BR102017016788B1

BR102017016788B1 - SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING METRICS OF BACKDIFUSION POPULATIONS OF WATER PARTICLES FROM A CLOUD ATMOSPHERE

Info

Publication number: BR102017016788B1
Application number: BR102017016788-7A
Authority: BR
Inventors: Mark Ray; Kaare Josef Anderson; Mark Sherwood Miller
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc.
Priority date: 2016-08-18
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2023-07-04

Abstract

SISTEMA E MÉTODO PARA A MEDIÇÃO DE MÉTRICAS DE UMA POPULAÇÃO EM RETRODIFUSÃO DE PARTÍCULAS DE ÁGUA DE UMA ATMOSFERA DE NUVEM Aparelho e métodos associados referem-se a determinar, com base numa porção detectada de um pulso projetado de energia quasi-óptica retrodifundida por partículas de água dentro de um volume de projeção divergente de uma atmosfera de nuvem, as propriedades das partículas de água de retrodifusão. O pulso de energia quasi-óptica é projetado para dentro do volume de projeção divergente da atmosfera de nuvem. O volume de projeção divergente é definido por um eixo de projeção e um ângulo de projeção sobre o eixo de projeção. A porção do pulso projetado de energia óptica retrodifundida por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera de nuvem é recebida e detectada. Várias propriedades das partículas de água retrodifundidas, que podem ser determinadas a partir da porção detectada do pulso projetado retrodifundido por partículas de água pode incluir densidade de partículas e/ou o tamanho das partículas.SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING METRICS OF A POPULATION IN BACKscattering OF WATER PARTICLES FROM A CLOUD ATMOSPHERE Apparatus and associated methods are concerned with determining, based on a detected portion of a projected pulse of quasi-optical energy backscattered by particles of water within a volume of divergent projection of a cloud atmosphere, the properties of backscattering water particles. The quasi-optical energy pulse is projected into the diverging projection volume of the cloud atmosphere. The divergent projection volume is defined by a projection axis and a projection angle about the projection axis. The portion of the projected pulse of optical energy backscattered by water particles within the diverging projection volume of the cloud atmosphere is received and detected. Various properties of backscattered water particles that can be determined from the detected portion of the projected pulse backscattered by water particles may include particle density and/or particle size.

Description

FUNDAMENTALS OF THE INVENTION

[001] Várias condições de nuvem podem apresentar riscos para aeronaves quando estas estão viajando através das mesmas. Se a temperatura de uma atmosfera de nuvem estiver abaixo do ponto de congelamento para a água, as gotículas de água podem tornar-se gotículas de líquidas super- resfriadas. Essas gotículas de líquido super-resfriadas podem, então, submeter-se a uma mudança de fase líquido-para-sólido após o impacto com a superfície da aeronave. Gelo acresce em diferentes regiões de superfície para diferentes tamanhos de gotículas de líquido super-resfriadas na atmosfera nuvem. Assim, a caracterização da densidade e/ou tamanhos de gotículas de água super-resfriadas em uma atmosfera de nuvem pode facilitar a previsão de regiões de superfície onde o gelo irá acrescer, bem como fornecer alertas de condições potencialmente perigosas para um piloto.[001] Various cloud conditions can present hazards to aircraft when they are traveling through them. If the temperature of a cloud atmosphere is below the freezing point for water, water droplets can become supercooled liquid droplets. These supercooled liquid droplets can then undergo a liquid-to-solid phase change upon impact with the aircraft surface. Ice builds up in different surface regions for different sizes of supercooled liquid droplets in the cloud atmosphere. Thus, characterizing the density and/or sizes of supercooled water droplets in a cloud atmosphere can facilitate the prediction of surface regions where ice will accrete, as well as provide alerts of potentially dangerous conditions to a pilot.

[002] Gotículas pequenas de água super-resfriadas tendem a formar gelo apenas em bordas de superfície exterior de uma aeronave. Gotículas de água grandes super-resfriadas (Super-cooled Large Water Droplets - SLDs), no entanto, podem atingir o bordo de ataque de uma asa e se estenderem através de quaisquer sistemas de proteção contra congelamento, ou pode atravessar vetores de fluxo de ar e atacar superfícies atrás destes bordos de ataque. Gelo que se forma nas regiões de superfície desprotegidas pode alterar seriamente a aerodinâmica do avião. Tal acúmulo de gelo pode fazer com que a aeronave pare ou resultar em variação de controle da aeronave imprevisível que pode levar a problemas de voo. Quando em uma nuvem, o gelo pode se formar em superfícies de controle e/ou superfícies de elevação.[002] Small supercooled water droplets tend to form ice only on the outer surface edges of an aircraft. Super-cooled Large Water Droplets (SLDs), however, can reach the leading edge of a wing and extend through any freeze protection systems, or it can cross airflow vectors. and attacking surfaces behind these leading edges. Ice that forms on unprotected surface regions can seriously alter the aerodynamics of the plane. Such ice buildup can cause the aircraft to stall or result in unpredictable aircraft control variation that can lead to flight problems. When in a cloud, ice can form on control surfaces and/or elevation surfaces.

[003] Nem toda nuvem, no entanto, tem uma população significativa de SLDs. Diferentes nuvens e diferentes condições atmosféricas podem ser acompanhadas de várias distribuições de tamanho de gotículas de água, diferentes relações de gelo/líquidos, etc., algumas dos quais podem ser inteiramente seguras para uma aeronave, enquanto que outras podem não ser seguras. Essas distribuições de tamanho de gota de água e razões entre gelo/líquido podem ser medidas como métricas de nuvem usando vários tipos instrumentos.[003] Not every cloud, however, has a significant population of SLDs. Different clouds and different atmospheric conditions may be accompanied by various water droplet size distributions, different ice/liquid ratios, etc., some of which may be entirely safe for an aircraft, while others may not be. These water droplet size distributions and ice/liquid ratios can be measured as cloud metrics using various types of instruments.

[004] Algumas aeronaves estão equipadas com sistemas de Detecção de Luza e Abrangência (Light Detection and Ranging - LIDAR) para medir métricas de nuvem. Tais sistemas podem caracterizar nuvens que têm as gotículas de água que têm uma distribuição de tamanho que tem um único modo. Tanto a dimensão média do tamanho das gotículas ou o modo do tamanho da gotícula pode ser calculado pela inversão de um modelo LIDAR de um sinal de retrodifusão usando tais sistemas. Estes sistemas também pode calcular a densidade de gotículas de água para tais distribuições mono- modais.[004] Some aircraft are equipped with Light Detection and Ranging (LIDAR) systems to measure cloud metrics. Such systems can feature clouds that have water droplets that have a size distribution that has a single mode. Either the average droplet size dimension or the droplet size mode can be calculated by inverting a LIDAR model of a backscatter signal using such systems. These systems can also calculate water droplet density for such mono-modal distributions.

[005] Distribuições multimodais de tamanho das gotículas de água, no entanto, podem ser difíceis de caracterizar. Tais condições multimodais podem ocorrer, por exemplo, quando as nuvens cúmulos garoam ou chovem em um de que de nuvens estratiformes inferiores, criando condições de congelamento. Para distribuições de tamanho de gotículas que possuem um modo dominante e um modo secundário (por exemplo, grande quantidade de gotículas de água relativamente pequenas, mais uma pequena quantidade de grandes gotículas de água), pode ser difícil de detectar as quantidades anormais de grandes gotículas de água no modo secundário.[005] Multimodal water droplet size distributions, however, can be difficult to characterize. Such multimodal conditions can occur, for example, when cumulus clouds drizzle or rain on a layer of lower stratiform clouds, creating freezing conditions. For droplet size distributions that have a dominant mode and a minor mode (e.g., lots of relatively small water droplets plus a small amount of large water droplets), it can be difficult to detect abnormal amounts of large droplets. of water in secondary mode.

[006] Ambos os sistemas LIDAR colimados e não colimados podem ter dificuldades em detectar SLDs. Sistemas LIDAR colimados projetam pulsos de um raio de laser para a atmosfera nuvem e depois sentir o sinal retrodifundido pela atmosfera da nuvem. Os raios laser colimados realiza amostragem de um volume relativamente pequeno da nuvem, devido ao fato de que raio colimado possui um pequeno campo de visão (por exemplo, 4 mrad de divergência não é atípico). Realizar amostragem de um tal volume de nuvem tão pequeno pode resultar no raio encontrar poucos, se algum, dos SLD de um modo secundário.[006] Both collimated and non-collimated LIDAR systems may have difficulties detecting SLDs. Collimated LIDAR systems project pulses of a laser beam into the cloud atmosphere and then sense the signal backscattered by the cloud atmosphere. Collimated laser beams sample a relatively small volume of the cloud, due to the fact that the collimated beam has a small field of view (eg 4 mrad divergence is not atypical). Sampling such a small cloud volume can result in the ray finding few, if any, of the SLDs in a secondary way.

[007] Dependendo do tamanho e densidade das SLD no modo secundário na distribuição de tamanho de gota, o sinal de retrodifusão pode aparecer como pontos de cintilação, sobreposto em uma característica de sinal retrodifundido resolvido em intervalo que é, tirando isto, é contínua e suave do modo primário na distribuição de tamanho de gota. O tamanho e a frequência de ocorrência dos picos de cintilação dependem dos tamanhos do SLD e do volume de espaço sondado pelo raio laser colimado.[007] Depending on the size and density of the SLDs in the secondary mode in the droplet size distribution, the backscattered signal may appear as dots of scintillation, superimposed on an interval-resolved backscattered signal feature that is otherwise continuous and smooth in the primary mode in the droplet size distribution. The size and frequency of occurrence of scintillation peaks depend on the sizes of the SLD and the volume of space probed by the collimated laser beam.

[008] Ao contrário do sinal suave de retrodifusão resolvido em intervalo de pequenas gotículas no modo primário, sinais de retrodifusão de gotículas grandes no modo secundário podem resultar em pulsos de cintilação que ocorrem aleatoriamente. Calculando a média de tais sinais de retrodifusão ao longo de múltiplos pulsos de laser, ao mesmo tempo em que se aumenta a relação sinal-ruído da contribuição das gotículas pequenas, pode fazer com que os picos esporádicos das grandes gotículas esparsadas sejam atenuadas e, talvez, até caiam abaixo de um nível de ruído. Assim, as SLDs, que podem ser perigosas para a aeronave, podem não ser detectadas.[008] Unlike the smooth backscatter signal resolved into small droplet intervals in the primary mode, large droplet backscatter signals in the secondary mode can result in randomly occurring scintillation pulses. Averaging such backscatter signals over multiple laser pulses, while increasing the signal-to-noise ratio of the contribution of small droplets, can cause the sporadic peaks of large scattered droplets to be attenuated and perhaps , until they drop below a noise level. Thus, SLDs, which can be dangerous for the aircraft, may not be detected.

[009] Sistemas LIDAR não colimatados projetam um raio divergente de energia para a atmosfera nuvem, sondando assim um grande volume da atmosfera de nuvem. Tais sistemas LIDAR não colimatados, em seguida, detectam sinal retrodifundido por partículas de água dentro do volume sondado da atmosfera nuvem. Sondar um volume tão grande pode resultar em um sinal de retrodifusão que resulta de um grande número de SLDs, resultando assim num sinal de retrodifusãoresolvido em intervalo suave sem pulsos de cintilação. Apesar de grandes gotículas contribuirem para o sinal de retrodifusão suave resolvido em intervalo, a contribuição SLD a um tal sinal de retrodifusão pode ser modesta em comparação com a contribuição devido a pequenas gotículas.[009] Non-collimated LIDAR systems project a divergent beam of energy into the cloud atmosphere, thus probing a large volume of the cloud atmosphere. Such non-collimated LIDAR systems then detect signal backscattered by water particles within the probed volume of the cloud atmosphere. Probing such a large volume can result in a backscatter signal that results from a large number of SLDs, thus resulting in a smooth range resolved backscatter signal with no flicker pulses. Although large droplets contribute to the interval-resolved smooth backscatter signal, the SLD contribution to such a backscatter signal can be modest compared to the contribution due to small droplets.

[0010] Além disso, as distribuições mono-modais de SLDs em uma atmosfera de nuvem também podem ser problemáticas, se a densidade de SLDs é pequena. Novamente, o sinal de retrodifusão pode ser caracterizado por picos de cintilação localizados aleatoriamente. Calcular a média de tais sinais de retrodifusão pode resultar em uma amplitude de sinal que é pequena. Este sinal pequeno pode até cair abaixo de um piso de ruído de um instrumento. Técnicas e instrumentos de medição, que podem caracterizar com mais precisão as distribuições de gotículas de água, são necessários. SUMÁRIO[0010] Furthermore, mono-modal distributions of SLDs in a cloud atmosphere can also be problematic, if the density of SLDs is small. Again, the backscattered signal can be characterized by randomly located scintillation peaks. Averaging such backscattered signals can result in a signal amplitude that is small. This small signal can even fall below an instrument noise floor. Techniques and measuring instruments, which can more accurately characterize water droplet distributions, are needed. SUMMARY

[0011] Os aparelhos e os dispositivos associados referem-se a um sistema para a medição de métricas de uma população em retrodifusão de partículas de água de uma atmosfera de nuvem. O sistema inclui um transmissor quasi-óptico configurado para projetar um pulso de energia quasi- óptica a partir de uma abertura em chifre em um volume de projeção divergente da atmosfera nuvem. O volume de projeção divergente é definido por um eixo de projeção e um ângulo de projeção sobre o eixo de projeção. O ângulo de projeção é baseado numa proporção de uma dimensão transversal da abertura em chifre para um comprimento de onda da energia quasi-óptica projetada. O sistema inclui um receptor quasi-óptico configurado para detectar uma porção do pulso projetado de energia quasi-óptica retrodifundida pela população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera nuvem. O sistema inclui também uma calculadora de métrica de nuvem configurado para determinar, com base numa porção de detecção do pulso projetado de energia quasi-óptico retrodifundida pela população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera da nuvem, uma densidade de população de retrodifusão de partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera da nuvem.[0011] Apparatus and associated devices relate to a system for measuring metrics of a backscattered population of water particles from a cloud atmosphere. The system includes a quasi-optical transmitter configured to project a pulse of quasi-optical energy from a horn aperture into a diverging projection volume of the cloud atmosphere. The divergent projection volume is defined by a projection axis and a projection angle about the projection axis. The projection angle is based on a ratio of a transverse dimension of the horn aperture to a wavelength of projected quasi-optical energy. The system includes a quasi-optical receiver configured to detect a portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the backscattered population of water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere. The system also includes a cloud metric calculator configured to determine, based on a detection portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the backscattered population of water particles within the diverging projection volume of the cloud atmosphere, a density backscatter population of water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere.

[0012] Algumas modalidades referem-se a um método para a medição de métricas de uma população em retrodifusão de partículas de água de uma atmosfera de nuvem. O método inclui projetar um pulso de energia quasi- óptico para um volume de projeção divergente da atmosfera da nuvem. O volume de projeção divergente é definido por um eixo de projeção e um ângulo de projeção sobre o eixo de projeção. O ângulo de projeção é baseado numa proporção de uma dimensão transversal da abertura que se projeta para um comprimento de onda da energia quasi-óptica projetada. O método inclui um receber uma porção do pulso projetado de energia quasi-óptica retrodifundida pela população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera nuvem. O método inclui também determinar, com base numa porção de detecção do pulso projetado de energia quasi-óptico retrodifundida pela população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera da nuvem, uma densidade de porção de retrodifusão de partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera da nuvem.[0012] Some embodiments relate to a method for measuring metrics of a backscattered population of water particles from a cloud atmosphere. The method includes projecting a quasi-optical energy pulse into a diverging projection volume of the cloud atmosphere. The divergent projection volume is defined by a projection axis and a projection angle about the projection axis. The projection angle is based on a ratio of a transverse dimension of the projecting aperture to a wavelength of projected quasi-optical energy. The method includes receiving a portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the backscattered population of water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere. The method further includes determining, based on a detection portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the water particle backscatter population within the divergent projection volume of the cloud atmosphere, a water particle backscatter portion density within the divergent projection volume of the cloud atmosphere.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[0013] A FIG. 1 é uma vista esquemática de um avião, utilizando um sistema de medição de condições nuvem exemplar para medir várias métricas de uma nuvem no caminho da aeronave.[0013] FIG. 1 is a schematic view of an aircraft using an exemplary cloud condition measurement system to measure various metrics of a cloud in the path of the aircraft.

[0014] A FIG. 2 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um sistema de medição de condições de nuvem que tem um sistema de radar quasi-óptico divergente.[0014] FIG. 2 is a schematic diagram of one embodiment of a cloud condition measurement system having a diverging quasi-optical radar system.

[0015] A FIG. 3 é um diagrama esquemático de um sistema LIDAR óptico exemplar.[0015] FIG. 3 is a schematic diagram of an exemplary optical LIDAR system.

[0016] A FIG. 4 é um diagrama esquemático de um feixe de fibras exemplar para uso em um sistema de medição de condições de nuvem, como o que está representada na FIG. 3.[0016] FIG. 4 is a schematic diagram of an exemplary fiber bundle for use in a cloud condition measurement system such as that shown in FIG. 3.

[0017] A FIG. 5 é um diagrama de blocos de uma calculadora de métrica de condições exemplares nuvem.[0017] FIG. 5 is a block diagram of an exemplary cloud condition metric calculator.

[0018] A FIG. 6 é um fluxograma de um processo exemplificativo para medir as condições de nuvem.[0018] FIG. 6 is a flowchart of an exemplary process for measuring cloud conditions.

DETAILED DESCRIPTION

[0019] Aparelho e métodos associados referem-se a sondagem, utilizando o radar quasi-óptico, de partículas de água dentro de um grande volume de uma atmosfera de nuvem de modo a obter um grande sinal de resposta a partir de uma distribuição, ainda que escassa, de gotículas de água na atmosfera de nuvem. Um volume pode ser sondado projetando-se um feixe quasi-óptico não colimatado na atmosfera de nuvem e coletando-se amostra do sinal retrodifundido das gotículas de água localizadas dentro do volume sondado. O feixe quasi-óptico não colimatado pode ser gerado mediante a projeção de pulso de energia quasi-óptico a partir de uma extremidade de abertura de um ressonador quasi-óptico, por exemplo, sem ter uma lente entre a extremidade de abertura do dispositivo de ressonância quasi-óptico e a atmosfera de nuvem.[0019] Apparatus and associated methods refer to probing, using quasi-optical radar, water particles within a large volume of a cloud atmosphere in order to obtain a large response signal from a distribution, even that sparse, of water droplets in the cloud atmosphere. A volume can be probed by projecting an uncollimated quasi-optical beam into the cloud atmosphere and sampling the backscattered signal from water droplets located within the probed volume. The non-collimated quasi-optical beam can be generated by projecting a quasi-optical energy pulse from an aperture end of a quasi-optical resonator, for example, without having a lens between the aperture end of the resonator. quasi-optical and cloud atmosphere.

[0020] O feixe não colimatado diverge na medida em que se projeta a partir da extremidade de abertura do dispositivo de ressonância quasi-óptico. O feixe divergente pode ser caracterizado por um eixo de projeção e um ângulo de projeção sobre o eixo de projeção, por exemplo. O ângulo de projeção (θP) pode ser determinado por uma proporção entre uma dimensão transversal de uma abertura em chifre, por exemplo, a um comprimento de onda da energia quasi-óptica. Várias outras métricas podem ser utilizadas para caracterizar a divergência do feixe óptico projetado. Por exemplo, a abertura numérica (NA), proporção focal (F/#) e o ângulo sólido (Q) podem todos ser utilizados como métricas que caracterizam a divergência do feixe óptico projetado.[0020] The non-collimated beam diverges as it projects from the aperture end of the quasi-optical resonant device. The divergent beam can be characterized by a projection axis and a projection angle about the projection axis, for example. The angle of projection (θP) can be determined by a ratio between a transverse dimension of a horn aperture, for example, to a wavelength of quasi-optical energy. Several other metrics can be used to characterize the divergence of the projected optical beam. For example, numerical aperture (NA), focal ratio (F/#) and solid angle (Q) can all be used as metrics that characterize the divergence of the projected optical beam.

[0021] Ou a extremidade de abertura do dispositivo de ressonância quasi-óptico ou uma abertura para um detector quasi-óptico distinta podem ser utilizadas para receber o sinal quasi-óptico retrodifundido da atmosfera de nuvem. Se um detector quasi-óptico distinta é utilizado para tais fins, o detector quasi-óptico pode ser alinhado paralelamente ao ressonador quasi- óptico, de modo a ser sensível a sinais ópticos com retroespalhamento a partir do volume sondado. O detector quasi-óptico pode ter substancialmente o mesmo campo de visão que o ressonador quasi-óptico, de modo a receber sinais a partir de um volume da atmosfera de nuvem que é substancialmente compatível com o volume sondado. Por amostragem do grande volume da atmosfera de nuvem, um sinal de retrodifusão resolvido em intervalo contínuo pode ser detectado, mesmo para nuvens que possuem distribuições de gotículas de água dispersas.[0021] Either the aperture end of the quasi-optical resonator or an aperture for a separate quasi-optical detector can be used to receive the backscattered quasi-optical signal from the cloud atmosphere. If a separate quasi-optical detector is used for such purposes, the quasi-optical detector can be aligned parallel to the quasi-optical resonator so as to be sensitive to backscattered optical signals from the probed volume. The quasi-optical detector can have substantially the same field of view as the quasi-optical resonator, so as to receive signals from a volume of the cloud atmosphere that is substantially compatible with the probed volume. By sampling the large volume of the cloud atmosphere, a continuous range resolved backscatter signal can be detected, even for clouds that have dispersed water droplet distributions.

[0022] Os campos de vista de do ressonador quasi-óptico e do detector quasi-óptico são substancialmente iguais, ou substancialmente os mesmos, de forma que o volume da atmosfera de nuvem sondado por um sinal que se projeta a partir da extremidade de abertura do dispositivo de ressonância quasi-óptico é substancialmente o mesmo volume a partir do qual um sinal com retrodifusão é recebido pela abertura do detector quasi-óptico. Dois campos de visão, e qualquer uma das medidas de divergência que caracterizam estes campos de visão, são substancialmente iguais um ao outro, se eles diferem em menos de dez por cento. Por exemplo, se 2(θP-θD)/(θP+θD) <0,1, em seguida, os dois ângulos (de projeção θP e detecção de θD) são substancialmente iguais uns aos outros.[0022] The fields of view of the quasi-optical resonator and the quasi-optical detector are substantially equal, or substantially the same, so that the volume of the cloud atmosphere probed by a signal projecting from the aperture end of the quasi-optical resonator is substantially the same volume from which a backscattered signal is received by the aperture of the quasi-optical detector. Two fields of view, and any of the measures of divergence that characterize these fields of view, are substantially equal to each other if they differ by less than ten percent. For example, if 2(θP-θD)/(θP+θD) < 0.1, then the two angles (of projection θP and detection of θD) are substantially equal to each other.

[0023] Para acomodar a detecção de gotas grandes super-resfriadas (SLDs) que podem de outro modo não ser detectadas por sistemas de detecção de gelo ópticos (OID), radares de milímetro e submilímetro podem ser utilizados. Por exemplo, um transmissor de radar pode ser configurado para emitir radiação em Banda G IEEE (1 mm a 2,7 mm de comprimento de onda). Outros comprimentos de onda que se situam perto de Banda G (por exemplo, 1 mm a 3 mm) também podem ser utilizados, tais como, por exemplo, comprimentos de onda submilimétricos. Estes comprimentos de onda são muitas vezes referidos como "quasi-ópticos" porque estes comprimentos de onda se encontram, por pouco, fora do espectro "óptico", feixes deste comprimento de onda podem ainda ser refletidos e focados usando o mesmo sistema óptico, tal como são usados para a radiação no espectro óptico. Devido a isso, os receptores e do transmissor podem utilizar chifres de correspondência de impedância, respectivamente, para acoplar para o espaço livre, em vez de usar antenas volumosas.[0023] To accommodate the detection of large supercooled droplets (SLDs) that may otherwise not be detected by optical ice detection (OID) systems, millimeter and submillimeter radars can be utilized. For example, a radar transmitter can be configured to emit IEEE G-Band radiation (1 mm to 2.7 mm wavelength). Other wavelengths that fall close to the G-Band (eg 1 mm to 3 mm) may also be used, such as, for example, submillimetre wavelengths. These wavelengths are often referred to as "quasi-optical" because these wavelengths fall just outside the "optical" spectrum, beams of this wavelength can still be reflected and focused using the same optical system, such as as they are used for radiation in the optical spectrum. Because of this, the receivers and the transmitter can use impedance matching horns, respectively, to couple to the free space, instead of using bulky antennas.

[0024] A FIG. 1 é uma vista esquemática de um avião, utilizando um sistema de medição de condições nuvem exemplar que é capaz de medir várias métricas de uma nuvem no caminho da aeronave. Na FIG. 1, a aeronave 10 está viajando através da atmosfera de nuvem 12. Aeronave 10 é equipada com sistema de medição de condições de nuvens 14, que está sondando atmosfera de nuvem 12 com feixe não colimatado quasi-óptico 16, e feixe retrodifundido 18. Feixe óptico não colimatado 16 tem uma relativamente grande divergência e investiga volume de projeção divergente 20. Volume de projeção divergente 20 pode ser definido por eixo de projeção 22 e ângulos de projeção θP e detecção θD em torno do eixo de projeção 22. Volume de projeção divergente 20 pode ser limitado por uma distância efetiva em que o feixe quasi-óptico não colimatado 16 foi substancialmente atenuado por absorção ou reflexão pela atmosfera de nuvem 12. A distância efetiva pode ser calculada como a distância em que, pelo menos, 90% do feixe não colimatado quasi-óptico 16 foi absorvido ou refletido pela atmosfera de nuvem 12, por exemplo. Tal distância eficaz pode variar em resposta às variações de atmosfera de nuvem 12. Por exemplo, a distância eficaz pode não ser superior a 10 metros, se atmosfera de nuvem 12 tem uma alta concentração de partículas de água.[0024] FIG. 1 is a schematic view of an aircraft using an exemplary cloud condition measurement system that is capable of measuring various metrics of a cloud in the path of the aircraft. In FIG. 1, aircraft 10 is traveling through cloud atmosphere 12. Aircraft 10 is equipped with cloud condition measurement system 14, which is probing cloud atmosphere 12 with quasi-optical non-collimated beam 16, and backscattered beam 18. Beam Non-collimated optical 16 has a relatively large divergence and investigates divergent projection volume 20. Divergent projection volume 20 can be defined by projection axis 22 and projection angles θP and detection θD around projection axis 22. Divergent projection volume 20 may be limited by an effective distance at which the uncollimated quasi-optical beam 16 has been substantially attenuated by absorption or reflection by the cloud atmosphere 12. The effective distance may be calculated as the distance at which at least 90% of the beam non-collimated quasi-optic 16 has been absorbed or reflected by the cloud atmosphere 12, for example. Such effective distance may vary in response to changes in the atmosphere of cloud 12. For example, the effective distance may not be greater than 10 meters if the atmosphere of cloud 12 has a high concentration of water particles.

[0025] A FIG. 2 é um diagrama esquemático de uma modalidade de um sistema de medição de condições de nuvem que tem um sistema de radar quasi-óptico divergente. Na FIG. 2 sistema de medição de condições de nuvem 14 inclui sistema de radar quasi-óptico 24 e sistema LIDAR óptico multifibras 26. Sistema de radar quasi-óptico 24 inclui transmissor de Banda G 28, um receptor de Banda G 30, transdutor septo ortomodal 32, abertura 34 e janela 36. Transdutor septo ortomodal 32 inclui cavidade ressonante longitudinal 38 e septo longitudinal 40. Transmissor de Banda G gera pulsos de energia quasi-ópticos que longitudinalmente se propagam no interior da cavidade de ressonância longitudinal 38. Septo longitudinal 40 tem uma geometria que é configurada para polarizar o sinal quase óptico de propagação, de tal modo que o feixe 16 projetado da abertura 34 é polarizado circularmente numa primeira orientação (por exemplo, RCP Polarizada Circularmente Destra).[0025] FIG. 2 is a schematic diagram of one embodiment of a cloud condition measurement system having a diverging quasi-optical radar system. In FIG. 2 cloud condition measurement system 14 includes quasi-optical radar system 24 and optical multi-fiber LIDAR system 26. Quasi-optical radar system 24 includes G-band transmitter 28, a G-band receiver 30, orthomodal septum transducer 32, aperture 34 and window 36. Orthomodal septum transducer 32 includes longitudinal resonant cavity 38 and longitudinal septum 40. G-band transmitter generates longitudinally propagating quasi-optical energy pulses within longitudinal resonant cavity 38. Longitudinal septum 40 has a geometry which is configured to polarize the propagating quasi-optical signal such that the beam 16 projected from aperture 34 is circularly polarized in a first orientation (eg Right-handed Circularly Polarized RCP).

[0026] Feixe quasi-óptico projetado 16, em seguida, projeta a partir da abertura 34 de forma divergente. O ângulo de propagação θP ao redor do eixo de projeção 22 é determinado por uma relação entre uma dimensão transversal (por exemplo, uma dimensão perpendicular à direção longitudinal ou ao eixo de propagação 22) da abertura 34 com um comprimento de onda do feixe quasi-óptico gerado. Em algumas modalidades, o ângulo de projeção é de pelo menos 15, 20, 27,5, ou, pelo menos, 35 graus, por exemplo. Feixe de quasi-óptico projetado 16 transmite através da janela 36 e encontra a atmosfera de nuvem 12 e experimenta três fenômenos diferentes. Em primeiro lugar, uma porção do feixe quasi-óptico projetada 16 transmite através da atmosfera da nuvem 12, embora em muitos casos, tal porção pode ser pequena ou mesmo infinitesimal. Em segundo lugar, uma parte do feixe quasi-óptico projetado 16 é absorvida pela atmosfera de nuvem 12. Em terceiro lugar, uma parte do feixe quasi-óptico projetado 16 é retrodifundido pela atmosfera de nuvem 12.[0026] Projected quasi-optical beam 16 then projects from aperture 34 divergently. The propagation angle θP around the axis of projection 22 is determined by a ratio of a transverse dimension (e.g., a dimension perpendicular to the longitudinal direction or axis of propagation 22) of the aperture 34 to a beam wavelength nearly optical generated. In some embodiments, the projection angle is at least 15, 20, 27.5, or at least 35 degrees, for example. Projected quasi-optical beam 16 transmits through window 36 and encounters cloud atmosphere 12 and experiences three different phenomena. First, a portion of the projected quasi-optical beam 16 transmits through the atmosphere of the cloud 12, although in many cases such a portion may be small or even infinitesimal. Second, a portion of the projected quasi-optical beam 16 is absorbed by the cloud atmosphere 12. Third, a portion of the projected quasi-optical beam 16 is backscattered by the cloud atmosphere 12.

[0027] A porção do feixe quasi-óptico 16 que é retrodifundida pela atmosfera de nuvem 12 pode ser detectado pelo receptor de banda G 30, na medida em que tais porções são recebidos pela abertura 34 de transdutor de septo ortomodal 32. A porção recebida de feixe quasi-óptico 16 retrodifundida pela atmosfera da nuvem 12, em seguida, se propaga longitudinalmente dentro da cavidade ressonante 38. Tal propagação do feixe retrodifundido é recebida numa direção antiparalela à direção de propagação do feixe quasi-óptico gerado pelo transmissor de banda G 28. Septo 40 do transdutor septo ortomodal 32 é configurado para atuar como um filtro de polarização. Assim, o transdutor septo ortomodal 32 é configurado para permitir que apenas sinais quasi-ópticos polarizados circularmente que são de orientação oposta (por exemplo, LCP Polarizado Circularmente Canhoto) ao do feixe projetado sejam recebidos pelo receptor de banda G 30.[0027] The portion of the quasi-optical beam 16 that is backscattered by the cloud atmosphere 12 can be detected by the G-band receiver 30, as such portions are received by the aperture 34 of the orthomodal septum transducer 32. The received portion quasi-optical beam propagation 16 backscattered by the cloud atmosphere 12 then propagates longitudinally within the resonant cavity 38. Such backscattered beam propagation is received in a direction antiparallel to the propagation direction of the quasi-optical beam generated by the G-band transmitter 28. Septum 40 of the orthomodal septum transducer 32 is configured to act as a polarization filter. Thus, the orthomodal septal transducer 32 is configured to allow only circularly polarized quasi-optical signals that are of opposite orientation (e.g. LCP Left-handed Circularly Polarized) to that of the projected beam to be received by the G-band receiver 30.

[0028] Porque transdutor septo ortomodal 32 usa abertura 34 para transmissão e recepção de sinais quasi-ópticos, o campo de visão, tanto para transmissão e recepção de feixes quasi-ópticos, é substancialmente igual (por exemplo, θP = θD). E porque septo 40 polariza o feixe gerado tanto numa primeira orientação quanto filtra o feixe recebido numa segunda orientação oposta à primeira orientação, tais transdutores septo ortomodais são configurados para detectar a porção do feixe projetado 16 retrodifundidos principalmente por gotículas líquidas de atmosfera de nuvem 12. Tal detecção de gotículas líquidas é devido ao fenômeno de que as gotículas de líquido geralmente realizam retrodifusão de sinais eletromagnéticos em forma de inversão de polaridade. Por outro lado, os cristais de gelo tendem a retrodifundir sinal eletromagnético com os dois estados de polarização.[0028] Because orthomodal septal transducer 32 uses aperture 34 for transmitting and receiving quasi-optical signals, the field of view for both transmitting and receiving quasi-optical beams is substantially equal (eg, θP = θD). And because septum 40 polarizes the generated beam in both a first orientation and filters the received beam in a second orientation opposite the first orientation, such orthomodal septo transducers are configured to detect the portion of projected beam 16 backscattered primarily by liquid droplets from cloud atmosphere 12. Such detection of liquid droplets is due to the phenomenon that liquid droplets generally perform backscattering of electromagnetic signals in the form of polarity inversion. On the other hand, ice crystals tend to backscatter electromagnetic signal with both polarization states.

[0029] Sistema LIDAR óptico multifibras 26 inclui um sistema detector gerador 42 e feixe de fibras 44. Sistema LIDAR óptico multifibras 26 gera pulsos ópticos que são transportados por uma ou mais fibras do feixe de fibras ópticas 44. Feixe de fibra óptica 44 se desloca dentro de um lúmen orientado longitudinalmente dentro do septo 40 de transdutor de septo ortomodal 32. O feixe óptico é então projetado a partir da extremidade de transmissão 46 da fibra que transporta o feixe óptico gerado.[0029] Multi-fiber optical LIDAR system 26 includes a generator detector system 42 and fiber bundle 44. Multi-fiber optical LIDAR system 26 generates optical pulses that are carried by one or more fibers of the optical fiber bundle 44. Fiber optic bundle 44 moves within a longitudinally oriented lumen within septum 40 of orthomodal septum transducer 32. The optical beam is then projected from the transmitting end 46 of the fiber carrying the generated optical beam.

[0030] Feixe óptico projetado 48 então projeta a partir da extremidade de transmissão 46 do feixe de fibras 44 de uma forma divergente. O ângulo de propagação θp ao redor o eixo de projeção 22 é determinado pela abertura numérica da fibra, que é afetada pelos índices de refracção do núcleo e do revestimento da fibra. Feixe de óptico projetado 48 transmite através da janela 36 e encontra a atmosfera de nuvem 12 e experimenta três fenômenos diferentes. Em primeiro lugar, uma porção do feixe óptico projetada 48 transmite através da atmosfera da nuvem 12, embora em muitos casos, tal porção pode ser pequena ou mesmo infinitesimal. Em segundo lugar, uma parte do feixe óptico projetado 48 é absorvida pela atmosfera de nuvem 12. Em terceiro lugar, uma parte do feixe óptico projetado 48 é retrodifundido pela atmosfera de nuvem 12.[0030] Projected optical beam 48 then projects from the transmitting end 46 of the fiber bundle 44 in a divergent manner. The propagation angle θp around the projection axis 22 is determined by the numerical aperture of the fiber, which is affected by the refractive indices of the fiber core and cladding. Projected optical beam 48 transmits through window 36 and encounters cloud atmosphere 12 and experiences three different phenomena. First, a portion of the projected optical beam 48 transmits through the atmosphere of the cloud 12, although in many cases, such portion may be small or even infinitesimal. Second, a portion of the projected optical beam 48 is absorbed by the cloud atmosphere 12. Third, a portion of the projected optical beam 48 is backscattered by the cloud atmosphere 12.

[0031] A porção do feixe óptico 48 que é retrodifundida pela atmosfera nuvem 12 pode ser recebida por uma fibra de feixe de fibras 44. Em algumas modalidades, a fibra de recepção pode ser a mesma fibra que foi usada para transmitir e, em seguida, projetar feixe óptico 48 ou uma fibra diferente do feixe de fibras 48. Se a fibra receptora está alinhada substancialmente em paralelo com a fibra de transmissão, bem como sendo justaposta adjacente à fibra de transmissão, o campo de visão para a rede de transmissão e recepção de feixes ópticos é substancialmente igual (por exemplo, θp = θo). Note-se, os designadores primos são usados para diferenciar os parâmetros associados com o sistema óptico LIDAR 26 daqueles parâmetros associados com o sistema de radar quasi-óptico 24.[0031] The portion of the optical beam 48 that is backscattered by the cloud atmosphere 12 may be received by a fiber bundle fiber 44. In some embodiments, the receiving fiber may be the same fiber that was used to transmit and then , designing optical bundle 48 or a different fiber than fiber bundle 48. If the receiving fiber is aligned substantially parallel with the transmitting fiber, as well as being juxtaposed adjacent to the transmitting fiber, the field of view for the transmitting network and reception of optical beams is substantially equal (eg θp = θo). Note, prime designators are used to differentiate the parameters associated with the LIDAR optical system 26 from those parameters associated with the quasi-optical radar system 24.

[0032] Várias modalidades de sistemas de medição de condições de nuvens podem ser configuradas de várias maneiras. por exemplo, a FIG. 2 representa um sistema de medição de condições de nuvens que emprega tanto radar banda G quasi-óptico que sonda um ambiente de nuvem, bem como sondagem óptica da atmosfera nuvem. Em algumas modalidades, apenas sondagem de radar banda G quasi-óptico pode ser utilizado para medir os parâmetros de uma atmosfera de nuvem.[0032] Various modalities of cloud condition measurement systems can be configured in various ways. for example, FIG. 2 depicts a cloud condition measurement system that employs both quasi-optical G-band radar probing a cloud environment as well as optical probing of the cloud atmosphere. In some embodiments, only quasi-optical G-band radar sounding can be used to measure the parameters of a cloud atmosphere.

[0033] A FIG. 3 é um diagrama esquemático de um sistema LIDAR óptico exemplar. Na FIG. 3, sistema LIDAR óptico multifibras 26 é mostrado sondando a atmosfera de nuvem 12. Sistema LIDAR óptico multifibra 26 é um sistema não colimatado de modo a sondar substancialmente o mesmo volume de atmosfera de nuvem 12, tal como é sondado pelo sistema de radar quasi-óptico 24 (representado na FIG. 2) ao qual se pode fornecer dados de sondagem complementares. Sistema LIDAR óptico multifibra 26 inclui primeiro transmissor óptico 120 e primeiro receptor óptico 122. Primeiro transmissor óptico 120 inclui laser acoplado a fibra 124, fibra transmissora 126, polarizador linear 128, placa de quarto de onda 130, filtro de banda 132 e janela 134.[0033] FIG. 3 is a schematic diagram of an exemplary optical LIDAR system. In FIG. 3, multi-fiber optical LIDAR system 26 is shown probing the atmosphere of cloud 12. Multi-fiber optical LIDAR system 26 is an uncollimated system so as to probe substantially the same volume of cloud atmosphere 12 as is probed by the quasi-fiber radar system. optic 24 (depicted in FIG. 2) to which complementary probe data can be supplied. Multi-fiber optical LIDAR system 26 includes first optical transmitter 120 and first optical receiver 122. First optical transmitter 120 includes fiber-coupled laser 124, transmitter fiber 126, linear polarizer 128, quarter-wave plate 130, bandpass filter 132, and window 134.

[0034] Laser acoplado a fibra 124 gera pulsos de energia óptica que têm primeiro comprimento de onda. Transmissor de fibra 126 transmite esses pulsos de energia óptica a uma extremidade que se projeta da fibra transmissora 126. Estes pulsos de energia óptica divergem a partir da extremidade que se projeta do transmissor de fibra, de modo a tornar-se um feixe não colimatado. O feixe não colimatado então projeta a partir de fibra transmissora 126 para sondar atmosfera de nuvem 12 através de transmissão através do polarizador linear 128, placa de quarto de onda 130, filtro de banda 132 e janela 134. Estes elementos 128, 130, 132, 134, através do qual o feixe não colimatado transmite, fazem com que o feixe não colimatado seja polarizado circularmente.[0034] Fiber-coupled laser 124 generates pulses of optical energy having first wavelength. Fiber transmitter 126 transmits these optical energy pulses to a projecting end of transmitter fiber 126. These optical energy pulses diverge from the projecting end of the fiber transmitter so as to become an uncollimated beam. The uncollimated beam then projects from transmitter fiber 126 to probe cloud atmosphere 12 via transmission through linear polarizer 128, quarter wave plate 130, bandpass filter 132 and window 134. These elements 128, 130, 132, 134, through which the uncollimated beam transmits, causes the uncollimated beam to be circularly polarized.

[0035] Atmosfera de nuvem 12, em seguida, realiza de retrodifusão do feixe não colimatado que investiga a atmosfera de nuvem. O sinal retrodifundido, em seguida, é transmitido de volta através da janela 134, filtro de banda 132 e placa de quarto de onda 130 em ordem inversa em que o feixe de sondagem foi transmitido. Estes elementos 134, 132, 130, através dos quais o sinal retrodifundido transmite, fazem com que o sinal retrodifundido tenha componentes polarizados planares ortogonais.[0035] Cloud Atmosphere 12 then performs non-collimated beam backscatter that probes the cloud atmosphere. The backscattered signal is then transmitted back through window 134, bandpass filter 132 and quarter wave plate 130 in reverse order in which the probe beam was transmitted. These elements 134, 132, 130, through which the backscattered signal transmits, cause the backscattered signal to have orthogonal planar polarized components.

[0036] Primeiro receptor óptico 122 inclui polarizadores lineares 136, 138 fibras receptoras 140, 142 e detectores ópticos 144, 146. Polarizadores lineares 136, 138, estão configuradas em direções ortogonais, um para o outro, de modo a permitir cada transmissão de componentes correspondentes aos sinais retrodifundidos que estão polarizados circularmente em sentidos opostos (por exemplo, da polarizado circularmente a canhoto e polarizado circularmente a destra). Fibras receptoras 140, 142 são orientadas substancialmente de modo paralelo a fibra transmissora 126, e fibras receptoras 140, 142 tem um campo de visão compatível com (por exemplo, substancialmente igual a) o campo de visão correspondente à fibra transmissora 126, a fim de receber sinais retrodifundidos do volume de atmosfera de nuvem 12, que é sondado pelo feixe não colimatado projetado a partir de fibra transmissora 126.[0036] First optical receiver 122 includes linear polarizers 136, 138 receiving fibers 140, 142 and optical detectors 144, 146. Linear polarizers 136, 138 are configured in orthogonal directions to each other so as to allow each component transmission corresponding to backscattered signals that are circularly polarized in opposite directions (for example, from circularly polarized to left-handed and circularly polarized to right-handed). Receiver fibers 140, 142 are oriented substantially parallel to transmitter fiber 126, and receiver fibers 140, 142 have a field of view compatible with (e.g., substantially equal to) the field of view corresponding to transmitter fiber 126, in order to receiving backscattered signals from the volume of cloud atmosphere 12, which is probed by the non-collimated beam projected from transmitter fiber 126.

[0037] Segundo sistema não colimatado 148 inclui segundo transmissor óptico 150 e segundo receptor óptico 152. Segundo sistema não colimatado 148 é semelhante ao primeiro sistema não colimatado 116, excepto que os filtros de polarização não são utilizados. Outra diferença é que o segundo sistema não colimatado 148 gera e detecta sinais de um segundo comprimento de onda, diferente do primeiro comprimento de onda utilizado no primeiro sistema de não colimatado 116.[0037] Second non-collimated system 148 includes second optical transmitter 150 and second optical receiver 152. Second non-collimated system 148 is similar to first non-collimated system 116, except that polarization filters are not used. Another difference is that the second non-collimated system 148 generates and detects signals of a second wavelength, different from the first wavelength used in the first non-collimated system 116.

[0038] Segundo transmissor óptico 150 inclui laser acoplado a fibra 154, fibra transmissora 156 e janela 134. Laser acoplado a fibra 154 gera pulsos de energia óptica que têm segundo comprimento de onda. Transmissor de fibra 156 transmite esses pulsos de energia óptica a uma extremidade que se projeta da fibra transmissora 156. Estes pulsos de energia óptica divergem a partir da extremidade que se projeta do transmissor de fibra, de modo a tornar-se um feixe não colimatado. O feixe não colimatado, então, se projeta a partir da fibra transmissora 156 para sondar atmosfera de nuvem 12 via transmissão através da janela 134.[0038] Second optical transmitter 150 includes fiber-coupled laser 154, transmitter fiber 156 and window 134. Fiber-coupled laser 154 generates pulses of optical energy having second wavelength. Fiber transmitter 156 transmits these optical energy pulses to a projecting end of transmitter fiber 156. These optical energy pulses diverge from the projecting end of the fiber transmitter so as to become an uncollimated beam. The uncollimated beam then projects from transmitter fiber 156 to probe cloud atmosphere 12 via transmission through window 134.

[0039] Atmosfera de nuvem 12, em seguida, realiza de retrodifusão do feixe não colimatado que investiga a atmosfera de nuvem 12. O sinal retrodifundido, então, transmite através da janela 134 e filtro de banda 158. Segundo receptor óptico 152 inclui fibra receptora 160 e detector óptico 162. Receptor de fibra 160 tem um campo de visão comensurável com o campo de visão correspondente à fibra transmissora 156, a fim de receber sinais retrodifundidos a partir do volume de atmosfera de nuvem 12 que é sondado pelo feixe não colimatado projetado a partir de fibra transmissora 156.[0039] Cloud atmosphere 12 then backscatters the non-collimated beam that probes cloud atmosphere 12. The backscattered signal then transmits through window 134 and bandpass filter 158. Second optical receiver 152 includes receiving fiber 160 and optical detector 162. Fiber receiver 160 has a field of view commensurate with the field of view corresponding to transmitter fiber 156, in order to receive backscattered signals from the volume of cloud atmosphere 12 that is probed by the projected non-collimated beam from transmitting fiber 156.

[0040] A FIG. 4 é um diagrama esquemático de um feixe de fibras exemplar para uso em um sistema LIDAR óptico multifibras 26, como o que está representada na FIG. 3. Na FIG. 4, feixe de fibras 44 inclui: fibras ópticas 126, 140, 142, 156, 160; polarizadores lineares 128, 136, 138; placas de quarto de onda 130; filtros de banda 132, 158; e a janela 134. Feixe de fibras 44 descreve uma modalidade exemplar de uma porção do sistema LIDAR óptico multifibras 26 representado na FIG. 3. A configuração descrita de elementos ópticos mostra fibras transmissoras 126, 156 empacotadas com fibras receptoras 140, 142, 160. Fibras transmissoras 126, 156 são adjacentes e alinhadas paralelamente às fibras receptoras 140, 142, 160. Tal configuração facilita o alinhamento das fibras receptoras 140, 142 para a fibra transmissora 126 correspondente e facilita o alinhamento de fibra receptora 160 para a fibra transmissora 156 correspondente.[0040] FIG. 4 is a schematic diagram of an exemplary fiber bundle for use in a multi-fiber optical LIDAR system 26, such as that shown in FIG. 3. In FIG. 4, fiber bundle 44 includes: optical fibers 126, 140, 142, 156, 160; linear polarizers 128, 136, 138; quarter wave plates 130; band filters 132, 158; and window 134. Fiber bundle 44 depicts an exemplary embodiment of a portion of the multi-fiber optical LIDAR system 26 depicted in FIG. 3. The described configuration of optical elements shows transmitter fibers 126, 156 bundled with receiver fibers 140, 142, 160. Transmitter fibers 126, 156 are adjacent and aligned parallel to receiver fibers 140, 142, 160. Such a configuration facilitates fiber alignment receivers 140, 142 to corresponding transmitter 126 fiber and facilitates alignment of receiver fiber 160 to corresponding transmitter 156 fiber.

[0041] A disposição descrita dos elementos ópticos na FIG. 4 também descreve fibras transmissoras 126, 156 que tem substancialmente o mesmo diâmetro que as fibras receptoras 140, 142, 160. Essas fibras de tamanho similar podem fornecer campos semelhantes de vista para fibras transmissoras 126, 156 e fibras receptoras 140, 142, 160. Outra vantagem da configuração representada é que o tamanho resultante do feixe de fibras 200 é pequeno, devido à disposição compacta dos elementos. Fibras transmissoras de fibras 126, 156 e as fibras receptoras 140, 142, 160 pode ser orientada numa direção desejada. Em algumas modalidades o feixe de fibras 126, 140, 142, 156, 160 podem ser orientadas como um grupo numa determinada direção. Extremidade de projeção/recebimento 202 de feixe de fibras 44 pode ser orientada para sondar atmosfera de nuvem 12 em uma direção desejada em relação a uma aeronave à qual sistema LIDAR óptico multifibras 26 é acoplado.[0041] The described arrangement of the optical elements in FIG. 4 also depicts transmitter fibers 126, 156 that have substantially the same diameter as receiver fibers 140, 142, 160. These similarly sized fibers can provide similar fields of view for transmitter fibers 126, 156 and receiver fibers 140, 142, 160. Another advantage of the illustrated configuration is that the resulting size of the fiber bundle 200 is small, due to the compact arrangement of the elements. Transmitting fibers 126, 156 fibers and receiving fibers 140, 142, 160 can be oriented in a desired direction. In some embodiments the bundle of fibers 126, 140, 142, 156, 160 may be oriented as a group in a given direction. Projecting/receiving end 202 of fiber bundle 44 may be oriented to probe cloud atmosphere 12 in a desired direction relative to an aircraft to which multi-fiber optical LIDAR system 26 is coupled.

[0042] A FIG. 5 é um diagrama de blocos de uma calculadora de métrica de condições exemplares nuvem. Na FIG. 5, a calculadora métrica de condições de nuvem óptica 114 inclui: sistema de medição 14 inclui o sistema de radar quasi-óptico 24; sistema LIDAR óptico multifibras 26; processador 170; memória 172 que têm posições de memória de dados 174 e os locais da memória do programa 176; calculadora de tamanho de gota grande 178; calculadora de tamanho de pequena gota 180; e uma interface 181 de entrada/saída. Sistema de radar quasi-óptica 24 inclui transmissor quasi- óptico 182 mostrado projetando feixe quasi-óptico não colimatado 192 na atmosfera de nuvem 12, e receptor quasi-óptico 184 mostrado recebendo feixe quasi-óptico retrodifundido 194. Feixe quasi-óptico retrodifundido 194 é uma parte do feixe de quasi-óptico projetada 192 retrodifundido por partículas de água na atmosfera de nuvem 12.[0042] FIG. 5 is a block diagram of an exemplary cloud condition metric calculator. In FIG. 5, optical cloud conditions metric calculator 114 includes: measurement system 14 includes quasi-optical radar system 24; multifiber optical LIDAR system 26; processor 170; memory 172 having data memory locations 174 and program memory locations 176; Large Droplet Size Calculator 178; small drop size calculator 180; and an input/output interface 181. Quasi-optical radar system 24 includes quasi-optical transmitter 182 shown projecting uncollimated quasi-optical beam 192 into cloud atmosphere 12, and quasi-optical receiver 184 shown receiving backscattered quasi-optical beam 194. Backscattered quasi-optical beam 194 is a part of the projected quasi-optical beam 192 backscattered by water particles in the cloud atmosphere 12.

[0043] Sistema LIDAR óptico multifibra 26 inclui transmissor óptico 186 mostrado projetando feixe óptico não colimitado 196 na atmosfera de nuvem 12 e um receptor óptico 188 mostrado recebendo o feixe quasi-óptico retrodifundido 198. Feixe quasi-óptico retrodifundido 198 é uma parte do feixe de quasi-óptica projetado 196 retrodifundido por partículas de água na atmosfera da nuvem 12. Processador 170 pode receber instruções de programa de memória de programa 176. Processador 170 pode, em seguida, executar instruções de programa para controlar o sistema de radar quasi- óptico 24 e um sistema LIDAR óptico 26. Processador 170, por exemplo, pode enviar comandos realizando requerimento de que sistema de radar quasi- óptico 24 e o sistema LIDAR óptico 26 gerem pulsos de projeto e de energia (por exemplo, um pulso quasi-óptico e um impulso óptico, respectivamente) em atmosfera de nuvem 12.[0043] Multifiber optical LIDAR system 26 includes optical transmitter 186 shown projecting non-collimited optical beam 196 into the cloud atmosphere 12 and an optical receiver 188 shown receiving the backscattered quasi-optical beam 198. Backscattered quasi-optical beam 198 is a part of the beam projected quasi-optical radar 196 backscattered by water particles in the atmosphere of cloud 12. Processor 170 may receive program instructions from program memory 176. Processor 170 may then execute program instructions to control the quasi-optical radar system 24 and an optical LIDAR system 26. Processor 170, for example, may send commands performing a requirement that the quasi-optical radar system 24 and the optical LIDAR system 26 generate design and power pulses (e.g., a quasi-optical pulse and an optical pulse, respectively) in cloud atmosphere 12.

[0044] Processador 170, em seguida, recebe sinais retrodifundidos do detector quasi-óptico 184 e detector óptico 188. Processador 170 pode, em seguida, enviar os sinais de retrodifusão quasi-ópticos e ópticos recebidos para a grande calculadora de gotícula 178 e calculadora de pequena gotícula 180, respectivamente. Calculadoras de gotículas grandes e pequenas 178, 180 podem ajustar os sinais de retrodifusão recebidos para modelos de sinal LIDAR. Processador 170 pode receber os coeficientes e/ou parâmetros que calculadoras de gotículas grandes e pequenas 178, 180. Processador 170 pode armazenar os parâmetros recebidos em posições de memória de dados 174 da memória 172. Processador 170 pode, então, calcular, com base nos parâmetros de modelo de ajuste, uma distribuição de tamanho de ambas as grandes e pequenas partículas de água na atmosfera de nuvem 12. Processador 170 pode, em seguida, comunicar a distribuição de tamanho grande e pequeno de gotículas calculada a sistemas externos à calculadora de métrica de condições de nuvem 114 através da interface de entrada/saída 181. Em algumas modalidades, o cálculo de distribuição de tamanho de gotícula é executado pelo processador 170.[0044] Processor 170 then receives backscattered signals from quasi-optical detector 184 and optical detector 188. Processor 170 may then send the received quasi-optical and optical backscatter signals to large droplet calculator 178 and calculator of small droplet 180, respectively. Large and small droplet calculators 178, 180 can adjust the received backscatter signals to LIDAR signal models. Processor 170 may receive the coefficients and/or parameters that large and small droplet calculators 178, 180 may receive. Processor 170 may store the received parameters in data memory locations 174 of memory 172. Processor 170 may then calculate, based on the fitting model parameters, a size distribution of both large and small water particles in the cloud atmosphere 12. Processor 170 can then communicate the calculated large and small droplet size distribution to systems external to the metric calculator of cloud conditions 114 via input/output interface 181. In some embodiments, the droplet size distribution calculation is performed by processor 170.

[0045] O processador 170, em um exemplo, é configurado para implementar as instruções de funcionalidade e/ou processo para execução dentro da calculadora métrica de condições nuvem 114. Por exemplo, o processador 170 pode ser capaz de instruções de processamento armazenados em memória de programa 176. Exemplos de processador(es) 170 podem incluir qualquer um ou mais de um microprocessador, um controlador, um processador de sinal digital (DSP), um circuito integrado de aplicação específica (ASIC), uma matriz de portas programável em campo (FPGA) ou outro circuito lógico integrado ou discreto equivalente.[0045] The processor 170, in one example, is configured to implement the functionality and/or process instructions for execution within the cloud conditions metric calculator 114. For example, the processor 170 may be capable of processing instructions stored in memory program port 176. Examples of processor(s) 170 may include any one or more of a microprocessor, a controller, a digital signal processor (DSP), an application-specific integrated circuit (ASIC), a field-programmable gate array (FPGA) or other equivalent integrated or discrete logic circuit.

[0046] A memória 172 pode ser configurada para armazenar as informações dentro da calculadora métrica de condições de nuvem 114 durante a operação. A memória 172, em alguns exemplos, é descrita como meio de armazenamento legível por computador. Em alguns exemplos, um meio de armazenamento legível por computador pode incluir uma forma não transitória. O termo "não transitório" pode indicar que o meio de armazenamento não está incorporado em uma onda transportadora ou um sinal propagado. Em certos exemplos, um meio de armazenamento não transitório pode armazenar dados que podem, ao longo do tempo, mudar (por exemplo, na RAM ou cache). Em alguns exemplos, a memória 172 é uma memória temporária, o que significa que uma finalidade primária da memória 172 não é o armazenamento a longo prazo. A memória 172, em alguns exemplos, é descrita como memória volátil, o que significa que a memória 172 não mantém os conteúdos armazenados quando a potência para a calculadora métrica de condições de nuvem 114 for desligada. Exemplos de memórias voláteis podem incluir memórias de acesso aleatório (RAM), memórias de acesso aleatório dinâmico (DRAM), memórias de acesso aleatório estático (SRAM), e outras formas de memórias voláteis. Em alguns exemplos, a memória 172 é utilizada para armazenar instruções de programas para execução pelo processador 170. A memória 172, em um exemplo, é usada pelo software ou aplicativos executados em calculadora métrica de condições de nuvens 114 (por exemplo, um programa de software que implementa os cálculos das métricas de condições de nuvem) para armazenar temporariamente as informações durante a execução do programa.[0046] The memory 172 may be configured to store the information within the cloud condition metric calculator 114 during operation. Memory 172, in some examples, is described as a computer-readable storage medium. In some examples, a computer-readable storage medium may include a non-transient form. The term "non-transient" may indicate that the storage medium is not embedded in a carrier wave or propagated signal. In certain instances, a non-transient storage medium may store data that may, over time, change (for example, in RAM or cache). In some examples, memory 172 is temporary memory, meaning that a primary purpose of memory 172 is not long-term storage. The memory 172, in some examples, is described as volatile memory, meaning that the memory 172 does not retain the stored contents when the power to the cloud condition metric calculator 114 is turned off. Examples of volatile memories may include random access memories (RAM), dynamic random access memories (DRAM), static random access memories (SRAM), and other forms of volatile memories. In some examples, memory 172 is used to store program instructions for execution by processor 170. Memory 172, in one example, is used by software or applications running on cloud conditions metric calculator 114 (e.g., a cloud condition program). software that implements cloud condition metrics calculations) to temporarily store the information during program execution.

[0047] Em alguns exemplos, a memória 172 também pode incluir um ou mais meios de armazenamento de leitura por computador. A memória 172 pode ser configurada para armazenar maiores quantidades de informações do que a memória volátil. A memória 172 pode ainda ser configurada para o armazenamento a longo prazo das informações. Em alguns exemplos, a memória 172 inclui elementos de armazenamento não voláteis. Exemplos de tais elementos de armazenamento não voláteis podem incluir discos magnéticos rígidos, discos ópticos, disquetes, memórias flash, ou formas de memórias programáveis eletricamente (EPROM) ou memórias eletricamente apagável e programável (EEPROM).[0047] In some examples, the memory 172 may also include one or more computer-readable storage means. Memory 172 can be configured to store larger amounts of information than volatile memory. Memory 172 can further be configured for long-term storage of information. In some examples, memory 172 includes non-volatile storage elements. Examples of such non-volatile storage elements may include hard magnetic disks, optical disks, floppy disks, flash memories, or forms of electrically programmable memory (EPROM) or electrically erasable and programmable memory (EEPROM).

[0048] A interface de entrada/saída 181 pode ser usada para comunicar as informações entre a calculadora métrica de condições de nuvens 114 e uma aeronave. Em algumas modalidades, essas informações podem incluir condições de aeronaves, condições de voo e/ou condições atmosféricas. Em algumas modalidades, essas informações podem incluir dados processados por calculadora métrica de condições de nuvem 114, tais como, por exemplo, sinais de alerta. A interface de entrada/saída 181 também pode incluir um módulo de comunicações. A interface de entrada/saída 181, em um exemplo, utiliza o módulo de comunicações para se comunicar com dispositivos externos por meio de uma ou mais redes, tais como uma ou mais redes sem fios ou com fios ou ambas. O módulo de comunicação pode ser uma placa de interface de rede, tal como um cartão Ethernet, um transceptor óptico, um transceptor de frequência de rádio, ou qualquer outro tipo de dispositivo que pode enviar e receber informações. Outros exemplos de tais interfaces de rede podem incluir Bluetooth, 3G, 4G, e dispositivos de computação de rádio Wi-Fi, bem como Barramento Serial Universal (USB). Em algumas modalidades, a comunicação com a aeronave pode ser realizada através de um barramento de comunicações, tal como, por exemplo, um protocolo de comunicações padrão Aeronautical Radio, Incorporated (ARINC). Numa modalidade de exemplo, a comunicação de aeronaves com a aeronave pode ser realizada através de um barramento de comunicações, tal como, por exemplo, um barramento de Rede de Área do Controlador (CAN).[0048] The input/output interface 181 can be used to communicate information between the cloud condition metric calculator 114 and an aircraft. In some embodiments, this information may include aircraft conditions, flight conditions and/or weather conditions. In some embodiments, such information may include data processed by cloud condition metric calculator 114, such as, for example, warning signals. Input/output interface 181 may also include a communications module. Input/output interface 181, in one example, uses the communications module to communicate with external devices over one or more networks, such as one or more wireless or wired networks or both. The communication module can be a network interface card, such as an Ethernet card, an optical transceiver, a radio frequency transceiver, or any other type of device that can send and receive information. Other examples of such network interfaces might include Bluetooth, 3G, 4G, and Wi-Fi radio computing devices, as well as Universal Serial Bus (USB). In some embodiments, communication with the aircraft may be via a communications bus, such as, for example, a standard Aeronautical Radio, Incorporated (ARINC) communications protocol. In an exemplary embodiment, aircraft-to-aircraft communication may be accomplished via a communications bus, such as, for example, a Controller Area Network (CAN) bus.

[0049] A FIG. 6 é um fluxograma de um processo exemplificativo para medir as condições de nuvem. Na FIG. 6, o método 200 é descrito a partir da perspectiva do processador 170 (mostrado na FIG. 5). Método 200 começa na etapa 202, onde o processador 170 inicializa Índice I. Em seguida, na etapa 204, o processador 170 envia um sinal de comando PULSO(I) para os transmissores quasi-ópticos 182 (representada na FIG. 5) para gerar um pulso de energia quasi-óptico. Em resposta ao sinal de comando PULSO (I), transmissor quasi-óptico 182 gera um impulso de energia óptica com um comprimento de onda. Em várias modalidades, vários comprimentos de onda de energia quasi-óptico podem ser gerados. Em algumas modalidades, o comprimento de onda pode ser de 100 mícrons e 10 milímetros, por exemplo. Em resposta a receber o sinal de comando, o transmissor quasi-óptico gera e projeta um pulso de energia quasi-óptico para um volume de projeção divergente da atmosfera nuvem.[0049] FIG. 6 is a flowchart of an exemplary process for measuring cloud conditions. In FIG. 6, method 200 is described from the perspective of processor 170 (shown in FIG. 5). Method 200 begins at step 202, where processor 170 initializes Index I. Next, at step 204, processor 170 sends a PULSE(I) command signal to quasi-optical transmitters 182 (depicted in FIG. 5) to generate a quasi-optical energy pulse. In response to the PULSE(I) command signal, quasi-optical transmitter 182 generates a pulse of optical energy having a wavelength. In various embodiments, various wavelengths of quasi-optical energy can be generated. In some embodiments, the wavelength may be 100 microns and 10 millimeters, for example. In response to receiving the command signal, the quasi-optical transmitter generates and projects a quasi-optical energy pulse into a diverging projection volume of the cloud atmosphere.

[0050] Receptor quasi-óptico 184 crecebe porção do pulso projetado de energia quasi-óptica retrodifundida pela população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera nuvem 12. Na etapa 206, o processador 170 recebe um sinal BS(I) de retrodifusão a partir de receptor quasi-óptico 184, o sinal de retrodifusão BS (I) correspondente à porção recebida do pulso projetado de energia quasi- óptica retrodifundida por uma população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera nuvem.[0050] Quasi-optical receiver 184 receives portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the backscattered population of water particles within the divergent projection volume of cloud atmosphere 12. In step 206, processor 170 receives a signal BS( I) backscatter from quasi-optical receiver 184, the backscatter signal BS (I) corresponding to the received portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by a backscattered population of water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere.

[0051] Em seguida, na etapa 208, o processador 170 envia o sinal de retrodifusão BS (I) para a calculadora de gotículas grande 178, onde sinal de retrodifusão BS (I) estará apto para um modelo de sinal LIDAR. Processador 170 vai então receber, a partir da calculadora de gotículas grandes 178, os parâmetros de modelo de sinal LIDAR que a calculadora de gotículas grandes 178 se ajustam ao sinal de retroespalhamento BS (I). Na etapa 210, o processador 170 determina métricas de nuvem, com base nos parâmetros do modelo de sinal LIDAR recebidos. Processador 170 pode, em seguida, expedir saída dessas métricas de nuvem determinadas através da interface de entrada/saída 181. Na etapa 212, o processador 170 incrementa Índice I e o método retorna à etapa 204, onde processador envia um outro comando PULSO (I) para transmissor quasi-óptico 182.[0051] Then, in step 208, the processor 170 sends the BS(I) backscatter signal to the large droplet calculator 178, where the BS(I) backscatter signal will be fit for a LIDAR signal model. Processor 170 will then receive, from the large droplet calculator 178, the LIDAR signal model parameters which the large droplet calculator 178 fits the backscatter signal BS(I). In step 210, processor 170 determines cloud metrics based on received LIDAR signal model parameters. Processor 170 may then output those determined cloud metrics through input/output interface 181. In step 212, processor 170 increments I-index and the method returns to step 204, where processor sends another PULSE command (I ) to quasi-optical transmitter 182.

[0052] Em algumas modalidades, o processador 170 pode também controlar o sistema LIDAR óptico 26. Em tais modalidades, o processador 170 pode enviar um sinal de comando PULSO' (I) para transmissores ópticos 186 (representada na FIG. 5) para gerar um pulso de energia óptico. Em resposta ao sinal de comando PULSO' (I), transmissor óptico 186 gera um impulso de energia óptica com um comprimento de onda. Em várias modalidades, vários comprimentos de onda de energia óptica podem ser gerados. Em algumas modalidades, o comprimento de onda pode ser de 0,7 mícrons e 2,0 mícrons, por exemplo. Em resposta a receber o sinal de comando, o transmissor óptico gera e projeta um pulso de energia óptico para um volume de projeção divergente da atmosfera nuvem. Em algumas modalidades, o volume do sistema de projeção divergente LIDAR óptico 26 intersecta o volume de projecção divergente de sistema de radar óptico 24.[0052] In some embodiments, processor 170 may also control optical LIDAR system 26. In such embodiments, processor 170 may send a PULSE' (I) command signal to optical transmitters 186 (depicted in FIG. 5) to generate a pulse of optical energy. In response to the command signal PULSE' (I), optical transmitter 186 generates a pulse of optical energy of one wavelength. In various embodiments, various wavelengths of optical energy can be generated. In some embodiments, the wavelength may be 0.7 microns and 2.0 microns, for example. In response to receiving the command signal, the optical transmitter generates and projects an optical energy pulse into a diverging projection volume of the cloud atmosphere. In some embodiments, the volume of optical LIDAR divergent projection system 26 intersects the divergent projection volume of optical radar system 24.

[0053] Receptor óptico 188 recebe porção do pulso projetado de energia óptica retrodifundida pela população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera nuvem 12. Processador 170 pode, então, receber um sinal BS' (I) de retrodifusão a partir de receptor quasi-óptico 188, o sinal de retrodifusão BS' (I) correspondente à porção recebida do pulso projetado de energia óptica retrodifundida por uma população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera nuvem 12.[0053] Optical receiver 188 receives portion of the projected pulse of optical energy backscattered by the backscattered population by water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere 12. Processor 170 can then receive a backscattered signal BS'(I) from the quasi-optical receiver 188, the backscatter signal BS' (I) corresponding to the received portion of the projected pulse of optical energy backscattered by a backscattered population of water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere 12.

[0054] Processador pode enviar o sinal de retrodifusão BS' (I) para a calculadora de gotículas pequenas 180, onde sinal de retrodifusão BS' (I) estará apto para um modelo de sinal LIDAR. Processador 170 vai então receber, a partir da calculadora de gotículas pequenas 180, os parâmetros de modelo de sinal LIDAR que a calculadora de gotículas pequenas 180 se ajustam ao sinal de retroespalhamento BS' (I). Processador 170 pode, então, determinar métricas de nuvem, com base nos parâmetros do modelo de sinal LIDAR recebidos. Processador 170 pode, em seguida, expedir saída dessas métricas de nuvem determinadas através da interface de entrada/saída 181.[0054] Processor may send BS'(I) backscatter signal to small droplet calculator 180, where BS'(I) backscatter signal will be fit for a LIDAR signal model. Processor 170 will then receive, from the small droplet calculator 180, the LIDAR signal model parameters which the small droplet calculator 180 fits the backscatter signal BS'(I). Processor 170 can then determine cloud metrics based on received LIDAR signal model parameters. Processor 170 may then output those determined cloud metrics through input/output interface 181.

[0055] Em algumas modalidades, o processador 170 pode utilizar ambas as métricas de nuvem correspondentes à calculadora de gotículas grandes 178 e as métricas de nuvem correspondentes à calculadora de gotículas pequena 180. Em algumas modalidades, os dados de gotículas grandes podem ser utilizados para melhorar os dados de gotículas pequenas. Por exemplo, os pulsos de energia quasi-ópticos podem ser retrodifundidos por grandes gotículas de água, mas podem ser relativamente insensíveis a pequenas gotículas de água. Assim, um sinal de retrodifusão resultante pode ser indicativo de retrodifusão de gotículas grandes de água. Pulsos ópticos de energia podem ser retrodifundidos por gotículas grandes e pequenas de água. Portanto, um sinal de retrodifusão resultante pode ser um indicativo de retrodifusão de grandes e pequenas gotículas de água. Processador 170 pode subtrair um sinal de retrodifusão de grandes gotículas de água, obtido usando o sistema de radar quasi-óptico 24, a partir de um sinal de retrodifusão baseado no sistema LIDAR óptico 26. O sinal de diferença resultante pode ser indicativo de apenas retrodifusão de pequenas gotículas de água. Um cálculo melhorado do tamanho de gotículas de água pequenas pode ser obtido utilizando tal método, por exemplo.[0055] In some embodiments, the processor 170 may use both the cloud metrics corresponding to the large droplet calculator 178 and the cloud metrics corresponding to the small droplet calculator 180. In some embodiments, the large droplet data may be used to improve small droplet data. For example, quasi-optical energy pulses can be backscattered by large water droplets, but can be relatively insensitive to small water droplets. Thus, a resulting backscatter signal may be indicative of backscatter from large water droplets. Optical pulses of energy can be backscattered by large and small droplets of water. Therefore, a resulting backscatter signal can be indicative of backscatter from large and small water droplets. Processor 170 may subtract a backscatter signal from large water droplets obtained using quasi-optical radar system 24 from a backscatter signal based on optical LIDAR system 26. The resulting difference signal may be indicative of backscatter only of small water droplets. An improved calculation of the size of small water droplets can be obtained using such a method, for example.

[0056] São apresentadas a seguir as descrições não exclusivas de possíveis modalidades da presente invenção.[0056] Non-exclusive descriptions of possible embodiments of the present invention are presented below.

[0057] Sistema para a medição de métricas de uma população em retrodifusão de partículas de água de uma atmosfera de nuvem. O sistema inclui um transmissor quasi-óptico configurado para projetar um pulso de energia quasi-óptica a partir de uma abertura em chifre em um volume de projeção divergente da atmosfera nuvem. O volume de projeção divergente é definido por um eixo de projeção e um ângulo de projeção sobre o eixo de projeção. O ângulo de projeção é baseado numa proporção de uma dimensão transversal da abertura em chifre para um comprimento de onda da energia quasi-óptica. O sistema inclui um receptor quasi-óptico configurado para detectar uma porção do pulso projetado de energia quasi-óptica retrodifundida pela população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera nuvem. O sistema inclui também uma calculadora de métrica de nuvem configurado para determinar, com base numa porção de detecção do pulso projetado de energia quasi-óptico retrodifundida pela população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera da nuvem, uma densidade de população de retrodifusão de partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera da nuvem.[0057] System for measuring metrics of a backscattered population of water particles from a cloud atmosphere. The system includes a quasi-optical transmitter configured to project a pulse of quasi-optical energy from a horn aperture into a diverging projection volume of the cloud atmosphere. The divergent projection volume is defined by a projection axis and a projection angle about the projection axis. The projection angle is based on a ratio of a transverse dimension of the horn aperture to a wavelength of quasi-optical energy. The system includes a quasi-optical receiver configured to detect a portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the backscattered population of water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere. The system also includes a cloud metric calculator configured to determine, based on a detection portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the backscattered population of water particles within the diverging projection volume of the cloud atmosphere, a density backscatter population of water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere.

[0058] Uma outra modalidade do sistema anterior, em que o transmissor quasi-óptico pode ser ainda configurado para polarizar o pulso de energia quasi-óptico num primeiro estado de polarização. Uma outra modalidade de qualquer um dos sistemas precedentes, em que o receptor quasi-óptico pode ser ainda configurado para filtrar a porção do pulso projetado de energia quasi-óptica retrodifundida pela população de retrodifusão de partículas de água da atmosfera da nuvem, em que a parte filtrada possui um segundo estado de polarização. Uma outra modalidade de qualquer um dos sistemas precedentes, em que o transmissor quasi-óptico e o receptor quasi-óptico são componentes de um transdutor ortomodal. Uma outra modalidade de qualquer um dos sistemas precedentes, em que o transdutor ortomodal pode ser um transdutor de septo ortomodal. Uma outra modalidade de qualquer um dos sistemas precedentes, em que a proporção da dimensão transversal da abertura em chifre para o comprimento de onda da energia quasi-óptica projetada pode estar entre 3,0 e 4,0.[0058] Another embodiment of the previous system, in which the quasi-optical transmitter can be further configured to polarize the quasi-optical energy pulse into a first polarization state. Another embodiment of any of the foregoing systems, wherein the quasi-optical receiver may be further configured to filter the projected pulse portion of quasi-optical energy backscattered by the backscattered population of water particles from the cloud atmosphere, wherein the filtered part has a second polarization state. Another embodiment of any of the foregoing systems, wherein the quasi-optical transmitter and quasi-optical receiver are components of an orthomodal transducer. Another embodiment of any of the foregoing systems, wherein the orthomodal transducer may be an orthomodal septal transducer. Another embodiment of any of the foregoing systems, wherein the ratio of the transverse dimension of the horn aperture to the wavelength of the projected quasi-optical energy can be between 3.0 and 4.0.

[0059] Uma modalidade adicional de qualquer dos sistemas anteriores, em que o ângulo de projeção é do que 15 graus ao redor do eixo de projeção. Uma outra modalidade de qualquer um dos sistemas precedentes, em que o comprimento de onda da energia quasi-óptica projetada pode estar entre 100 micrômetros e 10 milímetros. Uma outra modalidade de qualquer um dos sistemas precedentes, em que a calculadora métrica de nuvem pode ser ainda configurada para estimar, com base na porção detectada do pulso projetado de energia quasi-óptica retrodifundida pela população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera nuvem, um tamanho efetivo da população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera de nuvem.[0059] An additional embodiment of any of the previous systems, in which the projection angle is than 15 degrees around the axis of projection. Another embodiment of any of the preceding systems, in which the wavelength of the projected quasi-optical energy can be between 100 micrometers and 10 millimeters. Another embodiment of any of the foregoing systems, in which the cloud metric calculator can be further configured to estimate, based on the detected portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the backscatter population by water particles within the volume of divergent projection of the cloud atmosphere, an effective size of the backscatter population by water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere.

[0060] Uma outra modalidade de qualquer um dos sistemas precedentes, em que o volume de projeção divergente é um primeiro volume de projeção divergente, o eixo de projeção é um primeiro eixo de projeção, o ângulo de projeção é um primeiro ângulo de projecção, a população de retrodifusão é uma primeira população de retrodifusão e a densidade é determinada uma primeira densidade determinada. O sistema inclui ainda um dispositivo de medição métrica de nuvem óptico. O dispositivo de medida métrica de nuvem óptico pode incluir um transmissor óptico configurado para gerar um pulso de energia óptica. O dispositivo de medida métrica de nuvem óptico pode incluir uma fibra transmissora configurada para receber pulso gerado de energia óptica e para projetar o pulso recebido de energia óptica a partir de uma extremidade de transmissão da fibra óptica para um segundo volume de projeção divergente da atmosfera de nuvem. O segundo volume de projeção divergente pode ser definido por um segundo eixo de projeção e um segundo ângulo de projeção sobre o segundo eixo de projeção. O segundo ângulo de projeção pode basear-se na abertura numérica da fibra. O dispositivo de medida métrica de nuvem óptico pode incluir uma fibra receptora configurada para receber a porção do pulso projetado de energia óptica retrodifundida por uma segunda população de retrodifusão por partículas de água dentro do segundo volume de projeção divergente da atmosfera nuvem. A calculadora métrica de nuvem pode ser ainda configurada para determinar, com base numa porção detectada do pulso projetado de energia óptica retrodifundida pela segunda população de retrodifusão por partículas de água dentro do segundo volume de projeção divergente da atmosfera nuvem, uma segunda densidade da segunda população retrodifusão de partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera de nuvem.[0060] Another embodiment of any of the foregoing systems, wherein the divergent projection volume is a first divergent projection volume, the projection axis is a first projection axis, the projection angle is a first projection angle, the backscatter population is a first backscatter population and the density is a determined first density. The system further includes an optical cloud metric measurement device. The optical cloud metric measurement device may include an optical transmitter configured to generate a pulse of optical energy. The optical cloud metric measurement device may include a transmitter fiber configured to receive the generated pulse of optical energy and to project the received pulse of optical energy from a transmitting end of the optical fiber to a second diverging projection volume of the atmosphere. cloud. The second divergent projection volume can be defined by a second projection axis and a second projection angle about the second projection axis. The second projection angle can be based on the numerical aperture of the fiber. The optical cloud metric measurement device may include a receiver fiber configured to receive the projected pulse portion of optical energy backscattered by a second backscattered population of water particles within the second divergent projection volume of the cloud atmosphere. The cloud metric calculator can be further configured to determine, based on a detected portion of the projected pulse of optical energy backscattered by the second population of backscatter by water particles within the second divergent projection volume of the cloud atmosphere, a second density of the second population backscattering of water particles within the diverging projection volume of the cloud atmosphere.

[0061] Uma outra modalidade de qualquer um dos sistemas precedentes, em que o segundo eixo de projeção é orientado a 10 graus do primeiro eixo de projeção. Uma outra modalidade de qualquer um dos sistemas precedentes, em que o segundo ângulo de projeção está dentro de 10 graus do primeiro ângulo de projeção. Uma outra modalidade de qualquer um dos sistemas precedentes, em que o comprimento de onda do pulso gerado de energia óptica é compreendido entre 0,7 mícrons e 2,0 mícrons. Uma outra modalidade de qualquer um dos sistemas precedentes, em que o transmissor de fibra corre longitudinalmente dentro de um septo de um transdutor septo ortomodal.[0061] Another embodiment of any of the preceding systems, in which the second projection axis is oriented at 10 degrees from the first projection axis. Another embodiment of any of the foregoing systems, wherein the second projection angle is within 10 degrees of the first projection angle. Another embodiment of any of the foregoing systems, wherein the wavelength of the generated pulse of optical energy is comprised between 0.7 microns and 2.0 microns. Another embodiment of any of the foregoing systems, wherein the fiber transmitter runs longitudinally within a septum of an orthomodal septum transducer.

[0062] Algumas modalidades referem-se a um método para a medição de métricas de uma população em retrodifusão de partículas de água de uma atmosfera de nuvem. O método inclui projetar um pulso de energia quasi- óptico para um volume de projeção divergente da atmosfera da nuvem. O volume de projeção divergente é definido por um eixo de projeção e um ângulo de projeção sobre o eixo de projeção. O ângulo de projeção baseado numa proporção de uma dimensão transversal da abertura de transmissão para um comprimento de onda da energia quasi-óptica. O método inclui um receber uma porção do pulso projetado de energia quasi-óptica retrodifundida pela população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera nuvem. O método inclui também determinar, com base numa porção de detecção do pulso projetado de energia quasi-óptico retrodifundida pela população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera da nuvem, uma densidade de população de retrodifusão de partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera da nuvem.[0062] Some embodiments relate to a method for measuring metrics of a backscattered population of water particles from a cloud atmosphere. The method includes projecting a quasi-optical energy pulse into a diverging projection volume of the cloud atmosphere. The divergent projection volume is defined by a projection axis and a projection angle about the projection axis. The projection angle based on a ratio of a transverse dimension of the transmission aperture to a wavelength of quasi-optical energy. The method includes receiving a portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the backscattered population of water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere. The method also includes determining, based on a detection portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the water particle backscatter population within the diverging projection volume of the cloud atmosphere, a water particle backscatter population density within the divergent projection volume of the cloud atmosphere.

[0063] O método do parágrafo anterior pode incluir, opcionalmente, adicionalmente e/ou alternativamente, qualquer um ou mais dos seguintes recursos, configurações e/ou etapas adicionais: estimar, com base numa porção de detecção do pulso projetado de energia quasi-óptico retrodifundida pela população de retrodifusão por partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera da nuvem, um tamanho efetivo da população de retrodifusão de partículas de água dentro do volume de projeção divergente da atmosfera da nuvem. Uma modalidade adicional de qualquer dos métodos anteriores, em que o ângulo de projeção pode ser maior do que 15 graus. Uma outra modalidade de qualquer um dos métodos precedentes, em que o comprimento de onda da energia quasi-óptica projetada pode estar entre 100 micrômetros e 10 milímetros.[0063] The method of the previous paragraph may optionally include, additionally and/or alternatively, any one or more of the following features, configurations and/or additional steps: estimating, based on a detection portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered population by water particles within the divergent projection volume of the cloud's atmosphere, an effective size of the backscattered population of water particles within the divergent projection volume of the cloud's atmosphere. An additional embodiment of any of the above methods, in which the projection angle can be greater than 15 degrees. Another embodiment of either of the preceding methods, in which the wavelength of the projected quasi-optical energy can be between 100 micrometers and 10 millimeters.

[0064] Uma outra modalidade de qualquer um dos métodos precedentes, em que o volume de projeção divergente é um primeiro volume de projeção divergente, a população de retrodifusão é uma primeira população de retrodifusão e a densidade é determinada uma primeira densidade determinada. Qualquer um dos métodos anteriores pode opcionalmente incluir, adicionalmente e/ou alternativamente, qualquer uma ou mais das seguintes características, configuração e/ou etapas adicionais: projetar um pulso de energia óptica para um segundo volume de projeção divergente da atmosfera de nuvem, o segundo volume de projeção divergente definido por um segundo eixo de projeção e um segundo ângulo de projeção sobre o segundo eixo de projeção; receber uma porção do pulso projetado de energia óptica retrodifundida por uma segunda população de retrodifusão por partículas de água dentro do segundo volume de projeção divergente da atmosfera nuvem; e determinar, com base numa porção detectada do pulso projetado de energia óptica retrodifundida pela segunda população de retrodifusão por partículas de água dentro do segundo volume de projeção divergente da atmosfera nuvem, uma segunda densidade da segunda população retrodifusão de partículas de água dentro do segundo volume de projeção divergente da atmosfera de nuvem.[0064] Another embodiment of any of the foregoing methods, wherein the divergent projection volume is a first divergent projection volume, the backscatter population is a first backscatter population, and the density is determined a first determined density. Any of the foregoing methods may optionally include, additionally and/or alternatively, any one or more of the following additional features, configuration and/or steps: project a pulse of optical energy into a second volume of divergent projection of the cloud atmosphere, the second divergent projection volume defined by a second projection axis and a second projection angle about the second projection axis; receiving a portion of the projected pulse of backscattered optical energy by a second backscattered population of water particles within the second divergent projection volume of the cloud atmosphere; and determining, based on a detected portion of the projected pulse of backscattered optical energy by the second backscattered population of water particles within the second divergent projection volume of the cloud atmosphere, a second density of the second backscattered population of water particles within the second volume divergent projection of the cloud atmosphere.

[0065] Uma modalidade adicional de qualquer dos métodos anteriores, em que uma interseção do primeiro e o segundo volumes de projeção divergentes pode ser de pelo menos 90% de cada um dos primeiro e segundo volumes de projeção divergentes. Uma outra modalidade de qualquer um dos métodos precedentes, em que o comprimento de onda do pulso gerado de energia óptica pode ser compreendido entre 0,7 mícrons e 2,0 mícrons.[0065] An additional embodiment of any of the above methods, wherein an intersection of the first and second diverging projection volumes may be at least 90% of each of the first and second diverging projection volumes. Another embodiment of any of the foregoing methods, wherein the wavelength of the generated pulse of optical energy can be comprised between 0.7 microns and 2.0 microns.

[0066] Embora a invenção seja descrita com referência a uma ou mais modalidades de exemplo, será compreendido por aqueles versados na técnica que várias alterações podem ser feitas e equivalentes podem ser substituídos por elementos dos mesmos sem se afastar do escopo da invenção. Além disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptar uma situação ou material específico aos ensinamentos da invenção sem se desviar de seu escopo essencial. Portanto, pretende-se que a invenção não esteja limitada às modalidades específicas divulgadas, mas que a invenção inclua todas as modalidades abrangidas pelo escopo das reivindicações anexas.[0066] Although the invention will be described with reference to one or more exemplary embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various changes can be made and equivalents can be substituted for elements thereof without departing from the scope of the invention. Furthermore, many modifications can be made to adapt a specific situation or material to the teachings of the invention without deviating from its essential scope. Therefore, it is intended that the invention is not limited to the specific disclosed embodiments, but that the invention includes all embodiments falling within the scope of the appended claims.

Claims

1. System for measuring backscatter population metrics of water particles from a cloud atmosphere, the system characterized in that it comprises: a quasi-optical transmitter configured to project a pulse of quasi-optical energy from a horn opening in a first divergent projection volume of the cloud atmosphere, the first divergent projection volume defined by a first projection axis and a first projection angle about the first projection axis, the first projection angle based on a ratio from a transverse dimension of the horn aperture to a wavelength of quasi-optical energy; a quasi-optical receiver configured to detect a portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by a first backscattered population of water particles within the first divergent projection volume of the cloud atmosphere; a cloud metric calculator configured to determine, based on a first detected portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the first backscattered population of water particles within the first divergent projection volume of the cloud atmosphere, a first density of the first backscatter population of water particles within the first divergent projection volume of the cloud atmosphere; an optical transmitter configured to generate a pulse of optical energy; a transmitting fiber configured to receive the generated pulse of optical energy and to project the received pulse of optical energy from a transmitting end of the optical fiber into a second projection volume diverging from the cloud atmosphere, the second projection volume divergent defined by a second projection axis and a second projection angle about the second projection axis, the second projection angle based on the numerical aperture of the fiber; and a receiving fiber configured to receive a portion of the projected pulse of optical energy backscattered by a second backscattered population of water particles within the second divergent projection volume of the cloud atmosphere, wherein the cloud metric calculator is further configured to determine , based on a detected portion of the projected pulse of optical energy backscattered by the second backscattered population of water particles within the second divergent projection volume of the cloud atmosphere, a second density of the second backscattered population of water particles within the volume divergent projection of the cloud atmosphere.

2. System according to claim 1, characterized in that the quasi-optical transmitter is further configured to polarize the quasi-optical energy pulse into a first polarization state.

3. System according to claim 1, characterized in that the quasi-optical receiver is further configured to filter the portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the backscattered population of water particles from the cloud atmosphere, the filtered portion having a second polarization state.

4. System according to claim 1, characterized by the fact that the quasi-optical transmitter and the quasi-optical receiver are components of an orthomodal transducer.

5. System according to claim 4, characterized in that the orthomodal transducer is an orthomodal septal transducer.

6. System according to claim 1, characterized by the fact that the proportion of the transverse dimension of the horn opening to the wavelength of the projected quasi-optical energy is between 3.0 and 4.0.

7. System according to claim 1, characterized in that the projection angle is greater than 15 degrees around the projection axis.

8. System according to claim 1, characterized in that the wavelength of the projected pulse of quasi-optical energy is between 100 micrometers and 10 millimeters.

9. System according to claim 1, characterized in that the cloud metric calculator is further configured to estimate, based on the detected portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the backscattered population of water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere, an effective size of the backscatter population of water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere.

10. System according to claim 1, characterized in that the second projection axis is oriented at 10 degrees from the first projection axis.

11. System according to claim 1, characterized in that the second projection angle is 10 degrees from the first projection angle.

12. System according to claim 1, characterized in that the wavelength of the pulse generated from optical energy is between 0.7 microns and 2.0 microns.

13. System according to claim 1, characterized by the fact that the transmitter fiber runs longitudinally within a septum of an orthomodal septum transducer.

14. Method for measuring backscatter population metrics of water particles from a cloud atmosphere, the method characterized in that it comprises: projecting a quasi-optical energy pulse onto a first divergent projection volume of the cloud atmosphere , the first divergent projection volume defined by a first projection axis and a first projection angle about the first projection axis, the first projection angle based on a ratio of a transverse dimension of a transmission aperture to a wavelength of quasi-optical energy; receiving a portion of the projected pulse of backscattered quasi-optical energy by a first backscattered population of water particles within the first divergent projection volume of the cloud atmosphere; determine, based on a detected portion of the projected pulse of quasi-optical energy backscattered by the first backscattered population of water particles within the first divergent projection volume of the cloud atmosphere, a first density of the first backscattered population of water particles within the first divergent projection volume of the cloud atmosphere; projecting a pulse of optical energy into a second divergent projection volume of the cloud atmosphere, the second divergent projection volume defined by a second projection axis and a second projection angle about the second projection axis; receiving a portion of the projected pulse of backscattered optical energy by a second backscattered population of water particles within the second divergent projection volume of the cloud atmosphere; and determining, based on a detected portion of the projected pulse of optical energy backscattered by the second backscattered population of water particles within the second divergent projection volume of the cloud atmosphere, a second density of the second population of backscattered water particles within of the second volume divergent projection of the cloud atmosphere.

15. Method according to claim 14, characterized in that the projection angle is greater than 15 degrees.

16. Method according to claim 14, characterized in that the wavelength of the projected quasi-optical energy is between 100 micrometers and 10 millimeters.

17. Method according to claim 14, characterized in that it further comprises: estimating, based on a detected portion of the projected pulse of backscattered optical energy by the backscatter population of water particles within the divergent projection volume of the atmosphere of cloud, an effective size of the backscatter population of water particles within the divergent projection volume of the cloud atmosphere.

18. Method according to claim 14, characterized in that an intersection of the first and second divergent projection volumes is at least 90% of each of the first and second divergent projection volumes.

19. Method according to claim 14, characterized in that the wavelength of the generated pulse of optical energy is between 0.7 microns and 2.0 microns.