TWI823982B - 用於識別空中交通對象之系統及方法 - Google Patents

用於識別空中交通對象之系統及方法 Download PDF

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Abstract

一種用於一數位空中交通控制中心之識別系統，包括：一感測器，該感測器具有一視野且具有一脈衝偵測陣列；一使用者界面，該使用者界面用以顯示在該感測器之該視野內之空中交通對象；及一控制器。該控制器包括一脈衝偵測模組，該脈衝偵測模組安置為與該脈衝偵測陣列通信，以使用由在該感測器之該視野內之一空中交通對象攜載的一脈衝照明器發射之脈衝照明來識別該空中交通對象。亦闡述了數位空中交通控制中心、機場及空中交通對象識別方法。

Description

用於識別空中交通對象之系統及方法 發明背景
本發明係關於空中交通控制，且更具體而言係關於用於數位空中交通控制中心之識別系統及識別空中交通對象之方法。
諸如在機場控制塔中之交通控制中心出於控制飛機在機場上及在機場附近之空域中之移動的目的而通常定位在機場上。將控制塔定位在機場允許自控制塔操作之人類控制者具有關於機場上及機場附近之飛機移動的情形認知。接近空中交通本身在傳統上已提供了人類控制者可在視覺上看見飛機在機場上及緊鄰機場移動之優點。
隨著感測器之迅猛發展，將機場人類控制者提供之功能移出機場且移動至遠離機場之位置變成可能的。將人類控制者移出機場釋放了機場之空間以用於其他用途，從而提高機場操作效率。此等交通控制塔通常包括成像裝置，該等成像裝置將機場活動之即時影像傳達至遠端位置，從而允許人類控制者自安全位置控制機場操作且監測活動。此減小機場占地面積且使人類空中交通控制者較少地暴露於威脅。
此等習知方法及系統在其既定目的方面通常視為令人滿意的。然而，此項技術中仍然需要用於數位空中交通控制中心之改良型識別系統、機場數位空中交通控制中心，及空中交通對象識別方法。本發明提供了此需要之解決方案。
一種用於一數位空中交通控制中心之識別系統包括：一感測器，該感測器具有一脈衝偵測陣列與一視野；一使用者界面，該使用者界面用以顯示在該感測器之該視野內之空中交通對象；及一控制器。該控制器包括一脈衝偵測模組，該脈衝偵測模組安置為與該脈衝偵測陣列通信，以使用由在該感測器之該視野內之一空中交通對象攜載的一脈衝照明器發射之脈衝照明來識別該空中交通對象。
在某些實施例中，該感測器可固定至一桅桿。該感測器可位於一機場。該感測器之該視野可包括受控空域。該受控空域可在一機場之周圍地區內。該使用者界面可遠端地連結至該感測器。該識別系統可用於一機場數位空中交通控制中心，諸如一軍用或民用機場。該空中交通對象可為一固定翼或旋轉翼飛機。
根據某些實施例，該脈衝偵測陣列可為一可見光波長波段脈衝偵測陣列。該脈衝偵測陣列可為一紅外波段脈衝偵測陣列。該脈衝偵測陣列可為一長波紅外(LWIR)脈衝偵測陣列。該脈衝偵測陣列可為一中波紅外(MWIR)脈衝偵測陣列。該脈衝偵測陣列可為一短波紅外(SWIR)脈衝偵測陣列。一飛機辨識模組可安置為與該脈衝偵測陣列通信且操作地與該顯示相關聯。
亦預期，根據某些實施例，該空中交通對象可攜載經配置以用於發射脈衝照明之一脈衝照明器。一脈衝照明調變模組可操作地與該脈衝照明器相關聯。該脈衝照明調變模組可經組態以調變自該脈衝照明器發射之脈衝照明。該脈衝照明器可為一可見光波段、一紅外波段、LWIR、MWIR及/或SWIR脈衝照明器中之一者。該脈衝照明器可經組態以發射在一可見光、一紅外、一LWIR、一MWIR及/或一SWIR波段中之一者中的脈衝照明。
一種空中交通對象識別方法包括自由一空中交通對象攜載之一脈衝照明器發射脈衝照明。在具有一脈衝偵測陣列之一感測器處接收來自該感測器之一視野內的該發射之脈衝照明，且使用該脈衝照明識別該空中交通對象。在安置為與該感測器通信之一使用者界面上顯示該空中交通對象之身分，該使用者界面遠離該感測器之該視野。
在某些實施例中，該方法可包括在該空中交通對象處藉由該空中交通對象之該身分來調變該脈衝照明。發射脈衝照明可包括發射一可見光波段、一紅外波段、一LWIR子波段、一MWIR子波段及/或一SWIR子波段脈衝照明中之一者。可使用該感測器來辨識該空中交通對象。例如，該感測器可使用自該空中交通對象反射(或發射)之在一可見光、一紅外、一LWIR、一MWIR及/或一SWIR中之一者中的照明來辨識空中交通對象之類型。
根據結合附圖進行之較佳實施例之以下詳細說明，本標的物揭示內容之系統及方法的此等及其他特徵對於熟習此項技術者而言將變得更易於明了。
2:周圍地區
10:機場
12:跑道
14:停機坪
16:數位空中交通控制中心
18:空中交通對象
20:影像資料
24:可見光波段脈衝照明
25:脈衝資料
26:紅外波段脈衝照明
28:MWIR脈衝照明
30:LWIR脈衝照明
32:SWIR脈衝照明
34:大氣朦朧
36:影像
38:空中交通對象之身分
40:空中交通對象之形狀
100:識別系統
102:感測器
103:脈衝偵測陣列
103A:可見光波段脈衝偵測陣列
103B:紅外波段脈衝偵測陣列
103C:MWIR脈衝偵測陣列
103D:LWIR脈衝偵測陣列
103E:SWIR子波段脈衝偵測陣列
104:視野
106:資料鏈路
108:萬向支架結構
110:資料介面
112:使用者界面
114:記憶體
116:脈衝照明器
116A:可見光波段脈衝照明器
116B:紅外脈衝照明器
116C:MWIR脈衝照明器
116D:LWIR脈衝照明器
116E:SWIR脈衝照明器
118:脈衝照明調變模組
120:空中交通對象辨識模組
122:空中交通對象識別模組
200:空中交通對象識別方法
210:方框
212:方框
214:方框
216:方框
218:方框
220:方框
222:方框
230:方框
232:方框
240:方框
250:方框
260:方框
270:方框
為了使熟習本標的物揭示內容所屬技術之人員將易於在沒有過度實驗之情況下理解如何製造及使用本標的物揭示內容之裝置及方法，下文中將參考某些圖式詳細闡述其實施例，在附圖中：圖1為根據本發明構建之包括用於數位空中交通控制中心之識別系統的民用或軍用機場之例示性實施例的示意圖，其示出了位於機場且安置為與遠端數位空中交通控制中心通信之感測器；圖2A至圖2E為圖1之識別系統之實施例的示意圖，其示出了攜載脈衝照明器之空中交通對象及具有脈衝偵測陣列之感測器，該等脈衝照明器及脈衝偵測陣列分別經組態以用於脈衝照明之例示性波段及子波段； 圖3為圖1之識別系統的示意圖，其示出了識別系統之脈衝偵測模組、空中交通對象辨識模組及空中交通識別模組；且圖4為空中交通對象識別方法之方塊圖，其示出了方法之步驟。
現將參考附圖，其中相似的附圖標記標識本標的物揭示內容之類似的結構特徵或態樣。出於解釋及說明而非限制之目的，在圖1中示出了且大體上用參考符號100標明根據本發明之用於數位空中交通控制中心之空中交通識別系統之例示性實施例的部分視圖。如將闡述，圖2A至圖4中提供了根據本發明或其態樣之空中交通識別系統、具有擁有空中交通識別系統之數位空中交通控制中心之民用及軍用機場，及識別空中交通對象之方法的其他實施例。本文中闡述之系統及方法可用於諸如在民用及軍用機場之遠端數位空中交通控制中心識別空中交通對象，但本發明一般而言不限於遠端數位空中交通控制中心或空中交通對象識別。
人類眼睛對電磁光譜中之可見光部分內的光做出回應。可見光通常經理解為具有在約380奈米與約720奈米之間的波長。通常將所具有之波長低於380奈米之電磁輻射闡述為紫外線輻射。通常將所具有之波長高於720奈米之電磁輻射闡述為紅外輻射。
通常將電磁光譜之紅外部分劃分為近紅外(NIR)紅外光譜部分、短波紅外(SWIR)紅外光譜部分、中波紅外(MWIR)紅外光譜部分，及長波(LWIR)紅外光譜部分。如本文中所使用，NIR指所具有之波長在約0.7微米與約1微米之間的電磁輻射。SWIR指所具有之波長在約0.9微米與約1.7微米之間的電磁輻射。MWIR指所具有之波長在約3微米與5微米之間的電磁輻射。LWIR指所具有之波長在約8微米與14微米之間的電磁輻射。
參考圖1，示出了機場10。機場10包括一或多個跑道12、停機坪14及數位空中交通控制中心16，例如遠端數位控制塔。數位空中交通控制中心16經組態及調適以用於控制空中交通對象18在機場10之停機坪14及一或多個跑道12上以及在機場10之周圍地區2內的移動，周圍地區2如本文中所使用意謂在數位空中交通控制中心16之有效視野內。機場10亦包括具有脈衝偵測陣列103之感測器102，該感測器具有跨越周圍地區2、停機坪14及一或多個跑道12中之至少一部分的視野104。預期數位空中交通控制中心16遠離機場10，遠離意謂在數位空中交通控制中心16處之操作者在沒有遠端感測器(例如，感測器102)之輔助的情況下無法直接看到機場10。
位於停機坪14、跑道12上及周圍地區2中之空中交通對象18中之一或多者攜載脈衝照明器116。脈衝照明器116經組態及調適以發射在預定波段中之脈衝照明且藉由識別各別空中交通對象18之資訊進行調變。預期脈衝照明器116光學地耦合至感測器102以用於相對長距離地(例如在可見光範圍外及/或穿過大氣朦朧34)傳達空中交通對象18之身分。作為非限制性實例，大氣朦朧之實例包括霧、霾及煙霧。
感測器102經組態及調適以用於獲取包括周圍地區2、停機坪14及一或多個跑道12中之至少一部分之場景的影像資料20。向空中交通對象辨識模組120(在圖3中示出)提供影像資料20，空中交通對象辨識模組120根據大小或形狀而辨識空中交通對象18。脈衝偵測陣列103經組態及調適以用於獲取自由空中交通對象18攜載之脈衝照明器116發射的脈衝資料25，脈衝偵測陣列103向空中交通對象識別模組122(在圖3中示出)提供該脈衝資料，空中交通對象識別模組122使用該脈衝資料以例如藉由尾號來識別空中交通控制對象18。
在某些實施例中，機場10可為陸地機場。陸地機場之實例包括一般之航空及商業機場設施。根據某些實施例，機場10可為水上機場。水上機場之 實例包括小型甲板及大型甲板軍用航空母艦、軍用及商業船舶上之降落場，及類似於石油鑽探及勘探平台之固定水上結構上的降落設施。空中交通對象18可包括如適合於給定應用之固定翼飛機、旋轉翼飛機，及/或自主飛行器。
感測器102與機場10位於同一地點且具有涵蓋機場10及周圍地區2中之至少一部分之視野104。例如，感測器102可安裝在桅桿或萬向支架結構108上。萬向支架結構108之桅桿可為固定的或可向感測器102提供平遙、俯仰及/或縮放能力。如由考慮本發明之熟習此項技術者將瞭解，使用桅桿或萬向支架結構可增大視野104之大小。在此態樣中，預期少至一個感測器102提供足夠覆蓋率，使得影像資料20為代表性的且及時地藉由辨識各別空中交通對象類型來安全地控制空中交通對象18在機場10上以及在機場10之周圍地區2中的移動。另外，亦預期少至一個脈衝偵測陣列103提供足夠覆蓋率，使得脈衝資料25根據個別空中交通對象18之身分而提供用於控制空中交通對象18在機場10上以及在機場10之周圍地區2中之及時及安全移動的識別資訊。
如藉由指示資料鏈路106之虛線所示，預期數位空中交通控制中心16遠離機場10且包括空中交通識別系統100。在此態樣中，數位空中交通控制中心16可位於遠離機場10之處，例如，在感測器102之視野104之外。將數位空中交通控制中心16置放在遠端位置釋放機場10上之空間以用於機場操作，從而提高機場效率。將數位空中交通控制中心16置放在遠端位置亦可諸如藉由使識別系統100與其具有其他需要安全性的資產的使用者位於同一地點來減少保護數位空中交通控制中心16所需的資源。
參考圖2A至圖2E，示出了根據例示性實施例之感測器102、脈衝偵測陣列103及脈衝照明器116。空中交通對象18各自攜載脈衝照明調變模組118及脈衝照明器116。脈衝照明調變模組118操作地與脈衝照明器116相關聯且經配置以致使脈衝照明器發射在預定波段或子波段中之脈衝照明。脈衝偵測 陣列103及感測器102經組態及調適以產生用於使用自空中交通對象反射之照明進行空中交通對象辨識的影像資料24以及用於使用由脈衝照明器116發射之脈衝照明來識別個別空中交通對象的脈衝資料25此兩者。
例如，如圖2A中所示，在某些實施例中，空中交通對象18可攜載可見光波段脈衝照明器116A。可見光波段脈衝照明器116A經配置以根據由照明調變模組118提供之調變資訊而發射可見光波段脈衝照明24。可見光波段脈衝偵測陣列103A單獨地及/或與感測器102合作地產生用於使用可見光波段脈衝照明24來辨識及識別空中交通對象18之影像資料20及脈衝資料25。
如圖2B中所示，根據某些實施例，空中交通對象18可攜載紅外脈衝照明器116B。紅外脈衝照明器116B經配置以根據由照明調變模組118提供之調變資訊而發射紅外波段脈衝照明26。紅外波段脈衝偵測陣列103B單獨地及/或與感測器102合作地產生用於使用紅外波段脈衝照明26來辨識及識別空中交通對象18之影像資料20及脈衝資料25。
如圖2C中所示，根據某些實施例，空中交通對象18可攜載MWIR子波段脈衝照明器116C。MWIR脈衝照明器116C經配置以根據由照明調變模組118提供之調變資訊而發射MWIR脈衝照明28。MWIR脈衝偵測陣列103C單獨地及/或與感測器102合作地產生用於使用MWIR脈衝照明28來辨識及識別空中交通對象18之影像資料20及脈衝資料25。
如圖2D中所示，根據某些實施例，空中交通對象18可攜載LWIR子波段脈衝照明器116D。LWIR脈衝照明器116D經配置以根據由照明調變模組118提供之調變資訊而發射LWIR脈衝照明30。LWIR脈衝偵測陣列103D單獨地及/或與感測器102合作地產生用於使用LWIR脈衝照明30來辨識及識別空中交通對象18之影像資料20及脈衝資料25。
如圖2E中所示，亦預期空中交通對象18可攜載SWIR照明器116E。 SWIR脈衝照明器116E經配置以根據由照明調變模組118提供之調變資訊而發射SWIR脈衝照明32。SWIR子波段脈衝偵測陣列103E單獨地及/或與感測器102合作地產生用於使用SWIR脈衝照明32來辨識及識別空中交通對象18之影像資料20及脈衝資料25。如考慮本發明之熟習此項技術者將瞭解，當穿過大氣朦朧34(例如，灰塵、霾、煙霧及煙)成像時使用紅外波段照明來產生影像資料20(在圖1中示出)及脈衝資料25具有提高可見度之益處。提高之可見度又允許在相對長距離下辨識空中交通對象18，由此擴展感測器102之視野104的有效深度。此在SWIR脈衝照明之情況下尤其為真，SWIR脈衝照明可使識別範圍擴展超出位於同一地點之空中交通控制中心之感測範圍。
參考圖3，示出了識別系統100。識別系統100包括處理器108、資料介面110、使用者界面112及記憶體114。處理器108安置為與資料介面110通信，且經由資料介面110與感測器102通信以經由資料鏈路106自感測器102接收影像資料20。處理器108亦安置為與使用者界面112通信以用於操作地連接使用者界面112來顯示機場10(在圖1中示出)之影像36。
記憶體114具有上面記錄有指令之複數個程式模組，該等指令在由處理器108讀取時致使處理器108執行某項操作，例如空中交通對象識別方法200之操作，如將闡述。模組中有用以辨識機場上及機場之周圍地區中之空中交通對象之形狀40的空中交通對象辨識模組120，及用以判定機場上及機場之周圍地區中之空中交通對象之身分38的空中交通對象識別模組122。使用預期識別系統100使用如適合於既定應用之電路、軟體，或軟體與電路兩者之組合來實施。
參考圖4，示出了空中交通對象識別方法200。空中交通對象識別方法200包括發射脈衝照明，例如脈衝照明24-32(在圖2A至圖2E中示出)，如方 框210所示。脈衝照明經調變以包括識別個別空中交通對象之資訊，如方框212所示。在某些實施例中，脈衝照明可在可見光波長波段內，如方框214所示。根據某些實施例，脈衝照明可在紅外波長波段內，如方框216所示。亦預期脈衝照明可在紅外子波段，諸如LWIR、MWIR及/或SWIR波段內，如方框218-222所示。
空中交通對象識別方法200亦包括在感測器，例如脈衝偵測陣列103(在圖1中示出)及/或感測器102(在圖1中示出)處接收脈衝照明，如方框230所示。對脈衝照明進行解調變，如方框232所示，且基於調變照明中含有之資訊而識別空中交通對象，如方框240所示。在使用者界面，例如使用者界面112(在圖3中示出)上顯示空中交通對象之身分，如方框250所示。使用者界面可位於遠離機場之處，同時顯示機場及/或機場周圍地區中之至少一部分，如圖3中在例示性影像(或視訊)24中所示。在某些實施例中，亦可使用如方框250所示在感測器處接收之照明諸如藉由形狀辨識演算法或類似效用來辨識飛機，從而提供整合沒有脈衝照明器之空中交通對象及/或將空中交通對象整合在操作性脈衝照明器中之靈活性，如方框260所示。可顯示形狀辨識與飛機身分，如方框270所示。
商業及軍事空中交通控制正遠離傳統實體(brick-and-mortar)空中交通控制塔且朝向數位空中交通控制中心移動。安裝在桅桿上之數位成像感測器可藉由在安全設施中將即時影像傳輸至空中交通控制器來提高數位空中交通控制中心具有之可見度。此減小機場上之占地面積且使空中交通控制者較少地暴露於威脅。
在本文中闡述之實施例中，脈衝偵測陣列及脈衝發射器用以進一步提高數位空中交通控制中心之可見度。根據某些實施例，採用脈衝偵測陣列及脈衝發射器，該等脈衝偵測陣列及脈衝發射器採用SWIR、MWIR及/或LWIR 照明以在數位空中交通控制中心進行飛機識別。識別可由對象辨識增強以促進飛機之間及飛機與數位空中交通控制中心之間的單向及雙向通信。例如，飛機上攜載之脈衝LED紅外發射器及具有脈衝偵測像素技術之SWIR成像器可安裝在桅桿上、具有平遙、俯仰及/或縮放能力。此等SWIR成像器在霾天就辨識目的而言可優於可見光感測器且脈衝偵測能力將在長距離下偵測并積極地識別遠處之飛機。預期此將允許以低假陽性率或低假陰性率進行飛機之長距離自主成像及識別。紅外成像亦具有以下益處：當用於具有嚴重大氣朦朧(灰塵、霾、煙霧、煙)之環境中時，且與脈衝照明配對之脈衝偵測陣列可提供對諸如飛機等對象之長距離偵測及識別。
如上文闡述及附圖中示出之本發明之方法及系統以包括低假陽性率或低假陰性率之優越性質提供飛機之長距離自主成像及識別以及穿過嚴重之大氣朦朧成像的能力。儘管已經參考較佳實施例示出及闡述了本標的物揭示內容之設備及方法，但熟習此項技術者將易於瞭解，在不脫離本標的物揭示內容之範圍的情況下可對其進行改變及/或修改。
2‧‧‧周圍地區
10‧‧‧機場
12‧‧‧跑道
14‧‧‧停機坪
16‧‧‧數位空中交通控制中心
18‧‧‧空中交通對象
20‧‧‧影像資料
25‧‧‧脈衝資料
34‧‧‧大氣朦朧
100‧‧‧識別系統
102‧‧‧感測器
103‧‧‧脈衝偵測陣列
106‧‧‧資料鏈路
116‧‧‧脈衝照明器

Claims (17)

  1. 一種用於數位空中交通控制之識別系統，該識別系統包含：一感測器，該感測器具有一脈衝偵測陣列且具有一視野，其中該脈衝偵測陣列使用由一脈衝照明器發射之脈衝照明單獨地產生影像資料及脈衝資料，該脈衝照明器係由該感測器之該視野內之一空中交通對象所攜載；一使用者界面，該使用者界面用以顯示在該感測器之該視野內之該空中交通對象；及一控制器，該控制器具有安置為與該脈衝偵測陣列通信之一脈衝偵測模組，其中該脈衝偵測模組經組態及調適以使用由在該感測器之該視野內之該空中交通對象攜載的該脈衝照明器發射之脈衝照明來識別該空中交通對象，其中該脈衝偵測陣列及該感測器經組態及調適以使用由該脈衝照明器發射之該脈衝照明產生用於空中交通對象辨識的該影像資料以及用於識別個別空中交通對象的該脈衝資料兩者。
  2. 如申請專利範圍第1項之識別系統，其中該感測器固定至位於一機場之一桅桿或萬向支架。
  3. 如申請專利範圍第1項之識別系統，其中該感測器之該視野包括在一機場附近之受控空域。
  4. 如申請專利範圍第1項之識別系統，其中該使用者界面遠端地連結至該感測器。
  5. 如申請專利範圍第1項之識別系統，其中該脈衝偵測陣列為一可見光波長波段脈衝偵測陣列。
  6. 如申請專利範圍第1項之識別系統，其中該脈衝偵測陣列為一長波紅外(LWIR)波段脈衝偵測陣列。
  7. 如申請專利範圍第1項之識別系統，其中該脈衝偵測陣列為一中波紅外(MWIR)波段脈衝偵測陣列。
  8. 如申請專利範圍第1項之識別系統，其中該脈衝偵測陣列為一短波紅外(SWIR)波段脈衝偵測陣列。
  9. 如申請專利範圍第1項之識別系統，該識別系統進一步包含一脈衝照明調變模組，該脈衝照明調變模組操作地與該脈衝照明器相關聯且且經組態以藉由空中交通對象身分調變由該脈衝照明器發射之脈衝照明。
  10. 如申請專利範圍第1項之識別系統，其中該脈衝照明器為可見光、紅外、LWIR、MWIR及SWIR波段脈衝照明器中之一者。
  11. 如申請專利範圍第1項之識別系統，該識別系統進一步包含一飛機辨識模組，該飛機辨識模組安置為與該感測器通信且操作地與該顯示相關聯。
  12. 一種包括如申請專利範圍第1項之識別系統之數位空中交通控制中心。
  13. 一種具有包括如申請專利範圍第1項之識別系統之數位空中交通控制中心的軍用或民用機場。
  14. 一種空中交通對象識別方法，該空中交通對象識別方法包含：自由一空中交通對象攜載之一脈衝照明器發射脈衝照明；在具有一脈衝偵測陣列之一感測器處接收來自該感測器之一視野內的該脈衝照明；使用該脈衝照明單獨地產生影像資料及脈衝資料；使用該脈衝資料識別該空中交通對象；及在安置為與該感測器通信之一使用者界面上顯示該空中交通對象之身分，該使用者界面遠離該感測器之該視野， 其中該脈衝偵測陣列及該感測器經組態及調適以使用由該脈衝照明器發射之該脈衝照明產生用於空中交通對象辨識的該影像資料以及用於識別個別空中交通對象的該脈衝資料兩者。
  15. 如申請專利範圍第14項之空中交通對象識別方法，該空中交通對象識別方法進一步包含在該空中交通對象處藉由該空中交通對象之身分來調變該脈衝照明。
  16. 如申請專利範圍第14項之空中交通對象識別方法，其中發射脈衝照明包括發射可見光、LWIR、MWIR及/或一SWIR波段照明。
  17. 如申請專利範圍第14項之空中交通對象識別方法，其中該空中交通對象之該身分係在一數位空中交通控制中心處進行識別的。
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