机场跑道异物（FOD）雷达检测系统（Foreign Object Debris radar Detection system）
●研发背景
●对FOD雷达检测系统的要求
●赛英公司与研发团队简介
●赛英产品的技术特点
●赛英产品与国外同类产品比较
●赛英产品的工作流程
成都赛英科技有限公司
2010.6.8
一、研发背景简介
机场跑道异物（FOD）泛指可能损伤飞机的某种外来物质。FOD会危及飞机和乘客的生命，造成航班延误、中断起飞，引起巨大的经济损失。据保守估计，每年全球因FOD造成的直接损失至少在30亿—40亿美元。而间接损失是这个数字的4倍！我国民航局机场司2009年出版的【FOD防范手册】指出：从2007年5月到2008年5月，FOD损伤飞机轮胎的事件在我国有4500起！
2000年7月25日，法航一架协和式客机从法国巴黎戴高乐机场起飞，两分钟后随即坠毁，共有113 人遇难，法航向遇难家属赔偿约1.3亿美元。
这次事件的罪魁祸首就是FOD——跑道上的一块45公分长的金属条，这也是史上FOD造成的最大空难。
协和悲剧发生后， FOD探测系统的研究与开发提上日程，2006年12月，加拿大温哥华机场安装了Tarsier FOD监测雷达，成为全球安装FOD监测系统的第一个民航机场。现在，欧美国家的一些大型民航机场已经陆续安装FOD 监测系统。
在我国，既没有引进这种系统的机场，也没有研发这种系统的报道。我国机场对FOD的监测都是靠人工定时巡视，靠人眼近距离搜寻,这种落后的方法效率低，可靠性差，而且大大占用了宝贵的跑道使用时间，使航班次数被迫减少。因此，研发具有自主知识产权的国产FOD监测系统是我国航空业的当务之急，航管业界称之为雪中送炭。国产FOD监测雷达的问世必将产生巨大的社会和经济效益。
二、对FOD检测雷达系统的基本要求
FOD探测系统主要采用雷达探测技术与视频图像识别技术相结合来检测FOD。赛英公司的研发也遵循这一思路。
目前较为典型的产品有英国Qinetiq公司的Tarsier系统、以色列的Xsight公司的FODetect系统、美国Trex Enterprises公司的FODFinder系统和新加坡
Stratechsystems公司的iFerret系统
2007年初，美国联邦航空局（FAA）启动了全球机场FOD探测系统的评估工作，评估对象就是上述四个典型产品。FAA在美国进行了为时两年的严格测试工作，于2009年9月30日，正式发布关于FOD应用的AC No: 150/5220-24（AC —咨询通告)。该通告包含了机场异物探测系统和设备的最低性能规范。通告明确指出FOD探测系统必须具备如下基本功能：
（1）监控AOA（Air Operations Area）区域；
（2）探测和定位AOA区域中单个或多个FOD；
（3）探测出FOD后能为用户提供警报；
（4）与机场和飞机通信、空管和监控系统协同工作并不会产生干扰；
（5）不干扰正常的机场和飞机运行；
（6）记录探测到的FOD数据，方便系统的校准和维护，以及FOD事件的分析。
FAA还详细规范了FOD探测系统的各项指标，包括系统至少能探测到的FOD尺寸、探测频率、FOD出现后系统响应时间、探测区域、气候影响、报警、探测数据输出和记录、寿命、环境条件、供电、土建要求、安装和验收、质保、检查和测试、用户手册、设备培训和维护等方面的情况。
由于我国并无FOD检测系统的标准，国际上也没有统一的执行标准，美国FAA关于FOD检测的咨询通告就成为赛英公司研发该产品的唯一依据。
赛英产品除了满足上述7条基本要求外，按照FAA的咨询通告，赛英产品的性能指标满足以下条款。
（1）目标检测FOD检测系统必须能够检测到下列对象（对于移动FOD检测系统，必须在最低速度30公里/小时态时具有这个性能）：
（a）一个未上漆的金属圆柱体，高3.1cm，直径3.8cm
(b)一个白色、灰色或黑色的球体，直径3.1cm(即一个标准大小的高尔夫球)
(c)下面目标组的百分之90。目标放置在一个30米*30米的覆盖区域内。除非另有规定，每个类别必须有一件目标，每个目标的尺寸都必须不大于10厘米。
- 一块沥青或混凝土，
- 任何位置的一个跑道灯具，
- 可调月牙扳手（至少20厘米长度），
- 一个深插座（至少5厘米长度），
- 一片从飞机轮胎来的橡胶片，
- 一片扭曲的金属带（20厘米长度），
- 燃料帽（飞机或汽车），
- 凸耳螺母，
- 液压线（从飞机或GSE来，20厘米长），
- PVC管，白色（5厘米直径），
(d) 任何上述两个目标，彼此位置分离不超过3米，被识别为分离的目标。（2）位置精度. FOD检测系统必须提供检测对象的位置信息，误差与实际FOD 对象的位置相差5.0米以内。注：本标准是基于手持GPS设备的平均精度，多数机场工作人员使用它对发现FOD作检索。使用非视觉检测系统的，需要更高定位精度的机场工作人员，可采购具有视觉检测功能的可选组件。
（3）检测频率
(a)连续检测系统。这些系统必须从固定检测器提供连续工作，以容许在飞行中对跑道表面连续的检测。航机运作时间取决于机场和由用户指定。
(b)移动检测系统。这些系统必须提供移动工作能力，以加强授权的机场安全自检（每个AC150/5200-18）。视察的次数取决于机场和由用户指定。
(4)检测响应时间. 区间被扫描时，FOD检测系统必须具有快速检测FOD的能力。
（a）对于设计用于移动间警报的连续工作FOD检测系统，必须提供飞机起降之间的跑道表面检测。
(b)对于其他连续工作的FOD检测系统，必须提供由机场指定的检测更新，一般在发现FOD后4分钟以内需要更新。
(5)监督区.
机场工作人员将在需要FOD检测的AOA里指定的所需监督区。这个区域通常基于机场的FOD管理计划。覆盖的最初区域是跑道（如果完全覆盖是不可行的，机场工作者可指定跑道的某些部分）。其他区域较为次要，其优先度减少，从铺设活动区降为非铺设的，非活动区。FOD检测系统的制造商必须通知机场工作者，在监督区里检测不可能进行的任何地点。
(6)在气候条件下的性能.
FOD检测系统都必须给出明朗和恶劣天气条件下的检测性能。在天气晴朗的条件下，AOA的路面应该是干燥的，而在恶劣天气条件下，路面将因为雨，雪，或二者混合而潮湿。
(a)根据当地风暴的两年类型（如克利姆20，美国第20号气候指定类别）得出在降雨或降雪条件下（如，有一个具体的强度，持续时间和频率）检测目标。更严格的要求可由用户指定。
(b)FOD探测系统必须有现场的性能指标，它们包括：
（i）在晴朗天气条件下的性能;
（ii）在恶劣天气条件下的性能;以及
（iii）为用户提供在雨或雪风暴后与该系统恢复所需的时间数量，
即恶劣天气条件平息后恢复晴朗气候时的性能的能力。在这种情况
下，恶劣天气条件的结束将被定义为降雨或降雪的结束。
(c)亮度条件。所有系统必须给出在白天、夜间和黎明/黄昏工作时的检测性能。
(7)警示和报警FOD检测系统必须能够警示系统工作者在扫描领域FOD的存在。警报必须给机场管理提供足够的信息，用来评估危害程度，以确定是否需要立即清除目标。
(a)虚假警报（导致机场工作者采取行动清除并不存在FOD目标）应尽量减少，并且不得超过：
(i)对于具有可视检测能力的FOD检测系统，平均每90天期间里，
每天一个。
(ii)对于没有可视检测能力的FOD检测系统，平均每90天期间里，
每天三个。
三、赛英公司及其研发团队简介
1、公司简介
成都赛英科技有限公司成立于2000年，是一家国家级高科技股份制有限责任公司。赛英公司目前主营产品是射频/微波电路与系统，产品类型包括微波接收机发射机、微波频率合成器、腔体滤波器、低噪声放大器、微波功率放大器、专用微波测试仪器、数模混合微波模块以及各种微波无源和有源模块。其频率覆盖RF到微波全频段。赛英主营产品的市场均面向军工企业。
公司2002年通过新时代质量认证中心2000版ISO9001质量管理体系认证和GJB9001A-2001质量管理体系认证。2008年通过军工保密资格认证。2009年首批通过国家级高科技企业的复审。2009年获得软件企业认证。
公司具备配套完善的微波硬件测试手段，其中包括40GHz高分辨率频谱分析仪、50GHz低噪声信号源、40GHz矢量网络分析仪、调制域分析仪等高端设备。公司还配置了高低温、湿热、老化、振动等试验设备及芯片组装设备，使公司所有产品的可靠性试验得到保证。
近年来，赛英公司管理层定下了用航管雷达整机产品实现公司二次创业的战略目标。赛英公司陆续投入重金，克服诸多困难，研发了“机场场面监视雷达”和“FOD雷达检测系统”。机场场面监视雷达项目得到了省经委重装办的经费支持，所完成的样机通过有关部门的验收并在成都双流机场试验。FOD雷达检测系统项目已进行了3年，在第一部Ku波段样机的基础上研制了毫米波FOD雷达检测系统，并已获得成都市科技创新基金。这两部雷达均填补了我国航管领域的空白。
2、研发团队带头人
（1）、雷达整机系统——汪学刚
知名雷达专家、电子科大博导、教授、赛英公司总工程师。1992年获西安电子科技大学博士学位，1992后进入电子科技大学博士后工作站流动站工作。发表学术论文80多篇，获省部级科技进步奖三项，主持和参与完成二十多个项目的科研工作，目前正从事包括数字阵列雷达在内的多个项目的研究工作，赛英公司机场场面监视雷达和跑道异物监测雷达项目主持人。
（2）、微波毫米波电路与系统——张玉兴、刘光祜、赵宏飞
张玉兴，电子科大博导、教授、赛英公司董事长，赛英公司创办人。1965 年毕业于成都电讯工程学院，1985-1987 年赴美国休斯敦大学任访问学者。长期从事射频、微波电路与系统、频率合成技术、通信系统信道方面的教学和科研工作。著有专著《射频模拟电路》、《非线性电路与系统》《射频模拟电路与系统》，《射频与微波功率放大器设计》、《无线应用射频微波电路设计》。培养研究生多人。
刘光祜，成都赛英公司技术总监，电子科技大学教授，赛英公司创始人之一。1989－1992年作为高访学者赴美国内华达－里诺大学工作三年，从事DR及指数渐变微带线的应用研究。目前主要从事雷达通信等领域的射频微波电路与系统研究以及应用电子技术研究。对IC器件的动态及应用有较好的把握。近年来在高指标跳频源的研究方向上取得了若干国内领先和国际先进的成果。
赵宏飞，电子科技大学博士，成都赛英公司技术副总经理。2002-2003年在华为公司工程师从事移动通信基站收发信机设计。现全面负责赛英RF微波电路与系统的相关产品的研发，主持“数字测频技术研究”、“测向仪单脉冲接收机系
统”、“SIN1130X小型数字化雷达综合测试仪”等数个项目，均获得省部级科技成果鉴定
（3）软件与信号处理——吴义华、崔明雷
吴义华，赛英公司软件部负责人，主持赛英产品中软件与数字技术的研发工作。中国科学技术大学电子信息科学少年班学员、中科大物理电子学博士，2009年获得国家自然科学基金。
崔明雷，电子科技大学硕士，赛英公司信号处理组负责人1993.7--2002.9 在山东康威电子有限公司从事语音通信系统的硬件开发。2005年后从事雷达信号处理，雷达信号模拟方面的研究，赛英公司机场场面监视雷达的主要研发人之一。
四、赛英产品技术特点
1、雷达总体技术方案和指标
赛英公司机场跑道异物（FOD）监测雷达采用FMCW体制的毫米波雷达，总体框图如下：
雷达系统组成
项目考核技术指标：
（1）最大作用距离≥250m，条件：RCS=-30dBm2
（2）信号带宽：800MHz
（3）发射功率≥10dBm
（4）天线波束宽度：0.4oΧ2.4o
（5）信号处理增益≥80dB
2、雷达创新内容
FOD监测雷达只有美英等少数国家能够研制生产，而且查不到任何相关的的技术资料。在我国，这个项目还是空白。因此该项目的启动和研制本身就是创新。下面3点仅是理论和技术创新的要点。
（1）雷达体制创新——采用高距离分辨率和高方位分辨率的毫米波FMCW(线性调频连续波)雷达体制，在理论上解决了强地杂波背景下的目标检测难题。（2）天线设计创新——收发双天线同步扫描。用极化相异设计来解决CW雷达的收发隔离问题。
（3）信号处理算法创新——采用新的CFAR（恒虚警处理）算法、新的扫描自适应滤波算法、新的脉冲压缩与相参积累算法。这些软件技术是FOD监测雷达的核心技术。
3、雷达主要技术难点：
（1）毫米波收发前端技术——包括毫米波大功率发射技术和大动态低噪声接收技术两方面。
（2）毫米波天线技术——这包括高性能毫米波天线设计、精密加工、调测和天线的收发隔离等问题的解决。
（3）中频接收技术——包括低相位噪声低杂散线性调频频率合成器的研制、高增益大动态线性中频放大链和强干扰抑制滤波技术等问题的解决。
（4）数字信号处理技术——它包括：大带宽高分辨脉冲压缩技术、扫描自适应滤波技术、低信噪比和低信杂比环境下的目标检测技术、适应机场条件的CFAR技术。
4、与雷达配套的光学设备
当探测雷达发现FOD存在后，需要用光学设备识别和确认。由于要求光学设备具有全天候识别的能力，这套设备包括：满足需要的宽视角摄像机；用于白天的高变焦彩色摄像机；在夜间使用高变焦低光相机，在亮度非常低或零光条件下使用红外线照明灯。这套设施在国内有配套厂家，赛英公司通过向国内相关厂家订购来获得。
五、赛英产品与国外同内产品的比较
赛英公司研发的FOD雷达检测系统主要综合了以下两种国外最先进雷达的特点，降低了成本，但性能相当。介绍如下：
以色列的Xsight公司开发的FODetect系统由77GHz毫米波雷达和摄像设备所组成，多个道面监测单元（SDU）分别安装在不同位置的跑道边灯上，每个SDU 都对跑道中线附近的区域进行扫描，发现FOD后，可以立即向机场管理人员发出报警信息，告知FOD的准确位置以及发现时间。而后，设备会拉近镜头，提供FOD的视频图像，发现FOD之后，传感器会锁定FOD的位置，以帮助机场管理人员将FOD取走，在夜间，还可使用激光指示器协助将FOD取走。此系统可在30秒内完成对整条跑道的扫描，采用视频识别系统可以在毫米波雷达探测到FOD 后，对探测结果进行视频确认，从而使虚警率大大降低。
英国Qinetiq公司研究开发Tarsier1100(T1100)FOD探测系统。T1100工作频率为94.5GHz，雷达体制为连续波调频（FMCW），具有雷达探测距离长、波束窄和分辨率高的特点，能够对目标位置准确地定位。FMCW技术具有探测灵敏度高、成本低和峰值功率低等特点；同时结合实时数字信号处理技术，可对目标进行实时自动探测和识别，能及时、可靠地探测到跑道上最大雷达散射截面为0.01m2杂物并予以定位。美国FAA关于FOD的咨询通告指明，FODetect系统性能最好，但它需要大量（100个）安置在跑道灯旁，不但每一个装置都是一部雷达，成本高，且对现有机场改造安装难度大。Tarsier1100系统数量很少（2-3个），安装塔台远离跑道，但发射功率较大，成本也高。
赛英公司研发的FOD监测雷达结合了上述两部雷达的优点。每个装置的频率和功率与FODetect系统相当，但其数量仅为FODetect系统的五分之一以下。雷达不是装在跑道灯旁，而是装在稍远离跑道的塔台上，使覆盖面积加大，雷达数量减少。由于不受跑道旁设施对高度的限制，对旧机场的改造较为方便。由于实施方案考虑了节约成本，除了毫米波前端采用合法进口的组件外，绝大部分部件由公司研发生产，整部雷达的售价可望较进口产品降低50%。
安装在稍远离跑道的每部雷达能够覆
盖约200米的扇形区域，对于3600米跑
道而言，可以交叉或单侧安装18部雷达来
实现全部覆盖。局部示意图如下：
每部雷达的检测信息都传送至控制塔
监控室。可使用4套光学设备来实现对整
个跑道表面目标的识别和确认。光学设备
的控制也由监控室完成。
赛英FOD雷达检测系统的工作流程：
?雷达不间断对跑道扫描，发现FOD时触发报警；
?监控室对发现目标的的位置显示高亮；
?监控室操作光学设备云台使其对准目标，使用目视确认FOD现场画面；?借助全球定位系统获得FOD目标的精确定位；
?判断FOD目标的危害性，告知清除车辆，迅速清除FOD。
?监控室的“工具箱”自动记录时间、气候、FOD特性、FOD位置等信息。
工作流程示意图：
七、赛英关于FOD监测雷达的研发近况
毫米波机场跑道异物监测雷达是赛英公司2010年科研项目的重中之重，公司现已完成验证样机。
对该样机的外场试验表明，该雷达发现FOD的能力完全达到美国航空联邦局的AC 150/5220-24咨询通告要求，从而验证了实施方案的可行性。
验证样机的特点：雷达为FMCW体制毫米波雷达，采用了收发双天线同步扫描和创新的信号处理和数据处理算法，具有低虚警、高检测能力，其性能与以色列FODetect 系统相当，但成本却大大降低。
即将在赛英公司问世的机场跑道异物监测雷达是一部填补我国空白的、达到国外先进水平的、具有100%自主知识产权的航管雷达。
赛英公司将为我国航管设备国产化、现代化不懈努力！
赛英FOD监测雷达验证样机局部：