(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空中の所定の測定ポイントにおける風速を計測する方法であって、
所定の周波数の波動ビームを、前記測定ポイントを挟む異なる２つの視線方向に向けて空中に発射する第１ステップと、
前記２つの視線毎に、前記波動ビームの反射波を受信する第２ステップと、
前記第１ステップで空中に発射した波動ビームの周波数と、前記第２ステップで２つの視線毎に受信した反射波の周波数との相違に基づいて、それぞれの視線の延長方向における風速値を算出する第３ステップと、
前記第１ステップ〜第３ステップを所定回数繰り返し、前記２つの視線毎に風速の平均値及び標準偏差を算出する第４ステップと、
前記第４ステップで算出した視線毎の風速の平均値及び標準偏差を用いて前記測定ポイントの風速分布を推定し、該風速分布の中心を前記測定ポイントの平均風速演算値Ｖｍｅａｎとして求めると共に、その標準偏差σｖを求める第５ステップと、
前記第５ステップで求められた平均風速演算値Ｖｍｅａｎの２乗の値から前記標準偏差σｖの２乗の値を差し引き、その平方根の値を真の平均風速値として求める第６ステップとを含むことを特徴とする風速計測方法。
【請求項２】
空中の所定の測定ポイントにおける風速を計測するための風速計測装置であって、
所定の周波数の波動ビームを、異なる２つの視線方向に向けて空中に発射可能な送信部と、
前記波動ビームの反射波を受信可能な受信部と、
前記送信部から発射された波動ビームの周波数と、受信部で受信された反射波の周波数との相違に基づいて、それぞれの視線の延長方向における風速値を算出する風速算出部と、
前記送信部、受信部及び風速算出部の動作を制御し、風速算出動作を所定回数繰り返し行わせる測定制御部と、
前記風速算出部で算出された複数の風速算出値に基づいて、前記測定ポイントの平均風速値を求める平均風速演算部とを備え、
前記平均風速演算部は、前記風速算出部で算出された複数の風速算出値から、前記２つの視線毎に風速の平均値及び標準偏差を算出するデータ処理部と、
前記データ処理部で算出された視線毎の風速の平均値及び標準偏差を用いて、前記測定ポイントの風速分布を推定し、該風速分布の中心を前記測定ポイントの平均風速演算値Ｖｍｅａｎとして求めると共に、その標準偏差σｖを求め、前記平均風速演算値Ｖｍｅａｎの２乗の値から前記標準偏差σｖの２乗の値を差し引き、その平方根の値を真の平均風速値として求める演算処理部とを具備することを特徴とする風速計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波、電波または音波などの波動ビームを空中に発射し、反射波のドップラー効果（ドップラー周波数）を用いて遠隔点の風速を計測する風速計測方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、温室効果ガスの排出抑制や枯渇性資源に対する依存からの脱却を狙いとして、クリーンな風力発電の導入が国策として進められている。具体的には、各種補助金の充実化、２００３年４月からの「電気事業者による自然エネルギー等の利用に関する特別措置法」（ＲＰＳ法）の施行、環境税についての検討等が行われている。この結果、風力発電設備の設置量は、着実に増加してきている。
【０００３】
ところで、風力発電設備のエネルギー源は、自然の風であることから、風力発電設備の設置に際しては、設置候補地の風向及び風速等の条件を綿密に事前サーチすることが、十分な発電電力を得ると共に設備寿命の長期化を図る点で重要である。このため、非特許文献１に記載されているように、風力発電設備の建設にあたっては、現場に風向計および風速計の取り付けられた３０ｍ程度の支柱（ポール）を建設候補地の代表点に建て、風向及び風速の調査を概ね１年間行うことが推奨されている。しかしながら、この方法では、ポールが設置された固定点のみのデータしか取得できず、さらに、ポールの工法および費用面から設置されるポールの高さにも概ね３０ｍ以下という制限があり、実際に必要とされる位置および高さの風向および風速データは得られないという問題がある。
【０００４】
このような問題を解消するためには、遠隔地から風向及び風速を測定する方法が有効である。この点、例えば特許文献１、非特許文献２及び非特許文献３には、波動ビームを真上の方向を中心に全方位にわたって複数方向に高仰角で空間に向けて発射し、空間から反射した波動ビームの周波数が風速に応じて変化すること（ドップラー効果）を利用して発射方向の風速（ドップラー速度）を算出し、各方向のドップラー速度からベクトル計算により所定の測定ポイント（測定空間）の風向及び風速を測定する方法が開示されている。
【０００５】
このような真上の風向及び風速をベクトル計算により求める方法は、観測対象である大気の風速分布が空間的に一様であるという仮定を利用して、全方位にわたって異なる観測方向で得られたドップラー速度を合成することにより風速ベクトル（風向、風速）を求めるものである。この方法の一つとして、ＶＡＤ（Ｖｅｌｏｃｉｔｙ  Ａｚｉｍｕｔｈ  Ｄｉｓｐｌａｙ）法と呼ばれるものがある。ＶＡＤ法の内容の詳細については、例えば、特許文献２、３に開示されている。
【０００６】
これら特許文献２、３には、ドップラー効果を検出するための波動ビームを、真上ではなく、測定ポイントの高さ及び位置を中心に左右上下の近傍に向けて低仰角でそれぞれ発射し、それぞれの視線方向で測定したドップラー速度を合成することにより風速ベクトルを求める局所ＶＡＤ法も開示されている。この局所ＶＡＤ法によれば、測定ポイントの真下に測定装置を搬入する必要がないという利点がある。
【０００７】
上記局所ＶＡＤ法は、限られた仰角範囲の低仰角でビームを発射するため、鉛直方向の測定値のバラツキが大きく、鉛直方向の測定精度が悪くなるという問題があるとされている。そこで、特許文献２では、低仰角の範囲でビームの発射方向を鉛直方向に揺動させることで、鉛直成分の風速の精度を向上させる技術が説明されている。しかし、風力発電は、風の水平方向成分のエネルギーを風車が受けて、発電機を回転させて発電する機構であることから、風況調査にあたっては風の鉛直方向は重要でなく、むしろ風の水平方向成分の測定精度が重要となる。従って、局所ＶＡＤ法の欠点である鉛直方向の測定精度が悪くなる点については、風力発電の設置に際しての風況調査では問題とならない。逆に特許文献２の対策は、仰角範囲を広めた平均値の測定となるため、目的とする高さの水平風速・風向を求めることにならず、風力発電のための風況調査では用いることができない。
【０００８】
また、局所ＶＡＤ法は、水平方向について、限られた角度範囲の方位に波動ビームを発射する（角度範囲が広がると一様な風速分布という全体が崩れてしまう）ため、波動ビームを発射しない方位、すなわち波動ビームと直交する方位については、測定値のバラツキが大きくなるという問題があった。このため特許文献３では、波動ビームと風向との角度に応じ、波動ビームと直交する方向の風速の測定データを増やすように測定速度と測定回数を制御し、それらを平均化することにより風速測定値のバラツキを低減するという提案がなされている。
【特許文献１】特開２００４−３４７５５０号公報
【特許文献２】特開２００３−２２２６７４号公報
【特許文献３】特開２００４−２１２２７４号公報
【非特許文献１】「風況精査マニュアル（概要版）」，新エネルギー・産業技術総合開発機構，新エネルギー導入促進部，平成９年１２月
【非特許文献２】「浮体式洋上風況調査システムの開発の現状」，第２６回風力エネルギー利用シンポジウム予稿集（日本風力エネルギー協会，日本科学技術振興財団），２３９−２４２頁，平成１６年１１月
【非特許文献３】「局所的風況予測モデル（ＬＡＷＥＰＳ）と小型ドップラーソーダによる年間風況予測と検証」，第２６回風力エネルギー利用シンポジウム予稿集（日本風力エネルギー協会，日本科学技術振興財団），２７９−２８２頁，平成１６年１１月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献３の方法によれば、波動ビームと直交する方位における風速測定値のバラツキをある程度低減できると言える。しかし、局所ＶＡＤ法では、測定時間に制約があることから十分な測定データ数を得ることが出来ず、測定データのバラツキに起因する測定誤差を十分に除去できなという問題があった。さらに、本発明者の検討によれば、波動ビームと直交しない方位において、測定値のバラツキの中心である風速の計算結果が、風速の真値より大きくなってしまう（オフセットが加わってしまう）という問題があることが判明した。
【００１０】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、風力発電の設置に際しての風況調査において様々なアドバンテージを有する局所ＶＡＤ法を採用しつつ、この局所ＶＡＤ法で測定される各視線方向のドップラー速度に適宜な演算処理を施すことで、風速測定値にオフセットが加わらないようにすることができる風速計測方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１にかかる風速計測方法は、空中の所定の測定ポイントにおける風速を計測する方法であって、所定の周波数の波動ビームを、前記測定ポイントを挟む異なる２つの視線方向に向けて空中に発射する第１ステップと、前記２つの視線毎に、前記波動ビームの反射波を受信する第２ステップと、前記第１ステップで空中に発射した波動ビームの周波数と、前記第２ステップで２つの視線毎に受信した反射波の周波数との相違に基づいて、それぞれの視線の延長方向における風速値を算出する第３ステップと、前記第１ステップ〜第３ステップを所定回数繰り返し、前記２つの視線毎に風速の平均値及び標準偏差を算出する第４ステップと、前記第４ステップで算出した視線毎の風速の平均値及び標準偏差を用いて前記測定ポイントの風速分布を推定し、該風速分布の中心を前記測定ポイントの平均風速演算値Ｖｍｅａｎとして求めると共に、その標準偏差σｖを求める第５ステップと、前記第５ステップで求められた平均風速演算値Ｖｍｅａｎの２乗の値から前記標準偏差σｖの２乗の値を差し引き、その平方根の値を真の平均風速値として求める第６ステップとを含むことを特徴とする。
【００１２】
この方法によれば、単に２つの視線毎の風速計測値に基づき平均風速演算値を求めてこれを所定の測定ポイントにおける平均風速値とするのではなく、前記平均風速演算値から、前記標準偏差に応じたオフセットを除く演算が行われ、これを真の平均風速値と扱われるようになる。すなわち、局所ＶＡＤ法における各視線方向のドップラー速度に基づく風速測定値のバラツキを考慮した平均化処理が行われることとなる。これにより、平均風速測定値に加わるオフセット分を除去でき、正確に測定ポイントの平均風速値を求めることができるようになる。
【００１４】
本発明の請求項２にかかる風速計測装置は、空中の所定の測定ポイントにおける風速を計測するための風速計測装置であって、所定の周波数の波動ビームを、異なる２つの視線方向に向けて空中に発射可能な送信部と、前記波動ビームの反射波を受信可能な受信部と、前記送信部から発射された波動ビームの周波数と、受信部で受信された反射波の周波数との相違に基づいて、それぞれの視線の延長方向における風速値を算出する風速算出部と、前記送信部、受信部及び風速算出部の動作を制御し、風速算出動作を所定回数繰り返し行わせる測定制御部と、前記風速算出部で算出された複数の風速算出値に基づいて、前記測定ポイントの平均風速値を求める平均風速演算部とを備え、前記平均風速演算部は、前記風速算出部で算出された複数の風速算出値から、前記２つの視線毎に風速の平均値及び標準偏差を算出するデータ処理部と、前記データ処理部で算出された視線毎の風速の平均値及び標準偏差を用いて、前記測定ポイントの風速分布を推定し、該風速分布の中心を前記測定ポイントの平均風速演算値Ｖｍｅａｎとして求めると共に、その標準偏差σｖを求め、前記平均風速演算値Ｖｍｅａｎの２乗の値から前記標準偏差σｖの２乗の値を差し引き、その平方根の値を真の平均風速値として求める演算処理部とを具備することを特徴とする。このような風速計測装置によれば、上述した通り、平均風速測定値に加わるオフセット分を除去でき、正確に測定ポイントの平均風速値を求めることができるようになる。
【発明の効果】
【００１５】
上記の請求項１又は２の通りに構成された本発明にかかる風速計測方法又は風速計測装置によれば、局所ＶＡＤ法の欠点であった、平均風速算出値にオフセットが加わってしまうという問題を改善することができる。従って、風速の測定精度が向上し、例えば風力発電の設置に際しての風況調査に用いた場合、適切な風力発電設備計画が立案できる。すなわち、オフセットが加わり実際の風速より大きな平均風速を前提とした風力発電設備が建設されてしまうと、当該風力発電設備は所期の電力を出力できないという不具合が生じる場合が考えられるが、本発明にかかる風速計測方法又は装置を用いれば、このような問題点が解消されるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる風速測定装置１による風速測定状況を模式的に示す図である。この風速測定装置１は、風速及び風向が一様である風ＦＷが吹いている所定の地域において風速（平均風速）を計測する装置であり、図１では風力発電設備の建設予定地ＢＰ上の、所定の測定ポイントＰにおける平均風速を遠隔的に計測する場合について例示している。
【００１７】
風速測定装置１は、上述した局所ＶＡＤを採用した風速計であって、当該風速測定装置１（の送受信部２１）から、前記測定ポイントＰを挟むように、異なる２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２に向けて空中に波動ビームが発射され、前記２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２毎に前記波動ビームの反射波を受信し、それぞれの視線方向Ｓ１、Ｓ２で測定したドップラー速度を合成することにより風速ベクトルを求めるように構成された風速計である。なお、前記波動ビームとしては、光波、電波または音波等が利用可能であるが、本実施形態では半導体レーザ装置等により生成されるレーザ光を用いる場合を例示している。
【００１８】
本発明にかかる風速測定方法を概略的に説明すると、先ず建設予定地ＢＰ上の測定ポイントＰから離隔した所定の測定点に当該風速測定装置１を設置し、測定ポイントＰの方位（２視線の中心方向Ｓ０）を中心にして、測定ポイントＰの近傍に向けてそれぞれ＋θ、−θの傾き持たせて、低仰角で２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２へ波動ビームが発射される（第１ステップ）。次に、これら２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２毎に、送受信部２１にて前記波動ビームの反射波が受信される（第２ステップ）。そして、空中に発射した波動ビームの周波数と、２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２毎に受信した反射波の周波数との相違に基づいて、それぞれの視線方向Ｓ１、Ｓ２の延長方向における風速値（ドップラー速度）が算出される（第３ステップ）。
【００１９】
この２つのドップラー速度を合成することにより、測定ポイントＰの風速を求めることができるのであるが、この風速測定装置１では前記第１ステップ〜第３ステップを所定のインターバルで複数回繰り返し、得られた複数の風速値に基づき、２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２毎に風速の平均値及びその標準偏差が算出される（第４ステップ）。そして、これら視線方向Ｓ１、Ｓ２毎の風速の平均値及び標準偏差を用いて、前記測定ポイントＰにおける平均風速演算値が求められる（第５ステップ）。
【００２０】
本来、前記第５ステップで求められた平均風速演算値を、測定ポイントＰにおける平均風速として扱うことができるはずである。しかし、後記で詳述するが、局所ＶＡＤ法では測定時間に制約があり十分な測定データ数を得られないことも相俟って、この平均風速演算値にはオフセットが加わり真の風速値よりも大きくなってしまうという不具合がある。そこで、前記平均風速演算値から、前記標準偏差に応じたオフセットを除く演算を行うことで、前記測定ポイントＰにおける真の平均風速値が求められるものである（第６ステップ）。以下、これら第１〜第６ステップについて順次説明する。
【００２１】
（第１〜第３ステップについて）
図２は、２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２の風速から、測定ポイントＰ付近における風向Ψと風速Ｖを算出する方法を説明するための模式図である。図２（ａ）に示すように、いま測定ポイントＰ付近において風向Ψ及び風速Ｖが一様である風ＦＷが吹いているものとする。まず、２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２の風速Ｖｍ１、Ｖｍ２（ドップラー速度）を、２つの視線方向の中心線（２視線の中心方向Ｓ０）からそれぞれ＋θ、−θの角度で測定する。ここで測定される風速Ｖｍ１、Ｖｍ２は、風ＦＷに対して各波動ビームがそれぞれ風向Ψ＋θ、風向Ψ−θの角度で交差することから、次の（１）式、（２）式の通りとなる。
Ｖｍ１＝Ｖｃｏｓ（Ψ−θ）  ・・・（１）
Ｖｍ２＝Ｖｃｏｓ（Ψ＋θ）  ・・・（２）
【００２２】
次に、図２（ｂ）に示すように、２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２の風速Ｖｍ１、Ｖｍ２に基づき、２視線の中心方向Ｓ０成分の風速Ｖｒと、これに直交する成分の風速Ｖｘとが算出される。すなわち、
Ｖｍ１＋Ｖｍ２＝Ｖｃｏｓ（Ψ−θ）＋Ｖｃｏｓ（Ψ＋θ）
＝２ＶｃｏｓΨ・ｃｏｓθ
＝２ｃｏｓθ・Ｖｒ        ・・・（３）
Ｖｍ１−Ｖｍ２＝Ｖｃｏｓ（Ψ−θ）−Ｖｃｏｓ（Ψ＋θ）
＝２ＶｓｉｎΨ・ｓｉｎθ
＝２ｓｉｎθ・Ｖｒ        ・・・（４）
となるから、風速Ｖｒ及び風速Ｖｘは、次の（５）、（６）式の通りとなる。また、この風速Ｖｒと風速Ｖｘとから、風速Ｖが（７）式で与えられ、さらに風向Ψは（８）式にて表される。
【００２３】
【数１】
0004649284.tif 000002
【００２４】
【数２】
0004649284.tif 000003
【００２５】
【数３】
0004649284.tif 000004
【００２６】
【数４】
0004649284.tif 000005
【００２７】
（第４ステップについて）
第４ステップでは、２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２の風速Ｖｍ１、Ｖｍ２の、複数の計測結果を用いて、２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２毎に風速の平均値及びその標準偏差が算出される。ここで、２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２の測定風速について、バラツキを考慮した、すなわち、平均値と標準偏差とを考慮して上記風速Ｖｒ及び風速Ｖｘを算出するための算出式を、次の（９）式、（１０）式に示す。なお、（９）式、（１０）式では、風速Ｖｍ１の平均値をμｍ１、標準偏差をσｍ１とし、また風速Ｖｍ２の平均値をμｍ２、標準偏差をσｍ２とし、計算によって得られる風速Ｖｒ及び風速Ｖｘの平均値、標準偏差を、それぞれμｒ、μｘ、σｒ、σｘとしている。
【００２８】
【数５】
0004649284.tif 000006
【００２９】
【数６】
0004649284.tif 000007
【００３０】
ここで、θ＝５ｄｅｇの場合について、上記（９）式及び（１０）式に基づき算出すると、それぞれ次の（１１）式、（１２）式の通りとなる。
Ｖｒ（μｒ，σｒ）＝［｛０．５０２・（μｍ１＋μｍ２）｝，（０．７１０・σ）］
・・・（１１）
Ｖｘ（μｘ，σｘ）＝［｛５．７４・（μｍ１＋μｍ２）｝，（８．１１・σ）］
・・・（１２）
但し、（１１）式、（１２）式では、σｍ１＝σｍ２＝σとしている。
【００３１】
上記（９）〜（１２）式から判るように、傾き角θを小さい領域に設定した場合、２視線の中心方向Ｓ０の風速Ｖｒについての標準偏差σｒに比べ、前記中心方向Ｓ０と直交する方向の風速Ｖｘについての標準偏差σｘが大きくなる。つまり、風速Ｖｒについては風速のバラツキは小さいが、風速Ｖｘについては風速のバラツキが大きくなる。
【００３２】
図３は、風向による風速のバラツキ範囲を模式的に示した図である。図中で、符号Ａ，Ａ１〜Ａ３で示す矩形領域は、風速のバラツキ範囲を簡略的に示すものである。上述の通り、２視線の中心方向Ｓ０についてはバラツキが小さく、これに直交する直角方向ＳＣについてはバラツキが大きいことから、前記矩形領域Ａ，Ａ１〜Ａ３は、前記直角方向ＳＣに縦長の矩形領域となっている。
【００３３】
図３に示すように、風向によって風速のバラツキ範囲は異なり、２視線の中心方向Ｓ０に近い風ＦＷ１が計測された場合、符号Ａ１で示すようにその風速のバラツキは小さくなる。但し、後述するように、その平均値はオフセットが加わり真値よりも大きめになる。なお、風向のバラツキは大きくなるが、その平均値は真値に近づく。
【００３４】
一方、前記直角方向ＳＣに近い風ＦＷ２が計測された場合、符号Ａ２で示すようにその風速のバラツキは大きくなる。しかし、その平均値は真値に概ね近いものとなり、また、風向のバラツキは小さくなる。そして、両者の中間方向に近い風ＦＷ３が計測された場合、符号Ａ３で示すようにその風速のバラツキ及び風向のバラツキは、風ＦＷ１、風ＦＷ２の中間的なものとなる。
【００３５】
図４及び図５は、風向角度と風速のバラツキとの関係を説明するための図である。いま、ある方向に吹いている風（例えば図３の風ＦＷ３）の風速を測定する場合において、図３にも付記しているように、その風速のバラツキ範囲を２σｘ、２σｒで区画される矩形領域Ａの範囲であると考えるものとする。この場合、図４に示すように、前記矩形領域Ａ内の９つのポイントに相当する風速ｖ１（σｒ，σｘ）、ｖ２（０，σｘ）、ｖ３（σｒ，σｘ）、ｖ４（σｒ，０）、ｖ５（０，０）、ｖ６（−σｒ，０）、ｖ７（σｒ，−σｘ）、ｖ８（０，−σｘ）、ｖ９（−σｒ，−σｘ）の平均で、平均風速（平均風速演算値Ｖｍｅａｎ）が求められるものとする。なお、前記ｖ５（０，０）は、矩形領域Ａの重心位置に向かう基準風速Ｖ（真値と扱われる風速）である。
【００３６】
上記のような図４の各点における風速値の変化を、σｒ＝σｘ＝σ＝０．０５［ｐｕ／ｓ］、θ＝５［ｄｅｇ］の場合について示したものを図５に示す。この図５では、前記ｖ５（０，０）の基準風速Ｖを「１」として正規化したときの、風速ｖ１〜ｖ９のバラツキ度合いを風向角度に対応付けてグラフ化したものである。また、図６は、上記σをパラメータにして（標準偏差を０．０１〜０．１［ｐｕ／ｓ］まで０．０１刻みで変化させたσ１〜σ１０）、平均風速を示したものである。
【００３７】
図５及び図６から明らかな通り、風速のバラツキは、風向角度が２視線の中心方向に近づくほど風速のバラツキは小さくなるが、その平均値（図５に平均風速演算値Ｖｍｅａｎとして表示）はオフセットが加わって真値よりも大きめになる（図５の符号Ｂ１部分参照）。なお、風向角度が直角方向に近づくほど風速のバラツキは大きくなるものの、その平均値は概ね真値に近いものとなる（図５の符号Ｂ２部分参照）。
【００３８】
また、視線方向の風速測定値の標準偏差σが大きくなるほどオフセットが大きくなり、風速の平均値と真値の乖離度が増すようになる（図６参照）。このように、前記矩形領域Ａ内の風速ｖ１〜ｖ９の平均として求められる平均風速演算値Ｖｍｅａｎは、真値（この場合ｖ５（０，０）の風速）にオフセットが加わった形になる。なお、風速ｖ１〜ｖ９自体のバラツキは、ｖ５（０，０）に対して正・負のバラツキがあるが、上記（７）式から明らかな通り、風速ＶはＶｒの自乗にＶｘの自乗を加え、その平方根として求められることから、計算上は正のバラツキ（正のオフセット）として表出するものである。
【００３９】
局所ＶＡＤ法による風速測定において、その測定値に標準偏差σ＝０．０５〜０．１［ｐｕ／ｓ］程度のバラツキが出てしまうことは多々ある。この場合、図６に示したように、風向角度が２視線の中心方向のときには０．０５〜０．２［ｐｕ／ｓ］程度のオフセットが重畳されることになるので、これでは正確に平均風速を求めることが出来ない。そこで、このようなオフセットを除去するために、第５、第６ステップが行なわれる。
【００４０】
（第５、第６ステップについて）
図７は、上述のオフセットを除去する考え方を模式的に示す図である。この図７に示している山型の分布線ｖｄは、図５に示しているＹ−Ｙ線方向の風速バラツキを示す分布線である。まず、測定された２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２の風速Ｖｍ１、Ｖｍ２を使って、上記（５）〜（８）式にて求められた２視線の中心方向Ｓ０成分の風速Ｖｒと、これに直交する成分の風速Ｖｘとの分布において、それぞれの標準偏差σｒ，σｘを差し引いた形で計算された風速をＶｍｉｎ、標準偏差σｒ，σｘを加えた形で計算された風速をＶｍａｘとすると、これらはそれぞれ次の（１３）式、（１４）式のように表すことができる。
【００４１】
【数７】
0004649284.tif 000008
【００４２】
【数８】
0004649284.tif 000009
【００４３】
ここで、上記（７）式にて算出された風速Ｖの平均値を平均風速演算値Ｖｍｅａｎとし、その標準偏差をσｖとし、測定ポイントＰ近辺の風向と風速が一様であると仮定した場合における平均風速の真値をＶ０とすると、下記（１５）式の関係式が成り立つ。
【００４４】
【数９】
0004649284.tif 000010
【００４５】
上記（１５）式より、平均風速演算値Ｖｍｅａｎが算出可能となる（第５ステップ）。すなわち第５ステップでは、視線毎に計測される風速の平均値及び標準偏差の両方を用いて前記測定ポイントＰの風速分布を推定し、その風速分布の中心としての平均風速演算値Ｖｍｅａｎと、その標準偏差σｖとが求められる。
【００４６】
そして、これに続く第６ステップでは、前記平均風速演算値Ｖｍｅａｎの２乗の値から前記標準偏差σｖの２乗の値を差し引き、その平方根の値を求める演算を行うことで、平均風速の真値Ｖ０が求められる。すなわち、次の（１６）式を用いることで、当該測定ポイントＰの平均風速の真値Ｖ０を、前記平均風速演算値Ｖｍｅａｎと、その標準偏差σｖとから予測推定することができる。すなわち、平均風速演算値Ｖｍｅａｎに重畳されているオフセットが除去されるようになる。
【００４７】
【数１０】
0004649284.tif 000011
【００４８】
（装置構成についての説明）
図８は、本発明にかかる風速計測装置１の構成を示すブロック図である。この風速計測装置１は、送受信部２１並びにその駆動部２１１、レーザ光発生装置２２（送信部）、受光装置２３（受信部）、光路切替装置２４、測定制御部２５、風速算出部２６、平均風速算出部２７及び表示部２８を備えて構成されている。
【００４９】
送受信部２１は、レーザ光発生装置２２で発生されるレーザ光（所定の周波数の波動ビーム）を、異なる２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２（図１など参照）に向けて空中に発射する放射部として機能すると共に、空中に発射されたレーザ光の反射光を受光し、受光装置２３に受光信号を与える受光部として機能する。このため、送受信部２１には、レーザ光の発射用及び反射光の受光用の光学端面が備えられている。
【００５０】
ここで、波動ビームとしてレーザ光を用いる場合の風速測定原理について、図９及び図１０に基づいて説明する。風速は、空気中に浮遊するエアロゾルと称される粒子３の移動の速さを計測することで求められる。従って、本実施形態においてある地点（測定ポイントＰ）の風速を測定するということは、その測定ポイントＰに向けてレーザ光を発射し該測定ポイントＰに浮遊するエアロゾル粒子３からの反射光を受信することを意味する。
【００５１】
先ず、送受信部２１から測定ポイントＰまでの距離Ｌは、レーザ光は光速で伝播することから、光の往復時間に光速を乗じ、これを２で割ることにより算出できる。すなわち、図９に示すように、時刻ｔ１で送受信部２１から発射されたレーザ光ｒ１が、時刻ｔ２で測定ポイントＰに浮遊するエアロゾル粒子３により反射され、時刻ｔ３でその反射光ｒ２が送受信部２１で受光された場合、時刻ｔ３と時刻ｔ１との差をΔｔ、光速をｃとすると、次の（１７）式で求めることができる。
距離Ｌ＝（ｃ・Δｔ）／２    ・・・（１７）
【００５２】
そして風速は、光が移動物体に当たって反射したときに、反射光の周波数がドップラー周波数変化することを利用して求められる。この場合、レーザ光が移動するエアロゾル粒子に当たる（反射される）ことで、受光されるレーザ光のレーザ光の周波数がどの程度変化したかにより、風速を求めることができる。すなわち、図１０（ａ）に示すように、周波数がｆ０のレーザ光が発射され、図１０（ｂ）に示すように、風速Ｖに由来して移動しているエアロゾル粒子３にて反射されると、ドップラー周波数ｆｄ＝２Ｖ・ｆ０／ｃが反射波に加わるようになる。そして、送受信部２１では、図１０（ｃ）に示すように、前記ドップラー周波数ｆｄに周波数が変化したレーザ光の発射光が受光されるようになる。従って、下記（１８）式に基づき、風速Ｖを求めることができる。
風速Ｖ＝（ｃ・ｆｄ）／（２ｆ０）    ・・・（１８）
【００５３】
この風速計測装置１では、図１１に示すように、送受信部２１から測定距離Ｌだけ離れた測定ポイントＰを挟むように、中心軸（２視線の中心方向Ｓ０）から上下（左右）に角度θだけ傾いた方向（異なる２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２）にレーザ光が発射される。そして、距離分解能△Ｌの範囲内に存在するエアロゾル粒子からの反射光を受信し（この際、図９に示したΔｔ経過後の反射光が用いられる）、距離分解能△Ｌの範囲内における平均的なエアロゾルのレーザ発射方向成分の移動速度、すなわち、距離分解能△Ｌの範囲内における平均的なレーザ発射方向成分の風速が測定されるものである。
【００５４】
図８に戻って、駆動部２１１は、上述の２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２にレーザ光を発射させるために、送受信部２１の視線変更制御を行うものである。例えば、送受信部２１に備えられているレーザ光の射出用光学端面の前方にプリズムを配置し、そのプリズムを回動させることでレーザ光の発射方向を変更させる駆動を行う。なお、レーザ光の射出用光学端面を送受信部２１に２つ設け、これら端面から２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２に向けてそれぞれレーザ光を発射可能な構成とすれば、この駆動部２１１及び前記プリズムを省略することができる。
【００５５】
レーザ光発生装置２２は、送受信部２１から発射されるレーザ光を発生させるものである。このレーザ光発生装置２２には、レーザ光を生成する半導体レーザ素子と、この半導体レーザ素子に対する駆動信号を生成するドライバなどが備えられている。前記半導体レーザ素子の射出端と前記送受信部２１とは、光路切替装置２４を介してレーザ光伝送用の光ファイバ２０１、２０２にて光学的に接続されている。
【００５６】
受光装置２３は、送受信部２１の受光用光学端面から入射される前記レーザ光の反射光をセンシングするものである。この受光装置２３には、前記反射光を受光して電気信号に変換するフォトダイオード素子等と、前記電気信号に基づき反射光の周波数を求める信号処理回路等が備えられている。前記フォトダイオード素子の受光面と前記送受信部２１とは、光路切替装置２４を介してレーザ光伝送用の光ファイバ２０１、２０３にて光学的に接続されている。
【００５７】
光路切替装置２４は、可動式のミラー、ハーフミラー、或いはプリズム等からなり、レーザ光発生装置２２から発せられるレーザ光は、光ファイバ２０２及び光ファイバ２０１を通して送受信部２１へ導く一方で、送受信部２１で受光された反射光は、光ファイバ２０１及び光ファイバ２０３を通して受光装置２３に導くような、光路切替を行う機能部である。
【００５８】
測定制御部２５は、前記駆動部２１１、レーザ光発生装置２２、受光装置２３及び光路切替装置２４等の動作を制御し、当該風速計測装置１による風速測定動作を制御するものである。例えば測定制御部２５は、レーザ光発生装置２２に制御信号を与えて短いパルス状のレーザ光を出力させ、さらに、測定ポイントＰ（距離分解能△Ｌの範囲内）からの反射光を受光するために、図９に示したΔｔ経過後に反射光受光動作を受光装置２３に実行させるような制御を行う。また、このような測定動作を所定時間内に複数回繰り返し行わせ、後記の風速算出部２６に、風速算出動作を所定回数繰り返し行わせる制御を行う。
【００５９】
風速算出部２６は、レーザ光発生装置２２で生成され、送受信部２１から発射されたレーザ光の周波数と、送受信部２１で受信され受光装置２３で検知された反射波の周波数との相違に基づいて、２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２方向における風速値を算出する。すなわち、図９、図１０で説明した原理に基づき、上述した２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２の風速Ｖｍ１、Ｖｍ２（ドップラー速度）を求める演算を行う。そして、上記（５）〜（８）式に基づき、前記ドップラー速度を合成することで風速Ｖ（及び風向Ψ）が算出される。このような風速Ｖ（視線の中心方向Ｓ０成分の風速Ｖｒと、これに直交する成分の風速Ｖｘ）の算出動作が、測定制御部２５からの指示信号に応じて所定回数繰り返される。
【００６０】
平均風速演算部２７は、前記風速算出部２６で算出された複数の風速算出値に基づいて、所定の測定ポイントＰにおける平均風速値を求めるもので、データ処理部２７１と、演算処理部２７２とを備えている。
【００６１】
データ処理部２７１は、風速算出部２６で算出された複数の風速Ｖ（風速Ｖｒ及び風速Ｖｘ）から、前記２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２方向毎に風速の平均値及び標準偏差を算出する。すなわち、上記（９）式、（１０）式に基づき、風速Ｖｒ及び風速Ｖｘの平均値μｒ、μｘ、並びにその標準偏差σｒ、σｘを求める。
【００６２】
演算処理部２７２は、データ処理部２７１で算出された視線毎の風速Ｖｒ及び風速Ｖｘの平均値μｒ、μｘ、並びにその標準偏差σｒ、σｘを用いて、測定ポイントＰの風速分布（例えば図７の分布線ｖｄを参照）を推定し、上記（１５）式に基づき風速分布の中心を測定ポイントＰおける平均風速演算値Ｖｍｅａｎとして求めると共に、その標準偏差σｖを求める。さらに、上記（１６）式に基づき、つまり前記平均風速演算値Ｖｍｅａｎの２乗の値から前記標準偏差σｖの２乗の値を差し引き、その平方根の値を平均風速の真値Ｖ０として求める演算を行うものである。
【００６３】
表示部２８は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等からなり、風速測定プロセスを表示したり、上記平均風速演算部２７による風速の真値Ｖ０の演算結果等を表示したりするものである。
【００６４】
（動作フローの説明）
以上の通り構成された風速計測装置１の動作について、図１２に示すフローチャートに基づいて説明する。測定制御部２５により風速測定動作が開始されると、所定間隔で設定されている風速測定タイミングが到来したか否かが確認され（ステップ＃１）、風速測定タイミングが到来していない場合は（ステップ＃１でＮＯ）、タイミング確認ループが継続される。一方、風速測定タイミングが到来した場合（ステップ＃１でＹＥＳ）、測定制御部２５は、各部に測定制御信号を出力する。
【００６５】
先ず、駆動部２１１を動作させて、視線方向Ｓ１へレーザ光が発射されるよう、送受信部２１の発射方向が調整される（ステップ＃２）。そして、レーザ光発生装置２２で生成されたレーザ光が送受信部２１から空中へ発射され、その反射光が受光装置２３で受光され、その受光された反射光の周波数と、先に発射したレーザ光の周波数とに基づき、風速算出部２６により視線方向Ｓ１の風速が求められる（ステップ＃３）。
【００６６】
続いて、駆動部２１１により、視線方向Ｓ２へレーザ光が発射されるよう、送受信部２１の発射方向が調整され（ステップ＃４）、同様にして風速算出部２６により視線方向Ｓ２の風速が求められる（ステップ＃５）。そして、前記ステップ＃３及びステップ＃５で求められた値から、風速算出部２６により測定ポイントＰにおける風速の瞬時値が算出される（ステップ＃６）。かかる風速の瞬時値（風速Ｖｒ及び風速Ｖｘ）は、風速算出部２６に備えられているメモリ等に一時的に格納される。
【００６７】
その後、風速測定時間として設定されている所定時間（例えば１０分間）が経過したか否かが確認され（ステップ＃７）、未経過である場合は（ステップ＃７でＮＯ）、ステップ＃１に戻って処理が繰り返される。一方、所定時間が経過した場合は（ステップ＃７でＹＥＳ）、その所定時間内においてステップ＃６で求められた風速Ｖｒ及び風速Ｖｘの平均値μｒ、μｘ、並びにその標準偏差σｒ、σｘが、平均風速算出部２７のデータ処理部２７１にて求められる（ステップ＃８）。そして、演算処理部２７２により、平均風速の真値Ｖ０が求められる（ステップ＃９）。
【００６８】
続いて、風速測定が継続されるか否かが確認され（ステップ＃１０）、継続される場合は（ステップ＃１０でＹＥＳ）、ステップ＃１に戻って処理が繰り返される。他方、継続されない場合は（ステップ＃１０でＮＯ）、風速測定動作が終了される。
【００６９】
（実測例の説明）
図１３は、上記風速計測装置１を用いて、実際に風速測定を行った条件を簡略的に示す図である。ここでは、２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２の傾きを、２視線の中心方向Ｓ０に対して角度θ＝５ｄｅｇの傾きを持たせ、測定距離Ｌ＝７２５ｍの位置に風速計測装置１（送受信部２１）を配置した。なお、距離分解能の範囲△Ｌ＝３００ｍであり、風速測定は風向と風速が一定条件となりやすい障害物の無い海上で行った。
【００７０】
測定に際しては、測定結果の妥当性を確認するため、風力発電設備の建設予定地での風速測定に用いられる風杯型風速計４を、レーザでの測定ポイントＰの中心に設置し、本発明にかかる風速計測装置１を用いて図１２で説明したようなフローで求めた１０分平均の風速値（平均風速演算値Ｖｍｅａｎ及び平均風速の真値Ｖ０）と、風杯型風速計４で得られた同時刻における１０分平均の風速値との比較を行った。表１に、このような比較を３回行った結果を示す。なお、風速の単位は［ｍ／ｓ］である。
【００７１】
【表１】
0004649284.tif 000012
【００７２】
表１から明らかな通り、風速計測装置１により求められた１０分平均の平均風速演算値Ｖｍｅａｎは、風杯型風速計４により計測された１０分平均値に比べ大きな値になっているが、平均風速算出部２７で求められた１０分平均値Ｖ０（平均風速の真値Ｖ０）は、風杯型風速計４による計測値に近い値となっており、本発明にかかる風速計測装置１による風速測定の正確さが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施形態にかかる風速測定装置１による風速測定状況を模式的に示す図である。
【図２】２つの視線方向Ｓ１、Ｓ２の風速から、測定ポイントＰ付近における風向Ψと風速Ｖを算出する方法を説明するための模式図である。
【図３】風向による風速のバラツキ範囲を模式的に示した説明図である。
【図４】風向角度と風速のバラツキとの関係を説明するための図である。
【図５】風向角度と風速のバラツキとの関係を説明するための図である。
【図６】標準偏差をパラメータとした風速のバラツキ範囲を示す説明図である。
【図７】風速の平均値からオフセットを除去する考え方を模式的に示す図である。
【図８】本発明にかかる風速計測装置の構成を示すブロック図である。
【図９】波動ビームとしてレーザ光を用いた場合の距離の測定原理を示す模式図である。
【図１０】波動ビームとしてレーザ光を用いる場合の風速測定原理を示す模式図である。
【図１１】風速計測装置による測定手法を説明するための図である。
【図１２】風速計測装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１３】風速計測装置を用いて、実際に風速測定を行った条件を簡略的に示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１      風速計測装置
２１    送受信部
２２    レーザ光発生装置（送信部）
２３    受光装置（受信部）
２５    測定制御部
２６    風速算出部
２７    平均風速算出部
２７１  データ処理部
２７２  演算処理部
Ｓ１，Ｓ２  ２つの視線方向
Ｐ      測定ポイント
【図１】
0004649284.tif 000013
【図２】
0004649284.tif 000014
【図３】
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【図４】
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【図５】
0004649284.tif 000017
【図６】
0004649284.tif 000018
【図７】
0004649284.tif 000019
【図８】
0004649284.tif 000020
【図９】
0004649284.tif 000021
【図１０】
0004649284.tif 000022
【図１１】
0004649284.tif 000023
【図１２】
0004649284.tif 000024
【図１３】
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