CN105607061B - 使用天气雷达感测的显示系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种增强视觉方法使用或者一种增强视觉系统包括一个机载天气雷达系统，该天气雷达系统被配置成提升角度分辨率和/或距离分辨率。该机载天气雷达系统生成用于表示与该机载天气雷达系统接收的雷达回波相关联的跑道环境的外部场景形貌的图像数据。该雷达回波处于X波段或C波段。该增强视觉系统还包括与机载天气雷达系统通信的显示器，并且被配置成显示与机载天线雷达系统生成的图像数据相关联的图像。此外，该增强视觉系统还可以作为增强飞行视觉系统来使用。

Description

使用天气雷达感测的显示系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请涉及Wood等人在2014年09月10日提交的美国专利申请14/482681，McCusker等人在2014年6月10日提交的美国专利申请14/301199，2012年09月26日提交的美国专利申请13/627788；2010年09月28日提交的美国专利申请12/892563，2011年09月30日提交的美国专利申请13/250798，2008年09月28日提交的美国专利申请12/236464，2008年07月02日提交的美国专利申请12/167200，2008年07月02日提交的美国专利申请12/167200，2008年07月25日提交的美国专利申请12/180293，2011年09月28日提交的美国专利申请13/247742，2007年09月06日提交的美国专利申请11/851323，2007年09月26日提交的美国专利申请11/904491，2011年09月22日提交的美国专利申请13/241051，2008年10月31日提交的美国专利申请12/263282，以及2008年07月25日提交的美国专利申请12/180293，其中所有这些专利申请在这里都被完整地引入以作为参考，并且都被转让给了本申请的申请人。

技术领域

本公开一般涉及飞行器传感和/或显示系统。更具体地说，本公开涉及一种使用天气雷达感测的显示系统和方法。

背景技术

飞行器通过使用增强视觉系统(EVS)来向飞行器机组成员提供影像。如果气象条件阻碍了通过风挡清晰自然地查看飞行器的外部环境，那么该影像可以包括机场航站区和跑道环境。举例来说，EVS可以将机场航站区和跑道环境的图像重叠在飞行员通过飞行器的驾驶舱风挡所看到的关于飞行器外部环境的自然的无航标视图上。在雾天之类的低能见度状况下，这种影像可以提升飞行机组成员在仪表进场过程中的态势感知。这种增强视觉系统可被用作通过FAA认证的增强飞行视觉系统，其中即便在机场环境不可视的情况下，该系统也可以允许依照仪表飞行规则着陆的飞行员在低于某个指定高度的情况下操作。例如，依照美国联邦法规第14篇第91部分，除了类别II或类别III之外，除非飞行员可以看到某种必要的目视地标，否则飞行员不能从直线仪表进场过程(IAP)下降至低于决策高度(DA)或最低下降高度(MDA)直至高于接地区标高100英尺。作为示例，该目视地标包括进场照明系统、阈值照明系统以及跑道边缘照明系统。然而，在飞行员的自然无辅助视觉无法识别目视地标的低能见度状况下，飞行员可以使用EFVS来识别所需要的目视地标。相应地，通过使用EFVS，可以将飞行员无法在低能见度的状况下将飞机着陆以及无法及时运输货物和/或乘客所造成的损失降至最低。

EVS影像通常在上视显示器(HUD)上呈现给操作飞行员(PF)。HUD通常是一个允许PF在通过驾驶舱风挡查看飞行器外部环境的同时查看EVS影像的透明显示设备。只要飞行器外部的能见度状况允许PF通过驾驶舱风挡查看外部环境，则PF可以核实EVS运行正常，由此，HUD上的影像将会符合PF的飞行器外部环境视图。

EVS影像有时也会在下视显示器(HDD)上呈现给监控飞行员(PM)。举例来说，在一些国家，该系统必须向PM呈现EVS影像，以便确认所述EVS信息是与必要的目视地标相关的可靠和精确的指示符。此外，PM还可以使用EVS影像来确定PF是否在进场和着陆过程中采取恰当行动。HDD通常是一个安装在邻近飞行器控制台或仪表板的位置或是其内部的非透明显示设备，

EVS通常会使用有源或无源感测系统来获取用于生成机场航站区和跑道环境影像的数据。作为示例，典型的无源传感器可以是前视红外(FLIR)照相机或可见光谱照相机，其接收来自环境的电磁能量，并且输出可供系统使用来产生从照相机视角看到的视频图像的数据。该照相机被安装在一个恰当的位置，例如飞行器鼻端，由此可以在HUD上为PF呈现以恰当比例扩缩和定位且在PF查看飞行器外部环境的时候与之具有几乎相同的视角的视频图像。然而，虽然无源传感器提供了较高质量的视频影像，但其无法在诸如浓雾之类的某些低能见度的状况中识别所需要的目视地标。

作为示例，有源传感系统可以是毫米波(MMW)雷达系统(例如，94GHz)，该系统向环境中发射电磁能量，然后接收环境反射的回波电磁能量。该有源感测系统通常被安装在一个恰当的位置，例如飞行器鼻端。有源感测系统的成本很高，并且需要在飞行器上提供其他类型的设备同样需要的空间。此外，MMW雷达系统需要成本很高的雷达罩技术。

作为补充，无源FLIR照相机和有源毫米波长雷达系统在诸如浓雾之类的某些低能见度的状况中的范围都很有限。

由此需要用于在恶劣的环境中以及以更远的距离来提供增强视觉的实时或准实时感测系统和方法。更进一步，所需要的是用于提供增强视觉影像的成本较低且不需要飞行器上的附加空间的实时或准实时感测系统和方法。并且，所需要的是通过使用来自天气雷达系统的雷达数据来提供外部场景形貌的显示系统和方法。更进一步，所需要的是用于提供从天气雷达数据中导出的跑道环境图像的系统和方法，其中所述图像允许在仪表进场期间在低于某个指定高度的情况下执行操作。作为补充，所需要的是通过使用X波段和C波段雷达数据来实现更高分辨率的成像处理的系统和方法。

如果能够供应一种提供了这些和其他有利特征中的一个或多个特征的系统和/或方法，那么将是非常理想的。从本说明书中可以清楚了解其他的特征和优点。对于落入附加权利要求范围的实施例来说，无论其是否实现了如前所述的一个或多个需求，所公开的教导均可扩展至这些实施例。

发明内容

在一个方面，关于这里公开的发明概念的实施例涉及一种用于增强视觉的图像处理系统，该系统包括一个处理器以及与该处理器耦合的存储器。该存储器包含了在被处理器运行的时候使得处理器执行以下处理的指令：提供雷达波束，以及接收角度和/或距离分辨率提升的雷达回波，以便导出关于外部场景形貌的图像数据。

在另一个方面中，关于这里公开的发明概念的实施例涉及一种视觉方法或视觉系统，其中该方法使用或者该系统包括一个被配置成提升距离和方位角分辨率的天气雷达系统。该天气雷达系统生成与天气雷达系统所接收的雷达回波相关联的图像数据。该雷达回波处于X波段或C波段。该视觉系统还包括一个与天气雷达系统通信的显示器，并且该显示器被配置成显示与图像数据相关联的图像。

在另一个方面中，关于这里公开的发明概念的实施例涉及一种提供增强视觉的机载天气雷达系统。该天气雷达系统包括天线和控制电路，其中该控制电路被配置成借助天线来向外部环境提供雷达波束，并且被配置成接收雷达回波。该控制电路被配置成通过处理雷达回波来提供与外部环境相关联的图像数据。与那些感测用于提供图像数据的雷达回波的天气雷达感测功能相比，该天气雷达系统提供了提升的距离分辨率和提升的角度分辨率。雷达波束处于X波段或C波段，并且图像数据会向飞行员提供关于外部场景形貌的目视图像。

在另一个方面中，关于这里公开的发明概念的实施例涉及一种提供实时传感器图像的方法。该方法包括：接收来自X波段或C波段机载天气雷达系统的雷达回波。通过处理雷达回波，可以具有提升的距离分辨率和角度分辨率，并且所述雷达回波是从外部环境接收的。该方法还包括：基于雷达回波来提供关于外部场景形貌的目视图像。

附图说明

通过思考以下的详细描述，可以更好地理解关于这里公开的发明概念的实施方式。这些描述引用了附图，其中该附图未必是按比例绘制的，为了清楚起见，附图中的一些特征可被放大，并且一些特征可被省略或示意性表示。在附图中，相同的参考数字可以表示和标引相同或相似的元件、特征或功能。在附图中：

图1是根据这里公开的发明概念的示例性实施例的飞行器控制中心或驾驶舱的示意图；

图2是根据这里公开的发明概念的示例性实施例的用于显示从雷达数据中导出的图像的显示系统的示意性概括框图；

图3是显示根据这里公开的发明概念的另一个示例性实施例的由图2所示的系统使用的示例性处理的流程图；

图4是根据这里公开的发明概念的示例性实施例的由图2所示的显示系统提供并且是从雷达数据中导出的图像的例图；以及

图5是根据这里公开的发明概念的另一个示例性实施例的由图2所示的显示系统提供并且是从雷达数据导出且与HUD符号表示合并的图像的例图。

具体实施方式

在详细描述具体的改进系统和方法之前，应该观察到的是，本发明包括但不局限于常规数据/信号处理组件和通信电路的新颖结构组合，并且不受限于其特定的细节配置。相应地，在大多数情况下，在附图中使用了易于理解的方框表示和示意图来示出常规的组成软件和电路的结构、方法、功能、控制和排列，从而避免本公开与从这里的描述中获益的本领域技术人员清楚知道的结构细节相混淆。更进一步，本发明并不局限于例图中描述的具体实施例，而是应该依照权利要求中的文字来解释。

根据各种的示例性实施例，EVS或显示系统可以拥有雷达感测处理以及能在HDD或HUD这类飞行器显示器上显示给飞行员或副驾驶的影像。例如，显示系统可以包括或使用一个天气雷达系统，以便基于雷达回波数据来显示图像。在一些实施例中，多普勒天气雷达系统可被配置成具有增强的分辨率(例如角度分辨率和/或距离分辨率)。机场航站或跑道环境中的跑道结构所反射的雷达回波可被感测，其中作为示例，所述跑道结构可以是进场照明系统、阈值照明系统和/或跑道边缘照明系统。可以预料到的是，与毫米波长雷达感测系统或是无源FLIR或可见光照相机系统相比，在浓雾这类低能见度状况中，如果天气雷达系统具有穿透浓雾的优秀的天气雷达系统能力，那么使用依照不同示例性实施例配置的天气雷达系统将可以提供更大的距离。

在低能见度的情况下，通过使用根据不同示例性实施例配置的天气雷达系统，还可以提供具有足够精度的EVS影像(已知美国联邦法规第14篇第91部分所要求的很多目视地标，例如诸如进场照明系统、阈值照明系统、跑道边缘照明系统和其他跑道结构，都是显现出高雷达反射率的金属结构)。在一些实施例中，该影像可以允许具有较低的最低着陆标准(例如100英尺或更低)。在一些实施例中，如果没有来自与跑道结构和跑道灯相结合的跑道表面的雷达回波，那么可以提供适于飞行员识别跑道的图像。

在一些实施例中，显示系统包括一个与雷达系统相结合的雷达处理模块，该模块被配置成生成用于显示的高分辨率雷达图像数据。通过处理该图像数据，可以如在这里全部引入并作为参考的美国专利申请14/301199和14/482681中描述的那样基于雷达回波来提供二维的飞行器状况显示(例如垂直轮廓显示或平面视图显示)或是用于表示机场航站跑道结构或跑道环境的3D位置的三维或透视飞行器状况显示图像。举例来说，雷达处理模块可被表现成处理器以及包含程序指令的非暂时性存储器，其中所述指令在被运行的时候将会使得处理器提供雷达波束，接收雷达回波，以及从雷达回波中产生图像数据。在一些实施例中，非暂时性介质中存储的程序指令使得处理器过滤雷达回波数据，以便移除噪声。

根据某些示例性实施例，诸如天气雷达系统之类的雷达系统可被用于检测跑道环境特征。在一些实施例中，无论是在日间还是夜间，通过使用与跑道照明的金属含量相关联的高雷达截面，都可以有利地允许执行检测，而不用考虑跑道灯打开还是关闭。在一个实施例中，从依照雷达数据所产生的图像中可以识别关于目视航标所具有的规则性、周期性和等间隔的特性，作为示例，该目视航标可以是机场照明系统、跑道边缘灯、滑行道灯以及中线灯。在某些实施例中，该系统和方法可被用作组合视觉系统(CVS)的扩展。

参考图1，显示系统10是在具有飞行器控制中心11或驾驶舱的飞行器中提供的。飞行器控制中心11包括表现为下视显示器(HDD)的飞行显示器20。并且该飞行器控制中心11还可以包括与上视显示器(HUD)系统关联的组合器21。在一个实施例中，组合器21是作为可穿戴HUD的一部分实现的。在该组合器21上提供了保形(conformal)信息。

飞行显示器20可用于向飞行机组成员提供信息，由此增大目视范围以及增强决策能力。在一个示例性实施例中，飞行显示器20和组合器21可以包括天气显示器、联合显示器、天气雷达地图以及地形显示器。更进一步，飞行显示器20可以包括来自合成视觉系统(SVS)或增强系统视觉系统(EVS)的图像(例如EFVS)。举例来说，飞行显示器20可以包括一个显示器，该显示器被配置成显示地形和/或天气信息的透视图像。关于地形和/或天气信息的其他视图同样是可以提供的(例如平面视图、水平视图、垂直视图或是这些视图的组合)。此外，飞行显示器20可以用多种显示技术中的任何一种来实现，这其中包括CRT、LCD、有机LCD、点矩阵显示器等等。

根据一些实施例，显示系统10被配置成基于雷达数据来向显示器20或组合器21中的至少一个提供图像。在图1中，组合器21上的图像包括从飞行器查看的(例如在进场和/或着陆期间)跑道23或是与跑道23相关联的特征29。在一些实施例中，显示器20或组合器21中的至少一个显示的是从图像数据、雷达数据和SVS数据中的两个或更多数据导出的合并的地形图像。非常有利的是，在一个实施例中，通过提供实施雷达数据，可以提供实施的与跑道23相关联的跑道特征29的全天候检测。非常有利的是，在一些实施例中，在处于有挑战性的天气的情况下，雷达数据允许一个或多个飞行员查看跑道23及其方位。

在一些实施例中，用于在显示器20和组合器21上可以提供关于跑道23和延长中线27的符号或图标。在一些实施例中，跑道23和延长中线27可以与SVS数据相关联。在一些实施例中，在显示器20或组合器21上可以指示一组跑道特征29，例如进场照明系统或其他跑道和滑行道灯。在一些实施例中，跑道特征29可以与雷达数据相关联。

参考图2，显示系统10可用于向显示器20或组合器21中的任何一个提供图像。显示系统10与雷达系统102、合成视觉系统(SVS)111以及增强视觉系统(EVS)112进行通信或者包含这些系统。在一些实施例中，EVS 112和SVS 111是可选的。显示系统10可以包括HDD计算机132和HUD计算机134。该显示系统10包括用于存储来自EVS 112的增强视觉帧的存储器153，用于存储来自SVS 111的增强视觉帧的存储器152，滤波器154，图像渲染器155，用于存储来自图像渲染器155的雷达数据的存储器156，图像合并功能模块160，以及图像合并控制/配置模块162。

滤波器154、图像渲染器155、图像合并模块160以及图像合并控制/配置模块162可以作为在计算平台或处理器175上工作且可保存在非暂时性介质上的软件模块来实现。在某些实施例中，处理器175可以是雷达系统102、SVS 111、EVS 112、HDD显示计算机132或HUD计算机134的一部分或与之集成。在一个实施例中，处理器175是一个独立平台。

在一些实施例中，雷达系统102是一个天气雷达系统，该系统通常位于飞行器鼻端以内、飞行器驾驶舱内部、飞行器顶部或飞行器尾部。雷达系统102可以包括雷达数据存储单元180、雷达天线182以及处理器185。雷达系统102可以是一个天气雷达系统，例如来自Rockwell Collins且以这里描述的方式配置的Multiscan^TM雷达系统。在一些实施例中，雷达系统102可以使用分裂孔径、半孔径或子孔径或是其他技术来获取与外部环境相关联的雷达数据。该雷达系统102可以使用在美国申请13/627,788、12/892,563、13/250,798、12/236,464和12/167,200以及美国专利8,077,078中描述的分裂孔径或子孔径技术，其中所述申请在这里引入以作为参考，并且这些申请都已被转让给了本申请的申请人。雷达系统102的类型和数据收集技术在本说明书中并非以限制性的方式论述。

处理器185接收来自雷达天线182的雷达回波(例如，天气雷达回波数据)，对雷达回波进行处理，并且提供雷达数据存储单元180中的雷达数据。在某些实施例中，保存在雷达数据存储单元180中的数据可以作为图像帧来保存，该图像帧表示的是从针对外部环境(例如跑道环境)的雷达扫频处理中导出的数据。

在一个实施例中，雷达系统102将存储单元180中的雷达数据(例如天气雷达数据)提供给滤波器154。在一个实施例中，图像渲染器155或其他图像生成器可以从雷达数据存储单元180存储或是经过滤波器154滤波的数据中产生图像帧，并且可以将其提供给存储器156。作为替换，处理器185可以基于源自雷达系统102的雷达回波数据来构建帧或图像。同样，SVS 111可以为存储器152接收的SVS图像提供数据或帧。作为替换，显示系统10可以响应于来自SVS 111的数据而向存储器153提供数据或图像帧。同样，EVS 112可以为存储器153接收的EVS图像提供数据或帧。作为替换，显示系统10可以响应于来自EVS 112的数据而向存储器153提供数据或图像帧。

与外部环境关联的雷达数据可以表示被检测目标以及被检测目标的位置。该目标则包括地形、人工特征、物体、跑道等等。在一些实施例中，提升的角度分辨率和距离分辨率技术允许更精确地确定目标位置，并且在图像数据中表示该位置。雷达系统102对飞行器前方的外部环境执行扫频处理，以便感测目标位置。在一些实施例中，雷达系统102可以使用杂波抑制和多普勒滤波处理来改善性能。

在一些实施例中，雷达系统102依照天气雷达扫描处理来提供用于表示120°视野的数据，在一个实施例中，完成该扫描处理大约需要五秒的时间。在某些实施例中，在进场期间，扫描处理将被限制成30°扫描，其中该扫描在新数据可供显示之前需要五秒的时间。该扫描处理针对的是地球表面，由此，所获取的回波允许对跑道环境特征进行检测。在不脱离本发明的范围的情况下，各种类型的扫描、扫频处理以及扫描和扫频定时都是可以使用的。

在一些实施例中，作为天气雷达实现的雷达系统102允许使用现有的航空电子设备作为实时传感器来向飞行员提供通过雷达导出的关于外部场景形貌的增强图像。雷达系统102生成的图像或表示是在显示器20上提供的，或者在一些实施例中也可以用组合器21充当EVS来向飞行员提供态势感知。在其他实施例中，雷达系统102生成的图像或表示是在显示器20上提供的，或者也可以由组合器21来充当EVFS，以便允许更低的最低着陆标准。

在一些实施例中，雷达系统102包括距离分辨率模块190和角度分辨率模块192。在一些实施例中，与常规的天气感测操作相比，距离分辨率模块190有利地增大了雷达系统102的距离分辨率。在一些实施例中，与常规的天气感测操作相比，角度分辨率模块190有利地增大了雷达系统102的角度分辨率。在一些实施例中，通过增大距离和角度分辨率，可以允许在显示器20和组合器21上提供更高分辨率的图像。该距离分辨率模块190和角度分辨率模块192可以是由处理器185运行的软件模块。

根据一些实施例，在角度分辨率模块192的控制下，雷达系统102可以使用波束锐化方法来实现提升的角度分辨率。在一些实施例中，雷达系统102可以使用诸如波束锐化(例如，水平波束锐化)和波束点扩展函数去卷积之类的技术来提升角度分辨率。在一些实施例中，雷达系统102可以使用波束锐化处理作为一种用于改善天线所引入的糟糕的角度分辨率(例如因为波束宽度)的处理。此外，可供使用的方法有很多种，例如：多普勒波束锐化，合成孔径雷达(SAR)，单脉冲雷达，子孔径雷达或分裂孔径雷达等等。雷达回波的中心可以用数学方法来确定，由此可以识别跑道特征。在美国专利申请13/627,788、12/892,563、13/250,798、12/236,464和12/167,200以及美国专利8,077,078对波束锐化技术进行了论述，其中所述申请和专利在这里被全部引入以作为参考。

雷达系统102可以使用雷达天线182，其中该雷达天线被配置成是用于波束锐化处理的切换孔径天线。此外，雷达系统102还可以被配置成执行序列波瓣或单脉冲操作，以便精确估计目标在雷达波束内部所处的角度。在一些实施例中，与雷达系统102相关并由雷达天线182提供的雷达波束以及由雷达天线182接收的回波可被分成两个或更多部分，并且可以用于确定从雷达天线182到目标的角度或是从雷达天线182到跑道特征之类的目标的矢量。该矢量可被表示成相对于目标的角度(准线角)和距离。用于计算相对于目标的角度或矢量的处理可以是多种多样的。

在一些实施例中，雷达系统102使用的雷达天线182会在用于在完整孔径上执行传输和接收的处理与用于在局部孔径上执行接收的同时在完整孔径上执行传输的处理之间切换。这些技术可用于精确估计目标在雷达波束内部所处的角度，并且可以使用这些技术来提升用于校正这些角度的多普勒计算的精确性。通过处理接收到的回波，可以确定与天线波束准线相对的目标角度的高分辨率估计。根据一些实施例，回波可以用复共轭乘法方法来处理，以便确定目标角度。在一些实施例中，该处理可以与序列波瓣处理相关联，但是该处理是在与普通的振幅域相对的相域中执行的。

在一些实施例中，雷达系统102使用的是序列波瓣技术，在该技术中使用了两个接近于相同位置的天线，由此会在两个天线之间来回切换。通过使用在天线的两个部分之间改变的振幅特征或相位特征，可以获取与所检测目标(例如其他飞行器、地形、塔式建筑之类的物体)的目标位置相关的数据。由于多普勒感应相位变化会污染相位中心量度，因此，序列波瓣通常不会将相位比较与移动目标结合使用。然而，通过使用复共轭乘法方法，可以允许借助对消处理来消除多普勒感应的相位变化。由此可以确定多个不同子孔径之间的相位中心变化，并且可以使用该变化来确定相对于目标的角度。

在一些实施例中，距离分辨率模块190通过增大雷达系统102的有效波形宽度来提供更高分辨率。在一些实施例中，距离分辨率模块190可以使用步进频率比较处理。为了提供更高的距离分辨率，距离分辨率模块192可以通过控制雷达系统102来提供超宽带雷达(UWB)波束(例如频率很高的极窄脉冲)或提供脉内压缩处理(所传送的脉冲的相位调制频率)。在一些实施例中，所使用的可以是包括普通的线性频率调制(LFM)或啁啾方法以及脉冲内部的离散编码分段在内的频率编码技术。在一些实施例中，所使用的可以是包括二元相位码以及各种多相位码在内的调制技术。为了提供更高的距离分辨率，距离分辨率模块192可以通过控制雷达系统102来提供脉间脉冲压缩处理或步进频率压缩处理(例如具有离散和增大的频率步进的连续脉冲)。在一些实施例中，步进频率压缩处理有利地使用了很窄的即时带宽来实现高效率的带宽。在一些实施例中，接收带宽越小，则噪声带宽就越小，并且信噪比将会越高。在一些实施例中，模数采样率是很低的(相比于脉冲压缩)。此外，在一些实施例中，步进频率比较处理同样具有较小的峰值功率(例如与冲激相比较)，其提供了灵活的发射频率控制，并且可以“跳转到”受限或非预期的发射功率，启用自适应/认知频率应用，以及拒绝从较早的发射脉冲接收的后续杂波。更进一步，在一些实施例中，步进频率压缩处理提供了来自处于模糊距离的杂波的回波，这些杂波具有与来自目标的回波不同的频率，以并且在雷达系统102的接收机IF滤波器中将会拒绝这些模糊的杂波回波。在一些实施例中，步进频率压缩处理通常不会用单个脉冲来实现距离分辨率，由此需要发射、接收和处理用于任一频率点(bin)的一组脉冲，并且具有更明显的距离-多普勒耦合(例如，针对每一个频率的不同多普勒偏移)。

根据一个实施例，SVS 111可以是用于提供计算机生成的外部场景形貌图像的任何电子系统或设备。该图像可以源于从飞行器的飞行甲板的角度，并且是从飞行器高度、高精度的导航解算以及关于地形、障碍物和相关人工地物的数据库中导出的。通常，在常规系统中只会显示这些包含在当前版本的SVS数据库中的地形、障碍物和跑道特征。在一些实施例中，飞行员将合成视觉图像用作是可用视觉提示的增强形式。

根据一个实施例，EVS 112可以是用于提供感测到的外部场景形貌图像的任何电子系统或设备。在一个实施例中，EVS 112可以是红外照相机。

在一些实施例中，显示系统10组合或融合来自HUD计算机134、SVS 111和/或EVS112的图像以及从源于雷达系统102的雷达数据中导出的图像，以便依照一个实施例来提供一个为飞行员提供的完整图像。在一些实施例中，从雷达数据中导出的图像会与用于显示器20或组合器21的HUD符号融合。

根据一个示例性实施例，SVS 111可以包括地形数据库和处理器。该地形数据库可以用于在二维显示器或三维显示器上创建飞行器前方场景的透视图像。并且该地形数据库可以使用的地形颜色与在标准的航空图中描述的地形颜色相似。

SVS 111还可以从飞行器数据源接收飞行器位置数据。该飞行器数据源可以包括提供导航数据或飞行器飞行参数的任何系统或传感器(或是其组合)。例如，典型的飞行器导航系统会具有众多的子系统。用于提供飞行器位置数据和飞行参数数据的子系统可以包括但不局限于惯性导航(INS)系统，全球导航卫星系统(例如全球定位系统(GPS))，飞行数据传感器，罗盘以及飞行管理计算机(FMC)。

在一些实施例中，滤波器154通过处理雷达数据来实现更好的图像质量。该滤波器154可以位于雷达系统102之中。滤波器154可以减小噪声，并且可以使用抗散斑滤波处理，卡尔曼滤波处理，契比雪夫滤波处理，自适应滤波处理、平滑处理等等。在一些实施例中，滤波器154还可以执行抗锯齿处理。在美国专利申请14/482681中描述了用于提升图像质量和识别跑道特征的技术，其中该申请在这里引入以作为参考。

为了促使生成更清晰的图像，处理器185和/或滤波器154可被配置成对雷达回波执行滤波处理，以便识别出反射率低于预定值的区域。在一些实施例中，基于相应的反射率值，可以取消低能量区，由此会将这些区域渲染成透明。此类滤波处理可能导致最终图像只具有处于机场航站区或跑道环境中的高反射率结构，例如进场照明系统、阈值照明系统和/或跑道边缘照明系统。

在一些实施例中，来自雷达数据存储单元180的雷达数据被提供给滤波器154、图像渲染器155，并且作为图像数据提供给存储器156以及HUD计算机134或HDD显示计算机132，由此在显示器20或组合器21上提供图像。在另一个实施例中，雷达数据可作为图像数据提供给图像合并功能模块160。该图像合并功能模块160接收来自存储器153的EVS帧或来自存储器152的SVS帧，并且合并用于恰当显示EVS图像或SVS图像的数据以及从雷达数据中导出的图像。

在一些实施例中，处理器175通过运行一个融合处理算法来融合源自存储器152、存储器153以及存储器156且作为视频信号提供的帧。该融合处理可以包括以其他传感器输入或飞行器为基础的针对来自特定图像的特定特征或整个图像的特殊的格式化处理(定位，调整大小，裁剪等等)。在完成了合并或融合的图像之后，整个图像的大小将被调整，以使其恰当适配在完整的HUD视野内部(例如使用HUD符号表示)，并以保形的方式覆盖在通过HUD的组合器21查看的外部场景上。此外，整个融合图像的对比度是用亮度/对比度来进行标准化处理的，由此支持HUD的亮度/对比度控制。

处理器175和185可以是能够运行指令以及操作导航和雷达数据的任何硬件和/或软件处理器或处理架构。处理器175和185能够基于源自飞行器传感器的数据来确定导航信息，例如高度、航向、方位和位置。申请人注意到，根据一个实施例，流程300可以在飞行器10上的不同设备中执行，这其中包括HUD计算机134、显示处理器、天气雷达系统102、导航系统、SVS 111等等。处理器175和185可以是或者可以包括：一个或多个微处理器、专用集成电路(ASIC)、包含了一个或多个处理组件的电路、一组分布式处理组件、用于支持微处理器的电路、或是被配置成执行处理的其他硬件。

图形合并控制配置模块162可以提供数据格式调节处理。SVS 111和雷达系统102可以具有自身特有的接口类型和格式。此外，显示器20和组合器21的每次显示都需要特定的格式化处理。其中一种标准的格式可以是在HUD处理功能中使用的格式。图像配置模块138可以用硬件、软件或是其组合来实施。

在一些实施例中，从雷达数据中导出的实时图像允许飞行员准确可靠地确认跑道的存在性。在一个实施例中，通过定位跑道进场灯或跑道边缘灯之类跑道环境特征图案，可以允许轻易辨认出跑道相对于飞行器的位置。在一些实施例中，通过处理图像数据，可以提供二维飞行器状况显示(例如垂直轮廓显示或平面视图显示)。在其他实施例中，通过处理图像数据，可以提供用于表示跑道环境特征的3D位置的三维或透视飞行器状况显示图像。

参考图3，在一些实施例中，显示系统10可以执行一个流程300。在操作302，天气雷达系统102提供由多个雷达波束组成的天气雷达扫频处理。在一些实施例中，这些雷达波束是依照波束锐化技术以及步进频率压缩技术而以一种提升角度和距离分辨率的方式提供的。在一些实施例中，在操作304，根据波束锐化技术和步进频率压缩技术来接收雷达回波，以便提升角度和距离分辨率。在一些实施例中，在操作306，通过处理雷达回波来获取图像数据。如上所述，滤波或相关技术可以由滤波器154在可选步骤中执行。在操作308，将图像数据与其他图像数据相融合，例如与覆盖符号或是SVS或其他EVS图像源合并。

在操作310，借助HUD显示计算机132或HUD计算机134之类的显示计算机而在显示器上显示与图像数据相关联的图像。在一些实施例中，在操作310之后，流程300返回到操作302。

参考图4，与从存储单元180所关联的雷达中导出的外部场景形貌相关的图像400包含了与跑道进场灯相关联的特征402。

参考图5，从雷达数据中导出的图像600具有HUD符号602。作为代表性示例，HUD符号602是以静态格式显示的。

雷达系统102通常会通过在天空以水平和/或垂直方式扫描雷达波束来执行操作，以便对天气进行检测。例如，雷达系统102可以直接在飞行器前方实施第一水平扫描处理，以及在某个倾斜角度上向下执行第二水平扫描处理(例如，向下20°)。来自不同倾斜角度的回波可以用电子方式合并，以便形成在飞行器控制中心11的显示器20或组合器21之类的电子显示器上显示的复合图像。与天气感测处理相比，感测外部环境的处理可以用更高的分辨率执行，并且可以使用一个或多个定向至外部环境的波束。在一些实施例中，感测外部环境的处理可以在更加前视的方向上执行，并且其方位角扫描处理要小于用于检测天气的方位角扫描处理。在一些实施例中，雷达波束是用GPS和/或其他导航信息指向与机场相关联的外部环境的。

在一些实施例中，在进场或着陆之前，天气雷达系统102可以在天气感测模式中工作。在进场或着陆期间，天气雷达系统102会交替执行用于感测外部环境的雷达数据收集处理，用于感测天气的雷达数据收集处理，以及用于感测风切变的雷达数据收集处理。在一些实施例中，在进场或着陆期间，天气雷达系统102会交替执行用于感测外部环境的雷达数据收集处理，以及用于检测风切变或检测其他风险的雷达数据收集处理。在一些实施例中，在进场或着陆期间，天气雷达系统102会交替执行用于感测外部环境的雷达数据收集处理以及用于感测天气的雷达数据收集处理。在一些实施例中，天气感测操作会在进场和着陆期间暂停。

本公开的范围是由权利要求、其合法等价物以及本公开全面涵盖了可被本领域技术人员清楚了解的其他实施例这一事实来确定的。作为参考，在这里显性引入了与上述公开等价且为本领域普通技术人员所知的所有结构、电子和功能等价物，并且这些等价物都应包含在权利要求以内。除非显性陈述，否则针对单数形式的部件的引用并不意味着一个且仅仅一个，相反，其应被解释成是指至少一个。除非明确使用了短语“用于……的装置”来叙述权利要求的要素，否则不能根据35U.S.C.&112第6段的规定来解释这些要素。此外，无论是否在权利要求中显性叙述了本公开中的元件、组件或方法步骤，所述元件、组件或方法步骤都不是致力于公众的。

这里公开的发明概念的实施例是参考附图描述的。这些附图示出了可以实施本公开的系统、方法和程序的具体实施例的某些细节。然而，使用附图来对实施例进行描述不应被解释成是施加附图中存在的任何限制。本公开设想了用于完成其操作的方法、系统以及任何机器可读媒体上的程序产品。这里公开的发明概念的实施例可以既可以使用现有的计算机处理器实施，也可以通过出于本目的或别的目的而被引入的专用计算机处理器实施，还可以由硬布线系统来实施。

如上所述，处于这里公开的发明概念以内的实施例包括程序产品，所述程序产品包含了用于携带或存储了机器可执行指令或数据结构的非暂时性机器可读媒体。此类及其可读媒体可以是任何能被计算或是具有处理器的其他机器访问的可用媒体。例如，此类及其可读媒体可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CDROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备、或是可以用于携带或存储采用了机器可执行指令或数据结构的形式的预期程序代码并且能被计算机或是具有处理器的其他机器访问的其他任何介质。由此，任何这样的连接都被恰当地称为机器可读介质。上述各项的组合同样可以包含在机器可读媒体的范围以内。作为示例，机器可执行指令包括促使处理器执行某个功能或某组功能的指令和数据。

这里公开的发明概念中的实施例是在方法步骤的通用上下文中描述的，在一个实施例中，该通用上下文可以由程序产品来实现，该程序产品包含了程序代码之类的机器可执行指令，其中作为示例，所述指令采用的是由联网环境中的机器运行的程序模块的形式。通常，程序模块包括执行特定任务或是实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。与数据结构相关联的机器可执行指令以及程序模块表示的是用于执行这里公开的方法步骤的程序代码的示例。此类可执行指令或是相关联的数据结构的具体顺序代表的是用于实施此类步骤中描述的功能的相应操作的示例。

如前所述，本公开中的实施例可以在使用了与一个或多个具有处理器的远程计算机相连的逻辑连接的联网环境中实施。本领域技术人员将会认识到，此类网络计算环境可以涵盖多种类型的计算机，这其中包括个人计算机、手持设备、多处理器系统、基于微处理器的可编程消费类电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机等等。本公开中的实施例还可以在由通过通信网络(通过硬布线链路，或是通过无线链路，或硬布线或无线链路的组合)链接的逻辑和远程处理设备执行任务的分布式计算环境中实施。在分布式计算环境中，程序模块可以同时位于本地和远程记忆存储设备中。

数据库或系统存储器可以包括只读存储器(ROM)或随机存取存储器(RAM)。该数据库还可以包括用于读写磁硬盘的磁硬盘驱动器，用于读写可移除磁盘的磁盘驱动器，以及用于读写CD ROM之类的可移除光盘或其他光媒体的光盘驱动器。驱动器以及与之关联的机器可读媒体为机器可执行指令、数据结构、程序模块以及用于计算机的其他数据提供了非易失存储。这里描述的用户界面可以包括带有监视器、键盘、数字键盘、鼠标、摇杆或是执行类似功能的其他输入设备的计算机。

应该指出的是，虽然这里的图示显示了方法步骤的具体顺序和组合，但是应该理解，这些步骤的顺序也可以不同于所描述的顺序。例如，两个或更多步骤既可以同时执行，也可以局部并发。并且，一些作为分立步骤执行的方法步骤是可以组合的，作为组合步骤执行的步骤可被分成分立的步骤，某些处理的顺序可以颠倒或者用其他方式改变，并且分立的处理的特性或数量是可以替换或改变的。依照替换实施例，任何元件或装置的顺序或序列都是可以改变或替换的。相应地，所有这样的修改都应该包含在本公开的范围以内。

以上关于实施例的描述是出于例证和描述目的给出的。其并不是穷举性的，或者并没有将该主题局限于所公开的确切形式，依据上述教导，众多的修改和变化都是可行的，或者是可以通过实践这里公开的主题来导出的。所选择和描述的实施例旨在对所公开的主题的原理及其实际应用进行说明，以使本领域技术人员结合不同的实施例以及结合与所设想的特定用途相适应的各种修改来使用所公开的主题。在不脱离当前公开的主题的范围的情况下，在实施例的设计、操作条件和布置方面是可以进行其他的替换、修改、变更和省略的。

虽然在附图中图示并且在上文中描述的示例性实施例是当前优选的实施例，然而应该理解，这些实施例仅仅是作为示例提供的。作为示例，其他的实施例可以包括具有不同数据映射或不同数据的结构。所公开的主题并不局限于具体的实施例，而是应该扩展至仍旧落入附加权利要求的范围和实质以内的各种修改、组合和置换。

Claims (20)

1.一种用于增强视觉的机载天气雷达系统，包括：

天线；以及

控制电路，被配置成经由天线来提供指向外部环境的雷达波束，以及被配置成接收雷达回波，

其中所述控制电路被配置成通过处理雷达回波来提供与所述外部环境相关联的图像数据，并且

其中与当用于天气雷达感测功能时相比，当用于外部场景形貌的增强视觉时，所述天气雷达系统具有提升的距离分辨率和角度分辨率，所述控制电路被配置为传输具有离散和增大的频率步进的连续脉冲，使得来自处于模糊距离的杂波的雷达回波不同于来自目标的雷达回波，所述控制电路被配置为拒绝来自处于所述模糊距离的杂波的雷达回波，所述雷达波束处于X波段或C波段，所述图像数据向飞行员提供外部场景形貌的目视图像。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述角度分辨率是用波束锐化技术以及波束点扩展函数去卷积提升的。

3.如权利要求1或2所述的系统，其中所述天线是切换孔径天线，并且所述控制电路还被配置为基于在完整孔径上传输和接收与用于在局部孔径上接收的同时在所述完整孔径上传输之间切换，处理所述雷达回波以确定与天线准线相对的目标角度的高分辨率估计。

4.如权利要求1或2所述的系统，其中所述控制电路包括处理电子设备，所述处理电子设备被配置为使用步进频率压缩来提供所述距离分辨率。

5.如权利要求1或2所述的系统，其中所述控制电路被配置成响应于所述图像数据而在显示器上提供透视增强图像，以此作为目视图像。

6.如权利要求1或2所述的系统，其中所述雷达波束是作为具有分立的提升频率步进的单独脉冲提供的。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述频率步进跳过受限或非预期的频率。

8.一种用于提供实时传感器图像的方法，所述方法包括：

接收来自X波段或C波段机载天气雷达系统的雷达回波，所述X波段或C波段机载天气雷达系统包括切换孔径天线，其中与当用于天气雷达感测功能时相比，当用于提供外部场景形貌的实时传感器图像时，所述雷达回波能被处理以具有提升的距离分辨率和角度分辨率；

基于在完整孔径上传输和接收与在局部孔径上接收的同时在所述完整孔径上传输之间切换，处理所述雷达回波以确定与天线准线相对的目标角度的高分辨率估计；以及

过滤所述雷达回波以识别具有低于预定值的反射率的区域，从而基于所述雷达回波来提供外部场景形貌的目视图像。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述X波段或C波段机载天气雷达系统的所述雷达回波包括切换孔径、序列波瓣或单脉冲天气雷达系统。

10.如权利要求8或9所述的方法，还包括：通过使用所述目视图像而在下视显示器上显示飞行器状况显示图像。

11.如权利要求8或9所述的方法，其中所述机载天气雷达系统包括处理电子设备，所述处理电子设备被配置为使用步进频率压缩来提供所述距离分辨率。

12.如权利要求8或9所述的方法，还包括：提供与所述雷达回波相关联的雷达波束，所述雷达波束是用波束锐化技术提供的。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述波束锐化技术包括子孔径或分裂孔径技术，所述方法还包括利用复共轭方法借助对消来消除多普勒感应的相位变化，以基于相位中心变化来确定所述目标角度。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述雷达波束是用超宽带脉冲、脉内压缩或脉间压缩提供的。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述雷达波束是使用步进频率压缩提供的。

16.一种增强视觉系统，包括：

天气雷达系统，被配置成，与当用于天气雷达感测功能时相比，当用于提供跑道环境的增强图像时，增强距离分辨率，其中所述天气雷达系统生成用于表示与所述天气雷达系统接收的雷达回波相关联的所述跑道环境的图像数据，所述雷达回波处于X波段或C波段，其中所述天气雷达系统被配置为传输具有离散和增大的频率步进的连续脉冲，使得来自处于模糊距离的杂波的雷达回波不同于来自目标的雷达回波，所述天气雷达系统被配置为拒绝来自处于所述模糊距离的杂波的雷达回波；以及

与所述天气雷达系统通信的显示器，其被配置成显示与所述雷达回波相关联的图像。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述天气雷达系统包括被配置成使用步进频率压缩来提供距离分辨率的处理电子设备。

18.如权利要求17所述的系统，其中天气雷达系统包括处理电子设备，所述处理电子设备被配置成使用波束锐化来提供提升的角度分辨率。

19.如权利要求16至18中任一项所述的系统，其中所述显示器是下视显示器或上视显示器。

20.如权利要求16至18中的任一项所述的系统，其中所述增强视觉系统被用作增强飞行视觉系统。

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