(57)【要約】  本発明は、風の速さの測定のための動き安定ＬＩＤＡＲ（１００）であるＭＳ−ＬＩＤＡＲに関し、ＭＳ−ＬＩＤＡＲは、レーザレーダであるＬＩＤＡＲ（１０）に装着されるプローブ端部（３０）と浮力があるプラットフォーム（８０）に装着されるベース端部（４０）とを有する安定化ユニット（２５）を備え、安定化ユニット（２５）はベース端部（４０）の動きをプローブ端部（３０）から少なくとも部分的に分離するように構成されており、プローブ端部（４０）に対し固定した関係で装着されたＬＩＤＡＲ（１０）と、プローブ端部（３０）に対し固定した関係にある動き検出器とを備え、ＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）は、１つ以上の遠隔プローブ空間部分における風の速さを測定するように配置されている。
2015502540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風の速さの測定のための動き安定ＬＩＤＡＲ（１００）であるＭＳ−ＬＩＤＡＲであって、
レーザレーダであるＬＩＤＡＲ（１０）に装着されるプローブ端部（３０）と浮力があるプラットフォーム（８０）に装着されるベース端部（４０）とを有する安定化ユニット（２５）を備え、前記安定化ユニット（２５）は前記ベース端部（４０）の動きを前記プローブ端部（３０）から少なくとも部分的に分離するように構成されており、
前記プローブ端部（４０）に対し固定した関係で装着されたＬＩＤＡＲ（１０）と、
前記プローブ端部（３０）に対し固定した関係にある動き検出器とを備え、
前記ＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）は、１つ以上の遠隔プローブ空間部分における風の速さを測定するように配置されている、ＭＳ−ＬＩＤＡＲ。
【請求項２】
前記安定化ユニット（２５）は、前記ベース端部（４０）のピッチ、ロール、およびヨーの動きのうちの１つ以上を前記プローブ端部（３０）から少なくとも部分的に分離するように配置されている、請求項１に記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）。
【請求項３】
前記動き検出器（５０）は、前記プローブ端部（３０）のピッチ、ロール、およびヨーの動きのうちの１つ以上を測定するように配置されている、請求項１または２に記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）。
【請求項４】
前記遠隔プローブ空間部分は、前記ベース端部（４０）に対して未知の位置にある、請求項１〜３のいずれかに記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）。
【請求項５】
前記ＬＩＤＡＲ（１０）はパルス波ＬＩＤＡＲであり任意でスキャンＬＩＤＡＲである、請求項１〜４のいずれかに記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）。
【請求項６】
前記安定化ユニット（２５）はジンバル機構を含む、請求項１〜５のいずれかに記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）。
【請求項７】
前記１つ以上の遠隔プローブ空間部分における風の速さと、空間の中の固定点に対する前記プローブ空間部分の位置とを、前記動き検出器（５０）から取得したデータを用いて計算するように構成されたプロセッサ（６０）をさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）。
【請求項８】
前記プロセッサは、前記ＬＩＤＡＲ（１０）および前記動き検出器（５０）から取得したデータに適用される補正方法を用いて風の速さの測定値を計算するように構成されている、請求項１〜７のいずれかに記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）。
【請求項９】
前記補正方法は、
前記プローブ端部（３０）の回転運動および任意で並進運動に関する情報を前記動き検出器（５０）から取得するステップと、
定期的に一定の間隔で前記動き検出器の情報から変換行列を計算することにより前記プローブ端部（３０）の位置を計算するステップとを含み、前記間隔は前記プローブ端部（３０）の最大角回転運動によって決まり、
前記変換行列から前記プローブ端部（３０）の運動の軌跡を取得するステップと、
前記ＬＩＤＡＲによって取得された風の速さの測定値を、前記プローブ端部（３０）の運動の軌跡について補正するステップとを含む、請求項８に記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）。
【請求項１０】
前記変換行列は、前記動き検出器によって前記プローブ端部（３０）で検出された最大角回転運動が、ロール、ピッチ、およびヨーのうちのいずれか１つにおいて１度を超えないように、定期的に一定の間隔で計算され、または、前記変換行列は毎秒２〜９回計算される、請求項９に記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）。
【請求項１１】
前記補正方法は、
複数の測定視線（１５，１５’−図８）における風の速さの測定値を取得するステップを含み、１つの測定視線は、風の速さを測定する前記視線に沿う異なる測定高さ（ＬｏＳＨ１’，ＬｏＳＨ２’，ＬｏＳＨ３’，ＬｏＳＨ４’，ＬｏＳＨ５’）における複数の遠隔プローブ空間部分を含み、
補間により、前記測定視線（１５’）における前記遠隔プローブ空間部分のうちの２つ以上の間の風の速さのデータを生成するステップと、
前記補間された風の速さのデータおよび前記動き検出器（５０）からのデータから、風の速さを、前記複数の測定視線（１５，１５’）のうちの少なくとも２つにおける大気中の高さの関数として計算するステップとを含む、請求項８に記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）。
【請求項１２】
前記プロセッサはさらに、少なくとも３つの異なる視線ビーム方向を用いて三次元デカルト座標における風の速さのベクトルを計算するように構成されている、請求項８〜１１のいずれかに記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）。
【請求項１３】
浮力があるプラットフォーム（８０）に装着された請求項１〜１２のいずれかに記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）を備えるＭＳ−ＬＩＤＡＲシステム（２００）。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれかに記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）またはＭＳ−ＬＩＤＡＲシステム（２００）の使用を含む、風の速さの測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、風の速さの測定用の、動き安定光検出および測距（Light Detection And Ranging）（ＬＩＤＡＲ）、ならびにＬＩＤＡＲシステムを用いる風の速さの測定方法に関する。より具体的には、本発明は、動き安定ＬＩＤＡＲ（ＬＩＤＡＲ）および浮標等の浮かんでいるプラットフォーム上で使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
風車の配置に適した用地の選択は、風車によって発生したエネルギが、特に風車が沖合にある場合に相当高い建築費を相殺するのに十分であることを確実にするために、重要である。当該技術では、沖合データの記録を、マストに搭載した機械的または超音波風速計および浮標に搭載したＬＩＤＡＲを用いて行なってきた。沖合ＬＩＤＡＲシステムは、たとえばＷＯ２００５／００８２８４から周知である。ＬＩＤＡＲシステムは、風の速さのデータを、空気中に存在する天然エーロゾル（たとえばちり、花粉、水滴等）から散乱したレーザ光に与えられたドップラーシフトを測定することによって、提供する。ＣＯ２レーザに基づくＬＩＤＡＲシステムの一例が、Vaughan and Forrester, Wind Engineering, Vol. 13, No. 1, 1989, pp. 1-15、特にsection 8に記載されている。より最近では、Karlsson et al., Applied Optics, Vol. 39, No. 21, 20 July 2000に記載されている種類の、より低コストの光ファイバに基づくＬＩＤＡＲ装置が開発されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＬＩＤＡＲシステムは、特定の遠隔プローブ空間部分内で反射した放射光に与えられたドップラーシフトを測定し、したがって、伝送される／帰還するレーザビームに平行な方向の風の速さのデータしか取得できない。この技術における課題は、より正確な測定値の取得方法である。可搬型ＬＩＤＡＲシステムは、動かされてその結果読取値に歪が生じる可能性がある。たとえば沖合のＬＩＤＡＲは、波の自然の動きに一部依存して測定空間部分を取得する場合がある。しかしながら、この空間部分は、特定の気象状態の間に大きくなって測定値の精度を低下させる可能性がある。もう一つの課題は、ＬＩＤＡＲ自身の動きが原因で読取値に誤りが生じる可能性があることである。加えて、浮かんでいるＬＩＤＡＲの不規則な動きによって精度がさらに低下する可能性があり、場合によっては空間部分の十分かつ完全なスキャンが行なわれない。当該技術の課題は、ＬＩＤＡＲ自身のどのような運動にも対応しつつ正確に風の速さを測定する方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明のいくつかの実施の形態の概要
本発明のある実施の形態は、風の速さの測定のための動き安定ＬＩＤＡＲ（１００）であるＭＳ−ＬＩＤＡＲに関し、ＭＳ−ＬＩＤＡＲは、
レーザレーダであるＬＩＤＡＲ（１０）に装着されるプローブ端部（３０）と浮力があるプラットフォーム（８０）に装着されるベース端部（４０）とを有する安定化ユニット（２５）を備え、安定化ユニット（２５）はベース端部（４０）の動きをプローブ端部（３０）から少なくとも部分的に分離するように構成されており、
プローブ端部（４０）に対し固定した関係で装着されたＬＩＤＡＲ（１０）と、
プローブ端部（３０）に対し固定した関係にある動き検出器とを備え、
ＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）は、１つ以上の遠隔プローブ空間部分における風の速さを測定するように配置されている。
【０００５】
安定化ユニット（２５）は、ベース端部（４０）のピッチ、ロール、およびヨーの動きのうちの１つ以上をプローブ端部（３０）から少なくとも部分的に分離するように配置されてもよい。
【０００６】
動き検出器（５０）は、プローブ端部（３０）のピッチ、ロール、およびヨーの動きのうちの１つ以上を測定するように配置されてもよい。
【０００７】
遠隔プローブ空間部分は、ベース端部（４０）に対して未知の位置にあってもよい。
ＬＩＤＡＲ（１０）はパルス波ＬＩＤＡＲであってもよく任意でスキャンＬＩＤＡＲであってもよい。
【０００８】
安定化ユニット（２５）はジンバル機構を含んでもよい。
ＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）は、１つ以上の遠隔プローブ空間部分における風の速さと、空間の中の固定点に対するプローブ空間部分の位置とを、動き検出器（５０）から取得したデータを用いて計算するように構成されたプロセッサ（６０）をさらに備えてもよい。
【０００９】
プロセッサは、ＬＩＤＡＲ（１０）および動き検出器（５０）から取得したデータに適用される補正方法を用いて風の速さの測定値を計算するように構成されてもよい。
【００１０】
補正方法は、
プローブ端部（３０）の回転運動および任意で並進運動に関する情報を動き検出器（５０）から取得するステップと、
定期的に一定の間隔で動き検出器の情報から変換行列を計算することによりプローブ端部（３０）の位置を計算するステップとを含んでもよく、この間隔はプローブ端部（３０）の最大角回転運動によって決まり、
変換行列からプローブ端部（３０）の運動の軌跡を取得するステップと、
ＬＩＤＡＲによって取得された風の速さの測定値を、プローブ端部（３０）の運動の軌跡について補正するステップとを含んでもよい。
【００１１】
変換行列は、動き検出器によってプローブ端部（３０）で検出された最大角回転運動が、ロール、ピッチ、およびヨーのうちのいずれか１つにおいて１度を超えないように、定期的に一定の間隔で計算されてもよく、または、変換行列は毎秒２〜９回計算される。
【００１２】
補正方法は、
複数の測定視線（１５，１５’−図８）における風の速さの測定値を取得するステップを含んでもよく、１つの測定視線は、風の速さを測定する視線に沿う異なる測定高さ（ＬｏＳＨ１’，ＬｏＳＨ２’，ＬｏＳＨ３’，ＬｏＳＨ４’，ＬｏＳＨ５’）における複数の遠隔プローブ空間部分を含み、
補間により、測定視線（１５’）における遠隔プローブ空間部分のうちの２つ以上の間の風の速さのデータを生成するステップと、
補間された風の速さのデータおよび動き検出器（５０）からのデータから、風の速さを、複数の測定視線（１５，１５’）のうちの少なくとも２つにおける大気中の高さの関数として計算するステップとを含んでもよい。
【００１３】
プロセッサはさらに、少なくとも３つの異なる視線ビーム方向を用いて三次元デカルト座標における風の速さのベクトルを計算するように構成されてもよい。
【００１４】
ＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）は、浮力があるプラットフォーム（８０）に装着されてもよい。
【００１５】
本発明はまた、本明細書において定められるＭＳ−ＬＩＤＡＲ（１００）またはＭＳ−ＬＩＤＡＲシステム（２００）の使用を含む、風の速さの測定方法に関する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ベース端部とプローブ端部が整列している、本発明の動き安定（motion-stabilized）ＬＩＤＡＲ（ＭＳ−ＬＩＤＡＲ）の図を示す。
【図１ａ】プローブ端部がベース端部の動きから分離されて鉛直方向の向きを維持している、本発明のＭＳ−ＬＩＤＡＲの図を示す。
【図１ｂ】プローブ端部がベース端部の動きから分離されて鉛直方向の向きを維持している、本発明のＭＳ−ＬＩＤＡＲの図を示す。
【図２】プロセッサおよびデータ転送システムが設けられたＭＳ−ＬＩＤＡＲの概略図を示す。
【図３】回転軸が直交している一対のジンバルを有するジンバル機構を安定化ユニットが備えている本発明のＭＳ−ＬＩＤＡＲの一例を示す。
【図４】本発明のＭＳ−ＬＩＤＡＲシステムの一例を示す。
【図５】視線に沿って風の速さを取得するための処理ステップのいくつかを概略的に示す。
【図６ａ】並進運動に対して静止状態のＭＳ−ＬＩＤＡＲの概略図を示す。
【図６ｂ】並進運動するＭＳ−ＬＩＤＡＲの概略図を示す。
【図７】ＭＳ−ＬＩＤＡＲのプローブ端部およびＬＩＤＡＲのロール、ピッチ、およびヨー運動を示す。
【図８】大気中の測定高さに対するＬＩＤＡＲの動きの向きの効果を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
発明の詳細な説明
本発明のシステムおよび方法について説明する前に、記載されている特定の装置、システム、および方法、ならびに組合せは、当然ながら変わり得るので、本発明はこうした装置、システム、および方法、または組合せに限定されないことが、理解されねばならない。また、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるので、本明細書で使用される用語が限定を意図したものでないことも、理解されねばならない。
【００１８】
本明細書で使用される単数形「a」、「an」（１つの）および「the」（その）は、文脈によって明らかに指定されない限り、単数のものおよび複数のもの双方を含む。
【００１９】
本明細書で使用される「comprising」、「comprises」（備える、含む）および「comprised of」（からなる）という用語は、「including」、「includes」（含む）または「containing」、「contains」（含む）と同義で、包括的またはオープンエンドであり、記載されていない追加の部材、要素、または方法ステップを除外しない。本明細書で使用される「comprising」、「comprises」および「comprised of」という用語は、「consisting of」、「consists」および「consists of」（からなる）という用語を含むことがわかるであろう。
【００２０】
境界点による数値範囲の記載は、各範囲に含まれるすべての数および分数とともに記載されている境界点を含む。
【００２１】
本明細書で使用される「約」または「およそ」という用語は、パラメータ、量、時間の長さ等の測定可能な値を指している場合、特定の値が、この特定の値の±１０％以内、好ましくは±５％以内、より好ましくは±１％以内、さらに好ましくは±０．１％以内で変動することを、このような変動が開示されている発明を実施するのに適切である限りにおいて、意図している。修飾語「約」または「およそ」が指している値そのものも具体的にかつ好ましくは開示されていることが理解されるはずである。
【００２２】
一群の構成部材のうちの１つ以上または少なくとも１つの構成部材といった場合の「１つ以上」または「少なくとも１つ」という用語は、それ自体明らかであるが、さらに具体例を示すと、この用語は特に、前記構成部材のうちのいずれか１つまたは前記構成部材のうちのいずれか２つ以上、たとえば前記構成部材のうちの３つ以上、４つ以上、５つ以上、６つ以上、または７つ以上等、かつ前記構成部材全数以下であることを意味する。
【００２３】
本明細書に引用された文献はすべて、それらの全体を本明細書に引用により援用する。特に、本明細書で具体的に言及されているすべての引用文献の教示を引用により援用する。
【００２４】
特に指定のない限り、本発明の開示において使用されるすべての用語は、技術用語および科学用語を含めて、本発明が属する技術の当業者によって共通に理解される意味を有する。さらに手引きとして、用語の定義が本発明の教示のよりよい認識のために含まれる。
【００２５】
以下の文章において、本発明のさまざまな側面がより詳細に定義されている。定義された各側面を、特に指定のない限り、その他１つまたは複数の側面と組合わせてもよい。示されているいずれかの特徴を他のいずれかの特徴と組合わせてもよい。特に、好ましいまたは好都合であると示されているいずれかの特徴を、好ましいまたは好都合であると示されているその他１つまたは複数の特徴と組合わせてもよい。
【００２６】
本発明をここで説明するにあたり、その一部を構成する添付の図面に言及している。図面には、本発明を実施し得る具体的な実施の形態が専ら例示として示されている。各構成要素に付された括弧の中のまたは太字で示された参照番号は、この要素を例示するためだけのものであって各要素を限定することは意図していない。本発明の範囲から逸脱することなく、その他の実施の形態が利用されてもよく、構造的または論理的変更がなされてもよいことが、理解されるはずである。したがって、以下の詳細な説明は限定の意味で解釈されてはならず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定められる。
【００２７】
本発明は、動き安定ＬＩＤＡＲ（ＭＳ−ＬＩＤＡＲ）を提供する。ＬＩＤＡＲは、１つ以上の遠隔プローブ空間部分における風の速さの測定値を取得するように配置されている。遠隔空間部分は、空間の中の固定点に対してたとえば地球に対して実質的に不変であり、たとえば、地面または海底または海面を基準として測定された位置である。
【００２８】
本発明のＭＳ−ＬＩＤＡＲは、ベース端部とプローブ端部とを有する安定化ユニットを備える。ベース端部は浮力があるプラットフォームに装着されるように構成されている。プローブ端部はＬＩＤＡＲに装着されるように構成されている。安定化ユニットは、ベース端部の動きをプローブ端部の動きから、少なくとも部分的に、好ましくは完全に分離する。安定化ユニットは、ＬＩＤＡＲを実質的に鉛直方向の位置に保つ。安定化装置は、ベース端部をプローブ端部に接続し、上記ベース端部の運動を上記プローブ端部の運動から少なくとも部分的に、好ましくは完全に分離する機構を含む。
【００２９】
ベース端部（「ベース」、「ベース部」または「ベース部材」としても知られている）は、浮力があるプラットフォームに恒久的にまたは取外し可能な状態で接続されるように構成されてもよい。ベース端部はベースプレートを含んでもよい。取外し可能な状態での接続によって、ＭＳ−ＬＩＤＡＲを点検修理および交換のために取外すことができ、これによってダウンタイムを回避できる。プローブ端部（「プローブ装着部」、「プローブ装着部材」としても知られている）は、恒久的にまたは取外し可能な状態でＬＩＤＡＲに接続されるように構成されてもよい。プローブ端部はＬＩＤＡＲを収容するキャビティまたはスペースを含んでもよい。取外し可能な状態での接続によって、ＬＩＤＡＲを点検修理および交換のために取外すことができ、これによってダウンタイムを回避できる。
【００３０】
安定化ユニットおよびその中の安定化装置によって分離される動きは、回転（角）運動または並進運動またはこれら双方であってもよいが、回転運動のみであることが好ましい。典型的には、浮力があるプラットフォームのピッチおよび／またはロールの動きのうちの少なくともいくつか、好ましくはすべてが安定化装置によって吸収される。ヨー（コンパス方位）の動きは分離してもしなくてもよい。安定化ユニットに鑑みると、本発明に従い測定されるプローブ空間部分は、ベース端部したがって浮力があるプラットフォームからは未知の位置にある。好都合には、安定化ユニットにより、１つ以上の遠隔プローブ空間部分は、空間の中の固定点に対して実質的に不変のままであることができ、たとえば地面または海底を基準として測定された位置である。よって、さもなければ浮力があるプラットフォームのロールおよびピッチによって拡大されるプローブ空間部分は減じられまたは回避され、よって、風の速さおよび／または速度をより正確に求めることができる。
【００３１】
安定化ユニットの安定化装置は、ベース端部の動きをプローブ端部の動きから少なくとも部分的に好ましくは完全に分離する。安定化装置は、受動機構、たとえば自在継手またはジンバル機構または玉継手であってもよい。ジンバル機構は、直交配置された一対のジンバルを備えていてもよい。全体の消費電力に影響しない受動安定化装置は好ましい。しかしながら、たとえばジャイロスコープによる安定化に基づいた、または、プローブ端部を実質的に一定のレベルに能動的に維持する電気機械システム（サーボモータ）による閉ループフィードバックにおける電子動きセンサに基づいた、能動安定化装置を採用する場合もあることも考えられる。
【００３２】
本発明のＭＳ−ＬＩＤＡＲはさらに、風の速さおよび／または速度の測定値を記録するように構成されたＬＩＤＡＲ機器を含む。ＬＩＤＡＲは、レーザと光センサとを備える。ＬＩＤＡＲのレーザは、ＬＩＤＡＲからのビームの特定方向である視線（line of sight）（ＬｏＳ）に沿って、レーザビームを送る。空気中の粒子によって散乱した光は反射して戻され、ＬＩＤＡＲの光センサによって検出される。風の速さの測定値は、ＬｏＳに沿う光を散乱する粒子の運動によって生じたドップラー効果を利用して求められる。戻された風の速さはＬｏＳの方向である。風車に応用する場合に関連する、測定値の水平成分は、ＬｏＳの長さと、水平線に対するＬｏＳの角度の、わかっている値を用いて、戻された風の速さから計算できる。
【００３３】
図５は、固定された位置のパルスＬＩＤＡＲの典型的な測定プロセスを説明する。一本のＬｏＳに沿って複数の測定値をＬＩＤＡＲによって取り、これら測定値を平均することによって雑音を減じる。典型的には、およそ１００００の短いパルスがＬｏＳに沿って伝送される。パルスの長さは測定の高さをある程度決定し、パルスが長いほど高さは高くなる。パルスの長さはたとえば０．８マイクロ秒であってもよい。パルスに起因しセンサによって検出される帰還信号は各々、ＬｏＳの複数の接平面を通してドップラー修正された周波数を含む。時間領域の各帰還信号６２は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて周波数領域に変換される。特定の高さにおける風の速さの情報を取得するために、帰還信号６２を、レンジゲート（range gate）として知られている複数のウィンドウ６２ａ／６３ａ、６２ｂ／６３ｂ、６２ｃ／６３ｃ、６２ｄ／６３ｄ、６２ｅ／６３ｅに分割してもよい。レンジゲート６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ、６３ｅのうちの１つ以上、好ましくはすべての信号を、周波数領域に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）することによって、複数の周波数ピーク６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄ、６４ｅを取得する。これら周波数ピークはそれぞれ、ＬｏＳに沿う異なる測定高さにおける光の周波数および強度に関連する。これら信号を、ＦＦＴの前または後に平均（ＡＶＧ）することによって、信号対雑音比が改善された複数のピーク６５ａ、６５ｂ、６５ｃ、６５ｄ、６５ｅを取得する。周波数領域の、高さに関連する信号のうちの１つ以上を、伝送された光の周波数６１と比較（ＣＭＰ）したものが６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、６６ｄ、６６ｅであり、２つの差を示すことによってＬｏＳに沿う、図面では高さＨ１〜Ｈ５における風の速さの計算（ＳＰＤ）を行なうことができる６７ａ、６７ｂ、６７ｃ、６７ｄ、６７ｅ。ＬｏＳに沿う測定高さと、水平線に対するＬｏＳの角度の、わかっている値を用いて、測定値の大気中における高さを求めることができる。測定値の水平成分も、ＬｏＳの長さと、水平線に対するＬｏＳの角度の、わかっている値を用いて計算してもよい。
【００３４】
好都合には、複数の位置にある遠隔プローブ空間部分から風の速さの測定値を得るようにＭＳ−ＬＩＤＡＲを配置することによって、真の風の速度ベクトルを求めることができる。たとえば、ＭＳ−ＬＩＤＡＲのＬＩＤＡＲは、ビームスキャナを備えることが好都合であろう。このようにして、ＭＳ−ＬＩＤＡＲのプローブ端部に対してわかっている位置にある、複数の遠隔プローブ空間部分を提供できる。ビームスキャナを含めることは好都合であるが必須ではない。ビームスキャナは、レーザビームが異なる方向でスキャンするように配置されることが好都合である。これらの方向が、あるパターン（たとえば円錐）を構成し得る。好ましくは、スキャンは、円錐形の空気容積の周りにおける３つ以上、好ましくは４つの異なる方向それぞれにおける別々のビーム測定を含む。円錐の角度は２８度が好ましい。このようにして取った測定値は往々にして径方向の風の速さの測定値として知られる。異なる方向であるパターンのスキャンを実行することによって、風の速さの測定値をある範囲の角度で交差させることができ、それによって、真の速度ベクトルを空間内のある領域について差引くことができる。円錐形以外のスキャンパターンは、周知であり、ＬＩＤＡＲの範囲および指し示す（または見る）方向が常に十分な精度でわかっている限り、真の風の速度ベクトルを求めるために使用することができる。本発明のある側面に従うと、安定化ユニットによって完全には補償されないプローブ端部単独の運動（たとえば波の動きによって生じるロールおよびピッチ）が、消費電力が小さい受動ビームスキャナをもたらし得る。
【００３５】
ＬＩＤＡＲはバイスタティックであることが好都合であろう。バイスタティックＬＩＤＡＲシステムは、別々の送信光学装置および受信光学装置を有する。モノスタティックＬＩＤＡＲシステムも知られており、これは、共通の送信光学装置および受信光学装置を有するのでそう呼ばれている。バイスタティックシステムの、互いに平行でない送信ビームと受信ビームは特に好都合である。その理由は、これらビームが特定のポイントで交差するように配置されることによって、正確に遠隔プローブ空間部分（すなわちドップラーによる風の速さの測定値を得る空間の中の領域）を定めることができる点にある。プローブ空間部分を制限すると、分布するターゲットについての帰還信号の強さを減じることになるかもしれないが、スプリアス反射によって発生する雑音は、モノスタティックシステムとい比較すると大幅に小さい。
【００３６】
好ましくは、ＬＩＤＡＲは光ファイバに基づく。たとえば、ＬＩＤＡＲは、Karlsson et al., Applied Optics, Vol. 39, No. 21, 20 July 2000に記載されている種類のものであってもよい。ファイバに基づくＬＩＤＡＲシステムは、小型で消費電力が小さく頑丈なので、ＣＯ２レーザに基づくシステムよりも好都合である。
【００３７】
ＬＩＤＡＲはパルス波ＬＩＤＡＲであっても連続波ＬＩＤＡＲであってもよい。好ましくはパルス波ＬＩＤＡＲである。
【００３８】
好都合には、ＭＳ−ＬＩＤＡＲはさらに、プローブ端部の、したがってＬＩＤＡＲのおよび遠隔プローブ空間部分の動きをモニタリングするように構成された動き検出器を備える。よって、動き検出器により、ＬＩＤＡＲの遠隔プローブ空間部分の向きおよび／または絶対位置を、風の速さの測定値各々について求めることができる。これにより、動きの軌跡を求めることができる。本明細書において、絶対位置という用語は、空間内の（たとえば地球上の）固定点を基準として定められた、空間内の位置であり、たとえば、地面または海底を基準として測定された位置である。遠隔プローブ空間部分の相対位置を遠隔プローブ空間部分の絶対位置に変換するときの精度は、動き検出器の精度によって決まるであろうことが、理解される。典型的に、動き検出器の精度は、角度にしておよそ１度であり、（任意の方向の）速度にして毎秒数センチメートルである。動き検出器はＭＳ−ＬＩＤＡＲのプローブ端部に対して固定した関係で搭載されることが好ましい。
【００３９】
本発明は、このように、空間における絶対位置での風の速さに関する信頼性の高いデータを与えることができるＭＳ−ＬＩＤＡＲを提供する。好都合には、複数の絶対位置における遠隔プローブ空間部分から得た風の速さの測定値によって、空間の所与の領域における（たとえば風車の潜在的な位置における）真の風の速さおよび／または速度ベクトルを求めることができる。
【００４０】
好都合には、動き検出器が、ベース端部の動きとは関係なく、プローブ端部したがってＬＩＤＡＲの速度をモニタリングし、１つ以上の遠隔プローブ空間部分の、取得された風の速度の測定値を、プローブ端部のどのような小さな速度についても補正することができる。
【００４１】
動き検出器は、多数の動きセンサのうちの１つ以上を含み得る。この動き検出器で使用される動きセンサの種類は、プローブ端部で、したがって接続されたＬＩＤＡＲでなされる動きの種類によって決まり、データに対するこの動きの効果が得られる。動きセンサを組合わせることによって、ＬＩＤＡＲのプローブ空間部分の向きおよび／または位置を、測定値毎に求めることができる。動き検出器は、測定値が記録されているときに作動させてもよい。動き検出器は、収容された１つの装置として設けられても、各センサに対して１つの装置が対応する、複数の装置が収容されたものであってもよいことが、理解される。
【００４２】
動き検出器がヨー（回転）センサを含むことが好都合であろう。言い換えると、コンパスの方向（すなわち装置が向く方位）が測定される。これにより、プローブ端部の、したがってＬＩＤＡＲのコンパス方位を求めることができるので、風の方向を計算できる。ヨーセンサは、ＭＳ−ＬＩＤＡＲのプローブ端部に対して固定した関係で搭載されることが好ましい。ヨーセンサはコンパスセンサに基づくものであってもよい。
【００４３】
動き検出器はロールセンサおよび／またはピッチ（回転）センサを備えることが好都合であろう。たとえば、二次元ピッチおよびロールセンサを設けてもよい。ロールおよびピッチ双方を測定する場合、このセンサは往々にして傾きセンサとして知られるものである。これによって、プローブ端部の、したがってＬＩＤＡＲの傾きを求めることができるので、風の方向を計算できる。ロールセンサおよび／またはピッチセンサは、ＭＳ−ＬＩＤＡＲのプローブ端部に対して固定した関係で搭載されることが好ましい。ロールおよび／またはピッチセンサはジャイロスコープセンサに基づくものであってもよい。
【００４４】
好都合には、動き検出器はヒーブ（上下揺）（heave）センサを備えてもよい。このセンサは、測定プラットフォームの鉛直速度を求めるのに使用され、したがって、ＭＳ−ＬＩＤＡＲの鉛直位置の変化を確定できる。測定された鉛直速度成分も用いて、測定された風の速さの鉛直成分を補正してもよい。ヒーブセンサは、ＭＳ−ＬＩＤＡＲのプローブ端部またはベース端部に対して固定した関係で装着されてもよい。ヒーブは、加速度計および／またはジャイロスコープセンサに基づくものであってもよい。
【００４５】
動き検出器が並進（スウェイ（左右揺）（sway）および／またはサージ（前後揺）（surge））センサを備えることも好都合であろう。このセンサは、測定プラットフォームの（二次元における）水平速度を求めるのに使用され、ＭＳ−ＬＩＤＡＲの位置を求めることができるようにする。これは所与の方向における速さを検出することが好ましい。測定された水平速度も用いて、測定された風の速さの水平成分を補正してもよい。並進センサは、ＭＳ−ＬＩＤＡＲのプローブ端部またはベース端部に対して固定した関係で装着されてもよい。スウェイまたはサージセンサは、加速度計および／またはジャイロスコープセンサに基づくものであってもよい。
【００４６】
グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）も設けてＭＳ−ＬＩＤＡＲの絶対位置をモニタリングしてもよい。ＭＳ−ＬＩＤＡＲが定められた領域の中に留まるという制約があった場合、一般的に並進センサは不要である。しかしながら、たとえばＭＳ−ＬＩＤＡＲが装着されるプラットフォームがつながれた浮標であった場合、現在の低コストのＧＰＳシステムによって提供されるおおよその位置情報によって、（たとえば海洋調査のために）漂流するプラットフォームの位置をモニタリングすることができ、または、単純に係留の失敗または盗難から守る。ＧＰＳは、ＭＳ−ＬＩＤＡＲのプローブ端部またはベース端部に対して固定した関係で装着されてもよい。
【００４７】
本発明の特定の側面に従うと、動き検出器は、ジャイロによって強化された姿勢方位基準システム（Attitude and Heading Reference System）（ＡＨＲＳ）を備える。このようなＡＨＲＳは当該技術では周知であり、たとえばＸｓｅｎｓが製造するＭＴｉである。ＡＨＲＳは、好ましくは、ドリフトがない三次元方位だけでなく、較正された三次元加速度、三次元旋回率（レートジャイロ）および三次元地磁界データを提供する、内部ローパワー信号プロセッサを含む。これは、好ましくは、１つ以上の三次元加速度センサ（すなわち三次元方位の３つのセンサ）、１つ以上の三次元ジャイロセンサ、１つ以上の三次元磁気センサ、１つ以上の温度センサ、１つ以上の静圧センサ、および１つ以上のＧＰＳ受信機のうちの、１つ以上、好ましくはすべてを含む。プロセッサは、較正、誤り訂正、および有用データへの集約のための、１つ以上の埋込みアルゴリズムおよびフィルタを採用してもよい。異なるセンサを計算に取入れる方法に関する構成は、ＡＨＲＳを使用する状況に合わせることができる。
【００４８】
１つまたは複数のセンサを設けて上記センサ機能をすべてまたは上記センサ機能を組合わせたものを果たすことができることが、当業者にはわかるであろう。たとえば、１つの絶対測位および方位センサを、これが十分正確でかつ入手可能であれば、回転、ロール、ヒーブ、および位置の測定に使用することが可能である。
【００４９】
風の速さの計算は、水平の一様性（ビーム平均の仮定）、測定用ビーム間距離の一定の速さ、およびビーム測定空間部分の中での空間変動を含む、いくつかの仮定に依拠し得る。しかしながら、実際は、たとえば海での並進および角運動が原因でＬＩＤＡＲが動く可能性があり、これが、風の速さの測定に利用するドップラー効果に加わる可能性があり、風の速さの読取値に歪が生じる可能性がある。運動は必ずしも安定化装置によって減衰されないであろう。加えて、またはその代わりに、ＬＩＤＡＲの運動が原因で大気中の測定高さが異なれば、結果として読取値に、特に風の速さのベクトルの計算に歪が生じる。その結果、風の速さの測定値を、ＬＩＤＡＲの動きについて、加えてまたはその代わり大気中における異なる測定高さについて、補正する必要がある。
【００５０】
本発明はこのように、動き検出器によって測定されたプローブ端部のしたがってＬＩＤＡＲの運動を考慮するために、取得した風の速さの測定値を補正する方法を提供する。特に、動いているプローブ端部のしたがってＬＩＤＡＲの速さを、風の速さの読取値から減算してもよい。この方法は、その代わりに、またはそれに加えて、補間を用いて測定値間の、大気中の測定高さの差を、補正してもよい。
【００５１】
風の速さの測定値に対する、ＬＩＤＡＲの動きの効果について、以下でより詳細に説明する。このＭＳ−ＬＩＤＡＲは動きが安定しているが、ベース端部が動いている場合プローブ端部に小さな運動が発生する可能性がある。これらの運動は、安定化装置によって安定化されないかもしれない小さな角運動および／または並進運動である場合がある。プローブ端部の動きはＬＩＤＡＲに伝達され、測定プロセスに影響を与え、結果として、測定値は、特定の高さにおけるＬＩＤＡＲビームの速さと、視線に沿った実際の風の速さで構成された、複合された風の速さである。この現象をより良く説明するために、プローブ端部３０の並進運動を考慮した、以下の単純化された例が、図６ａおよび図６ｂに示されている。図６ａおよび図６ｂは、プローブ端部３０と、ベース端部４０と、ベース端部４０とプローブ端部３０を接続する安定化装置２０とを有する安定化ユニット２５を備えた本発明のＭＳ−ＬＩＤＡＲ１００を示す。ＬＩＤＡＲ１０はプローブ端部３０の上に搭載されている。図６ａおよび図６ｂにおいて、安定化ユニット２５は、ベース端部が中間位置からずれたときに、プローブ端部３０およびＬＩＤＡＲ１０の実質的に鉛直方向の位置を維持する。図６ａにおいて、空気容積９２を、プローブ端部３０が静止しているときに測定する。
【００５２】
【数１】
2015502540.tif 000003
【００５３】
これらの速さのベクトルの増加は、図６ｂにおいて太い黒の矢印で示されている。結果として得られた測定値は、プローブ端部３０したがってＬＩＤＡＲのビーム１５の動きによって拡大した空気容積９６に対応する。結果として得られた風の速さのベクトルは、総計すると、測定高さにおける実際の風の流れ９０とプローブ端部ＬＩＤＡＲの動き９４の組合せになる。このように、プローブ端部が移動することによって実際の風の流れ９０の測定値に歪が生じる。
【００５４】
上記説明はプローブ端部の並進運動に関して行なわれているが、測定値の歪はプローブ端部の角運動からも生じ得ることが十分に理解される。
【００５５】
したがって、本発明の補正方法は、実際の風の速さ、特に水平成分等のベクトル成分または三次元デカルト座標の風の速さのベクトルの計算における、プローブ端部の並進および／または角運動を補償する。言い換えると、動き検出器から受けたデータを、コンピュータによって実現される補正方法によって使用して、風の速さの測定値を補償してもよい。具体的には、プローブ端部の一次元、二次元、または三次元の並進運動を、測定された風の速さから減算することによって、実際の風の速さを計算してもよい。
【００５６】
動き検出器からの入力を用い、かつ運動力学の等式を用いて、補正方法により変換行列を構成してもよい。この場合、プローブ端部の所与の位置について、固定された座標系における測定値の位置を求めることができる（三次元測位）。変換行列全体は、円錐の角度およびセンサの位置等の固定された１つ以上の成分を有し得るＬＩＤＡＲの幾何学的形状によって決まる。行列は、回転および測定高さを含め１つ以上の変数を有し得る。測定値の位置を、空間の中、好ましくは固定された座標系において求めてもよい。座標系の一例を図７に示す。プローブ端部３０の中にある動き検出器の測定座標系が示され、示されている軸を中心としてロール３２、ピッチ３４、およびヨー３６の動きが発生し得る。また、西（Ｗ）、南（Ｓ）、北（Ｎ）、および東（Ｅ）それぞれに、別々の４つの径方向視線ビーム位置１５、１５’、１５”、１５”’が示されている。これらの位置各々を使用することによって別々の風の速さの測定値を求める。
【００５７】
典型的な変換行列の構成を一般化したものが式１に示されている。
【００５８】
【数２】
2015502540.tif 000004
【００５９】
この行列の上段左側の部分は、三次元参照座標系における回転を表わす。この座標系は動き検出器の座標系であることが好ましい。この行列の上段右側の部分は並進運動部分を表わす。この並進運動は、対象とする測定高さに影響するであろう鉛直並進運動（たとえば海でのヒーブ）に起因し得る。この行列の下段部分は（左側および右側それぞれにおいて）スケールとズームを表わす。スケールおよびズームは必ずしも使用しなくてもよい。
【００６０】
測定プロセスにおけるプローブ端部またはＬＩＤＡＲの回転を説明するために、以下の別々の変換行列（Ｔ１〜Ｔ３）を構成してもよい。
【００６１】
Ｔ１：動き検出器の座標系に対するプローブ端部またはＬＩＤＡＲの回転運動
Ｔ２：特に測定高さについてのプローブ端部またはＬＩＤＡＲの並進運動
Ｔ３：プローブ端部またはＬＩＤＡＲの回転位置に依存する測定高さでの測定値の回転
最終的な変換行列は、式２の変換行列の乗算のシーケンスによって取得してもよい。
【００６２】
【数３】
2015502540.tif 000005
【００６３】
この最終行列を、補正を要する１つまたは複数の動きに応じて解いてもよい。式２を、たとえば北のビーム（図７）におけるＬＩＤＡＲの動きについて解くと、北のビームにおけるプローブ端部またはＬＩＤＡＲの動きに対する、測定高さの変化は、総計で式３のＨｂ１に達する。
【００６４】
【数４】
2015502540.tif 000006
【００６５】
式中、ｆｂａは円錐の角度（２８°に固定）であり、ａ、ｂ、ｇは、動きセンサからのヨー、ピッチ、およびロール角度の入力であり、ｌは対象とする測定高さである。
【００６６】
補正方法を適用するにあたり、動き検出器によって検出された回転運動およびそれほどではないにしても並進運動が、変換行列によってプローブ端部開始位置に適用される順序は重要である、すなわち、回転運動の変換は交換できない。小さい回転角度については、回転シーケンスの重要性は限られている。より大きな回転角度については、回転のシーケンスはより重要になる。したがって、この補正方法は、各回転運動（ロール、ピッチ、ヨー）の角度が小さいときに、変換行列を計算する。小さな回転角度は、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、または０．１度に等しいかそれよりも小さいとみなし得る。言い換えると、これらはプローブ端部（３０）の最大角回転運動であろう。変換行列を、動き検出器によって検出された更新された角度に基づいて再計算し、新たなＬＩＤＡＲの向きを反映する。
【００６７】
この行列をより高い頻度で定期的に再計算することによって、角度の小さな変化が本質的に与えられる。よって、これに代えてまたはこれに加えて、変換行列をより高い頻度で定期的に計算してもよい。このことによって大きな回転角度がより大きくなるのに十分な時間が生じる訳ではない。変換行列を高い頻度で定期的に計算することで、行列が、毎秒０．２、０．４、０．５、０．６、０．８、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９または２０回以上のレートで、または、上記値のうちのいずれか２つの間の範囲に含まれる値のレートで再計算されることが意図されている。好ましくは、変換行列は、毎秒２回以上、好ましくは毎秒２〜９回のレートで再計算される。最大角回転運動および／または最小計算レートを設定してもよい。
【００６８】
好都合には、小さな回転角度および／または変換行列と組合される高い再計算頻度を使用することによって、サンプリング時間を短縮できる。本発明を用いると、高い測定品質が得られるとともに、先行技術と比較してパルスは少なくなる。たとえば、本発明を用いると２０００パルスであり、これによって、０．２秒毎に読取が行なわれる。パルスの減少によって消費電力が削減される。代わりに、これは、同じ時間枠の中でより多くのサンプルを得ることが可能であることによって、より高い分解能でデータを提供し得る。
【００６９】
よって、本発明のある側面に従うと、補正方法は、
プローブ端部（３０）の回転運動および任意で並進運動に関する情報を動き検出器（５０）から取得するステップと、
定期的に一定の間隔で動き検出器の情報から変換行列を計算することによりプローブ端部（３０）の位置を計算するステップとを含んでもよく、この間隔はプローブ端部（３０）の最大角回転運動によって決まり得るものであり、
変換行列からプローブ端部（３０）の運動の軌跡を取得するステップと、
ＬＩＤＡＲによって取得された風の速さの測定値を、プローブ端部（３０）の運動の軌跡について補正するステップとを含んでもよい。
【００７０】
この変換行列を、新たな角度に基づいて計算して、動き検出器によってプローブ端部（３０）で検出された最大角回転運動がロール、ピッチ、およびヨーのうちのいずれの１つにおいても１度を超えないようにしてもよく、または、変換行列を毎秒２〜９回再計算してもよい。
【００７１】
この変換の結果得られるのは動きの軌跡である。動きの軌跡は、（たとえば動き検出器に対して）固定された座標系におけるプローブ端部の軌跡の座標をもたらす。これはまた、この軌跡に沿う動きの速さももたらし得るものであり、測定された風の速さおよび計算されたベクトルの減算または加算による補正に役立つ。これはまた、この軌跡に沿う動きの加速度ももたらし得るものであり、重み付けされた風の速さの平均を取得するのに役立つであろう。
【００７２】
ビーム測定値間のＬＩＤＡＲの動きは、この測定値を同一のＬｏＳビーム方向（たとえば図７のＮ）で取ったとしても異なるＬｏＳビーム方向（たとえば図７のＮ、Ｓ、Ｅ、Ｗ）で取ったとしても、戻される風の速さの値の歪につながり得る。たとえば、同一のＬｏＳ方向における連続した測定値間（たとえば数個のＮの読取値間）のＬＩＤＡＲの角位置の変化、または、異なるＬｏＳ方向における連続した測定値間（たとえばＮとＳの読取値間）のＬＩＤＡＲの角位置の変化は、大気中の異なる高さにおける風の速さの測定値をもたらし、測定値が異なる高さで取られたことを考慮して、動き検出器からのデータを用いて測定値を大気中の特定の高さに合わせてもよい。
【００７３】
これは図８に示される。ＬｏＳ１５、１５’に沿う典型的なＬＩＤＡＲの風の速さの測定は、ＬｏＳに沿う異なる測定高さ（ＬｏＳ高さ）における風の速さの複数の測定値を含む。このＬｏＳ高さは一般的に、すべての読取値に対して固定されたままである。本明細書において、ＬｏＳ高さまたはＬｏＳ測定高さは、ＬＩＤＡＲのビームに沿って、ＬＩＤＡＲから、風の速さの測定値を取る大気中の位置までの距離を指す。大気中の高さは、実質的に、風の速さの測定値を取る大気中の位置から、実質的にＬＩＤＡＲと同じ高さの仮想水平面までの鉛直距離を指す。
【００７４】
図８において、第１の向きのＬＩＤＡＲ（実線のＬＩＤＡＲ１０）は、ＬｏＳ１５に沿う、５つの異なるＬｏＳ高さＬｏＳＨ１、ＬｏＳＨ２、ＬｏＳＨ３、ＬｏＳＨ４、ＬｏＳＨ５に対応する５つの別々のプローブ空間部分で、風の速さを測定する。これらは、風の速さが望まれる大気中の高さｈ１、ｈ２、ｈ３、ｈ４、ｈ５と交差する。ＬＩＤＡＲが図８に示されるように異なる（第２の）向きを取る場合（点線のＬＩＤＡＲ１０’）、第１の向きと比較すると、５つのＬｏＳ高さＬｏＳＨ１’、ＬｏＳＨ２’、ＬｏＳＨ３’、ＬｏＳＨ４’、ＬｏＳＨ５’が、異なる大気中の高さと交差し、よって、それぞれ異なる大気中の層の風の速さの測定値が戻される。ＬｏＳ読取値の複数のＬｏＳ高さにおける風の速さの測定値を補間すること、すなわち実際のＬｏＳ高さ測定値間の風の速さのデータポイントを生成することは、本発明の１つの側面である。結果として得られるのは、高さが段階的に設定されたＬｏＳの風の速さのデータである。高さが段階的に設定されたＬｏＳは、補間されたデータポイントが１つ以上あるＬｏＳ測定高さを指し、ポイントとポイントの間は一定の間隔であってもよい。図８の第２の向きのＬＩＤＡＲの場合、たとえばＬｏＳＨ１’とＬｏＳＨ２’の間の風の速さおよびＬｏＳ高さのデータを生成してもよい。これにより、たとえ取得したデータでは大気中の高さｈ１における風の速さを直接計算できなくても、この風の速さを計算することができるであろう。このようにして、ある範囲のＬｏＳ高さにおけるＬｏＳ測定値について風の速さのデータが生成され、このデータから、所与の大気中の高さにおける風の速さを、補間された高さデータから、動き検出器からのデータを用いて、求めることができる。結果として得られるのは、段階的に設定された大気中の高さの風の速さのデータであり、ポイントとポイントの間は一定の間隔であってもよい。段階的に設定された大気中の高さは、補間されたデータポイントが１つ以上ある大気中の測定高さを指す。補間による補正によって、１つまたは複数の大気中の高さにおける風の速さを、より正確に計算できる。
【００７５】
補間の技術、たとえば線形補間は、当該技術において周知である。線形補間をたとえば曲線あてはめ（curve fitting）技術と組合わせてもよい。これらは、ｙ＝ａ＊ｘ＋ｂの形態の一次多項式を使用し、ｙは応答、ｘは独立変数、ａ、ｂは線の傾斜および切片を表わす。
【００７６】
したがって、ある側面に従うと、本発明の補正方法は、
複数の測定視線１５，１５’における風の速さの測定値を取得するステップを含んでもよく、１つの測定視線は、風の速さを測定する上記視線に沿う異なる測定高さＬｏＳＨ１’、ＬｏＳＨ２’、ＬｏＳＨ３’、ＬｏＳＨ４’、ＬｏＳＨ５’に位置する複数の遠隔プローブ空間部分を含み、
補間により測定視線１５’の異なるＬｏＳ測定高さ、たとえばＬｏＳＨ１’、ＬｏＳＨ２’における上記遠隔プローブ空間部分のうちの２つ以上の間の風の速さのデータを生成するステップを含んでもよく、結果として得られるのは測定視線１５’における段階状に設定された高さの風の速さのデータであり、上記遠隔プローブ空間部分のうちの２つ以上はＬｏＳに沿って隣合っていることが好ましく、データはＬｏＳのプローブ空間部分すべての間で補間されることが好ましく、
補間された風の速さのデータおよび動き検出器（５０）からのデータから、風の速さを、複数の測定ＬｏＳ１５、１５’のうちの少なくとも２つにおける大気中の高さの関数として計算するステップを含んでもよい。
【００７７】
利用できる帰還信号が、たとえば測定の高さが不十分であることが原因で不十分である場合、別のＬｏＳ方向から取得したデータを使用し向きについて補正してもよい。
【００７８】
異なる方向で取った複数のＬｏＳ  ＬＩＤＡＲデータ測定値を、デカルト測定値、すなわち特定の大気中の高さにおける風の速さのｕ、ｖ、ｗ成分に変換することが、さらに望ましいであろう。これは、たとえば図７（１５、１５’、１５”、１５”’）に示されるように測定円錐における異なる方向で取った異なるビーム測定値を組合わせることによって行なうことができるであろう。なお、本明細書におけるＬｏＳ方向は、たとえば内部ミラーを用いてＬＩＤＡＲが設定するＬＩＤＡＲビームの角位置を意味するが、空間内の固定点に対する方向は、ＬＩＤＡＲの運動の結果変化する可能性がある。変換技術は当該技術において周知である。これはたとえば、http://mst.nerc.ac.uk/v3_signal_processing_overview.html（デカルト座標の風成分の導出）から周知であり、数式は、http://mst.nerc.ac.uk/dbs_wind_deriv.htmlに示されている。これらを本明細書に引用により援用する。
【００７９】
風の速さの測定値を導出するには、典型的に少なくとも２つの径方向成分すなわち異なる方向における２つのビーム測定値が必要である。風の速さの最終的な三次元デカルトベクトルに到達するためには、少なくとも３つの異なるＬｏＳビーム方向における測定値が必要である。好ましくは、４つの異なるビーム方向が記録される。好ましくは、これら方向は空間において径方向である。デカルト測定値を径方向ＬｏＳ測定値から抽出する際に使用し得る等式を以下で説明する。ここで、たとえば、ＬＩＤＡＲは、大気を、４つの異なる方向、東、西、北、および南において調べ、速さの等式のシステムは式４に従って説明し得る。
【００８０】
【数５】
2015502540.tif 000007
【００８１】
式中、Ｖｒは、東（Ｅ）、西（Ｗ）、北（Ｎ）および南（Ｓ）という方向に沿うＬＩＤＡＲのＬｏＳの風の速さであり、θは円錐の角度であり、ｕ、ｖ、ｗはデカルト座標における風の速さである。引出された風の速さの成分は、４つの方向で同一であるとすると、式５に従って得ることができる。
【００８２】
【数６】
2015502540.tif 000008
【００８３】
式５に従い、各ビーム測定値が異なる時間間隔で記録されることを考慮すると、空間（異なるビーム方向）および時間（異なる時間間隔で取得された異なるビーム方向からの測定値の組合せ）双方に関して、デカルトベクトルの計算には共依存関係がある。
【００８４】
先に述べたように、デカルトベクトルの計算に使用されるビーム測定値（たとえばＮ、Ｓ、Ｅ、Ｗ方向）間のＬＩＤＡＲによる動きは結果として、戻されるデカルトベクトル値の歪につながる可能性がある。これらの値は、プローブ端部の動き検出器のデータによって補正してもよい。同一のＬｏＳ方向における連続する測定値間（たとえば数個のＮの読取値間）のＬＩＤＡＲの高さまたは向きの変化によって、大気中の異なる高さにおける風の速さの測定値が得られるであろう。動き検出器からのデータを用いて、この測定値を、これら測定値が上記のように異なる高さで取られたことを考慮して、特定の大気中の高さに合わせてもよい。利用できる帰還信号が、たとえば測定の高さが不十分であることが原因で不十分である場合、別のＬｏＳ方向から取得したデータを使用し向きについて補正してもよい。
【００８５】
異なるＬｏＳ方向（たとえばＮ、Ｅ、Ｓ、Ｗ）各々における風の速さは、典型的にはＬＩＤＡＲによって連続的に測定され、同時には測定されない。特定のＬｏＳ方向における測定を２回以上繰返すことは本発明の１つの側面である。測定の繰返しは、他の方向の測定後に行なってもよい。言い換えると、ＬＩＤＡＲは、連続的に複数の方向を測定し複数の方向の連続的な測定を何度も繰返す（たとえばＮ、Ｅ、Ｓ、Ｗ、Ｎ、Ｅ、Ｓ、Ｗ、Ｎ、Ｅ、Ｓ、Ｗ等）ことにより、信号対雑音比を改善してもよい。
【００８６】
なお、上記補間による風の速さの補正および／またはＬＩＤＡＲの運動によるドップラーシフトに適用される補正を、風の速さの三次元デカルト座標の計算に適用してもよい。
【００８７】
好都合にはプロセッサにＭＳ−ＬＩＤＡＲを設けてもよい。プロセッサは動き検出器の出力を受信してもよい。プロセッサはＬＩＤＡＲの出力を受信してもよい。これは、風の速さの各測定値を取った遠隔プローブ空間部分の、空間における固定位置に対する位置を、この空間部分における風の速さに加えて、計算してもよい。プロセッサは、上記のように風の速さの三次元デカルトベクトルを計算してもよい。
【００８８】
加えて、このプロセッサは、好都合には風の速さの計算においてＬＩＤＡＲの運動を補償するように配置されてもよい。プロセッサは、ＬＩＤＡＲおよび動き検出器から取得したデータに適用される補正を用いて風の速さの測定値を計算するように構成されてもよい。具体的には、上記のように実際の風の速さと組合わされて明らかな風の速さを与えるＬＩＤＡＲの動きは、プロセッサによって減算されてもよい。具体的には、上記のように大気中の測定高さに影響する、複数の読取値間のＬＩＤＡＲの動きを、プロセッサによって補正してもよい。具体的には、風の速さのベクトルを求めるのに使用される複数の読取値間のＬＩＤＡＲの動きを、プロセッサによって補正してもよい。
【００８９】
好ましくはデータ記憶装置も含まれる。プロセッサおよびデータ記憶装置は、計算装置によって、好ましくは消費エネルギが小さい携帯型計算装置、たとえばスマートフォン、ラップトップコンピュータ、ネットブックコンピュータ、タブレットコンピュータ等によって、提供されてもよい。収集されたデータを、サービス技術者による次の収集に備えて、記憶媒体（たとえばハードディスクドライブ、フラッシュカード、ＳＤカード）に局所的に格納してもよい。
【００９０】
好都合には、プロセッサは、本明細書の他の場所に記載されている補正方法を実行するための命令を含むコンピュータプログラムを含むコンピュータ読取可能な媒体を備える。好都合には、プロセッサは、動き検出器によって測定されたプローブ端部のしたがってＬＩＤＡＲの運動を考慮するために、取得した風の速さの測定値を補正する方法を実行するための命令を含むコンピュータプログラムを含むコンピュータ読取可能な媒体を備える。取得した風の速さの測定値の補正方法は、上記の要素のうちの１つ以上を含み得る。
【００９１】
また、データ転送システム（たとえば送信機、受信機、または送受信機）にＭＳ−ＬＩＤＡＲを設けてもよい。取得したデータを、周知の通信装置、たとえば携帯電話、衛星電話、衛星通信、短波放送、流星バースト通信を介して遠隔システムに定期的に送信してもよい。より詳細なデータが必要ならば、その代わりにより高帯域の通信システムを採用してもよい。非常に詳細な情報は、送信せずに、サービス技術者による後の収集に備えて記憶媒体（たとえばハードディスクドライブ、フラッシュカード、ＳＤカード）に局所的に格納してもよい。
【００９２】
本発明はさらに、支持体の上に搭載されたＭＳ−ＬＩＤＡＲを備えるＭＳ−ＬＩＤＡＲシステムを提供する。この支持体は、浮力があるプラットフォーム（すなわち水上に浮かべられるプラットフォーム）、トラック、乗用車、貨物自動車、四輪バイク等の移動可能なものであってもよい。本発明はこのように、水上または地上における所望のどの場所にも素早く簡単に配置できるＬＩＤＡＲシステムを提供し、信頼性の高い風の速さの測定値を提供することができる。特に、ＬＩＤＡＲシステムは沖合に簡単に配置し得る。
【００９３】
好都合には、ＭＳ−ＬＩＤＡＲシステムのＭＳ−ＬＩＤＡＲは、浮力があるプラットフォームの中に搭載される。透明の窓をプラットフォームの中に設けてもよく、この窓を通して、レーザを導くことができ、帰還信号が通過する。これに代えて、ＭＳ−ＬＩＤＡＲはプラットフォームの外側部分に装着されてもよい。好都合には、ＭＳ−ＬＩＤＡＲは視線の方向が実質的に鉛直方向になるように配置される。
【００９４】
浮力があるプラットフォーム（浮かんでいるプラットフォームと呼ぶこともできる）は、浮標を含むことが好都合である。浮標という用語は、無人で自律的な浮力があるプラットフォームを意味するものとして、当業者の間で周知である。浮標は、適所でつながれていてもよく、または、潮の流れに従って漂流してもよい。本発明の浮標は、大洋／海の沖合で使用してもよく、または、湖、川等の内陸で水が広がっている場所で使用してもよい。代わりに、浮力があるプラットフォームは、水に浮かぶように配置される任意のプラットフォーム、たとえばボート、大型船等の船を含み得る。
【００９５】
ＭＳ−ＬＩＤＡＲが発生した放射光が放出され帰還信号が通過する出力口を洗浄する手段を設けてもよい。たとえば、ワイパーまたはウォッシュワイプシステムを設けてもよい。
【００９６】
ＭＳ−ＬＩＤＡＲシステムを用いて取る測定値は、気温、気圧、水温、示差温度、波の高さ、波の周期、波の方向、水位、流れの速度、流れの方向、高周波の風の速度のデータ、乱流の強さの成分うちの、１つ以上を含む。
【００９７】
本発明の第２の側面に従い、浮力があるプラットフォームの近傍における風の速度を求める方法が提供され、この方法は、（ｉ）本明細書に記載のＭＳ−ＬＩＤＡＲまたはＭＳ−ＬＩＤＡＲシステムを設けるステップと、（ｉｉ）ＬＩＤＡＲを用いて１つ以上の遠隔プローブ空間部分から風の速度の測定値を取得するステップとを含むことを特徴とする。
【００９８】
好都合には、この方法はさらに、（ｉｉｉ）動き検出器を用いてプローブ端部のしたがってＬＩＤＡＲの動きを測定するステップを含む。これにより、プローブ空間部分の風の速度の測定値の絶対位置を求めることができる。
【００９９】
好都合には、この方法はまた、（ｉｖ）空間における（地上の）固定点を基準として定められた空間における位置、たとえば地面または海底を基準として測定された位置を基準として、わかっている位置の、複数のプローブ空間部分から、風の速度の測定値を取得する、追加のステップを含む。
【０１００】
図１を参照して、本発明のＭＳ−ＬＩＤＡＲ１００が示されている。ＭＳ−ＬＩＤＡＲ１００は、プローブ端部３０と、ベース端部４０と、ベース端部４０とプローブ端部３０を接続する安定化装置２０とを有する安定化ユニット２５を備える。ＬＩＤＡＲ１０はプローブ端部３０上に搭載される。図１ａおよび図１ｂにおいて、安定化ユニット２５は、ベース端部が中間位置からずれたときにプローブ端部３０およびＬＩＤＡＲ１０を実質的に鉛直方向の位置に保つ。
【０１０１】
図２は、動き検出器５０と、プロセッサ６０と、データ転送システム７０とをさらに備える、図１のＭＳ−ＬＩＤＡＲの別の例を示す。動き検出器５０はプローブ端部３０に装着される。ＬＩＤＡＲ１０、動き検出器５０、およびデータ転送システム７０は（それぞれ）、プロセッサ６０と、データ通信７２、７４、７６を行なう。ＭＳ−ＬＩＤＡＲ１００は、固定レンジを有し、プローブ端部３０を基準とする既知の方向のレーザ放射光（ビーム１５で示される）を放出し受ける。すなわち、ＭＳ−ＬＩＤＡＲ１００のプローブ端部３０を基準とする、装置のプローブ空間部分は既知である。
【０１０２】
固定レンジのＬＩＤＡＲについて説明しているが、測定プローブのレンジ（たとえば高さ）を変化させることによって異なる高さで風力場を調べることができるようにする手段を組込んだＬＩＤＡＲシステムを用いてもよい。これは、たとえば、バイスタティックシステムにおける傍受の位置を変化させることにより、または、モノスタティックシステムにおける焦点を変化させることにより、または、レンジがゲート制御されるパルスＬＩＤＡＲシステムを採用することにより、達成してもよい。
【０１０３】
ＬＩＤＡＲを、プローブ端部３０に対してあるパターン（たとえば円錐経路）でビーム１５をスキャンできるスキャナを組込んでスキャンＬＩＤＡＲにしてもよい。スキャナは、典型的な先行技術の光学スキャンシステムを含んでもよい。たとえば、スキャンする領域に応じて、強力なモータによって駆動される傾斜させたミラーを用いるラスタまたはベクタースキャンを利用してもよい。これに代えてまたはこれに加えて、自然の波の動きを利用して疑似ランダムスキャンパターンを提供してもよい。機械的スキャンを採用するとき、スキャナは、１つの軸を中心として回転させる１つのミラーまたは光学プリズムを含んでもよい。これにより、レーザビームで円錐状にスキャンすることができ、このような方策によって、極端に穏やかな状態でも風のデータを確実に記録できる。
【０１０４】
プローブ端部３０したがってＬＩＤＡＲ１０の動きは、風の速さを測定するプローブ空間部分の位置に影響するであろう。浮標に搭載された風測定システムの場合、浮標の回転（すなわちコンパス方向）、ピッチ、およびロール（すなわち傾斜）は、角度が安定しているにもかかわらず、プローブサンプル位置に影響するであろう。固定レンジを有するＬＩＤＡＲシステムを使用する場合、ヒーブ（すなわち鉛直方向の変位）は、測定を行なう絶対高さを変えるであろう。したがって、これは、空間におけるある領域について計算された風の速度のデータの精度に影響すると考えられる。さらに、ＬＩＤＡＲ１０の鉛直速度は、空間の所与の領域におけるプローブ空間部分から測定されるドップラーシフトに影響し得る。しかしながら、ＬＩＤＡＲ１０の動きの瞬間速度を測定し使用して所与のプローブ空間部分について測定された速度を補正することができる。
【０１０５】
回転、ロール、およびヒーブは、磁気コンパス、ジャイロスコープおよび加速度計等の、確立されているいくつかの動き検知技術を用いてモニタリングすることができる。ＭＳ−ＬＩＤＡＲ１００の並進運動は、比較的小さいかもしれず、プローブの位置に大きく影響しないかもしれないが、ＭＳ−ＬＩＤＡＲ１００の瞬間速度を補償することによって、正確な水平方向の風の速さの測定値を提供し得る。しかしながら、気象または海洋調査で使用される漂流する浮標については、何らかの形態の測位システムが必要であろう。たとえば、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）を使用できる。
【０１０６】
動き検出器５０を構成する各方位センサ（たとえば回転、ロール、ヒーブ、および並進運動）からのデータを、ＬＩＤＡＲ１０からの風の速さの信号とともにプロセッサ６０に送信する。すると、コンピュータは、さまざまなプローブ空間部分における風の速さを計算し三次元の風ベクトルを求める。上記補正方法をこのデータに適用することが好ましい。コンピュータは何十分もの期間にわたるデータを平均するように構成されてもよい。
【０１０７】
代わりに、これを、数十ミリ秒のタイムスケールで風の構造に関する詳細な情報を取得するように配置することができる。
【０１０８】
取得した（平均または詳細）データを、コンピュータ６０によって、たとえばハードディスクドライブに格納してもよい。これを、データ転送システム７０の送信部を介して遠隔システムに定期的にダウンロードしてもよい。また、データ転送システムの受信部を、制御命令を受けて取得するデータの種類を変更するために設けてもよい。これに代えて、データを遠隔システムに連続的に送信してもよく、統合されたコンピュータ６０は、複雑度が低くてもよく、または、専用プロセッサと置換えてもよい。
【０１０９】
時間平均されたデータがこのシステムから出力される場合、データ転送システム７０は、既存の市販の通信システム、たとえばＧＳＭ（登録商標）、衛星通信、短波放送、または流星バースト通信を含んでもよい。しかしながら、より詳細なデータも必要な場合、高帯域通信システムを採用する必要があるかもしれない。高帯域通信システムは消費電力がより大きいかもしれないものの、これも容易に入手できる。
【０１１０】
現在、ファイバに基づいたＭＳ−ＬＩＤＡＲシステムは、約２００ワットの電力を要すると考えられている。これに、動き検出器、ナビゲーション灯、通信機器および場合によってはヒータに必要な電力を加えると、電力経費が増しておそらく４００ワットになるであろう。自律型の浮標に搭載されたＬＩＤＡＲの場合、この電力は反連続的に発生する必要がある。必要な電力の発生については、たとえば太陽光、波、風、ディーゼル／ガス、燃料電池またはバッテリ等、さまざまな選択肢がある。これらのエネルギ源を組合わせたものを用いて連続動作が行なえるようにしてもよい。
【０１１１】
ＭＳ−ＬＩＤＡＲシステムに、レンズまたは窓等の外部光学部品のためのクリーニングシステム（図示せず）を設けてもよい。例として、車のヘッドライトに使用される単純なワイパーシステムは、多くの状況において適切であろう。改善したものは、クリーニング液を貯めておく容器が組込まれたワッシャーシステムを含み得る。これに代えて、外部光学部品全体に簡単な透明ホイルを広げてもよく、これは、悪条件においてクリアな視界を保つためにモータースポーツのドライバーが使用する装置によく似ている。この方策は、塩が蓄積してレーザビームの望ましくない散乱が生じるという問題の軽減に役立つであろう。
【０１１２】
図３は、ＭＳ−ＬＩＤＡＲ１００を図解したものである。安定化ユニット２５の安定化装置２０は、直交する回転軸を有する一対のジンバル２２および２４からなる。外側のジンバル２４がベース端部４０の一部を形成し、内側のジンバル２２がプローブ端部２２の一部を形成する。図４は、浮力があるプラットフォーム、この場合は沖合の浮標８０に装着されＭＳ−ＬＩＤＡＲシステム２００を構成するＭＳ−ＬＩＤＡＲ１００を図解したものである。ＭＳ−ＬＩＤＡＲは保護カバー８５で覆われておりＭＳ−ＬＩＤＡＲシステムは海９０に浮かんでいる。
【０１１３】
本発明の風の速さの測定装置の数多くの代替用途は当業者にとって明らかであろう。
【図１】
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【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年2月4日(2014.2.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風の速さの測定のための装置（１００）であって、
レーザレーダであるＬＩＤＡＲ（１０）に装着されるプローブ端部（３０）と浮力があるプラットフォーム（８０）に装着されるベース端部（４０）とを有する安定化ユニット（２５）を備え、前記安定化ユニット（２５）は受動機構を用いて前記ベース端部（４０）の動きを前記プローブ端部（３０）から少なくとも部分的に分離するように構成されており、
前記プローブ端部（４０）に対し固定した関係で装着されたＬＩＤＡＲ（１０）と、
前記プローブ端部（３０）に対し固定した関係にある動き検出器とを備え、
前記装置（１００）は、１つ以上の遠隔プローブ空間部分における風の速さを測定するように配置されている、装置。
【請求項２】
前記安定化ユニット（２５）は、前記ベース端部（４０）のピッチ、ロール、およびヨーの動きのうちの１つ以上を前記プローブ端部（３０）から少なくとも部分的に分離するように配置されている、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項３】
前記動き検出器（５０）は、前記プローブ端部（３０）のピッチ、ロール、およびヨーの動きのうちの１つ以上を測定するように配置されている、請求項１または２に記載の装置（１００）。
【請求項４】
前記遠隔プローブ空間部分は、前記ベース端部（４０）に対して未知の位置にある、請求項１〜３のいずれかに記載の装置（１００）。
【請求項５】
前記ＬＩＤＡＲ（１０）はパルス波ＬＩＤＡＲであり任意でスキャンＬＩＤＡＲである、請求項１〜４のいずれかに記載の装置（１００）。
【請求項６】
前記安定化ユニット（２５）はジンバル機構を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の装置（１００）。
【請求項７】
前記１つ以上の遠隔プローブ空間部分における風の速さと、空間の中の固定点に対する前記プローブ空間部分の位置とを、前記動き検出器（５０）から取得したデータを用いて計算するように構成されたプロセッサ（６０）をさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載の装置（１００）。
【請求項８】
前記プロセッサは、前記ＬＩＤＡＲ（１０）および前記動き検出器（５０）から取得したデータに適用される補正方法を用いて風の速さの測定値を計算するように構成されている、請求項１〜７のいずれかに記載の装置（１００）。
【請求項９】
前記補正方法は、
前記プローブ端部（３０）の回転運動および任意で並進運動に関する情報を前記動き検出器（５０）から取得するステップと、
定期的に一定の間隔で前記動き検出器の情報から変換行列を計算することにより前記プローブ端部（３０）の位置を計算するステップとを含み、前記間隔は前記プローブ端部（３０）の最大角回転運動によって決まり、
前記変換行列から前記プローブ端部（３０）の運動の軌跡を取得するステップと、
前記ＬＩＤＡＲによって取得された風の速さの測定値を、前記プローブ端部（３０）の運動の軌跡について補正するステップとを含む、請求項８に記載の装置（１００）。
【請求項１０】
前記変換行列は、前記動き検出器によって前記プローブ端部（３０）で検出された最大角回転運動が、ロール、ピッチ、およびヨーのうちのいずれか１つにおいて１度を超えないように、定期的に一定の間隔で計算され、または、前記変換行列は毎秒２〜９回計算される、請求項９に記載の装置（１００）。
【請求項１１】
前記補正方法は、
複数の測定視線（１５，１５’−図８）における風の速さの測定値を取得するステップを含み、１つの測定視線は、風の速さを測定する前記視線に沿う異なる測定高さ（ＬｏＳＨ１’，ＬｏＳＨ２’，ＬｏＳＨ３’，ＬｏＳＨ４’，ＬｏＳＨ５’）における複数の遠隔プローブ空間部分を含み、
補間により、前記測定視線（１５’）における前記遠隔プローブ空間部分のうちの２つ以上の間の風の速さのデータを生成するステップと、
前記補間された風の速さのデータおよび前記動き検出器（５０）からのデータから、風の速さを、前記複数の測定視線（１５，１５’）のうちの少なくとも２つにおける大気中の高さの関数として計算するステップとを含む、請求項８に記載の装置（１００）。
【請求項１２】
前記プロセッサはさらに、少なくとも３つの異なる視線ビーム方向を用いて三次元デカルト座標における風の速さのベクトルを計算するように構成されている、請求項８〜１１のいずれかに記載の装置（１００）。
【請求項１３】
浮力があるプラットフォーム（８０）に装着された請求項１〜１２のいずれかに記載の装置（１００）を備えるシステム（２００）。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれかに記載の装置（１００）またはシステム（２００）の使用を含む、風の速さの測定方法。
【国際調査報告】
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