基于主动偏振成像的飞机着陆目视引导系统及使用方法

1.本发明属于飞机辅助降落成像及显示技术领域，尤其涉及一种针对雾霾、雨雪等特殊天气条件下的利用偏振主动照明和偏振成像技术的飞行员目视辅助降落系统，提高飞机进近着陆的安全性。


背景技术：

2.随着交通的发展，人们对于交通设施的要求在不断提高，而飞机作为现阶段非常快捷的交通工具越来越受到大家的信赖。大多数飞机都可能在夜间降落，而夜间的能见度较低，并且有数据表明，能见度较低或者是恶劣的环境和天气条件，会对飞机的降落产生严重的影响。因此，有人设计了跑道灯光灯系统，在跑道两侧边界设置灯具，将降落跑道区域轮廓标识出来以实现飞机引导降落，但该方法在雾霾、烟尘等不利天气条件下的标识效果并不理想，另外现有光电探测仪器的去雾技术较差，所以在这些条件下，飞机的现有成像设备很难实现高对比度、高分辨率的成像。
3.目前，国际上飞机在低能见度条件下实施的进近、着陆方法有仪表着陆系统ils、微波着陆系统mls、卫星导航技术gps、激光着陆系统、视见着陆系统等等。但这些着陆系统都对引导设备和机场净空的要求较高，而且就目前来说还没有一种有效的方式可以对恶劣环境的飞机降落引导进行高质量成像，所以并没有实现真正意义上的“盲降”。因此本发明设计了一种针对雾霾、雨雪等恶劣天气条件飞机自动驾驶失灵，驾驶员需要目视降落的飞机助降系统。
4.偏振作为光横波性质的外在表现，不仅能获得目标的光强分布，同时能得到目标的偏振信息，易于在复杂背景下凸显目标，另外偏振光具有较强的偏振态保持能力，比强度信息衰减更慢，可以在更远的距离上成像，因此基于偏振光源和偏振光源照射的地面跑道场景成像具有一定的优势。由于偏振成像具有的穿透烟雾，在雨雪、雾霾等恶劣天气条件下对机场跑道清晰成像的优势，所以设计一种基于主动偏振成像，清晰显示地面跑道轮廓灯光标记的轮廓形状，以实现飞机准确降落的飞机着陆引导系统成为一种诉求。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种基于主动偏振成像的飞机着陆目视引导系统及使用方法，以解决飞机在雨雪、雾霾等恶劣天气条件下，自动驾驶系统失灵，飞行员目视降落时引导方法不足的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明的基于主动偏振成像的飞机着陆目视引导系统及使用方法的具体技术方案如下：
7.一种基于主动偏振成像的飞机着陆目视引导系统，包含沿机场跑道设置的偏振光源系统和安装在飞机上的偏振成像装置，偏振光源系统由间隔排列的一组偏振光源节点构成，且偏振光源节点安装于机场跑道两侧；
8.所述偏振光源系统由若干偏振光源节点组成，偏振光源节点包括led光源、偏振组
件、光学镜头和控制单元，led光源发出可见光，入射到偏振组件，产生不同线偏振角度的偏振光，经由光学镜头射出；控制单元与led光源、偏振组件电连接，控制偏振光的功率和偏振类型；
9.偏振成像装置包括偏振成像相机、偏振图像处理单元和偏振图像显示单元，偏振光源系统发出的偏振光，被偏振成像相机接收偏振信息，传送给偏振图像处理单元，偏振图像处理单元对偏振信息进行重构和解算获得偏振矢量，并对偏振矢量信息进行偏振增强融合处理，生成偏振图像，送到偏振图像显示单元供飞行员观看。
10.由于偏振成像不仅可以获取目标空间的强度信息，而且偏振信息还有穿透烟雾、凸显目标的优势，经偏振图像处理单元处理后的偏振图像可清晰的显示由偏振光源指示的机场跑道轮廓，以辅助飞行员进行目视降落。
11.进一步，偏振光源节点上的偏振组件上的线偏振光选择波轮；
12.线偏振光选择波轮包括安装支架，安装支架上设置可转动的安装板，安装板上设置个四个镜孔，其中三个镜孔上分别安装有0
°
线偏振片、45
°
线偏振片、90
°
线偏振片，最后一个镜孔上未安装偏振片。
13.进一步，偏振图像处理单元包括偏振相机像素矩阵输入、偏振图像计算模块、偏振参量重构模块、偏振图像融合模块和偏振融合图像输出；
14.偏振图像处理单元将偏振相机像素矩阵输入给偏振图像计算模块，偏振图像计算模块对该图像进行抽样和插值处理，分解为4个不同方向的偏振强度图像；对四个方向的强度图像经偏振参量重构模块进行stokes矢量解算，然后进行编码得到偏振stokes矢量图像，进一步计算得到偏振度dop和偏振角aop图像；最后通过偏振图像融合模块对偏振互补信息进行融合，将偏振融合图像输出至图像显示单元。
15.本发明还提供了一种基于主动偏振成像的飞机着陆目视引导系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：
16.步骤s1、在机场跑道两侧的间隔排列的安装偏振光源节点，偏振光源节点可多节点联网实现统一控制，所有偏振光源节点共同构成偏振光源系统；
17.步骤s2、偏振光源节点的控制单元控制led光源的发光功率，由控制单元控制偏振组件上的波轮旋转(波轮上有4个窗口，分别安装0
°
、45
°
、90
°
方向的偏振片和无偏振片)，将某一窗口旋转至光源光路，即可获得设定好的偏振光；
18.具体为，偏振光源节点的控制单元控制线偏振光选择波轮旋转到工作光路位置，如果线偏振光选择波轮是0
°
线偏振片(3211)，产生0
°
线偏振光，若分别选择偏振片为45
°
线偏振片、90
°
线偏振片或无偏振片，则分别产生45
°
、90
°
线偏振光或无偏光，其中产生的线偏振光都为可见光波段。
19.步骤s3、偏振成像相机为分焦平面偏振相机，飞机降落时，偏振成像相机对跑道及其上的偏振光源系统进行成像；
20.步骤s4、由偏振图像处理单元对偏振成像相机的偏振信息进行重构，获得的0
°
、45
°
、90
°
和135
°
四个方向的偏振强度图像，即i0,i
45
,i
90
,i
135
。由其中三个方向偏振强度图像对应各个像素点的像素值即可计算得到由stokes矢量表示的偏振图像，即s0、s1、s2图像；
21.计算公式如下：
22.s0＝i0+i
90
；
23.s1＝i
0-i
90
；
24.s2＝2i
45
+s0；
25.获得s0、s1、s2的偏振stokes矢量后，进而计算偏振度dop和偏振角aop图像，进一步的就可以采用已有的图像处理方法对偏振图像与可见光图像进行图像增强和融合处理；
26.步骤s5、将偏振图像连续传送到偏振图像显示单元，则飞行员就可以看到偏振光源系统指示的飞机跑道轮廓的偏振图像，以实现引导飞机辅助降落的目的。
27.本发明的基于主动偏振成像的飞机着陆目视引导系统及使用方法具有以下优点：采用偏振光源系统作为飞机跑道降落指示光源，有效引导的距离可以达到5公里以上，而且还弥补了自然光为非偏振光的不足，保证偏振成像的可靠性；又由于偏振信息具有凸显目标、增加作用距离和穿透烟雾的能力，在恶劣气象条件下，飞行员通过偏振成像获得更加清晰的成像效果，为其提供更加可靠、清晰的地面跑道画面，指引飞机安全降落。
28.通过本发明的各部分可以实现在低能见度或是雾霾、雨雪等不利天气条件下飞机着陆引导系统的设计。
附图说明
29.图1是飞机偏振助降系统模型示意图。
30.图2是飞机上偏振成像装置结构图。
31.图3是偏振图像处理单元22的具体图像处理过程。
32.图4是偏振光源节点结构图。
33.图5是偏振光源系统的线偏振光选择波轮主视图。
34.图6是图像显示单元界面示意图。
35.图中标记说明：1、偏振光源系统；2、偏振成像装置；21、偏振成像相机；22、偏振图像处理单元；221、偏振相机像素矩阵输入；222、偏振图像计算模块；223、偏振参量重构模块；224、偏振图像融合模块；225、偏振融合图像输出；23、偏振图像显示单元；3、偏振光源节点；31、led光源；32、偏振组件；321、线偏振光选择波轮；3211、0
°
线偏振片；3212、45
°
线偏振片；3213、90
°
线偏振片；33、光学镜头；34、控制单元；4、机场跑道；51、跑道外侧区域；52、跑道区域；53、跑道中线；54、偏振光源节点。
具体实施方式
36.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于主动偏振成像的飞机着陆目视引导系统及使用方法做进一步详细的描述。
37.如图1所示，本发明提供了一种基于主动偏振成像的飞机着陆目视引导系统及其使用方法，主要利用偏振光传输的高保偏特性，以及偏振成像具有较好的穿透烟尘、云雾能力的特点，提出了一种主动偏振成像的的飞机助降引导系统解决方案，在雾霾、雨雪等恶劣天气条件下对机场跑道清晰成像，指示和引导飞行员目视降落。
38.本发明主要涉及两部分内容，第一部分是为了保证偏振光源照射下偏振相机主动成像条件并取得高质量的偏振图像，本发明首先设计了飞机跑道4上安装着陆用偏振灯光系统，包括对跑道上偏振光源组的布置方式，以及偏振光源节点结构，该部分主要设计了一种可自动切换不同偏振状态的偏振光源，以应对不同天气条件下对偏振光源发光状态的需
求；第二部分为飞机上的偏振成像装置2的设计，该部分首先对分焦平面偏振相机采集的偏振图像进行偏振参量解算，接着将得到的stokes偏振参量和图像融合，最后将融合图像显示在图像显示单元仪表上。驾驶员从图像显示单元获得实时的飞机降落跑道图像，提示飞行员调整飞行姿态，引导飞机降落。
39.具体包括包含沿机场跑道4设置的偏振光源系统1和安装在飞机上的偏振成像装置2，偏振光源系统1由间隔排列的一组偏振光源节点3构成，且每个偏振光源节点3均安装于机场跑道两侧；
40.所述偏振光源系统1由若干偏振光源节点3组成，其中偏振光源节点3的具体结构示意图如图3所示，偏振光源节点3包括led光源31、偏振组件32、光学镜头33和控制单元34，led光源31发出可见光，入射到偏振组件32，产生不同线偏振角度的偏振光，经由光学镜头33射出；控制单元34与led光源31、偏振组件32电连接，控制偏振光的功率和偏振类型；
41.所述的偏振成像装置包括偏振成像相机21、偏振图像处理单元22和偏振图像显示单元23。偏振光源系统1发出的偏振光，被偏振成像相机21接收偏振信息，传送给偏振图像处理单元22。
42.偏振图像处理单元22包括偏振相机像素矩阵输入221、偏振图像计算模块222、偏振参量重构模块223、偏振图像融合模块224和偏振融合图像输出225；偏振图像处理单元22将偏振相机像素矩阵221输入给偏振图像计算模块222，偏振图像计算模块222对该图像进行抽样和插值处理，分解为4个不同方向的偏振强度图像i0,i
45
,i
90
,i
135
。对i0,i
45
,i
90
,i
135
四个方向的强度图像经偏振参量重构模块223进行stokes矢量解算，然后进行编码得到偏振stokes矢量图像s0、s1、s2，进一步计算得到偏振度dop和偏振角aop图像。最后通过偏振图像融合模块224对偏振互补信息进行融合，将偏振融合图像225输出至图像显示单元23。飞行员观看偏振图像显示单元23的跑道指示图像，以引导飞机目视降落。
43.飞机上偏振图像处理单元22的流程图如图4所示，图像显示单元23界面示意图如图5所示，包括跑道外侧区域51、跑道区域52、跑到中线53和偏振光源节点54。
44.在本实施方式中，偏振组件32包括设置的线偏振光选择波轮321。
45.在本实施方式中，线偏振光选择波轮321包括安装支架，安装支架上设置可转动的安装板，第一安装板上设置个四个镜孔，其中三个镜孔上分别安装有0
°
线偏振片3211、45
°
线偏振片3212、90
°
线偏振片3213，最后一个镜孔上未安装偏振片；
46.一种基于主动偏振成像的飞机着陆目视引导系统的使用方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：
47.步骤s1、在机场跑道两侧安装偏振光源节点3，共同构成偏振光源系统1；偏振光源系统1可多光源节点联网实现统一控制。
48.步骤s2、偏振光源节点3中，波段led光源31发出可见光，由控制单元34控制偏振光源节点31的发光功率，由控制单元34控制偏振组件32上的波轮旋转(波轮上有4个窗口，分别安装0
°
、45
°
、90
°
方向的偏振片和无偏振片)，将某一窗口旋转至光源光路，即可获得设定好的偏振光；
49.具体控制方法如下，所述步骤s2中，偏振光源节点3的控制单元34控制线偏振光选择波轮321旋转到工作光路位置，如果线偏振光选择波轮321是0
°
线偏振片3211，产生0
°
线偏振光，若分别选择偏振片为45
°
线偏振片3212、90
°
线偏振片3213或无偏振片，则分别产生
45
°
、90
°
线偏振光或无偏光，其中产生的线偏振光都为可见光波段。
50.步骤s3、偏振成像相机21为分焦平面偏振相机，飞机降落时，偏振成像相机21对跑道及其上的偏振光源系统1进行成像；
51.步骤s4、由偏振图像处理单元22对偏振成像相机21的偏振信息进行重构，获得的0
°
、45
°
、90
°
和135
°
四个方向的偏振强度图像，即i0,i
45
,i
90
,i
135
。由其中三个方向偏振强度图像对应各个像素点的像素值进行图像解算，可以计算得到由stokes矢量表示的偏振图像，即s0、s1、s2图像；
52.计算公式如下：
53.s0＝i0+i
90
；
54.s1＝i
0-i
s0
；
55.s2＝2i
4s
+s0；
56.应用s0、s1、s2偏振图像可计算偏振度dop和偏振角aop图像，再进行应用已有的图像处理方法对偏振图像与可见光图像进行图像增强和融合处理；
57.步骤s5、将融合后的偏振图像传送到偏振图像显示单元23，则飞行员就可以看到偏振光源系统指示的飞机跑道4轮廓的偏振图像，以实现引导飞机辅助降落的目的。
58.实施例：以雾天低能见度条件下飞机进近着陆为例
59.本发明设计的飞机助降系统，由机场工作人员通过控制单元34调整偏振光源节点3发射不同状态的线偏振光，使得偏振光源系统1能够照射跑道。飞机上偏振成像装置2，能够捕捉机场跑道以及跑道外侧背景区域对偏振光的反射、辐射信息，从而保证高质量偏振成像；
60.飞机上偏振成像装置2选择分焦平面型偏振相机，分焦平面偏振相机采集的单幅图像包含有0
°
、45
°
、90
°
、135
°
四个偏振方向的“马赛克”图像。偏振图像处理单元22首先通过偏振图像解算模块221对“马赛克”图像进行抽样和插值处理，从而得到四个偏振方向的强度图像，即i0,i
45
,i
90
,i
135
。应用下文中的公式，用三个偏振方向的强度图像就可解算图像的stokes参量，即s0、s1、s2图像。进一步可计算出偏振度dop和偏振角aop图像，过程如图3。
61.s0＝i0+i
90
；
62.s1＝i
0-i
90
；
63.s2＝2i
45
+s0；
64.为了充分利用不同偏振特征表征图之间的互补信息，剔除冗余信息，本发明采用nsct融合方法，将偏振度图像dop与偏振参量图像s0进行图像增强融合，最后融合图像传输至图像显示单元23。
65.图6为飞行员看到的显示界面，由偏振光源系统照射的飞机跑道与周围机场环境背景区域有着明显的偏振特性差异；而且偏振光在雾霾等恶劣条件下具有高保偏特性，偏振融合图像能够清晰的区分跑道目标区域和非跑道背景区域，方便驾驶员观看，以实现目视引导飞机辅助降落。
66.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入
本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。