專利名稱：機場跑道異物二維探測系統及方法
技術領域：
本發明提供一種機場跑道管理裝置，尤其是一種用于對機場跑道異物進行二維探測的系統及方法。
背景技術：
機場跑道異物FOD (Foreign Object Debris)是指可能損傷飛機或系統的某種外來的物質、碎屑或物體，FOD帶來的危害會損壞飛機、奪去寶貴的生命以及帶來巨大的經濟損失。在現有的機場跑道異物FOD探測系統中，應用較為廣泛的有四種，分別是英國Qinetiq公司開發的Tarsier系統、以色列開發的FODetect系統、美國開發的FOD Finder系統和新加坡開發的iFerret系統。其中，前三種系統均采用毫米波雷達探測為主，視頻圖像識別技術為輔的手段來探測FOD ;而iFerret系統只采用視頻圖像識別技術進行FOD的探測，其通過在跑道上每隔一定間距安裝一先進的高分辨率功能的攝像機，自動探測和辨認跑道上的障礙物。目前，針對FOD目標探測的毫米波雷達成像算法全部是對FOD目標進行一維探測。例如，以色列Xsight公司的FODetect中配備了 77GHz的毫米波雷達和攝像設備,在不同的位置跑道邊燈上安裝多個道面檢測單元(SDU)，每個SDU都對跑道中的區域進行掃描，發現FOD后可以立即向機場管理人員發出報警信息，告知FOD的位置，而后設備會拉近鏡頭，提供FOD的視頻圖像以協助機場管理人員將FOD取走。
圖1示出了 FODetect系統的結構示意圖。該系統包括:毫米波雷達1、視頻攝像頭2、近紅外傳感器3、激光指示器4和轉臺控制單元5。該系統中的毫米波雷達發射頻率為77GHz的連續波，在輻射范圍內采集到的回波數據進行一維成像的處理，得到雷達照射范圍內的一維像，然后由視頻攝像頭等輔助得到目標的視頻圖像，確定目標的準確位置。在FODetect中，每個道面檢測單元SDU中的毫米波雷達成像部分采用傳統的一維成像的算法，具體流程為:通過將毫米波雷達在跑道某一區域內采集到的數據傳送到數據處理單元，對該數據進行一維FFT變換得到該區域內目標的一維分辨。當發現有目標存在時，探測系統會發出警報，攝像機拉近鏡頭提供圖像，而在夜間，有激光指示器協助將FOD目標取走。在圖1所示的結構中，可以看到雷達天線的位置是固定的，當系統工作，天線轉動時候，雷達圍繞相位中心旋轉，雷達與FOD目標之間的相對距離并沒有變化，因此只能得到目標的一維距離信息。如果想要得到FOD目標的二維信息，即通過毫米波雷達既得到距離信息，又能判定方位信息，用圖1所示結構的雷達是不能夠實現的。而現有的、較為成熟的用于靜目標二維成像探測的系統大多為機載SAR和星載SAR成像，用這兩種雷達對跑道上的目標進行二維探測，成本過高，而且場地有限，實現起來較為困難。因此，現有的系統以及算法很難得到FOD目標的二維像
發明內容
為此，本發明設計了一種新型的合成孔徑雷達(SAR)成像的方案，從而提供了一種機場跑道FOD 二維檢測系統及方法。本發明提供了一種機場跑道異物二維探測系統，包括轉臺和雷達，其特征在于還包括一雷達臂，臂長至少為2米，以保證雷達在不同的角度位置到目標能夠有相位的變化從而實現對二維的分辨，所述雷達臂的一端固定有雷達，另一端固定在所述轉臺上以使所述雷達能夠隨所述轉臺而轉動；其中所述轉臺，用于承載雷達進行轉動，其每次旋轉的步進角度為α，α <0.2度，每個角度上停留一段時間以便雷達在該角度位置發射和接收雷達信號；所述雷達，采用頻率步進體制，雷達中心頻率采用16GHz，發射信號帶寬為4GHz，步進頻率為3MHz，在每一個角度位置發射頻率步進體制的寬頻信號。進一步，所述轉臺的轉動的角度范圍為60°，所述步進角度為0.01度，每個角度上停留0.5ms。進一步，所述系統還包括一顯示單元，用于將跑道異物的二維信息顯示在所述顯示單元上。進一步，所述雷達在頻帶內從低頻到高頻依次發射/接收多個單頻信號，并將接收到的單頻信號與發射的基準信號混頻到固定的中頻頻率上，然后進行正交解調以獲得接收信號的幅度和相位，當積累一定的角度范圍數據之后，進行合成孔徑成像。進一步，所述系統還包括一紅外熱成像攝像頭，當雷達發現跑道異物后，所述紅外熱成像攝像頭根據雷達探測的二維位置信息對發現的所述跑道異物進行拍照，以確認其威脅等級。本發明還提供了一種使用上述的機場跑道異物二維探測系統進行探測的方法，包括:所述轉臺通過雷達臂使雷達旋轉，所述雷達臂長為r;以雷達旋轉中心O為坐標原點建立靜止的x-y坐標系，同時以雷達旋轉中心O為坐標原點建立旋轉的u-v坐標系,其中V軸由雷達旋轉中心O指向雷達，V軸繞O點順時針旋轉90°得到u軸；對任一點，其在x-y坐標系的坐標為(x，y)，在u-v坐標系中的坐標為(u，V)，在兩組坐標系中的坐標存在如下關系:
權利要求
1.一種機場跑道異物二維探測系統，包括轉臺和雷達，其特征在于還包括一雷達臂，臂長至少為2米，以保證雷達在不同的角度位置到目標能夠有相位的變化從而實現對二維的分辨，所述雷達臂的一端固定有雷達，另一端固定在所述轉臺上以使所述雷達能夠隨所述轉臺而轉動；其中 所述轉臺，用于承載雷達進行轉動，其每次旋轉的步進角度為α，α <0.2度，每個角度上停留一段時間以便雷達在該角度位置發射和接收雷達信號； 所述雷達，采用頻率步進體制，雷達中心頻率采用16GHz，發射信號帶寬為4GHz，步進頻率為3MHz，在每一個角度位置發射頻率步進體制的寬頻信號。
2.如權利要求1所述的系統，所述轉臺的轉動的角度范圍為60°，所述步進角度為0.01度，每個角度上停留0.5ms。
3.如權利要求1所述的系統，所述系統還包括一顯示單元，用于將跑道異物的二維信息顯示在所述顯示單元上。
4.如權利要求1所述的系統，所述雷達在頻帶內從低頻到高頻依次發射/接收多個單頻信號，并將接收到的單頻信號與發射的基準信號混頻到固定的中頻頻率上，然后進行正交解調以獲得接收信號的幅度和相位，當積累一定的角度范圍數據之后，進行合成孔徑成像。
5.如權利要求1所述的系統，所述系統還包括一紅外熱成像攝像頭，當雷達發現跑道異物后，所述紅外熱成像攝像頭根據雷達探測的二維位置信息對發現的所述跑道異物進行拍照，以確認其威脅等級。
6.一種使用如權利要求1所述的機場跑道異物二維探測系統進行探測的方法，包括: 所述轉臺通過雷達臂使雷達旋轉，所述雷達臂長為r ；以雷達旋轉中心O為坐標原點建立靜止的χ-y坐標系，同時以雷達旋轉中心O為坐標原點建立旋轉的u-v坐標系,其中V軸由雷達旋轉中心O指向雷達，V軸繞O點順時針旋轉90°得到u軸；對任一點，其在x-y坐標系的坐標為(x，y)，在u-v坐標系中的坐標為(u，V)，在兩組坐標系中的坐標存在如下關系:
全文摘要
本發明公開了一種機場跑道異物二維探測系統，包括轉臺和雷達，其特征在于還包括一雷達臂，臂長至少為2米，所述雷達臂的一端固定有雷達，另一端固定在所述轉臺上以使所述雷達能夠隨所述轉臺而轉動；所述轉臺，用于承載雷達進行轉動，其每次旋轉的步進角度為α，α≤0.2度，每個角度上停留一段時間以便雷達在該角度位置發射和接收雷達信號；雷達采用頻率步進體制，雷達中心頻率采用16GHz，發射信號帶寬為4GHz，步進頻率為3MHz，當雷達隨轉臺轉過一定的角度之后得到來自目標區域的總的回波信號，然后用濾波-反投影算法對采集到的總的回波信號進行處理得到目標的二維信息。通過本發明技術方案，能夠克服場地小的限制，在較小的場地實現對靜目標的二維成像。
文檔編號G01S13/90GK103149563SQ20131003120
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月28日 優先權日2013年1月28日
發明者洪韜, 趙京城, 康喆, 田進軍 申請人:北京航空航天大學
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