ES1306760U - Electro-optical system transportable on an aircraft to automatically detect and identify areas contaminated by hydrocarbons on the surface of an aquatic environment - Google Patents
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Abstract
Sistema electroóptico transportable en una aeronave (30) para detectar e identificar automáticamente zonas contaminadas por hidrocarburos en la superficie de un medio acuático, comprendiendo la aeronave una unidad de geolocalización, y comprendiendo el sistema: - una unidad de captación (10) que comprende al menos un sensor electroóptico (11), donde el sensor electroóptico (11) comprende una óptica para captar señales en el espectro térmico y polarimétrico; - una unidad inercial (23) para medir los parámetros de la actitud de vuelo de la aeronave (30), donde los parámetros de vuelo incluyen cabeceo, alabeo y guiñada; - una interfaz de adaptación (24) a la aeronave (30) donde está montada la unidad de captación (10) para obtener una visión cenital y acimutal de la superficie; caracterizado por que adicionalmente comprende: - una unidad de procesamiento (22) para: - conectarse con la unidad de geolocalización de la aeronave (30), - lanzar una alarma con las señales captadas por la unidad de captación (10), - detectar una zona contaminada recientemente, implementando una técnica de detección polarimétrica para la imagen, y - estimar la geolocalización del terreno a partir de los parámetros de la actitud de vuelo y de la geolocalización de la aeronave (30); - una unidad de condiciones ambientales (20) para medir los parámetros de temperatura, humedad y presión atmosférica; y - una unidad de comunicación (21) para servir de puente entre la unidad de condiciones ambientales (20), la unidad inercial (23), la unidad de procesamiento (22) y la unidad de captación (10).Electro-optical system transportable on an aircraft (30) to automatically detect and identify areas contaminated by hydrocarbons on the surface of an aquatic environment, the aircraft comprising a geolocation unit, and the system comprising: - a capture unit (10) comprising the at least one electro-optical sensor (11), where the electro-optical sensor (11) comprises optics to capture signals in the thermal and polarimetric spectrum; - an inertial unit (23) for measuring the flight attitude parameters of the aircraft (30), where the flight parameters include pitch, roll and yaw; - an adaptation interface (24) to the aircraft (30) where the capture unit (10) is mounted to obtain a zenith and azimuthal view of the surface; characterized in that it additionally comprises: - a processing unit (22) to: - connect with the geolocation unit of the aircraft (30), - launch an alarm with the signals captured by the capture unit (10), - detect a recently contaminated area, implementing a polarimetric detection technique for the image, and - estimating the geolocation of the terrain from the parameters of the flight attitude and the geolocation of the aircraft (30); - a unit of environmental conditions (20) to measure the parameters of temperature, humidity and atmospheric pressure; and - a communication unit (21) to serve as a bridge between the environmental conditions unit (20), the inertial unit (23), the processing unit (22) and the collection unit (10).
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Sistema electroóptico transportable en una aeronave para detectar e identificar automáticamente zonas contaminadas por hidrocarburos en la superficie de un medio acuático Electro-optical system transportable on an aircraft to automatically detect and identify areas contaminated by hydrocarbons on the surface of an aquatic environment
Campo técnico de la invenciónTechnical field of the invention
La presente invención pertenece al campo de la búsqueda e identificación de zonas contaminadas por hidrocarburos. Concretamente se refiere a un sistema de detección automática para emplear preferentemente en operaciones de identificación, desde altura, de zonas exteriores recientemente contaminadas por vertidos de hidrocarburos, sobre la superficie de un medio acuático. The present invention belongs to the field of searching and identifying areas contaminated by hydrocarbons. Specifically, it refers to an automatic detection system to be preferably used in identification operations, from height, of external areas recently contaminated by hydrocarbon spills, on the surface of an aquatic environment.
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
Para la detección de zonas contaminadas por hidrocarburos en un medio acuático tradicionalmente se ha utilizado tecnología radar. Esto permitía únicamente detectar desde satélite las zonas donde se han producido vertidos de hidrocarburos, lo que produce varios problemas en la detección: únicamente se puede detectar cada varios días, debido a la órbita del satélite; la resolución es muy limitada al ser una detección a muy larga distancia, y únicamente se pueden realizar detecciones si no hay nubosidad. Radar technology has traditionally been used to detect areas contaminated by hydrocarbons in an aquatic environment. This only allowed the areas where hydrocarbon spills have occurred to be detected from satellite, which produces several problems in detection: it can only be detected every few days, due to the orbit of the satellite; The resolution is very limited as it is a very long distance detection, and detections can only be made if there is no cloud cover.
Actualmente, para detecciones desde sistemas embarcados se utiliza el método de fluorescencia. Estas cámaras se basan en que, iluminando un hidrocarburo mediante un láser ultravioleta, el hidrocarburo reemite la luz mediante fluorescencia en el rango visible. Si bien es un sistema que se ha demostrado efectivo y es ampliamente utilizado, necesita de un láser que vaya barriendo la superficie a observar y es preciso que este esté en continuo movimiento y sincronizado con la cámara, lo cual complica el sistema. Por tanto, se acaba teniendo un sistema que es muy complejo en su mantenimiento y de un tamaño relativamente grande, por lo que no se puede instalar en sistemas embarcados de baja carga. Currently, the fluorescence method is used for detections from on-board systems. These cameras are based on the fact that, by illuminating a hydrocarbon using an ultraviolet laser, the hydrocarbon re-emits light through fluorescence in the visible range. Although it is a system that has been proven effective and is widely used, it requires a laser that sweeps the surface to be observed and it must be in continuous movement and synchronized with the camera, which complicates the system. Therefore, you end up having a system that is very complex to maintain and relatively large in size, which is why it cannot be installed in low-load on-board systems.
Breve descripción de la invenciónBrief description of the invention
A la vista de las soluciones que se disponen actualmente para la detección de superficies acuáticas contaminadas con hidrocarburos, es deseable contar con un sistema automático para obtener una mayor compacidad y simplicidad sin renunciar a la fiabilidad y repetitividad. In view of the solutions currently available for the detection of aquatic surfaces contaminated with hydrocarbons, it is desirable to have an automatic system to obtain greater compactness and simplicity without giving up reliability and repeatability.
Sería deseable que el sistema trabaje sin la necesidad de un operador. It would be desirable for the system to work without the need for an operator.
Sería deseable que el sistema trabaje en tiempo real, que se detecten las zonas contaminadas en pleno vuelo sin necesidad de espera. It would be desirable for the system to work in real time, for contaminated areas to be detected in mid-flight without the need to wait.
La invención proporciona un sistema electroóptico transportable en una aeronave para detectar e identificar automáticamente zonas contaminadas por hidrocarburos en la superficie de un medio acuático, comprendiendo la aeronave una unidad de geolocalización, y comprendiendo el sistema: The invention provides an electro-optical system transportable on an aircraft to automatically detect and identify areas contaminated by hydrocarbons on the surface of an aquatic environment, the aircraft comprising a geolocation unit, and the system comprising:
- una unidad de captación que comprende al menos un sensor electroóptico, donde el sensor electroóptico comprende una óptica para captar señales en el espectro térmico y polarimétrico; - a capture unit comprising at least one electro-optical sensor, where the electro-optical sensor comprises optics to capture signals in the thermal and polarimetric spectrum;
- una unidad inercial para medir los parámetros de la actitud de vuelo de la aeronave, donde los parámetros de vuelo incluyen cabeceo, alabeo y guiñada; - an inertial unit for measuring the flight attitude parameters of the aircraft, where the flight parameters include pitch, roll and yaw;
- una interfaz de adaptación a la aeronave donde está montada la unidad de captación para obtener una visión cenital y acimutal de la superficie; - an interface for adaptation to the aircraft where the capture unit is mounted to obtain a zenith and azimuthal view of the surface;
- una unidad de procesamiento para: - a processing unit for:
- conectarse con la unidad de geolocalización de la aeronave, - lanzar una alarma con las señales captadas por la unidad de captación, - detectar una zona contaminada recientemente, implementando una técnica de detección polarimétrica para la imagen, y - connect with the aircraft's geolocation unit, - launch an alarm with the signals captured by the capture unit, - detect a recently contaminated area, implementing a polarimetric detection technique for the image, and
- estimar la geolocalización del terreno a partir de los parámetros de la actitud de vuelo y de la geolocalización de la aeronave; - estimate the geolocation of the terrain from the parameters of the flight attitude and the geolocation of the aircraft;
- una unidad de condiciones ambientales para medir los parámetros de temperatura, humedad y presión atmosférica; y - a unit of environmental conditions for measuring the parameters of temperature, humidity and atmospheric pressure; and
- una unidad de comunicación para servir de puente entre la unidad de condiciones ambientales, la unidad inercial, la unidad de procesamiento y la unidad de captación. - a communication unit to serve as a bridge between the environmental conditions unit, the inertial unit, the processing unit and the collection unit.
Otros aspectos interesantes asociados a diversas realizaciones particulares con ventajas adicionales se definen en las reivindicaciones dependientes. Other interesting aspects associated with various particular embodiments with additional advantages are defined in the dependent claims.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Todo lo anteriormente comentado se verá complementado claramente a partir de la descripción detallada y los dibujos presentados a continuación como forma preferente de realización y a título de ejemplo ilustrativo y sin carácter limitativo, en los que: Everything previously mentioned will be clearly complemented by the detailed description and drawings presented below as a preferred embodiment and as an illustrative and non-limiting example, in which:
La FIG. 1 muestra esquemáticamente un diagrama de bloques del sistema según la invención. FIG. 1 schematically shows a block diagram of the system according to the invention.
Las FIGs. 2A y 2B muestran dos vistas de una posible implementación del sistema según la invención en una aeronave de ala rotatoria. FIGS. 2A and 2B show two views of a possible implementation of the system according to the invention in a rotary wing aircraft.
Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention
En la FIG. 1 se ilustra a modo de ejemplo un diagrama de bloques funcionales. In FIG. 1 illustrates as an example a functional block diagram.
Una interfaz de adaptación 24 dispone de los medios mecánicos y de los conectores necesarios para montar el sistema (bloques 10, 20, 21, 22 y 23, que se describirán a continuación) en la aeronave 30 y realizar barridos, entre otras funciones. La interfaz de adaptación 24 alimenta de energía a la unidad de captación 10 y a otros dispositivos (20, 21,22 y 23, y permite la comunicación de señales y comandos entre el sistema y la aeronave 30. An adaptation interface 24 has the mechanical means and connectors necessary to mount the system (blocks 10, 20, 21, 22 and 23, which will be described below) on the aircraft 30 and perform sweeps, among other functions. The adaptation interface 24 supplies power to the capture unit 10 and other devices (20, 21,22 and 23), and allows the communication of signals and commands between the system and the aircraft 30.
La aeronave 30 dispone habitualmente de una unidad inercial 23. La información de la geolocalización se puede obtener de la propia aeronave 30, que comprende una unidad de geolocalización. The aircraft 30 usually has an inertial unit 23. The geolocation information can be obtained from the aircraft 30 itself, which comprises a geolocation unit.
La unidad de condiciones ambientales 20 proporciona los parámetros de temperatura, humedad y presión atmosférica obtenidos durante el barrido de la superficie. Los parámetros obtenidos por esta unidad permiten calibrar las imágenes adquiridas y calibrarlas para reducir la tasa de falsas alarmas. The environmental conditions unit 20 provides the temperature, humidity and atmospheric pressure parameters obtained during the surface scan. The parameters obtained by this unit allow the acquired images to be calibrated and calibrated to reduce the false alarm rate.
La unidad de comunicación 21 es el sistema que asegura la comunicación entre la unidad de captación 10 que comprende los sensores electroópticos 11, la unidad de condiciones ambientales 20, la unidad de procesamiento 22 y la unidad inercial 23. Además, estabiliza la alimentación de todos los sensores y unidades anteriores. Esta unidad de comunicación se acopla a la aeronave mediante la interfaz de adaptación 24. The communication unit 21 is the system that ensures communication between the capture unit 10 comprising the electro-optical sensors 11, the environmental conditions unit 20, the processing unit 22 and the inertial unit 23. In addition, it stabilizes the power supply of all the previous sensors and units. This communication unit is coupled to the aircraft through the adaptation interface 24.
Una unidad de captación 10 incluye uno o más sensores electroópticos 11 que recogen los datos de una escena en un momento dado de acuerdo con su campo de observación. Esta unidad de captación 10 envía información de la escena a la unidad de procesamiento 22. Dicha unidad de procesamiento 22 también recibe información de la unidad inercial 23 respecto del cabeceo, del alabeo y/o de la guiñada de la aeronave 30. A collection unit 10 includes one or more electro-optical sensors 11 that collect data from a scene at a given time according to its field of observation. This capture unit 10 sends information about the scene to the processing unit 22. Said processing unit 22 also receives information from the inertial unit 23 regarding the pitch, roll and/or yaw of the aircraft 30.
De esta forma, la unidad de captación 10 puede captar una imagen cenital de las superficies acuáticas donde es posible que existan blancos que detectar (vertidos de hidrocarburos). Esta imagen puede asociarse a una posición y actitud de la aeronave 30. A partir de estos datos, es posible estimar la geolocalización del blanco detectado. In this way, the capture unit 10 can capture a top-down image of the aquatic surfaces where there may be targets to detect (hydrocarbon spills). This image can be associated with a position and attitude of the aircraft 30. From this data, it is possible to estimate the geolocation of the detected target.
La unidad de procesamiento 22 puede procesar las imágenes captadas y, cuando detecta un posible blanco, establecer una correspondencia entre posiciones asociadas a píxeles de una imagen con posiciones asociadas a píxeles de otra imagen captada en diferente momento para mejorar la relación entre la probabilidad de detección y la probabilidad de falsas alarmas. The processing unit 22 can process the captured images and, when it detects a possible target, establish a correspondence between positions associated with pixels of one image with positions associated with pixels of another image captured at a different time to improve the relationship between the probability of detection and the probability of false alarms.
La unidad de procesamiento 22 implementa la detección de una zona contaminada por hidrocarburos mediante la observación del cambio de polarización de la luz al reflejarse y reemitirse en el rango térmico durante el sobrevuelo, y puede implementar algoritmos de realce de la señal y optimización de la relación señal ruido. También puede implementar un ajuste de umbral de la detección para optimizar la relación entre la probabilidad de detección y la probabilidad de falsa alarma. Por ejemplo, puede mejorar la relación señal-ruido mediante la comparación entre varias imágenes de momentos sucesivos. The processing unit 22 implements the detection of a hydrocarbon contaminated area by observing the change in polarization of light as it is reflected and re-emitted in the thermal range during the flyby, and may implement signal enhancement and ratio optimization algorithms. noise signal. You can also implement a detection threshold adjustment to optimize the relationship between detection probability and false alarm probability. For example, you can improve the signal-to-noise ratio by comparing multiple images from successive moments.
Las FIGs. 2A-2B muestran una interfaz de adaptación 24 del sistema cuando la aeronave 30 es un UAV de ala rotatoria en dos perspectivas diferentes. Se ilustra la parte mecánica de la interfaz de adaptación 24. Mientras, en la parte inferior se aprecia la óptica térmica gran angular del sensor electroóptico 11. Dicho sensor electroóptico 11 se instala internamente en dicha interfaz de adaptación 24. FIGS. 2A-2B show a system adaptation interface 24 when the aircraft 30 is a rotary wing UAV in two different perspectives. The mechanical part of the adaptation interface 24 is illustrated. Meanwhile, in the lower part the wide-angle thermal optics of the electro-optical sensor 11 can be seen. Said electro-optical sensor 11 is installed internally in said adaptation interface 24.
La interfaz 24 monta el sistema de forma que permite al sensor electroóptico 11 la visión acimutal de la superficie acuática, al mismo tiempo que mantiene la estanqueidad. Se aprecia desde el exterior la óptica del sensor electroóptico 11. The interface 24 mounts the system in a way that allows the electro-optical sensor 11 azimuthal vision of the aquatic surface, while maintaining watertightness. The optics of the electro-optical sensor 11 can be seen from the outside.
El sistema posee un ancho campo de observación. La interfaz de adaptación 24 monta una unidad de captación 10 con los sensores electroópticos 11 para captar espectros en el espectro térmico (8 - 14 pm). La interfaz de adaptación 24 permite que la línea de mira de la unidad de captación 10 sea normal a la superficie acuática. The system has a wide observation field. The adaptation interface 24 mounts a collection unit 10 with the electro-optical sensors 11 to capture spectra in the thermal spectrum (8 - 14 pm). The adaptation interface 24 allows the line of sight of the collection unit 10 to be normal to the water surface.
La parte mecánica y óptica se puede realizar sin elementos móviles para mejorar la fiabilidad como se ha ilustrado en las FIGs 2A y 2B. El sistema es rápido y no necesita enfocar escenas ni realizar ajustes de los aumentos ópticos. Preferiblemente, se eligen ópticas de campo ancho, es decir, capaces de proporcionar campos de observación superiores a 30°. The mechanical and optical part can be made without moving elements to improve reliability as illustrated in FIGs 2A and 2B. The system is fast and does not need to focus scenes or make optical magnification adjustments. Preferably, wide-field optics are chosen, that is, capable of providing observation fields greater than 30°.
La banda térmica (típicamente 8-14 micrómetros) es donde se produce la emisión y reflexión de la luz por parte de los hidrocarburos y la polarización de su luz, lo que permite detectar si hay un hidrocarburo vertido en la superficie acuática. The thermal band (typically 8-14 micrometers) is where the emission and reflection of light by hydrocarbons and the polarization of their light occur, which allows detecting if there is a hydrocarbon spilled on the water surface.
El presente sistema trabaja en el espectro térmico. Desde el punto de vista operativo, actúa como un sistema pasivo de detección ya que, además de ver la escena en tiempo real, detecta si el cambio de polarización de la luz al reflejarse o reemitirse en una superficie acuática contaminada por hidrocarburos. Esto le permite prescindir de un operador que lo maneje o que detecte la presencia de una zona contaminada en mitad de una superficie extensa. The present system works in the thermal spectrum. From an operational point of view, it acts as a passive detection system since, in addition to viewing the scene in real time, it detects whether the polarization of light changes when it is reflected or re-emitted on an aquatic surface contaminated by hydrocarbons. This allows you to do without an operator to handle it or to detect the presence of a contaminated area in the middle of a large surface.
No es necesario que la nave se esté desplazando para tener una visión de conjunto de la escena y de la superficie contaminada. Esto facilita la identificación de las fuentes de contaminación, optimiza la señal recibida de los elementos a detectar y se minimiza la probabilidad de falsas alarmas. Esta técnica optimiza la sensibilidad y reduce el camino óptico de absorción de la atmósfera y reduce considerablemente el volumen y la complejidad, frente a otras técnicas de detección. It is not necessary for the ship to be moving to have an overview of the scene and the contaminated surface. This facilitates the identification of contamination sources, optimizes the signal received from the elements to be detected and minimizes the probability of false alarms. This technique optimizes sensitivity and reduces the optical absorption path of the atmosphere and considerably reduces volume and complexity, compared to other detection techniques.
En la FIG. 1 puede observarse como el campo de observación del sistema se orienta desde los sensores electroópticos 11 perpendicularmente a la superficie de búsqueda, configuración denominada cenital, aunque también se podría utilizar en visión acimutal en cualquier dirección, no es necesario que se observe en la dirección del movimiento. Lo cual permite ver qué hay frente y en torno al dron. In FIG. 1 it can be seen how the observation field of the system is oriented from the electro-optical sensors 11 perpendicular to the search surface, a configuration called zenith, although it could also be used in azimuthal vision in any direction, it is not necessary that it be observed in the direction of the motion. Which allows you to see what is in front of and around the drone.
Para el reconocimiento e identificación de una zona contaminada, se suministra la posición respecto de los ejes de la aeronave 30 para que los sensores electroópticos 11 puedan dirigir su línea de mira hacia el blanco detectado, capturar una imagen, o vídeo, y enviarlos a la base de control de la operación de identificación. For the recognition and identification of a contaminated area, the position with respect to the axes of the aircraft 30 is provided so that the electro-optical sensors 11 can direct their line of sight towards the detected target, capture an image or video, and send them to the control basis of the identification operation.
Gracias a la ligereza y versatilidad de la interfaz de adaptación 24, el presente sistema puede operar en vehículos aéreos tanto de ala fija como en helicópteros. Incluso, puede ser instalado en drones (también denominados UAVs). Thanks to the lightness and versatility of the adaptation interface 24, the present system can operate on both fixed-wing aerial vehicles and helicopters. It can even be installed on drones (also called UAVs).
La algoritmia evalúa la posición de la línea de mira de la óptica respecto de la normal a la superficie del mar. Maneja los datos de la unidad inercial 23 y de la unidad de captación 10, y suministra la posición de la imagen de cada punto de la superficie contaminada observada en cada uno de los píxeles del sensor electroóptico 11. Permite trazar la posición de cada punto en los cuadros de vídeo en que dicho punto está presente. The algorithm evaluates the position of the line of sight of the optics with respect to the normal to the sea surface. It handles the data from the inertial unit 23 and the capture unit 10, and provides the image position of each point on the contaminated surface observed in each of the pixels of the electro-optical sensor 11. It allows the position of each point to be plotted in the video frames in which said point is present.
Existe un algoritmo de ajuste del umbral para optimizar la relación de la probabilidad de detección y la probabilidad de falsas alarmas. There is a threshold adjustment algorithm to optimize the ratio of detection probability and false alarm probability.
Los diversos aspectos aquí explicados dotan al sistema de gran fiabilidad y agilidad en la detección automática a pesar de las dificultades que implica detectar zonas contaminadas por hidrocarburos sin tener un acceso directo a ellos y sin utilizar iluminadores externos, explotando la física de la polarización de la luz cuando se refleja en este tipo de compuestos. The various aspects explained here provide the system with great reliability and agility in automatic detection despite the difficulties involved in detecting areas contaminated by hydrocarbons without having direct access to them and without using external illuminators, exploiting the physics of the polarization of the light when it reflects off these types of compounds.
Las siguientes referencias numéricas están asociadas a los diferentes elementos que integran la invención y sus realizaciones: The following numerical references are associated with the different elements that make up the invention and its embodiments:
10 Unidad de captación 10 Collection unit
11 Sensor electroóptico 11 Electro-optical sensor
20 Unidad de condiciones ambientales 20 Environmental conditions unit
21 Unidad de comunicación 21 Communication unit
22 Unidad de procesamiento 22 Processing unit
23 Unidad inercial 23 Inertial unit
24 Interfaz de adaptación 24 Adaptation interface
30 Aeronave 30 Aircraft
Aunque se han descrito y representado unas realizaciones de la invención, es evidente que pueden introducirse en ellas modificaciones comprendidas dentro de su alcance, no debiendo considerarse limitado éste a dichas realizaciones, sino únicamente al contenido de las reivindicaciones siguientes. Although some embodiments of the invention have been described and represented, it is evident that modifications may be introduced within its scope, and this should not be considered limited to said embodiments, but only to the content of the following claims.
Claims (5)
Priority Applications (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| CA1K | Utility model application published |
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