CN103282798B - 气溶胶检测 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种气溶胶检测设备，包括：飞行器，具有包括在其主体（12）内的电介质部件，诸如窗户（10），使得该电介质部件的表面形成飞行器的外表面的一部分。检测设备（16），诸如被置于飞行器内部的静电监测器且被设置为检测由电介质部件的极化产生的电场。当飞行器飞过诸如火山灰云的气溶胶时，静电监测器的输出或其变化率与颗粒密度密切相关。该设备简单且相对廉价，且可包括任何通用飞行器。使用本发明的设备可比使用诸如安装在专用研究飞行器上的光学光谱仪或安装在飞行器外部的静电监测器的装置更简单和快捷地检测和映射气溶胶颗粒。

Description

气溶胶检测
技术领域
本发明涉及用于气溶胶检测的设备和方法，更具体地，涉及大气中的固体颗粒(诸如粉尘、灰尘、冰、雪、雨或污染物的颗粒)的检测。
背景技术
典型地，利用安装在飞行器上的复杂的颗粒感应仪器在大气的大范围区域中检测和分析空气颗粒物。例如，可将气溶胶光谱仪安装在飞行器上，且随后可让飞行器飞过大气层，并用真空泵抽气使之通过光谱仪。某些市场上可以买到的气溶胶光谱仪，诸如由GrimmAerosolTechnikGmbH&CoKG生产的Model1.129Sky-OPC，专门为大气研究而设计，且允许将关于颗粒尺寸和颗粒密度的数据记录在集成数据存储卡上以作为时间和/或安装该光谱仪的飞行器的位置的函数。然而，这类仪器较复杂和昂贵。它们需要大量时间和努力才能安装到飞行器上。典型地，这类装置中的颗粒分析利用由颗粒散射来自激光器或LED的光的光学散射测量来进行，并从散射光的测量来推测颗粒的存在、尺寸和密度。这包括复杂的检测器的布置和复杂的计算机处理资源。此外，由于飞行器安全认证法规，一般需要专门研究的飞行器。这意味着飞过大气的给定区域的以及能够潜在收集关于空气颗粒物的数据作为该区域中的位置的函数的商用飞行器不能被用于收集这类数据。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种气溶胶检测设备，包括：飞行器，具有包括在其主体内的电介质部件，使得所述电介质部件的表面形成所述飞行器的外表面的一部分；以及检测装置，被置于所述飞行器的内部且被设置为检测由所述电介质部件的极化产生的电场。
例如，当该飞行器飞过包含诸如灰尘或粉尘的空气颗粒物的空中时，该电介质部件发生极化，使得在电介质部件的与形成该飞行器的部分外表面相反的表面上出现感应电荷。通过检测由该感应电荷在飞行器内部产生的电场，可推测出大气中颗粒物的存在。由于飞行器的主体通常是金属，所以之前已假设若飞行器由于任何原因而带电，则由于飞行器将表现为法拉第笼，所以飞行器内部将不存在电场。例如，之前已提及了飞行器带电，但通过在飞行器外部放置仪器来检测(R.C.Roberts&G.W.Brock,JournalofMeteorology,volume2(1945),pp205-213；R.C.Waddel,R.C.Drutowski&W.N.Blatt,ProceedingsoftheInstituteofRadioEngineers,volume34(1946),pp161-166.)。电介质部件的极化可通过多种不同机制中的一种或多种来产生。当飞行器飞过气溶胶时，已带电的气溶胶颗粒能将它们的电荷转移到形成飞行器的部分外表面的电介质部件的表面。不带电的气溶胶颗粒也可通过摩擦机制而使电介质部件的该表面带电。此外，在飞行器飞过气溶胶期间，飞行器的外表面的其他部分可能带电，从而产生使电介质部件极化或辅助电介质部件极化的电场。
电介质部件可以是飞行器的窗户，在该情况下，可使用任何通用飞行器。换句话说，为实施本发明，不需要将特殊的电介质部件改装到飞行器上，或者使用特殊的电介质部件来建造新飞行器。例如，BAe‘146’飞行器的窗户包括也可用作电介质部件的丙烯酸的外层。
该检测装置可以是安装在飞行器内的静电监测器(staticmonitor，静态监测器)。可使用诸如机电场磨仪(electro-mechanicalfieldmillinstrument)的静电电压计。合适的机电场磨仪是由ChilworthTechnologyLtdofSouthampton,U.K.生产的JCI140静电监测器。
该设备还可包括被设置为监测静电监测器的输出并在所述输出超过预定阈值时产生警报的警报装置。该警报可以是用于引起一个或多个机组人员的注意的可视和/或声音信号。另外或可选地，它可以是发送到飞行器控制系统的使飞行器飞离特定空域的控制信号。
优选地，该装置还包括数据采集系统，被设置为记录作为所述飞行器的位置的函数的所述静电监测器的输出或所述静电监测器的输出的变化率。当飞行器飞过含有颗粒的空域时，由电介质部件的表面上聚集的电荷产生的电场指示气溶胶的存在。记录静电监测器的输出(或其变化率)作为位置的函数允许对气溶胶颗粒的存在进行映射。
飞行器位置可通过多种方式获得。例如，当以恒定速率飞行时，飞行器的位置以整个所经过的飞行时间来测量。然而，为给出精确和详细的位置信息(纬度、经度和高度)，并因此给出更加精确和详细的对大气中的颗粒存在的映射，优选地，该设备还包括被设置为向数据采集系统输出关于飞行器的位置信息的全球定位系统GPS)。
产生电介质部件的极化的电场值(以及由此的静电监测器的输出)可以是气溶胶颗粒密度的函数。电场的变化率(以及由此的静电监测器的输出的变化率)也可以是气溶胶颗粒密度的函数。因此，优选地，该设备还包括处理装置，被设置为基于作为所述静电监测器的输出的函数或者视情况可以是所述静电监测器的输出的变化率的函数的有关气溶胶颗粒密度的假设的函数形式，将记录的所述静电监测器的输出值或者视情况可以是记录的所述静电监测器的输出的变化率值转换为气溶胶颗粒密度值。这允许映射气溶胶颗粒密度，即，将气溶胶颗粒密度确定为飞行器位置的函数。根据例如大气中颗粒类型的环境，所假设的函数形式可以是线性或非线性的。
作为对被设置为将存储在数据采集系统中的静电监测器的输出值或者静电监测器的输出的变化率转换为气溶胶颗粒的密度值的处理装置的替代，该设备替代性地可包括处理装置，被设置为基于作为所述静电监测器的输出的函数或者视情况可以是所述静电监测器的输出的变化率的函数的有关气溶胶颗粒的假设的函数形式，将所述静电监测器的输出或所述静电监测器的输出的变化率直接(即，实时地)转换为气溶胶颗粒密度值。在该情况下，该设备还可包括数据采集系统，被设置为记录作为所述飞行器的位置的函数的由处理装置输出的气溶胶颗粒密度值，使得该数据采集系统存储气溶胶颗粒密度的映射。此外，在该情况下，优选地，该设备还包括全球定位系统(GPS)，其由于以上给出的原因而被设置为向数据采集系统输出关于飞行器的位置信息。
本发明的第二方面提供了一种检测气溶胶中的颗粒的方法，包括使本发明的设备通过包含颗粒的大气的区域的步骤。
附图说明
以下仅通过实例的方式并参照附图对本发明的实施方式进行描述，附图中：
图1示出了本发明的第一实例性设备的一部分；
图2更详细示出了图1部分的电介质部件；
图3示出了本发明的第二实例性设备的一部分；
图4示出了使用浊度计获得的气溶胶颗粒密度的迹线以及本发明的设备中包括的静电监测器的输出的迹线；
图5示出了使用光学光谱仪获得的气溶胶颗粒密度的迹线以及本发明的设备中包括的静电监测器的输出的迹线；
图6示出了使用专用仪器获得的气溶胶质量密度的迹线以及本发明的设备中包括的静电监测器的输出的变化率的迹线。
具体实施方式
图1示出了本发明的第一实例性设备的一部分，该设备包括具有金属机身12的BAe‘146’飞行器，该机身12具有窗户10，窗户10的外表面形成飞行器外部的一部分。仪器封装壳20被安装在飞行器内部，该仪器封装壳20包括机电场磨仪传感器16(例如，由ChilworthTechnologyLtd,Southampton,U.K.制造的JCI140型静电监测器)。传感器16的输出被耦接至数据采集系统18，该数据采集系统18被设置为以规定的时间间隔记录传感器16的输出，在记录输出时传感器16的每个输出值连同飞行器的位置一起被记录。全球定位系统(GPS)单元22被设置为向数据采集系统18提供关于飞行器的位置信息。耦接至数据采集系统18的处理器24被设置为处理存储在数据采集系统18中的信息。
图2更详细示出了飞行器的窗户10。该窗户10由两个丙烯酸的结构层10A、10B以及用作薄刮板的第三丙烯酸内层10C组成。层10A的外表面形成飞行器外部的一部分。
在使用该设备时，飞行器飞过包含灰尘、粉尘、污染物等的颗粒的大气区域，换句话说，飞过作为气溶胶的大气区域。带电的并撞击在窗户10的外表面上的气溶胶颗粒能将它们的电荷转移到窗户10的外表面上。另外，贴覆在窗户10上的不带电的颗粒能通过摩擦机制使窗户10额外带电。带电的和不带电的颗粒也能造成飞行器外部的除窗户10的外表面之外的部分带电。当飞行器飞过气溶胶时，作为由一个或多个这些机制产生的电场的结果，窗户10发生极化。该极化在窗户10的内表面上产生感应电荷，并通过传感器16检测由该感应电荷产生的电场。在多次中的每一次，由数据采集系统18记录传感器16的输出以及由GPS22确定的飞行器的位置。
处理器24被设置为处理存储在数据采集系统18中的数据。处理器24可被装载在飞行器上且被设置为实时处理数据，或者处理器24可被用于离线处理数据且在飞行器飞行中仅存储数据。即使在飞行器飞行中，处理器24也被设置为基于由于窗户10内部上的感应电荷产生的电场(等于静电监测器16的输出)与气溶胶中的颗粒密度之间的假设的函数关系，将所记录的传感器16的输出值转换为颗粒的密度值。在某些情况下，该关系可能非常简单，例如，电场(以及由此的传感器16的输出)可能与气溶胶颗粒的密度直接成比例。在其他情况下，传感器16的输出可能是颗粒密度的更复杂的函数。在进一步的情况下，传感器16的输出的变化率可能是气溶胶颗粒密度的线性或更复杂的函数。可根据之前使用其他仪器或测量的经验来猜测或发现关于特殊类型的气溶胶的函数关系。因此，处理器24允许气溶胶颗粒密度作为所发现的位置的函数，即，所映射的气溶胶颗粒密度。
图3示出了本发明的第二实例性设备的一部分。与图1中所示的设备的某些部分相对应的图3中所示的设置的一部分采用与图1中标记相应部分的附图标记相差100的附图标记来标记。在第二实例性设备中，机电场磨仪传感器116的输出与处理器117相连接，该处理器117基于作为传感器116的输出(或传感器116的输出的变化率)的函数的有关气溶胶密度的假设的函数形式，将传感器116的输出(或传感器116的输出的变化率)实时转换为气溶胶颗粒的密度值。来自处理器117的输出直接对应于气溶胶的颗粒密度，在多次中的每一次，由数据采集系统118记录该处理器117的输出以及由GPS122指示的飞行器的位置。因此，数据采集系统118存储将气溶胶颗粒密度映射为位置的函数的信息。
图4示出了安装在研究飞行器上的积分浊度计在4小时时段内的输出的迹线210，在该4小时时段期间，飞行器飞过由冰岛中的埃亚菲亚德拉火山于2010年3月20日开始喷发产生的火山灰云的一部分。迹线210参照纵轴211。积分浊度计测量三种可见光波长的光学消光，且其输出表示气溶胶颗粒密度。图4还示出了机电场磨仪传感器在相同时间段内的输出的迹线200(参照纵轴201)，该传感器以图1和图3中所示的方式安装在相同的研究飞行器内部。图4示出了机电场磨仪传感器的输出与由浊度计测量的消光所指示的气溶胶颗粒密度密切相关。
在图5中，迹线220(参照纵轴221)与图4中的迹线200相同。图5还示出了也安装在研究飞行器上的被动腔气溶胶探针(PCASP)在相同的四小时时段期间的输出的迹线230，在该相同的四小时时段期间记录下迹线220。(迹线230参照纵轴231)。PCASP是用于检测和分析气溶胶的光学光谱仪。图5示出了由PCASP测量的气溶胶颗粒密度与安装在研究飞行器内的机电场磨仪传感器的输出之间的密切相关性。
图6示出了相同的机电场磨仪传感器经历3.5小时时段的输出的变化率的迹线240(参照纵轴241)，并还示出了由固定在研究飞行器上的专用颗粒密度测量仪器确定的在相同时段内火山灰的质量浓度的迹线250。图6示出了传感器的输出的变化率与研究飞行器飞过的火山灰云的气溶胶颗粒密度之间的密切相关性。
在一些实施方式中，可监测检测装置的输出(例如，输入到比较器中)，使得在该输出超过与气溶胶颗粒密度水平相关联的可能会以某种方式对飞行器造成损坏(例如，引擎损坏)的阈值水平时，可产生警报信号。该警报信号可被用于向飞行器的驾驶员发出可视和/或声音信号。可选择地或另外，该警报信号可被用于自动控制飞行器的飞行控制系统，从而将飞行器驾驶到具有较低气溶胶颗粒密度的空域。

Claims (16)

1.一种气溶胶检测设备，包括：飞行器，具有包括在其主体内的电介质部件，使得所述电介质部件的表面形成所述飞行器的外表面的一部分；以及检测装置，被置于所述飞行器的内部且被设置为检测所述飞行器内的电场，所述电介质部件被极化，使得感应电荷出现在所述电介质部件的与形成所述飞行器的所述外表面的一部分的表面相反的表面上，从而形成所述电场。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电介质部件是所述飞行器的窗户。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述检测装置是安装在所述飞行器内的静电监测器。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述静电监测器是静电电压计。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述静电电压计是机电场磨仪。
6.根据权利要求3所述的设备，还包括警报装置，被设置为监测所述静电监测器的输出，并在所述输出超过预定阈值时产生警报。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述警报是用于引起一个或多个机组人员的注意的可视和/或声音信号，和/或所述警报是发送到飞行器控制系统的使所述飞行器飞离特定空域的控制信号。
8.根据权利要求3所述的设备，还包括数据采集系统，被设置为记录作为所述飞行器的位置的函数的所述静电监测器的输出或所述静电监测器的输出的变化率。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备还包括被设置为向所述数据采集系统输出关于所述飞行器的位置信息的全球定位系统(GPS)。
10.根据权利要求8所述的设备，还包括处理装置，被设置为基于作为所述静电监测器的输出的函数或者所述静电监测器的输出的变化率的函数的有关气溶胶颗粒密度的假设的函数形式，将记录的所述静电监测器的输出值或者记录的所述静电监测器的输出的变化率值转换为气溶胶颗粒密度值。
11.根据权利要求3所述的设备，还包括处理装置，被设置为基于作为所述静电监测器的输出的函数或者所述静电监测器的输出的变化率的函数的有关气溶胶颗粒密度的假设的函数形式，将所述静电监测器的输出或所述静电监测器的输出的变化率转换为气溶胶颗粒密度值。
12.根据权利要求11所述的设备，还包括数据采集系统，被设置为记录作为所述飞行器的位置的函数的由转换装置输出的气溶胶颗粒密度值。
13.根据权利要求12所述的设备，还包括全球定位系统，被设置为向所述数据采集系统输出关于所述飞行器的位置信息。
14.一种检测气溶胶中的颗粒的方法，包括使根据前述任一项权利要求所述的设备通过含有所述颗粒的大气区域的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述大气区域包括灰尘。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述灰尘包括粉尘颗粒。
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