JPS62133357A

JPS62133357A - 風向・風速・気温の高度分布の測定方法及びその装置

Info

Publication number: JPS62133357A
Application number: JP60273499A
Authority: JP
Inventors: Etsuhisa Masuda; 悦久増田; Hisao Inuki; 犬木　久夫; Kozo Takahashi; 耕三高橋
Original assignee: RADIO RES LAB
Current assignee: RADIO RES LAB
Priority date: 1985-12-06
Filing date: 1985-12-06
Publication date: 1987-06-16
Anticipated expiration: 2009-01-12
Also published as: US4761650A; FR2594554A1; FR2594554B1; JPH063453B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、ＲＡＳＳによる風向・風速・気温の高度分布
（プロファイル）の測定法とその装置に関するものであ
る。ＲＡＳＳでは、数十層の音波面からの電波の反射波
を同位相で受信し、そのドプラ周波数から反射面の温度
を算出している。従来、大気中の音波面は球面と考え、
　ＲＡＳＳは天頂からの反射波を受信している。このた
め、従来の送受信アンテナが１個のＲＡＳＳは、気温プ
ロファイルの作成のみを目的とするが、風がある場合は
高度２　ｋｍ程度までしか測定できない。多数の受信ア
ンテナを用いるＲＡＳＳは、風向・風速・気温のプロフ
ァイラであるが、高度と風速の測定範囲の積に受信面が
比例（受信面直径＝２×最高測定高度×最高平均測定風
速÷音速）するため、例えば、高度３ｋｍ、平均風速５
　Ｑ　ｍ　／　ｓまで測定するのには、直径１　ｋｍの
用地を必要とする。

本発明は、以上にかんがみ、風向・風速・気温の広範囲
のプロファイルを、簡易に、連続して作成することを目
的になされたもので、大気中の音波面がだ円面の一部を
構成し、だ円面内部の任意の１点を通るその法線が常に
存在することを利用して、強風の場合も高い高度まで測
定可能とすることと、上記の法線が２個以上あることを
利用して、２方向からの反射波を受信し風速を算出する
ことを特徴とする。

以下、添付の図面に即し本発明の詳細な説明する。

第１図の直交座標系において、Ｘ軸方向を、任意の点Ｐ
の水平面内の風向方向、ｙ軸方向を天頂方向に取る。風
速は、短時間平均を考えれば、通常は、垂直方向の成分
は無視できるから、音波面は下記の運動方程式で表すこ
とができる（以下Ｘを任意の変数とした場合灸はその時
間微分）。

；＝ｓｓｉｎθｃｏｓφ＋Ｖ ”１＝ｓｓｉｎθｓｉｎφ　　　　　　　　　（１）ン
＝ｓｃｏｓθ ここに θ、φ：点Ｐの極座標表示のときの天頂角・方位角ｓ　
＝　２０．０４６３　Ｔ”（ｍ　／　ｓｅｃ　）　：音
速の絶対値　　　　　　　　　　　　　　（２）Ｔ：気
温の絶対温度 ■＝風速のスカーラ値５、ｖは、時間ｔと位置Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ）の関数である
が、以下、測定時間δｔの間の平均値とするから、δｔ
の間は、位置Ｐのみの関数である。よって、（１）を時
間で積分し、φ、θを消去すると、１＝０のとき原点０
を出た音波面は次式で表される。

（ｘ　−ｖｔ　）２＋　ｙ２＋　ｚ２＝　（ｓｔ）２（
３；１前述のように、通常Ｖはｙのみの関数として取り
扱うことができるから次式で表すことにする。

Ｖ二ｗ　＋　ｑ　ｙ　　　　　　　　　　　　　（４）
ここに δ■ ｑ　＝■、　ｗ　：地上風ｗ、ｑは、ともに時間ｔと位置Ｐの関数であるが、■同
様、測定時間δｔの間の平均値とするから、δｔの間は
常数となる。さらに、音速の絶対値Ｓは（２）から等方
性だから局所的には一定とすると、（４）を（３）に代
入し、かつ次のように置き代えることで。

ｗｔ＝Ｗｑｔ＝＝Ｑｓｔ二５（３）の音波面は下記の式で表される。

ｘ２＋（］＋Ｑ２）ｙ２＋　ｚ　２−２Ｑｘｙ−２Ｗｘ
　＋２ＱＷｙ　−（８２−Ｗ２）＝０（ｘ−Ｗ）２＋（
１＋Ｑ２）ｙ２＋ｚ２−２Ｑ（ｘ−Ｗ）　ｙ−８２＝Ｏ
（５’）上式の原点を（Ｗ、Ｏ，Ｏ）に移動し、Ｚ軸の
周りにψだけ回転すると下式のようになる（第２図参照
）。

Ｘ　２　Ｙ　２　Ｚ　２　　　　　　　（６）（１）　
＋（−Ｆ；）＋（１）　＝１ここにＸ、Ｙ、Ｚ：座標変換後の変数Ｌ３ｎψ−Ｆでて丙子’−Ｑ／２（６）は、軸長がａ、ｂ、Ｓのだ円面を表す。すなわち
、（１）で表される音波面は、（６）で示されるだ田面
となって広がってい（（２＝０の面との交線のだ円を第
２図に示す）。風速■の一次式（４）の右辺のｑは、高
度ＩＱｋｍ以下では０．００７７秒程度０値であり、１
０ｋｍ以上では零に近づき、ｖ／ｓは０．３以下である
から、ｗ／ｓは１以下、すなわちＷ／Ｓは１以下である
。（５）は、Ｗ＜Ｓの場合、そのだ円面が原点Ｏを内部
に含むことを示している。

（５）の偏微分を取ってだ円面の法線の式を求め、原点
の値を代入すると、下記の原点Ｏを通る法線の式が得ら
れる。

（５）と（７）を同時に満足する点Ｐ（ｘ、ｙ、ｚ）の
法線は原点（０，０，０）を通ることになる。

すなわち、原点Ｏから発射された電波は、点Ｐで鏡面反
射して原点０に戻り受信される。

Ｚ〜Ｏ，Ｑ〜Ｏのときは、（５）と（７）から次の値が
得られる（Ｑ三〇となることはない）。

Ｘ二〇ｙ＝−Ｗ／Ｑ＝−ｗ／ｑ上記のＺの値は、ｔが小さい間は虚数となり、その間は
ｘ＝Ｏの平面（風向に垂直で音源を含む平面）内には反
射点は無い。本発明の風速の測定には上記の値は利用せ
ず、下記のｚ　＝　Ｏ、Ｑ’４．０の場合の値のみ利用
する。

ｚ＝ｏ、Ｑ〜Ｏのとき（５）、　　（７）は下記のよう
になる。

ｘ２＋　（１＋Ｑ２）ｙ２−２Ｑｘｙ−２Ｗｘ＋２ＱＷ
ｙ　−（Ｓ２−Ｗ２）＝（ｘ−Ｗ）２＋（１＋Ｑ２）ｙ
２−２Ｑ（ｘ−ｗ）ｙ−８２＝　Ｏ（８′）ｘ２−　ｙ
２−Ｑｘ　ｙ−Ｗｘ−回ｙ　＝　０　　　　　　　（９
）平面内でχだけ回転すると、（９）は下式のようにな
る（第２図参照）。

ξ２−η２：＝　Ｂ２　　　　　　　　　　　　　（１
０）ここに ξ、η：座標変座標変換数（８）と（９）を同時に満足する点Ｐ（ｘ、ｙ、Ｏ）が
求める反射点である。前述のように、（８）は原点Ｏを
内部に含み、（９）は原点０を通るから、（８）と（９
）の連立方程式は少なくとも２組の実数解を持つ。（９
）で示される原点Ｏを通る双曲線は、同時に（８）のだ
円の中心（Ｗ、Ｏ）も通りｙの正の領域でだ円と交わる
から、この２組の実数解のｙの値は正である。実数解が
４組の場合は、上記と類似の理由により、その２組のｙ
の値は負である。すなわち、原点Ｏからみた仰角が正と
なる反射点Ｐは２個存在する。

時刻１．における２個の反射点のうちの任意の１個をＰ
ｌ、その原点Ｏからの仰角又はその補角と距離をφ１．
ｒ１としく第３図参照）、時刻ｔ２における２個の反射
点のうちの仰角又はその補角がφ１と異なる方を”２＋
その原点Ｏからの仰角又はその補角と距離をφ２．ｒ２
とする。ｒ＋　（以下ｉは１又は２）は連続した値を取
るから、適尚なｙに対して、次式を満足する「１．φ１
を求めることができる。

ｙ　＝　ｒ、　ｓｉｎφｌ＝　ｒ２　ｓｉｎφ２　　　
　　　（１２）ｒｌの値は、通常のＲＡ８Ｓ同様、音波
パルス又は電波パルスの伝搬時間から算出でき、φ１は
受信アンテナの仰角又はその補角である。

反射面の移動速度Ｓ＋ＶＣＯ３φ１とドプラ周波数Δｆ
１の間の一般的関係式から次式が得られる。

λΔｆ、／２　＝　ｓ　＋　ｖ　ｃｏｓφ１λΔｆ２／
２　＝　ｓ　＋　ｖ　ｃｏｓφ２ここに λ：電波の送信波長 Δｆｉ：Ｐｉからの反射波のドプラ周波数上式をｖ、ｓ
について解くと、まだ、音速の絶対値の式（２）を変形すると、Ｔ　＝　
ｓ２／２０．０４６３２（ｓの単位はｍ／　ｓｅｃ　）
　（１５）となる。

上記の（１３）〜（１５）から、（１２）で示される高
度ｙの点の風速・温度が求められる。風向はＰ、に対応
する受信アンテナの方位角α又はその逆方向である前述
のように、φ１は０〜πの範囲内にあ’）、ｒｉは連続
した値だから、風向・風速・温度のプロファイルを描く
ことができる。

本発明の１実施例を第４図に即し説明する。本装置は、
音波発射器、ドプラ・レーダ、計算機９、風向計１０で
構成され、音波発射器は、音波アンテナ（大型のスピー
カ）■と音波送信機２からなり、ドプラ・レーダは、ア
ンテナ３、送受切換器４、送信機５、発振器６、受信機
７、ドプラ検出機８からなる。音波送信機２が連続波（
ＣＷ）を送信するときは、レーダは測距が可能なパルス
・レーダでなければならないが、パルスを送信するとき
はＣＷレーダでもよい。アンテナ３は送受別々でもよく
、その場合は送受切換器４は不用となる。アンテナ３は
、指向性と可動性（Ｓ　ｔｅｅｒａｂｌｅ　）があり、
方位角αと仰角φ又はπ−φが読み出せる（例えばパラ
ボラ又はフェーズド・アレー・アンテナ）。ドプラ検出
機８（例えば高速フーリエ変換周波数分析機）は、ドプ
ラ周波数Δ「（レータ′の送信周波数「と受信周波数の
差）とドプラ信号ｐ、を検出する。計算機９は、各装置
の制御とその出力データの記録・処理、及び結果の出力
を行う。風向計１０は、アンテナ３の方位角αの初期値
を提供する。

以下、音波アンテナ１が無指向性の場合の動作の一例を
示す。アンテナ３は、風向計１０の風向を、方位角αの
初期値とし、ドプラ信号ｐｄが検出されるまで、その仰
角φを零から連続して増加させる。ｐｄが検出されたな
らば、音波送信機２の送信周波数をドプラ周波数Δｆに
一致させ、２個以上の音波面からの電波の反射波の位相
をそろえる。

アンテナ３の仰角φを一定に保ったま＼、方位角αを走
査しｐｄのレベルが最大となるαを検出し、その方向に
固定する。受信機７とドプラ検出器８は、音波又は電波
パルスの送信時刻と電波の受信パルスの受信時刻の差Δ
ｔに対応するドプラ周波数Δｆを受信可能な全範囲にわ
たり求める。以後アンテナ３の仰角φを少しずつ増加さ
せて上記の操作を繰り返す。仰角φがπ／２に達したな
らば、方位角αを±πに変えてから仰角を少しずつ減ら
して上記の操作を繰り返す。ただし、仰角の全範囲０〜
π／２にわたってドプラ信号ｐｄが受信できるわけでは
なく、（８）と（９）を同時満足する点Ｐ（ｘ、ｙ、Ｏ
）の存在する範囲に対応するφ二ｔａｎ−’（ｙ／ｘ）
の範囲でのみｐｄは受信できる。

本発明により、従来のＦＬＡＳＳのアン２すを改良し、
指向方向を可変にし、仰角と方位角を検出できるように
するだけで、風向・風速も温度同様に測定できるように
なるばか９でなく、従来のＲＡＳＳのようには風に影響
されることなく、測定高度範囲を２０ｋｍ程度まで広げ
ることができる。

本発明のグロファイラでは、気象要素のうちの風向・風
速・気温のプロファイルしか得られないが、レーダとラ
ジオ・メータの組合せのグロファイラと比較すると、価
格、大きさが約１割ですみ、しかも高度が数す以上の気
温は、より正確に測定できる利点がある。現在広く用い
られているラジオ・ゾンデと比較すると、無人で連続観
測ができる利点がある。

上記の利点・欠点を考慮すると、本発明は、限定された
気象要素の観測又は補間的気象観測、具体的には、空港
の気象観測、大気汚染のモニタ、高層ラジオ・ゾンデ観
測の時間的空間的補間観測に利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は音波面の方程式の座標、第２図は音波面とその
波源を通る法線を求める図、第３図は風速を算出する原
理図、第４図は本発明の一実施例のブロフク図である。図中、ｘ、ｙ、ｚは直交座標軸、原点０は音波源、Ｘ軸
方向は風向方向、ｙ軸方向は天頂方向、ｒ、θ、φは点
Ｐの極座標、Ｘ、Ｙはだ円の主軸、ψはその傾き、ξ、
ηは直角双曲線の主軸、χはその傾き、第２図はＱ＝９
／２０．Ｗ＝Ｓ／２の場合のだ円と双曲線、１は音波ア
ンテナ、２は音波送信機、３はアンテナ、４は送受切換
器、５は送信機、６は発振器、７は受信機、８はドプラ
検出機、９は計算機、１０は風向計、ｆは電波の送信周
波数、Δ「はドプラ周波数、Δｔはパルスの伝搬時間、
ｐｄはドプラ信号、αは方位角、φは仰角又はその補角
、ｔは時刻、ｙは高度、■は風速、Ｔは気温である。第１図第２ズＳ、ｔ゛手続補正書（自発）昭和６１年２月１５日

Claims

【特許請求の範囲】

電波音波共用探査装置（Ｒａｄｉｏ　ａｎｄ　Ａｃｏｕ
ｓｔｉｃＳｏｕｎｄｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ．以下ＲＡＳ
Ｓと略記）において、ＲＡＳＳから大気中に発射された
音波面がだ円面の一部を構成し、ＲＡＳＳから発射され
た電波は、このだ円面から、その法線に対する入射角と
同じ反射角で反射し、だ円面内部の任意の一点を通るそ
の法線が常に存在することと、２本以上あるため同一反
射高度に対して、ＲＡＳＳで受信可能な仰角が２個以上
あることを利用して、大気の風向・風速・温度の高度分
布を測定することを特徴とする風向・風速・気温プロフ
ァイラ。