JP3322214B2

JP3322214B2 - 気流検出方法およびレーザレーダ装置

Info

Publication number: JP3322214B2
Application number: JP16946698A
Authority: JP
Inventors: 康功大鋸; 敬之堀内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2002-09-09
Anticipated expiration: 2018-06-17
Also published as: JP2000002763A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、気象観測
や航空管制のために風や乱気流を検出する気流検出方法
およびレーザレーダ装置に関し、特に、雨中での風の状
況（風向、風速）から所定空間における乱気流を検出す
る気流検出方法およびレーザレーダ装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザレーダ装置として、例え
ば、図１５に示す、「プラズマと気体のレーザ応用計
測」（村岡克紀・前田三男共著：産業図書）に記載され
たレーザレーダ装置がある。同図に示す装置は、架台１
５０に固定された受信用望遠鏡１１５と信号処理器１０
３を備え、受信用望遠鏡１１５は、レーザ送信器１１
３、コリメータ１１４、光検出器１１６、光フィルタ１
１７を有する。また、信号処理器１０３は、信号処理部
１０３ａ、制御部１０３ｂを有し、この制御部１０３ｂ
に内蔵されるコンピュータ１１８からは、表示器１０４
と記録器１０５に対して所定の出力がなされる。

【０００３】次に、上記従来のレーザレーダ装置の動作
を説明する。図１５に示すレーザレーダ装置のレーザ送
信器１１３は、パルス幅τのレーザ光を、コリメータ１
１４でコリメートして、大気中に送り出し、大気からの
後方散乱光を受信用望遠鏡１１５で受光した後、光検出
器１１６で、その光信号を電気信号に変換する。光の速
度をｃとすると、距離Ｒの点から戻ってきた光のパワー
は、以下のライダ方程式で与えられる。

【０００４】Ｐ（Ｒ）＝ＰｏＫ（ｃτ／２）Ａβ（Ｒ）Ｙ（Ｒ）Ｔｏ（Ｒ）２／Ｒ２ …（１）ここで、Ｐｏは送信パワー、Ｋは受信光学系の効率、Ａ
は望遠鏡の有効面積、β（Ｒ）は微分後方散乱断面積、
Ｙ（Ｒ）は、送信ビームと望遠鏡視野の重なりファク
タ、Ｔｏ（Ｒ）は、片道あたりの透過率である。

【０００５】また、この受信信号は、次の式で表される
風速に応じた周波数のドップラシフトを受ける。 Δｆ＝２Ｖ／λ …（２）ここで、Ｖは風速、λは光（送信レーザ光）の波長であ
る。上記のレーザレーダ装置は、信号処理部１０３ａ
で、この周波数のシフト量を検出し、それを制御部１０
３ｂ内のコンピュータ１１８で解析した後、その結果よ
り得られた風速を表示器１０４に表示する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のレーザレーダ装置には、以下のような問題がある。
すなわち、風を検出するレーザレーダ装置は、トレーサ
としてエアロゾルを用いているため、晴天時の観測には
非常に有効な手段であるが、雨天時には、エアロゾルよ
りも、はるかに粒径の大きい雨滴により散乱を受ける。
そのため、雨滴のエコーに比べて、エアロゾルのエコー
の方がはるかに弱く、その検知が非常に困難となる。

【０００７】一方、航空管制用レーダ装置では、偏波を
切り替える（円偏波にする）ことにより、降雨からのエ
コーをキャンセルする手法を取るが、気象用途では、対
象物（ターゲット）である雨滴もエアロゾルも球形状で
あるため、それらを区別できない。

【０００８】特開平６−３０８２３４号に開示された距
離測定装置においては、降雨を検出する雨滴センサを設
け、この雨滴センサからの降雨情報に基づいて、つま
り、雨量に応じて光パルスの強度、受信機のゲインを制
御して、降雨による測定距離の減少を防ぐよう構成され
ている。他方、風を検出するレーザレーダ装置では、信
号強度の制御だけでは雨滴のエコーが強まるだけで、風
を分離検出することができない。

【０００９】本発明は、上述の課題に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、降雨時においても、雨
滴の影響を受けずに風や特徴的な後方乱気流の運動を捉
える気流検出方法およびレーザレーダ装置を提供するこ
とである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、測定対象空間にレーザ光を照射する工程
と、上記測定対象空間内の雨滴による上記レーザ光の散
乱信号を受信する工程と、上記受信した散乱信号をもと
に、上記雨滴の運動ベクトルを求める第１の演算工程
と、上記雨滴に対して、鉛直下方より上方へ所定波長の
電波を照射する工程と、上記雨滴からの上記電波の反射
波を受信する工程と、上記受信した反射波をもとに、上
記雨滴の鉛直落下速度成分を求める第２の演算工程と、
上記運動ベクトルと鉛直落下速度成分とのベクトル演算
から風速を求める第３の演算工程とを備える気流検出方
法を提供する。

【００１１】好ましくは、上記電波の照射にマイクロ波
レーダを使用する。また、上記マイクロ波レーダは二重
偏波レーダであり、上記第２の演算工程は、この二重偏
波レーダの垂直偏波と水平偏波を切り替えて、上記雨滴
の鉛直落下速度成分を求める。さらに、上記雨滴の鉛直
落下速度成分には、上記二重偏波レーダの偏波切替えに
よって得た雨滴の扁平度に基づく雨滴の粒径、および、
空気抵抗から推定した落下速度の補正がなされている。

【００１２】また、好ましくは、上記電波の照射に音波
レーダを使用する。

【００１３】他の発明によれば、後方乱気流を含む測定
対象空間にレーザ光を照射する工程と、上記測定対象空
間内の雨滴による上記レーザ光の散乱信号のドップラ成
分を検出する工程と、気象ドップラレーダより、上記雨
滴に対して所定波長の電波を照射する工程と、上記電波
の照射によって、上記雨滴に対するドップラデータを得
る工程と、上記ドップラ成分とドップラデータとから、
上記後方乱気流の運動成分を演算する工程とを備え、上
記後方乱気流の運動成分をもとに風速を求める気流検出
方法を提供する。

【００１４】また、他の発明によれば、後方乱気流の発
生空間にレーザ光を照射する第１の照射工程と、上記後
方乱気流の発生空間から所定距離離れた後方乱気流の非
発生空間にレーザ光を照射する第２の照射工程と、上記
後方乱気流の発生空間内の雨滴による上記レーザ光の散
乱信号の第１のドップラ成分を検出する工程と、上記後
方乱気流の非発生空間内の雨滴による上記レーザ光の散
乱信号の第２のドップラ成分を検出する工程と、上記第
１のドップラ成分と第２のドップラ成分とから、上記後
方乱気流の運動成分を演算する工程とを備え、上記後方
乱気流の運動成分をもとに風速を求める気流検出方法を
提供する。

【００１５】他の発明によれば、後方乱気流の発生空間
にレーザ光を照射する第１および第２の照射工程と、上
記後方乱気流の発生空間内の雨滴による上記レーザ光の
第１および第２のドッブラエコーを検出する工程と、上
記第１のドップラエコーと第２のドップラエコーとか
ら、上記後方乱気流の運動成分を演算する工程とを備
え、上記第１のドッブラエコーの検出に係るレーザ送受
信機の距離分解能が、上記第２のドッブラエコーの検出
に係るレーザ送受信機の距離分解能よりも高く設定し
て、上記後方乱気流の運動成分をもとに風速を求める気
流検出方法を提供する。

【００１６】好適には、上記第１のドッブラエコーの検
出に係るレーザ送受信機と、上記第２のドッブラエコー
の検出に係るレーザ送受信機は、上記後方乱気流の発生
空間を間に挟んで物理的に対称な位置に配置されてい
る。

【００１７】また、他の発明によれば、上記の気流検出
方法を使用して風速を求めるレーザレーダ装置を提供す
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に係る実施の形態を説明する。実施の形態１．以下、本発明に係る実施の形態１につい
て説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ
レーダ装置の構成を示すブロック図である。また、図１
３は、本レーザレーダ装置における処理手順を示すフロ
ーチャートである。図１に示すレーザレーダ装置１０
は、対象に向けてレーザビームを照射し、そこからの散
乱信号を受信するレーザ送受信機１（ここでは、単一の
送受光学系を持つ装置としている）、マイクロ波レーダ
装置２、信号処理器３、そして、表示器４を備える。な
お、本装置の動作については、後述する。

【００１９】図２は、雨滴に外部から作用する力（風）
と運動との関係を示す。同図に示すように、雨滴２１
は、重力による落下運動と風の作用を合成した方向（図
中、「雨滴の運動ベクトル」と記された方向）に運動す
る。大気の移動という、大きなスケールでの風の作用に
よる雨滴の運動では、雨滴の風方向の速度成分は、風の
速度と等しいとみなすことができる。従って、レーザレ
ーダ装置によって検出された雨滴の速度、方向より、重
力による鉛直落下速度成分を除去すれば、風の速度、方
向を求めることができる。

【００２０】雨の鉛直落下速度は、夕立のような大粒の
雨では速く、霧雨のような小粒の雨では遅い、というこ
とが知られているように、一定の速度で落下するわけで
はなく、以下のように考えることができる。すなわち、
水蒸気の凝結により成長した雨滴は、重力の影響により
落下運動を始め、次第に加速される。そして、加速され
た雨滴に対しては、空気抵抗により、上向きの抵抗力が
大きくなり、やがて、上向きの力と下向きの力がつりあ
う速度で落下するようになる。

【００２１】粒子の落下が等速になる速度を終端速度と
いい、それは、次の式（ストークスの法則）で表され
る。Ｖ＝２ρＬＩＱｒ２ｇ／９η …（３）ここで、Ｖは終端速度、ρＬＩＱは雨の密度、ｒは雨滴
の半径、ｇは重力の加速度、ηは空気の粘性係数を示
す。上記の式（３）で示されるように、雨滴の落下速度
は、その半径の２乗に比例するが、雨滴の半径およびそ
の他の係数は、その時々の降雨状況により異なるので、
落下速度も一様ではない。そこで、本実施の形態に係る
レーザレーダ装置では、雨の落下速度を、図１のマイク
ロ波レーダ装置２で検出する。

【００２２】図１に示すマイクロ波レーダ装置２は、計
測対象が降雨であるため、一般の大型レーダ装置のよう
に、遠距離の検知能力を必要としない。そこで、マイク
ロ波レーダ装置２そのものは、小電力の装置として実現
できる。

【００２３】本実施の形態では、このマイクロ波レーダ
装置２のビームを鉛直上方に固定して、観測対象空間
（ターゲットボリューム）が、マイクロ波レーダ装置２
の真上に来るよう位置させる。これにより、マイクロ波
レーダ装置２より得られる速度情報は、水平方向の速度
成分を含まないことになる。そこで、風が、図２に示す
ように、雨滴に対して水平方向に吹いているものと仮定
すると、マイクロ波レーダ装置２より得られる速度情報
は、雨の鉛直落下速度を示す、とすることができる。

【００２４】ところが、風は、常に水平方向にのみ吹い
ているわけではなく、一般的には、図３に示すように、
鉛直方向の速度成分を持つ。このため、単純に上記方法
で検出した速度には、誤差が含まれることになる。この
測定誤差を軽減させるために、測定結果の高度分布の分
析（地表に十分近い測定点では、鉛直方向の風速は０に
近い）や平均化処理、または、適当な距離をおいて設置
された複数の降雨速度検出器による測定結果の解析を行
うことにより、その測定精度を向上させることが必要と
なる。

【００２５】そこで、上記の方法で、マイクロ波レーダ
装置２によって検出された降雨速度と、レーザ送受信機
１より得られた受信信号とから、雨の影響を除去した風
の速度情報を求める方法を説明する。

【００２６】雨の影響を除去した風の速度情報を求める
ため、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０の信号
処理器３において、以下の演算処理を行う。

【００２７】今、図３に示すように、レーザ送受信機１
より得られた雨滴の速度（説明の簡略化のため、雨滴の
運動方向は、レーザ送受信機の方向に真っ直ぐ向かって
いるものとする）をＶ１、マイクロ波レーダ装置２よ
り、上述の方法によって得られた雨滴の鉛直落下速度を
Ｖ２、ビームの垂線とのなす角度をθとする。この場
合、図中、点線で示される成分Ｖ１ｃｏｓθは、レーダ
装置２で検出される見かけ上の落下速度成分であるか
ら、風速Ｖｘは、次式によって計算できる。

【００２８】Ｖｘ＝√｛（Ｖ１ｓｉｎθ）２＋（Ｖ１ｃｏｓθ−Ｖ２）２｝＝√（Ｖ１２＋Ｖ２２−２Ｖ１Ｖ２ｃｏｓθ） …（４）

【００２９】本レーザレーダ装置は、このように、レー
ザ送受信機より対象に向けてレーザビームを照射し、そ
こからの散乱信号を受信する（図１３のステップＳ
１）。そして、雨滴の運動ベクトルを求めた後（ステッ
プＳ２）、その鉛直落下速度を検出し（ステップＳ
３）、得られた速度成分をレーザレーダ装置の受信信号
より除去する演算を実行する（ステップＳ４）ことによ
り、雨の影響を除去した風速を得ている。

【００３０】つまり、雨滴が、風の影響による速度成分
と重力の影響による鉛直落下成分を合成した運動をして
おり、雨滴の運動＝風の運動とすることはできないた
め、雨天時の雨滴速度を観測して、雨の影響を除去した
風の速度情報をもとに、風速Ｖｘを求めている。なお、
その結果は、表示器４に可視表示される（ステップＳ
５）。

【００３１】上記の表示器４への表示形態や表現方法に
ついて、ここでは特に限定しない。よって、得られた結
果は、例えば、航空管制官に伝達できる情報文を作成す
るための情報として使用するとともに、得られた生の情
報を、管制官に対して付属的な情報として表示器４に可
視表示するようにしてもよい。

【００３２】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、降雨時には、エアロゾルからの反射エコーよりも雨
滴からの反射エコーがはるかに強いことに着目して、降
雨時に雨滴による散乱エコーを測定し、このときの雨滴
の鉛直落下速度成分をレーザレーダ装置の受信信号より
除去することにより、雨天での風の観測を可能にしてい
る。

【００３３】なお、上記実施の形態１に係るレーザレー
ダ装置では、降雨の鉛直落下速度成分の検出にマイクロ
波レーダ装置を用いているが、これに限定されず、例え
ば、音波レーダ装置を用いてもよい。つまり、音波レー
ダを用いることで、測定範囲に広がりを持たせることが
でき、測定範囲の受信信号の平均化処理を行えるという
効果がある。

【００３４】実施の形態２．以下、本発明の実施の形態
２について説明する。図４は、本実施の形態に係るレー
ザレーダ装置の構成を示すブロック図である。なお、同
図に示すレーザレーダ装置２０において、図１に示す、
上記実施の形態１に係るレーザレーダ装置と同一構成要
素には同一符号を付し、ここでは、それらの説明を省略
する。

【００３５】図４に示すレーザレーダ装置２０では、実
施の形態１に係るマイクロ波レーダ装置２の代わりに二
重偏波レーダ装置５を用いている。この二重偏波レーダ
装置５は、図４に示すように、観測対象空間に対して斜
め下方に配置されており、垂直偏波と水平偏波を切り替
えて測定することによって、降雨のドップラの測定とと
もに、雨滴の扁平度を測定している。

【００３６】雨滴は、一般に完全な球形ではなく、その
粒が受ける空気抵抗のため、上下にひしゃげた形となっ
ている。そこで、その扁平度を知り、それにより雨滴の
粒径、および、空気抵抗から落下速度を推定する。な
お、二重偏波レーダによって、垂直偏波と水平偏波を切
り替えて、雨滴の扁平度や粒径を知ることは、公知の技
術であるため、ここでは、その説明を省略する。

【００３７】このように、本実施の形態では、雨滴の扁
平度を知り、その粒径、および、空気抵抗から落下速度
を推定することで、ドップラ信号による降雨速度の測定
結果を補正し、雨の影響を除去した風の速度情報をもと
に、より正確に風速Ｖｘを求めることができる。

【００３８】実施の形態３．以下、本発明に係る実施の
形態３について説明する。図５は、本実施の形態に係る
レーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。な
お、同図に示すレーザレーダ装置３０において、図１に
示す、上記実施の形態１に係るレーザレーダ装置と同一
構成要素には同一符号を付し、ここでは、それらの説明
を省略する。

【００３９】本実施の形態に係るレーザレーダ装置３０
は、図５に示すように、観測対象空間に対して斜め下方
に配置された空港気象台の気象ドップラレーダ装置６か
らの降雨ドップラ情報を、インタフェース装置７を介し
て、信号処理器３に取り入れている。

【００４０】図６は、航空機の航跡に発生する後方乱気
流の様子を示す図である。同図に示すように、航跡に発
生する後方乱気流は、航空機６１の左右主翼に、それぞ
れ反対方向の渦６２，６３を作る。その渦の大きさは、
航空機の大きさによって異なるが、例えば、ジャンボ・
ジェット機では、直径百数十メートルになり、それが数
分間、存続するとされている。

【００４１】気象用ドップラレーダ装置６は、そのレン
ジ分解能が後方乱気流検出に適していないため、航空機
の航跡付近に対して測定を行っても、後方乱気流を検出
することができない。この後方乱気流の運動は、上記の
レンジ内で平均化されるため、降雨時のドップラデータ
は、後方乱気流の影響を受けない、上空の風の動きによ
るものとなる。

【００４２】なお、ここでは、測定対象空間内の雨滴に
よる、レーザ光の散乱信号のドップラ成分を検出してい
る。このドップラ成分は、大気からの後方散乱をレーザ
受信機が受信し、その受信信号から周波数成分をシフト
した信号である。また、上記のドップラデータは、風に
関する量子化した情報であり、他の装置、例えば、ドッ
プラレーダ装置より通信情報として送られてくるデータ
である。

【００４３】図５に示すレーザレーダ装置のレーザ送受
信機１によって得られる測定ボリュームからのデータ
は、後方乱気流の運動と、上空の大気の流れ（降雨速度
も含む）を合成したものとなっている。このため信号処
理器３は、この合成信号から、気象用ドップラレーダ装
置６によって与えられた上空の大気の流れ成分を、演算
処理により除去することで、後方乱気流の運動成分のみ
を取り出している。

【００４４】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、後方乱気流の運動と、上空の大気の流れが合成され
た測定データから、気象用ドップラレーダ装置によって
与えられた上空の大気の流れ成分を除去することで、後
方乱気流の運動成分のみを取り出し、降雨時においても
特徴的な後方乱気流の運動を捉えることができる。

【００４５】実施の形態４．以下、本発明に係る実施の
形態４について説明する。図７は、本実施の形態に係る
レーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。な
お、同図に示すレーザレーダ装置４０において、図１に
示す、上記実施の形態１に係るレーザレーダ装置と同一
構成要素には同一符号を付し、ここでは、それらの説明
を省略する。

【００４６】図７に示すレーザレーダ装置４０は、後方
乱気流発生空間に直接向けられたレーザ送受信機１
（８）と、この測定対象空間から少し離れた空間（後方
乱気流非発生空間）に向けられたレーザ送受信機２
（９）の２つのレーザ送受信機を有する。これらのレー
ザ送受信機の内、レーザ送受信機１（８）によって、後
方乱気流の運動と、上空の気流の影響を受けた雨滴の運
動の合成運動を測定する。また、後方乱気流非発生空間
に向けられたレーザ送受信機２（９）により、上空の気
流の影響を受けた雨滴の運動のみを測定する。

【００４７】そして、信号処理器３内の演算処理装置
（不図示）において、上記２つのレーザ送受信機より得
られた信号の差分を求め、その結果から後方乱気流の運
動成分のみを取り出す。

【００４８】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、２つのレーザ送受信機によって、後方乱気流発生空
間および後方乱気流非発生空間からの信号を得て、その
差分をもとに後方乱気流の運動成分を取り出すことがで
きる。

【００４９】なお、上記実施の形態４では、２つのレー
ザ送受信機で構成されたレーザレーダ装置の例を示して
いるが、単一のレーザ送受信機のみで、２つのレーザ送
受信機の機能を実現するよう構成してもよい。すなわ
ち、１つのレーザ送受信機で２サイクルのビーム走査を
行い、一方のサイクルで後方乱気流空間に向けた測定を
し、他方のサイクルで後方乱気流非発生空間に対する測
定をすることにより、２つのレーザ送受信機を使用した
場合と同様の効果が得られる。

【００５０】また、単一のレーザ送受信機のみで、２つ
のレーザ送受信機の機能を実現する他の方法として、図
８に示す例がある。つまり、同図に示すように、レーザ
送受信機１からの送信ビームを、ビームスプリッタ８０
で２つに分離し、一方をビーム拡大器８２ａに直接、入
力する。また、他方のビームについては、ミラー８１で
反射後、ビーム拡大器８２ｂへ入力する。

【００５１】このような構成によって、ビーム拡大器８
２ａからはビーム１を、また、ビーム拡大器８２ｂから
はビーム２を、それぞれの測定空間において一定の距離
を持たせながら出力する。そして、それぞれの測定空間
より得られる受信信号の差分を演算し、上記と同様、後
方乱気流の運動成分を取り出すことができる。

【００５２】実施の形態５．以下、本発明に係る実施の
形態５について説明する。図９は、本実施の形態に係る
レーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。な
お、同図に示すレーザレーダ装置５０において、図７に
示す、上記実施の形態４に係るレーザレーダ装置と同一
構成要素には同一符号を付し、ここでは、それらの説明
を省略する。

【００５３】図９に示すレーザレーダ装置５０は、後方
乱気流の運動成分を取り出す装置であり、後方乱気流の
渦の大きさは、直径が百数十ｍ程度とされているため、
ここでは、レーザ送受信機１（８）のレンジ分解能を数
十メートルに設定し、レーザ送受信機２（９）のレンジ
分解能を数百メートルに設定している。

【００５４】航空機の発生する後方乱気流は、限られた
範囲内で渦を巻く運動をするため、風のベクトルと強さ
を、その範囲内で平均すると０になる。上述のように、
レーザ送受信機２（９）は、後方乱気流の大きさに対し
て、十分大きなレンジ分解能で設定されているため、そ
の受信エコーについては、後方乱気流の運動を無視する
ことができ、得られるのは、バックグランドの気流とみ
なすことができる。

【００５５】そこで、レーザ送受信機２（９）からの受
信データと、レーザ送受信機１（８）によって得られ
た、後方乱気流が含まれるデータとを、信号処理器３内
の不図示の演算処理装置で比較処理し、その結果をもと
に、後方乱気流の運動成分のみを取り出す。なお、上記
の受信エコー（ドップラエコー）は、ここでは、レーザ
送信機からレーザを出力し、大気からの後方散乱をレー
ザ受信機が受けた生の信号を指す。

【００５６】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、２つのレーザ送受信機の分解能に差を設け、その一
方については、後方乱気流の大きさに対して、十分大き
なレンジ分解能を設定して、双方より得られた受信デー
タを比較することで、後方乱気流の運動成分のみを取り
出すことができる。

【００５７】なお、上記実施の形態５では、レンジ分解
能の異なる２つのレーザ送受信機を使用した構成例を示
しているが、これに限定されず、例えば、単一のレーザ
送受信機を用いて、２種類の幅を持つ送信パルスを時分
割で送信し、それぞれのエコーを分離、比較処理するこ
とによっても、同様の効果を得ることができる。

【００５８】実施の形態６．以下、本発明に係る実施の
形態６について説明する。図１０は、本実施の形態に係
るレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。な
お、同図に示すレーザレーダ装置６０において、図９に
示す、上記実施の形態５に係るレーザレーダ装置と同一
構成要素には同一符号を付し、ここでは、それらの説明
を省略する。

【００５９】本実施の形態に係るレーザレーダ装置６０
では、図１０に示すように、その測定範囲を挟んで対称
な位置に、レーザ送受信機１（８）とレーザ送受信機２
（９）を配置し、互いのビームの走査角を同期させて、
ターゲットボリュームの測定を行う。具体的には、航空
機２０１の航跡に発生する後方乱気流（それぞれ反対方
向の渦２０２，２０３）の発生している空間に対し、左
右対称な位置にセンサとしてのレーザ送受信機１，２を
配置する。

【００６０】図１４は、本実施の形態に係る装置におけ
る後方乱気流の観測位置と、レーザ送受信機からのビー
ム走査方式を説明するための図である。同図に示すビー
ム走査方式は、航空機２０１の後方乱気流の特徴を最も
捉えやすい縦方向のビーム走査を基本走査とするもの
で、ＳＲＨＩスキャンと呼ばれる。

【００６１】すなわち、図１４の（ａ）は、本ビーム走
査を横方向から見た様子を示しており、レーザ送受信機
９からは、航空機２０１の航跡９０と交わる方向にビー
ムが発せられる。後方乱気流の測定は、所定の測定範
囲、つまり、同図において斜線が付された、航空機２０
１の後方域９５において行われる。また、図１４の
（ｂ）は、このビーム走査を真上方向から見た様子を示
しており、測定範囲である後方域９５は、航跡９０を中
心とした、水平方向に５００ｍの距離を有した範囲内に
ある。

【００６２】図１１，図１２は、本実施の形態における
雨滴の運動方向を説明するための図である。図１１は、
雨滴が水平方向の速度成分を有する場合、また、図１２
は、雨滴が鉛直方向の運動のみを行う場合の、レーザ送
受信機１，２での受信信号の差を示している。

【００６３】図１１に示すように、雨滴が横方向の運動
成分を伴うときは、レーザ送受信機１により検出される
雨滴の速度成分Ｖ１と、レーザ送受信機２によって検出
される雨滴の速度成分Ｖ２は、その大きさが異なる（｜
Ｖ１｜≠｜Ｖ２｜）ため、それぞれのレーザ送受信機の
受信信号も異なる。

【００６４】これに対して、雨滴が鉛直方向にのみ落下
しているときは、図１２に示すように、｜Ｖ１｜＝｜Ｖ
２｜となり、レーザ送受信機１，２の受信信号が等しく
なる。そこで、本実施の形態では、この速度成分の差を
利用して、レーザ送受信機それぞれの受信信号を演算処
理装置により比較、処理することにより、降雨の影響を
軽減させながら、後方乱気流の運動を捉える。

【００６５】このように、本実施の形態では、後方乱気
流の発生している空間に対して左右対称な位置に２つの
レーザ送受信機を配置し、それぞれの受信信号を比較、
処理するよう構成することで、降雨時においても、特徴
的な後方乱気流の運動を捉えることができる。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
受信した散乱信号をもとに雨滴の運動ベクトルを求め、
照射した電波の反射から鉛直落下速度を求めて、これら
運動ベクトルと鉛直落下速度とにベクトル演算を施すこ
とで、雨天での雨滴の影響を受けずに風速の観測が可能
になる。

【００６７】また、上記電波の照射にマイクロ波レーダ
を使用することで、装置の小電力化が可能になる。そし
て、このマイクロ波レーダを二重偏波レーダとし、上記
第２の演算工程が、この二重偏波レーダの垂直偏波と水
平偏波を切り替えて、上記雨滴の鉛直落下速度成分を求
め、さらに、雨滴の鉛直落下速度成分に、二重偏波レー
ダの偏波切替えによって得た雨滴の扁平度に基づく雨滴
の粒径、および、空気抵抗から推定した落下速度の補正
を施すことで、より正確に風速を求めることができる。

【００６８】また、電波の照射に音波レーダを使用する
ことで、測定範囲に広がりを持たせることができ、測定
範囲の受信信号の平均化処理を行える。

【００６９】気象ドップラレーダより雨滴に対して所定
波長の電波を照射して、雨滴に対するドップラデータを
得、レーザ光の散乱信号によるドップラ成分と、このド
ップラデータとから後方乱気流の運動成分を演算するこ
とで、後方乱気流の運動成分をもとに、所望の風速を求
めることができる。

【００７０】他の発明によれば、後方乱気流の発生空間
内の雨滴によるレーザ光の散乱信号の第１のドップラ成
分と、後方乱気流の非発生空間内の雨滴によるレーザ光
の散乱信号の第２のドップラ成分を検出し、これらのド
ップラ成分の比較処理から、降雨時においても特徴的な
後方乱気流の運動を捉えることができる。

【００７１】また、他の発明によれば、第１のドッブラ
エコーの検出に係るレーザ送受信機の距離分解能を、第
２のドッブラエコーの検出に係るレーザ送受信機の距離
分解能よりも高く設定し、後方乱気流の発生空間内の雨
滴によるレーザ光についての、これら第１および第２の
ドッブラエコーより後方乱気流の運動成分を演算するこ
とで、降雨時における特徴的な後方乱気流の運動を捉え
ることができる。

【００７２】そして、第１のドッブラエコーの検出に係
るレーザ送受信機と、第２のドッブラエコーの検出に係
るレーザ送受信機を、後方乱気流の発生空間を間に挟ん
で物理的に対称な位置に配置することで、それぞれの受
信信号を比較、処理でき、降雨時においても、特徴的な
後方乱気流の運動を捉えることができる。

【００７３】また、他の発明によれば、レーザレーダ装
置において、上記の気流検出方法を使用することで、雨
天での風速の観測が可能となるばかりでなく、降雨時に
おいても特徴的な後方乱気流の運動を捉えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザレーダ装
置の構成を示すブロック図である。

【図２】雨滴に外部から作用する力と運動の関係を示
す図である。

【図３】雨滴に外部から作用する力と運動の関係を示
す図である。

【図４】実施の形態２に係るレーザレーダ装置の構成
を示すブロック図である。

【図５】実施の形態３に係るレーザレーダ装置の構成
を示すブロック図である。

【図６】航空機の航跡に発生する後方乱気流の様子を
示す図である。

【図７】実施の形態４に係るレーザレーダ装置の構成
を示すブロック図である。

【図８】単一のレーザ送受信機のみで、実施の形態４
に係る機能を実現する他の構成例を示すブロック図であ
る。

【図９】実施の形態５に係るレーザレーダ装置の構成
を示すブロック図である。

【図１０】実施の形態６に係るレーザレーダ装置の構
成を示すブロック図である。

【図１１】実施の形態６における雨滴の運動方向を説
明するための図である。

【図１２】実施の形態６における雨滴の運動方向を説
明するための図である。

【図１３】実施の形態１に係るレーザレーダ装置にお
ける処理手順を示すフローチャートである。

【図１４】実施の形態６に係る装置における後方乱気
流の観測位置を示す図である。

【図１５】従来のレーザレーダ装置の基本構成を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１，８，９…レーザ送受信機、２…マイクロ波レーダ装
置、３…信号処理器、４…表示器、５…二重偏波レーダ
装置、６…気象ドップラレーダ装置、７…インタフェー
ス装置、１０，２０，３０，４０，５０，６０…レーザ
レーダ装置、２１…雨滴、６１，２０１…航空機、８０
…ビームスプリッタ、８２ａ，８２ｂ…ビーム拡大器、
９０…航跡、９５…測定範囲（後方域）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平10−39022（ＪＰ，Ａ) 特開平１−187479（ＪＰ，Ａ) 特開平４−269685（ＪＰ，Ａ) 特開平10−104255（ＪＰ，Ａ) 特開平６−214024（ＪＰ，Ａ) 特開平３−252586（ＪＰ，Ａ) 特開平11−183615（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01S 7/00 - 17/88 G01W 1/00 - 1/18 G01P 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象空間にレーザ光を照射する工程
と、前記測定対象空間内の雨滴による前記レーザ光の散乱信
号を受信する工程と、前記受信した散乱信号をもとに、前記雨滴の運動ベクト
ルを求める第１の演算工程と、前記雨滴に対して、鉛直下方より上方へ所定波長の電波
を照射する工程と、前記雨滴からの前記電波の反射波を受信する工程と、前記受信した反射波をもとに、前記雨滴の鉛直落下速度
成分を求める第２の演算工程と、前記運動ベクトルと鉛直落下速度成分とのベクトル演算
から風速を求める第３の演算工程とを備えることを特徴
とする気流検出方法。
【請求項２】前記電波の照射にマイクロ波レーダを使
用することを特徴とする請求項１記載の気流検出方法。
【請求項３】前記マイクロ波レーダは二重偏波レーダ
であり、前記第２の演算工程は、この二重偏波レーダの
垂直偏波と水平偏波を切り替えて、前記雨滴の鉛直落下
速度成分を求めることを特徴とする請求項２記載の気流
検出方法。
【請求項４】前記雨滴の鉛直落下速度成分には、前記
二重偏波レーダの偏波切替えによって得た雨滴の扁平度
に基づく雨滴の粒径、および、空気抵抗から推定した落
下速度の補正がなされていることを特徴とする請求項３
記載の気流検出方法。
【請求項５】前記電波の照射に音波レーダを使用する
ことを特徴とする請求項１記載の気流検出方法。
【請求項６】後方乱気流を含む測定対象空間にレーザ
光を照射する工程と、前記測定対象空間内の雨滴による前記レーザ光の散乱信
号のドップラ成分を検出する工程と、気象ドップラレーダより、前記雨滴に対して所定波長の
電波を照射する工程と、前記電波の照射によって、前記雨滴に対するドップラデ
ータを得る工程と、前記ドップラ成分とドップラデータとから、前記後方乱
気流の運動成分を演算する工程とを備え、前記後方乱気流の運動成分をもとに風速を求めることを
特徴とする気流検出方法。
【請求項７】後方乱気流の発生空間にレーザ光を照射
する第１の照射工程と、前記後方乱気流の発生空間から所定距離離れた後方乱気
流の非発生空間にレーザ光を照射する第２の照射工程
と、前記後方乱気流の発生空間内の雨滴による前記レーザ光
の散乱信号の第１のドップラ成分を検出する工程と、前記後方乱気流の非発生空間内の雨滴による前記レーザ
光の散乱信号の第２のドップラ成分を検出する工程と、前記第１のドップラ成分と第２のドップラ成分とから、
前記後方乱気流の運動成分を演算する工程とを備え、前記後方乱気流の運動成分をもとに風速を求めることを
特徴とする気流検出方法。
【請求項８】後方乱気流の発生空間にレーザ光を照射
する第１および第２の照射工程と、前記後方乱気流の発生空間内の雨滴による前記レーザ光
の第１および第２のドッブラエコーを検出する工程と、前記第１のドップラエコーと第２のドップラエコーとか
ら、前記後方乱気流の運動成分を演算する工程とを備
え、前記第１のドッブラエコーの検出に係るレーザ送受信機
の距離分解能が、前記第２のドッブラエコーの検出に係
るレーザ送受信機の距離分解能よりも高く設定して、前
記後方乱気流の運動成分をもとに風速を求めることを特
徴とする気流検出方法。
【請求項９】前記第１のドッブラエコーの検出に係る
レーザ送受信機と、前記第２のドッブラエコーの検出に
係るレーザ送受信機は、前記後方乱気流の発生空間を間
に挟んで物理的に対称な位置に配置されていることを特
徴とする請求項８記載の気流検出方法。
【請求項１０】請求項１乃至９のいずれかに記載の気
流検出方法を使用して風速を求めることを特徴とするレ
ーザレーダ装置。