CN113985400A - 一种机场跑道外来异物监测报警系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机场跑道外来异物监测报警系统及其方法,系统包括：FOD检测单元，不间断扫描监视监测范围内的异物FOD地面监控中心，FOD地面监控中心，分析控制服务器：运行目标检测算法，对FOD检测单元传送的图像及雷达数据处理；固定操作控制终端：用于显示检测处理的FOD目标信息并提示操作员，对FOD检测单元和FOD地面监控中心的设备参数配置、数据监测、统计分析；存储阵列：存储发现的FOD图片及视频信息并挂载在数据库服务器；FOD清扫中心，清除检测到异物，FOD清扫中心包括：移动操作控制终端：异物清扫车。本发明实现对机场跑道的异物目标全天时全天候高精度、高可靠自动探测、自动识别和实时报警。

Description

一种机场跑道外来异物监测报警系统及其方法

技术领域

本发明属于异物监测报警技术领域，具体涉及机场跑道外来异物监测报警系统及其方法。

背景技术

机场异物探测（FOD）系统采用分布式结构布局，所有监测单元协同完成对整条跑道的异物监测，每套监测单元部署在跑道道边边灯附近，对跑道实时的进行监测；

现有的探测系统存在以下问题：

1、在天气晴朗、道面干燥的条件下，无法探测到30m×30m区域内任意实物的概率达到90%以上，同时在两个实物距离超过3m时，需识别到为两个FOD；

2、探测设备无法提供探测到的FOD的位置信息，位置信息与FOD实际位置的误差大于5m；

3、在白天、夜晚、黄昏、黎明等不同光照条件下，探测设备对指定区域中的FOD识别率较差；

4、警报与虚警的错误率的较高，任意连续90天内平均每天超过1次虚警；对于没有视频辅助确认功能的探测设备，任意连续90天内平均每天超过3次虚警；

因此，需要研发一种机场跑道外来异物监测报警系统及其方法来解决现有的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机场跑道外来异物监测报警系统及其方法，以解决警报与虚警的错误率较高的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种机场跑道外来异物监测报警系统，包括：

FOD检测单元，用于不间断扫描监视监测范围内的异物；

FOD地面监控中心，所述FOD地面监控中心，包括：

分析控制服务器，用于运行目标检测算法，对FOD检测单元传送的图像及雷达数据分析处理，将发现的FOD目标信息存入FOD探测系统数据库并发送给固定操作控制终端处理；

固定操作控制终端：用于显示检测处理的FOD目标信息并提示操作员，对FOD检测单元和FOD地面监控中心的设备参数配置、数据监测、统计分析；

存储阵列：用于存储发现的FOD图片及视频信息并挂载在数据库服务器；

FOD清扫中心，用于清除检测到异物，所述FOD清扫中心包括：

移动操作控制终端：用于接收FOD检测单元检测到FOD信息，显示待处理异物并发送异物位置引导现场人员异物清理并将处理结果上报；

异物清扫车：用于接收移动操作控制终端的异物清扫指令，对现场异物进行回收清扫。

优选的，所述FOD检测单元包括：

雷达，用于对整个机场跑道的全覆盖式目标检测并探测定位低信噪比的FOD目标；

光学成像单元，用于对目标物清晰成像，对机场跑道异物检测并将跑道异物分类，划分危害程度等级；所述光学成像单元包括：

数字摄像机，具有全天候识别广角整体场景拍摄以及窄角局部细化拍摄功能；

高清镜头，用于匹配数字摄像机，获取目标物体的图像；

转台机构，用于通过电机的转动控制雷达和光学成像单元改变检测范围；

激光指引器，用于夜间检测到FOD后，对地面异物目标进行指示协助将异物进行清除；

红外补光灯，用于与光学成像单元配合，获取目标图像；

电热片，用于转台机构的加热；

温度开关，用于根据温度的数值控制电热片的导通；

透波罩，用于保护雷达的天线。

优选的，所述转台机构，包括：

用于安装雷达和光学成像单元的转盘、连接在转盘上的支撑轴承、驱动转盘转动的齿轮传动副、与齿轮传动副相连接的行星减速机、与行星减速机相连接的电机、用于检测转盘位置角度数据的方位编码器和位置传感器、控制电路板和转台限位保护、接收到雷达工作指令进行控制规律计算后将控制信号发送给驱动器的转台控制单元、接收控制信号驱动电机运动的驱动器。

优选的，所述固定操作控制终端包括FOD监测处理模块，所述FOD监测处理模块包括：

传感器信号处理融合模块，用于图片信号校准、异物检测、异物分类、重复区域数据融合；

视频图像管理调用模块，用于发现异物后人工对原始视频信号进行查验，视频图像信号可存储至固定路径下，同时校准背景、算法检测、分类并存储视频及图像信号，

标明FOD信息模块，用于在计算机屏幕的电子地图上以坐标的形式标明FOD信息并将信息的显示符合机场运行情况与用户的要求；

详细信息模块，用于显示和记录设备探测到FOD的详细信息并用于作为FOD不安全事件的分析。

优选的，所述移动操作控制终端包括FOD现场处理模块；所述FOD现场处理模块包括：

用户登录模块，用于使用者登陆；

待处理异物信息列表显示模块；用于展示待处理异物信息；

异物经纬度坐标信息模块；用于在机场矢量地图中显示异物经纬度坐标；

待处理异物信息模块，用于查看下发的待处理异物信息，所述异物信息包括缩略图图片、经纬度坐标信息；

上传异物模块，用于上传异物现场图片、异物描述信息。

优选的，所述报警系统还包括：交换机，若干FOD检测单元与所述交换机相连接，所述交换机与FOD地面监控中心相连接，所述FOD地面监控中心与FOD清扫中心建立数据传输。

优选的，所述雷达包括：

用于毫米波信号的调制、发射、接收以及回波信号的雷达收发组件，用于安装雷达收发组件的雷达框体、固定在雷达框体上并与转盘相连接的连接底座；

所述雷达收发组件嵌入在雷达框体内，并凸出雷达框体端面的高度为雷达框体厚度的3/5-4/5，且所述雷达收发组件边沿距离雷达框体的边沿为3cm-6cm；所述连接底座固定在雷达框体远离所述雷达收发组件端面的中点位置，并凸出雷达框体端面，其凸出的高度与所述雷达收发组件凸出的高度相同。

优选的，所述监测报警系统还包括：FOD地面软件平台，所述FOD地面软件平台包括：

监控设备管理，用于展示并编辑所有的物联感知设备，操作雷达指定命令、摄像头的实时展示、拉进拉远、抓拍和转台转动；所述物联感知设备包括摄像机、转台和雷达；

地图管理，用于设定不同机场对应的地图场景以及支持场景的切换和绑定指定的物联设备展示；

报警记录，展示所有雷达上报的报警信息；

信息汇聚，用于基础信息的查询，包括异物等级、异物数量、异物类型和异物位置的信息；

用户管理，用于各级操作人员账户创建与权限的设定；

系统监控，用于在线用户的监控和查询。

本发明另提供一种机场跑道外来异物监测报警系统的报警方法，包括以下步骤：

步骤1、雷达对机场跑道进行不间断扫描；

步骤2、通过雷达检测方法，当检测到异物时，启动实时警报，并将目标距离位置信息发给光学成像单元, 光学成像单元对机场跑道异物进行拍照，根据光学图像对目标进行识别并给出威胁等级；

步骤3、将完成识别的数据传送给FOD地面监控中心，FOD地面监控中心决定是否需要清理，如果光学相机未能完成识别，则FOD地面监控中心手动操控雷达和光学相机对目标进行人工验证与确认；

步骤4、收到FOD地面监控中心清除机场跑道异物指令后，清理工作站派出工作人员回收异物，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。

优选的，所述雷达检测方法包括：

步骤21、雷达不间断扫描机场跑道监控区域，如果雷达检测到有可疑的机场跑道异物目标出现，则输出可疑目标的角度和距离信息（θ,d）；

步骤22、根据雷达报警目标信息（θ,d），调整相机焦距和角度，拍摄覆盖雷达报警目标位置的清晰图像；

步骤23、据雷达和相机联合标定，锁定雷达报警目标位置在所拍摄图像中的像素坐标；

步骤24、基于直线检测图像识别方法，将所拍摄的图像划分为标志线区域和不含标志线区域；判断雷达报警目标位置在图像中所处的区域，若目标位置在标志线区域内，则进入步骤25，否则进入步骤26；

步骤25、以雷达报警目标位置在所拍摄图像中的像素坐标为中心，提取标志线区域，并将提取的区域等分成N个子区域，使用灰度共生矩阵计算每个子区域图像的纹理特征，通过能量、惯量、熵和相关性描述每个子区域图像的纹理特征；计算N个子区域之间纹理特征的最大差值D；比较D与阈值D_threshold1,如果D>D_threshold1，则不同子区域间纹理特征存在显著差异，雷达报警目标为真实的异物，如果D<D_threshold1，则雷达报警目标为虚警；其中，D_threshold1为不含异物时跑道标志线范围内不同子区域间纹理特征差异的正常分布；

步骤26、以雷达报警目标位置在所拍摄图像中的像素坐标为中心，提取不包含标志线区域，并将提取的区域等分成N个子区域，使用灰度共生矩阵计算每个子区域图像的纹理特征，通过能量、惯量、熵和相关性描述每个子区域图像的纹理特征,计算N个子区域之间纹理特征的最大差值D；比较D与阈值D_threshold2，如果D>D_threshold2，则不同子区域间纹理特征存在显著差异，雷达报警目标为真实的异物，如果D<D_threshold2，则雷达报警目标为虚警，其中，D_threshold2为不含异物时跑道不含标志线范围内不同子区域间纹理特征差异的正常分布。

本发明的技术效果和优点：该机场跑道外来异物监测报警系统及其方法，毫米波雷达和光学相机均安装在转台机构上，转台机构布置在机场跑道道边，每边设备之间间隔60m，相对设备间隔60m，转台机构转动时雷达检测，光学设备录视频，毫米波雷达检测到异物之后，将位置信息发送给光学设备，光学设备拍照进一步取证辩识异物目标，即使是在恶劣的天气和大气条件下，实现对机场跑道的异物目标全天时全天候高精度、高可靠自动探测、自动识别和实时报警；采用分布式结构布局，所有FOD检测单元协同完成对整条跑道的异物监测，每套FOD检测单元部署在跑道道边边灯附近，组成了雷达型与摄像型的混合型探测系统；具体有如下效果：

1、实现对活动区中的指定区域进行监视，发现并定位活动区中的单个或多个FOD，及时向用户发出警报，使用时不影响现有机场设施设备，包括空管设施设备的正常运行，并不受航空器和车辆等运行活动的干扰，具备自检功能，当探测设备不能正常工作时，立即以屏幕显示或者声音报警等方式提示用户；

2、实现在天气晴朗、道面干燥的条件下在任意30m×30m区域内探测到90%的异物，当两个FOD异物距离小于3m时，能识别为两个FOD；

3、探测到的FOD的位置信息，位置信息与FOD实际位置的误差小于5m；

4、实现对跑道道面是否存在FOD进行不间断探测，在航空器起飞、降落与移动期间能够正常工作；

5、提高了被扫描区域出现的FOD探测的速度, 在航空器起降间隙提供警报的固定式探测设备，在航空器起降间隙提供对跑道道面的探测，提供对道面FOD的扫描结果，并在FOD出现后4分钟之内更新信息；

6、实现了探测到FOD时向设备操作人员发出警报，该警报向机场管理人员提供充分的信息，能够评估该FOD的威胁程度以及是否需要立即清除该FOD，通过视频辅助确认，实现了任意连续90天内平均每天不应超过1次虚警；对于没有视频辅助确认功能时，任意连续90天内平均每天不应超过3次虚警。

7、实现了探测设备探测到FOD后自动记录发出警报的日期、时刻与FOD的位置、尺寸等信息，将相关记录用于FOD不安全事件的分析；并在计算机屏幕的电子地图上以坐标的形式标明FOD信息，或者通过其他方式通知机场相关工作人员。

附图说明

图1为本发明系统组成框架示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明实施例的流程图；

图4为本发明雷达检测方法的流程图；

图5为本发明光学成像单元系统框图；

图6为本发明转台机构原理示意图；

图7为本发明雷达正视图；

图8为本发明雷达后视图；

图9为本发明雷达俯视图；

图10为本发明雷达左视图。

图中：11、雷达收发组件；12、雷达框体；13、连接底座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1中所示的一种机场跑道外来异物监测报警系统，包括：

FOD检测单元，用于不间断扫描监视监测范围内的异物；

所述FOD检测单元包括：

雷达，用于对整个机场跑道的全覆盖式目标检测并探测定位低信噪比的FOD目标；

如图7-图10所示，所述雷达包括：

用于毫米波信号的调制、发射、接收以及回波信号的雷达收发组件11，用于安装雷达收发组件11的雷达框体、固定在雷达框体12上并与转盘相连接的连接底座13；

本实施例中，所述雷达收发组件11嵌入在雷达框体12内，并凸出雷达框体12端面的高度为雷达框体12厚度的3/5-4/5，提高了扫描的效果，且所述雷达收发组件11边沿距离雷达框体12的边沿为3cm-6cm；通过结构的改进，使安装时更方便，改善了散热的效果，所述连接底座13固定在雷达框体12远离所述雷达收发组件11端面的中点位置，并凸出雷达框体12端面，便于固定和更换，其凸出的高度与所述雷达收发组件11凸出的高度相同，连接时更为方便。

本实施例中，雷达为毫米波，毫米波是波长为1~10毫米电磁波，毫米波处于厘米波、红外以及可见光之间，与红外、光学视频相比，毫米波检测系统具有如下特点：①受气象和烟尘的影响较小；②区别金属和周围环境的能力强。

毫米波雷达主要由天线、射频收发模块、中频模块、信号处理模块、电源模块等组成，主要用于完成对整个机场跑道的全覆盖式目标检测，并可在恶劣天气条件下探测到非常低信噪比（SNR）的FOD目标并准确定位；雷达向转台机构发送工作模式指令；接收转台机构反馈的角度位置信息；通过光纤收发器，将检测到的异物位置信息转成光信号传至地面平台；接收经光纤收发器转发的地面监控中心控制指令，控制雷达子系统及转台子系统进行相应动作；向光学成像单元发送拍照控制指令；纹波≤±100mv；采用线性稳压或DCDC开关频率大于2.5MHz；雷达有RJ45插座，走千兆网协议，用于控制和检测结果输出；相机控制接口：12V高电平，0V低电平，高电平有效，上电默认低电平；补光灯：12V高电平，0V低电平，高电平有效，上电默认低电平；激光指引器：12V高电平，0V低电平，高电平有效，上电默认低电平；伺服控制接口：RS422，双向；预留控制接口：RS232，双向；

如图5所示，光学成像单元，用于对目标物清晰成像，对机场跑道异物检测并将跑道异物分类，划分危害程度等级；

FOD监测系统需要具有全天候识别的能力，因此选用的图像采集设备需具备广角整体场景拍摄能力和窄角局部细化拍摄能力，具体要求为：视场角较宽，这使得每部采集设备覆盖区域较大；具有高变焦能力，这使得探测到目标后，可以进一步对目标进行特征判别，进而为判定异物危害度提供合理依据；鉴于气象状况恶劣，亮度较低等探测不利条件的存在，应配备相应的红外线照明灯，以保证系统的全天候监测能力；

高清镜头与数字摄像机组成光学成像单元，用于对目标物清晰成像，融合图像信号检测算法对机场跑道异物检测，可较大地降低了系统检测虚警率，提高系统可靠性，同时，结合模式分类算法，对跑道异物进行分类，划分不同的危害程度等级，便于管理部门制定不同的应对策略。

将采集的视频、图像信号通过光纤收发器传至FOD地面软件平台；接收FOD地面监控中心通过光纤收发器转发的控制指令，调整摄像头光学参数进行拍照。接收雷达子系统发送的拍照控制指令；具体参数如下：

所述光学成像单元包括：

数字摄像机，具有全天候识别广角整体场景拍摄以及窄角局部细化拍摄功能；

高清镜头，用于匹配数字摄像机，获取目标物体的图像；

转台机构，用于通过电机的转动控制雷达和光学成像单元改变检测范围；

所述转台机构，设置断电记忆，转台在某个位置停留时间达到所设定的时间后，将保存其空间位置数据。转台断电重启后，可自动运动到其所记忆的最后一个空间位置；如图6所示，转台机构包括：

用于安装雷达和光学成像单元的转盘、连接在转盘上的支撑轴承、驱动转盘转动的齿轮传动副、与齿轮传动副相连接的行星减速机、与行星减速机相连接的电机、用于检测转盘位置角度数据的方位编码器和位置传感器、控制电路板和转台限位保护、接收到雷达工作指令进行控制规律计算后将控制信号发送给驱动器的转台控制单元、接收控制信号驱动电机运动的驱动器；

转台电气接口，接收雷达发送的工作模式指令；向雷达反馈当前的角度位置信息：

具体参数如下：

激光指引器，用于夜间检测到FOD后，对地面异物目标进行指示协助将异物进行清除；具体参数如下：

红外补光灯，用于与光学成像单元配合，获取目标图像；具体参数如下：

电热片，用于转台机构的加热；

温度开关，用于根据温度的数值控制电热片的导通；

透波罩，用于保护雷达的天线；

电源适配器，用于机场供电系统输出信号规格转换，给转台、雷达、相机等设备供电；具体参数如下：

如图1所示，FOD地面监控中心，所述FOD地面监控中心，包括：

分析控制服务器，用于运行目标检测算法，对FOD检测单元传送的图像及雷达数据分析处理，将发现的FOD目标信息存入FOD探测系统数据库并发送给固定操作控制终端处理；并通知固定操作控制终端处理；

固定操作控制终端：部署FOD应用软件，用于显示检测处理的FOD目标信息并提示操作员，对FOD检测单元和FOD地面监控中心的设备参数配置、数据监测、统计分析；以声音和屏幕报警功能提示操作员，并实现FOD检测处理；

所述固定操作控制终端包括FOD监测处理模块，所述FOD监测处理模块包括：

传感器信号处理融合模块，用于图片信号校准、异物检测、异物分类、重复区域数据融合；

视频图像管理调用模块，用于发现异物后人工对原始视频信号进行查验并视频图像信号可存储至固定路径下，同时校准背景、算法检测、分类并存储视频及图像信号，

标明FOD信息模块，用于在计算机屏幕的电子地图上以坐标的形式标明FOD信息并将信息的显示符合机场运行情况与用户的要求；

详细信息模块，用于显示和记录设备探测到FOD的详细信息并用于作为FOD不安全事件的分析；记录内容主要包括以下信息：

发出警报的日期与时间；

对探测到或者取回FOD的描述，比如个数、位置、尺寸、名称、种类、序号等；

取回FOD的日期和时间；

实际排除的FOD个数；

探测或者核查FOD的工作人员姓名；

天气状况与道面干湿状况；

机场二维地图制作与展示；

传感器信号处理及融合；

FOD信息可视化展示；

边灯式道面检测单元控制；

DDU远程加载程序、调试；

视频、图片管理及调用；

FOD信息管理；

统计分析；

分类列表显示未处理、待处理、已处理的异物信息，可查看异物详细信息；

列表显示传感器列表，点击查看各传感器的网络相机，查看实时视频；

显示机场矢量地图、传感器位置、异物位置、移动端位置；机场矢量地图支持测距、指南针、移动端运动轨迹显示，根据移动端是否具备GPS或者北斗功能而定；显示异物危险度等级，可选择连接传感器进行人工操作，手动确认异物；

异物处理流程状态链跟踪，异物的状态分类查看；

异物信息、视频信息回溯、查看；显示检测原图、取证图，生成缩略图、鹰眼图；

动态即时截图；

异物区域分布饼图；

传感器指令参数设置，即DDU中雷达、光学设备、转台参数设置；

设备远程加载程序、远程调试；

异物运行时统计，统计此次开机工作未处理、正在处理、处理完成归档的异物数量；

系统运行时间统计，统计系统总运行时间；

机场异物年度统计图表查看；

下发待处理异物信息至移动终端；

提供移动终端软件下载；

边灯式探测设备具备自检功能，设备故障时，监控中心能够立刻进行声音和屏幕报警，当探测设备被修复时，系统故障报警信息能自动识别故障已消除；

人为根据需求过滤系统故障报警信息，过滤后系统不再对该故障发出报警；

探测设备自身故障报警及存储信息包含故障日期及时间、故障设备编号、设备位置及故障类型等信息；

FOD探测过程收集的数据，比如异物及设备自身，应当以电子化、数字化形式存储，FOD的探测记录应当保存10年以上，可根据需要进行分类查询统计分析。

存储阵列：用于存储发现的FOD图片及视频信息并挂载在数据库服务器；磁盘阵列包括多个磁盘组合成一个容量巨大的磁盘组；主要存储系统发现的FOD图片及视频信息；

NVR服务器；

FOD清扫中心，用于清除检测到异物，所述FOD清扫中心包括：

移动操作控制终端：用于接收FOD检测单元检测到FOD信息，显示待处理异物并发送异物位置引导现场人员异物清理并将处理结果上报；

所述移动操作控制终端包括FOD现场处理模块；所述FOD现场处理模块包括：

用户登录模块，用于使用者登陆；

待处理异物信息列表显示模块；用于展示待处理异物信息；

异物经纬度坐标信息模块；用于在机场矢量地图中显示异物经纬度坐标；

待处理异物信息模块，用于查看下发的待处理异物信息，所述异物信息包括缩略图图片、经纬度坐标信息；

上传异物模块，用于上传异物现场图片、异物描述信息；

机场二维地图制作与展示；

FOD信息可视化展示；

现场FOD信息搜集与反馈；

异物清扫车：用于接收移动操作控制终端的异物清扫指令，对现场异物进行回收清扫。

通过边灯式探测设备通信设备和核心交换机完成整个FOD探测系统的数据传输，网络链路使用全光纤传输，从边灯式探测设备到机房敷设光纤网络；交换机，将短距离的双绞线电信号和长距离的光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元，负责光学成像单元、雷达、转台与地面监控之间的数据交互，若干FOD检测单元与所述交换机相连接，所述交换机与FOD地面监控中心相连接，所述FOD地面监控中心与FOD清扫中心建立数据传输。

光纤收发器，将雷达检测到的异物位置信息通过光纤收发器转成光信号传至FOD地面软件平台；向雷达发送接收的FOD地面监控中心的控制指令，控制雷达及转台机构相应动作；将光学成像单元采集的视频、图像信号通过光纤收发器转成光信号传至FOD地面软件平台；向光学成像单元发送接收的FOD地面监控中心的控制指令，调整摄像头光学参数进行拍照；将光纤收发器采集的所有电信号转成光信号传至FOD地面软件平台；将FOD地面监控中心发送的光信号转成电信号，从而实现对各子系统的控制；具体参数如下：

FOD地面软件平台，所述FOD地面软件平台包括：

监控设备管理，用于展示并编辑所有的物联感知设备，操作雷达指定命令、摄像头的实时展示、拉进拉远、抓拍和转台转动；所述物联感知设备包括摄像机、转台和雷达；

地图管理，用于设定不同机场对应的地图场景以及支持场景的切换和绑定指定的物联设备展示；

报警记录，展示所有雷达上报的报警信息；

信息汇聚，用于基础信息的查询，包括异物等级、异物数量、异物类型和异物位置的信息；

用户管理，用于各级操作人员账户创建与权限的设定；

系统监控，用于在线用户的监控和查询；

平面地图展示，用于展示机场的平面地图信息；

地图场景切换，用于切换机场不同场景的平面地图；

地图操作，用于通过鹰眼功能进行放大缩小操作，支持用户通过鼠标滚轮进行滚动进行放大和缩小；

设置经纬度，用于在平面地图上定义原点进行基本的经纬度标绘，并通过经纬度换算出异物在地图上的位置；

异物展示，用于展示图标进行展示异物的基本信息；

报警接收，用于当物联设备发生报警后会在地图中央进行报警展示，并支持点击定位到指定物联设备位置，同时也支持查看处置；

另外本发明还提供一种机场跑道外来异物监测报警系统的报警方法，由毫米波雷达实时扫描跑道检测机场跑道异物目标，光学摄像机拍摄目标，使用终端数据处理计算机比如工控机对毫米波雷达信息，可见光、红外图像信息进行综合处理，通过机场现有网络发出机场跑道异物威胁告警并将识别结果及其他信息告知监控中心和清理站，再完成清理后将异物数据库记录目标信息，如图2-图4所示，包括以下步骤：

步骤1、雷达对机场跑道进行不间断扫描；在对机场跑道进行不间断扫描前需进行系统启动，工作人员就位，硬件系统启动，软件系统自检；

步骤2、通过雷达检测方法，当检测到异物时，启动实时警报，并将目标距离位置信息发给光学成像单元, 光学成像单元对机场跑道异物进行拍照，根据光学图像对目标进行识别并给出威胁等级；

所述雷达检测方法包括：

步骤21、雷达不间断扫描机场跑道监控区域，如果雷达检测到有可疑的机场跑道异物目标出现，则输出可疑目标的角度和距离信息（θ,d）；

步骤22、根据雷达报警目标信息（θ,d），调整相机焦距和角度，拍摄覆盖雷达报警目标位置的清晰图像；

步骤23、据雷达和相机联合标定，锁定雷达报警目标位置在所拍摄图像中的像素坐标；

步骤24、基于直线检测图像识别方法，将所拍摄的图像划分为标志线区域和不含标志线区域；判断雷达报警目标位置在图像中所处的区域，若目标位置在标志线区域内，则进入步骤25，否则进入步骤26；

步骤25、以雷达报警目标位置在所拍摄图像中的像素坐标为中心，提取标志线区域，并将提取的区域等分成N个子区域，使用灰度共生矩阵计算每个子区域图像的纹理特征，通过能量、惯量、熵和相关性描述每个子区域图像的纹理特征；计算N个子区域之间纹理特征的最大差值D；比较D与阈值D_threshold1,如果D>D_threshold1，则不同子区域间纹理特征存在显著差异，雷达报警目标为真实的异物，如果D<D_threshold1，则雷达报警目标为虚警；其中，D_threshold1为不含异物时跑道标志线范围内不同子区域间纹理特征差异的正常分布；

步骤26、以雷达报警目标位置在所拍摄图像中的像素坐标为中心，提取不包含标志线区域，并将提取的区域等分成N个子区域，使用灰度共生矩阵计算每个子区域图像的纹理特征，通过能量、惯量、熵和相关性描述每个子区域图像的纹理特征,计算N个子区域之间纹理特征的最大差值D；比较D与阈值D_threshold2，如果D>D_threshold2，则不同子区域间纹理特征存在显著差异，雷达报警目标为真实的异物，如果D<D_threshold2，则雷达报警目标为虚警，其中，D_threshold2为不含异物时跑道不含标志线范围内不同子区域间纹理特征差异的正常分布。

步骤3、将完成识别的数据传送给FOD地面监控中心，FOD地面监控中心决定是否需要清理，如果光学相机未能完成识别，则FOD地面监控中心手动操控雷达和光学相机对目标进行人工验证与确认；

步骤4、收到FOD地面监控中心清除机场跑道异物指令后，清理工作站派出工作人员回收异物，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。

该机场跑道外来异物监测报警系统及其方法，毫米波雷达和光学相机均安装在转台机构上，转台机构布置在机场跑道道边，每边设备之间间隔60m，相对设备间隔60m，转台机构转动时雷达检测，光学设备录视频，毫米波雷达检测到异物之后，将位置信息发送给光学设备，光学设备拍照进一步取证辩识异物目标，即使是在恶劣的天气和大气条件下，实现对机场跑道的异物目标全天时全天候高精度、高可靠自动探测、自动识别和实时报警；采用分布式结构布局，所有FOD检测单元协同完成对整条跑道的异物监测，每套FOD检测单元部署在跑道道边边灯附近，组成了雷达型与摄像型的混合型探测系统；具体有如下效果：

1、实现对活动区中的指定区域进行监视，发现并定位活动区中的单个或多个FOD，及时向用户发出警报，使用时不影响现有机场设施设备，包括空管设施设备的正常运行，并不受航空器和车辆等运行活动的干扰，具备自检功能，当探测设备不能正常工作时，立即以屏幕显示或者声音报警等方式提示用户；

2、实现在天气晴朗、道面干燥的条件下在任意30m×30m区域内探测到90%的异物，当两个FOD异物距离小于3m时，能识别为两个FOD；

3、探测到的FOD的位置信息，位置信息与FOD实际位置的误差小于5m；

4、实现对跑道道面是否存在FOD进行不间断探测，在航空器起飞、降落与移动期间能够正常工作；

5、提高了被扫描区域出现的FOD探测的速度, 在航空器起降间隙提供警报的固定式探测设备，在航空器起降间隙提供对跑道道面的探测，提供对道面FOD的扫描结果，并在FOD出现后4分钟之内更新信息；

6、实现了探测到FOD时应向设备操作人员发出警报，该警报向机场管理人员提供充分的信息，能够评估该FOD的威胁程度以及是否需要立即清除该FOD，通过视频辅助确认，实现了任意连续90天内平均每天不应超过1次虚警；对于没有视频辅助确认功能时，任意连续90天内平均每天不应超过3次虚警。

7、实现了探测设备探测到FOD后自动记录发出警报的日期、时刻与FOD的位置、尺寸等信息，将相关记录用于FOD不安全事件的分析；并在计算机屏幕的电子地图上以坐标的形式标明FOD信息，或者通过其他方式通知机场相关工作人员；

FOD检测单元在环境温度-32℃到55℃、相对湿度5%到90%、含有灰尘与碳氢化合物的空气中正常运行，具备耐候性能，不受室外环境影响，能够承受60m/s的风荷载；暴露在航空器喷气气流下时，能够承受90m/s的风荷载；安装在跑道灯具上时，传感装置能够承受134m/s的风荷载；具有保护措施，使其不受雨、雪、冰、沙尘和除冰液等物质的损害；在天气晴朗或者有降雨、降雪等恶劣天气时，对指定区域中的FOD应当具有探测能力；在活动区的道面处于干燥、湿润或是有积水、积雪的状态时，检测单元对指定区域中的FOD具有探测能力；在白天、夜晚、黄昏、黎明等不同光照条件下，检测单元对指定区域中的FOD具有探测能力；FOD探测过程收集的数据应当以数字化形式存储，FOD的探测记录保存10年以上。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机场跑道外来异物监测报警系统，其特征在于：包括：

FOD检测单元，用于不间断扫描监视监测范围内的异物；

FOD地面监控中心，所述FOD地面监控中心，包括：

分析控制服务器，用于运行目标检测算法，对所述FOD检测单元传送的图像及雷达数据分析处理，将发现的FOD目标信息存入FOD探测系统数据库并发送给固定操作控制终端处理；

固定操作控制终端：用于显示检测处理的FOD目标信息并提示操作员，对所述FOD检测单元和FOD地面监控中心进行设备参数配置、数据监测和统计分析；

存储阵列：用于存储发现的FOD图片及视频信息并挂载在数据库服务器；

FOD清扫中心，用于清除检测到异物，所述FOD清扫中心包括：

移动操作控制终端：用于接收所述FOD检测单元检测到FOD信息，显示待处理异物并发送异物位置引导现场人员进行异物清理，并将处理结果上报；

异物清扫车：用于接收所述移动操作控制终端的异物清扫指令，对现场异物进行回收清扫。

2.根据权利要求1所述的一种机场跑道外来异物监测报警系统，其特征在于：所述FOD检测单元包括：

雷达，用于对整个机场跑道的全覆盖式目标检测并探测定位低信噪比的FOD目标；

光学成像单元，用于对目标物清晰成像，对机场跑道异物检测并将跑道异物分类，划分危害程度等级；所述光学成像单元包括：

数字摄像机，具有全天候识别广角整体场景拍摄以及窄角局部细化拍摄功能；

高清镜头，用于匹配数字摄像机，获取目标物体的图像；

转台机构，用于通过电机的转动控制雷达和光学成像单元改变检测范围；

激光指引器，用于夜间检测到FOD后，对地面异物目标进行指示协助将异物进行清除；

红外补光灯，用于与所述光学成像单元配合，获取目标图像；

电热片，用于所述转台机构的加热；

温度开关，用于根据温度的数值控制电热片的导通；

透波罩，用于保护雷达的天线。

3.根据权利要求2所述的一种机场跑道外来异物监测报警系统，其特征在于：所述转台机构，包括：

用于安装雷达及光学成像单元的转盘、连接在转盘上的支撑轴承、驱动转盘转动的齿轮传动副、与齿轮传动副相连接的行星减速机、与行星减速机相连接的电机、用于检测转盘位置角度数据的方位编码器及位置传感器、控制电路板及转台限位保护、接收到雷达工作指令进行控制规律计算后将控制信号发送给驱动器的转台控制单元、接收控制信号驱动电机运动的驱动器。

4.根据权利要求1所述的一种机场跑道外来异物监测报警系统，其特征在于：所述固定操作控制终端包括FOD监测处理模块，所述FOD监测处理模块包括：

传感器信号处理融合模块，用于图片信号校准、异物检测、异物分类、重复区域数据融合；

视频图像管理调用模块，用于发现异物后人工对原始视频信号进行查验，视频图像信号可存储至固定路径下，同时校准背景、算法检测、分类并存储视频及图像信号，

标明FOD信息模块，用于在计算机屏幕的电子地图上以坐标的形式标明FOD信息并将信息的显示符合机场运行情况与用户的要求；

详细信息模块，用于显示和记录设备探测到FOD的详细信息并用于作为FOD不安全事件的分析。

5.根据权利要求1所述的一种机场跑道外来异物监测报警系统，其特征在于：所述移动操作控制终端包括FOD现场处理模块；所述FOD现场处理模块包括：

用户登录模块，用于使用者登陆；

待处理异物信息列表显示模块；用于展示待处理异物信息；

异物经纬度坐标信息模块；用于在机场矢量地图中显示异物经纬度坐标；

待处理异物信息模块，用于查看下发的待处理异物信息，所述异物信息包括缩略图图片、经纬度坐标信息；

上传异物模块，用于上传异物现场图片、异物描述信息。

6.根据权利要求1所述的一种机场跑道外来异物监测报警系统，其特征在于：所述报警系统还包括：交换机，若干FOD检测单元与所述交换机相连接，所述交换机与FOD地面监控中心相连接，所述FOD地面监控中心与FOD清扫中心建立数据传输。

7.根据权利要求2所述的一种机场跑道外来异物监测报警系统，其特征在于：所述雷达包括：

用于毫米波信号的调制、发射、接收以及回波信号的雷达收发组件，用于安装雷达收发组件的雷达框体、固定在雷达框体上并与转盘相连接的连接底座；

所述雷达收发组件嵌入在雷达框体内，并凸出雷达框体端面的高度为雷达框体厚度的3/5-4/5，且所述雷达收发组件边沿距离雷达框体的边沿为3cm-6cm；所述连接底座固定在雷达框体远离所述雷达收发组件端面的中点位置，并凸出雷达框体端面，其凸出的高度与所述雷达收发组件凸出的高度相同。

8.根据权利要求1所述的一种机场跑道外来异物监测报警系统，其特征在于：所述监测报警系统还包括：FOD地面软件平台，所述FOD地面软件平台包括：

监控设备管理，用于展示并编辑所有的物联感知设备，操作雷达指定命令、摄像头的实时展示、拉进拉远、抓拍和转台转动；所述物联感知设备包括摄像机、转台和雷达；

地图管理，用于设定不同机场对应的地图场景以及支持场景的切换和绑定指定的物联设备展示；

报警记录，展示所有雷达上报的报警信息；

信息汇聚，用于基础信息的查询，包括异物等级、异物数量、异物类型和异物位置的信息；

用户管理，用于各级操作人员账户创建与权限的设定；

系统监控，用于在线用户的监控和查询。

9.基于权利要求1所述的一种机场跑道外来异物监测报警系统的报警方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、雷达对机场跑道进行不间断扫描；

步骤2、通过雷达检测方法，当检测到异物时，启动实时警报，并将目标距离位置信息发给光学成像单元, 光学成像单元对机场跑道异物进行拍照，根据光学图像对目标进行识别并给出威胁等级；

步骤3、将完成识别的数据传送给FOD地面监控中心，FOD地面监控中心决定是否需要清理，如果光学相机未能完成识别，则FOD地面监控中心手动操控雷达和光学相机对目标进行人工验证与确认；

步骤4、收到FOD地面监控中心清除机场跑道异物指令后，清理工作站派出工作人员回收异物，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。

10.基于权利要求9所述的一种机场跑道外来异物监测报警系统的报警方法，其特征在于：所述雷达检测方法包括：

步骤21、雷达不间断扫描机场跑道监控区域，如果雷达检测到有可疑的机场跑道异物目标出现，则输出可疑目标的角度θ和距离d；

步骤22、根据雷达报警目标的角度θ和距离d，调整相机焦距和角度，拍摄覆盖雷达报警目标位置的清晰图像；

步骤23、据雷达和相机联合标定，锁定雷达报警目标位置在所拍摄图像中的像素坐标；

步骤24、基于直线检测图像识别方法，将所拍摄的图像划分为标志线区域和不含标志线区域；判断雷达报警目标位置在图像中所处的区域，若目标位置在标志线区域内，则进入步骤25，否则进入步骤26；

步骤25、以雷达报警目标位置在所拍摄图像中的像素坐标为中心，提取标志线区域，并将提取的区域等分成N个子区域，使用灰度共生矩阵计算每个子区域图像的纹理特征，通过能量、惯量、熵和相关性描述每个子区域图像的纹理特征；计算N个子区域之间纹理特征的最大差值D；比较D与阈值D_threshold1,如果D>D_threshold1，则不同子区域间纹理特征存在显著差异，雷达报警目标为真实的异物，如果D<D_threshold1，则雷达报警目标为虚警；其中，D_threshold1为不含异物时跑道标志线范围内不同子区域间纹理特征差异的正常分布；

步骤26、以雷达报警目标位置在所拍摄图像中的像素坐标为中心，提取不包含标志线区域，并将提取的区域等分成N个子区域，使用灰度共生矩阵计算每个子区域图像的纹理特征，通过能量、惯量、熵和相关性描述每个子区域图像的纹理特征,计算N个子区域之间纹理特征的最大差值D；比较D与阈值D_threshold2，如果D>D_threshold2，则不同子区域间纹理特征存在显著差异，雷达报警目标为真实的异物，如果D<D_threshold2，则雷达报警目标为虚警，其中，D_threshold2为不含异物时跑道不含标志线范围内不同子区域间纹理特征差异的正常分布。

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