一种基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统及方法与流程

1.本发明涉及航空器技术领域，尤其涉及一种基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统及方法。


背景技术：

2.在航空领域，面临的重要问题是低可见度天气造成的物流交货延期、大面积航空延误、甚至是重大公共安全事故带来的重大经济损失和人员伤亡。尽管目前已有各种先进的地面引导系统和机载设备，但低可见度仍对航空器进近着陆时的安全产生重大威胁，它是造成重要航空事故的主要因素。因此，航空器在低可见度下进近着陆一直是航空领域发展关注的热点问题，如何在低可见度下引导航空器实施安全进近着陆具有重要的实际意义。
3.目前，国际上保障航空器在低能见度下进近着陆的主要系统是仪表着陆系统(instrument landing system，ils)和微波着陆系统(microwave landing system，mls)。尽管在低能见度下有ils或mls的引导，但目前无法替代低可见度下航空器进近着陆飞行员的目视着陆的难题，解决该难题的核心是“可视化”，即让飞行员在低能见度下能看到航空器周围环境的真实可靠的视觉图像。为此，国际民航界围绕这一目标，开展了广泛而深入的研究，先后提出和发展了视景增强系统(enhanced vision system，evs)和合成视觉系统等解决方案。
4.针对航空器低可见度下安全进近着陆引导的应用需求，自上世纪90年代，人们开始研究低可见度天气的机载红外或微波主动成像系统，其可为飞行员提供低可见度环境下的实时动态图像，以辅助飞行员在低可见度下的进近着陆。然而，现有的机载红外或微波主动手段获得用于航空器进近着陆的红外图像或微波主动图像仍存在较多的不足，红外探测在浓雾条件下穿透能力受限，微波主动易受到地杂波干扰等。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统及方法，用以解决现有技术中航空器在低能见度下进近着陆时采用着陆系统或者红外微波主动成像技术时，存在穿透能力有限，容易受到干扰，导致生成的着陆引导图像清晰度不够以及干扰因素过多的缺陷。
6.第一方面，本发明提供一种基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统，包括：
7.综合处理器以及分别与所述综合处理器相连接的综合孔径微波辐射成像系统、gps定位系统、惯性导航系统和三维场景模型存储器和抬头显示器；
8.所述综合孔径微波辐射成像系统获取待观测场景的综合孔径微波辐射图像；
9.所述gps定位系统提供航空器位置信息；
10.所述惯性导航系统提供航空器姿态信息；
11.所述三维场景模型存储器存储机场三维场景模型；
12.所述综合处理器基于所述综合孔径微波辐射图像、所述航空器位置信息、所述航空器姿态信息和所述机场三维场景模型，生成实时引导图像信息；
13.所述抬头显示器显示所述实时引导图像信息。
14.第二方面，本发明还提供一种基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导方法，包括：
15.由综合孔径微波辐射成像系统获取待观测场景的综合孔径微波辐射图像，由gps定位系统确定航空器位置信息，由惯性导航系统确定航空器姿态信息；
16.由三维场景模型存储器获取机场三维场景模型，并存储所述机场三维场景模型；
17.综合处理器基于所述综合孔径微波辐射图像、所述航空器位置信息、所述航空器姿态信息和所述机场三维场景模型，输出实时引导图像信息，将所述实时引导图像信息传输至抬头显示器；
18.所述抬头显示器显示所述实时引导图像信息，以供航空器根据所述实时引导图像信息进行着陆。
19.本发明提供的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统及方法，通过利用微波辐射被动成像具有穿云雾能力强、受地杂波干扰小等优点，为航空器提供低可见度天气下进近着陆的周围环境，进一步提升航空器在低可见度天气下着陆引导的安全性和时效性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明提供的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统的结构示意图；
22.图2是本发明提供的综合孔径微波辐射成像系统结构示意图；
23.图3是本发明提供的综合孔径微波辐射成像系统中天线阵列示意图；
24.图4是本发明提供的综合孔径微波辐射成像系统二维视场宽度示意图；
25.图5是本发明提供的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导方法的流程示意图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.为解决航空器在低可见度下安全进近着陆的问题，由于干涉测量的综合孔径微波辐射被动成像技术逐步发展成熟，其同时具有宽视场、高分辨率及瞬时成像的优点，综合孔径微波辐射被动成像技术可作为航空器低可见度下进近着陆的一种新手段。因此，本发明
提出一种基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统及方法。
28.图1是本发明实施例提供的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统的结构示意图，如图1所示，包括：
29.综合处理器以及分别与所述综合处理器相连接的综合孔径微波辐射成像系统、gps定位系统、惯性导航系统和三维场景模型存储器和抬头显示器；
30.所述综合孔径微波辐射成像系统获取待观测场景的综合孔径微波辐射图像；
31.所述gps定位系统提供航空器位置信息；
32.所述惯性导航系统提供航空器姿态信息；
33.所述三维场景模型存储器存储机场三维场景模型；
34.所述综合处理器基于所述综合孔径微波辐射图像、所述航空器位置信息、所述航空器姿态信息和所述机场三维场景模型，生成实时引导图像信息；
35.所述抬头显示器显示所述实时引导图像信息。
36.具体地，如图1所示，本发明实施例提出的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统包括六个模块，分别是图1中实线框中的综合孔径微波辐射成像系统、gps定位系统、惯性导航系统和三维场景模型存储器和抬头显示器，每个系统模块对应的虚线模块中呈现其提供的功能。
37.综合孔径微波辐射成像系统用于获取待观测场景的宽幅实时微波辐射图像，即综合孔径微波辐射图像；
38.gps定位系统提供航空器位置信息，包括经度、纬度和高度信息等；惯性导航系统提供航空器姿态信息，包括俯仰、横滚和偏航信息等；
39.三维场景模型存储器主要是用于存储机场的三维场景模型，机场的三维场景模型是通过实现采取的机场场景在不同观测角度的光学图片通过三维重建技术重构出场景的三维机场模型，并将存储在存储器中；
40.综合处理器是利用获得综合孔径微波辐射图像结合航空器的位置信息、姿态信息和存储的三维场景模型通过融合和视景增强技术获得航空器(驾驶员)视觉的实时引导图像信息；
41.抬头显示器是将重构的实时引导图像信息显示在屏幕上，供驾驶员参考，引导航空器进近着陆。
42.本发明通过综合孔径微波辐射成像技术实时获取前方的宽视场实时微波辐射图像，并融合航空器位置信息和姿态信息以及基于机场三维场景模型重建航空器(驾驶员)视觉的显示图像，为航空器(驾驶员)提供可视化图像，引导航空器进近着陆。该系统和方法能够为低可见度下航空器得进近着陆提供近实时的可靠的可视化图像，且无需地面引导系统即可实现航空器的进近着陆。
43.在上述实施例的基础上，所述综合孔径微波辐射成像系统包括依次连接的天线阵列、接收机通道阵列、数字采集器、数字相关处理器和图像反演处理器；
44.所述天线阵列输出微波辐射信号；
45.所述接收机通道阵列接收所述微波辐射信号，生成中频信号；
46.所述数字采集器对所述中频信号进行模数转换，输出数字信号；
47.所述数字相关处理器根据所述数字信号生成待观测场景相关矩阵；
48.所述图像反演处理器对所述待观测场景相关矩阵进行反演，输出所述综合孔径微波辐射图像。
49.其中，所述天线阵列包括多个天线单元，所述多个天线单元组成十字型天线阵；
50.所述十字型天线阵包括四个天线臂和一个中间天线单元，其中单个天线臂包括n个天线单元，所述天线阵列包括4n+1个天线单元，所有天线单元均为等间距布设；
51.所述天线单元为预设宽波束圆形喇叭天线。
52.其中，所述接收机通道阵列包括4n+1个接收机通道，单个接收机通道分别与单个天线单元相连接；
53.所述单个接收机通道通过射频前端对所述微波辐射信号依次进行放大、滤波、下变频、中频放大、中频滤波和iq解调，输出所述中频信号。
54.其中，所述数字采集器包括8n+2个模数转换器，每两个模数转换器对应一个接收机通道；
55.每两个模数转换器分别对一个接收机通道输出的中频信号中的i路信号和q路信号进行模数转换，得到所述数字信号。
56.其中，所述数字相关处理器分别对所述数字采集器输出的4n+1个i路信号和4n+1个q路信号进行两两相关计算，得到所述待观测场景相关矩阵。
57.其中，所述图像反演处理器根据天线单元之间的最小单元间距确定二维瞬时宽视场，由所述二维瞬时宽视场形成所述综合孔径微波辐射图像。
58.具体地，如图2所示的综合孔径微波辐射成像系统具体结构图中，根据处理的流程从左至右依次包括天线阵列、接收机通道阵列、数字采集器、数字相关处理器和图像反演处理器。
59.在本发明实施例中，天线阵列采用“十字”型阵，由四个天线臂和一个中间单元天线组成，以单个天线臂天线单元数目为n，那么天线阵列总的天线数目为4n+1；
60.每个天线单元连接一个接收机通道，接收机通道数目等于天线阵列数目，即4n+1，每个接收机通道接收对应连接天线输出的微波辐射信号，并通过射频前端依次进行放大、滤波，以及下变频、中频放大、中频滤波和iq信号解调，最终输出中频信号；
61.数字采集器是由多个模数转换器(a/d)组成，a/d的数目是接收机通道(天线)数目的两倍，即8n+2，每两个a/d分别对应一个接收机通道，分别对一个接收机通道输出的中频信号的i路信号和q信号进行模数转换；
62.数字相关处理器对数字采集器输出的所有i路数字信号(4n+1)和q数字信号(4n+1)进行两两相关，获得观测机场场景的相关矩阵；
63.图像反演处理器是将数字相关处理器输出相关矩阵反演得到观测场景的实时宽视场的综合孔径微波辐射图像。
64.需要说明的是，天线阵列呈十字形排列如图3所示，由四个天线臂和一个中间单元天线组成，单个天线臂天线单元数目为n，天线阵列总的天线数目为4n+1，相邻单元间距为d
x
＝dy＝d，单个天线单元采用宽波束圆形喇叭天线，d
x
表示x轴方向的相邻单元间距，dy表示y轴方向的相邻单元间距。
65.因此，综合孔径微波辐射成像系统获得的是二维瞬时宽视场，视场取决于对应方
向的最小单元间距图4为综合孔径微波辐射成像系统二维视场宽度示意图。
66.在上述实施例的基础上，图5是本发明实施例提供的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导方法的流程示意图，如图5所示，包括：
67.步骤100：由综合孔径微波辐射成像系统获取待观测场景的综合孔径微波辐射图像，由gps定位系统确定航空器位置信息，由惯性导航系统确定航空器姿态信息；
68.步骤200：由三维场景模型存储器获取机场三维场景模型，并存储所述机场三维场景模型；
69.步骤300：综合处理器基于所述综合孔径微波辐射图像、所述航空器位置信息、所述航空器姿态信息和所述机场三维场景模型，输出实时引导图像信息，将所述实时引导图像信息传输至抬头显示器；
70.步骤400：所述抬头显示器显示所述实时引导图像信息，以供航空器根据所述实时引导图像信息进行着陆。
71.具体地，由综合孔径微波辐射成像系统通过微波辐射并接收待观测场景返回的微波信号进行处理，得到待观测场景的综合孔径微波辐射图像，并通过gps定位系统获取航空器的位置信息，包括经度、纬度和高度等信息，以及通过惯性导航系统获取航空器的姿态信息，包括俯仰、横滚和偏航等信息。
72.同时，通过三维场景模型存储器获取存储机场的三维场景模型，机场的三维场景模型是通过实现采取的机场场景在不同观测角度的光学图片通过三维重建技术重构出场景的三维机场模型，并存储在存储器中。
73.由综合处理器综合上述综合孔径微波辐射图像、航空器位置信息、航空器姿态信息和存储的三维场景模型，通过融合和视景增强技术获得航空器(驾驶员)视觉的实时引导图像信息，并将实时引导图像信息传输至抬头显示器。
74.最后由抬头显示器是将重构的实时引导图像信息显示在屏幕上，供驾驶员参考，引导航空器进近着陆。
75.本发明通过利用微波辐射被动成像具有穿云雾能力强、受地杂波干扰小等优点，为航空器提供低可见度天气下进近着陆的周围环境，进一步提升航空器在低可见度天气下着陆引导的安全性和时效性。
76.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
77.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施
例或者实施例的某些部分所述的方法。
78.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统，其特征在于，包括：综合处理器以及分别与所述综合处理器相连接的综合孔径微波辐射成像系统、gps定位系统、惯性导航系统和三维场景模型存储器和抬头显示器；所述综合孔径微波辐射成像系统获取待观测场景的综合孔径微波辐射图像；所述gps定位系统提供航空器位置信息；所述惯性导航系统提供航空器姿态信息；所述三维场景模型存储器存储机场三维场景模型；所述综合处理器基于所述综合孔径微波辐射图像、所述航空器位置信息、所述航空器姿态信息和所述机场三维场景模型，生成实时引导图像信息；所述抬头显示器显示所述实时引导图像信息。2.根据权利要求1所述的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统，其特征在于，所述综合孔径微波辐射成像系统包括依次连接的天线阵列、接收机通道阵列、数字采集器、数字相关处理器和图像反演处理器；所述天线阵列输出微波辐射信号；所述接收机通道阵列接收所述微波辐射信号，生成中频信号；所述数字采集器对所述中频信号进行模数转换，输出数字信号；所述数字相关处理器根据所述数字信号生成待观测场景相关矩阵；所述图像反演处理器对所述待观测场景相关矩阵进行反演，输出所述综合孔径微波辐射图像。3.根据权利要求2所述的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统，其特征在于，所述天线阵列包括多个天线单元，所述多个天线单元组成十字型天线阵；所述十字型天线阵包括四个天线臂和一个中间天线单元，其中单个天线臂包括n个天线单元，所述天线阵列包括4n+1个天线单元，所有天线单元均为等间距布设；所述天线单元为预设宽波束圆形喇叭天线。4.根据权利要求3所述的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统，其特征在于，所述接收机通道阵列包括4n+1个接收机通道，单个接收机通道分别与单个天线单元相连接；所述单个接收机通道通过射频前端对所述微波辐射信号依次进行放大、滤波、下变频、中频放大、中频滤波和iq解调，输出所述中频信号。5.根据权利要求4所述的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统，其特征在于，所述数字采集器包括8n+2个模数转换器，每两个模数转换器对应一个接收机通道；每两个模数转换器分别对一个接收机通道输出的中频信号中的i路信号和q路信号进行模数转换，得到所述数字信号。6.根据权利要求5所述的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统，其特征在于，所述数字相关处理器分别对所述数字采集器输出的4n+1个i路信号和4n+1个q路信号进行两两相关计算，得到所述待观测场景相关矩阵。7.根据权利要求6所述的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统，其特征在于，所述图像反演处理器根据天线单元之间的最小单元间距确定二维瞬时宽视场，由所述二维瞬时宽视场形成所述综合孔径微波辐射图像。
8.根据权利要求1所述的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统，其特征在于，所述综合处理器分别确定所述航空器位置信息为观测位置，所述航空器姿态信息为观测方位，将所述综合孔径微波辐射图像与所述机场三维场景模型进行融合，利用图像融合和视觉增强构建所述实时引导图像信息。9.根据权利要求1所述的基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统，其特征在于，所述机场三维场景模型是通过对不同观测角度的机场场景光学图片进行三维重建所得到的。10.一种基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导方法，用于执行如权利要求1至9中任一所述基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统，其特征在于，包括：由综合孔径微波辐射成像系统获取待观测场景的综合孔径微波辐射图像，由gps定位系统确定航空器位置信息，由惯性导航系统确定航空器姿态信息；由三维场景模型存储器获取机场三维场景模型，并存储所述机场三维场景模型；综合处理器基于所述综合孔径微波辐射图像、所述航空器位置信息、所述航空器姿态信息和所述机场三维场景模型，输出实时引导图像信息，将所述实时引导图像信息传输至抬头显示器；所述抬头显示器显示所述实时引导图像信息，以供航空器根据所述实时引导图像信息进行着陆。

技术总结
本发明提供一种基于微波辐射被动成像的航空器着陆引导系统及方法，属于航空器技术领域，包括：综合孔径微波辐射成像系统获取待观测场景的综合孔径微波辐射图像；GPS定位系统提供航空器位置信息；惯性导航系统提供航空器姿态信息；三维场景模型存储器存储机场三维场景模型；综合处理器基于综合孔径微波辐射图像、航空器位置信息、航空器姿态信息和机场三维场景模型，生成实时引导图像信息；抬头显示器显示实时引导图像信息。本发明通过利用微波辐射被动成像具有穿云雾能力强、受地杂波干扰小等优点，为航空器提供低可见度天气下进近着陆的周围环境，进一步提升航空器在低可见度天气下着陆引导的安全性和时效性。气下着陆引导的安全性和时效性。气下着陆引导的安全性和时效性。


技术研发人员：卢海梁 范清彪 金涛勇
受保护的技术使用者：湖北珞珈实验室
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/9/12