浅谈机场跑道异物检测技术的研究与实现

浅谈机场跑道异物检测技术的研究与实现

作者：吕秋宁

来源：《中国科技纵横》2018年第06期

摘要：机场跑道上存在的异物对飞机安全有一定威胁，为了解决这一问题，应加强对机场跑道异物检测技术的研究。本文主要围绕机场跑道异物检测技术分析、组合式毫米波探测系统关键技术、组合式毫米波探测系统构成、距离高分辨原理四个方面展开讨论，详细分析了机场跑道异物检测技术及其原理，可针对小目标进行检测，在飞机安全方面有重要作用。

关键词：机场跑道；异物检测；组合式毫米波检测技术

中图分类号：TN911.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）06-0237-02

机场跑道异物是指不属于跑道正常工作区域内，但又由于各种原因出现在跑道上的小物体，包括沙粒、螺丝钉等小目标。这些异物在飞行区，可能造成飞机延误或者中途断飞等情况，严重的将威胁人身安全。因此，需要及时清理机场跑道上异物，在相关检测技术的帮助下，能保证对异物进行有效处理。尤其是在科学技术快速发展的背景下，异物检测技术得到了一定程度发展，在机场跑道异物检测上有重要作用。

1 机场跑道异物检测技术分析

机场跑道上大部分异物尺寸较小，人工检测已经不能满足飞机安全运行需求，近年来，各民用及军用航空机场将机场跑道异物检测作为主要工作内容，并加强了对检测技术不断改进的重视。为了实现对机场跑道上小物体进行自动检测，国外主要采用了光学检测方法以及电磁波检测技术。英国研制出的外来异物检测系统为了保证较高的分辨率，选取作业在94GHz毫米波上。这一检测系统主要运用了线性调频连续体制，以便实现对机场跑道的小物体检测。而在提高分辨率上，检测系统主要运用了一定频率的扫频宽带，同时利用天线来提高系统的定位能力。光学检测技术包括摄像机、红外热像仪以及数码相机等高清晰的视频监视设备，这些设备在机场跑道异物检测上取得了广泛应用，但是由于摄像机和数码机等容易受到天气的影响，使得地面异物的颜色分辨难度有所增加，分辨率不够精准。而毫米波扫描设备能在雨雾、白昼等天气条件下正常作业，不受气候因素的影响，属于一种在跑道异物检测上应用价值较高的检测技术[1]。

毫米波检测装置为了实现对跑道上较小物体的检测，来提高其检测小物体的能力，需要保证扫描设备的距离以及分辨率设置合理，从而促使机场异物检测工作的顺利进行。由于毫米波检测到的跑道图像不属于可见光影像，所以不能明确判断异物种类，这时需要在光学成像设备的作用下来拍摄外来杂物，这种情况下，当雷达检测技术探测到小物体时，能通过光学影像对外来物类型进行辨认。上述为国外主要应用的异物检测技术，对于国内来讲，根据其器件状况，可应用组合式毫米波检测系统来保障飞机安全，是指在机场跑道附近设置网络布局的毫米

波雷达检测传感器，在这些传感器作用下，可实现系统对地面小目标有很好的检测能力，是具有较强应用意义的一项机场跑道异物检测技术。

2 组合式毫米波探测系统关键技术

国外机场跑道主要应用的异物检测系统中，通常采用毫米波扫描方法，进行异物检测工作。将该技术结合到检测系统中，能有效提高系统距离以及方位检测分辨率，并能减轻杂波的反射强度，可保证对外来杂物的有效检测。另外，检测系统采用高工作频段，可在系统体积不大时取得较高的方位分辨率，而在纵向方向主要应用了线性调频技术，以便实现较高的分辨率[2]。

机场跑道上的小物体在跑道上基本维持静止状态，针对这一特点，不能利用动目标检测技术来消除地面平面的杂散回波。而对于尺寸较小的外来物来说，当对其进行检测时，将产生微弱回波，这些回波与地面杂散回波混合在一起，会对异物检测造成影响，而为了提高检测精准度，需要在混合波中挑选出外来物回波，即是尽可能降低地面杂波的回波强度，以便保证检测技术的实效性。雷达地面杂波的回波强度通常与其对地照射角、地面属性以及地面照射面积有关，其中地面照射面积对回波强度有重要影响，主要与雷达距离以及方位分辨率有关。当雷达距离和分辨率不能满足应用需求时，则地面杂波涉及面积会有所增加，回波强度将会比机场跑道的回波强度强的多。由此可见，为了提高外来物检测精度，应使雷达在方位与距离上保持较高的分辨率。

毫米波扫描设备照射跑道时，跑道上外来物将产生回波，并且机场跑道地面同时产生杂波，干扰检测系统对外来物的检测。根据地面杂波情况，发现地面杂波的反射强度以及跑道外来物雷达截面积等可进行估算。当雷达距离分辨率超过0.15m时，则雷达方位波束会按照作用距离来选择适当宽度，使得地面杂波强度相对于外来物回波来讲较低，使得检测系统分辨率得以提高。为了最大程度降低地面杂波干扰，并提高系统对跑道外来物检测能力，还要求雷达有适当的地面入射角。如英国研发的Tarsier T1100物体检测系统，便采用了宽度较小的方位波束，但是对于方位分辨能力要求较高的检测系统来讲，其通常应用一定长度的雷达天线。例如为了在8mm波段获得0.2°的波束宽度，需要天线尺寸接近3m，但是将为检测系统的实际应用造成不便。针对这一问题，可通过组合式毫米波检测系统来进行对外来物的检测。

3 组合式毫米波探测系统构成

机场跑道异物检测系统主要由无线数据输送网络、检测单元以及监控终端构成，其中不同检测单元包含对应的毫米波检测装置与摄像设备，一般在跑道两端布设间隔距离固定的检测单元，用来检测其邻近跑道区域的外来物。传感器检测到的数据会通过无线网络输送至监控终端，之后由终端对数据展开分析并得到位置结果，帮助工作人员能及时进行异物清理工作。不同传感器部件有其自己的ID号，在网络通道下传输数据时，还会将自己的ID号输送到终端以便识别不同传感器的检测数据。在检测系统实际应用的过程中，检测单元的毫米波扫描设备利用发射毫米波束来搜索跑道，可实现对机场外来物产生反射信号并对信号进行处理[3]。

4 距离高分辨原理

为了实现雷达取得较好的应用效果，应保证其具有高的距离和方位分辨率。在机场跑道检测系统中采用的线性调频雷达，在一定时间内，调制信号电压与载频信号频率成正相关关系。一般线性调频雷达的调制波形为三角形或者锯齿波形，不同调制波形对应特定的目标距离和速度关系公式。如对于三角形调制波性状来讲，当知道一个中频信号频率后，便可分析出跑道外来物位置信息[4]。当跑道上有多个距离不相同的目标时，由于目标处于静止状态，所以一个频率对应一个位置距离，可借助雷达装置来区分不同目标。毫米波检测设备发射连续波信号时，将出现反射回波信号和发射信号形成一定差异的现象，其中差频信号与的外来物距离有关，其分辨率同线性调频带的宽度有关，所以可认为探测技术是通过对反射回波和发生信号间的差频情况来实现对跑道异物的测量，在保障飞机安全方面有积极意义。

5 结语

综上所述，飞机跑道异物检测技术对航空安全有着重要作用，检测系统中通常包括雷达技术以及图像处理技术等，以便实现精准定位。本文主要分析了组合式毫米波检测技术，该技术对飞机跑道上小目标有很好的分辨率，进而保证飞机跑道上异物的及时清理，为飞机安全提供保障。另外，将该技术运用到检测系统中，能更有效的定位目标，并具有较好的灵敏度，是促进航空领域良好发展的重要基础。

参考文献

[1]吴静，汪学刚，王洪，于雪莲.非高斯背景下机场跑道异物监测雷达的杂波图CFAR技术[J].现代雷达，2014，（1）：35-38.

[2]吴静，王洪，于雪莲，汪学刚.多目标环境下跑道异物监测雷达的CFAR检测技术[J].光电工程，2013，（10）：42-47.

[3]吴静，汪学刚，王洪，敖丹丹.机场跑道异物检测雷达回波建模[J].太赫兹科学与电子信息学报，2013，（6）：917-921.

[4]胡文琳，王永良，等.Log-normal分布杂波背景下有序统计恒虚警检测器性能分析[J].电子与信息学报，2007，（3）：517-520.