探測嵌入水汽云中的火山灰的系統和方法技術方案

本發明專利技術名稱為“探測嵌入水汽云中的火山灰的系統和方法”。用于及早探測航空器已經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和方法。探測方法一般包括測量噴氣式發動機廢氣的紅外發射特征，并當在光譜峰值波長處或其附近紅外發射的強度超過閾值時產生探測信號的步驟。

【技術實現步驟摘要】

本公開一般地涉及當航空器遭遇火山灰羽狀流(plume)時用于感測的系統和方法，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和方法。
技術介紹
如本文所使用，術語“火山羽狀流”或“火山灰羽狀流”意思是火山灰云，術語“火山氣體”意思是活火山釋放的氣體，以及術語“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語“火山灰羽狀流”的一部分。火山灰可對飛行中的噴氣式航空器產生危害，威脅人和家畜的健康，損壞電子裝置和機械，并干擾發電和長途通信。火山灰包括火山噴發到空氣中的巖石和天然玻璃的參差不齊的微小顆粒。風可攜帶灰燼數千英里，比其他火山危害影響更大得多的區域。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/或乘務人員和乘客受傷。火山灰顆粒是極端磨損性的。它們是參差不齊的巖石和玻璃顆粒，其可造成對噴氣式發動機的內部作業的快速磨損。更重要的是，噴氣式發動機一些部件中的高溫可使經過發動機的灰燼熔化。灰燼接著再固化在發動機較冷的部件上，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，對于被良好監測的火山，地面上的傳感器或人可迅速觀察到噴發并將其報告給飛行安全當局比如FAA。在這些情況下，對飛行人員發出通知。但是，世界各地許多偏遠的火山仍未良好地安裝儀器并可噴發而沒有立即探測到。即使在探測之后，向飛行人員發布通知的機制延遲了處理和分發，在這期間未被警告的航空器可能遭遇羽狀流。第二，少數的衛星基于二氧化硫譜、熱紅外發射、可見的灰燼云或這些的組合能夠從軌道探測火山羽狀流。當衛星探測到火山羽狀流時，對飛行人員發出通知。但是，衛星觀測是不連續的。衛星途徑之間發生的噴發可能持續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，向飛行人員發布通知的機制延遲了處理和分發，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、紅外發射、經激光雷達測量的光學反向散射或利用標準航空器光源的光學反向散射的照相機完成。空氣中的灰燼顆粒被暴露并能夠反射光或發射紅外輻射。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稱為“水凝結物”或“凝結物”，并且術語“凝結物顆粒”指包含灰燼顆粒的水滴或冰晶。氣象學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物顆粒的成核位置，單個的灰燼顆粒嵌入凝結物顆粒中。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射的典型應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，其將通過監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，嵌入凝結物顆粒中的灰燼顆粒的光學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，則對航空器乘務人員而言航空器已經飛行穿過含有火山灰的水汽云的第一征兆是發動機失靈。當發動機開始停止運轉時通常的飛行員反應是增加功率。但是當火山灰存在時，這可能使得情況更糟糕。如果灰燼被懷疑是發動機失靈的原因，則飛行員可使發動機減速，打開發動機和機翼防冰設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發動機功能。但是，因為航空器可能已經飛行穿過大量的灰燼，所以航空器部件可能已經遭受高代價的損壞，該破壞可能需要發動機零件的保養、維修或替換。因此，避免經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，和因此有助于節省維修時間和費用。需要一種系統，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。專利技術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動機廢氣中的火山灰的探測系統以及當探測到從噴氣式發動機發出的火山灰時警告飛行員，實現前述目的，以及其他顯而易見的目的。即使當火山灰顆粒嵌入水汽云中時，這種系統提供火山灰顆粒的可靠探測。該機上系統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動機廢氣面向下游，并配置為區分噴氣式發動機廢氣的灰燼發射與正常紅外發射。傳感器的視野包括經過噴氣式發動機的路徑已經被加熱的大氣。發動機的熱使凝結物顆粒蒸發，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動機廢氣的熱紅外發射，并探測其中的異常升高。當熱紅外發射的異常升高超過用戶指定的或預定的閾值時，測系統接著產生探測信號。根據本公開的一方面，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動機廢氣的紅外發射；和當在光譜峰值波長處或其附近的紅外發射強度超過閾值時產生探測信號。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射的最大可能的強度，其中在噴氣式發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，當產生探測信號時進一步通知飛行員。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射超過哪個閾值產生不同的探測信號。有利地，當產生所述探測信號時進一步自動使發動機減速。有利地，當產生所述探測信號時進一步通知中心處理站水汽云中存在火山灰。有利地，測量紅外發射特征包括持續監測在確定的光譜峰值波長處或其附近發射的光的強度。有利地，進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動機發射的位置處連接；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。根據本公開進一步的方面，提供用于探測嵌入水汽云中的火山灰的系統，其包括定位并定向以觀察噴氣式發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本文檔來自技高網...

【技術保護點】
探測嵌入水汽云中的火山灰的方法，其包括下列步驟：測量噴氣式發動機廢氣的紅外發射；和當在光譜峰值波長處或其附近紅外發射的強度超過閾值時產生探測信號。

【技術特征摘要】
2011.10.11 US 13/270,2861.探測嵌入水汽云中的火山灰的方法，其包括下列步驟 測量噴氣式發動機廢氣的紅外發射；和 當在光譜峰值波長處或其附近紅外發射的強度超過閾值時產生探測信號。2.根據權利要求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射的最大可能強度，其中在所述噴氣式發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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求1所述的方法，進一步包括 當產生所述探測信號時通知飛行員。6.根據權利要求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射超過哪個閾值產生不同的探測信號。7.根據權利要求1所述的方法，進一步包括 當產生所述探測信號時使所述發動機自動減速。8.根據權利要求1所述的方法，進一步包括 當產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.根據權利要求1所述的方法，其中 測量紅外發射特征包括持續監測在確定的光譜峰值波長處或其附近發射的光的強度。10.根據權利要求1所述的方法，進一步包括 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動機發射的位置處連接；和定向所述紅外傳感器以便基本上沒有航空器...

【專利技術屬性】
技術研發人員：B·J·蒂洛森，
申請(專利權)人：波音公司，
類型：發明
國別省市：