JP2596499B2 - 風のシア検出用機上気象レーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、風のシアの検出に関するものであり、とり
わけ、機上気象レーダ・システムによる風のシアの検出
に関するものである。

従来技術の説明 商業用及び一般的な航空機タイプの飛行機に用いられ
る既知の機上気象レーダは、降雨量に関係した水分を検
出するように設計されている。通常、含水量が多い場合
は、乱流気象条件に関連した降雨率が高いということを
表している。

より新しい機上レーダ・システムの場合、乱気流を検
出するためのドップラ信号処理を実施する付加能力を備
えている。これらのレーダシステムは、戻り信号のスペ
クトル幅としきい値の比較を行う。しきい値を超える
と、走査領域に乱気流条件が含まれるものと想定され
る。

1987年12月８日に発行された米国特許第4,712,108号
には、特殊気象条件、とりわけ、マイクロバーストを検
出するための方法及び装置が開示されている。検出器
は、航空機がとりわけマイクロバーストの影響を受けや
すい領域からのレーダ戻り信号に処理を施すように配置
されている。検出器には、ドップラ・レーダ及びインテ
リジェント・プロセッサが含まれている。ドップラ・レ
ーダの戻り信号はアレイに記憶されるが、各セルの内容
は伝搬経路に平行な風速を識別する。パターン突き合わ
せ処理によって、マイクロバースト、マイクロバースト
に関連した最大風速、及び、中心の位置が識別される。
時間の関数としてマイクロバーストの中心をトラッキン
グして、マイクロバーストの速度及び方向を測定するこ
とによって、その後のマイクロバーストの位置を予測す
ることが可能になる。観測されたマイクロバーストの寿
命に基づいて、マイクロバーストの期待持続時間を予測
することも可能である。本発明の装置は、独立形または
専用装置として構成することも可能であるが、既存のAS
DE−３に対する付加装置として構成することも可能であ
る。

発明の要旨 本発明によれば、航空機の前のエア・スペースに順次
ビームを送り出し、反射する信号を受けて、風のシア状
態について反射信号の分析を行う風のシア検出用機上気
象レーダが提供される。風のシア検出用気象レーダ・シ
ステムのコンポーネントは、乱気流検出能力を備えた一
般的な機上気象レーダ・システムと同様である。しか
し、本発明のハードウェアには、ドップラ信号プロセッ
サ及び風のシアしきい値プロセッサだけでなく、これら
標準的なコンポーネントに修正を施したものも含まれ
る。

図面の簡単な説明 図１は、典型的なマイクロバースト現象の風特性を表
している。

図２は、本発明による風のシア検出用気象レーダのブ
ロック図である。

図３及び４は、本発明に従って得られる周波数領域デ
ータを表している。

発明を実施するための最良の形態 図１には、マイクロバースト10に関連した風のシア状
態の風特性が示されており、この場合、マイクロバース
ト10の中心12近くに下降気流があり、風は、マイクロバ
ースト10の前縁14及び後縁16近くで水平に広がってい
る。結果として、経路20に沿ってマイクロバースト10を
横断する航空機18は、まず、前縁14がマイクロバースト
10に接触すると、向かい風が増大する。航空機18は、マ
イクロバースト10の中心12に近づくと、強い下降気流を
受け、向かい風から追い風へのシフトにさらされる。航
空機18が、マイクロバースト10の後縁に近づくにつれ
て、追い風が強まることになる。強い下降気流による向
かい風から追い風へのこの変化が、風のシアの特徴であ
る。これによって、飛行のクリティカルな局面において
高度にかなりの損失を生じることになる。

図２には、本発明の望ましい実施例による、既存の気
象レーダの風のシア検出能力を組み込んだ気象レーダの
ブロック図が示されている。風のシア検出は、気象レー
ダの動作モードとして組み込まれ、飛行の着陸及び離陸
の段階において動作状態にできる。レーダは、飛行の巡
航、上昇、及び、進入の段階においては、これまでに利
用可能な通常モードで動作可能である。

本発明の風のシア検出用気象レーダには、アンテナ2
2、アンテナ駆動装置24、アンテナ・コントローラ26、
送信機／受信機28、反射率及び乱気流検出器30、ディス
プレイ／警報器32、ドップラ信号プロセッサ34、及び、
風のシアしきい値プロセッサ36が含まれている。アンテ
ナ22、アンテナ駆動装置24、アンテナ・コントローラ2
6、送信機／受信機28、反射率及び乱気流検出器30、デ
ィスプレイ／警報器32は、既存の気象レーダにおける場
合とほぼ同様に機能し、風のシア検出モードに関してわ
ずかな修正が施されている。この修正は、次の通りであ
る。

一般的な気象検出モードで動作する場合、アンテナ・
コントローラ26及びアンテナ駆動装置24によって、アン
テナ22は、通常、航空機の縦方向の中心線から＋／−60
度〜90度の範囲にわたって、方位軸における走査を行
う。しかし、風のシア検出モードの場合、方位走査角を
＋／−10度〜20度に狭めて、更新速度を高めるのが望ま
しい。また、一般的な気象検出モードで動作する場合、
アンテナ・コントローラ26及びアンテナ駆動装置24は、
通常、アンテナ22の仰角軸を制御して、アンテナ・ビー
ムが、水平に対して一定の角度に維持されるようにす
る。一定の角度は、コクピットに配置された傾斜角制御
装置を利用して、オペレータによって選択される。これ
は、航空機の姿勢（ピッチ及びロール）データを利用し
て行われる。しかし、風のシア検出モードの場合、アン
テナ・コントローラ26及びアンテナ駆動装置24は、コク
ピットにおける傾斜角制御装置とは関係なく、アンテナ
・ビームを風のシア検出に最適の角度に維持する。望ま
しい実施例の場合、風のシア検出処理の最大距離で、ア
ンテナ・ビームがほぼ地表を向くように最適角度の計算
が行われる。この最適角は、地表面からの高度データの
関数である。9.3Kmが、風のシア検出処理にとって一般
的な最大距離である。

図２の風のシア検出用気象レーダが、風のシア検出モ
ードにある場合、送信機／受信機28は、一般的なマイク
ロバーストの直径の約1/10未満の分解能が得られるよう
に、伝送される信号のパルス幅を選択するのが望まし
い。一般的なマイクロバーストの直径は、0.74Kmほどに
しかならない可能性がある。伝送される信号のパルス繰
り返し数（PRF）は、250ノットの最小値までの速度につ
いて明白なドップラ風波数分解能力が得られるように選
択することも望ましい。さらに、送信機／受信機28の周
波数は、５ノット未満の速度に対応するドップラ周波数
分解能力が得られるように、十分にコヒーレントである
ことが望ましい。コヒーレントの意味は、送信機及び受
信機の周波数が、互いに一定の周波数だけオフセットし
ているということである。このオフセット周波数の変動
は、最小限に保たなければならない。一般的な気象レー
ダの動作周波数9345MHzにおいて、１ノットの速度は、
約16Hzのドップラ・シフトに相当する。システム・エラ
ーを５ノット未満の値に維持するためには、周波数のコ
ヒーレンシィ（オフセット周波数の変動）は、80Hz未満
でなければならない。

また、送信機のパワー及び受信機の性能は、ほぼ乾燥
したマイクロバーストについて風のシアを検出するた
め、反射率が0dBZほどしかないターゲットに対する検出
能力が得られるように選択するのが望ましい。dBZは、
多くの雨滴に関する気象ターゲット妥協案である反射率
に対する周知の定義である。0dBZは、約0.04mm/時間の
降雨率に相当する。

反射率及び乱気流検出機30が送信機／受信機28からの
情報処理を行うのは、一般的な気象検出モード時に限ら
れるので、これらに対する修正は不必要である。この検
出機は、風のシア検出モード時には用いられない。

ディスプレイ／警報器32は、一般的な気象検出モード
時には、反射率及び乱気流検出器30から情報を受信し、
風のシア検出モード時には、風のシアしきい値プロセッ
サ36から情報を受信できるように修正しなければならな
い。

乱気流検出を行う一般的な機上気象レーダの標準的な
コンポーネントに対する上述の修正以外に、本発明は、
ドップラ信号プロセッサ34及び風のシアしきい値プロセ
ッサ36を備えている。これらのプロセッサの動作は次の
通りである。

各パルスの送信後に反射するデータは、コヒーレント
検出法を利用して、直角位相信号Ｉ及びＱチャネルを発
生する受信機（送信機／受信機28）が受信し、検出す
る。Ｉ及びＱチャネルを利用するコヒーレント検出法は
レーダ設計者にとって周知のところである。ドップラ信
号プロセッサ34は、風のシア検出処理の距離分解能に対
応するこれらのデータ時間間隔をサンプリングし、記憶
する。距離分解能はレーダ設計者にとって周知の用語で
ある。12.36マイクロ秒は、１海里に相当する。例え
ば、最大距離が５海里で、距離分解能が0.04海里の場
合、そのシステムは、約2MHzのサンプリング周波数にお
いて、128のデータ・セットを必要とする。これらのサ
ンプルは一般に距離ビンと呼ばれる。

ドップラ信号プロセッサ34は、時間領域データを周波
数領域データに変換する。この変換には、当該技術にお
いて周知の高速フーリエ変換（FFT）法を用いることが
可能である。時間領域データは、多数回にわたる伝送に
おいて所定の距離ビンについて記憶されたデータに相当
する。上述のパラメータを利用すると、ドップラ信号プ
ロセッサ34によって発生した128の距離ビンに相当する1
28の周波数領域データ・セットが生じることになる。２
つの距離ビンに関する典型的な周波数領域データが、図
３及び４に示されている。これら２つの距離ビンは、図
１に表示の距離ビンA42及び距離ビンB44にそれぞれ対応
する。何れの場合にも、地表戻り信号（図３の46及び図
４の48）は、航空機の対地速度に対応する周波数で生じ
る。しかし、図３の距離ビンＡの場合、マイクロバース
トの戻り信号47は、向かい風のため地表戻り信号周波数
46より高い周波数で生じる。図４の距離ビンＢの場合、
マイクロバーストの戻り信号49は、追い風のため地表戻
り信号周波数48より低い周波数で生じる。図２に戻る
と、ドップラ信号プロセッサ34は、地表戻り信号にフィ
ルタリングを施してこれを除き、地表戻り信号周波数以
外の他の戻り信号の平均ドップラ周波数を計算する。そ
の結果得られるデータは、各距離ビン毎の向かい風また
は追い風の推測による速度に関するものである。このデ
ータが、風シアのしきい値プロセッサ36に与えられる。

風のシアしきい値プロセッサ36は、各方位角における
全ての距離ビンに関する風速を分析する。この処理で
は、当該技術において既知のスライディング・ウインド
ウ計算が利用される。望ましい実施例の場合、ウインド
ウの幅は、一般的なマイクロバーストの直径と一致する
のが望ましい。1.85Km、すなわち、上述のパラメータを
用いると、25距離ビンを、典型的なウインドウ幅とみな
すことができる。風のシアしきい値プロセッサ36は、ウ
インドウ内における距離ビンに関する最高風速と最低風
速の差値を計算する。これらの差値は、風のシアに関す
るしきい値と比較される。望ましい実施例の場合、緩い
風、適度な風、及び、激しい風のシアの確率を示す一般
的なしきい値に、18.5、37.0、及び、55.6Km/時を用い
ることができる。風のシアしきい値プロセッサ36は、ウ
インドウにおける追い風から向かい風への変化も検出す
る。向かい風から追い風へのシフトが検出されなけれ
ば、激しい風のシアの確率しきい値は使用禁止にするこ
とができる。こうした条件下では、最大の風のシフト
は、適度な風のシアの確率として表示することができ
る。

音声警報（図２のディスプレイ／警報器32）は、激し
い風のシアの確率が検出されると、いつでも発生するこ
とができる。さらに、風のシアの確率データをディスプ
レイ（図２のディスプレイ／警報器32）に送って、運航
乗員に表示することができる。望ましい実施例の場合、
風のシアの確率データは、標準的な平面位置表示器（PP
I）のフォーマットで表示可能である。所定のウインド
ウに関する確率データは、各方位角毎に、ウインドウの
中心に対応する距離に表示される。カラーを用いて、デ
ータの解釈を容易にする手段を提供することも可能であ
る。緑、黄、赤が、データの厳正さを表示するため、気
象レーダ・ディスプレイにおいて用いるのに望ましいカ
ラーである。

本発明は、図示し、開示したハードウェアまたはソフ
トウェア構成、あるいは、操作手順に限定されるもので
はない。本発明には、後続の請求項の範囲内に含まれる
全ての改変及び変更が包含される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−243882（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−194388（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−203988（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−238390（ＪＰ，Ａ) 米国特許4712108（ＵＳ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】航空機の方位軸を走査するアンテナ手段
   （22）と、 前記アンテナ手段（22）に接続されて、前記アンテナ手
   段に走査をさせるアンテナ駆動手段（24）と、 前記アンテナ駆動手段（24）に接続されてこれと協働
   し、前記アンテナ手段を風のシア検出にとって最適な角
   度に維持するアンテナ・コントローラ手段（26）と、 前記アンテナ駆動手段（24）に接続された送信／受信手
   段（28）であって、一般的なマイクロバーストの直径の
   約1/10未満の分解能が得られる送信信号のパルス幅を選
   択してその送信信号を発生し、かつ、反射データを受信
   する送信／受信手段（28）と、 前記送信／受信手段（28）に接続されて、それからの情
   報を処理する反射率及び乱気流検出手段（30）と、 前記反射率及び乱気流検出手段（30）から情報を受信す
   るディスプレイ／警報手段（32）と、 前記送信／受信手段（28）に接続されて、地表戻り信号
   をフィルタリングを施して除き、前記地表戻り信号以外
   の戻り信号の平均ドップラ信号を計算するドップラ信号
   プロセッサ手段（34）と、 前記ドップラプ信号ロセッサ手段（34）に接続されて、
   それからのデータを分析し、前記ディスプレイ／警報手
   段（32）に風のシア検出情報を提供する風のシアのしき
   い値プロセッサ手段（36）とを有し、 前記アンテナ駆動手段（24）は、前記アンテナ手段（2
   2）に前記航空機の縦方向の中心線から±10度〜20度の
   範囲にわたって前記方位軸の走査を行わせしめ、 前記アンテナ駆動手段（24）が、前記アンテナ手段（2
   2）を前記航空機の傾斜角度制御装置とは関係なく、風
   のシア検出に最適な角度に維持されることを特徴とす
   る、風のシア検出用機上気象レーダ。