CN114442098A - 一种用于检测机场跑道外来物的w波段探测雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明的用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达，通过信号处理机产生线性调频连续波信号；频综组件将线性调频连续波信号上变频到X波段的激励信号和本振信号；射频前端对X波段的激励信号倍频放大产生W波段毫米波发射信号，及将X波段的本振信号倍频到W波段本振信号；发射天线发射W波段毫米波发射信号；接收天线接收回波信号，并将回波信号输出至射频前端；回波信号和W波段本振信号经射频前端混频为第一中频信号，发送第一中频信号到频综组件，第一中频信号经频综组件下变频为两路第二中频信号，输出两路第二中频信号到信号处理机进行目标识别和探测。具有体积小，性能稳定，可实现性强，产品化意义大等优点。

Description

一种用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达
技术领域
本发明属于毫米波雷达技术领域，特别涉及一种用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达。
背景技术
机场跑道外来物(Foreign Object Debris，FOD)：指出现在机场运作区域，可能损伤飞机或系统的某种外来的物质、碎屑或物体。当前大多数机场道面异物控制主要依靠人工定期巡查等方式，存在巡查次数受限、发现概率低、需停航巡查等问题。但是也有机场已经开始使用自动化的FOD探测设备，比如北京大兴国际机场。
国际上相对成熟的FOD探测设备主要有英国QinetiQ公司的Tarsier设备，主要采用毫米波雷达探测和光电取证技术进行异物检测，其雷达频率为94-95GHz，最大探测距离为1200m，定位精度为1m。以色列XSight公司的FODetect设备，主要采用毫米波雷达探测与光电复合探测进行异物检测，其雷达频率为76-77GHz，最大探测距离为50m，定位精度为1m。美国Trex Enterprises公司的FOD Finder设备，主要采用毫米波雷达探测和光电取证技术进行异物检测，其雷达频率为78-81GHz，最大探测距离为140m，定位精度为1.5m。新加坡Stratech公司的iFerret设备，主要采用光电取证技术进行异物检测，最大探测距离为300m，定位精度为1m。
上述4种探测系统中，iFerret采用塔架式纯光学的技术路线，因受天气影响大，影响力逐渐降低，主流的FOD探测系统还是以毫米波雷达为探测核心。
对于毫米波FOD探测雷达，工作频率是影响探测性能的关键因素，频率越高，能探测的目标尺寸越小。而机场跑道上的异物多为微小目标，因此在同等条件下，探测系统设计应该优先选用尽量高的工作频率。另一方面，在日内瓦召开的2015年世界无线电通信大会(WRC-15)上,各国讨论决定,将77.5-78.0GHz频段划分给无线电定位业务,以支持短距离高分辨率车载雷达的发展，因此，选用77GHz～78GHz频段进行FOD探测雷达设计，有极高的频谱冲突风险。
综上所述，选用W波段(80GHz～100GHz)进行FOD探测雷达设计在探测效果和规避频谱冲突风险上都是最优选择。但是，相对77GHz频段有大量成熟的芯片组可以直接用来开发，W波段毫米波雷达设计难度也最大。当前已公开的论文和专利中，均没有完整详细的W波段FOD探测雷达的原理设计方法。
FOD探测雷达作为FOD探测设备的核心组件，对解决机场跑道外来物威胁，提高航空器起降安全性起到重要作用。当前国际上FOD探测雷达主要工作在W波段(80GHz～100GHz)和V波段(60GHz～80GHz)。从探测效果和应用前景来说，W波段都具有显著优势，但是从设计难度上，W波段也明显高于V波段。如何采用合理的波形生成方案和电路原理设计，实现W波段FOD探测雷达，突破国外技术垄断，是当前要解决的重要问题。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足之一，提供了一种用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达，具有体积小，性能稳定，可实现性强，产品化意义大等优点。
根据本公开的一方面，本发明提供一种用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达，所述探测雷达包括：信号处理机、频综组件、射频前端、发射天线和接收天线；
其中，所述信号处理机，用于产生线性调频连续波信号；
所述频综组件，用于将所述线性调频连续波信号上变频到X波段的激励信号和本振信号；
所述射频前端，用于对所述X波段的激励信号倍频放大产生W波段毫米波发射信号，以及将所述X波段的本振信号倍频到W波段本振信号；
所述发射天线，用于发射所述W波段毫米波发射信号；
所述接收天线，用于接收回波信号，并将所述回波信号输出至所述射频前端；
所述回波信号和所述W波段本振信号经所述射频前端混频为第一中频信号，发送所述第一中频信号到所述频综组件，所述第一中频信号经所述频综组件下变频为两路第二中频信号，输出所述两路第二中频信号到所述信号处理机进行目标识别和探测。
在一种可能的实现方式中，所述信号处理机包括DDS单元、ADC数据采集单元、FPGA单元、DSP单元和存储单元；
其中，所述DDS单元，用于产生线性调频连续波信号；
所述ADC数据采集单元，用于采集频综组件输出的第二中频信号；
所述FPGA单元和DSP单元，分别用于对ADC数据采集单元的所述第二中频信号进行预处理和处理；
所述存储单元，用于存储所述第二中频信号。
在一种可能的实现方式中，所述频综组件包括发射单元、接收单元和频综单元；
其中，所述发射单元，用于对所述线性调频连续波信号进行一次变频、功分、二次变频、放大、滤波后，生成X波段的激励信号和本振信号；
所述接收单元，用于对所述第一中频信号下变频为两路第二中频信号；
所述频综单元，用于产生上变频所需的2280MHz、9120MHz与8480MHz信号，下变频所需的点频本振5160MHz，以及为所述信号处理机提供80MHz的参考时钟信号。
在一种可能的实现方式中，所述两路第二中频信号中一路第二中频信号用于信号处理机的信号处理，另一路第二中频信号用于信号处理机监控所述W波段探测雷达系统的工作状态。
在一种可能的实现方式中，所述射频前端包括发射链路和接收链路；
所述发射链路，用于将所述X波段的激励信号倍频到W波段毫米波发射信号，并对所述W波段毫米波发射信号进行滤波；
所述接收链路，用于放大所述回波信号和将所述X波段的本振信号倍频到W波段本振信号。
在一种可能的实现方式中，所述发射天线和所述接收天线均采用LTCC共烧陶瓷材料制成。
在一种可能的实现方式中，所述线性调频连续波信号的带宽为75MHz，中心频率为215MHz。
在一种可能的实现方式中，所述频综组件还输出参考信号，所述参考信号用于信号处理机进行信号同步。
本发明的用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达，包括信号处理机、频综组件、射频前端、发射天线和接收天线。信号处理机产生线性调频连续波信号；频综组件将线性调频连续波信号上变频到X波段的激励信号和本振信号；射频前端对X波段的激励信号倍频放大产生W波段毫米波发射信号，及将X波段的本振信号倍频到W波段本振信号；发射天线发射W波段毫米波发射信号；接收天线接收回波信号，并将回波信号输出至射频前端；回波信号和W波段本振信号经射频前端混频为第一中频信号，发送第一中频信号到频综组件，第一中频信号经频综组件下变频为两路第二中频信号，输出两路第二中频信号到信号处理机进行目标识别和探测。具有体积小，性能稳定，可实现性强，产品化意义大等优点。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1示出了根据本公开一实施例的用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达的原理框图；
图2示出了根据本公开一实施例的用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达的应用原理图；
图3示出了根据本公开一实施例的信号处理机的原理框图；
图4示出了根据本公开一实施例的频综组件的原理框图；
图5示出了根据本公开一实施例的射频前端的原理框图；
图6a和图6b示出了根据本公开一实施例的发射天线和接收天线的仿真方向示意图；
图7示出了根据本公开一实施例的用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1示出了根据本公开一实施例的用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达的原理框图。该W波段探测雷达(FOD探测雷达)对机场跑道异物进行检测，主要针对静止或缓慢移动目标。其性能指标如表1。
Figure BDA0003432345490000051
Figure BDA0003432345490000061
表1W波段探测雷达性能指标
如图1所示，W波段探测雷达(FOD探测雷达具体可以包括：信号处理机、频综组件、射频前端、发射天线和接收天线。
信号处理机，用于产生线性调频连续波信号(LFMCW)。其中，线性调频连续波信号由信号处理机通过直接数字频率合成的方式产生，其信号带宽为75MHz，中心频率为215MHz，以保证信号频率准确度和稳定度。
频综组件，用于将线性调频连续波信号上变频到X波段的激励信号和本振信号的。例如，频综组件对LFMCW信号进行功分、上变频、放大、滤波等处理后生成X波段发射信号和本振信号输入到射频前端。
射频前端，用于对X波段的激励信号倍频放大产生W波段毫米波发射信号，以及将X波段的本振信号倍频到W波段本振信号。
发射天线，用于发射W波段毫米波发射信号。
接收天线，用于接收回波信号，并将回波信号输出至射频前端。
回波信号和W波段本振信号经射频前端混频为第一中频信号，发送第一中频信号到所述频综组件，所述第一中频信号经所述频综组件下变频为两路第二中频信号，输出所述两路第二中频信号到所述信号处理机进行目标识别和探测。
图2示出了根据本公开一实施例的用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达的应用原理图。
如图2所示，W波段探测雷达的信号处理机通过波形发生器产生线性调频连续波信号(LFMCW)输入到频综组件，频综组件对信号处理机输入的LFMCW信号进行功分、上变频、放大、滤波等处理后生成X波段发射信号和本振信号输入到射频前端；射频前端对X波段发射信号进行倍频放大，产生W波段毫米波发射信号通过发射天线发射，并将X波段本振信号倍频到W波段后与接收天线接收的回波信号进行混频，完成对接收信号的变频和放大，生成接收一中频信号输入到频综组件；频综组件对接收一中频信号进行放大、滤波及增益控制，并下变频至第二中频信号输出，同时，频综组件输出参考信号用于处理机进行信号同步和信号处理，输出第二中频信号(监测)用于信号处理机监测整个射频接收链路的状态是否正常；信号处理机主要完成接收二中频信号的采样、数据处理、目标识别和雷达探测流程控制。通过输出TTL控制光学摄像头拍照，通过422串口控制转台对跑道进行扫描，通过千兆网口进行组网通信，上报处理得到的异物信息等。
举例来说，选用W波段中的92～94GHz作为FOD探测雷达的工作频段范围，该频段处于大气窗口，电磁波传播损耗小。工作带宽1.2GHz，既能满足目标距离分辨率要求，又能保证系统设计不过于复杂。FOD探测雷达雷达安装架设在机场跑道两侧，要求发射功率尽量低，盲距尽量小，选择线性调频连续波(LFMCW)满足设计要求。按照机场跑道边灯式安装架设方案，最大探测距离≥65m设计波形参数，FOD探测雷达雷达的参数如表2所示。
Figure BDA0003432345490000071
Figure BDA0003432345490000081
表2W波段探测雷达波形参数
根据发射信号带宽和波形参数，制定波形生成方案：LFMCW波形由信号处理机通过直接数字频率合成的方式产生，以保证频率准确度和稳定度。信号带宽75MHz，中心频率215MHz；在频综组件通过PDRO(取样锁相介质振荡器)进行2次变频，生成低相噪的X波段激励信号和本振信号，频率分别为11615MHz±75MHz和10975MHz±75MHz，最后在射频前端分别对激励信号和本振信号进行八倍频，生成中心频率为92.92GHz，带宽为1.2GHz的W波段发射信号，经发射天线发出。通过配置信号处理机的直接数字频率合成器，可调整信号带宽和中心频率。由于工作频率在92GHz～94GHz，设计发射信号带宽不超过2GHz范围内都可以，在此不做任何限定。接收信号采用超外差方案进行处理，为了避免镜频干扰，分别进行2次接收变频，第1次变频在射频前端，生成接收一中频信号5120MHz，第2次变频在频综组件，生成第二中频信号40MHz，最后在信号处理机通过高速AD采样和信号处理等操作，提取FOD目标信息。可通过调整基带信号带宽和中心频率改变发射信号带宽和中心频率，最高工作带宽不超过2GHz。
本发明的用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达，包括信号处理机、频综组件、射频前端、发射天线和接收天线。信号处理机产生线性调频连续波信号；频综组件将线性调频连续波信号上变频到X波段的激励信号和本振信号；射频前端对X波段的激励信号倍频放大产生W波段毫米波发射信号，及将X波段的本振信号倍频到W波段本振信号；发射天线发射W波段毫米波发射信号；接收天线接收回波信号，并将回波信号输出至射频前端；回波信号和W波段本振信号经射频前端混频为第一中频信号，发送第一中频信号到频综组件，第一中频信号经频综组件下变频为两路第二中频信号，输出两路第二中频信号到信号处理机进行目标识别和探测。具有体积小，性能稳定，可实现性强，产品化意义大等优点。
图3示出了根据本公开一实施例的信号处理机的原理框图。
在一种可能的实现方式中，如图4所示，信号处理机包括DDS单元、ADC数据采集单元、FPGA单元、DSP单元和存储单元。
其中，DDS单元，用于产生线性调频连续波(LFMCW)信号。
ADC数据采集单元，用于采集频综组件输出的第二中频信号；
FPGA单元和DSP单元，分别用于对ADC数据采集单元的所述第二中频信号进行预处理和处理。其中，FPGA单元还用于DSP程序加载、与DSP通信通信、控制DDS输出信号频率、对二次电源的控制和与上位机PHY通信、转台422通信，外设TTL控制等功能。DSP单元还可以用于数据处理、目标提取、目标检测算法、目标上报等功能。
存储单元，用于存储第二中频信号。存储单元包括DDR2和Flash。
通过上述单元，信号处理机能够满足高速大容量数据采集与实时处理要求，并能够完成整个探测雷达的流程控制，外设控制和以太网通信。
图4示出了根据本公开一实施例的频综组件的原理框图。
在一种可能的实现方式中，如图4所示，频综组件包括发射单元、接收单元和频综单元；
其中，发射单元，用于对线性调频连续波信号进行一次变频、功分、二次变频、放大、滤波后，生成X波段的激励信号和本振信号。
接收单元，用于对第一中频信号下变频为两路第二中频信号。例如，接收单元接收第一中频信号进行放大和滤波，利用数控衰减器和固定衰减器进行增益控制，防止接收信号饱和。利用90°功分器生成两路接收信号，提高信噪比。对接收信号下变频至第二中频信号，第二中频信号输出两路，其中一路第二中频信号用于信号处理机的信号处理，另一路第二中频信号用于信号处理机监控所述W波段探测雷达系统的工作状态。
频综单元，用于产生上变频所需的2280MHz、9120MHz与8480MHz信号，下变频所需的点频本振5160MHz，以及为信号处理机提供80MHz的参考时钟信号。
通过频综组件可以上变频或下变频至W波段探测雷达所需要的频率的信号，以实现精准探测。
图5示出了根据本公开一实施例的射频前端的原理框图。
在一种可能的实现方式中，如图5所示，射频前端包括发射链路和接收链路。
发射链路，用于将X波段的激励信号倍频到W波段毫米波发射信号，并对W波段毫米波发射信号进行滤波。
例如，发射链路(发射通道)将频综组件输入的X波段激励信号(11615MHz±75MHz)进行八倍频到W波段(92.32MHz～93.52MHz)，通过发射链路的滤波器抑制低次和高次谐波后，通过功率放大模块及发射天线发射出去。发射链路可以选择氮化镓毫米波集成电路，以在发射末级输出较大功率的射频信号，且效率最优。
接收链路，用于放大回波信号和将所述X波段的本振信号倍频到W波段本振信号。
例如，接收链路(接收通道)将接收天线接收到的回波信号，通过接收链路的放大后输出给混频器进行下变频，混频器的本振输入信号是频综输出的X波段发射信号通过2×4倍频本振模块倍频到W波段而来。本振输入信号与接收回波混频，得到合适的中频输出。采用高P-1输出值的砷化镓低噪声放大器，以保证接收链路的低噪声特性。
图6a和图6b示出了根据本公开一实施例的发射天线和接收天线的仿真方向示意图。
在一种可能的实现方式中，发射天线和所述接收天线均采用LTCC共烧陶瓷材料制成。
如图6a和图6b所示的发射天线和接收天线的方向图的方位面和仰面图可知，发射天线用于接收由外部提供的W波段频率发射信号，形成要求形状的波束将发射信号辐射出去。接收天线主要用于形成要求形状的接收波束，接收W波段回波信号，将接收信号通过标准波导输出到接收机。
发射天线和接收天线可以采用相同的设计方式，同时提供需要的收发隔离。采用LTCC共烧陶瓷材料，不仅可以减小体积，而且易于将收发天线分舱，增加天线收发隔离度。
图7示出了根据本公开一实施例的用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达结构示意图。
如图7所示，基于该设计方案的W波段FOD探测雷达实物外观。通过连接转台和通信接口，能够实现如下功能：对机场跑道异物进行扫描、探测和定位，发现异物后对异物进行告警和上报用户。其体积小，功耗低，探测效果稳定，满足设计技术指标要求。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种用于检测机场跑道外来物的W波段探测雷达，其特征在于，所述探测雷达包括：信号处理机、频综组件、射频前端、发射天线和接收天线；
其中，所述信号处理机，用于产生线性调频连续波信号；
所述频综组件，用于将所述线性调频连续波信号上变频到X波段的激励信号和本振信号；
所述射频前端，用于对所述X波段的激励信号倍频放大产生W波段毫米波发射信号，以及将所述X波段的本振信号倍频到W波段本振信号；
所述发射天线，用于发射所述W波段毫米波发射信号；
所述接收天线，用于接收回波信号，并将所述回波信号输出至所述射频前端；
所述回波信号和所述W波段本振信号经所述射频前端混频为第一中频信号，发送所述第一中频信号到所述频综组件，所述第一中频信号经所述频综组件下变频为两路第二中频信号，输出所述两路第二中频信号到所述信号处理机进行目标识别和探测。
2.根据权利要求1所述的W波段探测雷达，其特征在于，所述信号处理机包括DDS单元、ADC数据采集单元、FPGA单元、DSP单元和存储单元；
其中，所述DDS单元，用于产生线性调频连续波信号；
所述ADC数据采集单元，用于采集频综组件输出的第二中频信号；
所述FPGA单元和DSP单元，分别用于对ADC数据采集单元的所述第二中频信号进行预处理和处理；
所述存储单元，用于存储所述第二中频信号。
3.根据权利要求1所述的W波段探测雷达，其特征在于，所述频综组件包括发射单元、接收单元和频综单元；
其中，所述发射单元，用于对所述线性调频连续波信号进行一次变频、功分、二次变频、放大、滤波后，生成X波段的激励信号和本振信号；
所述接收单元，用于对所述第一中频信号下变频为两路第二中频信号；
所述频综单元，用于产生上变频所需的2280MHz、9120MHz与8480MHz信号，下变频所需的点频本振5160MHz，以及为所述信号处理机提供80MHz的参考时钟信号。
4.根据权利要求4所述的W波段探测雷达，其特征在于，所述两路第二中频信号中一路第二中频信号用于信号处理机的信号处理，另一路第二中频信号用于信号处理机监控所述W波段探测雷达系统的工作状态。
5.根据权利要求1所述的W波段探测雷达，其特征在于，所述射频前端包括发射链路和接收链路；
所述发射链路，用于将所述X波段的激励信号倍频到W波段毫米波发射信号，并对所述W波段毫米波发射信号进行滤波；
所述接收链路，用于放大所述回波信号和将所述X波段的本振信号倍频到W波段本振信号。
6.根据权利要求1所述的W波段探测雷达，其特征在于，所述发射天线和所述接收天线均采用LTCC共烧陶瓷材料制成。
7.根据权利要求1所述的W波段探测雷达，其特征在于，所述线性调频连续波信号的带宽为75MHz，中心频率为215MHz。
8.根据权利要求1所述的W波段探测雷达，其特征在于，所述频综组件还输出参考信号，所述参考信号用于信号处理机进行信号同步。
CN202111609440.3A 2021-12-24 2021-12-24 一种用于检测机场跑道外来物的w波段探测雷达 Pending CN114442098A (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115728715A (zh) * 2022-11-18 2023-03-03 湖南华诺星空电子技术有限公司 一种连续波生命探测雷达

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