機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)綜述

宋江勇 宋星飛 李儒寬

摘? 要：機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)是機場安全的重要保障。本文針對跑道異物、鳥擊、機場周界入侵三類機場安全問題，介紹了國內(nèi)外典型機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)，分析了機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與難點，并對未來該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展趨勢提出了展望。

關(guān)鍵詞：機場安全監(jiān)測雷達? FOD? 探鳥雷達? 機場周界安防雷達

隨著民航業(yè)的飛速發(fā)展，航空運輸吞吐量持續(xù)激增，飛機的起降密度不斷升高，與此同時發(fā)生在機場跑道、飛行區(qū)及機場周界等地的安全事故不斷增加，造成人員傷亡和重大經(jīng)濟損失，民用機場安全面臨著日益嚴峻的挑戰(zhàn)。另一方面由于軍事裝備的快速發(fā)展，軍用飛機日趨增多，試飛架次和試飛頻率不斷增加，對軍用機場的機場安全和機場效率要求不斷提高，而城市的擴容、生態(tài)環(huán)境的好轉(zhuǎn)以及人們休閑活動的日益豐富，使一些軍用機場周邊出現(xiàn)超高建筑群，凈空區(qū)出現(xiàn)猛禽、無人機、熱氣球等障礙物，嚴重影響軍用機場安全環(huán)境。機場安全監(jiān)測系統(tǒng)是應(yīng)對機場安全事故的重要手段，其監(jiān)控內(nèi)容主要包括跑道異物、鳥擊、機場周界入侵等。本文針對跑道異物、鳥擊、機場周界入侵三類機場安全問題，結(jié)合國內(nèi)外典型機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)，敘述了國內(nèi)外機場跑道、空域、周界安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與難點，并對未來該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展趨勢提出了展望。

1? 典型機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)

機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)一般為混合監(jiān)測系統(tǒng)，除了雷達探測目標的位置、速度等信息外，還配備有攝像設(shè)備對目標進行拍攝，形成圖像或視頻以便進一步的目標識別。機場跑道、空域及周界安全監(jiān)測雷達主要包括FOD雷達、探鳥雷達和機場周界安防雷達。

FOD雷達：一般分為固定式和移動式兩種，其與視頻攝像設(shè)備共同構(gòu)成機場跑道安全監(jiān)測系統(tǒng)。

國外典型FOD雷達主要有：①英國Qinetiq 公司的Tarsier外來物探測系統(tǒng)。Tarsier為固定式調(diào)頻連續(xù)波雷達，工作頻率為94.5Hz，通過四部雷達覆蓋3600m跑道，可檢測跑道道面上散射面積0.01m2的異物，距離分辨率達0.2m。該系統(tǒng)現(xiàn)已在溫哥華國際機場等地投入使用。②美國Trex Enterprises 公司的FOD Finder 系統(tǒng)。FOD Finder包含后臺軟件系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)兩部分，為移動式車載探測系統(tǒng)。78～81GHz 毫米波雷達屬于監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分，掃描速度30rad/min，探測范圍200m。③以色列Xsight 公司的FOD Detect系統(tǒng)。FOD Detect系統(tǒng)由多個固定于跑道邊燈上的檢測單元構(gòu)成，每個檢測單元由工作頻率為77GHz毫米波雷達和攝像設(shè)備構(gòu)成。

國內(nèi)對FOD雷達研究起步較晚，部分高校及研究所如電子科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、中電54所等對FOD檢測算法進行了研究。同時，國內(nèi)部分企業(yè)也開展了FOD雷達的研制，其中航空工業(yè)雷達所的“鷹眼”FOD雷達采用軍用雷達同源的先進技術(shù)可檢測跑道道面上散射面積0.01m2的異物?！苞椦邸盕OD雷達擁有固定版和移動版兩款產(chǎn)品，其中固定版FOD雷達僅需6～8部即可對3600m跑道實施全覆蓋，移動版FOD雷達通過車載移動監(jiān)測跑道異物。探測系統(tǒng)已完成機場試驗，其核心性能指標已滿足并超過美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）通告要求，滿足民航機場使用需求。

探鳥雷達經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)外已研制出相對成熟的機場探鳥雷達系統(tǒng)。國外典型的探鳥雷達主要有：

①美國的梅蘭（merlin）雷達。典型的梅蘭探鳥雷達系統(tǒng)由X波段垂直掃描雷達和S波段水平掃描雷達構(gòu)成，兩部雷達均采用T型波導(dǎo)陣列天線。梅蘭探鳥雷達位于機場跑道的附近或一端。垂直掃描雷達掃描波束沿跑道覆蓋，可對該區(qū)域鳥類的高度信息進行測量，水平掃描雷達對周邊地區(qū)的飛鳥進行預(yù)警。對于小型鳥類，該系統(tǒng)的探測范圍可以達到垂直高度2300m，水平距離3km～5km;對于中大型鳥類或鳥群，探測范圍可以達到垂直高度4500m，水平距離7km～11km。

②荷蘭的羅賓雷達。羅賓公司的3D FIXED系統(tǒng)由S波段水平掃描雷達和X波段垂直掃描雷達組合而成，與梅蘭探鳥雷達相似;較先進的3D FLEX系統(tǒng)由S波段水平掃描雷達和X波段FMCW雷達組合而成。FMCW雷達既可以水平旋轉(zhuǎn)也可以垂直旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了真正意義上的三維覆蓋。FMCW雷達有凝視、掃描、跟蹤三種工作模式。

國內(nèi)探鳥雷達起步較晚，北京航空航天大學(xué)與中國民航科學(xué)技術(shù)研究院合作先后研制了“雷達探鳥實驗系統(tǒng)”和CAST-AARS實驗平臺[4]，并通過實驗進行了系統(tǒng)性能驗證。

機場周界安防雷達：國內(nèi)外對雷達應(yīng)用于安防領(lǐng)域已有了一定的研究成果。國外主要有德國Innosent公司研制的安防雷達、美國ICx公司的STS-1200系列雷達、英國Plextek公司的Blighter B400系列雷達。其中Blighter B400系列雷達，已經(jīng)在美國Centennial機場和英國Heathrow機場使用。Blighter B400系列雷達為電子掃描調(diào)頻連續(xù)波（FMCM）多普勒地面監(jiān)視雷達（GSR），可大范圍掃描和探測移動的（包括緩慢移動的）車輛及人員，探測距離可達16km。

國內(nèi)已有多家機場采用不同的方式在機場周界安防領(lǐng)域做出嘗試，其主流周界安防技術(shù)是振動光纖，對于機場周界安防雷達也相繼有產(chǎn)品投入市場，但實際應(yīng)用于機場的并不多見。國產(chǎn)機場周界安防雷達主要有北京航通天下科技有限公司研制的AGS系列雷達，該雷達可以對半徑1～1.5公里范圍內(nèi)的人、車輛及30厘米以上的物體進行探測和判定。

總體而言，國外機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)研究早，技術(shù)成熟，相關(guān)產(chǎn)品已投入使用;而國內(nèi)的相關(guān)研究還不完善，部分產(chǎn)品還處在研制實驗階段，實際應(yīng)用較少，需要進一步探索。

2? 機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)應(yīng)具備全天候不間斷對機場跑道、安全飛行區(qū)、機場周界實時監(jiān)測、識別、定位和自動報警等功能，同時還應(yīng)具備對目標進行圖像放大、動態(tài)軌跡跟蹤和回放等能力。據(jù)此其關(guān)鍵技術(shù)分析如下。

毫米波雷達探測技術(shù)：毫米波雷達波長短，更易實現(xiàn)窄波束、高增益，具有較高的角度分辨率，同時天線尺寸相對較小、重量輕，受環(huán)境條件影響小。毫米波雷達帶寬可以做到很寬，使其距離分辨率較高，同時具有較強的抗干擾能力。因此，當(dāng)前的機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)均采用的是毫米波雷達[5，6]。

復(fù)雜環(huán)境下雜波抑制技術(shù)：機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)對跑道、安全飛行區(qū)及周界區(qū)進行掃描時，雷達接收到的回波信號包括目標反射回波信號以及跑道邊燈、周邊建筑物、雜草、天線旁瓣反射等地物雜波的干擾回波信號。通常情況下目標的回波信號較弱，會淹沒在干擾信號中。因此機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)最大難點就是雜波的消除。相參雷達通常采用多普勒處理器對地面雜波進行抑制，但存在一定的局限性，為此雜波環(huán)境下檢測算法也成為研究熱點，如電子科技大學(xué)吳靜等人提出針對毫米波雷達雜波圖恒虛警率檢測算法;先進的探鳥雷達依靠多假設(shè)跟蹤與交互式多模型等跟蹤算法提升雜波區(qū)域的檢測性能;另外雷達所FOD雷達針對檢測目標大多為靜態(tài)低RCS目標的問題，為了最大限度保留目標回波信息，采用基于雜波圖對消的低門限CFAR檢測技術(shù)。

圖像識別技術(shù)：機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)的一般工作方式為雷達掃描探測，判別是否有目標，并給出目標位置等相關(guān)信息，處理單元根據(jù)這些信息按照設(shè)定的準則對感興趣的目標調(diào)用攝像設(shè)備進行拍攝，捕捉清晰的圖像，然后處理單元需對圖像中的目標進行識別并報警，必要時需要人工判別來減少虛警。圖像識別技術(shù)是輔助機場安全監(jiān)測系統(tǒng)的重要手段，機場環(huán)境復(fù)雜，研究普適性強、適應(yīng)不同目標和背景環(huán)境的圖像識別技術(shù)是研究的重點。新加坡Stratech公司開發(fā)的iFerret系統(tǒng)為純視頻探測系統(tǒng)，iFerret系統(tǒng)對FOD的探測是通過攝像機及圖像處理軟件實現(xiàn);國內(nèi)對圖像識別技術(shù)也開展了一定的研究，陳文等提出基于視頻監(jiān)視圖像實時檢測機場跑道入侵方法。

3? 機場安全監(jiān)測雷達發(fā)展趨勢

當(dāng)下，提升機場運行效率，打造智慧型機場成為國內(nèi)各大機場的目標。智慧機場是集運行維護、安全監(jiān)控與商業(yè)服務(wù)于一體的平臺。機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)作為智慧機場安全保障的重要環(huán)節(jié)，多元信息融合、智能化是今后長期發(fā)展的必然趨勢。

多源信息融合：由于機場面臨的入侵威脅多種多樣，單一的雷達系統(tǒng)存在局限性，如FOD雷達的主要目標是靜止低RCS的目標，對于入侵的人、黑飛的無人機等運動目標無法實施有效探測。因此，未來機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)應(yīng)涵蓋FOD監(jiān)測系統(tǒng)、探鳥雷達，機場周界安防雷達等多個子系統(tǒng)共同構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)完成機場的安全監(jiān)測，同時采用先進的報警系統(tǒng)，實現(xiàn)對威脅的等級劃分與快速反應(yīng)。對于每個子系統(tǒng)，為了檢測精度更高、識別的更精細，則需要將雷達、可見光和紅外圖像的信息進行有效融合，從而提升系統(tǒng)性能。

智能化：當(dāng)前的機場安全監(jiān)測消耗人力成本巨大，智能機場安全監(jiān)測將有效利用機場的資源，讓機場更高效運行。雷達及攝像設(shè)備就像人的“眼睛”，處理單元就像人的“大腦”，通過智能化手段對目標進行自動檢測、及時跟蹤與行為識別，通過與機場安全數(shù)據(jù)庫、證件照片庫驗證等進行比對，結(jié)合告警分級聯(lián)動實現(xiàn)一個閉環(huán)處理。目前智能安防監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于道路監(jiān)控、人臉驗證高拍儀、停車場車牌識別等領(lǐng)域，高度智能化的機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)還需要進一步研究。

4? 結(jié)語

機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)是保障機場跑道、安全飛行區(qū)、機場周界等安全的系統(tǒng)。近年來，隨著先進的毫米波雷達、高清光學(xué)攝像機、圖像處理、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，以及智慧機場理念的廣泛關(guān)注，促進了機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)的整體發(fā)展。全天候不間斷、實時監(jiān)測、分析、識別并自動報警的機場安全監(jiān)測雷達系統(tǒng)必將在未來國內(nèi)外機場安防領(lǐng)域承擔(dān)不可或缺的角色。

參考文獻

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[6] 李煜.機場跑道異物檢測識別算法與系統(tǒng)設(shè)計研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.