JPH05507148A - 雲の中の過冷却液体水を含む領域の存在を検出する装置及び方法 - 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】 航空機の着氷危険検出 への　−− アメリカ合衆国は、政治目的のために、ここに請求される発明を製品化及び使用 するための非専用、使用料免除実施許諾（ｎｏｎ−ｅｘｅｌｕｓｉｖｅ＋　ｒｏ ｙａｌｔｙ−ｆｒｅｅ　１ｉｃｅｎｓｅ）をこれによって許可される。

慶ｌ この発明は、主翼及び尾翼表面のような航空機の露出表面に着氷を誘発しそうな 大気状態の検出に関する。より詳細には、本発明は、航空機内の前方監視二重周 波数レーダシステムを使用して、これらの着氷状態を引き起こしそうな過冷却液 体水（ｓｕｐｅｒ−ｃｏｏｌｅｄ　ｌｔｑｕｉｄｗａ　ｔｅｒ）を検出し、それ によって、これらの潜在的に危険な状態を避ける機会を航空機のパイロットに提 供する、方法及び装置に関する。

２」迎１１ 過冷却液体水（ＳＬＷ）の小滴は、水蒸気が、摂氏Ｏ°から摂氏マイナス４０° の温度にて飽和レベルまでふえ、雲凝結核に凝結するとき、雲の中に形成される 。ＳＬＷ小滴は、更なる凝結によって、及び、他の小滴との衝突によって成長し 、１００マイクロメートル以上の大きさまで合体し、その点で該小滴は降水とし て落下し始める。それ故、時間を越えて、小滴サイズのスペクトルは、いろいろ な大きさの多くの小滴ができるまで増大する。ＳＬＷ小滴は、最後には、気相（ 気化する）又は固（氷）相（氷結する）に変化し、または凝結して雨になるのに 充分な大きさまで成長する。ＳＬＷ小滴は、一時的な相であり、どこでも１分以 下から数時間持続する。

ＳＬＷ小滴は、雲の中の特定の容積測定（ｖｏｌｕ■ｅｔｒｉｃ）のゾーン又は 領域において形成される。ＳＬＷ小滴の該領域は、実質的にＳＬＷ小滴のみ含む かもしれないが、または、より典型的な場合にはまたＳＬＷ小滴の全体にわたっ て分布しかつＳＬＷ小滴と混合した氷晶を含むかもしれない、係る状態において は、ＳＬＷ小滴及び氷晶の領域は、混合相領域（ｍｉｘｅｄ　ｐｈａｓｅ　ｒｅ ｇｉｏｎ）と呼ばれる。

氷晶は、液体小滴はど、大気中でただちにかつ豊富に核形成されない、それ故、 厳寒温度を除く全ての温度で、ＳＬＷ小滴は氷晶の前に形成される。氷晶は、い くつかのメカニズムによって核形成され、氷晶が核形成される速度は、氷核濃度 （ｉｃｅ　ｎｕｃｌｅｉ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｔｏｎ）、温度、水小滴大きさ 分布及び湿度の複雑な関数である。

混合相領域においては、氷晶の存在は、ＳＬＷ小滴の濃度を減少せしめる傾向が ある０時には、上昇気流内の凝結によるＳＬＷ小滴の作成の速度と、成長する氷 晶によるＳＬＷ小滴の減少の速度と、の間にほぼ正確なバランスが達成される。

係る状態においては、混合相領域の５ＬＷＯ量は、はとんど一定のままである。

他の状態においては、凝結速度は、氷晶の近接（ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ）によって 引き起こされるＳＬＷ小滴の減少速度に追随せず、該領域は、混合相領域から氷 晶のみ含むものへと変化する傾向がある。さらにまた、氷粒子の存在によるＳＬ Ｗ小滴の減少があまり大きくなければ、該領域のＳＬＷの量は、雲の上昇気流か らの更なる凝結によって増加可能であり、例えば、混合相領域が、主にＳＬＷ小 滴であるかまたはＳＬＷ小滴のみである領域へと変化するように誘発する。

航空機の飛行経路に充分な量のＳＬＷ小滴があると、その飛行の遂行に不利な衝 撃を与える可能性がある。ＳＬＷ小滴は、気流にさらされかつある点で保護され ていない、航空機の全構成要素と接触する氷に変わる。主翼の前縁上の氷の被覆 は、揚力（ｌｉｆｔ）の量を減少させ、抗力（ｄｒａｇ）の量を増大させるもの であり、また、該被覆が実質的に充分であれば、航空機を墜落させることさえす るかもしれない、統計は、航空機着氷事件の重大さを暗示している。平均６０Å 以上の市民の止金が、着氷に関係する航空機事故により毎年失われているようで ある。１９７８年から１９８３年にがけての５年半の間に、２８０件の着氷関連 航空機事故が発生し、３６４人の死者と１６１人の負傷者を出している。

現行の気象警報レーダは、主として、測定可能な反射を引き起こすのに充分な大 きさの粒子によって反射されたリターン又はエコー信号を解析する結果として、 雲の中の、凝結して雨となる大きさの粒子を検出する。一般的に、これらの気象 レーダは、しばしば直径数十マイクロメートルにすぎない液体小滴を検出するの に充分な悪魔を有してはいない０反射される信号は、粒子サイズの結果として発 生するので、係る気象警報システムは、水小滴と氷粒子との間を区別することが できない、たとえ現行の気象レーダシステムが液体小滴と氷晶との間を区別する のに充分な悪魔をもつとしても、液体小滴から反射される信号は、混合相の雲に おける氷晶の存在によって隠されてしまうだろう、さらに、これらの気象警報シ ステムが地上に置かれていれば、液体水小滴の温度を決定することは、困難かあ るいは不可能である。現行の航空気象警報システムは、地上に置かれる気象警報 システムと同じ欠点に陥りやすい、要するに、現行の気象警報レーダシステムは 、ＳＬＷの危険量を用いて雲を区別することができず、すなわち、液体水の領域 が過冷却かどうか決定できない。

気象及び大気の報告は、パイロットが航行にて使用するのに有用であるが、しば しば、これらの気象報告は、時代遅れが、あるいは不正確である。ＳＬＷ小滴の 領域の状態及び大きさが上述のように変化する速度と、気象警報システムがＳＬ Ｗ小滴の領域を検出できないということと、ＳＬＷ小滴の領域の場所的性質（ｌ ｏｃａｌｉｚｅｄ　ｎａｔｕｒｅ）と、及び、大気状態の変化をそれらが変化す るのと同じ速さでパイロットに伝達することができないという実際的限定とは、 航空機パイロットにとって利用可能な現在の気象情報が、危険な着氷状態を避け る上でほとんど価値がない、ということを現実に理解することに至る。雲の中の それらＳＬＷの領域を指示して航空機のコースを遅れずに転換せしめ、かつ、Ｓ ＬＷの領域の存在による航空機着氷の危険を生み出しうる状態を検出する一方、 航空機に何も悪い様子を示さない他の状態を見分けるような、パイロットにとっ て有用な警報システムは、現在のところ存在しない。

本発明が展開したものは、この簡単に要約された背景情報及び他の情報に関して である。

生豆ｆｆ１ 本発明の航空機着氷危険検出システムは、混合相雲頚域（ｍｉｘｅｄｐｈａｓｅ 　ｃｌｏｕｄ　ｒｅｇｉｏｎ）においてさえも、雲の中にＳＬＷ小滴を含む領域 を、氷晶を含む領域から識別する情報を提供する能力を現す。

ＳＬＷを含む領域の大きさ及び場所についての情報が、航空機パイロットに与え られ、ＳＬＷの領域を避けるための可能な湿縦に関しての決定をするのに使用さ れる。

本発明の着氷危険検出システムの主要な１！様によれば、航空機前方監視二重周 波数レーダシステムが、航空機によって運ばれ、その飛行経路において航空機の 前方にあるＳＬＷ小滴の領域の大きさ及び場所を検出しかつ知らせるために使用 される。一つの周波数すなわちより高い周波数のレーダ信号又はビームが、液体 水小滴を含む領域を通しての伝搬によってより減衰せしめられる一方、他の周波 数すなわちより低い周波数のレーダ信号又はビームは、液体水小滴を含む領域の 通過によってはそれほど減衰しない。この２つのレーダ信号に対する氷晶の影響 は比較的無視できるものであり、そのため、液体水小滴の領域は氷晶から識別さ れうるものとなる。

減衰の相対差は、液体水小滴の領域を伝搬しかつそれから反射する２つの信号の 個々の強さを感知することから決定される。該２つの反射信号の減衰におけるこ の相対差は、航空機の飛行経路における液体水の存在を決定するのに使用される 。また、航空機の周囲の大気温度が、機上温度センサを用いて決定される。周囲 大気温度は、レーダビームの有効範囲内の同一高度にある、航空機前方の雲の温 度にほぼ等しいので、該周囲温度測定値は、航空機前方の被検出液体水の領域が ＳＬＷであるかどうかを決定するために使用される。

結果としての減衰差の範囲導関数（ｒａｎｇｅ　ｄｅｒｉｖａｔｉνｅ）が計算 される。範囲導関数は、航空機前方の領域のＳＬＷの量に比例する。範囲導関数 から、液体水の量が、着氷という見地から非常に重要となるその量を定義する所 定のしきい値より大きいかどうか、についての決定がなされる。被検出液体水の 量が所定のしきい値を越え、かつ、期待大気温度が摂氏Ｏ°以下であるとき、航 空機の飛行経路において危険な着氷状態の可能性を引き起こすかもしれない状態 の表示が与えられる。　また、危険な着氷条件の領域の大きさ及び場所が、従来 のレーダ結像及び表示技術を使用して表示される。かなり前もってＳＬＷの危険 な領域を検出し、ＳＬＷの領域の大きさ及び場所についての情報を提供すること によって、パイロットは、潜在的に危険な着氷条件の領域を飛行するのを避ける 機会をもつ。

本発明の本質、利点及び改良点のより完全な理解は、以下に簡単に説明される添 付図面とともになされる本発明の現在好適な実施例の詳細な説明から、及び、添 付の請求の範囲から得られる。

図１は、航空機、該航空機上に置かれかつ運ばれる本発明に係る着氷危険検出器 （ＩＨＤ）、及び、該航空機の飛行経路における理想的な混合絹雲（断面で示す ）、の側面図である。該雲は、氷晶の外部領域と、ＳＬＷ又はＳＬＷ及び氷晶の 混合物を含む内部領域と、を含み、図の全ては一般的に本発明の使用法を示して いて、図２は、図１に描かれた場面の平面図、図３は、図１および図２に示すＩ ＨＤのシステム構成要素のブロック図、 図４Ａは、図１および図２に示す理想的な雲の説明図、図４Ｂは、図４Ａに示す 雲を通るレーダビーム又は信号に沿った氷晶及びＳＬＷ小滴の分布の説明図、 図４０及び図４Ｄは、航空機に対する範囲（ｒａｎｇｅ）の関数として、２つの 送信レーダビームの、図４Ａに示す雲からの反射によりＩＨＤによって受信され るパワーのグラフ図、図４Ｅは、図４０及び図４Ｄに示すような、ＩＨＤによっ て受信される２つのレーダビームのパワーの差のグラフ図、及び、図４Ｆは、図 ４Ｅに表されるパワーの差の範囲導関数のグラフ図、旧！星脱所 地表１４の上のある高度にて飛行する航空機１２の前方の大気における過冷却液 体水（ＳＬＷ）の存在と量を決定する航空機着氷危険検出器（ＩＩ（Ｄ）１０を 、図工及び図２に示す、航空機１２の現飛行経路には、ＳＬＷ又はＳＬＷ及び氷 晶の混合物でできた内部謂域１８と、氷晶のみでできた周囲の外部領域１９と、 を含む混合相Ｗ１６がある。２つのレーダビーム２ｏ及び２２が、航空機１２が ら前方へパルス形式で異なる周波数にて送信される。該ビーム２゜及び２２の送 信の方向は、図１及び図２の破線２１で示すように、航空機の前方の垂直の扇形 及び水平の扇形においてスキャン（ｓｃａｎ）される。

送信ビーム２０及び２２は、雲１６によって反射及び散乱せしめられ、それぞれ 反射信号２０”及び２２°となり、これらはＩＨＤｌｏに戻りｒＨＤｌｏによっ て受信される。この２つの反射信号１０“及び２２′の受信されるパワー及び航 空機の周囲の温度を表す信号は、ＩＨＤＩＯによって評価される。

該２つの受信信号と該温度信号とを処理することによって、領域１８におけるＳ ＬＷの存在及び量が、それが着氷危険を示すがどうかを評価すべく決定され、領 域１８及び工９に含まれる氷晶が、領域１８に含まれるＳＬＷから識別され、及 び、ＳＬＷの領域１８の大きさ及び場所が、航空機１２のパイロットに示される 。航空機の周囲の温度は、レーダビームの一般的範囲において雲１６内の同一高 度で実質的に等しくなるため、また、航空機の上及び下の温度変化は、周囲温度 と、高度による標準温度変化率と、に基づいて通常予測可能であるため、被検出 液体水の過冷却性は、通常確実に予測可能である。ＩＨＤの期待作動範囲は、航 空機の前方約１００メートルから航空機の前方約５０キロメートルまでである。

ＩＨＤＩＯのシステムに関する詳細は、図３に示される。ＩＨＤの心臓部は、コ ンピュータ又はプロセッサ２３である。プロセッサ２３は、ＩＨＤＩＯの他の構 成要素に信号を送りかつそれらから信号を受信し、その入力信号から得られるデ ータを処理して情報を獲得しかつ以上に言及されかつ以下に詳細に述べられる該 情報の表示を供給する。

プロセッサ２３は、タイミング及び制御信号を２４及び２６に送って、レーダ送 信器２８及び３０をトリガし、レーダビーム２ｏ及び２２をそれぞれパルス３２ 及び３４として発生せしめる。必ずしも必要ではないが、送信器２８及び３ｏは 双方同時にトリガされることが望ましい、各送信器は、互いに他の送信器とは異 なる所定の周波数でレーダビームを発生させ、発生せしめられたレーダビームパ ルス３２及び３４のパワーは、所定のレベルにある。レーダビームパルス３２及 び３４は、前方ボインティングアンテナ３６に供給され、そこからレーダビーム ２０及び２２として送信される。送信器２８によって生成されるビーム２０の周 波数は、好適には約３５ギガヘルツ、（ＧＨｚ）であり、Ｋａバンドと呼ばれる 。送信器３゜によって生成されるビーム２２の周波数は、好適には約９．　３に Ｈ２であり、Ｘバンドと呼ばれる。

２つのビーム２０及び２２の各周波数は、該２信号が雲の中の液体水を通して伝 搬するときには測定可能な程度に異なる減衰特性を、そして、氷晶の領域を通し て伝搬するときには比較的類似の減衰特性を、示すように選択される。該２信号 の周波数は、これらの考慮が達成され、受信信号が検出可能であるべく充分に強 い限りにおいては、ここに説明するように、上記の好適な周波数から逸脱するが もしれない。

上記の好適な周波数は、それらが普通使用されるレーダ周波数であるため、かつ 、それらが所望の減衰特性を備えているため、に望ましいものである。さらに、 多くの航空機が現在アンテナを備えたＸバンド気象レーダシステムを持っており 、そのため、同一のアンテナを使用しＸバンドビームパターンと類似のＫａバン ドビームパターンを生成するＫａバンドレーダを追加することによって、本発明 のＩＨＤが航空機に適応可能となる。

アンテナ３６は、送信器２８及び３０によってそれぞれ生成されるビーム２０及 び２２を送信するとともに、その反射信号２０’及び２２“を受信する。アンテ ナ３６は、航空機前方の破線２１（図１と図２）によって示される所定の水平扇 形及び垂直扇形をスキャンすべく、垂直及び水平にスィーブ（ｓｗｅｅｐ）せし めることが可能である。アンテナ制御器３７は、該水平扇形及び垂直扇形にわた ってアンテナ３６を回転させるすなわちスィーブするために、制御信号３日をプ ロセッサ２３から受信し、そして３９にて概略的に表される従来の機械的又は電 子的リンケージを通して応答する。プロセンサ２３は制御信号３８を発生させる ので、該プロセッサは、アンテナ角度情報を得て、レーダ特有の平面位置表示器 （ｐｌａｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｄ　ｉｃａ　ｔｏｒ）及び範囲高度表示′器 （ｒａｎｇｅ　ｈｅｉｇｈｔ　１ｎｄｉｃａｔｏｒ）の表示（ｄｉｓｐｌａｙ） を作成するのに必要な情報の計算が可能となり、それによって、ＳＬＷの領域１ ８の大きさ及び場所がパイロットに表示される。

アンテナ３６は、２つの異なる周波数の反射信号２０°及び２２′を捕捉し、そ れらを受信器４０及び４２にそれぞれ供給する。受信信号４４及び４６の形式の 出力信号が、それぞれ受信器４ｏ及び４２からプロセッサ２３へ供給される。受 信信号４４及び４６の振幅は、２つの反射信号２０°及び２２“に存在するパワ ーにそれぞれ関係する。該プロセッサは、また、典型的な方法で範囲高度及び平 面位置の表示を作成するための情報を確立すべく、該２つの受信信号を解析する 。

図４０及び図４Ｄは、氷晶からの散乱と、図４Ａ及び図４Ｂに示される雲１６の 液体水領域１８を通しての伝搬により引き起こされる減衰と、によって影響され た該２つの受信信号の特性を図示する。

高周波数信号に対する効果を図４０に示す、範囲間隔（ｒａｎｇｅ　１ｎｔｅｒ ｖａｌ）　４８　ａによって示される氷晶の領域１９の始めの部分を通しての、 高周波数信号２０及び２０′の伝搬は、該信号に対する無視可能な減衰効果を氷 晶が有するため、結果として、受信信号４４の減衰がほとんどないことに帰着す る。Ｎ域１８が液体水小滴しか含まなければ、該領域から反射される信号は存在 しない、なぜならば、レーダビームを反射する氷晶がなく、また、該液体水小滴 は検出するにはあまりにも小さすぎるように思われるからである。したがって、 図４０において実線で示されるように、範囲間隔５０の上では領域１８からの無 視可能な受信信号が存在する。しかしながら、該レーダ信号は、領域１８を通し ての伝搬によって減衰し、それは、たとえ減衰を表すこの領域からの反射信号が 存在しなくてでも起こる。減衰の量は、範囲間隔４８ａで示される領域１９の始 めの部分から反射されるパワーの量に比しての、範囲間隔４８ｂで示される雲の 遠方側の氷晶部分から反射される受信信号のパワーの減少によって表される。範 囲開隔４８ａ及び４８ｂにおける該信号のパワーの相対差は、図４Ｄに示される 低周波数信号に明らかな変化がないとき、領域１８の純液体水による減衰を表す 、プロセッサ２３（図３）は、液体水に起因する減衰の量を確立すべく、このパ ワーの差の量を決定する。

領域１日が液体水と氷晶の混合物を含んでいれば、図４Ｃにおいて範囲間隔５０ 上の破線で示すように、それらの氷晶は、領域１８からの信号を反射する。かく して、破線カーブの傾きは、領域１８の液体水が範囲間隔５０上で信号を減衰さ せる度数を表す。領域１９の始め及び終わり部分４８ａ及び４８ｂを通しての減 衰の量は、氷晶による信号の減衰が無視できるため、無視可能である。

図４Ｄの範囲間隔４８ａ及び４８ｂにて示される氷晶の領域工９の始め及び終わ り部分を通して、及び、液体水又は液体水と氷晶の混合物のいずれかの領域１８ を通して、の低周波数信号２２及び２２“の伝搬は、結果として、受信信号４６ の減衰がほとんどないことに帰着する。氷晶又は液体水のいずれかによる減衰が ないことば、単に、低周波数レーダビーム上の減衰特性が無視可能なことがら結 果する。

範囲間隔５０上の領域１８内の液体水は、高周波数レーダ信号がらのパワーの多 くを吸収し、結果として、他の低周波数レーダ信号に比してそれの減衰がより大 きくなることに帰着する０発生する減５０の長さと、に依存する。レーダ信号が 伝わる範囲間隔５ｏが大きくなればなるほど、受信信号の全減衰は大きくなる。

該２つのレーダ信号の減衰特性の差によって、液体水を含む領域１８が範囲間隔 ５０にわたり識別可能となり、また、氷晶の領域１９が範囲間隔４８ａ及び４８ ｂにわたって識別可能となる。単に氷晶のみでできたそれらの領域と混合相領域 との区別は、氷晶のみが存在するときの画周波数でのパワーの無視可能な吸収と 、液体水の存在により引き起こされる該２つの周波数の１つの吸収における顕著 な差と、によって可能になる。

特に、３５　Ｇ　Ｈｚ周波数（Ｋａハンド）のレーダ信号は、液体水によって、 該信号が通過する水のキロメートル当たり、ダラム当たり、立法メートル当たり １．２５デシベル（ｄＢ）だけ減衰せしめられるが、一方、９．３ＧＨｚ周波数 （Ｘバンド）のレーダ信号は、水のキロメートル当たり、ダラム当たり、立法メ ートル当たり０゜１１２ｄＢだけ減衰せしめられる。それ故、液体水によるＫａ Ｘバンド信号減衰は、Ｘバンド信号よりも約１０倍大きい。氷（固体水）は、各 周波数に関してずっと小さな量の減衰を引き起こす。氷に関して、率は、ＫａＸ バンド信号ついてはキロメートル当たり、ダラム当たり、立法メートル当たり０ ．００２９１ｄＢＳＸバンド信号についてはキロメートル当たりＯ，０Ｏ０Ｂ９ １ｄＢである。それ故、氷によって引き起こされる減衰は、液体水によって引き 起こされるものより約２けた小さい、したがって、氷の減衰効果は、この発明の 目的のためには無視可能であり、液体水を含む雲は、氷晶しか含まない雲から直 ちに区別可能である０着氷危険を引き起こす可能性があるのは液体水であり、な ぜならば、雲の中の氷晶は航空機の主翼及び尾翼の表面に凝縮しないからである 。

上述のように従来の方法でアンテナ３６（図３）をスィーブすることによって、 距離又は範囲間隔情報及び該スィーブ上で得られるアンテナの角度情報は、プロ セッサ２３（図３）が、航空機前方の領域１８の大きさ及び場所を定義する情報 を計算するのを可能とする。領域１日の大きさ及び場所は、従来のレーダの典型 的な平面位置表示器及び範囲高度表示器の表示として提供されるのが好ましい。

プロセッサ２３は、図４Ｅによって示されるように、異なる周波数の２つの受信 信号４４及び４６のエネルギーの差を計算する。領域１８が液体水と氷晶の両方 を含む混合相ｗ４域である状況に間しては、図４Ｆによって示されるように、距 離に関してのこの差（図４Ｅ）の範囲導関数が次いで計算される。２つの異なる 周波数の受信信号間の減衰の差の範囲導関数は、航空機前方の液体水の量に直接 比例する。該範囲導関数（図４Ｆ）によって、プロセッサは、５ＬＷＯ量及び範 囲が重大な着氷危険とみなされるのに充分である状況と、５ＬＷＯ量が不十分、 すなわち、その空間的分布が着氷危険を示すにはあまりにも限られたものである 状況と、の間を区別することが可能となる。

領域１８が単に液体水のみ含む状況においては、受信パワーの差と、領域１８の 範囲間隔にわたるパワーの平均差と、を確立する計算が、また、プロセッサによ って、一般的には補間（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）を基礎として達成される 。

次の方程式は、範囲の関数として受信パワーを測定することによって、液体水の 量を決定する数学的表現の一例である。

Ｍ　＝　（４，３８／Ｄ）　ｌｏｇ　［Ｐ　＊　（ｒ）Ｐ　、　（ｒ＋Ｄ）／　 ｌ　Ｐ　＊　（ｒ＋Ｄ）Ｐ、　（ｒ）　ｌ　］ここで、Ｍはｒと（ｒ＋Ｄ）の間 の平均液体水含量（立法メートル当たりグラム数）、Ｐ、は強（減衰せしめられ た信号の反射信号例えばＫａバンドレーダ受信信号４４のパワー、Ｐ、は弱（減 衰せしめられた信号の反射信号すなわちＸバンドレーダ受信信号４６のパワー、 ｒは航空機前方の５ＬＷｅＮ域の範囲、そしてＤはＭの値が平均される範囲間隔 ５０である。この方程式は、範囲導関数を近似する数値有限差分表現（ｎｕｍｅ ｒｉｃａｌ　ｆｉｎｉｔｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ）の −例である。本発明を実施するのに必要な情報を得るべく、他の適当な数学的表 現もまた利用可能である。

液体水の検出量が過冷却であるかどうかを決定するために、外側の周囲温度が測 定される。測定される温度は、同一高度にある航空機前方の雲の中の同一高度に おいては一般的に同一である。該測定温度は、航空機前方の液体水の検出領域が 過冷却であるか否かを決定するためにめられる。シ・−ダビームが水平に送信さ れないときには、湿潤断熱減率（ｍｏｉｓｔ　ａｄｉａｂａｔｉｃ　１ａｐｓｅ 　ｒａｔｅ）に基づく補正を適用ｄ］能である。

図３に示すように、プロセンサ２３は、温度センサ５４から入力温度信号５２を 受信する。該温度信号５２は、航空機の現在の高度における外側周囲温度が０° Ｃ以下かどうかを決定するために、プロセンサ２３によって使用される。センサ ５４ば、温度を測定する周知のデバイスでよい、温度信号５２からの情報と湿潤 断熱減率に関係する情報とは、領域１８が垂直走査アンテナと接するところに又 は上述のような非水平飛行経路の結果として位置しているときに、異なる高度の 航空機前方の雲の温度を評価すべく、プロセッサ２３によって使用される。もち ろん、この評価された雲の温度がＳＬＷ状態を作るのに不十分であれば、プロセ ッサ２３は、危険状態の表示の信号を伝えない。

プロセッサ２３ば、液体水（図４Ｆ）の検出量が、航空機にとって有害となるＳ ＬＷの最小量とみなされる所定のしきい値よりも大きいか否かを決定する。この 所定のしきい値は、航空機と、着氷を相殺すべく航空機において利用可能な装置 と、の型に従って変化するかもしれない。さらに、該しきい値は、ＳＬＷの領域 の長さに依存して変化する可能性があり、ＳＬＷの領域を通しての予定の飛行経 路がより長いと、しきい値はより低くなるであろう。検出された液体水の量をし きい値と比較することで、液体水の量が重大な危険を作りだすのには不十分な大 きさであるとき、及び、５ＬＷＱ域の位置における周囲大気温度がＯ′Ｃを越え るときに、誤った表示のないことが保証される。

最小液体水しきい値レベルを越え、かつ周囲温度が充分に低いとプロセッサが判 断するときには、図３に示されるように、信号５６が表示器（ｉ　ｎｄ　ｉｃａ 　ｔｏｒ）及びディスプレイ（ｄｉｓｐｌａｙ）　５　Ｂに送られる。

該信号５６は、着氷危険を表示すべく表示器／ディスプレイ５８によって解釈さ れる情報を含んでいる。また、信号５６は、危険及び氷晶の領域を作りだすＳ　 Ｌ　Ｗ　８ｊ域の大きさと位置を表示又は指し示すべく、表示器／ディスプレイ ５８が解釈する情報を、好ましくは典型的なレーダ平面位置表示器及び範囲高度 表示器のフォーマットで持っている。また、表示器／ディスプレイ５８は、可聴 音、可視警告及び／又はパイロットのための他の可聴かつ可視表示のような、表 示及び警告のフルレンジを示すかもしれない、一般的に、該表示器／ディスプレ イによって示される情報は、ＳＬＷに関連する着氷危険を避けるべく、予定の現 飛行経路に沿って及び変更された飛行経路に沿って航空機を操縦することに関連 する危険に関して、パイロットが見識のある決定をすることができるほどに充分 なものでなければならない。

本発明の現在において好適な実施例を、以上にある程度詳しく説明してきた。し かしながら、この説明は好適な例によってなされたものであり、本発明自体は添 付の請求の範囲によって定義されることを理解しなければならない。

要約書 航空機のための機上着氷危険検出器（１０）は、航空機前方の雲（１６）の中に 送信される二重周波数レーダビーム（２０，２２）を使用する。その２つの各周 波数の反射信号（２０’、２２°）が、雲の中の液体水の領域（１８）の存在、 量及び位置を決定するために、比較されそして処理される。該２つの周波数をも つ２つの信号の減衰特性が異なることにより、液体水が該信号の内の１つのパワ ーを他の信号より多量に減衰せしめる結果、液体水の存在が決定される。検出さ れた液体水が過冷却か否かを決定するために、温度センサ（５４）が周囲温度情 報を提供する。所定量の液体水を検出し、それが過冷却であると決定すると、事 前警告表示が与えられるので、過冷却液体水の容積領域を飛行して航空機に氷が 形成される危険を招くのを、パイロットは避けることができる。

国際調査報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．航空機の前方の飛行経路における雲の中の過冷却液体水すなわちＳＬＷを含 む領域の存在を検出する装置であって、該装置は、該航空機の前方の雲の中に、 第１の所定の周波数の第１のレーダビーム信号を送信する手段と、 該航空機の前方の雲の中に、第１の所定の周波数の第２のレーダビーム信号を送 信する手段と、を具備し、該第１又は第２の所定の周波数の該レーダビーム信号 の１つは、該液体水領域を通しての信号の伝搬により、該レーダビーム信号の他 の１つとはかなり異なる減衰を示すものであり、該第１及び第２の送信されるレ ーダビーム信号は、該雲から反射し、かつ、該航空機にて受信され該第１及び第 ２の所定の周波数をそれぞれ有する第１及び第２の反射信号を作成するものであ り、さらに該装置は、 該航空機にて受信される該第１及び第２の反射信号のパワーを決定し、かつ、該 航空機にて受信される該反射信号のパワーに関連する大きさを有する第１及び第 ２の受信信号を供給する手段と、該航空機の周囲の温度を感知し、かつ、該周囲 温度を表す温度信号を供給する手段と、 該第１及び第２のレーダビーム信号の送信、該第１及び第２の受信信号の受信と 大きさ、及び該温度信号、に応答して、該第１及び第２の受信信号のパワーの差 を計算し、該第１及び第２の受信信号のパワーの差から液体水の領域を検出し、 該第１及び第２の受信信号のパワーの差が、着氷危険に結果する可能性のある液 体水の量を表す所定のしきいレベルを越えるか否かを決定し、 該検出された液体水の領域が、０°Ｃ以下の範囲の温度にあるか否かを決定すべ く、該温度信号を利用し、及び、該第１及び第２の受信信号の大きさの差が該所 定のしきい値を越える場合、及び、該検出された液体水の領域の該決定された温 度が０°Ｃ以下である場合、着氷危険状態を報知する、プロセッサ手段と、 を具備する装置。
2. ２．前記プロセッサ手段は更に液体水の量を決定する、請求の範囲第１項記載の 装置。
3. ３．前記プロセッサ手段は該検出された液体水領域の範囲にわたって液体水の量 を決定する、請求の範囲第２項記載の装置。
4. ４．前記プロセッサ手段は、該検出された液体水領域の長さ間隔にわたって液体 水の量を決定すべく、該第１及び第２の受信信号のパワーの差の範囲微分を計算 する、請求の範囲第２項記載の装置。
5. ５．前記プロセッサ手段は、該検出された液体水領域の長さ間隔にわたって液体 水の量を決定すべく、該検出された液体水領域の長さ間隔にわたって、該第１及 び第２の受信信号のパワーの差を補間する、請求の範囲第２項記載の装置。
6. ６．該プロセッサ手段が着氷危険を報知するのに応答して該着氷危険を該航空機 のパイロットに表示する表示器手段、を更に具備する、請求の範囲第４項又は第 ５項記載の装置。
7. ７．前記表示器手段はさらに該着氷危険を示す領域の位置を報知する、請求の範 囲第６項記載の装置。
8. ８．該表示器手段はさらに該着氷危険を示す領域の大きさを報知する、請求の範 囲第６項記載の装置。
9. ９．該表示器手段はさらに、平面位置表示器及び範囲高度表示器のディスプレイ を示すことによって、該着氷危険を示す領域の大きさ及び位置を報知する、請求 の範囲第６項記載の装置。
10. １０．航空機の前方の飛行経路における雲の中の過冷却液体水すなわちＳＬＷを 含む領域の存在を検出する方法であって、該方法は、該航空機の前方の雲の中に 、第１の所定の周波数の第１のレーダビーム信号を送信し、 該航空機の前方の雲の中に、第１の所定の周波数の第２のレーダビーム信号を送 信し、 該第１のレーダビーム信号が、該液体水領域を通しての信号の伝搬により、該レ ーダビーム信号の他の１つとはかなり異なる減衰を示すように、該各レーダビー ム信号の所定の周波数を選択し、該航空機にて受信され該第１及び第２の所定の 周波数をそれぞれ有する第１及び第２の反射信号を作成すべく、該雲により該第 １及び第２の送信レーダビーム信号を反射せしめ、該航空機にて受信される該第 １及び第２の反射信号のパワーを決定し、かつ、該航空機にて受信される該反射 信号のパワーに関連する大きさを有する第１及び第２の受信信号を供給し、該航 空機の周囲の温度を感知し、かつ、該周囲温度を表す温度信号を供給し、 該第１及び第２の受信信号のパワーの差を計算し、該第１及び第２の受信信号の パワーの差から液体水の領域を検出し、 該第１及び第２の受信信号のパワーの差が、着氷危険に結果する可能性のある液 体水の量を表す所定のしきいレベルを越えるか否かを決定し、 該検出された液体水の領域が、０°Ｃ以下の範囲の温度にあるか否かを決定すべ く、該温度信号を利用し、該第１及び第２の受信信号の大きさの差が該所定のし きい値を越える場合、及び、該検出された液体水の領域の該決定された温度が０ °Ｃ以下である場合、着氷危険状態を報知する、ことを具備する方法。
11. １１．液体水の量を決定する、 ことを更に具備する請求の範囲第１０項記載の方法。
12. １２．該検出された液体水領域の範囲にわたって液体水の量を決定する、 ことを更に具備する請求の範囲第１１項記載の方法。
13. １３．該検出された液体水領域の長さ間隔にわたって液体水の量を決定すべく、 該第１及び第２の受信信号のパワーの差の範囲微分を計算する、 ことを更に具備する請求の範囲第１２項記載の方法。
14. １４．該検出された液体水領域の長さ間隔にわたって液体水の量を決定すべく、 該検出された液体水領域の長さ間隔にわたって、該第１及び第２の受信信号のパ ワーの差を補間する、ことを更に具備する請求の範囲第１１項記載の方法。
15. １５．該航空機のパイロットに該着氷危険を表示する、ことを更に具備する請求 の範囲第１３項又は第１４項記載の方法。
16. １６．該着氷危険を示す領域の位置を報知する、ことを更に具備する請求の範囲 第１５項記載の方法。
17. １７．該着氷危険を示す領域の大きさを報知する、ことを更に具備する請求の範 囲第１５項記載の方法。
18. １８．平面位置表示器及び範囲高度表示器のディスプレイを示すことによって、 該着氷危険を示す領域の大きさ及び位置を報知する、ことを更に具備する請求の 範囲第１５項記載の方法。