave beam so as to repeat horizontal scanning at different elevation angles, so that it can be easily applied to a conventional general weather radar. effective.
[0071]
According to the present invention, since the drive unit is configured to direct the electromagnetic wave beam so as to repeat vertical scanning at different azimuth angles, measurement is performed by repeating vertical scanning at different azimuth angles. Without waiting for the observation in the observation direction to end, every time observation of the azimuth partial section is completed, the calculation result of the wind speed vector can be output, suitable for real-time processing, and accumulated Doppler velocity data Since only those in the azimuth angle partial section, there is an effect that real-time processing is possible even when the memory required for accumulation is small.
[0072]
According to this invention, the signal processing unit has the Doppler speed interpolation unit that interpolates the Doppler velocity calculated by the Doppler velocity calculation unit in the distance direction, and inputs the interpolated Doppler velocity to the wind speed vector calculation unit. Therefore, even when the change in the wind speed distribution in the horizontal direction is large or the change in the wind speed distribution in the altitude direction is large, the effect of the actual wind speed deviation from the precondition of the wind speed uniformity is reduced. Therefore, it is possible to prevent deterioration in wind speed vector calculation accuracy.
[0074]
According to this invention, the Doppler velocity is calculated by frequency analysis of the received signal obtained by radiating electromagnetic waves in the air and receiving the reflected electromagnetic waves reflected in the atmosphere, and assuming the uniformity of the spatial distribution of the wind velocity. In the method of calculating the wind speed vector of the wind speed vector measuring apparatus, the step of inputting the received signal, the step of calculating the Doppler speed by performing frequency analysis on the received signal, the omnidirectional angle and the total elevation angle A step of sequentially performing Doppler velocity calculation with respect to the azimuth angle, a step of dividing the observed azimuth angle into partial sections, and selecting one of them as the azimuth partial section for calculating the wind speed vector, A step of calculating a Jacobian matrix for each elevation angle in the azimuth partial section and a Jacobian matrix calculated for each elevation angle Step to synthesize into An matrix, Step to calculate wind speed vector by solving linear equation from synthesized Jacobian matrix and calculated Doppler velocity, and complete calculation by calculating wind velocity vector for all azimuth partial sections sequentially The wind speed vector measurement by the VAD method is performed using a plurality of elevation angles, the wind speed vector, particularly the vertical wind, can be accurately calculated, and the wind speed vector is calculated for each azimuth partial section. Thus, there is an effect that a spatial distribution in the horizontal direction of the wind speed vector can be obtained.
[0075]
According to this invention, the Doppler velocity is calculated by frequency analysis of the received signal obtained by radiating electromagnetic waves in the air and receiving the reflected electromagnetic waves reflected in the atmosphere, and assuming the uniformity of the spatial distribution of the wind velocity. In the wind speed vector calculation method of the wind speed vector measurement device for calculating the wind speed vector, a step of inputting a received signal obtained for an electromagnetic wave beam that repeats vertical scanning at different azimuth angles, and a frequency analysis on the received signal Calculating the Doppler velocity by performing the step, sequentially calculating and completing the Doppler velocity calculation for the azimuth angle and the total elevation angle in the azimuth partial section, and the Jacobian matrix for each elevation angle in the current azimuth partial section. , A step of combining the Jacobian matrix calculated for each elevation angle into one Jacobian matrix, The step of calculating the wind speed vector by solving the linear equation from the calculated Jacobian matrix and the calculated Doppler velocity, and the step of continuing the processing of each step in the period during which the received signal is input. The wind speed vector measurement by the VAD method is performed using the elevation angle, and the wind speed vector, particularly the vertical wind, can be calculated with high accuracy, and the observation of the azimuth partial section is completed without waiting for the observation in all the observation directions to be completed. Each time, the wind speed vector calculation result can be output, and there is an effect suitable for real-time processing. Further, since the Doppler velocity data to be accumulated is only in the azimuth partial section, there is an effect that real-time processing is possible even when the memory required for accumulation is small.
[0076]
According to the present invention, in the step of calculating the wind speed vector by solving the linear equation, the wind speed vector is calculated using equidistant data at different elevation angles, so that it can be processed relatively easily. effective.
[0077]
According to this invention, immediately after the step of calculating the Doppler velocity by performing frequency analysis on the received signal, the calculated Doppler velocity is interpolated in the distance direction so as to obtain the Doppler velocity of the same horizontal distance at different elevation angles. Since the effect of deviation of the actual wind speed from the precondition of wind speed uniformity can be reduced even when the change in the wind speed distribution is large in the horizontal direction, the wind speed vector calculation is performed. There is an effect of preventing deterioration of accuracy.
[0078]
According to the present invention, immediately after the step of calculating the Doppler velocity by performing frequency analysis on the received signal, the calculated Doppler velocity is interpolated in the distance direction so as to obtain the same Altitude Doppler velocity at different elevation angles. Since it is configured to have steps, the Doppler velocity interpolation unit reduces the effect of the actual wind speed deviation from the precondition of wind speed uniformity even when the wind speed distribution changes greatly in the altitude direction. Therefore, it is possible to prevent deterioration in wind speed vector calculation accuracy.
[0079]
According to this invention, the Doppler velocity is calculated by frequency analysis of the received signal obtained by radiating electromagnetic waves in the air and receiving the reflected electromagnetic waves reflected in the atmosphere, and assuming the uniformity of the spatial distribution of the wind velocity. In the wind speed vector calculation method of the wind speed vector measuring device that calculates the wind speed vector, the observed azimuth angle is divided into azimuth angle partial sections, and one of them is selected as the azimuth angle partial section for calculating the wind speed vector. Calculating a Jacobian matrix for each elevation angle in the selected azimuth partial section, synthesizing the Jacobian matrix calculated for each elevation angle into one Jacobian matrix, and for all azimuth partial sections The step of sequentially calculating and completing the calculation of the Jacobian matrix, the step of inputting the received signal, and the frequency analysis of the received signal Step of calculating Doppler velocity, step of sequentially calculating and completing Doppler velocity for all azimuths and elevations, selecting one of the azimuth zones, and the selected azimuth zone Since it is configured to have a step of calculating a wind speed vector from a Jacobian matrix synthesized by solving a linear equation and a step of sequentially calculating and completing the calculation of the wind speed vector for all azimuth partial sections. Since the Jacobian matrix is calculated in advance, the calculation time required for calculating the wind speed vector can be shortened.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a wind speed vector measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing an internal configuration of a signal processing unit according to the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a method for synthesizing a Jacobian matrix according to the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a beam scanning method of the wind velocity vector measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure of a wind speed vector calculation method according to the first embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the principle of a wind speed vector calculation method according to the first embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a method of combining observation points in the wind speed vector calculation method according to the first embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining a scanning method when conical scanning is performed according to the first embodiment;
FIG. 9 is a flowchart showing a process flow of a wind speed vector calculation method according to the second embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the principle of a wind speed vector calculation method according to the second embodiment.
FIG. 11 is a flowchart showing a process flow of a wind speed vector calculation method according to the third embodiment.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a beam scanning method of the wind speed vector measuring device according to the third embodiment.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing another beam scanning method of the wind velocity vector measuring apparatus according to the third embodiment.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing an internal configuration of a signal processing unit of the wind speed vector measuring device according to the fourth embodiment.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing an observation point combination method in the wind speed vector calculation method according to the fourth embodiment.
FIG. 16 is an explanatory diagram showing another observation point combination method in the wind speed vector calculation method according to the fourth embodiment.
FIG. 17 is a flowchart showing a process flow of a wind speed vector calculation method according to the fifth embodiment.
FIG. 18 is a block diagram showing a configuration of a conventional wind speed vector measuring device.
FIG. 19 is a block diagram showing an internal configuration of a signal processing unit of a conventional wind speed vector measuring device.
FIG. 20 is a flowchart showing a processing procedure of a conventional wind speed vector calculation method.
FIG. 21 is a flowchart showing another processing procedure of a conventional wind speed vector calculation method.
FIG. 22 is an explanatory diagram showing the principle of a conventional wind speed vector calculation method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Transmission part, 2 Transmission / reception switching part, 3 Electromagnetic radiation part, 4 Reception part, 5, 50, 51 Signal processing part, 6 Operation / display part, 7 Drive part, 8 Sensor control part, 101 Doppler speed calculation part, 102, 102-1 to 102-N Jacobian matrix calculation unit, 103 linear equation calculation unit, 104 Jacobian matrix synthesis unit, 106 Doppler velocity interpolation unit.

Claims (11)

A transmission unit for generating a transmission wave;
An electromagnetic wave radiation unit that radiates the generated transmission wave to the air as an electromagnetic wave and receives the reflected electromagnetic wave reflected by the atmosphere and extracts it as a reception wave;
A driving unit for directing an electromagnetic wave beam emitted from the electromagnetic wave radiation unit in an elevation direction and an azimuth direction, and outputting an elevation value and an azimuth value;
A receiving unit that generates a received signal by frequency-converting the extracted received wave;
In a wind speed vector measuring device including a signal processing unit that calculates a wind speed vector from the generated reception signal and the output elevation angle value and azimuth value,
The signal processor
A Doppler speed calculation unit that calculates a Doppler speed by frequency analysis of the received signal;
A Jacobian matrix calculating unit that calculates each Jacobian matrix of a plurality of elevation angles based on a plurality of elevation angle values and a plurality of azimuth angle values input from the drive unit;
A Jacobian matrix synthesizing unit that synthesizes each calculated Jacobian matrix into one Jacobian matrix;
Using a Jacobian matrix that is synthesized by the Jacobian matrix synthesis unit, based on a preset elevation values and azimuth values, the azimuth angle of the Doppler velocity obtained by assuming that the spatial distribution of the wind speed is uniform A sine wave model of distribution is set for each elevation angle, and a wind speed vector calculation unit that calculates a three-dimensional wind speed vector by applying each of the sine wave models to the Doppler speed calculated by the Doppler speed calculation unit Wind speed vector measuring device characterized by The wind speed vector measuring device according to claim 1 , wherein the drive unit directs the beam of electromagnetic waves to two elevation angles. 2. The wind speed vector measuring apparatus according to claim 1 , wherein the driving unit directs the electromagnetic wave beam so as to repeat horizontal scanning at different elevation angles. The wind speed vector measuring device according to claim 1 , wherein the driving unit directs the beam of electromagnetic waves so as to repeat vertical scanning at different azimuth angles. The signal processing unit has a Doppler velocity interpolation unit for interpolating the Doppler velocity calculated by the Doppler velocity calculation unit in the distance direction, and that the interpolated Doppler velocity is input to the wind velocity vector calculation unit. The wind speed vector measuring device according to claim 1, wherein The Doppler velocity is calculated by frequency analysis of the received signal obtained by radiating electromagnetic waves in the air and receiving the reflected electromagnetic waves reflected in the atmosphere, and the wind velocity vector is calculated by assuming the uniformity of the spatial distribution of the wind velocity. In the wind speed vector calculation method of the wind speed vector measuring device to calculate,
Inputting the received signal;
Calculating a Doppler velocity by performing frequency analysis on the received signal;
Calculating and sequentially calculating the Doppler velocity for all azimuths and elevations; and
Dividing the observed azimuth angle into partial sections, and selecting one of them as an azimuth partial section for calculating a wind speed vector;
Calculating a Jacobian matrix for each elevation angle in the selected azimuth partial section;
Synthesizing a Jacobian matrix calculated for each elevation angle into one Jacobian matrix;
Calculating a wind speed vector by solving a linear equation from the synthesized Jacobian matrix and the calculated Doppler velocity;
A method for calculating a wind speed vector, comprising: sequentially calculating and completing calculation of wind speed vectors for all azimuth partial sections. The Doppler velocity is calculated by frequency analysis of the received signal obtained by radiating electromagnetic waves in the air and receiving the reflected electromagnetic waves reflected in the atmosphere, and the wind velocity vector is calculated by assuming the uniformity of the spatial distribution of the wind velocity. In the wind speed vector calculation method of the wind speed vector measuring device to calculate,
Inputting a received signal obtained for an electromagnetic wave beam that repeats vertical scanning at different azimuth angles;
Calculating a Doppler velocity by performing frequency analysis on the received signal;
Calculating and sequentially calculating the Doppler velocity for the azimuth angle and the total elevation angle in the azimuth partial section; and
Calculating a Jacobian matrix for each elevation angle in the current azimuth partial section;
Synthesizing a Jacobian matrix calculated for each elevation angle into one Jacobian matrix;
Calculating a wind speed vector by solving a linear equation from the synthesized Jacobian matrix and the calculated Doppler velocity;
And a step of continuing the processing of each of the above steps during a period in which the received signal is input. 8. The method of calculating a wind speed vector according to claim 6 , wherein in the step of calculating the wind speed vector by solving the linear equation, the wind speed vector is calculated using equidistant data at different elevation angles. . Immediately after the step of calculating the Doppler velocity by performing frequency analysis on the received signal, there was a step of interpolating the calculated Doppler velocity in the distance direction so as to obtain the Doppler velocity of the same horizontal distance at different elevation angles. The wind speed vector calculation method according to claim 6 or 7, wherein: Immediately after the step of calculating the Doppler velocity by performing frequency analysis on the received signal, there was a step of interpolating the calculated Doppler velocity in the distance direction so as to obtain the Doppler velocity of the same altitude at different elevation angles. The wind speed vector calculation method according to claim 6 or 7 , wherein the wind speed vector is calculated. The Doppler velocity is calculated by frequency analysis of the received signal obtained by radiating electromagnetic waves in the air and receiving the reflected electromagnetic waves reflected in the atmosphere, and the wind velocity vector is calculated by assuming the uniformity of the spatial distribution of the wind velocity. In the wind speed vector calculation method of the wind speed vector measuring device to calculate,
Dividing the observed azimuth angle into partial sections, and selecting one of them as an azimuth partial section for calculating a wind speed vector;
Calculating a Jacobian matrix for each elevation angle in the selected azimuth partial section;
Synthesizing a Jacobian matrix calculated for each elevation angle into one Jacobian matrix;
Sequentially calculating and completing Jacobian matrix calculation for all azimuth partial sections;
Inputting the received signal;
Calculating a Doppler velocity by performing frequency analysis on the received signal;
Sequentially performing Doppler velocity calculations for all azimuth and elevation angles,
Selecting one of the azimuth intervals;
Calculating a wind speed vector from the synthesized Jacobian matrix and the calculated Doppler velocity by solving a linear equation for the selected azimuth angle interval;
A method of calculating a wind speed vector, comprising: sequentially calculating and completing the calculation of wind speed vectors for all azimuth partial sections.

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