(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を発生する送信部と、
空間に電磁波を放射する電磁波放射部と、
大気で反射された電磁波を受信する電磁波入射部と、
上記電磁波放射部で受信した電磁波を処理して受信信号を生成する受信部と、
上記受信部で生成された受信信号に基づいて、観測領域内のドップラ速度空間分布を算出するドップラ速度算出部と、
乱気流の速度分布を模式化した速度分布テンプレートを設定可能であり、乱気流を構成する二つの渦の間隔の仮定値を変更しながら、個々の仮定値に適合した個々の速度分布テンプレートを設定するテンプレート設定部と、
上記ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度空間分布と、上記テンプレート設定部で設定された個々の速度分布テンプレートとの類似度を算出する演算部と、
上記演算部で算出された個々の上記類似度に基づいて、上記渦の間隔を決定する渦間隔決定部と、
上記渦間隔決定部で決定された渦の間隔に基づいて、乱気流の強度に関連した指標を求める乱気流検出部とを備えた乱気流検出装置。
【請求項２】
電磁波を発生する送信部と、
空間に電磁波を放射する電磁波放射部と、
大気で反射された電磁波を受信する電磁波入射部と、
上記電磁波放射部で受信した電磁波を処理して受信信号を生成する受信部と、
上記受信部で生成された受信信号に基づいて、観測領域内のドップラ速度空間分布を算出するドップラ速度算出部と、
乱気流の速度分布を模式化した速度分布テンプレートを設定可能であり、乱気流を構成する二つの渦の間隔の仮定値を変更しながら、個々の仮定値に適合した個々の速度分布テンプレートを設定するテンプレート設定部と、
上記テンプレート設定部で設定された個々の速度分布テンプレートがそれぞれ供給され、上記ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度空間分布と、供給された速度分布テンプレートとの類似度を算出する複数の演算部と、
上記複数の演算部で算出された個々の上記類似度に基づいて、上記渦の間隔を決定する渦間隔決定部と、
上記渦間隔決定部で決定された渦の間隔に基づいて、乱気流の強度に関連した指標を求める乱気流検出部とを備えた乱気流検出装置。
【請求項３】
上記テンプレート設定部は、二つの渦が同じ高度に水平方向に並んで存在するという仮定の下に、テンプレートを設定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の乱気流検出装置。
【請求項４】
上記テンプレート設定部が、実際の乱気流を構成する渦流の方向に関連した、＋ｎ、−ｎ、０の３つの値（ｎは実数である）を持つテンプレートを設定することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の乱気流検出装置。
【請求項５】
渦間隔決定部で推定された観測渦間隔を保存する渦間隔保存部を備え、テンプレート設定部は渦間隔保存部に保存された過去の観測渦間隔に基づいて、次の時刻の乱気流検出の試行における渦の間隔を仮定することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の乱気流検出装置。
【請求項６】
気象状況を表す気象モデル情報と、航空機の諸元を表す航空機モデル情報に基づいて、乱気流を構成する二つの渦の間隔の時間的変化を予測する乱気流シミュレーション部を備え、テンプレート設定部は上記乱気流シミュレーション部が予測した現在の渦の間隔に基づいて、次の時刻の乱気流検出の試行における渦の間隔を仮定することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の乱気流検出装置。
【請求項７】
（ａ）空間に電磁波を放射するステップと、
（ｂ）大気で反射された電磁波を受信するステップと、
（ｃ）一回の走査における上記受信した電磁波に関連する受信信号に基づいて、観測領域内のドップラ速度空間分布を算出するステップと、
（ｄ）乱気流を構成する二つの渦の間隔の仮定値を設定するステップと、
（ｅ）乱気流の速度分布を模式化した速度テンプレートであるところの上記仮定値に適合した速度分布テンプレートを設定するステップと、
（ｆ）上記ドップラ速度空間分布と上記速度分布テンプレートとの類似度を算出するステップと、
（ｇ）上記渦の間隔の仮定値を変更して、ステップ（ｅ）および（ｆ）を繰り返すステップと、
（ｈ）個々の上記類似度に基づいて、上記渦の間隔を決定するステップと、
（ｉ）上記決定された渦の間隔に基づいて、乱気流の強度に関連した指標を求めるステップとを備えた乱気流検出方法。
【請求項８】
ステップ（ｄ）では、以前の乱気流検出で決定された渦間隔に基づいて、二つの渦の間隔の仮定値を設定することを特徴とする請求項７記載の乱気流検出方法。
【請求項９】
ステップ（ｄ）では、以前の乱気流検出で決定された渦間隔をそのまま二つの渦の間隔の仮定値とすることを特徴とする請求項８記載の乱気流検出方法。
【請求項１０】
ステップ（ｄ）は、
以前の乱気流検出で決定された複数の渦間隔に基づいて渦間隔の変化パターンを求めるステップと、
上記変化パターンと走査時刻に基づいて渦間隔を予測するステップと、
上記予測された渦間隔からある値を差し引いて仮定値を求めるステップとを有することを特徴とする請求項８記載の乱気流検出方法
【請求項１１】
ステップ（ｄ）は、
周囲の気象条件に関連する気象モデル情報と、航空機のタイプに関連する航空機モデル情報に基づいて、乱気流シミュレーションを実行することにより渦間隔の変化パターンを予測するステップと、上記変化パターンと走査時刻に基づいて渦間隔を予測するステップと、
上記予測された渦間隔に基づいて仮定値を求めるステップとを有することを特徴とする請求項７記載の乱気流検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、航空機通過時に、航空機の後方に発生する乱気流を検出する乱気流検出装置および乱気流検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、航空機利用者が増加し、大都市に近接する空港における航空機の離発着数を増大させることが望まれている。一般には、新滑走路の増設が困難であるため、安全を確保しつつ離発着の間隔を短くすることが求められている。従来、離発着の時間間隔は、航空機の飛行に伴って主翼の後方に発生する乱気流が消失するのに十分な時間をとることで決められている。従って、離発着間隔を短縮するためには、後方乱気流の発生と消失を検出できる乱気流検出装置が必要である。
このような航空機の後方乱気流を検出する従来技術については、例えば“大森，桐本，「テンプレートマッチングを用いた航空機の後方乱気流の検出、電子通信情報学会技術研究報告ＳＡＮＥ９９−９」，１９９９”および特開２０００−３１０６８０号公報に述べられている。
【０００３】
図１３にドップラレーダあるいはドップラライダ（ｌｉｄａｒ）を用いた乱気流検出装置の構成を示す。この図において、１００は乱気流検出装置、１０１は電磁波放射部、１０２は送受信部、１０３は信号処理部、１０４は表示・記録部である。
【０００４】
次に、図１３の装置１００がドップラライダを利用している場合を想定して、その動作を説明する。
送受信部１０２において、送信光パルスを生成する。この送信光パルスは電磁波放射部１０１へと伝送される。電磁波放射部１０１は送信光パルスを空間へ放射する。電磁波放射部１０１は、例えば、送信光を空間へ放射する際に送信光を収束させる望遠鏡と、放射の方向を制御する反射鏡とから構成される。空間へ放射された送信光は大気で反射される。その際、反射位置の風速に応じてドップラ効果が生じるため、大気による反射光の周波数はドップラ効果による偏移を受ける。
大気からの反射光は電磁波放射部１０１により受信され、送受信部１０２へと伝送される。送受信部１０２は、受信信号に増幅、周波数変換などの処理を施した後に、処理された受信信号を信号処理部１０３へ供給する。
必要な空間（観測領域）全体にわたって速度を計測するため、電磁波放射部１０１は、反射鏡の角度を制御して波の放射方向を変化させながら、反射波を受信する。
【０００５】
信号処理部１０３は入力した受信信号からそのドップラ周波数を算出し、それをターゲット（大気）のドップラ速度、すなわち大気の視線方向風速へと変換する。各検出位置の視線方向風速は、その位置にある大気の移動方向に影響されている。信号処理部１０３の変換結果は、２次元断面（観測領域）における速度分布である。この断面に関しては、放射部からの距離と角度で位置が決まる座標系を採ることができ、信号処理部１０３からの変換結果は、距離−角度座標系で表される。ただし、座標変換により、変換結果を直交座標系で表すことができる。さらに、後述のようなテンプレートマッチングの手法により、２次元断面上の風速分布の変化パタンから乱気流を検出する。信号処理部１０３で生成された信号処理結果に基づいて、表示・記録部１０４は乱気流の速度を表示あるいは記録する。
【０００６】
乱気流検出装置１００がドップラレーダを利用する場合は、送受信部１０２では送信光の代わりに送信電波が生成され、電磁波放射部１０１から空間に放射される。電磁波放射部１０１としてアンテナが用いられる。その他の機能はドップラライダの場合と本質的に同じである。
【０００７】
次に、従来技術における乱気流検出の原理を具体的に説明する。
乱気流検出装置１００による後方乱気流の観測の状況を図１４に示す。航空機が通過すると、その後方に二つの渦から構成される乱気流が生じる。この後方乱気流をドップラレーダまたはドップラライダで観測すると、正のドップラ速度が観測される領域と、負のドップラ速度が観測される領域とが現れる。ここで、正のドップラ速度とは、乱気流検出処理装置から離れる方向の風を観測したときに得られるドップラ速度、負のドップラ速度とは、乱気流検出処理装置に近づく方向の風を観測したときに得られるドップラ速度とする。図１４の例では、乱気流の中心位置Ｏ３、すなわち航空機が通過した位置から見て、左上の領域で正、左下の領域で負、右上の領域で負、右下の領域で正のドップラ速度がそれぞれ得られる。
【０００８】
そこで、例えば図１６に示すようなテンプレートと式（１）を用いて、小領域に応じて予め設定された係数を測定速度に乗算してドップラ速度データを積分する。図１６のテンプレートによれば、係数は±１である。すなわち、図１６に示すテンプレートでは、テンプレート領域の中心Ｏ２から見て、左上の小領域に＋１、左下の小領域に−１、右上の小領域に−１、右下の小領域に＋１の係数が割り当てられる。
【０００９】
【数１】
0003628621.tif 000002
【００１０】
式（１）で、Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）は、計算上仮定した乱気流の位置と、乱気流の真の位置との類似度を表す。位置（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）は、図１６に示すように、電磁波放射部１０１の位置を原点Ｏ１としたＸ−Ｙ座標系におけるテンプレート領域（仮定した観測領域）の原点Ｏ２の位置を表す。ｗはテンプレート領域の幅の半分（小領域の幅）であり、ｈはテンプレート領域の高さの半分（小領域の高さ）であり、Ｖ１（Ｘｔ  ＋ｘ，Ｙｔ  ＋ｙ）はＸ−Ｙ座標系における個々の位置（Ｘｔ  ＋ｘ，Ｙｔ  ＋ｙ）の測定されたドップラ速度である。Ｖ２（ｘ，ｙ）はテンプレート内の係数であり、テンプレート領域において左上の小領域で＋１、左下の小領域で−１、右上の小領域で−１、右下の小領域で＋１である。
【００１１】
上述のように、乱気流内部に関するドップラ速度Ｖ１（Ｘｔ  ＋ｘ，Ｙｔ  ＋ｙ）は、乱気流の中心位置から見て、左上の小領域で正、左下の小領域で負、右上の小領域で負、右下の小領域で正であるから、テンプレート領域の原点Ｏ２が乱気流の実際の中心位置Ｏ３（図１４、図１７参照）に一致すれば、式（１）に従った積分結果であるところの類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）は最大となる。換言すれば、類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）が最大になる位置（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）が乱気流の中心位置Ｏ３として推定される。従って、位置（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）のパラメータＸｔ  ，Ｙｔ  を変更しながら類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）の算出試行を繰り返し、類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）が最大になる位置（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）を求める。
【００１２】
式（１）から理解できるように、類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）はテンプレート中心位置Ｏ２と乱気流中心位置Ｏ３とが一致した場合に、速度の絶対値を加算したものであるから、乱気流の位置確定後の類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）は乱気流の速度（強度）を表す指標として使うことができる。すなわち、複数回の算術試行で得られた類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）のうち、最大の類似度Ｍｍａｘ  （Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）を乱気流の強度と考えることができる。
【００１３】
一方、乱気流の存在しない位置または時刻では、類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）は０に近づく。以上のようにして、乱気流の検出が可能となる。
【００１４】
信号処理部の具体的な構成を図１５に示す。この図において、１はドップラ速度算出部、２はテンプレート設定部、３はテンプレートマッチング処理部（演算部、乱気流検出部）である。
ドップラ速度算出部１は、送受信部１０２から供給された受信信号からドップラ速度を算出する。ドップラ速度を算出するには、受信信号をフーリエ変換し、受信信号のパワースペクトルを算出する。パワースペクトルには大気エコースペクトルが含まれる。この大気エコースペクトルのピーク位置の周波数からドップラ速度を算出することができる。パワースペクトルを算出する際には、パワースペクトルの持つ統計的なゆらぎを小さくすることを目的として、インコヒーレント積分が行われる。
【００１５】
テンプレート設定部２では、テンプレートマッチング処理に用いるテンプレートを設定する。例えば前述の図１６に示すようなテンプレートを設定する。
テンプレートマッチング処理部３では、テンプレート設定部２で設定したテンプレートと一致する風速変化パタンをドップラ速度データから抽出することにより、後方乱気流を検出する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術では、乱気流が二つの渦から構成され、それらの渦が水平方向に近接して存在していることを仮定してテンプレートを設定し、乱気流を検出していた。この技術によれば、乱気流の発生直後、すなわち航空機の通過直後の乱気流の検出には有効である。しかし、通常の後方乱気流は、時間の経過とともに、二つの渦の間隔が広がるように移動することが知られている。図１７は二つの渦からなる後方乱気流の典型的な移動軌跡を示したものである。このように、二つの渦は、まず二つの渦の間に生じる相互作用により、下方に移動する。そして、地面に接近するにつれて、地面の影響を受けて、渦間隔が広がる。すなわち、二つの渦は互いに離れてゆく。
【００１７】
このように、二つの渦の間の間隔が時間の経過とともに広がるため、乱気流検出に適したテンプレートは、時間の経過とともに変化する。しかし、従来技術では、発生直後の乱気流に適したテンプレートだけを用いていたため、乱気流発生からある程度の時間が経過したときに、乱気流検出性能が低下するという問題があった。
【００１８】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、乱気流発生から時間が経過した後の、渦間隔の広がった乱気流をも正しく検出する乱気流検出装置および乱気流検出方法を得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る乱気流検出装置は、電磁波を発生する送信部と、空間に電磁波を放射する電磁波放射部と、大気で反射された電磁波を受信する電磁波入射部と、上記電磁波放射部で受信した電磁波を処理して受信信号を生成する受信部と、上記受信部で生成された受信信号に基づいて、観測領域内のドップラ速度空間分布を算出するドップラ速度算出部と、乱気流の速度分布を模式化した速度分布テンプレートを設定可能であり、乱気流を構成する二つの渦の間隔の仮定値を変更しながら、個々の仮定値に適合した個々の速度分布テンプレートを設定するテンプレート設定部と、上記ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度空間分布と、上記テンプレート設定部で設定された個々の速度分布テンプレートとの類似度を算出する演算部と、上記演算部で算出された個々の上記類似度に基づいて、上記渦の間隔を決定する渦間隔決定部と、上記渦間隔決定部で決定された渦の間隔に基づいて、乱気流の強度に関連した指標を求める乱気流検出部とを備えたものである。
【００２０】
この発明に係る乱気流検出装置は、電磁波を発生する送信部と、空間に電磁波を放射する電磁波放射部と、大気で反射された電磁波を受信する電磁波入射部と、上記電磁波放射部で受信した電磁波を処理して受信信号を生成する受信部と、上記受信部で生成された受信信号に基づいて、観測領域内のドップラ速度空間分布を算出するドップラ速度算出部と、乱気流の速度分布を模式化した速度分布テンプレートを設定可能であり、乱気流を構成する二つの渦の間隔の仮定値を変更しながら、個々の仮定値に適合した個々の速度分布テンプレートを設定するテンプレート設定部と、上記テンプレート設定部で設定された個々の速度分布テンプレートがそれぞれ供給され、上記ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度空間分布と、供給された速度分布テンプレートとの類似度を算出する複数の演算部と、上記複数の演算部で算出された個々の上記類似度に基づいて、上記渦の間隔を決定する渦間隔決定部と、上記渦間隔決定部で決定された渦の間隔に基づいて、乱気流の強度に関連した指標を求める乱気流検出部とを備えたものである。
【００２１】
この発明に係る乱気流検出装置は、上記テンプレート設定部が、二つの渦が同じ高度に水平方向に並んで存在するという仮定の下に、テンプレートを設定するものである。
【００２２】
この発明に係る乱気流検出装置は、上記テンプレート設定部が、実際の乱気流を構成する渦流の方向に関連した、＋ｎ、−ｎ、０の３つの値（ｎは実数である）を持つテンプレートを設定するものである。
【００２３】
この発明に係る乱気流検出装置は、渦間隔決定部で推定された観測渦間隔を保存する渦間隔保存部を備え、テンプレート設定部は渦間隔保存部に保存された過去の観測渦間隔に基づいて、次の時刻の乱気流検出の試行における渦の間隔を仮定するものである。
【００２４】
この発明に係る乱気流検出装置は、気象状況を表す気象モデル情報と、航空機の諸元を表す航空機モデル情報に基づいて、乱気流を構成する二つの渦の間隔の時間的変化を予測する乱気流シミュレーション部を備え、テンプレート設定部は上記乱気流シミュレーション部が予測した現在の渦の間隔に基づいて、次の時刻の乱気流検出の試行における渦の間隔を仮定するものである。
【００２５】
この発明に係る乱気流検出方法は、（ａ）空間に電磁波を放射するステップと、（ｂ）大気で反射された電磁波を受信するステップと、（ｃ）一回の走査における上記受信した電磁波に関連する受信信号に基づいて、観測領域内のドップラ速度空間分布を算出するステップと、（ｄ）乱気流を構成する二つの渦の間隔の仮定値を設定するステップと、（ｅ）乱気流の速度分布を模式化した速度テンプレートであるところの上記仮定値に適合した速度分布テンプレートを設定するステップと、（ｆ）上記ドップラ速度空間分布と上記速度分布テンプレートとの類似度を算出するステップと、（ｇ）上記渦の間隔の仮定値を変更して、ステップ（ｅ）および（ｆ）を繰り返すステップと、（ｈ）個々の上記類似度に基づいて、上記渦の間隔を決定するステップと、（ｉ）上記決定された渦の間隔に基づいて、乱気流の強度に関連した指標を求めるステップとを備えたものである。
【００２６】
この発明に係る乱気流検出方法は、ステップ（ｄ）では、以前の乱気流検出で決定された渦間隔に基づいて、二つの渦の間隔の仮定値を設定するものである。
【００２７】
この発明に係る乱気流検出方法は、ステップ（ｄ）では、以前の乱気流検出で決定された渦間隔をそのまま二つの渦の間隔の仮定値とするものである。
【００２８】
この発明に係る乱気流検出方法は、ステップ（ｄ）は、以前の乱気流検出で決定された複数の渦間隔に基づいて渦間隔の変化パターンを求めるステップと、上記変化パターンと走査時刻に基づいて渦間隔を予測するステップと、上記予測された渦間隔からある値を差し引いて仮定値を求めるステップとを有するものである。
【００２９】
この発明に係る乱気流検出方法は、ステップ（ｄ）は、周囲の気象条件に関連する気象モデル情報と、航空機のタイプに関連する航空機モデル情報に基づいて、乱気流シミュレーションを実行することにより渦間隔の変化パターンを予測するステップと、上記変化パターンと走査時刻に基づいて渦間隔を予測するステップと、上記予測された渦間隔に基づいて仮定値を求めるステップとを有するものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１の乱気流検出装置の全体構成は、図１３に示した従来技術のものと概略的には同じである。すなわち、上述のように、１００は乱気流検出装置、１０１は電磁波放射部（電磁波入射部）、１０２は送受信部（受信部）、１０３は信号処理部、１０４は表示・記録部である。乱気流検出装置１００は、乱気流を検出するのに、ドップラライダを利用してもよいし、ドップラレーダを利用してもよい。再び、図１３に示された各構成要素の機能を説明する。
【００３１】
図１３の乱気流検出装置１００がドップラライダを利用している場合には、送受信部１０２において、送信光パルスを生成する。この送信光パルスは電磁波放射部１０１へと伝送される。電磁波放射部１０１は送信光パルスを空間へ放射する。電磁波放射部１０１は、例えば、送信光を空間へ放射する際に送信光を収束させる望遠鏡と、放射の方向を制御する反射鏡とから構成される。空間へ放射された送信光は大気で反射される。その際、反射位置の風速に応じてドップラ効果が生じるため、大気による反射光の周波数はドップラ効果による偏移を受ける。
大気からの反射光は電磁波放射部１０１により受信され、送受信部１０２へと伝送される。送受信部１０２は、受信信号に増幅、周波数変換などの処理を施した後に、処理された受信信号を信号処理部１０３へ供給する。
必要な空間（観測領域）全体にわたって速度を計測するため、電磁波放射部１０１は、反射鏡の角度を制御して波の放射方向を変化させながら、反射波を受信する。
【００３２】
信号処理部１０３は入力した受信信号からそのドップラ周波数を算出し、それをターゲット（大気）のドップラ速度、すなわち大気の視線方向風速へと変換する。各検出位置の視線方向風速は、その位置にある大気の移動方向に影響されている。信号処理部１０３の変換結果は、２次元断面（観測領域）における速度分布である。この断面に関しては、放射部からの距離と角度で位置が決まる座標系を採ることができ、信号処理部１０３からの変換結果は、距離−角度座標系で表される。ただし、座標変換により、変換結果を直交座標系で表すことができる。さらに、後述のようなテンプレートマッチングの手法により、２次元断面上の風速分布の変化パタンから乱気流を検出する。信号処理部１０３で生成された信号処理結果に基づいて、表示・記録部１０４は乱気流の速度を表示あるいは記録する。
【００３３】
乱気流検出装置１００がドップラレーダを利用する場合は、送受信部１０２では送信光の代わりに送信電波が生成され、電磁波放射部１０１から空間に放射される。電磁波放射部１０１としてアンテナが用いられる。その他の機能はドップラライダの場合と本質的に同じである。
空港での航空機の離発着間隔の管制に使われる場合には、乱気流検出装置１００は、例えば空港の滑走路の横に配置される。
【００３４】
図１はこの発明の実施の形態１における信号処理部１０３の構成を示すブロック図である。図１において、１は受信信号からドップラ速度を算出するドップラ速度算出部である。２はテンプレート設定部であり、このテンプレート設定部２は、乱気流を構成する二つの渦の間隔をある値に仮定し、その渦間隔を持つ乱気流に適したテンプレートを設定する。この実施の形態１では、テンプレート設定部２は、渦の間隔の候補を複数設定することができる。すなわち、異なる仮定された間隔を持つ複数のテンプレート候補を設定する。
３はテンプレートマッチング処理部である。テンプレートマッチング処理部３は、ドップラ速度算出部１から供給されたドップラ速度の空間分布に、テンプレート設定部２で設定されたテンプレートを用いてテンプレートマッチング処理を行う。この実施の形態１では、テンプレート設定部２で設定された複数のテンプレート候補について、テンプレートマッチング処理を繰り返す。
【００３５】
４はテンプレートマッチング結果保存部４である。テンプレートマッチング結果保存部４は、テンプレートマッチング処理部３での個々のテンプレート候補に基づく複数のテンプレート処理結果を保存する。
５は渦間隔決定部である。渦間隔決定部５は、テンプレートマッチング結果保存部４に保存された処理結果のうちの最適なものを選択する。
【００３６】
次に信号処理部１０３の動作について説明する。
ドップラ速度算出部１は、送受信部１０２（図１３参照）から供給された受信信号から大気のドップラ速度分布を算出する。ドップラ速度分布を算出するには、受信信号をフーリエ変換し、受信信号のパワースペクトルを算出する。このパワースペクトルには大気エコースペクトル（大気からの反射波に影響された成分）が含まれる。この大気エコースペクトルのピーク位置の周波数から大気のドップラ速度分布を算出することができる。パワースペクトルを算出する際には、パワースペクトルの持つ統計的なゆらぎを小さくすることを目的として、インコヒーレント積分が行われる。
【００３７】
テンプレート設定部２では、乱気流を構成する二つの渦の間隔をある値に仮定し、その渦間隔を持つ乱気流に適応したテンプレートを設定する。具体的には、従来のテンプレートを二つの部分テンプレートに分割し（すなわち横方向に分離し）、二つの部分テンプレートの間の距離が、仮定された渦間隔に等しくなるように、部分テンプレートの間隔を設定する。
図２はこのようなテンプレートの例を示す。このテンプレートは、従来技術で用いられている図１６のテンプレートの左半分と右半分を水平方向に分離し、左右の左右の部分テンプレートの間に値０の小領域を挿入し、さらに左右の部分テンプレートを互いに垂直方向にずらすことにより構成されたものである。値０の領域の幅は、左側の部分テンプレートの中心と右側の部分テンプレートの中心との間の距離が、仮定された渦間隔と等しくなるように設定される。図２に示すテンプレートは、乱気流を構成する二つの渦が時間の経過につれて水平方向および垂直方向に離れていく挙動に基づく。
【００３８】
ただし、乱気流を構成する二つの渦は、垂直方向に離れてゆくことよりも、水平方向に離れてゆくことが多い（図１７参照）。そこで、二つの渦が水平方向のみに離れてゆくと予測しうる場合には、図３に示すように、従来のテンプレートを左右の二つの部分テンプレートに分離し、水平方向のみに部分テンプレートを離したようなテンプレートを設定してもよい。二つの渦のずれを水平方向のみに離すことにより、以下に述べるテンプレートマッチング処理の試行回数を削減することができる。図２および図３に示されたテンプレートを用いたテンプレートのマッチング処理については後述する。
【００３９】
テンプレートマッチング処理部３では、テンプレート設定部２で設定したテンプレートと、風速変化パタンすなわちドップラ速度データとを対比して、後方乱気流の強度（速度）を検出する。ただし、テンプレート設定部２で仮定した渦間隔は未知である。そこで、仮定する渦間隔を変化させながら、テンプレート設定部２とテンプレートマッチング処理部３による乱気流検出を繰り返す。図２に示したようなテンプレートを用いる場合は、水平方向の渦間隔と垂直方向の渦間隔を変化させてテンプレートマッチング処理を繰返す。図３に示したようなテンプレートを用いる場合は、水平方向の渦間隔のみを変化させてテンプレートマッチング処理を繰返す。それぞれの渦間隔に基づいて行われたテンプレートマッチング処理の結果である乱気流検出結果は、テンプレートマッチング結果保存部４に一時的に保存される。
【００４０】
予め設定した範囲内で仮定された渦間隔の乱気流の強度検出が終わると、渦間隔決定部５は、テンプレートマッチング結果保存部４から、複数の仮定した渦間隔に基づくテンプレートマッチング結果を読み出す。そして、渦間隔決定部５では、これらの渦間隔のうちで、ドップラ速度分布とテンプレートが最も適合する、すなわちマッチング値が最も高くなるものを、観測渦間隔として選択する。
選択された観測渦間隔はテンプレートマッチング結果保存部４に供給される。テンプレートマッチング結果保存部４は、一時保存された乱気流検出結果のうちから、観測渦間隔に基づく乱気流検出結果（強度）を、最終的に確定した乱気流検出結果として選択し、これを出力する。この信号処理部１０３の出力は、表示・記録部１０４へと渡される。表示・記録部１０４では、乱気流検出結果を表示または記録する。
【００４１】
次に、図２および図３に示されたテンプレートを用いたテンプレートのマッチング処理について説明する。
まず、図２に示されたテンプレートを用いたテンプレートマッチング処理では、テンプレートと式（２）を用いて、小領域に応じて予め設定された係数を測定速度に乗算してドップラ速度データを積分する。図２のテンプレートによれば、係数は±１および０である。すなわち、図２に示すテンプレートでは、左上の小領域に＋１、左下の小領域に−１、右上の小領域に−１、右下の小領域に＋１、中央の領域に０の係数が割り当てられる。
【００４２】
【数２】
0003628621.tif 000003
【００４３】
ここで、Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）は、計算上仮定した乱気流の位置と、乱気流の真の位置との類似度を表す。位置（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）は、図２に示したように、電磁波放射部１０１の位置を原点Ｏ１としたＸ−Ｙ座標系におけるテンプレート領域（仮定した観測領域）の原点Ｏ２の位置を表す。β１ｍａｘは左上テンプレート小領域の最大高さ（テンプレート座標系（α−β）座標系）、β１ｍｉｎは左下テンプレート小領域の最小高さ、α１ｍａｘは左側テンプレート小領域の最大水平方向位置（テンプレート座標系（α−β）座標系）、α１ｍｉｎは左側テンプレート小領域の最小水平方向位置である。β２ｍａｘは右上テンプレート小領域の最大高さ（テンプレート座標系（α−β）座標系）、β２ｍｉｎは右下テンプレート小領域の最小高さ、α２ｍａｘは右側テンプレート小領域の最大水平方向位置（テンプレート座標系（α−β）座標系）、α２ｍｉｎは右側テンプレート小領域の最小水平方向位置である。
【００４４】
Ｖ１（Ｘｔ  ＋α，Ｙｔ  ＋β）はＸ−Ｙ座標系における個々の位置（Ｘｔ  ＋α，Ｙｔ  ＋β）の測定されたドップラ速度である。Ｖ２（α，β）はテンプレート内の係数であり、テンプレート領域において左上の小領域で＋１、左下の小領域で−１、右上の小領域で−１、右下の小領域で＋１、中央の領域で０である。より正確にこれを式で表すと以下の通りである。
【００４５】
Ｖ２（α，β）＝＋１  …（（α１ｍｉｎ＋α１ｍａｘ）／２＜α＜α１ｍａｘであって、β１ｍｉｎ＜β＜β１ｍａｘの場合）
Ｖ２（α，β）＝−１  …（α１ｍｉｎ＜α＜（α１ｍｉｎ＋α１ｍａｘ）／２であって、β１ｍｉｎ＜β＜β１ｍａｘの場合）
Ｖ２（α，β）＝−１  …（（α２ｍｉｎ＋α２ｍａｘ）／２＜α＜α２ｍａｘであって、β２ｍｉｎ＜β＜β２ｍａｘの場合）
Ｖ２（α，β）＝＋１  …（α２ｍｉｎ＜α＜（α２ｍｉｎ＋α２ｍａｘ）／２であって、β２ｍｉｎ＜β＜β２ｍａｘの場合）
【００４６】
上述のように、発生直後の乱気流内部に関するドップラ速度Ｖ１（Ｘｔ  ＋α，Ｙｔ  ＋β）は、左上の小領域で正、左下の小領域で負、右上の小領域で負、右下の小領域で正である。時間の経過により乱気流の実際の位置は移動してゆく。しかし、テンプレート領域の原点Ｏ２が乱気流の実際の中心位置Ｏ３（図１４、図１７参照）に一致すれば、式（２）に従った積分結果であるところの類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）は最大となる。換言すれば、類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）が最大になる位置（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）が乱気流の中心位置Ｏ３として推定される。従って、位置（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）のパラメータＸｔ  ，Ｙｔ  を変更しながら類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）の算出試行を繰り返し、類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）が最大になる位置（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）を求める。
【００４７】
式（２）から理解できるように、類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）はテンプレート中心位置Ｏ２と乱気流中心位置Ｏ３とが一致した場合に、速度の絶対値を加算したものであるから、乱気流の位置確定後の類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）は乱気流の速度（強度）を表す指標として使うことができる。すなわち、複数回の算術試行で得られた類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）のうち、最大の類似度Ｍｍａｘ  （Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）を乱気流の強度と考えることができる。以上が、水平渦間隔と垂直渦間隔を固定した（α１ｍｉｎ、α１ｍａｘ、α２ｍｉｎ、α２ｍａｘ、β１ｍｉｎ、β１ｍａｘ、β２ｍｉｎ、β２ｍａｘを固定した）一回の試行での乱気流の強度の測定である。そして、水平方向の渦間隔と垂直方向の渦間隔を変化させて（α１ｍｉｎ、α１ｍａｘ、α２ｍｉｎ、α２ｍａｘ、β１ｍｉｎ、β１ｍａｘ、β２ｍｉｎ、β２ｍａｘを変化させて）、この試行を繰り返し、複数回の試行で得られた複数の最大の類似度Ｍｍａｘ  （Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）の中から最大の類似度Ｍｍａｘ  （Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）を選択し、これを乱気流の強度と推定するのである。
【００４８】
図３に示されたテンプレートを用いたテンプレートマッチング処理も基本的には上記と同様である。ただし、図３に示すように、垂直方向のずれはないので、式（２）中のβ１ｍａｘ＝β２ｍａｘ＝βｍａｘ  に置き換えられ、β１ｍｉｎ＝β２ｍｉｎ＝βｍｉｎ  に置き換えられる。また、水平方向の渦間隔のみを変化させて（α１ｍｉｎ、α１ｍａｘ、α２ｍｉｎ、α２ｍａｘを変化させて）、乱気流強度測定試行を繰り返す。
【００４９】
以上のような乱気流検出装置の動作のフローチャートを図４に示す。まず、ステップＳＴ１では、以後のステップで実施するテンプレートマッチング処理で仮定する渦間隔のうちの最小値を渦初期間隔としてテンプレート設定部２が設定する。
ステップＳＴ２では、現時刻の観測で得られた一回の走査分の受信信号からドップラ速度算出部１が算出したドップラ速度（ドップラ速度の空間分布）をテンプレートマッチング処理部３が読み込む。
ステップＳＴ３では、ステップＳＴ１で設定された渦初期間隔を仮定する渦間隔として用いて、その渦間隔に対応したテンプレートをテンプレート設定部２が設定する。
ステップＳＴ４では、ステップＳＴ３で設定されたテンプレートをテンプレートマッチング処理部３が用いて、ドップラ速度データにテンプレートマッチング処理を行う。処理の結果は、テンプレートマッチング結果保存部４に蓄積されてゆく。
【００５０】
ステップＳＴ５では、仮定した渦間隔が予め設定された上限値に達しているかどうかをテンプレートマッチング処理部３が判定する。仮定した渦間隔が上限に達していなければ、処理はステップＳＴ６に進み、そうでなければ、ステップＳＴ７に進む。
ステップＳＴ６では、仮定する渦間隔を予め設定された刻み幅だけテンプレート設定部２が増加させた後に、処理はステップＳＴ３に戻る。その後、増加させた仮定渦間隔を用いてステップＳＴ３でテンプレートの設定を行い、再度ステップＳＴ４でテンプレートマッチング処理を行う。
ステップＳＴ７では、ステップＳＴ３、ステップＳＴ４、ステップＳＴ５、ステップＳＴ６が構成するループで得られた複数の仮定渦間隔に基づくテンプレートマッチング結果を渦間隔決定部５がドップラ速度分布と対比し、マッチング値が最大となる場合が正しい渦間隔を仮定したテンプレートマッチングであると判断し、その渦間隔を観測渦間隔とする。
ステップＳＴ８では、観測渦間隔に選択された渦間隔でのテンプレートマッチング処理の結果を、最終的に確定した乱気流検出結果として、テンプレートマッチング結果保存部４が選択し、この結果を信号処理部１０３から出力する。
【００５１】
以上のように、この実施の形態１によれば、仮定する渦間隔を変化させながらテンプレートマッチングを繰返し、最もマッチング値が大きい場合のテンプレートマッチング処理の結果を乱気流検出結果として選択するようにしているので、発生から時間が経過することにより渦間隔が広がった航空機後方の乱気流も正しく検出することができるという効果が得られる。
【００５２】
また、＋１、−１、０の３つの値のみを持つ簡易なテンプレートを利用するようにしているため、テンプレート設定に要する計算時間を短縮することができる。
【００５３】
典型的な乱気流のみを仮定して、乱気流を構成する二つの渦が水平方向に並んでいる場合に適合した図３に示したようなテンプレートを用いる場合は、仮定するテンプレートの数が少なくなり、少ない計算量で乱気流検出を行うことができる。
【００５４】
図２および図３のテンプレートでは、部分テンプレートの小領域の形状は矩形であるが、本発明をこの開示に限定する意図ではなく、例えば扇形、その他の適当な形状でもよい。またテンプレートの小領域は水平線と垂直線で区画されているが、本発明をこの開示に限定する意図ではない。場合によっては、小領域を区画する線が傾斜したテンプレートでもよい。
また、左右の各部分テンプレートは、係数Ｖ２（α，β）が＋１と−１の二つの小領域を有するが、本発明をこの開示に限定する意図ではない。各部分テンプレートにおいて、二つより多い小領域を設けてもよいし、そのうちの一つまたは複数に係数Ｖ２（α，β）として０を割り当ててもよい。
以上のようなバリエーションでは、適切な変更が式（２）に対してされる。
【００５５】
また、係数Ｖ２（α，β）は±１でなくてもよく、±ｎ（ｎは実数である）と０であればよい。式（２）から理解できるように、この場合は、類似度Ｍ（Ｘｔ  ，Ｙｔ  ）は、係数Ｖ２（α，β）＝±１の場合のそれのｎ倍になる。
【００５６】
実施の形態２．
以上の実施の形態１では、乱気流を構成する二つの渦間隔の仮定において、仮定する渦間隔の初期値を一定値にしていた。つまり、一定の下限値（初期値）から上限値まで、マッチング処理を繰り返した。
しかし、通常二つの渦間隔は時間の経過とともに単調増加することが多い。従って、乱気流の発生からある時間が経過しているのが明らかであれば、マッチング処理に利用する初期値は別な値でもよい。そこで、実施の形態２では、仮定する渦間隔の初期値を乱気流発生後の時間経過とともに変更するようにした。
この実施の形態２の乱気流検出装置の全体構成は、図１３に示した実施の形態１のものと概略的には同じである。ただし、実施の形態２の信号処理部１０３の内部構成は、実施の形態１のものと異なる。図５は実施の形態２の乱気流検出装置の信号処理部１０３の構成を示すブロック図である。この図において、６は渦間隔保存部である。その他の構成要素は、実施の形態１と共通であり、それらを詳細には説明しない。
この実施の形態２でも、図２に例示するような渦が水平方向にも垂直方向にも離れてゆくことを前提としたテンプレートを用いてもよいし、図３に例示するような渦が水平方向にのみ離れてゆくことを前提としたテンプレートを用いてもよい。
【００５７】
次に動作について説明する。前述の実施の形態１と同様に、この実施の形態２でも、ドップラ速度算出部１、テンプレートマッチング処理部３、テンプレートマッチング結果保存部４、渦間隔決定部５によって、複数の仮定した渦間隔に基づくテンプレート処理の結果と、ドップラ速度分布とを対比して、最終的な乱気流検出結果を確定する。最終的な乱気流検出結果は、表示・記録部１０４に供給される。
【００５８】
さらに、この実施の形態２においては、渦間隔決定部５は、観測渦間隔を決定すると、この観測渦間隔を渦間隔保存部６に供給する。渦間隔保存部６は、観測渦間隔を保存し、次の時刻に測定されるドップラ速度データに対する乱気流検出において、仮定する渦間隔の初期値を、保存した観測渦間隔に基づいて定める。
【００５９】
以上の乱気流検出装置の動作のフローチャートを図６に示す。前述の実施の形態１のフローチャート（図４）は、一回の走査分の速度分布のみに対する乱気流検出処理を示すが、この実施の形態２のフローチャートである図６は、時間的に連続する複数回の走査で得られるデータ（ドップラ速度の空間分布）に対する乱気流検出処理を示す。
【００６０】
図６のフローチャートのうち、ステップＳＴ１からステップＳＴ８までの処理の流れは、図４のフローチャートと同じものである。ただし、ステップＳＴ７で選択された観測渦間隔を渦間隔決定部５が渦間隔保存部６に保存する。
ステップＳＴ８で現時刻での乱気流検出結果を信号処理装置１０３から表示・記録部１０４に供給した後に、ステップＳＴ９において、乱気流が消滅したかどうかを判定する。例えば、ステップＳＴ１からステップＳＴ８までの処理で、全く乱気流が検出されないか、乱気流の強度が閾値より小さい場合は、乱気流が消滅したとみなせる。この場合は、処理を終了する。逆に乱気流が検出された場合または乱気流の強度が閾値以上である場合は、乱気流が消滅せずに残留していると判断できる。この場合、処理はステップＳＴ１０に進む。
【００６１】
ステップＳＴ１０では、ステップＳＴ７で選択した観測渦間隔（渦間隔保存部６に保存されている）に基づいて、テンプレート設定部２が、次の走査時刻の乱気流検出における渦間隔初期値を設定する。処理はこの後、ステップＳＴ２に戻って、次の走査時刻のデータ（ドップラ速度の空間分布）をテンプレート設定部２が読み出し、この走査時刻の乱気流検出処理に進む。
【００６２】
観測渦間隔に基づいて次の走査時刻の渦間隔初期値を設定する方法として、最も簡単なものは、前走査時刻の観測渦間隔を、そのまま次の走査時刻の渦間隔初期値とするものである。前述のように、渦間隔は通常時間の経過とともに単調に増加する。よって、単調増加の前提が正しい限りにおいて、前時刻の観測渦間隔を初期値として、仮定する渦間隔を増加させながら試行を繰り返すことにより、最適な渦間隔を探索するようにしても、実際の渦間隔が試行範囲から漏れることはない。
【００６３】
ただし、受信信号の信号対雑音比（ＳＮ比）が低い場合など、観測渦間隔に誤差が生じている可能性がある場合には、前走査時刻の観測渦間隔よりも少し小さい値を初期値として、観測渦間隔の探索を行ってもよい。
【００６４】
また、乱気流の発生から時間が経過すると、過去の複数の時刻における観測渦間隔が渦間隔保存部６に蓄積されてゆく。そこで、これらを利用してもよい、すなわち、図７のように、過去の複数の時刻における渦間隔の観測値Ｍに基づいて、渦間隔の時系列変化パターンＬを求め、この時系列変化パターンＬから次の走査時刻の渦間隔Ａを予測してもよい。上述の通り、次の走査時刻の渦間隔初期値Ｉは、予測された渦間隔Ａと同じでもよい。ただし、図７に示すように、渦間隔初期値Ｉは、予測された渦間隔Ａから所定のマージンｍを引いたものでもよい。
【００６５】
この初期値設定方法（図４のステップＳＴ１０の具体的動作）のフローチャートを図８に示す。まず、ステップＳＴ２１では、過去に観測された渦間隔Ｍに基づいて、観測渦間隔の時系列変化パターン（関数）Ｌを算術的に求める。ステップＳＴ２２では、変化パターンＬの関数中の変数に次の観測時刻を代入することにより、次の時刻の渦間隔の予測値Ａを求める。ステップＳＴ２３では、予測値Ａから予め設定したマージンｍを差し引いた値を渦間隔の初期値Ｉとする。
【００６６】
以上のように、この実施の形態２によれば、前の時刻に観測された渦間隔に基づいて、乱気流を構成する二つの渦の間隔を予測して、次の観測時刻の渦間隔の初期値を仮定することにより、実際の渦間隔を探索する範囲（初期値と上限値で定まる）を狭めることができる。従って、観測渦間隔の算出のためのテンプレートマッチング処理の試行の回数が少なくなり、少ない計算量で乱気流検出を行うことができる。
【００６７】
この実施の形態２において、前の時刻に観測された渦間隔をそのまま次の時刻の渦間隔探索の初期値とすれば、初期値設定に要する計算量が少なくなる。
【００６８】
過去の複数の時刻における渦間隔の観測値に基づいて、渦間隔の時系列変化パターンを算術的に求め、この時系列変化パターンから次の走査時刻の渦間隔を予測すれば、高い精度で初期値が算出されるため、テンプレートマッチング処理の回数がより少なくなり、少ない計算量で乱気流検出を行うことが可能となる。
【００６９】
実施の形態３．
前述の実施の形態２では、過去に観測された渦間隔に基づいて、次の観測時刻における渦間隔探索用の初期値を設定することにより、テンプレートマッチング処理の回数を減らし、乱気流検出の計算量を少なくしていた。この実施の形態３では、別の方法によって渦間隔の初期値を算出することにより、テンプレートマッチングの回数を減らし、乱気流検出の計算量を少なくする。
【００７０】
この実施の形態３の乱気流検出装置の全体構成は、図１３に示した実施の形態１または実施の形態２のものと概略的には同じである。ただし、実施の形態３の信号処理部１０３の内部構成は、実施の形態１または実施の形態２のものと異なる。図９は実施の形態３の乱気流検出装置の信号処理部１０３の構成を示すブロック図である。この図において、７は乱気流シミュレーション部である。その他の構成要素は、実施の形態１と共通であり、それらを詳細には説明しない。
この実施の形態３でも、図２に例示するような渦が水平方向にも垂直方向にも離れてゆくことを前提としたテンプレートを用いてもよいし、図３に例示するような渦が水平方向にのみ離れてゆくことを前提としたテンプレートを用いてもよい。
【００７１】
次に動作について説明する。前述の実施の形態１および実施の形態２と同様に、この実施の形態３でも、ドップラ速度算出部１、テンプレートマッチング処理部３、テンプレートマッチング結果保存部４、渦間隔決定部５によって、複数の仮定した渦間隔に基づくテンプレート処理の結果と、ドップラ速度分布とを対比して、最終的な乱気流検出結果を確定する。最終的な乱気流検出結果は、表示・記録部１０４に供給される。
【００７２】
さらに、この実施の形態３においては、乱気流シミュレーション部７によって、乱気流の時間変化を予測し、その結果から渦間隔の初期値を設定する。
【００７３】
乱気流シミュレーション部７では、観測時の気象状況を表す気象モデルと、航空機の諸元を表す航空機モデルとから、乱気流を構成する渦の強度と位置の時間変化を予測する。予測方法としては、例えば、Ａ．  Ｃｏｒｊｏｎ  ａｎｄ  Ｔ．  Ｐｏｉｎｓｏｔ，  Ａ  ｍｏｄｅｌ  ｔｏ  ｄｅｆｉｎｅ  ａｉｒｃｒａｆｔ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ  ｄｕｅ  ｔｏ  ｗａｋｅ  ｖｏｒｔｅｘ  ｅｎｃｏｕｎｔｅｒ，  ＡＩＡＡ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  ｖｏｌ．  １３，  ｎｏ．  １，  ｐｐ．  １１７−１２４，  １９９５．  で述べられているような微分方程式を解く方法がある。この微分方程式は少ない計算量で、乱気流を構成する渦の強度と位置の時間変化を表現することのできるものとして知られている。２つ渦の位置の時間変化が求まれば、二つの渦の間隔の時間変化も求めることができる。
上記の乱気流の渦との強度と位置の時間変化を求めるための式を以下に掲げる。
【００７４】
【数３】
0003628621.tif 000004
【００７５】
【数４】
0003628621.tif 000005
【００７６】
【数５】
0003628621.tif 000006
【００７７】
【数６】
0003628621.tif 000007
【００７８】
【数７】
0003628621.tif 000008
【００７９】
【数８】
0003628621.tif 000009
【００８０】
【数９】
0003628621.tif 000010
【００８１】
【数１０】
0003628621.tif 000011
【００８２】
【数１１】
0003628621.tif 000012
【００８３】
【数１２】
0003628621.tif 000013
式（１０）から式（１２）でｉ＝１，２である。
【００８４】
【数１３】
0003628621.tif 000014
【００８５】
【数１４】
0003628621.tif 000015
【００８６】
式（３）は、一次乱気流の減衰を表す循環Γｉ  ，ｉ＝１，２の時間変化（時間微分）ｄΓｉ  ／ｄｔを表す。かっこ内の第１項は粘性による減衰項、第２項は浮力による減衰項、第３項は背景の乱流による減衰項である。
粘性による減衰項（式（３）の第１項）は、式（４）で算出される。式（４）でφｉ  はΓｉ  に加わる力の方向、すなわち鉛直下向方向と渦の進行方向のなす各である。またρは空気の密度、ｂ０  は一次乱気流の二つの渦の初期間隔であり、航空機の翼幅に等しい。Ｆ｜ｖｉｓｃｏｕｓ  は粘性力であり、式（５）で算出される。
式（５）でｖは一次乱気流の降下速度、ＣＤ  は粘性力の大きさを表す係数、Ｌは一次乱気流の存在する領域の幅であり、２．０９ｂ０  の値が用いられる。
【００８７】
浮力による減衰項（式（３）の第２項）は、式（６）で算出される。Ｆ｜ｂｕｏｙａｎｃｙは浮力であり、式（７）で算出される。
式（７）で、Ｎはブラント−バイサラ周波数である。Δｚは乱気流の初期位置と比較した垂直方向の位置、すなわち降下距離である。Ａは渦の存在する領域の面積である。この値は式（８）で表される一定値と仮定してよい。
【００８８】
乱気流による減衰項（式（３）の第３項）は、式（９）で算出される。式（９）でｂ０  は二つの渦の間隔、ｑは乱流の速度自乗平均の平方根である。
【００８９】
式（１０）から式（１２）は、一次乱気流に含まれる二つの渦の運動を表す。ここで、一次乱気流に含まれる二つの渦Γ１  およびΓ２  の位置をそれぞれ（ｙ１  ，ｚ１  ）、（ｙ２  ，ｚ２  ）、二次乱気流に含まれる二つの渦Γ’１およびΓ’２の位置をそれぞれ（ｙ’１，，ｚ’１）、（ｙ’２，  ｚ’２）、影像乱気流に含まれる二つの渦Γ３  およびΓ４  の位置をそれぞれ（ｙ３  ，ｚ３  ）、（ｙ４  ，ｚ４  ）と仮定している。
【００９０】
式（１０）および式（１１）の第１項の和は、ｊ＝１，．．．４、かつｊ≠ｉについて行う。ｒｉｊは二つの渦Γｉ  とΓｊ  の間の距離であり、式（１３）で表される。また、ｒ’ｉは二つの渦Γｉ  とΓ’ｉの間の距離であり、式（１４）で表される。式（１４）のθｉ  は一次乱気流の渦Γｉ  の中心と二次乱気流の渦Γ’ｉの中心を結ぶ線分と、Γｉから地表面に下ろした垂線とがなす角度である。その符号については、図１０に示す状況において、θ１  ＜０、θ２  ＞０となるように定義される。式（３）および式（１０）から式（１２）で表される微分方程式を逐次的に解くことにより、乱気流の強さと位置の時間的変化を求めることができる。一次乱気流の初期位置は航空機が通過した際の主翼の両端の点とする。
【００９１】
密度ρ、一次乱気流の二つの渦の初期間隔（航空機の翼幅）ｂ０  が判明していれば、以上の微分方程式を解くことが可能である。従って、観測時の気象状況を表す気象モデルと、航空機の諸元を表す航空機モデルとから、乱気流を構成する渦の強度と位置の時間変化を予測することができる。
【００９２】
次に動作について説明する。
テンプレート設定部２では、乱気流シミュレータ部で算出された渦間隔の予測値から、仮定する渦間隔の初期値を設定する。乱気流の発生領域の周囲の気象条件を正確に知ることができる場合には、乱気流シミュレータ部７による予測の精度も高いと考えられる。この場合は、予測される渦間隔をそのまま仮定する渦間隔として、テンプレートを設定すれば良い。しかし実際には、全ての気象条件を正確に知ることは困難であるため、渦間隔の予測結果には誤差が生じる。そこで、予測される渦間隔の近傍範囲で、渦間隔を変化させたテンプレートマッチング処理を試行し、マッチング値が最も高い場合の渦間隔が正しい渦間隔、すなわち観測渦間隔であると確定する。そして、確定された観測渦間隔に基づくテンプレートマッチング結果を最終的な乱気流検出結果として供給する。
【００９３】
この実施の形態３では、図１１に示すフローチャートに従って観測が行われる。まず、乱気流シミュレーション部７にはステップＳＴ１１で気象モデル情報が入力され、ステップＳＴ１２で航空機モデル情報が入力される。気象モデル情報は現在の周囲の気象条件に関連するパラメータであり、航空機モデル情報は観測対象となる乱気流を引き起こした航空機のタイプに関連するパラメータである。これらのパラメータに基づいて、ステップＳＴ１３で、乱気流シミュレーション部７は乱気流シミュレーションを実行し、渦間隔を予測する。
【００９４】
テンプレート設定部２は、このようにして予測された渦間隔の値よりもわずかに小さい値をステップＳＴ１で渦初期間隔として設定する。以後の処理は、図４で示した実施の形態１の動作と同じである。
【００９５】
以上のように、この実施の形態３によれば、周囲の気象条件を知ることができる場合に、精度の高い渦間隔初期値を得ることができるため、渦間隔探索のためのテンプレートマッチング処理の回数が少なくて済むため、乱気流検出に要する計算量が少なくなる。
【００９６】
実施の形態４．
この実施の形態４では、複数の渦間隔を仮定したテンプレートマッチング処理の試行を並列に行うことにより、乱気流検出に要する計算時間を短縮する。
【００９７】
この実施の形態４の乱気流検出装置の全体構成は、図１３に示した実施の形態１から実施の形態３のものと概略的には同じである。ただし、実施の形態４の信号処理部１０３の内部構成は、実施の形態１から実施の形態３のものと異なる。図１２は実施の形態４の乱気流検出装置の信号処理部１０３の構成を示すブロック図である。この図において、３１から３Ｎは第１から第Ｎのテンプレートマッチング部（演算部、乱気流検出部）を示す。すなわち、実施の形態４においては、信号処理部１０３にＮ個（Ｎは自然数）のテンプレートマッチング処理部が設けられている。その他の構成要素は、実施の形態１と共通であり、それらを詳細には説明しない。
この実施の形態４でも、図２に例示するような渦が水平方向にも垂直方向にも離れてゆくことを前提としたテンプレートを用いてもよいし、図３に例示するような渦が水平方向にのみ離れてゆくことを前提としたテンプレートを用いてもよい。また、実施の形態２または３で用いられる渦間隔初期値の決定手法をこの実施の形態４に応用してもよい。
【００９８】
テンプレート設定部２では、それぞれ異なる渦間隔を仮定したＮ個のテンプレートを設定する。これらＮ個のテンプレートは、それぞれ第１のテンプレートマッチング処理部３１から第Ｎのテンプレートマッチング部３Ｎに入力される。第１のテンプレートマッチング部３１から第Ｎのテンプレートマッチング部３Ｎは、異なる渦間隔を仮定したテンプレートマッチング処理を並列に実行する。Ｎ個のテンプレートマッチング処理の結果は、テンプレートマッチング結果保存部４に供給されて、テンプレートマッチング結果保存部４で保存される。
さらに、テンプレートマッチング結果保存部４に供給されたテンプレートマッチング結果は、渦間隔決定部５にも供給され、渦間隔決定部５が最もマッチング値が高くなる場合を観測渦間隔に決定する。テンプレートマッチング結果保存部４では、渦間隔決定部５で決定された観測渦間隔に基づくテンプレートマッチング処理結果を、最終的に確定した乱気流検出結果として、信号処理部１０３から出力する。
【００９９】
この実施の形態４によれば、複数のテンプレートマッチング部を用いて、異なる渦間隔を仮定したテンプレートマッチング処理を同時に平行して行うため、乱気流検出に必要な計算時間を短縮することができる。
テンプレートマッチング処理部の数Ｎは、この信号処理部１０３全体でテンプレートマッチング処理を試行すべき回数と同じにしてもよい。換言すると、個々のテンプレートマッチング処理部で行う試行の回数は１回でよい。
ただし、個々のテンプレートマッチング処理部で行う試行の回数をＴ回（Ｔは自然数）としてもよい。この場合、全体の試行の回数は、Ｔ×Ｎになる。
【０１００】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、乱気流を構成する二つの渦の間隔の仮定値を変更しながら、個々の仮定値に適合した個々の速度分布テンプレートを設定するテンプレート設定部と、上記ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度空間分布と、上記テンプレート設定部で設定された個々の速度分布テンプレートとの類似度を算出する演算部と、上記演算部で算出された個々の上記類似度に基づいて、上記渦の間隔を決定する渦間隔決定部と、上記渦間隔決定部で決定された渦の間隔に基づいて、乱気流の強度に関連した指標を求める乱気流検出部とを備えるように構成したので、観測する後方乱気流を構成する二つの渦の間隔に適応したテンプレートを用いて乱気流検出を行うことができるため、発生から時間の経過し、渦間隔が広がった航空機後方の乱気流も正しく検出することができるという効果がある。
【０１０１】
この発明によれば、乱気流を構成する二つの渦の間隔の仮定値を変更しながら、個々の仮定値に適合した個々の速度分布テンプレートを設定するテンプレート設定部と、上記テンプレート設定部で設定された個々の速度分布テンプレートがそれぞれ供給され、上記ドップラ速度算出部で算出されたドップラ速度空間分布と、供給された速度分布テンプレートとの類似度を算出する複数の演算部と、上記複数の演算部で算出された個々の上記類似度に基づいて、上記渦の間隔を決定する渦間隔決定部と、上記渦間隔決定部で決定された渦の間隔に基づいて、乱気流の強度に関連した指標を求める乱気流検出部とを備えるように構成したので、複数の演算部を用いて、異なる渦間隔を仮定したテンプレートマッチング処理を同時に行うことができるため、発生から時間の経過し、渦間隔が広がった航空機後方の乱気流も正しく検出することができるだけでなく、乱気流検出に必要な計算時間を短縮することができる。
【０１０２】
この発明によれば、上記テンプレート設定部は、二つの渦が同じ高度に水平方向に並んで存在するという典型的な乱気流の渦の態様の仮定の下に、テンプレートを設定するように構成したので、設定するテンプレートの数が少なくなり、少ない計算量で乱気流検出を行うことができるという効果がある。
【０１０３】
この発明によれば、上記テンプレート設定部が、実際の乱気流を構成する渦流の方向に関連した、＋ｎ、−ｎ、０の３つの値（ｎは自然数である）を持つテンプレートを設定するように構成したので、テンプレートが簡易になり、テンプレート設定に要する計算時間を短縮することができるという効果がある。
【０１０４】
この発明によれば、テンプレート設定部が渦間隔保存部に保存された過去の観測渦間隔に基づいて、次の時刻の乱気流検出の試行における渦の間隔を仮定するように構成したので、正しい渦間隔を探索する試行回数を減らすことができ、少ない計算量で乱気流検出を行うことができるという効果がある。
【０１０５】
この発明によれば、気象状況を表す気象モデル情報と、航空機の諸元を表す航空機モデル情報に基づいて、乱気流を構成する二つの渦の間隔の時間的変化を予測する乱気流シミュレーション部を備え、テンプレート設定部は上記乱気流シミュレーション部が予測した現在の渦の間隔に基づいて、次の時刻の乱気流検出の試行における渦の間隔を仮定するように構成したので、周囲の気象条件を知ることができる場合に、渦間隔に関する精度の高い試行初期値を得ることができるため、渦間隔探索のためのテンプレートマッチング処理の試行回数が少なくて済み、乱気流検出に要する計算量が少なくなるという効果がある。
【０１０６】
この発明によれば、（ａ）空間に電磁波を放射するステップと、（ｂ）大気で反射された電磁波を受信するステップと、（ｃ）一回の走査における上記受信した電磁波に関連する受信信号に基づいて、観測領域内のドップラ速度空間分布を算出するステップと、（ｄ）乱気流を構成する二つの渦の間隔の仮定値を設定するステップと、（ｅ）乱気流の速度分布を模式化した速度テンプレートであるところの上記仮定値に適合した速度分布テンプレートを設定するステップと、（ｆ）上記ドップラ速度空間分布と上記速度分布テンプレートとの類似度を算出するステップと、（ｇ）上記渦の間隔の仮定値を変更して、ステップ（ｅ）および（ｆ）を繰り返すステップと、（ｈ）個々の上記類似度に基づいて、上記渦の間隔を決定するステップと、（ｉ）上記決定された渦の間隔に基づいて、乱気流の強度に関連した指標を求めるステップとを備えた乱気流検出方法のように構成したので、仮定する渦間隔を変化させながらテンプレートマッチングを繰返し、最もマッチング値が大きい場合のテンプレートマッチング処理の結果を乱気流検出結果に採用することができるため、発生から時間の経過し、渦間隔が広がった航空機後方の乱気流も正しく検出することができるという効果がある。
【０１０７】
この発明によれば、ステップ（ｄ）では、以前の乱気流検出で決定された渦間隔に基づいて、二つの渦の間隔の仮定値を設定するので、正しい渦間隔を探索する試行回数を減らすことができ、少ない計算量で乱気流検出を行うことができるという効果がある。
【０１０８】
この発明によれば、ステップ（ｄ）では、以前の乱気流検出で決定された渦間隔をそのまま二つの渦の間隔の仮定値とするので、渦間隔の設定に要する計算量が少なくなるという効果がある。
【０１０９】
この発明によれば、ステップ（ｄ）は、以前の乱気流検出で決定された複数の渦間隔に基づいて渦間隔の変化パターンを求めるステップと、上記変化パターンと走査時刻に基づいて渦間隔を予測するステップと、上記予測された渦間隔からある値を差し引いて仮定値を求めるステップとを有するので、高い精度で仮定値を求めることができ、正しい渦間隔を探索する試行回数を減らすことができ、少ない計算量で乱気流検出を行うことができるという効果がある。
【０１１０】
この発明によれば、ステップ（ｄ）は、周囲の気象条件に関連する気象モデル情報と、航空機のタイプに関連する航空機モデル情報に基づいて、乱気流シミュレーションを実行することにより渦間隔の変化パターンを予測するステップと、上記変化パターンと走査時刻に基づいて渦間隔を予測するステップと、上記予測された渦間隔に基づいて仮定値を求めるステップとを有するので、周囲の気象条件を知ることができる場合に、渦間隔に関する精度の高い試行初期値を得ることができるため、渦間隔探索のためのテンプレートマッチング処理の試行回数が少なくて済み、乱気流検出に要する計算量が少なくなるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による乱気流検出装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１による乱気流検出装置で用いられるテンプレートの例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１による乱気流検出装置で用いられるテンプレートの別の例を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１による乱気流検出方法を示すフローチャートである。
【図５】この発明の実施の形態２による乱気流検出装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態２による乱気流検出方法を示すフローチャートである。
【図７】この発明の実施の形態２によるおいて、仮定する渦間隔の初期値を定める原理の説明に参照されるグラフである。
【図８】この発明の実施の形態２において、仮定する渦間隔の初期値を定める方法のフローチャートである。
【図９】この発明の実施の形態３による乱気流検出装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態３による乱気流検出方法の原理の説明に参照される乱気流の様相を示す模式図である。
【図１１】この発明の実施の形態３による乱気流検出方法を示すフローチャートである。
【図１２】この発明の実施の形態４による乱気流検出装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図１３】従来およびこの発明の実施の形態の乱気流検出装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１４】乱気流検出装置で航空機後方の乱気流を検出する原理を示す図である。
【図１５】従来の乱気流検出装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図１６】従来の乱気流検出装置で用いられるテンプレートを示す図である。
【図１７】航空機後方の乱気流の典型的な移動軌跡を示す図である。
【符号の説明】
１  ドップラ速度算出部、２  テンプレート設定部、３  テンプレートマッチング処理部（演算部、乱気流検出部）、３１−３Ｎ  テンプレートマッチング処理部（演算部、乱気流検出部）、４  テンプレートマッチング結果保存部、５  渦間隔決定部、６  渦間隔保存部、７  乱気流シミュレーション部、１００  乱気流検出装置、１０１  電磁波放射部（電磁波入射部）、１０２  送受信部（受信部）、１０３  信号処理部、１０４  表示・記録部。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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