基于圓弧合成孔徑體制的跑道異物監測雷達成像研究

章林，龍超，童建文

（1.空中交通管理系統與技術國家重點實驗室，南京210007）

（2.中國電子科技集團公司 第28研究所，南京210007）

0 引 言

跑道異物（Foreign Object Debris，簡稱FOD）是對影響機場航班起降的外來物質的總稱，跑道異物監測目前靠人工實現，無法24小時進行監測，可靠性不高，影響機場航班秩序，造成大量的經濟損失和時間損失。因此FOD監測設備的發展趨勢是一種能夠自動探測、定位和上報FOD信息的機場常設設施。

由于毫米波雷達對雨、雪、霧等氣候條件和強光、夜晚等光照條件適應性好，且具備足夠的探測和定位精度，因此是FOD監測系統不可或缺的技術手段。美國、英國、以色列、新加坡等國家近年來開展了跑道FOD監測系統的研發，英國的Tarsier技術成熟，檢測率低，掃描速度慢，有盲區；以色列的FODetect系統檢測性能較好，設備部署、維護成本高；新加坡iFerret設備安裝、維護成本較低，易受天氣影響；美國FOD Finder系統部署使用方便，但不能連續工作；此外，加拿大的Pavemetrics公司最近研制出了一套LFOD（Laser Foreign Object Debris）移動式探測系統，德國的費勞恩霍夫技術研究院研制的基于220 GHz FMCW毫米波逆合于成孔徑雷達技術的COR‐BA-220系統，日本東京電子導航技術研究所ENRI以及法國尼斯大學的天線實驗室LETA研制的采用類光學透鏡天線的FMCW毫米波雷達等，但距離產品成熟度還有一定距離。國內，近5年來在FOD探測雷達技術方面取得了較大的進展。中國電子科技集團公司第50研究所研制了類似Traiser系統的塔臺式FOD監測系統，由毫米波雷達和光電設備組成；成都賽英公司研制了基于FMCW體制的W波段毫米波FOD探測雷達，最大作用距離達到350 m；中國航空工業集團公司第607研究所研制了類似FODFinder的車載式FOD監測系統；中國電子科技集團公司第29研究所聯合中國民航局第2研究所研制了邊燈式的FOD監測設備。

國內，程一帆采用圖像的方法分離背景與前景實現FOD異物檢測；成威對雷達采集圖像進行FOD異物檢測；李海翔提出了基于圖像處理方法的FOD檢測系統的軟硬件構架。國內一些研究所和公司近幾年也研發了幾款FOD設備，一些高校開展了FOD技術研究，但目前均處于研究階段，尚未正式在民用或軍用機場正式投入使用。

本文采用一種全新的雷達體制——圓弧合成孔徑雷達（ArcSAR），通過體制上的創新來解決實孔徑掃描體制存在的原理性問題，通過比較實孔徑掃描和圓弧合成孔徑雷達的優缺點開展信號模型仿真，并與實測數據進行對比驗證。

1 ArcSAR雷達體制及成像原理

ArcSAR利用長轉臂旋轉，使得轉臂頂端的低增益天線運動形成圓弧軌跡，然后通過沿圓弧軌跡利用合成孔徑原理，在數字域綜合出高分辨率成像波束。ArcSAR由基座、轉臂和天線支架等組成，如圖1所示。

圖1 ArcSAR體制FOD監測雷達組成Fig.1 ArcSAR FOD monitoring radar composition

ArcSAR成像幾何模型如圖2所示，假設遠處存在目標點

P

，雷達天線的相位中心為

S

，雷達至目標

P

的俯視角為

β

，天線轉臺相對目標高度

H

，天線轉動的角速度為

ω

，轉臂長度為

L

，轉臂旋轉軸中心到目標的距離為

r

，起始時刻為

τ

，

R

(

τ

)為雷達與目標P的瞬時斜距，

τ

為慢時間，

t

為快時間。其中目標斜距

R

(

τ

)可表示為

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

在實際場景中因為L?

r

，通過泰勒展開得到目標斜距的近似表達式為

2 ArcSAR信號模型

ArcSAR以線性調頻連續波（FMCW）信號體制為例，雷達發射調頻連續波信號

s

(

t

)為

則目標

P

的雷達回波信號為

由于sin

β

=

H r

，因此：

式中：

K

為調頻斜率；

T

為脈沖調制周期；

f

為載波頻率；

R

(

τ

)為目標真實距離；

c

為光速。

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

ω

-

k

等成像算法生成二維雷達圖像，其中BP算法沒有成像幾何的近似，更適合SAR高分辨率精細成像應用，因此本文以BP成像算法為例進行分析。對式（5）進行快時間

t

的傅里葉變換得到目標回波頻譜：

根據頻率與目標距離的對應關系

f

=2

r K c

，得到目標回波一維距離像：

根據走—停—走假設，對成像區域劃定極坐標系下成像網格，像素點(

θ

，

r

)的雷達復散射圖像

I

(

θ

，

r

)為積累角范圍內各方位一維距離像對應距離值進行相位補償后并相干積累的結果：

式中：

θ

=

ω

(

τ

-

τ

)為圖像像素(

θ

，

r

)對應的方位角；

τ

和

τ

分別為積累角確定的像素點(

θ

，

r

)的雷達照射起止時刻。

采用式（8）可以獲得二維極坐標形式的雷達圖像，因此通過對雷達圖像序列進行目標檢測，獲得FOD檢測結果。

3 ArcSAR信號仿真分析

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

表1 仿真目標參數Table 1 Simulation target parameters

雷達仿真參數如表2所示，信號體制為FM‐CW，通過信號模型構建雷達信號回波進行仿真驗證。

表2 圓弧合成孔徑FOD監測雷達參數Table 2 Parameters of ArcSAR FOD monitoring radar

根據雷達方程進行計算，整機系統設計指標如表3所示。

表3 整機系統設計指標Table 3 Design index of whole machine system

圓弧合成孔徑FOD設計指標與實孔徑的比較如表4所示。

表4 圓弧合成孔徑FOD與實孔徑設備指標比較Table 4 Comparison of parameters between ArcSAR FOD and real aperture equipment

綜上，采用圓弧合成孔徑技術，比實孔徑的接收性能及國內相似方案有顯著的性能提升，對同樣目標的探測距離將提高2~3倍。

ArcSAR成像結果如圖3所示。為了說明ArcSAR體制對“閃爍”雜波的抑制作用，對大雨情況下的實孔徑與ArcSAR成像結果進行仿真分析。

圖3 圓弧合成孔徑（ArcSAR）FOD監測雷達仿真成像結果Fig.3 Simulation imaging results of ArcSAR FOD

假定雨滴在跑道上形成的水花雷達散射截面積為均值-30 d Bm和標準差-305 d Bm的正態分布，水花出現頻率為20個/秒/平方米，持續使時間為200 ms，目標雷達橫截面積為-20 d Bm，仍然采用上述仿真參數，仿真結果如圖4所示（圖像歸一化，且最小幅度限制到-10 d B），可以看出：實孔徑體制無法抑制水花這類“閃爍”雜波，圖像中形成密集的雜散，嚴重影響了多目標的檢測和判決；ArcSAR體制通過時間上的平均，可以有效抑制此類“閃爍”噪聲，背景更為干凈。

圖4 實孔徑與ArcSAR成像體制對“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實測數據驗證

為了對技術原理進行驗證，同時對部分關鍵技術進行預先突破，構建的原理驗證平臺如圖5所示，考慮到降低實現難度，原理驗證平臺采用92 GHz頻段，并將轉臂長度增加到1 m。

圖5 ArcSAR FOD監測雷達原理驗證平臺外場試驗照片Fig.5 Photos of field test of principle verification platform

在長沙瀏陽河鴨子鋪段進行大范圍成像試驗，最遠探測距離超過1 km，結果如圖6所示。

圖6 掃描扇區的二維高分辨直角坐標雷達圖像（白色方框為標定三面角）Fig.6 Two dimensional high resolution Cartesian coordinate radar image with scanning sector

標定的三面角成像結果如圖7所示。

圖7 標定三面角成像結果及距離/方面剖面Fig.7 Imaging results and range/aspect profile

由于雷達發射信號帶寬為200 MHz，因此其理論的加窗距離分辨率為0.97 m；由于轉臂長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°。根據標定三面角的圖像分析可知，實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系統及成像算法的有效性。

為了進一步論證本文方法有效性，在開慧通用機場采用ArcSAR系統對FOD進行成像試驗。試驗包括兩個部分：在保證雷達位置不動的情況下，首先不在場景中放入任何FOD目標進行成像，如圖8（a）所示；然后將多個FOD目標（如4 cm螺柱、2 cm鋼珠等）沿雷達徑向放入場景進行成像，如圖8（b）所示，目標清晰可見，因此ArcSAR系統能夠實現對FOD目標有效探測。在大興機場的試驗中，采用半窗雜波跟蹤算法，提高復雜背景形式下目標判斷和跟蹤，實現了對直徑厘米級（最小粒徑1 cm）異物的穩健檢測（以色列2.5 cm）；探測時間60 s（以色列120 s），具備更加及時的異物發現報告能力。

圖8 開慧通用機場ArcSAR系統成像Fig.8 ArcSAR imaging system of Kaihui general airport

ArcSAR體制實際上是通過多幀低增益天線回波形成的時間序列圖像的相參積累而獲得目標圖像，在時間上有平均和積累的效果，因此具備以下獨特優點：

（1）實孔徑對目標的照射時間為毫秒級，對于雨滴/雪粒、跑道上移動的樹葉/草團、偶爾停留的鳥、雨滴在跑道上濺起的水花等“閃爍”雜波，在掃描期間無法與靜止圖像區別開，因此對此類“閃爍”雜波抑制能力弱，時間上突發的雜波會在整個掃描周期內停留于圖像中。如果需要進行雜波抑制，必須通過多幀掃描圖像進行平均抑制，但又增加了處理時間，無法滿足FOD監測對實時性的要求。本文對環境適應性將顯著優于常規實孔徑掃描體制。

（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，造成很強的等效全向輻射功率（EIRP），如此強輻射能量可能會造成未來潛在的電磁兼容問題，帶來機載設備安全風險，或人身健康風險。本文所用天線增益為12 d Bi，低增益天線有助于降低EIRP，從而易于滿足未來電磁兼容性和人體安全要求。

（3）毫米波頻段上實現極窄的波束寬度，對反射式天線的加工精度要求極高，而且實孔徑成像對轉臺位置精度的要求也很高，采用波導組件，造成加工成本也大幅提高，其制造成本較高。本文低增益天線價格低，降低了制造和維護成本。

5 結 論

（1）本文開展了圓弧合成孔徑雷達信號模型研究，圓弧合成孔徑成像雷達不僅具有常規機載或星載的線性軌跡合成孔徑雷達成像能力，又由于轉臂的旋轉使得其具備全方位觀測能力。

（2）圓弧合成孔徑雷達對同樣目標的探測距離提高2~3倍，并能有效抑制雨雪等“閃爍”雜波。

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