JPWO2017134821A1 - レーザレーダ装置および風車制御システム - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るレーザレーダ装置100の風車900への適用例を示す図である。
風車900は、頂部に制御装置901および駆動装置902を有し、当該制御装置901および駆動装置902の先端にブレード903が回転可能に固定されている。風車900に風が到来することにより、ブレード903が回転して発電が行われる。風車900の発電効率を向上させるため、ブレード903が非回転状態であって、風車900に微風が到来した場合に、制御装置901が起動アシスト用の電流を印加する制御を行い、駆動装置902が制御装置901の制御に基づいて電流を印加してブレード903の起動をアシストする。ブレード903が一定の回数数に到達すると、制御装置901は起動アシスト用の電流をOFFにする制御を行う。
レーザレーダ装置100は、基準光源1、光分岐カプラ2、光位相変調器3、光強度変調器4、光増幅器5、光サーキュレータ6、光スイッチ7、光スイッチ制御信号生成部8、第1の光アンテナ9、第2の光アンテナ10、光カプラ11、光受信器12、変調ユニット20および信号処理ユニット30を備えて構成されている。図2で示したブロック図では、光位相変調器3および光強度変調器4も変調ユニット20を構成している。
第1の信号生成部21は、変調周波数f1に相当する第1の直線位相変調信号(周期=1/f1)をバーストパルスとして生成する。第2の信号生成部22は、変調周波数f2に相当する第2の直線位相変調信号(周期=1/f2)をバーストパルスとして生成する。信号加算回路23は、第1の信号生成部21が生成した第1の直線位相変調信号と第2の信号生成部22が生成した第2の直線位相変調信号とを加算し、2つの周波数成分を有するバースト直線位相変調信号を生成する。バースト直線位相変調信号は、パルスの立ち上がり領域に変調周波数f2が設定され、パルスの主領域には変調周波数f1が設定されるものとする。信号加算回路23は、生成した2つの周波数成分を有するバースト直線位相変調信号を光位相変調器3に印加する。
RF分離カプラ31は、光受信器12の受信信号を2分岐し、一方の受信信号を第1のバンドパスフィルタ32に入力し、他方の受信信号を第2のバンドパスフィルタ35に入力する。第1のバンドパスフィルタ32は、変調周波数f1を中心とする周波数帯域の受信信号を通過させるバンドパスフィルタである。風計測信号処理部33は、第1のバンドパスフィルタ32を通過した変調周波数f1を中心とした受信信号をAD変換し、風によるドップラ周波数シフトを算出する。風速検出部34は、風計測信号処理部33が算出したドップラ周波数シフトから風速を検出する。
変調ユニット20の第1の信号生成部21、第2の信号生成部22、信号加算回路23および第3の信号生成部24、信号処理ユニット30の風計測信号処理部33、風速検出部34、ブレード計測信号処理部36およびブレード回転速度検出部37は、プロセッサ110がメモリ120に格納されたプログラムを実行することにより実現される。また複数のプロセッサ110および複数のメモリ120が連携して上述した機能を実行するように構成してもよい。
図4は、実施の形態1に係るレーザレーダ装置100の動作を示すフローチャートである。
レーザレーダ装置100の基準光源1から連続波光が出力されると(ステップST1)、光分岐カプラ2は当該連続波光を送信光と局発光に分離する(ステップST2)。光位相変調器3は、ステップST2で分離された送信光に対して、時間的に分離された2種類の周波数シフトを付加する(ステップST3)。ここで、付加する時間的に分離された2種類の周波数シフトは、第1の信号生成部21および第2の信号生成部22および信号加算回路23により生成されたバースト直線位相変調信号であり、詳細は後述する。
なお、以下の説明では、一例として光強度変調器4からパルス幅500nsのパルス光を出力させる場合を例に説明する。
第1の信号生成部21は、風計測用として、変調周波数f1に相当する第1の直線位相変調信号(周期1/f1)を生成し、バーストパルスとして信号加算回路23に出力する。第1の直線位相変調信号の一例を図5Aに示している。図5Aの例では、第1の直線位相変調信号の出力時間は10nsから500nsである。
ブレード903の回転速度をω、ブレード903の通過速度をVhub、ブレード903の傾斜をδ、ブレード903の半径をRとすると、ブレード903の回転により生じるドップラ速度Vdopは以下の式(1)で表される。
Vhub=2πω/60R
Vdop=Vhub×tanδ (1)
一例として、ブレード903の回転速度ω=16〜49[rpm]、ブレード903のピッチ角を5〜10度とすると、ドップラ速度Vdopは0.33から2.11[m/s]程度と算出される。よって、検出されるドップラシフト成分fdopは3[MHz]未満と推定される。
図6で示したように、ブレード903には風力による揚力を得るために、ピッチ角δが設けられている。ブレード903は風の到来方向に向けて設置されることから、ブレード903の傾斜は風の到来方向、且つ風車900本体に直交する方向に対する傾斜、即ちピッチ角δとなる。
また、図6の矢印Cは送信光を示し、矢印Dはドップラシフト成分fdopを示している。
まず、風計測に用いる第1の受信光の周波数は、風速によるドップラシフト成分fwが加わる。そのため、第1の光アンテナ9が受信する第1の受信光の周波数はf0+f1+fwで表される。一方、ブレード回転計測に用いる第2の受信光の周波数は、上述したブレード903によるドップラシフト成分fdopが加わる。そのため、第2の光アンテナ10が受信する第2の受信光の周波数はf0+f2+fdopで表される。ここで、f0は基準光源1が発振する基準光の周波数である。
図7は、実施の形態1に係るレーザレーダ装置100の受信光に対する動作を示すフローチャートである。
第1の光アンテナ9が第1の受信光を受信し、第2の光アンテナ10が第2の受信光を受信すると(ステップST21)、第1の受信光および第2の受信光は、光サーキュレータ6にて送信回路と分離されて光カプラ11に入力される(ステップST22)。光カプラ11は、入力した第1の受信光をおよび第2の受信光を、局発光と合波する(ステップST23)。なお、ステップST22およびステップST23の処理は、図4のフローチャートのステップST9の処理に相当する。
上述したステップST25からステップST31の処理は、図4のフローチャートのステップST11の処理に相当する。
なお、上述したステップST21で示した第1の受信光および第2の受信光の受信は、第1の光アンテナ9および第2の光アンテナ10が、送信光のパルスOFF期間に連続的に受信光を収集することにより行われるものとする。
図8において周波数領域Xは、風計測に用いる第1の送信光および第1の受信光を含む周波数領域を示している。周波数領域Xは、周波数範囲がf1±50MHzの領域である。
また、周波数領域Yは、ブレード回転計測に用いる第2の送信光および第2の受信光を含む周波数領域を示している。周波数領域Yは、周波数範囲がf2±3MHzの領域である。周波数領域Yでは、上述した式(1)に基づいて算出されたブレード903の回転により生じるドップラ速度Vdopから推定されたドップラシフト成分fdop(例えば、<3MHz)の周波数範囲が適用される。
なお、図9Aおよび図9Bは、図5Cおよび図5Dと同一のデータであることから説明を省略する。
図9Dは、漏れ光および受信信号を変調周波数f1と変調周波数f2に分離して示している。漏れ光Eaは漏れ光Eのうち変調周波数f1の漏れ光を示し、漏れ光Ebは漏れ光Eのうち変調周波数f2の漏れ光を示している。受信信号Fはブレード903により反射された反射光であることから、変調周波数f2+fdopとなり、漏れ光Eaに対して高周波数側にシフトしている。受信信号Gはエアロゾルによる散乱光であることから、変調周波数f1+fwである。
上述した実施の形態1では、バースト直線位相変調にパルスの立ち上がり領域にブレード回転計測用の変調信号を印加し、パルスの主領域に風計測用の変調信号を印加し、2種類の変調信号を印加することにより、1パルス内で風計測およびブレード回転計測を実現する構成を示したが、この実施の形態2ではパルスの後段領域にパルス主領域と異なる周波数の変調信号を印加し、RFスイッチにより漏れ光を抑圧する構成を示す。
この実施の形態2では、実施の形態1で示したレーザレーダ装置100の信号処理ユニット30内にRFスイッチ38を追加して設け、信号処理ユニット30aを構成している。なお、以下では、実施の形態1に係るレーザレーダ装置100の構成要素と同一または相当する部分には、実施の形態1で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
なお、以下の説明では、一例として光強度変調器4からパルス幅500nsのパルス光を出力させる場合を例に説明する。
第1の信号生成部21が生成する、変調周波数f1に相当する第1の直線位相変調信号の一例を図11Aに示している。図11Aの例では、第1の直線位相変調信号の出力時間は0nsから490nsである。
第3の信号生成部24は、光位相変調器3から出力される送信光に対して強度変調を行うためのパルス生成信号を生成し、光強度変調器4に印加する。パルス生成信号の一例を図11Dに示している。図11Dで示したパルス生成信号は、光強度変調器4が出力するパルス光が、出力時間が0nsから500nsの範囲で使用可能な光強度とする強度変調信号である。図11Dで示した例において、出力時間が0nsから490nsの範囲Hにおいて風計測に用いるためのパルス光を生成するための強度変調信号が生成される。また、出力時間が490nsから500nsの範囲I(当該範囲Iがパルス光の立ち下り領域に相当する)においてブレード回転計測に用いるためのパルス光を生成するための強度変調信号が生成されている。
なお、図13Aおよび図13Bは、図11Cおよび図11Dと同一のデータであることから説明を省略する。
図13Dは、漏れ光および受信信号を変調周波数f1と変調周波数f2に分離して示している。漏れ光Jaは漏れ光Jのうち変調周波数f1の漏れ光を示し、漏れ光Jbは漏れ光Jのうち変調周波数f2の受信信号を示している。受信信号Kは風車のブレード903により反射された反射光であることから、変調周波数f2+fdopとなり、漏れ光Jaに対して高周波数側にシフトしている。受信信号Lはエアロゾルによる散乱光であることから、変調周波数f1+fwとなる。
また、図13Dにおいて、実際には、漏れ光Jaの受信が開始された瞬間から散乱光の受信信号Lの受信が始まるため、受信信号Kと受信信号Lとが重なることが想定される。この場合でも、受信信号Kと受信信号Lとの周波数成分が異なることから周波数分離が可能となる。
上述した実施の形態1では、光サーキュレータ6から出力された送信信号を分岐させる光スイッチ7を設ける構成を示したが、この実施の形態3では、送信信号をフィルタで分離する構成を示す。
図14は、実施の形態3に係るレーザレーダ装置100bの構成を示すブロック図である。
この実施の形態3では、実施の形態1で示したレーザレーダ装置100の基準光源1、光スイッチ7および光スイッチ制御信号生成部8に替えて波長可変光源13および波長分離フィルタ14を設けて構成している。なお、以下では、実施の形態1に係るレーザレーダ装置100の構成要素と同一または相当する部分には、実施の形態1で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
上述した実施の形態1−3のレーザレーダ装置100,100a,100bは、例えば風車制御システムなどに適用することができる。この実施の形態4では、実施の形態1のレーザレーダ装置100を風車制御システムに適用した場合について示す。
図15は、実施の形態4に係る風車制御システム200の構成を示す機能ブロック図である。
風車制御システム200は、レーザレーダ装置100、制御装置901および駆動装置902で構成される。風車制御システム200は、例えば図1で示した風車900の頂部に搭載され、風車900のブレード903の回転起動をアシストする機能を有する。
レーザレーダ装置100が図4で示したフローチャートに従って検出した風速およびブレード903の回転速度を検出結果として出力すると(ステップST51)、制御装置901は当該検出結果を参照して、ブレード903が回転状態か否か判定を行う(ステップST52)。ステップST52の回転状態かの判定は、ブレード903の回転速度が0である場合に回転状態でないと判定してもよいし、ブレード903の回転速度が閾値以下である場合に回転状態でないと判定してもよい。
なお、以下の説明では、一例として光強度変調器4からパルス幅500nsのパルス光を出力させる場合を例に説明する。
第1の信号生成部21は、風計測用として、変調周波数f1に相当する第1の直線位相変調信号(周期1/f1)を生成し、バーストパルスとして信号加算回路23に出力する。第1の直線位相変調信号の一例を図5Aに示している。図5Aの例では、第1の直線位相変調信号の出力時間は10nsから500nsである。
なお、以下の説明では、一例として光強度変調器4からパルス幅500nsのパルス光を出力させる場合を例に説明する。
第1の信号生成部21が生成する、変調周波数f1に相当する第1の直線位相変調信号の一例を図11Aに示している。図11Aの例では、第1の直線位相変調信号の出力時間は0nsから490nsである。
Claims (8)
- レーザ光を発振する基準光源と、
第1の周波数成分および第2の周波数成分を有する直線位相変調信号に基づいて、前記レーザ光の送信光の位相変調を行う光位相変調器と、
前記第1の周波数成分と前記第2の周波数成分がそれぞれ異なるパルス幅を有するパルス光を生成するためのパルス光生成信号に基づいて、前記光位相変調器が位相変調を行った送信光の光強度を変調する光強度変調器と、
前記光強度変調器により光強度が変調された送信光を空間に照射すると共に、当該照射した送信光が第1の地点および第2の地点で反射された反射光を受信する光アンテナと、
前記光アンテナが受信した受信光と前記レーザ光の局発光とを合波した光をヘテロダイン検波する光受信器と、
前記光受信器のヘテロダイン検波により得られた受信信号を、前記第1の周波数成分および第2の周波数成分に基づいて分離し、前記第1の地点および前記第2の地点における受信信号の周波数分析を行う信号処理ユニットを備えたレーザレーダ装置。 - 前記光位相変調器は、前記第2の周波数成分を前記生成するパルス光の立ち上がり領域に印加することを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。
- 前記光位相変調器は、前記第2の周波数成分を前記生成するパルス光の立ち下り領域に印加し、
前記信号処理ユニットは、当該レーザレーダ装置からの漏れ光を抑圧するRFスイッチを備えたことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 前記光強度変調器として、半導体光増幅器を適用したことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。
- 前記光アンテナは、前記送信光を照射する第1の光アンテナおよび第2の光アンテナを備え、
前記光強度変調器により変調された送信光の光路を第1の光アンテナと第2の光アンテナとで切り替える光スイッチを備えたことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 前記基準光源は、2波長の前記レーザ光を発振する波長可変光源であり、
前記アンテナは、前記レーザ光の第1波長の送信光を照射する第1のアンテナと、前記レーザ光の第2波長の送信光を照射する第2のアンテナとを備え、
前記光強度変調器により変調された送信光の波長に基づいて、前記第1波長の送信光と前記第2波長の送信光に分離して前記第1のアンテナおよび前記第2のアンテナに出力する波長分離フィルタを備えたことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。 - 前記信号処理ユニットは、前記第1の周波数成分に基づいて前記第1の地点の風向風速情報を計測する風計測信号処理部と、前記風計測信号処理部が計測した風向風速情報から前記第1の地点の風速を検出する風速検出部と、前記第2の周波数成分に基づいて前記第2の地点に位置する回転部材の回転情報を計測する回転部材計測信号処理部と、前記回転部材計測信号処理部が計測した回転情報から前記回転部材の回転速度を検出する回転速度検出部とを備えたことを特徴とする請求項1記載のレーザレーダ装置。
- ブレードを備えた風車と、
レーザ光を発振する基準光源と、第1の周波数成分および第2の周波数成分を有する直線位相変調信号に基づいて、前記レーザ光の送信光の位相変調を行う光位相変調器と、前記第1の周波数成分と前記第2の周波数成分がそれぞれ異なるパルス幅を有するパルス光を生成するためのパルス光生成信号に基づいて、前記光位相変調器が位相変調を行った送信光の光強度を変調する光強度変調器と、前記光強度変調器により光強度が変調された送信光を空間に照射すると共に、当該照射した送信光が大気中のエアロゾルおよび前記ブレードで反射された反射光を受信する光アンテナと、前記光アンテナが受信した受信光と前記レーザ光の局発光とを合波した光をヘテロダイン検波する光受信器と、前記第1の周波数成分に基づいて前記風車位置における風向風速情報を計測する風計測信号処理部と、前記風計測信号処理部が計測した風向風速情報から前記風車位置における風速を検出する風速検出部と、前記第2の周波数成分に基づいて前記ブレードの回転情報を計測する回転部材計測信号処理部と、前記回転部材計測信号処理部が計測した回転情報から前記ブレードの回転速度を検出する回転速度検出部とを備えたレーザレーダ装置と、
前記レーザレーダ装置が検出した前記風車位置における風速と、前記ブレードの回転速度を参照し、前記風速が閾値以上であり、且つ前記ブレードが非回転状態である場合に、前記ブレードの回転起動をアシストする電流を印加する制御を行う制御装置と、
前記制御装置の制御に基づいて、前記ブレードの回転起動をアシストする電流を印加する駆動装置とを備えた風車制御システム。
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Publications (2)
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