JP2005351853A - Lightwave radar device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光を空間に放出して空間内のエアロゾル移動に伴う散乱光のドップラシフトによる風速を測定する光波レーダ装置に関する。 The present invention relates to a light wave radar apparatus that emits laser light into a space and measures the wind speed due to Doppler shift of scattered light accompanying the movement of aerosol in the space.
風速の空間分布の観測は、気象観測、気象予測だけでなく、近年では風力発電設備に代表される風力利用の観点からも重要な観測項目となってきている。その中でもとりわけ、ヒートアイランド現象などの局所的な気象メカニズムの解明、あるいはビル風に代表される都市内環境計測、風力発電設備設置前の風況調査などを行なうために、地表面近くの風速空間分布を観測するニーズが高まっている。 Observation of the spatial distribution of wind speed has become an important observation item not only from meteorological observation and meteorological prediction, but also from the viewpoint of wind power represented by wind power generation facilities in recent years. Among them, the spatial distribution of wind speed near the ground surface is used to elucidate local weather mechanisms such as the heat island phenomenon, measure the urban environment typified by building winds, and investigate wind conditions before installing wind power generation facilities. There is a growing need for observation.
地表面近くの風速分布観測の代表例として、以下では、風力発電設備導入前の風況調査について説明する。風力発電設備の導入に際しては、有望地域の立地調査の後に、実際にその地域での風向風速の連続観測に基づいて発電量の見積りを行い、導入可能性を評価する「風況精査」が実施される。風力発電量は、風速の3乗に比例するため、風況精査においては十分な観測精度が要求されている。 As a representative example of wind speed distribution observation near the ground surface, the following describes wind condition surveys prior to the introduction of wind power generation facilities. When introducing wind power generation facilities, after conducting a location survey in a promising area, a wind condition review is conducted to estimate the amount of power generation based on continuous observation of the wind direction and wind speed in that area, and to evaluate the possibility of installation. Is done. Since the amount of wind power generation is proportional to the cube of the wind speed, sufficient observation accuracy is required for detailed wind conditions.
地表から天頂方向の風速プロファイルを測定する手段として、気象レーダRADAR(Radio Detection And Ranging)、または音波レーダSODAR(SOund Detection And Ranging)を用いた風況測定方法が近年提案されている。この2つの測定方法のうち、特に、音波レーダSODARを用いた方法は、近接測定可能距離が小さく、高度100m程度以下の比較的低層の風況を測定するのに適していることが示されている(例えば、非特許文献1参照)。 As means for measuring a wind speed profile in the zenith direction from the ground surface, a wind condition measuring method using a weather radar RADAR (Radio Detection And Ranging) or a sound wave radar SODAR (SOund Detection And Ranging) has been recently proposed. Of these two measurement methods, in particular, the method using the sound wave radar SODAR is shown to be suitable for measuring a relatively low-rise wind condition having a small measurable distance and an altitude of about 100 m or less. (For example, refer nonpatent literature 1).
この音波レーダを用いた風況測定方法は、上空に向けて複数の方向に音波を照射し、上空大気の温度勾配によって後方散乱される音波を受信し、ドップラシフトに基づき視線方向風速を測定し、ベクトル演算により風向風速を算出するものである。風速場の平均を測定できるため、風況精査に適した方法であるといえる。 This wind condition measurement method using an acoustic radar radiates sound waves in multiple directions toward the sky, receives sound waves back-scattered by the temperature gradient of the atmosphere above the sky, and measures the wind speed in the line of sight based on the Doppler shift. The wind direction and wind speed are calculated by vector calculation. Since it can measure the average of the wind field, it can be said that it is a suitable method for examining wind conditions.
この音波レーダにより複数の観測空間を測定するためには、天頂方向にセットした音波レーダを想定地点ごとに機械的に移動させるか、あるいは想定地点ごとに設置することが必要となる。しかしながら、前者は、移動と設置後のセッティングに時間がかかり、後者は、コスト的に考えて非現実的である。 In order to measure a plurality of observation spaces by this acoustic radar, it is necessary to mechanically move the acoustic radar set in the zenith direction for each assumed point or to install it for each assumed point. However, the former takes time for movement and setting after installation, and the latter is unrealistic in terms of cost.
これに対して、電波、音波または光波のいずれかを用いて、遠隔点での風速ベクトルを計測する装置及び方法がある。一様な風向風速を仮定した観測空間に対して、複数の仰角に走査中心を設定して、円錐走査、水平走査、鉛直走査により視線方向風速を測定し、その測定値からベクトル演算により風向風速値を算出するものである(例えば、特許文献1参照)。 On the other hand, there is an apparatus and a method for measuring a wind speed vector at a remote point using any of radio waves, sound waves, and light waves. For the observation space assuming a uniform wind direction and wind speed, set the scanning center at multiple elevation angles, measure the wind speed in the line of sight by cone scanning, horizontal scanning, and vertical scanning, and calculate the wind direction and wind speed by vector calculation from the measured values. A value is calculated (for example, refer to Patent Document 1).
この中でも、光波を用いた方法は、送信ビームが広がらないで伝搬するため、走査中心方向を水平付近まで設定できる利点がある。また、走査中心を移動することで、複数の観測空間に対して風向風速測定を行なうことができ、地表面近くの風況測定に適した方法である。複数の仰角に走査中心を設定する効果として、特に、低仰角の測定空間における風速鉛直成分の精度が向上する。 Among these, the method using the light wave has an advantage that the scanning center direction can be set up to near the horizontal because the transmission beam propagates without spreading. In addition, by moving the scanning center, wind direction and wind speed can be measured for a plurality of observation spaces, which is suitable for measuring wind conditions near the ground surface. As an effect of setting the scanning center at a plurality of elevation angles, the accuracy of the vertical wind speed component in a measurement space with a low elevation angle is improved.
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。光波を用いた従来技術においては、距離毎に視線方向風速を行なうことを想定しているが、円錐走査の円錐角、あるいは水平走査、垂直走査の開き角が測定距離に依存せずに固定であるため、遠方になるほど観測空間が広がり、風速場の一様性の仮定が成立しなくなる状況が想定される。このことは、ウィンドファームのように距離の異なる複数の観測空間に対して、風向風速を測定する場合において、測定精度を低下させる要因となり得る問題があった。 However, the prior art has the following problems. In the prior art using light waves, it is assumed that the wind speed in the line of sight is performed for each distance, but the cone angle of cone scanning, or the opening angle of horizontal scanning and vertical scanning is fixed independently of the measurement distance. For this reason, the farther away the observation space becomes, the more likely it is that the assumption of the uniformity of the wind velocity field is no longer valid. This has a problem that may cause a decrease in measurement accuracy when measuring wind direction and wind speed for a plurality of observation spaces with different distances such as a wind farm.
また、走査中心方向を地表面に平行に設定して、固定円錐角で円錐走査する場合には、遠方に行くにしたがって走査回転半径が大きくなる結果、光波レーダの送信光路が地面によって遮蔽されてしまい、風況測定ができなくなる問題があった。 In addition, when the scanning center direction is set parallel to the ground surface and conical scanning is performed at a fixed cone angle, the scanning rotation radius increases as the distance increases. As a result, the transmission optical path of the light wave radar is shielded by the ground. As a result, there was a problem that the wind conditions could not be measured.
すなわち、距離の異なる複数の観測空間に対して地表面近傍(100m以下)の風況を遠隔から測定する方法として、従来の光波レーダによる風速ベクトル測定技術を用いた場合には、風速場の不均一性のために高精度風況測定を行なうことが困難となる、あるいは光路遮蔽により測定自体が困難になるという課題があった。 That is, as a method for remotely measuring the wind conditions near the ground surface (100 m or less) for a plurality of observation spaces having different distances, the conventional wind velocity vector measurement technique using a light wave radar is used. There is a problem that it is difficult to perform high-precision wind measurement due to uniformity, or that the measurement itself is difficult due to light path shielding.
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、距離の異なる複数の観測空間に対して高精度に風向風速測定及び風況測定を行うことができる光波レーダ装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to obtain a light wave radar apparatus capable of performing wind direction wind speed measurement and wind state measurement with high accuracy for a plurality of observation spaces having different distances. Objective.
本発明に係る光波レーダ装置は、送信光を生成する光源部と、生成した送信光を大気中に放出し、大気中からの散乱光を収集して受信光として取り出す光送受信部と、光送受信部から放出される送信光の光路をあらかじめ設定した方向に走査する走査駆動部と、取り出された受信光を光電変換して受信信号を生成する受信信号生成部と、受信信号を周波数変換して視線方向風速値を検出するとともに走査駆動部から視線方向風速値に対応する仰角及び方位角を読み取り、検出した複数の視線方向風速値と、対応する仰角及び方位角とから風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出部とを備え、走査駆動部は、観測空間までの距離に基づいて、走査中心から所定値離れた観測空間内の複数の点を走査するように距離に応じた走査角を算出し、算出した走査角に基づいて送信光の光路を走査し、風速ベクトル算出部は、走査された送信光の複数の点の方位に対応するそれぞれの風速ベクトルを算出し、複数の風速ベクトルを合成して観測空間内の風向風速を算出するものである。 An optical radar device according to the present invention includes a light source unit that generates transmission light, an optical transmission / reception unit that emits the generated transmission light into the atmosphere, collects scattered light from the atmosphere, and extracts the received light as received light, and optical transmission / reception A scanning drive unit that scans the optical path of the transmission light emitted from the unit in a preset direction, a reception signal generation unit that photoelectrically converts the extracted reception light to generate a reception signal, and a frequency conversion of the reception signal The wind speed that detects the gaze direction wind speed value, reads the elevation angle and azimuth angle corresponding to the gaze direction wind speed value from the scanning drive unit, and calculates the wind speed vector from the detected plurality of gaze direction wind speed values and the corresponding elevation angle and azimuth angle A scanning calculation unit, based on the distance to the observation space, to calculate a scanning angle according to the distance so as to scan a plurality of points in the observation space that is a predetermined value away from the scanning center, Calculation Based on the scanning angle, the optical path of the transmitted light is scanned, and the wind speed vector calculation unit calculates the respective wind speed vectors corresponding to the azimuths of the multiple points of the scanned transmitted light, and combines the multiple wind speed vectors. The wind direction and wind speed in the observation space are calculated.
本発明の光波レーダ装置によれば、光波レーダ装置から観測空間までの距離に応じて走査角を変えて送信光を走査することにより、距離の異なる複数の観測空間のサイズを全て一定に維持することができ、風速場の一様性が成立する観測空間に対して高精度に風向風速測定及び風況測定を行うことができる光波レーダ装置を得ることができる。 According to the light wave radar apparatus of the present invention, the transmission light is scanned while changing the scanning angle according to the distance from the light wave radar apparatus to the observation space, so that the sizes of the plurality of observation spaces having different distances are all maintained constant. Thus, it is possible to obtain a light wave radar device capable of measuring the wind direction and the wind condition with high accuracy in an observation space where the uniformity of the wind velocity field is established.
以下、本発明の光波レーダ装置による風向風速測定方法及び風況測定方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、以下の説明においては、光波レーダ装置から放出されるレーザ光のことを送信光と記載する。 Hereinafter, preferred embodiments of a wind direction wind speed measuring method and a wind condition measuring method using an optical wave radar apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the laser light emitted from the light wave radar device is referred to as transmission light.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における光波レーダ装置の構成図である。光波レーダ装置10は、光源部11、光送受信部12、走査駆動部13、受信信号生成部14、及び風速ベクトル算出部15で構成される。
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical wave radar device according to
光源部11で生成された送信光は、光送受信部12から空中のある方位に放出される。放出された送信光の一部は、大気中の微小塵によって散乱され、さらにその散乱光の一部が光送受信部12によって受信光として受信される。ここで、光送受信部12から放出される送信光の方位は、走査駆動部13からの設定により規定される。走査駆動部13は、観測空間に対して、走査中心から所定距離にある複数の点を走査するように送信光の方位を制御する。走査方法としては円錐走査、直線走査があり、その詳細は後述する。
The transmission light generated by the light source unit 11 is emitted from the optical transmission /
受信信号生成部14は、光送受信部12が受信した受信光を電気信号に変換して受信信号を生成する。風速ベクトル算出部15は、受信信号生成部14からの受信信号に基づいて、周波数解析を行うことによりドップラシフトfDを検出し、さらに送信光の方位に対応した視線方向風速Vmを算出する。送信光の波長をλとすると、視線方向風速Vmは、ドップラシフトfDを用いて下式(1)により算出される。
The reception signal generation unit 14 converts the reception light received by the optical transmission /
さらに、風速ベクトル算出部15は、複数の方位に対して送信された送信光のそれぞれについて算出された視線方向風速のベクトル合成を求めることにより走査中心における風向風速を算出する。 Further, the wind speed vector calculation unit 15 calculates the wind direction wind speed at the scanning center by obtaining a vector composition of the line-of-sight direction wind speeds calculated for each of the transmission lights transmitted to a plurality of directions.
本実施の形態1の光波レーダ装置は、観測空間の位置が光波レーダ装置の設置位置からどのような距離にあっても、常に走査中心からあらかじめ定められた一定の距離にある複数の点における視線方向風速を算出できるように送信光を走査し、その算出結果に基づいて走査中心における風向風速を算出することを特徴としている。さらに、走査中心の位置をずらすことによって複数の観測空間に対して算出された風向風速から、風況測定を行うことを特徴としている。 In the light wave radar apparatus according to the first embodiment, the line of sight at a plurality of points that are always at a predetermined distance from the scanning center, regardless of the distance of the observation space position from the installation position of the light wave radar apparatus. Scanning light is scanned so that the direction wind speed can be calculated, and the wind direction wind speed at the scanning center is calculated based on the calculation result. Further, the present invention is characterized in that wind conditions are measured from wind directions and wind speeds calculated for a plurality of observation spaces by shifting the position of the scanning center.
そこで、その詳細を次に説明する。なお、以下の説明においては、光源部11、光送受信部12、走査駆動部13、受信信号生成部14、及び風速ベクトル算出部15のそれぞれの機能をまとめて、光波レーダ装置が実施するものとして記載する。
The details will be described next. In the following description, it is assumed that the functions of the light source unit 11, the optical transmission /
図2は、本発明の実施の形態1における光波レーダ装置による風況測定方法の説明図である。図2における地表面101に対して、1つの平行な空間を観測空間115と想定する。この場合の観測空間115は、閉空間であっても開空間であってもどちらでもよい。ここで、観測空間115の地表からの最大高度は、100〜200m程度に設定する。本実施の形態1では、測定時の観測空間115内での風向風速は一様であるものと仮定する。また、送信光の走査は、走査中心に対して円錐状に行われる場合について、まず説明する。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a wind condition measuring method by the light wave radar apparatus in the first embodiment of the present invention. It is assumed that one parallel space is an
観測空間115に対して、距離Rだけ離れた位置に光波レーダ装置102を設置する。光波レーダ装置102は、送信光103の光路を観測空間115に対して円錐状に走査する。このとき、円錐走査の走査中心方向104を観測空間115の中心に一致させる。円錐走査の円錐角をαとすると、観測空間115内において、送信光103は、直径Dの円環上の光路105を通過する。円錐走査の円錐角αを固定した場合において、光波レーダ装置102からの距離Rにおける円錐走査された送信光103の軌跡が描く円の直径Dは、Rに比例して増加する。
The light
今、円錐角αを下式(2)で示す角度に設定すると、直径Dは、距離によらず一定値となる。すなわち、距離Rに応じて円錐角αを可変とすることにより、距離Rが異なる観測空間に対しても直径Dを常に一定とすることができる。 Now, when the cone angle α is set to an angle represented by the following expression (2), the diameter D becomes a constant value regardless of the distance. That is, by making the cone angle α variable according to the distance R, the diameter D can be always constant even for observation spaces with different distances R.
このように送信光103を円錐走査することにより、距離Rを長くした場合、あるいは短くした場合にも、光路105の直径Dを一定に保つことができ、その結果、観測空間を等しく維持することができ、風速場の一様性破綻を回避することができる。このようにして定められた光路105において、複数の視線方向風速を検出した後に、それぞれの視線方向風速のベクトル合成を行うことにより、光路105の円の中心での風向風速を算出することができる。
By performing conical scanning of the
さらに、上記の測定を、観測空間115とは異なる方向にある複数の観測空間116〜120に対して、円錐走査の走査中心方向104を順次移動して繰返し行う。それぞれの観測空間116〜120と光波レーダ装置102との距離に応じて円錐角αを可変として送信光103を円錐走査することにより、全ての観測空間115〜120を等しく維持して、風向風速測定及び風況測定を行うことができる。
Further, the above measurement is repeatedly performed by sequentially moving the
次に、円錐走査における風速ベクトル算出方法を説明する。図3は、本発明の実施の形態1における風速ベクトル算出方法の説明図である。xyz直交座標系で円錐走査の座標系を定義する。今、i番目の送信光の出射方向(観測方向)を表す単位ベクトル[pi]111を[pi、qi、ri]とすると、単位ベクトル111は、その仰角がφi、方位角がθiである場合に、下式(3)で表される。
Next, a wind speed vector calculation method in conical scanning will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram of a wind speed vector calculation method according to
また、円錐走査の走査中心方向112の仰角をφc、方位角をθc、走査中心とビーム出射方向とのなす角をαとすると、単位ベクトル111は、各座標軸周りの回転を表す行列の合成を用いて、次式(4)で表される。
Further, if the elevation angle in the
ここで、[Rz(ξ)]、[Ry(ξ)]、[Rx(ξ)]は各々、z軸、y軸、x軸を中心に角度ξだけベクトル回転させる行列であり、次式(5)〜(7)で表される。 Here, [Rz (ξ)], [Ry (ξ)], and [Rx (ξ)] are matrices for vector rotation by an angle ξ around the z-axis, y-axis, and x-axis, respectively. 5) to (7).
これにより、円錐走査時のビーム出射方向の仰角φi、方位角θiは、下式(8)、(9)で表される。 As a result, the elevation angle φi and the azimuth angle θi in the beam emission direction at the time of conical scanning are expressed by the following equations (8) and (9).
ここで、atn2(q/p)は、0〜2πの範囲をとる次式(10)で表される。 Here, atn2 (q / p) is represented by the following formula (10) that takes a range of 0 to 2π.
さらに、風速ベクトル[u]を、次式(11)で定義する。 Further, the wind speed vector [u] is defined by the following equation (11).
i番目の送信光の出射方位piで観測されるべき理想値に相当するドップラ速度のモデル値Vdiは、風速ベクトル[u]とi番目の送信光の出射方向(観測方向)を表す単位ベクトル[pi]との内積として下式(12)で表される。 The model value V di of the Doppler velocity corresponding to the ideal value to be observed in the emission direction pi of the i-th transmission light is a unit vector representing the wind speed vector [u] and the emission direction (observation direction) of the i-th transmission light. It is expressed by the following formula (12) as an inner product with [pi].
一方、受信光の実際の測定結果から得られる視線方向風速実測値をVmiとする。今、ドップラ速度のモデル値Vdiと視線方向風速実測値Vmiとの残差の二乗和をSとして、次式(13)のように表す。 On the other hand, the visual line direction wind speed actual measurement value obtained from the actual measurement result of the received light is defined as V mi . Now, let S be the sum of squares of the residual between the model value V di of the Doppler velocity and the visual direction wind velocity measured value V mi , the following equation (13).
上記の残差二乗和Sを最小とする[u、v、w]が、実測値から推定される風速ベクトルとなる。すなわち、測定値に基づいて残差二乗和Sを最小とする[u、v、w]を求めることにより、風速ベクトルを推定できることとなる。Sを最小とする[u、v、w]は、次式(14)〜(17)によって求められる。 [U, v, w] that minimizes the residual sum of squares S is a wind speed vector estimated from the actually measured values. That is, the wind speed vector can be estimated by obtaining [u, v, w] that minimizes the residual sum of squares S based on the measured value. [U, v, w] that minimizes S is obtained by the following equations (14) to (17).
したがって、式(14)は次式(18)で表される。 Therefore, the equation (14) is expressed by the following equation (18).
ここで、観測行列[A]を下式(19)とし、上式(18)の出力[Y]を下式(20)とする。 Here, the observation matrix [A] is represented by the following equation (19), and the output [Y] of the above equation (18) is represented by the following equation (20).
観測行列[A]に逆行列[A]−1が存在する場合、[A]−1を上式(17)の両辺に左から乗算することで、下式(21)によって風速ベクトル[u]を得ることができる。 When the inverse matrix [A] −1 exists in the observation matrix [A], the wind speed vector [u] is calculated by the following equation (21) by multiplying both sides of the above equation (17) by [A] −1 from the left. Can be obtained.
いま、観測行列[A]を次式(22)のように置き直すと、逆行列[A]−1は、次式(23)、(24)で表すことができる。 Now, if the observation matrix [A] is replaced as in the following equation (22), the inverse matrix [A] −1 can be expressed by the following equations (23) and (24).
逆行列[A]−1が存在するための条件は、下式(25)である。 The condition for the existence of the inverse matrix [A] −1 is the following expression (25).
以上により求めた風速ベクトル[u、v、w]の値から、風速|V|と、風向の方位角成分θと、風向の仰角成分φとが各々次式(26)、(27)、(28)により算出できる。 From the values of the wind speed vector [u, v, w] obtained as described above, the wind speed | V |, the azimuth angle component θ of the wind direction, and the elevation angle component φ of the wind direction are respectively expressed by the following equations (26), (27), ( 28).
次に、測定処理の流れをフローチャートに基づいて説明する。図4は、本発明の実施の形態1の風速風向及び風況の測定処理を示すフローチャートである。まず始めに、光波レーダ装置102の送信光103の走査中心方向を観測空間115の中心位置に移動する(ステップ401)。このときの円錐走査の走査中心の仰角をφc、方位角をθcとする。また、走査中心と送信光103の出射方向とのなす角αを、式(2)にしたがって設定する(ステップ402)。この条件に基づいて、光波レーダ装置102は、送信光103の円錐走査を行なう(ステップ403)。
Next, the flow of the measurement process will be described based on a flowchart. FIG. 4 is a flowchart showing the measurement process of the wind speed and direction according to
光波レーダ装置102は、上記の走査状態を維持したまま波長λの送信光を照射し、視線方向風速を取得する演算ループを開始する(ステップ404)。光波レーダ装置102は、演算ループ内において、観測空間115に存在するエアロゾルからの散乱光を受信光として受信し、受信光を電気信号に変換して受信信号を生成する(ステップ405)。光波レーダ装置102は、受信信号を周波数解析することにより、ドップラシフトfDを検出し、さらに、式(1)に基づいて散乱光ドップラシフトから視線方向風速Vmを算出する(ステップ406)。
The light
次に、光波レーダ装置102の風速ベクトル算出部15は、受信信号に対応する送信光の出射方向を規定する走査角度φi、θi、γi、α(図3参照)を走査駆動部13から取得する(ステップ407)。次に、取得した走査角度φi、θi、γi、αを式(19)、(20)に適用させて、観測行列[A]の要素と観測ベクトル[y]とを演算する(ステップ408)。
Next, the wind velocity vector calculation unit 15 of the light
指定した数の円錐走査ドップラ速度が取得できるまで、演算ループのステップ404〜ステップ409を繰返して上記の演算を実行する。すなわち、送信光103を円錐走査し、指定した数の出射方向における全ての受信信号と、対応する全ての送信光の走査角度とに基づいて、観測行列[A]の要素と観測ベクトル[y]とを求めることとなる。その後、式(23)を用いて、観測行列[A]の逆行列[A]−1を算出する(ステップ410)。
Until the specified number of cone scanning Doppler velocities can be acquired, the above calculation is executed by repeating
最後に、式(21)に基づき、[A]−1と[y]との演算を行い、風速ベクトル[u]を算出し、第1番目の観測空間115の算出結果とする(ステップ411)。次に、走査中心点を次の観測空間に移動するか否かを判断し(ステップ412)、移動する場合にはステップ401に戻り、それ以降の処理を行う。このようにして、必要な観測空間115〜120における測定を完了するまで、風速ベクトルの演算を繰り返し行なう。
Finally, [A] −1 and [y] are calculated based on Expression (21) to calculate the wind speed vector [u], which is the calculation result of the first observation space 115 (step 411). . Next, it is determined whether or not the scanning center point is moved to the next observation space (step 412). If the scanning center point is moved, the process returns to step 401 to perform the subsequent processing. In this way, the calculation of the wind speed vector is repeated until the measurement in the
実施の形態1によれば、光波レーダ装置から観測空間までの距離に応じて円錐走査の円錐角を変えることにより、光波レーダ装置は、測定距離によらず、全ての観測空間を一定のサイズに維持することができ、風速場の一様性が成立する観測空間に対して測定を行なうことができ、ベクトル演算に伴う風速誤差、風向誤差を低減することができる。 According to the first embodiment, by changing the cone angle of the cone scanning according to the distance from the light wave radar apparatus to the observation space, the light wave radar apparatus makes all the observation spaces constant in size regardless of the measurement distance. Measurement can be performed on the observation space where the uniformity of the wind velocity field is established, and the wind velocity error and the wind direction error associated with the vector calculation can be reduced.
さらに、従来の風杯式風向風速計による点測定に比較して、広がりのある空間を観測するため、測定誤差が観測空間内で無相関な場合には、視線方向風速の測定点を増加させて平滑化を行うことにより、誤差低減を図ることができる。 Furthermore, compared to the conventional point measurement with a cup-type anemometer, a wider space is observed, so if the measurement error is uncorrelated in the observation space, the number of gaze direction wind speed measurement points is increased. By performing smoothing, errors can be reduced.
実施の形態2.
実施の形態2においては、視線方向風速Vmを算出する際に、前処理を行う場合について説明する。具体的には、図4のステップ406における散乱光ドップラシフトから視線方向風速Vmを算出する前処理として、受信信号の信号対雑音比(SNR)による閾値処理を追加する場合について説明する。図5は、本発明の実施の形態2における受信信号の信号対雑音比(SNR)に基づく閾値処理のフローチャートである。図5は、図4におけるステップ405とステップ406との間に、閾値処理を追加した場合を示している。
In the second embodiment, a case will be described in which preprocessing is performed when the line-of-sight direction wind velocity Vm is calculated. Specifically, a case will be described in which threshold processing based on the signal-to-noise ratio (SNR) of the received signal is added as pre-processing for calculating the line-of-sight wind velocity V m from the scattered light Doppler shift in
光波レーダ装置102は、ドップラ速度を算出する前に、まず、ステップ405で受信した受信信号に対してFFT処理を行い、スペクトルを算出する(ステップ501)。さらに、算出したスペクトルに対して、ピーク周波数検出と、ピーク周波数におけるSNRとを算出する(ステップ502)。そして、光波レーダ装置102は、算出したSNRが、あらかじめ設定した有効範囲内にあるかどうかを判別する(ステップ503)。
Before calculating the Doppler velocity, the optical
光波レーダ装置102は、算出したSNRが有効範囲内にある場合のみ、ドップラ速度を算出するために、図4のステップ406に進む。一方、光波レーダ装置102は、算出したSNRが有効範囲外の場合には、その方位で取得したデータを破棄して、図4のステップ405に戻り、観測空間に存在するエアロゾルからの散乱光を受信光として受信し直すこととなる。
The light
実施の形態2によれば、SNRが有効範囲外の受信信号を破棄する前処理を付加することにより、建物などの光路遮蔽時に検出するゼロ速度成分、あるいは低SNR時の風速誤検出成分を、ベクトル演算処理する前に取り除くことができ、算出データの信頼性を向上させることができる。 According to the second embodiment, by adding a preprocessing for discarding a received signal whose SNR is out of the effective range, a zero speed component detected at the time of shielding an optical path of a building or the like, or a wind speed erroneous detection component at a low SNR, It can be removed before the vector calculation process, and the reliability of the calculated data can be improved.
実施の形態3.
実施の形態1、2では、観測空間として、地表面近くの一般的な風況測定を想定している。実施の形態3では、実施の形態1、2の光波レーダ装置を風力発電設備の風況精査に適用する場合について説明する。図6は、本発明の実施の形態3における風力発電設備の風況精査を行うための構成を示す図である。すなわち、風速場が一様と見なせる観測空間215〜220内のそれぞれに対して水平型風力発電設備を設置する場合を想定する。
In the first and second embodiments, a general wind condition measurement near the ground surface is assumed as an observation space. In the third embodiment, a case will be described in which the light wave radar apparatus of the first and second embodiments is applied to wind condition examination of a wind power generation facility. FIG. 6 is a diagram showing a configuration for performing a wind condition examination of the wind power generation facility according to
ここで、光波レーダ装置202の送信光203の円錐走査中心204を、水平型風力発電設備の想定風車の翼回転中心210に一致させ、かつ、風車翼面内での送信光の円錐走査の走査回転半径を風車翼の回転半径の例えば10〜200%に設定して観測空間を定め、視線方向風速測定を行なう。得られた各視線方向風速の測定値から、ベクトル合成により観測空間内での風向風速を算出する。
Here, the
得られた風速|V|と風向θ、φとに基づいて、風車想定地点Pc、方位角θcにおける風車の到来風速Vupは、次式(29)から算出できる。 Based on the obtained wind speed | V | and wind directions θ and φ, the incoming wind speed V up of the wind turbine at the wind turbine assumed point Pc and the azimuth angle θc can be calculated from the following equation (29).
さらに、到来風速Vupを用いて、風車により得られるエネルギーを算出することができる。最も基本的な算出式は次式(30)で与えられる。 Furthermore, the energy obtained by the wind turbine can be calculated using the incoming wind speed V up . The most basic calculation formula is given by the following formula (30).
ここで、ρは空気密度、Ωは風車の受風面積、Cpはパワー係数である。特に、パワー係数Cpは、風車により抽出できるパワーと自然風の保有するパワーとの比で表され、理論限界値としてベッツ係数0.593が知られている。 Here, ρ is the air density, Ω is the wind receiving area of the windmill, and Cp is the power coefficient. In particular, the power coefficient Cp is represented by the ratio of the power that can be extracted by the windmill and the power that the natural wind has, and the Betz coefficient of 0.593 is known as the theoretical limit value.
実施の形態3によれば、従来の風杯式風向風速計による点測定に比較して、風車翼と実効的に作用する風速場を有効に測定できるため、発電電力の予測精度の向上が図れる。 According to the third embodiment, since the wind field effectively acting on the wind turbine blades can be effectively measured as compared with the point measurement by the conventional cup type anemometer, the prediction accuracy of the generated power can be improved. .
さらに、円錐走査した空間内で風速場が一様と仮定すれば、風向風速の推定精度は視線方向風速の測定精度に依存する。本実施の形態3の光波レーダ装置は、複数の視線方向風速の測定値に基づいて風速ベクトルを算出するため、視線方向風速の測定誤差が測定値に対して無相関な場合には、視線方向の測定点を増加させて平滑化することにより、誤差低減を図ることができる。 Furthermore, if it is assumed that the wind velocity field is uniform in the conical scanned space, the estimation accuracy of the wind direction and the wind velocity depends on the measurement accuracy of the gaze direction wind velocity. Since the light wave radar apparatus according to the third embodiment calculates the wind speed vector based on a plurality of gaze direction wind speed measurement values, when the gaze direction wind speed measurement error is uncorrelated with the measurement value, the gaze direction The error can be reduced by increasing the number of measurement points and smoothing.
さらに、上記測定における円錐走査中心を、複数の観測空間内の水平型風力発電設備に対して順次移動して測定を繰返すことで、複数の風車想定設置位置に対して風況測定を行なうことが可能となる。これにより、平坦な地形のウィンドファームだけでなく、地形が入り組んだ山岳地域、断崖のある海岸線、洋上など、従来の風杯式風向風速計あるいは音波レーダの設置が困難な場所に対する風況測定が可能となる。 In addition, the conical scanning center in the above measurement is sequentially moved with respect to the horizontal wind power generation facilities in the plurality of observation spaces, and the measurement is repeated, thereby making it possible to measure the wind conditions at a plurality of assumed wind turbine installation positions. It becomes possible. This makes it possible to measure wind conditions not only on flat terrain wind farms, but also in places where it is difficult to install conventional cup-type anemometers or sonic radars, such as mountainous areas with complicated terrain, coastlines with cliffs, and offshore. It becomes possible.
実施の形態4.
実施の形態1〜3では、観測空間内で風速場が一様である仮定の下、光波レーダ装置による送信光を円錐状に走査して風向風速を測定する場合について説明した。これに対して、本実施の形態4では、観測空間内で風向のみが一定で風速が変化する場合を想定し、円錐走査した送信光による各視線方向風速成分から、特定方向の風速成分を算出する場合について説明する。光波レーダ装置の設置場所及び視線方向風速の検出機能については、実施の形態1〜3と同様であり、説明を省略する。
In the first to third embodiments, the case where the wind direction wind speed is measured by scanning the transmission light from the light wave radar device in a conical shape under the assumption that the wind speed field is uniform in the observation space. On the other hand, in the fourth embodiment, it is assumed that only the wind direction is constant and the wind speed changes in the observation space, and the wind speed component in a specific direction is calculated from each gaze direction wind speed component by transmission light subjected to conical scanning. The case where it does is demonstrated. The installation location of the light wave radar device and the function of detecting the wind speed in the line-of-sight direction are the same as in the first to third embodiments, and a description thereof is omitted.
実施の形態1〜3と同様に、図2に示すような地表面101に平行な空間を観測空間115〜120と想定する。この場合の観測空間115〜120は、閉空間であっても開空間であってもどちらでもよい。ここで、観測空間115〜120の地表からの最大高度は、100m程度に設定する。地表から100m程度までの比較的低高度の大気層は、気象学では接地層と呼ばれ、風速は高度により変化するが、風向は一様であることが知られている。本実施の形態4では、これらを考慮し、風向のみが一様であると仮定する。
As in the first to third embodiments, a space parallel to the
実施の形態1〜3と同様に、それぞれの観測空間115〜120に対して送信光103を円錐走査する。送信光103の照射方向を図3の座標系と同一にとった場合、照射方向に対する方向ベクトルは、式(3)と同様に表される。走査中心の仰角をφc、方位角をθc、走査中心と送信光の出射方向とのなす角をα、円錐走査回転角をγとすると、式(3)は次式(31)のように書き直せる。
Similar to the first to third embodiments, the
走査中心方向を固定して一定の円錐角で円錐走査を行なう場合、θc、 φc、αが一定値となり、送信光の照射方向[pi]は、円錐走査回転角γの関数となる。 When performing conical scanning at a constant cone angle with the scanning center direction fixed, θc, φc, α are constant values, and the irradiation direction [pi] of the transmitted light is a function of the cone scanning rotation angle γ.
一方、観測空間内の風速場の方向余弦を次式(32)で示される[pW]とする。 On the other hand, let the direction cosine of the wind velocity field in the observation space be [p W ] represented by the following equation (32).
風向が一定と仮定しているため、[pW]は固定値となる。i番目の送信光の照射方向[pi]に対応する風速場の風速絶対値を|VWi|とすると、視線方向風速Vmiは、[pi]と[pW]の内積を用いて、次式(33)で表される。ただし、Tは転置を表す。 Since the wind direction is assumed to be constant, [p W ] is a fixed value. When the absolute velocity of the wind velocity field corresponding to the irradiation direction [p i ] of the i-th transmission light is | V Wi |, the gaze direction wind velocity V mi is obtained by using the inner product of [pi] and [p W ], It is represented by the following formula (33). However, T represents transposition.
上式(33)を変形すると、風速の絶対値|VWi|は、次式(34)のように算出できる。 When the above equation (33) is modified, the absolute value of the wind speed | V Wi | can be calculated as the following equation (34).
風向が一定であることを仮定しているので、風向の方向余弦の各成分を乗じることで所望の座標軸に対応する風速成分を算出できる。例えば、y軸に平行な風速成分は、下式(35)と表すことができる。 Since it is assumed that the wind direction is constant, the wind speed component corresponding to the desired coordinate axis can be calculated by multiplying each component of the direction cosine of the wind direction. For example, the wind speed component parallel to the y-axis can be expressed by the following formula (35).
以上の測定と演算を円錐走査の全周にわたって行なうことで、所望の方向の風速成分を、風速の絶対値|VWi|が一様でない観測空間に対しても算出することができる。 By performing the above measurement and calculation over the entire circumference of the cone scan, the wind speed component in the desired direction can be calculated even in an observation space where the absolute value of the wind speed | V Wi | is not uniform.
次に、所定風速成分の具体的な測定処理について、フローチャートを用いて説明する。図7は、本発明の実施の形態4における所定風速成分の測定処理を示すフローチャートである。まず始めに、光波レーダ装置の送信光の走査中心方向を観測空間の中心位置に移動する(ステップ701)。 Next, specific measurement processing of the predetermined wind speed component will be described using a flowchart. FIG. 7 is a flowchart showing measurement processing of a predetermined wind speed component in the fourth embodiment of the present invention. First, the scanning center direction of the transmission light of the light wave radar apparatus is moved to the center position of the observation space (step 701).
このときの円錐走査の走査中心の仰角をφc、方位角をθcとする。また、走査中心と送信光の出射方向とのなす角αを、式(2)にしたがって設定する(ステップ702)。この条件に基づいて光波レーダ装置は、送信光の円錐走査を行なう(ステップ703)。 At this time, the elevation angle of the scanning center of the cone scanning is φc, and the azimuth angle is θc. Further, an angle α formed by the scanning center and the transmission light emission direction is set according to the equation (2) (step 702). Based on this condition, the light wave radar device performs conical scanning of the transmitted light (step 703).
光波レーダ装置は、上記の走査状態を維持したまま波長λの送信光を照射し、視線方向風速を取得する演算ループを開始する(ステップ704)。光波レーダ装置は、演算ループ内において、観測空間に存在するエアロゾルからの散乱光を受信光として受信し、受信光を電気信号に変換して受信信号を生成する(ステップ705)。光波レーダ装置は、視線方向風速Vmを算出する(ステップ706)。次に、光波レーダ装置102の風速ベクトル算出部15は、受信信号に対応する送信光の出射方向を規定する走査角度φi、θi、γi、α(図3参照)を走査駆動部13から取得する(ステップ707)。
The light wave radar apparatus irradiates the transmission light having the wavelength λ while maintaining the above-described scanning state, and starts a calculation loop for acquiring the visual direction wind speed (step 704). In the calculation loop, the light wave radar device receives scattered light from the aerosol present in the observation space as received light, converts the received light into an electrical signal, and generates a received signal (step 705). Laser Radar apparatus calculates the gaze direction wind velocity V m (step 706). Next, the wind velocity vector calculation unit 15 of the light
次に、取得した走査角度φi、θi、γi、αを式(31)に適用させて、方向ベクトル[pi]を算出する(ステップ708)。算出した視線方向風速Vm、方向ベクトル[pi]及び先の式(32)による風向値[pW]に基づき、式(35)を適用して所定方向の風速を算出する(ステップ709)。 Next, the obtained scanning angles φi, θi, γi, α are applied to the equation (31) to calculate the direction vector [p i ] (step 708). Based on the calculated line-of-sight direction wind speed V m , the direction vector [p i ], and the wind direction value [p W ] obtained by the previous expression (32), the wind speed in a predetermined direction is calculated by applying the expression (35) (step 709). .
指定した数の円錐走査ドップラ速度が取得できるまで、演算ループのステップ704〜ステップ710を繰返し、上記の演算を実行する。指定した数の測定結果により特定方向の風速成分分布が得られる。さらに、指定した数の測定結果を平均化することにより、特定方向の平均風速成分を得ることができる。 Until the designated number of conical scanning Doppler velocities can be obtained, Steps 704 to 710 of the calculation loop are repeated, and the above calculation is executed. A wind speed component distribution in a specific direction is obtained from the specified number of measurement results. Furthermore, the average wind speed component in a specific direction can be obtained by averaging the specified number of measurement results.
次に、実施の形態1の場合と同様に、走査中心点を次の観測空間に移動するか否かを判断し(ステップ711)、移動する場合にはステップ701に戻り、それ以降の処理を行う。このようにして、必要な観測空間における測定を完了するまで、特定方向の風速成分の算出を繰り返し行なう。 Next, as in the case of the first embodiment, it is determined whether or not the scanning center point is moved to the next observation space (step 711), and if it is moved, the process returns to step 701, and the subsequent processing is performed. Do. In this way, the calculation of the wind velocity component in a specific direction is repeated until the measurement in the required observation space is completed.
実施の形態4によれば、風向が一様である仮定の下に、風速が一様でない観測空間内で特定方向の風速成分分布の測定を行うことができる。また、実施の形態1〜3と同様に、観測距離によらず、等しい大きさの観測空間を規定でき、風向の一様性を確保できる効果がある。さらに、特定方向の風速成分の複数のデータを平均化処理することにより、観測空間内の複数の点の平均風速成分を求めることができる。 According to the fourth embodiment, it is possible to measure a wind speed component distribution in a specific direction in an observation space where the wind speed is not uniform under the assumption that the wind direction is uniform. Further, similarly to the first to third embodiments, an observation space having an equal size can be defined regardless of the observation distance, and the uniformity of the wind direction can be ensured. Further, by averaging the plurality of data of the wind speed components in the specific direction, the average wind speed components at a plurality of points in the observation space can be obtained.
実施の形態5.
実施の形態5では、実施の形態4の光波レーダ装置を風力発電設備の風況精査に適用する場合について説明する。実施の形態4の光波レーダ装置を風力発電用の水平型風車の風況精査に適用した場合、風車翼面内での風速の違いを測定することができるため、より精度の高い発電量予測が期待できる。
Embodiment 5 FIG.
In the fifth embodiment, a case will be described in which the light wave radar device of the fourth embodiment is applied to wind condition examination of a wind power generation facility. When the light wave radar apparatus according to the fourth embodiment is applied to the wind condition examination of a horizontal wind turbine for wind power generation, it is possible to measure the difference in wind speed in the wind turbine blade surface, so that more accurate power generation prediction is possible. I can expect.
すなわち、図6に示すように円錐走査の走査中心を、想定している風車の翼回転中心に一致させて、円錐走査の回転半径を一致させる。この場合に円錐走査により得られる視線方向風速の到来方向成分は、風車翼の特定の動径位置に到来する風速場を選択的に測定したことに相当する。 That is, as shown in FIG. 6, the scanning center of the conical scanning is made coincident with the assumed blade rotation center of the windmill, and the rotational radius of the conical scanning is made coincident. In this case, the direction-of-arrival component of the line-of-sight wind speed obtained by conical scanning corresponds to the selective measurement of the wind speed field arriving at a specific radial position of the wind turbine blade.
図8は、風速場が水平型風車翼に入力した際に風車翼に発生する揚力分布の例を示す図である。水平型風車の翼21の翼ピッチ角を、風車に入力する風速場22の風速にあわせて制御した場合の揚力分布23が、図8(a)に示されている。また、水平型風車の翼21の翼ピッチ角を固定して失速制御した場合の揚力分布24〜26が、図8(b)に示されている。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a lift distribution generated on the wind turbine blades when the wind velocity field is input to the horizontal wind turbine blades. FIG. 8A shows the
図8(b)の揚力分布24は、風速が9m/sにおける揚力分布を示し、揚力分布25は、風速が12m/sにおける揚力分布を示し、さらに、揚力分布26は、風速が24m/sにおける揚力分布を示している。図8(a)及び図8(b)のいずれの場合も、翼に発生する揚力分布23〜26は、翼回転中心軸上でゼロであり、翼動径方向に対して凸の特性があることがわかる。
The
例えば、円錐走査の想定風車面上での回転半径を、図8(a)のピッチ角制御方式における最大揚力となる翼動径位置に一致させて視線方向風速を測定する。この場合に得られる到来風速成分は、風車翼面内に到来する風速が一様でない場合でも風車の回転に寄与する成分が多くなると考えられ、発電量予測の精度が向上する。 For example, the gaze direction wind speed is measured by matching the radius of rotation of the conical scanning on the assumed windmill surface with the blade radial position that is the maximum lift in the pitch angle control method of FIG. The incoming wind speed component obtained in this case is considered to include more components contributing to the rotation of the windmill even when the wind speed arriving in the windmill blade surface is not uniform, and the accuracy of power generation prediction is improved.
一方、図8(b)に示す失速制御方式の風車に対しては、風車面内に到来する風速に応じて、最大揚力となる翼動径位置が異なる場合がある。最大揚力をとる翼動径位置は、翼形状やピッチの固定角により異なるが、風車翼の設計値から上記特性はある程度推定できる。 On the other hand, for the wind turbine of the stall control method shown in FIG. 8 (b), the blade radial position at which the maximum lift force may be different depending on the wind speed arriving in the wind turbine surface. The blade radial position for maximum lift varies depending on the blade shape and pitch fixed angle, but the above characteristics can be estimated to some extent from the design value of the wind turbine blade.
このため、光波レーダ装置は、あらかじめ到来風速に対する最大揚力をとる翼動径位置特性のデータを記憶部に蓄積しておき、計測される到来風速に応じて、最大揚力となる動径位置に円錐走査の回転半径を変更することにより、特性に即した風速成分を求め直すことができる。 For this reason, the light wave radar device stores in advance the data on the blade radial position characteristics that obtain the maximum lift with respect to the incoming wind speed in the storage unit, and the cone is placed at the radial position that provides the maximum lift according to the measured incoming wind speed. By changing the rotation radius of scanning, it is possible to recalculate the wind speed component in accordance with the characteristics.
実施の形態5によれば、失速制御の場合でも風車回転に寄与する風速成分を選択的に測定することができる。これにより、円錐走査の回転半径を一定とした測定にくらべ、風車回転に有効に寄与する風速成分を測定できることになり、発電量予測精度の向上を図ることができる。 According to the fifth embodiment, the wind speed component contributing to the windmill rotation can be selectively measured even in the case of stall control. As a result, it is possible to measure the wind speed component that effectively contributes to the rotation of the windmill, as compared with the measurement in which the rotation radius of the conical scanning is constant, and it is possible to improve the power generation amount prediction accuracy.
なお、この特定方向の風速成分分布の測定は、水平型風力発電設備を設置する場合を想定して実施の形態3で示したように、複数の円錐走査半径に対して算出することもできる。これにより、円錐走査の回転半径を一定とした測定にくらべ、複数の回転半径に対する風速成分を測定できることになり、発電量予測精度の向上を図ることができる。
Note that the measurement of the wind speed component distribution in the specific direction can also be calculated for a plurality of cone scanning radii as described in
実施の形態6.
実施の形態1では、観測空間内で風速場が一様である仮定の下、光波レーダ装置による送信光を円錐状に走査して風向風速を測定する場合について説明した。これに対して、本実施の形態6では、送信光を地表面に平行に左右走査する場合について説明する。光波レーダ装置の設置場所及び視線方向風速の検出機能については、実施の形態1と同様であり、説明を省略する。
Embodiment 6 FIG.
In the first embodiment, the case has been described in which the wind direction and wind speed are measured by scanning the transmission light from the light wave radar device in a conical shape under the assumption that the wind speed field is uniform in the observation space. On the other hand, in this Embodiment 6, the case where transmission light is scanned left and right in parallel with the ground surface will be described. The installation location of the light wave radar device and the function of detecting the wind speed in the line-of-sight direction are the same as in the first embodiment, and a description thereof is omitted.
図9は、本発明の実施の形態6における風力発電設備の風況精査を行うための構成を示す図である。本実施の形態6では、水平型風力発電設備の風況精査に適用する場合を説明するが、風速場が一様と見なせる観測空間であれば、閉空間であっても開空間であってもどこでもよい。 FIG. 9 is a diagram showing a configuration for performing a wind condition examination of the wind power generation facility according to the sixth embodiment of the present invention. In the sixth embodiment, the case where the wind speed field of the horizontal wind power generation facility is applied will be described. However, any observation space in which the wind velocity field can be regarded as uniform can be used. Anywhere.
風向風速が一様な観測空間315〜320のそれぞれに対して、送信光303a、303bを地表面に対して平行で、かつ、走査中心方向304を通る直線状に走査し、走査直線上の2点に対応する方向に対して視線方向風速を測定し、ベクトル合成により風向風速を算出する。ここで、観測空間内の想定風車翼面内における走査中心304を、風車翼回転中心310と一致させる。
With respect to each of the
次に、左右走査における風速ベクトル算出方法を具体的に説明する。図10は、本発明の実施の形態6における風速ベクトル算出方法の説明図である。xyz直交座標系で座標系を定義する。図10(a)において、送信光の出射光を、走査中心304(方位角θc、仰角φc)を中心として方位方向に−αから+αまで走査する。ここで、図10における送信光の出射方位として、方位角がθc+αの送信光303aの出射方位を出射方位1と定義し、方位角がθc−αの送信光303bの出射方位を出射方位2と定義する。
Next, the wind speed vector calculation method in the left and right scanning will be specifically described. FIG. 10 is an explanatory diagram of a wind speed vector calculation method according to the sixth embodiment of the present invention. A coordinate system is defined by an xyz orthogonal coordinate system. In FIG. 10A, the outgoing light of the transmission light is scanned from −α to + α in the azimuth direction around the scanning center 304 (azimuth angle θc, elevation angle φc). Here, as an outgoing azimuth of the transmission light in FIG. 10, an outgoing azimuth of the
図10(b)において、出射方位1及び2の各視線方向風速をそれぞれVm1、Vm2とすると、地表面に平行で、かつ、走査中心方位方向に平行な風速成分V//311と、走査中心方位方向に垂直な風速成分V⊥312は、それぞれ下式(36)、(37)で表される。
In FIG. 10 (b), assuming that the wind speeds in the line-of-sight directions of the
したがって、地表面に平行な面内の風速|Vhor|と風向θは、次式(38)、(39)で算出される。 Accordingly, the wind speed | V hor | and the wind direction θ in a plane parallel to the ground surface are calculated by the following equations (38) and (39).
これにより、2つの視線方向風速から地表に対して水平面内の風向風速の算出が可能となる。 This makes it possible to calculate the wind direction and wind speed in the horizontal plane with respect to the ground surface from the two line-of-sight wind speeds.
図11は、本発明の実施の形態6の風速風向及び風況の測定処理を示すフローチャートである。まず始めに、光波レーダ装置302の送信光の走査中心方向を観測空間315の中心位置に移動する(ステップ1101)。このときの円錐走査の走査中心の仰角をφc、方位角をθcとする。また、円錐走査での円錐角αに相当する値として、左右走査の開き角の半角αを式(2)にしたがって設定する(ステップ1102)。この条件に基づいて、光波レーダ装置302は、送信光の左右走査を行なう(ステップ1103)。
FIG. 11 is a flowchart showing the measurement process of the wind speed and the wind direction according to the sixth embodiment of the present invention. First, the scanning center direction of the transmission light of the light
光波レーダ装置302は、上記の走査状態を維持したまま波長λの送信光を照射し、視線方向風速を取得する演算ループを開始する(ステップ1104)。光波レーダ装置302は、演算ループ内において、観測空間315に存在するエアロゾルからの散乱光を受信光として受信し、受信光を電気信号に変換して受信信号を生成する(ステップ1105)。光波レーダ装置302は、ループ内でi番目のドップラ速度Vm(i)を算出する(ステップ1106)。さらに、光波レーダ装置302の風速ベクトル算出部15は、受信信号に対応する送信光の出射方向を規定する出射方位角(図10参照)を走査駆動部13から取得する(ステップ1107)。
The light
次に、連続した2回分の視線方向風速Vm(i−1)及びVm(i)と、左右走査の開き角の半角αを式(36)、(37)に適用して、水平風成分と円直風成分とを算出する。さらに、式(38)、(39)を用いてi番目の測定における風速|Vhor|と風向θを算出する(ステップ1108)。 Next, by applying the line-of-sight wind speeds V m (i-1) and V m (i) for two consecutive times and the half angle α of the opening angle of the left and right scanning to the equations (36) and (37), the horizontal wind A component and a circular direct wind component are calculated. Further, the wind speed | V hor | and the wind direction θ in the i-th measurement are calculated using the equations (38) and (39) (step 1108).
指定した数の左右走査ドップラ速度が取得できるまで、演算ループのステップ1104〜ステップ1109を繰返し、上記の演算を実行する。
Until the designated number of left-right scanning Doppler velocities can be acquired,
次に、実施の形態1の場合と同様に、走査中心点を次の観測空間に移動するか否かを判断し(ステップ1110)、移動する場合にはステップ1101に戻り、それ以降の処理を行う。このようにして、必要な観測空間315〜320における測定を完了するまで、風向風速及び風況の測定を繰り返し行なう。
Next, as in the case of the first embodiment, it is determined whether or not the scanning center point is moved to the next observation space (step 1110). If it is moved, the process returns to step 1101, and the subsequent processing is performed. Do. In this manner, the measurement of the wind direction and the wind speed is repeatedly performed until the measurement in the
実施の形態1の場合と同様に、光波レーダ装置302から観測空間までの距離Rに応じて左右走査の開き角αを式(2)にしたがって設定することにより、光波レーダ装置302は、測定距離によらず一定の観測空間に対する風向風速の測定ができ、風向の一様性を確保できる。
As in the case of the first embodiment, by setting the left-right scanning opening angle α in accordance with the distance R from the light
実施の形態1の円錐走査による風向風速計測の場合には、N点の測定方位から観測行列[A]とその逆行列[A]−1を算出し、各視線方向風速の計測値との乗算により風向風速を求めていた。これに対して、本実施の形態6による左右走査による風向風速計測の場合には、2点の視線方向風速の計測値から風向風速を算出するため、計算が簡単化できる。これにより、1回の風向風速演算に必要な視線方向風速計測時間、演算時間が短縮でき、測定更新時間を短くできる利点がある。 In the case of wind direction and wind speed measurement by conical scanning according to the first embodiment, the observation matrix [A] and its inverse matrix [A] −1 are calculated from the measurement azimuths at N points, and multiplied by the measurement values of the wind speeds in the respective gaze directions. I asked for the wind direction and wind speed. On the other hand, in the case of wind direction wind speed measurement by left and right scanning according to the sixth embodiment, the wind direction wind speed is calculated from the measured values of the wind speed in the two line-of-sight directions, so that the calculation can be simplified. Thereby, there is an advantage that the gaze direction wind speed measurement time and calculation time required for one wind direction wind speed calculation can be shortened and the measurement update time can be shortened.
次に、2方向の視線方向風速の測定値による風速算出精度について説明する。各視線方向風速Vm1、Vm2の測定誤差をそれぞれΔVm1、ΔVm2とすると、地表面に平行で、かつ、走査中心方位方向に平行な風速成分V//は、次式(40)に示すような測定誤差ΔV//を生じる。 Next, the wind speed calculation accuracy based on the measured values of the wind speed in the two gaze directions will be described. Assuming that the measurement errors of the line-of-sight wind speeds V m1 and V m2 are ΔV m1 and ΔV m2 , respectively, the wind speed component V // parallel to the ground surface and parallel to the scanning center azimuth direction is expressed by the following equation (40). A measurement error ΔV // is generated as shown.
この誤差ΔV//の分散は、次式(41)で表される。 The variance of the error ΔV // is expressed by the following equation (41).
ただし、上式(41)における表記<>は、集合平均を表す。今、α≪1のとき(すなわちαが充分に小さいとき)、ΔV//の標準偏差は、次式(42)のように近似できる。 However, the notation <> in the above formula (41) represents a set average. Now, when α << 1 (that is, when α is sufficiently small), the standard deviation of ΔV // can be approximated by the following equation (42).
ここで、εVは、次式(43)で表すように、ΔVm1及びΔVm2の標準偏差を表し、かつ、ΔVm1とΔVm2とが下式(44)で表すように、無相関であるとした。 Here, ε V represents the standard deviation of ΔV m1 and ΔV m2 as represented by the following equation (43), and is uncorrelated as ΔV m1 and ΔV m2 are represented by the following equation (44). It was supposed to be.
同様にして、地表面に平行で、かつ、走査中心方位方向に鉛直な風速成分V⊥は、次式(45)に示すような測定誤差ΔV⊥を生じる。 Similarly, a wind speed component V 平行 parallel to the ground surface and perpendicular to the scanning center azimuth direction causes a measurement error ΔV よ うな as shown in the following equation (45).
ΔV⊥の分散は、次式(46)で表される。 The variance of ΔV ⊥ is expressed by the following equation (46).
α≪1のとき、ΔV⊥の標準偏差は、次式(47)のように近似できる。 When Arufa«1, the standard deviation of the [Delta] V ⊥ can be approximated by the following equation (47).
以上の結果に基づき、地表面に平行な面内の風速|Vhor|の算出精度を考える。ΔV//とΔV⊥の誤差の影響により、ΔVhorだけ算出誤差が生じる場合には、下式(48)の関係となる。 Based on the above results, the calculation accuracy of the wind speed | V hor | in the plane parallel to the ground surface will be considered. The influence of the error of [Delta] V // and [Delta] V ⊥, when the calculation error only [Delta] V hor occurs, the relation of the following equation (48).
上式(48)の両辺を二乗し、ΔVhor≪1(すなわちΔVhorが充分に小さいとき)の条件下で近似すると、次式(49)で表される。 When both sides of the above equation (48) are squared and approximated under the condition of ΔV hor << 1 (that is, when ΔV hor is sufficiently small), the following equation (49) is obtained.
図10(b)に示すように、δを風向と走査中心方位とのなす角で定義すると、ΔVhorは、次式(50)で表される。 As shown in FIG. 10B, when δ is defined by an angle formed by the wind direction and the scanning center direction, ΔV hor is expressed by the following equation (50).
したがって、風速の標準偏差は、下式(51)で表される。 Therefore, the standard deviation of the wind speed is expressed by the following formula (51).
ここで、ΔV//とΔV⊥との相関係数<ΔV//・ΔV⊥>は、下式(52)となる。 Here, the correlation coefficient between the [Delta] V // and ΔV ⊥ <ΔV // · ΔV ⊥ > becomes the following equation (52).
また、上式(51)は、下式(53)で表される。 Further, the above equation (51) is represented by the following equation (53).
したがって、走査中心方位が風向と平行な場合(δ=0)には、風速の算出誤差ΔVhorは最小となり、逆に走査中心方位が風向と垂直な場合(δ=90°)には、風速の算出誤差ΔVhorは最大となる。また、左右走査の開き角2αは、大きいほど風速算出誤差は小さくなる。 Therefore, when the scanning center direction is parallel to the wind direction (δ = 0), the wind speed calculation error ΔV hor is minimized, and conversely, when the scanning center direction is perpendicular to the wind direction (δ = 90 °), the wind speed is The calculation error ΔV hor of is maximum. Further, the larger the opening angle 2α of the left and right scanning, the smaller the wind speed calculation error.
次に、2方向の視線方向風速の測定値による風向算出精度について説明する。ΔV//とΔV⊥の誤差の影響により、Δθだけ風向算出誤差が生じる場合は、次式(54)で表される。 Next, the wind direction calculation accuracy based on the measured values of the two gaze direction wind speeds will be described. The influence of the error of [Delta] V // and [Delta] V ⊥, if Δθ only wind direction calculation error occurs, represented by the following formula (54).
このとき、風向測定誤差Δθは、次式(55)で表される。 At this time, the wind direction measurement error Δθ is expressed by the following equation (55).
ただし、V//≫ΔV//、V⊥>ΔV⊥と仮定し、下式(56)の条件が成立するものとする。 However, V // »ΔV //, assuming V ⊥> ΔV ⊥, it is assumed that the condition of the formula (56) is established.
測定する風速が走査中心方位に垂直である場合、すなわちV//=0の場合を考えると、Δθは下式(57)で表される。 Considering the case where the wind speed to be measured is perpendicular to the scanning center direction, that is, the case of V // = 0, Δθ is expressed by the following equation (57).
したがって、風向誤差の標準偏差は、式(42)と式(57)により、次式(58)に近似できる。 Therefore, the standard deviation of the wind direction error can be approximated to the following equation (58) by the equations (42) and (57).
一方、測定する風速が走査中心方位に垂直である場合、すなわちV⊥=0の場合を考えると、風速誤差Δθとその標準偏差は、それぞれ式(59)、式(60)のように近似できる。 On the other hand, if the wind speed to be measured is perpendicular to the scanning center direction, namely consider the case of a V ⊥ = 0, the standard deviation and the wind speed error Δθ, respectively formula (59) can be approximated as equation (60) .
今、偏向角αとしては90度以下の場合を想定しているため、風向が走査中心方位に対して垂直の場合に最小値、風向が走査中心方位に対して平行な場合に最大となる。 Since it is assumed that the deflection angle α is 90 degrees or less, the minimum value is obtained when the wind direction is perpendicular to the scanning center direction, and the maximum value is obtained when the wind direction is parallel to the scanning center direction.
以上により、測定対象の風向が、走査中心方位に対して平行な場合に、風速誤差の標準偏差が最小、風向誤差の標準偏差が最大となる。逆に、風向が走査中心方位に対して垂直の場合に、風速誤差の標準偏差が最大、風向誤差の標準偏差が最小となることが分かる。 As described above, when the wind direction to be measured is parallel to the scanning center direction, the standard deviation of the wind speed error is minimum and the standard deviation of the wind direction error is maximum. Conversely, when the wind direction is perpendicular to the scanning center direction, it can be seen that the standard deviation of the wind speed error is the maximum and the standard deviation of the wind direction error is the minimum.
実施の形態6によれば、1回の風速ベクトルを求めるための視線方向風速測定が2視線方向でよく、実施の形態1にあげた円錐走査による風向風速計測に比較して計算が簡単化できる。これにより、1回の風向風速演算に必要な視線方向風速計測時間、演算時間が短縮でき、測定更新時間を短くできる利点がある。 According to the sixth embodiment, the gaze direction wind speed measurement for obtaining one wind velocity vector may be two gaze directions, and the calculation can be simplified as compared with the wind direction wind speed measurement by the cone scanning described in the first embodiment. . Thereby, there is an advantage that the gaze direction wind speed measurement time and calculation time required for one wind direction wind speed calculation can be shortened and the measurement update time can be shortened.
さらに、測定地域の地形が入り組んでいる場合、あるいは建物などの障害物が円錐走査時の送信光の光路の一部を遮蔽し、左右水平方向に光路遮蔽がない場合などに、単位時間あたりの測定データの利用率を高くとれる利点がある。 In addition, when the topography of the measurement area is complicated, or when an obstacle such as a building blocks a part of the optical path of the transmitted light during conical scanning and there is no optical path shielding in the horizontal direction, etc. There is an advantage that the utilization rate of measurement data can be increased.
なお、実施の形態1で述べた信号積算平均に関しては、2視線方向から算出した風向、風速に対して積算平均処理を行なうか、各視線方向風速を別々に積算平均処理して求めた2つの平均視線方向風速値から式(31)〜(33)を用いて風向風速演算を行なってもよい。 In addition, with respect to the signal integration average described in the first embodiment, the integration average processing is performed on the wind direction and the wind speed calculated from the two line-of-sight directions, or each line-of-sight direction wind speed is separately calculated and integrated. The wind direction and wind speed may be calculated from the average line-of-sight direction wind speed value using equations (31) to (33).
また、平均演算の際には、実施の形態1と同じように、各視線方向風速測定値の信号対雑音比に対して、有効範囲を設定し、有効範囲外のデータに関しては棄却する閾値処理を追加することができる。これにより、光路遮蔽によって検出されたゼロ速度成分や、低SNR時の誤検出成分を除外でき、風向風速算出における信頼性を向上させることができる。 In addition, in the case of the average calculation, as in the first embodiment, a threshold value process is performed in which an effective range is set for the signal-to-noise ratio of each gaze direction wind speed measurement value, and data outside the effective range is rejected. Can be added. Thereby, the zero speed component detected by the light path shielding and the erroneous detection component at the time of low SNR can be excluded, and the reliability in calculating the wind direction and the wind speed can be improved.
実施の形態7.
実施の形態6では、観測空間内で風速場が一様である仮定の下、光波レーダ装置による送信光を地表面に平行に左右走査して風向風速を測定する場合について説明した。これに対して、本実施の形態7では、送信光を地表面に対して上下走査する場合について説明する。光波レーダ装置の設置場所及び視線方向風速の検出機能については、実施の形態1と同様であり、説明を省略する。
In the sixth embodiment, the case has been described in which the wind direction and wind speed are measured by scanning the transmitted light from the light wave radar device in the horizontal direction parallel to the ground surface under the assumption that the wind speed field is uniform in the observation space. On the other hand, in this
図12は、本発明の実施の形態7における風力発電設備の風況精査を行うための構成を示す図である。実施の形態7では、風向風速が一様な観測空間の一例として、水平型風力発電設備の風況精査への適用を想定し、送信光を地表面に対して垂直直線状に走査し、走査直線上の2点に対応する方向に対して視線方向風速を測定する場合を説明するが、風速場が一様と見なせる観測空間であれば、閉空間であっても開空間であってもどこでもよい。
FIG. 12 is a diagram showing a configuration for conducting a wind condition examination of the wind power generation facility according to
風向風速が一様な観測空間415〜420のそれぞれに対して、送信光403a、403bを地表面に対して垂直で、かつ、走査中心方向404を通る直線状に走査し、走査直線上の2点に対応する方向に対して視線方向風速を測定し、ベクトル合成により水平風成分と円直風成分を算出する。ここで、観測空間内の想定風車翼面内における走査中心404を、風車翼回転中心410と一致させる。
For each of the
次に、上下走査における風速ベクトル算出方法を具体的に説明する。図13は、本発明の実施の形態7における風速ベクトル算出方法の説明図である。xyz直交座標系で座標系を定義する。図13(a)において、送信光の出射光を、走査中心404(方位角θc、仰角φc)を中心として仰角方向に−αから+αまで走査する。ここで、図13における送信光の出射方位として、仰角がφc+αの送信光403aの出射方位を出射方位1と定義し、仰角がφc−αの送信光403bの出射方位を出射方位2と定義する。
Next, the wind speed vector calculation method in the vertical scanning will be specifically described. FIG. 13 is an explanatory diagram of a wind speed vector calculation method according to
図13(b)において、出射方位1及び2の各視線方向風速をそれぞれVm1、Vm2とすると、地表面に平行で、かつ、走査中心方位方向に平行な風速成分V//411と、走査中心方位方向に垂直な風速成分V⊥412は、実施の形態2における仰角φcと方位角θcとを入れ替えた表記となり、それぞれ下式(61)、(62)と表される。
In FIG. 13 (b), assuming that the wind speeds in the line-of-sight directions of the
したがって、地表面に平行な面内の風速|Vver|と風向φは、次式(63)、(64)で算出される。 Accordingly, the wind speed | V ver | and the wind direction φ in a plane parallel to the ground surface are calculated by the following equations (63) and (64).
これにより、2つの視線方向風速から地表に対して鉛直面内の風向風速の算出が可能となる。 Thereby, the wind direction wind speed in the vertical plane with respect to the ground surface can be calculated from the two line-of-sight direction wind speeds.
図14は、本発明の実施の形態7の風速風向及び風況の測定処理を示すフローチャートである。まず始めに、光波レーダ装置402の送信光の走査中心方向を観測空間415の中心位置に移動する(ステップ1401)。このときの円錐走査の走査中心の仰角をφc、方位角をθcとする。また、円錐走査での円錐角αに相当する値として、上下走査の開き角の半角αを式(2)にしたがって設定する(ステップ1402)。この条件に基づいて、光波レーダ装置402は、送信光の上下走査を行なう(ステップ1403)。
FIG. 14 is a flowchart showing the measurement process of the wind speed and the wind condition according to the seventh embodiment of the present invention. First, the scanning center direction of the transmission light of the light
光波レーダ装置402は、上記の走査状態を維持したまま波長λの送信光を照射し、視線方向風速を取得する演算ループを開始する(ステップ1404)。光波レーダ装置402は、演算ループ内において、観測空間415に存在するエアロゾルからの散乱光を受信光として受信し、受信光を電気信号に変換して受信信号を生成する(ステップ1405)。光波レーダ装置402は、ループ内でi番目のドップラ速度Vm(i)を算出する(ステップ1406)。さらに、光波レーダ装置402の風速ベクトル算出部15は、受信信号に対応する送信光の出射方向を規定する出射方位角(図13参照)を走査駆動部13から取得する(ステップ1407)。
The light
次に、連続した2回分の視線方向風速Vm(i−1)及びVm(i)と、上下走査の開き角の半角αを式(61)、(62)に適用して、水平風成分と円直風成分とを算出する。さらに、式(63)、(64)を用いてi番目の測定における風速|Vver|と風向φを算出する(ステップ1408)。 Next, by applying the line-of-sight wind speeds V m (i−1) and V m (i) for two consecutive times and the half angle α of the open / closed scanning angle to the equations (61) and (62), the horizontal wind A component and a circular direct wind component are calculated. Further, the wind speed | V ver | and the wind direction φ in the i-th measurement are calculated using the equations (63) and (64) (step 1408).
指定した数の上下走査ドップラ速度が取得できるまで、演算ループのステップ1404〜ステップ1409を繰返し、上記の演算を実行する。
Until the designated number of vertical scanning Doppler velocities can be acquired,
実施の形態1の場合と同様に、走査中心点を次の観測空間に移動するか否かを判断し(ステップ1410)、移動する場合にはステップ1401に戻り、それ以降の処理を行う。このようにして、必要な観測空間415〜420における測定を完了するまで、風向風速及び風況の測定を繰り返し行なう。
As in the case of the first embodiment, it is determined whether or not the scanning center point is moved to the next observation space (step 1410). If it is moved, the process returns to step 1401, and the subsequent processing is performed. In this way, the measurement of the wind direction and the wind speed is repeatedly performed until the measurement in the
実施の形態7によれば、実施の形態1の場合と同様に、光波レーダ装置から観測空間までの距離に応じて上下走査の開き角αを式(2)にしたがって設定することにより、光波レーダ装置は、測定距離によらず一定の観測空間に対して測定でき、風向の一様性を確保できる。 According to the seventh embodiment, as in the case of the first embodiment, by setting the vertical scanning opening angle α according to the equation (2) according to the distance from the light wave radar apparatus to the observation space, the light wave radar The apparatus can measure a fixed observation space regardless of the measurement distance, and can ensure the uniformity of the wind direction.
さらに、実施の形態6の場合と同様に、本実施の形態7による上下走査による風向風速計測の場合には、2点の視線方向風速の計測値から風向風速を算出するため、計算が簡単化できる。これにより、1回の風向風速演算に必要な視線方向風速計測時間、演算時間が短縮でき、測定更新時間を短くできる利点がある。 Further, as in the case of the sixth embodiment, in the case of the wind direction and wind speed measurement by the vertical scanning according to the seventh embodiment, the calculation is simplified because the wind direction and wind speed are calculated from the measurement values of the two gaze direction wind speeds. it can. Thereby, there is an advantage that the gaze direction wind speed measurement time and calculation time required for one wind direction wind speed calculation can be shortened and the measurement update time can be shortened.
また、測定精度については、実施の形態6の場合と同様に考えることができ、被測定風向が走査中心方位方向に平行に近い場合ほど、風速の算出精度が高く、風向の算出精度が低い。逆に、被測定風向が走査中心方位方向に垂直に近いほど、風速算出精度が低く、風向算出精度が高くなる。 Further, the measurement accuracy can be considered in the same manner as in the sixth embodiment, and the calculation accuracy of the wind speed is higher and the calculation accuracy of the wind direction is lower as the measured wind direction is closer to being parallel to the scanning center azimuth direction. Conversely, the closer the wind direction to be measured is to the direction perpendicular to the scanning center azimuth direction, the lower the wind speed calculation accuracy and the higher the wind direction calculation accuracy.
さらに、実施の形態6で述べた平均化処理、及び閾値処理により算出風速データの信頼性を向上できる。 Furthermore, the reliability of the calculated wind speed data can be improved by the averaging process and the threshold process described in the sixth embodiment.
風力発電設備の疲労の原因の1つは、垂直方向の風速であると考えられる。特に、入り組んだ地形においては風速場の乱れが大きく、数値シミュレーションによる推定誤差が大きくなる。本実施の形態7では、鉛直方向の風速を実測でき、風速場の解析、風車の疲労解析予測に有効である。 One of the causes of fatigue of wind power generation facilities is considered to be the wind speed in the vertical direction. Especially in complicated terrain, the disturbance of the wind speed field is large, and the estimation error by the numerical simulation becomes large. In the seventh embodiment, the wind speed in the vertical direction can be measured, which is effective for analysis of the wind speed field and prediction of fatigue analysis of the windmill.
さらに、本実施の形態7で得られる垂直方向の風速は、洋上風力発電用の風況精査において建設するタワーや構造物の設計、疲労解析に有効である。 Furthermore, the wind speed in the vertical direction obtained in the seventh embodiment is effective for the design and fatigue analysis of towers and structures to be constructed in the wind condition examination for offshore wind power generation.
実施の形態8.
実施の形態1〜7では、光波レーダ装置による送信光を、空間走査(円錐走査、左右走査、上下走査)しているが、本実施の形態8では、このような空間走査の具体的な実施方法の一例を説明する。
Embodiment 8 FIG.
In the first to seventh embodiments, the transmitted light from the light wave radar device is spatially scanned (conical scanning, left and right scanning, and vertical scanning). In the eighth embodiment, specific implementation of such spatial scanning is performed. An example of the method will be described.
図15は、本発明の実施の形態8におけるウェッジプリズムによる送信光の走査方法の説明図である。今、図15(a)に示すように、センサヘッド501の対物側開口の物体側に走査機構部502を設置することで、センサヘッドの回転対称軸(光軸)に対して角度αで送信光503を偏向させる場合を考える。
FIG. 15 is an explanatory diagram of a transmission light scanning method by the wedge prism according to the eighth embodiment of the present invention. Now, as shown in FIG. 15A, the
走査機構の具体的実現例として、図15(b)に示したウェッジプリズム504がある。入射側面と出射側面との角度がψ0のウェッジプリズム504に送信光505が入射した場合を考える。ウェッジプリズム504により得られる偏向角αは、スネル則により下式(65)で与えられる。
As a specific implementation example of the scanning mechanism, there is a
したがって、ウェッジプリズム504をセンサヘッド501の光軸を中心にして方位方向に回転することにより、円錐状に走査することができる。
Therefore, by rotating the
ウェッジプリズム504の1枚の回転では、ウェッジの角度ψ0で決まる偏向角αの円錐走査のみが可能であるが、ウェッジプリズム504を2枚組み合わせることで、偏向角α以下の円錐走査あるいは直線走査が可能となる。以下では、ウェッジプリズム504を2枚組み合わせたことによる走査方式について説明する。
With one rotation of the
図16は、本発明の実施の形態8における空間走査の説明図である。2枚のウェッジプリズム504a、504bをそれぞれウェッジA、ウェッジBとし、各ウェッジプリズムによる偏向角はαであると仮定する。
FIG. 16 is an explanatory diagram of the spatial scanning in the eighth embodiment of the present invention. It is assumed that the two
まず、出射ビームの走査中心として、図3の座標定義で示したθc=0、φc=0の場合を想定する。ウェッジプリズムの原点として、ウェッジプリズム504a、504bが最大厚となる方位が+y軸方向にある場合で定義し、かつ、ウェッジプリズムの回転方向として反時計まわりの方向を正符号と定義する。
First, it is assumed that θc = 0 and φc = 0 shown in the coordinate definition of FIG. The origin of the wedge prism is defined when the direction in which the
次に、各ウェッジプリズム504a、504bをγA(t)、γB(t)の速度で、かつ、大きさが等しく符号の異なる初期位相γ0、−γ0で回転させた場合、送信光の出射方位のy成分βy(t)、z成分βz(t)は、下式(66)、(67)で表される。
Next, when the
ここで、下式(68)、(69)のように各ウェッジプリズム504a、504bの回転速度を同符号で、かつ、同じ速度とし、初期位相γ0を0とする。
Here, as in the following formulas (68) and (69), the rotational speeds of the
この場合に、送信光の出射方位(βy(t)、βz(t))は、次式(70)、(71)で表されるように、偏向角2αの円錐走査507となる。このような空間走査が、図16(a)の円錐走査に相当する。
In this case, the outgoing direction (β y (t), β z (t)) of the transmission light is a
また、下式(72)、(73)のように各ウェッジプリズム504a、504bの回転速度を異符号で、かつ、同じ速さとし、初期位相γ0を0とする。
Further, as in the following equations (72) and (73), the rotational speeds of the
この場合に、送信光の出射方位(βy(t)、βz(t))は、次式(74)、(75)で表されるように、y方向に平行な振幅±2αの直線走査(左右走査)508となる。このような空間走査が、図16(b)の左右走査に相当する。 In this case, the outgoing direction (β y (t), β z (t)) of the transmission light is a straight line having an amplitude ± 2α parallel to the y direction as represented by the following equations (74) and (75). Scanning (left / right scanning) 508 is performed. Such a spatial scan corresponds to the left-right scan in FIG.
さらに、下式(76)、(77)のように各ウェッジプリズム504a、504bの回転速度を異符号で、かつ、同じ速さとし、初期位相を90°とする。
Further, as shown in the following equations (76) and (77), the rotational speeds of the
この場合に、送信光の出射方位(βy(t)、βz(t))は、次式(78)、(79)で表されるように、y方向に平行な振幅±2αの直線走査(上下走査)509となる。このような空間走査が、図16(c)の上下走査に相当する。 In this case, the outgoing direction (β y (t), β z (t)) of the transmission light is a straight line having an amplitude ± 2α parallel to the y direction as represented by the following equations (78) and (79). Scanning (vertical scanning) 509 is performed. Such a spatial scan corresponds to the vertical scan in FIG.
以上のように、2枚のウェッジプリズム504a、504bの回転方向の組合せと初期位相0°、90°の選択により円錐走査、直線走査(左右走査及び上下走査)が可能となる。
As described above, conical scanning and linear scanning (horizontal scanning and vertical scanning) are possible by combining the rotation directions of the two
一方、各ウェッジプリズム504a、504bの回転速度を同速度、同方向に設定し、0〜90°の範囲で任意の初期位相γ0を与えた場合、送信光の出射方位(βy(t)、βz(t))は次式(80)、(81)で表されるように、偏向角2αcosγ0の円錐走査となる。
On the other hand, when the rotational speeds of the
図17は、本発明の実施の形態8における偏向角2αcosγ0の円錐走査による走査方位の軌跡を示す図である。このような偏向角の円錐走査における走査方位の3種の軌跡510〜512が、yz座標系で示されている。図17(a)は、初期位相がγ0=0の場合の軌跡510、図17(b)は、初期位相が0°<γ0<60°の場合の軌跡511、そして図17(c)は、初期位相が60°<γ0<90°の場合の軌跡512をそれぞれ示している。
FIG. 17 is a diagram showing the trajectory of the scanning direction by conical scanning with the deflection angle 2αcosγ 0 in the eighth embodiment of the present invention. Three kinds of
初期位相がγ0=0である軌跡510は、偏向角を軌跡最大偏向角2αに設定できることとなる。初期位相が0°<γ0<60°である軌跡511は、偏向角をα〜2αの範囲に設定できることとなる。そして、初期位相が60°<γ0<90°である軌跡512は、偏向角を0〜αの範囲に設定できることとなる。
The
偏向角αの2枚のウェッジプリズム504a、504bを用いて、測定距離Rにある観測空間に対して、直径Dの円周上に送信光を走査する条件は、次式(82)で表される。
The condition for scanning the transmitted light on the circumference of the diameter D with respect to the observation space at the measurement distance R using the two
上式をγ0について解くと、下式(83)となる。 When the above equation is solved for γ 0 , the following equation (83) is obtained.
偏向角αを適切に選定することにより、測定距離Rの異なる観測空間に対して、円錐走査の回転半径D/2を一定に維持して測定を行なうことができる。図18は、本発明の実施の形態8における円錐走査の軌跡に関する説明図である。2種の測定距離Ln、Ln+1に対して偏向角αを適切に選定することにより、円筒状の閉空間内550におけるそれぞれの走査方位の軌跡551と552を同一の回転半径に維持することができる。このようにして、異なる位置での円錐走査による風向風速の測定を同一の回転半径を維持して行なうことができる。
By appropriately selecting the deflection angle α, it is possible to perform measurement while maintaining the rotation radius D / 2 of the cone scanning constant for observation spaces having different measurement distances R. FIG. 18 is an explanatory diagram relating to the trajectory of conical scanning in the eighth embodiment of the present invention. By appropriately selecting the deflection angle α for the two measurement distances L n and L n + 1 , the
また、ウィンドファームにおける風況測定においては、距離の異なる複数の風車設置想定位置に対して、等しい円錐走査半径で送信光を走査でき、風車回転に有効に寄与する風速場を測定できる。これにより、発電量の推定精度を向上できる効果がある。 Further, in the wind condition measurement in the wind farm, the transmitted light can be scanned with the same cone scanning radius with respect to a plurality of assumed wind turbine installation positions at different distances, and the wind velocity field that effectively contributes to the wind turbine rotation can be measured. Thereby, there exists an effect which can improve the estimation precision of electric power generation amount.
円錐走査を行なうための2つのウェッジプリズム504a、504bの回転駆動は、ウェッジプリズム504a、504bの原点の角度差が2γ0となるようにして1つの回転板上に固定した後、その回転板を回転させることで簡単に実現できる。
Two
また、位相制御可能な2個の電動機をそれぞれのウェッジプリズム504a、504b用に独立に設置して回転駆動し、かつ、回転中のウェッジプリズムの回転角を測定し、その測定値の差が一定値2γ0となるように動的に制御してもよい。これにより、走査中心方位を移動させつつ、円錐走査のビームの軌跡を同一円周上に制御することが可能となる。
In addition, two phase-controllable electric motors are independently installed for the
一方、左右走査あるいは上下走査における直線走査範囲の距離を一定とする方法について、次に説明する。図19は、本発明の実施の形態8における走査角度の時間波形を示した図である。左右走査の場合の走査角を表す式(74)の右辺、あるいは上下走査の場合の走査角を表す式(79)の右辺における2αcosγ(t)を、図19で示す時間波形560で周期変化させる。この時間波形は、直線走査範囲の距離Dを所望の一定値に設定した場合に対して、それぞれの測定距離Rごとに規定される。
On the other hand, a method for making the distance of the linear scanning range constant in the horizontal scanning or the vertical scanning will be described next. FIG. 19 is a diagram showing a time waveform of the scanning angle in the eighth embodiment of the present invention. The 2α cos γ (t) on the right side of the expression (74) representing the scanning angle in the case of the left-right scanning or the right side of the expression (79) representing the scanning angle in the case of the up-down scanning is periodically changed with the
ここで、t1<t<t2の範囲で2視線方向の一方の視線方向風速を測定し、t3<t<t4の範囲で2視線方向の他方の視線方向風速を測定するように、受信信号の取得タイミングを割り付けることができる。これにより、直線走査の走査開き角を観測空間までの距離によらず一定に保つことができる。 Here, one gaze direction wind speed in the two gaze directions is measured in the range of t1 <t <t2, and the other gaze direction wind speed in the two gaze directions is measured in the range of t3 <t <t4. Acquisition timing can be assigned. Thereby, the scanning opening angle of the linear scanning can be kept constant regardless of the distance to the observation space.
なお、図19では走査角度の時間波形を台形としているが、2方向の受信信号の取得時刻に光路走査角度が±arctan[D/2R]となる波形であれば何でもよい。 In FIG. 19, the time waveform of the scanning angle is trapezoidal, but any waveform can be used as long as the optical path scanning angle becomes ± arctan [D / 2R] at the acquisition time of the reception signal in two directions.
実施の形態8によれば、1つの走査機構により、円錐走査、直線走査(上下走査及び左右走査)を行なうことができ、また測定距離によらず円錐走査の円錐角、直線走査の開き角を一定に維持することができる。 According to the eighth embodiment, cone scanning and linear scanning (vertical scanning and horizontal scanning) can be performed by one scanning mechanism, and the cone angle of linear scanning and the opening angle of linear scanning can be set regardless of the measurement distance. Can be kept constant.
さらに、測定距離の異なる観測空間に対して円錐走査、直線走査により風向風速を計測する際に、観測空間を一定の大きさに保つことができ、観測空間の広がりによる風速場の一様性の破綻を防ぐことができる。 Furthermore, when measuring the wind direction and wind speed by conical scanning and linear scanning for observation spaces with different measurement distances, the observation space can be kept constant, and the uniformity of the wind velocity field due to the expansion of the observation space can be maintained. Failure can be prevented.
さらに、奥行き方向に伸びたパイプ状の閉空間の風向風速を円錐走査、直線走査により測定する場合にも、測定距離によらず円錐走査の円錐角、直線走査の開き角を一定に維持することができる。さらに、ウィンドファーム内で距離の異なる位置に水平型風車を設置する際にも、風車翼直径と同程度の円錐走査を行なうことができ、発電電力予測の高精度化に有効となる。 Furthermore, even when measuring the wind direction and wind speed in a pipe-shaped closed space extending in the depth direction by conical scanning and linear scanning, the conical angle of linear scanning and the opening angle of linear scanning should be kept constant regardless of the measurement distance. Can do. Further, when installing horizontal wind turbines at different distances in the wind farm, it is possible to perform conical scanning similar to the wind turbine blade diameter, which is effective for improving the accuracy of power generation prediction.
実施の形態9.
実施の形態1、6、7では、観測空間として、風速場が一様であることを仮定した場合について説明した。本実施の形態9では、風速場の一様性を確保できる観測空間を自動的に設定する方法について説明する。
In the first, sixth, and seventh embodiments, the case where it is assumed that the wind velocity field is uniform as the observation space has been described. In the ninth embodiment, a method for automatically setting an observation space that can ensure the uniformity of the wind velocity field will be described.
まず、円錐走査の円錐角を最小にして、観測空間に対して円錐走査により視線方向風速Vmiと円錐走査の回転角γiとを測定する。さらに、風速場の一様性を仮定して、式(21)に基づいて風速ベクトル[u]を算出する。また、円錐走査回転角γi及び走査中心方向(θc、φc)を、式(3)に適用して視線方向[pi]を算出する。次に、算出した風速ベクトル[u]及び視線方向[pi]を用いて式(12)に示される内積演算を行い、視線方向風速の推定値Vdiを算出する。 First, with the cone angle of the cone scan minimized, the line-of-sight wind velocity V mi and the cone scan rotation angle γ i are measured by cone scan with respect to the observation space. Further, assuming the uniformity of the wind speed field, the wind speed vector [u] is calculated based on the equation (21). Further, the line-of-sight direction [pi] is calculated by applying the cone scanning rotation angle γ i and the scanning center direction (θc, φc) to the equation (3). Next, using the calculated wind speed vector [u] and the line-of-sight direction [pi], the inner product calculation shown in Expression (12) is performed to calculate the estimated value V di of the line-of-sight direction wind speed.
この推定値Vdiと測定した視線方向風速Vmiとの残差を、式(13)を用いて算出し、残差の平均値と標準偏差を算出する。観測空間で風向風速の一様性の仮定が完全に成り立つ場合には、上述のようにして求められた残差がゼロとなる。一方、一様性の仮定がくずれるにしたがって、残差が拡大していく。 The residual between this estimated value V di and the measured gaze direction wind speed V mi is calculated using equation (13), and the average value and standard deviation of the residual are calculated. When the assumption of the uniformity of the wind direction and wind speed is fully established in the observation space, the residual obtained as described above is zero. On the other hand, the residual increases as the assumption of uniformity breaks down.
風速場の一様性は、観測空間が拡大するほど崩れると考えられるので、円錐角を徐々に拡大していった場合に算出される上記残差をモニタして、風速一様と見なせる残差の標準偏差が指定値以内となる最大円錐角を検索する。このような検索処理により得られた最大円錐角以内に円錐角を設定した場合には、風の一様性を確保した状態で風向風速演算を行なうことができる。 Since the uniformity of the wind field is thought to collapse as the observation space expands, the residual that is calculated when the cone angle is gradually expanded is monitored, and the residual that can be regarded as uniform wind speed. Search for the maximum cone angle where the standard deviation of is within the specified value. When the cone angle is set within the maximum cone angle obtained by such search processing, it is possible to perform the wind direction and wind speed calculation while ensuring the uniformity of the wind.
図20は、本発明の実施の形態9における風速場の一様性を確保できる観測空間の設定処理を示すフローチャートである。光波レーダ装置の送信光の走査中心方向を観測空間近傍まで移動する(ステップ1901)。次に円錐走査の円錐角の初期値と、風速残差の上限を設定する(ステップ1902)。この条件に基づいて、光波レーダ装置は、送信光の円錐走査を行なう(ステップ1903)。 FIG. 20 is a flowchart showing an observation space setting process capable of ensuring the uniformity of the wind velocity field in the ninth embodiment of the present invention. The scanning center direction of the transmission light of the light wave radar apparatus is moved to the vicinity of the observation space (step 1901). Next, the initial value of the cone angle of the cone scan and the upper limit of the wind speed residual are set (step 1902). Based on this condition, the light wave radar device performs conical scanning of the transmitted light (step 1903).
光波レーダ装置は、視線方向風速Vmiを算出し(ステップ1904)、さらに円錐走査の回転角γiを取得する(ステップ1905)。この円錐走査の回転角γiとしては、まず始めにステップ1902で設定された初期値が用いられる。次に、光波レーダ装置は、視線方向風速Vmi及び円錐走査の回転角γiに基づいて、風速ベクトル[u]を算出する(ステップ1906)。さらに、光波レーダ装置は、各視線方向風速計測値と風速ベクトルから算出した視線方向風速の推定値との残差を算出する(ステップ1907)。 The light wave radar apparatus calculates the line-of-sight direction wind velocity V mi (step 1904), and further acquires the rotation angle γ i of the cone scanning (step 1905). As the rotation angle γ i of this conical scanning, first, the initial value set in step 1902 is used. Next, the light wave radar apparatus calculates a wind speed vector [u] based on the line-of-sight direction wind speed V mi and the rotation angle γ i of the cone scanning (step 1906). Further, the light wave radar apparatus calculates a residual between each gaze direction wind speed measurement value and the estimated gaze direction wind speed calculated from the wind speed vector (step 1907).
次に、光波レーダ装置は、算出した残差がステップ1903であらかじめ設定された上限値以下であるか否かを判別する(ステップ1908)。上限値以下である場合は、光波レーダ装置は、円錐走査の回転角をあらかじめ決められた量だけ増加させ(ステップ1909)、その後ステップ1904〜2308を繰返す。算出した残差が上限値より大きくなった場合には、円錐走査の回転角を現在の値に設定し(ステップ1910)、測定処理を終了する。 Next, the lightwave radar apparatus determines whether or not the calculated residual is equal to or less than the upper limit value set in advance in Step 1903 (Step 1908). If it is less than or equal to the upper limit value, the light wave radar apparatus increases the rotation angle of the conical scanning by a predetermined amount (step 1909), and then repeats steps 1904 to 2308. When the calculated residual becomes larger than the upper limit value, the rotation angle of the conical scanning is set to the current value (step 1910), and the measurement process is ended.
実施の形態9によれば、各視線方向風速計測値と視線方向風速の推定値との残差があらかじめ決められた上限値以下となるような最大の円錐走査角を算出でき、一様な風速場が仮定できる最大の観測空間を設定することができる。 According to the ninth embodiment, it is possible to calculate the maximum cone scanning angle such that the residual between each gaze direction wind speed measurement value and the estimated gaze direction wind speed is equal to or less than a predetermined upper limit value, and uniform wind speed The maximum observation space that the field can assume can be set.
さらに、このような円錐走査角の算出を、風況測定前あるいは走査中心方向毎に行なうことにより、風速場一様となる観測空間を自動的に設定でき、地形あるいは気象条件等によって異なると考えられる風速場が一様となる最大の空間を観測空間に設定することができる効果がある。 Furthermore, by performing such calculation of the cone scanning angle before measuring wind conditions or for each scan center direction, it is possible to automatically set an observation space where the wind field is uniform, which may vary depending on topography or weather conditions. The effect is that the maximum space where the generated wind velocity field is uniform can be set as the observation space.
また、図20のフローチャートにおけるステップS2004のドップラ速度算出の際に、実施の形態2に記載した閾値処理を併用してもよい。これにより、風速場の一様性の評価対象となる観測空間内に建物や樹木などの光路遮蔽物がある場合でも、視線方向風速を正確に計測でき、ステップS2007で算出する残差の精度を向上できる効果がある。 Further, the threshold processing described in the second embodiment may be used in combination with the calculation of the Doppler speed in step S2004 in the flowchart of FIG. As a result, even when there is an optical path shield such as a building or a tree in the observation space to be evaluated for the uniformity of the wind velocity field, the wind velocity in the line of sight can be accurately measured, and the accuracy of the residual calculated in step S2007 can be increased. There is an effect that can be improved.
なお、本実施の形態9で算出した風速場一様となる最大円錐走査角度は、円錐走査の際の円錐角度だけでなく、直線走査の場合の走査開き角の設定に対しても用いることができる。 Note that the maximum cone scanning angle at which the wind velocity field calculated in the ninth embodiment is uniform is used not only for the cone angle at the time of cone scanning but also for setting the scanning opening angle at the time of linear scanning. it can.
10、202、302、402 光波レーダ装置、11 光源部、12 光送受信部、13 走査駆動部、14 受信信号生成部、15 風速ベクトル算出部、202、302、402 光波レーダ装置、502 走査機構部、504、504a、504b ウェッジプリズム。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
生成した送信光を大気中に放出し、大気中からの散乱光を収集して受信光として取り出す光送受信部と、
前記光送受信部から放出される前記送信光の光路をあらかじめ設定した方向に走査する走査駆動部と、
取り出された前記受信光を光電変換して受信信号を生成する受信信号生成部と、
前記受信信号を周波数変換して視線方向風速値を検出するとともに前記走査駆動部から前記視線方向風速値に対応する仰角及び方位角を読み取り、検出した複数の前記視線方向風速値と、対応する前記仰角及び前記方位角とから風速ベクトルを算出する風速ベクトル算出部と
を備えた光波レーダ装置において、
前記走査駆動部は、観測空間までの距離に基づいて、走査中心から所定値離れた前記観測空間内の複数の点を走査するように前記距離に応じた走査角を算出し、算出した前記走査角に基づいて前記送信光の光路を走査し、
前記風速ベクトル算出部は、走査された送信光の前記複数の点の方位に対応するそれぞれの風速ベクトルを算出し、複数の前記風速ベクトルを合成して前記観測空間内の風向風速を算出する
ことを特徴とする光波レーダ装置。 A light source unit that generates transmission light;
An optical transmission / reception unit that emits the generated transmission light into the atmosphere, collects scattered light from the atmosphere, and extracts it as reception light;
A scan driver that scans the optical path of the transmission light emitted from the optical transceiver in a preset direction;
A received signal generation unit that photoelectrically converts the extracted received light to generate a received signal;
The received signal is frequency-converted to detect a line-of-sight wind speed value, and an elevation angle and an azimuth angle corresponding to the line-of-sight wind speed value are read from the scanning drive unit, and the plurality of line-of-sight wind speed values detected correspond to A light wave radar apparatus comprising: a wind speed vector calculating unit that calculates a wind speed vector from an elevation angle and the azimuth angle;
The scanning drive unit calculates a scanning angle according to the distance so as to scan a plurality of points in the observation space that are separated from the scanning center by a predetermined value based on the distance to the observation space, and the calculated scanning Scanning the optical path of the transmitted light based on the angle;
The wind speed vector calculation unit calculates respective wind speed vectors corresponding to the directions of the plurality of points of the scanned transmission light, and combines the plurality of wind speed vectors to calculate the wind direction wind speed in the observation space. A light wave radar device characterized by the above.
前記走査駆動部は、方向の異なる複数の観測空間に対して走査中心方向を順次移動して、前記複数の観測空間に対して算出されたそれぞれの風向風速から風況測定を行う
ことを特徴とする光波レーダ装置。 The light wave radar device according to claim 1,
The scanning drive unit sequentially moves in the scanning center direction with respect to a plurality of observation spaces having different directions, and measures wind conditions from respective wind directions and wind speeds calculated with respect to the plurality of observation spaces. A lightwave radar device.
前記駆動走査部は、走査中心から所定の等しい半径で前記観測空間内を円錐走査するように、前記観測空間までの距離に応じた円錐走査角を算出し、算出した前記円錐走査角に基づいて前記送信光の光路を円錐走査する
ことを特徴とする光波レーダ装置。 In the light wave radar device according to claim 1 or 2,
The drive scanning unit calculates a cone scanning angle according to a distance to the observation space so as to perform a cone scan in the observation space with a predetermined equal radius from a scanning center, and based on the calculated cone scanning angle An optical wave radar device, wherein the optical path of the transmission light is conically scanned.
前記風速ベクトル算出部は、走査された送信光の前記複数の点の方位に対応して算出されたそれぞれの風速ベクトルと、前記複数の点の方位における既知の風向値とに基づいて、観測空間内における特定方向の風速成分を算出し、前記観測空間内の特定方向の風速成分分布を求める
ことを特徴とする光波レーダ装置。 In the light wave radar device according to claim 3,
The wind speed vector calculation unit is configured to obtain an observation space based on each wind speed vector calculated corresponding to the direction of the plurality of points of the scanned transmission light and the known wind direction value in the direction of the plurality of points. A light wave radar device characterized by calculating a wind speed component in a specific direction in the interior and obtaining a wind speed component distribution in the specific direction in the observation space.
前記風速ベクトル算出部は、風速成分と対応づけられた円錐走査角のデータが蓄積された記憶部を有し、算出した前記特定方向の風速成分に対応する円錐走査角のデータを前記記憶部から取り出して円錐走査を行い、風速成分を算出し直す
ことを特徴とする光波レーダ装置。 The light wave radar device according to claim 4,
The wind speed vector calculation unit includes a storage unit in which data of a cone scanning angle associated with a wind speed component is accumulated, and the calculated cone scanning angle data corresponding to the wind velocity component in the specific direction is stored from the storage unit. A light wave radar device that extracts and performs conical scanning to recalculate the wind speed component.
前記風速ベクトル算出部は、特定の観測空間内に水平型風力発電設備を設置する場合を想定して、前記水平型風力発電設備に設けられる翼の回転中心に対して走査中心方向を一致させ、前記翼の回転半径に対してある決められた範囲で複数の円錐走査角を設定して、前記複数の円錐走査角におけるそれぞれの風向風速を算出する
ことを特徴とする光波レーダ装置。 In the light wave radar device according to claim 3,
The wind velocity vector calculation unit assumes a case where a horizontal wind power generation facility is installed in a specific observation space, and matches a scanning center direction with a rotation center of a blade provided in the horizontal wind power generation facility, A light wave radar device, wherein a plurality of cone scanning angles are set within a predetermined range with respect to a rotation radius of the blade, and respective wind directions and wind speeds at the plurality of cone scanning angles are calculated.
前記風速ベクトル算出部は、特定の観測空間内に水平型風力発電設備を設置する場合を想定して、前記水平型風力発電設備に設けられる翼の回転中心に対して走査中心方向を一致させ、前記翼の回転半径に対してある決められた範囲で複数の円錐走査角を設定して、前記複数の円錐走査角のそれぞれに対して前記特定方向の風速成分分布を求める
ことを特徴とする光波レーダ装置。 The light wave radar device according to claim 4,
The wind velocity vector calculation unit assumes a case where a horizontal wind power generation facility is installed in a specific observation space, and matches a scanning center direction with a rotation center of a blade provided in the horizontal wind power generation facility, A plurality of cone scanning angles are set within a predetermined range with respect to the rotation radius of the blade, and a wind velocity component distribution in the specific direction is obtained for each of the plurality of cone scanning angles. Radar device.
前記駆動走査部は、走査中心を挟んで走査中心から所定の等しい距離にある2点を直線走査するように、前記観測空間までの距離に応じた走査角を算出し、算出した前記走査角に基づいて前記送信光の光路を直線走査する
ことを特徴とする光波レーダ装置。 In the light wave radar device according to claim 1 or 2,
The drive scanning unit calculates a scanning angle according to the distance to the observation space so as to linearly scan two points that are at a predetermined equal distance from the scanning center across the scanning center, and the calculated scanning angle An optical wave radar device characterized in that the optical path of the transmission light is linearly scanned based on.
前記駆動走査部は、風速場が一様と見なせる特定の観測空間内に水平型風力発電設備を設置する場合を想定して、前記水平型風力発電設備に設けられる翼の回転中心に対して走査中心方向を一致させ、前記翼の回転中心を挟んで直線走査をする際に、前記翼の回転半径に対してある決められた範囲で複数の走査角を設定して、前記複数の走査角におけるそれぞれの風向風速を算出する
ことを特徴とする光波レーダ装置。 The lightwave radar device according to claim 8, wherein
The drive scanning unit scans with respect to the rotation center of a blade provided in the horizontal wind power generation facility, assuming that the horizontal wind power generation facility is installed in a specific observation space where the wind velocity field can be regarded as uniform. When performing a linear scan with the center directions coincident and sandwiching the rotation center of the blade, a plurality of scan angles are set within a predetermined range with respect to the rotation radius of the blade, and A light wave radar device that calculates each wind direction and wind speed.
送信光の光路上に設置され、2個のくさび形状を有するプリズムがそれぞれ独立して回転することにより、送信光を偏向させる走査機構部をさらに備え、
前記駆動走査部は、前記走査機構部のそれぞれの前記プリズムに対して、初期位相、回転速度、回転方向を制御することにより送信光を円錐走査あるいは直線走査させる
ことを特徴とする光波レーダ装置。 The light wave radar device according to any one of claims 3 to 9,
A scanning mechanism that deflects the transmission light by rotating the prisms having two wedge shapes installed independently on the optical path of the transmission light;
The drive scanning unit controls the initial phase, the rotation speed, and the rotation direction of each of the prisms of the scanning mechanism unit to cause the transmitted light to perform conical scanning or linear scanning.
前記風速ベクトル算出部は、前記受信信号の信号対雑音比を測定し、測定された前記信号対雑音比の値があらかじめ設定された信号対雑音比の許容範囲内のときは、前記受信信号を採用して風速ベクトルを算出し、測定された前記信号対雑音比の値があらかじめ設定された信号対雑音比の許容範囲外のときは、前記受信信号を採用せずに前記受信信号生成部から新たな受信信号を受信して前記新たな受信信号の信号対雑音比を測定し直す
ことを特徴とする光波レーダ装置。 In the lightwave radar device according to any one of claims 1 to 10,
The wind speed vector calculation unit measures a signal-to-noise ratio of the received signal, and when the measured value of the signal-to-noise ratio is within a preset allowable range of the signal-to-noise ratio, the received signal is Adopting and calculating the wind speed vector, and when the measured signal-to-noise ratio value is outside the preset allowable range of the signal-to-noise ratio, the received signal is not adopted and the received signal generator An optical wave radar device that receives a new reception signal and measures a signal-to-noise ratio of the new reception signal again.
前記風速ベクトル算出部は、ある円錐走査角において送信光を走査して求まる前記各視線方向風速値と、前記風速ベクトルから各視線方向風速成分を算出した結果との残差の標準偏差を求める機能を有し、それぞれの観測空間において、あらかじめ決められた複数の走査角に対応するそれぞれの標準偏差を算出し、算出したそれぞれの前記標準偏差があらかじめ設定された許容標準偏差以内となる走査角の中から最大の走査角を求め、前記最大の走査角を採用して風向風速を算出する
ことを特徴とする光波レーダ装置。 The light wave radar device according to claim 1,
The wind speed vector calculation unit obtains a standard deviation of a residual between each gaze direction wind speed value obtained by scanning transmission light at a certain cone scanning angle and a result of calculating each gaze direction wind speed component from the wind speed vector. In each observation space, each standard deviation corresponding to a plurality of predetermined scanning angles is calculated, and each of the calculated standard deviations is within a preset allowable standard deviation. A light wave radar device, wherein a maximum scanning angle is obtained from the inside, and the wind direction and wind speed are calculated by employing the maximum scanning angle.
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Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007298406A (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Toshiba Corp | Radar apparatus and signal processing method thereof |
| JP2010181295A (en) * | 2009-02-06 | 2010-08-19 | Alps Electric Co Ltd | Mobile device for vehicle |
| JP2010249550A (en) * | 2009-04-13 | 2010-11-04 | Railway Technical Res Inst | Gust detection system using weather radar |
| JP2014066548A (en) * | 2012-09-25 | 2014-04-17 | Mitsubishi Electric Corp | Laser radar device |
| JPWO2016092705A1 (en) * | 2014-12-12 | 2017-04-27 | 三菱電機株式会社 | Laser radar equipment |
| US10175346B2 (en) | 2015-05-12 | 2019-01-08 | Mitsubishi Electric Corporation | Laser radar apparatus and wind velocity observation method |
| CN109983362A (en) * | 2016-11-28 | 2019-07-05 | 三菱电机株式会社 | Data processing equipment, laser radar apparatus and wind measure system |
| JP2019519777A (en) * | 2016-06-13 | 2019-07-11 | スガーエナジー リミテッドSgurrenergy Limited | Method and system for remote sensing |
| JPWO2018198225A1 (en) * | 2017-04-26 | 2019-11-07 | 三菱電機株式会社 | AI device, laser radar device, and wind farm control system |
| CN111989593A (en) * | 2018-04-26 | 2020-11-24 | 三菱电机株式会社 | Laser radar device, wind power generation device, and wind measurement method |
| JP2021056073A (en) * | 2019-09-30 | 2021-04-08 | 東日本旅客鉄道株式会社 | Vortex detection device, vortex detection method, program and convolution neural network |
| CN112639524A (en) * | 2020-04-30 | 2021-04-09 | 华为技术有限公司 | Target detection method and device |
| CN112698276A (en) * | 2020-12-15 | 2021-04-23 | 中国人民解放军空军预警学院 | Wind-field-interference-resistant air traffic control radar monitoring system and method |
| JP2021140184A (en) * | 2018-09-30 | 2021-09-16 | エスゼット ディージェイアイ テクノロジー カンパニー リミテッドSz Dji Technology Co., Ltd | Optical scanning device and optical expansion or optical compression device |
| US12196855B2 (en) | 2018-09-30 | 2025-01-14 | SZ DJI Technology Co., Ltd. | Distance detection device |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5396868A (en) * | 1977-02-02 | 1978-08-24 | Fuji Heavy Ind Ltd | Light beam guidance controls for flying body |
| JPS623665A (en) * | 1985-06-26 | 1987-01-09 | ユナイテツド・テクノロジ−ズ・コ−ポレイシヨン | Method of detecting turbulence of air |
| JPH0587823A (en) * | 1991-03-29 | 1993-04-06 | Raytheon Co | Device and method of detecting direction of wind |
| JPH07128443A (en) * | 1993-11-02 | 1995-05-19 | Toyota Motor Corp | In-vehicle radar device |
| JPH10104255A (en) * | 1996-09-30 | 1998-04-24 | Toshiba Corp | Moving object detection device |
| JPH11326499A (en) * | 1998-05-20 | 1999-11-26 | Mitsubishi Electric Corp | Distance measuring device and vehicle control device using the same |
| JP2000075030A (en) * | 1998-08-27 | 2000-03-14 | Aisin Seiki Co Ltd | Scan type laser radar device |
| JP2000230976A (en) * | 1999-02-12 | 2000-08-22 | Mitsubishi Electric Corp | Doppler speed detection device and detection method |
| JP2002267753A (en) * | 2001-03-14 | 2002-09-18 | Mitsubishi Electric Corp | Wind shear detector |
| JP2002277549A (en) * | 2001-03-19 | 2002-09-25 | Toshiba Corp | Imaging device |
| JP2003222674A (en) * | 2002-01-31 | 2003-08-08 | Mitsubishi Electric Corp | Wind speed vector measuring device and wind speed vector calculating method |
| JP2004101265A (en) * | 2002-09-06 | 2004-04-02 | Mitsubishi Electric Corp | Wind direction and wind speed measurement method at the site where the wind turbine for wind power generation is planned |
-
2004
- 2004-06-14 JP JP2004175653A patent/JP5000082B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5396868A (en) * | 1977-02-02 | 1978-08-24 | Fuji Heavy Ind Ltd | Light beam guidance controls for flying body |
| JPS623665A (en) * | 1985-06-26 | 1987-01-09 | ユナイテツド・テクノロジ−ズ・コ−ポレイシヨン | Method of detecting turbulence of air |
| JPH0587823A (en) * | 1991-03-29 | 1993-04-06 | Raytheon Co | Device and method of detecting direction of wind |
| JPH07128443A (en) * | 1993-11-02 | 1995-05-19 | Toyota Motor Corp | In-vehicle radar device |
| JPH10104255A (en) * | 1996-09-30 | 1998-04-24 | Toshiba Corp | Moving object detection device |
| JPH11326499A (en) * | 1998-05-20 | 1999-11-26 | Mitsubishi Electric Corp | Distance measuring device and vehicle control device using the same |
| JP2000075030A (en) * | 1998-08-27 | 2000-03-14 | Aisin Seiki Co Ltd | Scan type laser radar device |
| JP2000230976A (en) * | 1999-02-12 | 2000-08-22 | Mitsubishi Electric Corp | Doppler speed detection device and detection method |
| JP2002267753A (en) * | 2001-03-14 | 2002-09-18 | Mitsubishi Electric Corp | Wind shear detector |
| JP2002277549A (en) * | 2001-03-19 | 2002-09-25 | Toshiba Corp | Imaging device |
| JP2003222674A (en) * | 2002-01-31 | 2003-08-08 | Mitsubishi Electric Corp | Wind speed vector measuring device and wind speed vector calculating method |
| JP2004101265A (en) * | 2002-09-06 | 2004-04-02 | Mitsubishi Electric Corp | Wind direction and wind speed measurement method at the site where the wind turbine for wind power generation is planned |
Cited By (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007298406A (en) * | 2006-04-28 | 2007-11-15 | Toshiba Corp | Radar apparatus and signal processing method thereof |
| JP2010181295A (en) * | 2009-02-06 | 2010-08-19 | Alps Electric Co Ltd | Mobile device for vehicle |
| JP2010249550A (en) * | 2009-04-13 | 2010-11-04 | Railway Technical Res Inst | Gust detection system using weather radar |
| JP2014066548A (en) * | 2012-09-25 | 2014-04-17 | Mitsubishi Electric Corp | Laser radar device |
| JPWO2016092705A1 (en) * | 2014-12-12 | 2017-04-27 | 三菱電機株式会社 | Laser radar equipment |
| US10175346B2 (en) | 2015-05-12 | 2019-01-08 | Mitsubishi Electric Corporation | Laser radar apparatus and wind velocity observation method |
| US11442166B2 (en) | 2016-06-13 | 2022-09-13 | Sgurrenergy Limited | Methods and systems for use in remote sensing |
| JP7193347B2 (en) | 2016-06-13 | 2022-12-20 | スガーエナジー リミテッド | Method and system for remote sensing |
| JP2019519777A (en) * | 2016-06-13 | 2019-07-11 | スガーエナジー リミテッドSgurrenergy Limited | Method and system for remote sensing |
| CN109983362A (en) * | 2016-11-28 | 2019-07-05 | 三菱电机株式会社 | Data processing equipment, laser radar apparatus and wind measure system |
| CN109983362B (en) * | 2016-11-28 | 2023-05-09 | 三菱电机株式会社 | Data processing device, laser radar device, and wind measuring system |
| JPWO2018198225A1 (en) * | 2017-04-26 | 2019-11-07 | 三菱電機株式会社 | AI device, laser radar device, and wind farm control system |
| CN111989593A (en) * | 2018-04-26 | 2020-11-24 | 三菱电机株式会社 | Laser radar device, wind power generation device, and wind measurement method |
| CN111989593B (en) * | 2018-04-26 | 2024-05-14 | 三菱电机株式会社 | Laser radar device, wind power generation device, and wind measurement method |
| JP2021140184A (en) * | 2018-09-30 | 2021-09-16 | エスゼット ディージェイアイ テクノロジー カンパニー リミテッドSz Dji Technology Co., Ltd | Optical scanning device and optical expansion or optical compression device |
| US12196855B2 (en) | 2018-09-30 | 2025-01-14 | SZ DJI Technology Co., Ltd. | Distance detection device |
| JP2021056073A (en) * | 2019-09-30 | 2021-04-08 | 東日本旅客鉄道株式会社 | Vortex detection device, vortex detection method, program and convolution neural network |
| CN112639524B (en) * | 2020-04-30 | 2022-05-17 | 华为技术有限公司 | Target detection method and device |
| CN112639524A (en) * | 2020-04-30 | 2021-04-09 | 华为技术有限公司 | Target detection method and device |
| CN112698276A (en) * | 2020-12-15 | 2021-04-23 | 中国人民解放军空军预警学院 | Wind-field-interference-resistant air traffic control radar monitoring system and method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP5000082B2 (en) | 2012-08-15 |
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