(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測対象領域に対してレーザビームを送信し、その反射光を受信する光送受信手段と、その反射光のドップラ成分を分析して風向の空間分布データに基いて風向分布パターンを生成する風検出手段と、上記風向分布パターンを分析してウインドシアを検出するウインドシア検出手段と、上記風向分布パターンより後方乱気流を検出する後方乱気流検出手段とを備え、航空機等の離着陸に関する飛行計画情報に基く航空機等の離着陸の際において、上記ウインドシア検出手段による検出を停止して上記後方乱気流検出手段により後方乱気流を検出するとともに、それ以外の際には上記後方乱気流検出手段による検出を停止して上記ウインドシア検出手段によりウインドシアを検出するウインドシア検出装置。
【請求項２】
観測対象領域に対してレーザビームを送信し、その反射光を受信する光送受信手段と、その反射光のドップラ成分を分析して風向の空間分布データに基いて風向分布パターンを生成する風検出手段と、上記風向分布パターンを分析してウインドシアを検出するウインドシア検出手段と、上記風向分布パターンより後方乱気流を検出する後方乱気流検出手段と、航空機の離着陸時刻及び位置の情報を作成する飛行計画情報システムと、上記航空機の離着陸時刻及び位置の情報に基いて生成した後方乱気流の観測期間を上記後方乱気流検出手段に指示するとともにビーム指向方向を上記光送受信手段に指示する方位・仰角制御部とを備え、上記後方乱気流の観測期間に上記光送受信手段により航空機の方向にビーム走査して上記後方乱気流検出手段により後方乱気流を検出する一方、上記後方乱気流の観測期間以外には上記光送受信手段により広範囲のエリアにビーム走査して上記ウインドシア検出手段によりウインドシアを検出するウインドシア検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ・レーダを用いてウインドシア（大気の風向・風速の変化）を観測するウインドシア検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来のレーザ・レーダによる後方乱気流の検出装置の系統図である。図において、方位・仰角制御部２は、仰角及び方位方向を走査するビーム指向制御信号を作成し、光送受信部１及び乱気流検出部４へ出力する。光送受信部１は、ビーム指向制御信号で指示された方向に送信レーザビームを出力する。送信された送信レーザビームは、空気中の塵などで反射され受信光として、光送受信部１へ入力する。光送受信部１は、受信光を光から電気信号に変換し、受信信号として風向・風速検出部３へ出力する。
【０００３】
風向・風速検出部３は、受信信号から風速値とドップラ成分の方向（例えば、乱気流検出装置に近づく時を「＋」、遠ざかる時を「−」と設定する符号）を検出し、風速・風向情報として乱気流検出部４へ出力する。乱気流検出部４は、風向・風速情報を図１０に示すように各方位における１仰角走査毎に編集する。図１０下図に示すように風向・風速情報は各方位における１仰角走査毎に距離−仰角（または高度）の２次元座標上のデータとして合成する。さらに後方乱気流の渦の発生状況を検出し、この後方乱気流の渦の検出結果及び上記の編集された風速・風向情報を合わせて表示用のデータを作成し、表示装置６に出力する。表示装置６は、乱気流検出部４から入力する１仰角走査毎の表示データを順次更新し表示する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザ・レーダを用いた後方乱気流検出装置は、航空機の航跡に発生する後方乱気流のみを観測していたので、航空機の離着陸時に脅威となるウインドシアの観測は、別途ウインドシアを観測するレーダシステムの設置が必要で、また、ウインドシア観測のシステム構成が大きくなり、システム製作費が高くなるなどの問題点があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、レーザ・レーダで空港面のウインドシアを観測するとともに、あわせて後方乱気流や他の風情報をも観測することができるウインドシア検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
請求項１に記載の発明に係るウインドシア検出装置は、観測対象領域に対してレーザビームを送信し、その反射光を受信する光送受信手段と、その反射光のドップラ成分を分析して風向の空間分布データに基いて風向分布パターンを生成する風検出手段と、上記風向分布パターンを分析してウインドシアを検出するウインドシア検出手段と、上記風向分布パターンより後方乱気流を検出する後方乱気流検出手段とを備え、航空機等の離着陸に関する飛行計画情報に基く航空機等の離着陸の際において、上記ウインドシア検出手段による検出を停止して上記後方乱気流検出手段により後方乱気流を検出するとともに、それ以外の際には上記後方乱気流検出手段による検出を停止して上記ウインドシア検出手段によりウインドシアを検出するものである。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明に係るウインドシア検出装置は、観測対象領域に対してレーザビームを送信し、その反射光を受信する光送受信手段と、その反射光のドップラ成分を分析して風向の空間分布データに基いて風向分布パターンを生成する風検出手段と、上記風向分布パターンを分析してウインドシアを検出するウインドシア検出手段と、上記風向分布パターンより後方乱気流を検出する後方乱気流検出手段と、航空機の離着陸時刻及び位置の情報を作成する飛行計画情報システムと、上記航空機の離着陸時刻及び位置の情報に基いて生成した後方乱気流の観測期間を上記後方乱気流検出手段に指示するとともにビーム指向方向を上記光送受信手段に指示する方位・仰角制御部とを備え、上記後方乱気流の観測期間に上記光送受信手段により航空機の方向にビーム走査して上記後方乱気流検出手段により後方乱気流を検出する一方、上記後方乱気流の観測期間以外には上記光送受信手段により広範囲のエリアにビーム走査して上記ウインドシア検出手段によりウインドシアを検出するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。図１は実施の形態１に係るウインドシア検出装置の系統図である。図において、１はレーザビームを空間に送信し空気中の塵などで反射された反射光を受信し電気信号に変換し出力する光送受信部、２は送信レーザビームの指向方向を制御するビーム指向制御信号を生成する方位・仰角制御部、３は上記光送受信部１からの電気信号よりドップラ方向と風速値（風速・風向のリアルタイムのデータである風速・風向情報）を算出し出力する風速・風向検出部である。
【００１０】
５は上記風向・風速情報を距離方向、仰角方向及び方位方向に並び替え、風向・風速の空間分布のデータを作成し、この空間分布データを分析しウインドシアのダウンバースト（局所的な下降気流）やシアライン（風向が逆転している境界領域）を検出し、ウインドシア観測データ（ウインドシアの発生位置、ウインドシアの大きさ、ウインドシア強度（ウインドシアの風速）等）を出力するウインドシア検出部である。６はウインドシアの観測データを表示する表示装置である。
【００１１】
次に動作について説明する。方位・仰角制御部２は、図２に示すように滑走路領域のみではなく後方乱気流が発生していないエリアも含めた広範囲のエリア（図のように３６０度全周の場合もある）をビーム走査するビーム指向制御信号を作成する。そしてこのビーム指向制御信号を光送受信部１及びウインドシア検出部５へ出力する。なお、ウインドシア検出装置は図２に示すように空港領域全体を見渡せる位置（例えば、空港領域の中央近傍）に設置するのが望ましい。光送受信部１は、ビーム指向制御信号で指示された方向に送信レーザビームを送信する。送信された送信レーザビームは、空気中の塵などで反射され受信光として光送受信部１へ入力する。光送受信部１は受信光を光から電気信号に変換し受信信号として風向・風速検出部３へ出力する。
【００１２】
風向・風速検出部３は、受信信号のドップラー成分の分析から風速値とドップラ成分の方向（例えば、ウインドシア検出装置に近づく時を「＋」、遠ざかる時を「−」と設定する符号）を検出し、風向・風速情報としてウインドシア検出部５へ出力する。ウインドシア検出部５は、風向・風速情報を基に、風向及び風速値を方位・仰角走査毎に合成する。図３はデータ合成が行われる走査エリア内（一定高度での水平断面図であり、３６０度全周領域を示す）を単位セルに分割した様子を示すものである。図において中心にウインドシア検出装置が位置し、各セル単位毎に上記風向・風速情報の合成が行われる。このようなデータの合成は、複数の仰角ごとに全周の方位走査を行い、この全てのデータから一定高度でのデータを抽出し合成することにより行われる。また、ウインドシア検出部５は上記データ合成後、ウインドシアの「風向の符号と風速値」の変化（パターン）を後述するウインドシアパターンのデータベースと比較分析し、ウインドシアの特性を検出する。
【００１３】
ウインドシアの代表例としてダウンバーストとシアラインにおける風のパターンを説明する。図４はダウンバーストにおける風のパターンの説明図である。ダウンバーストでは図に示すように下降流が地表面にぶつかり放射状に風が広がるパターンになる。図５はシアライン（寒冷前線など）における風のパターンの説明図である。冷気と暖気がぶつかる領域においては、暖気の下に冷気がもぐり込む（図５上図の垂直面内の図を参照）。従って、ある一定高度の水平面内でシアラインの風向の様子をみると、図５下図のように線状に風向が変わるパターンになる。図４及び図５で示すパターンは、各現象の発生領域における風向の実際のパターンである。ウインドシア検出部５内には、これら実際の風のパターンをもとに作成された、上記比較分析用のウインドシアパターンが記憶保存されている。なお、この比較分析用のウインドシアパターンは図４，５に示す実際の風パターンと必ずしも一致するものではない。これはウインドシア検出装置が必ずしもウインドシアの発生領域内に位置しウインドシアを検出するのではなく、ほとんどの場合はウインドシアの発生領域外に位置し発生領域外から観測するためである。したがって上記発生領域の外からウインドシア検出装置によりドップラ成分を観測し得られる風向のパターンは、実際の風向パターン（図３、図４）とは異なるものとなる。ウインドシア検出部５は、上記のような分析・検出結果をもとにウインドシア観測データを作成して、表示装置６へ出力する。表示装置６は、ウインドシア検出部５から入力するウインドシア観測データを表示する。
【００１４】
実施の形態１による発明は以上のように構成されているので、レーザレーダを用いて風のパターンを測定し、そのパターンを予め判っているウインドシアの典型的なパターンと比較し分析することによりウインドシアの検出が可能となり、専用のレーダシステムが不要となる。
【００１５】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、レーザ・レーダでウインドシアのみの観測を行ったが、航空機の離着陸時は後方乱気流を観測し、航空機が離着陸しない時は、ウインドシアを観測するようにしてもよい。
【００１６】
図６は実施の形態２に係るウインドシア検出装置の系統図である。図において１から６までの構成要素は実施の形態１における図１のものと同様であるので説明を省略し、実施の形態１との相違点のみ説明する。飛行計画情報処理システム７は、各種航空機情報やレーダ情報から航空機の離着陸時刻及び位置情報を作成し、方位・仰角制御部２へ出力する。方位・仰角制御部２は、離着陸時刻及び位置情報から航空機が離着陸する時間に、後方乱気流の観測期間を指示する後方乱気流観測指示信号を作成し、ウインドシア検出部５と乱気流検出部４へ出力する。又、方位・仰角制御部２は、後方乱気流を観測する期間（後方乱気流観測指示信号が有効時）、図６に示すように航空機の方向にビーム走査するビーム指向制御信号を作成し、光送受信部１及び乱気流検出部４へ出力する。
【００１７】
光送受信部１は、ビーム指向制御信号で指示された方向に送信レーザビームを出力する。送信された送信レーザビームは、空気中の塵などで反射され受信光として、光送受信部１へ入力する。光送受信部１は受信光を光から電気信号に変換し受信信号として風向・風速検出部３へ出力する。風向・風速検出部３は、受信信号から風速値とドップラ成分の方向を検出し、風向・風速情報として乱気流検出部４へ出力する。乱気流検出部４は、後方乱気流観測指示信号が入力されている期間、風向・風速情報を基に、風向及び風速値を図１０に示す様な仰角走査毎に合成する。更に乱気流検出部４は、風向及び風速値を合成した後に、後方乱気流を風向の符号と風速の値の変化で検出し、方位角度情報を付加し後方乱気流観測データを作成して表示装置６へ出力する。
【００１８】
後方乱気流を観測する期間（後方乱気流観測指示信号が有効時）は、ウインドシア検出部５でのウインドシアの検出処理を行わない。方位・仰角制御部２は、飛行計画情報処理システム７から入力する航空機の離着陸時刻及び位置情報に航空機の離着陸の情報がない時（後方乱気流観測指示信号が無効時）は、図２に示すように後方乱気流が発生していないエリアも含めた広範囲のエリアを、ビーム走査するビーム指向制御信号を作成し、光送受信部１及びウインドシア検出部５へ出力する。光送受信部１は、ビーム指向制御信号で指示された方向に送信レーザビームを出力する。送信された送信レーザビームは、空気中の塵などで反射され受信光として、光送受信部１へ入力する。光送受信部１は受信光を光から電気信号に変換し受信信号として風向・風速検出部３へ出力する。風向・風速検出部３は、受信信号から風速値とドップラ成分の方向を検出し、風向・風速情報としてウインドシア検出部５へ出力する。ウインドシア検出部５は、風向・風速情報を基に、風向及び風速値を図３に示す様な方位走査毎に合成後に、ウインドシアの風向の符号と風速値の変化を検出する。例えば、ダウンバーストは、図４のような放射線状に風が広がるパターンになり、シアライン（寒冷前線など）は、図５のように線状に風向が変わるパターンになる。更にウインドシア検出部５は、ウインドシア観測データを作成して、表示装置６へ出力する。後方乱気流観測指示信号が無効時は、乱気流検出部４での乱気流検出処理を行わない。表示装置６は、ウインドシア検出部５から入力するウインドシア観測データを表示する。
【００１９】
実施の形態２による発明は以上のように構成されているので、１台のレーザレーダを用いてウインドシア及び後方乱気流の両方の大気流観測・検出が可能となる。
【００２０】
実施の形態３．
また、上記実施の形態１では、レーザ・レーダでウインドシアのみの観測を行ったが、同時に空港の風向・風速の観測を行うようにしてもよい。
【００２１】
図７は実施の形態３に係るウインドシア検出装置の系統図である。図において１から６までの構成要素は実施の形態１における図１のものと同様であるので説明を省略し、実施の形態１との相違点のみ説明する。図２に示すように方位・仰角制御部２は、図２の後方乱気流が発生していないエリアも含めた広範囲のエリアをビーム走査するビーム指向制御信号を作成し、光送受信部１及びウインドシア検出部５へ出力する。光送受信部１は、ビーム指向制御信号で指示された方向に送信レーザビームを出力する。送信された送信レーザビームは、空気中の塵などで反射され受信光として、光送受信部１へ入力する。光送受信部１は受信光３を光から電気信号に変換し受信信号として風向・風速検出部３へ出力する。風向・風速検出部３は、受信信号から風速値とドップラ成分（例：近づく時を「＋」、遠ざかる時を「−」の方向（符号））を検出し、風向・風速情報としてウインドシア検出部５及び空港風向・風速検出部８へ出力する。
【００２２】
ウインドシア検出部５は、風向・風速情報を基に、風向及び風速値を図３に示す様な方位走査毎に合成後、ウインドシアを風向の符号と風速の値の変化を検出する。例えば、ダウンバーストは、図４のような放射線状に風が広がるパターンになり、シアライン（寒冷前線など）は、図５のように線状に風向が変わるパターンになる。更にウインドシア検出部５は、ウインドシア観測データを作成して、表示装置６へ出力する。
【００２３】
表示装置６は、ウインドシア検出部５から入力するウインドシア観測データを表示する。空港風向・風速検出部８は、方位・仰角制御部２から入力するビーム指向制御信号と、風向・風速検出部３から入力する風向・風速情報から、２方位の同じ仰角の風向・風速情報を用い、空港内の風向・風速を検出し、空港風向・風速情報として表示装置６へ出力する。表示装置６は、空港風向・風速検出部８から入力する空港風向・風速情報を表示する。
【００２４】
実施の形態３による発明は以上のように構成されているので、１台のレーザレーダを用いてウインドシア及び空港領域の風向・風速（背景風データ）の両方の大気流観測・検出が可能となる。
【００２５】
実施の形態４．
なお、上記発明の実施の形態２では、航空機の離着陸時は後方乱気流を観測し、航空機が離着陸しない時は、ウインドシアの観測を行ったが、航空機の離着陸時は後方乱気流を観測し、航空機が離着陸しない時は、ウインドシアの観測を行い、同時に空港の風向・風速の観測を行ってもよい。
【００２６】
図８に示すように、飛行計画情報処理システム７は、各種航空機情報やレーダ情報から離着陸時刻及び位置情報を作成し、方位・仰角制御部２へ出力する。方位・仰角制御部２は、離着陸時刻及び位置情報から航空機が離着陸する時間は、後方乱気流の観測期間を指示する後方乱気流観測指示信号を作成し、ウインドシア検出部５、乱気流検出部４及び空港風向・風速検出部８へ出力する。又、方位・仰角制御部２は、後方乱気流を観測する期間（後方乱気流観測指示信号が有効時）、図１０に示すように航空機の方向にビーム走査するビーム指向制御信号を作成し、光送受信部１及び乱気流検出部４へ出力する。
【００２７】
光送受信部１は、ビーム指向制御信号で指示された方向に送信レーザビームを出力する。送信された送信レーザビームは、空気中の塵などで反射され受信光として、光送受信部１へ入力する。光送受信部１は受信光を光から電気信号に変換し受信信号として風向・風速検出部３へ出力する。風向・風速検出部３は、受信信号から風速値とドップラ成分の方向（符号）を検出し、風向・風速情報として乱気流検出部４及び空港風向・風速検出部８へ出力する。乱気流検出部４は、後方乱気流観測指示信号が入力されている期間、風向・風速情報を基に、風向及び風速値を図１０に示す様な仰角走査毎に合成する。更に乱気流検出部４は、風向及び風速値を合成した後に、後方乱気流を風向の符号と風速の値の変化で検出し、方位角度情報を付加した乱気流観測データを作成して表示装置６へ出力する。
【００２８】
後方乱気流を観測する期間（後方乱気流観測指示信号が有効時）は、ウインドシア検出部５でのウインドシアの検出処理及び空港風向・風速検出部８の空港内の風向・風速処理を行わない。
【００２９】
方位・仰角制御部２は、飛行計画情報処理システム２から入力する離着陸時刻及び位置情報に航空機の離着陸の情報がない時（後方乱気流観測指示信号が無効時）に、図２に示すように後方乱気流が発生していないエリアも含めた広範囲のエリアを、ビーム走査するビーム指向制御信号を作成し、光送受信部１、ウインドシア検出部５及び空港風向・風速検出部８へ出力する。光送受信部１は、ビーム指向制御信号で指示された方向に送信レーザビームを出力する。送信された送信レーザビームは、空気中の塵などで反射され受信光として、光送受信部１へ入力する。光送受信部１は受信光を光から電気信号に変換し受信信号として風向・風速検出部３へ出力する。風向・風速検出部３は、受信信号から風速値とドップラ成分の方向（符号）を検出し、風向・風速情報としてウインドシア検出部５へ出力する。ウインドシア検出部５は、風向・風速情報を基に、風向及び風速値を図３に示す様な方位走査毎に合成後に、ウインドシアを風向の符号と風速の値の変化を検出する。たとえば、ダウンバーストは、図４のような放射線状に風が広がるパターンになり、シアライン（寒冷前線など）は、図５のように線状に風向が変わるパターンになる。更にウインドシア検出部５は、ウインドシア観測データを作成して、表示装置６へ出力する。
【００３０】
空港風向・風速検出部８は、方位・仰角制御部２から入力するビーム指向制御信号と、風向・風速検出部３から入力する風向・風速情報から、２方位の同じ仰角の風向・風速情報を用い、空港内の風向・風速を検出し、空港風向・風速情報として表示装置６へ出力する。表示装置６は、空港風向・風速検出部８から入力する空港風向・風速情報を表示する。後方乱気流観測指示信号が無効時は、乱気流検出部４での乱気流検出処理を行わない。この時は、表示装置６は、ウインドシア検出部５から入力するウインドシア観測データを表示する。
【００３１】
実施の形態４による発明は以上のように構成されているので、１台のレーザレーダを用いてウインドシア、後方乱気流及び空港領域の風向・風速（背景風データ）の複数種の大気流観測・検出が可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
この発明は上記のように構成されているので、ウインドシアを観測するための専用の高価なレーダシステムを必要とせず、レーザレーダのみで空港面のウインドシアを観測することができるという効果を奏する。また同じレーザレーダで後方乱気流や他の風情報も観測することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係るウインドシア検出装置の系統図である。
【図２】  この発明の実施の形態１に示すウインドシア観測時のビーム走査の説明図である。
【図３】  この発明の実施の形態１に示す風向・風速の方位方向合成の説明図である。
【図４】  この発明の実施の形態１のダウンバーストの検出パターンの説明図である。
【図５】  この発明の実施の形態１のシアラインの検出パターンの説明図である。
【図６】  この発明の実施の形態２に係るウインドシア検出装置の系統図である。
【図７】  この発明の実施の形態３に係るウインドシア検出装置の系統図である。
【図８】  この発明の実施の形態４に係るウインドシア検出装置の系統図である。
【図９】  従来のレーザ・レーダによる後方乱気流検出装置の系統図である。
【図１０】  後方乱気流検出装置におけるデータ編集・表示方法の説明図である。
【符号の説明】
１  光送受信部、  ２  方位・仰角制御部、  ３  風向・風速検出部、  ４  乱気流検出部、  ５  ウインドシア検出部、  ６  表示装置、  ７  飛行計画情報処理システム、  ８  空港風向・風速検出部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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