CN113406643A - 基于车载分布式孔径雷达的fod检测装置的检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车载分布式孔径雷达的FOD检测装置的检测方法及系统，此FOD检测装置包括运动小车和具有多个天线的雷达单元，所述运动小车的运动方向与机场跑道平行；多个天线间隔布置于运动小车上，用于向机场跑道发射检测信号；多个天线形成一个稀疏大口径天线，以合成主瓣波束宽度更窄的波束来提高目标回波的信噪比。此检测方法包括步骤：1）获取各个雷达天线接收到的目标回波信号；其中目标回波信号由多个雷达天线发射的FMCW脉冲信号返回得到；2）将多个目标回波信号合成主瓣波束宽度更窄的雷达波束；3）对雷达波束进行处理得到检测结果。本发明具有弱小目标检测能力强、计算量小等优点。

Description

基于车载分布式孔径雷达的FOD检测装置的检测方法及系统

技术领域

本发明主要涉及机场跑道异物检测技术领域，具体涉及一种基于车载分布式孔径雷达的FOD检测装置的检测方法及系统。

背景技术

机场跑道异物（FOD）指的是任何不属于机场但出现在机场运作区域并可能对机场造成损失或者飞机造成损害的外来物品，如石块，金属器件，胶带，报纸，树叶等。这些异物虽然体积不大，但是对于机场的正常安全运行造成极大影响，甚至形成空难事件，如一小块塑料布被吸入发动机会引起空中停车，一个小螺钉或金属片甚至尖锐石子会扎上轮胎引起爆胎。

由于机场的运营环境复杂，对于跑道异物入侵的位置、时间等均难以估计，而且由于机组人员视野有限，对于微小异物造成的航空器损伤也是难以及时发现，这样使得FOD对航空器的损伤巨大。据保守估计，每年全球因FOD造成的直接损失至少在30亿-40亿美元。FOD不仅会造成严重的直接损失，而且还会造成航班延误、中断起飞、关闭跑道等间接损失。据统计，间接损失至少为直接损失的4倍。

为了避免机场跑道异物检测造成的严重损失，目前国内外采取的主要方法有：

1、人工检测：即采用相关人员对跑道进行定时巡检，目前国内机场仍然遵照国际民航组织制定的规定进行人工检查。按照国际民航组织（International Civil AviationOrganization,ICAO）的规定，每天需要至少全方位检测跑道4次，在检测期间，需要关闭跑道，这样占用跑道时间，明显降低了交通流量，影响航空运营公司的经济；而且人眼容易受疲劳、盲区、灯光、天气等的干扰产生漏捡，对于小的FOD目标很难发现，这样会存在着重大的安全隐患。

2、视觉图像检测：采用摄像头对场地进行拍照，并对照片进行分析。然而，由于图像质量限制，其主要缺点主要在于受外界影响大，尤其是光线和气候的影响，对于远处小目标发现能力差，在恶劣气候条件下无法正常工作。即基于视觉图像检测的方法对光线和气候条件过于敏感，系统稳健性差，环境适应性差。

3、基于抛物面天线雷达系统：采用毫米波雷达体制和抛物面天线，该雷达能够在成本约束的条件下实现相对较窄的雷达波束实现对监控区域的扫描检测，是当前较为先进的技术。具体地，采用抛物面天线的相控阵雷达系统，通过机械转动天线实现监测区域扫描，抛物面天线的工作流程如图1所示，雷达产生需要发射的毫米波波形，经过功率放大器之后传递给抛物面天线，实现一个窄的空域波束对某个方向进行探测，接收到雷达回波波形后，与当前发射信号进行去斜处理，得到一个发射脉冲的基带信号。雷达再发射下一个脉冲信号，共发射多组信号，对回波信号进行二维傅里叶变换，然后在距离-多普勒单元进行目标检测。目标角度即为当前抛物面天线的指向角，完成对该方向探测后，转台控制系统驱动转台进行转动，实现对下一个方向的目标探测，以此来实现对整个空域的探测。但是，由于无法形成极窄的波束，会显著增加成本，需要极大的抛物面口径，另外就是严重影响空域的搜索能力。

即采用抛物面天线的相控阵毫米波雷达检测系统，但是能够发现目标的大小却不太令人满意，尤其是对于一些对FOD大小也即RCS值要求较为苛刻的场景，特别是军用机场，当前要求能够检测到的目标RCS甚至达到了0.01m²，而当前系统很难满足如此高的指标。

4、车载FOD探测：当前一般是直接移植塔架式或边灯式实孔径扫描FOD设备的工作方式，但是存在的主要问题有：

4.1、如果要进行高分辨率成像，则要求尽可能窄的天线波束，因此需要设计和加工大孔径毫米波天线，加工难度高，而且造成系统体积重量大，需要专车搭载；

4.2、由于采用实孔径扫描方式，车辆运动误差对成像影响很大，造成场景不能完全覆盖或地理配准难度加大，若装备稳定云台将进一步提高系统体积、重量和成本；同样由于实孔径扫描原理，对于雨雪天的雨滴、地面溅起的水花等等“闪烁”杂波抑制能力差，造成恶劣天气情况下使用效能严重下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种弱小目标检测能力强的基于车载分布式孔径雷达的FOD检测装置的检测方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于车载分布式孔径雷达的FOD检测装置的检测方法，此FOD检测装置包括运动小车和具有多个天线的雷达单元，所述运动小车的运动方向与机场跑道平行；多个天线间隔布置于运动小车上，用于向机场跑道发射检测信号；多个天线形成一个稀疏大口径天线，以合成主瓣波束宽度更窄的波束来提高目标回波的信噪比，此检测方法包括步骤：

1）获取各个雷达天线接收到的目标回波信号；其中目标回波信号由多个雷达天线发射的FMCW脉冲信号返回得到；

2）将多个目标回波信号合成主瓣波束宽度更窄的雷达波束；

3）对雷达波束进行处理得到检测结果；

在步骤2）中，合成的雷达波束对准稀疏大口径天线的法线方向。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤3）中，处理过程为：通过MTD滤波器对栅瓣处杂波在脉冲维或者时域进行抑制，进而采用空时滤波器实现对杂波抑制。

通过MTD滤波器对栅瓣处杂波在脉冲维或者时域进行抑制，进而采用空时滤波器实现对杂波抑制的具体过程为：

假设各个天线的输出分别表示为x₁,x₂,...x_N，其中N为天线的总个数；波束合成权值为:

W=[1,1...,1]^H

其中上标H表示共轭转置，也即波束合成加权向量为一个全1向量，得到的输出为:

y_m=x₁+x₂...x_N

其中y_m为第m个脉冲的波束合成输出，m表示脉冲编号，其取值为大于1而小于M，M为一个CPI内的脉冲个数；

根据天线的位置，计算得到稀疏大口径天线当前合成波束指向法线时其栅瓣位置，假设栅瓣位置为θ₁,...θ_L，根据当前车速的测量值，得到栅瓣处的杂波相对速度分别为v₁,...v_L，其中:

V_l=2vsinθ_l/λ

其中λ为波长，l取值范围1到L,L为栅瓣处的杂波数量，基于以上信息，设计时域滤波器权值w_t;

则得到用于检测的距离-多普勒矩阵为:

Y=[y₁,y₂...y_M]w_t。

在通过距离-多普勒矩阵输出距离维数据后，再通过一维CFAR处理而得到检测结果。

多个所述天线均匀布置于所述运动小车的侧面。

所述雷达单元为线性调频连续波的毫米波雷达。

本发明进一步公开了一种检测系统，用于执行如上所述的检测方法，包括：

第一模块，用于获取各个雷达天线接收到的目标回波信号；其中目标回波信号由多个雷达天线发射的FMCW脉冲信号返回得到；

第二模块，用于将多个目标回波信号合成主瓣波束宽度更窄的雷达波束；

第三模块，用于对雷达波束进行处理得到检测结果。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明采用车载分布式孔径毫米波雷达，通过在运动小车的车身侧方布置多个小口径雷达天线，形成一个大的稀疏口径天线（天线阵列），能够合成极窄的波束主瓣，提高了波束内目标回波的信噪比，降低主波束内的杂波能量，可显著提升当前FOD应用面临的关键指标——即小目标检测能力；另外上述装置的整体结构简单且易于实现。

本发明采用线性调频连续波的毫米波雷达体制。其中毫米波利用大气窗口（毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率）传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小；毫米波雷达则不受天气与光照影响，拥有出色的全天候、全天时工作能力。其中调频连续波雷达（FMCW），通过计算线性调频的发射信号和接收信号之间的频率差来检测目标的距离和速度。由于接收到的差频信号的带宽可以降低很多，所以相比于典型的脉冲多普勒雷达，FMCW毫米波雷达可以降低信号处理的复杂度；相比于其他特殊应用的传感器，FMCW毫米波雷达具有低误报率、高距离分辨率、低发射功率、低成本和结构简单等优点。

本发明基于阵列栅瓣设计的MTD滤波器，能够进一步降低来自于栅瓣杂波的影响，进一步提升弱小目标检测能力。

本发明利用了车辆运动的特性，可只观察法线方向，随着车辆移动实现整个场景的探测，即可等效为一个针状波束进行场景扫描，在进行检测时只采用一维CFAR处理，极大的节约了计算量。

附图说明

图1为现有技术中的抛物面天线的工作流程图。

图2为本发明的检测装置在具体应用时的实施例图。

图3为本发明的检测方法在实施例的流程图。

图4为本发明阵元个数不变增大口径的示意图。

图5为本发明的栅瓣杂波抑制方法在实施例的流程图。

图例说明：1、运动小车；2、天线；3、跑道。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图2所示，本实施例的基于车载分布式孔径雷达的FOD检测装置，用于机场的FOD检测，具体结构包括运动小车1和具有多个天线2的雷达单元，运动小车1的运动方向与机场跑道3平行；多个天线2均匀间隔布置于运动小车1上，用于向机场跑道3发射检测信号；多个天线2形成一个稀疏大口径天线，以合成主瓣波束宽度更窄（其波束宽度是相对于单个天线2而言）的波束来提高目标回波的信噪比。其中雷达单元采用线性调频连续波的毫米波雷达；运动小车1为无人车等。

本发明采用车载分布式孔径毫米波雷达，通过在运动小车1的车身侧方布置多个小口径雷达天线2，形成一个大的稀疏口径天线（天线阵列），能够合成极窄的波束主瓣，提高了波束内目标回波的信噪比，降低主波束内的杂波能量，可显著提升当前FOD应用面临的关键指标——即小目标检测能力。

本发明采用线性调频连续波的毫米波雷达体制。其中毫米波利用大气窗口（毫米波与亚毫米波在大气中传播时，由于气体分子谐振吸收所致的某些衰减为极小值的频率）传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小；毫米波雷达则不受天气与光照影响，拥有出色的全天候、全天时工作能力。其中调频连续波雷达（FMCW），通过计算线性调频的发射信号和接收信号之间的频率差来检测目标的距离和速度。由于接收到的差频信号的带宽可以降低很多，所以相比于典型的脉冲多普勒雷达，FMCW毫米波雷达可以降低信号处理的复杂度；相比于其他特殊应用的传感器，FMCW毫米波雷达具有低误报率、高距离分辨率、低发射功率、低成本和结构简单等优点。

如图3所示，本发明还公开了一种基于如上所述的基于车载分布式孔径雷达的FOD检测装置的检测方法，包括步骤：

1）获取各个雷达天线2接收到的目标回波信号；其中目标回波信号由多个雷达天线2发射的FMCW脉冲信号返回得到；

2）将多个目标回波信号合成主瓣波束宽度更窄的雷达波束；

3）对雷达波束进行处理得到检测结果。

本发明的检测方法，通过将多个目标回波信号合成主瓣波束宽度更窄的雷达波束，提高了波束内目标回波的信噪比，降低主波束内的杂波能量，可显著提升当前FOD应用面临的关键指标——即小目标检测能力。

进一步地，在实现本发明的过程中，发现采用稀疏孔径雷达，也即保持天线阵元个数不变时，如果拉大了天线阵列的口径，此时会导致栅瓣出现，也即会出现幅度比主瓣低一点甚至同样高的旁瓣，如图4所示，当天线阵列口径不断拉大时，栅瓣的数量将进一步加大，栅瓣间隔会变小，这样导致的后果是：原来旁瓣的杂波，可能会出现在栅瓣位置，其回波增强，与主瓣内目标进行竞争。

但值得注意的是，形成的栅瓣位置，根据天线阵列可以计算得到。同时，栅瓣位置和主瓣位置均与雷达的相对速度存在差异，故本实施例通过设计MTD（动目标）滤波器对栅瓣处杂波在脉冲维或者时域进行抑制，进而采用空时滤波器实现对杂波抑制，具体过程为：

由于合成的雷达波束指向法线方向，所以波束形成权值为各个阵元直接相加就可以得到波束合成后的输出。假设各个天线2的输出分别表示为x₁,x₂,...x_N，其中N为稀疏口径所有天线2的总个数；波束合成权值为:

W=[1,1...,1]^H

其中上标H表示共轭转置，也即波束合成加权向量为一个全1向量，得到的输出为:

y_m=x₁+x₂...x_N

其中y_m为第m个脉冲的波束合成输出，m表示脉冲编号，其取值为大于1且小于M，M为一个CPI（相干处理间隔）内的脉冲个数；

根据阵列的位置，可以计算得到稀疏阵列当前波束指向法线时其栅瓣位置，假设栅瓣位置θ₁,...θ_L，根据当前车速的测量值，可以得到栅瓣处的杂波相对速度分别为v₁,...v_L，其中:

V_l=2vsinθ_l/λ

其中λ为波长，l取值范围1到L,L为栅瓣处的杂波数量，基于以上信息，可设计时域滤波器权值w_t;

则可得到用于检测的距离-多普勒矩阵为:

Y=[y₁,y₂...y_M]w_t。

上述基于阵列栅瓣设计的MTD滤波器，能够进一步降低来自于栅瓣杂波的影响，进一步提升弱小目标检测能力。

进一步地，在通过距离-多普勒矩阵输出距离维数据后，再通过一维CFAR（恒定虚警概率）处理而得到检测结果。本发明利用了车辆运动的特性，可只观察法线方向，随着车辆移动实现整个场景的探测，即可等效为一个针状波束进行场景扫描，在进行检测时只采用一维CFAR处理，极大的节约了计算量。

本发明进一步公开了一种与上述检测方法相对应的检测系统，具体包括：

第一模块，用于获取各个雷达天线2接收到的目标回波信号；其中目标回波信号由多个雷达天线2发射的FMCW脉冲信号返回得到；

第二模块，用于将多个目标回波信号合成主瓣波束宽度更窄的雷达波束；

第三模块，用于对雷达波束进行处理得到检测结果。

本发明的上述检测系统，同样具有如上检测方法所述的优点。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述检测方法的步骤。本发明进一步公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述检测方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card,SMC），安全数字（Secure Digital,SD)卡，闪存卡（FlashCard）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于车载分布式孔径雷达的FOD检测装置的检测方法，FOD检测装置包括运动小车（1）和具有多个天线（2）的雷达单元，所述运动小车（1）的运动方向与机场跑道（3）平行；多个天线（2）间隔布置于运动小车（1）上，用于向机场跑道（3）发射检测信号；多个天线（2）形成一个稀疏大口径天线，以合成主瓣波束宽度更窄的波束来提高目标回波的信噪比，其特征在于，检测方法包括步骤：

1）获取各个雷达天线（2）接收到的目标回波信号；其中目标回波信号由多个雷达天线（2）发射的FMCW脉冲信号返回得到；

2）将多个目标回波信号合成主瓣波束宽度更窄的雷达波束；

3）对雷达波束进行处理得到检测结果；

在步骤2）中，合成的雷达波束对准稀疏大口径天线的法线方向。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在步骤3）中，处理过程为：通过MTD滤波器对栅瓣处杂波在脉冲维或者时域进行抑制，进而采用空时滤波器实现对杂波抑制。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，通过MTD滤波器对栅瓣处杂波在脉冲维或者时域进行抑制，进而采用空时滤波器实现对杂波抑制的具体过程为：

假设各个天线（2）的输出分别表示为x₁,x₂,...x_N，其中N为天线（2）的总个数；波束合成权值为:

W=[1,1...,1]^H

其中上标H表示共轭转置，也即波束合成加权向量为一个全1向量，得到的输出为:

y_m=x₁+x₂...x_N

其中y_m为第m个脉冲的波束合成输出，m表示脉冲编号，其取值为大于1而小于M，M为一个CPI内的脉冲个数；

根据天线（2）的位置，计算得到稀疏大口径天线当前合成波束指向法线时其栅瓣位置，假设栅瓣位置为θ₁,...θ_L，根据当前车速的测量值，得到栅瓣处的杂波相对速度分别为v₁,...v_L，其中:

V_l=2vsinθ_l/λ

其中λ为波长，l取值范围1到L,L为栅瓣处的杂波数量，基于以上信息，设计时域滤波器权值w_t;

则得到用于检测的距离-多普勒矩阵为:

Y=[y₁,y₂...y_M]w_t。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，在通过距离-多普勒矩阵输出距离维数据后，再通过一维CFAR处理而得到检测结果。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，多个所述天线（2）均匀布置于所述运动小车（1）的侧面。

6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述雷达单元为线性调频连续波的毫米波雷达。

7.一种检测系统，用于执行如权利要求1～6中任意一项所述的检测方法，其特征在于，包括：

第一模块，用于获取各个雷达天线（2）接收到的目标回波信号；其中目标回波信号由多个雷达天线（2）发射的FMCW脉冲信号返回得到；

第二模块，用于将多个目标回波信号合成主瓣波束宽度更窄的雷达波束；

第三模块，用于对雷达波束进行处理得到检测结果。

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