專利名稱：機(jī)場跑道異物二維探測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種機(jī)場跑道管理裝置，尤其是一種用于對機(jī)場跑道異物進(jìn)行二維探測的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
機(jī)場跑道異物FOD (Foreign Object Debris)是指可能損傷飛機(jī)或系統(tǒng)的某種外來的物質(zhì)、碎屑或物體，F(xiàn)OD帶來的危害會損壞飛機(jī)、奪去寶貴的生命以及帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在現(xiàn)有的機(jī)場跑道異物FOD探測系統(tǒng)中，應(yīng)用較為廣泛的有四種，分別是英國Qinetiq公司開發(fā)的Tarsier系統(tǒng)、以色列開發(fā)的FODetect系統(tǒng)、美國開發(fā)的FOD Finder系統(tǒng)和新加坡開發(fā)的iFerret系統(tǒng)。其中，前三種系統(tǒng)均采用毫米波雷達(dá)探測為主，視頻圖像識別技術(shù)為輔的手段來探測FOD ;而iFerret系統(tǒng)只采用視頻圖像識別技術(shù)進(jìn)行FOD的探測，其通過在跑道上每隔一定間距安裝一先進(jìn)的高分辨率功能的攝像機(jī)，自動探測和辨認(rèn)跑道上的障礙物。目前，針對FOD目標(biāo)探測的毫米波雷達(dá)成像算法全部是對FOD目標(biāo)進(jìn)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(dá)和攝像設(shè)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(qū)域進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)FOD后可以立即向機(jī)場管理人員發(fā)出報(bào)警信息，告知FOD的位置，而后設(shè)備會拉近鏡頭，提供FOD的視頻圖像以協(xié)助機(jī)場管理人員將FOD取走。

圖1示出了 FODetect系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)包括:毫米波雷達(dá)1、視頻攝像頭2、近紅外傳感器3、激光指示器4和轉(zhuǎn)臺控制單元5。該系統(tǒng)中的毫米波雷達(dá)發(fā)射頻率為77GHz的連續(xù)波，在輻射范圍內(nèi)采集到的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行一維成像的處理，得到雷達(dá)照射范圍內(nèi)的一維像，然后由視頻攝像頭等輔助得到目標(biāo)的視頻圖像，確定目標(biāo)的準(zhǔn)確位置。在FODetect中，每個道面檢測單元SDU中的毫米波雷達(dá)成像部分采用傳統(tǒng)的一維成像的算法，具體流程為:通過將毫米波雷達(dá)在跑道某一區(qū)域內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理單元，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行一維FFT變換得到該區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的一維分辨。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有目標(biāo)存在時(shí)，探測系統(tǒng)會發(fā)出警報(bào)，攝像機(jī)拉近鏡頭提供圖像，而在夜間，有激光指示器協(xié)助將FOD目標(biāo)取走。在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，可以看到雷達(dá)天線的位置是固定的，當(dāng)系統(tǒng)工作，天線轉(zhuǎn)動時(shí)候，雷達(dá)圍繞相位中心旋轉(zhuǎn)，雷達(dá)與FOD目標(biāo)之間的相對距離并沒有變化，因此只能得到目標(biāo)的一維距離信息。如果想要得到FOD目標(biāo)的二維信息，即通過毫米波雷達(dá)既得到距離信息，又能判定方位信息，用圖1所示結(jié)構(gòu)的雷達(dá)是不能夠?qū)崿F(xiàn)的。而現(xiàn)有的、較為成熟的用于靜目標(biāo)二維成像探測的系統(tǒng)大多為機(jī)載SAR和星載SAR成像，用這兩種雷達(dá)對跑道上的目標(biāo)進(jìn)行二維探測，成本過高，而且場地有限，實(shí)現(xiàn)起來較為困難。因此，現(xiàn)有的系統(tǒng)以及算法很難得到FOD目標(biāo)的二維像
發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新型的合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像的方案，從而提供了一種機(jī)場跑道FOD 二維檢測系統(tǒng)及方法。本發(fā)明提供了一種機(jī)場跑道異物二維探測系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)臺和雷達(dá)，其特征在于還包括一雷達(dá)臂，臂長至少為2米，以保證雷達(dá)在不同的角度位置到目標(biāo)能夠有相位的變化從而實(shí)現(xiàn)對二維的分辨，所述雷達(dá)臂的一端固定有雷達(dá)，另一端固定在所述轉(zhuǎn)臺上以使所述雷達(dá)能夠隨所述轉(zhuǎn)臺而轉(zhuǎn)動；其中所述轉(zhuǎn)臺，用于承載雷達(dá)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，其每次旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)角度為α，α <0.2度，每個角度上停留一段時(shí)間以便雷達(dá)在該角度位置發(fā)射和接收雷達(dá)信號；所述雷達(dá)，采用頻率步進(jìn)體制，雷達(dá)中心頻率采用16GHz，發(fā)射信號帶寬為4GHz，步進(jìn)頻率為3MHz，在每一個角度位置發(fā)射頻率步進(jìn)體制的寬頻信號。進(jìn)一步，所述轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動的角度范圍為60°，所述步進(jìn)角度為0.01度，每個角度上停留0.5ms。進(jìn)一步，所述系統(tǒng)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(jìn)一步，所述雷達(dá)在頻帶內(nèi)從低頻到高頻依次發(fā)射/接收多個單頻信號，并將接收到的單頻信號與發(fā)射的基準(zhǔn)信號混頻到固定的中頻頻率上，然后進(jìn)行正交解調(diào)以獲得接收信號的幅度和相位，當(dāng)積累一定的角度范圍數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行合成孔徑成像。進(jìn)一步，所述系統(tǒng)還包括一紅外熱成像攝像頭，當(dāng)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)跑道異物后，所述紅外熱成像攝像頭根據(jù)雷達(dá)探測的二維位置信息對發(fā)現(xiàn)的所述跑道異物進(jìn)行拍照，以確認(rèn)其威脅等級。本發(fā)明還提供了一種使用上述的機(jī)場跑道異物二維探測系統(tǒng)進(jìn)行探測的方法，包括:所述轉(zhuǎn)臺通過雷達(dá)臂使雷達(dá)旋轉(zhuǎn)，所述雷達(dá)臂長為r;以雷達(dá)旋轉(zhuǎn)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立靜止的x-y坐標(biāo)系，同時(shí)以雷達(dá)旋轉(zhuǎn)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立旋轉(zhuǎn)的u-v坐標(biāo)系,其中V軸由雷達(dá)旋轉(zhuǎn)中心O指向雷達(dá)，V軸繞O點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°得到u軸；對任一點(diǎn)，其在x-y坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(x，y)，在u-v坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(u，V)，在兩組坐標(biāo)系中的坐標(biāo)存在如下關(guān)系:
權(quán)利要求
1.一種機(jī)場跑道異物二維探測系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)臺和雷達(dá)，其特征在于還包括一雷達(dá)臂，臂長至少為2米，以保證雷達(dá)在不同的角度位置到目標(biāo)能夠有相位的變化從而實(shí)現(xiàn)對二維的分辨，所述雷達(dá)臂的一端固定有雷達(dá)，另一端固定在所述轉(zhuǎn)臺上以使所述雷達(dá)能夠隨所述轉(zhuǎn)臺而轉(zhuǎn)動；其中 所述轉(zhuǎn)臺，用于承載雷達(dá)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，其每次旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)角度為α，α <0.2度，每個角度上停留一段時(shí)間以便雷達(dá)在該角度位置發(fā)射和接收雷達(dá)信號； 所述雷達(dá)，采用頻率步進(jìn)體制，雷達(dá)中心頻率采用16GHz，發(fā)射信號帶寬為4GHz，步進(jìn)頻率為3MHz，在每一個角度位置發(fā)射頻率步進(jìn)體制的寬頻信號。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動的角度范圍為60°，所述步進(jìn)角度為0.01度，每個角度上停留0.5ms。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)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(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述雷達(dá)在頻帶內(nèi)從低頻到高頻依次發(fā)射/接收多個單頻信號，并將接收到的單頻信號與發(fā)射的基準(zhǔn)信號混頻到固定的中頻頻率上，然后進(jìn)行正交解調(diào)以獲得接收信號的幅度和相位，當(dāng)積累一定的角度范圍數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行合成孔徑成像。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括一紅外熱成像攝像頭，當(dāng)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)跑道異物后，所述紅外熱成像攝像頭根據(jù)雷達(dá)探測的二維位置信息對發(fā)現(xiàn)的所述跑道異物進(jìn)行拍照，以確認(rèn)其威脅等級。
6.一種使用如權(quán)利要求1所述的機(jī)場跑道異物二維探測系統(tǒng)進(jìn)行探測的方法，包括: 所述轉(zhuǎn)臺通過雷達(dá)臂使雷達(dá)旋轉(zhuǎn)，所述雷達(dá)臂長為r ；以雷達(dá)旋轉(zhuǎn)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立靜止的χ-y坐標(biāo)系，同時(shí)以雷達(dá)旋轉(zhuǎn)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立旋轉(zhuǎn)的u-v坐標(biāo)系,其中V軸由雷達(dá)旋轉(zhuǎn)中心O指向雷達(dá)，V軸繞O點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°得到u軸；對任一點(diǎn)，其在x-y坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(x，y)，在u-v坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(u，V)，在兩組坐標(biāo)系中的坐標(biāo)存在如下關(guān)系:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機(jī)場跑道異物二維探測系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)臺和雷達(dá)，其特征在于還包括一雷達(dá)臂，臂長至少為2米，所述雷達(dá)臂的一端固定有雷達(dá)，另一端固定在所述轉(zhuǎn)臺上以使所述雷達(dá)能夠隨所述轉(zhuǎn)臺而轉(zhuǎn)動；所述轉(zhuǎn)臺，用于承載雷達(dá)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，其每次旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)角度為α，α≤0.2度，每個角度上停留一段時(shí)間以便雷達(dá)在該角度位置發(fā)射和接收雷達(dá)信號；雷達(dá)采用頻率步進(jìn)體制，雷達(dá)中心頻率采用16GHz，發(fā)射信號帶寬為4GHz，步進(jìn)頻率為3MHz，當(dāng)雷達(dá)隨轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過一定的角度之后得到來自目標(biāo)區(qū)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(jìn)行處理得到目標(biāo)的二維信息。通過本發(fā)明技術(shù)方案，能夠克服場地小的限制，在較小的場地實(shí)現(xiàn)對靜目標(biāo)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(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者洪韜, 趙京城, 康喆, 田進(jìn)軍 申請人:北京航空航天大學(xué)