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課題

航空機上のの付着及び脱落を検出し、定量化するシステムを提供する。

解決手段

航空機上の一又は複数のLIDARデバイスを含む氷検出器200であって、LIDARデバイスの各々は送信器202と受信器214とを含み、送信器の各々はレーザパルス206を用いて航空機の空力表面226を繰り返し走査して、空力表面から拡散した拡散レーザパルス220を形成し、受信器の各々は、拡散レーザパルスを受信し、受信器で受信した拡散レーザパルスのタイミングを含むデータを出力する、氷検出器218を備える。出力データから、空力表面上の氷の蓄積及び/又は脱落を示す空力表面の座標時間的変化が算出される。

概要

背景

航空機空力表面上の堆積は、厄介な問題となる場合がある。例えば、氷は回転翼機尾翼エンジンナセル、及びロータに堆積しうる。氷によって空力表面上の所期気流が遮られ、空力表面により生成される揚力損失が生じうる。

寒冷状態における離陸前には、氷の蓄積の危険性が常に存在する。さらに、着氷は、飛行の様々なフェーズ中(離陸、離陸滑走、離陸後の上昇、降下、進入、及び着陸の最中を含む)に発生しうる。認証及びシステム設計上の主な考慮点の1つは、航空機を目的地においてレーストラックパターンで留まらせることを伴う45分間ホールドの問題(45 minute hold case)である。これは、検討しなければならない最大の氷の付着の1つをもたらしうるものである。珍しいケースには、認証エンベロープリミット外にある、(大抵の場合は熱帯地域における)巡航高度での着氷が含まれる。加えて、巡航高度を低下させる必要があり着氷状態を回避することができない双発機による長距離進出運航(Extended−range Twin−engine Operational Performance Standards、ETOPS)の様々なシナリオの最中には、非常に深刻な着氷環境が発生する場合がある。ゴーアラウンド(go around)、ランディングクライム(landing climb)、一般飛行性、及びバフェットのために、こうした氷の全てについて検討する必要がある。

現在、氷の付着検知は、胴体に取り付けられた超音波磁歪、又は2センサシステムプローブ式の氷検出器を用いて実現されている。図1は、航空機104の胴体100、翼102、又はエンジン吸気口に取り付けられた、全大気温度TAT)プローブと同様な面一取り付け型の表面氷検出器及びプローブ式氷状態検出器を含む飛行中氷付着検出器を表す。氷状態プローブは、水分を検出し、温度データと組み合わせて着氷状態を予測し、列線交換ユニットLRU)に検出データを送信する。LRUは、データを下限と比較し、操縦室コンピュータ106及びパイロットに現在の着氷状態を通知する。氷検出器による氷の検出に応じて、抽気又は加熱抵抗式の防除氷装置起動され、失速防止境界保守的迎角限度に設定される。

しかしながら、氷の防除/検出システムはロータの動きを妨げることなく実装するのが困難であるため、通常は回転翼機上で使用されることはない。したがって、過度なロータへの着氷による急速なトルクの上昇、振動の増加に関連する非対称な氷の脱落、及び脱落した氷による損傷がもたらされうる領域を回避するために、回転翼機の着氷飛行エンベロープは通常厳しく制限されている(例えば、摂氏−5度以上の温度での飛行、及び軽度着氷状態での飛行に制限される)。

さらに、従来の氷の検出/防除システムには、システムを設置する上での多くの問題につながる制約及び欠点がある。気流中でのプローブは、航空機の正常な状態の重要表面上とは異なる性質を有しており、プローブが氷を検知しないときに翼上の氷の付着がもたらされうる。重要表面に埋め込まれる他の氷付着センサは、当該センサが設置された位置の氷を検知することしかできない。したがって、現在の氷状態検出システムは、航空機が着氷状態にあるときを保守的に検知するのみであり(重要表面上に実際に氷の付着が存在するか否かを検知するのではない)、氷が脱落して存在しなくなったか否かを検出することはできない。

その結果、着氷が発生しており当該着氷が飛行中氷付着検出器により検出された航空機において、失速防止装置は通常、(防除氷装置が正常に作動しており、着氷状態を脱した後の適切な遅延の後にオフされたときであっても)飛行耐性のために保守的な値に設定される。これは、従来の氷検出器は氷の付着が生じていることを確認するように設計されており、航空機の前縁に氷がないことを確認するものではないことに起因する。航空機の前縁上の氷の存在又は昇華を検出する必要性により特殊な超音波ガイド波センサの使用が指摘されているが、これらのセンサは設置が高額であり、障害点が多い。したがって、乗務員は通常、氷が存在しないことを確認することができず、特に着陸時の飛行操縦性を妨げる保守的な設定で全体的な飛行を継続することを余儀なくされている。

他の例では、従来の氷検出器には、信頼できるほどの正確性がない。例えば、離陸前の地上において、離陸中止や墜落を生じうる過度な氷の堆積を回避することは特に重要であることから、航空機の翼上の氷の存在は通常、氷検出器ではなく目視による点検で検出される。さらに、従来の氷検出器は、エンジンが開始されるまで流されうる調整除氷防氷液剤(又は防氷液剤)の塗布後に氷の昇華を検出することができないため、目視による点検は必要である。しかしながら、目視による点検は、特に霧、降雪、着氷性の雨、及び/又は暗闇によって視認性が損なわれたときに信頼性に欠けることがある。さらに、遅延のため離陸直前に航空機を除氷できないことも多いが、従来の氷検出器では除氷が必要か否かを判断することができない。

最後に、最新認証要件のための設計考慮により着氷許容誤差が小さくなるため、最新の航空機は、従来の防氷技術がもたらすよりも高い着氷防止性能を有している必要がある。

概要

航空機上の氷の付着及び脱落を検出し、定量化するシステムを提供する。航空機上の一又は複数のLIDARデバイスを含む氷検出器200であって、LIDARデバイスの各々は送信器202と受信器214とを含み、送信器の各々はレーザパルス206を用いて航空機の空力表面226を繰り返し走査して、空力表面から拡散した拡散レーザパルス220を形成し、受信器の各々は、拡散レーザパルスを受信し、受信器で受信した拡散レーザパルスのタイミングを含むデータを出力する、氷検出器218を備える。出力データから、空力表面上の氷の蓄積及び/又は脱落を示す空力表面の座標時間的変化が算出される。

目的

さらに別の実施形態では、LIDAR検出器は現在の飛行中氷検出プローブバックアップを提供する

効果

実績

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請求項1

航空機(104、500、1004)上の一又は複数の光検出測距(LIDAR)デバイス(200)を備える検出器であって、前記LIDARデバイス(200)の各々は送信器(202)及び受信器(214)を含み、前記送信器(202)の各々は、レーザパルス(208)を用いて前記航空機(104、500、1004)の空力表面(226)を繰り返し走査して、前記空力表面(226)から拡散される拡散レーザパルス(210、220)を形成し、前記受信器(214)の各々は、前記拡散レーザパルス(210、220)を受信し、受信器(214)で受信した前記拡散レーザパルス(210、220)のタイミングを含むデータを出力し、前記出力データから、前記空力表面(226)の(212)の有無を表す前記空力表面(226)の座標時間的変化が算出される、検出器。

請求項2

前記空力表面(226)は、前記航空機(104、500、1004)の(102、508)、尾翼(108)、又はロータ(1002)の表面であり、前記LIDARデバイス(200)はコンピュータ(222、1302)に連結され、前記コンピュータ(222、1302)は、前記座標の前記時間的変化から前記翼(102、508)、前記尾翼(108)、又は前記ロータ(1002)の厚さの時間的変化を算出し、前記コンピュータ(222、1302)は、前記厚さの前記時間的変化を用いて、前記氷(212)の蓄積又は前記氷(212)の脱落を特定する、請求項1に記載の検出器。

請求項3

前記送信器(202)は、翼(102、508)の複数の断面にわたる一又は複数の線パターンで前記翼(102、508)の前記空力表面(226)を走査し、コンピュータ(222、1302)は、前記走査の一又は複数の走査速度を用いて前記複数の断面間の距離を測定する、請求項1又は2に記載の検出器。

請求項4

前記LIDARデバイス(200)のうちの2つのLIDARデバイスを備え、前記LIDARデバイス(200)のうちの1つのLIDARデバイスは、翼(102、508)の上面(506a)を含む前記空力表面(226)を走査し、前記上面(506a)の座標を求めるために使用される前記データを出力するように配置され、前記LIDARデバイス(200)のうちの別のLIDARデバイスは、前記翼(102、508)の下面(506b)を含む前記空力表面(226)を走査し、前記下面(506b)の座標を求めるために使用される前記データを出力するように配置される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の検出器。

請求項5

前記LIDARデバイス(200)は、第1のLIDARデバイス、第2のLIDARデバイス、第3のLIDARデバイス、及び第4のLIDARデバイスを備え、前記第1のLIDARデバイスは、翼(102、508)の上面(506a)を含む前記空力表面(226)を走査し、前記第1のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて前記上面(506a)の第1の方向の座標が求められ、前記第2のLIDARデバイスは、前記翼(102、508)の前記上面(506a)を走査し、前記第2のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて前記上面(506a)の第2の方向の座標が求められ、前記第3のLIDARデバイスは、前記翼(102、508)の下面(506b)を含む前記空力表面(226)を走査し、前記第3のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて前記下面(506b)の前記第1の方向の座標が求められ、前記第4のLIDARデバイスは、前記翼(102、508)の前記下面(506b)を走査し、前記第4のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて前記下面(506b)の前記第2の方向の座標が求められる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の検出器。

請求項6

前記LIDARデバイス(200)は、前記航空機(104、500、1004)の翼フェアリング(504)に収容される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の検出器。

請求項7

前記LIDARデバイス(200)に連結されたコンピュータ(222、1302)をさらに備え、前記データは、異なる時間における前記座標を表す複数の走査の各々について出力されるデータセットを含み、前記データセットの各々について、前記コンピュータ(222、1302)は、形状モデルを用いて、前記データセットから前記空力表面(226)の形状を抽出し、翼(102、508)の重量及び/又は前記翼(102、508)上の気流の圧力に起因する前記空力表面(226)のたわみによる前記形状の一又は複数の変形を特定し、変換機能を用いて、前記データセットを共通基準座標系の共通座標に変換し、前記共通基準座標系は、前記変形のない前記空力表面(226)を含み、前記変換機能は、前記変形を有する前記空力表面(226)を前記変形のない前記空力表面(226)に変換し、前記共通基準座標系の前記共通座標の時間的変化を用いて、前記氷(212)の有無が検出される、請求項1〜6のいずれか一項に記載の検出器。

請求項8

前記コンピュータ(222、1302)は、前記データをフィルタリングして障害物に対応するデータを除外する、請求項7に記載の検出器。

請求項9

前記受信器(214)は、前記氷(212)の有無に関連付けられた前記レーザパルス(208)の光学特性についての情報を出力するスペクトラムアナライザ(224)及び/又は偏光検出器(224b)をさらに備える、請求項1〜8のいずれか一項に記載の検出器。

請求項10

前記光学特性は、前記レーザパルス(208)の偏光、強度、チャープ(chirp)、周波数、及び吸収率から選択される少なくとも1つの特性である、請求項9に記載の検出器。

請求項11

前記LIDARデバイス(200)は、前記空力表面(226)からの前記氷(212)の脱落を検出する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の検出器。

請求項12

前記検出器は、アビオニクスに連結され、前記アビオニクスは、前記氷(212)が前記空力表面(226)から脱落したと前記検出器が警告した後に失速警報テーブルを通常に戻し、前記航空機(104、500、1004)を非着氷状態下で飛行させる、請求項1〜11のいずれか一項に記載の検出器。

請求項13

航空機(104、500、1004)の空力表面(226)への氷(212)の蓄積又は空力表面からの氷の脱落を検出するための方法であって、各々が送信器(202)及び受信器(214)を含む一又は複数の光検出測距(LIDAR)デバイス(200)を航空機(104、500、1004)上に設けること、前記送信器(202)の一又は複数から送信されるレーザパルス(208)を用いて前記航空機(104、500、1004)の一又は複数の空力表面(226)を繰り返し走査して、前記空力表面(226)から拡散される拡散レーザパルス(210、220)を形成すること、前記受信器(214)の一又は複数で前記拡散レーザパルス(210、220)を受信すること、前記受信器(214)で受信した前記拡散レーザパルス(210、220)のタイミングを含むデータを前記受信器(214)から出力すること、及び前記データから、前記空力表面(226)上の氷(212)の蓄積及び/又は前記空力表面(226)からの前記氷(212)の脱落を表す、前記空力表面(226)の座標の時間的変化を算出することを含む方法。

請求項14

前記空力表面(226)は、前記航空機(104、500、1004)の翼、尾翼(108)、又はロータ(1002)の表面を含み、前記方法は、前記座標の前記時間的変化から前記翼(102、508)、前記尾翼(108)、又は前記ロータ(1002)の厚さの時間的変化を算出すること、及び前記厚さの前記時間的変化を用いて、前記氷(212)の前記蓄積又は前記脱落を特定することをさらに含む、請求項13に記載の方法。

請求項15

翼(102、508)の複数の断面全体にわたる一又は複数の線パターンで、且つ一又は複数の走査速度を用いて、前記翼(102、508)の前記空力表面(226)を走査すること、及び前記一又は複数の走査速度を用いて、前記複数の断面間の距離を測定することをさらに含む、請求項13又は14に記載の方法。

請求項16

前記LIDARデバイス(200)は第1のLIDARデバイス及び第2のLIDARデバイスを含み、前記方法は、翼(102、508)の上面(506a)を含む前記空力表面(226)に前記レーザパルス(208)を送信する前記第1のLIDARデバイスを配置することであって、前記第1のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて前記上面(506a)の座標が求められる、前記第1のLIDARデバイスを配置すること、及び前記翼(102、508)の下面(506b)を含む前記空力表面(226)に前記レーザパルス(208)を送信する前記第2のLIDARデバイスを配置することであって、前記第2のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて前記下面(506b)の座標が求められる、前記第2のLIDARデバイスを配置することをさらに含む、請求項13〜15のいずれか一項に記載の方法。

請求項17

前記LIDARデバイス(200)は、第1のLIDARデバイス、第2のLIDARデバイス、第3のLIDARデバイス、及び第4のLIDARデバイスを含み、前記方法は、翼(102、508)の上面(506a)を含む前記空力表面(226)に前記レーザパルス(208)を送信する前記第1のLIDARデバイスを配置することであって、前記第1のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて前記上面(506a)の第1の方向の座標が求められる、前記第1のLIDARデバイスを配置すること、前記翼(102、508)の前記上面(506a)に前記レーザパルス(208)を送信する前記第2のLIDARデバイスを配置することであって、前記第2のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて、前記上面(506a)の第2の方向の座標が求められる、前記第2のLIDARデバイスを配置すること、前記翼(102、508)の下面(506b)を含む前記空力表面(226)に前記レーザパルス(208)を送信する前記第3のLIDARデバイスを配置することであって、前記第3のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて前記下面(506b)の前記第1の方向の座標が求められる、前記第3のLIDARデバイスを配置すること、及び前記翼(102、508)の下面(506a)に前記レーザパルス(208)を送信する前記第4のLIDARデバイスを配置することであって、前記第4のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて前記下面(506b)の前記第2の方向の座標が求められる、前記第4のLIDARデバイスを配置することをさらに含む、請求項13〜16のいずれか一項に記載の方法。

請求項18

複数の走査の各々について出力され、異なる時間における前記空力表面(226)のうちの1つの前記座標を表すデータセットを含む前記データを受信すること、前記データセットの各々について、形状モデルを用いて、前記データセットから前記空力表面(226)の形状を抽出すること、前記空力表面(226)のたわみに起因する前記形状の一又は複数の変形を特定すること、変換機能を用いて、前記データセットを共通基準座標系の座標に変換すること、及び前記共通基準座標系の前記座標の時間的変化を用いて、前記空力表面(226)の氷の前記蓄積又は前記脱落を検出することをさらに含み、前記共通基準座標系は、前記変形のない前記空力表面(226)を含み、前記変換機能は、前記変形を有する前記空力表面(226)を前記変形のない前記空力表面(226)に変換する、請求項13〜17のいずれか一項に記載の方法。

請求項19

前記データは、前記レーザパルス(208)の光学特性についての情報をさらに含み、前記方法は、前記光学特性を用いて前記氷の前記蓄積又は前記脱落を検出することをさらに含む、請求項13〜18のいずれか一項に記載の方法。

請求項20

氷が前記空力表面(226)から脱落したことを検出器が示したときに、アビオニクスが失速警報テーブルを通常に戻して前記航空機(104、500、1004)を非着氷状態下で飛行させることができるように、前記アビオニクスに対して警告することをさらに含む、請求項13〜19のいずれか一項に記載の方法。

技術分野

0001

本開示は、LIDARを用いてを検出するためのシステムに関する。

背景技術

0002

航空機空力表面上の氷の堆積は、厄介な問題となる場合がある。例えば、氷は回転翼機尾翼エンジンナセル、及びロータに堆積しうる。氷によって空力表面上の所期気流が遮られ、空力表面により生成される揚力損失が生じうる。

0003

寒冷状態における離陸前には、氷の蓄積の危険性が常に存在する。さらに、着氷は、飛行の様々なフェーズ中(離陸、離陸滑走、離陸後の上昇、降下、進入、及び着陸の最中を含む)に発生しうる。認証及びシステム設計上の主な考慮点の1つは、航空機を目的地においてレーストラックパターンで留まらせることを伴う45分間ホールドの問題(45 minute hold case)である。これは、検討しなければならない最大の氷の付着の1つをもたらしうるものである。珍しいケースには、認証エンベロープリミット外にある、(大抵の場合は熱帯地域における)巡航高度での着氷が含まれる。加えて、巡航高度を低下させる必要があり着氷状態を回避することができない双発機による長距離進出運航(Extended−range Twin−engine Operational Performance Standards、ETOPS)の様々なシナリオの最中には、非常に深刻な着氷環境が発生する場合がある。ゴーアラウンド(go around)、ランディングクライム(landing climb)、一般飛行性、及びバフェットのために、こうした氷の全てについて検討する必要がある。

0004

現在、氷の付着検知は、胴体に取り付けられた超音波磁歪、又は2センサシステムプローブ式の氷検出器を用いて実現されている。図1は、航空機104の胴体100、翼102、又はエンジン吸気口に取り付けられた、全大気温度TAT)プローブと同様な面一取り付け型の表面氷検出器及びプローブ式氷状態検出器を含む飛行中氷付着検出器を表す。氷状態プローブは、水分を検出し、温度データと組み合わせて着氷状態を予測し、列線交換ユニットLRU)に検出データを送信する。LRUは、データを下限と比較し、操縦室コンピュータ106及びパイロットに現在の着氷状態を通知する。氷検出器による氷の検出に応じて、抽気又は加熱抵抗式の防除氷装置起動され、失速防止境界保守的迎角限度に設定される。

0005

しかしながら、氷の防除/検出システムはロータの動きを妨げることなく実装するのが困難であるため、通常は回転翼機上で使用されることはない。したがって、過度なロータへの着氷による急速なトルクの上昇、振動の増加に関連する非対称な氷の脱落、及び脱落した氷による損傷がもたらされうる領域を回避するために、回転翼機の着氷飛行エンベロープは通常厳しく制限されている(例えば、摂氏−5度以上の温度での飛行、及び軽度着氷状態での飛行に制限される)。

0006

さらに、従来の氷の検出/防除システムには、システムを設置する上での多くの問題につながる制約及び欠点がある。気流中でのプローブは、航空機の正常な状態の重要表面上とは異なる性質を有しており、プローブが氷を検知しないときに翼上の氷の付着がもたらされうる。重要表面に埋め込まれる他の氷付着センサは、当該センサが設置された位置の氷を検知することしかできない。したがって、現在の氷状態検出システムは、航空機が着氷状態にあるときを保守的に検知するのみであり(重要表面上に実際に氷の付着が存在するか否かを検知するのではない)、氷が脱落して存在しなくなったか否かを検出することはできない。

0007

その結果、着氷が発生しており当該着氷が飛行中氷付着検出器により検出された航空機において、失速防止装置は通常、(防除氷装置が正常に作動しており、着氷状態を脱した後の適切な遅延の後にオフされたときであっても)飛行耐性のために保守的な値に設定される。これは、従来の氷検出器は氷の付着が生じていることを確認するように設計されており、航空機の前縁に氷がないことを確認するものではないことに起因する。航空機の前縁上の氷の存在又は昇華を検出する必要性により特殊な超音波ガイド波センサの使用が指摘されているが、これらのセンサは設置が高額であり、障害点が多い。したがって、乗務員は通常、氷が存在しないことを確認することができず、特に着陸時の飛行操縦性を妨げる保守的な設定で全体的な飛行を継続することを余儀なくされている。

0008

他の例では、従来の氷検出器には、信頼できるほどの正確性がない。例えば、離陸前の地上において、離陸中止や墜落を生じうる過度な氷の堆積を回避することは特に重要であることから、航空機の翼上の氷の存在は通常、氷検出器ではなく目視による点検で検出される。さらに、従来の氷検出器は、エンジンが開始されるまで流されうる調整除氷防氷液剤(又は防氷液剤)の塗布後に氷の昇華を検出することができないため、目視による点検は必要である。しかしながら、目視による点検は、特に霧、降雪、着氷性の雨、及び/又は暗闇によって視認性が損なわれたときに信頼性に欠けることがある。さらに、遅延のため離陸直前に航空機を除氷できないことも多いが、従来の氷検出器では除氷が必要か否かを判断することができない。

0009

最後に、最新認証要件のための設計考慮により着氷許容誤差が小さくなるため、最新の航空機は、従来の防氷技術がもたらすよりも高い着氷防止性能を有している必要がある。

0010

上記の制約を解消するため、本開示は、航空機上の一又は複数のLIDARデバイスを含む氷検出器であって、LIDARデバイスの各々は送信器受信器とを含み、送信器の各々はレーザパルスを用いて航空機の空力表面を繰り返し走査して、空力表面から拡散した拡散レーザパルスを形成し、受信器の各々は、拡散レーザパルスを受信し、受信器で受信した拡散レーザパルスのタイミングを含むデータを出力する、氷検出器を記載する。出力データから、空力表面上の氷の蓄積及び/又は脱落を示す空力表面の座標時間的変化が算出される。

0011

空力表面の例としては、限定するものではないが、航空機の翼、尾翼、ロータ、又はエンジンナセルの表面が挙げられる。

0012

LIDARデバイスの収容の例としては、限定するものではないが、航空機の翼フェアリング内、胴体のバブル内、又は光学ウィンドウ後方胴体内部が挙げられる。

0013

LIDARデバイスは通常、出力データを処理するコンピュータに連結される。

0014

一実施形態では、コンピュータは、座標の時間的変化から翼、尾翼、又はロータの厚さの時間的変化を算出する。コンピュータは次いで、当該厚さの時間的変化を用いて氷の蓄積又は脱落を特定する。

0015

別の実施形態では、データは、異なる時間における座標を表す複数の走査の各々について出力されたデータセットを含み、データセットの各々について、コンピュータは、データセットをフィルタリングして障害物に対応する不良な戻りを除外し、形状モデルを用いてデータセットから空力表面の形状を抽出し、翼の重量及び/又は翼上の気流の圧力に起因する空力表面のたわみ(flexing)による形状の一又は複数の変形を特定し、変換機能を用いてデータセットを共通基準座標系の共通座標に変換する。この例では、共通基準座標系は変形のない空力表面を含み、変換機能によって、変形を有する空力表面が変形のない空力表面に変換される。次いで、共通基準座標系の共通座標の時間的変化を用いて氷の有無が検出される。

0016

さらなる実施形態では、受信器は、空力表面の氷の有無を示すのに用いられる拡散レーザパルスの光学特性を含む情報を出力するスペクトラムアナライザ及び/又は偏光検出器をさらに含む。光学特性の例としては、限定しないが、レーザパルスの偏光、強度、チャープ(chirp)、周波数、及び吸収率が挙げられる。

0017

走査することは、空力表面の時間的走査及び/又は空間的走査を含みうる。一実施例では、送信器は各々、翼の複数の断面にわたる一又は複数の線パターンで翼の空力表面を走査し、コンピュータは、走査の一又は複数の走査速度を用いて当該複数の断面間の距離を測定する。

0018

さらに別の実施形態では、1つのLIDARデバイスが、翼の上面を含む空力表面を走査し、上面の座標を求めるために使用されるデータを出力するように配置され、LIDARデバイスのうちの別のLIDARデバイスが、翼の下面を含む空力表面を走査し、下面の座標を求めるために使用されるデータを出力するように配置される。

0019

さらなる実施形態では、第1のLIDARデバイスが翼上面を含む空力表面を走査し、第1のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて上面の第1の方向の座標が求められ、第2のLIDARデバイスが翼の上面を走査し、第2のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて上面の第2の方向の座標が求められ、第3のLIDARデバイスが翼の下面を含む空力表面を走査し、第3のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて下面の第1の方向の座標が求められ、第4のLIDARデバイスが翼の下面を走査し、第4のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて下面の第2の方向の座標が求められる。

0020

一実施形態では、各LIDARデバイスは、レーザパルスを翼に向け、且つLIDARデバイスが飛行中及び地上での翼のたわみに合わせて調節できるようにするためのミラーを有する振動減衰マウントに載置される。別の実施形態では、各LIDARデバイスは60度の視野、100メートルの測距範囲を有し、毎秒少なくとも50ラインで走査し、且つ翼照明灯に隣接する面一のクリアパネル後方の翼フェアリング内に位置する。

0021

LIDAR検出器は通常、アビオニクス及び/又は防除氷システムに連結される。一実施形態では、LIDAR検出器は、氷が空力表面に蓄積したとき又は氷が空力表面から脱落したときにアビオニクス/防除氷システムに対して警告する。別の実施形態では、LIDARは、防除氷システムの作動を監視し、防除氷システムが故障したときにアビオニクスに通知する。さらに別の実施形態では、LIDAR検出器は現在の飛行中氷検出プローブバックアップを提供する。

0022

このように、様々なLIDARの実施形態により、従来技術に比べて有意な利点がもたらされる。

0023

一実施例では、空力表面に氷がないことを検出器が示すと、プライマリ氷検出システムにより制御される任意のアビオニクスは氷なしの設定に戻り、これによって飛行機の操縦性及び航空機全体としての安全性が改善される。

0024

別の実施例では、LIDAR検出システムは、1つのスポットでのみ測定可能な単一の面一取り付け型表面センサとは異なり、空力表面の重要領域全体に沿って検知を行う。

0025

さらに別の実施例では、LIDAR検出システムは、存在する氷の付着を検出するのみであり、着氷につながる状態を検知する(この検知ははるかに保守的な飛行プロトコルを必要とする)のではないため、航空機をより効率的に飛行させることができる。

0026

さらに別の実施例では、氷の存在を検出した後、LIDARは、(例えば、脱落又は昇華によって)氷が空力表面から離れたときを検出し、残存する氷が存在しないときを特定し、防除氷システムを電源オフできるようにして、飛行機の効率をより一層有意に改善する(氷検出器のない航空機又は正確性の低い氷検出器を有する航空機と比較して、燃料燃焼及び排出物が削減される)。

0027

さらなる実施例では、LIDARシステムは、測定されている氷の付着の特徴づけを行うことで、氷の厚さ、種類、位置を知ることができるようにする。この情報を用いて、自然着氷認証試験時間を短縮し、着氷が過冷却大型水滴(Supercooled Large Droplets、SLD)であるか否かを特定し、より効率的な航空機の設計を可能にしうる長期着氷予測ツール方法の改善をもたらすことができる。

0028

ここで、図面を参照する。図面全体を通して、同様の参照番号は対応する部分を表す。

図面の簡単な説明

0029

従来の氷検出器を表す図である。
一又は複数の実施形態で用いられるLIDARデバイスを表す図である。
一又は複数の実施形態による氷検出処理工程を示すフロー図である。
AからBは、一又は複数の実施形態による、変形した形状を共通基準座標系に変換することを表す図である。
Aは、一又は複数の実施形態によるLIDARデバイスを配置することを示す概略側面図である。Bは、一又は複数の実施形態によるLIDARデバイスを配置することを示す概略断面図である。
一又は複数の実施形態による、空力表面の断面を測定するために線パターンでスイープ掃引)される光パルスを示す概略断面図である。
A及びBは、一又は複数の実施形態で用いられる入射角を示す概略図である。
A、B、及びCは、一又は複数の実施形態による、氷の厚さを測定することを示す概略図である。
AからFは、氷の形状の測定を示す説明図である。
A及びBは、一又は複数の実施形態による、ヘリコプターにLIDARデバイスを配置することを表す図である。
AからDは、表面に氷がある翼型から収集した実際のLIDARデータを示す画像であり、Dは、断面データスライスである。
一又は複数の実施形態による氷の検出方法を示すフロー図である。
様々なソフトウェアを実装しLIDARセンサの要求を処理するためのハードウェアを示す。

実施例

0030

以下の説明では添付の図面を参照するが、図面は本明細書の一部を成すものであり、例示のための複数の実施形態として示される。他の実施形態を使用してもよいこと、及び本開示の範囲を逸脱することなく構造的な変更を加えてもよいことが理解されよう。

0031

LIDAR(例えば、レーザ検出測距、すなわちLADARを含む)は、拡散光の特性を測定して、遠隔対象物又は対象領域についての距離、速度、回転、及び/又は化学的組成の情報を検出する光学検知技術である。

0032

本開示では、着氷が発生したときに実際の氷の付着を検出する性能を有する一又は複数のLIDAR検出器を備える航空機を記載する。他方、現在の全温度(TAT)式の水分センサ飛行中翼氷検出器は、氷が実際に表面上に形成されたか否かを検出することができないため、航空機の周りに存在する着氷状態を推測することしかできない。着氷状態を脱した後に、LIDAR検出器は自然に生じた氷の脱落及び/又は昇華を検出することもできる。このように氷が存在しないことを確認することで、失速防止装置を通常レベルリセットすることができる。他方、従来の表面取り付け型着氷状態検出器は、氷が昇華又は脱落したときを特定することができない(氷の付着及び昇華を検出するためには非実用的なほどに/不可能なほどに多くの数のTAT検出器を使用しなければならない)。

0033

LIDAR装置
図2は、本発明の実施形態による、航空機104の空力表面226の氷212を検出するLIDARセンサ200の動作原理を示す。LIDARセンサは、レーザ202a(例えば、目に安全な1.5ミクロン波長及び1ワット出力電力を有する)と、レーザ光パルス208のストリーム又はビーム206を空力表面226に送信する放射光学系202bとを含む送信器202を備える。光パルス206は、空力表面の氷212により反射又は拡散210される。LIDARセンサ200は、受信光学系216(ミラー216a及び216bを含む)と光検出器218とを含む受信器214をさらに備え、受信光学系216は、空力表面の氷212により反射又は拡散210された光パルス220を受信し、反射光220の焦点を光検出器218に合わせるように配置される。

0034

一実施形態では、放射光学系202bは、走査機構、又はレーザビーム206を空力表面へとステアリングするための手段を備える。一実施例では、走査機構は、空力表面へのビーム206の球面走査パターンを実現するためにプリズムを備える。別の実施形態では、放射光学系202bはマウントに取り付けられたミラーを備え、空力表面へのビーム206の矩形走査パターンを実現する。さらに別の実施形態では、走査機構は非機械的レーザビームステアリング及びズーム機構を有する。

0035

図2は、LIDARセンサ200が、数値分析を実行するプロセッサ222を備えるか又はプロセッサ222に接続されることをさらに示す。プロセッサ222は、反射された信号/光のパルス220の時間を測定し、且つ/又は空力表面の座標を測定するために使用される三次元(3D)点群(point cloud)データを出力する。

0036

したがって、一又は複数の実施例では、検出器230は航空機104に配置されたLIDARデバイス200の一又は複数を備え、LIDARデバイス200の各々が送信器202と受信器214とを含み、送信器202の各々がレーザパルス208を用いて航空機104、1004の空力表面226(例えば、翼102、尾翼108、又はロータ1002)を繰り返し走査228し、空力表面226から拡散された拡散レーザパルス220を形成する。受信器214の各々は、拡散レーザパルス220を受信し、受信器214で受信した拡散レーザパルス220のタイミングを含むデータを出力する。出力データから、空力表面226の氷212の有無を示す空力表面226の座標の時間的変化が算出される。様々な実施例では、コンピュータ222が、当該座標の時間的変化から翼102、尾翼108、又はロータ1002の厚さの時間的変化を算出する。コンピュータは、厚さの時間的変化(T、図9Dを参照)を用いて氷212の蓄積又は氷212の脱落を特定する。

0037

氷検出処理
一又は複数の実施形態では、処理は、空力表面の可撓性を考慮に入れる(例えば、商用飛行機の翼は非常にたわみやすく、Boeing787の翼は最もたわみやすい翼の1つと考えられる)。翼のたわみは、地上での燃料がない状態の1G荷重から、地上での燃料がある状態での1G荷重、多岐にわたる重量及び速度並びにフラップ構造に伴って1Gの気体荷重を受けた翼へと変化する。

0038

図3は、(例えば、図2に示す装置を用いて得られた)LIDARデータを処理して、(例えば、翼の)たわみやすい空力表面上の氷を測定する方法を示すフロー図である。

0039

ブロック300は、空力表面を表し、航空機に取り付けられたLIDAR装置により生成される3D点群データをプロセッサ222に入力することを示す。3D点群データは、氷の蓄積を測定するための測距正確性、時間整合性、及び記録を十分に有しているべきである。一実施形態では、各データ点は、追加データを含む。追加データの例としては、限定しないが、LIDAR戻りビームの偏光又は強度が挙げられる。

0040

ブロック302は、障害物(又はセンサと空力表面との間の他の粒子)に起因する不良な戻りを3D点群の生データからフィルタリング/除外することを含む前処理を示す。フィルタリングの例としては、限定しないが、時間的/空間的フィルタリング及び波形戻りフィルタリング(waveform return filtering)が挙げられる。時間的/空間的フィルタリングでは、(前の走査から得られた、)空力表面がどこにあるべきかという先験的知識(priori knowledge)を用いて、空力表面からのものではない可能性がある全ての範囲外LIDAR戻りデータが除外される。波形戻りフィルタリングでは、個別のLIDAR戻りレベルでのフィルタリング技術を用いて、どの戻りが拡散された障害物から生じたものであり、どの戻りが空力表面から生じた「本当の」戻りであるのかが特定される。一実施形態では、戻りLIDARビームのパルス形状が分析され、不良な戻りが識別される(参考文献[1]参照)。別の実施形態では、強度の弱い戻りが障害物に関連づけられ、高強度の戻りが氷に関連づけられる。

0041

ブロック304は、前処理を入力して空力表面の形状を抽出することを表す。空力表面のLIDARデータ走査から完全な3D点群が形成されるたびに、これら収集された点を前処理によって空力表面の形状モデル306へと単純化する。使用される方法の例としては、限定しないが、単純なエッジ抽出、及び3D点群データから空力表面の形状を抽出する、モデルに基づく複雑な方法が挙げられる(参考文献[2]参照)。このように、前処理によって、空力表面のたわみに起因する形状の一又は複数の変形を特定することができる。

0042

ブロック308は、モデルを更新して、現在の表面形状と基準データとを共通座標系に定義することを表す。

0043

ブロック310は、変換機能を用いて現在のデータを共通の表面データの構成/座標系に変換することを表す。形状が抽出されると、(例えば、振動又はたわみに起因して)形状が常に変化している期間にわたってデータを比較できるように、基準座標系にデータを変換する必要がある。一実施形態では、変換は形状の歪み測定の精度を上げるために、明確に識別できるウィットネスポイント(witness points)(例えば、翼の先端又は制御表面)を用いる。図4Aは、たわみにより変形した形状を示す基準座標系を示し、図4Bは、たわみによる変形がない空力表面を含む共通基準座標系を示し、矢印400は、変形を有する空力表面を変形のない空力表面へと変換する変換機能を示す。

0044

一実施形態では、前縁の構成が変化しスラット展開したときに、LIDARシステムは一組のスラットデータセットに照らして座標をチェックする。

0045

ブロック312は、表面測定時間データベース314を更新することを表す。フィルタリングされた3D点群データが共通座標系の新たな座標に変換されると、当該新たな座標は時間データベースに記憶される。前のステップでの処理は空力表面の形状の処理を含んでいたが、本ステップの処理では、戻り強度、偏光などを含む、より強固なデータの組を分析する。最終的な結果として一組のデータが得られ、当該データから、(N個の異なる時間の測定に対応する)最後のN個の配列された表面点が比較される。したがって、共通基準座標系の座標の時間的変化を分析することにより、空力表面上での氷の蓄積又は脱落を検出することができる。

0046

ブロック316は、氷の蓄積又は脱落の手がかりとなる変化の検出を表す。このプロセスでは、空力表面からの現在のデータ及びN個の前のデータを参照して氷を検出する。検出プロセスの例としては、堆積又は変形の検出、翼の一部分からの戻り強度のずれ、又は異なる種類の物質を示す偏光のずれの検出が挙げられる。使用される方法の例は、限定しないが、単純な閾値変化検出から、サンプルデータについてトレーニングされた本格的な機械学習構成にまで及ぶ。

0047

一実施形態では、LIDARは、スペクトラムアナライザ224を含み、表面汚染物質についての豊富データ源をもたらすためにスペクトラムアナライザに対するある範囲の周波数にわたりガイドパルス208がサンプリングされる。一実施形態では、表面は、曲率データベース又は他のデータベース(例えば、標準分光反射率又は双方向反射分布関数テーブル)に照らしてリアルタイムでチェックされ、汚染物質マップが作成される。空力表面の異なる表面座標変化を理解することにより、システムは特定の汚染物質の種類に対し感受的又は非感受的のいずれかとなる。一例として、特定の座標変化パターンは、氷に関連するが水には関連しない。

0048

代替的に、LIDAR氷検出器はまた、(氷の位置及び性質に基づいて)標準的な着氷とSLD着氷状態とを区別することができる検出器としても機能しうる。

0049

ブロック318は、氷の測定、位置特定、及び分類を表す。このプロセスは、形成された氷の厚さを測定し、氷の領域を位置特定/区分化し、氷の種類を分類するためのプロセスである。使用可能な方法は、分類(例えば、ニューラルネットワークサポートベクターマシンSVM)アルゴリズム、k近傍法(KNN)、及びベイズ法)並びに位置特定(開発が進んでいる最近傍探索多重解像度サブサンプリング)を含む。

0050

ブロック320は、警告処理/生成を表す。一実施例では、氷が位置特定、分類され、厚さが測定されると、空力表面の着氷の高レベルな知識を用いて、乗務員322又は他の航空機システム324に警告する否か、及びどのように警告するかが決定される(例えば、特定の領域の氷は重大性が低い可能性がある、特定の種類の氷は大きな懸念である可能性がある、など)。一実施形態では、データにより、有視界状態にあり且つ視認レベルの低い状態にある地上のパイロットのためのリアルタイムグラフィックが形成される。

0051

現在の飛行制御システムは、飛行中の翼のたわみに合わせて直接的に調整を行うことはできない。飛行制御装置は、航空機のレベル検出システムに応じて反応し、今日のシステムが反応する一瞬の間に発生する慣性力を補うための付加的な力を使用しなければならない。一実施形態では、航空機がより迅速に飛行中の状態に反応できるように、LIDARシステムから受信した翼の位置データを飛行制御システムと直接やりとりする。

0052

氷検出器配置の実施形態
図5A及び5Bは、航空機のフェアリング504に配置され、各々が送信器202及び受信器214を含む複数のLIDARデバイス502a、502bを備える、航空機500上での使用のための氷検出器の実施形態を示す。各LIDARデバイス200では、送信器202が航空機の翼508の空力表面506a、506bにレーザパルス208を送信し、受信器214が翼508から反射/拡散されたレーザパルス220を受信する。LIDARデバイスのうちの1つのLIDARデバイス502aは、レーザパルス208を翼の上面506aに送信し、且つレーザパルス220を上面506aから受信し、LIDARデバイスのうちの1つのLIDARデバイス502bは、レーザパルス208を翼508の下面506bに送信し、且つレーザパルス220を下面506bから受信する。

0053

一実施形態では、図2に示すように、送信器202はレーザ202a及び放射光学系202bを備え、受信器214は受信光学系216及び光検出器218を備え、空力表面の座標は、(例えば、図3に示す処理を用いて、)空力表面から反射されるレーザパルスのタイミングに基づいて求められる。

0054

図5Aは、着氷データが、航空機の機内コンピュータに着氷レベルを通知するデータベースとの比較のためにLRUに供給されることを示している。一実施形態では、LIDARを実装することにより、従来のプローブ(TAT)に基づく検出器に比べて配線接合要件、及び翼毎に必要なセンサの数が低減される。

0055

LIDARデバイスは、図5A、5B、及び6に示すような航空機のフェアリングの後方に配置される構成に限定されない。LIDARの配置の更なる例としては、限定しないが、航空機胴体の内部又は航空機胴体上のバブル(例えば、航空機の機首付近)が挙げられる。このような実施例により、飛行耐久性の高い全天候型の氷検出及び高い信頼性、並びに北極などの厳しい環境での確実な操作が可能となる。

0056

図6は、線パターン600でスイープ/走査される光パルス208によって翼508の空力表面506a、506bの複数の断面602が測定されるように、送信器202が翼508の複数の断面602にわたる一又は複数の線パターン600で翼508の空力表面506aを走査する実施形態を示す。走査速度によって複数の断面602間の距離604が求められ、当該距離によって空力表面506aの断面602の線密度が求められる。このように、コンピュータ222は走査228の一又は複数の走査速度を用いて複数の断面602間の距離604を測定する。一実施形態では、線密度の変化を用いて翼のたわみが測定される。空力表面506aの経時的な座標の変化を監視することにより、走査は翼のたわみに適合し、さらに空力表面506aの正確な画像を作成することができる。

0057

図5〜6は、複数のLIDARデバイス200を配置することをさらに示す。一実施例では、第1のLIDARデバイス502aは、翼508の上面506aにレーザパルス208を送信することにより上面506aを含む空力表面226を走査228するように配置され、第1のLIDARデバイス502aから出力されるタイミング/データ300を用いて上面506aの座標が求められ、第2のLIDARデバイス502bは、翼508の下面506bにレーザパルス208を送信することにより下面506bを含む空力表面226を走査するように配置され、第2のLIDARデバイス502bから出力されるタイミング/データ300を用いて下面506bの座標が求められる。別の実施例では、第1のLIDARデバイス200は、翼508の上面506aにレーザパルス208を送信するように配置され、第1のLIDARデバイス200から出力されるタイミングを用いて上面506aの第1の方向xの座標が求められ、第2のLIDARデバイス200は、翼の上面506aにレーザパルス208を送信するように配置され、第2のLIDARデバイス200から出力されるタイミングを用いて上面506aの第2の方向yの座標が求められ、第3のLIDARデバイス200は、翼508の下面506bにレーザパルス208を送信するように配置され、第3のLIDARデバイス200から出力されるタイミングを用いて下面506bの第1の方向xの座標が求められ、第4のLIDARデバイス200は、翼508の下面506bにレーザパルス208を送信するように配置され、第4のLIDARデバイス200から出力されるタイミングを用いて下面506bの第2の方向yの座標が求められる。

0058

図7は、LIDARユニット502aの各々が、x−y面のx軸に対して3〜30度の翼への入射角、及びz−y面のy軸に対して5〜70度の翼への入射角でレーザパルス208を送信する実施形態を示す。一実施形態では、LIDARデバイスは、ある範囲の入射角を実現するためにジンバル立体広角LIDARユニットを備える。これにより、30〜80度の入射角で100メートル以内の飛行中のデータを収集することができる。

0059

氷の厚さ検出
図8は、LIDARシステムがクリーンな翼の表面の位置及び汚れた氷の位置を測定し、翼上の氷の厚さを測定することを示す。その違いは、氷の厚さである。一実施形態では、LIDARデバイスは、航空機上の氷の近傍に置かれ、大きい入射角で空力表面へとレーザパルスを送信し、低振動のデータを記録して、圧縮率の影響が少ないクリーン境界レベルを生成する。例えば、LIDARシステムは、クリーンな対象表面又は汚れた対象表面を0.5〜1ミリメートルレベルの解像度モデリングしうる。

0060

氷の形状検出
着氷形状についてのデータを収集するための現在の方法のうちの2つは、カードボードトレース(cardboard traces)及び航空機の窓からの撮影である。しかしながら、これらの方法では、着氷形状についてのデータは図9に示すような低解像度で生成される。一実施形態では、LIDARシステムは、着氷形状に関するより高解像度の情報を生成する。別の実施形態では、LIDARはSLDの氷の形状を検出することにより、氷の形状、位置、及び性質に基づいて、標準的な航空機の着氷とSLD着氷とを区別する。

0061

回転翼航空機
図10A及び10Bは、回転翼機1004上のロータ1002のための飛行氷検出システムにおけるLIDARデバイス1000の配置を示す。LIDARデバイスは、前方及び後方の両方のロータブレードにレーザパルス208を送信し、ロータの前面及び下面の氷の蓄積及び形状を検出する。一又は複数の実施形態では、0.5〜1ミリメートルレベルの解像度で着氷データが得られる。

0062

実験結果
図11A〜11Dは、氷検出のためのLIDAR技術を検証する1つの地上実証機からの結果を示す。これらの画像は、表面に氷1102を有する翼型1100から、翼型1100への85度の入射角を有するLIDARビームを用いて収集された実際のLIDARデータを示す。図11Dの断面データスライスは、LIDARが高さ1ミリメートルの氷のブロック1102を検出したことを示す。さらに、図11A〜11Dはまた、翼型1100の領域1104上の防氷システムを作動させた結果として氷の脱落を検出したこと(すなわち、検出された氷が存在しないこと)を示す。実用上ではまた、飛行中の対気速度の上昇又は飛行中の高度変更の結果として翼型の非加熱領域(例えば、スラット)での氷の昇華も生じる。

0063

プロセスのステップ
図12は、各々が送信器及び受信器を備える一又は複数のLIDARデバイスを用いて、飛行中、地上で、又は風洞内で航空機の空力表面を測定する方法を示すフローチャートである。

0064

航空機の例としては、限定しないが、飛行機、商用航空機、用航空機、回転翼機、無人航空機UAV)、並びに打ち上げ機で用いられるような窒素回収システム及び低温燃料タンクが挙げられる。

0065

空力表面の例としては、限定しないが、先尾翼、翼、翼の前縁、尾翼、エンジン吸気口、及びロータ又はプロペラが挙げられる。

0066

ブロック1200は、送信器の一又は複数から送信されるレーザパルスを用いて航空機上の一又は複数の空力表面を繰り返し走査して、空力表面から拡散される拡散レーザパルスを形成することを表す。

0067

一実施形態では、レーザパルス208は、空力表面の振動又はたわみが生じる時間尺度よりも早い走査速度(例えば、毎分少なくとも2000ポイント)で空力表面226を走査/スイープする(換言すると、走査の帯域幅は空力表面の動きの帯域幅よりも大きい)。一実施例では、LIDAR送信器202及び受信器214は、能動減衰機能を有する取り付けシステムに取り付けられる。別の実施例では、LIDAR送信器及び受信器は、レーザパルスを翼へと方向付けるミラーを有する振動減衰二軸マウントに取り付けられ、LIDARデバイスは各々少なくとも60度の視野を有し、毎秒少なくとも50ラインで走査する。

0068

ブロック1202は、受信器の一又は複数において拡散レーザパルスを受信することを表す。一又は複数の実施例では、受信器214は、氷212の有無に関連付けられたレーザパルス208の光学特性についての情報を出力するスペクトラムアナライザ224及び/又は偏光検出器224bをさらに備える。光学特性の例としては、限定しないが、レーザパルス220の偏光、強度、チャープ(chirp)、周波数、及び吸収率が挙げられる。

0069

ブロック1204は、受信器からデータ(例えば、3D点群データ)を出力することを表し、データ300は、受信器で受信した拡散レーザパルスのタイミング(例えば、空力表面を経由した送信器と受信器との間でのレーザパルス208の伝搬時間)、又は空力表面226の座標cを算出するために用いられる他のデータを含む。一又は複数の実施例では、データ300は、異なる時間での空力表面の座標cを表す複数の走査228の各々について出力されたデータセット300bを含む。

0070

ブロック1206は、タイミングデータ/3D点群データを用いて、空力表面上の氷の蓄積及び/又は空力表面からの氷の脱落を示す、空力表面の座標cの時間的変化を算出する/求めることを表す。

0071

一実施形態では、図3に示すようにLIDARデータが処理され、LIDAR出力が得られる。一又は複数の実施形態では、データ群300の各々について、コンピュータ1300は、形状モデル306を用いてデータ群300から空力表面226の形状510を抽出304し、(例えば、翼508の重量W及び/又は翼508上の気流の圧力Pに起因する)空力表面226のたわみF1による形状510の一又は複数の変形F2を特定306し、変換機能404を用いてデータ群300bを共通基準座標系402の座標c’に変換310、400する。共通基準座標系402は、変形F2のない空力表面226を含み、変換機能404は、変形F2を有する空力表面226を変形F2のない空力表面226に変換400する。共通基準座標系402の共通座標c’の時間的変化を用いて、氷212の有無が検出される。

0072

一又は複数の実施例では、形状を抽出する前に、コンピュータ1300はデータをフィルタリング302して障害物に対応するデータを除外する。

0073

別の実施形態では、加速度計からのデータを用いて、空力表面の振動/たわみに対応するデータへの寄与率が求められ、当該寄与率がデータから削除/抽出され、LIDAR出力が得られる。

0074

さらに別の実施形態では、LIDARデータの変動の時間尺度を用いて空力表面の振動/たわみに対応するデータを識別する。例えば、長い時間尺度にわたる変動(例えば、数分にわたる閾値)が氷の堆積に関連付けられ、一方、短い時間尺度にわたる変動は空力表面の振動/たわみに関連付けられる。

0075

さらなる実施形態では、LIDARにより測定された空力表面の角度の変動が翼のたわみに関連付けられる(例えば、翼のたわみは、5〜10度の範囲でありうるか、又は翼の先端での5度を超える歪みに相当しうる)。

0076

さらなる実施形態では、プロセッサが、測定された空力表面の座標を非着氷状態での空力表面のたわみ及び/又はねじれを表す曲率データベースとリアルタイムで比較し、空力表面のたわみに関連しない変化を識別することにより、翼上に氷が存在すること及び/又は存在しないことを示すマップを生成する。

0077

さらなる実施形態では、拡散レーザパルスの強度の変化(空力表面の反射率)、LIDAR拡散レーザパルスの周波数チャープドップラー効果)、又はLIDARレーザパルスの偏光の変化を用いて、空力表面の動きに起因するアーチファクト及び障害物から氷の形成を区別する。一実施例では、レーザパルスは、ある範囲の波長を含み、受信器は当該波長の関数としてレーザパルスの吸収率を検出し、プロセッサが既知の汚染物質の吸収率を含むデータベースと当該吸収を比較することにより、空力表面の汚染物質が識別される。

0078

LIDAR出力は、リアルタイムで収集し処理することができる。出力の例としては、限定しないが、高解像度又は低解像度の、デジタルデータ、グラフィック表現、2Dもしくは3D画像、又は(例えば、氷の流れの)映像が挙げられる。LIDAR出力の例は、限定しないが、以下の性能を含む。

0079

様々な環境において確認される、翼又はロータブレードのような空力表面上での飛行中氷検出は、限定しないが、多量の水蒸気、塵、又は他の空中浮遊粒子、及び様々なたわみ状態を介した検出を含む。一又は複数の実施例では、LIDAR処理は、0から60Hzの間で動いている、且つ/又はLIDAR送信器から1〜20メートルの位置に配置されている、且つ/又は5〜90度の入射角で角度をつけられた、固定翼の翼型表面上の1ミリメートルの層の氷の蓄積を検出しうる。他の実施例では、LIDARは、様々な量及びサイズを含む雨及び水を介して、ならびに境界層圧縮を介して、また、飛行エンベロープのどの地点においても、翼型表面上の任意の位置で1ミリメートルの層の氷の蓄積又は昇華を検出しうる。さらなる実施例では、LIDARは、500〜4500Hzで動いているロータの翼型表面上の1ミリメートルの層の氷の蓄積を検出する。

0080

翼又はロータのような空力表面上での飛行中氷形状検出及び/又は氷の特性づけは、従来の方法により実現される測定と比較して翼又はロータブレードに形成される氷の形状の知識を多く含む。一又は複数の実施形態では、LIDAR出力により、種々の物質又は氷/水の種類が区別される。例えば、LIDAR出力により、SLD、雨、水、着氷性の雨、及び濃霧を区別することができる。

0081

飛行中/地上における翼型特定及び動作追跡は、飛行中又は地上でのロータ追跡及びバランス調整を含む。一実施形態では、これは現在実現されているものよりも迅速に実施される。

0082

ブロック1208は、以下で記述するように、データを用いること/アビオニクスにデータを出力することを表す。

0083

航空機システムの起動/停止
一実施形態では、航空機システムは、LIDAR出力に従って起動又は停止される。例えば、航空機システムが航空機保護システム(アビオニクス又は除氷システム)であるとき、保護システムは、LIDARセンサが空力表面の氷を検出したことに応じて空力表面上で起動され、その後に、氷が所望のレベルを下回って昇華/脱落したことがLIDARセンサによって示されると停止される。一実施例では、LIDAR出力は、氷の付着又は状態検出のための認証要件を満たす。

0084

別の実施形態では、LIDAR出力は、防氷システムの作動を監視することを含む飛行中性状態モニタリングに使用される。さらに別の実施形態では、LIDAR出力により、着氷状態ではないときに翼の防除氷システムが電源オンされる頻度が減り、これにより燃料の燃焼及び関連する整備が削減される。

0085

別の実施例では、LIDAR出力の優れた正確性を用いて、従来の氷検出器では行うことができない程度まで、(例えば、Boeing787において見られるような)最新の防除氷システムの全性能が開拓される。例えば、LIDAR出力は、起動前の氷(Wing Ice Protection System(WIPS)の起動前に付着する氷)を、操縦性及び失速警報マージンのための認証要件(例えば、14 CFR Part 25の認証要件を参照)に応じるのに十分速く、且つ十分に厳密な厚さ閾値で検出することができる。この機能性はまた、Boeing787航空機に見られるWIPS及びプライマリ氷検出システムと併用して、離陸滑走中にWIPSを起動するのに特に有用である。

0086

飛行パラメータの更新
さらなる実施形態では、飛行軌道又は飛行速度を変更するために(例えば、氷を回避するように飛行する、又は氷の脱落後に、より通常に近い飛行軌道/速度に戻る)、LIDAR出力が使用される。このように、LIDARシステムは失速警報及び関連するシステムの保守性を取り除き、認証規則により要求される閾値を依然として満たしながらも、必要でないときに飛行機を不利な状況に置かないことによって最大の操縦性を可能にする。従来は、ひとたび着氷状態が発生すると、氷検出器では氷が脱落したことを確認することができないため、(失速時に使用される飛行パラメータを含む)失速警報システムを有する多くの飛行機が、(着氷状態を脱した後であっても)残りの飛行のために失速警報テーブルを着氷テーブル設定(着氷状態中に用いられる飛行パラメータを含む)に設定する。こうした着氷設定には航空機の速い速度が必要とされ、そのような速度は着陸の操縦に最適ではない。しかしながら、本発明の一実施形態による航空機システムは、LIDARシステムにより氷が検出されたときに着氷設定に設定されるが、その後空力表面上の氷が所望のレベルを下回って昇華した/脱落したことをLIDARシステムが示すと、通常の設定に戻される失速警報テーブルを含む飛行制御システムを含む。これにより、飛行制御システムは、氷が発生した後に脱落したことをLIDARシステムが示したときに着陸用の低速を保証することができる。

0087

このように、航空機の重要空力表面上の氷の蓄積(並びにそのような氷が脱落及び/又は昇華したとき)を検出するLIDARシステムの優れた能力(増大した反応時間及び正確性を含む)によって、防除氷システムをより少ない頻度で使用し、より効率的に起動すること、着氷状態での高い操作性(すなわち、増大した飛行エンベロープ)、及び飛行効率(低い抗力及び高い燃料効率を含む)を高める空制システムの動作を可能とすることができるため、大きな利点である。これらの利点により、地上付近での操作中又は着氷状態における飛行安全性も高まる。

0088

回転翼機における用途
さらに別の実施形態では、LIDAR出力を用いて回転翼機上の氷、及び氷の脱落が検出される。回転翼機の例としては、限定しないが、チヌーク(Chinook)及びアパッチ(Apache)ヘリコプターが挙げられる。例えば、LIDAR出力を用いて、摂氏−5度以上の温度から少なくとも摂氏−10度にまで着氷飛行エンベロープを拡張することができる。別の実施例では、LIDAR出力は、除氷/防氷性能を有するヘリコプター(例えば、除氷ブランケットを含むように設計された新たな複合主ロータブレード及び氷食除氷性能強化仕様を含むテールロータを有するアパッチ)と併用される。

0089

いくつかの実施形態では、LIDAR検出器は従来の氷状態検出器にとって代わるものであるが、他の実施形態では、LIDAR出力が他のセンサシステムからのデータと統合され、当該他のセンサシステムからの出力を補強するために用いられる。

0090

データベース作成
さらなる実施形態では、LIDARデータを用いて、例えば、(コーティングのような)他の物質から氷を区別し、且つ異なる種類の氷を区別するのに役立てるために使用される基準テーブルが作成される。テーブルの例としては、限定しないが、標準分光反射率テーブル、双方向反射率分布関数(BRDF)テーブル、又は測定された様々な特徴を、LIDAR戻りビームの角度、強度、及び偏光、並びに検出された氷又は対象物の分散及び不透明度の関数としてLIDARデータに対してマッピングする/解釈するテーブルが挙げられる。基準テーブルを用いて、種々の物質、天候、水、枝葉、及び従来の検知アプローチにとっては困難とされているものを介したLIDAR氷検知を実現することができる。

0091

風洞における用途
さらなる実施形態では、LIDARセンサは、風洞内の機器として用いられ、LIDAR出力は、風洞内の氷の付着データを含む。

0092

ツール強化仕様及び認証
別の実施形態では、LIDAR出力は、より強固で保守性の低い防除氷システム、並びに/又はより効率的な航空機及びよりシンプルなアビオニクスの設計とツール強化仕様のために使用される。具体的には、(現在は行うことのできない)実際の飛行状態から得られるLIDAR特徴付け3D氷形状により、新規のツール及び防除氷システムの開発が可能となるだろう。より高品質のツールによって、着氷風洞試験及び飛行試験が低減され、これにより開発、試験、及び認証のコストが削減される。さらに、LIDARシステムは、特定の飛行状態及び空気負荷(このデータは、翼の位置、振動、及び振幅を検証するための空力弾性試験から得られるひずみゲージデータを用いて検証されうる)に応じて、翼のクリーンな対象表面をモデリングするために使用することができる。一実施形態では、5〜10ミリメートルレベルの解像度の3D点群データが用いられる。

0093

さらに別の実施形態では、LIDAR出力は、氷の形状についてはほとんど知られていない新たな着氷規則に応じるために必要な性能を開発するために用いられる。したがって、LIDAR出力は、製品効率と製品安全性を改善するため、認証/規制基準に従うため、又は代替的な認証戦略を展開するために認証機関、着氷専門業者、及び/又は航空機コンポーネント製造業者により必要とされるデータを提供することができる。このことは、航空機の操作者が着氷状態での操作性を高めることに関心がある一方で、世界中の商用航空規制機関全航空機に対し重要表面上の氷の形成を検出し対応する能力の向上を要求することを計画していることから、特に有益である。

0094

ハードウェア環境
図13は、上記で開示した(例えば、図3に記載した)処理エレメントを、LRU又はアビオニクス内を含めて実装するために使用されうる例示的なコンピュータ又はシステム1300を示す。図13は、コンピュータシステム1300に連結されるLIDARデバイス1330を示すが、LIDARデバイスは、コンピュータシステム1300を含んでいてもよい。コンピュータ1302は、プロセッサ1304、及びランダムアクセスメモリ(RAM)などのメモリ1306を備える。人とのインターフェースを要する実施形態では、コンピュータ1302は、グラフィカルユーザインターフェース1318B上でウィンドウなどの画像をユーザに提示するディスプレイ1322に動作可能に連結される。コンピュータ1302は、キーボード1314、マウスデバイス1316、プリンタなどの他のデバイスに連結されてもよい。当然、当業者であれば上記のコンポーネントの任意の組み合わせ、又は任意の数の種々のコンポーネント、周辺機器、及び他のデバイスをコンピュータ1302と組み合わせて使用できることを認識するであろう。

0095

一又は複数の実施形態では、コンピュータシステム1300はアビオニクスを備え、アビオニクス1300は、氷212が空力表面226から脱落したと検出器200が警告した後に失速警報テーブルTを通常に戻し、航空機500を非着氷状態下で飛行させる。

0096

一般的には、コンピュータ1302は、メモリ1306に記憶されたオペレーティングシステム1308の制御下で動作し、ユーザとのインターフェース通信を行って入力及び指令受け付け、グラフィカルユーザインターフェース(GUIモジュール1318Aを通じて結果を提示する。GUIモジュール1318Bは別個のモジュールとして示されているが、GUI機能を実行する指示は、オペレーティングシステム1308、コンピュータプログラム1310内に存在しているか若しくは配布されていてもよく、又は特殊用途メモリ及びプロセッサと共に実装されていてもよい。コンピュータ1302はまた、Java、C++、C#、又は他の言語などのプログラミング言語で記述されたアプリケーションプログラム1310を、プロセッサ1304により読み取り可能なコードに変換させるコンパイラ1312も含む。完了後、アプリケーション1310は、コンパイラ1312を用いて生成された関連付け及び論理を使用して、コンピュータ1302のメモリ1306に記憶されたデータにアクセスし当該データを操作する。類似の結果はフィールドプログラマブルゲートアレイFPGA)を用いて得ることができる。コンピュータ1302はまた、モデム衛星リンクイーサネットカード、又は他のコンピュータと通信するための他のデバイスなどの外部の通信デバイス任意選択的に含んでもよい。

0097

一実施形態では、オペレーティングシステム1308、コンピュータプログラム1310、及びコンパイラ1312を実行する指示は、例えば、zipドライブフロッピーディスクドライブ1324、ハードディスクドライブCD−ROMドライブ、テープドライブなどの一又は複数の固定又は取り外し可能データ記憶デバイスを含みうる例えばデータ記憶デバイス1320などのコンピュータ可読媒体内で実体的に具現化される。

0098

さらに、オペレーティングシステム1308及びコンピュータプログラム1310は、コンピュータ1302により読み取られ実行されたときに、コンピュータ1302に本明細書で記載する工程を実施させる指示で構成される。コンピュータプログラム1310及び/又は動作指示はまた、メモリ1306及び/又はLIDARデバイス1330内に実体的に具現化してもよく、それによりコンピュータプログラム製品又は製造物品が作製される。したがって、本明細書で使用する「製造物品」、「プログラム記憶デバイス」、及び「コンピュータプログラム製品」という用語は、任意のコンピュータ可読デバイス又は媒体からアクセス可能なコンピュータプログラムを包含することが意図される。

0099

コンピュータシステムの前述の実施形態は、地上局118及び同様の用途において有用でありうる周辺機器(例えば、ディスプレイ1322、GUIモジュール1318A、GUI1318、マウスデバイス1316、キーボード1314、プリンタ1328又はコンパイラ1312)を含んでいるが、他の処理エレメントにおいては必ずしも含まれていなくてもよいことが理解されよう。

0100

さらに、本開示は、以下の条項による実施形態を含む。

0101

条項1.航空機上の一又は複数の光検出測距(LIDAR)デバイスを備える検出器であって、光検出測距デバイスの各々は送信器及び受信器を含み、
送信器の各々は、レーザパルスを用いて航空機の空力表面を繰り返し走査して、空力表面から拡散される拡散レーザパルスを形成し、
受信器の各々は、拡散レーザパルスを受信し、受信器で受信した拡散レーザパルスのタイミングを含むデータを出力し、
出力データから、空力表面上の氷の有無を表す空力表面の座標の時間的変化が算出される、検出器。

0102

条項2.空力表面は、航空機の翼、尾翼、又はロータの表面であり、
LIDARデバイスはコンピュータに連結され、
コンピュータは、座標の時間的変化から翼、尾翼、又はロータの厚さの時間的変化を算出し、
コンピュータは、厚さの時間的変化を用いて、氷の蓄積又は氷の脱落を特定する、
条項1に記載の検出器。

0103

条項3.送信器は、翼の複数の断面にわたる一又は複数の線パターンで翼の空力表面を走査し、
コンピュータは、走査の一又は複数の走査速度を用いて複数の断面間の距離を測定する、条項1に記載の検出器。

0104

条項4. LIDARデバイスのうちの2つのLIDARデバイスを備え、
LIDARデバイスのうちの1つのLIDARデバイスは、翼の上面を含む空力表面を走査し、上面の座標を求めるために使用されるデータを出力するように配置され、
LIDARデバイスのうちの別のLIDARデバイスは、翼の下面を含む空力表面を走査し、下面の座標を求めるために使用されるデータを出力するように配置される、条項1に記載の検出器。

0105

条項5. LIDARデバイスは、第1のLIDARデバイス、第2のLIDARデバイス、第3のLIDARデバイス、及び第4のLIDARデバイスを備え、
第1のLIDARデバイスは、翼の上面を含む空力表面を走査し、第1のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて上面の第1の方向の座標が求められ、
第2のLIDARデバイスは、翼の上面を走査し、第2のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて上面の第2の方向の座標が求められ、
第3のLIDARデバイスは、翼の下面を含む空力表面を走査し、第3のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて下面の第1の方向の座標が求められ、
第4のLIDARデバイスは、翼の下面を走査し、第4のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて下面の第2の方向の座標が求められる、条項1に記載の検出器。

0106

条項6. LIDARデバイスは航空機の翼フェアリングに収容される、条項1に記載の検出器。

0107

条項7. LIDARデバイスに連結されたコンピュータをさらに備え、
データは、異なる時間における座標を表す複数の走査の各々について出力されるデータセットを含み、
データセットの各々について、コンピュータは、
形状モデルを用いて、データセットから空力表面の形状を抽出し、
翼の重量及び/又は翼上の気流の圧力に起因する空力表面のたわみによる形状の一又は複数の変形を特定し、
変換機能を用いて、データセットを共通基準座標系の共通座標に変換し、
共通基準座標系は、変形のない空力表面を含み、
変換機能は、変形を有する空力表面を変形のない空力表面に変換し、
共通基準座標系の共通座標の時間的変化を用いて氷の有無が検出される、条項1に記載の検出器。

0108

条項8.コンピュータは、データをフィルタリングして障害物に対応するデータを除外する、条項7に記載の検出器。

0109

条項9.受信器は、氷の有無に関連付けられたレーザパルスの光学特性についての情報を出力するスペクトラムアナライザ及び/又は偏光検出器をさらに備える、条項1に記載の検出器。

0110

条項10.光学特性は、レーザパルスの偏光、強度、チャープ(chirp)、周波数、及び吸収率から選択される少なくとも1つの特性である、条項9に記載の検出器。

0111

条項11. LIDARデバイスは、空力表面からの氷の脱落を検出する、条項1に記載の検出器。

0112

条項12.検出器はアビオニクスに連結され、アビオニクスは、氷が空力表面から脱落したと検出器が警告した後に失速警報テーブルを通常に戻し、航空機を非着氷状態下で飛行させる、条項1に記載の検出器。

0113

条項13.航空機の空力表面への氷の蓄積又は空力表面からの氷の脱落を検出するための方法であって、
各々が送信器及び受信器を含む一又は複数の光検出測距(LIDAR)デバイスを航空機上に設けること、
送信器の一又は複数から送信されるレーザパルスを用いて航空機の一又は複数の空力表面を繰り返し走査して、空力表面から拡散される拡散レーザパルスを形成すること、
受信器の一又は複数で拡散レーザパルスを受信すること、
受信器で受信した拡散レーザパルスのタイミングを含むデータを受信器から出力すること、及び
空力表面上の氷の蓄積及び/又は空力表面からの氷の脱落を表す空力表面の座標の時間的変化をデータから算出すること
を含む方法。

0114

条項14.空力表面は、航空機の翼、尾翼、又はロータの表面を含み、方法は、
座標の時間的変化から、翼、尾翼、又はロータの厚さの時間的変化を算出すること、及び
厚さの時間的変化を用いて、氷の蓄積又は脱落を特定することをさらに含む、条項13に記載の方法。

0115

条項15.翼の複数の断面にわたる一又は複数の線パターンで、且つ一又は複数の走査速度を用いて、翼の空力表面を走査すること、及び
一又は複数の走査速度を用いて複数の断面間の距離を測定することをさらに含む、条項13に記載の方法。

0116

条項16. LIDARデバイスは第1のLIDARデバイス及び第2のLIDARデバイスを含み、方法は、
翼の上面を含む空力表面にレーザパルスを送信する第1のLIDARデバイスを配置することであって、第1のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて上面の座標が求められる、第1のLIDARデバイスを配置すること、及び
翼の下面を含む空力表面にレーザパルスを送信する第2のLIDARデバイスを配置することであって、第2のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて下面の座標が求められる、第2のLIDARデバイスを配置することをさらに含む、条項13に記載の方法。

0117

条項17. LIDARデバイスは、第1のLIDARデバイス、第2のLIDARデバイス、第3のLIDARデバイス、及び第4のLIDARデバイスを含み、方法は、
翼の上面を含む空力表面にレーザパルスを送信する第1のLIDARデバイスを配置することであって、第1のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて上面の第1の方向の座標が求められる、第1のLIDARデバイスを配置すること、
翼の上面にレーザパルスを送信する第2のLIDARデバイスを配置することであって、第2のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて上面の第2の方向の座標が求められる、第2のLIDARデバイスを配置すること、
翼の下面を含む空力表面にレーザパルスを送信する第3のLIDARデバイスを配置することであって、第3のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて下面の第1の方向の座標が求められる、第3のLIDARデバイスを配置すること、及び
翼の下面にレーザパルスを送信する第4のLIDARデバイスを配置することであって、第4のLIDARデバイスから出力されるタイミングを用いて下面の第2の方向の座標が求められる、第4のLIDARデバイスを配置すること
をさらに含む、条項13に記載の方法。

0118

条項18. 方法は、
複数の走査の各々について出力され、異なる時間における空力表面のうちの1つの座標を表すデータセットを含むデータを受信すること、
データセットの各々について、
形状モデルを用いて、データセットから空力表面(226)の形状を抽出すること、
空力表面のたわみに起因する形状の一又は複数の変形を特定すること、
変換機能を用いて、データセットを共通基準座標系の座標に変換すること、
共通基準座標系の座標の時間的変化を用いて、空力表面の氷の蓄積又は脱落を検出することをさらに含み、
共通基準座標系は、変形のない空力表面を含み、変換機能は、変形を有する空力表面を変形のない空力表面に変換する、条項13に記載の方法。

0119

条項19. データは、レーザパルスの光学特性についての情報をさらに含み、方法は、光学特性を用いて氷の蓄積又は脱落を検出することをさらに含む、条項13に記載の方法。

0120

条項20.氷が空力表面から脱落したことを検出器が示したときに、アビオニクスが失速警報テーブルを通常に戻して航空機を非着氷状態下で飛行させることができるように、アビオニクスに対して警告することをさらに含む、条項13に記載の方法。

0121

当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく、この構成に多くの修正を加えてもよいことを認識するであろう。例えば、当業者であれば、上記のコンポーネントの任意の組み合わせ、又は任意の数の種々のコンポーネント、周辺機器、及び他のデバイスを使用してもよいことを認識するであろう。
結論

0122

本開示の好適な実施形態の説明は以上である。前述の好適な実施形態の説明は、例示及び説明を目的として提示してきた。これは、限定列挙を意図しておらず、また本開示を厳密に開示した形式に限定することを意図していない。上記の教示を踏まえ、多くの修正及び変形が可能である。権利範囲は、詳細な説明によってではなく、本明細書に添付の請求項によって限定されるべきであることが意図される。

0123

参考文献
[1]US.Patent Publication No.2011/0313722
[2] Feature curve extraction from point cloudsvia developable strip intersection、Journal of Computational Design and Engineering、Vol.3、Issue 2、102〜111ページ、2016年4月

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