[論文レビュー] High-Frequency radar measurements with CODARs in the region of Nice: improved calibration and performance

Charles‐Antoine Guérin, Dylan Dumas+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2021

Radar Systems and Signal Processing参考文献 28被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、外部のキャリブレーションキャンペーンを必要とせず、記録されたドップラースペクトルのみを用いて、標準的な理想または測定済みのアンテナパターンに比べ、CODAR高周波レーダーシステムの径方向表面流速測定精度を2–3 cm/s向上させる、新しい自己キャリブレーション技術を提示する。この手法は、ニース近郊の北西地中海海での性能向上を実証しており、40台のドリフトャー実験を用いて検証された。本手法により、沿岸海洋モニタリングネットワークにおける継続的で低コストのキャリブレーション更新が可能となる。

ABSTRACT

We report on the installation and first results of one compact oceanographic radar in the region of Nice for a long-term observation of the coastal surface currents in the North-West Mediterranean Sea. We describe the specific processing and calibration techniques which were developed at the laboratory to produce high-quality radial surface current maps. In particular, we propose an original self-calibration technique of the antenna patterns, which is based on the sole analysis of the databasis and does not require any shipborne transponder or other external transmitters. The relevance of the self-calibration technique and the accuracy of inverted surface currents have been assessed with the launch of 40 drifters that remained under the radar coverage for about 10 days.

研究の動機と目的

• フランス・ニースの沿岸地域における高周波レーダー（HFR）表面流速測定の精度を向上させること。
• 限られた方位分解能と設置に起因する歪みに敏感なコンact HFRシステムにおけるアンテナパターンキャリブレーションの課題に対処すること。
• 外部トランスポンダーや専用の船隻キャンペーンを必要としない自己キャリブレーション手法を開発すること。
• 自己キャリブレーションされたレーダーシステムの性能を、現場でのドリフトャー測定結果と比較して検証すること。

提案手法

• 記録されたドップラースペクトルを分析することで、アンテナ利得パターンの理想応答からのずれを推定・補正する自己キャリブレーション技術を開発する。
• HFRデータに適応したフリードランダーとウエイスのアレイ自己キャリブレーション手法を用い、時間系列レーダデータから反復的にアンテナパターン推定値を改善する。
• 外部送信機や船載トランスポンダーに依存せず、自律的かつ定期的な再キャリブレーションを可能にする。
• 13.5 MHz周波数と100 kHz帯域幅を用いて、サン・ジエーン・カプ・フェラの地点で収集されたCODAR SeaSondeデータに本手法を適用する。
• 理想（理論的）、測定済み（専用の船隻実験から得た）、自己キャリブレーション（データ解析から得た）の3種類のアンテナパターンを比較する。
• 方向到来推定にMUSICアルゴリズムを用いて径方向流速マップを生成し、ドリフトャーデータとの統計的比較により性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 記録されたレーダースペクトルのみを基にした自己キャリブレーション手法は、外部キャリブレーション源を必要とせず、HFR径方向流速測定精度を向上させることができるか？
• RQ2 自己キャリブレーションされたアンテナパターンは、理想パターンおよび測定済みパターンと比較して、径方向流速推定精度においてどのように差が現れるか？
• RQ3 アンテナパターンキャリブレーションが、HFRから得られた流速と現場でのドリフトャー測定値との一致に与える影響は何か？
• RQ4 自己キャリブレーション手法は、標準的なキャリブレーション手法と比較して、RMSEを低減し、相関係数（CC）を向上させるか？

主な発見

• 自己キャリブレーションされたアンテナパターンは、理想パターンと比較して、径方向表面流速推定の平均二乗誤差（RMSE）を2.3 cm/s低減した。理想パターンのRMSEは15.8 cm/s、自己キャリブレーションパターンでは13.5 cm/sであった。
• HFRデータとドリフトャー測定値の相関係数（CC）は、自己キャリブレーションパターンで0.90に向上した。理想パターンでは0.85であった。
• 中央レーダー被覆領域（7.3–7.9°経度、43.3–43.7°緯度）では、自己キャリブレーション手法が理想パターンおよび測定済みパターンよりも3 cm/s低いRMSEを達成した。
• 最適な性能は自己キャリブレーションパターンで達成され、わずかな方位誤差（≤5°）を示した。一方、測定済みパターンでは10°の補正が必要であった。
• 自己キャリブレーション手法は、RMSEおよびCCの両面で、理想パターンおよび測定済みパターンを上回り、その頑健性と実用的価値を示した。
• 本手法により、追加の船隻キャンペーンを要せず、継続的かつ低コストの再キャリブレーションが可能となり、長期的なHFRモニタリングネットワークに最適である。