JP5881099B2 - 光学式遠隔気流計測装置の有色ノイズ低減方法とその装置 - Google Patents
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Description
また、本発明に係る光学式遠隔気流計測装置の有色ノイズ低減方法の1形態では、散乱光の信号強度がほとんどない前記晴天下において気流計測可能な領域の最遠方以遠の領域として、計測距離間のS/Nの変動量を算出し、該変動量が設定した閾値より小さい領域を有色ノイズの計測領域に設定するようにした。
また、本発明に係る光学式遠隔気流計測装置の有色ノイズ低減方法の他の形態では、雲などの大気浮遊物の存在により遠方での信号強度が高くなる場合を考慮して、散乱光の信号強度がほとんどない前記晴天下において気流計測可能な領域の最遠方以遠の領域として、該晴天下において気流計測可能な領域の最遠方に連続した領域ではなく、有色ノイズ計測の専用領域として前記連続した領域から隔離された前記大気浮遊物からの信号も受信しない遠方領域に設定するものとした。
また、本発明に係る光学式遠隔気流計測装置の有色ノイズ低減方法の更なる形態では、晴天下において気流計測可能な領域の最遠方以遠の領域であっても、気象条件に応じて一時的に信号強度が高くなった場合には、その直前回に計測した有色ノイズを無信号データとして用いるものとした。
更に、変動する飛行速度に相当するドップラー周波数を、前記受信信号から順次差し引くようにして、オフセット速度を観測中に変更することが可能とした。
本発明装置の有色ノイズ低減方法が航空機に採用されることによって、パイロットが飛行前方の乱気流を事前に余裕を持って容易かつ確実に検知し、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、航空機の乱気流事故を防止することが好適に期待でき、空の安全性を高めることに大きな貢献ができる。
本発明の他の実施形態である光学式遠隔気流計測装置の有色ノイズ低減方法では、晴天下では散乱光の信号強度がほとんどない遠方計測領域として、連続した観測領域の最遠方ではなく、有色ノイズ観測の専用領域として通常の観測領域よりも遠方に設定することとしたため、レンジ分解能を高めて近距離に重点を置いて観測する場合でも確実に有色ノイズを低減することができる。
更に、本発明の光学式遠隔気流計測装置の有色ノイズ低減方法は、変動する飛行速度に相当するドップラー周波数を、前記受信信号から順次差し引くようにしたことにより、オフセット速度を観測中に変更することが可能となるので、広い範囲の飛行速度に対応して適正レンジで風速を精度よく計測することが出来る。
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の基本構成をを示す図である。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計測器本体20とからブロック構成されている。
このようなドップラーライダー100において送信光については、光線が収束されているために空間伝搬損失は少ないが、該受信光は散乱光が拡散するために距離の2乗にほぼ反比例して受信強度が低下する。このため遠方領域の計測では内部ノイズ成分の比率が卓越し、不正な計測値が増加することとなる。また近距離であっても特異な大気状態により一時的に受信強度が低下するという現象が生じることもある。
式(3)より、平均風速v(m)を以下のようにして算出する。
また、本発明の光学式遠隔気流計測装置は、図2に示したように、受信した散乱光パワースペクトル毎にノイズ分布の推定を行い観測信号からその推定されたノイズ分布を差し引く手法であるため、オフセット速度を観測中に変更することが可能となり、広い範囲の飛行速度に対応することができるようになる。なお、ノイズ分布の時間的な変動が小さい場合は、ノイズ分布の推定間隔を受信した散乱光パワースペクトル毎ではなく、ある一定間隔で行うようにすることにより、演算量を低減することも可能である。
図6から、飛行している所々に風速の変化している領域が確認でき、その領域が時間の経過とともに機体に近づいてくる様子が確認できる。通常、計測距離が大きくなるに従ってS/Nが低下するため、遠方の計測領域では計測結果の信頼性が低いと判定された黒色の表示が多くなるが、図6(a)のノイズ除去前の評価結果では、有色ノイズを信号と判定し、かつ、そのレベルが7dB以上となっているため、乱気流強度の誤った計測が多数発生している。一方、図6(b)のノイズ除去後の評価結果では、本発明による有色ノイズの推定/除去により誤った計測の原因となっている有色ノイズが効果的に除去できているため遠方の計測領域における計測結果の信頼性が低い領域は黒色の表示となり、その結果、正しく計測された信頼できる計測結果のみが表示されるようになり、有色ノイズによる計測結果の信頼性低下が低減されているのがわかる。なお、ごく近距離の計測については、送信信号の装置内部における回り込みが発生しているため、正しい計測値ではない。
レンジビン番号mをM-1、M-2、…としてこの変動量D(m)を順次計算し、この変動量がある設定した閾値DthをDcnt回連続して超えた時点でのレンジビン番号Xに対して雑音位置オフセット量Nofstを加えたレンジビン番号を有色ノイズ推定の開始レンジビンとする。なお、この雑音位置オフセット量Nofstは、ノイズ除去をしていない場合の受信レベルの変化点には信号成分が含まれている可能性があるため、信号成分が除去されないように有色ノイズ推定の開始位置を補正するものである。すなわち、有色ノイズの推定を行うレンジビン範囲は(X+Nofst)〜M-1となる。この場合の雑音のパワースペクトルNave(n)(n=0〜N-1)は以下のように算出される。
図10から、全レンジビン数M=50に対して有色ノイズ推定範囲を固定(L=16)とした場合は、計測距離が10kmを超える付近から有色ノイズだけでなく信号成分を除去してしまうことによる計測距離の低下が見られるが、有色ノイズ推定範囲を可変とした場合は、例えば90〜150秒付近で10kmを超える計測距離が確認できる。また、図11から、信号成分の除去がなく有色ノイズの推定誤差も小さい全レンジビン数M=80に対するL=16の特性と比較して、M=50に対するL=16の特性は計測距離10〜13km付近でS/Nが約1dB低下しているが、Lが可変の特性はS/Nの低下があまり見られず、信号成分の除去による計測距離の低下が低減されているのがわかる。
このように、信号成分がほとんどない雑音成分のみの領域を判定してその領域を有効に利用し有色ノイズの推定を行うため、効果的に有色ノイズを除去できるようになる。
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 10 光学系
20 計測器本体
100 ドップラーライダー
Claims (6)
- 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周波数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、晴天下において気流計測可能な領域の最遠方以遠の領域では散乱光の信号強度がほとんどないとみなし、その晴天下において気流計測可能な領域の最遠方以遠の領域においてある周波数間隔で分割されたドップラービン毎に複数のレンジビンデータの平均値を算出する信号強度の平均化処理を行って有色ノイズ分布を算出し、該有色ノイズ分布をある距離間隔で分割された領域の信号強度分布のすべてに対して該ドップラー周波数成分毎に減算処理を行うことを特徴とする光学式遠隔気流計測装置の有色ノイズ低減方法。
- 前記晴天下において気流計測可能な領域の最遠方以遠の散乱光の信号強度がほとんどない領域として、計測距離間のS/Nの変動量を算出し、該変動量が設定した閾値より小さい領域を有色ノイズの計測領域に設定することを特徴とする請求項1に記載の光学式遠隔気流計測装置の有色ノイズ低減方法。
- 前記晴天下において気流計測可能な領域の最遠方以遠の散乱光の信号強度がほとんどない領域として、雲などの大気浮遊物の存在により遠方での信号強度が高くなる場合を考慮して、該晴天下において気流計測可能な領域の最遠方に連続した領域ではなく、有色ノイズ計測の専用領域として前記連続した領域から隔離された前記大気浮遊物からの信号も受信しない遠方領域に設定することを特徴とする請求項1に記載の光学式遠隔気流計測装置の有色ノイズ低減方法。
- 晴天下において気流計測可能な領域の最遠方以遠の領域であっても、気象条件に応じて一時的に信号強度が高くなった場合には、その直前回に計測した有色ノイズを無信号データとして用いることを特徴とする請求項1乃至請求項3に記載の光学式遠隔気流計測装置の有色ノイズ低減方法。
- 変動する飛行速度に相当するドップラー周波数を、前記受信信号から順次差し引くようにして、オフセット速度を観測中に変更することが可能としたことを特徴とする請求項1乃至請求項4に記載の光学式遠隔気流計測装置の有色ノイズ低減方法。
- 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周波数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であって、晴天下では散乱光の信号強度がほとんどないとみなし得る気流計測可能な領域の最遠方以遠の領域においてある周波数間隔で分割されたドップラービン毎に複数のレンジビンデータの平均値を算出する信号強度の平均化処理を行ってノイズ分布を算出する手段と、観測された散乱光スペクトルに対して前記ノイズ分布を用い、前記ドップラー周波数成分毎に減算処理を行う手段とを備えたものである、請求項1に記載の有色ノイズ低減方法を実施する光学式遠隔気流計測装置。
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