JP2007501932A - 下層大気中の後方渦流及び類似物の検出 - Google Patents

Abstract

空港（１０）において着陸又は離陸する航空機（１４）によってできる渦流（１６）を検出すると共に特徴づけるための２つのＳＯＤＡＲシステム（１２ａと１２ｒ）は、一方の実地システム（１２ａ）が起こる可能性のある渦流（１６）の下にあり、他方の基準システム（１２ｒ）が渦流から遠いが同じ周囲環境内にあるように位置決めされる。従って、風ダクト又は熱逆転（１８）が存在する場合、両方のＳＯＤＡＲシステムは、これらによって発生したエコー（２２と２８）を検出し、実地システム（１２ａ）だけが、後方渦流（１６）からのエコー（２４）を検出する。基準及び実地システムの出力の差をとることによって、渦流のより適切な識別と弁別が達成される。航空機が存在しない状態で得た測定値を、航空機が存在する間に記録した「実地」データから減算する基準データとして使用できるので、航空機の活動間で卓越する充分な通常状態がある場合には、１台のＳＯＤＡＲシステムを使用するだけでよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、大型航空機や大型風力発電機プロペラ等によって引き起こされる後方渦流や、恒風中で高層の人工又は天然構造物によって時々発生する風下の渦流又は乱流等の、短期的又は変則的な大気乱流を検出し、記録し、及び／又は表示する際に使用するＳＯＤＡＲ装置、方法及びシステムに関する。本発明は、空港の安全と通行の管理を強化するための主要空港近くにおける航空機の後方渦流の検出及び／又は表示に適している。

換言すると、一般に本発明が関係する乱流のタイプは、静か或いは比較的穏やか又は一定した天候状態で生じ、天気予報技術による予測に適さないものである。実際に、関係する渦流は、激しい大気混合が生じる突風や暴風状態ではめったに形成されずまた極めて希にしか存続しない。そのような条件下で形成される渦流のエネルギーはすぐに放散される傾向がある。

本明細書は、ＳＯＤＡＲシステムに関する我々の先行国際出願ＰＣＴ／ＡＵ０１／００２４７、ＰＣＴ／ＡＵ０２／０１１２９、ＰＣＴ／ＡＵ０４／００２４２と併せて読まれるべきであり、これらのＳＯＤＡＲシステムは、「パルス圧縮」方式で符号化された長いパルスを使用し、解像度と処理利得を高めるために受け取ったエコーをオーバーサンプリング処理し、信号対雑音比についての弁別及び処理利得を高めるためにサンプリングしたエコーに対して複素フーリエドメイン処理を行っている。我々の先行発明で使用した一般に「チャープ（chirps）」と呼ばれるパルスは、約数十秒の持続時間を有することが好ましかった。利用したパルス圧縮技術は、例えば５００Ｈｚから１５００Ｈｚへのトーンの安定上昇や１５００Ｈｚから５００Ｈｚへのトーンの安定下降等、パルスの持続時間にわたって位相が直線的に増加又は減少することが好ましかった。開示した方法は、「送信しながら傍受する」ことを必要とし、即ち、チャープの送信をまだ行っている間にエコーを受け取って処理する。この方法は、極めて優れたｓ／ｎ（信号対雑音比）が得られる極めて高いシステム及び処理利得を可能にするだけでなく、地上近くで生じる大気の不連続の検出も可能にする。従来技術のシステムは、「送信しながら傍受する」ことができなかったので、短距離用の短い強力なパルスを使用しなければならず、その結果システム及び処理利得の大きな低下に悩まされていた。そのような従来技術のＳＯＤＡＲシステムは、本質的に、広範な空港環境での渦流の特徴を決定するために必要とされる広い空間的及び時間的範囲で後方渦流を検出し表示することができなかった。

我々の先行出願に開示されているＳＯＤＡＲシステムは、当該技術分野でこれまで可能であったものよりも高感度かつ高精度に空港近くの後方渦流を検出し風の状態を監視することができたが、これらのＳＯＤＡＲシステムは、渦流の「一生」を表示すること、例えば着陸する航空機が形成するウィンドシアー乱流を、数秒間或いは数分間に亘るそのウィンドシアーの生成、減弱、消散（即ち、地上への移動）を追って追跡することは依然として困難であった。

簡潔に述べると、我々の前述の出願における開示は、これらの出願の明細書に含まれる従来技術の広範な考察と共に、本明細書の一部を構成するものと見なされる。更に、本明細書で使用する幾つかの用語は、これらの明細書に説明され定義されている。

本発明は、対象とする短時間異常大気乱流（本明細書では「ターゲット乱流」と呼ぶ）をＳＯＤＡＲ法によって確実に検出し分離し表示することは困難であるという認識に基づくものである。困難な理由は、そのような大気乱流は、風によって生成される（ターゲットでない）乱流を含む可能性があるにもかかわらず、周囲の「通常の」又は殆ど関心を持たれることもない恒常的な大気の不連続に埋没してしまっているからである。
従って、本発明の方法は、その一態様において、恒常的状態に埋没したターゲット乱流を検出又は特徴付け、ターゲット乱流がない状態の恒常的状態を別に検出又は特徴付け、次に２つの結果の差をとって、恒常的状態が存在しないか又は少なくとも軽減した状態でのターゲット乱流を示す出力を発生することを含む。

実施例において、低高度の渦流を検出し特徴付けることができる独特の価値を提供するＳＯＤＡＲシステムの説明をしたが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、そのような実施例のシステムに対する多くの変更及びその他の実施例を考え得ることを理解されるであろう。実施例のＳＯＤＡＲシステムの動作は、一以上のレシーバマイクロフォンを使用して、航空機の接近又は離陸を検出し、実地データ収集を開始し、航空機のないことを検出して基準データ収集を開始することによって自動的に行うことができる。

また、本発明を使用して他の多くの低高度の大気乱流を特徴付けることができ、そのために、システムのトランスミッタと一以上のレシーバを携帯可能で操縦可能な構造に取り付けることができることを理解されよう。これにより、例えば、そのようなシステムを屋内で使用して、空気調和装置によって引き起こされる小渦（eddies）、デッドスポット及び渦流を識別し追跡することができる。

便宜のため、本明細書では、対象とするターゲット乱流を「渦流」と呼ぶこともある。渦流状態で発生したシステムのデータセット又は信号を「実地」データセット又は信号と呼び、恒常的状態で発生したものを「基準」データセット又は信号と呼び、実地データセット又は信号と基準データセット又は信号との差をとることによって発生したる出力を「正味（net）」データセット、信号又は出力と呼ぶ。

基準及び実地出力は、異なる時間に同じＳＯＤＡＲシステムによって、又は共通の恒常的状態を有する異なる位置にある実質的に同一の複数のＳＯＤＡＲシステムによって生成されることが好ましい。これにより、実地及び基準データ又は信号の比較又は差分に影響を及ぼすシステム依存の差が最小になる。

実地出力と基準出力を適切な時間及び／又は場所で発生させることができるように、ターゲット乱流の存在を自動的に検出する何らかの手段を使用することができる。これは様々な方法で行うことができる。ＳＯＤＡＲシステム自体を使用して、事前に設定された強度閾値を超えかつ所定の距離範囲内にある局所的な風速、ウィンドシアー又は類似のパラメータの存在を検出することができる。この方法は、距離範囲が約数キロメートルの場合、又はターゲット乱流が実質的な、例えば「塵旋風」又はトルネードであり比較的頻度が少ない、即ち希な場合に適切である。空港近くの低い高度の航空機の後方渦流に関心がある場合は、航空機の進入前、最後の航空機が着陸した後の数分、或いは使用された進入／離陸経路からある程度の離れた場所では通常の状態であると仮定できる。これは、渦流が一般に短い持続時間（通常は約数秒であるが場合によっては数分）のものであるためである。従って、通常及び渦流の乱流測定は、所定の滑走路での航空機の進入又は離陸に依存する視覚的及び／又は音響的な合図を使用することによって手動又は自動で開始することができる。

風力発電機による渦流に関心がある場合（連続的に発すると仮定した場合）、発電機から充分に離れていて渦流はないが、恒常的状態に差がでる程には遠くない位置に配置された第２の基準ＳＯＤＡＲシステムを使用することによって基準信号を発生させることができる。

ＳＯＤＡＲシステムが対象とする乱流の存在を識別するために使用する大気パラメータは、通常信号、基準信号及び渦流信号又は表示を発生するために使用されるものと同じでなくてもよい。例えば、所定の閾値を超える垂直風速の検出は、通常／基準から乱流信号生成への切り換えを誘発するために使用されるが、基準及び乱流信号を構成するパラメータは、垂直方向の風速パラメータの有無にかかわらず、水平方向のウィンドシアー、風速、仮温度（virtual temperature）、屈折率等を含むことができる。同様に、通常及び基準信号の比較から渦流信号を発生するには、各信号の全ての成分パラメータの比較或いは選択されたパラメータだけの比較を必要とする。

我々の先行国際特許出願は、最大トランスミッタ電力に対して処理利得を大幅に高めるために、長いチャープ（１００ミリ秒超）を使用し「送信しながら傍受する」新規な技術を使用して大気パラメータを得るＳＯＤＡＲ法及び装置を開示した。そのような技術は、返されたエコー内の位相及び振幅情報を抽出するために、送信されたチャープ波形を照会する整合フィルタの使用を必要とする。好ましい整合フィルタは、フーリエ法を使用し、時間ドメインでなく周波数でフィルタリングを行うものであるが、ここでは時間ドメインでフィルタリングするものも想定している。前述の差を求める際に、実地及び基準リターンから抽出された位相及び／又は振幅データセットの一方又は両方が使用されることが好ましい。

空港近くの航空機の渦流を検出する際の短い距離を考えると、本発明の別の態様によれば、飛行経路を横切るか又は飛行経路に沿って一連の固定ＳＯＤＡＲレシーバが配列されたシステムを必要とし、レシーバの上とレシーバの近くの空気体積が、ＳＯＤＡＲトランスミッタによって照射され、レシーバの出力が合成アパーチャとして処理され組み合わされて、空気体積内の大気渦流の視覚的表示が生成される。この場合も、所望の渦流出力を発生するために、基準及び実地合成アパーチャ出力の比較が使用される。

ターゲット乱流は、通常、比較的寿命が短く比較的近くにあるので、ターゲット乱流の寿命の間に頻繁な観測を行うことができるように、ここではチャープは短い方が好ましい。我々は、最大数百メートルの範囲の後方渦流を検出するには、約３００ミリ秒〜３秒の問い合わせチャープが適切であることを見出した。従って、約１５０ｍの範囲の場合、約１．５秒の問い合わせパルスと約２．５秒の傍受時間を使用する（送信時間のほとんど又は全てを含む）。約３００ｍの範囲の場合、約３．５秒の傍受時間の約１．５秒のチャープの使用が好ましい。素早く変化する渦流状態を検出することができ、また更新サイクルが短くなるように、送信時間は短い方が望ましい。約２秒よりも長いパルスは、風力タービンや航空機によってできる渦流を充分に分離できない場合がある。

本発明の本質を描写するために、次に、添付図面を参照して特定の例について説明する。しかしながら、当業者であれば、選択した例に、前述の発明の範囲に適合する多くの変形及び修正を加え得ることが分かるであろう。

選択された例は、１５０ｍ未満の高度で空港に着陸しようとする大型航空機によって引き起こされる後方渦流をほぼ実時間で検出し表示することができるＳＯＤＡＲシステム及び技術に関する。従来技術のＳＯＤＡＲシステムは、（他の要因の中でも特に）ｓ／ｎが比較的低かったため、そのような低い高度の後方渦流を検出し表現できなかったことに注意されたい。実際に、ＲＡＤＡＲ、ＬＩＤＡＲ及びＲＡＳＳを含む従来技術のシステムは、この難題に立ち向かっているとは考えられない。

図１は、東西を向いた滑走路１０、滑走路１０の西の端の滑降経路の下にある第１のＳＯＤＡＲシステム１２ａ、滑走路１０の東の端の滑降経路の下にある第２の同一のＳＯＤＡＲシステム１２ｒ、進入しつつある航空機１４、及び航空機１４によってできた航跡渦流１６を示す図である。ウィンドシアーダクト１８（破線で示した）が、空港全体の上に延在し、幾つかの渦流１６を含む。この例においては、システム１２ａは、実地システム（渦流１６から実地データを発生する）として働き、システム１２ｒは、基準システム（ダクト１８を含む周囲条件から基準データを発生する）として働く。

航空機が東から西に向かって着陸するときは、ＳＯＤＡＲシステム１２ａと１２ｒの役割を逆にすることができる。長い滑走路を有する大きくかつ忙しい空港では、周囲条件が両方の位置で実質的に同一でない場合があるので、システム１２ｒを使用してシステム１２ａのために周囲条件を参照すること（及びこの逆）は便利でなくまた望ましくないであろう。その場合、システム１２ａと１２ｒを独立に動作させて、航空機の着陸と着陸の間の空いている期間でそれ自体の基準データを発生することができる。説明の都合上、物理的に独立した基準システムを示す。

ＳＯＤＡＲシステム１２ａと１２ｒは、我々の先行出願に開示したように、４つのレシーバを、中央トランスミッタの近くのコンパス主要点上に軸がトランスミッタの垂直軸の方に僅かに傾いた状態で配置すれば好都合である。また、激しい恒風がある場合の垂直方向の風速の決定を支援するために、垂直方向を向いた第５のレシーバが使用される。風のない静かな日には、１つのレシーバ（好ましくは垂直方向のもの）だけを使用して大型航空機について有効な結果を得ることができる。図１において、実地システム１２ａのトランスミッタはＴａで示されており、その東側と西側のレシーバは、ＲａｅとＲａｗで示されており、この図には、実地システム１２ａの他の３つのレシーバは示されていない。同様に、基準システム１２ｒは、トランスミッタＴｒとその近くの５つのレシーバを有し、図１には、東側と西側のレシーバＲｒｅとＲｒｗだけが示されている。トランスミッタＴａによって照射される実質的に垂直な円錐形の空気体積は、鎖線２０によって示され、ダクト１８によって散乱された送信チャープのエコーは矢印２２によって示され、渦流１６によって散乱されたチャープは、矢印２４によって示されている。両方のエコー群は、通常、システム１２ａの全てのレシーバによって受信されるが、各レシーバに戻ったエコーは互いに僅かに異なるが、このことが重要である。

この例の渦流検出及び特徴付けシステムは、持続時間が約１．５秒のチャープを送信し、送信したチャープの持続時間を含めて約２．５秒の傍受時間を有する。送信チャープ終了後１．０秒の傍受時間は、約１５０ｍの所望のレンジを提供する。約１０００Ｈｚ〜約２５００Ｈｚのトーンから生じる単純な線形チャープを使用することが、制御とプログラミングの点から好都合である。しかしながら、我々の先行出願で教示したように、フーリエドメイン又は時間ドメイン方法を使用するパルス圧縮に適している限り、他の多くの波形を使用することができる。

図２は進入しつつある航空機１４を西から見た端面図で、実地システム１２ａの北側と南側のレシーバＲａｎとＲａｓが、渦流１６、ダクト１８、及びそれぞれのエコー２４と２２と共に示されている。

図１において、基準ＳＯＤＡＲシステム１２ｒのトランスミッタがＴｒで示され、東側と西側のレシーバがＲｒｅとＲｒｗで示され、Ｔｒの照射コーンは鎖線２６で示されている。照射コーン２６は、トランスミッタＴｒからの送信のエコー信号２８を発生するウィンドシアーダクト１８を含み、エコー信号２８は、システム１２ｒの全てのレシーバに返される。これは、一般に、実地及び基準システム１２ａと１２ｒが実質的に同一の場合に、エコー信号１９と２６がほぼ同一であると仮定するのが一般に安全である。当然ながら、１８のようなダクトは、それと関連したウィンドシアー、温度勾配及び反転と共に、それら自体で純粋な関心事であり、基準システム１２ｒによって収集されるデータは、空港１０での天候報告及び予報の重要な入力になる。これが、我々の先行特許出願によって教示したように単一トランスミッタのまわりのコンパス主要点に配列された少なくとも４つのレシーバを使用する大きな理由である。

図３から分かるように、各ＳＯＤＡＲシステム１２ａと１２ｒは、本質的に、それぞれのシステムのトランスミッタとレシーバに接続されたコンピュータＰＣａとＰＣｒ（それぞれ）とから成る。実地システム１２ａは、Ｒａｖで示した垂直方向のレシーバを示すが、これは図１と図２には示されていない。同様に、基準システム１２ｒは、垂直レシーバＲｒｖと共に北側と南側のレシーバＲｒｎとＲｒｓを含むように示されているが、これらは図１に示されていない。個別の実地及び基準システムを使用する場合、それらのシステムは、実質的に同一であり、位相や他の遅延、利得及び周波数持性がよく整合していることが望ましい。これにより、システムに導入される誤差と不正確さが最小になる。

実地システム１２ａのコンピュータＰＣａは、トランスミッタＴａを駆動するアナログ出力３２と５つのレシーバから信号を受け取る５つのアナログ入力とを含む既知の設計のデジタル音声カード３０によって、そのレシーバとトランスミッタに接続されており、この例では垂直レシーバＲａｖからの出力３４だけが受け入れられている（後で説明する）。レシーバ信号は、デジタル形式でもアナログ形式でもよく、（ここで仮定したように）アナログの場合、ＰＣａの音声カードは、そのような信号を、サンプリングしたデジタル形式に変換する必要がある。同様に、基準システムのコンピュータＰＣｒは、音声カード３６によってそのトランスミッタと５つのレシーバに接続されており、垂直レシーバＲｒｖからのアナログ入力３８だけが受け入れられている（後で説明する）。コンピュータＰＣａとＰＣｒは、通常、レシーバから得たデータをグラフィック表示する独自の画面４０と４１を有し、ＰＣａの画面４０は、レシーバＲａｖによって検出されたダクトと渦流のエコー（それぞれ２２と２４）の合わさったものから得たデータを表示し、ＰＣｒの画面４１は、垂直レシーバＲｒｖによって検出されたダクトのエコー２８だけから得たデータを表示する。

ＳＯＤＡＲ１２ａを使用して渦流１６を下から見るとき、後方渦流の急速に下方と上方の両方に移動する気流の特徴を示すドップラー位相ずれを「観察」できる。この目的のためには、一般に、実地システム１２ａでは垂直方向を向いたレシーバＲａｖを使用するだけで充分である。従って、渦流検出に垂直レシーバＲａｖだけを使用する場合は、渦流１６をより適切に特徴付ける際には垂直レシーバＲｒｖからの基準信号だけが役立つ。このため、図３には、レシーバＲａｖとコンピュータＰＣａとの間の接続と、レシーバＲｒｖとコンピュータＰＣｒとの間の接続だけが実線で示されている。従って、他のレシーバの出力は、図３を検討する際に無視してもよいが、これら使用は、図４を参照して説明する。

従って、コンピュータＰＣａの音声カード３０は、垂直レシーバＲａｖだけからアナログ出力３４を受け取ってデジタル化し、線４４でフィルタ４３に入力されるトランスミッタドライバ信号３２のデジタルサンプルストリームを参照して、獲得したデジタルサンプルストリームを線４２を介してコンピュータＰＣａに実装された整合フィルタ４３に入力する。フィルタ４３の出力は、線４５と４６上の位相及び振幅データストリーム｜Ａ｜とΦを含み、これらは（それぞれ）位相差分ユニット又は機能４７と振幅差分ユニット又は機能４８に送られる。これと全く同じように、レシーバＲｒｖとトランスミッタＴｒからのデジタル化サンプルストリームが整合フィルタ４９に送られ、フィルタ４９からの位相及び振幅出力は、線５０と５１を介して対応する差分ユニット４７と４８に送られる。位相ユニット４７の線５２の差分出力は、ユニット又は機能５３で微分され、得られた勾配出力［△Φ］が、入力線５５を介して、渦流の解析、表示及び記録を行うユニット又は機能５４に送られる。振幅差分ユニット４８の出力は、同じように線５６でユニット５２に送られる。整合フィルタ４３からの「実地」振幅及び位相出力は、ＰＣａの画面４０に表示することができ、同様に整合フィルタ４９の「基準」振幅及び位相出力は、ＰＣｒの画面４１に表示することができる。

次に、図３の様々な点における信号のグラフである図４〜図７に移ると、図４のグラフは、ＳＯＤＡＲシステム１２ａの動作中に線３４を介して音声カード３０に送られる実地垂直レシーバＲａｖのアナログ出力の時間／周波数グラフである。太い斜めの薄い線５６は、「直接信号」を最小にするために適切な音響遮蔽を使用しているにもかかわらず、トランスミッタＴａとレシーバＲａｖの間で直接水平方向に伝えられる強い直接チャープ信号である。これは、１．５秒の持続時間を有する。更に濃いしみのような線５７は、やはりトランスミッタＴａによって生成されレシーバＲａｖに直接伝えられた直接信号５６の第２高調波である。直接信号５６を底辺とする平行四辺形５８は、レシーバＲａｖ内の適切なフィルタを使用して、２．５秒の全傍受時間の間に収集されたエコー情報を（直接信号と雑音と共に）示す。この情報（及び雑音）は、コンピュータＰＣａの音声カード３０によって２４０，０００のデジタルサンプルのデータセットにサンプリングされたものである。エコー信号は、レシーバＲａｖの出力から視覚的にも聴覚的にも識別することができず、そのような識別には、（当該技術分野で既知でかつ我々の先行特許出願で教示した）整合フィルタ技術の使用が必要である。

図５のグラフは、図３の線４５上の連続サンプル出力間の累積相対位相変化（又は水平軸上のドップラーシフト）のグラフである。連続したサンプルが高さ又は高度の代わりなので、サンプル番号ではなく高度が縦軸上に示されている。このグラフは、図３のシステムによって、ユニット４７において、線５０を介してＰＣｒから送られる基準位相データとの差を求めることなしに、ＰＣａの整合フィルタ４３から線４５上に出力された位相データから生成したものである。図４から分かるように、位相グラフは、１４ｍ／秒の最大周速度を有する直径約２０ｍの回転渦流を示す。これは、約８８０ｍ²／秒の循環強度を発生し、これは通常強く、渦流に入る軽航空機を確実にひっくり返すことになる。データは、メルボルン空港の珍しく風のない日にボーイング７３７から着陸前の引き起こしの際に得られたものであり、特別なものである。

図５の例外的な出力にもかかわらず、実地ＳＯＤＡＲシステムのみからの位相データだけを使用し、即ち、基準位相との差をとらずまた実地及び基準データセットからの差分振幅出力とのクロスチェックなしに、渦流を確実に識別することは通常非常に困難である。図６と図７は、より一般的に得られるタイプの位相と振幅のグラフ（データセット）を示す。これらのグラフも、メルボルン空港でボーイング７３７から得たものであるが、極めて突発的な低いレベルの風（約８ノット）のある日に得たものである。図６のグラフ（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、（それぞれ）基準整合フィルタ４９からの線５０、整合フィルタ４３からの線４５、解析及び表示ユニット５４への線５５の位相データセット（デジタルサンプルストリーム）から得たものであり、グラフ（ｃ）がユニット４７からの差分出力の位相勾配であることに注意されたい。グラフ（ｂ）から約４０ｍに渦流がある可能があるように見えるが、基準グラフ／データセット（ａ）との差を求めユニット５３で微分して得たグラフ（ｃ）のピークも４０ｍであることを確認する必要があった。クロスチェックによって、図７の部分（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の振幅グラフは、それぞれ、基準整合フィルタ４９からの線５１上の基準振幅出力データセット、実地整合フィルタ４３からの線４６上の実地振幅データセット出力、及び線５６上の差分データセットから得られた。図７の差分振幅グラフ（ｃ）の４０ｍの強いピークと図６の差分位相グラフ（ｃ）の強い勾配ピークが明らかに一致するので、４０ｍに大きい渦流が存在することを確信できる。また、この渦流の特徴は、これらのグラフからの検査と計算により得ることができる。

後方渦流の調査で関心のあることは、その持続時間、流動（drift）、沈下率（sink-rate）、及び時間に対する衰退である。これは、我々の先行特許で一般論的に教示した方法で、図３に示した実地及び基準ＳＯＤＡＲシステムの他のレシーバを利用することにより達成することができる。従って、図８は、この目的を念頭に置いて図３のシステムを異なる視点で示す。各ＳＯＤＡＲシステム１２ａと１２ｒの各レシーバの出力は、サンプリングされデジタル化されると仮定し、各システム内の各レシーバが同じ数のサンプルを発生するように全てのレシーバ（及び、送信チャープ）に同じサンプリングレートが使用される。図３と同様、１．５秒のサンプルパルス長、２．５秒の傍受時間、及び９６ｋＨｚのサンプリングレートであると仮定すると好都合である。これにより、各問い合わせサイクルで各レシーバから２４０，０００のサンプルのストリームが得られる。

雑音と直接トランスミッタ信号から所望のチャープエコーを抽出するために、各レシーバサンプルストリーム（又はデータセット）が、１．５秒の送信パルス（同じ９６ｋＨｚのレートでサンプリングされた）を表す無雑音サンプルストリームＴａｓと一緒に整合フィルタＭＦに送られ、１．０秒の重なりはゼロで埋められる。図８において、整合フィルタはＭＦで示され、サンプリングされた実地送信信号はＴａｓで示され、サンプリングした送信基準信号はＴｒｓで示されている。整合フィルタＭＦがフーリエ技術を使用し、エコーの弁別と抽出がフーリエドメイン又は周波数ドメインで行われることが好ましく、各整合フィルタからの出力は、エコー信号の位相［Φ］を示す９６ｋＨｚサンプルストリーム（データセット）と、エコー信号の振幅［ｌＡｌ］を示す９６ＫＨｚサンプルストリーム（データセット）であることが好ましい。水平方向の風速と風向を測定するために、（我々の先行特許出願で教示したように）垂直風による位相（又はドップラー）成分を除去することが望ましい。

このように、実地ＳＯＤＡＲシステム１２ａにおいて、これは、我々の先行特許出願で教示した方法で、ユニット又は機能６０において抽出した北位相信号と南位相信号の差をとり、ユニット又は機能６２において東位相信号と西位相信号の差を別に取り、この結果を使用してユニット又は機能６４と６６で水平方向の風向と風速を別に計算することによって行うことができ便利である。実地システム１２ａのこれらの風パラメータは、当然ながら、渦流による成分と恒風と周囲条件による成分を含む。従って、ユニット６４からの水平風向データセットは、差分ユニット又は機能６８に送られ、ユニット６６からの水平風速データセットは、差分ユニット又は機能７０に送られる。垂直レシーバＲａｖの振幅及び位相出力は、７２に示したように、垂直方向の風速と渦流と周囲の風の両方から垂直方向に返されるエコーの振幅を示し、これらの位相及び振幅出力は、差分ユニット又は機能７４に送られる。レシーバＲａｎ、Ｒａｓ、Ｒａｅ及びＲａｗに接続された整合フィルタの４つの振幅信号出力は、矢印７８によって示したように、解析、表示、及び／又は記録ユニット又は機能７６に入力として直接送られる。

基準ＳＯＤＡＲシステム１２ｒは、実地システム１２ａに関して前に説明したものと実質的に同一でありまた全く同じように動作する。唯一つの違いは、渦流によるエコーがシステム１２ｒの５つのレシーバへの入力に存在しないことである。従って、垂直風速成分及び振幅成分（８０で示した）を含むデータセットが、差分ユニット７４に送られ、ユニット８２の計算基準水平風速データセットが、差分ユニット７０に送られ、ユニット８４の基準水平風向データセットが、差分ユニット６８に送られる。また、基準レシーバＲｒｎ、Ｒｒｓ、Ｒｒｅ及びＲｒｗに接続された整合フィルタＭＦからの振幅成分は、矢印８６によって示したように表示装置７８に直接送られる。当然ながら、ユニット６８、７０及び７４の差分演算によって得られたデータセットもユニット７８に送られる。

我々の先行出願で教示したように、各システム１２ａと１２ｒにおける垂直風速は、個別の垂直レシーバＲａｖとＲｒｖを使用する代わりに、北側、南側、東側及び西側の信号を処理することによって近似させることができる。しかしながら、専用の垂直レシーバを使用することが好ましい。風向、風速及びエコー振幅を示すデータセットを発生するために必要な計算は、各データセット内の各サンプルについて必ずしも行わなくてもよいことを理解されよう。何故なら、当該技術分野で一般的に行われているように、一定数の隣り合ったサンプルを「ビンに入れる（binned）」か平均化することにより、計算負荷を軽減できるからである。

また、代替として、対応する実地レシーバと基準レシーバからそれぞれ抽出した信号は、風速と風向を決定した後ではなく整合フィルタＭＦの後で、差をとってもよいことを理解されよう。しかしながら、これは、計算的に多少大変である。また、実地及び基準システムの未処理のレシーバ出力の差をとることも考えられるが、これはｓ／ｎを低下させる傾向があるのであまり望ましくない。既に図３の考察で示したように、この場合、高さに関する３次元風速ベクトルを、実地及び基準システムで別々に計算することができ、それらのベクトルの差を、本発明の原理に従って求めることができる。これを行うのが望ましかどうかは、ベクトルを別々に計算する際に導入される誤差の量に依存する。

図３と図８のブロックは、別々の物理アイテムを必ずしも表しているものではなく、単一のシステム又はコンピュータによって実行される機能だけを示すことを理解されよう。例えば、大型航空機の着陸と着陸の間にあいた空（clear air）があり、それによりＳＯＤＡＲシステムによる基準測定値を得ることができる場合には、（既に説明したように）個別の基準及び実地システムは必須ではない。従って、そのような複合システムは、内蔵の表示及び音声カードを有する単一の携帯型コンピュータに結合された４つ又は５つのレシーバと１つのトランスミッタを単に含むだけである。一方、ほぼ実時間の動作が期待される場合には、単一のコンピュータに課される入出力及び処理要求が極めて大きくなる。従って、各レシーバとその関連トランスミッタは、それ自体の専用のＰＣと音声カードを備えてもよく、それらのＰＣは、各ＳＯＤＡＲシステム（１２ａと１２ｒ）ごとに個別のシステム及び表示ＰＣとネットワーク接続され、後者の表示ＰＣは、差分及びネット表示ＰＣに接続されている。最後に、既に前に述べたように、差分機能は、受信信号の処理における様々なステップで達成することができる。

図９と図１０は代替の構成を示す。この構成では、進入しつつある航空機１０８によってできる渦流１０６を視覚化するために、ＳＯＤＡＲトランスミッタ１００と比較的離れているＳＯＤＡＲレシーバ１０２の列又はアレイとを配列して組み合わせて合成アパーチャＳＯＤＡＲシステム１０４を構成する。対象とする渦流が発生する可能性のある破線１１０で示した空気体積を照射するために、トランスミッタ１００が、飛行路の一方の側に配列されている。渦流１０６と風ダクト（図示せず）によって反射又は散乱された送信チャープパルスのエコー１１２が、レシーバ１０２によって検出され部分的に処理される。このシステムにおいては、観測は、航空機の着陸と着陸の間の空いた時間、即ち通常の時間の間に行われ、この基準観測データは、航空機１０８の着陸又は接近の際に得られる実地データから後で減算するために記録される。

そのようなシステム内の計算負荷のために、一般に、各レシーバ１０２が、自身のコンピュータ１０２ｂ（図１０）に接続されたマイクロフォン１０２ａを含む方が実際的であり、コンピュータ１０２ｂは、振幅及び位相データサンプルストリームをＬＡＮ１１２を介して表示１１６を発生する合成アパーチャコンピュータ１１４に出力する。合成アパーチャコンピュータ１１４は、また、後で使用するために基準「シーン」又はデータを記憶するレコーダ又はメモリ１１８に接続されている。既に述べたように、そのような基準データは、航空機の着陸と着陸の間の空いた期間に記録される。表示装置１１６は、基準シーン（ダクトデータのみ）か「総（gross）」シーン（渦流データとダクトデータの組み合わせ）かに関係なく、コンピュータ１１４の現在の出力を示す。プロセッサ１１４からの総出力は、基準データを抽出する差分ユニット又はプロセス１２０に送られ、次に、正味（net）結果が、渦流表示装置１２２に表示される。当業者であれば、適切な信号の選択又は切り換えによって達成できるので、表示装置１１６と１２２を一台にしてもよいことが分かるであろう。

側面から見た東西に延びる空港滑走路の図であり、それぞれの端に、航空機の着陸及び／又は航空機の離陸によって残る渦流を検出し表示するのに使用するＳＯＤＡＲシステムがある。 図１の滑走路の一端から見た図であり、ＳＯＤＡＲシステムの１つと航空機が引き起こす渦流を示す。 図１の２つのＳＯＤＡＲシステムの基本的な機能要素と、各システム内の単一レシーバの出力から適切な出力表示が発生される様子を示すブロック図である。 図１のＳＯＤＡＲシステムの１つのレシーバのアナログ出力の時間／周波数グラフである。 図３のＳＯＤＡＲシステムのうちの１つの整合フィルタの累積位相（ドップラー）出力のグラフと、このグラフによって表された渦流を示す図である。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、図３のブロック図の３つの点の累積位相に対する高さ（高度）の３つのグラフである。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、図３のブロック図の３つの点の振幅に対する高さ（高度）の３つのグラフである。 図３と類似しているが、各システム内の５つのレシーバの出力を利用する２つのＳＯＤＡＲシステムのブロック図である。 合成アパーチャとして働くようにレシーバの列が飛行経路を横切って配列された、着陸する航空機がある滑走路の近くの飛行経路の横断図である。 合成アパーチャシステムに組み込まれた図９のレシーバを示すブロック図である。

符号の説明

１０ 滑走路
１２ａ 実地システム
１２ｒ 基準システム
１４ 航空機
１６ 後方渦流
１８ ウィンドシアーダクト
２０ 空気体積
２２、２４ エコー
２６ 照射コーン
２８ エコー信号
３０、３６ 音声カード
３２ アナログ出力
３４ アナログ出力
３８ アナログ入力
４０、４１ 画面
４２、４４、４５、４６、５０、５１、５２、５５、５６ 線
４３、４９ 整合フィルタ
４７ Φ差
４８ ｜Ａ｜差
５３ Φ勾配
５４ 渦流の解析、表示及び記録
５７ 第２高調波
５８ 平行四辺形
６０、６２ ユニット又は機能
６４ 水平風向
６６ 水平風速
６８、７０、７４ 差分ユニット又は機能
７２ 垂直方向の風速とエコーの振幅
７６ 記録ユニット又は機能
７８ 表示装置
８０ 垂直風速成分及び振幅成分
８２ 水平風速
８４ 水平風向
１００ ＳＯＤＡＲトランスミッタ
１０２ ＳＯＤＡＲレシーバ
１０２ａ マイクロフォン
１０２ｂ コンピュータ
１０４ 合成アパーチャSODARシステム
１０６ 渦流
１０８ 航空機
１１０ 空気体積
１１２ エコー
１１４ 合成アパーチャコンピュータ
１１６ 表示装置
１１８ 記録された基準データ
１２０ 差分ユニット又はプロセス
１２２ 渦流表示装置
７３７ ボーイング
ＰＣａ、ＰＣｒ コンピューター
Ｒａｅ、Ｒａｗ、Ｒｒｅ、Ｒｒｗ、Ｒａｎ、Ｒａｓ、Ｒｒｎ、Ｒｒｓ レシーバ
Ｒａｖ、Ｒｒｖ 垂直レシーバ
Ｔａ、Ｔｒ トランスミッタ

Claims (19)

1. 空気体積中の持続時間が短い地上近くのターゲット乱流を検出し及び／又は定量化するＳＯＤＡＲ法であって、
   ターゲット乱流がない時に又は場所で、前記体積中に第１の音響チャープを送信するステップと、
   前記第１のチャープのエコーを検出し、それにより前記空気体積中の恒常的周囲状態を示す基準データセットを発生するステップと、
   ターゲット乱流がある時に又は場所で、前記体積中に第２の音響チャープを送信するステップと、
   前記第２のチャープのエコーを検出し、それにより前記恒常的周囲状態と前記ターゲット乱流の両方を示す実地データセットを発生するステップと、
   前記基準データセットと前記実地データセットの差をとって、前記恒常的状態の影響が低減されたターゲット乱流を示す正味データセットを発生するステップとを含むＳＯＤＡＲ法。
2. 前記第１と第２の音響チャープをそれぞれ３００ミリ秒〜３秒の実質的に同一の持続時間で送信するステップと、
   整合フィルタ技術を使用して、実質的にそれぞれのチャープの持続時間とそれぞれのチャープの持続時間よりも短い追加の連続期間とから成る第１の傍受時間の間、前記空気体積から返された第１のチャープの音響エコーから生じる位相及び振幅データを抽出し、それにより前記基準データセットを発生するステップと、
   整合フィルタ技術を使用して、第１の傍受時間と持続時間が実質的に同じ第２の傍受時間の間、前記空気体積から返された第２のチャープの音響エコーから生じる位相及び振幅データを抽出し、それにより前記実地データセットを発生するステップと、
   正味データセット又はその選択された部分を前記第２の傍受時間に関して視覚的にグラフ化するか表にしてターゲット乱流を描画又は表現するステップとを含む、請求項１に記載のＳＯＤＡＲ法。
3. 前記第２のチャープを発生するために音響トランスミッタが使用され、複数の音響レシーバがトランスミッタのまわりに等距離で配列され、各レシーバが、トランスミッタにより送信された各第２のチャープからのエコーを受信して検出するように配列され、各レシーバが受信したエコー信号から位相及び振幅データを抽出するために前記整合フィルタ技術が使用され、空気体積内のターゲット乱流の水平方向及び／又は垂直方向の移動を示すために複数のレシーバから抽出した位相及び振幅データの差をとるステップを含む、請求項２に記載のＳＯＤＡＲ法。
4. 空気体積内の持続時間が短い地上近くのターゲット乱流を検出し及び/又は定量化するＳＯＤＡＲ法であって、
   ３００ミリ秒〜３秒の持続時間を有する第１の音響チャープを前記体積中に送信するステップと、
   整合フィルタ技術を使用して、前記第１のチャープの送信を含む第１の傍受時間とチャープの持続時間よりも短いその後の連続期間を加えた時間の間、前記空気体積から返された前記第１のチャープの音響エコーから生じる位相及び振幅データを抽出するステップであって、前記抽出した位相及び振幅データが、空気体積内のターゲット乱流と恒常的周囲状態を示す実地データセットを構成するステップと、
   前記実地データセットの変化を前記傍受時間に関してグラフ化又は表にして前記乱流を描写又は表現するステップとを含むＳＯＤＡＲ法。
5. ターゲット乱流がない時に又は場所で、第１の音響チャープと実質的に同一の第２の音響チャープを前記体積中に送信するステップと、
   整合フィルタ技術を使用して、第１の傍受時間と実質的に同じ持続時間の第２の傍受時間の間、前記空気体積から返された前記第２のチャープの音響エコーから生じる位相及び振幅データを抽出し、それにより恒常的周囲状態だけを示す基準データセットを発生するステップと、
   前記基準データセットと前記実地データセットの差をとって、前記恒常的状態の影響が低減されたターゲット乱流を示す正味データセットを発生するステップとを含む、請求項４に記載のＳＯＤＡＲ法。
6. 前記第１のチャープを発生するために音響トランスミッタが使用され、複数の音響レシーバがトランスミッタのまわりに等距離で配列され、各レシーバが、トランスミッタによって送信された各第２のチャープからのエコーを受信して検出するように配列され、各レシーバが受信したエコー信号から位相及び振幅データを抽出するために前記整合フィルタ技術が使用され、空気体積内のターゲット乱流の水平方向及び／又は垂直方向の移動を示すために複数のレシーバから抽出された位相及び振幅データの差をとるステップを含む、請求項５に記載のＳＯＤＡＲ法。
7. トランスミッタのまわりに四角形に等しい間隔で４つのレシーバが配列され、第１対のレシーバが、トランスミッタを通る第１の軸上に配列され、第２対のレシーバが、トランスミッタを通る第２の軸上に配列されており、
   第１対のレシーバから抽出した位相出力の差をとって、前記第１の軸に沿ったターゲット乱流の移動速度を示す第１の速度データセットを導き出すステップと、
   第２対のレシーバから抽出した位相出力の差をとって、前記第２の軸に沿ったターゲット乱流の移動速度を示す第２の速度データセットを導き出すステップとを含む請求項２又は５に記載のＳＯＤＡＲ法。
8. 第１と第２の速度データセットを組み合わせて、トランスミッタに対するターゲット乱流の移動方位を示す方位データセットを発生するステップを含む、請求項７に記載のＳＯＤＡＲ法。
9. 空気体積が、空港滑走路、着陸進入経路又は離陸経路の近傍で、かつ地上と高度３００ｍの間にあり、ターゲット乱流が、大型航空機によってできた渦流であり、チャープが実質的に垂直に送信される、請求項１から８のいずれか１項に記載のＳＯＤＡＲ法。
10. 高度３００ｍより下の空港着陸進入経路又は離陸経路内の空気体積中の持続時間が短い地上近くのターゲット乱流を検出し及び／又は定量化するＳＯＤＡＲ法であって、
    空気体積中の恒風状態と共にターゲット乱流に音響的に照射するために、経路の片側に配置されたトランスミッタによって鋭角の仰角で上方に第１の音響チャープを送信するステップと、
    空気体積から返されたチャープの音響エコーを、経路を横切って離間された複数のレシーバの各々によって検出するステップと、
    トランスミッタチャープの波形を照会する整合フィルタ技術を使用して、各レシーバから第１組の位相及び／又は振幅データを抽出するステップと、
    第１組の抽出データを使用して、空気体積中の恒風状態とターゲット乱流が合わさったものを示す実地合成アパーチャデータセットを発生するステップとを含むＳＯＤＡＲ法。
11. ターゲット乱流がなくかつ前記恒風状態がある状態で、空気体積に音響的に照射するために、前記第１のチャープと実質的に同一の第２の音響チャープを前記鋭角の仰角で上方に送信するステップと、
    空気体積から返された前記第２のチャープの音響エコーを、前記複数のレシーバの各々で検出する段階と、
    トランスミッタチャープの波形を照会する整合フィルタ技術を使用して、各レシーバから第２組の位相及び／又は振幅データを抽出するステップと、
    前記第２組の抽出データを使用して、空気体積内の恒風状態を示す基準合成アパーチャデータセットを発生するステップと、
    抽出した第１組と第２組の位相及び／又は振幅データの差をとるか、又は前記実地及び基準合成アパーチャデータセットの差をとって、恒風状態が存在しないか又は減衰したターゲット乱流を示すステップとを含む、請求項１０に記載のＳＯＤＡＲ法。
12. 実地データセットと基準データセットの位相及び振幅成分の差を別々に求めて個別の正味位相データセットと個別の正味振幅データセットを発生するステップを含む請求項３又は６に記載のＳＯＤＡＲ法。
13. 間隔が近いが逆の風速を有する渦状ターゲット乱流の存在を目立たせるために、正味位相データセットを微分し、即ちその勾配を決定するステップを含む、請求項１２に記載のＳＯＤＡＲシステム。
14. 空気体積中の持続時間が短い地上近くのターゲット乱流を検出し及び／又は定量化する際に使用するＳＯＤＡＲシステムであって、
    前記体積中に音響チャープを導いて、前記体積内の恒風状態とターゲット乱流から第１組のチャープエコーを発生し、ターゲット乱流がない状態で第２組の実質的に同一の音響チャープを体積中に導いて恒風状態から第２組のチャープエコーを発生するように適応された音響トランスミッタ手段と、
    前記第１と第２の一連のエコーを受信して、前記恒常的状態と乱流を示す実地データセットと恒常的状態だけを示す基準データセットとを発生するように配置された音響レシーバ手段と、
    前記実地データセットと基準データセットの差をとって、恒風状態がないか少なくともそのような状態の影響が軽減されたターゲット乱流を表す正味データセットを発生するように適応された差分手段とを含むＳＯＤＡＲシステム。
15. 前記トランスミッタ手段が、３００ミリ秒〜３秒の持続時間を有するチャープを発生するように適応され、
    整合フィルタが、前記レシーバ手段から出力を受け取って、前記出力から位相及び／又は振幅データを抽出するように配置され、前記実地データセットと前記基準データセットがそのような位相及び／又は振幅情報を含み、
    前記差分手段が、前記実地及び基準データセットを受け取り、振幅成分と位相成分の差を別々に求めて前記正味データセットを発生するように配置された、請求項１４に記載のＳＯＤＡＲシステム。
16. 前記トランスミッタ手段が、第１のトランスミッタと第２のトランスミッタから成り、前記第１のトランスミッタと前記第２のトランスミッタは、両方のトランスミッタから送信されたチャープによって単一のターゲット乱流が照射されないように充分離間されているが恒風状態は共通になるように充分接近して配置されており、
    前記レシーバ手段が、第１のトランスミッタの近くに配置され前記第１のトランスミッタによって送信されたチャープから前記第１組の一連のエコーを受け取る第１のレシーバ組立体から成り、実地データセットが、第１のレシーバ組立体の出力から生成され、
    前記レシーバ手段が、また、第２のトランスミッタの近くにあり前記第２のトランスミッタによって送信された前記第２の一連のエコーを受け取る第２のレシーバ組立体から成り、第２のデータセットが、第２のレシーバ組立体の出力から生成される、請求項１４又は１５に記載のＳＯＤＡＲシステム。
17. 前記第１のレシーバ組立体が、２対の対向した第１のレシーバを構成するように第１のトランスミッタのまわりに等間隔で四角形に配置された４つの個別の第１のレシーバから成り、
    前記第１のレシーバの各々が、それぞれの第１のレシーバが受信したエコーの位相データを抽出するように適応された実地整合フィルタに出力し、
    第１の差分手段が、前記実地整合フィルタに接続され、抽出した位相データの差をとって、それにより第１のトランスミッタのチャープによって照射された空気体積内の空気の移動方位と水平速度を示す差分位相データを発生するように適応され、
    前記第２のレシーバ組立体が、２対の対向する第２のレシーバを構成するように第２のトランスミッタのまわりに等間隔で四角形に配置された４つの個別の第２のレシーバから成り、
    前記第２のレシーバの各々が、それぞれの第２のレシーバが受信したエコーの位相データを抽出するように適応された基準整合フィルタに出力し、
    第２の差分手段が、前記基準整合フィルタに接続され、抽出した位相データの差をとって、それにより第１のトランスミッタのチャープによって照射された空気体積内の空気の移動方位と水平速度を示す差分位相データを発生するように適応された、請求項１６に記載のＳＯＤＡＲシステム。
18. 前記トランスミッタ手段が、単一のトランスミッタから成り、
    前記レシーバ手段が、トランスミッタのまわりに四角形で等距離に配列された４つの音響レシーバから成り、前記レシーバが２つの対向した対を構成するように配列されており、
    前記レシーバの各々が、レシーバが受信したエコーの位相データを抽出するように適応された整合フィルタに出力し、
    差分手段が、前記整合フィルタに接続され、前記整合フィルタから抽出された位相データの差をとり、トランスミッタのチャープによって照射された空気体積内の空気移動の方位と水平速度を示す差分位相データを発生するように適応された、請求項１４又は１５に記載のＳＯＤＡＲシステム。
19. 空気体積中の持続時間が短い地上近くのターゲット乱流を検出し及び／又は定量化する際に使用されるＳＯＤＡＲシステムであって、
    前記体積中に音響チャープを鋭角の仰角で導いて前記体積中の恒風状態とターゲット乱流から第１組のチャープエコーを発生し、また体積中に第２組の実質的に同一の音響チャープを導いて、ターゲット乱流が存在しない状態で恒風状態から第２組のチャープエコーを発生するように適応された音響トランスミッタ手段と、
    前記トランスミッタ手段から延びる列に配列された複数の音響レシーバであって、前記第１と第２の一連のエコーを受信して、前記恒常的状態と乱流を示す実地データセットと恒常的状態だけを示す基準データセットとを発生するように配置された音響レシーバと、
    前記実地データセットを受け取り、前記実地データセットを、恒常的状態と乱流とを合わせたものを表す実地合成アパーチャ画像に変換するように適応された手段と、
    前記基準データセットを受け取り、前記基準データセットを、ターゲット乱流が存在しない状態での恒常的状態を表す基準合成アパーチャ画像に変換する手段と、
    前記実地データセットと基準データセットの差をとって、正味データセットを発生すると共に、恒風状態がないか、又は少なくともそのような恒常的状態の影響が軽減されたターゲット乱流を表す正味合成アパーチャ画像を発生する差分手段とを含むＳＯＤＡＲシステム。