在晴朗天气条件下，光线传播穿过大气仅有一点点吸收和散射损 失。但是，当成为各种不良天气条件例如浓雾、雨或雪的原因的大气微 粒和分子在大气中存在足够数量时，它们可以吸收和散射光线达到损失 可观并且能见度严重降低的程度。在各种情况下，这样的能见度可造成 代价高昂的破坏和危险的缺乏有关关键目标物体和/或区域的位置和特征 的信息。
在现有技术中，一些系统已经被用来辅助人眼在不良天气条件下定 位和感知目标物体和/或区域。理想的是，这些系统拥有“穿透”天气的 能力，也就是说，向操作员提供和在晴朗天气能获得的同样范围的所需 目标物体和/或区域的位置和特征信息。
这种系统对于自然发生的不良能见度条件和要求时间紧急反应的航 空业特别重要。尽管有复杂昂贵的般空电子设备和控制系统，天气条件 还是对最后的进入着陆加上了一些限制。这些限制计有飞机、飞行员以 及安装在机场的设备能力。每一组能力均与允许着陆前的最低云层高度 和最低跑道能见度有关。按仪表飞行规则(IFR)操作，飞行员能够供 助飞机仪表面板上提供的滑行着陆偏差指示被引导到距跑道一个特定距 离处。这种滑行着陆偏差一般由着陆引导系统例如仪表着陆系统 (ILS)、微波着陆系统(MLS)或全球定位系统(GPS/GNSS)通 过射频(RF)发射与飞机链接来提供。如果在特定距离处，飞机员不能 看见依据FAA设置的跑道特征，飞行员就必须执行未看到入场口操作。 为了把这些事件减到最少，空中交通控制员往往给飞机改线或者不为飞 往受影响机场的飞机提供起飞许可。不管用哪一种替代方案，这些过程 都令引起旅客和机组人员焦燥不安，增加额外开支，造成延误和飞行时 刻表混乱，并且降低运营安全系数。
用于能见度下降和着陆条件从I类，经过II类变为III类的各个等 级，飞行员操纵飞机的能力得通过提高设备的完善性水平而增长。这种 适应性是由于认识到随着跑道可见距离的下降要求更高的所需导航性能 (RNP)标准。设备完善性的一个标准就是辅助操纵飞行控制的自动引 航。最理想的是，在III类条件下，滑行着陆偏差可以通过自动引航直接 耦连到飞机上使飞机降向跑道并借助“环路外”引航自动照亮跑道。但 是在实际实践中，这种“环路外”方式由于仪器费用太高而很少采用。 本例中的RNP在服务的完整性、有效性、连续性和准确性方面加上了严 格的确认标准。设备费用和维护，以及为操作柔顺性所必须的连续不断 的熟练度训练限制了其成本效率。
各种各样的系统都试图解决基于引导误差的RF链接系统的缺点。 一种最简单的方法是使用脉冲式强烈白色信标作为跑道入口和进场指 示。虽然这一方法对长距离探测有好处，但已被证明在近距离特别在浓 雾中是不利的。在一个不长的最后入场通道上，强烈白色信标通常会使 飞行人员看不见并且由于大气的弥漫性而不能用可见波长提供任何空间 方位。
照射并显示出感兴趣区域的有源光学成象也已被鉴定为导航辅助装 置。这些系统一般都是脉冲发射机和并置在一起的门控成象接收机。接 收机被同步门控，使得它们看不到射出的发射脉冲的后向散射。目前的 互补式发射机/接收机对都工作在可见和近红外光之间的波长。它们的工 作靠目标物体和它的背景之间的反射反差。这种系统在先天上有一个小 的视场，工作于低发射脉冲速率，或者说要求长的整周期。对于高效实 时“环路内导航”操作来说，结果所产生的信息速率太低，并且显示的 数据太有限。
一些工作于电磁波谱的徽波、红外和毫米波(MMV)系统已被认 为是不良天气导航辅助装置。每个系统都利用在这些比可见波长更长波 长的降低了的大气衰减窗口。
微波辐射提供了穿透低能见度大气的一个有吸引力的手段。但是， 一般用于生成景象的距离-方位扫描技术和长工作波长结合起来提供信 息速率、分辨率和方位-仰角显示的解决办法，不适合于用作着陆辅助 装置实时引航。
工作在比可见波长长二至二十倍的波长的红外系统不仅提供一个可 与人的眼睛相比拟的分辨率，而且提供直接以方位仰角坐标显示的实时 信息。在薄雾条件下并以地形为背景，工作在8-12μm波长之间的红 外传感器通常提供比人眼更好的图象。但是，随着天气状况恶化，它们 对少于二分之一英里能见度的成象性能急剧降低到比人的眼睛低很多的 水平。探测能力也受天气限制。探测决定于感兴趣的目标物体和它的背 景之间的辐射温度差。在许多情形下，这个视在差值低于实际的现代传 感器的灵敏度(～0.01℃)。这可归因于环境条件，例如每天两次出现 的温度反差转换，或者在一般伴随浓雾条件的高温度时大气反差降低。 这样一来，红外系统的能力一般在最需要它的时候作用却最小。
工作在1μm左右的红外系统被认为可通过探测有源目标物体而不 是无源目标物体来减轻这些反差下降因素的影响。例如，白炽灯丝的特 征黑体辐射就可用这些红外系统检测。这个直接辐射，更正确地说是包 围灯丝的热灯泡所发射的长波长辐射可以检测出来。但是，1μm处的太 阳背景辐射量可比电灯丝辐射量大70dB之多。因而，差不多70dB的景 内动态范围要求将灯丝信号拉出背景。这一过程要求求出很费钱且很难 实时达到的信号—背影卷积。而且，通过工作在常规的3-5μm或8- 11μm窗口所获得的低太阳背景优点也被丢失了。
使用毫米波(MMW)辐射的现有技术系统一般是用于不良天气的 最佳选择。众所周知，30-300GHz(10-1.0mm)之间的辐射以相 对适中的衰减穿透浓雾或其它大气成分。一般，这些系统工作在其浓雾 穿透能力最大的35或94GHz。一般可参见“TRW空间与国防问题” 1990/91冬季刊中Young等人的“无源毫米波成象”一文。但是，毫米 波系统通常有一些严重的缺点。其性能在雨中要下降，其分辨率低于可 见光传感器，而且其硬件机构复杂。一些毫米波系统按照常规雷达扫描 的原理工作。在对于飞机着陆最需要效能时这些系统的能力却在先天上 被限制在不长的最终入场距离。
使用另一种成象技术的MMW系统通常在灵敏度上受限并且需要 拉长停顿时间，使它们变得不适合于在着陆的最后短阶段遇到的动态环 境。外差法被认为是一种提高灵敏度的手段。但是，这个增益是以相当 大的元件复杂性代价实现的。此外，由于使用长波长，毫米波系统只产 生有限的角分辨率-六倍低于人的眼睛的分辨率。
虽然基于引导误差的RF链接系统提供一个理想的抗天气能力，但 它缺乏系统的简单性以及对于着陆期间“环路内引航”的相容性。基于 成象法的系统本身也比较简单且与引航相容，但缺乏适当的天气性能。 大地测绘系统和基于存储数据的系统混合RF链接也已经开发。它们在这 一技术中一般称为合成图象系统，但由于其复杂性和缺乏固定在跑道上 的实时可靠图象而没有被认可。
因此，仍然存在对提供特征的一种相容性组合系统的需要，系统允 许在不良天气环境进行包括实时“环路内”操作的全范围操作以及可与 人的眼睛相比拟的分辨率。最好，这样的系统例如说允许操作员在低能 见度条件下以类似于晴朗天条件下执行那些功能的方法在局部区域范围 内导航。
一种用于在低能见度条件下提供有关目标物体和/或区域例如飞机 和跑道灯的位置和特征的系统通过使用紫外线辐射来实现。已经发现， 低能见度大气的大气传播特性允许具有足够低的衰减和散射的紫外线辐 射传播用于各种用途。而且，工作在紫外线辐射的“太阳盲”区即不存 在太阳背景辐射的区域，由于通过使用高增益成象管提供的高信/噪比， 也使系统能够摄象和/或确定具有相关紫外线辐射源的关键标志或区域的 位置。
本发明的概述
根据本发明原理的一种系统包括一个或多个紫外线辐射源，一个能 够产生所接收辐射的图象或表示图的接收机，以及一个显示器。在一个 优选实施例中，紫外线辐射源与关键标志例如跑道信标或危险报警器共 放一起。发源于发射源的紫外线辐射，最好调制成一个重复的特征信号 传播穿过低能见度大气，并被接收机接收。接收机可以放在运载工具例 如飞机上，或者固定在一个固定的位置例如控制塔台上。接收机产生所 接收辐射因而即关键标志的一个图象或表示图，然后传到一个显示装 置。显示装置最好是一个透明的仰视显示器，图象或表示图在其上面可 叠加在操作员采用的实景可视图象上。
在另一个优选实施例中，发射源放置在接收机处或靠近接收机，也 就是说，在同一运载工具上或在同一个固定的位置。后向反射器则在远 处与关键标志共放一起。调制的紫外线辐射由发射源发射并传播穿过低 能见度大气到每一个后向反射器。后向反射器将紫外线辐射信号反射穿 过低能见度大气回到接收机，随后通过一个显示装置将所接收辐射的图 象或表示图提供给操作员。
在另一个实施例中，可以用转发器代替后向发射器。当各个转发器 接收到来自发射源的紫外线辐射时，它以不同的方式将已调制的紫外线 辐射发射回接收机。每个转发器可以发射一个唯一信号，使得不同型式 的关键标志易于区分并显示给操作员。
根据本发明原理的系统使得飞行员、车辆驾驶员、空中交通控制员， 以及其他操作员能在雾、雨或雪造成的低能见度条件下以和他在晴朗天 气中大致一样的方式执行任务。具体地说，这一特性是通过将本发明生 成的图象或表示图与实景可见视象结合起来而达到的。当用关键标志例 如信标标出的感兴趣目标物体或目标区域由于低能见度条件而不能观察 到时，由发射源或从转发器产生的同一位置的紫外线辐射信号被检测出 来，并在和晴朗天气观测到关键标志的同一位置显示给操作员。这种一 对一的绘图法可以扩展到一个形成实际可视图形的复制图形的发射源、 反射器或转发器场，然后可代表或者与可视图形一起显示。
通过阅读下面结合附图的叙述，可以得出对本发明的更全面理解， 附图中相同的元件用相同的标号标出。
附图简述
图1是一种根据本发明原理的系统的详细方框图；
图2描述多种紫外线源的频谱特性曲线；
图3是可用在图1的滤光器中的各种吸收滤光材料的传输特性曲线 图；
图4是紫外线微通道板光电倍增管的频谱响应特性曲线图；
图5是根据本发明原理的另一种系统的详细方框图；
图6是在一个模型晴朗大气中作为用于Rayleigh散射、Mie或大气 微粒散射和臭氧吸收的波长函数的海平面吸光系数曲线图；
图7是大氯微粒质点引起的电磁辐射前向散射的图形说明；
图8是对图1系统的实验实践得出的显示器表示图。
图9是一个响应曲线图，示出对用来得出图8显示的接收机的每秒 光子计数的角状分布；
图10是根据本发明原理的系统的图画表示；
图11A-B分别为使用和不用图1系统辅助的飞机试图在低能见底 条件下着陆的图画表示；
图12A-C分别为飞行员在低能见度条件下从一英里、半英里和四 分之一英里的距离观测跑道的图解说明；
图13A-C为根据本发明原理通过仰视显示器提供给飞行员的图 12A-C的相应观测的图解说明；
图14A-B是使用和不用本发明的着陆引导系统驱动的飞行员仰视 显示器图象的图解说明；
图15是空中交通控制员使用根据本发明原理的系统在低能见度条 件下监视地面交通的图画表示；
图16是利用根据本发明的系统在低能见度条件下阻止进入跑道的 图画表示。
对优选实施例的描述
一种用于在低能见度大气中提供有关目标和/或区域的位置和特征 增强导航或警戒能力的系统，通过在“太阳盲”区使用紫外线辐射而实 现。有利的是，已经发现，这一辐射光谱中的辐射在低能见度大气中的 高效传播可被用在实时图象采集应用中。虽然现有技术建议另一种方 式，但已经发现，太阳盲区的臭氧吸收在低能见度大气里面大大下降。 第二紫外线辐射在低能见度大气里面主要是前向传播和/或散射。有利的 是，这些发现再加上在该光谱不存在太阳背景辐射使得本发明因为通过 使用高增益成象管提供高信噪比而能够对具有相关低功率紫外线辐射源 的关键标志或区域成象和/或确定位置。
本发明提供明显高于其他当前可用技术的优点。紫外线辐射的短波 长使本系统达到可与人眼相比拟的角分辨率，这是使用长波长的系统例 长使本系统达到可与人眼相比拟的角分辨率，这是使用长波长的系统例 如毫米波系统所不能达到的特性。接收信息速率与系统的结构协调一 致，能产生与实时景象相对应的实时图象。这一状况允许全面的“环路 内”控制。大多数现行系统的性能均随着能见度条件的恶化而下降，而 本发明的性能在更严峻的条件下实际上是改善的。需要的元件也比其他 系统的器件小许多，就使得能够容易地安装到飞机、船舶、小汽车和其 他车辆上。此外，这些元件便宜、简单并且容易买得到。
不失本发明原理的一般性和应用性，本叙述在一些实施例中描向航 空业。但是，不用说，本发明具有许多别的用途。例如，本发明可用于 海运导航、警戒或者搜索和救援用途。
根据本发明原理的一种系统100的示例性方框图大略地示于图1。 与感光趣的关键标志共放一起或合成一体的辐射源1101-110i在“大阳 盲”区产生紫外线辐射(～0.205-0.275μm)。例如，辐射源1101-110i 可以位于或靠近可见信标或者诸如跑道灯一类的信标灯。在工作中，所 发射的辐射线通过一个低能见度大气120例如雾传播到接收机130。接 收机130检出输入的紫外线辐射，同时滤除光谱中来自其他地方的多余 辐射。尽管低能见度条件的出现并模糊了关键标志的位置，因为紫外线 辐射穿透低能见度大气120的关系，标志的图象或表示图仍然可以采集 到并随即显示出来。
每个辐射源1101-110i包括一个紫外线灯150，形成光束的光学元 件160，和一个调制器170。灯150可用例如在所需要的紫外光谱发射 辐射线的氙灯或汞弧灯一类的各种光源构成。另一方法是，可以使用诸 如倍频No：YAG激光器一类的UV激光器。在后一种情形，可利用光电 扫描器或机械扫描器使激光辐射线指向一个需要的空间角度。
图2包括可用作灯150的几种光源的典型光谱特性曲线图。最好， 灯150在一个宽带波长光谱范围的0.205μm-0.275μm之间(或者以离散 的波长)发射辐射线。最好，调制器170调制灯150产生的辐射以形成 一个可用以区别于其他可能的紫外线辐射源的重复的特征辐射模式。光 学元件160用来使紫外线辐射指向一个理想的空间照明角度内。
接收器130包括一个透镜180，一个滤光器190，一个成象管200 和一个信号处理器210。透镜180的视野(FOV)最好是水平30°和垂 直22.5°，但这些数值均能从几度改变到120°。用UV石英或其他UV透 射材料制成的透镜180直径一般为1″-4″，与毫米波系统所要求的12″ -14″直径的透镜相比占有优势。接收机130的角分辨率一般可与人的眼 睛相比拟、典型值约为1-2mrad(毫弧度)。
滤光器190是一个通过波长约在0.205μm-0.275μm之间的辐射线的 带通滤光器。显著的滚降被用来衰减0.275μm以上波长的太阳辐射。最 好，滤光器190在～0.175μm-0.290μm之间每纳米衰减差不多一个数量 级。设想滤光器190可包括吸收带通滤光器和/或包括反射式滤光器级 联。各种材料都可使用。例如滤光器190可以部份地由具有图3所示响 应特性曲线的NiSO4(H2O)6和CationX构成。参见纽约Jahn Wiley & Son 1966年出版的A.E.S.Green的“中紫外线”。另一种办法是，可以使 用这一技术中很有名的窄带通滤光器或干涉滤光器，例如用于激光器之 类的窄线发射源。同样，分色镜和多层涂覆镜也可用于仅将感兴趣的辐 射光谱反射给成象管200。
最好，成象管200是一种“太阳盲”微通道板光电倍增管(MCP)， 例如新泽西州普林斯顿的EMR Photoelectric公司制造的MCPT，它工 作在灵敏度的理论极限点或其附近。可以使用其他适合的高增益检测 器，例如固态CCD、图象增强器等等。虽然固态CCD不具有同样的灵 敏度，但它们可适用于辐射强度基本上处于高水平的矩距离。CCD例如 说也可与MCP结合使用以获得飞行所必须的系统冗余度。万一出故障， CCD可在着陆的最后关键时刻用在短距离上，从而提供系统故障弱化而 不是突然失效。
那些熟悉这一技术的人员将不难注意到MCP是一种通过对各个辐 射量子计数并记录其空间关系来检出辐射图象的摄象管。因为系统工作 在基本上不存在太阳背景辐射的“太阳盲”区，所以本检测方法提供一 个高信噪比。具体地说，MCP以下面的方式工作。辐射能聚焦到光阴极 上，光阴极向直径约10μm长为1mm的玻璃圆柱平行阵列发射初级电 子。各圆柱的内壁涂覆有二次发射材料。初级电子撞击靠近入口端的内 壁并引起二次电子发射。这些二次电子转而再撞击圆柱更深处的内壁并 造成附加的二次电子。这种级联机制产生出无噪声高增益，一般达到106 的数量级。对于紫外线微通道板的更完全叙述可参见C.B.Johnson等人 的“ITT的紫外线感测技术进展”一文(1986年的SPIE紫外线技术， 150-54页；和宾夕法尼亚州兰开斯特市RCA固体分部1974年的RCA 光电手册)。
图4示出的是成象管200的典型光谱响应。由于在波长高于0.275μm 存在显著的光谱响应，滤光器190的截止特性曲线应当满足滤除0.275μm 以上的辐射的要求，以限制对太阳盲区的检测。成象管200生成一个分 辨率为～512×512象素的辐射源1101-110I的图象或表示图。
那些熟悉这一技术的人员将会重视由于夜间不存在太阳背景辐射， 成象管200的固有频谱响应可能免去对滤光器190的需要这一事实。因 而，可以在没有检测到太阳背景辐时，通过机械或光学机构从输入辐射 的光路中自动去掉滤光器190。这一点可以通过使用一个响应太阳背景 辐射特性的检测器实现。
信号处理器210处理来自成象管200的图象。
以便滤去那些对应于未经调制的辐射例如那些由街灯、火、闪电等 等产生的辐射的不需要信号。信号处理器210还在对应于以不同频率调 制的辐射的信号中间进行鉴别。这种调制不论是FM，PCM还是AM都 能加到与感兴趣的关键标志相关的紫外线源上，目的是使每个紫外线源 具备识别特征。这些识别特征例如说可用来区别建筑物、障碍物顶上的 危险报警器和/或跑道灯的颜色或型式。
信号处理器210处理过的信息馈给显示器140，使得所需关键标志 的图象或表示图可以显示给操作员。那些熟悉这一技术的人员将体会 到，由接收机130产生的辐射源的图象或表示图可以用许多种图象处理 技术处理。参见纽约John Wiley & son 1978年出版的Pratt的“数字图 象处理”。显示装置140最好是一种透明的仰视显示器、安装在头盔上 的观测器、面盔、或者是一种在安放于操作员的眼睛和他观察的有关实 际景象之间的介质上显示图象或表示图的装置。换句话说，图象可以显 示在监视器上或者与其他传感器的显示器例如雷达显示器合并。
那些熟悉这一技术的人员将体会到，信号处理器210可包括一个基 于微处理器的装置、A/D转换器，控制逻辑电路，软件以及其他有关电 子线路。这类装置的结构是众所周知的，因而这里将不讨论。
根据本发明原理的系统的另一方框图大略示于图5。这个替代实施 例除了反射器1511-151i与感兴趣的关键标志共放一起或并成整体之外 与图1的实施例相同。同样地，辐射源1101在“太阳盲”区产生紫外线 辐射。但是，辐射源1101基本和接收机130并置，而不是被低能见度大 气120隔开。
在工作中，发射源1101的辐射穿过低能见度大气120传播到反射器 1511-151i。每一反射器1511-151i将辐射线反射或改成反向穿过低能 见度大气120。接收机130检出该辐射并同样地产生出来自反射器1511 -151i的辐射的图象或表示图，然后把它显示在显示器140上。
由于发射源1101和接收机130互相紧靠在一起，例如在一架飞机 上，有必要防止接收机130检出发射源1101的背向散射。信号处理器210 可借助门控发射源1101和接收机130的方法来完成这一任务。当发射源 1101正在发射时，信号处理器210发信号通知成象管200停止或禁止检 测。这一点通过门信号520来完成。当发射已经停止时，门信号520随 即短时消除，并且成象管200检测反射器1511-151i的辐射。为了接通 闸门，信号处理器210还可借助信号510通知信号调制170开始发射。
设想反射器1511-151i可以是后向反射器。后向反射器是一种将辐射 大部分沿输入辐射的路径往回反射的装置。因为接收机130和发射源1101 紧靠在一起，所以任何反射回的辐射能将大部份被接收机检出来。后向 反射器可以采用许多种形式，例如直角棱镜、球面镜等等。
还设想返回到接收机130的输入辐射可以调制以提高检测效率或在 其中加上其他需要的信息。这种调制例如说可以通过使用现有技术中熟 知的机械的、电学的或光学的快门来实现。
另一种方法是，反射器1511-151i可以用一种以更大的电平强度再发 射输入辐射的转发器代替。每一个转发器本身包括例如说接收机130和 发射源110，并且可以设计得根据附加信息对辐射进行调制。例如，来 自发射源1101的紫外线辐射信号可以用来触发每一个转发器发射代表障 碍或跑道灯不同型式的唯一返回辐射信号。这些不同的辐射信号可以通 过显示装置140上的颜色、形状或其他信息区别开来。
为了更全面地理解本发明的原理，简单讨论一下电磁辐射传播将是 有益的。从发射源穿过气态环境传播的辐射有一个辐射率E： $E=\mathrm{Ta}\frac{I}{R_2}$ 式中I为发射源辐射强度，R为距发射源的距离，Ta为大气透射率。 Ta的范围从表示全透射的单位值到表示全吸光的零值。这一透射率Ta 表示辐射强度由于吸收和散射而造成的下降量，它是一个包括波长、路 径长度、压力、温度、湿度以及大气成份在内的多变量函数。
更具体地说，大气透射率由Beer定律给出：
Ta＝eαR
式中α为光谱衰减系数或“吸光系数”。吸光系数α与波长有关并 且是大气对辐射的吸收和散射范围的一个度量标准。可参见宾夕法尼亚 州兰开斯特市的RCA固体分部1974出版的“RCA光电手册”。
衰减是散射和吸收的结果。散射效应由两个主要机制即称为 “Rayleigh”散射的空气分子散射和称为“Mie”散射的较大悬浮微粒 质点散射所产生。可参见纽约Pergamon出版社1975年出版的Born和 Wolf的“光学原理”。虽然多种多样的要素都是造成吸收的原因，但臭 氧O3和氧气O2的作用在感兴趣的紫外线区最显著。臭氧吸收在晴朗天 气占主要地位。
每个衰减源的吸光系数可以分别确定。图6示出的是用于Rayleigh 散射(αRayLEIGH)、大气微粒散射(αAEROSOL)和臭氧吸收 (αOZONE)的海平面吸光系数与波长的函数关系。各吸光系数之和表 示大气的总吸光系数(α)。以吸光系数α度量的大气中产生的吸收和散 射总量对穿过大气的能见度有深刻的影响。
由图6的吸光系数曲线，现有技术认为紫外辐射将比可见光辐射衰 减更严重。虽然臭氧在电磁光谱的大部分区域只产生微不足道的衰减， 但它是造成紫外线区域惊人吸收的主要原因。在0.21μm左右以下，氧气 开始对吸收产生重大影响。
已经发现把各种现象结合到一起，允许紫外线辐射穿透低能见度环 境。首先，发现臭氧吸收效应在大气水分子凝结形成小水珠(直径10- 20μm)仍然悬浮在空气中时所造成的浓雾中显著下降。成为不良天气条 件原因之一的水珠与臭氧分子相互作用并分解成分子和原子氧。有利的 是，这造成归因于臭氧的那部份吸光系数即αOEONE下降。局部大气中 的臭氧还随着不良天气条件因而也是能见度的变坏而进一步减少。换句 话说，紫外线区域的臭氧吸收随着能见度条件变得更严重而降低。此外， 臭氧在夜间自然分解、早晨达到最低值(这时的低能见度条件最优)的 事实可以被用作一个有利条件。
虽然紫外线辐射被存在于低能见度环境中的水珠显著散射，但也已 经发现大部份基本上是前向传播和/或散射的，如图7所示，因而没有被 衰减掉。而且，足够数量的能量在轴上传播，使得其发射源的位置能以 良好的分辨率确定。但是，在不良天气条件下紫外线区域仍然存在相当 大的衰减。不过该光谱区的不存在任何太阳背景辐射使得高增益摄象管 例如微通道板管能够被用来根据检测到的极低辐射定出辐射源位置和描 出辐射源的图象。
在宾夕法尼亚州Williamspot机场得到的实验结果证明了紫外线辐 射在太阳盲区穿透低能见度大气的用途。Williamspot机场被选用来克 服其易遭受浓雾的状况。在700英尺的实测能见度条件(用FAA批准的 视距仪测量)下，两只隔开六英尺的卤钨发射源被放在和接收机130距 离2400英尺处。这两个发射源被清楚地分散检测到并如图8所示那样显 示出来。相应的发射源的图象810和820不成水平，是因为在试验期间 未将成象管对准。图9以另一种格式提供同一结果。这些图形进一步证 实紫外线信号辐射基本上前向传播和/或散射穿过低能见度大气。而且， 两个发射源的清晰分开进一步证实至少在那些条件下本发明具有可与人 的眼睛相比拟的角分辨率(～0.25毫弧度)的成象能力。
为了理解本发明的优点，考查一下航空业目前处理能见度问题的方 法。低能见度条件被FAA为了航空的目的分类如下表所示。
用于飞机着陆的天气最低值  类    别   决策高度(英尺) 跑道可见距离(英尺)     I     200     2400     II     100     1200     IIIa      0     700     IIIb      0     150     IIIc      0     0
每一个着陆类别都有一个基于距离的相关跑道可见距离，在该距离 处可探测到具有5％反差的目标物体。飞机和机场使用的精密着陆设备 根据其在上表指出的各种低能见度条件下引导安全着陆的集总能力进行 检定。如果跑道可见距离变得小于与精密着陆系统的给出类别相关的距 离，那个特定级别的系统就不能用于进场着陆。例如，如果一架装备有 CAT II型精密着陆系统的飞机的飞行员在最后进场着落并且他在100英 尺的飞行高度(相当于肉眼可见)不能看到距离1200英尺处的跑道，飞 行员就必须执行未看到入场口操作。
每一类着陆所需要的精密着陆设备随着低能见度条件更为严峻而变 得越来越复杂和昂贵。由于这样的开支，仅有很小一部份机场和飞机具 有CAT IIIa着陆能力和不到十套设施具有全面检定的CAT IIIc能力。 本发明的优点之一就在于允许在比飞机和机场精密着陆系统能力正常允 许的更为严峻的不良天气着陆。例如商业航空公司已经表示渴望装备 CAT I的飞机能在CAT IIIa能见度条件下着陆。这就要求在700英尺的 能见度条件下能在飞行高度200英尺和距离2400英尺处看得见跑道。这 样一种能力由于将开展为目前在不良天气期间关闭的数百个机场服务而 提供可观的经济和运营效益。
转到图10，图中示出根据图1和5的方框图的系统的一个图画表 示，它使飞机在不良天气下着陆变得容易。在0.205μm-0.275μm的太阳 盲光谱内的紫外线辐射从发射源1101-110i射出。发射源1101-110i 位于、靠近或者与跑道边灯和中心线灯合并成一体。最好，发射源1101 -110i安装在跑道边灯和中心线灯例如康涅狄格州温索尔市的Crouse- Hinds Airport Lighting Products公司制造的HRLQ跑道边灯和康涅狄 格州温索尔市的Sepco Aviation Lighting公司制造的RCL-20560P2 型中心线灯里面。最好，发射源1101-110i以3°的仰角和可变的方位角发 射辐射。
换句话说，跑道中心线灯和边灯可以改进得具有在需要的紫外线区 域有益地发射一部份辐射的灯泡。用这一方法，跑道灯就起到可见标志 和紫外线发射源两者的作用。在一些情况下，灯泡可以不必改进。已用 在许多跑道装置中的石英卤钨灯如果工作于3000°K区域的黑体温度，就 发射出足够的紫外区辐射。可参见1993年“光子学设计和应用手册”中 的“用于照明的卤钨灯”。在一些情况下，改变辐射模式的灯球和透镜 可能必须代之以那些能在感兴趣的紫外线区域发射的灯泡。
所发射的紫外线辐射传播透过低能见度大气120并被位于飞机1035 上的接收机130接收。正如上面所讨论的，接收机130包括能够产生被 接收辐射源的图象或空间表示图的太阳盲成象管200(示于图1和5)。 显示装置140给飞行员提供发射源1101-110i的一个图象或表示图。接 收机130可检出几百英尺外的发射源的光晕形式的散射。感光趣辐射的 前向散射特性使得光晕基本上集中在其发射源的原点附近因而适于进行 信号处理。在这一技术中熟知的各种抗晕技术的任何一种都可用来在最 后显示的图象中消除这种图晕效应的存在。这种技术使得近场和远场图 象都能显示出来而实际上没有任何角分辨率损失。图象处理技术也可被 用来在“环路外”着陆中完成自动定位和跟踪。
另一种办法是，紫外线辐射可以从放置在飞机1035上的一个适当发 射源发射。同样地，紫外线辐射传播穿过低能见度大气120直到遇上放 置在或靠近跑道边灯和中心线灯处或者与之合并的反射器1511-151i为 止。反射器1511-151i将输入的紫外线辐射往回反射穿过低能见度大气 120。这个辐射随即被接收机130检测，同样产生出反射器1511-110i 的图象或空间表示图。显示装置140再将反射器1501-150i的图象或空 间表示图提供给飞行员。用这个方法，飞行员就能够甚至在低能见度条 件下“看见”跑道，从而使他能够将飞机安全着陆。
图11A示出的是一架飞机企图在四分之一英里能见度条件下不使用 本发明着陆的图画表示。距跑道一英里、半英里和四分之一英里处的飞 机分别以标号1、2和3表示，光锥表示飞行员能够透过浓雾看得见的 距离。飞行员在那些相应位置获得的对应可见图象示于图12A-C。在 这个例子中，飞行员在距离四分之一英里处突然遇到雾，他对跑道的观 察如图12C所描绘的那样模糊不清。
为了比较，图11B示出的是同一飞机使用本发明着陆的图画表示。 同样地，标号1、2和3描述距跑道和图11A同样距离的飞机。此外， 图13A-C示出的是飞行员分别在距离一英里、半英里和四分之一英里 处在显示器140上看见的显示器图画表示。应当指出，尽管突然起雾， 飞行员还是继续享有一英里的能见度。
对于些些熟悉这一技术的人员，显然本发明可以和现有着陆系统例 如GPS/GNSS、ILS或MLS生成的现行着陆引导命令一起使用。图14 示出用这种引导命令定方位生成在仰视显示器上的飞行向量方位表示 图。飞行员控制他的飞机使得他保持这个向量的方位或者居中于两组标 志之间，或者限制在一个导向球的附近。图14B示出的是同一飞行向量 与本发明检出的跑道灯实际位置的图象叠起来。来自两种截然不同的发 射源的导航信息的同时显示就在飞行的最关键阶段期间提供一个极其重 要的相互核对。这个相互核对给有关空勤人员“卸载”并放他们去执行 其他任务，从而提高安全性。
在另一个实施例中，接收机和显示器可以安装在机场控制塔台里以 在低能见度条件期间辅助地面警戒。除跑道信标以外，紫外线发射源可 以放在所有的飞机上并与所存在的可见信标共放一起或合并(在图10中 示为信标145)。机场跑道与滑行飞机往来的图象可用仰视显示器提供 给空中控制员或投影到控制塔台的窗口。这一执行过程的图画表示于图 15。用发射源1101-110i改装滑行飞机1530和地面车辆。紫外线辐射 传播到安装有接收机130和显示器140的控制塔台1520。空中交通控制 员利用本发明提供的图象控制地面交通的图解说明示于塔台1520的剖视 图中。
每个发射源都可调制或编码得唯一识别每架飞机。而且，电视跟踪 目标进入框内。这种每架飞机用一个单独控制门的自动跟踪过程保证了 优于雷达系统的性能。如此，对于使用“扫描且跟踪”的系统可能出现 的交叉目标捕捉就只存在一个很低的概率。而且，调制或编码过的辐射 可以用于“防干扰”。各种目标物体和/或区域可以通过滤掉与那些目标 物体和/或区域关联的调制信号而从显示器上除去。
许多控制塔台目前都使用大型监视器显示机场跑道和滑行道的平面 图。飞机和地面车辆的位置可以在其相当的位置处叠加到那些监视器 上，非常像气象卫星图象叠加在地球表面那样。由于这个显示格式对空 中交通控制员是熟悉的，这就更有助于本发明的使用。
滑行飞机也可在向跑道移动或离开跑道时使用本发明。与原有可见 信标共放一起的紫外线发射源规定滑行路线，并且与原有可见信标共放 一起的紫外线发射源能通知飞行员存在其他飞机。最好，这些紫外线发 射源为脉冲氙发射源。正如图16中画图示出的一样，着陆的飞机、滑行 的飞机和控制塔台使用本发明提供了在低能见度条件下的多重阻止进入 跑道。接收机130、显示器140以及带紫外线发射源的飞机信标都安装 在滑行的飞机1530上。这同一样的设备也安装在着陆的飞机1035上。 控制塔台1520同拥有一个接收机和显示器。用这一方法，在着陆的飞机 1035、滑行的飞机1530和塔台1520中的人员就能看见空中和跑道上的 飞机往来。滑行的飞机1530中的飞行员视域描画在右上方。可以清楚地 看见跑道和着陆的飞机1035。空中交通控制员的视域描画在顶部中间， 他能够既监视滑行的飞机1530，又监视着陆的飞机1035。着陆的飞机 1035的飞行员在他的视域中，正如左下方描画的一样，能清楚地看见跑 道和滑行的飞机。这样一来，本发明就提供了一个三叉形阻止进入跑道 的潜力。
不言而喻，虽然本发明对航空工业有无法计量的好处， 但本发明的应用决不局限于在飞机上使用。例如，本系统可 用于实现搜索和救援。一般触礁的船舶可以使用紧外线发射 源或反射器帮助装备本发明的搜索飞机或搜索艇在不良天气 下确定该船舶的位置。
另外，本发明可以用于障碍探测和碰撞避免。紫外线发射源可以和 危险报警信标共放一起，通知飞行存在建筑物、无线电天线、电力线等 等。本发明也可以用于允许目前在低能见度条件下有危险的危险地势区 域导航。例如，在山区的机场起飞和着陆因为存在飞机与地形障碍物碰 撞的很大危险，目前在浓雾条件下是被禁止的。但是，发射源、反射器 或转发器可以固牢到山坡、山尖和其他地形障碍物上，使得本发明能把 它们的位置提供给飞行员。这种信息也可用来指示进出该地区的恰当飞 行路线。
根据本发明的系统对海运界也可有重要的使用。例如，目前的实际 是用导航浮标界定较好的水路航行通道。船舶在浮标规定的边界里面的 航道上航行。这些浮标常常很难在大船、小船的来来往往、波涛、地物 回波和沉积物的包围之中定位。本发明能缓解这个导航困难。紫外线发 射源和反射器可放在浮标上，而接收机则可安装在船舶中。浮标的位置 可显示在船舱中的仰视显示器上或者叠加在舱窗上。用这一办法，船长 就能识别导航浮标并相应地操纵他的船舶。
更有利的是，浮标的位置可用于注释已有的雷达显示器。一般，雷 达系统提供物体的位置，但把那些物体的识别留给雷达操作员。本发明 的数据可以用于自动识别导航浮标并提供雷达显示器上的那个信息，从 而提供一个适当的水上航道图。
因为使用已调制紫外线发射源固有的唯一识别能力。大数量目标物 体都可以在雷达显示器上分别定位、识别和注释，包括障碍物上的危险 报警器、桥梁上的RACON信标以及其他船舶上的移动灯光。发射源最 好是UV激光器也可以与测距灯光元件联合放置在一起。
另外，本发明可以安装在小汽车上。例如，紫外线发射源和反射器 可以并排放在路侧边缘。小汽车车内的接收机和显示装置能帮助司机在 浓雾条件期间保持他在公路上的位置。事实上，本发明能够在任何需要 能看穿低能见度环境并快速作出反应的实际应用场合起作用。
不言而喻，对于熟悉这一技术的那些人员来说，各种其他形式的修 改也是显而易见的，不需要脱离本发明的范围和精神。因而，无意将本 文所附权利要求书的范围局限于这里提供的叙述，而是把权利要求书看 作包括归属于本发明的可取得专利的新产品的所有特性，包括会被熟悉 这一技术的那些人员看作是其等效物的与本发明有关的所有特性。