BR102014021914A2 - método para determinar opticamente a presença de cinza vulcânica dentro de uma nuvem, e, aparelho para detecção em voo de cinza vulcânica aerotransportada - Google Patents

Abstract

método para determinar opticamente a presença de cinza vulcânica dentro de uma nuvem, e, aparelho para detecção em voo de cinza vulcânica aerotransportada. um método para determinar opticamente a presença de cinza vulcânica dentro de uma nuvem compreende emitir um feixe de iluminação circularmente polarizado dentro de uma nuvem e analisar a luz retroespalhada para identificar a presença de cinza vulcânica dentro da nuvem. o método ainda inclui determinar o grau ao qual a nuvem alterou o estado de polarização do feixe emitido. o índice de refração da luz retroespalhada e a opacidade da luz retroespalhada também são analisados.

Description

“MÉTODO PARA DETERMINAR OPTICAMENTE A PRESENÇA DE CINZA VULCÂNICA DENTRO DE UMA NUVEM, E, APARELHO PARA DETECÇÃO EM VOO DE CINZA VULCÂNICA AJEROTRANSPORT ADA” REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] Este pedido reivindica o benefício e a prioridade do Pedido de Patente Provisório US N.° 61/874.438, depositado em 6 de setembro de 2013, o qual é incorporado por referência neste documento em sua totalidade. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO 1. Campo da Invenção [0002] A presente invenção se refere a sensores, por exemplo, sensores em voo, a bordo de uma aeronave e, mais particularmente, a detecção do conteúdo de nuvens. 2. Descrição da Técnica Relacionada [0003] Cinza vulcânica aerotransportada é uma ameaça séria à segurança de aeronaves, conforme evidenciado pelo apagão da turbina do Voo 867 da KLM em 1989, e uma interrupção principal do tráfego aéreo, como foi aparente durante a erupção do vulcão Eyjafjallajokull em 2010 na Islândia. Embora satélites e estações meteorológicas reportem níveis perigosos de cinza aos controladores de tráfego aéreo, um sensor a bordo da aeronave para alertar pilotos para a presença de níveis perigosos de cinza é altamente desejável. Varreduras de satélite de uma área particular são tipicamente atualizadas apenas duas vezes ao dia e as estações meteorológicas amostram o ar através de um ângulo limitado acima da estação.

[0004] Várias referências descrevem vários aparelho in-situ e métodos para determinar a presença de grandes gotículas de água e condições de congelamento de uma aeronave. No entanto, nenhuma dessas referências descreve métodos ou dispositivos para determinar a presença de cinza vulcânica a qual é potencialmente tão perigosa para uma aeronave em voo. O estado da técnica mais próximo é a Patente US 7.986.408, de propriedade de Rosemount Aerospace, Inc., incorporada neste documento por referência em sua totalidade, a qual descreve um sensor a laser aerotransportado para detectar e distinguir gotículas de água líquida de cristais de gelo usando luz circularmente polarizada.

[0005] Tais métodos e sistemas convencionais geralmente foram considerados satisfatórios para a sua finalidade pretendida. No entanto, ainda permanece uma necessidade na arte para sistemas e métodos de detecção em voo que permitam detecção aperfeiçoada de conteúdo de nuvem, incluindo cinza vulcânica. Também permanece uma necessidade na arte de tais sistemas e métodos que sejam fáceis de fazer e usar. A presente divulgação fornece uma solução para estes problemas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0006] Um método para determinar opticamente a presença de cinza vulcânica dentro de uma nuvem inclui emitir um feixe de iluminação circularmente polarizado dentro de uma nuvem e analisar a luz retroespalhada para identificar a presença de cinza vulcânica dentro da nuvem. A etapa de analisar ainda pode incluir determinar a polarização circular da luz retroespalhada. A etapa de analisar ainda pode incluir determinar o grau ao qual a nuvem alterou o estado de polarização do feixe emitido para distinguir entre líquido e sólido.

[0007] Em certas modalidades, a etapa de analisar ainda pode incluir medir o índice de retração da luz retroespalhada para distinguir entre gelo e cinza vulcânica. Por exemplo, um índice de refração entre 1,5 a 1,6, como determinado da luz retroespalhada, pode indicar a presença de cinza vulcânica. Em certas modalidades, a etapa de analisar inclui medir a opacidade da luz retroespalhada para distinguir entre gelo e cinza vulcânica.

[0008] A etapa de emitir pode incluir dirigir um feixe de luz laser circularmente polarizada para um volume de espaço da nuvem. A etapa de analisar pode incluir analisar o sinal retroespalhado para identificar a presença de cinza vulcânica dentro da nuvem determinando o grau ao qual a nuvem alterou o estado de polarização do feixe emitido.

[0009] Um aparelho para detecção em voo de cinza vulcânica aerotransportada inclui um emissor de feixe óptico configurado para emitir um feixe de luz circularmente polarizada para uma nuvem e um receptor óptico configurado para receber sinal retroespalhado do feixe de luz. Um processador é operativamente conectado ao receptor óptico para analisar a luz retroespalhada para identificar a presença de cinza vulcânica dentro da nuvem. O processador pode ser configurado para determinar a polarização circular da luz retroespalhada. O processador pode ser configurado para determinar o grau ao qual a nuvem alterou o estado de polarização do feixe emitido. O processador também pode ser configurado para medir o índice de refração e a opacidade da luz retroespalhada.

[00010] Estas e outras características dos sistemas e métodos da divulgação em questão se tomarão mais prontamente evidentes para aqueles versados na técnica a partir da seguinte descrição detalhada das modalidades preferenciais tomada em conjunto com os desenhos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00011] De modo que aqueles versados na técnica à qual pertence a divulgação em questão prontamente entendam como fazer e usar os dispositivos e métodos da divulgação em questão sem experimentação indevida, modalidades preferidas da mesma serão descritas em detalhes a seguir neste documento com referência a certas figuras, em que: Fig. 1 é um fiuxograma ilustrando uma modalidade exemplar de um método de acordo com a presente divulgação; e Fig. 2 é um esquemático de um dispositivo óptico para realizar o método da Fig. 2 usando polarização circular.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

[00012] Será feita agora referência aos desenhos, em que numerais de referência semelhantes identificam características ou aspectos estruturais semelhantes da divulgação em questão. Para fins de explicação e ilustração, e de não limitação, uma vista parcial de uma modalidade exemplar de um aparelho e método para detecção em voo de cinza vulcânica aerotransportada de acordo com a divulgação é mostrada na Fig. 1 e é geralmente designada pelo caractere de referência 100. Outras modalidades do sistema de acordo com a divulgação, ou aspectos do mesmo, são fornecidas na Fig. 2, como será descrito. Os sistemas e métodos descritos neste documento podem ser usados para determinar a presença de cinza vulcânica dentro de uma nuvem, [00013] As seguintes são por meio deste documento incorporadas por referência em suas totalidades: Patentes US 7.986,408, 8.144.325, 8.338.785, assim como Pedidos de Patente US 2013/0103317 e 2013/0103316.

[00014] Um sensor que possa olhar a frente da aeronave longe o bastante para dar aos pilotos tempo de reação suficiente para evitar uma nuvem de cinzas é ideal, mas um sensor que realiza outras funções de segurança, tal como alertar a tripulação para a presença de gotículas grandes super-resfriadas ou quantidades excessivas de cristais de gelo é ainda útil. Todas estas condições podem ser perigosas para a aeronave.

[00015] Em geral, reflexões diretas de uma luz de iluminação, tal como luz laser, de gotículas de água esféricas são puramente especulares enquanto aquelas de cristais de gelo e cinza vulcânica não são. Gotículas de água de modo ideal agem como espelhos perfeitos e espalham a luz laser refletida de volta em si mesmo sem alterar o estado de polarização. Se a luz incidente for polarizada horizontalmente ou verticalmente, a luz refletida é do mesmo modo polarizada horizontalmente ou verticalmente. Portanto, uma polarização de retroespalhamento com um grau de despolarização relativamente baixo é indicativa de uma nuvem de água líquida. No caso de polarização circular, a direção do campo elétrico rotativo não muda mediante reflexão, mas a mudança no vetor Poynling da onda incidente muda o sentido de polarização circular mediante reflexão. Daí, um feixe incidente o qual é polarizado circularmente à direita se toma polarizado circularmente à esquerda mediante reflexão e vice-versa.

[00016] Cristais de gelo, por outro lado, tendem a alterar o estado de polarização de luz refletida devido, em parte, a múltiplas reflexões internas de suas facetas e em parte à birrefringência do gelo. A luz refletida de cristais de gelo aerotransportados se toma uma mistura de dois estados de polarização ortogonais quando a luz incidente é um estado de polarização puro. Ao monitorar ambos os estados de polarização ortogonais da luz retroespalhada é possível distinguir gotículas de água de cristais de gelo.

[00017] Similar aos cristais de gelo, partículas de cinza vulcânica são sólidas e despolarizam luz por causa de seu formato irregular. Partículas de cinza aerotransportadas são de 10 a 30 pm de diâmetro, assim a razão de tamanho de partícula de cinza para o comprimento de onda de laser é grosseiramente a mesma para as gotículas de água. Portanto, além da depolarização, a diferença principal entre nuvens de cinza vulcânica e nuvens de água é o índice de refração e a opacidade da cinza. O índice de refração para cinza vulcânica é de n=l,5 a 1,6 versus n=l,35 para água e gelo. Além disso, a opacidade da cinza é grosseiramente 10.000 vezes maior que aquela da água e do gelo.

[00018] Estas diferenças são ilustradas quando analisando retroespalhamento de luz circularmente polarizada de uma nuvem. Luz circularmente polarizada é vantajosa porque o quarto parâmetro de Stokes (V), uma medida do grau de polarização circular, é mais sensível a mudanças na fase de nuvem (isto é, líquida ou sólida) do que é a despolarização linear. A despolarização de retroespalhamento intrínseca d da nuvem produz uma despolarização linear medida LD tal que LD=d/(2-d), embora o parâmetro de Stokes V correspondente para polarização circular seja V=2d-1. A relação entre LD e V não é proporcionalmente simples, mas é claro do coeficiente principal de d em ambas as equações que V é mais sensível a despolarização do que LD. Portanto, o uso de luz de polarização circular e a medida do grau de polarização circular (V) proporciona uma melhor indicação da presença de cinza vulcânica versus polarização linear.

[00019] O método para determinar opticamente a presença de cinza vulcânica dentro de uma nuvem, de acordo com uma modalidade exemplar da presente divulgação, é mostrado na FIG. 1. O fluxograma 100 ilustra as etapas para detectar a presença de cinza vulcânica dentro de uma nuvem. Primeiro, na etapa 102, um feixe de iluminação de luz laser circularmente polarizada é emitido dentro de uma nuvem. A seguir, na etapa 104, a luz retroespalhada recebida do feixe de luz laser é analisada para identificar a presença de cinza vulcânica.

[00020] A etapa de analisar 104 inclui a etapa 106 a qual inclui determinar o grau ao qual a nuvem alterou o estado de polarização do feixe emitido para distinguir entre partículas de líquido e sólido dentro da nuvem. No caso de a etapa 106 resultar em uma determinação da presença de sólidos, a análise ainda inclui a etapa 108 para medir o índice de refração da luz retroespalhada em que o índice de refração para identificar cinza vulcânica é de 1,5 a 1,6 para distinguir entre gelo e cinza vulcânica. Finalmente, a análise da luz retroespalhada pode incluir a etapa 110 de medir a opacidade da luz retroespalhada para distinguir entre gelo e cinza vulcânica. A etapa 110 pode ser usada além da ou em lugar da etapa 108 e vice-versa.

[00021] Com referência agora à Fig. 2, uma ilustração esquemática de um aparelho 200 configurado para realizar o método de acordo com a presente invenção. Um emissor de feixe óptico 202 dirige luz circularmente polarizada 204 para uma nuvem 206. Um sinal retroespalhado 208 é recebido com um receptor óptico 210. Um dispositivo de processamento de sinal 212 operativamente conectado ao receptor óptico 210 analisa o sinal retroespalhado para determinar a presença de cinza vulcânica dentro da nuvem como descrito acima.

[00022] Os métodos e sistemas da presente divulgação, como descrito acima e mostrado nos desenhos, fornecem detecção em voo de cinza vulcânica dentro de uma nuvem. Embora o aparelho e os métodos da divulgação em questão tenham sido mostrados e descritos com. referência às modalidades preferenciais, aqueles versados na técnica apreciarão prontamente que alterações c/ou modificações podem ser feitas nas mesmas sem se desviar do espírito e do escopo da divulgação em questão.

REIVINDICAÇÕES

Claims (16)

1. Método para determinar opticamente a presença de cinza vulcânica dentro de uma nuvem, caracterizado pelo fato de que compreende: emitir um feixe de iluminação circularmente polarizado dentro de uma nuvem; e analisar luz retroespalhada para identificar a presença de cinza vulcânica dentro da nuvem.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de analisar inclui determinar a polarização circular da luz retroespalhada.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de analisar compreende determinar o grau ao qual a nuvem alterou o estado de polarização do feixe emitido para distinguir entre líquido e sólido.

4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a etapa de analisar ainda compreende medir o índice de refração da luz retroespalhada para distinguir entre gelo e cinza vulcânica.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o índice de refração é de 1,5 a 1,6.

6. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a etapa de analisar inclui medir a opacidade da luz retroespalhada para distinguir entre gelo e cinza vulcânica.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de emitir inclui: dirigir um feixe de luz laser circularmente polarizada para um volume de espaço da nuvem.

8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de analisar inclui: medir um sinal retroespalhado recebido do feixe de luz laser.

9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de analisar inclui: analisar o sinal retroespalhado para identificar a presença de cinza vulcânica dentro da nuvem determinando o grau ao qual a nuvem alterou o estado de polarização do feixe emitido.

10. Aparelho para detecção em voo de cinza vulcânica aerotransportada, caracterizado pelo fato de que compreende: um emissor de feixe óptico configurado para emitir um feixe de luz circularmente polarizada para uma nuvem; um receptor óptico configurado para receber sinal retroespalhado do feixe de luz; e um processador operativamente conectado ao receptor óptico para analisar a luz retroespalhada para identificar a presença de cinza vulcânica dentro da nuvem.

11. Aparelho de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o processador é configurado para determinar a polarização circular da luz retroespalhada.

12. Aparelho de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o processador é configurado para determinar um grau ao qual a nuvem alterou o estado de polarização do feixe emitido.

13. Aparelho de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o processador é configurado para medir o índice de refração da luz retroespalhada, de modo que um índice de refração medido distinga entre gelo e cinza vulcânica.

14. Aparelho de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o processador é configurado para detectar cinza vulcânica com um índice de refração medido entre 1,5 a 1,6.

15. Aparelho de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o processador é configurado para medir a opacidade da luz retroespalhada.

16. Aparelho de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o processador é configurado para analisar o sinal retroespalhado para identificar a presença de cinza vulcânica dentro da nuvem determinando o grau ao qual a nuvem altera o estado de polarização do feixe emitido.