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CN108139478A - 测风装置 - Google Patents

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CN108139478A
CN108139478A CN201580083944.2A CN201580083944A CN108139478A CN 108139478 A CN108139478 A CN 108139478A CN 201580083944 A CN201580083944 A CN 201580083944A CN 108139478 A CN108139478 A CN 108139478A
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CN
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line
sight
wind
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unit
Prior art date
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CN201580083944.2A
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酒卷洋
驹井研二
铃木信弘
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Abstract

视线速度计算部(102)求出与大气一起移动的粒子的视线速度。视线方向校正部(103)利用姿态角信息对视线方向进行校正。风矢量计算部(105)将由视线方向校正部(103)进行校正后的校正后视线方向和由视线速度计算部(102)求出的视线速度的组用作视线数据，计算大气的风向和风速以作为风矢量。

Description

测风装置
技术领域
本发明涉及对大气中的风向及风速进行测量的测风装置。
背景技术
以往，作为测量大气中的远程点的风的装置，使用多普勒雷达、风速仪、多普勒激光雷达、多普勒声纳等装置。这些装置向空间辐射电磁波或声波，并接收因雨滴、大气乱流、悬浮微粒等产生的反射，根据接收信号的多普勒频移计算大气中的风的风向风速。
之后，作为测风装置，以多普勒激光雷达为例进行说明。利用多普勒激光雷达直接测量的是将随着大气中的风以与风相同的速度移动的悬浮微粒等的速度投影到射束方向后得到的视线方向分量(之后，也将其称为视线速度)。测量3个方向以上的不同方向的视线速度，利用这些视线速度进行例如非专利文献1所示的VAD(Velocity Azimuth Display：速度方位显示)法、非专利文献2所示的3射束法、4射束法、5射束法等的运算，从而计算风向风速。
上述测风装置除了固定于地上的装置以外，还存在搭载于船舶、航空器这样的移动平台上的装置。上述移动平台一般而言除了自发的移动，也受到风、波浪等外界的影响而进行移动、即晃动。因此，例如如专利文献1及专利文献2所示，附加晃动检测装置，利用由此获得的晃动信息、即滚动角、俯仰角、偏航角等姿态角(晃动角)、姿态角速度及角加速度信息来进行消除平台受到的晃动那样的平台动作控制，对根据包含晃动的影响在内的测量数据计算得到的风向及风速进行将因晃动而产生的旋转及移动(平移)量考虑在内的校正。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2005-241441号公报
专利文献2：日本专利特开2004-347550号公报
非专利文献
非专利文献1：Browning，K.A.，and R.Wexler，The Determination of KinematicProperties of a wind field using Doppler radar(利用多普勒雷达确定风场的运动特性)，”J.Appl.Meteo.，7，105-113，1968.
非专利文献2：小林隆久、ウィンドプロファイラ――電波で探る大気の流れ(风速仪——利用电波探索大气的流动)-气象研究笔记第205号，62-76,2004
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，以往的晃动的校正是对风向及风速、即风矢量进行的。即使在计算出风矢量后对旋转及平移运动进行校正，各视线方向的误差也无法校正，具有最终的风矢量的推测精度发生劣化的问题。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于获得一种能抑制风矢量的推测精度的劣化的测风装置。
解决技术问题的技术方案
本发明所涉及的测风装置包括：信号收发部，该信号收发部在大气中向视线方向辐射电磁波或声波即辐射信号，并接收由与大气一起移动的粒子所反射的辐射信号即反射信号；频率分析部，该频率分析部求出由信号收发部所接收到的反射信号即接收信号与辐射信号之间的多普勒频移；视线速度计算部，该视线速度计算部根据多普勒频移求出视线速度；晃动检测器，该晃动检测器对包含固定有信号收发部的支承物体的姿态角即姿态角信息在内的晃动信息进行检测；视线方向校正部，该视线方向校正部利用姿态角信息对视线方向进行校正；以及风矢量计算部，该风矢量计算部将由视线方向校正部进行校正后的校正后视线方向与视线速度的组用作视线数据，计算从信号收发部到预定位置内存在的测量点处的大气的风向和风速，以作为风矢量。
发明效果
根据本发明所涉及的测风装置，能考虑计算风矢量时的各视线方向的误差，求出高精度的风矢量。
附图说明
图1是本发明所涉及的测风装置的硬件结构图。
图2是表示本发明的实施方式1的信号处理装置所实现的功能部的框结构图。
图3表示测风装置的xyz坐标系的说明图。
图4是表示本发明的实施方式1的测风装置的动作的流程图。
图5是表示本发明的实施方式2的信号处理装置所实现的功能部的框结构图。
图6是表示本发明的实施方式2的测风装置的动作的流程图。
图7是表示本发明的实施方式3的信号处理装置所实现的功能部的框结构图。
图8是表示本发明的实施方式3的测风装置的动作的流程图。
图9是表示本发明的实施方式4的信号处理装置所实现的功能部的主要部分的框结构图。
图10是表示本发明的实施方式4的测风装置的动作的流程图。
图11是表示本发明的实施方式5的信号处理装置所实现的功能部的主要部分的框结构图。
图12是表示本发明的实施方式5的测风装置中的视线数与风速误差的关系的说明图。
图13是表示本发明的实施方式5的测风装置的动作的流程图。
图14是表示本发明的实施方式6的信号处理装置所实现的功能部的主要部分的框结构图。
图15是表示本发明的实施方式6的测风装置中的晃动周期与视线数的关系的说明图。
图16是表示本发明的实施方式6的测风装置的动作的流程图。
图17是表示本发明的实施方式7的信号处理装置所实现的功能部的主要部分的框结构图。
图18是示意性表示本发明的实施方式7的测风装置中的视线速度测量点的说明图。
图19是表示本发明的实施方式7的测风装置的动作的流程图。
图20是表示本发明的实施方式8的信号处理装置所实现的功能部的主要部分的框结构图。
图21是表示本发明的实施方式8的测风装置中的过去的风矢量与视线速度测量点的关系的说明图。
图22是表示本发明的实施方式8的测风装置的动作的流程图。
图23是表示本发明的实施方式9的信号处理装置所实现的功能部的主要部分的框结构图。
图24是表示本发明的实施方式9的测风装置中的视线数与晃动信息误差的关系的说明图。
图25是表示本发明的实施方式9的测风装置的动作的流程图。
图26是表示本发明的实施方式10的信号处理装置所实现的功能部的框结构图。
图27是表示本发明的实施方式10的测风装置的动作的流程图。
图28是表示本发明的实施方式11的信号处理装置所实现的功能部的框结构图。
图29是表示本发明的实施方式11的测风装置的动作的流程图。
图30是表示本发明的实施方式12的信号处理装置所实现的功能部的框结构图。
图31是表示本发明的实施方式12的测风装置的动作的流程图。
图32是表示本发明的实施方式13的信号处理装置所实现的功能部的主要部分的框结构图。
图33是表示本发明的实施方式13的测风装置的动作的流程图。
图34是表示本发明的实施方式14的信号处理装置所实现的功能部的框结构图。
图35是表示本发明的实施方式14的测风装置的动作的流程图。
具体实施方式
下面，为了对本发明进行更加详细的说明，根据附图对用于实施本发明的方式进行说明。
实施方式1.
图1是表示本发明的测风装置的硬件结构图。本说明书中，所有实施方式中的硬件结构均相同。即使是与图1不同的硬件结构，本发明也能实施。图1所示的是一个示例的硬件结构。
图1所示的测风装置包括：光源1、分配器2、脉冲调制器3、循环器4、光天线装置5、合成器6、光接收机7、A/D转换器8、控制器9、晃动检测器10、显示器11、信号处理装置12。信号处理装置12包括：控制器接口13、晃动检测器接口14、显示器接口15、存储器16、处理器17、存储装置18、A/D转换器接口19。
光源1输出由单一频率构成的连续波的光。该光源1产生的激光输出至分配器2。分配器2将来自光源1的激光一分为二。由该分配器2一分为二的激光的一个输出至脉冲调制器3，另一个输出至合成器6。脉冲调制器3对从分配器2获取到的激光实施预先决定的频率偏移，并进行脉冲调制。经该脉冲调制器3进行频率调制及脉冲调制后的激光输出至循环器4。
循环器4根据激光的输入源来切换输出目的地。该循环器4将来自脉冲调制器3的激光输出至光天线装置5，将来自光天线装置5的激光输出至合成器6。光天线装置5具有作为信号收发部的功能，所述信号收发部将来自循环器4的激光相对于测风装置以预定的方向照射到大气中，并对针对该激光的来自悬浮微粒的散射光进行聚光。经该光天线装置5聚光后的散射光经由循环器4输出至合成器6。合成器6对来自分配器2的激光与经由了循环器4的来自光天线装置5的激光进行合成。由该合成器6合成后的激光被输出至光接收机7。光接收机7通过外差式检波对来自合成器6的激光提取低频分量，将在提取到的低频下变动的光照射到光电转换元件，转换成电信号。将经该光接收机7转换后的电信号输出至A/D转换器8。A/D转换器8对来自光接收机7的电信号进行A/D(Analog-to-Digital：模数)转换。由该A/D转换器8转换为每个预定的采样率的信号经由信号处理装置12内的A/D转换器接口19被输出至存储装置18。
该说明书中，对将可见光区域的激光作为电磁波使用的情况进行说明。也可以使用波长更长的红外线、电波来作为电磁波。此外，也就可以使用声波。只要是能辐射电磁波或声波即辐射信号、并能接收该反射波的结构即可，信号收发部可以是任意的结构。
另一方面，与光天线装置5等搭载于相同平台上的晃动检测器10由检测平台的晃动的陀螺仪传感器、输出平台的位置的GPS(全球定位系统)、输出方位信息的磁罗盘等构成，获取平台的晃动信息(位置、方位、三轴姿态角、姿态角速度、三轴平移速度)。平台是固定有信号收发部的支承物体。由该晃动检测器10获取到的晃动信息经由信号处理装置12内的晃动检测器接口14输出至存储装置18。信号处理装置12内的处理器17经由控制器接口13从控制器9接收控制信号，将接收信号、晃动信息、程序等从存储装置18读入存储器16，并执行视线速度计算、视线方向校正、平移速度校正、设备相对速度校正、风矢量计算等的功能部。将由该处理器17计算出的风矢量经由显示器接口15输出至显示器11。显示器11经由显示器接口15显示由处理器17计算出的风矢量。风矢量保存于存储装置18。控制器9向光源1输出激光发送的控制信号，向光天线装置5输出射束扫描的控制信号，向晃动检测器10输出晃动信息获取的控制信号，经由控制器接口13向处理器17输出从视线速度计算到视线速度校正、风矢量计算为止的控制信号。
图2是表示信号处理装置所实现的功能部的框结构图。
频率分析部101是对输入的接收信号进行傅里叶变换以计算多普勒频谱的处理部。即，频率分析部101是求出由光天线装置5发送的信号与接收的信号间的多普勒频移的运算部。视线速度计算部102是对多普勒频谱进行预定的数分钟的非相干积分，进行波峰检测，计算校正前视线速度即多普勒速度的处理部。视线方向校正部103是利用相对于不晃动时的测风装置决定的视线方向(将其作为校正前视线方向)与从图1所示的晃动检测器10输出的晃动信息中的姿态角信息，根据因晃动而产生的姿态角的变化使校正前视线方向旋转，输出作为实际的视线方向的校正后视线方向的处理部。视线数据储存部104是储存包含来自视线速度计算部102的校正前视线速度与来自视线方向校正部103的校正后视线方向在内的视线数据的处理部。风矢量计算部105是利用储存于视线数据储存部104的多个校正后视线方向与多个校正前视线速度来计算并输出风矢量的处理部。另外，上述频率分析部101～风矢量计算部105通过由处理器17利用存储装置18读入与各个功能部相对应的程序，展开到存储器16上并执行来实现。
对实施方式1的测风装置的动作进行说明。另外，由于动作中的一般的处理(例如FFT、矩量法、脉冲对法等)是公知的，关于这样的处理，省略详细的说明。
向大气中辐射光脉冲，之后，接收来自进行与大气进行同样的动作的粒子即悬浮微粒等的反射波，将以预定的采样频率进行了A/D转换后的接收信号输入至频率分析部101。频率分析部101中，根据预定的测量风速的高度的区分，对接收信号在时间上进行分割，对分割后的各个接收信号的部分进行傅里叶变换(作为具体的方法，为FFT(Fast FourierTransform：快速傅里叶变换)处理)，从而计算出多普勒频谱(功率谱)，并输出至视线速度计算部102。
视线速度计算部102中，针对从频率分析部101获取到的多普勒频谱，对预先设定的预定数分钟的多普勒频谱进行积分(非相干积分)处理，通过矩量法对积分后的多普勒频谱计算出多普勒速度，并输出至视线数据储存部104。该多普勒速度是晃动校正前的多普勒速度，是校正前视线速度。另外，此处，通过矩量法来获得多普勒信息，但也可以使用根据脉冲间的相位变化量来获得多普勒信息的脉冲对法等。
视线方向校正部103中，对于预定的视线方向(射束方向)的单位矩阵，通过根据晃动信息中的姿态角导出的旋转矩阵来进行旋转运算，从而计算出晃动后、即校正后的视线方向单位矢量，并输出至视线数据储存部104。若以公式来呈现，则为下式(1)。
校正后的单位矢量
预定的视线方向(射束)方向的单位矢量
T：根据晃动信息中的姿态角导出的旋转矩阵
其中，旋转矩阵T是对以滚动、俯仰、偏航表示的姿态角的旋转进行合成后所得到的矩阵，如图3所示在xyz坐标系中，若将y轴设为正面，将以y轴为中心进行滚动旋转(右旋前进方向的旋转为正)的滚动角设为roll，将以x轴为中心进行俯仰旋转(右旋前进方向的旋转为正)的俯仰角设为pitch，将以z轴为中心进行偏航旋转(右旋前进方向的旋转为正)的偏航角为yaw，则成为下式(2)。
视线数据储存部104中，储存从视线速度计算部102获取到的校正前视线速度和从视线方向校正部103获取到的校正后视线方向。之后，在储存了预定的数量以上的视线速度和视线方向的数据时，将它们作为视线数据输出至风矢量计算部105。一般而言，若具有3个以上的视线速度与视线方向的组，则能计算三维空间上的风矢量。
风矢量计算部105中，利用从视线数据储存部104获取到的多个校正前视线速度与相同数量的多个校正后视线方向的数据，计算出风矢量(风向及风速)。在根据4条以上的n条视线数据求出风矢量的情况下，成为式(3)，在根据3条视线数据求出风矢量的情况下，成为式(4)。
其中，
Voi：第i个(校正前)视线速度
风矢量
αi，βi，γi：校正后(旋转后)的第1个视线方向单位矢量的各要素
图4示出实施方式1所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。
在将接收信号输入至频率分析部101后，首先通过频率分析部101计算出多普勒频谱(步骤ST101)。接着，通过视线速度计算部102计算视线速度(多普勒速度)(步骤ST102)。另一方面，视线方向校正部103利用晃动信息所包含的姿态角信息计算出旋转矩阵(步骤ST103)，利用该旋转矩阵对未发生晃动时的视线方向旋转视线方向(步骤ST104)。该校正后视线方向的数据被输出至视线数据储存部104。视线数据储存部104中，判定获取到的数据数量是否达到了预定的数量(步骤ST105)，若达到了预定的数量，则输出至风矢量计算部105，通过风矢量计算部105计算风矢量(步骤ST106)。步骤ST105中，若未达到预定的数量，则储存视线数据(步骤ST107)，返回至步骤ST101。
实施方式1中，按测量所使用的每个视线数据来校正视线方向，因此能求出高精度的风矢量。
根据实施方式1的测风装置，包括：信号收发部，该信号收发部在大气中向视线方向辐射电磁波或声波即辐射信号，并接收由与大气一起移动的粒子所反射的辐射信号即反射信号；频率分析部，该频率分析部求出由信号收发部所接收到的反射信号即接收信号与辐射信号之间的多普勒频移；视线速度计算部，该视线速度计算部根据多普勒频移求出视线速度；晃动检测器，该晃动检测器对包含固定有信号收发部的支承物体的姿态角即姿态角信息在内的晃动信息进行检测；视线方向校正部，该视线方向校正部利用姿态角信息对视线方向进行校正；以及风矢量计算部，该风矢量计算部将由视线方向校正部进行校正后的校正后视线方向与视线速度的组用作视线数据，计算从信号收发部到预定位置内存在的测量点处的大气的风向和风速，以作为风矢量，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式2.
实施方式1中，将姿态角用作为晃动信息，对因晃动产生的滚动、俯仰、偏航等姿态角的变化进行了校正。物体的运动能分解为绕晃动中心的旋转运动和晃动中心的移动即平移运动。将平移运动的速度称为平移速度。本实施方式2是对平移运动也进行校正的情况。另外，以后的图中，对与已出现的图的结构在功能上相同的部分标注相同的标号，并省略其说明。
图5是表示实施方式2的测风装置中的信号处理装置所实现的功能部的框结构图。另外，图2中记载为晃动信息的姿态角的晃动信息在图5中作为第一晃动信息来加以区别。视线速度校正部106是利用作为第二晃动信息而获取到的平台的平移速度(矢量)、从视线速度计算部102获取到的校正前视线速度及从视线方向校正部103a获取到的校正后视线方向来进行视线速度的校正的处理部。
对实施方式2的动作进行说明。另外，仅对与实施方式1不同的部分进行说明。
视线速度校正部106中，利用作为第二晃动信息而获得的平台的平移速度(矢量)与从视线方向校正部103a获得的校正后视线方向的单位矢量的内积，来计算平移速度的校正后视线方向分量，输出将其附加到校正前视线速度后的校正后视线速度。第i个校正后视线速度成为下式(5)。其中，<，>表示内积。
Voi：第i个校正前视线速度
Vcoi：第i个校正后视线速度
Vpf：平台的平移速度
第i个校正后视线方向的单位矢量
视线数据储存部104a中，储存来自视线速度校正部106的校正后视线速度和来自视线方向校正部103a的校正后视线方向。之后，在储存了预定的数量的校正后视线速度和校正后视线方向的数据时，将它们作为预定的数量的视线数据输出至风矢量计算部105a。
风矢量计算部105a中，利用从视线数据储存部104a获取到的多个校正后视线速度的数据和相同数量的多个校正后视线方向的数据，计算出风矢量。对于校正后视线速度VCOi，在根据4条以上的n条视线数据求出风矢量的情况下，也成为式(3)，在根据3条视线数据求出风矢量的情况下，也成为式(4)。
图6示出实施方式2所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。此处，步骤ST101～步骤ST104与图4所示的实施方式1相同，因此省略它们的说明。接着，视线速度校正部106利用第二晃动信息即平移速度来计算平移速度的视线方向分量(步骤ST108)，将校正后的视线速度作为校正后视线速度输出至视线数据储存部104a。视线数据储存部104a中，判定获取到的视线数据数量是否达到了预定的数量(步骤ST105)，若达到了预定的数量，则输出至风矢量计算部105a，利用风矢量计算部105a来计算风矢量(步骤ST106)。步骤ST105中，若未达到预定的数量，则储存获取到的视线数据(步骤ST107)，返回至步骤ST101。
实施方式2中，按测量中的每个视线数据校正视线方向，以对视线速度附加平移速度的方式进行校正，因此，能求出高精度的风矢量。
根据实施方式2的测风装置，晃动检测器检测支承物体的移动速度即平移速度信息，且包括利用平移速度信息对由视线速度计算部求出的视线速度进行校正的视线速度校正部，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式3.
实施方式1及实施方式2中，将姿态角用作为晃动信息，进行了对于滚动、俯仰、偏航等姿态角的晃动的校正及对于平移运动的校正。在多普勒激光雷达与晃动检测器10设置于分离的位置时，晃动检测器10检测出的速度及角速度与多普勒激光雷达的位置上的速度及角速度不同，旋转运动时，这些设备间的相对速度也作为误差重叠于视线速度。因此，上述设备的相对速度的影响也需要进行校正，将进行上述校正的示例作为实施方式3进行说明。
图7是表示实施方式3的测风装置中的信号处理装置所实现的功能部的框结构图。另外，图2中记载为晃动信息的姿态角的晃动信息在图7中作为第一晃动信息来加以区别。视线速度校正部106a是利用作为第二晃动信息而获取到的平台的平移速度(矢量)、作为第三晃动信息而获取到的平台的姿态角速度、位置矢量信息、从视线速度计算部102获取到的校正前视线速度、从视线方向校正部103a获取到的校正前视线方向及校正后视线方向来进行视线速度的校正的处理部。此处，位置矢量信息是指多普勒激光雷达相对于平台晃动中心的位置矢量及晃动检测器10相对于晃动中心的位置矢量、或多普勒激光雷达相对于晃动检测器10的位置矢量。
对实施方式3的动作进行说明。另外，仅对与实施方式1及实施方式2不同的部分进行说明。
视线速度校正部106a中，通过作为第三晃动信息而获得的平台的姿态角速度与作为位置矢量信息而获得的多普勒激光雷达相对于晃动中心的位置矢量及晃动检测器相对于晃动中心的位置矢量、或多普勒激光雷达相对于晃动检测器10的相对的位置矢量的外积，计算出设备的相对速度分量。并且，通过与校正前视线速度的单位矢量的内积，计算出视线速度分量，输出将其附加到校正前视线速度后的校正后视线速度。校正后视线速度为式(6)。另外，式(6)中，对姿态角速度与设备的位置矢量的外积的结果、以及校正前视线方向的单位矢量双方乘以旋转矩阵，也能使用校正后视线方向的单位矢量来取代校正前视线方向的单位矢量，若将其以公式来表示，则成为式(7)。其中，<，>表示内积，×表示外积。另外，也可以不进行平移运动的校正。
第i个校正前视线速度
姿态角速度
多普勒激光雷达设置位置相对于平台晃动中心的位置矢量
晃动检测器设置位置相对于平台晃动中心的位置矢量
多普勒激光雷达设置位置相对于晃动检测器设置位置的位置矢量
Voi：第i个校正前视线速度
Vcoi：第i个校正后视线速度
第i个校正后视线速度
视线数据储存部104a中，将上述校正后视线速度和来自视线方向校正部103a的校正后视线方向作为视线数据来进行储存。之后，在储存了预定的数量的视线速度与视线方向的数据时，将它们输出至风矢量计算部105a。
风矢量计算部105a中，利用从视线数据储存部104a获取到的多个校正后视线速度和相同数量的校正后视线方向的数据，计算出风矢量。在根据4条以上的n条视线数据来求出风矢量的情况下，成为式(3)。此外，在根据3条视线数据来求出风矢量的情况下，成为式(4)。
图8示出实施方式3所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。此处，步骤ST101～步骤ST108与图6所示的实施方式2的处理相同，因此省略它们的说明。接着，视线速度校正部106a中，利用第三晃动信息即姿态角速度来计算设备相对速度的视线方向分量(步骤ST109)，将校正后的视线速度作为校正后视线速度输出至视线数据储存部104a。视线数据储存部104a中，判定获取到的视线数据数量是否达到了预定的数量(步骤ST105)，若达到了预定的数量，则输出至风矢量计算部105a，通过风矢量计算部105a计算风矢量(步骤ST106)。步骤ST105中，若未达到预定的数量，则储存获取到的视线数据(步骤ST107)，返回至步骤ST101。
实施方式3中，按测量中的每个视线数据校正视线方向，以对视线速度附加平移速度及设备相对速度的方式进行校正，因此能求出高精度的风矢量。
根据实施方式3的测风装置，晃动检测器检测支承物体的移动速度即平移速度信息和支承物体的姿态角的变化速度即姿态角速度信息，视线速度校正部利用平移速度信息及姿态角速度信息对由视线速度计算部求出的视线速度进行校正，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式4.
实施方式1～3中，将用于风矢量计算的视线数据数量单纯设为预定的数量。本发明所涉及的测风装置中也能使用与作为所期望的更新率的期望更新率、即风矢量的计算时间间隔相匹配的3个以上的视线数据数量，将其作为实施方式4进行说明。
图9是表示实施方式4中的信号处理装置所实现的功能部的主要部分的框结构图。
视线数据数量控制部107是利用预先设定的期望更新率来计算所使用的视线数据数量、并将其输出至视线数据储存部104b的处理部。此外，视线数据储存部104b构成为基于视线数据数量控制部107中求得的视线数据数量来判定获取到的视线数据数量是否达到了预定的数量。
对实施方式4的动作进行说明。
视线数据数量控制部107中，计算出在预先设定的期望更新率期间所获取的视线数据数量。例如，在获取多普勒激光雷达的各视线速度数据的时间间隔即视线数据更新率为a秒、期望更新率为b秒的情况下，设为使用[b/a]([x]是不超过x的最大整数)的视线数。其中，在[b/a]小于3的情况下，将视线数设为3以上。
图10示出实施方式4所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。另外，图10中，对于与实施方式1～3共通的部分省略记载。即，实施方式1的步骤ST101～步骤ST104、实施方式2的步骤ST101～步骤ST108及实施方式3的步骤ST101～步骤ST109中，在进行了任一个处理后，均转移至步骤ST110。步骤ST110中，通过视线数据数量控制部107利用期望更新率和视线数据更新率来计算视线数据数量，并将其输出至视线数据储存部104b。视线数据储存部104b中，基于由视线数据数量控制部107求出的视线数据数量，判定所获取到的视线数据数量是否达到了预定的数量(步骤ST105)，若达到了预定的数量，则输出预定的数量的视线数据。风矢量计算部105a中，基于从视线数据储存部104b获取到的视线数据来计算风矢量(步骤ST106)。另一方面，若视线数据储存部104b中视线数据数量未达到预定的数量，则储存视线数据(步骤ST107)，并返回至下一次的视线数据的获取处理。即，返回至如图4、图6、图8所示的任一步骤ST101。
实施方式4中，能根据期望更新率而非更新视线数据的速率来计算风矢量，因此例如晃动周期与更新视线数据的速率的例如3倍的风矢量的更新率变得接近，能避免无法充分进行晃动校正的情况。若晃动周期与风矢量的更新率变得接近，则可发现看起来始终将相同大小的姿态角、姿态角速度的晃动稳定地施加于原始的风矢量，因此无法进行充分的校正。
根据实施方式4的测风装置，包括基于风矢量计算的更新率来计算视线数据数量的视线数据数量控制部，风矢量计算部利用视线数据数量的视线数据来计算风矢量，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式5.
实施方式4中，与预定的更新率相匹配地决定用于风矢量计算的视线数据数量。也可以以满足期望风速精度、即计算风矢量时的所期望的精度的方式决定视线数据数量，将其作为实施方式5进行说明。
图11是表示实施方式5中的信号处理装置12所实现的功能部的主要部分的框结构图。
视线数据数量控制部107a是利用预先设定的期望风速精度来计算所使用的视线数据数量、并将其输出至视线数据储存部104b的处理部。此外，视线数据储存部104b构成为基于由视线数据数量控制部107a所求得的视线数据数量来判定获取到的视线数据数量是否达到了预定的数量。
对实施方式5的动作进行说明。
视线数据数量控制部107a中，基于预先获取到的风速精度与视线数的关系来决定满足预先设定的期望风速精度的视线数，并输出至视线数据储存部104b。图12是示出风速精度与视线数的一般关系的图。上述关系能根据每个视线速度的精度及风矢量计算部105a中的计算方法，通过经验性蒙特卡罗仿真或根据误差分析理论研究来导出。另外，图12中的纵轴将风速误差示作为精度。图12中，若设定期望风速精度，则能根据使期望风速精度的值与特性曲线的交点向下投射到表示视线数的轴后得到的点求出必要视线数。
图13示出实施方式5所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。另外，图13中，对于与实施方式1～3共通的部分省略记载。即，实施方式1的步骤ST101～ST104、实施方式2的步骤ST101～步骤ST108及实施方式3的步骤ST101～步骤ST109中，在进行了任一个处理后，均转移至步骤ST111。步骤ST111中，利用视线数据数量控制部107a，从预先获取到的风速精度与视线数据数量的关系进行对照，对于与期望风速精度对应的视线数据数量，求出视线数，并将其输出至视线数据储存部104b。视线数据储存部104b中，基于由视线数据数量控制部107a求出的视线数据数量，判定获取到的视线数据数量是否达到了预定的数量(步骤ST105)，若达到了预定的数量，则输出预定的数量的视线数据。风矢量计算部105a中，基于从视线数据储存部104b获取到的视线数据来计算风矢量(步骤ST106)。另一方面，若视线数据储存部104b中视线数据数量未达到预定的数量，则储存视线数据(步骤ST107)，并返回至下一次的视线数据的获取处理。即，返回至如图4、图6、图8所示的任一步骤ST101。
实施方式5中能将期望风速精度考虑在内来计算风矢量，因此例如即使设想观测环境中因风况、大气的状态、设备的状态等而导致风速精度发生变化的状况下，也能以预定的精度进行风观测。
根据实施方式5的测风装置，包括基于进行风矢量计算时的精度的值来计算视线数据数量的视线数据数量控制部，风矢量计算部利用视线数据数量的视线数据来计算风矢量，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式6.
实施方式4及实施方式5中，与预定的更新率相匹配地决定用于风矢量计算的视线数据数量，或与期望风速精度相匹配地决定用于风矢量计算的视线数据数量。也能基于平台的晃动周期，以提高晃动校正效果的方式决定视线数据数量，将其作为实施方式6进行说明。
图14是表示实施方式6中的信号处理装置所实现的功能部的主要部分的框结构图。
晃动周期分析部108是对晃动信息进行频率分析以计算出晃动的周期或频率、并作为晃动周期信息输出至视线数据数量控制部107b的处理部。实施方式6中，使用姿态角信息作为晃动信息。视线数据数量控制部107b是基于从晃动周期分析部108获取到的晃动周期信息来计算所使用的视线数据数量、并将该视线数据数量信息输出至视线数据储存部104b的处理部。
对实施方式6的动作进行说明。
晃动周期分析部108中，利用从晃动检测器10输出的姿态角信息，对其进行例如利用FFT等来实现的频率分析，求出晃动的主要成分的周期。在晃动的主要成分的周期与风矢量计算率相等或接近的情况下，晃动的校正效果降低。视线数据数量控制部107b中，将视线数设定为风矢量计算率与晃动的主要成分的晃动周期成为不同时间的数量，例如、设定成为晃动周期的1/2以下的时间的视线数，并输出至视线数据储存部104b。图15示出晃动周期与视线速度获取定时的关系。图15中，在以与晃动的主要成分的周期接近的时间间隔设定了视线数据数量的情况下，晃动校正的效果发生劣化。因此，视线数据数量控制部107b中，选择不会成为晃动的主要成分的晃动周期的时间间隔的视线数据数量。
图16示出实施方式6所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。另外，图16中，对于与实施方式1～3共通的部分省略记载。即，实施方式1的步骤ST101～ST104、实施方式2的步骤ST101～步骤ST108及实施方式3的步骤ST101～步骤ST109中，在进行了任一个处理后，均转移至步骤ST112。步骤ST112中，通过晃动周期分析部108，利用姿态角信息来计算晃动周期。接着，通过视线数据数量控制部107b基于晃动周期来计算视线数据数量(步骤ST110a)，并将其输出至视线数据储存部104b。视线数据储存部104b中，判定所储存的视线数据数量是否达到了预定的数量(步骤ST105)，若达到了预定的数量，则输出预定的数量的视线数据。风矢量计算部105a中，基于从视线数据储存部104b获取到的视线数据来计算风矢量(步骤ST106)。另一方面，若视线数据储存部104b中视线数据数量未达到预定的数量，则储存视线数据(步骤ST107)，并返回至下一次的视线数据的获取处理。即，返回至如图4、图6、图8所示的任一步骤ST101。
实施方式6中，能将晃动的周期或频率考虑在内来计算风矢量，因此能防止因晃动周期与风矢量计算率相接近而产生的晃动校正效果降低的情况。
根据实施方式6的测风装置，包括：晃动周期分析部，该晃动周期分析部根据晃动检测器所检测出的姿态角信息来求出支承物体的晃动周期；以及视线数据数量控制部，该视线数据数量控制部基于晃动周期分析部求得的晃动周期来计算出视线数据数量，风矢量计算部利用将晃动周期考虑在内的视线数据数量的视线数据来计算风矢量，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式7.
实施方式4～6中，与预定的更新率相匹配地决定用于风矢量计算的视线数据数量，或与期望风速精度相匹配地决定用于风矢量计算的视线数据数量，或利用晃动周期来决定用于风矢量计算的视线数据数量。也能根据将倾斜角考虑在内的测量点的空间性配置状况来决定视线数据数量，将其作为实施方式7进行说明。
图17是表示实施方式7中的信号处理装置12所实现的功能部的主要部分的框结构图。
测量点计算部109是根据校正后视线方向及作为晃动信息而获得的平台的位置信息来计算出测量点的坐标、并将其作为测量点信息输出至视线数据数量控制部107c的处理部。视线数据数量控制部107c是利用期望测量点进入的区域即期望观测区域和来自测量点计算部109的测量点信息来计算所使用的视线数据数量、并将其作为风矢量计算控制信号而输出至视线数据储存部104b的处理部。另外，此处将视线数据数量控制部107c所使用的期望观测区域设为以高度来区分的区域。
对实施方式7的动作进行说明。
测量点计算部109中，利用校正后视线方向及平台的位置信息来计算出实际测量到的测量点的位置、即测量点的方位及范围(距离)，并将其作为测量点信息来输出至视线数据数量控制部107c。接着，视线数据数量控制部107c中，利用获取到的测量点信息和预先获取到的高度信息，计算出将倾斜角考虑在内的测量点的空间性扩展。作为空间性扩展，可以考虑例如将以考虑了倾斜角的测量点作为顶点的多边形的面积与预定的面积的值进行比较，若占预定的比例以上，则判断为具有充分的扩展从而能计算风矢量。此外，例如若从未发生晃动时的测量点的中心等基准点进行观察，表示测量点的扩展的角度在预定的值以上，则能判断为具有充分的扩展，能计算风矢量。表示测量点的扩展的角度例如是指与将基准点及测量点作为顶点的多边形的基准点相对应的顶点处的内角。
图18是从铅直上方观察观测区域而得的图。此处，○(白色圆)是未发生晃动时的视线速度测量点，以●(黑色圆)示出的A～E点表示晃动时的视线速度测量点。图18中，求出夹角∠DOC、∠COA、∠AOB、∠BOE、∠EOD的总和来作为表示测量点的扩展的角度，若该总和在预定的值以上，则判定为具有充分的扩展。一般而言，若在180°以上，则能计算出准确的风矢量。视线数据数量控制部107c中，在能判定为具有充分的扩展的情况下，将该视线数的信息作为风矢量计算控制信号输出至视线数据储存部104b。在无法判定为具有充分的扩展的情况下，依次增加视线速度数据，反复进行同样的判定。另外，除了测量点的空间性扩展以外，也能利用高度分布来判定是否可视为处于基本相同的高度。一般而言，风速在每个高度具有不同的分布，因此若因晃动而导致平台倾斜，测量点彼此的高度产生差异，则会在各观测点测量不同的风速，因此测风精度发生劣化。在这样的情况下，除了仅使用同一高度的测量点的视线速度以外，还能通过改变激光雷达中计算视线速度的距离、即用于计算高度的视线速度的接收信号的范围，来获得同一高度的测量点。
图19示出实施方式7所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。另外，图19中，对于与实施方式1～3共通的部分省略记载。即，实施方式1的步骤ST101～ST104、实施方式2的步骤ST101～步骤ST108及实施方式3的步骤ST101～步骤ST109中，在进行了任一个处理后，均转移至步骤ST113。步骤ST113中，通过测量点计算部109计算出将倾斜角考虑在内的测量点。接着，视线数据数量控制部107c判定该测量点在空间上是否具有充分的扩展(步骤ST114)，在具有充分的扩展的情况下，作为表示能计算风矢量这一情况的风矢量计算控制信号输出至视线数据储存部104b。视线数据储存部104b中，基于来自视线数据数量控制部107c的风矢量计算控制信号，判定能否计算风矢量(步骤ST105a)，若能计算风矢量，则输出视线数据。风矢量计算部105a中，基于从视线数据储存部104b获取到的视线数据来计算风矢量(步骤ST106)。另一方面，若视线数据储存部104b中视线数据数量未达到预定的数量，则储存视线数据(步骤ST107)，并返回至下一次的视线数据的获取处理。即，返回至如图4、图6、图8所示的任一步骤ST101。
实施方式7中，能根据将倾斜角考虑在内的测量点的空间性扩展或高度分布的同一性，来判定测量点的有效无效并计算风矢量，因此即使在因晃动而导致测量点变动的情况下，也能进行高精度的风矢量推测。
根据实施方式7的测风装置，包括：测量点计算部，该测量点计算部求出表示对风矢量进行计算的测量点的位置的测量点信息；以及视线数据数量控制部，该视线数据数量控制部根据测量点信息与计算风矢量的观测区域的信息来求出测量点的空间性配置状况，基于测量点的空间性配置状况来计算视线数据数量，风矢量计算部利用将测量点的空间性配置状况考虑在内的视线数据数量的视线数据来计算风矢量，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式8.
实施方式7中，根据将倾斜角考虑在内的测量点的空间性配置状况，决定了用于风矢量计算的视线数据数量。还能根据与过去观测时、例如前一次观测时的风相比的变化状况来决定视线数据数量，使得晃动校正效果提高，将其作为实施方式8来进行说明。
图20是表示实施方式8中的信号处理装置12所实现的功能部的主要部分的框结构图。
预想视线速度计算部110是利用过去观测时的风矢量和校正度视线方向来计算当前所预想的视线速度、并将其输出至视线数据数量控制部107d的处理部。视线数据数量控制部107d是利用预想视线速度与实测得到的校正后视线速度来判定风况、例如风向的变化，计算出所使用的视线数据数量，并将其输出至视线数据储存部104b的处理部。
对实施方式8的动作进行说明。
预想视线速度计算部110中，利用前一次观测时的风矢量与校正后视线方向的内积，来计算出假设当前处于相同的风况(风向及风速相同)时的视线速度即预想视线速度，并输出至视线数据数量控制部107d。
视线数据数量控制部107d中，对预想视线速度与实测得到的校正后视线速度进行比较，在差异小于预定的值的情况下，判断为风况没有变化，能增加风矢量计算所使用的视线数据，在差异在预定的值以上的情况下，判断为与前一次观测时相比风况发生了变化，若将这一次的视线速度包含在内来计算风矢量，则精度会劣化，并将所使用的视线数据数量输出至视线数据储存部104b。图21示出表示过去的风矢量与测量点的关系的示意图。图21是从铅直上方观察观测区域而得的图。以●(黑色圆)所示的A～E点表示发生了晃动时的视线速度测量点。此外，200a表示过去的风矢量，200b表示预想视线速度。
图22示出实施方式8所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。另外，图22中，对于与实施方式1～3共通的部分省略记载。即，实施方式1的步骤ST101～ST104、实施方式2的步骤ST101～步骤ST108及实施方式3的步骤ST101～步骤ST109中，在进行了任一个处理后，均转移至步骤ST115。步骤ST115中，由预想视线速度计算部110来计算预想视线速度。接着，视线数据数量控制部107d判定预想视线速度与测量得到的视线速度的一致度(步骤ST114a)，将一致度是否在预定的值以上作为风矢量计算控制信号进行输出。视线数据储存部104b中，基于由视线数据数量控制部107a求出的风矢量计算控制信号，判定预想视线速度与测量得到的视线速度是否一致(步骤ST105b)，若预想视线速度与测量得到的视线速度一致，则判定视线数据数量是否达到了上限(步骤ST105c)。即使在风速没有变化的状况持续的情况下，也根据要计算风矢量的时间间隔来决定视线数据数量的上限。在视线数据数量达到了上限的情况下，也使用这一次的视线数据来计算风矢量(步骤ST106)。在视线数据数量未达到上限的情况下，储存视线数据(步骤ST107)，返回至下一次的视线数据的获取处理。即，返回至如图4、图6、图8所示的任一步骤ST101。若预想视线速度与测量得到的视线速度不一致，则风况正在变化，因此使用到前一次为止的视线数据来计算风矢量(步骤ST106a)。储存这一次的视线数据(步骤ST107)，并返回至下一次的视线数据的获取处理。
实施方式8中，根据风况的变化来改变风矢量计算所使用的视线数据数量的数量，因此在风况稳定时能降低杂音分量，即使在风况发生了变化的情况下，也能抑制风矢量的推测精度劣化。
根据实施方式8的测风装置，包括：预想视线速度计算部，该预想视线速度计算部根据过去的风矢量计算结果来求出预想视线速度；以及视线数据数量控制部，该视线数据数量控制部通过预想视线速度与实测得到的视线速度的比较来计算视线数据数量，风矢量计算部利用通过预想视线速度与实测得到的视线速度的比较而计算得到的视线数据数量的视线数据来计算风矢量，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式9.
实施方式8中，使风矢量计算中所使用的视线数据数量根据风况的变化而变化，但也能根据晃动状况来决定视线数据数量，将其作为实施方式9进行说明。
图23是表示实施方式9中的信号处理装置所实现的功能部的主要部分的框结构图。
晃动精度计算部116是计算晃动信息的精度、将其输出至视线数据数量控制部107e的处理部。视线数据数量控制部107e是利用晃动精度计算部116所求出的晃动精度信息来计算所使用的视线数据数量、并将其作为风矢量计算控制信号来输出至视线数据储存部104b的处理部。
对实施方式9的动作进行说明。
晃动精度计算部116中，针对从晃动检测器10输出的晃动信息，计算平均值、方差值或标准偏差等统计量，并将这些晃动精度信息输出至视线数据数量控制部107e。
视线数据数量控制部107e中，对期望晃动精度与由晃动精度计算部116所求出的晃动精度信息进行比较，在测量得到的晃动的精度比期望晃动精度要好的情况下，持续输出当前的视线数据数量，在测量得到的晃动的精度比期望晃动精度要差的情况下，通过增加数据数量来降低杂音分量，因此输出增加了视线数据数量后的值。图24是表示晃动精度与视线数的关系的图。若晃动的误差分量是因杂音产生的，则能通过增加视线数来使其降低。图24所示的晃动精度与视线数的特性在事先获取。
图25示出实施方式9所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。另外，图25中，对于与实施方式1～3共通的部分省略记载。即，实施方式1的步骤ST101～ST104、实施方式2的步骤ST101～步骤ST108及实施方式3的步骤ST101～步骤ST109中，在进行了任一个处理后，均转移至步骤ST127。步骤ST127中，由晃动精度计算部116来计算晃动精度。接着，视线数据数量控制部107e将针对晃动精度的视线数据数量与事先获取到的特性进行对照，决定视线数据数量(步骤ST116)，并作为风矢量计算控制信号进行输出。视线数据储存部104b中，基于由视线数据数量控制部107e求出的视线数据数量，判定获取到的视线数据数量是否达到了根据晃动精度来决定的数量(步骤ST105d)，若达到了根据晃动精度来决定的数量，则输出根据晃动精度来决定的数量的视线数据。风矢量计算部105a中，基于从视线数据储存部104b获取到的视线数据来计算风矢量(步骤ST106)。另一方面，若视线数据储存部104b中视线数据数量未达到根据晃动精度来决定的数量，则储存视线数据(步骤ST107)，并返回至下一次的视线数据的获取处理。即，返回至如图4、图6、图8所示的任一步骤ST101。
实施方式9中，风矢量计算所使用的视线数据数量的数量根据晃动的精度而改变，因此即使在例如晃动状况改变、随机性增加的情况下，也能进行高精度的风矢量推测。
根据实施方式9的测风装置，包括：晃动精度计算部，该晃动精度计算部根据晃动信息的统计量来求出晃动信息的精度；以及视线数据数量控制部，该视线数据数量控制部利用晃动信息的精度来计算出视线数据数量，风矢量计算部利用将晃动信息的精度考虑在内的视线数据数量的视线数据来计算风矢量，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式10.
实施方式5、实施方式9中，利用视线速度的精度、晃动信息的精度来改变风矢量推测所使用的视线数据数量，但在例如鸟、飞机等硬目标(hard targe)出现在观测区域内的情况下，考虑视线速度的精度会局部性劣化。在上述情况下，判定是否不使用视线数据数量而个别使用视线数据的方式较为有效，将其作为实施方式10进行说明。
图26是表示实施方式10中的信号处理装置12所实现的功能部的框结构图。
强度信息计算部111是根据接收信号的多普勒频谱来计算信号的强度信息、并将其输出至视线数据判定部112的处理部。视线数据判定部112是基于获取到的接收信号的强度信息来判定视线数据的有效无效、并将判定结果输出至视线数据储存部104c的处理部。
对实施方式10的动作进行说明。
强度信息计算部111中，利用接收信号的多普勒频谱进行峰值检测，并计算振幅值。振幅值是表示信号的强度的指标，能将其作为视线速度强度信息。或者，能根据与预先求得的杂音等级之比来计算出信噪比，将其设为视线速度强度信息。
视线数据判定部112中，判定获取到的视线速度强度信息的值是否在作为风速来说有效的预定的范围内。该预定的范围是预先获取、设定的范围。例如，在强度超过范围的情况下，是来自硬目标的反射波的可能性较高，相反在比范围要低的情况下，考虑悬浮微粒浓度较低、作为数据的可靠性较低、或晃动激烈、测量时间内的速度变动较大，因此信号未累积。在强度处于预定的范围内的情况下，对视线数据储存部104c输出将数据设为有效的视线数据判定信息，在强度处于预定的范围外的情况下，对视线数据储存部104c输出将该视线数据设为无效的视线数据判定信息。视线数据储存部104c中，仅将判定为有效的视线数据输出至风矢量计算部105。
图27示出实施方式10所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。另外，图27中，步骤ST101～ST104与实施方式1～3相同，因此省略此处的说明。
实施方式10中，通过视线方向校正部103使视线方向旋转(步骤ST104)，并通过强度信息计算部111根据多普勒频谱来计算强度信息(步骤ST117)。接着，视线数据判定部112判定由强度信息计算部111所计算出的强度信息是否满足预定的条件(步骤ST118)，在满足的情况下，输出将视线数据设为有效的视线数据判定信息，在强度不满足预定的条件的情况下，输出将视线数据设为无效的视线数据判定信息。视线数据储存部104c中，基于视线数据判定信息来判定获取到的视线数据中有效的视线数据的数量是否达到了预定的数量(步骤ST105)，若达到了预定的数量，则输出预定的数量的有效的视线数据。风矢量计算部105中，基于从视线数据储存部104c获取到的视线数据来计算风矢量(步骤ST106)。另一方面，若视线数据储存部104c中有效的视线数据数量未达到预定的数量，则储存视线数据(步骤ST107)，并返回至步骤ST101。此外，步骤ST118中，在强度信息不满足预定的条件的情况下，丢弃该视线数据，返回至步骤ST101。
实施方式10中，基于视线数据的强度条件来判定数据的有效无效，因此能仅利用有效的、即高精度的数据来测量风矢量，能获得较高的风矢量推测精度。
根据实施方式10的测风装置，包括：强度信息计算部，该强度信息计算部计算由信号收发部接收到的接收信号的强度信息；以及视线数据判定部，该视线数据判定部在强度信息的值满足所设定的条件的情况下，将根据接收信号计算出的视线数据判定为有效，风矢量计算部利用由视线数据判定部判定为有效的视线数据来计算风矢量，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式11.
实施方式10中，通过视线数据的强度条件来判定有效无效。也能利用多普勒速度的值来进行判定，将其作为实施方式11进行说明。
图28是表示实施方式11中的信号处理装置12所实现的功能部的框结构图。
视线数据判定部112a是基于获取到的视线速度来判定视线数据的有效无效、并将判定结果输出至视线数据储存部104c的处理部。
对实施方式11的动作进行说明。
视线数据判定部112a中，基于视线速度计算部102计算出的校正前的视线速度，判定视线速度的值是否在作为风速来说有效的预定的范围内。例如，在多普勒速度高到处于有效的预定的范围外的情况下，考虑对杂音分量进行了误推测的情况。此外，进行与过去、例如前一次时刻的风矢量的比较，在差异较大的情况下，也考虑对视线速度进行了误推测的情况。在有效的情况下，将该视线数据为有效的视线数据判定信息输出至视线数据储存部104c，在无效的情况下，将该视线数据无效的视线数据判定信息输出至视线数据储存部104c。
图29示出实施方式11所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。另外，图29中，步骤ST101～ST104与实施方式1～3相同，因此省略此处的说明。
实施方式11中，通过视线方向校正部103旋转视线方向(步骤ST104)，并且由视线数据判定部112a来判定视线速度计算部102所求出的校正前视线速度是否适合预定的条件(步骤ST119)，在满足的情况下，输出将视线数据设为有效的视线数据判定信息，在强度不满足预定的条件的情况下，输出将视线数据设为无效的视线数据判定信息。视线数据储存部104c中，基于视线数据判定信息来判定所获取到的视线数据中有效的视线数据的数量是否达到了预定的数量(步骤ST105)，若达到了预定的数量，则输出预定的数量的有效的视线数据。风矢量计算部105中，基于从视线数据储存部104c获取到的视线数据来计算风矢量(步骤ST106)。另一方面，若视线数据储存部104c中有效的视线数据数量未达到预定的数量，则储存视线数据(步骤ST107)，并返回至步骤ST101。此外，步骤ST119中，在视线速度不满足预定的条件的情况下，丢弃该视线数据，返回至步骤ST101。
实施方式11中，基于视线数据的与多普勒速度相关的条件来判定数据的有效无效，因此能仅利用有效的、即高精度的数据来测量风矢量，能获得较高的风矢量推测精度。
根据实施方式11的测风装置，包括：视线数据判定部，该视线数据判定部在视线速度计算部所求得的视线速度满足所设定的条件的情况下，将视线速度的视线数据判定为有效，风矢量计算部利用由视线数据判定部判定为有效的视线数据来计算风矢量，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式12.
实施方式10及实施方式11中，基于视线数据的强度或视线速度的值，进行了视线数据的有效判定，但也能利用晃动信息来进行判定，将其作为实施方式12进行说明。
图30是表示实施方式12中的信号处理装置所实现的功能部的框结构图。
第一晃动信息判定部113是判定获取到的第一晃动信息(姿态角)的有效无效性、并将判定结果输出至视线方向校正部103b的处理部。第二晃动信息判定部114是判定获取到的第二晃动信息(平移速度)的有效无效性、并将判定结果输出至视线速度校正部106b的处理部。第三晃动信息判定部115是判定获取到的第三晃动信息(姿态角速度)的有效无效性、并将判定结果输出至视线速度校正部106b的处理部。其他的结构与图7所示的实施方式3的结构相同，因此对对应部分标注相同的标号并省略其说明。
对实施方式12的动作进行说明。
第一晃动信息判定部113中，对来自晃动检测器10的第一晃动信息(姿态角)进行有效无效判定。作为判定方法，例如考虑将姿态角的时间序列的值急剧变动的情况设为无效的方法。视线方向校正部103b中，基于该有效无效判定信息，仅在有效的情况下进行视线方向校正处理。
此外，第二晃动信息判定部114中，对从晃动检测器获得的第二晃动信息(平移速度)进行有效无效判定。作为判定方法，例如考虑将平移速度的时间序列的值急剧变动的情况设为无效的方法。视线速度校正部106b中，基于该有效无效判定信息，仅在有效的情况下进行与平移速度相关的视线速度校正处理。
此外，第三晃动信息判定部115中，对从晃动检测器获得的第三晃动信息(姿态角速度)进行有效无效判定。作为判定方法，例如考虑将姿态角速度的时间序列的值急剧变动的情况设为无效的方法。视线速度校正部106b中，基于该有效无效判定信息，仅在有效的情况下进行与姿态角速度相关的视线速度校正处理。
图31示出实施方式12所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。步骤ST101及ST102与实施方式3相同。实施方式12中，第一晃动信息判定部113计算出第一晃动信息(姿态角)的时间序列分布或平均、方差等统计值(步骤ST120)，若该值在预定的范围内则判定为有效(步骤ST121)。在步骤ST121中判定为有效的情况下，由视线方向校正部103b进行旋转矩阵计算(步骤ST103)及视线方向旋转(步骤ST104)。
步骤ST104之后、或步骤ST121判定为无效的情况下，第二晃动信息判定部114计算第二晃动信息(平移速度)的时间序列分布或平均、方差等统计值(步骤ST122)，若该值在预定的范围内，则判定为有效(步骤ST123)。在步骤ST123中判定为有效的情况下，由视线速度校正部106b计算平移速度(步骤ST108)。
步骤ST108之后、或步骤ST123判定为无效的情况下，第三晃动信息判定部115计算第三晃动信息(姿态角速度)的时间序列分布或平均、方差等统计值(步骤ST124)，若该值在预定的范围内，则判定为有效(步骤ST125)。在步骤ST125中判定为有效的情况下，由视线速度校正部106b计算设备相对速度(步骤ST109)。之后的步骤ST105～步骤ST107的动作与实施方式3相同。
实施方式12中，按每个晃动信息判定有效无效，因此能降低因晃动信息的劣化而导致的风矢量的精度劣化。
根据实施方式12的测风装置，包括：第一晃动信息判定部，该第一晃动信息判定部在姿态角信息满足设定条件的情况下，判定为姿态角信息有效；第二晃动信息判定部，该第二晃动信息判定部在平移速度信息满足设定条件的情况下，判定为平移速度信息有效；以及第三晃动信息判定部，该第三晃动信息判定部在姿态角速度信息满足设定条件的情况下，判定为姿态角速度信息有效，视线方向校正部利用第一晃动信息判定部判定为有效时的姿态角信息来进行校正，且视线速度校正部利用第二晃动信息判定部判定为有效时的平移速度信息来进行校正，并且利用第三晃动信息判定部判定为有效时的姿态角速度信息来进行校正，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式13.
实施方式7中，通过测量点的空间性扩展来设定视线数据数量。脱离期望观测区域的视线速度数据会使风矢量的推测精度劣化，因此能事先进行无效化，将其作为实施方式13进行说明。
图32是表示实施方式13中的信号处理装置所实现的功能部的主要部分的框结构图。
视线数据判定部112b将期望观测区域或期望观测高度与校正后视线方向作为输入，进行该视线数据的有效无效判定，将结果输出至视线数据储存部104a。
对实施方式13的动作进行说明。
视线数据判定部112b中，利用期望观测区域或期望观测高度和校正后视线方向，判定测量点是否处于期望观测区域内、或是否位于期望观测高度，在判定为无效的情况下，对视线数据储存部104a输出丢弃该视线数据的信号。
图33示出实施方式13所涉及的测风装置的信号处理部分的流程图。另外，图33中，对于与实施方式1～3共通的部分省略记载。即，实施方式1的步骤ST101～ST104、实施方式2的步骤ST101～步骤ST108及实施方式3的步骤ST101～步骤ST109中，在进行了任一个处理后，均转移至步骤ST113a。步骤ST113a中，通过视线数据判定部112b计算出将倾斜角考虑在内的测量点。接着，视线数据判定部112b判定该测量点是否满足期望观测区域或期望观测高度(步骤ST126)，在满足的情况下，输出将视线数据设为有效的视线数据判定信息，在测量点不满足期望观测区域或期望观测高度的情况下，输出将视线数据设为无效的视线数据判定信息。视线数据储存部104a中，基于视线数据判定信息来判定获取到的视线数据中有效的视线数据的数量是否达到了预定的数量(步骤ST105)，若达到了预定的数量，则输出预定的数量的有效的视线数据。风矢量计算部105中，基于从视线数据储存部104a获取到的视线数据来计算风矢量(步骤ST106)。另一方面，在视线数据储存部104a中有效的视线数据数量未达到预定的数量的情况下，储存视线数据(步骤ST107)，并返回至多普勒频谱计算处理、即实施方式1～3中的步骤ST101。此外，步骤ST126中，在测量点不满足期望观测区域的情况下，返回至实施方式1～3中的步骤ST101，再次进行视线速度的测量。
实施方式13中，对期望观测区域进行测量点的有效无效判定，并丢弃无效的数据，因此能降低风矢量的精度劣化。
根据实施方式13的测风装置，包括视线数据判定部，该视线数据判定部在计算风矢量的测量点的位置满足设定条件的情况下判定为视线数据有效，风矢量计算部利用判定为有效的视线数据来计算风矢量，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
实施方式14.
本实施方式14是基于平台的姿态角和姿态角的变化即姿态角速度来对求出多普勒频移的接收信号的范围即偏移检测范围进行变更的情况。
图34是表示本实施方式14的信号处理装置所实现的功能部的框结构图。对与实施方式3的情况下的图7的不同点进行说明。将第一晃动信息即姿态角和第三晃动信息即姿态角速度输入至频率分析部101a。频率分析部101a所具有的偏移检测范围变更部101b使用姿态角和姿态角速度来预测姿态角，并基于预测到的姿态角来变更偏移检测范围。具体而言，偏移检测范围变更部101b通过卡尔曼滤波器等对按每个姿态角的滚动、俯仰、偏航以时间序列进行输入的角度进行平滑化。也应用卡尔曼滤波器对每个滚动、俯仰、偏航的角速度进行平滑化。根据平滑化后的角度和角速度来对从该时刻起到求出m(1以上)次后的视线速度的时刻下的平台的姿态角进行预测。另外，决定求得预测姿态角的将来时刻的数m考虑用于决定偏移检测范围的时间、以及可获得姿态角的信息的时间来适当地决定。
对向某一视线方向照射激光并根据反射光求出多普勒频移时所使用的偏移检测范围的决定方法进行说明。利用由预测姿态角导出的旋转矩阵T，对于相对于平台的视线方向，求出将平台的预测的倾斜角下的地表面或水面作为基准的三维坐标下的预测视线方向。视线方向与预测视线方向均以方位角和高度角(仰角)来呈现。偏移检测范围基于晃动所引起的高度角的变化而变化。
将z轴方向的高度角设为0度。将不存在晃动时的视线方向的高度角设为EL，将预测到的姿态角下的视线方向的高度角设为ELC。偏移检测范围根据姿态角如下所示那样变化，以使得无论姿态角如何均能测量相同高度下的风速。在不存在晃动的情况下，将从光天线装置5到位于高度H的点为止的距离设为L，在作为具有晃动的情况而预测到的姿态角的情况下，将从光天线装置5到位于高度H的点为止的距离设为LC。以下的关系成立。
H＝L*cos(EL)＝LC*cos(ELC) (8)
对式(8)进行变形，可获得下式。
β＝cos(EL)/cos(ELC) (9)
LC＝β*L (10)
式(9)与式(10)表示在视线方向因晃动而发生了变化的情况下，将不存在晃动时的偏移检测范围的值与利用式(9)所计算出的系数β相乘即可。将系数β称为距离校正系数。
图35是对本实施方式14的测风装置的动作进行说明的流程图。偏移检测范围变更部101b在步骤ST131中对姿态角进行预测。步骤ST132中，利用预测到的姿态角来计算旋转矩阵。步骤ST133中，通过旋转矩阵使视线方向旋转。步骤ST134中，根据预测到的视线方向来计算距离校正系数β。步骤ST135中，使用距离校正系数β来计算偏移检测范围。之后，步骤ST101中，根据偏移检测范围的接收信号来计算多普勒频谱。之后的动作与实施方式3相同。另外，步骤ST131至ST135的处理在准确地计算m次前的视线数据时被实施。
即使在偏移检测范围根据姿态角而变化、姿态角因晃动而变化的情况下，也使用以相同高度进行反射的接收信号来求出视线速度，因此与以往相比，能更准确地计算风矢量。本发明所涉及的测风装置中，作为根据高度而风速相同的前提成立的情况，对多个视线方向照射激光，按每个视线方向来决定不存在晃动时以相同高度进行反射的偏移检测范围。
在晃动的情况下，视线方向相比不晃动的情况有所变化，根据式(9)，距离校正系数β成为不是1的值。若将偏移检测范围设为固定，则将以其他高度来进行反射的视线高度作为要测量的高度下的视线速度来使用。在根据高度的不同风速大不相同的情况下，若使用其他高度下的视线速度，则计算得到的风矢量的风速与实际的风速不同。
本实施方式14中，预测视线方向的变化，根据预测到的视线方向变更偏移检测范围，因此即使在晃动的情况下，也能测量相同高度的测量点下的视线速度，能高精度地测量风矢量。不仅能应用于实施方式3，也能应用于其他实施方式。
本实施方式中，为了预测视线方向，使用了由晃动检测器10所检测出的姿态角和姿态角的变化即角速度双方。晃动检测器10也可以仅检测姿态角，根据所输入的姿态角的时间序列数据来推测角速度，根据推测到的角速度来预测姿态角。此外，也可以保存经A/D转换器8转换后的信号直至判明实际的姿态角，以与实际的姿态角相对应的偏移检测范围进行区分，来计算多普勒频谱。在根据实际的姿态角对偏移检测范围进行区分的情况下，也可以不将晃动检测器10的输出输入至频率分析部101a。只要能决定偏移检测范围，使得成为由包含测量点的高度在内的预定范围内的高度的粒子所反射的接收信号，则可以使用任意的方法来决定偏移检测范围。可以作为与频率分析部101a独立的功能部来构成偏移检测范围变更部101b。
根据实施方式14的测风装置，包括偏移检测范围变更部，该偏移检测范围变更部基于姿态角信息来变更频率分析部求出多普勒频移的接收信号的范围即偏移检测范围，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
根据实施方式14的测风装置，包括偏移检测范围变更部，该偏移检测范围变更部基于姿态角信息及姿态角速度信息来变更频率分析部求出多普勒频移的接收信号的范围即偏移检测范围，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
根据实施方式14的测风装置，频率分析部使用接收信号的范围即偏移检测范围来求出多普勒频移，该接收信号的范围被决定成为由包含测量点的高度在内的预定范围内的高度的粒子所反射的接收信号，因此能抑制风矢量的推测精度的劣化。
此外，本发明申请在其发明的范围内可对各实施方式进行自由组合，或者对各实施方式的任意的结构要素进行变形，或在各实施方式中省略任意的结构要素。
工业上的实用性
如上所述，本发明所涉及的测风装置是涉及对大气中的远程点的风进行测量的结构的装置，适用于多普勒雷达、风速仪、多普勒激光雷达、多普勒声纳等装置。
标号说明
101，101a频率分析部、101b偏移检测范围变更部、102视线速度计算部、103，103a，103b视线方向校正部、104，104a，104b，104c视线数据储存部、105，105a风矢量计算部、106，106a，106b视线速度校正部、107，107a，107b，107c，107d，107e视线数据数量控制部、108晃动周期分析部、109测量点计算部、110预想视线速度计算部、111强度信息计算部、112，112a，112b视线数据判定部、113第一晃动信息判定部、114第二晃动信息判定部、115第三晃动信息判定部、116晃动精度计算部。

Claims (16)

1.一种测风装置，其特征在于，包括：
信号收发部，该信号收发部在大气中向视线方向辐射电磁波或声波即辐射信号，并接收由与大气一起移动的粒子所反射的所述辐射信号即反射信号；
频率分析部，该频率分析部求出由所述信号收发部所接收到的所述反射信号即接收信号与所述辐射信号之间的多普勒频移；
视线速度计算部，该视线速度计算部根据所述多普勒频移求出视线速度；
晃动检测器，该晃动检测器对包含固定有所述信号收发部的支承物体的姿态角即姿态角信息在内的晃动信息进行检测；
视线方向校正部，该视线方向校正部利用所述姿态角信息对所述视线方向进行校正；以及
风矢量计算部，该风矢量计算部将由所述视线方向校正部进行校正后的校正后视线方向与所述视线速度的组用作视线数据，计算从所述信号收发部到预定位置内存在的测量点处的大气的风向和风速，以作为风矢量。
2.如权利要求1所述的测风装置，其特征在于，
所述晃动检测器检测所述支承物体的移动速度即平移速度信息，
且所述测风装置包括视线速度校正部，该视线速度校正部利用所述平移速度信息对由所述视线速度计算部求出的视线速度进行校正，
所述风矢量计算部利用由所述视线速度校正部进行校正后的视线速度进行所述风矢量的计算。
3.如权利要求2所述的测风装置，其特征在于，
所述晃动检测器检测所述支承物体的所述姿态角的变化速度即姿态角速度信息，
所述视线速度校正部利用所述姿态角速度信息对由所述视线速度计算部求出的视线速度进行校正。
4.如权利要求1至3的任一项所述的测风装置，其特征在于，
包括偏移检测范围变更部，该偏移检测范围变更部基于所述姿态角信息来变更所述频率分析部求出所述多普勒频移的所述接收信号的范围即偏移检测范围。
5.如权利要求3所述的测风装置，其特征在于，
包括偏移检测范围变更部，该偏移检测范围变更部基于所述姿态角信息及所述姿态角速度信息来变更所述频率分析部求出所述多普勒频移的所述接收信号的范围即偏移检测范围。
6.如权利要求1至5的任一项所述的测风装置，其特征在于，
所述频率分析部使用所述接收信号的范围即偏移检测范围来求出所述多普勒频移，该接收信号的范围被决定成为由包含所述测量点的高度在内的预定范围内的高度的所述粒子进行反射的所述接收信号。
7.如权利要求1至6的任一项所述的测风装置，其特征在于，
包括视线数据数量控制部，该视线数据数量控制部基于所述风矢量计算的更新率来计算视线数据数量，
所述风矢量计算部利用所述视线数据数量的所述视线数据来计算所述风矢量。
8.如权利要求1至6的任一项所述的测风装置，其特征在于，
包括视线数据数量控制部，该视线数据数量控制部基于进行所述风矢量计算时的精度的值来计算视线数据数量，
所述风矢量计算部利用所述视线数据数量的所述视线数据来计算所述风矢量。
9.如权利要求1至6的任一项所述的测风装置，其特征在于，包括：
晃动周期分析部，该晃动周期分析部根据所述晃动检测器检测出的所述姿态角信息来求出所述支承物体的晃动周期；以及
视线数据数量控制部，该视线数据数量控制部基于所述晃动周期分析部求得的所述晃动周期来计算出视线数据数量，
所述风矢量计算部利用所述视线数据数量的所述视线数据来计算所述风矢量。
10.如权利要求1至9的任一项所述的测风装置，其特征在于，包括：
测量点计算部，该测量点计算部求出表示对所述风矢量进行计算的所述测量点的位置的测量点信息；以及
视线数据数量控制部，该视线数据数量控制部根据所述测量点信息和计算所述风矢量的观测区域的信息来求出所述测量点的空间性配置状况，基于该测量点的空间性配置状况来计算视线数据数量，
所述风矢量计算部利用所述视线数据数量的所述视线数据来计算所述风矢量。
11.如权利要求1至10的任一项所述的测风装置，其特征在于，包括：
预想视线速度计算部，该预想视线速度计算部根据过去的风矢量计算结果来求出预想视线速度；以及
视线数据数量控制部，该视线数据数量控制部通过所述预想视线速度与实测得到的视线速度的比较来计算所述视线数据数量，
所述风矢量计算部利用所述视线数据数量的所述视线数据来计算所述风矢量。
12.如权利要求1至11的任一项所述的测风装置，其特征在于，包括：
晃动精度计算部，该晃动精度计算部利用所述晃动信息的统计量来求出晃动信息的精度；以及
视线数据数量控制部，该视线数据数量控制部利用所述晃动信息的精度来计算出视线数据数量，
所述风矢量计算部利用所述视线数据数量的所述视线数据来计算所述风矢量。
13.如权利要求1至12的任一项所述的测风装置，其特征在于，包括：
强度信息计算部，该强度信息计算部计算由所述信号收发部接收到的所述接收信号的强度信息；以及
视线数据判定部，该视线数据判定部在所述强度信息的值满足所设定的条件的情况下，判定为根据所述接收信号所计算出的所述视线数据有效，
所述风矢量计算部利用由所述视线数据判定部判定为有效的所述视线数据来计算所述风矢量。
14.如权利要求1至13的任一项所述的测风装置，其特征在于，
包括视线数据判定部，该视线数据判定部在所述视线速度计算部求得的所述视线速度满足所设定的条件的情况下，将该视线速度的所述视线数据判定为有效，
所述风矢量计算部利用由所述视线数据判定部判定为有效的所述视线数据计算所述风矢量。
15.如权利要求3所述的测风装置，其特征在于，包括：
第一晃动信息判定部，该第一晃动信息判定部在所述姿态角信息满足设定条件的情况下，判定为该姿态角信息有效；
第二晃动信息判定部，该第二晃动信息判定部在所述平移速度信息满足设定条件的情况下，判定为该平移速度信息有效；以及
第三晃动信息判定部，该第三晃动信息判定部在所述姿态角速度信息满足设定条件的情况下，判定为该姿态角速度信息有效，
所述视线方向校正部利用所述第一晃动信息判定部判定为有效时的所述姿态角信息来进行校正，且所述视线速度校正部利用所述第二晃动信息判定部判定为有效时的所述平移速度信息来进行校正，并且利用所述第三晃动信息判定部判定为有效时的所述姿态角速度信息来进行校正。
16.如权利要求1至15的任一项所述的测风装置，其特征在于，
包括视线数据判定部，该视线数据判定部在计算所述风矢量的所述测量点的位置满足设定条件的情况下判定为所述视线数据有效，
所述风矢量计算部利用判定为有效的所述视线数据来计算所述风矢量。
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