CN104176267A - 三维高指向性红外光飞机着陆导引系统 - Google Patents

三维高指向性红外光飞机着陆导引系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三维高指向性红外光飞机着陆导引系统。它主要是利用高穿透性及高指向性的红外激光通过光学系统在空中产生带有飞机着陆所需信息的光学图像，这个光学图像可以覆盖相对较大的飞行区间，可以使飞机在较大的飞行区间内探测到这些光学图像，透过这些光学图像所提供的讯息，引导飞机或飞机师找到最佳着陆路线顺利着陆。本发明使用高指向性的红外激光，只针对特定方向发射导航信息，可以减少能源的浪费，并可增加可导航的距离，同时可以提高抗干扰能力。

Description

三维高指向性红外光飞机着陆导引系统
技术领域
本发明涉及一种三维高指向性红外光飞机着陆导引系统，属于航天工程领域。
背景技术
着陆系统就是使飞行员根据飞机上导航仪表的指示或是地面无线电设备(如雷达、无线电定向台等)的导引，可以在各种复杂的气象条件下准确地操纵飞机进入跑道，帮助飞机安全着陆的系统。机场盲降共分为三个等级：I类要求在跑道能见度大于800米运行；II类要求运行时跑道能见度不能小于350米；III类则要求跑道能见度不得低于210米。目前主要的两种着陆系统为ILS仪表着陆系统和MLS微波着陆系统。ILS是现今国际民航组织ICAO确认的标准着陆设备，全世界至少有几千个军用和民用机场都装备了此系统。ILS的功能是为进场着陆的飞机提供一条固定的下滑路线和最小的航道偏差，同时显示2-3个距离检查点，以保证飞机安全着陆。MLS的功能是为进场的飞机提供灵活多样的进场引导、拉平引导和复飞引导，配合精密测距系统(DME/P)满足III类着陆设备的要求，以保证飞机安全着陆。
现有的ILS还存在着一些问题：单独的ILS在指示精度上还不能达到III类精密进场着陆的要求；ILS频道较少(40个)，不能满足将来航空流量的增加对飞机跑道数量的要求，将影响飞机起降的时间；ILS天线覆盖面波束易受其他穿越飞机的瞬间干扰；进场扇形覆盖面较窄，只能沿中心线进场，造成飞机驾驶员决断难度大，机动性能差；频率在米波波段相当拥挤，易受邻近电台干扰，对指示精度有影响；对机场周围地形地貌要求较严，易受气象条件(如雪的反射)的影响。因此，现有的ILS已逐渐无法满足航空业的要求，研发新的着陆系统已成为不可忽视的需求。另外，虽然国际上已经研制出了先进的MLS微波着陆系统，但是要安装一套MLS需要的成本极高，对于规模小的机场实在是无法负担，这也就是为何MLS一直无法普及的原因。面对ILS与MLS的不足，需要尽快研发新一代的着陆系统或着陆辅助系统，在无需对现有的ILS进行较大调整的前提下，以低成本的辅助系统来加强飞机在极端天气下进行安全着陆，甚至取代ILS作为主要的着陆引导系统。
由于在3～5um及8～12um这两个波段的光在空气中的穿透率高，传播距离远，因此有人提出以红外波段的LED作为光源来为飞机的降落进行引导。然而，由于LED波段为近红外波段,穿透率差，而且LED为高发散的光源，大部分的光都发散到与导航无关的方向，使得这种方法可工作的范围较为局限，其能源使用效率也比较低。
本发明使用高指向性的中红外波段或远红外波段激光作为光源，使得激光只朝着导航方向发射，大大增加导航的工作范围及能源使用效率，并且中红外及远红外的波段已经有几种不同规格的商用激光功率源可供选择。光侦测器方面，在此波段的二维影像侦测器也可以在商用市场上取得。因此，本发明主要的技术重点是利用及整合这些商用的组件设计发明出三维高指向性红外光飞机着陆引导系统，使其达到实际应用所需功能。
发明内容
本发明是在跑道的末端放置一高指向性的激光源，激光源沿最佳着陆路径发射激光并通过相应光学系统而在空间中形成定向辐射的光学图样。光学图样经由装置在飞行器上的二维红外影像侦测系统侦测，传到影像撷取及分析显示系统做分析并显示分析结果。光学图样的形状及大小等就带有飞行器与着陆跑道间的相对位置及飞机飞行速度等三维空间信息，因此透过对这些光学图像所提供的讯息进行系统的分析，可以提供飞行员着陆所需的信息。
本发明中光源选择中红外波段或远红外波段激光，原因是由于特定的红外波段的光在空气中的穿透率特别高，可以较不受天候的影响。而目前使用红外光作为飞机起降引导系统的装置都是使用高发散性的光源，同时主要集中在近红外范围，这使得能源的使用效率非常的低，同时也缩短了可导航的距离。因此，本发明使用高指向性的中红外或远红外激光作为光源，并且激光只针对特定方向发射导航信息，既能减少能源的浪费，又能增加可导航的距离。
本发明提供的一种三维高指向性红外光飞机着陆导引系统，包括沿最佳着陆角度发射的低发散特性红外激光源、让激光产生定向辐射的光学图像的光学装置、飞机上配置的红外光侦测系统以及光学图像辨识分析显示系统。通过让激光产生定向辐射的光学图像，以提供给飞行员飞行器着陆所需要的信息。
红外激光源所安置的位置在跑道上最佳降落点的下方，并朝着最佳降落角度方向发射，所发的激光波长在3～5um或8～12um的波段范围，且为偏振光源。红外激光的发射方向以另一可见校准光束来做校正，红外激光和可见校准光束通过光学装置汇聚在一起，在天气好的情况下同时开启红光和红外激光，在大约1000m的范围内，飞行员就可以直接通过看着红光的方向降落，当遇到坏天气，只开红外激光器作为引导光源。
本发明的三维高指向性红外光飞机着陆导引系统所使用的红外线侦测系统可以侦测波长在3～5um或8～12um波段范围的红外激光，光学图像辨识分析显示系统可以辨识并分析红外线侦测系统所侦测到的光学图像并显示分析结果。该飞机着陆导引系统，飞行员配戴与红外激光源所发射的偏振光偏振方向正交的偏振护目镜。
利用前述的三维高指向性红外光飞机着陆导引系统的着陆导引方法，红外激光通过光学装置沿最佳着陆路线产生可提供着陆信息的光学图像；导航系统将飞机导引到着陆机场附近；飞机上的红外线侦测系统侦测红外激光经过光学装置所产生的光学图像；光学图像辨识分析显示系统辨识并分析红外线侦测器所侦测到的讯号并进行分析，以提供飞机着陆所需要的信息；飞行员或自动飞行系统根据图像辨识分析显示系统的指引调整飞机的方向至最适合的着陆路线。
附图说明
图1是本发明实施例三维高指向性红外光飞机着陆导引系统的示意图。
图中：1.跑道；2.高指向性(低发散角)的红外激光源；3.校准光束发射
器；4.光学装置；5.光学系统；6.在飞机上的光学图样侦测、摘取及分
析显示系统。
具体实施方式
三维高指向性红外光飞机着陆导引系统，包括沿最佳着陆角度发射的低发散特性红外激光源、发射可见校准光束的光源、让红外激光和可见校准光束汇聚在一起的光学装置、让激光产生定向辐射的光学图像的光学系统、飞机上配置的红外光侦测系统以及光学图像辨识分析显示系统。通过让激光产生定向辐射的光学图像，以提供给飞行员飞行器着陆所需要的信息。
红外激光源所安置的位置在跑道上最佳降落点的下方，并朝着最佳降落角度方向发射，所发射的红外光波长在3～5um或8～12um的波段范围内，且为偏振光源。红外激光的发射方向以另一可见校准光束来做校正，校准光束为红光，红外激光和可见校准光束通过一半透明半反射光学装置汇聚在一起，在天气好的情况下同时开启红光和红外激光，在大约1000m的范围内，飞行员就可以直接通过看着红光的方向降落，当遇到坏天气，只开红外激光器作为引导光源。
红外激光源所发出的激光通过光学装置可以在空中产生定向辐射的光学图像，可以提供飞机着陆所需的信息。
飞机着陆导引系统所使用的红外线侦测系统可以侦测波长在3～5um或8～12um波段范围的红外激光，并可解析红外激光通过光学装置后所形成的光学图像在二维平面及时间上的变化。该飞机着陆导引系统的光学图像辨识分析系统可以辨识并分析显示红外线侦测系统所侦测到的光学图像。该飞机着陆导引系统，飞行员配戴与红外激光源所发射的偏振光偏振方向正交的偏振护目镜。
利用前述的三维高指向性红外光飞机着陆导引系统，红外激光通过光学装置沿着最佳着陆路线产生可提供方位及距离讯息的光学图像；导航系统将飞机导引到着陆机场附近；飞机上的红外线侦测系统侦测红外线激光经过光学装置所产生的光学图像；光学图像辨识分析显示系统辨识并分析红外线侦测器所侦测到的讯号并进行分析，以提供飞机与着陆所需要的信息；飞行员或自动飞行系统根据图像辨识分析显示系统的指引调整飞机的方向至最适合的着陆路线。
综上诉说，本发明使用的是具有高穿透性及高指向性的红外激光源，只针对特定的方向发射导航讯号、能够减少能源消耗，涵盖较大的飞行区间、增加可导航的距离，并可提供飞行器着陆所需的信息。因此本发明可应用在各类大小型机场，作为在恶劣天候下的着陆导引辅助系统，甚至取代原有的着陆导引系统，作为主要的着陆导引系统。

Claims (10)

1.一种三维高指向性红外光飞机着陆导引系统，其特征在于包括沿最佳着陆角度发射的低发散特性红外激光源、让激光产生定向辐射的光学图像的光学系统、飞机上配置的红外光侦测系统以及光学图像辨识分析显示系统。
2.根据权利要求1所述的一种三维高指向性红外光飞机着陆导引系统，其特征在于所述的红外激光源所发的红外激光波长在3～5um或8～12um的波段范围。
3.根据权利要求1所述的一种三维高指向性红外光飞机着陆导引系统，其特征在于所述的红外激光源为偏振光源。
4.根据权利要求1所述的一种三维高指向性红外光飞机着陆导引系统，其特征在于所述的红外激光源所安置的位置在跑道上最佳降落点的下方，并朝着最佳降落角度方向发射红外激光。
5.根据权利要求1所述的一种三维高指向性红外光飞机着陆导引系统，其特征在于所述光学图样提供飞机最佳降落路线的相对位置以及飞机飞行速度的信息。
6.根据权利要求1所述的一种三维高指向性红外光飞机着陆导引系统，其特征在于所述的红外光侦测系统可以侦测波长在3～5um或8～12um的红外激光波段。
7.根据权利要求1所述的一种三维高指向性红外光飞机着陆导引系统，其特征在于所述的光学图像辨识分析显示系统可以辨识并分析权利要求6所述的红外线侦测系统所侦测到的光学图像并显示分析结果。
8.利用前述的一种三维高指向性红外光飞机着陆导引系统的方法，其特征在于具有以下步骤:
(1)导引系统将飞机导引到着陆机场附近；
(2)红外激光通过光学系统沿着最佳着陆路线产生可提供飞机着陆所需信息的光学图像；
(3)飞机上的红外线侦测系统侦测红外激光经过光学装置所产生的光学图像；
(4)光学图像辨识分析显示系统辨识并分析红外线侦测器所侦测到的讯号，显示4分析结果；
(5)飞行员或自动飞行系统根据图像辨识分析显示系统的指引调整飞机的方向至最适合的着陆路线。
9.根据权利要求2所述的红外激光，其特征在于所述红外激光的发射方向以另一可见校准光束来做校正。
10.根据权利要求1所述的一种三维高指向性红外光飞机着陆导引系统，其特征在于飞行员配戴与权利要求4的偏振光偏振方向正交的偏振护目镜。
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