CN109188437B - 机场跑道异物检测方法及检测系统 - Google Patents

机场跑道异物检测方法及检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机场跑道异物检测方法及系统，利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域；接收机场跑道因雷达的发射信号所反射回来的信号，得到回波信号；将得到的所述回波信号与雷达的发射信号进行混频处理，得到混频后的中频信号；对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号；针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像；根据得到的雷达图像，识别机场跑道是否存在异物；提高了FOD探测系统对跑道微弱目标的探测能力。

Description

机场跑道异物检测方法及检测系统
技术领域
本发明涉及雷达检测领域，特别涉及一种基于SAR成像技术的机场跑道异物检测方法及检测系统。
背景技术
机场跑道异物检测(Foreign Object Debris，FOD)指的是对机场外来物进行检测；其中，机场外来物可以理解为：在跑道、滑行道、停机坪地面上可能会损伤航空器、设备或者威胁机场工作人员和乘客生命安全的外来物体。因此，针对繁忙的民用机场，FOD实时监测的需求十分迫切。
现有的FOD实时监测的方法主要是利用雷达探测或者是视频探测，但单纯的雷达探测以及视频探测均存在一定缺陷，不能满足基本的FOD监测需求。根据民航FAA标准，要求最小检测物体RCS为-28dBsm，因此雷达探测存在容易遗漏反射率低的物体，而且地表杂波也容易造成虚警。现有的FOD雷达都是利用回波信号和发射信号进行混频得到差频信号，通过FFT变化实现脉冲压缩，这种方法只是利用了单次目标的回波信号进行目标探测，因此容易造成弱目标的丢失。视频探测的优势在于技术比较成熟，成本相对较低，对和跑道外貌差异较大的物体有很好的探测能力；但视频探测主要的问题在于跑道外观细节的复杂性和FOD物体的多样性，因此基于目标外表的变化进行探测的方法，容易出现虚警；同时光学仪器本身还容易受到气候、光照环境的影响。因此，如何有效提高FOD探测系统对机场跑道微弱目标的探测能力成为目前亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明提供一种机场跑道异物检测方法及系统，用以将SAR技术应用到FOD检测系统中，通过相干处理得到跑道场景的高分辨率图像，提高FOD探测系统对跑道微弱目标的探测能力。
本发明提供了一种机场跑道异物检测方法，所述方法包括：
利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域；
接收机场跑道因雷达的发射信号所反射回来的信号，得到回波信号；
将得到的所述回波信号与雷达的发射信号进行混频处理，得到混频后的中频信号；
对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号；
针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像；
根据得到的雷达图像，识别机场跑道是否存在异物。
可选地，所述根据得到的雷达图像，识别机场跑道是否存在异物，包括：
分析得到的所述雷达图像，判断所述雷达图像中是否存在异物；
若存在异物，则获取异物的位置信息，同时将获取的异物位置信息发送至监控终端并报警。
可选地，所述利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域，包括：
利用固定在车载平台顶端的雷达，以正侧视条带模式持续发射调频连续波信号ST(t)：
Figure BDA0001817198140000021
其中，f0为载频、Tp为调制周期、
Figure BDA0001817198140000022
为调频率、B为发射信号带宽；
将雷达发射的所述连续波信号ST(t)照射至机场跑道的扫描区域；
其中，承载所述雷达的车载平台安装在载体车上，所述载体车在机场跑道一侧以均匀的速度V0行驶。
可选地，所述对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号，包括：
对得到的中频信号SIF(t)进行傅里叶变换，得到距离频域fr和方位时域ts的信号S(fr,ts)；
在距离频域进行去调频误差补偿，乘以补偿因子Sr(fr)，得到补偿后的S(fr,ts)信号；
其中，所述补偿因子Sr(fr)为：
Figure BDA0001817198140000031
可选地，所述针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像，包括：
对经过补偿后得到的S(fr,ts)信号进行方位向傅里叶变换，得到距离频域-多普勒频域信号S(fr,fa)；
根据合成孔径雷达原理，利用匹配滤波器Ha对S(fr,fa)信号进行匹配滤波压缩处理；
将滤波处理后的信号变换至方位向时域，得到最终的二维压缩雷达图像S(fr,ts)；
其中，所述匹配滤波器Ha的表达式为：
Figure BDA0001817198140000032
其中，R0为雷达和目标的最小距离。
对应于上述实施例提供的一种机场跑道异物检测方法，本发明实施例还提供了一种机场跑道异物检测系统，所述系统包括：
信号发射模块，用于利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域；
信号接收模块，用于接收机场跑道因雷达的发射信号所反射回来的信号，得到回波信号；
信号处理模块，用于：
将得到的所述回波信号与雷达的发射信号进行混频处理，得到混频后的中频信号；
对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号；
针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像；
异物检测模块，用于根据得到的雷达图像，识别机场跑道是否存在异物。
可选地，所述异物检测模块用于：
分析得到的所述雷达图像，判断所述雷达图像中是否存在异物；
若存在异物，则获取异物的位置信息，同时将获取的异物位置信息发送至监控终端并报警。
可选地，所述信号发射模块用于：
利用固定在车载平台顶端的雷达，以正侧视条带模式持续发射调频连续波信号ST(t)：
Figure BDA0001817198140000041
其中，f0为载频、Tp为调制周期、
Figure BDA0001817198140000042
为调频率、B为发射信号带宽；
将雷达发射的所述连续波信号ST(t)照射至机场跑道的扫描区域；
其中，承载所述雷达的车载平台安装在载体车上，所述载体车在机场跑道一侧以均匀的速度V0行驶。
可选地，所述信号处理模块用于：
对得到的中频信号SIF(t)进行傅里叶变换，得到距离频域fr和方位时域ts的信号S(fr,ts)；
在距离频域进行去调频误差补偿，乘以补偿因子Sr(fr)，得到补偿后的S(fr,ts)信号；
其中，所述补偿因子Sr(fr)为：
Figure BDA0001817198140000051
可选地，所述信号处理模块用于：
对经过补偿后得到的S(fr,ts)信号进行方位向傅里叶变换，得到距离频域-多普勒频域信号S(fr,fa)；
根据合成孔径雷达原理，利用匹配滤波器Ha对S(fr,fa)信号进行匹配滤波压缩处理；
将滤波处理后的信号变换至方位向时域，得到最终的二维压缩雷达图像S(fr,ts)；
其中，所述匹配滤波器Ha的表达式为：
Figure BDA0001817198140000052
其中，R0为雷达和目标的最小距离。
本发明一种机场跑道异物检测方法及系统可以达到如下有益效果：
利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域；接收机场跑道因雷达的发射信号所反射回来的信号，得到回波信号；将得到的所述回波信号与雷达的发射信号进行混频处理，得到混频后的中频信号；对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号；针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像；根据得到的雷达图像，识别机场跑道是否存在异物；具有利用高分辨率雷达图像进行异物检测的有益效果；由于本发明根据SAR系统成像技术原理，在FOD探测过程中，将合成孔径时间范围内运动方向上的回波信号进行了相干处理，得到机场跑道场景的高分辨率图像，因此，有效提高了回波数据中目标的系统增益，实现了目标信号的增强，提高了FOD探测系统对跑道微弱目标的探测能力。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所指出的内容来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明机场跑道异物检测方法的一种实施方式的工作流程示意图；
图2是本发明机场跑道异物检测系统的一种实施方式的功能模块示意图；
图3是本发明机场跑道异物检测系统中连接机构结构的结构示意图；
图4是本发明机场跑道异物检测系统的地面站的一个结构示意图；
图5是本发明机场跑道异物检测系统的地面站的另一个结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种机场跑道异物检测方法及系统，用以将SAR技术应用到FOD检测系统中，通过相干处理得到跑道场景的高分辨率图像，提高FOD探测系统对跑道微弱目标的探测能力。
SAR(Synthetic Aperture Radar)即合成孔径雷达，是一种具有极高分辨率的微波有源成像雷达；SAR是利用合成孔径原理，实现高分辨的微波成像，具备全天时、全天候、高分辨、大幅宽等多种特点；SAR通过发射大时宽带宽级的调频信号获得高的距离向分辨率，同时方位向利用目标和雷达之间的相对运动，基于合成孔径原理对运动方向的回波数据进行相干处理，在运动方向也得到的较大的系统增益，可以在运动方向形成较高的图像向分辨率。将SAR技术应用到FOD检测系统中，通过相干处理得到跑道场景的高分辨率图像，可以有效提高FOD探测系统对跑道微弱目标的探测能力。
如图1所示，图1是本发明机场跑道异物检测方法的一种实施方式的工作流程示意图；本发明一种机场跑道异物检测方法可以实施为如下描述的步骤S10-S60：
步骤S10、利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域；
本发明实施例中，考虑到机场跑道异物检测的持续性，将持续发射信号的雷达固定在一个车载平台上(比如，将雷达固定在车载平台的顶端)，固定雷达的车载平台安装在对应的载体车上，且该载体车在机场跑道的一侧以均匀的速度V0行驶。载体车的行驶承载着发射雷达一起以均匀的速度在机场跑道的一侧运动，此时雷达以正侧视条带模式持续发射调频连续波信号ST(t)，并将雷达发射的所述连续波信号ST(t)照射至机场跑道的扫描区域。
雷达发射的调频连续波信号ST(t)为：
Figure BDA0001817198140000081
其中，f0为载频、Tp为调制周期、
Figure BDA0001817198140000082
为调频率、B为发射信号带宽。
步骤S20、接收机场跑道因雷达的发射信号所反射回来的信号，得到回波信号；
步骤S30、将得到的所述回波信号与雷达的发射信号进行混频处理，得到混频后的中频信号；
步骤S40、对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号；
步骤S50、针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像；
步骤S60、根据得到的雷达图像，识别机场跑道是否存在异物。
雷达发射的调频连续波信号ST(t)照射机场跑道的扫描区域的同时，机场跑道反射所接收到的调频连续波信号；机场跑道异物检测系统接收机场跑道反射回来的信号，得到对应的回波信号。
将得到的回波信号与雷达发射的调频连续波信号进行混频处理，得到混频后的中频信号SIF(t)；对得到的中频信号SIF(t)进行傅里叶变换，得到距离频域fr和方位时域ts的信号S(fr,ts)；此时，固定距离的目标将在距离频域形成单频信号，实现了距离向的压缩，但是在方位向目标仍然是发散的；因此，在距离频域对距离频域fr和方位时域ts的信号S(fr,ts)进行去调频误差补偿，乘以补偿因子Sr(fr)，得到补偿后的S(fr,ts)信号；
其中，所述补偿因子Sr(fr)为：
Figure BDA0001817198140000083
对经过补偿后的得到的S(fr,ts)信号进行方位向傅里叶变换，得到距离频域-多普勒频域信号S(fr,fa)；根据合成孔径雷达原理，利用匹配滤波器Ha对S(fr,fa)信号进行匹配滤波压缩处理；将滤波处理后的信号变换至方位向时域，得到最终的二维压缩雷达图像S(fr,ts)；
其中，所述匹配滤波器Ha的表达式为：
Figure BDA0001817198140000091
其中，R0为雷达和目标的最小距离。
此时，根据得到的二维压缩雷达图像，即可识别机场跑道是否存在异物。比如，对得到的雷达图像进行图像分析，判断所述雷达图像中是否存在异物；若存在异物，则获取异物的位置信息，同时将获取的异物位置信息发送至监控终端并报警；若不存在异物，则继续进行机场跑道的异物检测操作。
在一个具体的应用场景中，机场跑道异物检测系统接收到上述雷达图像后，对接收到的雷达图像进行图像处理，在图像处理的过程中，将上述采集的雷达图像与服务器数据库中存储的与当前情况相同或者相近条件下的原始图像进行对比；根据雷达图像与对应的上述原始图像的对比结果，来判断机场跑道上是否存在异物；同时将图像处理后的雷达图像通过显示设备(比如显示器)进行显示，供监控人员查看。
若根据雷达图像与对应的上述原始图像的对比结果，判断出机场跑道上存在异物，则立即向监控人员发送报警信号；监控人员即可根据的上述显示设备上显示的雷达图像进行再次确认，待监控人员确认后向异物移除人员手持的移动终端发送存在异物以及异物所在位置的提示信息；异物移除人员根据上述提示信息，前往异物所在处并再次确认存在异物后，将存在的异物移除。若监控人员在预设时长内(比如10秒内)没有对机场跑道异物检测系统发出的报警信号进行处理，则为了确保安全性，机场跑道异物检测系统默认机场跑道存在上述异物，则直接向异物移除人员的手持移动终端发送存在异物以及异物所在位置的提示信息；当异物移除人员在对应的手持移动终端上确认已对监测到的异物进行处理(确认确实存在异物时，进行异物移除；经到场勘察确认存在误报时，不进行异物移除操作)后，机场跑道异物检测系统发送再次进行机场跑道异物检测的指令，以确认异物是否真正移除。
本发明机场跑道异物检测方法利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域；接收机场跑道因雷达的发射信号所反射回来的信号，得到回波信号；将得到的所述回波信号与雷达的发射信号进行混频处理，得到混频后的中频信号；对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号；针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像；根据得到的雷达图像，识别机场跑道是否存在异物；具有利用高分辨率雷达图像进行异物检测的有益效果；由于本发明根据SAR系统成像技术原理，在FOD探测过程中，将合成孔径时间范围内运动方向上的回波信号进行了相干处理，得到机场跑道场景的高分辨率图像，因此，有效提高了回波数据中目标的系统增益，实现了目标信号的增强，提高了FOD探测系统对跑道微弱目标的探测能力。
对应于图1实施例所提供的一种机场跑道异物检测方法，本发明实施例还提供了一种机场跑道异物检测系统，该机场跑道异物检测系统能够实施图1所描述的机场跑道异物检测方法；如图2所示，图2是本发明机场跑道异物检测系统的一种实施方式的功能模块示意图；本发明机场跑道异物检测系统包括：信号发射模块100、信号接收模块200、信号处理模块300以及异物检测模块400；其中：
信号发射模块100用于：利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域；
信号接收模块200用于：接收机场跑道因雷达的发射信号所反射回来的信号，得到回波信号；
信号处理模块300用于：
将得到的所述回波信号与雷达的发射信号进行混频处理，得到混频后的中频信号；对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号；针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像；
异物检测模块400用于：根据得到的雷达图像，识别机场跑道是否存在异物。
在一个实施例中，所述异物检测模块400用于：
分析得到的所述雷达图像，判断所述雷达图像中是否存在异物；
若存在异物，则获取异物的位置信息，同时将获取的异物位置信息发送至监控终端并报警。
在一个实施例中，所述信号发射模块100用于：
利用固定在车载平台顶端的雷达，以正侧视条带模式持续发射调频连续波信号ST(t)：
Figure BDA0001817198140000111
其中，f0为载频、Tp为调制周期、
Figure BDA0001817198140000112
为调频率、B为发射信号带宽；
将雷达发射的所述连续波信号ST(t)照射至机场跑道的扫描区域；
其中，承载所述雷达的车载平台安装在载体车上，所述载体车在机场跑道一侧以均匀的速度V0行驶。
在一个实施例中，所述信号处理模块300用于：
对得到的中频信号SIF(t)进行傅里叶变换，得到距离频域fr和方位时域ts的信号S(fr,ts)；
在距离频域进行去调频误差补偿，乘以补偿因子Sr(fr)，得到补偿后的S(fr,ts)信号；
其中，所述补偿因子Sr(fr)为：
Figure BDA0001817198140000121
在一个实施例中，所述信号处理模块300用于：
对经过补偿后得到的S(fr,ts)信号进行方位向傅里叶变换，得到距离频域-多普勒频域信号S(fr,fa)；
根据合成孔径雷达原理，利用匹配滤波器Ha对S(fr,fa)信号进行匹配滤波压缩处理；
将滤波处理后的信号变换至方位向时域，得到最终的二维压缩雷达图像S(fr,ts)；
其中，所述匹配滤波器Ha的表达式为：
Figure BDA0001817198140000122
其中，R0为雷达和目标的最小距离。
本发明机场跑道异物检测系统利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域；接收机场跑道因雷达的发射信号所反射回来的信号，得到回波信号；将得到的所述回波信号与雷达的发射信号进行混频处理，得到混频后的中频信号；对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号；针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像；根据得到的雷达图像，识别机场跑道是否存在异物；具有利用高分辨率雷达图像进行异物检测的有益效果；由于本发明根据SAR系统成像技术原理，在FOD探测过程中，将合成孔径时间范围内运动方向上的回波信号进行了相干处理，得到机场跑道场景的高分辨率图像，因此，有效提高了回波数据中目标的系统增益，实现了目标信号的增强，提高了FOD探测系统对跑道微弱目标的探测能力。
在一个实施例中，上述机场跑道异物检测系统中的信号发射模块为雷达发生器、信号接收模块为雷达接收器；信号处理模块可配置为微型处理器，微型处理器、雷达发生器、雷达接收器都设置在一个独立的封闭箱体上(内部或者外部，可根据实际需要来设计放置位置，此均为现有技术，不再详述)，该箱体可设置于无人机上，此时，上述机场跑道异物检测系统，还包括：一封闭的箱体，该箱体内部设置前述微型处理器、雷达发生器、雷达接收器；无人机，所述箱体通过连接机构设置于无人机上，
如图3所示，该连接机构包括吸附机构、旋转机构和夹持机构，其中：
吸附机构用于将连接机构整体固定到无人机的外表面上；该吸附机构包括：第一基座53和第一连杆45，第一连杆45的第一端端头上有轮状体44、第二端通过第一转轴46连接于第一基座53的第一端上；第一基座53的四角各设有一结构相同的半球凸起41，半球凸起41内置有吸盘63；吸盘63上设有一贯穿半球凸起41顶部的第二连杆42；第二连杆42通过第二转轴43与第一连杆45的第一端端头的轮状体44转动连接；其与无人机的外表面的固定步骤为：将吸盘63与无人机腹部的光滑的外表面贴合，下压第一基座53，第一连杆45的轮状体44与半球凸起41的顶面逐渐接触，且压力逐渐加大，在凸轮作用原理下，第一连杆45带动吸盘63同步运动并抽取其内真空，使其与光滑的外表面吸附；与无人机的外表面的拆卸步骤：吸盘63与平滑的外表面吸附时，提升第一基座53，即向外拉第一基座53，第一连杆45的轮状体与半球凸起41的顶面逐渐分离，且压力逐渐减小，第一连杆45向半球凸起41内移动，动吸盘63逐渐释放真空，使其与平滑的外表面脱离；
旋转机构，包括：在第一基座53的第二端的内部设置有旋转装置，第二端与第一基座53的第一端是相对端；第一基座53的第二端的端面与旋转装置互相垂直；旋转装置包括：中心转轴47、钢珠51、滚子轴承50、圆盘式外罩48，中心转轴47贯穿连接圆盘式外罩48，中心转轴47与圆盘式外罩48机械连接，圆盘式外罩48的远离第一基座53的第二端的一侧设置有滚子轴承50；滚子轴承50与中心转轴47焊接在一起，所述钢珠51设于滚子轴承50内部，钢珠51与滚子轴承50机械连接；滚子轴承50固定内嵌于第二基座64的第一端内；圆盘式外罩48内嵌于第一基座53的第二端内部；该无人机上设置有微型伺服电机，该微型伺服电机用于驱动滚子轴承50旋转，从而旋转中的滚子轴承50可带动第二基座64开始旋转；第一基座53至少有两个相对端比第二基座64的相应端长；
夹持机构用于夹持上述箱体，该夹持机构包括：第二基座64，在第二基座64的第二端的表面上设置两对相对设置的夹持架，两个夹持架位于第二基座64的第二端的表面的边缘处，每个夹持架包括垂直于第二基座64的第二端的表面的竖杆59、平行于第二基座64的第二端的表面的横杆60、与竖杆59平行的竖杆61，其中，竖杆59的顶端与横杆60的第一端固定连接、横杆60的第二端与竖杆61的第一端固定连接，竖杆61比竖杆59短；竖杆61的第二端固定连接有一吸盘62，吸盘62的开口朝向第二基座64；在第二基座64的第二端的表面的中心区域内部，设置有一圆柱形凹槽54，圆柱形凹槽54的开口端大小小于圆柱形凹槽54的横截面大小；圆柱形凹槽54的底部设置有至少一个气囊55，气囊55的上方放置一可上下活动的圆形限位板56，圆形限位板56的大小与圆柱形凹槽54的横截面适配；圆形限位板56中心区域的上方固定连接一圆柱形支撑块57，圆柱形支撑块57可上下活动地穿过圆柱形凹槽54的开口端、并且圆柱形支撑块57的大小与圆柱形凹槽54的开口端适配；圆柱形支撑块57的上表面设置有柔性触觉传感器；其工作原理为：在无人机上设置充气泵，在放置箱体58之前，先将气囊55中的空气排空，然后将箱体58放置于圆柱形支撑块57和吸盘62之间，然后控制充气泵向气囊55充气，并实时获取柔性触觉传感器感应到的触觉信号，当触觉信号达到预设强度时，停止向气囊充气，从而将箱体58夹持于圆柱形支撑块57和吸盘62之间。
利用上述连接机构，可以将上述箱体放置于无人机的腹部，从而利用箱体中的器件完成对机场跑道的异物检测。在回收箱体时，可以控制旋转机构旋转，使得竖杆59平行于地面，然后，控制气囊55放气，使得箱体58不再受圆柱形支撑块57和吸盘62的夹持，从而在重力作用下，箱体脱离无人机，如此，可以便于将箱体从无人机上拆除，不需要人工手动拆除，提高了拆除效率。
如图4和5，本申请提供的上述机场跑道异物检测系统还包括一种地面站，用于与无人机通讯，包括地面天线17、转动平台14、支撑平台11、转动电机12、地面端传感器18、地面端控制器13，底座15，底座支撑脚16，底座支撑脚16设为若干个，分布连接于底座15下方，底座15上表面安装有支撑平台11，所述支撑平台上部内嵌设置有转动电机12，转动电机12的输出轴竖直朝上设置，所述支撑平台上还设置有地面端控制器13，所述转动电机12的输出轴连接有转动平台14，转动平台14上安装有地面天线17和地面端传感器18。
使用时，由天空端传感器检测初始位置并传回地面端控制器13，地面端控制器13进行分析判断无人机所在方位以后，发出信号给转动电机12执行旋转，带动转动平台14旋转，使其带动地面天线17到传感器给定的指向角(例如，朝向无人机的飞行方向)。
为了避免地面站在地面上滑动和不易固定，在一个实施例中，本申请还对底座支撑脚16的结构进行了改进，具体为：所述支撑脚26包括固定设于所述第一壳体底部的减震装置16-2、设于所述减震装置16-2下表面的吸盘16-1；所述吸盘16-1包括吸盘主体16-11、罩设于所述吸盘主体16-11外侧的防护罩16-12、固定设于所述吸盘主体16-11上表面中间位置的连接座16-13、一端固定设于所述连接座16-13上表面另一端穿设于所述防护罩16-12中间位置的的压缩装置16-14、套设于所述压缩装置16-14外侧且设于所述防护罩16-12上表面并通过螺纹与所述压缩装置16-14活动连接的调节螺母16-15、固定设于所述防护罩16-12底面的防滑垫16-16，所述调节螺母16-15外侧壁固定设有旋转臂16-151；所述减震装置16-2包括固定设于所述压缩装置16-14上表面的下安装板16-21、一端固定设于所述下安装板16-21上表面的减震筒16-22、一端嵌套设于所述减震筒16-22内且与所述减震筒16-22滑动连接的活塞杆16-23、套设于所述活塞杆16-23和所述减震筒16-22外侧且底部与所述下安装板16-21上表面固定连接的第一弹簧16-24、固定设于所述第一弹簧16-24上侧的弹簧座16-25、套设于所述弹簧座16-25外侧的上安装板16-26。
优选的，所述压缩装置16-14包括固定设于连接座16-13上表面的活动杆16-141、同轴固定设于所述活动杆16-141远离所述连接座16-13一侧的塞体16-142、同轴套设于所述活动杆16-141一端的台阶式活动座16-143、套设于所述活动杆16-141外侧的第二弹簧16-144、罩设于所述台阶式活动座16-143上表面且与所述台阶式活动座16-143上表面固定连接的壳体16-145，所述第二弹簧16-144一端与所述台阶式活动座16-143上表面接触、另一端与所述塞体16-142下表面接触，所述塞体16-142外侧还套设有与壳体16-145内壁接触的密封圈，所述吸盘本体16-11上表面中间位置设有第一排气孔16-17，所述连接座16-13、活动杆16-141、塞体16-142内部均同轴设有与第一排气孔16-17对应的第二排气通孔16-18，所述壳体16-145上侧壁设有与所述第一排气通孔16-17、第二排气通孔16-18对应的第三排气通孔16-19，所述第三排气通孔16-19处设有排气阀；固定时，首先先通过旋转旋转臂16-151带动调节螺母16-15旋转，将所述调节螺母16-15旋转到所述壳体16-145最上端，然后将吸盘主体16-11底部与地面接触，而后在通过旋转转臂16-151带动调节螺母16-15旋转从而使调节螺母16-15下移，往下压吸盘主体16-11时，在其吸盘主体16-11的反作用力下，连接座16-13往上运动从而带动活动杆16-141、塞体16-142往上运动，使活动杆16-141和塞体16-142中间的第二排气通孔16-18与第三排气通孔16-19连通，使吸盘主体16-11与地面之间的气体通过排气阀排出，从而驱动吸盘主体16-11牢牢的吸附在地面上，其中防滑垫6-16能够保证吸盘主体16-11不会发生侧移的现象，同时压缩装置16-14能够起到缓冲作用，从而保证吸盘主体更好的吸附在地面上；同时，所述下安装板16-21和弹簧座16-25之间设有减震筒16-22和活塞杆16-23且两者之间滑动连接，使活塞杆16-23可以减震筒16-22内侧进行上下伸缩滑动，从而使所述弹簧座16-25在第一弹簧16-24的作用下在所述下安装板16-21上运动，从而使音箱在工作时，扬声器外放音乐时，音量太大导致音箱第一壳体12震动，第一壳体12的震动带动活塞杆16-23在减震筒16-22内上下伸缩滑动、以及第一弹簧16-24的作用下减少了下安装板16-21的运动，从而避免了地面站工作时发生共振。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种机场跑道异物检测方法，其特征在于，所述方法包括：
利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域；
接收机场跑道因雷达的发射信号所反射回来的信号，得到回波信号；
将得到的所述回波信号与雷达的发射信号进行混频处理，得到混频后的中频信号；
对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号；
针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像；
根据得到的雷达图像，识别机场跑道是否存在异物；
其中，利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域通过雷达发生器进行、接收机场跑道因雷达的发射信号所反射回来的信号，得到回波信号通过雷达接收器进行；将得到的所述回波信号与雷达的发射信号进行混频处理，得到混频后的中频信号，对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号，针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像通过微型处理器进行，所述微型处理器、雷达发生器、雷达接收器都设置在一个独立的封闭箱体上，该箱体设置于无人机上，所述箱体通过连接机构设置于无人机上，该连接机构包括吸附机构、旋转机构和夹持机构，其中：
吸附机构用于将连接机构整体固定到无人机的外表面上；该吸附机构包括：第一基座（53）和第一连杆（45），第一连杆（45）的第一端端头上有轮状体（44）、第二端通过第一转轴（46）连接于第一基座（53）的第一端上；第一基座（53）的四角各设有一结构相同的半球凸起（41），半球凸起（41）内置有吸盘（63）；吸盘（63）上设有一贯穿半球凸起（41）顶部的第二连杆（42）；第二连杆（42）通过第二转轴（43）与第一连杆（45）的第一端端头的轮状体（44）转动连接；其与无人机的外表面的固定步骤为：将吸盘（63）与无人机腹部的光滑的外表面贴合，下压第一基座（53），第一连杆（45）的轮状体（44）与半球凸起（41）的顶面逐渐接触，且压力逐渐加大，在凸轮作用原理下，第一连杆（45）带动吸盘（63）同步运动并抽取其内真空，使其与光滑的外表面吸附；与无人机的外表面的拆卸步骤：吸盘（63）与平滑的外表面吸附时，提升第一基座（53），即向外拉第一基座（53），第一连杆（45）的轮状体与半球凸起（41）的顶面逐渐分离，且压力逐渐减小，第一连杆（45）向半球凸起（41）内移动，动吸盘（63）逐渐释放真空，使其与平滑的外表面脱离；
旋转机构，包括：在第一基座（53）的第二端的内部设置有旋转装置，第二端与第一基座（53）的第一端是相对端；第一基座（53）的第二端的端面与旋转装置互相垂直；旋转装置包括：中心转轴（47）、钢珠（51）、滚子轴承（50）、圆盘式外罩（48），中心转轴（47）贯穿连接圆盘式外罩（48），中心转轴（47）与圆盘式外罩（48）机械连接，圆盘式外罩（48）的远离第一基座（53）的第二端的一侧设置有滚子轴承（50）；
滚子轴承（50）与中心转轴（47）焊接在一起，所述钢珠（51）设于滚子轴承（50）内部，钢珠（51）与滚子轴承（50）机械连接；滚子轴承（50）固定内嵌于第二基座（64）的第一端内；圆盘式外罩（48）内嵌于第一基座（53）的第二端内部；该无人机上设置有微型伺服电机，该微型伺服电机用于驱动滚子轴承（50）旋转，从而旋转中的滚子轴承（50）可带动第二基座（64）开始旋转；第一基座（53）至少有两个相对端比第二基座（64）的相应端长；
夹持机构用于夹持上述箱体，该夹持机构包括：第二基座（64），在第二基座（64）的第二端的表面上设置两对相对设置的夹持架，两个夹持架位于第二基座（64）的第二端的表面的边缘处，每个夹持架包括垂直于第二基座（64）的第二端的表面的竖杆（59）、平行于第二基座（64）的第二端的表面的横杆（60）、与竖杆（59）平行的竖杆（61），其中，竖杆（59）的顶端与横杆（60）的第一端固定连接、横杆（60）的第二端与竖杆（61）的第一端固定连接，竖杆（61）比竖杆（59）短；竖杆（61）的第二端固定连接有一吸盘（62），吸盘（62）的开口朝向第二基座（64）；在第二基座（64）的第二端的表面的中心区域内部，设置有一圆柱形凹槽（54），圆柱形凹槽（54）的开口端大小小于圆柱形凹槽（54）的横截面大小；圆柱形凹槽（54）的底部设置有至少一个气囊（55），气囊（55）的上方放置一可上下活动的圆形限位板（56），圆形限位板（56）的大小与圆柱形凹槽（54）的横截面适配；圆形限位板（56）中心区域的上方固定连接一圆柱形支撑块（57），圆柱形支撑块（57）可上下活动地穿过圆柱形凹槽（54）的开口端、并且圆柱形支撑块（57）的大小与圆柱形凹槽（54）的开口端适配；圆柱形支撑块（57）的上表面设置有柔性触觉传感器；其工作原理为：在无人机上设置充气泵，在放置箱体（58）之前，先将气囊（55）中的空气排空，然后将箱体（58）放置于圆柱形支撑块（57）和吸盘（62）之间，然后控制充气泵向气囊（55）充气，并实时获取柔性触觉传感器感应到的触觉信号，当触觉信号达到预设强度时，停止向气囊充气，从而将箱体（58）夹持于圆柱形支撑块（57）和吸盘（62）之间。
2.如权利要求1所述的机场跑道异物检测方法，其特征在于，所述根据得到的雷达图像，识别机场跑道是否存在异物，包括：
分析得到的所述雷达图像，判断所述雷达图像中是否存在异物；
若存在异物，则获取异物的位置信息，同时将获取的异物位置信息发送至监控终端并报警。
3.如权利要求1或2所述的机场跑道异物检测方法，其特征在于，所述利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域，包括：
利用固定在车载平台顶端的雷达，以正侧视条带模式持续发射调频连续波信号ST(t)：
Figure 587689DEST_PATH_IMAGE001
；其中，f0为载频、Tp为调制周期、
Figure 363884DEST_PATH_IMAGE002
为 调频率、
Figure 612462DEST_PATH_IMAGE003
为发射信号带宽；
将雷达发射的所述连续波信号ST(t)照射至机场跑道的扫描区域；
其中，承载所述雷达的车载平台安装在载体车上，所述载体车在机场跑道一侧以均匀的速度V0行驶。
4.如权利要求3所述的机场跑道异物检测方法，其特征在于，所述对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号，包括：
对得到的中频信号SIF(t)进行傅里叶变换，得到距离频域fr和方位时域ts的信号S(fr,ts)；
在距离频域进行去调频误差补偿，乘以补偿因子Sr(fr)，得到补偿后的S(fr,ts)信号；
其中，所述补偿因子Sr(fr)为：
Figure 601147DEST_PATH_IMAGE004
。
5.如权利要求4所述的机场跑道异物检测方法，其特征在于，所述针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像，包括：
对经过补偿后得到的S(fr,ts)信号进行方位向傅里叶变换，得到距离频域-多普勒频域信号S(fr,fa)；
根据合成孔径雷达原理，利用匹配滤波器Ha对S(fr,fa)信号进行匹配滤波压缩处理；
将滤波处理后的信号变换至方位向时域，得到最终的二维压缩雷达图像S(fr,ts)；
其中，所述匹配滤波器Ha的表达式为：
Figure 884361DEST_PATH_IMAGE005
；其中，R0为雷达和目标的最小距离。
6.一种机场跑道异物检测系统，其特征在于，所述系统包括：
信号发射模块，用于利用雷达持续发射信号，并将雷达发射的信号照射至机场跑道的扫描区域；
信号接收模块，用于接收机场跑道因雷达的发射信号所反射回来的信号，得到回波信号；
信号处理模块，用于：
将得到的所述回波信号与雷达的发射信号进行混频处理，得到混频后的中频信号；
对得到的中频信号进行距离向傅里叶变换，并对变换后的信号进行距离频域误差补偿，得到对应的距离频域信号；
针对得到的距离频域信号进行方位向傅里叶变换，并利用合成孔径雷达原理，将处理后的信号进行方位向匹配滤波和反变换处理，得到对应的雷达图像；
异物检测模块，用于根据得到的雷达图像，识别机场跑道是否存在异物；
其中，所述信号发射模块为雷达发生器、信号接收模块为雷达接收器；信号处理模块可配置为微型处理器，微型处理器、雷达发生器、雷达接收器都设置在一个独立的封闭箱体上，该箱体设置于无人机上，此时，上述机场跑道异物检测系统，还包括：一封闭的箱体，该箱体内部设置前述微型处理器、雷达发生器、雷达接收器；无人机，所述箱体通过连接机构设置于无人机上；
该连接机构包括吸附机构、旋转机构和夹持机构，其中：
吸附机构用于将连接机构整体固定到无人机的外表面上；该吸附机构包括：第一基座（53）和第一连杆（45），第一连杆（45）的第一端端头上有轮状体（44）、第二端通过第一转轴（46）连接于第一基座（53）的第一端上；第一基座（53）的四角各设有一结构相同的半球凸起（41），半球凸起（41）内置有吸盘（63）；吸盘（63）上设有一贯穿半球凸起（41）顶部的第二连杆（42）；第二连杆（42）通过第二转轴（43）与第一连杆（45）的第一端端头的轮状体（44）转动连接；其与无人机的外表面的固定步骤为：将吸盘（63）与无人机腹部的光滑的外表面贴合，下压第一基座（53），第一连杆（45）的轮状体（44）与半球凸起（41）的顶面逐渐接触，且压力逐渐加大，在凸轮作用原理下，第一连杆（45）带动吸盘（63）同步运动并抽取其内真空，使其与光滑的外表面吸附；与无人机的外表面的拆卸步骤：吸盘（63）与平滑的外表面吸附时，提升第一基座（53），即向外拉第一基座（53），第一连杆（45）的轮状体与半球凸起（41）的顶面逐渐分离，且压力逐渐减小，第一连杆（45）向半球凸起（41）内移动，动吸盘（63）逐渐释放真空，使其与平滑的外表面脱离；
旋转机构，包括：在第一基座（53）的第二端的内部设置有旋转装置，第二端与第一基座（53）的第一端是相对端；第一基座（53）的第二端的端面与旋转装置互相垂直；旋转装置包括：中心转轴（47）、钢珠（51）、滚子轴承（50）、圆盘式外罩（48），中心转轴（47）贯穿连接圆盘式外罩（48），中心转轴（47）与圆盘式外罩（48）机械连接，圆盘式外罩（48）的远离第一基座（53）的第二端的一侧设置有滚子轴承（50）；
滚子轴承（50）与中心转轴（47）焊接在一起，所述钢珠（51）设于滚子轴承（50）内部，钢珠（51）与滚子轴承（50）机械连接；滚子轴承（50）固定内嵌于第二基座（64）的第一端内；圆盘式外罩（48）内嵌于第一基座（53）的第二端内部；该无人机上设置有微型伺服电机，该微型伺服电机用于驱动滚子轴承（50）旋转，从而旋转中的滚子轴承（50）可带动第二基座（64）开始旋转；第一基座（53）至少有两个相对端比第二基座（64）的相应端长；
夹持机构用于夹持上述箱体，该夹持机构包括：第二基座（64），在第二基座（64）的第二端的表面上设置两对相对设置的夹持架，两个夹持架位于第二基座（64）的第二端的表面的边缘处，每个夹持架包括垂直于第二基座（64）的第二端的表面的竖杆（59）、平行于第二基座（64）的第二端的表面的横杆（60）、与竖杆（59）平行的竖杆（61），其中，竖杆（59）的顶端与横杆（60）的第一端固定连接、横杆（60）的第二端与竖杆（61）的第一端固定连接，竖杆（61）比竖杆（59）短；竖杆（61）的第二端固定连接有一吸盘（62），吸盘（62）的开口朝向第二基座（64）；在第二基座（64）的第二端的表面的中心区域内部，设置有一圆柱形凹槽（54），圆柱形凹槽（54）的开口端大小小于圆柱形凹槽（54）的横截面大小；圆柱形凹槽（54）的底部设置有至少一个气囊（55），气囊（55）的上方放置一可上下活动的圆形限位板（56），圆形限位板（56）的大小与圆柱形凹槽（54）的横截面适配；圆形限位板（56）中心区域的上方固定连接一圆柱形支撑块（57），圆柱形支撑块（57）可上下活动地穿过圆柱形凹槽（54）的开口端、并且圆柱形支撑块（57）的大小与圆柱形凹槽（54）的开口端适配；圆柱形支撑块（57）的上表面设置有柔性触觉传感器；其工作原理为：在无人机上设置充气泵，在放置箱体（58）之前，先将气囊（55）中的空气排空，然后将箱体（58）放置于圆柱形支撑块（57）和吸盘（62）之间，然后控制充气泵向气囊（55）充气，并实时获取柔性触觉传感器感应到的触觉信号，当触觉信号达到预设强度时，停止向气囊充气，从而将箱体（58）夹持于圆柱形支撑块（57）和吸盘（62）之间。
7.如权利要求6所述的机场跑道异物检测系统，其特征在于，所述异物检测模块用于：
分析得到的所述雷达图像，判断所述雷达图像中是否存在异物；
若存在异物，则获取异物的位置信息，同时将获取的异物位置信息发送至监控终端并报警。
8.如权利要求6或7所述的机场跑道异物检测系统，其特征在于，所述信号发射模块用于：
利用固定在车载平台顶端的雷达，以正侧视条带模式持续发射调频连续波信号ST(t)：
Figure 2096DEST_PATH_IMAGE006
；其中，f0为载频、Tp为调制周期、
Figure 862605DEST_PATH_IMAGE007
为 调频率、
Figure 530346DEST_PATH_IMAGE003
为发射信号带宽；
将雷达发射的所述连续波信号ST(t)照射至机场跑道的扫描区域；
其中，承载所述雷达的车载平台安装在载体车上，所述载体车在机场跑道一侧以均匀的速度V0行驶。
9.如权利要求8所述的机场跑道异物检测系统，其特征在于，所述信号处理模块用于：
对得到的中频信号SIF(t)进行傅里叶变换，得到距离频域fr和方位时域ts的信号S(fr,ts)；
在距离频域进行去调频误差补偿，乘以补偿因子Sr(fr)，得到补偿后的S(fr,ts)信号；
其中，所述补偿因子Sr(fr)为：
Figure 792700DEST_PATH_IMAGE008
。
10.如权利要求9所述的机场跑道异物检测系统，其特征在于，所述信号处理模块用于：
对经过补偿后得到的S(fr,ts)信号进行方位向傅里叶变换，得到距离频域-多普勒频域信号S(fr,fa)；
根据合成孔径雷达原理，利用匹配滤波器Ha对S(fr,fa)信号进行匹配滤波压缩处理；
将滤波处理后的信号变换至方位向时域，得到最终的二维压缩雷达图像S(fr,ts)；
其中，所述匹配滤波器Ha的表达式为：
Figure 254906DEST_PATH_IMAGE009
；其中，R0为雷达和目标的最小距离。
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