JP2911551B2 - 周囲流体に対する航行体の相対速度を表わす信号を航行体上で得る装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は周囲流体に対する航行体の相対速度を表わす
信号を航行体上で得る装置に関するものである。

〔従来の技術〕

例えば飛行機やミサイル、及び船等の航行体を操作す
るためには周囲流体に対する相対速度の知識が必要であ
る。以下飛行機を例にとって説明するが、流体の型を除
いて航行体が飛ぼうが、陸上、水上、又は水中を動こう
が以下の説明は有効である。

飛行機においては４個のプローブから得られる信号か
ら上記相対速度を決定することが知られている。

…静圧プローブは、部分器な真空や過大な圧力が発生
しない位置にエアフローの流れに並行に置かれる。

…全圧プローブは、一般に飛行機の前面に、飛行機の
縦軸に垂直に置かれる。

…傾斜計のプローブ、例えば風向計は各々迎角と飛行
機の横すべり角を与える。この迎角は、風に対する相対
速度ベクトルが飛行機の翼弦線すなわち飛行機の対称面
に並行な垂直断面内における翼の前縁と後縁とを結ぶ直
線となす角度である。この迎角の情報は極めて重要なも
のであり、失速の危険を防止することを可能にする。横
すべり角は風に対する相対速度ベクトルが飛行機の縦軸
となす角である。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの４個のプローブは飛行機の外壁上に多くの凸
起物となるため、種々の問題を引起す。悪天候において
は機械的な強度の問題が生じるとともに、操縦性とりわ
けあられの降る天候における操縦性に問題が生じる。
又、上記プローブは飛行機をレーダによって発見しやす
くし、このことは軍用飛行機においては問題となる。又
圧力プローブによって測定される測定値は迎角の関数と
して修正する必要がある。更に上記プローブは乱流を生
じさせる。

本発明は上記障害を除去するか又は少なくとも上記障
害を軽減することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

この目的はクローズドスペースにおいてはエアフロー
を測定したり、フリースペースにおいては特殊な条件の
測定に用いられるフリンジレーザ風速計を用いて測定す
る装置によって達成することができる。

本発明による周囲流体に対する航行体の相対速度を航
行体上で得る装置は、 各々が測定軸を有する測定ゾーンを生じるｎ個のフリ
ンジレーザ風速計を有し、各風速計はレーザダイオード
からなる放射源を有する光学系と、前記レーザダイオー
ドの放射周波数に通過帯域の中心がある光学フィルタ
と、光検出器と、測定ゾーンとを有しており、前記フィ
ルタは測定ゾーンと光検出器の間に設けられ、前記ｎ個
の風速計の光検出器は前記ｎ個の風速計に対するｎ個の
測定軸のうち少なくとも２つの分離された方向に対する
信号を与えることを特徴とする。

〔実施例〕

第１図は本発明によるレーザダイオード風速計の構成
を示す図である。このレーザダイオード風速計は、パワ
ーレーザダイオード１からなる発光源と、コリメータレ
ンズ２と、ハーフミラーを有する光ビーム分離器３と、
エミッションレンズ４と、レシービングレンズ５と、干
渉フィルタ６と、絞り７と、光検出器８とを備えてい
る。この風速計はセントルイス（仏国）の仏−独研究所
によって開発されたものであるが、要素６及び７を付加
することによって修正されている。

第１図に示す風速計の作用は以下の通りである。

レーザダイオード１は単色放射線を放射する。この放
射からコリメータレンズ２はビーム分離器３の入力に向
うビームを形成する。ビーム分離器は入力されたビーム
を２つのビームA,Bに分離し、エミッションレンズ４に
送る。このエミッションレンズは上記２つのビームA,B
を測定ゾーンと呼ばれる領域Ｍに向って収束させ、この
測定ゾーンで干渉縞を生じさせる。ゾーンＭのほぼ中心
とダイオードを通る垂直平面内におけるこのゾーンの上
記干渉縞を拡大したものを第３図に示す。このゾーンは
ビームＡとＢに与えられる横方向寸法の関数、及びビー
ムＡとＢの交差角Ｑの関数として変化し、数百ミクロン
の長さと、数十ミクロンの厚さと幅を有している。ゾー
ンＭにおいて発生する明暗の縞は２つのビームを２分す
る平面に平行である。２つの連続した縞の中心間距離Ｓ
はダイオード１の放射線の波長を２・sinQ/2で割った値
に等しい。エアフローによってゾーンＭに選ばれるダス
ト粒子は光を散乱させ、干渉縞のためにその光の強さが
周波数ｆで周期的に変化する。この周波数ｆはダスト粒
子の速度Ｖに比例し、又より詳細に言えば、干渉縞の面
に垂直なXX方向の速度Ｖの成分Ｕの線形関数である。こ
のXX方向は風速計の測定軸と呼ばれる軸を構成する。速
度成分Ｕ、周波数ｆ、及び干渉縞の中心間距離Ｓの関係
は次のように表される。

Ｕ＝ｆ・Ｓ（但し符号は除く） ゾーンＭを通過した粒子によって散乱された光の一部
は引続きエミッションレンズ４及びレシービングレンズ
５を貫通し、干渉フィルタ６及び絞り７を介して光検出
器８に向って収束する。強さが変調されたこの光は光検
出器８によって電気信号に変換される。そしてこの電気
信号の変調周波数を測定することにより、速度ベクトル
の成分Ｕの値を決定することが可能となる。

干渉フィルタ６はダイオード１の放出線の周波数を中
心周波数とする狭帯域の光学フィルタである。この干渉
フィルタ６の役割は、光検出器８に供給される光からダ
イオード１によって発生される光以外の全ての光、特に
日光を除去することにある。もしこの干渉フィルタ６が
ないと、光検出器８は容易に飽和し、測定が不能とな
る。

第４図乃至第７図に記載された本発明によるレーザダ
イオード風速計装置は放射線の波長が0.82ミクロンのレ
ーザダイオードを使用しているが、開発中の波長が1.4
ミクロンと1.9ミクロンのレーザダイオードを使用する
ことが可能である。このようなダイオードを使用する利
点は放射線が太陽スペクトラムのホールに位置している
ことであり、このためフィルタ６の帯域が上記ホール全
体に位置し、フィルタ６と光検出器８を結合して日光の
影響を受けなくすることが可能となる。又、ダイオード
１の放射線の周波数がより安定となるようにフィルタ６
の帯域を更に狭く選定することが可能である。かように
してダイオード１の温度特性における安定化は±１ナノ
メータの非常に狭い帯域のフィルタ、すなわち迷光に対
して非常に効果的なフィルタの使用を可能とする。

絞り７は光検出器８によって受ける光から、測定ゾー
ンから生じない放射光を除去する役割を有している。と
いうのはそれらの風速計の光軸ZZに対してオフセットさ
れているからである。

第２図は、測定ゾーンＭを超えた光軸ZZの点から第１
図に示す風速計を見た図である。この図において、測定
軸XX、測定ゾーンＭ、エミッションレンズ４とリシービ
ングレンズ５の円周、及び光ビームＡとＢのみが示され
ている。そして、リシービングレンズ５の両側を通って
エミッションレンズ４に到達した光ビームA,Bはエミッ
ションレンズ４によって測定ゾーンＭに向って収束させ
られている。

第３図から分かるように、第１図及び第２図に示す風
速計は相対速度ベクトルの軸XX方向の成分を決定するこ
とを可能にする。飛行機を操縦する場合、飛行機の縦軸
を通る垂直面内の相対速度ベクトルの成分が必要であ
る。飛行機に関して、相対速度ベクトルは飛行機の製作
者によって先見的に与えられるコーン内に位置してい
る。したがって、飛行機の垂直縦平面内に測定軸が正し
く置かれた２台の風速計を用いれば、これらの２つの軸
上への速度ベクトルの投影によって上記平面内の速度ベ
クトルの成分を決定することが可能となる。この配置は
速度ベクトルが２つの軸に対して同一の角度を成すよう
に置かれるべきであり、これにより測定軸への投影によ
って符号を除いてその大きさを知ることができ速度ベク
トルの決定に関して何等あいまいなことは生じない。相
対速度ベクトルの最大変位は飛行状態において一般に90
度を越えないため、２つの測定軸を飛行機の縦軸の両側
に45度傾いて置くことができる。

速度ベクトルの測定は風速計によって与えられる値を
平均にすることによって得られるので、同一の粒子に関
して上記２つの投影を決定することはない。それ故、同
一のエアフロー内に２つの風速計を置いている間に２つ
の風速計の測定ゾーンを分離することが可能である。こ
のような例を第４図に示す。第４図は第１図及び第２図
に示した風速計と同一の２台の風速計を第２図と同様に
して見た図であり、これらの２台の風速計の各要素の符
号は第２図に示す対応する要素の符号に各々１及び２を
付加したものである。第４図に示す２台の風速計は第１
図に示す軸ZZに対応する軸に関して−45度及び＋45度な
すように配置されている。前にも述べたように相対速度
ベクトルの最大変位を考慮すると、傾き角として上述の
角と異なった角を選択しても良いことが理解される。

相対速度を決定する他の方法は、第１図及び第２図に
示す１台の風速計を用いて、軸ZZのまわりにビーム分離
器３を回転させるか振動させることによっても可能であ
る。相対速度のために得られる最大値は、測定軸XXに平
行な軌跡を有する粒子に対応し、最小値は軸XXにほとん
ど垂直な軌跡を有する粒子に対応する。この場合の具体
例を第５図に示す。

第５図に示す装置は第１図及び第２図に示す装置に、
モータ31によって駆動される回転板30と、この回転板に
結合される角度センサ32とを付加したものである。この
角度センサ32は光検出器８によって与えられる信号を処
理することを可能にする相基準信号を与えるものであ
る。上記回転板はビーム分離器３を支持し、軸ZZのまわ
りに回転するようにビーム分離器を駆動する。モータが
分離器を振動させるように駆動する場合、振動は時計の
振子のように漸進運動させても良いし、２端点で予め決
められた時間の停止を生じさせても良い。後者の場合、
測定は上記停止期間中のみに行われる。完全な回転や時
計の振子のような漸進振動の場合、測定は運動中に行わ
れる。

飛行機の空気に対する相対速度を表す信号を飛行機内
で得る他の装置を第６図及び第７図に示す。この装置は
第１図及び第２図に示す風速計とは異なり、４個の出力
ビームA,B,A′,B′を有するビーム分離器３′と、２個
の測定ゾーンM,M′と、２個の絞り7,7′と、２個の光検
出器8,8′とを有している複式風速計である。第７図に
おいては、４個のビームが分離器３の出力平面内に示さ
れており、一対のビームＡ′,B′はもう一対のビームAB
に対して90度だけオフセットされている。そして一対の
ビームＡ′,B′の中心はもう一対のビームABの中心に対
して下方に片寄っており、このことがビームABとＡ′
Ｂ′に各々対応する測定ゾーンＭとＭ′を区別するとと
もに、これらの測定ゾーンから生ずる光を干渉させるこ
となく隣接する２つの光検出器上に集める。ビームＡ′
Ｂ′の位置とビームABとの位置とが90度だけ異なってい
ることを考慮すると、第６図には示されていないが第１
図の軸XXに対応する測定軸はゾーンＭに関しては第１図
に示すように垂直であり、又ゾーンＭ′に関しては図の
平面に対して垂直である。第６図及び第７図に示す装置
は２つの測定軸が90度を成している。相対速度ベクトル
の最大変位が90度よりも小さい場合は、他の装置が更に
そうであるように飛行機の縦軸が上記測定軸間の角度の
２等分線に平行である条件の下で、測定軸間の角度は上
記最大変位値まで減少させることができる。第６図で分
離されている光検出器8,8′は同一のサポートによって
支えられている。

本発明は上記具体例に限定されるものではなく、速度
ベクトルの座標が平面内になく、空間内にある場合にも
適用することができる。この場合は測定軸が静止してい
る少なくとも３台の風速計と、測定軸が回転又は振動す
る少なくとも２台の風速計とが必要である。３個の静止
している測定軸の場合の装置は例えば、お互に類似して
いる測定ゾーンを有している第１図乃至第２図に示され
ている風速計に結合される第４図又は第６図乃至第７図
に示す装置から成っており、これらの２つのユニットは
例えば90度の角度を成している。又、例えば第１図乃至
第２図に示す風速計と第５図に示す装置とを90度の角度
を成すように結合し、お互いに類似した測定ゾーンを有
するようにしても良い。

更に、本発明による装置の構成要素は上述の装置の構
成要素と異なるようにできる。したがってビーム分離器
又は分離器は、上記具体例においてはミラーから作られ
ているが光学ファイバを用いることもできる。

又、絞りや、エミッションレンズとリシービングレン
ズとの間に設けられる光フィルタを使用しないことも可
能である。

光検出器の出力信号を処理する電気回路を結合するこ
とにより本発明の装置は航行体上で航行体の相対速度を
測定する装置となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置に用いられる風速計を示す
図、第２図は第１図に示す装置の側面図、第３図は第１
図及び第２図に示す風速計の測定ゾーンを示す図、第４
図乃至第６図は各々本発明による装置の他の実施例を示
す図、第７図は第６図に示す他の実施例における光路の
位置を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01P 5/00 G01C 21/10 G01S 9/62 G01P 3/36

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】輻射エネルギビームを放射する輻射エネル
   ギ放射源、少なくとも干渉縞と測定軸を有する測定ゾー
   ン内に輻射エネルギビームを形成する測定ゾーン形成手
   段、前記測定ゾーンから反射された光を受信し、この光
   に応じた電気信号を発生する光検出器、およびこの光検
   出器と前記測定ゾーンの間に延びている光路上に設けら
   れて、前記輻射エネルギ放射源からの輻射エネルギビー
   ムの放射周波数に通過帯域を有する光学フィルタを備え
   た、航行体上に設けられた少なくとも１つのフリンジレ
   ーザ風速計と、 前記光検出器が少なくとも２つの異なる方向に向かって
   前記測定ゾーンから反射された光を表わす電気信号を発
   生するように前記少なくとも１つのフリンジレーザ風速
   計の測定ゾーンの測定軸を、前記少なくとも２つの異な
   る方向に方向付ける方向付け手段と、 を備え、 前記測定ゾーン形成手段は、前記輻射エネルギビームを
   前記測定ゾーンに向かう少なくとも２つのビームに分離
   するビーム分離器を有し、前記方向付け手段は、前記ビ
   ーム分離器と前記測定軸との間に延びている軸のまわり
   に前記ビーム分離器を回転させる回転支持部を有してい
   ることを特徴とする、周囲流体に対する航行体の相対速
   度を表わす信号を得るための装置。
2. 【請求項２】前記回転支持部は前記ビーム分離器を連続
   的に回転運動するように駆動することを特徴とする請求
   項１記載の装置。
3. 【請求項３】前記回転支持部は前記ビーム分離器を振動
   運動させるように駆動することを特徴とする請求項１記
   載の装置。
4. 【請求項４】前記振動運動は振り子型であることを特徴
   とする請求項３記載の装置。
5. 【請求項５】前記振動運動は２端点間を急いで通過し、
   前記２端点で所定時間停止することを特徴とする請求項
   ３記載の装置。
6. 【請求項６】前記少なくとも１つのフリンジレーザ風速
   計は、輻射エネルギ源としての共通のレーザダイオード
   と、測定ゾーン形成手段としての４つのビームを出力す
   るビーム分離器と、２個の異なる光検出器とを有する２
   連の風速計を有していることを特徴とする請求項１記載
   の装置。
7. 【請求項７】ｎを正の整数としたとき、航行体上に設け
   られたｎ個のフリンジレーザ風速計を有し、各風速計
   は、 輻射エネルギビームを放射する輻射エネルギ放射源と、 ビーム分離器を有し、干渉縞と測定軸を有する測定ゾー
   ン内に輻射エネルギビームを形成する測定ゾーン形成手
   段と、 前記測定ゾーンから反射された光を受信し、この光に応
   じた電気信号を発生する光検出器と、 この光検出器と前記測定ゾーンの間に延びている光路上
   に設けられて前記輻射エネルギ源からの輻射エネルギビ
   ームの放射周波数に通過帯域を有する光学フィルタと、 前記測定ゾーンと前記ビーム分離器との間に延びている
   軸のまわりに前記ビーム分離器を回転させる回転支持部
   を有する方向付け手段と、 を備え、 前記ｎ個の風速計の測定ゾーンの測定軸は少なくとも２
   つの方向に延びていることを特徴とする、周囲流体に対
   する航行体の相対速度を表わす信号を得るための装置。
8. 【請求項８】前記回転支持部は前記ビーム分離器を連続
   的に回転することを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 【請求項９】前記回転支持部は前記ビーム分離器が振動
   運動するように駆動することを特徴とする請求項７記載
   の装置。
10. 【請求項１０】前記振動運動は振り子型であることを特
    徴とする請求項９記載の装置。
11. 【請求項１１】前記振動運動は２端点間を急いで通過
    し、前記２端点で所定時間停止することを特徴とする請
    求項９記載の装置。
12. 【請求項１２】ｎは少なくとも２であり、前記ｎ個の風
    速計の２個は２連の風速計を構成し、この２連の風速計
    は、輻射エネルギ源として共通のレーザダイオードと、
    測定ゾーン形成手段としての４つのビームを出力するビ
    ーム分離器と、２個の異なる光検出器とを有することを
    特徴とする請求項７記載の装置。