JP4806949B2

JP4806949B2 - レーザレーダ装置

Info

Publication number: JP4806949B2
Application number: JP2005102111A
Authority: JP
Inventors: 久理田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006284260A

Description

この発明は、航空機の飛行経路上にレーザビームを走査しその反射光から航空機後方に発生する後方乱気流を検出するレーザレーダ装置に関する。

近年、航空機運行上の安全性確保等の観点から、レーザレーダ装置を用いて航空機が通過した飛行経路上に発生する後方乱気流を検出することが行われている。また、レーザレーダ装置は、大気中にて反射された反射光から後方乱気流を検出しているため、気象条件の変化による影響を受けやすく、このような気象条件の変化による探知機能の劣化を抑制する方式等も提案されている。

特開２０００−２７６３（第２−６頁、図５，図６等）

特開２０００−２７５３４０（第３頁、図１，図２等）

しかし、従来のレーザレーダ装置は以上のように構成されているので、光送受信機を介して受信した反射光の積分処理を行う積分処理部の最適な積分回数を算出するために、基準目標を設ける必要があり、また、基準目標の反射光から大気減衰率を算出する際には大気の条件が好適であることが必要である等、気象条件により運用上の制限を受けるという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、基準目標を設けることなく、また、気象条件の変化にかかわらず、良好な信号雑音比を保つことができ、高精度に後方乱気流を検出することができる新規なレーザレーダ装置を提供することを目的とする。

この発明に係るレーザレーダ装置は、航空機の飛行経路区間に設けられた観測領域内にレーザ光を放射してその反射光を受信する光送受信部と、この光送受信部から出力された受信信号を複数の異なる積分数にて積分処理し、前記積分数毎に前記光送受信部から出力された受信信号の信号雑音比を算出する信号雑音比算出処理部と、この信号雑音比算出処理部により算出された複数の信号雑音比の中から、前記観測領域内のドップラ速度を算出する時間が最も短時間となる条件を満たす信号雑音比を算出した積分数により前記光送受信部から出力された受信信号を積分処理し、前記観測領域内のドップラ速度を算出するドップラ速度算出部と、このドップラ速度算出部により算出された前記観測領域内のドップラ速度から前記観測領域内の風速及び風向の空間分布を求め、この風速及び風向の空間分布から前記航空機の通過により発生した後方乱気流を検出する乱気流検出部とを備え、前記信号雑音比算出処理部は、前記光送受信部から出力された受信信号をスペクトル変換するスペクトル変換部と、予め前記光送受信部が発生する白色雑音信号のスペクトル値を記憶した雑音記憶部と、この雑音記憶部に記憶された前記白色雑音のスペクトル値及び前記スペクトル変換部から出力された前記受信信号のスペクトル値を複数の異なる積分数にてそれぞれ積分処理する積分部と、これら積分数毎に積分処理された前記白色雑音のスペクトル値及び前記受信信号のスペクトル値により前記積分数毎に前記光送受信部から出力された受信信号の信号雑音比を算出する信号雑音比算出部とを有するものである。

この発明によれば、基準目標を設けることなく良好な信号雑音比を保つことができ、空港等においては、航空機の離陸又は着陸によって発生した後方乱気流をリアルタイムに確認することが容易となる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について図１及び図２を用いて説明する。図１は実施の形態１によるレーザレーダ装置の構成を示すブロック図、図２は図１に示す信号雑音比算出処理部４の具体的構成を示す部分ブロック図である。図１において、１は後方乱気流の観測領域内であって航空機の飛行経路区間にビーム状のレーザ光を放射し、大気中の塵などで反射された当該レーザ光の反射光を受信処理する光送受信部、２は光送受信部１により受信処理された受信信号に基づいてドップラ速度を算出する信号処理部、３は信号処理部２において算出されたドップラ速度を距離方向と仰角方向に並び替えて風速・風向の空間分布のリアルタイムデータを生成すると共に、この空間分布のリアルデータにテンプレートマッチング処理等を施して後方乱気流に関するリアルタイムデータ（乱気流の発生位置、乱気流の渦の直径、乱気流強度（乱気流の渦の互いに反対方向の風速差）等）を検出する乱気流検出部である。この乱気流検出部３の検出結果は表示装置（図示省略する。）に出力されモニタ等の表示手段に表示される。

また、４は光送受信部１から出力された受信信号に基づいて予め決められた積分数毎の信号雑音比を算出する信号雑音比算出処理部、５は信号雑音比算出処理部４により算出された積分数毎の信号雑音比の中からドップラ速度を算出する際に最適な積分数を選択する積分数選択部、６は積分数選択部５により選択された積分数に基づいて光送受信部１により受信処理された受信信号を積分処理し、その積分結果からドップラ速度を算出するドップラ速度算出部である。

また、図２において、７は光送受信機１により得られた受信信号をスペクトル変換するスペクトル変換部、８は予め大気からの反射がないときに検出した光送受信機１の雑音信号（以下、白色雑音という。）のスペクトル値を記憶した雑音記憶部、９は予め決められた複数の積分数に対応して観測領域内における受信信号のスペクトル値と雑音記憶部８に保持している白色雑音のスペクトル値とをそれぞれ積分処理する積分部、１０は積分部９の積分結果から積分数毎の信号雑音比を算出する信号雑音比算出部である。なお、図中、同一符号は、同一又は相当部分を示し、これらについての詳細な説明は省略する。

次に動作について図３を用いて説明する。図３は図１に示すようなレーザレーダ装置による後方乱気流の検出状況であって、航空機が離陸する際に航空機後方に発生した後方乱気流の検出状況を模式的に示した検出状況説明図である。図３において、１１は滑走路、１２は滑走路１１から離陸した航空機、１３は例えば滑走路１１の周辺部であって、空港内に設置された光送受信部１により走査されたビーム状のレーザ光（以下、レーザビームという。）、１４は航空機１１が離陸する場合の後方乱気流の観測領域である。以下、航空機が離陸する場合を例として実施の形態１によるレーザレーダ装置の動作について説明する。光送受信部１は、航空機１２が滑走路１１を離陸すると後方乱気流の観測領域１４内にレーザビーム１３を走査すると共に、大気中の塵などで反射された当該レーザビーム１３の反射光を受信して電気信号に変換する等の受信処理を行う。光送受信部１から出力された観測領域１４内の受信信号は信号処理部２の信号雑音算出処理部４及びドップラ速度算出部６にそれぞれ出力される。レーザビーム１２の走査は機械的走査又は電子的走査のいずれの方式を用いてもよい。

信号雑音比算出処理部４では、まず光送受信部１から出力された観測領域１４内の受信信号がスペクトル変換部７によりスペクトル信号に変換され、そのスペクトル値が積分部９に出力される。積分部９はスペクトル変換部７から出力された受信信号のスペクトル値と雑音記憶部８に保持している白色雑音のスペクトル値とを予め決められた複数の積分数毎に積分処理する。例えば、積分数がＮの場合、Ｎ回積分を行うことによりスペクトルが積み重なり、スペクトル変換部７から出力された受信信号のスペクトル信号についての強度はＮ倍になる。一方、白色雑音、すなわち大気からの反射がない状態にて受信した受信信号のスペクトル信号は、その強度の揺らぎにより、Ｎの平方根倍となる。このように、積分部９は予め決められた複数の積分数毎に観測領域１４内の受信信号強度及び雑音の積分値を算出する。

信号雑音比算出部１０は、積分部９の積分処理の結果から対応する積分数毎に信号雑音比を算出して出力する。例えば、積分部９によりＮ回積分処理した白色雑音のスペクトル値及び受信信号のスペクトル値から積分数Ｎの信号雑音比を算出する。このようにして予め決められた複数の積分数毎に信号雑音比がそれぞれ算出され、各積分数毎に対応した複数の信号雑音比の値が信号雑音比算出処理部４から積分数選択部５に出力される。積分数選択部５は、信号雑音比算出処理部４において算出された複数の信号雑音比の中から予め定められた条件を満たす最適な積分数を選択してドップラ速度算出部６に通知する。

ここで、積分数の選択について説明する。信号雑音比は積分数を増やすほど改善される反面、積分処理に要する処理時間が長くなり受信信号の単位時間の出力数が減少する。単位時間の出力数が減少すると、一回の観測における後方乱気流の検出時間が長くなるため、当該検出結果をモニタ等にリアルタイムに表示することも難しくなる。また、空港等においては、航空機の離陸又は着陸によって発生した後方乱気流をリアルタイムに確認したいという要請もある。従って、予め定められた条件とは、例えば、ドップラ速度の算出に十分な信号雑音比を算出した積分数であって、そのような積分数のうち、ドップラ速度算出部６における処理時間が最も短時間となる積分数、すなわちドップラ速度の算出に十分な信号雑音比を算出した積分数の中で最も小さい積分数を積分数選択部５における選択の条件とする。

ドップラ速度算出部６は、積分数選択部５から通知された最適な積分数を用いて光送受信部１から出力された観測領域１４内の受信信号を積分処理し、観測領域１４内のドップラ速度を算出する。乱気流検出部３は、ドップラ速度算出部６により算出されたドップラ速度を距離方向と仰角方向に並び替え、風速・風向の空間分布のリアルタイムデータを生成すると共に、この空間分布のリアルデータを分析して検出した乱気流に関するリアルタイムデータ（乱気流の発生位置、乱気流の渦の直径、乱気流強度（乱気流の渦の互いに反対方向の風速差）等）を算出する。そして、算出したドップラ速度の空間分布に対してテンプレートマッチング処理等を施して航空機後方に発生した後方乱気流を検出する。乱気流検出部３により検出された後方乱気流の検出結果は、図示省略した表示装置に出力されて管制官等が利用するモニタ等の表示手段に表示される。

以上のように、この実施の形態１によるレーザレーダ装置によれば、光送受信部１から出力された受信信号を複数の異なる積分数にて積分処理し、前記積分数毎に前記光送受信部から出力された受信信号の信号雑音比を算出する信号雑音比算出処理部４と、この信号雑音比算出処理部４により算出された複数の信号雑音比の中から予め定めた条件を満たす信号雑音比を算出した積分数により光送受信部１から出力された受信信号を積分処理して観測領域１４内のドップラ速度を算出するようにしたので、基準目標を設ける必要がなく、また天候等の大気条件により運用が制限されることなく、航空機１２が通過することにより滑走路１１上に発生した後方乱気流を良好な信号雑音比にて検出することができる。

実施の形態１によるレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１に示す信号雑音比算出処理部４の具体的構成を示す部分ブロック図である。図１に示すレーザレーダ装置による後方乱気流の検出状況を模式的に示す模式図である。

符号の説明

１送受信部、２信号処理部、３乱気流検出部、４信号雑音比算出処理部、
５積分数選択部、６ドップラ速度算出部、７スペクトル変換部、
８雑音記憶部、９積分部、１０信号雑音比算出部。

Claims

航空機の飛行経路区間に設けられた観測領域内にレーザ光を放射してその反射光を受信する光送受信部と、この光送受信部から出力された受信信号を複数の異なる積分数にて積分処理し、前記積分数毎に前記光送受信部から出力された受信信号の信号雑音比を算出する信号雑音比算出処理部と、この信号雑音比算出処理部により算出された複数の信号雑音比の中から、前記観測領域内のドップラ速度を算出する時間が最も短時間となる条件を満たす信号雑音比を算出した積分数により前記光送受信部から出力された受信信号を積分処理し、前記観測領域内のドップラ速度を算出するドップラ速度算出部と、このドップラ速度算出部により算出された前記観測領域内のドップラ速度から前記観測領域内の風速及び風向の空間分布を求め、この風速及び風向の空間分布から前記航空機の通過により発生した後方乱気流を検出する乱気流検出部とを備え、前記信号雑音比算出処理部は、前記光送受信部から出力された受信信号をスペクトル変換するスペクトル変換部と、予め前記光送受信部が発生する白色雑音信号のスペクトル値を記憶した雑音記憶部と、この雑音記憶部に記憶された前記白色雑音のスペクトル値及び前記スペクトル変換部から出力された前記受信信号のスペクトル値を複数の異なる積分数にてそれぞれ積分処理する積分部と、これら積分数毎に積分処理された前記白色雑音のスペクトル値及び前記受信信号のスペクトル値により前記積分数毎に前記光送受信部から出力された受信信号の信号雑音比を算出する信号雑音比算出部とを有するレーザレーダ装置。