(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中に電磁波、音波、もしくは光波のビームを送信する送信部と、
上記送信部が送信し、大気中の微粒子等により散乱された電磁波、音波、もしくは光波を受信する受信部と、
上記受信部が受信した受信信号から、上記ビーム上の２箇所以上の観測点において風速のビーム方向成分を測定して水平方向の風速を求める風速測定部、あるいは上記ビーム上の２箇所以上の観測点において密度を測定する密度測定部のいずれか一方と、
上記風速測定部あるいは上記密度測定部のいずれか一方の出力に基づいて、上記ビーム上の２箇所以上の観測点の隣り合う２つの観測点における上記水平方向の風速から、水平方向の風速差を検出し、該水平方向の風速差の大小から乱流層を検出し、あるいは、上記ビーム上の２箇所以上の観測点の隣り合う２つの観測点における密度を測定し、該隣り合う２つの観測点間の高度における密度の変化率を測定し、該密度の変化率の大小から乱流層を検出する乱流層検出部と
を備えたことを特徴とする乱流層検出装置。
【請求項２】
上記２箇所以上の観測点の隣り合う２つの観測点の高度差は、検出する乱流層の厚さよりも大きい
ことを特徴とする請求項１記載の乱流層検出装置。
【請求項３】
上記送信部は、上記ビームの方向を、大気中において逐次スキャンさせ、上記受信部は、スキャンされた該ビームが大気中の微粒子等により散乱されたものを受信する
ことを特徴とする請求項１記載の乱流層検出装置。
【請求項４】
上記風速測定部は、上記ビームの方向をスキャンする過程における各時点において、上記ビーム上の２箇所以上の観測点において風速のビーム方向成分を測定して水平方向の風速を求め、
上記密度測定部は、上記ビームの方向をスキャンする過程における各時点において、上記ビーム上の２箇所以上の観測点において密度を測定し、
上記乱流層検出部は、上記ビームの方向をスキャンする過程の各時点におけるビーム上の観測点における水平方向の風速から、大気層の各部分において、大気層の上下層の水平方向の風速差を検出し、該水平方向の風速差の大小から、大気層の各部分における乱流層の有無を検出し、
あるいは、上記ビームをスキャンする過程におけるビームの方向の各時点におけるビーム上の観測点における密度を測定し、大気層の各部分において、密度の変化率を測定し、該密度の変化率の大小から、大気層の各部分における乱流層の有無を検出する
ことを特徴とする請求項３記載の乱流層検出装置。
【請求項５】
上記２箇所以上の観測点の隣り合う２つの観測点の高度差は、検出する乱流層の厚さよりも大きい
ことを特徴とする請求項４記載の乱流層検出装置。
【請求項６】
上記送信部は、電磁波、音波、もしくは光波の２本以上のビームを送信する機能を有し、
上記受信部は、２本以上の上記ビームのそれぞれについて、大気中の微粒子等により散乱されることにより生じる電磁波、音波、もしくは光波を受信する
ことを特徴とする請求項１に記載の乱流層検出装置。
【請求項７】
上記風速測定部は、上記２本以上の各ビーム上の観測点において、風速のビーム方向成分を測定して水平方向の風速を求め、
上記密度測定部は、上記２本以上の各ビーム上の観測点において、密度を測定し、
上記乱流層検出部は、上記２本以上の各ビーム上の観測点における水平方向の風速から、大気層の各部分において、大気層の上下層の水平方向の風速差を検出し、該水平方向の風速差の大小から、大気層の各部分における乱流層の有無を検出し、
あるいは、上記２本以上の各ビーム上の観測点における密度を測定し、大気層の各部分において、密度の変化率を測定し、該密度の変化率の大小から、大気層の各部分における乱流層の有無を検出する
ことを特徴とする請求項６記載の乱流層検出装置。
【請求項８】
上記２本以上のビーム上の各々の観測点のうちの少なくとも２つの観測点の位置は、地表に対して垂直方向に沿った２箇所である
ことを特徴とする請求項６または請求項７記載の乱流層検出装置。
【請求項９】
上記地表に対して垂直方向に沿った２箇所の距離は、検出する乱流層の厚さよりも大きい
ことを特徴とする請求項８記載の乱流層検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、大気中の観測点における風速および密度から乱流層の有無を検出するもので、特に、大気中の２点以上の観測点における風速および密度から、乱流層の検出を行う乱流層検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の乱流層検出装置としては、米国特許５１１７６８９号公報に示されているように、パッシブなセンサにより大気中の分子が放射する熱を受信して温度および温位の高度分布を測定し、大気中の風速分布をさらに測定し、上記温度および温位の高度分布と風速分布の測定結果から、大気層の乱れの程度の指数であるリチャードソン数を計算して乱流層の検出を行うものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の方法による装置では、風速の測定と、温度および温位の測定とを、同じ受信信号から行うことが極めて困難であったため、少なくとも２種類の送受信部が必要であった。したがって、装置が高価になるという問題があった。
【０００４】
また、大気中におけるリチャードソン数の分布を大気層中の多点にわたり求める必要があるので、乱流層の検出に要する時間が膨大になるという問題もあった。
【０００５】
この発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、電磁波、音波、もしくは光波のビームを大気中に送信し、大気中の複数の観測点において微粒子等により散乱された電磁波、音波、もしくは光波を受信し、この受信信号から、大気中の複数の観測点における風速および密度の両方を測定し、風速および密度の測定結果から、複数の観測点で挟まれる大気層における乱流層の有無を検出することによって、装置を安価とすることができ、また、検出に要する時間を短縮することができる乱流層検出装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る乱流層検出装置は、大気中に電磁波、音波、もしくは光波のビームを送信する送信部と、送信部が送信し、大気中の微粒子等により散乱された電磁波、音波、もしくは光波を受信する受信部と、受信部が受信した受信信号から、ビーム上の２箇所以上の観測点において風速のビーム方向成分を測定して水平方向の風速を求める風速測定部、あるいはビーム上の２箇所以上の観測点において密度を測定する密度測定部のいずれか一方と、風速測定部あるいは密度測定部のいずれか一方の出力に基づいて、ビーム上の２箇所以上の観測点の隣り合う２つの観測点における上記水平方向の風速から、水平方向の風速差を検出し、該水平方向の風速差の大小から乱流層を検出し、あるいは、上記ビーム上の２箇所以上の観測点の隣り合う２つの観測点における密度を測定し、該隣り合う２つの観測点間の高度における密度の変化率を測定し、該密度の変化率の大小から乱流層を検出する乱流層検出部とを備えている。
【０００８】
また、２箇所以上の観測点の隣り合う２つの観測点の高度差は、検出する乱流層の厚さよりも大きい。
【００１７】
また、送信部は、ビームの方向を、大気中において逐次スキャンさせ、受信部は、スキャンされたビームが大気中の微粒子等により散乱されたものを受信する。
【００１８】
また、風速測定部は、ビームの方向をスキャンする過程における各時点において、ビーム上の２箇所以上の観測点において風速のビーム方向成分を測定し水平方向の風速を求め、密度測定部は、ビームの方向をスキャンする過程における各時点において、ビーム上の２箇所以上の観測点において密度を測定し、乱流層検出部は、ビームの方向をスキャンする過程の各時点におけるビーム上の観測点における水平方向の風速から、大気層の各部分において、大気層の上下層の水平方向の風速差を検出し、該水平方向の風速差の大小から、大気層の各部分における乱流層の有無を検出し、あるいは、ビームをスキャンする過程におけるビームの方向の各時点におけるビーム上の観測点における密度を測定し、大気層の各部分において、密度の変化率を測定し、該密度の変化率の大小から、大気層の各部分における乱流層の有無を検出する。
【００２０】
また、２箇所以上の観測点の隣り合う２つの観測点の高度差は、検出する乱流層の厚さよりも大きい。
【００２９】
また、送信部は、電磁波、音波、もしくは光波の２本以上のビームを送信する機能を有し、受信部は、２本以上のビームのそれぞれについて、大気中の微粒子等により散乱されることにより生じる電磁波、音波、もしくは光波を受信する。
【００３０】
また、風速測定部は、２本以上の各ビーム上の観測点において、風速のビーム方向成分を測定して水平方向の風速を求め、密度測定部は、２本以上の各ビーム上の観測点において、密度を測定し、乱流層検出部は、２本以上の各ビーム上の観測点における水平方向の風速から、大気層の各部分において、大気層の上下層の水平方向の風速差を検出し、該水平方向の風速差の大小から、大気層の各部分における乱流層の有無を検出し、あるいは、２本以上の各ビーム上の観測点における密度を測定し、大気層の各部分において、密度の変化率を測定し、該密度の変化率の大小から、大気層の各部分における乱流層の有無を検出する。
【００３２】
また、２本以上のビーム上の各々の観測点のうちの少なくとも２つの観測点の位置は、地表に対して垂直方向に沿った２箇所である。
【００３３】
また、地表に対して垂直方向に沿った２箇所の距離は、検出する乱流層の厚さよりも大きい。
【００４３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係わる乱流層検出装置について図１から図４を参照しながら説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係わる乱流層検出装置を説明する説明図である。図１において、１は、乱流層の有無が検出される大気層、２は、航空機、３は、航空機２に搭載された乱流層検出装置、４は、観測点、５は、乱流層検出装置３の送信する電磁波、音波、もしくは光波のビームである。
【００４４】
なお、図１において、大気層１は、地表と水平に存在している。また、観測点４は、ビーム５上の２箇所に存在している。また、大気層１を挟む上下の層は、地表と水平に存在しており、かつ乱流層を挟む上下の層のそれぞれの層において、風速、密度等はほぼ一定であるとする。
【００４５】
図２は図１の乱流層検出装置３の構成を示すブロック図である。図２において、３１は、大気中に電磁波、音波、もしくは光波のビーム５を送信する送信部である。３２は、送信部３１が送信し、大気中の微粒子等により散乱された電磁波、音波、もしくは光波を受信する受信部である。３３は、受信部３２が受信した受信信号から、ビーム５上の２箇所以上の観測点において風速のビーム方向成分を測定する風速測定部である。３４は、受信部３２が受信した受信信号から、ビーム５上の２箇所以上の観測点において密度を測定する密度測定部である。３５は、風速測定部３３あるいは密度測定部３４のいずれか一方の出力に基づいて、乱流層の有無の検出をする乱流層検出部である。
【００４６】
本発明において検出対象である乱流層は、大気層１に乱れが生じることにより、大気層１の全ての部分、もしくは一部分が、遷移して発生するものである。次に、乱流層の発生について図３を用いて述べる。
【００４７】
図３は乱流層発生の遷移を説明する図である。図３において、６は風向きである。乱流層は、ある大気層１を挟む上下の大気層における水平方向の風速に風速差がある場合において、図３の（ａ）〜（ｄ）に示す過程を経て発生する。図３において、Ｖ1はある大気層１の上側に接している層の水平方向の風速であり、Ｖ2は上記大気層１の下側に接している層の水平方向の風速であり、Ｄは大気層の厚さである。また、大気層１の上側に接している層における密度はρ1であり、上記大気層１の下側に接している層における密度はρ2である。
【００４８】
大気層１における気流の乱れの程度は、密度の変化率を（ρ1−ρ2）／｛（ρ1＋ρ2）／２｝とし、大気層１の厚さＤと、大気層１の上下層の水平方向の風速差Ｖc（＝Ｖ1−Ｖ2）と、重力ｇとから、
【００４９】
【数１】
0003647696.tif 000002
【００５０】
で表されるリチャードソン数Ｒiの大きさにより表すことができる。リチャードソン数が大きいときには、気流の乱れは小さく。この値が小さいときには気流の乱れは大きい。式１からわかるように、大気層１の上下層の水平方向の風速差が大きく、密度の変化率が小さいほど、リチャードソン数Ｒiは小さい、つまり、気流の乱れの程度は大きい。
【００５１】
なお、特に航空機の運行において問題となる渦状の乱気流の存在する乱流層が存在するための条件は、文献［１］（E. K. Parks他著，”Identification of vortex induced clear air turbulence using airline flight records.”，Papers. American Institute of Aeronautics and Astronautics，pp.1-8，1984．）によると、リチャードソン数Ｒi＜０．２５である。
【００５２】
なお、本発明における「乱流層」という文言は、少なくとも、その層の上下に接している層における上記水平方向の風速差が、ある閾値よりも大きい大気層という意味と、その層に上下に接している層における密度から求めた上記密度の変化率が、ある閾値よりも小さい大気層という意味と、その層の上下に接している層における上記水平方向の風速差および上記密度の変化率と、その層の厚さとから求めたリチャードソン数Ｒiが、ある閾値よりも小さい大気層という意味と
の内のいずれか一つ、もしくは二つ以上の意味を持つ。
【００５３】
乱流層の発生状態について以上に述べた。次に、乱流層検出装置について述べる。図１に示されるように、乱流層検出装置３は航空機２に搭載されている。そして、乱流層検出装置３は、図２に示すように、電磁波、音波、もしくは光波のビーム５を、大気中に送信する送信部３１と、ビーム５が大気中の微粒子等により散乱されることにより生じる電磁波、音波、もしくは光波を受信する受信部３２を備えている。送信部３１と受信部３２は、同じものにして送信と受信を兼用してもよいし、別々のものにしてもよい。
【００５４】
なお、本発明において用いる送信信号は、図４の（ａ）および（ｄ）に示すように、ある一定の繰り返し周期で繰り返して発生される。この信号としては、図４の（ａ）に示すように、ある一定のキャリア周波数を有する信号でも良いし、また、図４の（ｂ）に示すように継続時間が有限な振動波形でも良いし、また、図４の（ｃ）に示すように、１個または複数個のＤＣサブパルス波形からなる信号でも良いし。また、図４の（ｄ）に示すように、擬似ランダム変調された波形からなる信号でも良い。
【００５５】
そして、風速測定部３３は、受信部３２により受信した受信信号から、風速のビーム方向成分を、ビーム５上の２箇所の観測点４において測定する。また、密度測定部３４は、密度をビーム５上の２箇所の観測点４において測定する。
【００５６】
尚、乱流層検出装置３は、機能上、風速測定部３３と密度測定部３４とを必ずしも両方備える必要はなく、少なくともどちらか一方を備えていれば、乱流層の検出をすることができる。
【００５７】
風速測定部３３による風速の上記ビーム方向成分の測定は、上記受信信号のドップラーシフトを検出することから行うことができる。また、密度測定部３４による密度の測定は、上記受信信号の強度を測定することから行うことができる。
【００５８】
これにより、乱流層中の風速を直接測定するのではなく、乱流層を挟む上下の層における風速および密度の測定を可能にする。乱流層を挟む上下層における風速および密度は、乱流層中の風速および密度と比較して安定している。したがって、風速および密度を測定する上での誤差を小さくできる。これにより、乱流層の検出に関する精度を上げることができる。
【００５９】
風速測定部３３は、さらにビーム５上の２つの観測点４における水平方向の風速Ｖhを、θをビーム５の方向と大気層１の方向のなす角、ビーム方向の風速をＶｂとして、
【００６０】
【数２】
0003647696.tif 000003
【００６１】
により求める。これにより、大気層１を挟む上下層における風速の水平方向成分Ｖhを測定することが可能になる。この水平方向の風速を用いることにより、例えば上述したリチャードソン数による乱流層の有無の検出が可能になる。
【００６２】
２箇所の観測点４の高度差は、検出する必要のある乱流層の厚さよりも大きくなるようにする。つまり、観測点４の間の距離Ｌは、検出する必要のある乱流層の厚さをＤ’とした場合に、ビーム５の方向と大気層１の方向のなす角θから、
【００６３】
【数３】
0003647696.tif 000004
【００６４】
となるように決める。
このように観測点４間の距離を決めることにより、隣り合う２つの観測点４の両方が、検出する必要のある厚さの乱流層中に存在することを防ぐことができる。これにより、隣り合う２つの観測点を、検出する必要のある厚さの乱流層を挟む上下の層中に配置できる確率を高めることができる。
【００６５】
そして、乱流層検出部３５は、ビーム５上の２箇所の観測点４における水平方向の風速Ｖhから、水平方向の風速差Ｖcを検出し、水平方向の風速差Ｖcの大小から乱流層を検出する。また、乱流層検出部３５は、ビーム５上の２箇所の観測点４における密度を測定し、２つの観測点４の内の高度の高い方の観測点において測定した密度をρ’1とし、２つの観測点４の内の高度の低い方の観測点において測定した密度をρ’2とし、２つの観測点４の高度差をＤ”（＝Lsinθ）として、
【００６６】
【数４】
0003647696.tif 000005
【００６７】
により、２つの観測点間の高度における、密度の変化率ρcを測定し、測定した密度の変化率ρcの大小から乱流層を検出する。
【００６８】
上述したリチャードソン数と乱流層の有無の関係からも分かるように、水平方向の風速差Ｖcおよび密度の変化率ρcは、乱流層を検出する上での指標となる。したがって、水平方向の風速差Ｖcおよび密度の変化率ρcを測定することにより、乱流層の有無を高精度で検出することができる。
【００６９】
なお、水平方向の風速差Ｖcの大小から乱流層の検出を行うには、水平方向の風速差Ｖcに関する閾値を決めておき、水平方向の風速差Ｖcの測定値が上記閾値を超えるときに乱流層が存在するという判定を行う方式を用いれば良い。これにより、水平方向の風速差が上記閾値以上である乱流層を確実に検出することができる。
【００７０】
また、上述したリチャードソン数Ｒiに関する閾値を決めておき、例えば文献［２］（理科年表（平成９年度版），p.383，国立天文台編，丸善）に示されているような、一般的に知られている大気の密度分布から、密度の変化率ρcを推定し、この値と、測定した風速差Ｖcとを用い、式（１）において大気層の厚さＤを２つの観測点４の高度差Ｄ”に置き換えて、２つの観測点４間の高度におけるリチャードソン数Ｒiを計算してリチャードソン数に関する上記閾値と比較することから、乱流層が存在するという判定を行う方式を用いても良い。これにより、水平方向の風速差Ｖcおよび密度の変化率ρcの両方の値をもとに、乱流層の有無の検出を行うので、乱流層の検出の確度をさらに上げることができる。
【００７１】
また、密度の変化率ρcの大小から乱流層の検出を行うには、密度の変化率ρcに関する閾値を決めておき、密度の変化率ρcの測定値が上記閾値より小さくなるときに乱流層が存在するという判定を行う方式を用いれば良い。これにより、密度の変化率が上記閾値より小さい乱流層を確実に検出することができる。
【００７２】
また、上述したリチャードソン数Ｒiに関する閾値を決めておき、一般的な大気における風速分布から、観測点４における水平方向の風速差Ｖcを推定し、この値と、測定した密度の変化率とを用い、式（１）において大気層の厚さＤを２つの観測点４の高度差Ｄ”に置き換えて、２つの観測点４間の高度におけるリチャードソン数Ｒiを計算してリチャードソン数に関する上記閾値と比較することから、乱流層が存在するという判定を行う方式を用いても良い。これにより、水平方向の風速差Ｖcおよび密度の変化率ρcの両方の値をもとに、乱流層の有無の検出を行うので、乱流層の検出の確度をさらに上げることができる。
【００７３】
また、水平方向の風速差Ｖcの大小と、密度の変化率ρcの大小との両方の情報を用いて乱流層の検出を行うには、水平方向の風速差Ｖcに関する閾値と密度の変化率ρcに関する閾値とを両方決めておき、２つの観測点４における水平方向の風速差Ｖcの測定値が、水平方向の風速差Ｖcに関する上記閾値を越えるときと、密度の変化率ρcの測定値が、密度の変化率ρcに関する上記閾値より小さくなるときとの内、少なくともどちらか一方の条件を満たすときに乱流層が存在するという判定を行う方式を用いればよい。これにより、水平方向の風速差Ｖcが水平方向の風速差Ｖcの上記閾値よりも大きく、かつ、上記密度差ρcが密度差に関する上記閾値より小さい乱流層を確実に検出することができる。
【００７４】
また、上述したリチャードソン数Ｒiに関する閾値を決めておき、２つの観測点４における水平方向の風速差Ｖcの測定値と密度の変化率ρcの測定値とを用い、式（１）において大気層の厚さＤを２つの観測点４の高度差Ｄ”に置き換えて、２つの観測点４間の高度におけるリチャードソン数Ｒiを計算し、この値がリチャードソン数Ｒiに関する閾値より小さくなるときに乱流層が存在するという判定を行っても良い。これにより、水平方向の風速差Ｖcおよび密度の変化率ρcの両方の値をもとに、大気層の乱れの程度を示す値であるリチャードソン数Ｒiを用いて乱流層の有無の検出を行うので、乱流層の検出の確度をさらに上げることができる。
【００７５】
次に、本発明の実施の形態１に係る乱流層検出装置の動作について説明する。送信部３１は、上記ビーム５を大気中に送信し、受信部３２は、上記ビーム５が大気中の微粒子等により散乱されることにより生じる信号を受信する。
【００７６】
次に、風速測定部３３は、受信部３２により受信した受信信号から、観測点４における風速のビーム方向成分Ｖbを測定する。一方、密度測定部３４は、受信部３２により受信した受信信号から密度を測定する。
【００７７】
なお、風速測定部３３が風速のビーム方向成分Ｖbを測定する場合には、風速測定部３３は、ビーム５上の２つの観測点４における水平方向の風速Ｖhを、（式２）により求める。
【００７８】
次に、乱流層検出部３５は、ビーム５上の２つの観測点４における水平方向の風速Ｖhから、水平方向の風速差Ｖcを検出し、水平方向の風速差Ｖcの大小から乱流層を検出する。また、ビーム５上の２つの観測点４における密度を測定し、密度の変化率ρcの大小から乱流層を検出する。乱流層検出部３５は、上記水平方向の風速差Ｖcの大小と上記密度の変化率ρcの大小との、両方の情報から、乱流層を検出しても良いし、いずれか一方から乱流層を検出しても良い。
【００７９】
最後に、乱流層検出装置３は、乱流層が検出された場合に航空機２に対して乱流層の存在を知らしめるための信号を送信する。
【００８０】
このような構成の本発明の実施の形態１における乱流層検出装置は、乱流層中の風速を直接測定するのではなく、乱流層を挟む上下の層における風速および密度を測定している。乱流層を挟む上下の層における風速および密度は、乱流層中の風速および密度と比較して安定している。したがって、風速および密度を測定する上での誤差を小さくできる。これにより、乱流層の検出に関する確度を上げることができる。
【００８１】
また、２つの観測点４のみにおける風速および密度の測定結果から、２つの観測点４間における乱流層の存在を検出できるので、風速および密度を大気層１の内部までさらに多点にわたって測定する必要がなく、検出に要する時間を短縮することができる。
【００８２】
さらに、同じ受信信号から、大気中の複数の観測点における風速および密度の両方を測定しているので、送信部３１と受信部３１は１つずつあればよい。したがって、温位と風速を測定する従来の方法と比較して、装置を廉価にできる。
【００８３】
なお、図１において、ビーム５上の観測点４は２つであるが、観測点４は２つ以上であればいくつでもよい。図５に観測点４を４つにした場合を示す。観測点４を多くすれば、より広い範囲において、どの大気層１に乱流層が存在するのかを知ることができる。
【００８４】
なお、図５においては、大気層１は、地表に対して水平であるが、密度の変化率ρcのみから乱流層の検出を行うのであれば、大気層１は地表に対して水平でなくとも、また大気層１が曲がっていても構わない。
【００８５】
なお、上述した、密度の変化率の測定ρcと、大気層１を挟む上下層の水平方向の風速差Ｖcの測定の内、通常はどちらか一方のみの測定結果を用いて乱流層の検出を行い、乱流層を検出したと判定した際にもう一方の測定結果を用いて乱流層の有無を確認すれば、密度の変化率ρcと、大気層１を挟む上下層の水平方向の風速差Ｖcの測定の両方の測定を常時行う場合と比較して、乱流層検出装置３で受信信号に対して行う処理を減らし、装置を廉価にすることが可能になる。
【００８６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係わる乱流層検出装置について図６を参照しながら説明する。図６はこの発明の実施の形態２に係わる乱流層検出装置を説明する説明図である。図６において、大気層１は、地表と水平に存在している。また、観測点４は各ビーム５上に２箇所ある。また、大気層１を挟む上下の層は、地表と水平に存在している、ただし、大気層１を挟む上下の層の各部分における、風速、密度等は一定であるとは限らない。したがって、大気層１の全ての部分が乱流層であるとは限らず、乱流層は、大気層１において部分的に存在する場合もある。
【００８７】
乱流層検出装置３は、実施の形態１の図２に示す構成と概略同じ構成をなし、電磁波、音波、もしくは光波のビーム５を、大気中に送信する送信部３１と、ビーム５が大気中の微粒子等により散乱されることにより生じる電磁波、音波、もしくは光波を受信する受信部３２とを備えている。送信部３１と受信部３２は、同じものにして送信と受信を兼用してもよいし、別々のものにしてもよい。
【００８８】
そして、本実施の形態においては、乱気流検出装置３は、電磁波、音波、もしくは光波のビーム５の方向を、大気中において逐次スキャンする。
【００８９】
そして、風速測定部３３は、ビーム５の方向をスキャンする過程における各時点において、受信部３２により受信した受信信号から、風速のビーム方向成分Ｖbを、ビーム５上の２箇所の観測点４において測定する。また、密度測定部３４は、ビーム５の方向をスキャンする過程における各時点において、受信部３２により受信した受信信号から、密度をビーム５上の２箇所の観測点４において測定する。
【００９０】
尚、乱流層検出装置３は、機能上、風速測定部３３と密度測定部３４とを必ずしも両方備える必要はなく、少なくともどちらか一方を備えていれば、乱流層の検出をすることができる。
【００９１】
風速測定部３３による風速の上記ビーム方向成分の測定は、上記受信信号のドップラーシフトを検出することから行うことができる。また、密度測定部３４による密度の測定は、上記受信信号の強度を測定することから行うことができる。
【００９２】
風速測定部３３は、ビーム５の方向をスキャンする過程の各時点において、ビーム５上の２つの観測点４における水平方向の風速Ｖhを、θをビーム５の方向と大気層１の方向のなす角、ビーム方向の風速をＶbとして、
【００９３】
【数５】
0003647696.tif 000006
【００９４】
により求める。
【００９５】
２箇所の観測点４の高度差は、検出する必要のある乱流層の厚さよりも大きくなるようにする。つまり、観測点４の間の距離は、検出する必要のある乱流層の厚さと、ビーム５の方向と大気層１の方向のなす角により、検出する必要のある乱流層の厚さをＤ’として、
【００９６】
【数６】
0003647696.tif 000007
【００９７】
となるように決める。
【００９８】
なお、ビーム５の方向をスキャンする過程の各時点において、各観測点４の間の距離、および乱流層検出装置３と観測点４までの距離を変えても構わない。これにより、ビーム５のスキャンが終了した時点で、大気層１を挟む上下層の各部分における風速の水平方向成分と密度とを求めることができる。
【００９９】
また、乱流層検出部３５は、ビーム５の方向をスキャンする過程の各時点におけるビーム５上の２箇所の観測点４における水平方向の風速Ｖhから、大気層１の各部分において、大気層１の上下層の水平方向の風速差Ｖcを検出し、水平方向の風速差Ｖcの大小から、大気層５の各部分における乱流層の有無を検出する。
【０１００】
また、乱流層検出部３５は、ビーム５をスキャンする過程におけるビーム５の方向の各時点における、ビーム５上の２箇所の観測点４における密度を測定し、大気層１の各部分において、大気層１の上部に接している層の観測点において測定した密度をρ”1とし、大気層１の下部に接している層の観測点において測定した密度をρ”2とし、大気層１の上部に接している層の観測点４と、大気層１の下部に接している層の観測点４の高度差をＤ１とし、
【０１０１】
【数７】
0003647696.tif 000008
【０１０２】
により、大気層１の各部分における、密度の変化率ρcを推定し、推定した密度の変化率ρcの大小から、大気層１の各部分における乱流層の有無を検出する。
【０１０３】
なお、水平方向の風速差Ｖcの大小から乱流層の検出を行うには、水平方向の風速差Ｖcに関する閾値を決めておき、水平方向の風速差Ｖcの測定値が上記閾値を超えるときに乱流層が存在するという判定を行う方式を用いれば良い。
【０１０４】
また、上述したリチャードソン数Ｒiに関する閾値を決めておき、例えば文献［２］（理科年表（平成９年度版），p.383，国立天文台編，丸善）に示されているような、一般的に知られている大気の密度分布から、密度の変化率ρcを推定し、この値と、測定した風速差Ｖcとを用い、式（１）において大気層の厚さＤを大気層１を挟む上下層の各部分における２つの観測点４の高度差Ｄ１に置き換えて、２つの観測点４間の高度におけるリチャードソン数Ｒiを計算してリチャードソン数に関する上記閾値と比較することから、乱流層が存在するという判定を行う方式を用いても良い。
【０１０５】
また、密度の変化率ρcの大小から乱流層の検出を行うには、密度の変化率ρcに関する閾値を決めておき、大気層１の各部分における密度の変化率ρcの測定値が上記閾値よりちいさくなるときに乱流層が存在するという判定を行う方式を用いれば良い。
【０１０６】
また、上述したリチャードソン数Ｒiに関する閾値を決めておき、一般的な大気における風速分布から、観測点４における水平方向の風速差Ｖcを推定し、この値と、測定した密度の変化率ρcとを用い、式（１）において大気層の厚さＤを大気層１を挟む上下層の各部分における２つの観測点４の高度差Ｄ１に置き換えて、２つの観測点４間の高度におけるリチャードソン数Ｒiを計算してリチャードソン数に関する上記閾値と比較することから、乱流層が存在するという判定を行う方式を用いても良い。
【０１０７】
また、水平方向の風速差Ｖcの大小と、密度の変化率ρcの大小との両方の情報を用いて乱流層の検出を行うには、水平方向の風速差Ｖcに関する閾値と密度の変化率ρcに関する閾値とを両方決めておき、大気層１の各部分において、水平方向の風速差Ｖcの測定値が、水平方向の風速差Ｖcに関する上記閾値を越えるときと、密度の変化率ρcの測定値が、密度の変化率ρcに関する上記閾値より小さくなるときとの内、少なくともどちらか一方の条件を満たすときに乱流層が存在するという判定を行う方式を用いればよい。
【０１０８】
また、上述したリチャードソン数Ｒiに関する閾値を決めておき、大気層１の各部分において、大気層１の上下層にある観測点４における水平方向の風速差Ｖcの測定値と密度の変化率ρcの測定値とから、式（１）において大気層の厚さＤを大気層１を挟む上下層の各部分における２つの観測点４の高度差Ｄ１に置き換えて、２つの観測点４間の高度におけるリチャードソン数Ｒiを計算し、この値がリチャードソン数Ｒiに関する閾値より小さくなるときに乱流層が存在するという判定を行っても良い。
【０１０９】
次に、本発明の実施の形態２に係る乱流層検出装置の動作について説明する。送信部３１は、ビーム５をスキャンしながら大気中に送信する。受信部３２は、ビーム５をスキャンする過程におけるビーム５の方向の各時点において、乱流層検出装置３は、ビーム５が大気中の微粒子等により散乱されることにより生じる信号を受信する。
【０１１０】
次に、風速測定部３３は、ビーム５の方向をスキャンする過程の各時点において、受信部３２により受信した受信信号から、観測点４における風速のビーム方向成分Ｖbを測定する。一方、密度測定部３４は、ビーム５の方向をスキャンする過程の各時点において、受信部３２により受信した受信信号から密度を測定する。
【０１１１】
なお、風速測定部３３が風速のビーム方向成分Ｖbを測定する場合には、風速測定部３３は、ビーム上の２つの観測点４における水平方向の風速Ｖhを、（式２）により求める。
【０１１２】
次に、乱流層検出部３５は、ビーム５の方向をスキャンする過程の各時点における、ビーム５上の２つの観測点４における水平方向の風速Ｖhから、大気層１の各部分において、大気層１の上下層の水平方向の風速差Ｖcを検出し、水平方向の風速差Ｖcの大小から、大気層５の各部分における乱流層の有無を検出する。
【０１１３】
また、ビーム５の方向をスキャンする過程の各時点における、ビーム５上の２つの観測点４における密度を測定し、大気層１の各部分において、大気層１の上部に接している層の観測点において測定した密度と、大気層１の上部に接している層の観測点において測定した密度とから、大気層１の各部分における、密度の変化率ρcを推定し、推定した密度の変化率ρcの大小から、大気層１の各部分における乱流層の有無を検出する。乱流層検出部３５は、上記水平方向の風速差Ｖcの大小と上記密度の変化率ρcの大小との、両方の情報から、乱流層を検出しても良いし、いずれか一方から乱流層を検出しても良い。
【０１１４】
最後に、乱流層検出装置３は、乱流層が検出された場合に航空機２に対して乱流層の存在を知らしめるための信号を送信する。
【０１１５】
このような構成の本発明の実施の形態２における乱流層検出装置は、乱流層中の風速を直接測定するのではなく、乱流層を挟む上下の層における風速および密度を測定している。乱流層を挟む上下の層における風速および密度は、乱流層中の風速および密度と比較して安定している。したがって、風速および密度を測定する上での誤差を小さくできる。これにより、乱流層の検出に関する確度を上げることができる。
【０１１６】
また、２つの観測点４のみにおける風速および密度の測定結果から、２つの観測点４間における乱流層の存在を検出できるので、風速および密度を大気層１の内部までさらに多点にわたって測定する必要がなく、検出に要する時間を短縮することができる。
【０１１７】
また、同じ受信信号から、大気中の複数の観測点における風速および密度の両方を測定しているので、送信部と受信部は１つずつあればよい。したがって、温位と風速を測定する従来の方法と比較して、装置を廉価にできる。
【０１１８】
また、ビーム５をスキャンすることにより、大気層１の複数部分における、上下層の風速の水平方向成分および密度を測定するので、大気層１およびそれを挟む上下層が水平方向に一様でなくとも、乱流層の有無を検出できる。さらには乱流層の存在の分布および乱流層のプロファイルを検出することができる。
【０１１９】
尚、図６においては、大気層１は、地表に対して水平であるが、密度の変化率から乱流層の検出を行うのであれば、大気層１は地表に対して水平でなくとも、図７に示すように、大気層１が曲がっていても構わない。
【０１２０】
なお、図６において、ビーム５の方向をスキャンする過程の各時点における、ビーム５上の観測点４の数は２つであるが、この数は２つ以上であればいくつでもよい。図７にビーム５上の観測点４を４つにした場合を示す。各時点におけるビーム５上の観測点４を多くすれば、より広い範囲において、大気層１における乱流層の存在の有無を、密度の変化率ρcと、大気層１の上下層における風速差Ｖcとの両方の測定結果を用いて行うことができる。これにより、大気層１が水平でない場合における、乱流層の検出の確度を上げることができる。
【０１２１】
なお、上述した、密度の変化率の測定ρcと、大気層１を挟む上下層の水平方向の風速差Ｖcの測定の内、通常はどちらか一方のみの測定結果を用いて乱流層の検出を行い、乱流層を検出したと判定した際にもう一方の機能を用いて乱流層の有無を確認すれば、密度の変化率ρcと、大気層１を挟む上下層の層の方向に沿った風速差Ｖcの測定の両方の測定を常時行う場合と比較して、乱流層検出装置３で受信信号に対して行う処理を減らし、装置を廉価にすることが可能になる。
【０１２２】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係わる乱流層検出装置について図８を参照しながら説明する。図８はこの発明の実施の形態３に係わる乱流層検出装置を説明する説明図である。図８において、大気層１は、地表と水平に存在している。
【０１２３】
乱流層検出装置３は、実施の形態１の図２に示す構成と概略同じ構成をなし、電磁波、音波、もしくは光波の２本のビーム５を送信する送信部３１と、２本のビーム５のそれぞれについて、大気中の微粒子等により散乱されることにより生じる電磁波、音波、もしくは光波を受信する受信部３２とを備えている。送信部３１と受信部３２は、同じものにして送信と受信を兼用してもよいし、別々のものにしてもよい。
【０１２４】
また、図８において、大気層１を挟む上下の層は、地表と水平に存在している、ただし、大気層１を挟む上下の層の各部分における、風速、密度等は一定であるとは限らない。したがって、大気層１の全ての部分が乱流層であるとは限らず、乱流層は、大気層１において部分的に存在する場合もある。
【０１２５】
そして、風速測定部３３は、２本の各ビーム上の観測点４において、受信部３２により受信した受信信号から、風速のビーム方向成分を測定する。また、密度測定部３４は、２本の各ビーム上の観測点４において、受信部３２により受信した受信信号から密度を測定する。
【０１２６】
尚、乱流層検出装置３は、機能上、風速測定部３３と密度測定部３４とを必ずしも両方備える必要はなく、少なくともどちらか一方を備えていれば、乱流層の検出をすることができる。
【０１２７】
風速測定部３３による風速の上記ビーム方向成分の測定は、上記受信信号のドップラーシフトを検出することから行うことができる。また、密度測定部３４による密度の測定は、上記受信信号の強度を測定することから行うことができる。
【０１２８】
風速測定部３３は、２本の各ビーム上の観測点４において、水平方向の風速Ｖhを、θをビーム５の方向と大気層１の方向のなす角、ビーム方向の風速をＶbとして、
【０１２９】
【数８】
0003647696.tif 000009
【０１３０】
により求める。
【０１３１】
そして、上記２本の各ビーム上の観測点４は、地表に対しての垂直方向に沿った２箇所とする。
【０１３２】
また、上記２本の各ビーム上の観測点４の高度差は、検出する必要のある乱流層の厚さよりも大きくなるようにする。つまり、観測点４の間の距離Ｌは、検出する必要のある乱流層の厚さと、ビーム５の方向と大気層１の方向のなす角により、検出する必要のある乱流層の厚さをＤ’として、
【０１３３】
【数９】
0003647696.tif 000010
【０１３４】
となるように決める。
【０１３５】
これにより、大気層１のある部分を挟む上下層における風速の水平方向成分Ｖhと密度とを求めることができる。
【０１３６】
また、乱流層検出部３５は、上記２本の各ビーム上の観測点４において、水平方向の風速Ｖhを測定することから、大気層１のある部分において、大気層１の上下層の水平方向の風速差Ｖcを検出し、水平方向の風速差Ｖcの大小から、大気層１の各部分における乱流層の有無を検出する。
【０１３７】
また、乱流層検出部３５は、上記２本の各ビーム上の観測点４において、密度を測定し、大気層１の各部分において、大気層１の上部に接している層の観測点において測定した密度をρ”1とし、大気層１の上部に接している層の観測点において測定した密度をρ”2とし、
【０１３８】
【数１０】
0003647696.tif 000011
【０１３９】
により、大気層１のある部分における、密度の変化率ρcを測定し、測定した密度の変化率ρcの大小から、大気層１のある部分における乱流層の有無を検出する。
【０１４０】
なお、水平方向の風速差Ｖcの大小から乱流層の検出を行うには、水平方向の風速差Ｖcに関する閾値を決めておき、水平方向の風速差Ｖcの測定値が上記閾値を超えるときに乱流層が存在するという判定を行う方式を用いれば良い。
【０１４１】
また、上述したリチャードソン数Ｒiに関する閾値を決めておき、例えば文献［２］（理科年表（平成９年度版），p.383，国立天文台編，丸善）に示されているような、一般的に知られている大気の密度分布から、密度の変化率ρcを推定し、この値と、測定した水平方向の風速差Ｖcとを用い、式（１）において大気層の厚さＤを大気層１を挟む上下層の各部分における２つの観測点４の高度差Ｄ１に置き換えて、２つの観測点４間の高度におけるリチャードソン数Ｒiを計算してリチャードソン数に関する上記閾値と比較することから、乱流層が存在するという判定を行う方式を用いても良い。
【０１４２】
また、密度の変化率の大小から乱流層の検出を行うには、密度の変化率ρcに関する閾値を決めておき、密度の変化率ρcの測定値が上記閾値より小さくなるときに乱流層が存在するという判定を行う方式を用いれば良い。
【０１４３】
また、上述したリチャードソン数Ｒiに関する閾値を決めておき、一般的な大気における風速分布から、観測点４における水平方向の風速差Ｖcを推定し、この値と、測定した密度の変化率ρcとを用い、式（１）において大気層の厚さＤを大気層１を挟む上下層の各部分における２つの観測点４の高度差Ｄ１に置き換えて、２つの観測点４間の高度におけるリチャードソン数Ｒiを計算してリチャードソン数に関する上記閾値と比較することから、乱流層が存在するという判定を行う方式を用いても良い。
【０１４４】
また、水平方向の風速差Ｖcの大小と、密度の変化率ρcの大小との両方の情報を用いて乱流層の検出を行うには、水平方向の風速差Ｖcに関する閾値と密度の変化率ρcに関する閾値とを両方決めておき、大気層１の各部分において、水平方向の風速差Ｖcの測定値が、水平方向の風速差Ｖcに関する上記閾値を越えるときと、密度の変化率ρcの測定値が、密度の変化率ρcに関する上記閾値より小さくなるときとの内、少なくともどちらか一方の条件を満たすときに乱流層が存在するという判定を行う方式を用いればよい。
【０１４５】
また、上述したリチャードソン数Ｒiに関する閾値を決めておき、大気層１の各部分において、大気層１の上下層にある観測点４における水平方向の風速差Ｖcの測定値と密度の変化率ρcの測定値とから、式（１）において大気層の厚さＤを大気層１を挟む上下層の各部分における２つの観測点４の高度差Ｄ１に置き換えて、２つの観測点４間の高度におけるリチャードソン数Ｒiを計算し、この値がリチャードソン数Ｒiに関する閾値より小さくなるときに乱流層が存在するという判定を行っても良い。
【０１４６】
次に、本発明の実施の形態３に係る乱流層検出装置の動作について説明する。送信部３１は、上記２本のビーム５を大気中に送信する。受信部３２は、２本のビーム５のそれぞれに関して、ビーム５が大気中の微粒子等により散乱されることにより生じる信号を受信する。
【０１４７】
次に、風速測定部３３は、上記２本のビーム５のそれぞれについて、受信部３２により受信した受信信号から、観測点４における風速のビーム方向成分Ｖbを測定する。一方、密度測定部３４は、上記２本のビーム５のそれぞれについて、受信部３２により受信した受信信号から密度を測定する。
【０１４８】
なお、風速測定部３３が風速のビーム方向成分Ｖbを測定する場合には、風速測定部３３は、ビーム上の２つの観測点４における水平方向の風速Ｖhを、（式２）により求める。
【０１４９】
次に、乱流層検出部３５は、上記２本の各ビーム上の観測点４において、水平方向の風速Ｖhを測定することから、大気層１のある部分において、大気層１の上下層の水平方向の風速差Ｖcを検出し、水平方向の風速差Ｖcの大小から、大気層１の各部分における乱流層の有無を検出する。
【０１５０】
また、上記２本の各ビーム上の観測点４において、密度を測定し、大気層１のある部分における、密度の変化率ρcを推定し、推定した密度の変化率ρcの大小から、大気層１のある部分における乱流層の有無を検出する。乱流層検出部３５は、上記水平方向の風速差Ｖcの大小と上記密度の変化率ρcの大小との、両方の情報から、乱流層を検出しても良いし、いずれか一方から乱流層を検出しても良い。
【０１５１】
最後に、乱流層検出部３５は、乱流層が検出された場合、乱流層検出装置３は、航空機２に対して乱流層の存在を知らしめるための信号を送信する。
【０１５２】
このような構成の本発明の実施の形態３における乱流層検出装置は、乱流層中の風速を直接測定するのではなく、乱流層を挟む上下の層における風速および密度を測定している。乱流層を挟む上下の層における風速および密度は、乱流層中の風速および密度と比較して安定している。したがって、風速および密度を測定する上での誤差を小さくできる。これにより、乱流層の検出に関する確度を上げることができる。
【０１５３】
また、２つの観測点４のみにおける風速および密度の測定結果から、２つの観測点４間における乱流層の存在を検出できるので、風速および密度を大気層１の内部までさらに多点にわたって測定する必要がなく、検出に要する時間を短縮することができる。
【０１５４】
また、同じ受信信号から、大気中の複数の観測点における風速および密度の両方を測定しているので、送信部と受信部は１つずつあればよい。したがって、温位と風速を測定する従来の方法と比較して、装置を廉価にできる。
【０１５５】
尚、図８において、ビーム５の数は２つであったが、この数を３つ以上にし、大気層１を挟む上下層の複数部分において、乱流層の有無を検出できるようにすれば、乱流層の存在の分布および乱流層のプロファイルを検出することができる。
【０１５６】
図８においては、大気層１は、地表に対して水平であるが、密度の変化率ρcから乱流層の検出を行うのであれば、大気層１は地表に対して水平でなくとも、図９に示すように、大気層１が曲がっていても構わない。
【０１５７】
なお、図８において、ビーム５上の観測点４の数は２つであるが、この数は２つ以上であればいくつでもよい。図９にビーム５上の観測点４を４つにした場合を示す。各時点におけるビーム５上の観測点４を多くすれば、より広い範囲において、大気層１における乱流層の存在の有無を、密度の変化率ρcと、大気層１の上下層における風速差Ｖcとの両方の測定結果を用いて行うことができる。これにより、大気層１が水平でない場合における、乱流層の検出の確度を上げることができる。
【０１５８】
なお、上述した、密度の変化率の測定ρcと、大気層１を挟む上下層の水平方向の風速差Ｖcの測定の内、通常はどちらか一方のみの測定結果を用いて乱流層の検出を行い、乱流層を検出したと判定した際にもう一方の機能を用いて乱流層の有無を確認すれば、密度の変化率ρcと、大気層１を挟む上下層の層の方向に沿った風速差Ｖcの測定の両方の測定を常時行う場合と比較して、乱流層検出装置３で受信信号に対して行う処理を減らし、装置を廉価にすることが可能になる。
【０１５９】
【発明の効果】
この発明に係る乱流層検出装置は、大気中に電磁波、音波、もしくは光波のビームを送信する送信部と、送信部が送信し、大気中の微粒子等により散乱された電磁波、音波、もしくは光波を受信する受信部と、受信部が受信した受信信号から、ビーム上の２箇所以上の観測点において風速のビーム方向成分を測定する風速測定部、あるいはビーム上の２箇所以上の観測点において密度を測定する密度測定部のいずれか一方と、風速測定部あるいは密度測定部のいずれか一方の出力に基づいて、乱流層の有無の検出をする乱流層検出部とを備えている。そのため、乱流層中の風速を直接測定するのではなく、乱流層を挟む上下の層における風速および密度の測定を可能にする。乱流層を挟む上下層における風速および密度は、乱流層中の風速および密度と比較して安定している。したがって、風速および密度を測定する上での誤差を小さくできる。これにより、乱流層の検出に関する精度を上げることができる。
【０１６０】
また、風速測定部は、風速のビーム方向成分から水平方向の風速を求める。そのため、水平方向の風速を用いることにより、リチャードソン数による乱流層の有無の検出が可能になる。
【０１６１】
また、２箇所以上の観測点の隣り合う２つの観測点の高度差は、検出する乱流層の厚さよりも大きい。そのため、このように観測点間の距離を、検出する乱流層の厚さよりも大きく決めることにより、隣り合う２つの観測点の両方が、検出する必要のある厚さの乱流層中に存在することを防ぐことができる。これにより、隣り合う２つの観測点を、検出する必要のある厚さの乱流層を挟む上下の層中に配置できる確率を高めることができる。
【０１６２】
また、乱流層検出部は、ビーム上の２箇所以上の観測点の隣り合う２つの観測点における水平方向の風速から、水平方向の風速差を検出し、この水平方向の風速差の大小から乱流層を検出し、あるいは、ビーム上の２箇所以上の観測点の隣り合う２つの観測点における密度を測定し、この隣り合う２つの観測点間の高度における密度の変化率を測定し、この密度の変化率の大小から乱流層を検出する。そのため、リチャードソン数と乱流層の有無の関係からも分かるように、水平方向の風速差および密度の変化率は、乱流層を検出する上での指標となる。したがって、水平方向の風速差および密度の変化率を測定することにより、乱流層の有無を高精度で検出することができる。
【０１６３】
また、乱流層検出部は、水平方向の風速差に関する所定の閾値を有し、水平方向の風速差が、この閾値を超えるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差が所定の閾値以上である乱流層を確実に検出することができる。
【０１６４】
また、乱流層検出部は、リチャードソン数に関する所定の閾値を有し、既知である大気の密度分布から、密度の変化率を推定し、この密度の変化率と測定された水平方向の風速差とを用いて、リチャードソン数を計算し、このリチャードソン数が、リチャードソン数に関する所定の閾値より小さくなるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差および密度の変化率の両方の値をもとに、乱流層の有無の検出を行うので、乱流層の検出の確度をさらに上げることができる。
【０１６５】
また、乱流層検出部は、密度の変化率に関する所定の閾値を有し、密度の変化率の測定値が、この閾値より小さくなるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、密度の変化率が所定の閾値より小さい乱流層を確実に検出することができる。
【０１６６】
また、乱流層検出部は、リチャードソン数に関する所定の閾値を有し、既知である大気の風速分布から、水平方向の風速差を推定し、この水平方向の風速差と測定された密度の変化率とを用いて、リチャードソン数を計算し、このリチャードソン数が、リチャードソン数に関する所定の閾値より小さくなるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差および密度の変化率の両方の値をもとに、乱流層の有無の検出を行うので、乱流層の検出の確度をさらに上げることができる。
【０１６７】
また、乱流層検出部は、水平方向の風速差に関する所定の閾値と密度の変化率に関する所定の閾値とを有し、水平方向の風速差の測定値が、この水平方向の風速差に関する所定の閾値を超えるときと、密度の変化率の測定値が、密度の変化率に関する所定の閾値より小さいときの内、少なくともどちらか一方の条件を満足するときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差が水平方向の風速差の所定の閾値よりも大きく、または、密度差が密度差に関する所定の閾値より小さい乱流層を確実に検出することができる。
【０１６８】
また、乱流層検出部は、リチャードソン数に関する所定の閾値を有し、水平方向の風速差の測定値と密度の変化率の測定値を用いて、リチャードソン数を計算し、このリチャードソン数が、リチャードソン数に関する所定の閾値より小さくなるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差および密度の変化率の両方の値をもとに、大気層の乱れの程度を示す値であるリチャードソン数を用いて乱流層の有無の検出を行うので、乱流層の検出の確度をさらに上げることができる。
【０１６９】
また、乱流層検出部は、密度の変化率と、水平方向の風速差のうち、どちらか一方の測定結果を用いて乱流層の検出を行い、乱流層を検出したと判定した際にもう一方の測定結果を用いて乱流層の有無を確認する。そのため、密度の変化率と、水平方向の風速差のうち、どちらか一方の測定結果を用いて乱流層の検出を行い、乱流層を検出したと判定した際にもう一方の測定結果を用いて乱流層の有無を確認すれば、密度の変化率と、水平方向の風速差の測定の両方の測定を常時行う場合と比較して、乱流層検出装置で受信信号に対して行う処理を減らすことができ、装置を廉価にすることができる。
【０１７０】
また、送信部は、ビームの方向を、大気中において逐次スキャンさせ、受信部は、スキャンされたビームが大気中の微粒子等により散乱されたものを受信する。そのため、ビームをスキャンすることにより、大気層の複数部分における、上下層の風速の水平方向成分および密度を測定するので、大気層およびそれを挟む上下層が水平方向に一様でなくとも、乱流層の有無を検出できる。さらには乱流層の存在の分布および乱流層のプロファイルを検出することができる。
【０１７１】
また、風速測定部は、ビームの方向をスキャンする過程における各時点において、ビーム上の２箇所以上の観測点において風速のビーム方向成分を測定し、密度測定部は、ビームの方向をスキャンする過程における各時点において、ビーム上の２箇所以上の観測点において密度を測定する。そのため、これにより、乱流層中の風速を直接測定するのではなく、乱流層を挟む上下の層における風速および密度の測定を可能にする。乱流層を挟む上下層における風速および密度は、乱流層中の風速および密度と比較して安定している。したがって、風速および密度を測定する上での誤差を小さくできる。これにより、乱流層の検出に関する精度を上げることができる。
【０１７２】
また、風速測定部は、ビームの方向をスキャンする過程の各時点において、風速のビーム方向成分から水平方向の風速を求める。そのため、水平方向の風速を用いることにより、リチャードソン数による乱流層の有無の検出が可能になる。
【０１７３】
また、２箇所以上の観測点の隣り合う２つの観測点の高度差は、検出する乱流層の厚さよりも大きい。そのため、このように観測点間の距離を、検出する乱流層の厚さよりも大きく決めることにより、隣り合う２つの観測点の両方が、検出する必要のある厚さの乱流層中に存在することを防ぐことができる。これにより、隣り合う２つの観測点を、検出する必要のある厚さの乱流層を挟む上下の層中に配置できる確率を高めることができる。
【０１７４】
また、乱流層検出部は、ビームの方向をスキャンする過程の各時点におけるビーム上の観測点における水平方向の風速から、大気層の各部分において、大気層の上下層の水平方向の風速差を検出し、この水平方向の風速差の大小から、大気層の各部分における乱流層の有無を検出し、あるいは、ビームをスキャンする過程におけるビームの方向の各時点におけるビーム上の観測点における密度を測定し、大気層の各部分において、密度の変化率を測定し、この密度の変化率の大小から、大気層の各部分における乱流層の有無を検出する。そのため、リチャードソン数と乱流層の有無の関係からも分かるように、水平方向の風速差および密度の変化率は、乱流層を検出する上での指標となる。したがって、水平方向の風速差および密度の変化率を測定することにより、乱流層の有無を高精度で検出することができる。
【０１７５】
また、乱流層検出部は、水平方向の風速差に関する所定の閾値を有し、水平方向の風速差が、この閾値を超えるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差が所定の閾値以上である乱流層を確実に検出することができる。
【０１７６】
また、乱流層検出部は、リチャードソン数に関する所定の閾値を有し、既知である大気の密度分布から、密度の変化率を推定し、この密度の変化率と測定された水平方向の風速差とを用いて、リチャードソン数を計算し、このリチャードソン数が、リチャードソン数に関する所定の閾値より小さくなるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差および密度の変化率の両方の値をもとに、乱流層の有無の検出を行うので、乱流層の検出の確度をさらに上げることができる。
【０１７７】
また、乱流層検出部は、密度の変化率に関する所定の閾値を有し、大気層の各部分における密度の変化率の測定値が、この閾値より小さくなるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、密度差が所定の閾値より小さい乱流層を確実に検出することができる。
【０１７８】
また、乱流層検出部は、リチャードソン数に関する所定の閾値を有し、既知である大気の風速分布から、水平方向の風速差を推定し、この水平方向の風速差と測定された密度の変化率とを用いて、リチャードソン数を計算し、このリチャードソン数が、リチャードソン数に関する所定の閾値より小さくなるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差および密度の変化率の両方の値をもとに、乱流層の有無の検出を行うので、乱流層の検出の確度をさらに上げることができる。
【０１７９】
また、乱流層検出部は、水平方向の風速差に関する所定の閾値と密度の変化率に関する所定の閾値とを有し、大気層の各部分において、大気層の上下層にある観測点における水平方向の風速差が、この水平方向の風速差に関する所定の閾値を超えるときと、大気層の上下層にある観測点における密度の変化率の測定値が、密度の変化率に関する所定の閾値より小さいときの内、少なくともどちらか一方の条件を満足するときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差が水平方向の風速差の所定の閾値よりも大きく、または、密度差が密度差に関する所定の閾値より小さい乱流層を確実に検出することができる。
【０１８０】
また、乱流層検出部は、リチャードソン数に関する所定の閾値を有し、大気層の各部分において、大気層の上下層にある観測点における水平方向の風速差の測定値と密度の変化率の測定値を用いて、リチャードソン数を計算し、このリチャードソン数が、リチャードソン数に関する所定の閾値より小さくなるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差および密度の変化率の両方の値をもとに、大気層の乱れの程度を示す値であるリチャードソン数を用いて乱流層の有無の検出を行うので、乱流層の検出の確度をさらに上げることができる。
【０１８１】
また、乱流層検出部は、密度の変化率と、大気層を挟む上下層の水平方向の風速差のうち、どちらか一方の測定結果を用いて乱流層の検出を行い、乱流層を検出したと判定した際にもう一方の測定結果を用いて乱流層の有無を確認する。そのため、密度の変化率と、水平方向の風速差のうち、どちらか一方の測定結果を用いて乱流層の検出を行い、乱流層を検出したと判定した際にもう一方の測定結果を用いて乱流層の有無を確認すれば、密度の変化率と、水平方向の風速差の測定の両方の測定を常時行う場合と比較して、乱流層検出装置で受信信号に対して行う処理を減らすことができ、装置を廉価にすることができる。
【０１８２】
また、送信部は、電磁波、音波、もしくは光波の２本以上のビームを送信する機能を有し、受信部は、２本以上のビームのそれぞれについて、大気中の微粒子等により散乱されることにより生じる電磁波、音波、もしくは光波を受信する。そのため、２つの観測点４のみにおける風速および密度の測定結果から、２つの観測点４間における乱流層の存在を検出できるので、風速および密度を大気層１の内部までさらに多点にわたって測定する必要がなく、検出に要する時間を短縮することができる。
【０１８３】
また、風速測定部は、２本以上の各ビーム上の観測点において、風速のビーム方向成分を測定し、密度測定部は、２本以上の各ビーム上の観測点において、密度を測定する。そのため、乱流層中の風速を直接測定するのではなく、乱流層を挟む上下の層における風速および密度の測定を可能にする。乱流層を挟む上下層における風速および密度は、乱流層中の風速および密度と比較して安定している。したがって、風速および密度を測定する上での誤差を小さくできる。これにより、乱流層の検出に関する精度を上げることができる。
【０１８４】
また、風速測定部は、２本以上のビーム上の観測点において、風速のビーム方向成分から水平方向の風速を求める。そのため、水平方向の風速を用いることにより、リチャードソン数による乱流層の有無の検出が可能になる。
【０１８５】
また、２本以上のビーム上の各々の観測点のうちの少なくとも２つの観測点の位置は、地表に対して垂直方向に沿った２箇所である。そのため、地表に対して垂直方向に沿った２箇所で測定するので、乱流層の検出に関する精度を上げることができる。
【０１８６】
また、地表に対して垂直方向に沿った２箇所の距離は、検出する乱流層の厚さよりも大きい。そのため、このように観測点間の距離を、検出する乱流層の厚さよりも大きく決めることにより、隣り合う２つの観測点の両方が、検出する必要のある厚さの乱流層中に存在することを防ぐことができる。これにより、隣り合う２つの観測点を、検出する必要のある厚さの乱流層を挟む上下の層中に配置できる確率を高めることができる。
【０１８７】
また、乱流層検出部は、２本以上の各ビーム上の観測点における水平方向の風速から、大気層の各部分において、大気層の上下層の水平方向の風速差を検出し、この水平方向の風速差の大小から、大気層の各部分における乱流層の有無を検出し、あるいは、２本以上の各ビーム上の観測点における密度を測定し、大気層の各部分において、密度の変化率を測定し、この密度の変化率の大小から、大気層の各部分における乱流層の有無を検出する。そのため、リチャードソン数と乱流層の有無の関係からも分かるように、水平方向の風速差および密度の変化率は、乱流層を検出する上での指標となる。したがって、水平方向の風速差および密度の変化率を測定することにより、乱流層の有無を高精度で検出することができる。
【０１８８】
また、乱流層検出部は、水平方向の風速差に関する所定の閾値を有し、水平方向の風速差が、この閾値を超えるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差が所定の閾値以上である乱流層を確実に検出することができる。
【０１８９】
また、乱流層検出部は、リチャードソン数に関する所定の閾値を有し、既知である大気の密度分布から、密度の変化率を推定し、この密度の変化率と測定された水平方向の風速差とを用いて、リチャードソン数を計算し、このリチャードソン数が、リチャードソン数に関する所定の閾値より小さくなるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差および密度の変化率の両方の値をもとに、乱流層の有無の検出を行うので、乱流層の検出の確度をさらに上げることができる。
【０１９０】
また、乱流層検出部は、密度の変化率に関する所定の閾値を有し、密度の変化率の測定値が、この閾値より小さいときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、密度差が所定の閾値より小さい乱流層を確実に検出することができる。
【０１９１】
また、乱流層検出部は、リチャードソン数に関する所定の閾値を有し、既知である大気の風速分布から、水平方向の風速差を推定し、この水平方向の風速差と測定された密度の変化率とを用いて、リチャードソン数を計算し、このリチャードソン数が、リチャードソン数に関する所定の閾値より小さくなるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差および密度の変化率の両方の値をもとに、乱流層の有無の検出を行うので、乱流層の検出の確度をさらに上げることができる。
【０１９２】
また、乱流層検出部は、水平方向の風速差に関する所定の閾値と密度の変化率に関する所定の閾値とを有し、大気層の各部分において、大気層の上下層にある観測点における水平方向の風速差が、この水平方向の風速差に関する所定の閾値を超えるときと、大気層の上下層にある観測点における密度の変化率の測定値が、密度の変化率に関する所定の閾値より小さいときの内、少なくともどちらか一方の条件を満足するときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差が水平方向の風速差の所定の閾値よりも大きく、または、密度差が密度差に関する所定の閾値以上である乱流層を確実に検出することができる。
【０１９３】
また、乱流層検出部は、リチャードソン数に関する所定の閾値を有し、大気層の各部分において、大気層の上下層にある観測点における水平方向の風速差の測定値と密度の変化率の測定値を用いて、リチャードソン数を計算し、このリチャードソン数が、リチャードソン数に関する所定の閾値より小さくなるときに乱流層が存在する判定を行う。そのため、水平方向の風速差および密度の変化率の両方の値をもとに、大気層の乱れの程度を示す値であるリチャードソン数を用いて乱流層の有無の検出を行うので、乱流層の検出の確度をさらに上げることができる。
【０１９４】
また、乱流層検出部は、密度の変化率と、大気層を挟む上下層の水平方向の風速差のうち、どちらか一方の測定結果を用いて乱流層の検出を行い、乱流層を検出したと判定した際にもう一方の測定結果を用いて乱流層の有無を確認する。そのため、密度の変化率と、水平方向の風速差のうち、どちらか一方の測定結果を用いて乱流層の検出を行い、乱流層を検出したと判定した際にもう一方の測定結果を用いて乱流層の有無を確認すれば、密度の変化率と、水平方向の風速差の測定の両方の測定を常時行う場合と比較して、乱流層検出装置で受信信号に対して行う処理を減らすことができ、装置を廉価にすることができる。
【０１９５】
さらに、リチャードソン数に関する所定の閾値が、０．２５である。そのため、特に航空機の運行において問題となる渦状の乱気流の存在する乱流層を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係わる乱流層検出装置を説明する説明図である。
【図２】  図１の乱流層検出装置の構成を示すブロック図である。
【図３】  乱流層発生の遷移を説明する図である。
【図４】  送信部が送信する送信信号の波形を示す波形図である。
【図５】  観測点を４つに増やした場合を説明する説明図である。
【図６】  この発明の実施の形態２に係わる乱流層検出装置を説明する説明図である。
【図７】  実施の形態２において曲がった大気層を検出する様子を説明する説明図である。
【図８】  この発明の実施の形態３に係わる乱流層検出装置を説明する説明図である。
【図９】  実施の形態３において曲がった大気層を検出する様子を説明する説明図である。
【符号の説明】
１  大気層、２  航空機、３  乱流層検出装置、４  観測点、５  ビーム、６風向き、３１  送信部、３２  受信部、３３  風速測定部、３４  密度測定部、３５  乱流層検出部。
【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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