Brevet FR2768122A1 — publié le 19990312

DISPOSITIF OPTIQUE DE DETECTION DE CONDITIONS GIVRANTES SUR AERONEF Le domaine de l'invention est celui de la détection de conditions givrantes pour les aéronefs. Le problème de formation rapide de givre reste à l'heure actuelle un problème grave pouvant entraîner des accidents lorsqu'il se produit soudainement et qu'il n'a pu être détecté en amont. La mesure de la sécurité des conditions givrantes dépend des paramètres suivants: - la température; - la sévérité des conditions givrantes qui est égale au produit de la concentration d'eau par la vitesse de l'aéronef. Actuellement, les aéronefs sont équipés de sonde de température, leur vitesse est connue mais la sévérité des conditions givrantes n'est pas déterminée. Les systèmes actuels de mesure détectent l'apparition de givre mais ne déterminent pas les conditions givrantes. Les aéronefs peuvent notamment être équipés de protubérance de type barreau. Lorsque le barreau a givré, on envoie de la puissance électrique pour le dégivrer. Un voyant lumineux informe alors le pilote de l'aéronef qu'il est temps de déclencher le dispositif de dégivrage. Des dispositifs prédictifs voisins existent; ils consistent à chauffer en permanence le barreau, la puissance électrique nécessaire au chauffage augmente lorsque des particules d'eau viennent en contact dudit barreau. Le suivi de l'évolution de la puissance électrique à déployer donne une indication des conditions givrantes. Néanmoins, dans les dispositifs de l'art antérieur, il est nécessaire d'utiliser une protubérance, en plus des sondes de températures existantes, alors que l'on cherche en permanence à perfectionner l'aérodynamisme des aéronefs. C'est pourquoi l'invention propose un dispositif optique de détection de conditions givrantes fonctionnant à travers une fenêtre optique de l'avion ou même à travers la sonde de température comme il sera explicité ultérieurement. Plus précisément, I'invention a pour objet un dispositif optique de détection de conditions givrantes embarqué dans un aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: - des moyens d'émission d'un faisceau optique pour créer au moins un volume de mesure extérieur éclairé, au travers duquel circule un flux d'air chargé de particules d'eau; - une optique collectrice d'une partie au moins du faisceau lumineux rétrodiffusé par les particules d'eau; - des moyens de photodétection de faisceau optique rétrodiffusé (le volume de mesure extérieur étant situé sur l'axe optique de ladite optique collectrice); - un dispositif de traitement du signal délivré par les moyens de photodétection pour calculer la sévérité des conditions givrantes; - des moyens d'information sur les conditions givrantes à partir de la sévérité des conditions givrantes. Avantageusement, les moyens d'émission peuvent comprendre une source de type diode laser de faible encombrement et faible poids, le dispositif de l'invention ne nécessitant pas d'utiliser de fortes puissances optiques, quelques mWatts étant suffisants. On peut ainsi faire fonctionner la sonde sans faire prendre de risque oculaire à une personne qui mettrait son oeil dans le faisceau optique émis. Selon une variante de l'invention, il est possible de procéder à une analyse très fine des conditions givrantes en différenciant les particules d'eau liquide à l'état surfondu (température inférieure à 0 degré) et les particules d'eau solide. En effet, les particules d'eau liquide représentent un danger accru, dans la mesure o elles viennent givrer instantanément sur l'aéronef lorsqu'elles rentrent en collision avec lui. Cette analyse repose sur le fait que des gouttes d'eau surfondues conservent la polarisation linéaire alors que des cristaux de glace dépolarisent la lumière. Pour mettre en oeuvre cette analyse, le dispositif optique selon l'invention peut comprendre au niveau de l'optique collectrice: un séparateur de polarisation de manière à isoler les faisceaux optiques rétrodiffusés de polarisation différente; les moyens d'émission ayant en amont délivré un faisceau optique polarisé. Ces deux faisceaux optiques rétrodiffusés peuvent simultanément être détectés par deux photodétecteurs ou bien peuvent être détectés par un unique photodétecteur, après avoir été séparés temporellement. Le dispositif optique peut également comprendre au niveau des moyens d'émission un élément biréfringent capable de générer deux faisceaux optiques de polarisation différente dans des directions légèrement différentes et ainsi deux volumes de mesure éclairés décalés et donc deux faisceaux optiques rétrodiffusés également décalés. Selon une variante de l'invention, le dispositif optique peut être intégré dans l'aéronef et fonctionner à travers une fenêtre optique. Selon une autre variante de l'invention, le dispositif optique peut être intégré à la sonde de température. Une telle configuration comprend: - une fibre optique pour l'émission reliant les moyens d'émission intégrés à l'aéronef jusqu'à l'extrémité extérieure de la sonde de température; - une fibre optique pour la réception reliant l'extrémité extérieure de la sonde de température jusqu'aux moyens de réception et de traitement du signal, intégrés à l'aéronef. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront a la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un schéma du dispositif optique de détection de conditions givrantes; - la figure 2 illustre un premier exemple de dispositif optique de détection de conditions givrantes comprenant des moyens de différenciation des particules d'eau liquide et des particules d'eau solide et deux photodétecteurs; - la figure 3 illustre un deuxième exemple de dispositif optique de conditions givrantes comprenant des moyens de différenciation des particules d'eau liquide et des particules d'eau solide avec un photodétecteur; - la figure 4 illustre un troisième exemple de dispositif optique de conditions givrantes comprenant des moyens de différenciation des particules d'eau liquide et des particules d'eau solide avec un élément biréfringent et un polariseur; - la figure 5 illustre une configuration dans laquelle le dispositif de l'invention est intégré au niveau de la sonde de température. Le dispositif optique de détection de conditions givrantes est essentiellement constitué dans sa version de base comme illustré en figure I: - de moyens d'émission 1 d'un faisceau optique dirigé vers l'extérieur de l'aéronef, au travers de la peau de l'aéronef P, de manière à créer un volume de mesure éclairé V, traversé par un flux d'air chargé de particules d'eau; - une optique collectrice 2, d'au moins une partie du faisceau optique rétrodiffusé par les particules d'eau; - des moyens de photodétection 3, du faisceau rétrodiffusé; - un dispositif 4 de traitement du signal délivré par les moyens de photodétection 3 de manière à déterminer la concentration en particules d'eau dans l'air; - des moyens d'information 5 sur les conditions givrantes à partir des données délivrées par le dispositif 4, des données de température délivrées par une sonde de température 6. Selon un premier exemple de dispositif optique selon l'invention, l'optique collectrice comprend des moyens de différenciation des particules d'eau liquide et de particules d'eau solide par analyse de la polarisation. Un tel exemple de dispositif est illustré en figure 2. Les moyens d'émission peuvent comprendre une diode laser polarisée 01, émettant par exemple dans le visible ou le proche infrarouge (entre 400 nm et 1 500 nm), une optique de collimation 11 et un prisme de déviation 21, de manière à créer un volume de mesure éclairé V sur l'optique AA' de l'optique collectrice, au travers du hublot H de l'aéronef, situé au niveau de la peau de l'aéronef P. Typiquement, les moyens d'émission peuvent générer à l'extérieur de la peau de l'aéronef, à une distance d'environ 100 mm, permettant de faire la mesure en-dehors de la couche limite de l'aéronef (zone dans laquelle les mesures ne seraient pas représentatives) tout en conservant une puissance émise raisonnable, un volume de lumière polarisée dont les dimensions sont inférieures au mm, dimension en deçà de laquelle on peut montrer que la probabilité d'avoir deux particules simultanément dans le volume de mesure est quasi-nulle. L'optique collectrice peut comprendre une optique de focalisation 02 de faible diamètre (10 à 20 mm) et un module optique de filtre à bande étroite (typiquement de l'ordre de 10 nm) 12, permettant le filtrage de l'éclairement solaire. L'optique collectrice peut comprendre également un séparateur polarisant 22, qui peut être soit un cube séparateur polarisant soit un séparateur biréfringent. Les moyens de photodétection comprennent dans cette variante, deux photodétecteurs 13 et 23 qui récupèrent des faisceaux optiques de polarisations croisées. La polarisation du faisceau optique rétrodiffusé par des particules d'eau liquide, est identique à celle du faisceau optique incident, on récupère au niveau d'un photodétecteur 13 un signal 11L relatif à ce faisceau optique rétrodiffusé, par contre le photodétecteur 23 récupère un signal réel relatif à une polarisation croisée (12L = 0). La polarisation du faisceau optique rétrodiffusé par les particules d'eau solide, est modifié par rapport à celle du faisceau optique incident. Les deux photodétecteurs 13 et 23 récupèrent des signaux Ils et 12S, lors du passage d'une particule dans le volume de mesure. Le dispositif selon l'invention comprend les alimentations 10 nécessaires aux moyens d'émission et aux moyens de réception. Le dispositif de traitement du signal comprend: - des moyens 14 et 24 de filtrage des signaux reçus par les photodiodes 13 et 23; - des moyens 34 et 44 d'amplification électronique à gain variable de signaux; - une électronique 54 effectuant le traitement mathématique des signaux reçus (sommation, comparaison des 2 voies, calcul de la sévérité des conditions givrantes). Les caractéristiques principales du signal sont: - sa largeur temporelle qui dépend de la vitesse de la particule et des dimensions du volume de mesure (typiquement la durée vaut lps); - son amplitude qui dépend de la taille de la particule; - son taux de polarisation qui dépend de la forme et donc de la nature de la particule. En effet, les gouttes d'eau surfondues de forme sphérique conservent la polarisation, alors que les cristaux de glace dépolarisent la lumière. La chaîne électronique placée en aval des photodiodes assure les fonctions suivantes: - les moyens de filtrage 14 et 24 permettent de notablement diminuer le bruit; - les moyens d'amplification 34 et 44 peuvent avantageusement être à gain variable de façon à obtenir des signaux proportionnels au volume des gouttes d'eau; - l'électronique 54 assure le calcul du volume total des gouttes d'eau passant par unité de temps, par sommation des signaux obtenus sur les deux voies. Elle assure également le calcul du taux de polarisation par calcul du rapport d'énergie entre les signaux des deux voies et ainsi la détermination de la nature des particules. L'électronique permet ainsi de connaître la quantité d'eau liquide passant par unité de temps et sa nature. Cette information couplée à l'information de température (sonde de température 6 de la figure 1) permet ainsi de déterminer la sévérité des conditions givrantes. Dans l'exemple de dispositif qui vient d'être décrit, les moyens d'émission et l'optique collectrice comprennent des moyens de focalisation distincts. Selon une autre variante de l'invention, il est possible de remplacer le prisme 21 et l'optique 02 par une lentille de champ unique placée contre le hublot et centrée sur l'axe optique AA'. Selon un dispositif de l'invention particulièrement intéressant les moyens d'émission et de réception sont disposés de telle manière que le faisceau optique incident présente une direction faisant un angle dit " d'arc en ciel " de l'ordre d'une quarantaine de degrés avec l'axe optique AA'. En effet, on peut montrer que dans cette configuration, les gouttes d'eau vont rayonner vers la partie réceptrice, un rayonnement intense et fortement polarisé. Ce rayonnement est caractéristique de gouttes d'eau sphériques d'indice optique 1,33 (caractéristique de l'eau). Selon un second exemple de dispositif de détection de conditions givrantes, les moyens de photodétection peuvent comprendre un photodétecteur unique, permettant de réduire les moyens de filtrage et d'amplification en aval. Il suffit pour cela de décaler dans le temps les informations relatives à une première polarisation donnée et les informations relatives à une seconde polarisation croisée de la première polarisation. La figure 3 illustre un exemple de dispositif selon l'invention fonctionnant avec un seul photodétecteur. Les moyens d'émission 21, 11, 01 peuvent être identiques à ceux décrits dans l'exemple de la figure 2. L'optique collectrice avec ses moyens 02 et 12 également ainsi que l'élément 22. Par contre, en sortie d'une des voies, on peut introduire une différence de trajet optique via une fibre 43a et un coupleur 43b permet à un unique photodétecteur 33 de recueillir l'ensemble des signaux décalés dans le temps. La longueur de la fibre optique est calculée de manière à se faire succéder les signaux dans un intervalle de temps suffisamment court par rapport à la fréquence d'entrée des particules d'eau dans le volume de mesure. En sortie du photodétecteur 33, on retrouve un filtre unique 64, un amplificateur à gain variable 74 et l'unité de traitement de calcul 84. Le décalage dans le temps au niveau des signaux relatifs aux deux polarisations croisées peut également être initié au niveau des moyens d'émission comme l'illustre la figure 4. Pour cela un élément biréfringent 31 permet de créer à partir d'un faisceau polarisé unique deux faisceaux optiques polarisés linéairement de polarisations perpendiculaires Pl et Pl. Le prisme déviateur 21, dirige les deux faisceaux incidents de polarisations croisées dans deux volumes de mesure V1 et V2 légèrement décalés. Après passage dans l'optique collectrice et ses éléments 02 et 12, puis passage dans un polariseur 52 de polarisation P, parallèle à Pli, les faisceaux optiques rétrodiffusés sont détectés par le photodétecteur 33. Les faisceaux optiques rétrodiffusés sont composés - pour le faisceau de polarisation initiale Pl,, d'une composante élevée relative aux gouttes d'eau liquide et d'une composante faible relative aux gouttes d'eau solide; - pour le faisceau de polarisation initiale Pl, de deux composantes voisines relative aux gouttes d'eau liquide et solide. Dans cet exemple de dispositif, I'électronique en aval du photodétecteur peut être du même type que celle de l'exemple précédent illustré en figure 3. Dans tous les exemples précédents, nous avons décrit un dispositif appliqué en face interne d'un hublot dont est équipé l'aéronef. Généralement la sonde de température est placée à un autre endroit du hublot et les deux types d'informations (sévérité des conditions givrantes) sont couplées dans une unité de traitement pour en déduire la sévérité des conditions de givrage. Selon une variante de l'invention, le dispositif de détection de conditions givrantes peut être directement intégrée à la sonde de température. La figure 5 illustre un exemple dans lequel une diode laser d'émission 51 émet un faisceau optique à travers la peau de l'avion, se propageant au travers d'une fibre optique F01, couplée à une optique émettrice 61 pour émettre un faisceau optique en direction du volume de mesure V. Le faisceau optique rétrodiffusé par les particules d'eau est recueilli au niveau d'une optique réceptrice 63 (typiquement une lentille à gradient d'indice) pour être propagé au travers d'une fibre optique F03 traversant la peau de l'avion et couplé à un photodétecteur 53. Les deux fibres optiques F01 et F03 sont montées le long du mât de la sonde de température MT. On parvient à partir d'une énergie émise de l'ordre du mW à une distance de visée de l'ordre de 10 mm, donc une distance de visée plus faible que celle des dispositifs montés derrière un hublot. Bénéficiant de la protubérance que constitue la sonde de température on peut ainsi utiliser une distance de visée plus faible avec des puissances plus faibles et des optiques également plus petites tout en étant hors de la couche limite de l'avion. Il est cependant à noter qu'un tel dispositif (compte tenu des contraintes optiques) est plus adapté à des applications dans lesquelles on ne recherche pas nécessairement une analyse très fine des conditions de givrage reposant sur une différenciation des comportements en polarisation des gouttes d'eau surfondues et des cristaux de glace. Il peut être en effet intéressant de compter uniquement les gouttes d'eau par unité de temps, pour définir un seuil au-delà duquel les o10 risques de givrage deviennent prépondérants. Dans tous ces dispositifs, I'information de nombre de gouttes d'eau ou de concentration d'eau dans l'air, couplée à l'information de température peut être communiquée au pilote de l'aéronef par un voyant pouvant passer d'un état vert à un état rouge dans les dispositifs les moins sophistiqués, ou par un indicateur donnant les informations suivantes: sévérité des conditions givrantes - type de particules d'eau - risque de givrage REVENDICATIONS 1. Dispositif optique de détection de conditions givrantes embarqué dans un aéronef, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: - des moyens d'émission d'un faisceau optique pour créer au moins un volume de mesure extérieur éclairé, au travers duquel circule un flux d'air chargé de particules d'eau; - une optique collectrice d'une partie au moins du faisceau lumineux rétrodiffusé par les particules d'eau (le volume de mesure extérieur étant situé sur l'axe optique de ladite optique collectrice); - des moyens de photodétection de faisceau optique rétrodiffusé; - un dispositif de traitement du signal délivré par les moyens de photodétection pour calculer la sévérité des conditions givrantes; - des moyens d'information sur les conditions givrantes à partir de la sévérité des conditions givrantes. 2. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'émission comprennent une diode laser. 3. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon I'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens optiques de différenciation de particules d'eau liquide et de particules d'eau solide. 4. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon la revendication 3, caractérisé en ce que la diode laser est polarisée et en ce que l'optique collectrice comprend un séparateur de polarisation, délivrant deux faisceaux optiques de polarisation différente. 5. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de photodétection comprennent deux photodétecteurs de manière à recueillir les deux faisceaux optiques de polarisation différente. 6. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'optique collectrice comprend en outre des moyens pour introduire une différence de trajet optique pour les deux faisceaux optiques de polarisation différente, les moyens de photodétection comprenant un photodétecteur pour recevoir les deux faisceaux optiques de polarisation différente, décalés dans le temps. 7. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'émission comprennent en outre un élément biréfringent de manière à créer à partir du faisceau optique délivré par la diode laser, deux volumes de mesure extérieurs et deux faisceaux optiques rétrodiffusés par les particules d'eau, les moyens de photodétection comprenant un photodétecteur pour recevoir les deux faisceaux optiques, décalés dans le temps. 8. Dispositif optique de détection de conditions givrantes selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est monté partiellement sur la sonde de température d'un aéronef et en ce qu'il comprend une fibre optique pour l'émission reliant les moyens d'émission intégrés à l'aéronef jusqu'à l'extrémité extérieure de la sonde de température et une fibre optique pour la réception reliant l'extrémité extérieure de la sonde de température, jusqu'aux moyens de réception et de traitement du signal, intégrés à l'aéronef. 9. Dispositif optique comprenant des moyens d'émission et de détection dont les axes optiques font entre eux un angle dit d'arc-en-ciel (d'environ 40 ) permettant d'optimiser l'énergie reçue par les moyens de détection.