CN112867955B - 用于主动视觉系统的最优光谱带 - Google Patents

用于主动视觉系统的最优光谱带 Download PDF

Info

Publication number
CN112867955B
CN112867955B CN201880098757.5A CN201880098757A CN112867955B CN 112867955 B CN112867955 B CN 112867955B CN 201880098757 A CN201880098757 A CN 201880098757A CN 112867955 B CN112867955 B CN 112867955B
Authority
CN
China
Prior art keywords
band
vision system
ice
spectral band
radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880098757.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112867955A (zh
Inventor
尼尔顿·O·雷诺
基思·C·休斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Michigan
Original Assignee
University of Michigan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Michigan filed Critical University of Michigan
Publication of CN112867955A publication Critical patent/CN112867955A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112867955B publication Critical patent/CN112867955B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T7/00—Brake-action initiating means
    • B60T7/12—Brake-action initiating means for automatic initiation; for initiation not subject to will of driver or passenger
    • B60T7/22—Brake-action initiating means for automatic initiation; for initiation not subject to will of driver or passenger initiated by contact of vehicle, e.g. bumper, with an external object, e.g. another vehicle, or by means of contactless obstacle detectors mounted on the vehicle
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0488—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts with spectral filtering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0488—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts with spectral filtering
    • G01J1/0492—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts with spectral filtering using at least two different filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0801—Means for wavelength selection or discrimination
    • G01J5/0802—Optical filters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/95—Lidar systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/4802—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T2201/00—Particular use of vehicle brake systems; Special systems using also the brakes; Special software modules within the brake system controller
    • B60T2201/02—Active or adaptive cruise control system; Distance control
    • B60T2201/022—Collision avoidance systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J2005/0077—Imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/314—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths
    • G01N2021/3155—Measuring in two spectral ranges, e.g. UV and visible
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N2021/4704—Angular selective
    • G01N2021/4709—Backscatter
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N2021/4733—Discriminating different types of scatterers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N2021/4735—Solid samples, e.g. paper, glass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/314—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry with comparison of measurements at specific and non-specific wavelengths
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/02—Mechanical
    • G01N2201/021—Special mounting in general
    • G01N2201/0216—Vehicle borne
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Traffic Control Systems (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

一种用于监测关注区域的视觉系统，所述视觉系统具有用于接收光学输入、输出信号并处理所述信号的系统。所述系统配置为在光谱带中测量辐射，在所述光谱带中由于大气成分的吸收而显著地降低太阳辐射。这减轻了诸如太阳眩光的太阳辐射的负面影响。所述系统配置为响应于在所选光谱带中的测量而输出结果检测信号。

Description

用于主动视觉系统的最优光谱带
技术领域
本公开涉及主动视觉系统(active vision system)，并且更特别地，涉及一种用于确定主动视觉系统的最优光谱带(spectral band)的方法，所述主动视觉系统在这些最优光谱带中的一个中运行。
背景技术
该部分提供与本公开有关的、不一定是现有技术的背景信息。该部分提供本公开的总体概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
通常，视觉系统使用通常来自特定光谱带的电磁辐射来监测场景，所述电磁辐射例如是紫外线(UV)、可见光(VIS)、近红外(NIR)、短波红外(SWIR)和长波红外(LWIR)辐射。NIR和SWIR光谱带也一起称为反射红外带(与从热红外带发出的辐射相反)，而LWIR带被称为热红外带。
红外(IR)视觉系统广泛用于民用和军事应用。一些视觉系统被设计为通过使用光放大或光增强技术在极低的照明下观察场景，所述视觉系统例如是美国专利第4,463,252号中描述的夜视装置。关于场景的不同信息可以通过来自光谱各个部分的入射电磁辐射来传达。实际上，已经通过组合关注(interest)场景的多光谱图像开发了许多技术。例如，美国专利第5,035,472号描述了一种沿着两条单独的路径传输图像信号的装置，一条路径将信号引向IR检测器并且另一路径将信号引向图像增强器。然后，结合IR和增强的图像用于向用户显示信息。
在公共道路上和民用空域中使用的自主交通工具的数量一直在稳步增长，使它们暴露于危险的环境状况下，例如湿滑的道路和飞行器结冰的状况下。因此，自主交通工具可能需要具有控制系统，所述控制系统配置为接收不仅与周围地形和它们的路径中的障碍物有关的信息，而且与前方的道路和空域的状况有关的信息。此外，自主交通工具可能需要通过命令操纵(maneuvers)自动地响应该信息以穿越地形、避开障碍物并跟踪特定路径，以便避免潜在的危险状况。
工程界和媒体最近对涉及采用先进自动化系统的汽车的事故已经进行了广泛地讨论。当视觉系统由于暴露于强烈的阳光下(例如太阳眩光)而失效时，经常会发生事故。对于依赖于相机、激光雷达或在光谱的受阳光强烈影响的部分中(例如在可见光和近红外光谱带中)运行的其他装置的视觉系统来说，这是一个常见问题。
发明内容
本教导的原理提供了一种方法，该方法用于避免在用于回避障碍物、导航、检测道路状况(即，区分干燥道路与潮湿道路和冰冻道路、估计水层厚度)并且感测飞行器或自主空中交通工具周围的空域中的大气状况(即检测潜在的危险结冰状况或前方的火山灰)的装置中由阳光引起的问题。此外，本教导可以用在用于检测从工业系统泄漏的气体或自然大气成分的浓度的系统中。
本教导提供了一种用于确定用于户外使用的主动视觉系统的最优光谱带的方法和采用该方法的装置。所述方法和装置可以用于向驾驶员提供警告，为飞行器、汽车、和自主的空中以及地面或海上交通工具提供信息，以及其他应用。
在本发明的一些实施方式中，检测器、检测器阵列或多光谱相机可以用于进行所需的测量。类似系统可以用于检测明确在飞行器表面、制造系统或任意其他关注对象上的冰或水。在一些实施方式中，单个最优光谱带中使用测量的系统(例如激光雷达)可以用于避障或导航。
在本发明的一些实施方式中，提供道路状况监测系统，该道路状况监测系统配置为检测道路和任意其他关注的表面上的水、雪、霜、透明的冰和其他类型的冰。该系统配置为区分干燥的表面与那些被水、雪、霜和各种类型的冰覆盖的表面，即使在这些物质仅覆盖道路状况监测系统的视野的一部分时也是如此。
驾驶员或当前的合成视觉系统通常很难检测水和冰。透明的冰异常难以检测。飞行器、轿车、卡车、公共汽车、摩托车和其他交通工具将受益于能够检测表面上是否存在冰或水的系统，所述表面例如是道路、桥梁、人行道、或甚至跑道和滑行道(即，与飞行器或辅助人员和交通工具的地面运行有关)。驾驶员、操作者和合成视觉系统由于太阳眩光而无法检测到交通工具前方恶化的道路状况的事实经常会导致事故。
用于视觉系统的现有技术方法中的一些基于近红外辐射测量，所述视觉系统被设计为用于导航并用于检测道路、飞行器表面上、以及它们周围的空域中的冰和水。然而，这些现有技术受到太阳眩光的负面影响，因为它们基于在光谱的受阳光强烈影响的部分中的测量。
美国专利申请公开第2008/0129541Al号提到了一种能够监测交通工具前方的道路的滑冰预警系统。一个或两个视觉相机用于以两个正交偏振对同一场景进行成像。当使用单个相机时，偏振分束器用于将反射光分成两个正交偏振。通过测量反射光的偏振，检测出交通工具前方是否存在滑冰的可能(但不明确)确定。此外，由于该系统运行在光谱的可视部分中，因此它受到太阳眩光的负面影响。
美国专利申请公开第2005/0167593A1号提到了一种利用1.4μm附近反射波长的偏移来区分水和冰的方法。在该方法中，通过分析1.4μm带反射率的短波长边缘的偏移，可以区分液态水和冰。检测决定基于在光谱的受到阳光强烈影响的部分中的波长的偏移。不幸地，基于该方法的系统受到由太阳眩光导致的问题影响。
在美国专利申请公开第20120193477A1号中描述的更近期的发明使用有效反射率以确定用于将湿材料与表面含冰的材料区分开的测量带，所述有效反射率定义为给定材料在给定波长下的反射率除以该相同材料在等于1.1μm波长下的反射率。在该技术中，检测信号是在第一带和第二带中的测量之间的对比度C，其中对比度信号被定义为在第二带和第一带中的辐射强度的差与这两个带中的强度的和的比率。在该技术中，检测决定基于对比度信号是受阳光强烈影响的光谱带。不幸地，基于该方法的系统也受到由太阳眩光导致的问题影响。
通过引用并入本文的美国专利第9,304,081号描述了使用交叉点周围的辐射比(γ＝Rλ1/Rλ1)以监测陆地或空中交通工具前方的道路或空域的状况。该技术的关键特征在于检测信号是稳健的，因为它仅取决于在两个邻近窄光谱带中的测量的比率。然而，在开发该技术时，最小化太阳眩光的影响不是关注点。
根据本教导的原则，在系统中实现了最优光谱带，所述系统用于监测前方潜在的危险状况，例如道路或跑道上的水、雪和冰。本文公开的系统克服了现有技术的缺点，因为它不受太阳眩光的负面影响。主动视觉系统可以被设计用于导航并用于检测交通工具前方的空域中或表面中的潜在危险状况。用于户外使用的工业系统可以配置为映射系统的周围或者区分干净的表面和被冰、雪、油、水或其他关注的特定物质覆盖的表面。
在本教导的一些实施方式中，采用光源(即，脉冲激光器)、多光谱检测器和/或多光谱相机、数据处理器单元，以及具有显示器、安全系统和/或自主系统的接口来提供对前方状况的指示并对其进行响应。
在一些实施方式中，本教导的道路状况监测系统仅包括具有滤波器的检测器对、数据处理器单元、以及到显示器和控制系统的接口。在一些实施方式中，可以使用具有在本文件中所描述的最优光谱带之一内的波长的激光的激光雷达。
通过本文提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。本概述中提供的描述和特定实施例仅用于说明；它们并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅出于所选实施方式的说明性目的，而不是所有可能的实现方式，并且不旨在限制本公开的范围。
图1示出在大气顶部和海平面处表面附近的太阳照射光谱。指示了太阳照射被大气臭氧(03)、二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)强烈吸收的带。
图2示出了主要的大气吸收带。这些带是用于主动视觉系统的最优光谱带，因为它们最小化例如太阳眩光的太阳辐射的负面影响。穿过大气的入射太阳辐射所占比例最低的光谱带是用于户外使用的主动视觉系统的最佳带。
图3示出水物质的吸收光谱，尤其是指示了用于主动视觉系统的可能最优带(例如，在大约<0.3、0.90-0.95、1.10-1.15、1.35-1.50、1.80-2.06、2.50-3.05μm作为非穷举的实施例)的液态水和冰的复折射率。
图4示出1.98μm交叉点周围的液态水和冰的折射率。这是用于能够区分干燥的道路和被冰、雪、雪泥或水覆盖的道路的主动道路状况监控的最优光谱带。它也是用于能够监测前方云层结冰潜力的主动飞行器结冰检测系统的最优带。
图5示出展示根据本教导的原则的视觉系统的示意性框图。
图6示出道路状况评估矩阵，所述道路状况评估矩阵将检测信号和道路表面温度、与交通工具的轮子和道路之间的摩擦系数相关联。
贯穿附图的若干视图，相应的附图标记表示相应的部件。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述实施例实施方式。
提供实施例实施方式使得本公开将是透彻的，且将本发明构思的范围充分地传递给本领域技术人员。阐述了例如具体组件、装置和方法的实施例的许多具体细节，以提供对本公开的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，不需要采用具体细节，实施例实施方式可以以许多不同的形式实施，并且都不应当被解释为限制本公开的范围。在一些实施例实施方式中，未详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。
本文中使用的术语仅为了描述特定的实施例实施方式，并且不旨在进行限制。如本文中所使用的，除非上下文另有明确指出，否则单数形式“一个/一种”、“一”和“所述/该”可以旨在包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“包括有”和“具有”是包含性的，因此特指所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地标识为执行顺序，否则本文描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须以所讨论或图示的特定顺序来执行。还应理解的是，可以采用附加或替代步骤。
当元件或层被称为“在”另一元件或另一层“上”，“接合到”、“连接到”或“耦接到”另一元件或另一层时，它可以直接在另一元件或另一层上，接合到、连接到或耦接到另一元件或另一层，或者可能存在干预元件或干预层。相反，当元件被称为“直接在”另一元件或另一层“上”，“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件或另一层时，可能不存在干预元件或干预层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式进行解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文使用的，术语“和/或”包括关联列出项目中的一个或多个的任意和所有组合。
尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部段，但是这些元件、组件、区域、层和/或部段不应受到这些术语的限制。这些术语仅可用于将一个元件、组件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确指出，否则本文中使用的诸如“第一”、“第二”和其他数字术语之类的术语并不暗示顺序或次序。因此，在不脱离实施例实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、第一组件、第一区域、第一层或第一部段可以被称为第二元件、第二组件、第二区域、第二层或第二部段。
为了便于描述，如图所示，在本文中可以使用空间相对术语，例如“内部”、“外部”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等来描述一个元件或特征与另一(多个)元件或另一(多个)特征的关系。除了附图中所描绘的取向之外，空间相对术语还可以旨在涵盖装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或其他特征“之下”或“下方”的元件将被定向为在其他元件或其他特征“之上”。这样，实施例术语“下方”可以包含上方和下方这两种取向。可以以其他方式定向装置(旋转90度或其他定向)，并据此解释本文中使用的空间相对描述语。
根据本教导的原则，提供诸如道路状况监测系统的视觉系统10用于检测道路状况和/或用于监测关注的状况，例如但不限于在飞行器、制造系统或其他关注的物体上检测冰。视觉系统10配置并可操作为在光谱带中进行测量，在所述光谱带中太阳辐射被大气成分强烈地吸收(图1和图2)，由此减少或消除诸如太阳眩光的阳光对视觉系统检测的负面影响。根据本教导，本发明将结合道路状况监测系统来公开；然而，应当理解的是，本教导的原则不应看作仅限于道路状况监测，但同样适用于光谱或太阳眩光的任何部分中通常受到阳光负面影响的各种视觉和/或检测系统。
在一些实施方式中，视觉系统10使用图3和图4指示的至少两个窄光谱带中辐射度的测量，以估计交通工具前方的道路状况，例如距离超过100m的道路状况。
图5所示的视觉系统10是配置为检测道路或任何其他关注的表面上的水、雪、霜、透明的冰(也称为明冰、或黑冰)和其他类型的冰的视觉系统。视觉系统10配置为区分干表面与那些由水、雪或其他类型的冰覆盖的表面。在一些实施方式中，视觉系统10监测飞行器周围或前方的空域的危险结冰状况。
特别参照图5，示出根据本教导的原则的视觉系统10的示意框图。在一些实施方式中，视觉系统10包括光学系统11，所述光学系统具有一个或多个光收集光学器件12、可选的光束分离器(分束器，beam splitter)14、可选的带通或光谱滤波器16、以及检测器对或相机18。光学系统11可以将场景100检测为光学输入并且输出结果光学信号。场景100的辐射可以用相机18(例如，基于砷化铟镓(InGaAs)技术的那些相机)进行测量，或利用光电检测器、光电二极管、热电检测器、热电堆检测器、光电导体等进行测量。
视觉系统10还可以包括处理单元20，所述处理单元配置为从光学系统接收光学信号并且计算在两个带中的辐射比率，在所述两个带中由于大气成分的吸收而使太阳辐射显著地降低，从而减轻了太阳辐射的负面影响。响应于光源24，处理系统20配置为将响应于光谱带中的测量的结果信号输出到显示器或数据接口系统22。在一些实施方式中，光源24包括用于照明关注区域100的卤素灯、白炽灯或脉冲红外激光或LED。在一些实施方式中，交通工具前方的关注区域100可以用包含期望光谱的强激光束24照明。
在一些实施方式中，视觉系统10可以包括自动化系统26，所述自动化系统可操作地耦接到交通工具的系统，并且用于响应于来自数据处理单元20或数据接口22的输出信号自动地控制该交通工具的系统。
辐射测量(而不是反射率测量)足以满足大多数实际应用，因为目标可以用在关注的光谱带之间包含相对较小功率变化的光源照射(例如，被直接或间接阳光照射的表面，或者被已知光源照射的表面)。
如图3所示，液态水和冰的折射率的虚部在1.98μm的波长处出现交叉点。在该带中，像在图3中由短横条所指示的两个带中，在交叉点的每一侧处的仔细测量使水的检测信号在与雪和冰的方向相反的方向上移动。第一(检测器1)带和第二(检测器2)带的位置和宽度被选择为使得水在与冰相反的方向上导致第一带辐射信号和第二带辐射信号移动。
在一些实施方式中，本教导提供一种警示驾驶员或向交通工具的自动化系统提供反馈的系统。本系统能够使用如图6所示的道路状况评估矩阵来量化危险程度。该实施例类似于美国联邦航空局(FAA)开发的跑道状况评估矩阵。
在一些实施方式中，数据处理单元或系统20配置为使用非暂时性软件和查询表实施算法以检测水、雪、霜、冰和水/冰混合物的存在，以便估计表面状况并且在基于在第一带和第二带中的辐射测量而检测到预定条件时输出警告或警报。作为非限制性实施例，用于评估交通工具前方的道路状况的算法可以包括以下步骤：
1.使用包含检测器对18或具有光谱滤波器16的像素阵列的光学系统11进行的测量被用于测量关注区域100(例如，交通工具前方100m)的辐射；
2.使用允许在大约1.908μm与1.968μm之间的第一带中的辐射通过的光谱滤波器进行的测量被用于确定交叉点的一侧处的辐射(R1.938μm)；
3.使用允许在大约2.000μm与2.060μm之间的第二带中的辐射通过的光谱滤波器进行的测量被用于确定交叉点的另一侧处的辐射(R2.030μm)；
4.在第一带和第二带中的测量随后被用于确定关注区域100的辐射比率γ＝R1.938μm/R2.030μm；
5.辐射比率γ的值被用于使用下面定义的道路状况评估矩阵来确定表面或道路状况；
6.通过使用热电偶或任意其他合适的方法的测量来估计表面温度(T)；
7.随后使用道路状况评估矩阵将道路表面温度用于改善表面状况或道路状况，所述道路状况评估矩阵将检测信号和道路表面温度、与交通工具的轮子和道路之间的摩擦系数相关联；以及
8.提供反馈给操作者或交通工具自动化系统。在一些实施方式中，当检测到危险状况时会产生警告。危险状况可以通过数字代码来量化。
总之，提供了不受太阳眩光的负面影响的道路状况监测或视觉系统。视觉系统能够在波长范围内测量关注区域反射的辐射，所述波长范围包含在代表冰和水吸收电磁辐射的曲线之间的交叉点。检测系统测量第一带中的、具有在交叉点的第一侧上的光谱带中的波长的辐射并且输出第一带信号，并且进一步测量第二带中的、具有在相同交叉点的第二相对侧上的光谱带中的波长的辐射并且输出第二带信号。仔细选择交叉点和交叉点的每侧上的测量带，以避免太阳辐射的负面影响，并且提供水、雪和各种类型的冰的明确检测，即使在这些物质覆盖道路状况监控系统的视野的一部分时也是如此。处理单元确定第一带信号与第二带信号的比率，并将该比率与预定的临界比率进行比较，以输出指示水或各种类型的冰的存在的确定信号。
为了说明和描述的目的，已经提供了实施方式的前述描述。其并非旨在穷举或限制本公开。特定实施方式的单独元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的，并且即使未具体示出或描述也可以在选定的实施方式中使用。同样也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是背离本公开，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (7)

1.一种用于监测关注区域的主动视觉系统，所述视觉系统包括：
照明源，所述照明源在至少一个光谱带中将能量输出到所述关注区域，在所述至少一个光谱带中由于大气成分的吸收而显著地降低太阳辐射，所述至少一个光谱带选自包括小于0.3μm、0.90-0.95μm、1.10-1.15μm、1.35-1.50μm和2.50-3.05μm的组；
光学系统，所述光学系统在所述至少一个光谱带中从所述关注区域接收光学输入并且输出光学信号；以及
处理系统，所述处理系统接收所述光学信号，所述处理系统配置为测量所述光学信号，所述处理系统配置为响应于在所述至少一个光谱带中的测量而输出结果信号，
其中，所述视觉系统包括至少一个检测器，所述至少一个检测器配置为测量与液态水和冰的折射率的虚部的交叉点相邻的在所述至少一个光谱带中的辐射，所述至少一个检测器配置为测量在所述至少一个光谱带的第一带部分中的、具有在所述交叉点的第一侧上的波长的辐射并且输出第一带信号，所述至少一个检测器配置为测量在所述至少一个光谱带的第二带部分中的、具有在所述交叉点的第二侧上的波长的辐射并且输出第二带信号，所述交叉点的所述第二侧与所述第一侧相对；并且
所述处理系统配置为使用非暂时性软件和查询表检测水、雪、霜、冰和水/冰混合物的存在，以便估计表面状况并且当基于所述第一带部分和所述第二带部分中的辐射测量检测到预定状况时输出警报；
其中，所述至少一个光谱带的所述第一带部分和所述第二带部分的位置和宽度被选择为使得水在与冰相反的方向上导致所述第一带信号和所述第二带信号移动。
2.根据权利要求1所述的视觉系统，其中，所述至少一个检测器包括相机和光谱滤波器。
3.根据权利要求1所述的视觉系统，其中，所述处理系统配置为使用道路状况评估矩阵来量化危险程度，所述道路状况评估矩阵将检测信号和测量温度、与交通工具的轮子和道路表面之间的摩擦系数相关联。
4.根据权利要求1所述的视觉系统，所述视觉系统包括：
接口系统，所述接口系统耦接到配置为警告操作者的显示器。
5.根据权利要求1所述的视觉系统，所述视觉系统包括：
交通工具的自动化系统，所述交通工具的自动化系统配置为响应来自所述处理系统的所述警报。
6.根据权利要求1所述的视觉系统，所述视觉系统包括：
接口系统，所述接口系统可操作地耦接到交通工具，所述接口系统配置为响应于所述警报通过降低交通工具速度或偏离危险来防止不安全的交通工具驾驶配置。
7.根据权利要求1所述的视觉系统，其中，所述大气成分选自稳定地包括大气臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)的组。
CN201880098757.5A 2018-10-31 2018-10-31 用于主动视觉系统的最优光谱带 Active CN112867955B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2018/058524 WO2020091769A1 (en) 2018-10-31 2018-10-31 Optimum spectral bands for active vision systems

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112867955A CN112867955A (zh) 2021-05-28
CN112867955B true CN112867955B (zh) 2024-04-02

Family

ID=70462134

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880098757.5A Active CN112867955B (zh) 2018-10-31 2018-10-31 用于主动视觉系统的最优光谱带

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3874316A4 (zh)
CN (1) CN112867955B (zh)
BR (1) BR112021005319B1 (zh)
WO (1) WO2020091769A1 (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110149076A1 (en) * 2009-12-21 2011-06-23 Davide Capello Optical detection system for motor-vehicles having multiple functions, including detection of the condition of the road surface
US20150120092A1 (en) * 2013-10-24 2015-04-30 The Regents Of The University Of Michigan Ice and supercooled water detection system
CN107271397A (zh) * 2016-04-07 2017-10-20 福特全球技术公司 用于检查路面的系统和方法
US20180056854A1 (en) * 2015-04-10 2018-03-01 Maxell, Ltd. Image projection apparatus

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5574286A (en) * 1995-06-30 1996-11-12 Huston; Alan L. Solar-blind radiation detector
WO2002023227A2 (en) * 2000-09-13 2002-03-21 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence Of Her Majesty's Canadian Government Solar infrared ground clutter suppressor
US7265846B2 (en) * 2004-02-03 2007-09-04 Sensors Unlimited, Inc. Methods for detecting ice and liquid water on surfaces
US8279420B2 (en) * 2009-08-06 2012-10-02 ISC8 Inc. Phase sensing and scanning time of flight LADAR using atmospheric absorption bands
CN104034700B (zh) * 2014-06-21 2016-09-21 中国科学院合肥物质科学研究院 一种大气传输激光透过率的测量方法
KR101813141B1 (ko) * 2016-04-29 2017-12-28 아이리텍 잉크 적외선 대역 중 태양광의 흡수율이 인접 파장대역에 비해 높은 파장대역에서의 양자효율이 향상되어 해당 파장대역을 포함하여 촬영시 실내뿐만 아니라 실외에서도 고품질 홍채이미지 획득이 가능한 cmos 이미지 센서
US10621865B2 (en) * 2018-03-29 2020-04-14 The Regents Of The University Of Michigan Road condition monitoring system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110149076A1 (en) * 2009-12-21 2011-06-23 Davide Capello Optical detection system for motor-vehicles having multiple functions, including detection of the condition of the road surface
US20150120092A1 (en) * 2013-10-24 2015-04-30 The Regents Of The University Of Michigan Ice and supercooled water detection system
CN105793691A (zh) * 2013-10-24 2016-07-20 密执安州立大学董事会 冰与水检测系统
US20180056854A1 (en) * 2015-04-10 2018-03-01 Maxell, Ltd. Image projection apparatus
CN107271397A (zh) * 2016-04-07 2017-10-20 福特全球技术公司 用于检查路面的系统和方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP3874316A4 (en) 2022-05-18
BR112021005319A2 (pt) 2021-06-15
WO2020091769A1 (en) 2020-05-07
BR112021005319B1 (pt) 2024-01-23
CN112867955A (zh) 2021-05-28
EP3874316A1 (en) 2021-09-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3061077B1 (en) Ice and water detection system
US10395113B2 (en) Polarization-based detection and mapping method and system
US9304081B2 (en) Ice and water detection system
CA2721662C (en) Multispectral enhanced vision system and method for aircraft landing in inclement weather conditions
US10621865B2 (en) Road condition monitoring system
Lyapustin et al. Discrimination of biomass burning smoke and clouds in MAIAC algorithm
US20070216536A1 (en) Methods and systems for detection of ice formation on surfaces
CN105992941B (zh) 冰与过冷水检测系统
JP2001501751A (ja) 視界不良条件下での航行、監視を向上させるためのシステム
US20160307053A1 (en) Polarization-Based Mapping and Perception Method and System
US7605369B2 (en) Assessing runway visibility to airborne infrared vision devices
EP3631391A1 (en) Polarization-based detection and mapping method and system
US10508952B1 (en) Optimum spectral bands for active vision systems
CN112867955B (zh) 用于主动视觉系统的最优光谱带
Rankin et al. Daytime mud detection for unmanned ground vehicle autonomous navigation
US20230023670A1 (en) Systems and methods for detecting surface conditions
WO2021063960A1 (en) Surface condition sensor
Vogel et al. SEE—Sight Effectiveness Enhancement
Tiana Low-cost near-infrared sensors for EVS

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant