JPH11271350A - 風向・風速測定方法及び装置 - Google Patents

風向・風速測定方法及び装置

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JPH11271350A
JPH11271350A JP10090668A JP9066898A JPH11271350A JP H11271350 A JPH11271350 A JP H11271350A JP 10090668 A JP10090668 A JP 10090668A JP 9066898 A JP9066898 A JP 9066898A JP H11271350 A JPH11271350 A JP H11271350A
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JP
Japan
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atmosphere
laser beam
wind direction
wind speed
wind
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Application number
JP10090668A
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English (en)
Inventor
Masayuki Hiroguchi
正之 廣口
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NEC Aerospace Systems Ltd
Original Assignee
NEC Aerospace Systems Ltd
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Publication date
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    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

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  • Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、大気の風向・風速を連続的にかつ
簡易・安価に測定することの可能な風向・風速測定方法
及び装置を提供する。 【解決手段】 レーザービーム21を所定時間間隔で周
期的にパルス状に発射しつつこのレーザー光を円錐状に
走査して大気上方に向けて照射し、大気からの反射光を
コニカルスキャン装置2により受光する。受光した反射
光を用いて、計測装置4内で同一高度及び方向に対応す
る反射光データを時系列上に揃え、同一高度上の複数の
反射光データの間で相関演算を行ってこれら反射光デー
タ間の位相差を求め、この位相差に基づいて大気の風向
・風速を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー光を用い
て大気の風向・風速を測定する風向・風速測定方法及び
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】風向・風速は、大気の状態を知る上で貴
重な情報であるが、地表面を離れた大気上方の風向・風
速を測定することは容易でなく、従来は、主にラジオゾ
ンデで計測していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ラジオ
ゾンデの計測は、費用や手間がかかることから、1日に
数回が限度であった。 一方、レーザレーダは、大気中
のNOxやSOxなどの微量成分を計測するのに用いら
れてきた。そして、レーザレーダにおけるコニカルスキ
ャンは、観測域を空間的に拡げることを目的に装備され
てきた。
【0004】本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、大気の風向・風速
を連続的にかつ簡易・安価に測定することの可能な風向
・風速測定方法及び装置を提供する点にある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、レーザ
ー光を円錐状に走査して大気上方に向けて発射し、大気
からのレーザー光の反射光を受光し、反射光の相関を取
ることで反射光間の時間的位相関係を演算し、この反射
光間の時間的位相関係から大気の風向・風速を測定する
ことを特徴とする風向・風速測定方法に存する。
【0006】また、本発明の要旨は、レーザー光を円錐
状に走査して大気上方に向けて発射するレーザー光送出
手段と、レーザー光送出手段により発射されたレーザー
光の大気からの反射光を受光するレーザー光受光手段
と、レーザー光受光手段が受光した反射光の相関を取る
ことで反射光間の時間的位相関係を演算する相関演算手
段と、相関演算手段で得られた反射光間の時間的位相関
係から前記大気の風向・風速を測定する風向・風速測定
手段とを備えることを特徴とする風向・風速測定装置に
存する。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形
態である風向・風速測定装置の概略構成を示す図であ
る。この図において、レーザ装置1は、レーザビームを
発生し、これをコニカルスキャン装置2に入力する。コ
ニカルスキャン装置2は、入力したレーザビームを光学
的に円錐状に走査し、大気上方に向かって円錐表面を回
転するレーザビーム21を生成する。レーザビーム21
の反射波は、コニカルスキャン装置2で光学的に分離さ
れ、検出器3に入り、電気信号に変換される。この電気
信号は、計測装置4に入力されて、さらにディジタル信
号に変換され、以後の計算処理に用いられる。
【0008】次に、図1〜図7を参照して、本実施形態
の風向・風速測定装置の動作について説明する。レーザ
装置1は、所定時間間隔でパルス状のレーザビームを発
生し、これをコニカルスキャン装置2に入力する。コニ
カルスキャン装置2は、入力したレーザビームを光学的
に円錐状に走査し、大気上方に向かって円錐表面を回転
するレーザビーム21を生成する。このとき、レーザビ
ームのパルス繰返し周波数と、コニカルスキャンの円錐
の回転周波数の比で1周上に何点の観測点が得られるか
が決定される。例えば、レーザビームのパルスが1秒間
に12回で、コニカルスキャンが1秒間に2回転すれ
ば、1周上には、12/2=6 で、6個の観測点が得
られる。
【0009】なお、ここにいう観測点とは、同一高度に
おいて上述のレーザビーム21がどの位置において反射
されたかという点に等しく、幾何学的には、レーザビー
ム21が回転される円錐表面を当該高度で切断した断面
外周(円周)上に位置する。
【0010】レーザビーム21の反射波は、コニカルス
キャン装置2で光学的に分離され、検出器3に入り、電
気信号に変換される。この電気信号は、計測装置4に入
力されて、さらにディジタル信号に変換され、以後の計
算処理に用いられる。
【0011】図2はレーザビーム21及びその反射波の
強度を時間軸上に並べた図の一例であり、上述のレーザ
ビームのパルス繰り返し周波数で定まる所定時間間隔で
レーザビーム21が照射され、その反射波がコニカルス
キャン装置2で受光される。レーザビーム21の1パル
スに対応する反射波は、大気の散乱強度、レーザの透過
率などから、1つの方向の高度成分で一例として約100m
から3000mの成分を持っている。さらに、連続したパル
スは、次々に異なる方向を向いたものである。先ほどの
例では、6つの方向が順番に現れる。
【0012】なお、微視的に考えれば、光速が有限であ
ることからレーザビーム21の1パルスに対応する上述
の観測点は一直線上に並ばず、円錐表面上に螺旋を描く
ことになる。従って、レーザビーム21の1パルスから
の反射波は同一の方向から反射され受光されたものでは
ない。しかし、以下の説明では説明の簡略化のために同
一パルスの反射波は同一方向から反射されたものとして
取り扱うことにする。当然、光速を考慮すれば厳密な観
測点=反射点を算出することはでき、最終的に風向・風
速を算出する際にはこの厳密な観測点に基づいて演算を
行えばよい。
【0013】この反射波データを、計測装置4において
同一高度、同一方向のデータにそろえて時系列に並べ
る。図3は、同一高度(仮にHとする)及び同一方向
(仮にNとする)からの反射波データを時系列上に並べ
たものの一例である。
【0014】すると、同一高度で、方向だけが異なる時
系列データが、方向の数だけ得られるので、この時系列
データ同士の畳み込み積分(コンボリューション)によ
る相関演算を行う。すると、相関結果として、相関強度
と、位相のずれがそれぞれの方向とそれ以外の方向の間
で求められる。図4は、同一高度Hで異なる方向(仮に
N、Mとする)の2つのデータ同士の畳み込み積分によ
る相関演算を行った結果を模式的に図示した一例であ
る。方向MのデータのピークがΔt(秒)遅れて方向N
に現れていることが相関演算の結果からわかる。一般的
には、この時間遅れは相関演算結果の位相差として表さ
れる。
【0015】これは、原理的には、大気中の観測物質の
濃度分布がある程度の固まりを持っているので、ある方
向の観測点に観測された観測物質が、風によっていずれ
かの方向の観測点に運ばれるために、各観測点間の観測
値に関連が出てくる、との仮説に基づいている。
【0016】当然、運ばれていく間に観測物質の拡散が
起きたり、風が一様で無かったり、という原因のために
観測値の相関は、誤差を含んだものになる。しかし、こ
の誤差は、観測結果に最も良く一致する風向、風速を最
小二乗法で求めることによって、減少させることができ
る。
【0017】最小二乗法による風向・風速の算出方法の
一例を示す。図5に示すように、相関演算を行った2つ
の観測点間が(Dnx,Dny)だけ離れており、風速(V
x,Vy)を有する風が吹いていたとすると、上述の位相
差Δtnは次式で与えられるものと仮定する。
【数1】 この式は厳密ではないが、観測物質の濃度分布がある程
度の大きさを持つため、直接の風向の範囲でなくても相
関があると考える。その上で、全ての相関演算から求め
られる値から、次式の値が最小値を取るVx,Vyを求め
る。
【数2】 そして、求められたVx,Vyから次式により風向、風速
を求める。
【数3】
【0018】最小二乗法による風向・風速の算出方法の
他の例を示す。図6に示すように観測物質の境界が直線
状になっていると仮定すると、この境界は
【数4】ax+by=c(a,b,cは全て定数) という式で表される。風によりこの観測物質が移動する
と言うことは、上記式において定数cが変化しているこ
とに相当する。観測点(x1,y1)から観測点(xn,
yn)までの距離をDnとすると、このDnは次式で与え
られる。
【数5】 Dn/v(風速)=Δtnであるから、v=Dn/Δtnで
ある。従って、次式の値が最小となるa,b,vを求め
る。
【数6】
【0019】上述の最小二乗法の演算のためには、誤差
がなければ最低3方向の観測点で風向風速が計算できる
ところを、4から6方向程度の観測点とすることが望ま
しい。但し、相関演算は方向の数の2乗にほぼ比例して
増大する(方向の数をNとすると、N・(N−1)/2
個の相関演算が必要となる)ので、むやみに増やすこと
は計算時間の制約上、困難である。
【0020】以上の動作の流れを図7に示すフローチャ
ートのステップS1〜S6にまとめる。また、図8は、
本実施形態による風向・風速測定結果のイメージを示す
図である。
【0021】なお、コニカルスキャンの中心軸からの傾
き角は、観測物質の濃度分布の大きさ(固まりの程度)
と観測高度で決まり、次式で与えられる。
【数7】(コニカルスキャンの傾き角)<arctan((濃
度分布の大きさ)/(観測高度)) ここに、濃度分布
の大きさは観測結果等から推定され、一例として10m〜1
00m程度である。また、観測高度は、一例として100m〜3
000mである。コニカルスキャンの傾き角は大きくても小
さくても相関強度を低める結果になるため、実際に観測
したい高度と実際の濃度分布の大きさとを考慮して観測
値から決定すればよい。
【0022】また、時間軸の長さは、少なくとも観測高
度における各観測点間を、標準的な風速で観測物質が通
過する時間以上にする必要がある。しかし、あまり長く
すると風向・風速が時間の経過につれて変化するために
不正確な観測値となってしまう。
【0023】さらに、観測物質として計測可能なものと
しては、エアロゾル、水蒸気(雲を含む)、大気汚染気
体、大気微量成分、中間圏金属原子層等が挙げられる。
【0024】以上説明したように、本実施形態による第
1の効果は、大気上方の風向・風速を、連続的かつ高い
頻度で計測できる点にある。その理由は、レーザレーダ
を用いて、地上から計測できるからである。第2の効果
は、1回の計測の費用が比較的安価になる点にある。そ
の理由は、ラジオゾンデ等と異なり、消耗品が無いから
である。
【0025】なお、本実施の形態においては、本発明は
上述の装置に限定されず、本発明を適用する上で好適な
風向・風速測定装置に適用することができる。例えば、
畳み込み積分の替わりに、フーリエ変換を用いて周波数
領域で乗算を行う装置にも適用することができる。ま
た、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態
に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、
形状等にすることができる。なお、各図において、同一
構成要素には同一符号を付している。
【0026】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されているの
で、大気の風向・風速を連続的にかつ簡易・安価に測定
することの可能な風向・風速測定方法及び装置を実現す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である風向・風速測定装置
の概略構成を示す図である。
【図2】レーザビーム及びその反射波を時間軸上に配置
した一例を示す図である。
【図3】同一高度及び同一方向からの反射波を時系列上
に並べた一例を示す図である。
【図4】本実施形態による相関演算の一例を示す図であ
る。
【図5】最小二乗法の演算方法の一例を示す図である。
【図6】最小二乗法の演算方法の他の例を示す図であ
る。
【図7】一実施形態の動作を説明するためのフローチャ
ートである。
【図8】一実施形態の測定結果のイメージの一例を示す
図である。
【符号の説明】
1 レーザ装置 2 コニカルスキャン装置 3 検出器 4 計測装置 21 レーザビーム

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザー光を円錐状に走査して大気上方
    に向けて発射し、前記大気からのレーザー光の反射光を
    受光し、前記反射光の相関を取ることで反射光間の時間
    的位相関係を演算し、この反射光間の時間的位相関係か
    ら前記大気の風向・風速を測定することを特徴とする風
    向・風速測定方法。
  2. 【請求項2】 レーザー光を所定時間間隔で周期的にパ
    ルス状に発射しつつこのレーザー光を円錐状に走査して
    大気上方に向けて照射し、 前記大気からのレーザー光の反射光を受光して同一高度
    及び方向に対応する前記反射光データを時系列上に揃
    え、 前記時系列上に揃えられた同一高度上の複数の前記反射
    光データの間で相関演算を行ってこれら反射光データ間
    の位相差を求め、この位相差に基づいて前記大気の風向
    ・風速を測定することを特徴とする風向・風速測定方
    法。
  3. 【請求項3】 前記位相差から最小二乗法を用いて前記
    大気の風向・風速を求めることを特徴とする請求項2記
    載の風向・風速測定方法。
  4. 【請求項4】 レーザー光を円錐状に走査して大気上方
    に向けて発射するレーザー光送出手段と、 前記レーザー光送出手段により発射されたレーザー光の
    前記大気からの反射光を受光するレーザー光受光手段
    と、 前記レーザー光受光手段が受光した反射光の相関を取る
    ことで反射光間の時間的位相関係を演算する相関演算手
    段と、 前記相関演算手段で得られた反射光間の時間的位相関係
    から前記大気の風向・風速を測定する風向・風速測定手
    段とを備えることを特徴とする風向・風速測定装置。
  5. 【請求項5】 レーザー光を所定時間間隔で周期的にパ
    ルス状に発射しつつこのレーザー光を円錐状に走査して
    大気上方に向けて照射するレーザー光送出手段と、 前記レーザー光送出手段により照射されたレーザー光の
    前記大気からの反射光を受光するレーザー光受光手段
    と、 前記レーザー光受光手段が受光した反射光を用いて、同
    一高度及び方向に対応する前記反射光データを時系列上
    に揃え、同一高度上の複数の前記反射光データの間で相
    関演算を行ってこれら反射光データ間の位相差を求める
    相関演算手段と、 前記相関演算手段で得られた位相差に基づいて前記大気
    の風向・風速を測定する風向・風速測定手段とを備える
    ことを特徴とする風向・風速測定装置。
  6. 【請求項6】 前記風向・風速測定手段は、前記位相差
    から最小二乗法を用いて前記大気の風向・風速を求める
    ことを特徴とする請求項5記載の風向・風速測定装置。
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