機場跑道異物監測雷達關鍵技術

王 洪,汪學剛

（電子科技大學電子工程學院,成都 611731）

機場跑道異物監測雷達關鍵技術

王 洪,汪學剛

（電子科技大學電子工程學院,成都 611731）

機場道面的異物（FOD）監測是保障民航飛機安全的重要措施之一,毫米波調頻連續波（FMCW）雷達可全天候、全天時自動監測機場跑道的異物,是近幾年出現的新興技術。介紹了FOD監測系統的國內外現狀和美國聯邦航空局（FAA）最新發布的FOD監測設備標準,分析了FOD監測雷達組成和原理,在此基礎上,討論了FOD監測雷達天線、微波射頻組件、信號處理和數據處理中的關鍵技術。

機場跑道;異物監測;毫米波雷達;調頻連續波;關鍵技術

1 引 言

機場跑道異物（ForeignObject Debris,FOD）,指可能損傷航空器的某種外來的物質、碎屑或物體,如金屬零件、防水塑料布、碎石塊、紙屑、樹葉等。FOD嚴重影響飛機的安全,尤其是給飛機輪胎和發動機帶來了直接隱患。中國民用航空局的《FOD防范手冊》報道[1],2007年5月至2008年5月,民航共發生的FOD損傷輪胎事件達到4 500多起。每年全球因FOD造成的損失至少30～40億美元以上,而間接損失遠大于直接損失。FOD的自動監測引起了發達國家的高度重視,FOD自動監測系統已陸續在部分大型機場試用。

目前,FOD的監測主要采用人工定時巡視的方式,這種方法效率低且不可靠。大型機場的流量在一百萬次以上,高峰時期每分鐘起降的飛機達到4～5架次,跑道的使用時間十分寶貴。人工巡視耗費的時間長,刷新率低,在大霧等天氣里肉眼的觀測受到影響,對一些小的金屬物件,如螺絲釘等,即使在天氣好的情況下也不容易發現。這些金屬物對飛機輪胎是致命的,也容易被發動機吸入,損傷高速旋轉的飛機葉片,致使發動機失效。

國外研制的FOD自動監測系統主要采用毫米波雷達,由于高分辨力的要求,一般采用調頻連續波（Frequency Modulated ContinuousWave,FMCW）雷達體制。這種體制的雷達發射機功率低,接收機靈敏度高,其大時帶積的特點和連續波工作方式,獲得了很高的距離分辨力和距離檢測精度,并不存在距離盲區。這種雷達體制的缺點是作用距離短,存在距離和速度的耦合問題,但是在FOD的監測中,跑道異物主要指靜止物體,對飛鳥的監測和驅趕是另外的研究課題,因此動目標是FOD雷達抑制的對象,不受距離與速度耦合的影響。FMCW雷達作用距離短,一般是在跑道兩側部署兩部雷達,甚至沿跑道安裝多部雷達監測單元,這也是國外FOD監測系統的主要工作方式。此外,也有采用精密視頻技術作為FOD探測手段的系統,但是視頻技術不能像雷達一樣全天時、全天候工作。

本文在分析FOD監測需求的基礎上,對比了國外的幾種FOD監測系統,介紹了美國聯邦航空局（FAA）制定的FOD標準[2],給出了FOD監測雷達的原理,討論了FOD監測雷達的關鍵技術。

2 國內外的FOD監測系統

從報道的幾種FOD監測系統[3-8]來看,主要采用FMCW雷達,FAA對已投入機場試用的4種產品進行了測試,于2009年9月發布了FOD監測設備的標準AC 150/5220-24。

2.1 英國的Tarsier

英國Qinetiq公司研究開發的FOD探測系統為為連續波調頻雷達[3],工作頻率為94.5 GHz。其核心技術是“切割邊沿傳感”（Cutting Edge Sensor）技術,可檢測最小雷達散射截面為0.01 m2的雜物。系統安裝有視頻監控設備,監控人員可以通過視頻圖像觀察判斷探測結果是否屬實并作提取處理。2007年,在溫哥華機場安裝了4部雷達,可以探測南北跑道;2008年,新系統在英國希斯羅南跑道使用,可以全天候掃描3 658 m長的跑道。FAA在美國普羅文思對該系統進行了測試。

2.2 以色列的FODetect

以色列Xsight公司開發的FODetect系統,由77 GHz毫米波雷達和攝像設備所組成,多個道面監測單元（SDU）分別安裝在不同位置的跑道邊燈上。多個監測單元協同工作,可在30 s內完成對整條跑道的掃描,并將數據聯網發送至中央處理器。發現FOD之后,傳感器會鎖定FOD的位置,以幫助機場管理人員將FOD取走。夜間可以使用激光指示器協助將FOD取走。視頻系統同樣用于監測人員進一步確認,以降低虛警率。FAA在美國波士頓機場對FODetect系統進行了測試。

2.3 美國的FOD Finder

FODFinder是美國Trex Enterprises公司開發的移動監控系統,安裝在車輛頂部的雷達罩中。系統由監控系統與后臺軟件處理系統組成,監控系統由78～81 GHz毫米波雷達、高精度GPS和攝像系統構成,雷達掃描速度為30次/分鐘,探測半徑為200 m。探測時車輛的最大行駛速度可以達到64 km/h,可以偵測跑道、滑行道、停機坪等區域的FOD。FAA在美國芝加哥中途機場對其性能進行了測試。

2.4 新加坡的iFerret

新加坡的Stratechsystems公司采用視頻識別技術研制了iFerret智能視頻探測系統,通過在跑道上每隔一定間距安裝高分辨率功能的攝像機,自動探測跑道上的障礙物,圖像處理軟件針對變化的照明和路面條件調整,系統能探測大小為2 cm的物體。iFerret應用于新加坡樟宜國際機場,FAA在芝加哥奧黑爾國際機場對該系統進行了測試,其攝像機和視頻系統受天氣和亮度的影響,在能見度低的情況下性能不佳。

FAA發布的標準AC 150/5220-24對FOD的內涵、類型、危害、性能、安裝等作了明確的界定,對FOD監測設備提出了具體的要求,分別就人工巡視、雷達探測、光電探測和混合探測提出了不同的指標要求。對固定雷達,要求能夠探測1 km距離內外徑3.8 cm、高度3 cm的圓柱體,雷達安裝在跑道中心外50 m以外,每條由跑道2～3部雷達監測。車載雷達要求探測的物體大小相同,但探測距離最低為183 m,車速能達到50 km/h。

2.5 中國的FOD監測雷達

中國成都賽英公司于2010年研發出了FOD監測雷達的樣機,該雷達為FMCW體制毫米波雷達,采用了收發雙天線同步掃描和創新的信號處理和數據處理算法,具有低虛警、高檢測能力。據報道,其雷達檢測FOD的能力完全達到美國航空聯邦局AC 150/5220-24咨詢通告的要求。

3 FOD監測雷達的原理

FOD雷達工作頻率的選擇需綜合考慮多種因素,同時不能干擾機場的現有電子設備。國外報道的主要頻率集中在60～220 GHz頻段,實踐證明該頻段適用于FOD監測的需求。為了檢測跑道距離內RCS為-20 dBsm的小目標,雷達的靈敏度遠高于常規雷達,信號處理帶寬一般在幾百兆赫。射頻前端體積較小,其尺寸不足100 mm,而且發射機功率也很低。

FOD監測雷達的基本組成如圖1所示。FMCW雷達的作用距離受限于收發組件的隔離度,為了提高作用距離,一般采用收發天線分離的方式。DDS模塊產生中頻調頻信號,經驅動電路多級倍頻、濾波至毫米波頻段,發射信號同時耦合到接收機中。接收天線的信號經低噪聲放大后與耦合的發射信號差拍,對差拍的信號做頻譜分析、雜波抑制和去動目標處理,檢測出FOD。由于信號帶寬高達數百兆赫,接收信號也可用于高分辨成像。文獻[4]中對6種材質的25個小目標ISAR成像,獲得了很好的效果。

圖1 FOD監測雷達組成Fig.1 Composition of FOD detection radar

式中,Ri、vi、ai分別為第i個目標的距離、徑向速度和加速度。當目標靜止時,時延僅與距離有關,式（4）是多分量的正弦信號,僅通過正弦信號的頻率估計就可以得到回波延時的估計,并進而求出目標的距離,而目標的方位則通過天線掃描的方位碼可以獲得。當目標勻速運動時,時延與目標位置和速度有關,導致距離-速度的耦合問題。若目標作加速度運動,式（4）為多分量的多項式信號處理。在FOD監測雷達中,主要檢測靜止目標,動目標是要抑制的對象,通過多普勒濾波器可以抑制動目標。上述過程是信號處理的簡單過程,沒有考慮地雜波的影響。

4 FOD監測雷達的關鍵技術

4.1 天線及天線罩

FOD監測雷達發射機功率低,探測目標的RCS小,要求天線具有高的增益和效率,由于安裝在跑道附近,其體積也要很小。天線波束一般為1°左右的筆形波束。文獻[6]報道了一種準光學天線,采用156mm的菲涅爾反射器,在74～81 GHz頻段獲得了30 dB的增益,波束寬度1.5°。由于雷達照射距離從不足1 m到幾百米范圍,需要保持接收機功率的相對穩定,并限定在其動態范圍之內。文獻[3]采用3種緊湊的可折疊天線,在0.7～100 m的范圍使用另外兩副天線以保持接收信號的功率穩定。

由于雷達在野外全天候工作,天線罩不僅對雷達系統起到保護作用,同時也要減少對信號的衰減。日本用苯乙烯材料研制的FOD雷達天線罩[7],外徑24 cm,高度 40 cm,厚度 1 cm,在 76 GHz時 ,對信號的衰減僅0.18 dB。

4.2 微波射頻組件[3,8]

對毫米波雷達而言,微波分系統是實現高效率發射和高靈敏度接收的關鍵部件,依賴于目前微波器件的性能。微波射頻組件的電磁隔離、效率、散熱以及體積都是雷達設計時需要考慮的因素。

4.3 雜波抑制[9]

對地雜波是影響FOD檢測的主要因素。在跑道附近架設的雷達天線高度受限,雷達對地面的照射的掠射角較小,在毫米波頻段的地雜波比常規雷達高。雷達作用距離近,雜波功率總體較高。同時,天線掃描使地雜波呈現時變性。因此,FOD的回波信號通常弱于雜波信號,FOD檢測屬于強低雜波中的弱信號檢測問題,雜波抑制直接影響檢測的可靠性。

4.4 目標識別

常見的FOD可以分為不同的材質和尺寸,這些跑道異物在毫米波雷達的照射下具有相對穩定的特性,這些特性可以作為識別異物與背景的依據。在測試階段,對不同的目標特征建立數據庫,使用時,依照數據庫中的信息對目標進行識別,提高檢測概率。

4.5 數據融合[4]

由于FOD雷達作用距離短,在跑道旁布設了多部FOD監測雷達,雷達之間協同工作,數據傳送到中央處理器,需對多部雷達的結果作數據融合處理。對相鄰雷達而言,存在重疊監測區域,合理利用重疊區域的信息可以提高檢測概率。

5 結束語

安全、效率和流量是民用航空機場關注的三大主題,其中安全是第一位的。FOD異物監測雷達采用毫米波段的調頻連續波體制,對強雜波背景下的小RCS物體起到了有效而可靠的監測作用。保障了機場道面的安全性,同時避免了人工巡視占用跑道的寶貴時間,提高了跑道的利用率。本文研究了FMCW毫米波體制的FOD雷達的組成和原理,對雷達各組成部分的關鍵技術作了探討,希望能為從事相關研究的人員提供參考。

[1] 中國民用航空局.FOD防范手冊[M].北京:CAAC,2009.

Civil Aviation AdministrationofChina.FOD PreventionManual[M].Beijing:CAAC,2009.（in Chinese）

[2] AC 150/5220-24,Federal Aviation Administration[S].

[3] Mazouni K,Kohmura A,FutatsumoriS,et al.77GHzFMCW Radar for FODs detection[C]//Proceeding of the 7th European Radar Conference.Paris,France:EuMA,2010:451-454.

[4] Essen Helmut,Luedtke Goert,et al.Millimeterwave Radar Network for ForeignObject Detection[C]//2010 2nd International Workshop on Cognitive Information Processing.Elba Island,Italy:IEEE,2010:7-10.

[5] 宋長哲.LFMCW雷達多目標檢測算法研究[D].西安電子科技大學,2007.

SONG Chang-zhe.Algorithm Research on LFMCW Radar Multiple Targets Detection[D 〗.Xi′an:Xidian University,2007.（in Chinese）

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[8] Feil P,Menzel W,Nguyen T P,et al.Foreign Objects Debris Detection（FOD）on Airport Runways Using a Broadband 78GHz Sensor[C]//Proceedings of the 38th European Microwave Conference.Amsterdam,Netherlands:EuMA,2008:1608-1611.

[9] Yonemoto N,Kohmura A,Futatsumori S,et al.Broad Band RF Module of Millimeter Wave Radar Network for Airport FOD Detection System[C]//Proceedings of International Conference on Radar.Bordeaux,France:IEEE,2009.

Key Technologies of Radar for Foreign Objects Debris（FOD）Detection on Runways

WANG Hong,WANG Xue-gang
（School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China）

Foreign Objects Debris（FOD）detection is very important to civil aviation safety.Millimeter-wave FMCW（Frequency Modulated ContinuousWave）radar isanemerging technology in recent yearsto automatically monitor FOD under all time and all weather conditions.In this paper,current status of FOD systems in developed countries and the latest standard by FAA（Federal Aviation Administration）for FOD equipment are introduced.The composition and principle of FOD detection radar are analysed.The key technology of antenna,microwave RF（Radio Frequency）components,signal processing and data processing in FOD detection radar is discussed.

airport runway;foreign ob jects debris（FOD）detection;millimeter-wave radar;frequency modu lated continuous wave（FMCW）;key technology

The National Natural Science Foundation of China（No.61079006）

TN959.7

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2011.02.002

1001-893X（2011）02-0007-04

2010-12-18;

2011-02-16

國家自然科學基金資助項目（61079006）

王 洪（1974-）,男,四川仁壽人,博士后,電子科技大學講師,主要研究方向為FOD監測雷達、MIMO雷達、多點定位、數字接收機和高速實時信號處理;

WANG Hong was born in Renshou,Sichuan Province,in 1974.He is now a lecturer with the Ph.D.（Postdoctoral）degree.His research interests include FOD radar,M IMO radar,multilateration,digital receivers and high speed and real-time signal processing.

Email:whtoyou@163.com

汪學剛（1962-）,男,湖南人,電子科技大學教授、博士生導師,長期從事雷達信號處理、毫米波雷達系統等領域的研究工作。

WANG Xue-gang was born in Hunan Province,in 1962.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor with University of Electronic Science and Technology of China.His research interests include radar signal processing,millimeter wave radar,etc.