識(shí)別和跟蹤對(duì)流天氣單體的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)要求2014年3月31日提交的序列號(hào)為61/973, 113的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng) 的優(yōu)先權(quán)，通過(guò)引用將其全部?jī)?nèi)容并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及天氣跟蹤系統(tǒng)，諸如空運(yùn)探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003] 探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)可以用于跟蹤具有固定結(jié)構(gòu)的感興趣目標(biāo)，諸如飛機(jī)、車(chē)輛、地標(biāo) 和動(dòng)物，以及沒(méi)有固定結(jié)構(gòu)的感興趣目標(biāo)，諸如天氣單體、動(dòng)物的獸群或牧群以及車(chē)輛編 隊(duì)。例如，天氣單體可能占據(jù)相對(duì)大的空間體積，并可能在形狀和尺寸方面不斷演進(jìn)，與相 鄰單體合并，以及分裂成多個(gè)單體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本文描述的裝置、系統(tǒng)和方法涉及從空運(yùn)平臺(tái)（例如，飛機(jī)）跟蹤在形狀和尺寸方 面動(dòng)態(tài)的對(duì)象，諸如天氣單體。例如，本文描述的裝置和系統(tǒng)可配置為在容納該裝置和系統(tǒng) 的平臺(tái)處于飛行中時(shí)識(shí)別和跟蹤天氣單體。示例性單體跟蹤系統(tǒng)隨時(shí)間處理雷達(dá)采樣（例 如針對(duì)信息的每個(gè)新數(shù)據(jù)幀一次），并處理信息的個(gè)體幀以識(shí)別獨(dú)立風(fēng)暴單體。單體跟蹤系 統(tǒng)配置為將一幀與先前幀進(jìn)行比較以構(gòu)建跟蹤假設(shè)。基于該比較，單體跟蹤系統(tǒng)可創(chuàng)建跟
[0005] 在一個(gè)示例中，一種方法包括由處理器且從探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)接收針對(duì)空間體積采 樣的反射率數(shù)據(jù)。該方法進(jìn)一步包括由處理器基于反射率數(shù)據(jù)生成特征圖，其中特征圖為 指示感興趣體積中的空間范圍和天氣嚴(yán)重度的空間體積的表示。該方法還包括：由處理器 基于特征圖生成第一分割特征圖；并且由處理器將第一分割特征圖和第二分割特征圖轉(zhuǎn)化 到公共參照系。該方法進(jìn)一步包括：由處理器將第一分割特征圖與第二分割特征圖比較； 并且由處理器基于第一分割特征圖和第二分割特征圖的比較，創(chuàng)建跟蹤假設(shè)。
[0006] 在另一示例中，描述了一種系統(tǒng)，包括：配置為接收反射率數(shù)據(jù)的探測(cè)和測(cè)距系 統(tǒng)；以及通信地耦合到所述探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)處理器。該一個(gè)或多個(gè)處理器配 置為從探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)接收針對(duì)空間體積采樣的反射率數(shù)據(jù)，并基于反射率數(shù)據(jù)生成特征 圖，其中特征圖為指示考慮中的體積中的空間范圍和天氣嚴(yán)重度的空間體積的二維表示。 該一個(gè)或多個(gè)處理器進(jìn)一步配置為將特征圖分割成包括一個(gè)或多個(gè)天氣單體的第一分割 特征圖，并將第一分割特征圖和第二分割特征圖轉(zhuǎn)化到公共參照系。該一個(gè)或多個(gè)處理器 進(jìn)一步配置為將第一分割特征圖與第二分割特征圖比較，并基于第一分割特征圖中的一個(gè) 或多個(gè)對(duì)流單體與第二分割特征圖中的一個(gè)或多個(gè)對(duì)流單體的比較，創(chuàng)建跟蹤假設(shè)。
[0007] 在又一示例中，描述了一種在其上存儲(chǔ)有指令的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。當(dāng)被執(zhí)行 時(shí)，該指令使得處理器：從探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)接收針對(duì)空間體積采樣的反射率數(shù)據(jù)；將反射 率數(shù)據(jù)處理成特征圖，其中特征圖為指示考慮中的體積中的空間范圍和天氣嚴(yán)重度的空間 體積的表示；將閾值應(yīng)用到特征圖以在特征圖中識(shí)別要被跟蹤的天氣；將特征圖分割成包 括一個(gè)或多個(gè)天氣單體的第一分割特征圖；為第一分割特征圖中的一個(gè)或多個(gè)天氣單體中 的每一個(gè)創(chuàng)建單體掩膜；將第一分割特征圖和第二分割特征圖轉(zhuǎn)化到公共參照系；并且將 來(lái)自第一分割特征圖的單體掩膜覆蓋到來(lái)自第二分割特征圖的單體掩膜上。當(dāng)被執(zhí)行時(shí)， 該指令使得處理器：將第一分割特征圖與第二分割特征圖比較；基于來(lái)自第一分割特征圖 的單體掩膜與來(lái)自第二分割特征圖的單體掩膜的比較生成跟蹤假設(shè)；存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)所得 的單體跟蹤中的一些的跟蹤歷史；以及削減一個(gè)或多個(gè)單體跟蹤中的一些的過(guò)期跟蹤歷 史。
[0008] 本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)示例的細(xì)節(jié)在附圖和下面的說(shuō)明書(shū)中提出。本發(fā)明的其他特 征、目的以及優(yōu)勢(shì)將從說(shuō)明書(shū)和附圖以及從權(quán)利要求中顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的示例性空運(yùn)單體跟蹤系統(tǒng)的框圖。
[0010] 圖2為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的示例性單體跟蹤過(guò)程的流程圖。
[0011] 圖3為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的示例性合成反射率地圖的曲線圖。
[0012] 圖4為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的圖3所示曲線圖的下層垂直整合反射 率地圖的曲線圖。
[0013] 圖5為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的在應(yīng)用反射率閾值后圖4的下層垂直 整合反射率地圖的曲線圖。
[0014] 圖6為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的用于稀疏形態(tài)濾波的示例性稀疏結(jié) 構(gòu)元素和索引數(shù)組的圖。
[0015] 圖7A為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的在應(yīng)用濾波器后從圖5的2D二元 VIR圖產(chǎn)生的調(diào)節(jié)2D二元VIR圖的曲線圖。
[0016] 圖7B為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的疊加在圖4的下層垂直整合反射率 地圖上的圖7A的調(diào)節(jié)2D二元VIR圖的曲線圖。
[0017] 圖7C為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的具有所標(biāo)記的蹤跡標(biāo)識(shí)的圖7B的調(diào) 節(jié)2D二元VIR圖的曲線圖。
[0018] 圖8A為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的具有所編碼的單體標(biāo)識(shí)（ID)的示例 性單體圖的曲線圖。
[0019] 圖8B為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的具有單體掩膜陣列的圖8A的示例性 單體圖的曲線圖。
[0020] 圖9A和9B為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的用于單體跟蹤的圖像覆蓋的曲 線圖。
[0021] 圖IOA為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的在基本時(shí)間處飛行器的第一航向 和在覆蓋時(shí)間處飛行器的第二航向之間的角度的概念圖。
[0022] 圖IOB為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的在基本時(shí)間處飛行器第一位置 (LatB，Lon B)和飛行器的第二位置（Lat^Lon。）之間的距離的概念圖。
[0023] 圖IlA和IlB為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的用于跟蹤假設(shè)創(chuàng)建的示例性 時(shí)間步長(zhǎng)單體掩膜覆蓋的圖。
[0024] 圖12為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的跟蹤單體的示例性方法的流程圖。
[0025] 遍及附圖和正文，相似的附圖標(biāo)記表示相似的元素，盡管在這些元素之間可能存 在一些變化。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 這里描述的技術(shù)、裝置和系統(tǒng)配置為識(shí)別和跟蹤天氣單體，包括對(duì)流天氣單體。對(duì) 流天氣單體例如可以為處于具有與周?chē)髿獠煌拿芏鹊拇髿庵械膮^(qū)域。對(duì)流天氣單體經(jīng) 常凝結(jié)成例如下雨或下雪。對(duì)流天氣單體的識(shí)別可出于一個(gè)或多個(gè)目的而有用，諸如對(duì)幫 助預(yù)報(bào)員和接近風(fēng)暴的人們（如空運(yùn)交通工具的飛行員）來(lái)說(shuō)，以便例如預(yù)測(cè)對(duì)流天氣單 體（在本文中一些示例中也被稱(chēng)作"風(fēng)暴單體"）正在哪里移動(dòng)，建立關(guān)于天氣單體的增長(zhǎng) 或衰減的趨勢(shì)，確定天氣單體的頂部高度，并確定天氣單體是否有可能產(chǎn)生冰雹。
[0027] 就處理天氣雷達(dá)信息以跟蹤對(duì)流天氣單體而言，基于地面的雷達(dá)系統(tǒng)可優(yōu)于空運(yùn) 雷達(dá)系統(tǒng)。例如，相對(duì)于空運(yùn)雷達(dá)系統(tǒng)，基于地面的雷達(dá)系統(tǒng)可能能夠利用更大的計(jì)算和存 儲(chǔ)資源，其可分析收集到的雷達(dá)信息以將雷達(dá)回波分組成天氣單體并提取期望的特征。雷 達(dá)信息可包括多個(gè)維度上的反射率。由于對(duì)空運(yùn)雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可用的有限處理能力以及飛 機(jī)（或其他空運(yùn)平臺(tái)）可具有的對(duì)風(fēng)暴單體的快速變化觀測(cè)角，現(xiàn)有的技術(shù)和系統(tǒng)可能不 適合于空運(yùn)雷達(dá)系統(tǒng)。本文描述的技術(shù)、裝置和系統(tǒng)配置為在處于飛行中時(shí)跟蹤天氣單體 (基于雷達(dá)信息），盡管對(duì)空運(yùn)雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可用的處理和存儲(chǔ)資源有限并且觀測(cè)角變化。
[0028] 一種示例性對(duì)流天氣單體跟蹤技術(shù)如下。一種探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)（諸如雷達(dá)系統(tǒng)） 對(duì)系統(tǒng)周?chē)目臻g的體積的至少一部分采樣并接收反射率數(shù)據(jù)作為回波。雷達(dá)系統(tǒng)可以例 如是空運(yùn)的并對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)周?chē)拇髿獾捏w積進(jìn)行采樣。利用指示已探測(cè)到對(duì)流單體的雷達(dá) 回波反射率，執(zhí)行單體跟蹤軟件的處理器（例如，空運(yùn)交通工具上的裝置的處理器或地面 上的裝置的處理器）構(gòu)建垂直整合反射率（VIR)特征圖。
[0029] 特征圖可以是由雷達(dá)系統(tǒng)采樣的體積的二維（2D)表示。特征圖可以被分解成較 小區(qū)域（例如，像素）的2D網(wǎng)格。每個(gè)像素表示特征圖的相對(duì)較小部分。特征圖可以是要 被跟蹤的對(duì)象的空間表示。例如，當(dāng)隨時(shí)間跟蹤對(duì)流天氣單體位置時(shí)，特征圖示出了特定時(shí) 間采樣處對(duì)流天氣單體的空間范圍。特征圖已將3D反射率減小到2D浮點(diǎn)圖，該2D浮點(diǎn)圖 識(shí)別特征圖中的像素在多大程度上為所關(guān)注的特征（或者可替換地，減小到二元圖，其將 圖上的特定像素分類(lèi)為該特征或非該特征）。如這里所使用的，對(duì)流天氣單體可以是與超過(guò) 對(duì)流分類(lèi)閾值的VIR鄰接的一個(gè)或多個(gè)像素。
[0030] 由于相對(duì)高的VIR通常指示對(duì)流，因而處理器對(duì)VIR特征圖設(shè)閾值，以創(chuàng)建分類(lèi)的 特征圖。例如，閾值可以由設(shè)計(jì)者選擇，或者處理器可以根據(jù)VIR特征圖自身中的值來(lái)動(dòng)態(tài) 選擇對(duì)流分類(lèi)閾值。在一些示例中，對(duì)流單體為超過(guò)對(duì)流閾值的VIR特征圖的鄰接區(qū)域。在 一些示例中，用戶(hù)可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)選擇對(duì)流閾值，該經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)指示當(dāng)單體的VIR超過(guò) 所確定的值時(shí)該單體更可能為對(duì)流單體。在一些示例中，處理器基于具有比分類(lèi)閾值大的 值的任何方面來(lái)對(duì)特征圖設(shè)閾值。
[0031] 接著，例如，處理器調(diào)節(jié)分類(lèi)特征圖以便利用形態(tài)學(xué)算子來(lái)簡(jiǎn)化圖。處理器從調(diào)節(jié) 的特征圖分割鄰接像素且隨后將對(duì)流單體占據(jù)的區(qū)域編目錄到單體掩膜中。單體掩膜可以 是來(lái)自分類(lèi)特征圖的像素的子集，其包含屬于特定單體的像素。然后處理器轉(zhuǎn)化分割的特 征圖（在當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)處取得的反射率數(shù)據(jù)的當(dāng)前幀）以與先前分割的特征圖具有公共的 參照系。處理器可能已經(jīng)基于探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)先前收集的反射率數(shù)據(jù)（例如，在同一飛行 期間）分割先前分割的特征圖（在當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)前的第二時(shí)間步長(zhǎng)處取得的反射率數(shù)據(jù)的 第二幀）。在一些示例中，可以使用單體圖代替單體掩膜。例如，單體圖可以在單一數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)中對(duì)每個(gè)分割天氣單體的空間范圍進(jìn)行編碼，而單體掩膜僅對(duì)一個(gè)單體的空間范圍進(jìn)行 編碼。
[0032] 處理器使用由單體掩膜表示的分割特征圖將兩個(gè)不同時(shí)間采樣之間的單體相關(guān) 到從一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)到下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的單體跟蹤中。被相關(guān)的單體可限定在反射率數(shù)據(jù)的 后續(xù)幀中出現(xiàn)的單體跟蹤，每個(gè)幀表示針對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的反射率數(shù)據(jù)。在一些示例中，掩膜 被維持在基本上固定的存儲(chǔ)器大?。ɡ?，從一個(gè)幀到下一個(gè)幀的相同或幾乎相同的存儲(chǔ) 器大?。┲校虼巳绻o定的單體區(qū)域大于掩膜可容納的區(qū)域，則對(duì)單體區(qū)域稀疏地重采 樣并且利用重采樣值生成掩膜。以這種方式，對(duì)分割的特征圖的使用可以幫助節(jié)約存儲(chǔ)器 并減少跟蹤天氣單體所需的處理負(fù)荷。
[0033] 單體掩膜可以是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，處理器使用該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)編目錄和存儲(chǔ)給定風(fēng)暴 單體在特征圖參考空間中的范圍。單體掩膜可以是表示風(fēng)暴單體的空間范圍以使得單體能 夠與特定特征圖數(shù)據(jù)幀中的其他單體分開(kāi)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器高效方式。處理器還可使用單體掩 膜將多于一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)間隔的單體進(jìn)行相關(guān)。然而，如果簡(jiǎn)單比較在時(shí)間上相鄰的數(shù)據(jù)幀， 則將單體標(biāo)識(shí)編碼成與圖8A和8B中所示的網(wǎng)格很像的調(diào)節(jié)特征圖（例如，單體圖）也可 以是存儲(chǔ)器高效的且在存儲(chǔ)器中分配起來(lái)相對(duì)容易。
[0034] 處理器將來(lái)自先前數(shù)據(jù)幀（例如，在當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)前的時(shí)間步長(zhǎng)處取得的反射率 數(shù)據(jù)的第二幀）的單體掩膜覆蓋到當(dāng)前幀（例如，在當(dāng)前步長(zhǎng)中取得的反射率數(shù)據(jù)的當(dāng)前 幀）中的單體上。處理器比較這兩個(gè)數(shù)據(jù)幀之間的重疊區(qū)域（如果有的話）并根據(jù)該比較 來(lái)產(chǎn)生跟蹤假設(shè)。該跟蹤假設(shè)是關(guān)于在一個(gè)時(shí)間采樣（即，數(shù)據(jù)幀）中識(shí)別的風(fēng)暴單體或 單體組（例如，多單體）是否與另一個(gè)時(shí)間采樣中的風(fēng)暴單體（或單體的多單體