CA2246829A1 - Dispositif optique de detection de conditions givrantes sur aeronef - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif optique de détection de conditions givrantes embarqué dans un aéronef. Il comprend en outre: - des moyens d'émission d'un faisceau optique pour créer au moins un volume de mesure extérieur éclairé, au travers duquel circule un flux d'air chargé de particules d'eau; - une optique collectrice d'une partie au moins du faisceau lumineux rétrodiffusé par les particules d'eau (le volume de mesure extérieur étant situé sur l'axe optique de ladite optique collectrice); - des moyens de photodétection de faisceau optique rétrodiffusé; - un dispositif de traitement du signal délivré par les moyens de photodétection pour calculer la sévérité des conditions givrantes; - des moyens d'information sur les conditions givrantes à partir de la sévérité des conditions givrantes. Avantageusement, il comprend des moyens optiques de différenciation de particules d'eau liquide et de particules d'eau solide basés sur des analyses de polarisation.
Description
DISPOSITIF OPTIQUE DE DETECTION DE CONDITIONS GIVRANTES
SUR AERONEF
Le domaine de l'invention est celui de la détection de conditions givrantes pour les aéronefs. Le problème de formation rapide de givre reste a l'heure actuelle un problème grave pouvant entrainer des accidents lorsqu'il se produit soudai~e",t:"L et qu'il n'a pu être détecté en amont.
La mesure de la sécurité des conditions givrantes dépend des pdrdlllt~ S suivants:
- la température;
- la sévérité des conditions givrantes qui est égale au produit de la concentration d'eau par la vitesse de l'aéronef.
0 Actuellement les aéronefs sont équipés de sonde de température leur vitesse est connue mais la sévérité des conditions givrantes n'est pas d~ i"~:e.
Les systèmes actuels de mesure détectent l'apparition de givre mais ne d~t~""i"e"l pas les conditions givrantes. Les aéronefs peuvent nuld"""e"l être équipés de protubérance de type barreau. Lorsque le barreau a givré on envoie de la puissance électrique pour le dégivrer. Un voyant lumineux informe alors le pilote de l'aéronef qu'il est temps de déclenul ,t:r le dispositif de dégivrage.
Des dispositifs prédictifs voisins existent; ils consistent à chauffer 20 en permanence le barreau la puissance électrique nécessai,~: au chauffage augmente lorsque des particules d'eau viennent en contact dudit barreau. Le suivi de l'évolution de la puissance électrique à déployer donne une indication des conditions givrantes.
Néanmoins dans les dispositifs de l'art antérieur il est nécessaire 25 d'utiliser une protubérance en plus des sondes de températures existantes alors que l'on cherche en p~l Illdl n3llce à perfectionner l'aérodynamisme des aéronefs.
C'est pourquoi l'invention propose un dispositif optique de détection de conditions givrantes lul1-lionna~1 à travers une fenêtre optique 30 de l'avion ou même à travers la sonde de température comme il sera explicité ultérieurement.
' . CA 02246829 1998-09-04 Plus ~ cise",e"l, I'invention a pour objet un dispositif optique de détection de conditions givrantes embarqué dans un aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend en outre:
- des moyens d'émission d'un faisceau optique pour créer au 5moins un volume de mesure extérieur éclairé, au travers duquel circule un flux d'air chargé de particules d'eau;
- une optique collectrice d'une partie au moins du faisceau lumineux rétrodiffusé par les particules d'eau;
- des moyens de phul~ .cl~.lio" de faisceau optique rétrodiffusé
0(le volume de mesure extérieur étant situé sur l'axe optique de ladite optique collectrice);
- un dispositif de traitement du signal délivré par les moyens de phu~Jdi5~.1ioll pour calculer la sévérité des conditions givrantes;
- des moyens d~illru,,,,dlio,l sur les conditions givrantes à partir de la sévérité des conditions givrantes.
Avantageusement, les moyens d'émission peuvent co~ J,tl,ld,~
une source de type diode laser de faible ~nco",b,t:",dlll et faible poids, le dispositif de l'invention ne né~ s~i~d"l pas d'utiliser de fortes puissances 20 optiques, quelques mWatts étant suffisants. On peut ainsi faire run-liollllerla sonde sans faire prendre de risque oculaire à une personne qui mettrait son oeil dans le faisceau optique émis.
Selon une variante de l'invention, il est possible de procéder à
une analyse très fine des conditions givrantes en dirr~,~ncia"l les particules 25 d'eau liquide à l'état surfondu (température inférieure à 0 degré) et les particules d'eau solide. En effet, les particules d'eau liquide représentent un danger accru, dans la mesure où elles viennent givrer instantanément sur l'aéronef lorsqu'elles rentrent en collision avec lui. Cette analyse repose sur le fait que des gouttes d'eau surfondues conservent la polarisation linéaire 30 alors que des cristaux de glace dépolarisent la lumière.
Pour mettre en oeuvre cette analyse, le dispositif optique selon l'invention peut coll~ n~ au niveau de l'optique collectrice: un séparateur de polarisation de manière à isoler les faisceaux optiques rétrodiffusés de poldlisd~ioll différente; les moyens d'émission ayant en 35 amont délivré un faisceau optique polarisé. Ces deux faisceaux optiques rétrodiffuses peùvent simultanément être détectés par deux phuludi:le~ urs ou bien peuvent être détectés par un unique photodétecteur, après avoir été
séparés Idl l l,uu~ . l n ~
Le dispositif optique peut ~iydl~"~e"l Cu~ n.ll~ au niveau des 5 moyens d'émission un élément t,i, ~r, i"ge"l capable de générer deux faisceaux optiques de poldl isdliu,, différente dans des directions légèrement dirre,~"lds et ainsi deux volumes de mesure éclairés décalés et donc deux faisceaux optiques rétrodiffusés également décalés.
Selon une variante de l'invention, le dispositif optique peut être 1 û intégré dans l'aéronef et runuliollner à travers une fenêtre optique.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif optique peut être intégré à la sonde de température. Une telle configuration comprend:
- une fibre optique pour l'émission reliant les moyens d'émission intégrés à l'aéronef jusqu'à l'extrémité extérieure de la sonde de température;
- une fibre optique pour la réception reliant l'extrémité extérieure de la sonde de température jusqu'aux moyens de reception et de traitement du signal, intégrés à l'aéronef.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 20 apparaîtront à la lecture de la desul i,ulioll qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles:
- la figure 1 illustre un schéma du dispositif optique de détection de conditions givrantes;
- la figure 2 illustre un premier exemple de dispositif optique de détection de conditions givrantes colllpl~lldlll des moyens de .lirrdldncidlioll des particules d'eau liquide et des particules d'eau solide et deux fJhulud~le~l~urs;
- la figure 3 illustre un deuxième exemple de dispositif optique de conditions givrantes l,olll,ul~lldlll des moyens de dirri:~ncidlio,l des particules d'eau liquide et des particules d'eau solide avec un photodétecteur;
- la figure 4 illustre un troisième exemple de dispositif optique de conditions givrantes uulll,ul~lldlll des moyens de dirrul~,lcidlion des particules d'eau liquide et des particules d'eau solide avec 3s un élément biréfringent et un polariseur;
- la figure 5 illustre une configuration dans laquelle le dispositif de l'invention est intégré au niveau de la sonde de température.
Le dispositif optique de détection de conditions givrantes est essentiellement constitué dans sa version de base comme illustré en figure 1:
- de moyens d'émission 1 d'un faisceau optique dirigé vers l'extérieur de l'aéronef, au travers de la peau de l'aéronef P, de manière à créer un volume de mesure éclairé V, traversé par 0 un flux d'air chargé de particules d'eau;
- une optique collectrice 2, d'au moins une partie du faisceau optique rétrodiffuse par les particules d'eau;
- des moyens de phot~dét~ction 3, du faisceau rétrodiffusé;
- un dispositif 4 de traitement du signal délivre par les moyens de phuludel~:uliul- 3 de manière à dt~ ""i,ler la ~onculllldliun en particules d'eau dans l'air;
- des moyens d~illru,l,,dlio,, 5 sur les conditions givrantes à partir des données délivrées par le dispositif 4, des données de température délivrées par une sonde de température 6.
Selon un premier exemple de dispositif optique selon l'invention, I'optique collectrice comprend des moyens de dirru~t:n-,idlion des particules d'eau liquide et de particules d'eau solide par analyse de la polarisation. Un tel exemple de dispositif est illustré en figure 2.
Les moyens d'émission peuvent ~,o" ,,u, u,ldl u une diode laser polarisée û1, émettant par exemple dans le visible ou le proche infrarouge (entre 4ûû nm et 1 500 nm), une optique de " Ildliull 11 et un prisme de déviation 21, de manière à créer un volume de mesure éclairé V sur l'optique M' de l'optique collectrice, au travers du hublot H de l'aéronef, situé au niveau de la peau de l'aéronef P.
Typiquement, les moyens d'émission peuvent genérer à
l'exterieur de la peau de l'aéronef, a une distance d'environ 100 mm, pe""~lld"l de faire la mesure en-dehors de la couche limite de l'aéronef (zone dans laquelle les mesures ne seraient pas luplc:aullldli\/es) tout en conservant une puissance émise raisonnable, un volume de lumière polarisée dont les di",ensiol ,s sont inférieures au mm, dimension en deçà de laquelle on peut montrer que la ~,"' ' I;'' d'avoir deux particules simultanément dans le volume de mesure est quasi-nulle.
L'optique collectrice peut co",,u,~"d,~ une optique de ruc~.';sdliOrl û2 de faible diamètre (1û à 2û mm) et un module optique de filtre à bande 5 étroite (typiquement de l'ordre de 1û nm) 12, pt~ tltdlll le filtrage de l'éclairement solaire. L'optique collectrice peut collllull:nd~: également un séparateur polarisant 22, qui peut être soit un cube séparateur polarisant soit un séparateur bil ~r, il Iyel lL
Les moyens de ph[~ d~ ", co",p~n,le"l dans cette variante, 0 deux phulud~ urs 13 et 23 qui récupèrent des faisceaux optiques de poldlisdliuns croisées. La polari~dlion du faisceau optique rétrodiffusé par des particules d'eau liquide, est identique à celle du faisceau optique incident, on récupère au niveau d'un uhul~d~l~[.l~ r 13 un signal 11L relatif à
ce faisceau optique rétrodiffusé, par contre le ,uhulodéteul~-lr 23 récupère un signal réel relatif à une pOIdl iadliOIl croisée (12L = û).
La pold~i~dlion du faisceau optique rétrodiffusé par les particules d'eau solide, est modifié par rapport à celle du faisceau optique incident. Les deux photodétecteurs 13 et 23 récupèrent des signaux 11S et 12S, lors du passage d'une particule dans le volume de mesure.
Le dispositif selon l'invention comprend les -' "e"ldliu,ls 1 û
nécessai,~s aux moyens d'émission et aux moyens de réception.
Le dispositif de traitement du signal comprend:
- des moyens 14 et 24 de filtrage des signaux reçus par les phuludiodes 13 et 23;
- des moyens 34 et 44 d'dl I Ir l;~icdlioll électronique à gain variable de signaux;
- une électronique 54 effectuant le traitement mathématique des signaux reçus (~ulllllldlion, Collludldisu" des 2 voies, calcul de la sévérité des conditions givrantes).
Les CdldUIt~ liques principales du signal sont:
- sa largeur te~ll,uult:lle qui dépend de la vitesse de la particule et des di",e,lsiul,s du volume de mesure (typiquement la durée - vaut 1,us);
- son amplitude qui depend de la taille de la particule;
- son taux de polarisation qui dépend de la forme et donc de la nature de la particule. En effet les gouttes d'eau surfondues de forme sphérique conservent la polarisation alors que les cristaux de glace d, :pola, i:,e"l la lumière.
La chaîne électronique placée en aval des photodiodes assure les fonctions suivantes:
- les moyens de filtrage 14 et 24 permettent de notablement diminuer le bruit;
- les moyens d'dllll 'iF;- ' 134 et 44 peuvent avantageusement 0 être à gain variable de façon à obtenir des signaux p, upo, lio""els au volume des gouttes d'eau;
- I'électronique 54 assure le calcul du volume total des gouttes d'eau passant par unité de temps par so,~ dlioll des signaux obtenus sur les deux voies. Elle assure égale",~l)l le calcul du taux de poldliadlioll par calcul du rapport d'énergie entre les signaux des deux voies et ainsi la d~le,l"i"dlioll de la nature des particules.
L'électronique permet ainsi de connaître la quantité d'eau liquide passant par unité de temps et sa nature.
Cette i~ru~ dlion couplée à l'illrurllldliull de température (sonde de température 6 de la figure 1) permet ainsi de di~ er la sévérité des conditions givrantes.
Dans l'exemple de dispositif qui vient d'être décrit les moyens d'émission et l'optique collectrice co",p,~""~"l des moyens de ruca';sdlioll distincts. Selon une autre variante de l'invention il est possible de remplacer le prisme 21 et l'optique û2 par une lentille de champ unique placée contre le hublot et centrée sur l'axe optique M'.
Selon un dispositif de l'invention partiç~ ",e"l illl~ ssd"l les moyens d'émission et de réception sont disposés de telle manière que le 30 faisceau optique incident présente une direction faisant un angle dit ~ d'arcen ciel ~ de l'ordre d'une quarantaine de degrés avec l'axe optique M'. En effet on peut montrer que dans cette configuration les gouttes d'eau vont rayonner vers la partie réceptrice un ra~.unllt~ lll intense et fortement polarisé. Ce rayonnement est cdlauli~ ue de gouttes d'eau sphériques 3s d'indice optique 1 33 (udld~ ique de l'eau).
Selon un second exemple de dispositif de détection de conditions givrantes les moyens de uhu~ l;oll peuvent uolllult:nd~t: un ph~t~d~te~teur unique pe,l"~lld"l de réduire les moyens de filtrage et d'a~ Jl;riudlioll en aval. Il suffit pour cela de décaler dans le temps les s illro~ dlions relatives à une première poldlisaliull donnée et les illru""alions relatives à une seconde pola~ i~aliOIl croisee de la première polarisation.
La figure 3 illustre un exemple de dispositif selon l'invention fonctionnant avec un seul uhl ~1l Id~l~u~
Les moyens d'émission 21 11 01 peuvent être identiques a ceux 10 décrits dans l'exemple de la figure 2. L'optique collectrice avec ses moyens 02 et 12 également ainsi que l'élément 22.
Par contre en sortie d'une des voies on peut introduire une différence de trajet optique via une fibre 43a et un coupleur 43b permet à un unique uhllll:~d'l~ ur 33 de recueillir l'ensemble des signaux décalés dans le temps. La longueur de la fibre optique est calculée de manière à se faire ~ succéder les signaux dans un intervalle de temps sur~isc"",llelll court par rapport à la fréquence d'entrée des particules d'eau dans le volume de mesure.
En sortie du pholud~ ur 33 on retrouve un filtre unique 64 un 20 dlll, ';'icale~lr à gain variable 74 et l'unité de traitement de calcul 84.
Le décalage dans le temps au niveau des signaux relatifs aux deux polarisaliolls croisées peut également être initié au niveau des moyens 25 d'émission comme l'illustre la figure 4. Pour cela un élément bi,~r,i"ge"l 31 permet de créer à partir d'un faisceau polarisé unique deux faisceaux optiques polarisés linéairement de pola~ i~aliul ,s perpendiculaires P" et Pl.
Le prisme deviateur 21 dirige les deux faisceaux incidents de poldlisdliulls croisées dans deux volumes de mesure V1 et V2 l~gè,t:",e"l 30 décalés. Après passage dans l'optique collectrice et ses éléments 02 et 12 puis passage dans un polariseur 52 de polarisation P parallèle à P" les faisceaux optiques rétrodiffusés sont détectés par le photodétecteur 33.
Les faisceaux optiques rétrodiffusés sont composés:
- pour le faisceau de pold~isdlio,l initiale P" d'une cu~ uosdllle élevée relative aux gouttes d'eau liquide et d'une colllposdlll~
faible relative aux gouttes d'eau solide;
- pour le faisceau de polarisdliun initiale Pl de deux cullluosd,,l~s voisines relative aux gouttes d'eau liquide et solide.
Dans cet exemple de dispositif I'électronique en aval du phot~dé~tect~ur peut être du même type que celle de l'exemple précedent illustré en figure 3.
1û
Dans tous les exemples p, i:cede, IL, nous avons décrit un dispositif appliqué en face interne d'un hublot dont est équipé l'aeronef.
Généralement la sonde de température est placée à un autre endroit du hublot et les deux types d~illrulllldlions (sévérité des conditions givrantes) sont couplées dans une unité de traitement pour en déduire la sevérité des conditions de givrage.
Selon une variante de l'invention le dispositif de détection de conditions givrantes peut être di,t:ul~",e"l intégrée à la sonde de 20 température. La figure 5 illustre un exemple dans lequel une diode laser d'émission 51 émet un faisceau optique à travers la peau de l'avion se propageant au travers d'une fibre optique Fûl couplée à une optique émettrice 61 pour émettre un faisceau optique en direction du volume de mesure V.
Le faisceau optique rétrodiffusé par les particules d'eau est recueilli au niveau d'une optique réceptrice 63 (typiquement une lentille à
gradient d'indice) pour être propagé au travers d'une fibre optique Fû3 traversant la peau de l'avion et couplé à un phulud~le~ l~ur 53.
Les deux fibres optiques F01 et F03 sont montées le long du mât 30 de la sonde de température MT.
On parvient à partir d'une énergie émise de l'ordre du mW à une distance de visée de l'ordre de 10 mm donc une distance de visée plus faible que celle des dispositifs montés derrière un hublot. Bénéficiant de la protubérance que constitue la sonde de température on peut ainsi utiliser 35 une distance de visée plus faible avec des puissances plus faibles et des optiques également plus petites tout en étant hors de la couche limite de l'avion.
Il est cep~l)ddl,l à noter qu'un tel dispositif (compte tenu des UO~ lll d;l lleS optiques) est plus adapté à des a, r I " ~ ~5 dans lesquelles on 5 ne recherche pas nécessdi,~:",e"l une analyse très fine des conditions de givrage reposant sur une dirr~l~"cidlio,l des ~u~,uull~ e~ en pold,isdlion des gouttes d'eau surfondues et des cristaux de glace.
Il peut être en effet illl~ ssd"l de compter uniquement les gouttes d'eau par unité de temps, pour définir un seuil au-delà duquel les û risques de givrage deviennent p~ ~pond~, dl 11:~.
Dans tous ces dispositifs, I'illru,,,,dlion de nombre de gouttes d'eau ou de ~,once"l,dlion d'eau dans l'air, couplée à l~ ro~ dlion de température peut être communiquée au pilote de l'aéronef par un voyant pouvant passer d'un état vert à un état rouge dans les dispositifs les moins 15 sophistiqués, ou par un indicateur donnant les i"rul IlldliOlls suivantes:
- sévérité des conditions givrantes - type de particules d'eau - risque de givrage 2û
SUR AERONEF
Le domaine de l'invention est celui de la détection de conditions givrantes pour les aéronefs. Le problème de formation rapide de givre reste a l'heure actuelle un problème grave pouvant entrainer des accidents lorsqu'il se produit soudai~e",t:"L et qu'il n'a pu être détecté en amont.
La mesure de la sécurité des conditions givrantes dépend des pdrdlllt~ S suivants:
- la température;
- la sévérité des conditions givrantes qui est égale au produit de la concentration d'eau par la vitesse de l'aéronef.
0 Actuellement les aéronefs sont équipés de sonde de température leur vitesse est connue mais la sévérité des conditions givrantes n'est pas d~ i"~:e.
Les systèmes actuels de mesure détectent l'apparition de givre mais ne d~t~""i"e"l pas les conditions givrantes. Les aéronefs peuvent nuld"""e"l être équipés de protubérance de type barreau. Lorsque le barreau a givré on envoie de la puissance électrique pour le dégivrer. Un voyant lumineux informe alors le pilote de l'aéronef qu'il est temps de déclenul ,t:r le dispositif de dégivrage.
Des dispositifs prédictifs voisins existent; ils consistent à chauffer 20 en permanence le barreau la puissance électrique nécessai,~: au chauffage augmente lorsque des particules d'eau viennent en contact dudit barreau. Le suivi de l'évolution de la puissance électrique à déployer donne une indication des conditions givrantes.
Néanmoins dans les dispositifs de l'art antérieur il est nécessaire 25 d'utiliser une protubérance en plus des sondes de températures existantes alors que l'on cherche en p~l Illdl n3llce à perfectionner l'aérodynamisme des aéronefs.
C'est pourquoi l'invention propose un dispositif optique de détection de conditions givrantes lul1-lionna~1 à travers une fenêtre optique 30 de l'avion ou même à travers la sonde de température comme il sera explicité ultérieurement.
' . CA 02246829 1998-09-04 Plus ~ cise",e"l, I'invention a pour objet un dispositif optique de détection de conditions givrantes embarqué dans un aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend en outre:
- des moyens d'émission d'un faisceau optique pour créer au 5moins un volume de mesure extérieur éclairé, au travers duquel circule un flux d'air chargé de particules d'eau;
- une optique collectrice d'une partie au moins du faisceau lumineux rétrodiffusé par les particules d'eau;
- des moyens de phul~ .cl~.lio" de faisceau optique rétrodiffusé
0(le volume de mesure extérieur étant situé sur l'axe optique de ladite optique collectrice);
- un dispositif de traitement du signal délivré par les moyens de phu~Jdi5~.1ioll pour calculer la sévérité des conditions givrantes;
- des moyens d~illru,,,,dlio,l sur les conditions givrantes à partir de la sévérité des conditions givrantes.
Avantageusement, les moyens d'émission peuvent co~ J,tl,ld,~
une source de type diode laser de faible ~nco",b,t:",dlll et faible poids, le dispositif de l'invention ne né~ s~i~d"l pas d'utiliser de fortes puissances 20 optiques, quelques mWatts étant suffisants. On peut ainsi faire run-liollllerla sonde sans faire prendre de risque oculaire à une personne qui mettrait son oeil dans le faisceau optique émis.
Selon une variante de l'invention, il est possible de procéder à
une analyse très fine des conditions givrantes en dirr~,~ncia"l les particules 25 d'eau liquide à l'état surfondu (température inférieure à 0 degré) et les particules d'eau solide. En effet, les particules d'eau liquide représentent un danger accru, dans la mesure où elles viennent givrer instantanément sur l'aéronef lorsqu'elles rentrent en collision avec lui. Cette analyse repose sur le fait que des gouttes d'eau surfondues conservent la polarisation linéaire 30 alors que des cristaux de glace dépolarisent la lumière.
Pour mettre en oeuvre cette analyse, le dispositif optique selon l'invention peut coll~ n~ au niveau de l'optique collectrice: un séparateur de polarisation de manière à isoler les faisceaux optiques rétrodiffusés de poldlisd~ioll différente; les moyens d'émission ayant en 35 amont délivré un faisceau optique polarisé. Ces deux faisceaux optiques rétrodiffuses peùvent simultanément être détectés par deux phuludi:le~ urs ou bien peuvent être détectés par un unique photodétecteur, après avoir été
séparés Idl l l,uu~ . l n ~
Le dispositif optique peut ~iydl~"~e"l Cu~ n.ll~ au niveau des 5 moyens d'émission un élément t,i, ~r, i"ge"l capable de générer deux faisceaux optiques de poldl isdliu,, différente dans des directions légèrement dirre,~"lds et ainsi deux volumes de mesure éclairés décalés et donc deux faisceaux optiques rétrodiffusés également décalés.
Selon une variante de l'invention, le dispositif optique peut être 1 û intégré dans l'aéronef et runuliollner à travers une fenêtre optique.
Selon une autre variante de l'invention, le dispositif optique peut être intégré à la sonde de température. Une telle configuration comprend:
- une fibre optique pour l'émission reliant les moyens d'émission intégrés à l'aéronef jusqu'à l'extrémité extérieure de la sonde de température;
- une fibre optique pour la réception reliant l'extrémité extérieure de la sonde de température jusqu'aux moyens de reception et de traitement du signal, intégrés à l'aéronef.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 20 apparaîtront à la lecture de la desul i,ulioll qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles:
- la figure 1 illustre un schéma du dispositif optique de détection de conditions givrantes;
- la figure 2 illustre un premier exemple de dispositif optique de détection de conditions givrantes colllpl~lldlll des moyens de .lirrdldncidlioll des particules d'eau liquide et des particules d'eau solide et deux fJhulud~le~l~urs;
- la figure 3 illustre un deuxième exemple de dispositif optique de conditions givrantes l,olll,ul~lldlll des moyens de dirri:~ncidlio,l des particules d'eau liquide et des particules d'eau solide avec un photodétecteur;
- la figure 4 illustre un troisième exemple de dispositif optique de conditions givrantes uulll,ul~lldlll des moyens de dirrul~,lcidlion des particules d'eau liquide et des particules d'eau solide avec 3s un élément biréfringent et un polariseur;
- la figure 5 illustre une configuration dans laquelle le dispositif de l'invention est intégré au niveau de la sonde de température.
Le dispositif optique de détection de conditions givrantes est essentiellement constitué dans sa version de base comme illustré en figure 1:
- de moyens d'émission 1 d'un faisceau optique dirigé vers l'extérieur de l'aéronef, au travers de la peau de l'aéronef P, de manière à créer un volume de mesure éclairé V, traversé par 0 un flux d'air chargé de particules d'eau;
- une optique collectrice 2, d'au moins une partie du faisceau optique rétrodiffuse par les particules d'eau;
- des moyens de phot~dét~ction 3, du faisceau rétrodiffusé;
- un dispositif 4 de traitement du signal délivre par les moyens de phuludel~:uliul- 3 de manière à dt~ ""i,ler la ~onculllldliun en particules d'eau dans l'air;
- des moyens d~illru,l,,dlio,, 5 sur les conditions givrantes à partir des données délivrées par le dispositif 4, des données de température délivrées par une sonde de température 6.
Selon un premier exemple de dispositif optique selon l'invention, I'optique collectrice comprend des moyens de dirru~t:n-,idlion des particules d'eau liquide et de particules d'eau solide par analyse de la polarisation. Un tel exemple de dispositif est illustré en figure 2.
Les moyens d'émission peuvent ~,o" ,,u, u,ldl u une diode laser polarisée û1, émettant par exemple dans le visible ou le proche infrarouge (entre 4ûû nm et 1 500 nm), une optique de " Ildliull 11 et un prisme de déviation 21, de manière à créer un volume de mesure éclairé V sur l'optique M' de l'optique collectrice, au travers du hublot H de l'aéronef, situé au niveau de la peau de l'aéronef P.
Typiquement, les moyens d'émission peuvent genérer à
l'exterieur de la peau de l'aéronef, a une distance d'environ 100 mm, pe""~lld"l de faire la mesure en-dehors de la couche limite de l'aéronef (zone dans laquelle les mesures ne seraient pas luplc:aullldli\/es) tout en conservant une puissance émise raisonnable, un volume de lumière polarisée dont les di",ensiol ,s sont inférieures au mm, dimension en deçà de laquelle on peut montrer que la ~,"' ' I;'' d'avoir deux particules simultanément dans le volume de mesure est quasi-nulle.
L'optique collectrice peut co",,u,~"d,~ une optique de ruc~.';sdliOrl û2 de faible diamètre (1û à 2û mm) et un module optique de filtre à bande 5 étroite (typiquement de l'ordre de 1û nm) 12, pt~ tltdlll le filtrage de l'éclairement solaire. L'optique collectrice peut collllull:nd~: également un séparateur polarisant 22, qui peut être soit un cube séparateur polarisant soit un séparateur bil ~r, il Iyel lL
Les moyens de ph[~ d~ ", co",p~n,le"l dans cette variante, 0 deux phulud~ urs 13 et 23 qui récupèrent des faisceaux optiques de poldlisdliuns croisées. La polari~dlion du faisceau optique rétrodiffusé par des particules d'eau liquide, est identique à celle du faisceau optique incident, on récupère au niveau d'un uhul~d~l~[.l~ r 13 un signal 11L relatif à
ce faisceau optique rétrodiffusé, par contre le ,uhulodéteul~-lr 23 récupère un signal réel relatif à une pOIdl iadliOIl croisée (12L = û).
La pold~i~dlion du faisceau optique rétrodiffusé par les particules d'eau solide, est modifié par rapport à celle du faisceau optique incident. Les deux photodétecteurs 13 et 23 récupèrent des signaux 11S et 12S, lors du passage d'une particule dans le volume de mesure.
Le dispositif selon l'invention comprend les -' "e"ldliu,ls 1 û
nécessai,~s aux moyens d'émission et aux moyens de réception.
Le dispositif de traitement du signal comprend:
- des moyens 14 et 24 de filtrage des signaux reçus par les phuludiodes 13 et 23;
- des moyens 34 et 44 d'dl I Ir l;~icdlioll électronique à gain variable de signaux;
- une électronique 54 effectuant le traitement mathématique des signaux reçus (~ulllllldlion, Collludldisu" des 2 voies, calcul de la sévérité des conditions givrantes).
Les CdldUIt~ liques principales du signal sont:
- sa largeur te~ll,uult:lle qui dépend de la vitesse de la particule et des di",e,lsiul,s du volume de mesure (typiquement la durée - vaut 1,us);
- son amplitude qui depend de la taille de la particule;
- son taux de polarisation qui dépend de la forme et donc de la nature de la particule. En effet les gouttes d'eau surfondues de forme sphérique conservent la polarisation alors que les cristaux de glace d, :pola, i:,e"l la lumière.
La chaîne électronique placée en aval des photodiodes assure les fonctions suivantes:
- les moyens de filtrage 14 et 24 permettent de notablement diminuer le bruit;
- les moyens d'dllll 'iF;- ' 134 et 44 peuvent avantageusement 0 être à gain variable de façon à obtenir des signaux p, upo, lio""els au volume des gouttes d'eau;
- I'électronique 54 assure le calcul du volume total des gouttes d'eau passant par unité de temps par so,~ dlioll des signaux obtenus sur les deux voies. Elle assure égale",~l)l le calcul du taux de poldliadlioll par calcul du rapport d'énergie entre les signaux des deux voies et ainsi la d~le,l"i"dlioll de la nature des particules.
L'électronique permet ainsi de connaître la quantité d'eau liquide passant par unité de temps et sa nature.
Cette i~ru~ dlion couplée à l'illrurllldliull de température (sonde de température 6 de la figure 1) permet ainsi de di~ er la sévérité des conditions givrantes.
Dans l'exemple de dispositif qui vient d'être décrit les moyens d'émission et l'optique collectrice co",p,~""~"l des moyens de ruca';sdlioll distincts. Selon une autre variante de l'invention il est possible de remplacer le prisme 21 et l'optique û2 par une lentille de champ unique placée contre le hublot et centrée sur l'axe optique M'.
Selon un dispositif de l'invention partiç~ ",e"l illl~ ssd"l les moyens d'émission et de réception sont disposés de telle manière que le 30 faisceau optique incident présente une direction faisant un angle dit ~ d'arcen ciel ~ de l'ordre d'une quarantaine de degrés avec l'axe optique M'. En effet on peut montrer que dans cette configuration les gouttes d'eau vont rayonner vers la partie réceptrice un ra~.unllt~ lll intense et fortement polarisé. Ce rayonnement est cdlauli~ ue de gouttes d'eau sphériques 3s d'indice optique 1 33 (udld~ ique de l'eau).
Selon un second exemple de dispositif de détection de conditions givrantes les moyens de uhu~ l;oll peuvent uolllult:nd~t: un ph~t~d~te~teur unique pe,l"~lld"l de réduire les moyens de filtrage et d'a~ Jl;riudlioll en aval. Il suffit pour cela de décaler dans le temps les s illro~ dlions relatives à une première poldlisaliull donnée et les illru""alions relatives à une seconde pola~ i~aliOIl croisee de la première polarisation.
La figure 3 illustre un exemple de dispositif selon l'invention fonctionnant avec un seul uhl ~1l Id~l~u~
Les moyens d'émission 21 11 01 peuvent être identiques a ceux 10 décrits dans l'exemple de la figure 2. L'optique collectrice avec ses moyens 02 et 12 également ainsi que l'élément 22.
Par contre en sortie d'une des voies on peut introduire une différence de trajet optique via une fibre 43a et un coupleur 43b permet à un unique uhllll:~d'l~ ur 33 de recueillir l'ensemble des signaux décalés dans le temps. La longueur de la fibre optique est calculée de manière à se faire ~ succéder les signaux dans un intervalle de temps sur~isc"",llelll court par rapport à la fréquence d'entrée des particules d'eau dans le volume de mesure.
En sortie du pholud~ ur 33 on retrouve un filtre unique 64 un 20 dlll, ';'icale~lr à gain variable 74 et l'unité de traitement de calcul 84.
Le décalage dans le temps au niveau des signaux relatifs aux deux polarisaliolls croisées peut également être initié au niveau des moyens 25 d'émission comme l'illustre la figure 4. Pour cela un élément bi,~r,i"ge"l 31 permet de créer à partir d'un faisceau polarisé unique deux faisceaux optiques polarisés linéairement de pola~ i~aliul ,s perpendiculaires P" et Pl.
Le prisme deviateur 21 dirige les deux faisceaux incidents de poldlisdliulls croisées dans deux volumes de mesure V1 et V2 l~gè,t:",e"l 30 décalés. Après passage dans l'optique collectrice et ses éléments 02 et 12 puis passage dans un polariseur 52 de polarisation P parallèle à P" les faisceaux optiques rétrodiffusés sont détectés par le photodétecteur 33.
Les faisceaux optiques rétrodiffusés sont composés:
- pour le faisceau de pold~isdlio,l initiale P" d'une cu~ uosdllle élevée relative aux gouttes d'eau liquide et d'une colllposdlll~
faible relative aux gouttes d'eau solide;
- pour le faisceau de polarisdliun initiale Pl de deux cullluosd,,l~s voisines relative aux gouttes d'eau liquide et solide.
Dans cet exemple de dispositif I'électronique en aval du phot~dé~tect~ur peut être du même type que celle de l'exemple précedent illustré en figure 3.
1û
Dans tous les exemples p, i:cede, IL, nous avons décrit un dispositif appliqué en face interne d'un hublot dont est équipé l'aeronef.
Généralement la sonde de température est placée à un autre endroit du hublot et les deux types d~illrulllldlions (sévérité des conditions givrantes) sont couplées dans une unité de traitement pour en déduire la sevérité des conditions de givrage.
Selon une variante de l'invention le dispositif de détection de conditions givrantes peut être di,t:ul~",e"l intégrée à la sonde de 20 température. La figure 5 illustre un exemple dans lequel une diode laser d'émission 51 émet un faisceau optique à travers la peau de l'avion se propageant au travers d'une fibre optique Fûl couplée à une optique émettrice 61 pour émettre un faisceau optique en direction du volume de mesure V.
Le faisceau optique rétrodiffusé par les particules d'eau est recueilli au niveau d'une optique réceptrice 63 (typiquement une lentille à
gradient d'indice) pour être propagé au travers d'une fibre optique Fû3 traversant la peau de l'avion et couplé à un phulud~le~ l~ur 53.
Les deux fibres optiques F01 et F03 sont montées le long du mât 30 de la sonde de température MT.
On parvient à partir d'une énergie émise de l'ordre du mW à une distance de visée de l'ordre de 10 mm donc une distance de visée plus faible que celle des dispositifs montés derrière un hublot. Bénéficiant de la protubérance que constitue la sonde de température on peut ainsi utiliser 35 une distance de visée plus faible avec des puissances plus faibles et des optiques également plus petites tout en étant hors de la couche limite de l'avion.
Il est cep~l)ddl,l à noter qu'un tel dispositif (compte tenu des UO~ lll d;l lleS optiques) est plus adapté à des a, r I " ~ ~5 dans lesquelles on 5 ne recherche pas nécessdi,~:",e"l une analyse très fine des conditions de givrage reposant sur une dirr~l~"cidlio,l des ~u~,uull~ e~ en pold,isdlion des gouttes d'eau surfondues et des cristaux de glace.
Il peut être en effet illl~ ssd"l de compter uniquement les gouttes d'eau par unité de temps, pour définir un seuil au-delà duquel les û risques de givrage deviennent p~ ~pond~, dl 11:~.
Dans tous ces dispositifs, I'illru,,,,dlion de nombre de gouttes d'eau ou de ~,once"l,dlion d'eau dans l'air, couplée à l~ ro~ dlion de température peut être communiquée au pilote de l'aéronef par un voyant pouvant passer d'un état vert à un état rouge dans les dispositifs les moins 15 sophistiqués, ou par un indicateur donnant les i"rul IlldliOlls suivantes:
- sévérité des conditions givrantes - type de particules d'eau - risque de givrage 2û
Claims (9)
1. Dispositif optique de détection de conditions givrantes embarqué dans un aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend en outre:
- des moyens d'émission d'un faisceau optique pour créer au moins un volume de mesure extérieur éclairé, au travers duquel circule un flux d'air chargé de particules d'eau;
- une optique collectrice d'une partie au moins du faisceau lumineux rétrodiffusé par les particules d'eau (le volume de mesure extérieur étant situé sur l'axe optique de ladite optique collectrice);
- des moyens de photodétection de faisceau optique rétrodiffusé;
- un dispositif de traitement du signal délivré par les moyens de photodétection pour calculer la sévérité des conditions givrantes;
- des moyens d'information sur les conditions givrantes à partir de la sévérité des conditions givrantes.
- des moyens d'émission d'un faisceau optique pour créer au moins un volume de mesure extérieur éclairé, au travers duquel circule un flux d'air chargé de particules d'eau;
- une optique collectrice d'une partie au moins du faisceau lumineux rétrodiffusé par les particules d'eau (le volume de mesure extérieur étant situé sur l'axe optique de ladite optique collectrice);
- des moyens de photodétection de faisceau optique rétrodiffusé;
- un dispositif de traitement du signal délivré par les moyens de photodétection pour calculer la sévérité des conditions givrantes;
- des moyens d'information sur les conditions givrantes à partir de la sévérité des conditions givrantes.
2. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'émission comprennent une diode laser.
3. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optiques de différenciation de particules d'eau liquide et de particules d'eau solide.
4. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon la revendication 3, caractérisé en ce que la diode laser est polarisée et en ce que l'optique collectrice comprend un séparateur de polarisation, délivrant deux faisceaux optiques de polarisation différente.
5. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de photodétection comprennent deux photodétecteurs de manière à recueillir les deux faisceaux optiques de polarisation différente.
6. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'optique collectrice comprend en outre des moyens pour introduire une différence de trajet optique pour les deux faisceaux optiques de polarisation différente, les moyens de photodétection comprenant un photodétecteur pour recevoir les deux faisceaux optiques de polarisation différente décalés dans le temps.
7. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'émission comprennent en outre un élément biréfringent de manière à créer à partir du faisceau optique délivré par la diode laser deux volumes de mesure extérieurs et deux faisceaux optiques rétrodiffusés par les particules d'eau les moyens de photodétection comprenant un photodétecteur pour recevoir les deux faisceaux optiques décalés dans le temps.
8. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est monté partiellement sur la sonde de température d'un aéronef et en ce qu'il comprend une fibre optique pour l'émission reliant les moyens d'émission intégrés à l'aéronef jusqu'à
l'extrémité extérieure de la sonde de température et une fibre optique pour la réception reliant l'extrémité extérieure de la sonde de température jusqu'aux moyens de réception et de traitement du signal integrés à l'aéronef.
l'extrémité extérieure de la sonde de température et une fibre optique pour la réception reliant l'extrémité extérieure de la sonde de température jusqu'aux moyens de réception et de traitement du signal integrés à l'aéronef.
9. Dispositif optique comprenant des moyens d'émission et de détection dont les axes optiques font entre eux un angle dit d'arc-en-ciel (d'environ 40°) permettant d'optimiser l'énergie reçue par les moyens de détection.
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