BR102017003154B1 - Detector óptico de condições de congelamento, e, método de determinação de condições de congelamento, incluindo uma razão entre gelo/líquido, em uma nuvem - Google Patents

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Abstract

Aparelho e métodos associados referem-se à determinação de métricas de partículas de água nas nuvens pelo direcionamento de pulsos de luz em uma nuvem e medição de um pico, um valor posterior ao pico e uma oscilação de alta frequência dos sinais de luz refletidos da nuvem. Os pulsos de luz incluem: um primeiro pulso com luz circularmente polarizada de um primeiro comprimento de onda; e um segundo pulso de um segundo comprimento de onda. Os sinais de luz refletidos incluem: um primeiro sinal de luz refletido com polarização circular a esquerda do primeiro comprimento de onda; um segundo sinal de luz refletido com polarização circular a direita do primeiro comprimento de onda; e um terceiro sinal de luz refletido do segundo comprimento de onda. Um coeficiente de extinção e um coeficiente de retrodifusão são determinados com base no pico e nas inclinações posteriores ao pico medidos do primeiro e do segundo sinais de luz refletidos. As oscilações de alta frequência medidas dos três sinais de luz refletidos podem ser usadas para calcular os tamanhos da partícula na nuvem.

Description

FUNDAMENTOS
[001] Quando uma aeronave se desloca pelas nuvens, pode existir um potencial para formação de gelo no avião. Se o gelo for formado em superfícies de controle e/ou superfícies de elevação, o voo da aeronave pode ficar prejudicado. No entanto, nem toda nuvem apresenta um perigo de formação de gelo em uma aeronave. Nuvens diferentes e condições atmosféricas diferentes podem ser acompanhadas de várias distribuições de tamanho de gotas de água, diferentes razões entre gelo/líquido, etc. Essas distribuições de tamanho de gota de água e razões entre gelo/líquido podem ser medidas como métricas de nuvem usando vários instrumentos.
[002] Muitas aeronaves são equipadas com esses instrumentos para detectar e/ou medir essas métricas de nuvem. Estas métricas de nuvem medidas e detectadas podem ser usadas para prever se uma nuvem particular pode ter condições propícias à formação de gelo nas superfícies de controle ou de elevação. Estas métricas de nuvem podem ser usadas até mesmo para prever os locais na aeronave onde essa formação de gelo poderia ser esperada. Um sistema para medir métricas de nuvem é chamado Detector Óptico de Condições de Congelamento (OICD). Alguns sistemas OICD podem direcionar um ou mais lasers pulsados para uma formação de nuvens. O sistema OICD pode então medir um sinal de luz refletido pela formação de nuvens.
[003] As análises de sinal complexas destes sinais luminosos refletidos podem ser realizadas para determinar as várias métricas de nuvem que estão sendo medidas. Essas análises de sinal complexas podem necessitar de computadores poderosos e cálculos extensos. Esses sistemas poderosos e cálculos extensos podem resultar em componentes de sistema volumosos e/ou pesados, eletrônicos de alto consumo de energia e/ou aviônicos da aeronave caros.
SUMÁRIO
[004] Um Detector Óptico de Condições de Congelamento (OICD) inclui um sistema de laser pulsado configurado para gerar um primeiro pulso de luz com circularmente polarizada com um primeiro comprimento de onda. O detector óptico de condições de congelamento inclui dois canais analógicos. Cada um dos dois canais analógicos inclui um detector de pico configurado para gerar um sinal indicativo de um pico de um sinal de luz refletido por uma nuvem. Cada um dos dois canais analógicos inclui um detector de inclinação posterior ao pico configurado para gerar um sinal indicativo de uma taxa de decaimento do sinal de luz refletido por uma nuvem. A taxa de decaimento corresponde a um tempo posterior ao tempo do pico detectado. Um primeiro dos dois canais é configurado para operar em um primeiro sinal de luz refletido correspondente à luz do primeiro pulso refletido pela nuvem. O primeiro sinal de luz refletido tem uma polarização circular a esquerda. Um segundo dos dois canais é configurado para operar em um segundo sinal de luz refletido correspondente à luz do primeiro pulso refletido pela nuvem. O segundo sinal de luz refletido tem uma polarização circular a direita.
[005] Um método para determinar uma razão entre gelo/líquido em uma nuvem inclui o direcionamento de um primeiro pulso de luz circularmente polarizada com um primeiro comprimento de onda em uma nuvem. O método inclui a amostragem e a retenção de um pico e de uma inclinação posterior ao pico de um primeiro sinal de luz refletido correspondente à luz do primeiro pulso refletido pela nuvem. O primeiro sinal de luz refletido tem uma polarização circular a esquerda. O método inclui a amostragem e a retenção de um pico e de uma inclinação posterior ao pico de um segundo sinal de luz refletido correspondente à luz do primeiro pulso refletido pela nuvem. O segundo sinal de luz refletido tem uma polarização circular a direita. O método inclui a determinação, por pelo menos um dentre o primeiro e o segundo sinais de luz refletidos, de um coeficiente de extinção. O método inclui também a determinação, por pelo menos um dentre o primeiro e o segundo sinais de luz refletidos, de um coeficiente de retrodifusão.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[006] A FIG. 1 é um diagrama esquemático de um sistema de detecção óptico de condições de congelamento exemplar que usa iluminação de duas cores e detecção de três canais.
[007] A FIG. 2 é uma vista esquemática de um canal de detecção único de um sistema de detecção óptico de condições de congelamento exemplar.
[008] A FIG. 3 é uma vista esquemática do canal analógico exemplar, em que são representadas formas de onda de processamento de sinal.
[009] A FIG. 4 é um diagrama em blocos de um detector óptico de condições de congelamento exemplar.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0010] Aparelho e métodos associados referem-se a um detector óptico de condições de congelamento que usa um número reduzido de valores de sinal para determinar as métricas de nuvem. Ao usar um número reduzido de valores de sinal, um conversor analógico-digital de baixa velocidade e/ou um microprocessador de baixa velocidade pode ser usado para calcular várias métricas de nuvem. Em vez de usar um conversor analógico-digital de alta velocidade para a amostragem de sinais de luz refletidos de nuvens, apenas um número limitado de amostras de sinais de luz refletidos são considerados em momentos específicos. O número de amostras tiradas é maior ou igual ao número de parâmetros do modelo que devem ser calculados. Os parâmetros de modelo calculados podem então ser usados para determinar as várias métricas de nuvem.
[0011] A FIG. 1 é um diagrama esquemático de um sistema de detecção óptico de condições de congelamento exemplar que usa iluminação de duas cores (por exemplo, ondas eletromagnéticas de dois comprimentos de onda diferentes) e detecção de três canais. Na FIG. 1, o sistema de detecção óptico de condições de congelamento (OICD) 10 inclui: dois transmissores ópticos 12, 14; três receptores ópticos 16, 18, 20; três canais analógicos 22, 24, 26, e um microprocessador e/ou microcontrolador 28. Cada um dos dois transmissores ópticos 12, 14 é configurado para direcionar um pulso de energia de luz para uma nuvem 30.
[0012] O primeiro transmissor óptico 12, por exemplo, pode ser configurado para direcionar um primeiro pulso de laser com um primeiro comprimento de onda com uma primeira polarização para uma nuvem 30. O segundo transmissor óptico 14 pode ser configurado para direcionar um segundo pulso de laser com um segundo comprimento de onda para a nuvem 30. Em algumas modalidades, uma primeira polarização pode ser uma polarização linear. Em algumas modalidades, uma primeira polarização pode ser uma polarização circular, tal como, por exemplo, uma polarização circular a direita ou uma polarização circular a esquerda. Em algumas combinações, a primeira polarização pode ser uma combinação dessas polarizações.
[0013] Cada um dos três receptores ópticos 16, 18, 20 está configurado para receber luz direcionada para a nuvem 30 por um dos transmissores ópticos 12, 14 e refletidos pela nuvem 30. A polarização da luz refletida pela nuvem 30 pode mudar como um resultado da interação com gotas de água e/ou cristais de gelo que compõem a nuvem 30. Cada um dos receptores ópticos 16, 18, 20 pode ser ajustado para detectar luz de um comprimento de onda específico e de uma polarização específica. O ajuste do comprimento de onda/polarização de cada um dos três receptores ópticos 16, 18, 20 pode ser igual e pode ser diferente um do outro.
[0014] O primeiro receptor óptico 16, por exemplo, pode ser configurado para receber um primeiro sinal de luz refletido correspondente à luz direcionada para a nuvem 30 pelo primeiro transmissor óptico 12 e refletida a partir da nuvem 30. O primeiro sinal de luz refletido pode ter o primeiro comprimento de onda e a primeira polaridade. Em algumas modalidades, o primeiro comprimento de onda pode corresponder à luz com um coeficiente de absorção de água relativamente baixo. Por exemplo, várias modalidades podem ter um primeiro comprimento de onda correspondente à luz com um coeficiente de absorção de água inferior a 100 m-1, inferior a 30 m-1 ou inferior a 10 m-1. Em uma modalidade exemplar, o primeiro comprimento de onda pode ter cerca de 905 nm.
[0015] O segundo receptor óptico 18 pode ser configurado para receber um segundo sinal de luz refletido correspondente à luz direcionada para a nuvem 30 pelo primeiro transmissor óptico 12 e refletida a partir da nuvem 30. O segundo sinal de luz refletido pode ter o primeiro comprimento de a polaridade diferentes da primeira polaridade.
[0016] O terceiro receptor óptico 20 pode ser configurado para receber um terceiro sinal de luz refletido correspondente à luz direcionada para a nuvem 30 pelo segundo transmissor óptico 14 e refletida a partir da nuvem 30. Em algumas modalidades, o terceiro sinal de luz refletido pode ter o segundo comprimento de onda. Em algumas modalidades, o segundo comprimento de onda pode corresponder à luz com um coeficiente de absorção de água relativamente alto. Por exemplo, várias modalidades podem ter um primeiro comprimento de onda correspondente à luz com um coeficiente de absorção de água superior a 300 m-1, superior a 1000 m-1 ou superior a 3000 m-1. Em uma modalidade exemplar, o segundo comprimento de onda pode ter cerca de 1550 nm.
[0017] Cada um dos três canais analógicos 22, 24, 26 corresponde a um diferente dentre os três receptores ópticos 16, 18, 20, respectivamente. Os canais analógicos 22, 24, 26, podem executar o processamento de sinal analógico a cada um dos pulsos do sinal recebidos pelos receptores ópticos 16, 18, 20. Cada um dos três canais analógicos 22, 24, 26, pode executar o processamento de sinal analógico e pode amostrar e reter um número limitado de sinais analógicos. Por exemplo, cada um dos canais analógicos 22, 24, 26 pode ter um detector de pico, um ou mais circuitos de amostragem e retenção e um detector de potência de sinal de alta frequência. Em algumas modalidades, cada um dos canais analógicos 22, 24, 26 pode fornecer cinco ou menos sinais analógicos por pulso recebido para processamento subsequente pelo microprocessador 28.
[0018] O microprocessador 28 pode ter um conversor analógico- digital de baixa velocidade para converter sinais analógicos fornecidos pelos canais analógicos 22, 24, 26. O processamento de todos os sinais analógicos fornecidos pelos três canais analógicos 22, 24, 26 pode necessitar de apenas quinze conversões analógicas-digitais, por exemplo. Porque tão poucos sinais analógicos são fornecidos ao microprocessador 28, e porque o canal analógico 22, 24, 25, pode executar algum processamento de sinal necessário para calcular as métricas de nuvem, o microprocessador 28 pode ser um componente de custo baixo e/ou um componente de baixa potência.
[0019] Tal como ilustrado na FIG. 1, o sistema de detecção óptico das condições de congelamento 10 pode incluir o microprocessador 10, respectivamente. O microprocessador 10, em um exemplo, é configurado para implementar funcionalidade e/ou processar instruções para execução dentro do sistema de detecção óptico das condições de congelamento 10, respectivamente. Por exemplo, o microprocessador 10 pode ser capaz de processar instruções armazenadas na memória do programa. Exemplos de microprocessador 10 podem incluir qualquer um ou mais de um microprocessador, um controlador, um processador de sinal digital (DSP), um circuito integrado de aplicação específica (ASIC), um arranjo de portas programáveis em campo (FPGA) ou outro equivalente circuito lógico integrado ou discreto.
[0020] A FIG. 2 é uma vista esquemática de um canal de detecção único de um sistema de detecção óptico de condições de congelamento exemplar. A FIG. 2 representa um canal analógico único (por exemplo, canal analógico 22) que corresponde a um receptor óptico único (por exemplo, receptor óptico 16) do sistema OICD 10 representado na FIG. 1. O receptor óptico 16 gera um sinal de saída elétrico em resposta ao recebimento de um sinal de luz refletido a partir da nuvem 30. Em seguida, o receptor óptico 16 emite o sinal de saída elétrico gerado para o canal analógico 22. O canal analógico 22 inclui detector de pico 32, componente de amostra e retenção 34 e filtro e filtro passa-altas e integrador 36.
[0021] O detector de pico 32 pode detectar um pico do sinal de saída elétrico recebido. O detector de pico 32 pode gerar e fornecer um sinal indicativo do pico detectado. Em algumas modalidades, o detector de pico 32 pode gerar e fornecer também um sinal indicativo de um tempo que corresponde ao pico detectado.
[0022] O componente de amostra e retenção 34 pode amostrar e reter o sinal de saída elétrico em um ou mais momentos específicos subsequentes ao momento correspondente ao pico detectado ou a um pulso de laser emitido a partir de um transmissor óptico. Por exemplo, o componente de amostra e retenção 34 pode amostrar e reter o sinal de saída elétrico em dois momentos distintos após o momento do pico detectado ou do pulso de laser. Em algumas modalidades, o componente de amostra e retenção 34 pode amostrar e reter o sinal de saída elétrico apenas em um momento após o momento do pico detectado. Em uma modalidade exemplar, o componente de amostra e retenção 34 pode gerar um sinal que corresponde a um momento derivado do sinal de saída elétrico. O componente de amostra e retenção 34 pode, então, atuar como um detector de pico e detectar um pico no momento derivado do sinal de saída elétrico. Em algumas modalidades, o componente de amostra e retenção 34 mede um intervalo de tempo entre quando o sinal cai abaixo de dois diferentes valores limiares diferentes. Em seguida, o componente de amostra e retenção 34 fornece sinais elétricos que correspondem aos sinais elétricos amostrados e retidos para o microprocessador 28 e/ou um conversor analógico-digital para processamento adicional.
[0023] O filtro passa-altas e integrador 36 também opera no sinal de saída elétrico fornecido pelo receptor óptico 16. O filtro passa-altas e integrador 36 gera um sinal indicativo de uma oscilação de alta frequência do sinal de saída elétrico. Vários métodos de medição da oscilação de alta frequência do sinal de saída elétrico podem ser empregados. Por exemplo, o sinal elétrico de saída pode ser filtrado por passa-altas e a potência do sinal resultante pode ser medida. Vários métodos podem ser usados para medir a potência de um sinal. Por exemplo, o sinal filtrado por passa-altas pode ser quadrado (por exemplo, multiplicado por ele mesmo) e, em seguida, o sinal resultante pode ser integrado ao longo de um período de tempo predeterminado. Em uma modalidade exemplar, um detector de pico pode simplesmente detectar o pico do sinal filtrado por passa-altas. Este pico detectado pode ser indicativo de uma amplitude de oscilação de alta frequência do sinal de saída elétrico.
[0024] Várias modalidades podem medir oscilações da reflexão de várias maneiras. Em algumas modalidades, as oscilações da reflexão podem ser detectadas usar um filtro passa-altas. Em uma modalidade exemplar, por exemplo, um detector de oscilação da reflexão pode detectar variações entre picos detectados em uma sequência de pulsos refletidos que podem ser usados como uma métrica indicativa de oscilações de alta frequência. Em algumas modalidades, as variações dos picos detectados de uma série de sinais de luz refletidos, variações na amostra detectada e nos sinais retidos a partir de uma série de sinais de luz refletidos ou uma combinação de ambos podem ser usadas para determinar oscilações de alta frequência do sinal de saída elétrico em um canal. Nessas modalidades, ainda menos sinais amostrados por pulso do sinal de luz refletido necessitaria de conversão analógica-digital. Em uma modalidade exemplar, um pico detectado e uma inclinação do pico detectado podem ser suficientes para determinar um coeficiente de retrodifusão e um coeficiente de extinção óptica. O coeficiente de retrodifusão e o coeficiente de extinção óptica serão descritos abaixo.
[0025] A FIG. 3 é uma vista esquemática do canal analógico exemplar, em que são representadas formas de onda de processamento de sinal. Na FIG. 3, o canal analógico exemplar 22 é descrito, juntamente com as formas de onda exemplares e medições analógicas exemplares. O canal analógico 22 recebe o sinal de reflexão analógico 38 do receptor óptico 16 (representado na FIG. 1). O sinal de reflexão analógico 38 é, então, fornecido a cada detector de pico 32, componente de amostra e retenção analógico 34 e detector de alta frequência de sinal 36.
[0026] O detector de pico 32 detecta e gera um sinal indicativo de pico 44 do sinal de reflexão analógico 38. O componente de amostra e retenção analógico 34 gera dois sinais amostrados 40, 42 de sinal de reflexão analógico 38. Cada um dos dois sinais amostrados 40, 42 corresponde a um momento que é posterior a um momento do pico detectado. O detector de alta frequência 36 gera um sinal indicativo de uma amplitude de oscilações de alta frequência 46 sobreposta ao sinal de reflexão 38. Cada sinal de reflexão 38 pode ser adaptado a uma equação modelo, como uma equação (3) do parágrafo [0026] divulgado por Ray et al. no pedido publicado US N° 2013/0103317, depositado em 25 de outubro de 2011, intitulado “Methods of Determining the Liquid Water Content of a Cloud", sendo que a divulgação integral (doravante denominada como "publicação '317") é incorporada a este instrumento por referência. O pico 44 e um ou mais sinais de amostra e retenção 40, 42 podem ser usados para calcular um coeficiente de retrodifusão e um coeficiente de extinção óptica.
[0027] Na publicação '317, a equação modelo é dada por:
Figure img0001
Aqui, N(R) é a intensidade do eco corrigida normalizada em função da variação R. A variação R pode ser correlacionada com sinal de reflexão analógico 38, já que o aumento do tempo de reflexão é indicativo de uma reflexão de um aumento da variação. Na equação (1), β é o coeficiente de retrodifusão, e α é o coeficiente de extinção óptica. Porque o coeficiente de retrodifusão β e o coeficiente de extinção óptica α são coeficientes desconhecidos para que se adequem ao sinal de reflexão analógico 38, pelo menos dois valores de sinais analógicos devem ser fornecidos pelo canal analógico 22. Por exemplo, um pico e um sinal de amostra e retenção único são suficientes para o coeficiente de retrodifusão β e o coeficiente de extinção óptica α. Ou dois sinais de amostra e retenção são suficientes para calcular o coeficiente de retrodifusão β e o coeficiente de extinção óptica α.
[0028] A publicação '317 também divulga como o modelo pode ser usado para calcular várias métricas de nuvem, como o conteúdo de água líquida (LWC), distribuições do tamanho de gotícula e razões entre gelo/água líquida. Por exemplo, o uso de sinais de reflexão circularmente polarizados sinistrorsos e sinais de reflexão circularmente polarizados dextrorsos pode ser usado para calcular uma razão entre gelo/água líquida. Além disso, a oscilação de alta frequência de um sinal de reflexão analógico pode ser usada para detectar grandes gotículas em uma formação de nuvem, como divulgado por Ray et al. no pedido publicado US N° 2014/0379263, depositado em 21 de junho de 2013, intitulado “Large Droplet Detection by Statistical Fluctuations in LIDAR Backscatter", sendo que a divulgação integral (doravante denominada "publicação '263") é incorporada a este instrumento por referência.
[0029] O parágrafo [0024] da publicação '263 divulga que as oscilações espaciais (isto é, ao longo do comprimento da nuvem amostrada por um pulso único a partir do OICD) e as oscilações temporais (isto é, provenientes de um pulso de laser para o outro) podem ser usadas para calcular uma métrica indicativa de oscilações de alta frequência. As oscilações de alta frequência podem ser indicativas de grandes partículas na nuvem refletora. As partículas com um diâmetro médio maior do que certos valores podem ser problemáticas para uma aeronave. Por exemplo, as partículas com um diâmetro médio maior que 40 mícrons, 100 mícrons ou 200 mícrons podem apresentar problemas para um motor de aeronave.
[0030] As oscilações temporais podem ser medidas pela comparação dos sinais de amostra e retenção tomados substancialmente nos mesmos momentos relativos de uma série de pulsos de reflexão analógicos 38. Por exemplo, o pico 44 do sinal de reflexão analógico pode ser considerado como um momento de referência, e substancialmente os mesmos momentos relativos para cada série de sinais de luz refletidos podem ser medidos em relação a cada pico 44. Em algumas modalidades, um momento de referência pode ser o momento específico em que o transmissor óptico 12 gera um pulso de laser e direciona o pulso de laser para a nuvem 30. Os momentos relativos de cada série de sinais de luz refletidos podem, então, ser medidos no que diz respeito aos momentos de referência determinados pela geração e direção dos pulsos de laser.
[0031] Uma razão entre gelo/líquido das gotículas de água em uma nuvem pode ser determinada conforme divulgado por Ray et al. na patente US N° 7.986.408, depositada em 5 de novembro de 2008, intitulada “Apparatus and Method for In-Flight Detection of Airborne Water Droplets and Ice Crystals”, sendo que a divulgação integral (doravante denominada "patente '408") é incorporada a este instrumento por referência. A patente '408 divulga: "As gotas de água agem idealmente como espelhos perfeitos e dispersam a luz de laser refletida de volta em si mesma sem alterar o estado de polarização. Se a luz incidente for horizontalmente ou verticalmente polarizada, a luz refletida é, da mesma forma, horizontalmente ou verticalmente polarizada. Portanto, uma polarização de retrodifusão com um grau relativamente baixo de despolarização é indicativo de uma nuvem de água líquida. No caso da polarização circular, o sentido do campo elétrico rotativo não altera após a reflexão, mas a mudança no vetor de Poynting da onda incidente muda o sentido da polarização circular. Assim, um feixe incidente que é circularmente polarizado dextrorso se torna circularmente polarizado sinistrorso após reflexão e vice-versa ". (Col. 4, linhas 4-24). Assim, uma razão entre a luz refletida da polaridade circular a esquerda e a luz refletida da polaridade circular a direita pode ser indicativa de uma razão entre gelo/líquido das gotículas de água da nuvem.
[0032] Os cristais de gelo, por outro lado, tendem a alterar o estado de polarização da luz refletida, em parte devido a várias reflexões internas de suas faces e em parte devido a birrefringência do gelo. A luz refletida a partir dos cristais de gelo em suspensão torna-se uma mistura de dois estados de polarização ortogonal quando a luz incidente estiver em um estado de polarização pura. Ao monitorizar ambos os estados de polarização ortogonal da luz retrodifundida, é possível distinguir as gotas de água dos cristais de gelo.
[0033] A FIG. 4 é um diagrama em blocos de um detector óptico de condições de congelamento exemplar. Na FIG. 4, o detector de condições de gelo óptico 48 inclui: dois iluminadores de laser pulsado 50, 52; três detectores de luz 54, 56, 58; microprocessador 60; memória 62 tendo posições de memória de dados 64 e locais de memória do programa 66; mecanismo de cálculo gelo/líquido 68; calculadora de distribuição de tamanho de gotas 70; e interface 72 de entrada/saída. Cada um dos dois projetores de laser pulsado 50, 52 gera um pulso de laser de um comprimento de onda especificado e direciona o pulso gerado a uma nuvem. Cada um dos três detectores de luz 54, 56, 58 é, então, configurado para receber a luz correspondente a um dos pulsos gerados e refletidos da nuvem. Cada um dos três detectores de luz inclui sistemas eletrônicos analógicos para geram um número limitado de sinais analógicos a serem convertidos para o formato digital por um sistema de processamento digital, tal como o microprocessador 60.
[0034] O microprocessador 60 recebe, então, o número limitado de sinais analógicos a partir dos três detectores de luz 54, 56, 58 e converte os sinais analógicos recebidos para o formato digital. Em algumas modalidades, os sinais analógicos recebidos incluem sinais digitais indicativos de quando a reflexão do sinal óptico cair abaixo dos limites predeterminados. O microprocessador 60 calcula então os parâmetros de modelo, com base nos sinais analógicos recebidos. O microprocessador comunica com as posições de memória de dados 64 e locais de memória de programa 66 da memória 62. O microprocessador 60 comunica os parâmetros de modelo calculados para cada calculadora de distribuição de tamanho de gota 70 e mecanismo de cálculo de gelo/líquido 68. A calculadora de distribuição de tamanho de gota 70 calcula, com base nos parâmetros de modelo calculados, uma distribuição de tamanho das partículas de água na nuvem. A calculadora de distribuição de tamanho de gota 70, em seguida, comunica a distribuição de tamanho de gota calculado para o microprocessador 60. Em algumas modalidades, o cálculo de distribuição de tamanho de gota é executado pelo microprocessador 60.
[0035] Mecanismo de cálculo de gelo/líquido 68 calcula, com base nos parâmetros de modelo calculados, uma proporção de gelo/líquido das partículas de água na formação de nuvens. O mecanismo de cálculo de gelo/líquido 68, em seguida, comunica a proporção de gelo/líquido calculada para o microprocessador 60. Em algumas modalidades, o cálculo de uma proporção de gelo/líquido é realizado pelo microprocessador 60. O microprocessador 60, por sua vez, comunica tanto a distribuição de tamanho de gota calculada e proporção de gelo/água para um sistema remoto através da interface de entrada/saída 72. Um sistema remoto de exemplo pode ser um indicador de parâmetro de nuvem localizado em uma cabine de pilotagem de uma aeronave.
[0036] São apresentadas a seguir as descrições não exclusivas de possíveis modalidades da presente invenção.
[0037] Um detector óptico das condições de congelamento inclui um sistema de laser pulsado configurado para gerar um primeiro pulso de luz com circularmente polarizada com um primeiro comprimento de onda. O detector óptico de condições de congelamento inclui dois canais analógicos. Cada um dos dois canais analógicos inclui um detector de pico configurado para gerar um sinal indicativo de um pico de um sinal de luz refletido por uma nuvem. Cada um dos dois canais analógicos inclui um detector de inclinação posterior ao pico configurado para gerar um sinal indicativo de uma taxa de decaimento do sinal de luz refletido por uma nuvem. A taxa de decaimento corresponde a um tempo posterior ao tempo do pico detectado. Um primeiro dos dois canais é configurado para operar em um primeiro sinal de luz refletido correspondente à luz do primeiro pulso refletido pela nuvem. O primeiro sinal de luz refletido tem uma polarização circular a esquerda. Um segundo dos dois canais é configurado para operar em um segundo sinal de luz refletido correspondente à luz do primeiro pulso refletido pela nuvem. O segundo sinal de luz refletido tem uma polarização circular a direita.
[0038] Uma outra modalidade dos detectores ópticos das condições de congelamento anteriores, em que o sistema de laser pulsado é ainda configurado para gerar um segundo pulso de luz com um segundo comprimento de onda. Qualquer um dos detectores ópticos das condições de congelamento anteriores pode, opcionalmente, incluir, adicionalmente e/ou em alternativa, qualquer uma ou mais das seguintes características, a configuração e/ou componentes adicionais: i) um terceiro canal analógico; ii) um microprocessador; e/ou iii) um conversor análogo-digital. O terceiro canal analógico pode incluir um detector de pico configurado para gerar um sinal indicativo de um pico de um sinal de luz refletido por uma nuvem. O terceiro canal analógico pode incluir um detector de inclinação posterior ao pico configurado para gerar um sinal indicativo de uma taxa de decaimento do sinal de luz refletido por uma nuvem. A taxa de degradação pode seguir o tempo do pico.
[0039] Uma outra modalidade de qualquer um dos detectores ópticos das condições de congelamento precedentes, em que cada um dos dois canais analógicos pode ainda incluir um detector de flutuação de reflexão configurado para medir uma magnitude de flutuação do sinal de luz refletida pela nuvem de alta frequência. Uma outra modalidade de qualquer um dos detectores ópticos das condições de congelamento precedentes, em que o microprocessador pode ser configurado para calcular, com base no sinal indicativo da taxa de decaimento, um coeficiente de extinção óptica. Uma outra modalidade de qualquer um dos detectores ópticos das condições de congelamento precedentes, em que o microprocessador pode ser configurado para calcular, com base no sinal indicativo do pico e do sinal indicativo da taxa de decaimento, um coeficiente de retrodifusão. Uma modalidade adicional de qualquer um dentre os detectores de condições de gelo óptico anteriores, em que o microprocessador pode ser configurado para calcular, com base em uma razão entre cálculos baseados em sinais do primeiro canal e cálculos baseados nos sinais do segundo canal, uma razão entre gelo/líquido da nuvem. Uma outra modalidade de qualquer um dentre os detectores ópticos das condições de congelamento anteriores, em que o microprocessador pode ser configurado para calcular, com base na amplitude da oscilação de alta frequência, uma medida de uma densidade de grandes partículas na nuvem. Uma modalidade adicional de qualquer um dos detectores ópticos das condições de congelamento anteriores, em que o primeiro comprimento de onda pode correspondem a luz que tem um coeficiente de absorção de água inferior a 50 m-1. Uma modalidade adicional de qualquer um dos detectores ópticos das condições de congelamento anteriores, em que o segundo comprimento de onda é 1550 pode correspondem a luz que tem um coeficiente de absorção de água maior que 1000 m-1. A modalidade adicional de qualquer um dos detectores ópticos das condições de congelamento, em que o detector de inclinação posterior ao pico inclui dois circuitos de amostra e retenção cada um configurado para amostrar e reter um valor do sinal de luz refletido pela nuvem em momentos diferentes subsequentes ao momento do pico. Uma modalidade adicional de qualquer um dos detectores ópticos das condições de congelamento anteriores, em que o detector de inclinação posterior ao pico inclui um diferenciador configurado para gerar um sinal indicativo de um derivado de tempo do sinal de luz refletida pela nuvem. Uma modalidade adicional de qualquer um dos detectores ópticos das condições de congelamento anteriores, em que o detector de inclinação posterior ao pico inclui um detector de pico configurado para gerar um sinal indicativo de um pico do sinal indicativo de um derivado de tempo do sinal de luz refletida pela nuvem.
[0040] Um método para determinar uma razão entre gelo/líquido em uma nuvem inclui o direcionamento de um primeiro pulso de luz circularmente polarizada com um primeiro comprimento de onda em uma nuvem. O método inclui a amostragem e a retenção de um pico e de uma inclinação posterior ao pico de um primeiro sinal de luz refletido correspondente à luz do primeiro pulso refletido pela nuvem. O primeiro sinal de luz refletido tem uma polarização circular a esquerda. O método inclui a amostragem e a retenção de um pico e de uma inclinação posterior ao pico de um segundo sinal de luz refletido correspondente à luz do primeiro pulso refletido pela nuvem. O segundo sinal de luz refletido tem uma polarização circular a direita. O método inclui a determinação, por pelo menos um dentre o primeiro e o segundo sinais de luz refletidos, de um coeficiente de extinção. O método inclui também a determinação, por pelo menos um dentre o primeiro e o segundo sinais de luz refletidos, de um coeficiente de retrodifusão.
[0041] O método do parágrafo anterior pode incluir, opcionalmente, adicionalmente e/ou alternativamente, qualquer um ou mais dos seguintes recursos, configurações e/ou componentes adicionais: i) direcionamento de um segundo pulso de luz com um segundo comprimento de onda em uma nuvem; ii) amostragem e a retenção de um pico e de uma inclinação posterior ao pico de um terceiro sinal de luz refletido correspondente à luz do segundo pulso refletido pela nuvem; iii) medição da amplitude da oscilação de alta frequência de pelo menos um dentre o primeiro e o segundo sinais de luz refletidos. iv) cálculo, baseado no coeficiente de extinção, de uma densidade de partículas; v) cálculo, baseado na amplitude medida da oscilação de alta frequência, de uma densidade de grandes partículas em uma nuvem esparsa, em que as grandes partículas têm um diâmetro médio superior a 40 mícrons; e/ou vi) cálculo, com base nos coeficientes de retrodifusão do primeiro e segundo canais, uma distribuição de tamanho de gotícula.
[0042] Uma modalidade adicional de qualquer dos detectores ópticos das condições de congelamento anteriores, em que a amostragem e manter a inclinação posterior ao pico do primeiro sinal refletido da luz pode incluir a amostragem e manter dois valores do primeiro sinal de luz refletido pela nuvem em momentos diferentes após a tempo do pico medido. A amostragem e retenção da inclinação posterior ao pico do segundo sinal de luz pode incluir a amostragem e retenção de dois valores do segundo sinal de luz refletido em momentos diferentes subsequentes ao momento medido do pico. Uma modalidade adicional de qualquer dos detectores ópticos das condições de congelamento anteriores, em que a amostragem e manter a inclinação posterior ao pico dos primeiros sinais de luz refletidos podem incluir a medição de um derivado de tempo do primeiro sinal refletido da luz pela nuvem e determinar um pico do tempo medido derivado do tempo do primeiro sinal refletido da luz. A amostragem e retenção de uma inclinação posterior ao pico do segundo sinal de luz refletido pode incluir a medição de um momento derivado do segundo sinal de luz refletido pela nuvem e determinação de um pico do momento medido derivado do segundo sinal de luz refletido.
[0043] Embora a invenção tenha sido descrita com referência à(s) modalidade(s) exemplar(es), será entendido por aqueles versados na técnica que várias mudanças podem ser feitas e equivalentes podem ser substituídos por elementos destes sem se afastarem do âmbito da invenção. Além disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptar uma situação específica ou um material específico aos ensinamentos da invenção sem que haja desvio do seu âmbito 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.

Claims (16)

1. Detector óptico de condições de congelamento, caracterizado pelo fato de que compreende: um sistema de laser pulsado (12) configurado para gerar um primeiro pulso de luz circularmente polarizada com um primeiro comprimento de onda; e dois canais analógicos, cada um dos quais inclui: um detector de pico (32) configurado para gerar um sinal analógico indicativo de um pico (44) de um sinal de luz refletido por uma nuvem; um detector de inclinação posterior ao pico (34) configurado para gerar, com base em uma ou duas amostras posteriores ao pico do sinal refletido pela nuvem, um sinal analógico indicativo de uma taxa de decaimento do sinal de luz refletido pela nuvem, a taxa de decaimento correspondendo a um momento posterior a um momento do pico detectado; e um detector de flutuação de reflexão (36) configurado para gerar um sinal analógico indicativo de uma magnitude de flutuação de alta frequência do sinal de luz refletido pela nuvem; em que um primeiro dos dois canais analógicos é configurado para operar em um primeiro sinal de luz refletido correspondente à luz do primeiro pulso refletido pela nuvem, o primeiro sinal de luz refletido tendo uma polarização circular à esquerda, em que um segundo dos dois canais analógicos é configurado para operar em um sinal de luz refletido correspondente à luz do primeiro pulso refletido pela nuvem, o segundo sinal de luz refletido tendo uma polarização circular à direita; e em que um microprocessador (60) é configurado para calcular métricas, que incluem: com base no sinal analógico indicativo do pico e no sinal analógico indicativo da taxa de decaimento, um coeficiente de retrodifusão (β); e/ou com base em uma razão entre cálculos baseados em sinais analógicos do primeiro canal e cálculos baseados nos sinais analógicos do segundo canal, uma razão entre gelo/líquido; e/ou com base na magnitude de flutuação de alta frequência indicada pelo sinal analógico gerado pelo detector de flutuação de reflexão (36), uma medida de uma densidade de grandes partículas na nuvem.
2. Detector óptico de condições de congelamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o microprocessador (60) é configurado para calcular, com base no sinal analógico indicativo da taxa de decaimento, um coeficiente de extinção óptica (α).
3. Detector óptico de condições de congelamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o microprocessador (60) é configurado para calcular, com base no sinal analógico indicativo do pico e no sinal indicativo da taxa de decaimento, um coeficiente de retrodifusão (β).
4. Detector óptico de condições de congelamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o microprocessador (60) é configurado para calcular, com base em uma razão entre cálculos baseados nos sinais analógicos do primeiro canal e cálculos baseados nos sinais analógicos do segundo canal, a razão entre gelo/líquido.
5. Detector óptico de condições de congelamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o microprocessador (60) é configurado para calcular, com base na magnitude da flutuação de alta frequência indicada pelo sinal analógico gerada pelo detector de flutuação de reflexão (36), a medida de densidade de grandes partículas na nuvem.
6. Detector óptico de condições de congelamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro comprimento de onda correspondente à luz tendo um coeficiente de absorção de água é inferior a 50 m-1.
7. Detector óptico de condições de congelamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o detector de inclinação posterior ao pico (34) inclui dois circuitos de amostra e retenção, sendo cada um configurado para amostrar e reter um valor do sinal de luz refletido pela nuvem em momentos diferentes.
8. Detector óptico de condições de congelamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o detector de inclinação posterior ao pico (34) inclui: um diferenciador configurado para gerar um sinal indicativo de um momento derivado do sinal de luz refletido pela nuvem; e um detector de pico configurado para gerar um sinal indicativo de um pico do sinal indicativo do momento derivado do sinal de luz refletido pela nuvem.
9. Detector óptico de condições de congelamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um terceiro canal analógico que inclui: um detector de pico configurado para gerar um sinal analógico indicativo de um pico de um sinal de luz refletido por uma nuvem; e um detector de inclinação posterior ao pico configurado para gerar um sinal analógico indicativo de uma taxa de decaimento do sinal de luz refletido pela nuvem, a taxa de decaimento posterior ao momento do pico.
10. Detector óptico de condições de congelamento de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o sistema de laser pulsado (12) é configurado adicionalmente para gerar um segundo pulso de luz tendo um segundo comprimento de onda, e em que o terceiro canal analógico é configurado para operar em um terceiro sinal de luz refletido correspondente à luz do segundo pulso refletido pela nuvem.
11. Detector óptico de condições de congelamento de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o segundo comprimento de onda é 1550 nm correspondente à luz tendo um coeficiente de absorção de água superior a 1000 m-1.
12. Método de determinação de condições de congelamento, incluindo uma razão entre gelo/líquido, em uma nuvem, método esse sendo caracterizado pelo fato de que compreende: direcionar um primeiro pulso de luz circularmente polarizada tendo um primeiro comprimento de onda em uma nuvem; amostrar e reter uma amostra de pico analógica e uma ou duas amostras posteriores ao pico analógicas de um primeiro sinal de luz refletido correspondente à luz do primeiro pulso refletido pela nuvem, o primeiro sinal de luz refletido tendo uma polarização circular à esquerda; amostrar e reter uma amostra de pico analógica e uma ou duas amostras posteriores ao pico analógicas de um segundo sinal de luz refletido correspondente à luz do primeiro pulso refletido pela nuvem, o segundo sinal de luz refletido tendo uma polarização circular à direita; determinar, para pelo menos um dentre o primeiro e o segundo sinais de luz refletidos, com base na amostra de pico analógica e nas amostras posteriores ao pico analógicas do sinal refletido pela nuvem, um coeficiente de extinção (α); determinar, para cada um dentre o primeiro e o segundo sinais de luz refletidos, com base na amostra de pico analógica e nas amostras posteriores ao pico analógicas do sinal refletido pela nuvem, um coeficiente de retrodifusão (β); determinar, com base no coeficiente de retrodifusão (β) e no coeficiente de extinção óptica (α), a razão entre gelo/líquido; determinar, para pelo menos um dentre o primeiro e o segundo sinais de luz refletidos, com base em um sinal analógico indicativo de magnitude de flutuação de alta frequência, a magnitude de flutuação de alta frequência; direcionar um segundo pulso de luz dotado de um segundo comprimento de onda na nuvem; amostrar e reter uma amostra de pico analógica e uma ou duas amostras posteriores ao pico analógicas de um terceiro sinal de luz refletido correspondente à luz do segundo pulso refletido pela nuvem; determinar, para o terceiro sinal de luz refletido, com base na amostra de pico analógica e nas amostras posteriores ao pico analógicas do terceiro sinal de luz refletido, um coeficiente de retrodifusão (β); e calcular, com base nos coeficientes de retrodifusão do primeiro, do segundo e do terceiro sinais de luz refletidos, uma distribuição de tamanho de gotículas.
13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: calcular, com base no coeficiente de extinção (α), uma densidade de partículas.
14. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: calcular, com base na magnitude medida de flutuação de alta frequência, uma densidade de grandes partículas em uma nuvem esparsa, em que as grandes partículas têm um diâmetro médio superior a 40 mícrons.
15. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que amostrar e reter a(s) uma ou duas amostras posteriores ao pico analógicas do primeiro sinal de luz refletido compreende: amostrar e reter dois valores do primeiro sinal de luz refletido pela nuvem em momentos diferentes subsequentes ao momento medido do pico, em que amostrar e reter a(s) uma ou duas amostras posteriores ao pico analógicas do segundo sinal de luz refletido compreende amostrar e reter dois valores do segundo sinal de luz refletido em momentos diferentes subsequentes ao momento medido do pico.
16. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que amostrar e reter a(s) uma ou duas amostras posteriores ao pico analógicas do primeiro sinal de luz refletido compreende: medir um momento derivado do primeiro sinal de luz refletido pela nuvem e determinar um pico do momento medido derivado do primeiro sinal de luz refletido, em que amostrar e reter a(s) uma ou duas amostras posteriores ao pico analógicas do segundo sinal de luz refletido compreende medir um momento derivado do segundo sinal de luz refletido pela nuvem e determinar um pico do momento medido derivado do segundo sinal de luz refletido.
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