JP6756889B1 - Vortex detector, vortex detection method, program and trained model - Google Patents

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Abstract

【課題】より迅速かつ精度よく突風に係る大気渦を特定することのできる渦検出装置、渦検出方法、プログラム及び学習済モデルを提供する。【解決手段】渦検出装置は、ドップラー計測装置による大気の移動速度の計測データから抽出された、大気の渦に対応する移動速度の空間分布を有する渦候補領域を各々含む所定の範囲の計測データを入力データとして、渦の計測データを含む学習データにより学習された学習済モデルを用いて、所定の範囲の計測データに渦が含まれるか否かの判定を行う判定部を備える。判定部は、所定の範囲の計測データの各々がドップラー計測装置の位置に対する動径方向の距離値及び方位角方向の角度値について二次元マトリクス状に配列されたデータを学習済モデルへの入力データとして判定を行う。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vortex detection device, a vortex detection method, a program and a trained model capable of identifying an atmospheric vortex related to a gust more quickly and accurately. SOLUTION: The vortex detection device is a measurement data in a predetermined range including each vortex candidate region having a spatial distribution of the movement speed corresponding to the vortex of the atmosphere, which is extracted from the measurement data of the movement speed of the atmosphere by the Doppler measuring device. Is provided as input data, and a determination unit for determining whether or not the measurement data in a predetermined range includes the vortex is provided by using the trained model learned from the training data including the measurement data of the vortex. The determination unit inputs data to the trained model in which each of the measurement data in a predetermined range is arranged in a two-dimensional matrix with respect to the distance value in the radial direction and the angle value in the azimuth direction with respect to the position of the Doppler measuring device. Judgment is made as. [Selection diagram] Fig. 2

Description

この発明は、渦検出装置、渦検出方法、プログラム及び学習済モデルに関する。 The present invention relates to vortex detectors, vortex detection methods, programs and trained models.

気象条件により突発的に生じる強風(突風)は、しばしば非常に強い圧力を生じて自動車、鉄道、船舶、飛行機をはじめとする各種の交通機関や家屋などの地上の物体に悪影響を与える。したがって、突風の発生に対して迅速に対処するために、この突風を予測、リアルタイム検出する要求がある。 Strong winds (gusts) that occur suddenly due to weather conditions often generate extremely strong pressure and adversely affect various means of transportation such as automobiles, railroads, ships, and airplanes, and objects on the ground such as houses. Therefore, in order to quickly deal with the occurrence of a gust, there is a demand for predicting and detecting the gust in real time.

突風の発生は、大気に生じる大規模な渦構造と相関があることが知られている。特許文献1では、小型ドップラーレーダーを用いて低仰角のみを高速に監視し、高分解能で突風を生じる大気渦を検出する技術が開示されている。特許文献2では、気象庁による竜巻及び雷の発生予測情報に基づく抽出エリア内におけるレーダー計測データから雲頂高度や降水強度を求めて、竜巻が発生する可能性のある積乱雲を特定し、当該積乱雲の移動速度に応じて推測される進路予測範囲に突風の警戒区域を定める技術が開示されている。 The generation of gusts is known to correlate with the large-scale eddy structures that occur in the atmosphere. Patent Document 1 discloses a technique of using a small Doppler radar to monitor only a low elevation angle at high speed and detect an atmospheric vortex that causes a gust with high resolution. In Patent Document 2, the cloud top altitude and precipitation intensity are obtained from the radar measurement data in the extraction area based on the tornado and lightning occurrence prediction information by the Japan Meteorological Agency, the cumulonimbus clouds where the tornado may occur are identified, and the movement of the cumulonimbus clouds. A technique for determining a gust warning area in a course prediction range estimated according to speed is disclosed.

特開2010−249550号公報JP-A-2010-249550 特開2018−63219号公報JP-A-2018-63219

しかしながら、従来の技術では、判定基準に応じて誤判定又は検出漏れを生じることが多く、迅速かつ精度よく突風を特定することができないという課題がある。 However, in the conventional technique, erroneous determination or detection omission often occurs according to the determination standard, and there is a problem that the gust cannot be identified quickly and accurately.

この発明の目的は、より迅速かつ精度よく突風に係る大気渦を特定することのできる渦検出装置、渦検出方法、プログラム及び学習済モデルを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a vortex detection device, a vortex detection method, a program, and a trained model capable of identifying an atmospheric vortex related to a gust more quickly and accurately.

上記目的を達成するため、本発明の渦検出装置は、
ドップラー計測装置による大気の移動速度の計測データから抽出された、前記大気の渦に対応する前記移動速度の空間分布を有する渦候補領域を各々含む所定の範囲の計測データを入力データとして、渦の計測データを含む学習データにより学習された学習済モデルを用いて、前記所定の範囲の計測データに渦が含まれるか否かの判定を行う判定部を備え、
前記判定部は、前記所定の範囲の計測データの各々が前記ドップラー計測装置の位置に対する動径方向の距離値及び方位角方向の角度値について二次元マトリクス状に配列されたデータを前記学習済モデルへの入力データとして前記判定を行うこととした。
したがって、二段階の評価により渦の検出精度を向上させることができる。また、数値的に画一的な基準で判別しないので、誤検出の抑制と検出漏れの抑制とをバランスよく両立させることができる。境界面がドップラー計測装置の位置に対する動径方向(R方向)に沿っているか否かが容易に判断できるので、境界がR方向に沿っていない他の物理状態である大気の収束や発散(実際には2、3次元的な動きを伴い得る)との識別を容易に行うことができ、一次元速度データによる誤検出を抑制することができる。また、速度の反転する境界が必ずR方向に沿って伸びることになり、学習を容易化することができる。また、リアルタイム処理において座標変換の手間が不要となるので、処理の軽減及び高速化を図ることができ、これによりリアルタイム性を確保しやすくなる。
In order to achieve the above object, the vortex detection device of the present invention
Input data of the vortex, which is extracted from the measurement data of the moving speed of the atmosphere by the Doppler measuring device, and includes the measurement data in a predetermined range including the vortex candidate regions having the spatial distribution of the moving speed corresponding to the vortex of the atmosphere. A determination unit for determining whether or not the measurement data in the predetermined range includes a vortex is provided by using a trained model learned from the training data including the measurement data.
The determination unit uses the trained model as data in which each of the measurement data in the predetermined range is arranged in a two-dimensional matrix with respect to the distance value in the radial direction and the angle value in the azimuth direction with respect to the position of the Doppler measuring device. It was decided to perform the above determination as input data to.
Therefore, the vortex detection accuracy can be improved by the two-step evaluation. Further, since the discrimination is not performed by a numerically uniform standard, it is possible to achieve both suppression of erroneous detection and suppression of detection omission in a well-balanced manner. Since it is easy to determine whether the boundary surface is along the radial direction (R direction) with respect to the position of the Doppler measuring device, the convergence and divergence of the atmosphere, which is another physical state where the boundary is not along the R direction (actually). Can be accompanied by two or three-dimensional movements), and erroneous detection based on one-dimensional velocity data can be suppressed. In addition, the boundary where the velocity is reversed always extends along the R direction, which facilitates learning. Further, since the time and effort of coordinate conversion is not required in the real-time processing, the processing can be reduced and speeded up, which makes it easy to secure the real-time property.

また、望ましくは、
渦が含まれると判定された前記渦候補領域のうち、所定の条件を満たすものを特定する特定部を備え、
前記判定部は、前記学習済モデルを用いて渦である確率を算出し、
前記特定部は、前記判定部により所定の近接範囲内で渦と判定された前記渦候補領域のうち、前記確率が最大のもの以外を除外する。
したがって、同一の渦に対して複数の部分で渦候補として特定された場合でも、最適なものを選択することができる。これにより、特定された渦の移動速度を推定する場合により精度よい値を得ることができる。
Also, preferably
Among the vortex candidate regions determined to contain vortices, a specific portion for specifying a region satisfying a predetermined condition is provided.
The determination unit calculates the probability of being a vortex using the trained model.
The specific unit excludes the vortex candidate regions determined to be vortices within a predetermined proximity range by the determination unit other than those having the maximum probability.
Therefore, even when the same vortex is specified as a vortex candidate in a plurality of portions, the optimum vortex can be selected. As a result, a more accurate value can be obtained when estimating the moving speed of the specified vortex.

また、望ましくは、
前記特定部は、渦が含まれると判定された前記渦候補領域のうち、所定回数以上計測されたものを渦として特定することとする。
したがって、突風の発生予測により適切に行うことが可能となり、一方で、不要な処理を低減することができる。
Also, preferably
Among the vortex candidate regions determined to contain vortices, the specific unit specifies those measured more than a predetermined number of times as vortices.
Therefore, it is possible to appropriately perform the gust generation prediction, and on the other hand, unnecessary processing can be reduced.

また、望ましくは、
前記所定の範囲は、前記渦候補領域の渦の中心が中央に位置するように定められることとする。
したがって、輪郭や中心位置などが不明瞭な渦の判断精度を向上させることができる。
Also, preferably
The predetermined range is defined so that the center of the vortex in the vortex candidate region is located at the center.
Therefore, it is possible to improve the determination accuracy of a vortex whose contour and center position are unclear.

また、望ましくは、
前記渦候補領域の渦の回転方向が所定の基準回転方向とは反対向きである場合、前記所定の範囲の計測データの各々で速度の符号を反転させて前記入力データとする入力調整部を備えることとする。
したがって、渦の回転方向によらず容易に統一基準で一貫した渦検出が可能になる。また、渦の回転方向に応じてそれぞれ学習データを用意する必要がなくなり、手間の軽減が図られる。
Also, preferably
When the rotation direction of the vortex in the vortex candidate region is opposite to the predetermined reference rotation direction, the input adjusting unit is provided by inverting the sign of the velocity in each of the measurement data in the predetermined range to obtain the input data. I will do it.
Therefore, consistent vortex detection can be easily performed based on a unified standard regardless of the rotation direction of the vortex. In addition, it is not necessary to prepare learning data according to the rotation direction of the vortex, which reduces the time and effort.

また、望ましくは、
前記所定の範囲の計測データのうち計測の欠損部分を所定の値で埋めた補正データを特異値分解し、得られた特異値行列における特異値のうち値が大きい側から所定数個の値以外をゼロに変更してから前記補正データに戻して前記入力データとする欠損補完部を備えることとする。
したがって、不自然な速度分布による検出精度の低下を抑制し、大気渦の検出漏れなどを抑制することができる。
Also, preferably
Of the measurement data in the predetermined range, the correction data in which the missing part of the measurement is filled with a predetermined value is decomposed into singular values, and among the singular values in the obtained singular value matrix, other than a predetermined number of values from the largest value side. Is changed to zero, and then the correction data is returned to be used as the input data.
Therefore, it is possible to suppress a decrease in detection accuracy due to an unnatural velocity distribution and suppress an omission of detection of atmospheric vortices.

また、望ましくは、
前記学習済モデルは、畳み込みニューラルネットワークをアルゴリズムとして利用しており、
前記判定部は、全結合層で結合される特徴量に前記渦候補領域の渦の中心位置と前記ドップラー計測装置との距離を含めることとする。
したがって、極座標での計測及び上記各計測データの配置による距離に応じた形状の渦をより確実に判別することができる。
Also, preferably
The trained model uses a convolutional neural network as an algorithm.
The determination unit includes the distance between the center position of the vortex in the vortex candidate region and the Doppler measuring device in the feature amount coupled by the fully connected layer.
Therefore, it is possible to more reliably discriminate a vortex having a shape according to the distance due to the measurement in polar coordinates and the arrangement of each of the above measurement data.

また、望ましくは、
前記ドップラー計測装置による計測データから、所定の渦構造モデルへのフィッティングに基づいて前記渦候補領域を抽出する抽出部を備えることとする。
したがって、大気渦を検出する処理全体として処理負荷を軽減し、リアルタイム性を確保しやすくしつつ、検出精度を向上させて検出漏れ及び誤検出を抑制することができる。
Also, preferably
An extraction unit for extracting the vortex candidate region from the measurement data by the Doppler measuring device based on the fitting to a predetermined vortex structure model is provided.
Therefore, it is possible to reduce the processing load of the entire process for detecting the atmospheric vortex, facilitate real-time performance, improve the detection accuracy, and suppress detection omission and erroneous detection.

また、本発明の渦検出方法は、
ドップラー計測装置による大気の移動速度の計測データから抽出された、前記大気の渦に対応する前記移動速度の空間分布を有する渦候補領域を各々含む所定の範囲の計測データを入力データとして、渦の計測データを含む学習データにより学習された学習済モデルを用いて、前記所定の範囲の計測データに渦が含まれるか否かの判定を行う判定ステップを含み、
前記判定ステップでは、前記所定の範囲の計測データの各々が前記ドップラー計測装置の位置に対する動径方向の距離値及び方位角方向の角度値について二次元マトリクス状に配列されたデータを前記学習済モデルへの入力データとして前記判定を行う。
したがって、速度境界がR方向に伸びるパターンに一元化され、誤検出などを抑制し、検出精度を向上させることができる。また、学習の容易化及び処理の軽減及び高速化を図ることができる。
Further, the vortex detection method of the present invention
Input data of the vortex, which is extracted from the measurement data of the moving speed of the atmosphere by the Doppler measuring device, and includes the measurement data in a predetermined range including the vortex candidate regions having the spatial distribution of the moving speed corresponding to the vortex of the atmosphere. A determination step of determining whether or not the measurement data in the predetermined range includes a vortex by using the trained model trained by the training data including the measurement data is included.
In the determination step, the trained model is obtained by arranging the measurement data in the predetermined range in a two-dimensional matrix with respect to the distance value in the radial direction and the angle value in the azimuth direction with respect to the position of the Doppler measuring device. The determination is made as input data to.
Therefore, the velocity boundary is unified into a pattern extending in the R direction, false detection and the like can be suppressed, and the detection accuracy can be improved. In addition, learning can be facilitated, processing can be reduced, and speed can be increased.

また、望ましくは、
前記所定の範囲は、前記渦候補領域の渦の中心が中央に位置するように定められることとする。
したがって、輪郭などが不明瞭な渦の判断精度を向上させることができる。
Also, preferably
The predetermined range is defined so that the center of the vortex in the vortex candidate region is located at the center.
Therefore, it is possible to improve the determination accuracy of a vortex whose outline or the like is unclear.

また、望ましくは、
前記渦候補領域の渦の回転方向が所定の基準回転方向とは反対向きである場合、前記所定の範囲における計測データの各々で速度の符号を反転させて前記入力データとする入力調整ステップを含むこととする。
したがって、渦の回転方向によらず容易に統一基準で一貫した渦検出が可能になる。また、渦の回転方向に応じてそれぞれ学習データを用意する必要がなくなり、手間の軽減が図られる。
Also, preferably
When the rotation direction of the vortex in the vortex candidate region is opposite to the predetermined reference rotation direction, an input adjustment step is included in which the sign of the velocity is inverted in each of the measurement data in the predetermined range to obtain the input data. I will do it.
Therefore, consistent vortex detection can be easily performed based on a unified standard regardless of the rotation direction of the vortex. In addition, it is not necessary to prepare learning data according to the rotation direction of the vortex, which reduces the time and effort.

また、望ましくは、
前記所定の範囲の計測データのうち計測の欠損部分を所定の値で埋めた補正データを特異値分解し、得られた特異値行列における特異値のうち値が大きい側から所定数個の値以外をゼロに設定してから前記補正データに戻して前記入力データとする欠損補完ステップを含むこととする。
したがって、不自然な速度分布による検出精度の低下を抑制し、大気渦の検出漏れなどを抑制することができる。
Also, preferably
Of the measurement data in the predetermined range, the correction data in which the missing part of the measurement is filled with a predetermined value is decomposed into singular values, and among the singular values in the obtained singular value matrix, other than a predetermined number of values from the largest value side. Is set to zero, and then the correction data is returned to include the defect completion step which is used as the input data.
Therefore, it is possible to suppress a decrease in detection accuracy due to an unnatural velocity distribution and suppress an omission of detection of atmospheric vortices.

また、望ましくは、
前記学習済モデルは、畳み込みニューラルネットワークをアルゴリズムとして利用しており、
前記判定ステップでは、全結合層で結合される特徴量に前記渦候補領域の渦の中心位置と前記ドップラー計測装置との距離を含めることとする。
したがって、極座標での計測及び上記各計測データの配置による距離に応じた形状の渦をより確実に判別することができる。
Also, preferably
The trained model uses a convolutional neural network as an algorithm.
In the determination step, the feature amount coupled by the fully connected layer includes the distance between the center position of the vortex in the vortex candidate region and the Doppler measuring device.
Therefore, it is possible to more reliably discriminate a vortex having a shape according to the distance due to the measurement in polar coordinates and the arrangement of each of the above measurement data.

また、本発明のプログラムは、
コンピュータを、
ドップラー計測装置による大気の移動速度の計測データから抽出された、前記大気の渦に対応する前記移動速度の空間分布を有する渦候補領域を各々含む所定の範囲の計測データを入力として、渦の計測データを含む学習データにより学習された学習済モデルを用いて、前記所定の範囲の計測データに渦が含まれるか否かの判定を出力する判定手段として動作させ
前記判定手段は、前記所定の範囲の計測データの各々が前記ドップラー計測装置の位置に対する動径方向の距離値及び方位角方向の角度値について二次元マトリクス状に配列されたデータを用いて前記判定を行う。
したがって、速度境界がR方向に伸びるパターンに一元化され、誤検出などを抑制し、検出精度を向上させることができる。また、学習の容易化及び処理の軽減及び高速化を図ることができる。
In addition, the program of the present invention
Computer,
Measurement of vortex by inputting measurement data in a predetermined range including each vortex candidate region having a spatial distribution of the movement speed corresponding to the vortex of the atmosphere, extracted from the measurement data of the movement speed of the atmosphere by the Doppler measuring device. Using the trained model trained by the training data including the data, the trained model is operated as a judgment means for outputting a judgment as to whether or not the measurement data in the predetermined range includes a vortex, and the judgment means is operated in the predetermined range. Each of the measurement data of the above is made by using the data arranged in a two-dimensional matrix for the distance value in the radial direction and the angle value in the azimuth angle direction with respect to the position of the Doppler measuring device.
Therefore, the velocity boundary is unified into a pattern extending in the R direction, false detection and the like can be suppressed, and the detection accuracy can be improved. In addition, learning can be facilitated, processing can be reduced, and speed can be increased.

また、本発明の学習済モデルは、
ドップラー計測装置による大気の移動速度の計測データから抽出された、前記大気の渦に対応する前記移動速度の空間分布を有する渦候補領域を各々含む所定の範囲の計測データを入力として、前記所定の範囲の計測データに渦が含まれるか否かの判定を出力する学習済モデルであって、
渦の計測データを含む前記所定の範囲の学習データにより、機械学習モデルのアルゴリズムを用いて学習がなされ、
前記所定の範囲の計測データの各々が前記ドップラー計測装置の位置に対して動径方向の距離値及び方位角方向の角度値について二次元マトリクス状に配列されたデータを用いて前記学習が行われる。
したがって、速度境界がR方向に伸びるパターンに一元化され、誤検出などを抑制し、検出精度を向上させることができる。また、学習の容易化及び処理の軽減及び高速化を図ることができる。
Moreover, the trained model of the present invention
The predetermined range of measurement data including the vortex candidate regions having the spatial distribution of the moving speed corresponding to the vortex of the atmosphere extracted from the measurement data of the moving speed of the atmosphere by the Doppler measuring device is input. It is a trained model that outputs a judgment as to whether or not the measurement data of the range contains a vortex.
The training data in the predetermined range including the measurement data of the vortex is trained by using the algorithm of the machine learning model.
The learning is performed using the data in which each of the measurement data in the predetermined range is arranged in a two-dimensional matrix with respect to the distance value in the radial direction and the angle value in the azimuth direction with respect to the position of the Doppler measuring device. ..
Therefore, the velocity boundary is unified into a pattern extending in the R direction, false detection and the like can be suppressed, and the detection accuracy can be improved. In addition, learning can be facilitated, processing can be reduced, and speed can be increased.

また、望ましくは、
渦の中心が中央に位置する学習データにより学習されたものであることとする。
したがって、輪郭などが不明瞭な渦の判断精度を向上させることができる。
Also, preferably
It is assumed that the center of the vortex is learned by the training data located in the center.
Therefore, it is possible to improve the determination accuracy of a vortex whose outline or the like is unclear.

また、望ましくは、
前記学習データにおける渦の回転方向が所定の基準回転方向とは反対向きである場合、前記学習データの各々の速度の符号を反転して入力させて学習されることとする。
したがって、渦の回転方向によらず容易に統一基準で一貫した渦検出が可能になる。また、渦の回転方向に応じてそれぞれ学習データを用意する必要がなくなり、手間の軽減が図られる。
Also, preferably
When the rotation direction of the vortex in the training data is opposite to the predetermined reference rotation direction, the sign of each velocity of the training data is inverted and input for learning.
Therefore, consistent vortex detection can be easily performed based on a unified standard regardless of the rotation direction of the vortex. In addition, it is not necessary to prepare learning data according to the rotation direction of the vortex, which reduces the time and effort.

また、望ましくは、
前記学習データのうち計測の欠損部分を所定の値で埋めた補正データを特異値分解し、得られた特異値行列における特異値のうち値が大きい側から所定数個の値以外をゼロに設定してから前記補正データに戻して得られた前記学習データにより学習されることとする。
したがって、不自然な速度分布による検出精度の低下を抑制し、大気渦の検出漏れなどを抑制することができる。
Also, preferably
The correction data in which the missing part of the measurement is filled with a predetermined value in the training data is decomposed into singular values, and among the singular values in the obtained singular value matrix, the values other than the predetermined number from the larger value are set to zero. Then, it is decided that the learning is performed by the learning data obtained by returning to the correction data.
Therefore, it is possible to suppress a decrease in detection accuracy due to an unnatural velocity distribution and suppress an omission of detection of atmospheric vortices.

また、望ましくは、
畳み込みニューラルネットワークを前記アルゴリズムとして利用した畳み込み層と全結合層とを有し、
前記全結合層では、前記畳み込み層で得られる各特徴量と、前記渦候補領域の渦の中心位置と前記ドップラー計測装置との距離とが全結合される値として入力される
こととする。
したがって、極座標での計測及び上記各計測データの配置による距離に応じた形状の渦をより確実に判別することができる。
Also, preferably
It has a convolutional layer and a fully connected layer using a convolutional neural network as the algorithm.
In the fully connected layer, each feature amount obtained in the convolution layer and the distance between the center position of the vortex in the vortex candidate region and the Doppler measuring device are input as values to be fully combined.
Therefore, it is possible to more reliably discriminate a vortex having a shape according to the distance due to the measurement in polar coordinates and the arrangement of each of the above measurement data.

本発明に従うと、より迅速かつ精度よく突風に係る大気渦を特定することができるという効果がある。 According to the present invention, there is an effect that the atmospheric vortex related to the gust can be specified more quickly and accurately.

本実施形態の処理装置の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of the processing apparatus of this embodiment. 渦検出の処理手順を示す図である。It is a figure which shows the processing procedure of vortex detection. 直交座標系で配置した計測データの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the measurement data arranged in the orthogonal coordinate system. 欠損部分をゼロ埋めされた渦候補の計測データと、補正済み計測データとを示す図である。It is a figure which shows the measurement data of the vortex candidate which filled the defective part with zero, and the corrected measurement data. 渦の移動予測について説明する図である。It is a figure explaining the movement prediction of a vortex. 渦検出制御処理の制御手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control procedure of a vortex detection control process. 学習済モデルの生成処理の制御手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control procedure of the generation process of a trained model.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本実施形態の処理装置1の機能構成を示すブロック図である。
処理装置1(渦検出装置)は、ドップラーレーダー4(ドップラー計測装置)による計測データに基づいて渦を検出するための各種処理を行うコンピュータである。処理装置1は、制御部11と、記憶部12と、表示部13と、操作受付部14と、入出力インターフェイス15などを備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a functional configuration of the processing device 1 of the present embodiment.
The processing device 1 (vortex detection device) is a computer that performs various processes for detecting a vortex based on the measurement data by the Doppler radar 4 (Doppler measuring device). The processing device 1 includes a control unit 11, a storage unit 12, a display unit 13, an operation reception unit 14, an input / output interface 15, and the like.

制御部11は、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサを備え、処理装置1の各種動作を制御する。 The control unit 11 includes a processor such as a CPU (Central Processing Unit) and controls various operations of the processing device 1.

記憶部12は、CPUに作業用のメモリ空間を提供し、一時データ、設定データ及び各種プログラムを記憶する。作業用のメモリ空間や一時データは、RAM(Random Access Memory)に割り当てられ、設定データ及びプログラムは、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリ(HDD(ハードディスクドライブ)を含む)に記憶される。 The storage unit 12 provides the CPU with a memory space for work, and stores temporary data, setting data, and various programs. The working memory space and temporary data are allocated to RAM (Random Access Memory), and the setting data and programs are stored in non-volatile memory (including HDD (hard disk drive)) such as flash memory.

記憶部12に記憶されるプログラム121には、渦検出制御プログラムが含まれる。渦検出制御プログラムには、学習済モデル1210が含まれる。また、記憶部12には、渦構造のモデルに係る設定である渦パターンデータ122が記憶されている。 The program 121 stored in the storage unit 12 includes a vortex detection control program. The vortex detection control program includes a trained model 1210. Further, the storage unit 12 stores vortex pattern data 122, which is a setting related to the model of the vortex structure.

表示部13は、制御部11の制御に基づいてデジタル表示画面(ディスプレイ)に各種表示を行う。表示内容には、渦検出制御プログラムにより特定された渦構造の位置や履歴などが含まれてよい。 The display unit 13 performs various displays on the digital display screen (display) based on the control of the control unit 11. The displayed contents may include the position and history of the vortex structure specified by the vortex detection control program.

操作受付部14は、キーボード、及び/又はタッチパネルといったポインティングデバイスなどを有し、外部からの入力操作を受け付けて制御信号を制御部11に出力する。操作受付部14は、例えば、各種プログラムを手動で起動したり終了させたりする場合や、表示部13による表示内容を切り替える場合などに利用される。 The operation reception unit 14 has a pointing device such as a keyboard and / or a touch panel, receives an input operation from the outside, and outputs a control signal to the control unit 11. The operation reception unit 14 is used, for example, when manually starting or terminating various programs, or when switching the display contents by the display unit 13.

入出力インターフェイス15は、外部機器との間の通信接続端子およびドライバ、例えば、LAN(Local Area Network)カードなどを備える。ここでは、外部装置2及び気象データサーバ3がLAN(及びインターネット)を経由して接続可能とされている。また、入出力インターフェイス15には、各種光学ディスクなどの可搬型記録媒体の接続端子が含まれていてよい。 The input / output interface 15 includes a communication connection terminal and a driver with an external device, for example, a LAN (Local Area Network) card and the like. Here, the external device 2 and the meteorological data server 3 can be connected via a LAN (and the Internet). Further, the input / output interface 15 may include a connection terminal for a portable recording medium such as various optical discs.

外部装置2は、学習済モデル1210を生成、改良するための学習データ21が記憶されていて、制御部11によりこれらのデータを取得、読み込み可能である。学習データ21は、ここでは、教師有データであり、正解を示すデータが対応付けられて保持されている。 The external device 2 stores learning data 21 for generating and improving the trained model 1210, and the control unit 11 can acquire and read these data. Here, the learning data 21 is supervised data, and data indicating a correct answer is associated and held.

気象データサーバ3は、ドップラーレーダー4による計測データが略リアルタイムで入力されて過去の履歴データとともに外部に配信する。 The meteorological data server 3 inputs the measurement data by the Doppler radar 4 in substantially real time and distributes it to the outside together with the past historical data.

次に、本実施形態の渦検出について説明する。
渦検出は、ドップラーレーダー4による計測データを用いて行われる。ドップラーレーダー4は、放射した所定の電磁波(マイクロ波など)の雨粒による反射波を受信し、当該ドップラーレーダー4の動径方向(R方向;ドップラーレーダー4からの距離の値)についての雨粒、すなわち大気の移動速度(風速VR)の空間分布をドップラー効果に基づいて取得する。ドップラーレーダー4の電磁波送受信方向は、方位角方向(A方向;所定の基準方向に対する水平角度差の値)に回転スキャンしながら所定の周期(例えば、30秒)で一周し、この周期でドップラーレーダー4の周囲全方向の風速分布データを得ている。
Next, the vortex detection of the present embodiment will be described.
The vortex detection is performed using the measurement data by the Doppler radar 4. The Doppler radar 4 receives a reflected wave due to raindrops of a predetermined electromagnetic wave (microwave or the like) emitted, and the raindrops in the radial direction (R direction; the value of the distance from the Doppler radar 4) of the Doppler radar 4, that is, The spatial distribution of the moving speed of the atmosphere (wind speed VR) is acquired based on the Doppler effect. The electromagnetic wave transmission / reception direction of the Doppler radar 4 goes around in a predetermined cycle (for example, 30 seconds) while rotating and scanning in the azimuth direction (direction A; the value of the horizontal angle difference with respect to the predetermined reference direction), and the Doppler radar 4 makes a round in this cycle. Wind velocity distribution data in all directions around No. 4 is obtained.

計測データ中に渦構造があると、渦の中心を含むR方向への直線(線分)に対して移動速度がドップラーレーダー向き(−R方向)の部分(速度極小)と反対向き(+R方向)の部分(速度極大)とが隣り合うシア構造(A方向に並ぶ速度の極大/極小のペア構造)を示す。 If there is a vortex structure in the measurement data, the movement speed of the straight line (line segment) in the R direction including the center of the vortex is opposite to that of the Doppler radar direction (-R direction) (minimum velocity) (+ R direction). ) Part (maximum velocity) is adjacent to the shear structure (maximum / minimum velocity pair structure arranged in the A direction).

図2は、本実施形態の処理装置1による渦検出の処理手順を示す図である。
まず、レーダー計測データから渦構造に対応する上記極大/極小のペア構造の検出を行い、渦候補を抽出する(PR1;抽出部)。抽出された渦候補領域を含む所定の範囲の領域の計測データを学習済モデル(ここでは、畳み込みニューラルネットワーク;CNN、をアルゴリズムとして用いたもの)に入力し、これを用いて、すなわち畳み込み層で畳み込みを行って特徴量を抽出(特徴マップを生成)したのち、全結合層で全結合して、渦である確率を算出する(PR2;判定部)。
FIG. 2 is a diagram showing a processing procedure for vortex detection by the processing device 1 of the present embodiment.
First, the maximum / minimum pair structure corresponding to the vortex structure is detected from the radar measurement data, and vortex candidates are extracted (PR1; extraction unit). Input the measurement data of a predetermined range including the extracted vortex candidate region into a trained model (here, a convolutional neural network; CNN, is used as an algorithm), and use this, that is, in the convolutional layer. After convolution is performed to extract the feature amount (feature map is generated), the feature amount is fully connected in the fully connected layer, and the probability of being a vortex is calculated (PR2; determination unit).

近接して複数の渦が検出されている場合には、重複と判断されるものを削除する(PR3)。また、上記回転スキャンの周期ごとに得られる計測データにおいて、基準時間内に所定回数(例えば、3回)以上の検出がなされたか否かを判別する(PR4)。PR3、PR4が本実施形態の特定部に含まれる。そして、渦の検出結果を確定して、移動速度を推定する(PR5)。 When a plurality of vortices are detected in close proximity, those judged to be duplicates are deleted (PR3). Further, in the measurement data obtained for each rotation scan cycle, it is determined whether or not the detection is performed a predetermined number of times (for example, three times) or more within the reference time (PR4). PR3 and PR4 are included in the specific part of this embodiment. Then, the detection result of the vortex is confirmed, and the moving speed is estimated (PR5).

レーダー計測データからの渦候補の検出(PR1)は、従来と同様に、渦パターンデータ122に記憶された渦モデル(従来周知の例えばランキン渦モデルなどの渦構造モデル)を用いた速度分布のフィッティングにより行われる。風速VR(スカラー値)の二次元データは、画像データの画素値と同様に(ここでは符号付で)扱われる。このとき、計測データを実際の空間分布に従ってデカルト座標系などに変換する(例えば、x=r・cоsθ、y=r・sinθ)のではなく、そのままA方向とR方向とについての直交座標系(例えば、x=r、y=θ)で二次元マトリクス状に配列されたものとしてデータを取り扱う。 The detection of vortex candidates (PR1) from radar measurement data is performed by fitting the velocity distribution using a vortex model (a vortex structure model such as the Rankine vortex model, which is well known in the past) stored in the vortex pattern data 122, as in the conventional case. Is done by. The two-dimensional data of the wind speed VR (scalar value) is treated in the same manner as the pixel value of the image data (here, with a sign). At this time, instead of converting the measurement data into a Cartesian coordinate system or the like according to the actual spatial distribution (for example, x = r · cоs θ, y = r · sin θ), the Cartesian coordinate system for the A direction and the R direction (for example) For example, the data is treated as being arranged in a two-dimensional matrix with x = r and y = θ).

図3は、この直交座標系で配置した計測データの例を示す図である。ここでは、速度の濃淡は、適宜な値を単位として調節されている。この配置により、反対方向の速度部分の境界がR方向に延びる形に統一される。すなわち、A方向に速度方向の境界が延びる発散収束などの現象が容易に除外されるので、認識すべきパターンがより容易に限定されて認識の確実化及び学習処理の簡略化につながる。また、座標変換の手間が省かれるので、処理自体も容易になる。 FIG. 3 is a diagram showing an example of measurement data arranged in this Cartesian coordinate system. Here, the shade of velocity is adjusted in units of appropriate values. By this arrangement, the boundary of the velocity portion in the opposite direction is unified so as to extend in the R direction. That is, since phenomena such as divergence and convergence in which the boundary in the velocity direction extends in the A direction are easily excluded, the pattern to be recognized is more easily limited, which leads to certainty of recognition and simplification of the learning process. Moreover, since the labor of coordinate conversion is saved, the processing itself becomes easy.

フィッティングにより抽出された渦候補の領域を含む所定サイズの領域の計測データMは、学習済モデル1210に入力されて、渦構造である確率が出力される(PR2)。ドップラー速度(スカラー値)を二次元配置した計測データMは、画像データと同様に取り扱いが可能であり、CNNによりパターン認識を用いて渦か否かが判断される。CNNは、畳み込み処理により特徴マップを生成して特徴量の抽出を行う(プーリング処理が含まれてもよい)段階(畳み込み層)と、特徴量の全結合などにより渦である確率を算出する段階(全結合層)とに分けられる。 The measurement data M of the region of a predetermined size including the region of the vortex candidate extracted by the fitting is input to the trained model 1210, and the probability of having a vortex structure is output (PR2). The measurement data M in which the Doppler velocity (scalar value) is arranged two-dimensionally can be handled in the same manner as the image data, and CNN determines whether or not it is a vortex by using pattern recognition. CNN is a stage (convolution layer) in which a feature map is generated by a convolution process and an extraction of a feature amount is performed (a pooling process may be included), and a stage in which a probability of being a vortex is calculated by a total combination of the feature amounts. It is divided into (fully bonded layer).

畳み込み及びプーリングの処理は、従来技術と同じであり、学習により定められたフィルタの係数が用いられて学習済モデル1210に応じたステップ数の畳み込みが繰り返される。しかしながら、ドップラーレーダー4による計測データMでは、雨粒からの反射を取得する特性上、雨粒がない位置からの反射が得られずデータの欠損が多いという問題がある。これに対し、本実施形態では、欠損データの穴埋め(補完)を行ってから学習済モデル1210に入力させる。 The convolution and pooling processes are the same as in the prior art, and the convolution of the number of steps according to the trained model 1210 is repeated using the coefficient of the filter determined by learning. However, in the measurement data M by the Doppler radar 4, there is a problem that the reflection from the position where there is no raindrop cannot be obtained due to the characteristic of acquiring the reflection from the raindrop, and the data is often lost. On the other hand, in the present embodiment, the missing data is filled in (complemented) and then input to the trained model 1210.

このとき、単純にゼロ値などで穴埋めを行っただけでは、速度分布が不自然な形となり、渦検出の精度が低下する。そこで、ここでは、一度計測データMにおけるデータ欠損の座標をゼロ値など所定の値で埋めた補正データに対し、特異値分解(M=U・S・V)を行う。U、Vはユニタリ行列であり、Sが特異値行列となる。特には限られないが、U、Vが正方行列である場合、特異値行列の対角成分が特異値である。各特異値が計測データMにおける値の空間変化の特徴量に対応する。 At this time, if the holes are simply filled with zero values or the like, the velocity distribution becomes unnatural and the accuracy of vortex detection is lowered. Therefore, here, singular value decomposition (M = USV VT ) is performed on the correction data in which the coordinates of the data loss in the measurement data M are once filled with a predetermined value such as a zero value. U and V are unitary matrices, and S is a singular value matrix. Although not particularly limited, when U and V are square matrices, the diagonal components of the singular value matrix are singular values. Each singular value corresponds to the feature quantity of the spatial change of the value in the measurement data M.

これら特異値行列Sにおける特異値のうち、値の大きい側から所定数(例えば、5つなど)を残してこれら以外をゼロに変更した行列Saを生成する。そして、行列演算Ma=U・Sa・Vを行って、空間変化の主たる傾向を反映した補間値に変換された補正済み計測データMa(戻された補正データ)を学習済モデル1210への入力データとする。 Among the singular values in the singular value matrix S, a matrix Sa is generated in which a predetermined number (for example, 5 or the like) is left from the side with the larger value and the other values are changed to zero. Then, by performing a matrix operation Ma = U · Sa · V T , the input of the corrected measurement data Ma that have been converted to the interpolation value that reflects the main trend of the spatial change (correction data returned) to the trained model 1210 Let it be data.

図4は、欠損部分をゼロ埋めされた渦候補の領域計測データと、上記補正済み計測データとを示す図である。図4(a)に示す所定値(固定値)で埋めたデータでは、ドップラー速度の大きい領域内にところどころ数値の空間変化がない不自然な部分が混入するが、図4(b)に示す補正済み計測データでは、これらの部分が周囲の速度変化の傾向に従った値に補完(補間)されている。 FIG. 4 is a diagram showing the region measurement data of the vortex candidate in which the defective portion is filled with zeros and the corrected measurement data. In the data filled with the predetermined values (fixed values) shown in FIG. 4 (a), unnatural parts with no spatial change of numerical values are mixed in some areas in the region where the Doppler velocity is high, but the correction shown in FIG. 4 (b). In the completed measurement data, these parts are complemented (interpolated) with values according to the tendency of the surrounding velocity change.

また、図4で示したように、処理PR1で抽出された渦候補の中心が計測データMの中心になるように所定サイズの領域が定められる。渦の中心は、極大速度の位置と極小速度の位置の中間点として定義される。 Further, as shown in FIG. 4, a region having a predetermined size is defined so that the center of the vortex candidate extracted by the processing PR1 becomes the center of the measurement data M. The center of the vortex is defined as the midpoint between the maximum velocity position and the minimum velocity position.

また、渦は、必ずしも右回り(時計回り)と左回り(反時計回り)のうちいずれかに限定されない。しかしながら、渦の有無の判定を行う範囲では、回転向きに応じた形状の大きな差は生じない。そこで、本実施形態では、フィッティングで得られた渦の回転方向が所定の基準回転方向(例えば、反時計回り)と異なる場合(反対向きの場合)には、所定サイズの領域内の速度の符号を反転させて、回転方向を反転させる。これにより、学習済モデル1210では、基準回転方向へ回転する渦のみが認識可能であればよくなり、学習内容が簡略化される。 Further, the vortex is not necessarily limited to either clockwise (clockwise) or counterclockwise (counterclockwise). However, within the range in which the presence or absence of the vortex is determined, there is no large difference in shape depending on the direction of rotation. Therefore, in the present embodiment, when the rotation direction of the vortex obtained by fitting is different from the predetermined reference rotation direction (for example, counterclockwise) (in the opposite direction), the sign of the velocity within the region of the predetermined size Is reversed to reverse the direction of rotation. As a result, in the trained model 1210, it is sufficient if only the vortex rotating in the reference rotation direction can be recognized, and the learning content is simplified.

上記PR2の処理で算出された渦である確率と所定の基準値を比較して、基準値より小さい渦候補については、渦ではないものとされる。 Comparing the probability of being a vortex calculated by the above PR2 process with a predetermined reference value, a vortex candidate smaller than the reference value is considered not to be a vortex.

また、本実施形態では、学習済モデル1210は、CNNをアルゴリズムとして用いている。この時、入力データを畳み込んで得られた特徴量だけでなく、対象領域(渦候補)の中心位置とドップラーレーダー4との距離を特徴量に含めて全結合させる。上述のように、ドップラーレーダー4は、送受信機から放射状に電磁波を放射するので、ドップラーレーダー4からの距離が遠くなるほど計測される渦の形状が粗くなる傾向がある。またR方向とA方向で二次元マトリクス状に計測データを配列すると、R方向の距離値に応じて実際の空間上のA方向の距離が変化するので、これに伴って、見かけ上の渦の形状(縦横比)が変化する。そこで、上述のように距離を特徴量に含めることで、距離に応じた形状の渦をより確実に検出することを可能とする。 Further, in the present embodiment, the trained model 1210 uses CNN as an algorithm. At this time, not only the feature amount obtained by folding the input data but also the distance between the center position of the target region (vortex candidate) and the Doppler radar 4 is included in the feature amount and fully combined. As described above, since the Doppler radar 4 radiates electromagnetic waves radially from the transmitter / receiver, the shape of the vortex measured tends to become coarser as the distance from the Doppler radar 4 increases. In addition, when the measurement data is arranged in a two-dimensional matrix in the R direction and the A direction, the distance in the A direction in the actual space changes according to the distance value in the R direction. The shape (aspect ratio) changes. Therefore, by including the distance in the feature amount as described above, it is possible to more reliably detect a vortex having a shape corresponding to the distance.

また、渦のサイズに比して小さい範囲(所定の近接範囲)に複数の渦候補が抽出されている場合、同一の渦を重複して抽出している場合がある。本実施形態では、所定の距離内に複数の渦候補が抽出されている場合には、渦である確率が最大のもの以外を渦候補から削除(除外)する(PR3)。渦の画像認識では、通常の物体や文字などの画像と比較して輪郭が不明瞭であり、また、中心位置も上記のように極大速度位置と極小速度位置から間接的に定まる。これに対し、上述のように、渦候補の中心位置を所定の領域の中心とし、後述のように、各学習データ21において渦の中心を当該学習データ21がそれぞれ示す領域中央(N×N行列の対角線交点座標など)に一致させることで、渦の本当の中心に近い渦候補ほど渦である確率が高くなりやすくすることで、重複抽出時に確率に基づいて適切に最良の候補を残すことが可能となる。 Further, when a plurality of vortex candidates are extracted in a range smaller than the size of the vortex (a predetermined proximity range), the same vortex may be extracted in duplicate. In the present embodiment, when a plurality of vortex candidates are extracted within a predetermined distance, those other than those having the maximum probability of being vortices are deleted (excluded) from the vortex candidates (PR3). In the image recognition of the vortex, the outline is unclear as compared with the image of a normal object or character, and the center position is indirectly determined from the maximum velocity position and the minimum velocity position as described above. On the other hand, as described above, the center position of the vortex candidate is set as the center of a predetermined region, and as described later, the center of the vortex in each learning data 21 is indicated by the training data 21 at the center of the region (N × N matrix). By matching the diagonal intersection coordinates of the vortex, the vortex candidate closer to the true center of the vortex is more likely to be a vortex, so that the best candidate can be appropriately left based on the probability at the time of duplicate extraction. It will be possible.

さらに、ある程度継続的に生じる渦が検出されればよいので、ここでは、前回の検出から所定時間内に2度目の検出がなされ、さらに2度目の検出から所定時間内に3回目(所定回数以上)の検出がなされた場合に継続的な渦として特定される(PR4)。所定時間は、例えば、ドップラーレーダー4の回転スキャン周期の数倍程度であってよく、すなわち、毎回連続的に検出される場合には必ずしも限られない。 Further, since it is sufficient to detect vortices that occur continuously to some extent, here, the second detection is performed within a predetermined time from the previous detection, and the third detection (more than a predetermined number of times) within a predetermined time from the second detection. ) Is detected as a continuous vortex (PR4). The predetermined time may be, for example, several times the rotation scan cycle of the Doppler radar 4, that is, it is not always limited to the case where it is continuously detected every time.

図5は、渦の移動予測について説明する図である。
渦は、多くの場合で移動を伴うが、1回の検出では移動速度が特定されないので、2度目の検出が、例えば、1度目に検出された位置P1から通常想定される移動速度(背景となる風(環境風)の風速)の上限Vomで計測間隔dt1(2回後の計測であれば計測間隔dt1の2倍)の間に移動可能な範囲内Rp1=Vom×dt1の範囲内の位置P2でなされた場合に同一の渦であると判断される。また、2度の検出によりその間の移動速度Vpが特定されるので、移動速度Vp及び検出までの移動時間(計測間隔dt1)により、3度目の検出想定位置P3pが得られる。この検出想定位置P3pを中心として、想定され得る移動速度Vpのばらつき(統計的な計測値などであってもよく、例えば、速度に対する比率であってもよいし、絶対値であってもよい)に応じて推測される範囲Rp2(ここでは半径Rp2)内で3度目の検出がなされた場合に、前2回と同一の渦であると判断される。通常想定される移動速度の上限Vom及び算出された移動速度のばらつきの上限値などは、過去の統計的な値などに基づいて固定的に又は気象条件に応じて可変で定められてよい。
FIG. 5 is a diagram for explaining the movement prediction of the vortex.
The vortex is often accompanied by movement, but since the movement speed is not specified by the first detection, the second detection is, for example, the movement speed normally assumed from the position P1 detected the first time (with the background). Position within the range of Rp1 = Vom × dt1 within the range that can be moved between the measurement interval dt1 (twice the measurement interval dt1 if the measurement is performed twice) at the upper limit Vom of the wind (environmental wind) When it is made in P2, it is judged to be the same vortex. Further, since the moving speed Vp between them is specified by the two detections, the third estimated detection position P3p can be obtained by the moving speed Vp and the moving time until the detection (measurement interval dt1). Variation of expected moving speed Vp around this assumed detection position P3p (It may be a statistical measurement value, for example, it may be a ratio to the speed, or it may be an absolute value). When the third detection is made within the range Rp2 (here, the radius Rp2) estimated according to the above, it is determined that the vortex is the same as the previous two times. The upper limit Vom of the normally assumed movement speed and the upper limit of the variation in the calculated movement speed may be fixedly or variably determined based on past statistical values or the like.

図6は、本実施形態の処理装置1でプログラム121に基づいて実行される渦検出制御処理の制御部11による制御手順を示すフローチャートである。この渦検出制御処理は、例えば、上記周期ごとに気象データサーバ3からドップラーレーダー4による各周期の計測データが取得(記憶部12に記憶)されるごとに呼び出されて実行される。 FIG. 6 is a flowchart showing a control procedure by the control unit 11 of the vortex detection control process executed based on the program 121 in the processing device 1 of the present embodiment. This vortex detection control process is called and executed every time the measurement data of each cycle by the Doppler radar 4 is acquired (stored in the storage unit 12) from the meteorological data server 3 for each cycle.

渦検出制御処理が開始されると、制御部11は、記憶部12から計測データを読み込む(ステップS101)。制御部11は、計測データ各座標について、渦に対応してA方向に並ぶ速度の極小/極大のペア構造を検出する(ステップS102)。制御部11は、検出されたペア構造を1つ含む領域に対し、渦パターンデータ122に含まれる渦構造モデルに基づいてフィッティングを行う(ステップS103)。制御部11は、フィッティングの結果に基づいて、渦構造との合致度合、中心位置及び渦の回転方向を特定する(ステップS104)。また、上記以外の渦構造の特定には用いられないパラメータ、例えば、渦の回転速度や渦度などが、渦の強度を示す指標として併せて算出してもよい。 When the vortex detection control process is started, the control unit 11 reads the measurement data from the storage unit 12 (step S101). The control unit 11 detects the minimum / maximum pair structure of the velocities arranged in the A direction corresponding to the vortex for each coordinate of the measurement data (step S102). The control unit 11 performs fitting to the region including one detected pair structure based on the vortex structure model included in the vortex pattern data 122 (step S103). The control unit 11 specifies the degree of matching with the vortex structure, the center position, and the rotation direction of the vortex based on the fitting result (step S104). Further, parameters other than the above, which are not used for specifying the vortex structure, for example, the rotation speed of the vortex and the vorticity may be calculated together as an index indicating the strength of the vortex.

制御部11は、検出された渦構造の中心位置が中央とされた所定の範囲の画像を抽出する。また、渦の回転方向が基準回転方向と異なる場合には、制御部11は、各位置の速度の符号を反転させる(ステップS105;入力調整部、入力調整ステップ)。制御部11は、上述のように欠損データの補完処理を行う(ステップS106;欠損補完部、欠損補完ステップ)。 The control unit 11 extracts an image in a predetermined range in which the center position of the detected vortex structure is centered. When the rotation direction of the vortex is different from the reference rotation direction, the control unit 11 inverts the sign of the velocity at each position (step S105; input adjustment unit, input adjustment step). The control unit 11 performs the missing data complementing process as described above (step S106; missing complementing section, missing complementing step).

制御部11は、抽出され、必要に応じて上記調整がなされた所定の範囲の画像を学習済モデル1210に入力し、学習済モデル1210から出力された渦である確率を取得する(ステップS107;判定部、判定ステップ、判定手段)。上記ステップS103〜S107の処理は、ステップS102の処理で検出された全てのペアについて順次行われる。制御部11は、渦である確率が所定の基準値未満であるものを渦候補から除外する(ステップS108)。 The control unit 11 inputs an image of a predetermined range extracted and adjusted as necessary into the trained model 1210, and acquires the probability of being a vortex output from the trained model 1210 (step S107; Judgment unit, judgment step, judgment means). The processes of steps S103 to S107 are sequentially performed for all the pairs detected in the process of step S102. The control unit 11 excludes vortices having a probability of being less than a predetermined reference value from the vortex candidates (step S108).

制御部11は、所定の距離範囲内に複数の渦候補がある部分があるか否かを判別する(ステップS109)。あると判別された場合には(ステップS109で“YES”)、制御部11は、距離範囲内の渦候補がそれぞれ渦である確率を比較し、最も高いもの以外を渦候補から除外する(ステップS110)。それから、制御部11の処理は、ステップS111に移行する。複数の渦候補がある部分がないと判別された場合には(ステップS109で“NO”)、制御部11の処理は、ステップS111に移行する。 The control unit 11 determines whether or not there is a portion having a plurality of vortex candidates within a predetermined distance range (step S109). If it is determined that there is (“YES” in step S109), the control unit 11 compares the probabilities that the vortex candidates in the distance range are vortices, and excludes the vortex candidates other than the highest one from the vortex candidates (step). S110). Then, the process of the control unit 11 shifts to step S111. When it is determined that there is no portion having a plurality of vortex candidates (“NO” in step S109), the processing of the control unit 11 proceeds to step S111.

ステップS111の処理に移行すると、制御部11は、残った渦候補のうち、今回の渦検出から所定の基準時間内(例えば、4周期以内など)に検出された渦構造から所定の距離(上述のように、1回検出時からの経過時間に所定の基準速度を乗じた距離、2回検出時の移動に基づいて算出された速度と2回目の検出時からの経過時間を乗じた距離)の内側にあるものを選択し、それぞれ検出回数に1を加算する。また、所定の距離内にないものについては、検出回数を「1」に設定する(ステップS111)。 When the process shifts to the process of step S111, the control unit 11 has a predetermined distance (described above) from the vortex structure detected within a predetermined reference time (for example, within 4 cycles) from the current vortex detection among the remaining vortex candidates. The distance obtained by multiplying the elapsed time from the first detection by a predetermined reference speed, and the distance calculated by multiplying the speed calculated based on the movement at the time of the second detection and the elapsed time from the second detection) Select the one inside the above and add 1 to the number of detections. Further, if the distance is not within the predetermined distance, the number of detections is set to "1" (step S111).

制御部11は、残っている各渦候補について、検出回数が所定の基準回数(例えば、3回)以上か否かを判別する(ステップS112)。制御部11は、基準回数以上と判別されたもの(ステップS112で“YES”)を、渦構造として確定する(ステップS114)。確定した渦構造については、移動速度(方向を含む)を推定して併せて記憶させる。この場合の速度は、通常の空間内における速度である。制御部11は、検出回数が基準回数未満のもの(ステップS112で“NO”)を、渦候補として検出回数とともにデータを保持する(ステップS113)。制御部11は、2回目の検出の渦候補については移動速度を算出し、1回目の検出の渦候補については、所定の基準速度を設定する。そして、制御部11は、渦検出制御処理を終了する。 The control unit 11 determines whether or not the number of detections is equal to or greater than a predetermined reference number (for example, 3 times) for each of the remaining vortex candidates (step S112). The control unit 11 determines that the number of times is equal to or greater than the reference number (“YES” in step S112) as a vortex structure (step S114). For the determined vortex structure, the moving speed (including the direction) is estimated and stored together. The velocity in this case is the velocity in normal space. The control unit 11 holds data with the number of detections as vortex candidates when the number of detections is less than the reference number (“NO” in step S112) (step S113). The control unit 11 calculates the moving speed for the vortex candidate for the second detection, and sets a predetermined reference speed for the vortex candidate for the first detection. Then, the control unit 11 ends the vortex detection control process.

次に、機械学習モデルの学習動作について説明する。
学習済モデル1210は、多数の渦構造を各々含む計測データを学習データとして用いて学習することで生成される。学習データ21は、予め渦構造であるか否かが確定したデータが上記渦検出時のサイズと同一サイズで用意される。渦と渦でないものの割合は適宜定められてよい。また、上述のようにドップラーレーダー4からの距離に応じて渦の計測の粗さや配列上の形状に変化が生じうるので、各距離範囲での計測を網羅した学習データ21が用意されるのがよい。
Next, the learning operation of the machine learning model will be described.
The trained model 1210 is generated by learning using measurement data including a large number of vortex structures as training data. As the learning data 21, data for which it is determined in advance whether or not the vortex structure is formed is prepared in the same size as the size at the time of vortex detection. The ratio of vortices to non-vortices may be determined as appropriate. Further, as described above, the roughness of the vortex measurement and the shape on the array may change depending on the distance from the Doppler radar 4, so that the learning data 21 covering the measurement in each distance range is prepared. Good.

また、学習データ21では、上記で示したように、渦の回転方向が統一される。渦は、一方向(反時計回り)に回転することが多いが、必ずしも一方には限られない。また、回転方向には偏りがあることから、各方向へ回転する渦の計測データをそれぞれ必要数ずつそろえるのが難しく、また他のドップラーレーダーの計測データを流用するにしても手間を要する。ドップラーレーダーでは動径方向の速度のみを計測していることから、計測された速度の符号を反転させるだけで容易に渦の回転方向が反転される。 Further, in the learning data 21, as shown above, the rotation direction of the vortex is unified. The vortex often rotates in one direction (counterclockwise), but not necessarily in one direction. Further, since the rotation direction is biased, it is difficult to prepare the required number of measurement data of the vortices rotating in each direction, and it takes time and effort to divert the measurement data of other Doppler radars. Since the Doppler radar measures only the velocity in the radial direction, the rotation direction of the vortex can be easily reversed by simply reversing the sign of the measured velocity.

さらに、学習データ21として用いられる渦の計測データは、常に渦の中心が画像領域の中央に位置するように定められる。通常の画像認識とは異なり、外側境界などが不明瞭な計測データの学習時に予め中心位置を定めて学習データ21を与えることで、本来の渦の中心以外の位置を中央に定めて画像認識を行わせた場合の渦構造である確率を低下させることができる。 Further, the vortex measurement data used as the learning data 21 is determined so that the center of the vortex is always located at the center of the image region. Unlike normal image recognition, when learning measurement data whose outer boundaries are unclear, the center position is determined in advance and the learning data 21 is given, so that a position other than the original center of the vortex is set in the center for image recognition. It is possible to reduce the probability of having a vortex structure when it is made to do so.

学習データ21は、ここでは、処理装置1の外部で生成されて外部装置2により保持されているが、これに限られない。 Here, the learning data 21 is generated outside the processing device 1 and held by the external device 2, but is not limited to this.

図7は、本実施形態の学習済モデルの生成処理の制御手順を示すフローチャートである。
ここでは、モデル生成処理は、処理装置1で実行されるものとして説明する。
FIG. 7 is a flowchart showing a control procedure of the generation process of the trained model of the present embodiment.
Here, the model generation process will be described as being executed by the processing device 1.

モデル生成処理が開始されると、制御部11は、学習データ21のリストを取得する(ステップS201)。制御部11は、取得されたリストから選択された1つの計測データを選択する(ステップS202)。 When the model generation process is started, the control unit 11 acquires a list of training data 21 (step S201). The control unit 11 selects one measurement data selected from the acquired list (step S202).

制御部11は、選択された計測データの回転方向が所定の基準回転方向ではない場合に、各速度の符号を反転させて基準回転方向に統一する(ステップS203)。なお、回転方向は、予め基準回転方向に統一されていてもよい。また、回転方向の情報が予めリストに含まれていてもよいし、各計測データに対応するメタデータなどに含まれていてもよい。また、渦が含まれないデータの場合でも、フィッティングで渦候補として検出されたものである場合には、検出時の回転方向に基づいて統一される処理がなされてもよい。また、制御部11は、上記の欠損補完処理を行う。 When the rotation direction of the selected measurement data is not a predetermined reference rotation direction, the control unit 11 inverts the sign of each speed to unify the rotation direction to the reference rotation direction (step S203). The rotation direction may be unified to the reference rotation direction in advance. Further, the information on the rotation direction may be included in the list in advance, or may be included in the metadata corresponding to each measurement data. Further, even in the case of data that does not include vortices, if the data is detected as a vortex candidate by fitting, unified processing may be performed based on the rotation direction at the time of detection. In addition, the control unit 11 performs the above-mentioned defect complement processing.

制御部11は、選択されている学習データ21を機械学習モデルに入力し(ステップS204)、予め設定(設計)されたステップの畳み込みを行って(プーリングが含まれていてもよい)特徴量の抽出を行う(ステップS205)。制御部11は、画像領域の中央の位置(渦の場合は渦の中心)とドップラーレーダー4との距離を入力し、上記特徴量と距離とで全結合させる(ステップS206)。 The control unit 11 inputs the selected learning data 21 into the machine learning model (step S204), convolves the preset (designed) steps, and performs feature quantities (which may include pooling). Extraction is performed (step S205). The control unit 11 inputs the distance between the center position of the image region (the center of the vortex in the case of a vortex) and the Doppler radar 4, and fully combines the feature amount and the distance (step S206).

制御部11は、出力された結果を学習データ21内の(対応付けられている)教師データと比較し、ずれ分(正誤判定の誤りなど)をフィードバックして畳み込みのフィルタ係数及び全結合の重み付け係数などを修正する(ステップS207)。フィードバックには、通常の方法、例えば、誤差逆伝播法などが用いられてよい。 The control unit 11 compares the output result with the (associated) teacher data in the learning data 21, feeds back the deviation (correctness determination error, etc.), and weights the convolution filter coefficient and the total coupling. Correct the coefficient and the like (step S207). For feedback, a usual method, for example, an error backpropagation method, may be used.

制御部11は、取得された渦計測データのリストから全ての渦の計測データが選択されたか否かを判別する(ステップS208)。選択されていないものがあると判別された場合には(ステップS208で“NO”)、制御部11の処理は、ステップS202に戻る。全て選択されたと判別された場合には(ステップS208で“YES”)、制御部11は、学習対象のモデルを学習済モデルとして確定し(ステップS209)、制御部11は、モデル生成処理を終了する。 The control unit 11 determines whether or not all the vortex measurement data have been selected from the list of acquired vortex measurement data (step S208). If it is determined that there is something that has not been selected (“NO” in step S208), the process of the control unit 11 returns to step S202. When it is determined that all the models have been selected (“YES” in step S208), the control unit 11 determines the model to be learned as a trained model (step S209), and the control unit 11 ends the model generation process. To do.

以上のように、渦検出装置としての本実施形態の処理装置1は、ドップラーレーダー4による大気の移動速度の計測データから抽出された、大気の渦に対応する移動速度の空間分布を有する渦候補領域を各々含む所定の範囲の計測データを入力データとして、渦の計測データを含む学習データ21により学習された学習済モデル1210を用いて、前記所定の範囲の計測データに渦が含まれるか否かの判定を行う判定部としての制御部11を備える。判定部としての制御部11は、所定の範囲の計測データの各々がドップラーレーダー4の位置に対する動径方向(R方向)の距離値及び方位角方向(A方向)の角度値について二次元マトリクス状に配列されたデータを学習済モデル1210への入力データとして判定を行う。
このように、一度渦の候補が従来技術を用いて抽出されたのち、学習済モデル1210を用いて渦としての確実性を判定するので、数値的に画一的な基準で判別する場合と比較して、渦の誤検出及び検出漏れの可能性をいずれも低減することができる。また、初めから画像全体に対して学習済モデル1210を適用しないので、処理において必要以上の負荷をかけない。そして、計測データを、実空間上の分布ではなく、R方向及びA方向に直交して延びる直線座標軸を用いて、二次元マトリクス状に配置することで、速度の反転する境界が必ずR方向に沿って伸びることになり、学習を容易化することができる。また、リアルタイム処理において座標変換の手間が不要となるので、処理の軽減及び高速化(迅速化)を図ることができ、これによりリアルタイム性を確保しやすくなる。さらに、境界面がR方向に沿っているか否かが容易に判断できるので、境界がR方向に沿っていない他の物理状態である大気の収束や発散(実際には2、3次元的な動きを伴い得る)との識別を容易に行うことができ、一次元速度データによる誤検出を抑制することができる。
As described above, the processing device 1 of the present embodiment as the vortex detection device is a vortex candidate having a spatial distribution of the moving speed corresponding to the vortex of the atmosphere extracted from the measurement data of the moving speed of the atmosphere by the Doppler radar 4. Whether or not the measurement data in the predetermined range includes the vortex by using the trained model 1210 trained by the training data 21 including the measurement data of the vortex with the measurement data in the predetermined range including each region as input data. A control unit 11 is provided as a determination unit for determining whether or not. The control unit 11 as a determination unit has a two-dimensional matrix in which each of the measurement data in a predetermined range has a distance value in the radial direction (R direction) and an angle value in the azimuth direction (A direction) with respect to the position of the Doppler radar 4. The data arranged in is determined as input data to the trained model 1210.
In this way, once the vortex candidates are extracted using the prior art, the certainty as a vortex is determined using the trained model 1210, so that it is compared with the case where the determination is performed by a numerically uniform standard. Therefore, the possibility of erroneous detection of vortices and omission of detection can be reduced. Further, since the trained model 1210 is not applied to the entire image from the beginning, an unnecessary load is not applied in the processing. Then, by arranging the measurement data in a two-dimensional matrix using linear coordinate axes extending orthogonally to the R direction and the A direction instead of the distribution in the real space, the boundary where the velocity is inverted is always in the R direction. It will grow along and facilitate learning. Further, since the time and effort of coordinate conversion is not required in the real-time processing, the processing can be reduced and the speed can be increased (speeded up), which makes it easier to secure the real-time property. Furthermore, since it can be easily determined whether or not the boundary surface is along the R direction, the convergence or divergence of the atmosphere, which is another physical state whose boundary is not along the R direction (actually, a two- or three-dimensional movement). Can be easily identified with (may be accompanied by), and erroneous detection by one-dimensional velocity data can be suppressed.

また、制御部11は、特定部として、渦が含まれると判定された渦候補領域のうち、空間的な排他性といった所定の条件を満たすものを特定する。すなわち、制御部11は、判定部として、学習済モデル1210を用いて対象領域の渦候補が渦である確率を算出し、特定部として、所定の近接範囲内で渦と判定された1又は複数の渦候補領域のうち、確率が最大のもの以外を除外する。
このように、同一の渦に対して複数の部分で渦候補として特定された場合でも、最適なものを選択することができる。これにより、特定された渦の移動速度を推定する場合により精度よい値を得ることができる。
Further, the control unit 11 specifies, as a specific unit, a vortex candidate region determined to include a vortex that satisfies a predetermined condition such as spatial exclusivity. That is, the control unit 11 calculates the probability that the vortex candidate in the target region is a vortex using the trained model 1210 as the determination unit, and one or a plurality of vortices determined to be vortices within a predetermined proximity range as the specific unit. Exclude the vortex candidate regions other than those with the highest probability.
In this way, even when the same vortex is specified as a vortex candidate in a plurality of portions, the optimum vortex can be selected. As a result, a more accurate value can be obtained when estimating the moving speed of the specified vortex.

また、制御部11は、特定部として、渦が含まれると判定された渦候補領域のうち、所定回数以上計測されたものを渦として特定する。すなわち、ある程度渦構造が継続して存在するものを選択して特定するので、突風の発生予測により適切に行うことが可能となり、一方で、不要な処理を低減することができる。 Further, the control unit 11 specifies, as a specific unit, a vortex candidate region determined to include a vortex, which has been measured a predetermined number of times or more as a vortex. That is, since the one in which the vortex structure continuously exists to some extent is selected and specified, it is possible to appropriately perform the gust generation prediction, and on the other hand, unnecessary processing can be reduced.

また、所定の範囲は、渦候補領域の渦の中心が中央に位置するように定められる。通常の画像認識と比較して、渦では外側境界などが不明瞭でサイズもばらつき、また、中心位置も直接定めにくいので、CNNを用いる場合であってもあえて中央に固定することで、渦の判断精度を向上させることができる。 Further, the predetermined range is defined so that the center of the vortex in the vortex candidate region is located at the center. Compared to normal image recognition, the outer boundary of the vortex is unclear, the size varies, and the center position is difficult to determine directly. Therefore, even when using CNN, by fixing it in the center, the vortex can be fixed. Judgment accuracy can be improved.

また、制御部11は、入力調整部として、渦候補領域の渦の回転方向が所定の基準回転方向とは反対向きである場合、所定の範囲の計測データの各々で速度の符号を反転させて入力データとする。渦の回転方向は、必ずしも一方向に限定されないが、ほぼ対象であるので、渦の有無については、回転方向自体は関係ない。一次元速度データの符号を反転することで容易に反転させることができるので、反転させて回転方向を統一したうえで渦である確率を算出することで、容易に統一基準で一貫した渦検出が可能になる。また、渦の回転方向に応じてそれぞれ学習データを用意する必要がなくなり、手間の軽減が図られる。 Further, as an input adjusting unit, the control unit 11 reverses the sign of the velocity in each of the measurement data in a predetermined range when the rotation direction of the vortex in the vortex candidate region is opposite to the predetermined reference rotation direction. Use as input data. The direction of rotation of the vortex is not necessarily limited to one direction, but it is almost a target, so the direction of rotation itself does not matter whether or not there is a vortex. Since it can be easily inverted by inverting the code of the one-dimensional velocity data, by inverting and unifying the rotation direction and then calculating the probability of being a vortex, consistent vortex detection can be easily performed based on a unified standard. It will be possible. In addition, it is not necessary to prepare learning data according to the rotation direction of the vortex, which reduces the time and effort.

また、制御部11は、欠損補完部として、所定の範囲の計測データのうち計測の欠損部分を所定の値で埋めた補正データを特異値分解し、得られた特異値行列における特異値のうち値が大きい側から所定数個の値以外をゼロに変更してから補正データに戻して入力データとする。このように、雨粒の存在有無に応じて欠損が生じやすいドップラーレーダー4の計測データにおいて、適切に周囲の傾向に応じた補完を行うことで、固定値や線形補間などによる不自然な速度分布による検出精度の低下を抑制し、大気渦の検出漏れなどを抑制することができる。 Further, the control unit 11, as a defect complementing unit, decomposes the correction data in which the measurement defect portion of the measurement data in a predetermined range is filled with a predetermined value into singular values, and among the singular values in the obtained singular value matrix. After changing the values other than a predetermined number of values to zero from the side with the largest value, return to the correction data and use it as input data. In this way, the measurement data of the Doppler radar 4, which is prone to defects depending on the presence or absence of raindrops, is appropriately complemented according to the surrounding tendency, resulting in an unnatural velocity distribution due to fixed values or linear interpolation. It is possible to suppress a decrease in detection accuracy and suppress omission of detection of atmospheric vortices.

また、学習済モデル1210は、畳み込みニューラルネットワークをアルゴリズムとして利用しており、制御部11は、判定部として、全結合層で結合される特徴量に渦候補領域の渦の中心位置とドップラー計測装置との距離を含める。ドップラーレーダー4の計測では、電磁波の送受信位置からの距離に応じて計測の空間分解能が粗くなるので、特徴量にこの距離を含めておくことで、距離に応じた形状の渦をより確実に判別することができる。また、上述のようにR方向とA方向についての直交座標系では、R方向についての距離に応じてA方向についての実空間での距離が変化するので、距離に応じて渦の縦横比も変化し得る。したがって、このような影響も含めて距離に応じて変化する形状の渦の判別の精度が向上する。 Further, the trained model 1210 uses a convolutional neural network as an algorithm, and the control unit 11 uses the convolutional neural network as a determination unit as a determination unit for the center position of the vortex in the vortex candidate region and the Doppler measurement device for the feature quantity connected by the fully connected layer. Include the distance to. In the measurement of Doppler radar 4, the spatial resolution of the measurement becomes coarser according to the distance from the transmission / reception position of the electromagnetic wave. Therefore, by including this distance in the feature amount, the vortex of the shape according to the distance can be more reliably discriminated. can do. Further, as described above, in the Cartesian coordinate system in the R direction and the A direction, the distance in the real space in the A direction changes according to the distance in the R direction, so that the aspect ratio of the vortex also changes according to the distance. Can be done. Therefore, the accuracy of discriminating the vortex having a shape that changes according to the distance is improved including such an influence.

また、制御部11は、抽出部として、ドップラーレーダー4による計測データから、渦パターンデータ122に係る所定の渦構造モデルへのフィッティングに基づいて渦候補領域を抽出する。このようにモデルと比較して速度の空間分布のもっともらしさに応じて渦の可能性のある領域を一次抽出するので、負荷の少ない処理で容易かつ高速により正確な処理が必要な領域を限定することができる。したがって、大気渦を検出する処理全体として処理負荷を軽減し、リアルタイム性を確保しやすくしつつ、検出精度を向上させて検出漏れ及び誤検出を抑制することができる。 Further, as an extraction unit, the control unit 11 extracts a vortex candidate region from the measurement data by the Doppler radar 4 based on the fitting to the predetermined vortex structure model related to the vortex pattern data 122. In this way, the region where there is a possibility of vortex is first extracted according to the plausibility of the spatial distribution of velocity as compared with the model, so the region that requires easy and high-speed more accurate processing with less load processing is limited. be able to. Therefore, it is possible to reduce the processing load of the entire process for detecting the atmospheric vortex, facilitate real-time performance, improve the detection accuracy, and suppress detection omission and erroneous detection.

また、上記処理装置1で行う各処理を用いた渦検出方法により、処理負荷の軽減及び高速化を図りつつ、より適切に誤検出及び検出漏れを抑制することができる。 Further, by the vortex detection method using each process performed by the processing device 1, it is possible to more appropriately suppress erroneous detection and detection omission while reducing the processing load and increasing the speed.

また、上記各処理を、コンピュータにインストールされた学習済モデル1210を含むプログラム121に基づいてソフトウェア的に行うことで、特殊なハードウェア設備を準備する必要がなく、適宜なコストでより実用的に渦検出を行うことが可能となる。 Further, by performing each of the above processes as software based on the program 121 including the trained model 1210 installed in the computer, it is not necessary to prepare special hardware equipment, and it is more practical at an appropriate cost. Vortex detection can be performed.

また、上記学習済モデル1210を用いて渦である確率を算出して渦か否かの判定を行うことで、従来の判定基準に応じた誤検出や検出漏れをより効果的に抑制することができる。 Further, by calculating the probability of being a vortex using the trained model 1210 and determining whether or not it is a vortex, it is possible to more effectively suppress erroneous detection and detection omission according to the conventional determination criteria. it can.

なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、学習済モデル1210へ入力する対象の抽出方法として、フィッティングにより渦(極大/極小速度ペア)の領域を検出することとしたが、渦を検出するための他の従来の方法が用いられてもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
For example, in the above embodiment, as a method of extracting the target to be input to the trained model 1210, the region of the vortex (maximum / minimum velocity pair) is detected by fitting, but other conventional methods for detecting the vortex. Method may be used.

また、上記実施の形態では、全結合層で全結合される特徴量にドップラーレーダー4からの距離を追加することとして説明したが、距離の値を直接追加するのではなく、R方向についての画素数などで距離を表現してもよい。あるいは、A方向1画素当たりの実距離などが追加されてもよい。また、距離の値が特徴量として追加されなくてもよい。 Further, in the above embodiment, the distance from the Doppler radar 4 is added to the feature quantity that is fully coupled in the fully coupled layer, but the distance value is not directly added, but the pixel in the R direction. The distance may be expressed by a number or the like. Alternatively, the actual distance per pixel in the A direction may be added. Also, the distance value does not have to be added as a feature quantity.

また、上記実施の形態では、渦の回転方向を統一して処理を行ったが、別個のまま処理が行われてもよい。この場合、例えば、学習データ21において、一方向への回転の渦を反転させて再度学習データとして利用してもよい。 Further, in the above embodiment, the processing is performed by unifying the rotation direction of the vortex, but the processing may be performed separately. In this case, for example, in the learning data 21, the vortex of rotation in one direction may be inverted and used again as the learning data.

また、上記の実施の形態で示したような特異値分解を利用したデータ欠損部分の補完処理は、好適な例の一つであり、他の補完処理がなされてもよい。また、特異値分解が利用される場合でも、ゼロとされない特異値の数は、5つの場合に限定されるものではない。 Further, the complement processing of the data missing portion using the singular value decomposition as shown in the above embodiment is one of the preferable examples, and other complement processing may be performed. Further, even when the singular value decomposition is used, the number of singular values that are not set to zero is not limited to five cases.

また、上記実施の形態では、渦(渦候補領域)の中心を所定の範囲の中央に合わせて選択し、また、学習データ21が示す領域の中央に合わせることとしたが、厳密に中央ではなくてもよく、また、中央以外の所定の位置に合わせてもよい。あるいは、全く位置合わせがなされなくてもよい。 Further, in the above embodiment, the center of the vortex (vortex candidate region) is selected so as to be aligned with the center of the predetermined range, and is aligned with the center of the region indicated by the learning data 21, but it is not strictly the center. It may be adjusted to a predetermined position other than the center. Alternatively, it does not have to be aligned at all.

また、上記実施の形態では、機械学習モデルのアルゴリズムとしてCNNを用いて畳み込み(及び設計によってはプーリング)による特徴量の抽出と、全結合による確率の算出とを行うものとして説明したが、機械学習モデルのアルゴリズムとしてはこれに限られず、部分的に又は全体として他のものが利用されてもよい。 Further, in the above embodiment, it has been described that CNN is used as an algorithm of the machine learning model to extract features by convolution (and pooling depending on the design) and to calculate the probability by full coupling. The algorithm of the model is not limited to this, and other algorithms may be used in part or in whole.

また、上記実施の形態では、ドップラーレーダーの計測データを例に挙げて説明したが、ドップラーライダーの計測データが用いられてもよい。 Further, in the above embodiment, the measurement data of the Doppler radar has been described as an example, but the measurement data of the Doppler lidar may be used.

また、上記実施の形態では、学習済モデル1210が外部装置2の学習データ21に基づいて処理装置1内で生成されるものとしたが、完全に外部で生成されてから入出力インターフェイス15を介して取得されてもよいし、反対に学習データ21も処理装置1内で生成されてもよい。 Further, in the above embodiment, the trained model 1210 is generated in the processing device 1 based on the learning data 21 of the external device 2, but it is completely generated externally and then via the input / output interface 15. The learning data 21 may also be generated in the processing device 1.

また、上記実施の形態では、記録媒体などの設定を含む画像形成制御処理に係るプログラム121のコンピュータ読み取り可能な媒体としてフラッシュメモリ又はHDDなどからなる記憶部12を例に挙げて説明したが、これに限定されない。その他のコンピュータ読み取り可能な媒体として、他の不揮発性メモリ、並びにCD−ROM及びDVDディスクなどの可搬型記録媒体を適用することが可能である。また、本発明に係るプログラムのデータを通信回線を介して提供する媒体として、キャリアウェーブ(搬送波)も本発明に適用される。
その他、上記実施の形態で示した構成、処理内容及び手順などの具体的な細部は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲に置いて適宜変更可能である。
Further, in the above-described embodiment, the storage unit 12 composed of a flash memory, an HDD, or the like has been described as an example as a computer-readable medium of the program 121 related to the image formation control process including the setting of the recording medium or the like. Not limited to. As other computer-readable media, other non-volatile memories and portable recording media such as CD-ROMs and DVD discs can be applied. A carrier wave is also applied to the present invention as a medium for providing data of a program according to the present invention via a communication line.
In addition, specific details such as the configuration, processing contents, and procedure shown in the above embodiment can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.

また、本発明の渦検出装置、渦検出方法、プログラム及び学習済モデルを用いて突風をリアルタイムで検出して、当該突風の進路や接近時刻を予測するシステムを構築することにより、突風による被害が想定される地域の住民や交通機関に対して早期に警戒情報や規制情報を提供することが可能になる。 Further, by constructing a system that detects a gust in real time using the vortex detection device, the vortex detection method, the program, and the learned model of the present invention and predicts the course and approach time of the gust, the damage caused by the gust can be caused. It will be possible to provide warning information and regulatory information to the residents and transportation of the expected area at an early stage.

1 処理装置
2 外部装置
21 学習データ
3 気象データサーバ
4 ドップラーレーダー
11 制御部
12 記憶部
121 プログラム
1210 学習済モデル
122 渦パターンデータ
13 表示部
14 操作受付部
15 入出力インターフェイス
1 Processing device 2 External device 21 Learning data 3 Meteorological data server 4 Doppler radar 11 Control unit 12 Storage unit 121 Program 1210 Learned model 122 Swirl pattern data 13 Display unit 14 Operation reception unit 15 Input / output interface

Claims (19)

ドップラー計測装置による大気の移動速度の計測データから抽出された、前記大気の渦に対応する前記移動速度の空間分布を有する渦候補領域を各々含む所定の範囲の計測データを入力データとして、渦の計測データを含む学習データにより学習された学習済モデルを用いて、前記所定の範囲の計測データに渦が含まれるか否かの判定を行う判定部を備え、
前記判定部は、前記所定の範囲の計測データの各々が前記ドップラー計測装置の位置に対する動径方向の距離値及び方位角方向の角度値について二次元マトリクス状に配列されたデータを前記学習済モデルへの入力データとして前記判定を行う
ことを特徴とする渦検出装置。
Input data of the vortex, which is extracted from the measurement data of the moving speed of the atmosphere by the Doppler measuring device, and includes the measurement data in a predetermined range including the vortex candidate regions having the spatial distribution of the moving speed corresponding to the vortex of the atmosphere. A determination unit for determining whether or not the measurement data in the predetermined range includes a vortex is provided by using a trained model learned from the training data including the measurement data.
The determination unit uses the trained model as data in which each of the measurement data in the predetermined range is arranged in a two-dimensional matrix with respect to the distance value in the radial direction and the angle value in the azimuth angle direction with respect to the position of the Doppler measuring device. A vortex detection device characterized in that the determination is performed as input data to.
渦が含まれると判定された前記渦候補領域のうち、所定の条件を満たすものを特定する特定部を備え、
前記判定部は、前記学習済モデルを用いて渦である確率を算出し、
前記特定部は、前記判定部により所定の近接範囲内で渦と判定された前記渦候補領域のうち、前記確率が最大のもの以外を除外する
ことを特徴とする請求項1記載の渦検出装置。
Among the vortex candidate regions determined to contain vortices, a specific portion for specifying a region satisfying a predetermined condition is provided.
The determination unit calculates the probability of being a vortex using the trained model.
The vortex detection device according to claim 1, wherein the specific unit excludes a vortex candidate region determined to be a vortex within a predetermined proximity range by the determination unit other than the one having the maximum probability. ..
前記特定部は、渦が含まれると判定された前記渦候補領域のうち、所定回数以上計測されたものを渦として特定することを特徴とする請求項2記載の渦検出装置。 The vortex detection device according to claim 2, wherein the specific unit identifies a vortex candidate region that has been determined to contain a vortex and has been measured a predetermined number of times or more as a vortex. 前記所定の範囲は、前記渦候補領域の渦の中心が中央に位置するように定められることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の渦検出装置。 The vortex detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein the predetermined range is defined so that the center of the vortex in the vortex candidate region is located at the center. 前記渦候補領域の渦の回転方向が所定の基準回転方向とは反対向きである場合、前記所定の範囲の計測データの各々で速度の符号を反転させて前記入力データとする入力調整部を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の渦検出装置。 When the rotation direction of the vortex in the vortex candidate region is opposite to the predetermined reference rotation direction, the input adjusting unit is provided by inverting the sign of the velocity in each of the measurement data in the predetermined range to obtain the input data. The vortex detection device according to any one of claims 1 to 4, wherein the vortex detection device is characterized. 前記所定の範囲の計測データのうち計測の欠損部分を所定の値で埋めた補正データを特異値分解し、得られた特異値行列における特異値のうち値が大きい側から所定数個の値以外をゼロに変更してから前記補正データに戻して前記入力データとする欠損補完部を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の渦検出装置。 Of the measurement data in the predetermined range, the correction data in which the missing part of the measurement is filled with a predetermined value is decomposed into singular values, and among the singular values in the obtained singular value matrix, other than a predetermined number of values from the largest value side. The vortex detection device according to any one of claims 1 to 5, wherein the vortex detection device includes a defect complementing portion for changing the value to zero and then returning the correction data to the input data. 前記学習済モデルは、畳み込みニューラルネットワークをアルゴリズムとして利用しており、
前記判定部は、全結合層で結合される特徴量に前記渦候補領域の渦の中心位置と前記ドップラー計測装置との距離を含めることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の渦検出装置。
The trained model uses a convolutional neural network as an algorithm.
The determination unit according to any one of claims 1 to 6, wherein the feature amount coupled by the fully connected layer includes the distance between the center position of the vortex in the vortex candidate region and the Doppler measuring device. The described vortex detector.
前記ドップラー計測装置による計測データから、所定の渦構造モデルへのフィッティングに基づいて前記渦候補領域を抽出する抽出部を備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の渦検出装置。 The vortex according to any one of claims 1 to 7, further comprising an extraction unit that extracts the vortex candidate region from the measurement data by the Doppler measuring device based on the fitting to a predetermined vortex structure model. Detection device. ドップラー計測装置による大気の移動速度の計測データから抽出された、前記大気の渦に対応する前記移動速度の空間分布を有する渦候補領域を各々含む所定の範囲の計測データを入力データとして、渦の計測データを含む学習データにより学習された学習済モデルを用いて、前記所定の範囲の計測データに渦が含まれるか否かの判定を行う判定ステップを含み、
前記判定ステップでは、前記所定の範囲の計測データの各々が前記ドップラー計測装置の位置に対する動径方向の距離値及び方位角方向の角度値について二次元マトリクス状に配列されたデータを前記学習済モデルへの入力データとして前記判定を行う
ことを特徴とする渦検出方法。
Input data of the vortex, which is extracted from the measurement data of the moving speed of the atmosphere by the Doppler measuring device, and includes the measurement data in a predetermined range including the vortex candidate regions having the spatial distribution of the moving speed corresponding to the vortex of the atmosphere. A determination step of determining whether or not the measurement data in the predetermined range includes a vortex by using the trained model trained by the training data including the measurement data is included.
In the determination step, the trained model is obtained by arranging the measurement data in the predetermined range in a two-dimensional matrix with respect to the distance value in the radial direction and the angle value in the azimuth angle direction with respect to the position of the Doppler measuring device. A vortex detection method characterized in that the determination is performed as input data to.
前記所定の範囲は、前記渦候補領域の渦の中心が中央に位置するように定められることを特徴とする請求項9記載の渦検出方法。 The vortex detection method according to claim 9, wherein the predetermined range is defined so that the center of the vortex in the vortex candidate region is located at the center. 前記渦候補領域の渦の回転方向が所定の基準回転方向とは反対向きである場合、前記所定の範囲における計測データの各々で速度の符号を反転させて前記入力データとする入力調整ステップを含むことを特徴とする請求項9又は10記載の渦検出方法。 When the rotation direction of the vortex in the vortex candidate region is opposite to the predetermined reference rotation direction, an input adjustment step is included in which the sign of the velocity is inverted in each of the measurement data in the predetermined range to obtain the input data. The vortex detection method according to claim 9 or 10, characterized in that. 前記所定の範囲の計測データのうち計測の欠損部分を所定の値で埋めた補正データを特異値分解し、得られた特異値行列における特異値のうち値が大きい側から所定数個の値以外をゼロに設定してから前記補正データに戻して前記入力データとする欠損補完ステップを含むことを特徴とする請求項9〜11のいずれか一項に記載の渦検出方法。 Of the measurement data in the predetermined range, the correction data in which the missing part of the measurement is filled with a predetermined value is decomposed into singular values, and among the singular values in the obtained singular value matrix, other than a predetermined number of values from the largest value side. The vortex detection method according to any one of claims 9 to 11, wherein the vortex detection method includes a defect completion step in which is set to zero and then returned to the correction data to be used as the input data. 前記学習済モデルは、畳み込みニューラルネットワークをアルゴリズムとして利用しており、
前記判定ステップでは、全結合層で結合される特徴量に前記渦候補領域の渦の中心位置と前記ドップラー計測装置との距離を含めることを特徴とする請求項9〜12のいずれか一項に記載の渦検出方法。
The trained model uses a convolutional neural network as an algorithm.
In any one of claims 9 to 12, the determination step includes the distance between the center position of the vortex in the vortex candidate region and the Doppler measuring device in the feature amount coupled in the fully connected layer. The described vortex detection method.
コンピュータを、
ドップラー計測装置による大気の移動速度の計測データから抽出された、前記大気の渦に対応する前記移動速度の空間分布を有する渦候補領域を各々含む所定の範囲の計測データを入力として、渦の計測データを含む学習データにより学習された学習済モデルを用いて、前記所定の範囲の計測データに渦が含まれるか否かの判定を出力する判定手段として動作させ
前記判定手段は、前記所定の範囲の計測データの各々が前記ドップラー計測装置の位置に対する動径方向の距離値及び方位角方向の角度値について二次元マトリクス状に配列されたデータを用いて前記判定を行う
ことを特徴とするプログラム。
Computer,
Measurement of vortex by inputting measurement data in a predetermined range including each vortex candidate region having a spatial distribution of the movement speed corresponding to the vortex of the atmosphere, extracted from the measurement data of the movement speed of the atmosphere by the Doppler measuring device. Using the trained model trained by the training data including the data, the trained model is operated as a judgment means for outputting a judgment as to whether or not the measurement data in the predetermined range includes a vortex, and the judgment means is operated in the predetermined range. Each of the measurement data of the above is a program characterized in that the determination is made using the data arranged in a two-dimensional matrix for the distance value in the radial direction and the angle value in the azimuth angle direction with respect to the position of the Doppler measuring device.
ドップラー計測装置による大気の移動速度の計測データから抽出された、前記大気の渦に対応する前記移動速度の空間分布を有する渦候補領域を各々含む所定の範囲の計測データを入力として、前記所定の範囲の計測データに渦が含まれるか否かの判定を出力する学習済モデルであって、
渦の計測データを含む前記所定の範囲の学習データにより、機械学習モデルのアルゴリズムを用いて学習がなされ、
前記所定の範囲の計測データの各々が前記ドップラー計測装置の位置に対して動径方向の距離値及び方位角方向の角度値について二次元マトリクス状に配列されたデータを用いて前記学習が行われる
ことを特徴とする学習済モデル。
The predetermined range of measurement data including the vortex candidate regions having the spatial distribution of the moving speed corresponding to the vortex of the atmosphere extracted from the measurement data of the moving speed of the atmosphere by the Doppler measuring device is input. It is a trained model that outputs a judgment as to whether or not the measurement data of the range contains a vortex.
The training data in the predetermined range including the measurement data of the vortex is trained by using the algorithm of the machine learning model.
The learning is performed using the data in which each of the measurement data in the predetermined range is arranged in a two-dimensional matrix with respect to the distance value in the radial direction and the angle value in the azimuth direction with respect to the position of the Doppler measuring device. A trained model characterized by that.
渦の中心が中央に位置する学習データにより学習されたものであることを特徴とする請求項15記載の学習済モデル。 The trained model according to claim 15, wherein the center of the vortex is trained by the training data located at the center. 前記学習データにおける渦の回転方向が所定の基準回転方向とは反対向きである場合、前記学習データの各々の速度の符号を反転して入力させて学習されることを特徴とする請求項15又は16記載の学習済モデル。 15 or claim 15, wherein when the rotation direction of the vortex in the training data is opposite to the predetermined reference rotation direction, the learning is performed by inverting the sign of each speed of the training data and inputting the vortex. 16 Learned models. 前記学習データのうち計測の欠損部分を所定の値で埋めた補正データを特異値分解し、得られた特異値行列における特異値のうち値が大きい側から所定数個の値以外をゼロに設定してから前記補正データに戻して得られた前記学習データにより学習されることを特徴とする請求項15〜17のいずれか一項に記載の学習済モデル。 The correction data in which the missing part of the measurement is filled with a predetermined value in the training data is decomposed into singular values, and among the singular values in the obtained singular value matrix, the values other than the predetermined number from the larger value are set to zero. The trained model according to any one of claims 15 to 17, wherein the training is performed by the training data obtained by returning to the correction data. 畳み込みニューラルネットワークを前記アルゴリズムとして利用した畳み込み層と全結合層とを有し、
前記全結合層では、前記畳み込み層で得られる各特徴量と、前記渦候補領域の渦の中心位置と前記ドップラー計測装置との距離とが全結合される値として入力される
ことを特徴とする請求項15〜18のいずれか一項に記載の学習済モデル。
It has a convolutional layer and a fully connected layer using a convolutional neural network as the algorithm.
The fully connected layer is characterized in that each feature amount obtained in the convolution layer and the distance between the center position of the vortex in the vortex candidate region and the Doppler measuring device are input as values to be fully combined. The trained model according to any one of claims 15 to 18.
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