JPH06500860A - 乱気流レーダーシステム - 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】 本願はウェスチングハウス・ドケット第５７，００１号のＢｒｕｃｅ　Ｄ、Ｍａ ｔｈｅＷｓによる米国出願“Ｉｎｆｌｉｇｈｔ　Ｗｅａｔｈｅｒ　Ａｎｄ　Ｇｒ ｏｕｎｄ　Ｍａｐｐｉｎｇ　Ｒａｄａｒ”、ウェスチングハウスードケット第５ ７．０００号のＢｒｕｃｅ　Ｄ、Ｍａｔｈｅｗｓ、Ｐａｕｌ　Ｄ、Ｍｏｎｔｃａ ｓｔｌｅ及びＷａｉｔｅｒ　Ｗ、Ｐａｔｔｅｒｓｏｎによる米国出願″Ｗｉｎｄ ｓｈｅａｒ　Ｒａｄａｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　Ｕｐｐｅｒ　ａｎｄ　Ｌｏ ｗｅｒ　Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　Ｒａｄａｒ　５ｃａｎｓ”、ウェスチングハウス ードケット第５７．００３号のＪｏｈｎ　Ｃ１ａｒｋｅ、Ｊｏｓｅｐｈ　Ａ。

Ｆａｕｌｋｎｅｒ、Ｇｒｅｇｏｒｙ　Ｋ、Ｓｉｒ＋ｏｎ、及びＢｒ１ａｎ　Ｊ、 Ｍｉｓｅｋによる米国出願“Ｍｏｄｕｌａｒ　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｒａｄ ａｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ”、及びウェスチングハウス・ドケット第５５， ９３７号のＭｉｃｈａｅｌ　Ｍ、Ｄｒｉｓｃｏｌｌ及びＮｏｒｍａｎ　Ｇｅｏｒ ｇｅ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｒｅ５ｏｎａｔｏｒ　Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ”に関連 し、これらは、いずれも本願と同時に出願され〜本願明細書の一部を形成するも のとじてに内容を引用した。

本発明は乱気流を可視表示するレーダーシステム、特に乱気流に起因するドツプ ラー・レーダーエコーのスペクトル散布度を利用して乱気流を測定表示するシス テムに係わる。

関連技術の説明 乱気流は乗客に不快感を与え、事故を起こす恐れもあるので民間航空機は乱気流 が予測される領域を回避するのが普通である。乱気流の中を航行する場合、パイ ロットは乱気流が最も少ない領域を通過するように航空機を飛行させようとする 。このため、乱気流を表示する気象レーダーが開発されている。米国特許第４゜ ８３５．５３６号に典型例が開示されているこのようなシステムはパルスペアエ コーの自己相関を利用して振幅のばらつきを測定し、これを表示する。このよう なシステムには、民間航空機への搭載には大き過ぎ、高価でもあるマグネトロン 送信機が必要である。必要なのはソリッドステート・ドツプラー・レーダーの乱 気流データへの使用を可能にする方法である。

発明の概要 本発明の目的は、従来の気象レーダーディスプレイ上において乱気流図を作成す るかまたは重ねることにある。

本発明の他の目的は、Ｘ−バンド・ソリッドステート・ドツプラーレーダーを使 用して乱気流図を作成することにある。

本発明のさらに他の目的は、レンジセル・レーダーエコーのスペクトル散布度を 利用して乱気流図を作成することにある。

本発明のもう１つの目的は、コヒーレント処理により乱気流セルの存在を判定す ることにある。

上記目的は、レンジセルのエコーをそのスペクトル・セグメントに分割すること によって乱気流を探知するレーダーシステムによって達成される。このシステム はスペクトルの標準偏差をめ、この標準偏差を非乱気流または危険のない乱気流 に対応する基準エコーの標準偏差を表わす閾値と比較する。もし閾値以上なら、 乱気流の表示としてこのレンジセルがマークされる。乱気流表示が完成したら、 これが気象表示に重ねられる。

本発明の上記及びその他の目的と長所は類似の部分に類似の参照番号を付して示 した添付図面に沿った構成及び作用の詳細な説明及び請求の範囲から明らかにな るであろう。

図面の簡単な説明 図１は本発明のハードウェアを示す。

図２は乱気流のない場合のレーダーエコーのスペクトルを示す。

図３は乱気流の存在を示すレーダーエコーのスペクトルを示す。

図４は本発明のプロセスを示す。

好ましい実施例の説明 本発明の乱気流処理は上記関連出願に開示されている気象処理と平行して行われ 、乱気流表示は関連出願に開示されている気象表示に重ねられる。本発明はコヒ ーレント処理を用いることによって気象セル中の危険な乱気流の存否を判定する 。本発明は、危険な乱気流の存否につき合理的な判定を行うために適当なＳ／Ｎ 比が得られる場合に限り作用するように構成されている。本発明の感度は気象レ ーダーから得られる時間的感度調整（ＳＴＣ）曲線、気象モード波形及び所要の 単一パルスＳ／Ｎ比に基づく。気象表示用レーダーデータと同時にそれに重ねる ため乱気流表示を発生させることが好ましい。これにより、乱気流データが別々 の走査バーで採取される場合に起こる気象データと乱気流データを重ね合わす際 の問題が解消される。

本発明は従来の４０海里のレンジスケールにおいて全性能を発揮するように構成 され、８０海里のレンジスケールでは性能が低下し、これよりも長いレンジスケ ールで機能するようには設計されていない。その長いレンジ走査では乱気流デー タを採取するため別の走査を行なって重ね合わせることができる。

本発明は図１に示すレーダーシステムで作用するように設計されている。従来の 平板フェイズドアレイアンテナ１２が受信機１４にレーダーエコーを供給する。

受信機１４からのデジタル出力がデジタル信号プロセッサー１６に供給され、該 プロセッサーは振幅マトリックス（マツプ）をレーダーデータプロセッサー１８ に供給する。レーダーデータプロセッサー１８は適当な表示を形成し、ディスプ レイ装置２０上の気象表示に重ねる。システムは安定化発振器２２及び送信機２ ４を含む。このレーダーシステムは上記関連出願に詳しく記述されている。

本発明の乱気流処理は乱気流とは乱れた気流内の雨滴のランダムな相対運動を惹 起するランダムな相対運動であるとの認識に基づいている。雨滴のこのランダム な相対運動はドツプラーレーダーエコーのスペクトル幅を乱気流が存在しない場 合よりも大きくする。本発明の作用の基本原理は、レーダーエコーのスペクトル 幅（エコーのエネルギー）をめて、これを乱気流が存在しない場合のエコーを表 わす閾値と比較し、もしスペクトル幅が閾値以上なら乱気流の存在を指示する。

この閾値は約５ｒｎ／秒のスペクトル散布度である。

雨粒が垂直に降下している場合、受信エコーのスペクトルはビーム幅、航空機速 度、及び航空機速度ベクトルに対する視角に基づいて分布する。非乱気流中の雨 の典型的なエコースペクトルを図２に示し、乱気流中の雨の典型的なエコースペ クトルを図３に示す。エコーの標準偏差は下記式によって近似計算することがた だし、σ　、　はＨｚで表わされる雨の標準偏差、σ　はフィート７秒でａｉｎ 表わされる雨の標準偏差、■はフィート７秒で表わされる航空機速度、δはラジ アンで表わされるアンテナビーム幅（＃２．５／２π）、λはフィートで表わさ れる波長（０，１フイート）、θは方位視角（±４５°）である。標準偏差σの 値は信号エコーからめられ、方程式（２）に従って計算された閾値と比較さねへ もし実際のエコーの標準偏差が閾値以上なら乱気流が存在し、気象表示に記録さ れることになる。

実際の信号エコーの分散はそれぞれが８個から成るパルスセットの８ポイント高 速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行なうことによって計算される。精度がある程度上 がるが、必要記憶量が著しく増大する１６ポイントＦＦＴを用いてもよい。精度 はかなり落ちるが４ポイントＦＦＴを使用することもできる。ＦＦＴフィルター におけるエネルギーの重み付き標準偏差を計算する。重み付けによって標準偏差 の精度が高くなる。籍が各フィルターｉと連携する周波数、ｘ５ｉがこのフィル ターにおけるエネルギーであるとして、σ＝（Σ（ｆ−ｘ、）　２−　（Σｆ、 ｘ−）２）／（Σｘ、）２　（３）ｆ　ｚ＋　ｔ＋ 方程式（３）の結果の最大値は８パルスＦＦＴの場合には約０．１７ＰＲＦ　（ パルス繰り返し周波数）であり、ＦＦＴにおけるフィルターのセグメント数が無 限大に近づくにつれて１．／（１２ＰＲＦ）　に近づく。

方程式（２）に基づいて閾値を計算すると、パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）は スペクトルの合理的な測定を可能にするほど高くはないから、測定スペクトルの 分散が閾値を超えることはないということが考えられる。１６０，３１５及び３ ２０海里のレンジスケールからのエコーに乱気流処理を施さないのも、８ｏ海里 で乱気流モードの精度が落ちるのもこの理由による。８０海里のレンジスケール では、方位角によっては実際の乱気流閾値が５ｍ／秒以下となる。図４はクラッ タ−幅／ＰＲＦ比の関数として標準偏差を示す。信号分散／ＰＲＦが０．２以下 である曲線部分が所要の作用レンジであり、０．２乃至０．　３が低精度の作用 レンジであり、０．３以上が作用不能なレンジである。本発明によると信号エコ ーの標準偏差は、コヒーレント処理が乱気流セルの予想サイズとできるだけマツ チするようにレンジ及びその処理インターバルに亘って平均されている。

図５は本発明にしたがって行なわれる処理操作を示す。最初の操作としてデータ 入力及び入力データの飽和検出を含むコヒーレントパルスインターバル（ＣＰ■ ）バッファリング５０を行なう。飽和検出は添付した付録の第１ページに図示し たが、図中、ｓａｍｐはサンプル数、ｎｒｇはレンジゲート数、ｉｐｐはパルス 間周期、１ｑｄａｔａは同相及び直角位相入力データ、５ａｔ−ｔｈｒはは飽和 閾値である。パルスバッファリング演算５０は同じく付録の第１ページに示すよ うにレンジ加算をも含み、図中、ｉｒｇはレンジゲートインデックス、５ａｔＯ 及び５ａｔｌは飽和出力マトリックスである。プロセス５０はその後８個のＩＰ Ｐの群を集める。１０海里及び２０海里のレンジスケールでは、１回のルック（ 監視）から８個のＩＰＰが得られるから、乱気流処理はルックレートで行なわれ る。４０及び８０海里のレンジスケールでは、８個のパルス間周期を集めるのに ２ルツクが必要であり、従って、０，５ルツクレートでの処理が必要である。

システムは次に８パルスのエネルギーを８個の等間隔周波数ビンに分割する８ポ イントＦＦＴ演算５２を行なう。従来方式の８ポイントＦＦＴ演算を行なうが、 狭い信号の算出標準偏差を最小限にする最小のＲＭＳエラーが得られるため使用 する重みは１であることが好ましい。ＦＦＴの正確なスケーリングは必須条件で はないが、ＦＦＴのノイズ利得はあとで閾値検出操作に使用しなければならない から知られた値である必要がある。次いでシステムは従来方式の直線検波５４を 行なうが、ＦＦＴからの複素出力の大きさを計算するものならいかなる直線検波 であってもよい。ただし、スケーリングは１であることが好ましく、もし１でな ければ、閾値検出を調整しなければならない。

同じ（図５に示すように、次に閾値検出５６を行なうことによってＳ／Ｎ比が低 すぎる信号及び飽和状態の信号を削除する。この操作への入力は直線検波された 振幅マトリックスである。気象表示２０上に飽和信号をフラッグ表示してこれら の領域が危険であることを指示し、飽和データのＦＦＴは無意味であるから飽和 信号を０にセットする。閾値検出操作を付録の第２ページに図示した。この操作 で計算される閾値はＳ／Ｎ比及びＦＦＴ処理５２のノイズ利得に基づいて早めに 定数として計算され、記憶される。次いでシステムはエネルギー周波数の積率と 平均を計算するドツプラー統計値計算５８を行なう。積率と平均は周波数ビンの 内容の標準偏差を計算するのに利用される。この計算への入力は編集されたＦＦ Ｔ振幅データである。

第１のステップでは付録の第２ページに第１演算として示すように７個の小数部 数字を有する周波数インデックスに対応するフィルターナンバーを計算する。

この計算は早めに行なうことができ、特別のスピードが必要な場合には計算結果 が定数として与えられる。第２演算では統計値が計算され、各ドツプラービンに おける信号レベルのドツプラー総和であるレンジゲートベクトルｓｕｍ−ｘ、信 号のドツプラー総和に１／１２８ビン周波数を乗算したレンジゲートベクトルＳ ｕｍ−ａｘ、及び信号レベルのドツプラー総和に１／１２８ビン周波数の二乗を 乗算上たレンジゲートベクトルｓｕｍ−ａｘ２がめられる。

次に、本発明はレンジ検波後積分（ＰＤＩ）を行なうことによって２以上のレン ジゲートに亘る分散を計算する。レンジＰＤ［への入力はドツプラー統計値演算 ５８の出力と、ＰＤＩが形成されるレンジゲート数を加えたものであり、レンジ スケールが１０．２０．４０及び８０海里の場合レンジゲートの数は３である。

ステップ６０の出力はレンジにおいて加算された統計値である。即ち、３つの隣 接レンジゲートについて各ビンにおける信号レベルのドツプラー総和であるベク トルｒｓｕｍ−ｘ、信号レベルのドツプラー総和に１／１２８ビン周波数を乗算 した同様のベクトルｒｓｕｍ−ａｘ、及び信号レベルのドツプラー総和に１／１ ２８ビン周波数の二乗を乗算した同様のベクトルｒｓｕｍ−ａｘ２が得られる。

この演算を付録の第３ページに図示した。付録では本発明が記憶のために使用さ れるベクトル変換可能な出力を形成するように記述されているが、もしレンジＰ Ｄｒ出力を方位角ＰＣＩバッファへ直接書き込むならば、読み出し及び書き込み 動作とメモリスペースを省くことができる。

レンジＰＤＩが完了すると、システムはレンジＰＤＩの出力を複数のビーム位置 に亘って合計する方位角検波後積分演算６２を行なう。従来、軍用航空機では地 形図作成の精度を高めるために方位角スライディングウィンドーＰＤＩが採用さ れている。乱気流検出に利用される方位角ＰＤＩ処理の詳細を付録第４ページに 図示した。方位角ＰＤＩの出力はレンジ及び方位角に亘る統計値の和である。

次いで出力がサイクルバックされてステップ６２への入力として使用されるから 、この出力に修正を加える必要はない。

付録に示すａｚ−ｐｄｉはレンジスケールに基づく方位角ＰＤＩにおけるビーム 位置の数である。初期値は１０海里では６．２０海里では６．４０海里では３． ８０海里では３である。中間値ｐｓｕｍ−ｘ、ｐｓｕｍ−ａｘ、及びｐｓｕｍ− ａｚ２はそれぞれ信号出力総和のレンジ対方位角アレイ、信号レベル総和にドツ プラービンを乗算したレンジ対方位角アレイ、及びドツプラービン総和に信号レ ベルの二乗を乗算したレンジ対方位角アレイである。出力ａｓｕｍ−ｘＸａｓｕ ｍ−ａｘ及びａｓｕｍ−ａｚ２はそれぞれ信号出力総和のアレイ、信号出力総和 にドツプラービンを乗算したアレイ、及びドツプラービン総和に信号レベルの二 乗を乗算したアレイである。

次に分散処理６４が行なわれる。この計算は方位角ＰＤＩの出力に基づいて周波 数信号の統計的分散を計算する。この操作６４を付録の第５ページに図示した。

実周波数分散をめるためには、付録に示す分散計算からの出力をレンジゲートに 関し二乗した信号出力の和によって除算しなければならない。ただし、この除算 を信号プロセッサー内で行なうと時間がかかるので、信号プロセッサー内で行な わないことか好ましく、後述する閾値比較において閾値を調整することによって 行なうことが好ましい。

閾値計算６６の目的は乱気流の検出に用いる分散閾値を計算することにある。

名目上、閾値は標準偏差が５ｍ／秒の乱気流に基づいて選択されるが、これとは 異なる閾値を選択してもよい。ただし、レンジゲートが比較的長く、方位角が比 較的大きくて、ＰＲＦがドツプラーを有効に解像するには低すぎる場合、非乱気 流のドツプラー幅が閾値を超えない範囲で閾値を低くする。閾値計算処理ステッ プロ６ではドツプラービーム幅に起因するエコーの分散を計算し、５ｍ／秒の乱 気流に起因するエコーの分散を推定し、閾値を選択し、その閾値をスケールする 。

この操作６６を付録の第５ページに図示した。入力は、水平走査角φ、初期値が ０．０４３６ラジアン（２，５°）である場合の水平ビーム幅δ、送信信号の波 長λ（０，１０５フィート）、慣性航法システムから得られる航空機の対地速度 Ｖ（フィート７秒）、選択されたレンジスケールに基づいて探索表からめること ができる現時波形に使用されるＰＲＦ、正規化されたドツプラービーム幅に適用 され初期値が０．１．２”’＝０．０１４４である、これ以下では乱気流の測定 が不可能な、ドツプラービーム幅に基づく閾値（無乱気流閾値）、及び初期値が ０．１５２＝０．０２２５の最大許容閾値である。

分散計算６４及び閾値計算６６が完了したら、閾値比較６８を行なうことができ る。この演算６８において乱気流の存在が最終的に判定される。この演算６８は 分散を閾値と比較し、全出力を閾値と比較することによって行なわれる。付録の 第６ページに図示したように、閾値比較演算への入力は方位角ＰＤＩから得られ た出力和アレイ、周波数分散演算から得られた分散ベクトル、及び閾値計算から 得られた分散閾値である。閾値比較からの出力は各レンジゲートについて該レン ジゲートにおいて乱気流が検出されたかどうかを示す単一のビットであり、値１ は乱気流を示す。

本発明によって行なわれる最終操作はマツプブレンディング７０であり、これは 本質的には乱気流アレイを気象図アレイに対して多重化することによって乱気流 データのオーバーレイをこれと同時に作成された気象図と組み合わせるものであ る。このステップの操作の詳細を付録の第６ページに図示した。最初の操作では 気象データと乱気流データを時間的に正しく整合させる。気象プロセスと乱気流 プロセスとでは使用する方位角ＰＤＩ量が異なり、２つのデータ供給源の方位角 が不整合となる場合があるから、上記整合が必要になる。この整合を行なうため 、マツプデータと混合または多重化する前にＰＤＩ量に応じて１つまたは２つ以 上のコヒーレント処理インターバルだけ乱気流データを遅延させる。整合が完了 したら、乱気流ビットがセット状態にある各レンジセルごとにマツプ画像データ を乱気流強度コードで置き換えるが、このコードとしてはマゼンタのコードを使 用するのが普通である。マツプブレンディング操作からの出力は乱気流オーバー レイのための強さ及びカラー指令を含む気象図である。

以上の詳細な説明から明らかなように本発明の特徴と利点は多様であり、後述す る請求の範囲は本発明の思想及び範囲に該当するこのような特徴及び利点をすべ て包含するものとする。また、当業者にとって種々の変更を加えることは容易で あろうから、本発明は添付図面に沿って以上に述べた通りの構成及び作用に限定 されるものではなく、従って、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更が可 能である。

ＦＩＧ、　４ 国際調査報告　６．、、、／Ｉｌｔ。２ＭＣ，ＩＫＧフロントページの続き （７２）発明者　マシューズ、ブルース、ドナルドアメリカ合衆国、メリーラン ド州 （２１２２８）　、ケートンズピル、オスボーン・アベニュウ、１２４ （７２）発明者　ステイーブンソン、ジョセフアメリカ合衆国、メリーランド州 （２１２２８）　、ケートンズビル、ゲイトフィールド・ロード、　１３１３

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）レンジセルのレーダーエコーのスペクトルを求め；（ｂ）スペクトル の統計値を求め； （ｃ）統計値を閾値と比較し； （ｄ）統計値が閾値以上なら乱気流を指示するステップから成ることを特徴とす るレーダーによる乱気流探知方法。
2. ２．特許請求の範囲第１項に記載の方法において、統計値が標準偏差を含み、閾 値が実質的に乱気流が存在しないことを示すレーダーエコーに対応する基準標準 偏差であることを特徴とする方法。
3. ３．特許請求の範囲第１項に記載の方法において、ステップ（ａ）がスペクトル を得るためのＦＦＴを行なうステップを含むことを特徴とする方法。
4. ４．特許請求の範囲第１項に記載の方法において、閾値が５ｍ／秒のエコーの分 散値と組み合わせたドップラービーム幅に起因する分散値から成ることを特徴と する方法。
5. ５．特許請求の範囲第１項に記載の方法において、ステップ（ｂ）の前であって ステップ（ａ）の後に、レンジ及び方位角検波後積分を行なうステップをも含む ことを特徴とする方法。
6. ６．特許請求の範囲第１項に記載の方法において、ステップ（ｄ）が気象図表示 の上に乱気流を指示するステップを含むことを特徴とする方法。
7. ７．乱気流レーダーシステムであって、レーダーのレンジセルのエコーのスペク トルを形成するスペクトル手段と；スペクトルの標準偏差を閾値と比較し、閾値 以上なら乱気流を指示する検出手段と； 乱気流指示を表示するディスプレイと から成ることを特徴とする乱気流レーダーシステム。
8. ８．特許請求の範囲第７項に記載のシステムにおいて、前記スペクトル手段がＦ ＦＴプロセッサーであることを特徴とするシステム。
9. ９．特許請求の範囲第７項に記載のシステムにおいて、レンジ及び方位角検波後 積分を行なう積分手段をも含むことを特徴とするシステム。