冰与过冷水检测系统的制作方法

冰与过冷水检测系统的制作方法
【专利摘要】一种用于对关注区域内的冰或大粒径过冷微滴进行检测的系统，该系统具有检测系统，该检测系统在关注区域暴露于具有在大约2.05μm至大约2.30μm范围中的波长的短波红外辐射的情况下对关注区域的辐射或反射进行测量。该检测系统对在具有在大约2.05μm至大约2.15μm范围中的波长的第一谱带中的辐射或反射进行测量并输出第一谱带信号，并且还对在具有在大约2.15μm至大约2.30μm范围中的波长的第二谱带中的辐射或反射进行测量并输出第二谱带信号。处理单元确定第一谱带信号与第二谱带信号的比例，并将该比例与预定临界比例进行，并且输出指示冰或过冷水滴的存在的确定信号。
【专利说明】冰与过冷水检测系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2014年5月14日提交的美国发明申请N0.14/277,082的优先权，并且还要求于2013年10月24日提交的美国临时申请N0.61/895，040的权益。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
[0003]本公开内容涉及下述光学系统，所述光学系统能够检测在宽范围的多种表面例如桥、道路、人行道、铁路、跑道上的冰以供基于地面的交通工具使用，并且还能够在冻结的过冷水滴影响空中的交通工具例如飞行器、无人机(UAV)以及其他关注对象的表面时检测所述冻结的过冷水滴。
[0004]【背景技术】和

【发明内容】

[0005]该部分提供与本公开内容有关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。该部分还提供本公开内容的总体概述，并且该部分不是对本公开内容的全部范围或所有本公开内容的特征的全面披露。
[0006]对冰以及相关联的结冰条件的检测是使与各种运输方式关联的安全性最大化时的重要因素。众所周知的是，表面上积冰会导致下述情况的增加出现:交通工具事故、源于跌倒的人身伤害、以及对运输和其他人类活动的破坏。
[0007]与交通工具行驶有关，道路冰会经常以对于谨慎的驾驶员都难以检测的方式出现。这样的冰一一经常被称为“滑冰(slippery ice)”或“黑冰”一一通常是光滑的和透明的。类似地，与飞行器行驶有关，空中结冰条件会经常以对飞行员难以识别的方式发生。空中结冰会全年在全球几乎所有区域发生，从而使得检测及避免对于飞行安全是重要的。
[0008]不幸地是，几乎不存在能够可靠地对结冰条件或冰的存在进行检测并且提供相关联的警报的系统。对于基于地面的交通工具例如汽车、卡车、火车、自动大众运输工具、铁轨、单轨、地铁、公共汽车、摩托车、脚踏车以及类似的交通工具，令人惊讶的是缺乏适当的下述系统，该系统用于对在表面例如道路、桥、铁路、人行道或者甚至滑行道(例如与飞行器的地面操作有关)上的冰的存在进行检测，并且向用户警告冰的存在。实际上，大部分交通工具中的冰检测仅仅包括当空气温度处于水的凝固点或在水的凝固点附近时的简单通知。然而，不幸的是，其通常并不指示可能影响交通工具的安全和/或驾驶性能的表面冰的存在。由于驾驶员和操作者没有意识到最终被驾驶员或操作者所忽视的错误的警报或恶化的条件，这总是导致大量的事故和死亡。对于基于空中的交通工具例如飞行器、直升机、UAV以及类似的交通工具，另外的系统是可利用的，但是每个系统都具有很多缺点。
[0009]用于对表面例如道路上的滑冰进行检测的现有技术方法使用能够测量由滑冰反射的光的偏振的成像器。然而，应该理解的是，尽管光在被介电材料例如冰反射时被偏振，但是冰不是唯一的使光偏振的介电材料。实际上，由湿的表面和/或油的表面进行的反射也会引起偏振，这可能会导致对冰的错误的报告。因此，偏振不能够在对光进行反射的可能类型的介电材料之间进行区分。因此，其不能用于明确地检测冰的存在。例如，美国专利N0.2008/0129541A1涉及能够监视交通工具前方的道路的滑冰警告系统。一个或两个摄像装置用于在两个正交偏振处对相同场景进行成像。当使用单个摄像装置时，使用偏振分束器来将反射光分成两个正交偏振。通过测量反射光的偏振来对交通工具前方的滑冰的存在的可能(但是不明确)的确定进行检测。然而，此外，该系统不能够识别所检测到的偏振是由于冰还是一些其他反射材料而导致的。
[00?0] 另外的冰检测系统是基于原位测量(in-situ measurement)并且仅应用于空中应用。例如，美国专利N0.7，104，502是针对下述系统:该系统能够通过测量飞行器上的暴露于气流的柱状物(strut)的振动频率的改变来检测冰的积累。该柱状物包含下述的至少一个特征:其使得冰能够在该柱状物上以比在飞行器的其他部分更快的速率逐渐增长。类似地，美国专利N0.7，370，525涉及用于对飞行器表面上的积冰进行检测的双通道飞行系统。该系统用线性偏振光照射(illuminate)飞行器的表面。具有与发射光对齐的偏振敏感性的光导体以及具有与发射光正交的偏振敏感性的光导体获取反向散射光。在两个导体中的光的强度的比例用来检测冰的存在。
[0011 ]此外，美国专利N0.6,269,320描述了原位大粒径过冷微滴(SLD)检测器。该系统利用边界层流型(boundary layer flow pattern)来检测SLD。其能够在引起规则的云结冰的水滴与引起SLD结冰的水滴的存在之间进行区分。然而，该系统在冰在飞行器表面上积累之后对冰进行检测，因此，在危险情况发生之前没有给出警告。特别地，其没有对飞行器周围的空域中的过冷液态水滴进行检测。
[0012]在一些情况下，用于在飞行器前方的空域中的液态水与冰粒之间进行区分的现有技术方法测量由偏振激光束发出的反向散射光的去偏振。美国专利N0.6，819，265涉及能够监视飞行器前方的空域的冰警告系统。该系统包括:激光源；用于将激光束导向飞行器前方的空域中以及接收由目标反向散射的激光的光学元件;用于将所接收的激光分离成各种波长以及将其导向光检测器中的光学元件；以及用于进行生成警告所必需的计算的处理器。美国专利N0.7，986，408涉及采用线偏振和圆偏振两者来检测飞行器前方的空域中的水滴和冰粒的空中有源系统。
[0013]根据本教导的原理，提供了冰与过冷水检测系统，其克服了现有技术的缺点，并且在基于地面的应用和基于空中的应用中特别有用。在本教导的大部分实施例中，系统通过对辐射进行多光谱测量来明确地检测冰。在一些实施例中，系统可以是无源的，但是可以包括光源，具有两个滤光器的短波红外(SWIR)摄像装置和/或检测器、数据处理器单元、以及具有显示装置的接口、安全系统、和/或飞行系统提供结冰的指示以及对该指示的响应。
[0014]此外，在一些常规的空中应用中，对飞行器前方的空域中的结冰条件的检测要求能够实际上在过冷液态水滴与冰粒之间进行区分的系统。因此，在本教导的一些实施例中，系统能够对空域的关注区域中的液态水滴和冰粒进行检测，以及估计潜在的有危险的过冷液态水滴的大小。该实施例通过将检测结冰条件和大粒径过冷微滴(SLD)的能力添加至飞行显示装置例如增强视景系统(EVS)来增加飞行安全性。
[0015]根据本文中提供的描述，另外的适用领域将变得明显。在该
【发明内容】
中的描述和具体示例仅是意为说明的目的并且不意为限制本公开内容的范围。
【附图说明】
[0016]在此所描述的附图是用于仅对选择的实施例进行说明的目的并且不是对所有可能的实施方式进行说明的目的。附图不意为限制本公开内容的范围。
[0017]图1是示出了液态水和冰的复折射率的虚部的图，指示在大约2.00μπι与2.15μπι之间和在大约2.15μπι与2.30μπι之间的短波红外(SWIR)光谱带处的反射率(或如以下描述的简单的辐射)测量可以用于区分液态水滴与冰粒。
[0018]图2Α是示出了辐射比例(γ)可以用于区分水滴与冰粒的概率分布图。
[0019]图2Β示出了从对流云的测量中导出的辐射比例，这些辐射比例指示可以基于对在2.ΙΟμπι处的光谱反射率与在2.30μπι处的光谱反射率的比例γ的计算来区分液态水的区域与冰粒的区域。
[°02°] 图3Α是“图米图” (Twomey diagram)，其指示在大约2.2μηι处的相对反射率(R)可以用于估计云滴半径。
[0021]图3Β是“中岛-金图”(Nakajima-Kingdiagram)，其指示吸收光谱带和非吸收光谱带中的反射率值(或辐射值)可以用于确定云滴的大小。
[0022]图4是用于确定过冷液态水滴的存在的算法的流程图。
[0023]图5A是用于确定在交通工具周围和/或交通工具前方的大粒径过冷微滴(SLD)的存在的算法的流程图。
[0024]图5B是用于在期望较大的精度时确定SLD的存在的算法的流程图。
[0025]图6是用于确定在跑道、道路以及其他关注表面上的冰的存在的算法的描述。
[0026]图7A是根据本教导的一些实施例的冰与过冷水检测系统的框图。
[0027]图7B是根据本教导的一些实施例的冰与过冷水检测系统的框图。
[0028]图8A示出了用于结合基于空中的应用来使用的冰与过冷水检测系统。
[0029]图SB示出了用于结合基于地面的应用来使用的冰与过冷水检测系统。
[0030]图SC示出了简化的冰与过冷水检测系统。
[0031]贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部分。
【具体实施方式】
[0032]现在将参照附图更充分地描述示例实施例。提供示例实施例使得本公开内容将是完整的，以及将充分地向本领域技术人员传达范围。陈述许多具体的细节例如特定部件、装置以及方法的示例以提供对本公开内容的实施例的完整的理解。对于本领域技术人员将会明显的是，不需要采用特定细节，示例实施例可以以许多不同的形式来体现，并且示例实施例也不应当被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施例中，将不详细地描述众所周知的处理、众所周知的装置结构以及众所周知的技术。
[0033]本文中使用术语是仅用于描述特定的示例实施例的目的并且不意为是限制性的。如在本文中所使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一”、“一个”以及“该”可以意为还包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包括性的，因此指定陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其中的群组的存在或不排除添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其中的群组。除非本文中描述的方法步骤、处理以及操作被特别地识别为执行的顺序，否则不应当被解释为必须要求其以所讨论或示出的特定顺序来执行。还要理解的是，可以采用另外的步骤或可替选的步骤。
[0034]当元件或层被称为“在...上”、“接合至”、“连接至”或“耦接”至另一元件或层时，该元件或层可以直接在其他元件或层上、接合、连接或親接至其他元件或层，或者介入可能存在的元件或层之间。反之，当元件被称为“直接在...上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层，可以不存在介入中间的元件或层。应该用类似的方式(例如“在…之间”对“直接在...之间”、“相邻”对“直接相邻”等)来解释用于描述元件之间的关系的其他词语。如在本文中使用的，术语“和/或”包括所关联的列出项中的一个或更多个的任意组合和所有组合。
[0035]尽管术语第一、第二、第三等在本文中可以用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语可以仅用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分。当在本文中使用术语例如“第一”、“第二”以及其他数值术语时，除非由上下文清楚地指明，否则不意味着次序或顺序。因此，以下讨论的第一元件、第一部件、第一区域、第一层或第一部分在不偏离示例实施例的教导的情况下可以称为第二元件、第二部件、第二分区、第二层或第二部分。
[0036]空间上相关术语例如“内部”、“外部”、“下方”、“下面”、“较低”、“上面”、“较高”等在本文中可以用于方便地描述如在附图中示出的一个元件或特征与另外一个或更多个元件或一个或更多个特征的关系。空间上相关术语可以意为包括在使用或操作中的装置的除了在附图中描绘的方位之外的不同方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为其他元件或特征的“下面”或“下方”的元件将位于所述其他元件或特征的“上面”。因此，示例术语“下面”可以包括上面和下面的方位。装置可以另外地定向(旋转90度或在其他方位处)以及因此可以用本文中使用的空间上相关描述符来解释。
[0037]根据本教导的原理，提供了冰与过冷水检测系统10，冰与过冷水检测系统10具有:光源12、至少一个检测器14、数据处理单元16以及输出系统18。将在本文中更详细地描述这些部件。然而，应该理解的是，本教导提供包括基于地面的应用和基于空中的应用的、较宽范围的各种应用中的效用。更具体地，在没有限制的情况下，本教导很好地适于在基于地面的应用中使用，这些基于地面的应用包括对桥、道路、铁路、坡道、人行道、建筑入口、建筑平台、车库和停车场、跑道和滑行道、码头、船甲板、站台以及遭受结冰的任何其他表面上的冰进行检测。应该理解的是，这样的基于地面的应用还可以在固定位置或区域处例如在桥、建筑物、车库、道路或类似位置上监视。此外，本教导可以被并入大量的基于地面的交通工具以及基于地面的基础设施位置中，其中，基于地面的交通工具例如但是不限于汽车、卡车、火车、自动大众运输工具、铁轨、单轨、地铁、公共汽车、摩托车、脚踏车、飞行器(滑行器)以及类似的交通工具，并且基于地面的基础设施位置例如在杆、建筑物、升高的位置、道路屏障等上。
[0038]还应该理解的是，本教导可以被并入大量的基于空中的交通工具中，基于空中的交通工具例如但不限于:飞行器，其包括发动机、涡轮、推进器、叶片、进气口、控制表面、机翼、稳定器以及飞行器的其他部件;直升机;UAV;飞艇;气球(例如，气象气球)；以及其他关注对象。
[0039]在所有应用中，特定安装位置不一定是决定性的，只要维持适当的照射和检测性能即可。因此，本教导不应当认为被限制到基于地面的交通工具、基于地面的基础设施或基于空中的交通工具上的任一个特定安装位置。
[0040]基本原理
[0041]首先，重要的是理解被用作本教导的一部分的各种基本原理。为此，应该理解的是，液态水和冰在暴露于光特别是短波红外(SWIR)光谱带处的光时呈现基本特性。针对本讨论的目的，这些SWIR光谱带通常在大约2.05μπι至2.30μπι范围(关注的光谱范围)中。通常，由于大气倾向于吸收低于2.05μηι的光的较大部分、从而负面地影响检测效率的事实，2.05μm已经被确定为下限。然而，在大约2.05μπι与2.30μπι之间的波长处，大气吸收是可忽略的，并且液态水和冰的吸收特性呈现出使得能够如图1所示地检测冰和液态水的可预测特性(Kuo等，1993 ;Martins等，2007)。如以下所讨论的，在大约2.05μπι与大约2.15μπι之间的短波红外(SWIR)光谱带和在大约2.15μπι与大约2.30μπι之间的短波红外(SWIR)光谱带可以用于明确地区分液态水滴与冰粒。该范围(2.05μηι至2.30μηι)通常被称为“水蒸汽窗(water vaporwindow)，，。
[0042]当认真地检查图1时，会注意到，转变或交叉发生在大约2.15μπι处，在大约2.15μπι处，液态水的吸收特性相对于冰的吸收特性而倒转。用这种方式，特别地使用从该转变点或交叉点(大约2.15μπι)的相对侧获得的反射率或辐射的测量来比较在该水蒸汽窗或关注的光谱范围(大约2.05μπι至大约2.30ym)中的液态水的吸收和冰的吸收，使得能够明确地检测/确定液态水或冰的存在。因此，通过测量在该交叉点的相对侧的波长处的辐射/反射率，可以基于所测量的辐射/反射率的比例来确定液态水或冰的存在。理想地，在交叉点的相对侧的这些区域提供导致明确的检测的最优光谱带一一即大约2.05μπι至大约2.15μπι的第一最优光谱带(在下文中，被称为2.ΙΟμπι谱带)以及大约2.20μπι和大约2.30μπι的另一最优光谱带(在下文中，被称为2.25μπι谱带)。
[0043]应该理解的是，尽管本教导是针对辐射的测量，但是可以类似地使用反射率的测量。然而，应该注意的是，因为以2.05μπι与2.30μπι之间的、包含已知的或相对较小的功率变化的光源来照射典型的关注目标(例如，被直接或间接的阳光照射的、或者被已知光源照射的云或表面)，所以辐射测量(而不是反射率测量)较简单，并且对于实际应用通常是足够的。因此，本教导不应当被视为仅限制于辐射测量，这是因为反射率测量也是可预料到。
[0044]参照图2Α，提供了概率分布图，其示出了辐射比例(γ)可以用于区分水滴与冰粒。在一些实施例中，大约0.40的辐射比例可以指示冰粒的存在，而大约0.85的辐射比例可以指示水滴的存在。如本文中将要讨论的，只要辐射比例大于或小于预定临界比，则准确的比例可以是无关紧要的。冰具有相对较低的辐射比例，该相对较低的辐射比例使得冰在沉积在例如诸如土、混凝土以及沥青的材料上时能够被检测到。参照图2Β，基于对2.ΙΟμπι处的光谱反射率与2.30μπι处的光谱反射率的比例γ的计算，结合指示对流云的液态水的区域与冰粒的区域的测量来示出了辐射比例。
[0045]现在转向图3Α，提供了“图米图”，其指示反射率值(或辐射值)可以用于确定云滴大小。其可以实现是因为在固定的云光学厚度(τ)处，在2.2μπι附近处的反射率(R)以近似(kre)1/2的速率随着云滴大小而减小，其中，k是水的吸收系数(折射率的虚部)以及re是云滴(有效)半径(图米(Twomey)和西顿(Seton)，1980)。云反射率对微滴(droplet)大小的依赖性是由下述事实引起的:随着微滴大小的增加，由液态水进行的吸收相对于散射而增加。对于厚的云，云光学厚度的改变的效应是可忽略的。因此，由“图米图”提供的反射率与云滴半径之间的关系是针对厚云(较大光学厚度的云)的极好的近似。在其他吸收波长处的测量还可以用于确定云滴(有效)半径，例如在大约3.7μηι处。可以使用如在本文中描述的非吸收波长处的辐射的测量来改善云滴大小的确定。
[0046]图3Β示出了“中岛-金图”，其指示吸收光谱带和非吸收光谱带中的反射率值(或辐射值)可以用于确定云滴的大小(Martins等，2007)，即使在光学厚度是可变的或较小的例如在细雨或下雨中时也是如此。在非吸收波长处的测量也减轻了亮度改变例如阴影的影响。雨通常在re>10至15μπι时发生，但是大粒径过冷微滴(SLD)可以具有直到2.5mm的半径。针对进入结冰条件中的飞行进行验证的飞行器可以处理直到大约25μπι半径的微滴。不幸的是，这样大的微滴在对流云中并不常见。
[0047]在操作期间，可以在飞行器表面上和/或空域中(在云中时紧邻飞行器以及在飞行器正飞出云外时在飞行器的前方)检测水滴和冰粒。为此，如在本文中将讨论的，冰与过冷水检测系统10可以包括用于在前述两个光谱带中进行辐射的测量的前视摄像装置或检测器14。在一些实施例中，可以进一步使用用于进行外部温度的测量的原位传感器。如在图4、图5Α和图5Β中所描述的，提供了用于检测过冷液态水滴以及估计微滴的大小的算法。
[0048]在夜晚操作期间，例如在基于空中的应用中，可以用包含期望的光谱的光源来照射紧在飞行器前方的空域中的云。在一些实施例中，光源12可以用于照射飞行器周围的空域，同时辐射可以经由检测器14来测量。在更复杂的实施例中，可以用包含期望的光谱的激光束来照射飞行器前方的几英里空域中的云。然而，在大部分应用中可能不需要这样的复杂性，这是由于本教导的较简单的实施例可以用来在发生积冰之前检测结冰危险并且因此可以安全地从结冰的区域中调遣开飞行器。
[0049]系统描述
[0050]在一些实施例中，如本文中供参考的实施例中，光源12可以包括能够输出预定光谱带内的光(或辐射能)的任何源。如在本文中所描述的，期望在包括大约2.05μπι至大约
2.30μπι范围的短波红外(SWIR)光谱带中的光谱带处或光谱带的组合处执行检测。更具体地，在一些实施例中，光源12可以输出覆盖从大约2.05μπι至大约2.30μπι的关注范围的单个光谱带处的光。然而，在一些实施例中，光源12可以输出覆盖两个或更多个光谱带的光，这两个或更多个光谱带例如为大约2.05μπι至大约2.15μπι，以及大约2.15μπι至大约2.30μπι(或者大约2.20μπι至大约2.30μπι)的第二光谱带。
[0051]更进一步地，在一些实施例中，光源12可以包括能够输出在短波红外(SWIR)光谱带中的光的任何光源，包括激光器、卤素灯、红外灯、发光二极管等。还应该理解的是，可以使用可替选的光源例如自然出现的光源(例如，阳光等)。因此，应该认识到的是，在一些实施例中，本教导不需要被供应或以另外方式提供动力的光源，而是可以依靠阳光或者其他自然出现的或单独提供的光源。
[0052]在一些实施例中，检测器14可以包括能够检测和/或监视在使得能够检测液态水和/或冰的光谱带处的辐射和/或反射率的任何适当的检测器或摄像装置/成像系统。应该理解的是，在一些实施例中，检测器14可以基于铟镓砷化物(InGaAs)技术，或者可以包括或采用光电检测器(photodetector )、光敏二极管、热电检测器、热电堆探测器(thermopiledetector)、光电导体(photoconductor)以及其他传感器、检测器或摄像装置。在一些实施例中，检测器14可以包括单个的检测器、摄像装置、或用于测量辐射和/或反射率的其他装置。然而，在一些实施例中，检测器14可以包括两个或更多个的检测器、摄像装置或各自适于针对比总的关注光谱范围窄的特定光谱范围来测量辐射和/或反射率的其他装置。换言之，第一检测器可以用于检测与大约2.05μπι至大约2.15μπι范围中的光谱有关的辐射和/或反射率，而第二检测器可以用于检测与大约2.20μπι至大约2.30μπι范围中的光谱有关的辐射和/或反射率。该布置可以允许在与输出关注的光谱范围的光源12—起使用时同时进行监视和/或检测。在一些实施例中，检测器14可以包括具有滤光系统20的一个或更多个摄像装置或检测器，滤光系统20采用多个滤光器来将接收的波长的检测限制到预定光谱带。也就是说，一个滤光器可以用于使得与大约2.05μπι至大约2.15μπι范围关联的光能够被检测到，而第二滤光器可以用于使得与大约2.20μπι至大约2.30μπι范围关联的光能够被检测到。无论测量和/或监视所反射/接收的光的方法如何，检测器14都输出代表所测量的辐射/反射率的检测器信号。
[0053]在一些实施例中，数据处理单元16可以包括能够响应于所述检测器信号来确定在第一光谱带处测量的辐射和在第二光谱带处测量的辐射的比例的任何适当的处理单元。在一些实施例中，数据处理单元16可以包括中央处理单元(CPU)，或者还可以简单地通过硬件设计来实现。数据处理单元16还可以实现本文中描述的算法以及输出输出信号。
[0054]最后，可以通过输出装置19来接收输出信号，并且在一些实施例中，还可以结合其他交通工具系统例如警报显示装置、牵引力控制装置、ABS、除冰或防冰设备或者其他系统或警告来处理输出信号。
[0055]特别参考图8A、图SB，示出了根据本教导的一些实施例的冰与过冷水检测系统10。冰与过冷水检测系统10被示出为结合由飞行器、直升机以及UAV对过冷液态水和SLD的检测进行特定使用。冰与过冷水检测系统10可以容易地在飞行系统例如包含覆盖大约2.05μπι至2.30μπι光谱带的摄像装置的EVS中实现。在这样的实施例中，为了实现该系统仅需要2.1Oym光谱带和2.25μπι光谱带中的滤光器和图像处理软件。可以以如棋盘的网状或以条纹状实现这两个滤光器。这使得在两个关注光谱带处的反射率能够在附近像素中测量，从而避免了需要移动部或多个摄像装置。实际上，这使得能够实现冰/水检测算法，同时在图像分辨率仅微小劣化的情况下维持当前的EVS功能。在一些实施例中，垂直滤光带可以用于实现沿飞行路线的必要的多光谱测量，而不影响图像的其余部分。因此，可以通过将在图4、图5Α和/或图5Β中描述的算法实现到一些现有的EVS系统来容易地检测过冷液态水和SLD。
[0056]应该理解的是，检测器14可以安装在交通工具的任何地方，包括飞行器的前锥体(nose cone)。检测器14可以安装在交通工具的外部或内部。然而，应该认识到的是，置于检测器14的前方的任何保护性覆盖物或窗30必须使关注的辐射光谱能够透射(例如，对短波红外必须是透明的)。温度传感器、恒温器和/或加热器可以与覆盖物或窗一起使用以确保适当的透射。
[0057]特别参考图SB，冰与过冷水检测系统10被示出为结合基于地面的交通工具进行特定使用。在一些实施例中，光源12可以安装在交通工具的前端的下方，并且对应的检测器14可以安装在对离开关注表面的光源的辐射/反射率进行检测的互补位置。用这种方式，交通工具的前部可以用于使表面上的入射(以及反射)角(从最高点测量的)最大化。这样做以使反射率最大化，这是因为反射率随着入射角而增加。
[0058]在一些实施例中，光源12可以沿轮舱边缘或其他侧板安装并且检测器14可以安装在侧板镜或侧视镜中，同时使反射率最大化。此外，在一些实施例中，冰与过冷水检测系统10可以用于对交通工具前方(而不是交通工具下方或交通工具侧面)的冰进行检测。用这种方式，光源和检测器14可以安装在升高的位置处并且从交通工具向前突出。
[0059]可以通过用辅助摄像装置对交通工具前方的关注区域进行成像来确定镜面反射(specular reflect1n)。如果图像的区域的福射显著高于平均值(例如，几个标准偏差以上)，则这些“明亮的”图像像素被标记为包含镜面反射，即滑冰的指示。还可以使用其他统计准则来确定镜面反射。如果满足镜面反射的准则并且在交通工具附近的任何地方检测到冰(γ > γ。&)，则包含镜面反射的图像像素被标记为包含滑冰。这使得交通工具前方可能包含滑冰的区域能够被绘图、显示，并且使得可以由安全系统和/或驾驶员来使用该信息。
[0060]特别参考图SC，冰与过冷水检测系统10可以包括安装在交通工具的侧镜中的光源12和检测器14两者。因此，出于对镜面反射和反射率两者的检测简单起见而优化了该系统。如在本文中所描述的，空气温度测量或地面温度测量可以用于进一步地减少错误警报。[0061 ]基于地面的应用的方法
[0062]在一些实施例中，提供了用于结合基于地面的应用对滑冰进行检测的方法和/或算法。如在图6中所示，该方法可以包括下述步骤:
[0063]1.使用具有在大约2.05μπι与大约2.15μπι之间的光谱滤光器的SWIR摄像装置或检测器14来测量关注区域的在大约2.1Ομ??处的辐射(R2.1Oum)。
[0064]2.使用具有在大约2.2μπι与大约2.3μπι之间的光谱滤光器的SWIR摄像装置或检测器14来测量关注区域的在大约2.25μηι处的福射(R2.2bm)。
[0065]3.如果是可取的，则在可见光谱带或另一光谱带中(例如，在可见谱带中)对交通工具或基础设施前方的关注区域进行成像。
[0066]4.然后，2.ΙΟμπι处的测量(R2.1Q胆)和2.25μπι处的测量(R2.25?)用于产生辐射比例γ的单个值或图像(如果使用网状滤光器，则用比原始图像的像素大的像素)。辐射比例γ小于预定临界值γ* 0.6(在对系统校准后应当确定更精确的和/或动态调整的值)的区域被标记为包含冰。由于可以使用值来确定冰可能存在(从而移动至以下的接下来的步骤)，因此没有冰检测或辐射比例γ大于预定临界值γ CTlt表示不应当给出警告。
[0067]5.在一些实施例中，反射率的测量可以用来确定镜面反射的发生。例如，这可以通过下述方式来实现:确定检测器的视场的单个区域的反射率或者单个图像像素的反射率是否足够大(R 2 U以至于指示镜面反射。
[0068]6.在一些实施例中，可以通过红外传感器来测量地面温度(Tg)，或基于由暴露于气流的传感器进行的温度测量来估计地面温度(Tg)。如果检测到冰和镜面反射，并且TgSTcrit ? (TC，则可以产生指示结冰条件的存在的可视和/或可听警告。
[0069]基于空中的应用的方法
[0070]根据一些实施例，如在图4、图7B以及图8A中所示，本教导提供了用于对在影响飞行器(例如，飞机、直升机、飞船、UAV)以及其他关注对象的表面的情况下冻结的过冷水滴进行检测的系统和方法。本教导提供了下述系统:该系统用于通过检测在飞行器前方的空域中的过冷液态水滴的存在以及通过估计这些微滴的大小来对该空域中的结冰危险进行检测。如在本文中所讨论的，本教导使用在图1、图2A、图2B、图3A以及图3B中指示的两个光谱带中的辐射的测量来估计在飞行器前方的空域中的过冷液态水滴的存在。本教导提供了下述系统:当在飞行器紧前方的空域中检测到液态水滴并且温度低于冻结值时，该系统向人类飞行员或自动驾驶仪警报结冰危险。
[0071]应该理解的是，本文中概述的方法不限于其被描述的确切顺序，这是因为在许多情况下，操作的具体顺序可以是灵活的。
[0072]在一些实施例中，本系统可以通过估计过冷液态水滴的大小来量化危险等级。基于2.2μπι附近的光谱带(或另一吸收光谱带例如3.7μπι附近)中的辐射以及分析关系或查找表来估计微滴大小，其中查找表例如为基于图3Α和图3Β中描绘的关系而构建的查找表。在例如0.67μπι附近的非吸收光谱带中的辐射的测量可以提供云滴大小的更精确的估计。
[0073]在图4中描述了用于检测过冷液态水的算法。该算法包括下述步骤:
[0074]1.使用具有在大约2.05μπι与大约2.15μπι之间的光谱滤光器的SWIR摄像装置或检测器来测量飞行器前方区域的在大约2.ΙΟμ??处的辐射(R2.。
[0075]2.使用具有在大约2.2μπι与大约2.3μπι之间的光谱滤光器的SWIR摄像装置或检测器来测量飞行器前方区域的在大约2.25μηι处的福射(R2.25wm)。
[0076]3.然后，这两个测量用于产生辐射比例γ的单个值或图像(如果使用网状滤光器，则用比原始图像的像素大的像素)。辐射比例γ大于或等于预定临界值γ ? 0.6(在对系统校准后确定更精确的和/或动态调整的值)的区域被标记为包含液态水滴。
[0077]4.通过传感器例如暴露于气流的热电偶或通过任何其他适当的方法来测量在飞行高度处的空气温度(T)。如果温度小于或等于预定临界值Tcrit = (TC，则被标记为包含液态水滴的区域被识别为包含过冷液态水滴。这些区域的图像在显示时(例如，在MFD(多功能显示器)上)可以被着色为期望的颜色。
[0078]5.当飞行器靠近被标记为包含过冷液滴的区域时，该系统发出警告并且如果可取的话则激活安全系统。
[0079]本教导还提供了用于估计水滴的大小的系统。基于辐射测量以及根据图3A和图3B中描绘的关系而构建的分析关系或查找表，估计微滴大小。在图5A和图5B中描述了用于估计云滴大小(有效半径)的算法。然而，应该注意的是，可以通过将在非吸收波长(例如，可见光波长)处的辐射的测量包括在内来改善图5A的算法，由此然后该测量可以用作对如图5B中陈述的微滴的有效半径的计算中使用的辐射值进行校正的参考。图5A的算法包括下述步骤:
[0080]1.使用具有在大约2.05μπι与大约2.15μπι之间的光谱滤光器的SWIR摄像装置或检测器来测量飞行器前方区域的在大约2.ΙΟμ??处的辐射(R2.。
[0081 ] 2.使用具有在大约2.2μπι与大约2.3μπι之间的光谱滤光器的SWIR摄像装置或检测器来测量飞行器前方区域的在大约2.25μηι处的福射(R2.25wm)。
[0082]3.这两个测量用于产生辐射比例γ的单个值或图像(如果使用网状滤光器，则用比原始图像的像素大的像素)。辐射比例γ大于或等于预定临界值γ ? 0.6(在对系统校准后应当确定更精确的和/或动态调整的值)的区域被标记为包含液态水滴。
[0083]4.然后，基于在2.25μπι处的辐射(R2.25m)的测量和在图3A中示出的图米关系来计算微滴有效半径(re)。
[0084]5.通过暴露于气流的热电偶或通过任何其他适当的方法来测量在飞行高度处的空气温度(T) ο Ta < Tent ? 0°C并且re > rent ? 25μπι(或在对系统校准之后确定的更精确的re值)的区域被标记为可能包含SLD，并且这些区域在显示时(例如，在多功能显示装置，MFD上)被着色为期望的颜色。具有Ta < Tcrit - (TC并且Ocrit - 25μπι值的区域指示极度危险条件，并且这些区域可以被标记为极度危险条件。
[0085]在图5Β中描述了用于检测大粒径过冷水滴(SLD)的更精密的算法。该算法包括下述步骤:
[0086]1.使用具有在大约2.05μπι与大约2.15μπι之间的光谱滤光器的SWIR摄像装置或检测器来测量飞行器前方区域的在大约2.ΙΟμ??处的辐射(R2.。
[0087]2.使用具有在大约2.2μπι与大约2.3μπι之间的光谱滤光器的SWIR摄像装置或检测器来测量飞行器前方区域的在大约2.25μηι处的福射(R2.25wm)。
[0088]3.使用具有0.67μπι(或另一非吸收谱带)附近的光谱滤光器的、可见光的(或覆盖另一非吸收光谱带的)摄像装置或检测器来测量飞行器前方区域的在大约0.67μπι处的辐射
(R0.67um) ο
[0089]4.2.1(^111处的测量(1?2.1()1?)和2.254111处的测量(1?2.251?)用于产生辐射比例γ的单个值或图像(如果使用网状滤光器，则用比原始图像的像素更大的像素)。辐射比例γ大于或等于预定临界值γ* 0.6(在对系统校准后确定更精确的和/或动态调整的值)的区域被标记为包含液态水滴。
[0090]5.然后，基于0.67μπι处的辐射(R0.67?)和2.25μπι处的辐射(R2.25?)的测量以及在图3B中示出的中岛-金关系来计算微滴有效半径()。
[0091]6.通过暴露于气流的热电偶或通过任何其他适当的方法来测量在飞行高度处的空气温度(T) O Ta < Tcrit ? 0°C并且re > rcrit ? 25μπι(或在对系统校准之后确定的更精确的re值)的区域被标记为可能包含SLD，并且这些区域在显示时(例如，在MFD上)被着色为期望的颜色。具有K Tcrit - (TC并且Ocrit - 25μπι值的区域指示极度危险条件，并且这些区域可以被标记为极度危险条件。产生可视和/或可听的警告。
[0092]在一些实施例中，可以在检测到过冷液态水滴或水滴和冰粒的混合物时产生警告，同时，可以在检测到SLD时产生警报。
[0093]应该理解的是，尽管结合特定应用(例如，基于空中的应用)描述了某些特征，但是这不应当被认为将这样的一些特征限制到仅所述特定应用，这是因为这样的一些特征可以等同地应用到可替选的应用中(例如，在交通工具或基础设施上的基于地面的应用)。
[0094]已经为了说明和描述的目的提供了实施例的之前的描述。实施例的之前的描述不意为详尽的或者限制本公开内容。特定实施例的个体元素或特征通常不限于该特定实施例，而是，即使没有特别地示出或描述，在应用时也是可互换的，以及也可以在选择的实施例中使用。还可以以许多方式来改变相同的元素或特征。这样的改变不应被视为偏离本公开内容，以及所有这样的修改意为包括在本公开内容的范围中。
【主权项】
1.一种用于对关注区域内的冰和/或水进行检测的系统，所述系统包括: 检测系统，其对暴露于具有在大约2.05μπι至大约2.30μπι范围中的波长的短波红外(SWIR)辐射的情况下的所述关注区域的辐射或反射进行测量，所述检测系统对在具有在大约2.05μπι至大约2.15μπι范围中的波长的第一谱带中的所述辐射或反射进行测量并且输出第一谱带信号，所述检测系统对在具有在大约2.15μπι至大约2.30μπι范围中的波长的第二谱带中的辐射或反射进行测量并且输出第二谱带信号；以及 处理单元，其确定所述第一谱带信号和所述第二谱带信号的比例，所述处理单元将所述比例与预定临界比例范围进行比较，并且输出指示下述中的至少一者的确定信号:当所述比例在所述预定临界比例范围中的第一范围内时存在冰，以及当所述比例在所述预定临界比例范围中的第二范围内时存在水。2.根据权利要求1所述的系统，还包括: 温度感测系统，其确定所述关注区域的温度并且输出温度信号， 其中，所述处理单元将所述温度信号与预定的临界温度范围进行比较，并且响应于该比较而输出所述确定信号。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理单元对所述关注区域中的镜面反射的存在进行确定，所述处理单元响应于所述镜面反射来输出所述确定信号。4.根据权利要求1所述的系统，还包括: 辅助摄像装置，其对所述关注区域进行成像并且输出辅助摄像装置输出， 其中，所述处理单元基于所述辅助摄像装置输出来对所述关注区域中的镜面反射的存在进行确定，所述处理单元响应于所述镜面反射而输出所述确定信号。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理单元计算在所述关注区域内检测到的水滴的有效半径，并且响应于该计算而输出所述确定信号。6.根据权利要求1所述的系统，还包括: 第二检测系统，其对在大约0.5μπι至大约0.7μπι范围中的非吸收光谱带中的辐射或反射进行测量，并且输出第二检测系统信号， 其中，所述处理单元使用所述第二检测系统信号、所述第一谱带信号以及所述第二谱带信号来计算在所述关注区域内检测到的水滴的有效半径，并且响应于该计算而输出所述确定信号。7.根据权利要求1所述的系统，还包括: 第二检测系统，其对在大约3.Ομ??至大约5.Ομ??范围中的吸收光谱带中的辐射或反射进行测量，并且输出第二检测系统信号， 其中，所述处理单元使用所述第二检测系统信号、所述第一谱带信号以及所述第二谱带信号来计算在所述关注区域内检测到的水滴的有效半径，并且响应于该计算而输出所述确定信号。8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述检测系统包括一个或更多个检测器，所述一个或更多个检测器中的每个检测器对具有所述在大约2.05μπι至大约2.30μπι范围中的波长的所述短波红外(SWIR)辐射是灵敏的。9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述一个或更多个检测器包括至少两个检测器，所述至少两个检测器中的第一检测器对所述大约2.05μπι至大约2.30μπι范围中的第一光谱范围是灵敏的，并且所述至少两个检测器中的第二检测器对所述大约2.05μπι至大约2.30μπι范围中的第二光谱范围是灵敏的，所述第一光谱范围和所述第二光谱范围至少部分不同。10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述检测系统包括至少一个摄像装置，所述至少一个摄像装置对具有所述在大约2.05μπι至大约2.30μπι范围中的波长的所述短波红外(SWIR)辐射是灵敏的。11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述检测系统还包括操作上耦接至所述至少一个摄像装置的两个或更多个光谱滤光器，所述两个或更多个光谱滤光器中的第一光谱滤光器对所述大约2.05μπι至大约2.30μπι范围中的第一光谱范围是灵敏的，并且所述至少两个检测器中的第二检测器对所述大约2.05μπι至大约2.30μπι范围中的第二光谱范围是灵敏的，所述第一光谱范围和所述第二光谱范围至少部分不同。12.根据权利要求1所述的系统，还包括: 数据显示系统，其响应于所述确定信号而显示标记。13.根据权利要求1所述的系统，还包括: 基于空中的交通工具的除冰或防冰系统，其响应于所述确定信号。14.根据权利要求1所述的系统，还包括: 基于空中的交通工具的飞行控制系统，其响应于所述确定信号。15.根据权利要求1所述的系统，还包括: 基于地面的交通工具的制动控制系统，其响应于所述确定信号。16.根据权利要求1所述的系统，还包括:光源，其以在大约2.05μπι至大约2.30μπι范围中的波长输出光能，所述光源照射所述关注区域。17.根据权利要求18所述的系统，其中，所述光源选自由激光器、卤素灯、红外灯以及发光二极管构成的群组。18.一种用于对关注区域内的冰进行检测的方法，所述方法包括: 测量所述关注区域的在大约2.05μπι至大约2.15μπι范围中的第一光谱带处的第一辐射； 测量所述关注区域的在大约2.15μπι至大约2.30μπι范围中的第二光谱带处的第二辐射； 计算所述第一辐射与所述第二辐射的辐射比例；以及 确定所述辐射比例是否处于预定临界辐射比例范围内， 如果所述辐射比例处于所述预定临界辐射比例范围内，则通过确定所述第一辐射是否大于预定临界辐射来确定是否存在镜面反射，并输出冰存在警告。19.一种用于对关注区域内的过冷液态水滴进行检测的方法，所述方法包括: 测量所述关注区域的在大约2.05μπι至大约2.15μπι范围中的第一光谱带处的第一辐射； 测量所述关注区域的在大约2.15μπι至大约2.30μπι范围中的第二光谱带处的第二辐射； 计算所述第一辐射与所述第二辐射的辐射比例；以及 确定所述辐射比例是否处于预定临界辐射比例范围内， 如果所述辐射比例处于所述预定临界辐射比例范围内，则测量所述关注区域的温度，以及确定所述温度是否处于预定临界温度范围内，以及输出过冷液态水滴存在警告。20.—种用于对关注区域内的大粒径过冷微滴(SLD)进行检测的方法，所述方法包括: 测量所述关注区域的在大约2.05μπι至大约2.15μπι范围中的第一光谱带处的第一辐射； 测量所述关注区域的在大约2.15μπι至大约2.30μπι范围中的第二光谱带处的第二辐射； 计算所述第一辐射与所述第二辐射的辐射比例；以及 确定所述辐射比例是否大于预定临界辐射比例， 如果所述辐射比例处于所述预定临界辐射比例内，则计算微滴有效半径，以及确定所述微滴有效半径是否大于预定临界微滴半径，以及输出大粒径过冷微滴存在警告。
【文档编号】G01D3/00GK105992941SQ201480070434
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2014年5月14日
【发明人】尼尔顿·O·雷诺
【申请人】密执安州立大学董事会