(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠隔で空気を検知する方法であって、
該方法は、
同調可能なレーザを用いてレーザ放射を生成することと、
擬似乱数シーケンスを用いて該レーザを変調することと、
該レーザ放射を投射される成分およびコントロール成分にスプリットすることと、
該コントロール成分を１つ以上の電子的コントロール信号に変換することと、
該投射される成分を空気の中に投射することにより、散乱放射を視界の中へ誘発することと、
該散乱放射の一部分を後方散乱放射として受信することと、
該後方散乱放射を１つ以上の電子的後方散乱放射信号に変換することであって、該変換することは、
該後方散乱放射の第１の部分をフィルタがかけられていない後方散乱電子信号に変換することと、
光ノッチフィルタを用いて、該後方散乱放射の少なくとも第２の部分にフィルタをかけることにより、フィルタがかけられた部分を形成することと、
該フィルタがかけられた部分をフィルタがかけられた後方散乱電子信号に変換することと
を含む、ことと、
該１つ以上の電子的コントロール信号および該１つ以上の電子的後方散乱放射信号を処理することにより、該同調可能なレーザから少なくとも１つの特定の距離においてドップラーシフトを決定することであって、該処理することは、該後方散乱電子信号を該擬似乱数シーケンスに関連付けることを含む、ことと、
該ドップラーシフトを処理することにより、風速および風向を決定することと
該視界をスキャンすることと、
ある体積の空気内の複数の位置で風速および風向をマッピングすることと
を包含する、方法。
【請求項２】
少なくとも１つの電子的コントロール信号は、前記コントロール成分に前記光ノッチフィルタを用いてフィルタをかけることによって導き出される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記後方散乱放射のレイリー散乱成分から気温を決定することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
風力システムサイト調査のために前記風速および風向を周期的に記録することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
風力システムサイト調査のために前記風速および風向を記録することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
風力タービンの少なくとも１つのブレードに対するブレードピッチを決定することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記レーザ放射が、風力タービン上の位置から空気の中に発せられる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記風力タービン上の前記位置は、風力タービンのハブまたはナセル上にある、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
複数の高度における風速および風向を決定し、該風速および風向に応答して、前記風力タービンに対するブレードピッチを決定することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
光学的に空気データを検知するシステムであって、
該システムは、
レーザ放射を生成する同調可能なレーザと、
該同調可能なレーザを変調するように結合された擬似乱数シーケンス発生器と、
該レーザ放射を投射される成分およびコントロール成分にスプリットする少なくとも１つのビームスプリッタと、
少なくとも１つの光ノッチフィルタと、
該少なくとも１つの光ノッチフィルタを通して該コントロール成分の少なくとも一部分を受信し、該コントロール成分の少なくとも一部分から電子的コントロール信号を生成するように結合された少なくとも１つのコントロール成分検出器と、
該投射される成分を視界内の空気に投射することにより、散乱放射を誘発し、該散乱放射の一部分を後方散乱放射として受信する装置と、
該少なくとも１つの光ノッチフィルタを通して、該後方散乱放射の少なくとも一部分を受信し、該後方散乱放射の少なくとも一部分から電子的後方散乱信号を生成するように結合された少なくとも１つの後方散乱放射検出器と、
該同調可能なレーザの波長をスイープすることと、該電子的後方散乱信号および該電子的コントロール信号を受信することであって、該電子的後方散乱信号および該電子的コントロール信号は、該擬似乱数シーケンス発生器と関連付け、該電子的後方散乱信号および該電子的コントロール信号からドップラーシフトを決定するためのものである、ことと、該ドップラーシフトを処理することにより、該システムからの複数の範囲において距離分解された風速を決定することとを行うコントロールおよび計算装置と、
該投射する装置をスキャンする装置であって、該スキャンする装置は、ある体積にわたって視界をスキャンするように構成されている、装置と
を備え、
該コントロールおよび計算装置は、該体積の空気内の複数の位置で風速および風向をマッピングし、該体積内の風力タービンの位置からのマップ読み取りを排除するように構成されている、システム。
【請求項１１】
前記コントロールおよび計算装置は、前記電子的後方散乱信号を分析することにより、レイリー散乱を決定し、前記システムからの複数の範囲において該レイリー散乱から気温を決定する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
デジタルデータレコーダをさらに備え、該デジタルデータレコーダは、１時間毎に少なくとも４回、最小風速、平均風速、ピーク突風風速データを気温データと共に記録するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記デジタルデータレコーダは、前記システムからの少なくとも４つの範囲において、最小風速、平均風速、ピーク突風風速を気温と共に記録するように構成されており、該デジタルデータレコーダは、記録された少なくとも１ヶ月の風速データのための格納容量を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記コントロールおよび計算装置は、前記電子的後方散乱信号を分析することにより、レイリー散乱を決定し、前記システムからの複数の範囲において該レイリー散乱から気温を決定する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
前記投射される成分を空気に投射することにより、散乱放射を誘導し、該散乱放射の一部分を後方散乱放射として受信する前記装置は、ある体積の空域をスキャンするように適合されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
少なくとも１つの風力タービンの少なくとも１つのブレードピッチを制御するコントロール装置をさらに備えている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記コントロールおよび計算装置は、角度および範囲の情報を前記少なくとも１つの風力タービンの位置と比較することによって、どの後方散乱放射を無視するべきかを決定する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記システムの少なくとも一部分は、ナセルおよびハブからなる群から選択された風力タービンの要素内に位置する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記コントロールおよび計算装置は、危険な風速、ウインドシアー、マイクロバースト、ダストデビルからなる群から選択される風の状態に関する警報を提供するように適合されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
前記コントロールおよび計算装置は、対流不安定性、地形によって誘発された流れの不規則性、障害によって誘発された流れの不規則性、粗い地表の上を押す風からなる群から選択される事象によって引き起こされる乱気流に関する警報を提供するように適合されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２１】
光学的に空気データを検知するシステムであって、
該システムは、
擬似乱数シーケンスを発生させる擬似乱数シーケンス発生器と、
擬似乱数シーケンスによって変調されるレーザ放射を生成する同調可能なレーザと、
該レーザ放射を投射される成分およびコントロール成分にスプリットする少なくとも１つのビームスプリッタと、
少なくとも１つの光ノッチフィルタと、
該少なくとも１つの光ノッチフィルタを通して該コントロール成分の少なくとも一部分を受信し、該コントロール成分の少なくとも一部分から電子的コントロール信号を生成するように結合された少なくとも１つのコントロール成分検出器と、
該投射される成分を視界内の空気に投射することにより、散乱放射を誘発し、該散乱放射の一部分を後方散乱放射として受信する装置と、
該少なくとも１つの光ノッチフィルタを通して、該後方散乱放射の少なくとも一部分を受信し、該後方散乱放射の少なくとも一部分から電子的後方散乱信号を生成するように結合された少なくとも１つの後方散乱放射検出器と、
該同調可能なレーザの波長をスイープするコントロールおよび計算装置であって、該コントロールおよび計算装置は、該電子的後方散乱信号および該電子的コントロール信号を受信し、該擬似乱数シーケンスを該電子的後方散乱信号に関連付け、該システムからの複数の範囲においてドップラーシフトを決定するように構成されており、該コントロールおよび計算装置は、該電子的後方散乱信号を分析することにより、レイリー散乱を決定し、該システムからの複数の範囲において該レイリー散乱から気温を決定する、コントロールおよび計算装置と、
該視界をスキャンすることにより、ある体積の空気をスキャンするスキャニング装置と
を備え、
該コントロールおよび計算装置は、該体積内の複数の位置で風速および風向をマッピングし、該風速および風向のマップから、該体積内での風力タービンの位置でのブレードの動きを読み取ることを排除するように構成されている、システム。
【請求項２２】
前記レーザ放射は複数の軸に沿って向けられ、前記コントロールおよび計算装置は、前記複数の範囲における該複数の軸に沿って、決定されたドップラーシフトからの該複数の範囲において、風速および風向を決定する、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
デジタルデータレコーダをさらに備え、該デジタルデータレコーダは、１時間毎に少なくとも４回、前記システムからの少なくとも４つの範囲において、最小風速、平均風速、ピーク突風風速データを気温データと共に記録するように構成されており、該デジタルデータレコーダは、少なくとも１ヶ月間の風速データのための格納容量を有する、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
少なくとも１つの風力タービンの少なくとも１つのブレードピッチを制御するコントロール装置をさらに備えている、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記コントロールおよび計算装置は、少なくとも１つの風力タービンのブレードの動きを風として読み取ることを避けるために、決定された角度および範囲の情報を該少なくとも１つの風力タービンの位置と対応する角度および範囲の情報と比較することによって風速データにフィルタをかける、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
第２の風力タービンの少なくとも１つのブレードピッチを制御するコントロール装置をさらに備えている、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記システムの少なくとも一部分は、ナセルおよびハブからなる群から選択された風力タービンの要素内に位置する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記コントロールおよび計算装置は、関心のある領域における、速い風速の災害、乱気流、ウインドシアー、マイクロバースト、ダストデビルからなる群から選択される風の状態に関する警報を提供するように適合されている、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２９】
前記コントロールおよび計算装置は、関心のある領域における、接近する風の状態、および、航空機の進入路内の風の状態に関する警報を提供するように適合されている、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３０】
前記システムが飛行場の近くに設置されており、関心のある領域は、飛行場トラフィックパターン領域を包含し、前記コントロールおよび計算装置は、該飛行場トラフィックパターン領域における危険な風の状態に関して警報を提供するように適合されている、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３１】
前記システムが設置されており、関心のある領域は、ハイウェーの近くの領域を包含し、前記コントロールおよび計算装置は、危険な風の状態が該関心のある領域において検出されると、交通警報を提供するように適合されている、請求項２２に記載のシステム。
【請求項３２】
遠隔で空気を検知する方法であって、
該方法は、
同調可能なレーザを用いてレーザ放射を生成することと、
擬似乱数シーケンスを用いて該レーザ放射を変調することと、
該レーザ放射を投射される成分およびコントロール成分にスプリットすることと、
該コントロール成分を１つ以上の電子的コントロール信号に変換することと、
該投射される成分を視界内の空気の中に投射することにより、散乱放射を誘発することと、
該散乱放射の一部分を後方散乱放射として受信することと、
該後方散乱放射を１つ以上の電子的後方散乱放射信号に変換することであって、該変換することは、
第１の部分をフィルタがかけられていない後方散乱電子信号に変換することと、
該後方散乱放射の少なくとも一部分にフィルタをかけることと、
光ノッチフィルタを用いて、フィルタがかけられた部分を形成することと、
該フィルタがかけられた部分をフィルタがかけられた後方散乱電子信号に変換することと、
該１つ以上の電子的コントロール信号および該１つ以上の電子的後方散乱放射信号を処理することにより、ドップラーシフトを決定することと
を含む、ことと、
該ドップラーシフトを処理することにより、距離分解された風速を決定することと、
該視界をスキャンすることと、
ある体積の空気内の複数の位置で、距離分解された風速および風向をマッピングするとともに、該体積内の風力タービンの位置での距離分解された風速を排除することと、
該マッピングされた、距離分解された風速を用いて、風力タービンに対するブレードピッチを決定することと
を包含する、方法。
【請求項３３】
前記方法を実行するシステムは、地上の固定位置に配置されている、請求項１〜５、請求項９、請求項３２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３４】
前記システムは、地上の固定位置に配置されている、請求項１０〜１７、請求項１９〜３１のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本出願は、共有に係る同時係属中の米国特許出願第１１／４８８，２５９号に対する優先権の利益を請求し、かつ該米国特許出願第１１／４８８，２５９号の一部継続である。米国特許出願第１１／４８８，２５９号は、２００５年７月１５日に出願された米国仮特許出願第６０／６９９，６３０号に対する優先権の利益を請求する。この出願はまた、２００５年４月１１日に出願された米国出願第１１／１０３，０２０号の一部継続であり、該米国出願第１１／１０３，０２０号は、２００３年８月１日に出願された米国出願第１０／６３２，７３５号の継続であり、該米国出願第１０／６３２，７３５号は今では米国特許第６，８９４，７６８号であり、該米国特許第６，８９４，７６８号は、２００２年８月２日に出願された米国仮特許出願第６０／４００，４６２号に対する優先権の利益を請求する。前記出願のすべては参考として本明細書に援用される。
【０００２】
（米国政府権利）
本発明は一部分、米国政府の支持によってなされた。米国政府は、ＮＡＳＡ  Ｄｒｙｄｅｎ  Ｆｌｉｇｈｔ  Ｒｅｓｅａｃｈ  Ｃｅｎｔｅｒによって授与された許諾＃ＮＡＳ４−０２０４３の条件によって規定されているように、本発明における特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
空気データシステム（「ＡＤＳ］）は、パイロット、ナビゲータまたは車両管理システムコンピュータに、航空機の安定性に影響を与える空気パラメータについて知らせる検知式テレメトリを提供する。これらの空気パラメータは、例えば、対気速度、気温および気圧を含み、各々は、ナビゲーションおよびフライトコントロールに対して有用である。ＡＤＳは多くの形式で、例えば機械的デバイス、光学機械式デバイス、または光電子工学デバイスとして存在する。
【０００４】
光学的空気データシステム（「ＯＡＤＳ」）は、対気速度のパラメータを決定するために光を使用する。ＯＡＤＳは、光パルスを大気の中に伝送し、エアロゾルが航空機に向かって反射、または「後方散乱」させる光を受信する。エアロゾルは、空気または他の気体中に漂う細かな固体粒子および／または液体粒子である。ＯＡＤＳはまた、後方散乱させられた光を受信し、そのリターン周波数を測定することによってドップラー効果を測定して、速度を決定する。特定の先行技術ＯＡＤＳは散乱光に依存しているが、散乱光は、高度および雲の含有量によって大きく変化するエアロゾルの分布により予測不可能である。さらに、大気の一部の領域は、エアロゾルの含有量が少なすぎて、確実な空気データ測定が不可能であり、かかるＯＡＤＳは、気温も気圧も決定し得ない。
【０００５】
地上を基地とする空気データ測定は、例えば天候モニタリングのための風の測定、天候の予測、および交通警報のような他の適用においても興味深い。
【０００６】
飛行場の近くでの、および飛行場への進入経路での風の状態は、パイロットにとって大きな関心があり得る。特に、１９８５年、ダラスに着陸を試みたロッキードＬ−１０１１の訃報はマイクロバーストが原因であり、これ以来、ウインドシアー、上昇気流、下降気流、およびマイクロバースト状態の改良された検出および測定に関心が集まっている。航空機は特に、離着陸の大事な段階では、かかる風の状態に対して敏感である。航空機の破壊および乗員乗客の死亡を避け得るために、飛行場にかかる状態の検出のためのデバイスを装備することが望ましい。
【０００７】
潜在的に有害な風の状態を検出する試みとして、風の状態はしばしば、飛行場の１つよりも多い点で測定される。ウインドシアーは、高度に対する対気速度および方向の差によって特徴付けられるので、地表近くだけではなく、幾つかの高度で風の状態を測定することが望ましい。
【０００８】
米国および幾つかの州による税および他の誘因が、風力システムを含む再生可能なエネルギー源から電力を取得することに対する関心を増大させた。地表および地表から数百メータ内の高度での、風速、気温、乱気流の詳細な測定、および同様な情報は、風力システムのための位置を評価する際に有用である。さらに、地表および高度での風の状態、乱気流、および温度のリアルタイム測定は、風力システムを制御する際に、およびかかるシステムを悪条件から保護するために上昇気流およびマイクロバーストを予測することに役立てる際に有用であり得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
空気を検知する方法は、レーザエネルギーをレーザ放射として空気に投射するための少なくとも１つの、時として３つのトランシーバを含む。３つのトランシーバを使用するとき、トランシーバは、幾つかの異なる軸に沿って整列させられ、１つのトランシーバを使用するときは、投射された放射がスキャンされ得る。各トランシーバは、レーザエネルギーが空気から後方散乱させられるとき、レーザエネルギーを受信する。コンピュータが、１つ以上のトランシーバからの信号を処理して、分子散乱レーザ放射をエアロゾル散乱レーザ放射から区別して、散乱レーザ放射に基づいて気温、風速、および風向を決定する。風力サイト評価、風力タービン制御、天候モニタリング、航空機空気データ検知、および飛行場の安全に対する方法の適用が提示される。一部の実施形態において、レーザエネルギーが、関心のある領域をカバーするためにスキャンされる。
【００１０】
空気データを光学的に検知するシステムは、レーザ放射を生成するための同調可能なレーザ、およびレーザ放射を投射される成分およびコントロール成分にスプリットするためのビームスプリッタを有する。コントロール成分検出器は、光ノッチフィルタを通してコントロール成分の少なくとも一部分を受信して、電子的コントロール信号を生成する。投射される成分は空気の中に発散され、散乱放射の一部分は、後方散乱放射として受信され、その一部分は、光ノッチフィルタを通して後方散乱放射検出器の中で受信されて、後方散乱放射検出器から電子的後方散乱信号を生成する。同調可能なレーザの波長がスイープされ、かつコントロール信号および後方散乱信号が比較されて、ドップラーシフトを決定し、これは、風速を決定するために使用される。一実施形態において、擬似乱数シーケンス発生器がレーザ放射を変調し、電子的後方散乱信号がランダムシーケンスと相互に関連付けられて、システムからの幾つかの範囲においてドップラーシフトを決定する。
【００１１】
例えば、本発明は以下を提供する。
【００１２】
（項目１）  
遠隔で空気を検知する方法であって、該方法は、
同調可能なレーザによってレーザ放射を生成することと、
該レーザ放射を投射される成分およびコントロール成分にスプリットすることと、
該コントロール成分を１つ以上の電子的コントロール信号に変換することと、
該投射される成分を空気の中に投射して、散乱放射を誘発することと、
該散乱放射の一部分を後方散乱放射として受信することと、
該後方散乱放射を１つ以上の電子的後方散乱放射信号に変換することであって、
第１の部分をフィルタがかけられていない後方散乱電子信号に変換することと、
光ノッチフィルタを使用して、該後方散乱放射の少なくとも一部分にフィルタをかけて、フィルタがかけられた部分を形成することと、
該フィルタがかけられた部分をフィルタがかけられた後方散乱電子信号に変換することとを含む、変換することと、
該１つ以上の電子的コントロール信号および該１つ以上の電子的後方散乱放射信号を処理して、ドップラーシフトを決定することと、
該ドップラーシフトを処理して、風速を決定することと
を包含する、方法。
【００１３】
（項目２）  
少なくとも１つの電子的コントロール信号は、上記コントロール成分を上記光ノッチフィルタでフィルタをかけることによって導き出される、項目１に記載の方法。
【００１４】
（項目３）  
レーザ放射は、少なくとも２つの軸に沿って投射され、ドップラーシフトが、該軸の各々に沿って決定され、該軸のおのおのに沿った該ドップラーシフトが、風速および風向を決定するために使用される、項目２に記載の方法。
【００１５】
（項目４）  
レーザ放射は、少なくとも３つの軸に沿って投射され、ドップラーシフトが、該軸の各々に沿って決定され、該軸のおのおのに沿った該ドップラーシフトが、風速および風向を決定するために使用される、項目３に記載の方法。
【００１６】
（項目５）  
上記後方散乱放射のレイリー散乱成分から気温を決定することをさらに包含する、項目３に記載の方法。
【００１７】
（項目６）  
上記レーザ放射をスキャンして、ある体積の空気内における複数の位置で、風速および風向情報を取得することをさらに包含する、項目４に記載の方法。
【００１８】
（項目７）  
風力システムサイト調査のために上記風速および風向を周期的に記録することをさらに包含する、項目４に記載の方法。
【００１９】
（項目８）  
擬似乱数シーケンスによって上記レーザを変調することと、ヒストグラミングタイプのメモリで上記受信された後方散乱放射を格納することと、この受信された後方散乱放射を該擬似乱数シーケンスと相互に関連付け、上記同調可能なレーザから少なくとも１つの特定の距離における風速を取得することとをさらに包含する、項目４に記載の方法。
【００２０】
（項目９）  
上記レーザ放射をスキャンして、ある体積の空気内における複数の位置で、風速および風向情報を取得することをさらに包含する、項目８に記載の方法。
【００２１】
（項目１０）  
風力システムサイト調査のために上記風速および風向を記録することをさらに包含する、項目８に記載の方法。
【００２２】
（項目１１）  
風力タービンの少なくとも１つのブレードに対するブレードピッチを決定することをさらに包含する、項目９に記載の方法。
【００２３】
（項目１２）  
上記レーザ放射が、風力タービンの１つの位置から空気の中に発散される、項目１に記載の方法。
【００２４】
（項目１３）  
上記風力タービンの上記位置は、風力タービンのハブまたはナセル上にある、項目１２に記載の方法。
【００２５】
（項目１４）  
上記レーザを擬似乱数シーケンスによって変調することと、ヒストグラミングタイプのメモリ内に上記受信された後方散乱放射を格納することと、該受信された後方散乱放射を該擬似乱数シーケンスと相互に関連付け、上記同調可能なレーザから少なくとも１つの特定の距離における風速を取得することとをさらに包含する、項目１３に記載の方法。
【００２６】
（項目１５）  
複数の高度における風速および風向を決定し、該風速および風向に応答して、上記風力タービンに対するブレードピッチを決定することをさらに包含する、項目１４に記載の方法。
【００２７】
（項目１６）  
光学的に空気データを検知するシステムであって、該システムは、
レーザ放射を生成する同調可能なレーザと、
該レーザ放射を投射される成分およびコントロール成分にスプリットする少なくとも１つのビームスプリッタと、
少なくとも１つの光ノッチフィルタと、
少なくとも１つのコントロール成分検出器であって、該少なくとも１つの光ノッチフィルタを通して該コントロール成分の少なくとも一部分を受信して、該コントロール成分の少なくとも一部分から電子的コントロール信号を生成するように結合された、検出器と、
装置であって、該投射される成分を空気に投射して、散乱放射を誘発し、該散乱放射の一部分を後方散乱放射として受信する、装置と、
少なくとも１つの後方散乱放射検出器であって、該少なくとも１つの光ノッチフィルタを通して、該後方散乱放射の少なくとも一部分を受信し、該後方散乱放射の少なくとも一部分から電子的後方散乱信号を生成するように結合された、検出器と、
コントロールおよび計算装置であって、該同調可能なレーザの波長をスイープし、該電子的後方散乱信号および該電子的コントロール信号を受信して、該電子的後方散乱信号および該電子的コントロール信号からドップラーシフトを決定し、そして該ドップラーシフトを処理して風速を決定する、装置と
を備えている、システム。
【００２８】
（項目１７）  
擬似乱数シーケンスを生成する擬似乱数シーケンス発生器と、
該擬似乱数シーケンスによって上記レーザ放射を変調する変調器と
をさらに備え、
上記コントロールおよび計算装置が、該擬似乱数シーケンスを上記電子的後方散乱信号と相互に関連付けて、上記システムからの複数の範囲において上記ドップラーシフトを決定する、項目１６に記載のシステム。
【００２９】
（項目１８）  
上記コントロールおよび計算装置は、上記電子的後方散乱信号を分析して、レイリー散乱を決定し、かつ上記システムからの複数の範囲において該レイリー散乱から気温を決定する、項目１７に記載のシステム。
【００３０】
（項目１９）  
デジタルデータレコーダをさらに備え、該デジタルデータレコーダは、１時間毎に少なくとも４回、最小風速、平均風速、およびピーク突風風速データを気温データと共に記録するように構成される、項目１８に記載のシステム。
【００３１】
（項目２０）  
上記デジタルデータレコーダは、上記システムからの少なくとも４つの範囲において、最小風速、平均風速、およびピーク突風風速を気温と共に記録するように構成される、項目１９に記載のシステム。
【００３２】
（項目２１）  
上記コントロールおよび計算装置は、上記電子的後方散乱信号を分析して、レイリー散乱を決定し、かつ上記システムからの複数の範囲において該レイリー散乱から気温を決定する、項目１７に記載のシステム。
【００３３】
（項目２２）  
上記投射される成分を空気に投射して、散乱放射を誘導し、かつ該散乱放射の一部分を後方散乱放射として受信する上記装置は、ある体積の空域をスキャンするように適合される、項目２１に記載のシステム。
【００３４】
（項目２３）  
少なくとも１つの風力タービンの少なくとも１つのブレードピッチを制御するコントロール装置をさらに備えている、項目２２に記載のシステム。
【００３５】
（項目２４）  
上記コントロールおよび計算装置は、少なくとも１つの風力タービンのブレードの動きを風として読み取ることを避けるために、上記後方散乱放射の少なくとも一部を選択的に無視する、項目２３に記載のシステム。
【００３６】
（項目２５）  
上記コントロールおよび計算装置は、角度および範囲の情報を上記少なくとも１つの風力タービンの位置と比較することによって、どの後方散乱放射を無視するべきかを決定する、項目２４に記載のシステム。
【００３７】
（項目２６）  
上記システムの少なくとも一部分は、ナセルおよびハブからなる群から選択された風力タービンの要素内に位置する、項目２３に記載のシステム。
【００３８】
（項目２７）  
上記コントロールおよび計算装置は、危険な風速、ウインドシアー、マイクロバースト、およびダストデビルからなる群から選択される風の状態に関する警報を提供するように適合される、項目２２に記載のシステム。
【００３９】
（項目２８）  
上記コントロールおよび計算装置は、対流不安定性、地形によって誘発された流れの不規則性、障害によって誘発された流れの不規則性および粗い地表の上を押す風からなる群から選択される事象によって引き起こされる乱気流に関する警報を提供するように適合される、項目２２に記載のシステム。
【００４０】
（項目２９）  
光学的に空気データを検知するシステムであって、該システムは、
擬似乱数シーケンスを発生させる擬似乱数シーケンス発生器と、
擬似乱数シーケンスによって変調されるレーザ放射を生成する同調可能なレーザと、
該レーザ放射を投射される成分およびコントロール成分にスプリットする少なくとも１つのビームスプリッタと、
少なくとも１つの光ノッチフィルタと、
少なくとも１つのコントロール成分検出器であって、該少なくとも１つの光ノッチフィルタを通して該コントロール成分の少なくとも一部分を受信して、該コントロール成分の少なくとも一部分から電子的コントロール信号を生成するように結合された、検出器と、
装置であって、該投射される成分を空気に投射して、散乱放射を誘発し、該散乱放射の一部分を後方散乱放射として受信する、装置と、
少なくとも１つの後方散乱放射検出器であって、該少なくとも１つの光ノッチフィルタを通して、該後方散乱放射の少なくとも一部分を受信して、該後方散乱放射の少なくとも一部分から電子的後方散乱信号を生成するように結合された、検出器と、
コントロールおよび計算装置であって、該同調可能なレーザの波長をスイープし、該電子的後方散乱信号および該電子的コントロール信号を受信し、そして該擬似乱数シーケンスを該電子的後方散乱信号と相互に関連付けて、該システムからの複数の範囲においてドップラーシフトを決定する、装置と
を備え、該コントロールおよび計算装置は、該電子的後方散乱信号を分析して、レイリー散乱を決定し、かつ該システムからの複数の範囲において該レイリー散乱から気温を決定する、システム。
【００４１】
（項目３０）  
上記レーザ放射は複数の軸に沿って向けられ、上記コントロールおよび計算装置は、複数の範囲における該複数の軸に沿って、決定されたドップラーシフトからの該複数の範囲において、風速および風向を決定する、項目２９に記載のシステム。
【００４２】
（項目３１）  
デジタルデータレコーダをさらに備え、該デジタルデータレコーダは、１時間毎に少なくとも４回、上記システムからの少なくとも４つの範囲において、最小風速、平均風速、およびピーク突風風速データを気温データと共に記録するように構成され、該デジタルデータレコーダは、少なくとも１ヶ月間の風速データに対して格納容量を有する、項目３０に記載のシステム。
【００４３】
（項目３２）  
上記投射される成分を空気に投射して、散乱放射を誘導し、かつ該散乱放射の一部分を後方散乱放射として受信する上記装置は、ある体積の空域をスキャンするように適合される、項目３１に記載のシステム。
【００４４】
（項目３３）  
少なくとも１つの風力タービンの少なくとも１つのブレードピッチを制御するコントロール装置をさらに備えている、項目３２に記載のシステム。
【００４５】
（項目３４）  
上記コントロールおよび計算装置は、少なくとも１つの風力タービンのブレードの動きを風として読み取ることを避けるために、決定された角度および範囲の情報を該少なくとも１つの風力タービンの位置と対応する角度および範囲の情報と比較することによって風速データにフィルタをかける、項目３３に記載のシステム。
【００４６】
（項目３５）  
第２の風力タービンの少なくとも１つのブレードピッチを制御するコントロール装置をさらに備えている、項目３４に記載のシステム。
【００４７】
（項目３６）  
上記システムの少なくとも一部分は、ナセルおよびハブからなる群から選択された風力タービンの要素内に位置する、項目３５に記載のシステム。
【００４８】
（項目３７）  
上記コントロールおよび計算装置は、関心のある領域における速い風速の災害、乱気流、ウインドシアー、マイクロバースト、およびダストデビルからなる群から選択される風の状態に関する警報を提供するように適合される、項目３２に記載のシステム。
【００４９】
（項目３８）  
上記コントロールおよび計算装置は、関心のある領域における、接近する風の状態、および航空機の進入路内の風の状態に関する警報を提供するように適合される、項目３２に記載のシステム。
【００５０】
（項目３９）  
上記システムが飛行場の近くに設置され、関心のある領域は、飛行場トラフィックパターン領域を包含し、上記コントロールおよび計算装置は、該飛行場トラフィックパターン領域における危険な風の状態に関して警報を提供するように適合される、項目３２に記載のシステム。
【００５１】
（項目４０）  
上記システムが設置され、関心のある領域は、ハイウェーの近くの領域を包含し、上記コントロールおよび計算装置は、危険な風の状態が該関心のある領域において検出されると、交通警報を提供するように適合される、項目３２に記載のシステム。
【００５２】
（開示の要約）
空気を検知するシステムおよび方法は、レーザエネルギーをレーザ放射として空気に投射するための少なくとも１つの、一部の実施形態においては３つのトランシーバを含む。トランシーバは、幾つかの異なる軸に沿ってスキャンされるか、または整列させられる。各トランシーバは、レーザエネルギーが空気から後方散乱させられるとき、レーザエネルギーを受信する。コンピュータが、送受信きからの信号を処理して、分子散乱レーザ放射をエアロゾル散乱レーザ放射から区別して、散乱レーザ放射に基づいて気温、風速、および風向を決定する。風力サイト評価、風力タービン制御、交通安全、一般的気象モニタリング、および飛行場の安全に対するシステムの適用が提示される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、一実施形態による一光学的空気データシステム（「ＯＡＤＳ」）を示す。
【図２】図２は、一実施形態による１つのＯＡＤＳを示す。
【図３】図３は、一実施形態による、ＯＡＤＳに対する例示的な対気速度計算を示す。
【図４】図４〜図７は、一実施形態による、ＯＡＤＳに対する他の空気パラメータのための例示的な計算を示すグラフを示す。
【図５】図４〜図７は、一実施形態による、ＯＡＤＳに対する他の空気パラメータのための例示的な計算を示すグラフを示す。
【図６】図４〜図７は、一実施形態による、ＯＡＤＳに対する他の空気パラメータのための例示的な計算を示すグラフを示す。
【図７】図４〜図７は、一実施形態による、ＯＡＤＳに対する他の空気パラメータのための例示的な計算を示すグラフを示す。
【図８】図８は、一実施形態による、ＯＡＤＳの動作の一例示的な方法を示す流れ図である。
【図９】図９は、一実施形態による、ＯＡＤＳの動作の一例示的な方法を示す流れ図である。
【図１０】図１０は、範囲レゾルーションに対するランダム変調連続波アップローチを使用するＯＡＤＳの実施形態のブロック図である。
【図１１】図１１は、飛行場の近くの航空機または風力システムに対して危険を及ぼし得る一部の風の状態を図示する。
【図１２】図１２は、風力システムに対する適用を図示する。
【図１３】図１３は、地上を基地とする適用に対して適切な空気データシステムの実施形態のブロック図である。
【図１４】図１４は、地上を基地とする空気データシステムの代替の実施形態を図示する。
【図１５】図１５は、ある位置の周りの風速および温度をマッピングする地上を基地とする空気データシステムのスキャニング実施形態を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
（実施形態の詳細な説明）
図１は、航空機１０２に取り付けられた、またはこの中の１つの光学的空気データシステム（「ＯＡＤＳ」）１０１を示す。この実施形態において、ＯＡＤＳ１０１は、空気１０４に対してレーザ放射１０３を放出するように構成されている。レーザ放射１０３は、空気１０４およびエアロゾル粒子１０５（空気１０４中の）に衝突し、レーザ放射１０３の散乱を引き起こし、レーザ放射１０３の散乱は、図１において散乱フィールド１０６として表されている。航空機１０２と散乱フィールド１０６との間の距離は、レーザ放射１０３と航空機１０２からやや離れたトランシーバ１１０フィールドとの間の重複部分によって制御され、リターンレーザ放射１０７に最適化された強度を提供し、かつ航空機１０２に近接する押しのけられた空気から生じる起こり得る測定誤差をなくする。ＯＡＤＳ１０１は、レーザ散乱フィールド１０６において空気１０４から後方散乱させられた後方散乱レーザ放射１０７を検出する。放射１０７は、例えば２５０ｎｍ〜２７０ｎｍの範囲内にある波長を有する紫外線（ＵＶ）スペクトルの中にあり得る。しかしながら、他の範囲が代替として、散乱フィールド１０６を生み出すために使用され得る。
【００５５】
リターンレーザ放射１０７は通常、分子散乱（例えばレイリー）成分１０７Ａおよび／またはエアロゾル散乱（例えばミー）成分１０７Ｂを含む。ＯＡＤＳ１０１は、分子散乱成分１０７Ａをエアロゾル散乱成分１０７Ｂから区別し、これに応じて、後方散乱レーザ放射１０７に基づき、１つ以上の空気パラメータを決定する。かかる空気パラメータの例は、対気速度、気圧、気温および／または局地的な風に対する航空機配向角度を含む。ＯＡＤＳ１０１は、無人航空機（ＵＡＶ）、ヘリコプタ、ミサイル、グライダーおよびスペースシャトルを含む他の航空機に対しても構成され得る。航空機１０２の「ノーズ」１０８内に図示されているが、ＯＡＤＳ１０１は、航空機１０２の任意の他の部分に構成され得る。
【００５６】
図１に示されるように、ＯＡＤＳ１０１は、レーザ放射１０３を生成するように構成されたレーザ１０９を含む。トランシーバ１１０は、光結合１１１を介してレーザ１０９からレーザ放射１０３を伝送し、後方散乱レーザ放射１０７を受信するように構成される。光結合１１１は、光ファイバ接続または自由空間伝送の形式で存在し得る。従って、トランシーバ１１０は、レーザ放射をレーザ放射１０３として空気１０４に対して投射する。空気１０４は、レーザ放射１０３を散乱フィールド１０６において複数の方向に（例えばベクトル１１２として図示された）散乱させる。散乱フィールド１０６はまた、放射１０７をトランシーバ１１０に向かって戻すか、または後方散乱させ、トランシーバ１１０は次に、後方散乱させられたレーザ放射１０７を受取る。トランシーバ１１０は、後方散乱させられたレーザ放射１０７をコンピュータ１１３を介して処理可能な電子信号に変換し、空気パラメータを決定する。
【００５７】
コンピュータ１１３は、トランシーバ１１０と通信的に結合し、トランシーバ１１０からの信号を処理し、分子散乱成分１０７Ａをエアロゾル散乱成分１０７Ｂから区別する。コンピュータ１１３は、空気１０４中の分子および／またはエアロゾルから後方散乱させられたレーザ放射１０７に基づいて空気パラメータを決定する。従って、以下に記述されるように、コンピュータ１１３は、１つ以上のデジタル信号処理アルゴリズムを使用してかかるパラメータを決定し得る。
【００５８】
ＯＡＤＳ１０１は、例示的な実施形態において、１つのトランシーバ１１０を図示するが、用途に依存して複数のトランシーバが使用され得る。例えば、ＯＡＤＳ１０１を使用するミサイルは、２つのトランシーバ１１０を使用して、例えば前進速度（例えば対気速度）のような空気パラメータおよびミサイルの垂直平面、または迎角を決定し得る。飛行機は、特定の態様で位置決めされた３つのトランシーバ１１０を使用して、例えば、対気速度の空気パラメータ、気圧、および気温に加えて、迎角およびサイドスリップのような様々な航空機の幾何学的形状を決定し得る。さらに、航空機（固定された翼およびロータリ）は、３つ以上のトランシーバおよび／またはレーザを使用して、冗長システムアーキテクチャにより、光学的空気データシステムの信頼性を高め得る。３つのＯＡＤＳを使用して、３つの非同一平面上の軸に取り付けられたトランシーバは、対気速度ベクトルに対する独立した測定を提供することによって、合計対気速度ベクトルを完全に解き得る。トランシーバは例えば、非共通平面に位置し、それらの幾何学的形状は、航空機の中心線に対して知られている。ベクトル代数学が次に使用されて、前方対気速度、アングルオブサイドスリップ、および迎角を含む全対気速度ベクトルを決定し得る。
【００５９】
図２は、１つのＯＡＤＳ１４０を示す。ＯＡＤＳ１４０は、空気分子とエアロゾルの両方から後方散乱させられたレーザ放射に基づいて、図１に記述されたもののような、空気パラメータを決定するために使用される別の実施形態を図示する。この実施形態において、ＯＡＤＳ１４０は、レーザ放射１４２を生成するように構成されたレーザ１４１を含む。他の波長が使用され得るが、レーザ１４１は、約２５３．７ｎｍの同調された中心波長を有する同調可能なレーザであり得る。例えば、レーザ１４１は、４倍にされた周波数、Ｎｄ：ＹＡＧ（すなわち、ネオジウム：イットリウム−アルミニウム−ガーネット）励起Ｔｉ：サファイア（チタン−サファイア）レーザであり得る。あるいは、Ｎｄ：ＹＡＧ励起Ｔｉ：サファイアレーザと比較して、より小型、より軽量、増加したロバストネスおよび向上した信頼性という重要な利益を提供する周波数４倍Ｙｂ添加（イッテルビウム添加）ファイバレーザが使用され得る。あるいは、ダイオードレーザ、ダイオードレーザバー、ダイオードレーザバーの積層、および周波数上方変換技術が、レーザを作成するために使用され得る。レーザ１４１は、約４０ＧＨｚの周波数範囲にわたって同調可能であるレーザ放射を生成し得る。レーザ１４１は、周波数でこの範囲をスイープする連続波レーザであり得るか、またはレーザ１４１は、各パルスが調整可能なピーク周波数の周りに集中する周波数分布を有するように制御されたパルスレーザであり得る。一実施形態において、ピーク周波数は、各パルスから次のパルスへと約１００ＭＨｚだけ増加する。レーザ１４１は、ほぼ１１８２．５ＴＨｚ、またはｃ／２５３．７ｎｍの中心周波数の周りで＋／−２０ＧＨｚを調整し得、ここでｃは光の速度である（ほぼ３ｘ１０８ｍ／ｓ）。図示された実施形態において、レーザ１４１は、レーザ放射１４２をビームスプリッタ１４３に放射し、ビームスプリッタ１４３は、ビームを２つの成分、１４３Ａおよび１４３Ｂにスプリットする。成分１４３Ａは、空気１４４を通るように向けられ、成分１４３Ｂは、ビームスプリッタ１４５に向けられる。
【００６０】
特に、空気１４４に向けられたレーザ放射１４２の成分１４３Ａは、散乱フィールド１４６の中に散乱させられる。成分１４３Ａの散乱は、散乱フィールド１４６の散乱ベクトル１４７によって図示され、一方、リターン散乱は、後方散乱レーザ放射１４８によって図示される。レーザ放射１４２の成分１４３Ｂは、後方散乱レーザ放射１４８との比較のための基準として使用される。かかる比較は、例えば対気速度のような空気パラメータを決定する際に有用である。なぜならば、レーザ放射の伝送された周波数および受信された周波数は、ドップラー方程式における使用に対して確かめられ得るからである。かかる処理は、本明細書の以下でより詳細に説明される。
【００６１】
図示された実施形態において、後方散乱レーザ放射１４８は、光学１４９を通して受信される。一例において、光学１４９は、後方散乱レーザ放射１４８を集めてビーム１５０にする望遠鏡である。光学１４９はまた，ビーム１５０をビームスプリッタ１５１に向け、ビーム１５０を２つの成分１５０Ａ／１５０Ｂにスプリットする。ビーム１５０の成分１５０Ｂは、蒸気フィルタ１５２を通って検出器１５３に向かい、電子信号１５８を生み出し、電子信号１５８は、検出器１５３に衝突する成分１５０Ｂを表し、一方、成分１５０Ａは、ビームスプリッタ１５１によって検出器１５４に向けられる。
【００６２】
一実施形態において、検出器１５４は、放射１５０Ａを受信してそれを電子信号１５５に変換する光検出器である。検出器１５４は、電子信号１５５を処理するための中央コンピュータ１５６と接続する。同様に、検出器１５３は、成分１５０Ｂを検出するように構成された光検出器であり、成分１５０Ｂは、フィルタがかけられた成分１５７として蒸気フィルタ１５２によってフィルタがかけられる。検出器１５３は、成分１５７を電子信号１５８に変換し、中央コンピュータ１５６によって処理する。
【００６３】
従って、電子信号１５８は、蒸気フィルタ１５２によってフィルタがかけられた後方散乱レーザ放射１４８と対応する。そして、電子信号１５５は、フィルタがかけられていない後方散乱レーザ放射１５０Ａと対応する。従って、電子信号１５５は、コンピュータ１５６が電子信号１５８を処理するとき、特定の異常を無効にするために使用される。例えば、電子信号１５８で処理されるとき、信号１５５は、空気１４４における大気の変化によって引き起こされた、フィルタがかけられた成分１５７の特定のレーザ伝送パワー変動を、信号１５８から除去するために使用され得る。かかる処理は、図４〜図７と関連してさらに詳細に説明される。
【００６４】
コンピュータ１５６は、ルックアップテーブル１７０および１７２を含み、ルックアップテーブル１７０および１７２は、以下に論じられるように、温度および／または圧力を決定するために利用され得る。
【００６５】
レーザ放射１４２の基準成分１４３Ｂは、ビームスプリッタ１４５によって２つの成分１５９および１６０にスプリットされる。成分１６０は、ビームスプリッタ１４５によって、ミラーされた表面１６１を介して、蒸気フィルタ１５２に向けられてフィルタ特性を測定し、一方、成分１５９は、ビームスプリッタ１４５によって検出器１６２に向けられて電子信号１６３を生成する。電子信号１６３は、例えば、後方散乱レーザ放射１４８のリターンにおけるパワー変動を正規化するために使用され、このパワー変動は、レーザ１４１によるレーザ放射１４２の生成におけるパワー変動によって引き起こされる。かかる処理は、図４〜図７においてより詳細に説明される。
【００６６】
蒸気フィルタ１５２は成分１６０にフィルタをかけて、フィルタがかけられた成分１６４を生み出す。フィルタがかけられた成分１６４は、ミラーされた表面１６６を介して、検出器１６５に向けられ、次に電子信号１６７に変換される。中央コンピュータ１５６は、電子信号１６７を処理して、例えば蒸気フィルタ１５２のバンドストップ領域の周波数および抑圧特長のようなフィルタ特性を決定する。かかる一処理も、図４〜図７の文脈においてより詳細に説明される。
【００６７】
図２は、自由空間光伝送ならびに、例えばビームスプリッタ１４３、１４５および１５１およびミラー１６１および１６６のような光学コンポーネントを有するとして、ＯＡＤＳ１４０を示すが、光ファイバが、経路１４２、１４３Ａ、１４３Ｂ、１５９、１６０、１６４、１５０、１５０Ａ、１５０Ｂおよび／または１５７に沿ったレーザ１４１伝送に対して使用され得る。かかる実施形態においては、ファイバスプリッタが、ビームスプリッタ１４３、１５１および１４５の代わりに使用され得、ミラー１６１および／または１６６は削除され得る。
【００６８】
図２のＯＡＤＳ１４０に示される実施形態は、蒸気フィルタ１５２を使用するが、他のタイプのフィルタが利用され得る。例えば、干渉フィルタ、ダイクロイックフィルタ、ファイバブラッググレーティングフィルタ、ボリュームホログラフィックグレーティングフィルタ、および／またはルゲートフィルタのようなノッチフィルタまたは光ノッチフィルタが利用され得る。蒸気フィルタ１５２の代わりに使用されるフィルタは有利にも、例えば次のような特性を有し得る：（１）４０〜６０ｄＢ以上のオーダーでのストップバンド領域内での高い光学的吸収；（２）約５ＧＨｚと１００ＧＨｚとの間のノッチフィルタ吸収幅、ただし１０ＧＨｚ未満の吸収幅が好まれる；および（３）約５ＧＨｚ以下内で生じる１０％〜９０％吸収遷移を有する急な吸収側壁。パスバンドフィルタも使用され得る。複数の吸収特徴を有するシングルフィルタが利用され得るか、または光学スプリッタもしくはファイバスプリッタが、複数のフィルタを通して光学的信号を発送するために使用され得、各フィルタは、単一の吸収特徴を有する。
【００６９】
原子蒸気フィルタ以外のフィルタは、特定の利点を提供し得る。例えば、原子蒸気フィルタの吸収周波数は、使用される原子蒸気の特性と確実に結びついている一方、それらの使用は、かかる周波数での出力を有する同調可能なレーザを含むＯＡＤＳを拘束し得る。しかしながら、特定の同調可能なレーザは、都合がいいことに原子蒸気フィルタ吸収周波数とマッチングしない周波数で、改良された性能および／または安定性を有し得る。特に、ブラッググレーティングフィルタは、例えば１５５０ｎｍのようなより長い波長での対気速度測定に対して効果的な、低価格の光ノッチフィルタである。例えば、干渉フィルタ、ダイクロイックフィルタ、ファイバブラッググレーティングフィルタ、ボリュームホログラフィックグレーティングフィルタ、および／またはルゲートフィルタのような特定のフィルタは、レーザをフィルタに同調させるのではなく、同調可能なレーザの好ましい周波数出力範囲に同調された吸収特徴を有するように設計され得る。従って、ＯＡＤＳにおける同調可能なレーザおよびマッチングするノッチフィルタの使用は、（１）改良されたリターン信号強度に対してより高いレーザ出力電力の使用を可能にし、（２）熱安定性、振動および衝撃に対してＯＡＤＳをよりロバストにし、（３）ＯＡＤＳから危険な材料（例えば水銀）をなくし、かつ／または（４）ＯＡＤＳの大きさ、重量および／またはコストを低減する。
【００７０】
図３は、ＯＡＤＳ１４０による例示的な対気速度計算を示す際に有用な１つのグラフ２００を示す。グラフ２００は、２つの曲線２０１および２０２を示し、周波数の関数として、正規化されたレーザ放射マグニチュードを比較する（信号強度、つまり、正規化されたレーザ放射マグニチュードは、軸２０５に対してプロットされ、周波数は、軸２０４に対してプロットされる）。曲線２０２は、例えば図２のフィルタがかけられた成分１６４のような、フィルタがかけられ放射されたレーザ放射を図示する。このように、曲線２０２は、電子信号１６７の処理によって決定された図２の蒸気フィルタ１５２のフィルタ特性を示す。曲線２０２は、０ＧＨｚの、下方に並進させられた周波数で生じるフィルタ１５２のピーク吸収を示す。例として、フィルタ１５２の実際のピーク吸収周波数は、約１１８２．５ＴＨｚであり得る（すなわち約２５３．７ｎｍの対応する波長を有する）。
【００７１】
レーザ１４１によって生成されたレーザ放射１４２は、フィルタ１５２を通り、フィルタがかけられた成分１６４を提供する。フィルタがかけられた成分１６４が一旦、検出器１６５によって電子信号１６７に変換されると、コンピュータ１５６は、信号１６７のデジタル信号処理によって、蒸気フィルタ１５２の特徴を分析、格納する（例えばコンピュータ１５６は、制御された条件の下で取得された基準特徴を、将来の計算における使用のために格納する）。この例に示されるように、蒸気フィルタ１５２の特徴は、ピーク吸収周波数の周りでほぼ＋／−５ＧＨｚ（すなわち、軸２０５に従ってほぼ＋／−５ＧＨｚにおける０．９正規化伝送ファクタ）でほぼ１０％正規化吸収を有する。他のタイプの適切なフィルタは、様々な吸収／伝送特徴を含み得る。
【００７２】
曲線２０１は、例えば図２のフィルタがかけられた成分１５７のような、フィルタがかけられた後方散乱レーザ放射を図示する。一実施形態において、曲線２０１は、曲線２０２との比較によって対気速度を決定するために使用される。例えば、曲線２０２は、蒸気フィルタ１５２がレーザ放射１４２にどのように影響を与えるかを図示し、曲線２０１は同様に、レーザ放射１４２が空気１４４から後方散乱（例えば放射１４８としてのリターン）させられるとき、蒸気フィルタ１５２がレーザ放射１４２にどのように影響を与えるかを示す。周波数シフト２０３は、伝送レーザ放射１４２とリターンレーザ放射１４８との間の、蒸気フィルタ１５２に対するピーク吸収の周波数の変化を表す。コンピュータ１５６は、ドップラー速度式を適用するアルゴリズムを処理して、周波数シフト２０３から対気速度を決定する。
【００７３】
一実施形態において対気速度を決定するために、コンピュータ１５６は、フィルタがかけられた成分１５７のピーク吸収周波数が、初めのレーザ周波数から周波数においてどのくらい遠くまでシフトしたかを、曲線２０２を曲線２０１と比較することによって決定する（例えば、フィルタがかけられた成分１５７と１６４とのピーク吸収周波数を比較する）。周波数シフト２０３は、ドップラー速度方程式、
【００７４】
【数１】
0005542344.tif 000002
による半径方向の風速に実質的に等しく、ここでΔνＤは、ドップラー周波数シフトを表し、ＶＲは、乗り物（例えば図１の航空機１０１）の、伝播１４３Ａのレーザ方向に沿った速度成分を表し、λは、レーザ放射１４２の波長を表す。
【００７５】
一実施形態において、風の速度成分ＶＲは、グラフ２００の曲線２０１と比較された、グラフ２００の曲線２０２からの周波数シフトを決定することによって測定され得る。これは、各曲線２０１および２０２の対称点を計算して、２つの曲線の間の対称点の差を決定することによって達成される。
【００７６】
蒸気フィルタ１５２は、複数の吸収特徴を有し得る。従って、ＯＡＤＳは、例えば図３の曲線２０１および２０２によって図示されるような複数の吸収最大値を有し得、これら複数の吸収最大値は、乗り物の速度のより正確な推定を提供するために使用され得る。乗り物の速度ＶＲは、各吸収特徴に対して、式１を使用して計算され得る。乗り物の平均速度は次に、ＶＲの各値から計算され得る。
【００７７】
図４〜図７は、ＯＡＤＳ１４０に対する他の空気パラメータに対する例示的な計算を示すグラフを示す。例えば、図３に示されるような対気速度による周波数シフトを決定した後、例えば気温および気圧のような他の空気パラメータが、計算され得る。一例において、コンピュータ１５６は初めに、検出された後方散乱レーザ放射（例えば検出器１５３によって検出されたフィルタがかけられた成分１５７）の強度の測定を、電子信号１５８から決定する。リターンレーザ放射のこの実験的に確証された強度の測定は、次の式に対応し、
【００７８】
【数２】
0005542344.tif 000003
ここで、ＳＳ（ν）は、検出器１５３からの電子信号１５８であり、ＰＬは、レーザパワーであり、ＴＬは、レーザ経路１４３Ａに沿って空気１４４を通る伝送係数であり、Ｌ（νｌａｓｅｒ）は、レーザ周波数νｌａｓｅｒの関数として、レーザ１４１出力に固有のレーザライン形状であり、ＴＲは、レーザ経路１４８に沿って空気１４４を通る伝送係数であり、ＥＳは、検出器１５３を通る検出器チャンネルの光学的効率であり、Ｆ（ν）は、νの周波数において集中する蒸気フィルタ１５２のバンドストップ周波数範囲であり、Ｒは、後方散乱レーザ放射−レーザ周波数νｌａｓｅｒの量−ドップラーシフトΔνＤに対する周波数νｒの関数としてのレイリー散乱であり、ｒは、空気密度およびレイリー後方散乱係数に依存するレイリー散乱マグニチュード係数であり、Ｍは、νｒ−νｌａｓｅｒ−ΔνＤの量の関数としてのミー散乱であり、ｍは、エアロゾル濃度およびミー後方散乱係数に依存するミー散乱マグニチュード係数であり、Ｄｓは、検出器１５３の効率である。レイリー後方散乱係数ｒおよびミー後方散乱係数ｍは、特定の大気に対して一定である。これらの係数は、大気の単位体積当たりの散乱体（すなわちレイリーに対する分子、ミーに対するエアロゾル）の数に対応する。
【００７９】
次に、コンピュータ１５６は、リターンレーザエネルギーの測定された強度に対して取得された結果を利用して、他の空気パラメータを決定し得る。かかる処理は、例えば、蒸気フィルタ１５２を通して基準レーザ放射１６０を伝送することによって、蒸気フィルタ１５２の特性を決定することによって始め得る。例えば、実験の間にレーザ１４１で（例えば、成分１４３Ｂを介して電子信号１６７へ向かう）蒸気フィルタ１５２のバンドストップ特性を測定することは、次の式に従って、レーザ波長およびフィルタのコンボリューションを生じ、
【００８０】
【数３】
0005542344.tif 000004
ここで、ＳＦ（ν）は、周波数ν（例えば、図４の曲線２２１で図示されるような）の関数としての、検出器１６５からの信号１６７であり、ＥＦは、経路１６０および１６４に沿ったフィルタ１５２の収集の光学的効率であり、ＤＦは検出器１６５の効率である。
【００８１】
すべての光学的効率ＥＦおよびＥＳは、性質が光学的である信号損失を捕捉することに留意されたい。例えば、検出器１６５に対する光学的効率であるＥＦは、ビームスプリッタ１４３および１４５に対する光学的ビームスプリッティング比率と、フィルタ１５２を横断する光伝送および光結合と、検出器１６５への光学的送達効率とを含む。検出器１５３に対する光学的収集効率であるＥＳは、望遠鏡１４９の収集効率と、経路１５０の中への光結合効率と、ビームスプリッタ１５１のビームスプリッタ比率と、フィルタ１５２を横断する伝送効率と、検出器１５３への送達効率とを含む。検出器効率ＤＦおよびＤＳは、検出器１６５および１５３に対する検出器変換効率をそれぞれ含む。従って、ＤＦは変換効率であり、これによって検出器１６５は、経路１６４に沿ったレーザ放射を電気的信号１６７に変換する。同様に、ＤＳは変換効率であり、これによって検出器１５３は、経路１５７に沿ったレーザ放射を電気的信号１５８に変換する。
【００８２】
後方散乱レーザ放射１４８は、レーザ１４１によってレーザ放射１４２を生成しながら引き起こされるパワー変動を含み得る。従って、検出器１６２によって検出される（例えば成分１５９を介して）レーザ放射は、レーザ１４１に起因するパワー変動を正規化するために利用され得る。一実施形態において、検出器１６２は、成分１５９を電子信号１６３に変換する。引き続いて、コンピュータ１５６が、次の式に従って処理、正規化し、
【００８３】
【数４】
0005542344.tif 000005
ここで、ＳＬ（ν）は検出器１６２からの電子信号１６３であり、ＥＬは検出器１６２に対する光学的収集効率であり、ＤＬは検出器１６２の変換効率であり、ＰＬはレーザ１４１の電力である。光学的収集効率ＥＬは、ビームスプリッタ１４３および１４５のビームスプリッティング比率と、レーザビーム経路１５９の検出器１６２への送達効率とを含むことに留意されたい。
【００８４】
図４のグラフ２２０の曲線２２１は、蒸気フィルタ１５２によってフィルタがかけられ、かつ０と１との間で正規化されたレーザ放射（成分１６４）のマグニチュードを表す。曲線２２１は、周波数の関数としてのレーザ放射のマグニチュードを表す（すなわち、軸２２２に対してプロットされたレーザ放射マグニチュード、および軸２２３に対してプロットされた周波数）。従って、曲線２２１は、電子信号１６７のコンピュータ処理によって決定されたとおりの、成分１６０を介するフィルタがかけられたレーザ放射を図示し、周波数に対して０と１との間で正規化されたレーザ放射マグニチュードとしてプロットされる。
【００８５】
一実施形態において、蒸気フィルタ１５２の吸収／伝送特性は、式３および式４を使用して正規化される。式３は、フィルタ１５２のストップバンド特性を生じ、式４は、レーザ放射１４２の生成におけるパワー変動を明らかにする。式４のパワー変動が実質的に除去されることにより、「正規化チャンネル」が作成され、大気の変化に起因するパワー変動が明らかにされ得る。
【００８６】
一実施形態において、空気１４４における大気の変化によって引き起こされたさらなるパワー変動も除去される。例えば、検出器１５４（例えば成分１５０Ａを介して）によって検出されたレーザ放射は、空気１４４における大気の変化によって引き起こされたレーザパワー変動を除去することを助ける。従って、検出器１５４は、受信されたレーザ放射を電子信号１５５に変換する。コンピュータ１５６は、引き続いて、電子信号１５５を処理して、次の式に従って、正規化されたレーザ放射マグニチュードを決定し、
【００８７】
【数５】
0005542344.tif 000006
ここで、ＳＮは検出器１５４からの信号１５５であり、ＥＮは検出器１５４の光学的収集効率であり、ＤＮは検出器１５４の変換効率である。
【００８８】
一実施形態において、様々な特性の機能を正規化して、温度および圧力を決定する処理に対する閉ループソリューションを可能にすることが有利である。従って、一例において、コンピュータ１５６は、次の式に従って、正規化されたレーザライン形状を計算し、
【００８９】
【数６】
0005542344.tif 000007
ここで（以前と同じように）、νｌａｓｅｒは、レーザライン形状周波数であり、Ｌは周波数の関数としてのレーザライン形状を示す。別の例において、コンピュータ１５６は、次の式に従って、正規化されたレイリー関数を計算し、
【００９０】
【数７】
0005542344.tif 000008
ここで、Ｒは周波数νｒの関数としてのレイリーライン形状を示し、レイリーレジーム（ｒｅｇｉｍｅ）に対して適用可能である。別の例において、コンピュータ１５６は、次の式に従って、最大値によってすべての記録された値を除すことによって、検出器１６５から記録された電子信号１６７をスケールし、
【００９１】
【数８】
0005542344.tif 000009
ここで、ＭＡＸは特定の関数の最大値を見つける演算を示し、ＳＦは、周波数ν（例えば図４の曲線２２１で図示されたような）の関数として、検出器１６５から測定された電子信号１６７を示す。別の例において、コンピュータ１５６は、次の式に従って、ミー関数を正規化し、
【００９２】
【数９】
0005542344.tif 000010
ここで、δ（ν）はデルタ関数である。
【００９３】
一実施形態において、検出器１６５から収集された信号１６７（上の式３によって表された）を、検出器１６２から収集された信号１６３（上の式４によって表された）で除すことは、レーザ１４１パワー変動を、次のように除去し、
【００９４】
【数１０】
0005542344.tif 000011
式１０は、
【００９５】
【数１１】
0005542344.tif 000012
に簡略化され、
ここで、ＬＦ（ν）は、関数ＬとＦとのコンボリューション（つまり、各周波数νで結合された関数ＬおよびＦの効果を表す関数）を表す。
【００９６】
一実施形態において、蒸気フィルタ１５２の影響から十分遠くまで移された基準周波数に、レーザ１４１を同調することは、信号チャンネル１６７（上の式３によって表されたＳＦ）と１６３（上の式４によって表されたＳＬ）との光学的効率と検出器効率との比率の測定を可能にする。これによって、レーザに対して同時にチェックするために、スキャンごとに１つの検出器およびフィルタの異常に対して信号１６７の測定値を正規化することが可能となる。
【００９７】
【数１２】
0005542344.tif 000013
一実施おいて、ＬＦ（ν）が決定されて、測定されたフィルタの機能を備えた理論上のレイリー関数（温度および圧力の観点から計算された）のコンボリューションのルックアップテーブルを生成する。測定されたフィルタの機能は既に、レーザおよびフィルタスペクトルのコンボリューションであるので、測定されたフィルタ信号１６７でレイリー関数をコンボリューションすることは、純粋なレイリー散乱体の大気から予期されたリターン信号を生じる。
【００９８】
一実施形態において、蒸気フィルタ１５２を通る大気１４４からの後方散乱リターンである測定された信号１５８（上の式２によって表された）は、信号１５５で除され、信号１５５は、蒸気フィルタ１５２を通らない大気１４４からの後方散乱である（上の式５によって表された）。この計算は、測定されるファクタから独立している信号伝送の変化を除去する。
【００９９】
【数１３】
0005542344.tif 000014
Ｍはデルタ関数であり、式１３は、
【０１００】
【数１４】
0005542344.tif 000015
と、簡略化され、
ここで、ＬＦＲ（ν）は、上に論議されたコンボリューションＬＦ（ν）の意味で、関数Ｌ、ＦおよびＲのコンボリューションを表す。
【０１０１】
一実施形態において、蒸気フィルタ１５２の影響から十分遠くまで移された基準周波数νｒｅｆに、レーザ１４１を同調することは、信号チャンネル１５８（上の式２によって表されたとおりのＳＳ）と１５５（上の式５によって表されたとおりのＳＮ）の光学的効率と検出器効率との比率の測定を可能にする。これは、スキャンごとにフィルタにおける異常に対するチェックを可能にする。
【０１０２】
【数１５】
0005542344.tif 000016
一実施形態において、変数Ｋｒｅｆは、
【０１０３】
【数１６】
0005542344.tif 000017
として定義され得る。
【０１０４】
一旦、両データセット（すなわちＳＳとＳＮ）が、同じデータポイントの周りで対称的であると、コンピュータ１５６は、リターン信号から温度および圧力を計算する。初めに、コンピュータ１５６は、測定されたフィルタ伝送と共に、温度および圧力の関数である理論上のレイリー関数を使用して、レーザ、レイリー、ならびに大気温度および大気圧に依存するフィルタ（ＬＦＲ（ν））コンボリューションを格納するルックアップテーブル１７０を生成する。コンピュータ１５６は次に、正規化されたリターン信号をルックアップテーブル１７０に格納された値と比較して、大気温度および大気圧を決定する。リターン信号をルックアップテーブル１７０と比較するために、コンピュータ１５６は、ミー散乱体のマグニチュードおよびレイリー信号のマグニチュードを変化し得る空気密度の任意の変化を明らかにする。
【０１０５】
蒸気フィルタは、バンドストップフィルタとして使用され得、かかるフィルタは通常、周波数の安定性、光学的深さ、および光学的フィルタ形状を提供する。レイリー散乱とミー散乱とを分離する目的で、ほぼ６０ｄＢの光学的深さが、ν０（すなわち、νｆが０ＧＨｚの正規化された周波数である場所）の周りの小さな周波数の分散内でミー散乱の優れた吸収を提供する。例えば、原子蒸気フィルタは、ミー散乱によって悪影響を受けていない周波数領域において６０ｄＢの吸収を提供する。この領域は、圧力と温度の初めの推定を取得する際に使用され得る（下の図５で説明される）。かかる吸収は、測定された信号ＳＦとして、下の図５で観察可能であり、測定された信号ＳＦは、ν０の周りに集中するゼロのマグニチュードを有する。このデータは、純粋なレイリー散乱に関する情報を提供し、純粋なレイリー散乱は、式１７に示されるように、ミー散乱のレイリー散乱に対する比率を計算するために使用され得る。
【０１０６】
【数１７】
0005542344.tif 000018
蒸気フィルタは、この領域においてミー散乱を完全に減衰するので、
【０１０７】
【数１８】
0005542344.tif 000019
となり、ここでＬＦＲ（ν０）は、特定の大気温度および大気圧での理論上のリターン信号の値である。従って、コンピュータ１５６は、次のように分散Ｋ０を最初に定義することによってミー散乱の比率を計算し、
【０１０８】
【数１９】
0005542344.tif 000020
次に比率
【０１０９】
【数２０】
0005542344.tif 000021
に対して解く。
関心の領域における正規化された信号のリターンを使用し、かつｒに対するｍの比の観点から結果を記入すると、次を生じる。
【０１１０】
【数２１】
0005542344.tif 000022
式２０のｍとｒとの比率を式２１に代入すると、
【０１１１】
【数２２】
0005542344.tif 000023
を生じる。
ＬＦＲ（ν）に対して解くと、
【０１１２】
【数２３】
0005542344.tif 000024
となり、
ここで、測定された信号リターンＬＦＲ（ν）は、測定された量および理論上のＬＦＲ（ν０）の値の観点から記入される。コンピュータ１５６は次に、ＬＦＲ（ν）を計算し、それをルックアップテーブル１７０と比較して、大気温度および大気圧を決定する。より詳細には図５に記述される。
【０１１３】
パワー変動を明らかにすると、本明細書に記述されたとおり、光学的効率および検出器効率は、ＯＡＤＳ１４０が動作している間に、蒸気フィルタ１５２に対する独立したチェックを可能にする。検出器チャンネルの可変的特性およびパワー変動が明らかにされると、コンピュータ１５６は、例えば、蒸気フィルタ１５２の実質的に一定の特性を決定し得、その結果、受信された後方散乱レーザ放射（例えばレーザ放射１４８）のより正確な測定値が取得される。
【０１１４】
一実施形態において、図４に示された正規化チャンネルは、レーザ放射１４８の大気によるパワー変動を除去するために使用される。そのようにする際に、コンピュータ１５６は、光学的効率および検出器効率の観点から、レーザ放射１４７のレイリー成分およびミー成分を測定する。かかる効率は通常、分析処理の間にショットごとに測定される。動作の例示的な実施形態において、レーザ１４１は、特定のパルス反復周波数（「ＰＲＦ」）での一連のパルスとしてレーザ放射１４２を生成、伝送し、一方、他の実施形態において、レーザ１４１は、連続波レーザ（図２と共に論議されたように）である。コンピュータ１５６は次にパルスごとに、光学的効率および検出器効率の観点からレイリー成分およびミー成分を測定する。
【０１１５】
レイリー成分およびミー成分を測定するために、一実施形態において、ＯＡＤＳ１４０は、レーザ１４１によって伝送されるレーザ放射１４２の周波数に同調する。例えば、レーザ１４１は、フィルタ１５２のピーク吸収周波数（図４のνｆによって図示される）から遠位の周波数でレーザ放射１４２を伝送し、周波数独立測定を提供する。コンピュータ１５６は次に、フィルタ１５２を通るレーザ放射１４２のライン形状を決定する。
【０１１６】
一実施形態において、検出された後方散乱レーザ放射（例えば電子信号１５８によって決定されるような）の測定された強度は、正規化された大気のファクタと関数的に比較される。測定された強度はしばしば、ミー散乱体（例えばエアロゾル）に依存し、空気密度は、高度変化および温度変化により変化する。しかしながら、空気密度変化および温度変化は、本明細書に記述される正規化処理によっては除去されない。コンピュータ１５６が、例えば空気１４４の温度および圧力のような空気パラメータを正確に決定するためには、空気密度変化が、検出された後方散乱レーザ放射から除去され、その結果、コンピュータ１５６は、空気パラメータを正確に決定し得る。
【０１１７】
図５は、曲線２４１（レイリー散乱とミー散乱の両方を引き起こすより高い空気密度において検出された後方散乱レーザ放射）、曲線２４２（レイリー散乱を引き起こす空気密度において検出された後方散乱レーザ放射）、および曲線２４３（正規化されたレイリー散乱）を有するグラフ２４０を示す。曲線２４１、２４２および２４３は、周波数（軸２５１に対してプロットされた）の関数として、レーザ放射マグニチュード（軸２５０に対してプロットされた）を図示する。一実施形態において、コンピュータ１５６は、曲線２４１、２４２および２４３からのデータを処理して、他の空気パラメータを決定する。例えば、ミー散乱の影響は、計算から実質的に分離、除去され、気温および気圧を決定する。なぜならば、これらのミー散乱の影響は、不均一なエアロゾル濃度により不正確な測定を生じるからである。
【０１１８】
一実施形態において、気温および気圧を決定するために、コンピュータ１５６は、曲線２４１、２４２および２４３からのデータを処理して、例えば曲線２４１に見られるようなミー散乱の影響を実質的に分離、除去する。曲線２４１、２４２および２４３からのデータを処理する際に、コンピュータ１５６は、特定の温度および圧力（例えば、曲線２４２および２４３によって図示されたような）に対する理論上のレイリー関数とコンボリューションされる、測定されたレーザ／フィルタプロファイル（すなわち、図２の検出器１６５において測定されたような）を使用して、実質的にリアルタイムで、ルックアップテーブル１７０を計算する。コンピュータ１５６は次に、式２０によって決定されたｍ対ｒの比率で、測定されたリターン信号ＬＦＲ（ν）（例えば、この例において曲線２４１によって図示された）をスケールする。コンピュータ１５６は次に、フィルタ減衰の最も深い部分（すなわち、νｆからほぼ＋／−０．５ＧＨｚ）に近いデータを分析し、圧力および／または温度を推定する。この部分は、ミー散乱によって悪影響を受けていない、６０ｄＢ領域の吸収に対応する。この領域の使用は、計算技術の好ましい局面であり、この計算技術は、温度推定および／または圧力推定をそれによって増加させるための信頼し得る温度ベースを提供することによって、温度および圧力の精度を提供する。
【０１１９】
コンピュータ１５６は、初めの温度推定値を仮定して、理論上のレイリーリターンを計算し、最小２乗誤差（ＬＳＥ）計算を実行して、理論上のレイリー関数に対する温度の精度を決定する。最適合（すなわち、設計仕様に対応するＬＳＥ計算）が達成されるまで、コンピュータ１５６は、温度および／または圧力の増分変化に対して処理を反復する。ＬＳＥに対して詳細に論議されたが、例えばＮｅｗｔｏｎ−ＲａｐｈｓｏｎおよびＭｏｎｔｅ  Ｃａｒｌｏのような他の近似方法が、代替の実施形態において使用され得る。従って、この開示は、例として教示し、限定するものとして教示しない。
【０１２０】
温度は、圧力とは逆の態様で空気密度に影響を与える。圧力を高めると空気密度が高まり、一方、温度を高めると密度が下がる。さらに、温度を高めると、レイリーライン形状幅が広くなり、一方、圧力を高めると、レイリーライン形状高さが高くなる。従って、温度および／または圧力の各増分値に対して、レイリーライン形状には唯一の結果が出る。かかる散乱理論は、「Ｏｎ  Ｔｈｅ  Ｋｉｎｅｔｉｃ  Ｍｏｄｅｌ  Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ  Ｏｆ  Ｒａｙｌｅｉｇｈ−Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｆｒｏｍ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｇａｓｅｓ」、Ｇ．Ｃ．Ｔｅｎｔｉ、Ｄ．ＢｏｌｅｙおよびＲ．Ｃ．Ｄｅｓａｉ、Ｃａｎａｄｉａｎ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、５２巻、２８５〜２９０ページ（１９７４）において論議されている。
【０１２１】
一例において、コンピュータ１５６は、周波数νｆで示される、曲線２４１、２４２および２４３のピーク吸収周波数を整列させることによって空気密度変化を決定する。曲線２４３は、実質的にミー散乱を含まない検出された後方散乱レーザ放射を表すので、曲線２４３は、ミー散乱が除去された基準として使用され得る。従って、一例において、曲線２４１、２４２および２４３を整列させることによって、かつ空気密度を決定するために利用され得る、検出された後方散乱レーザ放射対理論上純粋なレイリー散乱の比率（曲線２４１と曲線２４２との比率）を計算することによってミー散乱の影響を除去するために、コンピュータ１５６は、曲線２４３を使用する。ミー散乱の影響は次に、曲線２４１と曲線２４２との計算された比率から曲線２４３を差し引くことによって除去される。ミー散乱が測定値から本質的に除去されると、コンピュータ１５６は、気温および気圧力をより正確に決定する。
【０１２２】
図６および図７は、気圧および気温を決定する際に使用され得る他の例示的なグラフを示す。図６は、図２の検出器１６２および１６５によってそれぞれ生成された図２の電子信号１６３および１６７のグラフ２６０を図示する。グラフ２６０は電子信号１６３および１６７を示し、電子信号１６３および１６７は、周波数（軸２６２）に対する正規化された信号強度の関数としての光強度（軸２６１）を表す。図７は、検出器１５３および１５４によってそれぞれ生成された電子信号１５８および１５５（図２を参照）のグラフ２８０を図示し、電子信号１５８および１５５は、周波数（軸２８２）に対する正規化された信号強度の関数としての光強度（軸２８１）を表す。これらの４つの光強度（電子信号１６３、１６７、１５８および１５５によって表される）は、レーザパルスに対応する光の伝送および収集によって、時間に対して測定され得るか、またはそれらは、その周波数が連続的に変化する連続波レーザに対応する光の伝送および収集によって測定され得る。一例において、特定のＰＲＦでレーザ１４１によって生成される図２のレーザ放射１４２の伝送周波数は、各レーザパルスが異なる周波数で発せられるようにスイープされ得る。従って、電子信号１６３および１６７は、レーザ１４１のレーザ放射１４２が、蒸気フィルタ１５２の吸収バンド２６３を横断していかに周波数においてスイープし得るかを図示する。実例として、図６は、レーザ１４１によって生成され、検出器１６２および１６５によって検出されたレーザ放射１４２の１つの完全な周波数スイープを示す。同様に、図７の電子信号１５５および１５８は、レーザ１４１のレーザ放射１４２が、蒸気フィルタ１５２の吸収バンド２８３を横断して周波数において完全なスイープを実行するときの、検出器１５３および１５４の検出された信号を示す。
【０１２３】
信号１６３および１６７から、コンピュータ１５６は、例えば、電子信号１６７の離散点を信号１６３の対応する離散点で除すことによって、正規化されたフィルタ伝送を決定し得る。同様に、コンピュータ１５６は、信号１５８の離散点を信号１５５の対応する離散点で除すことによって、蒸気フィルタ１５２を通る正規化された大気リターンを決定し得る。本明細書に記述されたこれらの離散点は、レーザ放射１４２の個々のパルスと対応する。
【０１２４】
フィルタ伝送の正規化された計算（例えばグラフ２６０から）および大気リターンの正規化された計算（例えばグラフ２８０から）を使用することによって、コンピュータ１５６は、蒸気フィルタ１５２における相対的な光学的効率を決定する。
【０１２５】
一実施形態において、コンピュータ１５６は、図６のグラフ２６０からのデータの周波数独立成分を使用して、蒸気フィルタ１５２に対する光伝送を決定する（点２６４、２６５、２６６および２６７において図示された０ＧＨｚから±１８ＧＨｚよりもマグニチュードが大きい周波数では、信号１６３および１６７に対する振幅の実質的変化はない）。従って、コンピュータ１５６は、０ＧＨｚから±１８ＧＨｚよりもマグニチュードが大きい周波数を表す点に対して、信号の周波数対応点を介して、信号１６７対信号１６３の比率を計算することによって、蒸気フィルタ１５２に対する光伝送の比率を決定する。
【０１２６】
同様に、コンピュータ１５６は、図７のグラフ２８０からのデータの周波数独立部分を使用して、蒸気フィルタ１５２を通して受信された大気リターンレーザ放射の強度のマグニチュードを決定する（点２８４、２８５、２８６および２８７において図示された０ＧＨｚから±１８ＧＨｚよりもマグニチュードが大きい周波数では、信号１５５および１５８に対する振幅の実質的変化はない）。それによって、コンピュータ１５６は、０ＧＨｚから±１８ＧＨｚよりもマグニチュードが大きい周波数を表す点に対して、信号の周波数対応点を介して、信号１５８対信号１５５の比率を計算することによって、レーザパワー測定により大気リターンの比率を決定する。
【０１２７】
一実施形態において、コンピュータ１５６は、±０．５ＧＨｚ（点２８８および２８９で図示されている）間の周波数に対して、信号１５８対信号１５５の比率を計算する。かかる周波数範囲は、空気１４４に対するレーザ放射１４２のミー散乱を実質的には含まない。従って、この周波数範囲は、実質的に純粋なレイリー散乱に対応する。従って、コンピュータ１５６は、信号１５８対信号１５５の比率に基づいて、レイリー散乱強度をミー散乱強度と比較する。コンピュータ１５６は、±０．５ＧＨｚ間の周波数における信号１５８対信号１５５の比率を、±０ＧＨｚから±１８ＧＨｚよりも大きい周波数における信号１５８対信号１５５の比率と比較することによって、レイリー散乱強度対ミー散乱強度を決定する。一実施形態において、コンピュータ１５６は、点２６８および２６９を使用して、図６に図示されたデータに基づいて、「非散乱」レーザ放射１４２（例えば図２の成分１４３Ｂ）に対する同様な計算を実行する。かかる処理は、図８でさらに記述される。
【０１２８】
非散乱レーザ放射１４２および散乱レーザ放射１４８に対して決定された比率は、データからレーザ−レイリー−フィルタコンボリューション（例えばＬＲＦ（ν））を数値計算するために連携して使用され得る。レーザ−レイリー−フィルタコンボリューションは引き続き、理論上のレーザ−レイリー−フィルタコンボリューション値のルックアップテーブルと比較され、温度および圧力を決定する。
【０１２９】
図８は、ＯＡＤＳの１つの例示的な体系的動作４００の流れ図を示す。方法４００は、ＯＡＤＳ１４０のコンピュータ１５６によって部分的にまたは完全に実行され得る。コンピュータ１５６は、ソフトウエアおよび／またはファームウエアからの動作命令を受信し得る。レーザ（例えば図２のレーザ１４１）は、ステップ４０１において、所定の周波数スペクトルにわたってレーザ放射をスイープする。レーザは、特定のＰＲＦでレーザ放射を伝送することによって、約＋／−２０ＧＨｚの周波数範囲にわたってレーザ放射をスイープし得る（または、レーザは、上で図２と共に論議されたように、連続的に周波数をスイープする）。一実施形態において、ＰＲＦは約１ｋＨｚであり、パルス幅は約５０ｎｓと１００ｎｓとの間であり、スイープされる周波数範囲は、フィルタ（例えば図２の蒸気フィルタ１５２）のピーク吸収周波数（約２６０ｎｍ）と対応する周波数の周りに集中する。
【０１３０】
レーザ放射は通常、４つの明瞭な経路にスプリットされ、その結果レーザ放射は、ステップ４０２において、４つの異なる入力として検出され得る。これらの４つのレーザ放射の経路は、１）レーザによって伝送されたレーザ放射（例えば図２の成分１５９）；２）フィルタを通してレーザによって伝送されたレーザ放射（例えば図２の成分１６４）；３）レーザによって空気の中に伝送され、かつ後方散乱させられたレーザ放射（例えば図２の成分１５０Ａ）；および４）レーザによって空気の中に伝送され、かつフィルタを通して後方散乱させられたレーザ放射（例えば図２の成分１５７）と対応する。簡潔さのために、これらの成分は今後、１）フィルタがかけられていないレーザ放射；２）フィルタがかけられたレーザ放射；３）フィルタがかけられていない後方散乱させられたレーザ放射、またはフィルタがかけられていない散乱させられたレーザ放射；および４）フィルタがかけられた後方散乱させられたレーザ放射、またはフィルタがかけられた散乱させられたレーザ放射と称される。
【０１３１】
レーザ放射の４つの成分を検出した後、コンピュータ（例えば図２のコンピュータ１５６）は、ステップ４０３において、蒸気フィルタの正規化されたフィルタ伝送を決定する。例えば、一実施形態において、コンピュータは、フィルタがかけられたレーザ放射のマグニチュードを、フィルタがかけられていないレーザ放射のマグニチュードで除すことによって、フィルタがかけられていないレーザ放射およびフィルタがかけられたレーザ放射を処理する。一実施形態において、分割が、パルスごとに実行され、この場合、パルスの分割されたマグニチュードは対応する周波数を有する。
【０１３２】
一実施形態において、コンピュータはまた、ステップ４０４において、レーザ放射の正規化された大気リターンを決定する。例えば、コンピュータは、フィルタがかけられた後方散乱レーザ放射のマグニチュードをフィルタがかけられていない後方散乱レーザ放射のマグニチュードで除すことによって、フィルタがかけられた後方散乱レーザ放射およびフィルタがかけられていない後方散乱レーザ放射を処理し得る。ここでもやはり、一実施形態において、分割は、パルスごとに実行され、この場合、パルスの分割されたマグニチュードは、対応する周波数を有する。
【０１３３】
一旦、レーザ放射の正規化されたフィルタ伝送および正規化された大気リターンが決定されると、コンピュータは、フィルタ伝送および大気リターンの各々に対する信号強度を決定する。例えば、コンピュータは、ステップ４０５および４０７において、特定の周波数範囲で、フィルタがかけられたレーザ放射対フィルタがかけられていないレーザ放射の比率を計算することによって、フィルタを通した光伝送を決定する。コンピュータは同様に、ステップ４０６および４０８において、特定の周波数範囲で、フィルタがかけられた後方散乱レーザ放射対フィルタがかけられていないレーザ放射の比率を計算することによって、フィルタを通る大気リターン（散乱）信号強度を決定する。
【０１３４】
コンピュータはまた、ステップ４０７において、ピーク吸収周波数の周りで約＋／−１８ＧＨｚよりもマグニチュードが大きい周波数において、ここでもやはりパルスごとに、フィルタがかけられたレーザ放射をフィルタがかけられていないレーザ放射で除すことによって、正規化されたフィルタ伝送に対する信号強度の比率を決定する。コンピュータはさらに、ステップ４０５において、約＋／−０．５ＧＨｚ間の周波数において、パルスごとに、フィルタがかけられたレーザ放射をフィルタがかけられていないレーザ放射で除すことによって正規化されたフィルタ伝送に対する信号強度の比率を決定する。これらの信号強度の決定は、ミー散乱（例えば＋／−１８ＧＨｚ）およびレイリー散乱（例えば＋／−０．５ＧＨｚ）が最も優勢であり、従って、正規化された大気リターンに対する同様な信号強度の決定と組み合わされるとき有用である周波数範囲と対応する。コンピュータは、ステップ４０８において、ピーク吸収周波数の周りで約＋／−１８ＧＨｚよりもマグニチュードが大きい周波数において、ここでもやはりパルスごとに、フィルタがかけられた後方散乱レーザ放射をフィルタがかけられていない後方散乱レーザ放射で除すことによって、レーザ放射の正規化された大気リターンに対するミー散乱信号強度の比率を決定する。コンピュータはまた、ステップ４０６において、約＋／−０．５ＧＨｚ間の周波数において、パルスごとに、フィルタがかけられた散乱レーザ放射をフィルタがかけられていない後方散乱レーザ放射で除すことによって、レーザ放射の正規化された大気リターンに対するレイリー散乱信号強度の比率を決定する。
【０１３５】
フィルタに対する信号の光伝送およびレイリー散乱とミー散乱の両方に対する信号強度が決定されると、コンピュータは、ステップ４０９において、レイリーレーザフィルタコンボリューションを決定する。例えば、一実施形態において、コンピュータは、レイリーおよびミー散乱信号強度が、＋／−０．５ＧＨｚおよび＋／−１８ＧＨｚのレイリーおよびミー散乱に対する周波数範囲とそれぞれ対応する状態で、光伝送のコンボリューションを実行する。コンピュータは次に、ステップ４１０において、例えば、理論上のレイリーレーザフィルタコンボリューション値を有する図２のルックアップテーブル１７０のようなルックアップテーブルにアクセスして、空気の温度および圧力を決定する。
【０１３６】
測定されたフィルタの機能のコンボリューションを理論上のレイリー−ブリュアンリターン（レイリーライン形状）によって計算して、該コンボリューションをフィルタがかけられた散乱レーザ放射と直接比較することも可能である。これは、レイリー−ブリュアン信号の解析を計算することなく、大気のパラメータの計算を可能にし、大気のパラメータを決定するために必要とされるリアルタイムの計算の複雑さを低減する。特に、測定された信号の比率は、測定されたフィルタの機能でコンボリューションされたレイリーライン形状の理論上の比率と直接的に比較され得、自己較正測定を可能にし得る。例えば、データ収集チャンネルを横断する信号強度の差異および散乱させられたレーザ放射の電力は、かかる比率が使用されるとき、固有的に正規化され得る。ミー散乱は、測定されたデータから削除されるので、光ノッチフィルタのフィルタがかけられたバンド内にあるレーザ周波数において測定されたデータの特定の比率（例えば、上に論議されたように、原子蒸気細胞の吸収特徴、または他のフィルタの等価な特徴）は、温度および圧力を決定することに対して有用である。測定されたデータのデコンボリューションを計算してレイリー−ブリュアン表現とし、かつレイリー−ブリュアン表現から、測定されたデータの解析を計算することと比較して、コンボリューションの計算は、コンピュータ（例えば、ＯＡＤＳ１４０のコンピュータ１５６）に対するより低い計算上の負荷を表す。
【０１３７】
例えば、信号チャンネルにおいてフィルタがかけられた散乱レーザ放射データは、式、
【０１３８】
【数２４】
0005542344.tif 000025
によって特徴付けられ得、
ここでパレメータは、既に定義されたとおりであり、下付き添付１は、測定周波数を示す。式２４は、上に定義されたとおりの、レーザのコンボリューションに対する表記ＬＦＲ（ν）、フィルタの機能およびレイリーリターン、ならびにレーザのコンボリューションに対する同様な表記ＬＦＭ（ν）、フィルタの機能、およびミー散乱リターンを使用することによって簡略化され得る。
【０１３９】
【数２５】
0005542344.tif 000026
周波数１が、フィルタ吸収バンドに位置する場合、ミー散乱項は、実際上削除され、
【０１４０】
【数２６】
0005542344.tif 000027
を生じる。
周波数１で取得された信号と、別のフィルタ吸収バンドにおいて別の周波数２で取得された信号との比率を形成すると、
【０１４１】
【数２７】
0005542344.tif 000028
を生じ、
ここで、周波数１は時間ａで測定され、周波数２は、時間ｂで測定される。時間ａおよびｂが互いに十分接近して、時間ａと時間ｂとの間に大気の変化が生じない場合（または、例えばＰ、Ｌ、Ｔ、Ｅ、Ｄおよびｒのようなパラメータの平均値が、測定のタイムスパンにわたって同一であるような態様で、測定値が散在する場合）、式２７の比率はさらに、
【０１４２】
【数２８】
0005542344.tif 000029
に簡略化される。
【０１４３】
一実施形態において、ルックアップテーブルは、温度と圧力との対を格納し、温度と圧力との対は、式２８において定義された測定比率のうちの２つと対応する。２つの比率は、２つの未知数を有する２つの式を本質的に定義する（すなわち、単一のかかる比率は、圧力と温度の両方ともを決定するわけではない）。データは、３つより多い、フィルタがかけられたバンドにおいても取られ得、式２８の比率のうちの２つより多くを生じる。２つより多くのかかる比率が利用可能である場合、平均され得るかまたは「最適合」方法で使用されて、ノイズ入り測定環境において温度および圧力決定を向上させる、温度および圧力の複数の値が決定され得る。
【０１４４】
一実施形態において、温度および圧力の組み合わせに対応する理論上のレイリーライン形状は、ルックアップテーブルに格納される。推定される温度および圧力に対応するレイリーライン形状をルックアップテーブルから取得し、かつ正規化された大気リターン曲線でレイリーライン形状をコンボリューションすることによって、基準曲線が計算される。吸収特徴最大値におけるＬＦＲ（ν）の値が次に、基準曲線から決定され得、式２８を使用して１つ以上の空気パラメータ（例えば温度および／または圧力）を決定するために使用され得る。
【０１４５】
測定されたフィルタの機能のコンボリューションを理論上のレイリーライン形状で計算することはまた、曲線適合ルーチンの利用が、コンボリューションされた曲線を真の温度および圧力状態にマッピングすることを可能にし、その結果上のＴｅｎｔｉ、ＢｏｌｅｙおよびＤｅｓａｉ論文によって示唆された解析計算は必要とされない。ＯＡＤＳは、格納された曲線形状が予め編集されたテーブルを格納し得、該格納された曲線形状は、既知の温度および圧力値の大きなデータベースを模することによって生成される（例えば、テーブルはＯＡＤＳ１４０のコンピュータ１５６に格納され得る）。測定値が取られるとき、データ曲線が測定されたデータから生成され得、かつ曲線適合ルーチンが使用され得、それによってデータ曲線を格納された曲線形状と比較して、真の温度および圧力を導き出す。解析計算と比較して、曲線適合ルーチンの利用はまた、ノイズ入りデータに対してより少ない感度を有し、真の温度および圧力の決定をよりロバストにする。
【０１４６】
図９は、ＯＡＤＳの動作４５０の一例示的な方法を示す流れ図であり、１つ以上の空気パラメータを計算するために使用され得る。方法４５０は、ＯＡＤＳ１４０のコンピュータ１５６によって部分的にまたは完全に実行され得る。コンピュータ１５６は、ソフトウエアおよび／またはファームウエアから動作命令を受信し得る。
【０１４７】
ステップ４６０の実施形態において、レーザ（例えば、図２のレーザ１４１）は、所定の周波数領域（スイープされる周波数範囲）にわたってレーザ放射をスイープし、該所定の周波数領域は、フィルタの深い吸収ラインの周りに集中する。レーザは、特定のＰＲＦでレーザ放射を伝送するか、または連続波レーザの周波数をスイープすることによって、約＋／−２０ＧＨｚのスイープされる周波数範囲にわたってレーザ放射をスイープし得る。一実施形態において、ＰＲＦは約１ｋＨｚであり、パルス幅は約５０ｎｓと１００ｎｓとの間であり、スイープされる周波数範囲は、フィルタ（例えば図２の蒸気フィルタ１５２、または干渉フィルタ、ファイバブラッググレーティングフィルタ、ダイクロイックフィルタ、ボリュームホログラフィックグレーティングフィルタ、またはルゲートフィルタ）のピーク吸収周波数（例えば２６０ｎｍ）と対応する周波数の周りに集中する。一実施形態において、スイープされる周波数範囲は、少なくとも１つのバンドストップフィルタの少なくとも２つの吸収特徴と対応する周波数を含む。別の実施形態において、スイープされる周波数範囲は、少なくとも１つのバンドストップフィルタの少なくとも３つの吸収特徴と対応する周波数を含む。
【０１４８】
ステップ４６２は、フィルタがかけられた散乱レーザ放射（例えば図２の成分１５７）、フィルタがかけられたレーザ放射（例えば図２の成分１６４）、およびフィルタがかけられていないレーザ放射（例えば図２の成分１５９）と各周波数で対応するレーザ放射を検出する。各ステップ４６０および４６２は、例えば、スイープされる周波数範囲における各レーザパルスに対して実行される。
【０１４９】
ステップ４６４は、スイープされる周波数範囲における各パルスに対して、フィルタがかけられたレーザ放射のマグニチュードをフィルタがかけられていないレーザ放射のマグニチュードで除すことによって、正規化されたフィルタ伝送曲線を決定する。ステップ４６６は、スイープされる周波数範囲における各パルスに対して、フィルタがかけられた散乱レーザ放射のマグニチュードをフィルタがかけられていないレーザ放射のマグニチュードで除すことによって、正規化された大気リターン曲線を決定する。ステップ４６４および４６６における計算のために必要とされるデータは、ステップ４６０および４６２の動作によって収集されるので、ステップ４６４および４６６は、任意の順序でまたは平行してなされ得ることは理解される。
【０１５０】
ステップ４６８は、正規化されたフィルタ伝送曲線（ステップ４６４で計算された）と正規化された大気リターンフィルタ伝送曲線（ステップ４６６で計算された）との間での周波数シフトであるドップラーシフトΔνＤを計算し、次に、上の式１を使用して、局地的な半径方向の風速ＶＲを計算する。上述のように、バンドストップフィルタは、複数の吸収特徴を有し得る。従って、複数のドップラーシフトΔνＤ計算および半径方向の風速νＲ計算は、ステップ４６８で計算され得る。
【０１５１】
ステップ４７０は、３つ以上の特定のフィルタ吸収バンド内で正規化された大気リターン曲線マグニチュード値（ステップ４６６で計算された）のみを利用し、２つ以上の正規化された大気リターン比率（実際の比率）を形成する。例えば、大気リターンデータが周波数１、２、および３（上の式２８を参照して論議されたように、共に十分に密接している）に対して導き出される場合、２つの比率が、例えば、
【０１５２】
【数２９】
0005542344.tif 000030
のように、周波数のうちの１つをベースライン（分母）として使用して形成され得る。１つ以上のバンドストップフィルタの吸収特徴最大値に対応する大気リターン曲線マグニチュード値が使用され得る。例えば、ただ１つの空気パラメータ（例えば圧力または温度）が計算される場合、１つの大気リターン比率（実際の比率）が決定され得る。
【０１５３】
ステップ４７２は、ステップ４７０で利用された周波数で、理論上導き出されたレイリーライン形状とコンボリューションされた正規化されたフィルタ伝送のルックアップテーブルから理論上の温度および圧力データを取得する。１つ以上の空気パラメータ（例えば温度および／または圧力）が次に推定される。推定された１つ以上の空気パラメータと対応するレイリーライン形状は、例えば、ルックアップテーブルから取得される。基準曲線が次に、ステップ４６４からの正規化されたフィルタ伝送曲線で、レイリーライン形状をコンボリューションすることによって計算される。
【０１５４】
ステップ４７４では、ステップ４７０において形成された比率と対応する比率が、ステップ４７２で計算された基準曲線のマグニチュード値から形成される。ステップ４７４で形成された比率は、基準比率と称され得る。
【０１５５】
ステップ４７６では、１つ以上の空気パラメータ（例えば温度および圧力）が決定される。１つ以上の実際の比率とこれに対応する１つ以上の基準比率との間の差と対応する誤差が計算され得る。誤差が受容可能な範囲内である場合、推定された１つ以上の空気パラメータ（レイリーライン形状と対応する）が、実際の１つ以上の空気パラメータとして公開される。しかし、誤差が許容可能な範囲内にはない場合、ステップ４７２、４７４、および４７６は、誤差が許容可能な範囲内に入るまで、１つ以上の異なる推定された空気パラメータを用いて反復される。
【０１５６】
ステップ４７６の誤差は、最小２乗平均誤差アルゴリズムを使用して計算され得る。ステップ４７０、４７４、および４７６は任意であり得る。ステップ４６６において計算された正規化された大気リターン曲線は、例えば、ステップ４７２において計算された基準曲線と、曲線適合ルーチンを使用して相互に関連付けられる。
【０１５７】
上述の実施形態の特定の利点は以下を含み得る。
【０１５８】
（１）実質的に、高度および／またはミー散乱に関わりなく、例えば対気速度、気温および気圧のような様々な空気パラメータの正確な計算を取得すること。
【０１５９】
（２）振動を伴う様々な環境において、正確に作動するシステムを取得すること。
【０１６０】
（３）大気に関する予備知識なく、大気の特定の領域内における温度および圧力を決定する能力を取得すること。
【０１６１】
（４）既存のシステムと比較して、航空機搭載のシステム較正およびシステムヘルスチェックに対する必要性が低減すること。
【０１６２】
（５）強い振動環境に対するロバストネスを提供すること。
【０１６３】
（６）既存のシステムと比較して、計算がより迅速となることおよび／または航空機のコンピュータに対する計算上の要件が減少すること。
【０１６４】
（７）変化する温度および／または圧力を有する環境において速度を正確に計算する能力、ならびに／または
（８）レーザ周波数を正確に制御することなく、１つ以上の空気パラメータ（例えば速度、温度、および／または圧力）を正確に計算する能力。
【０１６５】
光学的空気データシステムから選択された距離（または範囲）で、例えば速度および温度のような空気パラメータを測定することが望ましいことがあり得る。航空機において、航空機近くの対気速度と航空機前方のより遠い区域の対気速度との間の相違は、ウインドシアーまたはマイクロバースト活動に関する警告を提供し得る。地上を基地とする適用においては、風速、風向、および気温は、高度と共に変化し得、空気データシステム上方の高度は、システム上方の範囲と対応することが知られている。
【０１６６】
図１〜図９を参照して本明細書に論議されるタイプのＯＡＤＳは、パルスモードで操作され得る。このモードにおいて、レーザ１４１がレーザ放射のパルスを発するたびに、パルス後の幾つかの特定の時間遅延のうちの１つ以上で、検出器１５３によって測定がなされる。パルスからの各特定の時間遅延でなされた測定から導き出された空気データパラメータは、ＯＡＤＳシステムからの特定の距離または範囲での空気データパラメータと対応する。
【０１６７】
距離分解能を提供し、かつＯＡＤＳがより低いピークレーザ出力パワーで動作することを可能にすることによってより低価格のレーザを使用することを可能にするＯＡＤＳの代替実施形態は、図１０に図示された「ランダム変調連続波（Ｒａｎｄｏｍ  Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）」（ＲＭＣＷ）方法である。このシステムにおいて、擬似乱数シーケンス発生器５５０は、２進の擬似乱数コードシーケンスを継続的に、かつ反復して発生させる。擬似乱数コードは、デルタ関数自己相関を有する。ということは、それ自体に対するコードの数学的な相互相関は、ゼロ時間遅延でデルタ関数を生み出すことを意味する。擬似乱数コードは振幅変調器５５３に送られ、振幅変調器５５３は、同調可能なレーザ５５２を振幅変調する。同調可能なレーザ５５２は、図２のレーザ１４１と対応する。変調器５５３は、レーザ５５２と一体の小部分（ダイオードレーザもそのようになっている）であり得るか、または例えばリチウム：ニオブ酸塩変調器、音響光学変調器もしくは同様のデバイスのように、レーザ５５２の外部にある分離したコンポーネントであり得る。レーザ５５２からのレーザ放射は、ビームスプリッタ５５４の中に入る。ビームスプリッタ５５４からの放射の一部分は、フィルタ５５６を通り、検出器５５８に達する。ビームスプリッタ５５４からの放射の別の一部分は、空気の中に伝送され、エアロゾルおよび分子散乱体５６０によって散乱させられ、かつエアロゾルおよび分子散乱体５６０によってドップラーシフトにさらされ、ＯＡＤＳに戻され、フィルタ５５６を通り検出器５６２に向かう。
【０１６８】
一方、シーケンス発生器５５０からの擬似乱数コードは、デジタル信号プロセッサ５５４に通され、検出器５６２からの出力を解釈する際に使用される。検出器５６２からの出力は最初、アナログデジタル変換器５６３を使用して、デジタル表現に変換される。シーケンス発生器５５０によって発生させられた擬似乱数コードの各々に対して、アナログデジタル変換器５６３からの出力は、ユニークメモリ位置の中に付加される。これらの「ｎ」ユニークメモリ位置は、ヒストグラミングメモリ５５５と総称される。同様に、ヒストグラミングメモリ５５５は第１のユニークメモリ位置に戻り、最初のユニーク位置から始順次前進して、各ユニークメモリ位置に含まれる蓄積された値にアナログデジタル変換器５６３からの各新しい出力を加算し始める。この継続的な処理は、一回反復されるか、または所望される回数反復される。
【０１６９】
十分なライダー信号対ノイズ比（または同様なライダーシステム性能メトリック）が達成されるまで、一実施形態は、擬似乱数シーケンスによりヒストグラミングメモリ５５５の中に十分な繰り返しを反復して伝送し、これらを収集する。一旦ヒストグラミングメモリ５５５で十分なデータが収集されると、「ｎ」ユニークメモリ位置の中に蓄積された「ｎ」値は、デジタル信号プロセッサ５５４に渡される。デジタル信号プロセッサ５５４は、数学的な相互相関を２つの「ｎ」値シーケンスについて実行し、そのうちの１つは、擬似乱数コード発生器５５０から到着し、もう１つは、ヒストグラミングメモリ５５５から到着する。結果として生じる出力は、相互関連信号５７０と呼ばれ、距離分解能リターン信号を提供する。相互関連信号５７０は次に、ＯＡＤＳからのすべての特定の距離における空気パラメータを決定するために使用される。
【０１７０】
アメリカ合衆国の大部分における暑い夏の日には、空気６０４は、例えば滑走路６０２（図１１）のような地表近くで加熱される。午後までには、これはしばしば、「不安定な空気」状態を生じ、この場合暖かい空気６０４は、時として急速に上昇６０６し得る。空気は内側に引かれ、結果として生じる上昇する気柱の基部に向かい、回転し得る。条件次第では、結果として生じる乱気流は、「ダストデビル」から、例えば雷雨、ハリケーン、またはトルネードのような広範囲な現象を誘発するものに及ぶ。ダストデビルでさえも、それを通って離着陸することを試みる航空機にとっては危険を及ぼし得る。同様に、ダストデビルは突風を引き起こし得、突風は、突風が遭遇し得る風力システムに対して問題を起こし得る。
【０１７１】
上昇する暑い空気は共に水分を運び、高い高度にまで上がり、そこで水分が凝縮して雨になる。降雨は、時として気柱を急速に下方６０８に引き下げ得る。地面は気流を阻害するので、下に動く気柱６０８からの空気は、柱の中心から１つ以上の方向に外に向かう突風となり得、マイクロバーストとして知られる現象を生じ得る。航空機は通常、水平から３度と６度との間のグライドスロープ６１０に沿って着陸し、通常、着陸する間、滑走路と整列する進入経路に沿って所定の進入対気速度を維持する。調査官によると、ロッキードＬ−１０１１が、マイクロバーストが進入経路を横切る間にダラスで着陸を試みた。機がグライドスロープに沿って高度を下げていたとき、機は最初に向かい風に会い、次に下降気流に会い、最終的に追い風に会った。Ｌ−１０１１は、向かい風の中にある間は、対気速度を維持するために速度を落とし、機が下降気流を通って追い風の中に入ると、飛行を続けるためには不十分な対気速度を有し、滑走路手前で地面に墜落した。この事故は、同様の事故を避け得るために、飛行場の近くでマイクロバーストおよび他の低いレベルのウインドシアーを検出することに対する大きな関心につながった。
【０１７２】
例えば図１２に図示された風力システムは、根本的に風速で変わる量の電力を生み出す。特に、風速が最小、またはカットイン（ｃｕｔ−ｉｎ）風速よりも下に下がると、電力は生成されず、この最小値は、ハブと発電機との間のギア比、発電機設計、ブレード設計、およびブレード長さを含む特定の風力タービンパラメータの関数である。これらの風力タービンパラメータはまた、風力タービンに対する最適の発電風速範囲を部分的に決定する。
【０１７３】
風力システムは、強風または乱気流によっても損害を受け得、風力タービンは通常、これらの風力タービンパラメータ、ならびに他の風力タービン特有パラメータ、例えばタワー高さおよび強度、ブレード強度、およびハブベアリング設計によって決定される動作に対する最大許容風条件を有し、風速または乱気流がこの最大値を超過すると、風力タービンは一般的にファーリングしなくてはならず、ファーリングされると、電力を生成しない。風は季節および地形と共に変化し得るので、長期間（少なくとも数ヶ月から一年に及ぶ）にわたって短い間隔で風の状態を記録し、風力システムまたは風力発電基地の建設に対して適切な位置および最適の風力タービン仕様を決定することが望ましい。地表、ハブ高度、ならびにブレードの最小および最大高度を含む、各提案されたサイトでの複数の高度での風速および風向データを取得することが望ましい。このデータを取得することが、風力システムに対するサイト調査の一部分である。風力システムまたは風力発電基地に対する最適の風力タービン仕様を決定するために、および風力システムまたは風力発電基地から予測される電力出力を予想するために、蓄積されたデータが使用され得る。
【０１７４】
通常、風力システムは、１つ以上の風力タービン７０２の配列を有する。風力発電基地として知られる大きな風力システムは、互いに密集して、例えばカリフォルニア州、リバーモアの近くのアルタモントパスのような有利な風を有する有利なサイトに位置する何十ものまたは何百もの個々の風力タービンを含み得る。システムの各風力タービン７０２は、１つ、２つ、またはより多くのブレード７０４を有し、これらブレード７０４はハブ７０６に取り付けられ、ハブ７０６は、直接的にまたは間接的にトランスミッションを介してナセル７０８に通常位置する発電機を駆動する。
【０１７５】
ほとんどの風力タービンは、水平軸タイプであり、風力タービンおよびそのブレードが、風向の変化に関わりなく、風に対して正しい角度で維持されるようにするために配向サブシステムを必要とする。配向サブシステムは、テール７１０の形を取り得、テール７１０は、タワー７１２の風上にブレードを有するより小さい風力タービンに対して普通使用される。一部の他の風力タービン７１３においては、配向システムはナセル７１５の下にピボット（図示されず）を有し、ブレード７１７はタワー７１２の風下側に配置され、その結果ブレードに対する風抗力（ｗｉｎｄ  ｄｒａｇ）が、風力タービンを風に対して正しい角度に配向することに資する。配向サブシステムは通常、タワー７１２に対するナセル７０８、７１５の旋回可能な取り付け（図示されず）を含む。他の形式の能動的配向システムおよび受動的配向システムが公知である。
【０１７６】
多くの風力タービンはファーリングシステムを有し、該ファーリングシステムは、ブレードピッチを粗くするかもしくはフェザリングするか、またはブレードを風からそむけるかして、例えば突風または強風および嵐状態のような損害を与える可能性のある風からタービンを保護する。ファーリングシステムは、配向システムまたはブレードピッチシステム、他の公知の変形物と相互作用し得、それらはエアブレーキ、機械的ブレーキ、および引込み可能な取り付けを含む。
【０１７７】
多くの風力タービンは、ブレードピッチを制御するためのピッチシステムを有し、この場合、風に対するブレード７０４の迎角は、弱風におけるきめ細かなピッチから、より強い強風における粗いピッチを経て、損害を及ぼす可能性のある風の状態におけるフェザリングされたピッチへと変化し、ブレードピッチ制御は、ファーリングシステムとして役立ち得る。一部のより大きい風力タービンは、独立したブレードピッチ制御を有し、この場合、ブレードの迎角は独立して調節され得、一部のシステムにおいては、ブレードピッチは、回転中に周期的に独立的に調節され得る。
【０１７８】
電気的エネルギーは、エネルギー収集および処理装置７２０によってシステムのすべての風力タービン７０２の発電機から収集される。一旦収集されると、エネルギーは、電力グリッドに供給され、後の使用のために蓄積され、または局地的に使用され得る。
【０１７９】
風力タービンは、例えばグライダーまたは飛行機に少量の電力を提供するために使用されている数ワットの容量の小さなタービンから、例えば送電系統から外れた住人に対してしばしば使用される数百ワットまたは数千ワットの容量のタービンを経て、２メガワットを超えるピーク出力容量を有し、通常大きなパワーグリッドに電力を供給する大きなタービンにいたるまで、広く様々なタイプおよび大きさが入手可能である。ウインドシステムは、１つより多くのタイプの風力タービンを含み得、他のタイプの再生可能および／または再生不可能なエネルギー発生装置に補足されるか、またはこれと共に配置され得る。
【０１８０】
風力タービン７０２およびブレード７０４を含む関連するタワー７１２は、様々な、時として大きな風荷重を受ける。ブレード７０４はしばしば極めて長いので、それらの急速に回転する質量は、強いそしておそらく不均衡な風荷重と組み合わさって、ナセルおよびタワーにかなりの振動および応力を引き起こす。過度の風荷重が、タービンおよびタワーに、倒壊までも含む損害を引き起こしている。
【０１８１】
ウインドシアーは局地的な天候状態であり、この場合、風速および／または風向が、高度と共に変化し、これは、丘、樹木、他の風力タービン、および分水線からの乱気流から、ならびにマイクロバーストおよびダストデビルのような対流現象から生じる。飛行場の近くの航空機に危険を及ぼすことに加えて、ウインドシアーは、風力タービンにも危険を及ぼす。なぜならば、ブレードは、回転により大きく変化する風力にさらされ、この結果、振動および荷重応力を悪化させるからである。この問題に対する標準的な解決は、タワーの高さを高くし、これによって風力タービンが、より低い高度で利用可能である風よりもより均一な風にさらされるようにすることである。これは、タワーのコストおよび強度に対する要求を大きく増加させ、他の解決が望ましい。長期間にわたる振動は、タワーの金属疲労を含んで、タービンおよびタワーに損害を及ぼしている。高度に対する風速および風向が分かれば、ウインドシアーによって誘発される振動も、ブレードピッチを調節することによって低減され得る。なぜならば、ブレードは、１つの高度からもう１つの高度へとスイングし、その結果高いブレードに対する応力は、より低いブレードに対する応力によってより均一にバランスがとられるからである。
【０１８２】
雷雨、マイクロバースト、およびダストデビル条件、ならびに他の天候条件は、突風の吹く条件を引き起こし得、この突風の吹く条件は、風力タービンのブレード７０４に対する風荷重が、わずか数秒で劇的に変化するという結果を生じ得ることが知られている。従ってこれらの条件は、良好な発電条件から、タービンまたはタワーに対する過度の風荷重および損害を避けるために、ブレードピッチを変更し、迅速なファーリングさえも必要とする条件に変化し得る。
【０１８３】
多くの風力タービンは、電力出力および／またはブレード７０４の回転速度をモニタすることによって、風の条件が変化したことを検知し、これらの風力タービンは、変化が生じた後、初めて対応し得る。
【０１８４】
地面に取り付けられた空気データシステム７１４は、システムの１つ以上の風力タービンの近くに配列されて、さらなる早期のリアルタイム風情報を提供し得、不安定な空気の状態について知らせ、この情報によって、これらの状態が風力タービンに達する前に、ブレードピッチを最適化するか、またはファーリングする。同様に、空気データシステム７２２は、風力タービンのハブまたはナセルに位置し、迫り来る突風に関する警報を含む接近する風の情報を提供し得る。
【０１８５】
米国特許第７，３４２，３２３号、米国特許第７，２８１，８９１号、および米国特許第６，３２０，２７２号は風力タービンについて記述し、この風力タービンは、風力タービンのナセルまたはハブに取り付けられたレーザ風速測定システムを含み、風力タービンの前の対気速度を決定する。システムは、測定された迫り来る風速に従ってブレードピッチを変える。すべてのこれらのシステムは、コヒーレントな、パルス波または連続波ライダーを使用する。かかるシステムは、ミー散乱を使用することができるだけであり、レイリー散乱を利用することができず、澄んだ大気の空気におけるそれらの測定ロバストネスを下げ、大気の温度および圧力を測定するそれらの能力を前もって排除する。かかるシステムは速度を測定するが、風向が高度に対して一定であり、かつ風力タービンの軸と整列していると仮定する。これらのシステムのうちの一部は、高度に対する風速の差異を測定する。７，２８１，８９１のシステムは特に、軸から外れてハブに取り付けられたライダーを有し、このライダーは、タービンが回転するとき、タービンの前方の円錐状の領域をスキャンする。７，２８１，８９１のシステムは、円錐状のスキャンされた領域でのドップラーライダー技術による風速の検出を開示するが、温度の検出、ライダー動作および範囲決定の詳細も開示しない。
【０１８６】
従って、本発明者らは、サイト調査のための地上を基地とする風マッピングシステム、および／または、大気がエアロゾルで汚れていないときでも、関心のある様々な高度および範囲での風向および風速ならびに気温を風力システムにマッピング、記録することのできるシステム制御を提供する。本発明者らは、ある範囲の高度および風力タービンの風上の区域における範囲で、風向および風速をマッピングすることができるハブ取り付けシステムも提供する。
【０１８７】
地上を基地とする空気データシステム８００は、例えば図１〜図１０を参照して既に記述されたレイリー−ミートランシーバデバイスのような３つのレーザトランシーバ８０２、８０４、８０６を、共通の筐体８０８およびウインドウ８１０の中に組み立てることによって図１３に示されるように組み立てられ得る。３つのトランシーバはすべて、コンピュータ８１２にデータを提供し、コンピュータ８１２の制御の下で動作する。３つのトランシーバ８０２、８０４、８０６はすべて、共通のウインドウ８１０を通して狙いを定められるが、各々は、わずかに異なる軸８１４、８１６、８１８に沿って狙いを定められ、その結果３つの軸は共通の平面にはない。
【０１８８】
コンピュータ８１２は、トランシーバ８０２、８０４、８０６の各々を使用して、システム８００からの第１の距離でドップラーシフトを測定する。システムの公知の配向と共に、これらのドップラーシフトがコンピュータ８１２によって使用されて、その距離または高度での風速および風向を計算する。同様に、コンピュータ８１２は、トランシーバ８０２、８０４、８０６のうちの少なくとも１つを使用して、同じ高度で温度を検知する。一実施形態において、風速、風向、および気温が、ゼロから二千フィートまたはこれよりも高い幾つかの高度で、周期的な時間間隔で、検知、記録される。
【０１８９】
図１３の実施形態は、太陽熱発電システム８３０およびデジタルデータレコーダ８３２と組み合わせられ得、風力システムのために提案された位置のサイトモニタリングを実行し得、一実施形態において、デジタルデータレコーダ８３２は、４つの選択された高度で１５分間隔で、最小、平均、かつピーク突風風速を気温と共に記録し、少なくとも一ヶ月間記録されたデータに上書きすることなくそのようにするために充分な格納容量を有する。他の実施形態はさらなるデータを記録し得、予測される実施形態は、６つの高度から、１０分間隔での最小、平均、かつ最大風速および風向観察を記録する。サイト調査システムのさらなる他の実施形態は、図１５の実施形態を参照して以下に記述されるように、ある領域のスキャニングと、関心のある領域における複数の位置、複数の高度での風速および風向の記録とを含む。
【０１９０】
図１３の実施形態は飛行場にも配列され得て、ウインドシアーおよび他の風からの危険条件を検知し得る。同様に、図１３の実施形態は、天候モニタリングおよび予測を含む気象学的な適用に対する風速および温度プロファイルをモニタするためにも使用され得る。
【０１９１】
同様に、図１３の実施形態は飛行場に配置され得、かつ進入経路およびグライドスロープに沿って整列させられ得る。航空機は、それらに向かって飛行するので、これらのシステムは、例えばヒトの目に見えずかつ害のない１５００ナノメータのような長い波長を使用することが必要である。これらのデバイスは、グライドスロープに沿ったいくつかの距離で風速および風向を測定する。これらのデータは、対流不安定性、低いレベルのウインドシアー、ダストデビル、トルネード、危険なクロスウインド、マイクロバーストおよび同様の風に関係する危険な状態に関する警報を提供するために処理され得る。
【０１９２】
地上を基地とする空気データシステム９００の代替の実施形態において、図１４に図示されるように、トランスミッタアセンブリ９０２は、変調器９０３から３つ（またはこれよりも多く）のインコヒーレントなＲＭＣＷトランスミッタレーザ−望遠鏡トランスミッタアセンブリ９０４、９０６、９０８へ擬似乱数変調を提供するように適合される。３つ（またはこれよりも多く）のトランスミッタレーザ−望遠鏡アセンブリ９０４、９０６、９０８の各々は、異なる軸９１０、９１２、９１４上に整列させられ、これらの軸は、３つの軸が互いに同一平面上にはなく、かつ筐体９１８のウインドウ９１６を通して向けられるように配向される。トランスミッタレーザ−望遠鏡アセンブリの各々は、それと関連付けられた軸に沿って、変調されたレーザ放射を空気の中に伝送し、この場合、ミー散乱およびレイリー散乱が起きる。特定の実施形態において、トランスミッタレーザ−望遠鏡アセンブリは、１５５０ナノメータで動作する。
【０１９３】
同様に、レシーバアセンブリ９２０は、３つ（またはこれよりも多く）の光検出器−望遠鏡アセンブリ９２２、９２４、９２６を有し、各々は軸９２８、９３０、９３２上に整列させられる。これらレシーバ軸９２８、９３０、９３２の各々は、トランスミッタ軸９１０、９１２、９１４と平行に整列させられ、かつわずかにこれらに収斂する。レシーバ電子機器９４０、９４２、９４４は、関連付けられた光検出器−望遠鏡アセンブリ９２２、９２４、９２６から信号を受信し、受信された信号と変調器９０３からサンプリングされたとおりの変調とを相互に関連させ、関連付けられた光検出器−望遠鏡アセンブリによって受信されたミーおよびレイリー散乱放射のドップラーシフトの距離分解測定を提供する。
【０１９４】
コンピュータ９５０は、３つ（またはこれよりも多く）のレシーバ電子機器９４０、９４２、９４４すべてから情報を受信し、装置９００から様々な範囲における風速および風向を、受信されたレイリーおよびミー散乱データから計算し、検出された風速および風向測定値を１０分の１秒ごとに、または必要に応じてこれよりも速く更新する。
【０１９５】
特定の実施形態において、トランシーバ９０４／９２６のうちの１つ、または図１〜図１０を参照して既に記述されたようなさらなるレーザトランシーバ９５２は、ユニットからの様々な範囲での温度を決定するために使用される。従って、このユニットは、高度に対する風速、風向、および温度のプロファイルを提供し得、これらの測定値は、限度と比較され得、飛行場におけるウインドシアーに関する警報を提供するか、またはデジタルレコーダに記録され得、風力システムのためのサイト調査を実行し得る。さらに、別個の地表−レベル湿度センサの助けで、システムからの温度対高度のデータが処理され、対流不安定性の測定値を提供する。例えばダストデビル、マイクロバースト、雷雨、およびトルネードがシステムの視界内に存在しなくとも、かかる風の状態が発達する可能性があるとき、対流不安定性のこの測定値は、状態に関する早期の警報を提供する。
【０１９６】
温度対高度の測定値は、他の装置からの湿度の測定値と組み合わされ得、空気の不安定性の測定値を与え得る。不安定な空気は、単なるダストデビルからトルネード（これらはすべて、突風状態を生み出し得る）にまでおよぶ対流活動につながり得、かつこれに動力を供給するので、不安定な空気状態が存在するときは、ファーリング閾値は風力タービンコントローラによって低減され得る。
【０１９７】
ＯＡＤＳ１０００の代替の実施形態が、図１５に図示されている。この実施形態においては、図１〜図１０のＲＭＣＷ  ＯＡＤＳを参照して既に論議されたように、少なくとも１つの空気データレーザトランスミッタ１００２およびレシーバ１００４が、スキャニングウェッジ１００６、または例えば関心のある領域をスイープするホログラフィックグレーティングもしくはステアリングミラーに向けられる。スキャニングウェッジが、その視界の向きを直す。スキャニングウェッジ１００６が、動力を備える取付け１００８に取り付けられ、動力を備える取付け台１００８はウェッジを動かし、空気データレーザトランスミッタおよびレシーバ１００２、１００４の視界を垂直にスキャンし、その結果、視界が、例えば水平からＯＡＤＳのまっすぐ上までの範囲の角度にわたってスキャンされる。
【０１９８】
一実施形態において、空気データレーザトランスミッタ１００２、レシーバ１００４、ミラー１００６、および動力を備える取付け台１００８は、回転可能なタレット１０１０内に取り付けられ、回転可能なタレット１０１０は、ＯＡＤＳの視界が、ＯＡＤＳの周り３６０度の領域にわたって水平にスキャンされるように配列される。代替の実施形態において、レーザトランスミッタ１００２およびレシーバ１００４は据付けであるが、スキャニングウェッジ１００６は、動力を備える取付け台１００８によって回転させられてスキャンする。このように、ＯＡＤＳの視界は、ＯＡＤＳの位置に中心がある、半径２キロメータ以上までの空気の半球状の体積にわたってスキャンされる。
【０１９９】
図１５の実施形態に類似するさらなるＯＡＤＳの実施形態は、図１〜図１０のＲＭＣＷ  ＯＡＤＳを参照して既に論議されたように、１つの空気データレーザトランスミッタ１００２とレシーバ１００４とを含み、２つのプリズムまたはホログラフィックグレーティング（図示されず）に向けられ、スキャンを円錐状の視界における所定の点に向ける。
【０２００】
図１５のＯＡＤＳの実施形態は、３つのレーザトランシーバ１００２、１００４を有し、３つすべてのドップラー測定値を使用し、ＲＭＣＷ範囲弁別によって、半球状体積の空気における関心のある様々な領域での風速および風向を決定する。
【０２０１】
図１５のＯＡＤＳの代替の実施形態は、半球状体積の空気の領域における風向測定のために必要とされる３つのドップラー測定値を取得し、該３つのドップラー測定値は、２つのわずかに異なる垂直の角度および２つのわずかに異なる水平のタレットまたはスキャニングウェッジ角度で測定されたドップラーシフトを記録することによって、単一のレーザトランスミッタ１００２およびレシーバ１００４から取得される。この実施形態も、半球状体積の空気全体にわたって風速および風向をマッピングすることができる。
【０２０２】
図１５のＯＡＤＳは、風力タービン７０２の近傍７１４（図１２）か、または一群の風力タービンの近傍に位置し得、タービン７０２の制御のため、様々な位置および高度での空気データを提供し得る。このＯＡＤＳは、ウインドシアーおよび悪い風の条件を検出することができ、かつタービンの回転の間、周期的にブレードピッチを調節することによって風力タービン７０２を調節することができ、一部の実施形態においては、能動的配向サブシステムの調節によって偏揺をトリミングすることができ、かつ必要なときは、ブレード７０４が被る負荷を低減するためにファーリングすることができ、これによって風力タービン７０２がよりうまく存続することを可能にする。一実施形態において、風力タービンは従って、高度に対して風向および風速に相違がある乱気流およびウインドシアーをよりうまく切り抜けることができ、ファーリングを必要とする状態においても電力を提供することが可能とされる。従って、システムは、当技術分野で公知のシステムよりも、風力タービンのより良い保護および利用を提供する。一実施形態において、ＲＭＣＷ  ＯＡＤＳのコンピュータは、ブレードの動きを風として読み取ることを避けるために、風力タービンの位置と一致する角度および遅延、従って位置からの散乱を無視するようにプログラムされる。
【０２０３】
別の実施形態において、図１５のＲＭＣＷ  ＯＡＤＳは、風力タービンのナセル７０８に取り付けられ得、風力タービンのブレードと一致する角度および遅延、従って位置からの散乱を無視するようにプログラムされ得る。一実施形態において、ＲＭＣＷ  ＯＡＤＳのコンピュータは、ブレードの動きを風として読み取ることを避けるために、風力発電基地の他の風力タービンの位置からの散乱を無視するようにプログラムされる。
【０２０４】
同様に、図１５のＯＡＤＳは、飛行場の近傍で風をマッピングするために滑走路近傍に位置し得るか、またはサイト調査の目的で、提案された風力発電基地のサイトに配置され得る。
【０２０５】
同様に、図１５のＯＡＤＳは、例えば強い突風的または乱気流的な風が、トラックおよび他の目立つ乗り物に危険を及ぼすレベルに達し得る山の峠のような領域に位置し得る。このＯＡＤＳのコンピュータは、所定の閾値を超過する強い突風的または乱気流的な風が検出されるとき、交通警報を生成するようにプログラムされる。
【０２０６】
代替の実施形態において、図１〜図１０または図１３を参照して記述されたようなＲＭＣＷ  ＯＡＤＳは、風力タービン７０２のハブ７０４の７２２に位置する。このＯＡＤＳは、風力タービンの軸から外れた軸に取り付けられ、その結果このＯＡＤＳは、風力タービン７０２の前方の円錐７２４の幾つかの範囲で風速および風向をマッピングする。ＲＭＣＷ  ＯＡＤＳのコンピュータは、ブレードの動きを風として読み取ることを防止するために、風力発電基地の他の風力タービンの位置と一致する角度および範囲からの散乱を無視するようにプログラムされる。
【０２０７】
このＯＡＤＳは風向および範囲と高度に対する風向の差異、ならびに風速を検知し得るので、このＯＡＤＳは、ウインドシアーの方向成分および速度成分を検出する。従って、ＯＡＤＳは、風力タービン７０２がかかるウインドシアーに対してファーリングするか、または補正するための情報を提供する。
【０２０８】
代替の実施形態（図示されず）において、ＯＡＤＳは、風力システムのブレードに取り付けられ、風対ブレードの迎角情報と相対速度情報の両方を提供する。この情報は、ブレードピッチを制御するために使用される。情報は、回転の間、複数の点においても格納され、ブレードの各回転を通してブレードピッチを調節するために使用され得る。
【０２０９】
本明細書の開示の範囲から逸脱することなく上記の方法およびシステムには、特定の変更がなされ得るので、上記に含まれるか、または添付の図面に示されるすべての事項は、例示として解釈され、限定的な意味には解釈されないことが意図されている。例えば、本明細書に記述されたようなＯＡＤＳおよびＯＡＤＳトランシーバは、示されたものに相当する方法で、構成、接続、かつ／または組み合わせがなされ得ることを当業者は理解すべきである。
【図１】
0005542344.tif 000031
【図２】
0005542344.tif 000032
【図３】
0005542344.tif 000033
【図４】
0005542344.tif 000034
【図５】
0005542344.tif 000035
【図６】
0005542344.tif 000036
【図７】
0005542344.tif 000037
【図８】
0005542344.tif 000038
【図９】
0005542344.tif 000039
【図１０】
0005542344.tif 000040
【図１１】
0005542344.tif 000041
【図１２】
0005542344.tif 000042
【図１３】
0005542344.tif 000043
【図１４】
0005542344.tif 000044
【図１５】
0005542344.tif 000045