JPH08501383A

JPH08501383A - 自動水平および垂直走査レーダ

Info

Publication number: JPH08501383A
Application number: JP6500757A
Authority: JP
Inventors: アール．フレデリック，フィリップ
Original assignee: イメージングアクセサリーズ，インコーポレイテッド
Priority date: 1992-06-02
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1996-02-13
Also published as: US5202690A; EP0643843A4; WO1993024846A1; EP0643843A1

Abstract

(57)【要約】航空機に使用する気象レーダ及びマップ表示システム（第２図）は、航空機から外方にレーダ信号を伝送する送信機（２０）と、反射したレーダ信号を受信する受信機（２８）と、反射レーダ信号をデジタル化するデジタイザ（４４）と、反射レーダ信号が反射された空間における意図の緯度及ひ経度座標を、反射レーダ信号の検出された範囲上方、及ひ航空機の検出された機首方位、位置及びトラック情報に基づいて計算するプロセッサ（６４）と、デジタル化信号及びそれぞれの反射レーダ信号に対して計算された緯度及ひ経度座標を記憶する記憶装置（５２、９５）を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】自動水平および垂直走査レーダ発明の背景本発明は、特に航空機に用いるためのレーダシステムであって、レーダ信号の自動水平および垂直走査および表示を行うことができ、それにより平面図および立面図の双方において選択可能な垂直方向範囲を表示し、もし所望されれば平面図表示を緯度および経度に関連して行うようになっている、前記レーダシステムに関する。通常の航空機搭載気象レーダシステムは、レーダリターン（ｒａｄａｒｒｅｔｕｒｎ）を平面図のみに表示し、レーダビームが航空機の前方をあちこちへ水平に掃引するのに伴って気象画像を表示するのであるが、レーダリターンを平面図および立面図の双方に自動的に表示するための提案が、米国特許第４，９４０，９８７号に開示された。この特許のシステムによれば、気象状態の高度および水平方向の広がりが決定されうるので、使用者は、より多くの情報を得ることができるが、通常のシステムによっては、（少なくとも自動的には）水平方向の広がりのみしか確認できない。もちろん、気象状態の高度を知れば、システムの使用者は、その状態の上方を飛行することが可能であるか否か、またはその状態を迂回して飛行する必要があるか否かを決定することができる。前述の特許のシステム以前には、気象状態の高度の決定は、レーダリターンが異なる仰角における掃引に沿って取られうるように、レーダのアンテナを手動で上下に傾斜させることによって行われなくてはならなかった。その時、レーダビームの仰角と、あるエコーリターンの距離とを知れば、そのエコーを反射した気象状態の高度すなわち高さに関する三角法による計算または推定が行われえた。しかし、そのような手動傾斜および高度計算には時間がかかり、通常、航空機搭乗員は、殊に暴風雨の気象状態における飛行中には、そのような作業を行う時間をもたない。もちろん、前記特許のシステムによれば、そのような手動傾斜および計算は不要になる。飛行中においてパイロットは、航空機の高度よりずっと低い気象または他のエコーの状態の表示を必要としないことが多いが、それにもかかわらずそのような状態は、（パイロットがレーダアンテナをある高さより上方へ手動でセットしなければ）通常の気象レーダシステム上に表示されうる。地面クラッタ（地形からのエコー）などの、そのような混乱させるエコーは消去することが望ましいが、殊に山岳地帯においては、それらを暴風雨から区別して、パイロットまたは航空士の混乱の可能性を減少させることは時には容易でない。現在パイロットが得られる気象状態に関する、より正確な情報の外に、いわゆる運動地図表示が最近得られるようになった。これらの表示を用いると、空港、航空ステーション、および航空路の交差点の位置が、データベース内に用意されていて、航空機のコックピット内に表示される。通常は、これらの位置を表す記号が、計器パネル上の気象レーダ表示装置および他の表示装置上に重ね合わされる。リアルタイムレーダを用いるとき、そのような運動地図表示は、主として航空機のコースが一定であり、かつ航空機の速度がレーダアンテナの掃引サイクル時間に比して大きくない時に有用である。しかし、航空機が進行方向、または高度を変えると、表示は新しい定常コースが確立されるまで不鮮明になりうる。さらに、ラスタ走査レーダシステムにおいては、全体的な走査サイクルが単一掃引走査レーダにおけるよりも著しく長く、従って、リターンが、後の、および前のサイクルのリターンに対してレジスタの外へ出てしまう。米国特許第５，０４９，８８６号には、航空機に関するデータを記憶し、その後機首方位および速度情報を用いて航空機の運動の表示を補正することにより、この問題を軽減しようとするシステムが開示されている。しかし、そのシステムは、並進運動および機首方位の変化に対してのみ平面図を補正する。発明の要約本発明の目的は、本分野の技術の上述の状態に鑑み、新しい改良された自動水平および垂直走査レーダシステムを提供することである。本発明のもう１つの目的は、地面クラッタのような余分な情報が気象レーダ表示から消去されうる、そのようなシステムを提供することである。本発明のもう１つの目的は、システムの使用者が、システムの平面図画像表示上に表示されるべき高度範囲を選択しうる、そのようなシステムを提供することである。本発明のもう１つの目的は、平面図に表示されるべき選択された高度範囲がシステムの表示スクリーン上に記号的に示されうる、そのようなシステムを提供することである。本発明のもう１つの目的は、地球の緯度および経度に関連してレーダリターンが記憶され且つ表示されうる、そのようなシステムを提供することである。本発明のもう１つの目的は、緯度／経度座標に対する航空機の機首方位がシステムスクリーン上に表示され、該スクリーン上に固定されたままになっている航空機の機首方位の表示に対して緯度／経度座標が運動せしめられる、そのようなシステムを提供することである。本発明のもう１つの目的は、レーダリターンの情報が、たとえ航空機の運動がその地域を有効ビーム掃引から除外していても、システムスクリーン上に表示され続けられうる、そのようなシステムを提供することである。本発明の以上の、およびその他の諸目的は、自動水平および垂直走査気象レーダシステムの特定の実施例によって実現され、この実施例は、ディジタル化された後に３次元メモリ内に記憶されるレーダリターン信号を得るために水平および垂直に掃引するアンテナ部分を含む。リターン信号が記憶されるメモリ内の場所は、対応する、受取られたリターン信号を生じた空間内の場所（体積要素すなわち体積素（ｖｏｘｅｌ））を表す。表示装置は、反射されたレーダ信号を表すディジタル化された信号を受け、あらかじめ選択された水平および垂直範囲における気象の平面図画像表示と、あらかじめ選択された範囲における気象の立面図画像表示とを発生する。制御装置またはプロセッサが、前記アンテナ部分へ水平駆動信号および垂直駆動信号を供給してアンテナの運動を制御し、また平面図高度範囲（ｐｖａｒ）信号によって指定される、３次元メモリ内に記憶されている選択されたディジタル化された信号を検索し、該検索されたディジタル化された信号を前記表示装置へ供給する。手動操作可能なｐｖａｒ信号発生器は、システムの使用者が前記制御装置へｐｖａｒ信号を選択的に供給して、表示される平面図画像および表示される立面図画像の一様な垂直範囲を定めることを可能ならしめるので、地面クラッタなどに起因する、選択された垂直範囲外のレーダリターン信号は表示から消去される。本発明の１つの特徴は、表示されている気象の平面図および立面図画像の高度を示す垂直範囲記号が、立面図画像に隣接する表示装置上に表示されることである。本発明のもう１つの特徴は、レーダ掃引によってカバーされるそれぞれの体積素のための緯度および経度（および、もし所望ならば高度）アドレスを発生する手段が備えられていることである。前記制御装置は、該アドレスデータ発生手段と共に、前記３次元メモリ内のディジタル化されたレーダリターン信号の記憶域を制御するので、レーダリターン信号は、それらのそれぞれの体積素アドレスと共に記憶される。表示手段は、該記憶されているデータおよびディジタル化された信号に応答して、気象の平面図画像を、該気象画像が位置する場所の緯度および経度表示上に重ねて表示する。このようにして、気象状態のレーダリターン信号は、緯度および経度に関連して表示される。図面の簡単な説明本発明の上述の、およびその他の、諸目的、諸特徴、および諸利点は、添付図面に関連して与えられる以下の詳細な説明を考察すれば明らかになるはずであり、添付図面において、第１図は、本発明の原理に従って作られた航空機搭載気象レーダシステムのブロック図を示し、第２図は、本発明の原理に従って作られたプラウン管表示装置の正面図であり、第３図は、本発明により選択的に表示されうるレーダリターンの垂直範囲のグラフ表示であり、第４図は、航空機の順次位置と、本発明による航空機の気象レーダ表示スクリーン上の緯度および経度座標に関連する気象状態の表示とを、写実的に示す。第１図を参照すると、本発明による航空機用自動水平及び垂直走査気象レーダ装置の特定の一実施例のブロック図が示されている。この装置は、固定前面ゲイン・パターンを有するフェーズド・アレー平板アンテナのように、通常のレーダ・アンテナ４を備えているが、全て標準的なものである。このアンテナ４は、これも通常形式により、ビームを水平方向外側へ前後に振動させ、かつビームを垂直方向外側へ指向させるように搭載されている。アンテナ・ステッパー・モータ８はこのアンテナを通常の直交座標系のｘｙ方向に移動かつ配置するようにアンテナ４に接続されている。ステッパー信号は、アンテナ・ステッパー・モータ８を駆動してプログラム可能に予め選択されたパターンによりアンテナ４を移動させる信号であって、水平駆動制御回路１２及び垂直駆動制御回路１６から供給される。水平駆動制御回路１２はステッパー信号を供給することによりアンテナ４を水平方向に移動させ、一方、垂直駆動制御回路１６はステッパー信号を供給することによりアンテナ４を垂直方向に移動させる。２つの水平駆動制御回路１２及び垂直駆動制御回路１６は、組合わせにより、アンテナ４を移動させるパターン及ひ速度を決定する。アンテナ４の移動パターンの例は、ここでは引用により関連させる米国特許第４，９４０，９８７号に示されている。水平駆動制御回路１２及び垂直駆動制御回路１６は、アンテナ４の位置を修正する安定化回路７０（以下で説明する）からの信号に応答して、航空機のピッチ及びロールについて補償を行なうことにも注意すべきである。マグネトロン２０のように、標準的なマイクロウエーブ発生器は信号をアンテナ４に送出してレーダ信号（高周波の狭いパルスからなる）を発生させる。アンテナ４は、レーダ信号を送信し、かつ反射されたレーダ信号を受信する両方に用いられる。送受信スイッチ２４は、アンテナが受信フェーズのときはアンテナから受信回路２８へで電気信号を流すように、またアンテナが送信フェーズのときは前記電気信号が流れるのを阻止させるように設けられている。これは、送信エネルギが受信回路２８に流れて損傷させることがないように受信回路２８を保護するものである。受信回路２８は、高い周波数のリターン信号を処理に適した低い周波数の信号に変換するミキサ３２を備えている。局部発振器３６はミキサ３２に一定の周波数の発振信号を供給し、ミキサ３２は発振信号及び着信するリターン信号から中間周波（ＩＦ）信号を発生する。発振器信号の周波数は、所望周波数のＩＦ信号を保持するようにＩＦ受信機４０により調整される。ＩＦ受信機４０はミキサ３２から受け取るＩＦ信号を増幅し、増幅した信号をディジタル化フィルタ４４に供給する。ディジタル化フィルタ４４は、受け取ったアナログ信号を典型的には長さが２又は３ビットのディジタル信号に変換し、かつこのディジタル信号をろ波してこの装置の次段へ転送する。ディジタルＳＴＣ（感度時間制御）補正プロセッサ及びロジック回路４８は、ディジタル化フィルタ４４からディジタルのリターン・データを受け取り、かつ（近傍のリターン・データは遠方のリターン・データよりも強力なために）レーダのリターン・データが受信される異なった距離について補償するようにデータの強度を調整するための通常回路のパッケージである。次に、距離情報を含む補償されたデータは、中央処理装置６４に供給され、続いて中央プロセッサ６４はこのデータを特殊目的プロセッサ８０に供給して３次元ランダム・アクセス・メモリ８４に格納させる。中央プロセッサ（通常のマイクロプロセッサ）６４は、ディスプレイＲＡＭ５２、ディスプレイ・カウンタ６８、及び安定化回路７０を含む第１図のレーダ装置の他の回路及ひユニットの動作を制御し、かつ協働させている。ディスプレイＲＡＭ５２は２次元ランダム・アクセス・メモリであり、これに中央プロセッサ６４は、陰極線管（ＣＲＴ）５６上に表示するために画像イメージ・データ（以下ですぐ説明する特殊目的プロセッサ８０から供給される）を格納する。このデータは掃引回路６０に供給され、掃引回路６０は、このデータに応答し、走査データを発生してＣＲＴ５６に印加する。リターン・データは特殊目的プロセッサ８０により決定されたアドレスによりディスプレイＲＡＭ５２に供給されると共に、識別され、かつ条件付けられて、ディスプレイ・カウンタ６８により格納させる。ディスプレイ・カウンタ６８は、更に、ディスプレイＲＡＭ５２をアドレス指定してＣＲＴ５６をリフレッシュし、水平帰線信号及ひ垂直帰線信号を発生する。ここでも、このような表示手順はレーダ及びビデオ表示装置の技術分野においては知られている。安定化回路７０はマイクロプロセッサ・ベースのサブシステムを備えており、このサブシステムはジャイロスコープ７６に接続されたピッチ及びロール回路７２からの信号を監視し、かつ制御信号を水平駆動制御回路１２及び垂直駆動制御回路１６に供給する。続いて、これらのユニットは、航空機の不規則な運動を計算するためにアンテナ４を配置するステッパー信号の補償を発生する。この運動はジャイロスコープ７６により検出されることになる。水平駆動制御回路１２及び垂直駆動制御回路１６は、先に説明したように、全て中央プロセッサ６４の制御により、アンテナ４の初期配置及び次の運動（及び運動の速度）を制御する。安定化回路７０、ピッチ及びロール回路７２、及びジャイロスコープ７６は通常の設計及び動作のものである。特殊目的プロセッサ８０は、異なる掃引面（異なるアンテナ傾斜角）により水平に掃引するアンテナ４から得られる距離情報を含む、全てのディジタル的なレーダ・リターン・データを３次元メモリ８４に入力して格納させるようにプログラムされている。各掃引面からリターン・データを受信してディジタル化するに従って、このデータは中央プロセッサ６４により特殊目的プロセッサ８０に供給され、特殊目的プロセッサ８０は３次元メモリ８４内の掃引面に関する古いデータを更新する。３次元メモリ８４は３次元アレーのアドレスを有し、それぞれ対応するレーダのリターン・データを受信した空間において異なるボクセル（ｖｏｘｅｌ：体積要素）を表わすデータを格納する。空間におけるボクセルの位置、従ってボクセルを表わすデータを格納する３次元メモリ８４におけるアドレスは、距離情報及びアンテナ４の位置から判断される。特殊目的プロセッサ８０は、格納されたレーダ・データにより、ディスプレイＲＡＭ５２に格納すべき２次元ディスプレイ・データを構築する。この２次元ディスプレイには、走査している気象条件の水平面視界イメージと共に、垂直前面視界イメージか又は垂直側面視界イメージが含まれている。垂直前方視界（垂直前方視界が示すべき垂直視界であるとき）は、好ましくは、第２図にそれぞれ１０４及び１０８に示すように、ディスプレイ（陰極線管５６）上の水平面視界上に配置される。表示すべきデータを抽出してフォーマット化し、かつ、カーソル制御二重ノブ１３６を用いて表示すべきレーダ・リターンの「スライス」の厚さを選択する方法は、米国特許第４，９４０，９８７号に詳細に説明されている。第２図は、陰極線管５６の正面の表示であり、レーダ・イメージを表示する表示領域スクリーン１１２を示している。既に説明しているように、水平視界イメージは１０８に表示することで示され、また垂直前方視界イメージは１０４に表示することで示されている。これらの表示により、ある気象条件に向かって飛行するパイロットは、レンジ又は距離の条件（格納された距離情報により陰極線管５６が発生した［プッシュ・ボタン１１４を操作することにより表示可能にされる］水平視界イメージ１０８、及び距離又はレンジ標識による）と、高度の条件（［以下ですぐ説明する］格納された高度情報によりスクリーン上に発生した垂直前方視界イメージ１０４、及び高度レンジ標識１２４、１２６による）とを判断することができる。これは、気象を表示することによりパイロットが一見して高さと共に、暴風セルの強さを読み取ることができるので、パイロットが気象条件により最良のルートを選択して個々の暴風セルを回避するのを容易にする典型的には、通常のレーダ装置上に表示される平面視界イメージは、地勢、特に山岳地勢、高さが低い雲のように、パイロットにとって対象の高度より低い物体から受け取るエコー即ちレーダ・リターンの表示を含む。これらのレーダ・リターンは航空機の正しい航行に必要でないので、これらの表示はパイロットに混乱の源として働くだけである。このようなレーダ・リターンを除去するために、第１図の装置は、所望の平面視界高度レンジ（ｐｖａｒ）の選択を可能にし、選択した垂直又は高度レンジ内に入るレーダ・リターンのみから表示すべき平面視界を導出する。このようなレンジは第３図に示されており、第３図は、水平方向（図示なし）及び垂直方向（スタック状態の航空機３１２により表わされている）の両方を掃引するレーダ・ビーム３０８を送出している航空機３０４を示している。前述の米国特許第４，９４０，９８７号に説明されているように、３次元メモリ８４（第１図）は垂直方向にスタック状態の全ての航空機３１２を介してアンテナの全ての掃引のレーダ・データを格納するので、走査領域の全体積内の気象条件を表わすデータを格納する。このようなデータのいくつかは、好ましくない地勢（グラウンド・クラッタ）に起因する低い面、例えば３１６の番号が付けられた面からのレーダ・リターンを含み得る（第３図）。むしろ、平行線３２０間に示され、航空機３０４が飛行する可能性があるレンジ内にある高度又は垂直レンジに存在するデータ・リターン（又は並行線３３０のうちの低い並行線上のデータ・リターン）を平面視界イメージに単に表示することが好ましい。このように高度レンジ内に入るメモリ８４に格納されたリターン・データを、三角法の計算を用いて容易に決定することができる。特に、平行線３２０間のレンジにおけるボクセルの高さは、航空機３０４が飛行する水平面３２４に関連して下記の式から判断することができる。ｖ＝（ｓｉｎ θ）（Ｄ）、ただし、Ｖは水平面３２４の上又は下の式における問題のボクセルの距離であり、θは問題のリターン・ボクセルを発生するようにアンテナを傾斜させた水平面３２４から上方又は下方の角度であり、Ｄは航空機３０４から問題のリターン・ボクセルへの距離である。各レーダ・リターンの距離及び水平方向からのアンテナの角度は既知なので、ボクセルが第３図の平行線３２０間の高度レンジ内にあるなしに拘わらず、容易決定することができる。パイロットは、第２図の表示パネル上にノブ１１６及び１１８を操作することにより、表示したい平面視界高度レンジ（ｐｖａｒ）を選択する。例えば、ノブ１１６は所望の高度レンジの上限を設定するために用いられてもよく、またノブ１１８は下限を設定するために用いられてもよい。特殊目的プロセッサ８０（第１図）は、所望の高度レンジ又は垂直レンジを表わす垂直方向に細長いバー１２０及び１２２を表示領域スクリーン１１２上に展開させることにより、設定に対して応答する。バー１２０及び１２２の上端は所望の高度レンジの上限（上限を望んでいたとき）を表わし、またバーの下端は下限を表わす。高度レンジバー１２０及び１２２は、通常の方法に従って表示領域スクリーン１１２上に標識を発生させる高度レンジ標識１２４及び１２６に隣接して設定される。航空機シンボル１２８も表示領域スクリーン１１２上に発生して高度レンジ標識１２４及び１２６に相対した、更に高度レンジバー１２０及び１２２に相対した航空機の高度に関する表示をパイロットに提供する。高度レンジバー１２０、１２２、及び航空機シンボル１２８は全て、表示領域スクリーン１１２の垂直前方視界イメージ・セクシヨン１０４上に展開される。平面視界表示（更に垂直視界表示）用の所望高度レンジがノブ１１６及び１１８により設定されると、特殊目的プロセッサ８０（第１図）は、いずれのデータのボクセルが前記レンジ内に含まれるかの計算を実行し、次いでメモリ８４からこれらのボクセルを抽出し、かつ中央プロセッサ６４を通ってディスプレイＲＡＭ５２に供給することにより陰極線管５６上に表示させる。その代りに、特殊目的プロセッサ８０は、３次元メモリ８４に格納する前に、いずれのデータのボクセルが前記選択した高度レンジ内に含まれるかの計算をし、次にこの高度レンジ内に含まれるリターン・データのみを格納することができる。１３０によるディスプレイの水平視界イメージ１０８の部分、及び１３２によるディスプレイの垂直前方視界イメージ１０４の部分に、気象条件の例を示す。ディスプレイの垂直前方視界イメージ１０４に表示された気象条件１３２は高度レンジ・バ−１２０の上に、又はその下に伸延するものではないことに注意すべきである。勿論、これは、選択されたレーダ・リターンの垂直レンジ又は高度レンジのみが垂直視界イメージ及び平面視界イメージに共に表示されていることを示している。従って、そのレンジの上又は下からの戻りは表示されないので、パイロットに不必要な、かつパイロットを混乱させる恐れがあるレーダ・リターンを提供することはない。第２図のディスプレイ１１２上に高度レンジバー１２０及び１２２と、航空機シンボル１２８とを展開させるために、第１図の装置は、レーダ装置を搭載している航空機の（海面からの）高度を決定するエンコーディング高度計８６からの出力を受け取るように構築されている。この高度計は航空機の高度の読みを提供し、これらの読みを特殊目的プロセッサ８０に供給し、続いて特殊目的プロセッサ８０は読みを格納し、かつ高度レンジバー１２０及び１２２、航空機１２８のイメージと共に、垂直視界イメージに表示すべき気象パターンの実際高度を表わす表示データを発生する。これらのイメージは、高度計８６から受け取る高度情報により自動的に表示され、またこれは、パイロットに、飛行している気象条件と共に、海面上の垂直範囲の気象条件とに関連させた高度を容易に判断可能にさせる。その航空機に関連する面倒な気象条件を更に正確にできる本発明の他の特徴には、最近人気となった移動地図表示技術を用いて、パイロットに航空機に関連する飛行場、航行局、航空路交差点等を識別可能にさせることが含まれる。米国特許第５，０５７，８３５号を参照すべきである。本発明の構成は、緯度及び経度に関連する気象条件を表示するように移動マップの考えを採用するので、パイロットは下方の地勢に関する気象条件の位置（このような気象条件が航空機の前面に直接存在するか否か）を見ることができる。この構成は、航空機の機首方向（航空機の長軸及びロール軸の方向）を判断するコンパス装置８８（第１図に２個所示されている。）と共に、第１図の装置を提供することにより実施される。航空機の機首方向に関する情報は、連続的な形式で特殊目的プロセッサ８０と、移動地図発生器８９（以下で説明する。）とに供給される。航空機の位置及び地球に対する航空機の航跡を決定するために、ＬＯＲＡＮ、ＩＮＳ（慣性航法システム）、ＶＬＮＦ（超低周波航法システム）、又はＧＰＳ（衛星航法システム）のような航法システム９０（第１図にも２個所に示されている。）が設けられている。前記したどのシステムであっても用いることができる。同様に、この情報は連続的な形式により特殊目的プロセッサ８０に供給され、更に移動マップ発生器８９にも供給される。コンパス装置８８及び移動マップ発生器８９の両者は航空機産業において用いられる周知のシステムである。特殊目的プロセッサ８０により、レーダ・エコー又はリターンのレンジＲ（航空機からの距離）、及びレーダ・エコーの戻り時間と、アンテナの位置とからそれぞれ決定可能とされるアンテナＡの水平偏向（航空機の長軸の左に対して負、及び右に対して正）と共に、コンパス装置８８及び航法システム９０から得られる機首方向情報Ｈ、航空機位置情報Ｐ、及び航跡情報Ｔにそれぞれ、航程線三角法を用い、レーダ・エコーの位置Ｅの緯度及び経度を計算することができる。この計算には他のパラメータが一つ必要である。これは、航跡の左（−）又は右（＋）に対する機首方向の角度であって、いわゆるクラブ角Ｃであり、その航跡に帰結する。横風成分が存在しなければ、クラブ角Ｃ、及び航跡Ｔは同一である。クラブ角Ｃは機首方向情報及び航跡Ｔから計算され得る。各気象エコー位置Ｅの緯度及び経度を計算するための式は、以下の通りである。緯度Ｅ＝緯度Ｐ＋ｃｏｓ（Ｔ＋Ａ−Ｃ）/６０経度Ｅ＝経度Ｓ−［（ｔａｎ（Ｔ＋Λ−Ｃ））＊１８０（ｌｎｔａｎ（４５＋０．５経度Ｅ）− ｌｎｔａｎ（４５＋０．５経度Ｐ））］/ｐｉエコーが受信されると、特殊目的プロセッサ８０により計算を高速に実行して、リターンの緯度及び経度（及び高度）のアドレスを決定し、これらアドレスをそれぞれのリターンと共にメモリ８４に格納する。この情報を特殊目的プロセッサ８０によりメモリ８４から受け取り、中央プロセッサ６４に、次いでバッファ９１に供給すると、この情報は、緯度及び経度に関する気象エコー・リターンを表示するようにフォーマット化される。勿論、ディスプレイにより覆われた緯度及び経度（ユーザにより選択され、かつ中央プロセッサ６４に入力される相対的な範囲）は、航空機が移動するに従って、連続的に変更される。特殊目的プロセッサ８０は緯度及び経度の座標線１４０の任意選択的な表示を展開して航空機の前面、横及び航空機の背後の一定の範囲における所定の領域を覆うようにプログラムされており、更にこの情報を中央プロセッサ６４、次にバッファ９１に供給する。気象条件１３２は、緯度及び経度の格子線１４０に対して配置された水平視界イメージ１０８に示されており、その位置は前述のように計算される。前に示したように、中央プロセッサ６４は、平面図（plan view）に表示されるデータと共に該データに対応する緯度アドレス及び経度アドレスをバッファ９１に記憶し、また垂直面図に表示されるデータもバッファ９１に記憶する。平面図データには表示されるレーダの戻り信号から選択された高度の「厚さ（thicKn ess）」が含まれ、垂直面図データには表示されるレーダの戻り信号から選択された水平面の「厚さ」が含まれる。換言すれば、平面図の画像は、選ばれた高度範囲内の緯度アドレス及び経度アドレスを持つ全てのエコーから構成されており、垂直面図の画像は、選択された水平面の範囲内の緯度アドレス及び経度アドレスを持つ全てのエコーから構成されている。バッファ９１のデータは天候を表わしとおり、このデータは飛行地図（moving map）発生器８９により発生した（空港の位置、航法局等の）いわゆる飛行地図データと組み合わされる。飛行地図発生器８９は、特殊用途プロセッサスキャナ８０が行うのと全く同様に、コンパスシステム８８および航法システム９０から飛行方向（heading）情報Ｈ、航空機位置情報Ｐおよび航跡（track）情報Ｔを受信する。また、飛行地図発生器８９は、その航空機が飛行すると思われる一般的な地域内の、航法局、航空機、中間地点（way points）等の緯度アドレスおよび経度アドレスを含んでいる航法データベース９３へアクセスすることができると共に、航法データベース９３から情報を選択して検索することができる。特に、飛行地図発生器８９は、航空機からの距離の特定の範囲内でデータベース９３からそのような緯度アドレスおよび経度アドレスを検索するが、この特定の範囲は一定の時刻に表示するように選択されている。こ制御ノブ１７０を設定することによりパイロットによっての範囲が選択されると、この設定情報は特殊用途プロセッサ８０および飛行地図発生器８９に供給されるので、特殊用途プロセッサ８０および飛行地図発生器８９は、同一範囲の緯度／経度に関する両方の表示データを発生する。この全情報から飛行地図発生器８９は、その航空機が飛行している地域の緯度および経度に対応して位置決めされた航法局、空港、中間地点等の地図を構築するかあるいは発生させる。このデータは、飛行地図発生器によってビデオディスプレイのｘ、ｙ座標に変換され、第２のディスプレイ用ＲＡＭ９５に供給される。飛行地図発生器８９は、交互にバッファ９１からエコーの戻りデータ（echo return da ta）を検索し、そのデータをビデオディスプレイのｘ、ｙ座標に変換してディスプレイ用ＲＡＭ５２に供給し、再びディスプレイ用ＲＡＭ９５の地図データによってカバーされる同じ水平面（緯度および経度）の範囲に対して上記動作を実行する。（エコーの戻り情報を含んでいる）ディスプレイ用ＲＡＭ５２からのデータおよび（航法データおよび地図データを含んでいる）ディスプレイ用ＲＡＭ９５は、ビデオ出力として交互に供給され、陰極線管５６上に航法情報および地図情報に重なった気象条件を示す平面図の画像を発生するが、表示される画像は全て緯度および経度の位置に示された気象条件、航法情報および地図情報である。中央プロセッサ６４は、新しいデータがバッファ９１に供給されると、飛行地図発生器８９に同期信号をを供給するが、これにより飛行地図発生器８９は、ディスプレイ用ＲＡＭ５２、９５に対するデータの供給と陰極線管５６上のこの情報の表示とに対して同期をとったり調整したりすることができる。飛行地図発生器８９および航法データベース９３は飛行地図んぽ表示を発生させる従来形のシステムであり、前に引用した米国特許Ｎｏ．５，０５７，８３５の中で開示されているシステムおよびディスプレイと同じである。第４図は、航空機４０８が気象条件４１２に対して旋回するときの航空機４０８のディスプレイスクリーン４０４上の代表的な表示を示している。航空機４０８の位置Ａでは、航空機は北に向かって飛行しているように示され、気象条件は約一時間の位置にあり、ディスプレイ上では進行方向航路の右側に示されている。緯度および経度の座標４１６がディスプレイ上に示されているが、パイロットが（多分必用だった情報よりも多くの情報によりディスプレイにクラッターが生じることを避けようと）希望すれば、座標４１６を示す必要はない。Ｂの位置では、航空機は少し右に旋回したので、ほぼ気象条件４１２の方向に向かって進んでおり、このことは、気象条件記号４２４に向かって進んでいることを示す航空機記号４２０によりスクリーン上に示されている。位置Ｂでは、緯度および経度の格子線４１６は北と南、東と西に位置付けされたままになっている。つまり、地球に対して静止しているが、スクリーンを見るパイロットに対しては反時計方向に回転しているように見える。また、位置Ｂでは、気象条件記号４２４は下方に移動して、位置Ａにあるときのようにディスプレイの右手上方の部分ではなく、ディスプレイのほぼ中心にある。位置Ｃでは、航空機は気象条件気象条件４１２の前方で旋回をほぼ完了したので、気象条件記号４２４は、スクリーン上で航空機に対して約１０時の位置に見えている。最後に、位置Ｄで、航空機は東に向かう新しい方向になったので、気象条件４１２とは遠く離れている。しかし、気象条件記号４２４は、ディスプレイの下方の部分で、航空機の少し後ろにまだ見えるので、気象条件は航空機の前方にはもうなくても、パイロットには気象条件４１２の位置が示されている。たとえば、１秒間に約３度の旋回をする割合で航空機が９０度の旋回をすると、３０秒かかるが、ラスター掃引サイクルには２分必要であることに注意されたい。しかし、この通りであっても、画像のスミアーや登録誤りは生じない。その理由は、気象条件は緯度および経度に対して表示されるのであって、現在使用されている気象の実時間表示が元に戻るのではないからである。また、航空機が旋回するとき垂直ディスプレイはスクリーンを横切って適切にシフトするが、これは航空機の位置が緯度および経度に基づいているから可能であることに注意されたい。第４図に示す気象の表示は、ディスプレイ上で航跡あるいは飛行方向の上方に向かって示されており、緯度および経度の座標は大地に対して固定されたままになっている（しかしスクリーン上は回転して示されている）けれども、第１図のシステムも、緯度および経度の座標をスクリーンに対して固定され（かつ大地に対して回転され）たままにするようにできる。また、このスクリーンには、固定された緯度および経度の座標に対する航空機の位置および飛行方向を示すためスクリーン上で回転するようになっている航空機の記号がある。この代替案があまり使用されないのは、垂直面ディスプレイは非「追随」モード（non”tarack-up ”mode）では動作不能になるので、従来の気象表示システムは、航空機の航跡をスクリーン上で上方向に指し示す表示を発生するからである。第１図のシステムには、陰極線管５６上に表示されるデータの選択を可能にするため多数の手動制御装置（その内の３つは既に考察済みである）も含まれている。これらの制御装置には、表示モード制御装置１４４、掃引制限制御装置（sw eep limit controls）１４８、１５０、緯度および経度座標押しボタン１５４、飛行方向カーソル（heading cursor）ボタン１５８、走査モード制御装置１６６、範囲制御装置１７０、傾斜角制御装置１７４および利得制御装置１４８が含まれている。これらの制御装置は、回転形ノブあるいはボタンの形をしており、ディスプレイユニット５６（第１図）上に配置されているが、制御装置によって発生する情報および制御信号は特殊用途プロセッサ８０に供給される。表示モード制御装置１４４（第２図）によりパイロットは、表示される３つの画像のどれか１つあるいは表示される画像の組合わせを選択できる。制御ノブあるいは制御スイッチが「普通（normal）」の位置にあるときは、特殊用途プロセッサ８０は、全スクリーン１１２を占有して気象条件の普通の水平面の平面図画像を表示するように信号を受ける。表示モード制御装置１４４が「前方（front ）」の位置にあるときは、第２図に示すように特殊用途プロセッサは、水平面の平面図画像と垂直で前方を見た画像とを表示するように信号を受ける。表示モード制御装置１４４が「側面（side）」の位置にあるときは、表示する画像は水平面の平面図、垂直面図、側面を見た図である。異なる組合わせの図を表示する他のモードも必要に応じて準備することができることは勿論である。掃引制限制御装置１４８、１５０が設定されると、アンテナによる垂直方向および水平方向の掃引がそれぞれ制限される。これらの制御装置によって、パイロットは、レーダーの戻りが受信される地域を狭くして、その地域に焦点を当てることが可能になり、さらにこのことは、掃引制限値が小さくなれば掃引サイクル時間が短縮するので、より頻繁に更新できるようになることは勿論である。緯度／経度ボタン１５４が押下されると、ディスプレイスクリーン１１２に緯度および経度の格子線が表示されるように特殊用途プロセッサに信号が送られる。緯度および経度座標押しボタン１５４を続けて押すと、表示から緯度および経度の格子線が除去される。飛行方向カーソルボタン１５８は、従来型のレーダーの標準的オン／オフ機構であり、航空機の飛行方向を図示するため、レーダーシステムに進行航路線（co urce heading line）をスクリーン上に発生させる役目をするが、この進行航路線は、たとえば、気象条件を避けるために航空機の進路を選択することを援助するために使用することができる。制御装置１６２、１６６、１７０、１７４、および１７８は全て従来型の機上レーダーシステムの標準的機構である。制御装置１６２は、表示された気象条件と飛行地図表示情報との輝度をディスプレイ全体の輝度に対して独立に制御するためのものである。入力は、気象条件と飛行地図表示情報との輝度をそれぞれ制御するために、手動制御によって、ディスプレイ用ＲＡＭ５２、９５に供給される。制御装置１６６により、パイロットは陰極線管１５６の走査モード、即ちスタンバイ、テスト、気象（ここで関心が持たれているモード）あるいは地上地図作成（下方の地上の画像を得るために下方向に傾斜されたアンテナ４）モードを選択することが可能になる。制御装置１７０は、平面図ディスプレイ１０８の最上部に表示される範囲（前方の距離）を選択するために使用される。たとえは３２０キロメ一トル（２００マイル）の長距離は、前方の主な嵐（storm）の一般的で詳細ではない図を提供するために選択され、あるいは、たとえば４８キロメートル（３０マイル）や６４キロメートル（４０マイル）の短距離は、嵐のより詳細な図を与えるように選択される。以前に示したように、制御装置１７０を設定すると、気象データと飛行地図データとの両方を表示する地域の緯度／経度が確定する。制御装置１７４は、制御装置１４４が「普通」走査モードにある場合アンテナの傾斜を手動で位置決めできるようになっている。最後に、（２つのノブ１７８ａ、１７８ｂから構成される）制御装置１７８は増幅器の利得制御機能と、スクリーン１１２上に表示される画像の輝度／強度の制御機能である。上に説明した装置は、本発明の原理の応用を示したに過ぎないことを理解されたい。当業者ならば、本発明の精神と範囲から逸脱することなく多数の修正や、代替装置を考案できるであろうから、添付の請求の範囲は、そのような修正や装置をカバーするように意図されている。

Claims

【特許請求の範囲】１．航空機用の自動水平及び垂直走査気象レーダシステムにおいて、前記航空機に実装されて、反射したレーダ信号を受信すると共に、伝送信号に応答してレーダ・ビームを生成して該レーダ・ビームを外方に出射し、かつ、水平駆動信号に応答して前記レーダ・ビームを水平方向に前後に走査すると共に、垂直駆動信号に応答して前記レーダ・ビームを垂直方向に上下に動かしてなるアンテナ手段と、伝送信号を前記アンテナ手段に周期的に供給する手段と、前記アンテナ手段に結合されて、前記アンテナ手段によって受信された反射レーダ信号をデジタル化する受信機手段と、前記レーダ信号によって横切られる３次元空間にて体積素（voxels）を表わす３次元アレイ状に、前記デジタル化された信号を記憶する手段と、前記デジタル化信号に応答して、水平方向に前後に走査を行う前記アンテナ手段によって受信された反射レーダ信号によって表わされる予め選択された水平方向範囲に渡って気象の平面図画像を表示すると共に、垂直方向に上下に移動する前記アンテナ手段によって受信された反射レーダ信号によって表わされる予め選択された高さ範囲に対して、気象の垂直図画像を表示するディスプレイ手段と、水平駆動信号及び垂直駆動信号を前記アンテナ手段に供給する手段と、前記記憶手段から、平面図高度範囲（pvar:plan view altitude range）信号によって特定されたデジタル化信号を選択的に検索すると共に、該検索したデジタル化信号を前記ディスプレイ手段に供給する制御手段と、ｐｖａｒ信号を前記制御手段に供給して、前記表示された平面図画像及び前記表示された垂直図画像に関する均一な垂直範囲を規定するようにした手動操作可能なｐｖａｒ信号発生手段と、を具備したことを特徴とする前記システム。２．請求項１記載のシステムにおいて、前記制御手段は、前記ｐｖａｒ信号に応答して、表示された気象の前記垂直及び水平図画像の前記予め選択された高さ範囲を表わすデジタル化垂直範囲信号を生成する手段を備え、前記ディスプレイ手段は、前記デジタル化垂直範囲信号に応答して、表示中の気象の前記垂直及ひ水平図画像の高さを示す１つ以上の垂直範囲シンボルを表示するようになっていることを特徴とする前記システム。３．請求項２記載のシステムにおいて、前記垂直範囲シンボルは、その長さが、表示中の気象の垂直図画像の高さ及び平面図で表示された高さの範囲を表わす垂直方向に位置決めされたバーを備えていることを特徴とする前記システム。４．請求項３記載のシステムにおいて、前記ディスプレイ手段は、表示画面と、前記画面上の第１の領域に前記平面図画像を表示すると共に、第２の領域に前記垂直図画像を表示する手段と、を備え、かつ、表示する前記手段は、前記画面の前記第２の領域の各側に、前記垂直方向に位置決めされたバーを表示するようになっていることを特徴とする前記システム。５．請求項１記載のシステムにおいて、予め選択された水平方向の範囲に対する緯度及び経度座標データを生成する手段と、前記座標データを前記記憶する手段に供給する第１の手段と、それぞれのデジタル化反射レーダ信号が戻された前記緯度及び経度に対応する座標データを含む位置に記憶させるために、前記デジタル化信号を前記記憶する手段に供給する第２の手段と、を更に具備し、かつ、前記ディスプレイ手段が、前記座標データ及びデジタル化信号に応答して、緯度及び経度座標に関して気象の前記平面図画像を表示する手段を備えていることを特徴とする前記システム。６．請求項５記載のシステムにおいて、前記ディスプレイ手段は、前記緯度及び経度座標データに応答して、緯度座標を表わす第１の複数の離隔した平行線と、該第１の複数の線と直角に交差するように位置決めされて、経度座標を表わす第２の複数の離隔した線とを表示する手段を備えたことを特徴とする前記システム。７．請求項６記載のシステムにおいて、緯度及び経度座標に関して前記航空機の機首方位を同定する機首方位データを生成すると共に、該機首方位データを前記ディスプレイ手段に供給する手段を更に具備し、かつ、前記ディスプレイ手段は、表示中の前記緯度線及び前記経度線に関して前記航空機の前記機首方位を示す航空機シンボルを表示するようになっていることを特徴とする前記システム。８．請求項７記載のシステムにおいて、前記緯度座標線及び前記経度座標線が、水平方向及ひ垂直方向に回転不可能な位置として表示され、かつ、前記航空機シンボルが、前記航空機の前記機首方位が変化するにつれて、前記緯度座標線及び前記経度座標線に関して回転することによって、前記緯度座標線及び前記経度座標線に関して前記航空機の前記機首方位を示すようにしてなることを特徴とする前記システム。９．請求項７記載のシステムにおいて、前記航空機シンボルが一定の位置に表示され、前記航空機の前記機首方位が変化するにつれて、前記緯度及び経度座標線が前記航空機シンボルに関して回転することによって、前記緯度及び経度座標線に関して前記航空機の前記機首方位を示すようにしてなることを特徴とする前記システム。 10．航空機用気象レーダシステムにおいて、前記航空機に実装されて、前記航空機からレーダ信号を外方に伝送すると共に反射レーダ信号を受信し、かつ、反射レーダ信号が受信される前記航空機の中心線からの水平方向偏差Ａを示す水平方向偏差信号を生成するアンテナ手段と、前記アンテナ手段に結合されて、前記アンテナ手段によって受信された反射レーダ信号をデジタル化すると共に、反射レーダ信号が受信される前記航空機からの距離Ｒを表わす範囲信号を生成する受信機手段と、地球の緯度及び経度に関する前記航空機の機首方位Ｈを示す機首方位信号を生成する機首方位手段と、地球の緯度及び経度に関して、前記航空機の位置Ｐ及び前記航空機が追跡するトラックＴをそれぞれ示す位置信号及びトラック信号を生成する航行手段と、前記デジタル化信号、水平方向偏差信号、範囲信号、機首方位信号、位置信号及びトラック信号を記憶する手段と、表示制御信号に応答して、地球の緯度及び経度に関して、受信した反射レーダ信号によって表わされる、前記航空機の前方及び側の予め選択された領域に渡って気象の平面図画像を表示するディスプレイ手段と、前記記憶したデジタル化信号、水平方向偏差信号、範囲信号、機首方位信号、位置信号及びトラック信号から、表示制御信号を生成する制御手段と、を具備したことを特徴とする前記システム。 11．請求項１０記載のシステムにおいて、海面からの前記航空機の高度を示す高度信号を生成する高度手段と、前記高度信号を記憶する手段と、を更に具備し、前記ディスプレイ手段は、更に表示制御信号に応答して、受信した反射レーダ信号及び海面からの垂直図画像の高度を示す高度特徴によって表わされる予め選択した高さに対する気象の前記垂直図画像を表示する手段を備え、かつ、前記制御手段は、前記記憶したデジタル化信号、範囲信号、及び高度信号から、更に表示制御信号を生成する手段を備えてなることを特徴とする前記システム。 12．請求項１０記載のシステムにおいて、前記記憶する手段は、機首方位Ｈ及びトラックＴ間のクラブ角Ｃを表わす信号を生成すると共に、以下のように、各反射レーダ信号に対する緯度及び経度位置Ｅを生成するプロセッサ手段と、緯度Ｅ＝緯度Ｐ＋ｃｏｓ（Ｔ＋Ａ−Ｃ）／６０経度Ｅ＝経度Ｓ＋〔（ｔａｎ（Ｔ＋Ａ−Ｃ））^*１８０（ｌｎｔａｎ（４５＋０．５緯度Ｅ）− ｌｎｔａｎ（４５＋０．５緯度Ｐ））〕／ｐｉメモリ手段と、反射レーダ信号に対する緯度及び経度位置と共に、反射レーダ信号を前記メモリ手段に記憶する手段と、を備えたことを特徴とする前記システム。 13．請求項１０記載のシステムにおいて、所定の緯度及び経度データを記憶する手段を更に具備し、前記ディスプレイ手段は、表示制御信号に更に応答して、緯度及び経度に関して、気象画像の位置を示す緯度及び経度特徴を表示する手段を備え、かつ、前記制御手段は、前記記憶したデジタル化信号、水平方向偏差信号、範囲信号、機首方位信号、位置信号、トラック信号並びに緯度及び経度データから、表示制御信号を更に生成する手段を備えたことを特徴とする前記システム。 14．航空機用の気象レーダ／マップ表示システムにおいて、前記航空機からレーダ信号を伝送すると共に、反射レーダ信号を受信する手段と、前記伝送及び受信手段によって受信された反射レーダ信号をデジタル化する手段と、反射レーダ信号が反射された空間における位置に関する緯度及び経度座標を計算する手段と、前記デジタル化信号、及ひそれぞれの反射レーダ信号に対して計算された緯度及び経度座標を記憶する第１の手段と、前記航空機がその上方を飛行する大地の、緯度及び経度に関連する所定のマップ・データを記憶する第２の手段と、前記第１及び第２の記憶する手段に応答して、前記計算された緯度及び経度座標に関して、デジタル化された反射レーダ信号によって表わされる、気象の選択された水平範囲に渡って平面図画像（ａ）を示すると共に、マップ・データの緯度及び経度に関して、マップ・データの選択された水平範囲に渡って平面図画像（ｂ）を表示し、この際、前記気象表示及びマップ・データ表示が相互に畳重されてなるディスプレイ手段と、を具備したことを特徴とする前記システム。