專利名稱：探測嵌入水汽云中的火山灰的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開一般地涉及當(dāng)航空器遭遇火山灰羽狀流(plume)時用于感測的系統(tǒng)和方法，并更具體地涉及在飛機上探測嵌入水汽云中的火山灰羽狀流的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
如本文所使用，術(shù)語“火山羽狀流”或“火山灰羽狀流”意思是火山灰云，術(shù)語“火山氣體”意思是活火山釋放的氣體，以及術(shù)語“煙流(gas plume)”意思是火山氣體的羽狀流。處于火山灰羽狀流所占據(jù)的體積之外的分散的火山氣體不被包括作為本文使用的后一術(shù)語“火山灰羽狀流”的一部分?；鹕交铱蓪︼w行中的噴氣式航空器產(chǎn)生危害，威脅人和家畜的健康，損壞電子裝置和機械，并干擾發(fā)電和長途通信。火山灰包括火山噴發(fā)到空氣中的巖石和天然玻璃的參差不齊的微小顆粒。風(fēng)可攜帶灰燼數(shù)千英里，比其他火山危害影響更大得多的區(qū)域。火山羽狀流對航空器造成兩個問題(a)由于灰燼引起的發(fā)動機故障；和(b)由于灰燼和腐蝕性氣體，航空器損壞和/或乘務(wù)人員和乘客受傷?；鹕交翌w粒是極端磨損性的。它們是參差不齊的巖石和玻璃顆粒，其可造成對噴氣式發(fā)動機的內(nèi)部作業(yè)的快速磨損。更重要的是，噴氣式發(fā)動機一些部件中的高溫可使經(jīng)過發(fā)動機的灰燼熔化?；覡a接著再固化在發(fā)動機較冷的部件上，形成阻礙氣流的層，干擾運動部件，并最終造成發(fā)動機故障。因此，期望航空器能夠在遭遇灰燼之前探測到火山灰或在其后盡可能快地探測到火山灰以避免延長暴露于灰焊。在航空器飛行期間探測和避免火山羽狀流的各種已知的解決方案具有某些缺點。首先，對于被良好監(jiān)測的火山，地面上的傳感器或人可迅速觀察到噴發(fā)并將其報告給飛行安全當(dāng)局比如FAA。在這些情況下，對飛行人員發(fā)出通知。但是，世界各地許多偏遠(yuǎn)的火山仍未良好地安裝儀器并可噴發(fā)而沒有立即探測到。即使在探測之后，向飛行人員發(fā)布通知的機制延遲了處理和分發(fā)，在這期間未被警告的航空器可能遭遇羽狀流。第二，少數(shù)的衛(wèi)星基于二氧化硫譜、熱紅外發(fā)射、可見的灰燼云或這些的組合能夠從軌道探測火山羽狀流。當(dāng)衛(wèi)星探測到火山羽狀流時，對飛行人員發(fā)出通知。但是，衛(wèi)星觀測是不連續(xù)的。衛(wèi)星途徑之間發(fā)生的噴發(fā)可能持續(xù)6至12小時未探測到，這段時間大于航空器遭遇羽狀流的足夠時間。對于小的噴發(fā)或在多云條件期間無探測的周期可能更長。即使在探測之后，向飛行人員發(fā)布通知的機制延遲了處理和分發(fā)，在這期間未被警告的航空器可能遭遇羽狀流。第三，在白天晴朗天氣時，飛行員可視覺上觀察到明顯的火山羽狀流并避開它。視覺觀察可用肉眼或用利用自然光、紅外發(fā)射、經(jīng)激光雷達(dá)測量的光學(xué)反向散射或利用標(biāo)準(zhǔn)航空器光源的光學(xué)反向散射的照相機完成?？諝庵械幕覡a顆粒被暴露并能夠反射光或發(fā)射紅外輻射。但是，火山羽狀流通常在夜間遇到和/或被嵌入其他云，比如包含水滴或冰晶的氣象學(xué)的云中，使得視覺探測方法無效。在該說明書中，為了簡潔水滴和冰晶在本文統(tǒng)稱為“水凝結(jié)物”或“凝結(jié)物”，并且術(shù)語“凝結(jié)物顆?！敝赴覡a顆粒的水滴或冰晶。氣象學(xué)的云不僅僅圍繞火山羽狀流，而是，因為單個的灰燼顆粒作為凝結(jié)物顆粒的成核位置，單個的灰燼顆粒嵌入凝結(jié)物顆粒中。因此，灰燼顆粒是不可見的并對云的電磁簽名幾乎不起作用。探測火山羽狀流的紅外發(fā)射的典型應(yīng)用使用用于天然大氣的傳感器。例如，題目為 “Detection system for Use in an an Aircraft” 的美國專利號 5，654，700 提出一種系統(tǒng)，其將通過監(jiān)測穿過灰燼云的紅外輻射，探測航空器前方的火山灰云。但是，嵌入凝結(jié)物顆粒中的灰燼顆粒的光學(xué)和紅外簽名被掩飾并對這類紅外傳感器保持隱藏。如果火山灰未被探測到，則對航空器乘務(wù)人員而言航空器已經(jīng)飛行穿過含有火山灰的水汽云的第一征兆是發(fā)動機失靈。當(dāng)發(fā)動機開始停止運轉(zhuǎn)時通常的飛行員反應(yīng)是增加功率。但是當(dāng)火山灰存在時，這可能使得情況更糟糕。如果灰燼被懷疑是發(fā)動機失靈的原因，則飛行員可使發(fā)動機減速，打開發(fā)動機和機翼防冰設(shè)備并降低高度至以盡可能快地下降至低于灰燼云。該動作通常有助于恢復(fù)發(fā)動機功能。但是，因為航空器可能已經(jīng)飛行穿過大量的灰燼，所以航空器部件可能已經(jīng)遭受高代價的損壞，該破壞可能需要發(fā)動機零件的保養(yǎng)、維修或替換。因此，避免經(jīng)過灰燼的任何飛行時間量有助于減少灰燼的任何潛在的破壞影響，和因此有助于節(jié)省維修時間和費用。需要一種系統(tǒng)，其將探測嵌入云中的火山羽狀流和嵌入淀物顆粒中的灰燼顆粒，并警告航空器避開這種火山羽狀流，或快速改變航線以逃離這種火山羽狀流。發(fā)明簡述一般通過提供在航空器機上安裝的用于探測噴氣式發(fā)動機廢氣中的火山灰的探測系統(tǒng)以及當(dāng)探測到從噴氣式發(fā)動機發(fā)出的火山灰時警告飛行員，實現(xiàn)前述目的，以及其他顯而易見的目的。即使當(dāng)火山灰顆粒嵌入水汽云中時，這種系統(tǒng)提供火山灰顆粒的可靠探測。該機上系統(tǒng)包括一個或多個紅外傳感器，其位于航空器上沿著噴氣式發(fā)動機廢氣面向下游，并配置為區(qū)分噴氣式發(fā)動機廢氣的灰燼發(fā)射與正常紅外發(fā)射。傳感器的視野包括經(jīng)過噴氣式發(fā)動機的路徑已經(jīng)被加熱的大氣。發(fā)動機的熱使凝結(jié)物顆粒蒸發(fā)，暴露嵌入的灰燼顆粒以通過紅外傳感器探測。傳感器配置為測量來自噴氣式發(fā)動機廢氣的熱紅外發(fā)射，并探測其中的異常升高。當(dāng)熱紅外發(fā)射的異常升高超過用戶指定的或預(yù)定的閾值時，測系統(tǒng)接著產(chǎn)生探測信號。根據(jù)本公開的一方面，提供探測嵌入水汽云中的火山灰的方法，其包括下列步驟測量噴氣式發(fā)動機廢氣的紅外發(fā)射；和當(dāng)在光譜峰值波長處或其附近的紅外發(fā)射強度超過閾值時產(chǎn)生探測信號。有利地，閾值如下確定確定在飛行期間光譜峰值波長處紅外發(fā)射的最大可能的強度，其中在噴氣式發(fā)動機廢氣中基本上不存在火山灰；和將所述最大可能的強度乘以增量以確定所述閾值。有利地，閾值如下確定確定在飛行期間光譜峰值波長處紅外發(fā)射的正常強度，其中在噴氣廢氣中基本上不存在火山灰；識別在噴氣式發(fā)動機廢氣中存在的煙塵的正常濃度；
識別火山灰的第一有害濃度；通過將所述正常濃度加至所述第一有害濃度計算總的有害顆粒濃度；通過用所述總的有害顆粒濃度除以所述正常濃度計算第一濃度比；和將所述正常強度乘以所述第一濃度比以確定所述閾值。有利地，閾值如下確定確定在飛行期間光譜峰值波長處紅外發(fā)射的正常強度，其中在噴氣廢氣中基本上不存在火山灰；識別在噴氣式發(fā)動機廢氣中存在的煙塵的正常濃度；識別火山灰的第一有害濃度；通過將所述正常濃度加至所述第一有害濃度計算總的有害顆粒濃度；通過用所述總的有害顆粒濃度除以所述正常濃度計算第一濃度比；和將所述正常強度乘以所述第一濃度比以確定最大強度閾值；和將所述閾值設(shè)置為所述正常強度和所述最大強度閾值之間的值。有利地，當(dāng)產(chǎn)生探測信號時進(jìn)一步通知飛行員。有利地,存在多個閾值；和基于在光譜峰值波長處或其附近紅外發(fā)射超過哪個閾值產(chǎn)生不同的探測信號。有利地，當(dāng)產(chǎn)生所述探測信號時進(jìn)一步自動使發(fā)動機減速。有利地，當(dāng)產(chǎn)生所述探測信號時進(jìn)一步通知中心處理站水汽云中存在火山灰。有利地，測量紅外發(fā)射特征包括持續(xù)監(jiān)測在確定的光譜峰值波長處或其附近發(fā)射的光的強度。有利地，進(jìn)一步提供紅外傳感器；使所述傳感器與航空器在可觀測噴氣式發(fā)動機發(fā)射的位置處連接；和使所述紅外傳感器定向，從而基本上沒有航空器的固體部件被傳感器可觀測。根據(jù)本公開進(jìn)一步的方面，提供用于探測嵌入水汽云中的火山灰的系統(tǒng)，其包括定位并定向以觀察噴氣式發(fā)動機廢氣的紅外傳感器；和紅外(IR)處理器，其從所述紅外傳感器接收原始數(shù)據(jù)并確定什么時候存在高于閾值水平的火山灰量。有利地，所述紅外傳感器安裝在航空器上。優(yōu)選地，所述航空器具有從機翼向下延伸的噴氣式發(fā)動機，所述紅外傳感器安裝在所述機翼的底部上，并且所述紅外傳感器以相對于航空器的長度約10°和約45°之間的角度向后指。有利地，所述IR處理器被編程以當(dāng)在光譜峰值波長處或其附近紅外發(fā)射的強度超過閾值時產(chǎn)生探測信號。優(yōu)選地，所述IR處理器被編程以通過如下確定所述閾值確定在飛行期間光譜峰值波長處紅外發(fā)射的最大可能的強度,其中在噴氣廢氣中基本上不存在火山灰；和將所述最大可能的強度乘以增量以確定所述閾值。優(yōu)選地，所述IR處理器被編程以通過如下確定所述閾值
確定在飛行期間光譜峰值波長處紅外發(fā)射的正常強度，其中在噴氣廢氣中基本上不存在火山灰；識別在噴氣式發(fā)動機廢氣中存在的煙塵的正常濃度；識別火山灰的第一有害濃度；通過將所述正常濃度加至所述第一有害濃度計算總的有害顆粒濃度；通過用所述總的有害顆粒濃度除以所述正常濃度計算第一濃度比；和將所述正常強度乘以所述第一濃度比以確定所述閾值。優(yōu)選地，所述IR處理器被編程以通過如下確定所述閾值確定在飛行期間光譜峰值波長處紅外發(fā)射的正常強度，其中在噴氣廢氣中基本上不存在火山灰；識別在噴氣式發(fā)動機廢氣中存在的煙塵的正常濃度；識別火山灰的第一有害濃度；通過將所述正常濃度加至所述第一有害濃度計算總的有害顆粒濃度；通過用所述總的有害顆粒濃度除以所述正常濃度計算第一濃度比；和將所述正常強度乘以所述第一濃度比以確定最大強度閾值；和將所述閾值設(shè)置為所述正常強度和所述最大強度閾值之間的值。優(yōu)選地，IR處理器進(jìn)一步包括與所述紅外傳感器連接的視野光闌。有利地，所述IR處理器與航空器控制系統(tǒng)連接。優(yōu)選地，所述航空器控制系統(tǒng)無線連接至中心處理站；并且當(dāng)在水汽云中探測到火山灰時，所述航空器控制系統(tǒng)發(fā)送信號至所述中心處理站。下面公開和要求保護本發(fā)明的其他方面。附圖簡述

圖1是顯示朝著包含嵌入的火山灰顆粒的水汽云飛行的航空器的圖(未按比例)。圖2是顯示包含嵌入凝結(jié)物顆粒中的火山灰顆粒的水汽云內(nèi)部近景的圖。圖3是顯示用于探測火山灰顆粒的系統(tǒng)的圖，所述系統(tǒng)安裝在已飛行穿過包含嵌入的火山灰顆粒的水汽云并留下包含加熱的和暴露的火山灰顆粒的噴氣廢氣尾跡的航空器上。圖4是用于探測嵌入水汽云中的火山灰顆粒的系統(tǒng)的方框圖。圖5描述用于探測嵌入水汽云中的火山灰顆粒的方法的步驟。圖6是顯示通過如本文描述的定位并定向的紅外傳感器探測的估計的紅外發(fā)射的圖。圖7A-7D描述另外的噴氣式發(fā)動機構(gòu)造和適合那些噴氣式發(fā)動機構(gòu)造的用于探測灰燼的傳感器的示例性布置和定向。下文將參考附圖，其中在不同附圖中類似的要素具有相同的參考數(shù)字。發(fā)明詳述本公開提供用于及早探測嵌入云中的火山灰的系統(tǒng)和方法。在圖1中，航空器100描述為朝著具有火山灰104的水汽云102飛行。在圖2中，顯示水汽云102的近景，其中火山灰顆粒202嵌入水滴204中。盡管下面描述的為嵌入水滴204中，但是火山灰顆粒202也可嵌入冰晶中。在航空器100已經(jīng)飛行經(jīng)過至少部分包含火山灰顆粒202的水汽云102之后，使用本文提供的公開內(nèi)容完成水汽云中的火山灰的探測，如在圖3中所顯示。當(dāng)航空器通過包含火山灰的水汽云時，包含水汽和火山灰顆粒202的進(jìn)入空氣302進(jìn)入發(fā)動機318。一些灰燼顆粒直接通過，并被航空器的噴氣式發(fā)動機加熱。這具有兩個影響。首先，由于噴氣式發(fā)動機燃燒的高溫，具有嵌入的灰燼顆粒的液滴中的水蒸汽汽化，去除液滴中的灰燼顆粒并暴露灰燼顆粒(或如果嵌入冰晶，冰被類似融化并汽化，暴露火山灰顆粒)。第二，灰燼顆粒被加熱。這些加熱的灰燼顆粒的熱特征允許被配置為在電磁波譜的紅外波段中搜索特定電磁輻射發(fā)射的紅外(本文也稱為“IR”)傳感器進(jìn)行探測。如本文所使用，術(shù)語“紅外發(fā)射”和“紅外輻射”具有相同的意思，并且指的是電磁波譜的紅外波段中的電磁輻射。噴氣廢氣316包含加熱的灰燼顆粒、加熱的煙塵顆粒和加熱的氣體。煙塵顆粒是烴燃燒的副產(chǎn)物并由復(fù)雜的烴分子組成。噴氣廢氣316中的煙塵顆粒被加熱至與灰燼顆粒類似的溫度。具有紅外傳感器的對準(zhǔn)噴氣式發(fā)動機廢氣的系統(tǒng)可因此用于探測灰燼的存在。這種系統(tǒng)結(jié)合圖3中的飛機進(jìn)行描述并描繪為圖4中的方框圖。在圖4中顯示多個紅外傳感器。這些表示可布置在航空器不同位置上以觀測來自不同噴氣式發(fā)動機的廢氣的傳感器。如果系統(tǒng)304探測到指示火山灰顆粒的紅外輻射，則通知信號發(fā)送至包括硬件和軟件的航空器中心控制系統(tǒng)326，本文也稱為“計算機”，其可接著通知飛行員航空器已經(jīng)飛行穿過包含火山灰的水汽云。飛行員可接著采取任何必要的正確措施，這些措施可包括使發(fā)動機減速并改變航空器的航線以避開火山灰。因為系統(tǒng)304允許在發(fā)動機故障之前探測到灰燼，避免飛行穿過灰燼經(jīng)過長的時間間隔，從而防止灰燼對航空器部件的另外的損壞。系統(tǒng)包括與航空器100上的如此位置連接的紅外傳感器312，從所述位置可通過傳感器312光學(xué)地監(jiān)測噴氣式發(fā)動機318的廢氣316。傳感器312可以是標(biāo)準(zhǔn)紅外傳感器，其能夠承受飛行期間航空器機身外表面上存在的條件一即大風(fēng)、振動和低溫，并應(yīng)當(dāng)能夠精確識別紅外強度和波長。在圖3中所描述的實施方式中，噴氣式發(fā)動機318從機翼320向下延伸，以便位于機翼320的下部322的紅外傳感器312可被指引，從而其觀測廢氣316，而不被航空器100的其他部分阻擋。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到存在許多航空器噴氣式發(fā)動機構(gòu)造，并且傳感器在機翼底部上的布置簡單地為可用在圖3中描述的航空器噴氣式發(fā)動機構(gòu)造中的示例性構(gòu)造。紅外傳感器312與火山灰紅外簽名處理組件324 (本文也稱為“ IR處理器”)連接。IR處理器324從IR傳感器312接收原始數(shù)據(jù)并分析該數(shù)據(jù)，以確定在噴氣式發(fā)動機廢氣316中是否存在火山灰。IR處理器324可與航空器中心控制系統(tǒng)/計算機326連接。IR處理器324可以是任何能夠分析IR傳感器312提供的原始數(shù)據(jù)并根據(jù)原始數(shù)據(jù)合理區(qū)分火山灰存在的組件。這種組件的例子包括與包含用于分析來自傳感器的原始數(shù)據(jù)以便確定存在火山灰的指令的數(shù)字存儲器連接的數(shù)字處理器，或構(gòu)建以進(jìn)行必要計算的模擬電路。IR處理器324可以是單機的、分開的物理組件或可以是進(jìn)入將以其他方式存在的航空器組件中的被編程的指令組。通過使用顯示器328，計算機326可警告飛行員存在灰燼，并且飛行員可采取適當(dāng)?shù)男袆?。任選地，當(dāng)探測到灰燼時，計算機326可使用危險避免系統(tǒng)330自動采取行動。例如，如果探測到嚴(yán)重水平的灰燼，系統(tǒng)可自動使發(fā)動機減速并降低海拔，或可在提示飛行員之后這樣做。任選地，通過使用通信系統(tǒng)332，計算機326可轉(zhuǎn)播(傳遞，relay)火山灰存在的信息至其他航空器或至地面的計算機。優(yōu)選地，定向紅外傳感器312以使產(chǎn)生自加熱的火山灰顆粒的IR簽名的可區(qū)分性最大化。所有物體發(fā)射光譜峰值波長與其溫度成反比的黑體輻射。這包括大氣氣體、航空器組件、懸浮在空氣中的固體顆粒，比如灰燼和煙塵，以及其他物體。對于由波長對強度的圖組成的數(shù)據(jù)的“光譜峰值”是強度的局部最大值?！肮庾V峰值波長”是出現(xiàn)局部最大值的波長。在給定溫度下理想黑體的理想黑體輻射曲線具有單個光譜峰值，該光譜峰值具有單個光譜峰值波長。在地球上存在的溫度范圍內(nèi)，所有的物體在電磁輻射光譜的紅外波段中發(fā)射明顯的黑體福射。因此，對準(zhǔn)噴氣廢氣的IR傳感器將探測從物體而不是僅僅加熱的灰燼顆粒發(fā)射的IR輻射。但是，可以許多方式將從灰燼顆粒發(fā)射的IR與其他正常探測的IR福射區(qū)分開。優(yōu)選地，應(yīng)當(dāng)確保IR傳感器312指向遠(yuǎn)離任何固體航空器部件，尤其是靠近發(fā)動機318的航空器100的加熱的部件和發(fā)動機318本身。這是因為固體航空器100部件比如發(fā)動機318發(fā)射大量的與熱灰燼類似波長的IR輻射。如果IR傳感器312被定向以便其接收來自固體航空器部件的IR輻射，則來自固體航空器部件的信號可“淹沒”來自灰燼的信號，并且將難以或不可能與來自灰燼的IR信號區(qū)分。因此，優(yōu)選地，紅外傳感器312應(yīng)當(dāng)指向以僅僅觀測來自噴氣式發(fā)動機318的廢氣316，以便IR傳感器312僅僅探測來自下列的IR發(fā)射a)從噴氣式發(fā)動機離開的加熱的廢氣山)離開發(fā)動機的任何加熱的煙塵顆粒；c)離開發(fā)動機的任何加熱的火山灰顆粒；和d)未加熱的背景氣氛。根據(jù)這一觀測，不包括固體航空器部件。IR傳感器312可具有限制傳感器IR視覺范圍的特征。例如，外圍罩可用于阻擋來自限定的視覺范圍之外的位置的電磁輻射。這可有助于屏蔽來自固體航空器組件的發(fā)射。

對于在圖3中描繪的航空器100，紅外傳感器312以相對于航空器100的長度的角α在大體上對應(yīng)10°至45°的方向向下指，并面向航空器100的尾部。這使得傳感器312避免觀測航空器100的固體部件，同時也使得傳感器312觀測保持來自噴氣式發(fā)動機318的足夠熱的廢氣316。如果傳感器312過于向下指，具有收集來自固體航空器部件的發(fā)射的風(fēng)險，而如果傳感器過于向后指(例如，相對于前至后的軸小于約10°向下)，則其將不能充分觀測到加熱的航空器廢氣316。如果觀測到的廢氣316是未充分加熱的，則來自灰燼顆粒的IR信號的信噪比可能太低，在該情況下來自火山灰顆粒的任何發(fā)射與噪聲可能是不可區(qū)分的。根據(jù)IR傳感器312在機翼上的位置，IR傳感器可能必須對準(zhǔn)左邊或右邊，以便面向噴氣式發(fā)動機廢氣316。當(dāng)傳感器在機翼上定位時,應(yīng)當(dāng)記住傳感器應(yīng)當(dāng)定位以避免觀測固體航空器部件。IR傳感器312指向遠(yuǎn)離任何固體航空器部件，來自灰燼的IR信號可與航空器附近顯著量的黑體輻射的其他發(fā)射體發(fā)射的IR區(qū)分開。未加熱的周圍大氣334發(fā)射與加熱的噴氣廢氣316——包括加熱的氣體、火山灰和煙塵——的部件發(fā)射的不同的輻射模式。包括從噴氣式發(fā)動機318離開的灰燼顆粒的噴氣廢氣316的溫度通常為約900Κ至1100Κ。因為所有的物體發(fā)射光譜峰值波長與其溫度成反比的黑體輻射，所以灰燼顆粒的溫度產(chǎn)生IR模式，該IR模式具有與更冷得多的周圍大氣不同的光譜峰值。未加熱的、周圍的大氣氣體334具有隨著航空器100的海拔而變化的溫度。例如，在高于海平面30，000英尺處，平均溫度為約-47. 83° F或228. 8K。在35，000英尺處，溫度為約-65. 61° F或218. 9222K。在該溫度氣體的光譜峰值為約12. 7微米。該溫度比發(fā)動機318附近的噴氣廢氣316的溫度低很多。因為在給定溫度下任何物體的黑體輻射的強度對于顯著低于該溫度黑體輻射模式的光譜峰值波長的波長迅速下降，所以冷的大氣氣體334的黑體輻射對加熱的噴氣廢氣316在光譜峰值波長處的發(fā)射的貢獻(xiàn)幾乎為零。來自加熱的噴氣廢氣316的發(fā)射可因此容易地通過簡單地檢查廢氣發(fā)射316在光譜峰值波長處或其附近的紅外輻射的強度并忽略冷的大氣在光譜峰值波長附近的發(fā)射與周圍的大氣區(qū)分開。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到IR發(fā)射不需要在廢氣發(fā)射316的精確光譜峰值波長處檢查?？蓹z查加熱的廢氣的精確光譜峰值波長周圍或附近的IR波長范圍或“光譜窗口”，其具有類似的結(jié)果。來自發(fā)動機316的所有廢氣組分被加熱至約相同的溫度。這包括廢氣氣體，以及煙塵顆粒和存在的任何火山灰顆粒。因為固體顆粒是比氣體更強得多的IR發(fā)射體，加熱的廢氣316在光譜峰值波長處的IR發(fā)射將主要為來自煙塵顆粒和存在的任何火山灰顆粒的發(fā)射。為了確定在這些發(fā)射中是否有任何火山灰，在光譜峰值波長處的IR發(fā)射強度一直被監(jiān)測以確定是否有對應(yīng)于另外的固體顆?！椿鹕交翌w?！漠惓Ｉ?。在該光譜峰值波長處或其附近的IR輻射的足夠升高將總是指示以火山灰顆粒形式的另外固體顆粒的存在。在平流層的巡航海拔處，火山灰事實上是以足夠濃度存在的造成這種IR輻射升高的僅有的固體顆粒形式。沙塵暴或來自火的煙通常都無法高達(dá)巡航海拔。值得注意的例外是來自大的核爆炸的煙和沙塵或來自對流層中沙塵暴的沙塵。這種煙和沙塵也可造成IR輻射的異常升高并且被系統(tǒng)探測為火山灰。但是，因為這種顆粒也應(yīng)當(dāng)被航空器避開，所以系統(tǒng)的探測是有益的。圖5呈現(xiàn)了一種方法，其用于確定在對應(yīng)于加熱的火山灰的光譜峰值波長處是否有強度的異常升高。 在步驟500，確定在目前飛行條件下噴氣式發(fā)動機廢氣的光譜峰值波長。這可通過確定噴氣廢氣316在被檢查位置的溫度并應(yīng)用維恩位移定律以計算給定溫度的光譜峰值波長(λ_)進(jìn)行。維恩位移定律允許計算理想黑體在給定溫度的光譜峰值波長Umax)。其表述為Xmax=b/T，其中T是理想黑體溫度，并且b是維恩位移常數(shù)，等于2. 8977685 X 10 · K。使用該定律，噴氣廢氣在1000K的黑體輻射的波長光譜峰值可計算為2. 8977685 X 10 ·Κ/1000Κ=2. 8977685 X l(T6m=約3微米。將期望監(jiān)測在該波長處的發(fā)射以探測火山灰的存在。但是，因為大氣中的水分子具有從約2. 3至3. 2微米的強吸收峰，所以可能難以在該范圍內(nèi)得到來自火山灰的好的IR發(fā)射測量值。因此，選擇該水分子吸收峰范圍之外的波長范圍以獲得來自火山灰的強信號。出于該目的，3. 2和3. 4微米之間的范圍是監(jiān)測的合適范圍。在步驟502，測定廢氣在光譜峰值波長處或其附近紅外發(fā)射的“正常的”或“穩(wěn)定狀態(tài)”強度水平。該“穩(wěn)定狀態(tài)”強度水平主要由從發(fā)動機離開的煙塵造成。因此等于煙塵發(fā)射的紅外輻射的強度。離開發(fā)動機的煙塵量以及因此“穩(wěn)定狀態(tài)”強度水平可根據(jù)目前的飛行條件而改變。但是，在恒定的或緩慢改變的飛行條件下，與“穩(wěn)定的”輻射強度水平相反的強度的突然升高可指示超過預(yù)料的煙塵量的另外的IR發(fā)射體的存在?？芍甘緡姎鈴U氣中非期望的火山灰水平的這種升高的速度可以是基于使用者——比如飛行員或技術(shù)人員——希望系統(tǒng)成為如何靈敏，使用者可選擇的參數(shù)。一些這類使用者可能更偏好警報，而其他的將容忍較少的假警報，并將僅僅希望獲得關(guān)于非常嚴(yán)重遭遇的警報。IR強度增加的異常時間周期的示例性值是對于相對小的升高(例如，20%升高)為I分鐘和對于大的升高(例如，100%升高)為10分鐘。根據(jù)廢氣316中灰燼的量，以火山灰形式的另外發(fā)射體的存在將造成在光譜峰值波長處發(fā)射的輻射強度按一定的系數(shù)(“異?！毕禂?shù))增加。在步驟504，監(jiān)測在該光譜峰值波長處的強度增加高于對應(yīng)于非期望的火山灰量的強度水平閾值?？梢砸栽S多方式測定強度閾值。第一種方式中，閾值取決于包括不期望濃度的火山灰的顆粒(比如灰燼和煙塵)的升高濃度與僅僅包括正常水平煙塵的固體顆粒的正常濃度的比例。因為懸浮在空氣中的固體顆粒發(fā)射的黑體輻射與固體顆粒的濃度成比例，所以強度閾值可如下計算為相對于在光譜峰值波長處IR穩(wěn)定狀態(tài)強度水平的百分?jǐn)?shù)增加。在下面的計算中，Ca等于噴氣廢氣中灰燼的非期望的濃度，Cs等于噴氣式發(fā)動機廢氣中煙塵的正常濃度，Cp等于Ca+Cs，其等于包括非期望量的灰燼的總顆粒濃度，In等于在光譜峰值波長處“正常的”或“穩(wěn)定狀態(tài)”強度水平，并且It等于在光譜峰值波長處的強度水平閾值，其指示噴氣式發(fā)動機廢氣中火山灰的非期望的量。下列計算開始于假設(shè)在光譜峰值波長處輻射的強度水平與固體顆粒濃度的任何增加成正比例增加。因此，顆粒增加的濃度與顆粒正常濃度的比等于增加的強度水平與正常的強度水平的比。(Ca+Cs)/Cs=It/InIt=In (Ca+Cs)/CsIt=Cp/CsxIn換句話說，閾值強度水平可定義為在光譜峰值波長處具有非期望量的灰燼的總顆粒濃度與“正常的”顆粒濃度的比乘以紅外的正常強度水平。如果探測到該閾值強度水平，則在發(fā)動機廢氣中具有非期望量的火山灰。如果需要，可存在對應(yīng)不同火山灰濃度一例如Cal、Ca2等一的數(shù)個閾值強度水平一例如Itl、It2。在每個濃度可給予飛行員不同的警報。例如，第一濃度可指示在飛行之后需要加強維修程序的灰燼水平的存在，而第二更高濃度可指示飛行之后需要修理或更換部件。確定閾值強度水平的另一種方法是通過確定對于給定飛行條件合理可能的最高煙塵濃度，確定在相應(yīng)光譜峰值波長處紅外發(fā)射的相應(yīng)的強度水平(“最大強度水平”)，并確定高于合理置信一定存在的非期望濃度火山灰的增量。增量可表示為百分?jǐn)?shù)。例如，可選擇15%的增量從而閾值強度水平等于最大強度水平乘以115%。也可選擇一個增量，以便其小于使用非期望的顆粒濃度與正常的顆粒濃度的比計算的閾值強度水平，如上所闡釋的。因此，如果非期望的顆粒與正常的顆粒比為2比I (因此，100%增加)，增量可選擇為50%，其小于100%ο圖6描繪通過紅外傳感器對數(shù)個不同灰燼濃度無灰燼602、一些灰燼604和危險水平的灰燼606，探測的黑體輻射的估計。顯示每條曲線的光譜峰值608、610、612。每個水平的灰燼具有寬的光譜曲線。顯示窗口 614，其對應(yīng)于波長為約3. 2至3. 4微米的范圍。為測定強度水平，系統(tǒng)可使在該窗口 614中測量的強度水平平均。窗口 614中的示例性平均強度水平在圖6中描述為水平線?！耙恍┗覡a”曲線604的平均強度水平是線616，并且對于“危險灰燼”曲線606，平均強度水平是線618。在圖6中顯示的3條曲線的實例值顯示為無灰焊的O. 58任意單位,一些灰焊的O. 68任意單位和危險水平灰焊的1. 48任意單位?，F(xiàn)將提供實例計算以闡明上述概念。通常接受煙塵以O(shè). 04g每千克燃燒的燃料的比率從噴氣式發(fā)動機發(fā)射。這轉(zhuǎn)換成煙塵的濃度等于在噴嘴處約3. 3X10_4g/m3。換句話說，對于這些數(shù)值，噴氣式發(fā)動機廢氣中煙塵的標(biāo)準(zhǔn)濃度為約3. 3 X IOVm30測量在光譜窗口中該煙塵的IR輻射的正常強度水平。該正常的強度水平可標(biāo)記為100%強度水平并對應(yīng)于圖6中“無灰燼”曲線602。測定非期望濃度的灰燼。在這些實例計算中，提供來自歐洲飛行指南的危險火山灰濃度的數(shù)值。在歐洲，航空器必須進(jìn)行加強維修程序的灰燼濃度的閾值為2X 10_4g/m3并且航空器不應(yīng)飛行的灰燼濃度的閾值為2X10_3g/m3?？紤]在發(fā)動機中加熱的空氣熱膨脹，這些值轉(zhuǎn)換成對于加強維修程序的噴氣式發(fā)動機廢氣中的5X 10_5g/m3和對于不能飛行的閾值的噴氣式發(fā)動機廢氣中的5X10_4g/m3。加強維修程序的總的非期望濃度顆粒(煙塵加灰燼)等于3.3X10_4g/m3+5X10_5g/m3=3. 8X10_4g/m3。總的非期望顆粒與正常的顆粒的比是3. 8比3. 3，其等于115%。因此第一閾值可設(shè)為正常的IR發(fā)射(在圖6中顯不為第一閾值線616)的115%或可設(shè)為100%和115%之間的值。光譜窗口中符合該閾值的IR發(fā)射的觀察指示需要加強維修程序的灰燼濃度，其通常包括更頻繁檢查渦輪槳片和噴氣式發(fā)動機內(nèi)部的熱表面。不能飛行閾值的顆粒(煙塵加灰燼)的總的非期望的濃度等于3.3X10_4g/m3+5X10_4g/m3=8. 3X10_4g/m3?？偟姆瞧谕w粒與正常的顆粒的比為8. 3比3. 3，其等于250%。因此第二閾值可設(shè)為正常的IR發(fā)射(在圖6中描述為第二閾值線618)的250%或可設(shè)為100%和250%之間的值。光譜窗口 614中符合該閾值的IR發(fā)射的觀察指示灰燼的濃度，該濃度指示航空器不應(yīng)在該區(qū)域中飛行。圖7A-7D描繪數(shù)種其他航空器發(fā)動機構(gòu)造和對應(yīng)的示例性傳感器位置。在這些圖的每一個中，依照上述的原則選擇傳感器定向一即，傳感器應(yīng)當(dāng)定向以便傳感器觀測靠近發(fā)動機出口的噴氣式發(fā)動機廢氣，其因此保持明顯的加熱，但從而傳感器不探測來自固體航空器部件的IR輻射。圖7A-7B描繪雙發(fā)動機航空器700，其中每個發(fā)動機封裝在機身中。廢氣704在航空器的尾部離開發(fā)動機。紅外傳感器702可放置在航空器上的任何位置，在該位置可觀察到廢氣而固體航空器主體不包括在觀測中。該構(gòu)造中傳感器的一個位置是在航空器的尾部。在該位置，傳感器可以以相對于航空器的長度約10° -45°向下指，并且可以稍微小于約10°的角向左或向右指。在這種定向中，來自發(fā)動機的廢氣是可觀測的并且固體航空器組件不包括在觀測中。圖7C-7D描繪雙噴氣式構(gòu)造航空器720，其中兩個發(fā)動機附著在機翼的后端的機身并延伸至航空器720的側(cè)面。在這種構(gòu)造中，紅外傳感器722的合適位置也可在航空器的尾端。在該位置，傳感器可以以相對于航空器的長度約10° -45°向下指，并且可以以相對于航空器的寬度90°直向下指。盡管迄今公開的實施方式涉及在單個飛機上進(jìn)行的測量，但進(jìn)一步的實施方式使用在多個航空器上進(jìn)行的測量，測量數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)播至地面的中心處理站。中心處理站包括計算機，其將來自所有航空器的測量值與進(jìn)行該測量的位置和時間、氣象學(xué)的數(shù)據(jù)以及關(guān)于可能的火山點的信息結(jié)合一起，以更好地估計灰燼羽狀流的位置和其他特征。具體地，中心處理站可包含數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)，其接收來自多個航空器的紅外發(fā)射測量值并將其組合以形成羽狀流特征的估計，并任選地構(gòu)建羽狀流的三維模型。在該情況下，多個航空器的每一個經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送各自組的紅外發(fā)射測量值(和相關(guān)的元數(shù)據(jù)，比如航空器的時間和位置)至數(shù)據(jù)整合中心。更具體而言，每個航空器包括用于與網(wǎng)絡(luò)無線通信的發(fā)送器和天線。所有的測量值被并入數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)并用于探測火山羽狀流的存在和評估羽狀流的特征。任選地，數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)也構(gòu)建羽狀流的三維模型。當(dāng)來自多個航空器的測量的氣體濃度指示存在火山羽狀流時，數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)向人控制器發(fā)出警報，例如，通過控制器警報顯示器顯示的可見警報。具體的整合算法或方法可變化。有數(shù)種已知的硬件/軟件系統(tǒng)，其結(jié)合來自多個可移動傳感器的現(xiàn)象的觀測以產(chǎn)生比任何單個傳感器本身可作出的更好的估計。例如，來自許多氣球和航空器的氣象學(xué)的測量值經(jīng)無線電鏈路和地面網(wǎng)絡(luò)傳輸至工作站。工作站運行稱為4DVAR的軟件程序，其使用可變的成本最低的方法整合來自在各種時間和地點的多個傳感器的數(shù)據(jù)。(4DVAR方法的技術(shù)概述可見出版物“Data assimilation concepts and methods，，，F(xiàn). Boutier 和 P. Courtier, 1999 年 3 月，Meteorological Training Course Lecture Series,版權(quán) ECMWF 2002,在 http://www.ecmwf.1nt/newsevents/training/rcourse_notes/DATA_ASSIMILATION/ASSIM CONCEPTS/Assim concepts 11. html可獲得,其內(nèi)容通過引用以其整體并入本文)。其輸出是比來自單個傳感器的分析產(chǎn)生的更精確的大氣模型。另一例子是軍用雷達(dá)。來自多個地面和空中雷達(dá)的軍用雷達(dá)觀測經(jīng)各種網(wǎng)絡(luò)傳輸至工作站。工作站運行貝葉斯軟件模型，其結(jié)合來自各種雷達(dá)測量值的證據(jù)以精確追蹤敵方航空器。數(shù)據(jù)整合領(lǐng)域技術(shù)人員熟知這些方法。與普通氣象學(xué)情況相比，其中結(jié)合許多不同類型的數(shù)據(jù)，傳輸和結(jié)合來自不同航空器的紅外發(fā)射測量值(單一種類的數(shù)據(jù))的方法不需要本領(lǐng)域技術(shù)人員的過分試驗。按照本公開在多個航空器上安裝和監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)通信的IR傳感器提高了在火山羽狀流損壞任何航空器之前探測到和描述其的機會。來自探測到羽狀流的第一航空器的警報信號可轉(zhuǎn)播至該區(qū)域的所有航空器，甚至沒有灰燼羽狀流探測系統(tǒng)的那些。總之，與探測火山灰存在的現(xiàn)有方案相比，本文公開的實施方式提供獨特的優(yōu)點，這是因為不存在探測嵌入水汽云中的灰燼顆粒的方法。此外，本文公開的實施方式提供對飛機飛行員的直接警告，而不是依靠向飛行人員發(fā)出通知的過程。雖然已經(jīng)公開了數(shù)個示例性實施方式，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解在不背離本公開范圍的情況下，可進(jìn)行各種改變并且等價物可被替換為其要素。另外，在不背離其真正范圍的情況下，可進(jìn)行許多修改以使本公開的教導(dǎo)適合具體的環(huán)境。因此期望本公開不限于實施本公開的教導(dǎo)而公開的具體實施方式
。
權(quán)利要求
1.探測嵌入水汽云中的火山灰的方法，其包括下列步驟 測量噴氣式發(fā)動機廢氣的紅外發(fā)射；和 當(dāng)在光譜峰值波長處或其附近紅外發(fā)射的強度超過閾值時產(chǎn)生探測信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述閾值如下確定 確定在飛行期間所述光譜峰值波長處紅外發(fā)射的最大可能強度，其中在所述噴氣式發(fā)動機廢氣中基本上不存在火山灰；和 將所述最大可能的強度乘以增量以確定所述閾值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述閾值如下確定 確定在飛行期間所述光譜峰值波長處紅外發(fā)射的正常強度，其中在噴氣廢氣中基本上不存在火山灰； 識別在所述噴氣式發(fā)動機廢氣中存在的煙塵的正常濃度； 識別火山灰的第一有害濃度； 通過將所述正常濃度加至所述第一有害濃度計算總的有害顆粒濃度； 通過用所述總的有害顆粒濃度除以所述正常濃度計算第一濃度比；和 將所述正常的強度乘以所述第一濃度比以確定所述閾值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中閾值如下確定 確定在飛行期間所述光譜峰值波長處紅外發(fā)射的正常強度，其中在噴氣廢氣中基本上不存在火山灰； 識別在所述噴氣式發(fā)動機廢氣中存在的煙塵的正常濃度； 識別火山灰的第一有害濃度； 通過將所述正常濃度加至所述第一有害濃度計算總的有害顆粒濃度； 通過用所述總的有害顆粒濃度除以所述正常濃度計算第一濃度比；和 將所述正常的強度乘以所述第一濃度比以確定最大強度閾值；和 將所述閾值設(shè)置為所述正常的強度和所述最大強度閾值之間的值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 當(dāng)產(chǎn)生所述探測信號時通知飛行員。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 存在多個閾值；和 基于在所述光譜峰值波長處或其附近所述紅外發(fā)射超過哪個閾值產(chǎn)生不同的探測信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 當(dāng)產(chǎn)生所述探測信號時使所述發(fā)動機自動減速。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 當(dāng)產(chǎn)生所述探測信號時通知中心處理站水汽云中存在火山灰。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 測量紅外發(fā)射特征包括持續(xù)監(jiān)測在確定的光譜峰值波長處或其附近發(fā)射的光的強度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 提供紅外傳感器； 使所述傳感器與航空器在可觀測噴氣式發(fā)動機發(fā)射的位置處連接；和定向所述紅外傳感器以便基本上沒有航空器的固體部件被傳感器可觀測。
11.探測嵌入水汽云中的火山灰的系統(tǒng)，其包括定位并定向以觀測噴氣式發(fā)動機廢氣的紅外傳感器；和紅外(IR)處理器，其接收來自所述紅外傳感器的原始數(shù)據(jù)并確定什么時候存在高于閾值水平的火山灰量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述紅外傳感器安裝在航空器上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述航空器具有從機翼向下延伸的噴氣式發(fā)動機，所述紅外傳感器安裝在所述機翼的底部，并且所述紅外傳感器以相對于所述航空器的長度約10°和約45°之間的角度向后指。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述IR處理器被編程以當(dāng)在光譜峰值波長處或其附近的紅外發(fā)射的強度超過閾值時產(chǎn)生探測信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述IR處理器被編程以如下確定所述閾值確定在飛行期間所述光譜峰值波長處紅外發(fā)射的最大可能的強度，其中在噴氣廢氣中基本上不存在火山灰；和將所述最大可能的強度乘以增量以確定所述閾值。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述IR處理器被編程以如下確定所述閾值確定在飛行期間所述光譜峰值波長處紅外發(fā)射的正常的強度，其中在噴氣廢氣中基本上不存在火山灰；識別在所述噴氣式發(fā)動機廢氣中存在的煙塵的正常濃度；識別火山灰的第一有害濃度；通過將所述正常濃度加至所述第一有害濃度計算總的有害顆粒濃度；通過用所述總的有害顆粒濃度除以所述正常濃度計算第一濃度比；和將所述正常的強度乘以所述第一濃度比以確定所述閾值。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述IR處理器被編程以如下確定所述閾值確定在飛行期間所述光譜峰值波長處紅外發(fā)射的正常的強度，其中在噴氣廢氣中基本上不存在火山灰；識別在所述噴氣式發(fā)動機廢氣中存在的煙塵的正常濃度；識別火山灰的第一有害濃度；通過將所述正常濃度加至所述第一有害濃度計算總的有害顆粒濃度；通過用所述總的有害顆粒濃度除以所述正常濃度計算第一濃度比；和將所述正常的強度乘以所述第一濃度比以確定最大強度閾值；和將所述閾值設(shè)置為所述正常的強度和所述最大強度閾值之間的值。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與所述紅外傳感器連接的視野光闌。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述IR處理器與航空器控制系統(tǒng)連接。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述航空器控制系統(tǒng)無線連接至中心處理站；并且當(dāng)在水汽云中探測到火山灰時，所述航空器控制系統(tǒng)發(fā)送信號至所述中心處理站。
全文摘要
本發(fā)明名稱為“探測嵌入水汽云中的火山灰的系統(tǒng)和方法”。用于及早探測航空器已經(jīng)飛入嵌入水汽云中的具有對航空器有危險的火山灰濃度的火山灰羽狀流的機上系統(tǒng)和方法。探測方法一般包括測量噴氣式發(fā)動機廢氣的紅外發(fā)射特征，并當(dāng)在光譜峰值波長處或其附近紅外發(fā)射的強度超過閾值時產(chǎn)生探測信號的步驟。
文檔編號G01N21/85GK103048326SQ20121038434
公開日2013年4月17日 申請日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者B·J·蒂洛森 申請人:波音公司