(57)【要約】  本発明は、航空機（１４）の上流の乱気流を予測して測定し、該航空機に搭載されて配置されたシステムに関し、該システムは；前記航空機（１４）の前部に向けて光ビーム（１１）を送信し、かつ散乱された光ビーム（１２）を受信するためのライダ（１０）と、制御手段と関連付けられた直接検出デバイスと、第１内部補正アルゴリズムを使用する第１処理素子と、第２補正アルゴリズムを使用して、少なくとも１つの航空機制御面のアクチュエータに実行可能な命令を送信する第２処理素子と、を含む。
2008500525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機の上流の乱気流を予測して測定し、該航空機に搭載されて配置されたシステムにおいて、
前記航空機の前部に向けて光ビームを送信し、かつ散乱された光ビームを受信するためのライダーと、
制御手段と関連付けられた直接検出デバイスと、
第１内部補正アルゴリズムを使用する第１処理素子と、
少なくとも１つの航空機制御面のアクチュエータに実行可能な命令を送信する第２外部補正アルゴリズムを使用する第２処理素子と、を含むことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記ライダーは紫外線ライダーであることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
光送受信部と、受信部と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記光送受信部が、
−レーザー（３０）と、
−閉塞子（３２）と、
−回転鏡及びプリズムシステム（３３）と、
−テレスコープ（３４）と、
−選択されたレーザー周波数用に加工処理された窓と、
−光ファイバー（３５）と、を含むことを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記レーザー（３０）の出力部に周波数乗算器（３１）を含むことを特徴とする、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記受信部が、
−２つの光学レンズ（３７）間に配置されたファブリー・ペローの干渉計（３６）と、
−フィルター（３８）と、
−画像インテンシファイア（３９）と、
−画像検出器（４０）及び第１アルゴリズムを実行する処理素子（４１）と、を含むことを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機の上流の乱気流を予測して測定するためのシステムに関する。本願明細書の以下の記載の全体を通じて、航空機は、例えば、飛行機であるものと考えられる。
【背景技術】
【０００２】
１００以上の座席を具備する旅客機において、乱気流の影響を最小にするための手段は、ひとたび、飛行機が乱気流に入ったときに該飛行機の応答を測定するか、あるいは風が飛行機に到達したときに該風の成分を算定することを可能とする、複数のセンサに基づいている。乱気流の影響の最小化は、通常、乱気流に晒される飛行機の荷重係数及び角速度を減じ、乗客の快適性を向上させるように、発生した構造的振動を減じ、及び、最終的に、飛行機の構造に加わる応力を減じることによって、達成される。飛行機の鼻部すなわち先端部に位置する測定手段は、翼部に風が衝突する時間に関して前進した位相を有することを可能にする。しかしながら、最大の飛行機に関してさえ、その鼻部とその翼の間の距離は１００ｍｓ以上の前進位相を許容しない。現在のアクチュエータの出力速度に関しては、制御面の総合的な反りの程度、及び、従って、荷重を減じるか又は乗客の快適性を向上させる特定の法則に基づいて最適な効率を得ることは可能ではない。こうした効率は、より速いアクチュエータを設置することによって、あるいは現在のアクチュエータを維持し、かつ装置の前方で風速を測定することによって増加し得る。センサの表示及び民間の航空機に現在使用されている方法は多数の文書に見出し得る。例えば、本願明細書の末尾の参考文献[１]を引用し得る（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
航空機が直立乱気流に遭遇する際の成り行きを減じるためのライダーの使用は参考文献[２]に述べられていることに留意すべきである（例えば、特許文献２参照）。
【非特許文献１】(Peyrat-Armandy, A, Teknea, pages 315-325, 1997)による"Les avions de transport modernes et futures"。
【非特許文献２】D. Loreide, R.K. Bogne, L.D. Ehernberger, H. Bagley (NASA-TM-104318, August 1996)による”突風荷重緩和のためのコヒーレントライダ乱気流測定(Coherent lidar turbulence measurement for gust load alleviation)”。
【非特許文献３】P.S. Argall, R.J. Sica (Encyclopedia of Imaging Science and Technology, J. Hornak, New York, Wiley 869-889, 2002)による”画像形成技術及びシステム(Imaging techniques and systems)：ライダー”。
【特許文献１】国際出願公開第２００４／００３６２６号パンフレット
【特許文献２】独国特許第１０３１６７６２号明細書
【特許文献３】米国特許第６，６０１，８０１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
周知の従来技術文献の不利な点を克服するために、本発明は、ライダー（LIDAR：”光検出及び照準合せ(Light Detection and Ranging)”を使用して、慣用データ（ADC：”気流データコンピュータ(Air Data Computer)”、ＩＲＳ：”慣性基準システム(Inertial Reference System)”等）を使用してシステムに関して前進位相している、気流作動面の、飛行制御システムによる、作動を可能にするに十分な距離にある航空機の前方の風速を測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、航空機の上流の乱気流を予測して測定し、該航空機に搭載されて配置されたシステムに関し、このシステムは、前記航空機の前部に向けて光ビームを送信し、かつ散乱された光ビームを受信するための、例えば、紫外線ライダーのような、ライダーと、制御手段と関連付けられた直接検出デバイスと、第１内部補正アルゴリズムを使用する第１処理素子と、少なくとも１つの航空機制御面のアクチュエータに実行できる命令を送信する第２外部補正アルゴリズムを使用する第２処理素子と、を含むことを特徴とするシステムを提供する。
【０００６】
本発明のシステムは、光送受信部及び受信部を含むと有利である。
【０００７】
光送受信部は以下を含む：
−レーザー、
−随意には、周波数乗算器、
−閉鎖器（オブチュレータ）、
−回転鏡及びプリズムシステム、
−テレスコープ、
−選択されたレーザー周波数用に加工処理された窓、及び
−光ファイバー。
【０００８】
受信部は以下を含む：
−光ファイバー、
−２つの光学レンズ間に配置されたファブリー・ペロー干渉計、
−フィルター、
−画像インテンシファイア、及び
−画像検出器及び第１アルゴリズムを実行する処理要素。
【０００９】
本発明のシステムは、特に以下の特徴によって参考文献〔２〕記載発明とは異なる：
−直接検出（参考文献〔２〕は干渉検出のみを意図している）、及び
−乱気流の軸線方向及び該軸線方向に直角な方向の速度の影響の補正。最近の経験では、これらの成分の影響は、第１に、鉛直成分の更なる影響の補正により、そして、第２に、飛行機の伸長（参考文献[２]は、鉛直速度の補正のみを意図している）により、影響を受け始めることを示している。
【００１０】
本発明のシステムは、多くの作用効果を奏する：
−紫外線ライダーの使用は、赤外線のライダーによるよりもより良好な性能を得ることを可能にする。このライダーは、このように、赤外線ダイオード及び周波数乗算器によって、あるいは紫外線ダイオードによって作り出し得る。ライダー技術に関する文献は、文献〔３〕に提示されている。
−直接検出システムの使用は、ミー及びレイリー(Mie and Rayleigh)の後方散乱（エーロゾル及び分子の後方散乱）の利点を利用することを可能にする。清浄な空気の測定はこのように可能になされる。こうした直接検出は、参考文献〔３〕に規定されている。
−極めて短いライダー命令パルス（１０ナノ秒）の使用は、非常に少ない測定体積を得ることを可能にする。速度データを得るように複数の点に亘る走査と共に、単一のレーザーを使用すること（ドップラーライダーは、速度データが、レーザーの直線視界内でのみ得られることを可能にする）。可能な走査システムは、参考文献〔４〕に記載されている。
−航空機にこのライダーを統合することは、ｄを視界距離とし、かつＶを飛行機速度とした、時間前進位相ｄ／Ｖにおける３つの成分を得ることを可能にする。回復された速度は、航空機が、５００フィート（約１５０ｍ）以上離れた距離で、自身の上流を通過する領域内においてある。このように、測定値は、期間ｄ／Ｖに亘って静止状態であることを仮定して、遭遇した乱流の代表値である。
−航空機パラメータと組み合わせた風速データの使用は、制御面に加えられるべき命令を決定可能にする。
−寸法の負担を減じること：例外的な乱気流との遭遇時に航空機に加えられる最大の負荷が減じられる。このように、航空機構造物の質量を減らすことは可能である。
−疲労荷重を減じること：乱気流と遭遇する際、翼に加わる応力は減じられる。その結果、結果として生じる応力は疲労サイクルを降下させることに対応し、そして、構造体の寿命はかくして増加する。
−乗客の快適性を向上させること：本願明細書では、本体応答モードの加速は減じられ、その結果、小さい乱気流と遭遇する際、乗客は振動の影響を受けない。
−検出システムと関連付けられた制御法則は開ループ及び閉ループ制御の法則とし得る。
−航空機飛行制御面のアクチュエータの予測される制御を達成するために最も適切な命令を適合させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１に示すように、本発明のシステムでは、レーザービーム１１を前方に送信し、かつ後方散乱されたビーム１２を受信する、ライダーによって発された信号、並びに航空機１４のセンサ１３によって発された信号は、飛行制御面１６に指令を与える、飛行制御コンピュータ１５内に入力される。
【００１２】
図２に示すように、これらの飛行制御面１４はかくして以下のようであり得る：
−軸線Ｏｘ（航空機の軸線）に関するモーメントを与える、ロール又は長手方向に直角な方向である横方向の制御をするための制御面である、翼２０と、
−離陸時に使用され、かつ接近して前記翼の失速位置に戻る、先端縁フラップ２１と、
−軸線Ｏｚに関するモーメントを与える、ヨー制御面又はライダーである、方向舵２２と、
−軸線Ｏｙに関するモーメントを与える、ピッチ制御面又はエレベーターである、昇降舵２３と、
−主に着陸時に飛行機を地面上に維持し、かつ制動効果を増大させるために使用され、及び、緊急着陸のための飛行時に使用し得る”スポイラ”２４と、
−離陸時に使用され、かつ外方に離反して低速で更なる揚力を得る、フラップ２５と、
−揚力の直接制御のためにも使用し得る、小型ＴＥＤｓ（”後縁デバイス(Trailing Edge Device)”）のような高速制御面と、を含む。
【００１３】
この図では、位置Ｏは飛行機の重心の中央に位置する。
【００１４】
図３及び図４に示すように、本発明のシステムは、光送受信部と、受信部と、からなるライダー１０を含む。
【００１５】
光送受信部は、レーザー３０と、随意の周波数乗算器３１と、オブチュレータ（閉塞子）３２と、回転鏡及びプリズムシステム３３と、望遠鏡３４と、選択されたレーザー周波数用に処理加工された窓と、光ファイバー３５と、を含む。
【００１６】
受信部は、２つの光学レンズ３７間に配置されたファブリー・ペローの干渉計３６と、フィルター３７と、画像インテンシファイア３９と、画像検出器４０と、第１アルゴリズム（内部接続）を実行する処理素子４１と、を含む。
【００１７】
本発明のシステムは飛行制御コンピュータ４２に接続され、このシステムは、
−計算された風速速度Ｖｘ、Ｖｙ及びＶｚと、パイロットの動作ＡＰと、準静的飛行機パラメータＰＡ（質量、重心、Ｖｔａｓ、Ｖｃａｓ、角速度）と、を使用して速度４３を補正し、
−角速度及び角加速度に基づいて加えるべき飛行制御面命令をコンピュータ４４が決定し、及び
−飛行機制御法則４５が、準静的飛行機パラメータＰＡ（質量、重心、Ｖｔａｓ、Ｖｃａｓ、角速度）を使用する。
【００１８】
所望の測定距離を得ることが望まれるエネルギーによって、光送信部は、非常に短いパルス（例えば、１０ナノ秒のオーダーの）をレーザー３０に送信することを可能にする。
低波長のために、使用するレーザービームは、近紫外に存することが好ましく、良好な信号品質を得ることを可能にする。
【００１９】
出力ビーム１１は、それから、回転鏡及びプリズムシステム３３によって分離される。
このシステム３３は、図５に示すように、鏡５２、５３及び５４によって、プリズム５１上にビーム５０を送信し、かつ出力ビームを４つの可能な方向から１つの方向を別様に走査するビーム内に分離可能にし、及び、飛行機軸線Ｏｘに関して＋／―α°の角度で４つの方向に従って速度を測定する。角度がより大きくなればなるほど、精度はますます向上する。例えば、１０°が選択される。１５ｍｓ毎に新たな方向を使用することが決まっている。全部の回転ＡＢＣＤは、従って、６０ｍｓを要する。
【００２０】
光線はそれから望遠鏡３４を通過し、発散量が極めて低い（１ｍｒａｄのオーダー）のビームを保存する。このビームは、それから、選択された波長のための高送信係数を有するように処理加工された窓４６を通過して大気に入る。
【００２１】
送信されたビーム１１は、その経路上に位置する大気中の粒子及び分子に衝突する。この信号の一部は、この時、後方に散乱し（ビーム１２）、かつ望遠鏡３４によって復帰する。閉塞子３２は、ｄを所望の距離、ｃを光の速度、τを各パルスの持続時間とするとき、２ｄ／ｃと２（ｄ／ｃ＋τ）の間の時間容積(time volume)に含まれるデータのみを復帰させることができる。
【００２２】
光受信部において、ビーム１２に含まれるデータは、特定の方向に応じて、１５ｍｓパケットで分離される。
【００２３】
この時受信されたビームは受信部に入るように光ファイバー３５を通過する。
【００２４】
この受信部はデータ処理コアを構成する。このデータ処理コアはファブリー・ペローの干渉計３６から成り、この干渉計は干渉円を創出することを可能にする。例えば、ＣＣＤカメラのような画像検出器４０は、それから、飛行機の上流の風速の変動に関連付けられた、異なる円の寸法変動を網羅することが可能である。
【００２５】
第１のアルゴリズムは、これらの生の画像から生じる円の直径の変動に関するデータを処理する。レーザシステムに対して内部及び外部の他のパラメータ（温度、送信電力、飛行機に対する望遠鏡の位置）は、風の相対速度の成分の値を計算するためにも必要である。データ処理システムは、このように、参考文献〔５〕に記載されている。
【００２６】
これらの速度成分はそれから飛行機コンピュータ４２に送信される。そして、それにはパイロットのアクションＡＰに関するデータ及び飛行機（例えば荷重係数、飛行機の角速度等）の現在状態が存在する。第２のアルゴリズムは、それから、第１のアルゴリズムから得られる速度データ及び遭遇する乱気流の振幅を決定する飛行機データ（Ｔａｓすなわち「真の気流速度」、パイロットの命令、荷重係数（主にｎｚ））を使用する。
【００２７】
この第２のアルゴリズムは、速度Ｖｘ、Ｖｙ及びＶｚから飛行機の飛行の機械的運動によって誘起される速度を”減算する”こと、及び、飛行機応答を最小化し、かつなされた選択に応じて荷重を減じることを可能にする飛行制御面命令を開発することを可能にする。
【００２８】
この第２アルゴリズムは、図３及び図４に示すように、幾らかの変更を加えることによって、開ループ又は閉ループで使用することができる。
【００２９】
１）開ループ：
この場合、図３に示すように、理論的乱気流データは、飛行機１４の飛行制御面１６
に命令を与えるために使用される。飛行機１４の慣性又は風速データによるフィードバックは無い。
【００３０】
実施例を提供するために、ｎｚ＝１ｇ、周知のＶｔａｓ速度を有して巡航運動する飛行機を考える。ライダーは速度Ｖを測定し、この速度ＶはＶｔａｓに等しいか又はＶｔａｓに到達し得ない。鉛直風Ｖｚｖｅｎｔが存在する場合、我々はＶｚｖｅｎｔ＝Ｖｚａｌｇｏ（Ｖｚアルゴリズム）―Ｖｚｔａｓを有する。この鉛直風は、飛行機の揚力、入射及び荷重係数に影響を及ぼす。
【００３１】
第２のアルゴリズムは、風の速度成分を計算した後で、飛行機にこの風が衝突するのを最小にすることを可能にする。
【００３２】
これを行うため、飛行制御命令が与えられる。
【００３３】
この実施形態では、飛行制御面は角度Ｘ°だけ偏向される。この角度Ｘ°は飛行機に関する風の効果を予想することを可能にする。その最も単純な形態では、開ループにある飛行制御面に与えられる命令は以下のような形態を有し得る。
【００３４】
【数１】
2008500525.tif 000003
【００３５】
２）閉ループ：
この場合、図４に示すように、我々は、飛行機上に存在する必要なセンサ１３の全てを使用して、飛行制御面１６に与えられるライダーによって与えられる風の成分、並びに飛行機の挙動に関する飛行制御面１６に与えられる命令の影響に基づくデータを使用する。
【００３６】
簡易化する仮定をせずとも、及び風の３つの成分を勘案に入れなくても、飛行制御面に与えられる命令は以下の形態を取り得る。
【００３７】
【数２】
2008500525.tif 000004
【００３８】
ここで、
ωは、パルセーションであり、
δｐは、ロール制御面の偏向角度であり、
δｇは、ピッチ制御面の偏向角度であり、
δｒは、ヨー制御面の偏向角度であり、及び
ｎｘ、ｎｙ、ｘｚは、Ｘ、Ｙ及びＺによる荷重係数である。
【００３９】
種々の係数ｋｉｉは、所望の目的に基づく作動論理回路を含み得るか又は含み得ない。
マトリックスＫ１及びＫ２（３×３行列）は、作動論理回路及び遅延回路を含み得る。
【００４０】
本願明細書で示したことは実例であり、しかもその記載は他の面及び制御タイプまで拡張し得る。本願明細書では特定の用語を使用しているが、これは説明をするためのものであり、かつ限定的な目的のためにそのようになされたものである。
【００４１】
[参考文献]
[１](Peyrat-Armandy, A, Teknea, pages 315-325, 1997)による"Les avions de transport modernes et futures" 。
[２] D. Loreide, R.K. Bogne, L.D. Ehernberger, H. Bagley (NASA-TM-104318, August 1996)による”突風荷重緩和のためのコヒーレントライダ乱気流測定(Coherent lidar turbulence measurement for gust load alleviation)”。
[３] P.S. Argall, R.J. Sica (Encyclopedia of Imaging Science and Technology, J. Hornak, New York, Wiley 869-889, 2002)による”画像形成技術及びシステム( Imaging techniques and systems)：ライダー”。  [１]
[４]国際出願公開第２００４／００３６２６号パンフレット
[５]独国特許第１０３１６７６２号明細書
[６]米国特許第６，６０１，８０１号明細書
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】航空機に設けた本発明のシステムを示す図である。
【図２】航空機の種々の飛行制御面を示す図である。
【図３】本発明のシステムの作動原理を示す図である。
【図４】本発明のシステムの作動原理を示す図である。
【図５】本発明のシステムの走査システムを示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  ライダー
１１  光ビーム
１２  レーザービーム
１３  センサ
１４  航空機
１５  飛行制御コンピュータ
１６  飛行制御面
２０  翼
２１  先端縁フラップ
２２  方向舵
２３  昇降舵
２４  スポイラ
２５  フラップ
３０  レーザー
３１  周波数乗算器
３２  オブチュレータ（閉塞子）
３３  回転鏡及びプリズムシステム
３４  望遠鏡
３５  光ファイバー
３６  ファブリー・ペローの干渉計
３７  光学レンズ
３８  フィルター
３９  画像インテンシファイア
４０  画像検出器
４１  処理素子
４２  飛行機コンピュータ
４３  速度
４４  コンピュータ
４５  飛行機制御法則
４６  窓
５０  ビーム
５１  プリズム
５２、５３、５４  鏡
ＡＰ  パイロットの動作
ＰＡ  準静的飛行パラメータ
Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ  風速速度成分
Ｖｘ＊、Ｖｙ＊、Ｖｚ＊  
ＡＢＣＤ  全回転
α  飛行機軸線Ｏｘに関する方向
【図１】
2008500525.tif 000005
【図２】
2008500525.tif 000006
【図３】
2008500525.tif 000007
【図４】
2008500525.tif 000008
【図５】
2008500525.tif 000009
【国際調査報告】
2008500525.tif 000010
2008500525.tif 000011
2008500525.tif 000012
2008500525.tif 000013
2008500525.tif 000014
2008500525.tif 000015