(57)【要約】      （修正有）【課題】航空機および／またはそのパイロットが、火山灰や超冷却水液滴のような粒子のもたらす着氷を回避するうえで、ＭＶＤ平均体積径で１対１０００の広いダイナミック・レンジでの感度を維持する光学的粒子検出システムを提供する。【解決手段】この粒子検出システムは、少なくとも１つの送信器と、少なくとも１つの受信器１０４Ａ，Ｂと、送信器の送信器ビームおよび受信器の受信器視野の第１対の第１交差によって形成された第１呼び掛け空間域１１０Ａと、送信器の送信器ビームおよび受信器の受信器視野の第２対の第２交差によって形成された第２呼び掛け空間域１１０Ｂとを含む。【選択図】図１
2019090787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法であって、
第１呼び掛け空間域（９９０）において第１粒子サイズの第１粒子の存在を検出するステップと、
第２呼び掛け空間域において第２粒子サイズの第２粒子の存在を検出するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記第１呼び掛け空間域において前記第１粒子の存在を検出するステップが、前記第１粒子の存在の検出を、前記第２粒子（９９２）の存在の検出と時間的に順次行うステップを含む、方法。
【請求項３】
方法であって、
第１検出ダイナミック・レンジを使用して、呼び掛け空間域（１１１３）において第１粒子サイズの第１粒子の存在を検出するステップと、
第２検出ダイナミック・レンジを使用して、前記呼び掛け空間域（１１１５）において第２粒子サイズの第２粒子の存在を検出するステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]  火山灰や超冷却水液滴のような粒子は、航空機の性能に有害な影響を及ぼす可能性がある。これらの粒子は、通例、約５０ミクロンの平均体積径（ＭＶＤ）を有する。
[0002]  超冷却水液滴は、例えば、航空機の翼と接触するときに、氷を形成する。翼の着氷は、航空機の惨事を引き起こしたことがある。多くの近年の航空機は、着氷防止面を含み、５０ミクロン以下の超冷却水液滴から発生する着氷の条件において飛行する。
【０００２】
[0003]  ５０００ミクロンにまで達するＭＶＤを有する超冷却大型水液滴が存在する。航空機は、通例、超冷却大型水液滴から発生する着氷の条件において飛行するように設計されていない。何故なら、このような大きい液滴は、（a）小さい液滴よりも航空機の表面に多く接着し、（b）氷保護面よりも後ろに移動する可能性が高いからである。
【０００３】
[0004]  航空機は、超冷却大型水液滴から保護されていないので、航空機および／またはそのパイロットが、結果的に生ずる着氷を回避する措置を取ることができるように、それらの存在を検出することが、航空機にとって重要である。通例、光送受信システムを使用する近年の粒子センサは、１対１０００のダイナミック・レンジ(dynamic range of one thousand)があるＭＶＤを有する粒子の存在を検出しつつ、その粒子サイズ範囲に対して適正な検出感度を維持するように設計されていない。不本意ながら、典型的な高ダイナミック・レンジ粒子検出システムは、粒子サイズ検出ダイナミック・レンジを広くするために、例えば、比較的小さいサイズの粒子に対する検出感度を犠牲にする。例えば、この結果、望ましくない折衷案に至る可能性がある。即ち、大粒子の検出を容易にする一方、火山灰のような小粒子の検出精度を低下させる。これは、航空機エンジンの損傷または故障を招くおそれがある。したがって、粒子検出サイズの高いダイナミック・レンジを有しつつも、粒子サイズ範囲全体にわたって適正な検出感度を維持する粒子検出器が求められている。
【発明の概要】
【０００４】
[0005]  一実施形態では、粒子検出システムを提供する。この粒子検出システムは、少なくとも１つの送信器と、少なくとも１つの受信器と、送信器の送信器ビームおよび受信器の受信視野の第１対の第１交差(intersection)によって形成される第１呼び掛け空間域(interrogation volume)と、送信器の送信器ビームおよび受信器の受信視野の第２対の第２交差によって形成される第２呼び掛け空間域とを含む。
【０００５】
[0006]  他の実施形態では、別の粒子検出システムを提供する。この別の粒子検出システムは、送信器と、受信器と、送信器の送信器ビームおよび受信器の受信視野の交差によって形成される呼び掛け空間域と、受信器に結合され、少なくとも２つの信号を出力するように構成された少なくとも１つの増幅システムであって、各信号が異なる利得レベルで増幅される、増幅システムとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
[0007]  図面は例示的な実施形態を示すに過ぎず、したがって、範囲を限定すると見なしてはならないことを理解の上で、更に具体的にそして詳細に、添付図面の使用によって例示的な実施形態について説明する。
【図１】図１は、２対の送信器および受信器を含むシステムの一実施形態のブロック図を示す。
【図２】図２は、受信器の一実施形態のブロック図を示す。
【図３】図３は、１つの送信器および２つの受信器を含むシステムの一実施形態のブロック図を示す。
【図４】図４は、２つの送信器および１つの受信器を含むシステムの一実施形態のブロック図を示す。
【図５】図５は、２つの異なる波長の光信号を受信するように構成された受信器の一実施形態を示す。
【図６】図６は、１つの送信器および１つの受信器を含むシステムの一実施形態のブロック図を示す。
【図７】図７は、２つの同時受信器視野を有する受信器の一実施形態のブロック図を示す。
【図８】図８は、１つの送信器および１つの受信器を含むシステムの他の実施形態のブロック図を示す。
【図９】図９は、粒子センサのダイナミック・レンジを広げつつ、広い範囲の感度を維持するための一実施形態を示す。
【図１０】図１０は、１つの送信器および１つの受信器を含むシステムの他の実施形態のブロック図を示す。
【図１１】図１１は、粒子センサのダイナミック・レンジを広げつつ、広い範囲の感度を維持するための他の実施形態を示す。
【０００７】
[0019]  慣例に従って、説明する種々の機構(features)は、同じ拡縮率で描かれておらず、例示的な実施形態に関連がある特定の機構を強調するように描かれている。
参照符号は、図面および本文を通じて、同様の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
[0020]  以下の詳細な説明において、その一部を形成する添付図面を参照する。図面では、例示として、具体的な代表的(illustrative)実施形態を示す。しかしながら、他の実施形態も利用でき、構造的、機械的、および電気的変更も行えることは理解されよう。更に、図面および明細書において紹介する方法は、個々のステップを実行することができる順序を限定するように解釈してはならない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で捉えてはならない。
【０００９】
[0021]  図示する実施形態は、粒子検出のために輸送機関において使用することができる。航空機のように、輸送機関によっては、空間域(volume)は、乱されない空間、例えば、輸送機関周囲の流体流（空気流のような）によって乱されないところに位置することもある。あるいは、図示する実施形態は、煙突の排気管(exhaust)および触媒反応機において粒子を監視するというような、他の用途に使用することができる。
【００１０】
[0022]  一実施形態では、本発明は、ダイナミック・レンジを広げ、広い範囲の感度を維持するために、２つ以上の呼び掛け空間域を使用する。呼び掛け空間域とは、粒子を特徴付ける空間域である。他の実施形態では、２つの検出器ダイナミック・レンジを使用することができる。両方の実施形態について、順次説明する。
【００１１】
[0023]  教育上の理由(pedagogical reasons)のために、少なくとも２つの呼び掛け空間域を有する実施形態では、２つの呼び掛け空間域について順次説明する。１つの呼び掛け空間域は比較的小さく、比較的小さい平均体積径（ＭＶＤ)（またはそれよりも小さいＭＶＤ)を有する粒子が特徴付けられる。他方の呼び掛け空間域は、比較的大きく、比較的大きいＭＶＤ（またはそれよりも大きいＭＶＤ)を有する粒子が特徴付けられる。
【００１２】
[0024]  しかしながら、２つよりも多い呼び掛け空間域を使用することもできる。２つよりも多い呼び掛け空間域を使用する場合、各追加の領域の空間域は、例えば、次に小さい粒子(immediately smaller)および次に大きい粒子(immediately large particles)を特徴付けるために使用される呼び掛け空間域間で、そのサイズが対応して調整される(scale)。
【００１３】
[0025]  小さい粒子を特徴付けるために小さい呼び掛け空間域を使用するのは、光源、例えば、レーザから放射される光エネルギの強度が、小さい空間域程高くなり、特に、例えば、電磁エネルギが集束される場合に、高くなる可能性があるからである。粒子が小さい程、多くの光エネルギが散乱され受光器によって受光される。このため、小さい粒子から大きい粒子までの検出スペクトル全域にわたって感度が維持される。受信器によって受信される光エネルギは、粒子を特徴付けるため、例えば、サイズおよび形状を特徴付けるために使用することができる。より大きい粒子のこのような特徴付けを精度高く行うために、より大きい空間域が必要となる。以上のシステムは、３〜１０００ミクロン、１〜５０００ミクロン、またはこれらよりも広い範囲にわたるＭＶＤを有する粒子であっても、特徴付けるために使用することができる。
【００１４】
[0026]  これより、２つ以上の呼び掛け空間域において粒子を特徴付けるための複数の異なる技法について説明する。図１は、２対の送信器および受信器を含むシステム（第１システム）１００の一実施形態のブロック図を示す。教育上の目的のために、本明細書において説明する送信器は、レーザのような光送信器であり、本明細書において説明する受信器は光受信器である。他の実施形態では、光送信器および受信器は、１つの周波数で動作し、または、例えば、受信器の信号対ノイズ比を高めるために、狭い帯域幅にわたって動作する。
【００１５】
[0027]  教育上の理由のために、順次図示する送信器は、一例として、集束光ビーム(focused optical beam)を有し、順次図示する受信器は、一例として、焦点がある視野を有するものとする。あるいは、送信器は、拡散光ビームまたは平行化光ビームを有することもでき、受信器は拡散する(divergent)視野または平行化された視野を有することができる。他の実施形態では、送信器のビーム、および受信器の視野は、自由空間に現れる。
【００１６】
[0028]  第１システム１００は、第１送信器１０２Ａ、第２送信器１０２Ｂ、第１受信器１０４Ａ、および第２受信器１０４Ｂを含む。第１送信器１０２Ａは、第１送信器集束ビーム１０６Ａを有する。第２送信器１０２Ｂは、第２送信器集束ビーム１０６Ｂを有する。第１受信器１０４Ａは、第１受信器合焦視野１０８Ａを有する。第２受信器１０４Ｂは、第２受信器合焦視野１０８Ｂを有する。図示するシステム全てについて一例を示すと、異なるサイズの呼び掛け空間域を形成する(create)ように、各ビームの焦点距離が調整される。
【００１７】
[0029]  第１送信器ビーム１０６Ａおよび第１受信器視野１０８Ａは、重複または交差して、第１呼び掛け空間域１１０Ａを形成する(create)。第２送信器ビーム１０６Ｂおよび第２受信器視野１０８Ｂは、重複または交差して、第２呼び掛け空間域１１０Ｂを形成する。第２呼び掛け空間域１１０Ｂの空間域は、第１呼び掛け空間域１１０Ａの空間域よりも大きい。あるいは、続いて例示するように、第１呼び掛け空間域１１０Ａおよび第２呼び掛け空間域１１０Ｂの空間域は、前者が後者よりも大きくなるように設計することもできる。一実施形態では、第１呼び掛け空間域１１０Ａおよび第２呼び掛け空間域１１０Ｂは、小さい粒子および大きい粒子の特徴付けがほぼ同じ領域において行われるように、互いに近接する。
【００１８】
[0030]  第１呼び掛け空間域１１０Ａにおいて、光は比較的小さいＭＶＤを有する粒子によって散乱され、第１受信器視野１０８Ａに沿って第１受信器１０４Ａに戻る。第２呼び掛け空間域１１０Ｂにおいて、光は比較的大きいＭＶＤを有する粒子によって散乱され、第２受信器視野１０８Ｂに沿って第２受信器１０４Ｂに戻る。
【００１９】
[0031]  本明細書において例示するシステムでは、レンズ・パラメータ、スリット・パラメータ、および検出器（例えば、増幅器の利得）のような、送信器および受信器コンポーネントのパラメータは、呼び掛け空間域の対応する空間域、およびこのような呼び掛け空間域において検出される粒子のサイズに応じて、変動しても良い。これより、受信器の一例について説明する。
【００２０】
[0032]  図２は、受信器（第１受信器）２００の一実施形態のブロック図を示す。受信器視野２０８、第１受信器２００の光ビームも図示されており、受信器視野２０８は、部分的に受信器視野２０８によって形成される呼び掛け空間域において粒子によって散乱された光に対応する。図示する光受信器は、集光光学系２２０、第１スリット２２４、および第１光検出システム２２９を含む。
【００２１】
[0033]  集光光学系２２０は、第１受信器２００の残り部分による処理のために、受信器視野２０８を定め、これを通る光を集光する。一実施形態では、集光光学系２２０は、集光レンズ２２１、太陽フィルタ２２２、および／または第１合焦レンズ２２３を含む。他の実施形態では、集光光学系２２０は、光受信器２０８が光ビーム２０８と整列しなくてもよいように、光ビーム２０８を導く１つ以上のミラーを含む。明確化の目的のために、集光光学系２２０は、前述のコンポーネントおよび／またはその他のコンポーネントの内１つ以上を含むことができる。
【００２２】
[0034]  これより、集光レンズ２２１、太陽フィルタ２２２、および第１合焦レンズ２２３を含む集光光学系２２０の一実施形態の動作について説明する。集光レンズ２２１は、光ビーム２０８から受けた光を平行化し、平行化された光は太陽フィルタ２２２に伝搬する。
【００２３】
[0035]  太陽フィルタ２２２は、例えば、本明細書において説明するシステムの送信器（１つまたは複数）によって放射される光波長を除く全ての光を濾波し、太陽フィルタ２２２は、受信器の信号対ノイズ比を高める。第１合焦レンズは、平行化され濾波された光（太陽フィルタ２２２を通過した）を第１スリット２２４上に合焦する。第１スリット２２４は、光ビーム２０８のエッジからの散乱光の一部を除去し、光ビーム２０８からの最も均一な部分からの散乱光が検出されるように設計されている。これによって、測定精度を高める。また、スリット２２４は、対応する呼び掛け空間域の長さおよび高さを定めるために使用することもできる。
【００２４】
[0036]  濾波された光は、第１スリット２２４を通過した後、第１光検出システム２２９に入射する(impinge)。一実施形態では、第１受信器２００は、第１光検出システム２２９が光の存在を検出したときに、特定のＭＤＶの粒子の存在、またはある範囲のＭＶＤの存在を、対応する呼び掛け空間域において検出する。他の実施形態では、第１光検出システム２２９は、このような光の強度および／または偏光を判定する。強度および／または偏光は、それぞれ、このような粒子の数、およびこのような粒子の形状に対応し、後にこれらを判定するために処理することができる。
【００２５】
[0037]  一実施形態では、第１光検出システム２２９は、平行化レンズ２２５、偏光ビーム・スプリッタ、第２合焦レンズ２２７Ａ、第１光またはＳ検出器２２８Ｂ、第３合焦レンズ２２７Ｂ、および第２光またはＰ検出器２２８Ｂを含む。平行化レンズ２２４は、第１スリット２２４を通過し平行化レンズ２２５に入射した光を平行化する。
【００２６】
[0038]  偏光ビーム・スプリッタ２２６は、送信器（１つまたは複数）によって放射された光と実質的に平行な光（ｐ偏光）が、経路ｐに沿って導かれ、送信器（１つまたは複数）によって放射された光と実質的に垂直な光（ｓ偏光）が経路ｓに沿って導かれるように、直線偏光を分離する。粒子によって散乱され検出された光が実質的にｐ偏光を有する場合、粒子は実質的に球形状である。ｓ偏光で散乱された光の強度は（ｐ偏光で散乱された光の強度に対して）、粒子（光を散乱させる）が非球体(aspherical)である度合いを示す。
【００２７】
[0039]  第２合焦レンズ２２７Ａは、ｓ経路における第１（ｓ）偏光の平行化光をＳ検出器２２８Ａ上に合焦する。第３合焦レンズ２２７Ｂは、ｐ経路における第２（ｐ）偏光の平行化光をＰ検出器２２８Ｂ上に合焦する。Ｓ検出器２２８ＡおよびＰ検出器２２８Ｂの各々は、光検出器、および信号処理電子回路（フィルタ、増幅器、および／またはアナログ／ディジタル変換器のような）を含む。光検出器は、光電検出器(photoelectric detector)または光電圧検出器(photovoltaic detector)を含む光検出器の内任意の型式でよい。使用することができる光電検出器の一例に、アバランシェ・フォトダイオードがある。一実施形態では、小さい方の粒子を検出するために使用される検出器（１つまたは複数）、例えば、Ｓ検出器２２８ＡおよびＰ検出器２２８Ｂは、大きい方の粒子を検出するために使用される対応の検出器よりも高い感度を有する。
【００２８】
[0040]  第１光検出システム２２９は、別様に実現することができる。代替実施形態では、第１光検出システム２２９は、図２に示すコンポーネントを使用するが、偏光ビーム・スプリッタ２２６、第２合焦レンズ２２７Ｂ、およびＰ検出器２２８Ｂを除外して実現することができる。その結果、Ｓ検出器２２８Ａは、ＳおよびＰ偏光を含む、全ての偏光の散乱光を検出する。この実施形態は、対応する呼び掛け空間域において粒子の量を判定するが、形状は判定しない場合に使用することができる。
【００２９】
[0041]  図３は、１つの送信器および２つの受信器を含むシステム（第２システム）３００の一実施形態のブロック図を示す。第２システム３００は、送信器３０２、第１受信器３０４Ａ、および第２受信器３０４Ｂを含む。送信器３０２は、送信器集束ビーム３０６を有する。第１受信器３０４Ａは、第１受信器合焦視野３０８Ａを有する。第２受信器３０４Ｂは、第２受信器合焦視野３０８Ｂを有する。
【００３０】
[0042]  送信器ビーム３０６および第１受信器視野１０８Ａは、重複または交差して、第１呼び掛け空間域３１０Ａを形成する。送信器ビーム３０６および第２受信器視野３０８Ｂは、重複または交差して、第２呼び掛け空間域３１０Ｂを形成する。第２呼び掛け空間域３１０Ｂの空間域は、第１呼び掛け空間域３１０Ａの空間域よりも小さい。一実施形態では、第１呼び掛け空間域３１０Ａおよび第２呼び掛け空間域３１０Ｂは、大きい粒子および小さい粒子の特徴付けがほぼ同じ領域内で行われるように、互いに近接する。
【００３１】
[0043]  第１呼び掛け空間域３１０Ａにおいて、光は比較的大きいＭＶＤを有する粒子によって散乱され、第１受信器視野３０８Ａに沿って第１受信器３０４Ａに戻る。第２呼び掛け空間域３１０Ｂにおいて、光は比較的小さいＭＶＤを有する粒子によって散乱され、第２受信器視野３０８Ｂに沿って第２受信器３０４Ｂに戻る。
【００３２】
[0044]  図４は、２つの送信器および１つの受信器を含むシステム（第３システム）４００の一実施形態のブロック図を示す。第３システム４００は、第１送信器４０２Ａ、第２送信器４０２Ｂ、および受信器４０４を含む。第１送信器４０２Ａは、第１送信器集束ビーム４０６Ａを有する。第２送信器４０２Ｂは、第２送信器集束ビーム４０６Ｂを有する。受信器４０４は、受信器合焦視野４０８を有する。
【００３３】
[0045]  第１送信器ビーム４０６Ａおよび受信器視野４０８は、重複または交差して、第１呼び掛け空間域４１０Ａを形成する。第２送信器ビーム４０６Ｂおよび受信器視野４０８は、重複または交差して、第２呼び掛け空間域４１０Ｂを形成する。第２呼び掛け空間域４１０Ｂの空間域は、第１呼び掛け空間域４１０Ａの空間域よりも小さい。一実施形態では、第１呼び掛け空間域４１０Ａおよび第２呼び掛け空間域４１０Ｂは、大きい粒子および小さい粒子の特徴付けがほぼ同じ領域において行われるように、互いに近接する。
【００３４】
[0046]  第１呼び掛け空間域４１０Ａにおいて、光は比較的大きいＭＶＤを有する粒子によって散乱され、受信器視野４０８に沿って受信器４０４に戻る。第２呼び掛け空間域４１０Ｂにおいて、光は比較的小さいＭＶＤを有する粒子によって散乱され、受信器視野４０８に沿って受信器４０４に戻る。
【００３５】
[0047]  一実施形態では、受信器４０４は、第１呼び掛け空間域４１０Ａからの散乱と、第２呼び掛け空間域４１０Ｂからの散乱との間で区別する。何故なら、第１送信器４０２Ａおよび第２送信器４０２Ｂは異なる波長の光を送信するからである。図５は、２つの異なる波長、例えば、９０５ｎｍおよび１５５０ｎｍの光信号を受信するように構成された受信器（二色受信器(dichromatic receiver)または第２受信器）５００の一実施形態を示す。
【００３６】
[0048]  図示する二色受信器５００は、集光光学系５２０、二色ビーム・スプリッタ５４３、第１受信システム５４０Ａ、および第２受信システム５４０Ｂを含む。受信器視野４０８は集光光学系５２０と衝突する(impinge)。一実施形態では、集光光学系５２０は、レンズおよび太陽フィルタを含み、平行化光を二色ビーム・スプリッタ５４３上に投影する。このレンズは、受信器視野４０８に合焦し易くする。他の実施形態では、集光光学系５２０は、受信器４０８が受信器視野４０８と整列しなくてもよいように、受信器視野４０８を導く１つ以上のミラーを含む。
【００３７】
[0049]  二色ビーム・スプリッタ５４３、例えば、二色プリズムは、異なる波長の光を異なる方向に、例えば、第１受信システム５４０Ａおよび第２受信システム５４０Ｂに向けて導く。第１受信システム５４０Ａは、第１波長（または第１狭帯域波長）の光を処理し検出する。第１受信システム５４０Ａは、第４合焦レンズ５４４Ａ、第２スリット５２３Ａ、第２光検出システム５２９Ａを含む。第４合焦レンズ５４４Ａ、第２スリット５２３Ａ、および第１光検出システム５２９Ａは、第１合焦レンズ２２３、第１スリット２２４、および第１光検出システム２２９について先に説明したのと類似した様態で機能する。
【００３８】
[0050]  第２受信システム５４０Ｂは、第２波長（または第２狭帯域波長）の光を処理し検出する。第２受信システム５４０Ｂは、第５合焦レンズ５４４Ｂ、第３スリット５２３Ｂ、および第３光検出システム５２９Ｂを含む。第５合焦レンズ５４４Ｂ、第３スリット５２３Ｂ、および第２光検出システム５２９Ｂは、第１合焦レンズ２２３、第１スリット２２４、および第１光検出システム２２９について先に説明したのと類似した様態で機能する。
【００３９】
[0051]  図６は、１つの送信器および１つの受信器を含むシステム（第４システム）６００の一実施形態のブロック図を示す。第４システム６００は、送信器６０２および受信器６０４を含む。送信器６０２は、第１送信器集束ビーム６０６を有する。受信器６０４は、第１受信器視野６０８Ａおよび第２受信器視野６０８Ｂを有し、これらは双方共集束する。第１受信器視野６０８Ａおよび第２受信器視野６０８Ｂは、以下で更に説明するように、同時にまたは順次現れる(occur)。
【００４０】
[0052]  送信器ビーム６０６および第１受信器視野６０８Ａは、重複または交差して、第１呼び掛け空間域６１０Ａを形成する。送信器ビーム６０６および第２受信器視野６０８Ｂは、重複または交差して、第２呼び掛け空間域６１０Ｂを形成する。第１呼び掛け空間域６１０Ａの空間域は、第２呼び掛け空間域６１０Ｂの空間域よりも小さい。一実施形態では、第１呼び掛け空間域６１０Ａおよび第２呼び掛け空間域６１０Ｂは、小さい粒子および大きい粒子の特徴付けがほぼ同じ領域において行われるように、互いに近接する。
【００４１】
[0053]  第１呼び掛け空間域６１０Ａにおいて、光は比較的小さいＭＶＤを有する粒子によって散乱され、第１受信器視野６０８Ａに沿って受信器６０４に戻る。第２呼び掛け空間域６１０Ｂにおいて、光は比較的大きいＭＶＤを有する粒子によって散乱され、第２受信器視野６０８Ｂに沿って受信器６０４に戻る。
【００４２】
[0054]  一実施形態では、第１受信器視野６０８Ａおよび第２受信器視野６０８Ｂは、順次異なる時点において現れる。他の実施形態では、２箇所よりも多い受信器視野が、例えば、特定の順序で、異なる時点において現れることも可能である。
【００４３】
[0055]  受信視野の順次交代(sequencing)は、電気モータおよび／またはピエゾ電気モータによって受信器６０４または受信器６０４のコンポーネント（１つまたは複数）を動かすことによって遂行することができる。例えば、集光レンズ２２１全体または集光レンズ２２１におけるミラーだけ（先に説明した）を周期的に動かすのでも良い。一実施形態では、受信器６０４を２箇所よりも多い位置の間で移動させて、２箇所よりも多い受信器視野を形成し、こうして呼び掛け空間域を形成することができる。あるいは、光電変調器のような光電デバイスを使用して、電気制御信号、例えば、電圧信号を使用して、受信器視野を順次交代させることもできる。
【００４４】
[0056]  受信器視野が現れる時点は、環境に基づいて変動する。大きい粒子の存在が少なくなる高層大気条件(upper atmospheric conditions)では、第２受信器視野６０８Ｂは、かなり長めの時間、例えば、時間期間の内９０パーセントの間現れ、一方第１受信視野６０８Ａは、それよりも短い時間、例えば、時間期間の内１０パーセントの間現れる。大きい粒子および小さい粒子の分布が等しい環境では、デューティ・サイクル（第１受信器視野６０８Ｂおよび第２受信器視野６０８Ｂの現れる時間に対応する）が、５０パーセントであってもよい。
【００４５】
[0057]  あるいは、他の実施形態では、受信器６０４が第１受信器視野６０８Ａおよび第２受信器視野６０８Ｂを有し、これらが同時に現れる。これは、他の形式の受信器設計によって実施することができる。図７は、２つの同時受信器視野を有する受信器（第３受信器）７００の一実施形態のブロック図を示す。図示する第３受信器７００は、集光光学系７２０、第４スリット７２３Ａ、第５スリット７２３Ｂ、第１受信システム７４０Ａ、および第２受信システム７４０Ｂを含む。第４スリット７２３Ａおよび第５スリット７２３Ｂは、集光光学系７２０の中央線からずれている。その結果、第２受信器視野６０８Ｂおよび第１受信器視野６０８Ａも、対応して中央線からそのような角度で投影される。つまり、第２受信器視野６０８Ｂは、集光光学系７２０に衝突し、第４スリット７２３Ａ上に合焦される。一実施形態では、集光光学系７２０は、図２の集光光学系２２０に含まれるとして説明したのと同じコンポーネントを含む。
【００４６】
[0058]  第４スリット７２３Ａは、第１スリット２２３Ａについて先に説明したのと同じ機能を実行し、第２受信器視野６０８Ｂが集光光学系７２０を介して投影されるのと同じ角度で、第２受信器視野６０８Ｂを第４光検出システム７２９Ａ上に投影する。第４光検出システム７２９Ａは、図２の第１光検出システム２２９について先に説明したのと同様に、第２受信器視野６０８Ｂを処理する。
【００４７】
[0059]  更に、第１受信器視野６０８Ａは、集光光学系７２０に衝突し、第５スリット７２３Ｂ上に合焦される。第５スリットは、第１スリット２２３Ａについて先に説明したのと同じ機能を実行し、第１受信器視野６０８Ａが集光光学系７２０を介して投影されるのと同じ角度で、第１受信器視野６０８Ａを第５光検出システム７２９Ｂ上に投影する。第５光検出システム７２９Ｂは、図２の第１光検出システム２２９について先に説明したのと同様に、第１受信器視野６０８Ａを処理する。
【００４８】
[0060]  あるいは、１つの送信器および１つの受信器が使用されるとき、例えば、送信器またはそのコンポーネント（１つまたは複数）を移動させることによって、２つ以上の送信器ビームが異なる時点において現れることができる。図８は、１つの送信器および１つの受信器を含むシステム（第５システム）８００の他の実施形態のブロック図を示す。第５システム８００は、送信器８０２および受信器８０４を含む。送信器８０２、またはそのコンポーネント（１つまたは複数）は、少なくとも第１送信器ビーム８０６Ａおよび第２送信器ビーム８０６Ｂが発生し順次交代するように、少なくとも２つの位置の間で移動させられる。受信器８０４は受信器視野８０８を有する。他の実施形態では、電気モータおよび／またはピエゾ電気モータによって送信器８０２またはそのコンポーネント（１つまたは複数）を周期的に移動させることによって、送信器８０２、またはそのコンポーネント（１つまたは複数）を移動させる。例えば、送信器８０２におけるレンズ（１つまたは複数）およびミラー（１つまたは複数）を周期的に移動させてもよい。あるいは、光電変調器のような光電デバイスを使用して、電気制御信号、例えば、電圧信号を使用して、送信器ビームを順次交代させることもできる。
【００４９】
[0061]  第１送信器ビーム８０６Ａおよび受信器視野８０８Ａは、重複または交差して、第１呼び掛け空間域８１０Ａを形成する。第２送信器ビーム８０６Ａおよび受信器視野８０８は、重複または交差して、第２呼び掛け空間域８１０Ｂを形成する。第１呼び掛け空間域８１０Ａの空間域は、第２呼び掛け空間域８１０Ｂの空間域よりも大きい。一実施形態では、第１呼び掛け空間域８１０Ａおよび第２呼び掛け空間域８１０Ｂは、小さい粒子および大きい粒子の特徴付けがほぼ同じ領域において行われるように、互いに近接する。
【００５０】
[0062]  第１呼び掛け空間域８１０Ａにおいて、光は比較的大きいＭＶＤを有する粒子によって散乱され、受信器視野８０８に沿って受信器８０４に戻る。第２呼び掛け空間域８１０Ｂにおいて、光は比較的小さいＭＶＤを有する粒子によって散乱され、受信器視野８０８に沿って受信器８０４に戻る。
【００５１】
[0063]  送信器ビームが現れる時点は、環境に基づいて変動する。大きい粒子の存在が少なくなる高層大気条件では、第１送信器ビーム８０６Ａは、第２送信器ビーム８０６Ｂよりも、遙かに長い期間の間使用され、例えば、時間期間の９０％を消費する。例えば、第２送信器ビーム８０６Ｂは時間期間の１０パーセントを消費する。大きい粒子および小さい粒子の分布が等しい環境では、デューティ・サイクルは、例えば、５０パーセントとなる。一実施形態では、２箇所よりも多い呼び掛け空間域を形成するために、２箇所よりも多い位置の間で送信器ビームを移動させることができる。
【００５２】
[0064]  図９は、広い感度範囲９００を維持しつつ、粒子センサのダイナミック・レンジを広げるための一実施形態を示す。図９に示す方法９００の実施形態を、ここでは、図１から図８、および図１０に示したシステムにおいて実現するものとして説明する限りにおいて、他の実施形態も他の方法で実現できることは理解されてしかるべきである。この流れ図のブロックは、説明を容易にするために、全体的に順次並べられている。しかしながら、この並べ方は例示に過ぎないことは理解されるはずであり、この方法（および図に示すブロック）に関連する処理を異なる順序で行える（例えば、ブロックに関連する処理の少なくとも一部が並列におよび／またはイベント・ドリブン式に実行される）ことは認められてしかるべきである。
【００５３】
[0065]  ブロック９９０において、第１呼び掛け空間域において第１粒子サイズの第１粒子の存在を検出する。一実施形態では、第１呼び掛け空間域において第１粒子サイズの第１粒子の存在を検出する動作は、第１時間期間の間検出する動作を含む。他の実施形態では、第１呼び掛け空間域において第１粒子サイズの第１粒子の存在を検出する動作は、（ａ）散乱光の強度、および（ｂ）散乱光の相対偏光(relative polarization)の内少なくとも１つを検出する動作を含む。
【００５４】
[0066]  ブロック９９２において、第２呼び掛け空間域において第２粒子サイズの第２粒子の存在を検出する。一実施形態では、第２呼び掛け空間域において第２粒子サイズの第２粒子の存在を検出する動作は、第１時間期間に続く第２時間期間の間検出する動作を含む。他の実施形態では、第１時間期間および第２時間期間は順次繰り返す。更に他の実施形態では、大きい方の粒子を検出するために使用される呼び掛け空間域に対応する時間期間に対して、デューティサイクルが小さくなる。更にもう１つの実施形態では、第２呼び掛け空間域において第２粒子サイズの第２粒子の存在を検出する動作は、（ａ）散乱光の強度、および（ｂ）散乱光の相対偏光の内少なくとも１つを検出する動作を含む。更にまた別の実施形態では、ブロック９９０および９９２は、少なくとも１つの送信器、例えば、レーザおよび少なくとも１つの受信器、例えば、光受信器によって実行される。
【００５５】
[0067]  図１０は、１つの送信器および１つの受信器を含むシステム（第６システム）１０００の他の実施形態のブロック図を示す。第６システム１０００は、送信器１００２および受信器１００４を含み、それぞれ、送信器ビーム１００６および受信器視野１００８を有する。
【００５６】
[0068]  一実施形態では、送信器１００２は、先に説明したように実装され、固定位置を有する。他の実施形態では、受信器１００４は、先に図２に関して説明したように実装される。
【００５７】
[0069]  送信器ビーム１００６および受信器視野１００８は、重複または交差して、呼び掛け空間域１０１０を形成する。呼び掛け空間域１０１０は、小さい粒子および大きい粒子双方の特徴付けるために使用され、適宜そのサイズが決められる。
【００５８】
[0070]  呼び掛け空間域１０１０において、光は比較的大きいＭＶＤを有する粒子によって散乱され、受信器視野１００８に沿って受信器１００４に戻る。また、呼び掛け空間域１０１０において、光は比較的小さいＭＶＤを有する粒子によっても散乱され、受信器視野１００８に沿って受信器８０４に戻る。
【００５９】
[0071]  受信器１００４の出力、例えば、光検出システムの出力は、１つ以上の増幅システムに結合されている。図１０に示すように、Ｓ増幅システム１０１２ＡおよびＰ増幅システム１０１２Ｂが、受信器１００４の出力に、例えば、Ｓ検出器２２８ＡおよびＰ検出器２２８Ｂの出力にそれぞれ結合されている。Ｓ増幅システム１０１２Ａは、少なくとも１つの出力、例えば、第１出力１０１６Ａ−１および第２出力１０１６Ａ−２を有する。Ｐ増幅システム１０１２Ｂは、少なくとも１つの出力、例えば、第１出力１０１６ＢＡ−１および第２出力１０１６Ｂ−２を有する。以下で例示するように、各増幅システムは１つの出力だけを有するのでもよい。更に、１つの検出器だけが使用される場合、先に説明したように、１つの増幅システムだけが受信器１００４の出力に結合される。
【００６０】
[0072]  増幅システムの一例、第１増幅システム１０１０Ａの実装および動作について、これより説明する。第１増幅システム１０１０は、第１出力１０１６Ａ−１および第２出力１０１６Ｂ−１を有する。第２出力１０１６Ｂ−１は、第１出力１０１６Ａ−１よりも高い(higher)ダイナミック・レンジを有する。ダイナミック・レンジに差が生じるには、第１出力１０１６Ａ−１における信号が、第２出力１０１６Ｂ−１における信号よりも少なく増幅されたことを除いて、第１出力１０１６Ａ−１および第２出力１０１６Ｂ−１における信号が、受信器１００４の出力からの信号の実質的に同一バージョンであるからである。一実施形態では、増幅システム１０１０は、少なくとも２つの直列結合された増幅器、例えば、第１増幅器１０１４Ａおよび第２増幅器１０１４Ｂを含む。第１出力１０１６Ａ−１は、増幅器、例えば、増幅システム１０１０における１つ以上の他の増幅器よりも前にある、第１増幅器１０１４Ａの出力に結合されている。第２出力１０１６Ｂ−１は、増幅器、例えば、増幅システム１０１０における１つ以上の他の増幅器よりも後にある第２増幅器１０１４Ｂの出力に結合されている。前にある増幅器に関連する利得は、前後にある増幅器に関連する利得よりも低い。相対的に低い利得を有する出力、例えば、第１出力１０１６Ａ−１は、相対的に大きい粒子に対応する信号を増幅するために使用される。相対的に高い利得を有する出力、例えば、第２出力１０１６Ａ−２は、相対的に小さい粒子に対応する信号を増幅するために使用される。
【００６１】
[0073]  図１０に示す増幅システム１０１２Ａ、１０１２Ｂの各々は、代わりに、利得を経時的に変動させることができる、少なくとも１つの可変利得増幅器（ＶＧＡ）によって実現してもよい。その結果、可変利得増幅器を有する増幅システム１０１２Ａは、前述のような異なる粒子サイズに対応する、２つよりも多い利得レベルで増幅された信号を生成する１つの出力を有することができる。このような利得のデューティ・サイクルについて、図３に関して説明することができる。
【００６２】
[0074]  図１１は、広い感度範囲を維持しつつ、粒子センサのダイナミック・レンジを広げるための一実施形態１１００を示す。図１に示す方法１１００の実施形態を、ここでは、図１から図８および図１０に示したシステムにおいて実現するものとして説明する限りにおいて、他の実施形態も他の方法で実現できることは理解されてしかるべきである。この流れ図のブロックは、説明を容易にするために、全体的に順次並べられている。しかしながら、この並べ方は例示に過ぎないことは理解されるはずであり、この方法（および図に示すブロック）に関連する処理を異なる順序で行える（例えば、ブロックに関連する処理の少なくとも一部が並列におよび／またはイベント・ドリブン式に実行される）ことは認められてしかるべきである。
【００６３】
[0075]  ブロック１１１３において、第１呼び掛け空間域において第１粒子サイズの第１粒子の存在を検出する。一実施形態では、第１呼び掛け空間域において第１粒子サイズの第１粒子の存在を検出する動作は、第１時間期間の間検出する動作を含む。他の実施形態では、第１呼び掛け空間域において第１粒子サイズの第１粒子の存在を検出する動作は、（ａ）散乱光の強度、および（ｂ）散乱光の相対偏光の内少なくとも１つを検出する動作を含む。
【００６４】
[0076]  ブロック１１１５において、第１呼び掛け空間域において第２粒子サイズの第２粒子の存在を検出する。一実施形態では、第１呼び掛け空間域において第２粒子サイズの第２粒子の存在を検出する動作は、第１時間期間に続く第２時間期間の間検出する動作を含む。他の実施形態では、第１時間期間および第２時間期間は順次繰り返す。更に他の実施形態では、大きい方の粒子を検出するために使用される呼び掛け空間域に対応する時間期間に対して、デューティ・サイクルが小さくなる。更にもう１つの実施形態では、第１呼び掛け空間域において第２粒子サイズの第２粒子の存在を検出する動作は、（ａ）散乱光の強度、および（ｂ）散乱光の相対偏光の内少なくとも１つを検出する動作を含む。更にまた別の実施形態では、ブロック９９０および９９２は、少なくとも１つの送信器、例えば、レーザおよび少なくとも１つの受信器、例えば、光受信器によって実行される。
【００６５】
[0077]  以上、本明細書において特定の実施形態について図示および説明したが、同じ目的を達成すると考えられる任意の構成と、ここに示した特定の実施形態を交換してもよいことは当業者には認められよう。したがって、本発明は特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることを意図しているのは明白である。
実施形態例
[0078]  例１は、 粒子検出システムを含む。この粒子検出システムは、少なくとも１つの送信器と、少なくとも１つの受信器と、送信器の送信器ビームおよび受信器の受信器視野の第１対の第１交差によって形成された第１呼び掛け空間域と、送信器の送信器ビームおよび受信器の受信器視野の第２対の第２交差によって形成された第２呼び掛け空間域とを含む。
【００６６】
[0079]  例２は、例１の粒子検出システムを含み、少なくとも１つの受信器が、第１呼び掛け空間域において第１粒子サイズの第１粒子の存在を検出し、第２呼び掛け空間域において、第２粒子サイズの第２粒子の存在を検出するように構成される。
【００６７】
[0080]  例３は、例１〜２の粒子検出システムにおいて、第１粒子の存在を検出する動作が、（ａ）散乱光の強度、および（ｂ）散乱光の相対偏光の内少なくとも１つを検出する動作を含み、第２粒子の存在を検出する動作が、（ａ）散乱光の強度、および（ｂ）散乱光の相対偏光の内少なくとも１つを検出する動作を含む。
【００６８】
[0081]  例４は、例１の粒子検出システムを含み、少なくとも１つの受信器が、光受信器を含み、この光受信器が、スリットと、受信器視野を通る光を集光しそれをスリット上に合焦する集光光学系と、スリットから光を受ける光検出システムとを含む。
【００６９】
[0082]  例５は、例１の粒子検出システムを含み、少なくとも１つの送信器が１つの送信器から成り、第１対の送信器ビームおよび第２対の送信器ビームが同じ送信器ビームであり、少なくとも１つの受信器が少なくとも２つの受信器を含み、第１対の受信器視野および第２対の受信器視野が異なる受信器視野である。
【００７０】
[0083]  例６は、例１の粒子検出システムを含み、少なくとも１つの送信器が少なくとも２つの送信器を含み、第１対の送信器ビームおよび第２対の送信器ビームが異なる送信器ビームであり、少なくとも１つの受信器が１つの受信器から成り、第１対の受信器視野および第２対の受信器視野が同じ受信器視野である。
【００７１】
[0084]  例７は、例１〜６の粒子検出システムを含み、少なくとも２つの送信器の各々が、一意の周波数または周波数帯を有する光信号を生成し、１つの受信器が、受信器視野を通る光を集光しこのような光を平行化する集光光学系と、異なる周波数または周波数帯の光信号を異なる方向に導くように構成された二色ビーム・スプリッタと、第１周波数または第１周波数帯の光信号を受信するように構成された第１受信システムと、第２周波数または第２周波数帯の光信号を受信するように構成された第２受信システムとを含む。
【００７２】
[0085]  例８は、例１〜７の粒子検出システムを含み、第１受信システムおよび第２受信システムが、各々、スリットと、平行化光をスリット上に合焦するように構成された第１合焦レンズと、スリットからの光を受けるように構成された光検出システムとを含む。
【００７３】
[0086]  例９は、例１の粒子検出システムを含み、少なくとも１つの送信器が１つの送信器から成り、少なくとも１つの受信器が１つの受信器から成る。
[0087]  例１０は、例１〜９の粒子検出システムを含み、受信器が、第１スリットと、第２スリットと、（ａ）第１受信器視野を通る光を集光しそれを第１スリット上に合焦し、（ｂ）第２受信器視野を通る光を集光しそれを第２スリット上に合焦する集光光学系と、第１スリットからの光を受ける第１光検出システムと、第２スリットからの光を受ける第２光検出システムとを含み、第１対の送信器ビームおよび第２対の送信器ビームが同じ送信器ビームであり、第１対の受信器視野が第１受信器視野であり、第２対の受信器視野が第２受信器視野である。
【００７４】
[0088]  例１１は、例１〜９の粒子検出システムを含み、第１対の受信器視野および第２対の受信器視野が順次交代され、第１対の送信器ビームおよび第２対の送信器ビームが同じ送信器ビームであり、第１対の受信器視野および第２対の受信器視野が異なる受信器視野である。
【００７５】
[0089]  例１２は、例１〜９の粒子検出システムを含み、第１対の送信器視野および第２対の送信器視野が順次交代され、第１対の受信器視野および第２対の受信器視野が同じ受信器視野であり、第１対の送信器ビームおよび第２対の送信器ビームが異なる送信器ビームである。
【００７６】
[0090]  例１３は方法を含み、この方法は、第１呼び掛け空間域において第１粒子サイズの第１粒子の存在を検出するステップと、第２呼び掛け空間域において第２粒子サイズの第２粒子の存在を検出するステップとを含む。
【００７７】
[0091]  例１４は、例１３の方法を含み、更に、第１粒子の存在を検出するステップが、（ａ）散乱光の強度および（ｂ）散乱光の相対偏光の内少なくとも１つを検出するステップを含み、第２粒子の存在を検出するステップが、（ａ）散乱光の強度および（ｂ）散乱光の相対偏光の内少なくとも１つを検出するステップを含む。
【００７８】
[0092]  例１５は、例１３の方法を含み、第１呼び掛け空間域において第１粒子の存在を検出するステップが、第１粒子の存在の検出を、第２粒子の存在の検出と時間的に順次行うステップを含む。
【００７９】
[0093]  例１６は、粒子検出システムを含み、この粒子検出システムは、送信器と、受信器と、送信器の送信器ビームおよび受信器の受信器視野の交差によって形成された呼び掛け空間域と、受信器に結合され、異なる利得レベルで増幅された少なくとも１つの信号を出力するように構成された少なくとも１つの増幅システムとを含む。
【００８０】
[0094]  例１７は、例１６の粒子検出システムを含み、少なくとも１つの増幅システムが少なくとも２つの出力を有する。
[0095]  例１８は、方法であり、この方法は、第１検出ダイナミック・レンジを使用して、呼び掛け空間域において第１粒子サイズの第１粒子の存在を検出するステップと、第２検出ダイナミック・レンジを使用して、前述の呼び掛け空間域において第２粒子サイズの第２粒子の存在を検出するステップとを含む。
【００８１】
[0096]  例１９は、例１８の方法を含み、第１検出ダイナミック・レンジを使用して第１粒子の存在を検出するステップが、（ａ）散乱光の強度および（ｂ）散乱光の相対偏光の内少なくとも１つを検出するステップを含み、第２検出ダイナミック・レンジを使用して第２粒子の存在を検出するステップが、（ａ）散乱強の強度および（ｂ）散乱光の相対偏光の内少なくとも１つを検出するステップを含む。
【００８２】
[0097]  例２０は、例１８〜１９の方法を含み、第１検出ダイナミック・レンジを使用して第１呼び掛け空間域において第１粒子の存在を検出するステップが、第１粒子の存在の検出を、第２検出ダイナミック・レンジを使用して第２粒子の存在を検出するステップと時間的に順次行うステップを含む。
【００８３】
[0098]  以上、本明細書では特定的な実施形態について図示および説明したが、同じ目的を達成することができるのであれば任意の構成を、図示した特定的な実施形態と交換してもよいことは、当業者には認められよう。したがって、本発明は特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることを意図しているのは明白である。
【図１】
2019090787.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2019090787.tif 000012
【図１１】
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【外国語明細書】
2019090787000001.pdf