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概要
レーダーインバージョンによる大気擾乱精測技術の開発
Development of measurement technique for atmospheric disturbance using radar inversion
研究代表者：橋口浩之（京都大学生存圏研究所）
hasiguti@rish.kyoto-u.ac.jp
研究分担者：西村耕司（京都大学生存圏研究所）
nishimura@rish.kyoto-u.ac.jp
担当：理論的側面の検討と研究の助言
研究分担者：王元（京都大学生存圏研究所）
wang.yuan.73s@st.kyoto-u.ac.jp
担当：シミュレーションコードの作成と解析
研究目的 (Research Objective):
スペクトル観測方程式は、レーダー
システムと大気による電波散乱過程を
モデル化した理論から導出され、
Nishimura et al. [IEEE, 2020] により
提唱された。これによると、レーダー
3次元風速場
システムが多チャンネル受信（干渉計
観測）の場合に、レーダービームを向
けた観測体積内の 3次元風速が観測可
能となる。すなわち、従来の DBS 観測
では困難であった 3次元風速場の観測
が、レーダービームを多方向に向ける
ことで可能となる (Fig.1)。この観測を
実現するため、スペクトル観測方程式
の逆問題を数値的に解いて 3次元風速
を推定するインバージョンアルゴリズ
)
ムを構築した (RI 法。数値実験による
推定精度検証のため、散乱シミュレー
ションを開発し、 RI 法の精度検証を行
F
i
g
.1 3次元風速場観測の概念図
なうと同時に、従来法である空間アン
)
テナ法(FCA 法による風速推定による
比較も踏まえた RI 法の相対的な性能も評価するため、数値実験を行なった。さらに、
(
)
低高度観測時におけるドップラースペクトル幅ビームブロードニングについても、
数値シミュレーションを用いて検討を行った。
-27-
計算手法 (Computational Aspects):
5400
散乱シミュレーションは、サンプリング領域よりも
5200百
ニ
5000呑
十分に広い空間内に一様分布する散乱体が、あ
g
る平均風速と速度分散をパラメータとする正規分
布に従うランダムな速度でレーダーの送信波を
散乱しながら、等速直線運動するモデルである (
． 知0
口
峯
(Fig.2) 。散乱体の初期位置は、レーダーの半波
長ほどの間隔で、ランダムな一様分布によって決
まり、サンプリング領域の境界条件は周期境界と
している。シミュレーションの計算コストは、散乱
体の個数とアンテナ本数に依存する。本研究で
J•9han9C99na
r
a
da
r
Fig.2 散乱シミュレーションの概念図
はレーダーシステムとして、数多くの素子アンテナを持つ MU レーダーを想定しているため、
大規模計算機を利用した計算が必要となる (Table 1)。散乱シミュレーションの時間発展モデ
ルは散乱体ごとに独立なので、散乱体を計算機の利用可能ノード数で分割し、各ノード内
では OpenMP を用いた並列計算を行った。
Table 1 シミュレーションの設定パラメータ
種別
レーダーシステム
散乱モデル
I
設定項目
1
ビ竺應
I
サンプリング間隔
0.
0
3
2s
e
c
ビーム方向
（天頂角，方位角）＝（0
,
0
)
距離分解能
1
5
0m
送信波長
6
.
4
5m
サンプリングレンジ
2
0
0
0m
受信 チャンネル
3
送受信サブアレイ
F2,F3,F4
レーダーの中心座標
(
x
,
y
,
z
)=(
0
,
0
,
0
)m
サンプリング継続時間
1
2
8s
e
c （サンプリング 4
0
0
0回
）
散乱体積領域 V の x軸移動領域（東西）
-2000~
散乱体積領域 V の y軸移動領域（南北）
-2
0
0
0~ y:
;2
0
0
0m
散乱体積領域 V の z軸移動領域（上下）
1
5
0
0~ z~ 2
5
0
0m
散乱体積領域 V 内の散乱体個数
0(10り
個
風速
（
私 i，面）＝ （
2
0
,
0
,
1
)m/s
速度分散
5m/s
a=0.
2
0
0
0m
:
00
、
‘
_
、
研究成果（ Accomplishments
X~
独立な初期位置を設定した 5回の散乱シミュレーション実験を行い、 RI 法(提 案 手
(
)
RI 法では、全ての推定パラメータ
法)と FCA 法従来法による風速推定を行なった。
の標準偏差内に真値を含んでおり、 FCA 法より高精度に 3 次元風速および速度分散
を推定できた。また、 FCA 法では得られない鉛直流と風速分散も推定可能である。
-2
8-
Fig.3 に示すように、 FCA 法と比較すると、水平風速と風向の推定値平均がより真値
に近いことがわかる。以上より、電波散乱の物理的、統計的性質とレーダーシステム
を考慮したスペクトル観測方程式のインバージョンアルゴリズムは、従来手法に比べ、
推定の高精度化と観測情報量の向上を図ることができる。
また、 MU レーダーに受信専用アンテナを付加して、バイスタティック方式により
低高度観測を行う想定で、スペクトル観測理論を用いた数値シミュレーションにより
精度評価を行った。特に乱流強度を推定する時に、乱流に伴う風速分散を推定するた
めにビームブロードニングの評価が重要となるが、近傍領域ではビーム幅と水平風の
︱ ︱
s
ー
0
.
0
.
0
.
1
.
.︱
︱-
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0
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9
8
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．
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1
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l
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口
伽
積から求まるビームブロードニングよりも大きな値を取ることが確認された。
．
Fig.3 RI 法と FCA 法による風速推定結果。
:
(U:水平風速、￠風向、
w:鉛直流、 o: 速度分散）
公 表 状 況 (Publications )::
（口頭）
1. 田村亮祐西村耕司橋口浩之スペクトル観測理論に基づくレーダーインバージョン
,
,
,
,
14 回 MU レーダー・赤道大気レーダーシンポジウムオンライン
,
,
アルゴリズムの開発第
2020 年9月 14-15 日.
2. 田 村 亮 祐, 西 村 耕 司 橋
, 口 浩 之 レ, ー ダ ー イ ン バ ー ジ ョ ン に よ る 大 気 乱 流 強 度 推 定,
日本気象学会 2020 年 度 秋 季 大 会, オ ン ラ イ ン , 2020 年 10 月 25-31 日.
3. 田 村 亮 祐, 西 村 耕 司 橋
, 口 浩 之 レ, ー ダ ー イ ン バ ー ジ ョ ン 法 を 用 い た 乱 流 強 度 推 定
, 第 148 回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会オンライン
,
, 2020 年 11
法の開発
月1-4
日.
4. Koji Nishimura, Ryosuke Tamura, and Hiroyuki Hashiguchi, Inversion
Technique on Interferometric Atmospheric Radar, The 11th Symposium on
Polar Science, Online, December 1-3, 2020.
5. R. Tamura, K. Nishimura and H. Hashiguchi, Volume scattering simulation
for 3D wind vector estimation using radar inversion, Japan Geoscience Union
(JpGU) Meeting, online, May 30-June 6, 2021
6. Ryosuke Tamura, Koji Nishimura and Hiroyuki Hashiguchi, The Inversion
Algorithm of Atmospheric Radar Signal Given by a 3-Dimensional Volume
-2
9-
Scattering Semi-Physical Simulation, LAPAN/BRIN-Kyoto University
International Symposium for Equatorial Atmosphere / The 6th Asia Research
Node Symposium on Humanosphere Science / INternational Conference on
Radioscience, Equatorial Atmospheric Science and Environment (INCREASE),
online, September 20-21, 2021.
7. 田村亮祐・西村耕司・橋口浩之レーダー干渉計インバージョンによる
,
3 次元風
速場推定法の開発, 2021 年度 PANSY 研 究 集 会, オ ン ラ イ ン, 2022 年3月 9日 .
8. 田村亮祐・西村耕司・橋口浩之, レーダー干渉計インバージョンによる 3次元風速
場推定手法の開発日本地球惑星科学連合
,
2022 年 大 会,幕 張 ・ オ ン ラ イ ン , 2022
年5月 22-6 月3日 .
9. 王元・西村耕司・橋口浩之・橋本大志・堤雅基•佐藤亨•佐藤薫バイスタティッ
,
クレーダーによる低高度域観測技術の開発第
,
16 回 MU レーダー・赤道大気レー
ダーシンポジウムオンライン
,
, 2022 年9月 5-6 日.
10. 王元・西村耕司・橋口浩之バイスタティックレーダーによる低高度域観測技術の
,
,
, 2022 年 10 月
開 発,日 本 気 象 学 会 2022 年度秋季大会北海道大学・オンライン
24-27 日.
（修士論文）
田村亮祐レーダー干渉計インバージョンによる
,
3次元風速場推定の研究令和
,
3年
度京都大学理学研究科地球惑星科学専攻修士論文.
王元, Development of Low Altitude Observation Technology by Bistatic Radar (バ
イスタティックレーダーによる低高度域観測技術の開発), 令和 4 年度京都大学情
報学研究科通信情報システム専攻修士論文. ...
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