[发明专利]光检测和测距LIDAR冰检测系统

说明书

本发明的名称为光检测和测距LIDAR冰检测系统。一种基于光检测和测距(LIDAR)的系统，其检测和量化在航空器上的冰积聚和脱落。该系统可用于检测冰、操作防冰系统并且满足航空器结冰认证要求。该系统还可用于确定冰积聚的形状、厚度、类型和位置。

技术领域

本公开内容涉及使用LIDAR检测冰的系统。

背景技术

在航空器的空气动力学表面上积累冰可能是有问题的。例如，冰可能积累在旋翼机上的机翼、尾翼、发动机短舱和旋翼上。冰可能破坏空气动力学表面上方的预期气流，引起由空气动力学表面产生的升力的损失。

在寒冷条件下起飞之前，总是有一些危险的积冰风险。而且，在飞行的许多不同阶段期间(包括在起飞、起飞滑跑、爬升、下降、进场和着陆期间)都可能遇到结冰。对于认证和系统设计的一个主要考虑事项是45分钟保持情况(hold case)，涉及使航空器在目的地保持跑道模式。这可能导致必须被考虑的最大的冰积聚(accretion)之一。更罕见的情况包括在认证包线(envelop)限制之外的巡航海拔(通常在热带区域)处结冰。另外，在各种双发动机延程运行性能标准(ETOPS)情景期间可能遇到非常严重的结冰环境，在这些情景中巡航海拔必须下降并且结冰状况无法避免。对于复飞(go around)、着陆爬升、一般操纵性能和抖振(buffet)必须考虑所有这些冰。

当前使用安装在机身上的超声、磁致伸缩或双传感器系统探针式冰检测器实现结冰积聚感测。图1图解了安装在航空器104的机身100、机翼102或发动机入口的飞行中冰积聚检测器，其包括齐平(flush)-安装的表面冰检测器和探针式冰状况检测器100，与总气温(TAT)探针相似。冰状况探针检测水分，并且与温度数据结合，预测结冰状况并且传输检测的数据至航线更换单元(LRU)。LRU将数据与最小值比较，并且将当前的结冰状况通知给驾驶舱计算机106和飞行员。响应由冰检测器检测到冰，启用引气或电阻加热防冰，并且设置失速保护边界为保守的迎角限制。

然而，因为实施防冰/检测系统而不妨碍旋翼的运动存在难度，所以防冰/检测系统通常不被用于旋翼机。因此，旋翼机通常具有严格限制的结冰飞行包线(例如，限制到不低于-5摄氏度的温度并且处于轻微结冰状况下的飞行)，以便避免区域——在这些区域中过多的旋翼结冰可能导致快速扭矩升高，伴随相关的增加振动的不对称的冰脱落，和脱落冰损坏。

而且，常规的冰检测/防冰系统具有限制和缺点，其导致关于安装系统的许多问题。气流中的探针具有与航空器上的优点临界表面(critical surfaces of merit)的特征不同的特征，其可能导致当探针没有感测到冰时在机翼上冰积聚。嵌入临界表面中的其它冰积聚传感器只能检测在安装位置处的冰。因此，当前的冰状况检测系统只能保守地检测航空器何时处于结冰状况(不是是否具有在临界表面上存在的实际的冰积聚)，并且不能检测冰是否已经脱落并且不再存在。

结果，在其中遇到结冰并且由飞行中冰积聚检测器检测到结冰的航空器上，失速保护通常在飞行期间被设定为保守值(即使当防冰已经正常运行并且在离开结冰状况之后的适当延迟之后关闭)。这是因为常规的冰检测器被设计为确认冰积聚正在发生，但是不能确认航空器前缘没有冰。而对于检测冰在航空器前缘上方的存在或升华的需要指出使用特殊的超声导波传感器，安装这些传感器是昂贵的并且增加故障点。因此，机组人员通常无法确认冰的不存在并且被迫以具有妨碍飞行机动性——尤其是在着陆期间——的保守设置继续整个飞行。

在其它情况中，依赖常规的冰检测器是根本不够精确的。例如，在起飞之前的地面上，冰在航空器的机翼上的存在通常由视觉检查而不是冰检测器检测到，因为避免可能引起中断起飞或坠毁的过多的冰积累是特别重要的。而且，因为常规的冰检测器在施加可能流动的调节除冰/防冰流体(或防冰流体)之后直到发动机启动才能检测到冰升华，因此视觉检查是必要的。然而，即使视觉检查可能是不可靠的，尤其是当通过雾、降雪、冻雨和/或黑暗损害能见度时。而且，由于延迟，通常不可能在起飞之前不久对航空器除冰，但是常规的冰检测器不能确定除冰是否是必要的。