机场跑道异物监测雷达关键技术

王 洪,汪学刚

（电子科技大学电子工程学院,成都 611731）

机场跑道异物监测雷达关键技术

王 洪,汪学刚

（电子科技大学电子工程学院,成都 611731）

机场道面的异物（FOD）监测是保障民航飞机安全的重要措施之一,毫米波调频连续波（FMCW）雷达可全天候、全天时自动监测机场跑道的异物,是近几年出现的新兴技术。介绍了FOD监测系统的国内外现状和美国联邦航空局（FAA）最新发布的FOD监测设备标准,分析了FOD监测雷达组成和原理,在此基础上,讨论了FOD监测雷达天线、微波射频组件、信号处理和数据处理中的关键技术。

机场跑道;异物监测;毫米波雷达;调频连续波;关键技术

1 引 言

机场跑道异物（ForeignObject Debris,FOD）,指可能损伤航空器的某种外来的物质、碎屑或物体,如金属零件、防水塑料布、碎石块、纸屑、树叶等。FOD严重影响飞机的安全,尤其是给飞机轮胎和发动机带来了直接隐患。中国民用航空局的《FOD防范手册》报道[1],2007年5月至2008年5月,民航共发生的FOD损伤轮胎事件达到4 500多起。每年全球因FOD造成的损失至少30～40亿美元以上,而间接损失远大于直接损失。FOD的自动监测引起了发达国家的高度重视,FOD自动监测系统已陆续在部分大型机场试用。

目前,FOD的监测主要采用人工定时巡视的方式,这种方法效率低且不可靠。大型机场的流量在一百万次以上,高峰时期每分钟起降的飞机达到4～5架次,跑道的使用时间十分宝贵。人工巡视耗费的时间长,刷新率低,在大雾等天气里肉眼的观测受到影响,对一些小的金属物件,如螺丝钉等,即使在天气好的情况下也不容易发现。这些金属物对飞机轮胎是致命的,也容易被发动机吸入,损伤高速旋转的飞机叶片,致使发动机失效。

国外研制的FOD自动监测系统主要采用毫米波雷达,由于高分辨力的要求,一般采用调频连续波（Frequency Modulated ContinuousWave,FMCW）雷达体制。这种体制的雷达发射机功率低,接收机灵敏度高,其大时带积的特点和连续波工作方式,获得了很高的距离分辨力和距离检测精度,并不存在距离盲区。这种雷达体制的缺点是作用距离短,存在距离和速度的耦合问题,但是在FOD的监测中,跑道异物主要指静止物体,对飞鸟的监测和驱赶是另外的研究课题,因此动目标是FOD雷达抑制的对象,不受距离与速度耦合的影响。FMCW雷达作用距离短,一般是在跑道两侧部署两部雷达,甚至沿跑道安装多部雷达监测单元,这也是国外FOD监测系统的主要工作方式。此外,也有采用精密视频技术作为FOD探测手段的系统,但是视频技术不能像雷达一样全天时、全天候工作。

本文在分析FOD监测需求的基础上,对比了国外的几种FOD监测系统,介绍了美国联邦航空局（FAA）制定的FOD标准[2],给出了FOD监测雷达的原理,讨论了FOD监测雷达的关键技术。

2 国内外的FOD监测系统

从报道的几种FOD监测系统[3-8]来看,主要采用FMCW雷达,FAA对已投入机场试用的4种产品进行了测试,于2009年9月发布了FOD监测设备的标准AC 150/5220-24。

2.1 英国的Tarsier

英国Qinetiq公司研究开发的FOD探测系统为为连续波调频雷达[3],工作频率为94.5 GHz。其核心技术是“切割边沿传感”（Cutting Edge Sensor）技术,可检测最小雷达散射截面为0.01 m2的杂物。系统安装有视频监控设备,监控人员可以通过视频图像观察判断探测结果是否属实并作提取处理。2007年,在温哥华机场安装了4部雷达,可以探测南北跑道;2008年,新系统在英国希斯罗南跑道使用,可以全天候扫描3 658 m长的跑道。FAA在美国普罗文思对该系统进行了测试。

2.2 以色列的FODetect

以色列Xsight公司开发的FODetect系统,由77 GHz毫米波雷达和摄像设备所组成,多个道面监测单元（SDU）分别安装在不同位置的跑道边灯上。多个监测单元协同工作,可在30 s内完成对整条跑道的扫描,并将数据联网发送至中央处理器。发现FOD之后,传感器会锁定FOD的位置,以帮助机场管理人员将FOD取走。夜间可以使用激光指示器协助将FOD取走。视频系统同样用于监测人员进一步确认,以降低虚警率。FAA在美国波士顿机场对FODetect系统进行了测试。

2.3 美国的FOD Finder

FODFinder是美国Trex Enterprises公司开发的移动监控系统,安装在车辆顶部的雷达罩中。系统由监控系统与后台软件处理系统组成,监控系统由78～81 GHz毫米波雷达、高精度GPS和摄像系统构成,雷达扫描速度为30次/分钟,探测半径为200 m。探测时车辆的最大行驶速度可以达到64 km/h,可以侦测跑道、滑行道、停机坪等区域的FOD。FAA在美国芝加哥中途机场对其性能进行了测试。

2.4 新加坡的iFerret

新加坡的Stratechsystems公司采用视频识别技术研制了iFerret智能视频探测系统,通过在跑道上每隔一定间距安装高分辨率功能的摄像机,自动探测跑道上的障碍物,图像处理软件针对变化的照明和路面条件调整,系统能探测大小为2 cm的物体。iFerret应用于新加坡樟宜国际机场,FAA在芝加哥奥黑尔国际机场对该系统进行了测试,其摄像机和视频系统受天气和亮度的影响,在能见度低的情况下性能不佳。

FAA发布的标准AC 150/5220-24对FOD的内涵、类型、危害、性能、安装等作了明确的界定,对FOD监测设备提出了具体的要求,分别就人工巡视、雷达探测、光电探测和混合探测提出了不同的指标要求。对固定雷达,要求能够探测1 km距离内外径3.8 cm、高度3 cm的圆柱体,雷达安装在跑道中心外50 m以外,每条由跑道2～3部雷达监测。车载雷达要求探测的物体大小相同,但探测距离最低为183 m,车速能达到50 km/h。

2.5 中国的FOD监测雷达

中国成都赛英公司于2010年研发出了FOD监测雷达的样机,该雷达为FMCW体制毫米波雷达,采用了收发双天线同步扫描和创新的信号处理和数据处理算法,具有低虚警、高检测能力。据报道,其雷达检测FOD的能力完全达到美国航空联邦局AC 150/5220-24咨询通告的要求。

3 FOD监测雷达的原理

FOD雷达工作频率的选择需综合考虑多种因素,同时不能干扰机场的现有电子设备。国外报道的主要频率集中在60～220 GHz频段,实践证明该频段适用于FOD监测的需求。为了检测跑道距离内RCS为-20 dBsm的小目标,雷达的灵敏度远高于常规雷达,信号处理带宽一般在几百兆赫。射频前端体积较小,其尺寸不足100 mm,而且发射机功率也很低。

FOD监测雷达的基本组成如图1所示。FMCW雷达的作用距离受限于收发组件的隔离度,为了提高作用距离,一般采用收发天线分离的方式。DDS模块产生中频调频信号,经驱动电路多级倍频、滤波至毫米波频段,发射信号同时耦合到接收机中。接收天线的信号经低噪声放大后与耦合的发射信号差拍,对差拍的信号做频谱分析、杂波抑制和去动目标处理,检测出FOD。由于信号带宽高达数百兆赫,接收信号也可用于高分辨成像。文献[4]中对6种材质的25个小目标ISAR成像,获得了很好的效果。

图1 FOD监测雷达组成Fig.1 Composition of FOD detection radar

式中,Ri、vi、ai分别为第i个目标的距离、径向速度和加速度。当目标静止时,时延仅与距离有关,式（4）是多分量的正弦信号,仅通过正弦信号的频率估计就可以得到回波延时的估计,并进而求出目标的距离,而目标的方位则通过天线扫描的方位码可以获得。当目标匀速运动时,时延与目标位置和速度有关,导致距离-速度的耦合问题。若目标作加速度运动,式（4）为多分量的多项式信号处理。在FOD监测雷达中,主要检测静止目标,动目标是要抑制的对象,通过多普勒滤波器可以抑制动目标。上述过程是信号处理的简单过程,没有考虑地杂波的影响。

4 FOD监测雷达的关键技术

4.1 天线及天线罩

FOD监测雷达发射机功率低,探测目标的RCS小,要求天线具有高的增益和效率,由于安装在跑道附近,其体积也要很小。天线波束一般为1°左右的笔形波束。文献[6]报道了一种准光学天线,采用156mm的菲涅尔反射器,在74～81 GHz频段获得了30 dB的增益,波束宽度1.5°。由于雷达照射距离从不足1 m到几百米范围,需要保持接收机功率的相对稳定,并限定在其动态范围之内。文献[3]采用3种紧凑的可折叠天线,在0.7～100 m的范围使用另外两副天线以保持接收信号的功率稳定。

由于雷达在野外全天候工作,天线罩不仅对雷达系统起到保护作用,同时也要减少对信号的衰减。日本用苯乙烯材料研制的FOD雷达天线罩[7],外径24 cm,高度 40 cm,厚度 1 cm,在 76 GHz时 ,对信号的衰减仅0.18 dB。

4.2 微波射频组件[3,8]

对毫米波雷达而言,微波分系统是实现高效率发射和高灵敏度接收的关键部件,依赖于目前微波器件的性能。微波射频组件的电磁隔离、效率、散热以及体积都是雷达设计时需要考虑的因素。

4.3 杂波抑制[9]

对地杂波是影响FOD检测的主要因素。在跑道附近架设的雷达天线高度受限,雷达对地面的照射的掠射角较小,在毫米波频段的地杂波比常规雷达高。雷达作用距离近,杂波功率总体较高。同时,天线扫描使地杂波呈现时变性。因此,FOD的回波信号通常弱于杂波信号,FOD检测属于强低杂波中的弱信号检测问题,杂波抑制直接影响检测的可靠性。

4.4 目标识别

常见的FOD可以分为不同的材质和尺寸,这些跑道异物在毫米波雷达的照射下具有相对稳定的特性,这些特性可以作为识别异物与背景的依据。在测试阶段,对不同的目标特征建立数据库,使用时,依照数据库中的信息对目标进行识别,提高检测概率。

4.5 数据融合[4]

由于FOD雷达作用距离短,在跑道旁布设了多部FOD监测雷达,雷达之间协同工作,数据传送到中央处理器,需对多部雷达的结果作数据融合处理。对相邻雷达而言,存在重叠监测区域,合理利用重叠区域的信息可以提高检测概率。

5 结束语

安全、效率和流量是民用航空机场关注的三大主题,其中安全是第一位的。FOD异物监测雷达采用毫米波段的调频连续波体制,对强杂波背景下的小RCS物体起到了有效而可靠的监测作用。保障了机场道面的安全性,同时避免了人工巡视占用跑道的宝贵时间,提高了跑道的利用率。本文研究了FMCW毫米波体制的FOD雷达的组成和原理,对雷达各组成部分的关键技术作了探讨,希望能为从事相关研究的人员提供参考。

[1] 中国民用航空局.FOD防范手册[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] 宋长哲.LFMCW雷达多目标检测算法研究[D].西安电子科技大学,2007.

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

[6] Feil P,Zeitler A,Nguyen T P,et al.Foreign Object Debris Detection Using a 78 GHz Sensor with Cosec Antenna[C]//Proceeding of the 7th European Radar Conference.Paris,France:EuMA,2010:33-36.

[7] Zeitler Armin,Lanteri J,Migliaccio C,et al.Folded Reflectarrays with Shaped Beam Pattern for Foreign Object Debris Detection on Runways[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2010,58（9）:3065-3068.

[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

国家自然科学基金资助项目（61079006）

王 洪（1974-）,男,四川仁寿人,博士后,电子科技大学讲师,主要研究方向为FOD监测雷达、MIMO雷达、多点定位、数字接收机和高速实时信号处理;

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

汪学刚（1962-）,男,湖南人,电子科技大学教授、博士生导师,长期从事雷达信号处理、毫米波雷达系统等领域的研究工作。

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.