浅谈机场跑道异物检测技术的研究与实现
浅谈机场跑道异物探测(FOD)系统
浅谈机场跑道异物探测（FOD）系统李 婕上海民航新时代机场设计研究院有限公司，上海 200335摘要：随着我国经济增长，民用航空业的迅猛发展，千万级机场内高峰小时起降量逐年增加。
在飞机起飞和降落时不能有任何人或异物影响飞机的正常起飞和降落，同时，随着现代化信息技术的发展，基于雷达捕捉、视频分析等技术的逐步成熟，通过部署和应用自动化的机场跑道FOD探测设备来提高机场探测工作的质量与效率，已经成为民航行业发展的必然趋势。
关键词：机场跑道；异物；探测（FOD）系统中图分类号：TN911.71 FOD概述FOD（Foreign Object Debris）是指不属于跑道、滑行道、机坪或飞行区其他区域的外来物，FOD包括飞机遗落的零部件、现场工作人员遗落的工具、行李配件、道面破碎产生的石块、施工的碎片杂物、餐饮物品、鸟兽、天气情况产生的冰雪等［1］。
FOD容易被吸入发动机或机械装置内，导致发动机失效，影响起落架及机翼等设备的正常运行，不仅会损坏飞机，严重时可能导致机毁人亡。
除了直接经济损失外，因FOD导致的航班延误或取消而产生的间接经济损失不可估量。
因此，应该利用雷达、光电技术和计算机目标识别技术，部署和应用自动化的机场跑道FOD探测设备来提高机场跑道道面探测工作的质量与效率，保障道面安全。
2 国内机场现状2.1 巡检模式目前，国内大多数机场跑道巡检工作依然采用人工巡检方式，尚无主动、及时、有效发现并清除FOD的技术手段，在巡检时需关闭跑道。
因人工巡检次数及巡查时间有限，导致巡检效率低，安全可靠性也无法保障，特别是航班繁忙时段，极端高峰小时达到每隔120 s就有一架飞机起降，这无疑对高峰时段的跑道检查带来了困难。
如何保障在每架飞机起降间隔内完成整条跑道检查，保证飞机飞行安全，显得尤为重要［2］。
2.2 道面情况随着道面使用时间的推移，跑道在使用过程中经常会因为各种原因产生角裂、裂缝、碎板、错台、补丁等常见水泥混凝土道面病害，需要实时防止这些病害产生的FOD，对飞行安全产生影响。
机场跑道异物检测实例
机场跑道异物检测实例
机场跑道异物检测是一个重要的安全问题，它旨在防止飞机在起飞或降落时与地面上的障碍物发生碰撞。
下面是一个机场跑道异物检测的实例：
在某国际机场，机场管理部门采用了先进的红外线扫描技术来检测跑道异物。
这种技术利用红外线对地面的穿透能力，能够发现跑道表面下的潜在危险。
在一次夜间执勤中，红外线扫描设备发现在跑道中部存在一个异常的热点，初步判断为潜在的异物。
随后，机场管理部门立即组织人员对这一区域进行详细检查。
检查人员发现，在跑道下方埋藏着一个金属物体，长约20厘米，直径约5厘米。
他们小心翼翼地将该物体取出，并立即通知了机场安全管理部门。
经过初步分析，该金属物体被确认为一块飞机起落架的零件，可能是由于飞机维修时遗留在跑道上的。
机场管理部门对这一事件进行了彻底调查，并加强了对机场跑道的巡查和检测工作。
他们还与相关航空公司协商，要求加强飞机维修时的安全管理，防止类似事件的再次发生。
这个实例表明，机场跑道异物检测对于保障飞行安全至关重要。
通过采用先进的检测技术，机场管理部门能够及时发现并排除潜在的安全隐患，确保飞机的起飞和降落安全。
同时，加强安全管理措施也是预防类似事件再次发生的关键。
机场跑道FOD探测方法研究
机场跑道FOD探测方法研究机场跑道的外来物碎片（FOD：Foreign Object Debris）给机场安全运营带来了安全隐患，本文通过相关文献及论坛进行综合了解及比对之后论述了机场跑道FOD检测领域的应用现状，并结合现有技术装备条件提出了一种具有可行性的探测系统框架。
标签：毫米波雷达；机场；FOD一、可实现的探测技术通过相关文献的阅读及资料整理，现将目前FOD探测方面可实现的技术按设备类型分类总结如下：①静态雷达它可以探测到0.6 nmile（l nmile= 1852m）范围内高1.2 in（lin=2.54cm）、直径1.5 in的圆柱状金属物体。
一般情况下，每条跑道需要2至3个传感仪，传感仪距离跑道中心线最少165 ft（lft=0.3048m）。
②静态光电传感仪它可以探测到最大距离为985ft范围内的0.8 ft的物体，每条跑道需5至8个传感仪，传感仪距离跑道中心线最少490ft。
③移动式雷达它安装在车辆顶部，系统扫描范围为车辆前方的600 ft×600 ft（183mx183 m）区域。
系统可以探测到高1.2in，直径1.5 in的物体，系统运行速度范围为不大于每小时30 mile（l mile=1609.344 m），该系统通常作为目视巡检的补充。
④混合型传感仪它是一种光电和雷达波混合感应系统，它可以安装在跑道和滑行道边灯或者其他结构上。
在使用现有电源和数据，减少安装成本的同时，这些地表探测组件SDU的位置，可以满足在恶劣天气条件下探测细小FOD的苛刻要求。
每一个SDU （地表探测组件）对跑道的某一部分扫描并且分析所获数据来确定跑道道面的变化和是否有FOD。
当SDU发现有遗留物时，系统操作人员可接收到一个包括FOD 确切位置和大小的听觉和视觉警告。
二、提出新的探测思路基于上述FOD探测技术水平现状，结合现阶段可以达到的技术要求，现提出一种相对较为新型的FOD探测思路供业界人士做进一步研究做参考。
机场跑道FOD监测系统技术方案
Raida-Air机场跑道异物（FOD）监测系统技术方案一、背景FOD是Foreign Object Debris的缩写，泛指可能损伤航空器或系统的某种外来的物质，常称为跑道异物。
FOD的种类相当多，如飞机和发动机连接件（螺帽、螺钉、垫圈、保险丝等）、机械工具、飞行物品（钉子、私人证件、钢笔、铅笔等）、野生动物、树叶、石头和沙子、道面材料、木块、塑料或聚乙烯材料、纸制品、运行区的冰碴等等。
FOD的危害非常严重，实验和案例都表明，机场道面上的外来物可以很容易被吸入到发动机，导致发动机失效。
碎片也会堆积在机械装置中，影响起落架、襟翼等设备的正常运行。
据保守估计，每年全球因FOD造成的损失至少在30-40亿美元。
2007年5月至2008年5月，中国民航共发生4500多起FOD损伤轮胎的事件。
FOD不仅会造成巨大的直接损失，还会造成航班延误、中断起飞、关闭跑道等间接损失，间接损失至少为直接损失的4倍。
目前，全球绝大多数机场的FOD监测仍然是靠人工完成的，这种方法不但可靠性差、效率低，而且占用了宝贵的跑道使用时间。
二、国内外研究现况2000年7月25日法航协和飞机因FOD失事，造成机上109人、地面4人，共113人遇难。
法国空难事故调查局认定，该次空难是由机场跑道上一块43厘米长的金属薄片割破飞机左侧主起落架的右前轮，致使该轮胎爆裂，轮胎爆裂产生的碎片击中了一个或多个油箱，使得飞机左机翼起火并坠毁。
后经鉴定，此金属碎片为上一个航班——美国大陆航空公司所属的一架DC10飞机上掉下来的。
这场因FOD引发的空难将FOD自动监测系统的研究提上了日程。
目前世界上较为典型的FOD检测系统有4个，它们分别是英国开发的Tarsier系统、以色列开发的FODetect系统、新加坡开发的iFerret系统和美国开发的FODFinder系统。
（具体参见附录A）对上述系统的FOD探测技术列表总结如下：综合来看，现有的FOD探测系统主要采用雷达探测技术与视频图像识别技术，在上述的4个系统中，Tarsier 系统、FODetect 系统、FODFinder 系统采用毫米波雷达探测为主、视频图像识别技术为辅的手段来探测FOD；iFerret系统只采用视频图像识别技术进行FOD的探测。
基于多体制融合的机场跑道外来物探测系统关键技术研究与应用
基于多体制融合的机场跑道外来物探测系统关键技术研究与应用基于多体制融合的机场跑道外来物探测系统关键技术研究与应用1. 引言机场跑道是飞机起降的重要设施，其安全问题一直备受关注。
外来物，例如鸟类、杂草、冰雪等，可能对机场跑道造成重大安全隐患。
因此，研究和应用基于多体制融合的机场跑道外来物探测系统关键技术具有重要意义。
2. 光学传感器技术红外热像仪红外热像仪可以通过测量物体辐射的红外辐射能量来检测外来物的存在。
其优点是可以在昼夜不同光照条件下工作，能够迅速捕捉到外来物的热能变化，实现实时监测。
然而，红外热像仪在环境光强变化剧烈时会受到干扰，识别准确率较低。
激光雷达激光雷达利用激光束测量物体与传感器之间的距离和形状，可以实时获取物体的三维信息。
其优点是具有高精度、高分辨率和远程探测能力，适用于在大范围内对外来物进行快速检测。
然而，激光雷达对于复杂环境下的杂散光和多重反射问题处理较困难。
3. 电磁传感器技术电容传感器电容传感器通过测量电容值的变化来识别物体的存在。
其优点是结构简单、体积小、精度高，可以在多种环境条件下工作。
然而，电容传感器容易受到周围环境的干扰，需提高信号处理算法的准确性。
微波雷达微波雷达利用微波信号与外来物交互时的回波特性来探测物体的存在。
其优点是具有较强的穿透力，可以检测金属、非金属及液体等各种外来物。
然而，微波雷达受到多径效应的影响，对复杂场景下的外来物识别存在一定挑战。
4. 数据融合与分析技术多传感器数据融合多传感器数据融合技术将不同传感器获取的信息进行整合并分析，提高外来物检测的准确性和鲁棒性。
通过协同处理光学传感器和电磁传感器获取的数据，可以获得更全面、准确的外来物探测结果。
模式识别与机器学习模式识别与机器学习技术可以利用大量样本数据进行训练，并自动学习出外来物的特征模式。
通过建立合适的分类模型，可以实现对跑道上不同类型外来物的识别和预警。
基于多体制融合的机场跑道外来物探测系统可以广泛应用于以下场景： - 鸟类检测：通过红外热像仪和激光雷达的融合，及时发现跑道上的鸟类，避免鸟击事故的发生。
机场道面复杂背景下异物特征分析与检测
实 际机 场 道 面 异 物 图像 进 行 检 测 。 初 步 实验 证 明 ， 该 方 法 可 以 有 效检 测 出机 场 道 面 复 杂 背 景 下 的 异 物 ， 实 验 结 果 显
（ １ ． 北 京航 空航 天 大 学 图像 处理 中心 ，北 京 １ ０ ０ １ ９ １ ； ２ ． 中 国 民航 管 理 干 部 学 院 航 空安 保 系，北 京 １ ０ ０ １ ０ ２ ）
摘要 ： 机 场 道 面 异 物 是 威 胁 跑 道 运 行 安 全 的 常 见病 害 ， 及时、 准确 的检 测 异 物 具 有 现 实意 义 。针 对 现 有 的 人 工 目视 检 测方法 ． 本 文 基 于 图像 处 理 理 论 。 提 出 了一 种 机 场 道 面异 物 的 自动 检 测 算 法 。 根 据 机 场 道 面 的复 杂背 景 和 常 见 异 物 的
第２ １ 卷 第 ２期
Ｖｏ １ ． ２ １
Ｎｏ ． ２
电子设 计工 程
Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎｉ ｃ Ｄｅ ｓ ｉ ￣ａ Ｅｎ ｇ
２ ０ １ ３年 １ 月
Ｊ ａ ｎ ． ２ ０１ ３
机 场 道 面 复杂 背景 下异 物特征 分析 与检 测
刘 迪 ，曹晓 光 ，薛斌 党 ，李红伟
Ｌ Ｉ Ｕ Ｄｉ ，Ｃ ＡＯ Ｘｉ ａ ｏ － ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ‘ ， ＸＵＥ Ｂ ｉ ｎ － ｄ ａ ｎ ｇ ‘ ，Ｌ Ｉ Ｈｏ ｎ ｇ － ｗｅ ｉ
（ １ ． Ｉ ｍ ａ ｇ ｅ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆＢ ｅ ｉ ｈ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｗ ｅ ￣ ｉ ｔ ｙ ， Ｂ ｅ ｑ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ９ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ； ２ ． Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ａｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｅ ｃ ｕ ｒ ｉ ｔ ｙ ， Ｃ ｉ ｖ ｉ ｌ Ａ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｍａ ａｇ ｎ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｆＣ ｏ ｈ ｉ ａ， ｎ Ｂ ｅ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ０ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ａ） ｎ
机场跑道异物及道口报警系统技术研究
目录：机场跑道安全昼夜视频监控系统浏览字体：大中小机场跑道异物识别智能检测系统功能简介：根据国内所在的具体机场跑道，按长度与宽度选择具体受检道面位置的安装要求，来最终确定按装位置，在跑道一侧分区域安装5-6套前端探测系统设备，按装在所需高度塔架上，将雷达与多传感器一体化监控前端及相应伺服装置共同安装于跑道侧面固定架上，前端多传感器探测系统将异物位置信息传送给监控系统显示端，监控系统根据位置调整云台和角度、焦距和光圈等，对异物进行跟踪监测拍照，并进行智能分析处理后，将相关信息发送给主控系统供主控系统分析处理并将检测到的异物信息上传到指挥中心，自动弹出检测到的异物在显示界面上，同时发出报警提示。
用户可通过主界面的功能操作软件对摄像角度、焦距和光圈等参数进行微调，将检测到的可疑遗留物放大进行图像观察分析辩认。
二、系统主要功能1）可见光CCD成像部份检测设备，白天及夜间都能提供机场跑道道面异物及周边环境监控所需的高清浙光学视频图像；2）接收来自控制端的控制信息，可手动调节摄像头角度、焦距变化、光圈变化，X2倍、X4倍电子放大等操作功能；3）自动巡检测功能；通过设制预置位功能对所监测的跑道道面做精确的角度扫描，实时动态监控检测。
4）针对跑道上突然增加的遗留物与移动目标跟踪监控功能；5）遗留目标物的尺寸估算功能。
按民用机场与军用机场跑道的长度不同，常规情况，跑道长度为2.8-3.6公里、宽度为40-60米不等，通过科学的像元计算所需的被检测的物体按成像比例将跑道分割为5-6个检测区域，进行同步光电系统巡航定位与限位检测，可设计按500米长度分段检测，通过CCD 光学与红外热感应系统实时巡航检测，经对所检测道面异物形态与轮廓分析比对处理，联动报警提示，通过本系统的测角与测距显示异物所在跑道的精确位置，同时可将检测到的异物进行图像放大观察，录相取证，同时通过内部对讲通讯系统告知场道巡检工作人员异物所在位置与路径进行快速处理。
关于机场跑道异物检测系统
希望通过邀请闵行科学技术研究院机场研究室参与到他们申请的技术研发项目中，以推动产品在2、3线机场的试验性应用，进而进入大机场。实际上，技术已经基本成熟，但由于涉及到安全生产，所以必须有历史应用数据的支撑才可能进入大机场。
2009年，民航局机场司出台了机场异物检测规定，机场区域分类，并规定不同类型区域禁止的异物类型。
民航总局民航科学技术研究院机场研究室，负责相关技术研发与政策研究。该室出台了相关标准的指导手册。
每个机场都有异物管理委员会。
目前国际上主要生产厂家来自美国、以色列、新加坡等。美国、以色列使用短波雷达探测技术，元器件对中国封锁，价格十分昂贵。新加坡采用光电检测技术。该技术团队使用的方法与新加坡类似，但在某些方面技术领先于新加坡。新加坡的光电异物检测技术已应用于新加坡国内、泰国曼谷机场等。
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浅谈机场跑道异物检测技术的研究与实现
作者：吕秋宁
来源：《中国科技纵横》2018年第06期
摘要：机场跑道上存在的异物对飞机安全有一定威胁，为了解决这一问题，应加强对机场跑道异物检测技术的研究。
本文主要围绕机场跑道异物检测技术分析、组合式毫米波探测系统关键技术、组合式毫米波探测系统构成、距离高分辨原理四个方面展开讨论，详细分析了机场跑道异物检测技术及其原理，可针对小目标进行检测，在飞机安全方面有重要作用。
关键词：机场跑道；异物检测；组合式毫米波检测技术
中图分类号：TN911.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）06-0237-02
机场跑道异物是指不属于跑道正常工作区域内，但又由于各种原因出现在跑道上的小物体，包括沙粒、螺丝钉等小目标。
这些异物在飞行区，可能造成飞机延误或者中途断飞等情况，严重的将威胁人身安全。
因此，需要及时清理机场跑道上异物，在相关检测技术的帮助下，能保证对异物进行有效处理。
尤其是在科学技术快速发展的背景下，异物检测技术得到了一定程度发展，在机场跑道异物检测上有重要作用。
1 机场跑道异物检测技术分析
机场跑道上大部分异物尺寸较小，人工检测已经不能满足飞机安全运行需求，近年来，各民用及军用航空机场将机场跑道异物检测作为主要工作内容，并加强了对检测技术不断改进的重视。
为了实现对机场跑道上小物体进行自动检测，国外主要采用了光学检测方法以及电磁波检测技术。
英国研制出的外来异物检测系统为了保证较高的分辨率，选取作业在94GHz毫米波上。
这一检测系统主要运用了线性调频连续体制，以便实现对机场跑道的小物体检测。
而在提高分辨率上，检测系统主要运用了一定频率的扫频宽带，同时利用天线来提高系统的定位能力。
光学检测技术包括摄像机、红外热像仪以及数码相机等高清晰的视频监视设备，这些设备在机场跑道异物检测上取得了广泛应用，但是由于摄像机和数码机等容易受到天气的影响，使得地面异物的颜色分辨难度有所增加，分辨率不够精准。
而毫米波扫描设备能在雨雾、白昼等天气条件下正常作业，不受气候因素的影响，属于一种在跑道异物检测上应用价值较高的检测技术[1]。
毫米波检测装置为了实现对跑道上较小物体的检测，来提高其检测小物体的能力，需要保证扫描设备的距离以及分辨率设置合理，从而促使机场异物检测工作的顺利进行。
由于毫米波检测到的跑道图像不属于可见光影像，所以不能明确判断异物种类，这时需要在光学成像设备的作用下来拍摄外来杂物，这种情况下，当雷达检测技术探测到小物体时，能通过光学影像对外来物类型进行辨认。
上述为国外主要应用的异物检测技术，对于国内来讲，根据其器件状况，可应用组合式毫米波检测系统来保障飞机安全，是指在机场跑道附近设置网络布局的毫米
波雷达检测传感器，在这些传感器作用下，可实现系统对地面小目标有很好的检测能力，是具有较强应用意义的一项机场跑道异物检测技术。
2 组合式毫米波探测系统关键技术
国外机场跑道主要应用的异物检测系统中，通常采用毫米波扫描方法，进行异物检测工作。
将该技术结合到检测系统中，能有效提高系统距离以及方位检测分辨率，并能减轻杂波的反射强度，可保证对外来杂物的有效检测。
另外，检测系统采用高工作频段，可在系统体积不大时取得较高的方位分辨率，而在纵向方向主要应用了线性调频技术，以便实现较高的分辨率[2]。
机场跑道上的小物体在跑道上基本维持静止状态，针对这一特点，不能利用动目标检测技术来消除地面平面的杂散回波。
而对于尺寸较小的外来物来说，当对其进行检测时，将产生微弱回波，这些回波与地面杂散回波混合在一起，会对异物检测造成影响，而为了提高检测精准度，需要在混合波中挑选出外来物回波，即是尽可能降低地面杂波的回波强度，以便保证检测技术的实效性。
雷达地面杂波的回波强度通常与其对地照射角、地面属性以及地面照射面积有关，其中地面照射面积对回波强度有重要影响，主要与雷达距离以及方位分辨率有关。
当雷达距离和分辨率不能满足应用需求时，则地面杂波涉及面积会有所增加，回波强度将会比机场跑道的回波强度强的多。
由此可见，为了提高外来物检测精度，应使雷达在方位与距离上保持较高的分辨率。
毫米波扫描设备照射跑道时，跑道上外来物将产生回波，并且机场跑道地面同时产生杂波，干扰检测系统对外来物的检测。
根据地面杂波情况，发现地面杂波的反射强度以及跑道外来物雷达截面积等可进行估算。
当雷达距离分辨率超过0.15m时，则雷达方位波束会按照作用距离来选择适当宽度，使得地面杂波强度相对于外来物回波来讲较低，使得检测系统分辨率得以提高。
为了最大程度降低地面杂波干扰，并提高系统对跑道外来物检测能力，还要求雷达有适当的地面入射角。
如英国研发的Tarsier T1100物体检测系统，便采用了宽度较小的方位波束，但是对于方位分辨能力要求较高的检测系统来讲，其通常应用一定长度的雷达天线。
例如为了在8mm波段获得0.2°的波束宽度，需要天线尺寸接近3m，但是将为检测系统的实际应用造成不便。
针对这一问题，可通过组合式毫米波检测系统来进行对外来物的检测。
3 组合式毫米波探测系统构成
机场跑道异物检测系统主要由无线数据输送网络、检测单元以及监控终端构成，其中不同检测单元包含对应的毫米波检测装置与摄像设备，一般在跑道两端布设间隔距离固定的检测单元，用来检测其邻近跑道区域的外来物。
传感器检测到的数据会通过无线网络输送至监控终端，之后由终端对数据展开分析并得到位置结果，帮助工作人员能及时进行异物清理工作。
不同传感器部件有其自己的ID号，在网络通道下传输数据时，还会将自己的ID号输送到终端以便识别不同传感器的检测数据。
在检测系统实际应用的过程中，检测单元的毫米波扫描设备利用发射毫米波束来搜索跑道，可实现对机场外来物产生反射信号并对信号进行处理[3]。
4 距离高分辨原理
为了实现雷达取得较好的应用效果，应保证其具有高的距离和方位分辨率。
在机场跑道检测系统中采用的线性调频雷达，在一定时间内，调制信号电压与载频信号频率成正相关关系。
一般线性调频雷达的调制波形为三角形或者锯齿波形，不同调制波形对应特定的目标距离和速度关系公式。
如对于三角形调制波性状来讲，当知道一个中频信号频率后，便可分析出跑道外来物位置信息[4]。
当跑道上有多个距离不相同的目标时，由于目标处于静止状态，所以一个频率对应一个位置距离，可借助雷达装置来区分不同目标。
毫米波检测设备发射连续波信号时，将出现反射回波信号和发射信号形成一定差异的现象，其中差频信号与的外来物距离有关，其分辨率同线性调频带的宽度有关，所以可认为探测技术是通过对反射回波和发生信号间的差频情况来实现对跑道异物的测量，在保障飞机安全方面有积极意义。
5 结语
综上所述，飞机跑道异物检测技术对航空安全有着重要作用，检测系统中通常包括雷达技术以及图像处理技术等，以便实现精准定位。
本文主要分析了组合式毫米波检测技术，该技术对飞机跑道上小目标有很好的分辨率，进而保证飞机跑道上异物的及时清理，为飞机安全提供保障。
另外，将该技术运用到检测系统中，能更有效的定位目标，并具有较好的灵敏度，是促进航空领域良好发展的重要基础。
参考文献
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