Création d’un système de détection d’objets intrus sur une piste d’aéroport basé sur un radar à ondes millimétriques

Détection d’objets intrus sur les pistes d’aéroport

La demande de détection automatique d’objets intrus (FOD) sur les pistes d’aéroport a rapidement augmenté ces dernières années. Même s’ils sont de petite taille et de faible volume, ces objets peuvent endommager les avions. Après l’accident du Concorde en 2000 à l’aéroport Charles de Gaulle à Paris, causé par une petite plaque métallique sur la piste, la détection des objets intrus est un sujet important pour l’administration aéroportuaire. Les temps d’arrêt de la piste dus aux contrôles de sécurité ne sont pas négligeables pour l’efficacité de l’exploitation du créneau horaire de la piste. L’Electric Navigation Research Institute (ENRI) est l’organisme national de recherche qui vise à développer des technologies civiles pour la surveillance et la communication aériennes, la sécurité du trafic aérien et l’exploitation efficace des routes aériennes. Parmi les différents sujets de recherche sur les technologies de sécurité de l’aviation civile, nous développons un système radar à ondes millimétriques pour détecter les petits objets intrus sur les pistes d’aéroport. Le système radar à ondes millimétriques offre des performances de détection élevées, une résolution à grande portée et une résistance aux intempéries par rapport aux systèmes de caméras. Cependant, le système présente également de nombreux défis, tels que le développement d’un circuit à ondes millimétriques et d’un circuit de traitement du signal pour réaliser le système de détection FOD hautes performances pour les pistes d’aéroport.

Présentation du système à ondes millimétriques

Le système radar à ondes millimétriques se compose d’une antenne à balayage de faisceau, de circuits de transmission et de réception d’ondes millimétriques, de circuits de génération de signaux, de circuits de traitement et de circuits de synchronisation et de contrôle. Les sujets de R&D du système de détection d’objets intrus concernent principalement les deux circuits frontaux à ondes millimétriques de 96 GHz. De plus, les circuits de traitement du signal de réception et les circuits de synchronisation sont des éléments essentiels du système radar hautes performances. Au début de la recherche sur le traitement et la synchronisation des signaux radar à ondes millimétriques avec une nouvelle technologie, nous avons dû relever trois défis :

1. Pour confirmer l’état d’avancement des travaux de recherche et réaliser les expériences sur le terrain dans les aéroports, le système prototype du radar est construit chaque année pendant la période de quatre ans de R&D. Nous devons donc construire les circuits de traitement du signal de réception et les circuits de synchronisation en un temps limité. Le temps dont nous disposions pour le développement était limité à moins d’un mois afin de tenir compte du calendrier de construction des circuits à ondes millimétriques et de l’inspection en vue de l’obtention de la licence de radio expérimentale.
2. Le système radar à ondes millimétriques permet d’obtenir une résolution subcentimétrique en utilisant les ressources de fréquence à large bande. Cependant, pour obtenir une résolution élevée dans la vaste zone de détection de la piste de l’aéroport, le système radar doit traiter d’énormes quantités de données en peu de temps. Par exemple, en supposant une résolution de 5 cm, une couverture de 200 m de diamètre et un balayage du faisceau en azimut de 360 degrés avec une résolution angulaire de 0,036 degré, la quantité de données est d’au moins 1,2 Go/s (résolution d’amplitude de 16 bits) pour chaque frontal de radar. Nous ne pouvons pas analyser cette quantité de données radar sans un circuit logique matériel, tel que le circuit FPGA ou ASIC.
3. Le circuit de traitement du signal radar nécessite un traitement de signal complexe tel que la transformée de Fourier rapide (FFT) et des intégrations de signaux cohérents avec synchronisation de déclenchement. L’externalisation de ce système complexe entraîne des coûts élevés et une longue période de développement. De plus, pour implémenter le nouvel algorithme obtenu dans le cadre du projet de recherche, les programmes d’analyse doivent modifier et ajouter les fonctions développées par les chercheurs. Si nous utilisons plusieurs langages de programmation tels que VHDL pour le circuit FPGA et C pour l’ordinateur hôte, le coût d’acquisition des compétences en programmation nous préoccupe.

Pour surmonter ces problèmes, nous avons utilisé la plate-forme NI PXI, le système FlexRIO et un module d’adaptation numériseur pour développer les circuits de traitement du signal de réception et les circuits de synchronisation et de contrôle. La figure 1 montre que le système radar proposé est un système radar à ondes millimétriques à connexion optique de type distribué basé sur la technologie radio sur fibre (RoF). Le « type distribué » signifie que le système radar se compose d’une unité centrale à l’intérieur d’un bâtiment et de quelques antennes à proximité des pistes. Chaque antenne couvre chaque zone de détection de la piste. La fréquence d’émission est comprise entre 92 GHz et 100 GHz. La source de transmission du signal radar se trouve dans l’unité centrale. Le signal électrique à ondes millimétriques est directement converti en signal optique. Cela permet la transmission à faible perte de signaux modulés par un radar à ondes millimétriques sur plus de 10 km. De plus, le signal de réception obtenu au niveau de l’antenne est également transmis à l’unité centrale par le biais des fibres optiques. Cette architecture radar permet la construction à faible coût du système radar à ondes millimétriques à grande échelle, basé sur la génération et le traitement de signaux centraux et des antennes très simples. Le traitement central du signal est une fonctionnalité clé pour réaliser le système radar distribué. Cependant, il nécessite un débit de données élevé et une construction flexible, comme décrit dans la section précédente. Pour résoudre ce problème, nous avons choisi de construire un système central avec le logiciel LabVIEW, la plate-forme NI PXI et le matériel FlexRIO. Les figures 2 et 3 présentent respectivement le système radar à ondes millimétriques de type distribué 96 GHz à connexion optique et le diagramme du circuit de traitement du signal radar. Le module FPGA NI PXIe-7975R FlexRIO dispose de suffisamment de tranches de bascule et de ressources mémoire pour l’analyse FFT, ainsi que pour l’intégration et la synchronisation de signaux. De plus, le bus PXI Express peut transférer les données de réception radar analysées vers le programme hôte avec un débit pouvant atteindre 8 Go/s grâce à la FIFO DMA. Pour le PXIe-7975R de NI, nous avons utilisé un module d’adaptation numériseur NI 16 bits, 250 Méch./s pour FlexRIO. Ce module d'adaptation est doté d’E/S numériques à 12 voies, qui permettent de contrôler l’antenne à balayage de faisceau et d’obtenir les informations sur la direction de l’antenne. Étant donné que ces E/S numériques se connectent également directement au circuit FPGA, nous pouvons obtenir une synchronisation précise du signal en fonction de l’horloge matérielle. De plus, nous pouvons également synchroniser les signaux entre la source du signal de transmission et le convertisseur analogique/numérique sur la base de l’horloge FPGA avec une faible gigue temporelle.

Avantages du système à ondes millimétriques

Le circuit de traitement radar hautes performances a directement permis d’améliorer la sensibilité du radar. Pour tirer parti des avantages du langage de programmation graphique LabVIEW, nous avons implémenté l’algorithme principal des circuits de traitement du signal en moins d’un mois, soit 90 % plus rapidement qu’avec la méthode de programmation conventionnelle. Les trois avantages principaux sont les suivants :

Tout d’abord, nous avons pu développer le code de programme du FPGA et du PC hôte avec LabVIEW. Le système construit permet le calcul de la FFT à 8192 points et le transfert en temps réel vers le PC hôte plus de 10 000 fois/s, sans aucune perte de données. L’intégration complexe du signal et le traitement de la décimation, qui ont permis d’obtenir une sensibilité élevée, ont bien été implémentés.

Ensuite, les chercheurs sont parvenus à modifier de manière flexible le traitement du signal et à y ajouter des fonctions. C’est un avantage de la méthode de programmation graphique. Dans la mesure où nous n’avons pas eu à sous-traiter la construction du code de programmation, nous avons pu construire rapidement et à moindre coût avec LabVIEW.

Enfin, la réutilisation du code LabVIEW précédemment construit constitue un autre avantage. Nous avons développé le radar anticollision pour hélicoptère à partir du matériel NI CompactRIO basé sur FPGA. Même si la taille de la tranche de bascule FPGA est totalement différente, nous pouvons réutiliser l’algorithme principal, qui traite le signal radar, presque sans aucun changement. Normalement, la programmation VHDL est nécessaire pour ajuster le cadencement détaillé de l’horloge lorsque des plates-formes de différentes tailles sont utilisées. Cependant, nous pouvons réutiliser le code LabVIEW FPGA sans ce réglage d’horloge chronophage. C’est également l’un des principaux avantages de la programmation LabVIEW FPGA.

Conclusion

Nous avons développé le prototype du système radar à ondes millimétriques de détection d’objets intrus pour les pistes d’aéroport à l’aide de LabVIEW et de FlexRIO. Notre calendrier de R&D est serré et notre budget limité pour construire le circuit de traitement des signaux hautes performances. Cependant, nos solutions sont adaptées au développement du prototype de système radar pour le test de faisabilité du système. Une fois la période de recherche de quatre ans terminée, nous avons continué à tester la combinaison des deux antennes pour confirmer l’efficacité de l’architecture radar distribuée. Les figures 4 et 5 présentent respectivement le système de test et un exemple d’écran radar combiné. Pour couvrir toutes les zones des pistes, le nombre d’antennes augmentera à l’avenir. Nous prévoyons de modifier le système prototype basé sur la plate-forme NI PXI et FlexRIO pour obtenir un système de détection d’objets intrus plus pratique.

Informations sur l’auteur :

Shunichi Futatsumori
Surveillance and Communications Department, Electronic Navigation Research Institute (ENRI), National Research and Development Agency
Japon