JP2003014845A - 風擾乱予知システム - Google Patents
風擾乱予知システムInfo
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- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
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- G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 ３次元的な風擾乱を計測し、信頼できる警告
かどうかを事前に確認できる風擾乱予知システムを提供
する。 【解決手段】 ドップラー効果を利用したレーザ風速計
を航空機に搭載し、レーザ光を円錐状に走査しながら照
射して、飛行中の機体前方の風擾乱領域からの散乱光を
受光することにより、遠方の三次元的な気流の速度を計
測する方式を採用した。また、計測した３次元の気流情
報を上下風および前後風が機体に及ぼす影響を考慮し
て、上下風のみに換算して２次元に簡易化表示し、風擾
乱について乱流強度および平均風に分解して表現するよ
うにした。また、計測した気流情報を操縦者に伝達する
際、擾乱の位置を距離ではなく、その擾乱に遭遇するま
での時間を基準として表示するようにし、風計測ライダ
の円筒状の光学系を一部切欠いて搭載性を向上させるよ
うにした。
かどうかを事前に確認できる風擾乱予知システムを提供
する。 【解決手段】 ドップラー効果を利用したレーザ風速計
を航空機に搭載し、レーザ光を円錐状に走査しながら照
射して、飛行中の機体前方の風擾乱領域からの散乱光を
受光することにより、遠方の三次元的な気流の速度を計
測する方式を採用した。また、計測した３次元の気流情
報を上下風および前後風が機体に及ぼす影響を考慮し
て、上下風のみに換算して２次元に簡易化表示し、風擾
乱について乱流強度および平均風に分解して表現するよ
うにした。また、計測した気流情報を操縦者に伝達する
際、擾乱の位置を距離ではなく、その擾乱に遭遇するま
での時間を基準として表示するようにし、風計測ライダ
の円筒状の光学系を一部切欠いて搭載性を向上させるよ
うにした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、飛行中の航空機か
らその飛行経路前方の風擾乱および、その航空機の正確
な対気速度を計測する手法並びにそのシステムに関する
ものである。
らその飛行経路前方の風擾乱および、その航空機の正確
な対気速度を計測する手法並びにそのシステムに関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】大気中を飛行する航空機は常に風の影響
を受けており、風の急激な変化は、航空機事故の主要因
のひとつとなっている。飛行経路前方のウインドシア、
晴天乱流、ダウンバーストなどを操縦者が予め認識する
ことにより、風擾乱を乗客に通知して注意を喚起した
り、風擾乱を回避したり、激しい機体運動を低減させる
操縦が可能となり、飛行安全に貢献することができる。
計測した気流情報を、オートパイロットなどの制御シス
テムに伝達して利用することも考えられる。一方、航空
機の開発や改良の際には通常飛行実験を行うが、このと
きに基本特性データ取得のために、正確な対気速度を計
測することが必須である。
を受けており、風の急激な変化は、航空機事故の主要因
のひとつとなっている。飛行経路前方のウインドシア、
晴天乱流、ダウンバーストなどを操縦者が予め認識する
ことにより、風擾乱を乗客に通知して注意を喚起した
り、風擾乱を回避したり、激しい機体運動を低減させる
操縦が可能となり、飛行安全に貢献することができる。
計測した気流情報を、オートパイロットなどの制御シス
テムに伝達して利用することも考えられる。一方、航空
機の開発や改良の際には通常飛行実験を行うが、このと
きに基本特性データ取得のために、正確な対気速度を計
測することが必須である。
【０００３】風擾乱を検知したり、対気速度を計測する
従来からの方法には次のようなものがある。 ウインドシア警告装置 これは機体に取り付けた対気速度センサと慣性速度との
比較から風を計算し、その変化量からウインドシアを推
定する形態の装置、および電波を利用して前方の風擾乱
を計測する形態の装置の２種類がある。 地上観測装置 これは上空の風を観測するリモートセンサを地上に設置
して、航空機の経路上の風を観測するもので、目的に応
じて、音波を利用する方式、電波を利用する方式、光波
を利用する方式があり、光波を利用する方式を風計測ラ
イダと称する。 ピト一管 これは機体に搭載したピトー管により、空気の総圧及び
静圧を測定して、その差の動圧から対気速度を求めるも
ので、このピト一管は、航空機の対気速度センサとして
は最も普及している。しかし、これら従来装置で測定さ
れる気流は進行方向のみである。従来のピト一管や電波
で測定される気流は進行方向のみであるため、３次元的
な風擾乱を計測することはできない。また、ウインドシ
ア警告システムは認識しにくいという問題がある。すな
わち、一部の大型航空機に搭載されているウインドシア
警告装置は、予告なしに急に警告を発するため、認識が
遅れるうえ信頼できる警告かどうかを確認することがで
きない。また、どのような対処をするべきか判断する材
料が少ない。そして、風計測ライダの光学系として一般
的に使用されている円筒形のレンズは、航空機に搭載す
る際、突起が大きくなり空気力学的や構造的な影響が大
きいため、搭載機や搭載箇所の制限が多いという問題も
あった。更に、ピト一管には低速度域では使用できない
という構造的な短所がある。すなわち、ピト一管で測定
する動圧は、対気速度の２乗に比例するために、低速度
域では測定誤差が大きくなる。したがって、ピトー管が
利用できる速度は通常、20〜30ｍ／Ｓ以上である。さら
に低速度であるとか、気流方向が機体軸線と大きく異な
る場合には、測定自体が不可能となる。また、ピト一管
などのように機体に直に取り付ける対気速度センサは、
機体自身が気流を乱す影響で測定に誤差を生ずる。この
誤差を位置誤差と称し、ピト一管にはこの位置誤差があ
る。
従来からの方法には次のようなものがある。 ウインドシア警告装置 これは機体に取り付けた対気速度センサと慣性速度との
比較から風を計算し、その変化量からウインドシアを推
定する形態の装置、および電波を利用して前方の風擾乱
を計測する形態の装置の２種類がある。 地上観測装置 これは上空の風を観測するリモートセンサを地上に設置
して、航空機の経路上の風を観測するもので、目的に応
じて、音波を利用する方式、電波を利用する方式、光波
を利用する方式があり、光波を利用する方式を風計測ラ
イダと称する。 ピト一管 これは機体に搭載したピトー管により、空気の総圧及び
静圧を測定して、その差の動圧から対気速度を求めるも
ので、このピト一管は、航空機の対気速度センサとして
は最も普及している。しかし、これら従来装置で測定さ
れる気流は進行方向のみである。従来のピト一管や電波
で測定される気流は進行方向のみであるため、３次元的
な風擾乱を計測することはできない。また、ウインドシ
ア警告システムは認識しにくいという問題がある。すな
わち、一部の大型航空機に搭載されているウインドシア
警告装置は、予告なしに急に警告を発するため、認識が
遅れるうえ信頼できる警告かどうかを確認することがで
きない。また、どのような対処をするべきか判断する材
料が少ない。そして、風計測ライダの光学系として一般
的に使用されている円筒形のレンズは、航空機に搭載す
る際、突起が大きくなり空気力学的や構造的な影響が大
きいため、搭載機や搭載箇所の制限が多いという問題も
あった。更に、ピト一管には低速度域では使用できない
という構造的な短所がある。すなわち、ピト一管で測定
する動圧は、対気速度の２乗に比例するために、低速度
域では測定誤差が大きくなる。したがって、ピトー管が
利用できる速度は通常、20〜30ｍ／Ｓ以上である。さら
に低速度であるとか、気流方向が機体軸線と大きく異な
る場合には、測定自体が不可能となる。また、ピト一管
などのように機体に直に取り付ける対気速度センサは、
機体自身が気流を乱す影響で測定に誤差を生ずる。この
誤差を位置誤差と称し、ピト一管にはこの位置誤差があ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
したような従来装置がもつ様々な問題点を解決するこ
と、すなわち、３次元的な風擾乱を計測することがで
き、従来のウインドシア警告システムのような予告なし
の突然の警告ではなく、信頼できる警告かどうかを事前
に確認することができ、どのような対処をするべきか判
断しやすい形態で検知でき、そして、航空機に搭載する
際、空気力学的や構造的な影響が少なく、更に、ピト一
管では計測出来ない20〜30ｍ／Ｓ以下の速度、さらに気
流方向が機体軸線と大きく異なる場合でも測定が可能で
位置誤差を生じない計測システムを提供することにあ
る。
したような従来装置がもつ様々な問題点を解決するこ
と、すなわち、３次元的な風擾乱を計測することがで
き、従来のウインドシア警告システムのような予告なし
の突然の警告ではなく、信頼できる警告かどうかを事前
に確認することができ、どのような対処をするべきか判
断しやすい形態で検知でき、そして、航空機に搭載する
際、空気力学的や構造的な影響が少なく、更に、ピト一
管では計測出来ない20〜30ｍ／Ｓ以下の速度、さらに気
流方向が機体軸線と大きく異なる場合でも測定が可能で
位置誤差を生じない計測システムを提供することにあ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の風擾乱予知シス
テムは、ドップラー効果を利用したレーザ風速計を航空
機に搭載し、レーザ光を円錐状に走査しながら照射し
て、飛行中の機体前方の風擾乱領域からの散乱光を受光
することにより、遠方の三次元的な気流の速度を計測す
る方式を採用した。また、計測した３次元の気流情報を
上下風および前後風が機体に及ぼす影響を考慮して、上
下風のみに換算して２次元に簡易化表示し、風擾乱につ
いて乱流強度および平均風に分解して表現するようにし
た。また、計測した気流情報を操縦者に伝達する際、擾
乱の位置を距離ではなく、その擾乱に遭遇するまでの時
間を基準として表示するようにし、風計測ライダの円筒
状の光学系を一部切欠いて搭載性を向上させるようにし
た。
テムは、ドップラー効果を利用したレーザ風速計を航空
機に搭載し、レーザ光を円錐状に走査しながら照射し
て、飛行中の機体前方の風擾乱領域からの散乱光を受光
することにより、遠方の三次元的な気流の速度を計測す
る方式を採用した。また、計測した３次元の気流情報を
上下風および前後風が機体に及ぼす影響を考慮して、上
下風のみに換算して２次元に簡易化表示し、風擾乱につ
いて乱流強度および平均風に分解して表現するようにし
た。また、計測した気流情報を操縦者に伝達する際、擾
乱の位置を距離ではなく、その擾乱に遭遇するまでの時
間を基準として表示するようにし、風計測ライダの円筒
状の光学系を一部切欠いて搭載性を向上させるようにし
た。
【０００６】
【発明の実施の形態】現在、一部の大型航空機には、電
波を利用したウインドシア警告装置が搭載されているも
のの、この装置で計測できるのは前後方向の気流成分だ
けで、上下風や横風を知ることができない。そのため本
発明ではレーザ光を利用した風計測リモートセンサ(風
計測ライダ)を応用して、該装置を航空機に装備し、レ
ーザ光を円錐状に走査させながら照射すると共に大気中
のエアロゾルに反射して返ってくる散乱光を受光するこ
とにより、３次元の気流成分を計測するようにした。ま
た、従来のウインドシア計測システムは、異常時のみ警
告を発する方式のため、警告が唐突で信頼性を確認する
余裕がない。このため常時気流状況を表示して、警告を
発する前に予測が出来るようにする。このときに気流を
３次元で表現すると画面表示が複雑になり操縦者の負担
が増加するため、上下風および前後風が機体に及ぼす影
響を考慮して、上下風のみに換算して表示する。風擾乱
の程度は、乱流強度および平均風を分離して、より多く
の情報を操縦者に提供する。風計測ライダを航空機に搭
載する場合、一般的な光学機器で使用される円筒形の光
学部は、機体からの突起が大きくなるために搭載性の点
で不利である。円形のレンズを半分に切って半月型にす
れば、計測性能に大きな影響を及ぼすこと無く搭載性が
向上し実用的である。また、一般の航空機は、対気速度
センサとしてピト一管を搭載しているが、このピトー管
は対気速度の二乗に比例する動圧を測定するものである
ため、低速域での対気速度は、測定誤差が大きいか、あ
るいは測定が出来ない。機体への取り付け位置に基く位
置誤差も生ずる。これに対し風計測ライダの場合、低速
側の制限はなく、負の速度の測定も可能である。遠方の
気流を測定するために、位置誤差の影響も無いので、風
計測ライダを、航空機に搭載することにより、前項の問
題点を解決することが出来ると考えた。
波を利用したウインドシア警告装置が搭載されているも
のの、この装置で計測できるのは前後方向の気流成分だ
けで、上下風や横風を知ることができない。そのため本
発明ではレーザ光を利用した風計測リモートセンサ(風
計測ライダ)を応用して、該装置を航空機に装備し、レ
ーザ光を円錐状に走査させながら照射すると共に大気中
のエアロゾルに反射して返ってくる散乱光を受光するこ
とにより、３次元の気流成分を計測するようにした。ま
た、従来のウインドシア計測システムは、異常時のみ警
告を発する方式のため、警告が唐突で信頼性を確認する
余裕がない。このため常時気流状況を表示して、警告を
発する前に予測が出来るようにする。このときに気流を
３次元で表現すると画面表示が複雑になり操縦者の負担
が増加するため、上下風および前後風が機体に及ぼす影
響を考慮して、上下風のみに換算して表示する。風擾乱
の程度は、乱流強度および平均風を分離して、より多く
の情報を操縦者に提供する。風計測ライダを航空機に搭
載する場合、一般的な光学機器で使用される円筒形の光
学部は、機体からの突起が大きくなるために搭載性の点
で不利である。円形のレンズを半分に切って半月型にす
れば、計測性能に大きな影響を及ぼすこと無く搭載性が
向上し実用的である。また、一般の航空機は、対気速度
センサとしてピト一管を搭載しているが、このピトー管
は対気速度の二乗に比例する動圧を測定するものである
ため、低速域での対気速度は、測定誤差が大きいか、あ
るいは測定が出来ない。機体への取り付け位置に基く位
置誤差も生ずる。これに対し風計測ライダの場合、低速
側の制限はなく、負の速度の測定も可能である。遠方の
気流を測定するために、位置誤差の影響も無いので、風
計測ライダを、航空機に搭載することにより、前項の問
題点を解決することが出来ると考えた。
【０００７】以下に、小型航空機に風計測ライダを搭載
して、前方の気流を計測する場合を例として、本発明の
風擾乱予知装置について詳述する。一般的な小型航空機
の巡航速度は100ｍ／Ｓ程度であるため、３ｋｍ遠方の
気流が測定できた場合、30秒後にその気流に遭遇するこ
とが予想される。図１は、ヘテロダイン方式の風計測ラ
イダの原理を示す図である。ヘテロダイン方式では、図
１に示すようにレーザ発振器１で発振されたレーザ光を
送受信光学系２からレーザ光を放射して、その大気散乱
光（以下信号光という。）を受信する。大気散乱光は、
風速に応じたドップラーシフトにより波長が変化するた
めに、装置内部の発振光と受信した信号光との間には波
長のずれが生ずる。レーザ発振器１からの光はハーフミ
ラー５と全反射ミラー６を介して一部が光検出器３に導
かれ、送受信光学系２で受光した信号光と該光検出器３
内でミキシングされる。発振光と信号光は波長が若干ず
れているためビート信号を発生する。この波長のずれに
よるビート信号を制御処理部４で信号処理をして風速を
求めることができる。すなわち、本発明はレーザドップ
ラー速度計の原理的に基くものでレーザの照射を受ける
被測定対象はエアロゾルすなわち大気中に浮遊する塵や
水滴といった微粒子である。この微粒子は大気の流れと
共に動くので該微粒子によって散乱された光を観測する
ことで大気の流れを検知することが出来るのである。
して、前方の気流を計測する場合を例として、本発明の
風擾乱予知装置について詳述する。一般的な小型航空機
の巡航速度は100ｍ／Ｓ程度であるため、３ｋｍ遠方の
気流が測定できた場合、30秒後にその気流に遭遇するこ
とが予想される。図１は、ヘテロダイン方式の風計測ラ
イダの原理を示す図である。ヘテロダイン方式では、図
１に示すようにレーザ発振器１で発振されたレーザ光を
送受信光学系２からレーザ光を放射して、その大気散乱
光（以下信号光という。）を受信する。大気散乱光は、
風速に応じたドップラーシフトにより波長が変化するた
めに、装置内部の発振光と受信した信号光との間には波
長のずれが生ずる。レーザ発振器１からの光はハーフミ
ラー５と全反射ミラー６を介して一部が光検出器３に導
かれ、送受信光学系２で受光した信号光と該光検出器３
内でミキシングされる。発振光と信号光は波長が若干ず
れているためビート信号を発生する。この波長のずれに
よるビート信号を制御処理部４で信号処理をして風速を
求めることができる。すなわち、本発明はレーザドップ
ラー速度計の原理的に基くものでレーザの照射を受ける
被測定対象はエアロゾルすなわち大気中に浮遊する塵や
水滴といった微粒子である。この微粒子は大気の流れと
共に動くので該微粒子によって散乱された光を観測する
ことで大気の流れを検知することが出来るのである。
【０００８】図２は、レーザ光を航空機から機体軸前方
方向へ円錐状に走査させることにより、気流成分を３次
元方向に分解する手法を示す図である。ヘテロダイン方
式の風計測ライダでは、レーザ光の放射方向の気流成分
を計測するので、機体軸前後方向、横方向、上下方向に
分解するためにレーザ光を円錐状に走査させる。レーザ
光源からの照射レーザ光が該レーザ光源の位置を通る機
体軸若しくはそれに平行な軸となす角（レーザ光の偏向
角）をθ、レーザ光のバンク角（機体横軸となす角）を
φとしたとき、該角θが充分に小さいか、気流の殆どが
前後方向成分であるとすると、気流の前後方向成分は以
下の式で求めることができる。 Ｕ＋ｕ＝(ΣＲ/Ｎ)cosθ （１） 横方向成分は、図３に示す通り以下の式で表される。 Ｖ＋ｖ＝｛Ｕ＋ｕ−Ｒcos(θcosφ)｝/tan(θcosφ) （２） 同様に上下方向成分は以下の式の通りである。 Ｗ＋ｗ＝｛Ｕ＋ｕ−Ｒcos(θsinφ)｝/tan(θsinφ) （３） ただし、 Ｕ:対気速度の前後方向成分（図３において上下方向） Ｖ:対気速度の横方向成分（図３において左右方向） Ｗ:対気速度の上下方向成分（図３において紙面表裏方
向） ｕ:風擾乱の前後方向成分 ｖ:風擾乱の横方向成分 ｗ:風擾乱の上下方向成分 Ｒ:レーザ光照射方向の計測速度 θ：レーザ光の偏向角 φ：レーザ光のバンク角（機体横軸となす角） Ｎ:計測回数
方向へ円錐状に走査させることにより、気流成分を３次
元方向に分解する手法を示す図である。ヘテロダイン方
式の風計測ライダでは、レーザ光の放射方向の気流成分
を計測するので、機体軸前後方向、横方向、上下方向に
分解するためにレーザ光を円錐状に走査させる。レーザ
光源からの照射レーザ光が該レーザ光源の位置を通る機
体軸若しくはそれに平行な軸となす角（レーザ光の偏向
角）をθ、レーザ光のバンク角（機体横軸となす角）を
φとしたとき、該角θが充分に小さいか、気流の殆どが
前後方向成分であるとすると、気流の前後方向成分は以
下の式で求めることができる。 Ｕ＋ｕ＝(ΣＲ/Ｎ)cosθ （１） 横方向成分は、図３に示す通り以下の式で表される。 Ｖ＋ｖ＝｛Ｕ＋ｕ−Ｒcos(θcosφ)｝/tan(θcosφ) （２） 同様に上下方向成分は以下の式の通りである。 Ｗ＋ｗ＝｛Ｕ＋ｕ−Ｒcos(θsinφ)｝/tan(θsinφ) （３） ただし、 Ｕ:対気速度の前後方向成分（図３において上下方向） Ｖ:対気速度の横方向成分（図３において左右方向） Ｗ:対気速度の上下方向成分（図３において紙面表裏方
向） ｕ:風擾乱の前後方向成分 ｖ:風擾乱の横方向成分 ｗ:風擾乱の上下方向成分 Ｒ:レーザ光照射方向の計測速度 θ：レーザ光の偏向角 φ：レーザ光のバンク角（機体横軸となす角） Ｎ:計測回数
【０００９】３次元の気流情報のままでは機体への影響
について把握し難いため、本発明では前後風が揚力に及
ぼす影響を同様な影響を引き起こす上下風に換算して報
知する。すなわち、３次元の気流情報を２次元に簡易化
するのである。対気速度をＵとし、空気密度をρ、揚力
係数をＣＬとし、主翼の面積をＳとすれば一般に揚力
(Ｌ)は、以下の式で求められる。 Ｌ＝(1/2)ρＵ２ＣＬＳ （４） この状態で前後風(ｕ)を受けた場合の揚力(Ｌ')は、以
下の式で求められる。 Ｌ'＝(1/2)ρ(Ｕ＋ｕ)２ＣＬＳ （５） 同じく上下風(ｗ)を受けた場合の揚力(Ｌ")は、以下の
通りである。 Ｌ"＝(1/2)ρ２ＣＬα(α＋ｄα)Ｓ （６） ただし、ＣＬαは揚力傾斜であり、迎角変化ｄαは＝ta
n−１(ｗ/Ｕ)である。以上の揚力変化が同一であると
し、揚力傾斜ＣＬαを各航空機毎に固有の定数で近似す
ると、以下の式で前後風を上下風に換算することができ
る。 ｗ＝tan[{(1＋(ｕ/Ｕ)２)/ＣＬα}−α]Ｕ （７） このとき、主翼迎角(α)を以下のように対気速度(ｖ)の
関数として表すことにより、主翼迎角を計測する必要が
なくなる。 α＝２Ｆ/ρｖ２ＣＬαＳ （８） ただし、ここでＦは機体重量である。
について把握し難いため、本発明では前後風が揚力に及
ぼす影響を同様な影響を引き起こす上下風に換算して報
知する。すなわち、３次元の気流情報を２次元に簡易化
するのである。対気速度をＵとし、空気密度をρ、揚力
係数をＣＬとし、主翼の面積をＳとすれば一般に揚力
(Ｌ)は、以下の式で求められる。 Ｌ＝(1/2)ρＵ２ＣＬＳ （４） この状態で前後風(ｕ)を受けた場合の揚力(Ｌ')は、以
下の式で求められる。 Ｌ'＝(1/2)ρ(Ｕ＋ｕ)２ＣＬＳ （５） 同じく上下風(ｗ)を受けた場合の揚力(Ｌ")は、以下の
通りである。 Ｌ"＝(1/2)ρ２ＣＬα(α＋ｄα)Ｓ （６） ただし、ＣＬαは揚力傾斜であり、迎角変化ｄαは＝ta
n−１(ｗ/Ｕ)である。以上の揚力変化が同一であると
し、揚力傾斜ＣＬαを各航空機毎に固有の定数で近似す
ると、以下の式で前後風を上下風に換算することができ
る。 ｗ＝tan[{(1＋(ｕ/Ｕ)２)/ＣＬα}−α]Ｕ （７） このとき、主翼迎角(α)を以下のように対気速度(ｖ)の
関数として表すことにより、主翼迎角を計測する必要が
なくなる。 α＝２Ｆ/ρｖ２ＣＬαＳ （８） ただし、ここでＦは機体重量である。
【００１０】次に、風擾乱を乱流強度および平均風に分
解して表現する方式について説明する。まず、乱流強度
(Ｇ)を以下の式で定義する。 Ｇ＝(δｕ２＋δｖ２＋δｗ２)１／２ （９） ただし、ここでδは一定時間内の変動量を表す。乱流強
度は、一例としてシートベルトを装着していなければ、
事故が生ずる可能性がある乱流強度に対して赤、機体が
激しく揺れるが、揺れが直接事故につながる可能性のな
い乱流強度は黄、上記以外の乱流強度は緑とするという
ような基準でレベル分けし色表示して利用すると分かり
易い。平均風は、風擾乱の前後方向成分平均値をｍｕ、
風擾乱の横方向成分平均値をｍｖ、風擾乱の上下方向成
分平均値をｍｗと表して以下の式で定義する。 ｍｕ＝Σｕ/Ｎ （10） ｍｖ＝Σｖ/Ｎ （11） ｍｗ＝Σｗ/Ｎ （12） Ｎは計測回数で、ウインドシアを認識するためには１秒
程度の平均を取るようなＮを設定する必要があると予想
され、最終的には実験により決定されるべき数値であ
る。計測した気流情報を操縦者に伝達する際、風擾乱の
位置を距離で表現した場合には、自機の飛行速度から遭
遇時間を計算する必要があるため、操縦者の負担が大き
い。したがって、その風擾乱に遭遇するまでの時間を基
準として表示するのが有利である。測定した風擾乱に遭
遇するまでの時間(t)は、測定した風擾乱までの距離を
ｄとし、対気速度の前後方向成分をＵとすれば以下の式
で表される。 ｔ＝ｄ/Ｕ （13） また、本発明ではライダ光学部の搭載性を向上させるた
めに、レンズを半月型に切断して光学系を構成する。円
形レンズと比較すると同じ面積の半月レンズは、搭載の
際の出っ張りが約７０％となる。このため、光学部の存
在による気流の乱れは少なく、空気力学的、構造的な搭
載条件が緩やかになる利点がある一方で、有効面積が同
じであれば集光率が同じとなるために計測器としての性
能に大差はない。しかもレーザ光は波長が単一であるた
め色収差は生じない。
解して表現する方式について説明する。まず、乱流強度
(Ｇ)を以下の式で定義する。 Ｇ＝(δｕ２＋δｖ２＋δｗ２)１／２ （９） ただし、ここでδは一定時間内の変動量を表す。乱流強
度は、一例としてシートベルトを装着していなければ、
事故が生ずる可能性がある乱流強度に対して赤、機体が
激しく揺れるが、揺れが直接事故につながる可能性のな
い乱流強度は黄、上記以外の乱流強度は緑とするという
ような基準でレベル分けし色表示して利用すると分かり
易い。平均風は、風擾乱の前後方向成分平均値をｍｕ、
風擾乱の横方向成分平均値をｍｖ、風擾乱の上下方向成
分平均値をｍｗと表して以下の式で定義する。 ｍｕ＝Σｕ/Ｎ （10） ｍｖ＝Σｖ/Ｎ （11） ｍｗ＝Σｗ/Ｎ （12） Ｎは計測回数で、ウインドシアを認識するためには１秒
程度の平均を取るようなＮを設定する必要があると予想
され、最終的には実験により決定されるべき数値であ
る。計測した気流情報を操縦者に伝達する際、風擾乱の
位置を距離で表現した場合には、自機の飛行速度から遭
遇時間を計算する必要があるため、操縦者の負担が大き
い。したがって、その風擾乱に遭遇するまでの時間を基
準として表示するのが有利である。測定した風擾乱に遭
遇するまでの時間(t)は、測定した風擾乱までの距離を
ｄとし、対気速度の前後方向成分をＵとすれば以下の式
で表される。 ｔ＝ｄ/Ｕ （13） また、本発明ではライダ光学部の搭載性を向上させるた
めに、レンズを半月型に切断して光学系を構成する。円
形レンズと比較すると同じ面積の半月レンズは、搭載の
際の出っ張りが約７０％となる。このため、光学部の存
在による気流の乱れは少なく、空気力学的、構造的な搭
載条件が緩やかになる利点がある一方で、有効面積が同
じであれば集光率が同じとなるために計測器としての性
能に大差はない。しかもレーザ光は波長が単一であるた
め色収差は生じない。
【００１１】
【実施例１】図４は、小型航空機に本発明の風計測ライ
ダを搭載した状態を示す。光学部の搭載位置は本実施例
では図のような機首側面としたが、これに限らず、胴体
下面や主翼下面なども考えられ、個々の機体によって搭
載しやすい場所に搭載することが可能である。光学部以
外の制御部やデータ処理部は、別途機内に搭載する。風
計測ライダには、低速域の計測制限がないので、ヘリコ
プタなどの低速航空機でも使用することができる。レー
ザは気象状態の影響を受け難く網膜に対する安全性の高
い赤外線帯域のものがよく、この例では1.5μｍ帯のレ
ーザを使用している。レーザビームの走査方法は偏向角
θを一定としバンク角φを一定速度値で回転させる方式
を採用した。エアロゾルによって散乱され、戻ってきた
信号光と発振光とをミキシングするのであるが、測定領
域は数ｋｍまでと設定され、受光する信号光には機体直
前から設定ｋｍまでの距離間で散乱された光が重畳され
ている。その間に擾乱領域が無ければ信号光は対気速度
に対応したドップラーシフト分だけ発振光に対して周波
数がずれている。ところが、ある時から周波数に変化が
生じたとするとそれは設定ｋｍ先の領域に擾乱領域があ
るということになる。そしてその領域は対気速度に応じ
て接近してくることになり、その後の信号光はその擾乱
領域情報にその先の領域の気流状況が順次重畳されて受
信されることになる。この種のデータ処理についてはド
ップラー式レーダの技術が適用でき、所望の気流成分が
抽出できる。図５は、この実施例で用いた操縦者に風擾
乱を認識させるためのモニタ表示であって、数字は機体
が気流の該計測領域に達するまでの秒数（距離／速度）
を示し、本例では計測領域を５分割して表示している。
縞状の部分は風速強度と風向とを示すようにしてあり、
平均風に比例した速度で縞が移動し、下からの風の場合
横縞が上に移動し、右からの風の場合は縦縞が左に移動
する。前後風は前述した方法により、上下風に換算して
重畳表示する。縞の色は乱流強度の程度を表し、赤は危
険、黄は注意、緑は安定状態を示すものとなっている。
ダを搭載した状態を示す。光学部の搭載位置は本実施例
では図のような機首側面としたが、これに限らず、胴体
下面や主翼下面なども考えられ、個々の機体によって搭
載しやすい場所に搭載することが可能である。光学部以
外の制御部やデータ処理部は、別途機内に搭載する。風
計測ライダには、低速域の計測制限がないので、ヘリコ
プタなどの低速航空機でも使用することができる。レー
ザは気象状態の影響を受け難く網膜に対する安全性の高
い赤外線帯域のものがよく、この例では1.5μｍ帯のレ
ーザを使用している。レーザビームの走査方法は偏向角
θを一定としバンク角φを一定速度値で回転させる方式
を採用した。エアロゾルによって散乱され、戻ってきた
信号光と発振光とをミキシングするのであるが、測定領
域は数ｋｍまでと設定され、受光する信号光には機体直
前から設定ｋｍまでの距離間で散乱された光が重畳され
ている。その間に擾乱領域が無ければ信号光は対気速度
に対応したドップラーシフト分だけ発振光に対して周波
数がずれている。ところが、ある時から周波数に変化が
生じたとするとそれは設定ｋｍ先の領域に擾乱領域があ
るということになる。そしてその領域は対気速度に応じ
て接近してくることになり、その後の信号光はその擾乱
領域情報にその先の領域の気流状況が順次重畳されて受
信されることになる。この種のデータ処理についてはド
ップラー式レーダの技術が適用でき、所望の気流成分が
抽出できる。図５は、この実施例で用いた操縦者に風擾
乱を認識させるためのモニタ表示であって、数字は機体
が気流の該計測領域に達するまでの秒数（距離／速度）
を示し、本例では計測領域を５分割して表示している。
縞状の部分は風速強度と風向とを示すようにしてあり、
平均風に比例した速度で縞が移動し、下からの風の場合
横縞が上に移動し、右からの風の場合は縦縞が左に移動
する。前後風は前述した方法により、上下風に換算して
重畳表示する。縞の色は乱流強度の程度を表し、赤は危
険、黄は注意、緑は安定状態を示すものとなっている。
【００１２】
【発明の効果】本発明の風擾乱予知システムは、ドップ
ラー効果を利用したレーザ風速計を航空機に搭載し、レ
ーザ光を円錐状に走査しながら照射して、飛行中の機体
前方の風擾乱領域からの散乱光を受光することにより、
遠方の３次元的な気流の速度を計測するものであるか
ら、航空機の操縦者は飛行中に前方の風擾乱を予知する
ことが出来、その風擾乱を回避したり、着陸進入を断念
したり、乗員乗客に注意を喚起する目的で使用すること
により、飛行安全に貢献することができる。その上ピト
ー管のような位置誤差がなく、低速域でも精度劣化がな
いセンサとして使用できる。また、３次元の気流情報の
内、前後風が揚力として機体に及ぼす影響を考慮してこ
れを上下風の影響に換算し、該換算値を上下風情報に重
畳することで２次元に簡易化表示する風擾乱予知システ
ムであるから、操縦者に負担が少ない。そして、風擾乱
を乱流強度および平均風に分解して表現するようにする
ことで、より多くの情報を提供することが可能となる。
そして、乱流強度を色別表示とし平均風情報のうち風向
きを縞模様の移動方向で風速を移動速度で表示する形態
を採用すれば、風擾乱情報を一目瞭然に把握することが
できる。
ラー効果を利用したレーザ風速計を航空機に搭載し、レ
ーザ光を円錐状に走査しながら照射して、飛行中の機体
前方の風擾乱領域からの散乱光を受光することにより、
遠方の３次元的な気流の速度を計測するものであるか
ら、航空機の操縦者は飛行中に前方の風擾乱を予知する
ことが出来、その風擾乱を回避したり、着陸進入を断念
したり、乗員乗客に注意を喚起する目的で使用すること
により、飛行安全に貢献することができる。その上ピト
ー管のような位置誤差がなく、低速域でも精度劣化がな
いセンサとして使用できる。また、３次元の気流情報の
内、前後風が揚力として機体に及ぼす影響を考慮してこ
れを上下風の影響に換算し、該換算値を上下風情報に重
畳することで２次元に簡易化表示する風擾乱予知システ
ムであるから、操縦者に負担が少ない。そして、風擾乱
を乱流強度および平均風に分解して表現するようにする
ことで、より多くの情報を提供することが可能となる。
そして、乱流強度を色別表示とし平均風情報のうち風向
きを縞模様の移動方向で風速を移動速度で表示する形態
を採用すれば、風擾乱情報を一目瞭然に把握することが
できる。
【００１３】本発明の航空機用風擾乱予知システムは、
計測した気流情報から擾乱の位置を距離ではなく、航空
機がその擾乱に遭遇するまでの時間を基準として表示す
るようにしたので、乗客への注意などその対応が容易と
なる。そして、表示領域を遭遇時間領域毎に区分し、各
表示領域には遭遇時間領域の乱流強度および平均風情報
を表示する形態とすることにより、より状況の把握が容
易となる。更に、本発明の風擾乱予知システムでは風計
測ライダの円筒状の光学系を一部切欠いた形態で装備す
れば、計測性能に大きな影響を与えること無く搭載性を
向上させることができる。
計測した気流情報から擾乱の位置を距離ではなく、航空
機がその擾乱に遭遇するまでの時間を基準として表示す
るようにしたので、乗客への注意などその対応が容易と
なる。そして、表示領域を遭遇時間領域毎に区分し、各
表示領域には遭遇時間領域の乱流強度および平均風情報
を表示する形態とすることにより、より状況の把握が容
易となる。更に、本発明の風擾乱予知システムでは風計
測ライダの円筒状の光学系を一部切欠いた形態で装備す
れば、計測性能に大きな影響を与えること無く搭載性を
向上させることができる。
【図１】一般的なヘテロダイン方式風計測ライダの原理
を説明する図である。
を説明する図である。
【図２】本発明による気流の３次元成分算出方式の形態
を示す概念図である。
を示す概念図である。
【図３】本発明による気流の３次元成分算出方式の計算
式を説明する図である。
式を説明する図である。
【図４】本発明による非円筒形状の風計測ライダ光学部
を機首側壁に搭載した例を示す図である。
を機首側壁に搭載した例を示す図である。
【図５】本発明の実施例で採用した風擾乱状態の表示形
態を示した図である。
態を示した図である。
１ レーザ発振器 Ｒ レーザ光照射方向
の計測速度 ２ 送受信光学系 θ レーザ光の偏向角 21 風計測ライダ光学部 φ レーザ光のバンク角 ３ 光検出器 Ｕ 対気速度の前後方
向成分 ４ 制御処理部 Ｖ 対気速度の横方向
成分 ５ ハーフミラー ｕ 風擾乱の前後方向
成分 ６ 全反射ミラー ｖ 風擾乱の横方向成
分 10 航空機機体 11 機体軸
の計測速度 ２ 送受信光学系 θ レーザ光の偏向角 21 風計測ライダ光学部 φ レーザ光のバンク角 ３ 光検出器 Ｕ 対気速度の前後方
向成分 ４ 制御処理部 Ｖ 対気速度の横方向
成分 ５ ハーフミラー ｕ 風擾乱の前後方向
成分 ６ 全反射ミラー ｖ 風擾乱の横方向成
分 10 航空機機体 11 機体軸
Claims (7)
- 【請求項１】 ドップラー効果を利用したレーザ風速計
を航空機に搭載し、レーザ光を円錐状に走査しながら照
射して、飛行中の機体前方の風擾乱領域からの散乱光を
受光することにより、遠方の３次元的な気流の速度を計
測する航空機用風擾乱予知システム。 - 【請求項２】 ３次元の気流情報の内、前後風が揚力と
して機体に及ぼす影響を考慮してこれを上下風の影響に
換算し、該換算値を上下風情報に重畳することで２次元
に簡易化表示することを特徴とする請求項１に記載の航
空機用風擾乱予知システム。 - 【請求項３】 風擾乱を乱流強度および平均風に分解し
て表現する請求項１または２に記載の航空機用風擾乱予
知システム。 - 【請求項４】 乱流強度を色別表示とし平均風情報のう
ち風向きを縞模様の移動方向で風速を移動速度で表示す
る請求項３に記載の航空機用風擾乱予知システム。 - 【請求項５】 計測した気流情報から擾乱の位置を距離
ではなく、航空機がその擾乱に遭遇するまでの時間を基
準として表示する請求項１乃至４のいずれかに記載の航
空機用風擾乱予知システム。 - 【請求項６】 表示領域を遭遇時間領域毎に区分し、各
表示領域には遭遇時間領域の乱流強度および平均風情報
を表示するものである請求項５に記載の航空機用風擾乱
予知システム。 - 【請求項７】 風計測ライダの円筒状の光学系を一部切
欠いて搭載性を向上させた請求項１乃至６のいずれかに
記載の航空機用風擾乱予知システム。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001204466A JP3740525B2 (ja) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | 風擾乱予知システム |
| US10/184,954 US6751532B2 (en) | 2001-07-05 | 2002-07-01 | Wind turbulence prediction system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001204466A JP3740525B2 (ja) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | 風擾乱予知システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003014845A true JP2003014845A (ja) | 2003-01-15 |
| JP3740525B2 JP3740525B2 (ja) | 2006-02-01 |
Family
ID=19040926
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001204466A Expired - Lifetime JP3740525B2 (ja) | 2001-07-05 | 2001-07-05 | 風擾乱予知システム |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6751532B2 (ja) |
| JP (1) | JP3740525B2 (ja) |
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| JP2016085169A (ja) * | 2014-10-28 | 2016-05-19 | 三菱電機株式会社 | 離着水支援装置 |
| WO2021009832A1 (ja) * | 2019-07-16 | 2021-01-21 | 三菱電機株式会社 | 乱気流検出装置及び乱気流検出方法 |
| WO2022009400A1 (ja) * | 2020-07-09 | 2022-01-13 | 三菱電機株式会社 | 風検出装置、風検出方法及び観測装置 |
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