專利名稱：機場跑道異物二維探測系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)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(tǒng)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(tǒng)的某種外來的物質、碎屑或物體，F(xiàn)OD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(xiàn)有的機場跑道異物FOD探測系統(tǒng)中，應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(tǒng)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(qū)域進行掃描，發(fā)現(xiàn)FOD后可以立即向機場管理人員發(fā)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(xié)助機場管理人員將FOD取走。
圖1示出了 FODetect系統(tǒng)的結構示意圖。該系統(tǒng)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(tǒng)中的毫米波雷達發(fā)射頻率為77GHz的連續(xù)波，在輻射范圍內采集到的回波數(shù)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(tǒng)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(qū)域內采集到的數(shù)據傳送到數(shù)據處理單元，對該數(shù)據進行一維FFT變換得到該區(qū)域內目標的一維分辨。當發(fā)現(xiàn)有目標存在時，探測系統(tǒng)會發(fā)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(xié)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(tǒng)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(xiàn)的。而現(xiàn)有的、較為成熟的用于靜目標二維成像探測的系統(tǒng)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(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目標的二維像
發(fā)明內容
為此，本發(fā)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(tǒng)及方法。本發(fā)明提供了一種機場跑道異物二維探測系統(tǒng)，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(xiàn)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(fā)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(fā)射信號帶寬為4GHz，步進頻率為3MHz，在每一個角度位置發(fā)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(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。進一步，所述雷達在頻帶內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(shù)據之后，進行合成孔徑成像。進一步，所述系統(tǒng)還包括一紅外熱成像攝像頭，當雷達發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的所述跑道異物進行拍照，以確認其威脅等級。本發(fā)明還提供了一種使用上述的機場跑道異物二維探測系統(tǒng)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(tǒng)，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(xiàn)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(fā)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(fā)射信號帶寬為4GHz，步進頻率為3MHz，在每一個角度位置發(fā)射頻率步進體制的寬頻信號。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，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(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.如權利要求1所述的系統(tǒng)，所述雷達在頻帶內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(shù)據之后，進行合成孔徑成像。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括一紅外熱成像攝像頭，當雷達發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(fā)明公開了一種機場跑道異物二維探測系統(tǒng)，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(fā)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(fā)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(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行處理得到目標的二維信息。通過本發(fā)明技術方案，能夠克服場地小的限制，在較小的場地實現(xiàn)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(yōu)先權日2013年1月28日
發(fā)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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