JP2006284260A - Laser radar device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、航空機の飛行経路上にレーザビームを走査しその反射光から航空機後方に発生する後方乱気流を検出するレーザレーダ装置に関する。 The present invention relates to a laser radar device that scans a laser beam on a flight path of an aircraft and detects wake turbulence generated behind the aircraft from the reflected light.
近年、航空機運行上の安全性確保等の観点から、レーザレーダ装置を用いて航空機が通過した飛行経路上に発生する後方乱気流を検出することが行われている。また、レーザレーダ装置は、大気中にて反射された反射光から後方乱気流を検出しているため、気象条件の変化による影響を受けやすく、このような気象条件の変化による探知機能の劣化を抑制する方式等も提案されている。 In recent years, from the viewpoint of ensuring safety in aircraft operation and the like, wake turbulence generated on a flight path through which an aircraft has passed is detected using a laser radar device. In addition, since the laser radar device detects wake turbulence from the reflected light reflected in the atmosphere, it is easily affected by changes in weather conditions and suppresses the deterioration of the detection function due to such changes in weather conditions. A method to do this has also been proposed.
しかし、従来のレーザレーダ装置は以上のように構成されているので、光送受信機を介して受信した反射光の積分処理を行う積分処理部の最適な積分回数を算出するために、基準目標を設ける必要があり、また、基準目標の反射光から大気減衰率を算出する際には大気の条件が好適であることが必要である等、気象条件により運用上の制限を受けるという問題点があった。 However, since the conventional laser radar device is configured as described above, in order to calculate the optimum number of integrations of the integration processing unit that performs integration processing of the reflected light received via the optical transceiver, the reference target is set. In addition, there is a problem that operational conditions are limited by weather conditions, for example, the atmospheric conditions must be suitable when calculating the atmospheric attenuation rate from the reflected light of the reference target. It was.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、基準目標を設けることなく、また、気象条件の変化にかかわらず、良好な信号雑音比を保つことができ、高精度に後方乱気流を検出することができる新規なレーザレーダ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can maintain a good signal-to-noise ratio without setting a reference target and regardless of changes in weather conditions, with high accuracy. It is an object of the present invention to provide a novel laser radar device capable of detecting wake turbulence.
この発明に係るレーザレーダ装置は、航空機の飛行経路区間に設けられた観測領域内にレーザ光を放射してその反射光を受信する光送受信部と、この光送受信部から出力された受信信号を複数の異なる積分数にて積分処理し、前記積分数毎に前記光送受信部から出力された受信信号の信号雑音比を算出する信号雑音比算出処理部と、この信号雑音比算出処理部により算出された複数の信号雑音比の中から予め定めた条件を満たす信号雑音比を算出した積分数により前記光送受信部から出力された受信信号を積分処理し、前記観測領域内のドップラ速度を算出するドップラ速度算出部と、このドップラ速度算出部により算出された前記観測領域内のドップラ速度から前記観測領域内の風速及び風向の空間分布を求め、この風速及び風向の空間分布から前記航空機の通過により発生した後方乱気流を検出する乱気流検出部とを備えたものである。 A laser radar device according to the present invention includes an optical transmission / reception unit that radiates laser light into an observation region provided in a flight path section of an aircraft and receives reflected light, and a reception signal output from the optical transmission / reception unit. A signal-to-noise ratio calculation processing unit that performs integration processing with a plurality of different integration numbers and calculates a signal-to-noise ratio of the reception signal output from the optical transmission / reception unit for each integration number, and is calculated by the signal-to-noise ratio calculation processing unit The received signal output from the optical transmission / reception unit is integrated by an integration number that calculates a signal-to-noise ratio satisfying a predetermined condition from a plurality of signal-to-noise ratios, and a Doppler velocity in the observation region is calculated. A spatial distribution of the wind speed and direction in the observation area is obtained from the Doppler speed calculation section and the Doppler speed in the observation area calculated by the Doppler speed calculation section, and the spatial distribution of the wind speed and wind direction is obtained. It is obtained by a turbulence detector for detecting a wake turbulence generated by the passage of the aircraft from.
この発明によれば、基準目標を設けることなく良好な信号雑音比を保つことができ、気象条件の変化にかかわらず高精度に後方乱気流を検出することができる。 According to the present invention, a good signal-to-noise ratio can be maintained without providing a reference target, and wake turbulence can be detected with high accuracy regardless of changes in weather conditions.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1について図1及び図2を用いて説明する。図1は実施の形態1によるレーザレーダ装置の構成を示すブロック図、図2は図1に示す信号雑音比算出処理部4の具体的構成を示す部分ブロック図である。図1において、1は後方乱気流の観測領域内であって航空機の飛行経路区間にビーム状のレーザ光を放射し、大気中の塵などで反射された当該レーザ光の反射光を受信処理する光送受信部、2は光送受信部1により受信処理された受信信号に基づいてドップラ速度を算出する信号処理部、3は信号処理部2において算出されたドップラ速度を距離方向と仰角方向に並び替えて風速・風向の空間分布のリアルタイムデータを生成すると共に、この空間分布のリアルデータにテンプレートマッチング処理等を施して後方乱気流に関するリアルタイムデータ(乱気流の発生位置、乱気流の渦の直径、乱気流強度(乱気流の渦の互いに反対方向の風速差)等)を検出する乱気流検出部である。この乱気流検出部3の検出結果は表示装置(図示省略する。)に出力されモニタ等の表示手段に表示される。
また、4は光送受信部1から出力された受信信号に基づいて予め決められた積分数毎の信号雑音比を算出する信号雑音比算出処理部、5は信号雑音比算出処理部4により算出された積分数毎の信号雑音比の中からドップラ速度を算出する際に最適な積分数を選択する積分数選択部、6は積分数選択部5により選択された積分数に基づいて光送受信部1により受信処理された受信信号を積分処理し、その積分結果からドップラ速度を算出するドップラ速度算出部である。
Further, 4 is a signal noise ratio calculation processing unit that calculates a signal noise ratio for each integral number determined in advance based on the received signal output from the optical transmission /
また、図2において、7は光送受信機1により得られた受信信号をスペクトル変換するスペクトル変換部、8は予め大気からの反射がないときに検出した光送受信機1の雑音信号(以下、白色雑音という。)のスペクトル値を記憶した雑音記憶部、9は予め決められた複数の積分数に対応して観測領域内における受信信号のスペクトル値と雑音記憶部8に保持している白色雑音のスペクトル値とをそれぞれ積分処理する積分部、10は積分部9の積分結果から積分数毎の信号雑音比を算出する信号雑音比算出部である。なお、図中、同一符号は、同一又は相当部分を示し、これらについての詳細な説明は省略する。
In FIG. 2,
次に動作について図3を用いて説明する。図3は図1に示すようなレーザレーダ装置による後方乱気流の検出状況であって、航空機が離陸する際に航空機後方に発生した後方乱気流の検出状況を模式的に示した検出状況説明図である。図3において、11は滑走路、12は滑走路11から離陸した航空機、13は例えば滑走路11の周辺部であって、空港内に設置された光送受信部1により走査されたビーム状のレーザ光(以下、レーザビームという。)、14は航空機11が離陸する場合の後方乱気流の観測領域である。以下、航空機が離陸する場合を例として実施の形態1によるレーザレーダ装置の動作について説明する。光送受信部1は、航空機12が滑走路11を離陸すると後方乱気流の観測領域14内にレーザビーム13を走査すると共に、大気中の塵などで反射された当該レーザビーム13の反射光を受信して電気信号に変換する等の受信処理を行う。光送受信部1から出力された観測領域14内の受信信号は信号処理部2の信号雑音算出処理部4及びドップラ速度算出部6にそれぞれ出力される。レーザビーム12の走査は機械的走査又は電子的走査のいずれの方式を用いてもよい。
Next, the operation will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a detection situation explanatory diagram schematically showing the detection situation of the backward turbulence generated by the laser radar apparatus as shown in FIG. 1 and generated behind the aircraft when the aircraft takes off. . In FIG. 3, 11 is a runway, 12 is an aircraft taking off from the runway 11, 13 is a periphery of the runway 11, for example, and is a beam-shaped laser scanned by the
信号雑音比算出処理部4では、まず光送受信部1から出力された観測領域14内の受信信号がスペクトル変換部7によりスペクトル信号に変換され、そのスペクトル値が積分部9に出力される。積分部9はスペクトル変換部7から出力された受信信号のスペクトル値と雑音記憶部8に保持している白色雑音のスペクトル値とを予め決められた複数の積分数毎に積分処理する。例えば、積分数がNの場合、N回積分を行うことによりスペクトルが積み重なり、スペクトル変換部7から出力された受信信号のスペクトル信号についての強度はN倍になる。一方、白色雑音、すなわち大気からの反射がない状態にて受信した受信信号のスペクトル信号は、その強度の揺らぎにより、Nの平方根倍となる。このように、積分部9は予め決められた複数の積分数毎に観測領域14内の受信信号強度及び雑音の積分値を算出する。
In the signal-to-noise ratio
信号雑音比算出部10は、積分部9の積分処理の結果から対応する積分数毎に信号雑音比を算出して出力する。例えば、積分部9によりN回積分処理した白色雑音のスペクトル値及び受信信号のスペクトル値から積分数Nの信号雑音比を算出する。このようにして予め決められた複数の積分数毎に信号雑音比がそれぞれ算出され、各積分数毎に対応した複数の信号雑音比の値が信号雑音比算出処理部4から積分数選択部5に出力される。積分数選択部5は、信号雑音比算出処理部4において算出された複数の信号雑音比の中から予め定められた条件を満たす最適な積分数を選択してドップラ速度算出部6に通知する。
The signal-to-noise
ここで、積分数の選択について説明する。信号雑音比は積分数を増やすほど改善される反面、積分処理に要する処理時間が長くなり受信信号の単位時間の出力数が減少する。単位時間の出力数が減少すると、一回の観測における後方乱気流の検出時間が長くなるため、当該検出結果をモニタ等にリアルタイムに表示することも難しくなる。また、空港等においては、航空機の離陸又は着陸によって発生した後方乱気流をリアルタイムに確認したいという要請もある。従って、予め定められた条件とは、例えば、ドップラ速度の算出に十分な信号雑音比を算出した積分数であって、そのような積分数のうち、ドップラ速度算出部6における処理時間が最も短時間となる積分数、すなわちドップラ速度の算出に十分な信号雑音比を算出した積分数の中で最も小さい積分数を積分数選択部5における選択の条件とする。
Here, selection of the integral number will be described. Although the signal-to-noise ratio is improved as the number of integrations is increased, the processing time required for integration processing is increased and the number of received signals per unit time is reduced. When the number of outputs per unit time decreases, the detection time of wake turbulence in one observation becomes longer, and it becomes difficult to display the detection result on a monitor or the like in real time. In airports and the like, there is also a demand for confirming wake turbulence generated by takeoff or landing of an aircraft in real time. Therefore, the predetermined condition is, for example, the number of integrals that has calculated a signal-to-noise ratio sufficient for calculating the Doppler speed, and among these integral numbers, the processing time in the Doppler
ドップラ速度算出部6は、積分数選択部5から通知された最適な積分数を用いて光送受信部1から出力された観測領域14内の受信信号を積分処理し、観測領域14内のドップラ速度を算出する。乱気流検出部3は、ドップラ速度算出部6により算出されたドップラ速度を距離方向と仰角方向に並び替え、風速・風向の空間分布のリアルタイムデータを生成すると共に、この空間分布のリアルデータを分析して検出した乱気流に関するリアルタイムデータ(乱気流の発生位置、乱気流の渦の直径、乱気流強度(乱気流の渦の互いに反対方向の風速差)等)を算出する。そして、算出したドップラ速度の空間分布に対してテンプレートマッチング処理等を施して航空機後方に発生した後方乱気流を検出する。乱気流検出部3により検出された後方乱気流の検出結果は、図示省略した表示装置に出力されて管制官等が利用するモニタ等の表示手段に表示される。
The Doppler
以上のように、この実施の形態1によるレーザレーダ装置によれば、光送受信部1から出力された受信信号を複数の異なる積分数にて積分処理し、前記積分数毎に前記光送受信部から出力された受信信号の信号雑音比を算出する信号雑音比算出処理部4と、この信号雑音比算出処理部4により算出された複数の信号雑音比の中から予め定めた条件を満たす信号雑音比を算出した積分数により光送受信部1から出力された受信信号を積分処理して観測領域14内のドップラ速度を算出するようにしたので、基準目標を設ける必要がなく、また天候等の大気条件により運用が制限されることなく、航空機12が通過することにより滑走路11上に発生した後方乱気流を良好な信号雑音比にて検出することができる。
As described above, according to the laser radar device according to the first embodiment, the reception signal output from the optical transmission /
1 送受信部、2 信号処理部、3 乱気流検出部、4 信号雑音比算出処理部、
5 積分数選択部、6 ドップラ速度算出部、7 スペクトル変換部、
8 雑音記憶部、9 積分部、10 信号雑音比算出部。
1 transmission / reception unit, 2 signal processing unit, 3 turbulence detection unit, 4 signal noise ratio calculation processing unit,
5 integral number selector, 6 Doppler velocity calculator, 7 spectrum converter,
8 noise storage unit, 9 integration unit, 10 signal noise ratio calculation unit.
Claims (2)
The signal-to-noise ratio calculation processing unit includes a spectrum conversion unit that performs spectrum conversion on a reception signal output from the optical transmission / reception unit, a noise storage unit that stores a spectral value of a white noise signal generated by the optical transmission / reception unit in advance, An integration unit for integrating the spectrum value of the white noise stored in the noise storage unit and the spectrum value of the received signal output from the spectrum conversion unit with a plurality of different integration numbers, and for each integration number A signal-to-noise ratio calculation unit that calculates a signal-to-noise ratio of the reception signal output from the optical transmission / reception unit for each integration number based on the spectrum value of the white noise and the spectrum value of the reception signal that have been integrated. The laser radar device according to 1.
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