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专利名称：机场跑道异物二维探测系统及方法
技术领域：
本发明提供一种机场跑道管理装置，尤其是一种用于对机场跑道异物进行二维探测的系统及方法。
背景技术：
机场跑道异物FOD (Foreign Object Debris)是指可能损伤飞机或系统的某种外来的物质、碎屑或物体，FOD带来的危害会损坏飞机、夺去宝贵的生命以及带来巨大的经济损失。在现有的机场跑道异物FOD探测系统中，应用较为广泛的有四种，分别是英国Qinetiq公司开发的Tarsier系统、以色列开发的FODetect系统、美国开发的FOD Finder系统和新加坡开发的iFerret系统。其中，前三种系统均采用毫米波雷达探测为主，视频图像识别技术为辅的手段来探测FOD ;而iFerret系统只采用视频图像识别技术进行FOD的探测，其通过在跑道上每隔一定间距安装一先进的高分辨率功能的摄像机，自动探测和辨认跑道上的障碍物。目前，针对FOD目标探测的毫米波雷达成像算法全部是对FOD目标进行一维探测。例如，以色列Xsight公司的FODetect中配备了 77GHz的毫米波雷达和摄像设备,在不同的位置跑道边灯上安装多个道面检测单元(SDU)，每个SDU都对跑道中的区域进行扫描，发现FOD后可以立即向机场管理人员发出报警信息，告知FOD的位置，而后设备会拉近镜头，提供FOD的视频图像以协助机场管理人员将FOD取走。

图1示出了 FODetect系统的结构示意图。该系统包括:毫米波雷达1、视频摄像头2、近红外传感器3、激光指示器4和转台控制单元5。该系统中的毫米波雷达发射频率为77GHz的连续波，在辐射范围内采集到的回波数据进行一维成像的处理，得到雷达照射范围内的一维像，然后由视频摄像头等辅助得到目标的视频图像，确定目标的准确位置。在FODetect中，每个道面检测单元SDU中的毫米波雷达成像部分采用传统的一维成像的算法，具体流程为:通过将毫米波雷达在跑道某一区域内采集到的数据传送到数据处理单元，对该数据进行一维FFT变换得到该区域内目标的一维分辨。当发现有目标存在时，探测系统会发出警报，摄像机拉近镜头提供图像，而在夜间，有激光指示器协助将FOD目标取走。在图1所示的结构中，可以看到雷达天线的位置是固定的，当系统工作，天线转动时候，雷达围绕相位中心旋转，雷达与FOD目标之间的相对距离并没有变化，因此只能得到目标的一维距离信息。如果想要得到FOD目标的二维信息，即通过毫米波雷达既得到距离信息，又能判定方位信息，用图1所示结构的雷达是不能够实现的。而现有的、较为成熟的用于静目标二维成像探测的系统大多为机载SAR和星载SAR成像，用这两种雷达对跑道上的目标进行二维探测，成本过高，而且场地有限，实现起来较为困难。因此，现有的系统以及算法很难得到FOD目标的二维像
发明内容
为此，本发明设计了一种新型的合成孔径雷达(SAR)成像的方案，从而提供了一种机场跑道FOD 二维检测系统及方法。本发明提供了一种机场跑道异物二维探测系统，包括转台和雷达，其特征在于还包括一雷达臂，臂长至少为2米，以保证雷达在不同的角度位置到目标能够有相位的变化从而实现对二维的分辨，所述雷达臂的一端固定有雷达，另一端固定在所述转台上以使所述雷达能够随所述转台而转动；其中所述转台，用于承载雷达进行转动，其每次旋转的步进角度为α，α <0.2度，每个角度上停留一段时间以便雷达在该角度位置发射和接收雷达信号；所述雷达，采用频率步进体制，雷达中心频率采用16GHz，发射信号带宽为4GHz，步进频率为3MHz，在每一个角度位置发射频率步进体制的宽频信号。进一步，所述转台的转动的角度范围为60°，所述步进角度为0.01度，每个角度上停留0.5ms。进一步，所述系统还包括一显示单元，用于将跑道异物的二维信息显示在所述显示单元上。进一步，所述雷达在频带内从低频到高频依次发射/接收多个单频信号，并将接收到的单频信号与发射的基准信号混频到固定的中频频率上，然后进行正交解调以获得接收信号的幅度和相位，当积累一定的角度范围数据之后，进行合成孔径成像。进一步，所述系统还包括一红外热成像摄像头，当雷达发现跑道异物后，所述红外热成像摄像头根据雷达探测的二维位置信息对发现的所述跑道异物进行拍照，以确认其威胁等级。本发明还提供了一种使用上述的机场跑道异物二维探测系统进行探测的方法，包括:所述转台通过雷达臂使雷达旋转，所述雷达臂长为r;以雷达旋转中心O为坐标原点建立静止的x-y坐标系，同时以雷达旋转中心O为坐标原点建立旋转的u-v坐标系,其中V轴由雷达旋转中心O指向雷达，V轴绕O点顺时针旋转90°得到u轴；对任一点，其在x-y坐标系的坐标为(x，y)，在u-v坐标系中的坐标为(u，V)，在两组坐标系中的坐标存在如下关系:
权利要求
1.一种机场跑道异物二维探测系统，包括转台和雷达，其特征在于还包括一雷达臂，臂长至少为2米，以保证雷达在不同的角度位置到目标能够有相位的变化从而实现对二维的分辨，所述雷达臂的一端固定有雷达，另一端固定在所述转台上以使所述雷达能够随所述转台而转动；其中 所述转台，用于承载雷达进行转动，其每次旋转的步进角度为α，α <0.2度，每个角度上停留一段时间以便雷达在该角度位置发射和接收雷达信号； 所述雷达，采用频率步进体制，雷达中心频率采用16GHz，发射信号带宽为4GHz，步进频率为3MHz，在每一个角度位置发射频率步进体制的宽频信号。
2.如权利要求1所述的系统，所述转台的转动的角度范围为60°，所述步进角度为0.01度，每个角度上停留0.5ms。
3.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括一显示单元，用于将跑道异物的二维信息显示在所述显示单元上。
4.如权利要求1所述的系统，所述雷达在频带内从低频到高频依次发射/接收多个单频信号，并将接收到的单频信号与发射的基准信号混频到固定的中频频率上，然后进行正交解调以获得接收信号的幅度和相位，当积累一定的角度范围数据之后，进行合成孔径成像。
5.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括一红外热成像摄像头，当雷达发现跑道异物后，所述红外热成像摄像头根据雷达探测的二维位置信息对发现的所述跑道异物进行拍照，以确认其威胁等级。
6.一种使用如权利要求1所述的机场跑道异物二维探测系统进行探测的方法，包括: 所述转台通过雷达臂使雷达旋转，所述雷达臂长为r ；以雷达旋转中心O为坐标原点建立静止的χ-y坐标系，同时以雷达旋转中心O为坐标原点建立旋转的u-v坐标系,其中V轴由雷达旋转中心O指向雷达，V轴绕O点顺时针旋转90°得到u轴；对任一点，其在x-y坐标系的坐标为(x，y)，在u-v坐标系中的坐标为(u，V)，在两组坐标系中的坐标存在如下关系:
全文摘要
本发明公开了一种机场跑道异物二维探测系统，包括转台和雷达，其特征在于还包括一雷达臂，臂长至少为2米，所述雷达臂的一端固定有雷达，另一端固定在所述转台上以使所述雷达能够随所述转台而转动；所述转台，用于承载雷达进行转动，其每次旋转的步进角度为α，α≤0.2度，每个角度上停留一段时间以便雷达在该角度位置发射和接收雷达信号；雷达采用频率步进体制，雷达中心频率采用16GHz，发射信号带宽为4GHz，步进频率为3MHz，当雷达随转台转过一定的角度之后得到来自目标区域的总的回波信号，然后用滤波-反投影算法对采集到的总的回波信号进行处理得到目标的二维信息。通过本发明技术方案，能够克服场地小的限制，在较小的场地实现对静目标的二维成像。
文档编号G01S13/90GK103149563SQ20131003120
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月28日 优先权日2013年1月28日
发明者洪韬, 赵京城, 康喆, 田进军 申请人:北京航空航天大学