JPH0339655A - 周囲流体に対する航行体の相対速度を表わす信号を航行体上で得る装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は周囲流体に対する航行体の相対速度を表わす信
号を航行体上で得る装置に関するものである。

〔従来の技術〕

例えば飛行機やミサイル、及び船等の航行体を操作する
ためには周囲流体に対する相対速度の知識が必要である
。以下飛行機を例にとって説明するが、流体の型を除い
て航行体が飛ぼうが、陸上、水上、又は水中を動こうが
以下の説明は有効である。

飛行機においては４個のプローブから得られる信号から
上記相対速度を決定することが知られている。

・・・静圧プローブは、部分的な真空や過大な圧力が発
生しない位置にエアフローの流れに平行に置かれる。

・・・全圧プローブは、一般に飛行機の前面に、飛行機
の縦軸に垂直に置かれる。

・・・傾斜計のプローブ、例えば風向計は各々迎角と飛
行機の横すべり角を与える。この迎角は、風に対する相
対速度ベクトルが飛行機の翼弦線すなわち飛行機の対称
面に平行な垂直断面内における翼の前縁と後縁とを結ぶ
直線となす角度である。

この迎角の情報は極めて重要なものであり、失速の危険
を防止することを可能にする。横すべり角は風に対する
相対速度ベクトルが飛行機の縦軸となす角である。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの４個のプローブは飛行機の外壁上に多くの凸起
物となるため、種々の問題を引起す。悪天候においては
機械的な強度の問題が生じるとともに、操縦性とりわけ
あられの降る天候における操縦性に問題が生じる。又、
上記プローブは飛行機をレーダによって発見しやす＜シ
、このことは軍用飛行機においては問題となる。又圧カ
ブローブによって測定される測定値は迎角の関数として
修正する必要がある。更に上記プローブは乱流を生じさ
せる。

本発明は上記障害を除去するか又は少なくとも上記障害
を軽減することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

この目的はクローズドスペースにおいてはエアフローを
測定したり、フリースペースにおいては特殊な条件の測
定に用いられるフリンジレーザ風速計を用いて測定する
装置によって達成することができる。

本発明による周囲流体に対する航行体の相対速度を航行
体上で得る装置は、 各々が測定軸を有する測定ゾーンを生ずるｎ個のフリン
ジレーザ風速計を有し、各風速計はレーザダイオードか
らなる放射源を有する光学系と、前記レーザダイオード
の放射周波数に通過帯域の中心がある光学フィルタと、
光検出器と、測定ゾーンとを有しており、前記フィルタ
は測定ゾーンと光検出器の間に設けられ、前記ｎ個の風
速計の光検出器は前記ｎ個の風速計に対するｎ個の測定
軸のうち少なくとも２つの分離された方向に対する信号
を与えることを特徴とする。

〔実施例〕

第１図は本発明によるレーザダイオード風速計の構成を
示す図である。このレーザダイオード風速計は、パワー
レーザダイオード１からなる発光源と、コリメータレン
ズ２と、ハーフミラ−を有する光ビーム分離器３と、エ
ミッションレンズ４と、レシービングレンズ５と、干渉
フィルタ６と、絞り７と、光検出器８とを備えている。

この風速計はセントルイス（仏国）の仏−独研究所によ
って開発されたものであるが、要素６及び７を付加する
ことによって修正されている。

第１図に示す風速計の作用は以下の通りである。

レーザダイオード１は単色放射線を放射する。

この放射からコリメータレンズ２はビーム分離器３の入
力に向うビームを形成する。ビーム分離器は入力された
ビームを２つのビームＡ、Ｂに分離し、エミッションレ
ンズ４に送る。このエミッションレンズは上記２つのビ
ームＡ、Ｂを測定ゾーンと呼ばれる領域Ｍに向って収束
させ、この測定ゾ′−ンで干渉縞を生じさせる。ゾーン
Ｍのほぼ中心とダイオードを通る垂直平面内におけるこ
のゾーンの上記干渉縞を拡大したものを第３図に示す。

このゾーンはビームＡとＢに与えられる横方向寸法の関
数、及びビームＡとＢの交差角Ｑの関数として変化し、
数百ミクロンの長さと、数十ミクロンの厚さと幅を有し
ている。ゾーンＭにおいて発生する明暗の縞は２つのビ
ームを２分する平面に平行である。２つの連続した縞の
中心間距離Ｓはダイオード１の放射線の波長を２・ｓｉ
ｎ　Ｑ／２で割った値に等しい。エアフローによってゾ
ーンＭに選ばれるダスト粒子は光を散乱させ、干渉縞の
ためにその光の強さが周波数ｆで周期的に変化する。

この周波数ｆはダスト粒子の速度Ｖに比例し、又より詳
細に言えば、干渉縞の面に垂直なＸＸ方向の速度Ｖの成
分Ｕの線形関数である。このＸＸ方向は風速計の測定軸
と呼ばれる軸を構成する。速度成分Ｕ１周波数ｆｆ及び
干渉縞の中心間距離Ｓの関係は次のように表される。

Ｕ−ｆ　　Ｓ　　（但し符号は除く） ゾーンＭを通過した粒子によって散乱された光の一部は
引続きエミッションレンズ４及びレシービングレンズ５
を貫通し、干渉フィルタ６及び絞り７を介して光検出器
８に向って収束する。強さが変調されたこの光は光検出
器８によって電気信号に変換される。そしてこの電気信
号の変調周波数を測定することにより、速度ベクトルの
成分Ｕの値を決定することが可能となる。

干渉フィルタ６はダイオード１の放出線の周波数を中心
周波数とする狭帯域の光学フィルタである。この干渉フ
ィルタ６の役割は、光検出器８に供給される光からダイ
オード１によって発生される光以外の全ての光、特に日
光を除去することにある。もしこの干渉フィルタ６がな
いと、光検出器８は容易に飽和し、測定が不能となる。

第４図乃至第７図に記載された本発明によるレーザダイ
オード風速計装置は放射線の波長が０．８２ミクロンの
レーザダイ、オードを使用しているが、開発中の波長が
１．４ミクロンと１．９ミクロンのレーザダイオードを
使用することが可能である。このようなダイオードを使
用する利点は放射線が太陽スペクトラムのホールに位置
していることであり、このためフィルタ６の帯域が上記
ホール全体に位置し、フィルタ６と光検出器８を結合し
て日光の影響を受けなくすることが可能となる。又、ダ
イオード１の放射線の周波数がより安定となるようにフ
ィルタ６の帯域を更に狭く選定することが可能である。

かようにしてダイオード１の温度特性における安定化は
±１ナノメータの非常に狭い帯域のフィルタ、すなわち
迷光に対して非常に効果的なフィルタの使用を可能とす
る。

絞り７は光検出器８によって受ける光から、測定ゾーン
から生じない放射光を除去する役割を有している。とい
うのはそれらは風速計の光軸Ｚｚに対してオフセットさ
れているからである。

第２図は、測定ゾーンＭを超えた光軸Ｚｚの点から第１
図に示す風速計を見た図である。この図において、測定
軸Ｘｘ１測定ゾーンＭ、エミッションレンズ４とレシー
ビングレンズ５の円周、及び光ビームＡとＢのみが示さ
れている。そして、レシービングレンズ５の両側を通っ
てエミッションレンズ４に到達した光ビーム分離器はエ
ミッションレンズ４によって測定ゾーンＭに向って収束
させられている。

第３図から分かるように、第１図及び第２図に示す風速
計は相対速度ベクトルの軸ＸＸ方向の成分を決定するこ
とを可能にする。飛行機を操縦する場合、飛行機の縦軸
を通る垂直面内の相対速度ベクトルの成分が必要である
。飛行機に関して、相対速度ベクトルは飛行機の製作者
によって先見的に与えられるコーン内に位置している。

したがって、飛行機の垂直縦平面内に測定軸が正しく置
かれた２台の風速計を用いれば、これらの２つの軸上へ
の速度ベクトルの投影によって上記平面内、の速度ベク
トルの成分を決定することが可能となる。この配置は速
度ベクトルが２つの軸に対して同一の角度を成すように
置かれるべきであり、これにより測定軸への投影によっ
て符号を除いてその大きさを知ることができ速度ベクト
ルの決定に関して何等あいまいなことは生じない。相対
速度ベクトルの最大変位は飛行状態において一般に９０
度を越えないため、２つの測定軸を飛行機の縦軸の両側
に４５度傾いて置くことができる。

速度ベクトルの測定は風速計によって与えられる値を平
均にすることによって得られるので、同一の粒子に関し
て上記２つの投影を決定することはない。それ故、同一
のエアフロー内に２つの風速計を置いている間に２つの
風速計の測定ゾーンを分離することは可能である。この
ような例を第４図に示す。第４図は第１図及び第２図に
示した風速計と同一の２台の風速計を第２図と同様にし
て見た図であり、これらの２台の風速計の各要素の符号
は第２図に示す対応する要素の符号に各々１及び２を付
加したものである。第４図に示す２台の風速計は第１図
に示す軸ｚｚに対応する軸に関して一４５度及び＋４５
度なすように配置されている。前にも述べたように相対
速度ベクトルの最大変位を考慮すると、傾き角として上
述の角と異なった角を選択しても良いことが理解される
。

相対速度を決定する他の方法は、第１図及び第２図に示
す１台の風速計を用いて、軸Ｚｚのまわりにビーム分離
器３を回転させるか振動させることによっても可能であ
る。相対速度のために得られる最大値は、測定軸ＸＸに
平行な軌跡を有する粒子に対応し、最小値は軸ｘＸにほ
とんど垂直な軌跡を有する粒子に対応する。この場合の
具体例を第５図に啄す。

第５図に示す装置は第１図及び第２図に示す装置に、モ
ータ３１によって駆動される回転板３０と、この回転板
に結合される角度センサ３２−とを付加したものである
。この角度センサ３２は光検出器８によって与えられる
信号を処理することを可能にする相基準信号を与えるも
のである。上記回転板はビーム分離器３を支持し、軸ｚ
Ｚのまわりに回転するようにビーム分離器を駆動する。

モータが分離器を振動させるように駆動する場合、振動
は時計の振子のように漸進運動させても良いし、２端点
で予め決められた時間の停止を生じさせても良い。後者
の場合、測定は上記停止期間中のみに行われる。完全な
回転や時計の振子のような漸進振動の場合、測定は運動
中に行われる。

飛行機の空気に対する相対速度を表す信号を飛行機内で
得る他の装置を第６図及び第７図に示す。

この装置は第１図及び第２図に示す風速計とは異なり、
４個の出力ビームＡ、Ｂ、Ａ’　、Ｂ’を有するビーム
分離器３′と、２個の測定ゾーンＭ。

Ｍ′と、２個の絞り７．７′と、２個の光検出器８．８
′とを有している複式風速計である。第７図においては
、４個のビームが分離器３の出力平面内に示されており
、一対のビームＡ’　Ｂ’　はもう一対のビームＡＢに
対して９０度だけオフセットされている。そして一対の
ビームＡ’　Ｂ’　の中心はもう一対のビームＡＢの中
心に対して下方に片寄っており、このことがビームＡＢ
とＡ’　Ｂ’に各々対応する測定ゾーンＭとＭ′を区別
するとともに、これらの測定ゾーンから生ずる光を干渉
させることなく隣接する２つの光検出器上に集める。ビ
ームＡ’　Ｂ’の位置とビームＡＢとの位置とが９０度
だけ異なっていることを考慮すると、第６図には示され
ていないが第１図の軸ＸＸに対応する測定軸はゾーンＭ
に関しては第１図に示すように垂直であり、又ゾーンＭ
′に関しては図の平面に対して垂直である。第６図及び
第７図に示す装置は２つの測定軸が９０度を成している
。相対速度ベクトルの最大変位が９０度よりも小さい場
合は、他の装置が更にそうであるように飛行機の縦軸が
上記測定軸間の角度の２等分線に平行である条件の下で
、測定軸間の角度は上記最大変位値まで減少させること
ができる。第６図で分離されている光検出器８，８′は
同一のサポートによって支えられている。

本発明は上記具体例に限定されるものではなく、速度ベ
クトルの座標が平面内になく、空間内にある場合にも適
用することができる。この場合は測定軸が静止している
少なくとも３台の風速計と、測定軸が回転又は振動する
少なくとも２台の風速計とが必要である。３個の静止し
ている測定軸の場合の装置は例えば、お互に類似してい
る測定ゾーンを有している第１図乃至第２図に示されて
いる風速計に結合される第４図又は第６図乃至第７図に
示す装置から成っており、これらの２つのユニットは例
えば９０度の角度を威している。又、例えば第１図乃至
第２図に示す風速計と第５図に示す装置とを９０度の角
度を成すように結合し、お互いに類似した測定ゾーンを
有するようにしても良い。

更に、本発明による装置の構成要素は上述の装置の構成
要素と異なるようにできる。したがってビーム分離器又
は分離器は、上記具体例においてはミラーから作られて
いるが光学ファイバを用いることもできる。

又、絞りや、エミッションレンズとリシービングレンズ
との間に設けられる光フィルタを使用しないことも可能
である。

光検出器の出力信号を処理する電気回路を結合すること
により本発明の装置は航行体上で航行体の相対速度を測
定する装置となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置に用いられる風速計を示す図
、第２図は第１図に示す装置の側面図、第３図は第１図
及び第２図に示す風速計の測定ゾーンを示す図、第４図
乃至第６図は各々本発明による装置の他の実施例を示す
図、第７図は第６図に示す他の実施例における光路の位
置を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、各々が測定軸を有する測定ゾーンを生ずるｎ個のフ
   リンジレーザ風速計を有し、各風速計はレーザダイオー
   ドからなる放射源を有する光学系と、前記レーザダイオ
   ードの放射周波数に通過帯域の中心がある光学フィルタ
   と、光検出器と、測定ゾーンとを有しており、前記フィ
   ルタは測定ゾーンと光検出器の間に設けられ、前記ｎ個
   の風速計の光検出器は前記ｎ個の風速計に対するｎ個の
   測定軸のうち少なくとも２つの分離された方向に対する
   信号を与えることを特徴とする周囲流体に対する航行体
   の相対速度を表わす信号を航行体上で得る装置。 ２、前記フリンジレーザ風速計の個数ｎは２であって各
   々の測定ゾーンが近接して２個の測定軸がある角度を成
   すことを特徴とする請求項１記載の装置。 ３、測定ゾーン自身が回転できるように回転支持部上に
   載置されたビーム分離器を有する風速計を備えているこ
   とを特徴とする請求項１記載の装置。 ４、前記回転支持部は前記分離器を連続回転運動するよ
   うに駆動することを特徴とする請求項３記載の装置。 ５、前記回転支持部は前記分離器を振動運動させるよう
   に駆動することを特徴とする請求項３記載の装置。 ６、前記分離器の振動運動は振子のような運動であるこ
   とを特徴とする請求項５記載の装置。 ７、前記振動運動は２端点間を急いで運動し、２端点で
   所定時間停止することを特徴とする請求項５記載の装置
   。 ８、前記風速計の個数ｎがｎ≧２であって、このうち２
   個の風速計は共通のダイオードレーザを有する２連の風
   速計を形成して４個のビームを出力するビーム分離器と
   、２個の光検出器を有していることを特徴とする請求項
   １記載の装置。 ９、前記風速計は測定ゾーンと光検出器との間の光路に
   置かれる絞りを有していることを特徴とする請求項１乃
   至８のいずれかに記載の装置。