KR20130054285A - 항공기 앞의 불리한 대기 조건들을 감지하는 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 항공기 앞의 불리한 대기 조건들을 감지하는 시스템 및 방법이다. 시스템은 다른 밴드들의 적외선 광의 적외선 복사를 공간적으로 감지하도록 조정된 복수의 적외선 카메라들(8)을 가지고, 각각의 카메라는 영상들을 처리하고 결합하고, 상기 항공기에 대하여 상기 불리한 대기 조건들의 위치를 나타내는 비디오 디스플레이를 형성하기 위한 비디오 디스플레이 신호들을 생성한다. 카메라들 각각은, 불리한 대기 조건들의 집합으로부터 하나의 불리한 대기 조건의 적외선 밴드폭 특성에 상응하는 밴드폭을 가지는 적외선 광을 필터링하도록 조정된 각각의 필터가 구비된다. 영상 처리 컴퓨터는, 문턱 조건들에 기초하고, 감지된 상기 적외선 복사, 순람표로부터의 데이터, 및 상기 항공기의 위치 및/또는 자세의 정보를 포함하는 측정된 파라미터들을 이용하여 불리한 대기 조건들을 식별하도록 적용된다. 영상 처리 컴퓨터는 디스플레이 상의 공간적인 영상으로서 식별된 불리한 대기 조건들을 디스플레이하도록 더 적용된다.
Description
본 발명은 항공기 앞의 불리한 대기 조건들을 감지하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상기 시스템은, 예를 들어, 이산화황 및 화산재, 바람에 날리는 먼지 및 얼음 입자들과 같은 입자들을 감지할 수 있는 복수의 적외선 카메라들을 가진다. 또한, 상기 시스템은 항공기 승무원에게 불리한 조건들을 나타내는 영상들 및 디스플레이를 처리하는 컴퓨터를 포함한다.
감지를 원하는 많은 불리한 대기 조건들이 있다. 이들은 화산재, 이산화황 가스와 같은 유독 가스들, 바람에 날리는 먼지 및 얼음 입자들을 포함한다.
화산 구름들은 비행에 위험한 실리케이트 재(ash) 및 가스들을 포함한다. 제트 항공기와 화산재의 여러 번의 접촉은, 엔진의 뜨거운 부분으로 재가 인입되고, 이에 따라 터빈 블레이드 상에 용해되고 융합됨에 따라, 심각한 손상을 야기한다. 또한, 재는 대기 속도계(pitot static tube)들을 차단할 수 있고, 민감한 항공기 장치들을 손상시킬 수 있고, 항공기 동체 구조의 부분들의 말단 부분들을 마모시킬 수 있다. 화산 가스들은, 주로 SO2 이며, 항공기에 대하여 덜 위험하지만, SO2의 감지는 화산재의 표시로서 사용될 수 있고, 그 이유는 이러한 물질들은 종종 함께 모여지고, 대기 바람에 의하여 이송되기 때문이다. 화산 구름들의 다른 중요한 가스는 수증기(H2O 가스)이다. 수증기는 주변 공기와 동반됨으로써 또는 화산 소스에서의 물로부터 화산 구름들 내에 엄청난 양으로 포함된다(예를 들어, 해수는 섬에서의 화산 또는 해변 영역들에서의 공통 소스임). 대기 내에 포함되면, 수증기는 일반적인 기상학적 구름들 내의 얼음에 비하여 매우 작은 반경을 가지는 얼음을 빠르게 형성하는 재 핵(ash nuclei) 상에 농축될 수 있다. 이러한 많고, 작은 크기의 얼음 입자들은 항공기에 위험하며, 그 이유는 얼음이 뜨거운 엔진들과 접촉하여 빨리 녹게되고, 재 핵을 방출한게 되고, 재 핵은 터빈 블레이드들 상에 융합되고, 이에 따라 엔진 성능에 영향을 주고 엔진이 멈추게 하는 잠재적 원인이 되기 때문이다.
항공기의 손상은 수백만 달러로 계산될 수 있다. 항공기가 재 구름들과 심각하게 접촉하는 대부분의 경우는 비행 고도들에서 일어나지만, 화산재가 공항들에 있는 항공기에 영향을 주는 것도 위험할 수 있다. 이러한 공항들은 일반적으로 활화산에 대하여 가까이 위치하지만, 재를 이러한 영역으로 이동시키는 대기 이동에 의하여 폭발 원으로부터 일정한 거리로 이격될 수 있다.
공항 운행에 위험한 재의 비용은 알려져 있지 않지만, 비용이 항공사 조정자들에 의하여 발생되는 비행 경로 재조정과 착륙과 이륙의 연기 등에 의한 비용을 포함하는 경우에는, 이는 상당할 수 있다. 최근(2010년4월14일) 아이슬란드(Iceland)의 에이야프야란요에클(Eyjafjallajoekull)의 폭발은 항공 산업에 약 20억 달러의 비용을 소모한 것으로 예측된다. 현재, 재의 위험에 대한 경고를 제공하는 항공 운행의 규정화된 요구들은 없다. 경고들은 화산 관찰들, 기상학적 주의들, 일부의 경우에 있어서 폭발 기둥들의 레이더 관찰들로부터의 정보들을 기초로 발행된다. 레이더 정보는 재 구름이 두꺼운 경우에서의 폭발의 시작에서 일반적으로 신뢰할 수 있고, 이러한 정보는 빈 화산에 가까이 위치하는 공항에서 일반적으로 사용가능하다. 재의 소스로부터 떨어져 있는 공항들에 대하여는, 직접적인 관찰이 거의 가능하지 않다. 일부의 관찰들은 위성 시스템들로부터 제공되고, 정보의 다른 소스들은 바람 데이터 및 구름 높이 정보에 기초한 궤적 예고로부터 제공된다. 이러한 정보의 대부분은 산발적이고, 시기상조이고, 또한 더 좋은 감지 시스템들이 요구된다.
다른 불리한 대기 조건들은 화산들 및 산업 공장으로부터 배출되는 유독 가스들을 포함한다. 특히 중요하고 많은 입자들은 이산화황 (SO2) 가스이다.
화산들로부터의 SO2 구름들은 대기의 수증기와 반응할 수 있고, 황산을 형성하여 항공기를 손상시킬 수 있다. 이산화황은 화산재로부터 분리된 영역에서 발견될 수 있다. 항공기는 재를 통과하지 않고 이산화황을 통과하여 비행할 수 있다. 이산화황과 접촉하는 경우에 엔진의 접촉 후 처리는 재와 접촉하는 동안에 엔진에 요구되는 동등한 처리에 비하여 다르고 상당히 저렴하다. 이에 따라, SO2 구름들에 대한 항공기에의 경고하는 것이 요구된다.
재 및 다른 입자들은, 코어 주위로 물이 어는 경우에, 일정한 조건하에서 얼음 입자의 형성을 시작시킬 수 있다. 이에 따라, 바람에 날리는 먼지 및 얼음 입자들은 항공기, 차량 등에 매우 유해할 수 있다.
비행 고도들(15,000 피트 이상임)에서의 제트 항공기는 매우 빠르게 비행하며(> 500 km/시), 앞에 있는 화산 구름 위험을 감지하는 수단을 가지지 않는다. 빠른 속도 때문에, 감지 방법은 정보를 빠르게 수집할 수 있어야 하며, 자동화된 경보 및 재기 중의 다른 물질들(예를 들어, 물과 얼음의 기상학적 구름들)로부터 화산 물질들을 구별할 수 있는, 종 식별 알고리즘를 제공하여야 한다.
국제특허출원번호 제WO2005031321A1호, 국제특허출원번호 제WO2005068977A1호 및 국제특허출원번호 제WO2005031323A1호는 불리한 대기 조건과 관련하여 적외선 복사의 적어도 두 개의 파장들을 이용하여, 이산화황, 화산재 및 바람에 날리는 먼지를 관찰하는 방법 및 장치를 제공한다.
미국등록특허번호 제US3931462호는 굴뚝으로부터 방출되는 연기 기둥 내의 SO2를 측정하는 UV 비디오 시스템의 사용을 제공한다.
미국등록특허번호 제US4965572호는 적외선 온도 감지기를 이용하여 낮은 수준의 바람 전단형 난류를 이격하여 감지하는 방법들 및 장치를 제공한다.
미국등록특허번호 제US5140416호는 결과적인 영상이 개선된 정보를 가지도록 복수의 소스들로부터 비디오 영상을 융합 또는 결합하는 시스템 및 방법을 개시한다. 센서들은, ?고 긴 파장의 적외선과 같은, 스캔된 화면들에서의 다른 유형의 스펙트럼에 대하여 반응한다.
미국등록특허번호 제US5654700호 및 미국등록특허번호 제US 5602543호는 적외선 감지기들을 이용하여 항공기 앞의 조건들을 모니터하고, 위치를 디스플레이하고, 경고하고, 항공기의 경로를 재설정하는 항공기의 불리한 대기 조건 감지 시스템을 제공한다.
본 발명은 항공기 앞의 불리한 대기 조건들을 감지하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
일측면에 의하면, 본 발명은 항공기 앞의 불리한 대기 조건들을 감지하는 시스템을 제공하고, 상기 시스템은 상기 항공기에 장착된 복수의 적외선 카메라들을 포함하고, 상기 적외선 카메라들은 다른 밴드들의 적외선 광의 적외선 복사를 공간적으로 감지하도록 조정되고; 상기 카메라들 각각은, 영상들을 처리하고 결합하고, 상기 항공기에 대하여 상기 불리한 대기 조건들의 위치를 나타내는 비디오 디스플레이를 형성하기 위한 비디오 디스플레이 신호들을 생성하는 영상 처리 컴퓨터와 연결되고, 상기 카메라들 각각은, 불리한 대기 조건들의 집합으로부터 하나의 불리한 대기 조건의 적외선 밴드폭 특성에 상응하는 밴드폭을 가지는 적외선 광을 필터링하도록 조정된 각각의 필터가 구비되고; 상기 영상 처리 컴퓨터는, 문턱 조건들에 기초하고, 감지된 상기 적외선 복사, 순람표로부터의 데이터, 및 상기 항공기의 위치 및/또는 자세의 정보를 포함하는 측정된 파라미터들을 이용하여 상기 불리한 대기 조건들을 식별하도록 적용되고; 및 상기 영상 처리 컴퓨터는 상기 디스플레이 상의 공간적인 영상으로서 식별된 불리한 대기 조건들을 디스플레이하도록 더 적용된다.
본 발명은, 불리한 대기 조건들, 특히 화산들에 의하여 야기된 불리한 대기 조건들을 감지하고, 항공기의 승무원에게 상기 불리한 대기 조건들을 시각화하는, 항공기에 적절한 장치를 제공한다. 본 발명은 화산 구름들을 감지하는 데 특히 유용하다. 예를 들어, 본 발명은 비행 고도들에서 제트 항공기 앞의 화산 물질들을 빠르게 감지할 수 있고, 화산재, SO2 가스 및 얼음이 코팅된 재 입자들을 동시에 감지하고 구별할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명은, 재, SO2 가스 및 얼음이 코팅된 재를 식별하도록 원래의 카메라 데이터를 변환하는 알고리즘들과 프로세스들을 제공한다.
바람직하게는, 상기 시스템은 항공기의 시야각을 모니터한다.
본 발명의 카메라들은 비냉각 방식 적외선 열영상 조합 카메라들일 수 있다.
상기 시스템의 일 실시예에 있어서, 피치 각도 및 주변 온도는 순람표에서 나타난다.
바람직하게는, 상기 불리한 대기 조건들은 화산재, 얼음이 코팅된 재, 수증기 및 이산화황을 포함한다. 측정된 파라미터들은 피치 각도 및 주변 온도를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 문턱 조건들은 대기의 복사 전달 모델을 이용하여 미리 계산된다.
바람직하게는, 상기 영상 처리 컴퓨터는 감지된 적외선 복사로부터 휘도 온도들을 결정하도록 배열되고, 상기 식별하는 단계는, 휘도 온도들에 관련된 수치들이 문턱 조건들을 만족하는 지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 시스템은 영상 카메라들은 비행 중의 캘리브레이션 수치들을 제공하도록 미리 계산되고, 하나 또는 그 이상의 외부의 흑색화된 셔터들을 포함할 수 있다.
가장 바람직하게는, 상기 시스템은 재, 이산화황 또는 얼음이 코팅된 재의 불리한 조건을 나타내도록 결정된 영상들의 분석에 기초한 통계적 경보를 제공한다. 상기 통계적 경보는 공간적 및 임시적 정보를 사용하고, 잘못된 경보들을 감소시키고, 안전함을 확인하도록 비행 중의 테스트들에 따라 조정될 수 있다.
이러한 실시예들에 있어서, 컴퓨터에 기초한 시스템 내에서 처리 유니트의 내부 메모리 내에 로딩 가능한 컴퓨터 프로그램일 수 있고, 상기 단계들을 수행하기 위한 소프트웨어 코드 부분들을 포함한다.
이러한 실시예들에 있어서, 컴퓨터 독취 가능한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램 제품일 수 있고, 이는 컴퓨터에 기초한 시스템 내의 처리 유니트가 상기 단계들에 따른 수행을 제어하는 독취 가능한 프로그램을 포함한다.
바람직하게는 상기 시스템은 이격된 방법으로 항공기 앞의 공기 중에 적어도 세가지 화산 물질들(재, SO2 및 재 코팅된 얼음 입자들)을 감지하도록 배열되고, 추가적으로 물방울들 및 얼음의 다른 기상학적 구름들로부터 이들을 식별할 수 있다.
또한, 본 발명은 더 일반적으로 항공기 앞의 불리한 대기 조건들을 감지하는 시스템을 제공하고, 상기 시스템은 상기 항공기에 장착된 복수의 적외선 카메라들을 포함하고, 상기 적외선 카메라들은 적외선 광의 다른 밴드들 내의 적외선 복사를 공간적으로 감지하도록 조정되고; 각각의 카메라는 영상들을 처리하고 결합하는 영상 처리 컴퓨터와 연결되고, 상기 카메라들 각각은 불리한 대기 조건들의 집합으로부터 하나의 불리한 대기 조건의 적외선 밴드폭 특성에 상응하는 밴드폭을 가지는 적외선 광을 필터링하도록 조정된 각각의 필터를 가지고; 및 상기 영상 처리 컴퓨터는 불리한 대기 조건들을 식별하고 디스플레이하도록 적용되고, 상기 식별하는 단계는 감지된 적외선 복사 및 상기 항공기의 위치 및/또는 자세의 정보를 포함하는 측정된 파라미터들을 이용하여 문턱 조건들에 기초한다.
다른 측면에 따라서, 본 발명은 항공기 앞의 불리한 대기 조건들을 감지하고 상기 불리한 대기 조건들을 디스플레이하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 복수의 적외선 카메라들을 이용하여 적외선 광의 다른 밴드들 내에서 적외선 복사를 공간적으로 감지하는 단계를 포함하고, 각각의 카메라에서: i) 불리한 대기 조건들의 집합으로부터 하나의 불리한 대기 조건의 적외선 밴드폭 특성에 상응하는 밴드폭을 가지는 적외선 광을 필터링하도록 조정된 필터로 적외선 복사를 필터링하는 단계; ii) 문턱 조건들에 기초하고, 감지된 상기 적외선 복사, 순람표로부터의 데이터, 및 상기 항공기의 위치 및/또는 자세의 정보를 포함하는 측정된 파라미터들을 이용하여 불리한 대기 조건들의 발생들을 식별하는 단계; 및 iii) 공간적인 영상을 생성하도록, 상기 불리한 대기 조건들의 식별된 발생들을 처리하는 단계;를 수행한다.
일 실시예에 있어서, 상기 방법은, 상기 영상을 항공기 비행 경로에서 다른 카메라들 및 정보로부터의 영상과 결합하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 불리한 대기 조건들은 화산재, 얼음이 코팅된 재, 수증기 및 이산화황을 포함한다. 상기 측정된 파라미터들은 피치 각도 및 주변 온도를 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 항공기 앞의 화산 구름들을 감지하는 시스템을 제공하고, 상기 시스템은, 상기 항공기에 장착된 복수의 적외선 카메라들을 포함하고, 상기 적외선 카메라들은 다른 밴드들의 적외선 광의 적외선 복사를 공간적으로 감지하도록 조정되고, 상기 카메라들 각각은, 영상들을 처리하고 결합하고, 상기 항공기에 대하여 상기 불리한 조건들의 위치를 나타내는 비디오 디스플레이를 형성하기 위한 비디오 디스플레이 신호들을 생성하는 영상 처리 컴퓨터와 연결되고; 카메라들 각각은 화산 종들의 집합에서 하나의 화산 종의 적외선 밴드폭 특성에 상응하는 밴드폭을 가지는 적외선 광을 필터링하도록 조정된 각각의 필터를 가지고, 상기 영상 처리 컴퓨터는, 종들이 발생할 수 있는 적외선 복사의 문턱에서 측정된 파라미터들을 이용하여 맵핑된 각각의 종들에 대한 문턱 순람표들에 의하여 디스플레이 상의 공간적인 영상으로서 식별하고 디스플레이하도록 적용된다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 항공기 앞의 화산 구름을 감지하고, 적외선 광의 다른 밴드들에서 적외선 복사를 공간적으로 감지하고, 하나 또는 그 이상의 적외선 카메라들로부터 정보를 처리하고, 상기 정보를 상기 항공기로부터의 비행 경로 정보와 결합하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 각각의 카메라에 대하여, i) 화산 종들의 집합에서 하나의 화산 종의 적외선 밴드폭 특성에 상응하는 밴드폭을 가지는 적외선 광을 필터링하도록 조정된 필터를 이용하여 적외선 복사를 필터링하는 단계; ii) 종들이 발생할 수 있는 적외선 복사의 문턱에서 측정된 파라미터들을 이용하여 맵핑된 문턱 순람표들에서 감지된 적외선 복사(radiance) 수치들을 조사하여 종들의 발생을 식별하는 단계; 및 iii) 공간적인 영상을 생성하도록, 상기 종들의 식별된 발생들을 처리하는 단계;를 포함한다.
본 발명은, 불리한 대기 조건들, 특히 화산들에 의하여 야기된 불리한 대기 조건들을 감지하고, 항공기의 승무원에게 상기 불리한 대기 조건들을 시각화하는, 항공기에 적절한 장치를 제공한다. 본 발명은 화산 구름들을 감지하는 데 특히 유용하다. 예를 들어, 본 발명은 비행 고도들에서 제트 항공기 앞의 화산 물질들을 빠르게 감지할 수 있고, 화산재, SO2 가스 및 얼음이 코팅된 재 입자들을 동시에 감지하고 구별할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명은, 재, SO2 가스 및 얼음이 코팅된 재를 식별하도록 원래의 카메라 데이터를 변환하는 알고리즘들과 프로세스들을 제공한다. 바람직하게는, 상기 시스템은 항공기의 시야각을 모니터한다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 예시적인 방법으로 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 필터, 렌즈, 셔터 및 보호 윈도우를 가지는 단일 카메라의 개략도이다.
도 2는 복수의 카메라 시스템의 예시적인 구성이다.
도 3은 디스플레이 상의 재 구름을 도시한다.
도 4는 세 개의 다른 비행 고도들에서의 맑은 대기에서 수평 경로의 복사 전달 계산을 도시한다.
도 5는 8.6 ㎛ 및 7.3 ㎛에서의 SO2의 두 가지 밴드들에 대한 선 강도들을 도시한다. 시스템의 필터의 반응 함수들이 도시되어 있다.
도 1은 필터, 렌즈, 셔터 및 보호 윈도우를 가지는 단일 카메라의 개략도이다.
도 2는 복수의 카메라 시스템의 예시적인 구성이다.
도 3은 디스플레이 상의 재 구름을 도시한다.
도 4는 세 개의 다른 비행 고도들에서의 맑은 대기에서 수평 경로의 복사 전달 계산을 도시한다.
도 5는 8.6 ㎛ 및 7.3 ㎛에서의 SO2의 두 가지 밴드들에 대한 선 강도들을 도시한다. 시스템의 필터의 반응 함수들이 도시되어 있다.
항공기 앞의 화산 물질들의 감지의 원칙은 6 ㎛ 내지 13 ㎛ 범위의 필터링된 적외선 복사의 사용과 관련된다. 이러한 범위 내에서, 좁은 (0.5 ㎛ 내지 1.0 ㎛) 밴드들이 재, 수증기, SO2 가스 및 얼음이 코팅된 재를 감지하기 위하여 선택된다. 바람직한 감지 방법은 광 시야각, 빠른 샘플링, 영상화, 비냉각 방식 적외선 열영상(uncooled microbolometer) 카메라들을 사용한다.
적외선 열영상 장치는 열 카메라들 내의 감지 장치로서 사용된다. 적외선 복사는 감지 장치 물질과 충돌하여 가열시키고 이에 따라 전기적 저항을 변화시킨다. 이러한 저항 번화는 측정되고 온도들로 처리되어 영상을 생성하도록 사용될 수 있다. 다른 유형의 적외선 감지 장치와는 달리, 적외선 열영상 장치는 냉각을 요구하지 않는다.
일반적으로, 이러한 카메라는 640 대 512 (화소들 대 라인들)을 가질 수 있고, 10 ㎛ 내지 12 ㎛ 범위 내에서 300 K에서 50 mK (또는 그 이상)의 노이즈 등가 온도 차이를 가지고, 또한 60 Hz까지의 샘플링 속도를 제공한다. 다섯 개의 같이 배열된 카메라들은 재, SO2 가스, H2O 가스, 및 얼음이 코팅된 재의 동시 감지를 위하여 고려된다. 각각의 카메라는 6 ㎛ 내지 13 ㎛ 범위 내의 적외선 복사에 민감한 감지 장치를 가진다. 좁은 밴드 필터들이 종 식별의 목적을 위하여 복사의 스펙트럼을 제한하도록 각각의 상기 카메라 상에 위치한다. 상기 카메라들은 항공기 앞에서 동일한 시야각을 공유하고, 이에 따라 항공기 앞의 동일한 시야각을 공유하고, 이에 따라 주로, 복수의 동시 좁은 밴드 적외선 영상들이 60 Hz까지의 샘플링 속도들에서 실시간으로 취득될 수 있다. 이러한 집합된 영상들은 상술한 바와 같이 특정된 네 가지 목표 종들 각각을 식별하도록 특정한 알고리즘들을 이용하여 빠르게 처리될 수 있다.
상기 시스템의 일 실시예는 5개의 조합된 영상 카메라들을 가지고, 그러나 이러한 숫자는 사용자의 필요들에 따라 더 많거나 더 적을 수 있다. 상기 시스템의 카메라의 일반적인 예가 도 1에 도시되어 있다. 항공기 앞의 적외선 복사는 각각의 카메라의 필터(1) 내로 입력되고, 카메라 렌즈(2)를 통하여 집광되고, 감지기 배열(3) 상에 떨어진다. 셔터(4)는 캘리브레이션으로 사용될 수 있다(아래를 참조). 신호들은 후속 처리를 위하여 표준 고속 통신 프로토콜(5)을 통하여 컴퓨터로 전달된다. 상기 시스템이 항공기 앞을 나타내는 동안 필터 및 렌즈를 보호하기 위하여, 적외선(IR) 투명 윈도우(7) (예를 들어, 게르마늄 유리)가 상기 셔터 및 필터 사이에 부착된다. 상기 셔터는 온도 조절되고 광학기와 대면하는 측에서 흑색화된다(6).
다섯 개의 카메라들(8)을 가지는 복수의 카메라 시스템의 예시적인 구성이 도 2에 도시되어 있다. 보호 셔터(4)는 어셈블리(9)의 앞에서 기계적으로 구동될 수 있고, 상기 시스템이 이용될 때에 철수될 수 있다. 게르마늄 유리 윈도우(7)는 시야 모드 중에 파편에 대한 보호를 제공한다. 신호(5) 및 전원(10) 라인들은, 전자장치들, 프레임 그래버, 및 컴퓨터 하드웨어를 하우징하는 어셈블리 하우징(9)의 후측에 위치한다. 다섯 개의 카메라들이 도시되어 있으나, 상기 구성은 식별되는 위험들의 개수에 따라 더 많거나 또는 더 적은 카메라들을 포함할 수 있다. 예를 들어 두 개의 카메라들을 가지는 시스템은 화산재 및 얼음이 코팅된 재의 식별을 허용할 수 있다.
상기 카메라들은 항공기에 설치되기 전에 미리 계산되고, 각각의 카메라들은 동일한 양의 적외선 복사에 노출될 때 동일한 디지털 신호를 등록한다. 이것은 필터 없이 알려진 적외선 복사(알려진 상수 온도)에서 각각의 카메라를 포인팅하고, 각각의 카메라의 각각의 화소로부터의 신호를 기록하여 구현될 수 있다. 순람표는, 640x512x10x2 수치들의 표를 제공하고, 선형 캘리브레이션을 가정하여, 각각의 카메라에 대하여 210 K 내지 300 K 범위에서 10 K (예를 들어)의 단계로 소스 온도를 다양하게 하여 결정할 수 있다. 이러한 처리는 사용된 각각의 좁은 밴드 필터에 대하여 반복될 수 있다. 항공기에 탑재되면, 간헐적인 재-캘리브레이션(re-calibration)들은 상기 필터의 앞에 가열되고 흑색화된 셔터를 삽입하고, 상기 셔터의 알려진(제어된) 온도에 상응하여 디지털 횟수들을 기록하여 수행될 수 있다. 또한, 상기 셔터는, 본 발명의 시스템이 비활성화 되면, 이륙이나 착륙 동안에 카메라를 향하는 파편이나 먼지들에 대한 보호를 제공하는 이중 목적을 제공한다. 선택적으로, 제2 셔터가 선형 캘리브레이션 방정식의 제2 캘리브레이션 지점을 제공하도록 사용될 수 있음을 이해할 수 있다. 상기 제2 셔터의 사용은 단순히 현실적인 편리함을 위한 것이고, 본 발명의 주요 사상을 변경하지 않는다.
상기 시스템은 항공기가 비행 고도에 도달하면 활성화되고, 비행성 위험이 감지될 때마다, 상기 항공기는 방향-비행 고도 및 향하는 지점을 변경하는 회피 동작을 수행한다. 비활성 모드에서는 상기 셔터는 닫힌다. 활성화되기 전에, 상기 시스템(모든 다섯 개의 카메라들)의 선-캘리브레이션 사이클이 수행된다. 상기 셔터가 열리고 상기 시스템은 영상들을 수집하는 것을 시작한다. 상업적인 카메라들은 60 Hz로 샘플링할 수 있고, 이는 바람직한 샘플링 속도이다(또는 이보다 클 수 있음). 그러나, 일부의 외부적 제한들이 일부의 카메라들에 적용되고, 이는 낮은 샘플링 속도들이 적용될 수 있음을 의미한다. 하기의 논의에서는, 우리는 8 Hz의 샘플링 속도를 가정하고, 이는 외부의 제한에 없는 경우의 주파수이다. 이러한 기초적인 원리는 높은 샘플링 주파수를 이용하는 경우에도 변경되지 않는다.
각각의 카메라는 매 초마다 N 화소들과 M 라인들의 크기를 가진 8 영상들을 제공한다. 순람표는 디지털 신호들을 휘도 온도 (BTi,j,k)로 변환하는 탑승(on board) 캘리브레이션 데이터를 함께 사용하고, 여기에서, k는 카메라 숫자를 나타내고, 및 현재 시스템에서는 k=l , 2, 3, 4 또는 5이고, 및 i 및 j는 각각 화소 및 라인 숫자들이다. 휘도 온도는 하기의 식으로부터 결정된다.
여기에서,
Ri,j,k는 화소 i, 라인 j 및 필터 k에서의 복사이고,
vk는 카메라 필터 k에 대한 중심 파수이고,
BTi,j,k는 휘도 온도이고,
c1 및 c2는 아인슈타인 복사 상수이다.
복사 Ri,j,k는 선-캘리브레이션 과정 및 후-캘리브레이션 과정으로부터 결정되고, 디지털 신호 횟수들의 선형 함수로 가정할 수 있다. 카메라 영상들은 노이즈를 감소시키고 상기 시스템의 신호-대-노이즈를 개선하도록 배열될 수 있다
설명하는 목적으로만, 우리는 하나의 영상 화소에 집중하고, 다른 모든 화소들을 동일한 방법으로 처리하는 것으로 가정하고, 캘리브레이션 순람표는 모든 화소에 대하여 다른 것을 유의한다. 이어서, 하나의 화소에 대한 데이터는 측정들(BT1, BT2, BT3, BT4 및 BT5)로 구성되고, 이들은 다섯 개의 카메라들 각각으로부터의 휘도 온도들을 나타낸다(예를 들어, BT1은 필터(1)를 가지는 카메라 1의 화소에 대한 휘도 온도임).
본 발명의 시스템은 항공기 장치 데이터 스트림에 연결되고, GPS 좌표들, 고도(z), 경도(l), 위도(q), 향하는 방향(h), 방향(d), 롤(r), 요(yaw)(y), 피치(pitch)(x), 시간(t), 지면 상의 속도(v), 바람 속도(w) 및 주변(ambient) 온도(Ta)가 적어도 1초의 샘플링 속도 또는 바람직하게는 더 빠른 샘플링 속도에서 사용가능하다.
시스템의 실시예에 있어서, 필터는 하기의 중심 파수들(cm-1)에서 사용된다. 표 1은 본 발명의 실시예의 필터 사양이다.
| 필터 | 중심 파수 (cm-1) |
밴드폭 (cm-1) |
NEDT (mK) |
목적 |
| 1 | 1410 | 100 | 200 | H2O |
| 2 | 1363 | 100 | 200 | SO2 |
| 3 | 1155 | 100 | 200 | SO2/재 |
| 4 | 929 | 60 | 100 | 재/얼음 |
| 5 | 830 | 60 | 100 | 재/얼음 |
재(Ash) 감지 알고리즘
하기의 조건들이 각각의 예를 만족하는 경우에, 화소가 재(ash)를 나타낼 수 있다.
[식 1]
[식 2]
여기에서, T1 및 T2은 주변 온도(Ta) 및 실제적인 항공기 롤, 피치 및 요 수치들을 포함하는 파라미터들의 집합에 대하여 미리 계산된 복사 전달 계산들로부터 결정된 온도 차이들이다. DT1Ash 와 DT2Ash는 무차원 양이고, 엄격한 지수들(indices)임에 유의한다.
전체 영상의 미리 결정된 부분에서 조건 (1) 및 (2)의 8 개의 연속적인 발생들이 일어나면 경보가 울린다. 다른 영상 내에서 화소들의 전체 갯수의 5%의 수치가 사용되며, 이는 필요한 경우 조정될 수 있다. 상기 항공기가 알려진 비행 공간에서 조정되거나 또는 화산재에 의하여 영향받게 되면 수치 집합이 낮아지고, 영향 받지 않는 영역에서는 높은 수치가 된다.
수증기(H
2
O) 감지 알고리즘
하기의 조건들이 각각의 예를 만족하는 경우에, 화소가 수증기를 나타낼 수 있다.
[식 3]
여기에서, Twv는 주변 온도(Ta) 및 실제적인 항공기 롤, 피치 및 요 수치들을 포함하는 파라미터들의 집합에 대하여 미리 계산된 복사 전달 계산들로부터 결정된 온도 차이이다.
경보는 울리지 않으며, 경보가 울리면 Twv는 얼음 알고리즘을 사용한다.
얼음이 코팅된 재(ICA) 감지 알고리즘
하기의 조건들이 각각의 예를 만족하는 경우에, 화소가 얼음이 코팅된 재(ICA)를 나타낼 수 있다.
[식 4]
여기에서, TICA는 주변 온도(Ta) 및 실제적인 항공기 롤, 피치 및 요 수치들을 포함하는 파라미터들의 집합에 대하여 미리 계산된 복사 전달 계산들로부터 결정된 온도 차이이다.
전체 영상의 미리 결정된 부분에서 조건 (4)의 8 개의 연속적인 발생들이 일어나면 경보가 울린다. 다른 영상 내에서 화소들의 전체 갯수의 5%의 수치가 사용되며, 이는 필요한 경우 조정될 수 있다. 상기 항공기가 알려진 비행 공간에서 조정되거나 또는 화산재에 의하여 영향받게 되면 수치 집합이 낮아지고, 영향 받지 않는 영역에서는 높은 수치가 된다. 경보가 울리게 되면, 조건 (3)이 검토되고, 상기 조건이 만족되면, 화소는 ICA를 확인한다. 수증기 조건의 사용은 전체적으로 새롭고, 위험한 작은 크기의 얼음이 코팅된 재 입자들을 감지하는 잘못된 경보 비율을 감소시킨다.
이산화황(SO
2
) 감지 알고리즘
하기의 조건들이 각각의 예를 만족하는 경우에, 화소가 SO2를 나타낼 수 있다.
[식 5]
[식 6]
여기에서, T1SO2 및 T2SO2는 주변 온도(Ta) 및 실제적인 항공기 롤, 피치 및 요 수치들을 포함하는 파라미터들의 집합에 대하여 미리 계산된 복사 전달 계산들로부터 결정된 온도 차이이다.
전체 영상의 미리 결정된 부분에서 조건들 (5) 및 (6)의 8 개의 연속적인 발생들이 일어나면 경보가 울린다. 다른 영상 내에서 화소들의 전체 갯수의 5%의 수치가 사용되며, 이는 필요한 경우 조정될 수 있다. 상기 항공기가 알려진 비행 공간에서 조정되거나 또는 화산재에 의하여 영향받으면 수치 집합이 낮아지고, 영향 받지 않는 영역에서는 높은 수치가 된다.
승무원이 재 구름을 감지하도록 나타난 디스플레이의 예가 도 3에 도시되어 있다. 이는 실리케이트 물질로 구성된 재 구름에 기초하고, 항공기 앞에서 영상화하는 두 개의 카메라들로부터의 일정한 작은 시간 차이에 의하여 분리된 6 개의 프레임들에 대한 DT1 재 신호를 도시한다. 가장 높은 농도의 재는 적색으로 나타난다(흑백으로 나타난 도 3에서는 흑색임). 배경 하늘은 밝은 보라로 나타난다(또는 도 3에서 회색임). 항공기가 위험에 다가감에 따라, 조종사는 이를 피하기 위하여 항공기의 향하는 방향을 변경한다.
본 발명의 중요한 부분은 항공기로부터 적외선 범위(6 ㎛ 내지 13 ㎛) 내에 나타내기에 적절한 지리학적인 고려들을 사용하여, 화산 구름이 있거나 없거나, 대기의 상세한 복사 전달 모델로부터 미리 계산된 문턱 수치들을 사용하는 것이다. 도 4는 세 가지 다른 비행 고도들에서 700 내지 1600 cm-1로부터 맑은 대기의 복사의 수평 경로 시뮬레이션을 나타낸다. 9.5 km에서, 대기는 매우 차게 나타난다. 수평 경로의 등가 흑체 온도는 약 227 K이다. 항공기와 차가운 배경 사이에 위치하는 모든 화산 구름은 알려진 방식으로 상기 시스템에 의하여 수집되는 복사를 변경할 수 있다. 복사의 스펙트럼은 재, SO2, H2O 및 얼음이 코팅된 재 입자들의 신호들을 포함한다. 또한, 이러한 신호들은 복사 전달 모델 및 큰 순람표에 의하여 저장된 결과들에 의하여 시뮬레이션될 수 있다. 복사 곡선들은 고도 및 이에 따른 주변 온도 에 의하여 변화됨을 유의한다. 상기 주변 온도는 탑재된 항공기 장치들에 의하여 결정되고, 감지 알고리즘에 의하여 사용된다. 온도를 대신하여 높이((비행 고도)를 동등하게 사용할 수 있고, 그러나 온도가 더 활발하게 측정된다.
이러한 스펙트럼에서의 재 신호는, 차가운 배경이 나타나게 되면, 필터 5(BT5)에 비하여 필터 4 (BT4)에서 더 높은 휘도 온도에 의하여 특정된다. 문턱 수치들은 실리케이트들에 대한 굴절률 데이터를 이용하여 결정되고, 분산 계산은 본 발명의 기술적 사상에 따라 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 범위의 반경을 가지는 입자의 측정된 입자 분산에 기초한다. 일반적으로, 장치는 수평 또는 약간 상방향으로(항공기는 일반적으로 3도의 피치 각도를 가짐) 본다. 그러나, 항공기는 하방향의 피치일 수 있고, 이러한 경우에는 배경 온도가 차가운 배경으로부터 따뜻한 배경으로 변할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 재 신호는 BT4<BT5에 의하여 식별된다. 상기 순람표는, 피치 각도 및 주변 온도가 담당하는 방식으로 구성된다. 추가적으로, 롤 및 요 각도들은, 이들이 감지 알고리즘에 작은 영향을 준다고 하여도, 보상된다. 또한, 다른 불량-안전 문턱들이 화산재에 민감성을 가지는 8.6 ㎛ 에 가까운 필터를 사용한 감지 알고리즘과 결합된다.
얼음이 코팅된 재의 알고리즘의 작동은, 문턱 순람표가 얼음에 대한 데이터(반경< 30 ㎛의 작은 입자들에 대한 굴절률들 및 분산 데이터)를 이용하여 결정되는 것 외에는, 재 알고리즘과 유사하다. 작은 얼음 입자들의 경우에서, BT4<BT5는 차가운 배경으로 나타낸다(얼음 코팅이 없는 재와 반대임). 배경 조건들은 재 감지에 대하여 사용된 방법과 유사한 방법으로 고려된다.
온도 차이들의 표준화는 일부의 강함을 제공하고 독립적인 주변 공기 온도를 감지할 수 있다.
또한, SO2 및 H2O 순람표들이 사용된다. 도 5에 도시된 바와 같이, SO2는 8.6 ㎛ 및 7.3 ㎛에 인접하여 강한 흡수를 가진다. SO2 감지의 원리는 상술한 바와 같고, 대기가 SO2를 포함하는 경우에 적용될 수 있는 선강도들과 전달들을 가정한 복사 전달 계산들에 기초한다. 보통의 조건들 하에서, SO2는 매우 작은 양이며, (<1 CT ppm), 이에 따라 이러한 흡수 특성을 이용한 SO2 감지는, 화산 구름들이 항공기 앞에 있는 경우에, 매우 효과적이다.
1: 필터, 2: 렌즈, 3: 감지기 배열, 4: 셔터,
5: 표준 고속 통신 프로토콜, 7: 윈도우,
5: 표준 고속 통신 프로토콜, 7: 윈도우,
Claims (17)
- 항공기 앞의 불리한 대기 조건들을 감지하는 시스템으로서,
상기 시스템은 상기 항공기에 장착된 복수의 적외선 카메라들을 포함하고,
상기 적외선 카메라들은 다른 밴드들의 적외선 광의 적외선 복사(radiance)를 공간적으로 감지하도록 조정되고,
상기 카메라들 각각은, 영상들을 처리하고 결합하고, 상기 항공기에 대하여 상기 불리한 대기 조건들의 위치를 나타내는 비디오 디스플레이를 형성하기 위한 비디오 디스플레이 신호들을 생성하는 영상 처리 컴퓨터와 연결되고,
상기 카메라들 각각은, 불리한 대기 조건들의 집합으로부터 하나의 불리한 대기 조건의 적외선 밴드폭 특성에 상응하는 밴드폭을 가지는 적외선 광을 필터링하도록 조정된 각각의 필터가 구비되고,
상기 영상 처리 컴퓨터는, 문턱 조건들에 기초하고, 감지된 상기 적외선 복사, 순람표(look-up table)로부터의 데이터, 및 상기 항공기의 위치 및/또는 자세(attitude)의 정보를 포함하는 측정된 파라미터들을 이용하여 상기 불리한 대기 조건들을 식별하도록 적용되고,
상기 영상 처리 컴퓨터는 상기 디스플레이 상의 공간적인 영상으로서 식별된 불리한 대기 조건들을 디스플레이하도록 더 적용되는, 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 불리한 대기 조건들의 집합은, 화산재, 얼음이 코팅된 재, 수증기 및 이산화황을 포함하는, 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 시스템은 상기 얼음이 코팅된 재와 상기 수증기 모두를 식별하기 위하여 찾도록 배열되고,
상기 수증기의 식별은 상기 얼음이 코팅된 재의 식별을 확인하기 위하여 사용되는, 시스템. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 문턱 조건들은, 대기의 복사 전달 모델을 이용하여 미리 계산된, 시스템. - 상술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영상 처리 컴퓨터는 상기 감지된 적외선 복사로부터 휘도 온도들을 결정하도록 배열되고,
상기 식별하는 단계는 상기 휘도 온도들과 관련된 수치들이 상기 문턱 조건들에 맞는지 여부를 결정하는 단계를 포함하는, 시스템. - 상술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측정된 파라미터들은 피치(pitch) 각도 및 주변(ambient) 온도를 포함하는, 시스템. - 상술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
비행 중의 캘리브레이션 수치들을 제공하도록 상기 영상 카메라들은 미리 계산되고, 하나 또는 그 이상의 외부의 흑색화된 셔터들을 포함하는, 시스템. - 항공기 앞의 불리한 대기 조건들을 감지하고 상기 불리한 대기 조건들을 디스플레이하는 방법으로서,
복수의 적외선 카메라들을 이용하여 다른 밴드들의 적외선 광의 적외선 복사를 공간적으로 감지하는 단계를 포함하고,
상기 카메라들 각각에서,
i) 불리한 대기 조건들의 집합으로부터 하나의 불리한 대기 조건의 적외선 밴드폭 특성에 상응하는 밴드폭을 가지는 적외선 광을 필터링하도록 조정된 필터를 이용하여 적외선 복사를 필터링하는 단계;
ii) 문턱 조건들에 기초하고, 감지된 상기 적외선 복사, 순람표(look-up table)로부터의 데이터, 및 상기 항공기의 위치 및/또는 자세(attitude)의 정보를 포함하는 측정된 파라미터들을 이용하여 불리한 대기 조건들의 발생들을 식별하는 단계; 및
iii) 공간적인 영상을 생성하도록, 상기 불리한 대기 조건들의 식별된 발생들을 처리하는 단계;를 수행하는, 방법. - 제 8 항에 있어서,
iv) 상기 영상을 항공기 비행 경로에서 다른 카메라들 및 정보로부터의 영상과 결합하는 추가적인 단계;
를 더 포함하는, 방법. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 불리한 대기 조건들의 집합은, 화산재, 얼음이 코팅된 재, 수증기 및 이산화황을 포함하는, 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 얼음이 코팅된 재와 상기 수증기 모두의 발생을 식별하는 단계를 포함하고,
상기 수증기의 식별은 상기 얼음이 코팅된 재의 식별을 확인하기 위하여 사용되는, 방법. - 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 문턱 조건들은, 대기의 복사 전달 모델을 이용하여 미리 계산된, 방법. - 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 카메라들 각각에 대하여, 상기 감지된 적외선 복사로부터 휘도 온도들을 결정하는 단계를 더 포함하고,
상기 식별하는 단계는 상기 휘도 온도들과 관련된 수치들이 상기 문턱 조건들에 맞는지 여부를 결정하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측정된 파라미터들은 피치 각도 및 주변 온도를 포함하는, 방법. - 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
비행 중의 캘리브레이션 수치들을 제공하도록, 하나 또는 그 이상의 외부의 흑색화된 셔터들에 대하여 영상 카메라들을 미리 계산하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 8 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 소프트웨어 코드 부분들을 포함하고, 컴퓨터를 기초한 시스템 내에서 처리 장치의 내부 메모리 내에 로딩 가능한 컴퓨터 프로그램.
- 컴퓨터에 의하여 수행될 때에 상기 컴퓨터가 제 8 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하도록, 독취 가능한 프로그램을 포함하고, 컴퓨터로 독취 가능한 매체에 저장되는 컴퓨터 프로그램 제품.
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