专利名称：检测飞机前方不利大气条件的系统和方法
技术领域：
本申请涉及一种检测飞机前方不利大气条件的系统和方法。该系统具有多个红外摄像机，该红外摄像机可以检测，例如，二氧化硫和颗粒(如火山灰)、风尘以及冰颗粒。该系统还包含了处理图像的计算机以及向全体机务人员显示不利条件的显示器。
背景技术：
许多不利大气条件需要被检测。这些不利大气条件包括火山灰、有毒气体(例如二氧化硫)、风尘以及冰颗粒。火山云包含硅酸盐和对航空飞行危险的气体。喷气式飞机与火山灰的几次遭遇均引发了巨大的损伤，因为在引擎的热部位吸入了火山灰，随后熔化并融合在涡轮机叶片上。灰还会阻塞皮托静压管、影响敏感飞机设备以及磨损机身结构部分的前缘。火山气体(主要是SO2)对于飞机的危害较少，但是对SO2的检测可以用做火山灰的指示器，因为这些物质通常混合在一起并一起被大气气流运送。火山云中另一种重要的气体是水蒸气(H2O气)。水蒸气在火山云中占有很大的份额，不是通过周围空气的夹带就是来自于火山源的水(例如,海水就是岛上的火山或者沿海的火山一个常见的来源)。一旦在大气中，水蒸气会快速凝结到灰核中形成冰，这种冰相对于普通气象云中的冰，具有小很多的半径。这些大量的、小型的冰粒对飞机来说是危险的，因为当冰粒与炙热的引擎相接触时，会快速的融化，释放出灰核，导致涡轮叶片的堵塞，影响引擎的性能并可能导致引擎熄火。飞机的损失以数百万美元来计算。大多数严重的飞机与灰云的遭遇是发生在巡航高度，但是在机场中的火山灰对飞机也有危害。这些机场通常接近活火山，但他们离喷发源也可能有一段距离，但是灰尘由于大气运动被带入到此区域。灰危害对飞机场运行所造成的损失尚不知道，但是如果包括了由飞行员操作所产生的延误落地和起飞以及改变路线所造成的损失，那么这种损失一定是巨大的。冰岛的Eyjaf jallajoekull火山最近的(2010年4月)一次爆发,据估计，已经造成了航空业大约20亿美元的损失。目前，仍旧没有调整要求让机坪操作者提供灰危害的警报。警报基于由火山观测者、气象顾问以及，在某些情况下，喷发柱的雷达观测者提供的信息。雷达信息通常只在喷发开始，灰尘云较厚时可靠，且此类信息通常只在距离喷发火山很近的机场有效。对于远离灰尘源的机场只有很少的直接观测有效。一些观测来自于卫星系统同时其它信息源来自于基于风的数据以及云层高度信息的轨迹预测。许多此类信息是偶发的且不实时的，因此这就需要一个更好的检测系统。其他不利的大气条件包括由火山和工业工厂产生的有毒气体。特别重要且含量多的是二氧化硫气体。来自火山的二氧化硫云与大气中的水蒸气发生反应，生成损毁飞机的硫酸。可以预见，二氧化硫可能在与火山灰分离的区域内被发现。在不穿过火山灰的情况下，飞机可以飞过二氧化硫。在遭遇二氧化硫的情况下，引擎的遭遇后处理与遭遇灰尘后的引擎的后处理是不同的且与其相比较是相当便宜的。相应地，要求能够向飞机发出二氧化硫云的警报。
当水围绕灰尘以及其它颗粒凝固时，所述灰尘及其他颗粒可以在适当的条件下可以形成冰粒。相应地，风尘和冰粒对飞机、车辆等构成严重危害。喷气式飞机在巡航高度(高于15000英尺)时的航速很快(大于500km/hr)，目前还没有检测飞机前方火山云危险的方法。由于高速，检测方法必须能够快速地收集信息并且提供一个自动警报以及种类识别算法，所述种类识别算法能够将火山物质与大气中其他的物质区分开来(例如，水和冰的气象云)。W02005031321AUW02005068977A1 以及 W02005031323A1 公开了监测二氧化硫、火
山灰以及风尘的方法和装置，对应于不利大气条件，使用红外辐射的至少两个波长。US3931462公开了使用UV视频系统测量来自烟囱的羽状烟柱中的二氧化硫。US4965572公开了远程检测低空风切变湍流的方法和装置，如通过红外温度检测器。US5140416公开了一种融合或者合并来自多个源的视频图像的系统和方法，由此，生成的图像改善了信息内容。在被扫描的场景中，传感器响应于不同类型的光谱含量，例如短波或者长波红外线。US5654700和US5602543公开了一种用于飞机的不利大气条件检测系统，使用红外检测器来监测飞机前方的条件，显示位置，向飞机发出警报以及改变航线。

发明内容
一方面，本申请提供了一种用于检测飞机前方不利大气条件的系统，包括多个安装在飞机上的红外摄像机，其中该红外摄像机被调节为空间地检测不同波段红外光中的红外辐射，每个摄像机均连接至图像处理计算机，所述图像处理计算机处理并合并图像、以及产生视频显示信号以生成视频显示，所述视频显示标示出所述不利大气条件相对飞机的位置；每个摄像机分别被提供有滤波器，所述滤波器被调节为对具有一定带宽的红外光进行滤波，所述带宽符合一系列不利大气条件中的一不利大气条件的红外带宽特性；所述图像处理计算机适用于识别不利大气条件，所述识别基于阈值条件，并且利用了检测到的红外辐射、来自查找表的数据以及经测量的参数，所述经测量的参数包括飞机位置及/或姿态信息；所述图像处理计算机进一步适用于在显示器上以三维图像显示所识别的不利大气条件。本申请的优点在于提供了一个适用于飞机以检测不利大气条件(特别是由火山产生的不利大气条件)并将所述不利大气条件对全体机组人员可视化的装置。本申请对于检测火山云尤其有用。例如，本申请可快速检测在巡航高度时喷气式飞机前方的火山物质，并且可以同时检测和辨别火山灰、二氧化硫气体以及覆冰灰颗粒。优选地，本申请提供转化原始摄像机数据的算法和进程以识别灰尘、二氧化硫气体以及覆冰灰。优选地，该系统监测飞机的视场。本申请中的摄像机可以为非制冷微测辐射热计配置的摄像机。该系统的一个实施例为在查找表中考虑俯仰角以及环境温度。优选地，不利大气条件包括火山灰、覆冰灰、水蒸气以及二氧化硫。所述经测量的参数可以包括俯仰角和环境温度。优选地，利用大气辐射传输模型对所述阈值条件进行预计算。
优选地，图像处理计算机被设置为根据检测到的红外辐射确定亮度温度，并且所述识别包括确定与所述亮度温度有关的值是否满足所述阈值条件。该系统也可能包括一个或多个外部涂黑的遮光板，成像摄像机紧靠在该遮光板上被预先校准以便提供飞行中校准值。最优选地，系统提供一个统计警报，该统计警报基于对用以显示灰尘、二氧化硫或覆冰灰的不利条件的图像的分析。此统计警报使用空间和时间信息，且可以根据飞行测试被调整以减少假警报以及保证鲁棒性。对于这些实施例，可提供一种计算机程序，可加载至基于计算机的系统中处理单元的内部存储器，该计算机程序包括用以执行所述步骤的软件代码部分。对于这些实施例，可提供一种存储于计算机可读介质的计算机程序产品，包括可读程序，该计算机程序产品使基于计算机的系统中处理单元根据所述步骤控制执行。优选地，该系统被设置为通过一种远程方法检测飞机前方空气中至少三种火山物质(灰、二氧化硫以及覆冰灰颗粒)，另外也能够将上述物质从水滴和冰的其他气象云中识别出来。本申请还提供了一个用于检测飞机前方不利大气条件的系统，包括多个安装在飞机上的红外摄像机，其中这些红外摄像机被调节为空间地检测不同波段红外光中的红外辐射；每个摄像机均连接至图像处理计算机，所述图像处理计算机处理并合并图像，其中，每个摄像机分别被提供有滤波器，这些滤波器被调节为对具有一定带宽的红外光进行滤波，该带宽符合一系列不利大气条件中的一不利大气条件的红外带宽特性；同时图像处理计算机适应于识别并显示不利大气条件，所述识别基于阈值条件并利用检测到的红外辐射以及经测量的包含飞机位置及/或姿态信息的参数。另一方面，本申请还提供了一种检测并显示飞机前方不利大气条件的方法，包括使用多个红外摄像机空间地检测不同波段红外光中的红外辐射，以及，对于每个摄像机，i)通过滤波器对红外辐射进行滤波，所述滤波器被调节为对具有一定带宽的红外光进行滤波，该带宽符合一系列不利大气条件中的一不利大气条件的红外带宽特性；ii)基于阈值条件并利用检测到的红外辐射、来自查找表的数据以及经测量的参数，识别可能出现的不利大气条件，所述经测量的参数包括飞机位置及/或姿态信息；以及iii)处理被识别出的可能出现的不利大气条件以产生三维图像。在一个实施例中，该方法进一步包括步骤iv)，将三维图像与来自其他摄像机的图像以及飞机飞行路径信息合并。优选地，不利的大气条件包括火山灰、覆冰灰、水蒸气以及二氧化硫。经测量的参数可以包括俯仰角和环境温度。进一步地，本申请提供了一种用于检测飞机前方火山云的系统，包括一个或多个安装在飞机上的红外摄像机，该红外摄像机被调节为空间地检测不同波段红外光中的红外辐射，每个摄像机均与处理并合并图像的图像处理计算机相连接，该图像处理计算机将这些图像和飞机飞行路径信息相结合，产生用于生成视频显示的视频显示信号，该视频显示标示出不利大气条件相对于飞机的位置；其特征在于，每个摄像机分别被提供有滤波器，这些滤波器被调节为对具有一定带宽的红外光进行滤波，该带宽对应于一系列火山物质中的一种火山物质的红外带宽特性；同时其特征在于，该图像处理计算机适用于利用经测量的参数，通过各个物质的阈值查找表识别并在显示器上以三维图像显示物质，所述阈值查找表映射红外辐射阈值(高于该阈值，则相应物质可能发生)。进一步地，本申请提供了一种检测并显示飞机前方火山云的方法，处理来自于一个或者多个空间地检测不同波段红外光中红外辐射的摄像机的信息，并结合飞机飞行路径信息，对于每个摄像机，其特征在于如下步骤i)通过滤波器对红外辐射进行滤波，所述滤波器被调节为对具有一定带宽的红外光进行滤波，所述带宽对应于一系列火山物质中的一种火山物质的红外带宽特性；ii)利用经测量的参数，通过在阈值查找表中查找检测到的红外辐射值识别可能发生的物质，该阈值查找表映射红外辐射阈值(高于该阈值，则相应物质可能发生)；以及iii)处理被识别出的可能出现的物质以产生三维图像。


现在，仅通过举例的方式以及参考附图来描述本申请优选的实施例，其中图1为具有滤波器、镜头、遮光板以及防护窗的单一摄像机的示意图；图2为多摄像机系统的示例配置；图3示出了显示器上灰云；图4为在干净的大气中三种不同飞行高度水平路径的辐射传输计算的示意图；图5为二氧化硫在8. 6um和7. 3um两个波段的谱线强度的示意图；同时还示出了该系统的滤波器的响应函数。
具体实施例方式检测飞机前方火山物质的基本原则依赖于在6-13um范围内对经滤波的红外辐射的使用。在该范围内，选择窄波段(O. 5-1. Oum)来检测灰、水蒸气、二氧化硫气体以及覆冰灰。优选的检测方法是使用宽视场、快速采样、成像、非制冷微测辐射热计摄像机。微测辐射热计被用作热成像摄像机中的检测器。红外辐射穿透检测器材料，对其进行加热，从而改变它的电阻。测量电阻变化并将其处理成温度，该温度可以用于生成图像。不同于其他类型的红外检测设备，微测辐射热计不需要制冷。通常这种摄像机可能包含640 X 512 (像素X线)，在300K温度下、10_12um范围内，具有50mK(或更好的)的噪声等效温差，同时提供高达60Hz的采样率。五个并列的摄像机期望实现对灰、二氧化硫气体、水气以及覆冰灰的同步检测。每个摄像机均具有对6-13um范围内的红外辐射敏感的检测器。在每个摄像机上方设置窄带滤波器，以限制辐射的频谱成分，从而达到种类识别的目的。摄像机共同使用飞机前方的同一个视场，因此，原则上，在高达60Hz的采样率下，可实时获得多个同步的窄带红外图像。使用专门的算法可快速地处理这些并列的图像，以识别之前说明的四个目标种类中的每一个。该系统的一个实施例为具有五个并列的成像摄像机，但是该数量取决于使用者的需求，是可以更多或更少的。图1示出了该系统中摄像机的一般例子。来自飞机前方的红外辐射进入每个摄像机的滤波器1，穿过摄像机的镜头2被聚焦，落在检测器阵列3上。遮光板4用于校准(见下面)。信号通过标准高速通信协议5被传送到计算机作进一步处理。为了在该系统观测飞机前方时保护所述滤波器和镜头，在遮光板和滤波器之间附着红外透明窗口 7(例如锗玻璃)。所述遮光板是温控6且朝向光的一侧被涂黑。图2示出了具有五个摄像机8的多摄像机系统的示例配置。该系统在使用中，防护遮光板4可以在组件9的前部被机械地驱动和收回。在观测模式下，锗玻璃窗口 7提供碎片防护。信号线5和输电线10在组件外壳9的后部,组件外壳9容纳电路、巾贞接收器以及计算机硬件。图中示出了五个摄像机，但是取决于待识别的危害的数量，该配置可以由更多或更少的摄像机构成。例如具有两个摄像机的系统将允许识别火山灰和覆冰灰。摄像机在被安装到飞机上之前先进行预校准，以便当摄像机被暴露在同样数量的红外辐射中时，每个摄像机记录同样的数字信号。这可通过将每个摄像机(不附带滤波器)对准一个已知的红外辐射源(已知恒温)并记录来自每个摄像机的每个像素的数字信号来实现。假定为线性校准，在210K到300K范围内，通过改变源温度(例如，针对每个摄像机以IOK为步阶)确定查找表，给出具有640X512X10X2个值的表。对每个所使用的窄带滤波器可重复这个过程。一旦在飞机上，不连续的再校准可通过在滤波器前部插入经加热且被涂黑的遮光板 并记录对应于该遮光板的已知(被控制)温度的数字数量来实现。该遮光板还服务于双重目的，·即，在本申请的系统未开启时，提供一个在起飞和降落时对直接朝向摄像机的碎片以及灰尘的防护。应当理解，可选地，使用第二个遮光板以便在线性校准方程中提供第二校准点。第二遮光板的使用仅是出于实用方便的目的，并不改变本申请的主要操作原理。一旦飞机到达巡航高度则开启系统，并且一旦检测到空气中的危害，飞机立刻通过改变飞行高度和航向的方式进行紧急避让。在未开启模式下，遮光板是关闭的。在开启之前先对系统(所有五个摄像机)进行循环预校准。遮光板被打开，系统开始采集图像。商业摄像机的采样率可以达到60Hz，该采用率(或者更高的采样率)是一种优选的采样率。然而，一些摄像机存在一些输出限制，这意味着可能使用较低的采样率。在下面的讨论中，我们假定采样率为8Hz，因为在该频率下没有输出限制。当使用较高采样频率时，基本原理不会改变。每个摄像机每秒提供8幅N像素XM线大小的图像。查找表与飞机上的校准数据共同被使用以便将数字信号转化为亮度温度(BTq, k)，其中k代表当前系统中摄像机数量(k = 1，2，3，4或5)，i和j分别表示像素数量和线数量。亮度温度由如下公式确定
权利要求
1.一种用于检测飞机前方不利大气条件的系统，包括多个安装在所述飞机上的红外摄像机，其中所述红外摄像机被调节为空间地检测不同波段红外光中的红外辐射；每个摄像机均连接至图像处理计算机，所述图像处理计算机处理并合并图像、以及产生视频显示信号以生成视频显示，所述视频显示标示出所述不利大气条件相对于所述飞机的位置；每个摄像机分别被提供有滤波器，所述滤波器被调节为对具有一定带宽的红外光进行滤波，所述带宽符合一系列不利大气条件中的一不利大气条件的红外带宽特性；所述图像处理计算机适用于识别不利大气条件；所述识别基于阈值条件并利用检测到的红外辐射、来自查找表的数据以及经测量的参数，所述经测量的参数包括所述飞机的位置信息和/或姿态信息；以及所述图像处理计算机进一步适用于在显示器上以三维图像显示所识别的不利大气条件。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一系列不利大气条件包括火山灰、覆冰灰、 水蒸气以及二氧化硫。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述系统被设置为设法识别覆冰灰和水蒸气，其中，水蒸气的识别被用于证实覆冰灰的识别。
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其中，所述阈值条件是使用大气辐射传输模型预计算出来的。
5.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，所述图像处理计算机被设置为根据检测到的红外辐射确定亮度温度，并且所述识别包括确定与所述亮度温度相关的值是否满足所述阈值条件。
6.根据前述任一项权利要求所述的系统，其中，所述经测量的参数包括俯仰角和环境温度。
7.根据前述任一项权利要求所述的系统，包括一个或多个外部涂黑的遮光板，所述成像摄像机紧靠在所述遮光板上被预先校准以便提供飞行中校准值。
8.—种检测并显示飞机前方不利大气条件的方法，包括使用多个红外摄像机空间地检测不同波段红外光中的红外辐射；以及，对于每个摄像机i)通过滤波器对红外辐射进行滤波，所述滤波器被调节为对具有一定带宽的红外光进行滤波，所述带宽符合一系列不利大气条件中的一不利大气条件的红外带宽特性； )基于阈值条件并利用检测到的红外辐射、来自查找表的数据以及经测量的参数， 识别可能出现的不利大气条件，所述经测量的参数包括所述飞机的位置信息和/或姿态信息；以及iii)处理被识别出的可能出现的不利大气条件以产生三维图像。
9.根据权利要求8所述的方法，包括附加步骤iv):将所述图像与来自其他摄像机的图像以及飞机飞行路径信息合并。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述一系列不利大气条件包括火山灰、覆冰灰、水蒸气和二氧化硫。
11.根据权利要求10所述的方法，包括识别可能出现的覆冰灰和水蒸气，其中水蒸气的识别被用于证实覆冰灰的识别。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，使用大气辐射传输模型对所述阈值条件进行预计算。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，对于每个摄像机，进一步包括根据检测到的红外辐射确定亮度温度，并且所述识别包括确定与所述亮度温度相关的值是否满足所述阈值条件。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其中，所述经测量的参数包括俯仰角和环境温度。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的方法，进一步包括对紧靠在一个或多个外部涂黑的遮光板上的所述成像摄像机进行预先校准，以便提供飞行中校准值。
16.一种计算机程序，可加载至基于计算机的系统中处理单元的内部存储器，该计算机程序包括用于执行根据权利要求8至15中任一项所述的方法的软件代码部分。
17.一种存储于计算机可读介质的计算机程序产品，包括可读程序，当所述可读程序被计算机运行时，使计算机执行根据权利要求8至15中任一项所述的方法。
全文摘要
检测飞机前方不利大气条件的系统和方法。该系统具有多个红外摄像机8，被调节为空间地检测不同波段红外光中的红外辐射。其中，每个摄像机均与处理并合并图像，以及产生视频显示信号以生成视频显示的图像处理计算机相连。所述视频显示标示了不利大气条件相对于飞机的位置。每个摄像机分别被提供有滤波器，所述滤波器被调节为对具有一定带宽的红外光进行滤波，所述带宽符合一系列不利大气条件中的一不利大气条件的红外带宽特性。该图像处理计算机适合于识别不利大气条件，所述识别基于阈值条件并利用检测到的红外辐射、来自查找表的数据以及经测量的参数，所述经测量的参数包括飞机位置和/或姿态信息。该图像处理计算机还适用于在显示器上以三维图像显示被识别出的不利大气条件。
文档编号G01P5/10GK103038646SQ201180029733
公开日2013年4月10日 申请日期2011年4月28日 优先权日2010年4月29日
发明者阿尔弗雷多·乔斯·普拉塔, C·贝尔纳多 申请人:挪威空气研究所