WO2016030951A1 - 自動観測装置 - Google Patents

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WO2016030951A1
WO2016030951A1 PCT/JP2014/072195 JP2014072195W WO2016030951A1 WO 2016030951 A1 WO2016030951 A1 WO 2016030951A1 JP 2014072195 W JP2014072195 W JP 2014072195W WO 2016030951 A1 WO2016030951 A1 WO 2016030951A1
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WO
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cloud
unit
estimation
altitude
histogram
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PCT/JP2014/072195
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Inventor
万莉絵 川合
洋 酒巻
信弘 鈴木
清之 畑
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三菱電機株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology

Definitions

  • the present invention relates to an automatic observation apparatus that observes clouds from an arbitrary point.
  • Information related to meteorological observation is important information that is indispensable for the safe operation of aircraft, and various information obtained by observing meteorological phenomena in the surrounding area, including over the airport runway, is provided by pilots and controllers. We are reporting to the aviation personnel.
  • observation information of such a meteorological phenomenon there are cloud layer information, cloud altitude (cloud bottom altitude) information, and cloud amount information.
  • an optical sounding device using a laser called vertical visibility and ceiling is often used at present.
  • the altitude can be measured by detecting and amplifying a backscattered optical signal by irradiating the target atmospheric cloud, fog or rain with a laser pulse.
  • the ceilometer is a device that observes only the state of clouds above the vertical, it cannot observe the surrounding meteorological phenomenon. As a result, the ceilometer is rarely used directly in actual aircraft operation management, and is only used as an auxiliary to the judgment of the meteorological office staff.
  • cloud coverage information is being observed visually by current observers because there is no effective device.
  • visual observation has problems such as ambiguity that results vary depending on the observer, and the burden on observers. Therefore, automatic observation by an apparatus is required.
  • Patent Documents 1 and 2 describe methods for solving the above problems.
  • patent document 1 it has a viewing angle from an arbitrary point, and estimates the altitude of the cloud base based on temperature information from an observation target.
  • Patent Document 2 if hit data of the same altitude continues, it is determined that there is a cloud bottom, and the cloud amount is estimated using data obtained at the same point for a predetermined time.
  • Patent Document 1 has a problem that the whole sky cannot be set as the field of view.
  • the device is specialized for estimating the cloud base altitude, there is a problem that the cloud layer and the cloud amount cannot be estimated only by this device.
  • the cloud amount is determined by the transition of the clouds using a ceilometer, since there is no viewing angle, there is a problem that a cloud that does not pass vertically on the apparatus cannot be estimated.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an automatic observation apparatus capable of observing the cloud layer, the cloud bottom altitude, and the cloud cover with the whole sky as the field of view. Yes.
  • the automatic observation apparatus irradiates a transmission wave so as to scan the whole sky, receives a reflected wave of the transmission wave, and detects and receives the reflected wave received by the transmission / reception unit.
  • a cloud layer is estimated from a reception unit that generates a signal, a signal correction unit that removes a reception signal whose intensity is less than a threshold, and a reception signal that has been processed by the signal correction unit, based on the reception signal generated by the reception unit
  • the present invention since it is configured as described above, it is possible to observe the cloud layer, the cloud base altitude, and the cloud amount with the whole sky as the field of view.
  • Embodiment 1 of this invention It is a flowchart which shows operation
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an automatic observation apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the automatic observation device observes clouds from an arbitrary point, for example, weather conditions that are useful for predicting the state of clouds, the transition of clouds, the generation and disappearance of clouds, etc. It is used for observation.
  • the automatic observation apparatus includes a reference signal generation unit 1, a pulse modulation unit 2, a transmission / reception switching unit 3, a transmission / reception unit 4, a reception unit 5, a signal correction unit 6, a cloud layer estimation unit 7, a cloud bottom.
  • the altitude estimation unit 8, the cloud amount estimation unit 9, and the output unit 10 are configured.
  • each part of an automatic observation apparatus is performed by the program process using CPU based on software.
  • the reference signal generator 1 generates a reference signal that is a source of a transmission wave.
  • the pulse modulator 2 pulsates the reference signal generated by the reference signal generator 1 to generate a pulsed transmission wave.
  • the transmission / reception switching unit 3 outputs the transmission wave generated by the pulse modulation unit 2 to the light transmission / reception unit 4 and outputs the reception wave received by the transmission / reception unit 4 to the reception unit 5.
  • the light transmission / reception unit 4 irradiates the transmission wave output from the transmission / reception switching unit 3 to the space, and receives a reflected wave scattered by an object existing in the space as the reception wave with respect to the transmission wave.
  • the light transmitting / receiving unit 4 is composed of a scanning laser radar (lider) that observes the whole sky by performing elevation scanning at 0 to 180 degrees while shifting the azimuth.
  • the reception unit 5 generates a reception signal by detecting the reception wave output from the transmission / reception switching unit 3.
  • the signal correction unit 6 corrects the attenuation due to the distance to the reflection point of the reflected wave with respect to the reception signal generated by the reception unit 5, and the received signal whose corrected intensity is less than the threshold (X1 [dB]). Is to be removed.
  • the signal correction unit 6 includes a distance attenuation correction unit 61, a power determination unit 62, and a removal unit 63.
  • the distance attenuation correction unit 61 corrects the attenuation due to the distance to the reflection point of the reflected wave with respect to the reception signal generated by the reception unit 5. At this time, the distance attenuation correction unit 61 measures the distance from the own device to the reflection point from the transmission / reception time, calculates an estimated amount that attenuates while reciprocating the normal atmosphere with respect to the distance, and , Correct the intensity.
  • the power determination unit 62 determines whether the corrected intensity is equal to or greater than a threshold (X1 [dB]) with respect to the received signal whose intensity attenuation has been corrected by the distance attenuation correction unit 61.
  • a threshold X1 [dB]
  • the threshold value is for identifying whether the wave is a reflected wave (received signal) from water particles or ice particles constituting the cloud, and is determined by an observer.
  • the removing unit 63 removes the received signal determined by the power determining unit 62 to be less than the threshold value.
  • the distance attenuation correction unit 61 is not an essential configuration and may not be provided. In that case, the correction of the distance attenuation is not performed, and the reception signal whose intensity is less than the threshold is removed from the reception signals generated by the reception unit 5.
  • the cloud layer estimation unit 7 estimates the cloud layer from the received signal processed by the signal correction unit 6 and generates cloud layer information.
  • the cloud layer estimation unit 7 includes a histogram creation unit 71 and a cloud layer estimation processing unit 72 as shown in FIG.
  • the histogram creation unit 71 creates a histogram of reflection points by altitude from the reception signal processed by the signal correction unit 6.
  • the cloud layer estimation processing unit 72 estimates the number and range of cloud layers (boundary of the cloud layer) from the histogram created by the histogram creation unit 71, and generates cloud layer information.
  • the cloud bottom height estimation unit 8 generates cloud bottom height information by estimating the cloud bottom height, which is the height of the bottom of each cloud layer, from the estimation result (cloud layer information) by the cloud layer estimation unit 7.
  • the cloud bottom altitude estimation unit 8 includes a cloud bottom altitude candidate setting unit 81, an altitude difference calculation unit 82, and an altitude difference determination unit 83.
  • the cloud bottom altitude candidate setting unit 81 sets a reflection point with a low altitude (usually the reflection point with the lowest altitude) as a cloud base altitude candidate for each cloud layer, and then A low reflection point is set as the next point. Further, when the altitude difference determination unit 83 determines that the altitude difference is larger than the second threshold, the cloud base altitude candidate setting unit 81 discards the cloud base altitude candidate at that time and sets the next point as a new cloud. A bottom altitude candidate is set, and a reflection point having the next lowest altitude is reset as a new next point.
  • the altitude difference calculation unit 82 calculates an altitude difference between the cloud base altitude candidate set by the cloud base altitude candidate setting unit 81 and the next point.
  • the altitude difference determination unit 83 determines whether the altitude difference calculated by the altitude difference calculation unit 82 is equal to or less than a second threshold (X2 [m]).
  • a second threshold X2 [m]
  • the altitude difference candidate at that time is estimated as the cloud base altitude and generates cloud base altitude information.
  • the second threshold is determined by the observer.
  • the cloud amount estimation unit 9 estimates the cloud amount from the estimation result (cloud layer information) by the cloud layer estimation unit 7 and generates cloud amount information. As illustrated in FIG. 5, the cloud amount estimation unit 9 includes a total range cell number calculation unit 91, a cloud range cell number calculation unit 92, and a cloud amount estimation processing unit 93.
  • the total range cell number calculation unit 91 calculates the total number of range cells (total number of range cells) extending over an observation distance determined by the elevation angle and azimuth angle resolution of the automatic observation apparatus. When the whole sky is the target, the total number of range cells extending over the maximum observation distance is calculated.
  • the cloud range cell number calculation unit 92 determines, for each cloud layer, the same azimuth angle as the received signal having an intensity equal to or higher than the threshold (X1 [dB]) among the above range cells. The total number of range cells having the elevation angle (the number of cloud range cells) is calculated.
  • the cloud amount estimation processing unit 93 calculates, for each cloud layer, the ratio of the number of cloud range cells calculated by the cloud range cell number calculation unit 92 to the total number of range cells calculated by the total range cell number calculation unit 91 (number of cloud range cells / total number of range cells). It is estimated as a cloud amount, and cloud amount information is generated.
  • the output unit 10 outputs the estimation results (cloud layer information, cloud bottom altitude information, and cloud amount information) by the cloud layer estimation unit 7, the cloud bottom height estimation unit 8, and the cloud amount estimation unit 9 to the outside.
  • the output unit 10 may be provided outside the automatic observation apparatus.
  • the transmitter / receiver 4 performs an elevation scan from 0 degrees to 180 degrees while shifting the azimuth, so that Process the data.
  • the functional units from the signal correction unit 6 to the cloud amount estimation unit 9 collectively process the above all sky data as one set.
  • the reference signal generation unit 1 generates a reference signal that is a source of a transmission wave (step ST601).
  • the pulse modulation unit 2 pulsates the reference signal generated by the reference signal generation unit 1 to generate a pulsed transmission wave (step ST602). Then, the transmission / reception switching unit 3 outputs the transmission wave to the transmission / reception unit 4.
  • the light transmission / reception unit 4 irradiates the space with the transmission wave output by the transmission / reception switching unit 3, and receives the reflected wave scattered by the object existing in the space as the reception wave with respect to the transmission wave (step) ST603).
  • the light transmitting / receiving unit 4 observes the whole sky by performing an elevation scan from 0 to 180 degrees while shifting the azimuth. Then, the transmission / reception switching unit 3 outputs the received wave to the receiving unit 5.
  • the reception unit 5 generates a reception signal by detecting the reception wave output by the transmission / reception switching unit 3 (step ST604).
  • the number of beams necessary to cover the whole sky (the number of divisions in the azimuth direction) ⁇ (the number of divisions in the elevation direction) is set as one set, and the processing is performed collectively.
  • the signal correction unit 6 corrects the attenuation due to the distance to the reflection point of the reflected wave with respect to the reception signal generated by the reception unit 5, and the corrected intensity is less than the threshold value (X1 [dB]).
  • the received signal is removed (step ST605).
  • the distance attenuation correction unit 61 corrects the intensity distance attenuation for the received signal (step ST701). As a result, the received signal has a unified intensity regardless of the distance to the reflection point.
  • the electric power determination part 62 determines whether the intensity
  • the removal part 63 removes the received signal whose intensity
  • signals that are not reflected waves (received signals) from the water particles and ice particles constituting the cloud are removed.
  • the processing result by the signal correction unit 6 is shown in FIG. In FIG. 8, the positions of the reflection points of the reflected waves from the water particles and ice particles constituting the cloud are three-dimensionally displayed.
  • the cloud layer estimation unit 7 estimates the cloud layer from the received signal processed by the signal correction unit 6 and generates cloud layer information (step ST606).
  • the histogram creation unit 71 creates a histogram for each reflection point height from the received signal (step ST901).
  • the cloud layer estimation processing unit 72 estimates the number and range of cloud layers from the histogram, and generates cloud layer information (step ST902).
  • the clouds are roughly classified into upper clouds, middle clouds, and lower clouds, and are distributed in a layered manner. Therefore, when the reflection points of the reflected waves are grouped according to altitude, it is assumed that they are distributed in several layers. Therefore, the cloud layer estimation unit 7 creates a histogram of reflection points according to altitude, and estimates the number and range of cloud layers from the information.
  • FIG. 10 shows a two-dimensional display when FIG. 8 is viewed from the Y axis. From FIG. 10, it can be seen that the clouds are distributed in a plurality of layers. Moreover, the histogram created by the cloud layer estimation part 7 is shown in FIG. 11, and the estimated cloud layer information is shown in FIG. In FIG. 12, FIG. 10 is divided into layers.
  • the cloud bottom height estimation unit 8 estimates the cloud bottom height from the estimation result (cloud layer information) by the cloud layer estimation unit 7 and generates cloud bottom height information (step ST607).
  • the cloud bottom height candidate setting unit 81 sets a reflection point having the lowest height as a cloud bottom height candidate for each cloud layer based on the cloud layer information.
  • a reflection point with a low altitude is set as the next point (step ST1301).
  • the altitude difference calculation unit 82 calculates the altitude difference between the cloud base altitude candidate and the next point (step ST1302).
  • the altitude difference determination unit 83 determines whether the altitude difference is equal to or less than a second threshold value (X2 [m]) (step ST1303).
  • step ST1303 when the altitude difference is larger than the second threshold value, the cloud base altitude candidate setting unit 81 discards the cloud base altitude candidate at that time, sets the next point as a new cloud base altitude candidate, A reflection point with the next lowest altitude is reset as a new next point (step ST1304). Thereafter, the above operation is repeated.
  • the height difference is equal to or smaller than the second threshold value in step ST1303, the height difference determination unit 83 estimates the cloud bottom height candidate at that time as the cloud bottom height and generates cloud bottom height information. (Step ST1305).
  • the reflection point with the lowest altitude is usually the cloud bottom altitude for each cloud layer, but if there are no other reflection points in the vicinity, the reflection point with the lowest altitude should appear like noise. It is not realistic to judge such a reflection point as the cloud base altitude. Therefore, the reflection point with the lowest altitude for each cloud layer is set as the cloud bottom altitude candidate, and the reflection point with the next lowest altitude is set as the next point.
  • a second threshold value (X2 [m]) is provided for the altitude difference between the cloud base altitude candidate and the next point. If the altitude difference is larger than the second threshold, it indicates that the altitude of the cloud base altitude candidate is away from other reflection points, and it can be assumed that it is not a point constituting a cloud.
  • the reflection point of the cloud base altitude candidate is excluded from the candidates, the next point is set as a new cloud base altitude candidate, and the reflection point with the next lowest altitude is set as a new next point. Thereafter, the above operation is repeated until the altitude difference between the cloud base altitude candidate and the next point is equal to or lower than the second threshold, and the reflection point of the cloud base altitude candidate when the height difference is equal to or lower than the second threshold is set as the cloud base altitude .
  • the cloud amount estimation unit 9 estimates the cloud amount from the estimation result (cloud layer information) by the cloud layer estimation unit 7 and generates cloud amount information (step ST608).
  • the total range cell number calculation unit 91 calculates the total number of range cells (total number of range cells) extending over the maximum observation distance determined by the elevation angle and azimuth angle resolution of the automatic observation apparatus. (Step ST1401).
  • the cloud range cell number calculation unit 92 determines, from the cloud layer information, the total number of range cells having the same azimuth and elevation angle as the received signal having an intensity equal to or greater than the threshold (X1 [dB]) among the range cells for each cloud layer ( The number of cloud range cells) is calculated (step ST1402).
  • the cloud amount estimation processing unit 93 estimates the ratio of the number of cloud range cells to the total number of range cells (number of cloud range cells / total number of range cells) as a cloud amount, and generates cloud amount information (step ST1403).
  • the cloud amount of the first layer estimated from the result of FIG. 12 by the cloud amount estimation unit 9 is shown in FIG.
  • the white areas represent clouds.
  • step ST 607 the cloud bottom altitude estimation process (step ST 607) and the cloud amount estimation process (step ST 608) are described in this order.
  • the cloud amount estimation process may be earlier, or a parallel process. It may be.
  • the output unit 10 outputs the estimation results (cloud layer information, cloud bottom altitude information, and cloud amount information) by the cloud layer estimation unit 7, the cloud bottom height estimation unit 8, and the cloud amount estimation unit 9 to the outside (step ST609).
  • cloud layer information, cloud base altitude information, and cloud amount information for the whole sky can be obtained with only the automatic observation apparatus of the present invention.
  • the transmission wave is irradiated so as to scan the whole sky, the transmission / reception unit 4 that receives the reflected wave of the transmission wave, and the reflected wave is detected and received.
  • a receiving unit 5 that generates a signal
  • a signal correcting unit 6 that removes a received signal whose intensity is less than a threshold based on the received signal
  • a cloud layer estimation that estimates a cloud layer from a received signal that has been processed by the signal correcting unit 6 Part 7
  • a cloud base height estimation unit 8 that estimates the cloud bottom height from the estimation result by the cloud layer estimation unit 7, and a cloud amount estimation unit 9 that estimates the cloud amount from the estimation result by the cloud layer estimation unit 7. It is possible to observe the cloud base altitude, cloud layer and cloud cover with the whole sky as the field of view.
  • FIG. 16 is a diagram showing a configuration of the cloud layer estimation unit 7 according to the second embodiment of the present invention.
  • the cloud layer estimation unit 7 in the second embodiment shown in FIG. 16 adds a histogram analysis unit 73 to the cloud layer estimation unit 7 according to the first embodiment shown in FIG. 3, and the cloud layer estimation processing unit 72 is changed to the cloud layer estimation processing unit 72b. It has been changed to.
  • Other configurations are the same, and the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
  • the histogram analysis unit 73 estimates the peaks and valleys (mountains or valleys, or peaks and valleys) of the histogram created by the histogram creation unit 71. Below, the case where the maximum point and the minimum point are estimated as the peak and valley of the histogram is shown.
  • FIG. 17 shows the maximum points and the minimum points estimated by the histogram analysis unit 73. In FIG. 17, a black arrow indicates a maximum point, and a white arrow indicates a minimum point.
  • the cloud layer estimation processing unit 72b estimates the number and range of cloud layers (boundary of the cloud layer) from the estimation result by the histogram analysis unit 73, and generates cloud layer information.
  • the cloud layer is determined by the number of maximum points, and each cloud layer is less than the first minimum point in the first layer, more than the first minimum point and less than the second minimum point in the second layer, and the second minimum point. The less than the third minimum point is classified as the third layer.
  • the number of local minimum points and local maximum points are estimated to be basically the same, but when clouds occur over a wide altitude region such as cumulonimbus clouds, the number of local minimum points and local maximum points may be estimated differently. is there. In this case, in order not to accidentally separate one cloud into a plurality of clouds, when more local minimum points are estimated, the cloud layer is separated in accordance with the number of local maximum points.
  • the cloud layer is determined by the number of local minimum points, and each cloud layer has the first layer less than the first local minimum point and the second layer below the first local minimum point and the second local minimum point.
  • the layer, the second minimum point and less than the third minimum point are classified as the third layer.
  • the cloud layer is determined by the number of local maximum points, and each cloud layer is classified with the middle of the altitude of each local maximum point as a boundary.
  • the position of the maximum point is 0 in the east-west direction, 0 in the north-south direction, and the altitude direction as a value obtained by a histogram, and the distance to each reflection point (x, y, z) is compared.
  • the coordinates of the position where the lidar is installed are (0, 0, 0), the coordinates of the first maximum point are (0, 0, Z 1 ), and the coordinates of the second maximum point are (0, 0, Z 2). ), And the coordinates of the reflection point are (x, y, z).
  • the reflection point is closer to the first maximum point, and therefore, it is determined that the point belongs to the first maximum point.
  • the shape of the histogram may be smoothed by using a filter processing unit such as a low-pass filter. Then, the cloud layer is estimated using the filtered histogram. Thereby, a cloud layer can be estimated on the boundary of the part where the layer is clearly divided.
  • the cloud layer is estimated using the histogram.
  • a statistical processing unit is provided instead of the histogram creation unit 71, and statistical processing by multi-value (binarization, etc.) is performed.
  • the cloud layer may be estimated using the result. For example, there is a method of calculating the absolute value distance between reflection points, grouping together those with close distances, and estimating a cloud layer. When this method is used, it is possible to classify in a curved line and to express the cloud shape in more detail.
  • Embodiment 3 shows a case where an area is used as a method for estimating the cloud amount.
  • FIG. 18 is a diagram showing a configuration of the cloud amount estimation unit 9 according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the cloud amount estimation unit 9 in the third embodiment shown in FIG. 18 replaces the total range cell number calculation unit 91 and the cloud range cell number calculation unit 92 of the cloud amount estimation unit 9 in the first embodiment shown in FIG. 94 and a cloud area calculation unit 95 are provided, and the cloud amount estimation processing unit 93 is changed to a cloud amount estimation processing unit 93b.
  • the total area calculation unit 94 calculates the area (total area) of a circle whose radius is the observation distance in the azimuth direction of the automatic observation apparatus. When the whole sky is the target, the area of a circle with the maximum observation distance as the radius is calculated.
  • the cloud area calculation unit 95 projects a reflection point on the circle (on the ground surface) for each cloud layer based on the estimation result (cloud layer information) by the cloud layer estimation unit 7 and high intensity (usually maximum) in each azimuth direction.
  • the area (cloud area) is calculated by connecting the (value) points with a line.
  • the cloud amount estimation processing unit 93b estimates the ratio of the cloud area calculated by the cloud area calculation unit 95 to the total area calculated by the total area calculation unit 94 (cloud area / total area) as the cloud amount. Information is generated.
  • the circle with the maximum observation distance in the azimuth direction is equivalent to the whole sky visually.
  • the reflection points that make up the cloud layer are projected onto the circle (on the ground surface) and converted into secondary information only in the azimuth direction, and the maximum value points in each azimuth direction are connected by lines.
  • the inside surrounded by is a cloud.
  • the ratio of the area of the circle having the maximum observation distance (total area) and the area (cloud area) surrounded by the line is defined as the cloud amount.
  • the cloud amount of the first layer estimated from the result of FIG. 12 by the cloud amount estimation unit 9 is shown in FIG.
  • the inside of the outer circle is the observation range, and the white portion represents the cloud.
  • the observation range is the inside of a circle having a radius of 10 [km]
  • the ratio of the area of the circle having a radius of 10 [km] and the area inside the projection on the ground surface determined to be a cloud is used as the cloud amount.
  • the cloud amount is estimated to be approximately 43%.
  • FIG. 15 and 19 are completely different from each other in the cloud amount estimation result, which is due to a difference in the cloud amount estimation method.
  • FIG. 15 shows an estimation method adapted to a human viewpoint, and uses a solid angle. In other words, if you can see a cloud when you look at an angle from the center of your aircraft (a signal is returned), it is assumed that there is a cloud in that direction. Yes.
  • FIG. 19 shows an estimation method in which a cloud is looked down from above, and is a method for mechanical determination.
  • the result of cloud amount may differ depending on the estimation method, and which estimation method is used is selected according to the purpose.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained even if the area is used as a method of estimating the cloud amount.
  • the automatic observation apparatus is suitable for use in an automatic observation apparatus or the like that can observe the cloud base altitude, the cloud layer, and the cloud amount with the whole sky as the field of view, and observes clouds from any point. .
  • 1 reference signal generation unit 2 pulse modulation unit, 3 transmission / reception switching unit, 4 transmission / reception unit, 5 reception unit, 6 signal correction unit, 7 cloud layer estimation unit, 8 cloud base altitude estimation unit, 9 cloud amount estimation unit, 10 output unit , 61 Distance attenuation correction unit, 62 Power determination unit, 63 Removal unit, 71 Histogram creation unit, 72, 72b Cloud layer estimation processing unit, 73 Histogram analysis unit, 81 Cloud bottom altitude candidate setting unit, 82 Altitude difference calculation unit, 83 Altitude Difference determination unit, 91 total range cell number calculation unit, 92 cloud range cell number calculation unit, 93, 93b cloud amount estimation processing unit, 94 total area calculation unit, 95 cloud area calculation unit.

Abstract

　全天を走査するように送信波を照射し、当該送信波の反射波を受光する送受光部４と、当該反射波を検波して受信信号を生成する受信部５と、当該受信信号に基づいて、強度が閾値未満の受信信号を除去する信号補正部６と、信号補正部６による処理後の受信信号から、雲層を推定する雲層推定部７と、雲層推定部７による推定結果から、各雲層の底面の高度である雲底高度を推定する雲底高度推定部８と、雲層推定部７による推定結果から、雲量を推定する雲量推定部９とを備えた。

Description

自動観測装置
　この発明は、任意の地点から雲を観測する自動観測装置に関するものである。
　気象観測に関する情報は、航空機の安全運航等に欠かすことのできない重要な情報であり、空港滑走路上空を含むその周辺の気象現象を観測して得られた様々な情報をパイロットや管制官等の航空関係者に通報している。
　このような気象現象の観測情報として、雲層情報、雲の高度（雲底高度）情報、雲量情報がある。
　雲層情報や雲底高度情報の観測では、現在、鉛直視程及びシーリングとも呼ばれるレーザを利用した光学測深装置（シーロメータ）が多く用いられる。対象となる大気の雲、霧又は雨に対し、レーザパルスを照射し後方散乱した光学信号を検出し、増幅することで、その高度を測定することができる。しかしながら、シーロメータは鉛直上の雲の状態のみを観察する装置であるため、周辺の気象現象を観測することができない。その結果、実際の航空機の運航管理にシーロメータが直接用いられることはほとんどなく、気象官署職員の判断に補助的に利用されるにすぎない状況である。
　また、雲量情報の観測は、有効な装置が無く、現状観測員による目視で行われている。しかしながら、目視での観測は、観測員によって結果が異なる曖昧さや、観測員常駐による負担の大きさ等の課題がある。よって、装置による自動観測が求められている。
　それに対し、特許文献１，２に上記課題を解決するための方式が記載されている。特許文献１では、任意の地点からの視野角を有し、観測対象からの温度情報に基づいて雲底の高度を推定している。また、特許文献２では、同じ高度のヒットデータが連続していればそこに雲底があると判断し、同一地点を所定時間取得したデータを用いて雲量を推定している。
特開２００４―１７０３５０号公報 特開２００４－３０９３０９号公報
　しかしながら、特許文献１の方式では、全天を視野範囲とすることができないという課題がある。また、雲底高度を推定することに特化した装置であるため、この装置のみでは雲層や雲量を推定することができないという課題がある。
　また、特許文献２では、シーロメータを用い雲の推移で雲量を判定しているが、視野角を有していないため、装置の鉛直上を通らない雲を推定することができないという課題がある。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、全天を視野範囲とし、雲層、雲底高度及び雲量の観測を行うことができる自動観測装置を提供することを目的としている。
　この発明に係る自動観測装置は、全天を走査するように送信波を照射し、当該送信波の反射波を受光する送受光部と、送受光部により受光された反射波を検波して受信信号を生成する受信部と、受信部により生成された受信信号に基づいて、強度が閾値未満の受信信号を除去する信号補正部と、信号補正部による処理後の受信信号から、雲層を推定する雲層推定部と、雲層推定部による推定結果から、各雲層の底面の高度である雲底高度を推定する雲底高度推定部と、雲層推定部による推定結果から、雲量を推定する雲量推定部とを備えたものである。
　この発明によれば、上記のように構成したので、全天を視野範囲とし、雲層、雲底高度及び雲量の観測を行うことができる。
この発明の実施の形態１に係る自動観測装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１における信号補正部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１における雲層推定部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１における雲底高度推定部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１における雲量推定部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る自動観測装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１における信号補正部の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１における信号補正部による処理結果を示す図である。 この発明の実施の形態１における雲層推定部の動作を示すフローチャートである。 図８をＹ軸から眺めた場合を示す図である。 この発明の実施の形態１における雲層推定部により作成されたヒストグラムを示す図である。 この発明の実施の形態１における雲層推定部による雲層の推定結果を示す図である。 この発明の実施の形態１における雲底高度推定部の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１における雲量推定部の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１における雲量推定部により図１２の結果から推定された１層目の雲量を示す図である。 この発明の実施の形態２における雲層推定部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２における雲層推定部により作成されたヒストグラムの極大点と極小点を示す図である。 この発明の実施の形態３における雲量推定部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３における雲量推定部により図１２の結果から推定された１層目の雲量を示す図である。
　以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１に係る自動観測装置の構成を示すブロック図である。
　自動観測装置は、任意の地点から雲を観測するものであり、例えば航空機の運航管理のような全天に存在する雲の状態、雲の推移、雲の発生、消滅状況等の予測に役立つ気象観測用として用いられるものである。この自動観測装置は、図１に示すように、基準信号発生部１、パルス変調部２、送受切替部３、送受光部４、受信部５、信号補正部６、雲層推定部７、雲底高度推定部８、雲量推定部９及び出力部１０から構成されている。なお、自動観測装置の各部は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。
　基準信号発生部１は、送信波の元となる基準信号を発生するものである。
　パルス変調部２は、基準信号発生部１により発生された基準信号をパルス化し、パルス状の送信波を生成するものである。
　送受切替部３は、パルス変調部２により生成された送信波を送受光部４へ出力し、また、送受光部４により受光された受信波を受信部５へ出力するものである。
　送受光部４は、送受切替部３により出力された送信波を空間に照射するとともに、当該送信波に対して空間に存在する物体で散乱された反射波を受信波として受光するものである。この送受光部４は、方位角をずらしながら０度～１８０度の仰角走査を行って全天を観測する走査型のレーザレーダ（ライダ）から構成される。
　受信部５は、送受切替部３により出力された受信波を検波することにより受信信号を生成するものである。
　信号補正部６は、受信部５により生成された受信信号に対して、反射波の反射点までの距離による減衰を補正し、その補正後の強度が閾値（Ｘ１［ｄＢ］）未満の受信信号を除去するものである。この信号補正部６は、図２に示すように、距離減衰補正部６１、電力判定部６２及び除去部６３を有している。
　距離減衰補正部６１は、受信部５により生成された受信信号に対して、反射波の反射点までの距離による減衰を補正するものである。この際、距離減衰補正部６１は、自機から反射点までの距離を送受信時間から測定し、その距離に対して通常の大気を往復する間に減衰する推定量を算出し、その減衰する分、強度を補正する。
　電力判定部６２は、距離減衰補正部６１により強度の距離減衰が補正された受信信号に対して、その補正後の強度が閾値（Ｘ１［ｄＢ］）以上であるかを判定するものである。ここで、閾値は、雲を構成する水粒子や氷粒子からの反射波（受信信号）であるかを識別するためのものであり、観測員により定められる。
　除去部６３は、電力判定部６２により閾値未満であると判定された受信信号を除去するものである。
　なお、距離減衰補正部６１は必須の構成ではなく、設けなくてもよい。その場合には、距離減衰の補正は実施せず、受信部５により生成された受信信号のうち、強度が閾値未満の受信信号を除去する。
　雲層推定部７は、信号補正部６による処理後の受信信号から、雲層を推定して雲層情報を生成するものである。この雲層推定部７は、図３に示すように、ヒストグラム作成部７１及び雲層推定処理部７２を有している。
　ヒストグラム作成部７１は、信号補正部６による処理後の受信信号から、反射点の高度別のヒストグラムを作成するものである。
　雲層推定処理部７２は、ヒストグラム作成部７１により作成されたヒストグラムから、雲層の数及び範囲（雲層の境界）を推定し、雲層情報を生成するものである。
　雲底高度推定部８は、雲層推定部７による推定結果（雲層情報）から、各雲層の底面の高さである雲底高度を推定して雲底高度情報を生成するものである。この雲底高度推定部８は、図４に示すように、雲底高度候補設定部８１、高度差算出部８２、高度差判定部８３を有している。
　雲底高度候補設定部８１は、雲層推定部７による推定結果から、雲層毎に、高度の低い反射点（通常は、最も高度の低い反射点）を雲底高度候補とし、その次に高度の低い反射点を次点として設定するものである。また、雲底高度候補設定部８１は、高度差判定部８３により高度差が第２の閾値より大きいと判定された場合に、その際の雲底高度候補を破棄し、次点を新たな雲底高度候補とし、当該次点の次に高度が低い反射点を新たな次点として再設定する。
　高度差算出部８２は、雲底高度候補設定部８１により設定された雲底高度候補と次点との高度差を算出するものである。
　高度差判定部８３は、高度差算出部８２により算出された高度差が、第２の閾値（Ｘ２［ｍ］）以下であるかを判定するものである。ここで、高度差判定部８３は、上記高度差が閾値以下であると判定した場合には、その際の雲底高度候補を雲底高度と推定し、雲底高度情報を生成する。なお、第２の閾値は、観測員により定められる。
　雲量推定部９は、雲層推定部７による推定結果（雲層情報）から、雲量を推定して雲量情報を生成するものである。この雲量推定部９は、図５に示すように、総レンジセル数算出部９１、雲レンジセル数算出部９２及び雲量推定処理部９３を有している。
　総レンジセル数算出部９１は、自動観測装置の仰角及び方位角分解能によって決まる観測距離に広がるレンジセルの総数（総レンジセル数）を算出するものである。全天を対象とする場合には、最大観測距離に広がるレンジセルの総数を算出する。
　雲レンジセル数算出部９２は、雲層推定部７による推定結果（雲層情報）から、雲層毎に、上記レンジセルのうち、閾値（Ｘ１［ｄＢ］）以上の強度を持つ受信信号と同一の方位角及び仰角を持つレンジセルの総数（雲レンジセル数）を算出するものである。
　雲量推定処理部９３は、雲層毎に、総レンジセル数算出部９１により算出された総レンジセル数に対する雲レンジセル数算出部９２により算出された雲レンジセル数の割合（雲レンジセル数／総レンジセル数）を雲量として推定し、雲量情報を生成するものである。
　出力部１０は、雲層推定部７、雲底高度推定部８及び雲量推定部９による推定結果（雲層情報、雲底高度情報及び雲量情報）を外部の出力するものである。なお、この出力部１０は自動観測装置の外部に設けられていてもよい。
　なお、自動観測装置のうち、基準信号発生部１から受信部５までの機能部では、送受光部４が方位角をずらしながら０度～１８０度の仰角走査を行うことで、全天分のデータを処理する。一方、信号補正部６から雲量推定部９までの機能部では、上記全天分のデータを１セットとしてまとめて処理する。
　次に、上記のように構成された自動観測装置の動作について、図６～１５を参照しながら説明する。なお以下では、全天を対象として雲層情報、雲底高度情報及び雲量情報を得る場合を示す。
　自動観測装置の動作では、図６に示すように、まず、基準信号発生部１は、送信波の元となる基準信号を発生する（ステップＳＴ６０１）。
　次いで、パルス変調部２は、基準信号発生部１により発生された基準信号をパルス化し、パルス状の送信波を生成する（ステップＳＴ６０２）。そして、送受切替部３は、上記送信波を送受光部４へ出力する。
　次いで、送受光部４は、送受切替部３により出力された送信波を空間に照射するとともに、当該送信波に対して空間に存在する物体で散乱された反射波を受信波として受光する（ステップＳＴ６０３）。なお、送受光部４では、方位角をずらしながら０度～１８０度の仰角走査を行って全天を観測する。そして、送受切替部３は、上記受信波を受信部５へ出力する。
　次いで、受信部５は、送受切替部３により出力された受信波を検波することにより受信信号を生成する（ステップＳＴ６０４）。
　そして、以降の処理では、全天を網羅するために必要なビーム数（方位角方向の分割数）×（仰角方向の分割数）を１セットとし、まとめて処理を行う。
　次いで、信号補正部６は、受信部５により生成された受信信号に対して、反射波の反射点までの距離による減衰を補正し、その補正後の強度が閾値（Ｘ１［ｄＢ］）未満の受信信号を除去する（ステップＳＴ６０５）。この信号補正部６では、図７に示すように、まず、距離減衰補正部６１は、上記受信信号に対して強度の距離減衰を補正する（ステップＳＴ７０１）。これにより、受信信号を反射点までの距離に関係なく統一した強度とする。そして、電力判定部６２は、補正後の受信信号に対して、その強度が閾値（Ｘ１［ｄＢ］）以上であるかを判定する（ステップＳＴ７０２）。そして、除去部６３は、強度が閾値未満である受信信号を除去する（ステップＳＴ７０３）。これにより、雲を構成する水粒子や氷粒子からの反射波（受信信号）ではない信号を除去していく。この信号補正部６による処理結果を図８に示す。この図８では、雲を構成する水粒子や氷粒子からの反射波の反射点の位置を三次元表示している。
　次いで、雲層推定部７は、信号補正部６による処理後の受信信号から、雲層を推定して雲層情報を生成する（ステップＳＴ６０６）。この雲層推定部７では、図９に示すように、まず、ヒストグラム作成部７１は、上記受信信号から反射点の高度別のヒストグラムを作成する（ステップＳＴ９０１）。そして、雲層推定処理部７２は、上記ヒストグラムから雲層の数及び範囲を推定し、雲層情報を生成する（ステップＳＴ９０２）。
　すなわち、雲は、上層雲、中層雲、下層雲に大きく分類され、層状に分布される。よって、反射波の反射点を高度別にまとめると、いくつかの層に分かれて分布されることが想定される。したがって、雲層推定部７では、反射点の高度別のヒストグラムを作成し、その情報から雲層の数及び範囲を推定する。
　ここで、図８をＹ軸から眺めたときの２次元表示を図１０に示す。この図１０から、雲が複数の層に分布されていることが分かる。また、雲層推定部７により作成されたヒストグラムを図１１に示し、推定された雲層情報を図１２に示す。この図１２では、図１０を層分けして示している。
　次いで、雲底高度推定部８は、雲層推定部７による推定結果（雲層情報）から、雲底高度を推定して雲底高度情報を生成する（ステップＳＴ６０７）。この雲底高度推定部８では、図１３に示すように、まず、雲底高度候補設定部８１は、雲層情報から、雲層毎に、最も高度の低い反射点を雲底高度候補とし、その次に高度の低い反射点を次点として設定する（ステップＳＴ１３０１）。そして、高度差算出部８２は、上記雲底高度候補と次点との高度差を算出する（ステップＳＴ１３０２）。そして、高度差判定部８３は、上記高度差が第２の閾値（Ｘ２［ｍ］）以下であるかを判定する（ステップＳＴ１３０３）。このステップＳＴ１３０３において、上記高度差が第２の閾値より大きい場合、雲底高度候補設定部８１は、その際の雲底高度候補を破棄し、次点を新たな雲底高度候補とし、当該次点の次に高度が低い反射点を新たな次点として再設定する（ステップＳＴ１３０４）。その後上記動作を繰り返す。一方、ステップＳＴ１３０３において、上記高度差が第２の閾値以下である場合には、高度差判定部８３は、その際の雲底高度候補を雲底高度と推定し、雲底高度情報を生成する（ステップＳＴ１３０５）。
　すなわち、通常、雲層毎に最も高度の低い反射点を雲底高度とするが、周辺に他の反射点が存在しない場合には、上記最も高度の低い反射点はノイズのように映るはずであり、そのような反射点を雲底高度と判断するのは現実的ではない。そこで、雲層毎に最も高度の低い反射点を雲底高度候補とし、その次に高度の低い反射点を次点とする。また、雲底高度候補と次点との高度差に対して、第２の閾値（Ｘ２［ｍ］）を設ける。そして、高度差が第２の閾値より大きい場合には、雲底高度候補の高度は他の反射点から離れていることを示し、雲を構成している点ではないと推測できる。よって、雲底高度候補の反射点を候補から外し、次点を新たな雲底高度候補とし、その次に高度の低い反射点を新たな次点とする。その後、雲底高度候補と次点との高度差が第２の閾値以下となるまで上記動作を繰り返し、第２の閾値以下となったときの雲底高度候補の反射点を雲底高度とする。
　次いで、雲量推定部９は、雲層推定部７による推定結果（雲層情報）から、雲量を推定して雲量情報を生成する（ステップＳＴ６０８）。この雲量推定部９では、図１４に示すように、まず、総レンジセル数算出部９１は、自動観測装置の仰角及び方位角分解能によって決まる最大観測距離に広がるレンジセルの総数（総レンジセル数）を算出する（ステップＳＴ１４０１）。また、雲レンジセル数算出部９２は、雲層情報から、雲層毎に、上記レンジセルのうち、閾値（Ｘ１［ｄＢ］）以上の強度を持つ受信信号と同一の方位角及び仰角を持つレンジセルの総数（雲レンジセル数）を算出する（ステップＳＴ１４０２）。そして、雲量推定処理部９３は、雲層毎に、上記総レンジセル数に対する上記雲レンジセル数の割合（雲レンジセル数／総レンジセル数）を雲量として推定し、雲量情報を生成する（ステップＳＴ１４０３）。
　ここで、雲量推定部９により、図１２の結果から推定された１層目の雲量を図１５に示す。この図１５において、白塗り部分が雲を表している。図１５の例では、総レンジセル数が全天であり、白塗りのセルの数（雲レンジセル数）が雲となるため、雲量は１７９／６７２＝２７％であると推定される。
　なお図６では、雲底高度の推定処理（ステップＳＴ６０７）、雲量の推定処理（ステップＳＴ６０８）の順で記載しているが、雲量の推定処理の方が先であってもよいし、並列処理であってもよい。
　次いで、出力部１０は、雲層推定部７、雲底高度推定部８及び雲量推定部９による推定結果（雲層情報、雲底高度情報及び雲量情報）を外部に出力する（ステップＳＴ６０９）。以上により、本発明の自動観測装置のみで全天に対する雲層情報、雲底高度情報及び雲量情報を得ることができる。
　以上のように、この実施の形態１によれば、全天を走査するように送信波を照射し、当該送信波の反射波を受光する送受光部４と、当該反射波を検波して受信信号を生成する受信部５と、当該受信信号に基づいて、強度が閾値未満の受信信号を除去する信号補正部６と、信号補正部６による処理後の受信信号から、雲層を推定する雲層推定部７と、雲層推定部７による推定結果から、雲底高度を推定する雲底高度推定部８と、雲層推定部７による推定結果から、雲量を推定する雲量推定部９とを備えたので、全天を視野範囲とし、雲底高度、雲層及び雲量の観測を行うことができる。
実施の形態２．
　ヒストグラムを用いた雲層の具体的な推定方法は、実施の形態１で示した方法以外にもいくつか考えられる。そこで、実施の形態２では、ヒストグラムの山、谷を用いた方法について説明を行う。
　図１６はこの発明の実施の形態２における雲層推定部７の構成を示す図である。この図１６に示す実施の形態２における雲層推定部７は、図３に示す実施の形態１に係る雲層推定部７にヒストグラム解析部７３を追加し、雲層推定処理部７２を雲層推定処理部７２ｂに変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
　ヒストグラム解析部７３は、ヒストグラム作成部７１により作成されたヒストグラムの山、谷（山又は谷、あるいは山及び谷）を推定するものである。以下では、ヒストグラムの山、谷として、極大点及び極小点を推定する場合を示す。このヒストグラム解析部７３により推定された極大点及び極小点を図１７に示す。図１７において、黒塗りの矢印は極大点を示し、白塗りの矢印は極小点を示している。
　雲層推定処理部７２ｂは、ヒストグラム解析部７３による推定結果から、雲層の数及び範囲（雲層の境界）を推定し、雲層情報を生成するものである。
　ここで、雲層は極大点の数で決定し、各雲層は、初めの極小点未満を第１層目、初めの極小点以上２番目の極小点未満を第２層目、２番目の極小点以上３番目の極小点未満を第３層目といったように分別する。
　なお、極小点と極大点の数は基本的に等しく推定されるが、積乱雲のような幅広い高度領域にわたって雲が発生する場合には、極小点と極大点の数が異なって推定される場合がある。この場合、１つの雲を誤って複数の雲に分離させないために、極小点の方が多く推定された場合は、極大点の数に合わせて雲層を分離させる。
　また、簡易的に雲層の数を調べたい場合等は、極大点と極小点のどちらか一方を用いて分別してもよい。すなわち、極小点のみを用いる場合には、雲層を極小点の数で決定し、各雲層は、初めの極小点未満を第１層目、初めの極小点以上２番目の極小点未満を第２層目、２番目の極小点以上３番目の極小点未満を第３層目といったように分別する。また、極大点のみを用いる場合は、雲層は極大点の数で決定し、各極大点の高度の中間を境界に各雲層を分類する。
　また、雲層の別の分け方として、極大点からの絶対値の距離によって分ける方法もある。ここで、極大点の位置は、東西方向を０、南北方向を０、高度方向をヒストグラムで得られた値とし、各反射点（ｘ，ｙ，ｚ）との距離を比較する。
　例えばライダを設置した位置の座標を（０，０，０）とし、第１の極大点の座標を（０，０，Ｚ１）、第２の極大点の座標を（０，０，Ｚ２）、反射点の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とする。このとき、下式（１）を満たすならば、反射点は第１の極大点の方に近いため、第１の極大点に属する点と判定する。
（（ｘ－０）＾２＋（ｙ－０）＾２＋（ｚ－Ｚ１）＾２）＾（１／２）＜（（ｘ－０）＾２＋（ｙ－０）＾２＋（ｚ－Ｚ２）＾２）＾（１／２）　　（１）
　また、雲層が厚い場合等、隣接する極大点と極小点との差（反射点の数の差）があまりない場合には、本来は１層であるのに、別の雲層と判断してしまう場合がある。この場合は、隣接する極大点と極小点との差がある一定以上開いたとき（第３の閾値（Ｘ３［点］）を超えた場合）に、雲層の境界であると判定することで、より現実的な分類が可能となる。
　また、ヒストグラムの結果そのものでは、上記のように誤差のような極点でも分類してしまう恐れがあるため、例えばローパスフィルタ等のフィルタ処理部を用いて、ヒストグラムの形を滑らかにしてもよい。そして、フィルタ処理を行ったヒストグラムを用いて、雲層を推定する。これにより、明らかに層が分かれている部分を境に雲層を推定することができる。
　以上のように、この実施の形態２によれば、ヒストグラムの山、谷を用いて雲層を推定するように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
　なお実施の形態１，２では、ヒストグラムを用いて雲層を推定したが、ヒストグラム作成部７１に代えて統計処理部を設け、多値化（２値化等）による統計処理を行い、この統計処理結果を用いて雲層を推定してもよい。例えば、反射点同士の絶対値距離を算出し、距離の近いもの同士をグループとしてまとめ、雲層を推定する方法がある。この方法を用いると、曲線的な分類が可能となり、雲の形状がより詳細に表現可能となる。
実施の形態３．
　実施の形態１では、雲量を推定する方法として、レンジセルを用いた場合について示した。これに対し、実施の形態３では、雲量を推定する方法として、面積を用いる場合について示す。
　図１８はこの発明の実施の形態３における雲量推定部９の構成を示す図である。この図１８に示す実施の形態３における雲量推定部９は、図５に示す実施の形態１における雲量推定部９の総レンジセル数算出部９１及び雲レンジセル数算出部９２に代えて総面積算出部９４及び雲面積算出部９５を設け、雲量推定処理部９３を雲量推定処理部９３ｂに変更したものである。
　総面積算出部９４は、自動観測装置の方位角方向における観測距離を半径とする円の面積（総面積）を算出するものである。全天を対象とする場合には、最大観測距離を半径とする円の面積を算出する。
　雲面積算出部９５は、雲層推定部７による推定結果（雲層情報）から、雲層毎に、反射点を上記円上（地表面上）に投影し、各方位角方向における高強度（通常は最大値）の点を線で繋いで囲んだ内部の面積（雲面積）を算出するものである。
　雲量推定処理部９３ｂは、雲層毎に、総面積算出部９４により算出された総面積に対する雲面積算出部９５により算出された雲面積の割合（雲面積／総面積）を雲量として推定し、雲量情報を生成するものである。
　すなわち、方位角方向における最大観測距離の大きさの円を目視による全天と同等であるとする。また、雲層毎に、雲層を構成する反射点を上記円上（地表面上）に投影して方位角方向のみの二次情報に変換し、各方位角方向における最大値の点を線で繋いで囲んだ内部を雲とする。そして、最大観測距離の大きさの円の面積（総面積）と、線で囲まれた内部の面積（雲面積）との比を雲量とする。
　ここで、雲量推定部９により、図１２の結果から推定された１層目の雲量を図１９に示す。この図１９において、外側の円の内部が観測範囲であり、白抜き部分が雲を表している。ここで、観測範囲を半径１０［ｋｍ］の円の内部とした場合、半径１０［ｋｍ］の円の面積と雲と判断した地表面上への投影内部の面積との比を雲量とするため、図１９の例では雲量はおよそ４３％と推定される。
　なお、図１５と図１９とでは、雲量の推定結果が全く異なるが、これは雲量の推定手法の違いによるものである。図１５は人の視点に合わせた推定手法であり、立体角を用いている。すなわち、自機の中心から上空のある角度を見たときに、雲が確認できる（信号が返ってくる）ならば、その方向には雲があるとして、対応する図の部分を白抜きにしている。
　一方、図１９は雲を上から俯瞰的に見下ろした推定手法であり、機械的に求める方法である。すなわち、各層の信号が返ってきた点をそのまま２次元平面（地面）に落とし、各方向の最も遠方から帰ってきた反射点を直線で繋ぎ、囲まれた内部には雲がある（遠方に雲があるならば近方にも雲があると仮定）として白抜きにしている。
　よって、雲量に関しては推定手法によって結果が異なる場合があり、目的に応じてどちらの推定手法を用いるかを選択する。
　以上のように、この実施の形態３によれば、雲量を推定する方法として、面積を用いるように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
　なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
　この発明に係る自動観測装置は、全天を視野範囲とし、雲底高度、雲層及び雲量の観測を行うことができ、任意の地点から雲を観測する自動観測装置等に用いるのに適している。
　１　基準信号発生部、２　パルス変調部、３　送受切替部、４　送受光部、５　受信部、６　信号補正部、７　雲層推定部、８　雲底高度推定部、９　雲量推定部、１０　出力部、６１　距離減衰補正部、６２　電力判定部、６３　除去部、７１　ヒストグラム作成部、７２，７２ｂ　雲層推定処理部、７３　ヒストグラム解析部、８１　雲底高度候補設定部、８２　高度差算出部、８３　高度差判定部、９１　総レンジセル数算出部、９２　雲レンジセル数算出部、９３，９３ｂ　雲量推定処理部、９４　総面積算出部、９５　雲面積算出部。

Claims (10)

  1. 　全天を走査するように送信波を照射し、当該送信波の反射波を受光する送受光部と、
    　前記送受光部により受光された反射波を検波して受信信号を生成する受信部と、
    　前記受信部により生成された受信信号に基づいて、強度が閾値未満の受信信号を除去する信号補正部と、
    　前記信号補正部による処理後の受信信号から、雲層を推定する雲層推定部と、
    　前記雲層推定部による推定結果から、各雲層の底面の高度である雲底高度を推定する雲底高度推定部と、
    　前記雲層推定部による推定結果から、雲量を推定する雲量推定部と
    　を備えた自動観測装置。
  2. 　前記信号補正部は、前記受信部により生成された受信信号に対して、前記反射波の反射点までの距離による減衰を補正し、当該補正後の強度が閾値未満の受信信号を除去する
    　ことを特徴とする請求項１記載の自動観測装置。
  3. 　前記雲層推定部は、
    　前記信号補正部による処理後の受信信号から、前記反射点の高度別のヒストグラムを作成するヒストグラム作成部と、
    　前記ヒストグラム作成部により作成されたヒストグラムから、前記雲層の数及び範囲を推定する雲層推定処理部と
    　を備えたことを特徴とする請求項１記載の自動観測装置。
  4. 　前記雲底高度推定部は、
    　前記雲層推定部による推定結果から、前記雲層毎に、高度の低い前記反射点を雲底高度候補とし、当該反射点の次に高度の低い前記反射点を次点として設定する雲底高度候補設定部と、
    　前記雲底高度候補設定部により設定された雲底高度候補と次点との高度差を算出する高度差算出部と、
    　前記高度差算出部により算出された高度差が第２の閾値以下であるかを判定し、当該第２の閾値以下であると判定した場合に前記雲底高度候補を前記雲底高度と推定する高度差判定部とを備え、
    　前記雲底高度候補設定部は、前記高度差判定部により高度差が第２の閾値より大きいと判定された場合に、前記次点を新たな雲底高度候補とし、当該次点の次に高度の低い前記反射点を新たな次点として再設定する
    　ことを特徴とする請求項１記載の自動観測装置。
  5. 　前記雲量推定部は、
    　自機の観測距離に広がるレンジセルの総数である総レンジセル数を算出する総レンジセル数算出部と、
    　前記雲層推定部による推定結果から、前記雲層毎に、前記レンジセルのうち、前記閾値以上の強度を持つ受信信号と同一の方位角及び仰角を持つレンジセルの総数を雲レンジセル数として算出する雲レンジセル数算出部と、
    　前記雲層毎に、前記総レンジセル数算出部により算出された総レンジセル数に対する前記雲レンジセル数算出部により算出された雲レンジセル数の割合を前記雲量として推定する雲量推定処理部と
    　を備えたことを特徴とする請求項１記載の自動観測装置。
  6. 　前記雲層推定部は、
    　前記信号補正部による処理後の受信信号から、前記反射点の高度別のヒストグラムを作成するヒストグラム作成部と、
    　前記ヒストグラム作成部により作成されたヒストグラムの山又は谷を推定するヒストグラム解析部と、
    　前記ヒストグラム解析部による推定結果から、前記雲層の数及び範囲を推定する雲層推定処理部と
    　を備えたことを特徴とする請求項１記載の自動観測装置。
  7. 　前記雲層推定部は、
    　前記信号補正部による処理後の受信信号から、前記反射点の高度別のヒストグラムを作成するヒストグラム作成部と、
    　前記ヒストグラム作成部により作成されたヒストグラムの形を滑らかにするようフィルタ処理を行うフィルタ処理部と、
    　前記フィルタ処理部によりフィルタ処理されたヒストグラムの山又は谷を推定するヒストグラム解析部と、
    　前記ヒストグラム解析部による推定結果から、前記雲層の数及び範囲を推定する雲層推定処理部と
    　を備えたことを特徴とする請求項１記載の自動観測装置。
  8. 　前記ヒストグラム解析部は、前記ヒストグラムの山及び谷を推定し、
    　前記雲層推定処理部は、前記ヒストグラム解析部により推定されたヒストグラムの隣接する山と谷との前記反射点の数の差が第３の閾値を超えている場合に前記雲層の境界であると判定する
    　ことを特徴とする請求項６又は請求項７記載の自動観測装置。
  9. 　前記雲層推定部は、
    　前記信号補正部による処理後の受信信号から、多値化による統計処理を行う統計処理部と、
    　前記統計処理部による統計処理結果から、前記雲層の数及び範囲を推定する雲層推定処理部と
    　を備えたことを特徴とする請求項１記載の自動観測装置。
  10. 　前記雲量推定部は、
    　自機の方位角方向における観測距離を半径とする円の総面積を算出する総面積算出部と、
    　前記雲層推定部による推定結果から、前記雲層毎に、前記反射点を前記円上に投影し、各方位角方向における高強度の点を線で繋いで囲んだ内部の面積を雲面積として算出する雲面積算出部と、
    　前記雲層毎に、前記総面積算出部により算出された総面積に対する前記雲面積算出部により算出された雲面積の割合を前記雲量として推定する雲量推定処理部と
    　を備えたことを特徴とする請求項１記載の自動観測装置。
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