JP2009300133A - 航空機搭載用光学式遠隔気流計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】受信信号を時分割した各レンジビン長を計測距離に応じて長くし、且つ、一のレンジビンを隣接する他のレンジビンに部分的に重複させながら前記受信信号のデータ処理を行う。また、目的とする計測領域における、受信信号強度が事前に設定した閾値よりも大きい場合は、焦点距離を長くして計測レンジを拡大する。あるいは、受信信号強度が閾値よりも小さい場合は、焦点距離を短くして計測レンジを拡大する。
【選択図】図3
Description
前記受信信号を時分割した時の単位データ(レンジビン)の長さを計測距離に応じて長く設定し、且つ、一のレンジビンを隣接する他のレンジビンに部分的に重複させながら前記受信信号のデータ処理を行うことを特徴とする。
上記光学式遠隔気流計測装置では、送信したレーザ光を散乱させる大気中のエアロゾル数は、計測領域の空間の体積に比例して増加することに着目して、距離方向の計測領域に係る各レンジビンの長さを一定ではなく遠方ほど長くして、散乱させるエアロゾル数を増大させることにより、受信強度を増加させて遠方の計測精度劣化を防止し、有効計測範囲を拡大させる。ところで、距離方向の計測領域に係る各レンジビンの長さが長くなると、遠方領域の距離方向の風速変化情報が細分化されないという欠点がある。しかし、上記光学式遠隔気流計測装置では、受信信号を距離方向に時分割する計測領域に係る各レンジビンを、隣接する他のレンジビンに部分的に重ねることにより、距離方向の風速変化情報を細分化させることが可能となる。
上記光学式遠隔気流計測装置では、パルス信号列を時系列上で分割した「部分パルス信号列」の分割幅を計測距離に応じて大きく設定する、すなわち遠方の計測距離ほど受信パルスの積分数を多く設定する。これにより、信号対雑音比が増加して、遠方の計測精度が劣化しなくなる。一般に、受信パルスの積分数を多くすることは、計測データの更新周期を長くする。しかし、本発明の光学式遠隔気流計測装置では、一の部分パルス信号列を、隣接する他の部分パルス信号列に部分的に重複させデータ処理を行うことにより、足りないデータは隣接する他の部分パルス信号列から補填することができるため、計測データの更新周期を短縮することが可能となる。
上記光学式遠隔気流計測装置では、後述するように、航空機搭載用装置として計測データ表示のちらつき防止を優先させ、計測範囲制限ゲートを設けて、複数のピーク値の中から、ドップラーシフト量を特定するために必要な受信光の周波数成分のピーク値を特定する。
大気中のエアロゾル量が多いときには、一般的に受信光の信号強度が高くなる。したがって、上記光学式遠隔気流計測装置では、受信光の信号強度最大値が事前に設定された閾値より高い場合には、送受信レーザ光の光学望遠鏡の焦点距離を長くして、計測有効レンジを拡大させる。逆に大気中のエアロゾル量が少ないときには、一般的に受信光の信号強度が低くなる。したがって、上記光学式遠隔気流計測装置では、前記焦点距離よりも近傍の中間計測領域からの受信光の信号強度が低くて計測不能の場合には、前記焦点距離を短くすることにより、計測有効レンジを拡大させる。また、大気中のエアロゾル量が非常に少ない場合、受信光の信号強度がノイズレベルより低くなる。したがって、上記光学式遠隔気流計測装置では、全計測領域からの受信光の信号強度が低くて計測不能の場合には、前記焦点距離を短くすることにより、計測有効レンジを拡大させる。
上記光学式遠隔気流計測装置では、上記構成とすることにより、計測有効レンジを拡大させ、目的とする計測領域において、精度の高い計測データを得ることが可能となる。
乱気流を正確に認識するためには、広い領域内の気流ベクトルを詳細に調べることが最も確実である。しかしながら、この方式は時間を要する。高速で飛行中の航空機に搭載した装置に対しては、短時間での乱気流の認識が求められている。さもなければ、パイロットが乱気流情報を事前に利用することができないからである。
ところで、本発明の光学式遠隔気流計測装置は、上述した通り、計測有効レンジを拡大させることが可能であり、更に遠方領域における計測精度の劣化が少なく、データ更新周期についても短くすることが可能である。
従って、上記光学式遠隔気流計測装置では、距離当たりの風速変化量を乱気流の程度をあらわす指標とすることにより、簡易的に且つ正確に乱気流を推定することが可能となる。
このドップラーライダー100は、大気中に浮遊するエアロゾルに対しレーザ光を送信光として照射して、エアロゾルからのレーザ散乱光を受信光として受信する光学系10と、その受信光と送信光との波長変化量(ドップラーシフト量)に基づいて風速を計測する本体20とを具備して構成されている。
上述した通り、航空機搭載用遠隔気流計測装置として使用するドップラーライダー100は、光学系からパルス状のレーザ光を大気中に放射して、その送信光が大気とともに移動するエアロゾルに照射されて生ずる散乱光を前記光学系10で受信する。送信光および受信光の波長を比較して、ドップラー効果によるレーザ光の波長変化量を測定することにより、遠隔領域の風速を算出する。また、受信光を時系列に分割したレンジビンを構成することにより、計測レンジを特定して、同時に複数領域の風速を計測することが可能である。一般的に信号強度が高いほど計測精度が高くなるが、遠距離からの受信光ほど信号強度が小さくなり、信号強度がノイズレベルを下回ると欠測となる。信号強度がノイズレベルを上回る領域が最大計測レンジである。また、一方、計測レンジが光学系の焦点距離に対して相当に近距離の場合も、集光効率が低下して受信光の信号強度が低下する。
上記ドップラーライダー100では、距離方向の計測領域に係る各レンジビンの長さを計測距離に応じて長くなるように、受信信号の時分割が成される。従来のドップラーライダーでは、レンジビンの長さは計測距離にかかわらず一定であるが、図3に示すように、各レンジビンの長さを距離方向に一定ではなく遠方ほど長くすることにより、測定領域の空間の体積が遠方ほど大きくなり、送信光を散乱させるエアロゾル数が増大する。エアロゾル数の増大により受信光の信号強度が増加するために、最大計測レンジが大きくなる。ところで、一般に、距離方向の計測領域(又はレンジビン)が長くなることにより、遠方領域のレンジ分解能(距離分解能)は低下する。しかしながら、上記ドップラーライダー100では、後述する図4に示される信号処理方法によって遠方領域のレンジ分解能を低下させることなく各レンジビン長を長く設定してデータ処理(信号処理)を行うことが可能である。
遠方領域の各レンジビンの長さを長くすることによる、レンジ分解能が低下する欠点を改善するためには、図4に示すように、距離方向に時分割する各レンジビンを隣接する他のレンジビンに部分的に重ねてデータ処理を並列で行うことにより、距離方向の風速変化情報を細分化させる(レンジ分解能の低下を防止する)。この方式は近距離領域のレンジビン間隔(レンジ分解能)を向上させる点でも有効である。レンジビンを重ねる方法は、複数の信号処理回路により、重なる距離に相当する時間分だけ信号処理のタイミングをずらして並列処理を行うことにより実現される。宇宙航空研究開発機構(JAXA)が現在開発中の装置では、近距離領域のレンジビンの長さを150mとし、遠距離領域のレンジビンの長さを300mとしている。5並列の信号処理ボードを用いて処理を行うため、レンジビン間隔(レンジ分解能)は近距離領域で30m、遠距離領域で60mである。このため数100m以下の小規模の乱気流でも検知することができるようになる。これより小規模の乱気流については、高速度で飛行する機体の動揺が追従しないため航空機の安全運航には悪影響を及ぼさない。
本発明に係る部分パルス列では、受信信号のパルス列を時分割することにより生成される部分パルス列が、隣接する他の部分パルス列同士が部分的に重複するように時分割されている。従って、このように時分割された部分パルス列を積分しデータ処理を行うことにより、積分するパルス数を増加させながらデータの更新周期を短くすることが可能となる。また、積分するパルス数を増加させるので、データの信号対雑音比が向上し、結果、精度の高い計測データを得ることが可能となる。
受信光の信号強度が低い場合には、計測値の信頼性は低いものとなる。そのような場合は有効な計測信号にノイズ成分が重畳されるため、通常ドップラーシフト量を特定するために必要な受信光の波長成分のピーク値が複数箇所で生ずる。このため受信光スペクトル分布のピーク値の波長から求められる風速データが、時間とともに頻繁に変化し、計測データ表示にちらつきが発生しやすい。したがって、受信光の信号強度が事前に設定されたノイズレベルの閾値より低い場合には、直前に計測された有効なデータのピーク値に、図6に示すような計測範囲制限ゲートを設定して、その範囲内のピーク値を真の値と見なして、計測データ表示のちらつきを防止する。この場合、実際の乱気流を見落とす可能性も否定できないが、あくまでも信頼性の低い計測領域のみでの処理であり、誤った乱気流情報によりむしろ危険性が増大することもあり得るので、航空機搭載用装置としては表示のちらつき防止を優先する。一方、受信光の信号強度が事前に設定されたノイズレベルの閾値より高い場合には、計測値の信頼性は高いので、受信光の波長成分に、たとえ複数のピーク値が存在したとしても、最大のピーク値を真の値として風速算出に利用する。なお、前回ピーク値からの許容範囲(一定値)としては、諸条件によって適正な値は異なるものの、例えば風速変化量5m/sに相当する0.05pm(ピコメートル)である。(ここまでの説明は、わかりやすさの観点からパラメータとして「波長」を用いてきたが、現実の電子回路上は「周波数」が使われる。光の速度は一定なので、理屈としては同じことである。)
ドップラーライダーでは大気中のエアロゾル量が多いときには、一般的に受信光の信号強度が高くなる。大気中のエアロゾル量の変化は主に気象条件の変化によって生じ、平均的には数時間単位の緩やかな変化である。しかしながら航空機の場合、その移動速度と高度変化が大きいために数分単位での状況変化が生ずる。一方、1回の計測毎のばらつきも大きく、できるだけ長時間の平均値を求める必要がある。このため、受信光の信号強度最大値を1分間平均して、その値が事前に設定された閾値より高い場合には、送受信レーザ光の光学望遠鏡4の焦点距離を長くして、図7に示すように最大計測レンジを拡大させる。受信光の信号強度最大値が事前に設定された閾値より低い場合には、送受信レーザ光の光学望遠鏡4の焦点距離を短くする。ただし気象条件次第では焦点距離を非常に短くしても前記閾値に達しないことがあるため、本方式での焦点距離の最小値は3km程度とする。
大気中のエアロゾル量が少ないときには、受信光の信号強度が低くなり、通常の気象条件を想定して設定される前記閾値に焦点距離にかかわらず達しないことがある。図8においてA点を焦点距離とした場合、A点よりも近傍の中間計測領域からの受信光の信号強度がノイズレベルより低くて計測不能の場合には、光学望遠鏡4の焦点距離をB点まで短くすることにより、遠方および近傍両方の計測レンジを拡大させる。B点は信号強度がノイズレベルに一致する遠地点であり、A点はそれより遠方の任意の点である。この場合においても、前項と同様の理由により1分間の平均値をもとに焦点距離の制御を行う。
大気中のエアロゾル量が非常に少ないときには、受信光の信号強度が低くなり、ノイズレベルを超えないことがある。図9においてA点を焦点距離とした場合、すべての計測領域からの受信光の信号強度がノイズレベルより低くて計測不能の場合には、光学望遠鏡4の焦点距離をB点まで短くすることで受信光の信号強度を高めることにより、計測可能となるレンジを生じさせる。この場合においても、前項と同様の理由により1分間の平均値をもとに焦点距離の制御を行う。
この光学望遠鏡4は、期待する計測レンジの領域(範囲)を可能な限り大きく確保するため、複数のレンズから成り軸方向に移動可能な伸縮機構を有するレンズ部41と、受信した信号強度から最も広い計測領域(レンジ)を判定(算出)し、その値(判定結果)を記憶装置43に伝達する領域判定装置42と、領域判定装置42から受け取った計測領域の値を、予め装置内部に保持する「計測領域と焦点距離」の対応データに照合し、合致する値又は近傍の値又は補間値に対応する焦点距離を抽出し、その値を「焦点距離に係る指令信号」として駆動装置44に送信する記憶装置43と、その「焦点距離に係る指令信号」に従いレンズ部41の焦点距離を変化させるレンズ駆動装置44とを具備して構成される。これにより、目的とする計測領域において、精度の高い計測データを得ることが可能となる。
なお、図示されてはいないが、領域判定装置42は、「受信信号強度と最大計測レンジとの相関」に係るデータベースを有しており、そのデータベースに基づいて、受信信号強度から最大計測レンジを判定(算出)する。
以上のことを、計測を目的とする領域(各空域、各高度)において行うことで、適切なる焦点距離の調整が可能となる。
乱気流を正確に認識するためには、広い領域内の気流ベクトルを詳細に調べることが最も確実である。しかしながら、高速で飛行中の航空機に搭載した装置では、短時間での乱気流の認識ができなければ、乱気流情報を事前に利用することができない。しかも、乱気流を認識する領域の分解能は数100m以下、更新周期は1秒程度以下であることが求められる。したがって、広い領域をスキャンして各部の気流ベクトルを展開して求めた上で乱気流を正確に認識するよりも、一度に計測可能な1方向の各レンジビンで簡易的に乱気流を推定し、スキャンによって広い範囲の乱気流情報を得る方が実用性が高い。図11においてレンジビン1の中の平均風速をW1、レンジビン2の中の平均風速をW2、レンジビン1とレンジビン2との間隔をD1とし、(W2−W1)/D1の値を乱気流の程度をあらわす指標とする。このときレンジビンの長さは50mから300m程度とし、1方向の計測時間は1秒程度とする。
2 光ファイバアンプ
3 励起光源
4 光学望遠鏡
5 光受信機
6 信号処理器
7 表示器
100 ドップラーライダー
Claims (6)
- レーザ光を送信信号として大気中に放射(送信)して、該レーザ光の大気中のエアロゾルによるレーザ散乱光を受信信号として受信し、該送信信号と該受信信号との間のドップラーシフト量に基づき遠隔領域の気流の風速を計測する光学式遠隔気流計測装置において、
前記受信信号を時分割した時の単位データ(レンジビン)の長さを計測距離に応じて長く設定し、且つ、一のレンジビンを隣接する他のレンジビンに部分的に重複させながら前記受信信号のデータ処理を行うことを特徴とする光学式遠隔気流計測装置。 - 前記受信信号をパルス信号列の形態で受信する場合は、該パルス信号列を時分割した「部分パルス信号列」の分割幅を計測距離に応じて大きく設定し、且つ、一の「部分パルス信号列」を隣接する他の「部分パルス信号列」に部分的に重複させながら前記パルス信号列のデータ処理を行う請求項1に記載の光学式遠隔気流計測装置。
- 前記受信信号の信号強度が事前に設定された閾値より低い場合において、ドップラーシフト量を特定するために必要な受信光の周波数成分のピーク値が複数存在する場合は、直前に計測されたピーク値に最も近いピーク値を真値とみなす請求項1又は2に記載の光学式遠隔気流計測装置。
- 計測領域ごとの受信光の信号強度に応じて、レーザ光を送受信する光学望遠鏡の焦点距離を変化させて、計測有効レンジを増大させる請求項1から3の何れかに記載の光学式遠隔気流計測装置。
- 計測領域毎のレーザ散乱光の信号強度から最大計測領域を判定する領域判定装置と、該最大計測領域に対応する前記光学望遠鏡の焦点距離を記憶する記録装置と、前記光学望遠鏡の焦点距離を変化させる駆動装置とを備えた請求項4に記載の光学式遠隔気流計測装置。
- 距離当たりの風速変化量を乱気流の程度をあらわす指標とする請求項1から5の何れかに記載の光学式遠隔気流計測装置。
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