NO321926B1 - Fremgangsmate og anordning for detektering av atmosfaeriske vaerforhold - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og anordning for detektering av ugunstige atmosfæriske værforhold som utgjør en risiko for flytrafikk, og de ugunstige forhold frembringer lydbølger i atmosfæren.

Tidligere har det vært fremsatt flere forskjellige forslag for å fremskaffe informasjon til piloter i luften eller til bakkepersonell om risikable værforhold, og noen av disse forslag har innbefattet laserdetekteringsanordninger som vil registrere slike atmosfæriske forhold som temperatur, vanndampinnhold og lufthastighet, som indikerer værforhold. Ingen av disse tidligere, laserbaserte systemer er i større grad akseptert kommersielt.

Andre typer detekteringssystemer, så som vær-SODAR (Sound Detection and Ranging) og værradar har blitt anvendt uten at disse systemene tilveiebringer kapasitet for all slags vær, fordi de måler værforhold på slik måte at de utsettes for redusert tilbakestrålingsenergi under meget turbulent blanding av luftmasser som de prøver å detektere. Disse systemene har derfor en tendens til å svinne bort under ugunstige værforhold på et tidspunkt når de er mest nødvendige. Likeledes er værlidarsystemer, om enn nøyaktigere enn værradar, kjent som mindre værbestandig enn sitt radarmotstykke.

US 5,221,927 omtaler en fremgangsmåte for akustisk detektering av atmosfæren basert på returnerte signaler. Et modulert signal sendes ut fra en 2-frekvenslaser, og det modulerte signalet spres av akustisk påvirkede lidarspredningselementer. Fremgangsmåten og anordningen kan benyttes til å måle fuktighet, skypartikler og temperatur for atmosfæren.

US 4,359,640 beskriver detektering av turbulens ved klarvær (CAT) og virvelstrømmer fra andre luftfartøy (WV). En UV-laser sammen med en horisontal skanningsgenerator og en vertikal skangenerator skanner en del av et flys flybane. En fotodetektor registrerer tilbakespredde signaler.

US 4,736,503 omtaler en fremgangsmåte for å bestemme vindretning og vindfart i atmosfæren ved hjelp av en Doppler-laser anemometer. Målingene utføres i en asimutvinkel på 100°, og er plassert rettvinklet i forhold til en rullebane.

US 3,693,015 vedrører et lasersystem for å detektere og avgjøre styrken for luftstrømmer gjennom synlig atmosfære ved rullebaner. Virvelstrømmene oppstår som følge av aktiviteten på rullebanen.

Det er derfor et behov for større flyrutesikkerhet, grunnet de senere flykatastrofer eller nestenulykker, hvilke årsaker forblir uforklarte eller kan skyldes klarluftturbulens, virvelstrømninger, vindkrefter og mikroutbrudd.

Omtrent siden 1970-årene har det vært klarlagt at disse atmosfæriske fenomen omfatter eller genererer akustiske mønstre eller signaturer i form av meget lav-frekvente lydbølger som forplantes over store avstander relativt usvekket av det omliggende været eller andre atmosfæriske fenomen. Dette lydutviklingsfenomenet, kjent som ringvirvel-virvling med dets tilknyttede hastighetssirkulasjon og ustabile strømningsfelter skaper særlig utstrålt lyd som ligner de bølgemønstre som oppstår i en vannmasse etter at en småstein er kastet i vannet. Ringene som dannes ved intrusjonen av småstein er av lignende form som de akustiske mønstre i tilknytning til kraftig tordenvær, virvelstrømninger og annen klarluftturbulens.

Omtrent siden 1970-årene er det også allment kjent at gjenstander i bevegelse, så som skip, ubåter eller dyr i vann frembringer og utstråler lydbølger som kan detekteres av et laserdetekteringssystem som anvender fritt rom eller bølge-styrte lysstråler for å indikere tilstedeværelsen og plasseringen av slike lydutstrålende eller -reflekterende gjenstander i vannet. Et slikt system er kjent fra Jacobs US patent nr. 5,504,719.

Til tross for det som hittil er kjent har imidlertid ingen foreslått eller gjort vellykket bruk av et laserdetekteringssystem som reagerer på lydbølger som fremkalles av ugunstige og risikable vær- eller virvelstrømningsforhold for å gi et forvarsel om disse forholdene til flypiloter eller bakkepersonell på flyplasser.

SOCRATES-systemet ifølge oppfinnelsen har nettopp dette som formål.

Hovedhensikten med den foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe en ny fremgangsmåte og apparat for detektering av ugunstige atmosfæriske værforhold som representerer en risiko for flytrafikk.

Et annet formål ved oppfinnelsen er å angi en ny fremgangsmåte for detektering av ugunstige værforhold i atmosfæren, så som klarluftturbulens, vindkrefter, samt sterke vindkast langs en fjellendt innfart til en flyrullebane, mikroutbrudd og/eller virvelstrømninger eller tornadoer eller endog motorstøy fra ankommende fly eller vennlige eller terroristavfyrte missiler ved optisk detektering av lydbølger som forårsakes enten av disse ugunstige vær- eller andre forhold og deretter utsender tidlige varselsignaler eller bakkepersonell.

Et annet formål ved oppfinnelsen er å angi en ny fremgangsmåte hvorved det anvendes en eller flere laserstråler for å detektere lydbølger som forårsakes av ugunstige værforhold i atmosfæren og derved gi en pilot og/eller bakkepersonell tilstrekkelig tid til å gjennomføre forholdsregler slik at flyet kan unngå de risikable værforhold.

Det er også et formål ved oppfinnelsen å angi den ovennevnte nye fremgangsmåten for leding av optiske stråler inn i prøvemengder av atmosfæren som inneholder lysreflekterende stoffer, så som partikler, aerosol og støv som beveges som reaksjon på lydbølgene med de ugunstige vær- eller virvelstrømningsforhold tilstede i en sone av atmosfæren som befinner seg i betydelig avstand fra disse prøvemengder. Det nye systemet ifølge oppfinnelsen vil som resultat gi tilstrekkelig tid for en pilot eller bakkepersonell til å gjøre korrigerende endringer for å unngå de risikable flygeforhold.

Et annet formål ved oppfinnelsen er å angi en ny fremgangsmåte med en alternativ driftsfunksjon som leder optiske stråler mot fullstendige eller delvis optiske reflektorer som effektivt tilbakestråler lys langs optiske baner, hvor lyshastigheten endres av innkommende lydbølger som forårsakes av rådende, ugunstige vær- eller virvelstrømningsforhold i den sonen av atmosfæren som befinner seg i betydelig avstand fra disse optiske strålene. Den varierende lyshastighet langs hver optiske bane i forhold til lys i vakuum har direkte forbindelse med optiske brytningsindeksendringer i motsetning til partikkelbevegelsesendringer. I anvendelsestilfeller hvor det ikke er mulig å montere fysiske retro-reflektorer for tilbakestråling av lysenergi, kan en kombinasjon av partikler som reflekterer lysenergi og som varierer denne gjennom sin bevegelse i samvirkning med brytningsindeksendringene, samvirke for å bidra med tydelig ulik informasjon om innkommende lyd fra fjerne, ugunstige eller virvelstrømningstilstander, men gjennomføres i sine respektive maksimumsreaksjoner langs akser henholdsvis i flukt med eller vinkelrett til en retning som er felles for eller halverer de utgående og returnerende lysstråler.

De ovennevnte formål ved oppfinnelsen vil oppnås ved å anvende lysstråler som forplantes i fritt rom, unntatt når de møter partikler i bevegelse og/eller samvirker med trykkinduserte brytningsindeksendringer fra lyd som fremkalles av de beskrevne ugunstige vær- eller virvelstrømningsforhold som råder i en atmosfæresone i betydelig avstand fra de lokale, optisk definerte soner som fanger opp lydbølgene. De ovennevnte formål kan også oppnås ved bruk av lysbølger som ledes i optiske fibre og samtidig påføres banelengder- og lyshastighetsendringer som henholdsvis tilsvarer og erstatter partikkelbevegelse og brytningsindeksvariasjoner som forekommer når lokale, optisk definerte soner med fritt rom hvorigjennom lysbølger passerer og blokkeres av lydbølger som utgår fra fjerne lydkilder som fremkalles av ugunstig vær og virvelstrømninger.

Et annet formål ved oppfinnelsen er å frembringe nye

laserdetekteringssystemer som tidligere beskrevet, som kan monteres direkte på et fly, for å levere informasjon direkte til piloten eller til bakken tilstøtende en flyrullebane eller langs omkretsen av en flyplass, for å levere informasjon til bakkepersonell som leder innflygningen og landingen, eller et flys eller et antall flys take-off og stigning til høydenivå.

De ovennevnte formål og andre formål kan tilveiebringes ved fremgangsmåten og apparatet ifølge krav 1 og henholdsvis krav 17, kjennetegnet ved de karakteriserende trekk.

Alternative utførelser av fremgangsmåten ifølge krav 1 er kjennetegnet ved de karakteriserende trekk i de etterfølgende krav 2-16.

Alternative utførelser av apparatet ifølge krav 17 er kjennetegnet ved de karakteriserende trekk i de etterfølgende krav 18-29.

Andre formål og fortrinn ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende detaljerte beskrivelse i tilknytning til de medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et skjematisk riss av lasersystemet ifølge oppfinnelsen, montert på et fly i luften, for detektering av lydbølger som fremkalles av fjerne, ugunstige værforhold i atmosfæren, mens et liknende forenklet system kan være montert på bakken. Fig. 2 viser et skjematisk planriss av systemet ifølge fig. 1 ved anvendelse av en rekke lysstråler som påvirker tilknyttede prøvemengder i atmosfæren og å detektere partikkelbevegelse i prøvemengdene som skyldes lydbølger som fremkalles av fjerne, ugunstige værforhold. Fig. 3 viser et blokkdiagram som generelt illustrerer optiske/elektriske komponenter som er tilknyttet hver prøvemengde og inngår som en del av rekken ifølge fig. 2. Fig. 4 viser et skjematisk riss av en bakkebasert utførelse av lasersystemet ifølge forbindelsen, som måler endringer i en lysstråles brytningsindeks under påvirkning av lydbølger som fremkalles av ugunstige vær- og vind strømningsforhold.

Fig. 5 viser et snitt langs linjen 5-5 i fig. 4.

Fig. 6 viser en andre versjon av et bakkebasert system som reagerer på endring i en lysstråles brytningsindeks.

Fig. 7 viser et snitt langs linjen 7-7 i fig. 6.

Som vist i fig. 1-3, er det nye laserdetekteringssystemet 10 montert på forsiden av et fly 11 og omfatter en laser 12 og en stråledeler 38 som er innrettet til å levere et antall sendestråler 34a, 34b, 34c, etc. gjennom teleskoper 74 til en rekke fokal- eller prøvemengder 16a, 16b, 16c, etc. som befinner seg i atmosfæren i en fjern detekteringsavstand A, f.eks. 0,5 km eller mindre, fra teleskopene 74. Antallet stråler 34 og prøvemengder 16 kan variere men fortrinnsvis er 128 prøvemengder anordnet i et tredimensjonalt, divergerende konisk mønster foran flyet 11, hvor prøvemengdene fungerer som virtuelle mikrofoner for detektering av infralydbølger 20 som fremkalles av risikable værforhold som er tilstede i atmosfæren i en avstand B, f.eks. 100 km, foran flyet 11. Oet er foreslått en akustisk rekke av virtuelle mikrofoner som eksempelvis dekker opptil en to-steradianers kulekalott, sentrert direkte foran et fly, for et system som er i luften eller i et bakkebasert system. For å avvise "backlobe<N->reaksjoner fra flyretningen eller bakenfra et bakkebasert system, vil det dannes rekkeforskjøvne mengder inneholdende et liknende

i

kulekalottmønster av virtuelle mikrofoner som er fordelt bak den forreste rekke i ca. en fjerdedel av en akustisk bølgelengde med en slik tilhørende åpning. Et slikt bisferisk kalottmønster kan opprettes for å romme "innleirede" underåpninger med virtuelle mikrofonmellomrom egnet for forskjellige akustikkfrekvens-underbånd.

De tilbakespredte modulerte returstråler som reflekteres fra partiklene i bevegelse i prøvemengdene, oppsamles av en flerkanalmottaker basert på en ladningskopiet halvlederelement (CCD) 87 som er tilpasset for sammen-hengende optisk blanding, og behandles deretter for å gi piloten en tidlig advarsel slik at korrigerende handling kan foretas om nødvendig. Idet den værrelaterte lyden utgår og mottas av de virtuelle mikrofoner nesten kontinuerlig, er dens forplantningstid inkonsekvent, fordi lydpakker som utgår et par minutter tidligere, høres øyeblikkelig. Selv om lydbølgene 20 eksempelvis forplantes ved Mach 1, og det derved har tatt 5 minutter for lyden å nå en avstand av 102 km som var rådende på mottakelsestidspunktet, vil føreren av et fly som ferdes ved en lufthastighet på eksempelvis Mach 0,5, ha fått en forvarselstid på ca. ytterligere 10 minutter. Dette skyldes at et slikt fly vil ha tilbakelagt 51 km av den opprinnelige 153 km flygestrekning før mottakelsen av lyden som utgår fra denne opprinnelige avstand fra en farlig virvlende luftmasse, og det vil medgå ytterligere 10 minutter innen lyden oppfanges under fortsatt fart ved Mach 0,5. Disse 10 minutter betraktes som mer enn tilstrekkelig tid for å foreta korrigerende handling, og antyder at disse lydutsendings- og - mottakingsavstander kan halveres eller mer innen det nåes en kritisk forvarselssituasjon.

Det fremgår fra fig. 3 at systemet 10 fra fig. 1 kan betegnes som en sensor for optisk karakterisering av atmosfærisk ringvirvelturbulensutstrålende lyd (SOCRATES). I systemet inngåren kammerinnmontert halvlederbasert laser 12 som drives ved ca. 15,7 pm eller 2 um og utsender en lysstråle 22 som påvirkes av en elektrooptisk (E-O) pulsmodulator 24. Moduiatoren 24 styres av et pulskodings-E-O-drivmekamisme 26, hvis tidstilpasning kontrolleres av en plattformbevegelses-(adveksjon/konveksjon) langsgående tidsavstands-sporingsanordning (longitudinal time spacing tracker device) 28. Den pulserende lysstråle 30 fra moduiatoren 24 ledes til en delvis reflekterende speilstråledeler 32 som frembringer en senderstråle 34. Stråledeleren 38 spalter strålen 34 i flere senderstråler 34a, 34b, 34c, etc, i et antall tilsvarende antallet prøvemengder 16a, 16b, 16c, etc, som undersøkes.

Referansestrålen 36 reflekteres av speilet 42 i en banelengde motsvarende enheten som omfatter en optisk lys-til-fiber-kopler 44, en fiberoptisk bulktids-forsinkelsessløyfe 46, en piezoelektrisk fiberoptisk banelengde-"strekker"-forsinkelsesanordning 48 som reagerer på et elektronisk tilbakekoplingssignal 50 fra detektoren 28, og en fiberoptikk-til-lys-kopler 52 som utsender en tilpasset optisk referansestråle 54 til to opp/ned-Bragg-celle-frekvensskiftere 56 og 58 som endrer referansestrålefrekvensen for etterfølgende heterodyn-blanding med returstrålene fra prøvemengdene. Selv om det ikke er vist, vil det være anordnet en ytre kontrollsløyfe ved anvendelse av det demodulerte faseverdi-utgangssignalet 102a (som senere beskrevet) og leding av dette signalet til en yttersløyfe (middelverdiberegningsfilter) og en frekvenssyntiserer. Sistnevnte vil muliggjøre et valg fra separate frekvenstonaler som er tett plassert i frekvens og nøyaktig synkronisert med en klokkefrekvens som inngår i regulering av akustisk bølgeflatemodulering ved frekvensendring for en av Bragg-cellenes opp/ned-frekvensskiftere 56 eller 58. Etter variabel ytelsesforsterking og strømforsterking blir den slik regulerte og forsterkede frekvenssyntetiserte tonal valgt nærmest middelverdien av den momentane Doppler som representeres ved middelverdien av en spenning proporsjonal med faseverdi-utgangssignalet 102a, tilbakeført for utkopling av en ytre tilbakekoplingssløyfe for middel-Doppler-kompensering. Flere slike tilbakekoplingssløyfer for middel-Doppler-kompensering anvendes likeledes for hvert av faseverdi-utgangssignalene 102b, 102c, etc. fra de øvrige prøvemengder.

Referansestrålen 54 ledes til en stråledeler 60 som spalter strålen i flere referansestråler 54a, 54b, 54c, etc. i et antall som motsvarer antallet av senderstråler 34a, 34b, etc. og antallet prøvemengder 16.

Den optiske banen for senderstrålen 34a, referansestrålen 54a, og prøvemengden 16a med tilhørende optiske behandlingskomponenter er vist i fig. 3. Identiske optiske baner og kretssystemer (ikke vist) er anordnet for prøvemengder 16b, 16c, etc. senderstråler 34b, 34c, etc. og referansestråler 54b, 54c, etc.

Fra deleren 38 passerer strålen 34a fullstendig gjennom en baksidestråledeflektor 70, stråleekspander 72 og et fokusert teleskop 74 til prøvemengden 16a som befinner seg i en ønsket optisk-akustisk fjerndetekteringsavstand A fra teleskopet 74. Svevende partikler i prøvemengden 16a beveges under påvirkning av lydbølger 20 som fremkalles av ugunstige værforhold i atmosfæren i en avstand B fra teleskopet 74, og lys som spredes av disse partikler, danner en returstråle 76 som oppsamles av teleskopet 74 og kollimeres av ekspanderen 72. Lyd som innkommer i retninger nesten perpendikulært mot fjerndetekteirngsstrålen 76 medfører også brytningsindekskopling. Grunnet denne koplingsupåvirkelighet overfor partikkelbevegelseskopling vil lyd som innkommer fra en fremre synsretning, utgjøre den dominerende koplingsform. Likevel kan brytningsindekskoplingen utnyttes for å oppnå en babords/styrbord- og opp/ned-form for sidedekning for komplettering av den langsgående partikkelbevegelseskopling i prøvemengden 16a.

En returstråle 76 avledes deretter til en elektrooptisk (E-O) kerrcelle-sender/mottaker-(t/r) bryter og innstillingsport 80 som til- og frakoples av tidskaladetektoren 28. Den tidspulserende funksjon av moduiatoren 24, forsinkelsesanordningen 48 og porten 80 blir alle motsvarende regulert av detektoren 28 som korrigerer for momentan bevegelse av flyet mot prøvemengden 16a, slik at samme luftmengde granskes i et nødvendig tidsrom for oppsamling av flere laserpulser. Detektoren 28 vil med tiden redusere pulsmengden til drivverket 26 og porten 80, og signalet 50 bevirker at forsinkelsen av referansestrålen 54a motsvarer de endringer i laserpulsutgangs/turtidsforsinkelse som oppstår under henholdsvis sending og mottaking gjennom strålene 34a og 76 mens flyet ferdes mot prøvemengden 16a og avstanden A følgelig minsker. Det fokuserte teleskop vil være montert på en bevegelig plattform, så som en opphengt "gimbled" treghetsplattform, som vil beveges synkront med detektoren 28, for å holde strålen rettet mot prøvemengden 16a under flyets bevegelse mot prøvemengden. Detektoren korrigerer også for laserutgangs/returtidsforløpspulsering for pulsvariasjoner i tilknytning til brytningsindeksendringer under skalare turbulenssvingninger i atmosfæren umiddelbart foran flyet, nemlig endringer som forårsakes av temperatur, fuktighetsgrad, trykk etc.

Uten flerpulsbehandling av prøvemengdelengden vil dessuten enkeltpulsvarigheten begrenses grunnet partikkelbevegelsens (PM) Doppler-frekvensspredning. Sammen med enkeltpulskodingen som utføres av pulskodingsdriwerket kan en meget kortere prøvemengde også opptas ved behandling av N-pulser.

Returstrålen 76 utgår fra innstillingsporten 80 til en

bølgefrontkurvatordivergerende optisk linse 82 som spalter returstrålen i flere stråler 84 mot forsiden av et krummet og akseforskjøvet, 3-dimensjonalt speil 86, som reflekterer hver enkeltstråle i gruppen av stråler 84 mot et billedelement på forsiden av det ladningskoplede halviederelementet (CCD) 87.

Referansestrålen 54a passerer gjennom en liknende linse 88 som spalter strålen i et antall referansestråler 90 i samme antall som strålene 84 på baksiden av speilet, for å bli tids- og bølgelengdekurvatorregistrert ved hvert tilknyttet billedelement i CCD 87, hvorved den heterodynblandes med mangfoldig kanalsignalinformasjon, avledet fra returstrålen 84. Vtnkelforskjellsmottak (ADR) overføres på denne måten til en felles prøvemengde 16a, idet hver ADR-multippelkanal "betrakter" denne mengde fra en vinkel som er tilstrekkelig forskjellig for midling av de "uløste" komponenter av sonisk og subsonisk støy som opptrer "flekker" langs flaten av biiledplanet på CCD 87. Det finnes en ytterligere mengde av identiske behandlingskanaler, hver i tilknytning til prøvemengdene 16b, 16c, etc.

CCD 87 er tilnærmelsesvis dimensjonert for å ha et 100 x 100 eller 10<4 >billedelementer på forsiden 89, med henblikk på demping av brown-partikkelbevegelsen i luft og en returstråle 84 og en referansestråle 90 heterodynblandes optisk på hvert billedelement. Som et alternativ til homodynblanding som krever fire ganger lengre tid enn CCD-billedelementer, for å muliggjøre romlig filtrering for fjerning av de uønskede blandingsprodukter innbefatter CCD 87 et "on-the-chip"-analogbåndpassfilter 91 og en "on-the-chip"-analog/digitalomformer 92. Båndpassfilteret aksepterer det ønskede blandingsprodukt, dvs. returstrålen 84 x referansestrålen 90 som inneholder den momentane Doppler-informasjonen, men avviser den uønskede blandtngsproduktstrålen 84 x strålen 84 eller strålen 90 x strålen 90. Som følge av tidsregistreringen på grunn av at banelengden motsvarer referansestrålen 90 med retursignalstrålen 84, vil den sammenhørende optiske heterodynblandingsprosessen som foregår på ytterflaten CCD 87, tjene som kopikorrelator. Båndpassfilteret 91 som anvendes for å velge det ønskede stråle- 84 x stråle- 90 blandingsprodukt inneholdende det momentane Dopper-signal utjevnes slik at dets middelvirkning medfører pulskomprimering av den kodete returlaserpuls for elektronisk frembringelse av en meget mer begrenset størreisesresorberende pulsinnhylling enn den opprinnelige kodete laserpuls. Samtidig bevares frekvensawiksområdet (dvs. faseverdien) for momentan, modulert Doppler-signal og -lyd. Denne modulerte Doppler-informasjonen ekstraheres ved bruk av en faseverdi-demoduleringsprosess omfattende fasedemodulering i kombinasjon med faseavhylling 96 etterfulgt av romlig midling 98 og digitaltidsdifferensiering 100 for å oppnå faseverdiinformasjon som er begunstiget ved ADR-behandling. Denne bredbånds-faseverdi-demodulering er mer hensiktsmessig for denne spesielle funksjon, i motsetning til anvendelse av den vanlige Doppler-båndpassfilterbank for levering både av Doppler og verdiinformasjon i en replikkorrelegeringsprosess. Den kodete laserpulskompresjon opphever en del av den tidligere omtalte begrensning i valg av laserpulslengde, og "kollapser" derved tidsvarigheten for innstillingsporten 80, for avvising mer av den soniske eller subsoniske støy som ellers ville være PM-innkoplet i en tilsvarende, meget lengre prøvemengde. Tilføyelsen av N-pulsbehandling bevarer og ekstraherer PM-Doppler-spredt "finkorn"-informasjon som er innpreget i Doppler-"kam"-spektrumssonen av den digitale IQ datastrøm som er spektralt avgrenset rundt 0-frekvensen. Bruk av denne bevegelige N-puls-målindikator (MTI)-radartypebehandling muliggjør underdeling av et enkeltpulsspektrum i en "N-fortannet kam", hvor hver tann inneholder en kopi av Doppler-frekvensens PM-spredningsspektrum. I tilfelle av en bredbåndenkeltpuls ville ellers det ønskede Doppler-modulasjonsspektrum ugjenkallelig utydeliggjøres grunnet en konvolvering med pulsspekteret. Frekvensbåndet hvor «skudd»-støy ville bidra, blir dessuten tilsvarende begrenset. Som følge av N-pulsbehandling kan båndbredden av den kodete laserpuls velges slik at den gir meget kortere radialverdiresorberings-prøvemengde enn mulig ved enkeltpulsbehandiing. Omformeren 92 anvender kvadraturpuls-understikkprøvetaking av båndpassfilteret, for å oppnå innfase (1) og kvadratur-(Q-)prøver på hvert billedelement som et middel for å anpasse minimale klokkeverdi-prøvekrav for frembringelse av et multibilledelements, multikanals, digital i Q-datastrøm 94. CCT 87, med den beskrevne virkemåte kan passende betegnes som et "CADRE-CORPS"- (Charge-Coupled Angle Diversity Receiver Extraction by Correlating Optical Replicas for Phase Sensing) kamera.

ADR-flerkanalsystemet som dannes av CCD 87, vil betydelig redusere "flekk"-støy fra prøvemengden 16a og i stor grad forbedre systemets følsomhet i forhold til en enkeltkanals laser-Doppler-hastighetsmåler, som illustrert for hver prøvemengde som er vist i Jacobs US-patent. "Flekk"-støy skyldes en såkalt høyutbrudds-densitet-(HBD)-situasjon. En HBD-situasjon oppstår når fotoner returneres til en optisk mottaker fra mange tysspredende partikler som samtidig er tilstede i prøvemengden 16a. De optiske multippelbaner hvor lys kan returneres fra disse multippelpartikler bevirker at et "flekk"-mønster fordeles over mottakelsespunktet på et billedplan.

"Flekkdannelsen" oppstår som følge av konstruktiv og destruktiv interferens mellom disse optiske multippelbaner. Slike "flekker" svinger i amplitude når partiklene omordnes i prøvemengden 16a. Ved betraktning av multippelpartiklene i prøvemengden 16a fra et tilstrekkelig stort antall motvendte vinkler i overensstemmelse med forskjellige fotodeteksjonspunkter, spredt som en mosaikk på et billedplan, for å prøve mange statisk selvstendige "flekker", kan "flekk"-støyen reduseres betraktelig ved kombinering av faseverdi-bedømmelser, ekstrahert fra hver CCD. Ideelt bør "flekk"-separasjonsmiddelavstanden motsvare CCD-billedelementseparasjonene, selv om forminskende optikk må akkommoderes med den optiske linse 82, for å oppnå denne tilpasning. Bortsett fra denne metode hvorved lasersenteret hyppig forflyttes (med tilstrekkelig, medfølgende forandring i lysbølgemengde), vil "flekk"-mønsteret endres og bli mindre romlig korrelerende. "Flekk"-støy kan også reduseres ved å kombinere faseverdibedømmelser, ekstrahert fra prøvemengden, ved samtidig belysning ved et tilstrekkelig stort antall separate laserlysfrekvenser. Dette er grunnlaget for frekvensmangfoldighetsmottaker-(FDR) behandling som kan kombineres med ADR-behandling med henblikk på ytterligere "flekk"-støysvekkelse.

I systemet ifølge oppfinnelsen inngår en sammenhørende optisk mottaker for ekstrahering av faseverdibedømmelser ut i fra den momentane Doppler-frekvensmodulasjonen som bibringes av partikler som er i bevegelse i og passerer igjennom prøvemengden 16a. Den ovennevnte "flekk"-støy grunnet amplitudesvekking tilkjennegir seg på en eller flere måter ved bruk av sammenhørende behandling. Denne "flekkdannelsen" reflekterer endringer i partikkelbevegelse (samt brytningsindeksvariasjoner som forekommer langs de optiske baner som forbinder gjennom hver partikkel) som varierer grunnet forstyrrende mekanismer med lengdeskalaer som er mindre enn en karakteristisk prøvemengdedimensjon. Disse bevegelser sies å være "uløst" av systemet. Derimot vil bevegelser med lengdeskalaer større enn en prøvemengde bringe alle partikler i en prøvemengde i samtidig bevegelse, uten å forårsake "flekk"-svekking. Slike bevegelser sies å være "løst" av systemet. De "løste" komponenter inneholder lydfeltmodulasjoner som opptas for fortsatt behandling, mens derimot de «uløste» komponenter representerer "flekkdannelses"-støy. De "løste" komponenter viser i sin tur lydsvingninger om sine middelfaseverdivariasjoner, og en slik middelverdikvantitetstid varierer direkte proporsjonalt med de lydfeltvairasjoner som detekteres av systemet.

Datastrømmen 94 ledes til en digital faseberegner 96, hvori det inngår digital "faseavhylling", og videre gjennom en romlig midler 98 og derfra til en digital tidsdifferensiator 100 for faseverdiekstrahering. "Faseavhyllingen" i faseberegningsprosessen 96 har som formål å lette belastningen som er påført ADR-behandlingen. I dette øyemed er det ved oppfinnelsen tatt i betraktning den rolle som spilles når relativt smalt bånd PM og RI faseverdimodulerings-støymekanismer utsettes for "spektral spredning" som følge av de fasesvingninger som passerer gjennom noen av de soner som viser flere periodiske diskontinuiteter, som er kjennetegnende for en buetangent-fasedemoduleirngsprosess. Disse smaibåndsmekanismer henholdsvis PM og RI er i motsvarighet til hastighet og skalare atmosfæreturbulensfelt. "Fasesprangene" som forårsakes av buetangent-diskontinuitetene, er årsak til de "spisser" som forekommer i faseverdi-demoduleringsprosesser om likeledes avledes bakenfor digitaltidsdifferensiatoren 100.

Innen denne innvirkning som inngår i oppfinnelsen var forstått, ble den derav følgende "spektralspredning" som nå er kjent som et resultat av implisitte buetangent-diskontinuiteter i faseverdi-demoduleringen, anta å ha sin egentlige årsak i amplitude- istedenfor i innfase- (1) komponentsvekking. Av den grunn og ifølge oppfinnelsen adskilles faseverdi-demodulering i fasedemodulering med "faseavhyllings"-logikk inkludert i digitaltidsdifferensieringen 100. "Faseavhylling" kan gjennomføres ved detektering av en påtruffet diskontinuitet, lagring av data fra omgivelsen rundt den anstøtende sone, etterfølgende utsletting av denne sone samt utjevning og fjerning av fasesprang. Hensikten med dette er å avlede "ikke-spektralspredt" faseverdiberegning fra "uavhyllet fase"-beregning.

Denne form for ADR-behandling blir derfor ikke belastet med et krav om romlig-midling 98 utover 100 x 100 -10.000 multippelkanaler som behøves for å undertrykke den "uløste" komponent av Browns, atmosfærisk partikkelbevegelse ned til dens "løste" komponentnivå som generelt tvinges til å befinne seg under det omgivende "løste" akustiske bakgrunnsstøynivå. Dette gjør det nødvendig å undertrykke 40 dB av uløst Browns bevegelsesstøy, hvilket stemmer overens med en 100 x 100 = 10.000 ADR-multippelkanalbehandling. Uten "faseavhylling" ville "spektralspredningen" av de uløste hastighets- og skalarkomponenter (dvs. temperatur og spesifikk fuktighet) svingninger grunnet atmosfærisk turbulens nødvendiggjøre bruk av ADR med ca. 1.000 x 1.000 = 1.000.000 multippelkanaler for å oppnå tilnærmelsesvis 60 dB "uløst" støydemping.

Et datastrømsignal 102a fra differensiatoren 100 inneholder digital informasjon om forholdene i faseverdi-moduleringer som stammer fra prøvemengden 16a. Likeledes frembringes en datastrøm 102b, 102c, etc. for hver prøvemengde 16b, 16c, etc. Disse datastrømmer ledes inn i en digital tidsfeltstråle som danner anordningen 104 som zoomer til fokus på et forutbestemt akustisk område. Denne anordningen frembringer flere multippelkanalstråler 106, f.eks. i et antall av 128, som generelt er ment å motsvare antallet prøvemengder 16a, 16b, etc. med stråler 106 som fordeles på asimut- og stignings/senkningsvinkel. I tillegg kan den akustiske områdefokusering bringes til å detektere over hele radialområdeskalaen på en "tidsforkortet" måte, basert på bruk av fremviseren 112. Stråler 106 ledes til en prosessor 108 som behandler stråleinformasjon og samtidig avleder nøyaktig, tredimensjonal detektering, klassifisering, lokalisering og gransking av farlige værforhold i avstanden B. Behandlete stråler 110 sendes deretter til et pilotovervåket fremviserpanel 112 som kan indikere lydkontaktintensitet i fargekodeform som gjengis mot forskjellige 2-dimensjonale konturplankart innbefattende parvise fornuftige kombinasjoner av asimut- og stignings/senkningsvinkler samt området for de risikable værforhold, stabilisert i forhold til flyet. I tillegg kan det dannes en 3-dimensjonal fargeavbildning som gjengir et "fremadrettet utsyn" over informasjon som -presenteres mot asimut- og stignings/senkningsvinklene, med en "tidsforsinket" gransking av dette bildet vist langsomt zoomet gjennom hele radialsorteskalaen, for å vise sceneforandringer i den tredje retningsavhengige dimensjon. En slik avbildning kan fryses på en spesiell radialretnings-fokalsone ved brukers valg.

Mens det PM-koplete systemet 10 hittil er beskrevet og vist for bruk direkte på forsiden av et fly, kan en noe enklere versjon av systemet også monteres på bakken ved enden av en lufthavnrullebane med laserstråler som strekker seg langs rullebanens atkomstbane. Et bakkebasert system vil ikke behøve pulsborings- og stråtestabiliseirngs-funksjonene fordi systemet er forankret i bakken istedenfor på et fly i bevegelse.

Den versjon av SOCRATES-oppfinnelsen som er vist i fig. 4 og 5, illustrerer et bakkebasert system 180 som er tilpasset for å strekke seg over en lufthavnrullebane 128, eller i et annet tilfelle er forskjøvet og derved forløper parallelt med en lufthavnrullebane og hvor det anvendes brytningsindeks- (Rl)-kopling som reagerer på lydbølger 150 som fremkalles i forskjellige atmosfæriske risikotilfeller. I systemet 180 anvendes en segmentert optisk linjerekke med retroreflektorer-(SOLAR) atkomst og med et antall justerbare utjevningstripoder 182,184,186 og 188 som er jevnt fordelt og på linje over rullebanen 128 eller plassert i en forskjøvet stilling parallelt med rullebanen 128. Et dobbeltaksesspar i slike systemer, benevnt segmenterte binære, optiske linjerekker med retroreflektorer (BINARY SOLARs) kan innstilles vinkelrett mot hverandre. De overlappende soner som dannes av parvise dobbeltaksede multiple eller styrbare stråler kan på denne måte utnyttes for å gi systemet ytterligere lokaliseringsmuligheter.

Montert på tripoden 182 er en kombinasjon av lasersender og tilhørende optisk mottakermodui 190 som sender en laserstråle 191 til en aksialt innrettet, samvirkende og fullstendig reflekterende ytre optisk hjørnereflektor 192 som er montert på den høyre endetripode 188. På hver av mellomtripodene 184 og 186 er det anordnet identiske delvis reflekterende retroreflektorer 194 og 194a som hver vil reflektere en del av strålene 191 tilbake til sender-mottakeren 190. Som vist i fig. 5, innbefatter hver retroreflektor 194 og 194a en midtåpning 196 hvorigjennom senderstrålen 191 kan overføres til hjømereflektoren 192 og tilbakeledes til sender-mottakeren 190.1 retroreflektoren inngår også et antall perifert, jevnt fordelte lysåpninger 198 og en dreibar lysrefleksjonsarm 200 med et delvis og helt reflekterende speil for reflektering av en del av senderstrålen 191 tilbake gjennom en valgt åpning 198 til sender-mottakeren 190.1 retroreflektoren 192 er eksempelvis armen 200 innstilt i flukt med en av åpningene 198, for å danne en returstråle 202 i en radialposisjon i forhold til mottakeren 190.1 retroreflektoren 194a vil armen 200 flukte med en annen åpning 198 som er radialt forskjøvet i forhold til retroreflektoren 194, for å danne en returstråle 204 som er vinkelforskjøvet i forhold til returstrålen 202 uten å innvirke på denne.

Antallet mellompidestaller 184,186, etc. og det tilhørende antall partialretroref lektorer 194,194a, 194b, etc, for å sende 32 perifert jevnt fordelte optiske returstråler 202, 204, etc. tilbake til perifert fordelte fotodetektorer 204 på sender-mottakeren 190 på slik måte at hver optisk returstråle ikke innvirker på de øvrige delvis retroreflektive optiske stråler. Returstrålen fra det 100% hjømereflektoren 192 returnerer langs den optiske midtbane gjennom de fluktende midtåpninger 196 i retroreflektorer 194,194a, 194b, etc. på armen 200 på hver av retroreflektorene 194,194, etc. Et valgt antall nøytraldensitets-optiske kaskadefiltre 210 kan være anordnet for å justere og utjevne dempingen av den respektive optiske bane.

Hjømereflektoren 192 og retroreflektorene 194,194a, etc. kan innstilles nøyaktig ved bruk av landmålerkikkert eller optisk mållokaliserings-radarinstrument for å lede optiske lysstråler gjennom deres respektive posisjoner som bestemmes av radialposisjonen av den respektive arm 200 og valgte åpning 198. En landmålerkikkert eller optisk radar-mållokaliserer håret retningsinnstillingsteleskop og en pulslaser fininnstilt smal stråle og avstands-innstilt mottakskapasitet. En kontrollør plasserer pidestallen 188 og hjømereflektoren 192 i ønsket stilling og vil deretter i rekkefølge fra høyre mot venstre som vist i fig. 4, justere hver av mellompidestallene 186,184, etc. og retroreflektorene 194a, 194, etc. slik at samtlige retroreflektorers midtåpninger 196 og periferiåpninger 198 er nøyaktig innstilt. Pidestallen 182 justeres deretter nøyaktig for å plassere sender-mottakermodulen 190 slik at strålen 191 vil være eksakt innrettet aksielt med midtåpningene 196 og hjømereflektoren 192. Den lysavbøyende arm 200 på hver retroreflektor dreies deretter nøyaktig til en valgt vinkelstilling, slik at returstråle fra hver retroreflektor 194 ikke innvirker på de radialt forskjøvne returstråler fra de øvrige retroreflektorer 194, 194a, 194b, etc.

SOLAR-systemet 180 danner en optisk linjerekke hvorav akustiske flerstråler-eller styrbare strålereaksjonsmønstre 220 kan formes. Slike stråledannede mønsterresponser kan motta og lokalisere fjerne lydkilder 150 og avvise lokal sonisk og subsonisk interferens. Et tettplassert par av SOLAR-systemer parallellplassert rygg-mot-rygg, benevnt segmenterte, optiske tvillinglinjerekker med retroreflektorer (TWIN SOLARs) kan være anordnet. Dette systemet kan fases for å motta lydenergi fra rullebane-adkomstkorridoren og samtidig avvise "back-lobe"-lydenergi fra flymotorer, særlig under anvendelsen av motorkraftreverserere etter at flyet er brakt ned på rullebanen.

Hver lysavbøyende arm 200 på retroreflektoren 194 mottar lys fra et partialreflekterende speil som tillater en forutbestemt del av senderstrålen 191 og fortsetter langs en uforstyrret "spool center line"-bane langs armen til en valgt, fluktende åpning 198, hvor denne lysdelen returneres til senderen-mottakeren 190. Et passende sett av optiske nøytraldensitets-filtere 210 innkoples selektivt i den radiale lysstrålebane langs armen 200 og derved trinnkvantiserere den respektive grad av optisk svekking som kreves for en spesiell retroreflektor 194. Dette gjøres slik at hver av de partialreflekterende retroreflektorer 194,194a, etc. kan justeres for å returnere samme middelantall fotoner som returneres av den fullt reflekterende hjømereflektoren 192. Armen 200 på en spesiell retroreflektor 194 kan innsmekkes i og plasseres radialt i en valgt åpning 198, slik at denne spesielle retroreflektor forutinnstilles for å frembringe gjensidig eksklusiv forskjøvet, avbøyd returlysstråle med forutvalgt optisk svekking i overensstemmelse med den spesielle optiske retroreflektors posisjon i den optiske linjerekke. Hver returlysmåler vil radialt innstilt for å passere uhindret gjennom de uopptatte perifere åpninger 198 i retroreflektorene 194,194a, etc. mellom den og dens enkelte opptakende, optiske fotodetektor 204 hvorav et antall er perifert plassert på en sirkulær, optisk mottakerflate på senderen, mottakeren 190.

Det beskrevne SOLAR-system muliggjør forming av styrbare multippelstråler og bruk av optimalt- eller tilpasnings-kontrollerte, komplekse vekter for segmenter. Dette gjennomføres av visse vektor-matrisemanipulasjoner av en sammensetning av optiske returer fra samtlige retroreflektorer med henblikk på kontrollering av stråle-nuller eller gjennomføring av sonisk eller subsonisk lydeliminering.

De individuelle reisetider langs strålerlasene og returstrålene varierer i overensstemmelse med kompresjonene og fortynningene av en innfallende lydbølge 150 som fremkalles av farlige luftfartsforhold i atmosfæren, så som virvelstrømninger, nedtrekk, opptrekk, etc, idet endringen i de respektive brytningsindeksvariasjoner for hver av strålene forårsaker de reisetidsendringer som tjener som en indikasjon på ankomstretningen av lydutsendelser, forårsaket av disse risikable forhold. Disse reisetidsendringer følger også tidsbølgeformutsjagene i den innfallende lydbølge og tjener for karakterisering av kildemekanismen som fremkaller lyden.

I et Rl-koplingssystem hvori det helt enkelt ville anvendes en sendingsmottaker, så som modulen 190 og hjømereflektoren 192 for frembringelse av en enkelt optisk returstråle, har det resulterende lydreaksjonsmønster en sinus-X/x-karakteristikk med sin maksimums-reaksjonsakse (MRA) vinkelrett til halveringslinjen for en bistatisk vinkel eller feliesaksen i et monostatisk vinkelsystem, og er aksialt symmetrisk plassert mot denne. Dette optiske enkeltreturstrålesystem har den ulempe at denne optiske linjerekkes lydreaksjonssystem ikke kan strålestyres for å forflytte sitt MRA bort fra en posisjon vinkelrett til halveringslinjen eller feliesaksen for returstrålen. Det beskrevne SOLAR-system 180, ved å frembringe faste eller styrbare multippelstråler.

Ved "befolkning" av den optiske linjerekke for klar stråleforming/strålestyring opp til en gitt frekvens ved toppen av et interessant frekvensbånd, er en halv akustisk bølgelengde eller mindre avstand (bestemt av båndets toppfrekvens) nødvendig ved strålestyring bort fra en bredsideretning. Dette kreves for å unngå tydelige rasterfliker som til sist resulterer i kaninøre-stråledeling og i mer kompliserte rosekronblad-mønstre, når avstanden øker utover en akustisk bølgelengde.

For strålestyring i bredsideretning er bredsidebredden angitt tilnærmelsesvis ved den resiproke verdi for antallet av akustiske bølgelengder som fordeles langs den optiske returstråles ytre banelengde. Ved forflytting mot en "endfire beamsteeringVetning, vil den akustiske stråles respons utvides. Uten at avstanden reduseres til en fjerdedel av en akustisk bølgelengde, vil det dannes "endfire"-stråler hvis MRA er rettet likt i begge "endfireVetninger. Med en fjerdedel av den akustiske bølgelengdeavstand antyder dette behov for minst 16 eller fortrinnsvis 32 sokler og delvis reflekterende retroreflektorer foruten den ytre 100%-reflekterende retroreflektor. Hver av disse retroreflektorer vil være en passiv, optisk anordning.

Stråleformingen for en SOLAR-innfart kan være ganske komplisert, fordi hvert segment er nestet og overlapper følgelig delvis den nest lengre og de bak denne. Grunnen til dette er at det akustiske reaksjonsmønster i tilknytning til en spesiell delvis reflekterende retroreflektor bestemmes av den optiske énveis-banelengde mellom den generelt samordnete lasersender/koherente optiske mottaker og denne retroreflektor. Helt fra et akustikkreaksjons-synspunkt, kan konvensjonelle segmentertsensors akustiske reaksjoner deriveres ved subtrahering av faseverdimoduleringen (PRM) i et kilde-til-retroreflektorsegment fra moduleringen i det tilstøtende, overlappende kilde-til-retroreflektorsegmenter. Komplekse vekter kan avledes for å tvinge disse forskjellige PRM-komponenter for valgfri ekstrahering av lydsignaler fra forekommende lydstøy for oppheving av separat plasserte, soniske støykilder. Det er imidlertid konstatert hvis subsoniske støykilder dominerer, vil dette systemet ikke resultere i den beste, foretrukne ytelse uttrykt i eliminering av subsonisk støy større enn sonisk støy. Når optimale komplekse vekter skal anvendes for de overlappede PRM-segmentkomponenter dersom subsonisk støy dominerer, skal disse komplekse vekter være av størrelser proporsjonale med lengden av hvert innleiret, overlappet segment.

Til tross for disse stråleformingskomplikasjonene kan det foretas hensiktsmessig stråleforming, innsikting, sideflikkontroll og nullkontroll. Dessuten kan flere SOLAR- eller BINARY-SOLAR- eller TWIN-SOLAR-segmenterte optiske linjerekker anordnes slik at de danner et 2D- elter endog 3D-rekkemønster. Ved bruk av egnede faser (som en funksjon av frekvens) eller henholdsvis tidsforsinkelser, frekvens eller tidsfelt-stråleforming, innbefattende reelle eller komplekse vekter for sideflik- eller nullkontroll kan deretter påvirkes for å oppnå ytterligere stråleskjerping.

Ifølge en annen versjon av oppfinnelsen som vist i fig. 6 og 7, illustreres et forenklet bakkebasert system 120 som er tilpasset for å strekke seg over en flyplassrullebane 128 og dessuten for bruk av brytningsindeks-(RI)-kopling, som reagerer på lydbølger 150 som forårsakes av forskjellig, atmosfærisk luftfartsrisiko.

I systemet 120 inngår venstre og høyre endesokler 122 og 124 samt et par mellomsokler 126 og 127 som er atskilt i sideretning over en "undershoot" innfartskorridor til en flyplassrullebane 128 og hver er forbundet med en triangulær stangramme 130,132,134 og 136, hvor rammehjømene flukter med hverandre og tilgrensende rammer danner tre mellomsegmenter.

I hvert hjørne av den venstre enderammen 130 er det anordnet en kombinasjon av en sender/mottakermodul 140 som overfører en laserstråle til en fluktende, fullstendig reflekterende hjørne-retroreflektor 142 på rammen 136 og dessuten mottar den reflekterte returstråle fra retroreflektoren. Ved bruk av en optisk strålesplitter sammen med optiske fibere, kan optisk kraft fra en tilstrekkelig kraftig CW-laser fordeles mellom samtlige tre senderplasseringer 140 og hjørnet av rammen 130. Derved opprettes tre horisontalt og vertikalt atskilte detekteringsstråter eller -typer i systemet mellom innbyrdes aksialt innrettede rammehjørner. De individuelle vandringstidene langs disse laserstråler varierer i overensstemmelse med kompresjoner og fortynninger av en innfallende lydbølge 150 som fremkalles av risikable luftfartsforhold i atmosfæren, så som virvelstrømninger, nedtrekk, opptrekk, etc, idet forandringen i de respektive variasjoner i hver av strålenes brytningsindeks fremkaller de vandringstidsendringer som tjener som en indikasjon på ankomstretningen for disse risikable forhold. Disse vandringstidsendringer følger også tidsbølgeform-utslagene i den innfallende lydbølge som tjener som karakterisering av mekanikkilden som fremkaller denne lyd.

For å oppnå horisontal lokaliseringsnøyaktighet blir det i grunnformen for denne annen versjon anvendt partial-retroreflektorer 152 som er montert i hvert hjørne av rammen 132, og partial-retroreflektorer 154 som er montert i hvert hjørne 134. Retroreflektorene 152 og 154 er de samme som retroreflektorene 194 ifølge fig. 5, og er anordnet aksialt for at overføringsstrålen fra hver av de tre moduler 140 skal nå og returneres fra hjømereflektoren 142 som er montert på hjørnene av rammen 136. Deler av strålene som overføres fra moduler 140 vit reflekteres fra partial-retroreflektorene 152 tilbake til fotodetektorer 156 på rammen 130. Likeledes vil deler av strålene fra modulen 140 reflekteres av partial-retroreflektorene 154 til fotodetektorer 158 på rammen 130. Lysavbøyingsarmene 196 på innbyrdes fluktende retroreflektorer 152 og 154 er radialt plassert slik at returstrålene fra disse retroreflektorer forskyves radialt uten å innvirke på hverandre. Den gjenværende hoveddel av laserstrålene fra modulen 140 videreledes til "katteøye"-retroreflektorer 142 hvorfra de reflekteres tilbake. Hver stråleknippetype innbefatter derved et sett av tre fotodetektorer på den tilhørende ramme 130. Endringen i lystrålenes brytningsindeks, slik den detekteres av fotodetektorene behandles på passende måte for frembringelse av forvarslingsinformasjon til bakkepersonell.

Som beskrevet, vil utformingen av denne annen SOLAR-versjon passivt være i stand til å lokalisere den asimutale atkomstvinkel og radialavstanden hvorfra den akustiske bølgefront 150 utgår. Dette foregår ved bruk av tidsforsinkelsesberegninger av forskjellene i ankomsttid for lydenergi som ankommer til fasesentrene mellom de underåpninger som avgrenses mellom sender/mottakermodulene øverst og nederst på forsiden av rammen 130 og de motsvarende partial-retroreflektorer 152 øverst og nederst på forsiden av rammen 132 på den venstre underåpning, likeledes for rammen 134 for midtunderåpningen og fra "kattøyeVetroreflektoren 142 forden høyre underåpning. I og med at disse tre underåpninger delvis overlapper hverandre, frembringes tre tydelig atskilte men kontinuerlige underåpningsreaksjoner ved differensiering av de tilstøtende Rl-koplede underåpningssignalreaksjoner som også beskrevet for SOLAR-behandling. Denne annen versjon kan substitueres ved bruk av pedestallene for beregning av henholdsvis bølgefront-horisontalhelning og -kurvatur for å bestemme asimutvinkel (retningsvinkel) og radialavstand istedenfor SOLAR-strålefonmingen eller strålestyringsfunksjonen som muliggjøres ved segmentering av totalåpningen.

Som beskrevet, vil utformingen av denne annen SOLAR-versjon bare lette beregningen av stignings/senkningsvinkler ut i fra det temmelige brede vertikale, akustiske reaksjonsmønster som er bestemt av de felles vertikal-dimensjoner av den venstre, midtre og høyre underåpning. For å øke dette systems nøyaktighet, blir en lignende kombinasjon av sender/mottakermodul 140 og "katteøye"-retroreflektor 142 sammen med mellomliggende partial-retroreflektorer henholdsvis 152 og 154 kombinert med sine motsvarende fotodetektorer 156 og 158 innført midt i forsidene av rammene henholdsvis 130, 136,132 og 134. De forskjellige optiske strålebaner forløper mellom vertikal-sentrene av den venstre, midtre og høyre underåpning for lignende, parallelle og optiske strålebaner som er opprettet ved det bakre toppunkt i rammene 130, 136,132 og 134. Underåpningssignaler som avledes fra disse optiske bakre-strålebaner anvendes imidlertid i overensstemmelse med motsvarende optiske forside-strålebaner, for å eliminere en sonisk bakreflik-reaksjon i hver underåpning.

Fig. 7 viser denne clustermodusen med forsidesentrerte, optiske stråleveier ved å tildele en tilleggslokasjon 142 med innsyn i den høyre rammen 136, montert på sokkelen 124. Hver horisontalforskjøvne underåpning inndeles ytterligere på denne måte i en øvre og nedre underåpning. Rammen 136 og dens motsvarende rammer kan samtlige bikkes vertikalt i en felles vinkel, for å kompensere inntrykket av vertikalstrålehelning under lav gittervinkel-strålenull som fylles interferens med en lydbølge som reflekteres fra 180 grader-

fasedreiet horisontalplan 128 og sletter den direkte lydbølge 150. Hver opp- og ned-underåpning frembringer en overlappende opp- og ned-

vertikalstrålerespons 172.1 denne vertikalstråle-overlappingsvinkelsone kan tidsforskjellene mellom deres vertikalfasesentre beregnes. Innføringen av denne ekstra knippetype som vist i fig. 7, vil på denne måte forbedre vertikalvinkelberegnings-nøyaktigheten ved bestemming av stignings-

/senkningsvinklene om stråletverraksen 173 ut i fra disse

tidsforsinkelsesforskjeller i tilknytning til vertikalbølgefront-helning.

Uten de overlappende, akustiske vertikale detekteringsstråler 171 og 172 tvers over forsiden av rammene 130,132,134 og 136 ville systemet 120 bare muliggjøre begrenset vertikal vinkelberegningsnøyaktighet sammen med bakfra-til-forfra-stråleresponsundertrykking for detektering av lydbølgen 150 i bevegelse mot rammene. Som nevnt, kan rammene bikkes litt oppad for å redusere samvirkningen med bakken under innfartskorridoren 128. Dessuten er de overlappende og akustiske vertikaldetekteringsstråler 171 og 172 resultat av en lignende kombinasjon av en sender-/mottakermodul 140 og en hjørnereflektor 142 og passende optisk stråleforskjøvne partial-retroreflektorer 152,154 sammen med motsvarende forskjøvne fotodetektorer som kan innføres i forening, hver for seg sentrert på forsiden av rammene 130,132,134 og 136. Som nevnt, vil denne ekstra stråleknippetype lette forbedret nøyaktighet for vertikalvinkelberegnings grunnet delt strålebehandling av øvre og nedre, akustiske mottakerstråler 171 og 172, plassert om sin tverrakse 173. Dette systemet kan benevnes et SOLAR-ECLIPSE-system (solformørkelsessystem), idet det er en optisk, segmentert linjerekke som utnytter retroreflektorer og muliggjør stignings- og kurvaturlokalisering for innvirking på posisjonen av lydutstrålinger. Det behandler horisontal og vertikal bølgefronthelning av en innfallende lydbølge med henblikk på asimut-(retningsvinkel) og helningsvinkelberegninger idet bølgefrontkurvaturen passivt indikerer størrelse.

Mens Rl-koplingssystemene ifølge fig. 4,5,6 og 7 er beskrevet for spesiell bruk som bakkebaserte systemer, kan de også anvendes i luftbårne versjoner, eksempelvis fra vingespiss til vingespiss, babord-vingespiss til babord-flykropp-styrbord-flykropp til styrbordvingespiss, eller en lysstråle som danner forbindelse mellom et øvre flykroppunkt, for eksempel bak cockpiten til den øvre spiss av flyets vertikalstabilisator. Den førnevnte Rl-koplingsversjon gir dekning direkte foran eller bak flyet, mens derimot den siste versjonen tjener for Rl-kopling av lydsignaler som innkommer fra flyets babords- eller styrbordsretninger. Hver av disse fremgangsmåtene kan være egnet i visse tilfeller, vil partikkelbevegelseskoplingssystemet ifølge fig. 1-3, fortsatt være det foretrukne luftbårne system.

I en annen modifisert versjon kan det anvendes optisk fiberguider anordnet som optiske bølgestyrere som reagerer på lydforårsaket spenning i fiberlengderetningen, med motsvarende fibertverrsnittsendringer som begge resulterer i fiberbrytningsindeksendringer. Dette omfatter enhver metode for bruk av elektrooptikk eller andre teknikker for frembringelse av kodete, optiske pulser som kan returneres til optisk- eller fotodetektor-koherent heterodyn- eller homodynmottaker, for eksempel ved optisk Rayleigh- eller Mie-lekkasjespredning, tilfeldige eller deterministisk fordelte fiberokklusjoner. Slike metoder som høyst sannsynlig vil gjøre bruk av pulsdekoding for å sammenpresse de optiske pulser sammen med elektrooptisk eller elektronisk verdisignalvelging som middel for avbildning av enkeltvise, forlengede mikrofonsensorsegmenter. På en måte i likhet med anvendelse av frie optiske bølger i en SOLAR-systeminnfart, kan enhver av disse optiske bølgestyringsmetodene benyttes for plassering av slike forlengede, innbyrdes tilgrensende mikrofonsensorer gjennom en akustisk lydåpning. Som ved de optiske stråler i versjonene ifølge fig. 1-7, kan de brytningsindeksforandringer i optisk fiber-bølgestyringene som forårsakes av utstrålt lyd, indikere risikable atmosfæriske forhold som fremkaller denne lyd.

I en annen modifisert versjon kan omfatte akustiske mikrofoner som er montert på forkanten av hver flyvinge eller på tvers eller forskjøvet eller parallelt i forhold til rullebanen, for å oppdage lydbølger som fremkalles av risikable værforhold og/eller etterslepsvirvler.

Videre kan versjonen som er vist i fig. 3 modifiseres ved substituering av alle optiske former av det hittil beskrevne systemet, benevnt PHARAOH (faseverdiberegning ved optisk holografi), som er en helt optisk vinkelfor-skjellighets-flerkanalsmottaker (ADR) som utnytter fotoner istedenfor elektroner for gjennomføring av prosesser i likhet med det koherente optiske, CCD-baserte kamera som er beskrevet i det ovenstående i tilknytning til fig. 3. ADR-behandling av PHARAOH-typen vil ikke kreve CCD og anvender istedenfor optisk degenerert tobølgeblanding (DTWM) som frembringer en koherent optisk heterodynform av et rettvinklet par lysbærerholdte komponenter, hvorved det oppnås en funksjon i likhet med elektronisk deriverte l&Q-komponenter.

Også i versjonen ifølge fig. 3 kan vinkelmangfoldighetsmottakeren erstattes av en frekvensforskjellighetsmottaker (FDR) for "uløst"-lydeliminering. Som et hjelpemiddel til pulsboreren 28 i fig. 3 kan det også være anordnet et bølgevektor-frekvensfiltrerings-(WVFF)-system for fjerning av den "signal"-maskerende effekt i tilknytning til plattformbevegelse som forårsaker spektrumstrekking i signaifrekvensbåndet fordi "løste" subsoniske støykomponenter. Et alternativ til bølgevektor-frekvensfiltrering innbefatter signalfri referens (SFR) som kan tilpasses støyslettingsteknikk som kan anpasses ved bruk enten av koherent optisk homodyn- eller heterodyn-behandling for subsonisk "løst"-støysletting. Alle disse versjoner kan være integrert i CADRE-CORPS eller PHARAOH-kameraer.

Andre utførelser av oppfinnelsen omfatter anvendelse av ikke-lineært frembrakt og radialavstandsfokusert akustiske sagtannbølge for frembringelse av et akustisk-optisk speil (AOM) som virker som en retroreflektor. Tilstrekkelig akustisk påvirkning for opprettelse av en støtfront for en ikke-lineær akustisk sagtannbølge oppnås ved overføring av en syntetisk spektrumbølgefront ved bruk av et multippelsett av faselåste, pulserende akustiske bærebølgeformer som hver utgår fra enkeltvise lydtrakter i en lang høytalerrekke. Konstruktiv interferens oppstår når disse akustiske pulser sammenføres og tillegges koherent i et forutbestemt fokalfelt. Den resulterende akustiske maksimaltrykkøkning medfører meget skarpe fremre trykkdiskontinuiteter som oppstår periodisk ved ikke-lineær, akustisk vekselvirkning.

De periodisk fordelte, ikke-lineære og meget skarpe støtfronter ledsages av like skarpe, optiske brytningsindeks-(RI)-diskontinuiteter. Hver av disse diskontinuiteter som fungerer som optiske speil, og når den akustiske bølgelengde justeres til et multiplum av halvdelen av en optisk bølgelengde, vil Bragg-spredning begunstige den returnerte, optiske feltstyrke. Ytterligere forbedring kan oppnås ved bruk av en form Brillouin-omspredning (RBS) ved bruk av en teknikk benevnt optisk faseforening (OPC). Tradisjonelt har RBS vært anvendt for å oppnå et 100-gangers Doppler-frekvens spredningen i tilknytning til spontan Brillouin-spredningen som, ved et relativt lavt nivå for optisk utstråling bevirker at fotonene spontant frembringer isentopiske svingninger i motsvarighet til vidt forplantende og flyktige fononer. Ved en høyere grad av stråling oppstår stimulert Brillouin-spredning (SBS), hvorved fononet opptrer retningsbestemt mer ordnet og derved reduserer Doppler-frekvensspredningen som forårsakes av "fonon-bevegelse" ved en størrelsesorden i forhold til spontan Brillouin-spredning.

SBS har vært benyttet med gasser som er innestengt i et optisk bølgestyringsrør for å skape et OPC-speil som er så forvrengt at det vil fjerne optiske bølgefrontforvrengninger og, i motsetning til konvensjonelle speil, bevirke at det innkallende lys gjenopptar sin opprinnelige bane forut for gjenspeilingen. Andre lysrefraktive materialer, såsom lydtitanat, kan bringes til å frembringe et saktedannende, korrektivt OPC-speil med lavere utstrålinger enn det som kreves av SBS. Dette gjennomføres med en prosess, benevnt degenerert firebølgeblanding (DFWM). Det påpekes at en degenerert tobølgeblandings-(DTWM)form av denne prosessforbindelse med den ikke-lineære optiske behandling som er anvendbar for PHARAOH.

RBS kan benytte høyere grad av optisk utstråling enn det som kan oppnås ved korrigering av atmosfærisk, optisk aberrasjon ved bruk av OPC, slik at fononer skapes direkte av høykonsentrert lys. Anvendt i kombinasjon med AOM benyttes i RBS-prosessen en FWDM-fremgangsmåte for omspredning av laseriyset som spredes fra ikke-lineære, akustisk frembrakte fononer. En kombinasjon av disse to prosesser er ment å skjerpe den optiske Rl-diskontinuitet på en måte som tjener for å redusere speilrefleksjonstapene som ledsager en ellers normal støtfronttykkelse som, uten RBS-forsterkning, ikke ville danne en tilstrekkelig liten fraksjon av en optisk bølgelengde. Kombinert med periodisk ikke-lineær Bragg-akustikkbølgespredning, vil RBS-forsterket AOM danne et effektivt "sky hook"-speil, og derved fortrenge behovet for å begrense Rl-koplingen for flybruk til de tilfeller hvori retroreflektorer kan rommes innenfor begrensningene i form av flyvingespens- og flykroppsdimensjoner.

En annen mulighet kan være å anvende en akustisk-elektromagnetisk fremgangsmåte hvorved elektromagnetisk energi vil forplantes enten som frie eller bølgestyrte radiobølger, istedenfor optiske bølger, som reaksjon på lydfremkalt, atmosfærisk risiko. Således kan et system, betegnet som et forlenget akustisk radioloddskuddsystem (ERASS) med et fokusert, ikke-lineært akustisk bølgesett anvendes sammen med BRAGG-spredning som beskrevet tidligere i AOM, men basert på utnyttelse av radiobølger istedenfor optiske bølger, anvendes et progressivt, akustisk felt skapt av atmosfærisk flyrisiko.

En annen versjon kan innbefatte bruk av bølgestyrte radiobølger ved anvendelse av koaksialkabel, for å granske lydfelter ved Bragg-tilbakespredning

Claims (29)

1. Fremgangsmåte for detektering av ugunstige atmosfæriske værforhold som utgjør en risiko for flytrafikk, og de ugunstige forhold frembringer lydbølger i atmosfæren, karakterisert ved at en laseranordning produserer en optisk stråle, og leder strålen inn i en prøvemengde av atmosfæren som omfatter lysreflekterende stoff som beveges som reaksjon på nevnte lydbølger, og samler opp lyset som reflekteres av stoffet og produserer utgangsinformasjon fra det oppsamlede lyset som indikerer lydbølgene og de atmosfæriske værforhold.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at de ugunstige værforhold er tilstede i et område av atmosfæren som befinner seg ved en avstand på omtrent 100 kilometer fra prøvemengden.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det reflekterte lys oppsamles av en flerkanalsmottaker som detekterer tilfeldig bevegelse av enkeltpartikler av lysreflekterende stoff i prøvemengden.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at laseranordningen er montert på flyets front og at prøvemengden befinner seg foran flyet langs dets flygebane.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at laseranordningen er montert tilstøtende en flyruliebane.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den optiske strålen ledes av midler for fiberoptisk kabel.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved å videre omfatte produksjon av et signal fra lyset som blir oppsamlet fra hvert prøvemengde.

8. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at laseranordningen produserer et antall optiske stråler.

9. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at prøvemengden er anordnet i en tredimensjonal stort sett rettavkortet kjegleform og er innrettet til å fungere som en virtuelle mikrofon.

10. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved å videre omfatte å måle effekten av lydbølgene på den optiske strålen som en indikasjon på risikable forhold.

11. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at et antall horisontalt og vertikalt atskilte optiske stråler rettes over rullebanen og reflekteres tilbake til fotodetektorer, og at endringen i de optiske strålenes reisetid måles som en indikasjon på risikable forhold.

12. Fremgangsmåte i samsvar med krav 11, karakterisert ved at deler av de optiske strålene reflekteres tilbake til fotodetektorer i valgte avstander langs rullebanen.

13. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at leding av den optiske strålen over rullebanen, reflektering av et optisk strålesegment i hver av et antall posisjoner i innbyrdes sideavstand langs rullebanen, for opprettelse av et antall returstråler som reflekteres tilbake til fotodetektorer, og måling av en endring i de optiske strålenes reisestrekning som en indikasjon på de risikable forhold.

14. Fremgangsmåte i samsvar med krav 13, karakterisert ved at returstrålene er periferivinklet i en avstand fra hverandre for ikke å interferere med hverandre.

15. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den optiske strålen forlenges fra en første posisjon til en andre posisjon på et fly, og reflekterer et optisk strålesegment i hver av et antall posisjoner i innbyrdes sideavstand mellom den første og den andre posisjon, for overføring av et antall returstråler tilbake til fotodetektorer, og måling av endringen i de optiske strålenes reisetid som en indikator for de risikable forhold.

16. Fremgangsmåte i samsvar med krav 15, karakterisert ved at returstrålene er periferivinklet i en avstand fra hverandre for ikke å interferere med hverandre.

17. Apparat for detektering av atmosfæriske forhold som er risikable for flytrafikk, og de ugunstige forhold frembringer lydbølger i atmosfæren, karakterisert ved å omfatte en laserinnretning for frembringelse av en optisk stråle, en innretning for leding av den optiske strålen inn i atmosfæren, og en innretning for måling av lydbølgenes innvirkning på den optiske strålen som en indikasjon på de risikable forhold.

18. Apparat i samsvar med krav 17, karakterisert ved at laseranordningen er montert på et fly.

19. Apparat i samsvar med krav 17, karakterisert ved at laseranordningen er montert tilstøtende en flyrullebane.

20. Apparat i samsvar med krav 19, karakterisert ved at laseranordningen produserer et antall horisontalt og vertikalt atskilte optiske stråler som ledes over rullebanen, midler for å reflektere de optiske strålene tilbake til fotodetektorer, og midler for å måle endringen i de optiske strålenes reisetid som en indikasjon på de risikable forhold.

21. Apparat i samsvar med krav 20, karakterisert ved å omfatte midler for reflektering av deler av de optiske strålene tilbake til fotodetektorene i valgte avstander langs rullebanen.

22. Apparat i samsvar med krav 19, karakterisert ved å omfatte midler for leding av den optiske strålen over rullebanen, midler for reflektering av et optisk strålesegment i hver av flere posisjoner i innbyrdes sideavstand langs rullebanen for opprettelse av et antall returstråler som reflekteres tilbake til fotodetektorer, og en innretning for måling av endringen i de optiske strålenes reisetid som en indikasjon på de risikable forhold.

23. Apparat i samsvar med krav 22, karakterisert ved å omfatte midler for atskilling av returstrålene i innbyrdes perrferiavstand slik at de ikke interfererer hverandre.

24. Apparat i samsvar med krav 17, karakterisert ved at nevnte midler for å lede omfatter midler for fiberoptisk kabel for å lede den optiske strålen.

25. Apparat i samsvar med krav 17, karakterisert ved at nevnte midler for leding av den optiske strålen er inn i en prøvemengde av atmosfæren som omfatter lysreflekterende stoff som beveges som reaksjon på lydbølgene.

26. Apparat i samsvar med krav 17, karakterisert ved at de ugunstige værforhold er tilstede i en atmosfæresone som befinner seg i betydelig avstand fra prøvemengden.

27. Apparat i samsvar med krav 25, karakterisert ved å omfatte midler for å samle lysrefleksjon fra den lysreflekterende kilden, og midler for å produsere utgangsinformasjon fra lysindikativen av lydbølgene og værtilstandene i atmosfæren.

28. Apparat i samsvar med krav 27, karakterisert ved at midlene for oppsamling innbefatter en flerkanalsmottaker som detekterer tilfeldig bevegelse av enkeltpartikler av det lysreflekterende stoffet i prøvemengden.

29. Apparat i samsvar med krav 25, karakterisert ved at apparatet videre omfatter et middel for å montere nevnte lasermidler foran på flyet og at prøvemengden befinner seg forut flyet langs dets flygebane.