JP6141714B2 - ドップラー水象レーダー - Google Patents

Description

この発明は、河川の流況を地上からドップラーレーダーにより観測するドップラー水象レーダーに関し、とくに、川幅方向に広がりのある観測範囲における表面流速分布の中から主流方向を特定するとともに、主流方向成分の表面流速分布を観測する技術に関する。

たとえば、土木学会水工学論文集第５２巻（２００８年２月）に掲載の「電波式流速計による河川脈動流の観測」に記載されているように、広く実用されているドップラー気象レーダーと同様な原理で、河川の流況を地上からドップラー流速計により観測する技術が研究されている。

図１に示すように、たとえば橋などを利用して河川の流水域のほぼ中央上方にレーダーのアンテナ１を設置し、たとえば上流側の水面に向けて斜めにレーダービームを照射する。アンテナ１は垂直軸を中心として回転装置２により一定速度で回転する。観測範囲は、図２に示すように、上流向きあるいは下流向き９０度の範囲である。ビーム照射の俯角は一定に保たれ、観測範囲を円弧状に走査する。

周知のとおり、アンテナ１から水面に照射されて水面からアンテナ１に戻るマイクロ波には、ビーム照射部分の水流の速度を反映したドップラー信号が含まれ、このドップラー信号を処理することによりドップラー速度を求めることができる。ドップラー速度はレーダー反射体の速度のビーム方向成分であるから、ビームの俯角を用いて表面流速を計算することができる（俯角をβとするとドップラー速度をＣＯＳβで除算すればよい）。このように求まる表面流速はドップラー速度に一定の定数を掛けたものであるから、相対値としての意味では、ドップラー速度と本質的に変わらない。

上述した従来の方法において、ドップラー速度とビーム俯角から求まる表面流速は、アンテナ設置点の水面上の投影点（アンテナ投影点とする）を中心とする放射方向（ビーム投影線とも称する）の速度成分である。このように、水面におけるアンテナ投影点を中心とする放射方向の速度成分を表面流速分布として、たとえばレーダースコープのように出力する構成をとったとする。この場合、表面流速分布の出力から有意義な水象情報を読み取ることはきわめて困難である。

この発明は上述した従来の問題点に鑑みなされたもので、図１と図２に例示したような構成で河川の流況を地上からドップラーレーダーにより観測するシステムにおいて、得られるドップラー信号に基づいて、表面流速分布に関連した有意義な水象情報を容易に読み取れるようにした出力データを演算するドップラー信号処理技術を実現すべく創作されたものである。

具体的には、この発明は、川幅方向に広がりのある観測範囲における表面流速分布の主流方向を特定して出力するとともに、観測範囲における主流方向成分の表面流速分布データを出力するドップラー水象レーダーを提供するものである。

この発明に係るドップラー水象レーダーは、分説すると、つぎの事項（１）〜（10）により特定されるものである。
（１）ドップラーレーダーと、ドップラー信号処理装置とを備えたドップラー水象レーダーであること
（２）ドップラーレーダーは、アンテナと、回転装置と、送受信装置を備えること
（３）アンテナは、回転装置におけるほぼ垂直に配された回転軸に取り付けられて水平面内で回転し、送受信装置からの送信信号に基づくレーダービームを所定の俯角で斜め下方に照射するとともに、レーダー反射体からの反射信号を受信すること
（４）アンテナから送信されるレーダービームは、河川の上流側または下流側に設定された川幅方向に広がりのある観測範囲を円弧状に走査すること
（５）回転装置は、アンテナから送信されるビーム方向の方位角に対応するアンテナ走査角信号を出力すること
（６）送受信装置は、アンテナ受信信号に基づくドップラー信号を出力すること
（７）ドップラー信号処理装置は、アンテナ走査角信号およびドップラー信号に基づく以下の処理Ａ〜Ｃを行うこと
（８）処理Ａは、ドップラー信号の周波数強度特性を解析し、最大強度のドップラー周波数に対応したドップラー速度と前記俯角とに基づいてビーム投影線方向の表面流速サンプル値を逐次求め、求めた表面流速サンプル値とこのサンプル取得時のアンテナ走査角とを対応づけして逐次出力すること
（９）処理Ｂは、ドップラー信号の周波数強度特性を解析し、ドップラー信号の周波数帯域全体の包括強度値と前記ドップラー周波数とを入力変数とする所定の積関数を逐次計算し、この積関数出力がピークを示すアンテナ走査角を特定し、特定したアンテナ走査角を観測範囲における主流方向として所定のレジスタに記録するとともに出力し、
（10）処理Ｃは、観測範囲に含まれる各アンテナ走査角ごとに前記処理Ａで求められるビーム投影線方向の表面流速サンプル値を、前記レジスタに記録された主流方向を示すアンテナ走査角を用いて主流方向の表面流速サンプル値に換算して各アンテナ走査角に対応づけして逐次出力する

この発明に係るドップラー水象レーダーによれば、川幅方向に広がりのある観測範囲における表面流速分布の主流方向を特定して出力することができるとともに、観測範囲における主流方向成分の表面流速分布データを出力することができる。

水平視で示すドップラー水象レーダーの配置概要 平面視で示すドップラー水象レーダーの配置概要 ドップラー信号処理の説明 ドップラー信号処理装置の具体例

＝＝＝観測対象とレーダー＝＝＝
この発明においては、図１に示すように、たとえば橋などを利用して河川の流水域のほぼ中央上方にドップラーレーダーのアンテナ１を設置し、たとえば上流側の水面に向けて斜めにレーダービームを照射する。アンテナ１は垂直軸を中心として回転装置２により一定速度で回転する。観測範囲は、図２に示すように、上流向きの９０度の範囲である。ビーム照射の俯角は一定に保たれ、観測範囲を円弧状に走査する。回転装置２からは、アンテナ１から送信されるレーダービーム方向の方位角に対応するアンテナ走査角信号が出力される。

ドップラーレーダーの送受信装置３は、アンテナ１に送信信号を供給してアンテナ１からレーダービームを出力させるとともに、水面からの反射波を受信する。周知のように、アンテナ１から水面に照射されて水面からアンテナ１に戻るマイクロ波には、ビーム照射部分の水流の速度を反映したドップラー信号が含まれ、このドップラー信号を処理することによりドップラー速度を求めることができる。さきに説明したとおり、ドップラー速度はレーダー反射体の速度のビーム方向成分であるから、ビームの俯角を用いて表面流速を計算することができる。

＝＝＝ドップラー信号処理装置４＝＝＝
ドップラー信号処理装置４は、ドップラーレーダー送受信装置３から出力されるドップラー信号と、回転装置２から出力されるアンテナ走査角信号に基づいて、以下に順次説明する信号処理を行う。

この実施例においては、アンテナ走査角は、図３に示すように、川幅方向に合わせた基準線に対するレーダービーム照射方向の方位角を表すものとする。そして、観測範囲となる円弧状領域は、アンテナ走査角にして４５度から１３５度までの９０度の角度範囲であり、ドップラー信号処理装置４はこの範囲にて得られたドップラー信号を処理する。観測範囲の中心（アンテナ走査角が９０度のライン）は、河川のおおよそ流心方向に合わせている。

ドップラー信号処理装置４の構成例を図４に示している。送受信装置３からのドップラー信号は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）群５に入力される。ＢＰＦ群５は、ドップラー信号の想定される周波数帯域をたとえば６個の帯域に分割する６個のバンドバスフィルタからなる。ＢＰＦ群５の各帯域の出力はＡ／Ｄ変換器６でデジタル化されて演算装置７に入力される。また、回転装置２からデジタル信号の形式で出力されるアンテナ走査角も演算装置７に入力される。演算装置７は、デジタル信号処理用のコンピューターである。

＝＝＝ドップラー信号の周波数強度特性とドップラー速度＝＝＝
レーダー反射体である水流表面の動きは複雑であり、上流から下流に向かう卓越した流動、渦巻いたり湧昇沈降する上下方向の流動、泡立ちやさざ波などの水面変動が複合している。そのため、ドップラー信号の周波数は広い範囲にわたって分布している。

演算装置７は、ＢＰＦ群５の出力に基づいて、ドップラー信号の周波数強度特性を解析し、最大強度のドップラー周波数に対応したドップラー速度を逐次計算するとともに、レーダービーム照射の前記俯角を含む定数をドップラー速度に乗算するとにより、ビーム投影線方向の表面流速サンプル値を逐次求め、求めた表面流速サンプル値とこのサンプル取得時のアンテナ走査角とを対応づけして逐次記録するとともに出力する。

上記のようにして計算されるビーム投影線方向の表面流速サンプル値は、ドップラー速度に一定の定数を掛けたものであり、図３に示すように、アンテナ投影点からビーム照射点に向かう放射線（ビーム投影線）上のベクトルとして表すことができる。アンテナ走査角の１度ごとに表面流速サンプル値を求めるものとすると、演算装置７には、観測範囲における９０個の表面流速サンプル値がアンテナ走査角と対応づけして記録される。

＝＝＝主流方向の表面流速への変換＝＝＝
図４に示すように、演算装置７における所定のレジスタ８には、観測範囲における主流方向を示すアンテナ走査角θ１が格納されている。この主流方向アンテナ走査角θ１は、演算装置７が観測データに基づいて逐次決定するものであり、観測データの変化に応じて主流方向アンテナ走査角θ１を更新しつつレジスタ８に記録する。主流方向アンテナ走査角θ１を決定するアルゴリズムについては後で詳しく説明する。

図３に示すように、あるアンテナ走査角θ２のサンプル点Ｓ２にて求められたビーム投影線方向の表面流速サンプル値をＶｄ２とし、主流方向アンテナ走査角θ１とサンプル点Ｓ２のアンテナ走査角θ２がなす角度をαとすると、Ｖｄ２÷ＣＯＳαによりサンプル点Ｓ２における主流方向の表面流速サンプル値Ｖｘ２を求めることができる。

演算装置７は、観測範囲の全域を１回走査するごとに、ビーム投影線方向の表面流速サンプル値Ｖｄを９０個出力するとともに、これらサンプル値を主流方向アンテナ走査角θ１を用いて換算した主流方向の表面流速サンプル値Ｖｘを９０個出力する。これら各出力は各サンプル点を示すアンテナ走査角と対応づけされる。

＝＝＝主流方向アンテナ走査角θ１の決定の仕方＝＝＝
前述したように、ドップラー信号の周波数は広い範囲にわたって分布していて、その周波数強度特性はさまざまに変化する。そして周知のように、最大強度を示すドップラー周波数に基づいてドップラー速度（これに一定の定数を掛けたものがビーム投影線方向の表面流速である）が計算される。

観測範囲の全域を１回走査した中で、最大のドップラー速度が観測されたアンテナ走査角の方向が観測範囲の主流方向の有力候補である。しかしながら、この発明においては、ドップラー速度の最大値を観測した方向を単純に主流方向としてはいない。ドップラー速度の大きさに加えて、ドップラー信号の周波数帯域全体の包括強度値を参照して主流方向を決定している。

具体的には、演算装置７は、ドップラー信号の周波数強度特性を解析し、ドップラー信号の周波数帯域全体の包括強度値と前記ドップラー周波数とを入力変数とする所定の積関数を逐次計算し、この積関数出力がピークを示すアンテナ走査角を特定し、特定したアンテナ走査角を観測範囲における主流方向として所定のレジスタに記録する。レジスタに記録した主流方向アンテナ走査角θ１を出力する。

ドップラー信号の周波数帯域全体の包括強度値は、レーダービームが照射される水面の傾きなどの性状に大きな影響を受け、ドップラー速度が同程度の大きさを示す複数の方向の中では包括強度値の大きな方向が主流方向と認定するのに相応しいということを多くの実証試験により確認した。上記の所定の積関数としては、ドップラー速度と包括強度値を単純に掛け算したり、両値に異なる重み付けをして掛け算するなど、実際のシステムにより実証試験により適宜に定めることができる。

なお、主流方向アンテナ走査角θ１を決定するにあたっては、連続する複数の走査回においてそれぞれ特定される前記主流方向のアンテナ走査角の移動平均をとりつつ、その平均値を前記レジスタに逐次格納することが望ましく、これにより安定的な観測が可能となる。

＝＝＝まとめ＝＝＝
以上詳しく説明したように、この発明に係るドップラー水象レーダーによれば、川幅方向に広がりのある観測範囲をレーダービームにより円弧状に繰り返し走査しつつ、観測されるドップラー信号に基づいて観測範囲における主流方向を自動的に決定しつつ、観測されるドップラー速度を主流方向の表面流速に換算して出力するので、これを適宜に表示出力することにより河川の流況およびその変化を直感的に読み取ることができる。つまり、ドップラーレーダーによる水象観測情報を人が理解しやすい形態で出力することができるようになり、長期的・短期的な主流方向の変化の様子を容易に観測できるし、変化した主流方向に応じて主流方向の表面速度分布が変化する様子も容易に観測できる。

実施例においては、ドップラー信号処理装置を１つのブロックにまとめて示した。これは便宜的な説明であり、現実的には、レーダー設置現場の信号処理装置と、これに通信回線で結ばれた遠方の事務所に設置された信号処理装置とで適宜に分散コンピューティングを行う構成となるであろう。また、実施例ではドップラー信号をＢＰＦ群により処理してからデジタル信号処理（ＤＳＰ）を行うようにしているが、デジタルフィルタ技術を採用し、ドップラー信号をデジタル化してＤＳＰにより処理する方式としてもよい。

Claims (2)

1. ドップラーレーダーと、ドップラー信号処理装置とを備えたドップラー水象レーダーであって、
   ドップラーレーダーは、アンテナと、回転装置と、送受信装置を備え、
   アンテナは、回転装置におけるほぼ垂直に配された回転軸に取り付けられて水平面内で回転し、送受信装置からの送信信号に基づくレーダービームを所定の俯角で斜め下方に照射するとともに、レーダー反射体からの反射信号を受信し、
   アンテナから送信されるレーダービームは、河川の上流側または下流側に設定された川幅方向に広がりのある観測範囲を円弧状に走査し、
   回転装置は、アンテナから送信されるビーム方向の方位角に対応するアンテナ走査角信号を出力し、
   送受信装置は、アンテナ受信信号に基づくドップラー信号を出力し、
   ドップラー信号処理装置は、アンテナ走査角信号およびドップラー信号に基づく以下の処理Ａ〜Ｃを行い、
   処理Ａは、ドップラー信号の周波数強度特性を解析し、最大強度のドップラー周波数に対応したドップラー速度と前記俯角とに基づいてビーム投影線方向の表面流速サンプル値を逐次求め、求めた表面流速サンプル値とこのサンプル取得時のアンテナ走査角とを対応づけして逐次出力し、
   処理Ｂは、ドップラー信号の周波数強度特性を解析し、ドップラー信号の周波数帯域全体の包括強度値と前記ドップラー周波数とを入力変数とする所定の積関数を逐次計算し、この積関数出力がピークを示すアンテナ走査角を特定し、特定したアンテナ走査角を観測範囲における主流方向として所定のレジスタに記録するとともに出力し、
   処理Ｃは、観測範囲に含まれる各アンテナ走査角ごとに前記処理Ａで求められるビーム投影線方向の表面流速サンプル値を、前記レジスタに記録された主流方向を示すアンテナ走査角を用いて主流方向の表面流速サンプル値に換算して各アンテナ走査角に対応づけして逐次出力する
   ドップラー水象レーダー。
2. 前記処理Ｂにおいては、連続する複数の走査回においてそれぞれ特定される前記主流方向のアンテナ走査角の移動平均をとりつつ、その平均値を前記レジスタに逐次格納する
   請求項１に記載のドップラー水象レーダー。