一種機場跑道異物檢測方法與流程

本發明涉及機場安全防護技術領域。更具體地，涉及一種機場跑道異物檢測方法。

背景技術：

機場跑道異物(Foreign Object Debris，FOD)，指可能損傷航空器的某種外來物質、碎屑或物體，如金屬零件、碎石塊、紙屑、樹葉等。FOD嚴重影響飛機的安全，據保守估計，每年全球因FOD造成的損失約為30-40億美元。近年來，隨著民航事業的不斷發展，FOD的自動監測也引起了世界范圍內的關注。

目前存在的FOD監測系統，如英國的Tarsier，以色列的FODetect，美國的FOD Finder等系統主要采用毫米波雷達或毫米波雷達/光學復合模式。毫米波雷達具有高分辨率和小尺寸的優點，可全天候、全天時自動監測機場跑道上的異物，比較適合安裝于機場跑道附近，能夠準確地探測到機場跑道上的外來異物。上述FOD監測系統均采用線性調頻連續波雷達體制，這種體制的雷達發射功率低，接收機靈敏度高，探測距離遠，無距離盲區，能夠檢測到小目標。

現有技術中的FOD監測系統檢測靜止目標是將目標檢測轉化為與目標距離相關的頻率參數估計。頻率參數估計的方法可分為時域和頻域兩類，時域方法估計涉及多參數計算，而且計算量較大，無法實現實時性；相比而言，頻域方法主要基于對時域信號進行離散傅里葉變換，這可通過快速傅里葉變換(FFT)來實現加速，同時不涉及多參數估計問題，因而檢測速度更快，更能滿足機場跑道異物快速檢測要求。

盡管基于FFT的頻域估計方法具有快速計算的優點，但FFT方法自身存在兩點不足：1)有限采樣時間導致的頻譜泄露；2)頻率離散化帶來的柵欄效應。這都會影響頻率估計的準確度，進而影響目標檢測率。此外，該方法無法檢測出強目標干擾下的弱目標。

因此，需要提供一種機場跑道異物檢測方法。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種機場跑道異物檢測方法，以提高強目標干擾下的弱目標檢測概率。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種機場跑道異物檢測方法，該方法包括如下步驟：

S1、對目標反射信號經混頻后得到的中頻信號進行有限長度的FFT變換，得到中頻信號的頻譜；

S2、根據中頻信號的頻譜估計中頻信號的第一頻譜分量的頻率，判斷第一頻譜分量的頻率是否為FFT變換的頻率分辨率的整數倍：若是則將中頻信號的第一頻譜分量的頻率作為第一頻率分量對應的目標的實際頻率；若否則對第一頻譜分量的頻率進行頻率插值，將頻率插值后得到的第一頻譜分量的頻率作為第一頻率分量對應的目標的實際頻率，從而得到更準確的第一頻率分量對應的目標的實際頻率，提高目標檢測精度；

S3、根據第一頻率分量對應的目標的實際頻率得到第一頻率分量對應的目標的幅度和相位，并計算第一頻率分量對應的目標的距離；

S4、將中頻信號減去第一頻率分量對應的目標的實際頻率對應的余弦信號得到的剩余信號作為新的中頻信號，轉入步驟S1，直到得到所有目標的距離。

優選地，步驟S2中所述根據中頻信號的頻譜估計中頻信號的第一頻譜分量的頻率的公式為：

其中，k₁為第一頻譜分量最大值的頻率，f_s為采樣頻率，N為FFT變換的長度。

優選地，FFT變換的頻率分辨率為：Δf＝f_s/N。

優選地，步驟S2中對第一頻譜分量的頻率進行頻率插值的具體過程為：

目標的實際頻率的取值公式為：

其中，δ為目標的實際頻率偏離第一頻譜分量最大值的頻率k₁的偏離值；

第一頻譜分量的頻率與相鄰頻譜分量的頻率比例參數如下：

α₁＝R{S_IF(k₁-1)/S_IF(k₁)}

α₂＝R{S_IF(k₁+1)/S_IF(k₁)}

其中，R{·}為代表取復數的實部；

計算偏離值δ的兩個估計值如下：

δ₁＝α₁/(1-α₁)

δ₂＝-α₂/(1-α₂)

通過偏離值δ的兩個估計值計算得到偏離值δ的取值為：

將偏離值δ代入目標的實際頻率的取值公式計算得到目標的實際頻率

優選地，步驟S3中計算第一頻率分量對應的目標的距離的計算公式為：

其中，α為調頻斜率，c為光速。

本發明的有益效果如下：

本發明所述技術方案該采用頻域插值與時域窗函數的方法來降低FFT技術自身的缺陷，通過插值利用離散點頻譜信息獲取目標的實際頻率(實際頻譜位置)，獲得目標的距離，進而可獲得目標的位置信息；同時采用頻率分量分離的方法提高強目標干擾下的弱目標檢測概率，通過多次迭代得到所有目標的距離和位置信息。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明；

圖1示出機場跑道異物檢測方法的流程圖。

圖2示出頻率插值示意圖。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例和附圖對本發明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護范圍。

如圖1所示，本發明公開的一種機場跑道異物檢測方法，包括如下步驟：

S1、對目標反射信號經混頻后得到的中頻信號進行有限長度的FFT變換，得到中頻信號的頻譜；

S2、根據中頻信號的頻譜估計中頻信號的第一頻譜分量的頻率，判斷第一頻譜分量的頻率是否為FFT變換的頻率分辨率的整數倍：若是則將中頻信號的第一頻譜分量的頻率作為第一頻率分量對應的目標的實際頻率；若否則對第一頻譜分量的頻率進行頻率插值，將頻率插值后得到的第一頻譜分量的頻率作為第一頻率分量對應的目標的實際頻率，從而得到更準確的第一頻率分量對應的目標的實際頻率，提高目標檢測精度；

S3、根據第一頻率分量對應的目標的實際頻率得到第一頻率分量對應的目標的幅度和相位，并計算第一頻率分量對應的目標的距離；

S4、將中頻信號減去第一頻率分量對應的目標的實際頻率對應的余弦信號得到的剩余信號作為新的中頻信號，轉入步驟S1，直到得到所有目標的距離。

本方案中，步驟S1的具體過程為：

FOD監測系統雷達的發射信號(線性調頻連續波)的信號模型為：

其中，f₀為發射信號的起始頻率，α＝B/T為發射信號的調頻斜率，B為掃頻帶寬，T為掃頻周期，為發射信號的初相。

FOD監測系統雷達的發射信號照射到目標后反射回來的目標反射信號的信號模型為：

其中，p為目標個數，i＝1,2,…p為第i個目標的回波時延，r_i為第i個目標到FOD監測系統雷達的距離，c為光速。

目標反射信號經過混頻后得到的中頻信號的信號模型為：

從式(3)可以看出，中頻信號是由p個余弦信號疊加而成的，每個余弦信號對應的頻率為：

這樣，目標的距離與頻率存在如下關系

對式(3)得到的中頻信號進行長度為N的FFT變換，得到中頻信號的頻譜S_IF(K)。

本方案中，步驟S2的具體過程為：

根據中頻信號的頻譜估計中頻信號的第一頻譜分量的頻率

其中，k₁為第一頻譜分量最大值的頻率(頻譜位置)，f_s為采樣頻率；

判斷第一頻譜分量的頻率是否為FFT變換的頻率分辨率Δf＝f_s/N的整數倍：

若是則將中頻信號的第一頻譜分量的頻率作為第一頻率分量對應的目標的實際頻率；

若否，則目標的實際頻率會因FFT的柵欄效應而位于離散頻譜相鄰兩譜線的中間，設目標的實際頻率為：

其中，δ為目標的實際頻率(實際頻譜位置)偏離第一頻譜分量最大值的頻率k₁的偏離值，如圖2所示。

下面給出偏離值δ的估計方法，主要思路是利用第一頻譜分量兩邊的頻譜信息通過插值來獲取目標的實際頻率的優化值：

第一頻譜分量的頻率與相鄰頻譜分量的頻率比例參數如下：

α₁＝R{S_IF(k₁-1)/S_IF(k₁)} (8)

α₂＝R{S_IF(k₁+1)/S_IF(k₁)} (9)

其中，R{·}為代表取復數的實部；

由式(8)、(9)計算偏離值δ的兩個估計值如下：

δ₁＝α₁/(1-α₁) (10)

δ₂＝-α₂/(1-α₂) (11)

通過偏離值δ的兩個估計值計算得到偏離值δ的取值為

將偏離值δ代入式(7)計算得到目標的實際頻率

本方案中，步驟S4的具體過程為：

將第一頻率分量對應的目標的實際頻率代入中頻信號的頻譜中得到第一頻率分量對應的目標的幅度和相位；

并計算第一頻率分量對應的目標的距離，由式(5)和(6)可得，第一頻率分量對應的目標的距離的計算公式為：

因此，對中頻信號進行FFT變化就能得到目標的頻譜分布，如(6)所示，再結合式(13)便可得到目標的距離，進而可通過距離得到目標的位置信息。

本方案中，步驟S5的具體過程為：

從式(3)中發現，中頻信號是由多個余弦信號疊加而成的，對其進行FFT后會得到若干頻率分量，這些頻率分量的幅度值各不相同，對于弱目標，其對應的頻譜分量就會受到來自強目標頻譜分量的干擾，增加檢測難度，從而產生漏檢。為提高機場跑道弱目標檢測概率，提升FOD監測系統檢測能力，對強弱目標同時存在的場景，采用頻率分量分離方法來完成檢測，具體為：

將中頻信號減去2)減去步驟S2得到的第一頻率分量對應的目標的實際頻率對應的余弦信號得到剩余信號，轉入步驟S1，即，將剩余信號作為新的中頻信號，對該剩余信號再進行上述計算頻譜、估計中頻信號的第一頻譜分量的頻率、頻率插值、得到第一頻率分量對應的目標的幅度和相位并計算距離等步驟，直到得到所有目標的距離。

顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之列。