基于偏振成像的機(jī)場跑道異物檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭吉

摘要：本論文提出了將偏振成像技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場跑道低對比度異物檢測領(lǐng)域，在能見度低的天氣中檢測識別機(jī)場跑道異物，從而提高檢測系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性與探測能力。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：偏振成像能提高目標(biāo)對比度，減少雜散光干擾，有效提高機(jī)場跑道異物檢測系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性與探測能力。

關(guān)鍵詞：偏振成像；機(jī)場跑道；異物

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0134-03

1 引言

機(jī)場跑道異物簡稱FOD，這是Foreign Object Debris的縮寫，泛指可能損傷航空器或系統(tǒng)的某種外來的物質(zhì)，常稱為跑道異物。機(jī)場跑道異物對飛機(jī)起飛和降落的危害極大，全行業(yè)FOD事件統(tǒng)計(jì)，每一萬架次的飛行事件中就有4-5次FOD致命事件發(fā)生，每一萬架次的事件造成的直接損失平均費(fèi)用在32333美元，間接損失至少在這個基礎(chǔ)上的10倍[1]。FOD的種類相當(dāng)多，如飛機(jī)和發(fā)動機(jī)連接件（螺帽、螺釘、墊圈、保險(xiǎn)絲等）、機(jī)械工具、飛行物品（釘子、私人證件、鋼筆、鉛筆等）、野生動物、樹葉、石頭和沙子、道面材料、木塊、塑料或聚乙烯材料、紙制品、運(yùn)行區(qū)的冰碴兒等等。FOD危害非常嚴(yán)重，有許多事例表明，機(jī)場跑道上的異物很容易被吸入發(fā)動機(jī)，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)失效。碎片也會堆積在機(jī)械裝置中，影響起落架、襟翼等設(shè)備的正常運(yùn)行。

偏振成像技術(shù)作為一種新型的探測技術(shù)，不僅可以探測目標(biāo)的強(qiáng)度信息，還能從光強(qiáng)、光譜、空間、偏振度、偏振角、偏振橢率和旋轉(zhuǎn)方向獲得成像信息。相比于光強(qiáng)成像，在低對比度目標(biāo)探測領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢。同時偏振成像具有穿云透霧成像的特點(diǎn)[2]，增強(qiáng)目標(biāo)識別的精確性和可靠性，它為目標(biāo)的檢測、識別提供了一種新的技術(shù)手段。

本系統(tǒng)提出將偏振成像技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場跑道低對比度異物檢測領(lǐng)域，相比與傳統(tǒng)光強(qiáng)探測手段，偏振成像探測系統(tǒng)具有信息量大的特點(diǎn)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對于機(jī)場跑道異物檢測系統(tǒng)，早在2000年就有提出。英國Qinetiq公司首先開發(fā)了Tarsier Reader系統(tǒng)，通過工作在94.5HZ頻率的連續(xù)波調(diào)頻雷達(dá)對跑道進(jìn)行掃描，可以定位0.01平方米的異物，分辨率達(dá)到20cm；美國TrexEnterprise 公司的FODFinder車載移動監(jiān)測平臺，由硬件監(jiān)控系統(tǒng)和軟件處理平臺構(gòu)成，硬件系統(tǒng)包括雷達(dá)發(fā)射接收設(shè)備，高精度GPS和攝像系統(tǒng)構(gòu)成，軟件是相應(yīng)的圖像處理提取異物軟件[3]；新加坡Stralechststems公司開發(fā)了Iferret光學(xué)探測系統(tǒng)，采用每隔一段距離安裝高清攝像機(jī)，自動探測跑道上的異物，檢測大小為2cm的跑道異物[4]，這些FOD系統(tǒng)在硬件上大都采用了高清攝像機(jī)加上精確GPS定位等設(shè)施，在圖像處理軟件算法上區(qū)別很大。目前國外利用圖像處理對機(jī)場異物進(jìn)行預(yù)警的方法，主要有幾種類型，有文獻(xiàn)提出了利用合成孔徑雷達(dá)圖像的檢測算法，利用相應(yīng)的圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)和分割技術(shù)對圖像進(jìn)行處理后識別跑道上的異物；還有文獻(xiàn)針對機(jī)場跑道惡劣天氣條件下圖像分辨率低的問題，提出了熱成像和偏振成像結(jié)合的檢測識別算法；還有的文獻(xiàn)提出了復(fù)雜背景下基于h/q分解和迭代貝葉斯分類的跑道檢測算法；還有文獻(xiàn)提出了利用增強(qiáng)的SAR圖像來進(jìn)行邊緣探測的方法。這些方法在分辨率和清晰度方面尚有很大的改善空間。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的機(jī)場跑道異物檢測技術(shù)研究處于初步階段，2009年，國家民航總局機(jī)場司民航局安全技術(shù)中心編寫了“FOD防范手冊”，為我國FOD監(jiān)測系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)化參照。2010年有文獻(xiàn)記錄相關(guān)的研究工作，大多集中在高等院校、科研院所的理論研究階段。比如電子科技大學(xué)和北京交通大學(xué)的研究人員采用雷達(dá)檢測對FOD檢測識別進(jìn)行了深入的研究[5]；上海交大對基于紅外與可見光圖像的機(jī)場跑道異物檢測與識別進(jìn)行了研究；民航飛行學(xué)院對FOD檢測系統(tǒng)的定位算法進(jìn)行了深入的研究。國內(nèi)還有相關(guān)的企業(yè)對機(jī)場跑道異物檢測設(shè)備進(jìn)行了研究和開發(fā)，比如長春的光電公司研發(fā)的基于光學(xué)FOD檢測系統(tǒng)，通過光學(xué)成像對機(jī)場跑道大于5mm的異物進(jìn)行了實(shí)時的監(jiān)測定位及報(bào)警；成都的公司也研究開發(fā)了基于毫米波的雷達(dá)FOD檢測系統(tǒng)；深圳的科技公司開發(fā)的“機(jī)場跑道數(shù)字化監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)”；上海的網(wǎng)絡(luò)通信有限公司開發(fā)了“飛機(jī)起降跟蹤和跑道搜索系統(tǒng)”。但是，由于系統(tǒng)的性能差距，這些產(chǎn)品實(shí)際鮮有應(yīng)用。

3 項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容

本項(xiàng)目提出將偏振成像技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場跑道低對比度異物檢測領(lǐng)域，在目前使用的機(jī)場跑道異物檢測系統(tǒng)中，在白天可見光線充足情況下，系統(tǒng)檢測識別異物的能力很強(qiáng)，有的系統(tǒng)達(dá)到毫米級別FOD檢測能力[6]。

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)場跑道異物識別系統(tǒng)的性能受天氣狀況影響較大，主要體現(xiàn)在惡劣天氣能見度較低的情況下，在這些特殊天氣狀況下利用偏振成像技術(shù)進(jìn)行FOD的識別就有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，偏振成像技術(shù)相比于光強(qiáng)成像在低對比度目標(biāo)探測領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，同時偏振成像具有穿云透霧成像的特點(diǎn)，在揚(yáng)塵霧霾天氣中也可以工作，能夠極大提高機(jī)場跑道異物檢測系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性與探測能力[7]。而一般的光強(qiáng)成像技術(shù)只能從光強(qiáng)、光譜和空間三個維度來獲得成像信息，由于光在傳播的過程中，會受到對比度高低、大氣霧霾等干擾物質(zhì)的散射和反射影響，使成像系統(tǒng)獲得的圖像變得模糊，目標(biāo)物的識別變得非常困難[8]。

基于偏振成像的機(jī)場跑道異物檢測系統(tǒng)具體涉及兩個分系統(tǒng)，一個為分時偏振成像系統(tǒng)，一個為偏振圖像異物檢測提取系統(tǒng)。分時偏振成像系統(tǒng)涉及高速旋轉(zhuǎn)偏振輪與科學(xué)級相機(jī)同步觸發(fā)控制技術(shù)，科學(xué)級相機(jī)圖像數(shù)據(jù)采集技術(shù)；偏振圖像異物檢測提取系統(tǒng)涉及偏振度圖像計(jì)算生成技術(shù)，偏振圖像的異物檢測與識別技術(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

3.2 系統(tǒng)原理

偏振成像探測終端采用分時線偏振成像方式，Stoke矢量的前三項(xiàng)就可以表示線偏振成像信息，所以得到線偏振方向上的圖像就是得到目標(biāo)的線偏振信息。至少需要三個分時偏振成像通道，在本系統(tǒng)中，采用四個分時偏振片（0°，45°，90°，135°）的快速切換分時偏振成像方式，采用四個偏振片末端成像光路的光束會聚角小，光束會聚導(dǎo)致的偏振測量偏差很小，因此偏振片可直接放置于末端成像光路中。線偏振成像系統(tǒng)的偏振成像公式見（1-1）。

其中I0、I45、I90、I135分別表示0°、45°、90°、135°偏振方向上的圖像。線偏振度DoLP（degree of linear polarization）和線偏振角AoLP （angle of linear polarization）計(jì)算方法分別如式（1-2）和式（1-3）所示：

偏振成像系統(tǒng)開始工作時，偏振片轉(zhuǎn)輪控制器輸出外觸發(fā)信號，觸發(fā)信號的上升沿觸發(fā)偏振片轉(zhuǎn)輪開始轉(zhuǎn)動，當(dāng)切換完成后外觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換為低電平，外觸發(fā)控制板卡在檢測到電平下降沿時產(chǎn)生外觸發(fā)信號觸發(fā)相機(jī)采集圖像。相機(jī)接收到觸發(fā)信號后進(jìn)行偏振圖像的采集，并及時向PC機(jī)輸出偏振片旋轉(zhuǎn)四個位置時的光強(qiáng)圖像，通過四個光強(qiáng)圖像的計(jì)算得到標(biāo)記異物信息的偏振度圖像，這樣通過軟件自動探測異物并給出報(bào)警信息。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3。各圖都是機(jī)場跑道的偏振度圖像和光強(qiáng)圖像（0°，45°，90°，135°），圖2為有異物時機(jī)場跑道偏振度圖像和光強(qiáng)圖像。從圖可以看出，有異物在機(jī)場跑道時，系統(tǒng)右側(cè)字體提示檢測到異物！同時將異物的位置標(biāo)注在偏振度圖像上，顯示方框。圖3為有異物且對比度降低的情況，左側(cè)矩形框顯示檢測到異物的位置信息。

5 結(jié)語

利用偏振光學(xué)技術(shù)作為機(jī)場跑道異物探測識別是一個新思路，偏振成像能有效提高光電成像裝置的探測識別能力，提高目標(biāo)對比度，減少雜散光干擾，具有“弱光強(qiáng)化，強(qiáng)光弱化”的特點(diǎn)，將偏振成像技術(shù)應(yīng)用于機(jī)場跑道低對比度異物檢測領(lǐng)域，就是利用了偏振成像的這些顯著優(yōu)勢。同時偏振成像具有穿云透霧成像的特點(diǎn)，在揚(yáng)塵霧霾天氣中也可以工作，能夠極大提高機(jī)場跑道異物檢測系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性與探測能力。

參考文獻(xiàn)

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