CN102301255A - 移动毫米波成像雷达系统 - Google Patents

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Abstract

一种短距离毫米波成像雷达系统，该系统包括适于产生在几千兆赫的频率范围内扫描的毫米波辐射电子装置。该扫描的毫米波辐射通过频率扫描的发射天线广播，以在第一扫描方向(诸如竖直方向)产生与扫描的毫米波频率对应的窄发射波束。发射天线在与第一扫描方向垂直的第二扫描方向上(诸如水平或方位角方向)用发射波束扫描，从而定义一个二维视野场。反射的毫米波辐射被接收频率扫描天线收集，该接收频率扫描天线与发射天线协同定位(或接近于协同定位)，并且适于产生窄的接收波束，该接收波束在近似相同的视野场内在与发射波束相同方向上被近似协同定向。计算机处理设备比较预定距离集合接收毫米雷达信号的强度和已知的作为时间函数的发射和接收波束的方向，以产生视野场内至少所需部分的雷达图像。在优选的实施例中，本发明被安装在卡车上并且适于作为FOD探测器系统以检测和定位机场地面上FOD。

Description

移动毫米波成像雷达系统
技术领域
本发明涉及雷达成像系统，并且尤其涉及毫米波成像雷达系统。
发明背景
利用毫米波成像
在毫米波长下(1cm至1mm；30GHz至300GHz)工作的无源和有源成像系统是公知的。在毫米波频率下的短波波长使得能够通过相对小的天线产生窄波束以及生成高分辨率的无源和有源图像。由于窄波束，图像中的物体能够被精确定位，并且当系统以雷达模式工作时，能够获得反射信号的高灵敏性。毫米波系统的一个重要品质在于，它们相比可见光被远距离的雾或者烟衰减较小。毫米波波长的辐射穿透远距离的雾和烟。毫米波辐射还穿透壳罩或者其它诸如干木材和墙板之类的很厚的材料。这些毫米波成像系统因而被提出用于飞行器增强透过雾的可见度和用于检测被隐藏的武器或之类的安全应用。
无源毫米波成像
在第5,121,124号和第5,365,237号美国专利中描述过无源毫米波成像系统，这些专利被转让给申请人的雇主。在这些专利中所述的系统使用天线，其中收集的毫米波辐射的方向是频率的函数。这种类型的天线被称作“频率扫描”天线。在频谱分析仪中分析所收集的毫米波光以产生一维图像。在所述’124号专利所描述的系统中，天线信号被用于调制声光设备(布拉格单元)，该声光设备进而又调制激光束以产生频谱图像。在所述’237号专利所描述的系统中，通过天线信号调制电光模块并且该电光模块进而又调制激光束，以在激光束上施加毫米波频谱信息，该激光束接着被标准器分离成频谱分量以产生图像。
第4,654,666号美国专利描述了一种成像系统，该成像系统包括频率扫描天线和频谱分析仪，用于将天线收集的编码的辐射分布转换成时间编码的分布从而再生一维场景。在第7,194,236和第6,937,182号美国专利中描述了其它频率扫描无源毫米波成像系统。上述所有专利在此通过援引并入。
雷达系统
以毫米波频率工作的雷达系统是已知的。这些系统通常使用两个或更多更低频率的信号(称作频移键控法或FSK)调制毫米波信号或者使用线性变化(频率上上升或下降)更低频率的信号(称作线性频率调制LFM)。并且已经提出了FSK和LFM的结合。已经提出这些FSK和LFM系统用于自动机动车辆控制和机动车辆防撞。一些此类系统提供发射波束或接收波束或二者皆有的角度扫描技术。
外部物体检测
机场跑道上或其它地面上的外部物体碎片(通常称作FOD)对于航空运输安全是极大的危险。飞行器脱落的物体，地面上的设备或是被地勤错放的物体是造成商业航线、机场和军方的行业损失的原因，并且在极端情况会导致人员生命损失。FOD每年耗费航空和航天工业40亿美元，导致飞行器和部件每年昂贵、显著的损害，并且可能导致工人、飞行员和乘客死伤。
在飞行器中引入雷达系统用于FOD检测的尝试是已知的。这种系统的高成本、操作复杂性、大量的基础设施和试验性质限制了航空运输业对其的接受。由英国的公司QinetiQ设计并制造的以Tarsier为名销售的毫米波雷达系统是一个先进毫米波FOD检测系统的例子。Tarceir系统现在运用在加拿大的温哥华国际机场。Tarsier雷达被设计成静态长距离(最长达2千米)频率调制雷达以检测沿机场地面全长度上的FOD。Tarsier系统的长距离工作要求高精度的机械和电子部件以及高的发射功率。这些要求导致该系统的高成本。为了能够在长距离检测FOD，雷达被设计成具有极高的灵敏性，据称这会导致来自较短距离处杂波信号的大量假警报。在第WO/2006/103391号国际专利申请中描述了Tarsier FOD探测器的设计和工作原理，该申请在此通过援引加入。
根据国家FOD防止协会有限公司维护的国家宇航标准412，FOD通常被定义为会潜在导致交通工具或系统损害的与交通工具或系统不同的物体、碎片或物品。外部物体损害是归因于外部物体的任何损害，其可以表述为可以或不可以降级产品所需安全和/或性能特性的物理或经济术语。通常，FOD是一个用于描述飞行器上或飞行器周围的碎片或者对飞行器造成的损害的航空学术语。在第WO/2004/038675号和第US20020080046号专利中描述了利用可见光进行工作的光学FOD检测系统，在此通过援引并入这些专利。
需要一种移动毫米波成像系统。
发明内容
本发明涉及短距离移动毫米波成像系统。该系统优选被安装在车辆上并且被设计以检测车辆路径中或附近的物体。该系统包括适于在几千兆赫的频率范围内产生毫米波辐射扫描的电子装置。该扫描的毫米波辐射通过频率扫描的发射天线广播以在第一扫描方向(诸如竖直方向)产生窄扫描发射波束，限定与扫描的毫米波频率对应的窄的接近一维的电子扫描视野场。发射天线机械回转或者在与第一扫描方向垂直的第二扫描方向上(诸如水平或方位角方向)扫描从而限定二维的视野场。反射的毫米波辐射被与发射天线协同定位(或接近协同定位)的接收频率扫描天线收集，并且适于产生窄的接收波束，该接收波束在近似相同的视野场内被接近协同定向在与发射波束相同的方向上。计算机处理设备比较预定距离集合的接收毫米雷达信号的强度和已知的作为时间函数的发射和接收波束的方向，以产生视野场内至少所需部分的雷达图像。
在优选的实施例中，本发明是适于检测和定位机场地面上FOD的FOD探测器。在一个优选实施例中，雷达系统被安装在轻型卡车的舱室(cabin)顶部。雷达系统在78至81GHz的毫米波频率范围内工作。双频率扫描天线系统包括带有椭圆柱形反射器的8英寸的开槽频率扫描天线，其适于产生在竖直方向窄，并且在竖直方向上约4度的扫描范围内频率扫描的波束。在每个双天线系统中，开槽的频率扫描天线被定位在椭圆柱形反射器的近焦点。椭圆反射器的另一个焦点在距离近焦点约150英尺处。两个天线都限定波束在方位角方向向外至约150英尺约半米宽，在方位角方向向外进一步发散约0.34度，并且在竖直方向发散约0.85度。双天线系统被一起回转以限定在竖直方向约4度且在方位角方向约80度的雷达的视野场。两个天线通常被定向为从卡车的顶部朝下的角度，以在卡车前约20米至200米且在方位角方向80度产出机场地面的视野场。
在优选的实施例中，从来自锁相振荡器的12.25GHz信号产生扫描频率，该信号被三倍倍频器转换成36.75GHz并接着被谐波混频器翻倍为73.5GHz。压控振荡器提供扫描的4.5GHz至7.5GHz信号，该信号在谐波混频器中与73.5GHz信号混频以产生78GHz至81GHz之间的扫描毫米波信号，并接着被馈送至发射天线以产生频率扫描发射波束。
接收波束和发射波束类似并且在任意给定时间与发射波束协同对准，以最大化被物体反射的返回信号。所接收的信号向下转换成低频，被数字化并使用快速傅里叶变换(FFT)处理器来生成其频谱。发射和接收波束在竖直方向上被电子扫描而在方位角方向则是被机械地扫描。计算机基于波束的竖直扫描方向生成二维图像(EL角度和距离)并基于水平扫描把它们结合成三维图像。在优选的FOD探测器(finder)的实施例中，到FOD的距离基于雷达信号，而方位角位置基于系统的计算机处理器所记录的水平扫描信息。雷达能量在平坦机场地面上的FOD内被最大反射并且没有被接收天线收集。但是，当波束在机场地面上扫描时，平坦坚硬地面上的FOD产生大的返回信号。到目标的距离基于发射信号和被从FOD目标反射的毫米波的往复时间所延迟的接收信号的频率的差值确定。跑道上FOD的位置被显示在监视器上以示出跑道上FOD的位置图。
这个优选的实施例除了雷达成像系统外还包括带有外部或内部可见光图像记录的集成的硬件/软件系统。该系统还包括经由无线传输(或者其它)的因特网数据库报告并且整个系统是移动的并被集成以发现机场地面上的FOD。
全体系统被安装在诸如卡车的移动平台上，并且包括GPS位置追踪系统、惯性导航单元、用于目视物体识别的自动控制的视频相机和计算机化的物体标记和标示系统。
现场可编程门阵列和数模转换器电路板被编程以向压控振荡器发送驱动电压，该压控振荡器生成驱动发射频率的完全可编程的线性频率斜坡。这些部件使得申请人能够调整扫描率和扫描距离。线性频率斜坡限定雷达系统的距离分辨率并且还在高度(elevation)上扫描天线波束。二维上独特的操纵能力使得该雷达能够被安装在车辆上，并且在机场跑道的示例中能够在被高速驱动的同时仍提供可靠及有效的FOD检测的充足的扫描覆盖。
附图说明
图1是包括发射器、接收器、天线和信号处理部件的外部物体检测雷达的框图。
图2A和2B是示出频率扫描发射信号和所接收信号的读出的时序图。
图3A示出了发射和接收天线。
图3B示出雷达中多像素图像形成的原理。
图3C示出了天线反射器设计的详情。
图3D、3F和3G示出了频率扫描的开槽波导天线的详情。
图3E和3H示出了78-81GHz频率范围内天线波束图案的图表。
图4是现场可编程门阵列中的接收信号数字转换器和快速傅里叶变换处理器的框图。
图5示出了针对550英尺距离处0.5英寸直径的滚动球体的模拟的雷达FFT频谱。
图6A和6B示出了卡车上的移动FOD雷达系统。
图7示出了FOD系统的舱室内部件。
图8示出了沿着机场跑道活动的移动FOD探测器雷达系统的工作。
图9A、9B和9C描述了基带FOD接收器放大器以及其频率响应特性。
具体实施方式
第一优选实施例
在图1至9中描述了本发明的优选实施例。本实施例是三维宽带(W-band)频率调制连续波(FMCW)有源成像雷达系统。该系统能够准确确定机场地面上外部物体的方位和距离并将信息显示给系统操作员。该系统具有最长达200米(600英尺)的工作距离并且要被始终驱动以在较大区域检测FOD。
本系统的雷达由毫米波发射器、接收器、发射和接收主焦点反射器天线各一个、接收器信号数字转换器和FFT处理器构成。发射天线和接收天线具有类似的构造。它们形成窄的协同对准/重叠波束，这些波束在竖直方向宽0.85度(从近场延伸出几英寸)且在水平方向宽0.34度(从近场延伸出约两英寸)。本系统采用在7毫秒内在78GHz到81GHz之间扫描的线性频率调制的线性调频无线频率波形。方位角分辨率约一米且距离分辨率约20厘米。
性能
该系统提供如下性能：
1.工作距离：20米至200米。
2.危险检测距离：对于1/2英寸的滚动球体目标最少200米。
3.视野场：水平(方位角)80度且竖直(高度(elevation))4度。纵向视野场从卡车前约20米至200米。
4.距离分辨率：20厘米。
5.发射器频率：78到81GHz之间的线性调制(线性调频)。
6.发射器功率：20毫瓦。
7.天线极化：竖直。
8.一副完整图像的获取时间(水平扫描)：1.5秒。
成像雷达系统
频率扫描雷达
图1中示出了本发明优选实施例中的成像雷达系统的框图。发射器模块2生成连续波毫米波信号，如图2A中所示，其通过使用交替上升下降的摇摆(see-saw)频率扫描图案50在7毫秒内在78至81GHz之间被来回线性扫描。
接收天线单元3和发射天线单元4使用如图3A所示的置于接收天线反射器32a近焦点中和发射天线反射器32b焦点处的开槽的波导天线元件30a和30b。每个反射器都两英尺宽，一英尺高，并且具有椭圆柱体33的形状，其中开槽波导位于该椭圆的距离反射器中心16英寸的第一焦点F1处。如图3C所示，反射器的第二焦点F2位于距其中心150英尺处。发射和接收开槽天线由带槽34的标准WR-10铜波导制成，其中槽34如3D、3F和3G中所示地切入其窄壁36。如图3D所示，天线的开槽孔长8英寸，宽0.13英寸。如图3G所示，槽被0.102英寸的间隔分隔开并且其角度以正负11度相交替。在槽相对波导的外表面37被切割进波导0.015英寸深之前，波导的窄壁37的一部分变薄到0.006英寸。开槽波导天线的长度确定雷达在竖直方向0.85度的角度分辨率(波束宽度)。由开槽波导照射的反射器的24英寸宽的孔确定0.34度的水平角度分辨率(波束宽度)。在优选的实施例中，开槽的波导频率扫描天线允许将波束的高角度分辨率和雷达的足够宽的竖直FOV相结合。椭圆柱反射器的应用优化了波束在不同范围内旁瓣(side-lobe)的程度。还通过提供接近反射器中心的最大毫米波功率和渐进减少朝向其边缘的照射来减少波束旁瓣程度。在优选的实施例中，雷达单元中的电子装置限制向外向前的(out front)视野场到20米至200米范围。
随着毫米波信号频率在78到81GHz之间扫描，开槽天线30a和30b形成的波束改变其相对于波导纵轴法线的角度。在被开槽波导辐射的毫米波弹离反射器表面时，包括反射器的整个天线形成的波束的竖直角度也随着频率改变。在图3E和3H中示出了FOD雷达在78、79、80和81GHz时的竖直波束图案38，以及与频率相对的波束扫描特性。零角度对应于天线的法向。当法向水平时，负角度表示波束方向朝向地面。在图表39中示出了与频率相对的波束角度中心，因此FOD的竖直视野场约4度。根据图3E中的数据，对于78到81GHz之间的频率扫描，天线在的竖直方向形成四个分解的波束。每个分解的波束的信号强度通过给定目标距离的像素亮度在FOD雷达图像中被编码。FIG.3B示出了雷达形成图像的原理。雷达图像平面45用竖直方向44和水平方向43内的天线波束的覆盖区(footprint)表示。每个覆盖区41是发射波束40b和接收波束40a相重迭的横截面。FOD雷达在近似3.4度的竖直视野场内有4个分解的0.85度的波束并且在80度宽的水平FOV中有235个分解的0.34度的波束，这使得能够在固定距离生成4×235像素的图像。通过使用来自对半分解的波束的信号，图像的尺寸可以增加到8×470像素。FOD雷达能够在20到200米之间的1024个距离生成总的三维图像尺寸最大达4×235×1024像素的图像。
雷达电子装置
在优选的实施例中出于两个目的使用频率扫描：第一，如上所述，用于扫描在以上部分中描述的竖直方向上的发射波束，以及第二用于确定到FOD目标的距离。因为发射和返回信号到达和来自目标FOD的频率差是到目标的距离的线性函数，此方案是可行的。在以下部分说明这种关系。本部分描述用于比较发射和接收信号从而推出频率差的电子装置。
图1是优选雷达系统的电子装置的框图。FOD雷达的发射器2和接收器1使用高稳定的锁相12.25GHz的振荡器5(诸如在加利福尼亚州塔斯延有办事处的微波动力(Microwave Dynamics)供应的型号PLO-2000振荡器)作为生成毫米波信号的基准。12.25GHz信号首先被接收器内的三倍倍频器7a和发射器内的7b(诸如在法国的Orsay有办事处的联合单片机半导体(UnitedMonolithic Semiconductors)供应的型号CHX 1094-99F)转换成36.75GHz，接着被接收器内的分谐波混频器8a和发射器内的8b转换成73.5GHz。在频率转换过程中合成的信号通过放大器15、16和18(诸如马萨诸塞州切姆斯德有办事处的Hittite微波公司供应的型号HMC-APH510和HMC-AUH318)放大到适宜的程度。低相位噪声压控振荡器6(诸如马萨诸塞州切姆斯的Hittite微波公司供应的型号HMC-C028)生成从4.5GHz到7.5GHz横跨3GHz的线性频率调制信号。通过在谐波混频器8b中混频73.5GHz和压控振荡器信号生成78GHz到81GHz之间的频率调制发射信号。得到的信号通过功率放大器9(诸如马萨诸塞州切姆斯有办事处的Hittite微波公司供应的型号HMC-AUH320或NMC-AUH317)放大到近似15-20毫瓦的功率级，并且从发射天线4发射放大的信号。为了确保信号一致性并取得高的距离分辨率，如图1所示，通过功率分配器25和17内的双向使用，相同的12.25GHz基准和压控振荡器源被用作本地振荡器来上下转换发射和接收信号。
从目标反射的发射信号被接收天线3收集并且被低噪声放大器(诸如在加利福尼亚州的马利布有办事处的HRL实验室有线责任公司供应的型号86LN4D)10放大。该放大器具有+20dB的典型增益和5dB的噪声系数。经放大的信号最初在第一混频器11中通过与73.5GHz的本地振荡器信号混频向下转换。混频器的输出信号通过三级50dB增益的放大器12(诸如马萨诸塞州切姆斯有办事处的Hittite微波公司供应的型号HMC396)放大，随后通过使用用于第二混频器13(诸如马萨诸塞州切姆斯有办事处的Hittite微波公司供应的HMC129)的上述从4.5GHz到7.5GHz横跨3GHz的压控本地振荡器6信号而被向下转换到基带DC-500KHz频率范围。第二混频器13的输出信号被特别设计的基带放大器14放大，使得信号电平适合数字化，依据目标距离去除信号电平，并且滤除对应于距离短于20米以及长于200米的信号。根据雷达理论，从目标返回信号的功率与目标距离的四次方成反比是公知的。如果目标距离增加两倍，雷达截获的返回信号功率降低16倍或12dB。图9C中示出了FOD雷达的基带放大器具有每倍频12dB的增益斜率108。对于返回频率在10KHz以下并且对应于12英尺或更短距离，放大器天线返回信号-30dB或更多，而如图9C中109处所示，其在500KHz频率放大信号30dB，对应于600英尺的最大FOD雷达距离。图9A和图9B示出放大器框图100和实际电路板100a。来自第二混频器13(图1)的基带信号被连接到放大器的输入101，并且来自其输出102的信号被连接到抗混频滤波器26(诸如加利福尼亚州洛杉矶TTE公司制造的截止频率550KHz的型号LE7640)并且接着被连接到D/A转换器21(图1)。图9B中示出了放大器的信号输入端口101a和输出端口102a。放大器由第一20dB增益块103、二阶有源高通滤波器104、第二20dB增益块105和二阶有源低通滤波器106构成。两个滤波器都具有500KHz的截止频率，它们和增益块相结合，提供如图9C所示的频率响应108。整个电路由四通道超低噪声、高精度运放集成电路107(马萨诸塞州诺伍德的模拟设备公司供应的型号AD8674)实现。
距离计算
发射和返回信号之间的频率差是目标距离的线性函数。0到500KHz之间的输出信号被用于确定到FOD目标的距离。信号被监视以检测超过预定阈值的高强度峰，此高强度峰指示来自雷达视野场内FOD目标的反射。通过测量的峰来确定到FOF目标的距离。在本实施例中所分析信号的频率范围在0到500KHz。扫描时间是7毫秒，于是频率的变化率Δf/Δt是4.286×1011Hz/s。以光速c传播的毫米波波束通过的距离是到目标FOD物体的距离R的两倍。于是可以通过下式确定到目标的距离R：
R = fc 2 Δf / Δt = ( 0.35 m / KHz ) f
因此，测得的频率F为300KHz的峰表示105米处的目标。
隔离频率
一旦雷达的信号的强度独立于距离，其可以表述为正弦信号的和，该正弦信号的振幅正比于目标的雷达横截面而频率正比于它们的距离。申请人使用快速傅里叶(FFT)处理来确定信号的振幅和频率。如图1所示，FOD接收器的输出以每秒100万个样本的采样频率被模数转换器20数字化，并随后通过使用FFT处理器21中的现场可编程门阵列芯片被处理成傅里叶功率谱。在以下部分描述FFT处理器的详情。实时FFT功率谱与计算机22通信，其中每个实时FFT功率谱包括1024个16位分量放大分辨率的频率分量，其中数据在计算机中被转换成FOD图像。位于卡车舱室内的平板电脑22在显示器23上向系统操作员显示FOD图像并且还控制执行雷达天线80度的水平扫描的转盘19、使用GPS/INU(以下描述)和卫星成像追踪雷达位置、自动控制平移-倾斜-变焦相机(如图6的63所示)并显示其图像、支持用于FOD项目标签和标记的工具。
信号数字化和FFT处理
图2B和图4提供了FOD雷达信号数字化和FFT处理的更多详情。如图4所示，单通道模数转换器20以每秒100万样本的采样率工作，以用16位的分辨率数字化-1伏特到+1伏特之间的电压。在数据被馈送至FFT处理器21之前，信号被连续地数字化并且被缓冲进同步存储器SRAM51。数字化的数据被分组成适合于FFT的2048个连续数据样本点。每个样本在快速傅里叶变换处理之前与FPGA内的汉明窗相乘。该窗减少由于样本的有限长度引起的傅里叶响应的旁瓣程度。来自SRAM51的样本以两倍的采样率被读入FFT处理器，用于带有50％的时间重叠的连续地FFT处理。样本的重叠防止源于开窗的信号损失，并且实际上产生如上所述的对半分解(采样上的竖直角度)的波束。信号采样与压控振荡器的频率扫描同步。如图2B所示，第一样本1开始于线性频率扫描S的开头53a处。接下来的样本2和样本1长度重叠50％。如图2B所示，样本3与之前的样本2重叠，依此类推。每个频率扫描获取总共6个信号样本。包括与扫描换向点53b重合的信号的样本6被丢弃。
FOD雷达信号样本的FFT频谱在基于现场可编程门阵列的处理器21中处理，该处理器在计算FFT频谱的同时还控制A/D模块20、SRAM存储器21、用于VC06的线性频率扫描D/A电压发生器以及到计算机的USB接口53的数据流。在本优选实施例中，使用包括120万门的Xilinx的SC3S1200E FPGA芯片。(FPGA供应商Xilinx公司在加利福尼亚州圣何塞有办事处)。到PC22的USB接口基于Cypress半导体的USB微控制芯片CY68013A。(更大的FPGA将以更高的成本允许更好的处理灵活性)。通过将Xilinx提供的FFT内核编程到FPGA中，可在FPGA内创建FFT处理器。图5中示出了计算机模拟的来自FOD雷达的FFT功率频谱60的例子。频谱中基带频率62处的峰61表示来自距离550英尺处0.5英寸的滚动球体FOD目标的响应。
VCO中的线性频率扫描发生器
现场可编程门阵列处理器21通过控制电压发生器54的输出，同步雷达信号读出和VCO频率扫描。发生器54包括微处理器，该微处理器输出存储在其存储器中的数字电压数据到基于德州仪器公司DAC8811型芯片的数模(D/A)转换器。数据输出通过FPGA的同步信号触发。VCO振荡器通常具有对频率特性的非线性电压。调整数字电压数据以减少非线性度并确保VCO随时间的线性频率扫描。D/A转换器的分段输出在被施加到VCO扫描控制端口之前通过六阶椭圆低通滤波器而平滑化。
FOD探测器的移动平台
本优选的实施例是包括轻型卡车61的移动FOD探测器60，如图6A和6B所示，其带有安装在卡车舱室顶部的毫米波成像雷达系统62。雷达系统62通过如图7所示的进入舱室的通道82和舱室内设备通信。天线组件被安装在电子转盘上，该电子转盘转动以在方位角上(水平)扫描雷达遍历指定的扫描范围。智能驱动的可编程转盘提供指定任何扫描范围或者选择连续转动的能力。在优选的实施例中，天线的机械扫描被用于计算机生成的水平光栅图像，其表示80度宽的水平扫描方向上的235个角度。雷达的线性调频周期由转速定时，从而当它转动遍历一个方位角波束宽度时，雷达运行一次全高度扫描(fullelevation scan)。
通过天线屏蔽器62保护雷达免受天气影响。天线屏蔽器由诸如聚苯乙烯的对毫米波完全透明的薄塑料材料制成。PTZ相机63安装在天线屏蔽器的左侧而无线通信天线64从天线屏蔽器的顶部延伸。天线屏蔽器的尺寸为安装在转盘19上的发射天线4和接收天线3提供了充足的空间，以供它们水平转动360度以及收集操作员选取的任何方向上的80度宽水平视野场内的图像。雷达的发射波束40b和接收波束40a几无衰减地通过天线屏蔽器并且如上所述在上、下4度宽的竖直视野场65内用频率扫描。竖直视野场从车的顶部朝向地面向下倾斜，并允许20到200米范围内的FOD项目的成像。
GPS/INU
本优选实施例中并入了全球定位传感器(GPS)单元和内部导航单元(INU)，合称为卡车顶上天线屏蔽器隔间内的“GPS/INU”组件。这两个部件通过软件和雷达相集成，该软件包括向雷达操作员示出其在地球上位置并识别雷达定向的方向的显示算法。GPS/INU通过通道82和USB集线器85连接至舱室内的平板个人计算机(PC)22。
GPS/INU向舱室内的平板计算机22报告系统位置。为了增加基于GPS/INU的测量的灵敏性和精确度，用户每使用1200小时启动系统校准。通过在整个360度的圆内操纵车辆完成该校准。GPS/INU校准将经由无线因特网连接加载的卫星图像定向并以约一英尺的精度将车辆位置参照至该点。这种修正保留在系统内直到启动另一校准。雷达发送FOD的方位/距离信息到计算机，计算机将该数据与车辆的GPS/INU信息结合。雷达产生的FOD位置作为红色的地点图标被叠加在卫星图像上。该信息最终基于均被载入数据库的经纬度、数据时间组和提供的ID标签而和检测点相匹配。
外部相机系统
本优选实施例加入了封装在全天候外壳63内的平移-倾斜-变焦相机。该相机被设计为捕获发现点处的外部目标碎片的图像。FOD发现状态经由集成的随车携带的平板电脑22和无线连接器(未示出)成像、记录并在过因特上报告。相机如计算机22所引导地自动地转向被检测的FOD项目。当FOD探测器车辆接近FOD项目时，相机连续更新图像直到FOD在距驾驶者20英尺以内。目标检测的时间、日期、分组和状态被记录到随车携带的因特网数据库，并且通过使用以太网无线连接81a和调制解调器64的至机场中心的主数据库通信。时间和日期被自动确定而目标分组以及检测状态由操作员从FOD软件菜单手动选择。
内部相机系统
第二相机系统被安装在FOD探测器车辆的内部。该相机被设计成在检索FOD后提供该FOD的详细图像。该相机被固定到计算机安装柱并且被向下集中到中心控制台上。在操作员检索到FOD之后，它被置于控制台以网格标记的表的中心。用户选择“相机”按钮，突出显示所有检测到的FOD项目。操作员接着触摸与正在成像的FOD项目关联的FOD点。FOD点的选择启动相机和条形码打印机。FOD项目的详细图像被内部相机取得并且所有相关详情被发送到数据库，并且卫星图像上对应的红色点图标被移除。位于车辆内部的打印机用置于数据库内的相同的被打印ID来打印条形码标签。
用户接口
如上所述，用户接口是如图7所示的有触摸屏的平板计算机22。存在多种页面和视图，其经由车辆位置的卫星图像、已经搜查的区域、已被检测到的FOD项目、雷达性能、车辆外部的FOD图像以及还没有被检索的FOD的方向而向用户提供情况认知。从因特网载入PC的航空/卫星图像作为提供水平情况认知的主要方式。包括向数据库提供附加信息以帮助确定特定FOD的成因的其它接口菜单。计算机还是所有其它部件和系统的中央合成者。
FOD系统工作
图8中示出了FOD探测器雷达的工作。移动平台73a以速度V沿着机场70的任何地面行进。当它覆盖距离L时完成80度的扫描，相当于距雷达600’处的近似600’。在本例中，雷达波束71扫描跑道70的整个宽度72，并且生成被指定为75a的区域的图像。当FOD系统从位置73a移动到73b时，水平波束扫描反向并且波束扫描被指定为75b的下一个区域。随着系统沿着跑道从73a行进到73e，生成区域75a到75d的雷达图像。在速度V＝30英里每小时时，雷达系统将在每1.5秒的水平天线扫描期间行进L＝20米的距离。由于200米的雷达距离，跑道的每平方英尺将会被成像多次，这增加了FOD检测的可靠性并降低了假警报的发生率。如图8所示，雷达成像的区域通常延伸超过跑道的边界。能够在FOD探测器软件的显示菜单中任选地选择限于跑道的检测区域。操作员还能够设置多边形边界以手动指定所需的检测区域，该所需的检测区域例如排除来自机场周围的建筑和其它永久固定附着物的返回。由于系统的宽扫描区域，无需车辆在跑道上行进就能够扫描跑道。
为了进一步提高系统性能，可以在更大的检测区域内定义表示诸如跑道中心线照明的已知永久构造的附加指定区域。来自这种构造的信号能够在图像中被自动地移除或者改正，以允许对接近跑道设施目标的FOD项目的检测。
在本优选实施例中，图像中红色的点图标表示超过预定阈值的雷达返回，而不管项目尺寸和信号超过阈值的程度。当图标被放置在俯视卫星图上的检测位置上时，在数据库中基于检测时间顺序放置并顺序编号每个图标。仅显示经多扫描确认的返回。在启动检测时，声音报警警告驾驶者已经检测FOD。随着车辆接近FOD，在距离FOD 20’处启动另一声音报警，告知操作员正在接近FOD。可听系统使得驾驶者能够无需经常参照触摸屏就能够安全地操作车辆。
被检测项目的纬度、经度、检测时间、检测到目标者、机场位置、日期和多个图像被随车携带的数据库收集并储存。PC通过使用GPS/INU和系统时钟自动确定FOD项目的座标和检测时间。操作员姓名也可以从来自因特网或PC存储器中存储的系统操作员轮班日程自动地确定。如上所述，使用外部和内部相机收集FOD图像。当收集完成时，经由无线链接把所有数据和因特网数据库同步。
在没用FOD探测器检查而发现FOD项目或者雷达扫描已经通过该区域后又有东西被吹到跑道上时，用户能够在屏幕上手动放置红色FOD点。系统接着记录当前车辆位置的所有详情。剩下的步骤和雷达检测到的FOD一样。
在(鸟/野生动植物/飞行器/人)项目移动或者无法拾取的情况下，FOD检测应该被舍弃(reject)，操作员选择“舍弃”，但是数据保留在数据库中。一个例子是着陆在跑道上的鸟，其被检测到并随后飞走。由于动物的移动，这个将被记录为舍弃。
FOD探测器在申请人开发的“A.I.R.Boss”软件系统上运行。该软件将用于机场管理的所有FAA部件139清单项目变成带有供输入的标准回复的使用简单的菜单系统。基于对每个项目有限数量的变量创建标准回复清单，最大限度地减少了打印/注释的量。例如，如果滑行道照明灯关闭，则用户触摸A.I.R.Boss标志，在屏幕上显现11个机场管理区域。操作员接着选择“照明”，在屏幕的右下就显现六个有照明的子区域。操作员选择“跑道照明熄灭”并且触摸卫星图像上相应的照明灯。那么，在屏幕上那个位置处将会显现跑道照明灯熄灭符号，并且发送所有位置和时间详情至数据库。此外，电子邮件、文本或者电话消息工作指令将被发送至适当的修理机构。从发现到修理的所有活动都在数据库上被跟踪，并且符合机场管理文档的FAA要求。
该Air Boss软件还包括来自因特网的消息，该信息被结合以向操作员提供情况认知。该信息包括对机场操作管理重要且为多个商业和政府数据库可用的来去机场的飞行器流量、飞行器详情、登机口信息、航班状态、机场状态、天气、NOTAMS和其它相关信息。
该Air Boss软件还辅助防止跑道侵入。当车辆接近机场的禁止入内地区或者需要控制机构协调的区域，该软件通过语音报警和指令有声地警告驾驶员联系控制机构，并且通过在触摸屏上放置带有书面指令的停止符号以可视地警告驾驶员联系控制机构。在驾驶员触摸停止符号承认该指令之前，FOD探测器的所有特征不可用。所有驾驶活动都记录在数据库中。FOD探测器还对跑道/滑行道的地面成像以用于其状态管理。它能够检测用于地面管理的裂缝、洞以及其它关键部分139个详情。来自所有数据库的数据在规律的基础上被提供给用户用于对数个机场区域的分析、防御和维护。
系统功率管理
由12VDC车辆系统驱动FOD探测器部件。直流到交流功率转换器将电压变到用于支持各类设备的12VAC。
附加设备
真空吸尘、清扫和其它机械的跑道清理设备能够被集成到FOD探测器平台以加速FOD去除步骤。位于该设备入口附近的分离的视频相机将辅助FOD系统操作员无需离开车辆的舱室拾取FOD项目。
FOD雷达的其它应用
FOD雷达还能被用于跑道边缘检查和低能见度状况下识别地面上的设备。它能够被用于救援、紧急操作以及通过“跟着我”过程帮助飞行器发现它们离开跑道的路径。
尽管上述描述包括许多特性，这些特性仅仅是本发明范围内优选实施例的示例，读者不应将其解释为对本发明范围的限制。本领域的技术人员应该预想到本发明范围内的许多其它变体。例如，可以将真空吸尘系统或者其它设备并入移动的车辆以拾取被雷达设备识别的FOD。本雷达适于360度转动以便检查确定FOD是否已经被收取。让雷达360度转动使得能够在平行于跑道但不在其上驾驶时监视跑道。可以在车辆的四个角处添加四台视频相机并且对其编程以在FOD的雷达图像正在被记录的同时获取跑道环境的视频记录。所有数据能够被时间(最近至秒)或者空间相关(在纬度和经度上)。来自这些相机或者一个或更多附加相机的数据能够被用于明确识别跑道上不起作用的照明灯。帮助按钮可以被添加到车辆中的通信设备供操作员经由文本或者电子信息消息或者经由移动电话向专家寻求FOD探测器信息。
因此，望读者以随附的权利要求书而不是以给出的例子为据确定本发明的范围。

Claims (10)

1.一种短距离移动毫米波成像雷达系统，包括：
A)车辆，
B)安装在所述车辆上的频率扫描毫米波成像雷达系统，所述雷达系统包括：
1)适于在几千兆赫的频率范围内产生毫米波辐射扫描的电子装置；
2)频率扫描发射天线，其适于：
a)在第一扫描方向产生窄的扫描发射波束，其限定与扫描的毫米波频率对应的窄的接近一维的电子扫描视野场，以及
b)在与第一扫描方向垂直的第二扫描方向上机械回转或者扫描从而限定二维视野场；
3)频率扫描接收天线，其与所述发射天线协同定位或接近协同定位，并且适于产生第一方向的窄的扫描接收波束，所述窄的扫描接收波束在与所述发射天线近似相同的一维和二维视野场内定义在和所述发射波束相同的方向上接近协同定向的窄的接近一维电子扫描视野场；
4)适于检测由所述频率扫描接收天线所收集的毫米波辐射的电子装置；以及
5)计算机处理器设备，其适于基于从所述二维视野场内目标反射的并被所述接收天线收集的毫米波辐射确定目标位置。
2.如权利要求1所述的成像雷达系统，其中所述系统适于对机场设施上的FOD成像。
3.如权利要求1所述的成像雷达系统，其中所述系统适于对机场地面上的FOD成像。
4.如权利要求1所述的成像雷达系统，其中所述第一扫描方向是竖直方向而所述第二扫描方向是方位角方向。
5.如权利要求1所述的成像雷达系统，其中所述发射天线和所述接收天线的每一个均包括开槽的天线和椭圆柱形反射器，并且适于在选自60GHZ到100GHz之间的毫米波频率的工作频率范围下工作。
6.如权利要求5所述的成像雷达系统，其中所述工作频率范围包括78GHz到81GHz的频率范围。
7.如权利要求1所述的成像雷达系统，其中所述电子装置包括：
A)在预选窄带微波频率范围工作的锁相振荡器，
B)倍频部件，用于倍频预选的窄带微波频率至窄带毫米波频率，
C)压控扫描部件，用于生成对几千兆赫的频率范围进行扫描的压控扫描频率，以及
D)混频部件，用于将所述的压控扫描频率与所述窄带毫米波频率混频以产生所述在几千兆赫频率范围上扫描的毫米波辐射。
8.如权利要求1所述的成像雷达系统，还包括适于和因特网通信的无线电系统。
9.如权利要求1所述的成像雷达系统，其中所述计算机处理器设备包括：
A)显示监视器，适于显示包括所述车辆前面二维视野场的地面区域的卫星地面图，
B)GPS/INU部件和软件，用于确定所述二维视野场内目标位置的纬度和经度。
10.如权利要求2所述的成像雷达系统，其中所述计算机处理器设备包括：
A)显示监视器，适于显示包括所述车辆前面二维视野场的地面区域的卫星地面图，
B)GPS/INU部件和软件，用于确定所述二维视野场内FOD目标位置的纬度和经度，
C)供多用户使用的安全网络数据库，
D)允许全球FOD数据共享。
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