JP5093451B2

JP5093451B2 - 航空機用水面及び地面観測装置

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Publication number: JP5093451B2
Application number: JP2007040397A
Authority: JP
Inventors: 浜木井之口
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-02-21
Also published as: JP2008203123A

Description

本発明は、上空を飛行中の航空機から水面の波の状態及び流速又は地面の起伏を観測する方式、並びにその方式を利用した水上航空機の着水支援装置又は陸上航空機の着陸及び緊急着水支援装置に関するものである。航空機とは、一般的に飛行機、回転翼機、飛行船、熱気球を示すが、本発明は人工衛星や落下傘など、あらゆる飛行物体に適用することが原理的に可能である。水上航空機とは、水上機、飛行艇、着水可能な回転翼機や水陸両用機などである。水面とは、湖面、海面、川面などを含む。

通常、災害防止などのための水位、波高観測は、沿岸か海中に設置した波高計や水面に浮遊するブイの上下運動又は波の目視により実施されている。したがって、波高計やブイの設置場所又は目視可能範囲のみの観測情報が得られる。なお、波高計には超音波式、電波式、レーザ式などがあるが、いずれも有効レンジは数十メートル以下である。水面の流速についても、浮遊物の移動などの目視により観測されているため、浮遊物の有無や光線状態によっては観測不能な場合もある。

水上航空機又は緊急時の陸上航空機が着水する場合の水面の波の状態は、操縦士が目視により確認している。したがって、光線状態が悪い場合や波高が制限値付近の場合は判断が難しい。事前予報あるいは無線連絡による気象情報の場合、範囲や時刻を詳細に指定することができないため、精度や信頼性が低い。我が国で開発された飛行艇の新明和式ＵＳ−１型には、世界で唯一の航空機搭載用波高計が備えられているが、電波高度計の応用であり、波高・波長解析の機能を備えるが波の伝搬速度や流速を観測する機能はない。これらの情報検出用に他の装置を搭載することは設備投資の増大化を招き、好ましくない。波の状態及び流速又は地面の起伏を観測できる他の装置による置き換え又は多重化による冗長性増大は、コスト削減又は信頼性向上のために有効である。

陸上航空機が舗装された滑走路以外に着陸する場合は、地上の観測者からの無線通報により地面の状態を把握する。しかし、緊急時等で地上に観測者がいない場合には、操縦者が目視により観測しており、充分な確認ができないことがある。例えばドルニエ式228型機の場合、１インチ以下の砂利で構成された河原等には、安全に着陸できるとされているが、操縦者が飛行中にそれを確認するのは、極めて困難である。

飛行高度の計測については、高度に応じて、気圧高度計及び電波高度計が使い分けられており、これらについては特に問題なく使用されているが、他の装置による置き換え又は多重化による冗長性増大は、コスト削減又は信頼性向上のために有効である。特許文献１にはレーザ式高度計が提示されている。この発明は地表に図根点を置くことなく地形的情報の収集が柔軟かつ速やかに行える航空測量ができる装置を提供することを目的としたもので、飛行体を用いる地理的データの収集と処理を行う航空測量装置において、ＧＰＳは、測量装置の位置を、地表に図根点を置くことなく計測し、レーザ高度計コントローラは、レーザ光線照射器からレーザ光線が照射されてから目標物に反射され戻ってくるまでの時間から、目標物までの距離を計測する。これらの計測結果から、目標物の地形的情報が中央コンピュータにより計算される一方、レーザ光線を反射する鏡は、一定の軸を中心に回転するようになっている。この種のレーザ高度計は既に実用化されているが、高度計測の単機能しかなく、水面や地面の状態を観測する機能はない。なお、電波高度計の測定精度は数十センチであるため、航空機が着陸可能であるか否か地面の状態を判定するには精度が不足している。
特開平１０−８９９５８号公報「航空測量装置」平成１０年４月１０日公開

本発明の目的課題は、上記の問題点を解決するもの、すなわち広範囲で且つ必要な領域の水面の波又は地面の状態及び水面の流速を観測できる装置、並びにその装置を利用した航空機の着水又は着陸支援装置を提供することにある。

本発明の航空機用水面及び地面観測装置は、レーザ光送信機及び受信機を航空機に搭載し、前記レーザ光送信機及び受信機は機体に対し送受信方向を少なくとも下方向、下前方向、下側方向に設定可能な機構を備えると共に、その角度情報と送受信レーザ光のデータを記憶蓄積する手段と、データ処理する手段とを備えた装置であって、飛行中に既知の時間間隔でレーザ光パルスを下前方向、下側方向に送信すると共に、前記データ処理する手段は受信パルスの間隔の変化量に基づき、飛行中に水面の波の伝搬速度及び伝搬方位を算出することを特徴とする。
本発明の航空機用水面及び地面観測装置はデータ処理する手段においてレーザ軸方向の波と航空機の相対速度Ｕを次式によって求めるものであるものとした。
Ｕ＝Ｃ×△Ｅ／２τ_Ｔ
ただし、τ_Ｔは送信光のパルス間隔を、△Ｅは時間τ_Ｔでの波と航空機との間隔変化量をレーザ光が往復する時間を、Ｃは光の伝搬速度を示すものとする。
また、本発明の航空機用水面及び地面観測装置は、前記のレーザ光送信機及び受信機を航空機の下部に取り付け、飛行中にレーザ光を下方向にレーザを所定時間送受波し、該送受波信号に基づいて検出した距離データの平均値から飛行高度を、変化量から水面の波高値、若しくは地面の起伏を観測する機能を付加したものとした。
また、本発明の航空機用水面及び地面観測装置の前記データ処理する手段はドップラー効果に基づいて水面の流速を観測する機能を付加したものとした。
また、本発明の航空機用水面及び地面観測装置は、前記データ処理する手段から得られた観測データが航空機の着水又は着陸支援に用いられるものとした。

本発明の効果は、レーザ測距器を航空機に搭載することにより、その航空機が飛行中に下方の水面の波高や地面の起伏及び飛行高度を観測したり、飛行中に水面の波の伝搬速度や伝搬方位及び流速を観測する装置を提供するものである。本発明による観測装置は、航空機に搭載して津波や地形等の観測に利用できる。また、海面の波の伝搬速度や伝搬方向及び流速の観測により、海難事故時の漂流者や流木の移動予測に活用できる。さらに、本装置を水上航空機に搭載した場合、操縦士が着水予定の水面の状態を実時間で知ることができるため、着水可否の判断が容易になり、安全性が向上する。陸上航空機の着陸又は緊急着水の場合も、同様に安全性が向上する。また、本装置を電波高度計の代わりに使用した場合には、電波高度計の調達コスト及び無線局の維持コストを削減することができる。電波高度計に加えて使用した場合には、多重系が構成されるために高度計測の信頼性が向上する。

図１は、航空機１に搭載したレーザ式測距器２を利用して、飛行高度の計測及び上空から水面の波高を観測する原理を模式的に示した図である。
レーザ式測距器２を機体軸下向きに取り付けて、航空機１が水平飛行中に水面までの距離を計測すると、式［１］に示すように、レーザ式測距器２の距離計測値(ｄ)にcosθを乗じた値(Ｄ)のｔ秒間の移動平均値が航空機１の平均飛行高度(Ｈ)を表し、Ｄのｔ秒間での変化量が最大波高(ｈ)を表すものとなる。航空機１が移動した場合でも、航空機１が空中に停止して波が移動した場合でも同様に波高を観測することができる。なお、航空機１の姿勢角(θ)は航空機１に搭載されている一般的な航法装置から得ることができる。ＧＰＳ等を利用した地球固定座標上の高度と前記平均飛行高度Ｈとを比較することにより、水位を算出することもできる。また、陸地上空で利用した場合には、平均飛行高度の計測及び陸地の起伏を同様に観測することができる。測距を実施する方式には、送信したレーザ光が受信されるまでの時間を計る方法や、送信光と受信光との位相差による「うなり」を利用する方法（ヘテロダイン法）などがあるが、それらはいずれも公知の技術である。

ただし、
Ｄ：航空機と水面との鉛直方向の距離
ｄ：レーザ式測距器の距離計測値
θ：航空機の姿勢角
Ｈ：航空機の平均飛行高度
ｈ：最大波高
ｔ：計測単位時間(数秒間)

図２は、本発明により波の伝搬速度を観測する基本原理を模式的に示した図である。波の伝搬速度観測のためには、水平方向慣性速度Ｖで水平飛行またはホバリング中の航空機１に搭載された送信機３からレーザ光を斜め下向き（α角）に放射し、水面の波表面で乱反射されたレーザ光を航空機に搭載された受信機４で受信する。レーザ軸方向の波と航空機１との相対速度をＵとすると、水面の波の伝搬速度のレーザ光放射方位水平成分(Ｗ)は次式［２］により求めることができる。なお、水面の上下運動は長時間の観測により相殺されるため無視できる。
Ｗ＝Ｕ／sin(α＋θ)−Ｖ ‥‥ ［２］
ただし、
α：機体の下向きとレーザ光の放射方向とのなす角
θ：航空機の姿勢角
Ｕ：レーザ軸方向の波と航空機との相対速度
Ｖ：航空機の水平方向慣性速度
Ｗ：水面の波の伝搬速度のレーザ光放射方位水平成分

図３はレーザ軸方向の波と航空機１との相対速度(Ｕ)を求める方式を示す図である。機上の送信機３から等間隔の時間(τ_Ｔ)で送信されるパルス状のレーザ光は、水面で乱反射され、散乱光は送信機３と同じ場所に搭載された受信機４で受信される。光の伝搬速度をＣとし、ｉ番目のパルスが水面で反射する位置と航空機１との距離をｄ_ｉで表せば、最初に送信されるパルス光が以上のように往復する時間を２ｄ_１／Ｃ、時間(τ_Ｔ)後に送信されるパルス光が往復する時間を２ｄ_２／Ｃとすると、ｄ_１−ｄ_２が時間(τ_Ｔ)における、波と航空機１との間隔の変化量δとなり、受信されたパルス光のパルス間隔は、δをレーザ光が往復する時間だけ短くなる。続くパルス光についても同様に考えると、受信光のパルス間隔は次式［３］のτ_Ｒで表せる。
τ_Ｒ＝τ_Ｔ−２δ／Ｃ ‥‥ ［３］
ただし、
τ_Ｔ：送信光のパルス間隔
τ_Ｒ：受信光のパルス間隔
δ：時間τ_Ｔでの波と航空機との間隔変化量
Ｃ：光の伝搬速度

τ _Ｒの時間変化をグラフ化した例が図４(ア)である。実際のパルスレートは１ｋＨｚから１００ｋＨｚ程度が想定されるため、このような連続的な信号を得ることができる。なお、高レートで放射するほどδの絶対値が小さくなるため、１パルスあたりの測定精度は低くなるが、単位時間あたりに積分できるサンプル数が多くなるため、実際には高レートになるほど測定精度は高くなる。また、レーザ光が照射される波が隣接する波に移行する際に、瞬間的に波と航空機１との間隔が増加するために、τ_Ｒは図に示すように脈動することになる。この脈動部分は計測の誤差要因となるため、ローパスフィルターで除去することも可能であるが、より完全な除去のために、本発明では以下に示す手法を用いる。

まず、△＝τ_Ｔ−τ_Ｒとして、求めた△の時間変化をグラフ化したものが図４(イ)である。次に、△を整流回路などにより整流して、脈動の大半を除去したものが、図４(ウ)の△_Ｒである。さらに、平滑回路などにより包絡線を求めると、図４(エ)の△_Ｅが得られる。これにより、△_Ｅは△の最大値、つまりレーザ光が波の表面に対して直角に照射される条件での計測信号を得ることができる。なお、原理的には(ウ)の整流を省略することも可能であるが、平滑化を効率的に行うためには有効な手段である。

前項で求めた△_Ｅは、δの距離をレーザ光が往復する時間を意味する。時間(τ_Ｔ)でレーザ軸方向の波と航空機１との距離がδ（時間τ_Ｔでの波と航空機１との間隔変化量）だけ変化することから、レーザ軸方向の波と航空機１との相対速度Ｕは式［４］により求めることができる。
Ｕ＝Ｃ×△_Ｅ／２τ_Ｔ ‥‥ ［４］
ただし、
Ｕ：レーザ軸方向の波と航空機との相対速度
τ_Ｔ：送信光のパルス間隔
△_Ｅ：δの距離をレーザ光が往復する時間
Ｃ：光の伝搬速度

以上の手法により、レーザ光が波の表面に対して直角に照射される条件での計測信号を得ることができるが、波の形状が極めて特異などの理由により、照射角が±３０度の範囲で変化した場合、レーザ軸方向の波と航空機１との相対速度Ｕの計測誤差は最大で±３３％となる。しかしながら、波の形状は一般に多種多様であり、時間的にも変化があることから、この誤差は平均化されて遥かに小さくなるのである。

次に式［４］により得られたＵ（レーザ軸方向の波と航空機との相対速度）を式［２］に代入することにより、Ｗ（水面の波の伝搬速度のレーザ光放射方位水平成分）を式［５］のように求めることができる。ここで、θ及びＶは航空機１に搭載されている一般的な航法装置から得ることができ、αは装置取り付け時の固定値である。
Ｗ＝Ｃ×△_Ｅ／{２τ_Ｔ×sin(α＋θ)}−Ｖ ‥‥ ［５］
ただし、
α：機体の下向きとレーザ光の放射方向とのなす角
θ：航空機の姿勢角
Ｖ：航空機の水平方向慣性速度
Ｗ：水面の波の伝搬速度のレーザ光放射方位水平成分
τ_Ｔ：送信光のパルス間隔
△_Ｅ：δの距離をレーザ光が往復する時間
Ｃ：光の伝搬速度

レーザ光の放射方位を、航空機１の機首方位斜め下方及び水平面内でそれに直角方位の斜め下方の少なくとも２方位に変化させることにより、水面の波の伝搬速度のレーザ光放射方位水平成分を少なくとも２方位得ることが出来る。
図５は航空機１を上から見た平面図である。地球表面上の北方位をＮ、西方位をＥで表すと、航空機１はψの方位に機首を向けて飛行している。波の伝搬速度の機首方位成分をＷx、水平面内でそれに直角な方位の成分をＷyとすると、水面の波の伝搬速度(Ｗt)及び航空機１との相対的な伝搬方位(ψw)は、式［６］により求めることができる。

ただし、
Ｗt：水面の波の伝搬速度
Ｗx：波の伝搬速度の機首方位成分
Ｗy：波の伝搬速度の水平面内でＷxに直角な方位の成分
ψw：航空機１との相対的な波の伝搬方位

波の伝搬方位を地球表面上の方位で表す場合には、航空機に搭載された一般的な航法機器から得られる機体の方位角(ψ)を、前記観測方位(ψw)に重畳して、ψ+ψwとすればよい。
以上の原理により、水面の上空を水平飛行またはホバリング中の航空機から、水面の波の伝搬速度及び伝搬方位を観測することができる。

次に、水面の流速を観測する手法について説明する。水面の流速と波の伝搬速度とは、基本的に独立である。つまり、水面が流れていない状態であっても波が存在することはあるし、逆に水面が流れていても波が存在しないこともある。
図６に示すように、水平飛行またはホバリング中の航空機１に搭載された送信機３からレーザ光を斜め下方に照射し、水面で乱反射されたレーザ光を航空機１に搭載された受信機４で受信する。受信したレーザ光は水面の流速に応じてドップラー効果により振動数が変化するため、その変化量を送信光との差分として計測することにより、レーザ光放射軸方向の流速成分と航空機との相対速度(Ｓd)を算出することができる。ドップラー効果による振動数の変化は、特殊相対性理論を考慮した式［７］に示す式が知られている。

ただし、
Ｓd：レーザ光放射軸方向の流速成分と航空機との相対速度
ν_Ｔ：送信光の振動数
ν_Ｒ：受信光の振動数
Ｃ：光の伝搬速度
θd：Ｓdに対する測定点の移動方向の角度

式［７］において、(Ｓd／Ｃ)^２は１に対して極めて小さい値となるために、ここでは無視する。すると、Ｓdは式［７］を変形して式［８］により求めることができる。
Ｓd ＝Ｃ(ν_Ｒ−ν_Ｔ)／ν_Ｒcos(θd) ‥‥ ［８］
ただし、
Ｓd：レーザ光放射軸方向の流速成分と航空機１との相対速度
ν_Ｔ：送信光の振動数
ν_Ｒ：受信光の振動数
Ｃ：光の伝搬速度
θd：Ｓdに対する測定点の移動方向の角度

航空機１に相対的な水面に沿う方向の流速成分(Ｓs)は、図７に示した幾何解析図から分かるように式［９］で求めることができ、水平方向の流速成分(Ｓh)は、式［１０］で求めることができる。
Ｓs＝Ｓd／cos(θd) ‥‥ ［９］
ただし、
Ｓd：レーザ光放射軸方向の流速成分と航空機との相対速度
Ｓs：航空機に相対的な水面に沿う方向の流速成分
θd：Ｓdに対する測定点の移動方向の角度
Ｓh＝Ｓs×cos(θw)−Ｖ ‥‥ ［１０］
ただし、
Ｓh：水平方向の流速成分
Ｓs：航空機に相対的な水面に沿う方向の流速成分
θw：水面の傾斜角
Ｖ：航空機の水平方向憤性速度

図７で分かるとおり、θd＝θw＋90°−α−θの関係にあり、式［８］［９］［１０］から、Ｓh（水平方向の流速成分）は式［１１］で表すことができる。

ただし、
Ｓd：レーザ光放射軸方向の流速成分と航空機との相対速度
ν_Ｔ：送信光の振動数
ν_Ｒ：受信光の振動数
Ｃ：光の伝搬速度
θd：Ｓdに対する測定点の移動方向の角度
Ｖ：航空機の水平方向慣性速度
Ｓs：航空機に相対的な水面に沿う方向の流速成分
Ｓh：水平方向の流速成分
θw：水面の傾斜角
α：機体の下向きとレーザ光の放射方向とのなす角
θ：航空機の姿勢角

なお、水面の流速は短時間で変化するものではなく、且つ利用する際に必要なのは、数分間程度以上の長時間の平均値である。長時間の平均をとれば、波による傾斜角(θw)は相殺されて０になる。したがって、式［１１］は式［１２］のように簡略化される。
Ｓh＝Ｃ(ν_Ｒ−ν_Ｔ)／ν_Ｒsin^２(α＋θ)−Ｖ ‥‥ ［１２］
ただし、
Ｓh：航空機に相対的な水平方向の流速成分
Ｖ：航空機の水平方向慣性速度
ν_Ｔ：送信光の振動数
ν_Ｒ：受信光の振動数
Ｃ：光の伝搬速度
α：機体の下向きとレーザ光の放射方向とのなす角
θ：航空機の姿勢角

また、上記説明では水面の上下運動について言及していないが、これについても長時間の平均をとれば、相殺されて０となるために無視しても良い。
レーザ光の放射方位を、航空機１の機首方位斜め下方及び水平面内でそれに直角方位の斜め下方の少なくとも２方位に変化させることにより、水面の流速のレーザ光放射方位水平成分が少なくとも２方位得られる。

図８は航空機１を上から見た平面図である。地球表面上の北方位をＮ、西方位をＥで表すと、航空機１はψの方位に機首を向けて飛行している。水面の流速の機首方位成分をＳhx、水平面内でそれに直角な方位の成分をＳhyとすると、水面の流速(Ｓht)及び航空機１との相対的な水流方位(ψs)は、式［１３］により求めることができる。

ただし、
Ｓht：水面の流速
Ｓhx：水面の流速の機首方位成分
Ｓhy：水面の流速の水平面内でＳhxに直角な方位の成分
ψs：航空機との相対的な水流方位

水流方位を地球表面上方位で表す場合には、航空機１に搭載された一般的な航法機器から得られる機体の方位角(ψ)を、前記観測方位(ψs)に重畳して、ψ＋ψsとすればよい。
以上の原理により、水面の上空を水平飛行またはホバリング中の航空機から、水面の流速及び水流方位を観測することができる。

以下では、本発明による装置を飛行艇に搭載した例を図９に示し、本実施例について記述する。信号処理回路が含まれたレーザ送受信機２(３)び表示器４を機内に搭載して、操縦士が観測情報を監視できるようにする。飛行艇の場合は胴体から着水するので、外部に露出する光学部５は破損を避けるために主翼の下面に取り付ける。このとき、通常の飛行状態ではθの変化が１０度以下であるため、予め鉛直線と光学部中心線との差の平均値が最少になるように着水時の諸元を考慮して光学部を取り付けておけば、cosθは１としても問題ない。航空機の水平方向慣性速度と波の伝搬速度との差を１００ｍ／ｓとし、レーザ光のパルス周期を１０ｋＨｚとすると、水平１ｃｍの分解能で波高を観測することができる。海面の水位については、ＧＰＳを利用した高度情報との比較により算出する。なお、信号の平均値及び変化量を求める具体的な手段としては、電子回路によるローパスフィルタ及びローカットフィルタの使用が簡便である。

図１０は水面の波の伝搬方位、伝搬速度及び水面の流速を観測する場合の概念図を示す。Ａは航空機の進行方向斜め下方向及びＢは横方向斜め下方向にレーザ光を照射することにより観測を行う。航空機進行方向の波の伝搬速度及び水面の流速、並びに横方向の波の伝搬速度及び水面の流速を観測することができる。このとき、横方向観測時の姿勢角としてはバンク角を使用する。波の伝搬方位及び水流の方位を地球表面上の東西南北で表す場合には、航空機に搭載した航法用のジャイロの機首方位データを観測方位に重畳すればよい。

図１１は単一の装置で飛行高度及び水面の波高並びに波の伝搬方位、伝搬速度及び水面の流速を観測するための搭載例を示す。本装置はレーザ送受信機２(３)と光学部５とが光ファイバ６で接続されており、光学部５の搭載性の自由度は高い。前記光学部の前面にはレーザ光の偏向用回転プリズム７を取り付け、サーボモータを内蔵したプリズム回転機８でプリズムを回転させることにより、プリズム回転軸から角βの振れ角で円錐状にレーザ光を走査させることができる。角βを３９.２３度とし、図１２のように、装置の取り付け角を機体の下向きに対して前から見ても横から見ても３０度とした場合、レーザ光は航空機の直下、６０度前方、６０度横方向を照射することができ、光軸をそれぞれの方向に停止させた状態で、各観測を実施する。なお、図中に示すレーザ光走査面は、水平面との交わりを描いたものではなく、プリズム回転軸と垂直な面との交わりを表したものであるため、０度から３０度と、３０度から６０度とが等間隔となっている。

前項の如く装置を搭載すれば、レーザ光が航空機の直下を照射した際に、飛行高度及び水面の波高を観測し、レーザ光が航空機の６０度前方、６０度横方向を照射した際に、波の伝搬方位、伝搬速度及び水面の流速を観測することができる。
レーザ光を利用して距離を測る方式は公知の技術として、パルス光の往復時間を測る方法や、送信光と受信光との位相差による「うなり」を利用する方法などがあるが、いずれも本発明による装置に組み込み可能な技術である。
航空機の水平方向慣性速度、姿勢角、バンク角、方位角については、航空機に通常搭載されている慣性航法装置等からの信号を利用する。

人体に対するレーザ光の安全性については、測量用の測距器と同程度であるが、遠距離化のために高出力レーザを使用した場合でも、機体の運動やレーザ光の走査により１点を指向することがなく、極めて安全性が高いといえる。特に１.５μｍ帯のレーザ光は、アイセイフティ・レーザと呼ばれ、光通信で利用されているために実用性が高い。

本発明による飛行高度の計測及び波高の観測をする原理説明図である。本発明による波の伝搬速度を観測する原理説明図である。本発明によるレーザ軸方向の波と航空機１との相対速度(Ｕ)を求める方式を示す図である。本発明による波の伝搬速度を求める方式を示す図である。本発明による波の伝搬速度及び伝搬方位を求める方式を説明する図である。本発明による水面の流速を観測する原理説明図である。本発明による水面の流速を求める方式を示す図である。本発明によ水面の流速及び水流方位を求める方式を説明する図である。本発明による水面及び地面観測装置を飛行艇に搭載した例を示す図である。本発明による水面及び地面観測装置を航空機に搭載した場合の観測方式例を示す概念図である。本発明による水面及び地面観測装置を単一の装置として航空機に搭載した場合の例を示す図である。本発明による水面及び地面観測装置を航空機に搭載した場合の光学部の搭載方向例を示す図である。

符号の説明

１航空機２レーザ送信機
３レーザ受信機４表示器
５光学部６光ファイバ
７偏向プリズム８プリズム回転機
α 機体の下向きとレーザ光の放射方向とのなす角
β レーザ光の偏向角 δ 時間τ_Ｔでの波と航空機との間隔変化量
θ 航空機の姿勢角 θd Ｓdに対する測定点の移動方向の角度
θw 水面の傾斜角 τ_Ｔ送信光のパルス間隔
τ_Ｒ受信光のパルス間隔 τ_Ｒｎｎ番目のτ_Ｒ
ψ 航空機の機首方位 ψs 航空機との相対的な水流方位
ψw 航空機との相対的な波の伝搬方位
△ τ_Ｔ−τ_Ｒ
△_Ｒ △を整流したもの △_Ｅ δの距離をレーザ光が往復する時間
Ｃ光の伝搬速度Ｄ航空機と水面との鉛直方向の距離
Ｈ航空機の平均飛行高度Ｕレーザ軸方向の波と航空機１との相対速度
Ｖ航空機の水平方向慣性速度
Ｓh 水平方向の流速成玲
Ｓs 航空機に相対的な水面に沿う方向の流速成分
Ｗ水面の波の伝搬速度のレーザ光放射方位水平成分
ｄレーザ式測距器の距離計測値ｈ最大波高
ｔ計測単位時間(数秒間) Ｗt 波の伝搬速度
Ｗx 波の伝搬速度の機首方位成分
Ｗy 波の伝搬速度の水平面内でＷxに直角な方位の成分
Ｓht 水面の流速Ｓhx 水面の流速の機首方位成分
Ｓhy 水面の流速の水平面内でＳhxに直角な方位の成分

Claims

レーザ光送信機及び受信機を航空機に搭載し、前記レーザ光送信機及び受信機は機体に対し送受信方向を少なくとも下方向、下前方向、下側方向に設定可能な機構を備えると共に、その角度情報と送受信レーザ光の送受信データを記憶蓄積する手段と、前記データを処理する手段とを備えた装置であって、飛行中に既知の時間間隔でレーザ光パルスを下前方向、下側方向に送信すると共に、前記データを処理する手段は受信パルスの間隔の変化量に基づき、飛行中に水面の波の伝搬速度及び伝搬方位を算出することを特徴とする航空機用水面及び地面観測装置。
データ処理する手段はレーザ軸方向の波と航空機の相対速度Ｕを次式によって求めるものである請求項１に記載の航空機用水面及び地面観測装置。
Ｕ＝Ｃ×△Ｅ／２τ_Ｔ
ただし、τ_Ｔは送信光のパルス間隔を、△Ｅは時間τ_Ｔでの波と航空機との間隔変化量をレーザ光が往復する時間を、Ｃは光の伝搬速度を示すものとする。
前記のレーザ光送信機及び受信機を航空機の下部に取り付け、飛行中にレーザ光を下方向にレーザを所定時間送受波し、データ処理する手段は該送受波信号に基づいて検出した距離データの平均値から飛行高度を、変化量から水面の波高値、若しくは地面の起伏を観測する機能を付加したものである請求項１または２に記載の航空機用水面及び地面観測装置。
前記データ処理する手段は受信したレーザ光の振動数の変化量を送信光との差分として計測することにより水面の流速を観測する機能を付加したものである請求項１乃至３のいずれかに記載の航空機からの航空機用水面及び地面観測装置。
前記データ処理する手段から得られた観測データが航空機の着水又は着陸支援に用いられるものである請求項１乃至４のいずれかに記載の航空機用水面及び地面観測装置。