BR102012008922B1

BR102012008922B1 - Aparelho aerotransportado para detectar condições de formação de gelo

Info

Publication number: BR102012008922B1
Application number: BR102012008922-0A
Authority: BR
Inventors: Mark D. Ray
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2021-12-07
Also published as: EP2518529A3; BR102012008922A2; CA2775292C; BR102012008922A8; US8338785B2; EP2518529A2; CA2775292A1; EP2518529B1; US20120274938A1

Abstract

aparelho aerotransportado para detectar condições de formação de gelo. um aparelho para detectar condições de formação de gelo em uma aeronave. o aparelho incluindo um sistema a laser configurado e operativo para gerar um sinal luminoso e dirigir o sinal luminoso para uma nuvem e um componente de lente configurado e operativo para recolher sinais de eco de uma nuvem causados pelo sinal luminoso dirigido para a nuvem pelo sistema a laser. o aparelho inclui ainda um componente divisor de feixe configurado e operativo para redirecionar sinais recebidos e que passam através do componente de lente para pelo menos primeiro e segundo caminhos. além disso, é fornecido um detector de gotícula grande superesfriada (sld) posicionado para receber os sinais redirecionados do divisor de feixe. o sld inclui um primeiro componente detector de sinal configurado e operativo para realizar uma primeira medição de cor no primeiro sinal redirecionado; e um segundo componente detector de sinal configurado e operativo para realizar uma segunda medição de cor no segundo sinal redirecionado em que o detector de sld é configurado e operativo para usar a primeira e a segunda medições de cor para determinar o teor de água líquida e a distribuição de diâmetro de gotícula para a nuvem para a qual o sinal luminoso foi dirigido pelo sistema a laser.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção diz respeito a sensores de voo a bordo de aeronaves para a detecção de gotículas de água líquida e cristais de gelo aerotransportados.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A detecção de gotículas de água transportadas pelo ar e sua classificação de acordo com o tamanho de gotícula é uma função importante de um detector de condições de formação de gelo em voo. Dispositivos de proteção de gelo atuais em aeronaves, tais como botas infláveis, são bem adaptados para a acumulação de gelo de pequenas gotículas (exemplo: menos que 40 μm de valor de diâmetro médio), mas pode não fornecer a proteção contra o acúmulo de gelo, quando as gotículas que impingem são grandes. Em particular, a capacidade de discriminar gotículas grandes superresfriadas (SLD) está rapidamente tornando-se reconhecida como uma característica de segurança crítica para um sensor de condições de formação de gelo. As SLD são tipicamente maiores do que 40 μm diâmetro e estão bem abaixo da temperatura de congelamento da água. Quando atingem o bordo de ataque de uma asa de avião, elas tendem a rolar para além da extremidade dianteira e congelar em locais de difícil acesso para os dispositivos antigelo, mas críticos para o controle da aeronave. Acredita-se que as gotículas grandes superresfriadas têm causado alguns acidentes em aeronaves, como o acidente fatal de um ATR-72 em Roselawn, Indiana em 1994.

[003] Alvos moles com uma elevada densidade de sítios de espalhamento (tais como as nuvens) produzirão espalhamento múltiplo quando eles forem sondados por um feixe de laser. Para espalhamento múltiplo, os raios de luz experimentam dois ou mais eventos de espalhamento antes de retornar para o receptor de LIDAR. A maioria das análises de espalhamento múltiplo de LIDAR assume que cada raio detectado experimenta numerosos espalhamentos na direção de pequeno ângulo (ambos enquanto se propagam para longe e na direção de LIDAR) e um evento de espalhamento angular grande único (~ 180°) que é responsável pelo seu retroespalhamento em direção ao receptor de LIDAR. Os espalhamentos em direção a pequeno ângulo são devidos principalmente à difração da luz em torno das partículas, e estes ângulos pequenos são em grande parte responsáveis pelo aumento do campo de visão de luz recebida na medida em que o feixe de laser penetra o alvo mole. No processo de espalhamento múltiplo, os raios se difundem lateralmente, e o campo de visão recebido irá expandir para além da divergência do laser, dependendo da distribuição de tamanho e densidade das partículas de espalhamento que compreendem o alvo mole.

[004] A relação geral entre o diâmetro da partícula (d), o comprimento de onda do laser (À), e o ângulo de difração de espalhamento avançado -(β) é:

[005] Esta é uma simples relação proporcional entre o diâmetro da gotícula e o ângulo de espalhamento. Dentro de uma nuvem, no entanto, existe uma distribuição de tamanhos de gotículas de água, e os ângulos de espalhamento irão variar de acordo com esta distribuição. De um modo geral, no entanto, as partículas pequenas produzem ângulos de espalhamento grandes, e vice-versa.

[006] A FIG. 1 apresenta uma vista simplificada do campo de visão na medida em que um feixe de LIDAR penetra a distância x em uma nuvem 50 localizada a uma distância R a partir do receptor 52. Se o ângulo de espalhamento é β, então, o campo de visão θ pode ser obtido a partir de:tan(θ)=xtan(β)/(R+x)~xÀ/(R+x)d, no limite de θ e β pequenos

[007] Para o caso em que R = 1000 m, X = 200 m, À = 1 μm, e d = 5 μm (típico de uma nuvem de água) , o campo de visão θ é aproximadamente 40 mrad, que corresponde ao campo de visão máximo empregado pelos sistemas de LIDAR de campo de visão múltiplo do estado da técnica. No entanto, para gotículas grandes superresfriadas, os tamanhos de gotículas variam de 50 μm para mais de 100 μm. Em uma nuvem de gotículas de 40 μm, o campo de visão diminui a 5 mrad; para 100 μm e maiores, é menor que 2 mrad. A relação inversa do campo de visão com tamanho de gotícula significa que os múltiplos campos de visão gerados por gotículas grandes se aglomeram juntos perto do campo de visão de dispersão única gerado naturalmente pela divergência do feixe de laser.

[008] A FIG. 2 mostra como os vários campos de visão gerados pelas gotículas que refletem luz retroespalhada aparecem no plano focal. Um feixe de luz colimada de saída 54 ilumina as gotículas e a luz retroespalhada 56 a partir das gotículas passa através de uma ou mais lentes receptoras 58, após o que é recebido por uma região detectora, geralmente mostrada como 60, disposta ao longo do eixo ótico A. Na metade superior do plano focal do detector 62, múltiplos campos de visão mapeiam em anéis concêntricos, geralmente mostrados como 64.

[009] O conceito por trás de um detector de múltiplo campo de visão (MFOV) é colocar múltiplos elementos detectores no plano focal do receptor ótico e, simultaneamente, medir o retroespalhamento dos vários campos de visão. No plano focal, os vários FOVs ocupam diferentes localizações espaciais, com a distância a partir do eixo ótico (y), sendo proporcional a FOV de acordo com a relação: y=fθ

[010] em que f é a distância focal do receptor ótico. Para um LIDAR com um diâmetro de 2", lente f/2,5 do receptor, o deslocamento é de 63 μm para todos os ângulos mrad 0,5 com relação ao eixo ótico de LIDAR.

[011] A patente US 5.239.352 (Bissonnette) divulga um receptor do estado da técnica para a detecção de retroespalhamento LIDAR de MFOV. As FIGS. 3 e 4 mostram que este receptor do estado da técnica 71 tem um detector de radiação de multi-elemento 73 localizado no plano focal "f" dos óticos de recepção 72 tendo o eixo ótico 74. O detector 73 consiste em uma série de elementos detectores de silício circulares concêntricos (fotodiodos PIN) 73-1, 73-2, 73-3 e 73-4. Como um resultado dos quatro elementos de detectores separados, o receptor 71 pode diferenciar os sinais de radiação retroespalhados recebidos entre vários campos de visão. Um sinal retroespalhado recebido para qualquer campo de visão mais amplo do que a divergência do feixe de laser de LIDAR é devido à dispersão múltipla.

[012] A largura de banda dos elementos detectores é suficientemente elevada para assegurar uma resolução da faixa de < 5 metros na medida em que o feixe penetra na nuvem. Neste detector, cada elemento de detector integra o sinal ao longo de uma determinada faixa de campo de visão e gera um valor único. Os quatro elementos de detector concêntricos abrangem os seguintes campos de visão:73-1 0 a 3,75 mrad73-2 3,75 a 12,5 mrad73-3 12,5 a 25,0 mrad73-4 25,0 a 37,5 mrad

[013] O elemento detector 73-1 mede o sinal de espalhamento único inteiro com algum espalhamento múltiplo também, os elementos de detector 73-2 até 73-4 medem apenas o espalhamento múltiplo. No entanto, para a detecção de gotículas grandes superresfriadas, o FOV fixo a 3,75 mrad pode ser uma limitação uma vez que a maioria da informação de espalhamento útil pode estar completamente contida dentro deste FOV único, que também contém o sinal de espalhamento único inteiro. Assim, não há nenhum modo de distinguir o espalhamento múltiplo devido às gotículas grandes daqueles devido ao espalhamento único. Além disso, os FOVs são fixos e não podem ser reconfigurados.

[014] A Patente US 4.893.003 (Hays) divulga um sistema ótico de interferômetro de círculo-a-linha (CLIO) para uso com um interferômetro de Fabry-Perot. Como visto nas FIGS. 5-6, um sistema de CLIO inclui um segmento de refletor cônico 80 que é fornecido com uma superfície refletora cônica interior 81. A superfície refletora cônica 81 é orientada de modo a refletir os raios de luz paralelos de entrada 83 produzidos por um interferômetro de Fabry-Perot e contendo informações de franja circular 82. Os raios de luz 83 se propagam em uma direção substancialmente paralela a um eixo cônico 84 do segmento refletor cônico 80. A informação de franja circular 82 é convertida em informações lineares quando os raios de luz refletidos 83 são recebidos por um detector de matriz linear convencional 87, tal como um dispositivo acoplado de carga do tipo usado na análise espectroscópica. Os raios das franjas do interferômetro dependem do espaçamento das superfícies refletoras do interferômetro, da velocidade das partículas que refletem a luz no espectrômetro, do comprimento de onda da luz, e da coerência de fase da luz que entra no interferômetro. O vértice do cone pode estar situado onde o eixo cônico 84 intersecta o plano focal do padrão de franjas circular 82. O ângulo azimutal do padrão de franjas circular detectado 82 pode ser reduzido com o uso de um tele-caleidoscópio-86 (FIG. 6) compreendendo um arranjo predeterminado de espelhos 85. Um cone em ângulo reto com uma superfície refletora 81 reflete a informação de franja circular para uma linha no plano P em que o detector 87 está localizado. Como visto na FIG. 7, o ângulo de entrada θ i é refletido para o plano P, com o ângulo de reflexão θ r, produzindo assim um mapeamento um-a- um com informação em raio y do círculo que entrar no cone sendo detectado a uma distância x a partir do vértice do cone V. Assim, as informações de franja circular de entrada compreendendo regiões claras e escuras alternadas são detectadas como as regiões claras e escuras alternadas ao longo do detector de matriz linear 87.

[015] Além disso, para detectar a presença e o tamanho das gotículas de água, é desejável distinguir a fase de nuvem (gelo vs água), porque alguns incidentes de falha de combustão de motor tem sido atribuídos à ingestão de cristais de gelo aerotransportados por motores de aeronaves. O Pedido de Patente US 2010/0110431 de Ray descreve um dispositivo para detectar e distinguir oticamente as gotículas de água líquida e cristais de gelo aerotransportados que inclui uma porção de iluminação e uma porção de detecção. A parte de iluminação produz um feixe de iluminação polarizada de forma circular. A porção de detecção recebe luz retroespalhada polarizada de forma circular da umidade na nuvem, em resposta ao feixe de iluminação. A luz retroespalhada polarizada de forma circular é passada através de um polarizador circular para convertê-la em luz retroespalhada polarizada de forma linear, o qual é dividido em dois componentes. Cada um dos dois componentes é opcionalmente sujeito à polarização linear adicional para filtrar qualquer polarização de vazamento tipo ortogonal. Os dois componentes são então oticamente detectados e os sinais de detecção resultantes são usados para calcular um ou mais parâmetros reflectivos da presença ou ausência de cristais de gelo aerotransportados e/ou gotículas de água.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[016] A presente invenção refere-se ao uso de detector de gelo ótico polarimétrico (OID), um detector de gotícula Grande Difrativa Superresfriada (SLD), e um detector de duas cores SLD integrados em um único sensor em uma aeronave para determinar e avaliar as condições de formação de gelo em torno da aeronave.

[017] Em um aspecto, um aparelho para detectar condições de formação de gelo em uma aeronave é descrito em que um aspecto da invenção inclui um sistema a laser configurado e operativo para gerar um sinal luminoso e dirigir o sinal luminoso para uma nuvem e um componente de lente configurado e operativo para recolher sinais de eco de uma nuvem causados pelo sinal luminoso dirigido para dentro da nuvem pelo sistema a laser. O aparelho inclui ainda um componente de divisor de feixes configurado e operativo para redirecionar os sinais recebidos e que passam através do componente de lente em pelo menos primeiro e segundo caminhos. Além disso, é fornecido um detector de gotícula grande superresfriada (SLD) posicionado para receber os sinais redirecionados a partir do divisor de feixes. O SLD inclui um primeiro componente de detector de sinal configurado e operativo para realizar uma primeira medição de cor no primeiro sinal redirecionado; e um segundo componente de detector de sinal configurado e operativo para realizar uma segunda medição de cor sobre o segundo sinal redirecionado em que o detector SLD é configurado e operativo para usar a primeira e a segunda medições de cor para determinar o teor de água líquida e distribuição do diâmetro de gotículas para a nuvem no qual o sinal luminoso foi dirigido pelo sistema a laser.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[018] Os objetos e características da invenção podem ser entendidos com referência à seguinte descrição detalhada de uma modalidade ilustrativa da presente invenção tomada em conjunto com os desenhos anexos nos quais:

[019] A FIG. 1 mostra a geometria de espalhamento múltiplo em uma nuvem;

[020] A FIG. 2 mostra como os campos de visão múltiplos gerados pelas gotículas se mapeiam em uma pluralidade de anéis concêntricos no plano focal;

[021] A FIG. 3 mostra uma vista lateral transparente de um detector de campo de visão múltiplo do estado da técnica para a detecção de retroespalhamento atmosférico, tal como divulgado na Patente US 5.239.352;

[022] A FIG. 4 mostra o plano focal do detectordo estado da técnica da FIG. 3 mostrando elementos detectores concêntricos;

[023] A FIG. 5 mostra um detector de interferômetro cônico de círculo-a-linha do estado da técnica, tal como divulgado na Patente US 4.893.003;

[024] A FIG. 6 mostra um conjunto de espelho caleidoscópico em combinação com o detector da FIG. 5;

[025] A FIG. 7 mostra o mapeamento de um padrão de franjas interferométricas de entrada sobre o detector da FIG. 5;

[026] A FIG. 8 mostra as curvas de correlação para os valores de m;

[027] A FIG. 9 mostra a forma das mudanças de distribuição de gotículas; e

[028] A FIG. 10 mostra um diagrama esquemático de um aparelho de acordo com uma modalidade ilustrada da invenção.

DESCRIÇÃO ESCRITA DE CERTAS MODALIDADES DA INVENÇÃO

[029] A presente invenção é agora descrita mais completamente com referência aos desenhos em anexo, nos quais uma modalidade ilustrada da presente invenção é mostrada. A presente invenção não está limitada de modo algum com a modalidade ilustrada uma vez que a modalidade ilustrada descrita abaixo é meramente exemplar da invenção, que pode ser incorporada em várias formas, como apreciado por uma pessoa versada na técnica. Portanto, deve ser entendido que quaisquer detalhes estruturais e funcionais descritos neste documento não devem ser interpretados como limitantes, mas meramente como uma base para as reivindicações e, como um representante para o ensinamento a uma pessoa versada na técnica para empregar variadamente a presente invenção. Além disso, os termos e expressões usados neste documento não se destinam a ser limitantes, mas em vez disso, fornecem uma descrição compreensível da invenção.

[030] As Patentes dos US 5.239.352 e US4.893.003 referidas acima, juntamente com os Pedidos de Patente comumente designados US 2011/00191188 e US 2010/0110431 são incorporados neste documento por referência, na medida do necessário para compreender a invenção.

[031] Deve ser entendido e apreciado que um Detector de Gelo Ótico (OID) analisa a luz polarizada de forma circular espalhada a partir de partículas de nuvem transportadas no ar para determinar a fase (isto é, água vs gelo). Devido ao OID usar um laser pulsado, o mesmo é operativo para determinar um coeficiente de extinção ótica de nuvem μ. O decaimento medido do sinal sobre a profundidade da nuvem possibilita que a extinção espacial seja calculada devido ao espalhamento de luz. Deve ser ainda apreciado que o coeficiente de extinção ótica é importante por pelo menos duas razões. Primeiro, o coeficiente de extinção ótica baseia-se apenas em medições de intensidade de sinal relativo. Após a largura temporal do pulso de laser, a largura de banda do sistema electrônico de detecção, e o fator de forma geométrica do OID são "deconvoluídos" do sinal, a forma de onda restante é uma curva de decaimento exponencial, com uma constante de decaimento que depende de um coeficiente de extinção ótico de nuvem μ. Assim, apenas a forma desta curva (isto é, as magnitudes relativas de pontos de dados temporalmente consecutivos) é relevante. A magnitude global é irrelevante, desde que a relação sinal-par-ruído seja suficientemente elevada para fazer uma medição confiável de um coeficiente de extinção ótico de nuvem μ. Note-se isto é vantajoso para um instrumento que se destina a ser usado em uma aeronave. Deve ser ainda apreciado e entendido que a completa certeza não pode ser fornecida uma vez que a porta de janela em OID permanecerá completamente limpa e tem um nível constante de transmissão ótica. Portanto, o uso de medições relativas em vez de absolutas obvia a necessidade de calibração contínua da transmissão de janela, um procedimento que é extremamente difícil de conduzir durante o voo da aeronave.

[032] A segunda razão para medir a extinção ótica é que a extinção pode ser relacionada com o teor de água líquida (LWC) se a distribuição de tamanho de gotícula é conhecida. Deve ser entendido e apreciado que o diâmetro eficaz Deff é um diâmetro médio ponderado igual à razão do terceiro momento da distribuição de densidade de número de gotículas para o seu segundo momento. Portanto, se a distribuição de diâmetro de gotículas é n(D), então:

[033]m que D é o diâmetro da gotícula, e n(D) é a distribuição de densidade de número de gotículas (com unidades de m-3 μm-1) . Deve ser entendido que uma vantagem desta definição de um diâmetro médio de gotícula, em vez de uma média ponderada simples de D, é a de que o numerador é proporcional à LWC, enquanto que o denominador é proporcional ao coeficiente de extinção ótica. Em termos destes parâmetros, deve ser entendido:

[034] onde p é a densidade de água (106 g/m3) . É ainda observado que o coeficiente de extinção ótica assume que a área da secção transversal de espalhamento de cada gotícula é duas vezes a sua área de secção transversal geométrica.

[035] Deve ser apreciado que, para condições de formação de gelo, o teor de água líquida e à distribuição de diâmetros de gotículas são parâmetros críticos. O coeficiente de extinção ótica, embora possa ser medido com precisão pelo OID, é importante principalmente em relação ao LWC e Deff. O tamanho de gotícula eficaz é estimado pelo detector de SLD, que determina a distribuição da densidade de gotículas relativa. Deve ser entendido e apreciado, que semelhante ao OID, o SLD conduz preferencialmente medições relativas.

[036] No entanto, há situações em que a estimativa de Deff pelo SLD pode não ser desejável. Isto é porque o SLD mede a distribuição de tamanho de gotícula ao longo de uma faixa de tamanho de gotículas limitada. Assim, se uma fração significativa de gotículas está além do tamanho máximo, as estimativas de Deff e LWC serão tipicamente muito baixas. Deve ser entendido e apreciado que é conhecido por aqueles versados na técnica que o teor de água líquida de uma nuvem pode ser estimado usando uma técnica de dimensionamento de gotícula por espalhamento - difração semelhante à usada pelo SLD. O seu método usou a equação acima mencionada:

[037] com Deff determinado unicamente em função de sua técnica de recuperação de dimensionamento de gotícula, em que o limite superior da técnica é menor que 200 μ m. As estimativas de LWC são aproximadamente 30% inferiores do que as medições in situ por pesquisa de aeronave voando através das nuvens quase no mesmo local sondado pelo laser do instrumento de dimensionamento de partícula. Deve ser apreciado que uma variedade de efeitos pode explicar a discrepância, mas é possível que a estimativa de tamanho de gotícula a partir do método de difração - espalhamento não é sensível a um número relativamente baixo de gotículas grandes que compreendem uma fração considerável dea LWC. É ainda apreciado que esta situação é suscetível de ocorrer por um sensor de SLD aerotransportado se uma aeronave está voando através de gotículas grandes de garoas. Note-se que as gotículas de garoa podem ser tão grandes quanto 1000 μm de diâmetro, o que é além do limite de 100 a 200 μm de um SLD típico. Portanto, um método secundário para determinar o tamanho das gotículas eficazes sobre uma faixa de tamanho de gotículas mais ampla é desejável para explicarcontabilizar tais gotículas grandes. A estimativa mais precisa do diâmetro de gotículas eficaz cria uma estimativa mais precisa de LWC.

[038] Foi proposto por aqueles versados na técnica o uso de dois comprimentos de onda de laser de sondas diferentes para estimar o tamanho de gotícula de garoa e a taxa de precipitação cujo método é uma técnica de absorção diferencial que depende da grande diferença (aproximadamente 1000 vezes) no coeficiente de absorção de água líquida entre os dois comprimentos de onda. O comprimento de onda de transmissão alta é 905 nm ou 1.064 μm, enquanto que o comprimento de onda absorvido é de 1,5 μm. Todos estes comprimentos de onda são prontamente gerados por laseres de estado sólido compactos que podem ser incorporados em um sensor de condições de formação de gelo aerotransportado. Note-se a combinação de 1,064 -1,5 μm é particularmentevantajosa porque um laser de microchip único com um oscilador paramétrico ótico produz ambos os comprimentos de onda simultaneamente. A razão da retroespalhamento em cada comprimento de onda corresponde ao MVD da distribuição. Assim, assume-se que a distribuição de gotículas é uma distribuição gama da forma:

[039] onde D0 é o diâmetro de gotícula de volume médio, e m é um parâmetro adimensional que controla a forma da distribuição.

[040] É ainda observado pelos versados na técnica correlacionar D0 para a "razão de cor", a razão entre o retroespalhamento β para os dois comprimentos de onda distintos, como mostrado na equação abaixo:

[041] Uma vantagem notável da definição de uma razão dose coeficientes de retroespalhamento é que a razão de retroespalhamento é equivalente à razão das intensidades de sinal recebidas de comprimentos de onda. Desde que a intensidade relativa dos dois comprimentos de onda transmitidosa é conhecida, a geometria da coleção receptora de LIDAR e a distribuição de densidade de gotículas são as mesmas para ambos os comprimentos de onda. Portanto, a diferença de atenuação devida ao espalhamento geométrico e difrativo é mínima (isto é, menor que 2%) entre os dois comprimentos de onda. Tem-se notado que a diferença observada no retroespalhamento é quase exclusivamente devido às diferenças na absorção pela água líquida total contida na distribuição de gotículas.

[042] Deve ser apreciado que a razão de cor se correlaciona com MVD da distribuição, mas com o parâmetro de forma m desconhecida, a correspondência não é única. Assim as curvas de correlação são geradas para valores de m que variam de 0 a 10 em incrementos de 2, como mostrado na FIG. 8. Assim, em qualquer razão de cor determinada, uma variedade de valores de MVD é possível. Por exemplo, quando a razão de cor é dez, o MVD varia de 290 μm a 400 μm, dependendo da forma do parâmetro m. Tem-se observado que o erro implícito para a incerteza de m cria aproximadamente não mais do que um erro de 20% no teor de água líquida derivada.

[043] Como mostrado na FIG. 9, a forma de distribuição de gotículas muda perceptivamente para as duas combinações de m e D0 em que uma razão de cor de 10 dB é permitida, tendo em vista que o LWC total é aproximadamente o mesmo para ambos m, e D0. Deve ser apreciado que a diferença é especialmente notável para diâmetros de gotícula menores que 200 μm e, embora a densidade numérica em gotículas menores que 200 μm mude consideravelmente entre as várias distribuições, estas gotículas menores contêm menos água líquida global do que as gotículas maiores.

[044] Assim, apesar de LWC relativamente baixo comparado com o de toda a distribuição, as gotículas de 20 a 200 μm m ser especialmente perigosas com relação à formação de gelo na aeronave. Quando elas atingem a ponta da asao bordo de ataque da asa aeronave, elas normalmente rolam por trás dos dispositivos de degelo (tal como botas pneumáticas infláveis) e congelamento sobre as superfícies de controle da asa. Gotículas menores do que 20 microns μm tendem a seguir a corrente de ar e o bypass da asa, enquanto gotículas maiores do que 200 μm atingem o bordo de ataque da asa e congelam, onde elas podem ser removidas por sistemas de degelo padrões. Portanto, é desejável medir não só o MVD com a técnica de duas cores, mas também caracterizar a forma de distribuição para a porção da gotícula pequena da distribuição de tamanho completo.

[045] De acordo com a invenção, uma medição de duas cores de MVD é combinada com a medição de distribuição de tamanho de gotículas do detector de SLD para fornecer uma medição precisa do tamanho de gotículas eficaz Deff . Na equação:

[046] D0 é determinado pela medição de duas cores, e a variável m é calculada a partir da porção do perfil de distribuição de gotículas total que é medido pelo detector de SLD. Este é um processo iterativo que envolve primeiro a determinação de D0, então, um ajuste da distribuição de gotículas para determinar m, e em seguida uma nova estimativa de D0 com base na razão de cor e m. O processo, preferencialmente, continua até que a distribuição de gotículas calculada pelas estimativas mais recentes de D0 e m estejam de acordo com a distribuição medida pelo SLD dentro de um nível de tolerância prescrito.

[047] Com as variáveis m e Do determinadas como discutido acima, o Deff é calculado com a distribuição gama através da equação acima referida:

[048] Assim, a combinação da medição de duas cores e a medição de dimensionamento de gotículas SLD em conjugação com o uso de um procedimento de ajuste de curva iterativa, uma estimativa aprimorada de Deff é fornecida do que a técnica mencionada acima pode fornecer individualmente. A estimativa precisa deo Deff e a medição do coeficiente de extinção dea OID permite que LWC seja calculado com precisão a partir do limite da gotícula menor do SLD (tipicamente cerca de 2 a 5 μm) para pelo menos 500 μm. Deve ser apreciado e entendido que todos os parâmetros que são necessários (razão de retroespalhamento de duas cores, coeficiente de extinção, distribuição de tamanho de gotículas a partir de 2 μm a 200 μm) são derivados a partir de medições relativas. Ou seja, nenhum deles exige medições calibradas, absolutas, de alturas de pico de sinal ou coeficientes de retroespalhamento. Preferencialmente, apenas as razões numéricas ou a forma geral de uma distribuição de gotículas são necessárias.

[049] É observado que tem sido proposto por aqueles versados na técnica o uso do método de duas cores para derivar LWC, mas esta técnica é desvantajosa, uma vez que requer uma medição de retroespalhamento em um dos comprimentos de onda de laser, em que uma medição exata de retroespalhamento requer calibração de LIDAR e, para um sensor em voo, uma correção para a transmissão da porta de visualização da janela que é montada sobre a pele da aeronave. Em contraste, a presente invenção usa o coeficiente de extinção medido em vez do retroespalhamento em um único comprimento de onda para calcular LWC.

[050] Com referência agora à FIG. 10, é mostrado um aparelho de SLD e OID de duas cores, referenciado genericamente pelo número 100, configurado e operativo para detecção em voo de condições de formação de gelo de acordo com uma modalidade ilustrada da invenção. O aparelho 100 inclui um componente de laser 110, que na modalidade ilustrada é preferencialmente um microchip com 1.064 μm pulsados que bombeia um cristal oscilador paramétrico ótico (OPO) 112 configurado e é operativo para gerar, preferencialmente, um "sinal" luminoso de 1,5 μm através da conversão paramétrica decrescente. Deve ser apreciado que o sinal gerado mencionado acima não deve ser entendido como limitado a um sinal de 1,5 ou 1,064 μm, mas em vez disso pode englobar qualquer comprimento de onda adequado para uso com a invenção (por exemplo, dois laseres de diodo pulsados podem ser empregados com um operando a 905 nm e o outro a 1550 nm) e referência a seguir a um sinal de 1,5 ou 1,064 μm é apenas para fins descritivos da modalidade ilustrada.

[051] Note-se que, na modalidade ilustrada, uma frequência "inativa" em 3,7 μm pode também ser criada, a qual pode ser filtrada oticamente a partir do feixe de sinal de 1,5 μm 114. Preferencialmente, tanto a bomba 112 quanto o sinal 114 são linearmente polarizados e saem do laser 110 juntos. Preferencialmente, uma placa de um quarto de ondas 116 converte a luz polarizada de forma linear em 1,064 μm em luz polarizada de forma circular (preferencialmente, via a polarizada de forma circular do lado direito (RHC)), cujo sinal luminoso 114 é transmitido para formar uma nuvem 200, preferencialmente, através de um componente defletor 115. Deve ser entendido e apreciado que a luz a 1,5 μm permanece no seu estado de polarização linear original uma vez que não é analisada para determinar a fase de nuvem.

[052] Uma lente única 120 preferencialmente recolhe os sinais de eco dos primeiro e segundo comprimentos de onda 122, 124 que refratam da nuvem 200. O aparelho 100 inclui ainda preferencialmente um divisor de feixes específico para comprimento de onda 126 configurado e operativo para dirigir a metade da luz em 1,064 ou 1,5 μm em um detector de tamanho de gotículas de espalhamento difrativo de SLD 127 durante a passagem da luz restante para o detector de SLD de duas cores 128. Deve ser entendido e apreciado, que qualquer comprimento de onda acima referido transmite informações de tamanho de gotícula. Note-se que o comprimento de onda maior cria ângulos de espalhamento maiores que melhoram a resolução das gotículas grandes.

[053] Preferencialmente, o detector de tamanho de gotículas de SLD 127 inclui um detector de matriz linear 129 e um componente de cone refletor 131. O divisor de feixes específico para comprimento de onda acima mencionado 126 dirige a luz para o detector de matriz linear 129 através do componente de cone refletor 131.

[054] Com relação ao detector de SLD de duas cores 128, de acordo com a modalidade ilustrada, a mesma preferencialmente inclui detectores de elemento único representados como componentes fotodetectores próximos do infravermelho 130, 133 e 135, tais como um detector de InGaAs. Deve ser entendido que a referência a seguir a um detector de InGaAs é apenas para fins descritivos da modalidade ilustrada uma vez que qualquer componente fotodetector adequado próximo do infravermelho pode ser usado. É também para ser apreciado e entendido que o eco recebido menos a 1,5 μm é também susceptível de ser mais fraco do que a 1,064 μm devido ao aumento da absorção pela água líquida.

[055] Na modalidade ilustrada da FIG. 10 um segundo espelho dicróico 132 é posicionado atrás de uma lente de colimação 134 configurada e operativa para remover o a luz restante de 1,5 μm e dirigir o sinal luminoso para o fotodetector de InGaAs 130. A luz a 1,064 μm, preferencialmente passa nas óticas de polarização de um receptor de OID polarimétrico 136 que inclui detectores de elemento único 133 e 135. Assim, o sinal detectado pelo fotodetector de elemento único 130 é uma primeira medição de cor, enquanto que o somatório dos sinais produzidos pela combinação de luz RHC e LHC (detectores de elemento único 133 e 135) forma a segunda medição de cor. A calibração das sensibilidades relativas dos canais é necessária para atingir uma razão de cor exata, mas a calibração ocorre apenas uma vez durante a fabricação do sensor. A mesma não precisa ser repetida durante o uso do instrumento a bordo da aeronave.

[056] Modalidades opcionais da presente invenção podem também ser consideradas como consistindo nas partes, elementos e características denominadas ou indicadas neste documento, individualmente ou coletivamente, em qualquer ou todas as combinações de duas ou mais das partes, elementos ou características, e em que inteiros específicos são mencionados neste documento, os quais têm equivalentes conhecidos no estado da técnica ao qual a invenção diz respeito, tais equivalentes conhecidos são considerados como incorporados neste documento como se individualmente estabelecidos.

[057] O acima apresenta uma descrição de um melhor modo contemplado para a realização do aparelho e método da presente invenção para detectar condições de formação de gelo de aeronaves, e do modo e processo de preparação e uso dos mesmos, em tais termos completos, claros, concisos e exatos de modo a permitir que qualquer pessoa versada na técnica, a qual a invenção pertence faça e use estes dispositivos e métodos. O aparelho e método da presente invenção para detectar condições de formação de gelo de aeronaves são, no entanto, susceptíveis a alterações e etapas de métodos alternativas às discutidas acima que são completamente equivalentes. Portanto, o aparelho e método da presente invenção para detectar condições de formação de gelo de aeronaves não estão limitados às modalidades particulares divulgadas. Pelo contrário, o aparelho e método da presente invenção para detectar condições de formação de gelo de aeronaves englobam todas as modificações e métodos e construções alternativos próximos, dentro do espírito e escopo da presente invenção.

[058] As descrições acima e os desenhos em anexo devem ser interpretados no sentido ilustrativo e não limitado. Embora a invenção tenha sido divulgada em conexão com a modalidade ou as modalidades preferidas da mesma, deve ser entendido que podem existir outras modalidades que caem dentro do escopo da invenção como definido pelas reivindicações que se seguem. Sempre que uma reivindicação, se houver, for expressa como um meio ou etapa de realização de uma função especificada pretende-se que tal reivindicação seja interpretada de forma a cobrir a estrutura, o material ou a ação correspondente descrita no relatório descritivo e equivalentes dos mesmos, incluindo tanto os equivalentes estruturais quanto estruturas equivalentes, equivalentes baseados em materiais e materiais equivalentes, e equivalentes baseados em ações e ações equivalentes.

Claims

1. APARELHO AEROTRANSPORTADO PARA DETECTAR CONDIÇÕES DE FORMAÇÃO DE GELO, o aparelho caracterizado por compreender:um sistema a laser (110) configurado e operativo para gerar um sinal luminoso (114) e dirigir o sinal luminoso para uma nuvem (200);um componente de lente (120) configurado e operativo para recolher sinais de eco (122, 124) de uma nuvem causados pelo sinal luminoso dirigido para a nuvem pelo sistema a laser; eum componente divisor de feixe (126) configurado e operativo para redirecionar os sinais recebidos e que passam através do componente de lente em pelo menos primeiro e segundo caminhos;um detector de gotícula grande superresfriada (127, 128) posicionado para receber os sinais redirecionados do divisor de feixes, o detector de gotícula grande superresfriada incluindo:um primeiro componente detector de sinal (130) configurado e operativo para realizar uma primeira medição de cor no primeiro sinal redirecionado; eum segundo componente detector de sinal (133, 135, 136) configurado e operativo para realizar uma segunda medição de cor no segundo sinal redirecionado em que o detector de gotícula grande superresfriada é configurado e operativo para usar a primeira e a segunda medições de cor para determinar o teor de água líquida e distribuição de diâmetro de gotícula para a nuvem para a qual o sinal luminoso foi dirigido pelo sistema a laser.

2. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo teor de água líquida e a distribuição de diâmetro de gotícula para uma nuvem (200) serem estimados de 1μm a 500 μm pelo detector de gotícula grande superresfriada (127, 128).

3. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo primeiro componente detector de sinal (130) ser um detector de infravermelho próximo.

4. APARELHO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo detector de infravermelho próximo (130) receber um sinal de 1,5 μm.

5. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo segundo componente detector de sinal (133, 135, 136) ser um detector ótico de gelo (136).

6. APARELHO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo detector ótico de gelo (136) incluir ótica de polarização.

7. APARELHO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo detector ótico de gelo (136) receber um sinal de 1,064 μm.

8. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo aparelho ser configurado para uso em uma aeronave para detectar condições de formação de gelo em torno de uma aeronave.

9. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo sistema a laser ser configurado e operativo para gerar um sinal de 1,5 μm.

10. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo sistema a laser (110) incluir um microchip de 1,064 μm pulsado operativo para bombear um oscilador ótico paramétrico (112) para gerar um sinal de 1,5 μm.

11. APARELHO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo microchip de 1,064 μm ser operativo e configurado para realizar uma conversão paramétrica decrescente de um sinal gerado para gerar o sinal de 1,5 μm.

12. APARELHO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por ambos o microchip de 1,064 μm e o sinal gerado polarizado de forma linear saírem do sistema a laser (110) juntos.

13. APARELHO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por incluir adicionalmente uma placa de um quarto de onda (116) configurada para realizar a polarização circular.

14. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo divisor de feixe (126) ser configurado e operativo para dirigir pelo menos uma porção do sinal recebido do componente de lente (120) em um de 1,064 μm ou 1,5 μm para o detector de gotícula grande superresfriada.

15. APARELHO, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por incluir adicionalmente um espelho dicróico (132) e lente colimadora (134) posicionados intermediários ao divisor de feixe e ao detector de gotícula grande superresfriada.

16. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por:o detector de gotícula grande superresfriada (127, 128) incluir um detector de gotícula grande superresfriadade de espalhamento difrativo (127) tendo um cone refletivo internamente (131) configurado e operativo para determinar o tamanho de gotícula de água.

17. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado poro sistema a laser (100) incluir pelo menos um laser de diodo pulsado.