CN106646416A - 一种机场跑道异物检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机场跑道异物检测方法，包括：S1、对中频信号进行有限长度的FFT变换，得到中频信号的频谱；S2、根据频谱估计第一频谱分量的频率，判断第一频谱分量的频率是否为FFT变换的频率分辨率的整数倍：若是则将中频信号的第一频谱分量的频率作为其对应的目标的实际频率；若否则对第一频谱分量的频率进行频率插值，将频率插值结果作为其对应的目标的实际频率；S3、根据目标的实际频率得到目标的幅度和相位，并计算目标的距离；S4、将中频信号减去目标的实际频率对应的余弦信号得到的剩余信号作为新的中频信号，转入步骤S1，直到得到所有目标的距离。本发明提高提高目标检测精度。

Description

一种机场跑道异物检测方法

技术领域

本发明涉及机场安全防护技术领域。更具体地，涉及一种机场跑道异物检测方法。

背景技术

机场跑道异物(Foreign Object Debris，FOD)，指可能损伤航空器的某种外来物质、碎屑或物体，如金属零件、碎石块、纸屑、树叶等。FOD严重影响飞机的安全，据保守估计，每年全球因FOD造成的损失约为30-40亿美元。近年来，随着民航事业的不断发展，FOD的自动监测也引起了世界范围内的关注。

目前存在的FOD监测***，如英国的Tarsier，以色列的FODetect，美国的FODFinder等***主要采用毫米波雷达或毫米波雷达/光学复合模式。毫米波雷达具有高分辨率和小尺寸的优点，可全天候、全天时自动监测机场跑道上的异物，比较适合安装于机场跑道附近，能够准确地探测到机场跑道上的外来异物。上述FOD监测***均采用线性调频连续波雷达体制，这种体制的雷达发射功率低，接收机灵敏度高，探测距离远，无距离盲区，能够检测到小目标。

现有技术中的FOD监测***检测静止目标是将目标检测转化为与目标距离相关的频率参数估计。频率参数估计的方法可分为时域和频域两类，时域方法估计涉及多参数计算，而且计算量较大，无法实现实时性；相比而言，频域方法主要基于对时域信号进行离散傅里叶变换，这可通过快速傅里叶变换(FFT)来实现加速，同时不涉及多参数估计问题，因而检测速度更快，更能满足机场跑道异物快速检测要求。

尽管基于FFT的频域估计方法具有快速计算的优点，但FFT方法自身存在两点不足：1)有限采样时间导致的频谱泄露；2)频率离散化带来的栅栏效应。这都会影响频率估计的准确度，进而影响目标检测率。此外，该方法无法检测出强目标干扰下的弱目标。

因此，需要提供一种机场跑道异物检测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机场跑道异物检测方法，以提高强目标干扰下的弱目标检测概率。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种机场跑道异物检测方法，该方法包括如下步骤：

S1、对目标反射信号经混频后得到的中频信号进行有限长度的FFT变换，得到中频信号的频谱；

S2、根据中频信号的频谱估计中频信号的第一频谱分量的频率，判断第一频谱分量的频率是否为FFT变换的频率分辨率的整数倍：若是则将中频信号的第一频谱分量的频率作为第一频率分量对应的目标的实际频率；若否则对第一频谱分量的频率进行频率插值，将频率插值后得到的第一频谱分量的频率作为第一频率分量对应的目标的实际频率，从而得到更准确的第一频率分量对应的目标的实际频率，提高目标检测精度；

S3、根据第一频率分量对应的目标的实际频率得到第一频率分量对应的目标的幅度和相位，并计算第一频率分量对应的目标的距离；

S4、将中频信号减去第一频率分量对应的目标的实际频率对应的余弦信号得到的剩余信号作为新的中频信号，转入步骤S1，直到得到所有目标的距离。

优选地，步骤S2中所述根据中频信号的频谱估计中频信号的第一频谱分量的频率的公式为：

其中，k₁为第一频谱分量最大值的频率，f_s为采样频率，N为FFT变换的长度。

优选地，FFT变换的频率分辨率为：Δf＝f_s/N。

优选地，步骤S2中对第一频谱分量的频率进行频率插值的具体过程为：

目标的实际频率的取值公式为：

其中，δ为目标的实际频率偏离第一频谱分量最大值的频率k₁的偏离值；

第一频谱分量的频率与相邻频谱分量的频率比例参数如下：

α₁＝R{S_IF(k₁-1)/S_IF(k₁)}

α₂＝R{S_IF(k₁+1)/S_IF(k₁)}

其中，R{·}为代表取复数的实部；

计算偏离值δ的两个估计值如下：

δ₁＝α₁/(1-α₁)

δ₂＝-α₂/(1-α₂)

通过偏离值δ的两个估计值计算得到偏离值δ的取值为：

将偏离值δ代入目标的实际频率的取值公式计算得到目标的实际频率

优选地，步骤S3中计算第一频率分量对应的目标的距离的计算公式为：

其中，α为调频斜率，c为光速。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案该采用频域插值与时域窗函数的方法来降低FFT技术自身的缺陷，通过插值利用离散点频谱信息获取目标的实际频率(实际频谱位置)，获得目标的距离，进而可获得目标的位置信息；同时采用频率分量分离的方法提高强目标干扰下的弱目标检测概率，通过多次迭代得到所有目标的距离和位置信息。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出机场跑道异物检测方法的流程图。

图2示出频率插值示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开的一种机场跑道异物检测方法，包括如下步骤：

S1、对目标反射信号经混频后得到的中频信号进行有限长度的FFT变换，得到中频信号的频谱；

S2、根据中频信号的频谱估计中频信号的第一频谱分量的频率，判断第一频谱分量的频率是否为FFT变换的频率分辨率的整数倍：若是则将中频信号的第一频谱分量的频率作为第一频率分量对应的目标的实际频率；若否则对第一频谱分量的频率进行频率插值，将频率插值后得到的第一频谱分量的频率作为第一频率分量对应的目标的实际频率，从而得到更准确的第一频率分量对应的目标的实际频率，提高目标检测精度；

S3、根据第一频率分量对应的目标的实际频率得到第一频率分量对应的目标的幅度和相位，并计算第一频率分量对应的目标的距离；

S4、将中频信号减去第一频率分量对应的目标的实际频率对应的余弦信号得到的剩余信号作为新的中频信号，转入步骤S1，直到得到所有目标的距离。

本方案中，步骤S1的具体过程为：

FOD监测***雷达的发射信号(线性调频连续波)的信号模型为：

其中，f₀为发射信号的起始频率，α＝B/T为发射信号的调频斜率，B为扫频带宽，T为扫频周期，为发射信号的初相。

FOD监测***雷达的发射信号照射到目标后反射回来的目标反射信号的信号模型为：

其中，p为目标个数，i＝1,2,…p为第i个目标的回波时延，r_i为第i个目标到FOD监测***雷达的距离，c为光速。

目标反射信号经过混频后得到的中频信号的信号模型为：

从式(3)可以看出，中频信号是由p个余弦信号叠加而成的，每个余弦信号对应的频率为：

这样，目标的距离与频率存在如下关系

对式(3)得到的中频信号进行长度为N的FFT变换，得到中频信号的频谱S_IF(K)。

本方案中，步骤S2的具体过程为：

根据中频信号的频谱估计中频信号的第一频谱分量的频率

其中，k₁为第一频谱分量最大值的频率(频谱位置)，f_s为采样频率；

判断第一频谱分量的频率是否为FFT变换的频率分辨率Δf＝f_s/N的整数倍：

若是则将中频信号的第一频谱分量的频率作为第一频率分量对应的目标的实际频率；

若否，则目标的实际频率会因FFT的栅栏效应而位于离散频谱相邻两谱线的中间，设目标的实际频率为：

其中，δ为目标的实际频率(实际频谱位置)偏离第一频谱分量最大值的频率k₁的偏离值，如图2所示。

下面给出偏离值δ的估计方法，主要思路是利用第一频谱分量两边的频谱信息通过插值来获取目标的实际频率的优化值：

第一频谱分量的频率与相邻频谱分量的频率比例参数如下：

α₁＝R{S_IF(k₁-1)/S_IF(k₁)} (8)

α₂＝R{S_IF(k₁+1)/S_IF(k₁)} (9)

其中，R{·}为代表取复数的实部；

由式(8)、(9)计算偏离值δ的两个估计值如下：

δ₁＝α₁/(1-α₁) (10)

δ₂＝-α₂/(1-α₂) (11)

通过偏离值δ的两个估计值计算得到偏离值δ的取值为

将偏离值δ代入式(7)计算得到目标的实际频率

本方案中，步骤S4的具体过程为：

将第一频率分量对应的目标的实际频率代入中频信号的频谱中得到第一频率分量对应的目标的幅度和相位；

并计算第一频率分量对应的目标的距离，由式(5)和(6)可得，第一频率分量对应的目标的距离的计算公式为：

因此，对中频信号进行FFT变化就能得到目标的频谱分布，如(6)所示，再结合式(13)便可得到目标的距离，进而可通过距离得到目标的位置信息。

本方案中，步骤S5的具体过程为：

从式(3)中发现，中频信号是由多个余弦信号叠加而成的，对其进行FFT后会得到若干频率分量，这些频率分量的幅度值各不相同，对于弱目标，其对应的频谱分量就会受到来自强目标频谱分量的干扰，增加检测难度，从而产生漏检。为提高机场跑道弱目标检测概率，提升FOD监测***检测能力，对强弱目标同时存在的场景，采用频率分量分离方法来完成检测，具体为：

将中频信号减去2)减去步骤S2得到的第一频率分量对应的目标的实际频率对应的余弦信号得到剩余信号，转入步骤S1，即，将剩余信号作为新的中频信号，对该剩余信号再进行上述计算频谱、估计中频信号的第一频谱分量的频率、频率插值、得到第一频率分量对应的目标的幅度和相位并计算距离等步骤，直到得到所有目标的距离。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种机场跑道异物检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、对目标反射信号经混频后得到的中频信号进行有限长度的FFT变换，得到中频信号的频谱；

S2、根据中频信号的频谱估计中频信号的第一频谱分量的频率，判断第一频谱分量的频率是否为FFT变换的频率分辨率的整数倍：若是则将中频信号的第一频谱分量的频率作为第一频率分量对应的目标的实际频率；若否则对第一频谱分量的频率进行频率插值，将频率插值后得到的第一频谱分量的频率作为第一频率分量对应的目标的实际频率；

S3、根据第一频率分量对应的目标的实际频率得到第一频率分量对应的目标的幅度和相位，并计算第一频率分量对应的目标的距离；

S4、将中频信号减去第一频率分量对应的目标的实际频率对应的余弦信号得到的剩余信号作为新的中频信号，转入步骤S1，直到得到所有目标的距离。

2.根据权利要求1所述的机场跑道异物检测方法，其特征在于，步骤S2中所述根据中频信号的频谱估计中频信号的第一频谱分量的频率的公式为：

$\hat{f}=k_1\frac{f_s}{N}$

其中，k₁为第一频谱分量最大值的频率，f_s为采样频率，N为FFT变换的长度。

3.根据权利要求2所述的机场跑道异物检测方法，其特征在于，FFT变换的频率分辨率为：Δf＝f_s/N。

4.根据权利要求3所述的机场跑道异物检测方法，其特征在于，步骤S2中对第一频谱分量的频率进行频率插值的具体过程为：

目标的实际频率的取值公式为：

其中，δ为目标的实际频率偏离第一频谱分量最大值的频率k₁的偏离值；

第一频谱分量的频率与相邻频谱分量的频率比例参数如下：

α₁＝R{S_IF(k₁-1)/S_IF(k₁)}

α₂＝R{S_IF(k₁+1)/S_IF(k₁)}

其中，R{·}为代表取复数的实部；

计算偏离值δ的两个估计值如下：

δ₁＝α₁/(1-α₁)

δ₂＝-α₂/(1-α₂)

通过偏离值δ的两个估计值计算得到偏离值δ的取值为：

$\mathrm{\δ}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_1,{\mathrm{\δ}}_1>0,{\mathrm{\δ}}_2>0\\ {\mathrm{\δ}}_2,others\end{array}\right.$

将偏离值δ代入目标的实际频率的取值公式计算得到目标的实际频率

5.根据权利要求4所述的机场跑道异物检测方法，其特征在于，步骤S3中计算第一频率分量对应的目标的距离的计算公式为：

$\hat{r}=\frac{c\hat{f}}{2\mathrm{\α}}$

其中，α为调频斜率，c为光速。