专利名称：：用于过冷空中水滴的飞行中多视场探测器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及在飞行器上的用于探测空中液态水滴的飞行中传感器。
背景技术：
：空中水滴的探测以及它们的依照水滴大小的分类是飞行中结冰状态探测器的重要功能。目前的飞行器上的防结冰装置，例如充气除冰带(inflatableboots)，非常适于小滴(举例来说，平均直径<50um)的冰积聚，但是当撞击的水滴较大时可能不能提供保护以防止冰积聚。具体而言，辨别过冷大滴(SLD)的能力很快被承认是结冰状态传感器的关键安全特征。SLD通常具有大于40um的直径并且远在水结冰温度以下。当它们撞击飞机翼的前缘时，它们趋向于滚动越过前端，并且在反结冰装置难以到达但是对于飞机的控制来说是关键的位置处结冰。过冷大滴被认为已经引起一些飞行事故，例如1994年在印地安那州(Indiana)的Roselawn发生的ART-72的致命坠落。当它们被激光束探测时，带有高密度散射点的软目标(例如云)将产生多次散射。对于多次散射，光线在返回到激光雷达接收器之前经历两次或更多次散射过程。激光雷达多次散射的大多数分析假定各被探测的光线经历许多小角度向前散射(当远离和朝着激光雷达传播时)和单个大角度(180°)散射事件，该单个大角度散射事件造成它朝着激光雷达接收器反向散射的原因。小角度向前散射主要是由于光围绕颗粒的衍射，并且当激光束穿透软目标时这些小角度很大程度上是造成所接收的光的视场增加的原因。在多次散射的过程中，光线侧向地散射，并且取决于包括软目标的散射颗粒的尺寸分布和密度，接收的视场将扩大超过激光的发散。颗粒直径(d)、激光波长(λ)、和前向散射的衍射角(β)之间的大体上的关系是权利要求一种空中多视场水滴传感器，包括照明部分，该照明部分包括第一光束发射器，该第一光束发射器被构造成输出光束；和探测部分，该探测部分包括窗口，该窗口被构造成允许来自被所述光束照明的水滴的反向散射光从其穿过；第一透镜，该第一透镜被构造成在所述反向散射光已经通过所述窗口之后聚焦所述反向散射光；万花筒，该万花筒被构造成朝向圆线转换器的内反射表面引导已经通过所述第一透镜的所述反向散射光的第一部分；多视场子系统，该多视场子系统包括被构造成接收由所述圆线转换器反射的光的至少第一探测器；和单视场子系统，该单视场子系统被构造成接收已经通过所述第一透镜的所述反向散射光的第二部分，该第二部分未被所述圆线转换器反射。2.如权利要求1所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括定位在所述圆_线转换器的所述内反射表面和所述第一探测器之间的纤维光学板，所述纤维光学板被构造成传送由所述圆_线转换器反射的光学图像。3.如前述权利要求中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中所述多视场子系统进一步包括第二探测器，所述第二探测器也被构造成接收由所述圆-线转换器反射的光，其中第二探测器被构造成所探测的反射的、反向散射光所对应的视场角大于所述第一探测器所探测的视场角。4.如权利要求3所述的空中多视场水滴传感器，其中所述第一和第二探测器各包括探测器元件线性阵列。5.如前述权利要求中任一项所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括定位在所述圆_线转换器的焦平面和所述第一探测器之间的第一组光学元件，其中所述第一组光学元件放大来自所述圆_线转换器的小视场反射；和定位在所述圆_线转换器的所述焦平面和所述第二探测器之间的第二组光学元件。6.如权利要求5所述的空中多视场水滴传感器，其中所述第一组光学元件包括至少两个透镜；和置于所述两个透镜之间的带通滤光器。7.如前述权利要求中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中所述圆-线转换器包括具有变化斜率的锥形区域；并且所述锥形区域的接近顶点的内反射表面的斜率小于1.0。8.如前述权利要求中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中所述单视场子系统包括光束截捕器。9.如前述权利要求中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中所述单视场子系统包括光敏二极管。10.如前述权利要求中任一项所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括置于所述第一透镜和所述单视场子系统之间的准直透镜；其中所述准直透镜的位置沿着所述传感器的光学轴线轴向可调节。11.如前述权利要求中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中所述第一光束发射器包括由以下组成的组中的至少一个其输出为线性偏振的发光二极管；和激光器。12.如前述权利要求中任一项所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括被构造成沿着所述传感器的光学照明轴线反射所述光束的反射器。13.如前述权利要求中任一项所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括处理器，所述处理器被构造成接收由所述多视场子系统和所述单视场子系统输出的信号，并且基于来自两个子系统的所述信号计算至少一个反映水滴状态的参数。14.如前述权利要求中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中所述单视场子系统使用圆偏振的光以在水和冰晶之间进行辨别。15.如前述权利要求中任一项所述的空中多视场水滴传感器，其中所述照明部分进一步包括第一线性偏振器，被构造成接收所述光束并且输出线性偏振的照明光束；第一圆偏振元件，被构造成接收所述线性偏振的照明光束并且输出圆偏振的照明光束；并且所述探测部分进一步包括第二圆偏振元件，被构造成接收已经通过所述窗口的圆偏振的反向散射光并且输出线性偏振的反向散射光；第一偏振束分光器，被构造成将所述线性偏振的反向散射光分成第一分量线性偏振的反向散射光和第二分量线性偏振的反向散射光；第一分量光探测器，被构造成探测所述第一分量线性偏振的反向散射光并且响应于此而输出第一信号；第二分量光探测器，被构造成探测所述第二分量线性偏振的反向散射光并且响应于此而输出第二信号；和处理器，被构造成接收由各自的第一和第二分量光探测器输出的所述第一和第二信号，并且基于所述第一和第二信号计算至少一个反映结冰状态的参数。16.如权利要求15所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括置于所述第一偏振束分光器和所述第一分量光探测器之间的第二线性偏振器，所述第二线性偏振器被构造成在被所述第一分量光探测器探测之前，进一步线性偏振所述第一分量线性偏振的反向散射光。17.如权利要求15或16所述的空中多视场水滴传感器，其中所述第一圆偏振元件包括第一四分之一波片；并且所述第二圆偏振元件包括第二四分之一波片。18.如权利要求15-17中任一项所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括反射器，被构造成沿着所述传感器的光学照明轴线反射所述圆偏振的照明光束；第二线性偏振器，被置于所述第一偏振束分光器和所述第一分量光探测器之间，所述第二线性偏振器被构造成在被所述第一分量光探测器探测之前，进一步线性偏振所述第一分量线性偏振的反向散射光；处理器，被构造成接收由各自的第一和第二分量光探测器输出的所述第一和第二信号，并且基于所述第一和第二信号计算至少一个反映结冰状态的参数。19.如权利要求18所述的空中多视场水滴传感器，进一步包括置于所述窗口和所述第二圆偏振元件之间的第一透镜；置于所述第一线性偏振器和所述第一分量光探测器之间的第二透镜；置于所述第二线性偏振器和所述第二分量光探测器之间的第三透镜；和置于所述第一透镜和所述第二圆偏振元件之间的准直透镜。20.如权利要求19所述的空中多视场水滴传感器，其中所述第二和第三透镜是聚光透镜；并且所述准直透镜的位置沿着所述传感器的光学轴线轴向可调节。全文摘要一种用于过冷空中水滴的飞行中多视场探测器，包括照明部分和探测部分。照明部分包括被构造成输出光束的第一光束发射器。探测部分包括被构造成朝着圆-线转换器的内反射表面引导反向散射光的第一部分的万花筒、具有被构造成接收由圆-线转换器反射的光的至少第一探测器的多视场子系统、和被构造成接收反向散射光的第二部分的单视场子系统，该第二部分未被圆-线转换器反射。单视场子系统可以包括用于基于单视场中的信息辨别液态水滴和冰晶的双通道圆偏振探测器。文档编号G01V8/10GK101963676SQ201010237308公开日2011年2月2日申请日期2010年7月23日优先权日2009年7月23日发明者迈克尔·P·尼斯尼达尔,马克·D·雷申请人:罗斯蒙特宇航有限公司
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