JP7164624B2 - 風計測ライダ装置 - Google Patents
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Description
本開示は、従来よりも高精度に風車に到来する風である到来風の情報である到来風情報を予測することを目的とする。
また、風車に搭載され風車の正面方向に対して決められた複数のビーム方向にパルスのレーザ光である送信光を大気中に送信し、大気と共に動く粒子に送信光が反射された反射光の送信光に対するドップラー周波数偏移から各ビーム方向において風車からの複数の距離での風速を計測する風計測ライダ装置であって、反射光から生成される受信信号を、距離に対応させて区分された複数の時間区間で分割した分割受信信号をフーリエ変換してスペクトルを算出するスペクトル算出部と、ビーム方向および時間区間の組合せである風速計測区間ごとに1個の、複数の分割受信信号のスペクトルを積算した積算スペクトルを保存する積算スペクトル保存部と、同じビーム方向で連続して送信された複数のパルスで得られる複数の受信信号をそれぞれ分割した複数の分割受信信号からそれぞれ算出された複数のスペクトルおよび積算スペクトル保存部に保存された積算スペクトルである保存積算スペクトルを風速計測区間ごとに積算した積算スペクトルである第2積算スペクトルを生成するスペクトル積算部と、風速計測区間ごとに、積算スペクトルのSN比を算出するスペクトルSN比算出部と、SN比が第1閾値以上である第2積算スペクトルから風速計測区間ごとに風速を算出し、SN比が第1閾値未満である第2積算スペクトルから風速計測区間の風速を算出しない風速算出部と、風速を算出した風速計測区間について積算スペクトル保存部に保存された積算スペクトルを初期化し、第1閾値と比較された積算スペクトルのSN比が第1閾値未満である風速計測区間で、決められた条件が満足する場合に第2積算スペクトルを積算スペクトル保存部に保存する、保存積算スペクトル修正部と、風速計測区間ごとの風速に基づき風車へ到来する風である到来風の情報である到来風情報を予測する到来風情報予測部とを備えたものである。
実施の形態1に係る風計測ライダ装置の構成を説明する。図1は、実施の形態1に係る風計測ライダ装置の構成を説明する模式図である。風計測ライダ装置1は、風車2(図2に図示)の正面方向の前方の風の風速を計測する。風計測ライダ装置1は、光源3、光分配器4、パルス変調器5、光増幅器6、光サーキュレータ7、光スイッチ8、送受光学系9a、9b、9c、9d、光合波器10、光受信機11、信号処理部12、制御部13を主に有して構成される。
レーザ光を送受信する方向(ビーム方向)を選択する別の方法として、図5に示す構成を用いてもよい。図5は、風計測ライダ装置の変形例の構成を説明する模式図である。図5について、図1との違いを説明する。風計測ライダ装置1Aは、光源3の替わりに波長切替え型光源14、光スイッチ8の替わりに波長分割型光マルチプレクサ15を有する。波長切替え型光源14は、光源3の機能に加え、λ1、λ2、λ3、λ4という4種類の波長のレーザ光を出力できる。制御部13Aからの波長選択信号に基づき、波長切替え型光源14は指示された波長のレーザ光を出力する。波長分割型光マルチプレクサ15は、4個の入出力ポートを有して、入力されるレーザ光の波長に応じて、レーザ光を出力するポートを切り替える。波長の数は4個でなくてもよい。波長切替え型光源は、複数の異なる波長のレーザ光を出力するものであればよい。
(風速の算出に使用する積算スペクトルの決め方)
(a1)第1閾値と第2積算スペクトルのSN比だけを比較して、第2積算スペクトルのSN比が第1閾値以上である場合。
(a2)第1閾値と第1積算スペクトルのSN比を先に比較して、第1積算スペクトルのSN比が第1閾値以上である場合。
(a3)第1閾値と第1積算スペクトルのSN比を先に比較して、第1積算スペクトルのSN比が第1閾値未満であり、第2積算スペクトルのSN比が第1閾値以上である場合。
(a4)第1閾値と第2積算スペクトルのSN比を先に比較して、第2積算スペクトルのSN比が第1閾値以上である場合。
(a5)第1閾値と第2積算スペクトルのSN比を先に比較して、第2積算スペクトルのSN比が第1閾値未満であり、第1積算スペクトルのSN比が第1閾値以上である場合。
(a6)第1積算スペクトルおよび第2積算スペクトルのSN比を比較して高SN比積算スペクトルを決め、高SN比積算スペクトルのSN比が第1閾値以上である場合。
(第2積算スペクトルを生成する場合を決める方法)
(b1)常に第2積算スペクトルを生成する。
(b2)第1積算スペクトルのSN比が第2閾値以上である場合に、第2積算スペクトルを生成する。
(b3)各ビーム方向で、有効SN比風速計測区間の個数が決められた下限個数以上である場合に、そのビーム方向の各風速計測区間で、第2積算スペクトルを生成する。
(b4)各ビーム方向で、有効SN比風速計測区間の個数が決められた下限個数以上である場合に、そのビーム方向の第1積算スペクトルのSN比が第3閾値以上である風速計測区間で、第2積算スペクトルを生成する。
(積算スペクトル保存部に保存する積算スペクトルの決め方)
(c1)常に第2積算スペクトルを保存する。
(c2)常に高SN比積算スペクトルを保存する。
(c3)前回保存積算スペクトルと第2積算スペクトルの何れかSN比が高い方を保存する。
(c4)前回保存積算スペクトルと高SN比積算スペクトルの何れかSN比が高い方を保存する。
(c5)第2積算スペクトルを保存する。ただし、第2積算スペクトルを生成しない場合は、前回保存積算スペクトルを保存する。
(c6)高SN比積算スペクトルを保存する。ただし、第2積算スペクトルを生成しない場合は、前回保存積算スペクトルを保存する。
(c8)各ビーム方向で、有効SN比風速計測区間の個数が決められた下限個数以上である場合に、そのビーム方向の各風速計測区間で、第2積算スペクトルを保存する。有効SN比風速計測区間の個数が下限個数以上でない場合は、そのビーム方向の各風速計測区間で、前回保存積算スペクトルを保存する。
(c9)各ビーム方向で、有効SN比風速計測区間の個数が決められた下限個数以上であり、かつそのビーム方向の第1積算スペクトルのSN比が第3閾値以上である風速計測区間で、第2積算スペクトルを保存する。有効SN比風速計測区間の個数が下限個数以上でない場合は、そのビーム方向の各風速計測区間で、前回保存積算スペクトルを保存する。有効SN比風速計測区間の個数が下限個数以上である場合は、第1積算スペクトルのSN比が第3閾値以上でない風速計測区間では、前回保存積算スペクトルを保存する。
(効果1)風速の算出に使用する積算スペクトルのSN比を、風計測ライダ装置1よりも高くできる。
(効果2)風速を算出するまでに生成する第1積算スペクトルの個数を、風計測ライダ装置1よりも少なくできる。
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。
実施の形態2は、風車の到来風速およびシアを予測するように実施の形態1を変更した場合である。シアとは、風速の風車正面方向の成分(風車正面風速と呼ぶ)の値の高度方向(上下方向)での変化率である。図6は、実施の形態2に係る風計測ライダ装置の構成を説明する模式図である。図6について、実施の形態1の場合の図1とは異なる点を説明する。
α=ln(v2/v1)/ln(h2/h1) (10)
式(10)において、ln(x)は、実数xの自然対数を返す関数である。3個以上の高度での風速を計測できる場合は、異なった高度での誤差の二乗和が最小になるようなαを計算すればよい。
実施の形態3は、遠距離での風向を計測する風向計測部を備えるように実施の形態2を変更した場合である。図7は実施の形態3に係る風計測ライダ装置の構成を説明する模式図である。図7について、実施の形態2の場合の図6とは異なる点を説明する。風計測ライダ装置1Cは、風向計測部18を有する。風向計測部18は、風車に対して遠距離での風向を計測する。風計測ライダ装置1Cでは、風速予測部16および風向計測部18が到来風情報予測部を構成する。
実施の形態4は、遠距離に分類される距離レンジが複数になるように距離レンジを定義し、複数の遠距離の距離レンジでの分割受信信号のスペクトルをビーム方向ごとにまとめて積算するように実施の形態2を変更した場合である。図8は、実施の形態4に係る風計測ライダ装置において風速を計測する距離を示す模式図である。図9は、実施の形態4に係る風計測ライダ装置の構成を説明する模式図である。図9について、実施の形態2の場合の図6とは異なる点を説明する。実施の形態1、実施の形態3あるいは他の実施の形態を変更してもよい。
実施の形態5は、第1スペクトル積算部で積算した第1積算スペクトルのSN比が第1閾値以上かどうかチェックし、第1積算スペクトルのSN比が第1閾値以上の場合は、今回、積算した第1積算スペクトルだけで風速を算出するように、実施の形態1を変更した場合である。実施の形態5では、方法(a2)、方法(b1)および方法(c1)を使用する。図10は、実施の形態5に係る風計測ライダ装置の構成を説明する模式図である。図10について、実施の形態1の場合の図1とは異なる点を説明する。なお、実施の形態2から実施の形態4あるいは他の実施の形態を変更してもよい。以降の実施の形態に関しても同様である。
実施の形態6は、第1積算スペクトルのSN比が低くない場合だけ、第1積算スペクトルを積算して第2積算スペクトルを生成するように、実施の形態5を変更した場合である。実施の形態6では、方法(a2)、方法(b3)および方法(c5)を使用する。実施の形態6の風計測ライダ装置1Fでは、ビーム方向ごとに、1個または複数個の風速計測区間(距離レンジ)である判断対象風速計測区間を予め決めておく。判断対象風速計測区間の各距離レンジにおいて第1積算スペクトルのSN比を計算し、SN比が第2閾値以上である距離レンジの数が予め決められた下限個数以上かどうか判定し、下限個数以上の場合に、今回、積算した第1積算スペクトルを積算スペクトル保存部12dに保存された積算スペクトルと積算する。
実施の形態7は、第1積算スペクトルのSN比が第3閾値以上でない距離レンジでは、そのビーム方向で第1積算スペクトルを積算する場合でも、第1積算スペクトルを積算しないように、実施の形態6を変更した場合である。実施の形態7では、方法(a2)、方法(b4)および方法(c5)を使用する。
実施の形態8は、積算スペクトル保存部に保存されている積算スペクトルのSN比よりもSN比が高い第2積算スペクトルを、積算スペクトル保存部に保存するように、実施の形態1を変更した場合である。実施の形態8では、方法(a1)、方法(b1)および方法(c3)を使用する。
実施の形態9は、ビーム方向ごとに第1積算スペクトルをさらに積算するか判断するのではなく、距離レンジごとに判断するように実施の形態6を変更した場合である。実施の形態9では、方法(a2)、方法(b2)および方法(c5)を使用する。
実施の形態10は、第1積算スペクトルおよび第2積算スペクトルの何れかSN比が高い方である高SN比積算スペクトルのSN比が第1閾値以上かどうか判定し、SN比が第1閾値以上である高SN比積算スペクトルから風速を算出するように、実施の形態1を変更した場合である。実施の形態10では、方法(a6)、方法(b1)および方法(c2)を使用する。図20は、実施の形態10に係る風計測ライダ装置の構成を説明する模式図である。図20について、実施の形態1の場合の図1とは異なる点を説明する。
実施の形態11は、高SN比積算スペクトルのSN比が積算スペクトル保存部に保存されている保存積算スペクトルのSN比よりも高い場合に、高SN比積算スペクトルを積算スペクトル保存部に保存するように、実施の形態10を変更した場合である。実施の形態11では、方法(a6)、方法(b1)および方法(c4)を使用する。図22は、実施の形態11に係る風計測ライダ装置の構成を説明する模式図である。図22について、実施の形態10の場合の図20とは異なる点を説明する。
2 風車
3 光源
4 光分配器
5 パルス変調器
6 光増幅器
7 光サーキュレータ
8 光スイッチ(ビーム切替部)
9、9a、9b、9c、9d 送受光学系(ビーム切替部)
10 光合波器(受信検波部)
11 光受信機(受信検波部)
12、12D、12E、12F、12G、12H、12J、12K、12L 信号処理部
12a 時間ゲーティング部(受信信号分割部)
12b スペクトル算出部
12c 第1スペクトル積算部(スペクトル積算部)
12d、12d2 積算スペクトル保存部
12e 第2スペクトル積算部(スペクトル積算部)
12f、12f2 SN比算出部
12g、12gK SN比判定部
12h ドップラー風速算出部(風速算出部)
12j、12jD、12jH、12jK 保存積算スペクトル修正部
12k、12kG、12kJ 第2SN比判定部
12n、12nL 第3SN比判定部
13 制御部
14 波長切替え型光源(光源、ビーム切替部)
15 波長分割型光マルチプレクサ(ビーム切替部)
16、16C 風速予測部(到来風情報予測部)
16a ドップラー風速保存部
16b 到来風速予測部
16c シア予測部
16d 重み係数記憶部
16e 到来風速記憶部
16f シア記憶部
16g 到来風速予測用重み係数
16h シア予測用重み係数
17 ビーム方向記憶部
18 風向計測部(到来風情報予測部)
Claims (18)
- 風車に搭載され前記風車の正面方向に対して決められた複数のビーム方向にパルスのレーザ光である送信光を大気中に送信し、大気と共に動く粒子に前記送信光が反射された反射光の前記送信光に対するドップラー周波数偏移から各前記ビーム方向において前記風車からの複数の距離での風速を計測する風計測ライダ装置であって、
前記反射光から生成される受信信号を、前記距離に対応させて区分された複数の時間区間で分割した分割受信信号をフーリエ変換してスペクトルを算出するスペクトル算出部と、
前記ビーム方向および前記時間区間の組合せである風速計測区間ごとに1個の、複数の前記分割受信信号の前記スペクトルを積算した積算スペクトルを保存する積算スペクトル保存部と、
同じ前記ビーム方向で連続して送信された複数の前記パルスで得られる複数の前記受信信号をそれぞれ分割した複数の前記分割受信信号からそれぞれ算出された複数の前記スペクトルを前記風速計測区間ごとに積算した前記積算スペクトルである第1積算スペクトル、および、前記第1積算スペクトルと前記積算スペクトル保存部に保存された前記積算スペクトルである保存積算スペクトルとを前記風速計測区間ごとに積算した前記積算スペクトルである第2積算スペクトルを生成するスペクトル積算部と、
前記風速計測区間ごとに、前記積算スペクトルのSN比を算出するスペクトルSN比算出部と、
SN比が第1閾値以上である前記第1積算スペクトルまたは前記第2積算スペクトルから前記風速計測区間ごとに前記風速を算出し、SN比が前記第1閾値未満である前記第1積算スペクトルから前記風速計測区間の前記風速を算出せず、SN比が前記第1閾値未満である前記第2積算スペクトルから前記風速計測区間の前記風速を算出しない風速算出部と、
前記風速を算出した前記風速計測区間について前記積算スペクトル保存部に保存された前記積算スペクトルを初期化し、前記第1閾値と比較された前記積算スペクトルの前記SN比が前記第1閾値未満である前記風速計測区間で、決められた条件が満足する場合に前記第1積算スペクトルまたは前記第2積算スペクトルを前記積算スペクトル保存部に保存する、保存積算スペクトル修正部と、
前記風速計測区間ごとの前記風速に基づき前記風車へ到来する風である到来風の情報である到来風情報を予測する到来風情報予測部とを備えた風計測ライダ装置。 - 前記スペクトル積算部が、前記第1積算スペクトルを生成する第1スペクトル積算部と、前記第2積算スペクトルを生成する第2スペクトル積算部を有する、請求項1に記載の風計測ライダ装置。
- 風車に搭載され前記風車の正面方向に対して決められた複数のビーム方向にパルスのレーザ光である送信光を大気中に送信し、大気と共に動く粒子に前記送信光が反射された反射光の前記送信光に対するドップラー周波数偏移から各前記ビーム方向において前記風車からの複数の距離での風速を計測する風計測ライダ装置であって、
前記反射光から生成される受信信号を、前記距離に対応させて区分された複数の時間区間で分割した分割受信信号をフーリエ変換してスペクトルを算出するスペクトル算出部と、
前記ビーム方向および前記時間区間の組合せである風速計測区間ごとに1個の、複数の前記分割受信信号の前記スペクトルを積算した積算スペクトルを保存する積算スペクトル保存部と、
同じ前記ビーム方向で連続して送信された複数の前記パルスで得られる複数の前記受信信号をそれぞれ分割した複数の前記分割受信信号からそれぞれ算出された複数の前記スペクトルおよび前記積算スペクトル保存部に保存された前記積算スペクトルである保存積算スペクトルを前記風速計測区間ごとに積算した前記積算スペクトルである第2積算スペクトルを生成するスペクトル積算部と、
前記風速計測区間ごとに、前記積算スペクトルのSN比を算出するスペクトルSN比算出部と、
SN比が第1閾値以上である前記第2積算スペクトルから前記風速計測区間ごとに前記風速を算出し、SN比が第1閾値未満である前記第2積算スペクトルから前記風速計測区間の前記風速を算出しない風速算出部と、
前記風速を算出した前記風速計測区間について前記積算スペクトル保存部に保存された前記積算スペクトルを初期化し、前記第1閾値と比較された前記積算スペクトルの前記SN比が前記第1閾値未満である前記風速計測区間で、決められた条件が満足する場合に前記第2積算スペクトルを前記積算スペクトル保存部に保存する、保存積算スペクトル修正部と、
前記風速計測区間ごとの前記風速に基づき前記風車へ到来する風である到来風の情報である到来風情報を予測する到来風情報予測部とを備えた風計測ライダ装置。 - 前記スペクトル積算部が、遠距離に分類される複数の前記距離に対応する複数の前記時間区間での前記分割受信信号の前記スペクトルを前記ビーム方向ごとにまとめて積算する、請求項1から請求項3の何れか1項に記載の風計測ライダ装置。
- 前記風速算出部は、同じ前記距離で同じ高度になる複数の前記風速計測区間のすべてで、前記第1閾値と比較された前記積算スペクトルの前記SN比が前記第1閾値以上である場合に、同じ前記距離で同じ高度になる複数の前記風速計測区間のすべてで前記風速を算出する、請求項1から請求項4の何れか1項に記載の風計測ライダ装置。
- 前記到来風情報予測部は、前記到来風の風速である到来風速を予測する到来風速予測部を有する、請求項1から請求項5の何れか1項に記載の風計測ライダ装置。
- 前記到来風速予測部は、前記風速計測区間ごとの前記風速を重み付け平均することで前記到来風速を予測する、請求項6に記載の風計測ライダ装置。
- 前記到来風速予測部は、同じ前記距離の前記風速計測区間の前記風速から前記距離ごとの前記風速である複数の距離風速を算出し、前記距離風速の重み付け平均により前記到来風速を予測する、請求項6または請求項7に記載の風計測ライダ装置。
- 前記到来風速予測部は、前記距離ごとの前記風速である複数の距離風速を、同じ前記距離の前記風速計測区間の前記風速の重み付け平均により算出し、前記距離風速を平均することで前記到来風速を予測する、請求項6または請求項7に記載の風計測ライダ装置。
- 複数の前記ビーム方向は、それぞれの前記ビーム方向の仰角と同じ仰角を有する他のビーム方向の数が各仰角において1個以上で同じになるように決められており、
前記到来風速予測部は、前記距離風速を算出する際に、前記風速が算出されている前記ビーム方向の数が少ない仰角の前記ビーム方向では、重み付け平均に使用する重み係数を他の仰角の前記ビーム方向に対する前記重み係数よりも大きくする、請求項8または請求項9に記載の風計測ライダ装置。 - 前記到来風速予測部が前記到来風速の予測に使用する到来風速予測用重み係数は、前記積算スペクトルの積算回数が小さい場合に大きく、前記積算回数が大きい場合に小さく決められている、請求項8から請求項10の何れか1項に記載の風計測ライダ装置。
- 複数の前記ビーム方向は、それぞれの前記ビーム方向の仰角と同じ仰角を有する他のビーム方向の数が1個以上で同じになるように決められており、
前記到来風情報予測部は、同じ前記距離で高度が異なる前記風速計測区間で計測された前記風速から計算された前記風速の前記風車の正面方向の成分の高度方向における変化率であるシアを予測するシア予測部を有し、
前記到来風速予測部は、前記風速が算出されている前記ビーム方向が存在しない仰角である不計測仰角が存在する場合は、前記不計測仰角に隣接する仰角を有する前記ビーム方向で計測された前記風速と直近に予測された前記シアに基づき推定した前記不計測仰角での風速を使用して、前記到来風速を予測する、請求項6から請求項10の何れか1項に記載の風計測ライダ装置。 - 前記到来風情報予測部は、同じ前記距離で高度が異なる前記風速計測区間で計測された前記風速から計算された前記風速の前記風車の正面方向の成分の高度方向における変化率であるシアを予測するシア予測部を有する、請求項1から請求項11の何れか1項に記載の風計測ライダ装置。
- 前記シア予測部が、前記シアを複数の前記距離で算出して重み付け平均した平均シアを予測する、請求項12または請求項13に記載の風計測ライダ装置。
- 前記シア予測部は、前記距離ごとの前記シアである複数の距離シアを予測し、前記距離シアの重み付け平均により前記平均シアを予測する、請求項14に記載の風計測ライダ装置。
- 前記シア予測部は、重み付けした前記風速計測区間ごとの前記風速に基づき前記距離ごとの前記シアである複数の距離シアを予測し、前記距離シアを平均することで前記平均シアを予測する、請求項14に記載の風計測ライダ装置。
- 前記シア予測部が前記平均シアの予測に使用するシア予測用重み係数は、前記積算スペクトルの積算回数が小さい場合に大きく、前記積算回数が大きい場合に小さく決められている、請求項14から請求項16の何れか1項に記載の風計測ライダ装置。
- 前記到来風情報予測部は、前記風車のロータ直径の2倍以上の前記距離に対応する複数の前記ビーム方向での前記風速計測区間で計測された複数の前記風速と前記ビーム方向を表すビーム方向ベクトルに基づき風ベクトルを算出し、前記風ベクトルから風向を計測する風向計測部を有する、請求項1から請求項17の何れか1項に記載の風計測ライダ装置。
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