遠(yuǎn)距離毫米波表面成像雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于檢測跑道、滑行道、及其他感興趣的區(qū)域的表面上的異物碎片的遠(yuǎn)距離毫米波成像雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括適用于產(chǎn)生在幾千兆赫的頻率范圍內(nèi)掃描的毫米波輻射的電子器件。通過頻率掃描天線來廣播掃描毫米波輻射，從而產(chǎn)生第一掃描方向(諸如垂直方向)的窄的掃描發(fā)射波束，定義對應(yīng)于掃描毫米波頻率范圍的窄、近似一維的、電子掃描視場。天線在垂直于第一掃描方向的第二掃描方向被機(jī)械地旋轉(zhuǎn)或掃描，從而確定二維視場。計算機(jī)處理器設(shè)備產(chǎn)生視場的至少所期望部分的雷達(dá)圖像。
【專利說明】遠(yuǎn)距離毫米波表面成像雷達(dá)系統(tǒng)
[0001]對相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請是2010 年 8 月 12 日提交的標(biāo)題為 “Mobile Millimeter Wave ImagingSystem(移動毫米波成像系統(tǒng))”、序列號12/806，488的部份繼續(xù)申請案，并要求2011年10月I日提交的系列號為N0.61/626，660的臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及雷達(dá)系統(tǒng)，具體而言，涉及毫米波成像雷達(dá)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0004]利用毫米波的成像
[0005]在毫米波長(Icm到Imm ；30GHz to 300GHz)處操作的無源和有源成像系統(tǒng)是已知的。毫米波頻率處的短波長度允許用相對小的天線創(chuàng)建窄波束，并產(chǎn)生高分辨率的無源和有源圖像。由于窄波束的原因，可準(zhǔn)確定位圖像中的對象，當(dāng)系統(tǒng)在雷達(dá)模式操作時，可實現(xiàn)對于所反射的信號的高靈敏度。毫米波系統(tǒng)的重要質(zhì)量在于與可見光相比，它們相對而言幾乎不被相當(dāng)大距離的霧或煙霧所衰減。這些毫米波波長的輻射穿透相當(dāng)大距離的霧和煙霧。毫米波輻射還穿透衣物和諸如干木材和墻板之類的其他材料的顯著厚度。因此，已經(jīng)為飛機(jī)建議毫米波成像系統(tǒng)，以改善在霧中的能見度，以及用于檢測隱藏的武器的安全應(yīng)用等等。
[0006]無源毫米波成像
[0007]在轉(zhuǎn)讓給 申請人:的雇主的美國專利N0.5，121，124和5，365，237中描述了無源毫米波成像系統(tǒng)。在這些專利中所描述的系統(tǒng)使用這樣的天線，其中收集到的毫米波輻射的方向因變于頻率。這種類型的天線被稱為“頻率掃描”天線。在頻譜分析儀中分析收集到的毫米波光以產(chǎn)生一維圖像。在’ 124專利中所描述的系統(tǒng)中，使用天線信號來調(diào)制聲光設(shè)備(布拉格單元)，該聲光設(shè)備繼而調(diào)制激光束以產(chǎn)生光譜圖像。在’237專利中所描述的系統(tǒng)中，由天線信號來調(diào)制電光模塊，且電光模塊繼而調(diào)制激光束以對激光束施加毫米波光譜信息，然后激光束被校準(zhǔn)器分離成頻譜分量，以產(chǎn)生圖像。
[0008]美國專利N0.4，654，666描述了一種成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)包括頻率掃描天線和頻譜分析儀，頻譜分析儀用于將由天線收集到的編碼的輻射分布轉(zhuǎn)換為時間編碼的分布，以便可以再現(xiàn)一維場景。在美國專利號7，194，236和6，937，182中描述了其他頻率掃描無源毫米波成像系統(tǒng)。以上標(biāo)識的所有專利通過引用被結(jié)合至此。
[0009]雷達(dá)系統(tǒng)
[0010]在毫米頻率處操作的雷達(dá)系統(tǒng)也是已知的。這些系統(tǒng)通常用兩個或更多較低頻率信號(叫做頻移鍵控或FSK)或用線性地變化的(頻率向上或向下斜變)的較低頻率信號(叫做線性調(diào)頻LFM)來調(diào)制毫米波信號。已經(jīng)提出了 FSK和LFM的組合。已經(jīng)提出了用于自治機(jī)動車輛控制和機(jī)動車輛防撞的這些FSK和LFM系統(tǒng)。某些系統(tǒng)提供了用于對發(fā)射波束或接收波束或兩者進(jìn)行角掃描技術(shù)。
[0011]異物檢測
[0012]機(jī)場跑道及其他表面上的異物碎片(常常被稱為F0D)對于空中交通安全來說是極大的危險。從飛機(jī)、地面上的設(shè)備掉落的、或被地勤人員錯置的物體要對商業(yè)航空公司、機(jī)場、和軍事部門的較大的營業(yè)虧損負(fù)責(zé)，且在極端情況下，可導(dǎo)致人命損失。FOD每年會造成航空業(yè)$40億的損失，且每年給飛機(jī)和部件造成顯著損壞，并可能導(dǎo)致工作人員、飛行員和乘客的死亡和傷害。
[0013]在機(jī)場上引入雷達(dá)系統(tǒng)用于進(jìn)行FOD檢測的嘗試也是已知的。這樣的系統(tǒng)的高成本、操作的復(fù)雜性，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、以及試驗性的本質(zhì)限制了它們被航空運(yùn)輸業(yè)的接受度。由位于英國的公司QinetiQ設(shè)計和制造的以名稱Tarsier銷售的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)是先進(jìn)的毫米波FOD檢測系統(tǒng)的示例。Tarsier系統(tǒng)目前在加拿大溫哥華國際機(jī)場操作。Tarsier雷達(dá)被設(shè)計為靜止的、遠(yuǎn)距離(最多2公里)、調(diào)頻雷達(dá)，以沿著機(jī)場表面的整個長度檢測F0D。在美國專利N0.7，592，943中描述了此系統(tǒng)，該專利以引用的方式結(jié)合至此。系統(tǒng)使具有壓控振蕩器(VCO)頻率掃描的改進(jìn)的頻率線性的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)。它使用鑒頻器系統(tǒng)來校正VCO的非線性。然后，使用鑒頻器信號來使用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器來調(diào)整信號采樣速率。Tarsier系統(tǒng)的的操作遠(yuǎn)距離要求高精度機(jī)械和電子組件以及高發(fā)射功率。這些要求導(dǎo)致系統(tǒng)的高成本。為了能夠檢測遠(yuǎn)距離處的F0D，雷達(dá)被設(shè)計成具有非常高的靈敏度，這會導(dǎo)致由于來自較短的范圍處的信號混亂產(chǎn)生的大量的誤報警。
[0014]根據(jù)由國家FOD防止協(xié)會有限公司維護(hù)的國家宇航標(biāo)準(zhǔn)412，F(xiàn)0D —般被定義為將潛在地導(dǎo)致汽車或系統(tǒng)損害的與該汽車或系統(tǒng)不同的物質(zhì)、碎片、或物品。異物損壞是歸因于異物的任何損壞，該損壞可用可或不可劣化產(chǎn)品所要求的安全性和/或性能特性的物理或經(jīng)濟(jì)術(shù)語表示。通常，F(xiàn)OD是用來描述飛機(jī)上或飛機(jī)周圍的碎片或?qū)︼w機(jī)造成的損壞的航空術(shù)語。在專利N0.W0/2004/038675和US20020080046中描述了用可見光操作的光學(xué)FOD檢測系統(tǒng)，這些專利也以引用的方式結(jié)合至此。諸如Tarsier之類的靜止毫米波雷達(dá)系統(tǒng)可證明在具有清楚的直線的視線的機(jī)場部分是有效的。
[0015]所需要的是遠(yuǎn)距離毫米波成像系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明描述了遠(yuǎn)距離毫米波成像雷達(dá)系統(tǒng)。雷達(dá)被設(shè)計成作為靜止系統(tǒng)來操作，以連續(xù)地或周期性地監(jiān)測機(jī)場的特定表面區(qū)域。優(yōu)選實施例被定位成用于檢測跑道、滑行道及其他感興趣的區(qū)域的表面上的異物碎片。該系統(tǒng)包括適用于產(chǎn)生在幾千兆赫的頻率范圍內(nèi)掃描的毫米波輻射的電子器件。通過頻率掃描天線來廣播掃描毫米波輻射，從而在第一掃描方向(諸如垂直方向)產(chǎn)生窄的掃描傳輸波束，定義了對應(yīng)于掃描毫米波頻率范圍的窄的近似一維的以電子掃描視場。天線在垂直于第一掃描方向(諸如水平或方位角方向)的第二方向被機(jī)械地旋轉(zhuǎn)或掃描，以便定義二維視場。由相同頻率掃描天線收集反射的毫米波輻射，此舉允許接收波束在相同視場中與發(fā)射波束完全地對齊并被協(xié)同定向(co-directed)。天線設(shè)計確保從發(fā)射電路耦合到接收電路的非常低的信號?？墒褂脤Ｓ糜谙龔陌l(fā)射器到接收器的信號泄漏的電路來進(jìn)一步增大Rx和Tx信道之間的隔離，以便發(fā)射信號泄漏不會干擾來自FOD目標(biāo)的接收信號。計算機(jī)處理器設(shè)備，比較因變于時間的發(fā)射和接收波束的范圍和已知方向的預(yù)先確定的組的接收毫米波雷達(dá)信號的強(qiáng)度，以產(chǎn)生視場的至少期望部分的雷達(dá)圖像。
[0017]在優(yōu)選實施例中，雷達(dá)系統(tǒng)被安裝在由機(jī)場管理機(jī)構(gòu)指定的位置處的固定平臺上?？稍诙鄠€位置部署多個FOD查找器系統(tǒng)，以滿足機(jī)場FOD監(jiān)測需求。雷達(dá)系統(tǒng)能夠在78到81GHz之間的毫米波頻率范圍內(nèi)操作。頻率掃描天線包括適用于產(chǎn)生在垂直方向上窄、且在接近4度的高度內(nèi)的掃描范圍在垂直方向中頻率掃描的波束的24英寸長的開槽波導(dǎo)頻率掃描天線和橢圓柱形反射器。開槽的頻率掃描天線位于橢圓柱反射器的近焦點(diǎn)處。橢圓形反射器的另一個焦點(diǎn)與近焦點(diǎn)相距大約300英尺。天線定義波束在方位角方向向外至約300英尺約半米寬，且在方位角方向和豎直方向均向外進(jìn)一步發(fā)散約0.35度。天線系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)平臺上旋轉(zhuǎn)，從而定義在垂直方向上約4度且在方位角方向上高達(dá)360度的雷達(dá)視場(FOV)。天線一般水平朝向或與升高的平臺成稍微向下的角度，從而在從其位置的任何方向產(chǎn)生從約20米到500米的在機(jī)場表面上的視場。
[0018]在優(yōu)選實施例中，毫米波掃描頻率是從通過鎖相振蕩器和壓控振蕩器所生成的固定12.25GHz信號中產(chǎn)生的。利用三倍倍頻器，將固定信號轉(zhuǎn)換為36.75GHz，然后，利用諧波混頻器，翻倍為73.5GHz。在諧波混合器中與73.5GHz信號混合來自壓控振蕩器的在4.5GHz到7.5GHz范圍內(nèi)的頻率掃描信號，以提供78GHz和81GHz之間的掃描毫米波信號。然后，將毫米波信號饋送到發(fā)射天線以產(chǎn)生頻率掃描發(fā)射波束。在任何給定時間，將類似于發(fā)射波束的接收波束與發(fā)射波束共同對齊，從而最大化由對象反射的返回信號。使用發(fā)射和接收電路共有的本地振蕩器，將接收到的信號下轉(zhuǎn)換為低頻率，數(shù)字化，并使用數(shù)字快速傅里葉變換(FFT)處理器，生成其頻譜。通過大約4度寬的F0V，在垂直方向電子掃描發(fā)射器和接收器波束。在方位角方向機(jī)械地掃描波束。計算機(jī)基于波束的垂直掃描方向和發(fā)射-返回時間差來創(chuàng)建二維圖像(仰角和范圍)，并基于水平掃描將它們與方位角組合從而產(chǎn)生三維圖像。在FOD查找器的優(yōu)選實施例中，基于雷達(dá)信號來確定與FOD的距離，且基于由系統(tǒng)的計算機(jī)處理器記錄的水平掃描信息來確定方位角位置?；旧掀矫娴臋C(jī)場表面主要在前向方向反射雷達(dá)能量，且?guī)缀醪划a(chǎn)生返回信號到接收天線。然而，表面上的FOD對象在雷達(dá)波束掃過它們時產(chǎn)生大的向后分散的返回信號。基于發(fā)射信號和延遲了從FOD目標(biāo)反射的毫米波的來回時間的接收信號的頻率之間的差，確定與目標(biāo)的距離。跑道上的FOD的位置被記錄并顯示在監(jiān)測器上，以表示跑道上的FOD位置的地圖。FOD雷達(dá)系統(tǒng)使用三角形頻率掃描波形，允許系統(tǒng)基于接收信號的測量到的多普勒頻移，來區(qū)別靜止和移動的對象(諸如飛機(jī)、機(jī)場汽車、人員、野生動物等等)。
[0019]除雷達(dá)成像裝置之外，此優(yōu)選實施例包括帶有外部和內(nèi)部可見和/或紅外光圖像記錄的集成的硬件/軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)還包括無線(或其他)通信和數(shù)據(jù)報告設(shè)備來與機(jī)場人員進(jìn)行交互。
[0020]在優(yōu)選實施例中，整個系統(tǒng)安裝在固定平臺上，且任選地包括GPS位置跟蹤系統(tǒng)，用于可視對象標(biāo)識的自動地控制的視頻相機(jī)，計算機(jī)化的對象記錄和標(biāo)記系統(tǒng)。在第二優(yōu)選實施例中，系統(tǒng)安裝在使用軌道或其他裝置與跑道一起緩慢地移動的平臺上。移動平臺選項可以幫助減少覆蓋機(jī)場表面所需的FOD雷達(dá)系統(tǒng)的總數(shù)量。
[0021]在優(yōu)選實施例中，微計算機(jī)或可編程門陣列電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器板被編程為將驅(qū)動電壓發(fā)送到壓控振蕩器，創(chuàng)建驅(qū)動發(fā)射器頻率的完全可編程的線性頻率斜變。在其他實施例中，對于斜率、二階和更高階導(dǎo)數(shù)，對模擬斜變發(fā)生器編程，以創(chuàng)建期望電壓斜變信號。這些組件允許 申請人:調(diào)整頻率掃過的掃過速率、范圍、和準(zhǔn)確度。線性頻率斜變定義雷達(dá)系統(tǒng)的范圍和分辨率，還在高度上掃過天線波束。具有此唯一垂直角控制導(dǎo)向能力允許雷達(dá)波束有選擇地高度上指向，從而在波束在水平方向掃過的過程中跟蹤不均勻的機(jī)場表面。
[0022]附圖簡述
[0023]圖1是異物檢測雷達(dá)的框圖，包括發(fā)射器、接收器、天線、和信號處理組件；
[0024]圖2A示出了雷達(dá)的三角形掃頻波形；
[0025]圖2B示出了相對于掃頻波形的數(shù)字化信號數(shù)據(jù)間隔的對齊；
[0026]圖3示出了常見的發(fā)射與接收天線的配置；
[0027]圖4示出了開槽波導(dǎo)天線；
[0028]圖5示出了頻率掃描開槽波導(dǎo)天線的設(shè)計細(xì)節(jié)；
[0029]圖6示出了提議的雷達(dá)系統(tǒng)的頻率掃描波束的概念；
[0030]圖7示出了 78-8IGHz頻率范圍內(nèi)的開槽天線波束模式(pattern)的圖表；
[0031]圖8示出了使用天線的頻率掃描屬性來跟蹤彎曲的跑道表面的概念；
[0032]圖9A示出了對數(shù)頻率響應(yīng)放大器的框圖；
[0033]圖9B是對數(shù)頻率響應(yīng)放大器電路板的圖示；
[0034]圖9C是對數(shù)頻率響應(yīng)放大器的增益特性；
[0035]圖10是數(shù)據(jù)獲取和FFT處理電路的框圖；
[0036]圖11示出了在其波束中帶有倍數(shù)(multiple)的FOD雷達(dá)FFT頻譜的示例；
[0037]圖12示出了 78-81GHZ頻率范圍內(nèi)的開槽天線回波損耗的典型的曲線圖；
[0038]圖13A是用于改進(jìn)雷達(dá)的發(fā)射與接收信道之間的隔離的相位消除電路的框圖；
[0039]圖13B示出了簡單的相位消除模塊的框圖；
[0040]圖14A示出了對于靜止FOD目標(biāo)的發(fā)射和接收頻率掃描波形(斜變)；
[0041]圖14B示出了固定目標(biāo)的FOD雷達(dá)的FFT頻譜；
[0042]圖15A示出了對于移動的目標(biāo)的發(fā)射和接收掃頻波形(斜變)；
[0043]圖15B示出了對于移動的目標(biāo)的FOD雷達(dá)的FFT頻譜。

【具體實施方式】
[0044]第一優(yōu)選實施例
[0045]在圖1到16中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。此實施例是三維W帶頻調(diào)制的連續(xù)波(FMCW)有源成像雷達(dá)系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地確定機(jī)場表面上的異物的方位和范圍，并向系統(tǒng)操作員顯示此信息。系統(tǒng)具有高達(dá)500米操作范圍，并可以固定在特定位置或沿著指定的軌道緩慢移動。
[0046]系統(tǒng)的雷達(dá)包括毫米波發(fā)射器、接收器、共同的收發(fā)反射器天線、接收器信號的數(shù)字化儀、和FFT處理器。天線形成窄波束，在垂直和水平方向均為0.35度寬。系統(tǒng)采用線性調(diào)頻的三角形啁啾(chirp)射頻波形，在10毫秒內(nèi)掃過78GHz和81GHz之間的3GHz寬的頻率范圍內(nèi)。方位角分辨率在500米范圍大約是三米，且范圍分辨率大約是60cm。
[0047]能力
[0048]系統(tǒng)提供下列能力:
[0049]1.操作范圍:20m到500米。
[0050]2.危險檢測范圍:對于Γχ1〃金屬柱體目標(biāo)，最小500米。
[0051]3.視場:水平地360度(在方位角)，垂直地(在高度方向)4度?？v向視場在天線的前面從大約20米到500米。
[0052]4.范圍分辨率:60cm。
[0053]5.發(fā)射器掃頻:在78和81GHz之間的線性的三角形；
[0054]6.發(fā)射器功率:200暈瓦。
[0055]7.天線偏振:垂直。
[0056]8.獨(dú)立(解析的)像素的最大數(shù)量:水平——在方位角360度掃描1030像素，垂直——12像素。
[0057]9.一個完整的360度圖像獲取時間(水平掃描):最小(沒有數(shù)據(jù)平均)——20秒；
[0058]最大——20xN秒，其中，N——每個方位角的平均數(shù)據(jù)的數(shù)量。
[0059]成像雷達(dá)系統(tǒng)
[0060]頻率掃描雷達(dá)
[0061]圖1中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的成像雷達(dá)系統(tǒng)的框圖。在優(yōu)選實施例中，發(fā)射器模塊2生成連續(xù)波毫米波信號，如圖2A中所示，其通過使用交替上升下降的搖擺(see-saw)頻率掃描圖案30在10毫秒內(nèi)在78至81GHz之間的3Ghz寬的頻率范圍內(nèi)被來回地線性掃過。
[0062]共同的發(fā)射與接收天線單元4(圖1)使用位于天線反射器40的近焦點(diǎn)處的開槽波導(dǎo)天線元件41，如圖3所示。反射器兩英尺寬且27英寸高，且具有垂直取向的橢圓柱的形狀。開槽波導(dǎo)位于橢圓表面的近焦點(diǎn)處，在距離反射器的中心16英寸的距離處。反射器的第二焦點(diǎn)位于中心之外的300英尺處。收發(fā)開槽天線由標(biāo)準(zhǔn)WR-10銅波導(dǎo)制成，帶有切割成它們的窄壁55的縫隙54，如圖4和5所示。天線的開槽部分是24英寸長，如圖4所示，且它是0.13英寸寬?？p隙被間隔0.102英寸，且它們的角度在+/-8度之間交替，如圖5所示。在相對于波導(dǎo)的外表面將縫隙切割到0.015英寸深以產(chǎn)生通過波導(dǎo)窄壁的54個縫隙之前，將波導(dǎo)的窄壁52的一部分變薄到0.006英寸。開槽波導(dǎo)天線的長度確定垂直方向上雷達(dá)的0.35度的角分辨率(半功率波束寬度)。由被開槽波導(dǎo)照射的反射器40 (圖3)的24英寸寬口徑來確定0.35度的水平角分辨率(半功率波束寬度)。在優(yōu)選實施例中，開槽波導(dǎo)頻率掃描天線允許波束的高角分辨率與雷達(dá)的充分寬的垂直FOV組合。使用圓柱形橢圓反射器優(yōu)化各個范圍內(nèi)波束的旁瓣電平(side-lobe level)。還通過在反射器的中心附近提供最大毫米波功率并逐步減少面向其邊緣的照射，來縮小波束旁瓣。此舉通過將開槽波導(dǎo)天線放在反射器前面的某一距離處來完成，以便與反射器的中心處的照射強(qiáng)度相t匕，來自波導(dǎo)的波束在反射器的邊緣處提供近似1dB或較小的照射強(qiáng)度。從開槽波導(dǎo)輻射出并撞擊反射器的邊緣附近的波束42(圖3)攜載比撞擊反射器的中心附近的波束小-1OdB的功率。在此優(yōu)選實施例中，雷達(dá)單元中的電子器件將天線視場指向20米到500米之間的范圍。實際范圍跨度可受限于跑道的平整度、地面上方的天線平臺的高度、或其他因素。
[0063]由于毫米波信號頻率在78和81GHz之間變化，由開槽天線61(圖6)形成的波束62改變其相對于如圖6所示出的跑道表面65的角位置(如圖6中的62到64所示)。(在圖7中示出了在78、79、80、和81GHz時FOD雷達(dá)的典型垂直波束模式70。示出了 8〃長的開槽波導(dǎo)的模型數(shù)據(jù)。在此情況下，半功率波束寬度近似是1.05度，當(dāng)天線長度被增大到24英寸時，1.05度被轉(zhuǎn)換成0.35度寬的波束。)零角度對應(yīng)于天線的法線。負(fù)角度表示當(dāng)法線是水平的時朝向地面的波束方向。在部署中，整體天線傾斜，以將其垂直FOV與跑道或其他所感興趣的表面對齊。波束軸的角位置隨著頻率變化而變化，如圖70所示，因此，F(xiàn)OD的最大垂直視場近似是4度。當(dāng)在78和81GHz之間掃頻，具有0.35度波束寬度且掃過4度寬的垂直FOV的24英寸長的開槽波導(dǎo)天線在垂直方向上形成近似十二個解析的波束。在FOD雷達(dá)圖像中由給定目標(biāo)范圍的像素亮度來編碼每一個波束的信號強(qiáng)度。因此，F(xiàn)OD查找器具有在豎直方向形成12個完全解析的圖像像素以及對于360度水平掃描形成1030完全解析的方位角像素的能力。由于波束停留在目標(biāo)上達(dá)10毫秒掃頻時間的一個1/12，因此，系統(tǒng)的每個高度像素的有效帶寬是3GHz/12 = 250MHz，這將系統(tǒng)范圍分辨率限制到0.6米。為取得最佳系統(tǒng)靈敏度，F(xiàn)OD雷達(dá)收集50%重疊信號樣本，并形成半解析的像素的23X 2060個圖像。對于高達(dá)23X 2060X 1024像素的3D圖像的整體最大大小，F(xiàn)OD雷達(dá)還在O和500米之間的1024范圍面元(bin)處生成圖像。圖8示出了上述圖像形成的描述。對于其水平角中的每一個，雷達(dá)80形成23個半解析的(50%重疊)垂直波束的陣列。將接收信號轉(zhuǎn)換為圖像中的垂直像素。使用最小的一個上且一個下(one each up and one down)掃頻來生成23像素垂直像素陣列，從而區(qū)分移動的和固定目標(biāo)。由于跑道81僅被一個或只被幾個像素覆蓋，特別是在遠(yuǎn)距離時，剩余的垂直像素可能不包含F(xiàn)OD信息。雷達(dá)垂直波束掃描能力允許僅對于包含所感興趣的數(shù)據(jù)的像素來有選擇地處理FOD信息。這在圖8中示出。由于雷達(dá)水平地掃描跑道81，因此，波束84a、84b和84c頻率掃描整個4度F0V，但是，將只有相對于水平85的仰角角1、角2和角3處的像素82a，82b和82c被用來跟蹤跑道上的F0D。在必要時，也可以設(shè)計和部署較寬的FOV開槽波導(dǎo)。
[0064]雷達(dá)電子器件
[0065]在此優(yōu)選實施例中，掃頻用于兩個目的:第一，如上所述，用于在垂直方向上掃過發(fā)射波束，第二是確定與FOD目標(biāo)的距離。這是可行的，因為往返于目標(biāo)FOD的發(fā)射和返回信號是到目標(biāo)的距離的線性函數(shù)。在下面部分說明了此關(guān)系。本部分描述了用于比較發(fā)射信號和接收信號以便提取此頻率差并將它轉(zhuǎn)換為范圍的電子器件。
[0066]圖1是優(yōu)選的雷達(dá)系統(tǒng)的電子器件的示意圖。FOD雷達(dá)的發(fā)射器2和接收器I使用高穩(wěn)定性鎖相的12.25GHz振蕩器5(諸如位于美國加州Tustin的Microwave Dynamics提供的型號PL0-2000)，作為用于生成毫米波信號的參考。12.25GHz信號首先通過接收器中的三倍頻器7a(諸如位于法國Orsay的United Monolithic Semiconductors提供的型號CHX 1094-9F)和和發(fā)射器中的7b轉(zhuǎn)換為36.75GHz，然后，由接收器中的諧波混頻器8a和和發(fā)射器中的8b轉(zhuǎn)換為73.5GHz。在頻率轉(zhuǎn)換的過程中，所產(chǎn)生的信號被放大器15、16和18 (諸如位于馬薩諸塞州Chelmsford的Hittite Microwave Corp.提供的型號HMC-APH510和HMC-AUH318)放大到合適的大小。低相位噪聲壓控振蕩器6 (諸如由位于馬薩諸塞州Chelmsford 的 Hittite Microwave Corp.提供的型號 HMC-C028)生成跨越從 4.5GHz 到7.5GHz的3GHz的線性調(diào)頻信號。通過在諧波混頻器8b中混合73.5GHz和壓控振蕩器信號來生成78GHz和81GHz之間的調(diào)頻發(fā)射信號。通過組合了 4個功率放大器麗IC (諸如由位于馬薩諸塞州Chelmsford的Hittite Microwave Corp.提供的型號HMC-APH333)且的功率放大器9，將所產(chǎn)生的信號放大到近似200毫瓦的功率大小，通過收發(fā)隔離電路27，從發(fā)射天線4來發(fā)射放大的信號。為確保信號相干性并實現(xiàn)大的范圍分辨率，如在圖1中表示的，使用相同12.25GHz參考和壓控振蕩器源作為通過在相位功率分配器25和17中使用雙向來上下轉(zhuǎn)換發(fā)射和接收信號的本地振蕩器。
[0067]從目標(biāo)反射的發(fā)射信號由天線4中的開槽波導(dǎo)41收集，且在穿過隔離電路27之后，被低噪聲放大器10(諸如由位于美國加州Malibu的HRL Laboratories, LLC提供的型號86LN4D)放大。放大器具有+20dB的典型的增益和5dB的噪聲系數(shù)。首先通過在第一混頻器11中與73.5GHz本地振蕩器信號混合來下轉(zhuǎn)換該放大的信號?；祛l器的輸出信號通過三級50dB增益放大器12 (諸如由位于馬薩諸塞州Chelmsford的Hittite MicrowaveCorp.提供的型號HMC396)放大,接著在第二混頻器13 (由位于馬薩諸塞州Chelmsford的Hittite Microwave Corp.提供的型號HMC129)中,使用來自作為本地振蕩器的壓控振蕩器6的跨越從4.5GHz到7.5GHz的3GHz的信號，被下轉(zhuǎn)換為基帶DC_1.25KHz頻率范圍。第二混頻器13的輸出信號由專門設(shè)計的基帶放大器14放大，如下面詳細(xì)描述的，該基帶放大器14將信號帶到適用于數(shù)字化的大小、移除對目標(biāo)的范圍的信號大小的依賴、并過濾掉對應(yīng)于比20米短和比500米長的范圍的信號分量。從雷達(dá)理論已知，來自小目標(biāo)的返回信號的功率與目標(biāo)范圍的四次方成反比。如果目標(biāo)范圍增大因子2，由雷達(dá)截取的返回信號功率縮小16倍或12dB。FOD雷達(dá)的放大器14的基帶對數(shù)頻率響應(yīng)，每八度增益斜率，具有12dB，如圖9C所示。放大器14以對應(yīng)于20米或更小的范圍的低于40KHz的頻率顯著衰減返回信號，而它以對應(yīng)于500米的最大FOD雷達(dá)范圍的ΙΟΟΟΚΗζ的頻率將信號放大+40dB，如圖9C所示。在圖9A和圖9B中示出了放大器14的框圖100以及其電路板圖示100a。來自第二混頻器13(圖1)的基帶信號連接到放大器14的輸入101，來自其輸出102的信號連接到防疊(低通)濾波器26 (諸如由Linear Technology Corp.制造的型號LTG1566-1低噪聲
2.3MHz連續(xù)時間低通濾波器)，然后，送至以每秒1000萬樣本的采樣速率操作的數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器20 (圖1)。在圖9B中還示出了放大器14的信號輸入1la和輸出102a端口。放大器包括第一 20dB增益塊103、二階有源高通濾波器104、第二 20dB增益塊105、和二階有源低通濾波器106，如圖9B所示。兩個濾波器都具有ΙΟΟΟΚΗζ截止頻率，該截止頻率與增益塊相結(jié)合，提供圖9C所示出的頻率響應(yīng)108。使用4信道超低噪聲、高精度運(yùn)算放大器集成電路107 (由位于馬薩諸塞州Norwood的Analog Devices Inc.提供的型號AD8674)來實現(xiàn)整個電路。
[0068]距離計算
[0069]發(fā)射信號和返回信號之間的頻率差是范圍到目標(biāo)的線性函數(shù)。使用接收器的輸出信號來確定到FOD對象的距離。監(jiān)測該信號以檢測超出預(yù)定閾值的高強(qiáng)度峰值，表示來自位于雷達(dá)的視場中的FOD對象的反射。從測量到的峰值的頻率來確定到FOD對象的距離。在此實施例中，分析的信號的頻率范圍是O到ΙΟΟΟΚΗζ。給定10毫秒的掃過時間，頻率的變化速率Af/At是3Χ 10nHz/s。由毫米波波束以光速c進(jìn)行的距離是與目標(biāo)FOD對象的距離R的兩倍。如此，可通過下列公式來確定與目標(biāo)的距離R:
「00701 R = ——^― = (0.5ni/kHz) f
2^/Δ?
[0071]因此，1000kHz的測量到的頻率處的峰值將表示500米處的目標(biāo)。
[0072]隔離頻率
[0073]—旦由對數(shù)頻率響應(yīng)放大器107使雷達(dá)的接收信號強(qiáng)度獨(dú)立于范圍，它就可以被描述為其振幅與目標(biāo)的雷達(dá)截面積成比例且它們的頻率與范圍成比例的正弦信號的總和。 申請人:使用如在圖1中的21所示出的快速傅里葉變換(FFT)處理來確定信號的振幅和頻率。如圖1所示，F(xiàn)OD接收器的輸出被模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器20以每秒1000萬樣本的采樣頻率數(shù)字化，且然后，使用FFT處理器21中的場可編程門陣列芯片，處理為傅里葉功率譜。在下一部分描述了 FFT處理器的細(xì)節(jié)。將實時FFT功率譜(每一功率譜都包含1024頻率分量，帶有16比特的分量大小分辨率)通信至計算機(jī)22，在那里，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為FOD圖像?？闪磉x地，可以將數(shù)字化的時間信號直接傳遞到計算機(jī)CPU，以便進(jìn)行數(shù)值FFT處理，并轉(zhuǎn)換為FOD圖像。位于雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)的專用計算機(jī)22處理FOD圖像、標(biāo)識FOD目標(biāo)、將數(shù)據(jù)通信至系統(tǒng)操作員、控制轉(zhuǎn)盤19以執(zhí)行雷達(dá)天線的水平掃過、跟蹤雷達(dá)位置、自動地控制用于交替目標(biāo)成像的可見光和/或IR相機(jī)、支持用于收集、存儲和處理FOD及其他目標(biāo)的數(shù)據(jù)庫的工具。
[0074]信號數(shù)字化和FFT處理
[0075]圖2B提供FOD雷達(dá)信號數(shù)字化和FFT處理的更多細(xì)節(jié)。如圖2B所示，單一信道模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器20在-1伏特和+1伏特之間的范圍內(nèi)，以16比特分辨率，以每秒1000萬樣本的采樣速率，使接收器電壓數(shù)字化。對于每秒2500萬樣本的有效采樣速率，來平均4個連續(xù)的信號樣本。連續(xù)地將信號數(shù)字化，并饋送給圖10所示出的FFT處理器21。在那里，信號被緩沖到同步存儲器SRAM 151中，且將數(shù)字化數(shù)據(jù)分組到適用于FFT處理器的2048個連續(xù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)樣本。在快速傅里葉變換處理之前，在處理器21中的FPGA中，將每一樣本乘以漢明窗(Hamming window)。該窗口減少了由樣本的有限長度所導(dǎo)致的傅里葉響應(yīng)的旁瓣電平。以對于樣本的連續(xù)的FFT處理的兩倍采樣速率，將來自同步RAM 151的樣本讀取到FFT處理器，在時間上有50%的重疊。樣本的重疊防止由于加窗導(dǎo)致的信號損失，且事實上導(dǎo)致半解析的(垂直角過采樣)波束。
[0076]將信號采樣與三角形壓控振蕩器掃頻31同步，如通過比較圖2A和2B所指示的。第一樣本34從線性掃頻31的開始33處開始。下一樣本#2與樣本#1重疊其長度的50%。樣本3與前面的樣本2重疊，依次類推，所有都如圖2B所示。以每秒2500萬樣本的速率，對于總共2048X 12數(shù)據(jù)點(diǎn)，每一個上或下線性掃頻，獲取總共12個不相重疊的(或23個重疊的)信號樣本，每一樣本都包含2048數(shù)據(jù)點(diǎn)。丟棄與掃過(Sm^p)反向點(diǎn)33和32重合的樣本，如圖10所示。在基于場可編程門陣列(FPGA)的FFT處理器21中，處理FOD雷達(dá)信號樣本的FFT頻譜，與計算FFT頻譜并行，還控制Α/D模塊20、FFT處理器21中的SRAM存儲器、VCO的線性掃頻D/Α電壓發(fā)生器154、以及到計算機(jī)22的USB接口 153的數(shù)據(jù)流。在此優(yōu)選實施例中，使用包含1200萬柵極的Xilinx SC3S1200E FPGA芯片。(FPGA供應(yīng)商Xilinx Inc.在美國加州圣何塞具有辦公室)。到PC 22的USB接口基于CypressSemiconductor USB微控制器芯片CY68013A。(較大的FPGA將允許以較高成本提供較大的處理器靈活性。)通過被編程到FPGA(由Xilinx所提供的FFT核)內(nèi)，在FPGA中創(chuàng)建FFT處理器21。在圖11中示出了 FOD雷達(dá)FFT功率譜160的示例。頻譜中的162處的峰值161表示來自兩個不同的范圍內(nèi)的FOD對象的響應(yīng)。在其他優(yōu)選實施例中，在計算機(jī)的CPU中數(shù)值地計算FFT功率譜。在此情況下，處理器21將不會需要FFT功能。
[0077]VCO中的線性的掃頻生成
[0078]在此優(yōu)選實施例中，場可編程門陣列處理器21通過控制電壓發(fā)生器154的輸出，來同步雷達(dá)信號讀出和VCO掃頻，如圖10所示。發(fā)生器154包含微處理器，該微處理器將存儲在其存儲器中的數(shù)字電壓數(shù)據(jù)輸出到基于包括壓控振蕩器的Texas Instruments Inc.芯片型號DAC8811的數(shù)字-模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器。由FPGA同步信號觸發(fā)數(shù)據(jù)輸出。VCO振蕩器通常具有非線性電壓頻率特性。調(diào)整數(shù)字電壓數(shù)據(jù)，以減少此非線性，并確保VCO隨時間的高度線性的掃頻。D/A轉(zhuǎn)換器的逐步輸出在它應(yīng)用于VCO掃描控制端口之前通過高階低通濾波器平滑化。(在其他優(yōu)選實施例中，使用帶有可控制的斜率、曲率、和高階導(dǎo)數(shù)的模擬斜變發(fā)生器，來產(chǎn)生掃頻電壓，以便消除數(shù)字化斜變發(fā)生器的逐步不連續(xù)的特性。)
[0079]收發(fā)干擾的減輕
[0080]提議的FOD雷達(dá)為毫米波信號的發(fā)射和接收使用共用天線，從而最大化其增益和操作范圍。必須充分隔離發(fā)射和接收信道，否則，高功率發(fā)射信號可漏入接收信道中并干擾FOD檢測。由于來自天線組件的發(fā)射信號的反射，在將發(fā)射器和接收器連接到天線的耦合器27(圖1)中且在開槽天線中發(fā)生泄漏。這些反射信號的相對強(qiáng)度被稱為天線的回波損耗。系統(tǒng)使用三結(jié)循環(huán)器(諸如由美國加州Torrance Quinstar Technologies Inc.制造的型號QJY)來將信號耦合進(jìn)天線且耦合出天線，并將發(fā)射和接收信道隔離近似35db。循環(huán)器構(gòu)成圖1所示出的隔離組件27的一部分。24英寸長的開槽波導(dǎo)天線的典型的平均回波損耗數(shù)據(jù)167近似是-25db，如圖12所示，這是占主導(dǎo)地位的收發(fā)干擾源。在優(yōu)選實施例中，使用基于相位消除技術(shù)的定制設(shè)計的泄漏消除電路。在圖13A和13B示出了電路的框圖。發(fā)射信號的小部分在耦合器173中被分流，并在在消除模塊174中修改之后注入到接收器中。模塊174調(diào)整分流的發(fā)射信號的振幅和相位，以便當(dāng)它通過耦合器175被注入到接收器時與泄漏信號具有相同的大小和相反的相位。在發(fā)射信號在到循環(huán)器171進(jìn)入天線170的路徑172中傳播時，以及通過路徑176反射進(jìn)入接收器Rx時，形成泄漏信號。在該過程中，信號大小下降近似25dB，其相位與信號的頻率以及發(fā)射器和接收器之間的泄漏路徑的電長度成比例地變化。簡單消除模塊174包括串聯(lián)連接的衰減器175a、延遲線174b、和相位調(diào)節(jié)組件174c，如圖13B所示。衰減器允許調(diào)整泄漏消除信號的大小，而延遲線和相位調(diào)諧器設(shè)置其相位。更為復(fù)雜的電路將涉及多個延遲線和相位調(diào)節(jié)組件，以實現(xiàn)與泄漏信號的不均勻的振幅相對頻率的接近的匹配，諸如圖12所示出的。電路的特定設(shè)計將要求對于泄漏信號、模塊174中使用的耦合器173，175和組件的特性的精確的測量?？梢岳弥T如Rohde&Schwartz 型號 R&S ZVAllO 之類的毫米波 Vector Network Analizer 來執(zhí)行測量?？梢允褂肁WR Microwave Office建模軟件來執(zhí)行用于最佳隔離的電路優(yōu)化。收發(fā)隔離必須剛剛足以防止接收信道中的線性放大器的過載和飽和。由于與來往于FOD目標(biāo)的路徑相比非常短的傳播路徑，干擾信號將出現(xiàn)于近零基帶頻率，并將被對數(shù)頻率響應(yīng)放大器14(圖1)拒絕。對于近似45-50dB的總隔離，仔細(xì)設(shè)計的相位消除電路可改進(jìn)發(fā)射器和接收器之間的隔離達(dá)附加20dB或更大。
[0081 ] 移動和固定目標(biāo)之間的區(qū)分
[0082]對于靜止FOD系統(tǒng)的重要要求是能夠在空中交通及跑道、滑行道及其他區(qū)域的其他機(jī)場活動過程中操作并檢測F0D。系統(tǒng)的主要目標(biāo)是檢測地面上的FOD對象，并避免被諸如飛機(jī)、汽車、人、野生動物等等之類的移動對象絆倒。系統(tǒng)使用多普勒頻移效應(yīng)、多方位角掃描數(shù)據(jù)、和持久性分析來區(qū)分移動和固定目標(biāo)。多普勒效應(yīng)允許瞬時標(biāo)識移動目標(biāo)，但是只有在它們向雷達(dá)系統(tǒng)方向或遠(yuǎn)離雷達(dá)系統(tǒng)移動的情況下才可標(biāo)識。垂直于天線波束的目標(biāo)移動不會產(chǎn)生多普勒頻移，可能會觸發(fā)假的FOD檢測。對不同的方位角的活動目標(biāo)的確認(rèn)以及相同位置處的目標(biāo)的持久的觀測將幫助解析不明確的情況，并防止誤報警。在圖14A和B和15A和B中示出了基于多普勒的目標(biāo)分析的細(xì)節(jié)。
[0083]圖14A和B描述了固定FOD目標(biāo)的情況。三角形接收頻率掃描波形201相對于發(fā)射波形200延遲了信號的往返傳播時間δΤ。結(jié)果，在任何給定時間，在發(fā)射和接收信號之間有Fl和F2頻率差，且對于波形的正的和負(fù)的斜變是相同的(Fl = F2)。基帶FOD FFT頻譜將在相同的頻率F處顯示峰值,該峰值獨(dú)立于掃頻方向。頻率差F = Fl = F2與到目標(biāo)的距離成比例。
[0084]如果目標(biāo)具有與雷達(dá)波束的軸平行的非零的速度分量，則接收頻率波形211將相對于發(fā)射波形210移位，不僅在時間方面，而且還在頻率方面，移位多普勒頻移FD的量。如圖15Α所示，上和下掃頻差Fl和F2不再相等，且將在FFT頻譜的不同的FFT面元212和213生成峰值，取決于掃過方向，如圖15Β所示。頻譜中的峰值之間的距離將表征目標(biāo)來往于雷達(dá)的速度，而平均頻率F將對應(yīng)于到移動目標(biāo)的距離，類似于固定目標(biāo)。
[0085]FOD雷達(dá)軟件跟蹤超出檢測閾值的峰值，并將通過三角形掃頻上和下斜率中的峰值位置的如何可重復(fù)來標(biāo)識固定目標(biāo)。長期目標(biāo)持久性分析將使用相同區(qū)域上的多個掃描，以降低誤報警率。
[0086]使用基線測量值，減少誤報警和靈敏度
[0087]當(dāng)在沒有FOD的情況下操作條件允許雷達(dá)圖像累積時，可以顯著改進(jìn)假FOD檢測的比，并降低系統(tǒng)靈敏度。此選項進(jìn)一步被稱為基線測量。雷達(dá)圖像包含其視場內(nèi)的所有對象，其中大部分不是F0D，而是跑道表面面的缺陷、諸如燈，招牌等等之類的永久性的設(shè)備中。可在基線測量過程中收集此永久性(持久性)的環(huán)境的圖像，并在常規(guī)表面掃描過程中從圖像中減去。理想地，在清除了表面上的所有碎片之后，立即執(zhí)行基線測量。使用多個掃描來平均基線圖像，以最小化隨機(jī)因素的效果。一旦從雷達(dá)圖像中減去基線，它將不顯示目標(biāo)，除非在表面上引入了以前不存在的目標(biāo)。基線減法技術(shù)允許減小對于較小的并且比較遠(yuǎn)的FOD目標(biāo)的檢測的檢測閾值，而不會有被永久地存在的那些目標(biāo)觸發(fā)的風(fēng)險。由于系統(tǒng)增益的時間漂移，必須周期性地更新時間測量。
[0088]FOD查找器(finder)的平臺
[0089]天線組合件安裝在電子轉(zhuǎn)盤上，該轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)以方位角(水平地)掃過雷達(dá)通過指定掃過范圍。由Intellidrives’Inc (位于賓夕法尼亞州費(fèi)城)所提供的可編程轉(zhuǎn)盤提供指定任何三國范圍或選擇連續(xù)轉(zhuǎn)動的能力。在優(yōu)選實施例中，天線的機(jī)械掃描用于表示對于180度寬水平掃描方向的1030角度的計算機(jī)產(chǎn)生的水平光柵圖像。雷達(dá)的啁啾時間段利用旋轉(zhuǎn)速度調(diào)時，以便雷達(dá)在它旋轉(zhuǎn)方位角的一個增量時執(zhí)行至少一個一上一下整個高度掃描。
[0090]雷達(dá)通過天線屏蔽罩來免于天氣的影響。天線屏蔽罩由諸如聚苯乙烯之類的薄的塑料制成，該塑料幾乎完全透射毫米波。PTZ可見和/或紅外相機(jī)安裝天線屏蔽罩以及無線通信天線的外面。天線屏蔽罩大小為安裝在轉(zhuǎn)盤19上的天線提供足夠的空間，以水平地旋轉(zhuǎn)360度，并在任何方向收集圖像。發(fā)射和接收信號穿過天線屏蔽罩，幾乎沒有衰減，在4度寬的垂直視場內(nèi)利用頻率上下掃描，如上所述。從頂部安裝平臺到地面調(diào)整垂直視場，以允許對20和500米范圍之間的FOD對象的成像。天線支架將允許機(jī)械調(diào)整，以便雷達(dá)視場與感興趣的區(qū)域?qū)R。
[0091]GPS/INU
[0092]此優(yōu)選實施例可任選地包括微分全球位置傳感器(DGPS)單元。此組件通過軟件與雷達(dá)集成，軟件包括向雷達(dá)操作員示出他在地球上的位置并標(biāo)識雷達(dá)取向的方向的顯示算法。DGPS單元連接到計算機(jī)(PC)。
[0093]外部相機(jī)系統(tǒng)
[0094]此優(yōu)選實施例可以包括包括在全天候的外殼內(nèi)的點(diǎn)-傾斜-變焦相機(jī)。此相機(jī)被設(shè)計成捕捉發(fā)現(xiàn)點(diǎn)處的異物碎片的圖像。對于FOD發(fā)現(xiàn)條件進(jìn)行成像、記錄、并經(jīng)由計算機(jī)22和無線收發(fā)器(未示出)在因特網(wǎng)上進(jìn)行報告。由計算機(jī)22引導(dǎo)，自動將相機(jī)回轉(zhuǎn)到檢測到的FOD項。對象檢測的時間、日期、組、和條件被記錄到板載因特網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，并使用無線連接，被通信到機(jī)場中心的主要數(shù)據(jù)庫。自動地確定時間和日期，而由操作員從FOD軟件菜單人工地選擇對象組和檢測條件。
[0095]FOD系統(tǒng)操作
[0096]在此優(yōu)選實施例中，圖像中的紅點(diǎn)圖標(biāo)表示超出預(yù)定閾值的雷達(dá)回波，不管物品大小和超過閾值的信號大小。每一圖標(biāo)都基于檢測的時間按順序放置，所有都在數(shù)據(jù)庫中按順序編號，它們被置于俯視衛(wèi)星地圖上的檢測到的位置。只顯示通過多個掃過所確認(rèn)的返回。在初始檢測時，點(diǎn)以黃色顯示。當(dāng)多個檢測確認(rèn)它是固定對象時，點(diǎn)顏色變?yōu)榧t色，并發(fā)出可聽報警，警告操作員，發(fā)現(xiàn)了 F0D。
[0097]為進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)性能，可在較大的檢測區(qū)域內(nèi)定義附加指定區(qū)域，表示諸如跑道中心線燈光之類的已知永久性的結(jié)構(gòu)。來自這樣的結(jié)構(gòu)的信號可以在圖像中自動地移除或校正，以允許檢測可能位于跑道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對象附近的FOD物品。
[0098]檢測到的物品的緯度、經(jīng)度、檢測的時間、檢測到對象的人、機(jī)場位置、日期以及多個圖像，被收集并存儲在板載數(shù)據(jù)庫中。通過PC使用GPS/INU和系統(tǒng)時鐘，自動地確定FOD物品坐標(biāo)和檢測時間。還根據(jù)存儲在PC存儲器中的或來自因特網(wǎng)的系統(tǒng)操作員排班表來自動地確定操作員姓名。使用外部和內(nèi)部相機(jī)，收集FOD圖像，如上文所描述的。在收集結(jié)束時，經(jīng)由無線鏈路，將所有數(shù)據(jù)都與因特網(wǎng)數(shù)據(jù)庫同步。
[0099]在其中發(fā)現(xiàn)了 FOD對象而FOD查找器沒有檢測到它的情況下，或者，在雷達(dá)掃過了某個區(qū)域之后在跑道上某個東西正在吹動，用戶可人工地在屏幕上放置紅色FOD點(diǎn)。然后，系統(tǒng)記錄當(dāng)前汽車位置的所有詳細(xì)信息。過程的其余部分與雷達(dá)檢測到的FOD相同。
[0100]在其中應(yīng)該拒絕FOD檢測的情況下(鳥/野生動物/飛機(jī)/人)，物品移動或它不能被取回，操作員選擇“拒絕”，但是，數(shù)據(jù)仍保留在數(shù)據(jù)庫中。一個示例是，檢測到一只鳥落在跑道上,然后，飛走了。由于動物移動，這將被記錄為拒絕。
[0101]Air Boss? 軟件
[0102]FOD查找器在由 申請人:所創(chuàng)建的Air Boss?軟件系統(tǒng)上運(yùn)行。此軟件將機(jī)場管理的所有FAA零件139檢查表項目變?yōu)閹в袑l目的標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)的簡單使用的菜單系統(tǒng)。它通過基于每一項目的有限變量來創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)檢查表，將輸入/記錄量減少到最少。例如，如果滑行道燈燒壞，那么，用戶將觸摸Air Boss徽標(biāo)，且11個機(jī)場管理區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)在屏幕上。然后，操作員選擇“照明”，六個照明子區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)在屏幕的右下方。操作員將挑選“跑道燈不亮(Runway lighting out) ”并觸摸衛(wèi)星圖像上的合適的燈。然后,跑道燈不亮符號將出現(xiàn)在屏幕中的該位置處，所有位置以及時間細(xì)節(jié)都被發(fā)送到數(shù)據(jù)庫。另外，還向合適的檢修機(jī)構(gòu)發(fā)送電子郵件、文本或電話消息工作指令。從發(fā)現(xiàn)到檢修的所有動作都被記錄在數(shù)據(jù)庫上，并滿足FAA對于機(jī)場管理的記錄的要求。
[0103]Air Boss軟件還包括來自因特網(wǎng)的信息，該信息被組合，以向操作員提供情況。此信息包括往返于機(jī)場的飛機(jī)的流量，飛機(jī)細(xì)節(jié)、登機(jī)口信息、飛行狀態(tài)、機(jī)場狀態(tài)、天氣、N0TAMS，以及對機(jī)場操作的管理是不可缺少的并經(jīng)由多個商業(yè)和政府?dāng)?shù)據(jù)庫提供的其他相關(guān)的彳目息。
[0104]Air Boss軟件還有助于防止跑道侵入。隨著汽車接近機(jī)場的禁止通行的區(qū)域或要求與控制機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)的區(qū)域，軟件利用聯(lián)系控制機(jī)構(gòu)的話音警告和指令，可聽見地警告駕駛員，并通過在觸摸屏上放置停止符號，并帶有聯(lián)系控制機(jī)構(gòu)的書面指令，在視覺上警告駕駛員。FOD查找器的所有特征都被禁用，直到駕駛員觸摸了停止符號，確認(rèn)了指令。所有駕駛員動作都被記錄在數(shù)據(jù)庫中。FOD查找器還對跑道/滑行道的表面進(jìn)行成像，以便管理其狀況。它可以檢測裂縫、洞及其他關(guān)鍵零件139細(xì)節(jié)，以便進(jìn)行表面管理。定期地向用戶提供來自所有數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，供許對于多個機(jī)場區(qū)域的分析、預(yù)防、和維護(hù)。
[0105]最近的FOD查找器修改
[0106]與較低版本相比， 申請人:的當(dāng)前優(yōu)選實施例包括下列附加特征。
[0107]八個高清晰度相機(jī)
[0108]向FOD查找器系統(tǒng)添加了八個高清晰度相機(jī)，提供汽車周圍的360度視圖。這可以被用作事件的數(shù)字記錄或作為實況饋送。創(chuàng)建它，因為O’ Hare的機(jī)場經(jīng)理在地下具有辦公室，且不能看到機(jī)場表面發(fā)生了什么。如此，這些相機(jī)可使他通過實況饋送，看到他的團(tuán)隊如何對各種事件作出響應(yīng)。
[0109]性能測試結(jié)果
[0110]FOD查找器雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)是完成FOD檢測的方法，該方法專注于速度和減少誤報警。當(dāng)美國聯(lián)邦航空局比較各種FOD系統(tǒng)以及在中國進(jìn)行類似的比較測試時，此優(yōu)點(diǎn)顯而易見。 申請人:的FOD查找器記錄了 100%檢測率，沒有假目標(biāo)。這兩個因素對與機(jī)場航空操作成功的集成也是關(guān)鍵的，從而最小化對飛機(jī)運(yùn)輸流量的影響。
[0111] 申請人:的FOD查找器雷達(dá)在12-15秒內(nèi)掃過近似180度或2000’的跑道長度(典型裝置)。格式化算法的邏輯，以便在警告/報警確認(rèn)存在FOD物品之前必須連續(xù)3次檢測到FOD對象，如上所述。在第一次檢測期間，記錄FOD物品特定的位置，并將黃點(diǎn)置于地圖上，以向操作員提供已經(jīng)檢測到對象的早期報警。FOD查找器系統(tǒng)經(jīng)由組合的計算機(jī)軟件和雷達(dá)檢測連續(xù)地處理檢測到的對象，以驗證它是否是FOD物品。
[0112]在對物品的第二和第三次掃描過程中，如果其位置沒有改變，則系統(tǒng)將黃色點(diǎn)變?yōu)榧t色點(diǎn)，并向操作員發(fā)送報警。在測試中記錄此整個過程花費(fèi)51秒。比較起來，在相同測試中競爭性的系統(tǒng)被記錄為要花費(fèi)2到4分鐘來執(zhí)行掃描和報告檢測。在這些測試中，F(xiàn)OD查找器檢測了 100%的所有目標(biāo)，而其他系統(tǒng)只能夠?qū)崿F(xiàn)相同目標(biāo)的30-60%檢測率。
[0113]盡管上述描述包含大量的特殊性，但是，讀者不應(yīng)該將這些理解為對本發(fā)明的范圍的限制，但是僅僅作為其優(yōu)選實施例的示范。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將預(yù)想其范圍內(nèi)的許多其他可能的變體。例如，除在本申請的文本中所描述的優(yōu)選實施例之外， 申請人:還預(yù)想設(shè)計的未來的改變以降低成本和/或增加雷達(dá)FOD檢測系統(tǒng)的范圍和/或提高性能。
[0114]偏振靈活性
[0115]天線偏振靈活性可以FOD查找器天線屏蔽罩內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)柱體的形式引入，四分之一波長偏振(polarizat1n)旋轉(zhuǎn)板包括分別在接收和發(fā)射天線的高度的兩個重疊的半柱體。使用馬達(dá)或其他裝置來選擇此圓柱體相對于FOD查找器查看方向的取向，操作員可選擇發(fā)射和接收垂直偏振(當(dāng)前默認(rèn)值)、發(fā)射垂直、接收水平、發(fā)射和接收水平，或發(fā)射水平而接收垂直偏振。其他天線類型，例如，片陣列，也可以與可變電抗器或鐵氧體元件結(jié)合使用，以便更快速地影響偏振特性。對于使用雷達(dá)回波的偏振特性來幫助檢測和表征小目標(biāo)的理論是已知的。
[0116]相控陣接收器
[0117] 申請人:演示了FOD查找器雷達(dá)的變體，其中，以多元件相控陣的形式實現(xiàn)接收天線和無線電接收器。在此實施例中，通過成束處理器來同時記錄并處理來自所有方位角位置的回波而無需旋轉(zhuǎn)相位陣天線的能力，消除了在方位角中機(jī)械掃描的需要。目前，成本考慮排除采用這樣的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，但是，毫米波組件的價格趨勢說明在5年內(nèi)有可承受的相控陣解決方案。 申請人:的雇主獲得了相控陣天線的可選版本的專利，美國專利N0.6，037，908，內(nèi)置式波束形成處理器結(jié)合了可轉(zhuǎn)換的輸出喇叭(horn)，該喇叭按順序采樣方位角波束，以掃過雷達(dá)的方向角圖案，而無需改變天線的取向。后一種天線消除了機(jī)械旋轉(zhuǎn)級的需要，而沒有多信道相控陣接收器的增加的成本。
[0118]較寬的頻率掃描視場
[0119]可以使用蜿蜒天線隙縫天線陣列，來將FOD查找器的高度視場增大到超出其當(dāng)前4度的極限?？闪磉x地，多個多聚焦技術(shù)中的任何一種，包括當(dāng)前幾何形狀的彎曲天線隙縫天線陣或反射器，或采用中心饋電(center-fed)隙縫天線陣，可以用于增大高度視場。
[0120]邊緣檢測和緊急操作
[0121]FOD雷達(dá)也可以在低能見度情況下用于跑道邊緣檢測并標(biāo)識表面上的設(shè)備。它可以用于救援、緊急操作中，并通過“跟著我”過程，幫助飛機(jī)找到跑道。
[0122]其他可能的變體
[0123]系統(tǒng)可以安裝在汽車上并按在專利申請系列號N0.12/806，488 (以引用的方式結(jié)合至此)中詳細(xì)描述的方式使用，或者它可以安裝在汽車上，以便它可以周期性地移動以連續(xù)地周期性地從停放的位置監(jiān)測特定表面區(qū)域。系統(tǒng)可以使用如上述專利申請所描述的兩種天線。系統(tǒng)可包括軌道和輸送機(jī)系統(tǒng)以來回輸送雷達(dá)組件以提供水平掃描。可以從57GHz到10GHz之間的各種范圍中選擇掃描頻率范圍，且范圍可比優(yōu)選實施例中使用的78GHz到81GHz的特定范圍更小或更大。例如，在某些實施例中，1GHz的范圍可較好地起作用。反射器可以是圓柱形拋物面，特別是對于超遠(yuǎn)程的應(yīng)用。
[0124]相應(yīng)地，要求讀者根據(jù)所附權(quán)利要求書以及它們的法定等效內(nèi)容，而不是根據(jù)給定的示例，來確定本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于對位于近似平面的表面的區(qū)域上的對象進(jìn)行成像的遠(yuǎn)距離毫米波成像雷達(dá)系統(tǒng)，且所述系統(tǒng)包括: A)頻率掃描毫米波表面成像雷達(dá)系統(tǒng)，包括: 1)產(chǎn)生電子器件，適用于產(chǎn)生在幾千兆赫的頻率范圍內(nèi)掃描的毫米波輻射， 2)頻率掃描天線系統(tǒng)，適用于: a)以第一掃描方向以窄掃描發(fā)射波束發(fā)射由所述電子器件產(chǎn)生的毫米波福射，定義對應(yīng)于所述掃描毫米波頻率范圍的窄的近似一維的電子掃描視場，以及 b)在垂直于所述第一掃描方向的第二方向被機(jī)械地旋轉(zhuǎn)或掃描，以便定義表面區(qū)域的二維視場， 3)檢測電子器件，適用于檢測通過所述頻率掃描天線系統(tǒng)發(fā)射的、從所述二維視場中的對象反射、并由所述頻率掃描天線系統(tǒng)收集到的毫米波輻射，以及 4)計算機(jī)處理器設(shè)備，適用于基于從所述對象反射并由所述接收天線收集的毫米波輻射，來確定位于所述表面區(qū)域上的對象的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)是靜止的，并適用于連續(xù)地或周期性地監(jiān)測特定表面區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)安裝在汽車上并適用于移動成像。
4.如權(quán)利要求3所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于監(jiān)測所述汽車的全球位置的定位系統(tǒng)。
5.如權(quán)利要求4所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述定位系統(tǒng)是GPS系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求1所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率掃描天線系統(tǒng)包括適用于發(fā)射和接收的單一天線。
7.如權(quán)利要求1所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率掃描天線系統(tǒng)包括兩個頻率掃描天線，一個適用于發(fā)射，且另一個適用于接收。
8.如權(quán)利要求1所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)適用于對機(jī)場表面的FOD成像。
9.如權(quán)利要求8所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)適用于對機(jī)場跑道上的FOD成像。
10.如權(quán)利要求1所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一掃描方向是垂直方向，且所述第二掃描方向是方位角方向。
11.如權(quán)利要求1所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一掃描方向是垂直方向，且所述第二掃描方向是水平方向。
12.如權(quán)利要求11所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，還包括適用于在軌道上來回輸送所述雷達(dá)系統(tǒng)以提供所述水平掃描的軌道和輸送機(jī)系統(tǒng)。
13.如權(quán)利要求1所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述天線系統(tǒng)包括適用于在從57GHz和10GHz之間的毫米波頻率中選擇的操作頻率范圍內(nèi)操作的至少一個開槽天線和橢圓柱反射器。
14.如權(quán)利要求13所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述操作頻率范圍包括78GHz到81GHz的頻率范圍。
15.如權(quán)利要求1所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述產(chǎn)生電子器件包括: A)在預(yù)先選擇的窄帶微波頻率處操作的鎖相振蕩器， B)用于將此預(yù)先選擇的窄帶微波頻率乘以窄帶毫米波頻率的頻率乘法組件， C)用于生成掃描幾千兆赫的頻率范圍的壓控掃描頻率的壓控掃描組件，以及 D)用于將所述壓控掃描頻率與所述窄帶毫米波頻率混合以產(chǎn)生在幾千兆赫的頻率范圍內(nèi)掃描的所述毫米波輻射的混合組件。
16.如權(quán)利要求1所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述接收電子器件包括: A)毫米波放大器， B)適用于將所述收集到的反射的輻射下轉(zhuǎn)換為微波頻率范圍的第一組下轉(zhuǎn)換器電子器件， C)適用于進(jìn)一步將所述收集到的反射的輻射下轉(zhuǎn)換為小于幾千赫的范圍的頻率的第二組下轉(zhuǎn)換器電子器件， D)適用于放大所述第二組下轉(zhuǎn)換器電子器件的所述輸出信號以將所述輸出信號帶到適于數(shù)字化的級別的基帶放大器。
17.如權(quán)利要求1所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，還括適用于與因特網(wǎng)進(jìn)行通信的無線電系統(tǒng)。
18.如權(quán)利要求4所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機(jī)處理器設(shè)備包括: A)適用于顯示包括汽車前面的二維視場的表面區(qū)域的衛(wèi)星表面地圖的顯示監(jiān)視器； B)用于確定所述二維視場中的目標(biāo)的位置的緯度和經(jīng)度的GPS/INU組件和軟件。
19.如權(quán)利要求4所述的成像雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機(jī)處理器設(shè)備包括: A)適用于顯示包括汽車前面的二維視場的表面區(qū)域的衛(wèi)星表面地圖的顯示監(jiān)視器； B)GPS/INU組件和軟件，用于確定緯度和。
【文檔編號】G01S13/06GK104303073SQ201280070331
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月22日
【發(fā)明者】V·考林科, J·A·勞伯格, C·瑟斯頓, G·畢曉普 申請人:雀萊斯企業(yè)股份有限公司