JPH01250762A - エアロゾルによる風向風速測定方法及びそのための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、気象観測等のために上空の風の風向及び風速
を測定する方法及びそのために用いられる装置に関する
もので、特に、大気中のエアロゾルによって風向及び風
速を測定するようにした風向風速測定方法及びそのエア
ロゾルの移動を検出するライダー装置に関するものであ
る。

（従来の技術） 気象観測においては、上空の風向や風速の測定が求めら
れることも多い。一般には、そのような上空の風の観測
は、バイパルと呼ばれる小形気球を経緯儀で追跡するこ
とによって行われている。また、気球にラジオゾンデを
搭載Ｌ、そのゾンデから発信される電波の方向をパラボ
ラアンテナにより追跡するレーウィンという方法が採用
されることもある。

いずれにしても、従来の上空の風の観測は、気球が風に
よって流されることを利用したものであった。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、気球は絶えず上昇する。したがって、気
球によって一定高度での風向及び風速を連続的に測定す
ることはできない。所定の高度における風向及び風速の
変化を観測するためには、時間間隔を置いて多数の気球
をとばすことが必要となる。

雲の動きによって風向風速を観測することも行われてい
るが、その場合には、その雲が存在する高度における風
向風速に限られることになる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、任意の高度における風向及び風速を連
続的に測定することのできる方法を提供することである
。

また、本発明の他の目的は、風向及び風速を導出するデ
ータ処理手順が確立されるようにすることである。　　
　　　　　　　。

本発明の更に他の目的は、そのような風向風速の測定ケ
ータを自動的に記録することのできる構造の簡単な装置
を提供することである。

（課題を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明では、大気中に存在
Ｌ、風とともに移動するエアロゾルをトレーサとして、
そのエアロゾルの移動方向及び移動速度から風向及び風
速を求めるようにしている。

すなわち、本発明の方法は、複数の方向に向けてレーザ
ー光を発射Ｌ、所定位置の観測点において反射されたレ
ーザー光の時間的な変化を検出することにより、その観
測点を流れるエアロゾルの濃度変化を求め、次いでその
濃度変化パターンの相互相関を求めて、相関するパター
ンが現れる各観測点の位置とその時間遅れとに基づいて
エアロゾルの移動方向及び移動速度、すなわち風向及び
風速を算出することを特徴としている。

複数方向のレーザー光は、レーザー光発射装置の発射方
向をコニカルに変化させ、所定の回転角度位置でレーザ
ー光を発射させることによって得ることができる。

得られたデータから風向風速を算出するには、各観測点
のうちの任意の２点間の距離をＬ、その２点を結ぶ直線
の方向なθ、その２点間において相関するパターンが現
れる時間遅れをｔｍとするとき、各観測点間のｔｍ／Ｌ
及びθを極座標としてプロットＬ、そのプロット点にフ
ィツトする円を求めればよい。その円は、例えば最小自
乗法によって求めることができる。

また、本発明の風向風速測定用装置は、レーザー光源か
ら発射されたレーザー光を鉛直軸から所定の角度傾斜し
た方向に反射する傾斜反射鏡と、その反射鏡を鉛直軸の
まわりに回転させる回転駆動装置と、その反射鏡が所定
の角度位置まで回転したときレーザー光源をトリガする
トリガ装置と、上空のエアロゾルによって反射されたレ
ーザー光を検出する光センサと、その光センサの出力値
を反射鏡の回転角度位置ごとに記録する記録装置と、に
よって構成されている。反射鏡を回転させる回転駆動装
置としては、ステップモータを用いることが望ましい。

このような傾斜反射鏡に代えて、レーザー光を所定の角
度屈折させるオプティカルウェッジを用いることもでき
る。

（イ乍用） エアロゾルは、大気中に濃淡をもって分布している。そ
して、その濃淡の分布パターンをほぼ保ったまま、風に
乗って移動する。したがって、複数の観測点においてエ
アロゾルの濃度の時間的変化を測定Ｌ、その濃度変化パ
ターンの時間相関を求めれば、各方向へのエアロゾルの
移動時間に対応する時間遅れが求められるので、それを
解析することによって、エアロゾルの移動方向及び速度
、すなわち風向及び風速を測定することができる。

エアロゾルは微粒子であるが、光はそのような微粒子に
よっても散乱されるので、レーザー光を発射Ｌ、反射さ
れたレーザー光を受信するライダー装置を用いることに
より、エアロゾルの濃度変化を測定することができる。

しかも、そのようなライダー装置を用いれば、任意の高
度での観測が可能となる。

また、このようにして求めた各観測点間の時間遅れｔｍ
％距離り及び方向θについてのデータを（１，／１．、
　θ）の極座標としてプロットすれば、各プロット点は
、理論的には座標の原点を通る円周上に並ぶ。そして、
原点からその円の中心に向かう方向が風向となり、その
円の直径の逆数が風速となる。したがって、各プロット
点にフィツトする円を最小自乗法等によって求めれば、
風向及び風速を算出することができる。

更に、レーザー光を鉛直軸から傾斜した方向に反射する
反射鏡、あるいはその方向に屈折させるオプティカルウ
ェッジを鉛直軸のまわりに回転させるようにすることに
より、レーザー光はコニカルに走査されることになる。

したがって、反射鏡あるいはオプティカルウェッジの所
定の回転角度位置でレーザー光源をトリガＬ、レーザー
光を発射させるようにすれば、１個のレーザー光発射装
置によって複数の所定方向のレーザー光を得ることがで
きる。そして、エアロゾルによって反射されたレーザー
光の強さを各発射方向ごとに記録していけば、複数の観
測点におけるエアロゾルの濃度データをそれぞれ得るこ
とができる。

（実施例） 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

図中、第１図は本発明による風向風速測定用装置の一実
施例を示す説明図である。

この図から明らかなように、この風向風速測定用装置は
、レーダーにおけるマイクロ波の代わりにレーザー光を
用いてレーダーと同じ原理で目的物を標定するライダー
装置によって構成されている。すなわち、この風向風速
測定用装置は、上空に向けてレーザー光を発射するレー
ザー光発射装置１と、上空において反射され戻されるレ
ーザー光を受信するレーザー光受信装置２とを備えてい
る。

レーザー光発射装置１は、レーザー光源であるＹＡＧレ
ーザ−３と、水平面に対して所定角度傾斜した反射鏡４
と、その反射鏡４を鉛直軸のまわりに回転駆動するステ
ップモータ５とによって構成されている。レーザー３か
ら発射されたレーザー光は、適宜の光学系６により、鉛
直方向から反射鏡４に入射するようにされている。した
がって、その反射鏡４によって反射されたレーザー光は
、鉛直軸から一定の角度傾斜した方向に向かうことにな
る。そして、反射鏡４を鉛直軸のまわりに回転させるこ
とにより、そのレーザー光の発射方向は、鉛直軸を主軸
とする円錐面に沿って変化する。すなわち、レーザー光
の発射方向がコニカルに走査される。

反射鏡４にはトリガ装置を構成する光センサ（図示せず
）が取り付けられ、所定の回転角度位置において、レー
ザー３をトリガするトリガ信号を発信するようにされて
いる。この実施例では、反射鏡４の１回転中の特定の６
位置においてトリガ信号が発信され、レーザー３からレ
ーザー光が発射されるようになっている。したがって、
反射鏡４を回転駆動すると、上空の水平面内に位置する
円周上の所定の６点の観測点Ａ１〜Ａ６を通る６方向の
レーザー光が順に発射される。

レーザー光受信装置２は、放物面鏡からなる受信集光鏡
７と、その集光鏡７によって集光されたレーザー光を受
信する６本の光ファイバ８、〜８８とによって構成され
ている。各光ファイバ８１〜８６の先端は、対応する観
測点Ａ、〜Ａ、の方向から入射するレーザー光が集光さ
れる点Ｂ、−Ｂ、に位置するようにされている。

光ファイバ８．〜８６によって受信されたレーザー光、
すなわちライダー信号は、光センサである１本の光電子
増倍管９によって検出される。検出されたライダー信号
は、トランジェントレコーダ１０によりディジタル信号
に変換され、レーザー光の１シヨツトごとにマイクロコ
ンピュータ１）に転送される。一方、レーザー光発射装
置１から発射されたレーザー光の方向は、反射鏡４を回
転駆動するステップモータ５のステップ数をカウンタで
計数することによって、あるいはその回転軸に取り付け
られたセンサによって得られる。その値は、トランジェ
ントレコーダ１０にトリガがかかるタイミングでコンピ
ュータ１）に読み込まれ、それによってライダー測定の
方向が検知される。そして、各方向ごとのライダー信号
が磁気テープ１２に記録される。

レーザー光発射装置１と受信装置２とは、送受信の光軸
が狂うことのないようにして、一つのテーブル上に設置
されている０反射鏡４は例えば１回転０．６秒という高
速で回転駆動され、毎秒１０回のライダー測定が行われ
るようになっている。

次に、このように構成された風向風速測定用装置を用い
て上空の風向及び風速を測定する手順について説明する
。

レーザー光発射装置ｌの反射鏡４を回転駆動すると、上
述のように上空に向けて６方向のレーザー光が発射され
る。このレーザー光は、大気中のエアロゾルによって散
乱され、その−部は地上に向けて戻される。この反射レ
ーザー光は、エアロゾルの濃度の高い部分においては強
く、薄い部分では弱くなる。したがって、反射レーザー
光の強さによってエアロゾルの濃度を測定することがで
きる。

エアロゾルによって反射されたレーザー光は、レーザー
光受信装置２によって受信される。このとき、レーザー
光の発射から一定時間後の受信信号のみを取り出すよう
にすれば、−定高度の水平面内で反射されたレーザー光
のみが検知されるようになる。したがって、所定高度の
観測点Ａ１−八〇におけるエアロゾルの濃度を検出する
ことができる。

このような観測を続ければ、各観測点Ａ１−八６におけ
るエアロゾルの濃度の時間的な変化を測定することがで
きる。そして、その時系列データが磁気テープ１２に記
録される。

各観測点Ａ１〜Ａ６におけるエアロゾル濃度の時間的変
化は、例えば第２図に示されているように、エアロゾル
の分布パターンを反映した特徴的な構造となり、各観測
点Ａ１〜Ａ６において少しずつ時間がずれて観測される
。この時間のずれは、エアロゾルの移動に要した時間に
起因するものである。したがって、各観測点Ａ　Ｉ”　
Ａ　ａのうちの２点Ａ、とＡＪ　　（ｉ、ｊ＝１．２．
・・・、６１≠ｊ）において測定されたエアロゾルの濃
度変化パターンについての時間相関を計算すれば、その
２点ＡＩ、ＡＪ間のエアロゾル移動時間に対応する時間
遅れｔｌｌｌを求めることができる。

いま、第３図に示されているように、基準方向な北Ｎの
方向とＬ、２点ＡＩ、ＡＪを結ぶ直線と基準方向Ｎとの
間の角度をθ、その２点間　　。

の距離をＬ、風向を００、風速な■とすると、エアロゾ
ルは風とともに移動するから、２点ＡＩ、ＡＪ間の時間
遅れｔｍは、理論上、ｔｓ　＝　（Ｌ／Ｖ）　ｃｏｓ　
　（θ−θｏ　）　　　（１）と表される。　したがっ
て、書き直せば、ｔｍ／Ｌ＝　（１／Ｖ）ｃｏｓ　　（
θ−θ。）（２）となる。

この式（２）は、原点を通り直径が１／Ｖの円を表わす
。そして、その円の中心と原点とを結ぶ直線の方向がθ
。どなる。

ここで、Ｌ及びθは、観測点ＡＩ及びＡ、の位置によっ
てあらかじめ定められるもので、その値は容易に求める
ことができる。そこで、測定された時間遅れｔｌとこれ
らＬ及びθとを用いて、ｔｍ／Ｌ及びθを極座標として
プロットする。これを、観測点Ａ　Ｉ””　Ａ　ａの可
能な組み合わせのすべてについて行う、それによって、
１５個のプロット点が得られる。これらのプロット点は
、理論式（２）の円周上に並ぶことが予想される。

第４図は、このようにして実際に測定された時間遅れに
基づいて各点をプロットした結果な示すものである。こ
の図から明らかなように、それらのプロット点は予想ど
おりほぼ円となる。そこで、そのプロット点にフィツト
する円を最小自乗法によって求める。第４図には、こう
して得られた円が描かれている。この円の中心Ｐと座標
の原点Ｏとを結ぶ直線の方向がエアロゾルの移動方向、
すなわち風向であり、その円の直径の逆数がエアロゾル
の移動速度、すなわち風速となる。

第５図は、このようにして各高度における風向及び風速
を求めた結果を示す、風向風速の鉛直プロファイルであ
る。同図の点線は、はぼ同じ時刻に観測したバイパルの
データである。バイパルのデータが風向風速の瞬間値を
とらえたものであることを考慮すると、これらはよく一
致しているということができる。

この方法によって、高度１ｋｍまでの風向風速を測定す
ることができた。高度１　ｋｍ以上ではエアロゾルの濃
度が薄くなるが、理論的にはこの方法によって更に上空
の側風も可能であると考えられる。

第６図は、本発明による風向風速測定用装置の異なる実
施例を示すものである。

この実施例においては、レーザー光はオプティカルウェ
ッジ２０を通して送受信されるようになっている。その
オプティカルウェッジ２０は、水平に設置され、ステッ
プモータ５によってその中心軸のまわりに回転駆動され
るようになっている。そして、レーザー３から発射され
たレーザー光は、適宜の光学系６により、そのオプティ
カルウェッジ２０の下方からその中心に向けて鉛直方向
に入射するようにされている。

したがって、レーザー光は、オプティカルウェッジ２０
によって屈折され、鉛直軸から一定角度傾斜した方向に
向かうことになる。そして、そのオプティカルウェッジ
２０を回転させることにより、レーザー光はコニカルに
走査される。

この実施例の場合にも、第１図の実施例と同様に、オプ
ティカルウェッジ２０が所定の回転角度位置まで回転し
たときにトリガ装置がトリガ信号を発信Ｌ、レーザー３
がトリガされてレーザー光が発射されるようになってい
る。したがって、オプティカルウェッジ２０の回転によ
って、所定の観測点Ａ、〜Ａ６を通る６方向のレーザー
光が順に発射される。

上空のエアロゾルによって反射されたレーザー光は、オ
プティカルウェッジ２０を通ることによって鉛直下方に
向けられ、その下方に設けられた望遠鏡２１により集光
される。集光されたレーザー光は光センサである光電子
増倍管によって検出され、第１図の実施例と同様にトラ
ンジェントレコーダ及びマイクロコンピュータにより処
理されて磁気テープに記録される。

このような風向風速測定用装置によっても、第１図の実
施例の場合と同様なデータが得られることは明らかであ
ろう。そして、このような構成とすることにより、その
構造がより単純化され、観測の精度も向上する。

なお、上記実施例のように１個のレーザー光発射装置の
発射方向をコニカルに変化させて複数方向のレーザー光
を得る代わりに、複数のライダー装置を用い、それぞれ
異なる方向にレーザー光を発射させるようにすることも
できる。

そのような場合には、必ずしも観測点を円周上に位置さ
せる必要はない。観測点は、同一直線上にない少なくと
も３点とされていれば、本発明の方法によって風向風速
を測定することができる。しかしながら、正確な測定を
行うためには、観測点の数を多くすることが望ましい。

また、観測点の高度をそれぞれ異ならせることもできる
。そのようにすれば、三次元的な風向風速の測定も可能
となる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、エア
ロゾルの移動を観測することによって風向風速を測定す
るようにしているので、任意の高度における風向風速を
連続的に測定することが可能となる。しかも、その測定
には、レーザー光を発射Ｌ、その反射光を受信するライ
ダー装置が用いられるので、誤差１０ｍ程度の高い高度
分解能が得られるとともに、大気混合層高度等の情報も
同時に得ることができる。

また、各観測点におけるエアロゾルの濃度変化パターン
についての相互相関をとり、その時間遅れを測定して、
その時間遅れと各観測点の位置とに基づく点をプロット
Ｌ、それらのプロット点にフィツトする円を求め、その
円から風向及び風速を求めるという手順で風向風速が導
出されるので、そのデータ処理手順が確立され、リアル
タイム処理も可能となる。

更に、レーザー光源から発射されたレーザー光を鉛直軸
から傾斜する方向に反射あるいは屈折する反射鏡あるい
はオプティカルウェッジを鉛直軸のまわりに回転させ、
所定の回転角度位置でレーザー光を発射させるようにし
ているので、１個のレーザー光発射装置によって複数方
向のレーザー光を得ることができ、構造が簡単で信頼性
の高い風向風速測定用装置とすることができる。そして
、反射鏡あるいはオプティカルウェッジをステップモー
タにより回転駆動するようにした場合には、レーザー光
の発射方向を検知することが容易となるので、その発射
方向ごとに受信データを自動的に記録することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による風向風速測定用装置の一実施例
を示す構成図、 第２図は、その装置によって得られた各観測点における
エアロゾルの濃度変化を示すグラフ、 第３図は、その濃度変化のパターンに基づいて得られた
時間遅れから風向風速を算出する原理の説明図、 第４図は、実験によって得られたデータを本発明の方法
に従ってプロットした図、 第５図は、本発明の方法によって求めた風向風速の鉛直
プロファイルを示す図、 第６図は、本発明による風向風速測定用装置の他の実施
例を示す構成図である。 １・・・レーザー光発射装置 ２・・・レーザー光受信装置 ３・・・レーザー（レーザー光源） ４・・・反射鏡 ５・・・ステップモータ（反射鏡回転駆動装置）９・・
・光電子増倍管（光センサ） １２・・・磁気テープ（記録装置） ２０・・・オプティカルウェッジ　　２１・・・望遠鏡
Ａ　Ｉ”　Ａ　ａ・・・観測点 特許出願人　　国立公害研究所長 江上信雄

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）上空の、同一直線上にない少なくとも３個の観測
   点を通るように、複数の方向に向けてレーザー光を発射
   し、 風とともにその各観測点を流れるエアロゾルによって反
   射されたレーザー光の時間的な変化を測定することによ
   り、各観測点におけるエアロゾルの濃度変化を求め、 次いで、その濃度変化のパターンについての各観測点に
   おける相互相関を求め、 各観測点の互いに相関するエアロゾル分布パターンが現
   れる時間遅れと各観測点の位置とに基づいて、エアロゾ
   ルの移動方向と移動速度とを算出することからなる、 エアロゾルによる風向風速測定方法。
2. （２）レーザー光発射装置の発射方向をコニカルに変化
   させながら、所定の回転角度位置でレーザー光を発射さ
   せることにより、前記複数の方向のレーザー光を得るこ
   とを特徴とする、 請求項１記載の風向風速測定方法。
3. （３）前記観測点のうちの２点間の距離をＬ、その２点
   を結ぶ直線と基準方向との間の角度をθ、その２点間に
   おける前記時間遅れをｔ＿ｍとするとき、各観測点間の
   ｔ＿ｍ／Ｌ及びθを極座標としてプロットし、そのプロ
   ット点にフィットする円を求めて、座標の原点からその
   円の中心に向かう方向を風向、その円の直径の逆数を風
   速とすることからなる、 請求項１記載の風向風速測定方法。
4. （４）水平面に対して傾斜するように配置され、レーザ
   ー光源から発射されたレーザー光を鉛直軸から所定の角
   度傾斜した方向に反射する反射鏡と、 その反射鏡を鉛直軸のまわりに回転させる回転駆動装置
   と、 その反射鏡が所定の角度位置まで回転したとき前記レー
   ザー光源をトリガするトリガ装置と、 上空のエアロゾルによって散乱され戻されたレーザー光
   を検出する光センサと、 その光センサの出力値を前記反射鏡の回転角度位置ごと
   に記録する記録装置と、 を備えている、エアロゾルによる風向風速測定用装置。
5. （５）前記反射鏡の回転駆動装置がステップモータによ
   って構成されている、 請求項４記載の風向風速測定用装置。
6. （６）水平面内において回転可能に支持され、レーザー
   光源から発射されたレーザー光を鉛直軸から所定の角度
   傾斜した方向に屈折させるオプティカルウェッジと、 そのオプティカルウェッジを鉛直軸のまわりに回転させ
   る回転駆動装置と、 そのオプティカルウェッジが所定の回転角度位置まで回
   転したとき前記レーザー光源をトリガするトリガ装置と
   、 前記オプティカルウェッジの下方に設けられ、上空のエ
   アロゾルによって散乱され戻されたレーザー光を、その
   オプティカルウェッジを通して集光する望遠鏡と、 その望遠鏡によって集光されたレーザー光を検出する光
   センサと、 その光センサの出力値を前記オプティカルウェッジの回
   転角度位置ごとに記録する記録装置と、 を備えている、エアロゾルによる風向風速測定用装置。