FR2948463A1

FR2948463A1 - On board device for remote measurement of turbulence and measurement of height of aircraft i.e. airplane, above ground, has optical beam deviating from angle such that beam directed toward bottom of aircraft in altimeter mode

Info

Publication number: FR2948463A1
Application number: FR0955125A
Authority: FR
Inventors: Rabadan Guillermo Jenaro
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2011-01-28
Anticipated expiration: 2029-07-22
Also published as: FR2948463B1

Abstract

The device has an optical beam (41) of an optical measurement system (2) i.e. light detection and ranging (LIDAR), oriented along a direction corresponding to main direction of displacement of an aircraft in turbulence mode. The optical beam of the system is deviated from an angle with respect to the main direction such that another optical beam (42) is directed toward the bottom of the aircraft in altimeter mode. The turbulences mode is associated with the operation in Doppler mode of the system, and the altimeter mode is associated with the operation in telemeter mode of the system. An independent claim is also included for an airplane comprising a system for measuring atmospheric turbulence in front of an airplane along a trajectory during flight.

Description

LIDAR embarqué bi-mode Embedded LIDAR dual mode

La présente invention appartient au domaine des systèmes embarqués sur un aéronef pour la mesure en vol de paramètres extérieurs à l'aéronef. Plus particulièrement l'invention concerne un système de mesure laser pour la détection de turbulences atmosphériques et pour la mesure de l'altitude de l'aéronef. The present invention belongs to the field of embedded systems on an aircraft for the measurement in flight of parameters outside the aircraft. More particularly, the invention relates to a laser measurement system for detecting atmospheric turbulence and for measuring the altitude of the aircraft.

Dans les phases de vol à proximité du sol, en particulier lors des phases d'approche et d'atterrissage, un aéronef doit connaître sa hauteur au-dessus du sol avec précision et cette précision est d'autant plus importante que la hauteur est exploitée par un système d'atterrissage automatique et ou que les conditions de visibilité ne permettent pas aux pilotes d'apprécier ou de contrôler cette hauteur avec toute l'anticipation nécessaire pour maintenir un niveau de sécurité suffisant à la phase d'atterrissage. Dans les aéronefs actuels la hauteur est mesurée ou calculée par divers 15 systèmes, le plus souvent combinés pour des raisons de sécurité. Un des systèmes les plus anciens consiste à établir l'altitude barométrique, c'est à dire à mesurer une pression statique de l'air à l'altitude de l'aéronef, laquelle pression est comparée à une pression de référence au niveau du sol pour en déduire la hauteur. 20 Ce principe d'altimètre largement utilisé présente l'inconvénient d'être sensible aux perturbations aérodynamiques à proximité des prises de mesure de pression statique sur l'aéronef qui sont susceptibles d'endommagement pouvant remettre en cause l'intégrité de la mesure de pression. Par ailleurs, les pilotes doivent pour obtenir leur hauteur rentrer la valeur 25 de la pression au sol, valeur variable dans le temps et dans l'espace qui est communiquée à l'aéronef depuis le sol, et malgré toutes les précautions procédurales une valeur erronée peut être saisie conduisant à une valeur erronée de la hauteur. Un autre système largement utilisé en aviation pour assurer la qualité de la trajectoire lors des approches automatiques ou manuelles consiste à utiliser un faisceau hertzien qui matérialise une trajectoire d'approche en site et en azimut par rapport à une piste d'atterrissage. Ce système dit ILS (Instrument Landing System) ne donne pas à proprement parler la hauteur de l'aéronef mais il détermine la position de l'aéronef par rapport à une trajectoire de descente, rectiligne pour un ILS, et des balises, les markers, réparties à diverses distances du seuil de la piste d'atterrissage indique la distance au seuil de piste et donc fournissent une information sur la hauteur théorique au passage de ces balises. L'inconvénient de ce type de système vient du fait qu'il ne donne pas l'information de hauteur de manière continue, que l'aéronef est tributaire de l'installation de l'ILS au sol et de son fonctionnement et que par ailleurs lorsqu'une piste d'atterrissage est équipée d'un ILS, la pente de la trajectoire d'approche est imposée par les caractéristiques de l'ILS considéré. En pratique les aéronefs utilisant un ILS sont également pourvus d'un radio-altimètre pour donner de manière continue leur hauteur au-dessus du sol. Un radio-altimètre est un instrument utilisant la réflexion par le sol d'une onde radio électrique émise et reçue par une antenne depuis l'aéronef. De la mesure des temps de propagation de l'onde radio électrique, l'équipement détermine la hauteur de l'aéronef au dessus du sol. In the phases of flight close to the ground, particularly during the approach and landing phases, an aircraft must know its height above the ground with precision and this accuracy is all the more important that the height is exploited by an automatic landing system and / or visibility conditions do not allow pilots to assess or control this height with all the anticipation necessary to maintain a sufficient level of security in the landing phase. In today's aircraft the height is measured or calculated by various systems, most often combined for safety reasons. One of the oldest systems is to establish the barometric altitude, that is to say to measure a static pressure of the air at the altitude of the aircraft, which pressure is compared to a reference pressure at ground level. to deduce the height. This widely used altimeter principle has the disadvantage of being sensitive to aerodynamic disturbances in the vicinity of the static pressure measurement sockets on the aircraft which are susceptible to damage which may call into question the integrity of the pressure measurement. . Moreover, the pilots must, in order to obtain their height, enter the value 25 of the ground pressure, variable value in time and in space which is communicated to the aircraft from the ground, and despite all the procedural precautions an erroneous value can be entered leading to an erroneous height value. Another system widely used in aviation to ensure the quality of the trajectory during automatic or manual approaches is to use a radio-relay system that embodies an approach path in elevation and azimuth with respect to an airstrip. This system says ILS (Instrument Landing System) does not strictly speaking give the height of the aircraft but it determines the position of the aircraft with respect to a straight downhill trajectory for an ILS, and beacons, the markers, distributed at various distances from the threshold of the runway indicates the distance to the runway threshold and therefore provide information on the theoretical height at the passage of these tags. The disadvantage of this type of system is that it does not give the height information continuously, that the aircraft is dependent on the installation of the ILS on the ground and its operation and that otherwise when an airstrip is equipped with an ILS, the slope of the approach course is dictated by the characteristics of the ILS considered. In practice, aircraft using an ILS are also provided with a radio altimeter to continuously give their height above the ground. A radio altimeter is an instrument using the ground reflection of an electric radio wave transmitted and received by an antenna from the aircraft. From the measurement of the propagation time of the electric radio wave, the equipment determines the height of the aircraft above the ground.

Ce type de système reste cependant sensible aux conditions de propagation des ondes radioélectrique et sa précision peut être perturbée par les caractéristiques de la surface du sol sur laquelle l'onde radio électrique se réfléchit, en particulier en présence de végétation, d'immeubles ou de véhicules au sol. This type of system, however, remains sensitive to the propagation conditions of radio waves and its accuracy can be disturbed by the characteristics of the surface of the ground on which the radio wave is reflected, particularly in the presence of vegetation, buildings or buildings. ground vehicles.

De manière générale, tous ces systèmes nécessitent des équipements (capteurs, antennes, émetteurs-récepteurs...) spécifiques pour cette application qui ne sont pas utilisables pour d'autres fonctions et d'autres équipements sont installés pour réaliser d'autres mesures comme par exemple un dispositif de mesures des turbulences atmosphériques sur la trajectoire à venir de l'aéronef. In general, all these systems require specific equipment (sensors, antennas, transceivers, etc.) for this application that can not be used for other functions and other equipment is installed to perform other measures such as: for example a device for measuring atmospheric turbulence on the future trajectory of the aircraft.

D'autre moyens sont également utilisés pour donner une information d'altitude, en particulier les systèmes inertiels et les systèmes de positionnement par satellite, mais ces systèmes donnent une information d'altitude d'une précision relativement faible et non corrélée avec le relief du sol survolé, une information d'altitude du sol au point considéré étant alors nécessaire pour définir la hauteur de l'aéronef. Other means are also used to give altitude information, in particular inertial systems and satellite positioning systems, but these systems give a relatively low altitude information which is not correlated with the relief of the terrain. ground overflown, an altitude information of the ground at the point considered then being necessary to define the height of the aircraft.

La présente invention a pour objectif de fournir de manière autonome à l'aéronef une information précise et fiable de sa hauteur au moyen d'un équipement également utilisé pour la fonction de mesure de turbulences. Pour cela, le dispositif de l'invention est un dispositif embarqué, destiné à être installé à bord d'un aéronef, par exemple un avion, de mesure à distance des turbulences et de mesure de la hauteur h au dessus du sol comportant un système de mesure optique par réflexion, dit LIDAR. Dans un premier mode de fonctionnement du dispositif, dit mode turbulences, un faisceau optique du LIDAR est orienté sensiblement suivant une direction correspondant à une direction principale de déplacement de l'aéronef lorsque le dispositif est embarqué sur un aéronef . Dans un second mode de fonctionnement du dispositif, dit mode altimètre, le faisceau optique du LIDAR est dévié d'un angle par rapport à la direction principale tel que le faisceau optique est orienté sensiblement vers le bas de l'aéronef lorsque le dispositif est embarqué sur un aéronef. The present invention aims to autonomously provide the aircraft with accurate and reliable information of its height by means of equipment also used for the turbulence measurement function. For this purpose, the device of the invention is an on-board device, intended to be installed on board an aircraft, for example an aircraft, for remote measurement of turbulence and for measuring the height h above the ground comprising a system optical reflection measurement, says LIDAR. In a first mode of operation of the device, called turbulence mode, an optical beam of the LIDAR is oriented substantially in a direction corresponding to a main direction of movement of the aircraft when the device is embarked on an aircraft. In a second mode of operation of the device, called altimeter mode, the optical beam of the LIDAR is deflected at an angle with respect to the main direction such that the optical beam is oriented substantially towards the bottom of the aircraft when the device is embarked on an aircraft.

Afin de mesurer la vitesse des particules présentes dans l'atmosphère et transportées par les turbulences, le mode turbulences du dispositif est associé à un fonctionnement en mode Doppler du LIDAR et afin de mesurer la distance du sol le mode altimètre du dispositif est associé à un fonctionnement en mode télémètre du LIDAR. In order to measure the velocity of the particles present in the atmosphere and transported by the turbulences, the turbulence mode of the device is associated with a Doppler operation of the LIDAR and in order to measure the distance from the ground the altimeter mode of the device is associated with a rangefinder operation of the LIDAR.

Pour modifier efficacement et de manière réversible l'orientation du faisceau optique du LIDAR lors d'une commutation entre les modes turbulences et altimètre un bloc optique comportant un miroir de renvoi est interposé sur le chemin optique du LIDAR lorsque le faisceau optique doit être dévié. Le mode turbulences nécessitant une puissance supérieure au mode altimètre, la puissance de la source optique du LIDAR est modifiée lorsque le dispositif est commuté entre le mode turbulences et le mode altimètre pour éviter d'émettre une puissance excessive vers le sol. To effectively and reversibly change the orientation of the LIDAR optical beam when switching between turbulence and altimeter modes an optical block having a reflecting mirror is interposed on the optical path of the LIDAR when the optical beam is to be deflected. Because turbulence mode requires more power than altimeter mode, the power of the LIDAR optical source is changed when the device is switched between turbulence mode and altimeter mode to avoid sending excessive power to the ground.

Avantageusement la puissance de la source optique du LIDAR est ajustée par un réglage de la puissance d'émission de la source optique et ou par interposition d'un filtre sur le chemin optique du LIDAR lorsque la puissance doit être diminuée en mode altimètre. Advantageously, the power of the optical source of the LIDAR is adjusted by an adjustment of the transmission power of the optical source and or by interposition of a filter on the optical path of the LIDAR when the power must be reduced in altimeter mode.

Pour prendre en compte l'attitude, variable, de l'aéronef sur lequel le dispositif est embarqué pour déterminer la hauteur h de l'aéronef au dessus du sol, l'angle de déviation du faisceau optique du LIDAR, lorsque le dispositif fonctionne en mode altimètre, est asservi en fonction de valeurs d'angles de tangage 0 et/ou de roulis qi de l'aéronef porteur lorsque le dispositif est embarqué sur un aéronef afin de rapprocher le faisceau optique du LIDAR de la direction verticale dans un repère terrestre local lié à l'aéronef. Dans un autre mode de réalisation pour prendre en compte l'attitude variable de l'aéronef, la valeur d de distance mesurée par rapport au sol lorsque le dispositif fonctionne en mode altimètre est corrigée par calcul pour déterminer une hauteur h entre l'aéronef et le sol suivant une direction sensiblement verticale dans un repère terrestre local en fonction de valeurs d'angles de tangage 0 et de roulis qi de l'aéronef porteur lorsque le dispositif est embarqué sur un aéronef. Le cas échéant les deux modes de réalisation sont combinés pour limiter les performances de l'asservissement du dispositif de déviation du faisceau optique, par exemple en terme d'amplitude ou en terme de direction. L'importance des mesures de turbulences et de hauteur étant variable en fonction de conditions de vol, de préférence la commutation entre les modes turbulences et altimètre est réalisée automatiquement en fonction de paramètres caractéristiques de phases de vol de l'aéronef porteur lorsque le dispositif est embarqué sur un aéronef. La mesure précise de la hauteur étant requise lorsque l'aéronef est relativement proche du sol, en particulier lors des phases d'approche en vue d'un atterrissage, avantageusement la commutation entre les modes turbulences et altimètre est réalisée automatiquement en fonction d'une altitude de l'aéronef porteur lorsque le dispositif est embarqué sur un aéronef ou en fonction d'une configuration de l'aéronef porteur caractéristique d'une phase de vol à basse hauteur, ces diverses conditions étant avantageusement considérée simultanément pour prévenir une défaillance d'un capteur ou d'un signal correspondant. Pour maintenir en cas de besoin, par exemple en approche avec un risque de cisaillement de vent, la quasi-simultanéité des mesures de turbulences et de hauteur, avantageusement les modes turbulences et altimètre sont activés alternativement afin de délivrer de manière sensiblement continue une mesure des turbulences et une mesure de la hauteur h. L'invention concerne également un avion comportant un tel dispositif de mesure en vol au moyen d'un LIDAR des turbulences atmosphériques en avant de l'avion le long d'une trajectoire à venir prévue et de la hauteur h par rapport au sol dans lequel la mesure des turbulences atmosphérique et la mesure de la hauteur h sont réalisées alternativement au moyen du LIDAR. To take into account the variable attitude of the aircraft on which the device is embarked to determine the height h of the aircraft above the ground, the angle of deflection of the optical beam of the LIDAR, when the device operates in altimeter mode, is controlled according to values of pitch angles 0 and / or roll qi of the carrier aircraft when the device is embarked on an aircraft in order to bring the optical beam of the LIDAR of the vertical direction in a terrestrial reference local linked to the aircraft. In another embodiment to take into account the variable attitude of the aircraft, the distance value measured with respect to the ground when the device operates in altimeter mode is corrected by calculation to determine a height h between the aircraft and the ground in a substantially vertical direction in a local landmark according to values of pitch angles 0 and roll qi of the carrier aircraft when the device is embarked on an aircraft. Where appropriate, the two embodiments are combined to limit the performance of the servocontrol of the device for deflecting the optical beam, for example in terms of amplitude or in terms of direction. The importance of the turbulence and height measurements being variable depending on flight conditions, preferably the switching between the turbulence and altimeter modes is performed automatically according to the characteristic parameters of the flight phases of the carrier aircraft when the device is embarked on an aircraft. The precise measurement of the height being required when the aircraft is relatively close to the ground, in particular during the landing approach phases, advantageously switching between the turbulence and altimeter modes is performed automatically according to a altitude of the carrier aircraft when the device is embarked on an aircraft or according to a configuration of the carrier aircraft characteristic of a flight phase at low height, these various conditions being advantageously considered simultaneously to prevent a failure of a sensor or a corresponding signal. To maintain if necessary, for example in approach with a risk of wind shear, the near-simultaneity of the turbulence and height measurements, advantageously the turbulence and altimeter modes are activated alternately in order to deliver in a substantially continuous manner a measurement of the turbulence and a measure of height h. The invention also relates to an aircraft comprising such a device for measuring in flight by means of a LIDAR of the atmospheric turbulence in front of the airplane along a planned future trajectory and the height h with respect to the ground in which atmospheric turbulence measurement and height measurement h are performed alternately using LIDAR.

La description d'un mode de réalisation de l'invention est faite en référence aux figures qui représentent de manière schématique : Figure la : un aéronef en configuration de vol de croisière, le dispositif en mode turbulences ; Figure lb : un aéronef en configuration d'approche, le dispositif de 20 l'invention en mode altimètre ; figure 2 : un synoptique du dispositif de l'invention illustrant les principaux moyens pour la commutation entre les modes turbulence et altimètre. La présente invention est basée sur la mise en oeuvre d'un système de 25 télédétection par Laser connu sous l'appellation de LIDAR (pour Light Detection And Ranging). Pour assurer la détection des turbulences atmosphériques 10 vers l'avant d'un aéronef, c'est à dire le long de la trajectoire à venir prévues, il est connu d'utiliser un système LIDAR 2 embarqué qui génère un faisceau optique 4, 41, en 30 pratique un faisceau Laser généré par une source laser 5, orienté vers l'avant suivant le sens de déplacement en vol de l'aéronef. Comme présenté sur les illustrations, l'aéronef est par exemple un avion 1. The description of an embodiment of the invention is made with reference to the figures which show schematically: Figure la: an aircraft in cruising flight configuration, the device in turbulence mode; Figure lb: an aircraft in approach configuration, the device of the invention in altimeter mode; FIG. 2: a block diagram of the device of the invention illustrating the main means for switching between the turbulence and altimeter modes. The present invention is based on the implementation of a Laser remote sensing system known as LIDAR (for Light Detection And Ranging). To ensure the detection of atmospheric turbulence towards the front of an aircraft, ie along the planned future trajectory, it is known to use an onboard LIDAR 2 system which generates an optical beam 4, 41 in practice, a laser beam generated by a laser source 5, facing forward in the direction of flight in flight of the aircraft. As shown in the illustrations, the aircraft is for example an airplane 1.

Dans la suite de la description l'expression faisceau optique est utilisée de manière générique pour désigner le trajet optique suivi par la lumière émise par la source du LIDAR ou celle réfléchie et reçue par le LIDAR et par extension désigne également la lumière émise ou réfléchie. In the following description the term optical beam is used generically to designate the optical path followed by the light emitted by the source of the LIDAR or that reflected and received by the LIDAR and by extension also refers to the emitted or reflected light.

L'analyse de la partie du faisceau optique 41 réfléchie par des particules en suspension dans l'air en déplacement sous l'effet des turbulences atmosphériques permet de déterminer par effet Doppler l'emplacement et l'intensité des turbulences 10 transportant ces particules. Un tel dispositif est connu par exemple du brevet FR 2 870 942. The analysis of the portion of the optical beam 41 reflected by particles in suspension in the air in motion under the effect of atmospheric turbulence makes it possible to determine by Doppler effect the location and the intensity of the turbulence carrying these particles. Such a device is known for example from patent FR 2 870 942.

De manière connue le faisceau optique 41 est dévié vers l'avant pour réaliser un balayage afin de mesurer les turbulences dans un volume devant l'aéronef. Le dispositif de l'invention comporte, outre un LIDAR 2 embarqué incorporant des moyens 3 associés de traitement du signal pour réaliser une mesure des turbulences atmosphériques 10 le long de la trajectoire en avant de l'aéronef 1, des moyens 6 pour orienter vers le sol 11 le faisceau optique 4, 42 du LIDAR. Lorsque le faisceau optique 4, 42 du LIDAR est orienté vers le sol 11 sous l'aéronef, le dispositif est dans un mode dit "mode altimètre" et le LIDAR est associé à des moyens 7 de traitement du signal assurant un fonctionnement en télémètre qui sont alors activé afin de restituer une valeur de la distance d entre l'aéronef 1 et le sol 11 dans la direction vers laquelle est orienté le faisceau optique 42 du LIDAR. Ainsi le dispositif de l'invention comporte un LIDAR 2 dont le faisceau optique 41 est orienté vers l'avant de l'aéronef dans un premier mode dit "mode turbulences" et vers le dessous 42 de l'aéronef dans le mode altimètre, les deux modes étant commutables 8 soit manuellement soit automatiquement comme il est décrit ultérieurement. Les chaînes de mesures et de traitement des signaux pour chacun de ces deux modes mettent en oeuvre des méthodes et des moyens connus, en particulier des processeurs mettant en oeuvre des algorithmes de traitement des signaux, et ne seront pas décrites en détail. In known manner the optical beam 41 is deflected forward to perform a scan to measure turbulence in a volume in front of the aircraft. The device of the invention comprises, in addition to an onboard LIDAR 2 incorporating associated signal processing means 3 for performing a measurement of the atmospheric turbulence along the trajectory ahead of the aircraft 1, means 6 for orienting towards the ground 11 the optical beam 4, 42 of the LIDAR. When the optical beam 4, 42 of the LIDAR is oriented towards the ground 11 under the aircraft, the device is in a mode called "altimeter mode" and the LIDAR is associated with signal processing means 7 providing a rangefinder operation which are then activated in order to restore a value of the distance d between the aircraft 1 and the ground 11 in the direction towards which the optical beam 42 of the LIDAR is oriented. Thus the device of the invention comprises a LIDAR 2 whose optical beam 41 is oriented towards the front of the aircraft in a first mode called "turbulence mode" and towards the bottom 42 of the aircraft in the altimeter mode, the two modes being switchable 8 either manually or automatically as described later. The measurement and signal processing chains for each of these two modes use known methods and means, in particular processors implementing signal processing algorithms, and will not be described in detail.

Suivant un principe de réalisation du dispositif, un miroir 6, incliné à 45 degrés par rapport à l'axe optique 4, 41 du LIDAR en mode turbulences, est positionné, en mode altimètre, sur le faisceau optique 4 à la sortie du LIDAR 2 de sorte que ledit faisceau optique se trouve dévié 42, à 90 degrés, vers le bas de l'aéronef. Dans ce mode altimètre, le LIDAR fonctionne en télémètre et est associé à des moyens 7 pour calculer la distance de l'obstacle, c'est à dire le sol 11, sur lequel se réfléchit le faisceau optique 42. Ce mode de fonctionnement d'un télémètre Laser est connu en lui-même. According to a principle of embodiment of the device, a mirror 6, inclined at 45 degrees with respect to the optical axis 4, 41 of the LIDAR in turbulence mode, is positioned, in altimeter mode, on the optical beam 4 at the exit of the LIDAR 2 so that said optical beam is deflected 42, at 90 degrees, towards the bottom of the aircraft. In this altimeter mode, the LIDAR operates as a range finder and is associated with means 7 for calculating the distance of the obstacle, ie the ground 11, on which the optical beam 42 is reflected. This mode of operation of a laser range finder is known in itself.

Avantageusement la commutation d'un mode à l'autre du dispositif est associée à une adaptation de la puissance optique émise par la source de puissance lumineuse 5 du dispositif. En effet la puissance de la source optique 5 qui est nécessaire pour réaliser une mesure Doppler des turbulences atmosphériques 10 est très supérieure à celle utile pour effectuer une mesure télémétrique de la distance du sol 11, même par conditions non optimales, étant donné qu'en phase d'approche où la mesure de la hauteur est nécessaire, cette hauteur est relativement faible, en pratique quelques centaines de mètres ou moins. La puissance optique émise peut être adaptée si besoin en ajustant la puissance rayonnée par la source 5 si la source utilisée est capable d'un tel ajustement et ou par l'interposition dans le trajet optique 4, 42 vers le sol d'un filtre atténuateur 9 qui est avantageusement un filtre interférentiel permettant également d'augmenter le contraste du faisceau optique réfléchi par le sol 11 compte tenu de l'éclairement général réfléchi par le sol qui, dans certaines régions et sous certaines conditions, est susceptible de dégrader la qualité de la mesure. Le miroir à 45 degrés 6 qui est utilisé dans le mode altimètre est par exemple associé à un groupe optique, incorporant avantageusement le filtre 9, mis dans une position en dehors du chemin optique 4, 41 du LIDAR lorsque le mode détection de turbulence est actif et dans une position sur le chemin optique 4, 42 lorsque le mode altimètre est actif, le déplacement du groupe optique étant réalisé par exemple par une translation ou par une rotation. Advantageously switching from one mode to another of the device is associated with an adaptation of the optical power emitted by the light power source 5 of the device. Indeed, the power of the optical source 5 which is necessary to perform a Doppler measurement of the atmospheric turbulence 10 is much greater than that useful for making a telemetric measurement of the distance of the ground 11, even by non-optimal conditions, since in approach phase where height measurement is necessary, this height is relatively low, in practice a few hundred meters or less. The transmitted optical power can be adapted if necessary by adjusting the power radiated by the source 5 if the source used is capable of such adjustment and or by the interposition in the optical path 4, 42 towards the ground of an attenuator filter 9 which is advantageously an interference filter also making it possible to increase the contrast of the optical beam reflected by the ground 11 taking into account the general illumination reflected by the ground which, in certain regions and under certain conditions, is likely to degrade the quality of the measurement. The 45-degree mirror 6 which is used in the altimeter mode is for example associated with an optical group, advantageously incorporating the filter 9, placed in a position outside the optical path 4, 41 of the LIDAR when the turbulence detection mode is active. and in a position on the optical path 4, 42 when the altimeter mode is active, the displacement of the optical group being made for example by a translation or a rotation.

Il convient de comprendre qu'un miroir à 45 degrés n'est ici qu'un exemple de moyen pour assurer le changement de direction du faisceau optique. En effet la valeur de l'angle du miroir peut être différente pour privilégier une direction du faisceau optique dévié qui n'est pas nécessairement à 90 degrés de l'axe du faisceau optique à la sortie de la source du LIDAR d'une part pour prendre en compte un calage du dispositif dans son montage mécanique sur l'aéronef par rapport à des axes de référence 12 de l'aéronef 1 et d'autre part pour compenser des attitudes de vol particulières de l'aéronef en phase d'approche lorsque la valeur de la hauteur h est recherchée. It should be understood that a 45-degree mirror is only one example of a means for ensuring the change of direction of the optical beam. Indeed, the value of the angle of the mirror can be different to favor a direction of the deviated optical beam which is not necessarily 90 degrees from the axis of the optical beam at the output of the LIDAR source on the one hand for take into account a setting of the device in its mechanical assembly on the aircraft with respect to reference axes 12 of the aircraft 1 and secondly to compensate for particular flight attitudes of the aircraft in the approach phase when the value of the height h is sought.

D'une manière générale la fonction du groupe optique 6 est principalement de commuter la direction du faisceau optique du LIDAR entre les directions recherchées pour chacun des modes de fonctionnement du dispositif. L'homme du métier est en mesure de mettre en oeuvre d'autres dispositifs connus pouvant assurer cette fonction, par exemple des fibres optiques, des filtres interférentiels, des lames réfringentes... Le LIDAR étant fixé à la structure de l'aéronef, en général dans une partie avant, et généralement fixe dans un référentiel de l'aéronef, la direction du faisceau optique du LIDAR par rapport au sol est a priori variable en fonction des attitudes de l'aéronef. In general, the function of the optical group 6 is mainly to switch the direction of the optical beam of the LIDAR between the directions sought for each of the operating modes of the device. The skilled person is able to implement other known devices that can perform this function, for example optical fibers, interference filters, refracting blades ... The LIDAR being attached to the structure of the aircraft, in general in a front part, and generally fixed in a reference frame of the aircraft, the direction of the optical beam of the LIDAR with respect to the ground is a priori variable according to the attitudes of the aircraft.

Contrairement au mode turbulences pour lequel les turbulences 10 à détecter sont sensiblement dans un axe longitudinal 12 de l'aéronef, en pratique sensiblement suivant la direction du déplacement de l'aéronef en vol, qui avantageusement correspond également sensiblement à l'axe optique 41 principal du LIDAR dans ce mode turbulences, la distance d entre l'aéronef et le sol 11 est particulièrement sensible à la direction dans lequel cette distance d est mesurée. La hauteur h recherchée correspond à la distance qui sépare l'aéronef 1 du sol 11 dans une direction correspondant à un point du sol à la verticale de l'aéronef dans un repère terrestre local lié à l'aéronef. Unlike the turbulence mode for which the turbulences 10 to be detected are substantially in a longitudinal axis 12 of the aircraft, in practice substantially in the direction of movement of the aircraft in flight, which advantageously also substantially corresponds to the main optical axis 41 LIDAR in this mode turbulence, the distance d between the aircraft and the ground 11 is particularly sensitive to the direction in which this distance d is measured. The desired height h corresponds to the distance separating the aircraft 1 from the ground 11 in a direction corresponding to a point of the ground to the vertical of the aircraft in a local landmark linked to the aircraft.

En raison d'une assiette longitudinale, ou angle de tangage 0, et d'une inclinaison latérale, ou angle de roulis tp, qui sont variables et surtout sensiblement différents de zéro lors d'une approche sur un terrain d'atterrissage, la direction de l'axe optique du faisceau optique 42 du LIDAR renvoyé à 90 degrés vers le bas dans le repère de l'aéronef 1 s'écarte, de manière générale, sensiblement de la verticale du repère terrestre local ce qui a pour conséquences que la valeur brute de distance d restituée par la mesure télémétrique du LIDAR est différente de la valeur de la hauteur h recherchée. Il est donc nécessaire de tenir compte de ces attitudes de l'aéronef pour estimer correctement la hauteur h par rapport au sol de l'aéronef. Différentes solutions peuvent être mises en oeuvre pour obtenir une estimation de la hauteur h de l'aéronef au dessus du sol à partir de la valeur de distance d restituée par le LIDAR en mode altimètre, ces différentes solutions pouvant être combinées. Une première solution consiste à transformer la valeur mesurée d par des formules de trigonométrie conventionnelles pour calculer la hauteur h en fonction d'un angle Â entre la verticale par rapport au sol et la direction du faisceau optique du LIDAR après sa déviation par le miroir à 45 degrés, angle Â qui est lui même une combinaison de l'angle de tangage 0 et de l'angle de roulis qi corrigés d'éventuels angles de calage du dispositif dans le repère lié à l'aéronef. Les angles corrigés de roulis 'p' et de tangage 0' sont connus de l'aéronef lorsque celui-ci est équipé de capteurs pour déterminer ses angles d'attitude, en particulier au moyens de centrales inertielles, et le dispositif reçoit avantageusement ces valeurs par des bus de communication de l'avion pour réaliser en temps réel les corrections nécessaires pour produire l'estimation de la hauteur h. Cette méthode nécessite également d'introduire le profil du sol sous 25 l'avion, une approximation simplificatrice consistant à considérer que le sol est plan et horizontal pour ce calcul ce qui conduit à la relation : h=d.cos(Â)=d.cos(yi').cos(O') Une autre solution consiste à utiliser un bloc optique, comportant le miroir à 45 degrés ou son équivalent, dont le fonctionnement est asservi en 30 fonction des angles de tangage 0 et de roulis qi de l'avion, mesurés et communiqués par exemple par des capteurs inertiels, afin de diriger le faisceau optique du LIDAR pendant la mesure sensiblement suivant la verticale dans le repère terrestre local de sorte que la valeur de distance d mesurée par le LIDAR en mode altimètre correspond sensiblement à la valeur recherchée de la hauteur h de l'aéronef au dessus du sol. Cette solution s'avère particulièrement intéressante lorsque le LIDAR dans le mode turbulences utilise des miroirs ou des prismes mobiles afin de réaliser un balayage de l'espace devant l'aéronef, cas le plus général, et que ces dispositifs optiques mobiles associés au miroir à 45 degrés sont également mis en oeuvre pour diriger le faisceau optique dans la direction verticale voulue. Dans une solution hybride entre ces deux solutions, le bloc optique 6 est par exemple asservi en position pour corriger l'effet de l'angle de tangage et un calcul trigonométrique est utilisé pour corriger l'effet de l'angle de roulis. La commutation entre les modes turbulences et altimètre peut être manuelle ou être commandée par d'autres systèmes de l'aéronef en fonction de la priorité donnée au mode devant être actif. Because of a longitudinal attitude, or pitch angle 0, and a lateral inclination, or roll angle tp, which are variable and above all significantly different from zero during an approach to an airfield, the direction the optical axis of the optical beam 42 of the LIDAR returned 90 degrees downward in the reference of the aircraft 1 generally deviates substantially from the vertical of the local landmark, which has the consequence that the value The raw distance d returned by the range measurement of the LIDAR is different from the value of the desired height h. It is therefore necessary to take into account these attitudes of the aircraft to correctly estimate the height h relative to the ground of the aircraft. Different solutions can be implemented to obtain an estimate of the height h of the aircraft above the ground from the distance value d restored by the LIDAR altimeter mode, these different solutions can be combined. A first solution consists in transforming the measured value d by conventional trigonometry formulas to calculate the height h as a function of an angle λ between the vertical relative to the ground and the direction of the optical beam of the LIDAR after its deflection by the mirror. 45 degrees, angle Â which is itself a combination of the pitch angle θ and the roll angle qi corrected for possible wedging angles of the device in the reference linked to the aircraft. Corrected angles of roll 'p' and pitch 0 'are known to the aircraft when it is equipped with sensors for determining its attitude angles, in particular by means of inertial units, and the device advantageously receives these values. by communication buses of the aircraft to achieve in real time the necessary corrections to produce the estimate of the height h. This method also requires introducing the soil profile under the airplane, a simplifying approximation of considering that the ground is planar and horizontal for this calculation which leads to the relation: h = d.cos (Δ) = d Another solution is to use an optical block, comprising the 45 degree mirror or its equivalent, the operation of which is slaved according to pitch angles θ and roll qi of the aircraft, measured and communicated for example by inertial sensors, in order to direct the LIDAR optical beam during measurement substantially vertically in the local terrestrial reference so that the distance value d measured by the LIDAR in altimeter mode corresponds substantially to the desired value of the height h of the aircraft above the ground. This solution is particularly interesting when the LIDAR in the turbulence mode uses mirrors or mobile prisms to perform a scanning of space in front of the aircraft, the most general case, and that these mobile optical devices associated with the mirror to 45 degrees are also used to direct the optical beam in the desired vertical direction. In a hybrid solution between these two solutions, the optical block 6 is for example slaved in position to correct the effect of the pitch angle and a trigonometric calculation is used to correct the effect of the roll angle. Switching between the turbulence and altimeter modes can be manual or controlled by other systems of the aircraft depending on the priority given to the mode to be active.

Avantageusement dans les phases de vol en croisière, en montée ou en descente, le mode turbulences est prioritaire et est activé par les automatismes de l'aéronef, en dehors d'une sélection manuelle des pilotes, car dans ces phases de vol l'aéronef est normalement à des altitudes relativement grandes pour lesquelles la mesure précise de la hauteur par le mode altimètre du dispositif n'est pas nécessaire. A contrario, lorsque l'aéronef est dans une phase d'approche en vue d'un atterrissage, l'aéronef se trouve à des hauteurs relativement faibles et le mode altimètre est activé. La sélection du mode correspondant à ces différentes phases est par exemple réalisé automatiquement par une valeur d'altitude obtenue par un autre moyen, par exemple une altitude barométrique, une altitude correspondant à une hauteur estimée inférieure à 300 mètres pouvant être par exemple utilisée pour engager le mode altimètre du dispositif. La sélection peut également être réalisée automatiquement en fonction de la configuration des dispositifs hypersustentateurs et ou des trains d'atterrissage de l'aéronef, configuration qui est généralement modifiée par rapport à la configuration de croisière lorsque l'aéronef est en approche en vue d'un atterrissage, e.g. volets de courbure de l'aile déployés et train d'atterrissage sorti. Avantageusement un mode de fonctionnement du dispositif est également sélectionné par une commande manuelle, laquelle comporte par exemple une position "mode turbulences" et une position "mode altimètre" et le cas échéant une position "marche automatique"et ou une position "arrêt". Dans la pratique, un changement du mode de fonctionnement du dispositif associe à la commutation du chemin optique 4 la commutation conjointe des moyens 3, 7 de traitement des signaux de mesure et le cas échéant l'adaptation de la puissance de la source optique 5 et ou de la position du filtre 9. Si un fonctionnement simultané des modes turbulences et altimètre du dispositif est souhaité, le groupe optique est alors avantageusement équipé d'un moyen permettant de commuter la direction du faisceau optique 4 entre la direction 41 souhaitée pour le mode turbulence et la direction 42 souhaitée pour le mode altimètre à une fréquence relativement élevée, par exemple de l'ordre de un hertz, pour fournir successivement des mesures de la turbulence 10 et des mesures de la hauteur h pouvant être lissées pour donner des résultats exploitables de manière continue. Advantageously in the phases of cruising flight, uphill or downhill, the turbulence mode is a priority and is activated by the aircraft's automatic controls, apart from a manual selection of pilots, because in these flight phases the aircraft is normally at relatively high altitudes for which accurate height measurement by altimeter mode of the device is not necessary. Conversely, when the aircraft is in an approach phase for a landing, the aircraft is at relatively low heights and the altimeter mode is activated. The selection of the mode corresponding to these different phases is for example automatically realized by an altitude value obtained by another means, for example a barometric altitude, an altitude corresponding to an estimated height of less than 300 meters which can be used, for example, to engage the altimeter mode of the device. The selection can also be done automatically depending on the configuration of the high lift devices and or the landing gear of the aircraft, which configuration is generally modified with respect to the cruising configuration when the aircraft is approaching in order to a landing, eg wing curvature flaps deployed and landing gear extended. Advantageously, an operating mode of the device is also selected by a manual control, which comprises, for example, a "turbulence mode" position and an "altimeter mode" position and, if appropriate, an "automatic operation" position and or a "stop" position. In practice, a change in the operating mode of the device associates with the switching of the optical path 4 the joint switching of the means 3, 7 for processing the measurement signals and, where appropriate, the adaptation of the power of the optical source 5 and or the position of the filter 9. If a simultaneous operation of turbulence and altimeter modes of the device is desired, the optical group is then advantageously equipped with a means for switching the direction of the optical beam 4 between the direction 41 desired for the mode turbulence and the desired direction 42 for altimeter mode at a relatively high frequency, for example of the order of one hertz, to successively provide turbulence measurements and smoothable height measurements h to give usable results continuously.

Un tel moyen permettant de commuter la direction du faisceau optique comporte par exemple un miroir oscillant ou un miroir tournant. La commutation entre les moyens de traitement des signaux de mesure de turbulences 3 ou de mesure de hauteur 7 ainsi que le changement des caractéristiques de la source optique 5 sont alors synchronisés avec la position de ces moyens de commutation. Le dispositif suivant l'invention permet donc de réaliser alternativement avec un même système une détection des turbulences sur la trajectoire prévue d'un aéronef et une mesure précise de la hauteur de l'aéronef par rapport au sol. En complétant ou en remplaçant le radioaltimètre actuellement utilisé sur les aéronefs pour les phases de vol en approche en particulier en approche automatique, le dispositif de l'invention permet de déterminer une hauteur précise et fiable de l'aéronef au dessus du sol en assurant en outre la mesure des turbulences atmosphériques, ce qui permet l'installation de la fonction de détection de turbulences sans pénalité sensible de masses et de coûts. Such a means for switching the direction of the optical beam comprises for example an oscillating mirror or a rotating mirror. The switching between the turbulence measurement signal processing means 3 or height measurement means 7 and the change in the characteristics of the optical source 5 are then synchronized with the position of these switching means. The device according to the invention thus makes it possible to perform alternately with the same system a detection of turbulence on the planned trajectory of an aircraft and a precise measurement of the height of the aircraft relative to the ground. By supplementing or replacing the radio altimeter currently used on aircraft for the flight phases in approach, particularly in the automatic approach, the device of the invention makes it possible to determine a precise and reliable height of the aircraft above the ground while ensuring in addition to the measurement of atmospheric turbulence, which allows the installation of the turbulence detection function without significant penalty of masses and costs.

Claims

CLAIMS1 on board device for remote measurement of turbulence measurement (10) and measurement of a height h above a ground (11) having a system (2) optical reflection measurement, said LIDAR, characterized in that in a first mode, called turbulence mode, an optical beam (4, 41) of the LIDAR is oriented substantially in a direction corresponding to a main direction of movement of the aircraft when the device is embarked on an aircraft and in that in a second mode, said altimeter mode, the optical beam of the LIDAR is deflected at an angle with respect to the main direction such that said optical beam (4, 42) is oriented substantially towards the bottom of the aircraft when the device is embarked on an aircraft. 2 Apparatus according to claim 1 wherein the turbulence mode of the device is associated with a Doppler operation of the LIDAR and wherein the altimeter mode of the device is associated with a rangefinder operation of the LIDAR. 3 Apparatus according to claim 2 wherein the orientation of the optical beam of the LIDAR when switching between the turbulence and altimeter modes is modified by an optical block (6) having a reflection mirror interposed on the optical path (4) of the LIDAR when the optical beam has to be deflected. 4 Apparatus according to claim 3 wherein the power of an optical source (5) of the LIDAR is changed when the device is switched between the turbulence mode and the altimeter mode. Device according to Claim 4, in which the power of the optical source (5) of the LIDAR is modified by adjustment of a transmission power of said optical source. 6 ù Device according to one of the preceding claims wherein the deflection angle of the optical beam (4) of the LIDAR, when the device operates in altimeter mode, is slaved according to values of pitch angles 0 and / or roll qi of the carrier aircraft when the device is embarked on an aircraft. 7 ù Device according to one of the preceding claims wherein a distance d measured from the ground (11) when the device operates in altimeter mode is corrected by calculation to determine a height h between the aircraft (1) and the ground (11) in a substantially vertical direction in a local landmark according to values of pitch angles 0 and roll qi of the carrier aircraft when the device is embarked on an aircraft. 8 ù Device according to one of the preceding claims wherein a switching between turbulence and altimeter mode is performed automatically according to characteristic parameters of flight phases of the carrier aircraft when the device is embarked on an aircraft. 9 ù Device according to one of claims 1 to 7 wherein the turbulence and altimeter modes are activated alternately to deliver substantially continuously a measurement of turbulence and a measurement of the height h. 10 - Aircraft (1) comprising a measurement system in flight of atmospheric turbulence in front of the aircraft along a planned future trajectory and comprising a measurement system of a height h with respect to the ground characterized in that a single device according to one of claims 1 to 9 alternately performs the measurement of atmospheric turbulence and measurement of the height h.