基于偏振成像的機場跑道異物檢測系統設計

鄭吉

摘要：本論文提出了將偏振成像技術應用于機場跑道低對比度異物檢測領域，在能見度低的天氣中檢測識別機場跑道異物，從而提高檢測系統環境適應性與探測能力。通過實驗結果表明：偏振成像能提高目標對比度，減少雜散光干擾，有效提高機場跑道異物檢測系統環境適應性與探測能力。

關鍵詞：偏振成像；機場跑道；異物

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0134-03

1 引言

機場跑道異物簡稱FOD，這是Foreign Object Debris的縮寫，泛指可能損傷航空器或系統的某種外來的物質，常稱為跑道異物。機場跑道異物對飛機起飛和降落的危害極大，全行業FOD事件統計，每一萬架次的飛行事件中就有4-5次FOD致命事件發生，每一萬架次的事件造成的直接損失平均費用在32333美元，間接損失至少在這個基礎上的10倍[1]。FOD的種類相當多，如飛機和發動機連接件（螺帽、螺釘、墊圈、保險絲等）、機械工具、飛行物品（釘子、私人證件、鋼筆、鉛筆等）、野生動物、樹葉、石頭和沙子、道面材料、木塊、塑料或聚乙烯材料、紙制品、運行區的冰碴兒等等。FOD危害非常嚴重，有許多事例表明，機場跑道上的異物很容易被吸入發動機，導致發動機失效。碎片也會堆積在機械裝置中，影響起落架、襟翼等設備的正常運行。

偏振成像技術作為一種新型的探測技術，不僅可以探測目標的強度信息，還能從光強、光譜、空間、偏振度、偏振角、偏振橢率和旋轉方向獲得成像信息。相比于光強成像，在低對比度目標探測領域具有顯著優勢。同時偏振成像具有穿云透霧成像的特點[2]，增強目標識別的精確性和可靠性，它為目標的檢測、識別提供了一種新的技術手段。

本系統提出將偏振成像技術應用于機場跑道低對比度異物檢測領域，相比與傳統光強探測手段，偏振成像探測系統具有信息量大的特點。

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

國外對于機場跑道異物檢測系統，早在2000年就有提出。英國Qinetiq公司首先開發了Tarsier Reader系統，通過工作在94.5HZ頻率的連續波調頻雷達對跑道進行掃描，可以定位0.01平方米的異物，分辨率達到20cm；美國TrexEnterprise 公司的FODFinder車載移動監測平臺，由硬件監控系統和軟件處理平臺構成，硬件系統包括雷達發射接收設備，高精度GPS和攝像系統構成，軟件是相應的圖像處理提取異物軟件[3]；新加坡Stralechststems公司開發了Iferret光學探測系統，采用每隔一段距離安裝高清攝像機，自動探測跑道上的異物，檢測大小為2cm的跑道異物[4]，這些FOD系統在硬件上大都采用了高清攝像機加上精確GPS定位等設施，在圖像處理軟件算法上區別很大。目前國外利用圖像處理對機場異物進行預警的方法，主要有幾種類型，有文獻提出了利用合成孔徑雷達圖像的檢測算法，利用相應的圖像轉換技術和分割技術對圖像進行處理后識別跑道上的異物；還有文獻針對機場跑道惡劣天氣條件下圖像分辨率低的問題，提出了熱成像和偏振成像結合的檢測識別算法；還有的文獻提出了復雜背景下基于h/q分解和迭代貝葉斯分類的跑道檢測算法；還有文獻提出了利用增強的SAR圖像來進行邊緣探測的方法。這些方法在分辨率和清晰度方面尚有很大的改善空間。

2.2 國內研究現狀

國內的機場跑道異物檢測技術研究處于初步階段，2009年，國家民航總局機場司民航局安全技術中心編寫了“FOD防范手冊”，為我國FOD監測系統提供了標準化參照。2010年有文獻記錄相關的研究工作，大多集中在高等院校、科研院所的理論研究階段。比如電子科技大學和北京交通大學的研究人員采用雷達檢測對FOD檢測識別進行了深入的研究[5]；上海交大對基于紅外與可見光圖像的機場跑道異物檢測與識別進行了研究；民航飛行學院對FOD檢測系統的定位算法進行了深入的研究。國內還有相關的企業對機場跑道異物檢測設備進行了研究和開發，比如長春的光電公司研發的基于光學FOD檢測系統，通過光學成像對機場跑道大于5mm的異物進行了實時的監測定位及報警；成都的公司也研究開發了基于毫米波的雷達FOD檢測系統；深圳的科技公司開發的“機場跑道數字化監控預警系統”；上海的網絡通信有限公司開發了“飛機起降跟蹤和跑道搜索系統”。但是，由于系統的性能差距，這些產品實際鮮有應用。

3 項目研究的主要內容

本項目提出將偏振成像技術應用于機場跑道低對比度異物檢測領域，在目前使用的機場跑道異物檢測系統中，在白天可見光線充足情況下，系統檢測識別異物的能力很強，有的系統達到毫米級別FOD檢測能力[6]。

3.1 系統方案設計

在實際應用中，機場跑道異物識別系統的性能受天氣狀況影響較大，主要體現在惡劣天氣能見度較低的情況下，在這些特殊天氣狀況下利用偏振成像技術進行FOD的識別就有相當的優勢，偏振成像技術相比于光強成像在低對比度目標探測領域具有顯著優勢，同時偏振成像具有穿云透霧成像的特點，在揚塵霧霾天氣中也可以工作，能夠極大提高機場跑道異物檢測系統環境適應性與探測能力[7]。而一般的光強成像技術只能從光強、光譜和空間三個維度來獲得成像信息，由于光在傳播的過程中，會受到對比度高低、大氣霧霾等干擾物質的散射和反射影響，使成像系統獲得的圖像變得模糊，目標物的識別變得非常困難[8]。

基于偏振成像的機場跑道異物檢測系統具體涉及兩個分系統，一個為分時偏振成像系統，一個為偏振圖像異物檢測提取系統。分時偏振成像系統涉及高速旋轉偏振輪與科學級相機同步觸發控制技術，科學級相機圖像數據采集技術；偏振圖像異物檢測提取系統涉及偏振度圖像計算生成技術，偏振圖像的異物檢測與識別技術。系統結構示意圖見圖1。

3.2 系統原理

偏振成像探測終端采用分時線偏振成像方式，Stoke矢量的前三項就可以表示線偏振成像信息，所以得到線偏振方向上的圖像就是得到目標的線偏振信息。至少需要三個分時偏振成像通道，在本系統中，采用四個分時偏振片（0°，45°，90°，135°）的快速切換分時偏振成像方式，采用四個偏振片末端成像光路的光束會聚角小，光束會聚導致的偏振測量偏差很小，因此偏振片可直接放置于末端成像光路中。線偏振成像系統的偏振成像公式見（1-1）。

其中I0、I45、I90、I135分別表示0°、45°、90°、135°偏振方向上的圖像。線偏振度DoLP（degree of linear polarization）和線偏振角AoLP （angle of linear polarization）計算方法分別如式（1-2）和式（1-3）所示：

偏振成像系統開始工作時，偏振片轉輪控制器輸出外觸發信號，觸發信號的上升沿觸發偏振片轉輪開始轉動，當切換完成后外觸發信號轉換為低電平，外觸發控制板卡在檢測到電平下降沿時產生外觸發信號觸發相機采集圖像。相機接收到觸發信號后進行偏振圖像的采集，并及時向PC機輸出偏振片旋轉四個位置時的光強圖像，通過四個光強圖像的計算得到標記異物信息的偏振度圖像，這樣通過軟件自動探測異物并給出報警信息。

4 實驗結果與分析

實驗結果見圖2、圖3。各圖都是機場跑道的偏振度圖像和光強圖像（0°，45°，90°，135°），圖2為有異物時機場跑道偏振度圖像和光強圖像。從圖可以看出，有異物在機場跑道時，系統右側字體提示檢測到異物！同時將異物的位置標注在偏振度圖像上，顯示方框。圖3為有異物且對比度降低的情況，左側矩形框顯示檢測到異物的位置信息。

5 結語

利用偏振光學技術作為機場跑道異物探測識別是一個新思路，偏振成像能有效提高光電成像裝置的探測識別能力，提高目標對比度，減少雜散光干擾，具有“弱光強化，強光弱化”的特點，將偏振成像技術應用于機場跑道低對比度異物檢測領域，就是利用了偏振成像的這些顯著優勢。同時偏振成像具有穿云透霧成像的特點，在揚塵霧霾天氣中也可以工作，能夠極大提高機場跑道異物檢測系統環境適應性與探測能力。

參考文獻

[1]李煜.機場跑道異物檢測識別算法與系統設計研究[D].上海交通大學，2012.

[2]黃晨，王建軍，薛莉，鐘云鵬.靶場偏振成像技術應用[J].飛行器測控學報，2016，35（04）：264-269.

[3]成威.機場跑道異物檢測系統算法研究與軟件實現[D].北京交通大學，2014.

[4]周揚.基于視頻的機場跑道異物檢測算法研究[D].南京航空航天大學，2014.

[5]何云驥.毫米波雷達FOD檢測技術研究[D].北京理工大學，2014.

[6]李平偉.毫米波雷達用于機場跑道FOD檢測的現狀與展望[J].微波學報，2012，（S1）：264-266.

[7]王會峰，張佳佳，趙祥模，魏飛婷，汪貴平.成像偏振在車道線檢測與識別中的應用[J].西南交通大學學報，2019，1-6.

[8]周凱.基于道路監控視頻的霧霾能見度檢測方法研究[D].南京郵電大學，2017.