AT13312U1 - System und Verfahren zum Erkennen ungünstiger atmosphärischer Bedingungen vor einem Flugzeug - Google Patents

Abstract

System und Verfahren zum Erkennen ungünstiger atmosphärischer Bedingungen vor einem Flugzeug. Das System hat eine Vielzahl von am Flugzeug montierten Infrarotkameras (8) eingerichtet, um Infrarotstrahlung in verschiedenen Infrarotlichtbändern räumlich zu erfassen, wobei jede Kamera mit einem bildverarbeitenden Computer verbunden ist, der die Bilder verarbeitet und kombiniert und Videoanzeigesignale erzeugt, um eine Videoanzeige zu produzieren, die die Position der ungünstigen atmosphärischen Bedingungen relativ zum Flugzeug anzeigt. Jede der Kameras ist mit einem entsprechenden Filter versehen, der eingerichtet ist, um Infrarotlicht mit einer Bandbreite zu filtern, die Infrarotbandweitenmerkmalen einer ungünstigen atmosphärischen Bedingung aus einer Reihe ungünstiger atmosphärischer Bedingungen entspricht. Der bildverarbeitende Computer ist geeignet, ungünstige atmosphärische Bedingungen zu identifizieren, wobei die Identifizierung auf Schwellenbedingungen basiert und die erfasste Infrarotstrahlung, Daten von einer Wertetabelle und gemessene Parameter, einschließlich Information über die Position und/oder Haltung des Flugzeugs, verwendet. Der bildverarbeitende Computer ist ferner geeignet, die identifizierten ungünstigen atmosphärischen Bedingungen als ein räumliches Bild auf der Anzeige anzuzeigen.

Description

österreichisches Patentamt AT13 312U1 2013-10-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Erkennen ungünstiger atmosphärischer Bedingungen vor einem Flugzeug. Das System hat eine Vielzahl von Infrarotkameras, die z.B. Schwefeldioxid und Partikel, wie Vulkanasche, windverwehten Staub und Eispartikel, erkennen können. Es umfasst auch einen Computer, der die Bilder verarbeitet und eine Anzeige, um der Besatzung des Flugzeugs ungünstige Bedingungen anzuzeigen.

[0002] Es gibt eine Anzahl von ungünstigen atmosphärischen Bedingungen, deren Erkennung gewünscht ist. Diese umfassen Vulkanasche, toxische Gase, wie Schwefeldioxidgas, windverwehten Staub und Eispartikel.

[0003] Vulkanwolken enthalten Silikatasche und Gase, die für die Luftfahrt gefährlich sind. Mehrere Begegnungen zwischen einem Düsenflugzeug und Vulkanasche haben zu erheblichem Schaden aufgrund der Aufnahme von Asche in die heißen Teile des Motors, darauffolgendes Schmelzen und Anschmelzen an den Turbinenschaufeln geführt. Asche kann auch die Prandtl'schen Staurohre blockieren und empfindliche Flugzeuginstrumente beeinträchtigen, sowie die vorderen Ränder von Teilen der Flugwerkstruktur verschleißen. Vulkangase, hauptsächlich S02, sind für ein Flugzeug weniger gefährlich, aber das Erkennen von S02 kann als Indikator für Vulkanasche verwendet werden, da diese Substanzen oft gemeinsam Vorkommen und durch atmosphärische Winde zusammen transportiert werden. Ein anderes wichtiges Gas in Vulkanwolken ist Wasserdampf (H20-Gas). Wasserdampf tritt in ausgiebigen Mengen in Vulkanwolken, entweder durch Mitnahme von Umgebungsluft oder aus Wasser aus der Vulkanquelle, auf (z.B. ist Meerwasser eine herkömmliche Quelle für Vulkane auf Inseln oder in Küstenbereichen). Sobald es in der Atmosphäre ist, kann Wasserdampf an Aschekernen kondensieren, wobei es rasch Eis bildet, mit einem kleineren Radius als Eis in normalen meteorologischen Wolken. Diese reichlich vorhandenen Eispartikel kleiner Größe sind für ein Flugzeug gefährlich, da das rasche Schmelzen des Eises, wenn es in Kontakt mit den heißen Motoren kommt, die Aschekerne freisetzt, welche dann auf den Turbinenschaufeln anschmelzen, wodurch die Motorleistung beeinträchtigt wird und unter Umständen der Motor zum Stallen gebracht wird.

[0004] Schaden an einem Flugzeug kann in Millionen von Dollars gerechnet werden. Die schwersten Flugzeugbegegnungen mit Aschewolken erfolgten bei Reiseflughöhen, aber es gibt auch eine Gefahr für Flugzeuge auf Flughäfen, die durch die Vulkanasche bewirkt wird. Diese Flughäfen sind üblicherweise nahe einem aktiven Vulkan, aber sie können auch aufgrund atmosphärischen Transports, der die Asche in die Region bringt, in einigem Abstand von der Eruptionsquelle sein.

[0005] Die Kosten von Aschegefahren für den Flughafenbetrieb ist nicht bekannt, muss aber erheblich sein, wenn die Kosten jene aufgrund von Verspätungen von Landungen und Starts, sowie Umleitungskosten, die von den Fluglinienbetreibern übernommen werden, enthalten. Die kürzlich erfolgte (14. April 2010) Eruption von Eyjafjallajökull in Island wird beziffert, die Fluglinienindustrie ungefähr 2 Billionen US-Dollar gekostet zu haben. Derzeit gibt es keine behördlichen Erfordernisse für Flughafenbetreiber Warnungen vor Aschegefahren zur Verfügung zu stellen. Warnungen werden, basierend auf Information von Vulkanobservatorien, meteorologischen Beratungsstellen und, in manchen Fällen, Radarüberwachungen von Eruptionssäulen, herausgegeben. Radarinformation ist im Allgemeinen nur bei Beginn einer Eruption, wenn die Aschewolke dick ist, verlässlich und üblicherweise ist eine solche Information nur an Flughäfen in unmittelbarer Nähe eines ausbrechenden Vulkans erhältlich. Für Flughäfen, die von der Quelle der Asche beabstandet sind, sind wenig direkte Überwachungen erhältlich. Einige Überwachungen kommen von Satellitensystemen und andere Informationsquellen kommen von Zugbahnvorhersagen, die auf Winddaten und Wolkenhöheninformation beruhen. Viel von dieser Information ist sporadisch und zeitlich unpassend und es gibt ein Bedürfnis für bessere Erkennungssysteme.

[0006] Andere ungünstige atmosphärische Bedingungen umfassen die toxischen Gase, die von 1 /14 österreichisches Patentamt AT13 312U1 2013-10-15

Vulkanen und Industrieanlagen emittiert werden. Von besonderer Bedeutung und Häufigkeit ist Schwefeldioxid (S02)-Gas.

[0007] S02-Wolken von Vulkanen werden mit Wasserdampf in der Atmosphäre reagieren, um Schwefelsäure zu erzeugen, die ein Flugzeug beschädigen kann. Es versteht sich, dass Schwefeldioxid in von der Vulkanasche getrennten Bereichen gefunden werden kann. Ein Flugzeug kann durch Schwefeldioxid fliegen, ohne durch Asche hindurchzufliegen. Eine Behandlung des Motors nach Begegnung im Falle einer Schwefeldioxidbegegnung wäre verschieden und wesentlich billiger als die äquivalente Behandlung, die für einen Motor während einer Aschebegegnung erforderlich ist. Entsprechend wäre es erwünscht, imstande zu sein, ein Flugzeug vor S02-Wolken zu warnen.

[0008] Asche und andere Partikel können unter den richtigen Bedingungen Eispartikelbildung initiieren, wenn Wasser um diese Kerne friert. Entsprechend können windverwehter Staub und Eispartikel eine erhebliche Gefahr für Flugzeuge, Fahrzeuge und dergleichen sein.

[0009] Düsenflugzeuge in Reisehöhe (über 15.000 Fuß) reisen schnell (> 500 km/h) und haben derzeit keine Einrichtung zum Erkennen von vorausliegenden Gefahren durch Vulkanwolken. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit muss ein Erkennungsverfahren fähig sein, rasch Informationen zu sammeln und einen automatischen Alarm und Erscheinungsformenidentifikationsalgorithmus haben, der vulkanische Substanzen von anderen Substanzen in der Atmosphäre (z.B. meteorologischen Wolken von Wasser und Eis) zu unterscheiden.

[0010] WO 2005/031321 A1, WO 2005/068977 A1 und WO 2005/031323 A1 lehren Verfahren und Vorrichtungen zum Überwachen von Schwefeldioxid, Vulkanasche und windverwehtem Staub unter Verwendung von mindestens zwei Infrarotstrahlungswellenlängen, die einer ungünstigen atmosphärischen Bedingung entsprechen.

[0011] US 3,931,462 lehrt die Verwendung eines UV-Videosystems zum Messen von S02 in einer Abluftfahne aus einem Schornstein.

[0012] US 4,965,572 lehrt Verfahren und Vorrichtungen zum Erkennen von scherwindartigen Turbulenzen auf geringem Niveau aus der Ferne, wie durch einen Infrarottemperaturdetektor.

[0013] US 5,140,416 offenbart ein System und ein Verfahren zum Vereinigen oder Zusammenfügen von Videobildern aus mehreren Quellen, sodass das resultierende Bild einen verbesserten Informationsgehalt hat. Die Sensoren reagieren auf verschiedene Arten von Spektralgehalt in der gescannten Ansicht, wie Infrarot mit kurzer und langer Wellenlänge.

[0014] US 5,654,700 und US 5,602,543 lehrt ein Erkennungssystem für ungünstige atmosphärische Bedingungen für ein Flugzeug, welches Bedingungen vor einem Flugzeug überwacht, indem es Infrarotdetektoren verwendet, die Position anzeigt, warnt und das Flugzeug umleitet.

[0015] Gemäß einem ersten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein System zum Erkennen ungünstiger atmosphärischer Bedingungen vor einem Flugzeug, das eine Vielzahl von Infrarotkameras, die am Flugzeug montiert sind, enthält, wobei: die Infrarotkameras eingerichtet sind, Infrarotstrahlung in verschiedenen Infrarotlichtbändern räumlich zu erfassen, jede Kamera mit einem bildverarbeitenden Computer verbunden ist, der die Bilder verarbeitet und kombiniert und Videoanzeigesignale erzeugt, um eine Videoanzeige zu produzieren, die die Position der ungünstigen atmosphärischen Bedingungen relativ zum Flugzeug angibt; jede der Kameras mit einem entsprechenden Filter versehen ist, der eingerichtet ist, um Infrarotlicht mit einer Bandbreite zu filtern, die Infrarotbandbreitenmerkmalen einer ungünstigen atmosphärischen Bedingung von einer Reihe ungünstiger atmosphärischer Bedingungen entspricht; der bildverarbeitende Computer geeignet ist, die ungünstigen atmosphärischen Bedingungen zu identifizieren, wobei dieses Identifizieren auf Schwellenbedingungen basiert und die erfasste Infrarotstrahlung, Daten von einer Wertetabelle und gemessene Parameter, einschließlich Information über die Position und/oder die Haltung des Flugzeugs, verwendet; und der bildverarbeitende Computer ferner geeignet ist, die identifizierten ungünstigen atmosphärischen Bedingungen als räumliches Bild auf einer Anzeige anzuzeigen. 2/14 österreichisches Patentamt AT 13 312 Ul 2013-10-15 [0016] Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft, indem sie eine für ein Flugzeug geeignete Vorrichtung liefert, die ungünstige atmosphärische Bedingungen erkennt, die insbesondere durch Vulkane verursacht werden, und sie für die Besatzung des Flugzeugs visualisiert. Die Erfindung ist insbesondere für das Erkennen von Vulkanwolken nützlich. Z.B. kann die vorliegende Erfindung das rasche Erkennen vulkanischer Substanzen vor einem Düsenflugzeug in Reisehöhen und das gleichzeitige Erkennen und Unterscheiden von Vulkanasche, S02-Gas und eisummantelten Aschepartikeln ermöglichen. Vorzugsweise liefert die Erfindung Algorithmen und Verfahren zum Umwandeln roher Kameradaten, um Asche, S02-Gas und eisummantelte Asche zu identifizieren.

[0017] Das System überwacht vorzugsweise das Sichtfeld des Flugzeugs.

[0018] Die Kameras der Erfindung können ungekühlte, nebeneinander angeordnete Mikrobolometerkameras sein.

[0019] In einer Ausführungsform des Systems sind der Nickwinkel und die Umgebungstemperatur in der Wertetabelle erfasst.

[0020] Die ungünstigen atmosphärischen Bedingungen enthalten vorzugsweise Vulkanasche, eisummantelte Asche, Wasserdampf und Schwefeldioxid. Die gemessenen Parameter können Nickwinkel und Umgebungstemperatur umfassen.

[0021] Vorzugsweise sind die Schwellenbedingungen unter Verwendung eines Strahlungstransfermodells der Atmosphäre vorberechnet.

[0022] Vorzugsweise ist der bildverarbeitende Computer eingerichtet, um aus der erfassten Infrarotstrahlung Strahlungstemperaturen zu bestimmen, und das Identifizieren umfasst das Feststellen, ob mit den Strahlungstemperaturen verbundene Werte die Schwellenbedingungen erfüllen.

[0023] Das System kann auch einen oder mehrere externe geschwärzte Verschlüsse enthalten, gegen die die abbildenden Kameras vorkalibriert sind, um Influgkalibrierwerte zu liefern.

[0024] Am meisten bevorzugt liefert das System einen statistischen Alarm, basierend auf der Analyse von Bildern, die bestimmt wurden, eine ungünstige Bedingung von Asche, Schwefeldioxid oder eisummantelter Asche zu zeigen. Der statistische Alarm verwendet räumliche und zeitliche Information und kann Influgtests entsprechend abgestimmt werden, um Falschalarme zu reduzieren und Robustheit sicherzustellen.

[0025] Für diese Ausführungsformen kann ein Computerprogramm in den internen Speicher einer Verarbeitungseinheit in einem computerbasierten System ladbar sein, das Softwarecodeabschnitte zum Durchführen dieser Schritte enthält.

[0026] Für diese Ausführungsformen kann ein Computerprogrammprodukt auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein, das ein lesbares Programm enthält, um eine Verarbeitungseinheit in einem computerbasierten System dazu zu bringen, eine Ausführung gemäß diesen Schritten zu steuern.

[0027] Vorzugsweise ist das System gestaltet, um zumindest drei vulkanische Substanzen (Asche, S02 und ascheummantelte Eispartikel) in der Luft vor dem Flugzeug durch ein Verfahren aus der Ferne zu erkennen, und zusätzlich fähig zu sein, diese von anderen meteorologischen Wolken aus Wassertropfen und Eis zu unterscheiden.

[0028] Die Erfindung schafft auch allgemeiner ein System zum Erkennen ungünstiger atmosphärischer Bedingungen vor einem Flugzeug, wobei es eine Vielzahl von am Flugzeug montierten Infrarotkameras umfasst, wobei: die Infrarotkameras eingestellt sind, um Infrarotstrahlung in verschiedenen Infrarotlichtbändern räumlich zu erfassen; jede Kamera mit einem bildverarbeitenden Computer verbunden ist, der die Bilder verarbeitet und kombiniert, wobei jede der Kameras mit einem entsprechenden Filter versehen ist, der eingerichtet ist, um Infrarotlicht mit einer Bandbreite zu filtern, die Infrarotbandbreitenmerkmalen einer ungünstigen atmosphärischen Bedingung aus einer Reihe ungünstiger atmosphärischer Bedingungen entspricht; und 3/14 österreichisches Patentamt AT 13 312 Ul 2013-10-15 der bildverarbeitende Computer geeignet ist, ungünstige atmosphärische Bedingungen zu identifizieren und anzuzeigen, wobei das Identifizieren auf Schwellenbedingungen basiert und die erfasste Infrarotstrahlung und gemessene Parameter, einschließlich Information über die Position und/oder die Haltung des Flugzeugs verwendet.

[0029] Gemäß einem anderen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erkennen ungünstiger atmosphärischer Bedingungen vor einem Flugzeug und zum Anzeigen dieser ungünstigen atmosphärischen Bedingungen, umfassend das räumliche Erfassen von Infrarotstrahlung in verschiedenen Infrarotlichtbändern unter Verwendung einer Vielzahl von Infrarotkameras; und für jede Kamera: i) Filtern der Infrarotstrahlung mit einem Filter, der eingerichtet ist, Infrarotlicht mit einer Bandbreite zu filtern, die Infrarotbandweitenmerkmalen einer ungünstigen atmosphärischen Bedingung aus einer Reihe ungünstiger atmosphärischer Bedingungen entspricht; ii) Identifizieren wahrscheinlicher Vorkommnisse ungünstiger atmosphärischer Bedingungen basierend auf Schwellenbedingungen und unter Verwendung der erfassten Infrarotstrahlung, von Daten von einer Wertetabelle und von gemessenen Parametern, einschließlich Information über die Position und/oder die Haltung des Flugzeugs; und iii) Verarbeiten der identifizierten wahrscheinlichen Vorkommnisse ungünstiger atmosphärischer Bedingungen, um ein räumliches Bild zu erzeugen.

[0030] In einer Ausführungsform enthält das Verfahren ferner den Schritt des iv) Kombinierens des Bildes mit Bildern von anderen Kameras und Information über die Flugzeugflugroute.

[0031] Die ungünstigen atmosphärischen Bedingungen enthalten vorzugsweise Vulkanasche, eisummantelte Asche, Wasserdampf und Schwefeldioxid. Die gemessenen Parameter können Nickwinkel und Umgebungstemperatur enthalten.

[0032] In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein System zum Erkennen von Vulkanwolken vor einem Flugzeug, das eine oder mehrere Infrarotkameras am Flugzeug montiert enthält, wobei die Infrarotkameras eingestellt sind, um Infrarotstrahlung in verschiedenen Infrarotlichtbändern räumlich zu erfassen, wobei jede Kamera mit einem bildverarbeitenden Computer verbunden ist, der die Bilder verarbeitet und kombiniert, sie mit Flugrouteninformation vom Flugzeug kombiniert und Videoanzeigesignale erzeugt, um eine Videoanzeige zu produzieren, die die Position der ungünstigen Bedingungen relativ zum Flugzeug anzeigt; dadurch gekennzeichnet, dass jede der Kameras mit einem entsprechenden Filter versehen ist, der eingerichtet ist, um Infrarotlicht mit einer Bandbreite zu filtern, die Infrarotbandbreitenmerkmalen einer der vulkanischen Erscheinungsform in einer Reihe vulkanischer Erscheinungsformen entspricht, und dass der bildverarbeitende Computer geeignet ist, Erscheinungsformen zu identifizieren und als ein räumliches Bild auf einer Anzeige mit Hilfe von Schwellenwertetabellen für die entsprechenden Erscheinungsformen, die Schwellen für die Infrarotstrahlung abbildet, über welchen das Auftreten von Erscheinungsformen wahrscheinlich ist, mit gemessenen Parametern.

[0033] In einem noch weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Erkennen einer Vulkanwolke vor einem Flugzeug und zum Anzeigen dieser Wolke, wobei Information von einer oder mehreren Infrarotkameras verarbeitet wird, die Infrarotstrahlung in verschiedenen Infrarotlichtbändern räumlich erfassen, die Information mit Flugrouteninformation vom Flugzeug kombiniert wird, gekennzeichnet durch die Schritte für jede Kamera: i) Filtern der Infrarotstrahlung mit einem Filter, der eingerichtet ist, Infrarotlicht mit einer Bandbreite zu filtern, die Infrarotbandbreitenmerkmalen von einer der vulkanischen Erscheinungsformen aus einer Reihe vulkanischer Erscheinungsformen entspricht; ii) Identifizieren wahrscheinlicher Vorkommnisse von Erscheinungsformen durch Suchen erfasster Infrarotstrahlungswerte in einer Schwellenwertetabelle, die Schwellen für die Infrarotstrahlung abbildet, über welchen das Auftreten von Erscheinungsformen wahrscheinlich ist, mit gemessenen Parametern; iii) Verarbeiten der identifizierten wahrscheinlichen Vorkommnisse von Erscheinungsformen, um ein räumliches Bild zu erzeugen.

[0034] Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur beispielhaft und mit Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in welchen: [0035] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer einzelnen Kamera mit Filter, Linse, Ver schluss und Schutzfenster ist; 4/14 österreichisches Patentamt AT13 312U1 2013-10-15 [0036] Fig. 2 eine Beispielskonfiguration für das Vielfachkamerasystem ist; [0037] Fig. 3 eine Aschewolke auf der Anzeige zeigt; [0038] Fig. 4 ein Diagramm einer Strahlungstransferberechnung für einen horizontalen Weg in einer klaren Atmosphäre für drei verschiedene Flughöhen zeigt; und [0039] Fig. 5 ein Diagramm von Linienintensitäten für die beiden Bänder von S02 bei 8,6 pm und 7,3 pm zeigt. Die Antwortfunktionen für die Filter des Systems sind ebenfalls gezeigt.

[0040] Das grundlegende Prinzip der Erkennung von vulkanischen Substanzen vor dem Flugzeug stützt sich auf die Verwendung von gefilterter Infrarotstrahlung im Bereich von 6 bis 13 pm. In diesem Bereich werden schmale (0,5 bis 1,0 pm) Bänder für die Erkennung von Asche, Wasserdampf, S02-Gas und eisummantelter Asche ausgewählt. Das bevorzugte Erkennungsverfahren ist die Verwendung von rasch abtastenden, bildgebenden, ungekühlten Weitwinkelmikrobolometerkameras.

[0041] Ein Mikrobolometer wird als ein Detektor in Wärmekameras verwendet. Infrarotstrahlung trifft das Detektormaterial, erwärmt es und verändert so seinen elektrischen Widerstand. Diese Widerstandsänderung wird gemessen und in Temperaturen verarbeitet, die verwendet werden können, um ein Bild zu erzeugen. Im Unterschied zu anderen Arten von Infraroterfassungsausrüstung erfordern Mikrobolometer keine Kühlung.

[0042] Typischerweise kann diese Kamera 640x512 PixelxZeilen enthalten, eine rauschäquivalente Temperaturdifferenz von 50 mK (oder besser) bei 300 K im 10 bis 12 pm Bereich haben und Abtastungsraten von bis zu 60 Hz zur Verfügung stellen. Fünf nebeneinander angeordnete Kameras werden für die gleichzeitige Erkennung von Asche, S02-Gas, H20-Gas und eisummantelter Asche ins Auge gefasst. Jede Kamera hat einen Detektor, der für Infrarotstrahlung im Bereich 6 bis 13 pm empfindlich ist. Schmalbandige Filter werden auf jede Kamera gesetzt, um den Spektralgehalt der Strahlung zum Zwecke der Erscheinungsformidentifikation zu beschränken. Die Kameras haben das gleiche Bildfeld vor dem Flugzeug und daher können im Prinzip mehrere gleichzeitige schmalbandige Infrarotbilder in Echtzeit mit Abtastungsraten von bis zu 60 Hz aufgenommen werden. Diese nebeneinander angeordneten Bilder können rasch, unter Verwendung spezieller Algorithmen verarbeitet werden, um jede der vier vorher spezifizierten Zielerscheinungsformen zu identifizieren.

[0043] Eine Ausführungsform des Systems hat fünf nebeneinander angeordnete bildgebende Kameras, aber diese Anzahl kann, abhängig von den Erfordernissen des Benutzers, größer oder geringer sein. Ein typisches Beispiel der Kamera im System ist in Fig. 1 gezeigt. Infrarotstrahlung von vor dem Flugzeug betritt den Filter 1 jeder Kamera und wird durch die Kameralinse 2 fokussiert und fällt auf die Detektorreihe 3. Der Verschluss 4 wird zur Kalibrierung verwendet (siehe unten). Die Signale werden über ein Standardhochgeschwindigkeitskommunikationsprotokoll 5 zur weiteren Verarbeitung an einen Computer übertragen. Um den Filter und die Linse zu schützen, während das System vor das Flugzeug schaut, ist ein IR-transparentes Fenster 7 (z.B. Germaniumglas) zwischen dem Verschluss und dem Filter befestigt. Der Verschluss ist temperaturgesteuert 6 und an der der Optik zugewandten Seite geschwärzt.

[0044] Eine Beispielskonfiguration für das Vielfachkamerasystem ist in Fig. 2 mit fünf Kameras 8 gezeigt. Der Schutzverschluss 4 kann mechanisch vor die Anordnung 9 geschoben sein und zurückgezogen werden, wenn das System in Verwendung ist. Das Germaniumglasfenster 7 liefert Schutz vor Staubkörnern während des Betrachtungsmodus. Die Signalleitung 5 und die Stromleitung 10 befinden sich auf der Rückseite des Anordnungsgehäuses 9, welches Elektronik, Framegrabber und Computerhardware aufnimmt. Fünf Kameras sind gezeigt, aber die Konfiguration könnte aus mehr oder weniger Kameras, abhängig von der Anzahl von Gefahren, die zu identifizieren sind, bestehen. Z.B. würde ein System mit zwei Kameras die Identifizierung von Vulkanasche und eisummantelter Asche erlauben.

[0045] Die Kameras werden vor Einbau im Flugzeug vorkalibriert, sodass jede Kamera das gleiche digitale Signal registriert, wenn sie der gleichen Menge Infrarotstrahlung ausgesetzt 5/14 österreichisches Patentamt AT 13 312 Ul 2013-10-15 wird. Dies kann erzielt werden, indem jede Kamera ohne ihren Filter auf eine bekannte Infrarotstrahlungsquelle (bekannte konstante Temperatur) gerichtet wird und das digitale Signal von jedem Pixel jeder Kamera aufgezeichnet wird. Eine Wertetabelle kann durch Variieren der Quellentemperatur im Bereich 210 bis 300 K in Schritten von 10 K (z.B.) für jede Kamera ermittelt werden, was eine Tabelle aus 640 x 512 x 10 x 2 Werten ergibt, wenn lineare Kalibrierung angenommen wird. Dieser Vorgang kann für jeden schmalbandigen Filter, der verwendet wird, wiederholt werden. Sobald sie an Board des Flugzeugs sind, kann periodische Rekalibrierung durchgeführt werden, indem ein erwärmter und geschwärzter Verschluss vor dem Filter eingebracht wird und die digitalen Zählerereignisse, die der bekannten (gesteuerten) Temperatur des Verschlusses entsprechen, aufgezeichnet werden. Der Verschluss dient auch dem Verbundzweck Schutz gegen Staubkörner und Schmutz, die während des Startens und Landens gegen die Kamera gerichtet sind, zu schützen, wenn das System der vorliegenden Erfindung deaktiviert ist. Man wird verstehen, dass optional ein zweiter Verschluss verwendet werden könnte, um einen zweiten Kalibrierungspunkt in einer linearen Kalibrierungsgleichung zu liefern. Die Verwendung eines zweiten Verschlusses ist einfach eine Sache praktischer Bequemlichkeit und verändert nicht das Hauptbetriebsprinzip der Erfindung.

[0046] Das System wird aktiviert, sobald das Flugzeug seine Reisehöhe erreicht hat und wann immer eine Gefahr in der Luft erkannt wird und das Flugzeug Ausweichmanöver durch Änderung der Richtung - Flughöhe und Kurs - durchführt. Im deaktivierten Modus ist der Verschluss geschlossen. Vor der Aktivierung wird ein Vorkalibrierungszyklus für das System (alle fünf Kameras) durchgeführt. Der Verschluss wird geöffnet und das System beginnt, Bilder zu sammeln. Kommerzielle Kameras können so schnell wie mit 60 Hz abtasten und das ist die bevorzugte Abtastrate (oder höher). Jedoch gelten einige Exportbeschränkungen für manche Kameras und dies bedeutet, dass geringere Abtastraten angewandt werden können. In der folgenden Abhandlung nehmen wir eine Abtastrate von 8 Hz an, da bei dieser Frequenz keine Exportbeschränkungen vorhanden sind. Das grundlegende Prinzip ist unverändert, wenn eine höhere Abtastfrequenz verwendet wird.

[0047] Jede Kamera liefert jede Sekunde 8 Bilder einer Größe N Pixel mal M Zeilen. Die Wertetabelle wird zusammen mit den Onboardkalibrierungsdaten verwendet, um die digitalen Signale in eine Strahlungstemperatur (BTi jk) umzuwandeln, wobei k die Kameranummer darstellt und k = 1, 2, 3, 4 oder 5 im vorliegenden System, und i und j jeweils Pixel- und Zeilennummer sind. Die Strahlungstemperatur wird bestimmt aus: R civ* U,k ec2vk/BTtJ'k _1 [0048] Wobei: [0049] Ri j k die Strahlung bei Pixel i, Zeile j und Filter k ist [0050] vk die Zentralwellenzahl für Kamerafilter k ist [0051] BTi j k die Strahlungstemperatur ist [0052] c, und c2 die Einstein'schen Strahlungskonstanten sind.

[0053] Die Strahlung /?,J t wird aus den Vor- und Nachkalibrierungsvorgängen bestimmt und wird angenommen, eine lineare Funktion der digitalen Signalzählereignisse zu sein. Kamerabilder können gemittelt werden, um Rauschen zu reduzieren und um das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis des Systems zu verbessern.

[0054] Nur zu Illustrationszwecken werden wir uns auf ein Bildpixel konzentrieren und annehmen, dass alle anderen Pixel auf die gleiche Weise behandelt werden können, wobei angemerkt wird, dass die Kalibrierungswertetabelle für jedes Pixel anders ist. Dann bestehen die 6/14 österreichisches Patentamt AT13 312U1 2013-10-15

Daten für ein Pixel aus den Messungen: BT1, BT2, BT3, BT4 und BT5, wobei diese Strahlungstemperaturen für jede der fünf Kameras darstellen (z.B. ist BT1 die Strahlungstemperatur für dieses Pixel in Kamera 1, die Filter 1 hat).

[0055] Das System der vorliegenden Erfindung ist mit dem Flugzeuginstrumentendatenstrom vernetzt, sodass GPS-Koordinaten, Flöhe (z), Länge (I), Breite (q), Kurs (h), Richtung (d), Rollen (r), Gieren (y), Nicken (x), Zeit (t), Geschwindigkeit über Grund (v), Windgeschwindigkeit (w) und Umgebungstemperatur (Ta) bei einer Abtastrate von mindestens einer Sekunde und vorzugsweise schneller zur Verfügung stehen.

[0056] In einer Ausführungsform verwendet das System Filter mit den folgenden Zentralwellenzahlen (in cm'1)

Filter Zentralwellenzahl (cm1) Bandbreite (cm _1) NEDT (mK) Zweck 1 1410 100 200 H20 2 1363 100 200 S02 3 1155 100 200 S02/ Asche 4 929 60 100 Asche / Eis 5 830 60 100 Asche / Eis

[0057] Tabelle 1: Filterspezifikationen für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ASCHENERKENNUNGSALGORITHMUS

[0058] Ein Pixel wird deklariert Asche zu sein, wenn die folgenden Bedingungen auf jeden Fall erfüllt werden: DT\Ash = (BT4 — BT5)/Ta > TlAsh{Ta,r,y,x)ITa (1) DT2Äsh =(BT3 — BT5)/Ta > T2Ash(Ta,r, y,x)/Ta (2) [0059] Wobei 71^ und T2Ash Temperaturdifferenzen sind, die aus vorberechneten [0060] Strahlungstransferberechnungen für einen Satz Parameter, einschließlich Umgebungstemperatur (Ta) und realistischen Flugzeugroll-, -nick- und -gierwerte, bestimmt wurden. Angemerkt wird, dass DT 1^ und DT2Ash dimensionslose Größen sind und reine Indizes sind.

[0061] Wenn eine Sequenz von acht aufeinanderfolgenden Vorkommnissen von Bedingungen (1) und (2) für einen vorbestimmten Anteil des Gesamtbildes auftritt, wird ein Alarm ausgegeben. Ein Wert von 5% der Gesamtanzahl von Pixel im Differenzbild wird verwendet, aber das kann, wie notwendig, angepasst werden - ein niedriger Wert wird festgesetzt, wenn das Flugzeug in einem Luftraum betrieben wird, der wahrscheinlich von Vulkanasche beeinflusst wird oder so deklariert ist; ein höherer Wert in nicht betroffenen Bereichen.

H20-ERKENNUNGSALGORITHMUS

[0062] Ein Pixel wird von Wasserdampf betroffen deklariert, wenn die folgenden Bedingungen auf jeden Fall erfüllt sind: DTm = BTl-Ta > Twv(Ta,r, y,x) (3) [0063] Wobei Twv eine Temperaturdifferenz ist, die aus vorberechneten Strahlungstransferberechnungen für einen Satz Parameter, einschließlich Umgebungstemperatur (Ta) und realistischen Flugzeugroll-, -nick- und -gierwerten bestimmt wurde.

[0064] Es wird kein Alarm abgegeben, aber Twv wird mit dem Eisalgorithmus verwendet, wenn dieser Alarm ausgegeben wird. 7/14 österreichisches Patentamt AT13 312U1 2013-10-15 ERKENNUNGSALGORITHMUS FÜR EISUMMANTELTE ASCHE (ICA) [0065] Ein Pixel wird deklariert ICA zu sein, wenn die folgenden Bedingungen auf jeden Fall erfüllt sind: DTICA=(BT4-BT5)/Ta < TICA(Ta,r,y,x)/Ta (4) [0066] Wobei TICA eine Temperaturdifferenz ist, die aus vorberechneten [0067] Strahlungstransferberechnungen für einen Satz Parameter, einschließlich Umgebungstemperatur (Ta) und realistischen Flugzeugroll-, -nick- und -gienwerten bestimmt wurde.

[0068] Wenn eine Sequenz von acht aufeinanderfolgenden Vorkommnissen von Bedingung (4) für einen vorbestimmten Anteil des Gesamtbildes auftritt, wird ein Alarm ausgegeben. Ein Wert von 5% der Gesamtanzahl von Pixel im Differenzbild wird verwendet, aber dies kann wie notwendig angepasst werden - ein geringerer Wert wird festgesetzt, wenn das Flugzeug in einem Luftraum betrieben wird, der wahrscheinlich durch Vulkanasche beeinflusst ist oder so deklariert ist; ein höherer Wert in nicht betroffenen Bereichen. Wenn der Alarm ausgegeben wird, wird die Bedingung (3) überprüft und wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird das Pixel bestätigt, ICA zu sein. Die Verwendung der Wasserdampfbedingung ist vollständig neu und reduziert die Falschalarmrate zum Erkennen gefährlicher eisummantelter Aschepartikel kleiner Größe.

S02-ERKENNUNGSALGORITHMUS

[0069] Ein Pixel wird deklariert S02 zu sein, wenn die folgenden Bedingungen auf jeden Fall erfüllt sind: DT\S02 =(BT\-BT2)/Ta < T lsc,2 (Ta, r, y, x) / Ta (5) DT2SOi = (BT3 - BT5)!Ta < T2SÜ2 (Ta,r,y,x)ITa (6) [0070] Wobei T\gQ^ und / — v, Temperaturen sind, die aus vorberechneten Strahlungstransferberechnungen für einen Satz Parameter, einschließlich Umgebungstemperatur (Ta) und realistischen Flugzeugroll-, -nick- und -gienwerten bestimmt wurde.

[0071] Wenn eine Sequenz von acht aufeinanderfolgenden Vorkommnissen von Bedingungen (5) und (6) für einen vordefinierten Anteil des Gesamtbildes auftritt, wird ein Alarm abgegeben. Ein Wert von 5% der Gesamtanzahl von Pixel im Differenzbild wird verwendet, aber dies kann wie notwendig angepasst werden - ein geringerer Wert wird festgesetzt, wenn das Flugzeug in einem Luftraum betrieben wird, der wahrscheinlich durch Vulkanasche beeinflusst ist, oder so deklariert ist; ein höherer Wert wird in nicht betroffenen Bereichen verwendet.

[0072] Ein Beispiel der Anzeige, die der Besatzung für die Erkennung einer Aschewolke gezeigt wird, ist in Fig. 3 gezeigt. Dies basiert auf einer Aschewolke, die aus Silikatmaterial besteht, und zeigt, dass DTl^ -Signal für sechs Frames, die durch eine konstante kurze Zeitdifferenz von zwei Kameras, die ein Bild vor dem Flugzeug erzeugen, getrennt sind. Höchste Aschekonzentrationen sind in rot (oder in dunkel in Fig. 3, die in schwarz und weiß ist) angezeigt; der Hintergrundhimmel ist in hellviolett (oder in hellgrau in Fig. 3) gezeigt. Wenn das Flugzeug sich der Gefahr nähert, kann der Pilot den Kurs des Flugzeugs ändern, um sie zu vermeiden.

[0073] Ein wichtiger Teil dieser Erfindung ist die Verwendung vorberechneter Schwellenwerte aus einem detaillierten Strahlungstransfermodell der Atmosphäre mit und ohne einer Vulkanwolke und das Verwenden geometrischer Überlegungen, die für das Betrachten im Infrarotbereich (6 bis 13 pm) aus einem Flugzeug geeignet sind. Fig. 4 zeigt eine Horizontalwegsimulation der Strahlung der klaren Atmosphäre von 700 bis 1600 cm'1 bei drei verschiedenen Flughöhen. Bei 9,5 km erscheint die Atmosphäre sehr kalt - die äquivalente Schwarzkörpertemperatur 8/14 österreichisches Patentamt AT13312U1 2013-10-15 des Horizontalweges ist etwa 227 K. Jede Vulkanwolke, die zwischen dem Flugzeug und dem kalten Hintergrund angeordnet ist, wird die vom System auf bekannte Weise empfangene Strahlung verändern. Der Spektralgehalt der Strahlung enthält Signaturen von Asche, S02, H20 und eisummantelten Aschepartikeln. Diese Signaturen können auch vom Strahlungstransfermodul simuliert werden und die Ergebnisse in einer großen Wertetabelle gespeichert werden. Angemerkt wird, dass die Strahlungskurven mit der Höhe und somit mit der Umgebungstemperatur sich verändern - die Umgebungstemperatur wird durch die Flugzeuginstrumente an Board bestimmt und vom Erkennungsalgorithmus verwendet. Er könnte ebenso die Höhe (Flughöhe) statt der Temperatur verwenden, aber die Temperatur ist ein robusteres Maß.

[0074] Das Aschesignal in diesen Spektren ist durch eine höhere Strahlungstemperatur in Filter 4 (BT4) als in F5 (BT5) charakterisiert, wenn ein kalter Hintergrund betrachtet wird. Die Schwellenwerte werden bestimmt, indem Brechungsindexdaten für Silikate verwendet werden und Streuungsberechnungen basieren auf gemessenen Partikelgrößenverteilung für Partikel mit Radien im Bereich von 1 bis 20 pm, gemäß dem Stand der Technik. Im Allgemeinen wäre das Instrument in die Horizontale oder leicht aufwärts gerichtet (ein Flugzeug hat üblicherweise einen 3° Nickwinkel nach oben). Jedoch kann das Flugzeug nach unten nicken, in welchem Fall die Hintergrundtemperatur sich von einem kalten Hintergrund zu einem warmen Hintergrund ändern kann. In diesem Fall wird die Aschesignatur durch BT4 < BT5 identifiziert. Die Wertetabelle ist so konstruiert, dass der Nickwinkel und die Umgebungstemperatur erfasst sind. Zusätzlich werden der Roll- und der Gierwinkel kompensiert, obwohl diese nur einen geringen Einfluss auf den Erkennungsalgorithmus haben. Besonders fehlersichere Schwellenwerte sind ebenfalls im Erkennungsalgorithmus eingebaut, indem ein Filter nahe 8,6 pm, der Empfindlichkeit für Vulkanasche hat, verwendet wird.

[0075] Die Arbeitsweise des Algorithmus für eisummantelte Asche ist ähnlich dem Aschealgorithmus mit Ausnahme, dass die Schwellenwertetabelle nun unter Verwendung von Daten für Eis (Brechungsindizes und Streuungsdaten für kleine Teilchen, Radien < 30 pm) bestimmt wird. Im Falle von kleinen Eispartikeln, BT4 < BT5 für das Betrachten in einem kalten Hintergrund (das Gegenteil zu Asche ohne einer Eisummantelung). Hintergrundbedingungen werden in einer ähnlichen Weise, zu der wie sie für die Ascheerkennung verwendet werden, erfasst.

[0076] Normalisierung der Temperaturdifferenzen wird durchgeführt, um etwas Robustheit zu schaffen und um die Erkennung unabhängig von der Umgebungslufttemperatur zu machen.

[0077] S02- und H20-Wertetabellen werden auch verwendet. S02 hat sehr starke Absorptionen nahe 8,6 pm und 7,3 pm, wie Fig. 5 darstellt. Das Prinzip der Erkennung von S02 wurde früher beschrieben und basiert auf Strahlungstransferberechnungen unter der Annahme der Linienintensitäten und Transmissionen, die auf den Fall einer mit S02 beladenen Atmosphäre anwendbar sind. Unter normalen Bedingungen hat S02eine sehr geringe Häufigkeit (<10'3 ppm) und so ist die Erkennung von S02 unter Verwendung dieser Absorptionsmerkmale im Falle von Vulkanwolken vor einem Flugzeug sehr effektiv. 9/14

Claims (17)

1. österreichisches Patentamt AT 13 312 Ul 2013-10-15 Ansprüche 1. System zum Erkennen ungünstiger atmosphärischer Bedingungen vor einem Flugzeug, das eine Vielzahl von am Flugzeug montierten Infrarotkameras enthält, wobei: die Infrarotkameras eingerichtet sind, Infrarotstrahlung in verschiedenen Infrarotlichtbändern räumlich zu erfassen; jede Kamera mit einem bildverarbeitenden Computer verbunden ist, der die Bilder verarbeitet und kombiniert und Videoanzeigesignale erzeugt, um eine Videoanzeige zu produzieren, die die Position der ungünstigen atmosphärischen Bedingungen relativ zum Flugzeug anzeigt; jede der Kameras mit einem entsprechenden Filter versehen ist, der eingerichtet ist, um Infrarotlicht mit einer Bandbreite zu filtern, die Infrarotbandweitenmerkmalen einer ungünstigen atmosphärischen Bedingung aus einer Reihe ungünstiger atmosphärischer Bedingungen entspricht; der bildverarbeitende Computer geeignet ist, ungünstige atmosphärische Bedingungen zu identifizieren, wobei die Identifizierung auf Schwellenbedingungen basiert und die erfasste Infrarotstrahlung, Daten von einer Wertetabelle und gemessene Parameter, einschließlich Information über die Position und/oder Haltung des Flugzeugs, verwendet; und der bildverarbeitende Computer ferner geeignet ist, die identifizierten ungünstigen atmosphärischen Bedingungen als ein räumliches Bild auf der Anzeige anzuzeigen.
2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihe ungünstiger atmosphärischer Bedingungen Vulkanasche, eisummantelte Asche, Wasserdampf und Schwefeldioxid umfasst.
3. 3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das System geeignet ist, sowohl eisummantelte Asche als auch Wasserdampf zu identifizieren, und wobei die Identifizierung von Wasserdampf verwendet wird, um die Identifizierung von eisummantelter Asche zu bestätigen.
4. 4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenbedingungen unter Verwendung eines Strahlungstransfermodells der Atmosphäre vorberechnet sind.
5. 5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bildverarbeitende Computer geeignet ist, Strahlungstemperaturen aus der erfassten Infrarotstrahlung zu bestimmen, und das Identifizieren, das Bestimmen, ob Werte in Verbindung mit den Strahlungstemperaturen die Schwellenbedingungen erfüllen, umfasst.
6. 6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Parameter Nickwinkel und Umgebungstemperatur umfassen.
7. 7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen oder mehrere externe geschwärzte Verschlüsse enthält, gegen die die abbildenden Kameras vorkalibriert sind, um Kalibrierungswerte im Flug zu liefern.
8. 8. Verfahren zum Erkennen ungünstiger atmosphärischer Bedingungen vor einem Flugzeug und Anzeigen dieser ungünstigen atmosphärischen Bedingungen, umfassen das räumliche Erfassen von Infrarotstrahlung in verschiedenen Infrarotlichtbändern unter Verwendung einer Vielzahl von Infrarotkameras; und für jede Kamera: i) Filtern der Infrarotstrahlung mit einem Filter, der eingerichtet ist, Infrarotlicht mit einer Bandbreite zu filtern, die Infrarotbandweitenmerkmalen einer ungünstigen atmosphärischen Bedingung in einer Reihe ungünstiger atmosphärischer Bedingungen entspricht; ii) Identifizieren wahrscheinlicher Vorkommnisse ungünstiger atmosphärischer Bedingungen basierend auf Schwellenbedingungen und unter Verwendung der erfassten Infrarotstrahlung, von Daten aus einer Wertetabelle und von gemessenen Parametern, ein- 10/14 österreichisches Patentamt AT13 312U1 2013-10-15 schließlich Information über die Position und/oder Haltung des Flugzeugs; und iii) Verarbeiten der identifizierten wahrscheinlichen Vorkommnisse ungünstiger atmosphärischer Bedingungen, um ein räumliches Bild zu erzeugen.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, enthaltend den zusätzlichen Schritt des iv) Kombinierens des Bildes mit Bildern von anderen Kameras und Information über die Flugzeugflugroute.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Reihe ungünstiger atmosphärischer Bedingungen Vulkanasche, eisummantelte Asche, Wasserdampf und Schwefeldioxid umfasst.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, umfassend das Identifizieren wahrscheinlicher Vorkommnisse von sowohl eisummantelter Asche als auch Wasserdampf, wobei die Identifizierung von Wasserdampf verwendet wird, um eine Identifizierung von eisummantelter Asche zu bestätigen.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Schwellenbedingungen unter Verwendung eines Strahlungstransfermodells der Atmosphäre vorberechnet werden.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, ferner umfassend für jede Kamera das Bestimmen von Strahlungstemperaturen aus der erfassten Infrarotstrahlung und wobei diese Identifizierung das Bestimmen enthält, ob die Werte, die mit den Strahlungstemperaturen in Verbindung stehen, die Schwellenbedingungen erfüllen.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die gemessenen Parameter Nickwinkel und Umgebungstemperatur umfassen.
15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, weiter umfassend das Vorkalibrieren der abbildenden Kameras gegen einen oder mehrere externe geschwärzte Verschlüsse, um Kalibrierungswerte im Flug zu liefern.
16. 16. Computerprogramm, das in den internen Speicher einer Verarbeitungseinheit in einem computerbasierenden System ladbar ist, umfassend Softwarecodeabschnitte zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 15.
17. 17. Computerprogrammprodukt, das auf einem computerlesbaren Medium gespeichert ist, umfassend ein lesbares Programm, welches, wenn es von einem Computer ausgeführt wird, bewirkt, dass der Computer ein Verfahren, wie es in irgendeinem der Ansprüche 8 bis 15 beansprucht ist, ausführt. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 11 /14