[发明专利]一种机场异物检测雷达中频泄漏信号的消除与校准方法及系统

说明书

本发明属于连续波雷达信号处理领域，公开了一种机场异物检测雷达中频泄漏信号的消除与校准方法及系统，方法包括下述步骤：(1)在暗室条件下采集探测器中频信号中的泄漏信号并对所述泄漏信号进行处理后获得校准波形；(2)当进行目标探测时，采集目标中频信号，并将所述目标中频信号与所述校准波形进行相消处理后获得目标的探测信号。本发明通过信号叠加的方法实现机场FOD雷达系统应用的调频连续波雷达泄漏三角波信号自动相消，提高系统的探测灵敏度。

技术领域

本发明涉及连续波雷达信号处理领域，特别涉及一种应用于机场跑道异物检测雷达(FOD)中频泄漏信号的消除与校准方法及系统。

背景技术

机场跑道上可能存在各类外来遗留物体碎片，被称为Foreign Object Debris(FOD)，目前国内外的机场主要还是依靠人工检查的方式监察跑道。人工检查需要关闭机场跑道，使得航班次数被迫减少，降低跑道的交通流量。而遇到恶劣的天气时，完全依靠人工检查则存在很大的偏差，运行安全隐患依旧存在。因此需要FOD检测系统来完成跑道异物检测工作。

采用毫米波波段的FOD毫米波探测器，可以在全天候情况下，在跑道距离内探测到地面的微小物体，并给出目标的距离方位信息。再通过高清的摄像头对指定目标进行查证比对，可以实现机场跑道连续不间断的侦测，具有很大的优势。图1是一种典型的FOD单元安装方式，阵列化安装于跑道两侧，每个FOD单元覆盖一定的距离范围，从而实现整个跑道的覆盖。

FOD雷达一般基于调频连续波(FMCW)的雷达体制，其工作的原理如下图所示。FOD组件向外发射频率线性变化的毫米波信号，当遇到地面反射体后会产生反射，因为发射信号与振荡信号的延迟物体的反射信号到达FOD系统后与本振信号会产生频差，相混频得到中频信号，中频信号中含有与物体距离相关信息。发射信号可以通过三角波信号进行调制，差频的频率值与物体的距离成线性关系，差频的幅度与物体的大小与距离有关。

其工作波形的示意图如图2所示；距离为R的中频信息可由以下公式求得：根据雷达方程设计链路预算，最终合理分配FOD毫米波探测器核心芯片组电平指标针对FMCW雷达体制，链路预算中有以下几个关键参数：其中，P_r接收功率；P_t发射功率；G_t发射天线增益(方向性)；G_r接收天线增益(方向性)；λ射频信号波长(空气中)；σ目标截面积；R目标距离；S_imin最小可检测信号；k波尔兹曼常数，1.38E-23；T₀工作温度；B_n噪声带宽；F_n接收机噪声系数；(S/N)_omin最小信噪比(检测因子)；P_fa虚警概率；P_d发现概率；f_m中频频率；ΔF有效调频带宽；C为光速。

对于系统可检测的信号幅度可由接收机噪声系统计算的工程公式求得，取工作带宽BW为10kHz，最小可检测信噪比S/N为10dB，接收机噪声系数为10，则最小可检测信号：P_min＝-174dBm+10logBW+S/N+NF＝-114dBm；另一方面，对于在最远距离100米上测出RCS在0.01m²的物体，采用高增益天线G＝30dBi，λ＝3mm，则：

由此可见，可以满足信噪比的要求，但目标回波信号的大小往往幅度较小，需要进行较高增益的放大。一般的信号处理方法，首先对得到的中频信号进行滤波、放大，进入A/D采样完成数字化，最后进入数字信号处理分析，形成相关数据。

由前述分析可知，FOD的探测距离最远需要测到100米，最近需要测到3米～5米的目标，同等目标两者相差50dB以上。另外，由于振荡器发射信号的不平坦与隔离度有限，会产生调制信号相近的泄漏信号。单天线的隔离度一般较差，不超过30dB，双天线的隔离度一般不超过50dB，意味着与远处小目标的功率相差60dB以上。没有远处目标时系统泄漏与较近处目标的中频回波信号如图3所示。