CN101151553B - 用于测量在飞行器周围环境中的空气紊流的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量飞行器周围的空气紊流的方法及装置。装置(1)包括：测量***(2)，测量***(2)含有安装在飞行器上并被构造用于在飞行器飞行期间产生飞行器周围外部的12个空气速度测量值的激光雷达(L1，L2，L3，L4)，所述测量***(2)在4个不同的测量点产生所述12个测量值，每次测量都沿3个预定的轴线进行；和中央单元(3)，利用由所述测量***(2)产生的测量值和一阶预定的数学模型-它基于12个变量描述空气速度场-确定了空气速度场，所述空气速度场存在于所述飞行器周围并代表了所述空气紊流。

Description

用于测量在飞行器周围环境中的空气紊流的方法及装置

技术领域

本发明涉及测量飞行器、特别是运输机周围的空气紊流的方法及装置。

尤其特别的是，所测得的紊流虽不是排他地用于证实模拟模型，后者在设计时或所述飞行器飞行之前将用于在实验室中测试飞行器的特性，特别地用于从多个可能的理论模型中选出最有效的模型。

背景技术

对于这样一种应用，当然需要所实施的测量特别精确和可靠。

已知晓：除去飞行器周围环境中的气动速度场(或紊流场)的天然不均匀性之外，还存在在飞行器附近的这个场的扰动，这个距离常超过数十米，这个扰动是由所述飞行器的通过而产生的。这当然使实施精确测量很困难。

发明内容

本发明涉及测量飞行器、特别是运输机周围的空气紊流的特别有效及可靠的方法，该方法能够改善上述的缺点。

根据本发明，所述方法值得注意之处是：

a)飞行器飞行时，在安装于飞行器上的激光雷达的帮助下实施了所述飞行器周围环境的气动速度的12次测量，所述测量是在4个不同的测量点处实施的，每次是沿3个预定的轴线进行的；和

b)在所述12次测量和根据12个变量描述气动速度场的阶预定的数学模型帮助下，确定了气动速度场，所述气动速度场存在于飞行器的所述周围中并代表了空气的所述紊流。

因此，根据本发明，获得了特别精确及可靠的紊流测量值。特别是：

-一方面，由于激光雷达的应用，如下面所说明的，各个测量点与飞行器有一定距离，因此能够实施不被飞行器的通过所干扰的区域的测量，而因此测量到实际的紊流；和

-另一方面，用于确定紊流的所述数学模型(把气动速度场描述成12个变量的函数的一阶数学模型)被考虑作为前提，根据此前提气动速度场在各个测量点是不均匀的，这符合于实际情况。另一方面，这个模型被考虑作为前提，根据此前提，气动速度场的一阶导数是均匀的，因此12个变量(3个分量和9个一阶导数)的应用是先决条件。

已知晓：空气紊流是由不均匀的气动速度场造成的，因而代表流动空气的无序混合，在流动中流体线混合在一起而取代了保持其独立性。

另外，已知晓：激光雷达是一种装置，它通过在该装置上反射光学发光辐射可确定障碍物的位置和距离，所述光学发光辐射通常是由激光发射的。术语“激光雷达”源自词组“光探测和测距”的缩写。激光雷达的原理在于：把应用于无线电区域的雷达原理转用于发光的或光学的区域。

在一种有益的方式中，在测量点-它分别被定位于沿所述3个预定的轴线的气动速度的3个分量上-处的每个激光雷达，对每个分量实施激光束的多普勒效应(Doppler effect)测量，所述激光束是被存在于所述测量点周围的预定体积中的粒子发射和反向散射的。

在步骤a)，在第一实施例中，使用了4台激光雷达，每台实施所述4个测量点中一个点处的测量，而在第二优先实施例中，使用了3台激光雷达，所述激光雷达中的2台分别实施对所述测量点之一的一次测量，而第3台激光雷达实施对飞行器飞行时的两次连续的瞬时的测量，以便因此能实施对2个不同测量点的测量，所述两个不同测量点对应于两个剩余的测量点。

在本发明的范围内，所述激光雷达可被布置在飞行器上的任何位置处，在这些位置，它们处于能实施上述测量的状态(只要所选择的位置彼此不相同)。然而，在应用于以上第二优先实施例的特别实施中，所述激光雷达分别被布置在第一右前弦窗上、第一左前弦窗上和飞行器的机翼上。

此外，在一种有益的方式中，所述预定的轴线随飞行器而定并被定向成朝向前方。因此所使用的基准框架系紧于飞行器上。

本发明还涉及用于测量飞行器周围的空气紊流的装置。

根据本发明，所述装置值得注意之处是它包括：

-测量***，它包含安装在飞行器上并被用于在飞行器飞行期间实施所述飞行器周围环境的气动速度的12次测量的激光雷达，所述测量***在4个不同的测量点处实施所述测量，每次都沿3个预定的轴线进行；和

-中央单元，它在由所述测量***实施的测量和一阶预定的数学模型-它把气动速度场描述成12个变量的函数-的帮助下，确定了气动速度场，所述气动速度场存在于飞行器的所述周围并代表了空气的所述紊流。

在第一实施例中，所述中央单元安装在飞行器上，并在飞行器飞行期间确定空气的紊流。

在第二优先实施例中，根据本发明所述装置还包括记录装置，用于在数据库中记录由所述测量***进行的测量，而在飞行期间记录于所述数据库中的测量值的帮助下，所述中央单元于飞行之后在地面上确定空气紊流。

还有，有利的是，所述测量***包括：

-或者是4台激光雷达，每台实施对所述4个测量点的一个点处测量；

-或者是3台激光雷达。在此情况下，所述激光雷达中的2台实施分别对所述测量点的一个点处测量，而第3台激光雷达实施对飞行器飞行时的两个连续的瞬时测量，以便由此能实施对两个不同测量点测量，所述两个不同点对应于两个余下的测量点。在这个例子中，有利的是所述激光雷达分别被布置在第一右前弦窗上、第一左前弦窗上和飞行器的机翼上。

附图说明

附图的单个图将解释实施本发明的方式。这个图是根据本发明的测量装置的简图。

具体实施方式

本发明的简略表示于图中的装置1用于测量飞行器(未图示)，特别是运输机的周围的空气紊流。已知晓：空气的紊流对应于叠加在空气平均运动上并由连续变换的无序运动的搅动构成。紊流在云彩(例如在风暴云中，在该处相反方向的垂直流一起存在)的内部或附近相遇。晴空中也存在紊流，或者靠近地面，或者特别是在喷射气流附近的非常高的高度处。

根据本发明，所述测量装置1包括：

-测量***2，它包括多个激光雷达L1、L2、L3、L4。下面说明的这些激光雷达L1、L2、L3、L4安装在飞行器上，并在所述飞行器飞行时用于实施下面说明的气动速度的12次测量M1-M12。这些测量M1-M12在靠近飞行器，然而距所述飞行器至少为预定距离，特别是至少为30米的环境中在所述飞行器外部实施。所述测量***2在4个不同的测量点处实施所述12次测量，每次在每个测量点测3回，分别沿3个预定的轴线X、Y、Z；和

-中央单元3，在由所述测量***2实施的测量和集成的数学模型的帮助下，确定存在于飞行器的环境中的气动速度场，所述气动速度场代表所述空气的紊流。这个数学模型是一阶模型，它把气动速度场描述成12个变量的函数。

由此，根据本发明，获得了特别精确及可靠的测量。特别是：

-一方面，由于使用了激光雷达L1、L2、L3、L4，各个测量点距飞行器一定距离，由此使：

·在未因飞行器的通过所干扰的区域内实施测量；然后

·在飞行器的轨迹上方，但在由飞行器产生的干扰外面测量实际的大气紊流；和

-另一方面，用于确定紊流的所述数学模型(把气动速度场描述成12个变量的函数的一阶模型)考虑了下述假设：在不同测量点处气动速度场是不均匀的，这符合真实情况。另一方面，这个模型考虑了下述假设：所述气动速度场的一阶导数是均匀的，因此假定应用12个变量(3个分量和下面说明的9个一阶导数)。

已知晓：激光雷达L1、L2、L3、L4是一种装置，它通过把通常由激光发射的光学发光射线在物体上的反射来确定障碍物的位置及距离。术语“激光雷达(lidar)”源自词组“光探测及测距(Light Detection And Ranging)”的缩写。激光雷达的原理在于：把应用于无线电区域中的雷达原理转用在发光的或光学的领域中。

每台激光雷达L1、L2、L3、L4，通过对于每个分量实施激光束的多普勒效应的测量，分别沿所述预定的3个轴线X、Y及Z在相应的测量点处测量气动速度的3个分量，所述激光束由自然存在于所述测量点周围的预定体积中的粒子发射和反向散射。

在第一实施例中，根据本发明的装置1包括4台激光雷达L1、L2、L3及L4。这4台激光雷达L1-L4中的每台对所述4个测量点之一实施3次测量。

此外，在第二优先实施例中，所述装置1仅包括3台激光雷达L1、L2及L3。第1激光雷达L1对所述测量点中的第1点实施3次测量；第2激光雷达L2对所述测量点中的第2点实施3次测量；而第3激光雷达L3每次对相对于飞行器的同一位置但在飞行器飞行时以2个连续瞬时实施3次测量，以便因此能够对2个不同的测量点(彼此相隔一代表飞行器在所述两个瞬时之间的飞行的距离)实施测量。

在本发明的范围内，所述激光雷达L1、L2、L3、L4可布置在(飞行器上)的任何位置处，在这些位置处它们可实施上述的测量(只要所选位置彼此不同)。然而，在应用于飞行器及应用于以上第二优先实施例的特别实施例中，所述激光雷达L1、L2及L3分别被布置在第一右前弦窗上、第一左前弦窗上和飞行器的机翼上。

上面提到的所述轴线X、Y及Z依飞行器而定，并且例如在飞机情况下，分别对应于：飞行器的纵轴线；穿过机翼并与垂直于所述纵轴线的中间轴线；和垂直于由上述两条轴线构成的平面的轴线。

沿纵向，测量点应离飞行器足够远，例如30米，因为这不会受到飞行器产生的干扰。此外，侧向上，两个测量点必须充分间隔，以便能实施不同的测量，但不能过分远以致不能在数学模型中连续满足所考虑的直线的近似性，两个测量点之间的侧向距离最好不超过飞行器的翼展。

如先前指出的，中央单元3在把气动速度场描述成12个变量的函数的一阶数学模型的帮助下确定空气的紊流(以气动速度场形式)。

在这个数学模型中所考虑的12个变量代表：

-风W分别沿所述轴线X、Y及Z的3个分量Wy、Wz；

-风W沿轴线X的3个一阶导数：

$\begin{array}{ccc}\∂\mathrm{Wx}/\∂x,& \∂\mathrm{Wy}/\∂x,& \∂\mathrm{Wz}/\∂x;\end{array}$

-风W沿轴线Y的3个一阶导数：

和

-风W沿轴线Z的3个一阶导数：

$\begin{array}{ccc}\∂\mathrm{Wx}/\∂z,& \∂\mathrm{Wy}/\∂z,& \∂\mathrm{Wz}/\∂z.\end{array}$

更精确地说，基于所述数学模型和所述测量，通过计入下列考虑，所述中央单元3确定了气动速度场。

基于风的和梯度的前述分量，就可计算出空间中任意点处的风的3个分量。对于固定于与飞行器相连的基准中的点P，风的3个分量因此对应于风的分量及梯度的线性结合。如果点P是激光雷达L1、L2、L3、L4进行测量的点，则这个测量是在风的3个分量的测量方向上的投影。这个投影操作本身是线性的。因此对于每个测量点P，在一方面风的分量与梯度，而另一方面每个雷达的测量之间，具有线性关系。可以矩阵的形式来写出这种关系。当M是雷达L1、L2、L3及L4的12个测量的矢量，V是风的分量及梯度的矢量，而N是将它们连接的矩阵时，获得了下列关系：

M＝N.V

其中：

$M=\left[\begin{array}{c}M1\\ M2\\ M3\\ M4\\ M5\\ M6\\ M7\\ M8\\ M9\\ M10\\ M11\\ M12\end{array}\right]$

矩阵N取决于测量的方向，激光雷达L1、L2、L3、L4在飞行器上的位置，所述激光雷达L1、L2、L3、L4的测量距离。因此可在下列表达式的帮助下计算出估计的风的分量

$\hat{V}=N^{-1}.M$

此处N^-1是N的逆矩阵。

要指出：根据本发明，测量***2在优化的方向上发射出所必须的测量光束，而中央单元3处理所述测量，从而可解决技术及安装限制上的影响，尤其是就测量点的位置而言并且是由于所测得的速度是气动速度在所针对的轴线(或是测量光束的发射轴线)上的投影。

由所述中央单元3进行处理的结果，利用连接线5传送至标准的信息装置6，例如观察荧屏或打印机，它能向操作者提供所述结果。

在第一实施例中，所述中央单元3被安装在飞行器上，并利用连接线4连接至所述测量***2。因此在飞行过程中实施的测量的帮助下，在飞行器的飞行期间，直接地确定空气的紊流。

另一方面，在第二实施例中，在图中它特别用虚线表示，测量装置1还包括由连接线8连接至所述测量***2的记录装置10，该记录装置10在飞行中，在其含有的数据库7中记录了由所述测量***2实施的测量。这些结果可在地面上通过连接线9(可移动的数据传输连接线)传送至中央单元3。在此情况下，在飞行期间记录于所述数据库7中并由所述连接线9传输的测量的帮助下，所述中央单元3于飞行之后在地面上确定空气的紊流。

此外，如先前已指出的，每台雷达L1、L2、L3及L4完成3次测量。这些测量是在不是必须平行于飞行器的轴线X、Y、Z的方向上完成的。这些方向不必需垂直。所述方向被优化为使得改进测量的质量。所述测量应该被微分使得矩阵N的数字变换允许保持良好的精度。它们也满足其它的特性：被定位成朝向飞行器的通过可最少地干扰气动场的空间的区域。特别是最有利的点全被布置成朝向飞行器的前方，并且许多是朝上的(和朝前的)。

Claims (14)

1.测量飞行器环境中的空气紊流的方法，

其特征在于：

a)飞行器飞行时，在安装于飞行器上的激光雷达(L1，L2，L3，L4)的帮助下，实施了对在所述飞行器的外部环境中的气动速度的12次测量，所述测量在4个不同的测量点处实施，每次都沿3个预定的轴线进行；和

b)在所述12次测量和气动速度场描述成12个变量的函数的一阶预定的数学模型的帮助下，确定了气动速度场，所述气动速度场存在于飞行器的环境中并代表了空气的紊流。

2.如权利要求1要求的方法，其特征在于：每台激光雷达(L1，L2，L3，L4)分别沿所述3个预定的轴线在所述测量点处测量一个气动速度的3个分量，对于每个分量来说，是通过测量激光束的多普勒效应来实施的，所述激光束由存在于所述测量点周围的预定体积中的粒子发射和反向散射。

3.如权利要求1及2中的一项要求的方法，其特征在于：在步骤a)中，使用了4台激光雷达(L1，L2，L3，L4)，每台在所述4个测量点之一实施测量。

4.根据权利要求1及2中的一项要求的方法，其特征在于：在步骤a)中，使用了3台激光雷达(L1，L2，L3)，所述3台激光雷达中的两台分别在所述测量点之一实施测量；和所述3台激光雷达中余下的一台在飞行器飞行时实施在两个连续瞬时的测量，使得因此能实施在两个不同测量点的测量，所述两个不同测量点对应于两个余下的测量点。

5.如权利要求4要求的方法，其特征在于：所述3台激光雷达(L1，L2，L3)被分别布置在第一右前弦窗上、第一左前弦窗上及飞行器的机翼上。

6.根据权利要求1及2中任一项要求的方法，其特征在于：所述预定的轴线依飞行器而定。

7.测量飞行器的环境中的空气紊流的装置，

其特征在于，包括：

-测量***(2)，包括激光雷达(L1，L2，L3，L4)，它们安装在飞行器上并用于在飞行器飞行时实施对所述飞行器的外部环境中的气动速度的12次测量，所述测量***(2)实施在4个不同测量点的所述12次测量，每次都沿3个预定的轴线进行；和

-中央单元(3)，在由所述测量***(2)实施的测量和把气动速度场描述成12个变量的函数的一阶预定的数学模型的帮助下，中央单元(3)确定了气动速度场，所述气动速度场存在于飞行器的环境中并代表了空气的紊流。

8.如权利要求7要求的装置，其特征在于：所述中央单元(3)安装在飞行器上并在飞行器飞行时确定空气紊流。

9.如权利要求7要求的装置，其特征在于：还包括记录装置(10)，用于在数据库(7)中记录由所述测量***(2)实施的测量，和所述中央单元(3)在飞行时记录在所述数据库(7)中的测量的帮助下，在飞行之后在地面上确定空气的紊流。

10.如权利要求7-9中一项要求的装置，其特征在于：所述测量***(2)包括4台激光雷达(L1，L2，L3，L4)，其中每台实施所述4个测量点之一的测量。

11.如权利要求7-9中一项要求的装置，其特征在于：所述测量***(2)包括3台激光雷达(L1，L2，L3)；所述3台激光雷达中的两台分别实施在所述测量点之一的测量；所述3台激光雷达中余下的一台在飞行器飞行时实施在两个连续瞬时的测量，以便由此能实施在两个不同测量点的测量，所述两个不同测量点对应于余下的两个测量点。

12.如权利要求11要求的装置，其特征在于：所述3台激光雷达(L1，L2，L3)被分别布置在第一右前弦窗上、第一左前弦窗上及飞行器的机翼上。

13.一种飞行器，其特征在于：它包括能够实现权利要求1-6中任一项所述的方法的装置(1)。

14.一种飞行器，其特征在于：它包括如权利7-12中任一项所述的装置(1)。

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