JP4710003B2

JP4710003B2 - 風速測定システム及び風速測定方法

Info

Publication number: JP4710003B2
Application number: JP2005075696A
Authority: JP
Inventors: 正則西尾; 雅子平田
Original assignee: 国立大学法人鹿児島大学
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: JP2006258568A

Description

本発明は、気象予測等に好適な風速測定システム及び風速測定方法に関する。

天気の予測、航空機の管制、火山からの噴煙に伴う降灰地域の予測、環境汚染物質の移動範囲の予測等の種々の分野において、地上から１０００ｍ程度の対流圏下層の風速は基本的かつ重要なデータの一つである。従来、この高度の風速を測定するために、観測機器を備えた気球（ゾンデ）を地上から放出し、その移動量を観測する方法がとられている。観測機器により、気温、湿度、気圧及び風向等を測定することも可能である。このような測定方法は、レーウインゾンデによる測定方法、ラジオゾンデによる測定方法等とよばれ、本明細書では、ゾンデによる測定方法とよぶ。また、他の観測方法として、航空機を用いた測定方法が直接観測の方法としてとられることもある。更に、レーザを上空に向けて照射し、その反射光を測定する方法（ライダーによる測定方法）、ミリ波帯の電波を上空に向けて、その反射波を測定する方法（レーダーによる測定方法）等がとられることもある。

しかしながら、ゾンデによる測定方法では、その都度、ゾンデを放出する必要があるため、コストがかかると共に、作業も煩雑である。また、放出されたゾンデが降下する位置の詳細は予測できないため、地上に降下したゾンデにより何らかの不都合が生じかねない。例えば、航空機に衝突したり、架線に接触したりすることがある。このような事情があるため、頻繁にゾンデを放出することは容易ではなく、例えば１時間毎の観測を行うことは困難である。更に、ゾンデの上昇と共に生じる水平方向の移動量から各高度の風速を求めているため、常に観測しようとする位置の風速を求めることも困難である。

また、航空機を用いた測定方法でも、コストがかかると共に、作業が煩雑である。ライダー又はレーダーによる測定方法では、地上から電磁波を照射する必要があるため、周辺への電磁波の影響を配慮する必要がある。また、装置の運用に際して許可及び届出等も必要である。

劉慶会、他４名、電子情報通信学会論文誌２００２年７月、ＶＯＬ．Ｊ８５−ＢＮＯ．７、Ｐ１１１２−Ｐ１１１９

本発明は、容易且つ頻繁に風速の測定を行うことができる風速測定システム及び風速測定方法を提供することを目的とする。

本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明に係る風速測定システムは、地上よりも上方に位置する電波発信物からの電波を受信するアンテナを備えた３個の受信手段と、前記受信手段により受信された３組の電波の位相差から前記受信手段が設置された上空毎の時間構造関数を求める第１の演算手段と、前記時間構造関数からコルモゴロフの大気理論に基づいて、前記上空毎の特性時間間隔を求める第２の演算手段と、前記特性時間間隔から前記上空毎の空間構造の速度を求める第３の演算手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係る風速測定方法は、地上よりも上方に位置する電波発信物からの電波を３箇所の観測地で受信する受信ステップと、前記受信ステップにおいて受信した３組の電波の位相差から前記観測地の上空毎の時間構造関数を求める第１の演算ステップと、前記時間構造関数からコルモゴロフの大気理論に基づいて、前記上空毎の特性時間間隔を求める第２の演算ステップと、前記特性時間間隔から前記上空毎の空間構造の速度を求める第３の演算ステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、３箇所の観測地間の位相差から空間構造の速度を求めており、この空間構造は例えば水蒸気の塊に相当する。このため、空間構造の速度を風速とみなすことができ、容易に風速のデータを得ることができる。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る風速測定システムを示す模式図である。

本実施形態に係る風速測定システムには、受信機１〜３が設けられている。受信機１〜３は、例えば互いに１０ｋｍ以上離間して設置される。受信機１〜３には、夫々アンテナ１１、前置増幅器１２、周波数変換増幅器１３、位相同期発振器１４、高安定基準信号源１５、記録装置１６及びＧＰＳ受信機１７が設けられている。

アンテナ１１は、静止型人工衛星１０１からのビーコン信号（電波）を受信する。前置増幅器１２は、受信した電波を増幅する。周波数変換増幅器１３は、受信した電波を記録装置１６で処理可能な周波数帯及び信号強度に変換する。高安定基準信号源１５は、受信機１〜３が位相同期して動作するための基準信号を発生する。高安定基準信号源１５としては、例えば数１０００秒までの時間間隔において周波数の安定度が高い水素メーザ発振器が用いられる。位相同期発振器１４は、基準信号に位相同期した周波数変換増幅器１３の局部発振信号を発生する。本実施形態では、受信機１〜３で受信した信号間の到来時間差を位相差として求めるため、周波数変換で使用する局部発振信号は基準同期信号に同期している必要がある。記録装置１６は、高安定基準信号源１５から供給される信号に同期してデータのサンプリングを行い、受信した電波の位相情報を保持したまま記録する。ＧＰＳ受信機１７は、ＧＰＳ衛星の信号を利用し、記録装置１６に記録される受信信号に時刻情報を付与する際に用いる時刻同期信号（１ｐｐｓ信号）を供給する。時刻同期信号の立ち上がりは、毎秒の開始時刻と１μ秒程度の精度で一致させる。図１では、便宜上、受信機１のみにこれらを図示している。

また、本実施形態には、位相検出器５２、データ解析装置５３及び出力装置５４が設けられている。受信機１〜３から出力されたデジタルデータは、ＡＤＳＬ又はＩＳＤＮ等の公衆デジタル通信網等のネットワーク５１を介して位相検出器５２に入力される。

位相検出器５２は、各受信機１〜３で受信した人工衛星１０１からの電波間の相互相関処理を行い、電波間の位相差を求める。人工衛星１０１は、静止型であっても軌道運動をしているため、受信機１〜３が設置された観測地を基準とした人工衛星１０１の位置は厳密には変動している。このため、例えば受信機１及び２から出力されたデジタルデータから位相差を求めると、図２に示すような曲線が描かれる。そこで、位相検出器５２は、このような位相差から人工衛星１０１の運動に伴う成分を除去する。この除去の方法としては、次のようなものが挙げられる。
（１）人工衛星１０１の軌道要素から軌道運動を求め、その運動に対応する受信機１〜３間での位相変化を計算する方法。
（２）軌道運動による受信期間での位相変化を表す近似関数を、観測された位相差の時間変化自身からか又は最小二乗法等により推定する方法。
（３）これらを組み合わせた方法。

位相検出器５２によるこのような処理の結果、受信機ｉ及びｊ（ｉ，ｊ＝１，２，３）間の位相変化に関して、図３に示すような位相変化データφ_ij（ｔ）がデータ解析装置５３に出力される。図４は、データ解析装置５３のハードウェアを示すブロック図である。図４に示すように、データ解析装置５３には、例えばＣＰＵ（コンピュータ）６１、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）６２、メモリ６３、操作部６４及びインタフェース（Ｉ／Ｆ）部６５が設けられている。

ＨＤＤ６２には、ＣＰＵ６１が実行するデータ解析プログラム等が記憶されている。メモリ６３は、ＣＰＵ６１がプログラムを実行する際にワークエリア等として用いられる。操作部６４はキーボード等から構成されており、データ解析装置５３の使用者が指示を入力する際等に用いられる。Ｉ／Ｆ部６５は、位相検出器５２からのデータを入力し、また、出力装置５４に処理後のデータを出力する。

図５は、データ解析装置５３の機能的な構成を示す機能構成図である。ＣＰＵ６１は、データ解析プログラムを実行することにより、図５に示すような機能を発現する。即ち、ＣＰＵ６１は、受信機間時間構造関数演出部７１、受信機毎時間構造関数演出部７２、特性時間間隔演算部７３及び風速演算部７４として機能する。

受信機間時間構造関数演出部７１は、位相検出器５２から出力された位相変化データφ₁₂（ｔ）、φ₂₃（ｔ）及びφ₃₁（ｔ）を用いて、数１に示す時間構造関数Ｄ₁₂（τ）、Ｄ₂₃（τ）及びＤ₃₁（τ）を求める。図６に、これらの時間構造関数Ｄ₁₂（τ）、Ｄ₂₃（τ）及びＤ₃₁（τ）を表すグラフを示す。

受信機毎時間構造関数演出部７２は、時間構造関数Ｄ₁₂（τ）、Ｄ₂₃（τ）及びＤ₃₁（τ）を用いて、数２に示す時間構造関数Ｄ₁（τ）、Ｄ₂（τ）及びＤ₃（τ）を求める。図７に、これらの時間構造関数Ｄ₁（τ）、Ｄ₂（τ）及びＤ₃（τ）を表すグラフを示す。

コルモゴロフの大気理論によると、ある一つの観測地における観測時間の時間間隔τと時間構造関数との間には図８に示すような関係がある。そして、時間構造関数の傾きが変化する特性時間間隔をτ_cとし、大気に起因する位相変化を引き起こしている空間構造の最大長をＬ、この空間構造の移動速度をｖ_wとすると、数３の関係が成り立つ。

特性時間間隔演算部７３は、図９に示すように、図７に示す時間構造関数Ｄ₁（τ）、Ｄ₂（τ）及びＤ₃（τ）の近似計算を行って、上述のような特性時間間隔τ_cを受信機毎に求める。特性時間間隔τ_cを求めるためには、連続して２時間程度の観測を行えばよい。

風速演算部７４は、図１０に示すように、特性時間間隔演算部７３により求められた特性時間間隔τ_cを用いて、数３から受信機毎に移動速度ｖ_wの値を求める。このような処理により求められる移動速度ｖ_wは、地上から１ｋｍ〜２ｋｍ程度の上空に存在する水蒸気の塊８１の移動速度に相当する。従って、移動速度ｖ_wを、地上から１ｋｍ〜２ｋｍ程度における風速とみなすことが可能である。なお、水蒸気の塊の最大長Ｌの値は、気候、地形及び温度により多少変化することはあるが、その変化量は風速の精度に影響を及ぼすほどのものではない。但し、より高い精度の風速を得るためには、季節ごと、月ごと等で求めることが好ましい。

出力装置５４は、ディスプレイ及びプリンタ等から構成され、Ｉ／Ｆ部６５から出力されたデータを出力する。

このような第１の実施形態によれば、地上から１ｋｍ〜２ｋｍ程度の上空における風速を正確に測定することができる。また、実際の水蒸気の塊の移動をも把握することができるため、その後に雨雲が発生しそうな場所を予測することも可能である。また、最大長Ｌの値として、ある特定の方向における最大長を用いれば、その方向における風速（ベクトル）が得られる。

更に、本実施形態では、受信機１〜３を所定の観測地に設置してしまえば、その後に外部に対して実行することは電波の受信だけである。このため、ゾンデの放出のように、周辺地域への不具合を考慮する必要もなく、また、ライダー又はレーダーによる測定のように、電磁波の放射に伴う影響及び手続等も考慮する必要がない。更に、電波を受信しても、変調波等に含まれる情報を利用するのではないため、通信の機密保護に影響を与えることもない。

そして、本実施形態では、２時間程度のデータの蓄積があれば、特性時間間隔τ_cを求めて風速を測定することができるため、頻繁に風速のデータを得ることができる。

なお、受信機を２つのみ用いた場合にも風速そのものを求めることは可能であるが、それがどちらの受信機の上空におけるものであるかを識別することができない。これに対し、本実施形態では、３個の受信機１〜３を用いて相関関係を求めているため、観測地毎の風速を測定することができる。但し、３個の受信機は、互いに１０ｋｍ以上離間して設置されていることが好ましい。これは、互いの間隔が１０ｋｍ未満であると、観測地間でほぼ同一のデータが取得されて、観測地毎の風速を測定することが困難となる場合があるからである。

本願発明者が実際に測定を行ったところ、図１１に示す結果が得られた。図１１中の◆及び実線で示すデータはゾンデを用いた測定の結果を示し、■及び破線で示すデータは、上述の実施形態に準じて行った測定の結果を示す。ゾンデを用いた方法では、測定高度が時間の経過と共に変化するのに対し、上述の実施形態に準じた方法ではそのような変化がない。このため、これらの結果は完全には一致していないが、上述の実施形態に準じた方法によっても、ゾンデを用いた方法と同等の精度で測定を行うことができた。

なお、電波発信物としては、静止型人工衛星の他に、準天頂人工衛星、超楕円軌道の人工衛星及び飛行船等を用いることができる。但し、準天頂人工衛星、超楕円軌道の人工衛星及び飛行船を用いる場合には、これらの位置変動が大きいため、駆動装置等を設けてアンテナにこれらを追跡させる必要がある。

また、空間構造の最大長Ｌの値を求めるためには、例えばゾンデを用いた方法等の他の方法で風速を求め、この風速を数３に代入して求めてもよい。

更に、位相検出器５２とデータ解析装置５３とを一体化させてもよい。

本発明の実施形態に係る風速測定システムを示す模式図である。２個の受信機から出力されたデジタルデータから求めた位相差を示すグラフである。データ解析装置５３に出力される位相変化データを示すグラフである。データ解析装置５３のハードウェアを示すブロック図である。データ解析装置５３の機能的な構成を示す機能構成図である。時間構造関数Ｄ₁₂（τ）、Ｄ₂₃（τ）及びＤ₃₁（τ）の例を示すグラフである。時間構造関数Ｄ₁（τ）、Ｄ₂（τ）及びＤ₃（τ）の例を示すグラフである。時間間隔τと時間構造関数との関係を示すグラフである。特性時間間隔τ_cの求め方を示すグラフである。空間構造の移動を示す模式図である。実際に行った測定の結果を示すグラフである。

符号の説明

１〜３：受信機
１１：アンテナ
１２：前置増幅器
１３：周波数変換増幅器
１４：位相同期発振器
１５：高安定基準信号源
１６：記録装置
１７：ＧＰＳ受信機
５１：ネットワーク
５２：位相検出器
５３：データ解析装置
５４：出力装置
６１：ＣＰＵ
６２：ＨＤＤ
６３：メモリ
６４：操作部
６５：インタフェース部
７１：受信機間時間構造関数演算部（第４の演算部）
７２：受信機毎時間構造関数演算部（第５の演算部）
７３：特性時間間隔演算部（第２の演算部）
７４：風速演算部（第３の演算部）
８１：水蒸気の塊
１０１：静止型人工衛星

Claims

地上よりも上方に位置する電波発信物からの電波を受信するアンテナを備えた３個の受信手段と、
前記受信手段により受信された３組の電波の位相差から前記受信手段が設置された上空毎の時間構造関数を求める第１の演算手段と、
前記時間構造関数からコルモゴロフの大気理論に基づいて、前記上空毎の特性時間間隔を求める第２の演算手段と、
前記特性時間間隔から前記上空毎の空間構造の速度を求める第３の演算手段と、
を有することを特徴とする風速測定システム。
受信手段は、互いに１０ｋｍ以上離間して設置されていることを特徴とする請求項１に記載の風速測定システム。
前記第１の演算手段は、
前記受信手段により受信された３組の電波の位相差から、３組の受信手段間の相対的な時間構造関数を求める第４の演算手段と、
前記３組の相対的な時間構造関数から前記上空毎の時間構造関数を求める第５の演算手段と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の風速測定システム。
地上よりも上方に位置する電波発信物からの電波を３箇所の観測地で受信する受信ステップと、
前記受信ステップにおいて受信した３組の電波の位相差から前記観測地の上空毎の時間構造関数を求める第１の演算ステップと、
前記時間構造関数からコルモゴロフの大気理論に基づいて、前記上空毎の特性時間間隔を求める第２の演算ステップと、
前記特性時間間隔から前記上空毎の空間構造の速度を求める第３の演算ステップと、
を有することを特徴とする風速測定方法。