BRPI0613559A2 - método para medir turbulência de ar por meio de um sistema lidar e sistema lidar para medir turbulência de ar - Google Patents

Abstract

MéTODO PARA MEDIR TURBULêNCIA DE AR POR MEIO DE UM SISTEMA LIDAR E SISTEMA LIDAR PARA MEDIR TURBULêNCIA DE AR. A presente invenção refere-se a um método para medir turbulências de ar com sistema lidar, particuiarmente a bordo de uma aeronave durante o qual um feixe laser expandido (12} de um comprimento de onda pré-determinado é emitido até uma área espacial e luz espalhado por retorno desta área espacial é recebida. Em um primeiro ponto no tempo ti e em um segundo ponto t2 após a emissão de um pulso de laser (L), a distribuição de intensidade na seção transversal da luz espalhada por retorno é medida e a turbulência de ar no campo de medição definida pelos pontos no tempo ti e no tempo t2 é determinada pela comparação de ambas as distribuições de intensidade. Imagens dos padrões de speckle são registradas com a ajuda de câmaras (21, 22) . Uma unidade de avaliação (30) conduz uma correlação cruzada de modo a prover a turbulência visivel e exibi-la em um monitor (35).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para"MÉTODO PARA MEDIR TURBULÊNCIA DE AR POR MEIO DE UM SISTEMALIDAR E SISTEMA LIDAR PARA MEDIR TURBULÊNCIA DE AR".

A presente invenção diz respeito a um métodopara medição de turbulência do ar de acordo com a parteda caracterizante da reivindicação 1, a um sistema lidarpara medição da turbulência do ar de acordo com a partecaracterizante da reivindicação 13, e ao uso de umsistema lidar a bordo de uma aeronave, em especial abordo de um avião ou helicóptero.

Na aviação, a turbulência do ar na atmosfera émuito problemática em relação ao curso de fluxo nassuperfícies da asa, porque esta conduz a um arrasteaumentado e a mudanças muito consideráveis na elevaçãoaerodinâmica. As medidas para evitar ou reduzir aturbulência do ar exigem que turbulência do ar sejadetectada e medida de tempos em tempos.

No entanto, medir as condições do vento e ascondições de turbulência é também importante, por exemplo,na operação de turbinas. No caso das turbinas, a eficáciada geração de eletricidade depende do corretoposicionamento dos rotores em relação às condições do ventono local e às condições de turbulência. Por estas razões, éparticularmente importante para o funcionamento eficiente eseguro das turbinas que a medição precisa e do tipo semcontato do campo de vento característico e do campo devorticidade no local selecionado seja realizada emdiferentes condições meteorológicas antes da construção.

Medir tais dados do ar com a utilização de estações demedição meteorológicas e, em alguns casos com o uso desistemas lidar Doppler, neste momento, ainda é consideradocomo sendo caro e impreciso.

Nos aeroportos, a turbulência proveniente de um aviãoque está decolando ou pousando, o chamado wake vórtice,pode ter um efeito considerável sobre o comportamento devôo de um avião que está voando atrás. As forças e torquesde um vórtice, por exemplo, podem fazer com que pequenosaviões sejam carregados pelo vento ou virem. Em muitoscasos, estados de vôo críticos têm ocorrido, o que, emalgumas situações extremas, resultaram em acidentes.

Em muitos países, no funcionamento dos aeroportosmuito freqüentados, vórtices têm também se tornado um graveproblema econômico. Como resultado da incerteza quanto àintensidade e posição dos vórtices, a Organização daAviação Civil Internacional (OACI) recomenda um intervalomínimo de tempo (tempo de separação) entre decolagens eaterrissagens de aproximadamente 2-3 minutos, dependendodo tamanho das aeronaves na frente e atrás. Por outro lado,com o aumento do tráfego nos grandes aeroportos, umaredução geral futura nas seqüências de decolagem eaterrissagem abaixo de um minuto é procurada. Há, portanto,uma busca de uma solução urgente para orientar aviões comuma redução de risco considerável através do campo deinfluência dos vórtices. No entanto, isto requer detecçãode tempo em tempo e medir tanto quando a visibilidade éreduzida e quando as condições são claras.

Vórtices surgem como um resultado de fluxo de ardiferente no topo e na parte inferior da asa durante ainterrupção do fluxo nas bordas da asa e nas pontasextremas da asa, com a intensidade dos vórtices, dependendodo wingspan e peso de uma aeronave. No plano vertical,atrás de ambas as asas, centrados em aproximadamente 2/3do seu comprimento, vórtices geram rotores de arespiralados que giram em sentidos opostos com um diâmetrona ordem de grandeza de metade do comprimento da asa. Aosair da aeronave, os vórtices derivam para baixo de algummodo em altitude e quebram-se em pequenos vórtices até apósvários minutos que eles produzem sua energia cinéticainteira como calor para o ar circundante. Ventos laterais eventos verticais movem os vórtices como um todo e tem umainfluência sobre o seu declínio. Os gases de escapeprovenientes dos motores, acima de todo ar quente, fuligeme vapor de água são misturados aos vórtices e, em parte,assumem o mesmo movimento de fluxo que os referidosvórtices. Na estratosfera, os vórtices são, por exemplo,visíveis na trilha de condensação do vapor de água atrásdas aeronaves.

Um vórtice surge como um resultado da elevaçãoaerodinâmica, e pode, portanto, no futuro próximo ou remotoser completamente suprimido pelos novos projetos de asa. Noentanto, sua intensidade pode ser reduzida por meio dediversas medidas aerodinâmicas adicionais sobre a asa, porexemplo, por retirar ou separar parcialmente o fluxo de ardepois que este sai da asa.

Para uma próxima aeronave, é acima de tudo asassimetrias dos movimentos do ar em ambas as asas e aelevação aerodinâmica repentina ou na direção que o ventosopra, que perto do solo pode afetar toda a aeronave, quesão perigosas. Estes movimentos do ar devem ser medidos comantecedência, ou seja, de uma certa distância mínima, aresolução espacial suficiente ao longo e todo o eixo devôo. Uma vez que os procedimentos de aterrissagem que devemser efetuados no âmbito de todas as possíveis condiçõesmeteorológicas, os vórtices devem ser capazes de serdetectados e medidos tanto em tempo nublado, ou seja,quando a visibilidade é pobre, e, em tempo claro, ou seja,quando a visibilidade é irrestrita.

Até agora, durante o tempo nublado, ou seja, emcondições de chuva, neblina ou nuvens, o movimento degrandes partículas suspensas no ar ou de hidrometeoros comum diâmetro entre 10 μπι e vários milímetros a distâncias devárias dezenas de milhas náuticas tem sido gravado com umradar de varredura Doppler. Dispositivos de radar Dopplerinstalados em um aeroporto ou em uma aeronave podem,portanto, detectar correntes de ar, como o cisalhamento dovento ou vórtices em tempo nublado. A presença de taisfenômenos pode ser comunicada ou indicada para os pilotosque podem, então, voar ao redor deles a uma distânciasegura.

No entanto, o comprimento de onda do radar nointervalo centímetro para milímetro é demasiado longo paradetectar durante tempo claro um eco utilizável dosaerossóis restantes, menores, por exemplo, com um diâmetroinferior a um micrometro. Por esta razão, lidares Dopplerinfravermelhos com um comprimento de ondasignificativamente menor na faixa micrometros sãoutilizados a título de experimento em alguns aeroportos comelevados volumes de tráfego. Uma vez que a dispersão deretorno dos aerossóis, devido aos seus diferentes e, muitasvezes, pequenas concentrações, pode ser variável e atémesmo imperceptível, mesmo a dispersão de retorno a partirde moléculas de ar significativamente menores é utilizadapara a detecção em um lidar Doppler de UV como um tamanhoalvo.

A publicação DE 103 16 762 Al descreve um método paraa aquisição de velocidades de vento com um sistema lidarDoppler. Neste método, um feixe laser é emitido por umdispositivo de transmissão para uma área espacial e a luzque é espalhadada de volta da área espacial é recebida. Afim de determinar um deslocamento Doppler, é gerado uminterferograma cuja distribuição de intensidade é comparadacom padrões de referência que tenham sido previamentedeterminados para parâmetros definidos. A partir dacomparação, o deslocamento Doppler é determinado como umamedida da velocidade do vento.

Instrumentos de medição meteorológicas montados nosolo ou radares Doppler e lidares Doppler proporcionam umavisão global da situação do vento e dos vórtices nosaeroportos. No entanto, isto é suficiente apenas paraemitir advertências gerais das situações de vórticecríticas para todas as aeronaves afetadas, sem levar emconta os riscos para cada aeronave. Qualquer redução geralfutura nas seqüências de decolagem e aterrissagem em todosos aeroportos só é possível se cada aeronave tiver seupróprio sistema de medição a bordo que, em vôo, em todas ascondições meteorológicas detecta vórtices individuais sobreo seu percurso de vôo de tempos em tempos e imediatamenteavalia seus riscos potenciais.

Radares Doppler em automóveis, cujos radares têm umafreqüência de transmissão de 24 GHz e 77 GHz, são capazesde detectar, em tempo nublado, em um pequeno intervaloangular, obstáculos sólidos fora do alcance visual docondutor. Isto é devido à melhoria do intervalo de radiaçãodo radar através da névoa, quando comparado com aquele daluz visível. No entanto, a estas freqüências, a atmosferanão está, de modo algum, completamente transparente, em vezdisso, um claro sinal dos hidrometeoros da névoa em si érecebido, o que, em tal aplicação automobilística émascarado. No entanto, este sinal de fundo da névoa seria,em princípio, adequado para a detecção e geração de imagemdo movimento do vórtice no ar através de hidrometeoros quese movem também. Estas freqüências de radar são associadascom uma vantagem especial em que, para o tráfego geral,elas foram dadas aprovação de radio internacional, e,assim, são particularmente adequadas para radares dedetecção de vórtices de uma aeronave em tempo nublado.Radares de veículos são associados com uma vantagemadicional em que, no momento, eles já podem ser produzidosde forma a serem muito compactos e econômicos. Se elesestivem para ser expandidos para realizar as funções de umalerta de vórtice para aeronaves, ou para controle de vôo,os movimentos do ar, além da sua distância, teriam que ser,ao mesmo tempo, mostrados em uma área maior perpendicular àdireção de vôo em várias posições na frente do avião. Avarredura de um maior intervalo angular na frente daaeronave poderia ser realizado, neste momento, por viaeletrônica com conjuntos de antenas acopladas em fase em umcurto espaço de tempo em uma alta freqüência de repetição.Atualmente, existem esforços para continuar a desenvolverestas unidades de radar compactas em sistemas de aviõespara reconhecimento de vórtice em nuvem, chuva pesada eneblina com boa resolução de distância e resolução lateral.No entanto, uma solução de radar futura bem sucedida paracondições de tempo nublado deste tipo, por si só não ésuficiente para detectar com confiabilidade vórticesdurante a operação das aeronaves. Isto porque os vórticessão apenas como um grande perigo em tempo claro como elessão em tempo nublado. Esforços têm sido feitos, portanto,para completar o radar com um lidar, ou seja, envolvendovarredura adicional na faixa óptica do espectro, na qual aspartículas de ar menores podem ser detectadas.

No entanto, lidares Doppler para a medição naatmosfera clara estão longe como compactos estão como osradares Doppler. Com tecnologia de hoje, seu feixe detransmissão só pode ser movido com varredura mecânica debaixa velocidade angular. Isto exige, em seguida, umaduração estendida de medição, na qual a aeronave e asturbulências movem-se ao longo do eixo de medição. Dado queos valores de medição não são, portanto, obtidos em umaforma isócrona, eles fornecem uma imagem do movimento do arnum dado momento na frente do avião, sendo que a imagem édistorcida no tempo. A baixa resolução de velocidade éparticularmente desfavorável na direção axial, o que devidoà baixa freqüência de repetição de pulso dos lidares, emcontraste com os radares, não pode ser adicionalmentemelhorada pela média de um grande número de medições.

Quando comparado com os radares Doppler, os lidaresDoppler atualmente são muito complicados globalmente, namedida em que seu projeto se refere e e são caros e,portanto, não adequados para instalação em aeronavesmenores, que são mais expostas ao risco de vórtices degrandes aeronaves voando a frente.A publicação US 2003/0009268 Al descreve um sistema deprevisão para a turbulência do vento para a medição davelocidade de um fluxo de ar tridimensional, com o sistemasendo baseado no efeito Doppler. Neste arranjo, um aviãoemite um feixe de laser que varre uma área espacial, em umaforma em formato de cone. A luz espalhada por retornoespalhada de volta a partir desta área espacial é recebidapor meio de um sistema óptico, e a partir deste, por meiodo efeito Doppler, a velocidade de um vórtice do ar na áreaespacial é determinada.

A publicação US 4,195,931 descreve um dispositivo paradeterminar a localização e intensidade da turbulência doar, em que um feixe laser pulsado é emitido para uma áreaespacial, e a luz laser espalhada de volta é analisada.Neste arranjo, o padrão de interferência da luz recebida édeterminado por meio de um espectroscópio. 0 espectro daluz espalhada de volta está correlacionado com o espectropadrão sem a presença de turbulência do ar.

O relatório da patente DE 40 13 702 C2 descreve ummétodo e um dispositivo para aquisição de turbulência naatmosfera, em que um método e um dispositivo, no qual umfeixe de luz laser de uma determinada freqüência é emitidopara uma área espacial selecionada, e a luz espalhada devolta desta área espacial é capturada e sobreposta com aluz emitida. O deslocamento Doppler entre as freqüências daluz emitida e da luz espalhada de volta é determinado e, apartir do referido deslocamento Doppler o sentido dedireção e da extensão da velocidade do vento na direção demedição são determinadas. Neste arranjo, um feixe de luzlaser é dividido em dois feixes parciais, onde o primeirofeixe parcial é emitido para a área espacial, e a luzespalhada de volta a partir desta área espacial ésobreposta com o segundo feixe parcial.

A patente US 6,184,981 Bl divulga um método em que umfeixe laser pulsado é emitido e refletido a partir de umalvo, onde o espectro sinal recebido é comparado a umespectro de referência.

O artigo "Two-channel direct detection Doppler lidaremploying a charge-couples device as a detector" porIrgang, Todd D., et al., Applied Optics, vol. 41, no. 6, de20 de fevereiro de 2002, descreve um lidar Doppler de doiscanais que compreende um CCD como um detector. Ep doiscanais separados, o sistema lidar mede o movimento do ventoatravés da luz espalhadada de volta de aerossóis emoléculas, onde a luz de um canal é alimentada para o outrocanal.É o objetivo da presente invenção para propor ummétodo adequado para a detecção de turbulências e vórticesem tempo claro.

Além disso, um sistema de medição adequado deve serdefinido que pode ser compacto em projeto e que tornavisível a não homogeneidade e movimento de ar em uma áreamaior, ou seja, através de um intervalo angular maior, emuma forma isócrona perpendicular ao eixo de medição. 0sistema de medição deve ser aplicável para telemetria, ouseja, para medir a uma distância maior definida e em umvolume limitado. Neste arranjo, a medição deve serinsensível a qualquer movimento na direção do eixo demedição.

Este objetivo é atingido pelo método para medir aturbulência do ar de acordo com a reivindicação 1, pelosistema lidar de acordo com a reivindicação 13, e pelo usodo sistema lidar de acordo com a reivindicação 24.

No método de acordo com a invenção para medirturbulência do ar por meio de um sistema lidar, um feixe delaser pulsado expandido de um comprimento de ondadeterminado previamente é emitido para uma área espacial, ea luz espalhada de volta desta área espacial é recebida,quando em um primeiro ponto no tempo tl e em um segundoponto no tempo t2 após emissão de um pulso de laser, adistribuição de intensidade na seção transversal da luzespalhada de volta é medida e, a partir da comparação deambas as distribuições de intensidade da turbulência do ar,em um campo de medição remoto é determinada. Com ainvenção, é possível detectar e forma uma imagem daturbulência do ar e vórtices em tempo claro. 0 método éadequado, em particular para ser realizado a bordo daaeronave, a fim de detectar em vôo qualquer vórtices quefoi formado por um avião voando a frente, que vórticesestão situados a uma distância definida na direção de vôo.Neste arranjo, a distância do campo de medição édeterminada pelos pontos no tempo Tl e T2, ou seja, o tempode trânsito do pulso laser emitido que foi disperso devolta das camadas de ar em diferentes distâncias.

Neste método, não é o deslocamento de freqüênciaDoppler axial que é medido, mas sim a queda de um feixe delaser, quando penetra a turbulência do ar e o vento, em umpadrão de intensidade de granularidade fina ou nãorefinada, um padrão chamado speckles, é usado.

Vantajosamente, por meio da respectiva medição dadistribuição de intensidade, tais speckles, que surgemdurante a dispersão de retorno do pulso de laser a partirdas moléculas de ar, são detectados na seção transversal daluz espalhada de volta, a fim de determinar a turbulênciado ar a partir de uma comparação dos padrões de speckle. Emoutras palavras, a partir de um instantâneo do specklesqualquer turbulência pode ser detectada e medida.

Preferencialmente, as imagens das distribuições deintensidade são tomadas em dois pontos nos tempos t1 e t2,através de uma câmera em um período de exposição definido,e as imagens que surgem a partir de uma representação daimagem da variação do índice de refração no campo demedição é produzida. Em outras palavras, por meio deimagens duplas que são tomadas em rápidas sucessões, tambémé possível obter o movimento do ar perpendicular ao eixo demedição de eixo visual. Desde que as imagenssimultaneamente adquirem uma área maior que é determinadapelo ângulo da imagem, não há qualquer necessidade devarredura que consome tempo, bem como a resolução espacialtransversal ou a resolução de velocidade é igualmente boadurante todo o intervalo angular.

Dividir um feixe de laser, com um gradiente deintensidade que sobre a sua seção transversal tem sidoinicialmente homogêneo em um padrão de speckle granulado,granulações ou speckles são uma conseqüência dos diferentescomprimentos dos caminhos ópticos dos feixes parciais ouondas elementares do feixe laser através de regiões no arque têm um índice refrativo diferente. Devido à coerênciada radiação primária, estas ondas elementares espalhadasdos componentes do ar, ou seja, as moléculas e osaerossóis, são coerentes entre si. A partir de um localpara o outro dentro do feixe, a amplitude e fase das ondaselementares então variam em relação umas às outras.Finalmente, elas são sobrepostas no espaço para formar umcampo de interferência complexo de intensidade irregularespacialmente distribuída. Nos movimentos do ar, comovórtices e mudanças associadas na estrutura do índice derefração, o padrão interferência, ou seja, os speckles,também é modulado, no espaço e no tempo.

Variações no índice de refração do ar sãopredominantemente causadas pelas diferenças de temperatura.Nos vórtices atrás das aeronaves, os gradientes de pressãoe temperatura surgem devido ao movimento do ar e sua queda.Além disso, próximo ao solo, gradientes de temperatura noar surgem como um resultado da superfície da terra que estásendo aquecida durante o dia e resfriada durante a noite,sendo que estes gradientes de temperatura são perturbadospelos vórtices de onda das aeronaves que estão decolando epousando. Além disso, os gases de escape quentes dosmotores, predominantemente o dióxido de carbono e vapor deágua, são misturados com o ar turbulento. Globalmente,durante a decolagem ou aterrissagem, um campo detemperatura estruturado surge no vórtice atrás de um avião,que, ao mesmo tempo, resulta em distribuição não homogêneado índice de refração do ar.

De uma maneira diferente daquela do efeito Doppler, noqual a partir da freqüência axial ou deslocamento docomprimento de onda da luz laser espalhada de volta acomponente da velocidade transversal do movimento do ar éderivada, e por meio de escaneamento de um display deturbulência sobre uma área maior surge, com a utilização dospeckles a não homogeneidade espacial do índice de refraçãoum resultado da turbulência pode ser fotografada de maneiraisócrona sobre de uma área maior, e através da comparaçãode duas imagens individuais da distribuição de speckle emdiferentes momentos pode ser obtido, em que a modulaçãosobre o tempo do índice de refração ou do padrão de specklee, além disso, a componente transversal da velocidade demovimento do ar é registrada. A magnitude e a intensidadeestatisticamente distribuídas dos speckles são importantespara a aplicação dos referidos speckles. Eles são,portanto, adequados para a exibição inequívoca de ambas asestruturas finas e brutas da distribuição do índice derefração.

Neste sentido, variações do índice de refração nosistema de medição proposto de acordo com a invenção assumeum papel que é semelhante ao dos aerossóis no caso do radare lidar. Ambos são utilizados como marcadores que sãocarreqados ao longo do ar, e cujos movimentos podem, então,ao mesmo tempo, indicar movimento do ar. A forma como istopode ser usado para medir a turbulência com os speckles nosentido da invenção é discutida em mais detalhe abaixo.

Na descrição do modelo de Kolmogorov dodesenvolvimento da turbulência ao longo do tempo, cujadescrição é agora geralmente aceita, é assumido que aturbulência na atmosfera com o chamado diâmetro "exterior"Lo até algumas dezenas ou centenas de metros decai com otempo em cascata resultado do atrito interno do ar parabordas ainda menores sem que haja qualquer troca de energiacom o meio externo, até as bordas atingirem, finalmente, umtamanho mínimo Io, o chamado diâmetro "interior" (diâmetrode uma magnitude de alguns milímetros), quando as pequenasbordas decaem pela doação, ao ambiente, de toda a suaenergia cinética como calor, predominantemente por meio deconvecção e difusão. Ao longo do tempo, este processoresulta na formação, dentro das bordas, de um campo deestrutura de temperatura de fina granulação que sódesaparece lentamente como resultado de uma troca de calorcom o ar ambiente.O índice de refração η depende, em uma extensãosignificativamente maior, a temperatura T do que dasflutuações na pressão do ar p, onde uma pequena influênciada umidade no ar, no alcance visual do espectro, pode serdesprezada, em que:

n- 1 + 77,6 χ 10*6 (1 ♦ 7,52 χ W3 K2) pfT

H = H-TSxIOePfTe 4nfúT~l%prí*

onde ρ denota a pressão do ar em milibares, T a temperatura

em Kelvin e λ o comprimento de onda em (no exemplo dado,

λ = 0,5 gm).

A variação do índice de refração média ao longo dotempo é expressa, em função da localização, através dachamada função estrutural do índice de refração Dn (x, r):

DnM = <{n(x + r) -n(x)}2 >

onde as variáveis χ e r denotam vetores espaciaistridimensionais.

Quando a quantidade do vetor distância r está entre osdiâmetros exterior e interior L0 e I0, pode ser indicadacomo uma função da distância e do parâmetro de estrutura doíndice de refração Cn2 (x), onde:

Dfí(x,r)* Cn2 (X)^t I0SrS L0i r = l#1.O parâmetro de estrutura do índice de retração Cn2 éuma medida da força de flutuações do índice de refraçãocoma unidade [m"2 1 3] . Seu valor varia de IO"17, ou menos, nocaso de turbulência extremamente fraca para IO"12, no casode forte turbulência, perto do solo e nos vórtices. Acorrelação entre Cn2 e as flutuações da temperatura podeser expressa como:

Cn - Idn/dTI2 Cr2 = (79 χ 10* (Píf)f Cr2

onde Ct2 designa o parâmetro de estrutura da temperatura.

Segundo a invenção, o campo de vorticidade é medidopor um feixe laser pulsado expandido. Para uma distância r= Im e Cn2 = IO"12 m"2/3 como uma estimativa grosseira dodeslocamento de fase é IO"6 m = Ιμιτι ou 2 π em λ = 0,5 μπι, ouseja, um deslocamento de fase médio que, segundo com osresultados teóricos na formação de distintos speckles em umgrande número de ondas parciais com deslocamento de fasesdistribuídos estatisticamente, ao longo da direção depropagação do feixe de laser expandido.

A cada encontro de ondas parciais com as menorescélulas de turbulência, cada vez que elas são difratadas emum ângulo de difração de magnitude de λ/Ιο = IO"4 rad (porexemplo em λ = 0,5 μπι e I0 = 5 mm) que quando percorre umcaminho estendido através do campo de turbulência resultaem uma migração de feixe e em uma expansão de feixe.

Uma pequena quantidade de energia de radiação éespalhada a partir das moléculas de ar e aerossóis, em queparte da luz espalhada volta, ou seja, na direção dotransmissor. No entanto, a intensidade da luz espalhada devolta não é regular ao longo de uma seção transversal dofeixe de laser expandido, mas, em vez disso, devido àformação do speckle, é dividida em ilhas de altaintensidade e baixa intensidade, que reflectem as variaçõesespaciais e as variações ao longo do tempo do índice derefração no ar turbulento. Segundo a invenção, é assim, porexemplo, proposto formar a imagem e medir o gradientetransversal das não homogeneidades do índice de refraçãoespacial ou os speckles por meio de uma geometria demedição comum em sistemas lidar, na qual um transmissor delaser e um receptor estão instalados no mesmo local. Nestearranjo uma imagem é tirada do espalhamento de retorno deum feixe de laser expandido pulsado emitido a partir daatmosfera, bem como a distribuição espacial e adistribuição ao longo do tempo da sua intensidade sãoavaliadas. Para efeitos de formação da imagem, por exemplo,um sistema de câmera eletrônico pode ser utilizado como umreceptor, que periodicamente gera imagens e avalia ogradiente de intensidade tridimensional da luz espalhadapor retorno no feixe de lazer pulsado expandido emitido apartir de uma distância de medição definida a partir deintervalos de tempo fixo.

A medição é preferencialmente realizada em direçãoposterior, ou seja, na reflexão. Além disso, no sentido dainvenção, um processo de medição solucionado no tempo épreferível, em que a partir da imagem do campo de speckleou do campo da corrente de ar uma área de medição estendidade espessura limitada a uma distância fixa do sistema demedição é adquirida. Desta forma, por meio da imagem despeckle, é possível tornar campos de vento, campos deturbulência e vórtices visíveis em ar claro, a umadistância considerável, em cada janela de ar individual.

O sistema lidar, de acordo com a invenção, para medira turbulência do ar é, em especial, adequado para asaeronaves e que inclui um laser para emitir um feixe delaser pulsado expandido de um comprimento de ondadeterminado para uma área espacial; um detector para medira distribuição de intensidade na seção transversal da luzespalhada por retorno da área geográfica em um primeiroponto no tempo tl e em um segundo ponto no tempo t2 apósemissão de um pulso laser, uma unidade de sincronização queacopla o detector ao laser, a fim de desencadear a mediçãonos pontos no tempo tl e t2, e uma unidade de avaliaçãoque, a partir de uma comparação das distribuições deintensidade medidas determina a turbulência do ar.

Com o sistema lidar de acordo com a invenção, aturbulência do ar e os vórtices de aeronaves que voam afrente podem ser medidos mesmo em tempo claro. Além disso,o sistema lidar, de acordo com a invenção, pode serprojetado de modo a ser muito compacto, de modo que ele éadequado para utilização a bordo de uma aeronave.

Preferencialmente, o detector é projetado paradeterminar a posição dos speckles que surgem quando o pulsode laser espalhado por retorno a partir das moléculas dear, e a unidade de avaliação é projetada, em particular,para comparar os padrões de speckle, a fim de determinarturbulência do ar a partir delas.

Vantajosamente, o detector compreende, pelo menos, umacâmera, que tem as imagens das distribuições de intensidadeem dois pontos no tempo tl e t2, em uma duração definida deexposição, onde a partir das imagens que surgem, a unidadede avaliação produz, por exemplo, uma representação daimagem da variação do índice de refração no campo demedição. Desta forma, é possível tornar visível aturbulência do ar para a tripulação da aeronave.O sistema lidar representado de acordo com a invençãotorna o fluxo de movimento tridimensional da turbulência doar no ar claro mensurável ou visível. Isso ocorre graças àsimagens da luz espalhada por retorno da área da seçãotransversal do feixe laser pulsado expandido que penetra aturbulência e, consequentemente, está dividida em padrõesde speckle, através de um sistema câmera eletrônica queestá ligado de forma a ser sincronizado com o pulsoemitido.

O sistema lidar, por exemplo, é também adequado comoum sistema de medição de solo estacionário. Neste caso, porexemplo, determinadas regiões dos aeroportos podem sermonitoradas em um curso orientado para a presença devórtices ou turbulência do ar, por exemplo, na região daspistas para a descolagem e a aterrissagem. Por meio dainvenção, a localização dos vórtices é medida com precisãoadequada, para que pilotos das aeronaves possam evitar osvórtices. Em particular, é possível acoplar o sistema demedição ao sistema de controle de vôo para que quando aturbulência do ar na direção do vôo ocorra, intervençãodireta no controle de vôo ocorra. Neste caso, também épossível que o avião encontre diretamente o vórtice.Semelhante a um sistema de assistência aos condutores deveículos, em uma concretização da invenção, a influênciaque os vórtices têm sobre os movimentos de vôo é pelo menosparcialmente regulada automaticamente, de forma a que sejamevitadas situações perigosas.

Além da utilização em aplicações de tráfego aéreo, ainvenção também pode ser utilizada para outras tarefas demedição, nomeadamente para a medição de corrente de ar e aturbulência do ar em tempo claro na região de parqueseólicos.

Como resultado do arranjo monoestático do sistemalidar, no qual o transmissor ou laser e o receptor oudetector ou a câmera estão situados no mesmo local, amedição de turbulência do ar pode ser efetuada a partir deuma disposição de medição de movimento, em especial daaeronave. No entanto, no caso de medição a partir do solo,também, por exemplo, em um campo de aviação ou em um parqueeólico, o arranjo monoestático está associado a umavantagem em que os feixes transmitidos e recebidos podemser alinhados em conjunto em um dispositivo, que prevê umavantagem significativa, em particular em aplicações móveis.

A fim de dominar essas novas relações, a saber, o novoarranjo de emissor e receptor, a maior distância a partirdo volume de medição, e o movimento do dispositivo medidor,a invenção propõe os seguintes projetos.O feixe de transmissão é, de preferência, expandidocoaxialmente para receber o feixe de forma a iluminar umaárea maior do volume na distância de medição alvejada, ouseja, um maior ângulo de medição, onde, por exemplo, umacâmera simultaneamente capta imagens de todo o campo dospeckle do volume de medição. Isso evita a necessidade deuma série de escaneamentos do volume de medição.

Como resultado das não homogeneidades na atmosfera, ofeixe de laser expandido cumulativamente parte-se, ao longode todo o percurso de viagem, em numerosas ilhas deintensidade individuais ou speckles objetivos. Para umobservador parado lateralmente ao lado do feixe laser eolhando em direção ao feixe de laser estas ilhas deintensidade da seção transversal aparecem como filamentosluminosos alongados dentro de todo o feixe. Se todo o feixeestivesse a colidir em uma tela para projeção, então osspeckles seriam exibidos como um campo de granulação dentroda seção transversal do feixe laser, cuja mudança ao longodo tempo seguiria um movimento de ar transversal. Contudo,uma vez que não é possível montar uma tela para projeçãopara propósitos de medição, a invenção propõe ainda que aprópria atmosfera seja utilizado como uma tela para aprojeção, isto é, usar espalhamento de retorno de uma telade ar de uma espessura definida. Uma vez que a velocidadedo obturador da câmera também é muito rápida, o movimentode fluxo do speckles é capturado em instantâneos.

A câmera, por exemplo, é colocada de tal modo que édirigida ao longo do eixo de um feixe laser pulsadoexpandido. Uma rápida velocidade do obturador da câmerapode ser usada para determinar essa "tela para projeçãoatmosférica" de uma determinada espessura, a uma distânciadefinida como uma "parede de eco de luz" dos speckles. Apósum certo tempo de trânsito do pulso, onde o tempo detrânsito do pulso corresponde ao dobro da distância da luzda parede, o obturador da câmera é aberto e pouco tempodepois é fechado, onde o intervalo de exposição, emseguida, corresponde à espessura da parede para reflexão.Para cada pulso uma imagem instantânea da intensidade dospeckles é tomado, não apenas sobre o caminho para forapara a tela de reflexão, mas também no caminho de retornoda parede para o receptor. Além disso, como resultado darefração da luz e formação da imagem do sistema óptico, osassim chamados speckles subjetivos surgem na frente dacâmera e sua abertura de imagem, onde os subjetivosspeckles são superpostos sobre os speckles objetivos naimagem da câmera.

No ar claro, o processo de dispersão é predominante,ou seja, a fração de múltiplos fótons espalhados é tãopequena que pode ser desprezada no espalhamento de retorno.Apenas em caso de grande densidade de aerossóis, ou seja,em nevoeiro ou nas nuvens, é que a fração de múltiplosfótons espalhados em aerossóis é perceptível durante longospercursos de viagens, ou seja, apenas em algumas dezenas demetros. No contexto dos métodos de medição em análise nopresente documento, isso significa que a atmosfera refletea luz, com múltiplos espalhamentos em camadas finas dealguns metros para iluminação semelhante à folha como umtipo de tela de difusão por espalhamento de retorno semampliação lateral. A fina camada atmosférica pode,portanto, ser utilizada como um tipo de tela para projeçãoque reflete as imagens, sem redução perceptível emcontraste, como resultado do espalhamento lateral, nosentido de volta para o projetor. Devido à capacidade muitolimitada do ar para espalhamento de retorno, estas imagensespalhadas por retorno da atmosfera é muito fracas quandocomparadas com as imagens em uma tela para projeção sólida.No entanto, por meio da radiação laser pulsada de ondascurtas e energias de pulso típicas de lasers disponíveiscomercialmente, é possível obter sinais úteis de uma camadaalargada cobrindo várias centenas de metros de distância.Isto será mostrado em mais detalhes abaixo.Como mencionado acima, speckles objetivos atmosféricossurgem como resultado de uma ruptura cumulativa de um feixelaser originalmente homogêneo ao longo da sua direção depropagação em speckles de intensidade, ou seja, modulaçãode intensidade forte pela interferência de ondas parciaisdevido a variações no índice de refração do ar e dispersãode aerossóis ao longo de toda a seção transversal do feixe.A modulação de intensidade e do tamanho dos speckles sãoestatisticamente distribuídas, elas dependem do parâmetrode estrutura da refração-turbulência Cn2 em condiçõesmeteorológicas prevalecentes na época. Este parâmetro éinfluenciado tanto como resultado de diferenças em pressãoe diferenças de temperatura em vórtices, onde a influênciaque a temperatura tem sobre o índice de refração é maior,tal como mencionado acima. 0 diâmetro médio d0 dos specklesem ar calmo é d0 = (λ z)1/2, onde λ denota o comprimento deonda e ζ denota a distância da fonte laser. Em λ = 0, 267 μιηe ζ = 100 m, o diâmetro médio seria, por exemplo, d0 = 5mm, mas devido à sua distribuição de tamanho estatístico, apresença de ambos speckles significativamente maiores emenores deve ser esperada.

Os speckles, que, após o feixe laser pulsado deixaramo lidar, formaram em uma camada predefinida a uma distânciadefinida ao longo da seção transversal do feixe, se tornamvisíveis, como um resultado das características homogêneasde espalhamento de retorno das moléculas do ar, sem umalargamento de interferência lateral, como granulação despeckle objetivo, ou seja, como uma distribuição deintensidade diferente no espalhamento de retorno nestacamada. Os referidos speckles podem ser fotografados pelacâmera que está fixada atrás do telescópio de recepção. Emum fator de imagem típico de 1 / 100 e um diâmetro médioinicial dos speckles de 5 mm, o diâmetro no plano focai dotelescópio é, então, 50 μιη, o que corresponde a cinco vezeso diâmetro de um pixel típico de uma câmera CCD de 10 ym.

Além dos speckles objetivos, interferência de ondaestatisticamente distribuída surge na própria abertura derecepção, que forma speckles subjetivos com um valorlimitante inferior do diâmetro de ds = 1,2 λ f/ D, onde Drepresenta o diâmetro da abertura de recepção. Em λ = 0,2 67μπι e um número F da óptica de recepção F = f / D = 10, dseqüivale a 3,2 μπι ou então é igual à imagem de um aerossoldistante. No entanto, no caso dos speckles subjetivos, esteé um valor limitante inferior, onde os speckles maioresocorrem com maior freqüência. Em geral, eles sãosignificativamente menores do que os speckles objetivos enão são, portanto, importantes para a imagem de avaliação.

A fim de ter imagens de speckles só a partir de umadeterminada distância de medição, a câmera que captura aimagem, de preferência, compreende um circuito de intervalode tempo que apenas capta as imagens da luz depois de umcerto tempo de passagem do pulso de laser emitido, e fechanovamente após um breve intervalo. Este método de fixaçãoda distância por medição do tempo de trânsito do pulsopossibilita visualização em janela, ou seja, uma imagemlimitada em tempo gravando no local de medição, ou acaptura de imagem do espalhamento de retorno ou eco de umdisco de ar de um diâmetro e espessura definidos ao longodo eixo óptico de uma distância fixa que pode ser definidapor meio de tempo de trânsito de pulso.

Dependendo se a não homogeneidade do indice derefração ou da temperatura na turbulência, no momento, ou asua velocidade de distribuição deve ser adquirida, ainvenção, de preferência, compreende dois aspectosdistintos: A) medição da imagem de speckle em diferenteslocais ao longo do mesmo eixo de medição ao mesmo tempo; eB) medir duas vezes as imagens de speckle como em A) embreves intervalos de tempo definido. Em A), o gradiente doíndice de refração Δη / Ar (χ, y) e em B) suas mudanças aolongo do tempo Δη/AirAt (χ, y) são tomadas.

De acordo com um terceiro aspecto C da invenção, comouma alternativa à utilização dos speckles como uma sonda demedição para captar a imagem da turbulência do ar ou omovimento do ar no momento, um feixe laser espacialmentemodulado (luz laser estruturado) é utilizado. Nestearranjo, em complemento ou como uma alternativa à mediçãode speckle, tanto as variações do índice de refração Δη /Ar (χ, y) e suas mudanças ao longo do tempo Δη / Ar At (χ,y) podem ser mostradas com pulsos duplos e com duplaexposição.

Abaixo, a invenção é descrita na formaexemplificativa, com referência aos desenhos em que:

A figura 1 apresenta um sistema lidar para medir aturbulência do ar, de acordo com uma primeira concretizaçãopreferida da invenção.

A figura 2 mostra um sistema lidar para medição deturbulência do ar, de acordo com uma segunda concretizaçãopreferida da invenção.

A figura 3 mostra um sistema lidar para medição deturbulência do ar, de acordo com uma terceira concretizaçãopreferida da invenção.A figura 4 mostra uma representação de imagem de umaestrutura de vórtice, que é gerada com o método de acordocom a invenção e o sistema lidar, de acordo com a invenção,onde distorção de imagem radial ocorre como resultado dopróprio movimento da aeronave, que comporta o sistema demedição a bordo.

A figura 5 mostra um divisor feixe holográfico quedivide o feixe de medição, de acordo com uma concretizaçãopreferido exemplificativa da invenção em raios de mediçãoindividuais.

A figura 6 mostra uma superposição exemplificativa doscampos de medição circulares discretos em uma estrutura devórtice.

A figura 1 mostra um sistema lidar 100 para aquisiçãoe medição de turbulência do ar de acordo com uma primeiraconcretização exemplificativa preferida. O sistema lidar,de acordo com a invenção, compreende um laser 10, que pormeio de óptica 11 compreende um arranjo de lente lia e umespelho de desvio IlB emite um feixe laser pulsadoexpandido 12 de um determinado comprimento de onda para umaárea espacial. Um dispositivo detector 21, 22 é utilizadopara medir a distribuição de intensidade na seçãotransversal da luz espalhada por retorno a partir da áreaespacial, em que a medição ocorre em um primeiro ponto notempo tl e em um segundo ponto no tempo t2 após a emissãode um pulso laser L. Uma unidade de sincronização 25 acoplao dispositivo detector compreendendo os dois detectores 21,22 ao laser 10. A unidade de sincronização 25 controla osdetectores 21, 22 tal que, em cada caso, a medição ocorrenos dois pontos no tempo tl e t2 após emissão do pulso delaser L. Uma unidade de avaliação 30 compara adistribuições de intensidade medido por meio dos detectores21 , 22, a fim de determinar qualquer turbulência do ar apartir desta comparação. A unidade de avaliação 30 éeletronicamente acoplada a um sistema de representação deimagem ou a um monitor 35, a fim de apresentar como umaimagem a turbulência do ar determinada desta forma.

Durante o processo de medição, o pulso de laser L éemitido, em que o laser pulsado L ao longo de seu caminhopenetra no ar e, ao fazê-lo é espalhado a partir dasmoléculas de ar e aerossóis. A figura 2 mostra dois volumesde medição Vl e V2 que estão situados ao longo do eixo defeixe comum S e que estão espacialmente separados um dooutro. Por meio de um telescópio de recepção 23 e umdivisor 24, a luz laser espalhada de volta dos dois volumesde medição Vl e V2 atinge os detectores 21 ou 22. Adistância ζ do primeiro volume de medição Vl é determinadapelo ponto no tempo tl após emissão do pulso de laser L, noqual a detecção da luz espalhada por retorno por meio dodetector 21 ocorre. A distância do segundo volume demedição V2 é determinada pelo ponto no tempo t2 apósemissão do pulso de laser L, em que a detecção da luzespalhada por retorno por meio do segundo detector 22ocorre.

Câmeras que registram os detectores 21, 22 são câmerasque registram sinais espalhados dos volumes de medição Vl eV2. No exemplo apresentado, duas câmeras amplificadoras deimagem idênticas são utilizadas que compartilham um eixo detomada de imagem comum com um divisor de feixe com o tempode exposição das referidas câmeras sendo definido, por meiode um circuito de intervalo de tempo, de modo a sersincronizado com a emissão do pulso de laser, de modo queas referidas câmeras gravam os sinais luminosos ao longo doeixo ou o eixo de feixe S separa espacialmente os volumesde medição Vl e V2. Ao tomar imagens com duas câmarasseparadas, os sinais espalhados a partir dos diferentesvolume de medição Vl e V2 podem ser mantidos separados notempo, embora o tempo de passagem do pulso de laser L parao primeiro ou o segundo volume de medição e retorno sejaextremamente curto. No entanto, também é possível utilizaruma única câmara cuja velocidade é suficiente para separaros sinais espalhados a partir dos dois volumes de mediçãoVl e V2 que estão situados um atrás do outro.

No exemplo mostrado na figura 1, o laser 10 é umlaser de pulso único que utiliza pulsos de laser L com umaduração de pulso de Δτ.

No exemplo apresentado, as câmeras amplificadoras deimagem CCD são utilizadas como detectores 21, 22, cadacâmera compreendendo um amplificador de imagem de correntesuperior sob a forma de uma placa multi-canal 26 (MCP) . OMCP 26 realiza duas tarefas. A primeira tarefa do MCP é,usando o principio de um fotomultiplicador, amplificar afraco corrente do fotoelétron do sinal luminoso dofotocátodo em uma chapa composta microcanais, antes que areferida corrente do fotoelétrons atinja uma tela defósforo onde é registrada por meio de um array CCD. Asegunda tarefa do MCP 26 é, comutar a sua tensão deamplificador no tempo tl = 2to após o pulso de laser (t =0) ser emitido, para comutar a câmera 21 para receber osinal espalhado e apóss = 2 (to + σ t) para desligarnovamente.

Análogo ao que precede, o MCP 26 da segunda câmara 22t) comuta para receber em t2 = 2 (to +Δ t) e fechanovamente em t2e = 2 (to + At + at) , onde 2 χ At denota ointervalo de tempo entre as duas imagens que estão sendotomadas, e 2 χ at denota a respectiva duração idêntica daexposição das duas câmeras 21, 22. Na velocidade da luz c,Az = c. At é a distância das duas camadas de medição, aespessura σζ = c at.

As imagens 1 e 2 das duas câmeras CCD 21, 22 agoramostram os speckles após os tempos de trânsito do pulso 2(to + at) e 2 (to + At + at) que surgiram ao longo docaminho de medição. Eles compreendem os speckles objetivossobre o caminho para as camadas de espalhamento de retornoVl e V2 e para trás, e os speckles subjetivos do sistemareceptor. Após isto, uma correlação cruzada (no caso maissimples, uma subtração) entre as duas imagens é realizada.O resultado é uma representação de imagem das variações doindice de retração sozinho ao longo do campo de mediçãoentre as duas camadas Vl e V2, que inclui, por exemplo, umvórtice. Uma vez que as influências atmosféricas sãoidênticas ao longo das vias de trânsito compartilhado, elasnão são levadas em conta na correlação cruzada de modo queapenas a influência da porção compartilhada entre as duascamadas permanece.

Como já foi discutido acima, esta variação do índicede refração reflete essencialmente as não homogeneidades detemperatura da turbulência. No entanto, uma vez que essaturbulência é continuamente gerada a partir da energiacinética do ar deslocado e, ao mesmo tempo, como resultadoda difusão de calor e convecção, desaparece novamente apartir dos vórtices, este campo de temperatura age como umamedida padrão que indica ainda a estrutura existente deturbulência.

Com o uso de pulsos de laser emitido periodicamente(por exemplo, 10 Hz) , em um intervalo τ é possível, porexemplo, a uma velocidade de aterrissagem de aeronavetípica de 100 m/s, para obter imagens secionais daturbulência em um espaçamento de, por exemplo, 10 m. Em umtempo de comutação típica das câmeras de 2 χ at, aespessura da tela de projeção da atmosfera seria 2 σζ = 3m. Neste caso, a distância da camada entre Vl e V2 é, porexemplo, selecionada para ser igual distância ao longo daqual a aeronave voa entre dois pulsos, At = 10 m. Noentanto, entende-se que todos os parâmetros, por exemplo, otempo de medição at, o tempo entre dois pulsos de laser T eo intervalo de tempo entre a captura das duas imagens comas câmeras 2 χ At, são selecionáveis à vontade, dentro decertos limites, e podem, por exemplo, ser correspondentes àvelocidade da aeronave e a velocidade de vórtice esperado eresolução de medição pretendida.

A figura 2 mostra um sistema lidar 200, de acordo comuma segunda concretização preferida da invenção, por meiodo qual a apresentação do desenvolvimento ao longo do tempodos vórtices é possível. Em outras palavras, não é possívelapenas mostrar a não homogeneidade do ar no momento, ouseja, congelado no tempo, mas também é possível obter umaimagem direta do campo de velocidade do ar turbulento.Componentes e elementos do sistema lidar mostrado na figura2, que têm essencialmente a mesma função que eles fazem nosistema mostrado na figura 1, têm a mesma referêncianumérica da figura 1.

No sistema lidar mostrado na figura 2, em vez de umúnico pulso de laser, em cada caso, um par de pulsos éemitido em um intervalo de tempo de στ. Lasers estãodisponíveis no mercado que emitem tais pulsos duplos, comum intervalo de tempo ajustável (por exemplo, 1-30 ms,geralmente dois lasers sincronamente comutados Q). Ascâmeras amplificadoras de correspondentes, que podem captare armazenar duas imagens em intervalos de tempo muitocurtos e variáveis também estão disponíveis.

Neste arranjo, os detectores 21, 22 são projetadoscomo câmeras de dupla exposição ou câmeras de lapso detempo, e o laser 10 é projetado como um laser de pulsoduplo.

Com a combinação do laser de pulso duplo 10 e ascâmeras de dupla exposição ou lapso de tempo 21, 22, pormeio do primeiro pulso de laser L, primeiro, uma correlaçãocruzada das imagens 1 e 2 a partir dos volume de medição Vle V2 podem ser conduzida, seguida por uma correlaçãocruzada das imagens I1 e 2' que são tomadas com o segundopulso laser L1 a partir do mesmo volume de medição Vl e V2.A partir das duplas imagens assim obtidas do movimento deturbulência em momentos diferentes, após uma segundacorrelação do deslocamento de speckle, as velocidades demovimentação de ar são mostrados. Por exemplo, se ointervalo de tempo dos pulsos duplos é de 1 ms, e avelocidade do ar no vórtice é de 50 m/s, os specklesmoveram-se por 50 mm. A uma taxa de captura de imagem de 1/ 100, isso corresponde a um deslocamento de 500 um noplano focai da câmera com um espaçamento de pixel de 10 μπι.

Um correlator 31 é utilizado para a correlação dasimagens 1 e 2 que são tomadas com o primeiro pulso L, e umcorrelator 32 é utilizado para a correlação das imagens I1e 2' que são tomadas com o segundo pulso L'. Um outrocorrelator 33 é utilizado para a segunda fase decorrelação, na qual, pela correlação dos sinais de saidados correlatores 31 e 32, as velocidades de movimentação doar são determinadas.

A apresentação ao longo do tempo do movimento dospeckle está associada com uma vantagem em que, ao mesmotempo, o movimento do eixo de medição da aeronave éapresentado na imagem. Em um intervalo de tempo entre doispulos de ΔΤ = 1 ms, em uma velocidade de aeronave de ν =100 m/s, esta se move para frente por 0,1 m. Em um angularde desvio do eixo φ = Io, o ponto de medição associado foiradialmente movido do eixo de movimento por ar = τ ν tgcp =1,7 mm ou com uma taxa de captura de imagem de 1:100 por 17μπι no plano da câmera, que corresponde a 1,7 vezes odiâmetro do pixel. A partir do fluxo visual deste centro demovimento por meio de um pequeno número de medições, osângulos de ataque e ângulos de desvio da aeronaveprojetados na camada de medição são derivados, comomostrado na figura 4, que é particularmente benéfica para ocontrole de vôo.

Em vez de utilizar uma câmera de dupla exposição oucâmara de lapso de tempo, há uma opção de utilização dequatro câmeras diferentes, em que duas câmeras, então, emcada caso, capta uma imagem dos sinais de luz espalhadospor retorno de pulsos de laser, e todas as câmaras sãocolocadas em um eixo óptico compartilhado por meio dedivisores de feixe.

Nas concretizações mostrada nas figuras 1 e 2, o feixelaser direto é utilizado como um feixe de medição. 0referido feixe de medição pode ter um gradiente deintensidade suave ao longo da seção transversal do laser,por exemplo, um modo de base com perfil gaussiano. Noentanto, o gradiente de intensidade pode ser quebrado emmodos transversos maiores e pode variar de pulso paropulso. Na primeira aproximação, isto não influencia ométodo proposto, uma vez que esta modulação de intensidadeadicional é anulada durante a correlação das imagens despeckle com o mesmo pulso de laser de diferentesdistâncias. Apenas a parte da mudança de speckle permanecena distância diferencial como parte da correlação.

A figura 3 mostra um sistema lidar 300 em que um feixede medição S é gerado, transversal, cujo gradiente deintensidade é estatisticamente modulado por meio de ummodulador espacial 50, no momento em que deixa o lidar.Neste arranjo, o laser 10 emite luz para uma micro-display51, que é controlado por meio de um gerador de imagemaleatório 52 de modo a realizar a modulação estatística dofeixe de laser S. Os caracteres de referência restantesdesignam componentes e elementos como já foi descrito acimano contexto das figuras 1 e 2.

De uma forma que é análoga àquela na concretizaçãoexemplificativa das figuras 1 e 2 descritas acima, odeslocamento da imagem nos padrões de modulação da luzlaser espalhada por retorno é determinada e usada como umamedida de desvio do feixe na turbulência. Como é o caso dosexemplos fornecidos pelas figuras 1 e 2, desta forma, épossível adquirir seletivamente a perturbação do ar nomomento, ou adquirir o movimento do ar no momento. Autilização da concretização mostrada na figura 3 éadequada, em especial naqueles casos em que a formação despeckle depois de passar pela turbulência não é muitoacentuada, por exemplo, quando fontes laser de banda largacom apenas comprimento de coerência muito curto no tempo(por exemplo, lasers femtosecond) são utilizados, ou quandosão utilizadas fontes de laser que são espacialmente muitoprolongadas, por exemplo, após o feixe ter atravessadofeixes de fibras ou telas de difusão.

Nas concretizações mostradas, existem várias opçõespara o projeto óptico do sistema lidar em relação à energiade pulso, intervalo de pulso, diâmetro de feixes detransmissão, divergência de feixe transmissão dotransmissor de laser, diâmetro de abertura e comprimentofocai do telescópio de recepção e número de pixel ediâmetro de pixel das câmeras. Há também a opção de usarlentes de zoom de comprimento focai variável comotelescópios transmissor e receptor.

Uma vez que as lentes de medição ou os vórticesindividuais são quase rotacionalmente simétricos, e o parde vórtices é axialmente anti-simétrico, não é necessáriocaptar a imagem de toda a área da seção transversal deambos os vórtices sem quaisquer lacunas. Em vez disso, ésuficiente que apenas regiões parcial individuais, porexemplo, círculos medição de um determinado número ediâmetro, sejam visualizados através da seção transversal,o que resulta em economias significativas de energia dopulso laser.

Para esse propósito, de acordo com um projeto especialda invenção, a divisão do feixe de medição em feixes demedição discretos individuais ocorre por meio de um divisorde feixe holográfica ou grade de transmissão 51, comomostrado na figura 5, que divide um feixe de laserincidente por difração em uma série de feixes parciaisidênticas sem isso resultar em significativas perdasglobais. Os feixes parciais são, então, espalhados ourefletidos pela camada da atmosfera V que forma o volume demedição. Como mostrado na figura 6, dividir um feixe em 4x3feixes resulta em uma iluminação de um total de 64 χ 48pixels no plano focai da câmera, a câmera incluindo, porexemplo, um número global de 640 χ 480 pixels. Com umalente de zoom como um telescópio de recepção, círculos demedição seriam fotografados de maneira diferente,dependendo da configuração no plano focai. Além disso, umamudança do divisor de feixe holográfico 51 para um númerodiferente de círculos de medição dependendo da distância demedição seria possível.

É uma condição da invenção que a intensidade dossinais luminosos de um feixe laser pulsado expandido, quesão sinais luminosos espalhados por retorno da atmosfera,seja suficiente para permitir a obtenção de imagens dacâmera speckles definida a partir de uma camada de armedição em uma distância de medição determinada. Isto deveser mostrado abaixo.

O espalhamento por retorno ocorre a partir demoléculas de ar e aerossóis, em que para a captura deimagem de speckle, o espalhamento molecular é maisimportante, devido à sua continuidade. A intensidade doespalhamento molecular aumenta proporcionalmente comcomprimentos de onda em λ"4 mais curtos, do espalhamento deaerossol proporcionalmente com λ"1'3, isto é, é maisfavorável captar a imagem de espalhamento em comprimentosde onda o mais curto possível, ou seja, no espectro UV.Dado que a eficiência quântica dos fotocátodos das câmerasde CCD de placa de múltiplos canais de intensificação deimagem, que são adequadas para a presente aplicação, tambémé muito alta (30-40%) o uso de laser de comprimento de ondano intervalo de UV de 230 nm a 400 nm é proposto.Considerando a tecnologia dos dias de hoje, por exemplo, umlaser ND:YAG de freqüência quadruplicada ou de freqüênciatriplicada com comprimentos de onda de 2 66 nm e 355 nm podeser considerado para esse fim.

Comprimentos de onda inferiores a 400 nm proporcionamuma vantagem adicional na medida em que, neste caso, asregulamentações de segurança de laser permitirem energia depulso que é superior em cerca de IO4 que é o caso comcomprimentos de onda acima de 400 nm. No intervalo decomprimento de onda de cerca de 220 nm a 295 nm (banda deHartley), existe uma outra vantagem em que a irradiaçãosolar, devido à absorção da camada de ozônio a uma altitudede 25-50 km cai a um nível imperceptivelmente menos (regiãode escuridão solar), embora a transmissão da atmosfera aolongo de várias centenas de metros é pouco dificultada, oque facilita significativamente a medição de sinais delaser muito fracos contra um forte plano solar.O número de fótons recebidos do espalhamento porretorno Np dependendo do N0 emitido, o coeficiente deespalhamento por retorno de volume β, o coeficiente deamortecimento atmosférico a, a distância ζ e a superfíciede abertura A do telescópio receptor, T0 da transmissãoóptica do sistema lidar, onde c denota a velocidade da luze τ representa a duração da medição, pode ser calculado pormeio da conhecida equação lidar:

Np - N0 (cr) β Α/έ T0 exp(- 2 Ja dz)

ou o número NE dos fotoelétrons da câmera em relação àenergia de pulso Eo com N0 = Eo (λ/ hc) , onde h denota aconstante de Planck, λ, o comprimento de onda e Q, aeficiência quântica do fotocátodo, com:

Ne = E0 (Mhc) (ct) β AJtt T0 exp(- 2 Ja dz)Q

Abaixo, alguns exemplos de projeto e exemplosnuméricos de um campo de aplicação de um sistema lidar, nosentido da invenção são indicados.

β = 2,5 χ IO"5 m"1 sr"1, coeficiente de espalhamento porretorno de volume molecular da atmosfera perto do solo em λ= 0,266 pm β

z = 100 m, distância para o volume de mediçãoA = 3 χ 10 2 m2, abertura de uma área de um telescópiode recepção com abertura D = 20 cm.

τ = 10 ns, duração de medição, com uma espessura dacamada de Cx = 3 m

T0= 0,4, como a transmissão total da óptica.

Q = 0,3 eficiência quântica do fotocátodo.exp. () = 0,8, transmissão da atmosfera até adistância de medição de 100 m.

Eo = 1 mJ

= 2 χ 104 fotoelétrons por energia pulso de laser.

Com um número de pixels 64 χ 48 e uma energia de pulsode 50 mJ, 325 fotoelétrons resultariam, então, parailuminar uma único pixel de imagem, o que é perfeitamenteadequado como iluminação de pixel média. Em outros casospráticos, os valores poderiam ser significativamentediferentes dos valores atualmente assumidos.

Na combinação de câmeras sensíveis e de rápidacomutação, de preferência, um laser no espectro de UV epossivelmente no alcance visual seria utilizado. Para geraros pulsos de laser típicos com uma duração de 5 ns a 20 ns,neste momento, lasers de corpo sólidos são mais adequados,por exemplo lasers ND: YAG com seu comprimento de onda basede 1064 μπι, emissão de freqüência duplicada a 0,53 pm noespectro visível e emissões triplicadas a 0,355 mm ouemissões quadruplicadas a 0, 266 μιτι no espectro de UV comuma seleção correspondente de materiais de fotocátodo dacâmara, que também estão todos disponíveis no mercado.

Lasers de pulso duplo deste tipo com um ajuste contínuo dointervalo de pulso de 1 a 20 ms estão também disponíveis nomercado.

Medir os campos de turbulência no terreno, em umparque eólico e no aeroporto, ou de uma aeronave e ligadoao sistema de controle de vôo, tipicamente ocorre a umadistância de medição de 50 m para 200 m. A necessáriadistância de medição pode ser considerada tipicamente 100m; a necessária expansão do feixe de laser, a fim deiluminar uma área está a poucos graus; o comprimento axialdo volume de medição desejado é de 3 m (correspondendo auma duração de medição de 10 ns); a freqüência de repetiçãode pulso do laser e a freqüência de seqüência de imagem dacâmera é de 10 a 20 Hz. A resolução de medição desejada davelocidade do vórtice de ar é de cerca de 1 m/s; aresolução de imagem típica está no formato VGA ou 640 χ 480pixels, com um diâmetro de pixel da câmara de 10 μπ\.

Um telescópio de transmissão para expandir o feixelaser e um telescópio de recepção para receber a luzespalhada por retorno da atmosfera são usados com os eixosópticos paralelos como é usual no caso de sistemas lidar.Resultados dos cálculos numéricos e medições mostram queuma energia de pulso do feixe de transmissão 20-100 mJ paracada pulso em uma atmosfera clara é suficiente paraassegurar uma adequada relação sinal-ruido na imagemespalhada por retorno, por exemplo, para o número de 100 χ100 pixels.

A fim de alcançar um longo intervalo, por exemplo, emexcesso de 1.000 m (aumentando a distância de 100 m para1000 m eqüivale a um fator de 100 na redução da intensidadedo sinal) , por exemplo, a energia de pulso pode seraumentada, ou a duração da medição, ou seja, a espessura dacamada espalhada por retorno pode ser selecionada para serproporcionalmente mais longa. Para intervalos mais longos,também é possível reduzir significativamente o número depixels iluminados.

Em uma relação de imagem de 1:100 do telescópio derecepção, o tamanho do pixel a uma distância de 100 m é 1mm, e, a 1 m/s a partir de uma imagem para a outra em umintervalo de pulso de 1 ms, a trajetória de uma partícula éde 1 m/s χ IO"3 s = 1 mm ou 1 pixel, em comparação com otamanho do speckle de 5 mm. A profundidade de campo de umtelescópio de recepção típico de diâmetro de abertura de 20cm e uma distância focai de 1 m, a uma distância de 100 m,é de cerca de 20 m, que pode incluir a extensão axial detodos os vórtices típica de modo que estes possam então serenglobados sem ter de reorientar o telescópio, e sãoenglobados pelo simples deslocamento de tempo da região derecepção da câmera, no caso estacionário com uma resoluçãolongitudinal de 3 m. Uma vez que a velocidade típica dedecolagem e aterragem de uma aeronave é de cerca de 100m/s, a aeronave avança por aproximadamente 3 metros entrecada dois pulsos de laser e a captura de imagens pelacâmera. Nesse caso, seria assim possível obter as mesmascondições que em um processo estacionário, exceto semdeslocamento de tempo da exposição da câmera de pulso parapulso.

Todos os métodos de medição propostos no presentedocumento partilham uma característica comum na medida emque, durante todo o processo de medição, mudançasformatadas em área em um estado são medidas a partir de umvolume de medição definido em momentos diferentes. No casodos sistemas lidar estacionários, esta questão nãoapresenta problemas específicos. Neste caso, o local demedição em um de tempo de trânsito de pulso fixado passagemé fixo, e o intervalo de tempo entre duas imagenscapturadas pode ser configurado com a utilização de pulsosduplos com um intervalo de tempo ajustável. Uma vez que umsistema lidar na aeronave está em movimento por si só, deveser assegurado que, apesar da diferença temporal entre asimagens, o mesmo volume de medição é adquirido e que,apesar do próprio movimento das aeronaves qualquer eventualinfluência sobre a medição individual permanece mínima.

De acordo com um aspecto particular, a invençãodescreve um método para aquisição e medição da turbulênciado ar com um sistema lidar, em que um feixe laser pulsadoexpandido de um determinado comprimento de onda é emitidopara uma área espacial, e a luz espalhada por retorno destaárea espacial é recebida, em que, após um determinado tempode trânsito do feixe de laser através da atmosfera, asimagens da distribuição de intensidade na seção transversaldo feixe laser são tomadas com câmeras durante umdeterminado período de exposição, após o qual adistribuição de intensidade é avaliada.

Preferencialmente, a distribuição de intensidade éavaliada por quebra do feixe laser inicialmente nãoperturbado em speckles na turbulência do ar.

Vantajosamente, o feixe laser cuja distribuição deintensidade foi previamente modulada no lidar, onde o feixelaser também foi influenciado na turbulência do ar, éavaliado.

Claims (22)

1. Método para medir turbulência de ar por meiode um sistema Lidar, em particular a bordo de aeronaves,método em que um feixe laser expandido pulsado (12) decomprimento de onda predeterminado é emitido para uma á-rea espacial, e luz dispersa de retorno a partir destaárea espacial é recebida, sendo que um pulso de laser éemitido e, em um primeiro ponto no tempo tl e em um se-gundo ponto no tempo t2, após a emissão do pulso de laser(L) , a distribuição de intensidade na seção transversalda luz dispersa de retorno é medida e, a partir da compa-ração das duas distribuições de intensidade, a turbulên-cia de ar em um campo de medição determinado pelos pontosno tempo tl e t2 é determinada,caracterizado pelo fato de que,em virtude da respectiva medição da distribuiçãode intensidade, pontos que surgem durante a dispersão deretorno do pulso de laser (L) a partir de moléculas de are aerosóis são detectados na seção transversal da luzdispersa de retorno, e a turbulência de ar é determinadaa partir da comparação dos padrões dos pontos.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, ca-racterizado pelo fato de que imagens das distribuições deintensidade são tomadas nos dois pontos no tempo tl e t2por meio de uma câmera (21, 22) em uma duração de exposi-ção definida e, a partir das imagens que surgem, é produ-zida uma representação de imagem da variação de índice derefração no campo de medição.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizado pelo fato de que a correlação transversaldas distribuições de intensidade é efetuada para exibir,como uma imagem, a variação de índice de refração no cam-po de medição.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que um grandenúmero de pulsos de laser (L) é determinado periodicamen-te, a fim de realizar uma pluralidade de medições a in-tervalos de tempo definidos.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, ca-racterizado pelo fato de que o método é realizado a bordode uma aeronave, onde a freqüência de pulso dos pulsos delaser (L) emitidos, dependendo da velocidade de vôo, éselecionada de modo que a turbulência de ar é determinadaa uma distância definida na frente da aeronave.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a cadapulso de laser (L) um pulso de laser (L' ) adicional é e-mitido a fim de formar um pulso duplo, onde a partir decada um dos pulsos de laser (L, L' ) a turbulência de arno campo de medição é determinada e, por correlação dasduas medições, determina-se a velocidade do movimento doar na turbulência de ar.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, ca-racterizado pelo fato de que, para cada pulso de laser(L, L' ) do pulso duplo, são tomadas imagens de distribui-ções de intensidade nos pontos no tempo tl e t2 após aemissão do respectivo pulso de laser (L, L' ) , onde, pormeio de correlação dupla das imagens, a velocidade do mo-vimento do ar na turbulência de ar é apresentada.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o feixe delaser (12) emitido é modulado em seu gradiente de inten-sidade através de sua seção transversal.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o feixe delaser (12) emitido é dividido em vários feixes parciais,que formam círculos de medição dentro do feixe de laserexpandido.

10. Método de acordo com qualquer uma das rei-vindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que um la-ser de pulso duplo (10) é utilizado para gerar o feixe delaser (12).

11. Método de acordo com qualquer uma das rei-vindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que pelomenos duas câmeras (21, 22) são utilizadas para tomar i-magens das distribuições de intensidade nos pontos notempo tl e t2 após a emissão do pulso de laser (L).

12. Sistema Lidar, para medir turbulência de ar,em particular para aeronaves, compreendendo:- um laser (10) para emitir um feixe de laserexpandido pulsado de comprimento de onda predeterminado auma área espacial;caracterizado pelo fato de que,- um detector (21, 22) para medir a distribuiçãode intensidade na seção transversal da luz dispersa deretorno a partir da área espacial em um primeiro ponto notempo tl e em um segundo ponto no tempo t2 após a emissãode um pulso de laser (L), em que os pontos no tempo tl et2 definem um campo de medição,- uma unidade de sincronização (25) que acopla odetector (21, 22) ao laser (10) a fim de iniciar a medi-ção nos pontos no tempo tl e t2; e- uma unidade de avaliação (30; 31, 32, 33) que,a partir de uma comparação das distribuições de intensi-dade medidas, determina a turbulência de ar, sendo que,o detector (21, 22) está projetado para determi-nar a posição de pontos que surgem quando o pulso de la-ser (L) é disperso de retorno a partir de moléculas dear, e a unidade de avaliação (30; 31, 32, 33) está proje-tada para comparar padrões de pontos a fim de determinarturbulência de ar a partir deles.

13. Sistema Lidar, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o detector (21, 22)compreende pelo menos uma câmera que toma imagens das dis-tribuições de intensidade nos dois pontos no tempo tl e t2numa duração de exposição definida, em que, a partir dasimagens que surgem, a unidade de avaliação (30; 31, 32, 33) produz uma representação de imagem da variação de Ín-dice de refração no campo de medição.

14. Sistema Lidar, de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que a unidade de a-valiação (30; 31, 32, 33) está projetada para efetuar umacorrelação transversal das distribuições de intensidade,a fim de exibir, como imagem, a variação de índice de re-fração em um campo de medição que é definido pelos pontosno tempo tl e t2.

15. Sistema Lidar, de acordo com qualquer umadas reivindicações 12 a 14, caracterizado pelo fato deque o laser (10) está projetado para emitir um grande nú-mero de pulsos de laser (L) a fim de efetuar um grandenúmero de medições a intervalos de tempo determinados.

16. Sistema Lidar, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que ele está projetado pa-ra uso a bordo de uma aeronave, em que a freqüência dospulsos de laser emitidos (L), dependendo da velocidade daluz, é selecionado de modo que a turbulência de ar é de-terminável a uma distância definida na frente da aeronave.

17. Sistema Lidar, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 12 a 16, caracterizado pelo fato de que olaser (10) é um laser de pulso duplo, o qual, a cada pulsode laser (L) , emite um outro pulso de laser (L' ) , em que,a partir de cada pulso de laser (L, L'), a unidade de ava-liação determina a turbulência de ar no campo de medição,e, por correlação das duas medições, determina a velocida-de do movimento do ar na turbulência de ar.

18. Sistema Lidar, de acordo como a reivindica-ção 17, caracterizado pelo fato de que, para cada pulsode laser (L, L') do pulso duplo, o detector (21, 22) tomaimagens das distribuições de intensidade nos pontos notempo tl e t2 após a emissão do respectivo pulso de laser(L, L' ) , e, por meio de correlação dupla das imagens, aunidade de avaliação (311, 32, 33) apresenta a velocidadedo movimento do ar na turbulência de ar.

19. Sistema Lidar, de acordo com qualquer umadas reivindicações 12 a 18, caracterizado por um modula-dor espacial (50) que modula o feixe de laser (12) emiti-do em seu gradiente de intensidade através de sua seçãotransversal.

20. Sistema Lidar, de acordo com qualquer umadas reivindicações 12 a 19, caracterizado por uma gradede transmissão holográfica (51) para separar o feixe delaser (12) emitido em vários feixes parciais.

21. Sistema Lidar, de acordo com qualquer umadas reivindicações 12 a 20, caracterizado pelo fato deque o detector (21, 22) compreende pelo menos duas câme-ras a fim de tomar imagens das distribuições de intensi-dade nos pontos no tempo tl e t2 após a emissão do pulsode laser.

22. Aeronave, em particular um avião ou um heli-cóptero, caracterizada por um Sistema Lidar, de acordocom qualquer uma das reivindicações 12 a 21.