基于圓弧合成孔徑體制的跑道異物監(jiān)測(cè)雷達(dá)成像研究

章林，龍超，童建文

（1.空中交通管理系統(tǒng)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210007）

（2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第28研究所，南京210007）

0 引 言

跑道異物（Foreign Object Debris，簡(jiǎn)稱FOD）是對(duì)影響機(jī)場(chǎng)航班起降的外來(lái)物質(zhì)的總稱，跑道異物監(jiān)測(cè)目前靠人工實(shí)現(xiàn)，無(wú)法24小時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可靠性不高，影響機(jī)場(chǎng)航班秩序，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和時(shí)間損失。因此FOD監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是一種能夠自動(dòng)探測(cè)、定位和上報(bào)FOD信息的機(jī)場(chǎng)常設(shè)設(shè)施。

由于毫米波雷達(dá)對(duì)雨、雪、霧等氣候條件和強(qiáng)光、夜晚等光照條件適應(yīng)性好，且具備足夠的探測(cè)和定位精度，因此是FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可或缺的技術(shù)手段。美國(guó)、英國(guó)、以色列、新加坡等國(guó)家近年來(lái)開(kāi)展了跑道FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)，英國(guó)的Tarsier技術(shù)成熟，檢測(cè)率低，掃描速度慢，有盲區(qū)；以色列的FODetect系統(tǒng)檢測(cè)性能較好，設(shè)備部署、維護(hù)成本高；新加坡iFerret設(shè)備安裝、維護(hù)成本較低，易受天氣影響；美國(guó)FOD Finder系統(tǒng)部署使用方便，但不能連續(xù)工作；此外，加拿大的Pavemetrics公司最近研制出了一套LFOD（Laser Foreign Object Debris）移動(dòng)式探測(cè)系統(tǒng)，德國(guó)的費(fèi)勞恩霍夫技術(shù)研究院研制的基于220 GHz FMCW毫米波逆合于成孔徑雷達(dá)技術(shù)的COR‐BA-220系統(tǒng)，日本東京電子導(dǎo)航技術(shù)研究所ENRI以及法國(guó)尼斯大學(xué)的天線實(shí)驗(yàn)室LETA研制的采用類光學(xué)透鏡天線的FMCW毫米波雷達(dá)等，但距離產(chǎn)品成熟度還有一定距離。國(guó)內(nèi)，近5年來(lái)在FOD探測(cè)雷達(dá)技術(shù)方面取得了較大的進(jìn)展。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第50研究所研制了類似Traiser系統(tǒng)的塔臺(tái)式FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由毫米波雷達(dá)和光電設(shè)備組成；成都賽英公司研制了基于FMCW體制的W波段毫米波FOD探測(cè)雷達(dá)，最大作用距離達(dá)到350 m；中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司第607研究所研制了類似FODFinder的車載式FOD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第29研究所聯(lián)合中國(guó)民航局第2研究所研制了邊燈式的FOD監(jiān)測(cè)設(shè)備。

國(guó)內(nèi)，程一帆采用圖像的方法分離背景與前景實(shí)現(xiàn)FOD異物檢測(cè)；成威對(duì)雷達(dá)采集圖像進(jìn)行FOD異物檢測(cè)；李海翔提出了基于圖像處理方法的FOD檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)架。國(guó)內(nèi)一些研究所和公司近幾年也研發(fā)了幾款FOD設(shè)備，一些高校開(kāi)展了FOD技術(shù)研究，但目前均處于研究階段，尚未正式在民用或軍用機(jī)場(chǎng)正式投入使用。

本文采用一種全新的雷達(dá)體制——圓弧合成孔徑雷達(dá)（ArcSAR），通過(guò)體制上的創(chuàng)新來(lái)解決實(shí)孔徑掃描體制存在的原理性問(wèn)題，通過(guò)比較實(shí)孔徑掃描和圓弧合成孔徑雷達(dá)的優(yōu)缺點(diǎn)開(kāi)展信號(hào)模型仿真，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 ArcSAR雷達(dá)體制及成像原理

ArcSAR利用長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，使得轉(zhuǎn)臂頂端的低增益天線運(yùn)動(dòng)形成圓弧軌跡，然后通過(guò)沿圓弧軌跡利用合成孔徑原理，在數(shù)字域綜合出高分辨率成像波束。ArcSAR由基座、轉(zhuǎn)臂和天線支架等組成，如圖1所示。

圖1 ArcSAR體制FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)組成Fig.1 ArcSAR FOD monitoring radar composition

ArcSAR成像幾何模型如圖2所示，假設(shè)遠(yuǎn)處存在目標(biāo)點(diǎn)

P

，雷達(dá)天線的相位中心為

S

，雷達(dá)至目標(biāo)

P

的俯視角為

β

，天線轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)目標(biāo)高度

H

，天線轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為

ω

，轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度為

L

，轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)軸中心到目標(biāo)的距離為

r

，起始時(shí)刻為

τ

，

R

(

τ

)為雷達(dá)與目標(biāo)P的瞬時(shí)斜距，

τ

為慢時(shí)間，

t

為快時(shí)間。其中目標(biāo)斜距

R

(

τ

)可表示為

圖2 成像幾何原理圖Fig.2 Imaging geometry schematic diagram

在實(shí)際場(chǎng)景中因?yàn)長(zhǎng)?

r

，通過(guò)泰勒展開(kāi)得到目標(biāo)斜距的近似表達(dá)式為

2 ArcSAR信號(hào)模型

ArcSAR以線性調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）信號(hào)體制為例，雷達(dá)發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)

s

(

t

)為

則目標(biāo)

P

的雷達(dá)回波信號(hào)為

由于sin

β

=

H r

，因此：

式中：

K

為調(diào)頻斜率；

T

為脈沖調(diào)制周期；

f

為載波頻率；

R

(

τ

)為目標(biāo)真實(shí)距離；

c

為光速。

獲取距離像后，可以通過(guò)后向投影（Back-pro‐jection，簡(jiǎn) 稱BP）、距 離 — 多 普 勒（Range-Dop‐pler）、

ω

-

k

等成像算法生成二維雷達(dá)圖像，其中BP算法沒(méi)有成像幾何的近似，更適合SAR高分辨率精細(xì)成像應(yīng)用，因此本文以BP成像算法為例進(jìn)行分析。對(duì)式（5）進(jìn)行快時(shí)間

t

的傅里葉變換得到目標(biāo)回波頻譜：

根據(jù)頻率與目標(biāo)距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系

f

=2

r K c

，得到目標(biāo)回波一維距離像：

根據(jù)走—?！呒僭O(shè)，對(duì)成像區(qū)域劃定極坐標(biāo)系下成像網(wǎng)格，像素點(diǎn)(

θ

，

r

)的雷達(dá)復(fù)散射圖像

I

(

θ

，

r

)為積累角范圍內(nèi)各方位一維距離像對(duì)應(yīng)距離值進(jìn)行相位補(bǔ)償后并相干積累的結(jié)果：

式中：

θ

=

ω

(

τ

-

τ

)為圖像像素(

θ

，

r

)對(duì)應(yīng)的方位角；

τ

和

τ

分別為積累角確定的像素點(diǎn)(

θ

，

r

)的雷達(dá)照射起止時(shí)刻。

采用式（8）可以獲得二維極坐標(biāo)形式的雷達(dá)圖像，因此通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像序列進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，獲得FOD檢測(cè)結(jié)果。

3 ArcSAR信號(hào)仿真分析

按照我國(guó)民航的最高測(cè)試要求，采用直徑1 cm和高1 cm的金屬圓柱體，探測(cè)距離為75 m，則其雷達(dá)橫截面（RCS）為-40 d Bsm或1 cm（實(shí)際圓柱體RCS大于此值），其參數(shù)如表1所示。

表1 仿真目標(biāo)參數(shù)Table 1 Simulation target parameters

雷達(dá)仿真參數(shù)如表2所示，信號(hào)體制為FM‐CW，通過(guò)信號(hào)模型構(gòu)建雷達(dá)信號(hào)回波進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

表2 圓弧合成孔徑FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)參數(shù)Table 2 Parameters of ArcSAR FOD monitoring radar

根據(jù)雷達(dá)方程進(jìn)行計(jì)算，整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表3所示。

表3 整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 3 Design index of whole machine system

圓弧合成孔徑FOD設(shè)計(jì)指標(biāo)與實(shí)孔徑的比較如表4所示。

表4 圓弧合成孔徑FOD與實(shí)孔徑設(shè)備指標(biāo)比較Table 4 Comparison of parameters between ArcSAR FOD and real aperture equipment

綜上，采用圓弧合成孔徑技術(shù)，比實(shí)孔徑的接收性能及國(guó)內(nèi)相似方案有顯著的性能提升，對(duì)同樣目標(biāo)的探測(cè)距離將提高2~3倍。

ArcSAR成像結(jié)果如圖3所示。為了說(shuō)明ArcSAR體制對(duì)“閃爍”雜波的抑制作用，對(duì)大雨情況下的實(shí)孔徑與ArcSAR成像結(jié)果進(jìn)行仿真分析。

圖3 圓弧合成孔徑（ArcSAR）FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)仿真成像結(jié)果Fig.3 Simulation imaging results of ArcSAR FOD

假定雨滴在跑道上形成的水花雷達(dá)散射截面積為均值-30 d Bm和標(biāo)準(zhǔn)差-305 d Bm的正態(tài)分布，水花出現(xiàn)頻率為20個(gè)/秒/平方米，持續(xù)使時(shí)間為200 ms，目標(biāo)雷達(dá)橫截面積為-20 d Bm，仍然采用上述仿真參數(shù)，仿真結(jié)果如圖4所示（圖像歸一化，且最小幅度限制到-10 d B），可以看出：實(shí)孔徑體制無(wú)法抑制水花這類“閃爍”雜波，圖像中形成密集的雜散，嚴(yán)重影響了多目標(biāo)的檢測(cè)和判決；ArcSAR體制通過(guò)時(shí)間上的平均，可以有效抑制此類“閃爍”噪聲，背景更為干凈。

圖4 實(shí)孔徑與ArcSAR成像體制對(duì)“閃爍”雜波抑制能力的仿真比較Fig.4 Simulation comparison of“flicker”clutter suppres‐sion ability between real aperture and ArcSAR

4 ArcSAR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了對(duì)技術(shù)原理進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行預(yù)先突破，構(gòu)建的原理驗(yàn)證平臺(tái)如圖5所示，考慮到降低實(shí)現(xiàn)難度，原理驗(yàn)證平臺(tái)采用92 GHz頻段，并將轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度增加到1 m。

圖5 ArcSAR FOD監(jiān)測(cè)雷達(dá)原理驗(yàn)證平臺(tái)外場(chǎng)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 Photos of field test of principle verification platform

在長(zhǎng)沙瀏陽(yáng)河鴨子鋪段進(jìn)行大范圍成像試驗(yàn)，最遠(yuǎn)探測(cè)距離超過(guò)1 km，結(jié)果如圖6所示。

圖6 掃描扇區(qū)的二維高分辨直角坐標(biāo)雷達(dá)圖像（白色方框?yàn)闃?biāo)定三面角）Fig.6 Two dimensional high resolution Cartesian coordinate radar image with scanning sector

標(biāo)定的三面角成像結(jié)果如圖7所示。

圖7 標(biāo)定三面角成像結(jié)果及距離/方面剖面Fig.7 Imaging results and range/aspect profile

由于雷達(dá)發(fā)射信號(hào)帶寬為200 MHz，因此其理論的加窗距離分辨率為0.97 m；由于轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)1 m且天線波束角為50°，因此其理論的方位向角分辨率為0.11°。根據(jù)標(biāo)定三面角的圖像分析可知，實(shí)際的距離向分辨率為0.98 m，方位向角分辨率為0.15°，與理論值基本吻合，證明了ArcSAR系統(tǒng)及成像算法的有效性。

為了進(jìn)一步論證本文方法有效性，在開(kāi)慧通用機(jī)場(chǎng)采用ArcSAR系統(tǒng)對(duì)FOD進(jìn)行成像試驗(yàn)。試驗(yàn)包括兩個(gè)部分：在保證雷達(dá)位置不動(dòng)的情況下，首先不在場(chǎng)景中放入任何FOD目標(biāo)進(jìn)行成像，如圖8（a）所示；然后將多個(gè)FOD目標(biāo)（如4 cm螺柱、2 cm鋼珠等）沿雷達(dá)徑向放入場(chǎng)景進(jìn)行成像，如圖8（b）所示，目標(biāo)清晰可見(jiàn)，因此ArcSAR系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)FOD目標(biāo)有效探測(cè)。在大興機(jī)場(chǎng)的試驗(yàn)中，采用半窗雜波跟蹤算法，提高復(fù)雜背景形式下目標(biāo)判斷和跟蹤，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直徑厘米級(jí)（最小粒徑1 cm）異物的穩(wěn)健檢測(cè)（以色列2.5 cm）；探測(cè)時(shí)間60 s（以色列120 s），具備更加及時(shí)的異物發(fā)現(xiàn)報(bào)告能力。

圖8 開(kāi)慧通用機(jī)場(chǎng)ArcSAR系統(tǒng)成像Fig.8 ArcSAR imaging system of Kaihui general airport

ArcSAR體制實(shí)際上是通過(guò)多幀低增益天線回波形成的時(shí)間序列圖像的相參積累而獲得目標(biāo)圖像，在時(shí)間上有平均和積累的效果，因此具備以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：

（1）實(shí)孔徑對(duì)目標(biāo)的照射時(shí)間為毫秒級(jí)，對(duì)于雨滴/雪粒、跑道上移動(dòng)的樹(shù)葉/草團(tuán)、偶爾停留的鳥(niǎo)、雨滴在跑道上濺起的水花等“閃爍”雜波，在掃描期間無(wú)法與靜止圖像區(qū)別開(kāi)，因此對(duì)此類“閃爍”雜波抑制能力弱，時(shí)間上突發(fā)的雜波會(huì)在整個(gè)掃描周期內(nèi)停留于圖像中。如果需要進(jìn)行雜波抑制，必須通過(guò)多幀掃描圖像進(jìn)行平均抑制，但又增加了處理時(shí)間，無(wú)法滿足FOD監(jiān)測(cè)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。本文對(duì)環(huán)境適應(yīng)性將顯著優(yōu)于常規(guī)實(shí)孔徑掃描體制。

（2）圖像方位向分辨率由天線波束寬度決定，為了提高分辨率，因此天線增益很高，造成很強(qiáng)的等效全向輻射功率（EIRP），如此強(qiáng)輻射能量可能會(huì)造成未來(lái)潛在的電磁兼容問(wèn)題，帶來(lái)機(jī)載設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)，或人身健康風(fēng)險(xiǎn)。本文所用天線增益為12 d Bi，低增益天線有助于降低EIRP，從而易于滿足未來(lái)電磁兼容性和人體安全要求。

（3）毫米波頻段上實(shí)現(xiàn)極窄的波束寬度，對(duì)反射式天線的加工精度要求極高，而且實(shí)孔徑成像對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)位置精度的要求也很高，采用波導(dǎo)組件，造成加工成本也大幅提高，其制造成本較高。本文低增益天線價(jià)格低，降低了制造和維護(hù)成本。

5 結(jié) 論

（1）本文開(kāi)展了圓弧合成孔徑雷達(dá)信號(hào)模型研究，圓弧合成孔徑成像雷達(dá)不僅具有常規(guī)機(jī)載或星載的線性軌跡合成孔徑雷達(dá)成像能力，又由于轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)使得其具備全方位觀測(cè)能力。

（2）圓弧合成孔徑雷達(dá)對(duì)同樣目標(biāo)的探測(cè)距離提高2~3倍，并能有效抑制雨雪等“閃爍”雜波。

（3）此外，圓弧合成孔徑雷達(dá)采用低增益天線設(shè)計(jì)，制造和維護(hù)成本低，滿足電磁兼容性和人體安全要求，市場(chǎng)前景廣闊。