JP4819343B2 - ウィンドプロファイラ・システム - Google Patents

Description

本発明は、ウィンドプロファイラ・システム、特にフェーズアレイを用いたウィンドプロファイラ装置，風速・風向異常データ検出方法および風速・風向異常データ検出プログラムに関する。

フェーズアレイを用いたウィンドプロファイラ装置は、地上から上空に東西南北方向と鉛直方向の５方向にパルス電波（ビーム）を放射して、それらが空気の運動に伴う空気の撹乱によって散乱され帰ってくる電波（エコー）のドップラー効果による周波数偏移を測定し大気の風速・風向（風速ベクトル）を観測する装置である。

従来のこの種のウィンドプロファイラ装置は、３次元風速ベクトル算出に最低限必要なビーム本数は３であることに着目し、５本のビームによる観測の冗長性を利用することにより、大気の流れの空間的一様性の度合いを判断して、一様性が低い場合でも、３次元風速ベクトルの算出を精度良く行うようにしている（例えば、特許文献１参照）。

低い高度では、大気の流れが地表面の影響を受けるため、風速の空間的一様性が低下する。しかし、これまでのウィンドプロファイラおよび風速ベクトル算出方法は、上空の風の流れが同一高度で空間的に一様であることを前提にしており、空間的一様性が低くなると、風速ベクトル算出精度が劣化したり、風速ベクトルが算出できなくなる。

そこで、特許文献１記載の技術は、例えば、東西風のドップラー速度は、東ビームと西ビームのデータ、東ビームと天頂ビームのデータ、西ビームと天頂ビームのデータからそれぞれ算出できることに注目する。大気の流れが空間的に一様となる高度では、算出される東西風のドップラー速度は全て一致しているが、大気の流れが不均一であると各ビーム間で不整合となる。このような整合性の確認によりビームの組合せを選択し、この組合せとドップラー速度に基づいて高度毎に風速ベクトルを算出する。そして、信頼性が低いデータを検出し削除する処理（品質管理処理）は、試算した風速ベクトルの差を所定の閾値と比較することにより行う。

特開２００１−１５９６３６（第５頁ー第６頁、図１）

しかしながら、上述した従来技術では、品質管理処理は各ビーム方向で取得したデータに対し、視線風速でしか行われないから、異常なベクトルを検出し削除しようとする場合、閾値の設定を厳しくすると、その周囲の正常な風速ベクトルも削除され、閾値の設定を甘くすると信頼性が低い異常な風速ベクトルが削除されず残ってしまうという問題点がある。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであって、その目的はウィンドプロファイラ装置で取得した観測データのうち、正常なデータは削除せず信頼性の低いデータだけを確実に検出し削除することにある。

本発明のウィンドプロファイラ装置は、フェーズアレイを用いたウィンドプロファイラ装置であって、受信した観測データからスペクトルデータを算出し、信頼性が低い異常な風速ベクトルを検出し削除する品質管理処理が行える形式であって、受信強度、スペクトラム幅、ドップラー周波数の各項目を有するモーメントデータに変換する信号処理装置（図５の２）と、モーメントデータについて品質管理処理を行い、その結果のデータとスペクトルデータとから表示データを作成して観測データの再生を行うデータ処理装置（図５の３）とを有する。

そして、品質管理処理は、パルス電波を放射する５方向毎に、視線風速の大きさについて高度毎および時間毎に周囲の視線風速の大きさと比較して所定の閾値外のものを排除する時空間チェックと、水平風速の東西成分に対する南北成分の比率（正接）について高度毎および時間毎に周囲の正接と比較して所定の閾値外のものを排除する時空間チェックとから成ることを特徴とする。

本発明の風速・風向異常データ検出方法は、フェーズアレイを用いたウィンドプロファイラ装置における風速・風向異常データ検出方法において、受信した観測データからスペクトルデータを算出し、信頼性が低い異常な風速ベクトルを検出し削除する品質管理処理が行える形式であって、受信強度、スペクトラム幅、ドップラー周波数の各項目を有するモーメントデータに変換する段階と、モーメントデータについて、パルス電波を放射する５方向毎に、視線風速の大きさにつき高度毎および時間毎に周囲の視線風速の大きさと比較して所定の閾値外のものを排除することにより品質管理処理を行う段階と、モーメントデータについて、水平風速の東西成分に対する南北成分の比率（正接）について高度毎および時間毎に周囲の正接と比較して所定の閾値外のものを排除することにより品質管理処理を行う段階と、スペクトルデータと品質管理処理後のモーメントデータとから表示データを作成して観測データの再生を行う段階とを有することを特徴とする。

本発明の風速・風向異常データ検出プログラムは、フェーズアレイを用いたウィンドプロファイラ装置で受信した観測データから算出されたスペクトルデータを変換したモーメントデータに基づいて風速ベクトルの時空間チェックを行う風速・風向異常データ検出プログラムであって、信頼性が低い異常な風速ベクトルを検出し削除する品質管理処理が行える形式であって、受信強度、スペクトラム幅、ドップラー周波数の各項目を有するモーメントデータからドップラー周波数を取得する手順と、
取得したドップラー周波数を視線風速に変換する手順と、変換された視線風速から鉛直方向，東西方向および南北方向の風速ベクトルを取得する手順と、東西方向の風速ベクトルと南北方向の風速ベクトルから東西成分に対する南北成分の比率（正接）を計算する手順と、高度と時間の二次元の座標として考え、チェック対象の座標の正接データを比較する周囲座標の正接データと比較していく手順と、周囲座標の正接データとの差異が設定した閾値より大きければ、その風速ベクトルを削除する手順とを高度と時間を変えて繰り返すことを特徴とする。

本発明によれば、視線風速の大きさに対する時空間チェックに加えて、水平風速ベクトルの東西成分に対する南北成分の比率（正接）についても時空間チェックを行うため、前者のための閾値を厳しくしなくとも、視線風速の大きさが略同じであるが正接が所定の閾値外の風速ベクトルは後者により排除できるので、正常なデータは削除せず信頼性の低いデータだけを確実に検出し削除することができるようになる。

本発明のウィンドプロファイラ装置は、フェーズアレイを用いたウィンドプロファイラ装置であって、受信した観測データからスペクトルデータを算出し、信頼性が低い異常な風速ベクトルを検出し削除する品質管理処理が行える形式であって、受信強度、スペクトラム幅、ドップラー周波数の各項目を有するモーメントデータに変換する信号処理装置と、モーメントデータについて品質管理処理を行い、その結果のデータとスペクトルデータとから表示データを作成して観測データの再生を行うデータ処理装置とを有する。

そして、品質管理処理は、パルス電波を放射する５方向毎に、視線風速の大きさについて高度毎および時間毎に周囲の視線風速の大きさと比較して所定の閾値外のものを排除する時空間チェックと、水平風速の東西成分に対する南北成分の比率（正接）について高度毎および時間毎に周囲の正接と比較して所定の閾値外のものを排除する時空間チェックとから成ることを特徴とする。

図１は、フェーズアレイを用いたウィンドプロファイラ装置により、地上のレーダ装置から上空に、鉛直方向とθの角度の東西南北方向および鉛直方向の５方向にビームを放射している様子と、風速（ドップラー速度）ベクトルのイメージを示している。視線風速とは、観測に基づいて得られる風の速度である。視線風速から鉛直風速と水平風速が求まる。図中の「風速」ベクトルは、鉛直風速ベクトルと水平風速ベクトルとで定まる面に投影された視線風速ベクトルである。

図２はウィンドプロファイラ装置により得られる水平風速ベクトルの時空間における分布イメージを示している。すなわち、水平風速ベクトルが高度毎および時間毎にどのように分布しているかを示している。図中の矢印の大きさが風速の大きさを示し、矢印の向きが風の向きを表す。矢印の右方向が東西方向、上方向が南北方向である。

水平風速ベクトルＡは周囲の水平風速ベクトルと風の向きは、略同じであるが風速の大きさが大きく異なっている。また、水平風速ベクトルＢは周囲の風速ベクトルと風速の大きさは、略同じであるが風の向きが大きく異なっている。本発明は、このような水平風速ベクトルＡや水平風速ベクトルＢのように、信頼性が低い風速ベクトルを正常な風速ベクトルを損なうことなく検出し削除して、図３に示すような時空間分布を得るものである。

水平風速ベクトルＢは、視線風速の時空間チェックだけでは検出が困難である。無理に閾値を設定して削除しようとすると周囲のデータも削除してしまう可能性がある。そこで、本発明は、視線風速の時空間チェックと風速ベクトルを用いた時空間チェックを行うことにより、この問題を解決し、全体的な大気の流れをみて連続性がない特異な視線速度を検出することとしている。

図４は、この時空間分布を得るに当って行う周囲の風速ベクトルとの比較イメージを示す時空間チェック座標図である。横軸は時間で分単位に目盛られ、縦軸は高度でメートル単位で目盛られる。図中の黒丸がチェック対象データ、白丸が比較するデータを表す。時空間チェックは、視線風速の大きさ、および水平風速の東西成分に対する南北成分の比率（正接）について行う。

図５は本発明によるウィンドプロファイラ装置の一実施例のブロック図である。本ウィンドプロファイラ装置は、レーダ装置１と信号処理装置２とデータ処理装置３とから成る。

レーダ装置１は、上空に向けて東西南北方向と鉛直方向にパルス電波を放射して（図１参照）、それらが空気の運動に伴う（空気の）撹乱によって散乱され帰ってくる電波（エコー）のドップラー効果による周波数偏移を測定する。そして、周波数偏移を観測データとして信号処理装置２に送信する。

信号処理装置２は、受信した観測データから風速，風向き，風エネルギーおよびモーメントの高度分布(スペクトルデータ)を算出し、スペクトルデータを品質管理処理が行える形式のモーメントデータに変換する。そして、モーメントデータとスペクトルデータをデータ処理装置３へ送信する。

データ処理装置３は、受信したモーメントデータについて品質管理処理を行い、その結果のデータとスペクトルデータとから表示データを作成し、観測データの再生を行う。

更に、データ処理装置３は、データ受信部31，品質管理処理部32，表示データ作成部33およびデータ表示部34で構成される。

データ受信部31は、信号処理装置２からスペクトルデータとモーメントデータを受信し、スペクトルデータは表示データ作成部33、モーメントデータは品質管理処理部32に出力する。

品質管理処理部32は、モーメントデータについて品質管理処理を行う。品質管理処理とは、信頼性が低い異常な風速ベクトルを検出し削除する処理をいい、端的には、図２に示したような水平風速ベクトルの時空間における分布を入力して、図３に示したような水平風速ベクトルの時空間における分布を出力する処理である。この際、時空間チェックは、視線風速の大きさと、水平風速の東西成分に対する南北成分の比率（正接）とについて行う。品質管理処理後のデータ（品質管理データ）は表示データ作成部33に出力する。

表示データ作成部33は、データ受信部31から入力しているスペクトルデータと、品質管理処理部32から入力する品質管理データとから表示用でデータを作成してデータ表示部34に出力する。データ表示部34は、そのデータを表示する。

次に、図６のフローチャートを参照して、本ウィンドプロファイラ装置の動作について説明する。

レーダ装置１は、上空に電波を発射し、空気の撹乱により散乱され戻ってくる電波からデータを観測し、周波数偏移を観測データとして信号処理装置２に送信する（図６のステップA1）。

信号処理装置２では観測データから風速，風向き，風エネルギーおよびモーメントの高度分布(スペクトルデータ)を算出し（ステップA2）、スペクトルデータを品質管理処理が行える形式のモーメントデータに変換する（ステップA3）。

データ処理装置３では、先ずデータ受信部31でスペクトルデータとモーメントデータを受信する（ステップA4）。そして、品質管理処理部32で品質管理処理をかける（ステップA5）。

品質管理処理は、各ビーム方向で取得したモーメントデータの各データ項目（受信強度，スペクトル幅，ドップラー周波数）に対して異常な値がないかチェックを行う。受信強度とスペクトル幅は閾値と比較される。ドップラー周波数は、ドップラー速度に変換され、２つのチェックがされる。すなわち、周囲（方向・高度・時間で見た場合の周囲）データと比較して差異の度合いのチェックと、観測データを二次曲面に近似した値（理論値）との比較によるチェックである。品質管理処理で異常な値と診断されたモーメントデータは削除される。

スペクトルデータは品質管理処理を行われず、そのまま表示データ作成部33に送付され表示用データに変換される（ステップA6）。また、表示データ作成部33は品質管理処理されたモーメントデータを再生ができる形式にフォーマット変換して表示用データを作成する（ステップA6）。この際、モーメントデータの各データ項目（受信強度、スペクトル幅、ドップラー速度に変換したドップラー周波数）それぞれに対して表示用データを作成する。データ表示部34では、表示データ作成部33で作成された表示用データの再生を行う（ステップA8）。再生された水平風速ベクトルの時空間における分布イメージは図３に示したとおりである。

次に、図７のフローチャートを参照して、品質管理処理部３における視線風速の時空間チェック動作について詳細に説明する。

視線風速の時空間チェックは、周囲データとの比較を行う品質管理処理であって、各方向に発射したビームから取得したドップラー周波数に対し、ビーム方向ごとに処理を行う。全体的な大気の流れをみて連続性がなく観測に必要がない特異な視線風速を削除するのが目的である。

先ず、モーメントデータからドップラー周波数を取得し（図７のステップB1）、視線風速に変換する（ステップB2）。そして、データを高度と時間の二次元の座標として考え（図４参照）、チェック対象の座標（黒丸）の視線風速を周囲座標（白丸）の視線速度と比較していく（ステップB3）。周囲の座標の視線風速との差異が設定した閾値より大きければ（ステップB4）、そのデータを削除する(ステップB5)。この処理を高度と時間を変えて繰り返す。

次に図８のフローチャートを参照して、品質管理処理部３における風速ベクトルの時空間チェック動作について詳細に説明する。

先ず、モーメントデータからドップラー周波数を取得し（ステップC1）、視線風速に変換する（ステップC2）。視線風速から鉛直方向，東西方向および南北方向の風速ベクトルを取得する（ステップC3）。東西方向の風速ベクトルと南北方向の風速ベクトルから東西成分に対する南北成分の比率：南北成分/東西成分（正接）を計算する（ステップC4）。そして、視線風速の時空間チェックと同じように、データを高度と時間の二次元の座標として考え（図５参照）、チェック対象の座標（黒丸）の正接を比較する周囲座標（白丸）の正接と比較していく（ステップC5）。周囲座標の正接との差異が設定した閾値より大きければ（ステップC6）、そのデータを削除する(ステップC7)。この処理を高度と時間を変えて繰り返す。

本発明によれば、品質管理処理の精度が上るので、天気予報の精度向上や空港における飛行体の危険度判定の向上に大いに寄与できる。

ウィンドプロファイラ装置による一般的な観測原理図 品質管理処理前の水平風速ベクトルの時空間における分布イメージを示す図 品質管理処理後の水平風速ベクトルの時空間における分布イメージを示す図 時空間チェック座標図 本発明によるウィンドプロファイラ装置の一実施例のブロック図 本発明のウィンドプロファイラ装置の動作フローチャート 本発明による視線風速の時空間チェック動作フローチャート 本発明による風速ベクトルの時空間チェック動作フローチャート

符号の説明

１ レーダ装置
２ 信号処理装置
３ データ処理装置
31 データ受信部
32 品質管理処理部
33 表示データ作成部
34 データ表示部

Claims (3)

1. フェーズアレイを用いたウィンドプロファイラ装置において、
   受信した観測データからスペクトルデータを算出し、信頼性が低い異常な風速ベクトルを検出し削除する品質管理処理が行える形式であって、受信強度、スペクトラム幅、ドップラー周波数の各項目を有するモーメントデータに変換する信号処理装置と、
   前記モーメントデータについて前記品質管理処理を行い、その結果のデータと前記スペクトルデータとから表示データを作成して観測データの再生を行うデータ処理装置とを設け、
   前記品質管理処理は、パルス電波を放射する５方向毎に、かつ、それぞれが所定の単位で区切られた高度と時間の組合せで定まる時空領域毎に、当該時空領域とその隣接時空領域における、前記ドップラー周波数から変換された視線風速の大きさを比較して、その差異が所定の閾値外のものを排除する時空間チェックと、前記視線風速から取得した水平風速における東西成分に対する南北成分の比率（正接）を比較して、その差異が所定の閾値外のものを排除する時空間チェックとから成ることを特徴とするウィンドプロファイラ装置。
2. フェーズアレイを用いたウィンドプロファイラ装置における風速・風向異常データ検出方法において、
   受信した観測データからスペクトルデータを算出し、信頼性が低い異常な風速ベクトルを検出し削除する品質管理処理が行える形式であって、受信強度、スペクトラム幅、ドップラー周波数の各項目を有するモーメントデータに変換する段階と、
   前記モーメントデータについて前記品質管理処理を行い、その結果のデータと前記スペクトルデータとから表示データを作成して観測データの再生を行う段階とを有し、
   前記品質管理処理は、パルス電波を放射する５方向毎に、かつ、それぞれが所定の単位で区切られた高度と時間の組合せで定まる時空領域毎に、当該時空領域とその隣接時空領域における、前記ドップラー周波数から変換された視線風速の大きさを比較して、その差異が所定の閾値外のものを排除する時空間チェックと、前記視線風速から取得した水平風速における東西成分に対する南北成分の比率（正接）を比較して、その差異が所定の閾値外のものを排除する時空間チェックとから成ることを特徴とする風速・風向異常データ検出方法。
3. フェーズアレイを用いたウィンドプロファイラ装置で受信した観測データから算出されたスペクトルデータを変換したモーメントデータに基づいて風速ベクトルの時空間チェックを行う風速・風向異常データ検出プログラムであって、
   受信した観測データからスペクトルデータを算出し、信頼性が低い異常な風速ベクトルを検出し削除する品質管理処理が行える形式であって、受信強度、スペクトラム幅、ドップラー周波数の各項目を有する前記モーメントデータに変換する手順と、
   前記モーメントデータについて前記品質管理処理を行い、その結果のデータと前記スペクトルデータとから表示データを作成して観測データの再生を行う手順とをコンピュータに実行させ、
   前記品質管理処理は、パルス電波を放射する５方向毎に、かつ、それぞれが所定の単位で区切られた高度と時間の組合せで定まる時空領域毎に、当該時空領域とその隣接時空領域における、前記ドップラー周波数から変換された視線風速の大きさを比較して、その差異が所定の閾値外のものを排除する時空間チェックと、前記視線風速から取得した水平風速における東西成分に対する南北成分の比率（正接）を比較して、その差異が所定の閾値外のものを排除する時空間チェックとから成ることを特徴とする風速・風向異常データ検出プログラム。

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