JPS60242382A - シミユレ−タ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、不均一な反射率を有する三次元物体から観察
点へ反射されるレーダ信号又はソーナー信号をシミュレ
ートするシミーレータに関する。

〔従来の技術〕

機上気象レーダは、大気中の水分の集合体から航空機へ
反射されるレーダ信号に基づいて暴風雨の位置を指示す
る。反射される信号の強さは暴風雨中の水分の密度によ
って決まる。従来の気象レーダが表示する画像において
は、降水量がほとんどないか又はゼロであることを指示
する背景色と、降水量が少ないときの緑色と、降水量が
中程度であるときの黄色と、降水量が多いときの赤色と
が使用される。気象レーダの反射を正確に７ミーレート
できることは重要であシ、降水量が中程度であるか又は
多い領域では視界が悪くなり、無線妨害や、垂直方向及
び水平方向の風のシャー効果が発生するので、訓練中の
パイロットはそれに慣れなければならない。

地形図作製用レーダ、特に海岸線又はそれに類似する特
徴を表示するように設計されたレーダも航空機のナビゲ
ーションを補助するために広く使用されておシ、この場
合も、レーダにより発生される反射を正確にシミーレー
トできることは重要である。海底の輪郭線地図を作製す
るために、同様のンーナー機器も海面や、水中容器内に
おいて使用される。

気象レーダ及び地形図作製用レーダに適用するだめのシ
ミュレータは既に開発されている。使用される基本技術
の１つは、高さデータをほぼ矩形の格子の形態に記憶す
ることにより、シミュレートされるべき反射を提供する
三次元物体をモデル化することである。たとえば、地形
の高さは南北方向及び東西方向に６００フイート（約１
８０ｍ）離間する点についてファイルされる。シミュレ
ートされるべき物体の反射率を表わすデータは第２のフ
ァイルに記憶される。このように、物体の高う、う状ッ
。反射率、８規定う□え。第。。方よ、よ、　ｊ・いく
つかの高さＫおけろ水平方向スライスがレーダ反射率の
輪郭線を含むようにそれらの高さについて反射率データ
を矩形状の格子形態で記憶することである。気象レーダ
は、一般に、暴風雨内のレーダ反射率の輪郭線を表示す
るので、この第２の技術は気象レーダのシミュレーショ
ンにより適している。公知の第３の方法は、多数の暴風
雨の特徴を表わすデータを記憶することであり、シミー
レートすべき物体の完全なモデルを構成するためにそれ
らのデータを再利用し、様々な高さでコード化すること
ができる。

以上概略的に述べた公知の方法は、相当の演算能力を必
要とし、また、広範囲にわたる形状の異なる物体をシミ
ュレートしなければならない場合にはプログラミングに
相当の努力を要するので、十分であるとはいえない。さ
らに、通常利用できる標憔形のレーダ部品を使用しない
シミュレータシステムは、いずれも、標進形部品を表示
させるのが物理的に困難であると共に、他のシステムと
レーダシミュレータを統合することも容易ではないと考
えられる。たとえば、表示されるナビゲーションデータ
は気象レーダシミーレータにより発生されなければなら
ないであろう。以上の問題を避けるためには、画像デー
タは距離／方位／反射率形態であるのが理想的である。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、シミュレートされるべき実際の反射信
号と直接間等である模擬レーダ反射を発生することがで
き、しかも、簡単な物体モデル化方式に従う改良された
シミュレータを提供することである。

本発明によれば、観察点に対して仮想三次元物体を複数
個の均一な形状の三次元要素の形態で空間的に規定する
手段と、各要素に所定のレベルの均一な反射率を割当て
る手段と、観察点から延出する半径方向の仮想線に沿っ
て要素の境界線の位置を計算する手段と、計算された境
界線の位置のそれぞれの両側において仮想線上の点に割
当てられる反射率を決定する手段と、仮想線の長さに沿
って現われる割当て反射率を表わす一連の信号を発生す
る手段とを具備する、不均一な反射率ヲ有する三次元物
体から観察点へ反射されるレーダ信号又はソーナー信号
をシミュレートするシミーレータが提供される。

本発明は、観察点に対して仮想三次元物体が複数個の均
一な形状の三次元要素の形態で空間的に規定され、各要
素に所定のレベルの均一な反射率が割当てられ、観察点
から延出する半径方向の仮想線に沿って要素の境界線の
位置が計算され、計算された境界線の位置のそれぞれの
両側において仮想線上の点に割当てられる反射率が決定
され、仮想線の長さに沿って現われる割当て反射率を表
わす一連の信号が発生される、不均一な反射率を有する
三次元物体から観察点へ反射されるレーダ信号又はンー
ナー信号をシミュレートする方法をさらに提供する。

要素のうちいくつかは重なり合っていても良く、その場
合、要素の重なり合い領域においで反射率が最も高い優
先順位を有する要素の反射率に相応するように各要素に
所定の優先順位を割当てる手段が設けられる。

〔実施例〕

以下、添付の図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、縁部付近の下向きに突出する部分を除いてほ
ぼ円板形である中程度の降水量レベルの領域１と、領域
１の下向きに突出する部分を垂直方向に貫通する降水量
の多い領域２とを有する代表的な暴風の中心（ストーム
センター）の一般的な形態を示す。第２図は、第１図の
ストームセンターをモデル化するだめに使用される一般
的なモデル化方法を示す。第１図のかなり複雑な形状を
精密に規定しようとするのではなく、ストームセンター
のモデルは、互いに当接し、必要に応じて互いに重なり
合っていても良い一連の円筒形の要素３と、１つの要素
３の内部に完全に収容される別の円筒形の要素４とから
構成される。要素３には中程度の降水量レベルに関連す
る反射率と同等の反射率が割当てられ、要素４には高い
降水量レベルに関連する反射率と同等の反射率が割当て
られる。

第２図のモデルの円筒形の要素のそれぞれを表わすデー
タは、円筒形の垂直軸のＸ座標及びｙ座標と、円筒形の
上端及び下端の２座標と、円筒形の半径ｒと、割当てら
れた反射率の形で記憶される。

第３図は、円筒形の要素の１つからの模擬反射を形成す
るプロセスを示す。模擬航空機（観察点）の飛行位置及
び方位データは飛行シミュレータ用上位コンピュータに
よシ提供される。模擬航空機が水平方向に飛行しており
、航空機のレーダアンテナは半径方向の線５に沿って水
平方向に向いているものと仮定すると、飛行方位と要素
の中心軸とが成す角度ａ、飛行方位と線５とが成す角度
す及び航空機から円筒の中心軸までの距離Ｒは計算され
る。次に、距離Ｓ１及びＳ２と、角度Ｃも計算すること
ができる。この情報が与えられれば、個々のワードによ
υデータストリームーフードの内容と、ストリーム内に
おける位置とにより、要素の内部及び両側の領域の反射
率を指示する−が発生される。要素全体を走査すること
によシ、実際のレーダ反射と全く同じように横断面全体
を表示することかできる。水平方向中心のスライスの上
下で要素の一連の垂直方向に離間する楕円形のスライス
を得るために走査方向の様々な高さ位置について同じプ
ロセスが繰返され、このようにしてモデル全体の形状を
表示することができる。所望の三次元形状を構成するた
めに第２図と同様にいくつかの要素を規定することがで
きるのは自明である。異なる反射率をもつ要素を互いに
積重なると、垂直方向の反射率変化を提供することがで
きる。反射率の異なる２つの要素が重なり合うとき、優
先順位を割当てなければならない。これは、たとえば、
１つの所定の位置について模擬反射がその位置を含む２
つ又は３つ以上の互いに重なり合う要素の中で最も高い
反射率を表わすように構成することにより容易に行なう
ことができる。システムは各要素の境界線を規定し、各
境界線の両側にある領域に適切な反射率を割当てる。

以下余白 第４図は、システムの構成要素を示す略図である。気象
モデルはデジタル記憶装置６において所定の位置、大き
さ及び反射率をもつ一連の要素として規定される。演算
システム７は各要素の距離及び方位を計算し、このデー
タから、現在の半径走査方向に沿った前後の境界線（す
なわち、反射率遷移）の距離８１．Ｓ２（第３図）を計
算する。

これらの距離は半径方向走査緩衝記憶装置８に出力され
、そこで、反射率遷移が記憶される。

反射率遷移は現在の半径方向に沿った距離配列として記
憶される。次に、反射率遷移は、遷移の時間配列が遷移
の距離配列と同じになるように緩衝記憶装置から読出さ
れる。従って、情報はレーダシミュレーションに関して
正しい配列となる。

論理ユニット９は遷移を計算された強さの全レーダ反射
に変換する。この強さは割当てられる反射率、要素の距
離、吸収特性及びレーダ特性の関数である。

論理ユニットの出力は表示データエンコーダ１０に供給
され、表示データエンコーダは計算されたレーダ信号を
周知の変換方式を使用して、シミュレートされるべき特
定のレーダセットについて正しい形態に変換する。

タイミング／スキャナ位置信号発生器１１は、たとえば
乱気流をシミュレートするためにレーダシミュレータを
レーダ表示装置と同期させるパルスを提供する。タイミ
ング／スキャナ位置信号発生器１１は気象レーダ制御製
雪の位置を表わすレーダスキャナ方位／高度及び制御信
号をさらに提供する。

緩衝記憶装置８はスタートアドレス、距離及び反射率（
色）の形でデータを記憶する。第５図は、ある距離にお
ける条件をそれぞれ表示する４ビツトのワードとしてデ
ータが記憶される形態を概略的に示す。図示される例で
は、論理ユニット９の出力は・・・Ｇ、Ｙ、Ｙ、Ｙ、Ｙ
、Ｙ、Ｒ，Ｒ，Ｙ。

Ｇ、Ｇ、・・・とな５、Ｇは緑色、Ｙは黄色、Ｒは赤色
に等しい。　゛ 記憶装置は２つの部分Ａ及びＢを有する。一方の部分が
現在の半径方向に関するデータを保持するために使用さ
れているとき、他方の部分は先の半径方向に関するデー
タを出力するために使用されている。次のトリガパルス
に応答して、これらの機能は逆転される。

模擬表示がモデルと全く同様に、すなわち円筒の集合体
のように見えないようにするために、信号にノイズが加
えられる。これによシ個々の要素が互いに融合するので
、表示の現実性が増す。

レーダユニットの距離切換え機能及びその他の機能はレ
ーダユニットにおいてオペレータによシ切換工られるが
、シミュレータスキャナはレーダユニットと確実に同期
して動作するようにしなければならない。レーダユニッ
トは、通常、２つのステップモータ信号Ａ　７　ＤＹＥ
及びＡＺ　ＤＹＥ　Ｉ　９０を出力する。模擬航空機に
おいては、これらの出力はスキャナを駆動し、スキャナ
をレーダユニットと同期する状態に保持する。レーダユ
ニットは信号ＲＥＳＯＬＶＥＲＩＮも出力し、この信号
は、インジケータが何らかの表示を示す前に正しい極性
でなければならない出力ＸＩＮを発生するためにスキャ
ナ機構を介して結合される。シミュレータにおいて、第
６図に示されるように、２つのステップモータ信号は２
つの割込みに変換される。

ＤＶＥ　ＬＥＦＴ割込みのとき、演算システムは角度増
分を記憶されている方位角の値から減算し、これを−８
０度に制限する。ＩＷＥ　ＲＩＧＨＴ割込みも同様であ
るが、＋８０度に制限される。このように、演算システ
ムはスキャナ角度、すなわち第３図の角度すの現在の値
を記録する。この角度の符号は表示駆動装置へ出力され
、そこでＸＩＮを発生するように信号ＲＥ８０ＬＶＥＲ
ＩＮを反転するため又は反転しないために使用される。

角度ｂ゛の更新が停止されると、レーダユニットはそれ
を検出し、電力損出をシミュレートするためにスキャナ
に警告を出力する。

表示することができる降雨塊要素の総数はコンピュータ
の演算速度及び使用されるアルゴリズムによって決まる
。場合によっては、走査ごとに許容される最短時間は約
４ｍｓであシ、この時間の５？）１ｍｇはコンピュータ
のハウスキーピング全般に必要とされると想定すること
ができる。この場合、現在の半径方向走査に関連する全
ての要素について主演算ルーｆを完了するために残され
た時間は３ｍｓである。ループの平均コンピュータサイ
クル数が５００であるとすれば、コンピュータサイクル
時間が２５０　ｎｓ　であるとき、コンピュータは利用
しうる３ｍｓ　の間に２４回の演算ループを完了するこ
とができる。この場合、各半径方向走査について最高２
４個の活動要素が距離範囲内に含まれるものと考えられ
る。この数は、必要に応じて、下記のオプションのいず
れか１つを適用することにょシ増やすことができるであ
ろう。

ａ）各走査に関して最も重要な要素を選択するためにデ
ータベース管理システムを使用する；ｂ）ループ演算が
２回以上の半径方向走査にわたって実行可能であるよう
に補間方式を使用する；又は Ｃ）複数のプロセッサを使用する（ループは小さな出力
データ流れのみを伴なう集中的演算であるので、第２図
のコンピュータを付加することによシ、ストーム要素の
総数は２倍になる）。

水平方向平面においては、あらゆる方向から見て同じ形
状を有する円形の横断面のストーム要素が好都合である
。しかしながら、最も簡単に発生できる形状は１つの円
の鋸〈太い円弧であり、これを使用して差しつかえなけ
れば、要素の数を増すことができる。楕円形の円筒や円
錐などの他の形状を使用しても良いが、その場合にはコ
ンピュータの記憶容量をさらに大きくしなければならず
、おそらくは演算時間を長くなるであろう。

上述の気象レーダシミュレータは下記の他の効果を包含
するように容易に拡張することができる。

ａ）傾斜距離範囲での演算 ｂ）表示画像に対する水平方向ビーム幅の効果Ｃ）降水
、受信機の利得及びノイズ特性に起因する信号減衰 ｄ）地上クラッタ ｅ）ストーム要素の空間内での運動 ｆ）レーダスキャナが不安定であることに起因する効果 ｇ）遷移のみを示す等エコーシミュレーションｈ）乱気
流指示モード ｉ）ストーム要素からの相対位置に基づく飛行シミュレ
ーション、視覚シミュレーション及ヒ地上局シミュレー
ションとの相関 ｊ）正確な垂直方向ビーム幅シミュレーション、ただし
、これは同じ天気図の詳細内容に対してほぼ２倍の演算
容量を必要とすると考えられる。

上述の技術のいくつかを使用すると、たとえば地表反射
などの他の効果をシミュレートすることもできる。海岸
線のレーダ反射のシミュレーションに関連して、以下に
このことを説明する。

海岸の岩壁での反射のシミュレーションヲ提供するため
に、気象レーダシミュレーションに使用される４つの反
射率レベル（ゼロレベル要素ム）は付加レベルを含むよ
うに変更される。岩壁反射を表わす各要素において、要
素の前縁部は強調されるので、岩壁反射の各領域は一連
の円弧から構成される。そのため、シミュレーションコ
ンピュータにおいて付加的演算が必要であるが、これは
当該技術においては何ら問題とならないようにすべきで
ある。レーダシミュレータをさらにレベルアップするた
めに、海に向かって見たときの岩壁反射管構成する領域
をさらに強調するような装置を構じることができる。

地表反射シミュレータも反射に型費される一般的クラッ
タをシミュレートするように構成することもできる。海
岸線発生器が使用される場合、一般に、さらに２つの発
生器を設けなげればならない。一方の発生器は海上にあ
るときの海上クラッタに使用され、他方は地上にあると
きの反射の一般的、ｔＭＷｒＡｎｊに使用される。これ
らの発生器は適宜切換えられる。地上と海上とではノイ
ズ特性が一般に異なるため、２つの発生器が必要である
。

優先順位の高いゼロレベルを含むことにより、上述のよ
うな海岸線発生器の技術を使用するとき、レーダ反射の
中に橋のような特徴を含めることができる。これは、反
射率レベルのよシ高い要素の一部を遮蔽するために優先
順位の高いゼロレベル要素を使用することによシ達成さ
れる。その結果として得られる要素の遮蔽されない部分
から様々な地形を構成することができる。しかしながら
、この技術を使用するときには、その他の要素に２つの
優先１順位のいずれか一方を与えること、すなわち、そ
れらが優先順位の高いゼロレベル要素により遮蔽される
か否かを決定することが必要である。この方法はレーダ
反射に陰影を与えるために利用することができる。−例
として、橋のシミュレーションを第７図に示す。暗い「
川岸」領域１２は他の２つの要素１７及び１８の（空白
の）部分よシ高い優先順位を有する要素１．３　、１４
　。

１５及び１６によシ形成される。要素１８は要素１３か
ら１６よシ暗いが、要素１３から１７より優先順位は低
い。従って、「川岸」領域１２の間に暗い「橋」１９が
規定される。

気象レーダシミュレーションにおいては、垂直方向ビー
ム幅は狭いのが好ましい。しかしながら、地形レーダの
場合、垂直方向ビーム幅を広げなげればならない。この
ために、下方ビーム限界のみが計算され、上方ビーム限
界は航空機が位置する水平方向平面であるとみなされる
。これら２つの限界の中に含まれる物体は表示装置に対
してビデオ信号を発生する。これによりビームは広くな
シ、距離減衰及びかすみ角効果のために上限は一般に識
別不可能であるので、この方法は正しいと認められる。

上方ビーム限界を正確に計算しなければならない場合に
は、演算時間が多少長くなることを考慮した上でソフト
ウェアを変更するだけで良い。

海岸線発生器のための航空機制御装置及び表示装置、並
びにインストラクタ−用制御装置及び表示装置はシミュ
レータごとに異なり、一般に、海岸線発生器に対する制
御信号は上位コンピュータから転送される。しかしなが
ら、時間限定のために直接要求される同期パルスは別個
の信号パルス発生器によシ提供される。

気象レーダは、通常、実レーダ時間では動作しないので
、個々の処理によシ多くの時間を利用することかできる
。同様に、海岸線発生器において　１′も実レーダ時間
より遅い時間で動作するので、よシ多くのモデル要素を
処理することができる。これは有用ではあるが不可欠で
はない。

本発明は海底からのンーナー反射のシミュレーションな
どの他の用途に適用することもできるであろう。

本発明の主々利点は、データが重要な特徴についてのみ
記憶されるために他のシミュレーション方法と比較して
データが相当に圧縮されることである０

【図面の簡単な説明】

第１図は、モデル化されるべきストームセンターを示す
図、 第２図は、第１図のストームセンターのモデルを示す図
、 第３図は、単一の円筒形要素からの模擬レーダ信号の発
生を示す図、 第４図は、本発明によるシミュレータのブロック線図、 第５図及び第６図は、第４図の実施例の動作を示す図、
及び 第７図は、本発明に従って地形の詳細な特徴をシミュレ
ートする方法を示す図である・３．４・・・要素、６・
・・デジタル記憶装置、７・・・演算システム、８・・
・半径方向走査緩衝記憶装置、９・・・論理ユニット、
１０・・・表示データエンコーダ。 特許出願人 レディフユーノヨン　シミュレーションリミティ　ド 特許出願代理人 弁理士　青　木　朗 弁理士　西　舘　和　之 弁理士　平　岩　賢　三 弁理士　山　口　昭　之 弁理士　西　山　雅　也 手続補正書（方式） 昭和６０年　６月２＜／日 特許庁長官　志　賀　学　殿 １、事件の表示 昭和６０年　特許願　第　１４５９６号２、発明の名称 シミュレータ ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　レディフュージョン　シミュレーションリミティ
ド ４、代理人 ６、補正の対象 （１）願書の「出願人の代表者」の欄 （２）委任状 （３）図面 Ｚ　補正の内容 （１）＜２）　別紙の通り （３）図面の浄書（内容に変更なし） ８、添付書類の目録 （１）訂正願書　１通 （２ン　委任状及び訳文　各１通 （３〕浄書図面　１通

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、観察点に対して仮想三次元物体を複数個の均一な形
   状の三次元要素の形態で空間的に規定する手段と、各要
   素に所定のレベルの均一な反射率を割当てる手段と、観
   察点から延出する半径方向の仮想線に沿って要素の境界
   線の位置を計算する手段と、計算された境界線の位置の
   それぞれの両側において仮想線上の点に割当てられる反
   射率を決定する手段と、仮想線の長さに沿って現われる
   割当て反射率を表わす一連の信号を発生する手段とを具
   備する、不均一な反射率を有する三次元物体から観察点
   へ反射されるレーダ信号又はソーナー信号をシミュレー
   トするシミュレータ。 ２、要素の全て又は少なくともその一部は互いに重なυ
   合い、要素の重なり合い領域において反射率が最も高い
   優先順位を有する要素の反射率に相応するように各要素
   に所定の優先順位を割当てる手段が設けられる特許請求
   の範囲第１項記載のシミュレータ。 ３、要素の１つ又はいくつかが円筒形である特許請求の
   範囲第１項又は第２項記載のシミュレータ。 ４、要素の１つ又はいくつかが円錐形である特許請求の
   範囲第１項、第２項又は第３項記載のシミュレータ。 ５、観察点に対して仮想三次元物体が複数個の一様な形
   状の三次元要素の形態で空間的に規定され、各要素に所
   定のレベルの均一な反射率が割当てられ、観察点から延
   出する半径方向の仮想線に沿って要素の境界線の位置が
   計算され、計算された境界線の位置のそれぞれの両側に
   おいて仮想線上の点に割当てられる反射率が決定され、
   仮想線の長さに沿って現われる割当て反射率を表わす一
   連の信号が発生される、不均一な反射率を有する三次元
   物体から観察点へ反射されるレーダ信号又はンーナー信
   号をシミュレートする方法。 以−ト栄白