JP6037295B2 - マルチライダーシステム - Google Patents

Description

本発明は、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、光のドップラー効果に基づき遠方の気流を計測するライダー技術、特に、二組以上のライダー装置を組み合わせて航空機に搭載し、乱気流事故防止に供するマルチライダーシステム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、非特許文献１を参照。)。なお、ライダー(LIDAR)とは、光を利用した遠隔観測手法で「Light Detection And Ranging」を略したものである。また、照射された光線が、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。

本ドップラーライダーを航空機の乱気流事故防止用として使用するには、飛行方向前方の乱気流情報をパイロット(ヒューマンパイロットまたはオートパイロット)に伝達して前記パイロットが回避飛行またはシートベルトサイン点灯などにより対処する方法、および搭載コンピューターに伝達して、自動的に舵面を制御することにより乱気流突入時の機体の動揺を低減する方法(例えば、非特許文献２を参照。)がある。前者の方法では充分な対処時間が必要なため長距離の計測が要求され、後者の方法では垂直と水平を含む二次元以上の気流ベクトル計測が要求される。

H.Inokuchi, H.Tanaka, and T.Ando, "Development of an Onboard Doppler LIDAR for Flight Safety," Journal of Aircraft, Vo1.46, No.4, PP.1411-1415, AIAA, July-August, 2009. 佐藤昌之・横山信宏・佐藤 淳、乱気流の事前情報を用いたロバストモデル予測制御によるGust Alleviation 制御、日本航空宇宙学会論文集、Vo1.57、No.9、2009年

このため、本発明者は先に「航空機搭載用乱気流事故防止装置」を提示した（特願２００９−２７７３７９号明細書「航空機搭載用乱気流事故防止装置」 平成２１年１２月７日出願）。この発明は、レーザ光を利用したドップラーライダー方式の光学式遠隔気流計測装置を用い、通常はレーザ放射方位を進行方向に固定して受信信号の積分時間を長く取って遠方の乱気流を検知できるよう(乱気流検知モード)にし、乱気流を検知したときにはレーザ放射方位を水平方向にスキャンすると共に画像表示を二次元表示に切り替えること(二次元表示モード)により、乱気流の平面分布を表示可能としたことを特徴とする。
また、本発明の乱気流事故防止方法は、上記構成に加え、乱気流域が回避できないと判断された場合には、レーザ放射方位を垂直方向にスキャンして気流の二次元ベクトルを計測し、舵面自動制御用に気流情報を出力すること(動揺低減モード)ができるようにしたものである。

しかし、前記乱気流検知モードでは、乱気流の平面分布がわからず回避飛行の判断には使用できない欠点があった。また、航空機搭載用に適している光アンプの現状技術では、レーザ出力の限界により有効距離の大幅な増加は望めない状況にある。一方、前記動揺低減モードでは、一般的に計測周期が短いほど動揺低減効果が高いことが知られているが、レーザ光の方位スキャン機構の使用により計測周期に機械的な限界があり、しかも計測周期を短くすると受信信号の積分時間が短くなるために計測精度が劣化するという欠点があった。

本発明の目的課題は、上記の問題点を解決するもの、すなわち従来のライダーシステムよりも広範囲の計測を可能とし、更には乱気流の突入時に使用する機体の動揺低減用気流情報を短い周期で計測する方法並びにその機能を備えた装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明のマルチライダーシステムは、レーザ光を利用したドップラーライダー方式の光学式遠隔気流計測装置を相対位置固定の関係で二組以上装備し、各装置から同波長のレーザを放射させると共に散乱光を各装置で受信する機能を備え、不具合に対する冗長性を向上させるとともに、各々の計測信号の積分量を増加させることにより信号対雑音比を向上させるものとした。
また、本発明のマルチライダーシステムは、各々の光学式遠隔気流計測装置における放射レーザの光軸指向方向を独立に走査させる機構を備えることにより、計測領域を左右方向または上下方向に広げることを可能とした。
更に、本発明のマルチライダーシステムは、各々の光学式遠隔気流計測装置における放射レーザの光軸指向方向を上下にずらした形態で同時にレーザ光を左右方向に走査して放射する機構を備えることにより、１回の計測機会で風速の上下方向成分を計測することを可能とした。

本発明のマルチライダーシステムは、パルス状の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、受信される該受信信号は、パルス光の積分回数に応じて信号対雑音比が改善することを勘案し、ドップラーライダーを多重化するものであるから、より遠方の気流監視が可能となった。この多重化により不具合時の冗長性が向上する効果も期待できる。
また、多重化したライダーによるレーザ放射を同一方向ではなく、各々の光軸を左右方向または上下方向に独立して指向させることにより、計測領域を広範囲とすることができ、乱気流域をより認識しやすくなる。
動揺低減制御に利用する機体前方気流の情報を得る場合、気流の鉛直面内の二次元ベクトル情報が必要となるが、上下二方向以上を同時に計測することにより、一軸をスキャンする方法よりも高速で気流情報を得ることができ、効果的な舵面制御を行なうことができる。

本発明のマルチライダーシステムは、ドップラーライダーを多重化することにより光軸が複数となることについては、通常の直線飛行中には各レーザ光放射方位を同方向とすることにより長距離計測を可能とすることができ、飛行方位変更を意図するときは、一方の装置の光軸を飛行予定方位近辺に指向させるようにして使用することが可能であり、また、高度変更を意図するときにも、一方の装置の光軸を飛行予定高度方向に指向させることが可能であるから、それぞれの所望に対応させることが出来る。また、上下二方向以上を同時に計測することにより、気流の二次元ベクトルを短時間に算出することができ、従前のオートパイロットの一機能である動揺低減舵面制御用にその計測気流データを活用することにより、機体の上下動揺を効果的に低減させることができる。以上のように、本発明のマルチライダーシステムは、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。
また、本発明のマルチライダーシステムは、上記の計測領域拡大または計測周期短縮を実現するものであると共に、システムをマルチ化したことにより不具合時の冗長性が増大する効果がある。

本発明のマルチライダーシステムを三組のドップラーライダー送受信部を用いて構成した例を示す構成図である。 レーザ放射方位を上下二方向とした場合の気流ベクトル算出原理を示す説明図である。 ドップラーライダーを二重化して航空機に搭載する例を示す説明図である。 二組のドップラーライダーにより分担する方位を独立してスキャンし、総合的な観測領域を拡大する方法を示す説明図である。 水平飛行中に高度変更を意図した場合に、水平方向と高度変更方向とを同時に観測する方法を示す説明図である。 小型で五組の送信系と、１個の受信望遠鏡で構成された、本発明による、マルチライダーシステムの構成例を示す説明図である。 光学系を五組装備して、スキャンすることなしに５方位を同時に観測することができることを示す説明図である。

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。図１は、本発明のマルチライダーシステムを三組のドップラーライダー送受信部を用いて構成した例を示す構成図である。
基準光源１で発生した微弱な単一波長レーザ光は、光アンプ２により増幅される。増幅されたレーザ光は光学望遠鏡３を通して大気中に放射されるが、スキャナ４により放射方位を変更することが可能である。大気中に放射された各々の光学望遠鏡３から放射された同じ波長のレーザ光は大気中に浮遊するエアロゾルで散乱され、戻ってきた光を各々の光学望遠鏡３で受信する。この受信光はエアロゾルの移動速度に応じてドップラー効果に基づく波長変化が生じているため、光受信機５では基準光源１からの参照光と受信光とを合成してうなり周波数を求める。このうなり周波数がドップラーシフトであり、光軸方向風速成分に比例した数値であるため、信号処理器６で風速を求めるとともにその変化量から乱気流の程度を算出する。検知した乱気流は表示器７に表示してパイロットが飛行中に監視できるようにする。以上は一般的なドップラーライダーの原理を説明したものであるが、光アンプ２、光学望遠鏡３、スキャナ４、光受信機５をそれぞれ三組とし、光学系20を構成することにより、以下に示す利点が生ずることになる。

まず、三組の光学望遠鏡３のレーザ放射方位が同一の場合、レーザ光の散乱強度が一組の場合の３倍となり、なおかつ受信光の積分数が３倍となるため、最大観測距離が延びることとなる。比較的経年劣化が進みやすい光アンプ２および光送受信機５や昆虫等のレンズヘの付着が考えられる光学望遠鏡３を複数個装備することにより、不具合に対する冗長性も増大する。
積分された信号の信号対雑音比Ｄは、一般に式１で表され、ＳＮＲはレーザ光の散乱強度に比例し、積分数Ｎと併せて信号対雑音比Ｄに大きく影響する。
Ｄ＝ＳＮＲ×√Ｎ …… [１]
ただし、
ＳＮＲ：受信信号１パルスの信号対雑音比
Ｎ：受信信号の積分数
すなわち、有効な信号は受信信号の積分により単純に加算されるが、不要なノイズは受信信号の積分により相殺されて小さくなるため、受信信号の積分により等価的に信号対雑音比が受信信号の積分数の平方根倍に向上したことを意味する。遠方の計測ほど信号強度が小さくなるというドップラーライダーの特性から、信号対雑音比が向上することにより結果的に計測有効距離が拡張され、乱気流を早めに検知することができるようになる。

次に、レーザ放射方位をスキャナ４によって独立に変化させる場合には、観測領域自体を広げることも可能であるし、これから飛行する領域をパイロットが意図的に監視することもできる。
レーザ放射方位を上下方向にずらした場合には、気流の前後方向および上下方向の成分、を１回の計測機会で求めることができる。光軸をスキャンする方法と比較すると短い周期で気流情報を更新することができ、機体の動揺を低減させるための舵面制御の入力として有効に活用することができる。この目的で使用する場合には、レーザ放射光軸を横方向に走査する必要はない。

レーザ放射方位を上下二方向とした場合の例を図２に示す。図２において、ドップラーライダーによる計測値はＷ１とＷ２であり、それぞれ以下の式で表される。
Ｗ１＝Ｗcos(α＋θ)
Ｗ２＝Ｗcos(α−θ) …… [２]
ただし、
Ｗ：気流ベクトル
Ｗ１:上向きライダーによる計測値
Ｗ２:下向きライダーによる計測値
α：気流ベクトルと機体軸とのなす角で、気流が安定している場合には迎角と一致する。
θ：計測中心方向と上向きライダーおよび下向きライダーがなす角
したがって、αは式３で求めることができる。
α＝(cos−１(Ｗ１/Ｗ)＋cos−１(Ｗ２/Ｗ))/２ …… [３]
Ｗは式４のいずれによっても求めることができ、実用上は両式の平均値を採用する。
Ｗ＝Ｗ１/cos(α＋θ)
Ｗ＝Ｗ２/cos(α−θ) …… [４]
以上のように求めたＷおよびαをオートパイロットの入力として活用する。

［実施例１］
宇宙航空研究開発機構(JAXA)が現在開発中のドップラーライダーでは、レーザパルスの周波数が４kHzであり、4000パルス、すなわち１秒間の受信光積分時間で１データを取得し、約９kmの計測レンジを目指している。ドップラーライダーを図３に示すように二重化した場合には、レーザ光の散乱強度が２倍となるために前記ＳＮＲが２倍となり、さらに積分回数Ｎが２倍となるため、式１で説明した信号対雑音比Ｄが約2.8倍となる。Ｄは、計測距離の２乗にほぼ反比例する性質があるため、この２重化の効果により有効計測距離が約1.7倍の15km程度となることが期待される。現時点の技術ではレーザ出力の増大が極めて困難なため、有効計測距離を延ばす抜本的な方法として期待できる。加えて、ドップラーライダーの１式に不具合があった場合でも、もう一方のドップラーライダーが使用できるため冗長性が向上する効果も期待できる。

［実施例２］
実施例１で述べたとおり、計測に１秒間の積分時間を要するとした場合、光学系の方位スキャン機能を付加した際に、片道スキャン時間を４秒間とすると方位分解能はスキャン角度の４分の１となる。スキャン角度を大きくすると方位分解能が低下し、片道スキャン時間を長くすると航空機の進行に対応できなくなり、積分時間を短くすると計測ノイズが増加する。したがって、図４に示すように二組のドップラーライダーにより分担する方位を独立してスキャンし、総合的な観測領域を拡大する。具体的な使用法としては、方位Ａへの直線飛行時は観測領域Ａを二組のドップラーライダーで監視し、飛行方位をＢに変更しようとした場合に一方のドップラーライダーで観測領域Ｂを監視し、乱気流の有無を確認する。
高度変更を予定している場合も同様であり、図５に示すように水平飛行中は水平面内の通常観測面を二組のドップラーライダーで監視し、飛行高度を下げようとした場合に一方のドップラーライダーを下方に向け、下方観測面を監視することにより、降下に先立ち低高度の乱気流の有無を確認する。上昇の場合も同様である。

［実施例３］
図６は小型で五組の送信系と、１個の受信望遠鏡で光学系20を構成する例を示す。送信系は送信望遠鏡８および光ファイバアンプで構成される。この例の場合、受信望遠鏡が１個であるため独立スキャンはできないが、有効計測距離と冗長性の増大効果が期待できる。なお、光ファイバアンプ(ＦＡ)はレーザ出力が低い欠点があるものの小型省電力の製品が生産されており、多重化しても低価格で実用化できる利点がある。さらに小型省電力で低価格のレーザダイオード(ＬＤ)を大量に使用することも考えられる。

［実施例４］
光学系20を五組装備した場合には、スキャンすることなしに図７のように５方位を同時に観測することができ、積分時間を長くしても方位分解能が低下しない。

［実施例５］
舵面制御の入力情報計測用として使用する場合には、500m程度前方の気流が計測できれば充分なため、乱気流域監視用と比較して受信光の積分時間を短くすることができる。
受信光の積分時間を0.1秒とすれば、10Hzの計測周期となるが、この計測周期であれば、乗り心地を改善するような細かい制御から、事故が生ずるような大きな揺れまでを低減させることが可能である。航空機が１〜２秒後に遭遇する気流を計測することにより、対気速度および迎角の変化の予測ができるので、その情報をＦＭＳ(フライトマネージメントシステム)に入力することにより、自動的に舵面を制御して機体の動揺を低減させるようにする。

ドップラーライダーは晴天時でも遠隔気流が計測できるという特長があるものの、有効レンジの短さが運航会社のパイロットから指摘されており、実用化の足かせとなっていた。しかし本発明の適用により、有効レンジが増大したり、計測周期が短縮したり、冗長性が増大したりするので、実用性の向上が見込まれる。地上設置型の装置にも適用可能であり、ドップラーライダー以外であっても、大気観測用ライダーにも適用できる。

１ 基準光源 ２ 光アンプ
３ 光学望遠鏡 ４ スキャナ
５ 光受信機 ６ 信号処理器
７ 表示器 ８ 送信望遠鏡
９ 受信望遠鏡 １０ 光送受信機
１１ 信号処理・制御・表示器 ２０ 光学系
１００ マルチライダーシステム ２００ 機体

Claims (6)

1. １つの航空機に搭載され、レーザ光を大気中に放射し、大気中に浮遊する微小なエアロゾル粒子によって散乱された散乱光を受信してドップラー効果による周波数変化量を測定することによって風速を測定するドップラーライダー方式の光学式遠隔気流計測を行うシステムであって、
   単一波長のレーザ光を発生する一つの基準光源と、
   前記基準光源で発生したレーザ光に基づく前記２つ以上のレーザ光を２つ以上の光アンプ及び各光アンプに接続された２つ以上の光学望遠鏡のそれぞれを介して同一の放射方位に放射し、戻ってきた光を前記２つ以上の光学望遠鏡及び各光学望遠鏡に接続された２つ以上の光受信機を介して受信し、それぞれを受信信号とする第１のモードを少なくとも有する放射・受信手段と、
   前記第１のモードでは、前記放射・受信手段からの各前記受信信号を積分し、積分後の受信信号から遠隔領域の風速を求める信号処理器と
   を具備するマルチライダーシステム。
2. 請求項１に記載のマルチライダーシステムであって、
   前記放射・受信手段より放射される２つ以上のレーザ光の各放射方位を独立に変化させるスキャナを更に有し、
   前記放射・受信手段は、前記基準光源で発生したレーザ光に基づく前記２つ以上のレーザ光を２つ以上の光アンプ及び各光アンプに接続された２つ以上の光学望遠鏡のそれぞれを介して、分担する方位に対して独立してスキャンさせて放射し、戻ってきた光を前記２つ以上の光学望遠鏡及び各光学望遠鏡に接続された２つ以上の光受信機を介して受信し、各前記光受信機では前記基準光源からの参照光と前記受信した光とを合成してうなり周波数を求める第２のモードを更に有し、
   前記信号処理器は、前記第２のモードでは、前記放射・受信手段からの各前記うなり周波数からスキャンした領域の気流を計測する
   マルチライダーシステム。
3. 請求項２に記載のマルチライダーシステムであって、
   直線飛行時は２つ以上のレーザ光で飛行方向の観測領域の気流を計測し、
   飛行方位を変更しようとした場合には、２つ以上のレーザ光のうち１つのレーザ光を変更しようとする方向に変え、この方向の観測領域の気流を計測して乱気流の有無を確認する
   マルチライダーシステム。
4. 請求項２又は３記載のマルチライダーシステムであって、
   水平飛行中は水平面内の観測領域を２つ以上のレーザ光で気流を計測し、
   飛行高度を下げようとした場合に、２つ以上のレーザ光のうち１つのレーザ光を下方に向け、下方の観測領域の気流を計測し、降下に先立ち低高度の乱気流の有無を確認し、一方、飛行高度を上げようとした場合に、２つ以上のレーザ光のうち１つのレーザ光を上方に向け、上方の観測領域の気流を計測し、上昇に先立ち高高度の乱気流の有無を確認する
   マルチライダーシステム。
5. 請求項１に記載のマルチライダーシステムであって、
   前記放射・受信手段より放射される１つのレーザ光を前記同一の放射方位より上又は下にずらした放射方位に放射させる手段を更に有し、
   前記放射・受信手段は、前記基準光源で発生したレーザ光に基づく前記２つ以上のレーザ光のうち１つのレーザ光を前記同一の放射方位より上又は下の放射方位にずらして光アンプ及び当該光アンプに接続された光学望遠鏡を介して放射し、
   残りのレーザ光を、光アンプ及び当該光アンプに接続された光学望遠鏡を介して前記同一の放射方向に放射し、
   戻ってきた光を前記２つ以上の光学望遠鏡及び各光学望遠鏡に接続された２つ以上の光受信機を介して受信し、各前記光受信機では前記基準光源からの参照光と前記受信した光とを合成してうなり周波数を求める第３のモードを更に有し、
   前記信号処理器は、前記第３のモードでは、前記放射・受信手段からの各前記うなり周波数から気流の上又は下方向の成分を前記同一の放射方位の成分とともに１回の計測機会で計測し、
   該計測結果をオートパイロットの動揺低減舵面制御用に用いる
   マルチライダーシステム。
6. 請求項１に記載のマルチライダーシステムであって、
   前記信号処理器は、前記求めた遠隔領域の風速の変化量から乱気流の程度を算出する
   マルチライダーシステム。

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