CN103048694A - 一种机场跑道异物检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种机场跑道异物检测系统，由雷达发射与接收天线、雷达收发前端、悬臂、旋转机构、信号处理器以及显示控制终端组成；其中：发射与接收天线与雷达收发前端通过波导相连，雷达收发前端通过旋转机构与信号处理器相连，信号处理器与显示控制终端相连。本发明针对线性调频连续波系统，通过宽带线性调频实现高的距离分辨率，通过实现天线半圆弧轨迹旋转构建合成孔径，从而实现高的方位分辨，减少地面杂波单元的面积，实现对跑道碎片小目标的检测。

Description

一种机场跑道异物检测系统
技术领域:
本发明属于机场安全检测领域，特别涉及一种机场跑道异物检测系统，该系统主要采用具有旋转天线的合成孔径连续波调频雷达显现，来实现对机场跑道表面目标的高分辨检测，可降低地面杂波干扰。
背景技术:
机场跑道表面外来遗留物碎片的自动检测是关系到航空安全的重要课题。当飞机在跑道上高速滑行时，跑道上这些遗撒物对飞机和周围人员车辆的安全都是严重威胁，据估计每年跑道碎片引起的事故造成航空工业40亿美元的损失。一般考虑小尺寸碎片的雷达截面积只有-20dBm2以下，这些小物体在跑道上静止，回波信杂比极低，碎片的雷达回波和地面雷达杂散回波混在一起，雷达地面杂波的强度与雷达对地照射入射角、照射地面单元的面积以及地面的属性等因素相关，其中地面杂波单元面积（由雷达距离和方位分辨率决定）是一个重要因素。如果雷达的在距离和方位上的分辨率不够高，那么地面杂波单元的面积大，其回波强度就可能会比要检测的碎片回波强很多，也不能采用动目标检测的方法消除地面杂散回波。现在国外采用的方法是光学成像方法和3mm波段的雷达探测方法，采用光学探测的方法受到光线、阴影、纸屑等因素的干扰影响较大，而采用3mm波段的雷达价格昂贵，维护成本较高。
发明内容：
本发明的目的是为了提供一种价格相对低廉的、能够对机场碎片实现可靠检测的旋转天线合成孔径雷达检测系统。该系统针对线性调频连续波系统，通过宽带线性调频实现高的距离分辨率，通过实现天线半圆弧轨迹旋转构建合成孔径，从而实现高的方位分辨，减少地面杂波单元的面积，实现对跑道碎片小目标的检测。
如上构思，本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种机场跑道异物检测系统，其特征在于：由发射与接收天线、雷达收发前端、悬臂、旋转机构、信号处理器以及显示控制终端组成；其中：发射与接收天线与雷达收发前端通过波导相连，雷达收发前端通过旋转机构与信号处理器相连，信号处理器与显示控制终端相连。
上述雷达发射天线与接收天线采用宽方位波束天线。
上述雷达收发前端由毫米波VCO、功分器、功率放大器、发射极化器、接收极化器、低噪声放大器、正交混频器、放大信道以及A/D模数变换组成；其中：毫米波VCO通过接口与旋转机构的接口相连接，通过汇流环与信号处理器模块的VCO非线性校正输出相连接；毫米波VCO的输出送入功分器分为两路，一路与功率放大器相连接，功率放大器与发射极化器相连接，发射极化器通过波导与发射天线相连接；接收极化器通过波导与接收天线相连接，接收极化器的输出与低噪声放大器相连接，低噪声放大器的输出与正交混频器相连接，正交混频器的本振由功分器的另一路输出提供，正交混频器的输出与放大滤波信道相连接、放大滤波信道与A/D模数变换相连接，A/D模数变换的数字信号通过接口与旋转机构的接口相连接。
上述发射极化器和接收极化器都采用垂直极化和水平极化可控极化器。
上述旋转机构由悬臂连接器、减速器、直流电机、光电码盘、上电缆接口、汇流环以及下电缆接口组成；其中悬臂连接器与悬臂相连接、悬臂连接器与减速器相连接、减速器与直流电机相连接、直流电机与光电码盘相连接、汇流环与直流电机相连接、上电缆接口和下电缆接口分别与汇流环相连接；汇流环起到将雷达收发前端信号与信号处理模块相连接的作用。
上述信号处理器包括距离压缩处理模块、数据缓存、方位压缩处理模块、极化信息处理模块、VCO非线性校正、方位信息读取以及多视变化检测组成；距离压缩处理模块通过接口接收上述旋转机构中汇流环端口传输下来的前端信号，并进行快速傅里叶变换分析实现距离压缩，距离压缩处理模块输出与数据缓存相连接，数据缓存按照接收的方位角度数据进行排列，形成方位-距离两维矩阵，数据缓存与方位压缩处理模块相连接，方位压缩模块中将对数据缓冲中形成的方位-距离数据矩阵沿着方位方向与方位核函数进行卷积处理，经过方位压缩后得到了在距离和方位两个方向上的压缩处理结果；方位压缩处理模块与极化信息处理模块相连接，在极化信息处理模块中将利用回波的不同极化信息区分地面杂波和人为异物，极化信息处理模块与多视变化检测模块相连接，在多视变化检测模块中通过对多次方位扫描扇区的数据进行对比，消除固定不变的地面反射因素，保留变化的异物因素；通过极化信息处理和多视变化检测处理实现对机场异物的可靠检测。
上述显示控制终端实现对上述压缩后数据的再处理，首先实现检测目标与背景的分离，通过方位与距离数据计算目标在机场的位置，并在机场跑道地理信息上进行目标标注，将目标信息以及机场跑道地理信息在终端显示器上进行显示，并构建检测目标数据库存储检测的目标。
本发明的有益效果是：
本发明针对线性调频连续波系统，通过宽带线性调频实现高的距离分辨率，通过实现天线半圆弧轨迹旋转构建合成孔径，从而实现高的方位分辨，减少地面杂波单元的面积，实现对跑道碎片小目标的检测。
本发明的工作过程是：
在机场环境下在机场跑道边架设本发明系统，首先将支架和旋转机构架设，安装悬臂和雷达收发前端与发射与接收天线，将信号处理器和显示控制终端放在合适的位置，连接收发前端到信号控制器间电缆，通过控制旋转机构电机实现雷达收发前端及发射与接收天线的旋转，光电码盘实时记录转动角度并存储和送入信号处理模块。雷达发射与接收天线在旋转的同时向机场跑道检测区域辐射电磁波，天线旋转的范围要以机场跑道为中心，产生的电磁波信号是包含了宽带测距信号的低相位噪声的微波信号。为了实现宽带扫频信号，本发明采用宽带VCO实现微波信号的线性扫频控制，为了实现扫频的线性度，在信号处理模块中VCO控制曲线进行了预校正。雷达发射信号送入发射天线，照射到跑道目标区域后跑道表面区域反射回到雷达接收天线，送入收发前端的低噪声放大器，经过放大后的信号送入正交混频器中，正交混频器的本振由发射信号的分路信号产生，正交混频器输出两路正交视频信号经过放大滤波信道，将信号送入A/D模数变换实现信号的数字化。数字化的回波信号与旋转机构角度数据经电缆送入信号处理模块，信号处理模块将获取的回波信号按照扫频时序进行快速傅里叶变换，变换的结果按照角度数据进行排列并缓存，在数据整理模块对数据进行按照测距信号周期（角度）进行排列，形成方位-距离两维矩阵，数据缓存与方位压缩处理模块相连接，方位压缩模块中将对数据缓冲中形成的方位-距离数据矩阵沿着方位方向与方位核函数进行卷积处理，经过方位压缩后得到了在距离和方位两个方向上的压缩处理结果。方位压缩处理模块与极化信息处理模块相连接，在极化信息处理模块中将利用回波的不同极化信息区分地面杂波和人为异物，极化信息处理模块与多视变化检测模块相连接，在多视变化检测模块中通过对多次方位扫描扇区的数据进行对比，消除固定不变的地面反射因素，保留变化的异物因素。通过极化信息处理和多视变化检测处理实现对机场异物的可靠检测。
附图说明：
图1是本发明机场跑道异物检测系统示意图；
图2是本发明雷达收发前端组成框图；
图3是旋转机构组成框图；
图4是信号处理组成框图；
图5是显示控制终端的处理流程图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1显示了一种机场跑道异物检测系统框图，其采用半圆弧运动雷达收发前端和天线，通过宽带线性调频以及孔径形成的方法实现对机场跑道异物的高分辨检测。机场跑道异物检测系统由8mm波段发射接收天线、雷达收发前端1、悬臂5、旋转机构2、支架6、信号处理器3以及显示控制终端4组成。其中发射与接收天线与雷达收发前端1通过波导相连，并且由悬臂5支撑，悬臂5和支架6上的旋转机构相连接，雷达收发前端1通过旋转机构2与信号处理器3相连，信号处理器3与显示控制终端4相连。信号处理器3与显示控制终端4可以放入监控室中。
上述雷达发射天线与接收天线采用宽方位波束天线以使在雷达天线随转动机构旋转过程中能够始终照射机场跑道探测区域。
上述雷达收发前端的组成框图由图2所示，雷达收发前端通过波导与雷达收发天线连接，雷达收发前端由毫米波VCO、功分器、功率放大器、发射极化器、接收极化器、低噪声放大器、正交混频器、放大信道以及A/D模数变换组成。其中毫米波VCO通过接口1-4与旋转机构的接口2-3相连接，通过汇流环与信号处理器模块的VCO非线性校正输出相连接；毫米波VCO的输出送入功分器分为两路，一路与功率放大器相连接，功率放大器与发射极化器相连接，发射极化器通过波导与发射天线相连接；接收极化器通过波导与接收天线相连接，接收极化器的输出与低噪声放大器相连接，低噪声放大器的输出与正交混频器相连接，正交混频器的本振由功分器的另一路输出提供，正交混频器的输出与放大信道相连接、放大信道与A/D模数变换相连接，A/D模数变换的数字信号通过接口1-3与旋转机构的接口2-3相连接。
上述发射极化器和接收极化器都采用垂直极化和水平极化可控极化器。
上述A/D模数变换后的信号形式如式（1）所示
S m ( m T 1 , n T 2 ) = ΣΣA ( R ) K R
exp ( jπα ( - 2 τ R m T 1 + τ R 2 ) exp ( j 2 π f 0 τ R )
m=1,2，...,M.0<mT1<T2   (1)
式中S为回波信号的数字形式，m,n分别为在距离和方位方向上的数据采样样本序号，α为线性调频斜率，τR是目标的延时时间，T1、T2分别为采样时间和扫频周期，f0为发射信号载波频率，A(R)为回波信号幅度随极化变化，KR为变环系数。
上述旋转机构如图3所示，包括悬臂连接器、减速器、直流电机、光电码盘、上电缆接口2-3、汇流环以及下电缆接口2-2组成。其中悬臂连接器与悬臂相连接、悬臂连接器与减速器相连接、减速器与直流电机相连接、直流电机与光电码盘相连接、汇流环与直流电机相连接、上电缆接口2-3和下电缆接口2-2分别与汇流环相连接。汇流环起到将收发前端信号与信号处理模块相连接的作用。
上述信号处理器如图4所示，包括距离压缩处理模块、数据缓存、方位压缩处理模块、极化信息处理模块VCO非线性校正、方位信息读取以及多视变化检测组成。距离压缩处理模块通过接口3-3接收上述旋转机构中汇流环端口传输下来的前端信号，并进行快速傅里叶变换（FFT）分析实现距离压缩，距离压缩处理模块输出与数据缓存相连接，数据缓存按照接收的方位角度数据进行排列，形成方位-距离两维矩阵，方位-距离两维数据可以由式（2）表示，数据缓存与方位压缩处理模块相连接，方位压缩模块中将对数据缓冲中形成的方位-距离数据矩阵沿着方位方向与方位核函数进行卷积处理，方位核函数可以由式（3）表示，经过方位压缩后得到了在距离和方位两个方向上的压缩处理结果。方位压缩处理模块与极化信息处理模块相连接，在极化信息处理模块中将利用回波的不同极化信息区分地面杂波和人为异物，极化信息处理模块与多视变化检测模块相连接，在多视变化检测模块中通过对多次方位扫描扇区的数据进行对比，消除固定不变的地面反射因素，保留变化的异物因素。通过极化信息处理和多视变化检测处理实现对机场异物的可靠检测。
Sm(m,n)=exp{jπkc{-2R0αm
+2f0Lcos(ω(m+n))   (2)
+jπkc{-2Lαcos(ω(m+n))m}}
其中L为悬臂长度，kc=2/C;
hkenel ( n ) = exp ( - j 2 &pi; 2 f 0 C L cos ( &omega;n ) ) - - - ( 3 )
上述显示控制终端处理流程如图5所示，实现对上述压缩后数据的再处理，首先实现检测目标与背景的分离，通过方位与距离数据计算目标在机场的位置，并在机场跑道地理信息上进行目标标注，将目标信息以及机场跑道地理信息在终端显示器上进行显示。并构建检测目标数据库存储检测的目标，形成工作日志。

Claims (7)

1.一种机场跑道异物检测系统，其特征在于：由雷达发射与接收天线、雷达收发前端、悬臂、旋转机构、信号处理器以及显示控制终端组成；其中：发射与接收天线与雷达收发前端通过波导相连，雷达收发前端通过旋转机构与信号处理器相连，信号处理器与显示控制终端相连。
2.根据权利要求1所述的一种机场跑道异物检测系统，其特征在于：上述雷达发射天线与接收天线采用宽方位波束天线。
3.根据权利要求1所述的一种机场跑道异物检测系统，其特征在于：上述雷达收发前端由毫米波VCO、功分器、功率放大器、发射极化器、接收极化器、低噪声放大器、正交混频器、放大信道以及A/D模数变换组成；其中：毫米波VCO通过接口与旋转机构的接口相连接，通过汇流环与信号处理器模块的VCO非线性校正输出相连接；毫米波VCO的输出送入功分器分为两路，一路与功率放大器相连接，功率放大器与发射极化器相连接，发射极化器通过波导与发射天线相连接；接收极化器通过波导与接收天线相连接，接收极化器的输出与低噪声放大器相连接，低噪声放大器的输出与正交混频器相连接，正交混频器的本振由功分器的另一路输出提供，正交混频器的输出与放大滤波信道相连接、放大滤波信道与A/D模数变换相连接，A/D模数变换的数字信号通过接口与旋转机构的接口相连接。
4.根据权利要求1所述的一种机场跑道异物检测系统，其特征在于：上述旋转机构由悬臂连接器、减速器、直流电机、光电码盘、上电缆接口、汇流环以及下电缆接口组成；其中悬臂连接器与悬臂相连接、悬臂连接器与减速器相连接、减速器与直流电机相连接、直流电机与光电码盘相连接、汇流环与直流电机相连接、上电缆接口和下电缆接口分别与汇流环相连接；汇流环起到将雷达收发前端信号与信号处理模块相连接的作用。
5.根据权利要求1所述的一种机场跑道异物检测系统，其特征在于：上述信号处理器包括距离压缩处理模块、数据缓存、方位压缩处理模块、极化信息处理模块、VCO非线性校正、方位信息读取以及多视变化检测组成；距离压缩处理模块通过接口接收上述旋转机构中汇流环端口传输下来的前端信号，并进行快速傅里叶变换分析实现距离压缩，距离压缩处理模块输出与数据缓存相连接，数据缓存按照接收的方位角度数据进行排列，形成方位-距离两维矩阵，数据缓存与方位压缩处理模块相连接，方位压缩模块中将对数据缓冲中形成的方位-距离数据矩阵沿着方位方向与方位核函数进行卷积处理，经过方位压缩后得到了在距离和方位两个方向上的压缩处理结果；方位压缩处理模块与极化信息处理模块相连接，在极化信息处理模块中将利用回波的不同极化信息区分地面杂波和人为异物，极化信息处理模块与多视变化检测模块相连接，在多视变化检测模块中通过对多次方位扫描扇区的数据进行对比，消除固定不变的地面反射因素，保留变化的异物因素；通过极化信息处理和多视变化检测处理实现对机场异物的可靠检测。
6.根据权利要求1所述的一种机场跑道异物检测系统，其特征在于：上述显示控制终端实现对上述压缩后数据的再处理，首先实现检测目标与背景的分离，通过方位与距离数据计算目标在机场的位置，并在机场跑道地理信息上进行目标标注，将目标信息以及机场跑道地理信息在终端显示器上进行显示，并构建检测目标数据库存储检测的目标。
7.根据权利要求3所述的一种机场跑道异物检测系统，其特征在于：上述发射极化器和接收极化器都采用垂直极化和水平极化可控极化器。
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