Brevet FR2529686A1 — publié le 19840106

la présente invention se rapporte à la détection de rafales de vent et elle concerne un app-rreil pour lla détection de rafale de vent. L'aviation est affectée par des changements de la vitesse du vent d'un certain nombre de manières De petites variations rapides de vent secouent l'avion et produisent des perturbations en attitude angulaire sans avoir beaucoup d'effet sur la trajectoire de l'avion dans l'air Ces change- ments de vent sont habituellement appelés une turbulence. De plus grands changements de vent qui affectent la trajec- toire de l'avion dans l'air, et en particulier des change- ments de vent provoquant des perturbations importantes dans l'allure de descente d'un avion, sont appelés des rafales de vent Dans des conditions extrêmes, une rafale de vent peut provoquer un écrasement de l'avion au sol, ou même une rupture de la structure de l'avion. La réponse d'un avion à une rafale de vent est en relation à la fois avec la variation totale de la vitesse du vent et son taux de variation dans le temps Une combinai- son d'une grande variation totale de vitesse et d'un taux élevé de variation se traduit par un risque de haut niveau. On a consacré beaucoup d'efforts pour prévoir et éviter des rafales de vent en utilisant à l'heure actuelle principale- ment des techniques météorologiques Ces techniques météoro- logiques ont procuré seulement une assistance limitée pour éviter ou pénétrer de façon sûre dans des rafales de vent. Certains systèmes aéroportés utilisant des détecteurs norma- lement disponibles sur un avion ont aussi été utilisés Bien qu'ils procurent certains avantages, ils ne permettent de détecter une rafale de vent qu'après que l'avion l'a rencon- trée et il peut se produire de dangereuses variations d'alti- tude résultant de retards de quelques secondes seulement à réagir à la présence d'une rafale de vent Un facteur qui introduit un retard-dans l'identification d'une rafale de vent est la difficulté de distinction entre une rafale de vent dangereuse et une turbulence sans retard pour contrôler qu'un taux élevé de variation de vent est associé à une 2 2529686 grande variation totale de vent. On a-mis au point un appareil comportant un détecteur opérant vers l'avant et qui est capable de mesurer la vitesse de l'air par réflexion d'une lumière laser par des particules existant dans l'air On peut utiliser des lasers à onde continue ou pulsés à focalisation et, dans les deux cas, la vitesse de l'air peut être mesurée dans des zones situées bien en avant du détecteur et fournir à l'avance une indication de changements de la vitesse du vent avant que de tels changements n'atteignent la position du détec- teur La mesure de vitesse n'est pas identifiée avec préci- sion à une distance donnée en avant du détecteur. Conformément à la présente invention, un appareil de détection de rafale de vent comprend un détecteur de vitessse de l'air à laser opérant vers l'avant, qui fournit un signalcontenant une information sur la vitesse de l'air dans une gamme de distances avoisinant une distance de mesure, un analyseur de spectre pour identifier toutes les vitesses existant dans un échantillon temporel du signal, un moyen pour déterminer la vitesse de l'air essentiellement à la distance de mesure, un moyen pour déterminer la vitesse maximale et la vitesse minimale dans une gamme de distances placé d'un côté et de l'autre de la distance de mesure, un moyen pour combiner une séquence temporelle desdites vitesses afin de déterminer leurs taux de variation, un moyen pour calculer une mesure d'un niveau de risque de rafale de vent à partir desdites vitesses, de leurs taux de variation et de la distance de mesure ainsi que de la gamme de distances ou vitesses mesurées à un instant quel- conque, et un moyen pour comparer le niveau mesuré de risque de rafale de vent avec des limites correspondant à une rafale de vent acceptable dans des conditions courantes. Il est à noter que l'appareil conforme à la présente invention fournit une indication précoce d'une rafale de vent en avant du détecteur, qui peut être monté dans un avion ou au sol, et avec un dispositif approprié pour chan- ger la direction du faisceau laser, une rafale de vent peut être déterminée à la fois dans la direction du faisceau et dans une direction transversale En regardant en avant, il est possible de déterminer des taux de variation avant qu'une rafale de vent n'atteigne le détecteur et on élimine ainsi le retard qui se produirait si les mesures pouvaient seulement être faites sur le détecteur Egalement, en connaissant au même instant les vitesses maximale et minimale dans une gamme de distances placée en avant des distances de mesure imposées, il est possible de faire une distinction entre une rafale de vent et une turbulence sans aucun autre retard. De préférence, le niveau de risque de rafale de vent est calculé à des intervalles de temps étroitement espacés pour tenir compte de variations de conditions de la vitesse du vent et, dans des appareils d'instrumentation d'un avion, des conditions de vol La mesure du niveau de risque de rafale de vent, ou bien sa comparaison avec des limites correspondant à un niveau acceptable de risque de rafale de vent, est de préférence transmise à une unité d'affichage, ou bien à un système de commande en vue d'une action immé- diate. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple illustratif et en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma à blocs d'un appareil conforme à la présente invention et installé dans un avion, la figure 2 représente une distribution de réceptions sur une longueur de mesure L à une distance de mesure X, la figure 3 représente une transformation de vitesse sur la longueur de mesure L, et la figure 4 montre l'évolution dans le temps de vitesses instantanées du vent. Un appareil de détection de rafale de vent destiné à être installé dans un avion 10 comprend un détecteur opé- rant vers l'avant et se présentant sous la forme d'une unité optique à laser 11 Le laser est du type à onde continue et il est optiquement focalisé jusqu'à une largeur minimale 4 2529686 de faisceau en un point 14, situé à une distance de mesure X en avant du détecteur 11 Des réflexions provenant de parti- cules portées dans l'air sont reçues par l'unité optique, mélangées avec une proportion du faisceau laser transmis et détectés par un capteur dans l'unité optique 11 Le signal 12 provenant de l'unité optique contient des composantes de fréquences qui sont fonction des vitesses de l'air dans la zone environnant le point 14 La nature et le fonctionnement de l'unité à laser ont été décrites dans la littérature technique. La distribution de réceptions 20 (fig 2-) provenant de particules situées à une distance d d'une unité optique à laser en O présente une crête à une distance X, avant de tomber en-dessous d'un niveau de bruit N en 22 et 23 En con- séquence, une information est obtenue sur une longueur L de part et d'autre de la distance de mesure OX. Un court échantillon temporel du signal de sortie de détecteur 12 est reçu par un analyseur de spectre 15 qui effectue, dans une autre courte période, une transformation de vitesse sur la longueur 2 L Ce processus est ensuite répété pour produire une séquence temporelle de transformations -de vitesse dans une ligne de sortie 16 en vue de leur transmis- sion à un processeur de signaux 17 Une transformation de vitesse 30 (fig 3) ne fournit aucune information certaine sur la position de l'air avec une vitesse donnée sur la lon- gueur 2 L Cependant, on peut se rendre compte que des varia- tions de vitesse en X, o la puissance du signal est la plus grande, ont la plus grande probabilité d'être les mêmes que des variations de V It c'est-à-dire la crête de la transforma- tion de vitesse 30 Il est clair que, si la longueur de mesure 2 L peut être réduite, le niveau de certitude que VI soit la vitesse réelle à la distance de mesure X est augmenté. L'appareil qui vient d'être décrit est connu et, à l'heure actuelle, des tentatives pour obtenir des détecteurs perfec- tionnés de rafales de vent ont été centrées sur une réduction de L. Conformément à la présente invention, le processeur de signaux 17 (fig 1) comprend des moyens pour déterminer la vitesse instantanée probable VI à la distance de mesure X à partir du signal de sortie 16 de l'analyseur de spectre, et, si nécessaire, des moyens pour améliorer la définition du signal au-dessus du niveau de bruit par addition à ce signal d'une série de signaux de sortie 16 On peut établir une courbe 40 représentant la vitesse de l'air en fonction du temps (fig 4) et une indication du taux de variation de la vitesse de l'air 45 est obtenue dans le processeur de signaux par différenciation d'une pluralité de valeurs ins- tantanées de vitesses, telles que 41,42,43, en utilisant des méthodes de calcul bien connues Pour qu'il existe une rafale de vent significative, ce taux de variation doit dépasser une valeur déterminée par l'aptitude de l'avion à contrebalancer le taux de variation Cette valeur peut être prédéterminée, ou calculée à partir des conditions de vol, de la configuration de l'avion et du réglage de puis- sance dans un calculateur de limite de risque 13 (fig 1) et cela se traduit par l'application d'un signal 18 au processeur de signaux Un taux excessif de variation n'est pas suffisant pour une détection de rafale de vent du fait que de tels taux existent dans une turbulence Le processeur de signaux 17, comprend des moyens pour indiquer la vitesse instantanée maximale VM (fig 3) et la vitesse instantanée minimale VN sur la longueur 2 L- Une comparaison des combi- naisons de ces vitesses ainsi que le taux de variation de VI par rapport à des limites, ou bien à d'autres valeurs calculées par le calculateur de limite de risque, permet de distinguer une rafale de vent d'une turbulence Des moyens sont prévus pour réduire des signaux résiduels résultant d'une turbulence de manière que des signaux provenant du processeur soient appropriés pour un affichage ou pour une utilisation dans un système de commande. On va maintenant décrire des exemples d'utilisation de l'appareil conforme à la présente invention. Le processeur de signaux 17 fournit une indication du taux de variation de vitesse de l'air 45 à la distance de mesure X et à l'instant T 2 à partir des vitesses instanta- nées (VI) 46,47,48 aux instants T 1, T 2 et T 3 Il est à noter qu'un taux de variation semblable de la vitesse 49 existe à l'instant T 5 Cependant il faut remarquer que seulement une turbulence existe à l'instant T 2 tandis qu'une rafale de vent très dangereuse existe à l'instant T 5 Dans l'exemple représenté sur la figure 4, les deux conditions sont distin- guées par l'indication d'une vitesse maximale de l'air sur la longueur de mesure 2 L A l'instant T 2, la vitesse maximale VM diffère de la vitesse instantanée V 1 seulement d'une faible quantité alors qu'à l'instant T 5 cette différence est grande. En conséquence une fonction de combinaison du taux de varia- tion de la vitesse instantanée et de la différence entre la vitesse instantanée et la vitesse maximale permet d'identifier une rafale de vent Cela est le cas pour une rafale de vent dont la vitesse augmente dans le temps Si la vitesse d'une rafale de vent diminue dans le temps, le taux de variation est alors négatif et la différence entre la vitesse instan- tanée et la vitesse minimale est utilisée pour distinguer une rafale du vent d'une turbulence Il est à noter que l'aptitude de la présente invention à identifier des vitesses maximales et minimales à une distance L en avant du point de mesure X fournit une anticipation additionnelle par compa- raison à ce qui est disponible si seulement la vitesse instan- tanêe au point-X est connue La vitesse d'avance de l'avion fournit une transformation directe d'une distance dans le temps. Les valeurs de la fonction de combinaison définis- sent la grandeur de la rafale de vent et, par comparaison de cette grandeur avec des niveaux de risque de rafale de vent qui ont été prédéterminés (ou calculés) pour un avion donné et une condition de fonctionnement donnée, un signal peut être fourni à un visualiseur du pilote ou bien à un sys- tème de commande Le signal fourni au visualiseur peut conte- nir des indications d'avertissement. Il est à noter qu'un appareil de détection de rafale de vent conforme à la présente invention fournit une indication précoce d'une rafale de vent, en donnant un temps maximum pour qu'une action soit exercée par un pilote obser- vant un visualiseur d'avertissement 100 ou bien par un système de commande 101 En particulier on se rend compte qu'une détection de rafale de vent peut être effectuée aussi bien aussitôt que le taux prédéterminé de variation est dépassé qu'aussitôt qu'une vitesse maximale dépassant la limite de vitesse de turbulence est présente dans la transformation de vitesse Dans l'exemple considéré, un avertissement peut être produit à l'instant T 4 (fig 4) et il est à noter qu'il se produit bien plus tôt que si on avait à attendre la mani- festation d'une perturbation d Ue à une rafale à la distance de mesure X, comme ce serait le cas avec des systèmes connus basés seulement sur la connaissance de VI. Un autre avantage de la présente invention consiste en ce que l'absence d'une rafale de vent se produisant à l'intérieur de la distance L est établie de façon sûre à l'instant T 2 Dans les systèmes connus, cela ne peut pas être établi jusqu'à l'instant T 4. Conformément à la présente invention, la distance de mesure, la longueur de mesure et les limites de rafale de vent peuvent être choisies pour optimiser la détection pour des conditions particulières de vol et il est possible par exemple de les modifier en cours de vol en fonction de la vitesse, de l'altitude, du réglage de puissance et de la configuration de l'avion. Un taux de variation de la vitesse peut être combi- né avec différentes combinaisons de l'information de vitesse disponibles au même instant Par exemple, la différence entre VM et VN constitue une autre fonction distinguant une rafale de vent d'une turbulence. Dans des modes de réalisation utilisant des unités à lasers pulsés à la place d'unités à lasers à onde continue focalisés ou concentrés, la longueur 2 L et déterminée par - la forme et la durée de l'impulsion du laser et la distance X est déterminée par minutage des impulsions de retour. A d'autres aspects, les principes de la détection de rafale de vent décrits ci-dessus ont été appliqués aux deux types d'unités à lasers. Le mode de réalisation et les exemples de la présente invention qui ont été décrits ci-dessus conviennent pour être installés à bord d'un avion en vue de fournir un avertissement précoce de conditions correspondant à des rafales de vent en avant d'un avion Il est à noter que la présente invention n'est cependant pas limitée dans ses applications à une installation aéroportée En particulier, un appareil conforme à la présente invention peut être basé au sol o l'enregistrement dans le temps et à distance de la vitesse instantanée du vent peut être établie en effec- tuant des transformations de vitesses à différentes dis- tances de mesure. REVENDICATIONS - 1 Appareil de détection de rafale de vent, carac- térisé en ce qu'il comprend un détecteur de vitesse de l'air à laser opérant vers l'avant ( 11), qui fournit un signal contenant une information sur la vitesse de l'air dans une gamme de distances avoisinant une distance de mesure, un analyseur de spectre ( 15) pour identifier toutes les vitesses existant dans un échantillon temporel du signal, un moyen ( 17) pour déterminer la vitesse de l'air essentiellement - à la distance de mesure, un moyen ( 17) pour déterminer la vitesse maxiamle et la vitesse minimale dans une gamme de distance placée d'un côté et de l'autre de la distance de mesure, un moyen pour combiner une séquence temporelle des- dites vitesses afin de déterminer leurs taux de variation, un moyen ( 13) pour calculer une mesure d'un niveau de risque de rafale de vent à partir desdites vitesses, de leurs taux de variation et de la distance de mesure ainsi que de la gamme de distances ou vitesses mesurées à un instant quel- conque, et un moyen ( 17) pour comparer le niveau mesuré de risque de rafale de vent avec des limites correspondant à une rafale de vent acceptable dans des conditions courantes. 2 Appareil de détection de rafale de vent selon la revendication 1, caractérisé en ce que le niveau de risque de rafale de vent est recalculé à des intervalles de temps étroitement espacés. 3 Appareil de détection de rafale de vent selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le niveau de risque de rafale de vent, ou sa comparaison avec des limites correspondant à une rafale de vent acceptable, est transmis à une unité d'affichage ( 100). 4 Appareil de détection de rafale de vent selon l'une quelconque dés revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un laser ( 11) du type à onde continue. Appareil de détection de rafale de vent selon la revendication 4, caractérisé en ce que le laser ( 11) est optiquement focalisé ou concentré à une largeur minimale de faisceau à la distance de mesure (X). 6 Appareil de détection de rafale de vent selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une limite de niveau de risque de rafale de vent est caclulée dans un calculateur de limite de risque ( 13) en concordance avec les conditions existantes. 7 Appareil de détection de rafale de vfent pour une installation aéroportée selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que, en service, un niveau de risque de rafale de vent, ou sa comparaison avec des limites correspondant à une rafale de vent acceptable est transmis à un système de commande d'avion ( 101). 8 Appareil de détection de rafale de vent pour une installation aéroportée selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, caractérisé en ce que la distance de mesure ou les limites de rafale de vent peuvent être modifiées en vol. 9 Avion comportant un appareil de détection de rafale de vent selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. Appareil de détection de rafale de vent selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, destiné à opérer au sol, caractérisé en ce qu'un enregistrement dans le temps et à distance de la vitesse instantanée du vent est établi en effectuant des transformations de vitesses à des distances de mesure différentes.