CN113631958A - 测风激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

现有方法中，到来风速、切变、风向等到来风的信息的预测精度较低。本发明的测风激光雷达装置(1B)搭载于风车(2)，在针对风车(2)的正面方向而确定的多个光束方向上将脉冲的激光即发送光发送到大气中，并根据发送光被与大气一起移动的粒子所反射而得的反射光相对于发送光的多普勒频移来测量各光束方向上的相距风车的多个距离处的风速。包括：频谱累计部(12c、12e)，其求出累计频谱，该累计频谱通过按照每个光束方向和时间区间的组合即风速测量区间对从上次计算出风速后被发送的多个所述脉冲中的分割接收信号得到的频谱进行累计而得到；风速计算部(12h)，其针对SN比在第1阈值以上的累计频谱，在每个风速测量区间中计算风速；以及到来风信息预测部(16)，其基于每个风速测量区间的风速来预测作为到达风车(2)的风的到来风的信息即到来风信息。

Description

测风激光雷达装置
技术领域
本公开涉及对大气中的风速进行测量的测风激光雷达装置。
背景技术
以往，已知有对风进行测量的测风激光雷达(LIght Detection And Ranging：Lidar)装置(例如，参照对比文献1、2和非专利文献1)。测风激光雷达装置将激光发送到大气中，并对接收到被大气中的悬浮微粒散射而返回的光后得到的接收光进行相干检测来生成接收信号。对接收信号的频谱进行分析，来求出发送光与接收光之间的多普勒频移。多普勒频移表示悬浮微粒的移动速度(风速)在激光的发送方向上的分量(视线方向分量)、即多普勒风速(视线方向风速)。测风激光雷达装置以这种方式来测定多普勒风速。
测风激光雷达装置中，能测量的距离根据大气条件的变化而增减。例如，在大气中的悬浮微粒较少的情况下，被散射并由激光雷达装置接收的光的功率减小，接收信号的SN比(信噪比)降低。随着接收信号的SN比的降低，激光雷达装置的可测量距离降低。专利文献1中，分析接收信号，并基于分析结果来控制测风激光雷达装置。专利文献1中，接收信号的频谱累计次数可变，接收信号的频谱累计次数基于接收信号的SN比而增减。
在搭载于风车的机舱、对来到风车的风的速度进行测量的测风激光雷达装置中，发送光或接收光被风车的叶片所遮挡，产生无法得到有效的频谱的期间。提出了根据接收信号的波形来判断有无叶片的遮挡、并在被遮挡的情况下不对频谱进行累计的测风激光雷达装置(例如，参照专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：EP2884306B1
专利文献2：EP1589678B1
专利文献3：国际公开第2017/130315号
非专利文献
非专利文献1：T.Ando et al.,“All-fiber coherent Doppler technologies atMitsubishi Electric Corporation(三菱电机有限公司的全光纤相干多普勒技术),”IOPConference Series:Earth and Environmental Science,Volume 1,2008.
非专利文献2：D.Schlipf et al.,“Field Testing of Feedforward CollectivePitch Control on the CART2 Using a Nacelle-Based Lidar Scanner(使用基于机舱的激光雷达扫描仪在CART2上进行前馈集体俯仰控制的现场试验),”Journal of PhysicsScience Series(物理科学丛刊)555,012090,2014.
非专利文献3：IEC 61400-12-1，Edition(版本)2.0,2017.
发明内容
发明所要解决的技术问题
专利文献1所公开的控制方中，在多个方向上测量多个距离的风速的情况下，存在问题。为了测量远距离的风速，需要使接收信号的频谱的累计次数增多，近距离的风速的测量速率降低。若在得到近距离测量所需的SN比的时间点切换测量风速的方向，则在远距离时不同方向上的频谱的被累计，远距离时的风速的测量精度降低。
在预测到来风速的情况下，若远距离的风速的测量精度较低，则到来风速的预测精度降低。在预测切变(风速的风车正面方向分量的值在高度方向上的变化率)和远距离处的风向的情况下，也存在同样的问题。到来风速、切变、风向等是到达风车的风即到来风的信息。将到来风的信息称为到来风信息。
本公开的目的在于，与以往相比更高精度地预测作为到达风车的风的到来风的信息即到来风信息。
用于解决技术问题的技术手段
本公开所涉及的测风激光雷达装置搭载于风车，在针对风车的正面方向而确定的多个光束方向上将脉冲的激光即发送光发送到大气中，并根据发送光被与大气一起移动的粒子所反射而得的反射光相对于发送光的多普勒频移，来测量光束方向上的相距风车的多个距离处的风速，所述测风激光雷达装置包括：频谱计算部，该频谱计算部对分割接收信号进行傅里叶变换来计算频谱，所述分割接收信号通过在与距离对应地划分出的多个时间区间中对从反射光生成的接收信号进行分割而得到；频谱累计部，该频谱累计部求出累计频谱，所述累计频谱通过按照每个光束方向和时间区间的组合即风速测量区间对从上次计算出所述风速后被发送的多个脉冲下的分割接收信号得到的频谱的至少一部分进行累计而得到；SN比计算部，该SN比计算部计算累计频谱的SN比；风速计算部，该风速计算部针对SN比在第1阈值以上的累计频谱，在每个风速测量区间中计算风速；以及到来风信息预测部，该到来风信息预测部基于每个风速测量区间的风速来预测作为到达风车的风的到来风的信息即到来风信息。
发明效果
根据本公开，与以往相比能更高精度地预测作为到达风车的风的到来风的信息即到来风信息。
附图说明
图1是说明实施方式1所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。
图2是将测风激光雷达装置搭载于风车、并在多个光束方向上收发激光来测量风车的前方的风速时的示意图。
图3是说明实施方式1所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。
图4是说明实施方式1所涉及的测风激光雷达装置的光收发动作的流程图。
图5是说明实施方式1所涉及的测风激光雷达装置的变形例的结构的示意图。
图6是说明实施方式2所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。
图7是说明实施方式3所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。
图8是示出在实施方式4所涉及的测风激光雷达装置中测量风速的距离的示意图。
图9是说明实施方式4所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。
图10是说明实施方式5所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。
图11是说明实施方式5所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。
图12是说明实施方式6所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。
图13是说明实施方式6所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。
图14是说明实施方式7所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。
图15是说明实施方式7所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。
图16是说明实施方式8所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。
图17是说明实施方式8所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。
图18是说明实施方式9所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。
图19是说明实施方式9所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。
图20是说明实施方式10所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。
图21是说明实施方式10所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。
图22是说明实施方式11所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。
图23是说明实施方式11所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。
具体实施方式
实施方式1.
说明实施方式1所涉及的测风激光雷达装置的结构。图1是说明实施方式1所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。测风激光雷达装置1对风车2(图2中图示)的正面方向的前方的风的风速进行测量。测风激光雷达装置1构成为主要具有光源3、光分配器4、脉冲调制器5、光放大器6、光循环器7、光开关8、收发光学系统9a、9b、9c、9d、光合波器10、光接收机11、信号处理部12、控制部13。
测风激光雷达装置1具有4个收发光学系统9a、9b、9c、9d。收发光学系统9a、9b、9c、9d分别在相对于风车2的正面方向所确定的光束方向上进行收发。收发光学系统9a、9b、9c、9d分别在所确定的光束方向上向大气中发射脉冲调制后的发送光，并在光束方向上接收被大气中的悬浮微粒所反射的反射光。悬浮微粒是与大气一起移动的粒子。收发光学系统的个数可以是2个、3个或5个以上。收发光学系统9a、9b、9c、9d分别在不同的光束方向上收发激光。
光源3使由单一频率构成的连续波即激光振荡并输出。光分配器4将光源3输出的激光分配成发送光和本地光。脉冲调制器5对从光分配器4输入的发送光施加调制(脉冲调制)，并给出确定的频移。脉冲调制器5生成后述的相干检波中的中间频率的激光。作为具有这样的功能的脉冲调制器5的一个示例，存在Acousto-Optic Frequency Shifter(声光移频器)。光放大器6对脉冲调制后的发送光进行放大。光循环器7将从光放大器6输入的激光输出到光开关8，并将从光开关8输入的激光输出到光合波器10。另外，在测量比不进行放大就能测量风速的距离要远的地点的风速的情况下，需要光放大器6。在到应当进行测量的距离为止不用光放大器6放大发送光也能测量的情况下，有时测风激光雷达装置1不具备光放大器6。
光开关8选择4个收发光学系统9a、9b、9c、9d中的任一个，切换并输出发送光。光开关8切换收发光学系统9a、9b、9c、9d接收的反射光并输出到光循环器7。光开关8例如通过依次选择收发光学系统9a、9b、9c、9d，从而例如在图2所示的Beam1→Beam2→Beam3→Beam4的光束方向上依次收发激光。在各光束方向上收发激光的顺序不始终相同也无妨。
光合波器10对本地光与接收光(反射光)进行合波。光接收机11对光合波器10合波后的激光进行相干检波。由光接收机11检波且进行了光电转换的信号作为接收信号被发送到信号处理部12。信号处理部12根据接收信号按距离来计算多普勒风速。控制部13对各结构要素进行控制。
光合波器10和光接收机11构成接收检波部，该接收检波部对按每个脉冲得到的反射光和本地光进行合波和检波，并进行光电转换来生成接收信号。
信号处理部12具有时间选通部12a、频谱计算部12b、第1频谱累计部12c、累计频谱保存部12d、第2频谱累计部12e、SN比计算部12f、SN比判定部12g、多普勒风速计算部12h以及保存累计频谱修正部12j。
时间选通部12a将从光接收机11输入的接收信号分割为按时间选通划分后的接收信号。时间选通是对接收信号进行划分的时间的分段。时间选通部12a按照从控制部13输入的触发信号来决定时间选通的定时。触发信号在作为信号光的发送开始的定时等的基准的事件产生的定时产生。时间选通按发送光被发送后的经过时间对接收信号进行划分。因此，由时间选通划分后的接收信号对应于与测风激光雷达装置1之间的距离来划分。将由时间选通划分后的时间的区间称为时间区间。时间区间被划分为使得能按照意图来划分与测风激光雷达装置1(严格来说，收发光学系统)之间的距离。将通过时间区间划分后的距离范围分别称为测量距离范围。将分割为多个时间区间的接收信号称为分割接收信号。1个分割接收信号对应于1个测量距离范围。时间选通部12a是生成分割接收信号的接收信号分割部。
频谱计算部12b分别对通过时间选通划分出的接收信号(分割接收信号)进行傅里叶变换来计算各距离的分割接收信号的频谱。第1频谱累计部12c按照对发送光的脉冲进行发送而得的每个接收信号且按照每个时间区间，对频谱计算部12b所求出的频谱进行累计。将第1频谱累计部12c所累计的频谱称为第1累计频谱。
累计频谱保存部12d保存重复0次以上在同一光束方向上发送多次脉冲而累计的频谱。累计频谱保存部12d具有保存与各光束方向和各距离有关的频谱数据(在测量距离范围数：A、光束数：B的情况下，A×B个频谱数据)的功能。即，累计频谱保存部12d中，逐个保存有与各光束方向、各距离有关的频谱数据。另外，累计频谱保存部12d中所保存的频谱数据是对多个频谱进行累计而得的累计频谱的数据。
累计频谱保存部12d中，按照每个光束方向和时间区间的组合即风速测量区间，来保存对多个分割接收信号的频谱进行累计后的累计频谱。此外，第1频谱累计部12c按照每个风速测量区间对多个频谱进行累计来生成第1累计频谱。第1累计频谱是按照每个风速测量区间对多个频谱进行累计而得的累计频谱。多个累计频谱的每一个通过对风速测量区间中所决定的光束方向和时间区间的多个分割接收信号的每一个进行傅里叶变换来得到。多个分割接收信号是对由在其光束方向上连续发送的多个脉冲所得到的多个接收信号进行分割后得到的分割接收信号。
第2频谱累计部12e将累计频谱保存部12d中所保存的频谱也包含在内来对频谱进行累计。第2频谱累计部12e对第1累计频谱以及累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱进行累计。将累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱称为保存累计频谱。将第2频谱累计部12e所累计的频谱称为第2累计频谱。第2累计频谱是按照每个风速测量区间对多个频谱进行累计而得的累计频谱。第2累计频谱是对保存累计频谱和第1累计频谱进行累计而得的累计频谱。
SN比计算部12f计算第2频谱累计部12e累计后得到的第2累计频谱的SN比。SN比判定部12g判定第2累计频谱的SN比是否在第1阈值以上。多普勒风速计算部12h是下述风速计算部，针对SN比在第1阈值以上的累计频谱，按照每个风速测量区间、根据累计频谱来计算多普勒频移和多普勒风速(简称为风速)。
在图1中，光学设备之间通过光纤相连接。光源3与光分配器4之间、光分配器4与脉冲调制器5和光合波器9之间、脉冲调制器5与光放大器6之间、光放大器6与光循环器7之间、光循环器7与光开关8之间、光开关8与4个收发光学系统9a、9b、9c、9d之间、光循环器7与光合波器10之间、光合波器10与光接收机11之间均通过光纤相连接。图1所示的测风激光雷达装置是具有所谓的光纤型的电路结构的测风激光雷达装置，但不需要特别采用这种结构。
图1中，在装置之间设有电信号线。光接收机11与时间选通部12a之间、控制部13与脉冲调制器5之间、控制部13与光开关8之间、控制部13与时间选通部12a之间、控制部13与累计频谱保存部12d之间、控制部13与SN比判定部12f之间、控制部13与保存累计频谱修正部12j之间分别通过电信号线相连接。光开关8基于来自控制部13的光束选择信号，将发送光输出到收发光学系统9a、9b、9c、9d中的任一个。此外，光开关8基于来自控制部13的光束选择信号，从收发光学系统9a、9b、9c、9d中的任一个接收反射光。
控制部13将光束选择信号发送到光开关8。光束选择信号是将光束方向切换成其它光束方向的信号。若经过在1个光束方向上所确定的最小脉冲数以上的脉冲产生的时间即光束选择时间，则光束选择信号被发送到光开关8。光开关8、收发光学系统9a、9b、9c、9d和控制部13构成切换光束方向的光束切换部。
图1所示的测风激光雷达装置1测量风速的原理是所谓的相干方式。相干方式的测风激光雷达装置在非专利文献1中示出。
对测风激光雷达装置1的动作进行说明。这里，以测风激光雷达装置1如图2所示那样搭载于风车2的机舱的情况为例来进行说明。测风激光雷达装置1搭载于风车2的机舱。测风激光雷达装置1测量风车2的正面方向的前方处的风速并预测到来风速(流入风速)。到来风是从正面方向的前方到达风车2、并使风车2旋转的风。到来风速是到来风的风速。基于预测出的到来风速来控制风车2，以使得风车2的发电量最大化、或使向风车2的载重负荷最小化。图2所示的示例中，从测风激光雷达装置1发送的激光的光束的数量为Beam1、Beam2、Beam3、Beam4这4个。各个光束相对于风车的正面方向形成θ1、θ2、θ3、θ4的角度。这些光束在各自不同且彼此分离的方向上进行收发。此外，例如，以Beam1、Beam2、Beam3、Beam4的顺序，按时间序列进行切换和收发，并测量多个光束方向和多个距离处的风速。基于这样测量出的4个方向上的风速，来预测向风车2的到来风速。这里，从收发光学系统9a、9b、9c、9d收发的激光的光束分别是图2所示的Beam1、Beam2、Beam3、Beam4。各光束中，在近距离d1和远距离d2这2点处测量风速。
若脉冲状的发送光被发送到大气中，则发送光被存在于与测风激光雷达装置1(严格来说，光收发光学系统9)不同的距离的悬浮微粒所反射而成为反射光。反射光在时间上变得比发送光要长。在近距离d1处被反射的反射光比在远距离d2处被反射的反射光更早地被光收发光学系统9所接收。即，从发送光被发送到由光收发光学系统9接收反射光为止的时间与从光收发光学系统9到反射的位置为止的距离成比例。若按时间划分从反射光生成的接收信号，则根据从光收发光学系统9到反射的位置为止的距离来划分接收信号。
参照图3，对测风激光雷达装置1的动作进行说明。图3是说明测风激光雷达装置的动作的流程图。首先，从控制部13将初始化信号发送到保存累计频谱修正部12j。保存累计频谱修正部12j将累计频谱保存部12d中所保存的与各光束方向和各距离相关的频谱数据初始化为零(步骤S0)。
接着，从控制部13将光束选择信号发送到光开关8和第2频谱累计部10e。光开关8选择与收发激光的光束方向对应的收发光学系统9a、9b、9c、9d内的1个(步骤S1)。
接着，从控制部13对脉冲调制器5发送脉冲调制信号，并将与该信号同步后的触发信号发送到时间选通部12a(步骤S2)。
在进行这样的动作的状态下，执行以下所示的光收发动作(步骤S3)。由光收发动作而生成的接收信号被发送到信号处理部12的时间选通部12a。关于光收发动作，参照图4来说明。图4是说明测风激光雷达装置的光收发动作的流程图。
首先，利用光分配器4将来自光源3的连续波即激光分配为本地光和发送光。将本地光发送到光合波器10，并将发送光发送到脉冲调制器5(步骤S3A)。脉冲调制器5对发送光进行脉冲调制，并提供频移，来生成相干检波中的中间频率的激光(步骤S3B)。利用光放大器6对脉冲调制后的发送光进行放大(步骤S3C)。放大后的发送光根据来自控制部13的控制信号从光开关8所选择的收发光学系统9a、9b、9c、9d内的1个收发光学系统9被发送到大气中(步骤S3D)。另外，发送光通过光源3、光分配器4、脉冲调制器5、光放大器6、光循环器7、光开关8、收发光学系统9这一路径被发送到大气中。
发送光在大气中的各距离处伴随与风速相对应的多普勒频移被悬浮微粒散射(反射)。散射(反射)后的激光由收发光学系统9a、9b、9c、9d内所选择的1个收发光学系统9来接收(步骤S3E)。被所选择的收发光学系统9所接收的接收光(反射光)经由光开关8、光循环器7被发送到光合波器10(步骤S3F)。光合波器10中，对本地光与接收光(反射光)进行合波。合波后的反射光由光接收机11来进行相干检波(步骤S3G)。通过检波生成的电信号即接收信号被发送到信号处理部12中的时间选通部12a(步骤S3H)。
信号处理部12中，与从控制部13向时间选通部12a发送的触发信号同步地进行A/D转换，来将接收信号转换为数字信号。时间选通部12a通过与各距离(测量距离范围)相当的时间轴上的位置所对应的时间选通对数字信号即接收信号进行划分(步骤S4)。测量距离范围与时间区间对应。也将测量距离范围称为距离范围。
接着，频谱计算部12b对通过时间选通划分出的各接收信号即多个分割接收信号的每一个进行傅里叶变换，来计算与各距离对应的分割接收信号的频谱(步骤S5)。
第1频谱累计部12c按每个测量距离范围对频谱计算部12b计算出的频谱进行累计(步骤S6)。检查是否在所选择的光束方向上计算了确定的次数的频谱(步骤S7)。在并未计算确定的次数的频谱的情况下(S7为否)，返回S3。
在计算了确定的次数的频谱的情况下(S7为是)，将第1频谱累计部12c所累计的第1累计频谱发送到第2频谱累计部12e。将发送后第1频谱累计部12c中所剩余的累计频谱初始化为零(步骤S8)。另外，在S8的动作中，累计频谱保存部12d中所保存的数据不发生变化。
在选择对应于1个光束方向的收发光学系统9的时间为光束选择时间以上的时间点，而非在光束方向上计算出频谱的次数的情况下，可以结束第1频谱累计部12c所进行的第1累计频谱的累计，并实施第2频谱累计部12e所进行的频谱的累计。光束选择时间是产生所确定的最小脉冲数以上的脉冲的时间。确定最小脉冲数，以使得在所有光束方向上至少对应于最近的距离的风速测量区间中所累计的累计频谱的SN比在第1阈值以上。
选择某个光束方向的光束选择时间、以及在某个光束方向上产生的脉冲数(产生脉冲数)可以不是始终恒定的。可以确定针对光束选择时间或产生脉冲数的下限值，以使得产生最小脉冲数以上的脉冲。可以确定上限值，并使光束选择时间变化，以使得在上限值以下。光束选择时间的上限值可以确定为测量最近距离的风速的最长周期以下。最长周期可以根据近距离下的风速的更新速率来确定。
接着，第2频谱累计部12e从与各距离、各光束方向相关且保存在累计频谱保存部12d中的累计频谱中读取相当于所选择的光束方向和距离的保存累计频谱。然后，在第2频谱累计部12e中，在各距离上进一步对从累计频谱保存部12d读取出的累计频谱与S8中由第1频谱累计部12c所累计的累计频谱进行累计(步骤S9)。另外，S9中生成的累计频谱为第2累计频谱。
接着，SN比计算部12f根据S9中得到的累计频谱的峰值和噪音电平，来计算各距离的累计频谱的SN比(步骤S10)。
接着，SN比判定部12g按每个距离对S10中计算出的各距离的累计频谱的SN比与预定的第1阈值进行比较(步骤S11)。
关于累计频谱的SN比为第1阈值以上的距离(S11中为是)，步骤S12中，多普勒风速计算部12h根据S9中得到的频谱的峰值频率来求出多普勒频移，并进一步利用根据该多普勒频移所确定的计算式来求出多普勒风速(风速)。此外，控制部13将初始化信号发送到保存累计频谱修正部12j。保存累计频谱修正部12j对累计频谱保存部12d中所保存的、且与计算出风速的该光束方向和该距离(风速测量区间)相关的频谱数据的值进行初始化(重置为零)。测风激光雷达装置1中，在各风速测量区间中，当第2累计频谱的SN比在第1阈值以上时，根据第2累计频谱来计算风速。
关于累计频谱的SN比不在第1阈值以上的距离(S11中为否)，控制部13将更新信号发送到保存累计频谱修正部12j。接收到更新信号的保存累计频谱修正部12j将S9中第2频谱累计部12e所累计的频谱数据覆盖并保存在累计频谱保存部12d中，以作为该风速计算区间的累计频谱(步骤S13)。即，在多普勒风速计算部12h不计算多普勒风速的情况下，保存累计频谱修正部12j将第2累计频谱保存在累计频谱保存部12d中。
控制部13将光束切换指令信号发送给光开关8(步骤S14)。另外，S14可以在S7为是的时间点以后、S3被执行前实施。
通过如S0～S14那样动作，从而对于接收信号的频谱中的SN比较低的较远距离也能进行风速的测量。此外，与以往不同，可以对仅由在相同光束方向上收发的脉冲而得到的频谱进行累计。不将由不同光束方向上的脉冲得到的频谱混合来累计频谱。因此，测风激光雷达装置1能高精度地测量各方向、各距离的风速。此外，光束方向的切换时间本身并不长，因此，特别是在能期待高SN比的近距离的距离范围内，测量速率并不下降。
另外，测风激光雷达装置1中，光束的数量为4个，测量风速的距离范围为2个。光束数和距离范围数都可以是2以上的任意数量。
测风激光雷达装置1所起到的效果在将该装置搭载于风车来预测到来风速的情况下特别有效。近距离的风速场在短时间内到来，因此，需要在较短周期内测量近距离的风速。测风激光雷达装置1能在较短周期内测量近距离的风速。由于远处的风速场到达之前需要时间，因此对短周期内的测量的要求并不高，但需要可靠地得到所需精度的风速的信息。测风激光雷达装置1能在远距离时可靠地测量所需精度的风速。
另外，测风激光雷达装置1中，收发光学系统的数量设为与光束方向数相同的数量(图2所示的示例中，收发光学系统的数量：4、光束方向数：4)。通过对收发光学系统使用专利文献2所示的利用1系列的光学系统在多个方向(光束方向)上收发光束的类型，从而能将收发光学系统设为1系列。即，在本公开所涉及的测风激光雷达装置中，光束方向数需要为多个，但收发光学系统的数量未必一定要是多个。可以使用在多个方向上收发光束的类型的多个收发光学系统。
测风激光雷达装置搭载于风车，在针对风车的正面方向而确定的多个光束方向上将脉冲的激光即发送光发送到大气中，并根据发送光被与大气一起移动的粒子所反射而得的反射光相对于发送光的多普勒频移，在各光束方向上测量相距风车的多个距离处的风速。
(变形例)
作为选择对激光进行收发的方向(光束方向)的其它方法，可以使用图5所示的结构。图5是说明测风激光雷达装置的变形例的结构的示意图。关于图5，说明与图1的不同点。测风激光雷达装置1A具有波长切换型光源14来代替光源3，并具有波分型光多路复用器15以代替光开关8。波长切换型光源14除了光源3的功能以外，还能输出λ1、λ2、λ3、λ4这4种波长的激光。基于来自控制部13A的波长选择信号，波长切换型光源14输出所指示的波长的激光。波分型光多路复用器15具有4个输入输出端口，并根据输入的激光的波长来切换输出激光的端口。波长的数量也可以不为4个。波长切换型光源能输出多个不同波长的激光即可。
将波长切换型光源14输出的激光的波长设为λ1、λ2、λ3、λ4。将向波分型光多路复用器15的各端口输出的激光的波长设为λ1、λ2、λ3、λ4，并设为与波长切换型光源14输出的激光的波长相同。此外，将收发光学系统9a、9b、9c、9d中的任一个连接到各端口。由此，通过切换从控制部13向波长切换型光源14发送的波长选择信号，从而能选择波分型光多路复用器15输出激光的端口、即光束方向。若其它动作设为与图1相同，则与图1的测风激光雷达装置同样地进行动作，能得到相同的效果。
一般，光开关的切换次数存在上限次数。有时通过光开关的切换次数达到上限次数来决定装置整体的寿命。若使用基于波长切换型光源14和波分型光多路复用器15的结构来代替光开关，则能避免光开关的寿命的问题，能有助于延长装置整体的寿命。
第1频谱累计部12c和第2频谱累计部12e构成频谱累计部，该频谱累计部按照每个风速测量区间对根据分别分割由在相同光束方向上连续发送的多个脉冲而得到的多个接收信号后得到的多个分割接收信号来分别计算出的多个频谱和累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱进行累计来生成第2累计频谱，或生成第2累计频谱以及按照每个风速测量区间对根据分别分割由在相同光束方向上连续发送的多个脉冲而得到的多个接收信号后得到的多个分割接收信号来分别计算出的多个频谱进行累计来生成第1累计频谱。第1频谱累计部可以读取开始累计前保存在累计频谱保存部12d中的累计频谱，并在读取出的累计频谱中对分割接收信号的频谱进行累计。该情况下，第1频谱累计部12c构成生成第2累计频谱的频谱累计部，无需第2频谱累计部。
测风激光雷达装置1中，也可以不根据第1累计频谱来计算风速，而根据SN比在第1阈值以上的第1累计频谱来计算风速。与第1阈值进行比较的累计频谱在测风激光雷达装置1中为第2累计频谱。将第1累计频谱的SN比与第1阈值进行比较，在第1累计频谱的SN比不在第1阈值以上的情况下，将第2累计频谱的SN比与第1阈值进行比较。也可以使顺序颠倒，将第2累计频谱的SN比与第1阈值进行比较，在第2累计频谱的SN比不在第1阈值以上的情况下，将第1累计频谱的SN比与第1阈值进行比较。可以将第1累计频谱和第2累计频谱中SN比较高的一方即高SN比累计频谱与第1阈值进行比较，并根据为第1阈值以上的高SN比累计频谱来计算风速。
产生第1累计频谱的SN比变得比第2累计频谱的SN比要高的情况的理由在于，光束被风车的叶片所遮挡，产生无法得到接收信号的状况。这种状况下，对于被叶片反射的脉冲，在接收信号中不存在由被悬浮微粒所反射的反射光而生成的分量。对由被叶片所遮挡的脉冲所得到的接收信号的频谱进行累计而得的第1累计频谱的SN比较低。测风激光雷达装置1中，SN比不在第1阈值以上的第1累计频谱在第2频谱累计部12e中与累计频谱保存部12d中所保存的保存累计频谱进行累计来生成第2累计频谱。第2累计频谱保存在累计频谱保存部12d中。
将由被叶片遮挡的脉冲所得到的接收信号称为有遮挡的接收信号。将由未被叶片遮挡的脉冲所得到的接收信号称为无遮挡的接收信号。将包含有遮挡的接收信号的频谱而累计的第1累计频谱称为有遮挡的第1累计频谱。将仅对有遮挡的接收信号的频谱进行累计而得的第1累计频谱称为全遮挡下的第1累计频谱。将包含有遮挡的接收信号的频谱与无遮挡的接收信号的频谱双方在内的第1累计频谱称为部分遮挡下的第1累计频谱。将仅对无遮挡的接收信号的频谱进行累计而得的第1累计频谱称为无遮挡下的第1累计频谱。无遮挡下的第1累计频谱的SN比为第1阈值。
若连续生成几个有遮挡的第1累计频谱，则保存累计频谱的SN比在小于第1阈值的范围内降低。之后，在与SN下降后的保存累计频谱相同的光束方向上，生成无遮挡下的第1累计频谱。无遮挡下的第1累计频谱的SN比为第1阈值。与此相对，对小于第1阈值的保存累计频谱与第1累计频谱进行累计来生成第2累计频谱。因此，第2累计频谱的SN比小于第1阈值。该状况下，第1累计频谱的SN比变得比第2累计频谱的SN比要高。
频谱累计部求出累计频谱即可，该累计频谱通过按每个光束方向和时间区间的组合即风速测量区间对从上次计算出风速后被发送的多个脉冲中的分割接收信号得到的频谱(称为上次后生成频谱)的至少一部分进行累计而得到。累计频谱可以是上次后生成频谱的全部，也可以是其一部分。保存在累计频谱保存部中的保存累计频谱可以是上次后生成频谱的全部，也可以是其一部分。第1累计频谱和第2累计频谱是按每个风速测量区间对上次后生成频谱的至少一部分进行累计而得的累计频谱。
另外，测风激光雷达装置1中，对各光束进行了SN比判定。关于第2频谱累计部12e所求出的各距离的频谱数据，对于测量相同高度处的风速的光束，可以在各距离处对上述所有光束判定SN比是否超过了第1阈值。即，在相同距离、相同高度的所有多个风速测量区间中累计频谱的SN比在第1阈值以上的情况下，多普勒风速计算部可以在相同距离、相同高度的所有多个风速测量区间中计算风速。在相同距离、相同高度的多个风速测量区间中存在累计频谱的SN比不在第1阈值以上的风速测量区间的情况下，不在相同距离、相同高度的所有多个风速测量区间中计算风速。具体而言，图2中，在Beam1和Beam2双方中判定SN比是否在第1阈值以上。在Beam1和Beam2双方中SN比在第1阈值以上的情况下，在Beam1和Beam2的该距离处测量风速。进一步地，在Beam3和Beam4双方中判定SN比是否在第1阈值以上。在Beam3和Beam4双方中SN比在第1阈值以上的情况下，在Beam3和Beam4的该距离处测量风速。由此，在各距离处能将各高度的风速测量所需的时间设为相同。
在相同距离、相同高度的所有多个风速测量区间中累计频谱满足计算风速的条件的情况下，在相同距离、相同高度的所有多个风速测量区间中计算风速即可。
此外，关于累计频谱的SN比是否在第1阈值以上的判定，在SN比小于第1阈值的情况下，对将累计频谱保存于累计频谱保存部12d的次数进行计数。在该计数值达到预定的最大值的情况下，可以将计数值重置为零，并将累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱初始化。该情况下，能避免因风速测量的测量时间过剩而导致的测量精度的显著降低。此时，在即使计数值成为最大值也无法达到所需SN比的情况下，将无法进行风速测量的意思作为数据来输出。另外，所需SN比是与累计频谱的SN比进行比较的第1阈值。
此外，在测风激光雷达装置中产生如下状况：当对光束进行一次扫描时，即，例如按Beam1→Beam2→Beam3→Beam4对所有的光束逐次进行测量时，一部分的光束无法达到所需SN比。该情况下，关于无法达到所需SN比的光束的数据，可以将表示持续累计中的标志作为数据来输出。此外，过度地进行长时间的累计会导致风速的测量精度的显著变差，因此，预先确定用于累计的扫描次数、即测量其光束方向的次数(连续累计次数)的上限次数。连续累计次数是表示在生成累计频谱的基础上对几个第1累计频谱进行了累计的累计次数。在将第1累计频谱累计到上限次数为止累计频谱的SN比也无法达到所需SN比的情况下，可以将表示风速测量较为困难的标志作为数据来输出。此外，除了风速的计算结果、计算时的SN比之外，也可以设为能在每1次扫描中输出以上所说明的2种标志(累计持续中和风速测量困难)的数据。此外，可以设为使得能在每1次扫描中输出累计中所使用的扫描次数(相对于上限次数，当前为第几次的扫描)。由此，可以实时地灵活应用测风激光雷达装置中的测量结果。
在将上限次数设定为扫描次数的情况下，保存累计频谱修正部如以下那样进行动作。对于累计频谱的SN比小于第1阈值的风速测量区间，在累计频谱保存部的初始化后将累计频谱保存于累计频谱保存部的次数即连续累计次数小于上限次数的情况下，保存累计频谱修正部将第2频谱累计部所累计的累计频谱保存在累计频谱保存部中。在连续累计次数为上限次数以上的情况下，保存累计频谱修正部对累计频谱保存部中所保存的累计频谱进行初始化。
可以不始终生成第2累计频谱，而在第1累计频谱的SN比在第2阈值以上的情况下，生成第2累计频谱。第2阈值可以确定为比第1阈值要小。确定第2阈值，以使得例如在第1累计频谱中存在一定程度(例如，20％以上)的根据无遮挡的接收信号所生成的频谱。或者，第2阈值确定为在第1累计频谱的SN比的计算值中、在较低一方中例如相当于5％的值等。第2阈值确定为在累计中不使用通过累计而使SN比降低的可能性较高的第1累计频谱。将第1累计频谱中的根据无遮挡的接收信号所生成的频谱的比例称为不遮挡率。
是否生成第2累计频谱可以按照每个风测量期间来确定，也可以按照每个光束方向来确定。为了确定是否在每个光束方向上生成第2累计频谱，例如使用判断对象风速测量区间。判断对象风速测量区间是在各光束方向上预先确定的1个或多个风速测量区间。在属于判断对象风速测量区间、且第1累计频谱的SN比在第2阈值以上的风速测量区间的个数在下限个数以上的情况下生成第2累计频谱，否则不生成第2累计频谱。将属于判断对象风速测量区间、且第1累计频谱的SN比在第2阈值以上的风速测量区间称为有效SN比风速测量区间。
即使在作为光束方向而生成第2累计频谱的情况下，也可以使得在第1累计频谱的SN比极低的风速测量区间中不生成第2累计频谱。例如，在SN比低于确定为比第2阈值要小的第3阈值的风速测量区间中，即使光束方向上的判断为生成第2累计频谱，也可以使得在该风速测量区间中不生成第2累计频谱。在有效SN比风速测量区间的个数为下限个数以上的光束方向上，在第1累计频谱的SN比为第3阈值以上的风速测量区间中，生成第2累计频谱。在有效SN比风速测量区间的个数不在下限个数以上的光束方向的全风速测量区间中，不生成第2累计频谱。在有效SN比风速测量区间的个数为下限个数以上、但第1累计频谱的SN比不在第3阈值以上的风速测量区间中，不生成第2累计频谱。第3阈值确定为例如第2阈值的一半等。第3阈值确定为在累计中不使用通过累计而使SN比降低的情况为确定的第1累计频谱。
在第1累计频谱的SN比不在第2阈值以上的情况下，虽然生成第2累计频谱，但可以不将第2累计频谱保存在累计频谱保存部12d中。在每个光束方向上、利用判断对象风速测量区间中的有效SN比风速测量区间的个数来确定是否生成第2累计频谱的情况下，虽然在符合不生成第2累计频谱的条件的情况下生成第2累计频谱，但可以不将第2累计频谱保存在累计频谱保存部12d中。
在第2累计频谱的SN比不在第4阈值以上的情况下，可以不将第2累计频谱保存在累计频谱保存部12d中。第4阈值确定为比第1阈值要小。第4阈值可以是与第2阈值相同的值，也可以是不同的值。
在第1累计频谱的SN比不在第2阈值(用变量k2来表示)以上的情况下，且在不生成第2累计频谱的情况下、或不将第2累计频谱保存在累计频谱保存部12d中的情况下，若第1累计频谱的累计次数增加，则保存频谱保存部12d中所保存的保存累计频谱的SN比(用变量Zh来表示)的下限值变高。若将累计次数设为N次，则Zh≧√(N)*k2成立。
在第2累计频谱的SN比不在第4阈值(用变量k4来表示)以上的情况下，且在不将第2累计频谱保存在累计频谱保存部12d中的情况下，即使累计次数N增加，保存累计频谱的SN比Zh的下限值也不变高。Zh≧k4成立，而与N无关。
为了不使累计频谱保存部12d保存的保存累计频谱的SN比降低，可以不将第2累计频谱始终保存在累计频谱保存部12d中，而仅在第2累计频谱的SN比高于累计频谱保存部12d中所保存的保存累计频谱的SN比的情况下，将第2累计频谱保存在累计频谱保存部12d中。
可以将第1累计频谱和第2累计频谱中的任意SN比较高的一方即高SN比累计频谱保存在累计频谱保存部12d中。可以仅在高SN比累计频谱的SN比比保存累计频谱的SN比要高的情况下，将高SN比累计频谱保存在累计频谱保存部12d。
在每个风速测量区间中用于风速的计算的累计频谱的确定方法可以是以下所示的任一个方法、或其它方法。
(用于风速的计算的累计频谱的确定方法)
(a1)仅将第2累计频谱的SN比与第1阈值进行比较、且第2累计频谱的SN比在第1阈值以上的情况。
(a2)先将第1累计频谱的SN比与第1阈值进行比较、且第1累计频谱的SN比在第1阈值以上的情况。
(a3)先将第1累计频谱的SN比与第1阈值进行比较、且第1累计频谱的SN比小于第1阈值、第2累计频谱的SN比在第1阈值以上的情况。
(a4)先将第2累计频谱的SN比与第1阈值进行比较、且第2累计频谱的SN比在第1阈值以上的情况。
(a5)先将第2累计频谱的SN比与第1阈值进行比较、且第2累计频谱的SN比小于第1阈值、第1累计频谱的SN比在第1阈值以上的情况。
(a6)比较第1累计频谱和第2累计频谱的SN比来确定高SN比累计频谱、且高SN比累计频谱的SN比在第1阈值以上的情况。
生成第2累计频谱的情况下的确定方法可以是以下所示的任一个方法、或其它方法。有效SN比风速测量区间是属于判断对象风速测量区间、且第1累计频谱的SN比在第2阈值以上的风速测量区间。
(确定生成第2累计频谱的情况的方法)
(b1)始终生成第2累计频谱。
(b2)在第1累计频谱的SN比在第2阈值以上的情况下生成第2累计频谱。
(b3)在各光束方向上、有效SN比风速测量区间的个数在所确定的下限个数以上的情况下，在该光束方向的各风速测量区间中生成第2累计频谱。
(b4)在各光束方向上、有效SN比风速测量区间的个数在所确定的下限个数以上的情况下，在该光束方向的第1累计频谱的SN比在第3阈值以上的风速测量区间中生成第2累计频谱。
不生成第2累计频谱的情况的方法(b2)～(b4)也能与方法(a1)～(a6)的任一个相组合。在第1累计频谱的SN比不在第2阈值以上的情况下，第1累计频谱和第2累计频谱的SN比不在第1阈值以上。因此，不论是否生成第2累计频谱，不变的是在方法(a1)～(a6)的任一个方法中都无法计算风速。
在无法计算风速的风速测量区间中、保存在累计频谱保存部中的累计频谱的确定方法可以是以下所示的任一个方法、或其它方法。这里，将在本次生成第1累计频谱前保存在累计频谱保存部中的累计频谱称为上次保存累计频谱。
(保存在累计频谱保存部中的累计频谱的确定方法)
(c1)始终保存第2累计频谱。
(c2)始终保存高SN比累计频谱。
(c3)保存上次保存累计频谱与第2累计频谱中任意SN比较高的一方。
(c4)保存上次保存累计频谱与高SN比累计频谱中任意SN比较高的一方。
(c5)保存第2累计频谱。但在不生成第2累计频谱的情况下，保存上次保存累计频谱。
(c6)保存高SN比累计频谱。但在不生成第2累计频谱的情况下，保存上次保存累计频谱。
(c7)在第1累计频谱的SN比在第2阈值以上的情况下保存第2累计频谱。在第1累计频谱的SN比不在第2阈值以上的情况下，保存上次保存累计频谱。
(c8)在各光束方向上、有效SN比风速测量区间的个数在所确定的下限个数以上的情况下，在该光束方向的各风速测量区间中保存第2累计频谱。在有效SN比风速测量区间的个数不在下限个数以上的情况下，在该光束方向的各风速测量区间中保存上次保存累计频谱。
(c9)在各光束方向上、有效SN比风速测量区间的个数在所确定的下限个数以上、且该光束方向的第1累计频谱的SN比在第3阈值以上的风速测量区间中，保存第2累计频谱。在有效SN比风速测量区间的个数不在下限个数以上的情况下，在该光束方向的各风速测量区间中保存上次保存累计频谱。在有效SN比风速测量区间的个数在下限个数以上的情况下，在第1累计频谱的SN比不在第3阈值以上的风速测量区间中，保存上次保存累计频谱。
(c10)在第2累计频谱的SN比在第4阈值以上的情况下保存第2累计频谱。在第2累计频谱的SN比不在第4阈值以上的情况下、或不生成第2累计频谱的情况下，保存上次保存累计频谱。
方法(c5)或方法(c6)与方法(b2)～(b4)的任一个组合来使用。方法(c7)～(c10)的任一个中，也生成第2累计频谱但第2累计频谱不保存在累计频谱保存部中。因此，方法(c7)～(c10)的任一个与方法(b1)组合来使用。
测风激光雷达装置1有时使用方法(a1)、方法(b1)和方法(c1)。测风激光雷达装置中，使用方法(a2)～(a6)、方法(b2)～(b4)、方法(c2)～(c10)中的至少任一个的测风激光雷达装置可得到以下所示的至少任一个效果。
(效果1)相对于测风激光雷达装置1能使风速的计算中使用的累计频谱的SN比变高。
(效果2)相对于测风激光雷达装置1能使到计算风速为止所生成的第1累计频谱的个数减少。
以上内容也可适用于其它实施方式。
实施方式2.
实施方式2是对实施方式1进行变更以预测风车的到来风速和切变(shear)的情况。切变是指风速在风车正面方向上的分量(称为风车正面风速)的值的高度方向上(上下方向)的变化率。图6是说明实施方式2所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。关于图6，对与实施方式1的情况下的图1的不同点进行说明。
测风激光雷达装置1B具有风速预测部16和光束方向存储部17。风速预测部16基于信号处理部12所计算出的风速(多普勒风速)来预测风车的到来风速和切变。风速预测部16是预测作为到达风车的风的到来风的信息即到来风信息的到来风信息预测部。风速预测部16构成为主要具有多普勒风速保存部16a、到来风速预测部16b、切变预测部16c、加权系数存储部16d、到来风速存储部16e和切变存储部16f。多普勒风速保存部16a保存信号处理部12计算的风速。风速按每个光束方向、每个距离(时间区间)设置测量时刻并保存。即，风速按每个光束方向和时间区间的组合即风速测量区间被保存。多普勒风速保存部16a被到来风速预测部16b和切变预测部16c所参照。
到来风速预测部16b基于风速来预测向风车的到来风速。到来风速预测部16b对每个风速测量区间的风速进行加权平均来预测到风车的到来风速。切变预测部16c基于风速来预测切变。切变预测部16c通过加权平均来计算在多个距离上对切变进行计算和平均后而得的平均切变。
切变是在相同距离且高度不同的风速测量区间中测量出的风车正面风速的高度方向上的变化率。将相同距离且相同高度的风速测量区间的集合称为同距离同高度区间集合。将在高度不同的同距离同高度区间集合中测量出的风车正面风速的差除以高度差，来计算该距离处的风车正面风速的高度方向上的变化率即切变。一般，高度较低的一方风速为低速。因此，将从较高高度处的风车正面风速中减去较低高度处的风车正面风速而得的风速的差除以高度差来计算切变。
加权系数存储部16d存储到来风速预测部16b使用的到来风速预测用加权系数16g、以及切变预测部16c使用的切变预测用加权系数16h。到来风速存储部16e存储到来风速预测部16b预测出的到来风速。切变存储部16f存储切变预测部16c预测出的切变。
光束方向存储部17存储表示测风激光雷达装置1B发送激光的多个光束方向的角度。表示光束方向的角度是指以风车2的正面方向为基准的方位角、仰角和打开角度。正面方向存在于水平面上。打开角度是在将风车2的正面方向与光束方向的起点设为相同的情况下正面方向与光束方向之间的角度。方位角是光束方向投影到水平面上时光束方向与正面方向所成的角度。仰角是在包含光束方向的铅直的平面上、水平面与光束方向所成的角度。
光束方向预先确定为存在相同方位角但仰角不同的多个光束方向。同时，在各光束方向上将风速测量区间的划分设为相同。由此，存在距离风车2相同距离且高度不同的多个同距离同高度区间集合，能计算切变。各风速测量区间中，基于距离、光束方向的仰角和测风激光雷达装置1的设置部位的高度，来计算该风速测量区间的高度。此外，预先确定光束方向，以使得存在相同仰角但方位角不同的多个光束方向。由此，多个风速测量区间属于同距离同高度区间集合。另外，与风车2之间的距离可以是沿着光束的直线距离、以及将光束投影到水平面而得的水平面距离中的任一个。各光束方向的仰角为15度左右以下，因此直线距离与水平面距离大致相同。
测风激光雷达装置1B与测风激光雷达装置1同样地进行动作。测风激光雷达装置1B能高精度地测量各方向、各距离的风速。此外，在近距离的距离范围内，测量速率不下降。此外，测风激光雷达装置1B能预测风车的到来风速和切变。
首先，对到来风速预测部16b实施的到来风速的预测方法进行说明。能利用非专利文献3所记载的下述式(1)，来预测到来风速V(t)。测风激光雷达装置1B中，即使是远距离也能比以往更高精度地测量风速，因此，能比以往更高精度地预测到来风速。
[数学式1]
Figure BDA0003282782380000261
式(1)中，t是进行测量的时间(s)，v是风车正面方向的平均风速(m/s)，d1是到来风速预测位置(m)，如果是风车的位置则为0m。J是测量风速的距离范围的个数。图2所示的示例中，J＝2。j是表示距离的范围编号。图2所示的示例中，j＝1或2。dj是由测风激光雷达装置1B测量风速的距离范围与风车的距离(m)。VLj(t)是根据由测风激光雷达装置1B测量出的风速所求出的各距离j处的风速在风车正面方向上的分量的值(m/s)。
若假设风为横风、且风向与风车正面方向相一致，则VLj的值使用以下所示的式(2)来计算。式(2)中，对不同光束方向上的距离dj处的风速的测量值进行平均和计算。另外，横风是指风速中不存在高度方向的分量的风。
[数学式2]
Figure BDA0003282782380000262
式(2)中，I是光束数。图2所示的示例中，I＝4。i是光束编号。图2所示的示例中，取i＝1、2、3、4中的任意值。VLOS(i，j)是对应于光束编号i、范围编号j的风速(m/s)。VLOS(i，j)是保存在多普勒风速保存部16a中的风速。θi是光束打开角度(rad)。如图2所示，θi是各光束方向相对于风车正面方向所成的角度(打开角度)。θi存储在光束方向存储部17中。
另外，作为求出风车正面方向的平均风速v的另一个方法，考虑以下所示的式(3)。式(3)能比式(1)更早地计算平均风速v。
[数学式3]
Figure BDA0003282782380000271
式(1)中，各距离j处的风速测量值按均等的系数相加来求出平均值。测风激光雷达装置1B中，特别是测量远处的风速需要较长的时间的情况较多。若花费较长时间来进行测量，则有可能因在该时间内产生一些风速变化等而导致测量精度变差。因此，在各测量结果中，保存为了达到所需的SN比而对光束进行扫描(在该光束方向上测量了几次)的次数，并根据该次数对测量值进行加权。通过加权，到来风速的预测精度得以提高。在对式(1)进行加权的情况下，成为以下式(4)。
[数学式4]
Figure BDA0003282782380000272
式(4)中，Qj是与距离范围j(范围编号为j的距离范围)中的扫描次数(连续累计次数)相对应的加权系数。Qj设定为若扫描次数变大则单调不增加的较小的值。即，Qj在扫描次数较小的情况下确定得较大、在扫描次数较大的情况下确定得较小。另外，扫描次数是表示累计了几个第1累计频谱的次数。扫描次数因距离范围j而不同，因此，Qj是根据距离范围j而变化的值。Qj是加权系数存储部16d中所存储的到来风速预测用加权系数16g。
可以对在各光束方向上测量的风速VLOS(i，j)进行加权平均来求出VLj，而并非对每个距离范围j的风速的风车正面方向的分量的值VLj进行加权平均。该情况下，可以使用以下式(5)来代替式(2)。在使用以下式(5)的情况下，使用在式(1)中将VLj(t)替换为VOLj(t)后而得的式(1A)。
[数学式5]
Figure BDA0003282782380000281
Figure BDA0003282782380000282
式(5)中，R(i，j)是与光束编号i、范围编号j的距离范围中的扫描次数相对应的加权系数。R(i，j)是加权系数存储部16d中所存储的到来风速预测用加权系数16g的变形例。R(i，j)确定为在扫描次数较小的情况下为较大、且若扫描次数变大则为单调不增加的较小的值。可以确定加权系数，以使得在多个扫描次数中成为相同的值的加权系数。
在使用式(1)和式(4)的情况下，到来风速预测部根据相同距离的风速测量区间的风速来计算每个距离的风速即多个距离风速，并利用距离风速的加权平均来预测到来风速。式(1)中计算出的距离风速是相同距离的风速测量区间的风速的平均。在使用式(1A)和式(5)的情况下，到来风速预测部利用相同距离的风速测量区间的风速的加权平均来计算每个距离的风速即多个距离风速，并通过对距离风速进行平均来预测到来风速。
在预测切变(风速的风车正面方向的分量的值在高度方向上的变化率)的情况下，也能应用加权平均。关于到来的切变，通过基于风速测量值的可靠性来求出加权平均，从而预测精度得以提高。首先，对不进行加权平均的情况下的切变的计算式进行说明。将S(t)设为各距离j下的切变的平均值。SLj(t)是在根据测风激光雷达装置中所测量出的风速求出的各距离j下计算出的切变。将各距离j处计算出的切变称为距离切变。
[数学式6]
Figure BDA0003282782380000291
如图2所示，在用2个光束(Beam1、Beam2)对上层进行测量、用2个光束(Beam3、Beam4)对下层进行测量的情况下，范围编号j的距离范围内的距离切变SLj(t)用以下所示的式(7)来计算。这里，假设风为横风。另外，测风激光雷达装置1B中，即使是远距离也能比以往更高精度地测量风速，因此，在不进行加权平均的情况下，也能比以往更高精度地预测切变。
[数学式7]
Figure BDA0003282782380000292
式(7)中，hj是各距离j处的上层的光束和下层的光束的高度差。式(7)中，在同距离同高度区间集合具有多个风速测量区间的情况下，求出多个风速测量区间中测量出的风车正面风速的平均，并设为该同距离同高度区间集合的风车正面风速。将式(7)计算的SLj(t)称为距离j处的距离切变。在某个距离处存在3个以上的不同高度的同距离同高度区间集合的情况下，对平方误差为最小的高度求出对风速进行线性近似的直线，并根据该直线的斜率来计算切变即可。作为其它方法，可以以2个高度所有可能的组合来计算切变，并将计算出的切变的平均设为该距离处的距离切变。计算距离切变的平均可以是单纯平均，也可以是与高度差相对应的加权平均。在加权平均的情况下，对高度差较大的2个风速测量区间的组中计算出的切变赋予比高度差较小的情况更大的加权即可。
对于各距离j处的切变SLj(t)，进行基于加权系数Qj的加权平均，并利用下式来计算。在对切变的预测使用Qj的情况下，Qj也是存储在加权系数存储部16d中的切变预测用加权系数16h。
[数学式8]
Figure BDA0003282782380000301
在对风速VLOS(i，j)进行加权平均来计算的情况下，在以下的式(9)中使用加权系数R(i，j)来计算SOLj(t)。在使用式(9)的情况下，使用在式(6)中将SLj(t)替换为SOLj(t)后而得的式(6A)。在对切变的预测使用R(i，j)的情况下，R(i，j)也是存储在加权系数存储部16d中的切变预测用加权系数16h。
[数学式9]
Figure BDA0003282782380000302
Figure BDA0003282782380000303
在使用式(6)和式(7)的情况下，切变预测部预测每个距离的切变即多个距离切变，并利用距离切变的加权平均来预测平均切变。在使用式(6A)和式(9)的情况下，切变预测部基于根据风速测量区间的距离进行加权后的切变来预测每个距离的切变即多个距离切变，并通过对距离切变进行平均来预测平均切变。
也可以不求取同距离同高度区间集合，而是按每个方位角来求出相同的方位角的方向、相同距离但高度不同的风速测量区间的集合即同距离同方位区间集合。可以在各方位角下的同距离同方位区间集合中计算1个切变，并将相同距离但不同方位角处计算出的切变的平均设为该距离处的距离切变。
对于到来风速的预测或切变的预测中的任一方或双方，可以计算使用了基于风速测量值的可靠度的加权系数的加权平均。风速测量值的可靠度这里是指测量风速前所需的、其光束方向上的扫描次数。加权系数设定为相对于风速测量值的可靠度的下降而单调不增加。即，加权系数在风速测量值的可靠度较高的情况下设定得较大、在可靠度较低的情况下设定得较小。在到来风速的预测和切变的预测中可以使用不同的加权系数。
作为各距离处的切变，可以将2点的高度设为h1、h2，将高度h1处的风速设为v1，将高度h2处的风速设为v2，并使用通过下式来计算的风切变幂指数α。
α＝ln(v2/v1)/ln(h2/h1)(10)
式(10)中，ln(x)是返回实数x的自然对数的函数。在能测量3个以上的高度下的风速的情况下，可以计算α，以使得不同高度下的误差的平方和为最小。
另外，在相同距离下，有时也产生在光束间累计频谱的SN比不同的状况。其结果是，在进行1次扫描、即对所有的光束进行逐次测量时，有可能产生对于一部分的光束无法达到所需SN比的状况。例如，在图2中风车的叶片旋转而遮挡4个光束的1个以上的情况。该情况下，当使用式(2)或式(5)来求出各距离j下的风速在风车正面方向的分量VLj时，上层和下层的数据数产生不平衡。例如，为仅在Beam1、Beam2、Beam3中能计算风速的状况。若产生这样的状况，则在到来风速的预测中会较强地受到上层风速的影响，但在风速场中存在切变的情况下，由于下层的信息的缺失，到来风速的预测精度降低。如果是这样的状况，则通过对下层、即Beam3的风速测量值乘以较大的权重，从而等效地获得上层和下层的平衡，能在一定程度上避免切变的影响，能确保到来风速的预测精度。
图2所示的示例中，4个光束方向中，在2个仰角上各存在2个光束方向。光束方向可以多于4个，确定为在所有不同的仰角上存在相同个数的光束方向即可。即，可以确定多个光束方向，以使得具有与各个光束方向的仰角相同的仰角的其它光束方向的数量在各仰角下为1个以上且设为相同。在各仰角下该仰角的光束方向的个数为2个以上且为相同个数的情况下，具有与各个光束方向的仰角相同的仰角的其它光束方向的数量在各仰角下被确定为1个以上且相同。在计算风速的光束方向较少的仰角(仰角1)的光束方向上，到来风速预测部16b使加权系数变得比其它仰角(与仰角1不同的仰角)的光束方向要大来预测到来风速。另外，其它仰角中，相对于仰角1能测量风速的光束方向更多。
此外，由于叶片的遮挡等影响，例如在仅利用上层的2个光束达到所需SN比的情况下，无法在下层得到风速测量值。在下层无法得到风速测量值的情况下，可以根据上层的风速测量值、以及例如在过去的最近使用式(6)和式(7)测量出的切变的数据来假设下层的风速测量值，并基于该假设值来预测到来风速。这里，阐述了光束数为4个、且为上层和下层这2层的情况。光束的上下方向的层数可以为3层以上。例如，也可以是光束数为6个、且对上层、中层、下层的3层进行测量的情况。
到来风速预测部基于具有与不测量仰角相邻的仰角的光束方向上所测量出的风速和最近测量出的切变来推定不测量仰角的风速，并使用不测量仰角下的风速的推定值来预测到来风速，其中，不测量仰角是不存在能测量风速的光束方向的仰角。
通过基于测风激光雷达装置1B所得出的到来风速或切变的预测结果来控制风车2的方向(偏转角)、叶片的方向(俯仰角)以及旋转转矩中的任意1个以上，从而能有助于风车2的发电量的提高、叶片的减载、旋转部的减载、风车塔的减载的任意1个以上。可以仅预测到来风的风速(到来风速)和切变中的一方，并用于风车的控制。
另外，测风激光雷达装置1B中，如式(2)的说明中所记载的那样，在假设风向与风车正面方向相一致的基础上，对到来风速进行预测。作为使风向与风车正面方向相一致的方法，具有如下方法：利用测量方向的风向计对风车2的方向(偏转角)进行控制，以使得风向计所测量出的风向与风车正面方向相一致。风向计例如是叶片(箭羽)方式等的风向计。然而，该方法中，风车叶片的旋转会产生后流(Wake)，风向值有时因后流的影响而产生误差。也可以由测风激光雷达装置测量风向，并根据测风激光雷达装置测量出的风向来控制风车2的方向。
实施方式3.
实施方式3是对实施方式2进行变更以使其具备测量远距离处的风向的风向测量部的情况。图7是说明实施方式3所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。关于图7，对与实施方式2的情况下的图6的不同点进行说明。测风激光雷达装置1C具有风向测量部18。风向测量部18测量相对于风车的远距离处的风向。测风激光雷达装置1C中，风速预测部16和风向测量部18构成到来风信息预测部。
另外，远距离是指将风车的转子直径设为D时、相距风车的距离为2D以上的情况。该远距离的定义是在非专利文献3中为用于风车发电量评价而设定的距离。
在远距离测量风向的理由在于避免前方紊流的影响。由于风车2的叶片的旋转，在前方引起被称为“Induction(诱发)”的前方紊流。由于前方紊流，在风车附近难以测量风向。在不受到“Induction(诱发)”的影响的远距离处，风向整体不容易产生紊流。因此，在远距离处测量风向。测风激光雷达装置1C能比现有更降低误差来测量风速。
风向测量部18基于在多个不同的光束方向上在远距离的距离范围内测量出的风速(严格来说，视线方向风速)、与光束方向存储部17中所存储的光束方向的数据，来计算风矢量。多普勒风速计算部12h计算的风速通过风矢量与光束方向(视线方向)的单位矢量(光束方向矢量)的内积来计算。在假设为远距离处风矢量一样的情况下，能基于3个以上的光束方向上的风速测量值和光束方向矢量来求出风矢量。风向测量部18将远距离处计算出的风矢量的方向作为风向来计算。另外，在以横风为前提的情况下，可以在2个光束方向上计算风速。在4个以上的光束方向上测量风速的情况下，风向测量部18计算风矢量，以使得例如平方误差的和变为最小。
测风激光雷达装置1C在远距离的距离范围内测量出的风向值用于风车2的偏转角控制。由于能比在近距离处测量的情况更准确地测量风向，因此，能高精度地使风向与风车2的正面方向相一致。通过高精度地使风向与风车2的正面方向相一致，从而风车2的发电效率得以提高。在不预测到来风速和切变而仅预测风向来进行测量的情况下，通过将预测出的风向用于风车的控制，从而风车2的发电效率得以提高。
本公开所涉及的测风激光雷达装置中，远距离的风速测量容易需要较长时间，但在风车2的偏转角控制中，由于是风车2整体移动，因此控制速度较慢。因此，在控制风车2的偏转角的基础上，远距离处的风速测量有时需要较长时间，这并不成为缺点。
测风激光雷达装置1C与测风激光雷达装置1同样地进行动作。测风激光雷达装置1C高精度地测量各方向、各距离的风速。此外，在近距离的距离范围内，测量速率不下降。此外，测风激光雷达装置1C能预测风车的到来风速和切变。此外，测风激光雷达装置1C能测量远距离处的风向。通过将测量出的风向用于风车的偏转角控制，从而能使风车2的发电效率提高。
实施方式4.
实施方式4是如下情况：对实施方式2进行变更，以对距离范围进行定义，以使得分类为远距离的距离范围变为多个，并按照每个光束方向对多个远距离的距离范围内的分割接收信号的频谱进行汇总来累计。图8是示出在实施方式4所涉及的测风激光雷达装置中测量风速的距离的示意图。图9是说明实施方式4所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。关于图9，对与实施方式2的情况下的图6的不同点进行说明。可以对实施方式1、实施方式3或其它实施方式进行变更。
如图8所示，测风激光雷达装置1D对Beam1、Beam2、Beam3、Beam4这4个光束进行收发。各光束中，在距离d1、距离d2、距离d3这3点处测量风速。距离d2和距离d3被分类为远距离。距离d1分类为近距离(非远距离)远距离d2与远距离d3中，将在各自的距离计算出的频谱数据汇总来进行累计。考虑在远距离d2与远距离d3中，风速大致为相同。因此，通过对远距离d2与远距离d3中计算出的频谱数据进行汇总来累计，从而能使频谱数据的SN比变大，能更准确地测量远距离的风速。
各光束中测量风速的距离的数量可以为4个以上。不为远距离的风速测量区间也可以为多个。测风激光雷达装置1D存储作为远距离来处理的距离从近起数是第几远的数据。
测风激光雷达装置1D中，对保存累计频谱修正部12jD进行变更，保存累计频谱修正部12jD在图3所示的S13中在将第2频谱累计部12e所累计的频谱数据保存在累计频谱保存部12d中时，将在该光束方向上被分类为远距离的1个距离上由第2频谱累计部12e所累计的频谱数据覆盖并保存到该光束方向上被分类为远距离的所有距离上。在该光束方向上在非远距离的距离上对频谱进行累计的情况下，保存累计频谱修正部12jD仅在该光束方向和该距离上，将第2频谱累计部12e所累计的频谱数据覆盖并保存在累计频谱保存部12d中。
若保存累计频谱修正部12jD像这样保存累计频谱，则关于在各光束方向上为远距离的距离，累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱通过将为远距离的多个距离处的频谱汇总并累计而得到。此外，在各光束方向上为远距离的各距离处，累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱为相同。
在对为远距离的多个距离的频谱进行汇总并累计的情况下，第2频谱累计部12e从累计频谱保存部12d读取的累计频谱是在相同光束方向上且在为远距离的多个距离处所计算出的所有频谱数据被累计后得到的累计频谱。
测风激光雷达装置1D与测风激光雷达装置1B同样地进行动作。测风激光雷达装置1D能高精度地测量各方向、各距离的风速。此外，在近距离的距离范围内，测量速率不下降。此外，测风激光雷达装置1D能预测风车的到来风速和切变。
测风激光雷达装置1D中，相对于测风激光雷达装置1B能可靠地进行远距离处的风速的测量。因此，在使用远距离处的风速测量值来事先检测阵风流入(到来)的情况下特别有效。
可以在光束方向上将对分类为远距离的多个风速测量区间中计算的频谱进行累计的累计频谱设为1个。不论远距离的累计频谱是1个还是多个，频谱累计部对按每个光束方向被分类为远距离的多个距离所对应的多个时间区间中的分割接收信号的频谱进行汇总和累计即可。
实施方式5.
实施方式5是如下情况：对实施方式1进行变更，以使得对第1频谱累计部所累计的第1累计频谱的SN比是否在第1阈值以上进行检查，在第1累计频谱的SN比在第1阈值以上的情况下，本次仅用所累计的第1累计频谱来计算风速。实施方式5中，使用方法(a2)、方法(b1)和方法(c1)。图10是说明实施方式5所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。关于图10，对与实施方式1的情况下的图1的不同点进行说明。另外，可以对实施方式2至实施方式4或其它实施方式进行变更。对于之后的实施方式也相同。
测风激光雷达装置1E具有信号处理部12E。信号处理部12E具有SN比计算部12f2。SN比计算部12f2计算第1频谱累计部12c所累计的第1累计频谱的SN比以及第2频谱累计部12e所累计的第2累计频谱的SN比。SN比判定部12g判定SN比计算部12f2计算出的SN比是否在第1阈值以上。
在第1累计频谱的SN比在第1阈值以上的情况下，多普勒风速计算部12h根据第1累计频谱来计算多普勒风速。在第1累计频谱的SN比不在第1阈值以上的情况下，生成第2累计频谱。在第2累计频谱的SN比在第1阈值以上的情况下，多普勒风速计算部12h根据第2累计频谱来计算多普勒风速。在第2累计频谱的SN比不在第1阈值以上的情况下，保存累计频谱修正部12j将第2累计频谱保存在累计频谱保存部12d中。即，在多普勒风速计算部12h不计算多普勒风速的情况下，保存累计频谱修正部12j将第2累计频谱保存在累计频谱保存部12d中。
图11是说明实施方式5所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。关于图11，对与实施方式1的情况下的图3的不同点进行说明。在S7与S8之间追加步骤S15、S16。S7中，检查在所选择的光束方向上是否计算了所确定的次数的频谱。在并未计算所确定的次数的频谱的情况下(S7为否)，返回S3。在计算了所确定的次数的频谱的情况下(S7为是)，在S15中，由SN比计算部12f2计算第1频谱累计部12c所累计的各距离的第1累计频谱的SN比。S16中，SN比判定部12g按照每个距离将S15中计算出的各距离的第1累计频谱的SN比与第1阈值进行比较。
对于第1累计频谱的SN比为第1阈值以上的距离范围(S16为是)，前进至S12。S12中，多普勒风速计算部12h根据S15中得到的频谱的峰值频率来求出多普勒频移，并进一步求出与该多普勒频移相当的多普勒风速(风速)。此外，控制部13将初始化信号发送到保存累计频谱修正部12j，保存累计频谱修正部12j对累计频谱保存部12d中所保存的、且与计算出风速的该光束方向和该距离范围(风速测量区间)相关的频谱数据的值进行初始化(重置为零)。
对于第1累计频谱的SN比小于第1阈值因而未计算风速的距离范围(S16为否)，前进至S8。S8中，将第1频谱累计部12c所累计的第1累计频谱发送到第2频谱累计部12e。然后，将第1频谱累计部12c中所剩余的累计频谱初始化为零。S8以后的处理与实施方式1的情况相同。
测风激光雷达装置1E与测风激光雷达装置1同样地进行动作。测风激光雷达装置1E能高精度地测量各方向、各距离的风速。此外，在近距离的距离范围内，测量速率不下降。与测风激光雷达装置1相比，测风激光雷达装置1E还能使生成第1累计频谱的次数减少。将生成第1累计频谱的次数称为生成次数。
省略模拟的方法和结果的说明，但测风激光雷达装置1E与测风激光雷达装置1相比，在模拟中的设定条件下，能使第1累计频谱的生成次数减少0.5次左右。模拟的方法和结果的说明记载在本申请主张优先权的PCT/JP2020/002798中。
在测风激光雷达装置预测到来风速、切变和风向中的任一个的到来风信息的情况下，预测的到来风信息的精度也得以提高。对于之后的实施方式也相同。
实施方式6.
实施方式6是如下情况：对实施方式5进行变更，以使得仅在第1累计频谱的SN比不低的情况下，对第1累计频谱进行累计以生成第2累计频谱。实施方式6中，使用方法(a2)、方法(b3)和方法(c5)。实施方式6的测风激光雷达装置1F中，对于每个光束方向，预先确定1个或多个风速测量区间(距离范围)即判断对象风速测量区间。在判断对象风速测量区间的各距离范围内计算第1累计频谱的SN比，判定SN比在第2阈值以上的距离范围的数量是否在预定的下限个数以上，在下限个数以上的情况下，将本次累计出的第1累计频谱与累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱进行累计。
判断对象风速测量区间可以是该光束方向上的所有的距离范围，也可以是根据最近的距离范围所确定的个数。可以确定判断对象风速测量区间，以使得包含能判断接收信号中是否存在表示风速的信号的距离范围。下限个数设定为1个以上的恰当的个数。
综合判断针对每个光束方向所确定的判断对象风速测量区间中的第1累计频谱中的SN比，从而能恰当地判断是否将第1累计频谱用于第2累计频谱的累计。在判断对象风速测量区间中单独判断第1累计频谱中的SN比的情况下，在累计中使用第1累计频谱和不使用第1累计频谱的风速测量区间有可能混合存在于相同的光束方向上。
图12是说明实施方式6所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。关于图12，对与实施方式5的情况下的图10的不同点进行说明。
测风激光雷达装置1F具有信号处理部12F。信号处理部12F除了SN比判定部12g以外还具有第2SN比判定部12k。第2SN比判定部12k在第1累计频谱的SN比不在第1阈值以上的情况下，判定第1累计频谱的SN比是否在第2阈值以上。第2SN比判定部12k判定包含于判断对象风速测量区间、且SN比为第2阈值以上的距离范围的个数是否在下限个数以上。
第2频谱累计部12e在由第2SN比判定部12k判定为第1累计频谱的SN比为第2阈值以上的距离范围的个数在下限个数以上的情况下，在该光束方向上将第1累计频谱与累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱进行累计。否则，第2频谱累计部12e不将第1累计频谱与累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱进行累计。在不累计的情况下，累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱不变化。
图13是说明实施方式6所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。关于图13，对与实施方式5的情况下的图11的不同点进行说明。对步骤S0F进行变更，在S16前追加步骤S17，并在S8之前追加步骤S18。
S0F中，针对每个光束方向设定判断对象风速测量区间。
S17中，第2SN比判定部12k判定包含于判断对象风速测量区间、且第1累计频谱的SN比为第2阈值以上的距离范围的个数是否在下限个数以上。判定的结果保存在变量NDsum中。在包含于判断对象风速测量区间、且第1累计频谱的SN比为第2阈值以上的距离范围的个数在下限个数以上的情况下，NDsum＝是。否则，NDsum＝否。
S16中，对于SN比小于第1阈值因而未计算风速的距离范围(S16为否)，前进至S18。S18中，检查是否为NDsum＝是。在NDsum＝是的情况下(S18中为是)，前进至S8。S8中，将第1累计频谱发送到第2频谱累计部12e。在并非NDsum＝是的情况下(S18中为否)，不将第1累计频谱用于第2累计频谱的累计，为了将激光照射到下一个光束方向而前进至S14。
测风激光雷达装置1F与测风激光雷达装置1E同样地进行动作。测风激光雷达装置1F能高精度地测量各方向、各距离的风速。此外，在近距离的距离范围内，测量速率不下降。此外，与测风激光雷达装置1E相比，测风激光雷达装置1F能使生成第1累计频谱的次数减少。
在属于判断对象风速测量区间的距离范围内，在第1累计频谱的SN比为第2阈值以上的距离范围数不在下限个数以上的情况下，测风激光雷达装置1F不对第1累计频谱进行累计。因此，相对于测风激光雷达装置1E，在测风激光雷达装置1F中，累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱的SN比变得更高。例如，在全距离范围内产生叶片导致的遮挡的情况下，在该光束方向上的所有的距离范围内SN比成为接近0的值。在上述状况下，测风激光雷达装置1F不将第1累计频谱与累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱进行累计。因此，累计频谱保存部12d将持续保存在第1频谱累计部12c生成第1累计频谱前所保存的保存累计频谱。即，累计频谱保存部12d所保存的累计频谱不变化。
实施方式7.
实施方式7是如下情况：对实施方式6进行变更，以使得在第1累计频谱的SN比不在第3阈值以上的距离范围内，即使在该光束方向上累计第1累计频谱的情况下，也不对第1累计频谱进行累计。实施方式7中，使用方法(a2)、方法(b4)和方法(c5)。
图14是说明实施方式7所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。关于图14，对与实施方式6的情况下的图12的不同点进行说明。
测风激光雷达装置1G具有信号处理部12G。信号处理部12G中，将第2SN比判定部12k变更为第2SN比判定部12kG。除了与第2SN比判定部12k同样的检查，第2SN比判定部12kG还判定第1累计频谱的SN比是否在第3阈值以上。
第2SN比判定部12kG判定包含于判断对象风速测量区间、且SN比为第2阈值以上的距离范围的个数是否在下限个数以上。在包含于判断对象风速测量区间、且SN比为第2阈值以上的距离范围的个数在下限个数以上的情况下，第2SN比判定部12kG判定各个距离范围的第1累计频谱的SN比是否在第3阈值以上。
在包含于判断对象风速测量区间、且SN比为第2阈值以上的距离范围的个数不在下限个数以上的情况下，不在该光束方向上对第2累计频谱进行累计。在包含于判断对象风速测量区间、且SN比为第2阈值以上的距离范围的个数在下限个数以上的情况下，在第2SN比判定部12kG判定为第1累计频谱的SN比在第3阈值以上的距离范围内，将第1累计频谱与累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱进行累计。否则，第2频谱累计部12e不将第1累计频谱与累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱进行累计。累计频谱保存部12d对第1频谱累计部12c生成第1累计频谱前所保存的保存累计频谱进行保存。
图15是说明实施方式7所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。关于图15，对与实施方式6的情况下的图13的不同点进行说明。在S18之后追加了S19。S19中，检查各距离范围的第1累计频谱的SN比是否在第3阈值以上。在为第3阈值以上的距离范围的情况下(S19中为是)，前进至S8。在不为第3阈值以上的距离范围的情况下(S19中为否)，前进至S14。
测风激光雷达装置1G与测风激光雷达装置1F同样地进行动作。测风激光雷达装置1G能高精度地测量各方向、各距离的风速。此外，在近距离的距离范围内，测量速率不下降。此外，能使生成第1累计频谱的次数减少。
本实施方式7中，在某个光束方向上将第1累计频谱用于第2累计频谱的累计的情况下，检查在各距离范围内第1累计频谱的SN比是否在第3阈值以上，因此，不会因对SN比不在第3阈值以上的第1累计频谱进行累计，而导致累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱的SN比降低。
实施方式8.
实施方式8是如下情况：对实施方式1进行变更，以使得将SN比高于累计频谱保存部中所保存的累计频谱的SN比的第2累计频谱保存在累计频谱保存部中。实施方式8中，使用方法(a1)、方法(b1)和方法(c3)。
图16是说明实施方式8所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。关于图16，对与实施方式1的情况下的图1的不同点进行说明。
测风激光雷达装置1H具有信号处理部12H。信号处理部12H除了SN比判定部12g以外还具有第3SN比判定部12n。对累计频谱保存部12d2、保存累计频谱修正部12jH进行变更。累计频谱保存部12d2将累计频谱的SN比与累计频谱一起进行保存。在保存累计频谱时，保存累计频谱修正部12jH也保存该累计频谱的SN比。另外，也可以不将SN比保存在累计频谱保存部中，而根据从累计频谱保存部读取出的累计频谱，通过计算来求出该SN比。
第3SN比判定部12n在SN比判定部12g判定为第2累计频谱的SN比不在第1阈值以上的情况下动作。第3SN比判定部12n判定第2累计频谱的SN比是否比累计频谱保存部12d2中所保存的累计频谱的SN比(保存频谱SN比)要高。在第2累计频谱的SN比高于保存频谱SN比的情况下，保存累计频谱修正部12jH将第2累计频谱及其SN比保存在累计频谱保存部12d2中。在第2累计频谱的SN比并不高于保存频谱SN比的情况下，保存累计频谱修正部12jH不将第2累计频谱保存在累计频谱保存部12d2中。累计频谱保存部12d2持续对所保存的累计频谱进行保存。
图17是说明实施方式8所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。关于图17，对与实施方式1的情况下的图3的不同点进行说明。对步骤S0H、步骤S12H、步骤S13H进行变更。在S13H之前，追加了步骤S20。
S0H中，保存累计频谱修正部12jH将累计频谱保存部12d2中所保存的与各光束方向和各距离相关的频谱数据和SN比初始化为零。
对于第2累计频谱的SN比为第1阈值以上的距离(S11为是)，前进至S12H。S12中，多普勒风速计算部12h根据第2累计频谱的峰值频率来求出多普勒频移，并进一步求出与该多普勒频移相当的多普勒风速(风速)。此外，控制部13将初始化信号发送到保存累计频谱修正部12jH，保存累计频谱修正部12jH对累计频谱保存部12d2中所保存的、且与计算出风速的该光束方向和该距离范围(风速测量区间)相关的频谱数据的值及其SN比进行初始化(重置为零)。
对于第2累计频谱的SN比不为第1阈值以上的距离(S11为否)，前进至S20。S20中，检查第2累计频谱的SN比是否比保存频谱SN比要高。在第2累计频谱的SN比比保存频谱SN比要高(S20中为是)的情况下，在S13H中，将第2累计频谱及其SN比作为该光束方向、该距离的累计频谱，覆盖并保存在累计频谱保存部12d2中。也覆盖并保存第2累计频谱的SN比。在第2累计频谱的SN比不比保存频谱SN比要高(S20中为否)的情况下，前进至S14。另外，在累计频谱并未保存在累计频谱保存部12d2中的情况下，设为S20中为是。
测风激光雷达装置1H与测风激光雷达装置1同样地进行动作。测风激光雷达装置1H能高精度地测量各方向、各距离的风速。此外，在近距离的距离范围内，测量速率不下降。此外，能使生成第1累计频谱的次数减少。
测风激光雷达装置1H中，仅具有比累计频谱保存部12d2中所保存的累计频谱的SN比要高的SN比的第2累计频谱被保存在累计频谱保存部12d2中。因此，测风激光雷达装置1H不会使累计频谱保存部12d2中所保存的累计频谱的SN比降低。因此，测风激光雷达装置1H能使计算风速时使用的累计频谱的SN比比测风激光雷达装置1要高，能更准确地计算风速。由于能使累计频谱保存部12d2保存的累计频谱的SN比变高，因此，测风激光雷达装置1H能使到计算风速为止的第1累计频谱的生成次数比测风激光雷达装置1要少。
实施方式9.
实施方式9是如下情况：对实施方式6进行变更，以使得按照每个距离范围而非按照每个光束方向对是否进一步累计第1累计频谱进行判断。实施方式9中，使用方法(a2)、方法(b2)和方法(c5)。
图18是说明实施方式9所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。关于图18，对与实施方式6的情况下的图12的不同点进行说明。
测风激光雷达装置1J具有信号处理部12J。信号处理部12J具有第2SN判定部12kJ。第2SN判定部12kJ在各光束方向、各距离范围内单独判定第1累计频谱的SN比是否在第2阈值以上。第2阈值预先确定为比SN比判定部12g使用的第1阈值要小。第2阈值与实施方式6的情况同样地确定。
第2频谱累计部12e在第1累计频谱的SN比在第2阈值以上的情况下，将第1累计频谱与累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱进行累计，以生成第2累计频谱。否则，第2频谱累计部12e不将第1累计频谱与累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱进行累计。在不累计的情况下，累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱不变化。累计频谱保存部12d对第1频谱累计部12c生成第1累计频谱前所保存的保存累计频谱进行保存。
图19是说明实施方式9所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。关于图19，对与实施方式6的情况下的图13的不同点进行说明。S0不变更。在S16与S8之间追加步骤S18J以代替S18。
S16中，对于SN比小于第1阈值因而未计算风速的距离范围(S16为否)，前进至S18J。S18J中，检查第1累计频谱的SN比是否在第2阈值以上。在第1累计频谱的SN比在第2阈值以上的情况下(S18J中为是)，前进至S8。S8中，将第1累计频谱发送到第2频谱累计部12e。在第1累计频谱的SN比不在第2阈值以上的情况下(S18J中为否)，不将第1累计频谱用于第2累计频谱的累计，为了向下一个光束方向照射激光而前进至S14。
测风激光雷达装置1J与测风激光雷达装置1F同样地进行动作。测风激光雷达装置1H能高精度地测量各方向、各距离的风速。此外，在近距离的距离范围内，测量速率不下降。
SN比较低的第1累计频谱不被累计到第2累计频谱，因此，保存在累计频谱保存部12d中的累计频谱的SN比部降低。因此，能减少生成第1累计频谱的次数，直到第2累计频谱的SN比成为第1阈值以上为止。
实施方式10.
实施方式10是如下情况：对实施方式1进行变更，以使得对第1累计频谱和第2累计频谱中SN比较高的一方即高SN比累计频谱的SN比是否在第1阈值以上进行判定，并根据SN比在第1阈值以上的高SN比累计频谱来计算风速。实施方式10中，使用方法(a6)、方法(b1)和方法(c2)。图20是说明实施方式10所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。关于图20，对与实施方式1的情况下的图1的不同点进行说明。
测风激光雷达装置1K具有信号处理部12K。信号处理部12K具有SN比计算部12f2、SN比判定部12gK、保存累计频谱修正部12jK。SN比计算部12f2计算第1频谱累计部12c所累计的第1累计频谱以及第2频谱累计部12e所累计的第2累计频谱的SN比。SN比判定部12gK确定第1累计频谱和第2累计频谱中的哪个为高SN比累计频谱，并判定高SN比累计频谱的SN比是否在第1阈值以上。高SN比累计频谱也可以由SN比判定部12gK以外的部件来确定。
在高SN比累计频谱的SN比在第1阈值以上的情况下，多普勒风速计算部12h计算多普勒风速。在高SN比累计频谱的SN比不在第1阈值以上的情况下，保存累计频谱修正部12jK将高SN比累计频谱保存在累计频谱保存部12d中。即，在多普勒风速计算部12h不计算多普勒风速的情况下，保存累计频谱修正部12jK将高SN比累计频谱保存在累计频谱保存部12d中。
图21是说明实施方式10所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。关于图21，对与实施方式1的情况下的图4的不同点进行说明。在S7与S8之间追加S15，在S10之后追加步骤S21。此外，对步骤S11K、步骤S12K、步骤S13K进行变更。
在计算了所确定的次数的频谱的情况下(S7为是)，在S15中，由SN比计算部12f2计算第1频谱累计部12c所累计的各距离的第1累计频谱的SN比。
S10中，SN比计算部12f2计算第2频谱累计部12e累计后得到的第2累计频谱的SN比。S21中，将第1累计频谱和第2累计频谱中的任意SN比较高的一方设为高SN比累计频谱。
S11K中，按照每个距离检查高SN比累计频谱的SN比是否在第1阈值以上。对于高SN比累计频谱的SN比在第1阈值以上的距离(S11K中为是)，前进至S12K。S12K中，多普勒风速计算部12h根据高SN比累计频谱的峰值频率来求出多普勒频移，并进一步求出与该多普勒频移相当的多普勒风速(风速)。此外，控制部13将初始化信号发送到保存累计频谱修正部12j，保存累计频谱修正部12j对累计频谱保存部12d中所保存的、且与计算出风速的该光束方向和该距离范围(风速测量区间)相关的频谱数据的值进行初始化(重置为零)。
对于高SN比累计频谱的SN比不在第1阈值以上的距离(S11K中为否)，前进至S13K。S13K中，将高SN比累计频谱作为该光束方向、该距离的累计频谱，覆盖并保存在累计频谱保存部12d中。即，在多普勒风速计算部12h不计算多普勒风速的情况下，保存累计频谱修正部12jK将高SN比累计频谱保存在累计频谱保存部12d中。
测风激光雷达装置1K与测风激光雷达装置1同样地进行动作。测风激光雷达装置1K能高精度地测量各方向、各距离的风速。此外，在近距离的距离范围内，测量速率不下降。
通过根据第1累计频谱或第2累计频谱中任意的SN比较大的一方即高SN比累计频谱来计算风速，从而与优先使用第1累计频谱或第2累计频谱来计算风速的情况相比，能根据高SN比的累计频谱来计算风速，计算的风速的精度得以提高。
由于将高SN比累计频谱保存在累计频谱保存部12d中，因此，第2次以后累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱的SN比比始终保存第2累计频谱的情况要高。累计频谱保存部12d中所保存的累计频谱的SN比变高，因此，到能计算风速为止的第1累计频谱的生成次数变少。
实施方式11.
实施方式11是如下情况：对实施方式10进行变更，以使得在高SN比累计频谱的SN比高于累计频谱保存部中所保存的保存累计频谱的SN比的情况下，将高SN比累计频谱保存在累计频谱保存部中。实施方式11中，使用方法(a6)、方法(b1)和方法(c4)。图22是说明实施方式11所涉及的测风激光雷达装置的结构的示意图。关于图22，对与实施方式10的情况下的图20的不同点进行说明。
测风激光雷达装置1L具有信号处理部12L。信号处理部12L除了SN比判定部12gK以外还具有第3SN比判定部12nL。与实施方式8同样地，对累计频谱保存部12d2、保存累计频谱修正部12jH进行变更。累计频谱保存部12d2将累计频谱的SN比与累计频谱一起进行保存。在保存累计频谱时，保存累计频谱修正部12jH也保存SN比。
第3SN比判定部12nL在SN比判定部12gK判定为高SN比累计频谱的SN比不在第1阈值以上的情况下动作。即，第3SN比判定部12nL在多普勒风速计算部12h不计算多普勒风速的情况下动作。第3SN比判定部12nL判定高SN比累计频谱的SN比是否比保存频谱SN比要高。在高SN比累计频谱的SN比高于保存频谱SN比的情况下，保存累计频谱修正部12jH将高SN比累计频谱及其SN比保存在累计频谱保存部12d2中。即，在多普勒风速计算部12h不计算多普勒风速，且高SN比累计频谱的SN比高于保存累计频谱的SN比的情况下，保存累计频谱修正部12j将高SN比累计频谱保存在累计频谱保存部12d2中。
在高SN比累计频谱的SN比不高于保存频谱SN比的情况下，保存累计频谱修正部12jH不将高SN比累计频谱保存在累计频谱保存部12d2中。累计频谱保存部12d2持续对所保存的累计频谱进行保存。在高SN比累计频谱的SN比与保存频谱SN比相等的情况下，保存累计频谱修正部12j可以将高SN比累计频谱保存在累计频谱保存部12d2中。在多普勒风速计算部12h不计算多普勒风速，且高SN比累计频谱的SN比低于保存累计频谱的SN比的情况下，保存累计频谱修正部12j可以将高SN比累计频谱保存在累计频谱保存部12d2中。
图23是说明实施方式11所涉及的测风激光雷达装置的动作的流程图。关于图23，对与实施方式10的情况下的图21的不同点进行说明。对步骤S0H、S12L、S13L进行变更，并在S13L前追加步骤S20L。
与测风激光雷达装置1H同样地，S0H中，保存累计频谱修正部12jH将累计频谱保存部12d2中所保存的与各光束方向和各距离相关的频谱数据和SN比初始化为零。
对于高SN比累计频谱的SN比在第1阈值以上的距离(S11K中为是)，前进至S12L。S12L中，多普勒风速计算部12h根据高SN比累计频谱的峰值频率来求出多普勒频移，并进一步求出与该多普勒频移相当的多普勒风速(风速)。此外，控制部13将初始化信号发送到保存累计频谱修正部12jH，保存累计频谱修正部12jH对累计频谱保存部12d2中所保存的、且与计算出风速的该光束方向和该距离范围(风速测量区间)相关的频谱数据的值及其SN比进行初始化(重置为零)。
对于高SN比累计频谱的SN比不在第1阈值以上的距离(S11K中为否)，前进至S20L。S20L中，检查高SN比累计频谱的SN比是否比保存频谱SN比要高。在高SN比累计频谱的SN比比保存频谱SN比要高(S20L中为是)的情况下，在S13L中，将高SN比累计频谱及其SN比作为该光束方向、该距离的累计频谱和SN比，覆盖并保存在累计频谱保存部12d2中。在高SN比累计频谱的SN比不比保存频谱SN比要高(S20L中为否)的情况下，前进至S14。另外，在累计频谱并未保存在累计频谱保存部12d2中的情况下，设为S20L中为是。
测风激光雷达装置1L与测风激光雷达装置1K同样地进行动作。测风激光雷达装置1L能高精度地测量各方向、各距离的风速。此外，在近距离的距离范围内，测量速率不下降。通过根据高SN比累计频谱来计算风速，从而相对于仅根据第2累计频谱来计算风速的情况、或优先使用第1累计频谱来计算风速的情况，能根据高SN比的累计频谱来计算风速，计算的风速的精度得以提高。
仅在SN比比累计频谱保存部12d2中所保存的累计频谱要高的情况下，将高SN比累计频谱保存在累计频谱保存部12d2中，因此，累计频谱保存部12d2中所保存的累计频谱的SN比不下降。累计频谱保存部12d2中所保存的累计频谱的SN比变高，因此，到能计算风速为止的第1累计频谱的生成次数变少。
可以对各实施方式进行自由组合，或者省略各实施方式的变形和一部分构成要素，或者对省略和变形了一部分构成要素的各实施方式进行自由组合。
标号说明
1、1A、1B、1C、1D、1E、1F、0F、1G、1H、1J、1K、1L 测风激光雷达装置
2 风车
3 光源
4 光分配器
5 脉冲调制器
6 光放大器
7 光循环器
8 光开关(光束切换部)
9、9a、9b、9c、9d 收发光学系统(光束切换部)
10 光合波器(接收检波部)
11 光接收机(接收检波部)
12、12D、12E、12F、12G、12H、12J、12K、12L 信号处理部
12a 时间选通部(接收信号分割部)
12b 频谱计算部
12c 第1频谱累计部(频谱累计部)
12d、12d2 累计频谱保存部
12e 第2频谱累计部(频谱累计部)
12f 12f2 SN比计算部
12g、12gK SN比判定部
12h 多普勒风速计算部(风速计算部)
12j、12jD、12jH、12jK 保存累计频谱修正部
12k、12kG、12kj 第2SN比判定部
12n、12nL 第3SN比判定部
13 控制部
14 波长切换型光源(光源、光束切换部)
15 波分型光多路复用器(光束切换部)
16、16C 风速预测部(到来风信息预测部)
16a 多普勒风速保存部
16b 到来风速预测部
16c 切变预测部
16d 加权系数存储部
16e 到来风速存储部
16f 切变存储部
16g 到来风速预测用加权系数
16h 切变预测用加权系数
17 光束方向存储部
18 风向测量部(到来风信息预测部)。

Claims (16)

1.一种测风激光雷达装置，
搭载于风车，在针对所述风车的正面方向而确定的多个光束方向上将脉冲的激光即发送光发送到大气中，并根据所述发送光被与大气一起移动的粒子所反射而得的反射光相对于所述发送光的多普勒频移，在各所述光束方向上测量相距所述风车的多个距离处的风速，所述测风激光雷达装置的特征在于，包括：
频谱计算部，该频谱计算部对分割接收信号进行傅里叶变换来计算频谱，所述分割接收信号通过在与所述距离对应地划分出的多个时间区间中对从所述反射光生成的接收信号进行分割而得到；
频谱累计部，该频谱累计部求出累计频谱，所述累计频谱通过按照每个所述光束方向和所述时间区间的组合即风速测量区间中对从上次计算出所述风速后被发送的多个所述脉冲中的所述分割接收信号得到的所述频谱的至少一部分进行累计而得到；
SN比计算部，该SN比计算部计算所述累计频谱的SN比；
风速计算部，该风速计算部针对SN比在第1阈值以上的所述累计频谱，在每个所述风速测量区间中计算所述风速；以及
到来风信息预测部，该到来风信息预测部基于每个所述风速测量区间的所述风速来预测作为到达所述风车的风的到来风的信息即到来风信息。
2.如权利要求1所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述频谱累计部按照每个所述光束方向将分类为远距离的多个所述距离所对应的多个所述时间区间中的所述分割接收信号的所述频谱汇总来累计。
3.如权利要求1或2所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述风速计算部在相同的所述距离且成为相同高度的所有多个所述风速测量区间中所述累计频谱的SN比满足计算所述风速的条件的情况下，在相同的所述距离且成为相同高度的所有多个所述风速测量区间中计算所述风速。
4.如权利要求1至3中任一项所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述到来风信息预测部具有预测所述到来风的风速即到来风速的到来风速预测部。
5.如权利要求4所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述到来风速预测部对每个所述风速测量区间中的所述风速进行加权平均来预测向所述风车的到来风速。
6.如权利要求4或5所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述到来风速预测部根据相同的所述距离的所述风速测量区间的所述风速来计算每个所述距离处的所述风速即多个距离风速，并通过所述距离风速的加权平均来预测所述到来风速。
7.如权利要求4或5所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述到来风速预测部通过相同的所述距离的所述风速测量区间的所述风速的加权平均来计算每个所述距离处的所述风速即多个距离风速，并通过对所述距离风速进行平均来预测所述到来风速。
8.如权利要求6或7所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
确定多个所述光束方向，以使得具有与各个所述光束方向的仰角相同的仰角的其它光束方向的数量在各仰角下为1个以上且为相同，
所述到来风速预测部在计算所述距离风速时，在计算出所述风速的所述光束方向的数量较少的仰角的所述光束方向上，使用于加权平均的加权系数比针对其它仰角的所述光束方向的所述加权系数要大。
9.如权利要求6至8中任一项所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述到来风速预测部在所述到来风速的预测中使用的到来风速预测用加权系数在所述累计频谱的累计次数较小的情况下确定得较大，在所述累计次数较大的情况下确定得较小。
10.如权利要求4至8中任一项所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
确定多个所述光束方向，以使得具有与各个所述光束方向的仰角相同的仰角的其它光束方向的数量为1个以上且为相同，
所述到来风信息预测部具有切变预测部，该切变预测部预测根据在相同的所述距离但高度不同的所述风速测量区间中测量出的所述风速而计算出的所述风速的所述风车的正面方向的分量在高度方向上的变化率即切变，
所述到来风速预测部在存在不测量仰角的情况下，使用基于具有与所述不测量仰角相邻的仰角的所述光束方向上所测量出的所述风速和最近预测出的所述切变而推定出的所述不测量仰角下的风速，来预测所述到来风速，其中，所述不测量仰角是不存在计算出所述风速的所述光束方向的仰角。
11.如权利要求1至9中任一项所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述到来风信息预测部具有切变预测部，该切变预测部预测根据在相同的所述距离但高度不同的所述风速测量区间中测量出的所述风速而计算出的所述风速的所述风车的正面方向的分量在高度方向上的变化率即切变。
12.如权利要求10或11所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述切变预测部预测在多个距离处计算所述切变并进行加权平均后而得的平均切变。
13.如权利要求12所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述切变预测部预测每个所述距离处的所述切变即多个距离切变，并通过所述距离切变的加权平均来预测所述平均切变。
14.如权利要求12所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述切变预测部基于加权后的每个所述风速测量区间中的所述风速来预测每个所述距离处的所述切变即多个距离切变，并通过对所述距离切变进行平均来预测所述平均切变。
15.如权利要求12至14中任一项所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述切变预测部在所述平均切变的预测中使用的切变预测用加权系数在所述累计频谱的累计次数较小的情况下确定得较大，在所述累计次数较大的情况下确定得较小。
16.如权利要求1至15中任一项所述的测风激光雷达装置，其特征在于，
所述到来风信息预测部具有风向测量部，该风向测量部基于所述风车的转子直径的2倍以上的所述距离所对应的多个所述光束方向上的所述风速测量区间中所测量出的多个所述风速、以及表示所述光束方向的光束方向矢量来计算风矢量，并根据所述风矢量来测量风向。
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