ミリ波レーダーによる空港滑走路異物検出システムの構築

空港滑走路での外来物による破損検出

近年、空港表面上で異物破損 (FOD) を自動検出するニーズは急速に増加しています。このようなFODの容量とサイズが小さい場合でも、これらの物体は航空機を破損する可能性があります。2000年にパリのシャルル・ド・ゴール空港で、滑走路上の小さな金属板が原因で発生したコンコルド事故の後、FODの検出は空港管理者にとって重要な問題となりました。安全確認による滑走路のダウンタイムは、滑走路のタイムスロットを効率的に運用する上で無視できません。電子航法研究所(ENRI)は、航空監視および通信、航空運転の安全性、航空運転経路の効率的な運用を目的とした民間技術の開発を目的とする国際研究機関です。民間航空安全技術に関するさまざまな研究テーマのうち、空港滑走路で小さなFODを検出するためのミリ波レーダーシステムを開発しています。ミリ波レーダーシステムは、カメラシステムと比較して高い検出性能、高レンジ分解能、および気象の堅牢性を実現します。ただし、このシステムにはミリ波回路や信号処理回路の開発など、空港滑走路用の高性能FOD検出システムを実現するための多くの課題もあります。

ミリ波システムの概要

ミリ波レーダーシステムは、ビームスキャンアンテナ、ミリ波送受信回路、信号生成、処理回路、回路の同期と制御から構成されています。FOD検出システムの研究開発トピックは、主に96 GHzミリ波フロントエンド回路の両方に対応しています。さらに、受信信号処理回路および同期回路は、高性能レーダーシステムの不可欠な部分です。新しい技術でミリ波レーダー信号の処理と同期の研究を開始すると、3つの課題に直面しました。

1. 研究の進捗状況を確認し、空港でのフィールド実験を実施するため、4年間の研究開発期間内に毎年レーダー試作システムを構築しています。そのため、受信信号処理回路と同期回路を制限時間内に構築する必要があります。ミリ波回路の開発スケジュールと実験無線ライセンスを取得するための検査に対応するため、開発にかかる時間は1か月未満に制限されていました。
2. ミリ波レーダーシステムは、広帯域周波数リソースを使用してサブセンチメートルレンジ分解能を実現します。しかし、空港の滑走路の広い検出エリアで高解像度を実現するには、レーダー システムが膨大なデータを短時間で処理する必要があります。たとえば、5 cm の距離分解能、直径 200 m の範囲、および 0.036 度の角度分解能で 360 度の方位ビーム スキャンを想定すると、各レーダー フロント エンドのデータ量は少なくとも 1.2 GB/s (16 ビット振幅分解能) になります。 .FPGAやASIC回路などのハードウェア論理回路なしでは、この量のレーダーデータを解析することはできません。
3. レーダー信号処理回路には、高速フーリエ変換(FFT)やトリガ同期によるコヒーレント信号統合などの複雑な信号処理が必要です。この複雑なシステムを外部に委託すると、コストが高くなり、開発期間が長くなります。さらに、研究プロジェクトで得られた新しいアルゴリズムを実装するには、解析プログラムは研究者によって関数を変更および追加する必要があります。FPGA回路用のVHDL、ホストコンピュータ用のCなど、複数のプログラミング言語を使用する場合、プログラミングスキルの習得にかかるコストが気になります。

これらの問題を克服するため、NI PXIプラットフォーム、FlexRIOシステム、およびデジタル化アダプタモジュールを使用して、受信信号処理回路、同期/制御回路を開発しました。図1は、提案されたレーダーシステムがRadio-over-Fibre（RoF）技術に基づく分散型光接続ミリ波レーダーシステムであることを示しています。「分散型」とは、レーダーシステムが施設建物内の中央ユニットと滑走路近くのいくつかのアンテナユニットで構成されることを意味します。各アンテナユニットは、ランプの各検出領域をカバーします。送信周波数は92 GHz～100 GHzです。レーダー信号の発信源は中央ユニットにあります。ミリ波の電気信号を直接光信号に変換します。これにより、ミリ波レーダー変調信号を10km以上低損失で伝送することができます。さらに、アンテナユニットで取得した受信信号は光ファイバを介して中央ユニットにも送信されます。このレーダーアーキテクチャは、中央信号生成/処理および非常にシンプルなアンテナユニットに基づいて、大規模なミリ波レーダーシステムの低コスト構築を実現します。中央信号処理は分散型レーダーシステムを実現する上で重要な機能ですが、これには上記のセクションで説明したような高データスループットレートと柔軟な構築が必要です。この問題を解決するに、LabVIEWソフトウェア、NI PXIプラットフォーム、およびFlexRIOハードウェアを使用した中央システム構築を選択しました。光結合分散型96GHzミリ波レーダーシステムの概要を図2に、レーダー信号処理回路のブロック図を図3にそれぞれ示します。NI PXIe-7975R FlexRIO FPGAモジュールは、FFT解析、信号統合、および信号同期に十分なフリップフロップスライスとメモリリソースを備えています。さらに、PXI Expressバスは、DMA FIFOを使用して最大8 GB/秒のスループットレートで、解析済みのレーダー受信データをホストプログラムに転送できます。 NI PXIe-7975Rでは、FlexRIO用の16ビット、250 MS/秒のNIデジタイザアダプタモジュールを使用しました。このアダプタモジュールには12チャンネルのデジタルI/Oがあり、ビーム走査アンテナを制御し、アンテナ方向の情報を取得できます。このデジタルI/OはFPGA回路にも直接接続されるため、ハードウェアクロックに基づいた正確な信号同期を実現できます。さらに、送信信号源と AD コンバーター間の信号同期も、時間ジッタの少ない FPGA クロックに基づいて実現できます。

ミリ波システムのメリット

レーダー処理回路の高性能化は、レーダー感度の向上に直結します。LabVIEW グラフィカル プログラミング言語の利点を活用するために、信号処理回路の主要なアルゴリズムを 1 か月以内に実装しました。これは、従来のプログラミング方法よりも 90% 高速です。主なメリットは、次の 3 つのメリットです。

まず、FPGA とホスト PC の両方のプログラム コードを LabVIEW で開発できました。構築したシステムにより、8,192 ポイントの FFT 計算とホスト PC へのリアルタイム転送を 10,000 回/秒以上、データ損失なしで実行できます。高感度を実現する複雑な信号の統合とデシメーション処理をうまく実装しています。

次に、研究者は信号処理の柔軟な変更と機能の追加を実現しました。グラフィカルなプログラミング方法の利点です。プログラミングコードの構築を外部に委託する必要がなかったので、LabVIEWを使用して低コストで迅速な構築を実現できました。

さらに、以前作成したLabVIEWコードを再利用できるというメリットもあります。ヘリコプターの衝突回避レーダーは、FPGAベースのNI CompactRIOハードウェアに基づいて開発されました。FPGAフリップフロップスライスのサイズが全く異なる場合でも、レーダー信号処理を含むメインアルゴリズムをほとんど変更せずに再利用することができます。通常、異なるスケールプラットフォームを使用する場合、詳細なクロックタイミングを調整するためにVHDLプログラミングが必要です。ただし、このような時間のかかるクロック調整を行わなくても、LabVIEW FPGAコードを再利用することができます。これもLabVIEW FPGAプログラミングの重要なメリットの1つです。

まとめ

LabVIEWとFlexRIOを使用して、空港滑走路用のFOD検出ミリ波レーダーシステムのプロトタイプを開発することに成功しました。高性能な信号処理回路を構築するためには、研究開発スケジュールが厳しく、予算も限られています。ただし、当社のソリューションは、システムの実現可能性テスト用の試作レーダーシステムの開発に適しています。4年間の研究期間が終了した後も、分散型レーダーアーキテクチャの有効性を確認するために、2つのアンテナユニットの組み合わせのテストを続けています。図4と図5に、それぞれテストシステムの概要と、組み合わせたレーダースコープの例を示します。滑走路全域をカバーするために、アンテナユニットの数は将来的に増加します。NI PXIプラットフォームとFlexRIOをベースにしたプロトタイプシステムを修正して、より実用的なFOD検出システムを実現する予定です。

投稿者​情報:

二ッ森 俊一
国立研究開発法人電子航法研究所（ENRI）監視通信領域
日本