JPH05113483A - 卓越天候及び卓越気象視程を測定する方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、卓越天候及び気象視程を高精度に測
定できる方法及びその装置を提供する。 【構成】光学的散乱型測定器（１、２）が適用され、測
定空間（７）内の降水の外見上の体積が確定される。降
水の外見上の体積は、０．２リットル以下の大きさを有
する測定空間（７）内で測定され、同時に、測定空間
（７）に関係した水量が測定される。この結果、降水の
類型及び割合を同時に確定することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、卓越天候及び卓越気象
視程を測定するための方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】天候観察の重要な部分は、卓越天候の決
定である。国際的な気象通報において、卓越天候用のコ
ード(code)は、例えば、雷、嵐等の種々の乱れ現象だけ
でなく、主に、全雲天、大気の乱れ、降水の種類／割合
に関する可能な観測結果の報告を包含している。

【０００３】ここで述べる方法及び装置では、測定値を
基に、降水量に関するほとんどのパラメータを決定する
ことができる。これにより気象観測の自動化が、大幅に
助長される。このため、気象観測のインターバルを比較
的短くできると共に、例えば非居住地域だけでなく観測
点のネットワークを比較的緻密にできる。このような関
係において、降水は、凝結された水蒸気の降水を意味す
る。

【０００４】種々の気象状況での気象視程の精密な測定
は、気象通報、特に、空港での卓越天候の重要な要素を
構成している。

【０００５】一般的な設備では、降水の到来と休止、あ
るいは、降水の割合を測定できるのみである。本発明に
おいて取り扱われるような降水の分析は、単一の装置で
は早くからは試みられていなかった。かかる試みの目的
は、光学的測定信号及び種々の形式のマイクロ波気象レ
ーダの分析を基礎とした装置によって達成される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】降水分析の基本問題
は、降水割合や気象状況（風、放射輝度、気温）でひょ
うや雪片等により互いに固体凝縮された液体の識別であ
る。このことは、従来の装置及びその方法では不可能で
あった。

【０００７】従来から知られている光学的方法として
は、装置によって伝達された光の散乱測定及び伝達され
た光のシンチレーション(scintillation) 測定を基にし
た方法がある。更に、光伝達測定を基にした種々の装置
は、液滴径分布の測定用に卓越して使用されている。

【０００８】散乱測定を基にする装置（米国特許第４、
６１３、９３８号）は、粒状物質を検知してサンプル量
内の物質の大きさや速度を測定することを目的としてい
る。なお、かかる量は、光学的制約により、０．２リッ
トル以上の大きさを必要とする。粒子の大きさや速度の
分析を基に、選別基板が構成され、この基板に基づい
て、大きくて低速な粒子は雪として選定され、大きくて
高速な粒子はひょうとして選定される。

【０００９】単に粒子サイズの分類の統計学的測定は、
上述した装置を用いて行うことができる。なぜなら、サ
ンプル量は、比較的に大きく且つ不確定だからであり、
また、粒子を運ぶ風の速度は、重力落下によって得られ
る落下粒子と同一の大きさ（約５ｍ／ｓ）となり得るか
らである。実際、速度測定が不可能であることは、後に
特許権者によって確認された。かかる後、特許権者によ
って、装置には、第２の光学的レシーバが付加された。
しかし、この第２の光学的レシーバですら、粒子の速度
測定から不確定的に離脱されない。更に、雨母体は、低
い降水割合で種々の雨の形式の重複が伴う。明らかに、
粒子サイズ分類用に必要となるサンプル量は過度に大き
い。なぜなら、比較的低い降水割合で、サンプル量内に
は同時に種々の粒子を包含しているからである。

【００１０】シンチレーション(scintillation) 測定を
基にした装置は、球形粒子からの入射光のシンチレーシ
ョンの種々の周波数でのエネルギー分布を測定する（米
国特許第４、７６０、２７２号）。測定によれば、水粒
子からの光のシンチレーションのエネルギーは、高周波
数で集中して、雪と対面する。シンチレーションの強度
は、降水の割合だけでなく降水の到来及び休止の検知を
可能にする。粒子の速度は、信号振幅及び信号特性に影
響を及ぼす。このため、種々の形式の降水相互間で有効
能力が制限される。強風を原因とする大気の乱れは、装
置の機械的な構成によって条件ずけられ、測定を困難に
する。更に、大気の加熱によって生じるかげろう効果
は、シンチレーション信号として検知される。

【００１１】マイクロ波レーダを基にする装置は、ドッ
プラー効果の助けをかりて、粒子の落下割合を測定する
ことを目的とする。雨の類型の分類は、種々の降水類型
のために、落下割合の相違を基礎としている。大量のサ
ンプル空間及び風は、測定を困難にする。風の中で、降
雪は降雨として検知される。小滴の落下は極めて低速で
あるため、雨の滴は、安易に降雪として判断されてしま
う。低速の降雨は、降水としてほとんど検知されない。

【００１２】このため、従来の装置では、降水の到来や
休止のみが比較的正確に検知され得る。

【００１３】光散乱測定を基にする視程測定計は、散乱
理論に従って、細雨の接近による霧の中で、比較的適当
に操作される。

【００１４】降雨の中で、粒子の大きさは、入射光の波
長を超越している。このため、散乱理論の必須条件を無
効にさせる。更に、雪及び水の光学的特性や大きさの分
類は、互いに相違する。降水の類型及び割合によって補
正されることがないため、散乱型視程計の視程示度は、
全ての気象状況において、不正確である。

【００１５】本発明は、上述した弊害を除去するために
なされ、その目的は、卓越天候及び気象視程を高精度に
測定できる方法及びその装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明に係る方法は、降水の外見上の量、及
び、サンプル空間内に包含された水量の同時測定に基づ
いている。特に、本発明に係る方法は、請求項１の特徴
部分に言及されている。また、特に、本発明に係る装置
は、請求項９の特徴部分に言及されている。本発明は、
有益性を有している。

【００１７】水を形成する液体は、１．０の比重を有し
ている。一方、固体凝結において、水の密度は０．９な
いし０．０１の比重を構成する。典型的な雪の比重は、
０．１であり、このため、１０ｍｍ積層した雪では、雨
の１ｍｍに等しい。これを基礎として、降水粒子の外見
上の体積及び包含された水量の比較的不正確な測定でさ
え、溶解した水と固体凝結した水とが区別されることが
明らかとなる。水量の測定方法によれば、本発明に係る
方法は、降水中の卓越風によって妨害されることなく、
有効であり、固体凝結形状内に存する粒子の一部ですら
検知される。なぜなら、雪の部分は、熱測定面に付着し
ないで、風と共に持ち去られる。このことは、測定され
た水量に対する体積の比較における差異の増加を助長す
る。

【００１８】水量の容量測定技術では、虫、ほこり、砂
等の存在によって引き起こされる誤った降水信号が削除
される。更に、かかる技術は、水蒸気の測定において、
測定された水量の微小変化に亘って極めて高い感度を有
する。

【００１９】散乱粒子の面上の放射光線の強度は、同一
の光学的出力で大きな体積のサンプル空間に照射される
よりも比較的大きくなるため、光学的測定において、小
さい体積のサンプル空間は、信号とノイズの割合を増進
させる。更に、このようなサンプル空間内には、同時に
種々の粒子が有するような危険が減少される。

【００２０】降水用に補正することなく操作される散乱
型視程測定装置では、降水中、不十分な読取が行われ
る。現在では、検知された降水情報に基づいて読み取ら
れた測定値の補正が行われている。

【００２１】

【作用】本発明において、光学的散乱型測定器によっ
て、降水は、その外見上の体積と包含された水量が同時
に測定される。

【００２２】

【実施例】図１に示すように、光学的散乱型測定器即ち
発信ユニット２と受信ユニット１は、演算ユニット４に
接続されている。発信ユニット２及び受信ユニット１の
光軸は、互いに角度（α）好ましくは３３°を成してい
る。発信ユニット２のレンズ６及び受信ユニット１のレ
ンズ５によって形成されたビームは互いに交差し、この
交差点で、０．２１以下の好良な体積を有する測定空間
７の輪郭を構成する。水量測定は、熱容量センサ３を用
いて履行される。この熱容量センサ３は、演算ユニット
４に接続されている。更に、測定空間７における卓越し
た温度は、センサ８を用いて測定される。このセンサ８
も演算ユニット４に接続されている。

【００２３】図２には、図１に示された装置とは異なる
測定形態を有する測定装置が示されている。この測定装
置は、図１に示された装置と類似した構成を備えてお
り、具体的には、レンズ２６を有した発信ユニット２２
と、レンズ２５を有した受信ユニット２１と、これらユ
ニットのビームによって輪郭が構成された測定空間２７
と、水量測定用の熱容量センサ２３と、装置を操作及び
制御して測定結果を処理する演算ユニット２４とを備え
ている。

【００２４】図１及び図２に示すように、かかる基本的
な装置は、狭角前方散乱原理により操作される高感度で
高精度な視程計である。光学的降水分析は、視程測定信
号の詳細な分析に基づいている。実時間測定及び分析
は、演算ユニット４のインテグラルマイクロコンピュー
タの助けを借りて実行される。

【００２５】熱容量センサ３に続いた水量測定セクショ
ンは、センサの測定面の自動加熱を制御すると共に、セ
ンサ面上で測定された水量に対応したアナログ電圧信号
のみならず降水の到来及び休止用の信号を出力する。ア
ナログ信号はデジタル変換され、測定サイクル中に蓄積
された水量が、その大きさ及び変化から演算される。ま
た、演算ユニット４のインテグラルマイクロコンピュー
タは、一般システムの性能及びデータ信頼性の自己診断
だけでなく、測定データの処理及び伝達を行う。

【００２６】かかるシステムの機能の主要部分及びほと
んど全ての信号処理工程は、ソフトウェアに補足されて
いる。

【００２７】光学信号の測定は、以下の図４及び３に従
っている。

【００２８】図４に示すように、波長８５０ｎｍで操作
される発信ユニットの赤外線発光ダイオード４０は、
２．３ｋＨｚの周波数でパルス変調された光を放射す
る。放射光は、発信ビームがダイオードから略１ｍの点
に集光されるように、レンズ４４（焦点距離７５ｍｍ）
を介して平行光に規制される。放射光の強度は、温度変
化に対応した可制御パルス変調器４９、及び、発光ダイ
オードの出力レベルを測定するフォトダイオード４２に
接続されたフィードバック回路４７や発光ダイオードの
動作温度を調節する加熱素子４１の作用で老化するダイ
オードによって規定される。また、発光ダイオードのパ
ルス変調器４９は、位相シフト信号ライン４６を受け
る。発信ユニットのレンズのコンタミネーション(conta
mination) は、フォトダイオード４３の助けを借りてレ
ンズから放射される放射光の後方散乱を測定することに
よって監視される。発光ダイオード４０は、自動心立て
素子４８によって整合される。発信ユニットは、同期信
号４５によって受信ユニットと一致させる。

【００２９】図３に示すように、受信ユニットは、発信
及び受信ビームが互いに略３３°の角度で交差するよう
に、配置され且つ整合される。受信レンズ３３のコンタ
ミネーションは、小型の補助発光ダイオード３４を使用
して監視され得る。この補助発光ダイオード３４の後方
散乱光は、光路以上のコンタミネーションの程度に比例
している。受信ユニットのピンフォトダイオード３０
は、同期信号３８によってシンクロナイズされた同期ア
ンプ３６に接続されている。この同期アンプの出力電圧
は、電圧／周波数変調器３７で、（帯域１００Ｈｚ…１
０ｋＨｚ）の周波数に変換される。受信ユニットの出力
周波数３９は、本装置及び演算処理装置自信の演算処理
カード上の計数回路によって測定される。演算処理装置
は、計数回路から、４〜８ｍｓ毎に１回、周波数サンプ
ル信号を受信する。全ての周波数サンプルは、更に演算
を施すため、データメモリに連続的に蓄積される。受信
ユニットは、心立て素子３５の助けを借りて光学システ
ムに関して整合される。光学フィルタ３１は、不適当な
波長を除去させるために設けられている。

【００３０】アイドリング周波数及びシステムノイズを
測定するため、演算処理装置は、受信ユニット及び発振
ユニットを制御して、例えば、図４に示された信号ライ
ン４６を介して非同期的に操作する。このように測定さ
れたアイドリング周波数は、受信ユニットの電圧／周波
数変調器のアイドリング周波数、電気的光学的ノイズの
みを含むため、発信された光の散乱に寄与しない。

【００３１】信号測定及びバックグラウンド(backgroun
d)測定は、交互に、１５秒間隔で行われる。このため、
測定されたバックグラウンド及びノイズは、信号測定中
の状況を表示しているものと考察され得る。

【００３２】粒子の落下割合が略５ｍ／ｓとした場合、
略４０ｍｍの落下距離に要する時間に対応してサンプリ
ングされる選択周波数間隔は、水滴の落下割合を制限す
る典型的な値である。なぜなら、測定空間の径は、集束
光学によって略４０ｍｍ制限されるからである。このよ
うな粒子によって引き起こされる信号変化は、単一サン
プル内で平均して検出可能である。雪片の落下速度は低
速であるため、種々の随伴サンプル内で検出可能であ
る。また、卓越風の間、雪片は、単一サンプルとしての
み検出される。落下割合を測定するために利用された測
定方法は、ほとんど不正確であるため、更なる信号処理
において利用されていない。

【００３３】図１に示すように、相互に噛合し、ガラス
で保護されたセンサ３の表面は、例えば、共振回路の一
部としての相互噛合パターンによって構成されたコンデ
ンサを接続することによって使用される。共振回路の共
振周波数は、水がセンサの測定面上に落下したとき変化
する。共振回路の周波数は、周波数／電圧変換器によっ
て、直流電圧（ＤＣ）信号に変換される。センサ基板に
供給された弱い火力は、測定面を乾燥させる。このた
め、測定面での直接的な湿気凝結が防止される。センサ
３の面の火力は、測定信号の振幅増加が検出されたとき
増加する。

【００３４】水に対して測定回路は非常に感度が良い。
これは水の極めて高い比誘電率に関係しているわけであ
るが、このため、検出方法は、他の物質に対して感度が
悪くなる。加熱面は、水を構成する固体凝結を溶解す
る。このため、本測定方法は、雪又は氷の双方に適合す
る。

【００３５】直流電圧（ＤＣ）に変換された測定信号
は、アナログ／デジタル変換器でサンプリングされる。
このときの信号は、ほぼ２回に１回サンプリングされ
る。乾燥面から測定された基礎信号は、上述した信号サ
ンプルから除去される。このため、測定面に落下した水
量を、純信号の急速変化量及び信号の穏変化部分から演
算することができる。

【００３６】信号の穏変化部分の平均化に要する時定数
は、種々の降水割合に適合するように、降水量を考慮し
て適当に調節される。

【００３７】測定方法自体は、以下のように行われる。

【００３８】例えば、図１又は図２に示された装置を同
時に利用して、測定空間内の降水量及び水量を測定する
ことによって、降水の類型が、上記量の割合から推測さ
れ得る。外見上の降水量は、光学的信号散布から測定さ
れる。包含されている水量は、容量センサ回路内で生じ
る信号変化から得られる。光学的散布から得られた測定
信号は、降水情報によって補正されて、気象視程示度を
与える。

【００３９】散乱光の強度の変化は、少なくとも１秒間
に２０信号サンプルのサンプリング割合を有する小体積
（０．２１）の測定空間を用いて測定される。また、同
様の測定は、光の散乱信号を必要とせずに行われ、ノイ
ズレベルが決定される。信号及びノイズ測定は、交互に
連続して連続的に行われる。

【００４０】現時点での信号変化の合計が、上述した降
水検出用のしきい値以下に維持されている場合、降水の
休止が示される。降水の検出は、熱容量センサの測定面
の信号レベルを監視することによって、複写される。

【００４１】降水が検出された場合、現在観察している
しきい値を越えた種々の信号変化の平方（square）が演
算され、合計される。そして、かかる結果は、補正率に
よって補正される。最終結果は、検出された粒子の現在
の量に比例した値となる。

【００４２】降水の水量は、熱容量センサの測定面から
得られた分析信号によって規定される。測定値は、降雨
中、光学的に測定された外見上体積及び包含された水量
がほぼ等しくなるように、調整される。

【００４３】降水における凍結程度は、降水量に対する
降水の外見上体積の比率から得られる。降水は、外見上
体積と測定された水量との間の相違が大きい場合、降雪
となる。かかる相違が小さい場合には、降水は、降雨と
なる。みぞれは、かかる相違の中間で形成される。

【００４４】ひょうは、単一の粒子が極めて大きく、且
つ、外見上体積と測定された水量との間の相違が大きい
場合に検出される。

【００４５】細雨は、測定された全ての単一粒子の大き
さが、予め規定された範囲以下に維持されている場合、
降雨として分類される。

【００４６】また、同様の装置が、気象視程を測定する
ために用いられる。

【００４７】視程示度は、降水示度に対応して補正され
る。

【００４８】水量の測定には、各種の方法が適用され得
る。最適な選択は、精密且つ高感度バランスとなる。他
の選択した方法は、感度が落ちるため、降水類型を検出
するための十分な全感度を得ることができない。

【００４９】降水類型の粗雑な分類は、測定空間の温度
感知を基準として可能となる。

【００５０】図５に示すように、発信器、あるいは選択
的に、受信ユニット５０は、穿孔され、好ましくは円錐
状の斜角受け板５２、及び、隙間が開けられた円錐状の
斜角リング５１によって、レンズ筒５４上に支持されて
いる。このため、基板５６上に取付けられた発信／受信
ユニット５０は、ボルト５３が締結されたとき、レンズ
５５によって規定された光軸上で中心が整合され、レン
ズ筒５４に対する焦点距離Ｆによって規定された点に高
精度に配置される。このとき、基板５６に接近した受け
板５２は、円錐状の斜角リング５１をレンズ筒に対して
押圧する。この結果、全てのシステムが固定される。

【００５１】

【発明の効果】本発明の卓越天候及び気象視程を測定す
る方法及びその装置では、卓越天候及び気象視程を高精
度に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】卓越天候及び卓越視程を測定するための狭角光
学に基づいた本発明に係る測定装置を示す図。

【図２】卓越天候及び卓越視程を測定するための本発明
の選択例に係る測定装置を示す図。

【図３】本発明に適用されたレシーバユニットの詳細な
構成を示す図。

【図４】本発明に適用された発信ユニットの詳細な構成
を示す図。

【図５】本発明に適用された発信／受信ユニットの装着
方法を概略的に示す図。

【符号の説明】

１…光学的散乱型測定器、２…光学的散乱型測定器、７
…測定空間。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 降水の外見上の体積を測定空間（７）内
   で光学的（１、２）に測定する方法を有する卓越天候及
   び卓越気象視程を測定する方法において、 前記降水の外見上の体積を、０．２リットル以下の体積
   を有する測定空間（７）内で測定する工程と、 前記降水の外見上の体積の測定と同時に、前記測定空間
   （７）に関係する水量を測定する工程と、を有する卓越
   天候及び卓越気象視程を測定する方法。
2. 【請求項２】 前記降水の外見上の体積及び前記測定空
   間（７）に関係する水量を測定している間、測定瞬間に
   関係した小滴（粒子）の大きさ分布が測定されることを
   特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記測定空間（７）に関係した水量は、
   熱容量センサ（３）を用いて測定されることを特徴とす
   る請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記容量センサ（３）は、基礎出力レベ
   ルで連続的に発熱して、前記センサの測定面を乾燥さ
   せ、また、測定信号が十分に増強した時点で、加熱出力
   は増加され、また、前記信号が予め調節された範囲を越
   えない間、これに対応するように、前記加熱出力は減少
   されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 【請求項５】 固体凝結状態における降水は、水量測定
   用の測定面上で溶解されることを特徴とする請求項１な
   いし４のいずれか１に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記熱容量センサの測定面上の水量は、
   この水量によって引き起こされる前記測定信号の変化か
   ら規定されることを特徴とする請求項１ないし５のいず
   れか１に記載の方法。
7. 【請求項７】 測定された降水の外見上の体積及び包含
   された水量は、降雨中、略等しくなるように調整される
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 【請求項８】 降水の外見上の体積が、光学的散乱型測
   定器（１、２）によって測定される方法を有する卓越天
   候及び気象視程を測定する方法において、 前記光学的散乱型測定器（１、２）によって測定された
   降水の外見上の体積及び包含された水量は、比較され、
   大きな相違が検出された場合、降水は、降雪として判断
   されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 【請求項９】 測定空間（７）内の降水の外見上の体積
   を測定する光学的散乱型測定器（１、２）を備える卓越
   天候及び卓越気象視程を測定する装置において、 測定空間（７）内の降水の外見上の体積に関係した水量
   を測定する手段（３）と、 測定された降水の外見上の体積及び水量から降水の類型
   を確定するデータ処理手段（４）と、を備える卓越天候
   及び卓越気象視程を測定する装置。
10. 【請求項１０】 測定空間（７）内の降水の外見上の体
    積に関係した水量を測定する手段は、熱容量センサ
    （３）であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 【請求項１１】 測定空間（７）内の降水の外見上の体
    積に関係した水量を測定する手段は、はかり(balance)
    であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
12. 【請求項１２】 発信及び／又は受信ユニット５０は、
    円錐状の斜角リング（５１）によって、受け板（５２、
    ５６）の間に位置付けられて支持されることを特徴とす
    る請求項９に記載の装置。