(57)【要約】【課題】照射部および検出部を含む、空中の液体の水滴および氷晶を光学的に検出して区別する装置を提供する。【解決手段】照射部は、円偏光した照射ビームを出力する。検出部は、照射ビームに応答して、雲の中の水分から円偏光した後方散乱光を受け取る。円偏光した後方散乱光に円偏光器を通過させて、直線偏光した後方散乱光に変換し、これを２つの成分に分割する。任意選択で、２つの成分はそれぞれ、あらゆる漏れ型の直交偏光を除去するためのさらなる直線偏光を受ける。次いで、２つの成分を光学的に検出し、その結果得られる検出信号を使用して、空中の氷晶および／または水滴の有無を反映する１つまたは複数のパラメータを計算する。【選択図】図３
2010112952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空中水滴および氷晶センサであって、
光ビームを出力するように構成された第１の光学ビームエミッタ、
前記光ビームを受け取り、直線偏光した照射ビームを出力するように構成された第１の直線偏光器、および
前記直線偏光した照射ビームを受け取り、円偏光した照射ビームを出力するように構成された第１の円偏光素子
を備える照射部と、
円偏光した後方散乱光を通過させるように構成された窓、
前記窓を通過した前記円偏光した後方散乱光を受け取り、直線偏光した後方散乱光を出力するように構成された第２の円偏光素子、
前記直線偏光した後方散乱光を、直線偏光した後方散乱光の第１の成分と直線偏光した後方散乱光の第２の成分とに分割するように構成された第１の偏光ビームスプリッタ、
前記直線偏光した後方散乱光の第１の成分を検出し、それに応答して第１の信号を出力するように構成された第１の光検出器、および
前記直線偏光した後方散乱光の第２の成分を検出し、それに応答して第２の信号を出力するように構成された第２の光検出器
を備える検出部と
を備えることを特徴とする空中水滴および氷晶センサ。
【請求項２】
前記円偏光した照射ビームを前記センサの光学照射軸に沿って反射するように構成された反射器
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項３】
前記第１の偏光ビームスプリッタと前記第１の光検出器との間に置かれ、前記第１の検出器による検出前に、前記直線偏光した後方散乱光の第１の成分をさらに直線偏光させるように構成された第２の直線偏光器
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項４】
前記第１の円偏光素子は、第１の４分の１波長板を備え、また
前記第２の円偏光素子は、第２の４分の１波長板を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項５】
第１および第２の光検出器によってそれぞれ出力された前記第１および第２の信号を受け取り、前記第１および第２の信号に基づいて、氷状態を反映する少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサ
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項６】
前記第１の光学ビームエミッタは、出力が直線偏光である発光ダイオードを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項７】
前記第１の光学ビームエミッタはレーザを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項８】
前記窓と前記第２の円偏光素子との間に置かれた第１のレンズと、
前記第１の直線偏光器と前記第１の光検出器との間に置かれた第２のレンズと、
前記第２の直線偏光器と前記第２の光検出器との間に置かれた第３のレンズと
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項９】
前記第１のレンズと前記第２の円偏光素子との間に置かれた視準レンズ
をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項１０】
前記視準レンズの位置は、前記センサの光学軸に沿って軸方向に調整可能である
ことを特徴とする請求項９に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項１１】
前記第２および第３のレンズは、集光レンズである
ことを特徴とする請求項８に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項１２】
前記円偏光した照射ビームを前記センサの光学照射軸に沿って反射するように構成された反射器と、
前記第１の偏光ビームスプリッタと前記第１の光検出器との間に置かれ、前記第１の検出器による検出前に、前記直線偏光した後方散乱光の第１の成分をさらに直線偏光させるように構成された第２の直線偏光器と、
第１および第２の光検出器によってそれぞれ出力された前記第１および第２の信号を受け取り、前記第１および第２の信号に基づいて、氷状態を反映する少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサと
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項１３】
前記窓と前記第２の円偏光素子との間に置かれた第１のレンズと、
前記第１の直線偏光器と前記第１の光検出器との間に置かれた第２のレンズと、
前記第２の直線偏光器と前記第２の光検出器との間に置かれた第３のレンズと、
前記第１のレンズと前記第２の円偏光素子との間に置かれた視準レンズと
をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項１４】
前記視準レンズの位置は、前記センサの光学軸に沿って軸方向に調整可能である
ことを特徴とする請求項１３に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項１５】
航空機から雲の中の氷晶を検出する方法であって、
雲の中に円偏光した照射ビームを放射するステップと、
前記照射ビームに応答して、前記雲の中の水分から円偏光した後方散乱光を受け取るステップと、
前記円偏光した後方散乱光に円偏光器を通過させて、直線偏光した後方散乱光を形成するステップと、
前記直線偏光した後方散乱光を、直線偏光した後方散乱光の第１の成分と直線偏光した後方散乱光の第２の成分とに分割するステップと、
前記直線偏光した後方散乱光の第１の成分を光学的に検出し、それに応答して第１の検出信号を出力し、また前記直線偏光した後方散乱光の第２の成分を光学的に検出し、それに応答して第２の検出信号を出力するステップと、
前記第１および第２の検出信号に基づいて、前記雲の中の氷の存在を反映する少なくとも１つのパラメータを計算するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記直線偏光した後方散乱光の第１の成分を光学的に検出する前に、前記直線偏光した後方散乱光の第１の成分をさらに直線偏光するステップ
をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
直線偏光した照射ビームを出力するように構成された第１の光学ビームエミッタ、および
前記直線偏光した照射ビームを前記センサの光学照射軸に沿って反射するように構成された第１の反射器
を備える照射部と、
直線偏光した後方散乱光を通過させるように構成された窓、
前記直線偏光した後方散乱光を、直線偏光した後方散乱光の第１の成分と直線偏光した後方散乱光の第２の成分とに分割するように構成されたビームスプリッタ、
前記直線偏光した後方散乱光の第１の成分を検出するように構成された第１の光検出器、および
前記直線偏光した後方散乱光の第２の成分を検出するように構成された第２の光検出器
を備える検出部と
を備えることを特徴とする空中水滴および氷晶センサ。
【請求項１８】
前記第１および第２の光検出器からの出力を受け取り、氷晶状態を反映する少なくとも１つのパラメータを計算するように構成されたプロセッサ
をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項１９】
前記検出部は、前記窓と前記ビームスプリッタとの間に置かれた視準レンズをさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【請求項２０】
前記視準レンズの位置は、前記センサの光学軸に沿って軸方向に調整可能であることを特徴とする請求項１９に記載の空中水滴および氷晶センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
なし。
【０００２】
本発明は、航空機に搭載された、空中の液体の水滴および氷晶を検出するための機内センサに関する。
【背景技術】
【０００３】
機内氷および氷結状態検出システムは、空中の液体の水滴と氷晶を区別することができなければならない。液体の水滴を氷晶と区別するための従来技術の手法では、偏光レーザビームからの後方散乱光の減偏光を測定する。
【０００４】
特許文献１は、航空機表面に付着した氷を検出するデュアルチャネル機内氷検出システムに関する。このシステムは、航空機上に取り付けられた直線偏光を用いて、氷収集面を照射する。この後方散乱光が、２つの導光体内に取得される。一方の導光体の偏光感度は透過光に合わせられており、第２の導光体の偏光感度は第１の導光体の偏向感度に直交する。氷の存在は、２つの導光体内の光強度の比の変化によって決定される。
【０００５】
特許文献２は、航空機に取付け可能な、航空機の前方の空域を機内で監視するための氷検出警報システムに関する。このシステムは、レーザ源からの第１の波長のパルスレーザビームを航空機の前方の空域内に向けるように構成された第１の複数の光学素子と、レーザビームから受け取った後方散乱光を複数の所定の波長に分離するように構成された第２の複数の光学素子と、分離した複数の波長の光をそれぞれ検出し、そしてそれにより検出された光を表すそれぞれ対応した電気信号を生成するための複数の光検出器と、これらの複数の電気信号を処理して、航空機の前方の空域の状態が航空機の表面に着氷を引き起こす可能性が高いかどうかを決定し、また、それに関して警報を発するための処理装置とを備える。
【０００６】
特許文献３は、航空機に搭載された、航空機の境界層の外側の氷結状態を検出するための光学装置に関する。同じく直線偏光を使用するこの装置は、水粒子で満たされた空気流がそこで循環する少なくとも１つの照射された外部測定体積を生成するための光学ビームエミッタを含む。また、水滴によって後方散乱された光ビームの少なくとも一部を収集するためのコレクタ光学系が含まれる（外部測定体積は、このコレクタ光学系の光学軸上に位置する）。光検出器を使用して後方散乱光を検出し、光検出器によって送達された信号を信号処理装置が処理して、氷結状態の重大度を算出する。コレクタ光学系は、収集された光の偏光を分析することによって液体の水滴と氷晶を区別する手段をさらに備える。氷結状態の計算された重大度についての情報が提供される。
【０００７】
図１は、特許文献３に従って作製された従来技術による光学装置１００を示す。装置１００は、放射サブシステム１０６、コレクタ光学サブシステム１０８、光検出サブシステム１２４、および電子回路１５４を含む。電源１３０は、放射サブシステム１０６、光検出サブシステム１２４、および電子回路１５４に必要な電力を供給する。
【０００８】
放射サブシステム１０６は、偏光レーザダイオード１１０（たとえば、可視域または近赤外域（４００ｎｍから１５００ｎｍの間）で放射する）と、視準光学ユニット１１２と、および偏向プリズム１１４とを備え、これにより、航空機の機窓Ｈを通って、航空機の外殻Ｐ上に位置するコレクタ光学系の光学軸ＡＡ’上で照射測定体積Ｖを生成する。通常、この放射手段は、航空機の外殻の外側へ約１００ｍｍの距離のところに光を放射することができる。これにより、適度なレベルの放射力を保持しながら、航空機の境界層の外側（測定に表れない領域）で測定を実施することができる。偏光量の範囲は１ｍｍ未満であり、すなわち、この値未満では、この測定体積内で２つの粒子を同時に有する確率はほとんどゼロであることがわかる。
【０００９】
コレクタ光学サブシステム１０８は、小径（１０から２０ｍｍ）を有する集束光学ユニット１１６と、太陽光照射のフィルタリングを可能にする狭帯域光学フィルタモジュール１１８（通常約１０ｎｍの帯域幅の範囲で動作）とを備える。コレクタ光学系はまた、偏光分離器１２２を備えることができる。偏光分離器１２２は、偏光分離キューブであっても、複屈折分離器であってもよい。
【００１０】
光検出サブシステム１２４は、交差偏光した光学ビームを回復させる２つの光検出器１２６および１２８を備える。液体の水滴によって後方散乱される光学ビームの偏光は、入射光学ビームの偏光と同一である。この後方散乱光学ビームに関連する第１の信号Ｉ1Lは、光検出器１２６で回復される。他方では、光検出器１２８は、実信号であり交差偏光に関連する第２の信号（Ｉ2L＝０）を回復させる。
【００１１】
氷晶によって後方散乱される光学ビームの偏光は、入射光学ビームの偏光に関連して変更されている。測定体積内に粒子が入ると、２つの光検出器１２６および１２８は、それぞれ信号Ｉ1SおよびＩ2Sを回復させる。第１の光検出器１２６の出力は、第１のフィルタ１３６を通過し、次いで、第１の可変利得増幅器１４６を通過する。同様に、第２の光検出器の出力は、第２のフィルタ１４６を通過し、次いで第２の可変利得増幅器１４８を通過する。
【００１２】
電子回路１５４は、受信した信号の処理、例えば、加算、２つのチャネルの比較、氷結状態の重大度の算出などを実施する。電子回路１５４は、２つのチャネルで得られた信号を合計することによって、単位時間に通過する水滴の総体積を算出することができる。電子回路１５４はまた、２つのチャネルの信号間の比を算出することによって「減偏光」を算出し、したがって粒子の状態（すなわち、液体水と、氷水との比）を決定する。
【００１３】
特許文献４は、光を鏡面反射する表面で氷または雪などの減偏光する物質を検出するためのシステムに関する。特許文献４は、そのようなシステムと併せて円偏光を使用できることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第７３７０５２５号明細書
【特許文献２】米国特許第６８１９２６５号明細書
【特許文献３】米国特許第６０９１３３５号明細書
【特許文献４】米国特許第５６１７０７６号明細書
【発明の概要】
【００１５】
一態様では、本発明は、円偏光を使用し、また照射部および検出部を備える空中水滴および氷晶センサを対象とする。照射部は、光ビームを出力するように構成された第１の光学ビームエミッタと、光ビームを受け取って、直線偏光した照射ビームを出力するように構成された第１の直線偏光器と、直線偏光した照射ビームを受け取って、円偏光した照射ビームを出力するように構成された第１の円偏光素子とを備える。検出部は、円偏光した後方散乱光に中を通過させるように構成された窓と、この窓を通過した円偏光した後方散乱光を受け取って、直線偏光した後方散乱光を出力するように構成された第２の円偏光素子と、直線偏光した後方散乱光を、直線偏光した後方散乱光の第１の成分と直線偏光した後方散乱光の第２の成分とに分割するように構成された第１の偏光ビームスプリッタと、直線偏光した後方散乱光の第１の成分を検出し、それに応答して第１の信号を出力するように構成された第１の光検出器と、直線偏光した後方散乱光の第２の成分を検出し、それに応答して第２の信号を出力するように構成された第２の光検出器とを備える。
【００１６】
別の態様では、本発明は、航空機から、雲の中の氷晶を検出する方法を対象とする。この方法は、雲の中に円偏光した照射ビームを放射するステップと、この照射ビームに応答して、雲の中の水分から円偏光した後方散乱光を受け取るステップと、前記円偏光した後方散乱光に円偏光器を通過させて、直線偏光した後方散乱光を形成するステップと、前記直線偏光した後方散乱光を、直線偏光した後方散乱光の第１の成分と直線偏光した後方散乱光の第２の成分とに分割するステップと、前記直線偏光した後方散乱光の第１の成分を光学的に検出し、それに応答して第１の検出信号を出力し、また前記直線偏光した後方散乱光の第２の成分を光学的に検出し、それに応答して第２の検出信号を出力するステップと、前記第１および第２の検出信号に基づいて、雲の中の氷の存在を反映する少なくとも１つのパラメータを計算するステップとを含む。
【００１７】
さらに別の態様では、本発明は、同じく照射部および検出部を備える空中水滴および氷晶センサを対象とする。照射部は、直線偏光した照射ビームを出力するように構成された第１の光学ビームエミッタと、直線偏光した照射ビームをセンサの光学照射軸に沿って反射するように構成された第１の反射器とを備える。検出部は、直線偏光した後方散乱光に中を通過させるように構成された窓と、直線偏光した後方散乱光を、直線偏光した後方散乱光の第１の成分と直線偏光した後方散乱光の第２の成分とに分割するように構成されたビームスプリッタと、直線偏光した後方散乱光の第１の成分を検出するように構成された第１の光検出器と、直線偏光した後方散乱光の第２の成分を検出するように構成された第２の光検出器とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】航空機上の氷結状態を検出するための従来技術の光学装置を示す図である。
【図２】直線偏光のみを使用して空中の水分を検出するための光学装置の概略図である。
【図３】円偏光を使用して空中の水分を検出するための光学装置の概略図である。
【図４】図３に概略的に示す光学装置に対応する例示的な配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明を理解するのに必要な範囲内で、前述の特許文献３、特許文献２、特許文献１、および特許文献４を、参照により本明細書に組み込む。
【００２０】
一般に、レーザ光などの照射光による球状の水滴からの直接反射は、純粋に鏡面反射であるが、氷晶からの反射は異なる。
【００２１】
水滴は、理論上は、完全な鏡のように作用して、その水滴自体に反射したレーザ光を、偏光状態を変えることなく後方散乱させる。入射光が水平または垂直に偏光される場合、反射光も同様に、水平または垂直に偏光される。したがって、後方散乱した偏光は、減偏光の程度が比較的低ければ、液体の水雲を示す。円偏光の場合、回転電場の方向は反射により変化しないが、入射波のポインティングベクトルの変化は、円偏光の向きを変化させる。したがって、右円偏光した入射ビームは反射すると左円偏光し、その逆も同様である。
【００２２】
一方、氷晶は、一つは氷晶の小面からの多重内部反射により、また一つは氷の複屈折により、反射光の偏光状態を変える傾向がある。入射光が純粋な偏光状態にあるとき、空中の氷晶からの反射光は、２つの直交する偏光状態の混合になる。後方散乱光の直交する偏光状態をどちらとも監視することによって、水滴を氷晶と区別することが可能である。
【００２３】
残念なことに、この簡単な概念は、レーザビームが、柔らかいが光学的に厚い雲などの標的を透過するときはいつも複雑になる。本明細書の文脈において、「雲」は、肉眼に見えるなじみのある組成物を包含するだけでなく、積雲など、より低い位置の雲からの上昇気流の結果生じうる高高度で見られる水滴の群および氷晶の塊も含むことが理解される。
【００２４】
直接後方散乱に加えて、光は、水滴のサイズとレーザ波長との比が１に近くまたは１よりわずかに大きいときはいつも、著しく小さい角度の前方散乱を受ける。この作用は、ミー散乱と呼ばれる。大部分の雲では、水滴は、１から１０ミクロンの範囲であり、一方、可視波長および近赤外波長は、一般的に、０．４から２．０ミクロンの範囲である。空中の水滴は、可視および近赤外光学センサに対してミー散乱を発生させる。前方散乱光は最終的に、投影レーザビームに一致する受光器の方へ後方散乱することがある。このとき、その偏光状態は、光が前方散乱しないで水滴から直接反射した場合に生じたであろう状態とは変わることとなりうる。この一連の前方散乱事象と、それに続く単一の後方散乱は多重散乱と呼ばれ、球状の水滴からの単一の散乱事象によって生成される信号とはまったく異なる減偏光した信号を生成する。
【００２５】
図２は、直線偏光のみを使用する第１の装置２００の概略図を示す。装置２００は、照射部２１０および検出部２３０を含む。
【００２６】
照射部２１０は、直線偏光した照射ビーム２１４（円およびクロスハッチで表す）を出力するように構成された光学ビームエミッタ２１２を含む。一実施形態では、光学ビームエミッタ２１２は、レーザを備えることができ、他の実施形態では、出力が直線偏光素子を通過するフォトダイオードを備えることができる。図示の実施形態では、照射部２１０はまた、直線偏光した照射ビーム２１４を装置２１０の光学照射軸Ａに沿って雲２０２の方向に反射するように構成された第１の偏光反射器２２０を含む。
【００２７】
直線偏光した照射ビーム２１４を雲２０２の方向に向けるように装置２００が示されているが、使用中、装置２００は、雲の中を通過することがある航空機上に取り付けられることが理解されよう。また、ここで、装置２００は通常、１０から２０メートルの範囲で雲の氷を検出するように構成されることに留意されたい。当業者には周知の通り、この範囲は、光学ビームエミッタ２１２によってレーザパルスを放射してから検出部によってレーザエコーを受け取るまでの時間遅延によって決定される。
【００２８】
直線偏光した照射ビーム２１４は、雲２０２の中の空間体積を照射する。それに応答して、雲２０２の中のその瞬間の空間体積内の水分が、照射ビーム２１４の後方散乱を引き起こし、それによって、装置２００の方向に進む直線偏光した後方散乱光２２２が生成される。
【００２９】
装置の検出部２３０は、直線偏光した後方散乱光２２２が通過するように構成された窓２３２を含む。図示の実施形態では、直線偏光した後方散乱光２２２はまず、装置２００の窓２３２を通って、偏光ビームスプリッタ２３４の方へ進む。偏光ビームスプリッタ２３４に到達する前に、この後方散乱光は、後方散乱光２２２を集束させるための第１のレンズ２３６、および視準レンズ２３８を通過する。
【００３０】
偏光ビームスプリッタ２３４は、直線偏光した後方散乱光２２２を、直線偏光した後方散乱光の第１の成分２４０と直線偏光した後方散乱光の第２の成分２５０とに分割するように構成される。直線偏光した後方散乱光の第１の成分２４０は、第１の集光レンズ２４２を通過して第１の光検出器２４４上に集束する。同様に、直線偏光した後方散乱光の第２の成分２５０は、第２の集光レンズ２５２を通過して第２の光検出器２５４上に集束する。特に、図示の実施形態では、偏光ビームスプリッタ２３４は、直線偏光した照射光２１４に平行な偏光を第１の検出器２４４（「平行検出器」）の方へ反射させ、また直線偏光した照射光２１４に直交する偏光を第２の検出器２５４（「直交検出器」）の方へ通過させる。
【００３１】
各検出器２４４、２５４の出力は通常、追加の信号処理動作２４６、２５６を受ける。これらの動作は、当業者には周知の通り、フィルタリングおよび増幅を含むことがある。次いで、この出力は、雲２０２の中の氷の存在を反映する１つまたは複数のパラメータを計算するための回路２６０に入力される。一実施形態では、回路２６０は、特定用途向け集積回路（ASIC）またはプロセッサを備えることができる。別の実施形態では、回路２６０は、比較器、加算器などのディスクリート論理回路を備えることができる。さらに、回路２６０内にすでに組み込まれていない場合、アナログ−デジタル変換器なども含むことができることが理解される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比を含むことができる。他の実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比較を含むことができる。より複雑な他のパラメータも可能である。
【００３２】
直線偏光の場合、回路２６０は、減偏光パラメータδを、透過した偏光に直交する受け取った偏光の強度と、透過した偏光に平行な受け取った偏光の強度との比として簡単に計算することができる。
【００３３】
【数１】
2010112952.tif 000003
【００３４】
減偏光が存在しない場合、受け取った直線偏光は透過光と同一であり、減偏光パラメータδはゼロである。完全な減偏光の場合、このパラメータは１である。混合した状態の雲は、これらの２つの両端の間のうちのいずれかのパラメータを生じる。光学的に厚い水雲の場合、減偏光はゼロより大きくなり、この数は、多重散乱が多くなるにつれて増える。純粋な水雲を純粋な氷雲と区別するには、雲の厚さとともに変動するパラメータの閾値を確立する必要がある。そのようなパラメータと比較した後、回路２６０は、１つまたは複数の信号２７０を出力して、決定を示したり警報を発したりすることができる。
【００３５】
空中水滴および氷晶センサ内で円偏光を利用して、水雲と氷雲を区別するのに役立てることができる。
【００３６】
雲が水滴から構成される場合、多重散乱の有無にかかわらず、円偏光の基本的な「向き」は変化しない。照射ビームが右円偏光（「ＲＨＣ」）である場合、純粋な水雲からの後方散乱光は、左円偏光（「ＬＨＣ」）した成分のみを有する。多重散乱は、光を楕円偏光させる直線成分を導入することによって、この光の偏光純度を低下させる。しかし、この光がストークス成分に分解されると、雲が完全に液体の水滴から構成される限り、円形成分は、右円偏光ではなく、左円偏光である。
【００３７】
雲が完全に氷晶から構成される場合、多重散乱により、または氷晶の複屈折により導入される他の直線成分の有無にかかわらず、ストークスベクトルの円形成分は右円偏光である。したがって、ストークスベクトルの第４の成分が監視される場合、純粋な氷晶雲が存在すると、円偏光の方向または向きのはっきりとした明白な「反転」を示す。
【００３８】
図３は、円偏光を使用する本発明による装置３００の概略図を示す。装置３００は、２つの直線偏光器３１４、３４８および円偏光素子３１６、３３３が存在することを除いて、装置２００に類似している。円偏光素子３１６、３３３は、２つの４分の１波長板の形であり、これらの機能については、以下に説明する。装置２００と同様に、装置３００は、照射部３１０および検出部３３０を含む。
【００３９】
照射部３１０は、第１の光ビームを出力する光学ビームエミッタ３１２を含む。光学ビームエミッタ３１２は、レーザ、または、出力が直線偏光である発光ダイオードを備えることができる。照射側の直線偏光器３１４は、光学ビームエミッタ３１２から第１の光ビーム（すでに直線偏光していることがある）を受け取り、かつ直線偏光した照射ビームを出力することによって、高い偏光純度を確保するのに役立つ。一実装形態では、照射側の直線偏光器３１４は、コロラド州フレデリック（米国）のＭｅａｄｏｗｌａｒｋ  Ｏｐｔｉｃｓから入手可能な型番ＤＰ−０５０−ＮＩＲ２−２である。
【００４０】
いくつかの実施形態では、直線偏光した照射ビームはまず、第１の円偏光素子３１６へ提示される前に、照射側の偏光ビームスプリッタキューブ３１５（図４参照）によって反射される。一実装形態では、照射側の偏光ビームスプリッタキューブ３１５は、コロラド州フレデリック（米国）のＭｅａｄｏｗｌａｒｋ  Ｏｐｔｉｃｓから入手可能な型番ＢＢ−０５０−ＩＲ２である。
【００４１】
第１の円偏光素子３１６は、直線偏光した照射ビームを受け取って、それを円偏光した照射ビーム３１８に変換する。一実施形態では、円偏光素子３１６は、直線偏光を円偏光に変換する４分の１波長板を備える。一実装形態では、４分の１波長板３１６は、コロラド州フレデリック（米国）のＭｅａｄｏｗｌａｒｋ  Ｏｐｔｉｃｓから入手可能な型番ＣＰ−０５０−９０５である。
【００４２】
図示の実施形態では、照射部３１０はまた、円偏光した照射ビーム３１８を装置３１０の光学照射軸Ａに沿って雲３０２の方向に反射するように構成された反射器３２０を含む。反射器３２０は、円偏光を変えてはならない。一実施形態では、反射器は、１つのプロトタイプでは４００：１より良好な円偏光純度をもたらした標準的な保護膜付き金ミラーを備える。
【００４３】
装置３００は、円偏光した照射ビーム３１８を雲３０２の方向に向けていることが示されているが、使用中、装置３００は、雲の中を通過していることがある航空機上に取り付けられることが理解される。また、ここでは、装置３００は通常、１０から２０メートルの範囲で雲の氷を検出するように構成されることに留意されたい。当業者には周知の通り、この範囲は、光学ビームエミッタ３１２に用いられるパルスの持続時間およびタイミング、ならびに検出部３３０に関連するタイミングによって決定される。
【００４４】
円偏光した照射ビーム３１８は、雲３０２の中の空間体積を照射する。それに応答して、雲３０２の中のその瞬間の空間体積内の水分が、円偏光した照射ビーム３１８の後方散乱を引き起こし、それによって、装置３００の方向に進む円偏光した後方散乱光３２２を発生させる。
【００４５】
装置の検出部３３０は、円偏光した後方散乱光３２２に中を通過させるように構成された窓３３２を含む。図示の実施形態では、円偏光した後方散乱光３２２はまず、窓３３２を通って、第２の円偏光素子３３３の方へ進む。第２の円偏光素子３３３もまた、４分の１波長板とすることができる。
【００４６】
第２の円偏光素子３３３は、窓３３２を通過した円偏光した後方散乱光を受け取って、直線偏光した後方散乱光を出力する。第２の円偏光素子３３３に到達する前に、後方散乱光３２２は、後方散乱光３２２を集束させるための第１のレンズ３３６、および視準レンズ３３８を通過する。
【００４７】
一実施形態では、視準レンズ３３８は、米国ニュージャージー州ニュートンの  Ｔｈｏｒ  Ｌａｂｓから入手可能な部品番号ＳＭ１Ｖ１０などの長さ調整可能な鏡筒内に取り付けられる。長さ調整可能な鏡筒は、第２の部分に対して軸方向に進むねじ切れた第１の部分を有する。これにより、双方向矢印３３８ａによって表すように、視準レンズの軸方向の位置をセンサの光学軸Ａに沿って調整することができる。この特徴により、使用者は、視準レンズ３３８と第１のレンズ３３６の間の距離を制御することができ、それによって、その公称動作範囲で散乱光を効率的に収集するように装置３００を構成することができる。一実施形態では、この公称動作範囲は、約１０から約２０メートルである。装置２００内の視準レンズ２３８も同様に、軸方向に調整可能であることが理解される。
【００４８】
検出側の偏光ビームスプリッタキューブ３３４は、第２の円偏光素子３３３からの直線偏光した後方散乱光を、直線偏光した後方散乱光の第１の成分３４０と直線偏光した後方散乱光の第２の成分３４０とに分割するように構成される。
【００４９】
一実施形態では、直線偏光した後方散乱光の第１の成分３４０は、検出側の直線偏光器３４８および第１の集光レンズ３４２を通過し、第１の集光レンズ３４２は、直線偏光した後方散乱光の第１の成分３４０を第１の光検出器３４４上に集束させる。同様に、直線偏光した後方散乱光の第２の成分３５０は、第２の集光レンズ３５２を通過し、第２の集光レンズ３５２は、第２の成分３５０を第２の光検出器３５４上に集束させる。
【００５０】
各光検出器３４４、３５４の出力は通常、追加の信号処理動作３４６、３５６を受ける。これらの動作は、当業者には周知の通り、フィルタリングおよび増幅を含むことがある。次いで、この出力は、雲３０２の中の氷の存在を反映する１つまたは複数のパラメータを計算するための回路３６０に入力される。一実施形態では、回路３６０は、特定用途向け集積回路または処理装置を備えることができる。別の実施形態では、回路３６０は、比較器、加算器などのディスクリート論理回路を備えることができる。さらに、回路３６０内にすでに組み込まれていない場合、アナログ−デジタル変換器なども含むことができることが理解される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比を含むことができる。他の実施形態では、１つまたは複数のパラメータは、出力の比較を含むことができる。より複雑な他のパラメータも可能である。何らかのそのようなパラメータを計算した後、回路３６０は、１つまたは複数の信号３７０を出力して、決定を示したり警報を発したりすることができる。
【００５１】
図４は、図３に示す空中雲氷検出装置３００と実質上同じ構成要素を有する装置４００の例示的な配置を示す。図４でわかるように、円形にしかつ視準する光学部品３１３を使用して、光学ビームエミッタ３１２からの光を照射側の直線偏光器３１４に結合させることができる。さらに、照射側の偏光ビームスプリッタキューブ３１５は、照射側の直線偏光器３１４の出力を反射器３２０の方へ向け直す。
【００５２】
一実施形態では、検出側の偏光ビームスプリッタキューブ３３４は、透過ビームに対して高いコントラスト比（２００：１）を有し、反射ビームに対して低いコントラスト比（２０：１）を有する。透過光と同じ偏光を有する著しい量の光が常に受け取られることから、この偏光は、コントラスト比が低く、そして第１の光検出器３４４に関連する反射チャネル（「ＬＨＣチャネル」）内に渡される。氷晶の存在を特徴付ける直交偏光は、コントラスト比が高く、そして第２の光検出器３５４に関連する直接チャネル（「ＲＨＣチャネル」）内に渡される。この基本原理は、雲の中で液体の水ほど行きわたっていない可能性が高い氷の存在を正確に検出するには高いコントラストが必要とされるということである。「水」チャネルの低いコントラスト比を補償するために、追加の直線偏光器３４８が加えられて、この比を改善する。プロトタイプシステムの偏光測定では、「氷」検出（ＲＨＣ）チャネルに対して４００：１より良好なコントラスト比を示し、また「水」検出（ＬＨＣ）チャネルに対して５０：１より良好なコントラスト比を示す。これらのチャネルは、純粋な水滴雲および純粋な氷晶雲に対して、より大きな信号を示すことが予想されるチャネルに従って、「水検出」および「氷検出」としてラベル付けされる。これらは、直線偏光方式では、それぞれ「平行」および「垂直」偏光チャネルに対応する。しかし、ＬＨＣチャネルに対するコントラスト比の方がより高い場合、検出側の直線偏光器３４８は必要とされない可能性があることが理解される。
【００５３】
薄い水雲では、照射ビームが右円偏光（「ＲＨＣ」）である場合、反射光は左円偏光（「ＬＨＣ」）である。さらに、４分の１波長板３３３が正しく設定された（すなわち、板の「速軸」がビームスプリッタキューブの偏光軸に対して４５°の角度である）場合、受け取った光はすべて、直線偏光に変換されて、第１の検出器３４４（「ＬＨＣ」）に入る。
【００５４】
装置３００では、円偏光でない光はどれも、やはり第２の円偏光素子３３３を通過して、その対応する平行の直線成分と垂直の直線成分に分割される。したがって、多重散乱が存在するとき、装置３００ではやはり、チャネル間の「クロストーク」を示すことがある。しかし、円偏光の方向は重要なパラメータであり、雲が完全に水から構成される場合は変化しない。
【００５５】
第４のストークス成分Ｖ（円偏光の方向を指定する）は、次の関係式を使用して、２つの検出器３４４、３５４における信号から導出することができる。
【００５６】
【数２】
2010112952.tif 000004
【００５７】
上式で、ＩLHCおよびＩRHCは、それぞれ検出器３４４、３５４で受け取る強度に対応する。線形系の場合のなじみのある減偏光比δで表すと、次の通りである。
【００５８】
【数３】
2010112952.tif 000005
【００５９】
Ｖに対する等式が示すように、記号Ｖは、δ（２つの直交する信号の比）が１を通過すると変化する。２つの信号が比較器の入力に渡された場合、水から氷への遷移により、光または警報音などの簡単なインジケータを作動させて、空中の氷晶の存在を示すことができる。さらに、比較器は、どのような所望の条件（純粋な氷または混合相）にでも閾値警報を発するように変えることができる。たとえば、純粋な氷晶雲のみが飛行にとって危険であると見なす場合、Ｖの値を約０．２７にするべきであり、この比較器は、ＲＨＣ信号とＬＨＣ信号の比（δ）が１．７を超えたときのみ警報することができる。
【００６０】
警報に対する閾値を設定する１つの簡単な方法は、４分の１波長板３３３の速軸と、センサの光学軸の周りの検出側の偏光ビームスプリッタキューブ３３４との間の相対的な角度を変えることである。４分の１波長板３３３は、板の速軸の向きにかかわらず、円偏光を、２つの等しい直線偏光の直交成分に変換する。しかし、４分の１波長板３３３の後の検出側の偏光ビームスプリッタキューブ３３４の相対的な向きは、２つの検出器３４４、３５４に入る直線偏光の成分の相対的な割合を制御する。たとえば、雲が完全に氷晶から構成される場合、４分の１波長板３３３の速軸が検出側の偏光ビームスプリッタキューブ３３４の軸に対して４５°であれば、ＲＨＣ検出器３５４（氷検出チャネル）の信号とＬＨＣ検出器３４４（水検出チャネル）の信号の比は１．７である。速軸の角度がＬＨＣ検出器３４４の方へ回転した場合、検出側の偏光ビームスプリッタキューブ３３４に入る光の直線偏光軸も回転して、２つの検出器３４４、３５４内で２つのほぼ等しい信号を生成する。そのような場合、回路３６０は、これらの信号が等しいときはいつも氷雲の存在を示す閾値警報を送る非常に簡単で安価な比較器を備えることができる。４分の１波長板３３３の厳密な回転角度は、実験的に決定されるべきであるが、所望の閾値にかかわらず、その原理は同じである。
【００６１】
本発明について、複数の態様および実施形態に関連して本明細書で説明したが、これらの態様および実施形態は例として提示されており、本発明を限定するものではないことが理解される。したがって、本発明は、いかなる特定の実施形態または態様にも限定されるものではなく、本明細書に添付の特許請求の範囲の記述に従って幅広い範囲で解釈されるべきである。
【図１】
2010112952.tif 000006
【図２】
2010112952.tif 000007
【図３】
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【図４】
2010112952.tif 000009