JP2016102740A - 風計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動揺状況によらず風計測精度の劣化を低減する。【解決手段】非一定の観測周期で、観測領域における風向風速を計測する風向風速計測部１と、自装置の動揺状況を示すパラメータを検出する動揺検出部２と、動揺検出部２により検出された動揺状況を示すパラメータを用いて、風向風速計測部１により計測された風向風速を補正する動揺補正部３とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、観測領域における風を計測する風計測装置に関するものであり、特に、動揺による風計測精度の劣化を低減する風計測装置に関するものである。

従来、遠隔点の観測領域における風を計測する風計測装置として、ドップラレーダやウィンドプロファイラ、ドップラライダ、ドップラソーダ等の装置が使用されている。これらの装置は、観測領域に電磁波（光）又は音波を放射し、エアロゾルによる反射波を受信して、受信信号のドップラ周波数から大気中の風の風向風速を算出するものである。

以降、ドップラライダを例に説明を行う。
ドップラライダで直接計測するものは、大気中の風を送信ビーム方向又は受信ビーム方向に射影した視線方向成分である。異なる方向の視線方向成分を計測し、それらを用いて例えばＶＡＤ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ａｚｉｍｕｔｈ Ｄｉｓｐｌａｙ）又はＤＢＳ（Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｂｅａｍ Ｓｗｉｎｇｉｎｇ）等の演算を行うことで風向風速を算出する。

このような風計測装置は、地上に設置して観測するものの他に、船又は航空機といった移動体（プラットフォーム）に搭載して観測するものがある（例えば非特許文献１参照）。このようなプラットフォームは、自発的な移動の他に、風又は波等の外界の影響を受けた移動（動揺）が生じることが一般的であり、風計測装置も動揺することになる。そこで、風計測装置に動揺検出装置を付加し、風計測装置の動揺状況を示すパラメータ（姿勢角（ロール、ピッチ、ヨー等）、各軸方向の角速度、角加速度、方位、位置、速度等）を検出している。そして、この動揺状況を示すパラメータを用いて、プラットフォームが受ける動揺を相殺するようなプラットフォームの動きの制御、又は動揺の影響が含まれる計測データに対して動揺による回転及び移動量を加味した補正が行われる（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−２４１４４１号公報

Ｌ．Ｔｉａｎ，"３Ｄ ＷＩＮＤ ＲＥＴＲＩＥＶＡＬ ＦＲＯＭ ＤＯＷＮＷＡＲＤ ＣＯＮＩＣＡＬ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＡＩＲＢＯＲＮＥ ＤＯＰＰＬＥＲＲＡＤＡＲ，"３５ｔｈ，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒａｄａｒ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，２０１１．

しかしながら、動揺の影響が含まれる計測データを補正する場合、動揺状況を示すパラメータの振幅値又は周期（周波数）によっては、正しく補正することができず、結果として風計測精度が劣化するという課題があった。例えば、周期的な動揺がある場合において、動揺周期と観測周期（補正周期）がサンプリング定理の関係（可制御、可観測の関係）を満たさない場合、補正の効果は低減するものであるが、特に、その周期が観測周期の１以上の整数倍であるとき、動揺状況を捉えることができなくなる。そのため、動揺補正を行っても、その影響を除去することは困難である。また、ＤＢＳ等の特定の観測方法の場合には、動揺状況を示すパラメータの振幅値が大きくなるにつれて動揺補正効果が低下し、最終的な風計測精度が劣化する。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、動揺状況によらず風計測精度の劣化を低減することができる風計測装置を提供することを目的としている。

この発明に係る風計測装置は、非一定の観測周期で、観測領域における風向風速を計測する風向風速計測部と、自装置の動揺状況を示すパラメータを検出する動揺検出部と、動揺検出部により検出された動揺状況を示すパラメータを用いて、風向風速計測部により計測された風向風速を補正する動揺補正部とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、動揺状況によらず風計測精度の劣化を低減することができる。

この発明の実施の形態１に係る風計測装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における風向風速計測部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る風計測装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る風計測装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る風計測装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態５に係る風計測装置の構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る風計測装置の構成を示す図である。
風計測装置は、図１に示すように、風向風速計測部１、動揺検出部２、動揺補正部３及び記録表示部４を備えている。なお、風計測装置の各部は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される。また以下では、風計測装置は、船又は航空機等の移動体（プラットフォーム）に搭載されているものとする。

風向風速計測部１は、非一定の観測周期（周波数）で、観測領域における風向風速（風ベクトル）を計測するものである。この風向風速計測部１の内部構成例については後述する。なお、風向風速計測部１により計測された風向風速には、プラットフォームの動揺に伴う風計測装置の動揺によって生じた誤差が含まれている。この風向風速計測部１により計測された風向風速を示す情報（風向風速情報）は動揺補正部３に出力される。

動揺検出部２は、定期的に、自装置（風計測装置）の動揺状況を示すパラメータを検出するものである。すなわち、プラットフォームが動揺することによる風計測装置の動揺状況を検出する。この動揺状況を示すパラメータとしては、例えば、風計測装置の姿勢角（ロール角、ピッチ角、ヨー角等）、各軸方向の角速度、角加速度、方位、位置、速度等が挙げられる。この動揺検出部２は、例えば、自装置の動揺を検出するジャイロセンサ、自装置の位置を検出するＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、自装置の方位を検出する磁気コンパス等によって構成される。この動揺検出部２により検出された自装置の動揺状況を示すパラメータを示す情報（動揺情報）は動揺補正部３に出力される。

動揺補正部３は、動揺検出部２により検出された動揺状況を示すパラメータを用いて、風向風速計測部１により計測された風向風速を補正するものである。この動揺補正部３により補正された風向風速を示す情報（補正後風向風速情報）は記録表示部４に出力される。

記録表示部４は、動揺補正部３からの補正後風向風速情報を記録し、また、モニタ（不図示）上に表示するものである。この記録表示部４の記録機能は、ＨＤＤ、ＤＶＤ、メモリ等によって構成される。また、記録表示部４は、補正後風向風速情報の記録後、さらに二次解析（時間平均、統計処理等）を行ってもよい。なお、記録表示部４は、本発明の風計測装置に必須の構成ではない。

次に、風向風速計測部１の内部構成例について、図２を参照しながら説明する。
風向風速計測部１は、例えば図２に示すように、視線速度計測部１１及び風向風速算出部１２を備えている。

視線速度計測部１１は、観測領域に電磁波（光）又は音波を放射し、大気中の風と同様の動きをするエアロゾルからの反射波を受信して、受信信号のドップラ周波数から所定方位のドップラ速度（視線速度）を計測するものである。この視線速度計測部１１により計測されたドップラ速度を示す情報（視線速度情報）は風向風速算出部１２に出力される。
以下、光パルスを用いてドップラ速度を計測する場合について説明する。この場合、視線速度計測部１１では、まず、観測領域の所定方向に光パルスを放射する。その後、エアロゾルからの反射波を受信し、その受信信号を所定サンプリング周波数でＡ／Ｄ変換する。そして、この受信信号から所定距離分解能に相当する部分を切り出し、それをフーリエ変換（具体的手段としては、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理）することによりパワースペクトルを算出する。そして、所定数分のパワースペクトルを用いて積分（インコヒーレント積分）処理を行う。なお、この積分処理は、検出能を向上させるための処理であり、必須のものではない。そして、積分後のパワースペクトルに対して、モーメント法によりドップラ情報（信号強度、ドップラ速度、ドップラ速度幅等）を算出する。なお上記では、光パルスを放射する場合を例に説明を行ったが、光の連続波を用いてもよい。また、ここでは、モーメント法により視線方向のドップラ情報を得る場合を例に説明を行ったが、積分前の光パルス間の位相の変化量からドップラ情報を得るパルスペア法等を用いてもよい。

また、風向風速算出部１２は、視線速度計測部１１により計測された複数方位のドップラ速度から、風向風速を算出するものである。この際、風向風速算出部１２では、複数方位のドップラ速度から、例えばＶＡＤ又はＤＢＳ等の演算を行うことで、風向風速を算出する。なお、ＶＡＤでは、原理的に、異なる３方位以上のドップラ速度があれば風向風速を算出できる。また、ＤＢＳでは、例えば所定天頂角で、東西南北４方位のドップラ速度を用いる方法、東西南北に鉛直方向を加えた５方位のドップラ速度を用いる方法、東西南北鉛直の５方位中の鉛直方向を含む３方位のドップラ速度を用いる方法等がある。

次に、上記のように構成された風計測装置の動作について説明する。
風計測装置の動作では、風向風速計測部１は、非一定の周期で、観測領域における風向風速を計測する。
ここで、風向風速計測部１で観測周期を非一定とする方法として、計測の際に用いる一観測内（風向風速を算出するまで）のビーム数を変える方法がある。すなわち、取得するドップラ速度数を変える。この方法では、ドップラ速度の計測時間単位で観測周期を変化させることができる。

また、観測周期を非一定とする別の方法として、計測の際に用いる風向風速の算出方法を変える方法がある。例えば、ＤＢＳにより風向風速を算出する場合に、ドップラ速度数を変える（上述した３〜５方位のドップラ速度、又はそれ以外の本数のドップラ速度に変える）。この方法でも、ドップラ速度の計測時間単位で観測周期を変化させることができる。

また、観測周期を非一定とする別の方法として、計測の際に行う検出能を向上させるためのインコヒーレント積分数を変える方法がある。この方法では、インコヒーレント積分数の設定時間単位で観測周期を変化させることができる。

また、観測周期を非一定とする別の方法として、計測の際に用いるビームの走査時間を変える方法がある。例えば、ビームの切替え時間（マージン）又はビーム走査速度を変える。この方法では、切替え時間として設定できる時間又は走査速度として設定できる時間単位で観測周期を変化させることができる。また、ビーム数を変える方法及びインコヒーレント積分数を変える方法では、変更により観測精度も変わってしまうが、切替え時間を変える方法では、精度をほぼ一定にすることができる。

一方、動揺検出部２は、定期的に、自装置（風計測装置）の動揺状況を示すパラメータを検出している。この動揺検出部２の動作は、従来技術と同様である。

次いで、動揺補正部３は、動揺検出部２により検出された動揺状況を示すパラメータを用いて、風向風速計測部１により計測された風向風速を補正する。この動揺補正部３の動作は、従来技術と同様である。この動揺補正部３により、風計測装置の動揺による誤差を取除き、プラットフォーム上を基準とした風向風速値を、地上を基準とした風向風速値に変換することができる。

次いで、記録表示部４は、動揺補正部３からの補正後風向風速情報を記録し、また、モニタ（不図示）上に表示する。

以上のように、この実施の形態１では、非一定の観測周期で風向風速の計測を行うように構成したので、動揺状況によらず風計測精度の劣化を低減することができる。すなわち、動揺がある周期を持ち、且つ観測周期の１以上の整数倍の関係にあり、動揺の補正が困難であるといった条件を回避することができるため、風計測精度の劣化を低減することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、風向風速計測部１自身で観測周期を非一定に設定して観測を行う場合について示した。それに対し、実施の形態２では、風向風速の観測周期を外部から制御する場合について説明する。
図３はこの発明の実施の形態２に係る風計測装置の構成を示すブロック図である。この図３に示す実施の形態２に係る風計測装置は、図１に示す実施の形態１に係る風計測装置に計測制御部５を追加し、風向風速計測部１を風向風速計測部１ｂに変更したものである。その他の構成は同様であり、異なる部分についてのみ説明を行う。

計測制御部５は、風向風速計測部１ｂにて非一定周期で観測を行うよう観測周期を制御するものである。この際、計測制御部５は、例えば、一観測内でのビーム数、風向風速の算出方法、インコヒーレント積分数、又はビームの走査時間を設定する計測制御信号を生成する。この計測制御部５により生成された計測制御信号は風向風速計測部１ｂに出力される。

風向風速計測部１ｂは、計測制御部５からの計測制御信号に従って観測周期（周波数）を設定し、その非一定の観測周期で、観測領域における風向風速（風ベクトル）を計測するものである。この風向風速計測部１ｂにより計測された風向風速を示す情報（風向風速情報）は動揺補正部３に出力される。

以上のように、この実施の形態２によれば、風向風速計測部１ｂにて非一定周期で観測を行うよう観測周期を制御する計測制御部５を設けたので、実施の形態１における効果に加え、風向風速計測部１ｂは、自身で観測周期を非一定に設定する機能を有していない一般的な構成を用いることができるため、従来の風計測装置からの改修規模を小さくすることができる。

実施の形態３．
実施の形態１では、動揺状況によらず、独自の設定で非一定周期での観測を行う場合について示した。それに対し、実施の形態３では、動揺状況を把握し、補正不能となる条件を回避するように観測内容を変更する場合について説明する。
図４はこの発明の実施の形態３に係る風計測装置の構成を示すブロック図である。この図４に示す実施の形態３に係る風計測装置は、図１に示す実施の形態１に係る風計測装置に動揺解析部６を追加し、風向風速計測部１を風向風速計測部１ｃに変更したものである。その他の構成は同様であり、異なる部分についてのみ説明を行う。なお、動揺検出部２は、動揺情報を動揺補正部３及び動揺解析部６に出力している。

動揺解析部６は、動揺検出部２により検出された動揺状況を示すパラメータを解析するものである。この動揺解析部６による解析結果を示す情報（動揺解析情報）は、風向風速計測部１ｃに出力される。

風向風速計測部１ｃは、非一定の観測周期（周波数）で、観測領域における風向風速（風ベクトル）を計測するものである。また、風向風速計測部１ｃは、動揺解析部６からの動揺解析情報に基づいて、観測内容を変更する。この風向風速計測部１ｃにより計測された風向風速を示す情報（風向風速情報）は動揺補正部３に出力される。

ここで、動揺解析部６は、動揺解析として、例えば動揺状況を示すパラメータの振幅値を検出する。具体的には、上記パラメータの絶対値のピークを抽出する。特にＤＢＳにより風向風速を算出する場合には、ヨー軸でのパラメータの振幅値が大きくなるにつれて、風向風速算出精度が劣化することが知られている。これは、風向風速算出の際に仮定しているドップラ速度の位置関係（直交性）が動揺によって成り立たなくなることが一因である。このような場合、風向風速の算出方法をＶＡＤのような方式に変更することで改善することが予想される。よって、動揺解析部６は、上記パラメータの振幅値が閾値を超えるかを判定し、閾値を超える場合には、風向風速計測部１ｃは風向風速の算出方法を例えばＶＡＤに変更する。なお、ＶＡＤの場合には、３本（方位）以上のビームがあれば成立し、且つ、精度も向上するため、次以降の観測値（視線速度）も用いて演算することもできる。

また、動揺解析として、例えば動揺状況を示すパラメータの周期（周波数）を検出するようにしてもよい。具体的には、上記パラメータを周波数解析（例えばＦＦＴ）し、スペクトルのピーク値を抽出する。上記パラメータの周期が観測周期の１以上の整数倍となる条件では、動揺を補正することができなるため、大きく風計測精度が劣化する。そこで、動揺解析部６は、上記パラメータの周期が観測周期の１以上の整数倍であるかを判定し、この条件を満たす場合には、風向風速計測部１ｃは観測周期を変更する。

また、特にＤＢＳにより風向風速を算出する場合には、振幅の場合と同様、ヨー軸でのパラメータの周期が大きくなるにつれて、風向風速算出精度が劣化することが知られている。このような場合、風向風速の算出方法をＶＡＤのような方式に変更することで改善することが予想される。よって、動揺解析部６は、上記パラメータの周期が閾値を超えるかを判定し、閾値を超える場合には、風向風速計測部１ｃは風向風速の算出方法を例えばＶＡＤに変更する。

以上のように、実施の形態３によれば、動揺情報を解析し、その結果に基づいて風向風速計測部１での観測内容を変更するように構成したので、実施の形態１における効果に加え、動揺補正不能な条件を避けて観測周期を設定することができるため、効率的な観測を行うことができ、また、風計測精度の劣化をより低減することができる。

実施の形態４．
実施の形態３では、動揺解析情報に基づき、風向風速計測部１自身で観測内容を変更する場合について示した。それに対し、実施の形態４では、動揺解析情報に基づき、風向風速計測部１の観測を外部から変更する場合について説明する。
図５はこの発明の実施の形態４に係る風計測装置の構成を示すブロック図である。この図５に示す実施の形態４に係る風計測装置は、図４に示す実施の形態３に係る風計測装置に計測制御部５ｂを追加し、風向風速計測部１ｃを風向風速計測部１ｄに変更したものである。その他の構成は同様であり、異なる部分についてのみ説明を行う。なお、動揺解析部６は、動揺解析情報を計測制御部５ｂに出力している。

計測制御部５ｂは、動揺解析部６からの動揺解析情報に基づいて、風向風速計測部１ｄでの観測内容を変更するものである。この際、計測制御部５は、風向風速の算出方法、観測周期を変更するための計測制御信号を生成する。この計測制御部５ｂにより生成された計測制御信号は風向風速計測部１ｄに出力される。

風向風速計測部１ｄは、非一定の観測周期で、観測領域における風向風速（風ベクトル）を計測するものである。また、風向風速計測部１ｄは、計測制御部５ｂからの計測制御信号に従って観測内容を変更する。この風向風速計測部１ｄにより計測された風向風速を示す情報（風向風速情報）は動揺補正部３に出力される。

以上のように、この実施の形態４によれば、動揺解析情報に基づき、風向風速計測部１ｄでの観測内容を変更する計測制御部５ｂを設けたので、実施の形態３における効果に加え、風向風速計測部１ｄは、自身で観測内容を変更する機能を有していない一般的な構成を用いることができるため、従来の風計測装置からの改修規模を小さくすることができる。

実施の形態５．
実施の形態１〜４では、観測周期を非一定の周期とし、動揺補正が正しく行える条件となるよう風向風速計測部１が観測を行う場合を示した。一方、動揺状況によっては、動揺補正を行わなくても、所望の風計測精度を満たす場合がある。そこで、実施の形態５では、このような場合を考慮した場合について説明する。
図６はこの発明の実施の形態５に係る風計測装置の構成を示すブロック図である。この図６に示す実施の形態５に係る風計測装置は、図１に示す実施の形態１に係る風計測装置に動揺解析部６及び補正制御部７を追加し、動揺補正部３を動揺補正部３ｂに変更したものである。その他の構成は同様であり、異なる部分についてのみ説明を行う。なお、動揺検出部２は、動揺情報を動揺補正部３ｂ及び動揺解析部６に出力している。

動揺解析部６は、動揺検出部２により検出された動揺状況を示すパラメータを解析するものである。この動揺解析部６の動作は実施の形態３と同様である。この動揺解析部６による解析結果を示す情報（動揺解析情報）は補正制御部７に出力される。

補正制御部７は、動揺解析部６からの動揺解析情報に基づいて、動揺補正部３の処理の要否を判定するものである。この補正制御部７による判定結果を示す補正制御信号は動揺補正部３ｂに出力される。

動揺補正部３ｂは、補正制御部７からの補正制御信号に従って動作し、動揺検出部２により検出された動揺状況を示すパラメータを用いて、風向風速計測部１により計測された風向風速を補正するものである。ここで、補正制御信号が動揺補正不要を示している場合には、動揺補正は行わず、風向風速計測部１からの風向風速情報をそのまま記録表示部４に出力する。

ここで、補正制御部７では、例えば、動揺状況を示すパラメータの振幅値が所望の風計測精度を満足する程度に小さい場合や、所定観測時間内で風計測値を平均化すると動揺の影響が相殺され無視できる場合、動揺状況を示すパラメータの周期が所望の風計測精度を満足する程度に長い場合、動揺補正の効果が得られないことが予想される場合等に、動揺補正は不要と判定する。

以上のように、この実施の形態５によれば、動揺解析情報に基づいて、動揺補正部３での動揺補正の要否判定を行う補正制御部７を設けたので、実施の形態１における効果に加え、動揺補正をせずとも風計測精度の劣化が現れない場合には動揺補正をしないよう設定することができるため、より効率的な観測を行うことができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１，１ｂ〜１ｄ 風向風速計測部、２ 動揺検出部、３，３ｂ 動揺補正部、４ 記録表示部、５，５ｂ 計測制御部、６ 動揺解析部、７ 補正制御部、１１ 視線速度計測部、１２ 風向風速算出部。

Claims (11)

1. 非一定の観測周期で、観測領域における風向風速を計測する風向風速計測部と、
   自装置の動揺状況を示すパラメータを検出する動揺検出部と、
   前記動揺検出部により検出された動揺状況を示すパラメータを用いて、前記風向風速計測部により計測された風向風速を補正する動揺補正部と
   を備えた風計測装置。
2. 前記風向風速計測部は、前記計測の際に用いる一観測内でのビーム数を変えることで、前記観測周期を非一定とする
   ことを特徴とする請求項１記載の風計測装置。
3. 前記風向風速計測部は、前記計測の際に用いる風向風速の算出方法を変えることで、前記観測周期を非一定とする
   ことを特徴とする請求項１記載の風計測装置。
4. 前記風向風速計測部は、前記計測の際に行う信号の積分数を変えることで、前記観測周期を非一定とする
   ことを特徴とする請求項１記載の風計測装置。
5. 前記風向風速計測部は、前記計測の際に用いるビームの走査時間を変えることで、前記観測周期を非一定とする
   ことを特徴とする請求項１記載の風計測装置。
6. 前記風向風速計測部の観測周期を制御する計測制御部を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の風計測装置。
7. 前記動揺検出部により検出された動揺状況を示すパラメータを解析する動揺解析部を備え、
   前記風向風速計測部は、前記動揺解析部による解析結果に基づいて、前記計測を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の風計測装置。
8. 前記動揺解析部は、前記動揺状況を示すパラメータの振幅値が閾値を超えるかを判定し、
   前記風向風速計測部は、前記動揺解析部により前記振幅値が前記閾値を超えると判定された場合に、前記計測の際に用いる風向風速の算出方法を変える
   ことを特徴とする請求項７記載の風計測装置。
9. 前記動揺解析部は、前記動揺状況を示すパラメータの周期が前記観測周期の１以上の整数倍であるかを判定し、
   前記風向風速計測部は、前記動揺解析部により前記周期が前記観測周期の１以上の整数倍であると判定された場合に、当該観測周期を変える
   ことを特徴とする請求項７記載の風計測装置。
10. 前記動揺検出部により検出された動揺状況を示すパラメータを解析する動揺解析部を備え、
    前記動揺解析部による解析結果に基づいて、前記風向風速計測部の観測内容を変更する計測制御部を備えた
    ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の風計測装置。
11. 前記動揺検出部により検出された動揺状況を示すパラメータを解析する動揺解析部を備え、
    前記動揺解析部による解析結果に基づいて、前記動揺補正部の処理の要否を判定する補正制御部を備え、
    前記動揺補正部は、前記補正制御部により処理が不要と判定された場合には、前記補正は行わない
    ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の風計測装置。

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