JP7403889B1 - 光学式遠隔気流計測装置を用いた方法、及び風況観測システム - Google Patents

Abstract

【課題】光軸誤差の少ない風況観測を行なうことを目的とする。【解決手段】人工飛行体１を飛行させる第１ステップと、光学式遠隔気流計測装置２から射出したレーザー光を前記人工飛行体１に当てる第２ステップと、前記人工飛行体１で反射した光を前記光学式遠隔気流計測装置２で検出する第３ステップとを実行する。【選択図】図１

Description

特許法第３０条第２項適用 （１）令和４年１２月１９日に、グランド再生可能エネルギー２０２２国際会議にて発表 （２）令和５年３月２２日に、一般社団法人日本風力エネルギー学会発行の日本風力エネルギー学会論文集令和５年２月第４６巻第４号（通巻第１４４号）にて発表

本発明は、ドップラーライダーに代表される光学式遠隔気流計測装置を用いた光軸補正や観測に関する方法、及び風況観測システムに関するものである。

特許文献１、非特許文献１にはドップラーＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ、Ｌａｓｅｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）に代表される光学式の遠隔気流計測装置が記載されている。

特開２０２１－１８７２５８号公報

「日本気象株式会社ホームページ：ドップラーライダー（ｈｔｔｐｓ：／／ｎ－ｋｉｓｈｏｕ．ｃｏｍ／ｃｏｒｐ／ｓｅｒｖｉｃｅ／ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ／ｓｔｒｅａｍｌｉｎｅ／ｐｒｏｄｕｃｔ.ｈｔｍｌ）」

ドップラーライダーに代表される光学式遠隔気流計測装置は、大気中に含まれるエアロゾルにレーザー光を照射した際に発生する散乱光のドップラー効果による波長変移を観測することにより観測対象の相対的な移動速度を観測できる遠隔気流計測装置の一種である。光学式遠隔気流計測装置は、比較的高重量で大掛かりな部品で構成されているため、光軸に誤差が生じやすい。本発明は、光学式遠隔気流計測装置に起因する光軸誤差を補正することにより、より正確な風況観測を行なうことを目的とするものである。

上記課題を解決した方法は、
［１］人工飛行体１を飛行させる第１ステップと、光学式遠隔気流計測装置２から射出したレーザー光を前記人工飛行体１に当てる第２ステップと、前記人工飛行体１で反射した光を前記光学式遠隔気流計測装置２で検出する第３ステップと、を有しているものである。

［２］上記方法において、更に、前記人工飛行体１を経緯儀３の視野４内に入れる第４ステップを備えることが好ましい。

［３］上記各方法において、更に、前記光学式遠隔気流計測装置２で検知される前記人工飛行体１の仰角θＧＤと、前記経緯儀３の視野４内に入った前記人工飛行体１の仰角θＧＴとの相違量（以下「仰角相違量」）を取得する第５ステップを備えることが好ましい。

［４］上記各方法において、更に、前記光学式遠隔気流計測装置２で検知される前記人工飛行体１の方位角θＨＤと、前記経緯儀３の視野４内に入った前記人工飛行体１の方位角θＨＴとの相違量（以下「方位角相違量」）を取得する第６ステップを備えることが好ましい。

［５］上記各方法において、更に、前記光学式遠隔気流計測装置２から得られる、方位角軸と仰角軸を有する二次元像において、捉えられた前記人工飛行体１の位置から前記仰角相違量および／または前記方位角相違量に相当する分だけシフトした位置における風況を取得する第７ステップを備えることが好ましい。

［６］上記各方法において、光学式遠隔気流計測装置２が設置されている第１観測地点Ｐ１において上記［５］に記載の方法を用いて第１の風況を取得する第７１ステップと、
光学式遠隔気流計測装置２が設置されている第２観測地点Ｐ２において上記［５］に記載の方法を用いて第２の風況を取得する第７２ステップと、を備えることが好ましい。

［７］上記課題を解決したシステムは、光学式遠隔気流計測装置２と、経緯儀３と、前記光学式遠隔気流計測装置２から得られる、方位角軸と仰角軸を有する二次元像中に捉えられる人工飛行体１とを備えた風況観測システムであって、前記光学式遠隔気流計測装置２は、第１固定部２１と、該第１固定部２１に対して方位角方向および／または仰角方向に回転可能に固定されている第１回転部２２とを有しており、該第１回転部２２にはレーザー光射出部２７及び光検出部２８が備えられており、前記経緯儀３は、第２固定部３１と、該第２固定部３１に対して方位角方向および／または仰角方向に回転可能に固定されている第２回転部３２と、を有しており、該第２回転部３２には前記人工飛行体１を視野内に捉える望遠レンズ系が備えられており、前記第１固定部２１と前記第２固定部３１は直接的又は間接的に固定関係にあるものである。

［１］～［７］に付した各符号は便宜上付したものであり発明を限定するものではない。

本発明では、人工飛行体を飛行させる第１ステップと、光学式遠隔気流計測装置から射出したレーザー光を人工飛行体に当てる第２ステップと、人工飛行体で反射した光を光学式遠隔気流計測装置で検出する第３ステップとを備えていることにより、より正確な風況観測のための方法および風況観測システムを提供することができるものである。

本発明の実施の形態１にかかる方法に供する風況観測システムの一例を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる方法に供する風況観測システムを構成する人工飛行体と光学式遠隔気流計測装置と経緯儀を示す図である。 図１に示した経緯儀の視野を示すものである。 図１に示した光学式遠隔気流計測装置から得られる、方位角軸と仰角軸を有する二次元像である。 横軸が方位角を示し、縦軸が、図１に示した経緯儀により観測される人工飛行体の方位角に対する仰角と光学式遠隔気流計測装置により観測される人工飛行体の仰角の相違量を示すグラフである。 図２に示した風況観測システムを用いた風況の観測形態例を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる風況観測システムを示す図である。

以下、下記実施の形態に基づき本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施の形態によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる方法に供する風況観測システムの一例を示すものである。図１に記載されているように、風況観測システム（人工飛行体以外の要素）は、光学式遠隔気流計測装置２と、経緯儀３とから構成されている。光学式遠隔気流計測装置２は、大気中に含まれるエアロゾルにレーザー光を照射した際に発生する散乱光のドップラー効果による波長変移を観測することにより観測対象の相対的な移動速度と変位を観測できる遠隔気流計測装置である。光学式遠隔気流計測装置２としては、例えば、Ｌｕｍｉｂｉｒｄ社製Ｓｔｒｅａｍ Ｌｉｎｅ ＸＲや、Ｖａｉｓａｌａ社製ＷｉｎｄＣｕｂｅ Ｓｃａｎ ４００Ｓ等を用いることができる。光学式遠隔気流計測装置２はレーザー光射出部２７及び、観測対象において散乱或いは反射してくる光を検出する光検出部２８が備えられている。図１では、レーザー光射出部２７と光検出部２８を同軸に配置した例について記載したが、レーザー光射出部２７と光検出部２８の配置には特段の制限はなく、光学式遠隔気流計測装置２のいずれかの場所に配置されていればよい。

経緯儀３は望遠レンズ系を有しており、望遠レンズ系の光軸を基準として視準した点または方角に対する角度を計測する測量器械であり、「トランシット」や「セオドライト」という名称で知られている。通常、測量の際には経緯儀３は専用の三脚の上に据え付けて用いる。本発明の実施の形態１では、経緯儀３は、三脚は用いずに光学式遠隔気流計測装置２の一部（図１に示すように例えば筐体２５上）に取り付けることが好ましい。

図２は、本発明の実施の形態１にかかる方法に供する風況観測システムを構成する人工飛行体１と光学式遠隔気流計測装置２と経緯儀３を示す図である。図２に示すように、光学式遠隔気流計測装置２と経緯儀３は人工飛行体１に向けられている。人工飛行体１は、人が搭乗するヘリコプターであってもよく、人が搭乗しない無人飛行機、例えばドローンを用いることもできる。

図３は、経緯儀３の視野４を示すものであり、視野４内には人工飛行体１が入れられている。

図４は、光学式遠隔気流計測装置２のレーザー光射出部２７から出力された光が、観測対象から戻ってくる光から得られる、方位角軸と仰角軸を有する二次元像である。

以下、本発明の実施の形態１にかかる方法について説明する。
＜第１ステップ＞
人工飛行体１を風況観測の目的空域に飛行させるステップである。人工飛行体１は、観測対象である特定地点においてホバリングさせることが好ましい。

＜第２ステップ＞
光学式遠隔気流計測装置２から射出したレーザー光を人工飛行体１に当てるステップである。レーザー光は、人工飛行体１の全体に当ててもよいし、人工飛行体１の一部に当ててもよい。レーザー光は、連続的照射であってもよいし、パルス照射であってもよい。

＜第３ステップ＞
人工飛行体１で反射した光４を光学式遠隔気流計測装置２で検出するステップである。検出の結果は、例えば、方位角軸と仰角軸を有する二次元像、例えば光の強度分布図であってもよいしキャリア対雑音比分布図（ＣＮＲ）として取得してもよい。

従来、光学式遠隔気流計測装置２の使用形態として様々な手法が用いられているが、光学式遠隔気流計測装置２から射出したレーザー光３を人工飛行体１に当てるという技術はなく、もちろん、人工飛行体１で反射した光４（レーザー光３の反射光）を光学式遠隔気流計測装置２で検出するという技術もない。本発明の実施の形態１にかかる方法においては、光学式遠隔気流計測装置２から得られる人工飛行体１由来の新たな情報を、風況観測の位置的正確性の向上のために利用されることが期待される。以下、風況観測の一層好ましい付加的ステップについて説明する。

＜第４ステップ＞
人工飛行体１を経緯儀３の視野４内に入れるステップである。人工飛行体１の少なくとも一部が経緯儀３の視野４内に入っていればよい。図３に示すように、人工飛行体１の中心を経緯儀３の視野４の中心となるようにしてもよいし、人工飛行体１の特定部位（例えば右アームの端部）が経緯儀３の視野４の中心となるようにしてもよい。

第４ステップの実行は、第３ステップにおける光学式遠隔気流計測装置２で検出された情報の利用例の一つであり、これにより、人工飛行体１と光学式遠隔気流計測装置２と経緯儀３の相対的関係を特定することが可能となり、正確な風況観測を提供することができるものである。光学式遠隔気流計測装置２の光検出部２８の設置位置と経緯儀３の望遠レンズ系の設置位置の高低差は少ないほうが好ましく、高低差は、好ましくは１００ｃｍ以内、より好ましくは６０ｃｍ以内、さらに好ましくは３０ｃｍ以内である。

＜第５ステップ＞
光学式遠隔気流計測装置２で検知される人工飛行体１の仰角θＧＤと、経緯儀３の視野４内に入った人工飛行体１の仰角θＧＴとの相違量（以下「仰角相違量」）を取得するステップを備えることが好ましい。第５ステップの主旨は仰角相違量を取得することにあるので、仰角θＧＤおよび仰角θＧＴの絶対的な値を取得する必要は必ずしもなく、基準となる方向からの相対値により相違量を決定してもよい。経緯儀３により特定される方位は真値として取り扱えるため、この第５ステップにより、光学式遠隔気流計測装置２で検知される人工飛行体１の仰角θＧＤが真値θＧＴからどの程度ずれているかを把握することができる。

図５は、経緯儀３により観測される人工飛行体１の仰角θＧＴと光学式遠隔気流計測装置２により観測される人工飛行体１の仰角θＧＤの相違量を示すグラフであり、横軸が方位角、縦軸が仰角相違量を示すものである。なお図５中の■印は人工飛行体１の位置、●印は人工飛行体１とは異なる方位角にある基準マストの位置をそれぞれ示している。

＜第６ステップ＞
光学式遠隔気流計測装置２で検知される人工飛行体１の方位角θＨＤ（図示せず）と、経緯儀３の視野４内に入った人工飛行体１の方位角θＨＴ（図示せず）との相違量（以下「方位角相違量」）を取得するステップを備えることが好ましい。第６ステップの主旨は方位角相違量を取得することにあるので、方位θＨＤおよび方位角θＨＴの絶対的な値を取得する必要は必ずしもなく、基準となる方向からの相対値により相違量を決定してもよい。経緯儀３により特定される方位は真値として取り扱えるため、この第６ステップにより、光学式遠隔気流計測装置２で検知される人工飛行体１の方位角θＨＤが真値θＨＴからどの程度ずれているかを把握することができる。

＜第７ステップ＞
光学式遠隔気流計測装置２から得られる、方位角軸と仰角軸を有する二次元像において、捉えられた人工飛行体１の位置から仰角相違量および／または方位角相違量に相当する分だけシフトした位置における風況を取得するステップである。

図４は、光学式遠隔気流計測装置２から得られる、方位角軸と仰角軸を有する二次元像であり、ここではキャリア対雑音比分布図（ＣＮＲ）を示している。図４の中央付近に、横軸方向に３つ連続している色の濃いピクセルを看取できるが、これが人工飛行体１の像である。図４中、横軸２３９．６１０°、縦軸２．９２０°の地点が光学式遠隔気流計測装置２側から見た人工飛行体１の右端の部分に相当しているが、ここには上記図５に示す相違量に相当する誤差が含まれる。したがって、キャリア対雑音比分布図（ＣＮＲ）において人工飛行体１の位置から仰角相違量および／または方位角相違量に相当する分だけシフトした位置における風況を取得することにより真の仰角、真の方位角を特定することができるのである。より具体的には、図５で人工飛行体１の位置を示す■印は、仰角方向に約マイナス０．１５度分の誤差があるため、キャリア対雑音比分布図（ＣＮＲ）を仰角方向に約プラス０．１５度分、補正する必要がある。

＜第７１ステップ、第７２ステップ＞
上記第７ステップの実行により、誤差が補正された方位角および／または仰角を得ることができるのであるが、１つの観測地点に基づく風況観測値は、光学式遠隔気流計測装置２のレーザー光照射方向の１次元的な速度成分であるため、観測対象であるエアロゾルが遠ざかる速度あるいは近づいてくる速度成分のみしか取得できない。そこで、複数の観測地点において上記第７ステップを実行すれば、観測対象地点の風況をベクトルとして算出することができる。

図６は、風況観測システムの観測形態例を示す図である。図６に示すように、海岸線の陸上の異なる第１観測地点Ｐ１および第２観測地点Ｐ２に、本発明の実施の形態１における風況観測システムを設置する。観測方法としては、光学式遠隔気流計測装置２が設置されている第１観測地点Ｐ１における上記第７ステップの実行、すなわち第１の風況を取得する第７１ステップと、光学式遠隔気流計測装置２が設置されている第２観測地点Ｐ２における上記第７ステップの実行、すなわち第２の風況を取得する第７２ステップと、を備えることにより、風況をベクトルとして取得することができる。第１観測地点Ｐ１および第２観測地点Ｐ２の一方または両方は、海上にあってもよい。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２にかかる方法に供する風況観測システムの一例を示すものであるが人工飛行体１の描画は省略している。その他実施の形態１と重複する構成或いは符号については説明を省略する。図７に示すように、光学式遠隔気流計測装置２は、第１固定部２１と、第１固定部２１に対して方位角方向および／または仰角方向に回転可能に固定されている第１回転部２２とを有しており、第１回転部２２にはレーザー光射出部２７及び光検出部２８が備えられている。経緯儀３は、第２固定部３１と、第２固定部３１に対して方位角方向および／または仰角方向に回転可能に固定されている第２回転部３２とを有しており、第２回転部３２には人工飛行体１を視野内に捉える望遠レンズ系が備えられている。第１固定部２１と第２固定部３１とは互いに固定関係にあるものである。このような構成により、経緯儀３を基準とした光学式遠隔気流計測装置２の方位角方向および／または仰角方向の誤差を補正することができる。図７は、第２固定部３１が第１固定部２１に直接固定されている例について示したものであるが、例えば、第２固定部３１が図１に示した筐体２５等、他のものを介して第１固定部２１に間接的に固定されていても同様に実施可能である。

１ 人工飛行体
２ 光学式遠隔気流計測装置
２１ 第１固定部
２２ 第１回転部
２５ 筐体
２７ レーザー光射出部
２８ 光検出部
３ 経緯儀
３１ 第２固定部
３２ 第２回転部
４ 視野
θＧＤ 光学式遠隔気流計測装置で検知される人工飛行体の仰角
θＧＴ 経緯儀の視野内に入った人工飛行体の仰角
θＨＤ 光学式遠隔気流計測装置で検知される人工飛行体の方位角
θＨＴ 経緯儀の視野内に入った人工飛行体の方位角
Ｐ１ 第１観測地点
Ｐ２ 第２観測地点

Claims (6)

1. 人工飛行体を飛行させる第１ステップと、
   光学式遠隔気流計測装置から射出したレーザー光を前記人工飛行体に当てる第２ステップと、
   前記人工飛行体で反射した光を前記光学式遠隔気流計測装置で検出する第３ステップと、
   前記人工飛行体を経緯儀の視野内に入れる第４ステップと、
   を有しており、
   前記第３ステップでは、前記人工飛行体は、前記光学式遠隔気流計測装置から得られる、方位角軸と仰角軸を有する二次元像に含まれており、
   前記第４ステップでは、前記経緯儀の視野内に入っている前記人工飛行体に、前記レーザー光が当てられており、
   更に、前記経緯儀により特定される前記人工飛行体の方位を真値として前記光学式遠隔気流計測装置で検知された前記人工飛行体のずれを把握するステップを有する方法。
2. 前記ずれを把握するステップは、前記光学式遠隔気流計測装置で検知される前記人工飛行体の仰角と、前記経緯儀の視野内に入った前記人工飛行体の仰角との相違量（以下「仰角相違量」）を取得する第５ステップを有している請求項１に記載の方法。
3. 前記ずれを把握するステップは、前記光学式遠隔気流計測装置で検知される前記人工飛行体の方位角と、前記経緯儀の視野内に入った前記人工飛行体の方位角との相違量（以下「方位角相違量」）を取得する第６ステップを有している請求項１に記載の方法。
4. 更に、前記光学式遠隔気流計測装置から得られる、方位角軸と仰角軸を有する二次元像において、捉えられた前記人工飛行体の位置から前記仰角相違量および／または前記方位角相違量に相当する分だけシフトした位置における風況を取得する第７ステップを有している請求項２または３に記載の方法。
5. 光学式遠隔気流計測装置が設置されている第１観測地点において請求項４に記載の方法を用いて第１の風況を取得する第７１ステップと、
   光学式遠隔気流計測装置が設置されている第２観測地点において請求項４に記載の方法を用いて第２の風況を取得する第７２ステップと、を有している方法。
6. 光学式遠隔気流計測装置と、経緯儀と、前記光学式遠隔気流計測装置から得られる方位角軸と仰角軸を有する二次元像中に捉えられる人工飛行体とを備えた風況観測システムであって、
   前記光学式遠隔気流計測装置は、第１固定部と、該第１固定部に対して方位角方向および／または仰角方向に回転可能に固定されている第１回転部とを有しており、該第１回転部にはレーザー光射出部及び光検出部が備えられており、
   前記経緯儀は、第２固定部と、該第２固定部に対して方位角方向および／または仰角方向に回転可能に固定されている第２回転部とを有しており、該第２回転部には前記人工飛行体を視野内に捉える望遠レンズ系が備えられており、
   前記第１固定部と前記第２固定部は直接的又は間接的に固定関係にある風況観測システム。