用于检测大气气象条件的方法

专利名称：用于检测大气气象条件的方法
背景技术：
本发明一般涉及一种用于检测危及飞机飞行的不利的气象条件的检测系统，尤其涉及一种用于以光学方式表征由危及飞行的事物产生的环形涡流大气紊流发声的检测器(SOCRATES)，所述危及飞行的事物例如包括晴空湍流，风的剪力，微型爆丛，以及飞机产生的尾流旋涡，所有这些已被证明对飞机和乘客是危险的。由该系统收集的信息用于及时向飞行员或地勤人员提供警报。
过去提出了许多用于向飞机驾驶员或地勤人员提供关于危险的气象条件的信息的方法，其中一些包括激光检测装置，用于检测大气条件例如温度、水蒸气含量、和空气速度，作为气象条件指示器。这些已有的基于激光的系统在商业上一直没有被广泛地接受。
其它类型的检测系统例如气象-SODAR(声检测与测距)以及气象雷达已被使用，但是这些系统不具备全天候的能力，因为它们以这样的方式测量气象条件，使得在它们正在试图检测的空气团的极其汹涌的混合下经历减少的能量后散射。因而这些系统在恶劣的气象条件期间，在最需要它们的时候，却无能为力。类似地，气象激光雷达系统虽然比气象雷达更精确，但是比气象雷达系统具有较小的天气允许范围。
因而，由于近来原因不明的或者由于晴空湍流、尾流旋涡、风剪力和微爆丛而引起的空难，要求航空具有更大的安全性。
大约从1970年以来，认识到这些大气现象包含或产生声图形或者呈甚低频的声波形式的特征波形，它们传播很长的距离而相对地不受周围的气象或大气条件的妨碍。这种被称为环形涡流涡动的发声现象及其相关的速度环流和不稳定的流场主要产生辐射声，其类似于石块被投入水中之后在水中产生的波的图形。由投入石块而产生的环的形状类似于和大雷雨、尾流旋涡以及其它的晴空湍流相关的声图形。
大约从1970年以来已经公知，在水中运动的物体例如船、潜艇或动物产生并辐射可用激光检测系统检测的声波，其中利用自由空间或波导光束指示在水中的那些发声或反射声的物体的存在和位置。一种这样的系统在Jacobs的专利5，504，719中说明了。
然而，尽管具有这些已有的知识，尚未有人提出或成功地实施一种响应由不利的和危险的气象条件或尾流旋涡条件产生的声波的激光检测系统，以便向飞机驾驶员或者地勤人员预报这些条件。
本发明的SOCRATES系统就是为了解决在个问题。
发明概述本发明的主要目的在于提供一种用于检测对飞机有危险的不利的大气气象条件的新的方法和装置。
本发明的另一个目的在于提供一种用于检测不利的大气气象条件的新的方法，所述不利的大气条件例如包括晴空湍流、风剪力、以及沿着靠近飞机跑道的山脉的大风暴、微爆丛、与／或尾流旋涡或飓风，甚至靠近飞机的发动机噪声，或者发射飞行器时发出的噪声，其中利用光学方式检测由这些不利的气象由其它条件产生的声波，然后向飞行员与／或地勤人员及时提供报警信号。
本发明的另一个目的在于提供一种新的方法，其中使用一个或几个激光束检测由大气中的不利的气象条件产生的声波，借以使飞行员与／或地勤人员有足够的时间采取校正措施，从而使飞机避开危险的气象条件。
本发明的又一个目的在于提供上述的新的方法，其中把光束引入含有响应声波而运动的例如微粒、悬浮微粒和灰尘的光反射物的大气的探测区域，所述声波是由在远离这些探测区域的大气的一个区域中存在不利的气象条件或尾流旋涡条件而产生的。利用本发明的新的系统，可以提供足够的时间使飞行员与／或地勤人员采取校正措施，从而使飞机避开危险的气象条件。
本发明的附加的目的在于提供一种具有其它的操作方式的新的方法，其中把光束引向一个全部或部分光学反射器，其有效地使光沿着光路返回，其中光的速度被到达的从存在于距离光束遥远的大气的区域中的不利的气象或尾流旋涡条件所发出的声波所改变。沿着每个光路的相对于真空中的光的速度而改变的光的速度直接和由颗粒运动的改变引起的光学折射率改变有关。在不容易安装用于反射光能的实际的逆向反射器的应用中，反射光能并通过其运动响应折射率的改变而改变光能的颗粒的组合协同操作，使得得到关于由遥远的不利的气象条件或尾流旋涡条件产生的声波到达的明显的区别信息，并且沿着轴线提供其各自的最大的响应，所述轴线和前进光束与返回光束的公共方向或者和对分前进光束和返回光束的方向一致或成直角。
本发明的上述目的是这样实现的使用在自由空间传播的光束，除去当它们遇到运动的与／或和由折射率的改变引起的压力相互作用的颗粒时，所述折射率的改变是由存在于大气区域中的上述不利气象条件或尾流旋涡产生的声音引起的，所述大气区域离开遮断声波的本地光学限定的区域相当远的距离。上述目的也可以这样来实现使用在光纤中引导的光波，所述光纤也具有路线长度和光速的改变，所述改变分别相应于并且代替颗粒运动和折射率改变，所述改变是当通过自由空间光波的本地光学限定的区域和从远方不利的气象条件以及尾流旋涡产生的声源发出的声波相遇时发生的。
本发明的另一个目的在于提供一种上述的新的激光检测系统，其可以被安装在飞机上，用于直接向驾驶员提供信息，或者被安装在地面上飞机跑道附近，或者被安装在地面上机场的周围，用于向地勤人员提供关于飞机接近和着陆或者起飞和向着一定高度爬升的信息。
本发明的其它目的和优点通过结合附图阅读以下的详细说明会看得更加清楚。
附图简述

图1示意地表示被安装在飞机上的本发明的激光系统，用于检测由遥远的大气中的不利的气象条件产生的声波，类似的简化系统可以被安装在地面上；图2是一个平面示意图，用于说明图1的本发明的系统，其中使用作用在大气中的相关的探测区域上的光束阵列，检测在探测区域内由遥远的不利气象条件产生的声波引起的颗粒的运动；图3是一个方块图，用于说明和每个探测区域相关的并构成图2的阵列的一部分的光电元件；图4是本发明的激光系统的基于地面的实施例的示意图，用于测量由危险的气象条件或尾流旋涡产生的声波引起的光束的折射率的改变；图5是图4中沿着线5-5所取的视图；图6是响应光束的折射率的改变的基于地面的系统的第二实施例；图7是沿着图6中线7-7所取的视图。
参见图1-3，新的激光检测系统10被安装在飞机11的前方，其中包括激光器12，分束器38，用于提供多个发射光束34a，34b，34c等，这些光束通过望远镜74到达位于离开望远镜74例如0．5km之内的远方检测范围A的大气中的一系列聚焦区域或探测区域16a，16b，16c。光束34和探测区域16的数量可以变化，但是最好具有在飞机11的前方以三维发散的锥形设置的128个探测区域，利用探测区域作为虚拟的麦克风检测由存在于飞机11的前方一个远距离B例如100km处的大气中的危险的气象条件产生的次声波20。对于空中系统或地基系统，建议虚拟麦克风的声音阵列例如覆盖多达两个立体弧度的球面罩，其中心在飞机的正前方。为了排除来自飞机方向或来自地基系统后方的背面响应，应当形成范围错开的探测区域，以便包括在前方阵列的后面隔开大约1／4声波波长的虚拟麦克风的类似球罩的阵列，为此设计了一个小孔。这种双球罩阵列可以被设计用于“嵌套”的子孔，它们和虚拟麦克风以适合于不同的声频子频带的空间间的距离分布。
离开探测区域内的运动颗粒而被反射的背散射的调制返回光束借助于基于电荷耦合器件(CCD)87的多信道接收机收集，该电荷耦合器件适用于相干光的混合和随后被处理，以便及时向飞行员报警，使得在需要时采取校正措施。其中发出和气象相关的声音，并被虚拟麦克风几乎连续地接收，其行进时间是不重要的，因为发出的声音过几分钟才能收到。例如，即使声波20以一个马赫数行进，声音到达102km的距离处的接收地点也需要5分钟的时间，假如飞机飞行员以0．5个马赫数飞行，大约能够提前10分钟报警。这是因为这种飞机在收到从有危险的气团发出的声音之前飞机已经飞行153km的原始距离的51km，在继续以0．5个马赫数飞行时，遇到声波之前将需要另外的10分钟。这10分钟足够采取校正措施，因而建议这些声发射和接收距离可以被减半或更多，以便能够及时报警。
现在参见图3，图1的系统10在图3中被作为一个用于以光学方式表征环形涡流大气紊流发声的检测器出现(SOCRATES)。所述检测器包括倾腔固态激光器12，其在1．57μm或2μm下工作，并产生由电光(E-O)脉冲调制器24调制的光束22。调制器24被脉冲编码E-O驱动器26控制，其传输定时由平台运动(平流／对流)纵向时间间隔跟踪器装置28控制。来自调制器24的脉冲光束30被引向一个部分反射镜光束分束器32，其产生发射光束34和参考光束36。然后，光束分束器38把光束34分束成为几个发射光束34a-34c等，其在数量上相应于被检测的探测区域16a-16c等的数量。
参考光束36被反射镜42反射进入光路长度匹配装置，其包括光对光纤的耦合器44，光纤集群时间延迟线圈46，压电光纤光路长度“被延长的”延迟装置48，其响应来自跟踪器28的电子反馈信号50，以及光纤对光的耦合器52，其向一对布拉格元件上／下移频器56、58发出匹配的参考光束54，所述移频器用于使参考光束的频率偏移，以便和探测区域返回的光束进行外差混合。虽然图中没有示出，应当提供一个外控环，以便得到解调的相位速率输出信号102a(后面说明)并使所述信号通过外环平均滤波器和频率合成器。所述合成器将从离散的音频段中选择接近的频率并包含在控制布拉格元件上／下移频器56、58之一的频移的表面声波调制中的时钟频率精确地同步。在进行可变增益放大和功率放大之后，如此控制和放大被选择作为最接近瞬时多普勒值的平均值的频率合成频段，使得由和相位速率输出信号102a成比例的平均电压表示的值被回送，以便闭合外部平均多普勒补偿反馈环。多个这种平均多普勒补偿反馈环同样被从其它探测区域提供给每个相位速率输出信号102a-102c等。
然后，参考光束54通过光束分束器60，其把该光束分束成和发射光束34a，34b等的数量以及和探测区域16的数量相应的多个参考光束54a-54c等。
用于发射光束34a，参考光束54a和探测区域16a的光路以及相关的光学处理元件如图3所示。对于发射光束34b，34c等，参考光束54b，54c等和探测区域16b，16c等提供有相同的光路和电路(未示出)。
来自分束器38的光束34a全部通过背面光束偏转器70、光束扩束器72和聚焦望远镜74，进入位于离开望远镜74一个所需的光声遥测范围A的探测区域16a。悬浮在探测区域16a内的颗粒响应在距离望远镜74一个遥远距离B处的大气中由不利的气象条件产生的声波20而运动，并且由这些颗粒散射的光形成返回光束76，其被望远镜74收集，并由扩束器72准直。沿着接近垂直于遥测光束76的方向行进的声音也提供折射率耦合。不过因为这种耦合相对于颗粒运动的耦合不敏感，所以沿向前方向行进的声波提供主要的耦合方式。但是也可以使用折射率耦合，以便提供横向会聚的左舷／右舷和上／下形式，以利用在探测区域16a内的纵向颗粒运动耦合。
然后返回光束76向克尔盒电光发送／接收(t／r)开关和范围门80偏转，范围门80被时标跟踪器28控制接通和断开。用这种方式，调制器24、延迟装置48和门80的定时操作都由跟踪器28控制，这校正飞机朝向探测区域16a的瞬时运动，使得在为采集多个激光脉冲所需的时间间隔内能够检测空中相同的区域。跟踪器28缩短到驱动器26和门80的脉冲速率，并且当飞机向着探测区域16a运动而使距离A相应地减少时，通过光束34a和76的信号50使参考光束54a的延迟和在发送／接收期间发生的激光脉冲前进／返回时间延迟的改变相匹配。聚焦的望远镜被安装在可运动的平台上，例如有万向接头的惯性平台，其和跟踪器28同步运动，以便当飞机朝向探测区域运动时保持光束对准探测区域。跟踪器还校正激光的前进／返回行进时间脉冲随折射率的改变而产生的改变，所述改变是由于温度、湿度、压力等引起的改变使飞机前方的大气条件变化而引起的。
此外，不用多脉冲处理探测区域的长度，因而单个脉冲持续时间受到颗粒运动(PM)多普勒频率展宽的限制。和由脉冲编码驱动器施加的单脉冲编码一道，通过处理N个脉冲也可以适应于短得多的探测区域。
返回光束76离开范围门80到达波前曲率发散的光学透镜82，其在3-D弯曲的离轴反射镜86的前表面上把返回光束散开而成为多个光束84，反射镜86则把多个光束84中的每个光束反射到电荷耦合器件(CCD)87的前表面89上的象素上。
参考光束54a通过一个类似的透镜88，其在镜86的背面把光束分散成为和光束84的数量相等的多个参考光束90，通过反射镜以便把时间和波长曲率记录在CCD87的每个相关的象素上，在其中和从返回光束84得到的多信道信息进行外差混合。用这种方式，对共同的探测区域16a应用角度不同接收(ADR)，使每个ADR多信道从足够不同的角度“看见”这个区域，从而平均未“分辨的”音速和亚音速的噪声分量使其作为“小点”出现在CCD87的图像平面的表面上。具有多个附加的相同的处理信道，其每个和探测区域16a-16c等相关。
CCD87的前面89大约具有100×100或104个象素，这和用于抑制空气中和返回光束中的颗粒的布朗运动一致，并且参考光束90以光学方式在每个象素上进行外差混合。作为代替外差混合的一种方法，其要求4倍的CCD象素，以便提供空间滤波来消除不需要的混合产物，CCD87包括芯片上的模拟带通滤波器91和芯片上的模数转换器92。该带通滤波器接受想要的混合产物，即返回光束84×参考光束90，其含有瞬时的多普勒信息，但是拒绝不想要的混合产物光束84×光束84或光束90×光束90。作为由使参考光束90和返回信号光束84相匹配的光路长度提供的时间记录的结果，在CCD87的表面上进行的相干光外差混合处理用作复制品相关器。被提供的用于选择光束84×光束90的想要的含有瞬时多普勒信号的混合产物的带通滤波91以这种方式进行滤波，使得其平均作用提供对返回的编码激光脉冲的脉冲压缩，以便以电子方式产生比原始编码的激光脉冲更多的有限范围的分辨脉冲包络。此时，还保持瞬时多普勒(即相位速率)调制的信号和噪声的频率偏移范围。所述多普勒调制的信息使用相位速率解调处理被提取，其中包括在空间平均98之前的和相位展开96结合的相位解调和数字时间微分100，以便获得从ADR处理得到的相位速率信息。这种宽带相位速率解调更适合于这个特定功能，和使用通常的多普勒数据库带通滤波器相反，以便在复制品相关处理中提供多普勒信息和范围信息。编码的激光脉冲压缩可消除在上述选择激光脉冲长度方面的限制的一部分，借以“折叠”范围门80的持续时间，以便拒绝更多的音速和亚音速噪声，否则它们将被PM耦合到长得多的等效探测区域。添加N脉冲处理保持和提取“细粒”PM多普勒展宽信息，所述信息被包括在被限制在零频率附近的数字IQ数据流的多普勒“梳”频谱区域中。这种N脉冲运动目标指示器(MTI)雷达型处理的应用能够使单脉冲频谱被细分成为“N齿梳”，其中每个齿含有PM多普勒频率展宽频谱的复制品。否则在单个宽带脉冲的情况下，所需的多普勒调制频谱不可避免地被脉冲频谱的卷积覆盖。此外，产生“发射”噪声的频带同样地被限制。作为N脉冲处理的结果，编码的激光脉冲的带宽可被选择用于提供比单脉冲处理所允许的短得多的辐射范围分辨探测区域。转换器92使用在带通滤波器的采样下使用正交脉冲，以便获得每个象素的同相(I)的和正交(Q)的采样，作为用于提供最小采样时钟速率要求的手段以便产生多个象素、多信道数字I-Q数据流94。CCD87及其所述的操作一般被称为CADRE-CORPS(Charge-Coupled Angle Diversity Receiver Extraction byCorrelating Optical Replicas for Phase Sensing)照相机。
由CCD87提供的多信道ADR系统大大减少了来自探测区域16a的“斑点”噪声，和在Jacob的专利中对于每个探测区域所述的单信道激光多普勒速度计相比显著改进了系统的灵敏度。“斑点”噪声是由被称为高爆密度(HBD)的状态产生的。当光子从分布在探测区域16a内的许多散光的颗粒在某个时刻返回光接收器时，引起HBD状态。光可以从这些多颗粒返回的多光路，引起“斑点”图形分布在成像平面上的接收点上。
该“斑点”由于在这些多光路之间建议性的和破坏性的干扰而形成。当颗粒在探测区域16a中本身重新排列时，这种“斑点”引起幅值的波动。结果，通过从足够多的观察角度观看探测区域16a内的多个颗粒，在成像平面上按照许多不同的光检测点散布，使得在采样中统计上具有许多独立的“斑点”，此“斑点”噪声通过组合从每个CCD提取的相位速率估算可被大大减少。理论上，平均的“斑点”分开距离应当和CCD象素的分开匹配，虽然必须缩小适应光学透镜82的光学系统以完成这种匹配。除去这种方法之外，当激光器的中心频率偏移时(由于光波长的足够的衰变)，“斑点”图形改变，因而使得空间相关性减少。因此，“斑点”噪声也可以通过组合以足够多的离散的激光频率同时发射的从探测区域提取的相位速率估算被减少。这是频率差异接收机(FDR)处理的根据，其可以和ADR处理相结合，以便提供附加的“斑点”噪声抑制。
本发明的系统可实现一种相干光学接收器，用于提取由在探测区域16a内运动的颗粒产生的瞬时多普勒频率调制的相位速率估算。当采用相干处理时，上述的由幅值衰落引起的“斑点”噪声以几种方式中的一种方式出现。这“斑点”反映颗粒运动的改变(以及沿着联系每个颗粒的光路发生的折射率的改变)，这种改变是由于其长度比探测区域的特征尺寸小的干扰结构(mechanism)引起的。这些运动被系统称为“未被分辨的”。与此相反，长度大于探测区域的运动引起探测区域内的所有颗粒一起运动，而没有“斑点”衰落。这种运动被系统称为“被分辨的”。“被分辨的”组分(component)含有要被恢复用于进一步处理的声场调制，而“未分辨的”组分代表“斑点”噪声。“未分辨的”组分还表示围绕其平均相位速率改变的噪声波动；这些平均值之一的随时间的改变量和由系统检测的声场改变成正比。
数据流94被传递给数字相位估算器96，其包括数字“相位展开”，然后通过空间平均器98，接着到达数字时间微分器100进行相位速率提取。相位估算处理96的“相位展开”用于减轻加于ADR处理上的负担。至此，本发明认识到当相当窄的带宽PM和RI相位速率调制噪声结构进行“光谱展宽”时，由于通过某些区域时它们的相位波动呈现多周期的断续，其作用是表征一种正切的相位解调过程。这些窄带的PM和RI噪声结构分别相应于速度和标量的大气紊流场这些情况。由正切断续引起的“相位跳跃”代表在数字时间微分器100之后等同导出的在相位速率解调过程中产生的“斑点”。
在理解包括在本发明中的这一作用之前，现在已知的“光谱展宽”是由隐含在相位速率解调中的正切断续引起的，据信具有其引起幅值衰落而不产生相位(I)分量衰落的原因。结果，本发明把相位速率解调分解成具有包括在数字时间微分器100中的“相位展开”逻辑的相位解调。“相位展开”可以被这样实现检测发生断续的时间，存储来自相关区域周围的数据，然后删除这些区域，消除相位跳跃并进行滤波。这是为了从“展开的相位”估算中得到“非光谱展宽”的相位速率估算。
因此，ADR处理的这种形式并不加重负担，因为空间平均98要求100×100=10000以上的多信道以便抑制大气颗粒的“未分辨的”部分，使得通过布朗运动降到其“被分辨的”部分的程度，即，一般地说，被强制到低于“被分辨的”环境背景噪声以下。这需要抑制40dB的未分辨的布朗运动噪声，这和100×100=10，000多信道ADR处理相符。不用“相位展开”时，速度的未分辨的部分的“光谱展宽”以及由于大气紊流而引起的标量(即温度和湿度)波动则需要使用大约10，000×10，000=1，000，000个多信道，以便提供大约60dB的“未分辨的”噪声抑制。
来自微分器100的数据流信号102a含有由探测区域16a产生的关于相位速率调制的条件的数字信息。类似地，对于每个区域16b。16c等产生数据流102b，102c等。这些数据流被送到时域数字束形成装置104，其在一个预定的声学范围上聚焦。该装置产生多个多信道光束，例如128个，其数量一般相应于探测区域16a，16b等的数量，使光束106在一个方位角和仰俯角的范围内分布。此外，可以引起声学范围聚焦，以便以“时隙”方式扫描整个的辐射范围，供显示器112显示。光束106进入处理器108，其处理光束信息以便同时得到精确的三维检测、分级、定位和跟踪远距离B处危险的气象条件。被处理的光束110然后被发送给驾驶员显示屏112，其可以以颜色编码的形式指示声音接触强度，以不同的二维轮廓图表表示成对组合的方位角和仰俯角以及相对于飞机被稳定的危险气象条件。此外，可以构成三维的颜色显示，表示“看前面的图”的信息，其相对于方位角和仰俯角被示出，同时，该图表的“时隙扫描”缓慢地对准整个辐射范围，以便表示三维的场景变化。这种显示装置由用户选择安装在一个特定的辐射范围聚焦区域。
虽然至此描述了PM耦合系统10，并且说明该系统被直接用在飞机的前方，但是也可以使用一些简单形式的系统，所述系统可以被安装在地面上机场跑道的末端，使激光束沿着下降着陆的路线投影在跑道上。基于地面的系统不需要脉冲跟踪和光束稳定功能，因为这种系统是被固定在地面上而不是被安装在运动的飞机上。
图4和图5所示的本发明的SOCRATES的实施例表示基于地面的系统180，其适合于沿着机场跑道128延伸，或者在另外的情况下其被偏移以便和机场跑道平行，并且利用响应由各种大气危险气象条件产生的声波150的折射率(RI)耦合。系统180采用利用逆向反射器方法的分段的光线阵列(SOLAR)，并且包括多个可调的水平测量三角架182，184，186和188，它们被均匀地分开并且沿着跑道128排成一排，或者被设置在和跑道128平行的一个偏移位置。被称为使用逆向反射器的二进制分段的光线阵列(BINARYSOLAR)的这种系统的双重轴线对的方向可以相互成直角。用这种方式，由双重轴线对形成的重叠区域的多个或可操纵的光束可以用来使系统具有附加的定位能力。
组合的激光发射器和相干光接收器组件190被安装在三角架182上，其向着被安装在右端三角架188上的一个对准的协同操作的全反射外部光学隅角反射器192发射激光束191。在每个中间三角架184和186上，安装有相同的局部反射的逆向反射器194和194a，其中的每一个将光束191的一部分反射回发送器-接收器190。如图5所示，每个逆向反射器194，194a等包括中心孔196，其允许发送器光束191到达隅角反射器192并返回发送器-接收器190。逆向反射器还包括多个沿圆周等距离分布的光孔198和可旋转的光偏转臂200，其使用部分和全部反射镜通过一个被选择的孔198将发送光束191的一部分反射到发送器-接收器190。例如在逆向反射器192中，臂200和孔198之一对准，从而在相对于接收器190的一个径向位置提供返回光束202。在逆向反射器194a中，臂200和另一个沿径向与逆向反射器194的孔偏移的孔198对准，从而提供返回光束204，其和返回光束202错开一个角度，因而不干扰返回光束202。
中间三角架184，186等和相关的部分逆向反射器194，194a，194b等的数量可以高达32个，从而以这样的方式往回向着发送器-接收器190上沿圆周分开的光检测器204提供32条沿圆周等角度分开的返回光束202，204等，使得每个返回光束不干扰其它的部分逆反射的光束。来自100％隅角反射器192的返回光束，沿着中心光路通过在每个逆向反射器194，194a，等的臂200上的逆向反射器194，194a，194b等的对准的中心孔196返回。可以提供选择数量的级联的中性密度的光学滤光片210，用于调整和均衡各个光路的衰减。
隅角反射器192和逆向反射器194，194a等的精确的对准可以这样实现使用测量者的激光雷达或光学雷达目标定位仪，让返回的光束穿过它们由其相应臂200的径向位置限定的相应位置和选择的孔198。测量者的激光雷达或光学雷达目标定位仪具有一个航线对准望远镜，并且具有脉冲激光器最后对准的窄光束和范围控制接收器能力。测量者首先定位基架188和隅角反射器192在其所需的位置上，然后按照顺序从右向左如图4所示调整每个中间基架186，184等和逆向反射器194a，194等，使得所有逆向反射器的中心孔196和圆周孔198被正确地对准。然后，正确地调整基架182，以便定位发送接收器模块190，使得光束191和中心孔196以及隅角反射器192精确地对准。然后，每个逆向反射器的光偏转臂200被正确地转动到一个选择的角度位置，使得来自每个逆向反射器194的返回光束不干扰来自其它逆向反射器194，194a，194b等的径向偏移的返回光束。
该SOLAR系统180提供光线阵列，从所述光线阵列可以形成声学多束或可操纵的束响应图形220。这种束形成的图形响应能够接收和定位远方声源150，并排除本地的声和次声的干扰。可以提供一种平行靠近背对背设置的一对SOLAR系统，被称为使用逆向反射器的一对分段的光线阵列(TWIN SOLAR)可被提供。这种结构可以被调整相位，使得接收来自接近走廊的跑道的声的能量而排斥来自飞机发动机的后面的声的能量，特别是在飞机驶向跑道之后发动机推力换向期间。
逆向反射器194的每个光偏转臂200由部分反射镜馈给，所述反射镜允许发送光束191的一个预定部分继续沿着不受干扰的“卷轴中心线”路线，沿着臂到达一个对准的选择孔198，借助于所述的孔，所述光的一部分返回发送接收器190。一组合适的中性密度光学滤光片210被选择地转换到沿着臂200的径向光束路线，借以逐步确定特定逆向反射器194所需的相应的光学衰减量。这样做使得每个局部反射的逆向反射器194，194a等是可调的，从而返回和全反射隅角反射器192反射的数量相等的平均光子数。特定逆向反射器194的臂200可以被锁定并被径向定位在选择的孔198中，以使此特定的逆向反射器被预置，以便提供相互排斥的偏移-偏转的返回光束，其具有预选的和特定的光学逆向反射器在光线阵列中的位置匹配的光衰减量。每个返回光束被径向对准，以便不受阻碍地通过逆向反射器194，194a等的未占用的外围的孔198，所述的孔位于逆向反射器和其各个光学接收光检测器204之间，许多这些孔沿圆周分布在发送器-接收器190的圆形光学接收平面上。
所述的SOLAR系统能够形成多个固定的或者可控的光束，并对各段进行优化的或者自适应控制的复杂加权。这通过对来自所有逆向反射器的返回光束的集合应用一种矢量矩阵处理来实现，以便进行控制使光束为0，或者进行声的或次声的噪声消除。
沿着激光光束和返回光束的各个行进时间随由大气中的危险航行条件而产生的入射声波150的压缩与稀薄而改变，所述危险条件例如包括尾流旋涡、向上气流、向下气流等，每个光束的折射率的改变提供行进时间的改变，其被用作表示从这些危险条件发出的声波的到达方向。这些行进时间的改变也伴随着入射声波的时间波形的改变，并用于表征产生声的声源的特性。
在简单地使用发送接收器例如模块190和隅角反射器192以便产生一个前进-返回光束的RI耦合系统中，所得的声音响应图形具有sine x／x的特征，其最大的响应轴(MRA)和双分角的平分线或者单分角系统的公共轴正交，并且围绕所述公共轴轴向对称地设置。这种单个前进-返回光束系统的缺点在于，其中光线阵列的声响应图形不能通过光束进行控制以便从和平分线正交的位置或者从前进-返回光束的公共轴除去其MRA。与此相反，所述的SOLAR系统180通过提供多个固定的或可控的光束克服了这个缺点。
在增加光线阵列使确定的光束形成／光束操纵达到感兴趣的频带顶部的一个给定的频率时，当操纵光束离开侧向方向时，需要半个声波波长或更小的间距(由频带顶部的频率确定)。为了避免模糊的栅格凸起，必须如此，所述栅格凸起最终会引起兔耳状光束分裂，然后，当间距增加超过声波波长时，形成更复杂的玫瑰花瓣图形。
对于侧向的光束操纵，给定侧向光束宽度大约为沿着外部的前进-返回路线长度分布的声波波长数量的倒数。当接近端射光束操纵方向时，因为小孔具有缩短视线的效果，故声束响应变宽。此外，不把间距减少到声波波长的1／4，则形成具有同样指向两个端射方向的MRA的端射光束。利用1／4声波波长的间距，这意味着加上外部100％反射逆向反射器需要至少16个最好32的支架和部分反射逆向反射器。这些逆向反射器的每一个应当是一种无源的光学器件。
对于SOLAR方法的光束形成可能是十分复杂的，因为每个段都被嵌套，因此每个段和下一个较长的段部分地重叠并且超过它。这是因为和特定的部分反射逆向反射器相关的声响应图形由在调整的激光发送器／相干光接收器和该逆向反射器之间的单向的光路长度确定。从完整的声响应观点看来，常规的分段检测器声响应可以通过从相邻重叠源到逆向反射器部分的相位速率调制中减去一个源到逆向反射器部分的相位速率调制(PRM)得到。当把离散分布的声音噪声源置为0时，可以导出复数的加权用于加权这些不同的PRM分量，以便有选择地从音速噪声中提取音速信号。不过，已经表明，当亚音速噪声源占主要地位时，根据比音速噪声更多地抑制亚音速噪声，这种结构不会产生最佳的增益。在亚音速噪声占主要地位的情况下，当对重叠的部分PRM分量施加最佳的复数加权时，这些复数加权具有和每个嵌套的重叠的部分的长度成比例的值。
无论这些光束形成的复杂性如何，可以进行合适的光束整形、对准、旁瓣控制和零控制。此外，可以设置多个SOLAR或二SOLAR或双SOLAR分段光线阵列，从而形成2-D或者甚至3-D的阵列结构。然后，通过相应地使用合适的相位(作为频率的函数)或时间延迟，频域或时域的光束形成，包括对旁瓣的实数或复数加权或零控制可以被影响，从而使光束进一步锐化。
本发明的另一个实施例如图6和7所示，其中说明一种简化的基于地面的系统120，其适合于跨越飞机跑道128延伸，而且也利用响应由各种航行危险大气条件产生的声波150的折射率(RI)耦合。
系统120包括左右端基架122、124和一对中间基架126、127，它们沿横向被隔开，跨过“着陆未达跑道”接近通往机场跑道128的走廊，每个基架支撑着一个三角杆框架130，132，134和136，框架的拐角相互对准，而且相邻的框架之间形成三个部分。
在左端框架130的每个拐角设置有组合发送接收模块140，其向一个位于框架136上的对准的全反射拐角逆向反射器142发送激光束，也接收从逆向反射器反射的返回光束。使用光纤和光束分束器，来自功率足够大的连续波激光器的光功率可以在框架130的拐角上的3个发送位置140之间分配。因而，在该系统中在对准的框架拐角之间提供有3个沿水平和垂直方向隔开的检测光束或方式。这些激光束的各个行进时间随着由大气中的危险航行条件产生的入射声波150的压缩和稀薄而改变，所述危险条件例如包括尾流旋涡、向上气流、向下气流等，每个光束的折射率的改变提供行进时间的改变，其被用作表示从这些危险条件发出的声波的到达方向。这些行进时间的改变也伴随着入射声波的时间波形的改变，并用于表征产生该声的声源的特性。
为了提供水平定位精度，本实施例的基本形式使用被安装在框架132的每个拐角上的部分逆向反射器152和被安装在框架134的每个拐角上的部分逆向反射器154。逆向反射器152和154和图5中的逆向反射器194相同，并被对准以便使得来自3个模块140的每个发送光束到达被安装在框架136的拐角上的隅角反射器142并从其返回。从模块140发送的光束的一部分由部分逆向反射器152向回向着框架130上的光检测器156反射。类似地，来自模块140的光束的一部分由部分逆向反射器154向着框架130上的光检测器158反射。对准的逆向反射器152和154的光偏转臂196被沿径向如此定位，使得从这些逆向反射器返回的光束沿径向错开而不发生相互干扰。来自模块140的激光束的其余的主要部分继续通过而到达“猫眼”逆向反射器142，从此被向回向着模块140反射。因而，在框架130上的3个光检测器接收到和其相关的3个方式的会集光束。然后，由光检测器检测到的光束的折射率的改变被进行合适的处理，用于向地勤人员提供报警信息。
所述的本实施例的SOLAR方法能够无源地确定方位到达角和发出声波前沿150的辐射范围。其中使用到达子孔之间的相位中心的声能到达的时间差的时间延迟的计算，所述子孔被限制在位于框架130的前面的底部和顶部的发送／接收模块之间，并且对于左子孔相应于位于框架132的前面的底部和顶部的部分逆向反射器152，对于框架134，中心子孔是类似的，并且对于右子孔来自“猫眼”逆向反射器142。在这3个子孔部分地相互重叠的情况下，3个明显分开的但是连续的子孔响应通过取相邻的子孔RI耦合的信号响应之差被产生，如对于SOLAR处理所述。本实施例也可以通过使用基架被代替，以便分别估算波前的水平倾斜和弯曲，从而确定方位角和辐射范围，代替由对全部的孔进行分段而进行的SOLAR光束形成或光束操纵功能。
如上所述，本实施例SOLAR的图6所示的结构只是有助于从由左、中、右子孔的公共垂直尺寸确定的相当宽的垂直的声响应图形计算仰俯角。为了提高该系统的精度，一种类似的发送接收模块140和“猫眼”逆向反射器142与中间部分逆向反射器152、154分别和其相应的光检测器156、158结合，被插入在各个框架130，136，132和134的前面的中心。在左中右子孔的垂直中心之间的各个光束路线平行于在框架130，136，132和134的后顶点处提供的类似的光束路线。不过，由这些后顶点光束路线得到的子孔信号被用于协同相应的前面光束路线，以便消除每个子孔的后部的声响应。
图7表示通过指定向被安装在基架124上的右框架136看时的附加的142位置，中心在前面的光束路线的这种会集方式。用这种方式，每个水平错开的子孔被进一步细分成上下子孔。框架136和其相应的框架可以通过公共角度垂直地倾斜，以便补偿由低的掠射角光束无效造成的垂直光束的倾斜，所示光束无效是由180度相移的地平面128反射的抵销直接声波150的声波的干涉引起的。每个上下子孔产生重叠的上下172垂直光束响应。在这垂直光束重叠角区域内，可以计算它们的垂直相位中心之间的时间延迟差。用这种方式，图7所示的这个附加的会集方式的引入，通过由这些相对于垂直波前倾斜的时间延迟差计算通过轴173的光束的仰俯角，用于改进垂直角计算精度。
没有跨过框架130，132，134和136的前方的重叠的声音垂直检测光束171和172，系统120将只提供有限的垂直角计算精度以及后前光束响应抑制，用于检测朝向框架运动的声波150。如上所述，框架可以稍微向上倾斜，以便使得和在接近走廊128下方的地面的干扰最小。此外，重叠的声音垂直检测光束171和172来自发送接收模块140和隅角反射器142的类似的组合，以及合适的光束偏移部分逆向反射器152和154，和可被联合引入的其中心分别在框架130，132，134和136前面上的相应的偏移光检测器。如上所述，这个附加的光束会集方式有助于借助被设置在其轴线173周围的上下声接收光束171，172的分束处理提高垂直角计算精度。该系统可以被称为SOLAR-ECLIPSE系统，即，该系统是一种使用逆向反射器的分段的光线阵列，并提供仰角和曲度定位，用于确定声源的位置。其处理入射声波的波前的水平和垂直倾斜，以便利用被动地指示范围的波前曲度获得方位角和仰角的估算。
虽然图4-图7表示的RI耦合系统是作为地基的系统具体使用进行描述的，但是它们也可应用于机载结构中，例如从机翼的梢到梢，左舷机翼梢到左舷机身-右舷机身到右舷机翼梢，或在上机身点例如座舱后面到飞机垂直稳定器的上梢之间相连的光束。形成器RI耦合结构提供飞机前后的覆盖范围，而后一种结构提供从飞机的左舷或右舷方向来的声信号的RI耦合。虽然这些方法中的每一个适合于某些应用，但是在图1-3所示的颗粒运动耦合系统不失为一种最佳的机载系统。
另一个改进的实施例可以包括使用纤维光缆作为光波导，其响应沿着光纤的长度的应力引起的声音，具有相应的光纤截面改变，两者引起光纤折射率的改变。这包括使用电光或其它技术的任何方法，以便形成光学编码的脉冲，该脉冲能够返回光学的或光检测器相干外差或零差接收机，例如通过从光纤包含的随机的或确定性地分布的闭塞而引起的瑞利或米光学散漏。这种方法最适合于使用脉冲解码来分解(collapse)光学脉冲以及电光或电子范围选通，作为用于描绘各个延伸的麦克风检测器部分的手段。和在SOLAR系统方法中使用自由光波的方式类似，任何这些光波导方法可以连续地通过声音小孔延长麦克风检测器。关于在图1-7中的实施例的光束，在光纤波导中的由辐射的声音引起的折射率的改变可以表示产生该声音的危险的大气条件。
另一个实施例可以包括安装在飞机每个翅膀的前沿的声麦克风，或者交叉，或者偏移和平行于跑道，用于检测由危险的气象条件与／或尾流旋涡产生的声波。
此外，图3所示的实施例可以通过代替此处称为“通过光学全息评定相位速率”PHARAOH(phase rate assessment by opticalholography)的系统的所有的光学形式的系统加以改进，它是一种光学多信道角度分散接收机(ADR)，其中使用光子代替电子进行操作，和上述的图3所示的基于CCD的相干光学照相机的操作类似。ADR处理的PHARAOH型不需要CCD，而使用光学简并的二波混合(DTWM)，其产生正交的一对光载体承载分量相干光外差形式，借以提供类似于以电子方式得到的I和Q分量。
在图3的实施例中，角度分隔接收机可以被频率分隔接收机(FDR)代替，用于“未分辨”的噪声抑制。此外，作为对图3的脉冲跟踪器的一个附加物，可以提供一种波矢量频率滤波(WVFF)系统，以便除去和平台运动相关的“信号”掩盖效果，使频谱延伸进入“被分辨”的次声噪声分量的信号频带中。波矢量频率滤波的一种替代物包括信号自由参考(SFR)自适应噪声消除技术，其中对于“分辨”的次声噪声消除使用相干光学零差或外差处理。所有这些实施例可以被集成在CADRE-CORPS或PHARAOH照相机中。
本发明的其它实施例包括使用一种非线性产生的辐射范围聚焦的声锯齿波，用于构成作为逆向反射器的声光反射镜(AOM)。通过使用多组锁相环、从扬声器的大的阵列中的各个投射物发出的脉冲声载体波形，发送对称的频谱波形，得到足够的声音增强，从而产生非线性声锯齿波的前沿。当这些声脉冲相干地加到预定聚焦区域中时产生干涉。所得的声峰值压力增强引起通过非线性声干扰被周期地形成的非常尖的前方压力断续。
被周期地分开的非常尖的非线性激波前沿伴随着同样尖的光折射率(RI)断续。每个断续作为光学反射镜，当声波波长被调整为多个半个光波波长时，布拉格散射增强返回的光场强度。使用利用一种被称为光学相位共轭(OPC)的技术的布里渊散射(RBS)的一种形式可以实现进一步增强。一般地说，RBS被用于使和瞬时布里渊散射相关的多普勒频率散布减少100倍，其在相当低的光辐射下使光子自发地产生相应于广泛传播和损耗声子的等熵的波动。在较高的辐射下，受激的布里渊散射(SBS)发生，其中声子方向性成为更有序的，因而相对于自发的布里渊散射减少一个数量级通过“声子运动”引起的多普勒频率散布。
SBS利用在光波导管内约束的气体形成OPC反射镜，用于消除光波前畸变，并和常规反射镜不同，能够使撞击的光线返回在反射前的原始路线。其它的光折射材料，例如钛酸盐，可用于在比SBS所需的低的辐射程度下产生一种缓慢形成校正OPC反射镜。这通过被称为简并4波混合(DFWM)来实现。应当注意，这种处理的简并的2波混合形式在可用于PHARAOH的非线性光学处理的文章中提到过。
RBS可以使用很高的光学辐射量，这可以通过大气光学误差校正来实现，其中使用OPC，使得声子被高度集中的光直接产生。当和AOM联合使用时，RBS处理使用FWDM方法，以便“再播种”从非线性声产生的声子散射的激光。这两个处理的组合旨在用于以这样的方式锐化光学RI断续，使得减少反射镜的反射损失，所述损失伴随着另外的正常撞击前沿厚度，所述前沿厚度在没有RBS放大的情况下不是光波长的足够小的一部分。当和周期的非线性声波布拉格散射结合时，增强AOM的RBS提供有效的“天钩”反射镜，借以代替需要限制RI耦合用于机载应用，对于所述应用，逆向反射器可以包括在飞机翅膀跨距机舱尺寸内。
另一种可能性是使用声电磁方法，其中电磁能量应当响应大气危险气象条件作为自由的或波导的无线电波代替光波进行传播。例如，作为延伸的无线电发声系统(ERASS)，其使用聚焦的非线性声波组，和在上面所述的AOM中的布拉格散射一道，但是利用无线电波代替光波，这可用于询问由航行大气危险条件产生的传播的声场。
其它的实施例可以包括使用波导无线电波，其中使用同轴电缆，用于通过布拉格后向散射询问声场。
不脱离本发明的构思或主要特征可以用其它的具体形式实施本发明。因而本发明的实施例只用于说明本发明，而不用于限制本发明，本发明的范围由所附的权利要求限定，而不由上述的说明限定，在权利要求的范围内的所有的改变都被包括在本发明的保护范围之中。
权利要求
1．一种用于检测大气中对飞行飞机有危险的不利的气象条件的方法，所述不利的条件在大气中产生声波，包括以下步骤提供一种产生光束的激光装置；把该光束射向包括响应所述声波而运动的光反射物的大气中的探测区域；收集来自所述反射物的被反射的光，以及由所述被收集的光产生出表示所述声波和大气气象条件的输出信息。
2．如权利要求1所述的方法，其中所述不利的气象条件存在于远离探测区域的大气的区域中。
3．如权利要求1所述的方法，其中所述反射的光由用于检测在所述探测区域内光反射物的各个颗粒的随机运动的多信道接收机收集。
4．如权利要求1所述的方法，其中所述激光装置被安装在飞机的前部，并且探测区域沿着其飞行路程位于飞机的前方。
5．如权利要求1所述的方法，其中激光装置被安装在飞机跑道附近。
6．一种用于检测大气中对飞行飞机有危险的不利的气象条件的方法，所述不利的条件在大气中产生声波，包括以下步骤产生多个光束；把每个光束射向相关的包括响应所述声波而运动的光反射物的大气中的探测区域；收集每个探测区域中来自所述反射物的被反射的光；由所述从每个探测区域收集的光产生一个信号；组合所述信号，从而产生表示所述声波和大气的气象条件的特征和位置的输出信息。
7．如权利要求6所述的方法，其中所述不利的气象条件存在于远离探测区域的大气的区域中。
8．如权利要求6所述的方法，其中所述从每个探测区域反射的光由用于检测在所述每个探测区域内光反射物的各个颗粒的随机运动的多信道接收机收集。
9．如权利要求6所述的方法，其中所述光束由安装在飞机前部的激光装置产生，并且探测区域沿着其飞行路线位于飞机的前方。
10．如权利要求9所述的方法，其中探测区域被设置成三维的基本上为截锥形的构型，并作为虚拟麦克风。
11．一种用于检测大气中对飞行飞机有危险的不利的气象条件的方法，所述不利的条件在大气中产生声波，包括以下步骤提供一种产生光束的激光装置；把所述光束射向大气；并且测量所述声波对所述光束的影响作为所述危险条件的指示。
12．如权利要求11所述的方法，其中所述激光装置被安装在飞机的前部。
13．如权利要求11所述的方法，其中激光装置被安装在飞机跑道附近。
14．如权利要求13所述的方法，其中多个沿水平方向和垂直方向隔开的光束被射向跑道并被向回反射给光检测器，并且测量所述光束的折射率的改变，用作所述危险条件的指示。
15．如权利要求14所述的方法，其中所述光束的一部分在离开所述跑道一个选择的距离处被向回反射给光检测器。
16．如权利要求13所述的方法，其中所述光束被射向所述跑道，在跨过所述跑道横向分开的多个位置中的每一个位置反射所述光束的一部分，从而提供多个返回光束被向回反射给光检测器，并且测量所述光束的折射率的改变，用作所述危险条件的指示。
17．如权利要求16所述的方法，其中所述返回光束沿圆周按一定角度相互分开，使得它们互不干扰。
18．如权利要求11所述的方法，其中所述光束从飞机上的第一位置向第二位置延伸，在所述第一和第二位置之间被沿横向分开的多个位置的每个位置上反射所述光束的一部分，从而提供多个返回光束被向回反射给光检测器，并且测量所述光束的折射率的改变，用作所述危险条件的指示。
19．如权利要求18所述的方法，其中所述返回光束沿圆周按一定角度相互分开，使得它们互不干扰。
20．一种用于检测大气中对飞行飞机有危险的不利的气象条件的方法，所述不利的危险条件在大气中产生声波，包括以下步骤提供一种能够检测所述声波的装置，并测量所述声波对所述装置的影响作为所述危险条件的指示。
21．如权利要求20所述的方法，其中所述装置被安装在飞机的前部。
22．如权利要求20所述的方法，其中所述装置被安装在飞机跑道附近。
23．一种用于检测大气中对飞行飞机有危险的不利的气象条件的装置，所述不利的危险条件在大气中产生声波，包括一种能够检测所述声波的装置，和用于测量所述声波对所述装置的影响作为所述危险条件指示的装置。
24．如权利要求23所述的装置，其中所述装置被安装在飞机上。
25．如权利要求23所述的装置，其中所述装置被安装在飞机跑道附近。
26．一种用于检测大气中对飞行飞机有危险的不利的气象条件的装置，所述不利的危险条件在大气中产生声波，包括用于产生光束的激光装置；用于把所述光束射向大气的装置；以及用于测量所述声波对所述光束的影响作为所述危险条件指示的装置。
27．如权利要求26所述的装置，其中所述激光装置被安装在飞机上。
28．如权利要求26所述的装置，其中所述激光装置被安装在飞机跑道附近。
29．如权利要求28所述的装置，其中所述激光装置产生多个水平和垂直分开的被射向跑道的激光束，还包括用于向回向着光检测器反射所述光束的装置，和用于测量所述光束的折射率的改变作为所述危险条件指示的装置。
30．如权利要求29所述的装置，还包括用于向回向着离开所述跑道一个选定的距离处的光检测器反射所述光束一部分的装置。
31．如权利要求28所述的装置，还包括用于使所述光束射向所述跑道的装置；用于在跨过所述跑道的沿横向分开的多个位置的每个位置上反射所述光束的一部分，从而提供向回向着光检测器反射的多个返回光束的装置；和用于测量所述光束的折射率的改变作为所述危险条件指示的装置。
32．如权利要求31所述的装置，包括用于使所述返回光束沿圆周相互分开，使得它们互不干扰的装置。
33．一种用于检测大气中对飞行飞机有危险的不利的气象条件的装置，所述不利条件在大气中产生声波，包括用于产生光束的激光装置；用于把所述光束射向含有响应所述声波而运动的光反射物的大气的探测区域的装置；用于收集从所述光反射物反射的光的装置；以及用于从所述被收集的光产生表示所述声波和大气气象条件的输出信息的装置。
34．如权利要求33所述的装置，其中所述不利气象条件存在于距离探测区域相当遥远的大气的区域中。
35．如权利要求33所述的装置，其中所述收集装置包括多信道接收机，其检测所述探测区域内的光反射物的各个颗粒的随机运动。
36．如权利要求33所述的装置，还包括用于把所述激光装置安装在飞机前部的装置，并且所述探测区域沿着飞行路程位于飞机的前方。
37．如权利要求33所述的装置，还包括用于把所述激光装置安装在飞机跑道附近的装置。
全文摘要
本发明披露了一种用于检测大气中对飞行飞机有危险的条件从而及时通知驾驶员或地勤人员的装置和方法。所述方法包括使用激光束(34)和相干光学接收器(87),以便利用光学方法检测由所述危险条件产生的声波(20),并且测量所述声波对发射和接收的光束的影响。
文档编号G01S17/88GK1279878SQ98811438
公开日2001年1月10日 申请日期1998年9月4日 优先权日1997年10月21日
发明者弗兰克·L·里斯 申请人:飞行安全技术公司