CN105793691B - 冰与水检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于对关注区域内的冰或水进行检测的系统，该系统具有检测系统，该检测系统在关注区域暴露于具有下述范围中的波长的短波红外辐射时，对关注区域的辐射或反射进行测量，所述范围包含表示由冰和水对电磁辐射的吸收的曲线之间的交叉点。该检测系统对在具有在交叉点的第一侧的谱带中的波长的第一频带中的辐射或反射进行测量以及输出第一频带信号，还对在具有在同一交叉点的第二相对侧的谱带中的波长的第二频带中的辐射或反射进行测量以及输出第二频带信号。处理单元确定第一频带信号与第二频带信号的比率，以及比较所述比率与预定临界比率，以及输出指示冰或水的存在的确定信号。

Description

冰与水检测系统
相关申请的交叉引用
本申请是要求于2014年7月21提交的美国专利申请No.14/336,224的优先权的国际PCT申请，美国专利申请No.14/336,224是于2014年5月14日提交的美国专利申请No.14/277,082的部分继续申请，美国专利申请No.14/277,082要求于2013年10月24日提交的美国临时申请No.61/895,040的权益。本申请还要求于2014年5月14日提交的美国专利申请No.14/277,082的直接优先权。本申请还要求于2013年10月24日提交的美国临时申请No.61/895,040的权益。以上申请的每个申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开涉及光学系统，所述光学系统能够检测在广泛的多种表面例如桥、道路、人行道、铁路、跑道上的冰和水以供基于地面的交通工具使用，以及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)和其他关注的对象的表面时检测所述冻结的过冷水滴。
背景技术和发明内容
该部分提供与本公开内容有关的不一定是现有技术的背景信息。该部分还提供本公开内容的总体概述，以及该部分不是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。
对水、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的重要因素。众所周知的是，表面上冰积累或水积累会增加交通工具事故、源于掉落的人身伤害以及对运输和其他人类活动的破坏的数量。
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。这样的冰经常被称为“滑冰(slippery ice)”或“黑冰”，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地区发生，使得检测和避免空中结冰对于飞行安全是重要的。
不幸地是，几乎不存在能够可靠地对冰或水进行检测并且提供相关警报的系统。对于基于地面的交通工具例如汽车、卡车、火车、自动运人系统、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)上的冰或水的存在进行检测并且向用户发出警告的适当的系统。例如，大部分交通工具中的冰检测仅仅包括：在空气温度处于水的冰点或在水的冰点附近时的简单通知。然而，不幸的是，通常不指示可能影响交通工具的安全性和/或可驾驶性的表面冰的存在。由于驾驶员和操作者没有意识到最终被他们忽视的恶化的条件或错误的警报，这总是会导致大量的事故和伤亡。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，但是每个系统都受限于一些缺点。
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/或油的表面以及甚至沥青的反射也会引起偏振，这会导致对冰的错误的报告。因此，偏振不能够对反射光的介电材料的可能类型进行区分。因此，不能用于明确地检测冰的存在。例如，美国专利No.2008/0129541A1涉及能够监测交通工具前方的道路的滑冰警告系统。一个或两个相机用于以两个正交偏振对同一场景成像。当使用单个相机时，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，再一次地，该系统不能够辨别检测到的偏振是由于冰还是一些其他反射材料引起的。
另外的冰检测系统是基于原位测量以及仅适用于空中应用。例如，美国专利No.7,104,502是针对能够通过测量暴露于飞行器上的气流的柱状物的振动频率的改变来检测冰的积累的系统。该柱状物包含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增加的至少一个特征。类似地，美国专利No.7,370,525涉及对飞行器表面上的积冰进行检测的双通道飞行中系统。该系统用线性偏振光照亮飞行器的表面。具有与透射光对准的偏振敏感性的光导体以及具有与透射光正交的偏振敏感性的光导体获取背散射光。在两个导体中的光的强度的比率用来检测冰的存在。
此外，美国专利No.6,269,320描述了原位过冷大液滴(SLD)检测器。该系统利用边界层流型来检测SLD。该系统能够在引起规则的云结冰的水滴的存在与引起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报。特别地，该系统没有对飞行器周围的空域中的过冷液态水滴进行检测。
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通过偏振激光束发出的背散射光的去偏振。此外，美国专利No.6,819,265涉及能够监测飞行器前方的空域的冰警告系统。该系统包括：激光源、将激光束导向飞行器前方的空域中以及接收由目标背散射的激光的光学元件、将所接收的激光分成各种波长以及将各种波长的光导向光检测器中的光学元件、以及进行生成警告所需的计算的处理器。美国专利No.7,986,408涉及采用线偏振和圆偏振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。
根据本教导的原理，提供了克服了现有技术的缺点以及在基于地面的应用和基于空中的应用中特别有用的冰与水检测系统。在本教导的大部分实施方式中，该系统通过对辐射进行多频谱测量来明确地检测冰和水。在一些实施方式中，该系统可以是无源的，但是可以包括光源，多频谱检测器和/或多频谱相机、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指示进行响应。
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。因此。在本教导的一些实施方式中，该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。该实施方式通过将检测结冰条件和过冷大液滴(SLD)的能力添加至飞行显示装置例如视觉增强系统(EVS)来增加飞行安全性。
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用于说明的目的而非旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
在此所描述的附图是用于仅对选择的实施方式并且不是对所有可能的实施方式进行说明的目的。附图并非旨在限制本公开内容的范围。
图1是示出了指示表示在约0.4μm、0.6μm、1.6μm、2.1μm、3.0μm、6.2μm以及10.8μm处由彼此交叉的水和冰的电磁辐射的吸收的曲线的液态水和冰的复折射率的虚部的曲线图。因为这些交叉点不要求绝对的校准，所以这些交叉点的每侧的反射率(或如以下调整的简单的辐射率)的测量可以用于容易地区分水与冰。因为2.0μm至2.3μm频带是强吸收的，所以用于实现该目标的最佳谱带是2.0μm至2.3μm频带，2.0μm至2.3μm频带位于反射辐射区，以及2.0μm至2.3μm频带处于水蒸汽窗口。可见频带也可以用于该目的，但是可见频带弱吸收辐射，使得检测更具挑战性。普遍存在的廉价的高质量彩色成像器很大程度上缓解了该问题。在吸收频带和非吸收频带中的反射率测量的组合可以用来对在飞行器前方空域中的水物质的存在或在例如跑道或道路的关注表面上沉积的水物质的存在进行检测或验证。
图2是示出了用于区分液态水滴与冰粒的理想的谱带中的液态水和冰的复折射率的虚部的曲线图。在约2.00μm与2.15μm之间(频带λ1)和在约2.15μm与2.30μm之间(频带λ2)的短波红外(SWIR)谱带处的反射率(或如以下调整的简单的辐射率)的相对强度的测量可以用于容易地区分冰与水。
图3A是示出了可以用于区分水滴与冰粒的辐射率比率(γ＝Rλ1/Rλ2，在2.10μm(Rλ1)处的频谱反射率与在2.30μm(Rλ2)处的频谱反射率的比率)的概率分布图。
图3B示出了从对指示可以基于γ的计算来区分液态水的区域与冰粒的区域的对流云的测量中导出的辐射率比率。
图4A是指示可以用于估计云滴半径(re)的在约2.2μm处的相对反射率(R2.2μm)的“Twomey图”。
图4B是指示可以用于确定云滴的半径(re)的吸收谱带和非吸收谱带中的反射率值(或辐射率值)的“Nakajima-King图”。
图5是用于确定过冷液态水滴的存在的算法的流程图。
图6A是用于确定在交通工具周围和/或交通工具前方的过冷大液滴(SLD)的存在的算法的流程图。
图6B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。
图7示出了在频谱的可见部分或近红外部分中的雪、冰、水以及沥青/混凝土(干的、多冰的和湿的)的典型反射率或平均反射率(反照率)的略图。这些材料的双向反射率随着方向弱改变，建议平均反射率是用于亮度的简单估计的有用的量。当水层或透明的冰层沉积在表面上时，内部反射和体积散射增强了吸收，降低了水层或透明的冰层的反射率。该略图指示：对频谱的绿部分/蓝部分以及红部分中的反射率或辐射率的测量可以用于检测由沥青或混凝土覆盖的道路上沉积的雪、冰或水。
图8示出了在蓝-绿谱带以及红谱带中的冰、雪、水、混凝土以及沥青的平均反射率(频谱反照率)。
图9示出了可以用于将雪/冰和水与沥青和混凝土进行区分的蓝-绿反射率与红反射率的比率。
图10示出了在由蓝光和红光照亮的沥青道路上的冰的图像。冰的部分融化已经使冰周围区域变湿。如由图7中所示的略图所示，道路的冰区域和湿的区域比干的道路更亮、在频谱的蓝部分下比频谱的红部分下更亮。因此，频谱的蓝部分和红部分中的相对亮度可以用于检测在混凝土、沥青上以及在由许多其他材料制成的表面上的冰和水。
图11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。
图12A是根据本教导的一些实施方式的冰与过冷水检测系统的框图。
图12B是根据本教导的一些实施方式的冰与过冷水检测系统的框图。
图13A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。
图13B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。
图13C示出了简化的冰与过冷水检测系统。
在附图的若干图中，对应的附图标记指示对应的部分。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。提供示例实施方式使得本公开内容将是完整的，以及将全面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方式的完整的理解。对于本领域技术人员将会明显的是，不需要采用特定细节，示例实施方式可以以许多不同的形式来体现，并且示例实施方式也不应当被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，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。
本文中使用术语仅用于描述特定的示例实施方式的目的并且并非旨在是限制性的。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”可以旨在还包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是内含性的，并且因此指定所陈述的特征、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/或它们的群组的存在或添加。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。
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、连接或耦接至其他元件或层，或者可能存在居间的元件或层。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”另一元件或层时，可以不存在居间的元件或层。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。
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使一个元件、部件、区域、层或部分区别于另一区域、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方式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。
空间上相关术语例如“内部”、“外部”、“下方”、“下面”、“下”、“上方”、“上”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旨在包括在使用或操作中的装置的除了在附图中示出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“上方”。因此，示例术语“下方”可以包括上方和下方的方位。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。
根据本教导的原理，提供了冰与水检测系统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，本教导提供在包括基于地面的应用和基于空中或太空的应用的广泛的各种应用中的效用。更具体地，且没有限制，本教导很好地适用于：对桥梁、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，基于地面的应用、基于空中或太空的应用还可以在固定位置或区域例如在桥梁、建筑物、车库、道路或类似位置处监测。此外，本教导可以被并入许多基于地面的交通工具中，例如但是不限于汽车、卡车、火车、自动运人系统、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，以及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。
还应该理解的是，本教导可以被并入许多基于空中的交通工具上，例如但不限于包括飞行器、直升机、UAV、飞艇、气球(例如，气象气球)以及其他关注对象，所述飞行器包括：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。
在所有应用中，特定安装位置以及传感器方位或相机方位不一定是决定性的，只要维持适当的照明和检测性能即可。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。
基本原理
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电磁辐射，特别是在如图1所示的表示由彼此交叉的水和冰的电磁辐射的吸收的曲线的约0.4μm、0.6μm、1.6μm、2.1μm、3.0μm、6.2μm以及10.8μm的波长处的电磁辐射时，液态水和冰呈现基本特性。对交叉点的每侧之间的相对亮度的测量可以用于检测云的冰粒和水滴，或者在表面例如道路和跑道上的冰和水。可以由对撞击在冰和水上的电磁辐射的吸收(衰减的反射)引起相对亮度的改变，如在频谱的反射的IR部分和可见部分上发生的相对亮度的改变，或者可以由对热发射的调制引起相对亮度的改变，如在约10.8μm频谱的热IR部分(参见图1的注释)上发生的相对亮度的改变。
针对本讨论的目的，使用交叉点周围的谱带(关注的频谱范围)。用于对冰和水进行检测的理想的谱带是从2.05μm至2.30μm的范围(参见图2)。因此，在此使用该频带来举例说明本技术的应用。在该频谱区，由于大气倾向于吸收2.05μm以下的光的较大部分，因此2.05μm已经被确定为下限，从而负面地影响检测效率。然而，在约2.05μm与2.30μm之间的波长处，大气吸收是可忽略的，以及液态水和冰的吸收特性呈现出使得能够如图2所示容易地检测冰和水的可预测特性(Kuo等，1993；Martins等，2007)。如以下所讨论的，在约2.05μm与约2.15之间的短波红外(SWIR)谱带和在约2.15μm与约2.30μm之间的短波红外(SWIR)谱带可以用于明确地区分液态水滴与冰粒。该范围(2.05μm至2.30μm)通常被称为“水蒸汽窗口(water vapor window)”。
当认真地检查图2时，会注意到，转变或交叉发生在约2.15μm处，在约2.15μm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(约2.15μm)的相对侧获得的反射率或辐射率的测量来比较在该水蒸汽窗口或关注的频谱范围(约2.05μm至约2.30μm)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率/反射率，可以基于所测量的辐射率/反射率的比率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谱带——即约2.05μm至约2.15μm的第一最优谱带(在下文中，被称为λ1＝2.10μm频带)以及约2.20μm和约2.30μm的另一最优谱带(在下文中，被称为λ2＝2.25μm频带)。
应该理解的是，尽管本教导是针对辐射率的测量，但是可以类似地使用反射率的测量。然而，应该注意的是，因为用包含2.05μm与2.30μm之间的相对小的或已知的功率变化的光源照亮典型的关注目标(例如，通过直接或间接的阳光照亮的云或表面、或通过已知光源来照亮的云或表面)，所以辐射率测量(而不是反射率测量)较简单以及对于实际应用通常是足够的。因此，由于反射率测量也是可预料到的，所以本教导不应当被视为仅限制于辐射率测量。
参照图3A，提供了示出了可以用于区分水滴与冰粒的辐射率比率(γ)的概率分布图。在一些实施方式中，约0.40的辐射率比率可以指示冰粒的存在，以及约0.85的辐射率比率可以指示水滴的存在。如本文中将要讨论的，只要辐射率比率大于或小于预定临界比率，则准确的比率可以是无关紧要的。冰具有相对较低的辐射率比率，使得冰在沉积在例如土、混凝土以及沥青的材料上时能够被检测到。参照图3B，基于γ＝Rλ1/Rλ2的计算，2.10μm(Rλ1＝R2.10μm)处的频谱反射率与2.25μm(Rλ1＝R2.25μm)处的频谱反射率的比率，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率比率。
现在转向图4A，提供了指示可以用于确定云滴大小的反射率值(或辐射率值)的“Twomey图”。因为在固定的云光学厚度(τ)处，在约2.2μm(R2.2μm)处的反射率以近似(k re)1/2的速率随着云滴大小而减小，所以可以实现这一点，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(Twomey和Seton，1980)。云反射率对液体大小的依赖性的原因在于，随着液滴(droplet)大小的增加，通过液态水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影响是可忽略的。因此，由“Twomey图”提供的反射率与云滴半径之间的关系是针对厚云(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，例如在约3.7μm。可以使用如在本文中描述的非吸收波长处的辐射率的测量来改善云滴大小的确定。
图4B示出了指示吸收谱带和非吸收谱带中的反射率值(或辐射率值)可以用于确定云滴大小或有效半径(re)的“Nakajima-King图”，即使在光学厚度是可变的(Martins等，2007)或小的例如在细雨或下雨中，吸收谱带和非吸收谱带中的反射率值(或辐射率值)也可以用于确定云滴大小或有效半径(re)。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>10μm-15μm时发生，但是过冷大液滴(SLD)可以具有直到2.5mm的半径。准许在结冰条件中飞行的飞行器可以应对高达约25μm半径的液滴。不幸的是，这样大的液滴在对流云中并非是不常见的。
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飞出云层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谱带中进行辐射率的测量的相机或检测器14。在一些实施方式中，相机或检测器14根据需要可以是前视的、后视的、或指向另一方向例如交通工具下方。在一些实施方式中，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5、图6A和图6B中所描述的，提供了用于检测过冷液态水滴以及估计液滴的大小的算法。
在夜晚操作期间，例如基于空中的应用中，可以用包含期望的频谱的光源来照亮紧在飞行器前方的空域中的云。在一些实施方式中，光源12可以用于照亮飞行器周围的空域，同时经由检测器14测量辐射率。在更复杂的实施方式中，可以用包含期望的频谱的激光束来照亮飞行器前方的几英里空域中的云。然而，由于本教导的较简单的实施方式可以用来在发生积冰之前检测结冰危险，以及因此飞行器可以安全地机动远离结冰的区域，所以在大部分应用中不需要这样的复杂性。
系统描述
在如本文中供参考的一些实施方式中，光源12可以包括能够输出在预定光谱带内的电磁辐射的任何源。如在本文中所描述的，期望在电磁谱带处、或在交叉点周围的谱带的组合处执行检测。特别地，在一些实施方式中，光源12可以输出覆盖所关注的范围例如从约2.05μm至约2.30μm的理想频带范围的单个谱带处的光。然而，在一些实施方式中，光源12可以输出覆盖例如约2.05μm至约2.15μm的两个或更多个谱带，以及约2.15μm至约2.30μm(或者约2.20μm至约2.30μm)的第二谱带的光。
更进一步地，在一些实施方式中，光源12可以包括能够输出在交叉点周围的谱带例如在SWIR中或频谱的可见部分中的光的任何光源，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，在一些实施方式中，本教导不需要被供电或另外提供电力的光源，而是可以依靠阳光或其他自然出现的或独立提供的光源。
在一些实施方式中，检测器14可以包括能够检测和/或监测在交叉点周围的谱带处的辐射率和/或反射率的任何适当的检测器或相机/成像系统。应该理解的是，在一些实施方式中，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、光电二极管、热电检测器、热电堆检测器、光导体以及其他传感器、检测器或包括(RGB)相机的相机。在一些实施方式中，检测器14可以包括单个检测器、单个相机、或单个用于测量辐射率和/或反射率的其他装置。然而，在一些实施方式中，检测器14可以包括两个或更多个检测器、两个或更多个相机或两个或更多个均适于测量比关注的总频谱范围窄的特定频谱范围的辐射率和/或反射率的其他装置。换言之，第一检测器可以用于检测与交叉点左边的频谱有关的辐射率和/或反射率，同时，第二检测器可以用于检测与交叉点右边的频谱有关的辐射率和/或反射率。该布置可以允许在与输出关注的频谱范围的光源12一起使用时同时进行监测和/或检测。在一些实施方式中，检测器14可以包括具有滤波系统20的一个或更多个相机或检测器，滤波系统20采用多个滤波器来将接收到的波长的检测限制到预定谱带。在其他实施方式中，对关注的谱带灵敏的检测器可以用来消除对滤波器的需要(例如，RGB相机的蓝和红检测器可以用来对在约0.6μm处的交叉点的左边和右边的谱带进行测量)。例如，滤波器可以用于使得从约2.05μm至约2.15μm的谱带中的光能够被检测到，同时第二滤波器可以用于使得从约2.20μm至约2.30μm的谱带中的光能够被检测到。无论测量和/或监测所反射/接收的光的方法如何，检测器14都输出代表所测量的辐射率/反射率的检测器信号。
在一些实施方式中，数据处理单元16可以包括能够响应于检测器信号来确定在第一谱带处测量的辐射率和在第二谱带处测量的辐射率的比率的任何适当的处理单元。在一些实施方式中，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对输出信号进行输出。
最后，可以通过输出装置19来接收输出信号，以及在一些实施方式中，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、除冰或防冰设备或其他系统或警告来处理输出信号。
在特别的参考图13A、图13B的情况下，示出了根据本教导的一些实施方式的冰与过冷水检测系统10。冰与过冷水检测系统10被示出用于结合通过飞行器、直升机以及UAV对过冷液态水和SLD进行检测的特定用途。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约2.05μm至2.30μm谱带或任何其他的关注频带的相机的EVS中实现。在这些实施方式中的一些实施方式中，为了实现该系统仅需要在2.10μm和2.25μm谱带中的滤波器和图像处理软件。可以以棋盘如网状或条纹状的方式实现这两个滤波器。这使得能够在附近像素中测量在关注的两个谱带处的反射率，避免了对移动部或多个相机的需要。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降低的情况下维持当前的EVS功能。在一些实施方式中，竖直滤波器带可以用于在不影响其余的图像的情况下实现沿飞行路径的必要的多频谱测量。因此，可以通过将在图11、图12A和/或图12B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水和SLD。
应该理解的是，检测器14可以安装在交通工具的任何地方，包括飞行器的鼻锥体。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户30必须使关注的辐射频谱能够透射(例如，对短波红外线必须是透明的)。温度传感器、恒温器和/或加热器可以与覆盖物或窗户一起使用以确保适当的透射。
在特别的参考图13B的情况下，冰与水检测系统10被示出为结合基于地面的交通工具的特定用途。在一些实施方式中，光源12可以安装在交通工具的前端的下方，以及对应的检测器14可以安装在对离开关注的表面的光源的辐射率/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(从最高点测量的)入射(以及反射)角最大。因为反射率随着入射角的增加而增加，所以这样做使反射率最大化。
在一些实施方式中，光源12可以沿轮舱边缘或另一侧面板安装，以及检测器14可以在侧面板或侧视镜上安装，同时使反射率最大。此外，在一些实施方式中，冰与水检测系统10可以用于对交通工具前方(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或多频谱相机(例如，使用频谱的蓝/绿部分和红部分)可以安装在升高的位置处以及可以从交通工具向前投射。然而，如在本文中所指明的，光源和/或检测器14可以指向有助于操作的任何方位，例如向前、向后、向侧面、向下、向上或它们的组合。
可以通过用辅助相机对交通工具前方的关注区域进行成像来确定镜面反射(specular reflection)。如果图像的区域的辐射率显著高于平均值(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、滑冰的指示。还可以使用其他统计标准来确定镜面反射。如果满足镜面反射的标准并且在交通工具周围的任何地方检测到冰(γ>γcrit)，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映射、显示，以及可以由安全系统和/或驾驶员来使用该信息。
在特别地参考图13C的情况下，冰与水检测系统10可以包括安装在交通工具的侧镜上的光源12和检测器14二者。因此，为了简化对镜面反射和反射率二者的检测而优化该系统。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。
基于地面的应用的方法
在一些实施方式中，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11中所示，该方法可以包括下述步骤：
1.使用多频谱相机或检测器14来测量关注区域的在交叉点左边的谱带处的辐射率(Rλ1)。
2.使用SWIR相机或检测器14来测量关注区域的在同一交叉点右边的谱带处的辐射率(Rλ2)。
3.如果是期望的，则在可见谱带或另一谱带中对交通工具或基础设施前方的关注区域进行成像。
4.然后，在交叉点左边的测量(Rλ1)和交叉点右边的测量(Rλ2)用于产生辐射率比率γ＝Rλ1/Rλ2的单个值或图像(如果使用网状滤波器，则用比原始图像大的像素)。辐射率比率γ小于预定临界值γcrit的区域被标记为包含冰。由于可以使用这些值来确定冰很可能存在(从而移动至以下的下一个步骤)，因此没有检测到冰或辐射率比率γ大于预定临界值γcrit建议不应当给出警告。
5.在一些实施方式中，反射率的测量可以用来确定镜面反射的发生。例如，这可以通过确定检测器的视场中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到(R≥Rcrit)指示镜面反射来实现。
6.在一些实施方式中，可以通过红外传感器测量或基于由暴露于气流的传感器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Tg≤Tcrit≈0℃，则可以产生指示结冰条件的存在的可视警告和/或可听警告。
基于空中的应用的方法
根据一些实施方式，如在图5、图12A以及图13A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)以及其他的关注对象的表面时冻结的过冷水滴进行检测的系统和方法。本教导提供了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液滴的大小来对该空域中的结冰危险进行检测的系统。如在本文中所讨论的，本教导使用在图1、图2、图3A、图3B、图4A以及图4B中指示的两个谱带中的辐射率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向人类飞行员或自动驾驶仪警告结冰危险的系统。
应该理解的是，本文中概述的方法不限于其被描述的准确顺序，因为在许多情况下，操作的特定顺序可以是灵活的。
在一些实施方式中，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。基于约2.2μm的谱带(或另一吸收谱带例如约3.7μm)中的辐射率以及分析关系或查询表例如基于在图4A和图4B中示出的关系构建的查询表来估计液滴大小。在例如约0.67μm的非吸收谱带中的辐射率的测量可以提供云滴大小的更精确的估计。
在图5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：
1.使用多频谱相机或检测器来测量飞行器前方区域的在交叉点左边的谱带处的辐射率(Rλ1)。
2.使用多频谱相机或检测器来测量飞行器前方区域的在同一交叉点右边的谱带处的辐射率(Rλ2)。
3.然后，这两个测量用于产生辐射率比率γ＝Rλ1/Rλ2的单个值或图像(如果使用网状滤波器，则用比原始图像大的像素)。辐射率比率γ大于或等于预定临界值γcrit的区域被标记为包含液态水滴。
4.通过传感器例如暴露于气流的热电偶或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≈0℃，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上)可以按期望着色。
5.当飞行器靠近被标记为包含过冷液滴的区域时，该系统发出警告以及如果在期望时激活安全系统。
本教导还提供了用于估计水滴的大小的系统。基于辐射率测量和查询表或者基于在图4A和图4B中示出的关系构建的分析关系来估计液滴大小。在图6A和图6B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，可以通过包括在非吸收波长(例如，可见的)处的辐射率的测量来改善图6A的算法，从而然后该测量可以用作对在如图6B中陈述的液滴的有效半径的计算中使用的辐射率值进行校正的基准。图6A的算法包括下述步骤：
1.使用多频谱相机或检测器来测量飞行器前方区域的在交叉点左边的谱带处的辐射率(Rλ1)。
2.使用多频谱相机或检测器来测量飞行器前方区域的在同一交叉点右边的谱带处的辐射率(Rλ2)。
3.这两个测量用于产生辐射率比率γ＝Rλ1/Rλ2的单个值或图像(如果使用网状滤波器，则用比原始图像大的像素)。辐射率比率γ大于或等于预定临界值γcrit的区域被标记为包含液态水滴。
4.然后，基于在2.25μm处的辐射率(R2.25μm)的测量和在图4A中示出的Twomey关系来计算液滴有效半径(re)。
5.通过暴露于气流的热电偶或任何其他适当的方法来测量在飞行高度处的空气温度(T)。在Ta≤Tcrit≈0℃并且re≥rcrit≈25μm(或在对系统校准之后确定的更精确的re值)的区域被标记为很可能包含SLD以及在显示时(例如，在多功能显示装置，MFD上)按期望着色。具有Ta≤Tcrit≈0℃并且re>>rcrit≈25μm的值的区域指示极度危险条件以及可以被标记为极度危险条件。
在图6B中描述了用于检测过冷大水滴(SLD)的更精密的算法。该算法包括下述步骤：
1.使用多频谱相机或检测器来测量飞行器前方区域的在交叉点左边的谱带处的辐射率(Rλ1)。
2.使用多频谱相机或检测器来测量飞行器前方区域的在同一交叉点右边的谱带处的辐射率(Rλ2)。
3.使用具有约0.67μm(或另一非吸收频带)的频谱滤波器的可见的(或覆盖另一“非吸收”谱带)相机或检测器来测量飞行器前方区域的在约0.67μm处的辐射率(R0.67μm)。
4.在交叉点左边的谱带处的测量(Rλ1)和交叉点右边的谱带处的测量(Rλ2)用于产生辐射率比率γ＝Rλ1/Rλ2的单个值或图像(如果使用网状滤波器，则用比原始图像更大的像素)。辐射率比率γ大于或等于预定临界值γcrit的区域被标记为包含液态水滴。
5.然后，基于在0.67μm(R0.67μm)和2.25μm(R2.25μm)处的辐射率的测量和在图4B中示出的Nakajima-King关系来计算液滴有效半径(re)。还可以使用其他关系和在其他谱带处的测量。
6.通过暴露于气流的热电偶或任何其他适当的方法来测量在飞行高度处的空气温度(T)。Ta≤Tcrit≈0℃并且re≥rcrit≈25μm(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以及在显示时(例如，在MFD上)按期望着色。具有Ta≤Tcrit≈0℃并且re>>rcrit≈25μm值的区域指示极度危险条件以及可以被标记为极度危险条件。产生可视和/或可听的警告(WARNING)。
在一些实施方式中，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(ALERT)。
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，这样的一些特征可以同样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)。
已经为了说明和描述的目的提供了实施方式的之前的描述。实施方式的之前的描述不意为详尽的或者限制本公开内容。特定实施方式的个体元素或特征通常不限于该特定实施方式，相反，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方式中使用。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内。

Claims (21)

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，所述检测系统在所述关注区域暴露于具有下述谱带中的波长的电磁辐射时，对所述关注区域的辐射率进行测量，所述谱带包含描述由冰和水对电磁辐射的吸收的曲线上的交叉点，所述检测系统对在具有在所述交叉点的第一侧的谱带中的波长的第一频带(λ1)中的所述辐射率进行测量以及输出第一频带信号(Rλ1)，所述检测系统对在具有在所述交叉点的第二相对侧的谱带中的波长的第二频带(λ2)中的所述辐射率进行测量以及输出第二频带信号(Rλ2)；以及
处理单元，所述处理单元确定所述第一频带信号与所述第二频带信号的比率(γ＝Rλ1/Rλ2)，所述处理单元比较所述比率与预定临界比率范围，以及输出下述确定信号，所述确定信号指示：当所述比率在所述预定临界比率范围中的第一范围内时存在冰和当所述比率在所述预定临界比率范围中的第二范围内时存在水中的至少之一。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
温度传感器，所述温度传感器确定所述关注区域的温度以及输出温度信号，
其中，所述处理单元比较所述温度信号与预定临界温度范围，以及响应于此输出所述确定信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理单元确定所述关注区域中的镜面反射的存在，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：
辅助相机，所述辅助相机对所述关注区域进行成像以及输出辅助相机输出，
其中，所述处理单元基于所述辅助相机输出来确定所述关注区域上的镜面反射的存在，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，以及响应于此输出所述确定信号。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括：
第二检测系统，所述第二检测系统对在0.5μm至0.7μm范围内的非吸收谱带中的辐射率进行测量，以及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、所述第一频带信号以及所述第二频带信号来验证检测以及计算在所述关注区域内检测到的水滴的有效半径，以及响应于此输出所述确定信号。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括：
第二检测系统，所述第二检测系统对在3.0μm至5.0μm范围内的吸收谱带中的辐射率进行测量，以及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、所述第一频带信号以及所述第二频带信号来验证检测以及计算在所述关注区域内检测到的水滴的有效半径，以及响应于此输出所述确定信号。
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在覆盖所述交叉点的谱带中的所述波长的所述电磁辐射是灵敏的。
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交叉点的所述第一侧的第一频谱范围是灵敏的，以及所述至少两个检测器中的第二检测器对所述交叉点的所述第二相对侧的第二频谱范围是灵敏的，所述第一频谱范围和所述第二频谱范围至少部分是不同的。
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相机，所述至少一个相机对具有包含所述交叉点的谱带中的所述波长的所述电磁辐射是灵敏的。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述检测系统还包括可操作地耦接至所述至少一个相机的两个或更多个频谱滤波器，所述两个或更多个频谱滤波器中的第一频谱滤波器在所述交叉点的所述第一侧的谱带(λ1)中是灵敏的，以及所述两个或更多个频谱滤波器中的第二频谱滤波器在所述交叉点的所述第二相对侧的谱带(λ2)中是灵敏的，所述第一频谱范围和所述第二频谱范围至少部分是不同的。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括：
数据显示系统，所述数据显示系统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：
响应于所述确定信号的基于空中的交通工具的除冰或防冰系统。
14.根据权利要求1所述的系统，还包括：
响应于所述确定信号的基于空中的交通工具的飞行控制系统。
15.根据权利要求1所述的系统，还包括：
响应于所述确定信号的基于地面的交通工具的制动控制系统。
16.根据权利要求1所述的系统，还包括：
光源，所述光源在从2.05μm至2.30μm的关注的谱带输出光能，所述光源照亮所述关注区域。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述光源选自：激光器、卤素灯、红外灯以及发光二极管。
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交叉点的第一侧的谱带中的第一谱带处的第一辐射率(Rλ1)；
测量所述关注区域的在所述交叉点的第二相对侧的第二谱带处的第二辐射率(Rλ2)；
计算所述第一辐射率与所述第二辐射率的辐射率比率(γ＝Rλ1/Rλ2)；
响应于所述辐射率比率在预定临界辐射率比率范围内而输出冰存在警告，以及
响应于所述第一辐射率大于预定临界辐射率而输出镜面反射存在警告。
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交叉点的第一侧的谱带中的第一谱带处的第一辐射率(Rλ1)；
测量所述关注区域的在所述交叉点的第二相对侧的第二谱带处的第二辐射率(Rλ2)；
计算所述第一辐射率与所述第二辐射率的辐射率比率(γ＝Rλ1/Rλ2)；
确定所述辐射率比率是否在预定临界辐射率比率范围内，
测量所述关注区域的温度；以及
响应于所述辐射率比率在所述预定临界辐射率比率范围内并且所述温度在预定临界温度范围内而输出过冷液态水滴存在警告。
20.一种用于对关注区域内的过冷大液滴(SLD)进行检测的方法，所述方法包括：
测量所述关注区域的在交叉点的第一侧的第一谱带处的第一辐射率(Rλ1)；
测量所述关注区域的在所述交叉点的第二相对侧的第二谱带处的第二辐射率(Rλ2)；
计算所述第一辐射率与所述第二辐射率的辐射率比率(γ＝Rλ1/Rλ2)；
确定所述辐射率比率是否在预定临界辐射率比率范围内；
测量所述关注区域的温度，并且确定所述温度是否在预定临界温度范围内；
计算液滴有效半径；以及
响应于所述辐射率比率在所述预定临界辐射率比率范围内、所述液滴有效半径大于预定临界液滴半径并且所述温度在所述预定临界温度范围内而输出过冷大液滴存在警告。
21.一种用于对关注区域内的水物质进行检测的方法，所述方法包括：
测量所述关注区域的在非吸收频带上的第一谱带(λ1)处的第一辐射率(Rλ1)；
测量所述关注区域的在吸收频带上的第二谱带(λ2)处的第二辐射率(Rλ2)；
计算所述第一辐射率与所述第二辐射率的辐射率比率(γ＝Rλ1/Rλ2)；以及
响应于所述辐射率比率在冰、液态水或雪的预定临界辐射率比率范围内(γcrit1<γ<γcrit2)而输出指示冰、液态水或雪的存在的信号。
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