JP6301040B2 - コヒーレントライダー装置 - Google Patents
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Description
この図16から、積算後の受信スペクトルについて、雑音スペクトルは同等であるが、図16Aの場合に対して図16Bの場合の方が、信号スペクトルが低くなっていることが分かる。すなわち、図16Bの場合には受信SN比が劣化している。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係るコヒーレントライダー装置1の構成例を示すブロック図である。
実施の形態1に係るコヒーレントライダー装置1は、図1に示すように、光送受信部11、A/D変換器12、信号処理機13、光スイッチドライバ14及び表示器15を備えている。なお図1において、太い接続線は光ファイバケーブルを表し、細い接続線は電気信号ケーブルを表している。
信号処理機13は、図2に示すように、高速フーリエ解析部1301、信号積算判別部1302、スペクトル積算部1303、照射方向指定部1304、雑音レベル補正部1305、周波数シフト算出部1306及び風速演算部1307を有している。
また、スペクトル積算部1303は、同一の照射方向において、受信スペクトルの積算回数が基準積算回数に達したかを判断する。そして、スペクトル積算部1303は、上記積算回数が基準積算回数に達したと判断した場合には、照射方向指定部1304に対してトリガ信号を出力する。一方、スペクトル積算部1303は、上記積算回数が基準積算回数に達していないと判断した場合には、上記受信スペクトルの積算を繰り返す。なお、基準積算回数は予め設定される。
また、スペクトル積算部1303は、積算後の受信スペクトルの受信SN比が受信SN比基準値を下回るかを判断する。そして、スペクトル積算部1303は、上記受信SN比が受信SN比基準値を下回ると判断した場合には、当該受信スペクトルをメモリ26に保存し、当該受信スペクトルに、メモリ26に保存された前回取得した同じ照射方向の受信スペクトルを積算する。一方、上記受信SN比が受信SN比基準値を下回らないと判断した場合には、当該受信スペクトルのメモリ26への保存、及び、当該受信スペクトルへの前回取得した同じ照射方向の受信スペクトルの積算は、実行しない。なお、受信SN比基準値は予め設定される。
このスペクトル積算部1303により積算された受信スペクトルを示すデータは雑音レベル補正部1305に出力される。
実施の形態1における信号処理機13の動作例では、図3A,3Bに示すように、まず、高速フーリエ解析部1301は、A/D変換器12によりディジタル信号に変換された受信信号に対して所定の時間ゲート毎に高速フーリエ変換を行う(ステップST301)。これにより、時間ゲート毎の受信スペクトルを得ることができる。
ここで、破線で囲まれた期間である時間ゲートの受信信号を抽出した場合、図4Aでは受信信号の振幅が振幅閾値を超えず、図4Bでは受信信号の振幅が振幅閾値を超える。そして、信号積算判別部1302では、例えば、振幅閾値を超える場合には積算判別信号を0(積算否)とし、振幅閾値を超えない場合には積算判別信号を1(積算要)とする。
例えば、ハードターゲットにレーザ光の一部が遮光され、残りが当該ハードターゲットの後方の大気中に照射された場合を想定する。この場合、光アンテナ22では、エアロゾルからの散乱光を受信することはできる。しかしながら、一部がハードターゲットにより遮光されているため、その遮光されている割合によって、スペクトル積算部1303で積算された受信スペクトルの受信SN比が向上するか劣化するかが決まる。したがって、エアロゾルからの散乱光による受信信号のレベルが装置雑音のレベルになるときの、ハードターゲットからの反射光による受信信号のレベルを振幅閾値として設定する。なお、装置雑音には、光受信機24の熱雑音及び光増幅器19で発生した自然放射増幅光雑音等が含まれる。
この場合、実施の形態1のスペクトル積算部1303では、エアロゾルからの散乱光が受信できていない期間に対応する2,3番目の受信スペクトルは積算しない。これにより、図5の積算後の受信スペクトルについて、破線で示す従来のコヒーレントライダー装置に対して、実施の形態1のコヒーレントライダー装置1では、信号スペクトルの振幅は同等であるが、雑音スペクトルの振幅は小さくなる。すなわち、実施の形態1のコヒーレントライダー装置1の方が受信SN比が向上していることが分かる。
このステップST306において、スペクトル積算部1303は、積算後の受信スペクトルの受信SN比が受信SN比基準値を下回ると判断した場合には、当該受信スペクトルをメモリ26に保存し、当該受信スペクトルに、メモリ26に保存された前回取得した同じ照射方向の受信スペクトルを積算する(ステップST307,308)。なお、メモリ26に保存された受信スペクトルは、次回、同じ照射方向における積算処理で積算後の受信スペクトルの受信SN比が受信SN比基準値を下回った場合に、用いられる。
一方、ステップST306において、スペクトル積算部1303が積算後の受信スペクトルの受信SN比が受信SN比基準値以上であると判断した場合には、ステップST307,308の処理はスキップする。
このステップST309において、雑音レベル補正部1305は、コヒーレントライダー装置1が雑音取得モードであると判断した場合には、レーザ光を大気中には照射しない状態でスペクトル積算部1303により積算された受信スペクトルを雑音スペクトルとしてメモリ26に保存する(ステップST310)。すなわち、雑音レベル補正部1305では、光受信機24の熱雑音及び光増幅器19で発生した自然放射増幅光雑音等の装置雑音によって歪んでいる受信スペクトルの形状を、予め雑音スペクトルとして取得する。
スペクトル積算部1303により積算された受信スペクトルは、図6Aに示すように、信号スペクトルに雑音スペクトルが加算されたものである。なお図6Aにおいて、実線は受信スペクトル(信号スペクトル+雑音スペクトル)を示し、破線は雑音スペクトルを示している。
ここで、信号スペクトルは、単一周波数のレーザ光を用いているため、特定の周波数レンジにのみ現れる。一方、雑音スペクトルは、光受信機24の熱雑音及び光増幅器19で発生した自然放射増幅光雑音等の周波数特性を有している。したがって、雑音スペクトルのみを予め取得し、スペクトル積算部1303により積算された受信スペクトルから差分することで、図6Bに示すように、正確な信号スペクトルの形状に補正することができる。
また、図8A,8Bに示すように、信号積算判別部1302は、まず、A/D変換器12からの受信信号を時間ゲート毎に高速フーリエ変換して、当該時間ゲート毎の受信スペクトルを得る(ステップST801)。そして、得た受信スペクトルの時間ゲート毎の振幅を振幅閾値と比較することで、高速フーリエ解析部1301により得られた受信スペクトルの積算要否を当該時間ゲート毎に判別するようにしてもよい(ステップST802)。
また、レーザ光が照射直後に遮光される場合には、受信信号がコヒーレントライダー装置1の内部反射光による信号と重なるため、この受信信号又は受信スペクトルの振幅値から遮光状態を判断することは困難である。しかしながら、内部反射光による信号と重なる期間以降の信号を時間ゲート毎に抽出することで、レーザ光の照射直後の遮光状態も識別することができる。
図9はコヒーレントライダー装置1がナセル201に搭載された場合を示す図である。
この図9に示すように、コヒーレントライダー装置1は、ブレード202の後方に設置され、ブレード202への流入風を計測する。この場合、風力発電機2の風力発電時、つまりブレード202の回転時に、コヒーレントライダー装置1から照射されたレーザ光がブレード202により遮光されてしまう期間がある。
ここで、図10A及び図10Cの受信信号については、図4A及び図4Bの受信信号の場合と同様であり、その説明を省略する。一方、図10Bの受信信号は、コヒーレントライダー装置1から照射されたレーザ光のうち、一部がブレード202によって遮光され、残りがブレード202の後方の大気中に照射された場合を示している。この図10Bの受信信号では、信号積算判別部1302は、例えば、時間ゲート毎に抽出した受信信号の振幅が振幅閾値を超える場合には積算判別信号を0(積算否)とし、振幅閾値を超えない場合には積算判別信号を1(積算要)とする。そして、スペクトル積算部1303では、この積算判別信号に従い、受信SN比が劣化する受信スペクトルは積算しないように動作する。
図11はこの発明の実施の形態2における信号処理機13の機能構成例を示すブロック図である。この図11に示す実施の形態2における信号処理機13は、図2に示す実施の形態1における信号処理機13に遮光タイミング演算部1308を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
図13はコヒーレントライダー装置1がナセル201に搭載された場合での、レーザ光の照射パターンの一例を示す図である。また、図14はブレード202の回転時における各時刻でのレーザ光の遮光の一例を示す図である。なお、図中の丸はレーザ光の照射方向を示しており、丸の中の数字は照射順を示している。
このコヒーレントライダー装置1は、実施の形態1の場合と同様に、ブレード202の後方に設置され、ブレード202への流入風を計測する。この場合、図13,14に示すように、風力発電機2の風力発電時、つまりブレード202の回転時に、コヒーレントライダー装置1から照射されたレーザ光はブレード202により遮光されてしまう照射方向がある。
ここで、従来のコヒーレントライダー装置において、時刻t0、t1ではレーザ光の照射方向が7番であり、時刻t2、t3ではレーザ光の照射方向が8番であるとする。この場合、図14,15に示すように、時刻t1では7番の照射方向が遮光され、時刻t2、t3では8番の照射方向が遮光されてしまう。
それに対して、実施の形態2に係るコヒーレントライダー装置1では、遮光タイミング演算部1308により算出されたレーザ光が遮光されるタイミングに基づいて、例えば、時刻t0、t1ではレーザ光の照射方向を8番に変更し、時刻t2、t3ではレーザ光の照射方向を7番に変更する。これにより、遮光による計測時間のロスをなくすことができ、複数の視線方向での風速を効率的に計測することが可能となる。
Claims (7)
- 単一周波数のレーザ光を大気中に照射して、当該レーザ光に対する大気中からの散乱光を受信してヘテロダイン検波を行うことで受信信号を得る光送受信部と、
前記光送受信部により得られた受信信号をディジタル信号に変換するA/D変換器と、
前記A/D変換器によりディジタル信号に変換された受信信号を時間ゲート毎に高速フーリエ変換して当該時間ゲート毎の受信スペクトルを得る高速フーリエ解析部と、
前記高速フーリエ解析部により得られた受信スペクトルの積算要否を前記時間ゲート毎に判別する信号積算判別部と、
前記信号積算判別部による判別結果に従い、前記高速フーリエ解析部により得られた受信スペクトルの積算を行うスペクトル積算部と、
前記スペクトル積算部により積算された受信スペクトルから、前記光送受信部により照射されたレーザ光に対する周波数シフト量を算出する周波数シフト算出部と、
前記周波数シフト算出部により算出された周波数シフト量から、前記光送受信部によりレーザ光が照射された方向の風速を算出する風速演算部と
を備えたコヒーレントライダー装置。 - 前記信号積算判別部は、前記A/D変換器によりディジタル信号に変換された受信信号の前記時間ゲート毎の振幅に基づいて、前記高速フーリエ解析部により得られた受信スペクトルの積算要否を当該時間ゲート毎に判別する
ことを特徴とする請求項1記載のコヒーレントライダー装置。 - 前記信号積算判別部は、前記高速フーリエ解析部により得られた受信スペクトルの前記時間ゲート毎の振幅に基づいて、当該受信スペクトルの積算要否を当該時間ゲート毎に判別する
ことを特徴とする請求項1記載のコヒーレントライダー装置。 - 前記信号積算判別部は、前記A/D変換器によりディジタル信号に変換された受信信号を前記時間ゲート毎に高速フーリエ変換して当該時間ゲート毎の受信スペクトルを得て、当該受信スペクトルの当該時間ゲート毎の振幅に基づいて、前記高速フーリエ解析部により得られた受信スペクトルの積算要否を当該時間ゲート毎に判別する
ことを特徴とする請求項1記載のコヒーレントライダー装置。 - 前記信号積算判別部は、前記光送受信部により照射されるレーザ光が遮光されるタイミングを示した外部信号に基づいて、前記高速フーリエ解析部により得られた受信スペクトルの積算要否を前記時間ゲート毎に判別する
ことを特徴とする請求項1記載のコヒーレントライダー装置。 - 前記光送受信部は、レーザ光の照射方向を切替える光スイッチを有し、
前記光送受信部により照射されるレーザ光が遮光されるタイミングを算出する遮光タイミング演算部と、
前記遮光タイミング演算部により算出されたタイミングにおいてレーザ光が遮光されない照射方向を指定する照射方向指定部と、
前記光スイッチに、前記遮光タイミング演算部により算出されたタイミングで、レーザ光の照射方向を前記照射方向指定部により指定された照射方向に切替えさせる光スイッチドライバとを備えた
ことを特徴とする請求項1記載のコヒーレントライダー装置。 - 前記光送受信部は、
単一周波数の連続波であるレーザ光を発光する光源と、
前記光源により発光されたレーザ光を分割する光分配器と、
前記光分配器により分割された一方のレーザ光に対してパルス強度変調及び周波数シフトを行うパルス変調器と、
前記パルス変調器によりパルス強度変調及び周波数シフトが行われたレーザ光を増幅する光増幅器と、
前記光増幅器により増幅されたレーザ光を大気中に照射し、当該レーザ光に対する大気中からの散乱光を受信する光アンテナと、
前記光分配器により分割された他方のレーザ光と、前記光アンテナにより受信された散乱光との合波及び分割を行う光カプラと、
前記光カプラにより合波及び分割が行われた光に対してヘテロダイン検波を行うことで前記受信信号を得る光受信機とを備えた
ことを特徴とする請求項1記載のコヒーレントライダー装置。
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