CN101963676B - 用于过冷空中水滴的飞行中多视场探测器 - Google Patents

Abstract

一种用于过冷空中水滴的飞行中多视场探测器，包括照明部分和探测部分。照明部分包括被构造成输出光束的第一光束发射器。探测部分包括被构造成朝着圆-线转换器的内反射表面引导反向散射光的第一部分的万花筒、具有被构造成接收由圆-线转换器反射的光的至少第一探测器的多视场子系统、和被构造成接收反向散射光的第二部分的单视场子系统，该第二部分未被圆-线转换器反射。单视场子系统可以包括用于基于单视场中的信息辨别液态水滴和冰晶的双通道圆偏振探测器。

Description

用于过冷空中水滴的飞行中多视场探测器

技术领域

本发明涉及在飞行器上的用于探测空中液态水滴的飞行中传感器。

背景技术

空中水滴的探测以及它们的依照水滴大小的分类是飞行中结冰状态探测器的重要功能。目前的飞行器上的防结冰装置，例如充气除冰带(inflatableboots)，非常适于小滴(举例来说，平均直径＜50um)的冰积聚，但是当撞击的水滴较大时可能不能提供保护以防止冰积聚。具体而言，辨别过冷大滴(SLD)的能力很快被承认是结冰状态传感器的关键安全特征。SLD通常具有大于40um的直径并且远在水结冰温度以下。当它们撞击飞机翼的前缘时，它们趋向于滚动越过前端，并且在反结冰装置难以到达但是对于飞机的控制来说是关键的位置处结冰。过冷大滴被认为已经引起一些飞行事故，例如1994年在印地安那州(Indiana)的Roselawn发生的ART-72的致命坠落。

当它们被激光束探测时，带有高密度散射点的软目标(例如云)将产生多次散射。对于多次散射，光线在返回到激光雷达接收器之前经历两次或更多次散射过程。激光雷达多次散射的大多数分析假定各被探测的光线经历许多小角度向前散射(当远离和朝着激光雷达传播时)和单个大角度(～180°)散射事件，该单个大角度散射事件造成它朝着激光雷达接收器反向散射的原因。小角度向前散射主要是由于光围绕颗粒的衍射，并且当激光束穿透软目标时这些小角度很大程度上是造成所接收的光的视场增加的原因。在多次散射的过程中，光线侧向地散射，并且取决于包括软目标的散射颗粒的尺寸分布和密度，接收的视场将扩大超过激光的发散。

颗粒直径(d)、激光波长(λ)、和前向散射的衍射角(β)之间的大体上的关系是

$\mathrm{\β}\∝\frac{\mathrm{\λ}}{d}---\left(1\right)$

这是滴直径和散射角之间的简单比例关系。在云内部，存在有水滴尺寸的分布，并且散射角将根据该分布而变化。一般而言，然而，小颗粒产生大散射角，并且反之亦然。

图1呈现了当激光雷达束穿透距离x到达云50内部时视场的简化视图，其中云50与接收器52相距距离R。如果散射角是β，则能通过下面的公式获得视场θ：

$\tan \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{x\tan \left(\mathrm{\β}\right)}{(R+x)}\≈\frac{\mathrm{x\λ}}{(R+x)d},$ 在θ和β很小的情况下              (2)

对于R＝1000m，x＝200m，λ＝1um，和d＝5um的情形(典型的水云)，视场θ是大约40mrad，其相应于现有技术的多视场激光雷达系统所使用的最大视场。然而，对于过冷大滴，滴尺寸的范围是从50um到超过100um。在40um滴的云中，视场减小到5mrad；对于100um和更大的滴，视场小于2mrad。视场与滴尺寸的反比关系意味着大滴产生的多视场密集地聚集在一起，接近于由激光束的发散自然地产生的单次散射的视场。

图2示出了由滴反射的反向散射光产生的多视场如何出现在焦平面处。发出的准直光束54照明滴并且来自滴的反向散射光56通过一个或多个接收器透镜58，在其之后它在沿着光学轴线A布置的探测器区域(总体被示为60)中被接收。在探测器焦平面62的上半部分，多视场被映射成同心环，同心环总体上被示为64。

多视场(MFOV)探测器背后的概念是将多个探测器元件放置到接收器镜片的焦平面中并且同时测量来自各视场的反向散射。在焦平面中，各FOVs占据不同的空间位置，其中距离光学轴线(y)的距离依照下面的关系与FOV成比例：

y＝f·θ               (3)

其中f是接收器镜片的焦距。对于具有2”的直径的激光雷达，f/2.5的接收器透镜，对于每0.5mrad的角相对于激光雷达的光学轴线的位移是63um。

美国专利US5,239,352(Bissonnette)披露了用于探测MFOV激光雷达反向散射的现有技术的接收器。图3和4所示的这个现有技术的接收器71具有定位在具有光学轴线74的接收镜片72的焦平面“f”中的多元件辐射探测器73。探测器73由多个同心的圆形硅探测器元件(PIN光敏二极管)73-1、73-2、73-3和73-4组成。四个分离的探测器元件的结果是，接收器71能区别几个视场之间的所接收的反向散射的辐射信号。由于多次散射，任何视场所接收的反向散射信号大于激光雷达的激光束的发散。

探测器元件的带宽是足够高的以当光束穿透云时确保＜5m的距离分辨率。在这种探测器中，各探测器元件将信号结合在给定范围的视场之上并且产生信号值。四个同心探测器元件覆盖下面的视场：

73-1    0-3.75mrad

73-2    3.75-12.5mrad

73-3    12.5-25.0mrad

73-4    25.0-37.5mrad

探测器元件73-1测量全部单次散射信号，以及一些多次散射；探测器元件73-2到73-4仅仅测量多次散射。然而，对于过冷大滴的探测，3.75mrad的固定FOV可能是一种局限，因为大多数有用的散射信息可能被完全包含在这个单FOV之内，其也包含全部单次散射信号。这样，没有办法从由于单次散射而产生的信号中辨别出由于大滴产生的多次散射。此外，FOVs是固定的并且不能被重新构造。

美国专利US4,893,003(Hays)披露了用于与Fabry-Perot干涉计一起使用的圆-线干涉计光学系统(CLIO)。如同在图5-6中所看到的那样，CLIO系统包括圆锥形反射器段80，圆锥形反射器段80设置有内圆锥形反射表面81。圆锥形反射表面81被定向成反射由Fabry-Perot干涉计产生的并且包含圆形条纹信息82的进入平行光线83。光线83在基本上平行于圆锥形反射器段80的圆锥轴线84的方向上传播。当反射的光线83被传统的线性阵列探测器87，例如用在光谱分析中的类型的电荷偶合装置接收时，圆形条纹信息82被转换成线信息。干涉计条纹的半径取决于干涉计的反射表面的间隔、将光反射到分光计中的颗粒的速度、光的波长，并且取决于进入到干涉计的光的相位相干性。圆锥体的顶点可以被定位在圆锥轴线84与圆形条纹图案82的焦平面相交的地方。使用包括预定排列的镜子85的远距离万花筒(tele-kaleidoscope)(图6)可以减少所探测的圆形条纹图案82的方位角。带有反射表面81的直角圆锥体将圆形条纹信息反射成在探测器87所定位在的平面P中的线。如同在图7中所示的那样，进入角θ_i以反射角θ_r被反射到平面P上，由此产生一对一映射，其中在圆的半径y处进入圆锥体的信息被探测为在距离圆锥体顶点V的距离x处。这样，包括交替的亮和暗区域的进入圆形条纹信息被探测为沿着线性阵列探测器87的交替的亮和暗区域。

发明内容

概括地，本发明涉及空中水滴传感器，其包括照明部分和用于反向散射光的探测部分。装置探测空中水滴的存在并且通过测量在激光束穿透云时激光束的侧向扩散来提供反映空中水滴的直径的分布(profile)的信息。当装置探测到“大”滴的存在时，它可以将发现报告给处理器，该处理器也接收外侧空气温度并且判定滴是否是过冷大滴。如果是，相关计算机采取合适的动作，例如将警报发送给飞行员或者启动对于这种情形来说可能是合适的任何反结冰装置。

在一个方面中，本发明涉及包括照明部分和探测部分的空中多视场水滴传感器。照明部分包括被构造成输出光束的第一光束发射器。探测部分包括：被构造成允许来自由所述光束照明的水滴的反向散射光从其通过的窗口，被构造成在反向散射光已经通过所述窗口之后聚焦所述反向散射光的第一透镜，被构造成朝着圆-线转换器的内反射表面引导已经通过第一透镜的反向散射光的第一部分的万花筒(kaleidoscope)，包括被构造成接收由圆-线转换器反射的光的至少第一探测器的多视场子系统，和被构造成接收已经通过第一透镜的反向散射光的第二部分的单视场子系统，该第二部分未被圆-线转换器反射。

单视场子系统可以使用圆偏振的光辨别水和冰晶。在这种情形中，照明部分进一步包括被构造成接收光束并且输出线性偏振的照明光束的第一线性偏振器，被构造成接收线性偏振的照明光束并且输出圆偏振的照明光束的第一圆偏振元件。而且，探测部分进一步包括被构造成接收已经通过窗口的圆偏振的反向散射光并且输出线性偏振的反向散射光的第二圆偏振元件，被构造成将线性偏振的反向散射光分成第一分量线性偏振的反向散射光和第二分量线性偏振的反向散射光的第一偏振束分光器，被构造成探测第一分量线性偏振的反向散射光并且响应于此而输出第一信号的第一分量光探测器，被构造成探测第二分量线性偏振的反向散射光并且响应于此输出第二信号的第二分量光探测器，和被构造成接收分别由第一和第二分量光探测器输出的第一和第二信号，并且基于所述第一和第二信号计算至少一个反映结冰状态的参数的处理器。

本发明可以具有下面的段的形式。

段1.一种空中多视场水滴传感器，包括：

照明部分，该照明部分包括：

第一光束发射器，该第一光束发射器被构造成输出光束；和探测部分，该探测部分包括：

窗口，该窗口被构造成允许来自被所述光束照明的水滴的反向散射光从其穿过；

第一透镜，该第一透镜被构造成在所述反向散射光已经通过所述窗口之后聚焦所述反向散射光；

万花筒，该万花筒被构造成朝向圆-线转换器的内反射表面引导已经通过所述第一透镜的所述反向散射光的第一部分；

多视场子系统，该多视场子系统包括被构造成接收由所述圆-线转换器反射的光的至少第一探测器；和

单视场子系统，该单视场子系统被构造成接收已经通过所述第一透镜的所述反向散射光的第二部分，该第二部分未被所述圆-线转换器反射。

段2.如段1所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

定位在所述圆-线转换器的所述内反射表面和所述第一探测器之间的纤维光学板，所述纤维光学板被构造成传送由所述圆-线转换器反射的光学图像。

段3.如前述段中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中所述多视场子系统进一步包括：

第二探测器，所述第二探测器也被构造成接收由所述圆-线转换器反射的光，其中：

第二探测器被构造成所探测的反射的、反向散射光所对应的视场角大于所述第一探测器所探测的视场角。

段4.如段3所述的空中多视场水滴传感器，其中所述第一和第二探测器各包括探测器元件线性阵列。

段5.如前述段中任一项所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

定位在所述圆-线转换器的焦平面和所述第一探测器之间的第一组光学元件，其中所述第一组光学元件放大来自所述圆-线转换器的小视场反射；和

定位在所述圆-线转换器的所述焦平面和所述第二探测器之间的第二组光学元件。

段6.如段5所述的空中多视场水滴传感器，其中所述第一组光学元件包括：

至少两个透镜；和

置于所述两个透镜之间的带通滤光器。

段7.如前述段中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中：

所述圆-线转换器包括具有变化斜率的锥形区域；并且

所述锥形区域的接近顶点的内反射表面的斜率小于1.0。

段8.如前述段中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中所述单视场子系统包括光束截捕器。

段9.如前述段中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中所述单视场子系统包括光敏二极管。

段10.如前述段中任一项所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

置于所述第一透镜和所述单视场子系统之间的准直透镜；其中：

所述准直透镜的位置沿着所述传感器的光学轴线轴向可调节。

段11.如前述段中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中所述第一光束发射器包括由以下组成的组中的至少一个：

其输出为线性偏振的发光二极管；和

激光器。

段12.如前述段中任一项所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

被构造成沿着所述传感器的光学照明轴线反射所述光束的反射器。

段13.如前述段中任一项所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

处理器，所述处理器被构造成接收由所述多视场子系统和所述单视场子系统输出的信号，并且基于来自两个子系统的所述信号计算至少一个反映水滴状态的参数。

段14.如前述段中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中所述单视场子系统使用圆偏振的光以在水和冰晶之间进行辨别。

段15.如前述段中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中：

所述照明部分进一步包括：

第一线性偏振器，被构造成接收所述光束并且输出线性偏振的照明光束；

第一圆偏振元件，被构造成接收所述线性偏振的照明光束并且输出圆偏振的照明光束；并且

所述探测部分进一步包括：

第二圆偏振元件，被构造成接收已经通过所述窗口的圆偏振的反向散射光并且输出线性偏振的反向散射光；

第一偏振束分光器，被构造成将所述线性偏振的反向散射光分成第一分量线性偏振的反向散射光和第二分量线性偏振的反向散射光；

第一分量光探测器，被构造成探测所述第一分量线性偏振的反向散射光并且响应于此而输出第一信号；

第二分量光探测器，被构造成探测所述第二分量线性偏振的反向散射光并且响应于此而输出第二信号；和

处理器，被构造成接收由各自的第一和第二分量光探测器输出的所述第一和第二信号，并且基于所述第一和第二信号计算至少一个反映结冰状态的参数。

段16.如段15所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

置于所述第一偏振束分光器和所述第一分量光探测器之间的第二线性偏振器，所述第二线性偏振器被构造成在被所述第一分量光探测器探测之前，进一步线性偏振所述第一分量线性偏振的反向散射光。

段17.如段15或16所述的空中多视场水滴传感器，其中：

所述第一圆偏振元件包括第一四分之一波片；并且

所述第二圆偏振元件包括第二四分之一波片。

段18.如段15-17中任一项所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

反射器，被构造成沿着所述传感器的光学照明轴线反射所述圆偏振的照明光束；

第二线性偏振器，被置于所述第一偏振束分光器和所述第一分量光探测器之间，所述第二线性偏振器被构造成在被所述第一分量光探测器探测之前，进一步线性偏振所述第一分量线性偏振的反向散射光；

处理器，被构造成接收由各自的第一和第二分量光探测器输出的所述第一和第二信号，并且基于所述第一和第二信号计算至少一个反映结冰状态的参数。

段19.如段18所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

置于所述窗口和所述第二圆偏振元件之间的第一透镜；

置于所述第一线性偏振器和所述第一分量光探测器之间的第二透镜；

置于所述第二线性偏振器和所述第二分量光探测器之间的第三透镜；和

置于所述第一透镜和所述第二圆偏振元件之间的准直透镜。

段20.如段19所述的空中多视场水滴传感器，其中：

所述第二和第三透镜是聚光透镜；并且

所述准直透镜的位置沿着所述传感器的光学轴线轴向可调节。

附图说明

图1示出了云中的多次散射的几何形状。

图2示出了由滴产生的多视场如何映射成焦平面中的多个同心环。

图3示出了如美国专利US5,239,352所披露的、用于探测大气反向散射的现有技术的多视场探测器的透明的侧视图。

图4示出了图3的现有技术的探测器的焦平面，示出了同心探测器元件。

图5示出了如美国专利US4,893,003所披露的、现有技术的圆锥形的圆-线干涉计探测器。

图6示出了与图5的探测器相结合的万花筒镜子组件。

图7示出了将进入的干涉计条纹图案映射到图5的探测器上。

图8示出了依照本发明的一个实施方式的用于探测反向散射光的系统。

图9示出了依照本发明的一个实施方式的圆锥形反射器。

图10示出了图9的圆锥形反射器的所有MFOV光线迹线图案。

图11示出了图9的圆锥形反射器的小角度MFOVs的探测器像素。

图12示出了图9的圆锥形反射器的大角度MFOVs的探测器像素。

图13示出了依照本发明的一个实施方式的渐缩圆锥形反射器的顶点区域。

图14示出了图13的渐缩圆锥形反射器的侧向横截面。

图15示出了图13的渐缩圆锥形反射器的所有MFOV光线迹线图案。

图16示出了依照本发明的MFOV探测器组件的一个实施方式。

图17示出了依照本发明的MFOV探测器组件的另一个实施方式。

图18示出了用于空中水分探测的双通道圆偏振传感器的示意图。

图19示出了相应于图18的双通道圆偏振传感器的代表性的布置图。

图20示出了包括图16的MFOV探测器组件和双通道偏振传感器的集成系统的一个实施方式。

图21示出了包括图17的MFOV探测器组件和双通道偏振传感器的集成系统的另一个实施方式。

图22示出了包括图16的MFOV探测器组件和照明部分的独立MFOV系统的一个实施方式。

图23示出了包括图17的MFOV探测器组件和照明部分的独立MFOV系统的另一实施方式。

具体实施方式

前面所提及的美国专利US5,239,352和US4,893,003以引用的方式被结合到这里，至理解本发明所必要的程度。

通常，大多数相关水滴尺寸信息被包含在位于激光束的发散角附近的窄带角内。

图8示出了用于探测来自滴的反向散射光的系统100的总体概念。反向散射光102可以首先通过光学透明的窗口(未示出)，并且然后通过可以包括准直透镜106的接收器镜片，准直透镜106后跟随有聚焦透镜108。聚焦的反向散射光110的一部分照射在圆锥形反射器114的圆锥形内反射表面112上，圆锥形反射器114充当圆-线转换器(CLC)并且将聚焦的反向散射光110反射到被定位在焦平面中并且在一个实施方式中包括线性阵列探测器元件的平面探测器120上。

直角圆-线转换器

图9示出了可以用在系统100中的类型的CLC114的一个实施方式。可以理解，为了解释的目的，图9的CLC被示为完整圆锥体，其相对于包含圆锥体轴线A的焦面P是对称的。这样，CLC可以被形成为完整圆锥体并且然后沿着焦平面P分成两部分，采用最小的材料损失，例如厚度为0.1mm。

CLC114具有带有圆锥体半径R_c的底部126、具有预定壁厚t_c、圆锥体高度H_c和顶点130的圆锥形壁126。在一个实施方式中，圆锥体半径R_c是25.4mm，壁厚t_c是5mm并且圆锥体高度H_c是25.4mm。顶点130被提供有顶角ε。在一个实施方式中，顶角ε是具有有限容差的直角，例如ε＝90°±0.5°，从而提供45°的圆锥体角。反射表面112沿着圆锥体轴线A具有恒定的斜率m；因为圆锥体角是45°，所以斜率m＝1。

反射表面112是高反射率的(举例来说，在例如1550nm等兴趣波长(wavelength of interest)和45°入射角时＞95％或者甚至＞98％，)。而且，面形(surface figure)(60/40或者更好)确保在可见光波长和近红外波长处的良好的光学性能。产生圆锥体的几个可能方法是金属基片的线EDM、在精密加工的心轴之上电铸金属圆锥体，和金属(优选为铝)基片的金刚石车削。在已经制作了圆锥体之后，圆锥体被涂覆合适的反射表面，例如保护性铝或金。

在一些实施方式中，顶点130附近是光学透明孔132，该光学透明孔132沿着圆锥体轴线A从顶点130延伸长度d_A。在具有大约90°顶角的CLC114中，光学透明孔132的直径d₀大约是2d_A。透光区域132缺少反光材料并且因此允许进入CLC114的光沿着圆锥体轴线A通过顶点130，而不是被反射向焦平面。在一些实施方式中，光学透明孔132沿着圆锥体轴线A具有大约0.05mm的长度尺寸d_A。

圆环(参见图2)，其被转换成由探测器120探测的线，该圆环由在云或雾介质内的光的散射形成。光的波长、滴尺寸分布、以及滴密度影响进入到CLC114的光的径向分布。

表1示出了由各视场产生的线相对于圆锥体顶点132的位置。视场最初用一度的四分之一来说明中并且稍后被转换成mrad，其以mrad说明非整数规格。长度L＝5mm的线性阵列传感器120足以捕获CLC114的全范围的FOVs。然而，因为过冷大滴可能产生小于5mrad的FOVs，其都被包含在距离圆锥体顶点的第一个0.75mm之内，所以在小FOVs处(也就是，接近顶点130处)所需要的分辨率可能是挑战性的。如果人们不愿意去除掉线性阵列传感器120之上的保护性光学窗口并且将探测元件暴露到可能的污染物，则选项例如焦平面的转继(relay)成像或者使用成束的光纤图案转移装置可能是合适的替代方案。

表1：FOV---从CLC的顶点的位移

图10呈现了使用f/2.4接收器镜片的用于CLC114的光线迹线的模拟。光线迹线包括重叠在具有纵向探测器轴线A’、长度L和宽度W的探测器120上的表1的FOV线。包括线性阵列探测器元件的长度L＝5mm长的探测器120足以捕获在图9的CLC114的特定参数的情况下的感兴趣的FOVs。为了在最大FOV处收集尽可能多的光，探测器元件应当是至少w＝2mm宽(也就是，“宽度”在垂直于探测器轴线A’的方向上得到并且远超过(farexceeding)沿着探测器轴线A’得到的“长度”)。如同在图10中所看到的那样，探测器120取样非常接近CLC114的顶点130的光以探测大滴的存在。在一个实施方式中，在沿着圆锥体轴线且朝向圆锥体表面的尺寸和垂直于圆锥体轴线的尺寸上，探测器120的探测器元件接近顶点至都在60um之内。

除了线间距之外，尤其是在顶点130附近，也有厚度和弯曲问题，它们都影响分辨率。CLC114产生的FOV线，例如1.1mrad的FOV的线160和34.9的FOV的线162，当被重叠在焦平面P上时沿着探测器轴线A’具有有限的厚度，并且这个厚度限制探测器120的探测器元件所必须的最小像素尺寸。FOV线160、162也示出了稍微弯曲量，并且这个弯曲是探测器120的角分辨率的限制。

图11示出了在0.54mrad的小FOV170位置处和0.68mrad的小FOV172位置处的线宽限制的分辨率，这些位置由沿着探测器轴线A’各自具有像素长度w₁₁的相邻像素x1和x2探测。两个FOVs之间的0.14mrad间距转换成大约20um的线性间隔。只要像素长度w₁₁小于20um的间隔，在一个像素处从一个FOV探测到的光将不会到从另一FOV探测到的光中。这样，如果包括探测器120的线性阵列的像素的像素长度w₁₁＝20um，则从这两个分离的FOVs170、172清楚地收集光将是可能的。为了在像素宽度w₁₁＝20um的情况下与FOVs的整个光谱(相当于5mm)相适应，探测器120将需要大约250个像素的线性阵列。

在大FOVs处，线弯曲使得分辨率降低的更厉害。图12示出了在33.2mrad的大FOV 174处和34.9mrad的大FOV 176处的线宽限制的分辨率，这些位置由沿着探测器轴线A’各自具有像素长度w₁₂的相邻像素x3和x4探测。两个FOVs之间的1.7mrad的间距转变成大约204um的线间隔。只要像素长度w₁₂小于204um的间隔，在一个像素处从一个FOV探测到的光将不会到从另一FOV探测到的光中。这样，如果包括探测器120的线性阵列的像素的像素长度w₁₁＝204um，则从这两个分离的FOVs 174、176清楚地收集光将是可能的。

用于成像的线性阵列可使用25um到30um的像素宽度，使得可在小视场处获得系统的固有的角分辨率的好处。两个例子是滨松(Hamamatsu)S3902/S3903(其是适于从300到1100nm的波长的硅传感器)和SUI线性光敏二极管阵列(SUI Linear Photodiode Array)(其是适于从900nm到1800nm的波长的InGaAs传感器)。小尺寸以及由此引起的增加数量的单独探测器元件使得人们能通过软件将信号适当地面元划分(binning)来调节所探测到的视场的宽度和分布。例如，如果特定FOV跨度覆盖两个相邻探测器元件，能通过修改控制软件以添加来自四个相邻元件的信号而使该跨度简单地加倍。探测器元件的数量越大，选择用于颗粒尺寸分布的计算的视场位置和宽度的机动性越大。如同下面所讨论的那样，这种离架线性阵列(off-the-shelflinear array)可以与其它光学元件联合使用。也可以理解，术语“线性阵列”可以指一维像素阵列，以及二维像素阵列，在该二维像素阵列中沿着一个方向(‘行’或‘列’)的像素被电成组(gang)在一起使得装置有效地起到一维列的作用。

锥形圆-线转换器

图13示出了依照本发明的另一实施方式的锥形(tapered)CLC214的外形。锥形区域214a主要出现在顶点230附近，在那里内锥形反射表面212的斜率小于1.0。

图14示出了锥形CLC214的侧向横截面。锥形CLC214具有内锥形反射表面212，其沿着圆锥体轴线A具有变化的斜率。更具体地，在锥形CLC214中，在圆锥形轴线A附近瞬时斜率(instantaneous slope)m＜1。如果锥形反射表面212的瞬时斜率m偏离一，则反射光线在距离点V的距离l处到达图像平面。m＜1的斜率使得反射斑点朝着左侧移动，同时m＞1的斜率使得斑点朝着右侧移动。这样，锥形CLC214改变反射表面的瞬时斜率使得反射斑点位于与点V相距距离l处，该距离l依照一些规定的函数l(y)。

距离l(y)依照瞬时斜率m被表达为：

l(y)＝y·(1-tan(2·cot^-1(m)-π/2))

其中：

θ_i是入射的聚焦光线216到达内锥形反射表面204的角，θ_r是反射角；y是入射的聚焦光线216的半径(高度)；x是从点V到焦平面P上的点V₀的距离，假定内锥形反射表面212的瞬时斜率是m＝1，则光线216被反射到该点V₀，(V₀是在光线216到达内锥形反射表面212的地方的正下面)；s是x和l之间的差距；并且

直角CLC114，例如在图9中所看到的，是锥形CLC214的极限情形。对于m＝1的简单圆锥形CLC，函数是l(y)＝y。在水滴尺寸测定的情形中，期望这种函数采取另一形式使得关于大滴的信息不被压缩到线性阵列不能解析的小空间范围中，即使改变瞬时斜率m可能损害反射器在图像平面中产生锐聚焦的能力。M＝1的斜率确保透镜的图像平面被一对一地映射到CLC的图像平面上，线性阵列被定位在该图像平面上。任何其它斜率可以使得图像散焦和降低分辨率，并且从而将散焦保持到可容许量是所期望的。

通过将CLC的斜率变成为y的函数(其直接与FOV角θ成比例)，可能在线性阵列探测器上获得对数间距。指定的函数是l(y)＝A 1n(y)，其中除了其它因素以外，A是取决于探测器属性的某个常量。通过将l(y)＝A 1n(y)代入上面的等式(4)，对于锥形CLC214来说瞬时斜率m与y的函数关系是：

$m\left(y\right)=\cot (1/2({\tan }^{-1}(1-\frac{A\ln \left(y\right)}{y})+\mathrm{\π}/2))---\left(5\right)$

常量A确定了特定FOV，对于该特定FOV来说锥形CLC的斜率等于一。对于这样的FOV来说，因为锥形圆锥体将最好地模仿直角反射圆锥体，图像畸变将是最少的，锥形圆锥体将收集器透镜的图案平面直接映射到线性阵列探测器上。这个FOV可以是小的或大的，取决于感兴趣的区域以及当斜率偏离一时不可避免地发生的畸变的容差。在本情形中，目的是准确地测定大直径(＞40um)滴的尺寸，因此锥形圆锥体的线性区域被选择成位于大约10mrad，或者(通过上面的表1)y～1.5mm。常量A然后等于1.5mm/ln(1.5)或者，大体上，

$A=\frac{\mathrm{f\Θ}}{\ln \left(\mathrm{f\Θ}\right)}---\left(6\right)$

其中f是接收器镜片的焦距，并且θ是需要最高成像保真度的FOV。

图14示出了用于与CLC114的模拟相同的f/2.4接收器镜片，由锥形CLC214产生的线的光线轨迹的模拟。与由CLC114产生的那些相比，线占据了相同的空间。下面的表2比较了用于CLC114和锥形CLC214的三个不同的FOVs相对于最小OFV0.54mrad之间的实际间距。

表2-FOVs的相对于0.54mard FOV的相对线位移

如同在表2中所看到的那样，对于小于5mrad的视场(也就是，大滴)，锥形CLC的间距增加。然而，各FOV的畸变(扩散)可能较大。这样，尽管对于分离CLC114中的0.54mrad与0.68mrad来说仅仅要求20um的间距，但是对于分离锥形CLC214中的0.54mrad与0.68mrad来说可能需要大约50um的间距。

使用光纤板的图像传送

图16示出了依照本发明的MFOV探测器组件240的一个实施方式。MFOV探测器组件240包括用于接收入射的反向散射光244的接收器镜片242、用于在聚焦的反向散射光从接收器镜片242出来之后引导聚焦的反向散射光的万花筒246，和用于在MFOV子系统250的方向上反射所述引导的和聚焦的反向散射光从而用于捕获反射图像的CLC248。在这个实施方式中，MFOV子系统250包括探测器252，光纤图像传送板254被定位在该探测器252之上。单FOV子系统260捕获来自单次散射的光262，并且可以包括简单的光束截捕器(beamstop)，一个或多个光敏二极管，或者双通道偏振传感器，如同下面所讨论的那样。

MFOV子系统250和单FOV子系统260的输出被供给到电路264，该电路264用于计算一个或多个反映过冷水滴、冰和其它环境和/或天气状态中的一个或多个的存在的参数。在一个实施方式中，电路264可以包括专用集成电路或者处理器。在另一实施方式中，电路264可以包括离散逻辑电路例如比较器、加法器等。可以进一步理解，如果未被结合到电路264中，也可以包括模拟-数字转换器和类似装置。在一些实施方式中，一个或多个参数可以包括输出的比率。在其它实施方式中，一个或多个参数可以包括输出的比较。另外，更复杂的参数也是可能的。在计算了任何这种参数之后，电路264可以输出一个或多个信号299以指示决策、发出警报信号，或者做出类似反应。

可以理解，两个子系统250、260的输出被提供给处理器子系统(在图16中未示出)，该处理器子系统被构造成确定可以被用来采取或建议某些动作的水滴大小分布和其它参数。

为了将由于单次散射的光线从由于多次散射的光线中分离出来，CLC248的顶点被去除掉(例如通过金刚石车削或者线EDM)，使得CLC248具有截头圆锥体形状。在截头圆锥体的小端处的有效直径D由f·Δθ给出，其中f是接收器镜片的焦距，并且Δθ是发射的激光束的远场发散。通过用光学孔代替圆锥体的顶点，从单次散射接收的光不被反射到探测器252，因此减少这种光的随机散射。在这种实施方式中，CLC248被构造成将从云接收的多次散射的光从单次散射的光中分离出来。因为来自超大滴的多次散射仍将位于激光束的发散角之内，导致单次散射和多次散射混合在一起，所以照明信号(illuminating signal)的发散可能限制CLC248执行这种分离的效用。

如果探测器252具有足够高的带宽以产生通过云的距离分辨(rangeresolved)的亮度外形(intensity profile)，简单光束截捕器能消除单次散射并且防止它泄漏到探测器252中。然而，在探测器所包括的线性CCD阵列的帧频太慢的情况下，当它通过云时，被放置在CLC248后面的高速光敏二极管能监控单次散射信号的减少。该亮度外形作为距离的函数，能与从MFOV数据获得的滴大小分布、液态水量的估计值一起产生关于云的消光系数的信息。

在一个实施方式中，CLC248仅仅覆盖90°方位角范围。尽管CLC114、CLC214被示为具有全180°方位角范围，大多数光学探测器不具有超过45°的接收角。因此，CLC的90°方位角部分，或者四分之一扇形，可以是可用于探测器252的全部。万花筒246，其包括一对被布置成相对于彼此成直角的平万花筒镜片246a、246b，将在其它方式中会落在焦平面中的完整圆周上的光转换成与CLC248的减小的方位角范围(举例来说，90°)相匹配的较小角度段。从探测器252的角度，同心视场出现在360°的方位角范围，90°直接来自于接收器镜片242，并且其它270°来自于万花筒镜246a、246b中的反射。这样，接收器镜片242的完全360°方位角视场被折叠到90°方位角范围中，该90°方位角范围能被CLC248接收并且被反射到探测器252。

光纤光学图像转移板254，其可以使用滨松的零件号J 5734被实现，被用来在不使用透镜的情况下传送图像。板254包括大量捆扎在一起的光纤。板内的光纤具有小直径(典型地3um)并且在接近90°的接收角上接收光。板254的表面被定位成位于CLC248的焦平面中，使得图像被直接传送到板254下面的探测器252。

使用透镜转继(relay)的图像传送

图17示出了依照本发明的另一实施方式的MFOV探测器组件270。MFOV探测器组件270包括许多与图16的MFOV探测器组件240相同的部件，包括接收器镜片242、万花筒246、CLC248和单FOV子系统260。然而，MFOV探测器组件270具有与MFOV探测器组件240中的MFOV子系统250不同的MFOV子系统280。

MFOV子系统280使用被定位在CLC248的焦平面下方的多组光学元件282、292。在一个实施方式中，第一组光学元件282放大来自CLC248的小FOV反射，其然后被第一探测器288接收，而第二组光学元件292将来自CLC248的大FOV反射放大到第二探测器298上。

第一组282光学元件可以包括反射光首先从其通过的准直透镜284，减少环境光、例如日光的带通滤光器286，和在反射的光学信号被第一探测器288捕获之前放大该反射的光学信号的放大透镜287。第二组282光学元件可以同样包括准直透镜294、带通滤光器296和聚焦透镜297。

对于在小角度处的成像散射而言放大是尤其有用的，在那里包含大部分关于大滴密度的信息。各透镜284、294收集通过CLC248的焦平面的发散光的一些部分，并且准直(collimate)它们。用于小FOV反射(来自大滴)的第一聚焦透镜287可以被构造成将反射信号放大到比用于大FOV反射的第二聚焦透镜297更大的程度，因为后者可能已经是适于探测的大小。在一些实施方式中，第二聚焦透镜297可以被完全省略，因为相应于大FOV反射的光线可能具有足够的尺寸和间隔。

既然MFOV探测器组件270将被用在日光中，带通滤光器286、296可以被构造成排除尽可能多的环境光，同时仍然允许响应于已知波长的入射光形成的反向散射光通过。在一些实施方式中，带通滤光器286、296使用薄膜涂层，该薄膜涂层被设计成能为准直的光最佳地工作。这种滤光器是本领域普通技术人员所熟悉的。而且，由于透镜284、294的准直作用，准直透镜284、294和聚焦透镜287、297之间的间距不是重要的，并且能被调节以允许多于一个带通滤光器的插入。

而且，MFOV探测器组件270的几何形状被构造成允许单次散射光线被收集在接收器镜片242的全孔径之上。如同由光线262a所示例的那样，事实上接收器镜片242接收的单次散射光线未被所述组光学元件282、292或者探测器288、298阻挡，并且使得事实上来自于在接收器镜片242上的所有单次散射都进入单FOV子系统260，例如，光敏二极管或者双通道偏振传感器。

MFOV子系统280和单FOV子系统260的输出被供给到电路265，该电路265用于计算一个或多个反映过冷水滴、冰和其它天气状态中的一种或多种的存在的参数。在一个实施方式中，电路265可以包括专用集成电路或者处理器。在另一实施方式中，电路264可以包括离散逻辑电路例如比较器、加法器、和类似电路。可以进一步理解，如果未被结合到电路265中，也可以包括模拟-数字转换器和类似装置。在一些实施方式中，一个或多个参数可以包括输出的比率。在其它实施方式中，一个或多个参数可以包括输出的比较。在再其它实施方式中，在探测器288、298上接收的光强度的空间分布可以与参考数据相比较以进行当前天气状态的决策。另外，更复杂的参数也是可能的。在计算任何这种参数之后，电路265可以输出一个或多个信号299以指示决策、发出警报信号，或者做出类似动作。

双通道圆偏振(polarization)传感器

通常，照明光、例如激光从球形水滴的直接反射是纯镜面反射，而从冰晶的直接反射不是。

水滴理想地作用类似于完美的镜子，并且在不改变偏振态的情况下反向散射在它上的反射的激光。如果入射光被水平地或者竖直地偏振，反射光同样被水平地或竖直地偏振。因此，带有相对低的消偏振的反向散射偏振是液态水云的指示。在圆偏振的情形中，在反射时转动电场的方向不改变，但是在入射波的坡印亭(Poynting)矢量的改变将改变圆偏振的感知。因此，在反射时右手圆偏振的入射光束变成被左手圆偏振，并且反之亦然。

另一方面，部分由于来自它们的小面的多次内部反射并且部分由于冰的双折射，冰晶趋向于改变反射光的偏振态。当入射光是纯粹的偏振态时，来自空中冰晶的反射光变成两个正交的偏振态的混合。通过监控反向散射光的两个正交的偏振态，区别水滴和冰晶是可能的。

然而，在云中，除了直接反向散射之外，无论水滴大小与激光波长的比率是接近或者稍微大于1，光经历显著小角度前向散射(scatter)。这个过程被称作米氏散射。在大多数云中，水滴的范围是1到10微米，而典型的可见和近红外波长的范围是0.4到2.0微米。空中水滴产生用于可见和近红外光学传感器的米氏散射。前向散射的光可以最后朝着光学接收器反射回来，该光学接收器与投射的激光束重合(coincident)。当它如此时，它的偏振态的改变超过了光被从水滴直接反射而不经历向前散射的情况。与单个反向散射相伴随的这种系列前向散射事件被称作多次散射，并且它产生去偏振的信号，其非常不类似于从球形水滴的单次散射产生的信号。

圆偏振可以被用在空中水滴和冰晶传感器中以帮助辨别水云和冰云

如果云由水滴组成，圆偏振的基本“感知”不改变，不论是否存在多次散射。如果照明光束是右手圆偏振(“RHC”)的，则来自纯水云的反向散射光将仅仅具有左手圆偏振(“LHC”)的分量。多次散射通过引入使得光椭圆地偏振的线性分量而降低这种光的偏振纯度。但是当光被分解成它的斯托克分量(Stockes component)时，圆分量仍将左手圆偏振，绝不会右手圆偏振，只要云完全由液态水滴组成。

如果云完全由冰晶组成，斯托克矢量的圆分量将是右手圆偏振，不论是否存在通过多次散射或通过冰晶的双折射而被引入的其它线分量。因此，如果监测斯托克矢量的第四分量，则纯冰晶云的存在将在圆偏振的方向或者感知上示出明显的、明确的“翻转”。

图18示出了双通道圆偏振系统300的示意图，其使用圆偏振的光来区别水和冰晶。系统300包括两个线性偏振器314、348和两个四分之一波片(wave plate)形式的两个圆偏振元件316、333，将在下面描述它的功能。系统300包括照明部分310和探测部分330。

照明部分310包括输出第一光束的光束发射器312。光束发射器312可以包括激光器，或者可选地，其输出是线性偏振的发光二极管。照明侧线性偏振器314通过从光束发射器312接收第一光束(其可以已经是线性偏振)，并输出线性偏振的照明光束以帮助确保高偏振纯度。在一个具体方案中，照明侧线性偏振器314可从美国的科罗拉多州(CO)的弗雷德里克(Frederick)的Meadowlark Optics买到，型号为DP-050-NIR2-2。

在一些实施方式中，线性偏振的照明光束在被到达第一圆偏振元件316之前首先被照明侧偏振束分光器立方体(splitter cube)315(参见图19)反射。在一个具体方案中，照明侧偏振束分光器立方体315可从美国的科罗拉多州的弗雷德里克的Meadowlark Optics买到的，型号为BB-050-IR2。

第一圆偏振元件316接收线性偏振的照明光束并且将它转变成圆偏振的照明光束318。在一个实施方式中，圆偏振元件316包括四分之一波片，其将线性偏振的光转变成圆偏振的光。在一个具体方案中，四分之一波片316可从美国的科罗拉多州的弗雷德里克Meadowlark Optics买到，型号为CP-050-905。

在所示的实施方式中，照明部分310也包括反射器320，反射器320被构造成将圆偏振的照明光束318反射成沿着系统300的光学照明轴线A并且在云302的方向上。反射器320必须不改变圆偏振。在一个实施方式中，反射器包括标准保护性金镜，在一个原型中，其产生好于400∶1的圆偏振纯度。

尽管系统300被示为在云302的方向上引导圆偏振的照明光束318，可以理解，在使用期间，系统300所安装的飞行器可能正在通过云。而且，这里应当指出，系统300典型地被构造成探测10到20米范围内的云冰。如同本领域普通技术人员已知的那样，由被施加到光束发射器312的脉冲的持续时间和定时以及与探测部分330相关的定时来确定该范围。

圆偏振的照明光束318照亮云302中的一定体积的空间。响应于此，在云302中的瞬时体积的空间内的水分使得圆偏振的照明光束318反向散射，因此形成在系统300的方向上行进的圆偏振的反向散射光322。

系统300的探测部分330包括窗口332，窗口332被构造成允许圆偏振的反向散射光322从其通过。在所示的实施方式中，圆偏振的反向散射光322首先通过窗口332并且朝向第二圆偏振元件333，其也可以是四分之一波片。

第二圆偏振元件333接收已经通过窗口332的圆偏振的反向散射光并且输出线性偏振的反向散射光。在到达第二圆偏振元件333之前，反向散射光322通过用于聚焦反向散射光322的第一透镜336和准直透镜338。

在一个实施方式中，准直透镜338被安装在可调节长度的透镜管中，例如可从美国的新泽西州(NJ)的Thor Labs of Newton买到的零件号为SM1V10的可调节长度的透镜管。可调节长度的透镜管具有带螺纹的第一部分，其相对于第二部分在轴向方向上移动。这允许准直透镜的沿着传感器的光学轴线A的轴向位置被调节，如同由双箭头338a所示的那样。这个特征允许使用者控制准直透镜338和第一透镜336之间的距离，因此将系统300构造成有效地收集在它的正常工作范围内的散射光，在一个实施方式中正常工作范围是从大约10到大约20米。可以理解，系统300中的准直透镜338可以同样是可轴向调节的。

探测侧偏振光束分光器立方体334被构造成将来自第二圆偏振元件333的线性偏振的反向散射光分成第一分量的线性偏振的反向散射光340和第二分量的线性偏振的反向散射光340。

在一个实施方式中，第一分量的线性偏振的反向散射光340通过探测侧线性偏振器348和第一聚光透镜342，第一聚光透镜342将第一分量的线性偏振的反向散射光340聚焦到第一分量光探测器344上。类似地，第二分量线性偏振的反向散射光350通过第二聚光透镜352，第二聚光透镜352将前者聚焦到第二分量光探测器354。

各分量光探测器344、354的输出大体上经历额外的信号处理操作346、356，其可以包括滤光和放大，如同本领域技术人员已知的那样。然而，输出被应用到电路360，该电路360用于计算一个或多个反映云302中的冰的存在的参数。在一个实施方式中，电路360可以包括专用集成电路或者处理器。在另一实施方式中，电路360可以包括离散逻辑电路，例如比较器、加法器以及类似电路。可以进一步理解，也可以包括模拟-数字转换器和类似设备，如果其未被结合到电路360中。在一些实施方式中，一个或多个参数可以包括输出的比率。在其它实施方式中，一个或多个参数可以包括输出的比较。另外，更复杂的参数也是可能的。在计算任何这种参数之后，电路360可以输出一个或多个信号370，以指示决策、发出警报信号、或者做出类似动作。

图19示出了系统400的代表性的布置图，系统400具有基本上与图18中所示的空中云冰探测系统300相同的部件。如同在图19中所看到的那样，成圆和准直镜片313可以被用来将来自光束发射器312的光耦合到照明侧线性偏振器314。此外，照明侧偏振束分光器立方体315使得照明侧线性偏振器314的输出朝着反射器320改变方向。

在一个实施方式中，探测侧偏振光束分光器立方体334具有用于透射光束的高对比率(200∶1)和用于反射光束的低对比率(20∶1)。因为接收的光中总有相当量与透射光具有相同的偏振，该偏振进入反射通道(“LHC通道”)，其具有低对比率并且与第一分量光探测器344相关。表征存在冰晶的正交偏振进入引导通道(“RHC通道”)，其具有高对比率并且与第二分量光探测器354相关。基本原理是需要有高对比以精确地探测冰的存在，其在云中可能比液态水更不普遍。为了补偿“水”通道中的低对比率，额外的线性偏振器348被添加以改进比率。原型系统的偏振测量显示用于“冰”探测(RHC)通道的优于400∶1的对比率，并且对于“水”探测(LHC)通常由于50∶1的对比率。根据通道预期示出用于纯水滴云和纯冰晶云的更大信号，所述通道被标为“水探测”和“冰探测”。这些分别相应于在线性偏振图表中的“平行”和“垂直”偏振通道。然而可以理解，如果用于LHC通道的对比率是较高的，探测侧线性偏振器348不是必须的。

对于薄水云，如果照明光束是右手圆偏振(“RHC”)，则反射光是左手圆偏振(“LHC”)。而且，如果四分之一波片333被适当地设置(例如，波片的“快轴(fast axis)”相对于光束分光器立方体的偏振轴线呈45°角)，则所有接收的光被转换成进入到第一分量光探测器344(“LHC”)的线性偏振光。

在系统300中，非圆偏振的任何光仍将通过第二圆偏振元件333并且被分成它的相应的平行和垂直线性分量。因此，当存在多次散射时，系统300仍可以展示通道之间的“串扰(crosstalk)”。然而，如果云全部由水组成，圆偏振的方向将是不会改变的重要参数。

能使用下面的关系从两个分量光探测器344、354中的信号得到第四斯托克分量V(其指定圆偏振的方向)：

$V\≡\frac{I_{\mathrm{RHC}}-I_{\mathrm{LHC}}}{I_{\mathrm{total}}}=\frac{I_{\mathrm{RHC}}-I_{\mathrm{LHC}}}{I_{\mathrm{RHC}}+I_{\mathrm{LHC}}}$

其中I_LHC和I_RHC分别相应于在分量光探测器344、354处接收的亮度。根据用于线性系统的常见的去偏振比率δ，

$V=\frac{\mathrm{\δ}-1}{\mathrm{\δ}+1}$

如同V的等式所示的那样，当δ(两个正交信号的比率)经过一时V的正负号改变。如果两个信号被传到比较器的输入端，从水到冰的转变能触发简单指示器，例如光警报或声音警报，以指示空中存在冰晶。而且，比较器能被改变以形成用于任何所期望的状态(纯冰或混合相)的阈值警报。例如，如果仅仅纯冰晶云被认为对飞行来说是危险的，V值应当是～0.27，并且仅仅当RHC与LHC信号的比率(δ)超过1.7时比较器可发出警报。

设置警报阈值的一种简单方法是改变四分之一波片333的快轴和探测侧偏振光束分光器立方体334之间的围绕传感器的光学轴线的相对角。四分之一波片333将圆偏振转换成两个相等的正交分量的线性偏振，而不管波片的快轴的方位。然而，在四分之一波片333之后的探测侧偏振光束分光器立方体334的相对方位控制进入两个分量光探测器344、354的线性偏振光的分量的相对比例。例如，在云完全由冰晶组成的情形中，假如四分之一波片333的快轴相对于探测侧偏振光束分光器立方体334的轴线成45°，RHC分量光探测器354(冰探测通道)处的信号与LHC分量光探测器344(水探测通道)中的信号的比率是1.7。如果快轴的角度被朝向LHC分量光探测器344转动，进入到该探测侧偏振光束分光器立方体334的光的线性偏振轴线也转动并且在两个分量光探测器344、354中产生两个几乎相等的信号。在这种情形中，电路360可以包括非常简单的、便宜的比较器，只要信号相等，该比较器发出指示冰云的存在的阈值警报。不论所期望的阈值，四分之一波片333的精确旋转角应当根据经验确定，但是原理是相同的。

MFOV/双通道圆偏振系统具体方案

图20示出了集成系统500的一个实施方式，其包括图16的实施方式的MFOV探测器组件240，并结合有图18和19的双通道圆偏振传感器300。如同在图20中所看到的那样，双通道圆偏振传感器300的照明部分310能被用于双通道圆偏振并且也能用于MFOV探测。通过第一透镜336的反向散射光322的至少一部分被沿着万花筒246引导，从CLC248被反射并且被MFOV子系统250探测到。MFOV子系统250的探测器252的输出被引导到上面参考图16所描述的MFOV探测器电路264。然而，可以理解，MFOV探测器电路264和双通道圆偏振电路360可以被组合成单个共用电路，使得由这种共用电路输出决策信号299、370。

图21示出了集成系统550的另一实施方式，其包括图17的实施方式的MFOV探测器组件270，并结合有图18和19的双通道圆偏振传感器300。此外，双通道圆偏振传感器300的照明部分310能被用于双通道圆偏振并且也用于MFOV探测。通过第一透镜336的反向散射光的至少一部分沿着万花筒245被引导、从CLC248被反射并且被MFOV子系统280探测。MFOV子系统250的探测器288、298的输出被引导到上面参考图17所描述的MFOV探测器电路265。然而，可以理解，MFOV探测器电路265和双通道圆偏振电路360可以被组合成单个共用电路，使得由这种共用电路输出决策信号299、370。

MFOV具体方案

图22和23分别示出了在没有双通道圆偏振传感器300的情况下，分别包含MFOV探测器组件240、270的独立MFOV系统600、650。因而，系统600、650不需要偏振的光。

如同在图22和23中所看到的那样，照明部分610包括输出第一光束的光束发射器612。光束发射器612可以包括激光器，或者可选地，包括其输出是线性偏振的发光二极管。照明侧线性偏振器614通过从光束发射器612接收第一光束(其可以已经线性偏振)，并输出线性偏振的照明光束618来帮助确保高偏振纯度。在一个实施方式中，照明侧线性偏振器614可从美国的CO的弗雷德里克(Frederick)的Meadowlark Optics买到，型号为DP-050-NIR2-2。

在MFOV系统600、650中，照明部分610也包括反射器620，反射器620被构造成沿着MFOV系统600、650的光照明轴线A并且在云602的方向上对线性偏振的照明光束618进行反射。反射器620必须不改变线性偏振。尽管照明部分610被示为在云602的方向上引导线性偏振的照明光束618，可以理解，在使用期间，MFOV系统600、650所安装的飞行器可能正在通过云。而且，这里应当指出，MFOV系统600、650典型地被构造成探测超过飞行器滑流(slipstream)的过冷液滴，并且优选为与飞行器的表层的距离达(up to)10到20米。如同本领域普通技术人员已知的那样，由来自光束发射器612的激光脉冲的发射和由MFOV探测器的脉冲接收之间的时间延迟来确定该范围。

线性照明光束618照明云602中的一定体积的空间。响应于此，在云602中的瞬时体积的空间内的水滴和冰晶使得线性偏振的照明光束618反向散射，因此形成在探测器组件240(图22)和270(图23)的方向上行进的反向散射光622。反向散射光通过窗口632并且然后通过用于聚焦该反向散射光622的第一透镜636。

被构造成接收单次散射光的准直透镜638被安装在可调节长度的透镜管中，例如可从美国新泽西州(NJ)的Thor Labs of Newton买到的零件号为SM1V10的可调节长度的透镜管。可调节长度的透镜管具有带螺纹的第一部分，其相对于第二部分在轴向方向上移动。这允许准直透镜沿着传感器的光学轴线A的轴向位置被调节，如同由双箭头623a所示的那样。这个特征允许使用者控制准直透镜638和第一透镜636之间的距离，因此将MFOV系统600、650构造成有效地收集在它的正常工作范围内的单次散射光，在一个实施方式中正常工作范围是从大约10到大约20米。

如同在图23中所看到的那样，在MFOV系统600中，通过第一透镜636的反向散射光622的至少一部分沿着万花筒246被引导，从CLC248被反射并且被MFOV子系统250探测。MFOV子系统250的探测器252的输出被引导到上面参考图16所描述的MFOV探测器电路264。其间，被实现为光敏二极管或光束截捕器的单FOV子系统260捕获来自单次散射262的光，并且也将它输出到MFOV探测器电路264。MFOV探测器电路264进而计算一个或多个反应过冷水滴、冰和其它环境和/或天气状态的存在的参数，并且输出信号299以指示决策、发出报警信号、或者做出类似动作。

如同在图23中所看到的那样，在MFOV系统660中，通过第一透镜636的反向散射光622的至少一部分沿着万花筒246被引导，从CLC248被反射并且被MFOV子系统280探测。MFOV子系统280的探测器288、298的输出被引导到上面参考图17所描述的MFOV探测器电路265。其间，被实现为光敏二极管或光束截捕器的单FOV子系统260捕获来自单次散射262的光，并且将它输出到MFOV探测器电路265。MFOV探测器电路265进而计算一个或多个反应过冷水滴、冰和其它环境和/或天气状态的存在的参数，并且输出信号299以指示决策、发出报警信号、或者做出类似动作。

尽管在这里已经在上面结合多个方面和实施方式描述了本发明，应当理解，这些方面和实施方式通过例子的方式被呈现并且不是旨在限制本发明。因此可以理解，根据需要，可以组合实施方式的各部件和方面。因此，本发明不应当被限定到任何特定实施方式或方面，而应当依照这里附属的权利要求来解释其幅度和宽泛的范围。

Claims (20)

1.一种空中多视场水滴传感器，包括：

照明部分，该照明部分包括：

第一光束发射器，该第一光束发射器被构造成输出光束；和探测部分，该探测部分包括：

窗口，该窗口被构造成允许来自被所述光束照明的水滴的反向散射光从其穿过；

第一透镜，该第一透镜被构造成在所述反向散射光已经通过所述窗口之后聚焦所述反向散射光；

万花筒，该万花筒被构造成朝向圆-线转换器的内反射表面引导已经通过所述第一透镜的所述反向散射光的第一部分；

多视场子系统，该多视场子系统包括被构造成接收由所述圆-线转换器反射的光的至少第一探测器；和

单视场子系统，该单视场子系统被构造成接收已经通过所述第一透镜的所述反向散射光的第二部分，该第二部分未被所述圆-线转换器反射。

2.如权利要求1所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

定位在所述圆-线转换器的所述内反射表面和所述第一探测器之间的纤维光学板，所述纤维光学板被构造成传送由所述圆-线转换器反射的光学图像。

3.如权利要求1或2所述的空中多视场水滴传感器，其中所述多视场子系统进一步包括：

第二探测器，所述第二探测器也被构造成接收由所述圆-线转换器反射的光，其中：

第二探测器被构造成所探测的反射的、反向散射光所对应的视场角大于所述第一探测器所探测的视场角。

4.如权利要求3所述的空中多视场水滴传感器，其中所述第一和第二探测器各包括探测器元件线性阵列。

5.如权利要求3所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

定位在所述圆-线转换器的焦平面和所述第一探测器之间的第一组光学元件，其中所述第一组光学元件放大来自所述圆-线转换器的小视场反射；和

定位在所述圆-线转换器的所述焦平面和所述第二探测器之间的第二组光学元件。

6.如权利要求5所述的空中多视场水滴传感器，其中所述第一组光学元件包括：

至少两个透镜；和

置于所述两个透镜之间的带通滤光器。

7.如权利要求1或2所述的空中多视场水滴传感器，其中：

所述圆-线转换器包括具有变化斜率的锥形区域；并且

所述锥形区域的接近顶点的内反射表面的斜率小于1.0。

8.如权利要求1或2所述的空中多视场水滴传感器，其中所述单视场子系统包括光束截捕器。

9.如权利要求1或2所述的空中多视场水滴传感器，其中所述单视场子系统包括光敏二极管。

10.如权利要求1或2所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

置于所述第一透镜和所述单视场子系统之间的准直透镜；其中：

所述准直透镜的位置沿着所述传感器的光学轴线轴向可调节。

11.如权利要求1或2所述的空中多视场水滴传感器，其中所述第一光束发射器包括由以下组成的组中的至少一个：

其输出为线性偏振的发光二极管；和

激光器。

12.如权利要求11所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

被构造成沿着所述传感器的光学照明轴线反射所述光束的反射器。

13.如权利要求1或2所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

处理器，所述处理器被构造成接收由所述多视场子系统和所述单视场子系统输出的信号，并且基于来自两个子系统的所述信号计算至少一个反映水滴状态的参数。

14.如权利要求1或2所述的空中多视场水滴传感器，其中所述单视场子系统使用圆偏振的光以在水和冰晶之间进行辨别。

15.如权利要求14所述的空中多视场水滴传感器，其中：

所述照明部分进一步包括：

第一线性偏振器，被构造成接收所述光束并且输出线性偏振的照明光束；

第一圆偏振元件，被构造成接收所述线性偏振的照明光束并且输出圆偏振的照明光束；并且

所述探测部分进一步包括：

第二圆偏振元件，被构造成接收已经通过所述窗口的圆偏振的反向散射光并且输出线性偏振的反向散射光；

第一偏振束分光器，被构造成将所述线性偏振的反向散射光分成第一分量线性偏振的反向散射光和第二分量线性偏振的反向散射光；

第一分量光探测器，被构造成探测所述第一分量线性偏振的反向散射光并且响应于此而输出第一信号；

第二分量光探测器，被构造成探测所述第二分量线性偏振的反向散射光并且响应于此而输出第二信号；和

处理器，被构造成接收由各自的第一和第二分量光探测器输出的所述第一和第二信号，并且基于所述第一和第二信号计算至少一个反映结冰状态的参数。

16.如权利要求15所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

置于所述第一偏振束分光器和所述第一分量光探测器之间的第二线性偏振器，所述第二线性偏振器被构造成在被所述第一分量光探测器探测之前，进一步线性偏振所述第一分量线性偏振的反向散射光。

17.如权利要求15所述的空中多视场水滴传感器，其中：

所述第一圆偏振元件包括第一四分之一波片；并且

所述第二圆偏振元件包括第二四分之一波片。

18.如权利要求15所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

反射器，被构造成沿着所述传感器的光学照明轴线反射所述圆偏振的照明光束；

第二线性偏振器，被置于所述第一偏振束分光器和所述第一分量光探测器之间，所述第二线性偏振器被构造成在被所述第一分量光探测器探测之前，进一步线性偏振所述第一分量线性偏振的反向散射光；

处理器，被构造成接收由各自的第一和第二分量光探测器输出的所述第一和第二信号，并且基于所述第一和第二信号计算至少一个反映结冰状态的参数。

19.如权利要求18所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括：

置于所述窗口和所述第二圆偏振元件之间的第一透镜；

置于所述第一线性偏振器和所述第一分量光探测器之间的第二透镜；

置于所述第二线性偏振器和所述第二分量光探测器之间的第三透镜；和

置于所述第一透镜和所述第二圆偏振元件之间的准直透镜。

20.如权利要求19所述的空中多视场水滴传感器，其中：

所述第二和第三透镜是聚光透镜；并且

所述准直透镜的位置沿着所述传感器的光学轴线轴向可调节。

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