淺談機場跑道異物檢測技術的研究與實現

呂秋寧

摘 要：機場跑道上存在的異物對飛機安全有一定威脅，為了解決這一問題，應加強對機場跑道異物檢測技術的研究。本文主要圍繞機場跑道異物檢測技術分析、組合式毫米波探測系統關鍵技術、組合式毫米波探測系統構成、距離高分辨原理四個方面展開討論，詳細分析了機場跑道異物檢測技術及其原理，可針對小目標進行檢測，在飛機安全方面有重要作用。

關鍵詞：機場跑道；異物檢測；組合式毫米波檢測技術

中圖分類號：TN911.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）06-0237-02

機場跑道異物是指不屬于跑道正常工作區域內，但又由于各種原因出現在跑道上的小物體，包括沙粒、螺絲釘等小目標。這些異物在飛行區，可能造成飛機延誤或者中途斷飛等情況，嚴重的將威脅人身安全。因此，需要及時清理機場跑道上異物，在相關檢測技術的幫助下，能保證對異物進行有效處理。尤其是在科學技術快速發展的背景下，異物檢測技術得到了一定程度發展，在機場跑道異物檢測上有重要作用。

1 機場跑道異物檢測技術分析

機場跑道上大部分異物尺寸較小，人工檢測已經不能滿足飛機安全運行需求，近年來，各民用及軍用航空機場將機場跑道異物檢測作為主要工作內容，并加強了對檢測技術不斷改進的重視。為了實現對機場跑道上小物體進行自動檢測，國外主要采用了光學檢測方法以及電磁波檢測技術。英國研制出的外來異物檢測系統為了保證較高的分辨率，選取作業在94GHz毫米波上。這一檢測系統主要運用了線性調頻連續體制，以便實現對機場跑道的小物體檢測。而在提高分辨率上，檢測系統主要運用了一定頻率的掃頻寬帶，同時利用天線來提高系統的定位能力。光學檢測技術包括攝像機、紅外熱像儀以及數碼相機等高清晰的視頻監視設備，這些設備在機場跑道異物檢測上取得了廣泛應用，但是由于攝像機和數碼機等容易受到天氣的影響，使得地面異物的顏色分辨難度有所增加，分辨率不夠精準。而毫米波掃描設備能在雨霧、白晝等天氣條件下正常作業，不受氣候因素的影響，屬于一種在跑道異物檢測上應用價值較高的檢測技術[1]。

毫米波檢測裝置為了實現對跑道上較小物體的檢測，來提高其檢測小物體的能力，需要保證掃描設備的距離以及分辨率設置合理，從而促使機場異物檢測工作的順利進行。由于毫米波檢測到的跑道圖像不屬于可見光影像，所以不能明確判斷異物種類，這時需要在光學成像設備的作用下來拍攝外來雜物，這種情況下，當雷達檢測技術探測到小物體時，能通過光學影像對外來物類型進行辨認。上述為國外主要應用的異物檢測技術，對于國內來講，根據其器件狀況，可應用組合式毫米波檢測系統來保障飛機安全，是指在機場跑道附近設置網絡布局的毫米波雷達檢測傳感器，在這些傳感器作用下，可實現系統對地面小目標有很好的檢測能力，是具有較強應用意義的一項機場跑道異物檢測技術。

2 組合式毫米波探測系統關鍵技術

國外機場跑道主要應用的異物檢測系統中，通常采用毫米波掃描方法，進行異物檢測工作。將該技術結合到檢測系統中，能有效提高系統距離以及方位檢測分辨率，并能減輕雜波的反射強度，可保證對外來雜物的有效檢測。另外，檢測系統采用高工作頻段，可在系統體積不大時取得較高的方位分辨率，而在縱向方向主要應用了線性調頻技術，以便實現較高的分辨率[2]。

機場跑道上的小物體在跑道上基本維持靜止狀態，針對這一特點，不能利用動目標檢測技術來消除地面平面的雜散回波。而對于尺寸較小的外來物來說，當對其進行檢測時，將產生微弱回波，這些回波與地面雜散回波混合在一起，會對異物檢測造成影響，而為了提高檢測精準度，需要在混合波中挑選出外來物回波，即是盡可能降低地面雜波的回波強度，以便保證檢測技術的實效性。雷達地面雜波的回波強度通常與其對地照射角、地面屬性以及地面照射面積有關，其中地面照射面積對回波強度有重要影響，主要與雷達距離以及方位分辨率有關。當雷達距離和分辨率不能滿足應用需求時，則地面雜波涉及面積會有所增加，回波強度將會比機場跑道的回波強度強的多。由此可見，為了提高外來物檢測精度，應使雷達在方位與距離上保持較高的分辨率。

毫米波掃描設備照射跑道時，跑道上外來物將產生回波，并且機場跑道地面同時產生雜波，干擾檢測系統對外來物的檢測。根據地面雜波情況，發現地面雜波的反射強度以及跑道外來物雷達截面積等可進行估算。當雷達距離分辨率超過0.15m時，則雷達方位波束會按照作用距離來選擇適當寬度，使得地面雜波強度相對于外來物回波來講較低，使得檢測系統分辨率得以提高。為了最大程度降低地面雜波干擾，并提高系統對跑道外來物檢測能力，還要求雷達有適當的地面入射角。如英國研發的Tarsier T1100物體檢測系統，便采用了寬度較小的方位波束，但是對于方位分辨能力要求較高的檢測系統來講，其通常應用一定長度的雷達天線。例如為了在8mm波段獲得0.2°的波束寬度，需要天線尺寸接近3m，但是將為檢測系統的實際應用造成不便。針對這一問題，可通過組合式毫米波檢測系統來進行對外來物的檢測。

3 組合式毫米波探測系統構成

機場跑道異物檢測系統主要由無線數據輸送網絡、檢測單元以及監控終端構成，其中不同檢測單元包含對應的毫米波檢測裝置與攝像設備，一般在跑道兩端布設間隔距離固定的檢測單元，用來檢測其鄰近跑道區域的外來物。傳感器檢測到的數據會通過無線網絡輸送至監控終端，之后由終端對數據展開分析并得到位置結果，幫助工作人員能及時進行異物清理工作。不同傳感器部件有其自己的ID號，在網絡通道下傳輸數據時，還會將自己的ID號輸送到終端以便識別不同傳感器的檢測數據。在檢測系統實際應用的過程中，檢測單元的毫米波掃描設備利用發射毫米波束來搜索跑道，可實現對機場外來物產生反射信號并對信號進行處理[3]。

4 距離高分辨原理

為了實現雷達取得較好的應用效果，應保證其具有高的距離和方位分辨率。在機場跑道檢測系統中采用的線性調頻雷達，在一定時間內，調制信號電壓與載頻信號頻率成正相關關系。一般線性調頻雷達的調制波形為三角形或者鋸齒波形，不同調制波形對應特定的目標距離和速度關系公式。如對于三角形調制波性狀來講，當知道一個中頻信號頻率后，便可分析出跑道外來物位置信息[4]。當跑道上有多個距離不相同的目標時，由于目標處于靜止狀態，所以一個頻率對應一個位置距離，可借助雷達裝置來區分不同目標。毫米波檢測設備發射連續波信號時，將出現反射回波信號和發射信號形成一定差異的現象，其中差頻信號與的外來物距離有關，其分辨率同線性調頻帶的寬度有關，所以可認為探測技術是通過對反射回波和發生信號間的差頻情況來實現對跑道異物的測量，在保障飛機安全方面有積極意義。

5 結語

綜上所述，飛機跑道異物檢測技術對航空安全有著重要作用，檢測系統中通常包括雷達技術以及圖像處理技術等，以便實現精準定位。本文主要分析了組合式毫米波檢測技術，該技術對飛機跑道上小目標有很好的分辨率，進而保證飛機跑道上異物的及時清理，為飛機安全提供保障。另外，將該技術運用到檢測系統中，能更有效的定位目標，并具有較好的靈敏度，是促進航空領域良好發展的重要基礎。

參考文獻

[1]吳靜，汪學剛，王洪，于雪蓮.非高斯背景下機場跑道異物監測雷達的雜波圖CFAR技術[J].現代雷達，2014，（1）：35-38.

[2]吳靜，王洪，于雪蓮，汪學剛.多目標環境下跑道異物監測雷達的CFAR檢測技術[J].光電工程，2013，（10）：42-47.

[3]吳靜，汪學剛，王洪，敖丹丹.機場跑道異物檢測雷達回波建模[J].太赫茲科學與電子信息學報，2013，（6）：917-921.

[4]胡文琳，王永良，等.Log-normal分布雜波背景下有序統計恒虛警檢測器性能分析[J].電子與信息學報，2007，（3）：517-520.