JP5046793B2

JP5046793B2 - 風計測装置

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Publication number: JP5046793B2
Application number: JP2007218570A
Authority: JP
Inventors: 俊夫若山; 洋酒巻; 俊行安藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2027-08-24
Also published as: JP2009052961A

Description

この発明は風計測装置に関し、特に、遠隔点の風を計測するための風計測装置に関する。

従来より、エアロゾルのドップラー速度を計測することにより，風速計測を行うレーザレーダ装置（ドップラーライダ）が知られている。レーザレーダ装置で直接計測されるのはドップラー速度であり、これはすなわち風速を送信ビームまたは受信ビームの方向に射影した成分である視線方向成分である。実際には風は任意の風向を持つが、同じ風を複数の視線方向から観測すれば、複数方向の風速成分が得られるため、これらを合成することにより風速ベクトル、すなわち、風速と風向を得ることができる。

同じ風を複数の視線方向から観測する一つの方法は、異なる位置に配置した複数台のレーザレーダを用いることである。この場合、複数のレーザレーダ設置場所を準備する必要があるため、設置場所の制約がある場合には不向きである。１台のレーザレーダ装置で同じ風を複数の視線方向から観測する手法として、風の空間的均一性を仮定したものが従来から知られている。このような技術を説明したものに例えば非特許文献１がある。

このような技術には、レーダ装置が１台で済むこと、あるいは、装置設置場所が１ヶ所で済むことなどの利点がある。

しかし、実際の風の空間分布には不均一性がある。風が空間的に比較的均一な場合にも、わずかな空間不均一により風速ベクトル計測精度が劣化する場合がある。そのため、従来は各ビーム方向においてドップラー速度を時間平均することにより、視線方向風速に含まれる空間不均一成分を抑圧し、風速ベクトルを算出するような手法が用いられている。従来の風計測におけるそのような特性については、非特許文献２にても説明されている。

Ｈ．Ｓａｕｖａｇｅｏｔ著、"ＲａｄａｒＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ"、ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅ、１９９２年、Ｐ．２１０〜２１２若山俊夫他、「風況精査用光波レーダの開発（２）−風速ベクトル算出結果の評価」、日本気象学会、２００４年度春季大会講演予稿集、２００４年

以上のように、従来から、1台のレーザレーダを用いて風速ベクトルを計測する技術が知られている。しかし、このような技術では風の空間的不均一を抑圧するための時間平均処理が必要となるため、時間分解能の高い計測を実施できないという問題点があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、空間均一性がないような場所においても、１台のレーザレーダで時間分解能の高い風速計測を行うことが可能な風計測装置を得ることを目的とする。

この発明は、遠隔点の風を計測するための風計測装置であって、複数の方向の遠隔点の大気のドップラー速度を計測するドップラー速度計測部と、前記ドップラー速度計測部から前記ドップラー速度を入力し、所定の時間長で、前記遠隔点毎に前記ドップラー速度の時間平均処理を行う第一のドップラー速度時間平均部と、前記第一のドップラー速度時間平均部から複数方向の前記遠隔点の平均ドップラー速度を入力し、風が空間的に一様であることを仮定して、風向と風速を算出する風速ベクトル合成部と、前記ドップラー速度計測部から前記ドップラー速度を入力するとともに前記風速ベクトル合成部から風向を入力し、入力した前記ドップラー速度に対応する前記遠隔点の角度と前記風向との角度差によって決まる速度射影の係数を補正することにより風速を算出する風速値算出部とを備えた風計測装置である。

この発明は、遠隔点の風を計測するための風計測装置であって、複数の方向の遠隔点の大気のドップラー速度を計測するドップラー速度計測部と、前記ドップラー速度計測部から前記ドップラー速度を入力し、所定の時間長で、前記遠隔点毎に前記ドップラー速度の時間平均処理を行う第一のドップラー速度時間平均部と、前記第一のドップラー速度時間平均部から複数方向の前記遠隔点の平均ドップラー速度を入力し、風が空間的に一様であることを仮定して、風向と風速を算出する風速ベクトル合成部と、前記ドップラー速度計測部から前記ドップラー速度を入力するとともに前記風速ベクトル合成部から風向を入力し、入力した前記ドップラー速度に対応する前記遠隔点の角度と前記風向との角度差によって決まる速度射影の係数を補正することにより風速を算出する風速値算出部とを備えた風計測装置であるので、空間均一性がないような場所においても、１台のレーザレーダで時間分解能の高い風速計測を行うことができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る風計測装置としてのレーダ装置の構成を表すブロック図である。

この図において、００１は計測対象となる大気のドップラー速度を計測するドップラー速度計測部、００２はドップラー速度計測部００１で計測されたドップラー速度を時間平均する第一のドップラー速度時間平均部、００３は第一のドップラー速度時間平均部００２で算出された時間平均後のドップラー速度から風速ベクトルを合成する風速ベクトル合成部、００４はドップラー速度計測部００１で計測されたドップラー速度を時間平均する第二のドップラー速度時間平均部、００５は風速ベクトル合成部００３から出力された風向計測値と第二のドップラー速度時間平均部００４で得られた時間平均後のドップラー速度から、風速計測値を算出する風速値算出部である。

第一のドップラー速度時間平均部００２と第二のドップラー速度時間平均部００４とは、ともにドップラー速度の時間平均を行うものであるが、両者では時間平均に用いるドップラー速度データの時間長が異なるものとなっている。

次に動作について説明する。
まず、ドップラー速度計測部００１では、風計測対象となる領域の大気のドップラー速度を計測する。ドップラー速度計測部００１で得られたドップラー速度は、第一のドップラー速度時間平均部００２と第二のドップラー速度時間平均部００４とに入力される。

以降では、ドップラー速度計測部００１として、ドップラーライダを用いる場合を例に挙げて説明する。しかし、本発明の風計測装置の特徴は、主にその信号処理方法にあることから、送受信する波動の種類は限定しない。送受信する波動として、レーザ以外にも、電波や音波を用いるような場合も適用可能とする。

ドップラーライダの場合、大気中に存在するエアロゾルが送信波を反射する物体となる。したがって、エアロゾルの相対速度がドップラー速度となる。エアロゾルは風に流されて運動しているとみなせるため、エアロゾルの相対速度が、大気のドップラー速度、すなわち、ドップラーライダのビーム方向に風速を射影した成分である視線方向風速と一致することになる。

一台のドップラーライダで風観測を行う場合、直接計測できるものは視線方向風速だけである。ただし、風が空間的に一様であることを仮定すれば、一台のドップラーライダで観測した複数方向の視線方向風速から、風向風速を算出することができる。

複数の角度でドップラー速度計測を行うには、送信ビームおよび受信ビームの指向方向を変化させれば良い。すなわちビーム走査を行えば良い。ビーム走査の方法は従来から知られている方法、例えば、ドップラーライダ装置全体の向きを変化させる方法や、レーザビームを反射鏡で反射させた後に空間に放射させるようにし、その反射鏡の向きを変えることにより、ビーム方向を変化させる方法などがある。

図２は、１台のドップラーライダで風を計測する状況を模式的に示したものである。ここでは、送受信ビームを水平方向に向けて、風の水平方向成分のみを計測することを想定している。ドップラー速度計測部００１、すなわち、ドップラーライダから、図面上の右側の空間を計測することを想定している。ドップラー速度計測部００１は、角度θ_０から±αだけ角度を変化させたθ_１（角度１）とθ_２（角度２）の２方向を観測する。角度θ_１の観測点１０１、角度θ_２の観測点１０２のそれぞれの遠隔点において、ドップラー速度Ｖ_Ｄ１（符号１０４）とドップラー速度Ｖ_Ｄ２（符号１０５）を計測する。

なお、ドップラー速度計測部００１によるドップラー速度計測において、特定の距離のドップラー速度を得る、すなわち、距離分解能を得るには、送信波に何がしかの変調を施せば良い。一般的にはパルス変調した送信波を送信し、送受信の遅延時間が観測対象の距離によって異なることを利用して、距離分解能を得ることが多い。しかし本発明は、距離分解能を得る変調方法は限定せず、距離分解能を得るための任意の方式を採用したドップラーライダに適用することができる。

次に、風速ベクトル合成部００３において、第一のドップラー速度時間平均部００２から複数方向の観測点１０１および１０２の平均ドップラー速度を入力し、風が空間的に一様であることを仮定して、風向と風速を算出する。このとき、ドップラー速度計測部００１であるドップラーライダから見て遠隔点となる観測点１０１および観測点１０２を含む近傍領域の風が一様であることを仮定して、この近傍領域の風速ベクトル１０８を算出することを考える。なお、図２では、この近傍領域を遠隔点１０３で代表して表現している。

今、風速ベクトル１０８を、互いに直交する成分である、風速成分ｕ（符号１０６）と風速成分ｖ（符号１０７）との２つに分解して考える。このとき、次式によりｕとｖとがそれぞれ算出される。

式１および式２の結果を用いて、風速Ｖ_ｌｏｎｇおよび風向Φが次式により算出される。

ただし、式１および式２による風速成分算出は、風が空間的に一様であることを前提としている。そのため、従来から知られているように、十分な時間長で視線方向風速であるドップラー速度Ｖ_Ｄ１（符号１０４）とドップラー速度Ｖ_Ｄ２（符号１０５）を時間平均することにより、空間的に不均一な風成分を抑圧し、風速成分ｕ（符号１０６）と風速成分ｖ（符号１０７）の精度を確保することが可能である。

以上の原理に基づき、第一のドップラー速度時間平均部００２にてドップラー速度を十分な時間長（図３の時間区間Ｔ２）で時間平均処理を行った後、風速ベクトル合成部００３にて、第一のドップラー速度時間平均部００２から得られた各角度の平均ドップラー速度に対して、式１および式２により時間平均された風速成分ｕ（符号１０６）およびｖ（符号１０７）を算出する。時間平均されたドップラー速度を用いた風速計測値であるため、時間分解能は低いが、風の空間的不均一性による風速ベクトル精度の低下は生じていない。

第一のドップラー速度時間平均部００２における時間平均の時間長（図３の区間Ｔ２）は、１分〜１０分程度と考えれば良い。これは、例えば、竹内清秀著、「風の気象学気象の教室４」、東京大学出版会、１９９７年初版、等の文献にも記載されているように、風速変動周期のスペクトルがこの時間長で少ないことから、この時間長で時間平均すれば、時間平均長が多少変化しても、平均後の風速の変化が小さいため、安定な計測結果を得ることができるためである。

次に、第二のドップラー速度時間平均部００４は、ドップラー速度計測部００１で得られた角度２のドップラー速度に対して、短い時間区間（図３のＴ１）で時間平均する処理を行う。

風速値算出部００５では、風速ベクトル合成部００３から風向Φの値を、第二のドップラー速度時間平均部００４から短時間平均後の角度２のドップラー速度Ｖ_{Ｄ２ｓｈｏｒｔ}を入力する。ドップラー速度Ｖ_{Ｄ２ｓｈｏｒｔ}は、風向Φの風の風速値を角度α方向に射影したものであることから、次式により風速推定値を得る。

このようにして、風速値算出部００５は、短時間平均後の角度２のドップラー速度に対応する遠隔点の角度と風向Φとの角度差によって決まる速度射影の係数を補正することにより風速を算出する。

一般的に、風速に比べて風向は時間変化が小さい。その場所の地形的特性から、風の通る方向が決まっていること、あるいは、気圧配置などにより風向が定まるが、気圧配置の時間変化は小さいためである。式５において、風向Φは長時間平均により得られたものであるが、風向の時間変化が一般に小さいことから、風向を短時間に平均したものとの差異は小さい。よって、式５で計算された風速値Ｖ_{ｓｈｏｒｔ}には、Ｖ_{Ｄ２ｓｈｏｒｔ}の高い時間分解能の変化が反映されることになる。その結果、風速値Ｖ_{ｓｈｏｒｔ}は高い時間分解能で得られることになる。

なお、以上の説明では、送受信ビームの方向が水平方向であるという仮定をしていたが、鉛直流が無視できるほど小さい場合は、ドップラー速度に含まれる鉛直流の成分（鉛直風成分）が小さくなるため、送受信ビームが水平方向を指向していなくても、同様の方法で風速値を得ることができる。ただし、式５で算出された風速は、水平風をビームの仰角方向に射影した成分となっている。よって、仰角をθ_ＥＬとして、Ｖ_{ｓｈｏｒｔ}／ｃｏｓθ_ＥＬが風速となる。このように、風の鉛直成分が十分小さいと仮定することにより、風速ベクトル合成部００３は、水平成分の風速ベクトルを算出する。

次に、以上の動作をタイミング図により説明する。図３は、本実施の形態の風計測装置における観測および処理のタイミングを表す図である。まず、ドップラー速度計測部００１において、所定の時間区間Ｔ２の間に、角度１の方向の観測点１０１における大気のドップラー速度を１２１、１２２、１２３のタイミングで観測する。また、同様に、（上記の時間区間Ｔ２とは異なる時刻からの）所定の時間区間Ｔ２の間に、角度２の方向の観測点１０２における大気のドップラー速度を１２４、１２５、１２６のタイミングで観測する。なお、これらのタイミングの順は、図３の例においては、１２１、１２４、１２２、１２５、１２３、１２６の順になっている。また、各タイミング１２１〜１２６の時間長はＴ１であり、各タイミングとタイミングとの間の時間長は、区間Ｔ２に関係なく、常に一定である。

それぞれのタイミング１２１〜１２６において、ドップラー速度計測部００１は複数回のドップラー速度計測を行う。第一のドップラー速度時間平均部００２では、区間Ｔ２内のタイミング１２１、１２２、１２３に含まれる全てのドップラー速度計測値を用いて時間平均処理を行い、タイミング１２３後のタイミング１２７にて、角度１の長時間平均ドップラー速度を得る。また同様に、第一のドップラー速度時間平均部００２は、別の区間Ｔ２内のタイミング１２４、１２５、１２６に含まれる全てのドップラー速度計測値を用いて時間平均処理を行い、タイミング１２６後のタイミング１２９にて角度２の長時間平均ドップラー速度を得る。このように、第一のドップラー速度時間平均部００２は、各観測点（遠隔点）毎に、互いに重ならない時間区間のドップラー速度の時間平均処理を行う。

タイミング１２７で得られた角度１の長時間平均ドップラー速度と、タイミング１２９で得られた角度２の長時間平均ドップラー速度を用いて、風速ベクトル合成部００３は、風が空間的に一様であると仮定して、タイミング１３１にて長時間平均された風向Φおよび風速Ｖ_ｌｏｎｇを算出する。

一方、第二のドップラー速度時間平均部００４は、タイミング１２４で観測された角度２のドップラー速度を時間平均することにより、タイミング１３３にて短時間平均ドップラー速度Ｖ_{Ｄ２ｓｈｏｒｔ}を得る。なお、このときの時間平均の時間長Ｔ１は、第一のドップラー速度時間平均部００３の時間長Ｔ２よりも短い時間長とする（Ｔ２＞Ｔ１）。

風速値算出部００５は、タイミング１３１で得られた風向Φの値と、タイミング１３３で得られた短時間平均ドップラー速度Ｖ_{Ｄ２ｓｈｏｒｔ}とを用いて、短時間平均された風速値Ｖ_{ｓｈｏｒｔ}をタイミング１３７で算出する。

さらに以後同様に、第二のドップラー速度時間平均部００４は、タイミング１２５で観測された角度２のドップラー速度を時間平均することにより、タイミング１３４にて短時間平均ドップラー速度Ｖ_{Ｄ２ｓｈｏｒｔ}を得て、タイミング１２６で観測された角度２のドップラー速度を時間平均することにより、タイミング１３５にて短時間平均ドップラー速度Ｖ_{Ｄ２ｓｈｏｒｔ}を得る。そうして、タイミング１３１で得られた風向Φの値と、タイミング１３４で得られた短時間平均ドップラー速度Ｖ_{Ｄ２ｓｈｏｒｔ}を用いて、短時間平均された風速値Ｖ_{ｓｈｏｒｔ}をタイミング１３８で算出し、タイミング１３１で得られた風向値Φと、タイミング１３５で得られた短時間平均ドップラー速度Ｖ_{Ｄ２ｓｈｏｒｔ}を用いて、短時間平均された風速値Ｖ_{ｓｈｏｒｔ}をタイミング１３９で算出する。

次の時間においては、タイミング１３２にて更新された風向Φの値が得られるため、タイミング１３６で得られた短時間平均ドップラー速度と合わせて、短時間平均された風速値をタイミング１４０で算出する。

図３のタイミングにより計測を行う場合、タイミング１３１や１３２などで得られる風向Φの値は、タイミング１３３、１３４、１３５、１３６などで得られる風速値よりも、データ更新周期が長いものとなっている。

図４は、図１の風計測装置の動作手順をフローチャートにしたものである。
ステップｓ００１では、ドップラー速度計測部００１を用いて、複数角度、すなわち、複数方向のビームによりドップラー速度を計測する。
ステップｓ００２では、第一のドップラー速度時間平均部００２にて、ビーム方向毎に長時間区間で蓄積されたドップラー速度を時間平均する。
ステップｓ００３では、風速ベクトル合成部００３にて、風速ベクトルを得る。

ステップｓ００４では、第二のドップラー速度時間平均部００４にて、短時間区間で蓄積されたドップラー速度を時間平均する。
ステップｓ００５では、第二のドップラー速度時間平均部００４から入力した短時間平均ドップラー速度と、風速ベクトル合成部００３から入力した風向値を用いて、式５により短時間平均された風速値を風速値算出部００５にて算出する。
以後、計測が継続されている間は、ステップｓ００６からステップｓ００１に戻り、以上の手順を繰り返すことにより、風速計測を繰り返し行う。

以上では、図３のタイミング図に示したように、長時間平均として区間Ｔ２の間、ドップラー速度が蓄積されるたびに時間平均を行い、次の観測からドップラー速度蓄積をしなおすような処理を説明した。すなわち、互いに重ならない時間区間Ｔ２でドップラー速度の時間平均を行うような処理であった。次に、時間平均を移動平均で行う場合のタイミング図を図５に示す。

タイミング１２１、１２２、１２３に含まれるドップラー速度を用いて、第一のドップラー速度時間平均部００２は、タイミング２０７にて長時間平均ドップラー速度を算出する。次に、タイミング１２２、１２３、２０１に含まれるドップラー速度を用いて、第一のドップラー速度時間平均部００２は、タイミング２０８にて長時間平均ドップラー速度を算出、タイミング１２３、２０１、２０２に含まれるドップラー速度を用いて、タイミング２０９にて長時間平均ドップラー速度を算出、というように、時間平均の区間を一つずつずらしながら、長時間で平均した角度１のドップラー速度を得る。

同様にして、第一のドップラー速度時間平均部００２は、長時間で平均した角度２のドップラー速度をタイミング２１１、２１２、２１３、・・・に得る。このような移動平均処理を行うことにより、風向算出に関する平均時間は長く保ったまま、短時間平均風速の時間と同様の周期にて、風向データが更新される。移動平均処理とすることにより、演算量は増加するが、風向の時間変化が生じたとしても、その影響を短時間平均風速の計算に反映させることが可能となる。

タイミング１２６のドップラー速度を時間平均することにより、タイミング１３３の短時間平均ドップラー速度を算出する。また、タイミング２０７で得られた角度１の長時間平均ドップラー速度と、タイミング２１１で得られた角度２の長時間平均ドップラー速度を組み合わせて、タイミング２１５で風向風速を得る。その風向とタイミング１３３で得られた短時間平均ドップラー速度を組み合わせることにより、タイミング１３７で短時間平均の風速値を得る。

続いて、タイミング２０４のドップラー速度を時間平均することによりタイミング１３４の短時間平均ドップラー速度を算出する。また、タイミング２０８で得られた角度１の長時間平均ドップラー速度と、タイミング２１２で得られた角度２の長時間平均ドップラー速度を組み合わせて、タイミング２１６で風向風速を得る。その風向とタイミング１３４で得られた短時間平均ドップラー速度を組み合わせることにより、タイミング１３８で短時間平均の風速値を得る。

なお、以上の説明では、風速値Ｖ_{ｓｈｏｒｔ}の計算に角度２のドップラー速度の時間平均値Ｖ_{Ｄ２ｓｈｏｒｔ}を用いた例を説明したが、角度１のドップラー速度を短時間平均した値を用いるようにしても良い。

また、以上の説明では、第二のドップラー速度時間平均部００４にて短時間平均したドップラー速度を算出し、風速値計測に用いていた。しかし、ドップラー速度計測部００１でのドップラー速度の精度が十分高ければ、図６に示す構成のように、第二のドップラー速度時間平均部００４を省略して、そこでの処理をせずに、ドップラー速度計測部００１で出力されるドップラー速度を風速値算出部００５に直接入力するようにしても良い。

また、以上の説明では、２つの角度で算出されたドップラー速度から風速値を算出するようにしていたが、３つ以上の角度のドップラー速度を用いて２次元風速ベクトルを算出するようにしても良い。この場合、未知数よりもデータ数が多くなるため、例えば、最小二乗法などにより風速ベクトルを算出すれば良い。このような方法は、前述の非特許文献１などに示されている Velocity Azimuth Display (VAD)など、従来から知られている方法があるため、そのような手法を用いれば良い。このような方法を用いる場合、角度方向の平均効果も得ることができるため、風向ベクトル合成部００３での風向算出において、空間不均一の影響が低減されるため、風向算出精度が向上される効果がある。

また、以上の説明では２つ以上の角度で算出されたドップラー速度から水平方向の風のみを扱う例を説明したが、３つ以上の角度で算出されたドップラー速度を用いて、垂直方向成分を含む３次元風向風速を計測する場合にも、容易に拡張することができる。すなわち、３つ以上の角度で得られたドップラー速度を長時間平均したものから３次元風向風速を算出し、その風向と、ある一つの角度で得られたドップラー速度を短時間平均したものを用いることにより、時間分解能の高い風速値を得ることが可能である。

また、以上の説明では、第一のドップラー速度時間平均部００２がドップラー速度の移動平均処理を行うことを例に挙げて説明したが、第二のドップラー速度時間平均部００４においても、同様に、ドップラー速度の移動平均処理を行うようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態の風計測装置によれば、風向算出に用いるドップラー速度の平均時間を、風速算出に用いるドップラー速度の平均時間よりも長くするようにしているため、高い時間分解能の風速計測値を得ることが可能となる。

実施の形態２．
上述の実施の形態１では、ドップラー速度計測部００１で得られたドップラー速度の計測値を時間平均するものであったが、ドップラースペクトルの積分数を変えることによっても同様の時間平均効果を得ることができる。ここではそのような実施の形態を示す。

図７は、本実施の形態２の風計測装置の構成を表すブロック図である。この図において、０１１は、ドップラー速度計測部００１から複数の時刻で得られたドップラースペクトルを観測点毎に積分するドップラースペクトル積分部、０１２は、積分後のドップラースペクトルをドップラースペクトル積分部０１１から入力し、振幅が極大（あるいはほぼ極大）となるドップラー速度を出力する第一のピーク検出部、０１３は、ドップラー速度計測部００１から入力したドップラースペクトルを入力し、振幅が極大（あるいはほぼ極大）となるドップラー速度を出力する第二のピーク検出部である。その他の符号は前述のものと同じであるため、ここではその説明を省略する。

次に動作について説明する。ドップラー速度計測部００１は実施の形態１と同様に、角度の異なる複数の遠隔点を計測する。ただし、実施の形態１ではドップラー速度を出力するようにしていたが、本実施の形態のドップラー速度計測部００１では、ドップラースペクトル、すなわち、各ドップラー速度成分の電力を出力するようになっている。

ドップラー速度計測部００１から出力されたドップラースペクトルは、ドップラースペクトル積分部０１１と、第二のピーク検出部０１３の２つに入力される。ドップラースペクトル積分部０１１では、入力したドップラースペクトルを角度毎（観測点毎）に複数時間分蓄積し、蓄積したドップラースペクトルをドップラー速度毎に電力加算する。すなわち、積分処理を行う。これにより、ドップラースペクトルの形状を時間平均する効果が得られる。

第一のピーク検出部０１２では、ドップラースペクトル積分部０１１で積分された後のドップラースペクトルについて、ピーク検出処理を行う。すなわち、ドップラースペクトルの電力が極大となる、あるいは、最大となるドップラー速度を抽出し、これを出力する。このとき、多少の誤差を含むため、適宜、ほぼ極大となる、あるいは、ほぼ最大となるドップラー速度を抽出すればよい。なお、ピーク検出においては、大気エコーの信号電力が弱い場合に、雑音成分を誤って検出することを防ぐために、予め設定したしきい値を用いたしきい値判定処理を合わせて行うことが望ましい。すなわち、抽出したドップラー速度の電力値が、予め設定したしきい値よりも低い場合、その抽出結果は削除するような処理を行う。

第一のピーク検出部０１２では、複数角度の遠隔点について、ドップラースペクトルから検出されたピークのドップラー速度が得られる。そこで、風速ベクトル合成部００３では、これらの複数角度のドップラー速度を用いて、風速ベクトルを算出する。風速ベクトルの算出方法は、前述の実施の形態１で説明したのと同様である。ドップラースペクトルの積分を行うことにより、風速ベクトル合成部００３の計算に用いるドップラー速度は、実施の形態１と同様の時間平均効果が得られている。これにより、複数の遠隔点の位置の相違による風の相違、すなわち、風の空間不均一性の影響が抑圧される。その結果、時間分解能は低いものの、高い精度の風速ベクトルが得られる。

第二のピーク検出部０１３では、ドップラー速度計測部００１から入力したドップラースペクトルに対して、ピーク検出処理を行う。ここでは、ドップラースペクトルの積分が省略されているため、高い時間分解能でドップラー速度が出力される。なお、第二のピーク検出部０１３でも、第一のピーク検出処理０１２と同様に、しきい値判定処理を行うことにより、雑音成分を誤って検出することを防ぐようにすることが望ましい。

風速値算出部００５では、風速ベクトル合成部００３から風向を、第二ピーク検出部０１３からはドップラー速度を入力し、時間分解能の高い風速値を算出する。その算出方法は前述の実施の形態１と全く同様である。

なお、以上の説明では、第二のピーク検出部０１３に入力するドップラースペクトルは積分処理を行わないような例を説明したが、風速計測値に必要となる時間分解能が得られる範囲にて、ドップラースペクトル積分部０１１よりも少ない数のドップラースペクトルを積分する処理を、第二のピーク検出部の前段に付加するようにしても良い。

あるいは、ドップラー速度計測部００１において、ドップラースペクトルを出力する前に、少ない数のドップラースペクトルを積分する処理を行うようにしておくようにしても良い。この場合は、ドップラースペクトル積分部０１１では、ドップラー速度計測部００１で積分したドップラースペクトルを複数蓄積してさらに積分することになる。その結果、等価的に、第一のピーク検出部０１２に入力されるドップラースペクトルの方が、第二のピーク検出部０１３に入力されるドップラースペクトルよりも積分数が多いものとなる。

なお、本実施の形態で説明した風計測装置には、ドップラー速度計測値の時間平均処理は特に行っていないが、ドップラースペクトルの積分と、ドップラー速度計測値の時間平均の両方を組み合わせることにより、風向と風速とで平均時間長を変える効果を得るようにしても良い。

以上のように、本実施の形態の風計測装置によれば、風向算出のドップラースペクトルの積分数を、風速算出のためのドップラースペクトルの積分数よりも多くするようにしているため、高い時間分解能の風速計測値を得ることが可能となる。

実施の形態３．
以上の実施の形態では、風向と風速とで時間平均の長さを変えるような構成であったが、時間平均の代わりに空間的な平均長を変えるような実施の形態を次に示す。図８はそのような本実施の形態３における風計測装置の構成を表すブロック図である。この図において、０２０はドップラー速度に距離平均処理を施すドップラー速度距離平均部である。なお、その他の符号は前述のものと同じであるため、ここではその説明を省略する。

次に動作を説明する。図８の構成は、図６の構成の第一のドップラー速度時間平均部００２の代わりに、ドップラー速度距離平均部０２０を備えたものとなっている。ドップラー速度距離平均部０２０は、ドップラー速度計測部００１によって得られる、複数の方向の遠隔点の大気のドップラー速度を用いて、同一方向で距離の異なる複数の遠隔点のドップラー速度の距離平均処理を行う。この構成により、風速ベクトル合成部００３に入力されるドップラー速度は、距離方向に平均されたものとなる。その結果、風速ベクトル合成部００３に入力される複数方向のドップラー速度の空間的なばらつきが軽減されることになる。その結果、算出される風向風速の精度が、風の空間的不均一の影響で低下することがなくなる。

風速値算出部００５では、風速ベクトル合成部００３で得られた、空間平均された風向と、ドップラー速度計測部００１からの空間平均されていないドップラー速度を用いて、式５と同様の処理により風速値を得る。

短時間に風速が変化する場合、その風速変化が空間的に伝搬するため、風速の空間不均一も生じることになる。一方風向については、その場所の地形的特性から、風の通る方向が決まっていることなどから、空間的な不均一は小さい。よって、空間的に平均化された風向と空間的に平均されていないドップラー速度を用いて風速値算出部００５で算出される風速値は、空間的な分解能の高いものとなる。

なお、以上では、ドップラー速度を空間平均する実施の形態を説明したが、その代わりにドップラースペクトルの積分を空間方向に行うようにしても、同等の効果を得ることができる。なお、その場合の構成としては、図７に示す構成と基本的には同じ構成であるため、ここでは図示せずに、図７を参照することとする。但し、ここでは、ドップラースペクトル積分部０１１が、ドップラー速度計測部００１からドップラースペクトルを入力し、同一方向で距離の異なる複数の遠隔点のドップラースペクトルを積分する処理を行う点が図７の実施の形態２と異なっている。他の構成の動作については、図７のものと同様である。

以上のように、本実施の形態の風計測装置によれば、風速ベクトル合成部００３に入力されるドップラー速度は、距離方向に平均されたものであるため、その結果、風速ベクトル合成部００３に入力される複数方向のドップラー速度の空間的なばらつきが軽減され、算出される風向・風速の精度が、風の空間的不均一の影響で低下することがなくなるため、高い時間分解能の風速計測値を得ることが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る風計測装置の構成を表すブロック図である。この発明の実施の形態１に係る風計測装置による風計測の状況を表す説明図である。この発明の実施の形態１に係る風計測装置による風計測のタイミングを表すタイミングチャートである。この発明の実施の形態１に係る風計測装置における動作手順を表すフローチャートである。この発明の実施の形態１に係る風計測装置による風計測のタイミングの別の例を表すタイミングチャートである。この発明の実施の形態１に係る風計測装置の別の構成例を表すブロック図である。この発明の実施の形態２に係る風計測装置の構成を表すブロック図である。この発明の実施の形態３に係る風計測装置の構成を表すブロック図である。

符号の説明

００１ドップラー速度計測部、００２第一のドップラー速度時間平均部、００３風速ベクトル合成部、００４第二のドップラー速度時間平均部、００５風速値算出部、０１１ドップラースペクトル積分部、０１２第一のピーク検出部、０１３第二のピーク検出部、０２０ドップラー速度距離平均部。

Claims

遠隔点の風を計測するための風計測装置であって、
複数の方向の遠隔点の大気のドップラー速度を計測するドップラー速度計測部と、
前記ドップラー速度計測部から前記ドップラー速度を入力し、所定の時間長で、前記遠隔点毎に前記ドップラー速度の時間平均処理を行う第一のドップラー速度時間平均部と、
前記第一のドップラー速度時間平均部から複数方向の前記遠隔点の平均ドップラー速度を入力し、風が空間的に一様であることを仮定して、風向と風速を算出する風速ベクトル合成部と、
前記ドップラー速度計測部から前記ドップラー速度を入力するとともに前記風速ベクトル合成部から風向を入力し、入力した前記ドップラー速度に対応する前記遠隔点の角度と前記風向との角度差によって決まる速度射影の係数を補正することにより風速を算出する風速値算出部と
を備えたことを特徴とする風計測装置。
遠隔点の風を計測するための風計測装置であって、
複数の方向の遠隔点の大気のドップラー速度を計測するドップラー速度計測部と、
前記ドップラー速度計測部から前記ドップラー速度を入力し、所定の時間長で、前記遠隔点毎にドップラー速度の時間平均処理を行う第一のドップラー速度時間平均部と、
前記第一のドップラー速度時間平均部から複数方向の前記遠隔点の平均ドップラー速度を入力し、風が空間的に一様であることを仮定して、風向と風速を算出する風速ベクトル合成部と、
前記ドップラー速度計測部から前記ドップラー速度を入力し、前記第一のドップラー速度時間平均部の前記所定の時間長よりも短い時間長で、前記遠隔点毎に前記ドップラー速度の時間平均処理を行う第二のドップラー速度時間平均部と、
前記第二のドップラー速度時間平均部から平均ドップラー速度を入力するとともに前記風速ベクトル合成部から前記風向を入力し、入力した前記平均ドップラー速度に対応する前記遠隔点の角度と入力した前記風向との角度差によって決まる速度射影の係数を補正することにより風速を算出する風速値算出部と
を備えたことを特徴とする風計測装置。
前記第一のドップラー速度時間平均部が、互いに重ならない時間区間のドップラー速度の時間平均処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の風計測装置。
前記第一のドップラー速度時間平均部が、ドップラー速度の移動平均処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の風計測装置。
前記第二のドップラー速度時間平均部が、互いに重ならない時間区間のドップラー速度の時間平均処理を行うことを特徴とする請求項２に記載の風計測装置。
前記第二のドップラー速度時間平均部が、ドップラー速度の移動平均処理を行うことを特徴とする請求項２に記載の風計測装置。
遠隔点の風を計測するための風計測装置であって、
複数の方向の遠隔点の大気のドップラースペクトルを計測するドップラー速度計測部と、
前記ドップラー速度計測部から前記ドップラースペクトルを入力し、前記遠隔点毎にドップラースペクトルの積分処理を行うドップラースペクトル積分部と、
前記ドップラースペクトル積分部から積分後の前記ドップラースペクトルを入力し、振幅が極大となるドップラー速度を出力する第一のピーク検出部と、
前記第一のピーク検出部から複数方向の前記遠隔点の前記ドップラー速度を入力し、風が空間的に一様であることを仮定して、風向と風速を算出する風速ベクトル合成部と、
前記ドップラー速度計測部からドップラースペクトルを入力し、振幅が極大となるドップラー速度を出力する第二のピーク検出部と、
前記第二のピーク検出部から前記ドップラー速度を入力するとともに前記風速ベクトル合成部から前記風向を入力し、入力した前記ドップラー速度に対応する前記遠隔点の角度と入力した前記風向との角度差によって決まる速度射影の係数を補正することにより風速を算出する風速値算出部と
を備えたことを特徴とする風計測装置。
前記ドップラー速度計測部が、２つ以上の角度の遠隔点のドップラー速度またはドップラースペクトルを計測するとともに、
前記風速ベクトル合成部が、風の鉛直風成分が十分小さいと仮定することにより、水平風成分の風速ベクトルを算出する
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の風計測装置。
遠隔点の風を計測するための風計測装置であって、
複数の方向の遠隔点の大気のドップラー速度を計測するドップラー速度計測部と、
前記ドップラー速度計測部から前記ドップラー速度を入力し、同一方向で距離の異なる複数の前記遠隔点のドップラー速度の距離平均処理を行うドップラー速度距離平均部と、
前記ドップラー速度距離平均部から複数方向の前記遠隔点の前記距離平均ドップラー速度を入力し、風が空間的に一様であることを仮定して、風向と風速を算出する風速ベクトル合成部と、
前記ドップラー速度計測部からドップラー速度を入力するとともに前記風速ベクトル合成部から前記風向を入力し、入力した前記ドップラー速度に対応する前記遠隔点の角度と入力した前記風向との角度差によって決まる速度射影の係数を補正することにより風速を算出する風速値算出部と
を備えたことを特徴とする風計測装置。
遠隔点の風を計測するための風計測装置であって、
複数の方向の遠隔点の大気のドップラースペクトルを計測するドップラー速度計測部と、
前記ドップラー速度計測部から前記ドップラースペクトルを入力し、同一方向で距離の異なる複数の前記遠隔点のドップラースペクトルを積分する処理を行うドップラースペクトル積分部と、
前記ドップラースペクトル積分部から積分後の前記ドップラースペクトルを入力し、振幅が極大となるドップラー速度を出力する第一のピーク検出部と、
前記第一のピーク検出部から複数方向の前記遠隔点のドップラー速度を入力し、風が空間的に一様であることを仮定して、風向と風速を算出する風速ベクトル合成部と、
前記ドップラー速度計測部から前記ドップラースペクトルを入力し、振幅が極大となるドップラー速度を出力する第二のピーク検出部と、
前記第二のピーク検出部からドップラー速度を入力するとともに前記風速ベクトル合成部から前記風向を入力し、入力した前記ドップラー速度に対応する前記遠隔点の角度と入力した前記風向との角度差によって決まる速度射影の係数を補正することにより風速を算出する風速値算出部と
を備えたことを特徴とする風計測装置。