本發(fā)明涉及估計飛行器的燃料箱中液體燃料的量的方法以及相關(guān)設(shè)備。

背景技術(shù)：

US2015/0153212公開了測量飛行器燃料箱中燃料的燃料表面的高度的方法。燃料表面的一個或更多個圖像被捕捉，每個圖像包括燃料表面線，其中燃料表面與結(jié)構(gòu)相接。分析每個圖像，以便確定圖像中三個或更多個點處的燃料表面線的高度。如果燃料表面線不是直線，則可以通過空間平均根據(jù)圖像中的點來確定燃料表面線的平均角度。優(yōu)選地，在時間周期內(nèi)捕捉燃料表面的一系列圖像，并且通過時間平均根據(jù)一系列圖像來確定燃料表面的平均高度。三個或更多個點處的(一個或多個)燃料表面線的高度用于確定燃料的體積、燃料的質(zhì)量和/或燃料表面的姿態(tài)。

飛行時間攝像機(ToF攝像機)是距離成像攝像機系統(tǒng)，其基于已知的光速來決定距離。ToF攝像機基于以下激光測距儀原理：朝著目標(biāo)發(fā)送很短的激光脈沖，并且測量飛行時間(即激光脈沖被反射并返回到接收器所花費的時間)。在知道光的傳播速度的情況下，可以決定距離。

ToF攝像機是三維版本的激光測距儀，其中接收器為像素矩陣，并且每個像素能夠測量被三維物體的特定區(qū)域反射的發(fā)射的光/激光脈沖的飛行時間。最終結(jié)果是實時三維物體的三維圖(或距離圖)。通常，在ToF攝像機內(nèi)沒有活動部件，并且物體的三維圖可以在單個測量中完成。利用商業(yè)系統(tǒng)，已經(jīng)實現(xiàn)了50Hz-60Hz的采集速率。

在WO2006/097406中描述了三維成像系統(tǒng)。光電二極管或傳感器元件被放置在照明單元中。傳感器元件提供了基本上對應(yīng)于零距離測量的相位參考。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一方面提供了飛行器燃料箱系統(tǒng)，其包括：燃料箱；傳感器陣列；光源，其被布置以用光來照射燃料箱中液體燃料的表面，以便光被燃料的表面反射或散射到傳感器陣列上，光經(jīng)由包含傳輸介質(zhì)的測量路徑行進到燃料的表面以及從燃料表面行進，其中光源還被布置成用光經(jīng)由參考路徑來照射傳感器陣列中的至少一個傳感器，參考路徑包含具有與測量路徑中的傳輸介質(zhì)的折射率基本相同的折射率的傳輸介質(zhì)，參考路徑具有不根據(jù)燃料的量而變化的已知參考距離；以及處理系統(tǒng)，其被布置成：確定光經(jīng)由測量路徑行進到傳感器陣列中的每個傳感器的測量飛行時間，測量光經(jīng)由參考路徑行進到所述至少一個傳感器的參考飛行時間，并且根據(jù)測量飛行時間、參考飛行時間和已知參考距離來估計燃料箱中燃料的量。

因此，光可以被燃料的表面反射或散射到傳感器陣列上，使得傳感器陣列中的每個傳感器接收到從在燃料的表面上的多個位置的相應(yīng)位置處反射的光，并且處理系統(tǒng)可以被布置以確定光經(jīng)由測量路徑行進到傳感器陣列中的每個傳感器的測量飛行時間，從而確定針對在燃料的表面上的多個位置的每個相應(yīng)位置處的測量飛行時間。

本發(fā)明的另一方面提供了估計飛行器的燃料箱中液體燃料的量的方法，該方法包括：用光來照射燃料的表面，以便光被燃料的表面反射或散射到傳感器陣列上，光經(jīng)由包含傳輸介質(zhì)的測量路徑行進到燃料表面以及從燃料表面?zhèn)鬏?；對于傳感器陣列中的每個傳感器，確定光經(jīng)由測量路徑行進到該傳感器的測量飛行時間；用光經(jīng)由參考路徑來照射傳感器陣列中的至少一個傳感器，參考路徑包含具有與測量路徑中的傳輸介質(zhì)的折射率基本相同的折射率的傳輸介質(zhì)，參考路徑具有不根據(jù)燃料的量而變化的已知參考距離；測量光經(jīng)由參考路徑行進到至少一個傳感器的參考飛行時間；以及根據(jù)測量飛行時間、參考飛行時間和已知參考距離來估計燃料箱中燃料的量。

光可以采用光譜的可見部分、紫外部分或紅外部分的形式。

可以通過固定結(jié)構(gòu)如燃料箱的壁，將經(jīng)由參考路徑行進的光反射或散射到至少一個傳感器上?？蛇x地，系統(tǒng)進一步包括反射器，該反射器以固定的關(guān)系被安裝到傳感器陣列上，以便經(jīng)由參考路徑行進的光被反射器反射到至少一個傳感器上。反射器可以是半透明窗口，其被布置成使得來自光源的一些光透射穿過半透明窗口并照射燃料的表面，并且來自光源的一些光被該窗口反射到所述至少一個傳感器上。

可選地，光源被布置用于脈沖操作，以便照射燃料箱中液體燃料的表面的光被光源以脈沖形式發(fā)射。在這種情況下，系統(tǒng)可以直接測量飛行時間，或者可以通過使用在傳感器陣列前方具有快門的距離選通成像器來間接測量飛行時間，當(dāng)光脈沖被發(fā)送出去時，快門以相同的速率打開和關(guān)閉。因為根據(jù)每個返回脈沖的到達時間每個返回脈沖的一部分被快門阻擋，所以接收到的光的量與飛行時間有關(guān)。

替代地，光源可以被布置用于連續(xù)操作，以便照射燃料箱中液體燃料的表面的光被光源連續(xù)地發(fā)射。例如，光可以用射頻載波進行調(diào)制，并且可以在傳感器陣列處測量載波的相移以推斷飛行時間。

燃料的表面可以從上面被照射，以便測量路徑中的傳輸介質(zhì)包括空余量氣體，或者燃料的表面可以從下面被照射，以便測量路徑中的傳輸介質(zhì)包括液體燃料。

可選地，透鏡被布置成使得經(jīng)由測量路徑行進到燃料表面和從燃料表面行進的光穿過透鏡。透鏡可以被布置成使得經(jīng)由參考路徑行進到至少一個傳感器上的光也穿過透鏡。

附圖說明

現(xiàn)在，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例，在附圖中：

圖1示出了飛行器燃料箱以及用于測量箱中燃料的表面的基于飛行時間的系統(tǒng)；

圖2示出了攝像機的替代的視野；

圖3示出了攝像機的操作原理；

圖4詳細(xì)地示出了攝像機；

圖5示出了采用光纖的替代的系統(tǒng)；

圖6示出了攝像機的視野包括燃料箱壁的系統(tǒng)；

圖7a和7b示出了攝像機從下面觀看燃料表面的系統(tǒng)；

圖8示出了用于進行一系列測量的過程；

圖9示出了具有用于監(jiān)測燃料的中央式處理架構(gòu)的飛行器；以及

圖10示出了具有用于監(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)以及用于測量燃料箱中燃料的表面1的設(shè)備的示意圖。在壁5通常沒有被覆蓋在燃料中的位置中，飛行時間攝像機2可以通過燃料箱的頂壁5中的光學(xué)進入窗口3觀看到燃料箱。窗口3具有疏水性涂層，以使冷凝、霧、霜和微生物生長的問題最小化。攝像機2可以采集并且將視野4的圖像數(shù)字化。這些圖像經(jīng)由電線束10被傳送到圖像采集加工部9的采集調(diào)節(jié)模塊11。

燃料箱示意性地示出具有前壁、后壁、左側(cè)壁、右側(cè)壁、底壁和頂壁的平行六面體結(jié)構(gòu)。在圖1中，攝像機2位于中央，并且朝向燃料表面1正下指向。在圖2中，攝像機被放置到箱的一側(cè)，并且以傾斜角度朝向燃料表面1指向。

攝像機的較寬視野4產(chǎn)生圖像失真。圖像加工(校正)處理器12將預(yù)定校正系數(shù)矩陣施加到圖像，以便校正這種失真。

然后，可以將校正圖像輸出到顯示裝置15，以用于在飛行器飛行期間向飛行器的飛行員進行顯示，或者在補充燃料和地面操作期間向地勤人員進行顯示。

圖3和圖4中示出了攝像機2的運行。將可見光的測量脈沖20從攝像機2朝向燃料表面1發(fā)送。測量脈沖20被燃料表面1反射和/或散射，并且被傳感器像素x_j yk陣列21接收。傳感器陣列21中的每個傳感器像素測量距燃料表面1的相應(yīng)位置的距離。因此，在圖3中，示出了陣列21中的位置x_j yk處的傳感器像素，從而測量至燃料表面1的對應(yīng)位置(同樣標(biāo)記為x_jyk)的距離D_xjyk。在知道攝像機2距油箱的底部6的距離的情況下，測量在位置x_j yk處的燃料高度hx_jyk是可能的。

可以將相同的過程應(yīng)用于所有其它的傳感器像素，并且測量燃料表面1的每個點在攝像機2的視野中的燃料高度。這樣使得以下成為可能：在知道油箱的幾何形狀的情況下，測量箱中燃料的量。燃料高度還可以被用于確定燃料表面1的姿態(tài)，以及/或者用于檢測漂浮在燃料表面上的污染物。

可以應(yīng)用以下公式來測量距離D_{xj yk}：D_{xj yk}═ct_{xj yk}/2，其中，c是光在測量路徑(在這種情況下為燃料表面1以上的空余量)中的速度，而t_{xj yk}是在位置x_jy_k處從燃料表面1要被反射的測量脈沖20的測量飛行時間，并且t_{xj yk}由傳感器像素x_jy_k來記錄。

那么，燃料高度h_{xj yk}為：h_{xj yk}═H_ToF–h’_{xj yk}═H_ToF–D_{xj yk}·cosα_jk，其中，角度α_jk根據(jù)攝像機2的光學(xué)器件得知，距離H_ToF為從陣列21到箱的底部6的已知距離，而高度h’_{xj yk}為從燃料表面上的位置x_jy_k到陣列21的高度。

圖4詳細(xì)地示出了攝像機2。光源30如激光器產(chǎn)生光脈沖，其被引導(dǎo)到透鏡31中。一些光透射穿過半透明窗口32，以提供照射燃料表面1的測量脈沖20。一些光被窗口32反射，以提供參考脈沖33，參考脈沖33被透鏡31引導(dǎo)到傳感器陣列21上，而沒有被燃料反射。通過支撐件35將窗口32以固定的關(guān)系安裝到傳感器陣列21上，以便窗口32與傳感器陣列21被間隔開已知距離R/2，該距離R/2不會根據(jù)燃料箱中液體的量而變化。

測量脈沖20經(jīng)由包含傳輸介質(zhì)的測量路徑8行進到燃料表面以及從燃料表面1行進。這種傳輸介質(zhì)主要是燃料表面1上方的空余量7中的空氣。該測量路徑的距離根據(jù)箱中燃料的量而變化。另一方面，參考脈沖33從光源30經(jīng)由具有已知參考距離R的參考路徑行進到傳感器陣列21上，其中參考距離R不根據(jù)箱中燃料的量而變化。透鏡31與窗口32之間的空間34包含與測量路徑相同的處于大致相同的溫度和壓力的傳輸介質(zhì)(在這種情況下為空余量7中的空氣)。這樣保證參考路徑包含以下傳輸介質(zhì)：該傳輸介質(zhì)具有與測量路徑中的傳輸介質(zhì)基本相同的折射率，并且因此具有與該介質(zhì)中的光速基本相同的速度。

如上所述，攝像機2確定測量脈沖20經(jīng)由用于陣列中的每個傳感器的測量路徑的測量飛行時間。這種飛行時間測量取決于測量路徑中的光速c，其根據(jù)測量路徑中的傳輸介質(zhì)的折射率而變化(如通過傳輸介質(zhì)的溫度、密度和材料成分進行確定的那樣)。攝像機2測量參考脈沖33經(jīng)由參考路徑到陣列21中的至少一個傳感器像素的參考飛行時間，并且根據(jù)該參考飛行時間來校正對燃料量的估計。具體地，光速c_R被用于測量到燃料表面1和從燃料表面1的飛行時間，其中，c_R═R/t_R，t_R為關(guān)于參考脈沖33的參考飛行時間，而R是已知參考距離。

然后，基于前面提到的算法h_{xj yk}═H_ToF–h’_{xj yk}═H_ToF–D_{xj yk}·cosα_jk，通過處理器14來確定對視野4內(nèi)各個位置處的燃料表面高度h_{xj yk}的估計。然后，這些燃料表面高度h_{xj yk}被處理器14用于基于已知的箱的幾何形狀，結(jié)合箱中燃料的量(質(zhì)量和/或體積)來確定燃料表面1的姿態(tài)。

圖5是具有基于光纖的圖像采集系統(tǒng)的替代實施例，其中攝像機位于遠程。光源30a將光經(jīng)由目鏡光學(xué)器件16引導(dǎo)到光纖束10a中。然后，光通過纖維鏡17被引導(dǎo)到燃料箱中。反射光被纖維鏡17接收，纖維鏡17將反射光經(jīng)由光纖束10a和目鏡光學(xué)器件16傳送到飛行時間攝像機2a中。在這種情況下，在光學(xué)束10a的端部處，參考路徑被集成到纖維鏡17中。

圖6是替代實施例，其中攝像機的視野4不僅包括燃料的表面1，還包括燃料箱的在角部處相接的兩個側(cè)壁。這樣使得飛行時間攝像機2能夠測量燃料表面1的高度，并且還能夠測量燃料表面1與兩個側(cè)壁相接的界面的高度。圖6中的攝像機2可以由如圖5中的纖維鏡17和遠程攝像機2a來代替。

位于視野4的頂部處的預(yù)設(shè)位置19(其中，視野4的頂部與燃料箱的角部相接)可以被用于提供具有相對長的已知參考距離R的參考路徑，而非如圖4所示的那樣在攝像機內(nèi)使用相對短的參考路徑。這個預(yù)設(shè)位置19位于已知的且距攝像機固定的距離R/2處，并且通過傳感器像素中的一個而被成像。到位置19和從位置19的相關(guān)的參考飛行時間被用于確定空余量中的光速。

圖7a和圖7b示出了替代實施例，其中攝像機2被安裝到燃料箱的底壁6，并且從下面穿過液體燃料觀看燃料表面1。在這種情況下，攝像機中的透鏡31與窗口32之間的空間34充滿與箱中的燃料溫度大致相同的液體燃料，其中空間34提供了參考路徑以用于對介質(zhì)中光速的測量。這可以通過以下方式來實現(xiàn)：使敞開通道穿過支撐件35并到參考路徑中，并且將攝像機2浸入在燃料中，以便燃料流動通過敞開通道并流動到參考通道中。替代地，參考路徑可以被密封，并且包含與燃料箱中的類型相同的燃料。在h_{xj yk}═D_{xj yk}·cosα_jk這種情況下，用于測量燃料高度的算法與前面描述的算法相似。

總結(jié)本發(fā)明的以上實施例，光源30、30a被布置成用光來照射燃料箱中的液體燃料的表面1，以便光被表面1反射或散射到傳感器陣列21上。經(jīng)由包含傳輸介質(zhì)(例如空余量氣體或液體燃料)的測量路徑，光行進到表面1以及從表面1行進。光源還被布置成用光經(jīng)由參考路徑來照射傳感器陣列21中的至少一個傳感器，參考路徑包含具有與測量路徑中的傳輸介質(zhì)的折射率基本相同的折射率的傳輸介質(zhì)。參考路徑具有已知參考距離R，參考距離R不會根據(jù)燃料的量而變化。處理系統(tǒng)被布置成：確定光經(jīng)由測量路徑行進到傳感器陣列21中的每個傳感器的測量飛行時間t_{xj yk}。處理系統(tǒng)還被布置成：測量光經(jīng)由參考路徑行進到傳感器陣列21中的所述至少一個傳感器的參考飛行時間t_R。根據(jù)測量飛行時間t_{xj yk}、參考飛行時間t_R和已知參考距離R，處理系統(tǒng)來估計燃料箱中燃料的量。更加具體地，根據(jù)測量飛行時間t_{xj yk}、參考飛行時間t_R和已知參考距離R來確定距離D_{xj yk}：D_{xj yk}═R.t_{xj yk}/2.t_R。這些距離D_{xj yk}被用于確定燃料表面的高度h_{xj yk}═H_ToF–h’_{xj yk}═H_ToF–D_{xj yk}·cosα_jk?；谟拖涞囊阎膸缀涡螤?，燃料表面1的高度h_{xj yk}被用于估計燃料箱中燃料的量。處理系統(tǒng)可以是單個處理單元14或者較分布式處理系統(tǒng)——例如處理系統(tǒng)的一部分被容納在攝像機2、2a中。

如圖8所示，必須實時地執(zhí)行圖像采集和加工，以允許最小量為1s(1Hz的刷新率)的燃料量指示的刷新時間。為了允許這種情況，可以將數(shù)字信號處理器(DSP)或類似的高性能處理器用于圖1中的元件11、12和14。圖8示出了以1s間隔開的兩個測量周期。

在每個周期的圖像采集階段，單個測量脈沖被發(fā)送出去，并且反射光在傳感器陣列的所有像素處被感測。在每個周期的圖像加工階段期間，計算和處理飛行時間測量，以提供攝像機的視野的圖像，并且根據(jù)這樣來確定燃料表面的高度和姿態(tài)，并且因此來估計燃料箱中液體燃料的量。每個周期進行一次對傳輸介質(zhì)中光速cR的校準(zhǔn)測量。每次對c_R的測量被用于校正該周期的從燃料表面的測量距離(并且因此估計液體燃料的量)。

圖9是結(jié)合圖1的系統(tǒng)的飛行器50的平面圖。飛行器在每個機翼中具有機翼燃料箱，并且在機身下面具有中央燃料箱。每個燃料箱被分為若干個艙室，每個艙室均通過肋部與相鄰艙室分開，其中肋部具有允許燃料在相鄰艙室之間移動的孔。圖9示出了每個機翼燃料箱的兩個艙室51以及中央燃料箱的單個艙室52。五個艙室中的每一個具有如圖1所示安裝的飛行時間攝像機。在圖9的架構(gòu)中，每個電線束10或光纖束10a導(dǎo)致單個中央的圖像采集加工部9處于加壓和有條件的區(qū)域中。

圖10示出了替代的局部化的架構(gòu)，其中三個圖像采集加工部9被設(shè)置成較接近艙室，因此減小所需的電線束的長度。加工數(shù)據(jù)可以經(jīng)由電通信網(wǎng)絡(luò)或者光通信網(wǎng)絡(luò)53被傳輸?shù)蕉鄠€部9中的中央的部9。

在上述實施例中，飛行時間攝像機2是直接飛行時間攝像機，其測量激光脈沖離開攝像機以及反射回到傳感器陣列上所需的直接飛行時間。在本發(fā)明的其它實施例中，可以使用其它形式的飛行時間攝像機。例如，飛行時間攝像機可以使用射頻調(diào)制光源和相位檢測器。射出光束是連續(xù)的(而不是脈沖的)并用射頻載波進行調(diào)制，并且在接收器側(cè)測量該載波的相移。替代地，時間飛行時間攝像機可以是傳感器陣列前方具有快門的距離選通成像器，當(dāng)光脈沖被發(fā)送出去時，該快門以相同的速率打開和關(guān)閉。因為快門根據(jù)每個返回脈沖的到達時間來阻擋每個返回脈沖的一部分，所以接收到的光的量與飛行時間有關(guān)。

盡管以上已經(jīng)參考一個或多個優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但是可以意識到的是，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，可以進行各種變化或改型。