JPH05508930A - 風のシア検出用機上気象レーダ - Google Patents

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】 風のシア検出用機上気象レーダ 技術分野 本発明は、風のノアの検出に関するものであり、とりわけ、機上気象レーダ・シ ステムによる風のシアの検出に関するものである。

背最技術 商業用及び一般的な航空機タイプの飛行機に用いられる既知の機上気象レーダは 、降雨量に関係した水分を検出するように設計されている。通常、含水型が多い 場合は、乱流気象条件に関連した降雨率が高いということを表している。

より新しい機上レーダ・／ステムの場合、乱気流を検出するためのド、ブラ信号 処理を実施する相加能力を備えている。これらのレーダシステムは、戻・り信号 のスペクトル幅としきい値の比較を行う。しきい値を超えると、走査領域に乱気 流条件が含まれるものと想定される。

しかし、既存のどの気象レーダ・システムも、風のノアを検出する能力は備えて いない。マイクロバースト現象に関連した風のシアの特性は、通常の乱気流の検 出に用いられる従来のドブプラ偏号処理方法を用いて検出することは不可能であ る。風のシアによって、飛行のクリティカルな局面において高度にかなりの損失 を生じる可能性があるので、本発明の目的は、風のノア検出用機上気象レーダを 提供することにある。

発明の要旨 本発明によれば、航空機の前のエア・スペースに順次ビームを送り出し、反射す る信号を受けて、風のシア状態について反射信号の分析を行う風のノア検出用機 上気象レーダが提供される。風のシア検出用気象レーダ・システムのコンポーネ ントは、乱気流検出能力を備えた一般的な機上気象レーダ・システムと同様であ る。しかし、本発明のハードウェアには、ドツプラ信号プロセッサ及び風のシア しきい値プロセツサだけでなく、これら標準的なコンポーネントに修正を施した ものも含まれる。

図面の簡単な説明 図１は、典型的なマイクロバースト現象の風待性を表している。

図２は、本発明による風のノア検出用気象レーダのブロック図である。

図３及び４は、本発明に従って得られる周波数領域データを表している。

発明を実施するための最良の形諒 図１には、マイクロバースト１０に関連した風のノア状態の風待性が示されてお り、この場合、マイクロパース）１０の中心１２近くに下降気流があり、風は、 マイクロバースト１０の前縁１４及び後縁１６近くで水平に広がっている。

結果として、経路２０に沿ってマイクロバーストｌＯを横断する航空機１８は、 まず、前縁１４がマイクロバースト１０に接触すると、向かい風が増大する。航 空機１８は、マイクロバースト１０の中心１２に近づくと、強い下降気流を受け 、同かい風から追い風へのシフトにさらされる。航空機１８が、マイクロバース トｌＯの後縁に近づくにつれて、追い風が強まることになる。強い下降気流によ る向かい風から追い風へのこの変化が、風のノアの特徴である。これによって、 飛行のクリティカルな局面において高度にかなりの損失を生じることになる。

図２には、乱気流検出能力を備えた既存の気象レーダに風のノア検出能力を組み 込んだ、本発明の望ましい実施例による風のシア検出用気象レーダのプロ１り図 が示されている。風のノア検出は、気象レーダの動作モードとして組み込むこと が可能であり、従って、飛行の着陸及び離陸の段階において動作状態になる。

飛行の巡航、上昇、及び、進入の段階においては、レーダは現在利用可能な通常 モードで動作可能である。　７ 本発明の風のシア検出用気象レーダには、アンテナ２２、アンテナ駆動装置２′ ４、アンテナ・フントローラ２６、送信機／受信機２８、反射率及び乱気流検出 器３０、ディスプレイ／警報器３２、ドツプラ信号プロセツサ３４、及び、風の ノアしきい値プロセツサ３６が含まれている。アンテナ２２、アンテナ駆動装置 ２４、アンテナ・コントローラ２６、送信機／受信機２８、反射率及び乱気流検 出器３０、ディスプレイ／警報器３２は、既存の気象レーダにおける場合とほぼ 同様に機能し、風のシア検出モードに関してわずかな修正が施されている。この 修正は、次の通りである。

一般的な気象検出モードで動作する場合、アンテナ・コントローラ２６及びアン テナ駆動装置２４によって、アンテナ２２は、通常、航空機の縦方向の中心線か ら十、／−６０度〜９０度の範囲にわたって、方位軸における走査を行う。しか し、風のノア検出モードの場合、方位走査角を＋／−１０度〜２０度に狭めて、 更新速度を高めるのが望ましい。また、一般的な気象検出モードで動作する場合 、アンテナ・コントローラ２６及びアンテナ駆動装置２４は、通常、アンテナ２ ２の仰角軸を制御して、アンテナ・ビームが、水平に対して一定の角度に維持さ れるようにする。一定の角度は、コクピツトに配置された傾斜角制御装置を利用 して、オペレータによって選択される。これは、航空機の姿勢（ピッチ及びロー ル）データを利用して行われる。しかし、風のノア検出モードの場合、アンテナ ・コントローラ２６及びアンテナ駆動装置２４は、コクピツトにおける傾斜角制 御装置とは関係なく、アンテナ・ビームを風のシア検出に最適の角度に維持する 。望ましい実施例の場合、風のシア検出処理の最大距離で、アンテナ・ビームが ほぼ地表を同くように最適角度の計算が行われる。この最適角は、地表面からの 高度データの関数である。９．３Ｋｍが、風のシア検出処理にとって一般的な最 大距離である。

図２の風のシア検出用気象レーダが、風のシア検出モードにある場合、送信機／ 受信機２８は、一般的なマイクロバーストの直径の約１７１Ｏ未満の分解能が得 られるように、伝送される信号のパルス幅を選択するのが望ましい。一般的なマ イクロバーストの直径は、０．７４Ｋｍはどにしかならない可能性がある。伝送 される信号のパルス繰り遥し数（ＰＲＦ）は、２５０／ブトの最小値までの速度 について明白なドツプラ周波数分解能力が得られるように選択することも望まし い。さらに、送信機／受信機２８の周波数は、５ノット未満の速度に対応するド ツプラ周波数分解能力が得られるように、十分にフヒーレントであることが望ま しい。フヒーレントの意味は、送信機及び受信機の周波数が、互いに一定の周波 数だけオフセ、トシているということである。このオフセット周波数の変動は、 最小限に保たなければならない。一般的な気象レーダの動作周波数９３４５ＭＨ ２において、ｌノットの速度は、約１６Ｈｚのドツプラ・シフトに相当する。シ ステム・エラーを５ノット未満の値に維持するためには、周波数のコヒーレンン イ（オフセット周波数の変動）は、８０Ｈｚ未満でなければならない。

また、送信機のパワー及び受信機の性能は、はぼ乾燥したマイクロバーストにつ いて風のシアを検出するため、反射率が０ｄＢＺはとしかないターゲットに対す る検出能力が得られるように選択するのが望ましい。ｄＢＺは、多くの雨滴に関 する気象ターゲット妥協案である反射率に対する周知の定義である。０ｄＢＺは 、約０．０４ｍｍ／時間の降雨率に相当する。

反射率及び乱気流検出機３ｏが送信Ｉｔ／受信機２８からの情報処理を行うのは 、一般的な気象検出モード時に限られるので、これらに対する修正は不必要であ る。

この検出機は、風のシア検出モード時には用いられない。

ディスプレイ／警報１１３２は、一般的な気象検出モード時には、反射率及び乱 気流検出器３０から情報を受信し、風のシア検出モード時には、風のシアしきい 値プロセッサ３６から情報を受信できるように修正しなければならない。

乱気流検出を行う一般的な機上気象レーダの標準的なコンポーネントに対する上 述の修正以外に、本発明は、ドツプラ信号プロセッサ３４及び風のシアしきい値 プロセッサ３６を備えている。これらのプロセッサの動作は次の通りである。

各パルスの送信後に反射するデータは、コヒーレント検出法を利用して、直角位 相信号！及びＱチャネルを発生する受信機（送信Ｉｍ／受信機２８）が受信し、 検出する。■及びＱチャネルを利用するコヒーレント検出法はレーダ設計者にと って周知のところである。ドツプラ信号プロセッサ３４は、風のシア検出処理の 距離分解能に対応するこれらのデータ゛時間間隔をサンプリングし、記憶する。

距離分解能はレーダ設計者にと？で周知の用語である。１２．３６マイクロ秒は 、１海里に相当する。例えば、最大距離が５海里で、距離分解能が０．０４海里 の場合、そのシステムは、約２ＭＨｚのサンプリング周波数において、１２ｇの データ・セットを必要とする。これらのサンプルは一般に距離ビンと呼ばれる。

ドツプラ信号プロセッサ３４は、時間領域データを周波数領域データに変換する 。この変換には、当該技術において周知の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）法を用い ることが可能である。時間領域データは、多数回にわたる伝送において所定の距 離ビンについて記憶されたデータに相当する。上述のパラメータを利用すると、 ドツプラ信号プロセッサ３４によって発生した１２８の距離ビンに相当する１２ ８の周波数領域データ・セットが生じることになる。２つの距離ビンに関する典 の距離ビンＡ４２及び距離ビン８４４に対応する。両方の場合とも、地表戻り信 号（図３の４６及び図４の４８）が、航空機の地上速度に対応する周波数で生じ る。図３の距離ビンＡの場合、マイクロバーストの戻り信号４７は、地表戻り信 号周波数より高い周波数で生じる。図４の距離ビンＢの場合、マイクロバースト の戻り信号４９は、もっと低い周波数で生じる。図２に戻ると、ドツプラ信号プ ロセッサ３４は、地表戻り信号にフィルタリングを施して、地表戻り信号周波数 に対する他の戻り信号の平均ド１プラ周波数を計算する。結果得られるデータは 、各距離ビン毎の期待向かい風または追い風速度に関するものである。このデー タが、風のシアしきい値プロセッサ３６に与えられる。

風のシアしきい値プロセッサ３６は、各方位角における全ての距離ビンに関する 風速を分析する。この処理では、当該技術において既知のスライディング・ウィ ンドウ計算が利用される。望ましい実施例の場合、ウィンドウの幅は、一般的な マイクロバーストの直径と一致するのが望ましい。１．８ＳＩｍ、すなわち、上 述のパラメータを用いると、２５距離ビンが、典型的なウィンドウ幅とみなすこ とができる。風のシアしきい値プロセッサ３６は、ウィンドウ内における距離ビ ンに関する最高風速と最低風速の差を計算する。これらの数字は、風のシアに関 するしきい値と比較される。望ましい実施例の場合、緩い風、適度な風、及び、 激しい風のシアの確率を示す一般的なしきい値に、１８．５、＄７．０．及び、 ５５．６に■／時を用いることができる。風のノアしきい値プロセッサ３６は、 ウィンドウにおける追い風から向かい風への変化も検出する。向かい風から追い 風へのシフトが検出されなければ、激しい風のシアの確率しきい値は使用禁止に することができる。

こうした条件下では、最大の風のシフトは、適度な風のシアの確率として表示す ることができる。

音声警報（図２のディスプレイ／警報器３２）は、激しい風のシアの確率が検出 されると、いつでも発生することができる。さらに、風のシアの確率データをデ ィスプレイ（図２のディスプレイ／警報器３２）に送って、運航乗員に表示する ことがてきる。望ましい実施例の場合、風のシアの確率データは、標準的な平面 位置表示器（ＰＰＩ）のフォーマットで表示可能である。所定のウィンドウに関 する確率データは、各方位角毎に、ウィンドウの中心に対応する距離に表示され る。カラーを用いて、データの解釈を容易にする手段を提供することも可能であ る。緑、黄、赤が、データの厳正さを表示するため、気象レーダ・ディスプレイ において用いるのに望ましいカラーである。

本発明は、図示し、開示したハードウェアまたはソフトウェア構成、あるいは、 操作手順に限定されるものではない。本発明には、後続の請求項の範囲内に含ま れる全ての改変及び変更が包含される。

ｚ　、′フＯべ′−奸　−１０ Ｒσｌ 池表た・）詔１ 要約 風のシア検出用機上気象レーダには、航空機の前方のエア・スペースに順次レー ダ・ビームを送り込むための送信機と、反射信号を受信する受信機が設置すられ ている。そのレーダは、周波数領域の受信反射信号を分析し、航空機の前方にお けるエア・スペースに風のンア条件力（存在する力ｉ否力・をＩ＋定する。

補正音の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成５年６月１４日

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．航空機の方位軸を走査するためのアンテナ手段と、前記アンテナ手段を介し て順次ビームを前記航空機の前方のエア・スペースに送り込むための送信手段と 、 前記アンテナ手段を介して反射信号を受信するための受信手段と、前記受信した 反射信号を分析して、風のシアの状態を検出するためのプロセッサ手段と、 前記風のシアの伏値をパイロットに知らせるディスプレイ／警報手段から構成さ れる、 風のシア検出用機上気象レーダ。
2. ２．航空機の方位軸を走査するためのアンテナ手段と、前記アンテナ手段に接続 されて、前記アンテナ手段に走査させるためのアンテナ駆動手段と、 前記アンテナ駆動手段に接続されて、前記アンテナ駆動手段と協働し、前記アン テナ手段を風のシア検出にとって最適な角度に維持するためのアンテナ・コント ローラ手段と、 前記アンテナ駆動手段に接続されて、送信信号を発生し、反射データを受信する 送信／受信手段と、 前記送信／受信手段に接続有れて、前記送信／受信手段からの情報に処理を施す 反射率及び乱気流検出手段と、 前記反射率及び乱気流検出手段に接続されて、前記反射率及び乱気流検出手段か ら情報を受信することができるディスプレイ／警報手段と、前記迷信／受信手段 に接続されて、地表戻り信号にフィルタリングを施し、前記地表戻り信号に対し て他の戻り信号の平均ドップラ周波数を計算するドツプラ信号プロセッサ手段と 、 前記ドップラ信号プロセッサ手段に接続されて、前記ドップラ信号プロセッサ手 段からのデータを分析し、前記ディスプレイ／警報手段に風のシア検出情報を提 供するための嵐のシアしきい値プロセッサ手段から構成きれる、風のシア検出用 機上気象レーダ。
3. ３．前記アンテナ・コントローラ手段及び前記アンテナ駆動手段によって、前記 アンテナ手段が、前記航空機の縦方向の中心線から±１０度〜２０度の範囲にわ たって、前記方位軸の走査を行うことを特徴とする請求項２に記載の風のシア検 出用機上気象レーダ。
4. ４．前記アンテナコントロール手段及び前記アンテナ駆動手段によって、前記ア ンテナ手段が、前記航空機の傾斜角制御装置とは関係なく、属のシア検出に最適 な角度に維持されることを特徴とする請求項２に記載の風のシア検出用機上気象 レーダ。
5. ５．風のシアの検出処理のほぼ最長距離になるように、前記アンテナ手段を地表 に向けるため、前記最適角度の計算が行われることを特徴とする請求項４に記載 の風のシア検出用機上気象レーダ。
6. ６．前記送信／受信手段が、一般的なマイクロバーストの直径の約１／１０未満 の分解能が得られるように、前記送信信号のパルス幅を選択することを特徴とす る、請求項２に記載の風のシア検出用機上気象レーダ。
7. ７．前記送信／受信手段が、２５０ノットの最小値までの速度について明白なド ップラ周波数分解能力が得られるように、前記送信信号のパルス繰り返し数を選 択することを特徴とする請求項２に記載の風のシア検出用機上気象レーダ。
8. ８．前記送信／受信手段が、５ノット未満の速度に対応するドップラ周波数分解 能力をもたらすのに十分なだけコヒーレントになるように、前記送信信号の周波 数を選択することを特徴とする請求項２に記載の冨のシア検出用機上気象レーダ 。
9. ９．前記送信／受信手段が、反射率が０ｄｂＺほどしかないターゲットに対する 検出能力を備えていることを特徴とする請求項２に記載の風のシア検出用機上気 象レーダ。
10. １０．前記ディスプレイ／警報手段が、気象検出モードに加え、風のシア検出モ ードにおいても情報を受信することが可能であることを特徴とする請求項２に記 載の風のシア検出用機上気象レーダ。
11. １１．前記送信／受信手段が、コヒーレント検出法を利用して、直角位相信号を 発生し、かつ前記ドップラ信号プロセッサ手段が、風のシア検出処理の距離分解 能に対応するデータ時間間隔をサンブリングし、記憶することを特徴とする請求 項２に記載の風のシア検出用機上気象レーダ。
12. １２．前記風のシアしきい値プロセッサ手段が、各方位角毎に、全ての距離ビン に関する風速データを分析することを特徴とする請求項２に記載の風のシア検出 用機上気象レーダ。
13. １３．前記風のシアしきい値プロセッサ手段が、スライディング・ウィンドゥ計 算を利用することを特徴とする請求項２に記載の風のシア検出用機上気象レーダ 。
14. １４．前記スライディング・ウインドウ計算のウインドウ幅が、典型的なマイク ロバーストの直径のサイズに一致することを特徴とする請求項１３に記載の風の シア検出用機上気象レーダ。
15. １５．前記ウインドウ幅が、１海里であることを特徴とする請求項１４に記載の 風のシア検出用機上気象レーダ。
16. １６．前記風のシアしきい値プロセッサ手段が、ウインドウ内における距離ビン に関する最高風速と量低風速の差を計算することと、最高風速と最低風速の前記 差が、風のシアに関するしきい値と比較されることを特徴とする請求項２に記載 の風のシア検出用機上気象レーダ。
17. １７．前記風のシアしきい値プロセッサ手段が、ウインドウにおける追い風から 向かい風への変化を検出することを特徴とする請求項２に記載の風のシア検出用 機上気象レーダ。