本發(fā)明涉及測量液體的表面的方法及有關(guān)設(shè)備。

背景技術(shù)：

US6782122描述了利用一套光源和相機來測量容器中的液體的表面的高度的設(shè)備，其中，一套光源和相機按照對于彼此以及容器的預(yù)定空間關(guān)系設(shè)置在液體表面之上。光源用光圖案照射液體表面并且相機獲取光圖案的具有離散圖像元素(像素)的形式的區(qū)域圖像，所述像素在圖像處理器中被處理以確定容器中液體的高度。在另一實施方式中，區(qū)域圖像的像素被進一步處理以確定液體表面的狀態(tài)，以使得處理器可以基于所確定的液體表面的高度和狀態(tài)以及存儲在處理器的存儲器中的容器幾何數(shù)據(jù)來確定容器中液體的量。

在US2010/0322462中描述了另一液位(liquid level)檢測方法。該方法包括使用圖像抓取裝置來獲取液體表面、結(jié)構(gòu)表面和設(shè)置在結(jié)構(gòu)表面上的刻度標記的圖像以由此獲得初始圖像。隨后，對初始圖像進行處理以便生成經(jīng)處理的圖像，并且從經(jīng)處理的圖像中獲得液體表面的液位參考值。就經(jīng)處理的圖像的固有特性而言，該液位參考值代表了液體表面的高度。最后，基于以下項目之間的相對比例關(guān)系來計算液體表面的液位：液位參考值；就經(jīng)處理的圖像的固有特性而言的經(jīng)處理的圖像的總高度；以及初始圖像和經(jīng)處理的圖像中的任意一個圖像相對于刻度標記的尺寸。

在US2008/0282817中描述了遠程監(jiān)測固定結(jié)構(gòu)的方法。在一個實施方式中，將光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計成在殼體的三個壁的內(nèi)表面上投影刻度，并且獲得在刻度的投影位置處的壁圖像。使用該信息來得到在箱中的流體的液位。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一方面提供了一種測量液體的表面的方法，該液體的表面具有接觸固體結(jié)構(gòu)的邊緣和沒有接觸固體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域，該方法包括：用圖案照射液體的表面和固體結(jié)構(gòu)，以使得圖案的上部分投影到固體結(jié)構(gòu)上以形成上投影圖案并且使得圖案的下部分投影到液體的表面的內(nèi)部區(qū)域上以形成下投影圖案；獲取上投影圖案的圖像；分析上投影圖案的圖像以確定液體的表面的邊緣的高度；獲取下投影圖案的圖像；以及分析下投影圖案的圖像以確定液體的表面的內(nèi)部區(qū)域的特征。

本發(fā)明的另一方面提供了一種用于測量液體的表面的設(shè)備，該液體的表面具有接觸固體結(jié)構(gòu)的邊緣和沒有接觸固體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域，該設(shè)備包括：照明器，該照明器被布置成用圖案照射液體的表面和固體結(jié)構(gòu)以使得圖案的上部分投影到固體結(jié)構(gòu)上以形成上投影圖案并且使得圖案的下部分投影到液體的表面的內(nèi)部區(qū)域上以形成下投影圖案；圖像獲取系統(tǒng)，該圖像獲取系統(tǒng)被布置成獲取上投影圖案的圖像和下投影圖案的圖像；以及處理器，該處理器被編程為對上投影圖案的圖像進行分析以確定液體的表面的邊緣的高度以及對下投影圖案的圖像進行分析以確定液體的表面的內(nèi)部區(qū)域的特征。

在優(yōu)選實施方式中，圖案包括一組平行線，該一組平行線優(yōu)選是等距離的?？商鎿Q地，圖案可以包括點、圓、格柵或其他圖案。

固體結(jié)構(gòu)通常包括容納液體的箱的壁。理想地，圖案的上部分投影到箱的在拐角處相接的兩個壁上?？商鎿Q地，固體結(jié)構(gòu)可以包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如箱內(nèi)部的柱。

液體可以是水或其他任何液體，但是更優(yōu)選地，液體是液態(tài)燃料。

可以對下投影圖案的圖像進行分析以確定液體的表面的內(nèi)部區(qū)域的各種不同特征。例如，可以確定圖像的空間頻率特征，或者可以分析圖像來檢測液體的表面上漂浮的污染物?？商鎿Q地，可以對下投影圖案的圖像進行分析以確定一些其他特征，如液體的表面的 內(nèi)部區(qū)域的高度。

通常，分析上投影圖案的圖像來確定液體的表面的邊緣的高度包括檢測上投影圖案的圖像的不連續(xù)性。

圖案通常是可見光輻射圖案，即，在電磁光譜(其包括紫外輻射、可見光和紅外輻射)的可見光部分中的輻射的圖案。通常，輻射的波長在100nm至1mm的范圍內(nèi)。

可以分別獲取下投影圖案的圖像和上投影圖案的圖像，但是更通常地，它們是由圖像獲取裝置(如相機)從寬的視場中所獲得的單個圖像的子集。

液體可以是靜止的(例如燃料儲存筒中的燃料)或者更通常地，液體由交通工具(如卡車或飛行器)運載。在液體由交通工具運載的情況下，那么此方法通常在交通工具處于運動中(由于交通工具的振動和粗動而使得液體的表面變?yōu)榉瞧矫娴?時被執(zhí)行。

該方法可以作為確定液體的體積的方法的一部分來執(zhí)行，所述確定液體的體積的方法包括：通過第一方面的方法來測量液體的表面；根據(jù)所確定的液體的表面的邊緣的高度來確定液體的體積。

可選地，根據(jù)所確定的液體的表面的邊緣的高度和所確定的下投影圖案的圖像的特征來確定液體的體積。換言之，使用該特征來獲得體積的更準確的估算。

可選地，根據(jù)在三個或更多個測量點處確定的液體的表面的邊緣的高度來確定液體的狀態(tài)。

附圖說明

現(xiàn)在將參照附圖來描述本發(fā)明的實施方式，在附圖中：

圖1示出飛行器燃料箱和用于測量箱中的燃料的表面的基于相機的系統(tǒng)；

圖2是箱的放大視圖；

圖2a示出在燃料表面上所投影的光圖案中的四條線；

圖3示出飛行器燃料箱和用于測量箱中的燃料的表面的基于光 纖的系統(tǒng)；

圖4示出飛行器燃料箱和用于測量箱中的燃料的表面的包括兩個纖維鏡的基于光纖的系統(tǒng)；

圖5示出進行一系列測量的過程；

圖6示出具有用于監(jiān)測燃料的集中式處理架構(gòu)的飛行器；以及

圖7示出具有用于監(jiān)測燃料的分布式處理架構(gòu)的飛行器。

具體實施方式

圖1是包括燃料箱的飛行器燃料箱系統(tǒng)和用于測量燃料箱中的燃料的表面1的設(shè)備的示意圖。相機2可以通過燃料箱的頂壁5中的光進入窗口3來觀察燃料箱內(nèi)部，光進入窗口3處于壁5的通常不被燃料覆蓋的位置。窗口3具有疏水性涂層以使冷凝物、霧、霜和微生物滋生的問題最小化。相機2可以對相機的視場的圖像進行獲取和數(shù)字化。經(jīng)由束線10將這些圖像發(fā)送至圖像獲取和精細加工部9的獲取和調(diào)節(jié)模塊11。

用來自靠近相機2安裝的結(jié)構(gòu)輻射源8(如發(fā)光二極管)或其他照明器的結(jié)構(gòu)輻射來照射燃料箱的內(nèi)部。結(jié)構(gòu)輻射通常是可見光輻射——即，在電磁光譜(其包括紫外輻射、可見光和紅外輻射)的可見光部分中的輻射。通常，輻射的波長在100nm至1mm的范圍內(nèi)。在下面的描述中，假定輻射是可見光。

用具有前壁和后壁、左側(cè)壁和右側(cè)壁、底壁和頂壁的平行六面體結(jié)構(gòu)示意性地示出燃料箱。相機2指向燃料箱的拐角，具有大視場。該寬的視場引起圖像失真。為了校正該失真，圖1中所示出的圖像精細加工(校正)處理器12將預(yù)定的校正系數(shù)矩陣應(yīng)用至圖像中。

經(jīng)校正的圖像然后可以被輸出至顯示裝置15，以便在飛行器飛行期間向飛行器的駕駛員顯示或在補給燃料和地面作業(yè)期間向地勤人員顯示。

相機2可以是光學(xué)相機或熱感相機，熱感相機可以用于檢查燃料系統(tǒng)(比如燃料泵)的部件的溫度分布以及用于提供確定燃料液位所用的圖像(如本文中所描述的)。

由處理器14來確定燃料表面高度(連同燃料的狀態(tài)、體積和質(zhì)量)的估算結(jié)果?，F(xiàn)在將參照圖2描述處理器14所使用的算法。

如圖2中所示，燃料的表面1具有邊緣20和邊緣21，燃料在邊緣20處接觸燃料箱的左壁，并且在邊緣21處接觸燃料箱的前壁。表面1還具有沒有接觸燃料箱的壁的任一個的內(nèi)部區(qū)域4。結(jié)構(gòu)光源用等距離的平行線樣式的可見光圖案照射液體的表面1以及燃料箱的左壁和前壁。圖案的上部分被投影在燃料箱的壁上以形成上投影圖案22而圖案的下部分被投影在液體的表面1上以形成下投影圖案23。在這個示例中，燃料箱的壁是豎直的且是平面的，所以上投影圖案22中的線也是豎直的且是平面的。另一方面，燃料的表面1大致水平但具有由飛行器的運動引起的漣漪和晃動所導(dǎo)致的非平面形狀。因此，下投影圖案23中的線具有復(fù)雜的波浪形形狀。

無論燃料的高度是多少，相機的視場足夠?qū)捯垣@取上投影圖案22和下投影圖案23二者的圖像。處理器14被編程為如下所述的那樣對上投影圖案22的圖像進行分析以確定液體的表面的邊緣的高度。首先，對上投影圖案22的圖像中的每條線進行分析以檢測燃料表面的邊緣20、21處的不連續(xù)性。將圖案中的第三條線作為示例，該線在上投影圖案22中具有直線部分25，在下投影圖案23中具有波浪形部分26，以及在直線部分25與波浪形部分26相接的邊緣20處具有不連續(xù)性。這種不連續(xù)性可以以很多方式進行檢測，但是作為示例，該處理器可以分析沿豎直線的點之間的角度，并且檢測何時該角度指示該線不再為直線(即，處于不連續(xù)處)。如果箱的壁具有更復(fù)雜的非平面幾何形狀，則處理器14可以存儲所期望的上投影圖案22的模型(其對于給定的箱壁幾何形狀是已知的)并且將圖案的圖像與所存儲的模型進行比較。圖像與所存儲模型的偏差指示液體的表面的邊緣?？商鎿Q地，可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

一旦已知不連續(xù)的位置，則可以通過計算從投影線的頂部至不連續(xù)處的像素的數(shù)目來確定距離燃料箱的頂部的缺量高度。針對第一條線的缺量高度被標記為H_{u 1}，以及針對第k條線的缺量高度被標記為H_{u k}。已知箱的高度H_Tank，則燃料的高度由以下給出:H_{uFuel 1}＝H_Tank-H_{u 1}以及H_{uFuel k}＝H_Tank-H_{u k}，其中，H_{uFuel k}是與第k條線有關(guān)的距箱底部的燃料高度。

可以根據(jù)在表面的邊緣處的這些高度H_{uFuel 1}至H_{uFuel k}連同關(guān)于表面的形狀的一定量的信息(在表面的邊緣處可以觀察到的表面中的漣漪)來確定燃料表面1的高度和狀態(tài)。然而，在表面的邊緣處的燃料高度H_{uFuel 1}至H_{uFuel k}沒有給出關(guān)于表面1的內(nèi)部區(qū)域4(即燃料表面1中沒有接觸箱的壁的那些部分)的形狀的信息。因此，處理器14還對下投影圖案23的圖像進行分析以確定液體的表面1的內(nèi)部區(qū)域的非平面形狀。

首先，處理器14分析圖像以確定沿著圖像中的每個波浪形線26的若干點。其次，處理器14執(zhí)行一維插補以給出波浪形線26的微細結(jié)構(gòu)。針對投影到表面1上的所有其他的波浪形線重復(fù)相同的處理。處理器14然后對所有的波浪形線執(zhí)行二維插補以獲得通過下投影圖案23(在相機2的視場內(nèi))所識別的二維表面的微細結(jié)構(gòu)的模型。接著，處理器14執(zhí)行二維傅里葉變換(例如應(yīng)用快速傅里葉變換算法-FFT)以確定通過下投影圖案23所識別的表面的空間頻率特征。然后，假設(shè)該空間頻率特征適用于整個表面1(不僅是表面在相機2的視場內(nèi)的部分)并且處理器14使用該空間頻率特征以對表面1的內(nèi)部區(qū)域4的非平面形狀進行準確的建模。根據(jù)該建模的非平面形狀，假定已知箱的幾何結(jié)構(gòu)，處理器14然后可以獲得燃料體積的改進的估算。只要可以重建二維表面的微細結(jié)構(gòu)并且可以應(yīng)用二維傅里葉變換，則可以使用不同的投影圖案(如點、圓、格柵或其他圖案)來應(yīng)用相同的圖像分析處理。

所以，不僅根據(jù)在表面的邊緣處的燃料高度H_{uFuel 1}至H_{uFuel k}，而且還根據(jù)下投影圖案23的圖像的空間頻率特征，來確定液體的體積。

如果僅使用在表面的邊緣處的燃料高度H_{uFuel 1}至H_{uFuel k}來估算體積，則有必要假定液體表面是平面。當測得液體表面的微細二維結(jié)構(gòu)時，則可以應(yīng)用二維傅里葉變換并且這給出了在相機2的視場中的特征空間頻率，即主頻率。假定在整個液體表面中的特征空間頻率和相機2的視場中的特征空間頻率是相同的。因此，處理器14可以對具有相同的空間“圖案”的整個液體表面(基于所測量的特征空間頻率)進行建模。這給了液體表面其本身(不只是平面)的更準確的表達。

如果在箱中液體的晃動增大，則僅基于在表面的邊緣處的燃料高 度H_{uFuel 1}至H_{uFuel k}(以及平整表面模型)的方法可能會引起顯著的體積測量誤差。

只要已知箱的幾何結(jié)構(gòu)，則可以由處理器14使用該處理來估算非平行六面體的燃料箱中的燃料的體積/質(zhì)量。在這樣的情況下，可以基于查找表、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或燃料箱幾何結(jié)構(gòu)的計算機模型根據(jù)燃料表面的高度來估算燃料的體積。

駕駛員或地勤人員可以使用顯示裝置15來觀察上投影圖案22和下投影圖案23的圖像。這將(通過投影圖案中的不連續(xù)性的目測識別)給出燃料高度的粗略指示并且進而給出箱中的燃料體積的粗略指示。下投影圖案23的可視化也將給出燃料表面中的漣漪或晃動的量的粗略指示。而且在所顯示圖像的波浪形線中的任何高幅度、低空間頻率、持久的偏差都可以指示在液體的表面上存在漂浮的污染物。

可選地，處理器14被編程為對下投影圖案23的圖像進行分析并且如果處理器14檢測到在液體的表面上漂浮的污染物則在顯示裝置15上生成自動警報。檢測到這樣的污染物還將使得處理器在計算燃料體積時忽略來自圖像的這部分的數(shù)據(jù)，從而使燃料體積的估算更準確。

該原理在圖2a中示出，圖2a示出在下投影圖案23的圖像中的四條相鄰的線。每條線具有持續(xù)經(jīng)過長時間段的大幅度低空間頻率偏差30，這指示在液體的表面上存在有漂浮的污染物。在污染物的每側(cè)，線具有小幅度的偏差31，所述偏差31具有高空間頻率并且其(由于漣漪)隨著時間而迅速改變。因此，在對表面1建模時處理器14忽略來自圖像的這些部分30的數(shù)據(jù)，并且可選地生成警報。

圖3是具有基于光纖的圖像獲取系統(tǒng)的替換實施方式。結(jié)構(gòu)光源8a將結(jié)構(gòu)光經(jīng)由目鏡光學(xué)裝置16引入光纖束10a。結(jié)構(gòu)光然后由纖維鏡17引入燃料箱。經(jīng)反射的光由組件17接收并且組件17將反射的光經(jīng)由光纖束10a和目鏡光學(xué)裝置16傳送至相機2a。圖4給出了相似的示例：在這種情況下用兩個纖維鏡17、17a照射燃料箱的相對拐角來提供表面1的微細結(jié)構(gòu)的更準確的表達。

圖像獲取和精細加工必須實時進行以允許燃料量指示的刷新時間為如在圖5中所示的最小值1s(1Hz刷新率)。為了使這種情況能夠發(fā)生，可以針對圖1中的元件11、元件12和元件14來使用數(shù)字信號 處理器(DSP)或相似的高性能處理器。

圖5示出間隔1s的兩個測量結(jié)果?？蛇x地，兩個纖維鏡17、17a可以交替地(而非同時)操作，因此它們不會被來自另一組件的光所“遮蔽”。

圖6是包括圖1的系統(tǒng)的飛行器50的俯視圖。該飛行器在每個機翼中具有機翼燃料箱，并且具有在機身下方的中央燃料箱。每個燃料箱被劃分為若干隔室(bay)，每個隔室與相鄰隔室通過翼肋隔開，翼肋具有使燃料能夠在相鄰隔室之間移動的孔。圖6示出每個機翼燃料箱的兩個隔室51以及中央燃料箱的單個隔室52。五個隔室的每一個具有如圖4所示那樣安裝的一對纖維鏡。在圖6的架構(gòu)中，每個光纖束引向加壓和調(diào)節(jié)區(qū)域中的單個集中式圖像獲取和精細加工部9。

圖7示出了替換的局部性架構(gòu)，其中，在接近隔室處設(shè)置有三個圖像獲取和精細加工部9，從而減小了所需的光纖束的長度。可以將經(jīng)精細加工的數(shù)據(jù)經(jīng)由電氣或光學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)53傳遞至部分9中的一個中央部分。

盡管上面已經(jīng)參照一個或更多個優(yōu)選實施方式描述了本發(fā)明，但是將理解的是，在不脫離如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以進行各種改變或修改。