特許 5698942 フェーズドアレイ型ドップラーソーダーシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5698942

(24)【登録日】2015年2月20日

(45)【発行日】2015年4月8日

(54)【発明の名称】フェーズドアレイ型ドップラーソーダーシステム

(51)【国際特許分類】

   G01S 15/58 20060101AFI20150319BHJP

   G01P 5/00 20060101ALI20150319BHJP

   G01P 13/00 20060101ALI20150319BHJP

   G01S 15/88 20060101ALI20150319BHJP

   G01S 7/523 20060101ALI20150319BHJP

   G01W 1/00 20060101ALI20150319BHJP

【ＦＩ】

   G01S15/58

   G01P5/00 F

   G01P13/00 E

   G01S15/88

   G01S7/52 E

   G01W1/00 C

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2010-204447(P2010-204447)

(22)【出願日】2010年9月13日

(65)【公開番号】特開2012-58193(P2012-58193A)

(43)【公開日】2012年3月22日

【審査請求日】2013年7月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】303057044

【氏名又は名称】株式会社ソニック

(74)【代理人】

【識別番号】100123788

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100127454

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 芳樹

(72)【発明者】

【氏名】林 孝明

(72)【発明者】

【氏名】平井 重雄

(72)【発明者】

【氏名】大谷 淳

(72)【発明者】

【氏名】砂坂 浩士

【審査官】 小川 亮

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−３３２７２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２４８０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２１８６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０９６５９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１１８９７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０７９９７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０２８７０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２９２５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３２５８４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／０１５７５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０５−３３３１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０６５９２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１７９２８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ １５／５８

Ｇ０１Ｐ ５／００

Ｇ０１Ｐ １３／００

Ｇ０１Ｓ ７／５２

Ｇ０１Ｓ １５／８８

Ｇ０１Ｗ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

送受波用の複数の第１の音響素子を配列してフェーズドアレイとして構成され、上空に異なる２以上の周波数の音響ビームを放射しかつ前記音響ビームからの散乱波を受信する送受波器と、
受波用の複数の第２の音響素子を配列してフェーズドアレイとして構成されて前記音響ビームからの散乱波を受信する、前記送受波器とは相互に異なる場所に配置された少なくとも２つの受波器と、
前記複数の第１の音響素子の各々への駆動信号を前記第１の音響素子ごとの位相差をつけて生成する駆動信号生成手段と、
前記複数の第１の音響素子で受信した信号を前記第１の音響素子ごとの位相差をつけて合成する第１の位相合成手段と、
前記受波器ごとに設けられ、対応する受波器の前記複数の第２の音響素子で受信した信号を前記第２の音響素子ごとの位相差をつけて合成する第２の位相合成手段と、
前記駆動信号生成手段、前記第１の位相合成手段及び前記各第２の位相合成手段における前記位相差を制御することによって、前記音響ビームの発射方向を制御し、受信する前記散乱波の入来方向を制御し、上空の任意の測定位置からの前記散乱波に基づく受信信号のみを抽出して抽出された受信信号におけるドップラーシフト成分を抽出し、抽出されたドップラーシフト成分に基づいて前記測定位置における風向及び風速を算出する制御手段と、
を有し、
前記音響ビームの周波数を掃引しつつ、前記発射方向及び前記入来方向を制御することにより、第１の高度での前記風向及び風速の算出には第１の周波数のみを使用し、前記第１の高度よりも高い第２の高度での前記風向及び風速の算出には前記第１の周波数よりも低い第２の周波数のみを使用する、フェーズドアレイ型のドップラーソーダーシステム。

【請求項2】

前記送受波器からの距離が第１の距離以下である第１の群の複数の前記受波器と、前記送受波器からの距離が前記第１の距離を超える第２の群の複数の前記受波器と、を備え、
しきい値高度以下の高度での前記風向及び風速の算出には前記第１の群の複数の受波器で得られた受信信号を使用し、前記しきい値高度を超える高度での前記風向及び風速の算出には前記第２の群の複数の受波器で得られた受信信号を使用する、請求項１に記載のドップラーソーダーシステム。

【請求項3】

前記観測位置において前記音響ビームが収束するように前記駆動信号生成手段における前記位相差を制御し、前記観測位置を収束点として該収束点からの散乱波を同相で合成するように前記第１の位相合成手段及び前記各第２の位相合成手段における前記位相差を制御する、請求項１または２に記載のドップラーソーダーシステム。

【請求項4】

前記送受波器及び前記各受波器の各々の配置位置に関するデータを前記制御手段に供給する位置情報供給手段と温度情報を表すデータを前記制御手段に供給する温度情報供給手段とをさらに備え、前記制御手段は前記位置情報供給手段及び前記温度情報供給手段から入力した前記データに基づいて、前記音響ビームの位置合わせ及び前記風向及び風速の算出における補正計算を実行する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のドップラーソーダーシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、上空の風向や風速などを測定するために用いられるドップラーソーダー（ドップラー探査装置）に関し、特に、バイスタティック方式の測定を行うドップラーソーダーシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

上空の風向や風速を例えば高度ごとに測定するために用いられるドップラーソーダーはは、音波を上空の大気中に向けて放射し、気温躍層や気温変動領域に起因する密度の不連続や揺らぎなど、大気の音響特性の不連続または変動箇所で発生する微弱な反射波あるいは散乱波を受信する。そして、受信信号における周波数のドップラーシフト量を求めることによって、その受信信号に対応した反射または散乱を生じさせた密度変動領域の移動速度、すなわちその個所における風向・風速を算出する。音波の送信から受信までの時間は、密度変動領域の高度に依存するから、所望の高度ごとに測風を行うことができ、この場合、１台の受波器により風速の１成分を求めることができる。このようなドップラーソーダーは、上空大気についての一般的な観測のほかに、例えば、ウィンドシアやダウンバースト、後方乱気流の発生の監視などのために、飛行場の滑走路周辺などに配置したり、あるいは、風力発電設備の立地調査などに使用することができる。

【0003】

ドップラーソーダーによる上空の風向及び風速の観測方法として、音波の放射と受信とを同一の１か所で行うモノスタティック方式と、１か所で音波を放射しつつ複数個所の音波を受信するバイスタティック方式とがある。

【0004】

１か所で音波の放射と受信とを行うモノスタティック方式の場合、ドップラーシフト量からは視線方向での密度変動領域の移動速度しか分からないので、一方向に音波を放射した結果からだけでは、風向・風速を決定することができない。そこで、１か所から３方向以上に音波（音響ビーム）を放射し、それぞれの方向でのドップラーシフト量を求めて上空での風向・風速を決定する。このとき、上空では各方向への音響ビームが相互に離れた位置を通過することになるので、上空の同一高度面では風向・風速が一定である、という仮定が必要となる。平坦な地形の上空では、ほぼこの仮定が成り立っているものの、起伏が大きかったりする複雑な地形の上空では、この仮定が成立せず、正しい計測を行うことができない。また、この仮定の下では、小スケールでの突風など瞬時に起こる風速の変化を捉えることが難しい。

【0005】

特許文献１、特許文献２及び非特許文献１には、音波の送受波器としてフェーズドアレイ型のものを使用することによって、一か所から複数方向に音響ビームを放射し、各方向からの反射波あるいは散乱波を受信できるようにした、モノスタティック方式のフェーズドアレイ型ドップラーソーダーが開示されている。

【0006】

上述したモノスタティック方式が抱える課題を解決するために、バイスタティック方式では、ある１か所に送受波器を設置して音響ビームの放射と反射波あるいは散乱波の受信とを行うとともに、これとは別の２か所以上にマイクロフォン受波器を設けて反射波あるいは散乱波の受信を行い、計３方向以上でのドップラーシフト量を求めて高度ごとの風向・風速を決定する。バイスタティック方式では、通常、音響ビームの放射方向は固定しておくので（例えば鉛直方向）、受信専用のマイクロフォン受波器から見たとき、高度ごとに反射波あるいは散乱波の入来方向が異なることになる。そこで、風向・風速の高度分布を求めるために、比較的広い指向性を有するマイクロフォンを使用することとなって、ノイズの影響を受けやすくなり、受信感度の方向依存性に起因して高度の分解能が悪くなる。さらにバイスタティック方式の場合、用途の一つとして必要とされる設置場所が上空の風向風速が一様でない丘陵や山岳地帯などの複雑地形地域であるために送受波器やマイクロフォン受波器を同一標高に配置できない場合、標高差に対応した補正計算を行わないと計測に誤差が生ずる。

【0007】

モノスタティック方式、バイスタティック方式のいずれにおいても、放射される音響ビームは上空に伝搬するにつれて拡がるので、距離レンジ（高度）が大きくになるにつれて、水平面内での空間分解能が劣化する。また、音響ビームを鉛直方向ではなく斜め方向に放射する場合には、計測された風向・風速に対応する位置が、高度に応じて水平方向にずれるという問題も生じる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平９−８９９１７号公報

【特許文献2】特開平１０−３２５８４３号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】小島泰史、平井重雄、中島信一郎、伊藤芳樹、「５ビームフェーズドアレイドップラーソーダの開発」、カイジョー技報、No. 6、40-49、1997年7月

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

ドップラーソーダーを用いて上空の風向・風速を計測しようとする場合、従来のシステムにおいては、空間分解能が十分でなく、上空の任意の位置での風向・風速値を得ることが難しい、という課題があった。

【0011】

本発明の目的は、上空の任意の位置での風向・風速値を十分な空間分解能かつ十分な時間分解能すなわち時間平均を行わない瞬時風速で得ることができるドップラーソーダーシステムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明のフェーズドアレイ型のドップラーソーダーシステムは、送受波用の複数の第１の音響素子を配列してフェーズドアレイとして構成され、上空に音響ビームを放射しかつ音響ビームからの散乱波を受信する送受波器と、受波用の複数の第２の音響素子を配列してフェーズドアレイとして構成されて音響ビームからの散乱波を受信する、送受波器とは相互に異なる場所に配置された少なくとも２つの受波器と、複数の第１の音響素子の各々への駆動信号を第１の音響素子ごとの位相差をつけて生成する駆動信号生成手段と、複数の第１の音響素子で受信した信号を第１の音響素子ごとの位相差をつけて合成する第１の位相合成手段と、受波器ごとに設けられ、対応する受波器の複数の第２の音響素子で受信した信号を第２の音響素子ごとの位相差をつけて合成する第２の位相合成手段と、駆動信号生成手段、第１の位相合成手段及び各第２の位相合成手段における位相差を制御することによって、音響ビームの発射方向を制御し、受信する散乱波の入来方向を制御し、上空の任意の測定位置からの散乱波に基づく受信信号のみを抽出して抽出された受信信号におけるドップラーシフト成分を抽出し、抽出されたドップラーシフト成分に基づいて測定位置における風向及び風速を算出する制御手段と、を有する。

【発明の効果】

【0013】

バイスタティック方式のドップラーソーダーシステムにおいて、送受波器及び少なくとも２つの受波器としてそれぞれフェーズドアレイ型のものを使用し、音響ビームの放射時と音響ビームからの散乱波の受信時とに位相合成技術を適用できるようにすることにより、音響ビームが照射される空間位置や散乱波を受信する際の入来方向を任意に設定することができるようになって、すなわち、音響ビームの照射位置から離れた空間からではなくて同一の空間からの散乱波を受信できるようになって、上空の任意の位置での風向及び風速を決定することができるようになる。これにより、送受波器の設置位置の直上での風向及び風速の高度分布を決定できるだけでなく、任意の地点での風向及び風速の鉛直分布を、時間平均することなく瞬時に、精度よく求めることが可能になる。

【0014】

また、フェーズドアレイ型の送受波器あるいは受波器を構成する各音響素子に関して位相合成技術を適用する際に、所望の位置を焦点としてその焦点位置に放射ビームを収束させたり、そのような焦点位置からの散乱波が同相で位相合成されるようにしてその焦点位置からの散乱波を選択的に受信できるようにしたりすることにより、風向及び風向測定における空間分解能をさらに向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施の一形態のフェーズドアレイ型ドップラーソーダーシステムの構成を示すブロック図である。

【図2】送受波器及び受波器における送受波素子あるいは受波素子の配置の一例を示す平面図である。

【図3】ビームスキャンニングについて説明する図である。

【図4】本発明に基づくフェーズドアレイ型ドップラーソーダーシステムをウィンドシアの監視などに適用した例での送受波器及び受波器の配置の一例を示す図である。

【図5】（ａ）、（ｂ）は、位相差によるビームの収束を説明する図である。

【図6】（ａ）は送受波器及び受波器の配置の一例を示す平面図であり、（ｂ）は高度ごとに風向及び風速を求めることを説明する図である。

【図7】（ａ）は送受波器及び受波器の配置の別の例を示す平面図であり、（ｂ）は高度ごとに風向及び風速を求めることを説明する図である。

【図8】（ａ）は標高が異なる場所に送受波器及び各受波器を設置した場合を示す平面図であり、（ｂ）は高度ごとに風向及び風速を求めることを説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。

【0017】

図１に示す本発明の実施の一形態のフェーズドアレイ型ドップラーソーダーシステムは、上空における風向及び風速を求めるために用いられるバイスタティック型のものであり、大きく分けると、送受波ユニット１１０と、送受波ユニット１１０とは相互に異なる２以上の場所にそれぞれ配置された受波ユニット１３０ａ，１３０ｂと、送受波ユニット１１０及び受波ユニット１３０ａ，１３０ｂに接続してこれらのユニットを制御し測風計算（風向及び風速の計算）を行う制御手段としてのＣＰＵ（中央処理装置）１００と、送受波ユニット１１０及び受波ユニット１３０ａ，１３０ｂのそれぞれの配置位置に関する情報をＣＰＵ１００に供給する位置情報供給部１４０と、を備えている。送受波ユニット１１０及び受波ユニット１３０ａ，１３０ｂがそれぞれ既知の点に配置されているような場合や、これらユニット間の相対的な位置関係が固定されている場合には、その位置関係に関する情報を固定情報としてＣＰＵ１００内に保持しておくことができるので、位置情報供給部１４０を設ける必要はない。また、環境温度によって音速は変化し、その結果、波長も変化する。波長が変化すると、位相合成技術によって形成される音響ビームの角度がわずかに変化する。そこで本実施例では、環境温度を示す情報をＣＰＵ１００に供給する温度情報供給部１４１を設けてもよい。ＣＰＵ１００は、温度情報供給部１４１から入力する温度情報に基づいて、風向・風速の演算式を補正し、温度に依存した音響ビームの角度の変化の寄与を補償して測風計算を実行する。

【0018】

送受波ユニット１１０は、フェーズドアレイ型の送受波器（Ｔ−Ｒ）１１１を備えている。送受波器１１１では、電気信号である駆動信号に応じて音波を放射し、かつ外部からの音波を受信して電気信号に変換する音響素子が例えばＭ行Ｎ列（Ｍ、Ｎはいずれも２以上の整数）で配置している。そのような送受波器としては、例えば、特許文献１に記載されているものを使用することができる。以下の説明では、図２に示すように、送受波器１１１は、音響素子１５０を１６行１６列で配置し、そのうち、４隅部のそれぞれにおいて１０個ずつ音響素子を取り除くことにより、８角形の領域内に２１６個の音響素子１５０が配置されているものであるとする。送受波器１１１の差し渡しは例えば約１００ｃｍである。

【0019】

また送受波ユニット１１０は、送受波器１１１からの音響ビームの放射のために、送信制御部１１２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１１３、位相差信号発生部１１４、フィルタ１１５、送信波行列切替部１１６及び送信増幅器１１７を備えている。このドップラーソーダーシステムでは、ＣＰＵ１００が、各音響素子に印加されるべき送信波形信号をディジタルデータとして生成しており、ＲＡＭ１１３は、そのような送信波形信号を保持するルックアップテーブルとして使用される。すなわち、ＲＡＭ１１３は、ＣＰＵ１００から送られてきた送信波形信号に基づいて、各音響素子１５０に駆動信号として印加されるべき波形データを、位相差を有するデジタルデータとして格納する。位相差信号発生部１１４は、デジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ）またはクロック発生器として構成されており、ＲＡＭ１１３から波形データを読み出して、各音響素子に駆動信号として印加すべきアナログ信号（またはクロック信号）を生成する。フィルタ１１５は、位相差信号発生部１１４からのアナログ信号あるいはクロック信号を波形整形して、送信波行列切替部１１６に供給する。

【0020】

本実施形態においては、上述したように送受波器１１１での列ごとあるいは行ごとのように、数乃至十数のグループに各音響素子を分類し、音響ビームの放射方向などに応じて同一グループ内の音響素子を同一の位相差で駆動することに替えて、送受波器１１１に含まれる２１６個の音響素子のそれぞれに対して個別に位相差を有する合計２１６種類の駆動信号を生成してもよい。その場合は、上空の任意の空間を照射できる。送信波行列切替部１１６は、音響ビームを放射したい方向に合わせ、同一の位相差で駆動される音響素子の組合せを選択するために、音響素子の配列の切り替えを行う。この切り替えは、実際には、音響素子ごとに設けられた信号線に対して、どの位相差の信号を供給するかのマッピングを行うことにより行われる。そして、このような音響素子ごとの信号線ごとに送信増幅器１１７が設けられている。各送信増幅器１１７は、送信波行列切替部１１６からの信号を電力増幅し、音響素子ごとに設けられた分離回路１１８を経て、それぞれの音響素子を駆動する。送信制御部１１２は、ＣＰＵ１１０で指定された方向に対して音響ビームが放射されるように、ＲＡＭ１１３、位相差信号発生部１１４、フィルタ１１５及び送信波行列切替部１１６を制御する。

【0021】

分離回路１１８は、送受波器１１１に設けられる音響素子における送信と受信の切り替え及び分離を行うものであり、送信増幅器１１７からの信号を対応する音響素子に印加するとともに、音響素子で受信した信号を音響素子ごとに設けられている受信増幅器１１９に送る。

【0022】

さらに送受波ユニット１１０は、各音響素子で受信した信号を処理するために、音響素子ごとに設けられている受信増幅器１１９の他に、さらに、受信波行列切替部１２０、フィルタ１２１、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）１２２、位相合成部１２３及び受信制御部１２４を備えている。

【0023】

送受波器１１１は、放射した音響ビームからの散乱音波をできるだけ効率よく受信する必要がある。そこで、受信波行列切替部１２０は、同一の位相差で受信信号を合成することとなる音響素子の組合せを選択することによって、送受波器１１１が散乱音波を受信する際の指向性を制御し、最大感度方向（すなわち受波音響ビームの方向）を所望の方向とするために、音響素子の配列の切り替えを行う。この切り替えは、実際には、それぞれの受信増幅器１１９において増幅された各音響素子からの信号のうち、同一の位相差で処理しようとするものを選択してその選択したものを加算合成することを、複数の位相差のそれぞれごとに実行することによって行われる。

【0024】

フィルタ１２１は、受信波行列切替部１２０からの信号を波形整形し、アナログ／デジタル変換器１２２は、波形整形された信号を、デジタル信号に変換する。位相合成部１２３は、所望の方向からの散乱音波を抽出するように、アナログ／デジタル変換器１２２からの各信号を位相差をつけてサンプリングして合成して合成受信信号としてＣＰＵ１００に出力する。言い換えれば、位相合成部１２３は、フェーズドアレイ型送受波器における全体としての受波音響ビームの感度を形成する。受信制御部１２４は、ＣＰＵ１００で指定された方向からの散乱波を受信するように、受信波行列切替部１２０、フィルタ１２１、アナログ／デジタル変換器１２２及び位相合成部１２３を制御する。

【0025】

受波ユニット１３０ａ，１３０ｂは、送受波ユニット１１０から音響ビームの放射機能を除いたものに相当し、フェーズドアレイ型の受波器（Ｒ）１３１を備えるとともに、送受波ユニット１１０におけるものと同等の受信増幅器１１９、受信波行列切替部１２０、フィルタ１２１、アナログ／デジタル変換器１２２、位相合成器１２３及び受信制御部１２４を備えている。受波器１３１は、外部からの音波を受信して電気信号に変換する音響素子が例えばＭ’行Ｎ’列（Ｍ’、Ｎ’はいずれも２以上の整数）で配置している。そのような受波器としては、上述の送受波器１１１と同様のものであるが受波機能しか備えていないものを使用することができる。設けられる音響素子の数は、送受波器１１１と受波器１３１とで同一であってもよいし、異なっていてもよい。以下の説明では、送受波器１１１と同様に、例えば、８角形の領域内に２１６個の音響素子が配置されている受波器を使用するものとする。

【0026】

次に、このようなフェーズドアレイ型ドップラーソーダーシステムの動作について説明する。

【0027】

同一直線上にはない３点に送受波ユニット１１０及び受波ユニット１３０ａ，１３０ｂが配置されているものとし、また、風向及び風速を計測しようとする上空の１点を測定位置とする。まずＣＰＵ１００は、送受波器１１１から放射される音響ビームが測定位置を向き、かつ、送受波器１１１及び各受波器１３１において散乱音波を受信する際に受波音響ビームが測定位置の方を向くように、送受波ユニット１１０及び受波ユニット１３０ａ，１３０ｂにおける音響素子ごとの位相差を設定する。そして、ＣＰＵ１００は、音響ビームにおける音波の周波数を設定し、その設定された周波数に対応する波形データを送受波ユニット１１０のＲＡＭ１１３に書き込む。その結果、位相差信号発生部１１４、フィルタ１１５及び送信波行列切替部１１６によって位相合成技術が適用され、送信増幅器１１７を介して送受波器１１１の各音響素子が駆動され、先に設定した測定位置の方向に音響ビームが放射される。

【0028】

この音響ビームは、大気における密度変動領域によって散乱されて送受波器１１１及び各受波器１３１で受信される。このとき、受信波行列切替部１２０、フィルタ１２１、アナログ／デジタル変換器１２２及び位相合成部１２３によって実現される位相合成技術により、送受波器１１１及び各受波器１３１における受信音響ビームの方向が測定位置の方向に向けられており、その結果、測定位置で散乱された音波に基づく受信信号が、送受波ユニット１１０及び受波ユニット１３０ａ，１３０ｂからＣＰＵ１００に出力される。ＣＰＵ１００は、各受信信号に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）を適用することなどによって散乱音波におけるドップラーシフト成分を求めてドップラー速度を抽出し、３方向（送受波ユニット１１０及び受波ユニット１３０ａ，１３０ｂの各々での受信音響ビームの方向）でのドップラー速度から、測定位置での風向及び風速を計算する。なお、送受波器１１１及び各受波器１３１で受信する音波には、測定位置以外からの散乱音波も含まれている可能性があるが、音波の往復伝搬時間を利用して、測定位置からの音波のみを捕捉することができる。

【0029】

同一地点での鉛直方向での風向及び風速分布を調べるためには、測定位置の平面位置は同じであって高度のみが異なるように音響ビームの放射方向及び受信音響ビームの方向を変えながら、すなわち、ビームスキャンニングを行いながら、音響ビームの放射と散乱音波の受信とを繰り返し実行して、高度別の測定結果を得るようにすればよい。ビームスキャンニングを行って測定を行うことにより、特定高度でのみ放射音響ビームと受信音響ビームとが交差するので、測定高度の分別がよくなり、データ取得効率と測風精度が向上する。

【0030】

なお、ビームスキャンニングを行う場合、音響ビームの放射方向を鉛直方向からはずれた斜め方向とすると、周囲への音漏れなどが生ずることがある。そこで、送受波器では常に鉛直上方に音響ビームを放射し、鉛直上方からの散乱波を受信するように、送受波器とは異なる場所に設けられる受波器において、受信音響ビームの向きを測定高度に応じて変化させるビームスキャンニングを行うようにしてもよい。この場合は、送受波器の位置の上空での風向・風速しか求めることができないから、任意の地点の上空での風向・風速を求めようとする場合には、送受波器及び各受波器の全てにおいてビームスキャンニングを行うことになる。

【0031】

ここで、任意の地点の上空での風向及び風速の鉛直分布を求めるためのビームスキャンニングについて、図３を用いてさらに説明する。以下では説明のため、送受波ユニットを送受波器Ｔ−Ｒで代表して示し、２つの受波ユニットをそれぞれ受波器Ｒで示している。バイスタティック型の測定において、送受波器の位置の鉛直方向に限られない任意の位置での風向及び風速を求めようとする場合、送受波器から放射される音響ビームの方向を変化させる、すなわち放射音響ビームにおいてビームを振ることが必要である。音響ビームの周波数は同一でもよいが、後述するように、高高度ほど低い周波数の音波を用いることが好ましい。このとき、単一指向性であって最大感度方向を変化させることができない受波器Ｒを使用するとすると、受波器Ｒは、送受波器Ｔ−Ｒからの等距離の位置（図において「従来の切り取り散乱体」と表示）からの散乱音波を受信することとなり、高度によって水平方向にずれた位置からの散乱音波を受信することになる。

【0032】

これに対し、受波器における受信音響ビームの方向も、送受波器からの放射音響ビームでのビームスキャンニングに合わせて変化させることにより、図３において太い破線で示すように、任意の地点の上空の例えば高度５０ｍから１００ｍまでの範囲での正確に鉛直方向の範囲内での風向及び風速を高度ごとに求めることができるようになる。もちろん、ビームスキャンニングにおけるビームを振る角度範囲を変化させることによって、所望の高度範囲での風向及び風速の測定を行うことができる。

【0033】

次に、このフェーズドアレイ型ドップラーソーダシステムにおける送受波器及び受波器の配置について説明する。図４は、飛行場においてウィンドシアやマイクロバースト、後方乱気流などの監視を行うことを対象とした場合の、送受波器及び受波器の配置の一例を示している。

【0034】

滑走路３００の両端の外側に、運航する航空機に対する障害とならないように、図示Ａ，Ｂで示されるように２セットのフェーズドアレイ型ドップラーソーダシステムが配置されている。滑走路の長さに応じ、２つのドップラーソーダーシステムは、送受波器Ｔ−Ｒの間隔で示して約１５００〜３０００ｍ離れている。各ドップラーソーダーシステムでは、送受波器Ｔ−Ｒと２つの受波器Ｒとが、例えばそれぞれが正三角形の頂点を占めるように、相互に約１００ｍずつ離れて配置している。このような構成であれば、概ね、送受波器Ｔ−Ｒと２つの受波器Ｒとによって構成される三角形の内部やその近傍の任意の地点の上空での任意の高度における風向及び風速を測定することが可能になる。また、必要に応じて、図示点線で示すように、送受波器Ｔ−Ｒや受波器Ｒの設置位置を変更することができる。

【0035】

このようにフェーズドアレイ型ドップラーソーダーシステムを配置することにより、例えば空港では、滑走路直上のウィンドシア領域の監視を行うと同時に、大型航空機の主翼が特に滑走路の両端周辺の上空に引き起こす後方乱気流を監視することが可能になる。

【0036】

また本発明に基づくフェーズドアレイ型ドップラーソーダーシステムの適用例として、山地などの複雑な地形の上空において、空間的に離れた複数の点での風向及び風速を、地上の固定された地点からリモートセンシングによって監視するものがある。この例では、例えば風力発電機の設置を予定する複数の点での風況を調べることができる。

【0037】

本発明では、フェーズドアレイ型の送受波器及び受波器を使用するので、放射される音響ビームや受信音響ビームを特定の位置に収束させることができる。そこで図５（ａ），（ｂ）に示すように、フェーズドアレイ型送受波器において球面に沿って音響素子を配置し、これらの音響素子を同一位相で駆動したとすると、音響ビームはその球面に対応する球の中心の位置を焦点としてその焦点で収束することになる。受波器の場合も同様に、球面に音響素子を配置しそれらの音響素子からの受信信号を同一位相で合成したとき、球面に対応する球の中心の位置を音波を最も感度良く受信することになる。そこで、本発明では、送受波器や受波器において、測定したい空間位置（高度及び方位）において焦点を結ぶように、凹面に音響素子を配置し、放射音響ビームや受信音響ビームがその空間位置で収束するようにしてもよい。

【0038】

あるいは、同じく図５（ａ），（ｂ）に示すように、音響素子自体は平面に配置した上で、凹面に配置したものと同様の効果が生じて焦点で音響ビームが収束するように、音響素子に対して位相差をつけて駆動信号を供給し、位相差をもって受信信号を合成するようにしてもよい。位相差をつけて音響素子を駆動した結果、見掛け上、凹面である仮想放射面に音響素子が配置したかのような効果が得られる。その場合、位相差を調整することにより、ビームの収束高度を変えたり、ビームが収束する場所の水平方向の位置を変えたりすることができる。

【0039】

このような構成により、送受波器や受波器からの距離が大きくなる高い高度の位置においても、空間分解能を低下させることなく、風向や風速の測定を行うことができるようになる。

【0040】

ところで、放射される音響ビームにおける音波の周波数が低い場合、音波の減衰は小さいもののドップラーシフト量の計測精度が低くて測風精度も低くなり、かつ空間分解能も低くなる。これに対して音波の周波数が高い場合には、音波の減衰が大きくなるものの、測風精度及び空間分解能が向上する。一般に上空の風向及び風速の計測を行う場合、地表により近い低高度について、より正確な測定結果が要求され、高高度についてはそれほどの精度が要求されないことが多い。そこで、上述したビームスキャンニングを行いつつ、低高度については相対的に高い周波数の音波を使用し、高高度については相対的に低い周波数の音波を使用するように、順次、音波の周波数を切り替えて測定を行うことができる。高高度用に低い周波数を使用することにより、測定可能な距離レンジが大きくなって、極めて高い高度まで風向・風速を測定することができるようになる。

【0041】

図６（ａ），（ｂ）はそのような測定例を示している。ここでは、図６（ａ）に示すように、送受波器Ｔ−Ｒから東方に１００ｍ（第１の距離Ｌ１）離れた位置に第１の受波器Ｒを配置し、送受波器Ｔ−Ｒから北方に１００ｍ（第２の距離Ｌ２）離れた位置に第２の受波器Ｒを配置し、音波の周波数とし、高い方からＦ１からＦ６までの６種類を使用して周波数掃引を行い、５０ｍから２００ｍまでの高度範囲での風向・風速分布を測定している。この場合、一番高い周波数であるＦ１によって、高度５０ｍあたりでの風向・風速分布を測定し、次に高い周波数であるＦ２によって、高度７０ｍあたりでの測定を行い、一番低い周波数であるＦ６によって、高度２００ｍあたりでの測定を行っている。

【0042】

ここで、音波の周波数に応じた風速の分解能について説明する。使用する音波の周波数をｆ₀とし、受信信号に基づいてドップラーシフト成分を抽出する際の周波数分解能をΔｆとすると、風速分解能ΔＶは、
ΔＶ＝Ｃ・Δｆ／２ｆ₀
によって表される。Ｃは定数である。この式から、周波数分解能Δｆが一定であるとすれば、使用周波数ｆ₀が高いほど風速分解能ΔＶが向上することが分かる。

【0043】

ビームスキャンニングを行うことによって、測定高度の分別がよくなるが、これに加え、上述したように高度ごとに使用周波数を変えるように周波数掃引を行うことにより、測定高度の分別がさらによくなって、データ取得効率もさらに向上する。なお、従来の複数の音波周波数を用いることは行われてきたが、これは、データ数を増やす目的のみで行われていたものである。

【0044】

なお、図６（ａ），（ｂ）に示した構成において、音響ビームの放射を断続して行うものの単一の周波数Ｆ１のみを用いて放射したり、あるいは斜め上方向き送受波器からの送受信を行う場合は周波数Ｆ１〜Ｆ６として同一周波数を用いてもよい。

【0045】

図７（ａ），（ｂ）は、図６（ａ），（ｂ）に示したものよりもさらに高い高度まで風向・風速の測定を可能にした配置を示している。

【0046】

音響ビームが密度変動領域によって散乱されるときの散乱音波の強度の角度分布に関し、音響ビームの伝搬方向をちょうど逆方向に伝搬する成分（反射成分）が最大となるのではなく、音響ビームの伝搬方向の逆方向からみて４０°〜７０°の角度をなす方向で強度が最大となることが知られている。したがって、より高い高度の測定を行う場合には、送受波器と受波器との距離をある程度大きくした方が、音波の伝搬距離が長くなることに伴う減衰を考慮したとしても、より強い受信信号が得られることになる。そこで、例えば４００ｍの高度までの風向・風速の鉛直分布を求めようとする場合には、送受波器Ｔ−Ｒから東方に１００ｍと３００ｍ離れた位置にそれぞれ受波器Ｒを設け、さらに、送受波器Ｔ−Ｒから北方に１００ｍと３００ｍ離れた位置にそれぞれ受波器Ｒを設けている。送受波器Ｔ−Ｒから１００ｍの位置にある受波器は低高度用の受波器であり、３００ｍの位置にあるものが高高度用の受波器である。そして、高度５０ｍから２００ｍまでの範囲での風向・風速の測定には、図６（ａ），（ｂ）に示したものと同様に、高度ごとの６つの周波数Ｆ１〜Ｆ６を用いて、送受波器Ｔ−Ｒで取得したデータと送受波器Ｔ−Ｒから１００ｍの位置にある２つの低高度用の受波器Ｒで取得したデータを用いる。さらに、高度２００ｍから４００ｍまでの範囲での風向・風速の測定には、高度ごとの６つの周波数Ｆ７〜Ｆ１２の音波を用いて、送受波器Ｔ−Ｒで取得したデータと送受波器Ｔ−Ｒから３００ｍの位置にある２つの高高度用の受波器Ｒで取得したデータを用いる。周波数Ｆ７〜Ｆ１２では、周波数Ｆ７が一番高く、これは高度２００ｍ近辺での測定に用いられ、以下、高度が高くなるにつれてより低い周波数の音波を使用するようにし、高度４００ｍに対しては最も低い周波数Ｆ１２を測定に使用する。送受波器Ｔ−Ｒは、周波数Ｆ１〜Ｆ６の音響ビームを順番に放射した後、周波数Ｆ７〜Ｆ１２の音響ビームを順番に放射する。

【0047】

このように、測定位置の高度に応じて音響ビームの発射位置と受信位置との距離を異ならせることにより、測定を行おうとする高度によらずに適正なビーム散乱角を確保することにより、大気中での温度変動と風速変動とが合わさった密度変動領域からの散乱音波を強いレベルで受信することが可能になって、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）を改善することができる。具体的には、音響ビームの散乱角が上述の範囲となるようにすることによって、信号強度が数倍強くなるので、受信信号のＳ／Ｎ比も数倍向上する。

【0048】

次に、山岳や丘陵地帯など、平坦ではない地表面に本発明に基づくフェーズドアレイ型ドップラーソーダーシステムを配置した例を説明する。平坦ではない地表面にフェーズドアレイ型ドップラーソーダーシステムを配置した場合、送受波器Ｔ−Ｒ及び少なくとも２つの受波器Ｒに関し、それらの標高が相互に異なることになる。図８（ａ），（ｂ）に示したものは、送受波器Ｔ−Ｒの標高がｈ₀、２つの受波器Ｒの標高がそれぞれｈ₁とｈ₂である場合を示している。送受波器Ｔ−Ｒからみて、一方の受波器Ｒは、距離がＬ₁であって、方位角が真北から右回りにθ₁であり、仰角がψ₁となっている。同様に他方の受波器Ｒは、送受波器Ｔ−Ｒからみて、距離がＬ₂であって、水平方向で真北から左回りにθ₂であり、仰角がψ₂となっている。２つの受波器の標高が異なることにより、図示Ｐ点で示す位置を測定位置とした時、点Ｐへの仰角は一方の受波器ではα₁となるのに対し、他方の受波器ではα₂となる。

【0049】

このように送受波器や受波器において標高の差がある場合、得られた結果に対して補正を行わないと、高度値や得られた風向・風速値に誤差が生じ、さらには上述したようにビームスキャンニングの場合、標高差を考慮しないと、放射音響ビームと各受信音響ビームとが所望の位置で交差することを保証することができず、結果として、散乱音波自体を受信できないこととなる。

【0050】

そこでここに示したものでは、ＧＰＳ（global positioning system；全地球測位システム）センサや方位・傾斜測定を行うことができる測距儀を用いて送受波器及び受波器の位置を計測し、位置情報供給部１４０（図１参照）を介してその計測結果をＣＰＵ１００に供給するようにしている。ＣＰＵ１００は、ソフトウェア制御により、各音響ビームの位置合わせと風向・風速の計算とを自動的に実行する。ソフトウェア制御による計算は、送受波器及び受波器のそれぞれの３次元位置が既知であり、かつ、風向及び風速についての測定位置（水平位置及び高度）が与えられている、という条件の下での三角法による計算であるから、その内容については当業者は容易に理解できるものである。このような構成により、フェーズドアレイ型ドップラーソーダーシステムにおける送受波器及び受波器の配置の自由度が高まり、このシステムの設置が簡便なものとなるとともに、上空で放射音響ビーム及び各受信ビームが交差することの確実性が向上する。

【符号の説明】

【0051】

１００ ＣＰＵ
１１０ 送受波ユニット
１１１ 送受波器（Ｔ−Ｒ）
１１２ 送信制御部
１１３ ＲＡＭ
１１４ 位相差信号発生部
１１５，１２１ フィルタ
１１６ 送信波行列切替部
１１７ 送信増幅器
１１８ 分離回路
１１９ 受信増幅器
１２０ 受信波行列切替部
１２２ アナログ／デジタル変換器
１２３ 位相合成部
１２４ 受信制御部
１３０ａ，１３０ｂ 受波ユニット
１３１ 受波器（Ｒ）
１４０ 位置情報供給部
１４１ 温度情報供給部
１５０ 音響素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】