遠方の気流を測る ドップラーライダーとその関連技術 国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構 航空技術部門 航空技術実証研究開発ユニット 井之口 浜木 1 ドップラーライダーとは？ 晴天 送信光 ドップラーライダー エアロゾル 受信光 散乱光 信号強度 送信光 受信光 移動 レンジビン ノイズフロア 観測レンジ 時間(距離) 最大観測レンジ 航空機に搭載して乱気流検知に利用、事故防止を目指す。 2 これまでの開発 高出力化の結果 レーザ光送信出力 （×100μJ *） 15 従来型の 光ファイバ アンプ 高濃度Er 光ファイバ アンプ 大口径シング ルモード光ファ イバアンプ 高出力ウェーブ ガイド光アンプ 1350μJ 12 1NMモデル 3NMモデル 5NMモデル 高高度5NMモデル 受信強度増加 * 欠測低減 観測距離増大 9 高高度で利用可能 6 B -65 Do-228 B -65 G -Ⅱ 重量増大 3 4.5μJ * 58μJ * 179μJ * 250μJ * * 1 pulseあたりの エネルギー 0 2001 年度 2006 年度 2007 年度 2008 年度 2011 年度 排熱増大 消費電力増大 3 運用イメージ 4 実用化に向けて ドップラーライダーを利用した乱気流検知装置 小型軽量・省電力化 ①観測ノイズ低減 光学式遠隔気流計測装置 耐久性、耐環境性向上 ②警報表示 遠隔気流の警報表示方法 及びそのシステム 利用性・整備性向上 ④機能追加・派生技術 航空機搭載用 大気浮遊物質検知装置 実用化 新しい装置なので、 周辺技術が未開発 ③検査機器 航空機搭載レーザ 装置用レーザ光反射 方法および装置 ⑤技術転用 航空機用水面及び 地面観測装置 5 ①観測ノイズ低減 ソフトウェアにより観測データのノイズ除去 フィルタリング処理あり フィルタリング処理なし 風速 (m/s) レンジ (km) 6 4 2 0 0 20 40 60 80 100 時間 (s) 0 20 40 60 80 100 時間 (s) ・現象の連続性に注目し、信号の検知確率を向上 ・複数の計測値に基づき欠測領域を生成 6 従来技術とその問題点 ・気流観測用ドップラーライダーは観測距離が短い。 ・遠方の観測領域は検知確率が低く欠測が多い。 ・観測距離を広げるには、送信出力を増大する必要があり、 航空機への搭載性低下に直結する。 新技術の特徴 ・搭載性を低下させずに観測性能向上を達成できる。 ・ドップラーライダーのハードウェア改修は不要である。 想定される用途 ・航空機搭載乱気流検知装置の観測性能向上 ・地上装置でも本技術の一部を利用可能 7 実用化に向けた課題 ・実験用ソフトウェアは開発済み。 ・信頼性の評価方法の確立が必要である。 ・JIS Q 9100に基づく品質管理が必要である。 企業への期待 ・ソフトウエア開発の品質管理体制が整った企業が適している。 本技術に関する知的財産権 • • • • 発明の名称 登録番号 出願人 発明者 ：光学式遠隔気流計測装置 ：第5376440号 ：宇宙航空研究開発機構 ：井之口浜木、大林茂、三坂孝志、 ファビオ ナカバヤシ 8 ②警報表示 気象予報データ領域 危険程度を色別で表示 30 レンジ [NM] 先行機からの情報 20 3 2 危険性に応じて 拡大表示 10 0 ライダー高分解能計測領域 ライダー低分解能計測領域 パイロットが常時ライダー画面を注視することはワークロード の増大につながる。このため、ライダーデータを気象予報デー タ又は気象レーダ画面に重畳させ、実用性を向上させる。 9 従来技術とその問題点 ・ドップラーライダーは観測距離が短い。 ・パイロットに警報しても、対応時間は限られる。 ・観測距離を気象レーダ並みに広げることは、現状の技術では 困難。 新技術の特徴 ・パイロットは危険性の高い領域を飛行する場合に、ライダー 画面を注視すればよい。 ・ドップラーライダーのハードウェア改修は不要である。 想定される用途 ・航空機搭載乱気流検知装置による警報表示の実用性向上 10 実用化に向けた課題 ・パイロットを含めた評価試験が必要である。 ・JIS Q 9100に基づく品質管理が必要である。 企業への期待 ・ソフトウエア開発の品質管理体制が整った企業が適している。 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称 • 登録番号 • 出願人 • 発明者 ：遠隔気流の警報表示方法 及びそのシステム ：第5618313号 ：宇宙航空研究開発機構 ：井之口浜木 11 ③検査機器 A 支持環押さえ ガイドスコープ 9 12 支持環固定ネジ 8 5 レーザポインタ 7 仰角分度器 1 反射鏡 10 6 方位分度器 支持環 6 支持環 4 仰角固定ネジ 1 3 反射鏡 A部詳細図 水準器 11 昇降クランク 2 三脚 レーザ放射口 試作品 12 従来技術とその問題点 ・ドップラーライダーでは、強力な不可視レーザ光を用いる。 ・レーザ光の指向方向は、障害物の有無や安全上重要である。 ・航空機に搭載した状態でのレーザ放射は、困難であった。 新技術の特徴 ・レーザ放射を伴う地上での確認試験の安全性が向上する。 ・搭載状態で地上での遠隔気流観測が可能となる。 想定される用途 ・航空機搭載乱気流検知装置の地上試験・検査機材 ・外部に不可視レーザ光を放射するレーザ機器の試験・検査用 に転用可能 13 実用化に向けた課題 ・試作済みであり、実用化に特段の課題はないと思われる。 ・使いやすさの向上は、まだ改良の余地がある。 企業への期待 ・機構の設計および加工技術が優れている企業が適している。 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称 • • • • 公開番号 米国特許 出願人 発明者 ：航空機搭載レーザ装置用 レーザ光反射方法および装置 ：特開2013-７８９７８ ：US 8,956,022 B2 ：宇宙航空研究開発機構 ：井之口浜木 14 ④機能追加・派生技術 氷晶や火山灰は航空機の運航にとって脅威 であり、事故や運航制限の原因となっている。 火山灰を吸い込むとジェットエンジンが停止。念のため運航停止。 氷晶の中を飛行すると着氷。飛行性能低下。 目に見えなくても、 レーダに映らなくて も危険 火山灰は成層圏下部に滞留 旅客機が巡航する高度 高濃度の高度を回避 積乱雲の上部には氷晶があるが レーダには映らない 飛行中に前方の脅威物質を特定して運航安全に寄与 15 Y 送信光の 偏光方向 ・受信部を２式とする。 ・偏光解消度から物質を推定。 X 送信方向 Z 送信光 （レーザ光） Y 受信光の 偏光方向 R Ry Rx 大気浮遊物質 （氷晶、火山灰 など） 受信光 （散乱光） X エアロゾルよりも散乱光強度が大きい 送信方向 Z 遠距離で検知できる 小出力で検知できる 乱気流検知装置への機能追加：１台で多くの脅威への対応可。 単独での実用化：スペクトル解析不要。小型簡易装置が可能。 16 従来技術とその問題点 ・航空機の運航に対する脅威は乱気流だけではない。 ・氷晶中を飛行して着氷により操縦不能となることがある。 ・火山灰によるエンジン全発停止が問題となっている。 ・運航制限が広範囲となり、利便性や経済性への影響が大きい。 新技術の特徴 ・飛行中に遠方の氷晶や火山灰がリアルタイムで検知できる。 ・上下を観測し、安全高度の選択に利用できる。 ・火山灰の流入量が推定できれば、エンジンの点検間隔を決定 するための基本情報として使える。 想定される用途 ・航空機搭載乱気流検知装置の有用性向上 ・可搬型の観測機材に転用可能 17 実用化に向けた課題 ・地上装置試作による基礎研究が必要である。 ・飛行試験による検知性能の評価が必要（JAXA担当可能）。 企業への期待 ・航空機搭載用は実用化まで年月がかかるため、地道な基礎 研究を継続できる企業との共同研究を希望。 本技術に関する知的財産権 • • • • • 発明の名称 公開番号 米国特許 出願人 発明者 ：航空機搭載用大気浮遊物質検知装置 ：特開2012-145531 ：US 8,724,099 B2 ：宇宙航空研究開発機構／東北工業大学 ：淺原隆、井之口浜木、浅井和弘 18 ⑤技術転用 航空機１ 送信機３ 受信機４ 航空機の慣性速度 Ｖ α レーザ光 θ 鉛直線 波の伝搬速度 Ｗ 乱反射 水面 ・大気中のエアロゾルに対して散乱が強いので低出力で可 ・地上装置試作による基礎研究が必要 19 従来技術とその問題点 ・水上航空機では、着水できる波高が定められているが、上空 から波の状態を把握することは困難。現状では目視で確認。 新技術の特徴 ・上空から波高や波の向きを観測することができる。 ・乱気流検知装置ではエアロゾル粒子からの散乱光を受信する ため、高出力レーザが必要だが、水面からの散乱であれば、小 規模な装置で実用化が可能。 想定される用途 ・水上航空機の安全性向上 ・上空からの津波の観測（有人機、無人機） ・上空からの海流の観測（有人機、無人機） 20 実用化に向けた課題 ・地上装置試作による基礎研究が必要である。 ・飛行試験による観測性能の評価が必要（JAXA担当可能）。 企業への期待 ・試作・改良を繰り返すことができる企業との共同研究を希望。 本技術に関する知的財産権 • • • • 発明の名称 登録番号 出願人 発明者 ：航空機用水面及び地面観測装置 ：第5093451号 ：宇宙航空研究開発機構 ：井之口浜木 21 産学連携の経歴 • • • • 2004年-2008年 2006年2010年-2011年 2010年- 三菱電機と共同研究実施 東北大学と共同研究実施 東京大学と共同研究実施 米国ボーイング社と共同研究実施 22 お問い合わせ先 宇宙航空研究開発機構 新事業促進部 新事業課 e-mail [email protected] 23
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