CN107132585A - 雷达系统及机场跑道异物的监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达系统及机场跑道异物的监测系统，包括频综模块、发射链路、接收链路、天馈模块以及信号处理模块；所述天馈模块包括发射天线和接收天线；所述频综模块用于根据参考信号和调频信号产生X波段发射信号和X波段本振信号；所述发射链路用于将所述X波段发射信号倍频为W波段发射信号传输至所述发射天线发出；所述接收链路用于将所述X波段本振信号倍频为W波段本振信号，并将所述W波段本振信号和所述接收天线接收的回波信号混频产生一第一中频信号；以及所述信号处理模块用于根据所述第一中频信号得到一输出结果。本发明的提高了天线收发的频段带宽，具有占地面积小、高分辨率等优点，适用于机场跑道上微小物体的监测。

Description

雷达系统及机场跑道异物的监测系统

技术领域

本发明属于雷达探测领域，尤其涉及一种适用于微小物体探测的雷达系统。

背景技术

FOD是Foreign Object Debris的缩写，泛指可能损伤航空器或系统的某种外来的物质，常称为跑道异物。

FOD的种类相当多，如飞机和发动机连接件(螺帽、螺钉、垫圈、保险丝等)、机械工具、飞行物品(钉子、私人证件、钢笔、铅笔等)、野生动物、树叶、石头和沙子、道面材料、木块、塑料或聚乙烯材料、纸制品、运行区的冰碴等等。

FOD的危害非常严重，实验和案例都表明，机场道面上的外来物可以很容易被吸入到发动机，导致发动机失效。碎片也会堆积在机械装置中，影响起落架、襟翼等设备的正常运行。据保守估计，每年全球因FOD造成的直接损失至少在30-40亿美元。FOD不仅会造成巨大的直接损失，还会造成航班延误、中断起飞、关闭跑道等间接损失，间接损失至少为直接损失的4倍。

目前，对于FOD的检测手段有如下几种：

利用雷达和光电混合检测已经成为国际公认的最为有效的方法，而此类FOD探测系统的核心部件就是高分辨率雷达。首先由雷达实现对微小物体的探测，利用雷达探测结果引导光电设备确认并清除。

由于机场跑道异物多为微小物体，因此FOD探测雷达的最关键指标是分辨率，分辨率越高，能够探测到的物体越小。雷达有限带宽决定雷达的分辨率，而为达到高带宽，必须选用毫米波段雷达。现有毫米波雷达通常为24GHz和77GHz波段雷达，相对于机场异物来说存在因分辨率不足而无法探测的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种占地面积小、能够探测微小物体的高分辨率雷达系统。本发明的另一目的在于提供一种基于上述雷达系统的机场跑道异物的监测系统。

为实现上述目的，本发明的雷达系统包括频综模块、发射链路、接收链路、天馈模块以及信号处理模块；

所述天馈模块包括发射天线和接收天线；

所述频综模块用于根据参考信号和调频信号产生X波段发射信号和X波段本振信号；

所述发射链路用于将所述X波段发射信号倍频为W波段发射信号传输至所述发射天线发出；

所述接收链路用于将所述X波段本振信号倍频为W波段本振信号，并将所述W波段本振信号和所述接收天线接收的回波信号混频产生一第一中频信号；以及

所述信号处理模块用于根据所述第一中频信号得到一输出结果。

进一步，所述频综模块包括发射频综和本振频综；

所述发射频综根据所述参考信号和所述调频信号产生所述X波段发射信号；

所述本振频综根据所述参考信号和所述调频信号产生所述X波段本振信号。

进一步，还包括：

接收模块，用于将所述第一中频信号转换为第二中频信号输出至所述信号处理模块，所述信号处理模块对所述第二中频信号处理得到所述输出结果。

进一步，所述本振频综包括振荡器、锁相器、混频器和倍频器；

所述振荡器用于产生所述参考信号；

所述锁相器用于将所述参考信号进行锁相处理后输出一第二本振信号以及向所述混频器输出一信号；

所述混频器用于将所述调频信号和所述信号混频后传输至所述倍频器；

所述倍频器将混频后的信号进行倍频处理后产生所述X波段本振信号。

进一步，所述接收模块包括混频器和滤波器；

所述混频器用于将所述第一中频信号和所述第二本振信号混频；

所述滤波器用于将混频后的信号进行滤波产生所述第二中频信号。

进一步，所述发射频综包括第一倍频器、混频器和第二倍频器；

所述第一倍频器将倍频处理后的信号经所述混频器混频输出至所述第二倍频器；所述第二倍频器进行再次倍频处理后产生所述X波段发射信号。

进一步，所述发射链路包括8倍频器和滤波器；

所述8倍频器将所述X波段发射信号进行倍频处理；

所述滤波器将经倍频处理后的信号进行滤波向所述发射天线输出所述W波段发射信号。

进一步，所述接收链路包括混频器、8倍频器和滤波器；

所述8倍频器将所述X波段本振信号进行倍频处理；

所述滤波器将经倍频处理后的信号进行滤波；

所述混频器将所述回波信号和经滤波处理后的信号进行混频产生所述第一中频信号。

进一步，所述W波段发射信号的频率为91GHz-96GHz。

进一步，所述雷达系统用于机场跑道上物体的探测。

本发明还提供一种机场跑道异物的监测系统，包括多个FOD监测点、FOD网络和控制中心；

所述FOD监测点包括上述雷达系统和光学传感器，用于根据所述雷达系统和所述光学传感器监测的数据反馈异物信息；

所述FOD网络，用于获得所述FOD监测点反馈的异物信息；

所述控制中心，获得所述FOD网络传输的所述异物信息，并发送清理异物指令。

本发明的雷达系统在频综模块、发射链路和接收链路的配合下产生W波段的发射信号和本振信号，提高了天线收发的频段带宽，具有占地面积小、高分辨率等优点，适用于机场跑道上微小物体的监测。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

图1为本发明一实施例的雷达系统的结构框图；

图2为本发明一实施例雷达系统的发射频综的结构框图；

图3为本发明一实施例雷达系统的本振频综的结构框图；

图4为本发明一实施例雷达系统的接收模块/LFM源的结构框图；

图5为本发明一实施例雷达系统的发射链路的结构框图；

图6为本发明一实施例雷达系统的接收链路的结构框图；

图7为本发明一实施例机场跑道异物的监测系统的结构框图。

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图中主要元件说明：

雷达系统1：频综模块2、发射链路3、接收链路4、天馈模块5、信号处理模块6、接收模块7

天馈模块5：发射天线51、接收天线52

频综模块2：发射频综21、本振频综22、2倍频器211、216、功分器212、锁相器213、混频器214、滤波放大器215、217、晶体振荡器221、功分器222、锁相器223、混频器224、滤波放大器225、227、2倍频器226；

放大器71、74、76、混频器72、功分器73、数控衰减器75、滤波器77

X波段的发射信号S1、X波段的本振信号S2、参考信号S3、调频信号S4、回波信号S5、第一中频信号S6、第二中频信号S7、第二本振信号S8、W波段发射信号S1’、W波段本振信号S2’

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

如图1所示，本发明的雷达系统1包括频综模块2、发射链路3、接收链路4、天馈模块5以及信号处理模块6。

所述天馈模块5包括发射天线51和接收天线52。发射天线51和接收天线52完成毫米波信号的发射和接收，发射天线51和接收天线52可以通过天线支架完成固定和角度调节的功能。

所述频综模块2用于根据参考信号和调频信号产生X波段发射信号S1和X波段本振信号S2。参考信号S3可以根据发射信号S1的频率而预先设定，例如以40MHz时钟信号作为参考信号，进而根据参考信号S3生成调频信号S4，频综模块2经滤波、放大和功分后，分别生成X波段的发射信号S1和X波段的本振信号S2。

所述发射链路3用于将所述X波段发射信号S1倍频为W波段发射信号S1’传输至所述发射天线51发出。发射链路3将输入的低频信号倍频和放大后得到需要的W波段发射信号S1’。其中，W波段发射信号S1’的频率可以为91GHz-96GHz，相较于现有24GHz和77GHz波段毫米波具有更高带宽、更高分辨率等优点，适用于机场跑道微小异物的监测。

所述接收链路4用于将所述X波段本振信号S2倍频为W波段本振信号S2’，并将所述W波段本振信号S2’和所述接收天线52接收的回波信号S5混频产生第一中频信号S6。

所述信号处理模块6用于根据所述第一中频信号S6可以得到是否存在机场跑道异物(以下简称FOD)以及FOD的距离等输出结果。

本发明的雷达系统在频综模块、发射链路和接收链路的配合下产生W波段的发射信号和本振信号，提高了天线收发的频段带宽，具有占地面积小、高分辨率等优点，适用于机场跑道上微小物体的监测。

在一实施例中，接收链路4和信号处理模块6之间还可以配置接收模块7。接收模块7用于将所述第一中频信号S6转换为频率更低的第二中频信号S6’输出至所述信号处理模块6，更加便于信号处理模块6对信号的采样，所述信号处理模块6对采样的第二中频信号进行处理得到是否存在机场跑道异物(以下简称FOD)以及FOD的距离等输出结果。

频综模块2包括发射频综21和本振频综22。如图2所示，发射频综21包括两个2倍频器211、216、功分器212、锁相器213、混频器214、两个滤波放大器215、217。第一2倍频器211、功分器212、锁相器213、混频器214、第一滤波放大器215、第二2倍频器216、第二滤波放大器217依照信号流转顺序依序配置。向第一2倍频器211输入40MHz参考信号S3，向混频器214输入调频信号S4，按照上述信号处理顺序，由功分器212向外部输出两路80MHz参考信号，第二滤波放大器215向外输出X波段发射信号S1。第一滤波放大器215为C波段滤波放大器，对混频器214输出的C波段信号进行滤波、放大处理，第二滤波放大器217为X波段滤波放大器，对第二2倍频器216输出的X波段信号进行滤波、放大处理后对外输出X波段发射信号S1。

其中，两个2倍频器可以选用Hittite公司的HMC369LP3，它的输出频率覆盖9.9～12.7GHz，输出功率为+4dBm。锁相器可以为5601.25MHz的PLL，5601.25MHz的PLL使用的鉴相器芯片可以选用Hittite公司的HMC704LP4，VCO为ZCOOM公司的SMA5750A-LF，采用小数分频，鉴相频率选取40MHz。环路带宽约70KHz，所以PLL的输出信号相位噪声的1KHz、10KHz取决于鉴相器和参考信号，100KHz取决于VCO。由于调频信号频率较低，如果使用一般的混频器，会导致杂散指标实现比较困难，为了保证留有足够的设计余量，可以选取TI公司的调制器TRF370417来实现混频器的功能，它的输出信号对本振抑制大于30dBc，对镜像抑制大于20dBc，同时后面再加上博伦介质滤波器对信号混频杂散的抑制作用，就可以满足指标。对于最终输出的X波段信号，先对其进行信号放大，放大器芯片型号为HMC451LP3。滤波器是博伦的腔体滤波器。以上发射频综各部件的选取仅是为了举例说明，并非对本发明进行限制，本领域技术人员可以根据实际需要选取其他型号的器件。

如图3所示，本振频综22包括晶体振荡器221、功分器222、锁相器223、混频器224、第一滤波放大器225、2倍频器226和第二滤波放大器227。晶体振荡器221、功分器222、锁相器223、混频器224、第一滤波放大器225、2倍频器226和第二滤波放大器227依照信号流转顺序依序配置。由晶体振荡器221产生40MHz参考信号S3，向混频器224输入调频信号S4，按照上述信号处理顺序，由功分器222向外部输出两路40MHz参考信号S3，锁相器223向外部输出第二本振信号S8，第二滤波放大器227向外输出X波段本振信号S2。第一滤波放大器225为C波段滤波放大器，对混频器224输出的C波段信号进行滤波、放大处理，第二滤波放大器227为X波段滤波放大器，对2倍频器226输出的X波段信号进行滤波、放大处理后对外输出X波段本振信号S2。

其中，晶体振荡器选取中电十三所的抗振温补晶体振荡器TXK15B-S-HT-R@40M。为目前体积最小的抗振温补晶体振荡器，相位噪声≤-140dBc/Hz@1kHz，符合指标要求。锁相器、混频器、C波段滤波放大器、倍频器、X波段滤波放大器的选型与发射频综21相同，均可以满足指标。以上本振频综各部件的选取仅是为了举例说明，并非对本发明进行限制，本领域技术人员可以根据实际需要选取其他型号的器件。

如图4所示，接收模块7包括第一放大器71、混频器72、功分器73、第二放大器74、数控衰减器75、第三放大器76和滤波器77。第一放大器71输入端与本振频综22的锁相器223的输出连接，向第一放大器71输入第二本振信号S8。混频器72的输入端与接收链路4的输出端连接，向混频器72输入第一中频信号S6。滤波器77对第三放大器76输出的信号进行滤波输出第二中频信号S7。

调频信号S4可以通过LFM源8对参考信号S3进行滤波、放大处理生成。LFM源8包括频率合成器81、滤波器82、放大器83和功分器84。频率合成器81、滤波器82、放大器83和功分器84依照信号流转顺序依次配置，频率合成器81的输入端与本振频综22的输出端连接，向频率合成器81输入参考信号S3，功分器84输出调频信号S4至发射频综21和本振频综22。图中接收模块7和LFM源8集成在一起，但本发明并不以此为限制，接收模块7和LFM源8也可以分开为两部分。

其中，频率合成器81可以选用AD9910芯片，AD9910芯片是ADI公司推出的1GHz的DDS芯片，它的无杂散动态范围可以达到-59dBc(0～400MHz)，我们通过选择合适的频点范围和定制的带通滤波器，可以将杂散控制在≤-66dBc。为了消除接收信号镜像频率的噪声干扰，混频器72选用Hittite公司的镜像抑制混频器HMC525LC4，功分器73选用中电十三所的90度功分器，实现信号的镜像抑制。实际测试结果，镜像抑制优于20dBc。为了提供50dB的动态范围，数控衰减器75可以选用两极Hittite公司的HMC424LP3芯片，一片提供20dB动态，另一片提供2dB、4dB、8dB和16dB动态。为了满足指标要求的增益值，需要对信号进行放大，可以选择比较常用的放大器芯片：例如Mini公司的MAR-6、MAR-8和ERA-5。以上接收模块各部件的选取仅是为了举例说明，并非对本发明进行限制，本领域技术人员可以根据实际需要选取其他型号的器件。

如图5所示，发射链路3包括8倍频器31和滤波器32。8倍频器31将所述X波段发射信号S1进行8倍频处理。所述滤波器32将经8倍频处理后的信号进行滤波向所述发射天线51输出所述W波段发射信号S1’。

如图6所示，接收链路4包括混频器41、8倍频器42和滤波器43。所述8倍频器42将所述X波段本振信号S2进行8倍频处理。所述滤波器43将经8倍频处理后的信号进行滤波。所述混频器41将接收天线52返回的回波信号S5和经滤波处理后的信号进行混频产生所述第一中频信号S6。

如图7所示，本发明的机场跑道异物的监测系统，包括多个FOD监测点91、FOD专用网络92、控制中心93、数据中心、移动终端94和机场专网。

FOD监测点91，包括上述雷达系统和光学传感器，用于根据所述雷达系统和所述光学传感器监测的数据反馈异物信息

FOD专用网络92获得每个FOD监测点91发出的监测点回传信息；获得机场专用网络92发送的飞行计划；获得控制中心93发送的异物确认指令、监测点控制指令、异物信息、控制中心状态信息、数据库操作指令；获得数据中心94发送的数据融合结果、视频拼接信号、监测点控制指令；获得手持移动终端的回馈信息、移动终端95的访问信息。

控制中心93，获得FOD专用网络92传输机场专网的飞行计划、数据融合结果、视频拼接信号以及反馈的异物信息，根据异物信息向移动终端95发送清理异物指令。

其中，FOD监测点91采用上述的雷达系统和光学传感器混合检测方案，雷达系统是通过向跑道发射微波信号，并接收反射信号的方式来进行检测和分析。由于微波信号是脉冲或结构，因此可以通过计算信号到达接收机的时间得到异物与雷达传感器之间的距离。由于雷达系统的波长较短，并且脉冲重叠频率高，因此，利用雷达系统是可以实现极高的距离分辨率并且减少地面杂波影响。然而，使用雷达系统用于跑道监视有其局限性：雷达对于金属物体具有极高的检测效果，但对于橡胶之类的非金属物体却不敏感；采用雷达系统无法完全避免雷达盲区以及其他一些障碍或固定设施(比如)对检测结果造成的影响；对于一些微小金属物体反射的强信号所导致的异物虚警也很难排除。

用于机场跑道异物检测的光学传感器包括红外、近红外和普通光学传感器。红外或热成像系统只能通过感应物体发射的红外线来实现检测，对于物体的温度和环境温度接近的情况则无能为力。相对于环境背景温度，小物体的热量较少，红外或热成像系统很难检测到。特别是在一些极端异常气象条件下(比如：冷天或者热天)，红外或热成像系统受到的影响最大。此外，红外或热成像系统所成画面损失了物体的边缘、颜色等信息，不利于异物的确认和分辨。而普通光学传感器检测异物也存在一些问题：对复杂多变的机场跑道环境不具备广泛的适应性，会产生大量虚警。

本发明在系统结构上，结合光学传感器和雷达传感器的上述特点，对同一检测区域，采用光学传感器和雷达系统混合检测的方式，形成检测能力的互补，有效避免了单类传感器的固有缺陷；在数据处理层面上，对雷达系统和光学传感器检测结果采用数据融合的方式，从而最终保证了FOD的低虚警和高检测率。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施方式。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种雷达系统，其特征在于，包括频综模块、发射链路、接收链路、天馈模块以及信号处理模块；

所述天馈模块包括发射天线和接收天线；

所述频综模块用于根据参考信号和调频信号产生X波段发射信号和X波段本振信号；

所述发射链路用于将所述X波段发射信号倍频为W波段发射信号传输至所述发射天线发出；

所述接收链路用于将所述X波段本振信号倍频为W波段本振信号，并将所述W波段本振信号和所述接收天线接收的回波信号混频产生一第一中频信号；以及

所述信号处理模块用于根据所述第一中频信号得到一输出结果。

2.如权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，所述频综模块包括发射频综和本振频综；

所述发射频综根据所述参考信号和所述调频信号产生所述X波段发射信号；

所述本振频综根据所述参考信号和所述调频信号产生所述X波段本振信号。

3.如权利要求2所述的雷达系统，其特征在于，还包括：

接收模块，用于将所述第一中频信号转换为第二中频信号输出至所述信号处理模块，所述信号处理模块对所述第二中频信号处理得到所述输出结果。

4.如权利要求3所述的雷达系统，其特征在于，所述本振频综包括振荡器、锁相器、混频器和倍频器；

所述振荡器用于产生所述参考信号；

所述锁相器用于将所述参考信号进行锁相处理后输出一第二本振信号以及向所述混频器输出一信号；

所述混频器用于将所述调频信号和所述信号混频后传输至所述倍频器；

所述倍频器将混频后的信号进行倍频处理后产生所述X波段本振信号。

5.如权利要求4所述的雷达系统，其特征在于，所述接收模块包括混频器和滤波器；

所述混频器用于将所述第一中频信号和所述第二本振信号混频；

所述滤波器用于将混频后的信号进行滤波产生所述第二中频信号。

6.如权利要求2所述的雷达系统，其特征在于，所述发射频综包括第一倍频器、混频器和第二倍频器；

所述第一倍频器将倍频处理后的信号经所述混频器混频输出至所述第二倍频器；所述第二倍频器进行再次倍频处理后产生所述X波段发射信号。

7.如权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，所述发射链路包括8倍频器和滤波器；

所述8倍频器将所述X波段发射信号进行倍频处理；

所述滤波器将经倍频处理后的信号进行滤波向所述发射天线输出所述W波段发射信号。

8.如权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，所述接收链路包括混频器、8倍频器和滤波器；

所述8倍频器将所述X波段本振信号进行倍频处理；

所述滤波器将经倍频处理后的信号进行滤波；

所述混频器将所述回波信号和经滤波处理后的信号进行混频产生所述第一中频信号。

9.如权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，所述W波段发射信号的频率为91GHz-96GHz。

10.一种机场跑道异物的监测系统，其特征在于，包括多个FOD监测点、FOD网络和控制中心；

所述FOD监测点包括如权利要求1-9任一项所述的雷达系统和光学传感器，用于根据所述雷达系统和所述光学传感器监测的数据反馈异物信息；

所述FOD网络，用于获得所述FOD监测点反馈的异物信息；

所述控制中心，获得所述FOD网络传输的所述异物信息，并发送清理异物指令。