JP4859208B2 - 乱気流の検知方法 - Google Patents
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Description
ところで、現在運航されている旅客機は気象レーダを搭載し、気象レーダを使用することで、飛行方向の雨雲の様子を確認し、風擾乱の程度を予想することが出来るようになっている。しかし、晴天時には雨雲がないため、気象レーダを使用し風擾乱の程度を予想することは出来なくなる。
その他の風擾乱の程度を検知する方法として、レーザ光を用いた風擾乱予知システムが知られている。この風擾乱予知システムは、照射したレーザ光が大気中に存在する水滴やチリ(エアロゾル)等に当たり反射し、その反射レーザ光(散乱光)を受光し、ドップラー効果を受けた散乱光の波長の変化(ドップラーシフト)を求めることにより、レーザ光の照射方向の風速度を求め、レーザ光をコーン角度又はファン角度で走査しながら、様々な方向の散乱光を受光することにより、対応する様々な風速度を求めることができる(例えば、特許文献1を参照。)。
また、同様な測定原理でレーザ光によって数km先の飛行方向の風速の観測データを取得し、その観測データを基地局または他の飛行物体に送信し、基地局等においてその観測データを「過去に取得した観測データとその後に航空機が遭遇した事象との関係をまとめたデータベース」に当てはめ、その検索結果を航空機に送信することにより、航空機前方に存在する乱気流を予測することを可能とした飛行物体運航システムが知られている(例えば、特許文献2を参照。)。
しかし、レーザ装置は機体に取付けられているため、レーザ照射器の振れ角には限界がある。そのため、レーザ光の振れ角の範囲外となる方向の風速度成分は精度良く求めることが出来ず、その結果、乱気流の存在を検知することが出来ない場合が起こり得るという問題がある。
他方、上記特許文献2に係る発明では、過去に観測した全ての観測データと、その観測データを基に飛行物体がとった行動記録と、その行動記録の結果、飛行物体が遭遇した事象とのデータベースを有する基地局または他の飛行物体が必要となり、システムが大規模かつ複雑になる問題、更にこれらの基地局または他の飛行物体と通信することが出来ない状況下においては、航空機の前方に存在する乱気流を予測することは不可能であるという問題がある。
そこで、本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、過去に取得したデータベース等の統計データに依存することなく且つレーザ光をコーン角度又はファン角度で走査することなく単一方向に照射したレーザ光のみに基づいて航空機の前方に存在する乱気流を検知することが出来る乱気流の検知方法を提供することを目的とする。
本願発明者が、実際の乱気流中を通過した際に機体が受けた垂直加速度のデータを鋭意解析研究した結果、その垂直加速度の変動値の絶対値|ΔG|は、向かい風の風速度(U)の時間微分の絶対値|dU/dt|にほぼ1対1に対応していることを見出した。これは、被計測対象エリアの向かい風の風速度を何等かの手段によってリモートセンシングすることが可能となれば、機体がこれから受けるであろう垂直加速度の変動値の絶対値をリモートした地点において予測することができ、その垂直加速度の変動値の絶対値から被計測対象エリアに乱気流が在るか否かを、過去のデータベースを参照することなく直接的に予知することができることを示すものである。
そこで、上記乱気流の検知方法では、リモートセンシングの手段としてレーザ光を用いることとしレーザ光を前方に照射し散乱光を受光することにより、航空機が通過することとなる被計測対象エリアの向かい風の風速度に関するデータを取得して、次にその風速度の時間微分の絶対値を求め、その絶対値を、実際の垂直加速度の変動値の絶対値|ΔG|のデータを基に予め設定した閾値で検定し、その絶対値がその閾値を超える場合は航空機の前方に乱気流があると判定すると共に操縦者に対して乱気流の存在を注意喚起手段によって覚知させることとした。
ステップS1では、航空機の航行方向に対し、レーザ光を照射して被計測対象エリアに関する向かい風の風速度(U)を求める。なお、向かい風の風速度(U)を求めるためのレーザ光の照射及びその散乱光の受光は、例えば宇宙航空研究開発機構(JAXA)所有のレーザ光を用いた乱気流を検知する装置(以後、「風計測ライダ」という。)によって行うことができる。
図2に示すようにレーザ発振器1で発振されたレーザ光を送受信光学系2からレーザ光を照射して、その大気散乱光(以下、「信号光」という。)を受信する。信号光は風速に応じたドップラーシフトにより波長が変化するために、装置内部の発振光と受信した信号光との間には波長のズレが生じる。レーザ発振器1からの光はハーフミラー5と全反射ミラー6を介して一部が光検出器3に導かれ、送受信光学系2で受光した信号光と光検出器3内でミキシングされる。発振光と信号光は若干ズレているためビート信号を発生する。この波長のズレによるビート信号を信号処理部4で信号処理をして向かい風の風速度(U)を求めることができる。なお、計測対象とするエリアからの大気散乱光は、送信してから受信するまでに要した時間から選定することができる。
図3は、航空機の実際のフライトデータから得られた航空機に作用した垂直加速度の変動値ΔGの絶対値|△G|と、向かい風の風速度(U)に係るFhファクターの絶対値|Fh|との関係示すものである。
この図から、乱気流領域における垂直加速度の変動値の絶対値|ΔG|と、その時の向かい風の風速度(U)に係るFhファクターの絶対値|Fh|とは、ほぼ1対1に対応していることが判る。すなわち、乱気流領域に見られる|ΔG|の特性は、|Fh|においても見ることができ、従って、風計測ライダによって航空機の前方にある向かい風の風速度(U)に係るFhファクターの絶対値|Fh|の時系列分布を求めることにより、航空機の前方に存在する乱気流を直接的に予知することが可能となる。具体的には、後述するように、向かい風の風速度(U)に係るFhファクターの絶対値|Fh|を予め設定した閾値で検定することにより行う。また、閾値の設定は、例えば、乱気流領域の|ΔG|に対応する|Fh|を求め、その|Fh|中の最小値近傍の値を閾値として設定することができる。
先ず第1段階として、気流が乱気流に発達する直前の遷移状態にあるか否かを判定する。そのための閾値として第1の閾値Th1を導入して、|Fh|を第1の閾値Th1で検定する。第1の閾値Th1としては、例えばTh1=0.2を採用することが出来る。
もし、|Fh|が0.4より大きい場合(Yes)は、前方の気流は、乱気流であると判定し、ステップS5へ移行して、計器に赤色を(点滅)表示すると共に操縦室に警報を鳴らして、操縦者に前方に乱気流があることを覚知させる。
2 送受信光学系
3 光検出器
4 信号処理部
5 ハーフミラー
6 全反射ミラー
100 乱気流の検知方法
Claims (1)
- 航空機の進行方向に照射された単一方向のレーザ光に対する散乱光のうち被計測対象エリアに対応する散乱光を受光し、その散乱光の波長変化に基づいて前記被計測対象エリアの向かい風の風速度を求める工程と、該風速度を時間微分することにより得られるFhファクターを指標値として導入し、該指標値の絶対値の時系列分布を予め設定した閾値によって判定する工程と、該絶対値が閾値を超える場合は注意喚起手段によって操縦者に乱気流の存在を覚知させる工程とから成ることを特徴とする乱気流の検知方法。
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