王 洪,汪學(xué)剛

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,成都 611731）

機(jī)場(chǎng)跑道異物監(jiān)測(cè)雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)

王 洪,汪學(xué)剛

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院,成都 611731）

機(jī)場(chǎng)道面的異物（FOD）監(jiān)測(cè)是保障民航飛機(jī)安全的重要措施之一,毫米波調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)可全天候、全天時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)場(chǎng)跑道的異物,是近幾年出現(xiàn)的新興技術(shù)。介紹了FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）最新發(fā)布的FOD監(jiān)測(cè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn),分析了FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)組成和原理,在此基礎(chǔ)上,討論了FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)天線、微波射頻組件、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵技術(shù)。

機(jī)場(chǎng)跑道;異物監(jiān)測(cè);毫米波雷達(dá);調(diào)頻連續(xù)波;關(guān)鍵技術(shù)

1 引 言

機(jī)場(chǎng)跑道異物（ForeignObject Debris,FOD）,指可能損傷航空器的某種外來的物質(zhì)、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(yán)重影響飛機(jī)的安全,尤其是給飛機(jī)輪胎和發(fā)動(dòng)機(jī)帶來了直接隱患。中國(guó)民用航空局的《FOD防范手冊(cè)》報(bào)道[1],2007年5月至2008年5月,民航共發(fā)生的FOD損傷輪胎事件達(dá)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(yuǎn)大于直接損失。FOD的自動(dòng)監(jiān)測(cè)引起了發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視,FOD自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已陸續(xù)在部分大型機(jī)場(chǎng)試用。

目前,FOD的監(jiān)測(cè)主要采用人工定時(shí)巡視的方式,這種方法效率低且不可靠。大型機(jī)場(chǎng)的流量在一百萬次以上,高峰時(shí)期每分鐘起降的飛機(jī)達(dá)到4～5架次,跑道的使用時(shí)間十分寶貴。人工巡視耗費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng),刷新率低,在大霧等天氣里肉眼的觀測(cè)受到影響,對(duì)一些小的金屬物件,如螺絲釘?shù)?即使在天氣好的情況下也不容易發(fā)現(xiàn)。這些金屬物對(duì)飛機(jī)輪胎是致命的,也容易被發(fā)動(dòng)機(jī)吸入,損傷高速旋轉(zhuǎn)的飛機(jī)葉片,致使發(fā)動(dòng)機(jī)失效。

國(guó)外研制的FOD自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用毫米波雷達(dá),由于高分辨力的要求,一般采用調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated ContinuousWave,FMCW）雷達(dá)體制。這種體制的雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率低,接收機(jī)靈敏度高,其大時(shí)帶積的特點(diǎn)和連續(xù)波工作方式,獲得了很高的距離分辨力和距離檢測(cè)精度,并不存在距離盲區(qū)。這種雷達(dá)體制的缺點(diǎn)是作用距離短,存在距離和速度的耦合問題,但是在FOD的監(jiān)測(cè)中,跑道異物主要指靜止物體,對(duì)飛鳥的監(jiān)測(cè)和驅(qū)趕是另外的研究課題,因此動(dòng)目標(biāo)是FOD雷達(dá)抑制的對(duì)象,不受距離與速度耦合的影響。FMCW雷達(dá)作用距離短,一般是在跑道兩側(cè)部署兩部雷達(dá),甚至沿跑道安裝多部雷達(dá)監(jiān)測(cè)單元,這也是國(guó)外FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要工作方式。此外,也有采用精密視頻技術(shù)作為FOD探測(cè)手段的系統(tǒng),但是視頻技術(shù)不能像雷達(dá)一樣全天時(shí)、全天候工作。

本文在分析FOD監(jiān)測(cè)需求的基礎(chǔ)上,對(duì)比了國(guó)外的幾種FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng),介紹了美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）制定的FOD標(biāo)準(zhǔn)[2],給出了FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)的原理,討論了FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)。

2 國(guó)內(nèi)外的FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

從報(bào)道的幾種FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3-8]來看,主要采用FMCW雷達(dá),FAA對(duì)已投入機(jī)場(chǎng)試用的4種產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試,于2009年9月發(fā)布了FOD監(jiān)測(cè)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)AC 150/5220-24。

2.1 英國(guó)的Tarsier

英國(guó)Qinetiq公司研究開發(fā)的FOD探測(cè)系統(tǒng)為為連續(xù)波調(diào)頻雷達(dá)[3],工作頻率為94.5 GHz。其核心技術(shù)是“切割邊沿傳感”（Cutting Edge Sensor）技術(shù),可檢測(cè)最小雷達(dá)散射截面為0.01 m2的雜物。系統(tǒng)安裝有視頻監(jiān)控設(shè)備,監(jiān)控人員可以通過視頻圖像觀察判斷探測(cè)結(jié)果是否屬實(shí)并作提取處理。2007年,在溫哥華機(jī)場(chǎng)安裝了4部雷達(dá),可以探測(cè)南北跑道;2008年,新系統(tǒng)在英國(guó)希斯羅南跑道使用,可以全天候掃描3 658 m長(zhǎng)的跑道。FAA在美國(guó)普羅文思對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

2.2 以色列的FODetect

以色列Xsight公司開發(fā)的FODetect系統(tǒng),由77 GHz毫米波雷達(dá)和攝像設(shè)備所組成,多個(gè)道面監(jiān)測(cè)單元（SDU）分別安裝在不同位置的跑道邊燈上。多個(gè)監(jiān)測(cè)單元協(xié)同工作,可在30 s內(nèi)完成對(duì)整條跑道的掃描,并將數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至中央處理器。發(fā)現(xiàn)FOD之后,傳感器會(huì)鎖定FOD的位置,以幫助機(jī)場(chǎng)管理人員將FOD取走。夜間可以使用激光指示器協(xié)助將FOD取走。視頻系統(tǒng)同樣用于監(jiān)測(cè)人員進(jìn)一步確認(rèn),以降低虛警率。FAA在美國(guó)波士頓機(jī)場(chǎng)對(duì)FODetect系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

2.3 美國(guó)的FOD Finder

FODFinder是美國(guó)Trex Enterprises公司開發(fā)的移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng),安裝在車輛頂部的雷達(dá)罩中。系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)與后臺(tái)軟件處理系統(tǒng)組成,監(jiān)控系統(tǒng)由78～81 GHz毫米波雷達(dá)、高精度GPS和攝像系統(tǒng)構(gòu)成,雷達(dá)掃描速度為30次/分鐘,探測(cè)半徑為200 m。探測(cè)時(shí)車輛的最大行駛速度可以達(dá)到64 km/h,可以偵測(cè)跑道、滑行道、停機(jī)坪等區(qū)域的FOD。FAA在美國(guó)芝加哥中途機(jī)場(chǎng)對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。

2.4 新加坡的iFerret

新加坡的Stratechsystems公司采用視頻識(shí)別技術(shù)研制了iFerret智能視頻探測(cè)系統(tǒng),通過在跑道上每隔一定間距安裝高分辨率功能的攝像機(jī),自動(dòng)探測(cè)跑道上的障礙物,圖像處理軟件針對(duì)變化的照明和路面條件調(diào)整,系統(tǒng)能探測(cè)大小為2 cm的物體。iFerret應(yīng)用于新加坡樟宜國(guó)際機(jī)場(chǎng),FAA在芝加哥奧黑爾國(guó)際機(jī)場(chǎng)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試,其攝像機(jī)和視頻系統(tǒng)受天氣和亮度的影響,在能見度低的情況下性能不佳。

FAA發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)AC 150/5220-24對(duì)FOD的內(nèi)涵、類型、危害、性能、安裝等作了明確的界定,對(duì)FOD監(jiān)測(cè)設(shè)備提出了具體的要求,分別就人工巡視、雷達(dá)探測(cè)、光電探測(cè)和混合探測(cè)提出了不同的指標(biāo)要求。對(duì)固定雷達(dá),要求能夠探測(cè)1 km距離內(nèi)外徑3.8 cm、高度3 cm的圓柱體,雷達(dá)安裝在跑道中心外50 m以外,每條由跑道2～3部雷達(dá)監(jiān)測(cè)。車載雷達(dá)要求探測(cè)的物體大小相同,但探測(cè)距離最低為183 m,車速能達(dá)到50 km/h。

2.5 中國(guó)的FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)

中國(guó)成都賽英公司于2010年研發(fā)出了FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)的樣機(jī),該雷達(dá)為FMCW體制毫米波雷達(dá),采用了收發(fā)雙天線同步掃描和創(chuàng)新的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理算法,具有低虛警、高檢測(cè)能力。據(jù)報(bào)道,其雷達(dá)檢測(cè)FOD的能力完全達(dá)到美國(guó)航空聯(lián)邦局AC 150/5220-24咨詢通告的要求。

3 FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)的原理

FOD雷達(dá)工作頻率的選擇需綜合考慮多種因素,同時(shí)不能干擾機(jī)場(chǎng)的現(xiàn)有電子設(shè)備。國(guó)外報(bào)道的主要頻率集中在60～220 GHz頻段,實(shí)踐證明該頻段適用于FOD監(jiān)測(cè)的需求。為了檢測(cè)跑道距離內(nèi)RCS為-20 dBsm的小目標(biāo),雷達(dá)的靈敏度遠(yuǎn)高于常規(guī)雷達(dá),信號(hào)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(fā)射機(jī)功率也很低。

FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)的基本組成如圖1所示。FMCW雷達(dá)的作用距離受限于收發(fā)組件的隔離度,為了提高作用距離,一般采用收發(fā)天線分離的方式。DDS模塊產(chǎn)生中頻調(diào)頻信號(hào),經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路多級(jí)倍頻、濾波至毫米波頻段,發(fā)射信號(hào)同時(shí)耦合到接收機(jī)中。接收天線的信號(hào)經(jīng)低噪聲放大后與耦合的發(fā)射信號(hào)差拍,對(duì)差拍的信號(hào)做頻譜分析、雜波抑制和去動(dòng)目標(biāo)處理,檢測(cè)出FOD。由于信號(hào)帶寬高達(dá)數(shù)百兆赫,接收信號(hào)也可用于高分辨成像。文獻(xiàn)[4]中對(duì)6種材質(zhì)的25個(gè)小目標(biāo)ISAR成像,獲得了很好的效果。

圖1 FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)組成Fig.1 Composition of FOD detection radar

式中,Ri、vi、ai分別為第i個(gè)目標(biāo)的距離、徑向速度和加速度。當(dāng)目標(biāo)靜止時(shí),時(shí)延僅與距離有關(guān),式（4）是多分量的正弦信號(hào),僅通過正弦信號(hào)的頻率估計(jì)就可以得到回波延時(shí)的估計(jì),并進(jìn)而求出目標(biāo)的距離,而目標(biāo)的方位則通過天線掃描的方位碼可以獲得。當(dāng)目標(biāo)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),時(shí)延與目標(biāo)位置和速度有關(guān),導(dǎo)致距離-速度的耦合問題。若目標(biāo)作加速度運(yùn)動(dòng),式（4）為多分量的多項(xiàng)式信號(hào)處理。在FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)中,主要檢測(cè)靜止目標(biāo),動(dòng)目標(biāo)是要抑制的對(duì)象,通過多普勒濾波器可以抑制動(dòng)目標(biāo)。上述過程是信號(hào)處理的簡(jiǎn)單過程,沒有考慮地雜波的影響。

4 FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 天線及天線罩

FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率低,探測(cè)目標(biāo)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(xiàn)[6]報(bào)道了一種準(zhǔn)光學(xué)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(dá)照射距離從不足1 m到幾百米范圍,需要保持接收機(jī)功率的相對(duì)穩(wěn)定,并限定在其動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)。文獻(xiàn)[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(hào)的功率穩(wěn)定。

由于雷達(dá)在野外全天候工作,天線罩不僅對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)起到保護(hù)作用,同時(shí)也要減少對(duì)信號(hào)的衰減。日本用苯乙烯材料研制的FOD雷達(dá)天線罩[7],外徑24 cm,高度 40 cm,厚度 1 cm,在 76 GHz時(shí) ,對(duì)信號(hào)的衰減僅0.18 dB。

4.2 微波射頻組件[3,8]

對(duì)毫米波雷達(dá)而言,微波分系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)射和高靈敏度接收的關(guān)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(dá)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素。

4.3 雜波抑制[9]

對(duì)地雜波是影響FOD檢測(cè)的主要因素。在跑道附近架設(shè)的雷達(dá)天線高度受限,雷達(dá)對(duì)地面的照射的掠射角較小,在毫米波頻段的地雜波比常規(guī)雷達(dá)高。雷達(dá)作用距離近,雜波功率總體較高。同時(shí),天線掃描使地雜波呈現(xiàn)時(shí)變性。因此,FOD的回波信號(hào)通常弱于雜波信號(hào),FOD檢測(cè)屬于強(qiáng)低雜波中的弱信號(hào)檢測(cè)問題,雜波抑制直接影響檢測(cè)的可靠性。

4.4 目標(biāo)識(shí)別

常見的FOD可以分為不同的材質(zhì)和尺寸,這些跑道異物在毫米波雷達(dá)的照射下具有相對(duì)穩(wěn)定的特性,這些特性可以作為識(shí)別異物與背景的依據(jù)。在測(cè)試階段,對(duì)不同的目標(biāo)特征建立數(shù)據(jù)庫(kù),使用時(shí),依照數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,提高檢測(cè)概率。

4.5 數(shù)據(jù)融合[4]

由于FOD雷達(dá)作用距離短,在跑道旁布設(shè)了多部FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá),雷達(dá)之間協(xié)同工作,數(shù)據(jù)傳送到中央處理器,需對(duì)多部雷達(dá)的結(jié)果作數(shù)據(jù)融合處理。對(duì)相鄰雷達(dá)而言,存在重疊監(jiān)測(cè)區(qū)域,合理利用重疊區(qū)域的信息可以提高檢測(cè)概率。

5 結(jié)束語(yǔ)

安全、效率和流量是民用航空機(jī)場(chǎng)關(guān)注的三大主題,其中安全是第一位的。FOD異物監(jiān)測(cè)雷達(dá)采用毫米波段的調(diào)頻連續(xù)波體制,對(duì)強(qiáng)雜波背景下的小RCS物體起到了有效而可靠的監(jiān)測(cè)作用。保障了機(jī)場(chǎng)道面的安全性,同時(shí)避免了人工巡視占用跑道的寶貴時(shí)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(dá)的組成和原理,對(duì)雷達(dá)各組成部分的關(guān)鍵技術(shù)作了探討,希望能為從事相關(guān)研究的人員提供參考。

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61079006）

王 洪（1974-）,男,四川仁壽人,博士后,電子科技大學(xué)講師,主要研究方向?yàn)镕OD監(jiān)測(cè)雷達(dá)、MIMO雷達(dá)、多點(diǎn)定位、數(shù)字接收機(jī)和高速實(shí)時(shí)信號(hào)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(xué)剛（1962-）,男,湖南人,電子科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,長(zhǎng)期從事雷達(dá)信號(hào)處理、毫米波雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)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.