JPH01301171A

JPH01301171A - 空気データの光学的測定装置

Info

Publication number: JPH01301171A
Application number: JP1098617A
Authority: JP
Inventors: Philip L Rogers; フイリップ　ルイズ　ロジャーズ
Original assignee: Lockheed Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1981-12-08
Filing date: 1989-04-18
Publication date: 1989-12-05
Also published as: CA1209230A; EP0227911A2; EP0083162A1; DE3279005D1; EP0083162B1; EP0227911A3

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、−船釣には空気データ測定装置に関し、特に
空気データの光学的測定￥！ｉ置であって、遠くのサン
プル位置に存在するエーロゾル粒子（液体又は固体の超
微粒粉体が気体中に分散したものを言う）の速度をそれ
らのエーロゾル粒子によって装置の方へ散乱返送される
放射線の関数として測定する目的で、サンプル位置に３
次元縞パターンを作り出ずど共に、密度、圧力、気圧高
度の巾の少なくとも１つなどの他の関連のある空気デー
タパラメータを測定するために、サンプル位置に存在す
る１つまたはそれ以上の特定の種類の空気分子に螢光を
誘発するようにされている空気データの光学的測定装置
に関する。

背景技術航空機などの運動物体と、その航空機が内部を飛行する
自由空気流との間の、対気速度を測定するためには、長
い間、機械的装置により、空気流に面Ｊる第１定面積に
、運動する空気流から作用する動圧と、その第１の所定
面に対してほぼ垂直な第２の所定面に作用する静圧とを
比較す・る方法が用いられてきた。通常、そのような従
来技術の装置においては、ピトー管、空気管、および圧
カドランスジューサが用いられているが、それらは外部
環境にさらされて校正変化によって起こる性能の劣化を
生じるだけでなく、偶然の手放による破損でひどい故障
を起こすことがある。さらに、そのような従来技術の空
気速度測定装置は空気流中へ物理的に突出しているため
に、抵抗を生じるという欠点を有する。

大気は、０．１ないし１０μ■の程度の直径をもった多
くの自然発生のエーロゾルを含有している。そのような
エーロゾルの例としては、人気中に自然に存在する花粉
およびほこりがある。これらのエーロゾルは、これらが
含有されている大気の運動に伴って運！＋するので、こ
れらの粒子の運動を観測すれば、周囲の空気流の速度を
測定することができる。

従って、光学的技術は風の測定にも利用されてきた。そ
の技術の１つは、散乱日光を光源として利用し、交差す
る視野をもった２つの放射線計測器を相互に相関させる
ものである。それは、煙突から出る煙の流れなどの局地
的な流れに対しては満足すべき結果を与える。もつと精
巧な種類の光学的装置としては、運動流体内の粒子によ
って散乱された光におけるドツプラー変移を測定するこ
とによって、装置の光軸に沿った速度を測定するものが
ある。

また、いわゆる干渉縞形レーザ速度計も使用されてきた
が、これは２つの交差するコヒーレントレーザ光ビーム
によって作り出される層をなす干渉縞パターン内を通る
エーロゾル粒子の運動を検出することによって、装置の
視線を横切る方向の速度成分を測定するものである。こ
の装置は、比較的近距離において特に正確であることが
わかっている。

もう１つの光学的方法は、５Ａ置の視線を横すＪつで風
と共に移動する屈折率変動に基づくしので、そのような
変動は、分離された送信源と受信装置とを有するいわゆ
る双端装置（ｄｏｕｂｌｅ−ｅｎｄｅｄｓｙｓｔｅｍ　
）によって検出される。

もし、風の３次元相対速度を測定する必要がある場合に
は、理論的には、空間の同じ領域に向かう相互に直交し
た軸をもった３つの別々のシステムを用いれば十分であ
る。しかし、実際には、このような配置は正しい方向の
保持が極めて困難で、装置の構成経費も多くなる。

単一レーザからの２つの主要色光を同時に利用して、同
一検出領域内に２つの相互に直交する箱面の組であって
、しかも相互に容易に識別しつる箱面の組を形成し、そ
れによって速度測定装置の光軸に垂直な平面内における
２つの直交する速度成分を測定する方法も提案されてい
る。これに代わる方法として、偏光または音響−光学的
変調器による変調を利用して、前記２成分に対応する信
号の識別を行々つでもよい。また、２つの異なった種類
の速度測定装置を同じシステム内で組合せて用い、２つ
の直交速度成分を同時に測定すること、すなわちシステ
ムの主軸に平行な成分をドツプラー法により、またそれ
に直角な成分を干渉縞法によって同時に測定することも
提案されている。

これらの２成分技術を用いれば、３つの直交速度成分を
同時に測定することも理論的に可能である（１成分はド
ツプラー法により、他の２成分は干渉縞法によって測定
される）。

地球の大気圧の高度変化を感知しうる機械的装置によっ
て、高度の変化を測定することも長い間−船釣に行なわ
れてきた。従って、通常航空機には１つまたはそれ以上
の静圧取入口を設け、外部の空気圧が航空機内に備えら
れている圧力測定ダイヤフラムに作用するようにしであ
る。しかし、結氷、気流および乱流、および空気圧縮効
果によって圧力取入口の領域に生じる空気流の乱れから
起こるか、または、航空ゐの姿勢の変化によって生じる
圧力取入口の空気流に対する向きの変化から起こる、か
なりの不正確さを伴う。

気体の圧力は、その密度および温度に１次的に関係する
という公知の法則があるので、ある高度における空気圧
を、空気の密度および温度のような空気の他の物理量の
測定に基づいて計算し、その計算された圧力を用いて気
圧高１女を決定することも可能である。

また、距離ゲート回路をもった高出力のパルスレーザ送
信器および受信器を用いて、大気中の所定領域からの螢
光またはラーマン散乱返送信号をを観測し、それによっ
てその領域内の各種の分子の成分の濃度、特にＮ０１Ｎ
Ｏ、Ｃ０１Ｓ０２０）および０３　（Ｍ化窒素、二酸化
窒素、−酸化炭素、二酸化イオウ、およびオゾン）など
の汚染物質の濃度を決定することも提案されている。

しかし、全体的に見ると、公知の従来技術においては、
３次元測定を行なうための小形の放射線干渉墳形速度測
定装置を構成するのに、上述の光学的技術および他の関
連技術をどのように利用すべきかが教示または示唆され
ていない。逆に、公知の従来技術においては、少なくと
も１つの速度成分、すなわち、速度測定装置の主軸に平
行な成分は、前述のドツプラー法によって測定すべきで
あることを示唆しているが、この方法においては、放射
線が速度測定装置の方へ散乱返送された後においてもコ
ヒーレント性を保持し、その散乱放射線は、速度測定装
置において、さらに対象物体に投）Ｊされた放射線と周
波数およびコヒーレンスにおいて関連した参照放射線源
からの非散乱光と組合わされるべきことが要求されるの
で、結局コヒーレントな放射線源であってしかもそのコ
ヒーレンスが比較的長い距離にわたって維持されうるよ
うな放ｒＪ４線源が必要になる。しかし、そのような基
準を満足する公知の装置は比較的長い波長をもったＣ０
２レーザを用いたものであり、それは地球の大気中に自
然に見出される比較的小さいエーロゾル粒子に対しては
最適のものではない。

さらに、公知の従来技術においては、単一の送信／受信
レンズ窓を使用して単一の検出領域内に放射線を収束さ
せ、その検出領域は、３組の箱面であって、それら３組
の幅面の３つの法線ベクトルのいずれの２つも互いに同
一平面上になくかつ直交していないし、また同時に、そ
れらの３つの法線ベクトルのそれぞれは装置の主軸の方
向のかなりの成分と主軸に直角な横方向の成分とを有す
るように、相互間の方向をもった前記３組の幅面を含み
、それによってＳＮ比のかなりの改善を行なうことは、
まだ教示も示唆もされていない。

また、公知の従来技術においては、螢光放出、特に螢光
のエネルギー源よりの供給が中断された時の螢光放出の
減衰特性を利用して、特定の種類の分子の相対密度など
の空気データパラメータを計算し、あるいは、もし螢光
放出性分子が大気中に既知の百分率だけ存在している場
合ならば、測定が行なわれている高度における大気の密
度、圧力、および気圧高度を計算する方法は、まだ教示
又は示唆されていない。

さらに、全体的に見て、公知の従来技術においては、航
空機の運航にとって重要な空気データ（真の空気速度、
横滑り、向かい角、空気密度、空気圧、気圧高度などの
空気データの少なくとも１つ）の測定を、ピトー管、圧
力取入口、その他の気流中への突出装置を全く用いない
で、正確で信頼性のある測定＠置により簡単にかつ信頼
性をもって行なうことができる方法は、まだ教示又は示
唆されていない。

さらに、公知の従来技術においては、測定が空気の圧縮
効果および空気流の乱れから起こる、必ずしも完全には
補償しえない種類の系統的誤差を生じないように、航空
機または航空機に対する物理的付属物から十分に遠いサ
ンプル位置において空気データを測定するための信頼性
のある方法はまだ教示又は示唆されていない。

発明の要約２つの新しい光学的装置、すなわち、３次元の測定を行
なうための放射線干渉墳形速度測定装置と、選択された
空気分子に螢光を誘発させることによって空気密度にＩ
！Ｉ連するパラメータを測定するための装置とが、単一
の装置を構成するように組合わされた本発明装置におい
ては、航空機の運航に関蓮する各種の重要なパラメータ
を、航空機（または航空機へのなんらかの付属物）から
十分離れたサンプル位置において純粋に光学的な技術に
よって測定できることにより、その測定は、空気の圧縮
効果および空気流の乱れから生じる誤差のような系統的
誤差を生じることはなく、更に、測定が行なわれる空気
流内ヘビトー管、圧力取入口、または他の類似の機械的
装置を突出させる必要はない。

上述の組合せ装置は、レーザまたは他の適宜の放射線源
（または放射線源群）と、そのレーザからの放射線を１
つのサンプル領域に向けて投射してサンプル位置に線形
独立な放射線干渉縞の組を形成し、また該放射線をサン
プル位置に収束させることにより、選択された空気分子
に螢光を放出させるだめの光学装置とを備えている。同
装置はまた、サンプル領域から返送される散乱放射線お
よび放出螢光を、１つまたはそれ以」二の光検出器上へ
収束させるための光学的受信装置をも備えている。

１つの実施例においては、縞パターンを形成する放射線
は、単一レーザから発生し、その出カスベクトル成分は
、放射線のかなりの部分が航空機の運航高度において通
常遭遇する種類のエーロゾル粒子による返送散乱を生じ
るようになっているだけではなく、同時に、地球大気の
既知の百分率を占める特定の分子（窒素（Ｎ２）が最も
一般的に用いられる）がかなりの螢光放出を生じるよう
にもなっている。

第２の実施例においては、２つの放射線源が用いられ、
縞パターンを形成するのに用いられる放射線のスペクト
ル成分は、空気分子に螢光を放出させるのに用いられる
放射線のスペクトル成分とは異なっている。しかし、ダ
イクロイックビーム分割器などを用いれば、両放銅線源
からの放射線は外部自由空気流内の同一サンプル領域に
至る共通の経路に沿って送ることができ、従って、共通
の受信用光学素子を両装置の一部として使用することが
できる。

放射線干渉縞を作り出すためと、空気分子に螢光を放出
させるためとの双方に、同一の放射線源を用いるか否か
に拘わらず、速度情報を含む返送散乱放射線のスペクト
ル成分と、密度（圧力）情報を含む放出螢光のスペクト
ル成分とは異なっている。この場合、２′つの別個の光
検出器のそれぞれに適宜の光学的フィルタを備えること
により、一方の光検出器の出力は選択された空気分子か
ら生じた現在の螢光強度（従って、空気の圧力および密
度）を示し、他方の光検出器の出力はエーロゾル粒子の
サンプル領域に対する運動から生じた返送散乱放射線の
変化する強度（従って空気速度等）を示すようにする。

オン状態とオフ状態との間で高速にスイッチできる放射
線源（Ｑスイッチレーザなと）を使用すれば、返送散乱
放射線おにび再放出螢光の双方に応答する単一の光検出
器を利用することができる。

そのわけは、返送散乱放射線は放射線の投射がオフ状態
にされると直ちになくなるが、放出螢光は指数関数的に
減衰して行くからである。

発明の履良の実施態様第１図には、超音速航空機１０の丘に設置された、本発
明の例示の実施例が示されている。サンプル領域１２は
、送信用光学装置の焦点におけるレーザビーム１４の交
差によって画定され、航空機１０の最も近い表面１６か
らある距離だけ離れた位置にあるので、サンプル領域１
２は、事実上超音速衝撃波１８によって乱されない空気
流部分内に存在する。

第１図に示されているように、受信用光学装置２０から
の出力は、好ましくはデータプロセッサ２２による処理
の後に、計器２４に表示され、また航空機のアビオニク
ス２６によって利用される。

データブロレツサ２２はさらに、通常の温度感知装置２
８から供給される温度信号をもう１つの入力として受け
る。、（温度値は気体の圧力をその密度から計算する際
に必要になる。）この装置は、要するに、誘発された螢光の変化を利用し
て空気塊の密度を光学的に測定し、散乱粒子が干渉縞と
相対的に移ｖＪする時の返送散乱放射線の変化を利用１
ノで空気の速度を光学的に測定する。

空気密度（Ｄ）は、静的温度（Ｔｓ）と組合わされて、
次式のように気圧高度（１つＳ）を決定するのに用いら
れる。

Ｐｓ＝Ｑ−Ｒ−Ｔｓここで、Ｒは理想気体の気体定数である。静的温度（Ｔ
ｓ）は、全温度（Ｔｔ）およびマツハ数（Ｍ）と、次式
のような関係にある。

Ｔ　ｓ　＝　Ｔ　ｔ・（１＋０．２Ｍ２）”’一定の時
間間隔でエネルギー源の供給を中断した場合（これは通
常好適である）には、螢光強度は指数関数的に減衰し、
もし螢光強度を相異なる２つの時刻し　およびｔ２にお
いＣ測定すれば、減衰１まによって表わされる。ただし、ここで、しは、平均螢光
寿命であり、平均分子衝突時間、従って気体の密度に関
係している。第２図には、強度（１）と時間（１）との
間における、そのような指数関数的関係がグラフとして
示されている。これによれば、エネルギー源の供給が時
刻Ｔ、ｏにおいて中断された後の、等しい時間間隔（例
えば（１，、−ｔｌ））毎に強度が順次一定べき数によ
り減少することがわかる。

このことは、螢光の減衰機構、例えばＳｔｅｒｎ−Ｖｏ
１ｍｃｒ橢構を考察することによって説明できる。

分子Ｍが放射線源によって状態Ｍ　へ励起された場合を
考えてみる。螢光の発生、Ｍまたはある他の分子Ａの衝
突による不活性化、および光分解が、そ札によりＭ＊が
緩和するための唯一の過程であると仮定する。これらの
過程は、次のように表わされる。

＊（ｋｌ）Ｍ　−一→ｈ　＋　Ｍここで、ｋ、に２０）およびに３は、示された過程に対
する反応速度定数であり、寿命しはこれらの速度定数（
二関係している。

人気の測定の場合には、第３の過程である光分解は重要
ではないと考えられる。

衝突率定数は、励起された分子と、存在する全ての他の
分子との間の単なる平均衝突率である。

分子Ｍが他の分子（Ｍまたは△）に衝突する際の衝突断
面積を５１算することにより、衝突率は次式によって与
えられることが示される。

・（−＝−＝−＞ｍ″ＨＡここで、ｎ、ｎ八は種類がＭおにびへである分子のＲυ
数密度であり、ｄＨ八は分子ＭおよびＡの平均直径であ
り、ｋはボルツマン定数、””ＨＡは分子Ｍおよびへの
換緯質伍、ＹはＭ’−Ａの場合は１、Ｍ−Δの場合は２
となる対称因子である。個数密度は、ＭおよびＡの質量
を乗ずれば、関心のある吊である買置密度に変換される
。

このようにして、相異なる２つの時刻における放出螢光
の強度を測定すれば、平均螢光寿命を決定することがで
き、そうすれば平均寿命と上記の３１算による衝突率と
の間の関係から密度を計算することができる。

上述の技術はいくつかの利点をもっているが、その中に
は、低高度（高密度、高気圧）における短寿命の放出螢
光に対する感度、および相対強度のみが用いられている
ため、絶対強度測定のための光検出ムの校正が必要でな
いこととが含まれている。

次に第３図には、本発明の光学装置２０の第１実施例が
示されている。この光学装置は、単一周波数のコヒーレ
ント放射（例えば、甲−線モードで動作するレーザから
発生する１次光ビーム３４）の高強度光′１Ｑ３２と、
第１の複数の放射ビームを発生させるためのビーム分割
装置３６と、該第１の複数のビームからそれぞれが識別
特性をもった第２の複数のビームを発生させるための変
ｉｌｉ装置３８と、別々に識別しうる３組の直交せず線
形独立な３次元箱面パターンを形成するための送信／受
信レンズ４０ど、光検出器４２とを備えている。

図示の実施例の場合にはレーザ３２から発生したコヒー
レン１−な単一周波数の光ビームである１次光ビーム３
４は分割されて、ビームの約３０％が第１の２次ビーム
４４として、また３５％が第２の２次ビーム４６として
、また残りの３５％が第３の２次ビーム４８として、そ
れぞれ送信される。従って、２次ビーム４４．４６．４
８は、実質的に等しい強度を有し、相互にほぼ平行に、
かつ中心軸５０の周囲にほぼ等しい角度間隔で、かつ中
心軸５０からほぼ等しい半径方向距離の所に、配置され
ている。これらの２次ビーム４４．４６．４８は、音響
−光学的セルの変調用アレイである変調装置３８に向か
い、次式によりきまるいわゆる「ブラッグ角」Ｂで入射
する。

Ｂ＝ｓｔｎ”（λ／２Ｓ）ただし、λは入射ビームの波長であり、Ｓはセル内にお
ける音波の波長である。図示の実流例における第１、第
２０）第３の２次光ビーム４４．４６．４８は共通の光
源から発生するために同一の周波数および波長を有する
ので、変調装置３８の音響−光学的変調セルのおのおの
と関連したブラッグ角は、選択された特定のそれぞれの
変調周波数のみに依存することがわかる。おのおののセ
ルの中の偏向媒質中の音波は、その媒質内の音速で移動
し、音波の波長に等しい格子間隔を有する位相回折格子
を形成する。入射ビームはセルにブラッグ角で入るので
、ビームのほとんどがセルの出口側から１次の回折ビー
ムとして回折するが、その１次回折ビームは入射ビーム
から角２Ｂだけ偏向している。この偏向ビームは、移動
して行く音波の波面に対する運動によって起こるドツプ
ラー効果により、わずかな周波数変移へｆを受けている
。また、偏向ビームは、音波の周波数および振幅に応じ
た位相変調も受けている。「ブラッグ回折」は、アムス
テルダムのＮｏｒｔｈ−Ｈｏｔ　ｌａｎｄＰｕｂｌｉｓ
ｈｉｎｇ　Ｃ０ＩＤａｎｙから１９５２年に発行された
ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　０ｐｔｉｃｓ、　ＶＯｌ、９
のｐ、　２２９以下に所載のＥ、に、Ｓｉｔｔｉｎｇ著
［’　Ｅｌａｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ　ＬｔｏｈｔＨｏｄｕ
＋ａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＤｅｆｌｅｃｔｉｏｎＪに詳細
に論じられている。３つのセルのおのおのは、異なった
特性周波数で駆動される。従って、おのおののセルは入
射光ビームが入射すべきそれ自身の個別のブラに示され
ているように、３つのそれぞれのブラッグセルから出る
３つの回折ビーム５２．５４．５６のほかに、３つの偏
向されないビーム５８．６０．６２も存在する。これら
の３つの偏向されないビームは、対応するそれぞれのブ
ラッグセルによって回折されなかった（かつ周波数およ
び位相変調されなかった）それぞれの入射ビーム４４．
４６．４８の部分を表わしている。

このようにして、３つのビーム対６４．６６．６８が発
生され、そのおのおのの対には、実質的に偏移されない
ビーム５８．６０．６２（すなわち、０次の回折ビーム
）と、変調されたビーム５２．５４．５６（上述の偏向
ビーム）とが含まれていることがわかる。

第３ビーム対６８の互いに発散する２つのビーム５６．
６２を含む平面は、鉛直になっている（すなわち、Ｘ−
７平面内にある）。第１対のビーム５２．５８を含む平
面、および第２対のビーム５４．６０を含む平面は、そ
れぞれ鉛直なＸ−２平面に対して一１２０°および＋１
２０°の角をなしている。

個々のビームは、回折格子群を用いることなどにより、
同様に変調することができる。しかし、音響−光学的セ
ルは小形で保守が容易なので、通常これを使用すること
が望ましい。

第３図に示されている実施例の送信／受信レンズ４０は
、前部レンズ素子７０と、後部レンズ素子７２とを備え
ている。出力ビーム１４は、第１収束ビーム対７４、第
２収束ビーム対７６、および第３収束ビーム対７８を含
ｌνでいる。第１収束ビーム対７４は、第１人力ビーム
対６４の非偏向入力ビーム５８に対応した第１外側ビー
ム８０と、偏向ビーム５２に対応した第１内側ビーム８
２とから成る。第１内側ビーム８２および外側ビーム８
４は、双方とも送信／受信レンズ４０の中心軸５０の方
へ向けられ、この結果、３つの収束ビーム対７４．７６
．７８は全て同じサンプル領域１２内へ収束することに
なる。第１収束ビーム対７４の場合と同様に、第２収束
ビーム対７６は、第２発敗ビーム対６６のそれぞれのビ
ーム６０゜５４に対応した第２外側ビーム８４および第
２内側ビーム８６から成り、第３収束ビーム対７８は、
発数ビーム６２．５６に対応した第３外側ビーム８８お
よび第３内側ビーム９０から成る。

レーザ出力ビーム１４のそれぞれの収束ビーム対７４．
７６．７８がサンプル領域１２に収束させられると、そ
れぞれの波面間の干渉の結果、サンプル領域内に光の３
次元縞パターンを形成する。

第４図は、１つの収束ビーム対の２つのビーム（例えば
、第１収束ビーム対７４のビーム８０．８２）の交差に
よって形成される１組の移動する縞パターンの拡大断面
図である。おのおのの明るいまたは暗い縞は、２つの交
差するビームを含む平面に垂直な明るい箱面又はビーム
対の交差角の２等分而に一般に平行になっている暗い箱
面内に生じると言うことができ、このような縞パターン
内の箱面の方向は、箱面群に垂直ないわゆる箱面の法線
ベクトル（例えばベクトル９２）によって画定される。

このようにして、３つのビーム対７４．７６．７８は、
３組の重なり合った３次元縞パターンを形成し、そのお
のおのはそれ自身の法線ベクトルをもっている。

３つのビーム対の３つの２等分面、および３つのビーム
対をそれぞれ含む３つの平面の位置は、対応する３つの
項部法線ベクトル（例えばベクトル９２）が相互に直交
せず、かつ相互に線形独立であるように（すなわら、３
つの法線ベクトルの全てが同一平面上に存在しないよう
に）配置されるように選択される。従って、小さい物体
（はこり、または類似のエーロゾルの粒子など）が３つ
のビーム対によって形成された３組の縞パターンを通過
する時には、３つの項部法線ベクトルのおのおのの方向
におけるその粒子の速度成分が測定され、それににって
、その粒子の３次元空間内にお（Ｊる３つのく非直交性
の）速度成分の組が得られる。すなわら、あのおののビ
ーム対から得られる速度成分は、そのビーム対の２つの
ビームのなづ角の２等分面に垂直にまた、そのビーム対
の２つのビームを含む平面内において（すなわら、その
ビーム対によって形成された干渉パターンの箱面に垂直
の方向において）測定されたものである。

さらに詳述すれば、エーロゾル粒子が３相の縞パターン
のおのおのの明暗の縞を横切る時、レーザ３２からのコ
ヒーレントな放射線が粒子によって起こされる散乱の振
幅は、最も近い明るい縞に対するその粒子の位置に依存
する。第３図に示されているように、散乱された光は、
送信／受信レンズ４０の全体（ただし、部分１１４を除
外覆る）により、光検出器４２上に再び収束される。こ
の再収束光に応答して、光検出器４２は、縞パターンを
通過する粒子の速度の３つの非直交成分の全てを表わす
複合出力信号を、プロセッサに供給する。次に、プロセ
ッサは、その信号を、３つの法線ベクトルに対応した３
つの線形独立な非直交速度成分に分離し、更に、これら
個々の非直交速度成分を所望の直交座標系における測定
値に変換する。

ここで注ｆｎ　ｔべきことは、図示の装置は、３つのビ
ーム対７４．７６．７８のそれぞれと関連した３組の縞
パターンが実際に重なり合わなくても、単に同一の一般
的な空間領域内に位置し、それにより送信／受信レンズ
４０が３組の縞パターンの全てからの光を単一光検出器
４２上に集めること・ができさえすれば機能しうること
である。しかし、３組の縞パターンが全て豆いに重なり
合う場合には、入射放射線の波長より大きい有効断面を
もった粒子は、３組の縞パターンのおのおのから少なく
ともある邑の光量を光検出器４２へ散乱返送するので、
単一のエーロゾル粒子の３つの線形独立な速度成分の全
てを測定できる可能性が大きい。

第５図には、明暗の箱面の層と相対的にエーロゾル粒子
が移動するときの、散乱強磨の値の典型的な変化が示さ
れている。第５図の中のピーク９４．９６は、第４図の
中の中央部の明縞領域９８．１００における最大散乱に
対応し、第５図の中の谷１０２．１０４は、第４図の中
の暗箱領域１０６．１０８における実質的無散乱に対応
している。

３次元干渉縞形速度測定装置の構成部分の光学装置２ｏ
は、また、口れと同軸的に配置された螢光形空気データ
測定装置の光学装置としても使用することかできる。螢
光形空気データ測定装置からサンプル領域１２へのエネ
ルギーの伝送は、第６図のタイミング図に従って（好ま
しくは、レーザ３２に付属された内部Ｑスイッチにより
）、スイッチオンおよびオフされる。レーザ３２は、第
６図に示されているように、２０ミリ秒の「オン」期間
１１０の次しニ１０マイクロ秒の「オフ」期間１１２が
くるような比較的高いデコーテイサイクルで動作覆る連
続波形のものであることが好ましい。これにより、少な
くとも９９．９５％の時間中、光学装置２ｏは３次元干
渉縞形速度測定装置の要求に従って、３組の非直交的線
形独立の移動干渉縞面の発生を続ける。残り０．０５％
またはそれより少ない時間中は、放射線源３２はスイッ
チオフされ、光検出器４２は、サンプル領域１２より生
じる螢光の指数関数的な減衰のみを測定する。螢光を誘
発するための放射線源はレーザ３２であり、このレーザ
は前述のようにビーム３４の形式の出力を生じ、ビーム
３４は３つの２次ビーム４４．４６．４８に分割され、
これらの２次ビームは変調されて３つのビーム対６４．
６６．６８を形成し、結局全部で６つの別々のビームに
なって、これらの全ては前部レンズ７０によりサンプル
領！＋１１２へ収束させられる。選択された空気分子（
例えば窒素Ｎ２の分子に螢光を誘発させる光スペクトル
を有するレーザを用いれば、サンプル領域１２上に集中
した視野を有する光検出器４２の出力は、螢光強度の関
数になる。この装置の速度測定装置としての線面は、光
検出器４２からの出力の振幅が変調を受けるときの周波
数のみに依存することに注意すべきである。エーロゾル
粒子が暗い干渉縞面から明るい干渉縞面へ、またはその
逆に移動する同一の空間領域内において、一定の螢光放
出現象が発生するという事実は、光検出器の出力の振幅
に対し一定のバイアスを与えるにすぎず、速度測定装置
がそれから速度データを取り出す周波数スペクトルには
なんら影響を与えない。

サンプル領域１２からＩＩｉ射されて送信／受信レンズ
４０へ向かう再放出螢光は、前部レンズ７０および後部
レンズ７２の組合せによって、光検出器４２の上に収束
される。

レーザ３２から放射される光の周波数を適宜に選択する
ことにより、大気中の特定の１種類の分子のみに十分な
強度の螢光を放出さけ、その螢光が検出器４２の出力に
影響を与えるようにすることができる。すなわち、もし
選択された分子の種類が窒素Ｎ２ならば、（この点に関
しては、少なくとも航空機が通常運航する高度において
は人気中のＮ２の比率は比較的一定であるために、人気
の所定のサンプル内のＮ２の密度は、その畳ナンブルの
近傍の気圧および気圧高度の信頼できる指示を与えるこ
とに注目すべきである）、例えばＮ２レーザにより、関
連のない他種の分子ではなく、サンプル領域内のＮ２分
子に螢光を誘発させることができる。

以上の実施例においては、送信／受信レンズ４０は、６
つのレーザ放射線と３組の干渉縞面パターンとをサンプ
ル領域１２に投射し、かつサンプル領域１２からの散乱
返送放射線と螢光再放出とを光検出１置４２の上に収束
させるための装置として示されたが、平均的技術水準の
当業者にとっては、適当な形状の支持体の前面に形成さ
れた光学的性質を有する凹面反射面などの、機能的に同
等な他の投ＯＡ装置及び収束装置の少なくとも一方で置
き換えることはきわめて簡単なことである。

その場合には、送信／受信レンズ４０の窓としての開面
は、適当な厚さの透明物質によって充足することができ
、そして多分その透明物質には、航空機の内側からの加
圧空気流が、窓の外側の重要な部分を通って送られるよ
うにした自己漬浄部を設けることができる。

上述の配置は、たとえ送信／受信レンズ４ｏが他の部品
から独立して取付けられたとしても、有利な自己整列特
性を有し、それにより、一方では、送信／受信レンズ４
０を航空機１０の外被と同一面内に強固に取付けること
ができ、また他方では、航空機内に含まれる他の部品（
例えば、レーザ３２０）ビーム分割装置３６及び変調装
置３８〉を、振動から隔離すること及び窓および窓に関
連したシール装置に悪影響を及ぼさないで保守のために
便利に取外しＩＣり取換えたりすることとの少なくとも
一方が可能になる。

窓は、（強度、コスト、重量、取換えの容易さ、および
その他の同様な考慮から）比較的小さい最大径（または
他の同等の有効開口寸法）を有することが好ましいこと
がわかる。特に、検出領域と航空機の窓および他の表面
部分との間の距離は、航空機の表面に形成される空気の
境界層の厚さより十分に大きいことが本質的に必要であ
る。多くの用途において、検出領域と航空機の表面との
間の距離は少なくとも０．５ｍ、好ましくは１ｍ以上あ
ることが望ましい。他方、多くの用途において、実際的
な最大の窓寸法は０．５ｍより小さい。

従って、−膜内に、窓の有効開口寸法は、窓とサンプル
との間の距離よりも小であるべきである。

次に、第７図は、各種の信号処理およびコンディショニ
ング装置を通る生のデータの流れを概略的に示すブロッ
ク図である。光検出器４２は、サンプル領域１２から送
信／受信レンズ４０（第３図）を経て受信された返送散
乱光の強度変化に対応した生データ出力信号１２０を発
生する。前述のように、変調装＠３８の３つの音響−光
学的セルは、それぞれ固有の音響周波数を有し、その結
果、「静止しているＪエーロゾル粒子に対し相対的に輸
血が移動する時に散乱光に対し付与されるところの、自
分自身を識別可能にする変調周波数を持った３つの相異
なる輸血の組のおのおのを生じることになる。粒子が「
移動している」場合でも、散乱光は、その３つの変調周
波数を中心にした３つの周波数帯内に含まれた周波数で
変調されるように、３つの変調周波数は選択されており
、かつ少なくとも予想される粒子の速度範囲に対しては
３組の輸血に関連した３つの変調周波数帯は重ならない
ように、３つの変調周波数は相互に十分離されている。

従って、３つの別個の通常の帯域フィルタ１２２．１２
４．１２６を用いれば、生の出力信号１２０（１−の周
波数バースト信号として図示されている）を分離するこ
とができる。

このようにして、生の出力信号は、第１法線ベクトルＮ
　１第２法線ベクトルＮ　１および第３法ａ　　　　　
　　　　　　ｌ）線ベクトルＮ。と関連した箱面群のそれぞれに対応して
、低周波数成分１２８、中間周波数成分１３０、および
高周波数成分１３２に分割される。

これら３つの信号成分は、通常の周波数分析器１４０の
３つのチャネル１３４．１３６．１３８のそれぞれに入
力され、周波数分析器１４０は、それらの次々の周波数
バースト成分を処理して対応する基本周波数をバックグ
ラウンド雑音から抽出し、そのディジタル表示をディジ
タルデータプロセッサ１４２へ出力する。このことは、
第７図には、第１チヤネル１３４からｆ八で示された第
１出力１４４が供給され、第２チヤネル１３６からｆ、
で示された第２出力１４６が供給され、第３チヤネル１
３８からｆ。で示された第３出力１４８が供給されるよ
うに図示されている。

好ましくは、周波数分析器１４０は適応追跡能力を備え
ることにより、所望の基本周波数成分の追跡を、既知の
または予想される値の付近に集中させる。このことは、
１７図には、ディジタルデータプロセッサ１４２から周
波数分析器１４０へ、ジタル信号１５０，１５２．１５
４を供給することにより表わされている。これら３つの
予想周波数を求めるために、ディジタルデータプロセッ
サ１４２は、航空機の誘導装置からの加速度計データお
よびレートジャイロデータを利用する。このことは第７
図には、航空機のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の加速度のディジタ
ル表示である、それぞれＮ×、Ｎｙ　、Ｎｚで示された
信号１５８．１６０．１６２から成る第１組の入力１５
６と、Ｘ、Ｙ。

Ｚ軸のそれぞれの回りの航空機の角速度のディジタル表
示に対応するそれぞれがＲｘ　、　Ｒｙ　、　Ｒｚで示
されたイを号１６６．１６８．１７０から成る第２組の
入力とが、ディジタル・データプロセッサ１４２に供給
されることにより表わされている。

そのような加速度と姿勢変化との大きさおよび向きが与
えられれば、航空機の重心に対し特定の方向にかつ特定
の距離に存在する自由な空気流中の複数の粒子間の相対
速度の短期間内の変化と、３組の移動する縞パターンの
おのおのの次々の縞を粒子が横切るときの周波数の増減
とを概算することは、比較的簡単な計算によって行なう
ことができる。特に、そのような概算は、［カルマン・
フィルタ］として知られる数学的技術を用いて行なうこ
とができる。それによれば、周波数分析器が、劣悪なＳ
Ｎ比、−時間の突風によって起こされる信号の突然の乱
れなどのために、また、実際のサンプル領域内で適当な
エーロゾル粒子が一時的に無くなる結果、ある時間の間
、光検出器４２が有意味の信号を出力できなくなること
により、実際の周波数の正確な測定を行うことができな
い場合でさえも、適度の正確さで周波数の変化を推定す
ることができる。

いずれにしても、ディジタルデータプロセッサ１４２は
、真の空気速度、向かい角、および横滑り角のそれぞれ
に対応した、第７図中に記号Ｖ（１７２）、α（１７４
）　、およびβ（１７６）によって示された３つの速度
出力信号（アナログ信号、ディジタル信号のいずれか又
はその双方である）を発生する。図示された特定の信号
処理装置の設計によれば、データプロセッサの出力は、
干渉墳形速度測定装置によって測定されたデータと、在
来の加速度計およびレートジャイロスコープによって測
定されたデータとを有効に組合せたものになる。しかし
、そのように直接測定されたデータと推測されたデータ
とを組合せることによって、本発明装置は、劣悪なＳＮ
比の環境の悪影響（特に航空機が極めて高い高度を飛行
する場合、及び比較的に低出力のレーザを用いて比較的
遠距離の粒子の速度を測定する場合との少なくとも一方
の場合）を克服することができるだけでなく、加速度計
をベースとした装置に固有の累ｖｉ誤差を最小にするこ
とができる。

さらに第７図において、光検出器４２と３つの帯域フィ
ルタ１２２．１２４．１２６との間にはデータスイッチ
１８ｏが配置されている。タイマ１８２は、第６図に関
連して前述したように、レーザ３２をスイッチオンおよ
びオフするためのタイミング信号を供給すると同時に、
データスイッチ１８０をも制御する。すなわち、レーザ
３２がスイッチオンされて、干渉縞がサンプル領域１２
内に存在している時は、光検出器４２からのサンプル出
力が、データスイッチ１８０を経て３つの帯域フィルタ
１２２．１２４．１２６と結合される。一方、レーザ３
２がスイッチオフされている時は、データスイッチ１８
０は光検出器４２の出力をアナログ・ディジタル（Ａ／
Ｄ’）変換器１８４と結合させ、このアナログ・ディジ
タル変換器１８４は、個々の時間間隔１．ごとに、再放
出螢光の強度の指数関数的減衰の結果として光検出器４
２から出力される指数関数的に減衰する信号１８６をデ
ィジタル化し、それをディジタル形式でディジタルデー
タプロセッサ１４２に入力させる。ディジタルデータプ
ロセッサ１４２には、またディジタル温度信号Ｔｔ１８
８も供給される。

これらの２つの入力および空気速度の測定値Ｖ（１７２
）から、ディジタルデータプロセッサ１４２は、第１図
に関連して述べた物理学方程式に従い、航空機の気圧高
度を表わすディジタル信号Ｐｓ　　（１９０）を算出す
ることができる。

次に、第８図および第９図には、第３図の実施例に一般
的に類似しているが、１つより多くの放射線源および１
つより多くの光検出器の少なくとも一方を用いた別の実
施例が示されている。従って、第３図に示されている諸
素子と構成および機能が同様の素子は、同じ参照番号に
「ダッシュ」記号を付して示しである。第３図に示され
ている実施例の素子と同様の素子がいくつか用いられて
いる場合には、２重ダッシュ、３重ダッシュ等を付しで
ある。

まず、第８図の実施例では、２つのレーザ放射線源が使
用されている。第ル−ザ３２′は、速度測定装置と関連
して速度測定に用いるために、移動する干渉縞面を形成
するための族ｍ線を発生する。従って、レーザ３２′は
、代表的な大気中のエーロゾル粒子の直径と比較して十
分に短い波長をもち、かつよくコリメートされたコヒー
レント光ビームを発生しうる連続動作式のものであり、
大気中に自然に存在するエーロゾル粒子が、速度測定￥
ｉ置によってサンプル領域１２内に作り出された干渉縞
面を通過する時、十分なｍの散乱返送が起こるようなも
のであるべきである。さらに、第２放射線源３２″が用
いられているが、これは高度計装置のための放射線源で
ある。従って、第２レーザ３２″のスペクトルの内容は
、本発明装置が使用される高度および気圧におけるサン
プル領域１２内の特定の空気分子に、測定可能な程度の
螢光を放出させうるものであるべきである。

ダイクロイックミラー２００は、第ル−ザ３２′からの
出力ビーム３４′を第２レーザ３２″からの出力ビーム
３４″と合成して、第３図の実施例における出力ビーム
３４と機能的に類似ｔノだ合成出力ビーム３４　”’を
形成するのに用いられる。合成出力ビーム３４　’は、
スペクトル特性およびコヒーレント特性が、２つの入力
ビーム３４’　、３４″のそれぞれの特性を組合せたも
のとなっている点で、第３図の出力ビーム３４とは異な
っている。合成出力ビーム３４　’は、ビーム分割装置
３６′によって３つのビーム４４′、４６’　、４８’
　に分割され、これら３つのビームは、中心＠５０′の
周囲に約１２０°の角度間隔で配置されている。次に、
これら３つのビームは、変調ｉ置（音響光学的変調器ア
センブリ）３８′によって、３つの発散ビーム対６４’
　、６６’　、６８′として変調された後に、送信／受
信レンズ（窓レンズアセンブリ）４０′の前部素子７０
′により、３つの収束ビーム対７４’　、７６’　、７
８′に収束される。これらの収束ビーム対の楽員は、サ
ンプル領域１２内に位置させることにより、第３図の実
施例に関連して述べた干渉縞面を形成する。３つの収束
ビーム対７４’　、７６’　、７８′はまた、第２レー
ザ３２″からのｔｌｉ射エネルギーをも含んでい金ので
、第２レーザ３２″からの放射線３４″に対して感受性
を持つサンプル領ｔａ１２内の特定の空気分子は、螢光
を放出する。

送信／受信レンズ（窓レンズアセンブリ）４０’の画素
子、すなわら前部素子７０′および後部素子７２′は、
受信光学装置の主要な部品として働き、それは、エーロ
ゾル粒子が干渉縞面を通過するときにそれらの粒子によ
り生じる返送散乱放射線だけでなく、第２レーザ３２″
からの放出エネルギーによって励起された特定の空気分
子から放出された螢光をも、共に第１光検出器４２′お
にび第２光検出器４２″の上に収束させる。第２のダイ
クロイックミラー２０２は、受信した放射線２０４を、
エーロゾル粒子により散乱返送された第１成分２０６と
、個々の空気分子からの再放出螢光とｌ１ｔｌ　Ｍ　Ｌ
／た第２成分２０８とに分離し、第１成分２０６を第１
光検出器４２′へ、第２成分を第２光検出器４２″へ送
る。

受信した放射線の通路内にダイクロイックミラー２０２
を設けた上記の構成の形式は、受信した放射線の上記の
２成分２０６．２０８のスペクトル成分にかなりの差が
ある場合にのみ動作可能である。そうでない場合には、
第３図の実施例の、単一光検出器４２を用いた装置を使
用すればよい。

あるいは、第３図に関連して述べた装置において、単一
レーザ放射線源３２から、スペクトル成分が実質的に異
なった２つの別個の形式の受信放射線を生じる場合には
、適当なビーム分割器（第８図の実施例におけるダイク
ロイックミラー２０２のような装置）を用いれば、おの
おのがただ１種類のｔｌｉ射線のみに感対して感受性の
ある２つの別個の光検出器を使用することができる。

次に、第９図には、サンプル領！Ｉｉ！１２から受信さ
れた放射線を２つの光検出器４２　’　、４２　’上に
収束させるための光学的部品を用いた他の１つの実施例
が示されている。この実施例においては、第３図および
第８図の実施例において用いられたような３つの別個の
ビーム対は用いず、その代わりに３つの別個の変調され
た出力ビーム５２′、５４’、５６’　と、１つの変ｍ
されない中央ビーム５８′とが用いられていることに注
意すべきである。このような形式の構成は、レーザ放射
線をサンプル領域に送信して収束させ、サンプル領域か
ら生じた放射線を収集し受信１ノ、それを光検出器また
はその他の放射線測定装置上へ収束させるための、屈折
および反射の少なくとも一方のための光学素子を使用し
た多数の巽なった光学装置の単なる１例にすぎない。

本発明の第３の実施例において特に便利である点は、光
学的受信装置内にお１ノる、補助収束素子としての凸面
反Ｄｊ３２１０の使用である。この反Ｑ４器２１０は、
中心＠　５０　”から外れた２つの光検出器４２　”’
　、４２　’が使用できるようにするため、光学装置の
中心軸５０″に対して傾けられており、２つの光検出器
４２　’　、４２　’上へ収束される２つの放射線成分
２０６’　、２０８’は、ダイクロイックミラー２０２
　”’によって分離される。

なお、レーザ式速度測定装置と螢光式高度計装置とは、
互いに分離して別々に使用することもできる。その場合
には、速度測定装置内のエネルギー源は、スイッチオン
Ｊ３よびオフする必要はなくなり、連続的に動作させる
ことができる。さらに、高度計装置においては、レーザ
の代わりに他のエネルギー源を使用することができ、特
に螢光の放出は、航空機の外被から外へ向かって送り出
される無線周波数の電磁放射線（または、軟Ｘ線）に応
答して／１起させることができ、かつその放射エネルギ
ーは、好ましくは伝搬中心軸を中心とした円柱状の形態
とし、その強度がサンプル領域付近において著しく低下
することがないようにして用いることができる。さらに
、検出装置の光軸と放射エネルギー伝搬中心軸とを、サ
ンプル領域において交差させることにより、サンプル領
域を、検　４、出器の有効視野と放射エネルギービーム
との３次元空間内における交差点に、有効に局限するこ
とができる。

以上、本発明を、特定の実施例について詳述したが、当
業者には、以上の説明に基づいて多くの代替装置、変更
、および変形が可能であることがわかる。従って、特許
請求の範囲には、そのような代替装置、変更、および変
形がすべて包含されることを理解すべきである。

産業への応用本発明の原理に従って構成された空気データの光学的測
定装置は、さまざまな形式の計測装置において利用でき
る。例えば、航空機に搭載して使用した場合には、空気
密度、高度、空気速度、向かい角、および横滑り角など
の飛行データの測定を、高い精度および信頼性を６つて
行なうことができる。さらに、本発明における速度測定
装置は、通常の高度計を備えた航空機の計測装置におい
て、別個に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、航空機の内部に取付けられた代表的な本発明
装置の配置を示す概略図である。この図はまた、速度お
よび密度の測定を受ける空気サンプルの領域と、航空機
の近傍における超音速衝撃波および航空機の外皮圧縮効
果との関係をも示している。第２図は、螢光を誘発する放射線が中断された後におけ
る螢光放出強度の指数関数的減衰の状況を示すグラフで
ある。第３図は、本発明による空気データの光学的測定装置の
第１実施例における諸主要素子とそれらの相互関係、お
よびそれらと測定が行なわれるサンプル領域の位置との
関係を示す概略分解斜視図である。第４図は、第３図に示されているサンプル領域の中の拡
大断面図であり、交°差する２つのコヒーレント光ビー
ムによって形成された干渉縞を示している。第５図は、サンプル領域内における、放射線干渉縞とエ
ーロゾル粒子との相対運動から生じる散乱返送放射線の
強反変化を示すグラフである。第６図は、放出螢光の測定を容易ならしめるために行な
われるＩＩｉ銅線源の周期的動作中断のタイミング図で
ある。第７図は、単一の光検出器の出力を処理して、空気速度
、向かい角、横滑り角、および高度情報を得る過程を示
す概略ブロック図である。第８図は、全体的に第３図に図示の実施例に類似してい
るが、１つより多くの放ｒＡ線源と１つより多くの光検
出器とを用いた第２の実施例を示す概略分解斜視図であ
る。第９図は、全体的に第３図および第８図に図示の実施例
に類似した第３の実施例を示す概略分解斜視図である。この第３の実施例においては、放射線干渉縞を作り出す
ために放Ｏ１ｌ線源からサンプル領域に至る複数の光路
が形成されているが、螢光を誘発するために、放ＯＪＩ
源とサンプル領域との間に単一の光路のみが形成されて
いる。（符号の説明）１２・・・サンプル領域、２０・・・受信用光学５Ａ置
、３２・・・レーザ、４０・・・送信／受信レンズ、４
２・・・光検出器、１２２，１２４．１２６・・・帯域
フィルタ、１４０・・・周波数分析器、１４２・・・デ
ィジタルデータプロセッサ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）遠隔の空気のサンプルの位置における空気速度デ
ータと、少なくとも密度、圧力、および気圧高度の１つ
を含む空気データパラメータとを測定するための空気デ
ータ装置であつて、放射線源と、該放射源からの放射線
を前記サンプル位置へ送るための第１装置と、前記の送
られた放射線によつて前記サンプル位置にある粒子状物
質を照射することにより生じ前記放射線源の方向に向か
つて散乱する散乱返送放射線を受けとるための第２装置
と、前記の受けとられた散乱返送放射線の強度の変化を
測定するための第３装置と、前記の測定された強度の変
化を前記空気速度データに変換するための第４装置と、
前記サンプル位置における空気中の少なくとも１種類の
分子に蛍光を誘発させるための第５装置と、前記蛍光の
強度を測定するための第６装置と、前記の測定された蛍
光の強度に応答し前記空気データパラメータを計算する
ための第７装置とを包含する空気データ装置。
（２）特許請求の範囲第１項の空気データ装置において
、前記空気データ装置は、航空機に搭載され、前記遠隔
の空気サンプル位置は、前記航空機の外部にあり、かつ
、前記航空機の飛行により本質的に乱されないように前
記航空機から離れている空気データ装置。
（３）特許請求の範囲第２項の空気データ装置において
、前記粒子状物質は、前記の遠隔のサンプル位置におけ
る自由空気流中に浮遊する固体または液体の粒子から成
る空気データ装置。
（４）特許請求の範囲第３項の空気データ装置において
、前記第１装置および第２装置は、少なくとも１つの共
通の光学収束素子を含んでおり、前記放射線源からの放
射線は、前記共通収束素子を通り前記航空機の内側から
前記航空機の外側の前記サンプル位置へ向かう第１の方
向に送られ、かつ、前記航空機の外側にある前記サンプ
ル位置からの前記散乱返送放射線および前記蛍光もまた
、前記共通収束素子を通り前記第１の方向とは一般的に
反対の第２の方向に向かい前記航空機の内側の前記第３
装置および前記第６装置へ送られるように構成された空
気データ装置。
（５）特許請求の範囲第１項の空気データ装置において
、前記第５装置は前記螢光の強度を周期的に変化させる
装置を含み、前記第７装置は前記蛍光の強度の変化の速
度から前記空気データパラメータを計算するように構成
された空気データ装置。
（６）特許請求の範囲第１項の空気データ装置において
、前記第１装置は、少なくとも１つの３次元の放射線の
パターンを発生しかつ前記パターンを前記サンプル位置
へ送るための光学装置を含む空気データ装置。
（７）特許請求の範囲１項の空気データ装置において、
前記第１装置は、直交しないで線形独立な３組の３次元
の放射線のパターンであつて、前記の３組の３次元放射
線パターンのおのおのは自己識別特牲を備えている前記
の３組の３次元放射線パターンを同時に発生するための
光学装置を含んだ空気データ装置。
（８）特許請求の範囲第７項の空気データ装置において
、前記の３組の３次元放射線パターンのおのおのの法線
ベクトルは、前記空気データ装置の主軸の方向にかなり
の成分を有し、また前記主軸に直角な横方向成分をも有
する空気データ装置。
（９）特許請求の範囲第１項の空気データ装置であつて
、外部の自由空気流の運動を表わす遠隔のサンプル位置
にある浮遊粒子の速度を測定するためのレーザ式速度計
と光学式密度計とを包含し、前記速度計は、コヒーレン
トな放射線の発生源となるレーザと、前記レーザからの
放射線を少なくとも２つのコヒーレントなレーザ光ビー
ムとして送るための光学装置と、前記ビームから少なく
とも１つの３次元の放射線のパターンを発生し、かつ、
該パターンを前記の遠隔のサンプル位置に投射するため
の収束装置と、前記粒子が前記パターンの中を通過する
とき前記粒子により散乱され前記収束装置に向けて送ら
れる散乱返送放射線の強度を測定するための検出装置と
、前記の測定された散乱返送放射線の強度の変化を変換
し速度測定を行なうための計算装置とを含み、また、前
記光学式密度計は、前記サンプル位置にある空気中の少
なくとも特定の１つの種類の分子よりの蛍光の放出と蛍
光放射線の再放射とを周期的に誘発するための装置と、
前記の再放射された蛍光の強度を測定するための光検出
装置と、前記の測定された蛍光の強度から前記空気デー
タパラメータを計算するための計算装置とを含み、前記
速度計の前記収束装置は、前記の３次元の放射線のパタ
ーンを前記サンプル位置へ投射し、かつ、前記サンプル
位置からの前記散乱返送放射線および前記蛍光放射線を
受け取り、更にそれぞれの受け取つた放射線を前記速度
計の前記検出装置と前記密度計の前記光検出装置とへ送
るための共通の投光／受光素子を含む空気データ装置。
（１０）特許請求の範囲第９項の空気データ装置におい
て、前記光学式密度計は前記の放射される蛍光の強度を
周期的に減衰させるためのスイッチング装置を更に含み
、前記密度計の前記計算装置は前記の減衰の速度に応答
するように構成された空気データ装置。
（１１）特許請求の範囲第９項の空気データ装置におい
て、前記速度計の前記光学装置および前記収束装置は、
直交しないで線形独立な３組の３次元の放射線のパター
ンであつて、前記の３組の３次元放射線パターンのおの
おのは自己識別特性を備えている前記の３組の３次元放
射線パターンを同時に発生するように構成された空気デ
ータ装置。
（１２）特許請求の範囲第１１項の空気データ装置にお
いて、前記の３組の３次元放射線パターンのおのおのの
法線ベクトルは、前記空気データ装置の主軸の方向にか
なりの成分を有し、また前記主軸に直角な横方向成分を
も有する空気データ装置。
（１３）特許請求の範囲第２項の空気データ装置であつ
て、前記航空機の飛行により本質的に乱されることなく
前記航空機の近傍の自由空気流の連動を表わすように、
前記航空機の外部にあり、かつ、前記航空機から離れた
サンプル位置にあるエーロゾル粒子の速度を測定するた
めに前記航空機の内部に搭載されたレーザ式速度計と光
学式密度計とを包含し、前計速度計は、コヒーレントな
放射線の放射線源となるレーザと、前記レーザからの放
射線を少なくとも２つの別個のビームに分割するための
ビーム分割装置と、前記の２つのビームを前記サンプル
位置に投射し、交互の明暗の縞を有する３次元の放射線
のパターンを発生するための収束装置と、前記航空機の
外被内に設けられ、前記レーザから発生する放射線に対
し透明な開口を構成する窓装置と、前記サンプル位置付
近にある１つまたはそれ以上のエーロゾル粒子が前記明
縞の位置にくることにより生じ前記エーロゾル粒子によ
り散乱され前記窓装置へ返送される放射線の強度を測定
するための検出装置と、前記の測定された散乱返送放射
線の強度の変化を変換し速度測定を行なうための計算装
置とを含み、それにより航空機の対気速度は前記航空機
の外被内に完全に包含された装置により光学的に測定可
能にされており、また、前記光学式密度計は、前記レー
ザからの放射線を周期的に遮断することにより、前記サ
ンプル位置にある空気内の少なくとも特定の１種類の代
表的分子よりの蛍光の放出と蛍光放射線の再放射とを誘
発し、更に前記再放射された螢光の強度が前記レーザか
らの放射線の遮断後減衰するようにされた周期的遮断装
置と、前記の再放射された蛍光が減衰するときの強度の
差を測定するための光検出装置と、前記の測定された強
度の差から前記サンプル位置内の前記代表的分子の密度
を計算する計算装置とを含んでおり、ここで、前記密度
計は前記速度計と同一のエネルギー源を利用しており、
前記速度計の前記収束装置は収束レンズを含み、前記航
空機の内部に配置された前記レーザから前記航空機の外
部の前記の空気のサンプルへ送られる前記レーザ光ビー
ムは前記収束レンズを通過し、また、前記航空機の外部
の前記空気サンプルから前記航空機の内部に配置された
前記速度計の前記検出装置および前記密度計の前記光検
出装置へ返送される前記散乱返送レーザ放射線および前
記の再放射された蛍光もまた前記収束レンズを通過する
ようにされており、前記窓装置の開口は前記の再放射さ
れた蛍光放射線に対しても透明であり、かつ、前記速度
計に対する空気サンプルはまた、前記密度計に対する空
気サンプルとしても機能するように構成された空気デー
タ装置。
（１４）特許請求の範囲第１３項の空気データ装置であ
つて、加速度計装置を含んでおり、前記加速度計装置は
、前記航空機の角速度の変化を測定するための装置と、
前記の測定された角速度の変化を、前記の自蔵形光学式
空気データ装置の前記航空機の重心に対する並進３次元
速度に関連した補正因子に変換する装置と、前記空気デ
ータ装置に対し相対的な前記エーロゾル粒子の測定され
た速度に対して前記補正因子を適用することにより前記
航空機の速度を決定するための装置とを含んでいる空気
データ装置。
（１５）特許請求の範囲第１３項および第１４項のいず
れかに記載の空気データ装置であつて、前記サンプル位
置の近傍の温度を検出するための温度センサを備えた温
度測定装置を更に包含する空気データ装置。
（１６）遠隔の空気のサンプルの位置における空気デー
タパラメータを測定するための蛍光式空気データ測定装
置であつて、前記サンプル位置にある空気中の少なくと
も１種類の分子を誘発して蛍光を放出させるための第１
装置と、前記蛍光の強度を測定するための第２装置と、
前記の測定された蛍光の強度に応答し、前記サンプル位
置における前記種類の分子の濃度と関連した物理的空気
データパラメータを計算するための第３装置とを包含し
た蛍光式空気データ測定装置。
（１７）特許請求の範囲第１６項の蛍光式空気データ測
定装置において、前記蛍光式空気データ測定装置は航空
機に搭載され、前記の遠隔の空気サンプル位置は、前記
航空機の外部にあり、かつ、前記航空機の飛行により本
質的に乱されないように前記航空機から離れている蛍光
式空気データ測定装置。
（１８）特許請求の範囲第１７項の蛍光式空気データ測
定装置において、前記空気サンプルは、前記遠隔のサン
プル位置において自由空気流中に浮遊する固体または液
体の粒子から成る蛍光式空気データ測定装置。
（１９）特許請求の範囲１８項の蛍光式空気データ測定
装置において、前記第１装置は蛍光の強度を周期的に変
化させるための装置を含み、かつ前記第３装置は蛍光の
強度の変化の速度から空気データパラメータを計算する
ように構成されている蛍光式空気データ測定装置。
（２０）特許請求の範囲１６項の蛍光式空気データ測定
装置において、前記第１装置は前記サンプル位置にある
空気中の少なくとも特定の１種類の分子よりの蛍光放出
と蛍光放射線の再放射とを周期的に誘発するための装置
を含み、前記第２装置は前記の再放射された蛍光の強度
を測定するための光検出装置を含み、また前記第３装置
は前記の測定された蛍光の強度から前記空気サンプル内
の前記分子の密度を計算するように構成された蛍光式空
気データ測定装置。
（２１）特許請求の範囲第２０項の蛍光式空気データ測
定装置であつて、前記の再放射された蛍光の強度を周期
的に減衰させるためのスイッチング装置を含んでおり、
更に、前記計算装置は前記の減衰の速度に応答するよう
に構成された蛍光式空気データ測定装置。
（２２）特許請求の範囲第１６項の蛍光式空気データ測
定装置において、前記第１装置は交互に付勢および除勢
されることにより、前記サンプル位置の空気中において
発生する前記蛍光の強度は間欠的に一般的に指数関数状
に減衰するようにされ、それにより、時間の経過ととも
に、前記第３装置は、前記蛍光の強度が指数関数状に減
衰している間の２つの所定の時点における前記蛍光の強
度の測定値の比から前記パラメータを算出することがで
きるように構成された蛍光式空気データ測定装置。
（２３）特許請求の範囲第１６項から第２２項までのい
ずれかに記載の蛍光式空気データ測定装置であつて、前
記蛍光式空気データ測定装置は航空機に搭載され、かつ
、前記蛍光は前記航空機に搭載されている任意の好都合
な放射線のエネルギー源により誘発されるように構成さ
れた蛍光式空気データ測定装置。
（２４）特許請求の範囲第１６項から第２３項までのい
ずれかに記載の蛍光式空気データ測定装置であつて、前
記サンプル位置の近傍における温度を検出するための温
度センサを備えた温度測定装置を更に含んでいる蛍光式
空気データ測定装置。