JP6037762B2 - 風計測装置 - Google Patents

Description

この発明は、電磁波、光波もしくは音波等の送信波を用いて遠隔の風を計測する風計測装置に関するものである。

従来、遠隔の風を計測する装置として、ドップラーレーダやウィンドプロファイラやドップラーライダやドップラーソーダ等の装置が使用されている。これらの装置は、空間に電磁波や光波や音波等の送信波を放射し、雨滴やエアロゾルや大気乱流等の目標物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、ドップラーライダを例に説明を行う。ドップラーライダで直接計測するものは、大気中の風を送信もしくは受信ビーム方向に射影した視線方向成分である。所定観測領域の風（風向・風速）を計測する場合は、例えば、定仰角で水平方向にビーム走査し、得られた複数の視線方向成分を用いてＶＡＤ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ａｚｉｍｕｔｈ Ｄｉｓｐｌａｙ）法等の演算を行う。ＶＡＤ法については、例えば、非特許文献１に紹介されている。

ＶＡＤ法では、所定観測領域内の風を一様、すなわち、風向および風速が一定であると仮定する。風向および風速が一定である空間を、定仰角で水平走査すると、得られる視線方向成分は正弦波状に分布する。この正弦波を最小２乗法でフィッティングすることで、当該空間の風向および風速を算出する。

Ｈｅｎｒｉ Ｓａｕｖａｇｅｏｔ、「Ｒａｄａｒ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ」、Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ、１９９２、ｐ．２１０−２１２． Ｓｈｕｍｐｅｉ Ｋａｍｅｙａｍａ他、"Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ−Ｆｏｕｒｉｅｒ−Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ−Ｂａｓｅｄ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｅｓｔｉｍａｔｏｒｓ ｆｏｒ ａ Ｗｉｎｄ−Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｌｉｄａｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ Ｒｅｇｉｍｅ"、２００９．

しかしながら、このような風向風速推定方式では、例えば、信号対雑音比が低く、計測する視線方向成分の精度が劣化した場合には、正弦波の形状が崩れる。そのため、適切なフィッティングが困難となり、最終的に風向風速の演算精度が劣化する課題があった。

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、視線方向成分の精度が劣化した場合でも、風向風速の演算精度の劣化を抑えることの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、送信波を方位角方向に走査しながら空間に放射し、目標物で反射されて受信した受信信号を用いて、遠隔の風を計測する風計測装置であって、受信信号を周波数解析して、距離方向におけるレンジごとの風の視線方向成分を算出する視線方向成分算出部と、視線方向成分算出部により算出された視線方向成分を方位角ごとに格納する視線方向成分格納部と、視線方向成分格納部に格納された視線方向成分から、距離方向の空間連続性に基づいて、不連続な視線方向成分を不要データとして除去する不要データ除去処理部と、不要データ除去処理部により不要データが除去された視線方向成分を用い、風向風速を算出する風向風速算出処理部とを備え、不要データ除去処理部は、距離方向における処理範囲を設定する処理範囲設定部と、処理範囲設定部により設定された処理範囲ごとに、当該処理範囲における方位角方向１周もしくは複数周分の視線方向成分から、平均値もしくは中央値を統計量として算出する統計量算出部と、統計量算出部により算出された統計量に、予め設定した所定値範囲を加えた範囲を閾値として設定する閾値設定部と、閾値設定部により設定された閾値を用い、視線方向成分格納部に格納された視線方向成分のうち、当該閾値を超えた視線方向成分を不要データとして除去する閾値処理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、視線方向成分の精度が劣化した場合でも、風向風速の演算精度の劣化を抑えることができる。

この発明の実施の形態１による風計測装置の信号処理部を示す構成図である。 米国標準大気モデル、国際電気通信連合による中緯度地域の夏季および冬季の気温の高度分布モデルである。 この発明の実施の形態１の不要データ除去処理部による所定処理範囲の視線方向成分を用いた閾値設定を示す概念図である。 この発明の実施の形態２による不要データ除去処理部を示す構成図である。 この発明の実施の形態２の不要データ除去処理部による所定処理範囲の視線方向成分を用いた閾値設定を示す概念図である。 この発明の実施の形態３による風計測装置の信号処理部を示す構成図である。

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による風計測装置の信号処理部を示す構成図である。
風計測装置は、送信波（電磁波や光波や音波等）を方位角方向に走査しながら空間に放射し、目標物（雨滴やエアロゾルや大気乱流等）で反射されて受信した受信信号を用いて、遠隔の風を計測する装置である。図１に示す風計測装置の信号処理部は、視線方向成分算出部１、視線方向成分格納部２、不要データ除去処理部３、風向風速算出処理部４を備えている。

視線方向成分算出部１は、受信信号から風の視線方向成分（ドップラ速度）を算出する処理部であり、例えば、受信信号に対してフーリエ変換を行い周波数解析を行うことで、距離方向におけるレンジごとの視線方向成分を得る。視線方向成分格納部２は、方位角方向へのビーム走査中、視線方向成分算出部１から入力された視線方向成分を方位角ごとに格納する格納部である。不要データ除去処理部３は、視線方向成分格納部２に格納された視線方向成分から、距離方向の空間連続性に基づいて、不連続な視線方向成分を精度が劣化した不要データとして除去する処理部である。風向風速算出処理部４は、不要データ除去処理部３による処理により有効となった視線方向成分を用い、例えばＶＡＤ処理を行うことにより風向風速を算出する処理部である。

また、図１に示す不要データ除去処理部３は、処理範囲設定部３１、統計量算出部３２、閾値設定部３３、閾値処理部３４を備えている。
処理範囲設定部３１は、後段の統計量算出部３２で統計量を算出するための距離方向における処理範囲（レンジ範囲）を設定する処理部である。統計量算出部３２は、統計量算出部３２で設定された処理範囲ごとに、当該処理範囲における視線方向成分から統計量（例えば平均値や中央値等）を算出する処理部である。閾値設定部３３は、統計量算出部３２で得られた統計量を基準として、有効と考える視線方向成分の範囲（閾値）を設定する処理部である。閾値処理部３４は、閾値設定部３３で設定された閾値を用いて、視線方向成分格納部２に格納された視線方向成分に対する閾値処理を行い、当該閾値を満足する視線方向成分のみを風向風速算出処理部４へ出力する処理部である。

次に、実施の形態１の動作例について説明する。なお、風向風速算出処理部４は、一般的なＶＡＤ等の演算処理を行う処理部であるため、演算方式に関する詳細な説明は省略する。
視線方向成分算出部１には、大気中に光パルスを放射し、その後、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、所定サンプリング周波数でＡ／Ｄ変換した後の受信信号が入力される。視線方向成分算出部１では、受信信号から所定のレンジ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、必要に応じてインコヒーレント積分により検出能を向上させた後、例えばモーメント法により視線方向の速度、速度幅、強度値（もしくは信号対雑音比（Ｓ／Ｎ））を算出する。そして、算出結果である視線方向成分を視線方向成分格納部２へと出力する。

視線方向成分格納部２では、ビーム走査により視線方向成分算出部１から逐次得られる視線方向成分を方位角ごとに格納していき、一周、すなわち３６０度走査した後、格納している視線方向成分のデータを不要データ除去処理部３へ出力する。

不要データ除去処理部３では、まず、処理範囲設定部３１で予め設定した距離方向の処理範囲に基づき、統計量算出部３２において統計量を算出する。処理範囲の決め方の１つの方法として、所望のレンジ分解能となる範囲とする方法の他、一般的な他の測器と同等とする方法がある。例えば、鉛直方向の風を計測する場合では、同じく上空の風を計測するウィンドプロファイラの処理範囲（１００〜３００ｍ）と同等となるように処理範囲を設定することが考えられる。

その他の方法として、風向風速と関連の高い鉛直方向の層に基づいて処理範囲を分ける方法がある。層としては、例えば、気温に基づく層（等温度層）が考えられる。気温は、実測した気温を利用する方法の他、気温モデルを用いる方法が考えられる。図２は、米国標準大気モデル、国際電気通信連合による中緯度地域の夏季および冬季の気温の高度分布モデルであり、温度の分布傾向により図のような層分け（処理範囲の区分け）が考えられる。

その他の方法として、レンジごとの各視線方向成分のＳＮ比（信号対雑音比）に基づき、処理範囲を設定する方法がある。例えば、あるレンジの平均ＳＮ比が低い場合はレンジの範囲を増加させ、逆に平均ＳＮ比が高い場合はレンジの範囲を減少させることで、後段で統計量を算出する際に統計値を精度良く算出することができる。

その他の方法として、風向風速算出処理部４で算出された過去の風向風速値が利用できる場合は、直前の観測において得られた水平方向もしくは鉛直方向の風向風速値に基づき、処理範囲を設定する方法がある。この場合は、水平方向もしくは鉛直方向の風向風速値が等しいとみなせる範囲を処理範囲とする。このようにすることで、傾向が等しい範囲のデータを用いて統計量を算出できるため、統計値を精度良く算出することができる。

次に、統計量算出部３２では、処理範囲設定部３１で設定された処理範囲ごとに、当該処理範囲における方位角方向１周分の視線方向成分から統計量を算出する。ここで算出する統計量は、後段の閾値処理の際の閾値の基準値として用いるものであり、例えば、視線方向成分（ドップラ速度）の平均値もしくは中央値が考えられる。観測領域の風が一様である場合、１周分の視線方向成分は正弦波状に分布することから、理想状態ではその平均値および中央値は一致する。なお、図３では、所定処理範囲における複数のレンジでの視線方向成分から平均値を算出した場合を示している。

閾値設定部３３では、統計量算出部３２で得られた統計量（基準値）に基づき、精度の劣化した視線方向成分を除去するための閾値を設定する。閾値としては、例えば、観測領域内で想定し得る風速値の上限を用いて、基準値±風速の範囲が考えられる。

その他の方法として、風向風速算出処理部４により算出された過去の観測値が利用できる場合は、直前に観測した風速の最大値を用いて、閾値として、基準値±過去の風速の最大値の範囲が考えられる。

その他の方法として、風の擾乱に関するモデルから導出した値を用いることができる。例えば、非特許文献２には、ある擾乱場において、離れた２地点間の風の標準偏差が紹介されており、この標準偏差値を用いて、閾値として、基準値±モデルによる標準偏差値の範囲が考えられる。

閾値処理部３４では、視線方向成分格納部２から入力された視線方向成分のデータと、閾値設定部３３から得られた閾値を用いて視線方向成分に対して閾値処理を行い、閾値を満足する視線方向成分を後段の風向風速産出処理部４へ出力する。一方、閾値を満足しないものは不要データとして除去、すなわち、後段の風向風速算出処理部４へは出力しない。なお、図３では、ある方位角方向１周分の視線方向成分のうち、視線方向成分Ａ，Ｂが閾値を超え、不要データとして除去される場合を示している。

風向風速算出処理部４では、不要データ除去処理部３から入力された閾値処理後の視線方向成分を用いて風向風速算出処理を行い、観測範囲の風向風速値を出力する。風向風速算出方法としては、例えば、ＶＡＤ処理が挙げられる。

以上のように、この実施の形態１によれば、距離方向の空間連続性を利用して精度が劣化した視線方向成分を除去し、精度の良い視線方向成分のみを用いて風向風速算出処理を行うように構成したので、例えばエアロゾル量が少なく低信号対雑音比環境であっても、精度の高い風向風速値を得ることができる。

なお上記では、統計量算出部３２において、方位角方向１周分の視線方向成分を用いて統計量を算出する場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、方位角方向複数周分の視線方向成分を用いて統計量を算出するようにしてもよい。

実施の形態２．
実施の形態１では、視線方向成分の値に基づいて品質の悪い視線方向成分を除去し、風向風速算出処理を行う場合について示した。しかし、視線方向成分の値だけでなく、視線方向成分を方位角方向に並べたときに形成される正弦波状の分布の位相も考慮することで、より精度の高い風向風速算出処理ができる。このような例を実施の形態２として説明する。

図４は、この発明の実施の形態２による不要データ除去処理部３ａを示す構成図である。なお、実施の形態２による風計測装置は、図１に示す実施の形態１による風計測装置の不要データ除去処理部３を不要データ除去処理部３ａに変更したものであり、その他の構成は同様のため説明を省略する。

図４において、正弦波統計量算出部３５は、処理範囲設定部３１ａで設定された処理範囲ごとに、当該処理範囲における視線方向成分から形成される正弦波状の分布の位相ごとの統計量（例えば平均値や中央値等）を算出する処理部である。
また、統計量算出部３２ａは、正弦波統計量算出部３５により算出された視線方向成分の位相ごとの統計量から、統計量（例えば平均値や中央値等）を算出する。なお、その他の不要データ除去処理部３の構成要素（処理範囲設定部３１ａ、閾値設定部３３ａ、閾値処理部３４ａ）は実施の形態１と同様のため、説明を省略する。

次に、図５を用いて本実施の形態の考え方を説明する。
視線方向成分が形成する正弦波状の分布の初期位相は、観測領域の風向に対応する。そのため、ある（狭い）範囲内に存在するレンジにおける正弦波状の分布の初期位相は大きく異ならないと考えられる。逆に、例えば、実施の形態１の方法で初期位相を考えずに平均化すると、視線方向成分（ドップラ速度）の大きさは合っているが、方向は異なっている計測点をも含んでしまい、最終的な風向風速の精度が劣化する可能性が考えられる。そこで、図５に示すように、不要データ除去処理を行う処理範囲において、正弦波状の分布から方位角ごとの平均値もしくは中央値を取った後に、方位方向に統計量を算出し、不要データ除去を行う。

以上のように、この実施の形態２によれば、視線方向成分から形成される正弦波状の分布の位相も考慮して不用データ除去を行うように構成したので、実施の形態１と比較して精度の良い風向風速値を得ることができる。

実施の形態３．
視線方向成分を除去する方式では、後段の風向風速算出処理（ＶＡＤ処理）においてフィッティングに利用する計測点数が減ることになるが、減り過ぎるとフィッティング精度が劣化し、風向風速の演算精度が劣化する可能性がある。そこで、計測点数の制御を行う例を実施の形態３として説明する。

図６は、この発明の実施の形態３による風計測装置の信号処理部を示す構成図である。図６に示す実施の形態３による風計測装置は、図１に示す実施の形態１による風計測装置に計測点数判定処理部５を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付しその説明を省略する。

計測点数判定処理部５は、不要データ除去処理部３を通過後のレンジごとの視線方向成分の計測点数をカウントし、当該計測点数が予め設定した所定数を満たすかを判定する処理部である。そして、風向風速算出処理部４では、計測点数判定処理部５により計測点数が所定数に満たないと判定された場合には、該当するレンジでの風向風速算出処理は行わない。

次に、動作について説明する。
計測点数判定処理部５には、不要データが除去された後の視線方向成分が入力される。その後、各レンジにおいて、風向風速算出処理（ＶＡＤ処理）で用いる方位角方向の計測点数をカウントし、予め設定した所定数に満たない場合は、当該レンジにおける風向風速算出処理を止める。

また、計測点数判定処理部５の別の構成として、計測点数が所定数に満たない場合に、当該レンジの視線方向成分に次の走査における計測点（視線方向成分）を追加し、再度計測点数の判定を行い、総計測点数が所定数を満足するまで計測点の追加を繰り返すようにしてもよい。そして、風向風速算出処理部４では、不要データ除去処理部３により不要データが除去され、かつ、計測点数判定処理部５により計測点数が所定数を満たすと判定されたレンジの視線方向成分を用い、風向風速を算出する。

以上のように、この実施の形態３によれば、風向風速算出処理で用いる計測点数が所定数を満足しない場合は、正しくフィッティングを行われず風向風速値が劣化する可能性があるため、当該レンジの風向風速算出を行わない、もしくは、所定数となるまで計測点を追加するように構成したので、実施の形態１と比較して最終的な風向風速値の劣化を抑えることができる。

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 視線方向成分算出部、２ 視線方向成分格納部、３，３ａ 不要データ除去処理部、４ 風向風速算出処理部、５ 計測点数判定処理部、３１，３１ａ 処理範囲設定部、３２，３２ａ 統計量算出部、３３，３３ａ 閾値設定部、３４，３４ａ 閾値処理部、３５ 正弦波統計量算出部。

Claims (7)

1. 送信波を方位角方向に走査しながら空間に放射し、目標物で反射されて受信した受信信号を用いて、遠隔の風を計測する風計測装置であって、
   前記受信信号を周波数解析して、距離方向におけるレンジごとの風の視線方向成分を算出する視線方向成分算出部と、
   前記視線方向成分算出部により算出された視線方向成分を前記方位角ごとに格納する視線方向成分格納部と、
   前記視線方向成分格納部に格納された視線方向成分から、前記距離方向の空間連続性に基づいて、不連続な視線方向成分を不要データとして除去する不要データ除去処理部と、
   前記不要データ除去処理部により不要データが除去された視線方向成分を用い、風向風速を算出する風向風速算出処理部とを備え、
   前記不要データ除去処理部は、
   前記距離方向における処理範囲を設定する処理範囲設定部と、
   前記処理範囲設定部により設定された処理範囲ごとに、当該処理範囲における前記方位角方向１周もしくは複数周分の視線方向成分から、平均値もしくは中央値を統計量として算出する統計量算出部と、
   前記統計量算出部により算出された統計量に、予め設定した所定値範囲を加えた範囲を閾値として設定する閾値設定部と、
   前記閾値設定部により設定された閾値を用い、前記視線方向成分格納部に格納された視線方向成分のうち、当該閾値を超えた視線方向成分を前記不要データとして除去する閾値処理部とを備えた
   ことを特徴とする風計測装置。
2. 前記不要データ除去処理部は、
   前記処理範囲設定部により設定された処理範囲ごとに、当該処理範囲における前記方位角方向１周もしくは複数周分の視線方向成分から形成される正弦波状の分布の位相ごとに、平均値もしくは中央値を統計量として算出する正弦波統計量算出部を備え、
   前記統計量算出部は、前記正弦波統計量算出部による算出結果から、平均値もしくは中央値を前記統計量として算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の風計測装置。
3. 前記処理範囲設定部は、鉛直方向における等温度層に基づいて、前記処理範囲を設定する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の風計測装置。
4. 前記処理範囲設定部は、前記レンジごとの視線方向成分の平均信号対雑音比に基づいて、前記処理範囲を設定する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の風計測装置。
5. 前記処理範囲設定部は、前記風向風速算出処理部により算出された過去の風向風速値に基づいて、前記処理範囲を設定する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の風計測装置。
6. 前記不要データ除去処理部を通過後のレンジごとの視線方向成分の計測点数をカウントし、当該計測点数が所定数を満たすかを判定する計測点数判定処理部を備え、
   前記風向風速算出処理部は、前記計測点数判定処理部により計測点数が所定数に満たないと判定された場合には、該当するレンジでの風向風速算出処理は行わない
   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。
7. 前記不要データ除去処理部を通過後のレンジごとの視線方向成分の計測点数をカウントし、当該計測点数が所定数に満たない場合に、当該所定数を満たすまで、該当するレンジの視線方向成分に、前記不要データ除去処理部を通過した対応する視線方向成分を順次追加する計測点数判定処理部を備え、
   前記風向風速算出処理部は、前記不要データ除去処理部により不要データが除去され、かつ、前記計測点数判定処理部により計測点数が所定数を満たすと判定されたレンジの視線方向成分を用い、風向風速を算出する
   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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