构建基于毫米波雷达的机场跑道外来物检测系统

机场跑道外来物检测

近年来，针对自动检测机场跑道外来物(FOD)检测的需求在迅速增长。此类FOD的数量和尺寸即使很小，也可能损坏航空器。2000年，在巴黎戴高乐机场，因跑道上的小金属板而造成协和飞机事故，自那以后，FOD检测已成为机场管理的重要问题。由于安全检查导致的跑道停用时间对于飞机按时起飞的影响不容忽视。日本电子导航研究所(ENRI)是日本国家级研究机构，旨在开发用于航空监视和通信、空中交通安全和航线高效运行的民用航空技术。在民航安全技术的众多研究课题中，我们致力于开发用于检测机场跑道外来物的毫米波雷达系统。与摄像头系统相比，毫米波雷达系统具有高探测性能、高距离分辨率和耐候性。但是，该系统也面临许多挑战，例如开发毫米波电路和信号处理电路以实现高性能的机场跑道FOD检测系统。

毫米波系统概述

毫米波雷达系统由波束扫描天线、毫米波发射和接收电路、信号生成电路、处理电路以及同步和控制电路组成。FOD检测系统的研发课题主要针对2种96 GHz毫米波前端电路。此外，接收信号处理电路和同步电路是高性能雷达系统的重要组成部分。在采用新技术研究毫米波雷达信号处理和同步的初始阶段，主要存在3大挑战：

1. 在4年研发期间，为确认研究进展并开展机场现场试验，我们每年都会构建雷达原型系统。正因如此，必须在有限的时间内构建出接收信号处理电路和同步电路。开发时间限定在1个月内，旨在配合毫米波电路的开发进度和为获得实验无线电许可证所进行的检查。
2. 毫米波雷达系统利用宽带频率资源实现了亚厘米级的距离分辨率。然而，如需在机场跑道的大型探测区域内实现高分辨率，雷达系统必须能在短时间内处理海量数据。例如，假设距离分辨率为5 cm、直径覆盖范围为200 m、波束扫描方位角为360度、角度分辨率为0.036度，则每个雷达前端的数据量至少为1.2 GB/s（16位幅值精度)。如果没有FPGA或ASIC电路等硬件逻辑电路，就无法分析如此数量级的雷达数据。
3. 雷达信号处理电路需要进行复杂的信号处理，例如快速傅立叶变换(FFT)和具备触发同步的相干信号积分。如外包该复杂系统，将导致成本高企和开发周期延长。此外，为实现研究项目获得的新算法，分析程序必须由研究人员来修改和添加函数。如果使用多种编程语言，如对FPGA电路使用VHDL、对主机使用C语言，还需要考虑为学习编程技能而产生的成本。

为克服这些问题，我们使用NI PXI平台、FlexRIO系统和数字化仪适配器模块开发了接收信号处理电路与同步和控制电路。图1所示的雷达系统为基于光载无线(RoF)技术的分布式光连接毫米波雷达系统。“分布式”指雷达系统是由设施建筑内的一个中央单元和跑道附近的一些天线单元组成。每个天线单元覆盖跑道上对应的每块检测区域。发射频率介于92 GHz至100 GHz之间。雷达信号发射源位于中央单元。电毫米波发射信号直接转换为光信号。因此，毫米波雷达调制信号可实现10 km以上的低损耗传输。此外，在天线单元接收到的信号也通过光纤传输至中央单元。该雷达架构基于中央信号生成和处理以及非常简单的天线单元，以低成本实现了大规模毫米波雷达系统的构建。中央信号处理是实现分布式雷达系统的关键，但还需要如上节所述的大数据吞吐量和灵活架构的加持。为解决此问题，我们选择使用LabVIEW软件、NI PXI平台和FlexRIO硬件来构建中央系统。图2和图3所示分别为光连接分布式96 GHz毫米波雷达系统的概览和雷达信号处理电路的结构框图。NI PXIe-7975R FlexRIO FPGA模块具有足够的触发器片和内存资源，可用于FFT分析、信号集成和同步。此外，PXI Express总线还可使用DMA FIFO将经过分析的雷达接收数据以高达8 GB/s的吞吐率传输至主机程序。 对于NI PXIe-7975R，我们使用了用于FlexRIO的16位、250 MS/s NI数字化仪适配器模块。该适配器模块具有12通道数字I/O，可控制波束扫描天线并获取天线方向信息。由于该数字I/O还直接与FPGA电路相连，因此可实现基于硬件时钟的精确信号同步。此外，还可基于短时抖动的FPGA时钟实现发射信号源与AD转换器之间的信号同步。

毫米波系统的优势

高性能雷达处理电路直接实现了雷达灵敏度的提升。通过充分利用LabVIEW图形化编程语言的优势，我们在1个月内就实现了信号处理电路的主要算法，这比传统编程方法快90%。主要受益于以下3个优势。

首先，我们可以使用LabVIEW开发FPGA和主机的程序代码。所构建的系统可进行8,192点FFT计算，并以超过10,000次/秒的速度实时传输至主机，且不会丢失任何数据。成功实现了对复杂信号的集成和抽取处理，展示了高灵敏度。

其次，研究人员能够对信号处理进行灵活修改和功能添加。这是图形化编程方法的一大优势。由于无需将编程代码的构建工作外包，我们可利用LabVIEW快速实现低成本构建。

最后的一大优势是可复用之前构建的LabVIEW代码。我们一直在开发基于FPGA的NI CompactRIO硬件的直升机防撞雷达。即使FPGA触发器片的大小完全不同，我们也可复用具有雷达信号处理的主算法，且几乎无需进行任何改动。通常在使用不同的换算平台时，需要通过VHDL编程来调整详细的时钟定时。但是，我们可以复用LabVIEW FPGA代码，而无需进行如此耗时的时钟调整。这也是采用LabVIEW FPGA编程的重要优势之一。

结论

我们使用LabVIEW和FlexRIO成功开发了用于机场跑道FOD检测的毫米波雷达系统原型。紧迫的开发时间和有限的预算加大了构建高性能信号处理电路的难度。但是，我们的解决方案适用于开发原型雷达系统以进行任何系统可行性测试。历经四年的研究，我们继续测试了2种天线单元组合，以确认分布式雷达架构的有效性。图4和图5所示分别为测试系统的概览和组合雷达范围的示例。为覆盖跑道的所有区域，未来天线单元的数量将会增加。我们计划基于NI PXI平台和FlexRIO修改原型系统，以构建更实用的FOD检测系统。

作者信息：

Shunichi Futatsumori
国家研究与发展署电子导航研究所(ENRI)监视与通信部
日本