JP3545823B2 - 視程および現気象を測定するための装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、視程および現気象を測定するための装置に関する。
また、本発明は、視程および現気象を測定するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉛直視程およびシーリングとも呼ばれる雲底高度は、ライダータイプの光学測深機として作動する装置を用いて測定されるが、それは、トランスミッタ部とレシーバ部の光路のための別個の光学装置をともなう。その装置のトランスミッタ部は、短い持続時間のレーザーパルスを発射し、レシーバ部は、大気の霧および雨に関する反射し後方散乱した光学信号を検出して増幅し、そして、情報処理部は、レシーバのアナログ出力信号を測定された光線通路の全長に沿って短い持続時間のレーザパルスにより発動される反射を記録するために適したフォームへデジタル化する。その測定範囲は、反射後方散乱プロフィールとしてのコンピュータのメモリへ、例えば０．２−４ｋｍとして画定される。コンピュータから、底高度（Ｂａｓｅ ｈｅｉｇｈｔ）を有する雲が従来の計算アルゴリズムの手段により識別され、鉛直視程がたとえば、霧および雪の状態のために算出される。アルゴリズムおよび計算は、受けた信号の絶対的な強さよりも反射プロフィールの形状におもに基づく。このような従来の装置では、測定範囲は、単に、トランスミッタおよびレシーバビームが十分に重なり、これにより前記最小距離が上述した測定範囲に従って例えば０．２ｋｍとなるある距離から開始する。
【０００３】
本発明により改善された構造を有する雲高計は、トランスミッタおよびレシーバビームが重ね合わされた光学システムを組み込んでいる。単なるビームの重なりが、図３の説明とともに後に論じられる短い範囲の飽和効果をもたらす。光学式フィードバック配列を用いて、測定範囲は、その装置の光学装置の前から直ちに開始するように拡大される。光学式フィードバックを有するそのような装置は、一般的に、例えば０−４ｋｍの測定範囲を提供する。しかしながら、そのような装置は、異なるタイプの雨を識別することができない。
【０００４】
水平視程は、光の散乱から測定される。従来の実施例（いわゆる、後方散乱測定システム（Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ））では、上述の雲高計と似ているがそれとは異なる装置により発射された射線に対して基本的に後方へ光の散乱および反射が測定される。レシーバのみが総後方散乱／反射を検出し、上述したのと同様に実行される方法で異なる距離におけるレシーバに対して反射される成分を互いに見分けることができない。この視程メータータイプの既知の問題は、装置が霧において正確な視程読み取りのためキャリブレートされた場合、雨では不正に長い視程読み取りを示し、雪では不正に短い視程読み取りを示す。
【０００５】
光学散乱に基づく他の視程メーター実施例（いわゆる、前方散乱メーター（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｓｃａｔｔｅｒ Ｍｅｔｅｒ））では、レシーバビームは、トランスミッタ射線の伝播方向に関して２０−４５°においてトランスミッタビームと交わるように適合される。このような配置における既知の問題は、メーターが霧において正確な視程読み取りのためキャリブレートされた場合、雨では不正に短い視程読み取りを示し、雪の時は不正に長い視程読み取りを示す。この実施例が後方散乱強度のみを測定することに基づいていたとしても、伝達された光の後方散乱から起因する受信した光学信号の時間関係プロフィールにおいて何らの情報も得れない。そのような測定システムの一般的光学伝送電力レベルは、およそ５ミリワットの連続出力電力である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
気象データの測定およびその自動化における主要な解決されていない問題のひとつは、局部的気象（気象用語では、現気象（Ｐｒｅｓｅｎｔ Ｗｅａｔｈｅｒ））の自動測定である。この気象の構成要素は、主要なサブグループのひとつとして、雨の型および強度（弱／中／強のスケールにおける）の識別を組み合わせた雨の検出を含む。
【０００７】
雨型の自動識別に関する別のサブタスクは、光、風による雪（気象用語では、高い地吹雪）を降雪、すなわち、降る雪と識別することある。この相違点は、水資源バランスおよび水源洪水の予知のために特に重要である。この問題は、未だ実行可能な解決策を待っている。
【０００８】
特に、飛行への妨害は、風のない気象の間、地面の霜に関連した地霧の発生であり、これにより、局部的測定装置は、時々、極めて悲観的な視程読み取りを報告する。
本発明の目的は、上述した技術の欠点を解決し、視程および現気象の測定のための全く新規的な装置および方法を成し得ることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、雲高計のパルス化したレーザビームが散乱測定装置の光源として使用されるような方法で、上述したタイプの改善した雲高計と前方散乱測定装置との組み合わせにより達成される。雨型における付随的情報は、レシーバにより検出されたレーザ光散乱信号の後方散乱対時間プロフィールから得られる。
【００１０】
更に詳しくは、本発明による装置は、視程および現気象を測定するための装置において、
測定される対象物（９）に向かって光線をあてるため適した光源（１）と、
散乱した光の測定のため適した検出器（３）であって、測定される前記対象物（９）から前方に散乱された光を測定するように適応された検出器と、
前方に散乱された光を表わす信号を迷光を表わす信号と識別するように適応された算出手段（１２−１５）と
を有する装置であって、
光源（１）は、パルス光源であり、
前記装置は、後方に反射され／散乱された光パルスを直接受けるための受取手段（１９）を含み、
算出手段（１１）は、受信したパルス型光学信号内の異なる後方反射成分の伝播遅延を算出するために設けられることにより特徴付けされている。
更にまた、本発明による方法は、現気象を測定するための方法において、
測定される対象物（９）に光を当てる工程と、
測定される対象物（９）から光の前方散乱を測定する工程と、
散乱した光を迷光と識別する工程と
を含む方法であって、
パルス光は、測定される対象物（９）に当てられ、
後方に反射／散乱された光パルスは、受けられ、
パルス光の後方に反射／散乱された成分の後方伝播遅延は算出されることにより特徴付けされている。
本発明は、大きな利益をもたらす。
本発明による実施例は、従来の技術の部分的実施例の組み合わせにより形成されるものよりも、改善されたコスト効率、軽量、および小型の構成を成し遂げる。そのような一体化した装置は、視程測定に加えて、雨、その型およびその強度を確実に検出することが可能である。高い地吹雪もまた、その装置の助けを借りて降る雪と識別される。
【００１１】
【実施例】
図１を参照すると、装置は、光パルストランスミッタ１と光学レシーバ３とからなる。トランスミッタ１のトランスミットビーム２とレシーバ３のレシーブビーム４との交点は、サンプル量９を形成する。
【００１２】
光パルストランスミッタ１は、一般的に、光源５からなる。光源５は、たとえば、光学装置６と組合わされたレーザダイオードであってもよい。トランスミッタ１の光学出力は、一般的に、ピーク時おおよそ２０ワットであり、光は、たとえば１００ナノ秒の持続時間の短いパルスとして放射される。パルス繰返数は、一般的に０．３−１０キロヘルツの範囲内である。光パルストランスミッタ５は、トランスミッタ部５と同じ光学装置６を用いる光学レシーバ１９と組み合わされる。トランスミッタヘッドは、さらに、伝達されたパルス１６と戻りパルス１７との時間差を基本として反射フロント（たとえば、霧もしくは雲）の距離を算出するメインタスクを有するデータ処理ユニット１１を含む。
【００１３】
対応して、前方散乱レシーバ３は、レシーバ光学装置７と、サンプル体９に含まれる質点（Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）１０により散乱された、および／また、質点１０から反射された光の測定のための検出部８とを有する。ブロック１５において、迷光により引き起こされたエラー成分要素は、検出された信号から分離され、ブロック１４において、信号がデジタル化され、メモリに記憶される。ブロック３において、計算機能が実行され、計算から得られた視程信号がブロック１２の助けを借りて表示される。
【００１４】
図に示されたようにビームスプリッター２０に基づいたそのようなシステムにおける光学信号のフィードバック配列は、フィードバック信号検出器２１に光学的に連結した光学ファイバー２３の助けを借りて実行される。ファイバー２３の他端は、レシーバ１９に対してビームスプリッター２０の反対側に配される。ファイバー２３の長さは、ファイバーにより引き起こされる遅延が最も強いエラー信号の構成要素の戻り遅延に等しくなるように都合よく選択される。最も強いエラー信号の構成要素が、たとえばビームスプリッター２０から得れらた場合、ファイバー２３により引き起こされた遅延は、レシーバ１９とビームスプリッター２０との光学信号伝播遅延時間に等しく調整されなければならない。逆に、最も強いエラー信号の構成要素が、フォーカシングレンズ６（または、同様のレンズグループ）に関連する場合、ファイバー２３の助けを借りて実行された遅延は、レンズ６とビームスプリッター２０との遅延を２倍したものに等しく設定されなければならない。ファイバー２３によって、光検出要素は、物質的に互いにできる限り近づいて配置することができ、これにより、これらの要素は、最大に等しい環境条件に保たれる。ファイバー２３の端部は、移動可能であり、これにより、検出器バイアス電圧の調整による以外に、ファイバー２３の自由端部の適切な位置により、エラー信号補正が可能になる。実際には、補正の雑な調整は、ファイバーの端部を機械的に回転させることにより起り、一方、精密な調整は、電子的に行われる。
【００１５】
図２を参照すると、Ｙカップラの使用に基づいたシステムにおけるフィードバック信号は、光学パワー（電力）スプリッター２４の助けを借りて配列される。パワー分割比（ｐｏｗｅｒ ｓｐｌｉｔ ｒａｔｉｏ）は、たとえば２：２として選択される。フィードバック効果を最適化するために、光学パワースプリッター２４とフィードバック信号検出器２１との間に配された光学フィードバックファイバー２５による信号遅延は、レシーバ１９と光学パワースプリッター２４との間に配された光学ファイバー２６による信号遅延と根本的に等しく適合される。
【００１６】
図３を参照すると、フィードバック補正されていないレシーバ（ｎｏｎ−ｆｅｅｄｂａｃｋ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｒｅｃｅｉｖｅｒ）に対する光学入力信号の波形は、上部のグラフに示されている。グラフから明らかなように、曲線の開始点における光漏れ（ｏｐｔｉｃａｌ ｌｅａｋ）は、通常の入力信号レベルの約１，０００−１，０００，０００倍のピーク強度３５を有する過渡パルス（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｐｕｌｓｅ）３４を生じる。レシーバの電気出力信号を示す下方のグラフでは、過渡パルス３４は、時間３３の間、飽和するまでレシーバの増幅器を駆動する。時間３１の間、増幅器は、この飽和から回復する。そして、過負荷過渡スイング（ｏｖｅｒｌｏａｄ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｗｉｎｇ）３２により、この時間の間、霧からの後方散乱として受けたどの光学信号３６も増幅器出力において検出されていないままである。たとえば雲または固定された対象物からの測定信号は、瞬間３７において最も早く得ることができる。この信号は、また、過負荷過渡スイング３２により損なわれるかもしれない。
【００１７】
図４を参照すると、増幅器の過負荷状態は、半ブリッジ形状の従来の光検出要素４１とフィードバック信号検出要素４２とを結合することにより除外できる。図に図示された実施例では、両方の光検出要素４１および４２は、逆バイアスアバランシェフォトダイオード（ｒｅｖｅｒｓｅ−ｂｉａｓｅｄ ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ）である。強いレーザパルスからの漏れが両方のフォトダイオード４１および４２に同時にかかる場合、そのような光学漏れにより発生したエラー信号は、ほとんど完全に補正されるであろう。半ブリッジのバイアス電圧は、光学漏れパルスにより発した過渡エラー信号が根本的に完全に補正フィードバックフォトダイオードの助けを借りて取り消される方法で精密に調整される。この配置により、増幅器４３に対する入力過負荷は、回避される。
【００１８】
バイアス電圧は、Ａ／Ｄ変換器４５の助けを借りてアナログ信号をデジタルにまず変換し、データ処理ユニット４７においてこのデジタル信号を処理することによる一連の方法で制御される。Ａ／Ｄ変換器４５は、一般的に速く、たとえば、５０ナノ秒のサンプリング間隔および８ビットの分解能を有するいわゆるフラッシュ（ＦＬＡＳＨ）変換器である。Ａ／Ｄ変換器４５の出力は、マイクロプロセッサ４７に受け入れられる前に、ＦＩＦＯ（ファーストイン／ファーストアウト）サンプルバッファー４８に受け入れられる。バッファー４８の長さは、たとえば５１２サンプルであってもよい。マイクロプロセッサ４７は、サンプルバッファー４８とＡ／Ｄ変換器４５の両方に受け入れられたコントロールライン５４を経由してサンプリング操作を制御する。
【００１９】
バイアス電力制御は、制御信号をデータ処理ユニット４７からフォトダイオード４１および４２にかけられたバイアス電圧を制御するバイアス電圧調整器４４へ移すことにより実行される。バイアス制御は、データ処理ユニットが測定信号から補正の精度を見積もることができるように一連の方法で実行され、完全な補正を成しえるようにバイアス電圧に異なる増加もしくは減少を適用することができる。実際は、バイアス電圧制御回路は、正の電圧レイルに接続された一定電圧調整器４０と、負の電圧レイルに接続された制御可能な電圧調整器４４との助けを借りて実行される。これにより、制御信号は、マイクロプロセッサ４７から制御ライン５６に沿うＤ／Ａ交換器５８を経由して、後者の調整器へ移される。半ブリッジ４６には、前期電圧調整器４０および４４に接続した温度補正回路４９が好ましく設けられる。実際、フォトダイオード４１および４２により形成された半ブリッジ４６は、エラー信号補正が測定信号から減算される減算回路を形成すると考えられる。
【００２０】
雨のない期間は、図１および図２に図示された装置の雲高計部１は、雲の底の高度を検出し測定する。霧の期間は、その戻り信号プロフィールは、鉛直高度の機能として霧分布を含む。後方散乱レシーバ３は、雲高計１の出口からおおよそ１メートルの高さに位置し、２０−４５°の前方への角度で光散乱を測定する。これにより、上述したサンプル体９内の視程は、従来の手段（ブロック１２−１５）によりレシーバ出力信号から算出される。両測定機能が特に霧状態の正確な視程読み取りのためにキャリブレートされたとすると、またその場合は、装置の両測定機能により得られた視程読み取りは、霧状態では同じになるであろう。
【００２１】
雨の間は、雲高計機能の近い範囲信号（ｎｅａｒ−ｒａｎｇｅ ｓｉｇｎａｌ）は、上述から明らかなように、前方散乱レシーバにより測定された前方散乱信号よりも比較的弱くなる（これは、比較的良い視程を表わしている）。このように、この状況は、雨の表示である。
【００２２】
雪の間は、雲高計機能の近い範囲信号は、上述から明らかなように、前方散乱レシーバにより測定された前方散乱信号よりも比較的強くなる（これは、比較的弱い視程を表わしている）。このように、この状況は、降る雪の表示である。
【００２３】
地吹雪の検出もまた、雲高計機能の戻り信号プロフィールが鉛直高度の機能として雪の分布上の情報も含むので、本発明により可能となる。密度プロフィールは、より高い高さでゼロに近づくように見られるときは、明らかに雪は、風で吹かれている。
【００２４】
局部的地霧もまた、この場合の鉛直視程プロフィールは、低い霧の高さを示す状況からその装置により検出される。
後方散乱レシーバは、個々の雨滴または雪片が信号から検出されるその戻り信号上のそのような高い時間分解能を有する。本発明において、信号が霧から散乱へ検出された場合、２つの異なる測定機能の交差比較、すなわち、前方散乱対後方散乱、を行うこと、および／また、測定機能の一つの自動キャリブレーションを行うことにより品質管理を行うことが可能となる方法でこの特質は冗長性を供給する。
【００２５】
この装置には、大気温度センサを設けることができ、これにより、雨を雪と識別することにおける信頼性が改善される。
さらに、この装置には、比較湿度センサを設けることができ、これにより、低い比較湿度の霧（気象用語では、煙霧）、砂あらし、および低い比較湿度により特徴付けられた現気象の他の特別な状況の検出が可能になる。
さらに、この装置には、風速メーターを補足することができ、これにより、高い地吹雪および局部的地霧の両方の信頼性が非常に高いレベルに改善される。
選択的に、この装置には、簡素な雨量計を備えてもよく、液体降水率の表示を可能にする。このオプションは、測定に対してさらに冗長性および信頼性を提供する。
【００２６】
高い伝送出力パワーは、現気象上の最大情報を得ることができるので、装置全体の性能に効果的である。しかしながら、低パワーパルスの光トランスミッタの使用もまた、装置の最大範囲内の妥協を要して、本発明の趣旨の範囲内で可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、視程測定に加えて、雨、その型およびその強度を確実に検出することが可能である。高い地吹雪もまた、その装置の助けを借りて降る雪と識別できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置の実施例の略ブロック図である。
【図２】本発明による装置の別の実施例の略ブロック図である。
【図３】検出回路の結果出力信号と光学的にフィードバック補償されていない装置の入力信号との比較グラフである。
【図４】本発明による装置の電子フィードバック回路の略ブロック図である。
【符号の説明】
１ 光パルストランスミッタ
２ トランスミットビーム
３ 光学レシーバ
４ レシーブビーム
６ 光学装置
９ サンプル体
１９ 光学レシーバ
２１ フィードバック信号検出器
２４ 光学パワー（電力）スプリッター
２５ 光学フィードバックファイバー
４１ フォトダイオード
４２ フォトダイオード
４３ 増幅器
４５ Ａ／Ｄ変換器
４６ 半ブリッジ
４７ マイクロプロセッサ
４８ サンプルバッファー
４９ 温度補正回路

Claims (8)

1. 視程および現気象を測定するための装置において、 測定される対象物に向かって光線を照射するためのパルス光源と、
   散乱した光の測定のための検出器であって、測定される前記対象物から前方に散乱された光を測定するための検出器と、
   前方に散乱された光を表す信号を、迷光を表す信号から識別するための算出手段とを有する装置であって、
   前記装置は、後方に反射／散乱された光パルスを直接受けるための受信手段を備え、
   前記算出手段は、受信した光パルス信号内の異なる後方反射成分の伝播遅延を算出するために設けられ、
   前記装置は、伝送出力パルスの照射の際に発生した光パルスの波形を測定するための測定システムに組み込まれたフィードバック手段であって、測定システムの外から発生する後方散乱光の効果を除く方法で測定を行うフィードバック手段と、
   前記フィードバック手段の助けにより測定された信号をスケーリングし、実際の測定信号に関してその振幅およびタイミングにより適切に調整されたフィードバック信号を生成するためのスケーリング手段と、
   前記スケーリングされたフィードバック信号をレシーバの過負荷状態を回避するような方法で前記測定信号から減算するための減算手段とを含むことを特徴とする装置。
2. 前記減算手段は、測定およびフィードバックフォトダイオードにより構成される半ブリッジからなり、前記スケーリング手段は、前記半ブリッジのバイアス電圧の調整器からなることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 伝送光学装置により集められた光戻り信号を受信器に案内するためのビームスプリッタを有し、
   前記光ファイバーに接続したフィードバック信号検出器によって測定システム内で発生した光パルスを測定するための受信器に対してビームスプリッタの反対側に位置する光ファイバを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 伝送光学装置により集められた光戻り信号を受信器に案内するためのＹカップラを有し、
   測定システム内で発生した光パルスを測定するためのフィードバック信号検出器に接続した光パワースプリッタを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 現気象を測定するための方法において、
   測定される対象物に光を照射する工程と、
   測定される対象物から光の前方散乱を測定する工程と、
   散乱した光を迷光から識別する工程とを含む方法であって、
   後方に反射／散乱された光パルスが受信され、
   光パルスの後方に反射／散乱された成分の後方伝播遅延が算出され、
   光パルスの照射とともに、測定システム内で発生した光パルスが測定されるとともにフィードバック信号を介してフィードバック結合されることによって、測定システム外から生じる迷光が除去され、フィードバック信号は、測定信号に関する振幅およびタイミングの両方により適切にスケーリングされることによりスケーリングされたフィードバック信号を生成し、当該スケーリングされたフィードバック信号は、受信器入力過負荷を防ぐため前記測定信号から減算されることを特徴とする方法。
6. 測定システム内で発生した光パルスの検出波形は、アバランシェフォトダイオードからなる半ブリッジ回路構成においてその振幅によりスケーリングされ、アバランシェフォトダイオードのバイアス電圧は、フィードバック信号振幅をスケーリングするために制御されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 光学装置により集められた光信号は、ビームスプリッタにより受信器に導かれる方法において、
   測定システム内で発生した光パルスは、受信器に対してビームスプリッタの反対側に位置する光ファイバの助けにより測定され、これにより光ファイバの他端部は、前記フィードバック信号検出器に接続されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 光学装置により集められた光信号は、光ファイバＹカップラにより受信器に途枯れる方法において、
   測定システム内で発生した光パルスは、Ｙカップラに形成された光パワースプリッタの助けにより測定され、これによりパワースプリッタの出力は前記フィードバック信号検出器に接続されることを特徴とする請求項５に記載の方法。

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