JP5252696B2 - 航空機搭載用光学式遠隔気流計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学式遠隔気流計測装置に関し、特にレーザ光を大気中に放射して、そのレーザ光の大気中での散乱光を受信することにより、数１００ｍから１０ｋｍ程度までの遠隔領域の風速をドップラー効果に基づき計測する光学式遠隔気流計測装置において、計測領域の拡大、遠方領域での計測精度向上、データ更新周期の高速化を可能とし併せて航空機への搭載を可能とする光学式遠隔気流計測装置に関するものである。

航空機事故の主要因として近年乱気流が注目されており、航空機に搭載して乱気流を事前に検知する装置として、レーザ光を利用したドップラーライダーが研究開発されている（例えば、特許文献１を参照。）。なお、ライダー(LIDAR)とは、レーザを光源とするレーダー手法で「Light Detection And Ranging」を略したものである。また、照射されたレーザ光が、大気中に浮遊する微小なエアロゾルによって散乱され、そのレーザ散乱光を受信してドップラー効果による周波数変化量（波長変化量）を測定することによって風向・風速を測定することからドップラーライダーと呼ばれている。一般的なドップラーライダーは、パルス状のレーザ光を放射して、そのレーザ光の大気中のエアロゾルによるレーザ散乱光を前記ドップラーライダーで受信することにより、ドップラー効果に基づき遠隔領域の風速を計測するものであり、地上に設置して上空の気流を観測する装置は既に実用化されている。前記レーザ散乱光の強度は装置と計測領域との距離の２乗にほぼ反比例するために、近距離の計測では受信信号強度が高く、計測精度も高くなるが、遠距離になるに従い受信信号強度が低くなり、計測精度が低下するという性質（特性）がある。さらに遠距離になるとレーザ散乱光がほとんど受信できずに、内部ノイズ成分の方が大きくなり計測自体が不可能となる。従来の技術では遠距離の計測性能の向上を図ろうとする場合、送信出力を増加させる方法及び受光面積を増大させる方法があるが、いずれも装置の大型化や消費エネルギー増大によるコスト増加が避けられない。特に航空機に搭載する場合には、搭載用に利用することができる空間や装置を駆動する電力に制限があり、かつ旅客機の巡航する高々度では大気中のエアロゾル量が減少するために、送信出力を増加させる方法等では計測性能を向上させることが困難である。

特開２００３−１４８４５号公報 特開２００１−１６７３９９号公報

本発明は、上記の問題点を解決するものであり、その目的は、遠距離領域の計測であっても計測精度劣化が少なく、より遠距離まで計測可能な小型省電力の遠隔気流計測装置を提供することにある。加えて、航空機搭載用としての実用性向上のためにデータ更新周期の高速化を図ることを目的とする。

前記目的を達成するために請求項１に記載の光学式遠隔気流計測装置は、レーザ光を送信信号として大気中に放射（送信）して、該レーザ光の大気中のエアロゾルによるレーザ散乱光を受信信号として受信し、該送信信号と該受信信号との間のドップラーシフト量に基づき遠隔領域の気流の風速を計測する光学式遠隔気流計測装置において、
前記受信信号を時分割した時の単位データ（レンジビン）の長さを計測距離に応じて長く設定し、且つ、一のレンジビンを隣接する他のレンジビンに部分的に重複させながら前記受信信号のデータ処理を並列で行うことにより、距離方向の風速変化情報を細分化させることを特徴とする。
上記光学式遠隔気流計測装置では、送信したレーザ光を散乱させる大気中のエアロゾル数は、計測領域の空間の体積に比例して増加することに着目して、距離方向の計測領域に係る各レンジビンの長さを一定ではなく遠方ほど長くして、散乱させるエアロゾル数を増大させることにより、受信強度を増加させて遠方の計測精度劣化を防止し、有効計測範囲を拡大させる。ところで、距離方向の計測領域に係る各レンジビンの長さが長くなると、遠方領域の距離方向の風速変化情報が細分化されないという欠点がある。しかし、上記光学式遠隔気流計測装置では、受信信号を距離方向に時分割する計測領域に係る各レンジビンを、隣接する他のレンジビンに部分的に重ねることにより、距離方向の風速変化情報を細分化させることが可能となる。

請求項２に記載の光学式遠隔気流計測装置では、前記受信信号はパルス信号列の形態で受信するものであって、該パルス信号列を時分割した「部分パルス信号列」の分割幅を計測距離に応じて大きく設定し、且つ、一の「部分パルス信号列」を隣接する他の「部分パルス信号列」に部分的に重複させながら前記時分割された部分パルス列を積分するデータ処理を行うこととした。
上記光学式遠隔気流計測装置では、パルス信号列を時系列上で分割した「部分パルス信号列」の分割幅を計測距離に応じて大きく設定する、すなわち遠方の計測距離ほど受信パルスの積分数を多く設定する。これにより、信号対雑音比が増加して、遠方の計測精度が劣化しなくなる。一般に、受信パルスの積分数を多くすることは、計測データの更新周期を長くする。しかし、本発明の光学式遠隔気流計測装置では、一の部分パルス信号列を、隣接する他の部分パルス信号列に部分的に重複させデータ処理を行うことにより、足りないデータは隣接する他の部分パルス信号列から補填することができるため、計測データの更新周期を短縮することが可能となる。

請求項３に記載の光学式遠隔気流計測装置では、前記受信信号の信号強度が事前に設定された閾値より低く、ドップラーシフト量を特定するために必要な受信光の周波数成分のピーク値が複数存在する場合には、直前に計測されたピーク値に最も近いピーク値を真値とみなす処理を行うこととした。
上記光学式遠隔気流計測装置では、後述するように、航空機搭載用装置として計測データ表示のちらつき防止を優先させ、計測範囲制限ゲートを設けて、複数のピーク値の中から、ドップラーシフト量を特定するために必要な受信光の周波数成分のピーク値を特定する。

請求項４に記載の光学式遠隔気流計測装置では、受信信号を距離方向に時分割した計測領域ごとの受信光の信号強度が大きい場合には、レーザ光を送受信する光学望遠鏡の焦点距離を長くするように変化させて、計測が可能となる計測有効レンジを増大させることとした。
大気中のエアロゾル量が多いときには、一般的に受信光の信号強度が高くなる。したがって、上記光学式遠隔気流計測装置では、受信光の信号強度最大値が事前に設定された閾値より高い場合には、送受信レーザ光の光学望遠鏡の焦点距離を長くして、計測有効レンジを拡大させる。逆に大気中のエアロゾル量が少ないときには、一般的に受信光の信号強度が低くなる。したがって、上記光学式遠隔気流計測装置では、前記焦点距離よりも近傍の中間計測領域からの受信光の信号強度が低くて計測不能の場合には、前記焦点距離を短くすることにより、計測有効レンジを拡大させる。また、大気中のエアロゾル量が非常に少ない場合、受信光の信号強度がノイズレベルより低くなる。したがって、上記光学式遠隔気流計測装置では、全計測領域からの受信光の信号強度が低くて計測不能の場合には、前記焦点距離を短くすることにより、計測有効レンジを拡大させる。

請求項５に記載の光学式遠隔気流計測装置では、計測領域毎のノイズレベルに対するレーザ散乱光の信号強度から計測が可能である最大計測領域を判定する領域判定装置と、該最大計測領域に対応する前記光学望遠鏡の焦点距離を記憶する記録装置と、前記光学望遠鏡の焦点距離を変化させる駆動装置とを備えることとした。
上記光学式遠隔気流計測装置では、上記構成とすることにより、計測有効レンジを拡大させ、目的とする計測領域において、精度の高い計測データを得ることが可能となる。

ところで、本発明の光学式遠隔気流計測装置は、上述した通り、計測有効レンジを拡大させることが可能であり、更に遠方領域における計測精度の劣化が少なく、データ更新周期についても短くすることが可能である。
従って、上記光学式遠隔気流計測装置では、距離当たりの風速変化量を乱気流の程度をあらわす指標とすることにより、簡易的に且つ正確に乱気流を推定することが可能となる。

本発明の光学式遠隔気流計測装置は、従来のレーザ送信出力を増加させる方式または受光面積を増大させる方式には依らずに、それに代わり近距離領域の計測と遠距離領域の計測に対し、各々異なる観測条件を適用することにより、近距離領域の計測分解能あるいはデータ更新周期を低下させることなしに、計測レンジの拡大を実現しながら、同時に遠距離領域の計測精度劣化、計測分解能あるいはデータ更新周期の低下を防止することが可能となる。これにより、本光学式遠隔気流計測装置は、航空機に搭載可能な小型省電力の装置に構成することが可能となる。従って、パイロットが本光学式遠隔気流計測装置を使用することにより、飛行前方の乱気流を事前に検知し、危険を回避するための適切な措置を取ることが出来るようになる。従って、本光学式遠隔気流計測装置は、航空機の乱気流事故を防止することが好適に期待される。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の光学式遠隔気流計測装置としてのドップラーライダー１００を示す構成説明図である。
このドップラーライダー１００は、大気中に浮遊するエアロゾルに対しレーザ光を送信光として照射して、エアロゾルからのレーザ散乱光を受信光として受信する光学系１０と、その受信光と送信光との波長変化量（ドップラーシフト量）に基づいて風速を計測する本体２０とを具備して構成されている。

光学系１０は、送信光となる微弱なレーザ光（参照光）を発生する基準光源１と、その微弱なレーザ光を増幅して送信光とする光ファイバアンプ２と、光ファイバアンプ２を励起するポンプ光としてのレーザ光を発生する励起光源３と、送信光を遠方に放射すると共に遠方からの散乱光を集光する光学望遠鏡４とから成る。なお、送信光としては例えば波長1.5μm帯の近赤外線レーザ光を、励起光源としては高効率のレーザダイオードを各々使用することが可能である。また、上記ドップラーライダー１００のような、ファイバアンプ式のドップラーライダーは、小型、軽量、省電力、低電磁ノイズ、レイアウトの高い自由度、耐振動性、高い防塵性、加工容易性、液体冷却機構の省略等、枚挙に暇がない程の多項目にわたり航空機搭載用として優れた利点を備えている。

また、詳細については図１０を参照しながら後述するが、光学望遠鏡４は、計測領域（レンジ）の範囲が最も大きくなるよう、軸方向に伸縮可能なレンズ部と、得られた受信信号強度から最も広い計測領域を判定する領域判定装置と、「計測領域と焦点距離」に係るデータベースに基づいてその計測領域に対応する焦点距離を求める記録装置と、レンズ部を軸方向に駆動するレンズ駆動装置とを備えている。

本体２０は、レーザ散乱光を受信し参照光と合成しビート信号を出力する光受信機５と、そのビート信号を処理し機体前方の気流の風速を計測する信号処理器６と、風速の計測結果を表示する表示器７とから成る。なお、後述するように、信号処理器６は、光学望遠鏡４から計測領域に到る距離に応じて、受信信号の各レンジビン長を長く設定し、又は受信信号（パルス信号列）の積分数を距離に応じて多く設定し、遠距離に係る計測精度の劣化、距離分解能の低下あるいはデータ更新周期の伸長を防止している。

繰り返しとなるが、上記ドップラーライダー１００は、パルス状のレーザ光（送信光）を大気中に放射して、そのレーザ光の大気中でのレーザ散乱光（受信光）を受信することにより、ドップラー効果に基づき遠隔領域の風速を計測する装置である。受信光を時系列に分割することにより、距離方向の計測領域を特定して、同時に複数領域の風速を計測することが可能である。

送信したレーザ光を散乱させる大気中のエアロゾル数は、計測領域の空間の体積に比例して増加する。距離方向の計測領域に係る各レンジビンの長さを一定ではなく遠方ほど長くして、散乱させるエアロゾル数を増大させることにより、受信強度を増加させて遠方の計測精度劣化を防止する。距離方向の計測領域に係る各レンジビンが長くなることにより遠方領域の距離方向の風速変化情報が細分化されない欠点があるものの、受信強度の増加により最大計測距離が大きくなる。

距離方向の計測領域に係る各レンジビンの長さを長くしたことによる、距離方向の風速変化情報が細分化されない欠点を改善するためには、受信信号を距離方向に時分割する時の計測領域に係る各レンジビンを、隣接する計測領域に係るレンジビンに部分的に重ねることにより、距離方向の風速変化情報を細分化させることが可能である。

また、受信パルスの複数回積分は、有効な信号が重畳されるのに対して雑音は相殺されるため、信号対雑音比の向上に有効である。従来は計測距離にかかわらず一定数のパルスを積分していたが、遠方の計測領域ほど受信パルスの積分数を多くすることにより、遠方領域のデータ更新周期は長くなるものの、信号対雑音比を増加させて遠方の計測精度劣化を防止する。結果的に最大計測距離が大きくなる。

受信パルスの積分数を多くしたことによる、データ更新周期が長くなる欠点を改善するためには、積分する部分パルス列を時系列上で隣接する他の部分パルス列と部分的に重ねることにより、計測データの更新周期を短くすることが可能である。本信号処理方法により、パイロットの視覚上は風況表示の不連続変化が生じにくく、実用性が高いものとなる。

また、受信光の信号強度が事前に設定された閾値より低い場合であって、ドップラーシフト量を特定するために必要な受信光の周波数成分のピーク値が複数存在する場合には、直前に計測された有効なデータのピーク値に最も近い信号を真の値と見なして、計測データ表示のちらつきを防止する。

また、大気中のエアロゾル量が多いときには、一般的に受信光の信号強度が高くなる。したがって、受信光の信号強度最大値が事前に設定された閾値より高い場合には、送受信レーザ光の光学望遠鏡の焦点距離を長くして、計測有効レンジを拡大させる。逆に大気中のエアロゾル量が少ないときには、一般的に受信光の信号強度が低くなる。したがって、前記焦点距離よりも近傍の中間計測領域からの受信光の信号強度が低くて計測不能の場合には、前記焦点距離を短くすることにより、計測有効レンジを拡大させる。また、大気中のエアロゾル量が非常に少ない場合、受信光の信号強度がノイズレベルより低くなる。したがって全計測領域からの受信光の信号強度が低くて計測不能の場合には、前記焦点距離を短くすることにより、計測有効レンジを拡大させる。

また、乱気流を認識する計測領域はできるだけ小さく、且つ更新周期は短い方が、実用性は高い。このため一度に計測可能な距離毎に分割された計測領域において、視線方向に隣接する計測領域に於ける平均風速を比較して、距離当たりの風速変化量を乱気流の程度をあらわす指標とする。

図２は、ドップラーライダー１００の測定原理を示す説明図である。
上述した通り、航空機搭載用遠隔気流計測装置として使用するドップラーライダー１００は、光学系からパルス状のレーザ光を大気中に放射して、その送信光が大気とともに移動するエアロゾルに照射されて生ずる散乱光を前記光学系１０で受信する。送信光および受信光の波長を比較して、ドップラー効果によるレーザ光の波長変化量を測定することにより、遠隔領域の風速を算出する。また、受信光を時系列に分割したレンジビンを構成することにより、計測レンジを特定して、同時に複数領域の風速を計測することが可能である。一般的に信号強度が高いほど計測精度が高くなるが、遠距離からの受信光ほど信号強度が小さくなり、信号強度がノイズレベルを下回ると欠測となる。信号強度がノイズレベルを上回る領域が最大計測レンジである。また、一方、計測レンジが光学系の焦点距離に対して相当に近距離の場合も、集光効率が低下して受信光の信号強度が低下する。

図３は、本発明に係るレンジビンの構成例を示す説明図である。
上記ドップラーライダー１００では、距離方向の計測領域に係る各レンジビンの長さを計測距離に応じて長くなるように、受信信号の時分割が成される。従来のドップラーライダーでは、レンジビンの長さは計測距離にかかわらず一定であるが、図３に示すように、各レンジビンの長さを距離方向に一定ではなく遠方ほど長くすることにより、測定領域の空間の体積が遠方ほど大きくなり、送信光を散乱させるエアロゾル数が増大する。エアロゾル数の増大により受信光の信号強度が増加するために、最大計測レンジが大きくなる。ところで、一般に、距離方向の計測領域（又はレンジビン）が長くなることにより、遠方領域のレンジ分解能（距離分解能）は低下する。しかしながら、上記ドップラーライダー１００では、後述する図４に示される信号処理方法によって遠方領域のレンジ分解能を低下させることなく各レンジビン長を長く設定してデータ処理（信号処理）を行うことが可能である。

図４は、本発明に係るレンジ分解能の低下を防止する信号処理を示す説明図である。
遠方領域の各レンジビンの長さを長くすることによる、レンジ分解能が低下する欠点を改善するためには、図４に示すように、距離方向に時分割する各レンジビンを隣接する他のレンジビンに部分的に重ねてデータ処理を並列で行うことにより、距離方向の風速変化情報を細分化させる（レンジ分解能の低下を防止する）。この方式は近距離領域のレンジビン間隔（レンジ分解能）を向上させる点でも有効である。レンジビンを重ねる方法は、複数の信号処理回路により、重なる距離に相当する時間分だけ信号処理のタイミングをずらして並列処理を行うことにより実現される。宇宙航空研究開発機構（ＪＡＸＡ）が現在開発中の装置では、近距離領域のレンジビンの長さを１５０ｍとし、遠距離領域のレンジビンの長さを３００ｍとしている。５並列の信号処理ボードを用いて処理を行うため、レンジビン間隔（レンジ分解能）は近距離領域で３０ｍ、遠距離領域で６０ｍである。このため数１００ｍ以下の小規模の乱気流でも検知することができるようになる。これより小規模の乱気流については、高速度で飛行する機体の動揺が追従しないため航空機の安全運航には悪影響を及ぼさない。

風況をコクピットに表示させて利用するためには、データ更新周期を１秒程度以下にする必要があるが、遠方のデータについては航空機がその領域に到達するまでに時間的な余裕があるために、データ更新周期が長くなっても実用上問題がない。そこで、遠方の計測領域ほど受信パルスの積分数を多くすることにより、信号対雑音比を増加させて遠方領域の計測精度劣化を防止する。相対的にノイズレベルが低下するために最大計測レンジが大きくなる。ただし、受信パルスの積分数を多くすることにより、遠方領域のデータ更新周期は長くなる。しかしながら、上記ドップラーライダー１００では、後述する図５に示される信号処理方法によって遠方領域に係るデータ更新周期を低下させることなく受信パルスの積分数を多くしてデータ処理（信号処理）を行うことが可能である。

図５は、本発明に係る部分パルス列の構成例を示す説明図である。なお、比較例として、図５(a)に従来の部分パルス列の構成例についても併せて示した。
本発明に係る部分パルス列では、受信信号のパルス列を時分割することにより生成される部分パルス列が、隣接する他の部分パルス列同士が部分的に重複するように時分割されている。従って、このように時分割された部分パルス列を積分しデータ処理を行うことにより、積分するパルス数を増加させながらデータの更新周期を短くすることが可能となる。また、積分するパルス数を増加させるので、データの信号対雑音比が向上し、結果、精度の高い計測データを得ることが可能となる。

図５(b)に示すように、積分する一の部分パルス列を、時系列上で隣接する他の部分パルス列と部分的に重ねることにより、計測データの更新周期を短くし、その結果、データ更新周期が長くなる欠点を改善することが可能となる。上述した、レンジビンを重ねる方法（図４）は、１個のレーザパルスに対する信号処理であるため、極めて高い高速性が要求され、電子回路により実現する必要があるが、この部分パルス列の積分に関しては、近年の高性能計算機を用いれば、デジタル計算機で可能な処理である。例えば、レーザパルス信号列の周期が４０００Hzの場合、４０００回のパルス毎に積分してから計算処理するとデータ更新周期は１Hz（1秒）であるが、４００回のパルス毎に積分して計算機に送り、計算機上でその積分値を１０個積分したものを時系列上で１個ずつずらして生成することにより、データ更新周期は１０Hzとなる。操縦者にとって、表示がなめらかに変化することは状況の変化を認識しやすく、常に最新の情報が表示されることで、実用性が高いものとなる効果が期待できる。なお、遠方領域についてはこれより積分数を２〜１０倍程度多くする。

図６は、本発明に係る計測範囲制限ゲートを示す説明図である。
受信光の信号強度が低い場合には、計測値の信頼性は低いものとなる。そのような場合は有効な計測信号にノイズ成分が重畳されるため、通常ドップラーシフト量を特定するために必要な受信光の波長成分のピーク値が複数箇所で生ずる。このため受信光スペクトル分布のピーク値の波長から求められる風速データが、時間とともに頻繁に変化し、計測データ表示にちらつきが発生しやすい。したがって、受信光の信号強度が事前に設定されたノイズレベルの閾値より低い場合には、直前に計測された有効なデータのピーク値に、図６に示すような計測範囲制限ゲートを設定して、その範囲内のピーク値を真の値と見なして、計測データ表示のちらつきを防止する。この場合、実際の乱気流を見落とす可能性も否定できないが、あくまでも信頼性の低い計測領域のみでの処理であり、誤った乱気流情報によりむしろ危険性が増大することもあり得るので、航空機搭載用装置としては表示のちらつき防止を優先する。一方、受信光の信号強度が事前に設定されたノイズレベルの閾値より高い場合には、計測値の信頼性は高いので、受信光の波長成分に、たとえ複数のピーク値が存在したとしても、最大のピーク値を真の値として風速算出に利用する。なお、前回ピーク値からの許容範囲（一定値）としては、諸条件によって適正な値は異なるものの、例えば風速変化量５ｍ／ｓに相当する0.05pm（ピコメートル）である。（ここまでの説明は、わかりやすさの観点からパラメータとして「波長」を用いてきたが、現実の電子回路上は「周波数」が使われる。光の速度は一定なので、理屈としては同じことである。）

図７は、本発明に係る焦点距離を長くすることによる最大計測レンジの拡大方式を示す説明図である。
ドップラーライダーでは大気中のエアロゾル量が多いときには、一般的に受信光の信号強度が高くなる。大気中のエアロゾル量の変化は主に気象条件の変化によって生じ、平均的には数時間単位の緩やかな変化である。しかしながら航空機の場合、その移動速度と高度変化が大きいために数分単位での状況変化が生ずる。一方、１回の計測毎のばらつきも大きく、できるだけ長時間の平均値を求める必要がある。このため、受信光の信号強度最大値を１分間平均して、その値が事前に設定された閾値より高い場合には、送受信レーザ光の光学望遠鏡４の焦点距離を長くして、図７に示すように最大計測レンジを拡大させる。受信光の信号強度最大値が事前に設定された閾値より低い場合には、送受信レーザ光の光学望遠鏡４の焦点距離を短くする。ただし気象条件次第では焦点距離を非常に短くしても前記閾値に達しないことがあるため、本方式での焦点距離の最小値は３ｋｍ程度とする。

図８は、本発明に係る焦点距離を短くすることによる最大計測レンジの拡大方式を示す説明図である。
大気中のエアロゾル量が少ないときには、受信光の信号強度が低くなり、通常の気象条件を想定して設定される前記閾値に焦点距離にかかわらず達しないことがある。図８においてＡ点を焦点距離とした場合、Ａ点よりも近傍の中間計測領域からの受信光の信号強度がノイズレベルより低くて計測不能の場合には、光学望遠鏡４の焦点距離をＢ点まで短くすることにより、遠方および近傍両方の計測レンジを拡大させる。Ｂ点は信号強度がノイズレベルに一致する遠地点であり、Ａ点はそれより遠方の任意の点である。この場合においても、前項と同様の理由により１分間の平均値をもとに焦点距離の制御を行う。

図９は、本発明に係る焦点距離を短くすることによる計測レンジの発生方式を示す説明図である。
大気中のエアロゾル量が非常に少ないときには、受信光の信号強度が低くなり、ノイズレベルを超えないことがある。図９においてＡ点を焦点距離とした場合、すべての計測領域からの受信光の信号強度がノイズレベルより低くて計測不能の場合には、光学望遠鏡４の焦点距離をＢ点まで短くすることで受信光の信号強度を高めることにより、計測可能となるレンジを生じさせる。この場合においても、前項と同様の理由により１分間の平均値をもとに焦点距離の制御を行う。

図１０は、本発明のドップラーライダー１００の光学望遠鏡４を示す構成説明図である。
この光学望遠鏡４は、期待する計測レンジの領域（範囲）を可能な限り大きく確保するため、複数のレンズから成り軸方向に移動可能な伸縮機構を有するレンズ部４１と、受信した信号強度から最も広い計測領域（レンジ）を判定（算出）し、その値（判定結果）を記憶装置４３に伝達する領域判定装置４２と、領域判定装置４２から受け取った計測領域の値を、予め装置内部に保持する「計測領域と焦点距離」の対応データに照合し、合致する値又は近傍の値又は補間値に対応する焦点距離を抽出し、その値を「焦点距離に係る指令信号」として駆動装置４４に送信する記憶装置４３と、その「焦点距離に係る指令信号」に従いレンズ部４１の焦点距離を変化させるレンズ駆動装置４４とを具備して構成される。これにより、目的とする計測領域において、精度の高い計測データを得ることが可能となる。
なお、図示されてはいないが、領域判定装置４２は、「受信信号強度と最大計測レンジとの相関」に係るデータベースを有しており、そのデータベースに基づいて、受信信号強度から最大計測レンジを判定（算出）する。
以上のことを、計測を目的とする領域（各空域、各高度）において行うことで、適切なる焦点距離の調整が可能となる。

図１１は、本発明に係る乱気流の指標を示す説明図である。
乱気流を正確に認識するためには、広い領域内の気流ベクトルを詳細に調べることが最も確実である。しかしながら、高速で飛行中の航空機に搭載した装置では、短時間での乱気流の認識ができなければ、乱気流情報を事前に利用することができない。しかも、乱気流を認識する領域の分解能は数１００ｍ以下、更新周期は１秒程度以下であることが求められる。したがって、広い領域をスキャンして各部の気流ベクトルを展開して求めた上で乱気流を正確に認識するよりも、一度に計測可能な１方向の各レンジビンで簡易的に乱気流を推定し、スキャンによって広い範囲の乱気流情報を得る方が実用性が高い。図１１においてレンジビン１の中の平均風速をＷ１、レンジビン２の中の平均風速をＷ２、レンジビン１とレンジビン２との間隔をＤ１とし、（Ｗ２−Ｗ１）／Ｄ１の値を乱気流の程度をあらわす指標とする。このときレンジビンの長さは５０ｍから３００ｍ程度とし、１方向の計測時間は１秒程度とする。

以上の通り、本発明のドップラーライダー１００は、従来のレーザ送信出力を増加させる方式または受光面積を増大させる方式には依らずに、近距離領域の計測と遠距離領域の計測に対し、各々異なる観測条件を適用することにより、近距離領域の計測分解能あるいはデータ更新周期を低下させることなしに、計測レンジの更なる拡大（増大）を実現しながら、同時に遠距離領域の計測精度劣化、計測分解能あるいはデータ更新周期の低下を防止することが可能となる。これにより、本ドップラーライダー１００は、航空機に搭載可能な小型省電力の装置に構成することが可能となる。従って、パイロットが本ドップラーライダー１００を使用することにより、飛行前方の乱気流を事前に検知し、危険を回避するための適切な措置を取ることが出来るようになる。従って、本ドップラーライダー１００は、航空機の乱気流事故を防止することが好適に期待される。

本発明の光学式遠隔気流計測装置は、航空機の前方の乱気流を検知する危険回避手段または危険予知手段として好適に適用することが出来る。

本発明の光学式遠隔気流計測装置としてのドップラーライダーを示す構成説明図である。 ドップラーライダーの測定原理を示す説明図である。 本発明に係るレンジビンの構成例を示す説明図である。 本発明に係るレンジ分解能の低下を防止する信号処理を示す説明図である。 本発明に係る部分パルス列の構成例を示す説明図である。 本発明に係る計測範囲制限ゲートを示す説明図である。 本発明に係る焦点距離を長くすることによる最大計測レンジの拡大方式を示す説明図である。 本発明に係る焦点距離を短くすることによる最大計測レンジの拡大方式を示す説明図である。 本発明に係る焦点距離を短くすることによる計測レンジの発生方式を示す説明図である。 本発明のドップラーライダーの光学望遠鏡を示す構成説明図である。 本発明に係る乱気流の指標を示す説明図である。

符号の説明

１ 基準光源
２ 光ファイバアンプ
３ 励起光源
４ 光学望遠鏡
５ 光受信機
６ 信号処理器
７ 表示器
１００ ドップラーライダー

Claims (5)

1. レーザ光を送信信号として大気中に放射（送信）して、該レーザ光の大気中のエアロゾルによるレーザ散乱光を受信信号として受信し、該送信信号と該受信信号との間のドップラーシフト量に基づき遠隔領域の気流の風速を計測する光学式遠隔気流計測装置において、
   前記受信信号を時分割した時の単位データ（レンジビン）の長さを計測距離に応じて長く設定し、且つ、一のレンジビンを隣接する他のレンジビンに部分的に重複させながらデータ処理を並列で行うことにより、距離方向の風速変化情報を細分化させることを特徴とする光学式遠隔気流計測装置。
2. 前記受信信号はパルス信号列の形態で受信するものであって、該パルス信号列を時分割した「部分パルス信号列」の分割幅を計測距離に応じて大きく設定し、且つ、一の「部分パルス信号列」を隣接する他の「部分パルス信号列」に部分的に重複させながら前記時分割された部分パルス列を積分するデータ処理を行う請求項１に記載の光学式遠隔気流計測装置。
3. 前記受信信号の信号強度が事前に設定された閾値より低く、ドップラーシフト量を特定するために必要な受信光の周波数成分のピーク値が複数存在する場合には、直前に計測されたピーク値に最も近いピーク値を真値とみなす処理を行う請求項１又は２に記載の光学式遠隔気流計測装置。
4. 受信信号を距離方向に時分割した計測領域ごとの受信光の信号強度が大きい場合には、レーザ光を送受信する光学望遠鏡の焦点距離を長くするように変化させて、計測が可能となる計測有効レンジを増大させる請求項１から３の何れかに記載の光学式遠隔気流計測装置。
5. 計測領域毎のノイズレベルに対するレーザ散乱光の信号強度から計測が可能である最大計測領域を判定する領域判定装置と、該最大計測領域に対応する前記光学望遠鏡の焦点距離を記憶する記録装置と、前記光学望遠鏡の焦点距離を変化させる駆動装置とを備えた請求項４に記載の光学式遠隔気流計測装置。

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