CN103149563A - 机场跑道异物二维探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机场跑道异物二维探测系统，包括转台和雷达，其特征在于还包括一雷达臂，臂长至少为2米，所述雷达臂的一端固定有雷达，另一端固定在所述转台上以使所述雷达能够随所述转台而转动；所述转台，用于承载雷达进行转动，其每次旋转的步进角度为α，α≤0.2度，每个角度上停留一段时间以便雷达在该角度位置发射和接收雷达信号；雷达采用频率步进体制，雷达中心频率采用16GHz，发射信号带宽为4GHz，步进频率为3MHz，当雷达随转台转过一定的角度之后得到来自目标区域的总的回波信号，然后用滤波-反投影算法对采集到的总的回波信号进行处理得到目标的二维信息。通过本发明技术方案，能够克服场地小的限制，在较小的场地实现对静目标的二维成像。

Description

机场跑道异物二维探测系统及方法

技术领域

本发明提供一种机场跑道管理装置，尤其是一种用于对机场跑道异物进行二维探测的系统及方法。

背景技术

机场跑道异物FOD（Foreign Object Debris）是指可能损伤飞机或系统的某种外来的物质、碎屑或物体，FOD带来的危害会损坏飞机、夺去宝贵的生命以及带来巨大的经济损失。

在现有的机场跑道异物FOD探测系统中，应用较为广泛的有四种，分别是英国Qinetiq公司开发的Tarsier系统、以色列开发的FODetect系统、美国开发的FOD Finder系统和新加坡开发的iFerret系统。其中，前三种系统均采用毫米波雷达探测为主，视频图像识别技术为辅的手段来探测FOD；而iFerret系统只采用视频图像识别技术进行FOD的探测，其通过在跑道上每隔一定间距安装一先进的高分辨率功能的摄像机，自动探测和辨认跑道上的障碍物。

目前，针对FOD目标探测的毫米波雷达成像算法全部是对FOD目标进行一维探测。例如，以色列Xsight公司的FODetect中配备了77GHz的毫米波雷达和摄像设备，在不同的位置跑道边灯上安装多个道面检测单元(SDU)，每个SDU都对跑道中的区域进行扫描，发现FOD后可以立即向机场管理人员发出报警信息，告知FOD的位置，而后设备会拉近镜头，提供FOD的视频图像以协助机场管理人员将FOD取走。

图1示出了FODetect系统的结构示意图。该系统包括：毫米波雷达1、视频摄像头2、近红外传感器3、激光指示器4和转台控制单元5。该系统中的毫米波雷达发射频率为77GHz的连续波，在辐射范围内采集到的回波数据进行一维成像的处理，得到雷达照射范围内的一维像，然后由视频摄像头等辅助得到目标的视频图像，确定目标的准确位置。在FODetect中，每个道面检测单元SDU中的毫米波雷达成像部分采用传统的一维成像的算法，具体流程为：通过将毫米波雷达在跑道某一区域内采集到的数据传送到数据处理单元，对该数据进行一维FFT变换得到该区域内目标的一维分辨。当发现有目标存在时，探测系统会发出警报，摄像机拉近镜头提供图像，而在夜间，有激光指示器协助将FOD目标取走。

在图1所示的结构中，可以看到雷达天线的位置是固定的，当系统工作，天线转动时候，雷达围绕相位中心旋转，雷达与FOD目标之间的相对距离并没有变化，因此只能得到目标的一维距离信息。如果想要得到FOD目标的二维信息，即通过毫米波雷达既得到距离信息，又能判定方位信息，用图1所示结构的雷达是不能够实现的。

而现有的、较为成熟的用于静目标二维成像探测的系统大多为机载SAR和星载SAR成像，用这两种雷达对跑道上的目标进行二维探测，成本过高，而且场地有限，实现起来较为困难。因此，现有的系统以及算法很难得到FOD目标的二维像。

发明内容

为此，本发明设计了一种新型的合成孔径雷达(SAR)成像的方案，从而提供了一种机场跑道FOD二维检测系统及方法。

本发明提供了一种机场跑道异物二维探测系统，包括转台和雷达，其特征在于还包括一雷达臂，臂长至少为2米，以保证雷达在不同的角度位置到目标能够有相位的变化从而实现对二维的分辨，所述雷达臂的一端固定有雷达，另一端固定在所述转台上以使所述雷达能够随所述转台而转动；其中

所述转台，用于承载雷达进行转动，其每次旋转的步进角度为α，α≤0.2度，每个角度上停留一段时间以便雷达在该角度位置发射和接收雷达信号；

所述雷达，采用频率步进体制，雷达中心频率采用16GHz，发射信号带宽为4GHz，步进频率为3MHz，在每一个角度位置发射频率步进体制的宽频信号。

进一步，所述转台的转动的角度范围为60°，所述步进角度为0.01度，每个角度上停留0.5ms。

进一步，所述系统还包括一显示单元，用于将跑道异物的二维信息显示在所述显示单元上。

进一步，所述雷达在频带内从低频到高频依次发射/接收多个单频信号，并将接收到的单频信号与发射的基准信号混频到固定的中频频率上，然后进行正交解调以获得接收信号的幅度和相位，当积累一定的角度范围数据之后，进行合成孔径成像。

进一步，所述系统还包括一红外热成像摄像头，当雷达发现跑道异物后，所述红外热成像摄像头根据雷达探测的二维位置信息对发现的所述跑道异物进行拍照，以确认其威胁等级。

本发明还提供了一种使用上述的机场跑道异物二维探测系统进行探测的方法，包括：

所述转台通过雷达臂使雷达旋转，所述雷达臂长为r；以雷达旋转中心O为坐标原点建立静止的x-y坐标系，同时以雷达旋转中心O为坐标原点建立旋转的u-v坐标系，其中v轴由雷达旋转中心O指向雷达，v轴绕O点顺时针旋转90°得到u轴；对任一点，其在x-y坐标系的坐标为(x,y)，在u-v坐标系中的坐标为(u,v)，在两组坐标系中的坐标存在如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}u=x\·\cos \mathrm{\θ}-y\·\sin \mathrm{\θ}\\ v=x\·\sin \mathrm{\θ}+y\·\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中θ为u-v坐标系与x-y坐标系之间的旋转角度，并且该点与雷达的距离为 $R=\sqrt{{(v-r)}^2+u^2};$

在每一个测试角度θ上，所述雷达以频率步进的形式从低频到高频依次发射/接收单频信号，当雷达随转台积累一定的角度之后，得到来自目标区域的总的回波信号G(k,θ)，其中k=2(f-f_min)/c，c为光速，f为雷达发射的单频信号的频率，按照下述的公式

$P_{\mathrm{\θ}}\left(l\right)={\∫}_0^{K_b}(k+k_{\min })G(k+k_{\min },\mathrm{\θ})\exp \left(j2\mathrm{\πkl}\right)\mathrm{dk}$

$\hat{g}(x,y)={\∫}_{{\mathrm{\θ}}_{\min }}^{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{P}_{\mathrm{\θ}}\left(l\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}{k}_{\min }l\right)\mathrm{d\θ}$

即可得到目标的二维信息

其中l=R且是x,y的函数，k_min=2f_min/c，f_min为雷达发射的单频信号的最小频率，K_b=2B/c，B为雷达的带宽。

以这种方式实现的FOD二维探测系统，可以将现有的FOD探测从一维探测改进为对目标的二维成像，也避免了现有的二维成像方案中需要较大的场地限制，降低了系统的成本，能够在有限的场地下，实现对静目标的二维成像，降低了二维探测的成本并提高了现有FOD探测系统的探测水平。

附图说明

图1为FODetect系统的结构示意图；

图2为本发明的FOD二维探测系统的结构示意图；

图3为采用发明所述系统的成像方法时，对FOD进行二维探测的雷达与目标之间的关系示意图；

图4为本发明的FOD探测系统的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

依据合成孔径成像原理，雷达能够对物体进行二维分辨必须要有相对位置的变化。由于是对静目标进行探测，因此本方案采用雷达转动的方式。

图2为本发明提出的FOD二维探测系统的结构示意图。该系统包含一个高精度转台6，高精度转台6上固定着雷达臂10的一端，雷达臂10的另外一端连接着雷达9，使雷达9能够以雷达臂10的一个端点为圆心转动。此外，为了能快速的提取机场跑道异物目标的各种特征，判断其对机场跑道的威胁等级，及时报警，并有效避免光照、天气等因素的影响，系统又引入红外热成像摄像机11系统辅助对跑道异物目标进行检测和识别。

在高精度转台6的每个测试角度上，雷达9发射一个宽频信号并接收来自目标区域的回波信号，当积累一定的角度对应的信号时，得到总的目标区域回波信号。利用滤波-反投影算法对该总的目标区域回波信号进行处理，就可以得到目标区域的目标二维像。雷达可以采用频率步进体制，雷达中心频率采用16GHz，发射信号带宽为4GHz，步进频率为3MHz，在每一个角度位置发射频率步进体制的宽频信号

雷达臂10的设置是为了满足合成孔径成像中雷达与探测物之间必须要有相对位置变化这一条件，从而避免了雷达围绕天线的相位中心旋转，而是使其围绕一定的半径进行目标的探测。雷达臂的长度至少为2m，既保证了雷达在不同角度位置与目标之间的相位变化，又能够有效的对目标进行分辨。

转台必须要求是高精度的。由于采用的是雷达旋转的方式进行数据的采集，如果要得到目标的二维信息，需要在尽可能多的位置上得到雷达探测数据，当对一个目标进行探测的位置越多，其二维探测的效果越明显。假设转台旋转的步进角为α，其中α≤0.2度，在每个角度上雷达9都发射一个宽带信号，并对信号的回波进行采集。例如，一种转台，其转动的角度范围可达60°，步进角度为0.01度，每个角度上停留0.5ms以便每个雷达在该角度位置发射和接收雷达信号。

将采集到的回波数据传送到数据处理单元7，利用滤波-反投影的算法对采集到的回波数据进行处理，再将经过处理之后的数据与红外摄像头11探测到的数据信息融合之后反馈到显示单元8上，工作人员即可清楚地得到FOD目标的二维信息。

为了在小范围内对静目标进行二维成像，必须在现有的SAR成像技术上进行改进，才能得到适合本发明FOD二维探测系统的成像技术。本发明提出的FOD二维探测系统采用频率步进体制来获得宽频带的信号数据，在每一个测试角度上，该系统在频带内从低频到高频依次发射/接收多个单频信号，并将接收到的单频信号与发射的基准信号混频到固定的中频频率上，然后进行正交解调以获得接收信号的幅度和相位，当积累一定的角度范围数据之后，就可以进行合成孔径成像。

当雷达探测到FOD目标的时候，用红外摄像头11对其进行拍照，以确认其安全等级，以便采取下一步措施。

图3为采用发明所述系统的成像方法时，对FOD进行二维探测的雷达与目标之间的关系示意图。图3中阴影的部分表示待测区域。所述雷达固定在跑道的一侧。以雷达旋转中心O为坐标原点建立静止的x-y坐标系，同时以雷达旋转中心O为坐标原点建立旋转的u-v坐标系，其中v轴由雷达旋转中心O指向雷达，v轴绕O点顺时针旋转90°得到u轴。由于被测物是静目标，x-y坐标系用于固定目标的坐标系，该坐标系为一个定坐标，坐标原点O即为旋转中心。而基于雷达9的u-v坐标系则围绕坐标原点O旋转，以雷达所在直线为v轴，雷达到旋转中心O的距离（即雷达臂10的长度）r为一常数，两个坐标系之间的旋转角度为θ。对任一点，其在x-y坐标系的坐标为(x,y)，在u-v坐标系中的坐标为(u,v)，在两组坐标系中的坐标存在如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}u=x\·\cos \mathrm{\θ}-y\·\sin \mathrm{\θ}\\ v=x\·\sin \mathrm{\θ}+y\·\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

并且该点与雷达的距离为

雷达发射单频信号，其频率为f，c为光速，则空间频率k可以表示为：k=2(f-f_min)/c。由此得到雷达总的接收信号为：

$G(k,\mathrm{\θ})={\∫\∫}_{-\∞}^{\∞}g(x,y)\exp (-j2\mathrm{\πkR})\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

其中g(x,y)表示目标的反射密度在x-y平面上的投影。

对G(k,θ)作二维逆傅里叶变换，便得到目标图像的估值：

$\hat{g}(x,y)={\∫}_{{\mathrm{\θ}}_{\min }}^{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\∫}_{k_{\min }}^{k_{\max }}\mathrm{kG}(k,\mathrm{\θ})\exp \left(j2\mathrm{\πkR}\right)\mathrm{dkd\θ}---\left(3\right)$

将以及x-y与u-v间的坐标关系带入，得到的实际上是一个极坐标格式下的二维傅里叶变换，由于到目前还没有极坐标格式下的快速傅里叶变换算法，所以此积分采用CT技术中的滤波-反投影算法来进行计算。

在上面的重建公式中把对k的积分看成以参量l=R的逆傅立叶变换，经过推导，再现

就变成：

$P_{\mathrm{\θ}}\left(l\right)={\∫}_0^{K_b}(k+k_{\min })G(k+k_{\min },\mathrm{\θ})\exp \left(j2\mathrm{\πkl}\right)\mathrm{dk}---\left(4\right)$

$\hat{g}(x,y)={\∫}_{{\mathrm{\θ}}_{\min }}^{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{P}_{\mathrm{\θ}}\left(l\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}{k}_{\min }l\right)\mathrm{d\θ}---\left(5\right)$

其中，k_min=2f_min/c为空间频率，f_min为雷达发射的单频信号的最小频率，K_b=2B/c，B为雷达的带宽，以上两个式子就组成了滤波-反投影的基本公式。其中式(4)为滤波过程，它所表示的是在两维耦合下距离向的合成，得到高分辨距离分布图，该步骤可以直接通过FFT来实现；式（5）实际上是一个反投影的过程，它是一个在横向上聚焦的过程。通过以上方式，得到FOD目标的二维信息。

图4为本发明的FOD探测系统的工作流程图。如图4所示，利用对机场跑道异物进行二维探测的系统测量FOD的方法，包括：

(1)系统启动；

(2)利用雷达开始对机场跑道进行不间断扫描；

(3)当雷达检测到异物时，启动实时警报，并将目标距离位置信息发给红外热成像系统，由红外热成像系统对机场跑道异物进行拍照；

(4)数据采集单元对获得的数据进行信息融合、识别，并给出威胁等级；

(5)数据采集单元将完成识别的数据传送给监控中心，如果红外热成像系统未能完成识别，则监控中心可手动操控雷达和红外图像对目标进行人工验证与确认，监控中心决定是否需要清理。

(6)收到监控中心清除机场跑道异物指令后，清理人员回收异物，并把清理信息与异物现场数据上传监控中心，监控中心整理数据并保存。

Claims (6)

1.一种机场跑道异物二维探测系统，包括转台和雷达，其特征在于还包括一雷达臂，臂长至少为2米，以保证雷达在不同的角度位置到目标能够有相位的变化从而实现对二维的分辨，所述雷达臂的一端固定有雷达，另一端固定在所述转台上以使所述雷达能够随所述转台而转动；其中

所述转台，用于承载雷达进行转动，其每次旋转的步进角度为α，α≤0.2度，每个角度上停留一段时间以便雷达在该角度位置发射和接收雷达信号；

所述雷达，采用频率步进体制，雷达中心频率采用16GHz，发射信号带宽为4GHz，步进频率为3MHz，在每一个角度位置发射频率步进体制的宽频信号。

2.如权利要求1所述的系统，所述转台的转动的角度范围为60°，所述步进角度为0.01度，每个角度上停留0.5ms。

3.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括一显示单元，用于将跑道异物的二维信息显示在所述显示单元上。

4.如权利要求1所述的系统，所述雷达在频带内从低频到高频依次发射/接收多个单频信号，并将接收到的单频信号与发射的基准信号混频到固定的中频频率上，然后进行正交解调以获得接收信号的幅度和相位，当积累一定的角度范围数据之后，进行合成孔径成像。

5.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括一红外热成像摄像头，当雷达发现跑道异物后，所述红外热成像摄像头根据雷达探测的二维位置信息对发现的所述跑道异物进行拍照，以确认其威胁等级。

6.一种使用如权利要求1所述的机场跑道异物二维探测系统进行探测的方法，包括：

所述转台通过雷达臂使雷达旋转，所述雷达臂长为r；以雷达旋转中心O为坐标原点建立静止的x-y坐标系，同时以雷达旋转中心O为坐标原点建立旋转的u-v坐标系，其中v轴由雷达旋转中心O指向雷达，v轴绕O点顺时针旋转90°得到u轴；对任一点，其在x-y坐标系的坐标为(x,y)，在u-v坐标系中的坐标为(u,v)，在两组坐标系中的坐标存在如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}u=x\·\cos \mathrm{\θ}-y\·\sin \mathrm{\θ}\\ v=x\·\sin \mathrm{\θ}+y\·\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中θ为u-v坐标系与x-y坐标系之间的旋转角度，并且该点与雷达的距离为 $R=\sqrt{{(v-r)}^2+u^2};$

在每一个测试角度θ上，所述雷达以频率步进的形式从低频到高频依次发射/接收单频信号，当雷达随转台积累一定的角度之后，得到来自目标区域的总的回波信号G(k,θ)，其中k=2(f-f_min)/c，c为光速，f为雷达发射的单频信号的频率，按照下述的公式

$P_{\mathrm{\θ}}\left(l\right)={\∫}_0^{K_b}(k+k_{\min })G(k+k_{\min },\mathrm{\θ})\exp \left(j2\mathrm{\πkl}\right)\mathrm{dk}$

$\hat{g}(x,y)={\∫}_{{\mathrm{\θ}}_{\min }}^{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{P}_{\mathrm{\θ}}\left(l\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}{k}_{\min }l\right)\mathrm{d\θ}$

即可得到目标的二维信息

其中l=R且是x,y的函数，k_min=2f_min/c，f_min为雷达发射的单频信号的最小频率，K_b=2B/c，B为雷达的带宽。

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