適応信号処理による気象用フェーズドアレイレーダの3次元雨量高精度推定手法の開発

利用自适应信号处理开发气象相控阵雷达高精度 3D 降雨估算方法

基本信息

批准号：
22K04121
负责人：
菊池博史
金额：
$ 2.58万
依托单位：
The University of Electro-Communications
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本課題で提案する技術は,次世代の気象レーダとして期待される大型の気象用フェーズドアレイレーダへの適用を目的とし，三つの研究課題に相補的に取り組む.一つ目は気象レーダの固有の欠点を解決する鉛直方向の分解能の向上を目的として，新たな適応信号処理を検討し，実用可能なディジタルビームフォーミング手法として発展させる．二つ目はレーダ雨量と地上降水量との誤差を最小化するために、欠点である水平方向の地上雨量計のデータ点の不足を信号処理技術の圧縮センシングや機械学習を応用した信号処理アルゴリズムを用いて空間的に補間(予測)するアルゴリズムの開発を行う．三つ目はレーダ雨量の高精度化を目的としてレーダデータから雨量に変換する際の関係式(Z-R関係式)をリアルタイムに更新するアルゴリズムの開発を行う.本年度は、フェーズドアレイレーダの鉛直方向の分解能を目的として、圧縮センシング(基底追跡ノイズ除去（BPDN)）を用いた開口径を疑似的に拡大する方法について検討した。BPDN法はアンテナ素子数が少ない状況(アンテナ素子が疎に配列)でも、アンテナ性能を維持し、アンテナ開口径を疑似的に拡大できる可能性を示す一方、適応信号処理手法の実用化のボトルネックとなる観測時のノイズの影響を低減させることが分かった。地上雨量データの水平分解能の向上に対しては、本年はまず、地上雨量計及びフェーズドアレイレーダのデータを用いた、Z-R関係の時間変化について検討した。レーダ観測範囲内の積乱雲についてZ-R関係を個別に導出し、逐次的にZ-R関係を更新することで地上雨量推定精度が改善することが分かった。Z-R関係のリアルタイム導出方法の検討に関しても同様に、逐次的なZ-R関係の導出手法を確立し、地上雨量の予測に利用するための基礎検討を行った。今後は、上記の成果を基盤として包括的に研究を進める予定である。

该项目提出的技术旨在应用于大型气象相控阵雷达，有望成为下一代气象雷达，并以互补的方式解决三个研究问题，旨在提高垂直分辨率来解决。针对这些缺点，我们将研究新的自适应信号处理并将其开发为实用的数字波束形成方法。其次，为了最大限度地减少雷达降雨量与地表降水量之间的误差，我们开发了一种信号处理算法，应用压缩感知和机器学习信号处理技术来解决水平地面雨量计数据点缺乏的问题，我们将开发一种算法。使用空间插值（预测）。第三，我们将开发一种实时更新雷达数据转换为降雨量时的关系式（Z-R关系式）的算法，以提高雷达降雨量的分辨率为目的，我们研究了一种人为放大的方法。使用压缩传感（基本跟踪噪声消除（BPDN））测量孔径直径。尽管BPDN方法显示出即使在天线单元数量较少（天线单元排列稀疏）的情况下也能保持天线性能并伪扩大天线孔径直径的可能性，但它仍然是自适应信号实际应用中的瓶颈发现可以减少观察过程中噪声的影响。为了提高地面降雨数据的水平分辨率，今年我们首先利用地面雨量计和相控阵雷达的数据研究了Z-R关系的时间变化。研究发现，通过单独推导雷达观测范围内积雨云的Z-R关系并依次更新Z-R关系，可以提高地面降雨估算的准确性。同样，针对Z-R关系实时推导方法的研究，建立了Z-R关系序贯推导方法，并对其用于地面降雨预测进行了基础研究。未来，我们计划在上述成果的基础上进行综合研究。