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雷达与光学复合探测的跑道异物检测系统及方法

阅读：268发布：2020-07-09

专利汇可以提供雷达与光学复合探测的跑道异物检测系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了雷达与光学复合探测的跑道异物检测系统，包括传感器系统和数据处理与显示监控系统，传感器系统包括雷达和光学设备，数据处理与显示监控系统包括数据处理中心、显示监控终端和数据存储单元；数据处理中心分别连接网络交换机和若干显示监控终端；网络交换机分别连接数据存储单元和传感器系统。本发明提出了毫米波雷达和光学设备相结合的复合探测系统。雷达实现对跑道的全天时全天候的检测，检测到FOD目标后，光学系统便根据目标位置自动提供目标图像信息便于人工确认，所以雷达探测、视频确认的方式，使电磁波探测和光学技术手段优势互补，提高异物检测的精准度，提供了对跑道FOD的自动化定位与可视化监控，有效的保障机场跑道的安全。，下面是雷达与光学复合探测的跑道异物检测系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.雷达与光学复合探测的跑道异物检测系统，其特征在于：包括传感器系统和数据处理与显示监控系统，其中，传感器系统包括雷达和光学设备，数据处理与显示监控系统包括数据处理中心、显示监控终端和数据存储单元；
数据处理中心分别连接网络交换机和若干显示监控终端；网络交换机分别连接数据存储单元和传感器系统。
2.根据权利要求1所述的雷达与光学复合探测的跑道异物检测系统，其特征在于：光学设备为摄像机、镜头和云台。
3.雷达与光学复合探测的跑道异物检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：雷达不间断对跑道进行扫描和检测，发现异物后，将异物的位置信息传送给数据处理中心；
步骤二：数据处理中心对接收到的雷达数据进行解析，对停留时间超过三个雷达扫描周期且位于跑道区域内的目标，认为是跑道异物；
步骤三：系统对光学设备发出命令，自动控制云台转动，根据目标坐标信息对准目标；
步骤四：光学设备对异物进行拍照后，系统获取异物的视频图像信息，并自动将异物的时间、位置、图像等信息记录到数据库中；
步骤五：最终的探测结果与告警信息在显示终端进行显示；
步骤六：人工对异物进行确认后，异物状态改变，向监控室发出告警，通知清除车辆清除异物；
步骤七：异物清除后，异物状态改变，相关信息记录到数据库。
4.根据权利要求3所述的雷达与光学复合探测的跑道异物检测方法，其特征在于：计算目标坐标信息的过程如下：
步骤1：设定跑道平面坐标系(x,y,z)与原点，x轴代表跑道平面长度方向，y轴代表跑道平面宽度方向，z轴代表垂直于跑道平面方向(默认跑道平面的z值为0)；雷达安装坐标为(x0,y0,z0)，目标坐标信息(r,θ)，r是径向距离，θ是目标与雷达扫描正北方向的夹角，转换到跑道的标准坐标系下目标的坐标(x,y)为：
步骤2：光学设备的安装坐标为(x1,y1,z1)，则目标离光学设备的距离为
光学设备应该转动的角度(α,β)，α为水平方向夹角，β为垂直方
向夹角，
5.根据权利要求4所述的雷达与光学复合探测的跑道异物检测方法，其特征在于：图像拍照后，将数据传回系统，工作人员通过显示监控终端查看图像，确定是异物后进行清除工作，清除完成后系统消除报警。
6.根据权利要求3所述的雷达与光学复合探测的跑道异物检测方法，其特征在于：
FAA咨询通告150/5220-24中要求雷达发现、视频确认的固定型检测系统必须能够检测到以下的物体：
(a)一个未上漆的，金属圆柱体，高1.2英寸(3.1厘米)，直径1.5英寸(3.8厘米)；
(b)一个白、灰或黑的球体，直径1.7英寸(4.3厘米)(如标准尺寸的高尔夫球)；
(c)在想要覆盖的范围区域内，当以下组别中90％的物体处于100英尺*100英尺(30米*
30米)的范围，每件物体需属于下列某一组，并且任意尺寸小于4英寸(10厘米)，除非另有规定：
一块沥青或者混凝土块
跑道照明设备的任一部分
可调扳手
深套筒
飞机轮胎掉落的橡胶
弯曲的金属条
油箱盖
带耳螺母
液压管
白色聚氯乙烯塑料管
以上的任何两个物体，如果相互之间的最小距离为10英尺(3米)，被认为两个独立的物体。
7.根据权利要求3所述的雷达与光学复合探测的跑道异物检测方法，其特征在于：跑道异物检测系统的实验环境：跑道长1200米，宽30米，选取了距离跑道中心线230米的塔台旁的平台，正对跑道安装了一套雷达设备，一套光学设备，光学设备包括摄像机、镜头和云台，安装在同一高度，相距2米左右，面向跑道方向安装，雷达24小时不间断扫描，光学系统24小时待机随时接受指令。
8.根据权利要求3所述的雷达与光学复合探测的跑道异物检测方法，其特征在于：跑道异物检测系统的设备参数：
雷达设备技术参数：
(1)工作频率：76-77GHz(多频点配置)
(2)信号带宽：800MHz
(3)天线波束宽度0.4°(方位向)
(4)天线扫描速度：6°/s
(5)雷达发射功率≥20mW
(6)雷达天线增益≥40dB
(7)接收机噪声系数≤8dB
(8)雷达检测信杂比≥15dB
根据以上参数，可计算得到：
(1)作用距离>300m(目标RCS：10-5m2)
(2)距离分辨力<0.3m
(3)距离精度<0.15m
(4)方位分辨力<0.5°
(5)方位精度<0.25°
光学系统参数：
根据国内外民航权威组织对FOD检测的要求，并参照国外相关产品，本光学系统的主要参数如下：
(1)高清晰工业摄像机：
分辨率200万像素；
提供二次开放C/C++SDK，能抓取原始码流；
具有网络通信功能；
(2)高倍光学变焦镜头：
焦距1000mm；
自动对焦变倍；
自动调节光圈；
(3)云台：全天候24小时待机；
抗日晒雨淋风吹霜冻；
自动雨刷；
自动启动内部风扇；
信号控制方式：RS485；
工作温度：-40°—+70°；
工作湿度：30—(95±3)％；
旋转角度：水平340度，垂直-90到90度
旋转速度：水平和垂直方向速度范围均为0.001°/s～90°/s
云台功能包括：水平转动、垂直转动、控制镜头聚焦、控制镜头变焦、开启/关闭雨刷。

说明书全文

雷达与光学复合探测的跑道异物检测系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种雷达与光学复合探测的跑道异物检测系统及方法。

背景技术

[0002] 机场跑道异物FOD(Foreign Object Debris)，泛指机场跑道上可能损伤航空器的某种外来物质、碎屑或物体，如金属零件、碎石块、道面材料、飞行物品、冰渣、纸屑等。FOD很容易被高速旋转的发动机吸入，导致发动机失效；金属物体可能扎破飞机轮胎，异物碎片也会堆积在机械装置中，影响起落架、襟翼等设备的正常运行。在民航运输高速发展的如今，随着航班量的日益增加，机场跑道的安全问题不容忽视，目前我国对FOD的检测主要存在以下问题：

[0003] 1，检测FOD主要依靠人工识别与发现，效率低，不具备实时性，人力物力耗费大；

[0004] 2，对FOD以及其引起的航空器事故的记录没有实现信息化与数字化。

[0005] 基于以上问题，迫切需要一套先进的机场跑道异物管理自动化检测系统来提高FOD的管理效率，保障飞行安全。目前国外使用的FOD检测系统的主要配置与优缺点如下：

[0006] 表1国外FOD检测系统对比

[0007] Tab.1Comparison of foreign FOD detection systems

[0008]

[0009] 尽管国外研制出几个FOD检测系统并在几个机场试用，但仍存在亟待解决的难点问题，目前弱小目标的检测和恶劣天气适应性是需要深入研究的关键问题。

发明内容

[0010] 机场跑道异物对民航飞机的起降安全构成重大隐患，结合毫米波雷达和光学系统的异物检测机理和基础理论，建立雷达与光学复合探测的机场跑道异物自动检测系统，解决国内目前人工识别与发现跑道异物效率低、不具备实时性的问题，并在中国民航飞行学院的新津机场进行了实地安装实验，实验证明，检测效果非常好，各项指标满足FAA咨询通告的要求。

[0011] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：雷达与光学复合探测的跑道异物检测系统，包括传感器系统和数据处理与显示监控系统，其中，传感器系统包括雷达和光学设备，数据处理与显示监控系统包括数据处理中心、显示监控终端和数据存储单元；

[0012] 数据处理中心分别连接网络交换机和若干显示监控终端；网络交换机分别连接数据存储单元(磁盘阵列)和传感器系统。

[0013] 作为优选方式，光学设备包括摄像机、镜头和云台。

[0014] 雷达与光学复合探测的跑道异物检测方法：

[0015] 步骤一：雷达不间断对跑道进行扫描和检测，发现异物后，将异物的位置信息传送给数据处理中心；

[0016] 步骤二：数据处理中心对接收到的雷达数据进行解析，对停留时间超过三个雷达扫描周期且位于跑道区域内的目标，认为是跑道异物；

[0017] 步骤三：系统对光学设备发出命令，自动控制云台转动，根据目标坐标信息对准目标；

[0018] 步骤四：光学设备对异物进行拍照后，系统获取异物的视频图像信息，并自动将异物的时间、位置、图像等信息记录到数据库中；

[0019] 步骤五：最终的探测结果与告警信息在显示终端进行显示；

[0020] 步骤六：人工对异物进行确认后，异物状态改变，向监控室发出告警，通知清除车辆清除异物；

[0021] 步骤七：异物清除后，异物状态改变，相关信息(包括异物状态信息和清除时间等)记录到数据库。

[0022] 作为优选方式，计算目标坐标信息的过程如下：

[0023] 步骤1：设定跑道平面坐标系(x,y,z)与原点，x轴代表跑道平面长度方向，y轴代表跑道平面宽度方向，z轴代表垂直于跑道平面方向(默认跑道平面的z值为0)；雷达安装坐标为(x0,y0,z0)，目标坐标信息(r,θ)，r是径向距离，θ是目标与雷达扫描正北方向的夹角，转换到跑道的标准坐标系下目标的坐标(x,y)为：

[0024] 步骤2：光学设备的安装坐标为(x1,y1,z1)，则目标离光学设备的距离为光学设备应该转动的角度(α,β)，α为水平方向夹角，β为垂直方向夹角，

[0025] 作为优选方式，图像拍照后，将数据传回系统，工作人员通过显示监控终端查看图像，确定是异物后进行清除工作，清除完成后系统消除报警。

[0026] 作为优选方式，FAA咨询通告150/5220-24中要求雷达发现、视频确认的固定型检测系统必须能够检测到以下的物体：

[0027] (a)一个未上漆的，金属圆柱体，高1.2英寸(3.1厘米)，直径1.5英寸(3.8厘米)；

[0028] (b)一个白、灰或黑的球体，直径1.7英寸(4.3厘米)(如标准尺寸的高尔夫球)；

[0029] (c)在想要覆盖的范围区域内，当以下组别中90％的物体处于100英尺*100英尺(30米*30米)的范围，每件物体需属于下列某一组，并且任意尺寸小于4英寸(10厘米)，除非另有规定：

[0030] 一块沥青或者混凝土块

[0031] 跑道照明设备的任一部分

[0032] 可调扳手

[0033] 深套筒

[0034] 飞机轮胎掉落的橡胶

[0035] 弯曲的金属条

[0036] 油箱盖

[0037] 带耳螺母

[0038] 液压管

[0039] 白色聚氯乙烯塑料管

[0040] 以上的任何两个物体，如果相互之间的最小距离为10英尺(3米)，被认为两个独立的物体。

[0041] 作为优选方式，跑道异物检测系统的实验环境：跑道长1200米，宽30米，选取了距离跑道中心线230米的塔台旁的平台，正对跑道安装了一套雷达设备，一套光学设备，光学设备包括摄像机、镜头和云台，安装在同一高度，相距2米左右，面向跑道方向安装，雷达24小时不间断扫描，光学系统24小时待机随时接受指令。

[0042] 作为优选方式，跑道异物检测系统的设备参数：

[0043] 雷达设备技术参数：

[0044] (1)工作频率：76-77GHz(多频点配置)

[0045] (2)信号带宽：800MHz

[0046] (3)天线波束宽度0.4°(方位向)

[0047] (4)天线扫描速度：6°/s

[0048] (5)雷达发射功率≥20mW

[0049] (6)雷达天线增益≥40dB

[0050] (7)接收机噪声系数≤8dB

[0051] (8)雷达检测信杂比≥15dB

[0052] 根据以上参数，可计算得到：

[0053] (1)作用距离>300m(目标RCS：10-5m2)

[0054] (2)距离分辨力<0.3m

[0055] (3)距离精度<0.15m

[0056] (4)方位分辨力<0.5°

[0057] (5)方位精度<0.25°

[0058] 光学系统参数：

[0059] 根据国内外民航权威组织对FOD检测的要求，并参照国外相关产品，本光学系统的主要参数如下：

[0060] (1)高清晰工业摄像机：

[0061] 分辨率200万像素；

[0062] 提供二次开放C/C++SDK，能抓取原始码流；

[0063] 具有网络通信功能；

[0064] (2)高倍光学变焦镜头：

[0065] 焦距1000mm；

[0066] 自动对焦变倍；

[0067] 自动调节光圈；

[0068] (3)云台：全天候24小时待机；

[0069] 抗日晒雨淋风吹霜冻；

[0070] 自动雨刷；

[0071] 自动启动内部风扇；

[0072] 信号控制方式：RS485；

[0073] 工作温度：-40°—+70°；

[0074] 工作湿度：30—(95±3)％；

[0075] 旋转角度：水平340度，垂直-90到90度

[0076] 旋转速度：水平和垂直方向速度范围均为0.001°/s～90°/s

[0077] 云台功能包括：水平转动、垂直转动、控制镜头聚焦、控制镜头变焦、开启/关闭雨刷。

[0078] 本发明的有益效果是：

[0079] 针对难点问题，提出了毫米波雷达和光学设备相结合的技术手段，建立了复合探测的系统。雷达可以实现对FOD目标的全天时全天候的检测，一旦检测到FOD目标，光学系统便根据目标位置自动提供目标图像信息便于人工确认，所以雷达探测、视频确认的方式，使电磁波探测和光学技术手段优势互补，提高异物检测的精准度，提供了对跑道FOD的自动化定位与可视化监控，可有效的保障机场跑道的安全。附图说明

[0080] 图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

[0081] 下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

[0082] 如图1所示，雷达与光学复合探测的跑道异物检测系统，包括传感器系统和数据处理与显示监控系统，其中，传感器系统包括雷达和光学设备，数据处理与显示监控系统包括数据处理中心、显示监控终端和数据存储单元；

[0083] 数据处理中心分别连接网络交换机和若干显示监控终端；网络交换机分别连接数据存储单元(磁盘阵列)和传感器系统。

[0084] 在一个优选实施例中，光学设备为摄像机、镜头和云台。

[0085] 雷达与光学复合探测的跑道异物检测方法：

[0086] 步骤一：雷达不间断对跑道进行扫描和检测，发现异物后，将异物的位置信息传送给数据处理中心；

[0087] 步骤二：数据处理中心对接收到的雷达数据进行解析，对停留时间超过三个雷达扫描周期且位于跑道区域内的目标，认为是跑道异物；

[0088] 步骤三：系统对光学设备发出命令，自动控制云台转动，根据目标坐标信息对准目标；

[0089] 步骤四：光学设备对异物进行拍照后，系统获取异物的视频图像信息，并自动将异物的时间、位置、图像等信息记录到数据库中；

[0090] 步骤五：最终的探测结果与告警信息在显示终端进行显示；

[0091] 步骤六：人工对异物进行确认后，异物状态改变，向监控室发出告警，通知清除车辆清除异物；

[0092] 步骤七：异物清除后，异物状态改变，相关信息(包括异物状态信息和清除时间等)记录到数据库。

[0093] 在一个优选实施例中，计算目标坐标信息的过程如下：

[0094] 步骤1：设定跑道平面坐标系(x,y,z)与原点，x轴代表跑道平面长度方向，y轴代表跑道平面宽度方向，z轴代表垂直于跑道平面方向(默认跑道平面的z值为0)；雷达安装坐标为(x0,y0,z0)，目标坐标信息(r,θ)，r是径向距离，θ是目标与雷达扫描正北方向的夹角，转换到跑道的标准坐标系下目标的坐标(x,y)为：

[0095] 步骤2：光学设备的安装坐标为(x1,y1,z1)，则目标离光学设备的距离为光学设备应该转动的角度(α,β)，α为水平方向夹角，β为垂直方向夹角，

[0096] 在一个优选实施例中，图像拍照后，将数据传回系统，工作人员通过显示监控终端查看图像，确定是异物后进行清除工作，清除完成后系统消除报警。

[0097] 在一个优选实施例中，FAA咨询通告150/5220-24中要求雷达发现、视频确认的固定型检测系统必须能够检测到以下的物体：

[0098] (a)一个未上漆的，金属圆柱体，高1.2英寸(3.1厘米)，直径1.5英寸(3.8厘米)；

[0099] (b)一个白、灰或黑的球体，直径1.7英寸(4.3厘米)(如标准尺寸的高尔夫球)；

[0100] (c)在想要覆盖的范围区域内，当以下组别中90％的物体处于100英尺*100英尺(30米*30米)的范围，每件物体需属于下列某一组，并且任意尺寸小于4英寸(10厘米)，除非另有规定：

[0101] 一块沥青或者混凝土块

[0102] 跑道照明设备的任一部分

[0103] 可调扳手

[0104] 深套筒

[0105] 飞机轮胎掉落的橡胶

[0106] 弯曲的金属条

[0107] 油箱盖

[0108] 带耳螺母

[0109] 液压管

[0110] 白色聚氯乙烯塑料管

[0111] 以上的任何两个物体，如果相互之间的最小距离为10英尺(3米)，被认为两个独立的物体。

[0112] 在一个优选实施例中，跑道异物检测系统的实验环境：跑道长1200米，宽30米，选取了距离跑道中心线230米的塔台旁的平台，正对跑道安装了一套雷达设备，一套光学设备，光学设备包括摄像机、镜头和云台，安装在同一高度，相距2米左右，面向跑道方向安装，雷达24小时不间断扫描，光学系统24小时待机随时接受指令。

[0113] 在一个优选实施例中，跑道异物检测系统的设备参数：

[0114] 雷达设备技术参数：

[0115] (1)工作频率：76-77GHz(多频点配置)

[0116] (2)信号带宽：800MHz

[0117] (3)天线波束宽度0.4°(方位向)

[0118] (4)天线扫描速度：6°/s

[0119] (5)雷达发射功率≥20mW

[0120] (6)雷达天线增益≥40dB

[0121] (7)接收机噪声系数≤8dB

[0122] (8)雷达检测信杂比≥15dB

[0123] 根据以上参数，可计算得到：

[0124] (1)作用距离>300m(目标RCS：10-5m2)

[0125] (2)距离分辨力<0.3m

[0126] (3)距离精度<0.15m

[0127] (4)方位分辨力<0.5°

[0128] (5)方位精度<0.25°

[0129] 光学系统参数：

[0130] 根据国内外民航权威组织对FOD检测的要求，并参照国外相关产品，本光学系统的主要参数如下：

[0131] (1)高清晰工业摄像机：

[0132] 分辨率200万像素；

[0133] 提供二次开放C/C++SDK，能抓取原始码流；

[0134] 具有网络通信功能；

[0135] (2)高倍光学变焦镜头：

[0136] 焦距1000mm；

[0137] 自动对焦变倍；

[0138] 自动调节光圈；

[0139] (3)云台：全天候24小时待机；

[0140] 抗日晒雨淋风吹霜冻；

[0141] 自动雨刷；

[0142] 自动启动内部风扇；

[0143] 信号控制方式：RS485；

[0144] 工作温度：-40°—+70°；

[0145] 工作湿度：30—(95±3)％；

[0146] 旋转角度：水平340度，垂直-90到90度

[0147] 旋转速度：水平和垂直方向速度范围均为0.001°/s～90°/s

[0148] 云台功能包括：水平转动、垂直转动、控制镜头聚焦、控制镜头变焦、开启/关闭雨刷。

[0149] 实验结果

[0150] 根据FAA咨询通告150/5220-24中对FOD检测系统的要求，我们在跑道上放置了10个物品包括如下种类：

[0151] (1)高1.2英寸(3厘米)，直径1.5英寸(3.8厘米)的金属圆柱形目标；

[0152] (2)白色标准大小的高尔夫球；

[0153] (3)直径2英寸(5厘米)的塑料管；

[0154] (4)橡胶块；

[0155] 以上10个物品放置的间隔距离为3米以上，系统检测出所有10个目标以列表的形式给出每一个目标的平面坐标、方位距离、发现时间等信息，并在模拟跑道图上画出每一个目标的位置，整个界面清晰直观。

[0156] 我们视频设备安装距离跑道中心线的距离为230米，在正常的晴天效果下，拍摄效果很好，可以清晰的识别跑道上的物体种类。

[0157] 机场跑道异物对民航飞机的起降安全构成重大隐患，结合毫米波雷达和光学系统的异物检测机理和基础理论，建立雷达与光学复合探测的机场跑道异物自动检测系统，解决国内目前人工识别与发现跑道异物效率低、不具备实时性的问题，并在中国民航飞行学院的新津机场进行了实地安装实验，实验证明，检测效果非常好，各项指标满足FAA咨询通告的要求。

[0158] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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