專利名稱：用于檢測(cè)大氣氣象條件的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及一種用于檢測(cè)危及飛機(jī)飛行的不利的氣象條件的檢測(cè)系統(tǒng)，尤其涉及一種用于以光學(xué)方式表征由危及飛行的事物產(chǎn)生的環(huán)形渦流大氣紊流發(fā)聲的檢測(cè)器(SOCRATES)，所述危及飛行的事物例如包括晴空湍流，風(fēng)的剪力，微型爆叢，以及飛機(jī)產(chǎn)生的尾流旋渦，所有這些已被證明對(duì)飛機(jī)和乘客是危險(xiǎn)的。由該系統(tǒng)收集的信息用于及時(shí)向飛行員或地勤人員提供警報(bào)。
過(guò)去提出了許多用于向飛機(jī)駕駛員或地勤人員提供關(guān)于危險(xiǎn)的氣象條件的信息的方法，其中一些包括激光檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)大氣條件例如溫度、水蒸氣含量、和空氣速度，作為氣象條件指示器。這些已有的基于激光的系統(tǒng)在商業(yè)上一直沒(méi)有被廣泛地接受。
其它類型的檢測(cè)系統(tǒng)例如氣象-SODAR(聲檢測(cè)與測(cè)距)以及氣象雷達(dá)已被使用，但是這些系統(tǒng)不具備全天候的能力，因?yàn)樗鼈円赃@樣的方式測(cè)量氣象條件，使得在它們正在試圖檢測(cè)的空氣團(tuán)的極其洶涌的混合下經(jīng)歷減少的能量后散射。因而這些系統(tǒng)在惡劣的氣象條件期間，在最需要它們的時(shí)候，卻無(wú)能為力。類似地，氣象激光雷達(dá)系統(tǒng)雖然比氣象雷達(dá)更精確，但是比氣象雷達(dá)系統(tǒng)具有較小的天氣允許范圍。
因而，由于近來(lái)原因不明的或者由于晴空湍流、尾流旋渦、風(fēng)剪力和微爆叢而引起的空難，要求航空具有更大的安全性。
大約從1970年以來(lái)，認(rèn)識(shí)到這些大氣現(xiàn)象包含或產(chǎn)生聲圖形或者呈甚低頻的聲波形式的特征波形，它們傳播很長(zhǎng)的距離而相對(duì)地不受周圍的氣象或大氣條件的妨礙。這種被稱為環(huán)形渦流渦動(dòng)的發(fā)聲現(xiàn)象及其相關(guān)的速度環(huán)流和不穩(wěn)定的流場(chǎng)主要產(chǎn)生輻射聲，其類似于石塊被投入水中之后在水中產(chǎn)生的波的圖形。由投入石塊而產(chǎn)生的環(huán)的形狀類似于和大雷雨、尾流旋渦以及其它的晴空湍流相關(guān)的聲圖形。
大約從1970年以來(lái)已經(jīng)公知，在水中運(yùn)動(dòng)的物體例如船、潛艇或動(dòng)物產(chǎn)生并輻射可用激光檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的聲波，其中利用自由空間或波導(dǎo)光束指示在水中的那些發(fā)聲或反射聲的物體的存在和位置。一種這樣的系統(tǒng)在Jacobs的專利5，504，719中說(shuō)明了。
然而，盡管具有這些已有的知識(shí)，尚未有人提出或成功地實(shí)施一種響應(yīng)由不利的和危險(xiǎn)的氣象條件或尾流旋渦條件產(chǎn)生的聲波的激光檢測(cè)系統(tǒng)，以便向飛機(jī)駕駛員或者地勤人員預(yù)報(bào)這些條件。
本發(fā)明的SOCRATES系統(tǒng)就是為了解決在個(gè)問(wèn)題。
發(fā)明概述本發(fā)明的主要目的在于提供一種用于檢測(cè)對(duì)飛機(jī)有危險(xiǎn)的不利的大氣氣象條件的新的方法和裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種用于檢測(cè)不利的大氣氣象條件的新的方法，所述不利的大氣條件例如包括晴空湍流、風(fēng)剪力、以及沿著靠近飛機(jī)跑道的山脈的大風(fēng)暴、微爆叢、與／或尾流旋渦或颶風(fēng)，甚至靠近飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，或者發(fā)射飛行器時(shí)發(fā)出的噪聲，其中利用光學(xué)方式檢測(cè)由這些不利的氣象由其它條件產(chǎn)生的聲波，然后向飛行員與／或地勤人員及時(shí)提供報(bào)警信號(hào)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種新的方法，其中使用一個(gè)或幾個(gè)激光束檢測(cè)由大氣中的不利的氣象條件產(chǎn)生的聲波，借以使飛行員與／或地勤人員有足夠的時(shí)間采取校正措施，從而使飛機(jī)避開危險(xiǎn)的氣象條件。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供上述的新的方法，其中把光束引入含有響應(yīng)聲波而運(yùn)動(dòng)的例如微粒、懸浮微粒和灰塵的光反射物的大氣的探測(cè)區(qū)域，所述聲波是由在遠(yuǎn)離這些探測(cè)區(qū)域的大氣的一個(gè)區(qū)域中存在不利的氣象條件或尾流旋渦條件而產(chǎn)生的。利用本發(fā)明的新的系統(tǒng)，可以提供足夠的時(shí)間使飛行員與／或地勤人員采取校正措施，從而使飛機(jī)避開危險(xiǎn)的氣象條件。
本發(fā)明的附加的目的在于提供一種具有其它的操作方式的新的方法，其中把光束引向一個(gè)全部或部分光學(xué)反射器，其有效地使光沿著光路返回，其中光的速度被到達(dá)的從存在于距離光束遙遠(yuǎn)的大氣的區(qū)域中的不利的氣象或尾流旋渦條件所發(fā)出的聲波所改變。沿著每個(gè)光路的相對(duì)于真空中的光的速度而改變的光的速度直接和由顆粒運(yùn)動(dòng)的改變引起的光學(xué)折射率改變有關(guān)。在不容易安裝用于反射光能的實(shí)際的逆向反射器的應(yīng)用中，反射光能并通過(guò)其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)折射率的改變而改變光能的顆粒的組合協(xié)同操作，使得得到關(guān)于由遙遠(yuǎn)的不利的氣象條件或尾流旋渦條件產(chǎn)生的聲波到達(dá)的明顯的區(qū)別信息，并且沿著軸線提供其各自的最大的響應(yīng)，所述軸線和前進(jìn)光束與返回光束的公共方向或者和對(duì)分前進(jìn)光束和返回光束的方向一致或成直角。
本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的使用在自由空間傳播的光束，除去當(dāng)它們遇到運(yùn)動(dòng)的與／或和由折射率的改變引起的壓力相互作用的顆粒時(shí)，所述折射率的改變是由存在于大氣區(qū)域中的上述不利氣象條件或尾流旋渦產(chǎn)生的聲音引起的，所述大氣區(qū)域離開遮斷聲波的本地光學(xué)限定的區(qū)域相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。上述目的也可以這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)使用在光纖中引導(dǎo)的光波，所述光纖也具有路線長(zhǎng)度和光速的改變，所述改變分別相應(yīng)于并且代替顆粒運(yùn)動(dòng)和折射率改變，所述改變是當(dāng)通過(guò)自由空間光波的本地光學(xué)限定的區(qū)域和從遠(yuǎn)方不利的氣象條件以及尾流旋渦產(chǎn)生的聲源發(fā)出的聲波相遇時(shí)發(fā)生的。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種上述的新的激光檢測(cè)系統(tǒng)，其可以被安裝在飛機(jī)上，用于直接向駕駛員提供信息，或者被安裝在地面上飛機(jī)跑道附近，或者被安裝在地面上機(jī)場(chǎng)的周圍，用于向地勤人員提供關(guān)于飛機(jī)接近和著陸或者起飛和向著一定高度爬升的信息。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)結(jié)合附圖閱讀以下的詳細(xì)說(shuō)明會(huì)看得更加清楚。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示意地表示被安裝在飛機(jī)上的本發(fā)明的激光系統(tǒng)，用于檢測(cè)由遙遠(yuǎn)的大氣中的不利的氣象條件產(chǎn)生的聲波，類似的簡(jiǎn)化系統(tǒng)可以被安裝在地面上；圖2是一個(gè)平面示意圖，用于說(shuō)明圖1的本發(fā)明的系統(tǒng)，其中使用作用在大氣中的相關(guān)的探測(cè)區(qū)域上的光束陣列，檢測(cè)在探測(cè)區(qū)域內(nèi)由遙遠(yuǎn)的不利氣象條件產(chǎn)生的聲波引起的顆粒的運(yùn)動(dòng)；圖3是一個(gè)方塊圖，用于說(shuō)明和每個(gè)探測(cè)區(qū)域相關(guān)的并構(gòu)成圖2的陣列的一部分的光電元件；圖4是本發(fā)明的激光系統(tǒng)的基于地面的實(shí)施例的示意圖，用于測(cè)量由危險(xiǎn)的氣象條件或尾流旋渦產(chǎn)生的聲波引起的光束的折射率的改變；圖5是圖4中沿著線5-5所取的視圖；圖6是響應(yīng)光束的折射率的改變的基于地面的系統(tǒng)的第二實(shí)施例；圖7是沿著圖6中線7-7所取的視圖。
參見(jiàn)圖1-3，新的激光檢測(cè)系統(tǒng)10被安裝在飛機(jī)11的前方，其中包括激光器12，分束器38，用于提供多個(gè)發(fā)射光束34a，34b，34c等，這些光束通過(guò)望遠(yuǎn)鏡74到達(dá)位于離開望遠(yuǎn)鏡74例如0．5km之內(nèi)的遠(yuǎn)方檢測(cè)范圍A的大氣中的一系列聚焦區(qū)域或探測(cè)區(qū)域16a，16b，16c。光束34和探測(cè)區(qū)域16的數(shù)量可以變化，但是最好具有在飛機(jī)11的前方以三維發(fā)散的錐形設(shè)置的128個(gè)探測(cè)區(qū)域，利用探測(cè)區(qū)域作為虛擬的麥克風(fēng)檢測(cè)由存在于飛機(jī)11的前方一個(gè)遠(yuǎn)距離B例如100km處的大氣中的危險(xiǎn)的氣象條件產(chǎn)生的次聲波20。對(duì)于空中系統(tǒng)或地基系統(tǒng)，建議虛擬麥克風(fēng)的聲音陣列例如覆蓋多達(dá)兩個(gè)立體弧度的球面罩，其中心在飛機(jī)的正前方。為了排除來(lái)自飛機(jī)方向或來(lái)自地基系統(tǒng)后方的背面響應(yīng)，應(yīng)當(dāng)形成范圍錯(cuò)開的探測(cè)區(qū)域，以便包括在前方陣列的后面隔開大約1／4聲波波長(zhǎng)的虛擬麥克風(fēng)的類似球罩的陣列，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)小孔。這種雙球罩陣列可以被設(shè)計(jì)用于“嵌套”的子孔，它們和虛擬麥克風(fēng)以適合于不同的聲頻子頻帶的空間間的距離分布。
離開探測(cè)區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)顆粒而被反射的背散射的調(diào)制返回光束借助于基于電荷耦合器件(CCD)87的多信道接收機(jī)收集，該電荷耦合器件適用于相干光的混合和隨后被處理，以便及時(shí)向飛行員報(bào)警，使得在需要時(shí)采取校正措施。其中發(fā)出和氣象相關(guān)的聲音，并被虛擬麥克風(fēng)幾乎連續(xù)地接收，其行進(jìn)時(shí)間是不重要的，因?yàn)榘l(fā)出的聲音過(guò)幾分鐘才能收到。例如，即使聲波20以一個(gè)馬赫數(shù)行進(jìn)，聲音到達(dá)102km的距離處的接收地點(diǎn)也需要5分鐘的時(shí)間，假如飛機(jī)飛行員以0．5個(gè)馬赫數(shù)飛行，大約能夠提前10分鐘報(bào)警。這是因?yàn)檫@種飛機(jī)在收到從有危險(xiǎn)的氣團(tuán)發(fā)出的聲音之前飛機(jī)已經(jīng)飛行153km的原始距離的51km，在繼續(xù)以0．5個(gè)馬赫數(shù)飛行時(shí)，遇到聲波之前將需要另外的10分鐘。這10分鐘足夠采取校正措施，因而建議這些聲發(fā)射和接收距離可以被減半或更多，以便能夠及時(shí)報(bào)警。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖3，圖1的系統(tǒng)10在圖3中被作為一個(gè)用于以光學(xué)方式表征環(huán)形渦流大氣紊流發(fā)聲的檢測(cè)器出現(xiàn)(SOCRATES)。所述檢測(cè)器包括傾腔固態(tài)激光器12，其在1．57μm或2μm下工作，并產(chǎn)生由電光(E-O)脈沖調(diào)制器24調(diào)制的光束22。調(diào)制器24被脈沖編碼E-O驅(qū)動(dòng)器26控制，其傳輸定時(shí)由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)(平流／對(duì)流)縱向時(shí)間間隔跟蹤器裝置28控制。來(lái)自調(diào)制器24的脈沖光束30被引向一個(gè)部分反射鏡光束分束器32，其產(chǎn)生發(fā)射光束34和參考光束36。然后，光束分束器38把光束34分束成為幾個(gè)發(fā)射光束34a-34c等，其在數(shù)量上相應(yīng)于被檢測(cè)的探測(cè)區(qū)域16a-16c等的數(shù)量。
參考光束36被反射鏡42反射進(jìn)入光路長(zhǎng)度匹配裝置，其包括光對(duì)光纖的耦合器44，光纖集群時(shí)間延遲線圈46，壓電光纖光路長(zhǎng)度“被延長(zhǎng)的”延遲裝置48，其響應(yīng)來(lái)自跟蹤器28的電子反饋信號(hào)50，以及光纖對(duì)光的耦合器52，其向一對(duì)布拉格元件上／下移頻器56、58發(fā)出匹配的參考光束54，所述移頻器用于使參考光束的頻率偏移，以便和探測(cè)區(qū)域返回的光束進(jìn)行外差混合。雖然圖中沒(méi)有示出，應(yīng)當(dāng)提供一個(gè)外控環(huán)，以便得到解調(diào)的相位速率輸出信號(hào)102a(后面說(shuō)明)并使所述信號(hào)通過(guò)外環(huán)平均濾波器和頻率合成器。所述合成器將從離散的音頻段中選擇接近的頻率并包含在控制布拉格元件上／下移頻器56、58之一的頻移的表面聲波調(diào)制中的時(shí)鐘頻率精確地同步。在進(jìn)行可變?cè)鲆娣糯蠛凸β史糯笾?，如此控制和放大被選擇作為最接近瞬時(shí)多普勒值的平均值的頻率合成頻段，使得由和相位速率輸出信號(hào)102a成比例的平均電壓表示的值被回送，以便閉合外部平均多普勒補(bǔ)償反饋環(huán)。多個(gè)這種平均多普勒補(bǔ)償反饋環(huán)同樣被從其它探測(cè)區(qū)域提供給每個(gè)相位速率輸出信號(hào)102a-102c等。
然后，參考光束54通過(guò)光束分束器60，其把該光束分束成和發(fā)射光束34a，34b等的數(shù)量以及和探測(cè)區(qū)域16的數(shù)量相應(yīng)的多個(gè)參考光束54a-54c等。
用于發(fā)射光束34a，參考光束54a和探測(cè)區(qū)域16a的光路以及相關(guān)的光學(xué)處理元件如圖3所示。對(duì)于發(fā)射光束34b，34c等，參考光束54b，54c等和探測(cè)區(qū)域16b，16c等提供有相同的光路和電路(未示出)。
來(lái)自分束器38的光束34a全部通過(guò)背面光束偏轉(zhuǎn)器70、光束擴(kuò)束器72和聚焦望遠(yuǎn)鏡74，進(jìn)入位于離開望遠(yuǎn)鏡74一個(gè)所需的光聲遙測(cè)范圍A的探測(cè)區(qū)域16a。懸浮在探測(cè)區(qū)域16a內(nèi)的顆粒響應(yīng)在距離望遠(yuǎn)鏡74一個(gè)遙遠(yuǎn)距離B處的大氣中由不利的氣象條件產(chǎn)生的聲波20而運(yùn)動(dòng)，并且由這些顆粒散射的光形成返回光束76，其被望遠(yuǎn)鏡74收集，并由擴(kuò)束器72準(zhǔn)直。沿著接近垂直于遙測(cè)光束76的方向行進(jìn)的聲音也提供折射率耦合。不過(guò)因?yàn)檫@種耦合相對(duì)于顆粒運(yùn)動(dòng)的耦合不敏感，所以沿向前方向行進(jìn)的聲波提供主要的耦合方式。但是也可以使用折射率耦合，以便提供橫向會(huì)聚的左舷／右舷和上／下形式，以利用在探測(cè)區(qū)域16a內(nèi)的縱向顆粒運(yùn)動(dòng)耦合。
然后返回光束76向克爾盒電光發(fā)送／接收(t／r)開關(guān)和范圍門80偏轉(zhuǎn)，范圍門80被時(shí)標(biāo)跟蹤器28控制接通和斷開。用這種方式，調(diào)制器24、延遲裝置48和門80的定時(shí)操作都由跟蹤器28控制，這校正飛機(jī)朝向探測(cè)區(qū)域16a的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)，使得在為采集多個(gè)激光脈沖所需的時(shí)間間隔內(nèi)能夠檢測(cè)空中相同的區(qū)域。跟蹤器28縮短到驅(qū)動(dòng)器26和門80的脈沖速率，并且當(dāng)飛機(jī)向著探測(cè)區(qū)域16a運(yùn)動(dòng)而使距離A相應(yīng)地減少時(shí)，通過(guò)光束34a和76的信號(hào)50使參考光束54a的延遲和在發(fā)送／接收期間發(fā)生的激光脈沖前進(jìn)／返回時(shí)間延遲的改變相匹配。聚焦的望遠(yuǎn)鏡被安裝在可運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)上，例如有萬(wàn)向接頭的慣性平臺(tái)，其和跟蹤器28同步運(yùn)動(dòng)，以便當(dāng)飛機(jī)朝向探測(cè)區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)保持光束對(duì)準(zhǔn)探測(cè)區(qū)域。跟蹤器還校正激光的前進(jìn)／返回行進(jìn)時(shí)間脈沖隨折射率的改變而產(chǎn)生的改變，所述改變是由于溫度、濕度、壓力等引起的改變使飛機(jī)前方的大氣條件變化而引起的。
此外，不用多脈沖處理探測(cè)區(qū)域的長(zhǎng)度，因而單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間受到顆粒運(yùn)動(dòng)(PM)多普勒頻率展寬的限制。和由脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器施加的單脈沖編碼一道，通過(guò)處理N個(gè)脈沖也可以適應(yīng)于短得多的探測(cè)區(qū)域。
返回光束76離開范圍門80到達(dá)波前曲率發(fā)散的光學(xué)透鏡82，其在3-D彎曲的離軸反射鏡86的前表面上把返回光束散開而成為多個(gè)光束84，反射鏡86則把多個(gè)光束84中的每個(gè)光束反射到電荷耦合器件(CCD)87的前表面89上的象素上。
參考光束54a通過(guò)一個(gè)類似的透鏡88，其在鏡86的背面把光束分散成為和光束84的數(shù)量相等的多個(gè)參考光束90，通過(guò)反射鏡以便把時(shí)間和波長(zhǎng)曲率記錄在CCD87的每個(gè)相關(guān)的象素上，在其中和從返回光束84得到的多信道信息進(jìn)行外差混合。用這種方式，對(duì)共同的探測(cè)區(qū)域16a應(yīng)用角度不同接收(ADR)，使每個(gè)ADR多信道從足夠不同的角度“看見(jiàn)”這個(gè)區(qū)域，從而平均未“分辨的”音速和亞音速的噪聲分量使其作為“小點(diǎn)”出現(xiàn)在CCD87的圖像平面的表面上。具有多個(gè)附加的相同的處理信道，其每個(gè)和探測(cè)區(qū)域16a-16c等相關(guān)。
CCD87的前面89大約具有100×100或104個(gè)象素，這和用于抑制空氣中和返回光束中的顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)一致，并且參考光束90以光學(xué)方式在每個(gè)象素上進(jìn)行外差混合。作為代替外差混合的一種方法，其要求4倍的CCD象素，以便提供空間濾波來(lái)消除不需要的混合產(chǎn)物，CCD87包括芯片上的模擬帶通濾波器91和芯片上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器92。該帶通濾波器接受想要的混合產(chǎn)物，即返回光束84×參考光束90，其含有瞬時(shí)的多普勒信息，但是拒絕不想要的混合產(chǎn)物光束84×光束84或光束90×光束90。作為由使參考光束90和返回信號(hào)光束84相匹配的光路長(zhǎng)度提供的時(shí)間記錄的結(jié)果，在CCD87的表面上進(jìn)行的相干光外差混合處理用作復(fù)制品相關(guān)器。被提供的用于選擇光束84×光束90的想要的含有瞬時(shí)多普勒信號(hào)的混合產(chǎn)物的帶通濾波91以這種方式進(jìn)行濾波，使得其平均作用提供對(duì)返回的編碼激光脈沖的脈沖壓縮，以便以電子方式產(chǎn)生比原始編碼的激光脈沖更多的有限范圍的分辨脈沖包絡(luò)。此時(shí)，還保持瞬時(shí)多普勒(即相位速率)調(diào)制的信號(hào)和噪聲的頻率偏移范圍。所述多普勒調(diào)制的信息使用相位速率解調(diào)處理被提取，其中包括在空間平均98之前的和相位展開96結(jié)合的相位解調(diào)和數(shù)字時(shí)間微分100，以便獲得從ADR處理得到的相位速率信息。這種寬帶相位速率解調(diào)更適合于這個(gè)特定功能，和使用通常的多普勒數(shù)據(jù)庫(kù)帶通濾波器相反，以便在復(fù)制品相關(guān)處理中提供多普勒信息和范圍信息。編碼的激光脈沖壓縮可消除在上述選擇激光脈沖長(zhǎng)度方面的限制的一部分，借以“折疊”范圍門80的持續(xù)時(shí)間，以便拒絕更多的音速和亞音速噪聲，否則它們將被PM耦合到長(zhǎng)得多的等效探測(cè)區(qū)域。添加N脈沖處理保持和提取“細(xì)?！盤M多普勒展寬信息，所述信息被包括在被限制在零頻率附近的數(shù)字IQ數(shù)據(jù)流的多普勒“梳”頻譜區(qū)域中。這種N脈沖運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示器(MTI)雷達(dá)型處理的應(yīng)用能夠使單脈沖頻譜被細(xì)分成為“N齒梳”，其中每個(gè)齒含有PM多普勒頻率展寬頻譜的復(fù)制品。否則在單個(gè)寬帶脈沖的情況下，所需的多普勒調(diào)制頻譜不可避免地被脈沖頻譜的卷積覆蓋。此外，產(chǎn)生“發(fā)射”噪聲的頻帶同樣地被限制。作為N脈沖處理的結(jié)果，編碼的激光脈沖的帶寬可被選擇用于提供比單脈沖處理所允許的短得多的輻射范圍分辨探測(cè)區(qū)域。轉(zhuǎn)換器92使用在帶通濾波器的采樣下使用正交脈沖，以便獲得每個(gè)象素的同相(I)的和正交(Q)的采樣，作為用于提供最小采樣時(shí)鐘速率要求的手段以便產(chǎn)生多個(gè)象素、多信道數(shù)字I-Q數(shù)據(jù)流94。CCD87及其所述的操作一般被稱為CADRE-CORPS(Charge-Coupled Angle Diversity Receiver Extraction byCorrelating Optical Replicas for Phase Sensing)照相機(jī)。
由CCD87提供的多信道ADR系統(tǒng)大大減少了來(lái)自探測(cè)區(qū)域16a的“斑點(diǎn)”噪聲，和在Jacob的專利中對(duì)于每個(gè)探測(cè)區(qū)域所述的單信道激光多普勒速度計(jì)相比顯著改進(jìn)了系統(tǒng)的靈敏度?！鞍唿c(diǎn)”噪聲是由被稱為高爆密度(HBD)的狀態(tài)產(chǎn)生的。當(dāng)光子從分布在探測(cè)區(qū)域16a內(nèi)的許多散光的顆粒在某個(gè)時(shí)刻返回光接收器時(shí)，引起HBD狀態(tài)。光可以從這些多顆粒返回的多光路，引起“斑點(diǎn)”圖形分布在成像平面上的接收點(diǎn)上。
該“斑點(diǎn)”由于在這些多光路之間建議性的和破壞性的干擾而形成。當(dāng)顆粒在探測(cè)區(qū)域16a中本身重新排列時(shí)，這種“斑點(diǎn)”引起幅值的波動(dòng)。結(jié)果，通過(guò)從足夠多的觀察角度觀看探測(cè)區(qū)域16a內(nèi)的多個(gè)顆粒，在成像平面上按照許多不同的光檢測(cè)點(diǎn)散布，使得在采樣中統(tǒng)計(jì)上具有許多獨(dú)立的“斑點(diǎn)”，此“斑點(diǎn)”噪聲通過(guò)組合從每個(gè)CCD提取的相位速率估算可被大大減少。理論上，平均的“斑點(diǎn)”分開距離應(yīng)當(dāng)和CCD象素的分開匹配，雖然必須縮小適應(yīng)光學(xué)透鏡82的光學(xué)系統(tǒng)以完成這種匹配。除去這種方法之外，當(dāng)激光器的中心頻率偏移時(shí)(由于光波長(zhǎng)的足夠的衰變)，“斑點(diǎn)”圖形改變，因而使得空間相關(guān)性減少。因此，“斑點(diǎn)”噪聲也可以通過(guò)組合以足夠多的離散的激光頻率同時(shí)發(fā)射的從探測(cè)區(qū)域提取的相位速率估算被減少。這是頻率差異接收機(jī)(FDR)處理的根據(jù)，其可以和ADR處理相結(jié)合，以便提供附加的“斑點(diǎn)”噪聲抑制。
本發(fā)明的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一種相干光學(xué)接收器，用于提取由在探測(cè)區(qū)域16a內(nèi)運(yùn)動(dòng)的顆粒產(chǎn)生的瞬時(shí)多普勒頻率調(diào)制的相位速率估算。當(dāng)采用相干處理時(shí)，上述的由幅值衰落引起的“斑點(diǎn)”噪聲以幾種方式中的一種方式出現(xiàn)。這“斑點(diǎn)”反映顆粒運(yùn)動(dòng)的改變(以及沿著聯(lián)系每個(gè)顆粒的光路發(fā)生的折射率的改變)，這種改變是由于其長(zhǎng)度比探測(cè)區(qū)域的特征尺寸小的干擾結(jié)構(gòu)(mechanism)引起的。這些運(yùn)動(dòng)被系統(tǒng)稱為“未被分辨的”。與此相反，長(zhǎng)度大于探測(cè)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)引起探測(cè)區(qū)域內(nèi)的所有顆粒一起運(yùn)動(dòng)，而沒(méi)有“斑點(diǎn)”衰落。這種運(yùn)動(dòng)被系統(tǒng)稱為“被分辨的”。“被分辨的”組分(component)含有要被恢復(fù)用于進(jìn)一步處理的聲場(chǎng)調(diào)制，而“未分辨的”組分代表“斑點(diǎn)”噪聲?！拔捶直娴摹苯M分還表示圍繞其平均相位速率改變的噪聲波動(dòng)；這些平均值之一的隨時(shí)間的改變量和由系統(tǒng)檢測(cè)的聲場(chǎng)改變成正比。
數(shù)據(jù)流94被傳遞給數(shù)字相位估算器96，其包括數(shù)字“相位展開”，然后通過(guò)空間平均器98，接著到達(dá)數(shù)字時(shí)間微分器100進(jìn)行相位速率提取。相位估算處理96的“相位展開”用于減輕加于ADR處理上的負(fù)擔(dān)。至此，本發(fā)明認(rèn)識(shí)到當(dāng)相當(dāng)窄的帶寬PM和RI相位速率調(diào)制噪聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行“光譜展寬”時(shí)，由于通過(guò)某些區(qū)域時(shí)它們的相位波動(dòng)呈現(xiàn)多周期的斷續(xù)，其作用是表征一種正切的相位解調(diào)過(guò)程。這些窄帶的PM和RI噪聲結(jié)構(gòu)分別相應(yīng)于速度和標(biāo)量的大氣紊流場(chǎng)這些情況。由正切斷續(xù)引起的“相位跳躍”代表在數(shù)字時(shí)間微分器100之后等同導(dǎo)出的在相位速率解調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生的“斑點(diǎn)”。
在理解包括在本發(fā)明中的這一作用之前，現(xiàn)在已知的“光譜展寬”是由隱含在相位速率解調(diào)中的正切斷續(xù)引起的，據(jù)信具有其引起幅值衰落而不產(chǎn)生相位(I)分量衰落的原因。結(jié)果，本發(fā)明把相位速率解調(diào)分解成具有包括在數(shù)字時(shí)間微分器100中的“相位展開”邏輯的相位解調(diào)。“相位展開”可以被這樣實(shí)現(xiàn)檢測(cè)發(fā)生斷續(xù)的時(shí)間，存儲(chǔ)來(lái)自相關(guān)區(qū)域周圍的數(shù)據(jù)，然后刪除這些區(qū)域，消除相位跳躍并進(jìn)行濾波。這是為了從“展開的相位”估算中得到“非光譜展寬”的相位速率估算。
因此，ADR處理的這種形式并不加重負(fù)擔(dān)，因?yàn)榭臻g平均98要求100×100=10000以上的多信道以便抑制大氣顆粒的“未分辨的”部分，使得通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)降到其“被分辨的”部分的程度，即，一般地說(shuō)，被強(qiáng)制到低于“被分辨的”環(huán)境背景噪聲以下。這需要抑制40dB的未分辨的布朗運(yùn)動(dòng)噪聲，這和100×100=10，000多信道ADR處理相符。不用“相位展開”時(shí)，速度的未分辨的部分的“光譜展寬”以及由于大氣紊流而引起的標(biāo)量(即溫度和濕度)波動(dòng)則需要使用大約10，000×10，000=1，000，000個(gè)多信道，以便提供大約60dB的“未分辨的”噪聲抑制。
來(lái)自微分器100的數(shù)據(jù)流信號(hào)102a含有由探測(cè)區(qū)域16a產(chǎn)生的關(guān)于相位速率調(diào)制的條件的數(shù)字信息。類似地，對(duì)于每個(gè)區(qū)域16b。16c等產(chǎn)生數(shù)據(jù)流102b，102c等。這些數(shù)據(jù)流被送到時(shí)域數(shù)字束形成裝置104，其在一個(gè)預(yù)定的聲學(xué)范圍上聚焦。該裝置產(chǎn)生多個(gè)多信道光束，例如128個(gè)，其數(shù)量一般相應(yīng)于探測(cè)區(qū)域16a，16b等的數(shù)量，使光束106在一個(gè)方位角和仰俯角的范圍內(nèi)分布。此外，可以引起聲學(xué)范圍聚焦，以便以“時(shí)隙”方式掃描整個(gè)的輻射范圍，供顯示器112顯示。光束106進(jìn)入處理器108，其處理光束信息以便同時(shí)得到精確的三維檢測(cè)、分級(jí)、定位和跟蹤遠(yuǎn)距離B處危險(xiǎn)的氣象條件。被處理的光束110然后被發(fā)送給駕駛員顯示屏112，其可以以顏色編碼的形式指示聲音接觸強(qiáng)度，以不同的二維輪廓圖表表示成對(duì)組合的方位角和仰俯角以及相對(duì)于飛機(jī)被穩(wěn)定的危險(xiǎn)氣象條件。此外，可以構(gòu)成三維的顏色顯示，表示“看前面的圖”的信息，其相對(duì)于方位角和仰俯角被示出，同時(shí)，該圖表的“時(shí)隙掃描”緩慢地對(duì)準(zhǔn)整個(gè)輻射范圍，以便表示三維的場(chǎng)景變化。這種顯示裝置由用戶選擇安裝在一個(gè)特定的輻射范圍聚焦區(qū)域。
雖然至此描述了PM耦合系統(tǒng)10，并且說(shuō)明該系統(tǒng)被直接用在飛機(jī)的前方，但是也可以使用一些簡(jiǎn)單形式的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)可以被安裝在地面上機(jī)場(chǎng)跑道的末端，使激光束沿著下降著陸的路線投影在跑道上。基于地面的系統(tǒng)不需要脈沖跟蹤和光束穩(wěn)定功能，因?yàn)檫@種系統(tǒng)是被固定在地面上而不是被安裝在運(yùn)動(dòng)的飛機(jī)上。
圖4和圖5所示的本發(fā)明的SOCRATES的實(shí)施例表示基于地面的系統(tǒng)180，其適合于沿著機(jī)場(chǎng)跑道128延伸，或者在另外的情況下其被偏移以便和機(jī)場(chǎng)跑道平行，并且利用響應(yīng)由各種大氣危險(xiǎn)氣象條件產(chǎn)生的聲波150的折射率(RI)耦合。系統(tǒng)180采用利用逆向反射器方法的分段的光線陣列(SOLAR)，并且包括多個(gè)可調(diào)的水平測(cè)量三角架182，184，186和188，它們被均勻地分開并且沿著跑道128排成一排，或者被設(shè)置在和跑道128平行的一個(gè)偏移位置。被稱為使用逆向反射器的二進(jìn)制分段的光線陣列(BINARYSOLAR)的這種系統(tǒng)的雙重軸線對(duì)的方向可以相互成直角。用這種方式，由雙重軸線對(duì)形成的重疊區(qū)域的多個(gè)或可操縱的光束可以用來(lái)使系統(tǒng)具有附加的定位能力。
組合的激光發(fā)射器和相干光接收器組件190被安裝在三角架182上，其向著被安裝在右端三角架188上的一個(gè)對(duì)準(zhǔn)的協(xié)同操作的全反射外部光學(xué)隅角反射器192發(fā)射激光束191。在每個(gè)中間三角架184和186上，安裝有相同的局部反射的逆向反射器194和194a，其中的每一個(gè)將光束191的一部分反射回發(fā)送器-接收器190。如圖5所示，每個(gè)逆向反射器194，194a等包括中心孔196，其允許發(fā)送器光束191到達(dá)隅角反射器192并返回發(fā)送器-接收器190。逆向反射器還包括多個(gè)沿圓周等距離分布的光孔198和可旋轉(zhuǎn)的光偏轉(zhuǎn)臂200，其使用部分和全部反射鏡通過(guò)一個(gè)被選擇的孔198將發(fā)送光束191的一部分反射到發(fā)送器-接收器190。例如在逆向反射器192中，臂200和孔198之一對(duì)準(zhǔn)，從而在相對(duì)于接收器190的一個(gè)徑向位置提供返回光束202。在逆向反射器194a中，臂200和另一個(gè)沿徑向與逆向反射器194的孔偏移的孔198對(duì)準(zhǔn)，從而提供返回光束204，其和返回光束202錯(cuò)開一個(gè)角度，因而不干擾返回光束202。
中間三角架184，186等和相關(guān)的部分逆向反射器194，194a，194b等的數(shù)量可以高達(dá)32個(gè)，從而以這樣的方式往回向著發(fā)送器-接收器190上沿圓周分開的光檢測(cè)器204提供32條沿圓周等角度分開的返回光束202，204等，使得每個(gè)返回光束不干擾其它的部分逆反射的光束。來(lái)自100％隅角反射器192的返回光束，沿著中心光路通過(guò)在每個(gè)逆向反射器194，194a，等的臂200上的逆向反射器194，194a，194b等的對(duì)準(zhǔn)的中心孔196返回?？梢蕴峁┻x擇數(shù)量的級(jí)聯(lián)的中性密度的光學(xué)濾光片210，用于調(diào)整和均衡各個(gè)光路的衰減。
隅角反射器192和逆向反射器194，194a等的精確的對(duì)準(zhǔn)可以這樣實(shí)現(xiàn)使用測(cè)量者的激光雷達(dá)或光學(xué)雷達(dá)目標(biāo)定位儀，讓返回的光束穿過(guò)它們由其相應(yīng)臂200的徑向位置限定的相應(yīng)位置和選擇的孔198。測(cè)量者的激光雷達(dá)或光學(xué)雷達(dá)目標(biāo)定位儀具有一個(gè)航線對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，并且具有脈沖激光器最后對(duì)準(zhǔn)的窄光束和范圍控制接收器能力。測(cè)量者首先定位基架188和隅角反射器192在其所需的位置上，然后按照順序從右向左如圖4所示調(diào)整每個(gè)中間基架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和圓周孔198被正確地對(duì)準(zhǔn)。然后，正確地調(diào)整基架182，以便定位發(fā)送接收器模塊190，使得光束191和中心孔196以及隅角反射器192精確地對(duì)準(zhǔn)。然后，每個(gè)逆向反射器的光偏轉(zhuǎn)臂200被正確地轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)選擇的角度位置，使得來(lái)自每個(gè)逆向反射器194的返回光束不干擾來(lái)自其它逆向反射器194，194a，194b等的徑向偏移的返回光束。
該SOLAR系統(tǒng)180提供光線陣列，從所述光線陣列可以形成聲學(xué)多束或可操縱的束響應(yīng)圖形220。這種束形成的圖形響應(yīng)能夠接收和定位遠(yuǎn)方聲源150，并排除本地的聲和次聲的干擾?？梢蕴峁┮环N平行靠近背對(duì)背設(shè)置的一對(duì)SOLAR系統(tǒng)，被稱為使用逆向反射器的一對(duì)分段的光線陣列(TWIN SOLAR)可被提供。這種結(jié)構(gòu)可以被調(diào)整相位，使得接收來(lái)自接近走廊的跑道的聲的能量而排斥來(lái)自飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的后面的聲的能量，特別是在飛機(jī)駛向跑道之后發(fā)動(dòng)機(jī)推力換向期間。
逆向反射器194的每個(gè)光偏轉(zhuǎn)臂200由部分反射鏡饋給，所述反射鏡允許發(fā)送光束191的一個(gè)預(yù)定部分繼續(xù)沿著不受干擾的“卷軸中心線”路線，沿著臂到達(dá)一個(gè)對(duì)準(zhǔn)的選擇孔198，借助于所述的孔，所述光的一部分返回發(fā)送接收器190。一組合適的中性密度光學(xué)濾光片210被選擇地轉(zhuǎn)換到沿著臂200的徑向光束路線，借以逐步確定特定逆向反射器194所需的相應(yīng)的光學(xué)衰減量。這樣做使得每個(gè)局部反射的逆向反射器194，194a等是可調(diào)的，從而返回和全反射隅角反射器192反射的數(shù)量相等的平均光子數(shù)。特定逆向反射器194的臂200可以被鎖定并被徑向定位在選擇的孔198中，以使此特定的逆向反射器被預(yù)置，以便提供相互排斥的偏移-偏轉(zhuǎn)的返回光束，其具有預(yù)選的和特定的光學(xué)逆向反射器在光線陣列中的位置匹配的光衰減量。每個(gè)返回光束被徑向?qū)?zhǔn)，以便不受阻礙地通過(guò)逆向反射器194，194a等的未占用的外圍的孔198，所述的孔位于逆向反射器和其各個(gè)光學(xué)接收光檢測(cè)器204之間，許多這些孔沿圓周分布在發(fā)送器-接收器190的圓形光學(xué)接收平面上。
所述的SOLAR系統(tǒng)能夠形成多個(gè)固定的或者可控的光束，并對(duì)各段進(jìn)行優(yōu)化的或者自適應(yīng)控制的復(fù)雜加權(quán)。這通過(guò)對(duì)來(lái)自所有逆向反射器的返回光束的集合應(yīng)用一種矢量矩陣處理來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便進(jìn)行控制使光束為0，或者進(jìn)行聲的或次聲的噪聲消除。
沿著激光光束和返回光束的各個(gè)行進(jìn)時(shí)間隨由大氣中的危險(xiǎn)航行條件而產(chǎn)生的入射聲波150的壓縮與稀薄而改變，所述危險(xiǎn)條件例如包括尾流旋渦、向上氣流、向下氣流等，每個(gè)光束的折射率的改變提供行進(jìn)時(shí)間的改變，其被用作表示從這些危險(xiǎn)條件發(fā)出的聲波的到達(dá)方向。這些行進(jìn)時(shí)間的改變也伴隨著入射聲波的時(shí)間波形的改變，并用于表征產(chǎn)生聲的聲源的特性。
在簡(jiǎn)單地使用發(fā)送接收器例如模塊190和隅角反射器192以便產(chǎn)生一個(gè)前進(jìn)-返回光束的RI耦合系統(tǒng)中，所得的聲音響應(yīng)圖形具有sine x／x的特征，其最大的響應(yīng)軸(MRA)和雙分角的平分線或者單分角系統(tǒng)的公共軸正交，并且圍繞所述公共軸軸向?qū)ΨQ地設(shè)置。這種單個(gè)前進(jìn)-返回光束系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于，其中光線陣列的聲響應(yīng)圖形不能通過(guò)光束進(jìn)行控制以便從和平分線正交的位置或者從前進(jìn)-返回光束的公共軸除去其MRA。與此相反，所述的SOLAR系統(tǒng)180通過(guò)提供多個(gè)固定的或可控的光束克服了這個(gè)缺點(diǎn)。
在增加光線陣列使確定的光束形成／光束操縱達(dá)到感興趣的頻帶頂部的一個(gè)給定的頻率時(shí)，當(dāng)操縱光束離開側(cè)向方向時(shí)，需要半個(gè)聲波波長(zhǎng)或更小的間距(由頻帶頂部的頻率確定)。為了避免模糊的柵格凸起，必須如此，所述柵格凸起最終會(huì)引起兔耳狀光束分裂，然后，當(dāng)間距增加超過(guò)聲波波長(zhǎng)時(shí)，形成更復(fù)雜的玫瑰花瓣圖形。
對(duì)于側(cè)向的光束操縱，給定側(cè)向光束寬度大約為沿著外部的前進(jìn)-返回路線長(zhǎng)度分布的聲波波長(zhǎng)數(shù)量的倒數(shù)。當(dāng)接近端射光束操縱方向時(shí)，因?yàn)樾】拙哂锌s短視線的效果，故聲束響應(yīng)變寬。此外，不把間距減少到聲波波長(zhǎng)的1／4，則形成具有同樣指向兩個(gè)端射方向的MRA的端射光束。利用1／4聲波波長(zhǎng)的間距，這意味著加上外部100％反射逆向反射器需要至少16個(gè)最好32的支架和部分反射逆向反射器。這些逆向反射器的每一個(gè)應(yīng)當(dāng)是一種無(wú)源的光學(xué)器件。
對(duì)于SOLAR方法的光束形成可能是十分復(fù)雜的，因?yàn)槊總€(gè)段都被嵌套，因此每個(gè)段和下一個(gè)較長(zhǎng)的段部分地重疊并且超過(guò)它。這是因?yàn)楹吞囟ǖ牟糠址瓷淠嫦蚍瓷淦飨嚓P(guān)的聲響應(yīng)圖形由在調(diào)整的激光發(fā)送器／相干光接收器和該逆向反射器之間的單向的光路長(zhǎng)度確定。從完整的聲響應(yīng)觀點(diǎn)看來(lái)，常規(guī)的分段檢測(cè)器聲響應(yīng)可以通過(guò)從相鄰重疊源到逆向反射器部分的相位速率調(diào)制中減去一個(gè)源到逆向反射器部分的相位速率調(diào)制(PRM)得到。當(dāng)把離散分布的聲音噪聲源置為0時(shí)，可以導(dǎo)出復(fù)數(shù)的加權(quán)用于加權(quán)這些不同的PRM分量，以便有選擇地從音速噪聲中提取音速信號(hào)。不過(guò)，已經(jīng)表明，當(dāng)亞音速噪聲源占主要地位時(shí)，根據(jù)比音速噪聲更多地抑制亞音速噪聲，這種結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生最佳的增益。在亞音速噪聲占主要地位的情況下，當(dāng)對(duì)重疊的部分PRM分量施加最佳的復(fù)數(shù)加權(quán)時(shí)，這些復(fù)數(shù)加權(quán)具有和每個(gè)嵌套的重疊的部分的長(zhǎng)度成比例的值。
無(wú)論這些光束形成的復(fù)雜性如何，可以進(jìn)行合適的光束整形、對(duì)準(zhǔn)、旁瓣控制和零控制。此外，可以設(shè)置多個(gè)SOLAR或二SOLAR或雙SOLAR分段光線陣列，從而形成2-D或者甚至3-D的陣列結(jié)構(gòu)。然后，通過(guò)相應(yīng)地使用合適的相位(作為頻率的函數(shù))或時(shí)間延遲，頻域或時(shí)域的光束形成，包括對(duì)旁瓣的實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)加權(quán)或零控制可以被影響，從而使光束進(jìn)一步銳化。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例如圖6和7所示，其中說(shuō)明一種簡(jiǎn)化的基于地面的系統(tǒng)120，其適合于跨越飛機(jī)跑道128延伸，而且也利用響應(yīng)由各種航行危險(xiǎn)大氣條件產(chǎn)生的聲波150的折射率(RI)耦合。
系統(tǒng)120包括左右端基架122、124和一對(duì)中間基架126、127，它們沿橫向被隔開，跨過(guò)“著陸未達(dá)跑道”接近通往機(jī)場(chǎng)跑道128的走廊，每個(gè)基架支撐著一個(gè)三角桿框架130，132，134和136，框架的拐角相互對(duì)準(zhǔn)，而且相鄰的框架之間形成三個(gè)部分。
在左端框架130的每個(gè)拐角設(shè)置有組合發(fā)送接收模塊140，其向一個(gè)位于框架136上的對(duì)準(zhǔn)的全反射拐角逆向反射器142發(fā)送激光束，也接收從逆向反射器反射的返回光束。使用光纖和光束分束器，來(lái)自功率足夠大的連續(xù)波激光器的光功率可以在框架130的拐角上的3個(gè)發(fā)送位置140之間分配。因而，在該系統(tǒng)中在對(duì)準(zhǔn)的框架拐角之間提供有3個(gè)沿水平和垂直方向隔開的檢測(cè)光束或方式。這些激光束的各個(gè)行進(jìn)時(shí)間隨著由大氣中的危險(xiǎn)航行條件產(chǎn)生的入射聲波150的壓縮和稀薄而改變，所述危險(xiǎn)條件例如包括尾流旋渦、向上氣流、向下氣流等，每個(gè)光束的折射率的改變提供行進(jìn)時(shí)間的改變，其被用作表示從這些危險(xiǎn)條件發(fā)出的聲波的到達(dá)方向。這些行進(jìn)時(shí)間的改變也伴隨著入射聲波的時(shí)間波形的改變，并用于表征產(chǎn)生該聲的聲源的特性。
為了提供水平定位精度，本實(shí)施例的基本形式使用被安裝在框架132的每個(gè)拐角上的部分逆向反射器152和被安裝在框架134的每個(gè)拐角上的部分逆向反射器154。逆向反射器152和154和圖5中的逆向反射器194相同，并被對(duì)準(zhǔn)以便使得來(lái)自3個(gè)模塊140的每個(gè)發(fā)送光束到達(dá)被安裝在框架136的拐角上的隅角反射器142并從其返回。從模塊140發(fā)送的光束的一部分由部分逆向反射器152向回向著框架130上的光檢測(cè)器156反射。類似地，來(lái)自模塊140的光束的一部分由部分逆向反射器154向著框架130上的光檢測(cè)器158反射。對(duì)準(zhǔn)的逆向反射器152和154的光偏轉(zhuǎn)臂196被沿徑向如此定位，使得從這些逆向反射器返回的光束沿徑向錯(cuò)開而不發(fā)生相互干擾。來(lái)自模塊140的激光束的其余的主要部分繼續(xù)通過(guò)而到達(dá)“貓眼”逆向反射器142，從此被向回向著模塊140反射。因而，在框架130上的3個(gè)光檢測(cè)器接收到和其相關(guān)的3個(gè)方式的會(huì)集光束。然后，由光檢測(cè)器檢測(cè)到的光束的折射率的改變被進(jìn)行合適的處理，用于向地勤人員提供報(bào)警信息。
所述的本實(shí)施例的SOLAR方法能夠無(wú)源地確定方位到達(dá)角和發(fā)出聲波前沿150的輻射范圍。其中使用到達(dá)子孔之間的相位中心的聲能到達(dá)的時(shí)間差的時(shí)間延遲的計(jì)算，所述子孔被限制在位于框架130的前面的底部和頂部的發(fā)送／接收模塊之間，并且對(duì)于左子孔相應(yīng)于位于框架132的前面的底部和頂部的部分逆向反射器152，對(duì)于框架134，中心子孔是類似的，并且對(duì)于右子孔來(lái)自“貓眼”逆向反射器142。在這3個(gè)子孔部分地相互重疊的情況下，3個(gè)明顯分開的但是連續(xù)的子孔響應(yīng)通過(guò)取相鄰的子孔R(shí)I耦合的信號(hào)響應(yīng)之差被產(chǎn)生，如對(duì)于SOLAR處理所述。本實(shí)施例也可以通過(guò)使用基架被代替，以便分別估算波前的水平傾斜和彎曲，從而確定方位角和輻射范圍，代替由對(duì)全部的孔進(jìn)行分段而進(jìn)行的SOLAR光束形成或光束操縱功能。
如上所述，本實(shí)施例SOLAR的圖6所示的結(jié)構(gòu)只是有助于從由左、中、右子孔的公共垂直尺寸確定的相當(dāng)寬的垂直的聲響應(yīng)圖形計(jì)算仰俯角。為了提高該系統(tǒng)的精度，一種類似的發(fā)送接收模塊140和“貓眼”逆向反射器142與中間部分逆向反射器152、154分別和其相應(yīng)的光檢測(cè)器156、158結(jié)合，被插入在各個(gè)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間的各個(gè)光束路線平行于在框架130，136，132和134的后頂點(diǎn)處提供的類似的光束路線。不過(guò)，由這些后頂點(diǎn)光束路線得到的子孔信號(hào)被用于協(xié)同相應(yīng)的前面光束路線，以便消除每個(gè)子孔的后部的聲響應(yīng)。
圖7表示通過(guò)指定向被安裝在基架124上的右框架136看時(shí)的附加的142位置，中心在前面的光束路線的這種會(huì)集方式。用這種方式，每個(gè)水平錯(cuò)開的子孔被進(jìn)一步細(xì)分成上下子孔?？蚣?36和其相應(yīng)的框架可以通過(guò)公共角度垂直地傾斜，以便補(bǔ)償由低的掠射角光束無(wú)效造成的垂直光束的傾斜，所示光束無(wú)效是由180度相移的地平面128反射的抵銷直接聲波150的聲波的干涉引起的。每個(gè)上下子孔產(chǎn)生重疊的上下172垂直光束響應(yīng)。在這垂直光束重疊角區(qū)域內(nèi)，可以計(jì)算它們的垂直相位中心之間的時(shí)間延遲差。用這種方式，圖7所示的這個(gè)附加的會(huì)集方式的引入，通過(guò)由這些相對(duì)于垂直波前傾斜的時(shí)間延遲差計(jì)算通過(guò)軸173的光束的仰俯角，用于改進(jìn)垂直角計(jì)算精度。
沒(méi)有跨過(guò)框架130，132，134和136的前方的重疊的聲音垂直檢測(cè)光束171和172，系統(tǒng)120將只提供有限的垂直角計(jì)算精度以及后前光束響應(yīng)抑制，用于檢測(cè)朝向框架運(yùn)動(dòng)的聲波150。如上所述，框架可以稍微向上傾斜，以便使得和在接近走廊128下方的地面的干擾最小。此外，重疊的聲音垂直檢測(cè)光束171和172來(lái)自發(fā)送接收模塊140和隅角反射器142的類似的組合，以及合適的光束偏移部分逆向反射器152和154，和可被聯(lián)合引入的其中心分別在框架130，132，134和136前面上的相應(yīng)的偏移光檢測(cè)器。如上所述，這個(gè)附加的光束會(huì)集方式有助于借助被設(shè)置在其軸線173周圍的上下聲接收光束171，172的分束處理提高垂直角計(jì)算精度。該系統(tǒng)可以被稱為SOLAR-ECLIPSE系統(tǒng)，即，該系統(tǒng)是一種使用逆向反射器的分段的光線陣列，并提供仰角和曲度定位，用于確定聲源的位置。其處理入射聲波的波前的水平和垂直傾斜，以便利用被動(dòng)地指示范圍的波前曲度獲得方位角和仰角的估算。
雖然圖4-圖7表示的RI耦合系統(tǒng)是作為地基的系統(tǒng)具體使用進(jìn)行描述的，但是它們也可應(yīng)用于機(jī)載結(jié)構(gòu)中，例如從機(jī)翼的梢到梢，左舷機(jī)翼梢到左舷機(jī)身-右舷機(jī)身到右舷機(jī)翼梢，或在上機(jī)身點(diǎn)例如座艙后面到飛機(jī)垂直穩(wěn)定器的上梢之間相連的光束。形成器RI耦合結(jié)構(gòu)提供飛機(jī)前后的覆蓋范圍，而后一種結(jié)構(gòu)提供從飛機(jī)的左舷或右舷方向來(lái)的聲信號(hào)的RI耦合。雖然這些方法中的每一個(gè)適合于某些應(yīng)用，但是在圖1-3所示的顆粒運(yùn)動(dòng)耦合系統(tǒng)不失為一種最佳的機(jī)載系統(tǒng)。
另一個(gè)改進(jìn)的實(shí)施例可以包括使用纖維光纜作為光波導(dǎo)，其響應(yīng)沿著光纖的長(zhǎng)度的應(yīng)力引起的聲音，具有相應(yīng)的光纖截面改變，兩者引起光纖折射率的改變。這包括使用電光或其它技術(shù)的任何方法，以便形成光學(xué)編碼的脈沖，該脈沖能夠返回光學(xué)的或光檢測(cè)器相干外差或零差接收機(jī)，例如通過(guò)從光纖包含的隨機(jī)的或確定性地分布的閉塞而引起的瑞利或米光學(xué)散漏。這種方法最適合于使用脈沖解碼來(lái)分解(collapse)光學(xué)脈沖以及電光或電子范圍選通，作為用于描繪各個(gè)延伸的麥克風(fēng)檢測(cè)器部分的手段。和在SOLAR系統(tǒng)方法中使用自由光波的方式類似，任何這些光波導(dǎo)方法可以連續(xù)地通過(guò)聲音小孔延長(zhǎng)麥克風(fēng)檢測(cè)器。關(guān)于在圖1-7中的實(shí)施例的光束，在光纖波導(dǎo)中的由輻射的聲音引起的折射率的改變可以表示產(chǎn)生該聲音的危險(xiǎn)的大氣條件。
另一個(gè)實(shí)施例可以包括安裝在飛機(jī)每個(gè)翅膀的前沿的聲麥克風(fēng)，或者交叉，或者偏移和平行于跑道，用于檢測(cè)由危險(xiǎn)的氣象條件與／或尾流旋渦產(chǎn)生的聲波。
此外，圖3所示的實(shí)施例可以通過(guò)代替此處稱為“通過(guò)光學(xué)全息評(píng)定相位速率”PHARAOH(phase rate assessment by opticalholography)的系統(tǒng)的所有的光學(xué)形式的系統(tǒng)加以改進(jìn)，它是一種光學(xué)多信道角度分散接收機(jī)(ADR)，其中使用光子代替電子進(jìn)行操作，和上述的圖3所示的基于CCD的相干光學(xué)照相機(jī)的操作類似。ADR處理的PHARAOH型不需要CCD，而使用光學(xué)簡(jiǎn)并的二波混合(DTWM)，其產(chǎn)生正交的一對(duì)光載體承載分量相干光外差形式，借以提供類似于以電子方式得到的I和Q分量。
在圖3的實(shí)施例中，角度分隔接收機(jī)可以被頻率分隔接收機(jī)(FDR)代替，用于“未分辨”的噪聲抑制。此外，作為對(duì)圖3的脈沖跟蹤器的一個(gè)附加物，可以提供一種波矢量頻率濾波(WVFF)系統(tǒng)，以便除去和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的“信號(hào)”掩蓋效果，使頻譜延伸進(jìn)入“被分辨”的次聲噪聲分量的信號(hào)頻帶中。波矢量頻率濾波的一種替代物包括信號(hào)自由參考(SFR)自適應(yīng)噪聲消除技術(shù)，其中對(duì)于“分辨”的次聲噪聲消除使用相干光學(xué)零差或外差處理。所有這些實(shí)施例可以被集成在CADRE-CORPS或PHARAOH照相機(jī)中。
本發(fā)明的其它實(shí)施例包括使用一種非線性產(chǎn)生的輻射范圍聚焦的聲鋸齒波，用于構(gòu)成作為逆向反射器的聲光反射鏡(AOM)。通過(guò)使用多組鎖相環(huán)、從揚(yáng)聲器的大的陣列中的各個(gè)投射物發(fā)出的脈沖聲載體波形，發(fā)送對(duì)稱的頻譜波形，得到足夠的聲音增強(qiáng)，從而產(chǎn)生非線性聲鋸齒波的前沿。當(dāng)這些聲脈沖相干地加到預(yù)定聚焦區(qū)域中時(shí)產(chǎn)生干涉。所得的聲峰值壓力增強(qiáng)引起通過(guò)非線性聲干擾被周期地形成的非常尖的前方壓力斷續(xù)。
被周期地分開的非常尖的非線性激波前沿伴隨著同樣尖的光折射率(RI)斷續(xù)。每個(gè)斷續(xù)作為光學(xué)反射鏡，當(dāng)聲波波長(zhǎng)被調(diào)整為多個(gè)半個(gè)光波波長(zhǎng)時(shí)，布拉格散射增強(qiáng)返回的光場(chǎng)強(qiáng)度。使用利用一種被稱為光學(xué)相位共軛(OPC)的技術(shù)的布里淵散射(RBS)的一種形式可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步增強(qiáng)。一般地說(shuō)，RBS被用于使和瞬時(shí)布里淵散射相關(guān)的多普勒頻率散布減少100倍，其在相當(dāng)?shù)偷墓廨椛湎率构庾幼园l(fā)地產(chǎn)生相應(yīng)于廣泛傳播和損耗聲子的等熵的波動(dòng)。在較高的輻射下，受激的布里淵散射(SBS)發(fā)生，其中聲子方向性成為更有序的，因而相對(duì)于自發(fā)的布里淵散射減少一個(gè)數(shù)量級(jí)通過(guò)“聲子運(yùn)動(dòng)”引起的多普勒頻率散布。
SBS利用在光波導(dǎo)管內(nèi)約束的氣體形成OPC反射鏡，用于消除光波前畸變，并和常規(guī)反射鏡不同，能夠使撞擊的光線返回在反射前的原始路線。其它的光折射材料，例如鈦酸鹽，可用于在比SBS所需的低的輻射程度下產(chǎn)生一種緩慢形成校正OPC反射鏡。這通過(guò)被稱為簡(jiǎn)并4波混合(DFWM)來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)注意，這種處理的簡(jiǎn)并的2波混合形式在可用于PHARAOH的非線性光學(xué)處理的文章中提到過(guò)。
RBS可以使用很高的光學(xué)輻射量，這可以通過(guò)大氣光學(xué)誤差校正來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中使用OPC，使得聲子被高度集中的光直接產(chǎn)生。當(dāng)和AOM聯(lián)合使用時(shí)，RBS處理使用FWDM方法，以便“再播種”從非線性聲產(chǎn)生的聲子散射的激光。這兩個(gè)處理的組合旨在用于以這樣的方式銳化光學(xué)RI斷續(xù)，使得減少反射鏡的反射損失，所述損失伴隨著另外的正常撞擊前沿厚度，所述前沿厚度在沒(méi)有RBS放大的情況下不是光波長(zhǎng)的足夠小的一部分。當(dāng)和周期的非線性聲波布拉格散射結(jié)合時(shí)，增強(qiáng)AOM的RBS提供有效的“天鉤”反射鏡，借以代替需要限制RI耦合用于機(jī)載應(yīng)用，對(duì)于所述應(yīng)用，逆向反射器可以包括在飛機(jī)翅膀跨距機(jī)艙尺寸內(nèi)。
另一種可能性是使用聲電磁方法，其中電磁能量應(yīng)當(dāng)響應(yīng)大氣危險(xiǎn)氣象條件作為自由的或波導(dǎo)的無(wú)線電波代替光波進(jìn)行傳播。例如，作為延伸的無(wú)線電發(fā)聲系統(tǒng)(ERASS)，其使用聚焦的非線性聲波組，和在上面所述的AOM中的布拉格散射一道，但是利用無(wú)線電波代替光波，這可用于詢問(wèn)由航行大氣危險(xiǎn)條件產(chǎn)生的傳播的聲場(chǎng)。
其它的實(shí)施例可以包括使用波導(dǎo)無(wú)線電波，其中使用同軸電纜，用于通過(guò)布拉格后向散射詢問(wèn)聲場(chǎng)。
不脫離本發(fā)明的構(gòu)思或主要特征可以用其它的具體形式實(shí)施本發(fā)明。因而本發(fā)明的實(shí)施例只用于說(shuō)明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求限定，而不由上述的說(shuō)明限定，在權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有的改變都被包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1．一種用于檢測(cè)大氣中對(duì)飛行飛機(jī)有危險(xiǎn)的不利的氣象條件的方法，所述不利的條件在大氣中產(chǎn)生聲波，包括以下步驟提供一種產(chǎn)生光束的激光裝置；把該光束射向包括響應(yīng)所述聲波而運(yùn)動(dòng)的光反射物的大氣中的探測(cè)區(qū)域；收集來(lái)自所述反射物的被反射的光，以及由所述被收集的光產(chǎn)生出表示所述聲波和大氣氣象條件的輸出信息。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述不利的氣象條件存在于遠(yuǎn)離探測(cè)區(qū)域的大氣的區(qū)域中。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述反射的光由用于檢測(cè)在所述探測(cè)區(qū)域內(nèi)光反射物的各個(gè)顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的多信道接收機(jī)收集。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激光裝置被安裝在飛機(jī)的前部，并且探測(cè)區(qū)域沿著其飛行路程位于飛機(jī)的前方。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其中激光裝置被安裝在飛機(jī)跑道附近。
6．一種用于檢測(cè)大氣中對(duì)飛行飛機(jī)有危險(xiǎn)的不利的氣象條件的方法，所述不利的條件在大氣中產(chǎn)生聲波，包括以下步驟產(chǎn)生多個(gè)光束；把每個(gè)光束射向相關(guān)的包括響應(yīng)所述聲波而運(yùn)動(dòng)的光反射物的大氣中的探測(cè)區(qū)域；收集每個(gè)探測(cè)區(qū)域中來(lái)自所述反射物的被反射的光；由所述從每個(gè)探測(cè)區(qū)域收集的光產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；組合所述信號(hào)，從而產(chǎn)生表示所述聲波和大氣的氣象條件的特征和位置的輸出信息。
7．如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述不利的氣象條件存在于遠(yuǎn)離探測(cè)區(qū)域的大氣的區(qū)域中。
8．如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述從每個(gè)探測(cè)區(qū)域反射的光由用于檢測(cè)在所述每個(gè)探測(cè)區(qū)域內(nèi)光反射物的各個(gè)顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的多信道接收機(jī)收集。
9．如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述光束由安裝在飛機(jī)前部的激光裝置產(chǎn)生，并且探測(cè)區(qū)域沿著其飛行路線位于飛機(jī)的前方。
10．如權(quán)利要求9所述的方法，其中探測(cè)區(qū)域被設(shè)置成三維的基本上為截錐形的構(gòu)型，并作為虛擬麥克風(fēng)。
11．一種用于檢測(cè)大氣中對(duì)飛行飛機(jī)有危險(xiǎn)的不利的氣象條件的方法，所述不利的條件在大氣中產(chǎn)生聲波，包括以下步驟提供一種產(chǎn)生光束的激光裝置；把所述光束射向大氣；并且測(cè)量所述聲波對(duì)所述光束的影響作為所述危險(xiǎn)條件的指示。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述激光裝置被安裝在飛機(jī)的前部。
13．如權(quán)利要求11所述的方法，其中激光裝置被安裝在飛機(jī)跑道附近。
14．如權(quán)利要求13所述的方法，其中多個(gè)沿水平方向和垂直方向隔開的光束被射向跑道并被向回反射給光檢測(cè)器，并且測(cè)量所述光束的折射率的改變，用作所述危險(xiǎn)條件的指示。
15．如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述光束的一部分在離開所述跑道一個(gè)選擇的距離處被向回反射給光檢測(cè)器。
16．如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述光束被射向所述跑道，在跨過(guò)所述跑道橫向分開的多個(gè)位置中的每一個(gè)位置反射所述光束的一部分，從而提供多個(gè)返回光束被向回反射給光檢測(cè)器，并且測(cè)量所述光束的折射率的改變，用作所述危險(xiǎn)條件的指示。
17．如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述返回光束沿圓周按一定角度相互分開，使得它們互不干擾。
18．如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述光束從飛機(jī)上的第一位置向第二位置延伸，在所述第一和第二位置之間被沿橫向分開的多個(gè)位置的每個(gè)位置上反射所述光束的一部分，從而提供多個(gè)返回光束被向回反射給光檢測(cè)器，并且測(cè)量所述光束的折射率的改變，用作所述危險(xiǎn)條件的指示。
19．如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述返回光束沿圓周按一定角度相互分開，使得它們互不干擾。
20．一種用于檢測(cè)大氣中對(duì)飛行飛機(jī)有危險(xiǎn)的不利的氣象條件的方法，所述不利的危險(xiǎn)條件在大氣中產(chǎn)生聲波，包括以下步驟提供一種能夠檢測(cè)所述聲波的裝置，并測(cè)量所述聲波對(duì)所述裝置的影響作為所述危險(xiǎn)條件的指示。
21．如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述裝置被安裝在飛機(jī)的前部。
22．如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述裝置被安裝在飛機(jī)跑道附近。
23．一種用于檢測(cè)大氣中對(duì)飛行飛機(jī)有危險(xiǎn)的不利的氣象條件的裝置，所述不利的危險(xiǎn)條件在大氣中產(chǎn)生聲波，包括一種能夠檢測(cè)所述聲波的裝置，和用于測(cè)量所述聲波對(duì)所述裝置的影響作為所述危險(xiǎn)條件指示的裝置。
24．如權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述裝置被安裝在飛機(jī)上。
25．如權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述裝置被安裝在飛機(jī)跑道附近。
26．一種用于檢測(cè)大氣中對(duì)飛行飛機(jī)有危險(xiǎn)的不利的氣象條件的裝置，所述不利的危險(xiǎn)條件在大氣中產(chǎn)生聲波，包括用于產(chǎn)生光束的激光裝置；用于把所述光束射向大氣的裝置；以及用于測(cè)量所述聲波對(duì)所述光束的影響作為所述危險(xiǎn)條件指示的裝置。
27．如權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述激光裝置被安裝在飛機(jī)上。
28．如權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述激光裝置被安裝在飛機(jī)跑道附近。
29．如權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述激光裝置產(chǎn)生多個(gè)水平和垂直分開的被射向跑道的激光束，還包括用于向回向著光檢測(cè)器反射所述光束的裝置，和用于測(cè)量所述光束的折射率的改變作為所述危險(xiǎn)條件指示的裝置。
30．如權(quán)利要求29所述的裝置，還包括用于向回向著離開所述跑道一個(gè)選定的距離處的光檢測(cè)器反射所述光束一部分的裝置。
31．如權(quán)利要求28所述的裝置，還包括用于使所述光束射向所述跑道的裝置；用于在跨過(guò)所述跑道的沿橫向分開的多個(gè)位置的每個(gè)位置上反射所述光束的一部分，從而提供向回向著光檢測(cè)器反射的多個(gè)返回光束的裝置；和用于測(cè)量所述光束的折射率的改變作為所述危險(xiǎn)條件指示的裝置。
32．如權(quán)利要求31所述的裝置，包括用于使所述返回光束沿圓周相互分開，使得它們互不干擾的裝置。
33．一種用于檢測(cè)大氣中對(duì)飛行飛機(jī)有危險(xiǎn)的不利的氣象條件的裝置，所述不利條件在大氣中產(chǎn)生聲波，包括用于產(chǎn)生光束的激光裝置；用于把所述光束射向含有響應(yīng)所述聲波而運(yùn)動(dòng)的光反射物的大氣的探測(cè)區(qū)域的裝置；用于收集從所述光反射物反射的光的裝置；以及用于從所述被收集的光產(chǎn)生表示所述聲波和大氣氣象條件的輸出信息的裝置。
34．如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述不利氣象條件存在于距離探測(cè)區(qū)域相當(dāng)遙遠(yuǎn)的大氣的區(qū)域中。
35．如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述收集裝置包括多信道接收機(jī)，其檢測(cè)所述探測(cè)區(qū)域內(nèi)的光反射物的各個(gè)顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。
36．如權(quán)利要求33所述的裝置，還包括用于把所述激光裝置安裝在飛機(jī)前部的裝置，并且所述探測(cè)區(qū)域沿著飛行路程位于飛機(jī)的前方。
37．如權(quán)利要求33所述的裝置，還包括用于把所述激光裝置安裝在飛機(jī)跑道附近的裝置。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種用于檢測(cè)大氣中對(duì)飛行飛機(jī)有危險(xiǎn)的條件從而及時(shí)通知駕駛員或地勤人員的裝置和方法。所述方法包括使用激光束(34)和相干光學(xué)接收器(87),以便利用光學(xué)方法檢測(cè)由所述危險(xiǎn)條件產(chǎn)生的聲波(20),并且測(cè)量所述聲波對(duì)發(fā)射和接收的光束的影響。
文檔編號(hào)G01S17/88GK1279878SQ98811438
公開日2001年1月10日 申請(qǐng)日期1998年9月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月21日
發(fā)明者弗蘭克·L·里斯 申請(qǐng)人:飛行安全技術(shù)公司