一种基于波前信息的飞行器尾流探测系统和方法与流程

2021-02-14 02:02:00|

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本发明涉及飞行器尾流探测领域，特别涉及一种基于波前信息的飞行器尾流探测系统和方法。

背景技术：

当飞行器在大气中飞行时，飞行器的机翼对大气的扰动产生了一个波，由于这种波具有不稳定的速度，使得这个波产生旋转从而在飞行器的翼间形成了一对反向旋转的涡，这就是飞行器的尾流。尾流是一种与飞行器类型和体积相关的特征明显的强湍流，其中的空气密度分布和扩散分布极不均匀，具有丰富的空间和时间信息，并且能够较长时间滞空。准确的定位飞机尾流，预测分析尾流时空特性，可以明显提高飞行器的飞行安全和合理利用机场资源等。

现有的飞行器尾流探测主要是利用雷达测量、微温阵列原为测量、光纤干涉测量等方式进行，雷达测量方式采用常规空管或预警雷达探测尾流，分辨率受雷达性能限制；微温阵列原为测量、光纤干涉测量等方式测量精度较高，但是探测范围较小，属于原位测量，只能探测局部区域的尾流信息，难以在较大范围追踪分析飞行器尾流的时空特性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于波前信息的飞行器尾流探测系统及方法，用于解决现有飞行器尾流探测只能探测局部区域的尾流信息，难以在较大范围追踪分析飞行器尾流的时空特性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

提供一种基于波前信息的飞行器尾流探测系统，包括：基平台以及中控信息处理系统；

所述基平台，用于为飞行器尾流区域提供对空和对地双方向激光照射，对飞行器尾流区域进行空域扫描，获取经飞行器扰动的畸变波前光；

所述中控信息处理系统，用于根据所述畸变波前光获得飞行器尾流区域的波前相位，重建飞行器尾流区域的湍流空间特征和时间特征，确定引起该尾流的飞行器位置。

与现有技术相比，本发明提供的基于波前信息的飞行器尾流探测系统，用标准平面波光源照射飞行器尾流区域，其散射或投射光波前将发生畸变，利用波前传感器接收畸变波前光，通过波前重建算法可以获得飞行器尾流区域的波前相位，重建飞行器尾流区域湍流空间特征。通过大范围光扫描和间隔部署的波前传感器，可以在较大空间范围内探测并重建飞行器尾流区域湍流时间特征，可以弥补现有技术的不足。实现了对大范围飞行器尾流的追踪分析，为飞行器探测和航路预测规划提供了技术手段，具有很高的实用性。

本发明还提供一种基于波前信息的飞行器尾流探测系统的探测方法，包括以下步骤：

基平台为飞行器尾流区域提供对空和对地双方向激光照射，对飞行器尾流区域进行空域扫描，获取经飞行器扰动的畸变波前光；

中控信息处理系统根据所述畸变波前光获得飞行器尾流区域的波前相位，重建飞行器尾流区域的湍流空间特征和时间特征，确定引起该尾流的飞行器位置。

与现有技术相比，本发明提供的基于波前信息的飞行器尾流探测方法的有益效果与上述技术方案所述基于波前信息的飞行器尾流探测系统的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例中提供的基于波前信息的飞行器尾流探测系统的示意性框图；

图2为本发明另一实施例中提供的基于波前信息的飞行器尾流探测方法的示意性流程图。

附图标记：

1-天/空基平台、2-天/空基平面波光源、3-天/空基波前传感器、4-天/空基组网通讯模块、5-陆/海基平台、6-陆/海基平面波光源、7-陆/海基波前传感器、8-陆/海基组网通讯模块、9-中控信息处理系统。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明一实施例提供的基于波前信息的飞行器尾流探测系统，包括：基平台以及中控信息处理系统9；

基平台，用于为飞行器尾流区域提供对空和对地双方向激光照射，对飞行器尾流区域进行空域扫描，获取经飞行器扰动的畸变波前光；

中控信息处理系统9，用于根据畸变波前光获得飞行器尾流区域的波前相位，重建飞行器尾流区域的湍流空间特征和时间特征，确定引起该尾流的飞行器位置。

上述基于波前信息的飞行器尾流探测系统，用标准平面波光源照射飞行器尾流区域，其散射或投射光波前将发生畸变，利用波前传感器接收畸变波前光，通过波前重建算法可以获得飞行器尾流区域的波前相位，重建飞行器尾流区域湍流空间特征。通过大范围光扫描和间隔部署的波前传感器，可以在较大空间范围内探测并重建飞行器尾流区域湍流时间特征，可以弥补现有技术的不足。实现了对大范围飞行器尾流的追踪分析，为飞行器探测和航路预测规划提供了技术手段，具有很高的实用性。

作为一种可实施方式，基平台包括天/空基平台1和陆/海基平台5；

天/空基平台1，用于为飞行器尾流区域提供对地方向激光照射，对飞行器尾流区域进行对地方向扫描，获取经飞行器扰动的畸变波前光，将畸变波前光发送至中控信息处理系统9；

陆/海基平台5，用于为飞行器尾流区域提供对空方向激光照射，对飞行器尾流区域进行对空方向扫描，获取经飞行器扰动的畸变波前光，将畸变波前光发送至中控信息处理系统9。

采用天/空基平台1和陆/海基平台5相结合的形式，能够有效的对飞行器穿过飞行器尾流区域时，发生畸变的对地方向激光照射飞行器尾流区域的散射光和对空方向激光照射飞行器尾流区域的透射光，以及发生畸变的对空方向激光照射飞行器尾流区域的散射光和对地方向激光照射飞行器尾流区域的透射光进行采集，有效的提高了最终确定的引起该尾流的飞行器位置的准确性。

作为一种可实施方式，天/空基平台1包括多组间隔设置的天/空基平面波光源2、天/空基波前传感器3以及天/空基组网通讯模块4；

天/空基平面波光源2，用于为飞行器尾流区域提供对地方向标准平面波束照射；

天/空基波前传感器3，用于获取飞行器尾流区域经飞行器扰动的畸变波前光；

天/空基组网通讯模块4，用于将畸变波前光传送至中控信息处理系统9。

天/空基平面波光源2能够有效的为飞行器尾流区域提供标准平面波束，并且该光源包括但不限于激光光源，天/空基波前传感器3能够有效的对对地方向激光照射飞行器尾流区域的散射光和对空方向激光照射飞行器尾流区域的透射光进行实时采集，有效的确保了对由于飞行器穿过飞行器尾流区域导致的畸变波前光的采集。采用多组间隔设置的形式，能够有效的对较大空间范围内可导致的畸变波前光的监控和采集，实现了在较大范围追踪分析飞行器尾流的时空特性。

作为一种可实施方式，陆/海基平台5包括多组间隔设置的陆/海基平面波光源6、陆/海基波前传感器7以及陆/海基组网通讯模块8；

陆/海基平面波光源6，用于为飞行器尾流区域提供对地方向标准平面波束照射；

陆/海基波前传感器7，用于获取飞行器尾流区域经飞行器扰动的畸变波前光；

陆/海基组网通讯模块8，用于将畸变波前光传送至中控信息处理系统9。

陆/海基平面波光源6能够有效的为飞行器尾流区域提供标准平面波束，并且该光源包括但不限于激光光源，陆/海基波前传感器7能够有效的对对空方向激光照射飞行器尾流区域的散射光和对地方向激光照射飞行器尾流区域的透射光进行实时采集，有效的确保了对由于飞行器穿过飞行器尾流区域导致的畸变波前光的采集。采用多组间隔设置的形式，能够有效的对较大空间范围内可导致的畸变波前光的监控和采集，实现了在较大范围追踪分析飞行器尾流的时空特性。

作为一种可实施方式，陆/海基波前传感器7以及陆/海基组网通讯模块8与陆/海基平面波光源6组合固定部署。

采用组合固定部署的形式，部署更加的简单，同时，也节约了单独部署的成本。

作为一种可实施方式，所畸变波前光包括飞行器穿过飞行器尾流区域时，发生畸变的对地方向激光照射飞行器尾流区域的散射光和对空方向激光照射飞行器尾流区域的透射光，以及发生畸变的对空方向激光照射飞行器尾流区域的散射光和对地方向激光照射飞行器尾流区域的透射光。

在无飞行器穿过飞行器尾流区域时，激光照射飞行器尾流区域的散射光和激光照射飞行器尾流区域的透射光是相对稳定的，只有在飞行器穿过飞行器尾流区域时，会导致散射光和透射光发生畸变，陆/海基波前传感器7和天/空波前传感器会接收畸变波前光，通过波前重建算法可以获得飞行器尾流区域的波前相位，重建飞行器尾流区域湍流空间特征。

进一步的，基于波前信息的飞行器尾流探测系统，包括：天/空基平台1、天/空基平面波光源2、天/空基波前传感器3、天/空基组网通讯模块4、陆/海基平台5、陆/海基平面波光源6、陆/海基波前传感器7、陆/海基组网通讯模块8、中控信息处理系统9；

天/空基平台1的功能是搭载标准平面波光源、天/空基波前传感器3和天/空基组网通讯模块4，实现大范围机动和大面积空域扫描。

天/空基平面波光源2的功能是提供照射飞行器尾流区域的标准平面波束，包括但不限于激光光源。

天/空基波前传感器3的功能是接收天/空基平面波光源2照射飞行器尾流区域的散射光和陆/海基平面波光源6照射飞行器尾流区域的透射光。

天/空基组网通讯模块4的功能是与其他天/空基平台1组网通讯模块和陆/海基组网通讯模块8进行通讯组网，传输各类波前传感器信息。

陆/海基平台5的功能是搭载标准平面波光源、陆/海基波前传感器7和陆/海基组网通讯模块8，实现大范围机动和大面积空域扫描。

陆/海基平面波光源6的功能是提供照射飞行器尾流区域的标准平面波束，包括但不限于激光光源。

陆/海基波前传感器7的功能是接收陆/海基平面波光源6照射飞行器尾流区域的散射光和天/空基平面波光源2照射飞行器尾流区域的透射光，陆/海基波前传感器7可以搭载于陆/海基平台5或与陆/海基组网通讯模块8组合固定部署。

陆/海基组网通讯模块8的功能是与其他天/空基平台1组网通讯模块和陆/海基组网通讯模块8进行通讯组网，传输各类波前传感器信息，陆/海基组网通讯模块8可以搭载于陆/海基平台5或与陆/海基波前传感器7模块组合固定部署。

天/空基平台1搭载标准平面波光源、天/空基波前传感器3和天/空基组网通讯模块4，实现大范围机动和大面积空域扫描；天/空基平面波光源2提供照射飞行器尾流区域的标准平面波束，包括但不限于激光光源；天/空基波前传感器3接收天/空基平面波光源2照射飞行器尾流区域的散射光和陆/海基平面波光源6照射飞行器尾流区域的透射光；天/空基组网通讯模块4与其他天/空基平台1组网通讯模块和陆/海基组网通讯模块8进行通讯组网，传输各类波前传感器信息；陆/海基平台5搭载标准平面波光源、陆/海基波前传感器7和陆/海基组网通讯模块8，实现大范围机动和大面积空域扫描；陆/海基平面波光源6提供照射飞行器尾流区域的标准平面波束，包括但不限于激光光源；陆/海基波前传感器7接收陆/海基平面波光源6照射飞行器尾流区域的散射光和天/空基平面波光源2照射飞行器尾流区域的透射光；陆/海基组网通讯模块8与其他天/空基平台1组网通讯模块和陆/海基组网通讯模块8进行通讯组网，传输各类波前传感器信息；中控信息处理系统9的功能是控制天/空基平台1、陆/海基平台5，以及天/空基波前传感器3、天/空基波前传感器3、天/空基组网通讯模块4、陆/海基平面波光源6、陆/海基波前传感器7、陆/海基组网通讯模块8等，融合各个波前传感器信息，重建飞行器尾流区域的位置，以及其中的湍流空间和时间特征，推导追踪确定引起该尾流的飞行器位置。天/空基波前传感器3和陆/海基波前传感器7获取经飞行器扰动的光学畸变波前信息，畸变波前w(x,y)是二维空间坐标(x,y)的函数，其单位可以是光程差(μm)，波长(λ)，或相位角(弧度)。畸变波前w(x,y)采用zernike多项式的型式表示，zernike多项式在圆域正交、归一化，且其低阶项分别与piston、tip-tilt、离焦、象散、球差等几何像差相对应。

上式中，zk(x,y)为zernike多项式的基元函数，ak为相应项的系数。根据波前畸变的zernike多项式表达式可知，任意位置(x,y)处的波前值w(x,y)可直接根据多项式进行计算。在此基础上，基于各个波前传感器信息融合，重建飞行器尾流区域的位置，以及其中的湍流空间和时间特征，推导追踪确定引起该尾流的飞行器位置。

如图2所示，本发明还提供了一种基于波前信息的飞行器尾流探测系统的探测方法，包括以下步骤：

基平台为飞行器尾流区域提供对空和对地双方向激光照射，对飞行器尾流区域进行空域扫描，获取经飞行器扰动的畸变波前光；

中控信息处理系统根据畸变波前光获得飞行器尾流区域的波前相位，重建飞行器尾流区域的湍流空间特征和时间特征，确定引起该尾流的飞行器位置。

作为一种可实施方式，基平台为飞行器尾流区域提供对空和对地双方向激光照射，对飞行器尾流区域进行空域扫描，获取经飞行器扰动的畸变波前光，具体包括以下步骤：

天/空基平台为飞行器尾流区域提供对地方向激光照射，对飞行器尾流区域进行对地方向扫描，获取经飞行器扰动的畸变波前光，将畸变波前光发送至中控信息处理系统；

陆/海基平台，为飞行器尾流区域提供对空方向激光照射，对飞行器尾流区域进行对空方向扫描，获取经飞行器扰动的畸变波前光，将畸变波前光发送至中控信息处理系统。

采用天/空基平台和陆/海基平台相结合的形式，能够有效的对飞行器穿过飞行器尾流区域时，发生畸变的对地方向激光照射飞行器尾流区域的散射光和对空方向激光照射飞行器尾流区域的透射光，以及发生畸变的对空方向激光照射飞行器尾流区域的散射光和对地方向激光照射飞行器尾流区域的透射光进行采集，有效的提高了最终确定的引起该尾流的飞行器位置的准确性。

作为一种可实施方式，天/空基平台为飞行器尾流区域提供对地方向激光照射，对飞行器尾流区域进行对地方向扫描，获取经飞行器扰动的畸变波前光，将畸变波前光发送至中控信息处理系统，包括以下步骤：

天/空基平面波光源为飞行器尾流区域提供对地方向标准平面波束照射；

天/空基波前传感器获取飞行器尾流区域经飞行器扰动的畸变波前光；

天/空基组网通讯模块将畸变波前光传送至中控信息处理系统。

天/空基平面波光源能够有效的为飞行器尾流区域提供标准平面波束，并且该光源包括但不限于激光光源，天/空基波前传感器能够有效的对对地方向激光照射飞行器尾流区域的散射光和对空方向激光照射飞行器尾流区域的透射光进行实时采集，有效的确保了对由于飞行器穿过飞行器尾流区域导致的畸变波前光的采集。采用多组间隔设置的形式，能够有效的对较大空间范围内可导致的畸变波前光的监控和采集，实现了在较大范围追踪分析飞行器尾流的时空特性。

作为一种可实施方式，陆/海基平台，为飞行器尾流区域提供对空方向激光照射，对飞行器尾流区域进行对空方向扫描，获取经飞行器扰动的畸变波前光，将畸变波前光发送至中控信息处理系统，包括以下步骤：

陆/海基平面波光源为飞行器尾流区域提供对地方向标准平面波束照射；

陆/海基波前传感器获取飞行器尾流区域经飞行器扰动的畸变波前光；

陆/海基组网通讯模块将畸变波前光传送至中控信息处理系统。

陆/海基平面波光源能够有效的为飞行器尾流区域提供标准平面波束，并且该光源包括但不限于激光光源，陆/海基波前传感器能够有效的对对空方向激光照射飞行器尾流区域的散射光和对地方向激光照射飞行器尾流区域的透射光进行实时采集，有效的确保了对由于飞行器穿过飞行器尾流区域导致的畸变波前光的采集。采用多组间隔设置的形式，能够有效的对较大空间范围内可导致的畸变波前光的监控和采集，实现了在较大范围追踪分析飞行器尾流的时空特性。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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