JP2013525195A - 航空機の前方の悪大気状態を検出するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

航空機の前方の悪大気状態を検出するためのシステムおよび方法である。システムは、赤外光の異なる帯域での赤外放射輝度を空間的に検出するように調整される複数の赤外線カメラ（８）を有し、各カメラは、画像を処理して組み合わせる画像処理コンピュータに接続されるとともに、航空機に対する悪大気状態の位置を示すビデオディスプレイを生成するためのビデオディスプレイ信号を発生させる。各カメラは、一組の悪大気状態のうちの或る１つの悪大気状態の赤外線帯域幅特性に対応する帯域幅を有する赤外光をフィルタ処理するように調整されるそれぞれのフィルタを備えている。画像処理コンピュータは、悪大気状態を認識するようになっており、この認識は、閾値条件に基づくとともに、検出された赤外放射輝度と、ルックアップテーブルからのデータと、航空機の位置及び／又は姿勢に関する情報を含む測定されたパラメータとを使用する。画像処理コンピュータは、更に、認識された悪大気状態を空間画像としてディスプレイ上に表示するようになっている。

Description

本発明は、航空機の前方の悪大気状態を検出するためのシステムおよび方法に関する。本システムは、例えば二酸化硫黄、並びに、火山灰、風に吹き飛ばされた埃、および、氷粒子などの粒子を検出することができる複数の赤外線カメラを有する。また、本システムは、画像を処理するコンピュータ、および、航空機の乗組員に悪状態を示すためのディスプレイも備える。

検出するのが望ましい多くの悪大気状態が存在する。これらの悪大気状態には、火山灰、二酸化硫黄ガスなどの有毒ガス、風に吹き飛ばされた埃、および、氷粒子などがある。

火山雲は、飛行に危険なケイ酸塩灰およびガスを含む。ジェット機と火山灰とが遭遇した場合には、エンジンの高温部品へ灰が吸込まれ、その後溶融し、タービンブレード上へ融着するため、著しい損傷をもたらす場合があった。また、灰は、ピトー静圧管を詰まらせて、繊細な航空機の計器に影響を及ぼす可能性もあるとともに、機体構造の部品の先端を擦り減らす可能性もある。火山性ガス、主にＳＯ_２は、航空機にとってあまり危険ではないが、ＳＯ_２の検出は火山灰の指標として使用され得る。これは、これらの物質がしばしばひとまとめにされて大気の風によって一緒に運ばれるからである。火山雲中の他の重要なガスは水蒸気（Ｈ_２Ｏガス）である。水蒸気は、外気の取り込みによってあるいは火山源からの水から、火山雲中に多量に存在する（例えば、海水は、島または沿岸水域の火山にとって共通の水源である）。水蒸気は、大気中にあるときには、灰中核上で凝縮して、通常の気象雲中の氷よりもかなり小さい半径の氷を急速に形成する。これらの豊富な小サイズの氷粒子は航空機にとって危険である。これは、高温エンジンとの接触時の氷の急速な融解が灰中核を解放して、その後にこれらの灰中核がタービンブレード上に融着し、それにより、エンジン性能に影響を及ぼすとともに、エンジンを失速させる場合があるからである。

航空機への損傷は、数百万ドルの損害となる可能性がある。最も深刻な航空機と灰雲の遭遇は巡航高度で起こってきたが、火山灰の影響を受ける空港においても航空機への危険が存在する。これらの空港は、通常、活火山の近くにあるが、灰をその地域へ運ぶ大気輸送によって噴火源から少し離れている場合もある。

特許文献１、特許文献２及び特許文献３は、悪大気状態に対応する赤外線の少なくとも２つの波長を使用する、二酸化硫黄、火山灰、および、風に吹き飛ばされた埃の監視のための方法および装置を教示する。

特許文献４は、煙突からの柱状噴流中のＳＯ_２を測定するためのＵＶビデオシステムの使用を教示する。

特許文献５は、例えば赤外線温度検出器によって低レベルウインドシア型乱流を遠隔的に検出するための方法および装置を教示する。

特許文献６は、複数の供給源からのビデオ撮像を融合または合併させて、それに伴う画像が情報内容を向上させるようにするためのシステムおよび方法を開示する。センサは、短い波長および長い波長の赤外線など、走査されている現場の異なるタイプのスペクトル成分に応答する。

特許文献７及び特許文献８は、赤外線検出器を使用して航空機の前方の状態を監視して、位置を表示するとともに、警告を行って、航空機の航路を変更する航空機用の悪大気状態検出システムを教示する。

国際公開第２００５０３１３２１号公報 国際公開第２００５０６８９７７号公報 国際公開第２００５０３１３２３号公報 米国特許第３９３１４６２号明細書 米国特許第４９６５５７２号明細書 米国特許第５１４０４１６号明細書 米国特許第５６５４７００号明細書 米国特許第５６０２５４３号明細書

空港運営において灰の危険にかかる費用は、知られていないが、費用が着陸および離陸の遅延によりかかる費用と航空会社オペレータにより負担される航路変更費用とを含む場合にはかなりの額に及ぶに違いない。最近（２０１０年４月１４日）のアイスランドでのエイヤフィヤトラヨークトルの噴火は、航空業界に約２０億ＵＳドルの損害を与えたと推定される。現在、空港オペレータが灰の危険を警告する際の法的な要求事項はない。警告は、火山観測所からの情報、気象勧告、および、幾つかのケースでは噴煙柱のレーダー観測に基づいて発せられる。レーダー情報は、一般に、灰雲が厚い場合の噴火の開始時にのみ信頼でき、また、通常、そのような情報は、噴火している火山に近接する空港でのみ利用できる。灰の発生源から離れている空港においては、直接的な観測結果はあまり利用できない。一部の観測結果は衛星システムによってもたらされ、また、他の情報源は、風データおよび雲高さ情報に基づく軌跡予報によってもたらされる。この情報の大部分は、散発的であって、時機を失しており、より良い検出システムの必要性がある。

他の悪大気状態には、火山および工場によって放出される有毒ガスがある。特に重要で且つ多いのが二酸化硫黄（ＳＯ_２）ガスである。

火山からのＳＯ_２雲は、大気中の水蒸気と反応して、航空機を損傷させる可能性がある硫酸を生成する。言うまでもなく、二酸化硫黄は火山灰から離れた領域で見出される場合がある。航空機は、灰を通過することなく二酸化硫黄を通り抜けて飛行する可能性がある。二酸化硫黄と遭遇するケースでのエンジンの遭遇後の処理は、灰遭遇中のエンジンに求められる同等な処理とは異なるとともに、該処理よりもかなり安価である。したがって、ＳＯ_２雲について航空機に警告できることが望ましい。

灰および他の粒子は、最適な状態下では、水がこれらの中核の周囲で凍るときに氷粒子形成を開始する可能性がある。そのため、風に吹き飛ばされた埃および氷粒子が航空機や車両等にとってかなり危険になる可能性がある。

巡航高度（１５０００フィートを超える）にあるジェット機は、高速（＞５００ｋｍ／時）で飛行するが、現在、火山雲の危険を前もって検出するための手段を有していない。高速であるため、検出方法は、情報を速やかに集めて、自動警報を出すとともに、火山性物質を大気中の他の物質（例えば、水および氷の気象雲）から区別できる種認識アルゴリズムを与えることができなければならない。

第１の態様によれば、本発明は、航空機に搭載される複数の赤外線カメラを含む、航空機の前方の複数の悪大気状態を検出するためのシステムであって、複数の赤外線カメラは、赤外光の異なる帯域での赤外放射輝度を空間的に検出するように調整され、各赤外線カメラは、複数の画像を処理して組み合わせる画像処理コンピュータに接続されるとともに、航空機に対する悪大気状態の位置を示すビデオディスプレイを生成するためのビデオディスプレイ信号を発生させ、各赤外線カメラは、一組の悪大気状態のうちの或る１つの悪大気状態の赤外線帯域幅特性に対応する帯域幅を有する赤外光をフィルタ処理するように調整されるフィルタを備えており、画像処理コンピュータは、複数の悪大気状態を認識するようになっており、前記複数の悪大気状態の認識は、閾値条件に基づくとともに、検出された赤外放射輝度と、ルックアップテーブルからのデータと、航空機の位置及び／又は姿勢に関する情報を含む測定されたパラメータとを使用して行われ、画像処理コンピュータは、更に、認識された複数の悪大気状態を空間画像としてディスプレイ上に表示するようになっている。

本発明は、特に火山によって引き起こされる複数の悪大気状態を検出して、航空機の乗組員のために視覚化する航空機に適した装置を提供するという効果を奏する。本発明は、火山雲を検出するのに特に役立つ。例えば、本発明は、巡航高度でジェット機の前方の火山性物質の迅速な検出を行うことができるとともに、火山灰、ＳＯ_２ガス、および、着氷灰粒子の同時検出および識別を行うことができる。好ましくは、本発明は、未加工の生のカメラデータを変換して、灰、ＳＯ_２ガス、および、着氷灰を認識するためのアルゴリズムおよびプロセスを提供する。

システムは、航空機の視野を監視するのが好ましい。

本発明のカメラは、非冷却マイクロボロメータ配列カメラであってもよい。

システムの一実施形態では、ピッチ角および大気温度がルックアップテーブルで使用される。

複数の悪大気状態は、火山灰、着氷灰、水蒸気、および、二酸化硫黄を含むことが好ましい。測定されたパラメータにはピッチ角および大気温度が含まれる。

閾値条件は、大気の放射伝達モデルを使用して予め計算されるのが好ましい。

画像処理コンピュータは、検出された赤外放射輝度から輝度温度を決定するようになっており、前記複数の悪大気状態の認識は、輝度温度に関連する値が閾値条件を満たすかどうかを決定することを含む。

また、該システムは、更に、１つ以上の外部の黒ずんだシャッタを備えており、これらのシャッタに対して撮像カメラが事前に較正されて、飛行中に較正値が提供される。

最も好ましくは、システムは、灰、二酸化硫黄、または、着氷灰の悪状態を示すべく決定される画像の解析に基づき統計的な警報を出す。統計的警報は、空間的および時間的な情報を使用するとともに、誤警報を減らしてロバスト性を確保するために飛行テストにしたがって調整され得る。

これらの実施形態においては、コンピュータベースのシステム内の処理ユニットの内部メモリ内にロード可能なコンピュータプログラムが存在し、このコンピュータプログラムは、前記工程を行うためのソフトウェアコード部を備える。

これらの実施形態においては、コンピュータが読み取り可能な媒体に記憶されるコンピュータプログラムプロダクトが存在し、このコンピュータプログラムプロダクトは、読み取り可能なプログラムを備えており、この読み取り可能なプログラムによって、コンピュータベースのシステムの処理ユニットは、前記工程にしたがった実行を制御する。

システムは、航空機の前方の空気中の少なくとも３つの火山性物質（灰、ＳＯ_２、および、氷粒子で覆われた灰）を遠隔的な方法によって検出するようになっているとともに、これらを水滴および氷の他の気象雲から識別できることが好ましい。

また、本発明は、概して、航空機に搭載される複数の赤外線カメラを含む、航空機の前方の複数の悪大気状態を検出するためのシステムであって、複数の赤外線カメラは、赤外光の異なる帯域での赤外放射輝度を空間的に検出するように調整され、各赤外線カメラは、複数の画像を処理して組み合わせる画像処理コンピュータに接続されており、各赤外線カメラは、一組の悪大気状態のうちの或る１つの悪大気状態の赤外線帯域幅特性に対応する帯域幅を有する赤外光をフィルタ処理するように調整されているフィルタを備えており、画像処理コンピュータは、複数の悪大気状態を認識して表示するようになっており、前記複数の悪大気状態の認識は、閾値条件に基づくとともに、検出された赤外放射輝度と、航空機の位置及び／又は姿勢に関する情報を含む測定されたパラメータとを使用して行われている。

他の概念によれば、本発明は、航空機の前方の複数の悪大気状態を検出して表示するための方法であって、複数の赤外線カメラを使用して赤外光の異なる帯域での赤外放射輝度を空間的に検出することを含み、各赤外線カメラにおいて、ｉ）一組の悪大気状態のうちの或る１つの悪大気状態の赤外線帯域幅特性に対応する帯域幅を有する赤外光をフィルタ処理するように調整されるフィルタを用いて赤外線をフィルタ処理し、ｉｉ）閾値条件に基づくとともに、検出された赤外放射輝度と、ルックアップテーブルからのデータと、航空機の位置及び／又は姿勢に関する情報を含む測定されたパラメータとを使用して、複数の悪大気状態が発生し得ることを認識し、ｉｉｉ）空間画像を形成するために、認識された複数の悪大気状態が発生し得ることを処理する。

一実施形態において、方法は、更に、ｉｖ）前記画像と、他のカメラからの画像および航空機飛行経路に関する情報とを組み合わせることを含む。

複数の悪大気状態は、火山灰、着氷灰、水蒸気、および、二酸化硫黄を含むことが好ましい。測定されたパラメータはピッチ角および大気温度を含むことができる。

更なる概念において、本発明は、航空機に搭載される１つ又はそれ以上の赤外線カメラを含む、航空機の前方の火山雲を検出するためのシステムであって、赤外線カメラは、赤外光の異なる帯域での赤外放射輝度を空間的に検出するように調整され、各赤外線カメラは、複数の画像を処理して組み合わせてそれらを航空機からの飛行経路情報と組み合わせる画像処理コンピュータに接続されるとともに、航空機に対する複数の悪大気状態の位置を示すビデオディスプレイを生成するためのビデオディスプレイ信号を発生させ、各赤外線カメラは、一組の火山種のうちの或る１つの火山種の赤外線帯域幅特性に対応する帯域幅を有する赤外光をフィルタ処理するように調整されるフィルタを備えており、画像処理コンピュータは、赤外放射輝度のための閾値をマッピングする各種のための閾値ルックアップテーブルを用いて、種を認識して空間画像として、測定されたパラメータと共に、ディスプレイ上に表示するようになっており、前記閾値を超えると種が生じる可能性が高い。

更なる他の概念において、本発明は、航空機の前方の火山雲を検出して表示するとともに、赤外光の異なる帯域での赤外放射輝度を空間的に検出する１つ以上の赤外線カメラからの情報を処理して、該情報を航空機からの飛行経路情報と組み合わせるための方法であって、各赤外線カメラにおいて、ｉ）一組の火山種のうちの或る１つの火山種の赤外線帯域幅特性に対応する帯域幅を有する赤外光をフィルタ処理するように調整されるフィルタを用いて赤外線をフィルタ処理する工程と、ｉｉ）測定されたパラメータと共に、赤外放射輝度のための閾値をマッピングする閾値ルックアップテーブルにおいて検出された赤外放射輝度値を調べることによって、種が発生し得ることを認識する工程であって、前記閾値を超えると種が生じる可能性が高い工程と、ｉｉｉ）種画像を形成するために、認識された種が発生し得ることを処理する工程と、が行われる。

以下で、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態の一例を説明する。

フィルタ、レンズ、シャッタ、および、保護窓を有する単一カメラの概略図。 マルチカメラシステムの構成の一例を示す図。 ディスプレイ上の灰雲を示す図。 ３つの異なる飛行高度に関する澄んだ大気中の水平経路における放射伝達のグラフ。 ８．６μｍおよび７．３μｍでのＳＯ_２の２つの帯域における線強度のグラフであって、システムのフィルタの応答関数も示したグラフ。

航空機の前方の火山性物質の検出の基本原理は、６−１３μｍの範囲のフィルタ処理された赤外線の使用に依存する。この範囲内では、灰、水蒸気、ＳＯ_２ガス、および、着氷灰の検出のために狭い範囲（０．５−１．０μｍ）の帯域が選択される。好ましい検出方法は、広視野カメラ、急速サンプリングカメラ、撮像カメラ、非冷却マイクロボロメータカメラを使用することである。

マイクロボロメータは、サーマルカメラにおける検出器として使用される。赤外線が、検出器材料に衝突して、検出器材料を加熱し、それにより、検出器材料の電気抵抗を変える。この抵抗変化は、測定されて、画像を形成するために使用され得る温度へと処理される。他のタイプの赤外線検出機器とは異なり、マイクロボロメータは冷却を必要としない。

一般に、このカメラは、６４０×５１２ピクセル×ラインを含むことができ、１０−１２μｍの範囲において３００Ｋで５０ｍＫ（または、それよりも良好）の雑音等価温度差を有することができ、また、最大で６０Ｈｚのサンプリングレートを与えることができる。灰、ＳＯ_２ガス、Ｈ_２Ｏガス、および、着氷灰の同時検出においては５つの配列されたカメラが想定される。各カメラは、６−１３μｍの範囲内の赤外線に対して感度が良い検出器を有する。種の認識を行う目的で放射線のスペクトル成分を限定するために、狭い帯域のフィルタがそれぞれのカメラ上に配置される。カメラは航空機の前方の同じ視界を共有し、したがって、原理上は、複数の同時の狭帯域赤外線画像を最大で６０Ｈｚのサンプリングレートでリアルタイムに取得できる。これらの配列画像は、先に特定された４つの目標種のそれぞれを認識するための特別なアルゴリズムを使用して急速に処理することができる。

システムの一実施形態においては５つの配列された撮像カメラが備えられているが、このカメラの数は、ユーザの要求に応じて更に多くすることができあるいは更に少なくすることができる。このシステムにおけるカメラの一般的な例が図１に示されている。航空機の前方からの赤外線は、各カメラのフィルタ１に入るとともに、カメラレンズ２を通って合焦されて、検出器アレイ３上に落ちる。シャッタ４は較正のために使用される（以下を参照）。信号は、標準的な高速通信プロトコル５によって更なる処理のためのコンピュータへ伝送される。システムが航空機の前方を見ている間にフィルタおよびレンズを保護するため、ＩＲ透過窓７（例えば、ゲルマニウムガラス）がシャッタとフィルタとの間に取り付けられる。シャッタは、参照番号６で示されるように温度制御されて、光学素子と対向する側が黒くなっている。

マルチカメラシステムにおける構成例が５つのカメラ８を伴って図２に示されている。保護シャッタ４は、アセンブリ９の前方に機械的に駆動されて、システムが使用中のときに引き込まれる。ゲルマニウムガラス窓７は、観察モードの間、破片からの保護を行う。信号ライン５および電力ライン１０がアセンブリハウジング９の背面にあり、アセンブリハウジング９は、電子機器、フレームグラバー、および、コンピュータハードウェアを収容する。５つのカメラが示されているが、構成は、認識されるべき危険の数に応じて更に多くのあるいは更に少ないカメラから成る場合もある。例えば、２つのカメラを有するシステムは、火山灰および着氷灰の認識を可能にする。

カメラは、各カメラが同じ量の赤外線に晒されるときに同じデジタル信号を記録するように、航空機に設置する前に予め較正される。これは、各カメラを、そのフィルタを伴わずに、既知の赤外線源（既知の一定の温度）に向けて、各カメラの各ピクセルからデジタル信号を記録することによって達成できる。各カメラに対して、１０Ｋ（例えば）ずつ、２１０〜３００Ｋの範囲にわたって赤外線源の温度を変えて、直線（線形）較正として、６４０×５１２×１０×２個の値から成るテーブルを形成することによって、ルックアップテーブルを決定することができる。このプロセスは、使用されるそれぞれの狭帯域フィルタごとに繰り返すことができる。航空機に搭載されると、加熱されて黒くなったシャッタをフィルタの前方に挿入するとともに、シャッタの既知の（制御された）温度に対応するデジタルカウントを記録することによって、再較正を間欠的に行うことができる。シャッタは、本発明のシステムの作動が停止される際、離陸中および着陸中にカメラに向かって来る破片および埃から保護するという二重目的も果たす。言うまでもなく、随意的に、直線較正方程式において第２の較正点を与えるために第２のシャッタを使用できる。第２のシャッタの使用は、単に実用的利便性の事柄であり、本発明の主要な動作原理を変えない。

システムは、航空機が巡航高度に達したとき、および、空気で運ばれる危険物が検出されて航空機が方向、即ち、飛行高度および機首方位を変えることによって回避操縦を行うときにはいつでも、作動する。作動停止モードではシャッタが閉じられる。作動前に、システム（５つの全てのカメラ）のための事前較正サイクルが行われる。シャッタが開放されて、システムが画像を収集し始める。市販のカメラは６０Ｈｚの速さでサンプリングでき、これは好ましいサンプリングレート（あるいは更に高い）である。しかしながら、幾つかの輸出規制が幾つかのカメラに適用され、このことは、更に低いサンプリングレートが適用される場合があることを意味する。以下の説明では、８Ｈｚのサンプリングレートを想定する。これは、この周波数では、輸出規制がないからである。基本原理は、更に高いサンプリング周波数を使用しても変わらない。

各カメラは、毎秒Ｎピクセル×Ｍラインサイズの８つの画像を与える。ルックアップテーブルが搭載較正データと共に使用されて、デジタル信号が輝度温度（ＢＴ_{ｉ，ｊ，ｋ}）へ変換される。ここで、ｋはカメラ数を表し、現在のシステムではｋ＝１，２，３，４または５であり、また、ｉおよびｊはそれぞれピクセル数およびライン数である。輝度温度は以下の数式により決定される。

ここで、Ｒ_{ｉ，ｊ，ｋ}は、ピクセルｉ、ラインｊ、フィルタｋにおける放射輝度であり、
ν_ｋは、カメラフィルタｋにおける中心波数であり、
ＢＴ_{ｉ，ｊ，ｋ}は、輝度温度であり、
ｃ_１およびｃ_２は、アインシュタイン放射定数である。

放射輝度Ｒ_{ｉ，ｊ，ｋ}は、事前較正手続きおよび事後較正手続きにより決定され、デジタル信号カウントの一次関数であると仮定される。カメラ画像は、雑音を減少させてシステムの信号対雑音比を向上させるために平均化されてもよい。

説明の都合上、我々は、１つの画像ピクセルに着目し、他の全てのピクセルを同じ方法で処理できると仮定する。ただし、較正ルックアップテーブルはピクセルごとに異なる。この場合、１つのピクセルにおけるデータは測定値ＢＴ１，ＢＴ２，ＢＴ３，ＢＴ４，ＢＴ５から成り、これらの測定値は５つのそれぞれのカメラからの輝度温度を表す（例えば、ＢＴ１は、フィルタ１を有するカメラ１におけるそのピクセルに関する輝度温度である）。

本発明のシステムは航空機計器データストリームにリンクされ、それにより、ＧＰＳ座標、高度（ｚ）、経度（ｌ）、緯度（ｑ）、機首方位（ｈ）、方向（ｄ）、ロール（ｒ）、ヨー（ｙ）、ピッチ（ｘ）、時間（ｔ）、対地速度（ｖ）、風速（ｗ）、および、大気温度（Ｔａ）を少なくとも１ｓ、好ましくは更に速いサンプリングレートで利用できる。

一実施形態では、システムが以下の中心波数（ｃｍ^−１）のフィルタを使用する。

灰検出アルゴリズム
ピクセルは、以下の条件がそれぞれの場合に満たされれば、灰であるという判断が下される。
ＤＴ１_Ａｓｈ＝（ＢＴ４−ＢＴ５）／Ｔａ＞Ｔ１_Ａｓｈ（Ｔａ，ｒ，ｙ，ｘ）／Ｔａ （１）
ＤＴ２_Ａｓｈ＝（ＢＴ３−ＢＴ５）／Ｔａ＞Ｔ２_Ａｓｈ（Ｔａ，ｒ，ｙ，ｘ）／Ｔａ （２）

ここで、Ｔ１_ＡｓｈおよびＴ２_Ａｓｈは、大気温度（Ｔａ）および実際の航空機ロール値、ピッチ値、および、ヨー値を含む一組のパラメータにおける予め計算された放射伝達計算により決定される温度差である。なお、ＤＴ１_ＡｓｈおよびＤＴ２_Ａｓｈは、無次元量であり、厳密には指数である。

一連の８つの連続した条件（１）および（２）の発生が全ての画像の所定の一部分に関して起こる場合には、警報が鳴らされる。異なる画像におけるピクセルの総数の５％の値が使用されるが、これを必要に応じて調整できる−航空機が指定された空域または火山灰により影響される可能性が高い空域で運航している場合には更に低い値が設定され、影響されない領域にあるときには更に高い値が設定される。

Ｈ_２Ｏ検出アルゴリズム
ピクセルは、以下の条件がそれぞれの場合に満たされれば、水蒸気であるという判断が下される。
ＤＴ_ｗｖ＝ＢＴ１−Ｔａ＞Ｔ_ｗｖ（Ｔａ，ｒ，ｙ，ｘ） （３）

ここで、Ｔ_ｗｖは、大気温度（Ｔａ）および実際の航空機ロール値、ピッチ値、および、ヨー値を含む一組のパラメータにおける予め計算された放射伝達計算により決定される温度差である。

警報は鳴らされず、Ｔ_ｗｖは、その警報が鳴らされれば氷アルゴリズムと共に使用される。

着氷灰（ＩＣＡ）検出アルゴリズム
ピクセルは、以下の条件がそれぞれの場合に満たされれば、ＩＣＡであるという判断が下される。
ＤＴ_ＩＣＡ＝（ＢＴ４−ＢＴ５）／Ｔａ＜Ｔ_ＩＣＡ（Ｔａ，ｒ，ｙ，ｘ）／Ｔａ （４）

ここで、Ｔ_ＩＣＡは、大気温度（Ｔａ）および実際の航空機ロール値、ピッチ値、および、ヨー値を含む一組のパラメータにおける予め計算された放射伝達計算により決定される温度差である。

一連の８つの連続した条件（４）の発生が全ての画像の所定の一部分に関して起こる場合には、警報が鳴らされる。異なる画像におけるピクセルの総数の５％の値が使用されるが、これを必要に応じて調整できる−航空機が指定された空域または火山灰により影響される可能性が高い空域で運航している場合には更に低い値が設定され、影響されない領域にあるときには更に高い値が設定される。警報が鳴らされると、条件（３）がチェックされ、この条件が満たされる場合には、ピクセルがＩＣＡであると確認される。水蒸気条件の使用は、全く新しいというわけではなく、危険な小サイズの着氷灰粒子を検出するために誤認警報率を減らす。

ＳＯ_２検出アルゴリズム
ピクセルは、以下の条件がそれぞれの場合に満たされれば、ＳＯ_２であるという判断が下される。
ＤＴ１_ＳＯ２＝（ＢＴ１−ＢＴ２）／Ｔａ＜Ｔ１_ＳＯ２（Ｔａ，ｒ，ｙ，ｘ）／Ｔａ （５）
ＤＴ２_ＳＯ２＝（ＢＴ３−ＢＴ５）／Ｔａ＜Ｔ２_ＳＯ２（Ｔａ，ｒ，ｙ，ｘ）／Ｔａ （６）

ここで、Ｔ１_ＳＯ２およびＴ２_ＳＯ２は、大気温度（Ｔａ）および実際の航空機ロール値、ピッチ値、および、ヨー値を含む一組のパラメータにおける予め計算された放射伝達計算により決定される温度差である。

一連の８つの連続した条件（５）および（６）の発生が全ての画像の所定の一部分に関して起こる場合には、警報が鳴らされる。異なる画像におけるピクセルの総数の５％の値が使用されるが、これを必要に応じて調整できる−航空機が指定された空域または火山灰により影響される可能性が高い空域で運航している場合には更に低い値が設定され、影響されない領域では更に高い値が使用される。

灰雲の検出に関し、乗組員に対して表示されたディスプレイの一例が図３に示されている。これは、ケイ酸塩材料から構成される灰雲に基づいており、航空機の前方を撮像する２つのカメラからの一定の短い時間差を隔てた６つのフレームにおけるＤＴ１_Ａｓｈ信号を示している。灰の最も高い濃度が赤で（あるいは、白黒である図３では、暗く）示され、背景の空が薄紫（図３では薄い灰色）で示される。航空機が危険に近づくにつれて、パイロットは、航空機の機首方位を変えて危険を回避することができる。

この発明の重要な部分は、航空機から赤外領域（６−１３μｍ）で見るのに適する幾何学的な考慮を利用して、火山雲を伴うおよび伴わない大気の詳細な放射伝達モデルから予め計算される閾値を使用することである。図４は、３つの異なる飛行高度における７００〜１６００ｃｍ^−１からの澄んだ大気の放射輝度の水平経路シミュレーションを示している。９．５ｋｍでは、大気が非常に冷たいように見える、即ち、水平経路の等価黒体温度が約２２７Ｋである。航空機と冷たい背景との間に配置される任意の火山雲は、既知の方法でシステムが受ける放射輝度を変える。放射線のスペクトル成分は、灰、ＳＯ_２、Ｈ_２Ｏ、および、着氷灰粒子の痕跡を含む。これらの痕跡も、放射伝達モデルと大きなルックアップテーブルに記憶される結果とによってシミュレートすることができる。なお、放射輝度曲線は、高度及び大気温度に伴って変化し、大気温度は、搭載航空機計器類によって決定されて、検出アルゴリズムに使用される。温度の代わりに高さ（飛行高度）を同様に使用することができるが、温度の方がロバスト性の高い指標である。

これらのスペクトルにおける灰信号は、冷たい背景を見るときには、Ｆ５（ＢＴ５）よりも高いフィルタ４（ＢＴ４）の輝度温度によって特徴付けられる。閾値は、ケイ酸塩に関する屈折率データを使用することによって決定され、また、散乱計算は、当該技術分野によれば、１〜２０μｍの範囲内の半径を有する粒子における測定粒径分布に基づく。一般に、計器は、水平にあるいは僅かに上方に見える（航空機は、通常、上方に３°のピッチ角を有する）。しかしながら、航空機は下方へピッチングする場合があり、その場合には、背景温度が冷たい背景から暖かい背景へと変化し得る。この場合、灰の痕跡はＢＴ４＜ＢＴ５によって認識される。ルックアップテーブルは、ピッチ角および大気温度が考慮されるように構成される。また、ロール角およびヨー角が補償されるが、これらは検出アルゴリズムに対して僅かな影響しか与えない。火山灰に対して感度を有する８．６μｍ付近のフィルタを利用することより、追加のフェイルセーフ閾値も検出アルゴリズムに組み入れられる。

着氷灰アルゴリズムの演算は、氷に関するデータ（半径が３０μｍ未満の小粒子に関する屈折率および散乱データ）を用いて閾値ルックアップテーブルが決定される点を除き、灰アルゴリズムと同様である。小さい氷粒子の場合には、冷たい背景で見るためにＢＴ４＜ＢＴ５である（着氷を伴わない灰とは反対である）。灰検出のために使用される方法と同様の方法で背景状態が考慮される。

何らかのロバスト性を与えて、外気温度とは無関係な検出を行うために、温度差の正規化が行われる。

ＳＯ_２およびＨ_２Ｏのルックアップテーブルも使用される。ＳＯ_２は、図５が示すように、８．６μｍおよび７．３μｍ付近で非常に強い吸収を有する。ＳＯ_２を検出する原理は、既に説明してきたとおりであり、ＳＯ_２が取り込まれた大気のケースに適用できる線強度および伝送を想定する放射伝達計算に基づいている。通常の状態下で、ＳＯ_２は極めて低い存在度（＜１０^−３ｐｐｍ）を有し、そのため、これらの吸収特性を使用するＳＯ_２の検出は、航空機の前方の火山雲の場合に非常に効果的である。

Claims (17)

1. 航空機の前方の複数の悪大気状態を検出するためのシステムであって、
   航空機に搭載される複数の赤外線カメラを備えており、
   前記複数の赤外線カメラは、互いに帯域が異なる赤外光での赤外放射輝度を空間的に検出するように調整されており、
   前記複数の赤外線カメラの各々は、複数の画像を処理して組み合わせる画像処理コンピュータに接続されているとともに、前記航空機に対する複数の悪大気状態の位置を示すビデオディスプレイを生成するためのビデオディスプレイ信号を発生させ、
   前記各赤外線カメラは、一組の悪大気状態のうちの或る１つの悪大気状態の赤外線帯域幅特性に対応する帯域幅を有する赤外光をフィルタ処理するように調整されたフィルタを備えており、
   前記画像処理コンピュータは、複数の悪大気状態を認識するようになっており、前記複数の悪大気状態の認識は、閾値条件に基づくとともに、前記検出された赤外放射輝度と、ルックアップテーブルからのデータと、前記航空機の位置及び／又は姿勢に関する情報を含む測定されたパラメータとを使用して行われており、
   前記画像処理コンピュータは、更に、前記認識された複数の悪大気状態を空間画像としてディスプレイ上に表示するようになっていることを特徴とするシステム。
2. 前記一組の悪大気状態は、火山灰、着氷灰、水蒸気及び二酸化硫黄を含む請求項１に記載のシステム。
3. 前記システムは、着氷灰及び水蒸気の両方を認識するように構成されており、水蒸気の認識は、着氷灰を認識したことを確認するために使用される請求項２に記載のシステム。
4. 前記閾値条件は、大気の放射伝達モデルを使用して予め計算される請求項１、２又は３に記載のシステム。
5. 前記画像処理コンピュータは、前記検出された赤外放射輝度から輝度温度を決定するように構成されており、前記複数の悪大気状態の認識は、前記輝度温度に関連する値が前記閾値条件を満たすかどうかを決定することを含む請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記測定されたパラメータは、ピッチ角及び大気温度を含む請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記システムは、更に、１つ以上の外部の黒ずんだシャッタを備えており、前記撮像カメラは、飛行中に較正値を提供するために前記シャッタに対して事前に較正される請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
8. 航空機の前方の複数の悪大気状態を検出して、前記複数の悪大気状態を表示するための方法であって、前記方法は、複数の赤外線カメラを使用して互いに帯域が異なる赤外光での赤外放射輝度を空間的に検出することを含んでおり、
   前記複数の赤外線カメラの各々において、
   ｉ）一組の悪大気状態のうちの或る１つの悪大気状態の赤外線帯域幅特性に対応する帯域幅を有する赤外光をフィルタ処理するように調整されたフィルタを用いて赤外線をフィルタ処理し、
   ｉｉ）閾値条件に基づくとともに、前記検出された赤外放射輝度とルックアップテーブルからのデータと前記航空機の位置及び／又は姿勢に関する情報を含む測定されたパラメータとを使用して、複数の悪大気状態が発生し得ることを認識し、
   ｉｉｉ）前記認識された複数の悪大気状態が発生し得ることを処理して、空間画像を形成することを特徴とする方法。
9. 前記方法は、更に、
   ｉｖ）前記空間画像と、他のカメラからの画像及び前記航空機の飛行経路に関する情報とを組み合わせることを含む請求項８に記載の方法。
10. 前記一組の悪大気状態は、火山灰、着氷灰、水蒸気及び二酸化硫黄を含む請求項８又は９に記載の方法。
11. 前記方法は、着氷灰および水蒸気の両方が発生し得ることを認識することを含み、水蒸気の認識は、着氷灰を認識したことを確認するために使用される請求項１０に記載の方法。
12. 前記閾値条件は、大気の放射伝達モデルを使用して予め計算される請求項８乃至１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記各赤外線カメラにおいて、更に、前記検出された赤外放射輝度から輝度温度を決定し、前記複数の悪大気状態が発生し得ることの認識は、前記輝度温度に関連する値が前記閾値条件を満たすかどうかを決定することを含む請求項８乃至１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記測定されたパラメータは、ピッチ角及び大気温度を含む請求項８乃至１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記方法は、更に、１つ以上の外部の黒ずんだシャッタに対して撮像カメラを事前に較正して、飛行中に較正値を与えることを含む請求項８乃至１４のいずれかに記載の方法。
16. コンピュータベースのシステム内の処理ユニットの内部メモリ内にロード可能なコンピュータプログラムであって、請求項８乃至請求項１５のいずれかに記載の方法を行うためのソフトウェアコード部を備えることを特徴とするコンピュータプログラム。
17. コンピュータが読み取り可能な媒体に記憶されるコンピュータプログラムプロダクトであって、読み取り可能なプログラムを備えており、前記コンピュータは、前記読み取り可能プログラムを実行することによって、請求項８乃至１５のいずれかに記載の方法を行うことを特徴とするプログラムプロダクト。

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