CZ26127U1

CZ26127U1 - Systém pro detekci nepríznivých atmosférických podmínek pred letadlem

Info

Publication number: CZ26127U1
Application number: CZ201227034U
Authority: CZ
Inventors: Jose Prata@Alfredo; Bernardo@Cirilo
Original assignee: Norsk Institutt For Luftforskning
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2013-11-25
Also published as: US20180332241A1; JP2013525195A; EP2564215A1; ECSMU12012321U; BR112012027541A2; DE212011100091U1; UA83590U; AT13312U1; CN103038646A; DK201200191U1; WO2011135060A1; IES20110213A2; FI10023U1; KR20130054285A; US10063794B2; US10440291B2; US20130135470A1; DK201200191U3; US20120191350A1

Description

Předkládané technické řešení se týká systému pro detekci nepříznivých atmosférických podmínek před letadlem. Systém má množství infračervených kamer, které mohou detekovat například oxid siřičitý a částice, jako je vulkanický (sopečný) popílek, větrem nesený prach a ledové částice. Rovněž zahrnuje počítač, který zpracovává obrazy, displej pro znázornění posádce letadle nepříznivé podmínky.

Dosavadní stav techniky

Existuje množství nepříznivých atmosférických podmínek, které je žádoucí detekovat. Tyto zahrnují vulkanický popílek, toxické plyny, jako plynný oxid siřičitý, větrem hnaný prach a částice ledu.

Vulkanické či sopečné mraky (oblaka) obsahují křemičitanový popílek a plyny, které jsou nebezpečné pro letectví. Několik setkání mezi proudovým letadlem a vulkanickým popílkem mělo za následek značné poškození v důsledku průniku popílku do horkých částí motoru, načež následovalo roztavení a vtavení na listy turbíny. Popílek může rovněž zablokovat pitotovy statické trubice a ovlivňovat citlivé letecké přístroje a rovněž obrušovat náběžné hrany částí konstrukce rámu letadla (draku). Vulkanické plyny, v principu SO₂, jsou méně nebezpečné pro letadlo, ale detekce SO₂ může být využita jako indikátor vulkanického popílku, protože tyto substance jsou často obsažené spolu a jsou přenášeny společně atmosférickými větry. Dalším důležitým plynem ve vulkanických mracích je vodní pára (plynná H₂O). Vodní pára se vyskytuje ve značných množstvích ve vulkanických mracích buď v důsledku strhávání z okolního vzduchu, nebo z vody z vulkanického zdroje (například mořská voda je běžný zdroj pro vulkány (sopky) na ostrovech nebo v pobřežních oblastech). Jakmile je v atmosféře, vodní pára může kondenzovat na popílkových jádrech, přičemž se rychle vytváří led s mnohem menším poloměrem, než led v běžných meteorologických mracích. Tyto hojné, ledové částice malých rozměrů jsou nebezpečné pro letadlo, protože rychlé tání ledu při kontaktu s horkými motory uvolňuje popílková jádra, která se potom přitavují na listech turbíny, což ovlivňuje výkon motoru a potenciálně způsobuje zastavení motoru.

Poškození letadla může mít následky vyčíslené v milionech dolarů. Nejzávažnější střety letadla s popílkovými mraky byly v cestovních letových hladinách (nadmořských výškách), ale existuje rovněž nebezpečí pro letadla na letištích zasažených vulkanickým popílkem. Tato letiště jsou obvykle blízko aktivního vulkánu, ale mohou být rovněž v určité vzdálenosti od zdroje erupce vzhledem k atmosférickému přenosu, který donese popílek do dané oblasti.

Náklady na nebezpečí popílku pro letový provoz nejsou známé, ale musí být značné, pokud tyto náklady zahrnují ty, které jsou způsobeny zpožděními při přistáních a odletech a rovněž náklady na přesměrování, hrazenými operátory letových linek. Nedávná (14. dubna, 2010) erupce sopky Eyjafjallajoekull na Islandu má odhadnuté náklady pro letecký průmysl přibližně US $ 2 mld. V současnosti neexistují regulační požadavky na letištní operátory pro vydávání výstrah na nebezpečí popílku. Výstrahy jsou vydávány na základě informací od vulkanických observatoří, meteorologických poraden a v některých případech z radarových sledování sloupců erupce. Radarové informace jsou obecně spolehlivé pouze při začátku erupce, když popílkový mrak je hustý, a obvykle jsou tyto informace dostupné pouze na letištích v těsné blízkosti vybuchujícího vulkánu. Pro letiště vzdálená od zdroje popílku je dostupných málo přímých pozorování. Některá pozorování přicházejí ze satelitních systémů a další zdroje informací přicházejí z předpovědí trajektorií na základě údajů o větru a informací o výšce mraků. Mnoho z těchto informací je sporadických a nevčasných a existuje potřeba lepších detekčních systémů.

Další nepříznivé atmosférické podmínky zahrnují toxické plyny emitované vulkány a průmyslovými závody (továrnami). Obzvláštní důležitost a hojný výskyt má plynný oxid siřičitý (SO₂).

-1 CZ 26127 U1

S0₂ mraky z vulkánů budou reagovat s vodní párou v atmosféře pro vytváření kyseliny sírové, která může poškodit letadlo. Mělo by být zřejmé, že oxid siřičitý se může vyskytovat v oblastech oddělených od vulkanického popílku. Letadlo může prolétat skrz oxid siřičitý bez průchodu skrz popílek. Ošetření motoru po setkání v případě setkání se s oxidem siřičitým bude odlišné a pod5 statně levnější než ekvivalentní ošetření požadované pro motor při setkání se s popílkem. Příslušně by bylo žádoucí mít možnost výstrahy pro letadlo před SO₂ mraky.

Popílek a další částice mohou za správných podmínek iniciovat tvorbu ledových částic, když voda mrzne kolem těchto jader. Podle toho tedy větrem hnaný prach a ledové částice mohou být podstatným nebezpečím pro letadla, vozidla a podobně.

Proudové letadlo v cestovních letových hladinách či nadmořských výškách (nad 15 000 stop) se pohybuje rychle (>500 km za hodinu) a v současnosti nemá prostředky pro detekci nebezpečí vulkanických mraků před sebou. Vzhledem k vysoké rychlosti musí být detekční metoda schopná shromažďovat informace rychle a zajišťovat automatizovanou výstrahu a algoritmus identifikace druhu, schopný rozlišovat vulkanické částice od jiných substancí v atmosféře (například běžné 15 meteorologické mraky z vody a ledu).

WO 2005031321 AI, WO 2005068977 AI a WO 2005031323 AI popisují postupy a zařízení pro monitorování oxidu siřičitého, vulkanického popílku a větrem hnaného prachu s využitím alespoň dvou délek infračerveného záření odpovídajícího nepříznivým atmosférickým podmínkám.

US 3931462 popisuje použití UV video systému pro měření SO₂ v kouři z komína.

US 4965572 popisuje postupy a zařízení pro vzdálenou detekci turbulencí typu střihem větru v nízkých úrovních, jako například prostřednictvím infračerveného snímače či detektoru teploty.

US 5140416 popisuje systém a způsob pro spojování nebo slučování (prolínání) video obrazů z množství zdrojů tak, že výsledný obraz má zlepšený informační obsah. Snímače jsou odpovědné 25 za různé typy spektrálního obsahu ve snímané scéně, jako jsou krátké a dlouhé infračervené vlnové délky.

US 5654700 a US 5602543 popisují systém pro detekci nepříznivých atmosférických podmínek pro letedlo, který monitoruje podmínky před letadlem s využitím infračervených detektorů, zobrazuje polohu, upozorňuje a přesměrovává letadlo.

Podstata technického řešení

Podle prvního aspektu předkládané technické řešení navrhuje systém pro detekci nepříznivých atmosférických podmínek před letadlem, zahrnující množství infračervených kamer namontovaných na letadlu, přičemž: infračervené kamery jsou nastaveny pro prostorovou detekci infračerveného záření v různých pásmech infračerveného světla, každá kamera je spojena s počítačem 35 pro zpracování obrazu, který zpracovává a kombinuje obrazy a generuje video zobrazovací signály pro vytvoření video zobrazení, které indikuje polohu nepříznivých atmosférických podmínek vzhledem k letadlu; každá kamera je vytvořena s příslušným filtrem nastaveným pro filtrování infračerveného světla s šířkou pásma, odpovídající vlastnostem infračervené šířky pásma nepříznivé atmosférické podmínky ze souboru nepříznivých atmosférických podmínek; počítač 40 pro zpracování obrazu je upraven pro identifikování nepříznivých atmosférických podmínek, přičemž uvedené identifikování je založeno na prahových podmínkách a využívá infračervené záření, údaje z vyhledávací tabulky a naměřené parametry, včetně informací o poloze a/nebo nadmořské výšce letadla; a počítač pro zpracování obrazu je dále upraven pro zobrazování identifikovaných nepříznivých atmosférických podmínek jako prostorového obrazu na displeji.

Předkládané technické řešení je výhodné v tom, že navrhuje zařízení vhodné pro letadlo, které detekuje nepříznivé atmosférické podmínky, zejména způsobené vulkány, a vizualizuje je pro posádku letadla. Technické řešení je zejména užitečné pro detekci vulkanických mraků. Například může předkládané technické řešení umožnit rychlou detekci vulkanických substancí před

-2CZ 26127 U1 proudovým letadlem v cestovních letových hladinách či nadmořských výškách a současnou detekci a rozlišení vulkanického popílku, plynného SO₂ a ledem potažených popílkových částic. Výhodně technické řešení navrhuje algoritmy a procesy pro konverzi hrubých dat kamer na identifikování popílku, plynného SO₂ a ledem potaženého popílku.

Systém výhodně monitoruje zorné pole letadla.

Kamery podle předkládaného technického řešení mohou být nechlazené propojené kamery s mikrobolometry.

V jednom provedení systému jsou ve vyhledávací tabulce uvažovány úhel stoupání a teplota okolí.

Nepříznivé atmosférické podmínky výhodně zahrnují vulkanický popílek, ledem potažený popílek, vodní páru a oxid siřičitý. Naměřené parametry mohou zahrnovat úhel stoupání a teplotu okolí.

Výhodně jsou prahové podmínky předem vypočítané s využitím modelu radiačního přenosu atmosféry.

Výhodně počítač pro zpracování obrazu je uspořádán pro stanovení k jasu přiřazených teplot z detekovaného infračerveného záření a uvedené identifikování zahrnuje stanovení, zda hodnoty týkající se k jasu přiřazených teplot splňují prahové podmínky.

Systém může rovněž zahrnovat jednu nebo více vnějších začeměných závěrek, vůči kterým jsou zobrazovací kamery předem kalibrovány pro vytvoření kalibračních hodnot za letu.

Zvláště výhodně systém navrhuje statistickou výstrahu založenou na analýze obrazů stanovených pro ukázání nepříznivé podmínky z popílku, oxidu siřičitého nebo ledem potaženého popílku. Tato statistická výstraha využívá prostorové a dočasné informace a může být vyladěna podle letových testů pro omezení falešných výstrah a pro zajištění robustnosti.

Pro tato provedení může být k dispozici počítačový program stažitelný do vnitřní paměti základní 25 jednotky v systému na bázi počítače, který zahrnuje části softwarového kódu pro provádění uvedených kroků.

Pro tato provedení může být k dispozici počítačový programový produkt uložený na počítačově (strojově) čitelném médiu, který zahrnuje čitelný program pro řízení základní jednotky v systému na bázi počítače pro ovládání procesu provádění podle uvedených kroků.

Výhodně je systém uspořádán pro detekci alespoň tří vulkanických substancí (popílek, SO₂ a popílek potahující ledové částice) ve vzduchu před letadlem prostřednictvím vzdáleného postupu a navíc pro umožnění rozlišení těchto substancí od jiných meteorologických mraků z vodních kapiček a ledu.

Předkládané technické řešení rovněž obecněji navrhuje systém pro detekci nepříznivých atmosfé35 rických podmínek před letadlem, zahrnující množství infračervených kamer namontovaných na letadlu, přičemž: infračervené kamery jsou nastaveny pro prostorovou detekci infračerveného záření v různých pásmech infračerveného světla; každá kamera je spojena s počítačem pro zpracování obrazu, který zpracovává a kombinuje obrazy, přičemž každá kamera je vytvořena s příslušným filtrem nastaveným pro filtrování infračerveného světla s šířkou pásma, odpovídající 40 vlastnostem infračervené šířka pásma nepříznivé atmosférické podmínky ze souboru nepříznivých atmosférických podmínek; a počítač pro zpracování obrazuje upraven pro identifikování a zobrazování nepříznivých atmosférických podmínek, přičemž uvedené identifikování je založeno na prahových podmínkách a využívá detekované infračervené záření a naměřené parametry, včetně informací o poloze a/nebo nadmořské výšce letadla.

Podle dalšího aspektu předkládané technické řešení navrhuje způsob pro detekci nepříznivých atmosférických podmínek před letadlem a zobrazování uvedených nepříznivých atmosférických podmínek, zahrnující prostorové detekování infračerveného záření v různých pásmech infračerveného světla s využitím množství infračervených kamer; a pro každou kameru: i) filtrování

-3CZ 26127 U1 infračerveného záření s filtrem nastaveným pro filtrování infračerveného světla s šířkou pásma, odpovídající vlastnostem infračervené šířky pásma nepříznivé atmosférické podmínky ze souboru nepříznivých atmosférických podmínek; ii) identifikování pravděpodobných výskytů nepříznivých atmosférických podmínek na základě prahových podmínek a s využitím detekovaného infračerveného záření, dat z vyhledávací tabulky a naměřených parametrů, včetně informací o poloze a/nebo nadmořské výšce letadla; a iii) zpracování identifikovaných pravděpodobných výskytů nepříznivých atmosférických podmínek pro vytvoření prostorového obrazu.

V jednom provedení způsob dále zahrnuje krok iv) kombinování obrazu s obrazy z jiných kamer a informacemi o letové dráze letadla.

V dalším aspektu předkládané technické řešení navrhuje systém pro detekci vulkanických mraků před letadlem, který zahrnuje jednu nebo více infračervených kamer namontovaných na letadlu, přičemž tyto infračervené kamery jsou nastaveny pro prostorovou detekci infračerveného záření v různých pásmech infračerveného světla, každá kamera je spojena s počítačem pro zpracování obrazu, který zpracovává a kombinuje obrazy, kombinuje je s informacemi o letové dráze z letadla a generuje video zobrazovací signály pro vytvoření video zobrazení, které indikuje polohu nepříznivých podmínek vzhledem k letadlu; vyznačující se tím, že každá z kamer je vytvořena s příslušným filtrem nastaveným pro filtrování infračerveného světla s šířkou pásma, odpovídající vlastnostem infračervené šířky pásma jednoho z vulkanických druhů v souboru vulkanických druhů, a tím, že počítač pro zpracování obrazu je upraven pro identifikování a zobrazení druhů jako prostorového obrazu na displeji prostřednictvím prahových vyhledávacích tabulek pro příslušné druhy, mapujících prahové hodnoty pro infračervené záření, nad kterými tyto druhy pravděpodobně nastanou, s naměřenými parametry.

V ještě dalším aspektu předkládané technické řešení navrhuje způsob pro detekci vulkanického mraku před letadlem a zobrazení uvedeného mraku, který zahrnuje zpracování informací z jedné nebo více infračervených kamer prostorově detekujících infračervené záření v různých pásmech infračerveného světla, kombinování těchto informací s informacemi o letové dráze z letadla, vyznačující se tím, že pro každou kameru v krocích: i) filtrování infračerveného záření s filtrem nastaveným pro filtrování infračerveného světla s šířkou pásma, odpovídající vlastnostem infračervené šířky pásma jednoho z vulkanických druhů ze souboru vulkanických druhů; ii) identifikování pravděpodobných výskytů druhů prostřednictvím vyhledávání hodnot detekovaného infračerveného záření ve vyhledávací tabulce prahových hodnot, mapující prahové hodnoty pro infračervené zařízení, nad kterými tyto druhy pravděpodobně nastanou, s měřenými parametry; iii) zpracování identifikovaných pravděpodobných výskytů pro vytvoření prostorového obrazu.

Výhodná provedení předkládaného technického řešení budou nyní popsána pouze prostřednictvím příkladu a ve spojení s odkazy na připojené výkresy.

Přehled obrázků na výkresech

Obrázek 1 je schematická ilustrace jedné kamery s filtrem, čočkou (objektivem), závěrkou a ochranným okénkem;

Obrázek 2 je příklad uspořádání pro systém s množstvím kamer;

Obrázek 3 znázorňuje popílkový mrak na displeji;

Obrázek 4 znázorňuje graf výpočtu radiačního přenosu pro horizontální dráhu v čisté atmosféře pro tři různé letové hladiny (nadmořské výšky); a

Obrázek 5 znázorňuje graf čárové intenzity pro dvě pásma SO2 na 8,6 pm a 7,3 pm. Znázorněny jsou rovněž funkce odezev pro filtry systému.

-4CZ 26127 U1 j

j Příklady provedení

Základní princip detekce vulkanických substancí před letadlem spoléhá na využití filtrovaného ; infračerveného záření v oblasti 6 až 13 pm. Uvnitř této oblasti jsou volena úzká (0,5 až 1 pm) pásma pro detekci popílku, vodní páry, plynného SO2 a ledem potaženého popílku. Výhodným 5 způsobem detekce je použití rychle vzorkujících, zobrazovacích, nechlazených kamer se širokým zorným polem a s mikrobolometry.

Mikrobolometr je používán jako detektor v termovizních kamerách 8. Infračervené záření dopadá na materiál detektoru, ohřívá jej a tudíž mění jeho elektrický odpor. Tato změna odporu se měří a zpracovává na teploty, které mohou být využity pro vytvoření obrazu. Oproti jiným typům infrai 10 červeného detekčního vybavení mikrobolometry nevyžadují chlazení.

Obvykle tato kamera 8 může obsahovat 640x512 pixelů (obrazových bodů) x řádek, má teplotní ! rozdíl ekvivalentního šumu 50 mK (nebo lepší) při 300 K v oblasti 10 až 12 pm, a zajišťuje vzorkovací rychlost až 60 Hz. Předpokládá se pět propojených kamer pro současnou detekci popílku, plynného SO₂, plynné H₂O a ledem potaženého popílku. Každá kamera 8 má detektor, 15 který je citlivý na infračervené záření v oblasti 6 až 13 pm. Přes každou kameru jsou umístěny j úzkopásmové filtry pro omezení spektrálního obsahu záření pro účely identifikace druhů. Kamej ry sdílejí stejné zorné pole před letadlem, a tudíž v principu může být v reálném čase se vzorkoj vacími rychlostmi až 60 Hz získáváno množství současných úzkopásmových infračervených obrazů. Tyto souběžné obrazy mohou být rychle zpracovávány s využitím speciálních algoritmů j 20 pro identifikování každého z pěti cílových druhů, specifikovaných dříve.

í Jedno provedení systému má 5 propojených zobrazovacích kamer 8, ale tento počet by mohl být j větší nebo menší v závislosti na požadavcích uživatele. Obecný příklad kamery v systému je j znázorněn na obrázku 1. Infračervené záření z prostoru před letadlem vstupuje do filtru 1 každé ! kamery 8 a je zaostřeno prostřednictvím čočky či objektivu 2 kamery a dopadá na pole 3 detekj 25 toru. Závěrka 4 je použita pro kalibraci (viz níže). Signály jsou přenášeny přes standardní vysoj korychlostní komunikační protokol 5 do počítače pro další zpracování. Pro ochranu filtru a i čočky, když systém sleduje prostor před letadlem, je mezi závěrkou a filtrem uchyceno pro IR transparentní okénko 7 (například germaniové sklo). Závěrka je teplotně řízena 6 a začeměna na ΐ straně přivrácené k optice.

j

I 30 Příkladné uspořádání pro systém s množstvím kamer je znázorněno na obrázku 2 s pěti kamerami

8. Ochranná závěrka 4 může být mechanicky poháněna před pouzdrem 9 sestavy a vytahována, když je systém používán. Okénko 7 z germaniového skla poskytuje ochranu před nečistotami, když je systém v režimu sledování. Signálová linka 5 a výkonová či napájecí linka 10 jsou na zadní straně pouzdra 9 sestavy, které ukládá elektroniku, zachytávač rámečků (obrazů v klidu) a í 35 počítačový hardware. Je znázorněno pět kamer, ale uspořádání by mohlo sestávat z více nebo z méně kamer v závislosti na počtu nebezpečí, která mají být identifikována. Například by systém se dvěma kamerami umožnil identifikaci vulkanického popílku a ledem potaženého popílku.

j i Kamery 8 jsou předem kalibrovány před instalací na letadlo, takže kamery 8 zaznamenávají ! stejný digitální signál, když jsou vystaveny stejnému množství infračerveného záření. To může j 40 být dosaženo prostřednictvím nasměrování každé kamery bez jejího filtru 1 na známý zdroj in] fračerveného záření (známé konstantní teploty) a zaznamenání digitálního signálu z každého j pixelu každé kamery. Může být stanovena vyhledávací tabulka prostřednictvím měnění zdroje teploty přes rozsah 210 až 300 K, v krocích po 10 K (například) pro každou kameru, což posky,i tuje tabulku s 640x512x10x2 hodnotami, za předpokladu lineární kalibrace. Tento proces může j 45 být opakován pro každý použitý úzkopásmový filtr 1. Jakmile jsou na palubě letadla, mohou být j prováděny občasné opětovné kalibrace prostřednictvím umístění zahřáté a začeměné závěrky 4 j před filtr 1 a zaznamenání digitálních hodnot odpovídajících známé (řízené) teplotě závěrky 4.

ΐ Závěrka 4 rovněž slouží pro duální účel zajištění ochrany před nečistotami a prachem přiváděi ným do kamery 8 během vzletu a při přistávání, když je systém podle předkládaného technického řešení deaktivován. Mělo by být zcela zřejmé, že případně by mohla být použita druhá závěrka 4

-5CZ 26127 U1 pro zajištění druhého kalibračního bodu v lineární kalibrační rovnici. Použití druhé závěrky 4 je jednoduše věcí praktického pohodlí a nemění hlavní pracovní princip technického řešení.

Systém je aktivován, jakmile letadlo dosáhlo cestovní letové hladiny či nadmořské výšky a kdykoliv je detekováno letové (ve vzduchu) nebezpečí a letadlo provádí úhybné manévry prostřednictvím měnění směru, letové hladiny a kurzu. V deaktivovaném režimu je závěrka 4 uzavřena. Před aktivováním se provede předběžný kalibrační systém pro systém (všech pět kamer). Závěrka 4 je otevřena a systém začíná shromažďovat obrazy. Komerční kamery 8 mohou vzorkovat s rychlostí až 60 Hz a to je výhodná vzorkovací rychlost (nebo vyšší). Ovšem pro některé kamery 8 platí určitá exportní omezení a to znamená, že mohou platit nižší vzorkovací rychlosti. V diskuzi, která následuje, předpokládáme vzorkovací rychlost 8 Hz, protože při této frekvenci neexistují žádná exportní omezení. Základní princip je beze změny při použití vyšší vzorkovací frekvence.

Každá kamera 8 poskytuje 8 obrazů o velikosti N pixelů krát M řádek každou sekundu. Vyhledávací tabulka je použita společně s palubními kalibračními údaji pro konverzi digitálních signálů na k jasu příslušející teplotu (BTy_!k), kde k reprezentuje číslo kamery a k = 1, 2, 3, 4 nebo 5 v aktuálním systému, a i a j jsou čísla pixelu respektive řádky. Jasu odpovídající teplota je stanovena z:

kde:

Rij,k je jas záření na pixelu i, řádce j a filtru k, v_k je centrální vlnočet pro filtr k kamery,

BTij k je jasu odpovídající teplota, ci a C2 jsou Einsteinovy konstanty záření.

Jas záření Ry,_k je stanoven z procedur předběžné a následné kalibrace a předpokládá se, že bude lineární funkcí hodnot digitálního signálu. Obrazy kamer mohou být zprůměrovány za účelem omezení šumu a zlepšení poměru signálu k šumu systému.

Pouze pro účely ilustrace se budeme soustředit na jeden obrazový pixel a budeme předpokládat, že všechny ostatní pixely mohou být ošetřeny stejným způsobem, s upozorněním, že kalibrační vyhledávací tabulka je odlišná pro každý pixel. Potom data pro jeden pixel sestávají z měření: BT1, BT2, BT3, BT4 a BT5, kde toto reprezentuje k jasu přiřazené teploty od každé z pěti kamer (například BT1 je k jasu přiřazená teplota pro tento pixel v kameře 1, která má filtr 1).

Systém podle předkládaného technického řešení je propojen do datového toku přístrojů letadla, takže se vzorkovací rychlostí alespoň 1 s a výhodně rychleji jsou dostupné GPS souřadnice, nadmořská výška (z), zeměpisná délka (1), zeměpisná šířka (q), kurz (h), směr (d), snos (r), bočení (y), stoupání (x), čas (t), rychlost vůči zemi (v), rychlost větru (w) a teplota okolí (Ta).

-6CZ 26127 Ul

V jednom provedení systém využívá filtry 1 s následujícími centrálními vlnočty (v cm’¹):

Tabulka 1: Specifikace filtrů pro j edno provedení předkládaného technického řešení

Filtr	Centrální vlnočet (cm¹)	Šířka pásma (cm’¹)	NEDT (mK)	Účel
1	1410	100	200	h₂o
2	1363	100	200	so₂
3	1155	100	200	SO₂/popílek
4	929	60	100	Popílek/led
5	830	60	100	Popílek/led

Algoritmus detekce popílku

Pixel je deklarován jako popílek (ovlivněný popílkem), pokud jsou v každém případě splněny 5 následující podmínky:

DT1 _Ash = (BT4 - BT5) / Ta > TI_Ash (Ta, r, y, x) / Ta (1)

DT2_Ash = (BT3 - BT5) / Ta > TZ^ (Ta, r, y, x) / Ta (2)

Kde Tl_Ash a T2_Ash jsou teplotní rozdíly stanovené z předem vypočítaných výpočtů radiačního přenosu pro soubor parametrů, včetně teploty okolí (Ta) a skutečných hodnot snosu, stoupání a to bočení letadla. Je dobré si povšimnout, že DTl_Ash a DT2_Ash jsou bezrozměrné veličiny a jsou striktně indexové.

Výstraha je vydána, když pro předem definovanou část celkového obrazu nastane 8 po sobě následujících výskytů podmínky (1) a (2). Je použita hodnota 5 % z celkového počtu pixelů v rozdílovém obrazu, to ale může být vyladěno podle potřeby - nižší hodnoty se nastaví, pokud letadlo 15 operuje v letovém prostoru s deklarovaným nebo pravděpodobným ovlivněním vulkanickým popílkem; vyšší hodnota se nastaví v neovlivněných oblastech.

Algoritmus detekce H2O

Pixel je deklarován jako ovlivněný vodní párou, pokud jsou v každém případě splněny následující podmínky:

DT_WV = BT1 - Ta > T_wv (Ta, r, y, x) (3)

Kde Τ„ν je teplotní rozdíl stanovený z předem vypočítaných výpočtů radiačního přenosu pro soubor parametrů, včetně teploty okolí (Ta) a skutečných hodnot snosu, stoupání a bočení letadla.

Není vydávána žádná výstraha, ale T_wv je použit s algoritmem pro detekci ledu, pokud je tato 25 výstraha vydána.

Algoritmus detekce ledem potaženého popílku (ICA)

Pixel je deklarován jako ICA (ovlivněný ICA), pokud jsou v každém případě splněny následující podmínky:

DT_ica = (BT4 - BT5) / Ta < T_ICA (Ta, r, y, x) / Ta (4)

Kde Ti_CA je teplotní rozdíl stanovený z předem vypočítaných výpočtů radiačního přenosu pro soubor parametrů, včetně teploty okolí (Ta) a skutečných hodnot snosu, stoupání a bočení letadla.

Výstraha je vydána, když pro předem definovanou část celkového obrazu nastane 8 po sobě následujících výskytů podmínky (4). Je použita hodnota 5 % z celkového počtu pixelů v rozdílo

-7CZ 26127 U1 vém obrazu, to ale může být vyladěno podle potřeby - nižší hodnoty se nastaví, pokud letadlo operuje v letovém prostoru s deklarovaným nebo pravděpodobným ovlivněním vulkanickým popílkem; vyšší hodnota se nastaví v neovlivněných oblastech. Když je tato výstraha vydána, je ověřena podmínka (3), a pokud je tato podmínka splněna, pixel je potvrzen jako ICA. Použití podmínky pro vodní páru je zcela nové a omezuje výskyt falešných výstrah pro detekování nebezpečných ledem potažených popílkových částic malých rozměrů.

Algoritmus detekce SO₂

Pixel je deklarován jako SO₂ (ovlivněný SO₂), pokud jsou v každém případě splněny následující podmínky:

DT1_So2 = (BT1 - BT2) / Ta > T1_SO2 (Ta, r, y, x) / Ta

DT2_SO2 = (BT3-BT5) /Ta > T2_SO2 (Ta, r, y, x) / Ta (5) (6)

Kde T1_SO2 a T2_So2 jsou teploty stanovené z předem vypočítaných výpočtů radiačního přenosu pro soubor parametrů, včetně teploty okolí (Ta) a skutečných hodnot snosu, stoupání a bočení letadla.

Výstraha je vydána, když pro předem definovanou část celkového obrazu nastane 8 po sobě následujících výskytů podmínky (5) a (6). Je použita hodnota 5 % z celkového počtu pixelů v rozdílovém obrazu, to ale může být vyladěno podle potřeby - nižší hodnoty se nastaví, pokud letadlo operuje v letovém prostoru s deklarovaným nebo pravděpodobným ovlivněním vulkanickým popílkem; vyšší hodnota se nastaví v neovlivněných oblastech.

Příklad zobrazení ukazovaného posádce pro detekci popílkového mraku je ilustrován na obrázku

3. Toto zobrazení je založeno na popílkovém mraku složeného z křemičitého materiálu a ukazuje DTl_Ash signál pro 6 rámečků oddělných konstantním krátkým časovým rozdílem ze dvou kamer zobrazujících prostor před letadlem. Nej vyšší koncentrace popílku jsou indikovány červeně (nebo tmavě na obrázku 3, který je černobílý); obloha na pozadí je znázorněna jako světle nachová (nebo světle šedá na obrázku 3). Jak se letadlo blíží k nebezpečí, pilot může měnit kurz letadla, aby se mu vyhnul.

Důležitou součástí tohoto technického řešení je použití předem vypočítaných prahových hodnot z detailního modelu radiačního přenosu atmosféry s a bez vulkanického mraku a s využitím geometrických hledisek vhodných pro sledování v infračervené oblasti (6 až 13 μ) z letadla. Obrázek 4 znázorňuje simulaci horizontální dráhy jasu záření v čisté atmosféře od 700 až 1600 cm'¹ ve třech různých letových hladinách či nadmořských výškách. V 9,5 km se atmosféra jeví velmi studená - ekvivalentní teplota černého tělesa horizontální dráhy je přibližně 227 K. Jakýkoliv vulkanický mrak umístěný mezi letadlem a studeným pozadím změní jas záření přijímaného systémem známým způsobem. Spektrální obsah záření obsahuje známky popílku. SO₂, H₂O a ledem potažených popílkových částic. Tyto známky mohou být také simulovány prostřednictvím modelu radiačního přenosu a výsledky mohou být uloženy ve velké vyhledávací tabulce. Je dobré si povšimnout, že křivky jasu záření se mění s nadmořskou výškou a tudíž s teplotou okolí - teplota okolí je stanovena prostřednictvím přístrojů na palubě letadla a je využita detekčním algoritmem. Stejně tak by mohla být použita výška (letová hladina či nadmořská výška) namísto teploty, ale teplota j e robustněj ší veličinou.

Popílkový signál v tomto spektru je charakterizován vyššími, jasu odpovídajícími teplotami ve filtru 4 (BT4) než ve filtru 5 (BT5) při sledování studeného pozadí. Prahové hodnoty jsou určeny prostřednictvím použití dat indexu odrazivosti pro křemičitany a rozptylové výpočty jsou založeny na naměřeném rozložení velikosti částic pro částice s poloměrem v rozsahu 1 až 20 pm, podle dosavadního stavu techniky. Obecně by přístroje sledovaly v horizontálním směru nebo mírně nahoru (letadlo má obvykle 3° úhel stoupání směrem nahoru). Letadlo ale může mít stoupání ve směru dolů, přičemž v tomto případě by se teplota pozadí mohla měnit od studeného pozadí po teplé pozadí. V tomto případě je známka popílku identifikována prostřednictvím

-8CZ 26127 U1

BT4<BT5. Vyhledávací tabulka je konstruována takovým způsobem, že jsou uvažovány úhel stoupání a teplota okolí. Navíc jsou kompenzovány snos a úhel bočení, ačkoliv ty mají pouze nepatrný vliv na detekční algoritmus. Speciální prahové hodnoty odolné vůči selhání jsou rovněž začleněny do detekčního algoritmu prostřednictvím využití filtru v blízkosti 8,6 pm, která má 5 citlivost na vulkanický popílek.

Činnost algoritmu pro ledem potažený popílek je podobná algoritmu pro popílek až na to, že vyhledávací tabulka prahových hodnot je nyní stanovena s využitím dat pro led (odrazové indexy a rozptylové údaje pro malé částice, poloměry < 30 pm). V případě malých ledových částic platí BT4<BT5 pro sledování do studeného pozadí (opak k popílku bez ledového potahu). Podmínky 10 pozadí jsou uvažovány podobným způsobem k tomu, co bylo využito pro detekci popílku.

Provádí se normalizace teplotních rozdílů pro zajištění určité robustnosti a pro vytvoření detekce nezávislé na teplotě okolního vzduchu.

Rovněž jsou používány vyhledávací tabulky pro SO₂ a H₂O. SO₂ má velmi silnou absorpci v blízkosti 8,6 pm a 7,3 pm, jak ilustruje obrázek 5. Princip detekce SO₂ byl již popsán dříve a je 15 založen na výpočtech radiačního přenosu za předpokladu čárových intenzit a přenosů použitelných pro případ atmosféry obsahující SO₂. Za obvyklých podmínek má SO₂ extrémně nízký výskyt (<10‘³ ppm) a tak je detekce SO₂ využívající tyto absorpční znaky velmi efektivní v případě vulkanických mraků v prostoru před letadlem.

Claims

20 1. Systém pro detekci nepříznivých atmosférických podmínek před letadlem, zahrnující množství infračervených kamer (8) namontovaných na letadlu, vyznačující se tím, že infračervené kamery (8) jsou nastaveny pro prostorovou detekci jasu infračerveného záření v různých pásmech infračerveného světla;

každá kamera (8) je spojena s počítačem pro zpracování kombinování obrazů a pro generování

25 video-signálů pro vytvoření video zobrazení pro indikaci polohy nepříznivých atmosférických podmínek vzhledem k letadlu;

každá z kamer (8) je vytvořena s příslušným filtrem (1) nastaveným pro filtrování infračerveného světla s šířkou pásma, odpovídající vlastnostem infračervené šířky pásma nepříznivé atmosférické podmínky ze souboru nepříznivých atmosférických podmínek;

30 počítač pro zpracování obrazu je upraven pro identifikování nepříznivých atmosférických podmínek, přičemž uvedené identifikování je založeno na prahových podmínkách a využívá detekovaný jas infračerveného záření, údaje z vyhledávací tabulky a naměřené parametry, včetně informací o poloze a/nebo nadmořské výšce letadla; a počítač pro zpracování obrazu je dále upraven pro zobrazování identifikovaných nepříznivých 35 atmosférických podmínek jako prostorového obrazu na displeji.
2. Systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že soubor nepříznivých atmosférických podmínek zahrnuje vulkanický popílek, ledem potažený popílek, vodní páru a oxid siřičitý.
3. Systém podle nároku 2, vyznačující se tím, že tento systém je uspořádán pro snahu o identifikování jak ledem potaženého popílku, tak i vodní páry pro potvrzení identifiko-

40 vání ledem potaženého popílku.
4. Systém podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že prahové podmínky jsou předem vypočítatelné s využitím modelu radiačního přenosu atmosféry.

-9CZ 26127 Ul
5. Systém podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že počítač pro zpracování obrazu je uspořádán pro stanovení k jasu přiřazených teplot z detekovaného jasu infračerveného záření a uvedené identifikování zahrnuje stanovení, zda hodnoty týkající se k jasu přiřazených teplot splňují prahové podmínky.

5
6. Systém podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že naměřené parametry zahrnují úhel stoupání a teplotu okolí.
7. Systém podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zahrnuje jednu nebo více vnějších začeměných závěrek (4), proti kterým jsou uvedené zobrazovací kamery (8) předem kalibrovány pro zajištění kalibračních hodnot za letu.