CN210376677U - 一种固态高分辨率mimo毫米波fod探测雷达设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，包括光学相机组件、第一雷达阵列及第二雷达阵列，所述光学相机组件用来进行光学取证，所述第一雷达阵列和第二雷达阵列位于光学相机组件的两侧，所述第一雷达阵列与第二雷达阵列呈直角状布置安装。本实用新型具有结构简单、能够提高雷达和相机协同性、提高雷达工作可靠性等优点。

Description

一种固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备

技术领域

本实用新型主要涉及到机场安全监测技术领域，特指一种固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备。

背景技术

机场跑道异物（ FOD ）指的是任何不属于机场但出现在机场运作区域并可能对机场造成损失或者飞机造成损害的外来物品，如石块，金属器件，胶带，报纸，树叶等。跑道异物直接影响着飞机的运行安全，一小块塑料布被吸入发动机会引起空中停车，一个小螺钉或金属片甚至尖锐石子将会扎上轮胎引起爆胎。这些异物虽然体积不大，但是对于机场的正常安全运行造成极大影响，甚至形成空难事件。所以，自法国航空公司的空难事故后，机场FOD检测引起了学者和产业界的极大重视。机场的FOD检测需要在全天候、全部气候条件下均能正常稳定工作。

现有跑道边灯式FOD探测雷达采用十年前的技术，射频部分仍采用分立器件，集成度不高，采用波导和反射面天线，需要机械伺服配合才能完成方位上的扫描，机械扫描存在可靠性风险；光学取证时雷达与相机一起转动和对准目标，此时雷达无法继续扫描，存在一定的漏报风险。

综上所述，现有技术的缺点：

1、现有机场FOD边灯式探测雷达，采用机械扫描的方式，可靠性不高。

2、现有机场FOD边灯式探测雷达与光学设备集成一体化，光学设备取证工作时，雷达中断工作，不能全时监视机场跑道。

3、现有机场FOD边灯式探测雷达采用机械扫描，目标探测积累时间比较短，不利于机场复杂杂波环境中的微弱目标检测。

无法解决上述缺点的原因：

1、在机场跑道恶劣的工作环境中，机械扫描需要伺服机构完成，机械装置故障率较高，而且扫描时间过长，扫描间隔中，未探测区域存在产生新的异物的可能，所以整体可靠性不高。

2、因为雷达与光电设备一体，光电转动时，雷达一起转动，所以无法同时工作。

3、机械扫描是采用转动的方式，所以每个探测区域只有雷达扫描到时才能检测目标，所以目标积累时间少。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种结构简单、能够提高雷达和相机协同性、提高雷达工作可靠性的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，包括光学相机组件、第一雷达阵列及第二雷达阵列，所述光学相机组件用来进行光学取证，所述第一雷达阵列和第二雷达阵列位于光学相机组件的两侧，所述第一雷达阵列与第二雷达阵列呈直角状布置安装。

作为本实用新型的进一步改进：所述第一雷达阵列和第二雷达阵列呈固定式安装，并分别用来覆盖180°的探测区域。

作为本实用新型的进一步改进：所述光学相机组件位于中部，并成筒状式设计，所述光学相机组件内设有潜望式相机和反射镜面，通过调节反射镜面的俯仰角度令潜望式相机完成取像。

作为本实用新型的进一步改进：所述光学相机组件通过支撑柱安装于支座上，所述第一雷达阵列和第二雷达阵列安装连接于光学相机组件的两侧。

作为本实用新型的进一步改进：所述第一雷达阵列和第二雷达阵列均采用固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达，所述固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达采用LFMCW发射信号和去调频接收雷达体制，其中连续波体制用于消除近距离探测盲区；宽带LFM用来实现高分辨一维距离像，分辨跑道上的异物；去调频接收用来获取带宽较窄的中频回波。

作为本实用新型的进一步改进：所述高分辨MIMO毫米波FOD雷达采用多发多收阵列和阵列成像技术。

作为本实用新型的进一步改进：所述固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达包括天线阵列、发射接收采集单元、控制单元和实时处理单元。

作为本实用新型的进一步改进：所述固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达通过MIMO方式提高天线孔径， 12个发射天线均匀排列，16个接收天线分成左右两组，排列在两端。

作为本实用新型的进一步改进：所述12个发射天线和16个接收天线的MIMO阵列共形成12×16=192个虚拟阵列单元。

作为本实用新型的进一步改进：所述固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达中的射频前端由4片芯片构成，构成级联工作方式。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，充分利用虚拟孔径的优势，形成一个虚拟的均匀大线性阵列，然后通过在接收端进行波束形成实现窄波束，结合雷达“凝视”处理的长时间积累，可以显著提高目标信噪比和角度测量精度。

2、本实用新型的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，无机械转动机构，可以彻底解决常规机械扫描雷达的可靠性风险。

3、本实用新型的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，雷达探测和光学取证的解耦，在整个光学取证过程中雷达都正常工作。

附图说明

图1是本实用新型的结构原理示意图。

图2是本实用新型在具体应用实例中的立体结构示意图。

图3是本实用新型在具体应用实例中另外一个视角的原理示意图。

图4是本实用新型在具体应用实例中固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达的拓扑结构示意图。

图5是本实用新型在具体应用实例中天线布置示意图。

图6是本实用新型在具体应用实例中射频前端的示意图。

图例说明：

1、光学相机组件；2、第一雷达阵列；3、第二雷达阵列；4、支座；5、支撑柱；101、潜望式相机；102、反射镜面。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

如图1、图2和图3所示，本实用新型的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，包括光学相机组件1、第一雷达阵列2及第二雷达阵列3，所述光学相机组件1用来进行光学取证，所述第一雷达阵列2和第二雷达阵列3位于光学相机组件1的两侧，所述第一雷达阵列2与第二雷达阵列3呈直角状布置安装。所述第一雷达阵列2和第二雷达阵列3呈固定式安装，并分别用来覆盖180°的探测区域。

在具体应用实例中，光学相机组件1位于中部，并成筒状式设计，其中设有潜望式相机101和反射镜面102，通过调节反射镜面102的俯仰角度，从而令潜望式相机101完成取像。

在具体应用实例中，光学相机组件1通过支撑柱5安装于支座4上，第一雷达阵列2和第二雷达阵列3安装于光学相机组件1的两侧。

在具体应用时，结合图1和图2可以看出，第一雷达阵列2及第二雷达阵列3成90度置于整个设备的顶端，高度不超过边灯，光学相机组件1位于雷达前端夹角中心垂直布置，采用圆柱形设计，顶部开180度全景窗，下部为大变焦摄像机，雷达天线板后部为雷达和相机信息处理模块、电源模块和通信模块。雷达不需要机械伺服，就可以实现对跑道的凝视监测，就可以解决现有***在雨雪天气雷达噪点多和光学扫描时雷达中断工作的问题，同时也有利于雷达对目标的探测和检测。

在具体应用实例中，本实用新型的第一雷达阵列2和第二雷达阵列3均采用固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达，该固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达采用LFMCW发射信号和去调频接收雷达体制，其中连续波体制用于消除近距离探测盲区；宽带LFM可实现高分辨一维距离像，精细分辨跑道上的异物；去调频接收可获取带宽较窄的中频回波，有利于降低多路AD采集的负担。

在具体应用实例中，该高分辨MIMO毫米波FOD雷达采用了多发多收阵列和阵列成像（SAR成像）技术，可获得优良的角度分辨率并实现方位扫描。

本实用新型的第一雷达阵列2和第二雷达阵列3中固态雷达采用MIMO方式对场景进行成像，成像速度快（不受机械扫描速度影响），雷达图像帧率高，如固态雷达对90°场景的成像时间往往小于1ms，机械雷达长达十几到几十秒。另外，机械扫描雷达存在机械转动机构，因此扫描速度受转动机构影响，一方面成像速度低，另一方面机械转动存在可靠性风险。对于目标探测，功率和积累时间之积对信噪比影响极大，固态雷达可以“凝视”目标，因此获得近乎100%的积累时间，对于微弱目标探测有很大优势；机扫雷达相反，每次扫描波束照射目标时间极短（ms级），难以长时间积累提高信噪比；对于暂时性FOD，如吹过跑道的草叶、飞鸟等等，仅仅暂时性占用跑道，由于固态雷达的长时间观测能力，那么可以加以排除；而机械扫描没有长时间观测，很容易产生虚警误报；对于雨滴等杂波，其RCS与小FOD可比拟，对于固态雷达，由于长时间观测，那么雨滴在雷达图像序列中呈现“闪烁”特性，可以通过抑制；机械扫描雷达由于照射时间短，在一次扫描中，雨滴杂波持续存在，难以抑制。

参见图4，在具体应用实例中，固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达包括天线阵列、发射接收采集单元、控制单元和实时处理单元。该雷达通过最高达12发和16收的MIMO阵列一共形成12×16=192个虚拟阵列单元，充分利用虚拟孔径的优势，形成一个虚拟的均匀大线性阵列，然后通过在接收端进行波束形成实现窄波束，结合雷达“凝视”处理的长时间积累，可以显著提高目标信噪比和角度测量精度。

参见图6，在具体应用实例中，固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达为了提高角度分辨率，通过MIMO方式提高天线孔径， 12个发射天线均匀排列，16个接收天线分成左右两组，排列在两端。

此外，本实用新型除了提高雷达的探测性能，还由于雷达的“固态”特性，无机械转动机构，可以彻底解决常规机械扫描雷达的可靠性风险，并实现雷达探测和光学取证的解耦，在整个光学取证过程中雷达都正常工作，保证了100%的监测时间覆盖，这对于提高机场可用时间具有重要意义。

参见图5，在具体应用实例中，射频前端由4片芯片构成，构成级联工作方式。其中主芯片输出本振，馈至主芯片和各从芯片，确保射频信号的完全相参；由低相噪晶振输出高稳定和低噪声的时钟，并由时钟分配电路同时送至各芯片，确保数字部分的时序对齐；CPLD产生几路扫描触发信号，分别馈入各芯片，保证采集的同步。

工作时，主控机向单片机发送命令，由单片机初始化各芯片，并写入配置命令，同时通过GPIO控制CPLD产生控制时序，输出扫描触发启动各路信号。各芯片按配置的顺序进行工作，通过LVDS输出中频数字信号，并通过转接座送入主控机的PCI-e总线。

雷达的控制单元用于产生单部雷达工作所需的时序信号，以及多部雷达工作所需的时序信号。

单部雷达包含两个独立工作的阵面，每个阵面包含四个协同工作的毫米波雷达芯片。控制单元产生工作脉冲，同步输入至四个芯片，每个芯片对脉冲计数，并在内部时钟的和命令的控制下切换发射天线。两个阵面采用时分复用的模式协同工作，防止相互干扰。

整个跑道采用相同的同步时钟，同步时钟可以互联的模拟信号，也可以是北斗/GPS驯服时钟，雷达控制单元根据同步时钟，雷达ID编号产生工作脉冲时序，防止雷达间的相互干扰。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，其特征在于，包括光学相机组件（1）、第一雷达阵列（2）及第二雷达阵列（3），所述光学相机组件（1）用来进行光学取证，所述第一雷达阵列（2）和第二雷达阵列（3）位于光学相机组件（1）的两侧，所述第一雷达阵列（2）与第二雷达阵列（3）呈直角状布置安装。

2.根据权利要求1所述的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，其特征在于，所述第一雷达阵列（2）和第二雷达阵列（3）呈固定式安装，并分别用来覆盖180°的探测区域。

3.根据权利要求1所述的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，其特征在于，所述光学相机组件（1）位于中部，并成筒状式设计，所述光学相机组件（1）内设有潜望式相机（101）和反射镜面（102），通过调节反射镜面（102）的俯仰角度令潜望式相机（101）完成取像。

4.根据权利要求1所述的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，其特征在于，所述光学相机组件（1）通过支撑柱（5）安装于支座（4）上，所述第一雷达阵列（2）和第二雷达阵列（3）安装连接于光学相机组件（1）的两侧。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，其特征在于，所述第一雷达阵列（2）和第二雷达阵列（3）均采用固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达，所述固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达采用LFMCW发射信号和去调频接收雷达体制，其中连续波体制用于消除近距离探测盲区；宽带LFM用来实现高分辨一维距离像，分辨跑道上的异物；去调频接收用来获取带宽较窄的中频回波。

6.根据权利要求5所述的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，其特征在于，所述高分辨MIMO毫米波FOD雷达采用多发多收阵列和阵列成像技术。

7.根据权利要求5所述的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，其特征在于，所述固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达包括天线阵列、发射接收采集单元、控制单元和实时处理单元。

8.根据权利要求5所述的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，其特征在于，所述固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达通过MIMO方式提高天线孔径， 12个发射天线均匀排列，16个接收天线分成左右两组，排列在两端。

9.根据权利要求8所述的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，其特征在于，所述12个发射天线和16个接收天线的MIMO阵列共形成12×16=192个虚拟阵列单元。

10.根据权利要求8所述的固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达设备，其特征在于，所述固态高分辨率MIMO毫米波FOD探测雷达中的射频前端由4片芯片构成，构成级联工作方式。

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