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JP5698942B2 - Phased array Doppler soda system - Google Patents

Phased array Doppler soda system Download PDF

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JP5698942B2
JP5698942B2 JP2010204447A JP2010204447A JP5698942B2 JP 5698942 B2 JP5698942 B2 JP 5698942B2 JP 2010204447 A JP2010204447 A JP 2010204447A JP 2010204447 A JP2010204447 A JP 2010204447A JP 5698942 B2 JP5698942 B2 JP 5698942B2
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芳樹 伊藤
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孝明 林
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重雄 平井
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浩士 砂坂
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Description

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。   The present invention relates to a Doppler soda (Doppler exploration device) used for measuring the wind direction and wind speed in the sky, and more particularly to a Doppler soda system that performs bistatic measurement.

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。   The Doppler soda used to measure the wind direction and speed of the sky at every altitude, for example, radiates sound waves toward the atmosphere above the sky, causing density discontinuities and fluctuations due to temperature rise and temperature fluctuation regions, etc. Receive weak reflected or scattered waves generated at discontinuities or fluctuations in the acoustic characteristics of the atmosphere. Then, by calculating the Doppler shift amount of the frequency in the received signal, the moving speed of the density fluctuation region that causes the reflection or scattering corresponding to the received signal, that is, the wind direction / wind speed at that location is calculated. Since the time from the transmission of the sound wave to the reception depends on the altitude of the density fluctuation region, it is possible to measure the wind at each desired altitude. In this case, one component of the wind speed is obtained by one receiver. Can do. In addition to general observations of the upper atmosphere, such Doppler soders can be placed around airfield runways, for example to monitor wind shear, downburst, and wake turbulence, or It can be used for site surveys of wind power generation facilities.

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。   As a method of observing the wind direction and speed of the sky with a Doppler soda, a monostatic method that emits and receives sound waves in the same place, and a bistatic that emits sound waves in one place and receives sound waves in multiple places There is a method.

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。   In the case of a monostatic system that emits and receives sound waves in one place, only the moving speed of the density fluctuation region in the line-of-sight direction is known from the Doppler shift amount, so only from the result of emitting sound waves in one direction, The wind direction and speed cannot be determined. Therefore, sound waves (acoustic beams) are emitted from one place in three or more directions, and the Doppler shift amount in each direction is obtained to determine the wind direction and wind speed in the sky. At this time, since the acoustic beams in each direction pass through positions distant from each other in the sky, it is necessary to assume that the wind direction and the wind speed are constant at the same altitude surface in the sky. This assumption is almost true in the sky over flat terrain, but this assumption is not established in the sky over complicated terrain with large undulations, and correct measurement cannot be performed. Under this assumption, it is difficult to capture changes in wind speed that occur instantaneously, such as gusts on a small scale.

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。   In Patent Document 1, Patent Document 2 and Non-Patent Document 1, by using a phased array type acoustic wave transmitter / receiver, an acoustic beam is radiated from one place in a plurality of directions and reflected from each direction. A monostatic phased array type Doppler soda capable of receiving waves or scattered waves is disclosed.

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。   In order to solve the above-mentioned problems of the monostatic method, in the bistatic method, a transmitter / receiver is installed at one place to radiate an acoustic beam and receive a reflected wave or scattered wave. Installs microphone receivers at two or more other locations to receive reflected waves or scattered waves, and determines the Doppler shift amount in a total of three or more directions to determine the wind direction and wind speed for each altitude. In the bistatic method, since the radiation direction of the acoustic beam is usually fixed (for example, in the vertical direction), the incoming direction of the reflected wave or scattered wave differs depending on the altitude when viewed from the reception microphone receiver. It will be. Therefore, in order to obtain the altitude distribution of the wind direction and wind speed, a microphone with a relatively wide directivity is used, which makes it more susceptible to noise and the high resolution due to the direction dependency of the reception sensitivity. Becomes worse. Furthermore, in the case of the bistatic method, the transmitter and microphone receiver are the same because the installation location required as one of the applications is a complex terrain area such as a hilly or mountainous area where the wind direction and wind speed are not uniform. If it is not possible to arrange at an altitude, an error occurs in measurement unless correction calculation corresponding to the altitude difference is performed.

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。   In both the monostatic method and the bistatic method, the radiated acoustic beam expands as it propagates to the sky, so that the spatial resolution in the horizontal plane deteriorates as the distance range (altitude) increases. Further, when the acoustic beam is radiated in an oblique direction rather than a vertical direction, there is a problem that the position corresponding to the measured wind direction and wind speed is shifted in the horizontal direction according to the altitude.

特開平9−89917号公報JP-A-9-89917 特開平10−325843号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-325843

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Yasushi Kojima, Shigeo Hirai, Shinichiro Nakajima, Yoshiki Ito, “Development of 5-Beam Phased Array Doppler Soda”, Kaijo Technical Report, No. 6, 40-49, July 1997

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。   When using the Doppler soda to measure the wind direction and wind speed over the sky, the conventional system has a problem that the spatial resolution is not sufficient and it is difficult to obtain the wind direction and wind speed values at any position in the sky. there were.

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。   An object of the present invention is to provide a Doppler soda system capable of obtaining wind direction and wind speed values at arbitrary positions in the sky with sufficient spatial resolution and sufficient time resolution, that is, instantaneous wind speed without performing time averaging.

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。   The phased array type Doppler soda system of the present invention is configured as a phased array by arranging a plurality of first acoustic elements for transmission and reception, and radiates an acoustic beam to the sky and receives scattered waves from the acoustic beam. A transducer and a plurality of second acoustic elements for reception are arranged to form a phased array and receive scattered waves from the acoustic beam. At least the transducer is arranged at a location different from the transducer Two receivers, drive signal generation means for generating a drive signal to each of the plurality of first acoustic elements with a phase difference for each first acoustic element, and reception by the plurality of first acoustic elements First phase synthesizing means for synthesizing the received signal with a phase difference for each first acoustic element, and signals received by a plurality of second acoustic elements of the corresponding receiver provided for each receiver For each second acoustic element Controlling the acoustic beam emission direction by controlling the phase difference in the second phase synthesizing unit, the drive signal generating unit, the first phase synthesizing unit, and each of the second phase synthesizing units. The incoming Doppler shift component in the extracted received signal is extracted by controlling only the incoming direction of the received scattered wave, extracting only the received signal based on the scattered wave from any measurement position in the sky, and extracting the Doppler extracted Control means for calculating the wind direction and the wind speed at the measurement position based on the shift component.

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。   Bistatic Doppler soda system uses phased array type transmitter and receiver and at least two receivers, respectively, and phase synthesis technology for acoustic beam radiation and scattered wave reception from acoustic beam It is possible to arbitrarily set the spatial position where the acoustic beam is irradiated and the incoming direction when receiving the scattered wave, that is, away from the irradiation position of the acoustic beam. It is possible to receive scattered waves from the same space, not from the same space, and to determine the wind direction and wind speed at an arbitrary position in the sky. As a result, it is possible not only to determine the height distribution of wind direction and wind speed directly above the installation position of the transducer, but also to obtain the wind direction and wind speed vertical distribution at any point instantly and accurately without time averaging. Is possible.

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。   In addition, when applying the phase synthesis technique to the phased array type transducer or each acoustic element constituting the receiver, the radiation beam is converged to the focal position with the desired position as the focal point, The spatial resolution in wind direction and wind direction measurement can be further improved by allowing the scattered wave from the position to be phase-combined in phase and selectively receiving the scattered wave from the focal position.

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。It is a block diagram which shows the structure of the phased array type | mold Doppler soda system of one Embodiment of this invention. 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。It is a top view which shows an example of arrangement | positioning of the transducer element in a transducer and a receiver, or a wave receiving element. ビームスキャンニングについて説明する図である。It is a figure explaining beam scanning. 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。It is a figure which shows an example of arrangement | positioning of a transmitter / receiver and a receiver in the example which applied the phased array type | mold Doppler soda system based on this invention to the monitoring of a wind shear. (a)、(b)は、位相差によるビームの収束を説明する図である。(A), (b) is a figure explaining the convergence of the beam by a phase difference. (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。(A) is a top view which shows an example of arrangement | positioning of a transmitter / receiver and a receiver, (b) is a figure explaining calculating | requiring a wind direction and a wind speed for every altitude. (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。(A) is a top view which shows another example of arrangement | positioning of a transmitter / receiver and a receiver, (b) is a figure explaining calculating | requiring a wind direction and a wind speed for every altitude. (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。(A) is a top view which shows the case where a transmitter / receiver and each receiver are installed in the place where an altitude differs, (b) is a figure explaining calculating | requiring a wind direction and a wind speed for every altitude.

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。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

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。   The phased array type Doppler soda system according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is a bistatic type used for obtaining the wind direction and wind speed in the sky, and can be broadly divided into a transmission / reception unit 110 and a transmission / reception unit. The wave unit 110 is connected to the wave receiving units 130a and 130b disposed at two or more places different from the wave unit 110, and is connected to the wave receiving and receiving unit 110 and the wave receiving units 130a and 130b to control these units and perform wind measurement calculation ( CPU (central processing unit) 100 as control means for performing calculation of wind direction and wind speed, and position information supply unit 140 that supplies information on the arrangement positions of the wave transmitting / receiving unit 110 and the wave receiving units 130a and 130b to the CPU 100, It is equipped with. When the transmitting / receiving unit 110 and the receiving units 130a and 130b are arranged at known points, or when the relative positional relationship between these units is fixed, information on the positional relationship is displayed. Since it can be held in the CPU 100 as fixed information, it is not necessary to provide the position information supply unit 140. Also, the sound speed changes depending on the environmental temperature, and as a result, the wavelength also changes. As the wavelength changes, the angle of the acoustic beam formed by the phase synthesis technique changes slightly. Therefore, in this embodiment, a temperature information supply unit 141 that supplies information indicating the environmental temperature to the CPU 100 may be provided. Based on the temperature information input from the temperature information supply unit 141, the CPU 100 corrects the wind direction / wind speed calculation formula, compensates for the contribution of the change in the angle of the acoustic beam depending on the temperature, and executes wind measurement calculation.

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。   The transmission / reception unit 110 includes a phased array type transmitter / receiver (TR) 111. In the transducer 111, an acoustic element that emits a sound wave according to a drive signal that is an electrical signal and receives an external sound wave and converts it into an electrical signal is, for example, M rows and N columns (M and N are both 2). (Integer above). As such a transducer, for example, the one described in Patent Document 1 can be used. In the following description, as shown in FIG. 2, the transducer 111 arranges the acoustic elements 150 in 16 rows and 16 columns, and by removing 10 acoustic elements at each of the four corners, octagons are obtained. It is assumed that 216 acoustic elements 150 are arranged in the region. The hand over of the transducer 111 is about 100 cm, for example.

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。   In addition, the transmission / reception unit 110 includes a transmission control unit 112, a RAM (random access memory) 113, a phase difference signal generation unit 114, a filter 115, and a transmission wave matrix switching unit 116 for radiating an acoustic beam from the transducer 111. And a transmission amplifier 117. In this Doppler soda system, the CPU 100 generates a transmission waveform signal to be applied to each acoustic element as digital data, and the RAM 113 is used as a lookup table that holds such a transmission waveform signal. That is, the RAM 113 stores waveform data to be applied as a drive signal to each acoustic element 150 as digital data having a phase difference based on the transmission waveform signal sent from the CPU 100. The phase difference signal generator 114 is configured as a digital / analog converter (D / A) or a clock generator, reads waveform data from the RAM 113, and applies an analog signal (or a signal to be applied as a drive signal to each acoustic element). Clock signal). The filter 115 shapes the analog signal or clock signal from the phase difference signal generation unit 114 and supplies it to the transmission wave matrix switching unit 116.

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。   In the present embodiment, as described above, each acoustic element is classified into several to a dozen groups, such as for each column or row in the transducer 111, and the same group according to the radiation direction of the acoustic beam. In place of driving the acoustic elements with the same phase difference, a total of 216 types of drive signals having phase differences are individually generated for each of the 216 acoustic elements included in the transducer 111. Also good. In that case, it is possible to irradiate any space in the sky. The transmission wave matrix switching unit 116 switches the arrangement of the acoustic elements in order to select a combination of acoustic elements that are driven with the same phase difference in accordance with the direction in which the acoustic beam is desired to be emitted. This switching is actually performed by mapping which phase difference signal is supplied to the signal line provided for each acoustic element. A transmission amplifier 117 is provided for each signal line for each acoustic element. Each transmission amplifier 117 amplifies the power of the signal from the transmission wave matrix switching unit 116 and drives each acoustic element via the separation circuit 118 provided for each acoustic element. The transmission control unit 112 controls the RAM 113, the phase difference signal generation unit 114, the filter 115, and the transmission wave matrix switching unit 116 so that the acoustic beam is emitted in the direction specified by the CPU 110.

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。   The separation circuit 118 switches and separates transmission and reception in an acoustic element provided in the transducer 111, applies a signal from the transmission amplifier 117 to the corresponding acoustic element, and receives a signal received by the acoustic element. Is sent to a receiving amplifier 119 provided for each acoustic element.

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。   In addition to the reception amplifier 119 provided for each acoustic element, the transmission / reception unit 110 further processes a reception wave matrix switching unit 120, a filter 121, analog / digital in order to process a signal received by each acoustic element. A converter (A / D) 122, a phase synthesis unit 123, and a reception control unit 124 are provided.

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。   The transducer 111 needs to receive scattered sound waves from the emitted acoustic beam as efficiently as possible. Therefore, the received wave matrix switching unit 120 controls the directivity when the transmitter / receiver 111 receives the scattered sound wave by selecting a combination of acoustic elements that synthesizes the received signals with the same phase difference. The arrangement of the acoustic elements is switched so that the maximum sensitivity direction (that is, the direction of the received acoustic beam) is a desired direction. In practice, the switching is performed by selecting signals to be processed with the same phase difference from the signals from the acoustic elements amplified by the respective receiving amplifiers 119 and adding and combining the selected signals. This is performed by executing each of the plurality of phase differences.

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。   The filter 121 shapes the signal from the received wave matrix switching unit 120, and the analog / digital converter 122 converts the waveform-shaped signal into a digital signal. The phase synthesizer 123 samples and synthesizes the signals from the analog / digital converter 122 with a phase difference so as to extract scattered sound waves from a desired direction, and outputs the combined received signals to the CPU 100. In other words, the phase synthesizer 123 forms the sensitivity of the received acoustic beam as a whole in the phased array transducer. The reception control unit 124 controls the reception wave matrix switching unit 120, the filter 121, the analog / digital converter 122, and the phase synthesis unit 123 so as to receive the scattered wave from the direction specified by the CPU 100.

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。   The wave receiving units 130a and 130b are equivalent to those obtained by removing the acoustic beam radiation function from the wave transmitting / receiving unit 110. The wave receiving units 130a and 130b include a phased array type wave receiver (R) 131 and are equivalent to those in the wave transmitting / receiving unit 110. A reception amplifier 119, a reception wave matrix switching unit 120, a filter 121, an analog / digital converter 122, a phase synthesizer 123, and a reception control unit 124 are provided. In the receiver 131, acoustic elements that receive external sound waves and convert them into electrical signals are arranged in, for example, M ′ rows and N ′ columns (M ′ and N ′ are integers of 2 or more). As such a wave receiver, the same one as the above-described wave transmitter / receiver 111 but having only a wave receiving function can be used. The number of acoustic elements provided may be the same or different between the transmitter / receiver 111 and the receiver 131. In the following description, similarly to the transducer 111, for example, a receiver in which 216 acoustic elements are arranged in an octagonal region is used.

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。   Next, the operation of such a phased array type Doppler soda system will be described.

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。   It is assumed that the wave transmitting / receiving unit 110 and the wave receiving units 130a and 130b are arranged at three points that are not on the same straight line, and one point in the sky where the wind direction and the wind speed are to be measured is set as a measurement position. First, the CPU 100 directs the acoustic beam radiated from the transmitter / receiver 111 to the measurement position, and when the scattered acoustic wave is received by the transmitter / receiver 111 and each receiver 131, the received acoustic beam is moved toward the measurement position. The phase difference for each acoustic element in the wave transmitting / receiving unit 110 and the wave receiving units 130a and 130b is set so as to face. Then, the CPU 100 sets the frequency of the sound wave in the acoustic beam, and writes the waveform data corresponding to the set frequency in the RAM 113 of the transmission / reception unit 110. As a result, the phase difference technology is applied by the phase difference signal generation unit 114, the filter 115, and the transmission wave matrix switching unit 116, and each acoustic element of the transmitter / receiver 111 is driven via the transmission amplifier 117, and the previously set measurement is performed. An acoustic beam is emitted in the direction of the position.

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。   This acoustic beam is scattered by the density fluctuation region in the atmosphere and received by the transducer 111 and each receiver 131. At this time, the direction of the received acoustic beam in the transmitter / receiver 111 and each receiver 131 is changed by the phase synthesis technique realized by the received wave matrix switching unit 120, the filter 121, the analog / digital converter 122, and the phase synthesis unit 123. As a result, the reception signal based on the sound wave scattered at the measurement position is output from the transmission / reception unit 110 and the reception units 130a and 130b to the CPU 100. The CPU 100 obtains a Doppler shift component in the scattered sound wave by applying FFT (Fast Fourier Transform) to each received signal and extracts the Doppler velocity, and extracts the three directions (the transmitting / receiving unit 110 and the receiving units 130a and 130b). The wind direction and the wind speed at the measurement position are calculated from the Doppler velocity in the direction of the received acoustic beam in each of the above. Note that the sound waves received by the transmitter / receiver 111 and each receiver 131 may include scattered sound waves from other than the measurement position, but from the measurement position using the round-trip propagation time of the sound wave. Only the sound wave of can be captured.

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。   In order to investigate the wind direction and wind speed distribution in the vertical direction at the same point, while changing the radiation direction of the acoustic beam and the direction of the received acoustic beam so that the plane position of the measurement position is the same and only the altitude is different, that is, While performing beam scanning, the acoustic beam emission and the scattered sound wave reception may be repeatedly executed to obtain measurement results according to altitude. By performing measurement by performing beam scanning, since the radiation acoustic beam and the reception acoustic beam intersect only at a specific altitude, the measurement altitude can be distinguished, and the data acquisition efficiency and wind measurement accuracy are improved.

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。   When performing beam scanning, sound leakage to the surroundings may occur if the acoustic beam radiation direction is an oblique direction deviated from the vertical direction. Therefore, the direction of the received acoustic beam is measured at a receiver installed at a location different from the transmitter / receiver so that the transmitter / receiver always emits an acoustic beam vertically upward and receives scattered waves from vertically above. You may make it perform the beam scanning changed according to an altitude. In this case, since only the wind direction and wind speed above the position of the transducer can be obtained, when trying to obtain the wind direction and wind velocity above an arbitrary point, the transducer and each receiver In all of the above, beam scanning is performed.

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。   Here, the beam scanning for obtaining the vertical distribution of the wind direction and the wind speed over an arbitrary point will be further described with reference to FIG. In the following, for the sake of explanation, the transmitting / receiving unit is represented by the transmitter / receiver TR, and the two receiving units are respectively indicated by the receiver R. In the bistatic type measurement, when the wind direction and the wind speed at an arbitrary position other than the vertical direction of the position of the transducer are to be obtained, the direction of the acoustic beam radiated from the transducer is changed, that is, It is necessary to shake the beam in the radiated acoustic beam. The frequency of the acoustic beam may be the same, but as described later, it is preferable to use a sound wave having a lower frequency at a higher altitude. At this time, if a receiver R that is unidirectional and cannot change the maximum sensitivity direction is used, the receiver R is located at an equidistant position from the transmitter / receiver TR (" Scattered sound waves from a conventional cut scatterer ”are received, and scattered sound waves from a position shifted in the horizontal direction due to altitude are received.

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。   On the other hand, the direction of the received acoustic beam at the receiver is also changed in accordance with the beam scanning with the radiated acoustic beam from the transmitter / receiver, so that an arbitrary point can be obtained as shown by a thick broken line in FIG. For example, the wind direction and the wind speed in the vertical range in the range from 50 m to 100 m above the altitude can be determined for each altitude. Of course, it is possible to measure the wind direction and the wind speed in a desired altitude range by changing the angle range in which the beam is swung in the beam scanning.

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。   Next, the arrangement of the transducer and the receiver in this phased array type Doppler soda system will be described. FIG. 4 shows an example of the arrangement of transducers and receivers when monitoring wind shear, microburst, wake turbulence and the like at an airfield.

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。   Two sets of phased array type Doppler soda systems are arranged outside the two ends of the runway 300 so as not to obstruct the aircraft in operation, as shown in FIGS. Depending on the length of the runway, the two Doppler soder systems are separated by about 1500-3000 m, indicated by the spacing of the transducer TR. In each Doppler soda system, the transmitter / receiver TR and the two receivers R are arranged at a distance of about 100 m from each other so that each occupies the apex of an equilateral triangle, for example. With such a configuration, generally, the wind direction and the wind speed at an arbitrary altitude above the arbitrary point inside or near the triangle formed by the transmitter / receiver TR and the two receivers R are represented. It becomes possible to measure. Further, if necessary, the installation position of the transmitter / receiver TR and the receiver R can be changed as indicated by the dotted line in the figure.

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。   By arranging the phased array Doppler soder system in this way, for example, in airports, the wind shear region directly above the runway is monitored, and at the same time, the wake turbulence caused by the main wing of a large aircraft, especially in the sky around both ends of the runway Can be monitored.

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。   In addition, as an application example of the phased array type Doppler soda system based on the present invention, the wind direction and the wind speed at a plurality of spatially separated points are remotely sensed from a fixed point on the ground in a complex terrain such as mountains. There is something to monitor by. In this example, for example, the wind conditions at a plurality of points where the installation of the wind power generator is scheduled can be examined.

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。   In the present invention, since the phased array type transducer and receiver are used, the emitted acoustic beam and the received acoustic beam can be converged to a specific position. Accordingly, as shown in FIGS. 5A and 5B, if acoustic elements are arranged along a spherical surface in a phased array type transducer, and these acoustic elements are driven in the same phase, the acoustic beam is a spherical surface. The position of the center of the sphere corresponding to is taken as the focal point and converges at that focal point. Similarly, in the case of a receiver, when acoustic elements are arranged on a spherical surface and received signals from those acoustic elements are synthesized with the same phase, the sound wave is received with the highest sensitivity at the position of the center of the sphere corresponding to the spherical surface. become. Therefore, in the present invention, an acoustic element is arranged on the concave surface so that a focal point is formed at a spatial position (altitude and azimuth) to be measured in the transmitter / receiver, and the radiated acoustic beam and the received acoustic beam are located at the spatial position. You may make it converge with.

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。   Alternatively, as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), the acoustic element itself is arranged on a plane, and the same effect as that arranged on the concave surface is produced, so that the acoustic beam converges at the focal point. A drive signal may be supplied with a phase difference applied to the acoustic element, and the received signal may be synthesized with the phase difference. As a result of driving the acoustic element with a phase difference, it is possible to obtain an effect as if the acoustic element is arranged on an apparently concave virtual radiation surface. In that case, by adjusting the phase difference, the convergence height of the beam can be changed, or the horizontal position of the place where the beam converges can be changed.

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。   With such a configuration, it is possible to measure the wind direction and the wind speed without reducing the spatial resolution even at a high altitude position where the distance from the transmitter / receiver or the receiver increases.

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。   By the way, when the frequency of the sound wave in the emitted acoustic beam is low, although the attenuation of the sound wave is small, the measurement accuracy of the Doppler shift amount is low, the wind measurement accuracy is low, and the spatial resolution is also low. On the other hand, when the frequency of the sound wave is high, attenuation of the sound wave increases, but wind measurement accuracy and spatial resolution are improved. In general, when measuring the wind direction and wind speed above the sky, more accurate measurement results are required for low altitudes closer to the ground surface, and so much accuracy is often not required for high altitudes. Therefore, while performing the beam scanning described above, the sound wave frequency is sequentially switched so that a relatively high frequency sound wave is used for the low altitude and a relatively low frequency sound wave is used for the high altitude. Can be measured. By using a low frequency for high altitude, the measurable distance range becomes large, and the wind direction and wind speed can be measured to an extremely high altitude.

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。   FIGS. 6A and 6B show such measurement examples. Here, as shown in FIG. 6A, the first receiver R is disposed at a position 100 m (first distance L1) east from the transmitter / receiver TR, and the transmitter / receiver T- The second receiver R is arranged at a position 100 m (second distance L2) away from R, and the frequency of the sound wave is used, and frequency sweeping is performed using six types from F1 to F6 from the highest. The wind direction / velocity distribution in the altitude range from 50m to 200m is measured. In this case, the wind direction / velocity distribution at an altitude of 50 m is measured by F1 which is the highest frequency, the measurement is performed at an altitude of 70 m by F2 which is the next highest frequency, and F6 which is the lowest frequency is F6. Is used to measure at an altitude of 200 m.

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。
Here, the resolution of the wind speed according to the frequency of the sound wave will be described. When the frequency of the sound wave to be used is f 0 and the frequency resolution when extracting the Doppler shift component based on the received signal is Δf, the wind speed resolution ΔV is
ΔV = C · Δf / 2f 0
Represented by C is a constant. From this equation, it can be seen that if the frequency resolution Δf is constant, the wind speed resolution ΔV increases as the operating frequency f 0 increases.

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。   By performing beam scanning, the measurement altitude is better separated, but in addition to this, by performing frequency sweep so as to change the frequency used for each altitude as described above, the measurement altitude can be further separated, Data acquisition efficiency is further improved. Note that the use of a plurality of conventional sound wave frequencies has been performed, but this is performed only for the purpose of increasing the number of data.

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。   In the configuration shown in FIGS. 6A and 6B, the acoustic beam is radiated intermittently, but is radiated using only a single frequency F1, or transmitted / received from a diagonally upward transducer. May be used as the frequencies F1 to F6.

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。   FIGS. 7A and 7B show an arrangement that enables measurement of the wind direction and wind speed to an altitude higher than that shown in FIGS. 6A and 6B.

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。   Regarding the angular distribution of the intensity of the scattered sound wave when the acoustic beam is scattered by the density fluctuation region, the component that propagates in the opposite direction of the acoustic beam propagation direction (reflection component) is not the maximum, but the acoustic beam propagation It is known that the strength is maximized in a direction forming an angle of 40 ° to 70 ° when viewed from the opposite direction. Therefore, when measuring at a higher altitude, it is better to increase the distance between the transmitter and receiver to a certain extent, even if the attenuation associated with the longer propagation distance of sound waves is taken into account. A signal will be obtained. Therefore, for example, to obtain the vertical distribution of wind direction and wind speed up to an altitude of 400 m, a receiver R is provided at a position 100 m and 300 m away from the transmitter / receiver TR, and further, A receiver R is provided at a position 100 m and 300 m away from the wave transmitter T-R to the north. The receiver located 100 m from the transmitter / receiver TR is a low-altitude receiver, and the one located 300 m is a high-altitude receiver. And in the measurement of the wind direction and the wind speed in the range from 50m to 200m, as in the case shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the six frequencies F1 to F6 for each altitude are used. The data acquired by the wave transmitter T-R and the data acquired by the two low-altitude wave receivers R located 100 m from the wave transmitter / receiver TR are used. Furthermore, for the measurement of wind direction and speed in the range of altitude 200m to 400m, the data acquired by the transmitter / receiver TR and the transmitter / receiver T- using the sound waves of six frequencies F7 to F12 for each altitude. Data acquired by two high altitude receivers R located 300 m from R are used. Among the frequencies F7 to F12, the frequency F7 is the highest, which is used for measurement at an altitude of around 200 m. Hereinafter, a sound wave having a lower frequency is used as the altitude increases. A low frequency F12 is used for the measurement. The transmitter / receiver TR radiates acoustic beams having frequencies F1 to F6 in order, and then radiates acoustic beams having frequencies F7 to F12 in order.

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。   In this way, by varying the distance between the emission position and the reception position of the acoustic beam according to the altitude of the measurement position, it is possible to ensure an appropriate beam scattering angle regardless of the altitude at which the measurement is to be performed. It is possible to receive a scattered sound wave from a density fluctuation region in which temperature fluctuation and wind speed fluctuation are combined at a strong level, and the S / N ratio (signal-to-noise ratio) can be improved. Specifically, by setting the scattering angle of the acoustic beam to be in the above range, the signal intensity is increased several times, so that the S / N ratio of the received signal is also improved several times.

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。 Next, an example will be described in which the phased array type Doppler soda system according to the present invention is arranged on a ground surface that is not flat such as a mountain or a hilly area. When the phased array type Doppler soda system is arranged on the ground surface which is not flat, the elevations of the transmitter / receiver TR and the at least two receivers R are different from each other. 8A and 8B show a case where the elevation of the transmitter / receiver TR is h 0 and the elevations of the two receivers R are h 1 and h 2 , respectively. Viewed from transducer T-R, one of the receivers R, the distance is a L 1, the azimuth angle is theta 1 clockwise from due north, elevation is a [psi 1. Similarly, the other receiver R has a distance L 2 as viewed from the transmitter / receiver TR, θ 2 counterclockwise from true north in the horizontal direction, and an elevation angle ψ 2 . Because the elevation of the two receivers is different, when the position indicated by point P in the figure is taken as the measurement position, the elevation angle to point P is α 1 in one receiver, while the other receiver is Then α 2 .

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。   In this way, when there is a difference in altitude between the transmitter and the receiver, if the correction is not performed on the obtained result, an error occurs in the altitude value and the obtained wind direction / velocity value. Thus, in the case of beam scanning, if the elevation difference is not taken into account, it is not possible to guarantee that the radiated acoustic beam and each received acoustic beam intersect at a desired position, and as a result, the scattered sound wave itself cannot be received. It becomes.

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。   Therefore, in this example, the position of the transmitter / receiver and the receiver are measured using a GPS (global positioning system) sensor or a range finder that can perform azimuth / tilt measurement. The measurement result is supplied to the CPU 100 via the information supply unit 140 (see FIG. 1). The CPU 100 automatically executes the alignment of each acoustic beam and the calculation of the wind direction / velocity by software control. Calculation under software control is performed under the condition that the three-dimensional position of each of the transmitter and the receiver is known and the measurement position (horizontal position and altitude) for the wind direction and the wind speed is given. Therefore, those skilled in the art can easily understand the contents. With such a configuration, the degree of freedom of the arrangement of the transducer and the receiver in the phased array type Doppler soda system is increased, the installation of this system is simplified, and the radiated acoustic beam and each received beam are in the sky. The certainty of crossing is improved.

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
100 CPU
110 Transmitter / receiver unit 111 Transmitter / receiver (TR)
112 Transmission control unit 113 RAM
114 phase difference signal generator 115, 121 filter 116 transmission wave matrix switching unit 117 transmission amplifier 118 separation circuit 119 reception amplifier 120 reception wave matrix switching unit 122 analog / digital converter 123 phase synthesis unit 124 reception control unit 130a, 130b Unit 131 Receiver (R)
140 Position Information Supply Unit 141 Temperature Information Supply Unit 150 Acoustic Element

Claims (4)

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。
A transducer configured to arrange a plurality of first acoustic elements for transmission and reception as a phased array, radiate acoustic beams of two or more different frequencies to the sky, and receive scattered waves from the acoustic beam;
A plurality of second acoustic elements for receiving waves are arranged and configured as a phased array to receive scattered waves from the acoustic beam, and are arranged at locations different from the transducer. Waver,
Drive signal generation means for generating a drive signal to each of the plurality of first acoustic elements with a phase difference for each of the first acoustic elements;
First phase synthesis means for synthesizing signals received by the plurality of first acoustic elements with a phase difference for each of the first acoustic elements;
A second phase synthesizing unit that is provided for each of the receivers and synthesizes the signals received by the plurality of second acoustic elements of the corresponding receiver with a phase difference for each of the second acoustic elements; ,
By controlling the phase difference in the drive signal generating means, the first phase synthesizing means, and each of the second phase synthesizing means, the direction of emission of the acoustic beam is controlled, and the incoming scattered wave is received. Control the direction, extract only the received signal based on the scattered wave from any measurement position above the sky, extract the Doppler shift component in the extracted received signal, and extract the measurement position based on the extracted Doppler shift component Control means for calculating the wind direction and wind speed at
Have
By controlling the launch direction and the incoming direction while sweeping the frequency of the acoustic beam, only the first frequency is used to calculate the wind direction and wind speed at the first altitude, A phased array type Doppler soda system that uses only the second frequency lower than the first frequency for calculating the wind direction and the wind speed at the second altitude higher than the altitude.
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。
A plurality of the first group of receivers whose distance from the transducer is equal to or less than a first distance, and a plurality of second group of the second group whose distance from the transceiver exceeds the first distance The receiver,
The wind direction and wind speed at an altitude less than or equal to a threshold altitude are calculated using received signals obtained by the plurality of receivers of the first group, and the wind direction at an altitude exceeding the threshold altitude. 2. The Doppler soda system according to claim 1, wherein reception signals obtained by a plurality of receivers of the second group are used for calculating the wind speed.
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。 The phase difference in the drive signal generating means is controlled so that the acoustic beam converges at the observation position, and the first wave so as to synthesize the scattered waves from the convergence point in phase with the observation position as a convergence point. 3. The Doppler soda system according to claim 1, wherein the phase difference in the phase synthesizing unit and each of the second phase synthesizing units is controlled. 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乃至のいずれか1項に記載のドップラーソーダーシステム。
A position information supply means for supplying data relating to the arrangement position of each of the transmitter / receiver and each receiver to the control means, and a temperature information supply means for supplying data representing temperature information to the control means, the control means on the basis of the data input from the position information supply means and said temperature information supply means executes the correction calculation in the alignment and the calculation of the wind direction and wind speed of the acoustic beam, of claims 1 to 3 The Doppler soda system according to any one of the above.
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