JP6995256B2 - 信号処理器、レーザレーダ装置及び風力タービン - Google Patents

Description

本発明は、レーザレーダ技術に関し、特に、観測空間にて反射または散乱されたレーザ光に基づいて風速及び風向などの風況特性を計測するためのレーザレーダ技術に関する。

レーザレーダ技術は、観測空間に照射された後に反射または散乱されたレーザ光に基づいて当該観測空間の性質及び状態を観測するための技術であり、ライダ（ＬＩｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ，ＬＩＤＡＲ）と呼ばれることもある。このようなレーザレーダ技術は、観測空間内に浮遊するエアロゾル（ａｅｒｏｓｏｌｓ）及び分子などの微粒子にて後方散乱されたレーザ光に基づいて風速及び風向などの風況特性（ｗｉｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を計測するために広く使用されている。たとえば、風力発電の用途では、発電効率の向上のために、レーザレーダによりリアルタイムに計測された風況特性を用いて風力タービン（風車）のナセルの向きあるいはブレードのピッチ角を適応的に制御することが行われている。また風力発電システムまたはウィンドファーム（ｗｉｎｄ ｆａｒｍ）の建設予定地の風況観測のために、レーザレーダ技術が活用されることもある。ここで、ウィンドファームとは、陸上または洋上に配置された複数基の風力発電システムを有する発電所をいう。

レーザレーダを用いた風況特性の推定技術は、たとえば、下記の特許文献１及び非特許文献１に開示されている。特許文献１には、あらかじめ決められた気流モデルを用いて、ＬＩＤＡＲセンサの検出出力から、風力タービンのロータに到来する将来の風況場（ｗｉｎｄ ｆｉｅｌｄ）の風況特性を予測する技術がいくつか開示されている。特許文献１に開示されている技術の１つは、テイラーの凍結乱流仮説（Ｔａｙｌｏｒ’ｓ ｆｒｏｚｅｎ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ）に基づく気流モデルを用いて風況特性を予測する方法である。しかしながら、この方法は、少ない演算量で将来の風況特性を予測することができるものの、予測精度が低いという課題がある。

欧州特許第２５８１７６１号明細書（たとえば、段落［００５２］～［００５５］，［００５９］～［００６３］）

P. Towers and B. L. Jones, "Real-time wind field reconstruction from LiDAR measurements using a dynamic wind model and state estimation," Wind Energy, vol. 19, issue 1, pp. 133-150, 2016.

風況特性の高精度予測技術としては、３次元空間及び時間に関するナビエ・ストークス方程式の直接数値シミュレーション（Ｄｉｒｅｃｔ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＤＮＳ）が知られている。しかしながら、そのような直接数値シミュレーションは膨大な演算量を必要とし、演算負荷が極めて高いという課題がある。

そこで非特許文献１には、ナビエ・ストークス方程式を簡易化することにより導出された風況推定モデルを用いて、風況特性の時間発展の数値計算を行う方法が提案されている。この方法は、前述の直接数値シミュレーション（ＤＮＳ）と比べれば、少ない演算量で数値計算を行うことが可能である。しかしながら、ハードウェアに実装する観点からは、さらに少ない演算量で数値計算を行うことができる方法が求められている。

上記に鑑みて本発明の目的は、高い精度を保ちつつ少ない演算量で風況特性を予測することができる信号処理器、レーザレーダ装置及びこれを有する風力タービンを提供することである。

本発明の一態様による信号処理器は、レーザ光源を用いて生成された複数の変調光信号を観測空間の複数方位にそれぞれ送出し、前記複数の変調光信号が後方散乱することにより生じた複数の散乱光信号を複数の受信光信号として受信し、前記複数の受信光信号を検波して前記複数方位にそれぞれ対応する複数の受信信号を生成するレーザレーダセンサと連携して動作する信号処理器であって、前記複数の受信信号を周波数解析することにより、前記複数方位において前記レーザレーダセンサからの複数の距離範囲にそれぞれ存在する風の視線方向速度の計測値を算出する風況計測部と、前記視線方向速度の計測値に基づいて、前記レーザレーダセンサの中心軸方向に分布する１次元風速場を現時刻の推定風速場として算出する風速推定部と、ナビエ・ストークス方程式から導出された１次元空間に関する時間発展方程式を用いて、前記推定風速場からの風速場の時間発展を計算することにより将来時刻の予測風速場を算出する風速予測部とを備えることを特徴とする信号処理器。

本発明の一態様によれば、複数方位における風の視線方向速度の計測値に基づいてレーザレーダセンサの中心軸方向に分布する１次元の推定風速場が算出され、ナビエ・ストークス方程式から導出された１次元空間に関する時間発展方程式を用いて、当該１次元の推定風速場から風速場の時間発展が計算される。これにより、高い精度を保ちつつ少ない演算量で予測風速場を算出することが可能となる。

本発明に係る実施の形態１のレーザレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。 実施の形態１の風況計測部の概略構成を示すブロック図である。 図３Ａ～図３Ｃは、各種信号波形を表すグラフである。 実施の形態１における風況推定部の概略構成を示すブロック図である。 レーザレーダ装置を有する風力タービンを例示する図である。 現時刻の予測風速値の分布と将来時刻の予測風速値の分布とを概念的に表すグラフである。 実施の形態１の信号処理器の動作手順の一例を概略的に示すフローチャートである。 実施の形態１に係るデータ同化処理の手順の一例を概略的に示すフローチャートである。 実施の形態１の信号処理器のハードウェア構成例を示すブロック図である。 本発明に係る実施の形態２のレーザレーダ装置における信号処理器の概略構成を示すブロック図である。 実施の形態２における風況推定部の概略構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係るデータ同化処理の手順の一例を概略的に示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態３のレーザレーダ装置における信号処理器の概略構成を示すブロック図である。 実施の形態３における風況推定部の概略構成を示すブロック図である。 実施の形態３に係るデータ同化処理の手順の一例を概略的に示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態４のレーザレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態及びこれらの変形例について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１のレーザレーダ装置１の概略構成を示すブロック図である。図１に示されるようにレーザレーダ装置１は、レーザレーダセンサ１１と信号処理器４１とを備えて構成されたライダ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ，ＬＩＤＡＲ）装置である。本実施の形態のレーザレーダ装置１は、風況特性としての風速を計測及び予測するように構成されている。

レーザレーダセンサ１１は、レーザ光源を用いて生成された複数の変調光信号を、観測空間の複数方位すなわち視線方向ＬＯＳ_１，ＬＯＳ_２，…，ＬＯＳ_Ｊにそれぞれ送出し、当該複数の変調光信号が観測空間内に浮遊するエアロゾル（ａｅｒｏｓｏｌｓ）及び分子などの微粒子にて後方散乱することにより生じた複数の散乱光信号を複数の受信光信号として受信し、当該複数の受信光信号を検波して前記複数方位にそれぞれ対応する複数の受信信号を生成する機能を有している。ここで、Ｊは、あらかじめ定められた視線方向ＬＯＳ_１～ＬＯＳ_Ｊの個数である。本実施の形態では、視線方向ＬＯＳ_１～ＬＯＳ_Ｊの個数は３個以上であるが、これに限定されず、２個でもよい。

具体的には、図１に示されるように、レーザレーダセンサ１１は、単一波長（単一周波数）の連続波であるレーザ光を出力するレーザ光源２１と、レーザ光源２１から入力されたレーザ光を送信光信号と局発光信号とに分配する光分配器２３と、光分配器２３から入力された送信光信号に周波数変調及び振幅変調を施すことにより一連の変調光パルス（複数の変調光信号）を生成する光変調器２４と、光変調器２４から入力された一連の変調光パルスを増幅して一連の増幅光パルスを生成する光増幅器２５と、光増幅器２５の光出力端と光学的に接続された光サーキュレータ２６と、光増幅器２５から光サーキュレータ２６を介して入力された一連の増幅光パルスを観測空間内の視線方向ＬＯＳ_１，ＬＯＳ_２，…，ＬＯＳ_Ｊに送出する光送受信部３１と、光合波器２７と、光検出器２８とを備えている。光合波器２７と光検出器２８とにより光ヘテロダイン検波器（ｏｐｔｉｃａｌ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）が構成される。

レーザ光源２１としては、半導体レーザ光源または固体レーザ光源が使用可能である。また光増幅器２５としては、音響光学変調器（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）が使用可能であるが、これに限定されるものではない。光増幅器２５は、長距離離れた遠方領域の風速を計測するために設けられており、たとえば、光ファイバ増幅器により構成可能である。

光送受信部３１は、光サーキュレータ２６の光入出力端と光学的に結合された光スイッチ３３と、光アンテナ３５_１～３５_Ｊとを備えて構成されている。光スイッチ３３は、信号処理器４１の制御部４９から供給された制御信号に従って動作し、光サーキュレータ２６の光入出力端と光アンテナ３５_１～３５_Ｊのいずれかとの間を光学的に接続する。光スイッチ３３がｊ番目の光アンテナ３５_ｊと光サーキュレータ２６の光入出力端との間を接続している間に、光サーキュレータ２６から光送受信部３１に入力された増幅光パルスは、ｊ番目の光アンテナ３５_ｊから視線方向ＬＯＳ_ｊに送出される。このとき、観測空間にて当該増幅光パルスが後方散乱することにより散乱光信号が発生すると、ｊ番目の光アンテナ３５_ｊは当該散乱光信号を受信光信号として受信する。当該受信光信号は、光スイッチ３３を介して光サーキュレータ２６に伝搬する。

光サーキュレータ２６は、非相反型の光学素子である。すなわち、光サーキュレータ２６は、光増幅器２５から順方向に入力された増幅光パルスを光送受信部３１に出力するが、当該増幅光パルスを光合波器２７に出力しない。一方、光サーキュレータ２６は、光送受信部３１から逆方向に入力された受信光信号を光合波器２７に出力するが、当該受信光信号を光増幅器２５に出力しない。このような光サーキュレータ２６は、たとえば、１／４波長板と偏光ビームスプリッタとにより構成可能である。

光合波器２７は、光分配器２３から入力された局発光信号と、光送受信部３１から光サーキュレータ２６を介して入力された受信光信号とを合波して光ビート信号を生成し、当該光ビート信号を光検出器２８に出力する。光検出器２８は、光ビート信号を検波してアナログ受信信号（検波信号）Ｒ_ｊ（ｈ，ｔ）を生成し、当該アナログ受信信号Ｒ_ｊ（ｈ，ｔ）を信号処理器４１に出力する。ここで、アナログ受信信号Ｒ_ｊ（ｈ，ｔ）は、ｊ番目の光アンテナ３５_ｊを通じて受信されたｈ番目の受信光信号から得られた受信信号をいう。添え字ｊは、光アンテナ３５_ｊの番号を示す１～Ｊの範囲内の整数であり、ｈは、受信光信号の番号（パルスヒット番号）を示す０～Ｈ－１の範囲内の整数であり（Ｈは正整数）、ｔは、時間を示す変数である。

本実施の形態の光検出器２８は、バランスド受信器（ｂａｌａｎｃｅｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）構成を有しており、たとえば、フォトダイオードなどの一対の受光素子により構成可能である。

レーザレーダセンサ１１の内部における光経路は、光ファイバにより構成可能である。すなわち、レーザ光源２１と光分配器２３との間の光経路、光分配器２３と光変調器２４との間の光経路、光変調器２４と光増幅器２５との間の光経路、光増幅器２５と光サーキュレータ２６との間の光経路、光サーキュレータ２６と光送受信部３１との間の光経路、光分配器２３と光合波器２７との間の光経路、光サーキュレータ２６と光合波器２７との間の光経路は、光ファイバにより構成可能である。ただし、これら光経路は、光ファイバに限定されるものではない。

図１に示されるように信号処理器４１は、風況計測部４４、バッファメモリ４５、風況推定部４６及び制御部４９を備える。制御部４９は、レーザレーダセンサ１１におけるレーザ光源２１，光変調器２４，光増幅器２５及び光スイッチ３３の動作をそれぞれ制御するための制御信号を供給し、風況計測部４４，バッファメモリ４５及び風況推定部４６の動作をそれぞれ制御するための制御信号ＭＣ，ＢＣ，ＥＣを生成する。

風況計測部４４は、アナログ受信信号Ｒ_ｊ（ｈ，ｔ）を周波数解析することにより、視線方向ＬＯＳ_１～ＬＯＳ_Ｊにおいてレーザレーダセンサ１１からの複数の距離範囲Δ（ｉ＝１），Δ（ｉ＝２），…，Δ（ｉ＝Ｎｂｉｎ）にそれぞれ存在する風（流体）の視線方向速度の計測値を算出する。ここで、ｉは、距離範囲Δ（ｉ）に割り当てられた番号（レンジビン番号）であり、Ｎｂｉｎは、３以上の整数である。

図２は、実施の形態１の風況計測部４４の概略構成を示すブロック図である。図２に示されるように風況計測部４４は、時間ゲーティング部５１、領域変換部５２、品質評価部５３、スペクトル積算部５６及び視線速度算出部５７を有している。

時間ゲーティング部５１は、各アナログ受信信号Ｒ_ｊ（ｈ，ｔ）に対してＡ／Ｄ変換と時間ゲーティングとを実行することにより、距離範囲Δ（１），Δ（２），…，Δ（Ｎｂｉｎ）にそれぞれ対応する時間領域信号ｒ_１，ｊ（ｈ，τ），ｒ_２，ｊ（ｈ，τ），…，ｒ_{Ｎｂｉｎ，ｊ}（ｈ，τ）を生成する。ここで、τは、各距離範囲Δ（ｉ）に対応する時間領域内の局所的な時刻を表すサンプル番号である。

たとえば、時間ゲーティング部５１は、各アナログ受信信号Ｒ_ｊ（ｈ，ｔ）にＡ／Ｄ変換を施してディジタル信号を生成し、当該ディジタル信号を複数の時間領域信号ｒ_１，ｊ（ｈ，τ）～ｒ_{Ｎｂｉｎ，ｊ}（ｈ，τ）に分割することができる。あるいは、時間ゲーティング部５１は、Ａ／Ｄ変換と時間ゲーティングとを同時に実行することにより、時間領域信号ｒ_１，ｊ（ｈ，τ）～ｒ_{Ｎｂｉｎ，ｊ}（ｈ，τ）を生成してもよい。なお、レーザレーダセンサ１１における光検出器２８は、アナログ受信信号Ｒ_ｊ（ｈ，ｔ）をディジタル受信信号に変換するＡ／Ｄ変換器を有していてもよい。この場合、時間ゲーティング部５１は、Ａ／Ｄ変換を行う機能を有していなくてもよい。

図３Ａは、ｊ番目の光アンテナ３５_ｊを通じて受信されたＨ個の受信光信号から得られたアナログ受信信号Ｒ_ｊ（０，ｔ），Ｒ_ｊ（１，ｔ），…，Ｒ_ｊ（Ｈ－１，ｔ）の振幅波形を概念的に表すグラフである。図３Ａに示されるように、各アナログ受信信号Ｒ_ｊ（ｈ，ｔ）から、時間幅Δｔの時間領域における信号成分が選択され、当該信号成分から時間領域信号ｒ_ｉ,ｊ（ｈ，τ）が生成される。

次に、図２を参照すると、領域変換部５２は、時間領域信号ｒ_ｉ,ｊ（ｈ，τ）に対し、サンプル番号τについて時間領域から周波数領域への領域変換処理を実行することにより、周波数領域信号ｓ_ｉ,ｊ（ｈ，ｆ）を生成する。ここで、ｆは、周波数を表すサンプル番号（周波数番号）である。領域変換処理としては、高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＦＦＴ）などの離散直交変換が挙げられる。図３Ｂは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により得られる周波数領域信号ｓ_ｉ,ｊ（０，ｆ），ｓ_ｉ,ｊ（１，ｆ），…，ｓ_ｉ,ｊ（Ｈ－１，ｆ）のスペクトルを概念的に表すグラフである。

周波数領域信号ｓ_ｉ,ｊ（ｈ，ｆ）は、品質評価部５３とスペクトル積算部５６とに供給される。品質評価部５３は、周波数領域信号ｓ_ｉ,ｊ（ｈ，ｆ）の信号品質を評価し、その評価結果である品質評価値Ｑ_ｉ,ｊ（ｈ）をスペクトル積算部５６に出力する。

具体的には、品質評価部５３は、周波数領域信号ｓ_ｉ,ｊ（ｈ，ｆ）から信号対雑音比（ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ－ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ，ＳＮＲ）を算出し、ＳＮＲが閾値以上であれば、品質良好を示す値（たとえば「１」）を有する品質評価値Ｑ_ｉ,ｊ（ｈ）をスペクトル積算部５６に出力し、ＳＮＲが閾値未満であれば、品質不良を示す値（たとえば「０」）を有する品質評価値Ｑ_ｉ,ｊ（ｈ）をスペクトル積算部５６に出力することができる。

スペクトル積算部５６は、品質評価値Ｑ_ｉ,ｊ（ｈ）に基づき、品質良好と評価された周波数領域信号ｓ_ｉ,ｊ（ｈ，ｆ）のスペクトルのみをパルスヒット番号ｈについて積算（インコヒーレント積分）することにより積算スペクトル｜ｓ_ｉ,ｊ（ｆ）｜^２を算出することができる。図３Ｃは、積算スペクトル｜ｓ_ｉ,ｊ（ｆ）｜^２を概念的に表すグラフである。視線速度算出部５７は、積算スペクトル｜ｓ_ｉ,ｊ（ｆ）｜^２に現れる極大ピークの周波数番号ｆ_Ｄを検出し、当該検出された周波数番号ｆ_Ｄからドップラ周波数を算出する。視線速度算出部５７は、当該算出されたドップラ周波数から、各視線方向ＬＯＳ_ｊにおける各距離範囲Δ（ｉ）に存在する風の視線方向速度の計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）を算出することができる。ここで、上付き添え字ｋは、計測時刻ｔ_ｋを表す整数である。

またスペクトル積算部５６は、積算スペクトルの算出に使用された周波数領域信号ｓ_ｉ,ｊ（ｈ，ｆ）の個数から１を減算して得た値すなわち積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）を出力する。この積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）は、視線方向速度の計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）の品質を表す値である。積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）が一定値以上であれば、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）の品質は良好であり、積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）が低すぎれば、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）の品質は不良であると評価することができる。

風況計測部４４は、視線方向速度の計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）と積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）との組合せを風計測データＷＭＤとしてバッファメモリ４５に出力する。バッファメモリ４５は、風計測データＷＭＤを一時的に記憶する。

次に、図１の風況推定部４６の構成について説明する。

図４は、実施の形態１の風況推定部４６の概略構成を示すブロック図である。図４に示されるように風況推定部４６は、風速推定部６０及び風速予測部７１を有している。

風速推定部６０は、バッファメモリ４５から風計測データＷＭＤを読み出し、風計測データＷＭＤに含まれる視線方向速度の計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）及び積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）に基づいて、レーザレーダセンサ１１の中心軸方向に分布する１次元風速場を現時刻ｔ_ｋの推定風速場として算出することができる。現時刻ｔ_ｋの推定風速場は、推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（１），…，Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（Ｎｂｉｎ）からなる１次元の離散的な分布である。具体的には、風速推定部６０は、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，１）～Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，Ｊ）を用いた非線形最小自乗法により推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）を算出することができる。

図５は、レーザレーダ装置１を有する風力タービン１００を例示する図である。図５に示される風力タービン１００は、レーザレーダ装置１を搭載するナセル１０１と、ナセル１０１を下方から支持するタワー１０２と、ナセル１０１に取り付けられたハブ１０３と、ハブ１０３を介してナセル１０１内のロータ軸（図示せず）と回転自在に連結されたブレード１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃからなるロータとを備えて構成されている。レーザレーダ装置１は、ロータの回転面を介して観測空間に増幅光パルスを送出することができるようにナセル１０１上に配置されている。ナセル１０１は、風向きに追従させるためにタワー１０２の向きΨを変化させるヨー制御と、到来風速に応じた受風量の調整のためにブレード１０４Ａ～１０４Ｃの取付角Φを変化させるピッチ制御とを行うことができる制御装置（図示せず）を搭載している。

なお、図５には、ロータの回転面が風上側に位置するアップウィンド方式の風力タービン１００が示されているが、これに限定されるものではない。ロータの回転面が風下側に位置するダウンウィンド方式の風力タービンがレーザレーダ装置１を搭載する実施の形態もありうる。

図５の例の場合、レーザレーダ装置１のレーザレーダセンサ１１の中心軸ＣＡの周りに４個の視線方向ＬＯＳ_１～ＬＯＳ_４が設けられている。レーザレーダ装置１は、視線方向ＬＯＳ_１～ＬＯＳ_４に増幅光パルス（増幅された変調光パルス）を送出し、各距離範囲Δ（ｉ）にて後方散乱された散乱光に基づいて視線方向速度の計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，１）～Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，４）を算出することができる。図４の風速推定部６０は、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，１）～Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，４）及び積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，１）～Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，４）に基づいて、距離範囲Δ（ｉ）における推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）を算出することができる。

風速推定部６０は、有効性評価部６１及び風速算出部６２を有する。有効性評価部６１は、風計測データＷＭＤに含まれる積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）を用いて、視線方向速度の計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）の有効性を評価し、その評価結果である評価値ｑ^(ｋ)（ｉ，ｊ）を風速算出部６２に出力する。本実施の形態の評価値ｑ^(ｋ)（ｉ，ｊ）は、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）が有効であることを示す値（たとえば「１」）、もしくは、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）が無効であることを示す値（たとえば「０」）のいずれか一方である。

たとえば、次式（１）に示されるように、有効性評価部６１は、積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）が閾値Ｎ_ｔｈ以上であれば、評価値ｑ^(ｋ)（ｉ，ｊ）を「１」に設定し、積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）が閾値Ｎ_ｔｈ未満であれば、評価値ｑ^(ｋ)（ｉ，ｊ）を「０」に設定することができる。

なお、本実施の形態では、有効性評価部６１は、積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）に基づいて評価値ｑ^(ｋ)（ｉ，ｊ）を設定しているが、この代わりに、品質評価値Ｑ_ｉ,ｊ（ｈ）に基づいて評価値ｑ^(ｋ)（ｉ，ｊ）を設定してもよい。この場合には、図２の風況計測部４４は、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）と積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）との組合せに代えて、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）と品質評価値Ｑ_ｉ,ｊ（ｈ）（ｈ＝０～Ｈ－１）との組合せを風計測データＷＭＤとして出力すればよい。

風速算出部６２は、評価値ｑ^(ｋ)（ｉ，ｊ）に基づき、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）のうち各距離範囲Δ（ｉ）に対応する有効な計測値の個数Ｎ_ｑ ^(ｋ)（ｉ）が閾値以上であるか否かを判定する。たとえば、個数Ｎ_ｑ ^(ｋ)（ｉ）は、次式（２）により算出可能である。

風速算出部６２は、有効な計測値の個数Ｎ_ｑ ^(ｋ)（ｉ）が閾値以上であると判定したときは、当該有効な計測値に基づいて推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）を算出する。有効な計測値の個数Ｎ_ｑ ^(ｋ)（ｉ）が閾値未満であると判定したときは、風速算出部６２は、推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）を算出しない。これにより、精度の低い推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）の算出を回避することができる。

風速算出部６２は、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，１）～Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，Ｊ）及び評価値ｑ^(ｋ)（ｉ，１）～ｑ^(ｋ)（ｉ，Ｊ）を用いた非線形最小自乗法により推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）を算出することができる。この非線形最小自乗法の一例を以下に説明する。説明の便宜上、４つの視線方向ＬＯＳ_１～ＬＯＳ_４の場合について説明するが、これに限定されるものではない。

先ず、図５に示されるように、視線方向ＬＯＳ_１～ＬＯＳ_４における距離範囲Δ（ｉ）に存在する風の速度ベクトルＶ_ｐ ^(k)（ｉ，１），Ｖ_ｐ ^(k)（ｉ，２），Ｖ_ｐ ^(k)（ｉ，３），Ｖ_ｐ ^(k)（ｉ，４）の方向が中心軸ＣＡの方向と平行であると仮定する。この仮定の下では、速度ベクトルＶ_ｐ ^(k)（ｉ，１），Ｖ_ｐ ^(k)（ｉ，２），Ｖ_ｐ ^(k)（ｉ，３），Ｖ_ｐ ^(k)（ｉ，４）の大きさ（絶対値）は、次式（３．１）～（３．４）で与えられる。

式（３．１）～（３．４）において、ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）は、中心軸ＣＡにおけるｉ番目の距離範囲Δ（ｉ）の風速値であり、δｖ（ｉ）は、垂直シア（鉛直方向における２点間の風速変化率）であり、δｈ（ｉ）は、水平シア（水平方向における２点間の風速変化率）である。Ｌ（ｉ）は次式（４）で与えられる。

式（４）において、Ｄ（ｉ）は、レーザレーダセンサ１１から距離範囲Δ（ｉ）までの距離であり、θは、中心軸ＣＡと視線方向ＬＯＳ_ｊとがなす角度である。

また、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，１）～Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，Ｊ）と速度ベクトルＶ_ｐ ^(k)（ｉ，１）～Ｖ_ｐ ^(k)（ｉ，４）との間の関係について次式（５．１）～（５．４）が成立する。

式（５．１）～（５．４）において、ｅ（ｉ，１）～ｅ（ｉ，４）は、誤差である。

次に、次式（６．１）～（６．３）に示すようなベクトルＶ_ｏｂｓ，ｖ_ｃｅｎ，ｅを定義する（ここで、上付き添え字「Ｔ」は転置を示す）。

さらに、次式（７），（８）に示すような行列Ｑ，Ｌを定義する。

ベクトルＶ_ｏｂｓ，ｖ_ｃｅｎ，ｅ及び行列Ｑ，Ｌを用いれば、式（５．１）～（５．４）は、次式（９）で表される。

非線形最小自乗法によれば、次式（１０）で表される誤差の二乗和ＳＳを最小化するベクトルｖ_ｃｅｎの推定量を求めることが可能である。

非線形最小自乗法によれば、ベクトルｖ_ｃｅｎの推定量Ｖ_ｃｅｎは、次式（１１）で与えられる。

式（１１）において、Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）はｉ番目の距離範囲Δ（ｉ）における推定風速値、δＨ（ｉ）は水平シア推定値、δＶ（ｉ）は垂直シア推定値である。

したがって、風速算出部６２は、式（１１）に従い、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，１）～Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，Ｊ）及び評価値ｑ^(ｋ)（ｉ，１）～ｑ^(ｋ)（ｉ，Ｊ）を用いて推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）を算出することができる。計測環境が理想的である場合には、風速算出部６２は、評価値ｑ^(ｋ)（ｉ，１）～ｑ^(ｋ)（ｉ，Ｊ）を用いずに推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）を算出することが可能である。

次に、図４を参照しつつ風速予測部７１について説明する。風速予測部７１は、ナビエ・ストークス方程式から導出された１次元空間に関する時間発展方程式を用いて、現時刻ｔ_ｋの推定風速場からの風速場の時間発展を計算することにより将来時刻ｔ_ｋ＋Ｃの予測風速場を算出することができる。ここで、Ｃは、サイクル回数を示す１以上の正整数であり、任意の正整数値に設定可能である。後述するように、１サイクル毎に、時間発展方程式を用いた反復計算が複数回実行される。現時刻ｔ_ｋの推定風速場は、推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（１），…，Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（Ｎｂｉｎ）からなる１次元の離散的な分布であり、将来時刻ｔ_ｋ＋Ｃの予測風速場は、予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ＋Ｃ)（１），…，Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ＋Ｃ)（Ｎｂｉｎ）からなる１次元の離散的な分布である。

図４に示されるように風速予測部７１は、データ同化部７４、時間ステップ設定部７７、時間発展計算部７８及び遅延素子７９を有する。遅延素子７９は、以前に算出された現時刻ｔ_ｋの予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ)（ｉ）（ｉ＝１～Ｎｂｉｎ）をデータ同化部７４に供給する。

データ同化部７４は、以前に算出された現時刻ｔ_ｋの予測風速場を、風速推定部６０から供給された現時刻ｔ_ｋの推定風速場に同化させて濾波風速場を算出する。この濾波風速場は、濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（１），…，Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（Ｎｂｉｎ）からなる１次元の離散的な分布である。すなわち、データ同化部７４は、現時刻ｔ_ｋの予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ)（ｉ）を現時刻ｔ_ｋの推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）に同化させて濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（ｉ）を算出する。

たとえば、データ同化部７４は、現時刻ｔ_ｋの予測風速場と現時刻ｔ_ｋの推定風速場との重み付け和を濾波風速場として生成することができる。すなわち、濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（ｉ）は、重み係数α，１－αを用いて、次式（１２）で表される重み付け和として算出可能である。

図１の制御部４９は、重み係数α，１－αを計測環境に適した値に設定することができる。

時間ステップ設定部７７は、濾波風速場に基づいて、時間発展計算部７８にて使用される時間ステップｄτを適応的に設定する。具体的には、時間ステップ設定部７７は、濾波風速場を構成する濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（１）～Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（Ｎｂｉｎ）のうちの最大風速値に基づいて、後述のクーラン条件（Ｃｏｕｒａｎｔ－Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓ－Ｌｅｗｙ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）を満たすように時間ステップｄτを適応的に設定することが好ましい。クーラン条件は、時間発展方程式の安定した数値解を確保するための条件である。この点については後述する。

時間発展計算部７８は、ナビエ・ストークス方程式から導出された１次元空間に関する時間発展方程式を用いて、濾波風速場からの風速場の時間発展を逐次的に計算することにより将来時刻ｔ_ｋ＋１，…，ｔ_ｋ＋Ｃにおける予測風速場を算出することができる。すなわち、時間発展計算部７８は、時間発展方程式を用いて予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ＋１)（ｉ），…，Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ＋Ｃ)（ｉ）を算出し、Ｃサイクル後に算出された予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ＋Ｃ)（ｉ）を予測風速データＰＷＤとして外部に出力することができる。このとき、１サイクル後に算出された予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ＋１)（ｉ）は、遅延素子７９に出力される。図６は、現時刻ｔ_ｋの予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ)（ｉ）の分布と、現時刻ｔ_ｋから１サイクル後の将来時刻ｔ_ｋ＋１における予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ＋１)（ｉ）の分布とを概念的に表すグラフである。ｉ＝－１の場合の予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ)（ｉ），Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ＋１)（ｉ）は、レーザレーダセンサ１１に到来する風速値を表している。

次に、時間発展方程式の導出法について説明する。

通常速度の風は非圧縮流体とみなされる。非圧縮流体に関するナビエ・ストークス方程式は、次式（１３．１），（１３．２）で表現される。

ここで、ｕは風速ベクトル、νは粘性係数、ρは密度、ｐは圧力、Ｆは外力ベクトル、τは時間変数である。

粘性係数νは非常に小さいので、風の粘性を考慮しなくてよい。外力ベクトルＦの項も無視することができる。よって、風の粘性が考慮されず、かつ外力が存在しないとの条件の下では、式（１３．１），（１３．２）から次式（１４．１），（１４．２）が導出される。

今、観測空間における風の流れが中心軸ＣＡに関して対称であると仮定する。また、中心軸方向における距離をｘとし、中心軸方向とは垂直な径方向における距離をｙとする円筒座標系（ｘ，ｙ）を考える。このとき、風速ベクトルｕは、次式（１５）で与えられる。

風速ベクトルｕのｘ成分ｕ_ｘ及びｙ成分ｕ_ｙを用いれば、式（１４．１），（１４．２）は、次式（１６．１），（１６．２），（１６．３）で表現される。

式（１６．３）を用いれば、式（１６．１），（１６．２）から次式（１７．１），（１７．２）が導出可能である。

次に、式（１７．１），（１７．２）を時間方向に離散化するために、次式（１８．１），（１８．２）に示されるような風速ベクトルｕ^(ｎ)と中間的な風速ベクトルｕ^＊とを導入する。

ここで、上付き添え字ｎは、現時刻ｔ_ｋとＣサイクル後の将来時刻ｔ_ｋ＋Ｃとの間の局所的な時刻τ_ｎを表す整数である。局所的な時刻τ_ｎは、時間ステップｄτの単位で変化する。

風速ベクトルｕ^(ｎ)を用いて式（１７．１），（１７．２）を時間方向に離散化すれば、次式（１９．１），（１９．２）が導出される。

中間的な風速ベクトルｕ^＊を用いれば、式（１９．１）から次式（２０．１），（２０．２）が導出可能であり、式（１９．２）から次式（２１．１），（２１．２）が導出可能である。

式（２０．２）の両辺を変数ｘで偏微分すれば、次式（２２．１）が導出される。また、式（２１．２）の両辺を変数ｙで偏微分すれば、次式（２２．２）が導出される。

連続の式（１６．３）を考慮すれば、式（２２．１），（２２．２）から次式（２３）が導出可能である。

観測空間の径方向における風速の変化率が極めて小さいと仮定すれば、変数ｙに関する１階偏微分の項を無視することができる。そこで、変数ｙに関する１階偏微分の項が考慮されないとの条件を採用すると、式（２０．１）から次の近似式（２４）が導出可能である。

また式（２０．２）を変形することで次式（２５）が導出される。

さらに、変数ｙに関する圧力ｐの２階偏微分が圧力ｐの線形関数であるとの条件を採用する。この条件の下でその線形関数をγｐ（γは定数）と表現すれば、式（２３）から次の近似式（２６）が導出可能である。

次に、式（２４），（２５），（２６）を空間方向に離散化するために、次の簡易表現式（２７．１），（２７．２），（２７．３）を導入する（ここで、ｄｘは、各距離範囲Δ（ｉ）の幅である）。

ところで、時間ステップｄτの大きさには制約が存在する。安定した数値解を得るためには、クーラン条件（Ｃｏｕｒａｎｔ－Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈｓ－Ｌｅｗｙ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）と呼ばれる次の条件式（２８）を満たすように時間ステップｄτを決定することが好ましい。

式（２８）において、βは１以上の余裕度係数である。条件式（２８）を常に満たすために、式（２８）の左辺の風速値ｕ_ｉ ^(ｎ)は、風速値ｕ_１ ^(ｎ)～ｕ_Ｎｂｉｎ ^(ｎ)のうちの最大風速値であることが好ましい。

式（２４），（２６），（２５）を空間方向に離散化することで、それぞれ次式（２９），（３０），（３１）が導出される。

式（３０），（３１）において、Ｐ_ｉ＝ｐ_ｉ×ｄτ／ρ、である。

空間方向の離散化の方法は、式（２９），（３０），（３１）の方法に限定されるものではない。安定した数値解を得るために、風上差分スキーム（Ｕｐｗｉｎｄ Ｓｃｈｅｍｅ）と呼ばれる離散化方法が適用されてもよい。風上差分スキームは、空間方向の離散化の際に、波動進行方向反対側のサンプル差分を用いる離散化方法であり、β＝１の場合のクーラン条件が成立すれば、時間発展方程式の数値計算の安定化が保証される。式（２４）に風上差分スキームを適用すれば、次式（３２）が得られる。

式（３２）のＵ_ｉ，Ｑ_ｉは、次式（３３．１），（３３．２）により定義される。

式（３０）を用いてＰ_ｉ＋１，Ｐ_ｉを算出するために行列演算が適用できる。Ｐ_０＝Ｐ_１及びＰ_Ｋ＋１＝Ｐ_Ｋと仮定すれば（Ｋは整数）、式（３０）は、次式（３４）の形に変形され得る。

式（３４）において、行列Ａは、次式（３５）で与えられる。

式（３５）において、Ｉ_０は、すべての対角成分が１で、かつすべての非対角成分が零の行列である。

したがって、次式（３６）に示されるように、行列Ａの逆行列Ａ^－１を用いて、Ｐ_ｉ＋１，Ｐ_ｉを算出することができる。

以上により、時間発展計算部７８は、式（２９），（３６），（３１）の組合せ、または、式（３２），（３６），（３１）の組合せからなる時間発展方程式を用いて、１回の反復計算で、時刻τ_ｎの風速値ｕ_ｉ ^(ｎ)，ｕ_ｉ＋１ ^(ｎ)から、時刻τ_ｎ＋１（＝τ_ｎ＋ｄτ）の風速値ｕ_ｉ ^(ｎ＋１)を算出することができる。時間発展計算部７８は、１サイクル毎に、時間発展方程式を用いた反復計算を逐次的にκ回実行することにより、時刻τ_κ（＝τ_０＋κ×ｄτ）における風速値ｕ_ｉ ^(κ)を算出することが可能である。ここで、κは、反復計算の回数である。

時間発展計算部７８は、データ同化部７４から濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（ｉ）が与えられると、風速値ｕ_ｉ ^(ｎ)の初期値ｕ_ｉ ^(０)を濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（ｉ）に設定する（ｉ＝１～Ｎｂｉｎ）。次に、時間発展計算部７８は、上記の時間発展方程式を用いた反復計算を逐次的に実行することによりＣサイクル後の風速値ｕ_ｉ ^(Φ)を算出する。ここで、Φは、Ｃサイクルに亘る反復計算の回数であり、Ｃサイクル後の時刻ｔ_ｋ＋Ｃに最も近い時刻に対応する値である。時間発展計算部７８は、算出された風速値ｕ_ｉ ^(Φ)を、将来時刻ｔ_ｋ＋Ｃの予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ＋Ｃ)（ｉ）として出力することができる。また時間発展計算部７８は、上記の時間発展方程式を用いた反復計算を逐次的に実行することにより１サイクル後の風速値ｕ_ｉ ^(Φ０)を算出する。ここで、Φ０は、１サイクルに亘る反復計算の回数であり、次サイクルの時刻ｔ_ｋ＋１に最も近い時刻に対応する値である。時間発展計算部７８は、算出された風速値ｕ_ｉ ^(Φ０)を、次サイクルの時刻ｔ_ｋ＋１の予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ＋１)（ｉ）として出力することができる。

次に、図７のフローチャートを参照しつつ、上記した信号処理器４１の動作手順について説明する。図７は、信号処理器４１の動作手順の一例を概略的に示すフローチャートである。

図７を参照すると、制御部４９は、時刻ｔ_ｋを示すサイクル番号ｋを「１」に設定して風況計測の制御を開始する（ステップＳＴ１１）。

次に、風況計測部４４は、レーザレーダセンサ１１から供給されたアナログ受信信号Ｒ_ｊ（ｈ，ｔ）を基に風況計測を行う（ステップＳＴ１２）。すなわち、風況計測部４４は、上記のとおり、アナログ受信信号Ｒ_ｊ（ｈ，ｔ）を周波数解析することにより、視線方向ＬＯＳ_１～ＬＯＳ_Ｊにおいてレーザレーダセンサ１１からの複数の距離範囲Δ（１），Δ（２），…，Δ（Ｎｂｉｎ）にそれぞれ存在する風（流体）の視線方向速度の計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（１，ｊ），…，Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（Ｎｂｉｎ，ｊ）を算出する。風況計測部４４は、視線方向速度の計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）と積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）との組合せを風計測データＷＭＤとしてバッファメモリ４５に出力する。バッファメモリ４５は、風計測データＷＭＤを一時的に記憶する。

次に、風況推定部４６では、レンジビン番号ｉと番号ｊとが初期値「１」に設定される（ステップＳＴ２１，ＳＴ２２）。続いて、有効性評価部６１は、バッファメモリ４５から読み出された風計測データＷＭＤに含まれる積算回数Ｎ_ｓｕｍ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）を用いて、視線方向速度の計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）の有効性を評価する（ステップＳＴ２３）。その評価結果である評価値ｑ^(ｋ)（ｉ，ｊ）は風速算出部６２に出力される。

次いで、有効性評価部６１は、番号ｊが上限値Ｊに到達していない場合には（ステップＳＴ２４のＮＯ）、番号ｊを１だけインクリメントし（ステップＳＴ２５）、ステップＳＴ２３を実行する。最終的に、番号ｊが上限値Ｊに到達した場合には（ステップＳＴ２４のＹＥＳ）、番号ｊのすべての値について、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，ｊ）の有効性が評価されている。

次に、風速算出部６２は、上記のとおり、計測値Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，１）～Ｖ_ｏｂｓ ^(ｋ)（ｉ，Ｊ）及び評価値ｑ^(ｋ)（ｉ，１）～ｑ^(ｋ)（ｉ，Ｊ）を用いて推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）を算出する（ステップＳＴ２６）。

次に、レンジビン番号ｉが上限値Ｎｂｉｎに到達していない場合には（ステップＳＴ２７のＮＯ）、有効性評価部６１は、レンジビン番号ｉを１だけインクリメントし（ステップＳＴ２８）、ステップＳＴ２３～ＳＴ２５を実行する。また風速算出部６２は、ステップＳＴ２６を実行する。最終的に、番号ｉが上限値Ｎｂｉｎに到達した場合には（ステップＳＴ２７のＹＥＳ）、レンジビン番号ｉのすべての値について、推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）が算出されている。

次に、データ同化部７４は、データ同化処理を実行する（ステップＳＴ３１）。すなわち、データ同化部７４は、上記のとおり、現時刻ｔ_ｋの予測風速場を、風速推定部６０から供給された現時刻ｔ_ｋの推定風速場に同化させて濾波風速場を算出する。図８は、データ同化処理の詳細な手順の一例を示すフローチャートである。

図８の例では、データ同化部７４は、先ず、レンジビン番号ｉを「－１」に設定する（ステップＳＴ）。次にデータ同化部７４は、サイクル番号ｋが「１」以下の場合には（ステップＳＴ４２のＮＯ）、ステップＳＴ４３～ＳＴ４９を実行し、サイクル番号ｋが「１」よりも大きい場合には（ステップＳＴ４２のＹＥＳ）、ステップＳＴ５１～ＳＴ５６を実行する。

以下、サイクル番号ｋが「１」以下の場合（ステップＳＴ４２のＮＯ）について説明する。レンジビン番号ｉが「－１」または「０」の場合は（ステップＳＴ４３のＹＥＳ）、データ同化部７４は、濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（ｉ）を「０」に設定する（ステップＳＴ４４）。レンジビン番号ｉが「１」以上の場合であって（ステップＳＴ４３のＮＯ）、推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）が有効であると評価されている場合には（ステップＳＴ４５のＹＥＳ）、データ同化部７４は、濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（ｉ）を推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）に設定する（ステップＳＴ４６）。

一方、レンジビン番号ｉが「１」以上の場合であって（ステップＳＴ４３のＮＯ）、推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）が有効ではないと評価されている場合には（ステップＳＴ４５のＮＯ）、データ同化部７４は、有効な推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ_ｅ）を用いて、濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（ｉ）を補間する（ステップＳＴ４６）。たとえば、次式（３７）を用いて濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（ｉ）を補間することができるが、これに限定されるものではない。

式（３７）において、ｉ_ｕｐは、レンジビン番号ｉの昇順に推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）を探索したときに最初に発見された有効な推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ_ｕｐ）のレンジビン番号であり、ｉ_ｄｎは、レンジビン番号ｉの降順に推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）を探索したときに最初に発見された有効な推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ_ｄｎ）のレンジビン番号である。ただし、レンジビン番号ｉ_ｕｐが見つからなかった場合には、推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ_ｕｐ＝Ｎｂｉｎ）が「０」に設定されればよい。

ステップＳＴ４４，ＳＴ４６，Ｓ４７のいずれかが実行された後、データ同化部７４は、レンジビン番号ｉが上限値Ｎｂｉｎに到達していない場合には（ステップＳＴ４８のＮＯ）、レンジビン番号ｉを１だけインクリメントし（ステップＳＴ４９）、ステップＳＴ４３以後の処理を実行する。最終的に、レンジビン番号ｉが上限値Ｎｂｉｎに到達した場合には（ステップＳＴ４８のＹＥＳ）、データ同化処理は完了する。

次に、サイクル番号ｋが「１」よりも大きい場合（ステップＳＴ４２のＹＥＳ）について説明する。レンジビン番号ｉが「－１」または「０」の場合は（ステップＳＴ５１のＹＥＳ）、データ同化部７４は、濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（ｉ）を、現時刻ｔ_ｋの予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ)（ｉ）に設定する（ステップＳＴ５２）。

レンジビン番号ｉが「１」以上の場合であって（ステップＳＴ５１のＮＯ）、推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）が有効ではないと評価されている場合には（ステップＳＴ５３のＮＯ）、データ同化部７４は、濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（ｉ）を、現時刻ｔ_ｋの予測風速値Ｖ_ｅｓｔ ^(ｋ)（ｉ）に設定する（ステップＳＴ５２）。一方、推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）が有効であると評価されている場合には（ステップＳＴ５３のＹＥＳ）、データ同化部７４は、上記のとおり、現時刻ｔ_ｋの予測風速値と現時刻ｔ_ｋの推定風速値との重み付け和を濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（ｉ）として生成する（ステップＳＴ５５）。

ステップＳＴ５２，ＳＴ５５のいずれかが実行された後、データ同化部７４は、レンジビン番号ｉが上限値Ｎｂｉｎに到達していない場合には（ステップＳＴ５６のＮＯ）、レンジビン番号ｉを１だけインクリメントし（ステップＳＴ５７）、ステップＳＴ５１以後の処理を実行する。最終的に、レンジビン番号ｉが上限値Ｎｂｉｎに到達した場合には（ステップＳＴ５６のＹＥＳ）、データ同化処理は完了する。

図７を参照すると、ステップＳＴ３１のデータ同化処理が完了すると、時間ステップ設定部７７は、ステップＳＴ３１で算出された濾波風速場に基づいて、時間発展計算部７８にて使用される時間ステップｄτを適応的に設定する（ステップＳＴ３２）。次に、時間発展計算部７８は、上記のとおりに、１次元空間に関する時間発展方程式を用いて、濾波風速場からの風速場の時間発展を計算することにより将来時刻ｔ_ｋ＋１，ｔ_ｋ＋Ｃの予測風速場を算出し（ステップＳＴ３３）、将来時刻ｔ_ｋ＋Ｃの予測風速場を予測風速データＰＷＤとして外部に出力する（ステップＳＴ３４）。

その後、制御部４９は、風況計測を続行する場合には（ステップＳＴ３５のＹＥＳ）、サイクル番号ｋを１だけインクメントし（ステップＳＴ３６）、ステップＳＴ１２に処理を戻す。他方で、風況計測を続行しない場合には（ステップＳＴ３５のＮＯ）、制御部４９は、処理を終了させる。

以上に説明したように実施の形態１の信号処理器４１は、複数の視線方向ＬＯＳ_１～ＬＯＳ_Ｊにおける風の視線方向速度の計測値に基づいてレーザレーダセンサ１１の中心軸方向に分布する１次元の推定風速場を算出し、ナビエ・ストークス方程式から導出された１次元空間に関する時間発展方程式を用いて、当該１次元の推定風速場から風速場の時間発展を計算する。これにより、高い精度を保ちつつ少ない演算量で予測風速場を算出することが可能となる。

また、信号処理器４１は低演算負荷で予測風速場を算出することができるので、風力タービンのナセルに搭載可能なコンパクトな構成のレーザレーダ装置１を実現することができる。ナセルに搭載されている制御装置は、レーザレーダ装置１から出力された予測風速データＰＷＤを用いて、ヨー制御及びピッチ制御を行うことが可能である。

上記した信号処理器４１の機能の全部または一部は、たとえば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ），ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などの半導体集積回路を有する単数または複数のプロセッサにより実現可能である。あるいは、信号処理器４１の機能の全部または一部は、ソフトウェアまたはファームウェアのプログラムコードを実行する、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）またはＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算装置を含む単数または複数のプロセッサで実現されてもよい。あるいは、ＤＳＰ，ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡなどの半導体集積回路と、ＣＰＵまたはＧＰＵなどの演算装置との組み合わせを含む単数または複数のプロセッサによって信号処理器４１の機能の全部または一部を実現することも可能である。

図９は、実施の形態１の信号処理器４１のハードウェア構成例である信号処理回路９０の概略構成を示す機能ブロック図である。図９に示される信号処理回路９０は、プロセッサ９１、入出力インタフェース部９４、メモリ９２、記憶装置９３及び信号路９５を備えている。信号路９５は、プロセッサ９１、入出力インタフェース部９４、メモリ９２及び記憶装置９３を相互に接続するためのバスである。入出力インタフェース部９４は、レーザレーダセンサ１１から入力されたアナログ受信信号Ｒ_ｊ（ｈ，ｔ）をディジタル信号に変換し、当該ディジタル信号をプロセッサ９１に転送する機能を有するとともに、制御信号を外部に出力する機能を有している。

メモリ９２は、プロセッサ９１がディジタル信号処理を実行する際に使用されるワークメモリと、当該ディジタル信号処理で使用されるデータが展開される一時記憶メモリとを含む。たとえば、メモリ９２は、フラッシュメモリ及びＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの半導体メモリで構成されればよい。また、記憶装置９３は、プロセッサ９１がＣＰＵまたはＧＰＵなどの演算装置を含む場合には、当該演算装置で実行されるべきソフトウェアまたはファームウェアのプログラムコードを格納する記憶領域として利用可能である。たとえば、記憶装置９３は、フラッシュメモリまたはＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの不揮発性の半導体メモリで構成されればよい。

なお、図９の例では、プロセッサ９１の個数は１つであるが、これに限定されるものではない。互いに連携して動作する複数個のプロセッサを用いて信号処理器４１のハードウェア構成が実現されてもよい。

実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２について説明する。上記した実施の形態１では、あらかじめ決められた重み係数α，１－αを用いて濾波風速値Ｖ_ｆｉｌ ^(ｋ)（ｉ）が算出された。これに対し、以下に説明する実施の形態２，３では、重み係数α，１－αは適応的に決定される。

図１０は、本発明に係る実施の形態２のレーザレーダ装置における信号処理器４２の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態のレーザレーダ装置は、実施の形態１と同様にレーザレーダセンサ１１を備えている。本実施の形態のレーザレーダ装置は、実施の形態１の場合と同様に風力タービンに搭載可能である。

本実施の形態の信号処理器４２の構成は、図１の風況推定部４６に代えて風況推定部４７を有する点を除いて、実施の形態１の信号処理器４１の構成と同じである。図１１は、本実施の形態における風況推定部４７の概略構成を示すブロック図である。

図１１に示されるように風況推定部４７は、風速推定部６０及び風速予測部７２を有している。風速予測部７２は、データ同化部７５、時間ステップ設定部７７、時間発展計算部７８及び遅延素子７９を有する。本実施の形態の風況推定部４７の構成は、図４のデータ同化部７４に代えてデータ同化部７５を有する点を除いて、実施の形態１の風況推定部４６の構成と同じである。

データ同化部７５は、現時刻ｔ_ｋの推定風速場に基づいて、現時刻ｔ_ｋの予測風速場に割り当てるべき重み係数αと現時刻ｔ_ｋの推定風速場に割り当てるべき重み係数１－αとを適応的に設定することを特徴とする。たとえば、データ同化部７５は、現時刻ｔ_ｋの推定風速場を構成する推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）が大きいほど、重み係数１－αの値を大きくするとともに重み係数αの値を小さくし、現時刻ｔ_ｋの推定風速場を構成する推定風速値Ｖ_ｃｅｎ ^(ｋ)（ｉ）が小さいほど、重み係数１－αの値を小さくするとともに重み係数αの値を大きくすることができる。これにより、風況に応じて、精度の高い濾波風速場を算出することが可能となる。

図１２は、実施の形態２に係るデータ同化処理の手順の一例を概略的に示すフローチャートである。図１２のフローチャートは、ステップＳＴ５３とステップＳＴ５５との間にステップＳＴ５４Ａを有する点を除いて、図８のフローチャートと同じである。ステップＳＴ５４Ａでは、データ同化部７５は、現時刻ｔ_ｋの推定風速場に基づいて重み係数αを適応的に設定する。

実施の形態３．
次に、本発明に係る実施の形態３について説明する。図１３は、本発明に係る実施の形態３のレーザレーダ装置における信号処理器４３の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態のレーザレーダ装置は、実施の形態１と同様にレーザレーダセンサ１１を備えている。本実施の形態のレーザレーダ装置は、実施の形態１の場合と同様に風力タービンに搭載可能である。

本実施の形態の信号処理器４３の構成は、図１の風況推定部４６に代えて風況推定部４８を有する点を除いて、実施の形態１の信号処理器４１の構成と同じである。図１４は、本実施の形態における風況推定部４８の概略構成を示すブロック図である。

図１４に示されるように風況推定部４８は、風速推定部６０及び風速予測部７３を有している。風速予測部７３は、データ同化部７６、時間ステップ設定部７７、時間発展計算部７８及び遅延素子７９を有する。本実施の形態の風況推定部４８の構成は、図４のデータ同化部７４に代えてデータ同化部７６を有する点を除いて、実施の形態１の風況推定部４６の構成と同じである。

データ同化部７６は、図１４に示されるように風速推定部６０から、有効な計測値の個数Ｎ_ｑ ^(ｋ)（ｉ）の供給を受けている。データ同化部７６は、有効な計測値の個数Ｎ_ｑ ^(ｋ)（ｉ）に基づいて、現時刻ｔ_ｋの予測風速場に割り当てるべき重み係数αと現時刻ｔ_ｋの推定風速場に割り当てるべき重み係数１－αとを適応的に設定することを特徴とする。たとえば、データ同化部７６は、有効な計測値の個数Ｎ_ｑ ^(ｋ)（ｉ）が多いほど、重み係数１－αの値を大きくするとともに重み係数αの値を小さくし、有効な計測値の個数Ｎ_ｑ ^(ｋ)（ｉ）が少ないほど、重み係数１－αの値を小さくするとともに重み係数αの値を大きくすることができる。これにより、風況に応じて、精度の高い濾波風速場を算出することが可能となる。

図１５は、実施の形態３に係るデータ同化処理の手順の一例を概略的に示すフローチャートである。図１５のフローチャートは、ステップＳＴ５３とステップＳＴ５５との間にステップＳＴ５４Ｂを有する点を除いて、図８のフローチャートと同じである。ステップＳＴ５４Ｂでは、データ同化部７６は、有効な計測値の個数Ｎ_ｑ ^(ｋ)（ｉ）に基づいて重み係数αを適応的に設定する。

実施の形態４．
次に、本発明に係る実施の形態４について説明する。上記した実施の形態１～３のレーザレーダ装置はいずれも図１に示したレーザレーダセンサ１１を備えているが、これに限定されるものではない。図１６は、本発明に係る実施の形態４のレーザレーダ装置４の概略構成を示すブロック図である。

図１６に示されるようにレーザレーダ装置４は、レーザレーダセンサ１１とは異なる構成を有するレーザレーダセンサ１２と、信号処理器４１とを備えている。本実施の形態の信号処理器４１の構成は、実施の形態１の信号処理器４１の構成と同じである。本実施の形態の信号処理器４１に代えて、実施の形態２の信号処理器４２または実施の形態３の信号処理器４３のいずれかが使用されてもよい。

図１６に示されるレーザレーダセンサ１２は、波長可変レーザ光源（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ－ｔｕｎａｂｌｅ ｌａｓｅｒ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）２２、光分配器２３、光変調器２４、光増幅器２５、光サーキュレータ２６、光合波器２７、光検出器２８及び光送受信部３２を備えて構成されている。レーザレーダセンサ１２の構成は、図１のレーザ光源２１及び光送受信部３１に代えて、波長可変レーザ光源２２及び光送受信部３２を有する点を除いて、実施の形態１のレーザレーダセンサ１１の構成と同じである。

本実施の形態の波長可変レーザ光源２２は、信号処理器４１から供給された制御信号に応じて、出力レーザ光の波長λ_１，λ_２，…，λ_Ｊを切替可能な機能を有している。

光送受信部３２は、光マルチプレクサなどの波長分離素子３４と、光アンテナ３５_１～３５_Ｊとを備えて構成されている。波長分離素子３４は、入力された増幅光パルスの波長に応じて、光サーキュレータ２６の光入出力端と光アンテナ３５_１～３５_Ｊのいずれかとの間を光学的に接続する。波長分離素子３４は、ｊ番目の波長λ_ｊを有する増幅光パルスが入力されたときは、当該増幅光パルスをｊ番目の光アンテナ３５_ｊにのみ出力する。このとき、当該増幅光パルスは、ｊ番目の光アンテナ３５_ｊから視線方向ＬＯＳ_ｊに送出される。観測空間にて当該増幅光パルスが後方散乱することにより散乱光信号が発生すると、ｊ番目の光アンテナ３５_ｊは当該散乱光信号を受信光信号として受信する。当該受信光信号は、波長分離素子３４を介して光サーキュレータ２６に伝搬する。

実施の形態１の光スイッチ３３の切替動作回数には寿命があり、光スイッチ３３よりも波長分離素子３４の寿命の方が長い。レーザ光源２１及び光スイッチ３３に代えて、波長可変レーザ光源２２及び波長分離素子３４を使用することにより、レーザレーダ装置４の長寿命化を実現することができる。

以上、図面を参照して本発明に係る実施の形態１～４及びこれらの変形例について述べたが、実施の形態１～４及びこれらの変形例は本発明の例示であり、実施の形態１～４以外の様々な実施の形態がありうる。本発明の範囲内において、上記実施の形態１～４の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

たとえば、実施の形態１の場合と同様に、実施の形態２～４の各々の信号処理器の機能の全部または一部は、ＤＳＰ，ＡＳＩＣまたはＰＬＤなどの半導体集積回路を有する単数または複数のプロセッサにより実現可能である。あるいは、信号処理器の機能の全部または一部は、ソフトウェアまたはファームウェアのプログラムコードを実行する、ＣＰＵまたはＧＰＵなどの演算装置を含む単数または複数のプロセッサにより実現されてもよい。あるいは、ＤＳＰ，ＡＳＩＣまたはＰＬＤなどの半導体集積回路と、ＣＰＵまたはＧＰＵなどの演算装置との組み合わせを含む単数または複数のプロセッサによって信号処理器の機能の全部または一部を実現することも可能である。図９に示した信号処理回路９０によって信号処理器のハードウェア構成が実現されてもよい。

本発明に係る信号処理器，レーザレーダ装置及び風力タービンは、風力タービンを有する風力発電システムまたはウィンドファームが配置された領域における風況観測に利用されることに適している。また本発明に係る信号処理器，レーザレーダ装置及び風力タービンは、風力発電システムまたはウィンドファームの建設予定地における風況観測に利用されることにも適している。

１，４ レーザレーダ装置、１１，１２ レーザレーダセンサ、２１ レーザ光源、２２ 波長可変レーザ光源２２、２３ 光分配器、２４ 光変調器、２５ 光増幅器、２６ 光サーキュレータ、２７ 光合波器、２８ 光検出器、３１，３２ 光送受信部、３３ 光スイッチ、３４ 波長分離素子、３５_１～３５_Ｊ 光アンテナ、４１，４２，４３ 信号処理器、４４ 風況計測部、４５ バッファメモリ、４６，４７，４８ 風況推定部、４９ 制御部、５３ 品質評価部、５６ スペクトル積算部、５７ 視線速度算出部、６０ 風速推定部、６１ 有効性評価部、６２ 風速算出部、７１，７２，７３ 風速予測部、７４，７５，７６ データ同化部、７７ 時間ステップ設定部、７８ 時間発展計算部、７９ 遅延素子、９０ 信号処理回路、９１ プロセッサ、９２ メモリ、９３ 記憶装置、９４ 入出力インタフェース部、９５ 信号路、１００ 風力タービン、１０１ ナセル、１０２ タワー、１０３ ハブ、１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ ブレード、ＬＯＳ_１～ＬＯＳ_Ｊ 視線方向。

Claims (20)

1. レーザ光源を用いて生成された複数の変調光信号を観測空間の複数方位にそれぞれ送出し、前記複数の変調光信号が後方散乱することにより生じた複数の散乱光信号を複数の受信光信号として受信し、前記複数の受信光信号を検波して前記複数方位にそれぞれ対応する複数の受信信号を生成するレーザレーダセンサと連携して動作する信号処理器であって、
   前記複数の受信信号を周波数解析することにより、前記複数方位において前記レーザレーダセンサからの複数の距離範囲にそれぞれ存在する風の視線方向速度の計測値を算出する風況計測部と、
   前記視線方向速度の計測値に基づいて、前記レーザレーダセンサの中心軸方向に分布する１次元風速場を現時刻の推定風速場として算出する風速推定部と、
   ナビエ・ストークス方程式から導出された１次元空間に関する時間発展方程式を用いて、前記推定風速場からの風速場の時間発展を計算することにより将来時刻の予測風速場を算出する風速予測部と
   を備えることを特徴とする信号処理器。
2. 請求項１に記載の信号処理器であって、前記時間発展方程式は、前記風が非圧縮流体であり、前記風の粘性が考慮されず、かつ外力が存在しないとの条件に基づいて前記ナビエ・ストークス方程式から導出された方程式であることを特徴とする信号処理器。
3. 請求項２に記載の信号処理器であって、前記時間発展方程式は、前記中心軸方向とは垂直な径方向における距離に関する一階偏微分が考慮されないとの条件に基づいて前記ナビエ・ストークス方程式から導出された方程式であることを特徴とする信号処理器。
4. 請求項３に記載の信号処理器であって、前記時間発展方程式は、前記距離に関する圧力の二階偏微分が当該圧力に関する線形関数であるとの条件に基づいて前記ナビエ・ストークス方程式から導出された方程式であることを特徴とする信号処理器。
5. 請求項２から請求項４のうちのいずれか１項に記載の信号処理器であって、前記時間発展方程式は、風上差分スキームに従って前記１次元空間において離散化された式を含むことを特徴とする信号処理器。
6. 請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の信号処理器であって、
   前記風速予測部は、
   当該風速予測部により以前に算出された現時刻の予測風速場を、前記風速推定部により算出された現時刻の推定風速場に同化させて濾波風速場を生成するデータ同化部と、
   前記濾波風速場からの風速場の時間発展を計算することにより前記将来時刻の予測風速場を算出する時間発展計算部と
   を含むことを特徴とする信号処理器。
7. 請求項６に記載の信号処理器であって、
   前記データ同化部は、前記現時刻の予測風速場と前記現時刻の推定風速場との重み付け和を前記濾波風速場として生成することを特徴とする信号処理器。
8. 請求項６または請求項７に記載の信号処理器であって、
   前記風速予測部は、前記濾波風速場に基づいて時間ステップを適応的に設定する時間ステップ設定部をさらに含み、
   前記時間発展計算部は、前記時間ステップにて前記濾波風速場からの風速場の時間発展を計算することにより前記将来時刻の予測風速場を算出する、
   ことを特徴とする信号処理器。
9. 請求項８に記載の信号処理器であって、前記時間ステップ設定部は、前記濾波風速場を構成する複数の風速値のうちの最大風速値に基づいて前記時間ステップを適応的に設定することを特徴とする信号処理器。
10. 請求項１から請求項９のうちのいずれか１項に記載の信号処理器であって、前記風速推定部は、前記視線方向速度の計測値を用いた非線形最小自乗法により前記推定風速場を算出することを特徴とする信号処理器。
11. 請求項１０に記載の信号処理器であって、前記風速推定部は、前記複数の距離範囲にそれぞれ存在する当該風の速度ベクトルの方向が前記中心軸方向と平行であるとの仮定の下で、前記非線形最小自乗法により前記推定風速場を算出することを特徴とする信号処理器。
12. 請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項に記載の信号処理器であって、
    前記風速推定部は、
    前記視線方向速度の計測値それぞれの有効性を評価して評価結果を出力する有効性評価部と、
    前記評価結果に基づき、前記視線方向速度の計測値のうち前記複数の距離範囲の各距離範囲に対応する有効な計測値の個数が閾値以上であるか否かを判定する風速算出部と
    を含み、
    前記風速算出部は、前記有効な計測値の個数が閾値以上であると判定したときは、前記有効な計測値に基づいて推定風速値を算出し、前記有効な計測値の個数が閾値未満であると判定したときは、推定風速値を算出せず、
    前記推定風速場は、前記複数の距離範囲について前記風速算出部により算出された単数または複数の推定風速値からなる、
    ことを特徴とする信号処理器。
13. 請求項７に記載の信号処理器であって、前記データ同化部は、前記現時刻の推定風速場に基づいて、前記現時刻の予測風速場に割り当てるべき第１の重み係数と前記現時刻の推定風速場に割り当てるべき第２の重み係数とを適応的に設定することを特徴とする信号処理器。
14. 請求項１３に記載の信号処理器であって、前記データ同化部は、前記現時刻の推定風速場を構成する推定風速値が大きいほど、前記第２の重み係数の値を大きくするとともに前記第１の重み係数の値を小さくし、前記現時刻の推定風速場を構成する推定風速値が小さいほど、前記第２の重み係数の値を小さくするとともに前記第１の重み係数の値を大きくする、ことを特徴とする信号処理器。
15. 請求項７に記載の信号処理器であって、
    前記風速推定部は、
    前記視線方向速度の計測値それぞれの有効性を評価して評価結果を出力する有効性評価部と、
    前記評価結果に基づき、前記視線方向速度の計測値のうち前記複数の距離範囲の各距離範囲に対応する有効な計測値の個数が閾値以上であるか否かを判定する風速算出部と
    を含み、
    前記風速算出部は、前記有効な計測値の個数が閾値以上であると判定したときは、前記有効な計測値に基づいて推定風速値を算出し、前記有効な計測値の個数が閾値未満であると判定したときは、推定風速値を算出せず、
    前記推定風速場は、前記複数の距離範囲に対して前記風速算出部により算出された単数または複数の推定風速値からなり、
    前記データ同化部は、前記単数または複数の風速値の個数に基づいて、前記現時刻の予測風速場に割り当てるべき第１の重み係数と前記現時刻の推定風速場に割り当てるべき第２の重み係数とを適応的に設定する、ことを特徴とする信号処理器。
16. 請求項１５に記載の信号処理器であって、前記データ同化部は、前記単数または複数の風速値の個数が多いほど、前記第２の重み係数の値を大きくするとともに前記第１の重み係数の値を小さくし、前記単数または複数の風速値の個数が少ないほど、前記第２の重み係数の値を小さくするとともに前記第１の重み係数の値を大きくする、ことを特徴とする信号処理器。
17. 請求項１２または請求項１５に記載の信号処理器であって、
    前記風況計測部は、
    前記複数の受信信号の各受信信号を、前記複数の距離範囲にそれぞれ対応する複数の時間領域信号に分割する時間ゲーティング部と、
    前記複数の時間領域信号に対して時間領域から周波数領域への領域変換処理を実行することにより複数の周波数領域信号を生成する領域変換部と、
    前記複数の周波数領域信号それぞれの信号品質を評価する品質評価部と
    を含み、
    前記有効性評価部は、前記品質評価部により評価された信号品質に基づいて前記視線方向速度の計測値それぞれの有効性を評価する、ことを特徴とする信号処理器。
18. 請求項１から請求項１７のうちのいずれか１項に記載の信号処理器と、
    前記レーザレーダセンサと
    を備えることを特徴とするレーザレーダ装置。
19. 請求項１８に記載のレーザレーダ装置と、
    前記レーザレーダ装置を搭載するナセルと、
    前記ナセルに取り付けられたハブと、
    前記ハブを介して前記ナセルと回転自在に連結された複数枚のブレードからなるロータと
    を備えることを特徴とする風力タービン。
20. 請求項１９に記載の風力タービンであって、前記レーザレーダ装置は、前記ロータの回転面を介して前記観測空間に前記複数の変調光信号を送出するように前記ナセル上に配置されていることを特徴とする風力タービン。

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