Analizar y mostrar los datos del radar de clase GB/s de los frentes del radar de onda milimétrica de 96 GHz de alta resolución para detectar pequeños residuos en las pistas de los aeropuertos.
Usar la plataforma NI PXI y FlexRIO para lograr el procesamiento de señales del radar en tiempo real basado en el reloj de hardware FPGA con una alta tasa de rendimiento de datos, y usar el código de LabVIEW para el procesamiento de señales del radar para reducir el tiempo de desarrollo en un 90% en comparación con el método de programación convencional.
La demanda para detectar automáticamente residuos de objetos extraños (FOD) en la superficie del aeropuerto ha aumentado rápidamente en los últimos años. Incluso si dichos objetos extraños son pequeños en volumen y tamaño, pueden dañar la aeronave. Después del accidente del Concorde en 2000 en el aeropuerto Charles de Gaulle de París, causado por una pequeña placa metálica en la pista, la detección de objetos extraños es un tema importante para la administración del aeropuerto. El tiempo de inactividad de la pista debido a los controles de seguridad no es despreciable para el funcionamiento eficiente de los horarios de la pista. El Instituto de Investigación de Navegación Eléctrica (ENRI) es la agencia de investigación nacional dedicada a desarrollar tecnologías civiles para la vigilancia y comunicaciones de la aviación, la seguridad del tráfico aéreo y la operación eficiente de las rutas aéreas. Entre los diversos temas de investigación para la tecnología de seguridad de la aviación civil, estamos desarrollando el sistema de radar de onda milimétrica para detectar residuos de objetos extraños en las pistas de los aeropuertos. El sistema de radar de onda milimétrica permite un alto rendimiento de detección, una resolución de alto rango y resistencia a la intemperie en comparación con los sistemas de cámaras. Sin embargo, el sistema también presenta muchos desafíos, como el desarrollo de un circuito de onda milimétrica y un circuito de procesamiento de señales para realizar el sistema de detección de residuos de objetos extraños de alto rendimiento para la pista del aeropuerto.
El sistema de radar de onda milimétrica consta de una antena de escaneo de haz, circuitos de transmisión y recepción de ondas milimétricas, generación de señales, circuitos de procesamiento y circuitos de sincronización y control. Los temas de I&D del sistema de detección de residuos de objetos extraños son principalmente para los circuitos frontales de onda milimétrica de 96 GHz. Además, los circuitos de procesamiento de señales de recepción y los circuitos de sincronización son partes esenciales del sistema de radar de alto rendimiento. Al iniciar la investigación del procesamiento y sincronización de señales del radar de onda milimétrica con una nueva tecnología, enfrentamos tres desafíos:
Para superar estos problemas, usamos la plataforma NI PXI, el sistema FlexRIO y un módulo adaptador digitalizador para desarrollar los circuitos de procesamiento de señales de recepción y los circuitos de sincronización y control. La Figura 1 muestra que el sistema de radar propuesto es un sistema de radar de onda milimétrica de tipo distribuido, conectado ópticamente y basado en la tecnología de radio sobre fibra (RoF). De "tipo distribuido" significa que el sistema de radar consiste en una unidad central dentro de un edificio y algunas unidades de antena cerca de las pistas. Cada unidad de antena cubre cada área de detección en la pista. La frecuencia de transmisión es entre 92 GHz y 100 GHz. La fuente de transmisión de la señal del radar se encuentra en la unidad central. La señal de transmisión eléctrica de onda milimétrica se convierte directamente en la señal óptica. Esto permite la transmisión de baja pérdida de la señal modulada por radar de onda milimétrica en más de 10 km. Además, la señal de recepción obtenida en la unidad de antena también se transmite a la unidad central a través de las fibras ópticas. Esta arquitectura de radar permite la construcción rentable del sistema de radar de onda milimétrica a gran escala, basado en la generación y procesamiento central de señales y unidades de antena muy simples. El procesamiento central de señales es una característica clave para lograr el sistema de radar de tipo distribuido; sin embargo, esto requiere una alta tasa de rendimiento de datos y una construcción flexible como se describe en la sección anterior. Para resolver el problema, elegimos la construcción del sistema central con el softwareLabVIEW, la plataforma NI PXI y el hardware FlexRIO . La Figura 2 y la Figura 3 muestran la descripción general del sistema de radar de onda milimétrica de 96 GHz de tipo distribuido conectado ópticamente y el diagrama de bloques del circuito de procesamiento de señales de radar, respectivamente. El módulo NI PXIe-7975R FlexRIO FPGA tiene suficientes segmentos flip-flop y recursos de memoria para el análisis FFT, integración de señales y sincronización de señales. Además, el bus PXI Express puede transferir los datos de recepción del radar analizados al programa principal con una tasa de rendimiento de hasta 8 GB/s utilizando DMA FIFO. Para el NI PXIe-7975R, usamos un módulo adaptador de digitalizador NI para FlexRIO de 16 bits, 250 MS/s. Este módulo adaptador tiene E/S digital de 12 canales, que pueden controlar la antena de escaneo de haz y obtener la información de la dirección de la antena. Dado que esta E/S digital también se conecta directamente al circuito FPGA, podemos lograr la sincronización precisa de la señal en función del reloj del hardware. Además, también podemos lograr las sincronizaciones de señal entre la fuente de señal de transmisión y el convertidor AD en función del reloj FPGA con baja fluctuación.
El circuito de procesamiento de radar de alto rendimiento condujo directamente a la mejora de la sensibilidad del radar. Para utilizar las ventajas del lenguaje de programación gráfica de LabVIEW , implementamos el algoritmo principal de los circuitos de procesamiento de señales en menos de un mes, que es un 90% más rápido que el método de programación convencional. Los principales beneficios provienen de las siguientes tres ventajas.
Primero, pudimos desarrollar el código del programa tanto de FPGA como de la PC principal con LabVIEW. El sistema construido permite el cálculo de FFT de 8,192 puntos y la transferencia en tiempo real a la PC principal más de 10,000 veces/s, sin pérdida de datos. El complicado procesamiento de eliminación e integración de señales, que logró la alta sensibilidad, ha sido implementado con éxito.
En segundo lugar, los investigadores lograron la modificación flexible y la adición de funciones de procesamiento de señales. Es una ventaja del método de programación gráfica. Dado que no tuvimos que subcontratar la construcción del código de programación, pudimos lograr una construcción rápida y rentable usando LabVIEW.
Finalmente, la ventaja adicional es la reutilización del código de LabVIEW construido anteriormente. Hemos estado desarrollando el radar para evitar colisiones de helicópteros basado en hardware NI CompactRIO basado en FPGA. Incluso si el tamaño del segmento flip-flop de FPGA es totalmente diferente, podemos reutilizar el algoritmo principal, que tiene el procesamiento de la señal del radar, casi sin ningún cambio. Normalmente, se requiere la programación VHDL para ajustar la temporización detallada del reloj cuando se utilizan plataformas de diferentes escalas. Sin embargo, podemos reutilizar el código de LabVIEW FPGA sin un ajuste de reloj que requiere mucho tiempo. Esta es también una de las ventajas importantes de la programación de LabVIEW FPGA.
Desarrollamos con éxito el prototipo del sistema de radar de onda milimétrica de detección de objetos extraños en las pistas de aeropuertos utilizando LabVIEW y FlexRIO. Tenemos un cronograma de I&D muy ajustado y un presupuesto limitado para construir el circuito de procesamiento de señales de alto rendimiento. Sin embargo, nuestras soluciones son adecuadas para desarrollar el prototipo del sistema de radar para la prueba de viabilidad del sistema. Después de que finalizó el período de investigación de cuatro años, continuamos probando la combinación de las dos unidades de antena para confirmar la efectividad de la arquitectura de radar de tipo distribuido. La Figura 4 y la Figura 5 muestran una descripción general del sistema de pruebas y un ejemplo del alcance del radar combinado, respectivamente. Para cubrir todas las áreas de las pistas, el número de unidades de antena se aumentará en el futuro. Planeamos modificar el sistema prototipo basado en la plataforma NI PXI y FlexRIO para lograr un sistema más práctico de detección de objetos extraños.
Shunichi Futatsumori
Departamento de vigilancia y comunicaciones, Instituto de Investigación de Navegación Electrónica (ENRI), Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo
Japón