WO2018096665A1 - データ処理装置、レーザレーダ装置、及び風測定システム - Google Patents

データ処理装置、レーザレーダ装置、及び風測定システム Download PDF

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WO2018096665A1
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wind speed
speed value
sight
line
wind
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PCT/JP2016/085109
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論季 小竹
俊平 亀山
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三菱電機株式会社
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    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Definitions

  • the present invention relates to a data processing device, a laser radar device, and a wind measurement system.
  • a radar device is known as a device for measuring the position of an object existing at a remote point.
  • the radar device radiates waves such as electromagnetic waves and sound waves to space, receives the waves reflected by the target object, and analyzes the signal to measure the distance and angle from the radar device to the object.
  • meteorological radars that can measure the speed of aerosol movement, that is, the speed of wind, from the amount of phase rotation of reflected waves are targeted for minute liquid or solid particles (aerosol) floating in the atmosphere. It has been.
  • laser radar devices that use light as electromagnetic waves, in particular, have a very small beam spread and can observe objects with high angular resolution, and are used as wind direction and wind speed radars.
  • the wind vector is calculated by a VAD (Velocity Azimuth Display) method, vector calculation, or the like using multi-directional gaze direction wind speed values.
  • VAD Vehicle Azimuth Display
  • the laser radar device As a usage application of the laser radar device, for example, as shown in the following patent document, there is a feedforward control in which an installation is made on a windmill nacelle, an incoming wind is detected, and pitch and yaw control is performed.
  • a feedforward control in which an installation is made on a windmill nacelle, an incoming wind is detected, and pitch and yaw control is performed.
  • wind power plants wind farms
  • the effective data acquisition rate is the number of times the wind direction wind speed can be calculated with respect to the number of trials of wind direction wind speed calculation.
  • the effective data acquisition rate decreases because the wind direction and wind speed cannot be calculated even if the wind direction and wind speed calculation are attempted. That is, a low effective data acquisition rate indicates that data necessary for wind direction and wind speed calculation has not been acquired.
  • a data processing apparatus communicates with a laser radar apparatus to acquire a line-of-sight wind speed value, laser emission angle, attitude information, position information, and time, and a storage apparatus that stores the line-of-sight wind speed value and time
  • a data extraction unit that extracts a gaze direction wind speed value stored in a storage device existing within a set time from a time of the gaze direction wind speed value newly acquired by the data communication device, and a gaze direction wind speed newly acquired by the data communication device
  • a central processing unit that executes a wind vector calculation unit that calculates a wind vector using a line-of-sight wind speed value extracted by the value and data extraction unit, and a memory that stores the data extraction unit and the wind vector calculation unit.
  • the wind vector calculation is performed by integrating the line-of-sight wind speed values measured by a plurality of laser radar devices, so that it is possible to collect data that is free from defects due to shielding, and the effective data acquisition rate by the shielding object can be collected. There is an effect of preventing the decrease.
  • Embodiment 1 a conventional method of acquiring a plurality of gaze direction wind speed values with a single laser radar apparatus can be used by uniformly managing and aggregating gaze direction wind speed values of data measured by a plurality of laser radar apparatuses. It is possible to improve the effective data acquisition rate while maintaining the data quality by determining the wind direction wind speed value data and adopting the wind vector calculation method. Note that the calculation of the wind vector requires a plurality of gaze direction wind speed values. Conventionally, when the necessary number of gaze direction wind speed values cannot be obtained by shielding the laser beam, the wind vector is calculated. The effective data acquisition rate used was decreasing.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration example of a wind measurement system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the wind measurement system includes laser radar devices 1a to 1n and a data processing device 2.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of the laser radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the laser radar apparatus 1a includes an optical oscillator 1001, an optical coupler 1002, an optical modulator 1003, an optical circulator 1004, a scanner 1005, an optical system 1006, a multiplexing coupler 1007, an optical receiver 1008, an A / D converter (Analog to Digital). Converter) 1009, signal processor 1010, angle / position sensor 1011, data communication unit 1012, and time acquisition unit 1013.
  • a / D converter Analog to Digital
  • the optical oscillator 1001 is an optical oscillator that has a function of oscillating laser light and outputs laser light to the optical coupler 1002. Other devices are connected to the optical coupler by fusion or optical connectors.
  • a fiber is used as a base.
  • the connection method may be a space propagation type without using a fiber.
  • a semiconductor laser is used for the optical oscillator 1001.
  • the optical coupler 1002 uses local light (light in the optical receiver direction) and transmission light (in the optical modulator direction) according to an arbitrary branching ratio for the light output from the optical oscillator 1001. Light).
  • the optical modulator 1003 is an optical device that performs optical frequency modulation and optical intensity modulation on the laser beam output from the optical coupler 1002.
  • an AO frequency shifter is used for the optical modulator 1003.
  • the pulse type laser radar apparatus is described as a premise, but a CW (Continuous Wave) system may be used.
  • an optical amplifier may be added after the AO (Acousto-Optic Effect) frequency shifter.
  • the optical circulator 1004 is an optical circulator that separates transmission light frequency-modulated by the optical modulator 1003 and reception light obtained through the scanner 1005 and the optical system 1006.
  • the transmission direction is connected to the optical system 1006, and the reception direction is connected to the multiplexing coupler 1007 by fusion or an optical connector.
  • the scanner 1005 includes a wedge prism, a motor and an encoder that rotate the wedge prism, and outputs angle information to the signal processor 10101 and rotates at an arbitrary speed.
  • a stepping motor with an encoder is used as the scanner 1005 motor.
  • the optical path may be switched by an optical switch and connected to an optical system having a different viewing direction in each optical path to obtain a wind speed value in multiple viewing directions.
  • a mechanical optical switch that is also used in communication
  • a MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) optical switch, or the like is used as the optical switch.
  • the optical system 1006 is an optical system that transmits transmission light output from the scanner 1005 to the atmosphere and receives scattered light from the aerosol as reception light.
  • an optical telescope is used for the optical system 1006.
  • the multiplexing coupler 1007 is a multiplexing coupler that combines the local light output from the optical coupler 1002 and the received light output from the optical circulator 1004. As the multiplexing coupler 1007, either a fusion type or a filter type coupler is used.
  • the optical receiver 1008 is an optical receiver that performs heterodyne detection on the light combined by the combining coupler 1007. For example, a balanced receiver is used for the optical receiver 1008.
  • the A / D converter 1009 is a converter that converts the analog electric signal output by the heterodyne detection by the optical receiver 1008 into digital in synchronization with the laser pulse trigger signal output by the optical modulator 1003.
  • FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration example of the signal processor 1010 according to the first embodiment of the present invention.
  • the signal processor 1010 includes a range bin divider 101, an FFT (Fast Fourier Transform) processor 102, an integration processor 103, a line-of-sight wind speed calculator 104, and a scanner controller 105.
  • the signal processor 1010 includes a field-programmable gate array (FPGA), an application specific integrated circuit (ASIC), and a microcomputer.
  • the range bin divider 101, the FFT (Fast Fourier Transform) processor 102, the integration processor 103, the line-of-sight wind speed calculator 104, and the scanner controller 105 may be configured by an FPGA or ASIC logic circuit, respectively. These functions may be executed as software.
  • the range bin divider 101 performs a process of dividing the digital reception signal output from the A / D converter 1009 into predetermined time ranges (range bins), and outputs the reception signal divided into the range bins to the FFT processor 102. It is a divider.
  • the FFT processor 102 is an FFT processor that Fourier-transforms the received signal of each range bin output from the range bin divider 101 and outputs a signal converted into a spectrum to the integration processor 103.
  • the integration processor 103 is an integration processor that integrates the spectrum signal output from the FFT processor 102 for each range bin and outputs the integrated spectrum to the line-of-sight direction wind speed calculator 104.
  • the line-of-sight wind speed calculator 104 calculates a Doppler wind speed value, that is, a line-of-sight wind speed value, from the spectrum integrated by the integration processor 103, and sends an electrical signal notifying that the calculation is completed to a time acquisition unit, an angle / position sensor, In addition to outputting to the scanner controller, the calculated gaze direction wind speed value is output to the data communication unit 1012.
  • the scanner controller 105 receives an electrical signal indicating the end of the calculation process of the line-of-sight direction wind speed calculator 104, transmits angle information for switching the line-of-sight direction to the scanner 1005, and also displays the angle information of the scanner indicating the irradiation angle of the laser beam. This is a scanner controller that transmits to the data communication unit 1012.
  • the angle / position sensor 1011 is a sensor that receives the electrical signal of the end of the calculation of the gaze direction wind speed calculator 104 and outputs the attitude angle information and position information of the laser radar device at that time.
  • the angle / position sensor 1011 includes a gyro sensor and a GPS (Global Positioning System) module.
  • the data communication unit 1012 includes a gaze direction wind speed value output from the gaze direction wind speed calculator 104, attitude angle information output from the angle / position sensor 1011, angle information of the scanner 1005 output from the scanner controller 105, and a time acquisition unit 1013. It is a data communication part which transmits the time information which outputs.
  • the data communication unit 1012 includes a communication device such as a wired or wireless LAN (Local Area Network) device, Bluetooth (registered trademark), or USB (Universal Serial Bus).
  • the time acquisition unit 1013 is a time acquisition unit that outputs the time to the data communication unit 1012 in response to the calculation processing end signal output from the line-of-sight direction wind speed calculator 104.
  • a GPS receiver is used for the time acquisition unit 1013.
  • the data processing device 2 includes a data communication device 201, a CPU (Central Processing Unit) 202, a memory 203, and a storage device 204.
  • a data communication device 201 a data communication device 201, a CPU (Central Processing Unit) 202, a memory 203, and a storage device 204.
  • CPU Central Processing Unit
  • the data communication device 201 receives data from the laser radar devices 1a to 1n for the gaze direction wind speed value and its SNR (Signal to Noise Ratio), the attitude angle information and position information of the laser radar device, the angle information of the scanner, and the time information. It is a receiving device.
  • the data communication device 201 is connected to the windmill control device and outputs wind vector information at the requested position.
  • a communication device such as a wired or wireless LAN device, Bluetooth, or USB is used for the data receiving apparatus 201.
  • the CPU 202 is a processor that executes a program stored in the memory 203.
  • the memory 203 is a memory for storing a program executed by the CPU 202.
  • the memory 203 stores a coordinate conversion unit 2030, a data extraction unit 2031, and a wind vector calculation unit 2032.
  • the coordinate conversion unit 2030, the data extraction unit 2031, and the wind vector calculation unit 2032 are programs and are executed by the CPU 202.
  • the storage device 204 is a storage device that stores data processed by the CPU 202 as a database.
  • the storage device 204 stores the line-of-sight wind speed value, its SNR, laser beam irradiation angle, posture angle information (obtained laser radar device posture angle), measurement position (obtained laser radar device position), and acquisition time.
  • Gaze direction wind speed values are stored in the Earth coordinate system such as east, west, south, and north.
  • a RAM Random Access Memory
  • a hard disk, or the like is used for the storage device 204.
  • the optical oscillator 1001 outputs laser light to the optical coupler 1002.
  • the optical coupler 1002 distributes the light output from the optical oscillator 1001 in order to perform heterodyne detection in the optical receiver 1008 into local light and transmission light with an arbitrary branching ratio.
  • the branching ratio is determined by system design. For example, the following formula is used for line calculation for system design.
  • ⁇ , K, and S 0 represent a backscattering coefficient (m ⁇ 1 sr ⁇ 1 ), atmospheric transmittance, and coherence diameter (m) of scattered light, respectively, and represent parameters representing atmospheric conditions that cannot be controlled by the system.
  • D (m), F (m), and N (times) represent a beam diameter, a collection distance, a pulse width, and an incoherent integration number, respectively, and represent parameters that can be changed in the system.
  • H, ⁇ , P, ⁇ F, and B are Planck's constant (Js), wavelength (m), transmission light pulse energy (J), Far Field transmission / reception efficiency, reception bandwidth (Hz), and Ac
  • Js Planck's constant
  • m wavelength
  • J transmission light pulse energy
  • Hz Far Field transmission / reception efficiency
  • Hz reception bandwidth
  • Ac An approximation coefficient for replacing a Gaussian beam (NGB) with a diffraction limit having a high correlation with an vignetting Gaussian beam (NGB) by an antenna
  • L represents an observation distance (m).
  • the optical modulator 1003 performs optical frequency modulation and optical intensity modulation on the transmission light output from the optical coupler 1002, and outputs the modulated transmission light to the optical circulator 1004.
  • the optical modulator 1003 determines the pulse width and repetition frequency (PRF) of the laser light to be transmitted. Since the pulse width also corresponds to the distance resolution, the pulse width corresponding to the desired distance resolution value can be set in the signal processor 10101, and a fixed pulse width and PRF set at the time of design are output. You may make it do.
  • the optical circulator 1004 has a function of separating the transmission light and the reception light, outputs the transmission light modulated by the optical modulator 1003 to the scanner 1005, and receives the scattered light from the atmospheric aerosol as the reception light to the multiplexing coupler 1007. Output.
  • the eaves scanner 1005 receives the control signal output from the signal processor 1010, rotates the wedge prism, and arbitrarily changes the direction of the light emitted from the optical system 1006. In addition, an electrical signal corresponding to the encoder information is output to the signal processor 1010 to transmit the angle information.
  • the optical system 1006 collimates the transmission light output from the scanner 1005, outputs the collimated light into the atmosphere, and receives the light scattered by the aerosol with respect to the transmission light as reception light.
  • the optical system 1006 outputs received light to the optical circulator 1004. Note that the optical system 1006 may have a condensing adjustment function.
  • the multiplexing coupler 1007 combines the local light output from the optical coupler 1002 and the received light output from the optical circulator 1004, and outputs the combined light to the optical receiver 1008.
  • the optical receiver 1008 photoelectrically converts the light output from the combining coupler, performs frequency demodulation of the received light by heterodyne detection, and outputs the electric signal to the A / D converter 1009.
  • the A / D converter 1009 performs A / D conversion at the sampling frequency fs in synchronization with the pulse trigger signal generated in the optical modulator 1003, and outputs a digital signal to the signal processor 1010.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the range bins divided by the range bin divider 101 according to the first embodiment of the present invention.
  • the range bin divider 101 divides the digital signal output from the A / D converter 1009 by an arbitrary time width. This means that the received light from each distance is divided by an arbitrary time width. Since time and distance correspond to each other, hereinafter, a time interval, that is, a distance interval is called a range bin.
  • the range bin divider 101 divides the received waveform into an arbitrary number of range bins and outputs a voltage value corresponding to the received waveform to the FFT processor 102.
  • the range bin is divided at equal time intervals, but the present invention is not limited to this, and the observation start distance corresponding to Tstart may be determined by the user, or may be set for each range bin.
  • the range of Tstart and Tend may be overlapped.
  • Tstart is the data acquisition start time of each range bin
  • Tend is the data acquisition end time of each range bin
  • m is the range bin number, and has a value from 1 to M.
  • Rmin is a value for adjustment, and is a parameter for designating the observation minimum distance.
  • the FFT processor 102 performs fast Fourier transform on the time waveform of each range bin output from the range bin divider 101 to obtain a spectrum for the received signal of each range bin.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing the integration processing of the integration processor 103 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the integration processor 103 performs integration processing for the number of times specified by the user for each range bin. Incoherent integration is performed on the spectrum obtained in each shot. The integration process is performed on the spectrum data of each range bin using the following formula.
  • SPC is spectrum data
  • i is a frequency flight number, that is, a number indicating what number of data is arranged in order of frequency
  • i is a shot number
  • R is a range bin number.
  • the gaze direction wind speed calculator 104 calculates the Doppler frequency in the gaze direction, that is, the gaze direction wind speed value from the integrated spectrum, and outputs the calculated wind speed value and its SNR to the data communication unit 1012.
  • a center of gravity calculation may be used in addition to detection by spectral peak detection.
  • Calculation of the Doppler frequency fd by the center of gravity calculation is expressed by the following equation.
  • S (f) is the spectrum of the received signal for a certain range bin (R)
  • S (f) S (i, R)
  • f is a frequency corresponding to the number (i) of each frequency bin.
  • the line-of-sight direction wind speed calculator 104 outputs an electrical signal indicating the end of the calculation to the angle / position sensor 1011, the scanner controller 105, and the time acquisition unit 1013 after the end of the calculation.
  • the calculation is after the end, but it may be before the calculation starts or at the start of the integration process in the upper integration processor 103.
  • the average value of the angle and the position obtained in the time zone during integration may be transmitted to the data processing device 2, and the present invention is not limited to this.
  • the scanner controller 105 generates a control signal for controlling the angle of the scanner 1005 in order to switch the viewing direction of the transmission light.
  • the scanner controller 105 receives the calculation end signal output from the line-of-sight wind speed calculator 104, the scanner controller 105 determines the angle of the scanner 1005 when the laser beam is irradiated to calculate the line-of-sight wind speed value. 1012.
  • the scanner 1005 changes the angle of the mirror (or may be a wedge prism) by driving a stepping motor in the scanner according to a control signal from the scanner controller 105 and performing a desired step operation.
  • an angle signal from the mounted encoder is transmitted to the scanner controller 105, and the scanner controller 105 holds angle information after the operation.
  • the angle corresponds to an ideal angle ⁇ described later.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing the spread angle of the laser beam controlled by the scanner 1005 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the angle irradiates the laser beam in one side angle ⁇ and in the horizontal direction with respect to the ground. ⁇ represents the spread angle of each two laser beams.
  • the scanner controller 105 outputs a control signal for switching the laser light to left, right, and left to the scanner 1005.
  • the angle / position sensor 1011 When the angle / position sensor 1011 receives the calculation end signal output from the line-of-sight direction wind speed calculator 104, the angle / position sensor 1011 outputs the angle and position of the laser radar device at the time of reception to the data communication unit 1012.
  • a sensor that can be shaken and translated with a six-axis degree of freedom such as a gyro sensor, an elevation angle EL, an azimuth angle AZ from north, and a vertical translation of east-west north-south can be obtained.
  • a sensor is used.
  • the position sensor a sensor capable of knowing latitude and longitude such as GPS or a sensor capable of obtaining a UTM coordinate system is used.
  • the time acquisition unit 1013 When the time acquisition unit 1013 receives the calculation end signal output from the line-of-sight direction wind speed calculator 104, the time acquisition unit 1013 acquires the time from the GPS satellite and outputs the time at the time of reception to the data communication unit 1012. Note that a GPS sensor is used for the time acquisition unit 1013, but NTP (Network Time Protocol) may be used as long as time synchronization is possible.
  • NTP Network Time Protocol
  • the data communication unit 1012 transmits the above-described line-of-sight wind speed value, the time and SNR associated therewith, the attitude angle of the laser radar apparatus, the position of the laser radar apparatus, and the irradiation angle of the laser beam to the data processing apparatus 2.
  • the transmission method may be wired such as an optical cable, or may be wireless such as Bluetooth or WiFi.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an operation flow of the data processing apparatus 2 according to the first embodiment of the present invention.
  • the data communication device 201 in the data processing device 2 receives the information transmitted by the data communication unit 1012 of the laser radar device 1a.
  • the data communication device 201 is a pair with the data communication unit 1012 in the laser radar device 1a described above.
  • the data communication device 201 also uses Bluetooth.
  • step S102 the CPU 202 calls and executes the coordinate conversion unit 2030 stored in the memory 203.
  • the coordinate conversion unit 2030 determines whether or not the SNR associated with the line-of-sight direction wind speed value is equal to or greater than the threshold value Ts. If it is equal to or greater than Ts, the process proceeds to step S103 due to a YES branch. If it is less than Ts, the process proceeds to END by branching No, and data below the threshold is not saved.
  • step S103 the coordinate conversion unit 2030 performs the following calculation to convert the data coordinates.
  • the observation center distance value Ds in the line-of-sight direction of each range bin is expressed by the following equation.
  • the coordinates (XL, XL, ZL) of each observation point based on the laser radar device 1a are expressed by the following formula. In the following formula, 0 ° ⁇ AZ ⁇ 180 °.
  • XL, YL, and ZL represent the left-right direction, the front-rear direction, and the vertical direction with respect to the direction of the laser radar apparatus 1a
  • H is the height of the laser radar apparatus 1a with respect to the ground
  • AZ is an angle / position sensor.
  • the azimuth angle of the laser radar apparatus 1a obtained from 1011 and EL represents the elevation angle of the laser radar apparatus 1a.
  • ⁇ is the irradiation angle of the laser beam.
  • the UTM (Universal Transverse Mercator) coordinates of the wind farm where the laser radar devices 1a to 1n are installed are (Xuw, Yuw, Zuw), and the UTM coordinates of the laser radar device 1a obtained from the angle / position sensor 1011 are Assuming (Xul, Yul, Zul), the measurement position of each range bin (X, Y, Z) is represented by the following equation.
  • l the number of the laser radar device.
  • the coordinate conversion unit 2030 performs the above calculation, and stores the line-of-sight direction wind velocity value v (t, AZ, EL) of each range bin in the storage device 204 in association with the measurement points X, Y, Z. Thereby, the line-of-sight direction wind velocity value v corresponding to the time t and the measurement points X, Y, and Z is stored in the storage device 204 as a database.
  • the line-of-sight wind speed value v is a vector quantity whose direction is represented by an azimuth angle AZ and an elevation angle EL.
  • the data extraction unit 2031 searches for data suitable for calculating the wind vector.
  • step S104 the data extraction unit 2031 determines whether or not the line-of-sight wind speed value obtained by the immediately preceding laser emission exists and satisfies the desired SNR in the laser radar device that has transmitted the data received in step S101. Investigate. This is because, in order to calculate the wind vector, if the laser beam of the laser radar device 1a is not blocked by the blade of the windmill or the like, the wind vector is calculated only with its own data as before. If not, the process proceeds to step S105 due to a NO branch. If it exists, the process proceeds to step S112 due to a YES branch. The following NO branch will be described.
  • step S105 the data extraction unit 2031 extracts data within Tu (sec) from the data stored in the storage device 204 with respect to the data received in step S101.
  • Turbulence Intensity standard deviation of wind speed value in horizontal direction ⁇ average wind speed value
  • a conditional expression such as a uniform wind velocity field (wind flow) may be given.
  • step S106 the data extraction unit 2031 extracts data whose distance measured with respect to the data received in step S101 is within D (m) from the data extracted in step S105.
  • D ⁇ (X 2 + Y 2 + Z 2 ).
  • threshold processing may be performed as an absolute distance in two dimensions at two points, or threshold values may be provided for the X, Y, and Z directions.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing an environment in which laser radar devices are mounted on nacelles of a plurality of windmills in the wind farm according to the first embodiment of the present invention.
  • the “target nacelle” represents a nacelle equipped with a laser radar device that is the output source of the most recently acquired gaze direction wind speed value.
  • the solid arrow represents the gaze direction wind speed value X (sec) before the gaze direction wind speed value measured by the laser radar device of the target nacelle, and the dotted line represents the gaze direction wind speed value before Y (sec). It is.
  • step S106 data measured by a laser radar device within D (m) from the target nacelle is extracted.
  • step S107 the data extraction unit 2031 extracts, from the data extracted in step S106, data in which the angle of the line-of-sight wind velocity value is larger than the arbitrary angle ⁇ on the XY plane with respect to the data received in step S101.
  • the original emission angle ⁇ of the laser radar apparatus may be set as a threshold value, and may be given a likelihood as ⁇ + ⁇ in consideration of the nacelle yaw motion.
  • each threshold value may be set in real time from the degree of turbulence, or an empirical value may be given by the user. For example, when the altitude change fluctuates more significantly than the horizontal change in wind speed, a strict value is set in the altitude direction, and a gentle threshold is set in the horizontal direction to ensure the availability of usable data and the accuracy of the wind vector. it can.
  • step S108 the data extraction unit 2031 determines whether there are two or more data items that satisfy the conditions of steps S105 to S107. If there are two or more, the process proceeds to step S109 due to a YES branch. If the number is less than 2, the process proceeds to step S110 due to a NO branch.
  • step S109 the data extraction unit 2031 extracts data having the closest distance to the data received in step S101 from the data extracted in the processes up to step S107.
  • This is in view of the low processing cost and the possibility that spatial uniformity is most directly linked to accuracy.
  • this may be time or an angle.
  • a plurality of conditions may be imposed such that the distance is the closest, the time difference is the least, and the angle difference is the closest to 90 deg.
  • step S110 the wind vector computing unit 2032 uses the data received in step S101 and the data extracted in step S109 or the data extracted in step S112, which will be described later, to perform vector synthesis or VAD (Velocity Azimuth Display) method.
  • VAD Vector Azimuth Display
  • the wind vector is calculated, and the calculated wind vector is transmitted to the data communication apparatus 201.
  • the line-of-sight wind speed value v is the east-west horizontal wind speed value U, the north-south horizontal wind speed value V, the elevation angle ⁇ , and the azimuth angle based on north.
  • the horizontal wind velocity value U and the horizontal wind velocity value V can be calculated by solving simultaneous equations composed of two line-of-sight wind velocity values. Thereby, a two-dimensional wind vector is obtained.
  • the storage device 201 stores the obtained wind vector.
  • the line-of-sight direction wind speed value v is expressed by the following equation. Therefore, as in the case of the two cases, by solving simultaneous equations, the horizontal direction wind speed value U The wind speed value V in the horizontal direction and the wind speed value W in the vertical direction can be calculated. Thereby, a three-dimensional wind vector is obtained.
  • step S111 the data communication apparatus 201 transmits the calculated wind vector to the laser radar apparatus 1a that transmitted the data received in step S101, and ends the flow.
  • step S112 the data extraction unit 2031 extracts data previously acquired by the laser radar device that transmitted the data received in step S101 from the data stored in the storage device 204. As described above, the extracted data is used to calculate a wind vector in step S110.
  • the laser radar device 1a outputs the wind vector obtained from the data processing device 2 to the windmill control device or its own display.
  • control such as a yaw control or pitch control of a windmill, can be performed based on a wind vector, and it can contribute to the improvement of a wind power generation amount.
  • the data processing apparatus 2 may output the wind vector directly to the windmill control apparatus.
  • the memory 203 may be used as the storage device 204.
  • a threshold Te for EL may be added in addition to the threshold for SNR.
  • the horizontal wind speed value is the most important. Therefore, outputting the wind speed value of a cross section that is not horizontal may conversely reduce the amount of wind power generation. Therefore, there is an effect that this problem can be solved by setting a threshold value for EL.
  • the number of laser beams to be irradiated is two on the horizontal plane, but the number of irradiation may be increased and irradiation may be performed in the vertical direction. In that case, not only the wind vector at the center of the nacelle but also a three-dimensional wind vector in the vertical direction can be obtained, so that wind turbine control with higher wind power generation efficiency is possible.
  • the wind vector is calculated using not only the gaze direction wind speed value of itself but also the gaze direction wind speed value measured by another laser radar device.
  • a shield such as a blade of a windmill.
  • a single laser radar device requires time to switch beams, but with this method, it is possible to perform a wind vector calculation using a gaze direction wind speed value acquired at the same time. This has the effect of improving the wind speed measurement accuracy.
  • Embodiment 2 in contrast to the first embodiment in which the wind vector is calculated by the data processing apparatus, a request for the gaze direction wind velocity value is made from the laser radar apparatus to the data processing apparatus, and the wind vector is calculated by the laser radar apparatus.
  • the load on the data processing device is reduced, and the wind vector calculation time is reduced.
  • FIG. 9 is a configuration diagram showing a configuration example of a wind measurement system according to Embodiment 2 of the present invention. 9, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
  • the wind measurement system includes laser radar devices 11a to 11n, a data processing device 20, and windmill control devices 3a to 3n.
  • the laser radar devices 11a to 11n are different from the laser radar devices 1a to 1n of the first embodiment in the signal processor.
  • a signal processor 1110 described later is used instead of the signal processor 1010 of the first embodiment.
  • the data processing device 20 is different from the data processing device 2 of the first embodiment in that there is no wind vector calculation unit 2032 that calculates a wind vector.
  • the windmill control device 3a is a control device that performs control such as yaw control or pitch control of the windmill.
  • a PC Personal Computer
  • a microcomputer is used for the windmill control device 3a.
  • FIG. 10 is a configuration diagram showing a configuration example of the signal processor 1110 according to the second embodiment of the present invention. 10, the same reference numerals as those in FIG. 3 denote the same or corresponding parts.
  • the signal processor 1110 includes a range bin divider 101, an FFT processor 102, an integration processor 103, a line-of-sight wind speed calculator 104, a scanner controller 105, and a wind vector calculator 106.
  • the wind vector calculator 106 calculates a wind vector using the line-of-sight direction wind speed value data output from the line-of-sight wind speed calculator 104 and the line-of-sight direction wind speed value data obtained from the data communication unit 1012, and calculates the calculated wind vector. Is output to the scanner controller 105 and the data communication unit 1012.
  • the wind vector calculator 106 includes an FPGA, an ASIC, a microcomputer, and the like.
  • Embodiment 2 of the present invention Since operations other than the signal processor 1110 of the laser radar device 11a are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
  • the operations of the range bin divider 101, the FFT processor 102, the integration processor 103, the line-of-sight wind speed calculator 104, and the scanner controller 105 are the same as those in Embodiment 1 and will be described. Omitted.
  • the wind vector calculator 106 outputs the gaze direction wind speed value output from the gaze direction wind speed calculator 104 to the data processing device 20 via the data communication unit 1012. Further, the wind vector calculator 106 receives a gaze direction wind speed value for synthesizing a wind vector together with the gaze direction wind speed value from the data processing device 20.
  • the operation of the data processing device 20 that has received the data from the data communication unit 1012 is the same as the flow except for step S110 in FIG.
  • the coordinate conversion unit 2030 stores the data
  • the data extraction unit 2031 collates the data, and transmits the result to the laser radar device 11a.
  • the wind vector calculator 106 synthesizes the line-of-sight wind speed value output from the line-of-sight wind speed calculator 104 and the line-of-sight wind speed value output from the data processing device 20 by the method described in step S110 of FIG. Calculate the wind vector.
  • the wind vector calculator 106 outputs the calculated wind vector to the scanner controller 105 and the data communication unit 1012.
  • the data communication unit 1012 outputs the wind vector to the windmill control device 3a.
  • the windmill control device 3a controls the windmill based on the wind vector information.
  • the data extraction unit 2031 is provided in the data processing device 20 here, the data extraction unit 2031 may be provided in the laser radar device 11a.
  • the coordinate conversion unit 2030 stores the data, transmits the data in response to the request of the laser radar device 11a, and collates the data with the laser radar device 11a.
  • the wind vector is calculated by the laser radar device as compared with the first embodiment, so that the data processing device uses the wind vectors of all the laser radar devices.
  • the calculation load can be reduced as compared with the calculation.
  • Embodiment 3 a method in which the wind measurement system is configured by only a laser radar device and the laser radar devices exchange data with each other will be described. This eliminates the need for a data processing apparatus and reduces the apparatus configuration.
  • FIG. 11 is a configuration diagram showing a configuration example of a wind measurement system according to Embodiment 3 of the present invention. 11, the same reference numerals as those in FIG. 9 denote the same or corresponding parts.
  • the laser radar devices 12a to 12n are different from the laser radar devices 11a to 11n of the second embodiment in the signal processor. In the laser radar devices 12a to 12n, a signal processor 1210 described later is used instead of the signal processor 1110 of the second embodiment.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a configuration example of a signal processor 1210 according to Embodiment 3 of the present invention. 12, the same reference numerals as those in FIG. 10 denote the same or corresponding parts.
  • the signal processor 1210 includes a range bin divider 101, an FFT processor 102, an integration processor 103, a line-of-sight direction wind speed calculator 104, a scanner controller 105, a wind vector calculator 106, and a data storage unit 107.
  • the data storage unit 107 is a data storage unit that stores the visual direction wind speed value output from the visual direction wind speed calculator 104 and the visual direction wind speed value obtained from another laser radar device via the data communication unit 1012.
  • the data storage unit 107 includes an FPGA, an ASIC, a microcomputer, and the like.
  • the data storage unit 107 Upon receiving the line-of-sight data output from the line-of-sight wind speed calculator 104, the data storage unit 107 communicates with the laser radar device existing within the peripheral distance radius D (m) via the data communication unit 1012 and other lasers. The line-of-sight wind speed value acquired by the radar device is obtained. Then, the data storage unit 107 outputs the gaze direction wind speed value data output from the gaze direction wind speed calculator 104 and the gaze direction wind speed value data obtained from another laser radar apparatus to the wind vector calculator 106.
  • D (m) may be set arbitrarily by the user, or may be set so as to be the maximum distance of the recently obtained line-of-sight wind speed value. In that case, D (m) becomes a variable value.
  • the maximum distance means the maximum distance at which the SNR associated with the gaze direction wind speed value acquired by itself becomes a predetermined value or more. Since the amount of atmospheric dust changes in real time, by making D (m) variable by the above method, it is possible to improve the effective data rate with a minimum database without being overlooked.
  • the data storage unit 107 is required to unify the coordinate system of the line-of-sight wind speed values extracted for calculation in the wind vector calculator 106, so the function of the coordinate conversion unit 2030 described in Embodiment 1 is used. Have. Further, the data storage unit 107 has the function of the data extraction unit 2031 described in Embodiment 1 in the case where the line-of-sight data that is larger than the desired number and within the distance range D is obtained.
  • the laser radar devices exchange the gaze direction wind speed value data with each other without using the data processing device.
  • the number of data processing devices can be reduced.
  • the amount of communication can be reduced and the associated computer cost can be reduced.

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Abstract

従来の風測定システムでは、レーザレーダ装置の前方に遮蔽物がある場合、風ベクトルに対する有効データ取得率は低下するという課題があった。　本発明のデータ処理装置は、レーザレーダ装置と通信し、視線方向風速値、レーザ射出角度、姿勢情報、位置情報、時刻を取得するデータ通信装置と、視線方向風速値及び時刻を保存する記憶装置と、データ通信装置が新しく取得した視線方向風速値の時刻から設定時間内に存在する記憶装置に保存された視線方向風速値を抽出するデータ抽出部、並びにデータ通信装置が新しく取得した視線方向風速値及びデータ抽出部が抽出した視線方向風速値を用いて風ベクトルを演算する風ベクトル演算部、を実行するＣｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔと、データ抽出部及び風ベクトル演算部を保存するメモリとを備える。

Description

データ処理装置、レーザレーダ装置、及び風測定システム
　この発明は、データ処理装置、レーザレーダ装置、及び風測定システムに関するものである。
　従来遠隔点に存在する物体の位置を計測するものとして，レーダ装置が知られている。レーダ装置は電磁波や音波などの波動を空間に放射し、対象となる物体で反射された波動を受信し、その信号を解析することにより、レーダ装置から物体までの距離や角度を計測する。レーダの中でも、大気中に浮遊する微小な液体または固体の粒子（エアロゾル）を対象とし、反射された波動の位相回転量からエアロゾルの動く速度、すなわち風の速度を知ることができる気象レーダが知られている。気象レーダの中でも特に電磁波として光を用いるレーザレーダ装置は、放射するビームの広がりが極めて小さく、高い角度分解能で物体を観測することが可能であり、風向風速レーダとして使用されている。風べクトルの算出には、一般的に、多方向の視線方向風速値を用いて、ＶＡＤ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ａｚｉｍｕｔｈ　Ｄｉｓｐｌａｙ）法や、ベクトル演算等により算出する。
　当該レーザレーダ装置の使用用途には、例えば、以下の特許文献に示すように、風車ナセルの上に設置し、到来風を検知させ、ピッチ、ヨー制御を行う、といったフィードフォワード制御がある。風力発電所（ウィンドファーム）では複数の風車にレーザレーダ装置を搭載し、それぞれの風車の発電効率を向上させ、全体の風力発電量を最大化することが考えられる。
　特開２００４－３０１１１６号公報
　しかし、上記のように、風車のブレードの後方にライダを設置した場合、ブレードによってライダのレーザ光が遮蔽され、観測できない状態が発生する。特に、風速が低い、もしくは風車ブレードが停止した状態の場合、連続的に当該状況が発生する。風向・風速（風ベクトル）の演算を行うためには、２次元であれば２視線以上、３次元であれば３視線以上の視線方向風速値が必要となるため、一方向でも遮断されると風ベクトルの演算ができなくなる。遮蔽される状況に対して、従来は、遮蔽物が除かれるまで待つしか対応することができない上、単純にレーザ光を切り替えながらレーザ光を走査する形式のレーザレーダ装置では、その方向の順番が来るまで待つことになる。このため、風ベクトルに対する有効データ取得率は低下するという課題があった。なお、ここで有効データ取得率とは、風向風速計算の試行回数に対して、風向風速が計算できた回数である。レーザ光が遮蔽物で遮蔽される回数が多い場合、風向風速計算を試行しても、風向風速を計算できないので、有効データ取得率は低下する。つまり、有効データ取得率が低いというのは、風向風速計算に必要なデータが取得できていないことを示している。
　本発明のデータ処理装置は、レーザレーダ装置と通信し、視線方向風速値、レーザ射出角度、姿勢情報、位置情報、時刻を取得するデータ通信装置と、視線方向風速値及び時刻を保存する記憶装置と、データ通信装置が新しく取得した視線方向風速値の時刻から設定時間内に存在する記憶装置に保存された視線方向風速値を抽出するデータ抽出部、並びにデータ通信装置が新しく取得した視線方向風速値及びデータ抽出部が抽出した視線方向風速値を用いて風ベクトルを演算する風ベクトル演算部、を実行するＣｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔと、データ抽出部及び風ベクトル演算部を保存するメモリとを備える。
　この発明によれば、複数のレーザレーダ装置で測定した視線方向風速値を統合して風ベクトル算出を行うので、遮蔽による欠損を免れたデータを集めることができ、遮蔽物による有効データ取得率の低下を防げるという効果がある。
この発明の実施の形態１に係る風測定システムの一構成例を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る信号処理器１０１０の一構成例を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係るレンジビン分割器１０１が分割するレンジビンを説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係る積算処理器１０３の積算処理を示す概念図である。 この発明の実施の形態１に係るスキャナ１００５が制御するレーザ光の見開き角度を表す概念図である。 この発明の実施の形態１に係るデータ処理装置２の動作フローを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係るウィンドファーム内の複数台の風車のナセルにレーザレーダ装置が搭載されている環境を示す概念図である。 この発明の実施の形態２の風測定システムの一構成例を示す構成図である。 この発明の実施の形態２に係る信号処理器１１１０の一構成例を示す構成図である。 この発明の実施の形態３に係る風測定システムの一構成例を示す構成図である。 この発明の実施の形態３に係る信号処理器１２１０の一構成例を示す構成図である。
実施の形態１.
　本実施の形態は、従来、単一のレーザレーダ装置で複数の視線方向風速値を取得する方式を、複数のレーザレーダ装置で測定したデータの視線方向風速値を一律管理・集約し、利用可能な視線方向風速値データか否かを見極めた上で、風ベクトルを計算する方式にすることで、データ品質を保ちながら有効データ取得率を向上させることができるものである。なお、風ベクトルの算出には、複数の視線方向風速値が必要となるが、従来、レーザ光が遮蔽されることによって必要数の視線方向風速値が得られなかった場合、風ベクトルの算出に用いる有効データ取得率が減少していた。
　図１は、この発明の実施の形態１に係る風測定システムの一構成例を示す構成図である。本風測定システムは、レーザレーダ装置１ａ～１ｎ、データ処理装置２を備える。
　図２は、この発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装置の一構成例を示す構成図である。本レーザレーダ装置１ａは、光発振器１００１、光カプラ１００２、光変調器１００３、光サーキュレータ１００４、スキャナ１００５、光学系１００６、合波カプラ１００７、光受信器１００８、Ａ／Ｄ変換器（Ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１００９、信号処理器１０１０、角度・位置センサ１０１１、データ通信部１０１２、時刻取得部１０１３を備える。
　光発振器１００１は、レーザ光を発振する機能を有し、光カプラ１００２にレーザ光を出力する光発振器である。他のデバイスとは、光カプラに融着もしくは光コネクタで接続される。なお、以降の光接続方法にはファイバをベースに記載しているが、接続方法にはファイバを用いずに空間伝搬型としても良い。例えば、光発振器１００１には、半導体レーザが用いられる。
　光カプラ１００２は、後段の光受信器においてヘテロダイン検波を行わせるために、光発振器１００１が出力した光を任意分岐比によりローカル光(光受信器方向の光)と送信光(光変調器方向の光)とに分配する分配器である。
　光変調器１００３は、光カプラ１００２が出力したレーザ光を光周波数変調及び光強度変調する光学機器である。例えば、光変調器１００３には、ＡＯ周波数シフタが用いられる。本構成では、パルス型のレーザレーダ装置を前提に記載しているが、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式を用いても良い。また、出力光が不足している場合、ＡＯ（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｅｆｆｅｃｔ）周波数シフタの後段に光増幅器を追加してもよい。
　光サーキュレータ１００４は、光変調器１００３が周波数変調した送信光と、スキャナ１００５及び光学系１００６を介して得られる受信光とを分離する光サーキュレータである。送信方向を光学系１００６と接続し、受信方向を合波カプラ１００７と融着もしくは光コネクタを以て接続する。
　スキャナ１００５は、ウェッジプリズムとそれを回転させるモータ、エンコーダから成り、信号処理器１０１０１に角度情報を出力すると共に、任意速度で回転するスキャナである。例えば、スキャナ１００５のモータにはエンコーダ付ステッピングモータが使用される。上述のスキャナ構成のほか、光スイッチで光路を切り替え、それぞれの光路に異なる視線方向を持つ光学系に接続することで、多視線方向の風速値を得るような構成にしても良い。その場合、例えば、光スイッチには、通信でも用いられるメカニカル光スイッチやＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）光スイッチ等が用いられる。
　光学系１００６は、スキャナ１００５が出力した送信光を大気中に送信し、エアロゾルからの散乱光を受信光として受信する光学系である。例えば、光学系１００６には、光学望遠鏡が用いられる。
　合波カプラ１００７は、光カプラ１００２が出力するローカル光と光サーキュレータ１００４が出力する受信光とを合波する合波カプラである。合波カプラ１００７には、溶融型、フィルタ型いずれかのカプラが用いられる。
　光受信器１００８は、合波カプラ１００７が合波した光をヘテロダイン検波する光受信器である。例えば、光受信器１００８には、バランスドレシーバが用いられる。
　Ａ／Ｄ変換器１００９は、光受信器１００８がヘテロダイン検波し、出力したアナログ電気信号を、光変調器１００３が出力したレーザパルストリガ信号に同期して、デジタルに変換する変換器である。
　図３は、この発明の実施の形態１に係る信号処理器１０１０の一構成例を示す構成図である。
　信号処理器１０１０は、レンジビン分割器１０１、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理器１０２、積算処理器１０３、視線方向風速算出器１０４、及びスキャナ制御器１０５を備える。
　例えば、信号処理器１０１０は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、マイコンなどで構成される。レンジビン分割器１０１、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理器１０２、積算処理器１０３、視線方向風速算出器１０４、及びスキャナ制御器１０５は、ＦＰＧＡ、もしくはＡＳＩＣの論理回路で構成されても良いし、それぞれの機能をソフトウェアとして実行しても良い。
　レンジビン分割器１０１は、Ａ／Ｄ変換器１００９が出力したデジタルの受信信号を所定の時間レンジ（レンジビン）ごとに区切る処理を行い、レンジビンごとに区切った受信信号をＦＦＴ処理器１０２に出力するレンジビン分割器である。
　ＦＦＴ処理器１０２は、レンジビン分割器１０１が出力する各レンジビンの受信信号をフーリエ変換し、スペクトラムに変換した信号を積算処理器１０３に出力するＦＦＴ処理器である。
　積算処理器１０３は、ＦＦＴ処理器１０２が出力するスペクトラム信号をレンジビンごと積算し、積算したスペクトラムを視線方向風速算出器１０４に出力する積算処理器である。
　視線方向風速算出器１０４は、積算処理器１０３が積算したスペクトルから、ドップラ風速値、すなわち視線方向風速値を算出し、算出が終了したことを知らせる電気信号を時刻取得部、角度・位置センサ、スキャナ制御器に出力するとともに、算出した視線方向風速値をデータ通信部１０１２に出力する。
　スキャナ制御器１０５は、視線方向風速算出器１０４の算出処理終了の電気信号を受け、視線方向切換のための角度情報をスキャナ１００５へ送信するとともに、レーザ光の照射角度を示すスキャナの角度情報をデータ通信部１０１２に送信するスキャナ制御器である。
　角度・位置センサ１０１１は、視線方向風速算出器１０４の算出終了の電気信号を受け、その時のレーザレーダ装置の姿勢角度情報及び位置情報を出力するセンサである。例えば、角度・位置センサ１０１１は、ジャイロセンサとＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）モジュールから構成される。
　データ通信部１０１２は、視線方向風速算出器１０４が出力する視線方向風速値、角度・位置センサ１０１１が出力する姿勢角度情報、スキャナ制御器１０５が出力するスキャナ１００５の角度情報、及び時刻取得部１０１３が出力する時刻情報を送信するデータ通信部である。例えば、データ通信部１０１２は、有線もしくは無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）デバイス、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ）などの通信デバイスで構成される。
　時刻取得部１０１３は、視線方向風速算出器１０４が出力する算出処理終了の信号に対してデータ通信部１０１２に時刻を出力する時刻取得部である。例えば、時刻取得部１０１３には、ＧＰＳ受信器が用いられる。
　データ処理装置２は、図１に示すように、データ通信装置２０１、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）２０２、メモリ２０３、及び記憶装置２０４を備える。
　データ通信装置２０１は、レーザレーダ装置１ａ～１ｎから視線方向風速値及びそのＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ　Ｒａｔｉｏ）、レーザレーダ装置の姿勢角度情報及び位置情報、スキャナの角度情報、並びに時刻情報を受信するデータ受信装置である。また、データ通信装置２０１は、風車制御装置に接続され、リクエストがあった位置の風ベクトル情報を出力する。例えば、データ受信装置２０１には、有線もしくは無線ＬＡＮデバイス、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＵＳＢなどの通信デバイスが用いられる。
　ＣＰＵ２０２は、メモリ２０３に保存されたプログラムを実行するプロセッサである。
　メモリ２０３は、ＣＰＵ２０２で実行されるプログラムを保存するメモリである。メモリ２０３は、座標変換部２０３０、データ抽出部２０３１、及び風ベクトル演算部２０３２を記憶している。座標変換部２０３０、データ抽出部２０３１、及び風ベクトル演算部２０３２は、プログラムであり、ＣＰＵ２０２で実行される。
　記憶装置２０４は、ＣＰＵ２０２が処理したデータを、データベースとして保存する記憶装置である。記憶装置２０４は、視線方向風速値、そのＳＮＲ、レーザ光の照射角度、姿勢角度情報（取得したレーザレーダ装置の姿勢角度）、計測位置（取得したレーザレーダ装置の位置）、取得時刻を保存する。視線方向風速値は、東西南北のような地球座標系で保存する。例えば、記憶装置２０４には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ハードディスクなどが用いられる。
　次に、この発明の実施の形態１に係る風測定システムの動作について説明する。まず、レーザレーダ装置１ａの動作を説明し、次にデータ処理装置２の動作を説明する。
　光発振器１００１は、光カプラ１００２にレーザ光を出力する。
　光カプラ１００２は、光受信器１００８においてヘテロダイン検波を行うために光発振器１００１から出力された光を、任意分岐比によりローカル光と送信光とに分配する。その分岐比はシステム設計により決定される。システム設計のための回線計算には、例えば、以下の式が用いられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
β、K、S0はそれぞれ後方散乱係数(ｍ－１ｓｒ－１)、大気透過率、散乱光のコヒーレンス径(ｍ)を表し、システムで制御不可な大気条件を表すパラメータを表す。Ｄ（ｍ）、Ｆ（ｍ）、Ｎ（回）は、それぞれビーム径、集光距離、パルス幅、インコヒーレント積算数を表し、システム内において変更可能なパラメータを表す。なお、ｈ、λ、Ｐ、ηＦ、Ｂは、それぞれプランク定数（Ｊｓ）、波長（ｍ）、送信光パルスエネルギー（Ｊ）、Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄの送受信効率、受信帯域幅（Ｈｚ）、Ａｃは、光アンテナによってケラレたガウシアンビーム（ＮＧＢ:Ｎｅａｒｅｓｔ Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｂｅａｍ）に対して相関の高い回折限界のガウシアンビームに置き換えるための近似係数を表し、Ｌは観測距離（ｍ）を表す。
　光変調器１００３は、光カプラ１００２が出力した送信光を光周波数変調及び光強度変調し、変調した送信光を光サーキュレータ１００４に出力する。また、光変調器１００３は、送信するレーザ光のパルス幅、繰り返し周波数（ＰＲＦ）を決定する。パルス幅は、距離分解能にも相当するため、所望する距離分解能値に相当するパルス幅を信号処理器１０１０１において設定することも可能であるし、設計時に設定された固定のパルス幅、ＰＲＦを出力するようにしても良い。
　光サーキュレータ１００４は、送信光と受信光を分離する機能を有し、光変調器１００３が変調した送信光をスキャナ１００５に出力し、受信光である大気エアロゾルからの散乱光を合波カプラ１００７に出力する。
 スキャナ１００５は、信号処理器１０１０から出力される制御信号を受け、ウェッジプリズムを回転させ、光学系１００６が出射する光の方向を任意に変更する。また、エンコーダ情報に相当する電気信号を信号処理器１０１０に出力し、角度情報を伝達する。
　光学系１００６は、スキャナ１００５が出力した送信光をコリメートにし、大気中に出力し、送信光に対してエアロゾルが散乱した光を受信光として受信する。光学系１００６は、受信光を光サーキュレータ１００４に出力する。なお、光学系１００６は、集光調整機能を有するものでも良い。
　合波カプラ１００７は、光カプラ１００２が出力するローカル光と光サーキュレータ１００４が出力する受信光とを合波し、合波した光を光受信器１００８に出力する。
　光受信器１００８は、合成カプラが出力した光を光電変換し、ヘテロダイン検波により受信光の周波数復調を行い、当該電気信号をＡ／Ｄ変換器１００９に出力する。
　Ａ／Ｄ変換器１００９は、光変調器１００３において発生するパルストリガ信号に同期してサンプリング周波数ｆｓでＡ／Ｄ変換を行い、デジタル信号を信号処理器１０１０に出力する。
　図４は、この発明の実施の形態１に係るレンジビン分割器１０１が分割するレンジビンを説明する説明図である。
　レンジビン分割器１０１は、Ａ／Ｄ変換器１００９が出力したデジタル信号を任意の時間幅で区切る。これは、各距離からの受信光を任意時間幅で区切ることを意味する。時間と距離は対応するので、以降では、時間を区切ったもの、すなわち距離を区切ったものをレンジビンと呼ぶ。当該レンジビン分割器１０１は、任意個数のレンジビンに受信波形を区切り、それに相当する電圧値をＦＦＴ処理器１０２に出力する。例えば、距離分解能Ｒｒｅｓを３０ｍと設定した場合、Ａ／Ｄ変換された時間波形を区切る時間幅ｔ ＝ ２Ｒｒｅｓ／ｃ (ｃ：光速)のように設定できる。ゆえに、総レンジビン数がＭ個であった場合、各レンジビンにおいて区切られる時間は、Ａ／Ｄを開始するためのトリガ、ここでは光変調器１００３からのトリガ信号タイミングを基準にして表すと以下の式となる。ただし、ここでは、等時間間隔でレンジビン分割を行っているが、これに限らず、Ｔｓｔａｒｔに相当する観測開始距離をユーザによって決定してもよいし、それをレンジビンごとに設定してもよいし、ＴｓｔａｒｔとＴｅｎｄの範囲をオーバーラップさせても良い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　Ｔｓｔａｒｔは、各レンジビンのデータ取得開始時間、Ｔｅｎｄは、各レンジビンのデータ取得終了時間、ｍはレンジビンの番号を表し、1～Ｍの値を持つ。Ｒｍｉｎは、調整用の値であり、観測最小距離を指定するためのパラメータである。
　ＦＦＴ処理器１０２は、レンジビン分割器１０１が出力した各レンジビンの時間波形を高速フーリエ変換し、各レンジビンの受信信号に対するスペクトルを得る。
　図５は、この発明の実施の形態１に係る積算処理器１０３の積算処理を示す概念図である。
　積算処理器１０３は、レンジビンごとにユーザによって指定された回数の積算処理を行う。各ショットで得られたスペクトルに対して、インコヒーレント積算を行う。積算処理は、各レンジビンのスペクトルデータに対して、以下の式で行う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　SPCはスペクトルデータ、ｉは周波数便の番号、つまり、周波数順に並んだデータのうちで何番目のデータであるかを表す番号であり、ｉはショットの番号、Ｒはレンジビンの番号である。
　視線方向風速算出器１０４は、積算されたスペクトルから当視線方向のドップラー周波数、すなわち、視線方向風速値を算出し、算出した風速値及びそのＳＮＲをデータ通信部１０１２に出力する。ドップラー周波数の導出には、スペクトルのピーク検出による検出の他、重心演算を用いても良い。重心演算によるドップラー周波数ｆｄの算出は、以下の式で表される。ここで、Ｓ（ｆ）は、あるレンジビン（Ｒ）に対する受信信号のスペクトルであり、Ｓ（ｆ）＝Ｓ（ｉ，Ｒ）である。ｆは、各周波数ビンの番号（ｉ）に対応する周波数である。受信スペクトルに対して周波数ｆで重みをかけることにより、重心点を計算することができ、周波数分解能以上の風速値導出が可能となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　また、視線方向風速算出器１０４は、当該計算終了後、計算終了を示す電気信号を角度・位置センサ１０１１、スキャナ制御器１０５及び時刻取得部１０１３に出力する。ここでは計算終了後としているが、計算開始前もしくは上段の積算処理器１０３における積算処理開始時でもよい。もしくは、積算中の時間帯に得られた角度・位置の平均値をデータ処理装置２に送信してもよく、これに限るものではない。
　スキャナ制御器１０５は、送信光の視線方向を切り替えるために、スキャナ１００５の角度を制御する制御信号を生成する。また、スキャナ制御器１０５は、視線方向風速算出器１０４が出力した計算終了の信号を受信すると、その視線方向風速値を算出するためにレーザ光を照射した時のスキャナ１００５の角度をデータ通信部１０１２に送信する。
　スキャナ１００５は、スキャナ制御器１０５の制御信号によってスキャナ内のステッピングモータを駆動し、所望ステップ動作させることによって、ミラー（もしくはウェッジプリズムでもよい）の角度を変更する。また、搭載されるエンコーダによる角度信号をスキャナ制御器１０５に送信し、スキャナ制御器１０５は、動作後の角度情報を保持する。当該角度は後述する理想的な角度φなどに相当する。
　図６は、この発明の実施の形態１に係るスキャナ１００５が制御するレーザ光の見開き角度を表す概念図である。当該角度は、図６に示すように、片側角度θかつ地上に対し水平方向にレーザ光を照射する。φは各２本のレーザ光の見開き角度を表している。スキャナ制御器１０５では、このレーザ光を左、右、左のように切り替える制御信号をスキャナ１００５に出力する。
　角度・位置センサ１０１１は、視線方向風速算出器１０４が出力した計算終了の信号を受信すると、受信時のレーザレーダ装置の角度及び位置をデータ通信部１０１２に出力する。なお、角度・位置センサ１０１１には、角度センサにはジャイロセンサ等の６軸自由度で動揺、並進が得られるセンサや、仰角ＥＬ、北からの方位角ＡＺ、東西南北鉛直の並進が得られるセンサを用いられる。位置センサには、ＧＰＳ等の緯度経度を知ることができるセンサや、ＵＴＭ座標系が得られるセンサを用いられる。
　時刻取得部１０１３は、視線方向風速算出器１０４が出力した計算終了の信号を受信すると、ＧＰＳ衛星から時刻を取得し、受信時の時刻をデータ通信部１０１２に出力する。なお、時刻取得部１０１３には、ＧＰＳセンサが用いられるが、時刻同期が可能なものであれば、ＮＴＰ（ネットワークタイムプロトコル）を用いてもよい。
　データ通信部１０１２は、上述した視線方向風速値、それに紐づく時刻及びＳＮＲ、レーザレーダ装置の姿勢角度、レーザレーダ装置の位置、並びにレーザ光の照射角度をデータ処理装置２に送信する。送信手法は、光ケーブル等の有線でも良いし、ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ｗｉｆｉなどの無線どちらでも良い。
　次にデータ処理装置２の動作について説明する。
　図７は、この発明の実施の形態１に係るデータ処理装置２の動作フローを示すフローチャートである。
　ステップＳ１０１において、データ処理装置２内のデータ通信装置２０１は、レーザレーダ装置１ａのデータ通信部１０１２が送信した情報を受信する。なお、データ通信装置２０１は、上述したレーザレーダ装置１ａ内のデータ通信部１０１２と一対のものであり、例えば、ｂｌｕｅｔｏｏｔｈを使用した場合は、データ通信装置２０１も同じくｂｌｕｅｔｏｏｔｈを用いる。
　ステップＳ１０２において、ＣＰＵ２０２は、メモリ２０３内に記憶される座標変換部２０３０を呼び出し、実行する。座標変換部２０３０は、視線方向風速値に紐づくＳＮＲが閾値Ｔｓ以上であるか否かを判定する。Ｔｓ以上の場合は、ＹＥＳの分岐によりステップＳ１０３に進む。Ｔｓ未満の場合は、Ｎｏの分岐によりＥＮＤに進み、当該閾値以下のデータは保存しない。
　ステップＳ１０３において、座標変換部２０３０は、以下の計算を行い、データの座標を変換する。受信されるデータにおいて各レンジビンの視線方向の観測中心距離値Ｄｓは、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　レーザレーダ装置１ａを基準とした各観測点の座標(ＸＬ,ＸＬ,ＺＬ)は、以下の式で表される。以下の式において０°＜ＡＺ＜１８０°である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ここで、ＸＬ,ＹＬ,ＺＬは、レーザレーダ装置１ａの向きに対し、左右方向、前後方向、鉛直方向を表し、Ｈは、地上に対するレーザレーダ装置１ａの高さ、ＡＺは、角度・位置センサ１０１１より得られるレーザレーダ装置１ａの方位角であり、ＥＬは、レーザレーダ装置１ａの仰角を表す。φはレーザ光の照射角度である。
　レーザレーダ装置１ａ～１ｎが設置されるウィンドファームの東西南北鉛直のＵＴＭ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍｅｒｃａｔｏｒ）座標を(Ｘｕｗ,Ｙｕｗ,Ｚｕｗ)とし、角度・位置センサ１０１１から得られるレーザレーダ装置１ａのＵＴＭ座標を(Ｘｕｌ,Ｙｕｌ,Ｚｕｌ)とすると、各レンジビンの測定位置は(Ｘ，Ｙ，Ｚ)は、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　ここで、ｌは、レーザレーダ装置の番号を表す。風車のナセルに揺れ成分がない場合、基本的にＥＬ＝０となるが、項として加えることで、ナセルの揺れに基づく角度補正も可能となる。
　座標変換部２０３０は、上記の計算を行い、各レンジビンの視線方向風速値ｖ（ｔ,ＡＺ,ＥＬ）を、測定地点Ｘ，Ｙ，Ｚと関連付けて、記憶装置２０４に保存する。これにより、記憶装置２０４には、データベースとして、時間ｔ、測定地点Ｘ，Ｙ，Ｚに対応した視線方向風速値ｖが保存される。ここで、視線方向風速値ｖは、方向が方位角ＡＺ、仰角ＥＬで表されるベクトル量である。
　以下で説明するように、２次元の風ベクトルを算出するためには、２つの視線方向風速値が必要であり、それらをベクトル合成しなければならない。したがって、ステップＳ１０１において受信した視線方向風速値の他に、少なくとも、もう一つデータが必要になる。データ抽出部２０３１は、風ベクトルを計算するのに適したデータを捜索する。
　ステップＳ１０４において、データ抽出部２０３１は、ステップＳ１０１で受信したデータを送信したレーザレーダ装置で、所望のＳＮＲを満足しており直前のレーザ射出で取得した視線方向風速値が存在するか否かを調べる。これは、風ベクトルを算出するのに、レーザレーダ装置１ａのレーザ光が風車のブレード等で遮断されていない場合、従来通り自身のデータのみでの風ベクトル計算を行うためである。存在しない場合、ＮＯの分岐により、ステップＳ１０５に進む。存在する場合、ＹＥＳの分岐により、ステップＳ１１２に進む。以下のＮＯの分岐を説明する。
　ステップＳ１０５において、データ抽出部２０３１は、ステップＳ１０１で受信したデータに対して、記憶装置２０４に保存されたデータのうち、Ｔｕ（ｓｅｃ）以内のデータを抽出する。なお、Ｔｕには、ユーザが決定した値を用いても良いし、過去に測定した乱流度(ＴＩ:Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ＝水平方向風速値の標準偏差÷平均風速値) が任意値以下の場合は、風速場(風の流れ)が一様であるとするなど、条件式を与えても良い。
　ステップＳ１０６において、データ抽出部２０３１は、ステップＳ１０５で抽出したデータのうち、ステップＳ１０１で受信したデータに対して測定された距離がＤ（ｍ）以内のデータを抽出する。ここで、Ｄ＝√（Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２）である。なお、上記で示したように２地点の３次元上での絶対距離として閾値処理しても良いし、Ｘ，Ｙ，Ｚそれぞれの方向に対し閾値を設けても良い。
　図８は、この発明の実施の形態１に係るウィンドファーム内の複数台の風車のナセルにレーザレーダ装置が搭載されている環境を示す概念図である。本実施の形態では、図８のような環境を想定している。図８中、「注目ナセル」とは、最も新しく取得された視線方向風速値の出力元のレーザレーダ装置が搭載されたナセルを表す。実線の矢印は、注目ナセルのレーザレーダ装置が測定した視線方向風速値の時刻に対して、Ｘ（ｓｅｃ）前の視線方向風速値を表し、点線は、Ｙ（ｓｅｃ）前の視線方向風速値である。ステップＳ１０６では、注目ナセルからＤ（ｍ）以内にあるレーザレーダ装置で測定したデータを抽出する。
　ステップＳ１０７において、データ抽出部２０３１は、ステップＳ１０６で抽出したデータのうち、ステップＳ１０１で受信したデータに対して視線方向風速値の角度がＸ－Ｙ平面上で任意角度δより大きいデータを抽出する。レーザレーダ装置のもともとの射出角度であるφを閾値としても良いし、さらに、ナセルのヨー運動を鑑みてφ＋αとし尤度を持たせても良い。
　理想的には、完全に同時刻に、同一点を測定し、成す角度が９０ｄｅｇであるほど、風ベクトルの測定精度は向上する。しかし、現実的には、その差異が発生し、時間が経過するほど、空間が遠いほど、風ベクトルは変化するため、ステップＳ１０５～Ｓ１０７で示した閾値を設けている。それぞれの閾値は、乱流度からリアルタイムに設定しても良いし、経験的な値をユーザが与えても良い。例えば、風速の水平変化よりも高度変化の方が顕著に変動する場合、高度方向には厳しい値を設け、水平方向に関しては緩い閾値を設けることによって、使えるデータの確保及び風ベクトルの精度を担保できる。
　ステップＳ１０８において、データ抽出部２０３１は、テップＳ１０５～Ｓ１０７の条件を満たすデータ数が２つ以上存在するか否かを判別する。２つ以上ある場合、ＹＥＳの分岐により、ステップＳ１０９に進む。２つ未満である場合、ＮＯの分岐によりステップＳ１１０に進む。
　ステップＳ１０９において、データ抽出部２０３１は、ステップＳ１０７までの処理で抽出したデータのうち、ステップＳ１０１で受信したデータに対して最も距離が近いデータを抽出する。これは、低処理コストを念頭にし、また、空間的一様性が最も精度に直結する可能性を鑑みてのことである。しかし、これを時間にしても良いし、角度としても良い。また、最も距離が近く、最も時間差がなく、最も角度差が９０ｄｅｇに近いというように複数の条件を課しても良い。
　ステップＳ１１０において、風ベクトル演算部２０３２は、ステップＳ１０１で受信したデータと、ステップＳ１０９で抽出したデータもしくは後述するステップＳ１１２で抽出したデータとを用いて、ベクトル合成もしくは、ＶＡＤ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ａｚｉｍｕｔｈ　Ｄｉｓｐｌａｙ）法により、風ベクトルを算出し、算出した風ベクトルをデータ通信装置２０１に送信する。２つの視線方向風速値データから風ベクトルを算出する場合、視線方向風速値ｖは、東西方向の水平方向風速値Ｕ、南北方向の水平方向風速値Ｖ、仰角θ、北を基準とした方位角φを用いて以下の式で表されるので、２つの視線方向風速値から構成される連立方程式を解くことで、水平方向風速値Ｕ及び水平方向風速値Ｖを算出できる。これにより、２次元の風ベクトルを得る。記憶装置２０１は、得られた風ベクトルを保存する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　ただし、この場合、２本の視線方向風速値のベクトルから成る平面上の風速値となるため、ＥＬ＝０でない場合は、水平方向風速値とはならず、誤差を持つため、精度を高めるためには3視線以上の視線方向風速値を用いた風向風速算出が望ましい。
　３つの視線方向風速値データから風ベクトルを算出する場合、視線方向風速値ｖは、以下の式で表されるので、２つの場合と同様に、連立方程式を解くことで、水平方向風速値Ｕ、水平方向風速値Ｖ、及び鉛直方向の風速値Ｗを算出できる。これにより、３次元の風ベクトルを得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　ステップＳ１１１において、データ通信装置２０１は、算出した風ベクトルを、ステップＳ１０１で受信したデータを送信したレーザレーダ装置１ａに送信し、フローを終了する。
　一方、ステップＳ１１２において、データ抽出部２０３１は、記憶装置２０４に保存されたデータのうち、ステップＳ１０１で受信したデータを送信したレーザレーダ装置が前回取得したデータを抽出する。抽出したデータは、上記で説明したように、ステップＳ１１０において、風ベクトルを算出するのに用いられる。
　レーザレーダ装置１ａは、データ処理装置２から得られた風ベクトルを風車制御装置もしくは自身の表示器に出力する。風車制御装置に出力する場合、風ベクトルに基づいて風車のヨー制御もしくはピッチ制御などの制御を行うことができ、風力発電量の向上に寄与ができる。
　ここでは、レーダレーダ装置から風車制御装置に風ベクトルを出力する場合を説明したが、データ処理装置２から直接、風車制御装置に出力するようにしても良い。また、記憶装置２０４として、メモリ２０３を用いても良い。
　なお、２視線で風ベクトルを算出する場合、ステップＳ１０２において、ＳＮＲに対する閾値の他、ＥＬに対する閾値Ｔｅを加えても良い。到来風を検知し、風車の制御を行って風力発電量を最大化するためには、水平方向の風速値が最も重要である。そのため、水平ではない断面の風速値を出力することは逆に風力発電量を低下させてしまう恐れがある。これゆえ、ＥＬに対する閾値を設定することで本問題を解決できる効果がある。
　また、本実施の形態では説明の便宜上、照射するレーザ光の本数は水平面の２本としているが、照射本数を増やし、上下方向に照射しても良い。その場合、ナセル中央の風ベクトルのみではなく、上下方向の３次元の風ベクトルを得ることができることから、更に風力発電効率の高い風車制御が可能となる。
　以上で明らかなように、この発明の実施の形態１によれば、自身の視線方向風速値だけでなく、他のレーザレーダ装置で測定した視線方向風速値を用いて、風ベクトルを算出するので、従来、風車のブレード等の遮蔽物によってレーザ光が遮蔽されることにより低下していた有効データ取得率を向上させる効果がある。また、単一のレーザレーダ装置ではビームを切り替える時間が必要になるが、本方式であれば、同時刻に取得された視線方向風速値を用いた風ベクトル演算も可能となる。これにより風速測定精度が向上する効果がある。
実施の形態２.
　本実施の形態では、データ処理装置で風ベクトルを算出する実施の形態１に対して、レーザレーダ装置からデータ処理装置に視線方向風速値のリクエストを行い、レーザレーダ装置で風ベクトルを算出する方式とすることで、データ処理装置の負荷を軽減し、風ベクトル算出時間を低減する。
　図９は、この発明の実施の形態２の風測定システムの一構成例を示す構成図である。
　図９において、図１と同一符号は、同一または相当部分を示している。
　本風測定システムは、レーザレーダ装置１１ａ～１１ｎ、データ処理装置２０、風車制御装置３ａ～３ｎを備える。レーザレーダ装置１１ａ～１１ｎは、実施の形態１のレーザレーダ装置１ａ～１ｎに比べて、信号処理器の部分が異なる。レーザレーダ装置１１ａ～１１ｎでは、実施の形態１の信号処理器１０１０に代えて、後述する信号処理器１１１０が用いられる。データ処理装置２０は、実施の形態１のデータ処理装置２と比べて、風ベクトルを計算する風ベクトル演算部２０３２が存在しない点が異なる。
　風車制御装置３ａは、風車のヨー制御もしくはピッチ制御などの制御を行なう制御装置である。例えば、風車制御装置３ａには、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）やマイコンが用いられる。
　図１０は、この発明の実施の形態２に係る信号処理器１１１０の一構成例を示す構成図である。図１０において、図３と同一符号は、同一または相当部分を示している。
　信号処理器１１１０は、レンジビン分割器１０１、ＦＦＴ処理器１０２、積算処理器１０３、視線方向風速算出器１０４、スキャナ制御器１０５、及び風ベクトル演算器１０６を備える。
　風ベクトル演算器１０６は、視線方向風速算出器１０４が出力する視線方向風速値データと、データ通信部１０１２から得られる視線方向風速値データとを用いて風ベクトルの演算を行い、演算した風ベクトルをスキャナ制御器１０５及びデータ通信部１０１２に出力する演算器である。例えば、風ベクトル演算器１０６は、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、マイコンなどで構成される。
　次に、この発明の実施の形態２に係る風測定システムの動作について説明する。
　レーザレーダ装置１１ａの信号処理器１１１０以外の動作は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。また、信号処理器１１１０において、レンジビン分割器１０１、ＦＦＴ処理器１０２、積算処理器１０３、視線方向風速算出器１０４、及びスキャナ制御器１０５の動作は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
　風ベクトル演算器１０６は、視線方向風速算出器１０４から出力される視線方向風速値をデータ通信部１０１２を介し、データ処理装置２０に出力する。また、風ベクトル演算器１０６は、上記視線方向風速値とともに風ベクトルを合成するための視線方向風速値をデータ処理装置２０より受信する。
　その場合、データ通信部１０１２からデータを受信したデータ処理装置２０の動作は、図７においてステップＳ１１０を除いたフローと同じである。データ処理装置２０において、座標変換部２０３０がデータを保存し、データ抽出部２０３１がデータを照合し、その結果をレーザレーダ装置１１ａに送信する
　風ベクトル演算器１０６は、視線方向風速算出器１０４が出漁した視線方向風速値と、データ処理装置２０が出力した視線方向風速値とを、図７のステップＳ１１０で説明した方法でベクトル合成し、風ベクトルを算出する。風ベクトル演算器１０６は、算出した風ベクトルをスキャナ制御器１０５及びデータ通信部１０１２に出力する。
　データ通信部１０１２は、その風ベクトルを風車制御装置３ａに出力する。風車制御装置３ａは、風ベクトルの情報を基に風車の制御を行なう。
　なお、ここではデータ抽出部２０３１をデータ処理装置２０に持たせる構成としたが、データ抽出部２０３１をレーザレーダ装置１１ａに持たせても良い。その場合、データ処理装置２０は、座標変換部２０３０がデータを保存し、レーザレーダ装置１１ａのリクエストに応じてデータを送信し、レーザレーダ装置１１ａでデータの照合を行う。
　以上で明らかなように、この発明の実施の形態２によれば、実施の形態１と比較して、レーザレーダ装置で風ベクトルを演算するので、データ処理装置が全てのレーザレーダ装置の風ベクトル演算を行うよりも演算負荷を低減することができる。これにより、計算機コストを分散できるため、より早く風向風速情報を風車制御装置に渡すことができることから、よりリアルタイムな風車制御が可能となる。
実施の形態３.
　本実施の形態では、風測定システムをレーザレーダ装置のみで構成し、レーザレーダ装置が互いにデータを交換する方式を説明する。これにより、データ処理装置が不要になり、装置構成を減らすことができる。
　図１１は、この発明の実施の形態３に係る風測定システムの一構成例を示す構成図である。図１１において、図９と同一符号は、同一または相当部分を示している。レーザレーダ装置１２ａ～１２ｎは、実施の形態２のレーザレーダ装置１１ａ～１１ｎに比べて、信号処理器の部分が異なる。レーザレーダ装置１２ａ～１２ｎでは、実施の形態２の信号処理器１１１０に代えて、後述する信号処理器１２１０が用いられる。
　図１２は、この発明の実施の形態３に係る信号処理器１２１０の一構成例を示す構成図である。図１２において、図１０と同一符号は、同一または相当部分を示している。
　信号処理器１２１０は、レンジビン分割器１０１、ＦＦＴ処理器１０２、積算処理器１０３、視線方向風速算出器１０４、スキャナ制御器１０５、風ベクトル演算器１０６、及びデータ保存器１０７を備える。
　データ保存器１０７は、視線方向風速算出器１０４が出力する視線方向風速値及びデータ通信部１０１２を介して他のレーザレーダ装置から得た視線方向風速値を保存するデータ保存器である。例えば、データ保存器１０７は、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、マイコンなどで構成される。
　次に、この発明の実施の形態３に係る風測定システムの動作について説明する。
　レーザレーダ装置１２ａの信号処理器１２１０以外の動作は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。また、信号処理器１２１０において、レンジビン分割器１０１、ＦＦＴ処理器１０２、積算処理器１０３、視線方向風速算出器１０４、及びスキャナ制御器１０５の動作は、実施の形態１と同様である。
　データ保存器１０７は、視線方向風速算出器１０４が出力した視線方向データを受け取ると、周辺距離半径Ｄ（ｍ）以内に存在するレーザレーダ装置とデータ通信部１０１２を介して通信し、他のレーザレーダ装置で取得した視線方向風速値を得る。そして、データ保存器１０７は、視線方向風速算出器１０４が出力した視線方向風速値データ及び他のレーザレーダ装置から得た視線方向風速値データを風ベクトル演算器１０６に出力する。
　ここで、Ｄ（ｍ）は、ユーザが任意に設定しても良いし、最近に得られた自身の視線方向風速値の最大距離となるように設定しても良い。その場合、Ｄ（ｍ）は、可変値になる。ここで、最大距離とは、自身で取得した視線方向風速値に紐づくＳＮＲが所定の値以上となる最大の距離を意味する。大気の塵の量はリアルタイムで変化するため、Ｄ（ｍ）を上記手法で可変とすることで、とりこぼしなく、かつ、最小のデータベースで有効データ率向上が可能となる。なお、データ保存器１０７は、風ベクトル演算器１０６における計算のために抽出された視線方向風速値の座標系の統一化が必須となるため、実施の形態１記載の座標変換部２０３０の機能を有する。また、データ保存器１０７は、所望の本数よりも多く、距離範囲Ｄ以内の視線データが得られた場合のために、実施の形態１記載のデータ抽出部２０３１の機能を有する。
　風ベクトル演算器１０６の動作は、実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。
　以上で明らかなように、この発明の実施の形態３によれば、実施の形態１、２と異なりデータ処理装置を介さず、レーザレーダ装置が互いに視線方向風速値データを交換する構成とすることで、データ処理装置を削減できる。また、自身のレーザレーダ装置付近にあるレーザレーダ装置とデータ通信を行うため、通信量を削減できると共に、それに伴う計算機コストを低減できる。
　１ａ～１ｎ　１１ａ～１１ｎ　１２ａ～１２ｎ　レーザレーダ装置、２　２０　データ処理装置、３ａ～３ｎ　風車制御装置、１００１　光発振器、１００２　光カプラ、１００３　光変調器、１００４　光サーキュレータ、　１００５　スキャナ、　１００６　光学系、１００７　合波カプラ、１００８　光受信器、１００９　Ａ／Ｄ変換器、１０１０　１１１０　１２１０　信号処理器、１０１１　角度・位置センサ、１０１２　データ通信部、１０１３　時刻取得部、１０１　レンジビン分割器、１０２　ＦＦＴ処理器、１０３　積算処理器、１０４　視線方向風速算出器、１０５　スキャナ制御器、１０６　風ベクトル演算器、１０７　データ保存器、２０１　データ通信装置、２０２　ＣＰＵ、２０３　メモリ、２０４　記憶装置、２０３０　座標変換部、　２０３１　データ抽出部、２０３２　風ベクトル演算部。

Claims (9)

  1. 　レーザレーダ装置と通信し、視線方向風速値、レーザ射出角度、姿勢情報、位置情報、時刻を取得するデータ通信装置と、
    　前記視線方向風速値及び前記時刻を保存する記憶装置と、
    　前記データ通信装置が新しく取得した前記視線方向風速値の時刻から設定時間内に存在する前記記憶装置に保存された前記視線方向風速値を抽出するデータ抽出部、並びに前記データ通信装置が新しく取得した前記視線方向風速値及び前記データ抽出部が抽出した前記視線方向風速値を用いて風ベクトルを演算する風ベクトル演算部、を実行するＣｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔと、
    　前記データ抽出部及び前記風ベクトル演算部を保存するメモリと、
    　を備えたデータ処理装置。
  2. 　前記データ通信装置が新しく取得した前記視線方向風速値と、前記データ抽出部が抽出した前記視線方向風速値とは、異なるレーザレーダ装置で取得したものであることを特徴とする請求項１に記載のデータ処理装置。
  3. 　前記Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔは、前記レーザ射出角度、前記姿勢情報、及び前記位置情報を用いて、前記視線方向風速値を座標変換し、座標変換した前記視線方向風速値を前記記憶装置に保存する座標変換部を実行し、
    　前記メモリは、前記座標変換部を保存することを特徴とする請求項２に記載のデータ処理装置。
  4. 　請求項１に記載の前記データ処理装置と、
    　大気中にレーザ光を照射し、レーザ光の照射方向の視線方向風速値を取得し、取得した前記視線方向風速値を前記データ処理装置に送信し、前記データ処理装置から前記風ベクトルを受信するレーザレーダ装置と、
    　を備えたことを特徴とする風測定システム。
  5. 　前記データ通信装置が新しく取得した前記視線方向風速値と、前記データ抽出部が抽出した前記視線方向風速値とは、異なるレーザレーダ装置で取得したものであることを特徴とする請求項４に記載の風測定システム。
  6. 　前記データ処理装置において、前記Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔは、前記レーザ射出角度、前記姿勢情報、及び前記位置情報を用いて、前記視線方向風速値を座標変化し、座標変換した前記視線方向風速値を前記記憶装置に保存する座標変換部を実行し、
    　前記メモリは、前記座標変換部を保存することを特徴とする請求項５に記載の風測定システム。
  7. 　レーザ光を出力する光発振器と、
    　前記光発振器が出力した前記レーザ光を変調する光変調器と、
    　前記光変調器が変調した前記レーザ光を送信光として出力し、前記送信光の出力先で対象物が反射した反射光を受信光として受信する光学系と、
    　前記光発振器が出力した前記レーザ光と前記光学系が受信した前記受信光とに基づいて第１の視線方向風速値を算出する視線方向風速算出器と、
    　他のレーザレーダ装置と通信するデータ通信部と、
    　前記第１の視線方向風速値及び前記データ通信部を介して前記他のレーザレーダ装置から取得した第２の視線方向風速値を用いて風ベクトルを算出する風ベクトル演算器と、
    　を備えたレーザレーダ装置。
  8. 　前記第１の視線方向風速値を測定した位置と、前記第２の視線方向風速値を取得した位置とが設定距離の範囲内であることを特徴とする請求項７に記載のレーザレーダ装置。
  9. 　前記設定距離は、前記第１の視線方向風速値に紐づく信号対雑音比が閾値以上の最大の距離に設定されることを特徴とする請求項８に記載のレーザレーダ装置。
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