DE2041467A1

DE2041467A1 - Vorrichtung zur Ermittlung turbulenter Luftstroemungen

Info

Publication number: DE2041467A1
Application number: DE19702041467
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Gaffard
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1969-08-22
Filing date: 1970-08-20
Publication date: 1972-02-03
Also published as: LU61534A1; NL7011942A; BE754792A; FR2056041A5; GB1288104A

Description

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VORRICHTUIG ZUH

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Die Erfindung "betrifft eine ¥orrichttmg 25ur Ermittlung turbulenter Luftströmungen mit Hilfe infraroter Strahlen, und zwar eine Vorrichtung, die in Flugzeuge eingebaut werden kann.

Es sind verschiedene Vorrichtungen zur Ermittlung turbulenter Luftströmungen bekannt, und es sei darauf hingewiesen, dass derartige turbulente Strömungen auf umgeordnete Bahnen von Gasströmen zurückzuführen sind und unter bestimmten Bedingungen die Ursache für einen vorzeitigen und verhängnisvollen Verschleiss der sich in diesen Strömungen befindlichen Plugzeuge sein können. JRs gibt beispielsweise VHF- und UHF-Radarsysteme, die turbulente Luftzonen ermitteln. Solche Systeme beruhen auf den Schwankungen des Brechungsindexes der Luft: obgleich die elektromagnetischen Hertzschen Wellen jedoch

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von Wolken und atmosphärischen Niederschlägen aufgehalten werden, besteht ihr Hauptnachteil darin, dass sie häufig die turbulenten Strömungen durchqueren, ohne sie zu ermitteln.

Es ist ebenfalls allgemein anerkannt, dass bei klarer Luft die Ermittlung der von der Erdatmosphäre auf infraroten Wellenlängen ausgesandten Wärmestrahlen Vorteile bietet, weil eine natürliche Strahlenquelle vorhanden ist und die Temperaturmessung in Abhängigkeit von der Wellenlänge nach dem Planckschen Gesetz mit gr'osserer Genauigkeit erfolgen kann·

Es sind ausserdem Ermittlungsvorrichtungen für infrarote Strahlen aussendende Objekte bekannt; diese Vorrichtungen rotieren und tasten den Luftraum ab, um jedesmal wenn ein von einem Objekt ausreichender Stärke stammendes Lichtbündel auf einen Detektor trifft, einen Impuls abzugeben. Die derzeitig zur Verfügung stehenden Infrarot-Ermittlungsgeräte für turbulente Strömungen in klarer Luft sind in ihrer Empfindlichkeit und durch das normale Wärmegefälle der unbewegten Atmosphäre begrenzt. Dieses Gefälle ruft Schwankungen der Infrarotstrahlung gleicher Gr'ossenordnung wie derjenigen, die durch turbulente Strömungen entstehen, hervor.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht die Behebung derartiger Nachteile. Durch sie kann die Empfindlichkeit der Vorrichtungen zur Ermittlung turbulenter Strömungen durch Aufhebung oder Verringerung der Auswirkungen des normalen atmosphärischen Wärmegefälles erhöht werden.

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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Ermittlung turbulenter Luftströmungen durch Analyse der von der Atmosphäre ausgesandten infraroten Strahlen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie zwei Infrarot-Richtdetektoren 8 und 9, eine an den Ausgang dieser Detektoren angeschlossene Differenzmesschaltung 19-24 und eine Vorrichtung 18 aufweist, um den Abtastgeraden 15 und 16 der Detektoren eine periodische Winkelbewegung zu erteilen, deren Höhenwinkelkomponente nicht gleich Null ist. |

Unter Bezugnahme auf die Schemazeichnungen 1, 2, 3 und 4 folgt die Beschreibung eines erfindungsgemässen Ausführungsbeispiels. Die in den Fig. dargestellten gleichen Teile tragen jeweils die gleichen Ziffern.

Pig, 1 veranschaulicht beispielsweise das Arbeitsprinzip der Vorrichtung in einem Plugzeug.

Pig. 2 ist eine Schemazeichnung der beiden kreisförmigen, durch die Rotation des optischen Systems erzielten schnellen Abtastbewegungen. %

Pig. 3 ist ein Ubersichtsschaltbild der Vorrichtung zur Ermittlung des durch die turbulente Strömung erzeugten Signals und zur Darstellung des Höhenwinkels dieser Turbulenz auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre.

Fig. 4 zeigt die an verschiedenen Stellen der elektronischen Schaltungen erhaltenen Kurven.

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Fig. 1 stellt eine Schemazeichnung der Anwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung dar. Ein Plugzeug 4 fliegt bei klarem Himmel in der Stratosphäre, deren Grenze durch die Linie 3 bezeichnet ist, und die Linie 2 stellt die Erdoberfläche dar. Zwischen der Erde 2 und der Grenzlinie 3 der Stratosphäre herrscht ein senkrechtes, im wesentlichen konstantes Wärmegefälle, das seinen Ausdruck in der Aussendung infraroter Strahlen findet, deren Stärke von der Temperatur der Atmospäre abhangt. Die Stärke dieser Strahlen ist demnach im wesentlichen eine Linearfunktion der Höhe.

Das Flugzeug 4 ist mit einer Ermittlungsvorrichtung für turbulente Luftströmungen ausgestattet, die einen Richtdetektor zur Messung der Stärke der aus zwei unterschiedlichen, durch die Geraden 15 und 16 dargestellten Richtungen kommenden Strahlen aufweist. Erfindungsgemäcs weist der Detektor Vorrichtungen zur in regelmässigen Abständen erfolgenden Änderung der Richtung der Geraden 15 und 16 aufs Bei· einer besonderen AusfUhrungsart erfahren die Geraden 15 und Rotationen, so dass sie die in Fig. 1 dargestellten Kreise 5 bzw. 6 beschreiben. Wenn auf keiner der beiden Geraden 15 und 16 atmosphärische Turbulenzen auftreten empfangen die Detektoren eine sich sinusförmig ändernde Strahlungsstärke, sofern die Rotation der Geraden 15 und 16 gleichförmig ist. Die Änderung der empfangenen Strahlungsstärke ist darauf zurückzuführen, dass die Atmosphärentemperatur je nach der Höhe verschieden ist. Wenn in keiner der durch die Geraden be-

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stimmten Richtungen turbulente luft strömungen auf fee tea _? sind "die von den Detektoren empfangenen Signale Ms auf eise Konstante identisch, ' . . ' . ■

■ ■■ f/eim eine'turbulente Strömung auf einer, der Geraden. auftritt, wie beispielsweise mit 7' auf der Geraden 15 dargestellt, sind die Signale verschieden· lins Differenzmessung ermöglicht dann, das Auftreten der turbulenten Luftströmung

und ihre Winkelstellung -anzuzeigen. . ' ' ' _ -

Pig» 2 ist eine Sehemzeiclmung- eines Ausftihrungsbeispiels einer. erf indungsgem'ässen-Vorrichtung. - - -

Diese Vorrichtung weist zwei lichtempfindliche Detektoren 8 und 9 und eine optische Einstellvorrichtung auf, die aus einem Fokussierungsgerät besteht, das mit einer Linse 10 versehen sein kann.

Diese Linse 10 ist in einem Gehäuse 11 untergebracht, das auf einem in der Fig. nicht dargestellten Träger ruht-, durch welchen das Gehäuse, wie durch den Pfeil 12 dar- | gestellt, um eine Achse 13 rotieren kann« Die Linse 10 ist so angeordnet, dass ihr optisches Zentrum 14 sich nicht auf der Rotationsachse 13 befindet. Die Rotation des Gehäuses 10 versetzt die Linse in eine Kreisbewegung um die Achse 13» die die Linse in einem Punkt 13* schneidet. Optisch erfolgt hierdurch die Rotation der Achse 15 oder 16, die durch die Gerade definiert ist, die die Pupille des Detektors 9 oder 8 mit dem optischen Zentrum 14 der Linse 10 verbindet.

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Jeder Punkt der Geraden 15 und 16 beschreibt somit eine Kreisbahn 5 bzw. 6.

Um den durch die erfindungsgemasse Vorrichtung erfassten Raum zu vergr'dssern, ist es auch möglich, den Geraden eine azimutale Abtastbewegung zu erteilen, wobei die Frequenz der azimutalen Abtastbewegung vorzugsweise wesentlich schwächer als die Frequenz der oben definierten Rotation ist.

Pig. 3 ist ein übersichtsschaltbild eines erfindungsgemässen Detektors; die auf einem nicht dargestellten Träger angebrachte Linse 10 erfahrt eine Rotation 12 um die Achse 13. Diese Achse kann ausserdem eine schematisch durch den Winkel 17 dargestellte azimutale Abtastbewegung erfahren. Die beiden Bewegungen können auf bekannte Weise durch einen Motor 18 ausgeführt werden. Dieser Motor ist an einen elektrischen Stromkreis 18' angeschlossen, der mit der azimutalen Abtastbewegung synchronisierte Signale abgeben kann. Die Detektoren 8 und 9 sind an den Eingang der Verstärker 19 bzw. 21 angeschlossen, deren Ausgänge mit den Eingängen B und D eines DifferentialVerstärkers 23 verbunden sind, dessen Ausgang an einem Sichtgerät liegt, das der Eingang eines Oszilloskops 24 ist, dessen Abtastung mit den von der Schaltung 18· abgegebenen azimutalen Abtastsignalen synchronisiert ist.

In der Pig. 4 ist die Form der verschiedenen erhaltenen Signale dargestellt;

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Die Kurve A) stellt die Form des in Punkt A der Pig» 3 erhaltenen Signals dars Im Falle der kreisFonaigen Abtastbewegung wird im wesentlichen eine Sinuskurve mit Zacken und 26 erhalten, die dem Durchgang der den Kreis 5 beschreibenden Geraden 16 durch die unteren bzw» oberen !'ander der turbulenten Str'ömungszone 7 entsprechen»

Die Kurve C) stellt das im Punkt C erhaltene Signal

dar, das eine Sinuskurve ohne Zacken ist, denn die den Kreis 6 g abtastende Gerade 16 ist auf keine turbulente Str'oimngszone gestossen.

Die Kurven B) und D) entsprechen den bei B bzw» D nach Verstärkung erhaltenen Signalen; am Ausgang des Differentialverstärkers 23 wird ein Signal, wie durch die Kurve E dargestellt, erhalten.

Es ist ein besonderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung beschrieben worden; zahlreiche Abwandlungen sind möglich. Die kreisförmige Abtastung der ä

Geraden ist nicht unbedingt erforderlich. Wesentlich ist vielmehr, die Abtastbewegung in regelmässigen Abständen mit einer nicht Null betragenden Höhenwinkel-Komponenten auszuführen, um ein infolge des in der Atmosphäre herrschenden vertikalen Temperaturgefälles periodisches Signal zu erhalten.

Es ist möglich, eine gleiche Wirkung durch feste Anordnung der Linse und Bewegung der Detektoren 8 und 9 zu erzielen.

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Die azimutale Abtastbewegung kann durch Bewegung des die Linse und die Detektoren enthaltenden Gerntec oder dadurch erfolgen, dass nur die Linse oder nur die Detektoren eine winkelförmige Abtastung erfahren.

Diese Detektoren können Bolometer oder lichtelektrische Detektoren eines der benutzten Wellenlänge entsprechenden Typs sein, beispielsweise Germanium-Gold-Detektoren, die bei sehr niedrigen Temperaturen (mit flüssigem Stickstoff) nach den herkömmlichen Techniken gekühlt werden, um die Frmittlungsempfindlichkeit zu erhöhen. Im Falle einer Analyse der infraroten Strahlen der Wellenlängen zwischen und 5 Mikron werden mit flüssigem Stickstoff gekühlte lichtelektrische Detektoren (In-Sb) verwendet. Bei Wellenlängen oberhalb von 5 Mikron werden mit flüssigem Wasserstoff gekühlte Ge-Cu-Detektoren, mit flüssigem Helium gekühlte Ge-Hg-Detektoren oder mit flüssigem Stickstoff gekühlte Ge-Au-Detektoren verwendet. In allen diesen Fällen wird das Wellenlängenband derart gewählt, dass die Wellenlängen von der Luft ausreichend absorbiert werden, um eine beträchtliche Infrarotstrahlung zu erzeugen und in genügendem Masse von der Luft übertragen werden, um eine Ermittlung von turbulenten Luftstr'tSmungen bei beachtlicher Entfernung zu ermöglichen.

Im Falle einer azimutalen Abtastung können vorteilhafterweise Detektoren mit Eingangspupillen in Form eines Spaltes verwendet werden, die parallel zur Abtastebene angeordnet sind.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Ermittlung turbulenter Luftströmungen durch Analyse der von der Atmosphäre ausgesandten infraroten Strahlen, dadurch g e k e η η ζ e i c h-■■ ' η e t, dass sie zwei Infrarot-Richtdetektoren (8 und 9)» eine an den Ausgang dieser Detektoren angeschlossene Differenzmesschaltung (19-24) und eine Vorrichtung (18) aufweist, um den f Abtastgeraden (15» 16) jedes Detektores (8, 9) eine periodische Winkelbewegung zu erteilen, deren Höhenwinkel-Komponente nicht gleich Null ist,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d' u r c h

g e k e η η ζ e i c h η e t, dass die Abtastgerade (15) eines der Detektoren einen konstanten Winkel mit der Abtastgeraden (16) des anderen Detektors bildet.
3, Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch

gekennz e ichne t, dass die Vorrichtung zur Aus- " führung einer periodisch erfolgenden winkelförmigen Bewegung mindestens einer der beiden Geraden eine Vorrichtung ist, die die betreffende Gerade in eine Drehbewegung um eine feststehende Achse (8—13· oder 9-13*) entsprechend der gesamten Vorrichtung versetzt.
4· Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ausführung einer winkelförmig erfolgenden Bewegung der Abtast-

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geraden ein Fokussierungsgerät (10) aufweist, das auf einem um eine feststehende Achse (13) drehbaren Träger angebracht ist und dessen optisches Zentrum (14) ausserhalb der feststehenden Achse (13) liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ausführung einer winkelförmig erfolgenden Bewegung der Abtastgeraden einen beweglichen Träger aufweist, der auf einer exzentrischen Achse drehbar angebracht ist, wobei die Detektoren fest mit dem beweglichen Träger verbunden sind und ein den Detektoren zugeordnetes Pokussierungsgerät auf einem feststehenden Träger angebracht ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichne t, dass die Vorrichtung zur Ausführung einer winkelförmig erfolgenden Bewegung der Abtastgeraden (15-16) Teile aufweist, die die Geraden um eine Bezugsachse (13) rotieren lassen, und Teile, die die Bezugsachse (13) in eine winkelförmige, ebene Schwingbewegung versetzen.

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L e e r s e i t e