JP5000082B2 - 光波レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を空間に放出して空間内のエアロゾル移動に伴う散乱光のドップラシフトによる風速を測定する光波レーダ装置に関する。

風速の空間分布の観測は、気象観測、気象予測だけでなく、近年では風力発電設備に代表される風力利用の観点からも重要な観測項目となってきている。その中でもとりわけ、ヒートアイランド現象などの局所的な気象メカニズムの解明、あるいはビル風に代表される都市内環境計測、風力発電設備設置前の風況調査などを行なうために、地表面近くの風速空間分布を観測するニーズが高まっている。

地表面近くの風速分布観測の代表例として、以下では、風力発電設備導入前の風況調査について説明する。風力発電設備の導入に際しては、有望地域の立地調査の後に、実際にその地域での風向風速の連続観測に基づいて発電量の見積りを行い、導入可能性を評価する「風況精査」が実施される。風力発電量は、風速の３乗に比例するため、風況精査においては十分な観測精度が要求されている。

地表から天頂方向の風速プロファイルを測定する手段として、気象レーダＲＡＤＡＲ（Radio Detection And Ranging）、または音波レーダＳＯＤＡＲ（SOund Detection And Ranging）を用いた風況測定方法が近年提案されている。この２つの測定方法のうち、特に、音波レーダＳＯＤＡＲを用いた方法は、近接測定可能距離が小さく、高度１００ｍ程度以下の比較的低層の風況を測定するのに適していることが示されている（例えば、非特許文献１参照）。

この音波レーダを用いた風況測定方法は、上空に向けて複数の方向に音波を照射し、上空大気の温度勾配によって後方散乱される音波を受信し、ドップラシフトに基づき視線方向風速を測定し、ベクトル演算により風向風速を算出するものである。風速場の平均を測定できるため、風況精査に適した方法であるといえる。

この音波レーダにより複数の観測空間を測定するためには、天頂方向にセットした音波レーダを想定地点ごとに機械的に移動させるか、あるいは想定地点ごとに設置することが必要となる。しかしながら、前者は、移動と設置後のセッティングに時間がかかり、後者は、コスト的に考えて非現実的である。

これに対して、電波、音波または光波のいずれかを用いて、遠隔点での風速ベクトルを計測する装置及び方法がある。一様な風向風速を仮定した観測空間に対して、複数の仰角に走査中心を設定して、円錐走査、水平走査、鉛直走査により視線方向風速を測定し、その測定値からベクトル演算により風向風速値を算出するものである（例えば、特許文献１参照）。

この中でも、光波を用いた方法は、送信ビームが広がらないで伝搬するため、走査中心方向を水平付近まで設定できる利点がある。また、走査中心を移動することで、複数の観測空間に対して風向風速測定を行なうことができ、地表面近くの風況測定に適した方法である。複数の仰角に走査中心を設定する効果として、特に、低仰角の測定空間における風速鉛直成分の精度が向上する。

"On the Theory of SODAR Measurement Techniques", Antoniou et al., final report on WPI、 EU WISE project NNE5-2001-297(2003) 特開２００３−２２２６７４号公報（第１頁、図１）

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。光波を用いた従来技術においては、距離毎に視線方向風速を行なうことを想定しているが、円錐走査の円錐角、あるいは水平走査、垂直走査の開き角が測定距離に依存せずに固定であるため、遠方になるほど観測空間が広がり、風速場の一様性の仮定が成立しなくなる状況が想定される。このことは、ウィンドファームのように距離の異なる複数の観測空間に対して、風向風速を測定する場合において、測定精度を低下させる要因となり得る問題があった。

また、走査中心方向を地表面に平行に設定して、固定円錐角で円錐走査する場合には、遠方に行くにしたがって走査回転半径が大きくなる結果、光波レーダの送信光路が地面によって遮蔽されてしまい、風況測定ができなくなる問題があった。

すなわち、距離の異なる複数の観測空間に対して地表面近傍（１００ｍ以下）の風況を遠隔から測定する方法として、従来の光波レーダによる風速ベクトル測定技術を用いた場合には、風速場の不均一性のために高精度風況測定を行なうことが困難となる、あるいは光路遮蔽により測定自体が困難になるという課題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、距離の異なる複数の観測空間に対して高精度に風向風速測定及び風況測定を行うことができる光波レーダ装置を得ることを目的とする。

本発明に係る光波レーダ装置は、送信光を生成する光源部と、生成した送信光を大気中に放出し、大気中からの散乱光を収集して受信光として取り出す光送受信部と、光送受信部から放出される送信光の光路をあらかじめ設定した方向に走査する走査駆動部と、取り出された受信光を光電変換して受信信号を生成する受信信号生成部と、受信信号を周波数変換して視線方向風速値を検出するとともに走査駆動部から視線方向風速値に対応する仰角及び方位角を読み取り、検出した複数の視線方向風速値と、対応する仰角及び方位角とから風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出部とを備え、走査駆動部は、観測空間までの距離に基づいて、走査中心から所定値離れた観測空間内の複数の点を走査するように距離に応じた走査角を算出し、算出した走査角に基づいて送信光の光路を走査し、風速ベクトル算出部は、走査された送信光の複数の点の方位に対応するそれぞれの風速ベクトルを算出し、複数の風速ベクトルを合成して観測空間内の風向風速を算出する光波レーダ装置において、走査駆動部は、走査中心から所定の等しい半径で観測空間内を円錐走査するように、観測空間までの距離に応じた円錐走査角を算出し、算出した円錐走査角に基づいて送信光の光路を円錐走査し、風速ベクトル算出部は、走査された送信光の複数の点の方位に対応して算出されたそれぞれの風速ベクトルと、複数の点の方位における既知の風向値とに基づいて、観測空間内における特定方向の風速成分を算出し、観測空間内の特定方向の風速成分分布を求めるものである。
また、本発明に係る光波レーダ装置は、送信光を生成する光源部と、生成した送信光を大気中に放出し、大気中からの散乱光を収集して受信光として取り出す光送受信部と、光送受信部から放出される送信光の光路をあらかじめ設定した方向に走査する走査駆動部と、取り出された受信光を光電変換して受信信号を生成する受信信号生成部と、受信信号を周波数変換して視線方向風速値を検出するとともに走査駆動部から視線方向風速値に対応する仰角及び方位角を読み取り、検出した複数の視線方向風速値と、対応する仰角及び方位角とから風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出部とを備え、走査駆動部は、観測空間までの距離に基づいて、走査中心から所定値離れた観測空間内の複数の点を走査するように距離に応じた走査角を算出し、算出した走査角に基づいて送信光の光路を走査し、風速ベクトル算出部は、走査された送信光の複数の点の方位に対応するそれぞれの風速ベクトルを算出し、複数の風速ベクトルを合成して観測空間内の風向風速を算出する光波レーダ装置において、風速ベクトル算出部は、ある円錐走査角において送信光を走査して求まる各視線方向風速値と、風速ベクトルから各視線方向風速成分を算出した結果との残差の標準偏差を求める機能を有し、それぞれの観測空間において、あらかじめ決められた複数の走査角に対応するそれぞれの標準偏差を算出し、算出したそれぞれの標準偏差があらかじめ設定された許容標準偏差以内となる走査角の中から最大の走査角を求め、最大の走査角を採用して風向風速を算出するものである。

本発明の光波レーダ装置によれば、光波レーダ装置から観測空間までの距離に応じて走査角を変えて送信光を走査することにより、距離の異なる複数の観測空間のサイズを全て一定に維持することができ、風速場の一様性が成立する観測空間に対して高精度に風向風速測定及び風況測定を行うことができる光波レーダ装置を得ることができる。

以下、本発明の光波レーダ装置による風向風速測定方法及び風況測定方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、以下の説明においては、光波レーダ装置から放出されるレーザ光のことを送信光と記載する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における光波レーダ装置の構成図である。光波レーダ装置１０は、光源部１１、光送受信部１２、走査駆動部１３、受信信号生成部１４、及び風速ベクトル算出部１５で構成される。

光源部１１で生成された送信光は、光送受信部１２から空中のある方位に放出される。放出された送信光の一部は、大気中の微小塵によって散乱され、さらにその散乱光の一部が光送受信部１２によって受信光として受信される。ここで、光送受信部１２から放出される送信光の方位は、走査駆動部１３からの設定により規定される。走査駆動部１３は、観測空間に対して、走査中心から所定距離にある複数の点を走査するように送信光の方位を制御する。走査方法としては円錐走査、直線走査があり、その詳細は後述する。

受信信号生成部１４は、光送受信部１２が受信した受信光を電気信号に変換して受信信号を生成する。風速ベクトル算出部１５は、受信信号生成部１４からの受信信号に基づいて、周波数解析を行うことによりドップラシフトｆ_Ｄを検出し、さらに送信光の方位に対応した視線方向風速Ｖ_ｍを算出する。送信光の波長をλとすると、視線方向風速Ｖ_ｍは、ドップラシフトｆ_Ｄを用いて下式（１）により算出される。

さらに、風速ベクトル算出部１５は、複数の方位に対して送信された送信光のそれぞれについて算出された視線方向風速のベクトル合成を求めることにより走査中心における風向風速を算出する。

本実施の形態１の光波レーダ装置は、観測空間の位置が光波レーダ装置の設置位置からどのような距離にあっても、常に走査中心からあらかじめ定められた一定の距離にある複数の点における視線方向風速を算出できるように送信光を走査し、その算出結果に基づいて走査中心における風向風速を算出することを特徴としている。さらに、走査中心の位置をずらすことによって複数の観測空間に対して算出された風向風速から、風況測定を行うことを特徴としている。

そこで、その詳細を次に説明する。なお、以下の説明においては、光源部１１、光送受信部１２、走査駆動部１３、受信信号生成部１４、及び風速ベクトル算出部１５のそれぞれの機能をまとめて、光波レーダ装置が実施するものとして記載する。

図２は、本発明の実施の形態１における光波レーダ装置による風況測定方法の説明図である。図２における地表面１０１に対して、１つの平行な空間を観測空間１１５と想定する。この場合の観測空間１１５は、閉空間であっても開空間であってもどちらでもよい。ここで、観測空間１１５の地表からの最大高度は、１００〜２００ｍ程度に設定する。本実施の形態１では、測定時の観測空間１１５内での風向風速は一様であるものと仮定する。また、送信光の走査は、走査中心に対して円錐状に行われる場合について、まず説明する。

観測空間１１５に対して、距離Ｒだけ離れた位置に光波レーダ装置１０２を設置する。光波レーダ装置１０２は、送信光１０３の光路を観測空間１１５に対して円錐状に走査する。このとき、円錐走査の走査中心方向１０４を観測空間１１５の中心に一致させる。円錐走査の円錐角をαとすると、観測空間１１５内において、送信光１０３は、直径Ｄの円環上の光路１０５を通過する。円錐走査の円錐角αを固定した場合において、光波レーダ装置１０２からの距離Ｒにおける円錐走査された送信光１０３の軌跡が描く円の直径Ｄは、Ｒに比例して増加する。

今、円錐角αを下式（２）で示す角度に設定すると、直径Ｄは、距離によらず一定値となる。すなわち、距離Ｒに応じて円錐角αを可変とすることにより、距離Ｒが異なる観測空間に対しても直径Ｄを常に一定とすることができる。

このように送信光１０３を円錐走査することにより、距離Ｒを長くした場合、あるいは短くした場合にも、光路１０５の直径Ｄを一定に保つことができ、その結果、観測空間を等しく維持することができ、風速場の一様性破綻を回避することができる。このようにして定められた光路１０５において、複数の視線方向風速を検出した後に、それぞれの視線方向風速のベクトル合成を行うことにより、光路１０５の円の中心での風向風速を算出することができる。

さらに、上記の測定を、観測空間１１５とは異なる方向にある複数の観測空間１１６〜１２０に対して、円錐走査の走査中心方向１０４を順次移動して繰返し行う。それぞれの観測空間１１６〜１２０と光波レーダ装置１０２との距離に応じて円錐角αを可変として送信光１０３を円錐走査することにより、全ての観測空間１１５〜１２０を等しく維持して、風向風速測定及び風況測定を行うことができる。

次に、円錐走査における風速ベクトル算出方法を説明する。図３は、本発明の実施の形態１における風速ベクトル算出方法の説明図である。ｘｙｚ直交座標系で円錐走査の座標系を定義する。今、ｉ番目の送信光の出射方向（観測方向）を表す単位ベクトル［ｐｉ］１１１を［ｐｉ、ｑｉ、ｒｉ］とすると、単位ベクトル１１１は、その仰角がφｉ、方位角がθｉである場合に、下式（３）で表される。

また、円錐走査の走査中心方向１１２の仰角をφｃ、方位角をθｃ、走査中心とビーム出射方向とのなす角をαとすると、単位ベクトル１１１は、各座標軸周りの回転を表す行列の合成を用いて、次式（４）で表される。

ここで、［Ｒｚ（ξ）］、［Ｒｙ（ξ）］、［Ｒｘ（ξ）］は各々、ｚ軸、ｙ軸、ｘ軸を中心に角度ξだけベクトル回転させる行列であり、次式（５）〜（７）で表される。

これにより、円錐走査時のビーム出射方向の仰角φｉ、方位角θｉは、下式（８）、（９）で表される。

ここで、ａｔｎ２（ｑ／ｐ）は、０〜２πの範囲をとる次式（１０）で表される。

さらに、風速ベクトル［ｕ］を、次式（１１）で定義する。

ｉ番目の送信光の出射方位ｐｉで観測されるべき理想値に相当するドップラ速度のモデル値Ｖ_ｄｉは、風速ベクトル［ｕ］とｉ番目の送信光の出射方向（観測方向）を表す単位ベクトル［ｐｉ］との内積として下式（１２）で表される。

一方、受信光の実際の測定結果から得られる視線方向風速実測値をＶ_ｍｉとする。今、ドップラ速度のモデル値Ｖ_ｄｉと視線方向風速実測値Ｖ_ｍｉとの残差の二乗和をＳとして、次式（１３）のように表す。

上記の残差二乗和Ｓを最小とする［ｕ、ｖ、ｗ］が、実測値から推定される風速ベクトルとなる。すなわち、測定値に基づいて残差二乗和Ｓを最小とする［ｕ、ｖ、ｗ］を求めることにより、風速ベクトルを推定できることとなる。Ｓを最小とする［ｕ、ｖ、ｗ］は、次式（１４）〜（１７）によって求められる。

したがって、式（１４）は次式（１８）で表される。

ここで、観測行列［Ａ］を下式（１９）とし、上式（１８）の出力［Ｙ］を下式（２０）とする。

観測行列［Ａ］に逆行列［Ａ］^−１が存在する場合、［Ａ］^−１を上式（１７）の両辺に左から乗算することで、下式（２１）によって風速ベクトル［ｕ］を得ることができる。

いま、観測行列［Ａ］を次式（２２）のように置き直すと、逆行列［Ａ］^−１は、次式（２３）、（２４）で表すことができる。

逆行列［Ａ］^−１が存在するための条件は、下式（２５）である。

以上により求めた風速ベクトル［ｕ、ｖ、ｗ］の値から、風速｜Ｖ｜と、風向の方位角成分θと、風向の仰角成分φとが各々次式（２６）、（２７）、（２８）により算出できる。

次に、測定処理の流れをフローチャートに基づいて説明する。図４は、本発明の実施の形態１の風速風向及び風況の測定処理を示すフローチャートである。まず始めに、光波レーダ装置１０２の送信光１０３の走査中心方向を観測空間１１５の中心位置に移動する（ステップ４０１）。このときの円錐走査の走査中心の仰角をφｃ、方位角をθｃとする。また、走査中心と送信光１０３の出射方向とのなす角αを、式（２）にしたがって設定する（ステップ４０２）。この条件に基づいて、光波レーダ装置１０２は、送信光１０３の円錐走査を行なう（ステップ４０３）。

光波レーダ装置１０２は、上記の走査状態を維持したまま波長λの送信光を照射し、視線方向風速を取得する演算ループを開始する（ステップ４０４）。光波レーダ装置１０２は、演算ループ内において、観測空間１１５に存在するエアロゾルからの散乱光を受信光として受信し、受信光を電気信号に変換して受信信号を生成する（ステップ４０５）。光波レーダ装置１０２は、受信信号を周波数解析することにより、ドップラシフトｆ_Ｄを検出し、さらに、式（１）に基づいて散乱光ドップラシフトから視線方向風速Ｖ_ｍを算出する（ステップ４０６）。

次に、光波レーダ装置１０２の風速ベクトル算出部１５は、受信信号に対応する送信光の出射方向を規定する走査角度φｉ、θｉ、γｉ、α（図３参照）を走査駆動部１３から取得する（ステップ４０７）。次に、取得した走査角度φｉ、θｉ、γｉ、αを式（１９）、（２０）に適用させて、観測行列［Ａ］の要素と観測ベクトル［ｙ］とを演算する（ステップ４０８）。

指定した数の円錐走査ドップラ速度が取得できるまで、演算ループのステップ４０４〜ステップ４０９を繰返して上記の演算を実行する。すなわち、送信光１０３を円錐走査し、指定した数の出射方向における全ての受信信号と、対応する全ての送信光の走査角度とに基づいて、観測行列［Ａ］の要素と観測ベクトル［ｙ］とを求めることとなる。その後、式（２３）を用いて、観測行列［Ａ］の逆行列［Ａ］^−１を算出する（ステップ４１０）。

最後に、式（２１）に基づき、［Ａ］^−１と［ｙ］との演算を行い、風速ベクトル［ｕ］を算出し、第１番目の観測空間１１５の算出結果とする（ステップ４１１）。次に、走査中心点を次の観測空間に移動するか否かを判断し（ステップ４１２）、移動する場合にはステップ４０１に戻り、それ以降の処理を行う。このようにして、必要な観測空間１１５〜１２０における測定を完了するまで、風速ベクトルの演算を繰り返し行なう。

実施の形態１によれば、光波レーダ装置から観測空間までの距離に応じて円錐走査の円錐角を変えることにより、光波レーダ装置は、測定距離によらず、全ての観測空間を一定のサイズに維持することができ、風速場の一様性が成立する観測空間に対して測定を行なうことができ、ベクトル演算に伴う風速誤差、風向誤差を低減することができる。

さらに、従来の風杯式風向風速計による点測定に比較して、広がりのある空間を観測するため、測定誤差が観測空間内で無相関な場合には、視線方向風速の測定点を増加させて平滑化を行うことにより、誤差低減を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態２においては、視線方向風速Ｖ_ｍを算出する際に、前処理を行う場合について説明する。具体的には、図４のステップ４０６における散乱光ドップラシフトから視線方向風速Ｖ_ｍを算出する前処理として、受信信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）による閾値処理を追加する場合について説明する。図５は、本発明の実施の形態２における受信信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）に基づく閾値処理のフローチャートである。図５は、図４におけるステップ４０５とステップ４０６との間に、閾値処理を追加した場合を示している。

光波レーダ装置１０２は、ドップラ速度を算出する前に、まず、ステップ４０５で受信した受信信号に対してＦＦＴ処理を行い、スペクトルを算出する（ステップ５０１）。さらに、算出したスペクトルに対して、ピーク周波数検出と、ピーク周波数におけるＳＮＲとを算出する（ステップ５０２）。そして、光波レーダ装置１０２は、算出したＳＮＲが、あらかじめ設定した有効範囲内にあるかどうかを判別する（ステップ５０３）。

光波レーダ装置１０２は、算出したＳＮＲが有効範囲内にある場合のみ、ドップラ速度を算出するために、図４のステップ４０６に進む。一方、光波レーダ装置１０２は、算出したＳＮＲが有効範囲外の場合には、その方位で取得したデータを破棄して、図４のステップ４０５に戻り、観測空間に存在するエアロゾルからの散乱光を受信光として受信し直すこととなる。

実施の形態２によれば、ＳＮＲが有効範囲外の受信信号を破棄する前処理を付加することにより、建物などの光路遮蔽時に検出するゼロ速度成分、あるいは低ＳＮＲ時の風速誤検出成分を、ベクトル演算処理する前に取り除くことができ、算出データの信頼性を向上させることができる。

実施の形態３．
実施の形態１、２では、観測空間として、地表面近くの一般的な風況測定を想定している。実施の形態３では、実施の形態１、２の光波レーダ装置を風力発電設備の風況精査に適用する場合について説明する。図６は、本発明の実施の形態３における風力発電設備の風況精査を行うための構成を示す図である。すなわち、風速場が一様と見なせる観測空間２１５〜２２０内のそれぞれに対して水平型風力発電設備を設置する場合を想定する。

ここで、光波レーダ装置２０２の送信光２０３の円錐走査中心２０４を、水平型風力発電設備の想定風車の翼回転中心２１０に一致させ、かつ、風車翼面内での送信光の円錐走査の走査回転半径を風車翼の回転半径の例えば１０〜２００％に設定して観測空間を定め、視線方向風速測定を行なう。得られた各視線方向風速の測定値から、ベクトル合成により観測空間内での風向風速を算出する。

得られた風速｜Ｖ｜と風向θ、φとに基づいて、風車想定地点Ｐｃ、方位角θｃにおける風車の到来風速Ｖ_ｕｐは、次式（２９）から算出できる。

さらに、到来風速Ｖ_ｕｐを用いて、風車により得られるエネルギーを算出することができる。最も基本的な算出式は次式（３０）で与えられる。

ここで、ρは空気密度、Ωは風車の受風面積、Ｃｐはパワー係数である。特に、パワー係数Ｃｐは、風車により抽出できるパワーと自然風の保有するパワーとの比で表され、理論限界値としてベッツ係数０.５９３が知られている。

実施の形態３によれば、従来の風杯式風向風速計による点測定に比較して、風車翼と実効的に作用する風速場を有効に測定できるため、発電電力の予測精度の向上が図れる。

さらに、円錐走査した空間内で風速場が一様と仮定すれば、風向風速の推定精度は視線方向風速の測定精度に依存する。本実施の形態３の光波レーダ装置は、複数の視線方向風速の測定値に基づいて風速ベクトルを算出するため、視線方向風速の測定誤差が測定値に対して無相関な場合には、視線方向の測定点を増加させて平滑化することにより、誤差低減を図ることができる。

さらに、上記測定における円錐走査中心を、複数の観測空間内の水平型風力発電設備に対して順次移動して測定を繰返すことで、複数の風車想定設置位置に対して風況測定を行なうことが可能となる。これにより、平坦な地形のウィンドファームだけでなく、地形が入り組んだ山岳地域、断崖のある海岸線、洋上など、従来の風杯式風向風速計あるいは音波レーダの設置が困難な場所に対する風況測定が可能となる。

実施の形態４．
実施の形態１〜３では、観測空間内で風速場が一様である仮定の下、光波レーダ装置による送信光を円錐状に走査して風向風速を測定する場合について説明した。これに対して、本実施の形態４では、観測空間内で風向のみが一定で風速が変化する場合を想定し、円錐走査した送信光による各視線方向風速成分から、特定方向の風速成分を算出する場合について説明する。光波レーダ装置の設置場所及び視線方向風速の検出機能については、実施の形態１〜３と同様であり、説明を省略する。

実施の形態１〜３と同様に、図２に示すような地表面１０１に平行な空間を観測空間１１５〜１２０と想定する。この場合の観測空間１１５〜１２０は、閉空間であっても開空間であってもどちらでもよい。ここで、観測空間１１５〜１２０の地表からの最大高度は、１００ｍ程度に設定する。地表から１００ｍ程度までの比較的低高度の大気層は、気象学では接地層と呼ばれ、風速は高度により変化するが、風向は一様であることが知られている。本実施の形態４では、これらを考慮し、風向のみが一様であると仮定する。

実施の形態１〜３と同様に、それぞれの観測空間１１５〜１２０に対して送信光１０３を円錐走査する。送信光１０３の照射方向を図３の座標系と同一にとった場合、照射方向に対する方向ベクトルは、式（３）と同様に表される。走査中心の仰角をφｃ、方位角をθｃ、走査中心と送信光の出射方向とのなす角をα、円錐走査回転角をγとすると、式（３）は次式（３１）のように書き直せる。

走査中心方向を固定して一定の円錐角で円錐走査を行なう場合、θｃ、 φｃ、αが一定値となり、送信光の照射方向［ｐｉ］は、円錐走査回転角γの関数となる。

一方、観測空間内の風速場の方向余弦を次式（３２）で示される［ｐ_Ｗ］とする。

風向が一定と仮定しているため、［ｐ_Ｗ］は固定値となる。ｉ番目の送信光の照射方向［ｐ_ｉ］に対応する風速場の風速絶対値を|Ｖ_Ｗｉ|とすると、視線方向風速Ｖ_ｍｉは、［ｐｉ］と［ｐ_Ｗ］の内積を用いて、次式（３３）で表される。ただし、Ｔは転置を表す。

上式（３３）を変形すると、風速の絶対値|Ｖ_Ｗｉ|は、次式（３４）のように算出できる。

風向が一定であることを仮定しているので、風向の方向余弦の各成分を乗じることで所望の座標軸に対応する風速成分を算出できる。例えば、ｙ軸に平行な風速成分は、下式（３５）と表すことができる。

以上の測定と演算を円錐走査の全周にわたって行なうことで、所望の方向の風速成分を、風速の絶対値|Ｖ_Ｗｉ|が一様でない観測空間に対しても算出することができる。

次に、所定風速成分の具体的な測定処理について、フローチャートを用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態４における所定風速成分の測定処理を示すフローチャートである。まず始めに、光波レーダ装置の送信光の走査中心方向を観測空間の中心位置に移動する（ステップ７０１）。

このときの円錐走査の走査中心の仰角をφｃ、方位角をθｃとする。また、走査中心と送信光の出射方向とのなす角αを、式（２）にしたがって設定する（ステップ７０２）。この条件に基づいて光波レーダ装置は、送信光の円錐走査を行なう（ステップ７０３）。

光波レーダ装置は、上記の走査状態を維持したまま波長λの送信光を照射し、視線方向風速を取得する演算ループを開始する（ステップ７０４）。光波レーダ装置は、演算ループ内において、観測空間に存在するエアロゾルからの散乱光を受信光として受信し、受信光を電気信号に変換して受信信号を生成する（ステップ７０５）。光波レーダ装置は、視線方向風速Ｖ_ｍを算出する（ステップ７０６）。次に、光波レーダ装置１０２の風速ベクトル算出部１５は、受信信号に対応する送信光の出射方向を規定する走査角度φｉ、θｉ、γｉ、α（図３参照）を走査駆動部１３から取得する（ステップ７０７）。

次に、取得した走査角度φｉ、θｉ、γｉ、αを式（３１）に適用させて、方向ベクトル［ｐ_ｉ］を算出する（ステップ７０８）。算出した視線方向風速Ｖ_ｍ、方向ベクトル［ｐ_ｉ］及び先の式（３２）による風向値［ｐ_Ｗ］に基づき、式（３５）を適用して所定方向の風速を算出する（ステップ７０９）。

指定した数の円錐走査ドップラ速度が取得できるまで、演算ループのステップ７０４〜ステップ７１０を繰返し、上記の演算を実行する。指定した数の測定結果により特定方向の風速成分分布が得られる。さらに、指定した数の測定結果を平均化することにより、特定方向の平均風速成分を得ることができる。

次に、実施の形態１の場合と同様に、走査中心点を次の観測空間に移動するか否かを判断し（ステップ７１１）、移動する場合にはステップ７０１に戻り、それ以降の処理を行う。このようにして、必要な観測空間における測定を完了するまで、特定方向の風速成分の算出を繰り返し行なう。

実施の形態４によれば、風向が一様である仮定の下に、風速が一様でない観測空間内で特定方向の風速成分分布の測定を行うことができる。また、実施の形態１〜３と同様に、観測距離によらず、等しい大きさの観測空間を規定でき、風向の一様性を確保できる効果がある。さらに、特定方向の風速成分の複数のデータを平均化処理することにより、観測空間内の複数の点の平均風速成分を求めることができる。

実施の形態５．
実施の形態５では、実施の形態４の光波レーダ装置を風力発電設備の風況精査に適用する場合について説明する。実施の形態４の光波レーダ装置を風力発電用の水平型風車の風況精査に適用した場合、風車翼面内での風速の違いを測定することができるため、より精度の高い発電量予測が期待できる。

すなわち、図６に示すように円錐走査の走査中心を、想定している風車の翼回転中心に一致させて、円錐走査の回転半径を一致させる。この場合に円錐走査により得られる視線方向風速の到来方向成分は、風車翼の特定の動径位置に到来する風速場を選択的に測定したことに相当する。

図８は、風速場が水平型風車翼に入力した際に風車翼に発生する揚力分布の例を示す図である。水平型風車の翼２１の翼ピッチ角を、風車に入力する風速場２２の風速にあわせて制御した場合の揚力分布２３が、図８（ａ）に示されている。また、水平型風車の翼２１の翼ピッチ角を固定して失速制御した場合の揚力分布２４〜２６が、図８（ｂ）に示されている。

図８（ｂ）の揚力分布２４は、風速が９ｍ／ｓにおける揚力分布を示し、揚力分布２５は、風速が１２ｍ／ｓにおける揚力分布を示し、さらに、揚力分布２６は、風速が２４ｍ／ｓにおける揚力分布を示している。図８（ａ）及び図８（ｂ）のいずれの場合も、翼に発生する揚力分布２３〜２６は、翼回転中心軸上でゼロであり、翼動径方向に対して凸の特性があることがわかる。

例えば、円錐走査の想定風車面上での回転半径を、図８（ａ）のピッチ角制御方式における最大揚力となる翼動径位置に一致させて視線方向風速を測定する。この場合に得られる到来風速成分は、風車翼面内に到来する風速が一様でない場合でも風車の回転に寄与する成分が多くなると考えられ、発電量予測の精度が向上する。

一方、図８（ｂ）に示す失速制御方式の風車に対しては、風車面内に到来する風速に応じて、最大揚力となる翼動径位置が異なる場合がある。最大揚力をとる翼動径位置は、翼形状やピッチの固定角により異なるが、風車翼の設計値から上記特性はある程度推定できる。

このため、光波レーダ装置は、あらかじめ到来風速に対する最大揚力をとる翼動径位置特性のデータを記憶部に蓄積しておき、計測される到来風速に応じて、最大揚力となる動径位置に円錐走査の回転半径を変更することにより、特性に即した風速成分を求め直すことができる。

実施の形態５によれば、失速制御の場合でも風車回転に寄与する風速成分を選択的に測定することができる。これにより、円錐走査の回転半径を一定とした測定にくらべ、風車回転に有効に寄与する風速成分を測定できることになり、発電量予測精度の向上を図ることができる。

なお、この特定方向の風速成分分布の測定は、水平型風力発電設備を設置する場合を想定して実施の形態３で示したように、複数の円錐走査半径に対して算出することもできる。これにより、円錐走査の回転半径を一定とした測定にくらべ、複数の回転半径に対する風速成分を測定できることになり、発電量予測精度の向上を図ることができる。

実施の形態６．
実施の形態１では、観測空間内で風速場が一様である仮定の下、光波レーダ装置による送信光を円錐状に走査して風向風速を測定する場合について説明した。これに対して、本実施の形態６では、送信光を地表面に平行に左右走査する場合について説明する。光波レーダ装置の設置場所及び視線方向風速の検出機能については、実施の形態１と同様であり、説明を省略する。

図９は、本発明の実施の形態６における風力発電設備の風況精査を行うための構成を示す図である。本実施の形態６では、水平型風力発電設備の風況精査に適用する場合を説明するが、風速場が一様と見なせる観測空間であれば、閉空間であっても開空間であってもどこでもよい。

風向風速が一様な観測空間３１５〜３２０のそれぞれに対して、送信光３０３ａ、３０３ｂを地表面に対して平行で、かつ、走査中心方向３０４を通る直線状に走査し、走査直線上の２点に対応する方向に対して視線方向風速を測定し、ベクトル合成により風向風速を算出する。ここで、観測空間内の想定風車翼面内における走査中心３０４を、風車翼回転中心３１０と一致させる。

次に、左右走査における風速ベクトル算出方法を具体的に説明する。図１０は、本発明の実施の形態６における風速ベクトル算出方法の説明図である。ｘｙｚ直交座標系で座標系を定義する。図１０（ａ）において、送信光の出射光を、走査中心３０４（方位角θｃ、仰角φｃ）を中心として方位方向に−αから＋αまで走査する。ここで、図１０における送信光の出射方位として、方位角がθｃ＋αの送信光３０３ａの出射方位を出射方位１と定義し、方位角がθｃ−αの送信光３０３ｂの出射方位を出射方位２と定義する。

図１０（ｂ）において、出射方位１及び２の各視線方向風速をそれぞれＶ_ｍ１、Ｖ_ｍ２とすると、地表面に平行で、かつ、走査中心方位方向に平行な風速成分Ｖ_／／３１１と、走査中心方位方向に垂直な風速成分Ｖ_⊥３１２は、それぞれ下式（３６）、（３７）で表される。

したがって、地表面に平行な面内の風速｜Ｖ_ｈｏｒ｜と風向θは、次式（３８）、（３９）で算出される。

これにより、２つの視線方向風速から地表に対して水平面内の風向風速の算出が可能となる。

図１１は、本発明の実施の形態６の風速風向及び風況の測定処理を示すフローチャートである。まず始めに、光波レーダ装置３０２の送信光の走査中心方向を観測空間３１５の中心位置に移動する（ステップ１１０１）。このときの円錐走査の走査中心の仰角をφｃ、方位角をθｃとする。また、円錐走査での円錐角αに相当する値として、左右走査の開き角の半角αを式（２）にしたがって設定する（ステップ１１０２）。この条件に基づいて、光波レーダ装置３０２は、送信光の左右走査を行なう（ステップ１１０３）。

光波レーダ装置３０２は、上記の走査状態を維持したまま波長λの送信光を照射し、視線方向風速を取得する演算ループを開始する（ステップ１１０４）。光波レーダ装置３０２は、演算ループ内において、観測空間３１５に存在するエアロゾルからの散乱光を受信光として受信し、受信光を電気信号に変換して受信信号を生成する（ステップ１１０５）。光波レーダ装置３０２は、ループ内でｉ番目のドップラ速度Ｖ_ｍ（ｉ）を算出する（ステップ１１０６）。さらに、光波レーダ装置３０２の風速ベクトル算出部１５は、受信信号に対応する送信光の出射方向を規定する出射方位角（図１０参照）を走査駆動部１３から取得する（ステップ１１０７）。

次に、連続した２回分の視線方向風速Ｖ_ｍ（ｉ−１）及びＶ_ｍ（ｉ）と、左右走査の開き角の半角αを式（３６）、（３７）に適用して、水平風成分と円直風成分とを算出する。さらに、式（３８）、（３９）を用いてｉ番目の測定における風速｜Ｖ_ｈｏｒ｜と風向θを算出する（ステップ１１０８）。

指定した数の左右走査ドップラ速度が取得できるまで、演算ループのステップ１１０４〜ステップ１１０９を繰返し、上記の演算を実行する。

次に、実施の形態１の場合と同様に、走査中心点を次の観測空間に移動するか否かを判断し（ステップ１１１０）、移動する場合にはステップ１１０１に戻り、それ以降の処理を行う。このようにして、必要な観測空間３１５〜３２０における測定を完了するまで、風向風速及び風況の測定を繰り返し行なう。

実施の形態１の場合と同様に、光波レーダ装置３０２から観測空間までの距離Ｒに応じて左右走査の開き角αを式（２）にしたがって設定することにより、光波レーダ装置３０２は、測定距離によらず一定の観測空間に対する風向風速の測定ができ、風向の一様性を確保できる。

実施の形態１の円錐走査による風向風速計測の場合には、Ｎ点の測定方位から観測行列［Ａ］とその逆行列［Ａ］^−１を算出し、各視線方向風速の計測値との乗算により風向風速を求めていた。これに対して、本実施の形態６による左右走査による風向風速計測の場合には、２点の視線方向風速の計測値から風向風速を算出するため、計算が簡単化できる。これにより、１回の風向風速演算に必要な視線方向風速計測時間、演算時間が短縮でき、測定更新時間を短くできる利点がある。

次に、２方向の視線方向風速の測定値による風速算出精度について説明する。各視線方向風速Ｖ_ｍ１、Ｖ_ｍ２の測定誤差をそれぞれΔＶ_ｍ１、ΔＶ_ｍ２とすると、地表面に平行で、かつ、走査中心方位方向に平行な風速成分Ｖ_／／は、次式（４０）に示すような測定誤差ΔＶ_／／を生じる。

この誤差ΔＶ_／／の分散は、次式（４１）で表される。

ただし、上式（４１）における表記＜＞は、集合平均を表す。今、α≪１のとき（すなわちαが充分に小さいとき）、ΔＶ_／／の標準偏差は、次式（４２）のように近似できる。

ここで、ε_Ｖは、次式（４３）で表すように、ΔＶ_ｍ１及びΔＶ_ｍ２の標準偏差を表し、かつ、ΔＶ_ｍ１とΔＶ_ｍ２とが下式（４４）で表すように、無相関であるとした。

同様にして、地表面に平行で、かつ、走査中心方位方向に鉛直な風速成分Ｖ_⊥は、次式（４５）に示すような測定誤差ΔＶ_⊥を生じる。

ΔＶ_⊥の分散は、次式（４６）で表される。

α≪１のとき、ΔＶ_⊥の標準偏差は、次式（４７）のように近似できる。

以上の結果に基づき、地表面に平行な面内の風速｜Ｖ_ｈｏｒ｜の算出精度を考える。ΔＶ_／／とΔＶ_⊥の誤差の影響により、ΔＶ_ｈｏｒだけ算出誤差が生じる場合には、下式（４８）の関係となる。

上式（４８）の両辺を二乗し、ΔＶ_ｈｏｒ≪１（すなわちΔＶ_ｈｏｒが充分に小さいとき）の条件下で近似すると、次式（４９）で表される。

図１０（ｂ）に示すように、δを風向と走査中心方位とのなす角で定義すると、ΔＶ_ｈｏｒは、次式（５０）で表される。

したがって、風速の標準偏差は、下式（５１）で表される。

ここで、ΔＶ_／／とΔＶ_⊥との相関係数＜ΔＶ_／／・ΔＶ_⊥＞は、下式（５２）となる。

また、上式（５１）は、下式（５３）で表される。

したがって、走査中心方位が風向と平行な場合（δ＝０）には、風速の算出誤差ΔＶ_ｈｏｒは最小となり、逆に走査中心方位が風向と垂直な場合（δ＝９０°）には、風速の算出誤差ΔＶ_ｈｏｒは最大となる。また、左右走査の開き角２αは、大きいほど風速算出誤差は小さくなる。

次に、２方向の視線方向風速の測定値による風向算出精度について説明する。ΔＶ_／／とΔＶ_⊥の誤差の影響により、Δθだけ風向算出誤差が生じる場合は、次式（５４）で表される。

このとき、風向測定誤差Δθは、次式（５５）で表される。

ただし、Ｖ_／／≫ΔＶ_／／、Ｖ_⊥＞ΔＶ_⊥と仮定し、下式（５６）の条件が成立するものとする。

測定する風速が走査中心方位に垂直である場合、すなわちＶ_／／＝０の場合を考えると、Δθは下式（５７）で表される。

したがって、風向誤差の標準偏差は、式（４２）と式（５７）により、次式（５８）に近似できる。

一方、測定する風速が走査中心方位に垂直である場合、すなわちＶ_⊥＝０の場合を考えると、風速誤差Δθとその標準偏差は、それぞれ式（５９）、式（６０）のように近似できる。

今、偏向角αとしては９０度以下の場合を想定しているため、風向が走査中心方位に対して垂直の場合に最小値、風向が走査中心方位に対して平行な場合に最大となる。

以上により、測定対象の風向が、走査中心方位に対して平行な場合に、風速誤差の標準偏差が最小、風向誤差の標準偏差が最大となる。逆に、風向が走査中心方位に対して垂直の場合に、風速誤差の標準偏差が最大、風向誤差の標準偏差が最小となることが分かる。

実施の形態６によれば、１回の風速ベクトルを求めるための視線方向風速測定が２視線方向でよく、実施の形態１にあげた円錐走査による風向風速計測に比較して計算が簡単化できる。これにより、１回の風向風速演算に必要な視線方向風速計測時間、演算時間が短縮でき、測定更新時間を短くできる利点がある。

さらに、測定地域の地形が入り組んでいる場合、あるいは建物などの障害物が円錐走査時の送信光の光路の一部を遮蔽し、左右水平方向に光路遮蔽がない場合などに、単位時間あたりの測定データの利用率を高くとれる利点がある。

なお、実施の形態１で述べた信号積算平均に関しては、２視線方向から算出した風向、風速に対して積算平均処理を行なうか、各視線方向風速を別々に積算平均処理して求めた２つの平均視線方向風速値から式（３１）〜（３３）を用いて風向風速演算を行なってもよい。

また、平均演算の際には、実施の形態１と同じように、各視線方向風速測定値の信号対雑音比に対して、有効範囲を設定し、有効範囲外のデータに関しては棄却する閾値処理を追加することができる。これにより、光路遮蔽によって検出されたゼロ速度成分や、低ＳＮＲ時の誤検出成分を除外でき、風向風速算出における信頼性を向上させることができる。

実施の形態７．
実施の形態６では、観測空間内で風速場が一様である仮定の下、光波レーダ装置による送信光を地表面に平行に左右走査して風向風速を測定する場合について説明した。これに対して、本実施の形態７では、送信光を地表面に対して上下走査する場合について説明する。光波レーダ装置の設置場所及び視線方向風速の検出機能については、実施の形態１と同様であり、説明を省略する。

図１２は、本発明の実施の形態７における風力発電設備の風況精査を行うための構成を示す図である。実施の形態７では、風向風速が一様な観測空間の一例として、水平型風力発電設備の風況精査への適用を想定し、送信光を地表面に対して垂直直線状に走査し、走査直線上の２点に対応する方向に対して視線方向風速を測定する場合を説明するが、風速場が一様と見なせる観測空間であれば、閉空間であっても開空間であってもどこでもよい。

風向風速が一様な観測空間４１５〜４２０のそれぞれに対して、送信光４０３ａ、４０３ｂを地表面に対して垂直で、かつ、走査中心方向４０４を通る直線状に走査し、走査直線上の２点に対応する方向に対して視線方向風速を測定し、ベクトル合成により水平風成分と円直風成分を算出する。ここで、観測空間内の想定風車翼面内における走査中心４０４を、風車翼回転中心４１０と一致させる。

次に、上下走査における風速ベクトル算出方法を具体的に説明する。図１３は、本発明の実施の形態７における風速ベクトル算出方法の説明図である。ｘｙｚ直交座標系で座標系を定義する。図１３（ａ）において、送信光の出射光を、走査中心４０４（方位角θｃ、仰角φｃ）を中心として仰角方向に−αから＋αまで走査する。ここで、図１３における送信光の出射方位として、仰角がφｃ＋αの送信光４０３ａの出射方位を出射方位１と定義し、仰角がφｃ−αの送信光４０３ｂの出射方位を出射方位２と定義する。

図１３（ｂ）において、出射方位１及び２の各視線方向風速をそれぞれＶ_ｍ１、Ｖ_ｍ２とすると、地表面に平行で、かつ、走査中心方位方向に平行な風速成分Ｖ_／／４１１と、走査中心方位方向に垂直な風速成分Ｖ_⊥４１２は、実施の形態２における仰角φｃと方位角θｃとを入れ替えた表記となり、それぞれ下式（６１）、（６２）と表される。

したがって、地表面に平行な面内の風速｜Ｖ_ｖｅｒ｜と風向φは、次式（６３）、（６４）で算出される。

これにより、２つの視線方向風速から地表に対して鉛直面内の風向風速の算出が可能となる。

図１４は、本発明の実施の形態７の風速風向及び風況の測定処理を示すフローチャートである。まず始めに、光波レーダ装置４０２の送信光の走査中心方向を観測空間４１５の中心位置に移動する（ステップ１４０１）。このときの円錐走査の走査中心の仰角をφｃ、方位角をθｃとする。また、円錐走査での円錐角αに相当する値として、上下走査の開き角の半角αを式（２）にしたがって設定する（ステップ１４０２）。この条件に基づいて、光波レーダ装置４０２は、送信光の上下走査を行なう（ステップ１４０３）。

光波レーダ装置４０２は、上記の走査状態を維持したまま波長λの送信光を照射し、視線方向風速を取得する演算ループを開始する（ステップ１４０４）。光波レーダ装置４０２は、演算ループ内において、観測空間４１５に存在するエアロゾルからの散乱光を受信光として受信し、受信光を電気信号に変換して受信信号を生成する（ステップ１４０５）。光波レーダ装置４０２は、ループ内でｉ番目のドップラ速度Ｖ_ｍ（ｉ）を算出する（ステップ１４０６）。さらに、光波レーダ装置４０２の風速ベクトル算出部１５は、受信信号に対応する送信光の出射方向を規定する出射方位角（図１３参照）を走査駆動部１３から取得する（ステップ１４０７）。

次に、連続した２回分の視線方向風速Ｖ_ｍ（ｉ−１）及びＶ_ｍ（ｉ）と、上下走査の開き角の半角αを式（６１）、（６２）に適用して、水平風成分と円直風成分とを算出する。さらに、式（６３）、（６４）を用いてｉ番目の測定における風速｜Ｖ_ｖｅｒ｜と風向φを算出する（ステップ１４０８）。

指定した数の上下走査ドップラ速度が取得できるまで、演算ループのステップ１４０４〜ステップ１４０９を繰返し、上記の演算を実行する。

実施の形態１の場合と同様に、走査中心点を次の観測空間に移動するか否かを判断し（ステップ１４１０）、移動する場合にはステップ１４０１に戻り、それ以降の処理を行う。このようにして、必要な観測空間４１５〜４２０における測定を完了するまで、風向風速及び風況の測定を繰り返し行なう。

実施の形態７によれば、実施の形態１の場合と同様に、光波レーダ装置から観測空間までの距離に応じて上下走査の開き角αを式（２）にしたがって設定することにより、光波レーダ装置は、測定距離によらず一定の観測空間に対して測定でき、風向の一様性を確保できる。

さらに、実施の形態６の場合と同様に、本実施の形態７による上下走査による風向風速計測の場合には、２点の視線方向風速の計測値から風向風速を算出するため、計算が簡単化できる。これにより、１回の風向風速演算に必要な視線方向風速計測時間、演算時間が短縮でき、測定更新時間を短くできる利点がある。

また、測定精度については、実施の形態６の場合と同様に考えることができ、被測定風向が走査中心方位方向に平行に近い場合ほど、風速の算出精度が高く、風向の算出精度が低い。逆に、被測定風向が走査中心方位方向に垂直に近いほど、風速算出精度が低く、風向算出精度が高くなる。

さらに、実施の形態６で述べた平均化処理、及び閾値処理により算出風速データの信頼性を向上できる。

風力発電設備の疲労の原因の１つは、垂直方向の風速であると考えられる。特に、入り組んだ地形においては風速場の乱れが大きく、数値シミュレーションによる推定誤差が大きくなる。本実施の形態７では、鉛直方向の風速を実測でき、風速場の解析、風車の疲労解析予測に有効である。

さらに、本実施の形態７で得られる垂直方向の風速は、洋上風力発電用の風況精査において建設するタワーや構造物の設計、疲労解析に有効である。

実施の形態８．
実施の形態１〜７では、光波レーダ装置による送信光を、空間走査（円錐走査、左右走査、上下走査）しているが、本実施の形態８では、このような空間走査の具体的な実施方法の一例を説明する。

図１５は、本発明の実施の形態８におけるウェッジプリズムによる送信光の走査方法の説明図である。今、図１５（ａ）に示すように、センサヘッド５０１の対物側開口の物体側に走査機構部５０２を設置することで、センサヘッドの回転対称軸（光軸）に対して角度αで送信光５０３を偏向させる場合を考える。

走査機構の具体的実現例として、図１５（ｂ）に示したウェッジプリズム５０４がある。入射側面と出射側面との角度がψ_０のウェッジプリズム５０４に送信光５０５が入射した場合を考える。ウェッジプリズム５０４により得られる偏向角αは、スネル則により下式（６５）で与えられる。

したがって、ウェッジプリズム５０４をセンサヘッド５０１の光軸を中心にして方位方向に回転することにより、円錐状に走査することができる。

ウェッジプリズム５０４の１枚の回転では、ウェッジの角度ψ_０で決まる偏向角αの円錐走査のみが可能であるが、ウェッジプリズム５０４を２枚組み合わせることで、偏向角α以下の円錐走査あるいは直線走査が可能となる。以下では、ウェッジプリズム５０４を２枚組み合わせたことによる走査方式について説明する。

図１６は、本発明の実施の形態８における空間走査の説明図である。２枚のウェッジプリズム５０４ａ、５０４ｂをそれぞれウェッジＡ、ウェッジＢとし、各ウェッジプリズムによる偏向角はαであると仮定する。

まず、出射ビームの走査中心として、図３の座標定義で示したθｃ＝０、φｃ＝０の場合を想定する。ウェッジプリズムの原点として、ウェッジプリズム５０４ａ、５０４ｂが最大厚となる方位が＋ｙ軸方向にある場合で定義し、かつ、ウェッジプリズムの回転方向として反時計まわりの方向を正符号と定義する。

次に、各ウェッジプリズム５０４ａ、５０４ｂをγ_Ａ（ｔ）、γ_B（ｔ）の速度で、かつ、大きさが等しく符号の異なる初期位相γ_０、−γ_０で回転させた場合、送信光の出射方位のｙ成分β_ｙ（ｔ）、ｚ成分β_ｚ（ｔ）は、下式（６６）、（６７）で表される。

ここで、下式（６８）、（６９）のように各ウェッジプリズム５０４ａ、５０４ｂの回転速度を同符号で、かつ、同じ速度とし、初期位相γ_０を０とする。

この場合に、送信光の出射方位（β_ｙ（ｔ）、β_ｚ（ｔ））は、次式（７０）、（７１）で表されるように、偏向角２αの円錐走査５０７となる。このような空間走査が、図１６（ａ）の円錐走査に相当する。

また、下式（７２）、（７３）のように各ウェッジプリズム５０４ａ、５０４ｂの回転速度を異符号で、かつ、同じ速さとし、初期位相γ_０を０とする。

この場合に、送信光の出射方位（β_ｙ（ｔ）、β_ｚ（ｔ））は、次式（７４）、（７５）で表されるように、ｙ方向に平行な振幅±２αの直線走査（左右走査）５０８となる。このような空間走査が、図１６（ｂ）の左右走査に相当する。

さらに、下式（７６）、（７７）のように各ウェッジプリズム５０４ａ、５０４ｂの回転速度を異符号で、かつ、同じ速さとし、初期位相を９０°とする。

この場合に、送信光の出射方位（β_ｙ（ｔ）、β_ｚ（ｔ））は、次式（７８）、（７９）で表されるように、ｙ方向に平行な振幅±２αの直線走査（上下走査）５０９となる。このような空間走査が、図１６（ｃ）の上下走査に相当する。

以上のように、２枚のウェッジプリズム５０４ａ、５０４ｂの回転方向の組合せと初期位相０°、９０°の選択により円錐走査、直線走査（左右走査及び上下走査）が可能となる。

一方、各ウェッジプリズム５０４ａ、５０４ｂの回転速度を同速度、同方向に設定し、０〜９０°の範囲で任意の初期位相γ_０を与えた場合、送信光の出射方位（β_ｙ（ｔ）、β_ｚ（ｔ））は次式（８０）、（８１）で表されるように、偏向角２αｃｏｓγ_０の円錐走査となる。

図１７は、本発明の実施の形態８における偏向角２αｃｏｓγ_０の円錐走査による走査方位の軌跡を示す図である。このような偏向角の円錐走査における走査方位の３種の軌跡５１０〜５１２が、ｙｚ座標系で示されている。図１７（ａ）は、初期位相がγ_０＝０の場合の軌跡５１０、図１７（ｂ）は、初期位相が０°＜γ_０＜６０°の場合の軌跡５１１、そして図１７（ｃ）は、初期位相が６０°＜γ_０＜９０°の場合の軌跡５１２をそれぞれ示している。

初期位相がγ_０＝０である軌跡５１０は、偏向角を軌跡最大偏向角２αに設定できることとなる。初期位相が０°＜γ_０＜６０°である軌跡５１１は、偏向角をα〜２αの範囲に設定できることとなる。そして、初期位相が６０°＜γ_０＜９０°である軌跡５１２は、偏向角を０〜αの範囲に設定できることとなる。

偏向角αの２枚のウェッジプリズム５０４ａ、５０４ｂを用いて、測定距離Ｒにある観測空間に対して、直径Ｄの円周上に送信光を走査する条件は、次式（８２）で表される。

上式をγ_０について解くと、下式（８３）となる。

偏向角αを適切に選定することにより、測定距離Ｒの異なる観測空間に対して、円錐走査の回転半径Ｄ／２を一定に維持して測定を行なうことができる。図１８は、本発明の実施の形態８における円錐走査の軌跡に関する説明図である。２種の測定距離Ｌ_ｎ、Ｌ_ｎ＋１に対して偏向角αを適切に選定することにより、円筒状の閉空間内５５０におけるそれぞれの走査方位の軌跡５５１と５５２を同一の回転半径に維持することができる。このようにして、異なる位置での円錐走査による風向風速の測定を同一の回転半径を維持して行なうことができる。

また、ウィンドファームにおける風況測定においては、距離の異なる複数の風車設置想定位置に対して、等しい円錐走査半径で送信光を走査でき、風車回転に有効に寄与する風速場を測定できる。これにより、発電量の推定精度を向上できる効果がある。

円錐走査を行なうための２つのウェッジプリズム５０４ａ、５０４ｂの回転駆動は、ウェッジプリズム５０４ａ、５０４ｂの原点の角度差が２γ_０となるようにして１つの回転板上に固定した後、その回転板を回転させることで簡単に実現できる。

また、位相制御可能な２個の電動機をそれぞれのウェッジプリズム５０４ａ、５０４ｂ用に独立に設置して回転駆動し、かつ、回転中のウェッジプリズムの回転角を測定し、その測定値の差が一定値２γ_０となるように動的に制御してもよい。これにより、走査中心方位を移動させつつ、円錐走査のビームの軌跡を同一円周上に制御することが可能となる。

一方、左右走査あるいは上下走査における直線走査範囲の距離を一定とする方法について、次に説明する。図１９は、本発明の実施の形態８における走査角度の時間波形を示した図である。左右走査の場合の走査角を表す式（７４）の右辺、あるいは上下走査の場合の走査角を表す式（７９）の右辺における２αｃｏｓγ（ｔ）を、図１９で示す時間波形５６０で周期変化させる。この時間波形は、直線走査範囲の距離Ｄを所望の一定値に設定した場合に対して、それぞれの測定距離Ｒごとに規定される。

ここで、ｔ１＜ｔ＜ｔ２の範囲で２視線方向の一方の視線方向風速を測定し、ｔ３＜ｔ＜ｔ４の範囲で２視線方向の他方の視線方向風速を測定するように、受信信号の取得タイミングを割り付けることができる。これにより、直線走査の走査開き角を観測空間までの距離によらず一定に保つことができる。

なお、図１９では走査角度の時間波形を台形としているが、２方向の受信信号の取得時刻に光路走査角度が±ａｒｃｔａｎ［Ｄ／２Ｒ］となる波形であれば何でもよい。

実施の形態８によれば、１つの走査機構により、円錐走査、直線走査（上下走査及び左右走査）を行なうことができ、また測定距離によらず円錐走査の円錐角、直線走査の開き角を一定に維持することができる。

さらに、測定距離の異なる観測空間に対して円錐走査、直線走査により風向風速を計測する際に、観測空間を一定の大きさに保つことができ、観測空間の広がりによる風速場の一様性の破綻を防ぐことができる。

さらに、奥行き方向に伸びたパイプ状の閉空間の風向風速を円錐走査、直線走査により測定する場合にも、測定距離によらず円錐走査の円錐角、直線走査の開き角を一定に維持することができる。さらに、ウィンドファーム内で距離の異なる位置に水平型風車を設置する際にも、風車翼直径と同程度の円錐走査を行なうことができ、発電電力予測の高精度化に有効となる。

実施の形態９．
実施の形態１、６、７では、観測空間として、風速場が一様であることを仮定した場合について説明した。本実施の形態９では、風速場の一様性を確保できる観測空間を自動的に設定する方法について説明する。

まず、円錐走査の円錐角を最小にして、観測空間に対して円錐走査により視線方向風速Ｖ_ｍｉと円錐走査の回転角γ_ｉとを測定する。さらに、風速場の一様性を仮定して、式（２１）に基づいて風速ベクトル［ｕ］を算出する。また、円錐走査回転角γ_ｉ及び走査中心方向（θｃ、φｃ）を、式（３）に適用して視線方向［ｐｉ］を算出する。次に、算出した風速ベクトル［ｕ］及び視線方向［ｐｉ］を用いて式（１２）に示される内積演算を行い、視線方向風速の推定値Ｖ_ｄｉを算出する。

この推定値Ｖ_ｄｉと測定した視線方向風速Ｖ_ｍｉとの残差を、式（１３）を用いて算出し、残差の平均値と標準偏差を算出する。観測空間で風向風速の一様性の仮定が完全に成り立つ場合には、上述のようにして求められた残差がゼロとなる。一方、一様性の仮定がくずれるにしたがって、残差が拡大していく。

風速場の一様性は、観測空間が拡大するほど崩れると考えられるので、円錐角を徐々に拡大していった場合に算出される上記残差をモニタして、風速一様と見なせる残差の標準偏差が指定値以内となる最大円錐角を検索する。このような検索処理により得られた最大円錐角以内に円錐角を設定した場合には、風の一様性を確保した状態で風向風速演算を行なうことができる。

図２０は、本発明の実施の形態９における風速場の一様性を確保できる観測空間の設定処理を示すフローチャートである。光波レーダ装置の送信光の走査中心方向を観測空間近傍まで移動する（ステップ１９０１）。次に円錐走査の円錐角の初期値と、風速残差の上限を設定する（ステップ１９０２）。この条件に基づいて、光波レーダ装置は、送信光の円錐走査を行なう（ステップ１９０３）。

光波レーダ装置は、視線方向風速Ｖ_ｍｉを算出し（ステップ１９０４）、さらに円錐走査の回転角γ_ｉを取得する（ステップ１９０５）。この円錐走査の回転角γ_ｉとしては、まず始めにステップ１９０２で設定された初期値が用いられる。次に、光波レーダ装置は、視線方向風速Ｖ_ｍｉ及び円錐走査の回転角γ_ｉに基づいて、風速ベクトル［ｕ］を算出する（ステップ１９０６）。さらに、光波レーダ装置は、各視線方向風速計測値と風速ベクトルから算出した視線方向風速の推定値との残差を算出する（ステップ１９０７）。

次に、光波レーダ装置は、算出した残差がステップ１９０３であらかじめ設定された上限値以下であるか否かを判別する（ステップ１９０８）。上限値以下である場合は、光波レーダ装置は、円錐走査の回転角をあらかじめ決められた量だけ増加させ（ステップ１９０９）、その後ステップ１９０４〜２３０８を繰返す。算出した残差が上限値より大きくなった場合には、円錐走査の回転角を現在の値に設定し（ステップ１９１０）、測定処理を終了する。

実施の形態９によれば、各視線方向風速計測値と視線方向風速の推定値との残差があらかじめ決められた上限値以下となるような最大の円錐走査角を算出でき、一様な風速場が仮定できる最大の観測空間を設定することができる。

さらに、このような円錐走査角の算出を、風況測定前あるいは走査中心方向毎に行なうことにより、風速場一様となる観測空間を自動的に設定でき、地形あるいは気象条件等によって異なると考えられる風速場が一様となる最大の空間を観測空間に設定することができる効果がある。

また、図２０のフローチャートにおけるステップＳ２００４のドップラ速度算出の際に、実施の形態２に記載した閾値処理を併用してもよい。これにより、風速場の一様性の評価対象となる観測空間内に建物や樹木などの光路遮蔽物がある場合でも、視線方向風速を正確に計測でき、ステップＳ２００７で算出する残差の精度を向上できる効果がある。

なお、本実施の形態９で算出した風速場一様となる最大円錐走査角度は、円錐走査の際の円錐角度だけでなく、直線走査の場合の走査開き角の設定に対しても用いることができる。

本発明の実施の形態１における光波レーダ装置の構成図である。 本発明の実施の形態１における光波レーダ装置による風況測定方法の説明図である。 本発明の実施の形態１における風速ベクトル算出方法の説明図である。 本発明の実施の形態１の風速風向及び風況の測定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２における受信信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）に基づく閾値処理のフローチャートである。 本発明の実施の形態３における風力発電設備の風況精査を行うための構成を示す図である。 本発明の実施の形態４における所定風速成分の測定処理を示すフローチャートである。 風速場が水平型風車翼に入力した際に風車翼に発生する揚力分布の例を示す図である。 本発明の実施の形態６における風力発電設備の風況精査を行うための構成を示す図である。 本発明の実施の形態６における風速ベクトル算出方法の説明図である。 本発明の実施の形態６の風速風向及び風況の測定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態７における風力発電設備の風況精査を行うための構成を示す図である。 本発明の実施の形態７における風速ベクトル算出方法の説明図である。 本発明の実施の形態７の風速風向及び風況の測定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態８におけるウェッジプリズムによる送信光の走査方法の説明図である。 本発明の実施の形態８における空間走査の説明図である。 本発明の実施の形態８における偏向角２αｃｏｓγ_０の円錐走査による走査方位の軌跡を示す図である。 本発明の実施の形態８における円錐走査の軌跡に関する説明図である。 本発明の実施の形態８における走査角度の時間波形を示した図である。 本発明の実施の形態９における風速場の一様性を確保できる観測空間の設定処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０、２０２、３０２、４０２ 光波レーダ装置、１１ 光源部、１２ 光送受信部、１３ 走査駆動部、１４ 受信信号生成部、１５ 風速ベクトル算出部、２０２、３０２、４０２ 光波レーダ装置、５０２ 走査機構部、５０４、５０４ａ、５０４ｂ ウェッジプリズム。

Claims (7)

1. 送信光を生成する光源部と、
   生成した送信光を大気中に放出し、大気中からの散乱光を収集して受信光として取り出す光送受信部と、
   前記光送受信部から放出される前記送信光の光路をあらかじめ設定した方向に走査する走査駆動部と、
   取り出された前記受信光を光電変換して受信信号を生成する受信信号生成部と、
   前記受信信号を周波数変換して視線方向風速値を検出するとともに前記走査駆動部から前記視線方向風速値に対応する仰角及び方位角を読み取り、検出した複数の前記視線方向風速値と、対応する前記仰角及び前記方位角とから風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出部と
   を備え、
   前記走査駆動部は、観測空間までの距離に基づいて、走査中心から所定値離れた前記観測空間内の複数の点を走査するように前記距離に応じた走査角を算出し、算出した前記走査角に基づいて前記送信光の光路を走査し、
   前記風速ベクトル算出部は、走査された送信光の前記複数の点の方位に対応するそれぞれの風速ベクトルを算出し、複数の前記風速ベクトルを合成して前記観測空間内の風向風速を算出する
   光波レーダ装置において、
   前記走査駆動部は、走査中心から所定の等しい半径で前記観測空間内を円錐走査するように、前記観測空間までの距離に応じた円錐走査角を算出し、算出した前記円錐走査角に基づいて前記送信光の光路を円錐走査し、
   前記風速ベクトル算出部は、走査された送信光の前記複数の点の方位に対応して算出されたそれぞれの風速ベクトルと、前記複数の点の方位における既知の風向値とに基づいて、観測空間内における特定方向の風速成分を算出し、前記観測空間内の特定方向の風速成分分布を求める
   ことを特徴とする光波レーダ装置。
2. 請求項１に記載の光波レーダ装置において、
   前記走査駆動部は、方向の異なる複数の観測空間に対して走査中心方向を順次移動して、前記複数の観測空間に対して算出されたそれぞれの風向風速から風況測定を行う
   ことを特徴とする光波レーダ装置。
3. 請求項１または２に記載の光波レーダ装置において、
   前記風速ベクトル算出部は、風速成分と対応づけられた円錐走査角のデータが蓄積された記憶部を有し、算出した前記特定方向の風速成分に対応する円錐走査角のデータを前記記憶部から取り出して円錐走査を行い、風速成分を算出し直す
   ことを特徴とする光波レーダ装置。
4. 請求項１または２に記載の光波レーダ装置において、
   前記風速ベクトル算出部は、特定の観測空間内に水平型風力発電設備を設置する場合を想定して、前記水平型風力発電設備に設けられる翼の回転中心に対して走査中心方向を一致させ、前記翼の回転半径に対してある決められた範囲で複数の円錐走査角を設定して、前記複数の円錐走査角のそれぞれに対して前記特定方向の風速成分分布を求める
   ことを特徴とする光波レーダ装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光波レーダ装置において、
   送信光の光路上に設置され、２個のくさび形状を有するプリズムがそれぞれ独立して回転することにより、送信光を偏向させる走査機構部をさらに備え、
   前記走査駆動部は、前記走査機構部のそれぞれの前記プリズムに対して、初期位相、回転速度、回転方向を制御することにより送信光を円錐走査あるいは直線走査させる
   ことを特徴とする光波レーダ装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光波レーダ装置において、
   前記風速ベクトル算出部は、前記受信信号の信号対雑音比を測定し、測定された前記信号対雑音比の値があらかじめ設定された信号対雑音比の許容範囲内のときは、前記受信信号を採用して風速ベクトルを算出し、測定された前記信号対雑音比の値があらかじめ設定された信号対雑音比の許容範囲外のときは、前記受信信号を採用せずに前記受信信号生成部から新たな受信信号を受信して前記新たな受信信号の信号対雑音比を測定し直す
   ことを特徴とする光波レーダ装置。
7. 送信光を生成する光源部と、
   生成した送信光を大気中に放出し、大気中からの散乱光を収集して受信光として取り出す光送受信部と、
   前記光送受信部から放出される前記送信光の光路をあらかじめ設定した方向に走査する走査駆動部と、
   取り出された前記受信光を光電変換して受信信号を生成する受信信号生成部と、
   前記受信信号を周波数変換して視線方向風速値を検出するとともに前記走査駆動部から前記視線方向風速値に対応する仰角及び方位角を読み取り、検出した複数の前記視線方向風速値と、対応する前記仰角及び前記方位角とから風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出部と
   を備え、
   前記走査駆動部は、観測空間までの距離に基づいて、走査中心から所定値離れた前記観測空間内の複数の点を走査するように前記距離に応じた走査角を算出し、算出した前記走査角に基づいて前記送信光の光路を走査し、
   前記風速ベクトル算出部は、走査された送信光の前記複数の点の方位に対応するそれぞれの風速ベクトルを算出し、複数の前記風速ベクトルを合成して前記観測空間内の風向風速を算出する
   光波レーダ装置において、
   前記風速ベクトル算出部は、ある円錐走査角において送信光を走査して求まる前記各視線方向風速値と、前記風速ベクトルから各視線方向風速成分を算出した結果との残差の標準偏差を求める機能を有し、それぞれの観測空間において、あらかじめ決められた複数の走査角に対応するそれぞれの標準偏差を算出し、算出したそれぞれの前記標準偏差があらかじめ設定された許容標準偏差以内となる走査角の中から最大の走査角を求め、前記最大の走査角を採用して風向風速を算出する
   ことを特徴とする光波レーダ装置。

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