JPH09243745A

JPH09243745A - ドップラー速度計

Info

Publication number: JPH09243745A
Application number: JP8081977A
Authority: JP
Inventors: Takao Uzawa; 孝夫鵜沢
Original assignee: Kaijo Corp
Current assignee: Kaijo Corp
Priority date: 1996-03-11
Filing date: 1996-03-11
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】〔課題〕距離分解能を犠牲にすることなく、しかも演
算時間の大幅な延長を招くことなく、速度の検出精度を
向上させたドップラー速度計を提供する。〔解決手段〕既知の周波数の音波又は電磁波を空中に
放射し、ドップラー効果によって周波数のシフトを受け
た反射波を受信し(1) 、受信信号中に設定した標本区間
について高速フーリエ変換(10)を行って周波数のシフト
量を検出し、反射波を生じさせた媒体又は物体の速度を
算定する。このドップラー速度計は、設定した標本区間
の前後にゼロ又は実質的にゼロのレベルのサンプリング
点群が配列された疑似標本区間を付加する手段(9) を備
える。また、このドップラー速度計は、標本区間の設定
に先立って受信信号の周波数を低域側にシフトする周波
数シフト手段(5) を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、上空の風速や乱気
流を検出するドップラー風速計などとして利用されるド
ップラー速度計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】スモッグなどの大気汚染への影響や、航
空機の飛行を妨げる乱気流を検出するうえで必要となる
上空の風速のデータを収集することを目的として、ドッ
プラー風速計が開発されてきた。このドップラー風速計
は、既知の周波数の音波や電波を上空の大気中に放射
し、水蒸気や汚染物質の含有率の差に起因する大気の組
成の揺らぎや、温度差などに起因する密度の揺らぎな
ど、大気中の音響特性や電気特性の不連続箇所で発生す
る微弱な反射波を受信し、この受信した反射波に含まれ
る周波数のドップラーシフト量からこの反射波を生じさ
せた箇所の媒質の移動速度、すなわちその箇所における
風速（風向を含む）を検出するように構成されている。

【０００３】音波を利用するドップラー風速計の場合、
図２に例示するように、送受信器から２KHz 程度の一定
周波数の音波がバースト状に送信され（Ａ）、この後、
この送受信器に反射波（Ｂ）が受信される。音波の送信
開始時刻を基準値（ゼロ）とし、受信した反射波のうち
時間ｔ後の信号に着目する。音波の伝播速度をｃとすれ
ば、時間ｔの信号は距離Ｌ（＝ｃｔ／２）の空間で生じ
た反射波であり、そのドップラーシフト量を検出するこ
とにより距離Ｌの箇所（音波を真上に放射する場合は高
度Ｌ）の風速を表す。このように、時間ｔを変更するこ
とにより、任意の高度の風速を検出できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】いま、図２（Ｃ）に例
示するように、時間ｔに相当する距離に時間幅Ｔの標本
区間を設定して高速フーリエ変換を行うと、その周波数
スペクトルに含まれる最低周波数ｆmin は１／Ｔとな
る。従って、周波数分解能（１／ｆmin ）を高めるに
は、標本区間Ｔをなるべく大きな値に設定すればよい。
しかしながら、上述したことから、時間幅Ｔの標本区間
を設定するということは、δＬ（＝ｃＴ／２）の幅の高
度の範囲を設定したことになる。

【０００５】すなわち、この種のドップラー速度計で
は、標本区間Ｔを増加させるほど周波数分解能（１／ｆ
min ）は高まるが、これに比例してδＬが増加すること
から距離分解能（１／δＬ）は低下する。このように、
この種のドップラー速度計では、シフト周波数の分解能
（すなわち、速度の分解能）と空間の分解能とは二律背
反の関係にあるため、速度の分解能の向上には限界があ
る。従って、本発明の目的は、距離分解能を犠牲にする
ことなく速度分解能を向上させたドップラー速度計を提
供することにある。

【０００６】また、距離分解能の低下を問題にしない場
合であっも、標本区間Ｔの拡張に伴い、高速フーリエ変
換の対象となる信号波形のサンプリング点数が増加し、
演算時間が長引いてリアルタイム性が損なわれるという
問題もある。従って、本発明の他の目的は、演算時間の
延長を伴うことなく速度分解能を向上させたドップラー
速度計を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決する本発明のドップラー速度計によれば、設定した標
本区間の前後にゼロ又は実質的にゼロのレベルのサンプ
リング点が配列された疑似標本区間を付加する疑似標本
区間付加付加手段を備えている。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態によれば、疑
似標本区間は、標本区間の前後に前後対称に付加され
る。本発明の他の実施の形態によれば、上記疑似標本区
間付加手段に加えて、更に、標本区間の設定に先立って
受信信号の周波数を低域側にシフトする周波数シフト手
段が備えられる。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の一実施例のドップラー風速
計の構成を示すブロック図であり１は送受波器、２は送
信部、３はタイミング制御部、４は前置増幅部、５は周
波数変換部、６は帯域通過濾波器（ＢＰＦ）、７は中間
周波増幅部、８はＡ／Ｄ変換部、９は標本区間設定部、
１０は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）部、１１はディジタ
ルプロセッサ、１２は表示部、１３はキー入力部であ
る。

【００１０】送信部２は、タイミング制御部３から送信
指令パルスに同期して、40KHz の周波数のバースト状の
送信信号を送受波器１に出力する。このバースト状の送
信信号は、送受信器１においてバースト状の40KHz の超
音波に変換され、上空に放射される。上空の媒質の揺ら
ぎなどによって生じた40KHz から超音波の反射波が、送
信器と受信器を兼ねた送受信器１で受信され、前置増幅
部４で増幅されたのち、周波数変換部５において２KHz
の中間周波信号に変換される。

【００１１】周波数変換部５から出力された 2KHz の中
間周波数の反射信号は、帯域通過濾波器６を通過し、中
間周波増幅部７で増幅され、Ａ／Ｄ変換部８に供給さ
れ、10KHz のサンプリング周波数でサンプルされ、ディ
ジタル信号に変換される。標本区間設定部１０は、Ａ／
Ｄ変換部８から出力されたディジタル信号に標本区間を
設定し、高速フーリエ変換部１０に供給する。

【００１２】検出対象の風速Ｖの最小値を0.1 ｍ、送受
信する超音波の周波数ｆを40KHz とすれば、ドップラー
周波数ｆｄが、ｆd ＝ 2ｆＶ/Cで与えられることから、
0.1ｍの風速を検出するには最小値23.5 Hz のドップラ
ー周波数を検出する必要がある。これより、標本区間の
一応の目安は1/23.5Hz≒43 msec となる。サンプリング
周波数を10KHz(サンプリング周期100 μsec)としたの
で、サンプリング点数の一応の目安は 43 ×10^ー3/100×
10^ー6≒430 となる。ここで、高速フーリエ変換の規則か
らサンプリング点数を２の巾乗個に等しくする必要があ
り、この430 に最も近い2 の巾乗の値は２⁹＝512 であ
る。この結果、最終的な標本区間は 51.2msec とな
る。

【００１３】標本区間設定部９は、上記標本区間の設定
に際し、プロセッサ１１からの指令に基づき設定すべき
本来の標本区間の前後にゼロのサンプリング点群が配列
された疑似標本区間を前後対象となるように付加する。

【００１４】すなわち、標本区間設定部９は、図２の波
形（Ｄ）に例示するように、設定した時間幅Ｔ( 上記例
では、 51.2 msec）の本来の標本区間の前後に前後対称
に時間幅Ｔ／２の疑似標本区間を付加することにより、
時間幅が本来の標本区間の２倍（２Ｔ＝102.4 msec )の
標本区間を設定する。高速フーリエ変換部１０は、上記
設定された標本区間内のサンプリング点群を対象に高速
フーリエ変換を行って、周波数スペクトルに変換し、結
果をプロセッサ１１に転送する。

【００１５】ディジタルプロセッサ１１は、結果を分析
してドップラーシフト量を検出し、これから風速を算定
し、表示部１２に表示する。ディジタルプロセッサ１１
は、上記一連の制御とデータの処理をキー入力部１３か
らキー入力される指令に従って実行する。

【００１６】上述のように、標本区間の設定に際し、本
来の標本区間の前後にゼロのサンプリング点群が配列さ
れた疑似標本区間を前後対象に付加することにより、距
離分解能を全く犠牲にすることなく速度分解能をほぼ２
倍に高めることができる。これは、図２の波形（Ｄ）
が、波形（Ｅ）に示すように本来の標本区間の２倍の幅
の標本区間を設定すると共に、このような波形（Ｅ）に
波形（Ｆ）の実線で示す階段状の窓関数を乗算したもの
と等価な波形となるからである。

【００１７】なお、一般に、窓関数（window function
) は、フーリエ変換対象の周期信号の周期と標本区間
Ｔとが一致していなかったり、あるいは、このドップラ
ー風速計の場合のようにもともと周期波形でも単発波形
でもない場合などに、標本区間Ｔが意味を持たなくなり
その影響を除くために適用される。これについては、例
えば、小澤愼治著「ディジタル信号処理」(1979 年実教
出版株式会社発行) pp143 などを参照されたい。この窓
関数は、点線で例示する滑らかな曲線や三角波形が適用
されるが、実線で示した階段状の窓関数は、そのような
理想的な窓関数を単純化したものと考えることができ
る。

【００１８】このように、標本区間が２倍に拡張された
ことにより周波数分解能、従って速度の検出分解能がが
ほぼ２倍に向上せしめられ、これに加えて、階段状に単
純化されたとはいえ窓関数が適用されたことにより、速
度の検出精度は大幅に向上する。また、追加されたデー
タはゼロ・データであるため、高速フーリエ変換を行列
式などを利用して実行する場合に、行列の対角化や分解
などによって演算回数の低減が可能となるため、演算所
要時間の増加はわずかな値に留まる。

【００１９】図４乃至図５は、本出願人の先願（特願平
７ー号）に開示された本発明の元となった先
行の発明の実験結果を示している。図３，図４，図５
は、送信周波数を２KHz 、風速を１ｍの追い風、標本化
周波数５KHz とした時の高速フーリエ変換の演算結果で
ある。図３は、データのサンプリング個数を512 とした
場合、図４はデータのサンプリング個数を2,048 とした
場合の演算結果を示している。そして、図６は、512 個
の実際のサンプリングデータの後に、1,536 （3×512)
個のゼロのサンプリングデータを付加することによ
り、標本区間を４倍に拡張した場合を示している。

【００２０】図３の場合、理論値1998.2 Hz に対して19
92.19Hz と精度が低いが、図５の場合には、1987.3 Hz
の結果が得られ、図４の場合と同一の高精度が実現され
ている。図５の場合は、実際の標本区間の後にゼロデー
タの疑似標本区間を付加しただけであるが、本発明の場
合、標本区間の前後に、しかも前後対象に疑似標本区間
を付加することにより、追加する疑似標本区間を短縮し
たにもかかわらず同程度の高精度が実現でる。

【００２１】また、上記、疑似標本区間の付加による精
度の向上に加えて、送信音波の周波数を従来の２KHz 前
後の可聴音の帯域から20倍程度も高い超音波帯の40KHz
に高めることにより、一層の測定精度の向上が達成され
ている。これはドップラー周波数ｆｄがｆｄ＝ 2ｆｖ／
Ｃで与えられるため音波の周波数に比例してドップラー
周波数が増大することによる。例えば、風速が１ｍの場
合、２KHz の音波ではドップラー周波数が12Hzにすぎな
いが、40KHz の音波ではドップラー周波数が225Hz に増
加する。

【００２２】上述のように、送信音波の周波数を40KHz
程度に高めて高い測定精度を実現すると共に、受信した
反射波を従来の送信音波の周波数程度の２KHz の中間周
波数に変換することにより、高速フーリエ変換の所要時
間を大幅に短縮している。これは、中間周波に変換せず
に40KHz の高い周波数のままＡ／Ｄ変換し、高速フーリ
エ変換したものとすれば、サンプリング周波数も20倍程
度高くなり、従って、高速フーリエ変換処理の対象とな
るサンプリング点数が20倍程度に増大し、処理所要時間
の大幅な増大を招くからである。

【００２３】以上、本来の標本区間の前後にその半分の
疑似標本区間を追加することによって本来の標本区間を
２倍に拡張する構成を例示した。しかしながら、一般に
は、前後の疑似標本区間を含む全標本区間Ｗを高速フー
リエ変換の規則に従って２の巾乗個のサンプリング点を
含むように定めたのち、このＷをそれぞれが (δ/2 )Ｗ
の前後の疑似標本区間と（１−δ）Ｗの本来の標本区
間、ただし、０＜δ＜１、に配分する構成とすることが
できる。

【００２４】また、疑似標本区間にゼロのレベルのサン
プリング点群を配列する構成を例示したが、ゼロではな
いが十分に小さなレベルの点群を配列することもでき
る。

【００２５】さらに、音波を空中に送受信する場合を例
にとって本発明を説明したが、空中の代わりに水中に音
波を送受信する場合や、血液中に超音波を送受信する医
療機器などにも本発明を適用できる。

【００２６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明のド
ップラー速度計によれば、設定した標本区間の前後にゼ
ロ又は実質的にゼロのレベルのサンプリング点が配列さ
れた疑似標本区間を付加する構成であるから、標本区間
の実質的な拡張と窓関数の乗算と等価な効果により、距
離分解能を犠牲にすることなく、また演算時間の延長を
招くことなく、速度の測定分解能を高めることができる
という効果が奏される。

【００２７】本発明の実施の形態によれば、上記疑似標
本区間付加手段に加えて、更に、標本区間の設定に先立
って受信信号の周波数を低域側にシフトする周波数シフ
ト手段が備える構成であるから、サンプリング点数の低
減に通して演算時間の短縮が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のドップラー風速計の構成を
示すブロック図である。

【図２】本発明の原理を説明するための波形図である。

【図３】本発明の効果を説明するために行った実験の結
果を示す実験データである。

【図４】本発明の効果を説明するために行った実験の結
果を示す実験データである。

【図５】本発明の効果を説明するために行った実験の結
果を示す実験データである。

【符号の説明】

１送受波器２送信部５周波数変換部７中間周波増幅部８Ａ／Ｄ変換部９標本区間設定部 10 高速フーリエ変換部 11 ディジタルプロセッサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】既知の周波数の音波を空中又は水中に放射
し、ドップラー効果によって周波数のシフトを受けた反
射波を受信し、受信信号中に設定した標本区間について
高速フーリエ変換を行って前記周波数のシフト量を検出
し、前記反射波を生じさせた媒体又は物体の速度を算定
するドップラー速度計において、前記設定した標本区間の前後にゼロ又は実質的にゼロの
レベルのサンプリング点群が配列された疑似標本区間を
付加する疑似標本区間付加付加手段とを備えたことを特
徴とするドップラー速度計。
【請求項２】既知の周波数の音波を空中又は水中に放射
し、ドップラー効果によって周波数のシフトを受けた反
射波を受信し、受信信号中に設定した標本区間について
高速フーリエ変換を行って前記周波数のシフト量を検出
し、前記反射波を生じさせた媒体又は物体の速度を算定
するドップラー速度計において、前記標本区間の設定に先立って前記受信信号の周波数を
低域側にシフトする周波数シフト手段と、前記設定した標本区間の前後にゼロ又は実質的にゼロの
レベルのサンプリング点群が配列された疑似標本区間を
付加する疑似標本区間付加付加手段とを備えたことを特
徴とするドップラー速度計。
【請求項３】前記疑似標本区間は、前記標本区間の前後
に前後対称に付加されたことを特徴とするドップラー速
度計。