JPH10186056A - ウェーク渦乱流または大気乱流を実時間で決定する方法、およびウェーク渦空気乱流または空気乱流に対し補正された出力を与える光シンチロメータ - Google Patents
ウェーク渦乱流または大気乱流を実時間で決定する方法、およびウェーク渦空気乱流または空気乱流に対し補正された出力を与える光シンチロメータInfo
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- JPH10186056A JPH10186056A JP9237088A JP23708897A JPH10186056A JP H10186056 A JPH10186056 A JP H10186056A JP 9237088 A JP9237088 A JP 9237088A JP 23708897 A JP23708897 A JP 23708897A JP H10186056 A JPH10186056 A JP H10186056A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 １０ｋｍの距離まで大気乱流強度を測定する
よう動作する光シンチロメータを提供する。 【解決手段】 光シンチロメータ１００はトランスミッ
タ１４とレシーバ１６とデジタル処理回路２０とを用い
て操作現場で乱流強度の実時間連続測定を行なう。信号
はしきい値との比較前にデジタル化されて光学トランス
ミッタおよびレシーバの経路を通る物体に帰する事象を
取り除く。システムはそれにより飽和型での一次対数−
振幅分散関数の調整計算を行なう。大気乱流は航空機に
よるウェーク渦でも気象条件によるものでもよい。信号
デジタル化しきい値信号との比較とにより、無効信号入
力は経路平均乱流強度計算から排除され、それにより、
赤外線ビームの妨害があっても屈折乱流強度計算におけ
るデータの質を保証する。
よう動作する光シンチロメータを提供する。 【解決手段】 光シンチロメータ１００はトランスミッ
タ１４とレシーバ１６とデジタル処理回路２０とを用い
て操作現場で乱流強度の実時間連続測定を行なう。信号
はしきい値との比較前にデジタル化されて光学トランス
ミッタおよびレシーバの経路を通る物体に帰する事象を
取り除く。システムはそれにより飽和型での一次対数−
振幅分散関数の調整計算を行なう。大気乱流は航空機に
よるウェーク渦でも気象条件によるものでもよい。信号
デジタル化しきい値信号との比較とにより、無効信号入
力は経路平均乱流強度計算から排除され、それにより、
赤外線ビームの妨害があっても屈折乱流強度計算におけ
るデータの質を保証する。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】発明の分野 この発明は、乱れた大気条件において、地上レベルで、
航空機により発生するウェーク渦および大気乱流の強度
を正確に測定するためのシステムに関する。
航空機により発生するウェーク渦および大気乱流の強度
を正確に測定するためのシステムに関する。
【０００２】先行技術の説明 現在、航空機特にジャンボジェットの飛行場滑走路での
着陸および離陸により生ずるウェーク渦状態は、それら
のウェークの中を後続する他の航空機にとって非常に有
害な条件を作り出し得る。実際に、この現象に帰する致
命的な空中衝突があった。現在のところ、信頼性を持っ
てウェーク渦および乱流を検知し得る、市場で入手可能
な計器はない。
着陸および離陸により生ずるウェーク渦状態は、それら
のウェークの中を後続する他の航空機にとって非常に有
害な条件を作り出し得る。実際に、この現象に帰する致
命的な空中衝突があった。現在のところ、信頼性を持っ
てウェーク渦および乱流を検知し得る、市場で入手可能
な計器はない。
【０００３】渦は、飛行中の航空機により発生される揚
力が理由で生ずる。この渦は、１００ｍ／秒にもなる風
速を伴う小さな水平方向の竜巻のようなものである。ト
レーリング・ウェーク渦は、小型の後続の航空機、およ
び並行した滑走路にその渦が吹き流れる場合にはその並
行した滑走路上の航空機に大きな脅威を与える。結果と
して生ずる乱流は小型の航空機を不安定にして転覆させ
得る。これまでは、ウェーク渦の強さを遠隔操作で検
知、追尾および測定する操縦計器はなかった。現在、Ｆ
ＡＡは航空機を空間的および時間的に分離するよう手続
ガイダンスを用いている。これらの手続は非常に保守的
であり効果的ではあるが、大きなピーク運行遅延をもた
らし、滑走路をさらに設けるために飛行場を拡大する必
要を生じさせる。
力が理由で生ずる。この渦は、１００ｍ／秒にもなる風
速を伴う小さな水平方向の竜巻のようなものである。ト
レーリング・ウェーク渦は、小型の後続の航空機、およ
び並行した滑走路にその渦が吹き流れる場合にはその並
行した滑走路上の航空機に大きな脅威を与える。結果と
して生ずる乱流は小型の航空機を不安定にして転覆させ
得る。これまでは、ウェーク渦の強さを遠隔操作で検
知、追尾および測定する操縦計器はなかった。現在、Ｆ
ＡＡは航空機を空間的および時間的に分離するよう手続
ガイダンスを用いている。これらの手続は非常に保守的
であり効果的ではあるが、大きなピーク運行遅延をもた
らし、滑走路をさらに設けるために飛行場を拡大する必
要を生じさせる。
【０００４】何年も前では、地上レベルの乱流および横
風速を測定するのに光シンチレーション技術を用いた。
部分的にコヒーレントな赤外線光源を飛行場の滑走路に
沿って置き、間隔を接近させて置いたシンチレーション
検出器の対を、滑走路の対向する側に、トランスミッタ
から大きな距離をおいて配置した。つまり、光線の経路
は滑走路自体と非常にわずかな鋭角をなした。この先行
技術のシステムでは、アナログ回路および平均化技術を
用いて平均乱流および横風速を決定した。これは、約１
０秒以上の時定数を有する乱流および横風の測定値を生
じさせた。
風速を測定するのに光シンチレーション技術を用いた。
部分的にコヒーレントな赤外線光源を飛行場の滑走路に
沿って置き、間隔を接近させて置いたシンチレーション
検出器の対を、滑走路の対向する側に、トランスミッタ
から大きな距離をおいて配置した。つまり、光線の経路
は滑走路自体と非常にわずかな鋭角をなした。この先行
技術のシステムでは、アナログ回路および平均化技術を
用いて平均乱流および横風速を決定した。これは、約１
０秒以上の時定数を有する乱流および横風の測定値を生
じさせた。
【０００５】この先行技術のシステムでは、トランスミ
ッタおよびレシーバは、滑走路への小さな鋭角での視線
で、１本の滑走路の対向する側に配置された。しかしな
がら、２つの並行する滑走路が互いから所定の間隔内に
ある場合、それらは、ＦＡＡの規定に従い、乱流および
横風を決定するためには１本の滑走路として考えられな
ければならない。したがって、間隔が接近した並行した
滑走路の場合、トランスミッタおよびレシーバは滑走路
の間にそれらと並行して整列される。いずれの滑走路か
らの乱流および横風も同じくこの整列で測定可能な効果
を生じさせる。
ッタおよびレシーバは、滑走路への小さな鋭角での視線
で、１本の滑走路の対向する側に配置された。しかしな
がら、２つの並行する滑走路が互いから所定の間隔内に
ある場合、それらは、ＦＡＡの規定に従い、乱流および
横風を決定するためには１本の滑走路として考えられな
ければならない。したがって、間隔が接近した並行した
滑走路の場合、トランスミッタおよびレシーバは滑走路
の間にそれらと並行して整列される。いずれの滑走路か
らの乱流および横風も同じくこの整列で測定可能な効果
を生じさせる。
【０００６】この先行技術のシステムに伴う問題は、時
定数があまりに大きすぎるという点であった。つまり、
計器が実用的に商業目的で適用されるためには、時定数
ははるかに短くなければならない。しかしながら、先行
技術の従来的なシンチレーション検出技術を用いると、
短い時定数を達成することはできない。
定数があまりに大きすぎるという点であった。つまり、
計器が実用的に商業目的で適用されるためには、時定数
ははるかに短くなければならない。しかしながら、先行
技術の従来的なシンチレーション検出技術を用いると、
短い時定数を達成することはできない。
【０００７】弱散乱領域における経路平均屈折乱流構造
定数（Ｃn 2 ）は、大気を通って伝搬される光波の対数
−放射度（または対数−振幅）シンチレーションにより
測定され得ることが公知である。先行技術の光シンチロ
メータは一次散乱理論に基づいており、屈折乱流の累積
量が小さい限りにおいてのみ信頼性がある。屈折乱流の
強度が大きくなるにつれ、シンチレーションは飽和し、
性能が対数−振幅分散の比例性と屈折乱流とに基づくシ
ンチロメータは役に立たなくなる。
定数（Ｃn 2 ）は、大気を通って伝搬される光波の対数
−放射度（または対数−振幅）シンチレーションにより
測定され得ることが公知である。先行技術の光シンチロ
メータは一次散乱理論に基づいており、屈折乱流の累積
量が小さい限りにおいてのみ信頼性がある。屈折乱流の
強度が大きくなるにつれ、シンチレーションは飽和し、
性能が対数−振幅分散の比例性と屈折乱流とに基づくシ
ンチロメータは役に立たなくなる。
【０００８】
【発明の概要】この発明に従うと、乱流そのものではな
く乱流の変動を測定し、横風速そのものではなく風の変
動を測定することによって、乱流の変化率の有意義な測
定値を発生させて、わずか１秒以下の時定数に対し危険
な条件を示し得る。つまり、乱流のシンチレーション測
定値をとりそれらを合せて平均化して平均乱流を得、次
いで平均値を比較する代わりに、乱流の変化率を測定す
る。同様に、風そのものの速度ではなく横風速の変化率
を測定する。乱流および横風速のこれら差分値は、危険
な航空機のウェーク乱流状態および危険な横風状態を示
し得る有用な計器構成を設けることにおいて、重要な前
進ステップを呈示する。
く乱流の変動を測定し、横風速そのものではなく風の変
動を測定することによって、乱流の変化率の有意義な測
定値を発生させて、わずか１秒以下の時定数に対し危険
な条件を示し得る。つまり、乱流のシンチレーション測
定値をとりそれらを合せて平均化して平均乱流を得、次
いで平均値を比較する代わりに、乱流の変化率を測定す
る。同様に、風そのものの速度ではなく横風速の変化率
を測定する。乱流および横風速のこれら差分値は、危険
な航空機のウェーク乱流状態および危険な横風状態を示
し得る有用な計器構成を設けることにおいて、重要な前
進ステップを呈示する。
【０００９】この発明に従って、水平方向経路に沿って
経路平均大気乱流強度を測定する診断技術および装置が
考案された。０．１５ｍの光学アパーチャを有するシン
チロメータが一次理論に従い１ｋｍの距離まで作動する
よう設計されたことは公知である。しかしながら、飽和
型において大気乱流の測定を可能にするよう展開された
理論のおかげて、この発明に従うと、同じ光学素子を有
する第２世代光シンチロメータで２．５ｋｍの距離まで
大気乱流強度を測定することが可能である。
経路平均大気乱流強度を測定する診断技術および装置が
考案された。０．１５ｍの光学アパーチャを有するシン
チロメータが一次理論に従い１ｋｍの距離まで作動する
よう設計されたことは公知である。しかしながら、飽和
型において大気乱流の測定を可能にするよう展開された
理論のおかげて、この発明に従うと、同じ光学素子を有
する第２世代光シンチロメータで２．５ｋｍの距離まで
大気乱流強度を測定することが可能である。
【００１０】この発明の計器は、現場での運用および航
空機により発生されるウェーク渦における乱流強度の実
時間連続測定を行なう。この発明の非常に重要な局面
は、この発明が妨害保護を有するという点である。光路
が移動する運搬体、歩行者、航空機等によって妨害され
ると、その無効データは、出力測定値の質を保護するた
め、処理には用いられない。以前のアナログシステム
は、経路を視覚的に隠すような障害物から回復するのに
数秒を要した。デジタル処理を伴うこの新規な発明で
は、回復するのに、妨害後わずか２〜３秒しか必要とし
ない。したがって、シンチロメータは計器の性能を危険
にさらすことなく高速道路、滑走路または通路を横切っ
て設置され得る。この計器は環境的音響ノイズおよび電
磁波ノイズに反応しない。この計器はさらに、容易に輸
送され操作されるよう小型である。
空機により発生されるウェーク渦における乱流強度の実
時間連続測定を行なう。この発明の非常に重要な局面
は、この発明が妨害保護を有するという点である。光路
が移動する運搬体、歩行者、航空機等によって妨害され
ると、その無効データは、出力測定値の質を保護するた
め、処理には用いられない。以前のアナログシステム
は、経路を視覚的に隠すような障害物から回復するのに
数秒を要した。デジタル処理を伴うこの新規な発明で
は、回復するのに、妨害後わずか２〜３秒しか必要とし
ない。したがって、シンチロメータは計器の性能を危険
にさらすことなく高速道路、滑走路または通路を横切っ
て設置され得る。この計器は環境的音響ノイズおよび電
磁波ノイズに反応しない。この計器はさらに、容易に輸
送され操作されるよう小型である。
【００１１】この発明に従って、強い乱流内での光学的
屈折乱流センサの性能を表わす公式が導き出された。こ
の理論に基づくと、弱および強乱流状態の両方において
その較正を維持する乱流センサが設計され試験された。
屈折乱流センサの性能を表わす公式が導き出された。こ
の理論に基づくと、弱および強乱流状態の両方において
その較正を維持する乱流センサが設計され試験された。
【００１２】表Ａは、飽和なしで測定する場合に必要な
経路長の関数としてのトランスミッタおよびレシーバ光
学素子直径を示す。表Ａは、（Ｃn 2 ＝１０-12 ｍ-2/3
に対し、）所与の光学アパーチャ直径に対する飽和効果
なしでの最長有効経路長を与える。
経路長の関数としてのトランスミッタおよびレシーバ光
学素子直径を示す。表Ａは、（Ｃn 2 ＝１０-12 ｍ-2/3
に対し、）所与の光学アパーチャ直径に対する飽和効果
なしでの最長有効経路長を与える。
【００１３】
【表１】
【００１４】表Ａは、トランスミッタおよびレシーバ光
学素子の両方に１５２ｍｍアパーチャを用いるシンチロ
メータは、（Ｃn 2 ＝１０-12 ｍ-2/3に対し、）１ｋｍ
未満の有効経路長を有することを示す。範囲を２ｋｍに
まで拡大するためには５３６ｍｍの光学素子を用い、３
ｋｍまで拡大するためには１０２７ｍｍの光学素子を用
いて、大気の乱れにより誘起される光シンチレーション
への飽和効果を回避する必要がある。しかしながら、現
場での運用に対しそのような大きなアパーチャ光学シス
テムを設計することは非実用的である。しかしながら、
この発明のシステムを用いると、有限アパーチャシステ
ムの有効経路長は飽和領域においてさえ動作するよう拡
大され得る。
学素子の両方に１５２ｍｍアパーチャを用いるシンチロ
メータは、（Ｃn 2 ＝１０-12 ｍ-2/3に対し、）１ｋｍ
未満の有効経路長を有することを示す。範囲を２ｋｍに
まで拡大するためには５３６ｍｍの光学素子を用い、３
ｋｍまで拡大するためには１０２７ｍｍの光学素子を用
いて、大気の乱れにより誘起される光シンチレーション
への飽和効果を回避する必要がある。しかしながら、現
場での運用に対しそのような大きなアパーチャ光学シス
テムを設計することは非実用的である。しかしながら、
この発明のシステムを用いると、有限アパーチャシステ
ムの有効経路長は飽和領域においてさえ動作するよう拡
大され得る。
【００１５】この発明に従い、有限アパーチャシステム
の、乱流により誘起される光シンチレーションの飽和効
果を分析して、視線経路に沿って経路平均屈折乱流を測
定した。この分析の結果は、光シンチレーションの測定
された対数−振幅分散に適切な補正が与えられるなら
ば、経路平均屈折乱流は飽和型においてでも正確に測定
され得ることを示す。これらの結果は、１５２ｍｍの送
出および受取りアパーチャを用いて２．５ｋｍまでの距
離で経路平均屈折乱流を測定するよう有限アパーチャシ
ステムを設計することは実行可能であることを示す。
の、乱流により誘起される光シンチレーションの飽和効
果を分析して、視線経路に沿って経路平均屈折乱流を測
定した。この分析の結果は、光シンチレーションの測定
された対数−振幅分散に適切な補正が与えられるなら
ば、経路平均屈折乱流は飽和型においてでも正確に測定
され得ることを示す。これらの結果は、１５２ｍｍの送
出および受取りアパーチャを用いて２．５ｋｍまでの距
離で経路平均屈折乱流を測定するよう有限アパーチャシ
ステムを設計することは実行可能であることを示す。
【００１６】対数−振幅分散の飽和効果とは、乱流が増
大するにつれ、測定される分散が一次理論による予測か
ら偏向することである。しかしながら、わずかな飽和領
域では、補正が有限アパーチャシステムの飽和曲線に基
づいて与えられる場合には、測定される分散は経路平均
乱流強度を得るのに依然として役立つ。
大するにつれ、測定される分散が一次理論による予測か
ら偏向することである。しかしながら、わずかな飽和領
域では、補正が有限アパーチャシステムの飽和曲線に基
づいて与えられる場合には、測定される分散は経路平均
乱流強度を得るのに依然として役立つ。
【００１７】一次対数−振幅変量の補正は以下に定義さ
れるごとくの多数のパラメータを伴う。
れるごとくの多数のパラメータを伴う。
【００１８】σX 2 ＝対数−振幅分散 ｕ＝正規化された経路長 Ｗ（ｕ）＝経路加重関数（つまり、経路の異なる位置で
の寄与であるもの） ｙ＝大気乱流の、正規化された波数 ｄｙ＝正規化された波数微分増分 ｇ＝等式（３）に定義される σT 2 ＝ウェーク散乱の理論的予測 ｋ＝光源の波数 Ｌ＝経路長 Ｃn 2 ＝大気乱流屈折構造定数 αt ＝フレネル寸法に正規化されたトランスミッタの直
径 αr ＝フレネル寸法に正規化されたレシーバの直径 σD 2 ＝弱乱流領域におけるアパーチャＤを有する有限
トランスミッタおよびレシーバの対数−振幅分散 ｆc ＝バンドパスフィルタの中心周波数 Ｊ1 ＝一次の第一種ベッセル関数 これまでの分析に基づくと、一次対数−振幅分散関数は
次の式により与えられる。
の寄与であるもの） ｙ＝大気乱流の、正規化された波数 ｄｙ＝正規化された波数微分増分 ｇ＝等式（３）に定義される σT 2 ＝ウェーク散乱の理論的予測 ｋ＝光源の波数 Ｌ＝経路長 Ｃn 2 ＝大気乱流屈折構造定数 αt ＝フレネル寸法に正規化されたトランスミッタの直
径 αr ＝フレネル寸法に正規化されたレシーバの直径 σD 2 ＝弱乱流領域におけるアパーチャＤを有する有限
トランスミッタおよびレシーバの対数−振幅分散 ｆc ＝バンドパスフィルタの中心周波数 Ｊ1 ＝一次の第一種ベッセル関数 これまでの分析に基づくと、一次対数−振幅分散関数は
次の式により与えられる。
【００１９】
【数１】
【００２０】飽和領域は、強い乱流の領域として定義さ
れてもよい。強い乱流において、一次対数−振幅分散と
補正された対数−振幅分散との間の差は等式（３）の指
数項である。
れてもよい。強い乱流において、一次対数−振幅分散と
補正された対数−振幅分散との間の差は等式（３）の指
数項である。
【００２１】等式（２）−（４）において、
【００２２】
【数２】
【００２３】は点光源およびレシーバに対する弱散乱予
測対数−振幅分散であり、αr およびαt はそれぞれそ
の光路に対するフレネル帯に正規化されたレシーバおよ
びトランスミッタの直径であり、Ｊ1 は一次の第一種ベ
ッセル関数である。等式（３）は一次散乱理論とは指数
項のみによって異なる。弱乱流（σT 2 ＜＜１）の場
合、したがって、この項は無視できる。弱乱流と飽和型
との間の精密な区分はいくらか主観的なものたり得る
が、この発明のためには、強乱流または飽和型はσT 2
が０．０２より大きいときの状態と考えてもよい。
測対数−振幅分散であり、αr およびαt はそれぞれそ
の光路に対するフレネル帯に正規化されたレシーバおよ
びトランスミッタの直径であり、Ｊ1 は一次の第一種ベ
ッセル関数である。等式（３）は一次散乱理論とは指数
項のみによって異なる。弱乱流（σT 2 ＜＜１）の場
合、したがって、この項は無視できる。弱乱流と飽和型
との間の精密な区分はいくらか主観的なものたり得る
が、この発明のためには、強乱流または飽和型はσT 2
が０．０２より大きいときの状態と考えてもよい。
【００２４】１つの広い局面において、この発明は、時
間的および空間的に平均化された、航空機により発生さ
れるウェーク渦大気乱流を実時間で決定する方法である
と考えてもよく、この方法は：赤外線光信号を発生する
ステップと；好ましくはサイズが約０．２５ｍ以下の光
学視準器を用いて赤外線光信号を視準するステップと；
視準された光信号を大気を介して１ｋｍより長い距離に
わたって送信するステップと；送信された光信号を受信
し、好ましくはサイズが約０．２５ｍ以下の集束装置を
用いてその送信された光信号を光検出器上に集束し、そ
れによって受信アナログ信号を発生させるステップと；
受信アナログ信号をデジタル形式に変換して受信デジタ
ル信号を発生させるステップと；受信デジタル信号の各
々を所定のデジタルしきい値レベルと比較して、それら
受信デジタル信号のうち所定のデジタルしきい値レベル
と少なくとも同じ大きさであるもののみに対しデータ出
力信号を発生させ、そのデータ出力信号の経路平均対数
振幅分散を計算して大気乱流屈折構造定数を与えるステ
ップとを含む。必要な変換および計算は、まず、大気乱
流により誘起される光シンチレーションへの飽和効果に
対しデータ信号をデジタルで補正することによって達成
される。測定された大気乱流は、航空機により発生され
るウェーク渦、気象条件または大気擾乱の他の源からも
たらされるものであってもよい。
間的および空間的に平均化された、航空機により発生さ
れるウェーク渦大気乱流を実時間で決定する方法である
と考えてもよく、この方法は：赤外線光信号を発生する
ステップと；好ましくはサイズが約０．２５ｍ以下の光
学視準器を用いて赤外線光信号を視準するステップと；
視準された光信号を大気を介して１ｋｍより長い距離に
わたって送信するステップと；送信された光信号を受信
し、好ましくはサイズが約０．２５ｍ以下の集束装置を
用いてその送信された光信号を光検出器上に集束し、そ
れによって受信アナログ信号を発生させるステップと；
受信アナログ信号をデジタル形式に変換して受信デジタ
ル信号を発生させるステップと；受信デジタル信号の各
々を所定のデジタルしきい値レベルと比較して、それら
受信デジタル信号のうち所定のデジタルしきい値レベル
と少なくとも同じ大きさであるもののみに対しデータ出
力信号を発生させ、そのデータ出力信号の経路平均対数
振幅分散を計算して大気乱流屈折構造定数を与えるステ
ップとを含む。必要な変換および計算は、まず、大気乱
流により誘起される光シンチレーションへの飽和効果に
対しデータ信号をデジタルで補正することによって達成
される。測定された大気乱流は、航空機により発生され
るウェーク渦、気象条件または大気擾乱の他の源からも
たらされるものであってもよい。
【００２５】この方法の好ましい実施では、光信号は、
約０．１５ｍ以下のサイズの光学視準器を用いて視準さ
れ、約０．１５ｍ以下のサイズの集束装置を用いて集束
される。視準された光信号は好ましくは大気を介して２
ｋｍより長い距離にわたって送信される。
約０．１５ｍ以下のサイズの光学視準器を用いて視準さ
れ、約０．１５ｍ以下のサイズの集束装置を用いて集束
される。視準された光信号は好ましくは大気を介して２
ｋｍより長い距離にわたって送信される。
【００２６】別の広い局面において、この発明は大気乱
流に対し補正される出力を与える光シンチロメータであ
ると考えてもよく：赤外線光源と、好ましくは約２．５
ｍ以下のサイズの光学視準手段とを含む光学トランスミ
ッタアセンブリと；光学トランスミッタアセンブリから
１ｋｍより長い距離をおいて置かれ、好ましくは約０．
２５ｍのサイズの光学集束手段と、受信信号を発生させ
る赤外線光検出器とを含む光学レシーバアセンブリと；
受信信号をアナログ形式からデジタル化された形式に変
換するためのアナログ−デジタル変換手段と、デジタル
化された受信信号を所定のデジタルしきい値レベルと比
較してそのデジタル化された受信信号がしきい値信号と
少なくとも同じ大きさである場合にのみそこからデータ
出力を発生させるための比較器手段と、大気乱流屈折構
造定数を与えるために処理される出力を比較器手段から
受取るよう比較器手段に結合される二乗平均決定および
信号平均化手段とを含む、屈折乱流に対し補償される大
気乱流屈折構造定数を発生させるための信号処理手段と
を含む。航空機により発生されるウェーク渦を測定する
場合、この定数はウェーク渦により発生される力学的力
積である。
流に対し補正される出力を与える光シンチロメータであ
ると考えてもよく：赤外線光源と、好ましくは約２．５
ｍ以下のサイズの光学視準手段とを含む光学トランスミ
ッタアセンブリと；光学トランスミッタアセンブリから
１ｋｍより長い距離をおいて置かれ、好ましくは約０．
２５ｍのサイズの光学集束手段と、受信信号を発生させ
る赤外線光検出器とを含む光学レシーバアセンブリと；
受信信号をアナログ形式からデジタル化された形式に変
換するためのアナログ−デジタル変換手段と、デジタル
化された受信信号を所定のデジタルしきい値レベルと比
較してそのデジタル化された受信信号がしきい値信号と
少なくとも同じ大きさである場合にのみそこからデータ
出力を発生させるための比較器手段と、大気乱流屈折構
造定数を与えるために処理される出力を比較器手段から
受取るよう比較器手段に結合される二乗平均決定および
信号平均化手段とを含む、屈折乱流に対し補償される大
気乱流屈折構造定数を発生させるための信号処理手段と
を含む。航空機により発生されるウェーク渦を測定する
場合、この定数はウェーク渦により発生される力学的力
積である。
【００２７】この発明に従う光シンチロメータは、好ま
しくは、大気乱流による飽和効果に対しデータ出力を補
正するためのデジタル飽和効果補償手段からなる。この
デジタル飽和効果補償手段は、屈折乱流によるシンチレ
ーション強度の一次対数振幅測定からの分散に対しデー
タ出力を補正する。つまり、デジタル飽和効果補償手段
は、シンチレーション測定値の対数振幅への比例性から
の屈折乱流の分散に対しデータ出力を補正する。
しくは、大気乱流による飽和効果に対しデータ出力を補
正するためのデジタル飽和効果補償手段からなる。この
デジタル飽和効果補償手段は、屈折乱流によるシンチレ
ーション強度の一次対数振幅測定からの分散に対しデー
タ出力を補正する。つまり、デジタル飽和効果補償手段
は、シンチレーション測定値の対数振幅への比例性から
の屈折乱流の分散に対しデータ出力を補正する。
【００２８】この発明に従う光シンチロメータでは、光
学視準手段および光学集束手段は、ともに、約０．２５
ｍ以下の直径を各々が有する凹面鏡から通常は形成され
る。各々は好ましくは直径が約０．１５ｍ以下である。
光学トランスミッタアセンブリおよび光学レシーバアセ
ンブリは好ましくは互いから少なくとも２ｋｍの距離を
おいて置かれる。
学視準手段および光学集束手段は、ともに、約０．２５
ｍ以下の直径を各々が有する凹面鏡から通常は形成され
る。各々は好ましくは直径が約０．１５ｍ以下である。
光学トランスミッタアセンブリおよび光学レシーバアセ
ンブリは好ましくは互いから少なくとも２ｋｍの距離を
おいて置かれる。
【００２９】さらに別の広い局面において、この発明
は、アナログデータ出力を与え、二乗平均および平均化
回路を含む信号プロセッサを用いて大気乱流屈折構造定
数を与える、光学トランスミッタと光学レシーバとの間
の経路に沿って経路平均大気乱流強度を測定するための
シンチロメータにおける改良であると考えてもよい。こ
の改良は、レシーバからのアナログデータ出力をデジタ
ル化するアナログ−デジタル変換器と、屈折乱流による
シンチレーション強度の一次対数振幅測定からの分散に
対し、レシーバからのデジタル形式のデータ出力を補正
するデジタル飽和効果補償手段とからなる。比較器手段
は、レシーバからのデジタル形式の信号を所定のしきい
値レベルと比較し、デジタルしきい値レベルと少なくと
も同じ大きさであるレシーバからのデジタル形式での信
号にのみ応答してデータ出力を二乗平均および平均化回
路に与える。
は、アナログデータ出力を与え、二乗平均および平均化
回路を含む信号プロセッサを用いて大気乱流屈折構造定
数を与える、光学トランスミッタと光学レシーバとの間
の経路に沿って経路平均大気乱流強度を測定するための
シンチロメータにおける改良であると考えてもよい。こ
の改良は、レシーバからのアナログデータ出力をデジタ
ル化するアナログ−デジタル変換器と、屈折乱流による
シンチレーション強度の一次対数振幅測定からの分散に
対し、レシーバからのデジタル形式のデータ出力を補正
するデジタル飽和効果補償手段とからなる。比較器手段
は、レシーバからのデジタル形式の信号を所定のしきい
値レベルと比較し、デジタルしきい値レベルと少なくと
も同じ大きさであるレシーバからのデジタル形式での信
号にのみ応答してデータ出力を二乗平均および平均化回
路に与える。
【００３０】
【方法および実施例の説明】この発明は、添付の図面を
参照することによってより明瞭かつ特定的に記載され
る。
参照することによってより明瞭かつ特定的に記載され
る。
【００３１】有限アパーチャに対する弱散乱予測分散σ
D 2 （等式（３）の指数項を無視する）の関数としての
対数−振幅分散σX 2 を、図１において、Ｄ＝０．１５
ｍ、Ｃn 2 ＝１０-12 ｍ-2/3、および０．５ｋｍ〜２．
５ｋｍのさまざまな経路長に対しプロットする。種々の
Ｃn 2 値に対し、結果は図１のそれに極めて近く、した
がって、σX 2 とσD 2 との経験的関係は等式（６）ま
たは等式（７）として表現できる。大気乱流屈折構造定
数はしたがって等式（８）のように得られ得る。
D 2 （等式（３）の指数項を無視する）の関数としての
対数−振幅分散σX 2 を、図１において、Ｄ＝０．１５
ｍ、Ｃn 2 ＝１０-12 ｍ-2/3、および０．５ｋｍ〜２．
５ｋｍのさまざまな経路長に対しプロットする。種々の
Ｃn 2 値に対し、結果は図１のそれに極めて近く、した
がって、σX 2 とσD 2 との経験的関係は等式（６）ま
たは等式（７）として表現できる。大気乱流屈折構造定
数はしたがって等式（８）のように得られ得る。
【００３２】
【数３】
【００３３】受信されたシンチロメータ信号は、飽和領
域においてでも屈折乱流を得るために、測定された対数
−振幅分散を補正してこれらの公式を用いて処理され
る。飽和型または領域は、σT 2 が０．０２より大きい
ときに存在する大気状態であると考えてもよい。飽和領
域は、σT 2 が０．０２以下の領域である一次領域とは
区別される。０．１５ｍの等しいトランスミッタおよび
レシーバアパーチャの場合、システムは、（Ｃn 2 ＝１
０-12 ｍ-2/3に対し、）経路平均屈折乱流を２．５ｋｍ
まで測定することができる。
域においてでも屈折乱流を得るために、測定された対数
−振幅分散を補正してこれらの公式を用いて処理され
る。飽和型または領域は、σT 2 が０．０２より大きい
ときに存在する大気状態であると考えてもよい。飽和領
域は、σT 2 が０．０２以下の領域である一次領域とは
区別される。０．１５ｍの等しいトランスミッタおよび
レシーバアパーチャの場合、システムは、（Ｃn 2 ＝１
０-12 ｍ-2/3に対し、）経路平均屈折乱流を２．５ｋｍ
まで測定することができる。
【００３４】図２は、１０ｃｍおよび２０ｃｍアパーチ
ャの先行技術のシンチロメータにより得られる屈折乱流
指数Ｃn 2 の比較を表わす。実線は理論による予測であ
る。＋は実験結果である。図２は、１０１２ｍ経路に沿
って等しいトランスミッタおよびレシーバアパーチャの
２つの異なる組の実際に測定されたＣn 2 の比較を示
す。飽和効果は、大きいアパーチャ（Ｄ＝２０ｃｍ）シ
ステムの結果と比較した場合に、小さいアパーチャ（Ｄ
＝１０ｃｍ）システムの結果（破線で示される）から観
測された。これらのパラメータに対する理論上の結果は
図２において実線曲線として示される。計算された結果
は実験結果（＋で示される）と非常によく一致する。
ャの先行技術のシンチロメータにより得られる屈折乱流
指数Ｃn 2 の比較を表わす。実線は理論による予測であ
る。＋は実験結果である。図２は、１０１２ｍ経路に沿
って等しいトランスミッタおよびレシーバアパーチャの
２つの異なる組の実際に測定されたＣn 2 の比較を示
す。飽和効果は、大きいアパーチャ（Ｄ＝２０ｃｍ）シ
ステムの結果と比較した場合に、小さいアパーチャ（Ｄ
＝１０ｃｍ）システムの結果（破線で示される）から観
測された。これらのパラメータに対する理論上の結果は
図２において実線曲線として示される。計算された結果
は実験結果（＋で示される）と非常によく一致する。
【００３５】この発明のシンチロメータは、飛行場の離
着陸ゾーン付近において航空機により発生されるウェー
ク渦を検知することもできる。シンチロメータが滑走路
付近に置かれた場合、測定される乱流強度Ｃn を用い
て、航空機により発生されるウェーク渦の力学的力積Ｉ
を次のように演繹することができる：
着陸ゾーン付近において航空機により発生されるウェー
ク渦を検知することもできる。シンチロメータが滑走路
付近に置かれた場合、測定される乱流強度Ｃn を用い
て、航空機により発生されるウェーク渦の力学的力積Ｉ
を次のように演繹することができる：
【００３６】
【数４】
【００３７】測定された力学的力積は、航空機により発
生されるウェーク渦の存在、持続性および強度の優れた
指標を与える。シンチロメータは、実時間での連続デー
タ収集の無人動作の能力を有する。横風の同時測定で、
センサは、付近の滑走路から吹き流れてくる、航空機に
より発生されるウェーク渦の到着時間を予報することさ
え可能であるだろう。この計器は、実時間連続無人動作
用に設置されるよう、小型かつ単純なものである。
生されるウェーク渦の存在、持続性および強度の優れた
指標を与える。シンチロメータは、実時間での連続デー
タ収集の無人動作の能力を有する。横風の同時測定で、
センサは、付近の滑走路から吹き流れてくる、航空機に
より発生されるウェーク渦の到着時間を予報することさ
え可能であるだろう。この計器は、実時間連続無人動作
用に設置されるよう、小型かつ単純なものである。
【００３８】アナログ回路を用いて等式（７）、（８）
および（９）を実現することは、不可能ではないとして
も非常に困難である。この発明に従うと、等式（７）、
（８）および（９）を実現して、経路積算された乱流強
度と航空機により発生されるウェーク渦とを実時間で測
定するのに、デジタル信号処理ユニットが設計されてい
る。
および（９）を実現することは、不可能ではないとして
も非常に困難である。この発明に従うと、等式（７）、
（８）および（９）を実現して、経路積算された乱流強
度と航空機により発生されるウェーク渦とを実時間で測
定するのに、デジタル信号処理ユニットが設計されてい
る。
【００３９】図３は、大気屈折乱流に対し補正される出
力を与える、妨害保護を伴う、範囲が拡大された光シン
チロメータ１００のブロック図である。この範囲が拡大
された光シンチロメータ１００は、ＬＥＤトランスミッ
タ変調器１２と、トランスミッタ光学アセンブリ１４
と、レシーバ光学アセンブリ１６と、フォトダイオード
１８のための前置増幅器を含むフォトダイオード１８
と、信号処理ユニット２０とを含む。
力を与える、妨害保護を伴う、範囲が拡大された光シン
チロメータ１００のブロック図である。この範囲が拡大
された光シンチロメータ１００は、ＬＥＤトランスミッ
タ変調器１２と、トランスミッタ光学アセンブリ１４
と、レシーバ光学アセンブリ１６と、フォトダイオード
１８のための前置増幅器を含むフォトダイオード１８
と、信号処理ユニット２０とを含む。
【００４０】トランスミッタ変調器１２ 周辺光の影響を最小にするために、トランスミッタＬＥ
Ｄ２２は、トランスミッタ変調器１２により発生される
周波数ｆm で変調される。この変調周波数はシンチレー
ション信号のそれより高くあるべきである。通常の大気
条件では、シンチレーション周波数は数百ヘルツより下
である。したがって、約１０ｋＨｚの変調周波数が適当
である。
Ｄ２２は、トランスミッタ変調器１２により発生される
周波数ｆm で変調される。この変調周波数はシンチレー
ション信号のそれより高くあるべきである。通常の大気
条件では、シンチレーション周波数は数百ヘルツより下
である。したがって、約１０ｋＨｚの変調周波数が適当
である。
【００４１】図４は、ＡＣおよびＤＣ電力の両方ととも
に使用するために設計されるトランスミッタ変調器１２
の回路図である。示される構成要素の記述、値および対
応する図面の参照符号は表１に示される。継電器Ｋ１は
ＡＣまたはＤＣ電力の自動選択を制御する。ＤＣ電力
（のみ）が利用可能である場合、赤ＬＥＤ Ｄ２が照明
する。ＡＣ、またはＡＣおよびＤＣ電力が利用可能であ
る場合、緑ＬＥＤ Ｄ３が照明する。電圧レギュレータ
Ｕ２は、残りの回路のための安定した８Ｖ電力を与え
る。発振器Ｕ１は１０ｋＨｚ方形波を与える。これは増
幅器Ｕ３によってバッファ処理され、トランジスタＱ１
のための変調信号を与えて、線１３上の出力によってト
ランスミッタＬＥＤ２２を駆動する。スイッチ１０はト
ランスミッタＬＥＤ２２の４つの異なる電力レベルの選
択を行なう。出力電力レベルは経路長に比例して選択さ
れる。
に使用するために設計されるトランスミッタ変調器１２
の回路図である。示される構成要素の記述、値および対
応する図面の参照符号は表１に示される。継電器Ｋ１は
ＡＣまたはＤＣ電力の自動選択を制御する。ＤＣ電力
（のみ）が利用可能である場合、赤ＬＥＤ Ｄ２が照明
する。ＡＣ、またはＡＣおよびＤＣ電力が利用可能であ
る場合、緑ＬＥＤ Ｄ３が照明する。電圧レギュレータ
Ｕ２は、残りの回路のための安定した８Ｖ電力を与え
る。発振器Ｕ１は１０ｋＨｚ方形波を与える。これは増
幅器Ｕ３によってバッファ処理され、トランジスタＱ１
のための変調信号を与えて、線１３上の出力によってト
ランスミッタＬＥＤ２２を駆動する。スイッチ１０はト
ランスミッタＬＥＤ２２の４つの異なる電力レベルの選
択を行なう。出力電力レベルは経路長に比例して選択さ
れる。
【００４２】トランスミッタ光学アセンブリ１４ 図３に示される、３００ｍｍの焦点距離を有する１５２
ｍｍ凹面鏡２４を用いて、赤外線ＬＥＤ（発光ダイオー
ド）２２から発される赤外線光を視準する。ガラス板２
１を用いて、ＬＥＤ２２を鏡２４の焦点に保持し、ユニ
ットを塵等から封止する。
ｍｍ凹面鏡２４を用いて、赤外線ＬＥＤ（発光ダイオー
ド）２２から発される赤外線光を視準する。ガラス板２
１を用いて、ＬＥＤ２２を鏡２４の焦点に保持し、ユニ
ットを塵等から封止する。
【００４３】レーザとは異なり、赤外線ＬＥＤは部分的
にコヒーレントな光源である。ここに記載されるような
部分的にコヒーレントな有限アパーチャシステムの使用
を通してのみ、飽和を回避しながらもシステムの線形範
囲を拡大することができる。
にコヒーレントな光源である。ここに記載されるような
部分的にコヒーレントな有限アパーチャシステムの使用
を通してのみ、飽和を回避しながらもシステムの線形範
囲を拡大することができる。
【００４４】レシーバ光学アセンブリ１６ならびにフォ
トダイオードおよび前置増幅器１８ ３００ｍｍの焦点距離を有する１５２ｍｍ凹面鏡２３を
用いて、トランスミッタ１４から発された赤外線光を集
光する。ガラス板パネル２５を用いて、フォトダイオー
ド１８を鏡２３の焦点に保持し、ユニットを塵等から封
止する。フォトダイオード１８は、データ処理のために
受信信号を増幅する前置増幅器とともに、小型化された
プリント回路板上に取付られる。
トダイオードおよび前置増幅器１８ ３００ｍｍの焦点距離を有する１５２ｍｍ凹面鏡２３を
用いて、トランスミッタ１４から発された赤外線光を集
光する。ガラス板パネル２５を用いて、フォトダイオー
ド１８を鏡２３の焦点に保持し、ユニットを塵等から封
止する。フォトダイオード１８は、データ処理のために
受信信号を増幅する前置増幅器とともに、小型化された
プリント回路板上に取付られる。
【００４５】信号処理ユニット２０ 信号処理ユニットはアナログ部とデジタル部とからな
る。アナログ部は図５および図６に示される。図５およ
び図６に示される、提案される構成要素の記述、値、お
よび構成要素のための対応する図面の参照符号は表２に
示される。デジタルマイクロプロセッサ部は図７、図８
および図９に示される。図７、図８および図９に示され
る、提案される構成要素の記述、値、および構成要素に
対する対応する図面の参照符号は表３に示される。デジ
タルマイクロプロセッサにおけるアルゴリズムソフトウ
ェアのフローチャートを図１０に示す。
る。アナログ部は図５および図６に示される。図５およ
び図６に示される、提案される構成要素の記述、値、お
よび構成要素のための対応する図面の参照符号は表２に
示される。デジタルマイクロプロセッサ部は図７、図８
および図９に示される。図７、図８および図９に示され
る、提案される構成要素の記述、値、および構成要素に
対する対応する図面の参照符号は表３に示される。デジ
タルマイクロプロセッサにおけるアルゴリズムソフトウ
ェアのフローチャートを図１０に示す。
【００４６】図５に示されるように、レシーバ１６から
の受信されたアナログ信号は、線２６上で信号プロセッ
サ２０に入りバッファ増幅器Ｕ１：Ｂを通過して２つの
並列段を駆動する。第１の段への線３０上の信号は、自
動利得制御（ＡＧＣ）論理回路Ｕ２によって復調され正
規化される。これにより、受信光強度を変化させるよう
なＬＥＤの老化、ガラス板上の塵または水滴、および大
気の霧または霞により引き起こされる不要な汚染が測定
に影響しないことが保証される。ＡＧＣ回路Ｕ２からの
信号は次いでバッファ増幅器回路Ｕ１：Ｃを通過する。
線３２上の出力は次いでさらなる信号処理を受ける。他
方の段への線３１上の信号は、二乗平均（ＲＭＳ）回路
Ｕ３およびバッファ増幅器回路Ｕ１：Ｄを通過して、さ
らなる処理のために線３３上に変調された信号ＣＸの信
号レベルを得る。
の受信されたアナログ信号は、線２６上で信号プロセッ
サ２０に入りバッファ増幅器Ｕ１：Ｂを通過して２つの
並列段を駆動する。第１の段への線３０上の信号は、自
動利得制御（ＡＧＣ）論理回路Ｕ２によって復調され正
規化される。これにより、受信光強度を変化させるよう
なＬＥＤの老化、ガラス板上の塵または水滴、および大
気の霧または霞により引き起こされる不要な汚染が測定
に影響しないことが保証される。ＡＧＣ回路Ｕ２からの
信号は次いでバッファ増幅器回路Ｕ１：Ｃを通過する。
線３２上の出力は次いでさらなる信号処理を受ける。他
方の段への線３１上の信号は、二乗平均（ＲＭＳ）回路
Ｕ３およびバッファ増幅器回路Ｕ１：Ｄを通過して、さ
らなる処理のために線３３上に変調された信号ＣＸの信
号レベルを得る。
【００４７】図６において、線３２上の信号は、次い
で、ＩＣチップＵ７：Ａ、Ｕ７：ＢおよびＵ７：Ｃを含
むバンドパスフィルタ３５（ＢＰＦ）を通過して信号を
クリーンアップする。ＢＰＦ３５の目的は、約１〜４０
０Ｈｚである対象の帯域外の背景ノイズを除去すること
である。この信号は、次いで、ＩＣチップＵ９およびＵ
８からなる対数増幅器３７を通過して、さらなる信号処
理のために線３４上にＬｏｇ（Ｓ）を得る。
で、ＩＣチップＵ７：Ａ、Ｕ７：ＢおよびＵ７：Ｃを含
むバンドパスフィルタ３５（ＢＰＦ）を通過して信号を
クリーンアップする。ＢＰＦ３５の目的は、約１〜４０
０Ｈｚである対象の帯域外の背景ノイズを除去すること
である。この信号は、次いで、ＩＣチップＵ９およびＵ
８からなる対数増幅器３７を通過して、さらなる信号処
理のために線３４上にＬｏｇ（Ｓ）を得る。
【００４８】図３に示される、信号プロセッサ２０のア
ナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器部３９とマイクロプ
ロセッサ部４１とを図７〜図９に概略的に示す。図７に
示されるように、８ビットマイクロコントローラＵ２
は、「ウォッチドッグ」タイマおよびリセットジェネレ
ータＵ１と、データバストランシーバＵ４と、２つのア
ドレスラッチ／バスドライバＵ５およびＵ６と、ＲＳ２
３２レベルシフタＵ２０とに接続される。図８に示され
るように、１２ビットバイポーラアナログ−デジタル変
換器Ｕ１２は、サンプルおよびホールド段Ｕ１３と、１
６チャネル・シングルエンド型アナログマルチプレクサ
（ＭＵＸ）Ｕ１４とに接続される。図９は、１６ｋｘ８
スタティックＲＡＭ Ｕ１０、１６ｋｘ８ ＥＰＲＯＭ
Ｕ１１、Ａ／Ｄ変換器Ｕ１２、または１６キーパッド
およびＬＣＤ表示モジュールに接続する並列インタフェ
ースアダプタＵ１７を選択するのに用いられるアドレス
バンクデコーダＵ８を概略的に示す。
ナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器部３９とマイクロプ
ロセッサ部４１とを図７〜図９に概略的に示す。図７に
示されるように、８ビットマイクロコントローラＵ２
は、「ウォッチドッグ」タイマおよびリセットジェネレ
ータＵ１と、データバストランシーバＵ４と、２つのア
ドレスラッチ／バスドライバＵ５およびＵ６と、ＲＳ２
３２レベルシフタＵ２０とに接続される。図８に示され
るように、１２ビットバイポーラアナログ−デジタル変
換器Ｕ１２は、サンプルおよびホールド段Ｕ１３と、１
６チャネル・シングルエンド型アナログマルチプレクサ
（ＭＵＸ）Ｕ１４とに接続される。図９は、１６ｋｘ８
スタティックＲＡＭ Ｕ１０、１６ｋｘ８ ＥＰＲＯＭ
Ｕ１１、Ａ／Ｄ変換器Ｕ１２、または１６キーパッド
およびＬＣＤ表示モジュールに接続する並列インタフェ
ースアダプタＵ１７を選択するのに用いられるアドレス
バンクデコーダＵ８を概略的に示す。
【００４９】線３３および３４上の信号はＡ／Ｄ変換器
部３９によってデジタル化される。デジタル化されたデ
ータは、次いで、アルゴリズム実施のためにマイクロプ
ロセッサ４１のメモリ部に記憶される。
部３９によってデジタル化される。デジタル化されたデ
ータは、次いで、アルゴリズム実施のためにマイクロプ
ロセッサ４１のメモリ部に記憶される。
【００５０】このアルゴリズムのフローチャートを図１
０に示す。線３４上のデジタル化された信号Ｌｏｇ
（Ｓ）は真数演算を介して送られて対数信号を線形信号
Ｓに変換する。アナログマルチプレクサＵ１４はまずＣ
Ｘチャネルを選択し、アナログ−デジタル変換ＩＣチッ
プＵ１２はＣＸ信号をデジタル化する。線３２からのデ
ジタル化された信号ＣＸは、比較の機能を実行するマイ
クロコントローラＵ２を通過する。信号が予め設定され
たしきい値レベルＴｈ未満であれば、そのデータは放棄
され、システムは次のデータに対し待機する。ＣＸがし
きい値レベルＴｈより大きい場合には、そのデータＳは
マイクロコントローラＵ２により実行される二乗平均
（ＲＭＳ）および平均（ＡＶＧ）演算を通ってσX 2 を
得る。σX 2 は次いで等式（７）を介してσD 2 に変換
され得る。シンチロメータの最終出力は、図７に示され
る標準ＲＳ２３２インタフェースである。光学素子直径
Ｄおよび経路長Ｌを入力パラメータとして、経路平均大
気屈折乱流構造定数Ｃn 2 が等式（８）から得られて線
４３上においてＲＳ２３２トランスシーバＵ２０の出力
で現れ得る。等式（９）から得られるＩの値は同じデー
タ列における別のフィールドとして発生され、さらに、
ＲＳ２３２トランシーバＵ２０から同じ出力線４３上に
も現われる。
０に示す。線３４上のデジタル化された信号Ｌｏｇ
（Ｓ）は真数演算を介して送られて対数信号を線形信号
Ｓに変換する。アナログマルチプレクサＵ１４はまずＣ
Ｘチャネルを選択し、アナログ−デジタル変換ＩＣチッ
プＵ１２はＣＸ信号をデジタル化する。線３２からのデ
ジタル化された信号ＣＸは、比較の機能を実行するマイ
クロコントローラＵ２を通過する。信号が予め設定され
たしきい値レベルＴｈ未満であれば、そのデータは放棄
され、システムは次のデータに対し待機する。ＣＸがし
きい値レベルＴｈより大きい場合には、そのデータＳは
マイクロコントローラＵ２により実行される二乗平均
（ＲＭＳ）および平均（ＡＶＧ）演算を通ってσX 2 を
得る。σX 2 は次いで等式（７）を介してσD 2 に変換
され得る。シンチロメータの最終出力は、図７に示され
る標準ＲＳ２３２インタフェースである。光学素子直径
Ｄおよび経路長Ｌを入力パラメータとして、経路平均大
気屈折乱流構造定数Ｃn 2 が等式（８）から得られて線
４３上においてＲＳ２３２トランスシーバＵ２０の出力
で現れ得る。等式（９）から得られるＩの値は同じデー
タ列における別のフィールドとして発生され、さらに、
ＲＳ２３２トランシーバＵ２０から同じ出力線４３上に
も現われる。
【００５１】ＲＳ２３２トランシーバＵ２０の送信およ
び受信ポートに結合されるキーパッドおよびＬＣＤ表示
を伴うマイクロプロセッサコントローラがユーザインタ
フェースに対して用いられ得る。数値キーパッドはシス
テムのパラメータおよび表示特徴を変更するのに非常に
便利である。デジタル処理ユニットを加えることによっ
て、現場での操作におけるシステムの柔軟性を大きく向
上させる。ＲＳ２３２インタフェースの主要な利点は、
それが任意のＰＣ、ポータブルまたはデスクトップコン
ピュータに容易に接続され得るという点である。したが
って、実時間データをＰＣのハードディスクまたはフロ
ッピーディスクに容易に記憶することができる。さら
に、洗練されたグラフィックおよびデータ統計をＣＲＴ
スクリーンおよび／またはプリンタ上に表示することが
できる。
び受信ポートに結合されるキーパッドおよびＬＣＤ表示
を伴うマイクロプロセッサコントローラがユーザインタ
フェースに対して用いられ得る。数値キーパッドはシス
テムのパラメータおよび表示特徴を変更するのに非常に
便利である。デジタル処理ユニットを加えることによっ
て、現場での操作におけるシステムの柔軟性を大きく向
上させる。ＲＳ２３２インタフェースの主要な利点は、
それが任意のＰＣ、ポータブルまたはデスクトップコン
ピュータに容易に接続され得るという点である。したが
って、実時間データをＰＣのハードディスクまたはフロ
ッピーディスクに容易に記憶することができる。さら
に、洗練されたグラフィックおよびデータ統計をＣＲＴ
スクリーンおよび／またはプリンタ上に表示することが
できる。
【００５２】この発明の非常に重要な局面は、しきい値
信号との比較に先立って信号をデジタル化することであ
る。デジタル信号はしきい値信号レベルと比較されるた
め、無効信号入力は比較器によってＲＭＳおよび──Ｇ
回路から排除される。このような信号の排除は、赤外線
ビームの妨害がある場合に、屈折乱流強度を計算するの
に用いられるデータの質を保証する。このシステムは、
したがって、ＲＭＳおよびＡＶＧ回路へのアナログ入力
を用いる先行技術のシステムとは異なるものである。
信号との比較に先立って信号をデジタル化することであ
る。デジタル信号はしきい値信号レベルと比較されるた
め、無効信号入力は比較器によってＲＭＳおよび──Ｇ
回路から排除される。このような信号の排除は、赤外線
ビームの妨害がある場合に、屈折乱流強度を計算するの
に用いられるデータの質を保証する。このシステムは、
したがって、ＲＭＳおよびＡＶＧ回路へのアナログ入力
を用いる先行技術のシステムとは異なるものである。
【００５３】一旦信号がデジタル化されると、信号強度
ＣＸが予め設定されたしきい値と比較される。ＣＸがし
きい値より低い場合、そのデータは放棄される。この試
験はデータ処理にとって重要である。光路が、移動する
運搬体、歩行者、航空機等によって妨害されると、デー
タは、出力測定値の質を保護するため、処理には用いら
れない。アナログシステムは、典型的には、経路上の、
視覚的に隠すような障害物から回復するのに数秒を必要
とする。対照的に、図示され記載されるこの発明のデジ
タルシステムは、回復するのに、妨害後２〜３秒しか必
要としない。したがって、シンチロメータ１００は、計
器の性能を危険にさらすことなく、高速道路、滑走路ま
たは通路を横切って設置できる。
ＣＸが予め設定されたしきい値と比較される。ＣＸがし
きい値より低い場合、そのデータは放棄される。この試
験はデータ処理にとって重要である。光路が、移動する
運搬体、歩行者、航空機等によって妨害されると、デー
タは、出力測定値の質を保護するため、処理には用いら
れない。アナログシステムは、典型的には、経路上の、
視覚的に隠すような障害物から回復するのに数秒を必要
とする。対照的に、図示され記載されるこの発明のデジ
タルシステムは、回復するのに、妨害後２〜３秒しか必
要としない。したがって、シンチロメータ１００は、計
器の性能を危険にさらすことなく、高速道路、滑走路ま
たは通路を横切って設置できる。
【００５４】さらに、アナログ手段を介して等式
（７）、（８）および（９）を実現することは、不可能
ではないとしても非常に困難である。したがって、先行
技術のアナログシステムは飽和型においては使用でき
ず、したがってその有効経路長は１ｋｍ未満に制限され
る。しかしながら、この発明の、範囲が拡大された光シ
ンチロメータ１００はデジタルマイクロプロセッサ４１
を介して等式（７）、（８）および（９）を容易に実現
でき、したがって有効経路長を少なくとも２．５ｋｍに
まで拡大し、場合によっては１０ｋｍまで拡大できる。
（７）、（８）および（９）を実現することは、不可能
ではないとしても非常に困難である。したがって、先行
技術のアナログシステムは飽和型においては使用でき
ず、したがってその有効経路長は１ｋｍ未満に制限され
る。しかしながら、この発明の、範囲が拡大された光シ
ンチロメータ１００はデジタルマイクロプロセッサ４１
を介して等式（７）、（８）および（９）を容易に実現
でき、したがって有効経路長を少なくとも２．５ｋｍに
まで拡大し、場合によっては１０ｋｍまで拡大できる。
【００５５】この発明に従う光シンチロメータ１００は
屈折乱流に対し補正を行なうため、数多くの商業および
軍事面での適用例を有する。たとえば、それは飛行場の
滑走路付近に配置できる。航空機等の移動する物体によ
り発生されるデータは計算プロセスからは排除されるの
で、航空機が離着陸する滑走路を横切って光線を送信す
ることさえ可能である。こうして、このシステムを用い
て、付近の乗客および航空機乗務員の生命を脅かし得る
ような、風のシアまたはジャンボジェットにより発生さ
れるウェーク渦状態等の危険な空気乱流状態の存在を検
知し知らせることができる。
屈折乱流に対し補正を行なうため、数多くの商業および
軍事面での適用例を有する。たとえば、それは飛行場の
滑走路付近に配置できる。航空機等の移動する物体によ
り発生されるデータは計算プロセスからは排除されるの
で、航空機が離着陸する滑走路を横切って光線を送信す
ることさえ可能である。こうして、このシステムを用い
て、付近の乗客および航空機乗務員の生命を脅かし得る
ような、風のシアまたはジャンボジェットにより発生さ
れるウェーク渦状態等の危険な空気乱流状態の存在を検
知し知らせることができる。
【００５６】アナログデータを処理するシンチロメータ
とは異なり、この発明に従うシンチロメータに対する回
復時間はほとんど即時である。つまり、しきい値を満足
できないデジタル化された信号は無効であるとして即座
に認識されて排除されるため、それらはＲＭＳおよびＡ
ＶＧ変換器により実行される処理に決して含まれない。
したがって、それらは、有効信号を汚染することもなけ
れば、有効信号の劣化に寄与することもない。
とは異なり、この発明に従うシンチロメータに対する回
復時間はほとんど即時である。つまり、しきい値を満足
できないデジタル化された信号は無効であるとして即座
に認識されて排除されるため、それらはＲＭＳおよびＡ
ＶＧ変換器により実行される処理に決して含まれない。
したがって、それらは、有効信号を汚染することもなけ
れば、有効信号の劣化に寄与することもない。
【００５７】１ｋｍ未満の有効経路長を有する先行技術
のシンチロメータとは違い、飽和型においてでも、弱乱
流領域における有限トランスミッタおよびレシーバの対
数−振幅分散σD 2 がこの発明の方法および装置を用い
て等式（７）に従って計算され得る。そこから、乱流屈
折構造定数Ｃn 2 が等式（８）から計算され、ウェーク
渦の力学的力積Ｉが等式（９）から計算される。したが
って、この発明は非線形領域においてでさえも乱流強度
を測定する。このことは、この発明に従うシンチロメー
タの有効経路長を１ｋｍ未満から少なくとも２．５ｋｍ
にまで増加させ、場合によっては約１０ｋｍにまで増加
させる。力学的力積Ｉに対するしきい値を設定すること
によって、システムはウェーク渦の存在および持続性を
明確に示し得る。そのようなしきい値は聴覚または視覚
的な警報を生じさせるのに利用され得る。
のシンチロメータとは違い、飽和型においてでも、弱乱
流領域における有限トランスミッタおよびレシーバの対
数−振幅分散σD 2 がこの発明の方法および装置を用い
て等式（７）に従って計算され得る。そこから、乱流屈
折構造定数Ｃn 2 が等式（８）から計算され、ウェーク
渦の力学的力積Ｉが等式（９）から計算される。したが
って、この発明は非線形領域においてでさえも乱流強度
を測定する。このことは、この発明に従うシンチロメー
タの有効経路長を１ｋｍ未満から少なくとも２．５ｋｍ
にまで増加させ、場合によっては約１０ｋｍにまで増加
させる。力学的力積Ｉに対するしきい値を設定すること
によって、システムはウェーク渦の存在および持続性を
明確に示し得る。そのようなしきい値は聴覚または視覚
的な警報を生じさせるのに利用され得る。
【００５８】この発明の光シンチロメータは、離着陸ゾ
ーン付近において航空機により発生されるウェーク渦を
検知するのに優れたセンサである。横風および乱流の同
時測定で、センサは、近くの滑走路から吹き流れてく
る、航空機により発生されるウェーク渦の到着時間を予
報することさえ可能であるだろう。滑走路を挟む２つの
シンチロメータを用いると、測定値はさらにより典型的
なものとなる。加えて、横風の収束および発散を得て、
滑走路に沿ったダウンドラフトの存在を示す指示を与え
ることができる。
ーン付近において航空機により発生されるウェーク渦を
検知するのに優れたセンサである。横風および乱流の同
時測定で、センサは、近くの滑走路から吹き流れてく
る、航空機により発生されるウェーク渦の到着時間を予
報することさえ可能であるだろう。滑走路を挟む２つの
シンチロメータを用いると、測定値はさらにより典型的
なものとなる。加えて、横風の収束および発散を得て、
滑走路に沿ったダウンドラフトの存在を示す指示を与え
ることができる。
【００５９】当然のことながら、シンチロメータに精通
した者には、この発明の数多くの変形物および修正物が
容易に明らかとなるであろう。したがって、この発明の
範囲は、図示および記載された方法の実現の特定の実施
例および特定の態様に限定されるよう解釈されるべきで
はない。
した者には、この発明の数多くの変形物および修正物が
容易に明らかとなるであろう。したがって、この発明の
範囲は、図示および記載された方法の実現の特定の実施
例および特定の態様に限定されるよう解釈されるべきで
はない。
【００６０】
【表２】
【００６１】
【表３】
【００６２】
【表４】
【００６３】
【表５】
【００６４】
【表６】
【００６５】
【表７】
【図１】Ｄ＝０．１５ｍおよびＣn 2 ＝１０-12 ｍ-2/3
として、０．５ｋｍから２．５ｋｍまでのさまざまな経
路長の場合の、弱散乱対数−振幅分散σD 2 に対する対
数−振幅分散σX 2 をグラフで示す図である。
として、０．５ｋｍから２．５ｋｍまでのさまざまな経
路長の場合の、弱散乱対数−振幅分散σD 2 に対する対
数−振幅分散σX 2 をグラフで示す図である。
【図２】実線曲線および破線は、それぞれ、等式（１）
〜（３）に従って飽和に対する補正を伴う理論上の予測
および飽和に対する補正を伴わない理論上の予測であ
り、実験結果は＋で示される、１０ｃｍおよび２０ｃｍ
アパーチャシンチロメータにより得られる屈折乱流指数
Ｃn 2 の比較を示す図である。
〜（３）に従って飽和に対する補正を伴う理論上の予測
および飽和に対する補正を伴わない理論上の予測であ
り、実験結果は＋で示される、１０ｃｍおよび２０ｃｍ
アパーチャシンチロメータにより得られる屈折乱流指数
Ｃn 2 の比較を示す図である。
【図３】航空機のウェーク渦屈折乱流を測定するため
の、妨害保護を伴う、範囲が拡大された光シンチロメー
タのブロック図である。
の、妨害保護を伴う、範囲が拡大された光シンチロメー
タのブロック図である。
【図４】図３に示されるトランスミッタの概略図であ
る。
る。
【図５】図３に示される信号プロセッサのアナログ部の
概略図である。
概略図である。
【図６】図３に示される信号プロセッサのアナログ部の
残りの部分の概略図である。
残りの部分の概略図である。
【図７】図３に示される信号プロセッサのデジタル部の
一部の概略図である。
一部の概略図である。
【図８】図３に示される信号プロセッサのデジタル部の
さらなる部分の概略図である。
さらなる部分の概略図である。
【図９】図３に示される信号プロセッサのデジタル部の
残りの部分の概略図である。
残りの部分の概略図である。
【図１０】この発明の方法に従うデータの選択的試験を
示す流れ図である。
示す流れ図である。
１２ トランスミッタ変調器 １４ トランスミッタ光学アセンブリ １６ レシーバ光学アセンブリ １８ フォトダイオード ２０ 信号処理ユニット ２１ ガラス板 ２２ 赤外線発光ダイオード ２３ 凹面鏡 ２４ 凹面鏡 ２５ ガラス板 ２６ 線 ３０ 線 ３１ 線 ３２ 線 ３３ 線 ３４ 線 ３５ バンドパスフィルタ ３７ 対数増幅器 ３９ アナログ−デジタル変換器 ４１ マイクロプロセッサ ４３ 出力線 １００ 光シンチロメータ Ｕ１：Ｂ バッファ増幅器 Ｕ１：Ｃ バッファ増幅器回路 Ｕ１：Ｄ バッファ増幅器回路 Ｕ２ 自動利得制御（ＡＧＣ）論理回路 Ｕ３ 二乗平均（ＲＭＳ）回路
Claims (8)
- 【請求項１】 時間的および空間的に平均化されたウェ
ーク渦乱流を実時間で決定する方法であって、 赤外線光信号を発生するステップと、 前記赤外線光信号を、光学視準器を用いて部分的に視準
するステップと、 前記視準された光信号を、大気を通して送信するステッ
プと、 前記送信された光信号を受信し、前記送信された光信号
を光検出器上に集束装置を用いて集束し、それによって
受信アナログ信号を発生させるステップと、 前記受信アナログ信号をデジタル形式に変換して受信デ
ジタル信号を発生させるステップと、 前記受信デジタル信号の各々を所定のデジタルしきい値
レベルと比較して、前記受信デジタル信号のうち前記所
定のデジタルしきい値レベルと少なくとも同じ大きさで
あるもののみに対してデータ出力信号を発生させるステ
ップと、 前記データ出力信号の経路平均対数振幅分散を計算し
て、航空機により発生されるウェーク渦の力学的力積を
与えるステップとを含む、時間的および空間的に平均化
されたウェーク渦乱流を実時間で決定する方法。 - 【請求項２】 航空機により発生されたウェーク渦乱流
により誘起される光シンチレーションへの飽和効果に対
し前記データ信号をデジタルで補正するステップをさら
に含む、請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 前記視準された光信号を前記光検出器に
大気を介して１ｋｍより大きい距離にわたって送信する
ステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 時間的および空間的に平均化された大気
乱流を実時間で決定する方法であって、 赤外線光信号を発生するステップと、 前記赤外線光信号を、光学視準器を用いて部分的に視準
するステップと、 前記視準された光信号を、大気を介して１ｋｍより大き
い距離にわたって送信するステップと、 前記送信された光信号を受信し、前記送信された光信号
を光検出器上に集束装置を用いて集束し、それによって
受信アナログ信号を発生させるステップと、 前記受信アナログ信号をデジタル形式に変換して受信デ
ジタル信号を発生させるステップと、 前記受信デジタル信号の各々を所定のデジタルしきい値
レベルと比較して、前記受信デジタル信号のうち前記所
定のデジタルしきい値レベルと少なくとも同じ大きさで
あるもののみに対してデータ出力信号を発生させるステ
ップと、 前記データ出力信号の経路平均対数振幅分散を計算して
大気乱流強度の屈折構造定数を与えるステップとを含
む、時間的および空間的に平均化された大気乱流を実時
間で決定する方法。 - 【請求項５】 航空機により発生されたウェーク渦空気
乱流に対し補正された出力を与える光シンチロメータで
あって、 赤外線光源と光学視準手段とを含む光学トランスミッタ
アセンブリと、 前記光学トランスミッタアセンブリから離れて配置さ
れ、光学集束手段と、受信信号を発生させる赤外線光検
出器とを含む、光学レシーバアセンブリと、 屈折乱流に対し補償される大気乱流屈折構造定数を発生
させる信号処理手段とを含み、前記信号処理手段は、前
記受信信号をアナログからデジタル化された形式に変換
するためのアナログ−デジタル変換手段と、前記デジタ
ル化された受信信号を所定のデジタルしきい値レベルと
比較して、前記デジタル化された受信信号が前記しきい
値信号と少なくとも同じ大きさである場合にのみデータ
出力信号を発生する比較器手段と、ウェーク渦力学的力
積を与えるよう処理される前記比較器手段からの出力を
受けるよう前記比較器手段に結合される二乗平均決定お
よび信号平均化手段とを含む、航空機により発生された
ウェーク渦空気乱流に対し補正された出力を与える光シ
ンチロメータ。 - 【請求項６】 ウェーク渦空気乱流による飽和効果に対
し前記データ出力を補正するためのデジタル飽和効果補
償手段をさらに含む、請求項５に記載の光シンチロメー
タ。 - 【請求項７】 空気乱流に対し補正された出力を与える
光シンチロメータであって、 赤外線光源と光学視準手段とを含む光学トランスミッタ
アセンブリと、 前記光学トランスミッタアセンブリから１ｋｍより長い
距離をおいて置かれ、光学集束手段と、受信信号を発生
する赤外線光検出器とを含む光学レシーバアセンブリ
と、 屈折乱流に対し補償された大気乱流屈折構造定数を発生
させる信号処理手段とを含み、前記信号処理手段は、前
記受信信号をアナログからデジタル化された形式に変換
するためのアナログ−デジタル変換手段と、前記デジタ
ル化された受信信号を所定のデジタルしきい値レベルと
比較して、前記デジタル化された受信信号が前記しきい
値信号と少なくとも同じ大きさである場合にのみデータ
出力信号を発生する比較器手段と、前記大気乱流屈折構
造定数を与えるよう処理される前記比較器手段からの出
力を受けるよう前記比較器手段に結合された二乗平均決
定および信号平均化手段とを含む、空気乱流に対し補正
される出力を与える光シンチロメータ。 - 【請求項８】 前記光学視準手段および前記光学集束手
段はともに約０．１５ｍ以下の直径を各々が有する凹面
鏡であることをさらに特徴とする、請求項７に記載の光
シンチロメータ。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/709,159 US5796105A (en) | 1995-09-08 | 1996-09-06 | Extended range optical scintillometer with interruption protection for measuring atmospheric refractive turbulence |
| US08/709159 | 1997-06-23 | ||
| US08/880,709 US5838007A (en) | 1995-09-08 | 1997-06-23 | Optical scintillometer wake vortex detection system |
| US08/880709 | 1997-06-23 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10186056A true JPH10186056A (ja) | 1998-07-14 |
| JP3821923B2 JP3821923B2 (ja) | 2006-09-13 |
Family
ID=27108205
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23708897A Expired - Lifetime JP3821923B2 (ja) | 1996-09-06 | 1997-09-02 | ウェーク渦乱流または大気乱流を実時間で決定する方法、およびウェーク渦空気乱流または空気乱流に対し補正された出力を与える光シンチロメータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3821923B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100422708C (zh) * | 2004-12-14 | 2008-10-01 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 近地面湍流廓线仪 |
| JP2009236025A (ja) * | 2008-03-27 | 2009-10-15 | Fuji Heavy Ind Ltd | 水平軸風車の乱流強度計測方法 |
| CN113153868A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-07-23 | 太原理工大学 | 一种增强湍流工业流体稳健性的方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103399363B (zh) * | 2013-08-05 | 2015-03-18 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测装置及方法 |
-
1997
- 1997-09-02 JP JP23708897A patent/JP3821923B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100422708C (zh) * | 2004-12-14 | 2008-10-01 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 近地面湍流廓线仪 |
| JP2009236025A (ja) * | 2008-03-27 | 2009-10-15 | Fuji Heavy Ind Ltd | 水平軸風車の乱流強度計測方法 |
| CN113153868A (zh) * | 2021-03-17 | 2021-07-23 | 太原理工大学 | 一种增强湍流工业流体稳健性的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3821923B2 (ja) | 2006-09-13 |
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