淺談機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

呂秋寧

摘 要：機(jī)場(chǎng)跑道上存在的異物對(duì)飛機(jī)安全有一定威脅，為了解決這一問題，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)技術(shù)的研究。本文主要圍繞機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)技術(shù)分析、組合式毫米波探測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、組合式毫米波探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成、距離高分辨原理四個(gè)方面展開討論，詳細(xì)分析了機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)技術(shù)及其原理，可針對(duì)小目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，在飛機(jī)安全方面有重要作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)場(chǎng)跑道；異物檢測(cè)；組合式毫米波檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN911.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）06-0237-02

機(jī)場(chǎng)跑道異物是指不屬于跑道正常工作區(qū)域內(nèi)，但又由于各種原因出現(xiàn)在跑道上的小物體，包括沙粒、螺絲釘?shù)刃∧繕?biāo)。這些異物在飛行區(qū)，可能造成飛機(jī)延誤或者中途斷飛等情況，嚴(yán)重的將威脅人身安全。因此，需要及時(shí)清理機(jī)場(chǎng)跑道上異物，在相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的幫助下，能保證對(duì)異物進(jìn)行有效處理。尤其是在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，異物檢測(cè)技術(shù)得到了一定程度發(fā)展，在機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)上有重要作用。

1 機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)技術(shù)分析

機(jī)場(chǎng)跑道上大部分異物尺寸較小，人工檢測(cè)已經(jīng)不能滿足飛機(jī)安全運(yùn)行需求，近年來，各民用及軍用航空機(jī)場(chǎng)將機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)作為主要工作內(nèi)容，并加強(qiáng)了對(duì)檢測(cè)技術(shù)不斷改進(jìn)的重視。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道上小物體進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，國(guó)外主要采用了光學(xué)檢測(cè)方法以及電磁波檢測(cè)技術(shù)。英國(guó)研制出的外來異物檢測(cè)系統(tǒng)為了保證較高的分辨率，選取作業(yè)在94GHz毫米波上。這一檢測(cè)系統(tǒng)主要運(yùn)用了線性調(diào)頻連續(xù)體制，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道的小物體檢測(cè)。而在提高分辨率上，檢測(cè)系統(tǒng)主要運(yùn)用了一定頻率的掃頻寬帶，同時(shí)利用天線來提高系統(tǒng)的定位能力。光學(xué)檢測(cè)技術(shù)包括攝像機(jī)、紅外熱像儀以及數(shù)碼相機(jī)等高清晰的視頻監(jiān)視設(shè)備，這些設(shè)備在機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)上取得了廣泛應(yīng)用，但是由于攝像機(jī)和數(shù)碼機(jī)等容易受到天氣的影響，使得地面異物的顏色分辨難度有所增加，分辨率不夠精準(zhǔn)。而毫米波掃描設(shè)備能在雨霧、白晝等天氣條件下正常作業(yè)，不受氣候因素的影響，屬于一種在跑道異物檢測(cè)上應(yīng)用價(jià)值較高的檢測(cè)技術(shù)[1]。

毫米波檢測(cè)裝置為了實(shí)現(xiàn)對(duì)跑道上較小物體的檢測(cè)，來提高其檢測(cè)小物體的能力，需要保證掃描設(shè)備的距離以及分辨率設(shè)置合理，從而促使機(jī)場(chǎng)異物檢測(cè)工作的順利進(jìn)行。由于毫米波檢測(cè)到的跑道圖像不屬于可見光影像，所以不能明確判斷異物種類，這時(shí)需要在光學(xué)成像設(shè)備的作用下來拍攝外來雜物，這種情況下，當(dāng)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)探測(cè)到小物體時(shí)，能通過光學(xué)影像對(duì)外來物類型進(jìn)行辨認(rèn)。上述為國(guó)外主要應(yīng)用的異物檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于國(guó)內(nèi)來講，根據(jù)其器件狀況，可應(yīng)用組合式毫米波檢測(cè)系統(tǒng)來保障飛機(jī)安全，是指在機(jī)場(chǎng)跑道附近設(shè)置網(wǎng)絡(luò)布局的毫米波雷達(dá)檢測(cè)傳感器，在這些傳感器作用下，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)地面小目標(biāo)有很好的檢測(cè)能力，是具有較強(qiáng)應(yīng)用意義的一項(xiàng)機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)技術(shù)。

2 組合式毫米波探測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

國(guó)外機(jī)場(chǎng)跑道主要應(yīng)用的異物檢測(cè)系統(tǒng)中，通常采用毫米波掃描方法，進(jìn)行異物檢測(cè)工作。將該技術(shù)結(jié)合到檢測(cè)系統(tǒng)中，能有效提高系統(tǒng)距離以及方位檢測(cè)分辨率，并能減輕雜波的反射強(qiáng)度，可保證對(duì)外來雜物的有效檢測(cè)。另外，檢測(cè)系統(tǒng)采用高工作頻段，可在系統(tǒng)體積不大時(shí)取得較高的方位分辨率，而在縱向方向主要應(yīng)用了線性調(diào)頻技術(shù)，以便實(shí)現(xiàn)較高的分辨率[2]。

機(jī)場(chǎng)跑道上的小物體在跑道上基本維持靜止?fàn)顟B(tài)，針對(duì)這一特點(diǎn)，不能利用動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)來消除地面平面的雜散回波。而對(duì)于尺寸較小的外來物來說，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將產(chǎn)生微弱回波，這些回波與地面雜散回波混合在一起，會(huì)對(duì)異物檢測(cè)造成影響，而為了提高檢測(cè)精準(zhǔn)度，需要在混合波中挑選出外來物回波，即是盡可能降低地面雜波的回波強(qiáng)度，以便保證檢測(cè)技術(shù)的實(shí)效性。雷達(dá)地面雜波的回波強(qiáng)度通常與其對(duì)地照射角、地面屬性以及地面照射面積有關(guān)，其中地面照射面積對(duì)回波強(qiáng)度有重要影響，主要與雷達(dá)距離以及方位分辨率有關(guān)。當(dāng)雷達(dá)距離和分辨率不能滿足應(yīng)用需求時(shí)，則地面雜波涉及面積會(huì)有所增加，回波強(qiáng)度將會(huì)比機(jī)場(chǎng)跑道的回波強(qiáng)度強(qiáng)的多。由此可見，為了提高外來物檢測(cè)精度，應(yīng)使雷達(dá)在方位與距離上保持較高的分辨率。

毫米波掃描設(shè)備照射跑道時(shí)，跑道上外來物將產(chǎn)生回波，并且機(jī)場(chǎng)跑道地面同時(shí)產(chǎn)生雜波，干擾檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)外來物的檢測(cè)。根據(jù)地面雜波情況，發(fā)現(xiàn)地面雜波的反射強(qiáng)度以及跑道外來物雷達(dá)截面積等可進(jìn)行估算。當(dāng)雷達(dá)距離分辨率超過0.15m時(shí)，則雷達(dá)方位波束會(huì)按照作用距離來選擇適當(dāng)寬度，使得地面雜波強(qiáng)度相對(duì)于外來物回波來講較低，使得檢測(cè)系統(tǒng)分辨率得以提高。為了最大程度降低地面雜波干擾，并提高系統(tǒng)對(duì)跑道外來物檢測(cè)能力，還要求雷達(dá)有適當(dāng)?shù)牡孛嫒肷浣?。如英?guó)研發(fā)的Tarsier T1100物體檢測(cè)系統(tǒng)，便采用了寬度較小的方位波束，但是對(duì)于方位分辨能力要求較高的檢測(cè)系統(tǒng)來講，其通常應(yīng)用一定長(zhǎng)度的雷達(dá)天線。例如為了在8mm波段獲得0.2°的波束寬度，需要天線尺寸接近3m，但是將為檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用造成不便。針對(duì)這一問題，可通過組合式毫米波檢測(cè)系統(tǒng)來進(jìn)行對(duì)外來物的檢測(cè)。

3 組合式毫米波探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)系統(tǒng)主要由無線數(shù)據(jù)輸送網(wǎng)絡(luò)、檢測(cè)單元以及監(jiān)控終端構(gòu)成，其中不同檢測(cè)單元包含對(duì)應(yīng)的毫米波檢測(cè)裝置與攝像設(shè)備，一般在跑道兩端布設(shè)間隔距離固定的檢測(cè)單元，用來檢測(cè)其鄰近跑道區(qū)域的外來物。傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)會(huì)通過無線網(wǎng)絡(luò)輸送至監(jiān)控終端，之后由終端對(duì)數(shù)據(jù)展開分析并得到位置結(jié)果，幫助工作人員能及時(shí)進(jìn)行異物清理工作。不同傳感器部件有其自己的ID號(hào)，在網(wǎng)絡(luò)通道下傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，還會(huì)將自己的ID號(hào)輸送到終端以便識(shí)別不同傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)。在檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的過程中，檢測(cè)單元的毫米波掃描設(shè)備利用發(fā)射毫米波束來搜索跑道，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)外來物產(chǎn)生反射信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理[3]。

4 距離高分辨原理

為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)取得較好的應(yīng)用效果，應(yīng)保證其具有高的距離和方位分辨率。在機(jī)場(chǎng)跑道檢測(cè)系統(tǒng)中采用的線性調(diào)頻雷達(dá)，在一定時(shí)間內(nèi)，調(diào)制信號(hào)電壓與載頻信號(hào)頻率成正相關(guān)關(guān)系。一般線性調(diào)頻雷達(dá)的調(diào)制波形為三角形或者鋸齒波形，不同調(diào)制波形對(duì)應(yīng)特定的目標(biāo)距離和速度關(guān)系公式。如對(duì)于三角形調(diào)制波性狀來講，當(dāng)知道一個(gè)中頻信號(hào)頻率后，便可分析出跑道外來物位置信息[4]。當(dāng)跑道上有多個(gè)距離不相同的目標(biāo)時(shí)，由于目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)位置距離，可借助雷達(dá)裝置來區(qū)分不同目標(biāo)。毫米波檢測(cè)設(shè)備發(fā)射連續(xù)波信號(hào)時(shí)，將出現(xiàn)反射回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)形成一定差異的現(xiàn)象，其中差頻信號(hào)與的外來物距離有關(guān)，其分辨率同線性調(diào)頻帶的寬度有關(guān)，所以可認(rèn)為探測(cè)技術(shù)是通過對(duì)反射回波和發(fā)生信號(hào)間的差頻情況來實(shí)現(xiàn)對(duì)跑道異物的測(cè)量，在保障飛機(jī)安全方面有積極意義。

5 結(jié)語

綜上所述，飛機(jī)跑道異物檢測(cè)技術(shù)對(duì)航空安全有著重要作用，檢測(cè)系統(tǒng)中通常包括雷達(dá)技術(shù)以及圖像處理技術(shù)等，以便實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。本文主要分析了組合式毫米波檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)對(duì)飛機(jī)跑道上小目標(biāo)有很好的分辨率，進(jìn)而保證飛機(jī)跑道上異物的及時(shí)清理，為飛機(jī)安全提供保障。另外，將該技術(shù)運(yùn)用到檢測(cè)系統(tǒng)中，能更有效的定位目標(biāo)，并具有較好的靈敏度，是促進(jìn)航空領(lǐng)域良好發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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