CN109983362B - 数据处理装置、激光雷达装置以及风测定系统 - Google Patents

数据处理装置、激光雷达装置以及风测定系统 Download PDF

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Abstract

在以往的风测定系统中，存在当激光雷达装置的前方有遮蔽物的情况下针对风矢量的有效数据取得率下降这样的问题。本发明的数据通信装置具有：数据通信装置，其与激光雷达装置进行通信，取得视线方向风速值、激光射出角度、姿势信息、位置信息以及时刻；存储装置，其保存视线方向风速值和时刻；Central Processing Unit，其执行数据提取部和风矢量运算部，该数据提取部提取从数据通信装置新取得的视线方向风速值的时刻起设定时间内存在的、存储装置中保存的视线方向风速值，该风矢量运算部使用数据通信装置新取得的视线方向风速值和数据提取部提取出的视线方向风速值运算风矢量；以及存储器，其保存数据提取部和风矢量计算部。

Description

数据处理装置、激光雷达装置以及风测定系统
技术领域
本发明涉及数据处理装置、激光雷达装置以及风测定系统。
背景技术
以往，作为计测存在于远处的物体位置的装置，已知有雷达装置。雷达装置向空间放射电磁波或声波等波动，接收由作为对象的物体反射的波动，通过分析其信号，计测从雷达装置到物体的距离和角度。在雷达中已知还有如下的气象雷达：能够以大气中浮游的微小的液体或固体的颗粒(气溶胶)为对象，根据反射后的波动的相位旋转量，知道气溶胶的移动速度即风的速度。在气象雷达中，尤其是使用光作为电磁波的激光雷达装置放射的波束的扩散极小，能够以较高的角度分辨率观测物体，被用作风向风速雷达。在风矢量的计算中，一般使用多方向的视线方向风速值，通过VAD(Velocity-Azimuth-Display：速度方位表示)法或矢量运算等进行计算。
在该激光雷达装置的使用用途中，例如如以下的专利文献所示存在如下的前馈控制：该激光雷达装置设置于风车机舱上，使其检测到来风，进行俯仰、偏航控制。在风力发电站(风电场)中，可以考虑在多个风车搭载激光雷达装置，提高各个风车的发电效率，使整体的风力发电量最大化。
现有技术文献
专利文献
日本特开2004-301116号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，如上所述，在风车叶片后方设置有激光雷达的情况下，激光雷达的激光被叶片遮挡，产生无法观测的状态。尤其是在处于风速低或者风车叶片停止的状态的情况下，会连续地发生该情况。为了进行风向/风速(风矢量)的运算，如果是二维，则需要2个视线以上的视线方向风速值，如果是三维，则需要3个视线以上的视线方向风速值，因此，哪怕在一个方向上被切断，也不能进行风矢量的运算。对于被遮蔽的情况，以往，只能通过等待到遮蔽物被除去来应对，此时，如果是单一地一边切换激光一边扫描激光的形式的激光雷达装置，则要等待到其方向的顺序到来。因此，存在针对风矢量的有效数据取得率下降这样的问题。另外，这里，有效数据取得率是指相对于风向风速计算的试行次数，计算完风向风速的次数。在激光被遮挡物遮挡的次数多的情况下，即使试行风向风速计算，也不能计算风向风速，因此，有效数据取得率下降。即，有效数据取得率低表示还无法取得风向风速计算所需的数据。
用于解决课题的手段
本发明的数据处理装置具有：数据通信装置，其与激光雷达装置进行通信，取得视线方向风速值、激光射出角度、姿势信息、位置信息以及时刻；存储装置，其保存视线方向风速值和时刻；Central Processing Unit，其执行数据提取部和风矢量运算部，数据提取部提取从数据通信装置新取得的视线方向风速值的时刻起设定时间内存在的、存储装置中保存的视线方向风速值，风矢量运算部使用数据通信装置新取得的视线方向风速值和数据提取部提取出的视线方向风速值运算风矢量；以及存储器，其保存数据提取部和风矢量运算部。
发明效果
根据本发明，统合由多个激光雷达装置测定到的视线方向风速值进行风矢量计算，因此，具有如下的效果：能够收集免除由遮挡引起的缺损的数据，防止由遮挡物引起的有效数据取得率的下降。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的风测定系统的一个结构例的结构图。
图2是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的一个结构例的结构图。
图3是示出本发明的实施方式1的信号处理器1010的一个结构例的结构图。
图4是说明本发明的实施方式1的范围区间分割器101分割的范围区间的说明图。
图5是示出本发明的实施方式1的累计处理器103的累计处理的概念图。
图6是表示本发明的实施方式1的扫描仪1005控制的激光的展开角度的概念图。
图7是示出本发明的实施方式1的数据处理装置2的动作流程的流程图。
图8是示出本发明的实施方式1的风电场内的多台风车的机舱中搭载有激光雷达装置的环境的概念图。
图9是示出本发明的实施方式2的风测定系统的一个结构例的结构图。
图10是示出本发明的实施方式2的信号处理器1110的一个结构例的结构图。
图11是示出本发明的实施方式3的风测定系统的一个结构例的结构图。
图12是示出本发明的实施方式3的信号处理器1210的一个结构例的结构图。
具体实施方式
实施方式1
在本实施方式中，通过使以往用单一的激光雷达装置取得多个视线方向风速值的方式为统一管理/汇总由多个激光雷达装置测定到的数据的视线方向风速值，弄清是否是可利用的视线方向风速值数据，在此基础上计算风矢量的方式，能够在保持数据质量的同时提高有效数据取得率。另外，在风矢量的计算中需要多个视线方向风速值，但是，以往在由于激光被遮挡而无法得到所需数量的视线方向风速值的情况下，在风矢量的计算中使用的有效数据取得率减小。
图1是示出本发明的实施方式1的风测定系统的一个结构例的结构图。本风测定系统具有激光雷达装置1a～1n和数据处理装置2。
图2是示出本发明的实施方式1的激光雷达装置的一个结构例的结构图。本激光雷达装置1a具有光振荡器1001、光耦合器1002、光调制器1003、光环行器1004、扫描仪1005、光学系统1006、合波耦合器1007、光接收器1008、A/D转换器(Analog to Digital Converter：模拟数字转换器)1009、信号处理器1010、角度/位置传感器1011、数据通信部1012以及时刻取得部1013。
光振荡器1001具有振荡出激光的功能，是向光耦合器1002输出激光的光振荡器。其它设备通过熔接或光连接器而与光耦合器连接。另外，在以下的光连接方法中基于光纤进行记载，但在连接方法中也可以不使用光纤而设为空间传播型。例如，光振荡器1001使用半导体激光器。
光耦合器1002是如下的分配器：为了在后级的光接收器中进行外差检波，将光振荡器1001输出的光以任意分支比分配成本地光(光接收器方向的光)和发送光(光调制器方向的光)。
光调制器1003是对光耦合器1002输出的激光进行光频率调制和光强度调制的光学设备。例如，光调制器1003使用AO移频器。在本结构中，以脉冲型的激光雷达装置为前提进行记载，但是，也可以使用CW(Continuouswave：连续波)方式。另外，在输出光不足的情况下，也可以在AO(Acousto-Optic-Effect：声光效应)移频器的后级追加光放大器。
光环行器1004是分离由光调制器1003进行频率调制后的发送光与经由扫描仪1005和光学系统1006而得到的接收光的光环行器。发送方向与光学系统1006连接，接收方向通过熔接或光连接器而与合波耦合器1007连接。
扫描仪1005是由楔形棱镜及使该楔形棱镜旋转的电机和编码器构成，向信号处理器1010输出角度信息并以任意速度旋转的扫描仪。例如，扫描仪1005的电机使用带编码器的步进电机。除了上述扫描仪结构以外，也可以是如下的结构：用光开关切换光路，通过与各个光路具有不同的视线方向的光学系统连接，得到多视线方向的风速值。在这种情况下，例如，光开关使用在通信中也可使用的机械光开关或MEMS(Micro-Electro-Mechcal-Systems：微机电系统)光开关等。
光学系统1006是将扫描仪1005输出的发送光发送到大气中并接收来自气溶胶的散射光作为接收光的光学系统。例如，光学系统1006使用光学望远镜。
合波耦合器1007是对光耦合器1002输出的本地光和光环行器1004输出的接收光进行合波的合波耦合器。合波耦合器1007使用熔融型、过滤器型中的任意耦合器。
光接收器1008是对合波耦合器1007合波后的光进行外差检波的光接收器。例如，光接收器1008使用平衡接收器。
A/D转换器1009是将光接收器1008进行外差检波并输出的模拟电信号与光调制器1003输出的激光脉冲触发信号同步地转换成数字的转换器。
图3是示出本发明的实施方式1的信号处理器1010的一个结构例的结构图。
信号处理器1010具有范围区间分割器101、FFT(Fast Fourier Transform：快速傅里叶变换)处理器102、累计处理器103、视线方向风速计算器104以及扫描仪控制器105。
例如，信号处理器1010由FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit：面向特定用途的集成电路)、微型计算机等构成。范围区间分割器101、FFT(Fast Fourier Transform：快速傅里叶变换)处理器102、累计处理器103、视线方向风速计算器104以及扫描仪控制器105可以由FPGA或ASIC的逻辑电路构成，也可以将各自的功能作为软件来执行。
范围区间分割器101是进行按照每个规定的时间范围(范围区间)划分A/D转换器1009输出的数字的接收信号的处理，将按照每个范围区间划分出的接收信号输出到FFT处理器102的范围区间分割器。
FFT处理单元102是对范围区间分割器101输出的各范围区间的接收信号进行傅里叶变换，并将变换成谱的信号输出到累计处理器103的FFT处理器。
累计处理器103是按照每个范围区间累计FFT处理器102输出的谱信号，并将累计出的谱输出到视线方向风速计算器104的累计处理器。
视线方向风速计算器104根据累计处理器103累计出的谱，计算多普勒风速值即视线方向风速值，将通知计算已结束的电信号输出到时刻取得部、角度/位置传感器和扫描仪控制器，并且将计算出的视线方向风速值输出到数据通信部1012。
扫描仪控制器105是接收视线方向风速计算器104的计算处理结束的电信号，将用于视线方向切换的角度信息发送给扫描仪1005，并且将表示激光照射角度的扫描仪的角度信息发送给数据通信部1012的扫描仪控制器。
角度/位置传感器1011是接收视线方向风速计算器104的计算结束的电信号，并输出此时的激光雷达装置的姿势角度信息和位置信息的传感器。例如，角度/位置传感器1011由陀螺传感器和GPS(Global Positioning System：全球定位系统)模块构成。
数据通信部1012是发送视线方向风速计算器104输出的视线方向风速值、角度/位置传感器1011输出的姿势角度信息、扫描仪控制器105输出的扫描仪1005的角度信息以及时刻取得部1013输出的时刻信息的数据通信部。例如，数据通信单元1012由有线或无线LAN(Local Area Network：局域网)设备、蓝牙(注册商标)、USB(Universal-Serial-Bus：通用串行总线)等通信设备构成。
时刻取得部1013是针对视线方向风速计算器104输出的计算处理结束的信号向数据通信部1012输出时刻的时刻取得部。例如，时刻取得部1013使用GPS接收器。
如图1所示，数据处理装置2具有数据通信装置201、CPU(Central ProcessingUnit：中央处理单元)202、存储器203以及存储装置204。
数据通信装置201是从激光雷达装置1a～1n接收视线方向风速值及其SNR(Signalto Noise Ratio：信噪比)、激光雷达装置的姿态角度信息和位置信息、扫描仪的角度信息以及时刻信息的数据接收装置。另外，数据通信装置201与风车控制装置连接，输出有请求的位置的风矢量信息。例如，数据通信装置201使用有线或无线LAN设备、蓝牙、USB等通信设备。
CPU202是执行存储器203中保存的程序的处理器。
存储器203是保存由CPU202执行的程序的存储器。存储器203存储有坐标转换部2030、数据提取部2031以及风矢量运算部2032。坐标转换部2030、数据提取部2031以及风矢量运算部2032是程序，由CPU202执行。
存储装置204是将CPU202处理后的数据作为数据库进行保存的存储装置。存储装置204保存视线方向风速值、该视线方向风速值的SNR、激光的照射角度、姿势角度信息(取得的激光雷达装置的姿势角度)、计测位置(取得的激光雷达装置的位置)以及取得时刻。视线方向风速值是以东西南北这样的地球坐标系保存的。例如，存储装置204使用RAM(RandomAccess Memory：随机存取存储器)、硬盘等。
接着，对本发明的实施方式1的风测定系统的动作进行说明。首先，说明激光雷达装置1a的动作，接着说明数据处理装置2的动作。
光振荡器1001向光耦合器1002输出激光。
光耦合器1002将为了在光接收器1008中进行外差检波而从光振荡器1001输出的光以任意分支比分配成本地光和发送光。该分支比是由系统设计决定的。在用于系统设计的线路计算中，例如使用以下公式。
【公式1】
Figure GDA0002064937600000061
β、K、S0分别表示后向散射系数(m-1sr-1)、大气透射率以及散射光的相干直径(m)，表示示出在系统中不能控制的大气条件的参数。D(m)、F(m)、N(次)分别表示波束直径、聚光距离、脉宽以及非相干累计次数，表示在系统内可变更的参数。另外，h、λ、P、ηF、B分别表示普朗克常数(Js)、波长(m)、发送光脉冲能量(J)、Far Field的发送接收效率以及接收带宽(Hz)，Ac表示用于置换成相关性相对于被光天线遮挡的高斯波束(NGB：Narest GaussianBeam)较高的衍射极限的高斯波束的近似系数，L表示观测距离(m)。
光调制器1003对光耦合器1002输出的发送光进行光频率调制和光强度调制，将调制后的发送光输出到光环行器1004。另外，光调制器1003确定要发送的激光的脉宽、重复频率(PRF)。脉宽也相当于距离分辨率，因此，可以在信号处理器1010中设定相当于期望的距离分辨率值的脉宽，也可以输出在设计时设定的固定的脉宽、PRF。
光环行器1004具有分离发送光和接收光的功能，将光调制器1003调制后的发送光输出到扫描仪1005，将作为接收光的来自大气气溶胶的散射光输出到合波耦合器1007。
扫描仪1005接收从信号处理器1010输出的控制信号，使楔形棱镜旋转，任意地变更光学系统1006射出的光的方向。另外，将相当于编码器信息的电信号输出到信号处理器1010，传递角度信息。
光学系统1006对扫描仪1005输出的发送光进行准直并输出到大气中，接收气溶胶相对于发送光散射的光作为接收光。光学系统1006将接收光输出到光环行器1004。另外，光学系统1006也可以具有聚光调整功能。
合波耦合器1007对光耦合器1002输出的本地光和光环行器1004输出的接收光进行合波，将合波后的光输出到光接收器1008。
光接收器1008对合成耦合器输出的光进行光电转换，通过外差检波进行接收光的频率解调，将该电信号输出到A/D转换器1009。
A/D转换器1009与在光调制器1003中产生的脉冲触发信号同步地以采样频率fs进行A/D转换，将数字信号输出到信号处理器1010。
图4是说明本发明的实施方式1的范围区间分割器101分割的范围区间的说明图。
范围区间分割器101以任意的时间宽度划分A/D转换器1009输出的数字信号。这意味着以任意的时间宽度划分来自各距离的接收光。由于时间与距离对应，因此，在下文中，将划分时间而成的区间即划分距离而成的区间称为范围区间。该范围区间分割器101将接收波形划分成任意个数的范围区间，将与其相当的电压值输出到FFT处理单元102。例如，在将距离分辨率Rres设定为30m的情况下，能够设定成划分A/D转换后的时间波形的时间宽度t＝2Rres/c(c：光速)。因此，在总范围区间数为M个的情况下，在各范围区间内划分的时间是用于开始A/D的触发，这里，以来自光调制器1003的触发信号定时为基准表示，则是以下公式。其中，这里以等时间间隔进行范围区间分割，但不限于此，也可以由用户决定相当于Tstart的观测开始距离，也可以按照每个范围区间设定相当于Tstart的观测开始距离，还可以使Tstart和Tend的范围重叠。
【公式2】
Figure GDA0002064937600000081
【公式3】
Figure GDA0002064937600000082
【公式4】
Figure GDA0002064937600000083
Tstart表示各范围区间的数据取得开始时间，Tend表示各范围区间的数据取得结束时间，m表示范围区间的编号并且具有1～M的值。Rmin是调整用的值，是用于指定观测最小距离的参数。
FFT处理器102对范围区间分割器101输出的各范围区间的时间波形进行快速傅里叶变换，得到相对于各范围区间的接收信号的谱。
图5是示出本发明的实施方式1的累计处理器103的累计处理的概念图。
累计处理器103按照每个范围区间进行由用户指定的次数的累计处理。对在各发(shot)中得到的谱进行非相干累计。针对各范围区间的谱数据，通过以下公式进行累计处理。
【公式5】
Figure GDA0002064937600000084
SPC是谱数据，i是频率区的编号，即表示在按频率顺序排列的数据中是第几个数据的编号，i是发的编号，R是范围区间的编号。
视线方向风速计算器104根据累计出的谱计算该视线方向的多普勒频率即视线方向风速值，将计算出的风速值及其SNR输出到数据通信部1012。在多普勒频率的导出中，除了基于谱的峰值检测的检测以外，也可以使用重心运算。基于重心运算的多普勒频率fd的计算由以下公式表示。这里，S(f)是相对于某个范围区间(R)的接收信号的谱，S(f)＝S(i，R)。f是与各频率区间的编号(i)对应的频率。通过以频率f对接收谱进行加权，能够计算重心点，能够实现频率分辨率以上的风速值导出。
【公式6】
Figure GDA0002064937600000091
另外，视线方向风速计算器104在该计算结束后，将表示计算结束的电信号输出到角度/位置传感器1011、扫描仪控制器105以及时刻取得部1013。这里设为计算结束后，但也可以是计算开始前或上级的累计处理器103中的累计处理开始时。或者，也可以将在累计中的时间段内得到的角度/位置的平均值发送到数据处理装置2，但不限于此。
扫描仪控制器105为了切换发送光的视线方向，生成控制扫描仪1005的角度的控制信号。另外，扫描仪控制器105在接收到视线方向风速计算器104输出的计算结束的信号时，为了计算该视线方向风速值，将照射激光时的扫描仪1005的角度发送到数据通信部1012。
扫描仪1005根据扫描仪控制器105的控制信号驱动扫描仪的步进电机，使其进行期望的步进动作，从而改变镜(或者也可以是楔形棱镜)的角度。另外，将搭载的编码器的角度信号发送到扫描仪控制器105，扫描仪控制器105保持动作后的角度信息。该角度相当于后述的理想角度
Figure GDA0002064937600000092
等。
图6是表示本发明的实施方式1的扫描仪1005控制的激光的展开角度的概念图。如图6所示，该角度为单侧角度θ且相对于地面沿水平方向照射激光。
Figure GDA0002064937600000093
表示各2条激光的展开角度。在扫描仪控制器105中，向扫描仪1005输出将该激光切换成左、右、左的控制信号。
角度/位置传感器1011在接收到视线方向风速计算器104输出的计算结束的信号时，将接收时的激光雷达装置的角度和位置输出到数据通信部1012。另外，在角度/位置传感器1011中，角度传感器使用陀螺传感器等以6轴自由度摆动而可得到并进的传感器或可得到仰角EL、自北起的方位角AZ、东西南北铅直并进的传感器。位置传感器使用GPS等能够知道纬度经度的传感器或可得到UTM坐标系的传感器。
时刻取得部1013在接收到视线方向风速计算器104输出的计算结束的信号时，从GPS卫星取得时刻，将接收时的时刻输出到数据通信部1012。另外，时刻取得部1013使用GPS传感器，但只要能够进行时刻同步即可，也可以使用NTP(网络时间协议)。
数据通信部1012将上述视线方向风速值、与其相关的时刻和SNR、激光雷达装置的姿势角度、激光雷达装置的位置以及激光的照射角度发送到数据处理装置2。发送方法可以是光缆等的有线方法，也可以是蓝牙、wifi等的无线方法中的任意方法。
接着，对数据处理装置2的动作进行说明。
图7是示出本发明的实施方式1的数据处理装置2的动作流程的流程图。
在步骤S101中，数据处理装置2内的数据通信装置201接收激光雷达装置1a的数据通信部1012发送的信息。另外，数据通信装置201是与上述激光雷达装置1a内的数据通信部1012成对的装置，例如，在使用蓝牙的情况下，数据通信装置201也同样使用蓝牙。
在步骤S102中，CPU202调用并执行存储器203内存储的坐标转换部2030。坐标转换单元2030判定与视线方向风速值相关的SNR是否在阈值Ts以上。在Ts以上的情况下，通过“是”的分支进入步骤S103。在小于Ts的情况下，通过“否”的分支进入END，不保存该阈值以下的数据。
在步骤S103中，坐标转换部2030进行以下的计算，转换数据的坐标。在接收到的数据中各范围区间的视线方向的观测中心距离值Ds由以下公式表示。
【公式7】
Ds(m)＝(m-1)×Rres+(Rres/2+Rmin)…(7)
以激光雷达装置1a为基准的各观测点的坐标(XL，XL，ZL)由以下公式进行表示。在以下公式中，0°＜AZ＜180°。
【公式8】
Figure GDA0002064937600000101
【公式9】
Figure GDA0002064937600000102
【公式10】
ZL＝Ds(m)×sin(EL)…(10)
在此，XL、YL、ZL表示相对于激光雷达装置1a的朝向的左右方向、前后方向、铅垂方向，H是激光雷达装置1a相对于地面的高度，AZ是由角度/位置传感器1011得到的激光雷达装置1a的方位角，EL是激光雷达装置1a的仰角。
Figure GDA0002064937600000111
是激光照射角度。
设设置激光雷达装置1a～1n的风电场的东西南北铅直的UTM(UniversalTransverse Mercator：通用横轴墨卡托投影)坐标为(Xuw，Yuw，Zuw)，设从角度/位置传感器1011得到的激光雷达装置1a的UTM坐标为(Xul，Yul，Zul)，则各范围区间的测定位置(X，Y，Z)由以下公式表示。
【公式11】
X(m，t，AZ，EL，l)＝Xul-Xuw+XL…(11)
【公式12】
Y(m，t，AZ，EL，l)＝Yul-Yuw+YL…(12)
【公式13】
Z(m，t，AZ，EL，l)＝Zul-Zu+ZL…(13)
这里，l表示激光雷达装置的编号。在风车的机舱没有晃动成分的情况下，基本上EL＝0，但通过添加项，也可以进行基于机舱晃动的角度校正。
坐标转换部2030进行上述计算，将各范围区间的视线方向风速值v(t，AZ，EL)与测定地点X、Y、Z相关联地保存到存储装置204。由此，在存储装置204中，作为数据库保存与时间t、测定地点X、Y、Z对应的视线方向风速值v。这里，视线方向风速值v是方向由方位角AZ、仰角EL表示的矢量。
如下文中说明的那样，为了计算二维的风矢量，需要2个视线方向风速值，必须对它们进行矢量合成。因此，除了在步骤S101中接收到的视线方向风速值之外，至少还需要另一个数据。数据提取部2031搜索适于计算风矢量的数据。
在步骤S104中，数据提取部2031通过发送了在步骤S101中接收到的数据的激光雷达装置，检查是否存在满足期望的SNR且在紧前的激光射出中取得的视线方向风速值。这是因为，为了计算风矢量，在激光雷达装置1a的激光未被风车的叶片等切断的情况下，如以往那样只通过自身的数据进行风矢量计算。在不存在的情况下，通过“否”的分支进入步骤S105。在存在的情况下，通过“是”的分支进入步骤S112。对以下的“否”的分支进行说明。
在步骤S105中，数据提取部2031针对在步骤S101中接收到的数据，提取存储装置204中保存的数据中的Tu(sec)以内的数据。另外，Tu可以使用用户决定的值，在过去测定到的湍流强度(TI：Turbulence Intensity＝水平方向风速值的标准偏差÷平均风速值)为任意值以下的情况下也可以给出条件式，如设风速场(风的流动)相同等。
在步骤S106中，数据提取部2031从在步骤S105中提取出的数据中，提取针对在步骤S101中接收到的数据测定到的距离在D(m)以内的数据。这里，
Figure GDA0002064937600000121
Figure GDA0002064937600000122
另外，如上所示，可以作为2个地点的三维的绝对距离进行阈值处理，也可以对X、Y、Z各自的方向设置阈值。
图8是示出本发明的实施方式1的风电场内的多台风车的机舱中搭载有激光雷达装置的环境的概念图。在本实施方式中，设想图8所示的环境。在图8中，“关注机舱”表示搭载有作为最新取得的视线方向风速值的输出源的激光雷达装置的机舱。实线箭头表示相对于关注机舱的激光雷达装置测定到的视线方向风速值的时刻在X(sec)前的视线方向风速值，虚线是Y(sec)前的视线方向风速值。在步骤S106中，提取由从关注机舱起位于D(m)以内的激光雷达装置测定到的数据。
在步骤S107中，数据提取部2031从在步骤S106中提取出的数据中，提取相对于在步骤S101中接收到的数据，视线方向风速值的角度在X-Y平面上比任意角度δ大的数据。可以将激光雷达装置原来的射出角度即
Figure GDA0002064937600000123
作为阈值，进而也可以鉴于机舱的横摆运动设为
Figure GDA0002064937600000124
且使其具有似然性。
理想的是，在完全相同的时刻测定同一点，所成的角度越是90deg，风矢量的测定精度越高。但是，在现实中会发生其差异，时间越久，空间越远，风矢量越发生变化，因此，设置步骤S105～S107中所示的阈值。各个阈值可以根据湍流强度实时地设定，也可以由用户提供经验性的值。例如，在风速的高度变化比风速的水平变化显著变动的情况下，通过在高度方向上设置严格的值且在水平方向上设置平缓的阈值，能够确保可使用的数据并且保证风矢量的精度。
在步骤S108中，数据提取部2031判别满足步骤S105～S107的条件的数据数是否存在2个以上。在存在2个以上的情况下，通过“是”的分支进入步骤S109。在小于2个的情况下，通过“否”的分支进入步骤S110。
在步骤S109中，数据提取部2031从在步骤S107之前的处理中提取出的数据中，提取距离与在步骤S101中接收到的数据最近的数据。这是考虑到降低处理成本，并且鉴于空间一致性与精度最直接相关的可能性。但是，也可以设距离为时间，还可以设距离为角度。另外，也可以设置多个条件，如距离最近、最无时间差、角度差最接近90deg。
在步骤S110中，风矢量运算部2032使用在步骤S101中接收到的数据以及在步骤S109中提取出的数据或在后述的步骤S112中提取出的数据，通过矢量合成或VAD(VelocityAzimuth Display：速度方位角显示)法计算风矢量，将计算出的风矢量发送给数据通信装置201。在根据2个视线方向风速值数据计算风矢量的情况下，视线方向风速值v使用东西方向的水平方向风速值U、南北方向的水平方向风速值V、仰角θ以及以北为基准的方位角
Figure GDA0002064937600000133
通过以下公式表示，因此，通过解由2个视线方向风速值构成的联立方程式，能够计算水平方向风速值U和水平方向风速值V。由此，得到二维的风矢量。存储装置204保存已得到的风矢量。
【公式14】
Figure GDA0002064937600000131
其中，在该情况下，成为由2个视线方向风速值的矢量构成的平面上的风速值，因此，在并非EL＝0的情况下，不会成为水平方向风速值且具有误差，因此，为了提高精度，优选使用3个视线以上的视线方向风速值计算风向风速。
在根据3个视线方向风速值数据计算风矢量的情况下，视线方向风速值v由以下公式表示，因此，与2个视线方向风速值的情况相同，通过解联立方程式，能够计算水平方向风速值U、水平方向风速值V以及垂直方向的风速值W。由此，得到三维的风矢量。
【公式15】
Figure GDA0002064937600000132
在步骤S111中，数据通信装置201将计算出的风矢量发送给发送了在步骤S101中接收到的数据的激光雷达装置1a，结束流程。
另一方面，在步骤S112中，数据提取部2031从存储装置204中保存的数据中，提取发送了在步骤S101中接收到的数据的激光雷达装置上次取得的数据。如以上说明的那样，提取出的数据在步骤S110中用于计算风矢量。
激光雷达装置1a将从数据处理装置2得到的风矢量输出到风车控制装置或自身的显示器。在输出到风车控制装置时，能够基于风矢量进行风车的偏航控制或俯仰控制等控制，能够有助于风力发电量的提高。
这里，说明了从激光雷达装置向风车控制装置输出风矢量的情况，但也可以从数据处理装置2直接输出到风车控制装置。另外，作为存储装置204，也可以使用存储器203。
另外，在以2个视线计算风矢量的情况下，在步骤S102中，除了针对SNR的阈值以外，也可以加上针对EL的阈值Te。为了检测到来风进行风车的控制而使风力发电量最大化，最重要的是水平方向的风速值。因此，输出非水平截面的风速值反而有可能使风力发电量下降。因此，具有通过设定针对EL的阈值能够解决本问题的效果。
另外，在本实施方式中，为了便于说明，设照射的激光的条数为水平面的2条，但也可以增加照射条数，在上下方向上照射。在该情况下，不仅能够得到机舱中央的风矢量，而且能够得到上下方向的三维风矢量，因此，能够实现风力发电效率更高的风车控制。
由上可知，根据本发明的实施方式1，不仅使用自身的视线方向风速值，而且使用由其他激光雷达装置测定到的视线方向风速值计算风矢量，因此，具有提高以往由于激光被风车的叶片等遮挡物遮挡而降低的有效数据取得率的效果。另外，在单一的激光雷达装置中需要切换波束的时间，但根据本方式，还可以使用在同一时刻取得的视线方向风速值计算风矢量。由此，具有提高风速测定精度的效果。
实施方式2
在本实施方式中，相对于由数据处理装置计算风矢量的实施方式1，采用从激光雷达装置向数据处理装置进行视线方向风速值的请求，由激光雷达装置计算风矢量的方式，由此，减轻数据处理装置的负荷，减少风矢量计算时间。
图9是示出本发明的实施方式2的风测定系统的一个结构例的结构图。
在图9中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分。
本风测定系统具有激光雷达装置11a～11n、数据处理装置20和风车控制装置3a～3n。与实施方式1的激光雷达装置1a～1n相比，激光雷达装置11a～11n的信号处理器的部分不同。在激光雷达装置11a～11n中，采用后述的信号处理器1110以代替实施方式1的信号处理器1010。与实施方式1的数据处理装置2相比，数据处理装置20的不同点在于，不存在计算风矢量的风矢量运算部2032。
风车控制装置3a是进行风车的偏航控制或俯仰控制等控制的控制装置。例如，风车控制装置3a使用PC(Personal Computer：个人计算机)或微型计算机。
图10是示出本发明的实施方式2的信号处理器1110的一个结构例的结构图。在图10中，与图3相同的标号表示相同或相当的部分。
信号处理器1110具有范围区间分割器101、FFT处理器102、累计处理器103、视线方向风速计算器104、扫描仪控制器105以及风矢量运算器106。
风矢量运算器106是使用视线方向风速计算器104输出的视线方向风速值数据和从数据通信部1012得到的视线方向风速值数据进行风矢量的运算，将运算出的风矢量输出到扫描仪控制器105和数据通信部1012的运算器。例如，风矢量运算器106由FPGA、ASIC、微型计算机等构成。
接着，对本发明的实施方式2的风测定系统的动作进行说明。
激光雷达装置11a的信号处理器1110以外的动作与实施方式1相同，因此省略说明。另外，在信号处理器1110中，范围区间分割器101、FFT处理器102、累计处理器103、视线方向风速计算器104以及扫描仪控制器105的动作与实施方式1相同，因此省略说明。
风矢量运算器106经由数据通信部1012，将从视线方向风速计算器104输出的视线方向风速值输出到数据处理装置20。另外，风矢量运算器106从数据处理装置20接收上述视线方向风速值以及用于合成风矢量的视线方向风速值。
在该情况下，从数据通信部1012接收数据的数据处理装置20的动作与在图7中去除步骤S110后的流程相同。在数据处理装置20中，坐标转换部2030保存数据，数据提取部2031对照数据并将其结果发送给激光雷达装置11a。
风矢量运算器106利用在图7的步骤S110中说明的方法，对视线方向风速计算器104输出的视线方向风速值和数据处理装置20输出的视线方向风速值进行矢量合成，计算风矢量。风矢量运算器106将计算出的风矢量输出到扫描仪控制器105和数据通信部1012。
数据通信部1012将该风矢量输出到风车控制装置3a。风车控制装置3a基于风矢量的信息进行风车的控制。
另外，这里采用了使数据处理装置20具有数据提取部2031的结构，但也可以使激光雷达装置11a具有数据提取部2031。在该情况下，数据处理装置20的坐标转换部2030保存数据，根据激光雷达装置11a的请求发送数据，由激光雷达装置11a进行数据的对照。
由上可知，根据本发明的实施方式2，与实施方式1相比，由激光雷达装置运算风矢量，因此，与数据处理装置进行全部激光雷达装置的风矢量运算相比，能够降低运算负荷。由此，能够分散计算机成本，因此，能够更快地将风向风速信息传递给风车控制装置，因此，能够实现更加实时的风车控制。
实施方式3
在本实施方式中，说明仅由激光雷达装置构成风测定系统，激光雷达装置相互交换数据的方式。由此，不需要数据处理装置，能够减少装置结构。
图11是示出本发明的实施方式3的风测定系统的一个结构例的结构图。在图11中，与图9相同的标号表示相同或相当的部分。与实施方式2的激光雷达装置11a～11n相比，激光雷达装置12a～12n的信号处理器的部分不同。在激光雷达装置12a～12n中，使用后述的信号处理器1210以代替实施方式2的信号处理器1110。
图12是示出本发明的实施方式3的信号处理器1210的一个结构例的结构图。在图12中，与图10相同的标号表示相同或相当的部分。
信号处理器1210具有范围区间分割器101、FFT处理器102、累计处理器103、视线方向风速计算器104、扫描仪控制器105、风矢量计算器106以及数据保存器107。
数据保存器107是保存视线方向风速计算器104输出的视线方向风速值和经由数据通信部1012从其他激光雷达装置得到的视线方向风速值的数据保存器。例如，数据保存器107由FPGA、ASIC、微型计算机等构成。
接着，对本发明的实施方式3的风测定系统的动作进行说明。
激光雷达装置12a的信号处理器1210以外的动作与实施方式1相同，因此省略说明。另外，在信号处理器1210中，范围区间分割器101、FFT处理器102、累计处理器103、视线方向风速计算器104以及扫描仪控制器105的动作与实施方式1相同。
数据保存器107在接收到视线方向风速计算器104输出的视线方向数据时，经由数据通信部1012而与存在于周边距离半径D(m)以内的激光雷达装置进行通信，得到由其他激光雷达装置取得的视线方向风速值。然后，数据保存器107将视线方向风速计算器104输出的视线方向风速值数据和从其他激光雷达装置得到的视线方向风速值数据输出到风矢量运算器106。
这里，D(m)可以由用户任意设定，也可以设定成最近得到的自身的视线方向风速值的最大距离。在这种情况下，D(m)为可变值。这里，最大距离是指与自身取得的视线方向风速值相关的SNR为规定值以上的最大距离。由于大气的尘埃量实时地变化，因此，通过采用上述方法使D(m)可变，能够没有遗漏地以最小的数据库提高有效数据率。另外，必须统一为了风矢量运算器106中的计算而提取出的视线方向风速值的坐标系，因此，数据保存器107具有实施方式1记载的坐标转换部2030的功能。另外，由于存在得到比期望的条数多且距离范围D以内的视线数据的情况，因此，数据保存器107具有实施方式1记载的数据提取部2031的功能。
风矢量运算器106的动作与实施方式2相同，因此省略说明。
由上可知，根据本发明的实施方式3，与实施方式1、2不同，不经由数据处理装置，而是通过采用激光雷达装置相互交换视线方向风速值数据的结构，能够削减数据处理装置。另外，由于与位于自身的激光雷达装置附近的激光雷达装置进行数据通信，因此能够削减通信量，并且能够降低与之相伴的计算机成本。
标号说明
1a～1n、11a～11n、12a～12n：激光雷达装置；2、20：数据处理装置；3a～3n：风车控制装置；1001：光振荡器；1002：光耦合器；1003：光调制器；1004：光环行器；1005：扫描仪；1006：光学系统；1007：合波耦合器；1008：光接收器；1009：A/D转换器；1010、1110、1210：信号处理器；1011：角度/位置传感器；1012：数据通信部；1013：时刻取得部；101：范围区间分割器；102：FFT处理器；103：累计处理器；104：视线方向风速计算器；105：扫描仪控制器；106：风矢量运算器；107：数据保存器；201：数据通信装置；202：CPU；203：存储器；204：存储装置；2030：坐标转换部；2031：数据提取部；2032：风矢量运算部。

Claims (7)

1.一种数据处理装置，其特征在于，该数据处理装置具有：
数据通信装置，其与多个激光雷达装置进行通信，从所述多个激光雷达装置分别取得视线方向风速值、激光射出角度、姿势信息、位置信息以及时刻；
存储装置，其保存所述视线方向风速值和所述时刻；
中央处理单元，其执行数据提取部和风矢量运算部，所述数据提取部针对所述数据通信装置从所述多个激光雷达装置中的激光雷达装置新取得的第1视线方向风速值和第1时刻，从所述存储装置中保存的所述视线方向风速值中，提取从该第1时刻起设定时间内测定到的第2视线方向风速值，作为从所述激光雷达装置起规定距离的范围内的视线方向风速值之一，其中所述规定距离被设定成与所述第1视线方向风速值相关的信噪比为阈值以上的最大距离，所述风矢量运算部使用所述数据通信装置新取得的所述第1视线方向风速值和所述数据提取部提取出的所述第2视线方向风速值运算风矢量；以及
存储器，其保存所述数据提取部和所述风矢量运算部。
2.根据权利要求1所述的数据处理装置，其特征在于，
所述数据通信装置新取得的所述第1视线方向风速值和所述数据提取部提取出的所述第2视线方向风速值是由不同的激光雷达装置取得的。
3.根据权利要求2所述的数据处理装置，其特征在于，
所述中央处理单元执行坐标转换部，所述坐标转换部使用所述激光射出角度、所述姿势信息以及所述位置信息，对所述视线方向风速值进行坐标转换，将坐标转换后的所述视线方向风速值保存到所述存储装置，
所述存储器保存所述坐标转换部。
4.一种风测定系统，其特征在于，该风测定系统具有：
权利要求1所述的数据处理装置；以及
激光雷达装置，其向大气中照射激光，取得激光照射方向的视线方向风速值，将取得的所述视线方向风速值发送给所述数据处理装置，从所述数据处理装置接收所述风矢量。
5.根据权利要求4所述的风测定系统，其特征在于，
所述数据通信装置新取得的所述第1视线方向风速值和所述数据提取部提取出的所述第2视线方向风速值是由不同的激光雷达装置取得的。
6.根据权利要求5所述的风测定系统，其特征在于，
在所述数据处理装置中，所述中央处理单元执行坐标转换部，所述坐标转换部使用所述激光射出角度、所述姿势信息以及所述位置信息，对所述视线方向风速值进行坐标转换，将坐标转换后的所述视线方向风速值保存到所述存储装置，
所述存储器保存所述坐标转换部。
7.一种激光雷达装置，其特征在于，该激光雷达装置具有：
光振荡器，其输出激光；
光调制器，其对所述光振荡器输出的所述激光进行调制；
光学系统，其输出所述光调制器调制后的所述激光作为发送光，接收在所述发送光的输出目的地处由对象物反射的反射光作为接收光；
视线方向风速计算器，其根据所述光振荡器输出的所述激光和所述光学系统接收到的所述接收光计算第1视线方向风速值；
数据通信部，其与存在于从该激光雷达装置起周边距离半径以内的其他激光雷达装置进行通信；以及
风矢量运算器，其使用所述第1视线方向风速值和经由所述数据通信部从所述其他激光雷达装置取得的第2视线方向风速值，计算风矢量，
测定到所述第1视线方向风速值的位置与取得了所述第2视线方向风速值的位置在设定距离的范围内，
所述设定距离被设定成与所述第1视线方向风速值相关的信噪比为阈值以上的最大距离。
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