CN104303073A - 远距离毫米波表面成像雷达系统 - Google Patents

Abstract

一种用于检测跑道、滑行道、及其他感兴趣的区域的表面上的异物碎片的远距离毫米波成像雷达系统。该系统包括适用于产生在几千兆赫的频率范围内扫描的毫米波辐射的电子器件。通过频率扫描天线来广播扫描毫米波辐射，从而产生第一扫描方向(诸如垂直方向)的窄的扫描发射波束，定义对应于扫描毫米波频率范围的窄、近似一维的、电子扫描视场。天线在垂直于第一扫描方向的第二扫描方向被机械地旋转或扫描，从而确定二维视场。计算机处理器设备产生视场的至少所期望部分的雷达图像。

Description

远距离毫米波表面成像雷达系统

对相关申请的交叉引用

本申请是2010年8月12日提交的标题为“Mobile Millimeter WaveImaging System(移动毫米波成像系统)”、序列号12/806,488的部份继续申请案，并要求2011年10月1日提交的系列号为No.61/626,660的临时专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及雷达系统，具体而言，涉及毫米波成像雷达系统。

背景技术

利用毫米波的成像

在毫米波长(1cm到1mm；30GHz to 300GHz)处操作的无源和有源成像系统是已知的。毫米波频率处的短波长度允许用相对小的天线创建窄波束，并产生高分辨率的无源和有源图像。由于窄波束的原因，可准确定位图像中的对象，当系统在雷达模式操作时，可实现对于所反射的信号的高灵敏度。毫米波系统的重要质量在于与可见光相比，它们相对而言几乎不被相当大距离的雾或烟雾所衰减。这些毫米波波长的辐射穿透相当大距离的雾和烟雾。毫米波辐射还穿透衣物和诸如干木材和墙板之类的其他材料的显著厚度。因此，已经为飞机建议毫米波成像系统，以改善在雾中的能见度，以及用于检测隐藏的武器的安全应用等等。

无源毫米波成像

在转让给申请人的雇主的美国专利No.5,121,124和5,365,237中描述了无源毫米波成像系统。在这些专利中所描述的系统使用这样的天线，其中收集到的毫米波辐射的方向因变于频率。这种类型的天线被称为“频率扫描”天线。在频谱分析仪中分析收集到的毫米波光以产生一维图像。在'124专利中所描述的系统中，使用天线信号来调制声光设备(布拉格单元)，该声光设备继而调制激光束以产生光谱图像。在'237专利中所描述的系统中，由天线信号来调制电光模块，且电光模块继而调制激光束以对激光束施加毫米波光谱信息，然后激光束被校准器分离成频谱分量，以产生图像。

美国专利No.4,654,666描述了一种成像系统，该成像系统包括频率扫描天线和频谱分析仪，频谱分析仪用于将由天线收集到的编码的辐射分布转换为时间编码的分布，以便可以再现一维场景。在美国专利号7,194,236和6,937,182中描述了其他频率扫描无源毫米波成像系统。以上标识的所有专利通过引用被结合至此。

雷达系统

在毫米频率处操作的雷达系统也是已知的。这些系统通常用两个或更多较低频率信号(叫做频移键控或FSK)或用线性地变化的(频率向上或向下斜变)的较低频率信号(叫做线性调频LFM)来调制毫米波信号。已经提出了FSK和LFM的组合。已经提出了用于自治机动车辆控制和机动车辆防撞的这些FSK和LFM系统。某些系统提供了用于对发射波束或接收波束或两者进行角扫描技术。

异物检测

机场跑道及其他表面上的异物碎片(常常被称为FOD)对于空中交通安全来说是极大的危险。从飞机、地面上的设备掉落的、或被地勤人员错置的物体要对商业航空公司、机场、和军事部门的较大的营业亏损负责，且在极端情况下，可导致人命损失。FOD每年会造成航空业$40亿的损失，且每年给飞机和部件造成显著损坏，并可能导致工作人员、飞行员和乘客的死亡和伤害。

在机场上引入雷达系统用于进行FOD检测的尝试也是已知的。这样的系统的高成本、操作的复杂性，基础结构复杂、以及试验性的本质限制了它们被航空运输业的接受度。由位于英国的公司QinetiQ设计和制造的以名称Tarsier销售的毫米波雷达系统是先进的毫米波FOD检测系统的示例。Tarsier系统目前在加拿大温哥华国际机场操作。Tarsier雷达被设计为静止的、远距离(最多2公里)、调频雷达，以沿着机场表面的整个长度检测FOD。在美国专利No.7,592,943中描述了此系统，该专利以引用的方式结合至此。系统使具有压控振荡器(VCO)频率扫描的改进的频率线性的调频连续波雷达。它使用鉴频器系统来校正VCO的非线性。然后，使用鉴频器信号来使用模拟-数字转换器来调整信号采样速率。Tarsier系统的的操作远距离要求高精度机械和电子组件以及高发射功率。这些要求导致系统的高成本。为了能够检测远距离处的FOD，雷达被设计成具有非常高的灵敏度，这会导致由于来自较短的范围处的信号混乱产生的大量的误报警。

根据由国家FOD防止协会有限公司维护的国家宇航标准412，FOD一般被定义为将潜在地导致汽车或系统损害的与该汽车或系统不同的物质、碎片、或物品。异物损坏是归因于异物的任何损坏，该损坏可用可或不可劣化产品所要求的安全性和/或性能特性的物理或经济术语表示。通常，FOD是用来描述飞机上或飞机周围的碎片或对飞机造成的损坏的航空术语。在专利No.WO/2004/038675和US20020080046中描述了用可见光操作的光学FOD检测系统，这些专利也以引用的方式结合至此。诸如Tarsier之类的静止毫米波雷达系统可证明在具有清楚的直线的视线的机场部分是有效的。

所需要的是远距离毫米波成像系统。

发明内容

本发明描述了远距离毫米波成像雷达系统。雷达被设计成作为静止系统来操作，以连续地或周期性地监测机场的特定表面区域。优选实施例被定位成用于检测跑道、滑行道及其他感兴趣的区域的表面上的异物碎片。该系统包括适用于产生在几千兆赫的频率范围内扫描的毫米波辐射的电子器件。通过频率扫描天线来广播扫描毫米波辐射，从而在第一扫描方向(诸如垂直方向)产生窄的扫描传输波束，定义了对应于扫描毫米波频率范围的窄的近似一维的以电子扫描视场。天线在垂直于第一扫描方向(诸如水平或方位角方向)的第二方向被机械地旋转或扫描，以便定义二维视场。由相同频率扫描天线收集反射的毫米波辐射，此举允许接收波束在相同视场中与发射波束完全地对齐并被协同定向(co-directed)。天线设计确保从发射电路耦合到接收电路的非常低的信号。可使用专用于消除从发射器到接收器的信号泄漏的电路来进一步增大Rx和Tx信道之间的隔离，以便发射信号泄漏不会干扰来自FOD目标的接收信号。计算机处理器设备，比较因变于时间的发射和接收波束的范围和已知方向的预先确定的组的接收毫米波雷达信号的强度，以产生视场的至少期望部分的雷达图像。

在优选实施例中，雷达系统被安装在由机场管理机构指定的位置处的固定平台上。可在多个位置部署多个FOD查找器系统，以满足机场FOD监测需求。雷达系统能够在78到81GHz之间的毫米波频率范围内操作。频率扫描天线包括适用于产生在垂直方向上窄、且在接近4度的高度内的扫描范围在垂直方向中频率扫描的波束的24英寸长的开槽波导频率扫描天线和椭圆柱形反射器。开槽的频率扫描天线位于椭圆柱反射器的近焦点处。椭圆形反射器的另一个焦点与近焦点相距大约300英尺。天线定义波束在方位角方向向外至约300英尺约半米宽，且在方位角方向和竖直方向均向外进一步发散约0.35度。天线系统在旋转平台上旋转，从而定义在垂直方向上约4度且在方位角方向上高达360度的雷达视场(FOV)。天线一般水平朝向或与升高的平台成稍微向下的角度，从而在从其位置的任何方向产生从约20米到500米的在机场表面上的视场。

在优选实施例中，毫米波扫描频率是从通过锁相振荡器和压控振荡器所生成的固定12.25GHz信号中产生的。利用三倍倍频器，将固定信号转换为36.75GHz，然后，利用谐波混频器，翻倍为73.5GHz。在谐波混合器中与73.5GHz信号混合来自压控振荡器的在4.5GHz到7.5GHz范围内的频率扫描信号，以提供78GHz和81GHz之间的扫描毫米波信号。然后，将毫米波信号馈送到发射天线以产生频率扫描发射波束。在任何给定时间，将类似于发射波束的接收波束与发射波束共同对齐，从而最大化由对象反射的返回信号。使用发射和接收电路共有的本地振荡器，将接收到的信号下转换为低频率，数字化，并使用数字快速傅里叶变换(FFT)处理器，生成其频谱。通过大约4度宽的FOV，在垂直方向电子扫描发射器和接收器波束。在方位角方向机械地扫描波束。计算机基于波束的垂直扫描方向和发射-返回时间差来创建二维图像(仰角和范围)，并基于水平扫描将它们与方位角组合从而产生三维图像。在FOD查找器的优选实施例中，基于雷达信号来确定与FOD的距离，且基于由系统的计算机处理器记录的水平扫描信息来确定方位角位置。基本上平面的机场表面主要在前向方向反射雷达能量，且几乎不产生返回信号到接收天线。然而，表面上的FOD对象在雷达波束扫过它们时产生大的向后分散的返回信号。基于发射信号和延迟了从FOD目标反射的毫米波的来回时间的接收信号的频率之间的差，确定与目标的距离。跑道上的FOD的位置被记录并显示在监测器上，以表示跑道上的FOD位置的地图。FOD雷达系统使用三角形频率扫描波形，允许系统基于接收信号的测量到的多普勒频移，来区别静止和移动的对象(诸如飞机、机场汽车、人员、野生动物等等)。

除雷达成像装置之外，此优选实施例包括带有外部和内部可见和/或红外光图像记录的集成的硬件/软件系统。系统还包括无线(或其他)通信和数据报告设备来与机场人员进行交互。

在优选实施例中，整个系统安装在固定平台上，且任选地包括GPS位置跟踪系统，用于可视对象标识的自动地控制的视频相机，计算机化的对象记录和标记系统。在第二优选实施例中，系统安装在使用轨道或其他装置与跑道一起缓慢地移动的平台上。移动平台选项可以帮助减少覆盖机场表面所需的FOD雷达系统的总数量。

在优选实施例中，微计算机或可编程门阵列电路和数模转换器板被编程为将驱动电压发送到压控振荡器，创建驱动发射器频率的完全可编程的线性频率斜变。在其他实施例中，对于斜率、二阶和更高阶导数，对模拟斜变发生器编程，以创建期望电压斜变信号。这些组件允许申请人调整频率扫过的扫过速率、范围、和准确度。线性频率斜变定义雷达系统的范围和分辨率，还在高度上扫过天线波束。具有此唯一垂直角控制导向能力允许雷达波束有选择地高度上指向，从而在波束在水平方向扫过的过程中跟踪不均匀的机场表面。

附图简述

图1是异物检测雷达的框图，包括发射器、接收器、天线、和信号处理组件；

图2A示出了雷达的三角形扫频波形；

图2B示出了相对于扫频波形的数字化信号数据间隔的对齐；

图3示出了常见的发射与接收天线的配置；

图4示出了开槽波导天线；

图5示出了频率扫描开槽波导天线的设计细节；

图6示出了提议的雷达系统的频率扫描波束的概念；

图7示出了78-81GHz频率范围内的开槽天线波束模式(pattern)的图表；

图8示出了使用天线的频率扫描属性来跟踪弯曲的跑道表面的概念；

图9A示出了对数频率响应放大器的框图；

图9B是对数频率响应放大器电路板的图示；

图9C是对数频率响应放大器的增益特性；

图10是数据获取和FFT处理电路的框图；

图11示出了在其波束中带有倍数(multiple)的FOD雷达FFT频谱的示例；

图12示出了78-81GHz频率范围内的开槽天线回波损耗的典型的曲线图；

图13A是用于改进雷达的发射与接收信道之间的隔离的相位消除电路的框图；

图13B示出了简单的相位消除模块的框图；

图14A示出了对于静止FOD目标的发射和接收频率扫描波形(斜变)；

图14B示出了固定目标的FOD雷达的FFT频谱；

图15A示出了对于移动的目标的发射和接收扫频波形(斜变)；

图15B示出了对于移动的目标的FOD雷达的FFT频谱。

具体实施方式

第一优选实施例

在图1到16中描述了本发明的优选实施例。此实施例是三维W带频调制的连续波(FMCW)有源成像雷达系统。系统能够准确地确定机场表面上的异物的方位和范围，并向系统操作员显示此信息。系统具有高达500米操作范围，并可以固定在特定位置或沿着指定的轨道缓慢移动。

系统的雷达包括毫米波发射器、接收器、共同的收发反射器天线、接收器信号的数字化仪、和FFT处理器。天线形成窄波束，在垂直和水平方向均为0.35度宽。系统采用线性调频的三角形啁啾(chirp)射频波形，在10毫秒内扫过78GHz和81GHz之间的3GHz宽的频率范围内。方位角分辨率在500米范围大约是三米，且范围分辨率大约是60cm。

能力

系统提供下列能力：

1.操作范围：20m到500米。

2.危险检测范围：对于1"x1"金属柱体目标，最小500米。

3.视场：水平地360度(在方位角)，垂直地(在高度方向)4度。纵向视场在天线的前面从大约20米到500米。

4.范围分辨率：60cm。

5.发射器扫频：在78和81GHz之间的线性的三角形；

6.发射器功率：200毫瓦。

7.天线偏振：垂直。

8.独立(解析的)像素的最大数量：水平——在方位角360度扫描1030像素，垂直——12像素。

9.一个完整的360度图像获取时间(水平扫描)：最小(没有数据平均)——20秒；

最大——20xN秒，其中，N——每个方位角的平均数据的数量。

成像雷达系统

频率扫描雷达

图1中示出了本发明的优选实施例的成像雷达系统的框图。在优选实施例中，发射器模块2生成连续波毫米波信号，如图2A中所示，其通过使用交替上升下降的摇摆(see-saw)频率扫描图案30在10毫秒内在78至81GHz之间的3Ghz宽的频率范围内被来回地线性扫过。

共同的发射与接收天线单元4(图1)使用位于天线反射器40的近焦点处的开槽波导天线元件41，如图3所示。反射器两英尺宽且27英寸高，且具有垂直取向的椭圆柱的形状。开槽波导位于椭圆表面的近焦点处，在距离反射器的中心16英寸的距离处。反射器的第二焦点位于中心之外的300英尺处。收发开槽天线由标准WR-10铜波导制成，带有切割成它们的窄壁55的缝隙54，如图4和5所示。天线的开槽部分是24英寸长，如图4所示，且它是0.13英寸宽。缝隙被间隔0.102英寸，且它们的角度在+/-8度之间交替，如图5所示。在相对于波导的外表面将缝隙切割到0.015英寸深以产生通过波导窄壁的54个缝隙之前，将波导的窄壁52的一部分变薄到0.006英寸。开槽波导天线的长度确定垂直方向上雷达的0.35度的角分辨率(半功率波束宽度)。由被开槽波导照射的反射器40(图3)的24英寸宽口径来确定0.35度的水平角分辨率(半功率波束宽度)。在优选实施例中，开槽波导频率扫描天线允许波束的高角分辨率与雷达的充分宽的垂直FOV组合。使用圆柱形椭圆反射器优化各个范围内波束的旁瓣电平(side-lobe level)。还通过在反射器的中心附近提供最大毫米波功率并逐步减少面向其边缘的照射，来缩小波束旁瓣。此举通过将开槽波导天线放在反射器前面的某一距离处来完成，以便与反射器的中心处的照射强度相比，来自波导的波束在反射器的边缘处提供近似10dB或较小的照射强度。从开槽波导辐射出并撞击反射器的边缘附近的波束42(图3)携载比撞击反射器的中心附近的波束小-10dB的功率。在此优选实施例中，雷达单元中的电子器件将天线视场指向20米到500米之间的范围。实际范围跨度可受限于跑道的平整度、地面上方的天线平台的高度、或其他因素。

由于毫米波信号频率在78和81GHz之间变化，由开槽天线61(图6)形成的波束62改变其相对于如图6所示出的跑道表面65的角位置(如图6中的62到64所示)。(在图7中示出了在78、79、80、和81GHz时FOD雷达的典型垂直波束模式70。示出了8"长的开槽波导的模型数据。在此情况下，半功率波束宽度近似是1.05度，当天线长度被增大到24英寸时，1.05度被转换成0.35度宽的波束。)零角度对应于天线的法线。负角度表示当法线是水平的时朝向地面的波束方向。在部署中，整体天线倾斜，以将其垂直FOV与跑道或其他所感兴趣的表面对齐。波束轴的角位置随着频率变化而变化，如图70所示，因此，FOD的最大垂直视场近似是4度。当在78和81GHz之间扫频，具有0.35度波束宽度且扫过4度宽的垂直FOV的24英寸长的开槽波导天线在垂直方向上形成近似十二个解析的波束。在FOD雷达图像中由给定目标范围的像素亮度来编码每一个波束的信号强度。因此，FOD查找器具有在竖直方向形成12个完全解析的图像像素以及对于360度水平扫描形成1030完全解析的方位角像素的能力。由于波束停留在目标上达10毫秒扫频时间的一个1/12，因此，系统的每个高度像素的有效带宽是3GHz/12＝250MHz，这将系统范围分辨率限制到0.6米。为取得最佳系统灵敏度，FOD雷达收集50％重叠信号样本，并形成半解析的像素的23X 2060个图像。对于高达23X 2060X 1024像素的3D图像的整体最大大小，FOD雷达还在0和500米之间的1024范围面元(bin)处生成图像。图8示出了上述图像形成的描述。对于其水平角中的每一个，雷达80形成23个半解析的(50％重叠)垂直波束的阵列。将接收信号转换为图像中的垂直像素。使用最小的一个上且一个下(one each up and onedown)扫频来生成23像素垂直像素阵列，从而区分移动的和固定目标。由于跑道81仅被一个或只被几个像素覆盖，特别是在远距离时，剩余的垂直像素可能不包含FOD信息。雷达垂直波束扫描能力允许仅对于包含所感兴趣的数据的像素来有选择地处理FOD信息。这在图8中示出。由于雷达水平地扫描跑道81，因此，波束84a、84b和84c频率扫描整个4度FOV，但是，将只有相对于水平85的仰角角1、角2和角3处的像素82a，82b和82c被用来跟踪跑道上的FOD。在必要时，也可以设计和部署较宽的FOV开槽波导。

雷达电子器件

在此优选实施例中，扫频用于两个目的：第一，如上所述，用于在垂直方向上扫过发射波束，第二是确定与FOD目标的距离。这是可行的，因为往返于目标FOD的发射和返回信号是到目标的距离的线性函数。在下面部分说明了此关系。本部分描述了用于比较发射信号和接收信号以便提取此频率差并将它转换为范围的电子器件。

图1是优选的雷达系统的电子器件的示意图。FOD雷达的发射器2和接收器1使用高稳定性锁相的12.25GHz振荡器5(诸如位于美国加州Tustin的Microwave Dynamics提供的型号PLO-2000)，作为用于生成毫米波信号的参考。12.25GHz信号首先通过接收器中的三倍频器7a(诸如位于法国Orsay的United Monolithic Semiconductors提供的型号CHX 1094-9F)和和发射器中的7b转换为36.75GHz，然后，由接收器中的谐波混频器8a和和发射器中的8b转换为73.5GHz。在频率转换的过程中，所产生的信号被放大器15、16和18(诸如位于马萨诸塞州Chelmsford的Hittite MicrowaveCorp.提供的型号HMC-APH510和HMC-AUH318)放大到合适的大小。低相位噪声压控振荡器6(诸如由位于马萨诸塞州Chelmsford的HittiteMicrowave Corp.提供的型号HMC-C028)生成跨越从4.5GHz到7.5GHz的3GHz的线性调频信号。通过在谐波混频器8b中混合73.5GHz和压控振荡器信号来生成78GHz和81GHz之间的调频发射信号。通过组合了4个功率放大器MMIC(诸如由位于马萨诸塞州Chelmsford的HittiteMicrowave Corp.提供的型号HMC-APH333)且的功率放大器9，将所产生的信号放大到近似200毫瓦的功率大小，通过收发隔离电路27，从发射天线4来发射放大的信号。为确保信号相干性并实现大的范围分辨率，如在图1中表示的，使用相同12.25GHz参考和压控振荡器源作为通过在相位功率分配器25和17中使用双向来上下转换发射和接收信号的本地振荡器。

从目标反射的发射信号由天线4中的开槽波导41收集，且在穿过隔离电路27之后，被低噪声放大器10(诸如由位于美国加州Malibu的HRLLaboratories，LLC提供的型号86LN4D)放大。放大器具有+20dB的典型的增益和5dB的噪声系数。首先通过在第一混频器11中与73.5GHz本地振荡器信号混合来下转换该放大的信号。混频器的输出信号通过三级50dB增益放大器12(诸如由位于马萨诸塞州Chelmsford的Hittite MicrowaveCorp.提供的型号HMC396)放大，接着在第二混频器13(由位于马萨诸塞州Chelmsford的Hittite Microwave Corp.提供的型号HMC129)中，使用来自作为本地振荡器的压控振荡器6的跨越从4.5GHz到7.5GHz的3GHz的信号，被下转换为基带DC-1.25KHz频率范围。第二混频器13的输出信号由专门设计的基带放大器14放大，如下面详细描述的，该基带放大器14将信号带到适用于数字化的大小、移除对目标的范围的信号大小的依赖、并过滤掉对应于比20米短和比500米长的范围的信号分量。从雷达理论已知，来自小目标的返回信号的功率与目标范围的四次方成反比。如果目标范围增大因子2，由雷达截取的返回信号功率缩小16倍或12dB。FOD雷达的放大器14的基带对数频率响应，每八度增益斜率，具有12dB，如图9C所示。放大器14以对应于20米或更小的范围的低于40KHz的频率显著衰减返回信号，而它以对应于500米的最大FOD雷达范围的1000KHz的频率将信号放大+40dB，如图9C所示。在图9A和图9B中示出了放大器14的框图100以及其电路板图示100a。来自第二混频器13(图1)的基带信号连接到放大器14的输入101，来自其输出102的信号连接到防叠(低通)滤波器26(诸如由Linear Technology Corp.制造的型号LTG1566-1低噪声2.3MHz连续时间低通滤波器)，然后，送至以每秒1000万样本的采样速率操作的数字-模拟转换器20(图1)。在图9B中还示出了放大器14的信号输入101a和输出102a端口。放大器包括第一20dB增益块103、二阶有源高通滤波器104、第二20dB增益块105、和二阶有源低通滤波器106，如图9B所示。两个滤波器都具有1000KHz截止频率，该截止频率与增益块相结合，提供图9C所示出的频率响应108。使用4信道超低噪声、高精度运算放大器集成电路107(由位于马萨诸塞州Norwood的AnalogDevices Inc.提供的型号AD8674)来实现整个电路。

距离计算

发射信号和返回信号之间的频率差是范围到目标的线性函数。使用接收器的输出信号来确定到FOD对象的距离。监测该信号以检测超出预定阈值的高强度峰值，表示来自位于雷达的视场中的FOD对象的反射。从测量到的峰值的频率来确定到FOD对象的距离。在此实施例中，分析的信号的频率范围是0到1000KHz。给定10毫秒的扫过时间，频率的变化速率Δf/Δt是3X 10¹¹Hz/s。由毫米波波束以光速c进行的距离是与目标FOD对象的距离R的两倍。如此，可通过下列公式来确定与目标的距离R：

$R=\frac{\mathrm{fc}}{2\mathrm{\Δf}/\mathrm{\Δt}}(0.5m/\mathrm{kHz})f$

因此，1000kHz的测量到的频率处的峰值将表示500米处的目标。

隔离频率

一旦由对数频率响应放大器107使雷达的接收信号强度独立于范围，它就可以被描述为其振幅与目标的雷达截面积成比例且它们的频率与范围成比例的正弦信号的总和。申请人使用如在图1中的21所示出的快速傅里叶变换(FFT)处理来确定信号的振幅和频率。如图1所示，FOD接收器的输出被模拟-数字转换器20以每秒1000万样本的采样频率数字化，且然后，使用FFT处理器21中的场可编程门阵列芯片，处理为傅里叶功率谱。在下一部分描述了FFT处理器的细节。将实时FFT功率谱(每一功率谱都包含1024频率分量，带有16比特的分量大小分辨率)通信至计算机22，在那里，数据被转换为FOD图像。可另选地，可以将数字化的时间信号直接传递到计算机CPU，以便进行数值FFT处理，并转换为FOD图像。位于雷达系统内的专用计算机22处理FOD图像、标识FOD目标、将数据通信至系统操作员、控制转盘19以执行雷达天线的水平扫过、跟踪雷达位置、自动地控制用于交替目标成像的可见光和/或IR相机、支持用于收集、存储和处理FOD及其他目标的数据库的工具。

信号数字化和FFT处理

图2B提供FOD雷达信号数字化和FFT处理的更多细节。如图2B所示，单一信道模拟-数字转换器20在-1伏特和+1伏特之间的范围内，以16比特分辨率，以每秒1000万样本的采样速率，使接收器电压数字化。对于每秒2500万样本的有效采样速率，来平均4个连续的信号样本。连续地将信号数字化，并馈送给图10所示出的FFT处理器21。在那里，信号被缓冲到同步存储器SRAM 151中，且将数字化数据分组到适用于FFT处理器的2048个连续的数据点样本。在快速傅里叶变换处理之前，在处理器21中的FPGA中，将每一样本乘以汉明窗(Hamming window)。该窗口减少了由样本的有限长度所导致的傅里叶响应的旁瓣电平。以对于样本的连续的FFT处理的两倍采样速率，将来自同步RAM 151的样本读取到FFT处理器，在时间上有50％的重叠。样本的重叠防止由于加窗导致的信号损失，且事实上导致半解析的(垂直角过采样)波束。

将信号采样与三角形压控振荡器扫频31同步，如通过比较图2A和2B所指示的。第一样本34从线性扫频31的开始33处开始。下一样本#2与样本#1重叠其长度的50％。样本3与前面的样本2重叠，依次类推，所有都如图2B所示。以每秒2500万样本的速率，对于总共2048X 12数据点，每一个上或下线性扫频，获取总共12个不相重叠的(或23个重叠的)信号样本，每一样本都包含2048数据点。丢弃与扫过(sweep)反向点33和32重合的样本，如图10所示。在基于场可编程门阵列(FPGA)的FFT处理器21中，处理FOD雷达信号样本的FFT频谱，与计算FFT频谱并行，还控制A/D模块20、FFT处理器21中的SRAM存储器、VCO的线性扫频D/A电压发生器154、以及到计算机22的USB接口153的数据流。在此优选实施例中，使用包含1200万栅极的Xilinx SC3S1200E FPGA芯片。(FPGA供应商Xilinx Inc.在美国加州圣何塞具有办公室)。到PC 22的USB接口基于Cypress Semiconductor USB微控制器芯片CY68013A。(较大的FPGA将允许以较高成本提供较大的处理器灵活性。)通过被编程到FPGA(由Xilinx所提供的FFT核)内，在FPGA中创建FFT处理器21。在图11中示出了FOD雷达FFT功率谱160的示例。频谱中的162处的峰值161表示来自两个不同的范围内的FOD对象的响应。在其他优选实施例中，在计算机的CPU中数值地计算FFT功率谱。在此情况下，处理器21将不会需要FFT功能。

VCO中的线性的扫频生成

在此优选实施例中，场可编程门阵列处理器21通过控制电压发生器154的输出，来同步雷达信号读出和VCO扫频，如图10所示。发生器154包含微处理器，该微处理器将存储在其存储器中的数字电压数据输出到基于包括压控振荡器的Texas Instruments Inc.芯片型号DAC8811的数字-模拟(D/A)转换器。由FPGA同步信号触发数据输出。VCO振荡器通常具有非线性电压频率特性。调整数字电压数据，以减少此非线性，并确保VCO随时间的高度线性的扫频。D/A转换器的逐步输出在它应用于VCO扫描控制端口之前通过高阶低通滤波器平滑化。(在其他优选实施例中，使用带有可控制的斜率、曲率、和高阶导数的模拟斜变发生器，来产生扫频电压，以便消除数字化斜变发生器的逐步不连续的特性。)

收发干扰的减轻

提议的FOD雷达为毫米波信号的发射和接收使用共用天线，从而最大化其增益和操作范围。必须充分隔离发射和接收信道，否则，高功率发射信号可漏入接收信道中并干扰FOD检测。由于来自天线组件的发射信号的反射，在将发射器和接收器连接到天线的耦合器27(图1)中且在开槽天线中发生泄漏。这些反射信号的相对强度被称为天线的回波损耗。系统使用三结循环器(诸如由美国加州Torrance Quinstar Technologies Inc.制造的型号QJY)来将信号耦合进天线且耦合出天线，并将发射和接收信道隔离近似35db。循环器构成图1所示出的隔离组件27的一部分。24英寸长的开槽波导天线的典型的平均回波损耗数据167近似是-25db，如图12所示，这是占主导地位的收发干扰源。在优选实施例中，使用基于相位消除技术的定制设计的泄漏消除电路。在图13A和13B示出了电路的框图。发射信号的小部分在耦合器173中被分流，并在在消除模块174中修改之后注入到接收器中。模块174调整分流的发射信号的振幅和相位，以便当它通过耦合器175被注入到接收器时与泄漏信号具有相同的大小和相反的相位。在发射信号在到循环器171进入天线170的路径172中传播时，以及通过路径176反射进入接收器Rx时，形成泄漏信号。在该过程中，信号大小下降近似25dB，其相位与信号的频率以及发射器和接收器之间的泄漏路径的电长度成比例地变化。简单消除模块174包括串联连接的衰减器175a、延迟线174b、和相位调节组件174c，如图13B所示。衰减器允许调整泄漏消除信号的大小，而延迟线和相位调谐器设置其相位。更为复杂的电路将涉及多个延迟线和相位调节组件，以实现与泄漏信号的不均匀的振幅相对频率的接近的匹配，诸如图12所示出的。电路的特定设计将要求对于泄漏信号、模块174中使用的耦合器173，175和组件的特性的精确的测量。可以利用诸如Rohde&Schwartz型号R&S ZVA110之类的毫米波VectorNetwork Analizer来执行测量。可以使用AWR Microwave Office建模软件来执行用于最佳隔离的电路优化。收发隔离必须刚刚足以防止接收信道中的线性放大器的过载和饱和。由于与来往于FOD目标的路径相比非常短的传播路径，干扰信号将出现于近零基带频率，并将被对数频率响应放大器14(图1)拒绝。对于近似45-50dB的总隔离，仔细设计的相位消除电路可改进发射器和接收器之间的隔离达附加20dB或更大。

移动和固定目标之间的区分

对于静止FOD系统的重要要求是能够在空中交通及跑道、滑行道及其他区域的其他机场活动过程中操作并检测FOD。系统的主要目标是检测地面上的FOD对象，并避免被诸如飞机、汽车、人、野生动物等等之类的移动对象绊倒。系统使用多普勒频移效应、多方位角扫描数据、和持久性分析来区分移动和固定目标。多普勒效应允许瞬时标识移动目标，但是只有在它们向雷达系统方向或远离雷达系统移动的情况下才可标识。垂直于天线波束的目标移动不会产生多普勒频移，可能会触发假的FOD检测。对不同的方位角的活动目标的确认以及相同位置处的目标的持久的观测将帮助解析不明确的情况，并防止误报警。在图14A和B和15A和B中示出了基于多普勒的目标分析的细节。

图14A和B描述了固定FOD目标的情况。三角形接收频率扫描波形201相对于发射波形200延迟了信号的往返传播时间δT。结果，在任何给定时间，在发射和接收信号之间有F1和F2频率差，且对于波形的正的和负的斜变是相同的(F1＝F2)。基带FOD FFT频谱将在相同的频率F处显示峰值，该峰值独立于扫频方向。频率差F＝F1＝F2与到目标的距离成比例。

如果目标具有与雷达波束的轴平行的非零的速度分量，则接收频率波形211将相对于发射波形210移位，不仅在时间方面，而且还在频率方面，移位多普勒频移FD的量。如图15A所示，上和下扫频差F1和F2不再相等，且将在FFT频谱的不同的FFT面元212和213生成峰值，取决于扫过方向，如图15B所示。频谱中的峰值之间的距离将表征目标来往于雷达的速度，而平均频率F将对应于到移动目标的距离，类似于固定目标。

FOD雷达软件跟踪超出检测阈值的峰值，并将通过三角形扫频上和下斜率中的峰值位置的如何可重复来标识固定目标。长期目标持久性分析将使用相同区域上的多个扫描，以降低误报警率。

使用基线测量值，减少误报警和灵敏度

当在没有FOD的情况下操作条件允许雷达图像累积时，可以显著改进假FOD检测的比，并降低系统灵敏度。此选项进一步被称为基线测量。雷达图像包含其视场内的所有对象，其中大部分不是FOD，而是跑道表面面的缺陷、诸如灯，招牌等等之类的永久性的设备中。可在基线测量过程中收集此永久性(持久性)的环境的图像，并在常规表面扫描过程中从图像中减去。理想地，在清除了表面上的所有碎片之后，立即执行基线测量。使用多个扫描来平均基线图像，以最小化随机因素的效果。一旦从雷达图像中减去基线，它将不显示目标，除非在表面上引入了以前不存在的目标。基线减法技术允许减小对于较小的并且比较远的FOD目标的检测的检测阈值，而不会有被永久地存在的那些目标触发的风险。由于系统增益的时间漂移，必须周期性地更新时间测量。

FOD查找器(finder)的平台

天线组合件安装在电子转盘上，该转盘旋转以方位角(水平地)扫过雷达通过指定扫过范围。由Intellidrives,Inc(位于宾夕法尼亚州费城)所提供的可编程转盘提供指定任何三国范围或选择连续转动的能力。在优选实施例中，天线的机械扫描用于表示对于180度宽水平扫描方向的1030角度的计算机产生的水平光栅图像。雷达的啁啾时间段利用旋转速度调时，以便雷达在它旋转方位角的一个增量时执行至少一个一上一下整个高度扫描。

雷达通过天线屏蔽罩来免于天气的影响。天线屏蔽罩由诸如聚苯乙烯之类的薄的塑料制成，该塑料几乎完全透射毫米波。PTZ可见和/或红外相机安装天线屏蔽罩以及无线通信天线的外面。天线屏蔽罩大小为安装在转盘19上的天线提供足够的空间，以水平地旋转360度，并在任何方向收集图像。发射和接收信号穿过天线屏蔽罩，几乎没有衰减，在4度宽的垂直视场内利用频率上下扫描，如上所述。从顶部安装平台到地面调整垂直视场，以允许对20和500米范围之间的FOD对象的成像。天线支架将允许机械调整，以便雷达视场与感兴趣的区域对齐。

GPS/INU

此优选实施例可任选地包括微分全球位置传感器(DGPS)单元。此组件通过软件与雷达集成，软件包括向雷达操作员示出他在地球上的位置并标识雷达取向的方向的显示算法。DGPS单元连接到计算机(PC)。

外部相机系统

此优选实施例可以包括包括在全天候的外壳内的点-倾斜-变焦相机。此相机被设计成捕捉发现点处的异物碎片的图像。对于FOD发现条件进行成像、记录、并经由计算机22和无线收发器(未示出)在因特网上进行报告。由计算机22引导，自动将相机回转到检测到的FOD项。对象检测的时间、日期、组、和条件被记录到板载因特网数据库，并使用无线连接，被通信到机场中心的主要数据库。自动地确定时间和日期，而由操作员从FOD软件菜单人工地选择对象组和检测条件。

FOD系统操作

在此优选实施例中，图像中的红点图标表示超出预定阈值的雷达回波，不管物品大小和超过阈值的信号大小。每一图标都基于检测的时间按顺序放置，所有都在数据库中按顺序编号，它们被置于俯视卫星地图上的检测到的位置。只显示通过多个扫过所确认的返回。在初始检测时，点以黄色显示。当多个检测确认它是固定对象时，点颜色变为红色，并发出可听报警，警告操作员，发现了FOD。

为进一步改进系统性能，可在较大的检测区域内定义附加指定区域，表示诸如跑道中心线灯光之类的已知永久性的结构。来自这样的结构的信号可以在图像中自动地移除或校正，以允许检测可能位于跑道基础结构对象附近的FOD物品。

检测到的物品的纬度、经度、检测的时间、检测到对象的人、机场位置、日期以及多个图像，被收集并存储在板载数据库中。通过PC使用GPS/INU和系统时钟，自动地确定FOD物品坐标和检测时间。还根据存储在PC存储器中的或来自因特网的系统操作员排班表来自动地确定操作员姓名。使用外部和内部相机，收集FOD图像，如上文所描述的。在收集结束时，经由无线链路，将所有数据都与因特网数据库同步。

在其中发现了FOD对象而FOD查找器没有检测到它的情况下，或者，在雷达扫过了某个区域之后在跑道上某个东西正在吹动，用户可人工地在屏幕上放置红色FOD点。然后，系统记录当前汽车位置的所有详细信息。过程的其余部分与雷达检测到的FOD相同。

在其中应该拒绝FOD检测的情况下(鸟/野生动物/飞机/人)，物品移动或它不能被取回，操作员选择“拒绝”，但是，数据仍保留在数据库中。一个示例是，检测到一只鸟落在跑道上，然后，飞走了。由于动物移动，这将被记录为拒绝。

Air Boss^TM软件

FOD查找器在由申请人所创建的Air Boss^TM软件系统上运行。此软件将机场管理的所有FAA零件139检查表项目变为带有对条目的标准化响应的简单使用的菜单系统。它通过基于每一项目的有限变量来创建标准化响应检查表，将输入/记录量减少到最少。例如，如果滑行道灯烧坏，那么，用户将触摸Air Boss徽标，且11个机场管理区域将出现在屏幕上。然后，操作员选择“照明”，六个照明子区域将出现在屏幕的右下方。操作员将挑选“跑道灯不亮(Runway lighting out)”并触摸卫星图像上的合适的灯。然后，跑道灯不亮符号将出现在屏幕中的该位置处，所有位置以及时间细节都被发送到数据库。另外，还向合适的检修机构发送电子邮件、文本或电话消息工作指令。从发现到检修的所有动作都被记录在数据库上，并满足FAA对于机场管理的记录的要求。

Air Boss软件还包括来自因特网的信息，该信息被组合，以向操作员提供情况。此信息包括往返于机场的飞机的流量，飞机细节、登机口信息、飞行状态、机场状态、天气、NOTAMS，以及对机场操作的管理是不可缺少的并经由多个商业和政府数据库提供的其他相关的信息。

Air Boss软件还有助于防止跑道侵入。随着汽车接近机场的禁止通行的区域或要求与控制机构协调的区域，软件利用联系控制机构的话音警告和指令，可听见地警告驾驶员，并通过在触摸屏上放置停止符号，并带有联系控制机构的书面指令，在视觉上警告驾驶员。FOD查找器的所有特征都被禁用，直到驾驶员触摸了停止符号，确认了指令。所有驾驶员动作都被记录在数据库中。FOD查找器还对跑道/滑行道的表面进行成像，以便管理其状况。它可以检测裂缝、洞及其他关键零件139细节，以便进行表面管理。定期地向用户提供来自所有数据库的数据，供许对于多个机场区域的分析、预防、和维护。

最近的FOD查找器修改

与较低版本相比，申请人的当前优选实施例包括下列附加特征。

八个高清晰度相机

向FOD查找器系统添加了八个高清晰度相机，提供汽车周围的360度视图。这可以被用作事件的数字记录或作为实况馈送。创建它，因为O'Hare的机场经理在地下具有办公室，且不能看到机场表面发生了什么。如此，这些相机可使他通过实况馈送，看到他的团队如何对各种事件作出响应。

性能测试结果

FOD查找器雷达的主要优点是完成FOD检测的方法，该方法专注于速度和减少误报警。当美国联邦航空局比较各种FOD系统以及在中国进行类似的比较测试时，此优点显而易见。申请人的FOD查找器记录了100％检测率，没有假目标。这两个因素对与机场航空操作成功的集成也是关键的，从而最小化对飞机运输流量的影响。

申请人的FOD查找器雷达在12-15秒内扫过近似180度或2000'的跑道长度(典型装置)。格式化算法的逻辑，以便在警告/报警确认存在FOD物品之前必须连续3次检测到FOD对象，如上所述。在第一次检测期间，记录FOD物品特定的位置，并将黄点置于地图上，以向操作员提供已经检测到对象的早期报警。FOD查找器系统经由组合的计算机软件和雷达检测连续地处理检测到的对象，以验证它是否是FOD物品。

在对物品的第二和第三次扫描过程中，如果其位置没有改变，则系统将黄色点变为红色点，并向操作员发送报警。在测试中记录此整个过程花费51秒。比较起来，在相同测试中竞争性的系统被记录为要花费2到4分钟来执行扫描和报告检测。在这些测试中，FOD查找器检测了100％的所有目标，而其他系统只能够实现相同目标的30-60％检测率。

尽管上述描述包含大量的特殊性，但是，读者不应该将这些理解为对本发明的范围的限制，但是仅仅作为其优选实施例的示范。所属领域的技术人员将预想其范围内的许多其他可能的变体。例如，除在本申请的文本中所描述的优选实施例之外，申请人还预想设计的未来的改变以降低成本和/或增加雷达FOD检测系统的范围和/或提高性能。

偏振灵活性

天线偏振灵活性可以FOD查找器天线屏蔽罩内部的旋转柱体的形式引入，四分之一波长偏振(polarization)旋转板包括分别在接收和发射天线的高度的两个重叠的半柱体。使用马达或其他装置来选择此圆柱体相对于FOD查找器查看方向的取向，操作员可选择发射和接收垂直偏振(当前默认值)、发射垂直、接收水平、发射和接收水平，或发射水平而接收垂直偏振。其他天线类型，例如，片阵列，也可以与可变电抗器或铁氧体元件结合使用，以便更快速地影响偏振特性。对于使用雷达回波的偏振特性来帮助检测和表征小目标的理论是已知的。

相控阵接收器

申请人演示了FOD查找器雷达的变体，其中，以多元件相控阵的形式实现接收天线和无线电接收器。在此实施例中，通过成束处理器来同时记录并处理来自所有方位角位置的回波而无需旋转相位阵天线的能力，消除了在方位角中机械扫描的需要。目前，成本考虑排除采用这样的系统体系结构，但是，毫米波组件的价格趋势说明在5年内有可承受的相控阵解决方案。申请人的雇主获得了相控阵天线的可选版本的专利，美国专利No.6,037,908，内置式波束形成处理器结合了可转换的输出喇叭(horn)，该喇叭按顺序采样方位角波束，以扫过雷达的方向角图案，而无需改变天线的取向。后一种天线消除了机械旋转级的需要，而没有多信道相控阵接收器的增加的成本。

较宽的频率扫描视场

可以使用蜿蜒天线隙缝天线阵列，来将FOD查找器的高度视场增大到超出其当前4度的极限。可另选地，多个多聚焦技术中的任何一种，包括当前几何形状的弯曲天线隙缝天线阵或反射器，或采用中心馈电(center-fed)隙缝天线阵，可以用于增大高度视场。

边缘检测和紧急操作

FOD雷达也可以在低能见度情况下用于跑道边缘检测并标识表面上的设备。它可以用于救援、紧急操作中，并通过“跟着我”过程，帮助飞机找到跑道。

其他可能的变体

系统可以安装在汽车上并按在专利申请系列号No.12/806,488(以引用的方式结合至此)中详细描述的方式使用，或者它可以安装在汽车上，以便它可以周期性地移动以连续地周期性地从停放的位置监测特定表面区域。系统可以使用如上述专利申请所描述的两种天线。系统可包括轨道和输送机系统以来回输送雷达组件以提供水平扫描。可以从57GHz到100GHz之间的各种范围中选择扫描频率范围，且范围可比优选实施例中使用的78GHz到81GHz的特定范围更小或更大。例如，在某些实施例中，10GHz的范围可较好地起作用。反射器可以是圆柱形抛物面，特别是对于超远程的应用。

相应地，要求读者根据所附权利要求书以及它们的法定等效内容，而不是根据给定的示例，来确定本发明的范围。

Claims (19)

1.一种用于对位于近似平面的表面的区域上的对象进行成像的远距离毫米波成像雷达系统，且所述系统包括：

A)频率扫描毫米波表面成像雷达系统，包括：

1)产生电子器件，适用于产生在几千兆赫的频率范围内扫描的毫米波辐射，

2)频率扫描天线系统，适用于：

a)以第一扫描方向以窄扫描发射波束发射由所述电子器件产生的毫米波辐射，定义对应于所述扫描毫米波频率范围的窄的近似一维的电子扫描视场，以及

b)在垂直于所述第一扫描方向的第二方向被机械地旋转或扫描，以便定义表面区域的二维视场，

3)检测电子器件，适用于检测通过所述频率扫描天线系统发射的、从所述二维视场中的对象反射、并由所述频率扫描天线系统收集到的毫米波辐射，以及

4)计算机处理器设备，适用于基于从所述对象反射并由所述接收天线收集的毫米波辐射，来确定位于所述表面区域上的对象的位置。

2.如权利要求1所述的成像雷达系统，其特征在于，所述系统是静止的，并适用于连续地或周期性地监测特定表面区域。

3.如权利要求1所述的成像雷达系统，其特征在于，所述系统安装在汽车上并适用于移动成像。

4.如权利要求3所述的成像雷达系统，其特征在于，还包括用于监测所述汽车的全球位置的定位系统。

5.如权利要求4所述的成像雷达系统，其特征在于，所述定位系统是GPS系统。

6.如权利要求1所述的成像雷达系统，其特征在于，所述频率扫描天线系统包括适用于发射和接收的单一天线。

7.如权利要求1所述的成像雷达系统，其特征在于，所述频率扫描天线系统包括两个频率扫描天线，一个适用于发射，且另一个适用于接收。

8.如权利要求1所述的成像雷达系统，其特征在于，所述系统适用于对机场表面的FOD成像。

9.如权利要求8所述的成像雷达系统，其特征在于，所述系统适用于对机场跑道上的FOD成像。

10.如权利要求1所述的成像雷达系统，其特征在于，所述第一扫描方向是垂直方向，且所述第二扫描方向是方位角方向。

11.如权利要求1所述的成像雷达系统，其特征在于，所述第一扫描方向是垂直方向，且所述第二扫描方向是水平方向。

12.如权利要求11所述的成像雷达系统，其特征在于，还包括适用于在轨道上来回输送所述雷达系统以提供所述水平扫描的轨道和输送机系统。

13.如权利要求1所述的成像雷达系统，其特征在于，所述天线系统包括适用于在从57GHz和100GHz之间的毫米波频率中选择的操作频率范围内操作的至少一个开槽天线和椭圆柱反射器。

14.如权利要求13所述的成像雷达系统，其特征在于，所述操作频率范围包括78GHz到81GHz的频率范围。

15.如权利要求1所述的成像雷达系统，其特征在于，所述产生电子器件包括：

A)在预先选择的窄带微波频率处操作的锁相振荡器，

B)用于将此预先选择的窄带微波频率乘以窄带毫米波频率的频率乘法组件，

C)用于生成扫描几千兆赫的频率范围的压控扫描频率的压控扫描组件，以及

D)用于将所述压控扫描频率与所述窄带毫米波频率混合以产生在几千兆赫的频率范围内扫描的所述毫米波辐射的混合组件。

16.如权利要求1所述的成像雷达系统，其特征在于，所述接收电子器件包括：

A)毫米波放大器，

B)适用于将所述收集到的反射的辐射下转换为微波频率范围的第一组下转换器电子器件，

C)适用于进一步将所述收集到的反射的辐射下转换为小于几千赫的范围的频率的第二组下转换器电子器件，

D)适用于放大所述第二组下转换器电子器件的所述输出信号以将所述输出信号带到适于数字化的级别的基带放大器。

17.如权利要求1所述的成像雷达系统，其特征在于，还括适用于与因特网进行通信的无线电系统。

18.如权利要求4所述的成像雷达系统，其特征在于，所述计算机处理器设备包括：

A)适用于显示包括汽车前面的二维视场的表面区域的卫星表面地图的显示监视器；

B)用于确定所述二维视场中的目标的位置的纬度和经度的GPS/INU组件和软件。

19.如权利要求4所述的成像雷达系统，其特征在于，所述计算机处理器设备包括：

A)适用于显示包括汽车前面的二维视场的表面区域的卫星表面地图的显示监视器；

B)GPS/INU组件和软件，用于确定纬度和。