橋口, 浩之

王, 元

西村, 耕司

Japanese

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RIGHT:URL:CITATION:AUTHOR(S):ISSUE DATE:TITLE: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橋口, 浩之; 西村, 耕司; 王, 元橋口, 浩之 ...[et al]. 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. 京都大学電波科学計算機実験共同利用研究成果報告書 (KDK Research Report) 2023, 2022: 27-30: 8.2023-03https://doi.org/10.14989/kdk_report_2022_08著作権は全て著者が有します。著作権法上認められている場合を除き、著者に無断で転載、再利用、翻訳をすることはできません。許諾は著者から得てください。; Theauthor(s) retain the copyright of his/her/their report. Unless authorized by Copyright Law,reprinting, reusing, or translating material from his/her/their report is prohibited. Ask theauthor(s) to obtain permission.Development of measurement technique for atmospheric disturbance using radar inversion         hasiguti@rish.kyoto-u.ac.jp        nishimura@rish.kyoto-u.ac.jp             wang.yuan.73s@st.kyoto-u.ac.jp        (Research Objective): Nishimura et al. [IEEE, 2020]DBS(Fig.1)(RI )RI(FCA )RI( )   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研究代表者：橋口浩之（京都大学生存圏研究所）研究分担者：西村耕司（京都大学生存圏研究所）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）担当：シミュレーションコードの作成と解析研究目的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、3次元風速場により提唱された。これによると、レーダー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 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 。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 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、 法の精度検証を行 Fig. 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 法による風速推定による比較も踏まえた 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- (Computational Aspects): ( (Fig.2)MU(Table 1)OpenMP   Accomplishments :  RI () FCA ( ) RIFCA 3FCATable 1   Fig.2  計算手法散乱シミュレーションは、サンプリング領域よりも十分に広い空間内に一様分布する散乱体が、あ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。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5400 5200百ニ5000呑g ．知0峯 J•9han9C99na口radar 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 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 。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 を用いた並列計算を行った。シミュレーションの設定パラメータ散乱モデル種別 I設定項目レーダーシステム 1サンプリング間隔ビーム方向距離分解能送信波長サンプリングレンジ受信チャンネル送受信サブアレイレーダーの中心座標サンプリング継続時間散乱体積領域 Vのx軸移動領域（東西）散乱体積領域 Vのy軸移動領域（南北）散乱体積領域 Vの z軸移動領域（上下）散乱体積領域 V内の散乱体個数風速速度分散ビ竺應I 0.032 sec （天頂角，方位角）＝（0,0)150 m 6.45 m 2000 m 3 F2,F3,F4 (x,y,z) = (0,0,0) m 128 sec（サンプリング 4000回）-2000 ~ X ~ 2000 m -2000 ~ y :; 2000 m 1500 ~ z ~ 2500 m 0(10り個（私i，面）＝ （20,0,1) m/s a= 0.5 m/s 研究成果（ 00 、_‘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、 法提案手法と 法従来法による風速推定を行なった。 法では、全ての推定パラメータの標準偏差内に真値を含んでおり、 法より高精度に 次元風速および速度分散を推定できた。また、 法では得られない鉛直流と風速分散も推定可能である。-28 -Fig.3 FCAMUPublications : 1. , , , , 14 MU , ,2020 9 14-15 .2. , , , ,2020 , , 2020 10 25-31 .3. , , , , 148 , , 2020 111-4 .4. Koji Nishimura, Ryosuke Tamura, and Hiroyuki Hashiguchi, InversionTechnique on Interferometric Atmospheric Radar, The 11th Symposium onPolar Science, Online, December 1-3, 2020.5. R. Tamura, K. Nishimura and H. Hashiguchi, Volume scattering simulationfor 3D wind vector estimation using radar inversion, Japan Geoscience Union(JpGU) Meeting, online, May 30-June 6, 20216. Ryosuke Tamura, Koji Nishimura and Hiroyuki Hashiguchi, The InversionAlgorithm of Atmospheric Radar Signal Given by a 3-Dimensional VolumeFig.3 RI FCA   : : : :  に示すように、 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、 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。---truth u [mls] ． ．  ．  ． 丁i士・． • .-'i、、,'一．  ．  ． ・1x222018 e ， geItra 5g叩aVetdstdRIRiaFCAFCARIFCA •x.xHH ． 10 』0+／!-----'.> -10 ¢ [deg] ． ． ―― s-ー. ―ix.-m―-. OL 33い33―― ls ->＾ニ伽口}w “m血lll 0.98 ． ． 0.1 0.0 ． 法と 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( )  （口頭）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アルゴリズムの開発第 回 レーダー・赤道大気レーダーシンポジウムオンライン年月 日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 年度秋季大会オンライン 年 月 日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法の開発第 回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会オンライン 年月日-29 -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. , 3, 2021 PANSY , , 2022 3 9 . 8. , , 2022 , , 20225 22-6 3 . 9. , , 16 MU, , 2022 9 5-6 . 10. , , 2022 , , 2022 1024-27 .  , , 3. , Development of Low Altitude Observation Technology by Bistatic Radar (), 4. 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 次元風速場推定法の開発 年度 研究集会オンライン 年月日田村亮祐・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 年大会幕張・オンライン年月 月日王元・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 回 レーダー・赤道大気レーダーシンポジウムオンライン 年月 日王元・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開発日本気象学会 年度秋季大会北海道大学・オンライン 年 月日（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 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 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 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-30 -

Development of measurement technique for atmospheric disturbance using radar inversion

https://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/281731/1/kdk_report_2022_08.pdf

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