申请/专利权人：空中客车英国运营有限责任公司

申请日：2016-06-22

公开（公告）日：2020-11-24

公开（公告）号：CN106323418B

主分类号：G01F23/292(20060101)

分类号：G01F23/292(20060101);B64D37/00(20060101)

优先权：["20150630 GB 1511452.3"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.11.24#授权;2018.06.22#实质审查的生效;2017.01.11#公开

摘要：本发明涉及飞行器燃料测量。提供了一种估计飞行器的燃料箱中液体燃料的量的方法。用光来照射燃料的表面，以便光被燃料的表面反射或散射到传感器阵列上。光经由包含传输介质的测量路径行进到燃料表面以及从燃料表面行进。对于每个传感器，获得针对经由测量路径行进到该传感器的光的测量飞行时间。用光经由参考路径来照射多个传感器中的至少一个，参考路径包含具有与测量路径中传输介质的折射率基本相同的折射率的传输介质，该参考路径具有不根据燃料的量而变化的已知参考距离。测量光经由参考路径行进到多个传感器中的至少一个的参考飞行时间。根据测量飞行时间、参考飞行时间和已知参考距离来估计燃料箱中燃料的量。

主权项：1.一种飞行器燃料箱系统，包括：燃料箱；传感器阵列；光源，其被布置成用光来照射燃料箱中液体燃料的表面，以便光被燃料的表面反射或散射到所述传感器阵列上，光经由包含传输介质的测量路径行进到燃料的表面以及从燃料表面行进，其中所述光源还被布置成用光经由参考路径来照射所述传感器阵列中的至少一个传感器，所述参考路径包含具有与所述测量路径中的传输介质的折射率相同的折射率的传输介质，所述参考路径具有不根据燃料的量而变化的已知参考距离；处理系统，其被布置成：确定光经由所述测量路径行进到所述传感器阵列中的每个传感器的测量飞行时间，测量光经由所述参考路径行进到所述至少一个传感器的参考飞行时间，并且根据所述测量飞行时间、所述参考飞行时间和所述已知参考距离来估计燃料箱中燃料的量；以及反射器，其以固定的关系被安装到所述传感器阵列，以便经由所述参考路径行进的光被所述反射器反射到所述至少一个传感器上，其中，所述反射器为半透明窗口，其被布置成使得来自所述光源的一些光透射穿过所述半透明窗口并照射燃料的表面以提供所述测量路径，并且来自所述光源的一些光被所述半透明窗口反射到所述至少一个传感器上以提供所述参考路径。

全文数据：飞行器燃料测量技术领域[0001]本发明涉及估计飞行器的燃料箱中液体燃料的量的方法以及相关设备。背景技术[0002] US20150153212公开了测量飞行器燃料箱中燃料的燃料表面的高度的方法。燃料表面的一个或更多个图像被捕捉，每个图像包括燃料表面线，其中燃料表面与结构相接。分析每个图像，以便确定图像中三个或更多个点处的燃料表面线的高度。如果燃料表面线不是直线，则可以通过空间平均根据图像中的点来确定燃料表面线的平均角度。优选地，在时间周期内捕捉燃料表面的一系列图像，并且通过时间平均根据一系列图像来确定燃料表面的平均高度。三个或更多个点处的一个或多个燃料表面线的高度用于确定燃料的体积、燃料的质量和或燃料表面的姿态。[0003]飞行时间摄像机ToF摄像机是距离成像摄像机系统，其基于已知的光速来决定距离。ToF摄像机基于以下激光测距仪原理:朝着目标发送很短的激光脉冲，并且测量飞行时间即激光脉冲被反射并返回到接收器所花费的时间。在知道光的传播速度的情况下，可以决定距离。[0004] ToF摄像机是三维版本的激光测距仪，其中接收器为像素矩阵，并且每个像素能够测量被三维物体的特定区域反射的发射的光激光脉冲的飞行时间。最终结果是实时三维物体的三维图或距离图。通常，在ToF摄像机内没有活动部件，并且物体的三维图可以在单个测量中完成。利用商业系统，已经实现了50Hz-60Hz的采集速率。[0005]在W02006097406中描述了三维成像系统。光电二极管或传感器元件被放置在照明单元中。传感器元件提供了基本上对应于零距离测量的相位参考。发明内容[0006]本发明的第一方面提供了飞行器燃料箱系统，其包括:燃料箱;传感器阵列;光源，其被布置以用光来照射燃料箱中液体燃料的表面，以便光被燃料的表面反射或散射到传感器阵列上，光经由包含传输介质的测量路径行进到燃料的表面以及从燃料表面行进，其中光源还被布置成用光经由参考路径来照射传感器阵列中的至少一个传感器，参考路径包含具有与测量路径中的传输介质的折射率基本相同的折射率的传输介质，参考路径具有不根据燃料的量而变化的已知参考距离；以及处理系统，其被布置成:确定光经由测量路径行进到传感器阵列中的每个传感器的测量飞行时间，测量光经由参考路径行进到所述至少一个传感器的参考飞行时间，并且根据测量飞行时间、参考飞行时间和已知参考距离来估计燃料箱中燃料的量。[0007]因此，光可以被燃料的表面反射或散射到传感器阵列上，使得传感器阵列中的每个传感器接收到从在燃料的表面上的多个位置的相应位置处反射的光，并且处理系统可以被布置以确定光经由测量路径行进到传感器阵列中的每个传感器的测量飞行时间，从而确定针对在燃料的表面上的多个位置的每个相应位置处的测量飞行时间。[0008]本发明的另一方面提供了估计飞行器的燃料箱中液体燃料的量的方法，该方法包括:用光来照射燃料的表面，以便光被燃料的表面反射或散射到传感器阵列上，光经由包含传输介质的测量路径行进到燃料表面以及从燃料表面传输;对于传感器阵列中的每个传感器，确定光经由测量路径行进到该传感器的测量飞行时间；用光经由参考路径来照射传感器阵列中的至少一个传感器，参考路径包含具有与测量路径中的传输介质的折射率基本相同的折射率的传输介质，参考路径具有不根据燃料的量而变化的已知参考距离;测量光经由参考路径行进到至少一个传感器的参考飞行时间；以及根据测量飞行时间、参考飞行时间和已知参考距离来估计燃料箱中燃料的量。[0009]光可以采用光谱的可见部分、紫外部分或红外部分的形式。[0010]可以通过固定结构如燃料箱的壁，将经由参考路径行进的光反射或散射到至少一个传感器上。可选地，系统进一步包括反射器，该反射器以固定的关系被安装到传感器阵列上，以便经由参考路径行进的光被反射器反射到至少一个传感器上。反射器可以是半透明窗口，其被布置成使得来自光源的一些光透射穿过半透明窗口并照射燃料的表面，并且来自光源的一些光被该窗口反射到所述至少一个传感器上。[0011]可选地，光源被布置用于脉冲操作，以便照射燃料箱中液体燃料的表面的光被光源以脉冲形式发射。在这种情况下，系统可以直接测量飞行时间，或者可以通过使用在传感器阵列前方具有快门的距离选通成像器来间接测量飞行时间，当光脉冲被发送出去时，快门以相同的速率打开和关闭。因为根据每个返回脉冲的到达时间每个返回脉冲的一部分被快门阻挡，所以接收到的光的量与飞行时间有关。[0012]替代地，光源可以被布置用于连续操作，以便照射燃料箱中液体燃料的表面的光被光源连续地发射。例如，光可以用射频载波进行调制，并且可以在传感器阵列处测量载波的相移以推断飞行时间。[0013]燃料的表面可以从上面被照射，以便测量路径中的传输介质包括空余量气体，或者燃料的表面可以从下面被照射，以便测量路径中的传输介质包括液体燃料。[0014]可选地，透镜被布置成使得经由测量路径行进到燃料表面和从燃料表面行进的光穿过透镜。透镜可以被布置成使得经由参考路径行进到至少一个传感器上的光也穿过透Ho附图说明[0015]现在，将参考附图描述本发明的实施例，在附图中:[0016]图1示出了飞行器燃料箱以及用于测量箱中燃料的表面的基于飞行时间的系统；[0017]图2示出了摄像机的替代的视野；[0018]图3示出了摄像机的操作原理；[0019]图4详细地示出了摄像机；[0020]图5示出了采用光纤的替代的系统；[0021]图6示出了摄像机的视野包括燃料箱壁的系统；[0022]图7a和7b示出了摄像机从下面观看燃料表面的系统；[0023]图8示出了用于进行一系列测量的过程；[0024]图9示出了具有用于监测燃料的中央式处理架构的飞行器；以及[0025]图10示出了具有用于监测燃料的分布式处理架构的飞行器。具体实施方式[0026]图1是包括燃料箱的飞行器燃料箱系统以及用于测量燃料箱中燃料的表面I的设备的示意图。在壁5通常没有被覆盖在燃料中的位置中，飞行时间摄像机2可以通过燃料箱的顶壁5中的光学进入窗口3观看到燃料箱。窗口3具有疏水性涂层，以使冷凝、雾、霜和微生物生长的问题最小化。摄像机2可以采集并且将视野4的图像数字化。这些图像经由电线束10被传送到图像采集加工部9的采集调节模块11。[0027] 燃料箱示意性地示出具有前壁、后壁、左侧壁、右侧壁、底壁和顶壁的平行六面体结构。在图1中，摄像机2位于中央，并且朝向燃料表面I正下指向。在图2中，摄像机被放置到箱的一侧，并且以倾斜角度朝向燃料表面I指向。[0028]摄像机的较宽视野4产生图像失真。图像加工校正处理器12将预定校正系数矩阵施加到图像，以便校正这种失真。[0029]然后，可以将校正图像输出到显示装置15，以用于在飞行器飞行期间向飞行器的飞行员进行显示，或者在补充燃料和地面操作期间向地勤人员进行显示。[0030]图3和图4中示出了摄像机2的运行。将可见光的测量脉冲20从摄像机2朝向燃料表面I发送。测量脉冲20被燃料表面I反射和或散射，并且被传感器像素yk阵列21接收。传感器阵列21中的每个传感器像素测量距燃料表面I的相应位置的距离。因此，在图3中，示出了阵列21中的位置&yk处的传感器像素，从而测量至燃料表面I的对应位置同样标记为Xjyk的距离Dxjyk。在知道摄像机2距油箱的底部6的距离的情况下，测量在位置yk处的燃料高度hxjyk是可能的。[0031]可以将相同的过程应用于所有其它的传感器像素，并且测量燃料表面I的每个点在摄像机2的视野中的燃料高度。这样使得以下成为可能:在知道油箱的几何形状的情况下，测量箱中燃料的量。燃料高度还可以被用于确定燃料表面I的姿态，以及或者用于检测漂浮在燃料表面上的污染物。[0032] 可以应用以下公式来测量距离Dxjyk:Dxjyk-Ctxjyk2，其中，c是光在测量路径在这种情况下为燃料表面I以上的空余量中的速度，而txjyk是在位置Xjyk处从燃料表面I要被反射的测量脉冲20的测量飞行时间，并且txjyk由传感器像素&yk来记录。[0033]那么，燃料尚度hxj yk为:hxjyk-HToF-h’xjyk-HToF-Dxjyk.COSCIjk，其中，角度CXjk根据摄像机2的光学器件得知，距离Htc1F为从阵列21到箱的底部6的已知距离，而高度h’xj#为从燃料表面上的位置Xjyk到阵列21的高度。[0034]图4详细地示出了摄像机2。光源30如激光器产生光脉冲，其被引导到透镜31中。一些光透射穿过半透明窗口32，以提供照射燃料表面I的测量脉冲20。一些光被窗口32反射，以提供参考脉冲33，参考脉冲33被透镜31引导到传感器阵列21上，而没有被燃料反射。通过支撑件35将窗口32以固定的关系安装到传感器阵列21上，以便窗口32与传感器阵列21被间隔开已知距离R2，该距离R2不会根据燃料箱中液体的量而变化。[0035]测量脉冲20经由包含传输介质的测量路径8行进到燃料表面以及从燃料表面I行进。这种传输介质主要是燃料表面I上方的空余量7中的空气。该测量路径的距离根据箱中燃料的量而变化。另一方面，参考脉冲33从光源30经由具有已知参考距离R的参考路径行进到传感器阵列21上，其中参考距离R不根据箱中燃料的量而变化。透镜31与窗口32之间的空间34包含与测量路径相同的处于大致相同的温度和压力的传输介质在这种情况下为空余量7中的空气。这样保证参考路径包含以下传输介质:该传输介质具有与测量路径中的传输介质基本相同的折射率，并且因此具有与该介质中的光速基本相同的速度。[0036]如上所述，摄像机2确定测量脉冲20经由用于阵列中的每个传感器的测量路径的测量飞行时间。这种飞行时间测量取决于测量路径中的光速c，其根据测量路径中的传输介质的折射率而变化如通过传输介质的温度、密度和材料成分进行确定的那样。摄像机2测量参考脉冲33经由参考路径到阵列21中的至少一个传感器像素的参考飞行时间，并且根据该参考飞行时间来校正对燃料量的估计。具体地，光速CR被用于测量到燃料表面I和从燃料表面I的飞行时间，其中，Cr-RtR，tR为关于参考脉冲33的参考飞行时间，而R是已知参考距离。[0037] 然后，基于前面提到的算法hxjyk-HToF-h’xjyk-HToF-Dxjyk.cosajk，通过处理器14来确定对视野4内各个位置处的燃料表面高度hxjyk的估计。然后，这些燃料表面高度hxjyk被处理器14用于基于已知的箱的几何形状，结合箱中燃料的量质量和或体积来确定燃料表面I的姿态。[0038]图5是具有基于光纤的图像采集系统的替代实施例，其中摄像机位于远程。光源30a将光经由目镜光学器件16引导到光纤束1a中。然后，光通过纤维镜17被引导到燃料箱中。反射光被纤维镜17接收，纤维镜17将反射光经由光纤束1a和目镜光学器件16传送到飞行时间摄像机2a中。在这种情况下，在光学束1a的端部处，参考路径被集成到纤维镜17中。[0039]图6是替代实施例，其中摄像机的视野4不仅包括燃料的表面1，还包括燃料箱的在角部处相接的两个侧壁。这样使得飞行时间摄像机2能够测量燃料表面I的高度，并且还能够测量燃料表面I与两个侧壁相接的界面的高度。图6中的摄像机2可以由如图5中的纤维镜17和远程摄像机2a来代替。[0040]位于视野4的顶部处的预设位置19其中，视野4的顶部与燃料箱的角部相接可以被用于提供具有相对长的已知参考距离R的参考路径，而非如图4所示的那样在摄像机内使用相对短的参考路径。这个预设位置19位于已知的且距摄像机固定的距离R2处，并且通过传感器像素中的一个而被成像。到位置19和从位置19的相关的参考飞行时间被用于确定空余量中的光速。[0041]图7a和图7b示出了替代实施例，其中摄像机2被安装到燃料箱的底壁6，并且从下面穿过液体燃料观看燃料表面I。在这种情况下，摄像机中的透镜31与窗口32之间的空间34充满与箱中的燃料温度大致相同的液体燃料，其中空间34提供了参考路径以用于对介质中光速的测量。这可以通过以下方式来实现:使敞开通道穿过支撑件35并到参考路径中，并且将摄像机2浸入在燃料中，以便燃料流动通过敞开通道并流动到参考通道中。替代地，参考路径可以被密封，并且包含与燃料箱中的类型相同的燃料。在hxjyk-Dxjyk.Cosajk这种情况下，用于测量燃料高度的算法与前面描述的算法相似。[0042]总结本发明的以上实施例，光源30、30a被布置成用光来照射燃料箱中的液体燃料的表面I，以便光被表面I反射或散射到传感器阵列21上。经由包含传输介质例如空余量气体或液体燃料的测量路径，光行进到表面I以及从表面I行进。光源还被布置成用光经由参考路径来照射传感器阵列21中的至少一个传感器，参考路径包含具有与测量路径中的传输介质的折射率基本相同的折射率的传输介质。参考路径具有已知参考距离R，参考距离R不会根据燃料的量而变化。处理系统被布置成:确定光经由测量路径行进到传感器阵列21中的每个传感器的测量飞行时间txjyk。处理系统还被布置成:测量光经由参考路径行进到传感器阵列21中的所述至少一个传感器的参考飞行时间tR。根据测量飞行时间txjyk、参考飞行时间tR和已知参考距离R，处理系统来估计燃料箱中燃料的量。更加具体地，根据测量飞行时间txjyk、参考飞行时间tR和已知参考距离R来确定距离Dxjyk:Dxjyk-R.txjyk2.tR。这些距离Dxjyk被用于确定燃料表面的高度hxjyk-HToF-h'xjyk-HToF-Dxjyk.cosajk。基于油箱的已知的几何形状，燃料表面I的高度hxj#被用于估计燃料箱中燃料的量。处理系统可以是单个处理单元14或者较分布式处理系统——例如处理系统的一部分被容纳在摄像机2、2a中。[0043]如图8所示，必须实时地执行图像采集和加工，以允许最小量为IsIHz的刷新率的燃料量指示的刷新时间。为了允许这种情况，可以将数字信号处理器DSP或类似的高性能处理器用于图1中的元件11、12和14。图8示出了以Is间隔开的两个测量周期。[0044]在每个周期的图像采集阶段，单个测量脉冲被发送出去，并且反射光在传感器阵列的所有像素处被感测。在每个周期的图像加工阶段期间，计算和处理飞行时间测量，以提供摄像机的视野的图像，并且根据这样来确定燃料表面的高度和姿态，并且因此来估计燃料箱中液体燃料的量。每个周期进行一次对传输介质中光速CR的校准测量。每次对CR的测量被用于校正该周期的从燃料表面的测量距离并且因此估计液体燃料的量。[0045]图9是结合图1的系统的飞行器50的平面图。飞行器在每个机翼中具有机翼燃料箱，并且在机身下面具有中央燃料箱。每个燃料箱被分为若干个舱室，每个舱室均通过肋部与相邻舱室分开，其中肋部具有允许燃料在相邻舱室之间移动的孔。图9示出了每个机翼燃料箱的两个舱室51以及中央燃料箱的单个舱室52。五个舱室中的每一个具有如图1所示安装的飞行时间摄像机。在图9的架构中，每个电线束10或光纤束1a导致单个中央的图像采集加工部9处于加压和有条件的区域中。[0046]图10示出了替代的局部化的架构，其中三个图像采集加工部9被设置成较接近舱室，因此减小所需的电线束的长度。加工数据可以经由电通信网络或者光通信网络53被传输到多个部9中的中央的部9。[0047]在上述实施例中，飞行时间摄像机2是直接飞行时间摄像机，其测量激光脉冲离开摄像机以及反射回到传感器阵列上所需的直接飞行时间。在本发明的其它实施例中，可以使用其它形式的飞行时间摄像机。例如，飞行时间摄像机可以使用射频调制光源和相位检测器。射出光束是连续的而不是脉冲的并用射频载波进行调制，并且在接收器侧测量该载波的相移。替代地，时间飞行时间摄像机可以是传感器阵列前方具有快门的距离选通成像器，当光脉冲被发送出去时，该快门以相同的速率打开和关闭。因为快门根据每个返回脉冲的到达时间来阻挡每个返回脉冲的一部分，所以接收到的光的量与飞行时间有关。[0048]尽管以上已经参考一个或多个优选实施例对本发明进行了描述，但是可以意识到的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种变化或改型。

权利要求：1.一种飞行器燃料箱系统，包括:燃料箱；传感器阵列；光源，其被布置成用光来照射燃料箱中液体燃料的表面，以便光被燃料的表面反射或散射到所述传感器阵列上，光经由包含传输介质的测量路径行进到燃料的表面以及从燃料表面行进，其中所述光源还被布置成用光经由参考路径来照射所述传感器阵列中的至少一个传感器，所述参考路径包含具有与所述测量路径中的传输介质的折射率基本相同的折射率的传输介质，所述参考路径具有不根据燃料的量而变化的已知参考距离；以及处理系统，其被布置成:确定光经由所述测量路径行进到所述传感器阵列中的每个传感器的测量飞行时间，测量光经由所述参考路径行进到所述至少一个传感器的参考飞行时间，并且根据所述测量飞行时间、所述参考飞行时间和所述已知参考距离来估计燃料箱中燃料的量。2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括:反射器，其以固定的关系被安装到所述传感器阵列，以便经由所述参考路径行进的光被所述反射器反射到所述至少一个传感器上。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述反射器为半透明窗口，其被布置成使得来自所述光源的一些光透射穿过所述半透明窗口并照射燃料的表面以提供所述测量路径，并且来自所述光源的一些光被所述半透明窗口反射到所述至少一个传感器上以提供所述参考路径。4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述光源被布置用于脉冲操作，以便照射燃料箱中液体燃料的表面的光被所述光源以脉冲形式发射。5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，燃料的表面从上面被照射，以便所述测量路径中的传输介质包括空余量气体。6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，燃料的表面从下面被照射，以便所述测量路径中的传输介质包括液体燃料。7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，进一步包括:透镜，其被布置成使得经由所述测量路径行进到燃料表面以及从燃料表面行进的光穿过所述透镜。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述透镜被布置成使得经由所述参考路径行进到所述至少一个传感器的光也穿过所述透镜。9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述处理系统被布置成:根据所述测量飞行时间、所述参考飞行时间、所述已知参考距离以及已知的燃料箱的几何形状，来估计燃料箱中燃料的量。10.—种包括根据前述权利要求中任一项所述的燃料箱系统的飞行器。11.一种估计飞行器的燃料箱中液体燃料的量的方法，所述方法包括:用光来照射燃料的表面，以便光被燃料的表面反射或散射到传感器阵列上，光经由包含传输介质的测量路径行进到燃料表面以及从燃料表面行进；对于所述传感器阵列中的每个传感器，确定光经由所述测量路径行进到所述传感器的测量飞行时间；用光经由参考路径来照射所述传感器阵列中的至少一个传感器，所述参考路径包含具有与所述测量路径中的传输介质的折射率基本相同的折射率的传输介质，所述参考路径具有不根据燃料的量而变化的已知参考距离；测量光经由所述参考路径行进到所述至少一个传感器的参考飞行时间；以及根据所述测量飞行时间、所述参考飞行时间和所述已知参考距离来估计所述燃料箱中燃料的量。

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