一种基于毫米波雷达技术的跑道侵入预警系统及方法与流程

本发明涉及机场跑道区域安全领域，尤其涉及一种基于毫米波雷达技术的跑道侵入预警系统及方法。

背景技术：

我国民用航空器逐年增多，机场场面运行的车辆、人员也以惊人速度增长，机场道面安全问题日益突出，尤其是跑道不安全事件时有发生。跑道侵入是影响飞行区运行安全的重要因素，如何有效地减少跑道侵入事件发生是全球各国民航管理部门、机场、研究机构致力解决的问题。

跑道侵入事件涉及目标主要为航空器、车辆、人员，faa(即美国联邦航空管理局)将跑道侵入差错原因主要分为三类，运行控制失误、飞行员偏差、车辆/行人偏差，跑道侵入的减少需要空管、飞行机组和地面三方协作。在2017-2019财年期间美国共发生跑道侵入事件5345起，仅2019财年，就发生跑道侵入事件1761起。面向当前跑道侵入频发的难题，各国民航科研及从业人员积极开展了预防跑道侵入的技术研究与应用，主要包括停止排灯、跑道状态灯、gnss车载设备+电子围栏等技术手段。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于毫米波雷达技术的跑道侵入预警系统及方法，采用毫米波雷达技术可以全天候、全天时检测跑道运行区域侵入事件，监控可能出现的冲突风险，告警准确性、及时性得到了全面提升，可以实现跑道侵入事件的监测和风险防范，有利于管理人员作出快速应对指挥。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于毫米波雷达技术的跑道侵入预警系统，包括毫米波雷达系统、数据处理分析控制模块和机场跑道防侵入告警规则数据库，毫米波雷达系统、数据处理分析控制模块和机场跑道防侵入告警规则数据库依次连接，所述毫米波雷达系统包括若干个毫米波雷达模块，各个毫米波雷达模块设置于跑道附近，所述毫米波雷达系统的所有毫米波雷达模块完全覆盖跑道区域及跑道保护区域；所述机场跑道防侵入告警规则数据库包括跑道防侵入经纬度地图模块和跑道防侵入告警划设模块，所述毫米波雷达系统的各个毫米波雷达模块用于对跑道区域及跑道保护区域进行图像扫描并将扫描图像传输至机场跑道防侵入告警规则数据库，机场跑道防侵入告警规则数据库中的跑道防侵入经纬度地图模块对应匹配扫描图像并建立起与扫描图像对应映射的雷达扫描经纬度地图，所述跑道防侵入告警划设模块用于在雷达扫描经纬度地图中划设出跑道区、告警区和预警区，所述告警区为跑道区边缘向外扩展的第一环形区域，所述预警区为告警区边缘向外扩展的第二环形区域；所述毫米波雷达系统的各个毫米波雷达模块还用于对跑道区域及跑道保护区域进行实时扫描并将运动目标的实时扫描结果分别传输至数据处理分析控制模块、机场跑道防侵入告警规则数据库，所述机场跑道防侵入告警规则数据库还用于将运动目标的实时扫描结果对应映射到雷达扫描经纬度地图上，所述数据处理分析控制模块用于判断实时扫描结果是否位于跑道区、告警区或预警区中并得出侵入告警结果，所述侵入告警结果包括跑道区侵入告警、告警区侵入告警和预警区侵入告警。

为了更好地响应告警并起到告警提示作用，本发明跑道侵入预警系统还包括告警装置，所述告警装置与数据处理分析控制模块连接，所述告警装置用于对应响应数据处理分析控制模块所得出的侵入告警结果。

作为优选，本发明跑道侵入预警系统还包括通信模块，所述通信模块与数据处理分析控制模块连接。

作为优选，所述数据处理分析控制模块包括数据处理解算模块，所述数据处理解算模块用于对运动目标进行经纬度计算，所述数据处理解算模块还用于根据对应运动目标的实时扫描结果分别计算出运动目标距离跑道边缘的接近距离和运动目标的运动速度。

作为优选，所述告警装置包括灯光告警模块和声音告警模块，所述灯光告警模块采用红、黄、橙三种灯光分别对应响应跑道区侵入告警、告警区侵入告警和预警区侵入告警；所述声音告警模块采用三种声音模式或声音强度分别对应响应跑道区侵入告警、告警区侵入告警和预警区侵入告警。

一种基于毫米波雷达技术的跑道侵入预警方法，其方法包括如下：

a、全景重复扫描并建立雷达扫描经纬度地图：毫米波雷达系统的所有毫米波雷达模块分别对跑道区域及跑道保护区域进行全景扫描并将扫描图像传输至机场跑道防侵入告警规则数据库，机场跑道防侵入告警规则数据库中的跑道防侵入经纬度地图模块对扫描图像进行特征点匹配、经纬度匹配并建立起与扫描图像对应映射的雷达扫描经纬度地图，跑道区域及跑道保护区域的雷达扫描数据全部映射至雷达扫描经纬度地图中；

b、划设跑道侵入预警区域：通过跑道防侵入告警划设模块在雷达扫描经纬度地图中依次划设出跑道区、告警区和预警区，跑道区位于告警区中部，告警区位于预警区中部，告警区为跑道区边缘向外扩展的第一环形区域，预警区为告警区边缘向外扩展的第二环形区域；

c、实时扫描跑道区域及跑道保护区域：毫米波雷达系统的所有毫米波雷达模块对跑道区域及跑道保护区域的运动目标或/和进入目标进行实时扫描并将实时扫描结果分别传输至数据处理分析控制模块、机场跑道防侵入告警规则数据库，运动目标包括行走的人和运动的车辆，机场跑道防侵入告警规则数据库将实时扫描结果对应映射到雷达扫描经纬度地图上；

d、跑道侵入预警判断及预警输出：数据处理分析控制模块判断实时扫描结果是否位于跑道区、告警区或预警区中并得出侵入告警结果，具体判断方法如下：

d1、若实时扫描结果对应映射到雷达扫描经纬度地图上处于预警区中，则判定为预警区侵入告警，然出输出预警区侵入告警指示，同时毫米波雷达系统锁定追踪该运动目标；

d2、若实时扫描结果对应映射到雷达扫描经纬度地图上处于告警区中，则判定为告警区侵入告警，然出输出告警区侵入告警指示，同时毫米波雷达系统锁定追踪该运动目标；

d3、若实时扫描结果对应映射到雷达扫描经纬度地图上处于跑道区中，则判定为跑道区侵入告警，然出输出跑道区侵入告警指示。

进一步的技术方案是：本发明跑道侵入预警方法还包括如下：

e、数据处理分析控制模块将侵入告警结果输出到告警装置，告警装置包括灯光告警模块和声音告警模块，告警装置作出如下跑道侵入预警响应：

e1、当数据处理分析控制模块得出d1中的预警区侵入告警指示，则灯光告警模块采用橙光告警方式进行告警响应，声音告警模块采用第一种声音模式或第一种声音强度进行告警响应；

e2、当数据处理分析控制模块得出d2中的告警区侵入告警指示，则灯光告警模块采用黄光告警方式进行告警响应，声音告警模块采用第二种声音模式或第二种声音强度进行告警响应；

e3、当数据处理分析控制模块得出d3中的跑道区侵入告警指示，则灯光告警模块采用红光告警方式进行告警响应，声音告警模块采用第三种声音模式或第三种声音强度进行告警响应。

更进一步的技术方案是：本发明跑道侵入预警方法还包括如下：

f、数据处理分析控制模块的数据处理解算模块根据对应运动目标的实时扫描结果对运动目标进行经纬度计算，数据处理分析控制模块的数据处理解算模块根据对应运动目标的实时扫描结果分别计算出运动目标距离跑道边缘的接近距离和运动目标的运动速度。

再进一步的技术方案是：本发明跑道侵入预警方法还包括如下：

h、还包括通信模块和机场信息系统，通信模块与数据处理分析控制模块连接，通过通信模块远距离传输至机场信息系统。

作为优选，所述机场跑道防侵入告警规则数据库中的跑道防侵入经纬度地图模块中内置有特征点提取模块、经纬度解算模块及雷达扫描经纬度地图构建模块，所述特征点提取模块用于提取全景扫描图像中的特征点，所述经纬度解算模块用于进行经纬度结算，所述雷达扫描经纬度地图构建模块用于建立起与扫描图像对应映射的雷达扫描经纬度地图。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明采用毫米波雷达技术可以全天候、全天时检测跑道运行区域侵入事件，监控可能出现的冲突风险，比如人员或者车辆进入跑道预告警区域时，告警准确性、及时性得到了全面提升，可以实现跑道侵入事件的监测和风险防范，有利于管理人员作出快速应对指挥。

(2)本发明通过布设多个毫米波雷达模块，采用毫米波雷达技术能够有效覆盖机场跑道区域、预警区域和告警区域，可以实时扫描监测跑道各个保护区域内的移动目标以及进入目标，并通过数据比对得出告警判断，同时能及时地通过声光方式响应告警指示。

(3)本发明不受卫星定位信号、照明光线、天气环境等影响，能够在恶劣环境(雨、雪、雾、夜间等)下稳定地工作，具有极高的探测率和非常低的误报率，具有使用寿命长、易于安装维护、故障率低、应用场景全面等优点，可提供全天候、全天时的预警防范。

附图说明

图1为本发明跑道侵入预警系统的原理结构框图；

图2为本实施例中毫米波雷达系统覆盖跑道保护区及跑道区、告警区、预警区划设示意图；

图3为本实施例中举例fmcw毫米波雷达的发射与接收信号原理图；

图4为本实施例中举例fmcw毫米波雷达的测距原理图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1－跑道区，2－告警区，3－预警区，4－移动目标，5－毫米波雷达模块。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例

如图1～图4所示，一种基于毫米波雷达技术的跑道侵入预警系统，包括毫米波雷达系统、数据处理分析控制模块和机场跑道防侵入告警规则数据库，毫米波雷达系统、数据处理分析控制模块和机场跑道防侵入告警规则数据库依次连接，所述毫米波雷达系统包括若干个毫米波雷达模块(参见图1，毫米波雷达系统可以包括毫米波雷达模块a、毫米波雷达模块b…毫米波雷达模块n，共计n个毫米波雷达模块，使用时，根据实际跑道长度来具体设置相应数量的毫米波雷达模块，本实施例的毫米波雷达模块采用调频连续波工作方式(fmcw)的毫米波雷达)，各个毫米波雷达模块设置于跑道附近，所述毫米波雷达系统的所有毫米波雷达模块完全覆盖跑道区域及跑道保护区域；本实施例选择在跑道区靠近两侧位置分别设置一个毫米波雷达模块5(又称毫米波雷达)，两个毫米波雷达模块5的覆盖范围包括机场地面的跑道及跑道周边区域(本实施例至少包括跑道区1、告警区2、预警区3)。所述机场跑道防侵入告警规则数据库包括跑道防侵入经纬度地图模块和跑道防侵入告警划设模块，所述毫米波雷达系统的各个毫米波雷达模块用于对跑道区域及跑道保护区域进行图像扫描并将扫描图像传输至机场跑道防侵入告警规则数据库，机场跑道防侵入告警规则数据库中的跑道防侵入经纬度地图模块对应匹配扫描图像并建立起与扫描图像对应映射的雷达扫描经纬度地图；在建立雷达扫描经纬度地图时，可以采用经纬度匹配与特征点匹配相结合的方式来构建出雷达扫描经纬度地图，以便于后期实时运动目标扫描进行匹配。所述跑道防侵入告警划设模块用于在雷达扫描经纬度地图中划设出跑道区(参见图2中的跑道区1，这里所划设出的跑道区为在雷达扫描经纬度地图上对应匹配而来的跑道区)、告警区(参见图2中的告警区2，这里所划设出的告警区为在雷达扫描经纬度地图上对应匹配而来的告警区)和预警区(参见图2中的预警区3，这里所划设出的预警区为在雷达扫描经纬度地图上对应匹配而来的预警区)，所述告警区为跑道区边缘向外扩展的第一环形区域(参见图2所对应的告警区2)，所述预警区为告警区边缘向外扩展的第二环形区域(参见图2所对应的预警区3)。

本发明毫米波雷达系统的各个毫米波雷达模块还用于对跑道区域及跑道保护区域进行实时扫描并将运动目标的实时扫描结果分别传输至数据处理分析控制模块、机场跑道防侵入告警规则数据库，所述机场跑道防侵入告警规则数据库还用于将运动目标的实时扫描结果对应映射到雷达扫描经纬度地图上，所述数据处理分析控制模块用于判断实时扫描结果是否位于跑道区、告警区或预警区中并得出侵入告警结果，所述侵入告警结果包括跑道区侵入告警、告警区侵入告警和预警区侵入告警。

本发明还包括告警装置和通信模块，所述告警装置与数据处理分析控制模块连接，所述告警装置用于对应响应数据处理分析控制模块所得出的侵入告警结果。所述通信模块与数据处理分析控制模块连接，本发明通过通信模块可以实现将跑道区侵入告警、告警区侵入告警、预警区侵入告警进行远距离传输，比如直接传输至空管端，便于空管的介入指挥管理。本发明的告警装置包括灯光告警模块和声音告警模块，所述灯光告警模块采用红、黄、橙三种灯光分别对应响应跑道区侵入告警、告警区侵入告警和预警区侵入告警(即灯光告警模块的红色灯光告警对应跑道区侵入告警，灯光告警模块的黄色灯光告警对应告警区侵入告警，灯光告警模块的橙色灯光告警对应预警区侵入告警)；所述声音告警模块采用三种声音模式(比如采用报警声音急促程度或报警声音内容，甚至可以采用语音播报方式报警)或声音强度(比如强、中、弱)分别对应响应跑道区侵入告警、告警区侵入告警和预警区侵入告警。

本发明的数据处理分析控制模块包括数据处理解算模块，所述数据处理解算模块用于对运动目标进行经纬度计算，通过毫米波雷达模块的发射波、回波及发射角度或接收角度即可计算出经纬度，所述数据处理解算模块还用于根据对应运动目标的实时扫描结果分别计算出运动目标距离跑道边缘的接近距离(计算出运动目标距离毫米波雷达模块的距离和角度后，并已知毫米波雷达模块距离跑道边缘的距离，即可计算出接近距离；或者在雷达扫描经纬度地图中对应匹配出该运动目标的位置及运动轨迹，也能快速通过计算得到接近距离)和运动目标的运动速度(比如在雷达扫描经纬度地图中对应匹配出该运动目标的位置及运动轨迹，记录时间就能快速计算得到运动速度)。本实施例还可以通过毫米波雷达来计算出运动目标距离毫米波雷达模块的距离，本实施例毫米波雷达在某特定频率范围内进行调频使用，毫米波雷达能够清楚地识别发射出去和回波的频率值，使得该雷达很难发生信道阻塞和影响其他同频率工作雷达。可与摄像机、灯光告警系统联动，将告警信号通过控制系统推送给相应模块，发出电子信号、灯光、声音等形式的预告警。考虑到机场实际应用的需求，一般采用调频连续波工作方式(fmcw)的毫米波雷达，对于调频连续波的工作方式，其发射波的频率是不断变化的，但频率的变化率是一定的，因此毫米波雷达主要通过对发射信号和反射回波信号做互相关，检测出其间的差拍频率fb和多普勒频移fd，从而代入公式得出距离和速度。运动目标距离毫米波雷达模块的距离s和运动目标的速度v公式如下：

式中：s—距离；v—速度；c—光速；t—信号发射周期；δf—调频带宽；fb—差拍频率；λ—信号波长；fd—多普勒频移。

计算出运动目标距离毫米波雷达模块的距离s，再结合毫米波雷达模块的发射波角度或回波角度即可计算得到运动目标距离跑道边缘的接近距离。

或者，本实施例运动目标距离毫米波雷达模块的距离和运动目标的速度还可以采取如下方法：本实施例的毫米波雷达(又称毫米波雷达模块)采用fmcw(调频连续波)雷达体制，雷达天线向外发出一系列连续调频毫米波，频率随时间按调制电压的规律变化，一般是连续的三角波，发射与接收信号如图3所示。在图3中，实线是发射信号，虚线是相对静止和相对运动物体的反射信号(这样，本发明可以实现对相对移动的目标进行监测)。反射与发射信号波形相同，只是差一个延时时间td。如图4所示，假设发射的中心频率为f0,b为频带宽度，t为扫频周期，调制信号为三角波，c为光速，r和v分别为运动目标的相对距离和相对速度。在发射信号的上升段和下降段，中频输出信号在图4中表示出。为了获得运动目标的信息必须对中频信号进行实时频谱分析，其方法主要是运用快速傅立叶变换(ftt)，即可求得运动目标的速度和距离。本发明从安装简便、维护容易、环境适应度高的角度入手，提出了一种基于毫米波雷达技术的跑道侵入预警方法。

一种基于毫米波雷达技术的跑道侵入预警方法，其方法包括如下：

a、全景重复扫描并建立雷达扫描经纬度地图：毫米波雷达系统的所有毫米波雷达模块分别对跑道区域及跑道保护区域进行全景扫描并将扫描图像传输至机场跑道防侵入告警规则数据库，机场跑道防侵入告警规则数据库中的跑道防侵入经纬度地图模块对扫描图像进行特征点匹配、经纬度匹配并建立起与扫描图像对应映射的雷达扫描经纬度地图，跑道区域及跑道保护区域的雷达扫描数据全部映射至雷达扫描经纬度地图中；本发明机场跑道防侵入告警规则数据库中的跑道防侵入经纬度地图模块中内置有特征点提取模块、经纬度解算模块及雷达扫描经纬度地图构建模块，所述特征点提取模块用于提取全景扫描图像中的特征点，所述经纬度解算模块用于进行经纬度结算，所述雷达扫描经纬度地图构建模块用于建立起与扫描图像对应映射的雷达扫描经纬度地图。

b、划设跑道侵入预警区域：通过跑道防侵入告警划设模块在雷达扫描经纬度地图中依次划设出跑道区、告警区和预警区，跑道区位于告警区中部，告警区位于预警区中部，告警区为跑道区边缘向外扩展的第一环形区域，预警区为告警区边缘向外扩展的第二环形区域；

c、实时扫描跑道区域及跑道保护区域：毫米波雷达系统的所有毫米波雷达模块对跑道区域及跑道保护区域的运动目标或/和进入目标进行实时扫描并将实时扫描结果分别传输至数据处理分析控制模块、机场跑道防侵入告警规则数据库，运动目标包括行走的人和运动的车辆，机场跑道防侵入告警规则数据库将实时扫描结果对应映射到雷达扫描经纬度地图上；

d、跑道侵入预警判断及预警输出：数据处理分析控制模块判断实时扫描结果是否位于跑道区、告警区或预警区中并得出侵入告警结果，具体判断方法如下：

d1、若实时扫描结果对应映射到雷达扫描经纬度地图上处于预警区中，则判定为预警区侵入告警，然出输出预警区侵入告警指示，同时毫米波雷达系统锁定追踪该运动目标(本发明可以采用毫米波雷达模块进行追踪锁定，或者本发明专用设置用于追踪锁定的多个毫米波雷达模块或其他雷达)；

d2、若实时扫描结果对应映射到雷达扫描经纬度地图上处于告警区中，则判定为告警区侵入告警，然出输出告警区侵入告警指示，同时毫米波雷达系统锁定追踪该运动目标(本发明可以采用毫米波雷达模块进行追踪锁定，或者本发明专用设置用于追踪锁定的多个毫米波雷达模块或其他雷达)；

d3、若实时扫描结果对应映射到雷达扫描经纬度地图上处于跑道区中，则判定为跑道区侵入告警，然出输出跑道区侵入告警指示，在步骤d3中更需要毫米波雷达系统锁定追踪该运动目标。

e、数据处理分析控制模块将侵入告警结果输出到告警装置，告警装置包括灯光告警模块和声音告警模块，告警装置作出如下跑道侵入预警响应：

e1、当数据处理分析控制模块得出d1中的预警区侵入告警指示，则灯光告警模块采用橙光告警方式进行告警响应，声音告警模块采用第一种声音模式或第一种声音强度进行告警响应；

e2、当数据处理分析控制模块得出d2中的告警区侵入告警指示，则灯光告警模块采用黄光告警方式进行告警响应，声音告警模块采用第二种声音模式或第二种声音强度进行告警响应；

e3、当数据处理分析控制模块得出d3中的跑道区侵入告警指示，则灯光告警模块采用红光告警方式进行告警响应，声音告警模块采用第三种声音模式或第三种声音强度进行告警响应。

本实施例的灯光告警模块也可以采用其他三种颜色组合来对应实现三种保护区的告警提示。

f、数据处理分析控制模块的数据处理解算模块根据对应运动目标的实时扫描结果对运动目标进行经纬度计算，数据处理分析控制模块的数据处理解算模块根据对应运动目标的实时扫描结果分别计算出运动目标距离跑道边缘的接近距离(计算出运动目标距离毫米波雷达模块的距离和角度后，并已知毫米波雷达模块距离跑道边缘的距离，即可计算出接近距离；或者在雷达扫描经纬度地图中对应匹配出该运动目标的位置及运动轨迹，也能快速通过计算得到接近距离)和运动目标的运动速度(比如在雷达扫描经纬度地图中对应匹配出该运动目标的位置及运动轨迹，记录时间就能快速计算得到运动速度)。

h、还包括通信模块和机场信息系统，通信模块与数据处理分析控制模块连接，通过通信模块远距离传输至机场信息系统，机场管理人员、空管人员通过机场信息系统即可及时地知晓跑道侵入预警，便于及时作出应对指挥。本发明采用毫米波雷达技术，不受卫星定位信号、照明光线(比如夜晚)等影响，其天气对告警影响因素大大降低，可以全天候、全天时检测跑道运行区域侵入事件，监控可能出现的冲突风险，告警准确性、及时性得到提升，可以实现跑道侵入事件的监测和风险防范，有利于管理人员作出快速应对指挥。本发明不受天气环境影响，能够在恶劣环境(雨、雪、雾、夜间等)下稳定地工作，具有极高的探测率和非常低的误报率，具有使用寿命长、易于安装维护、故障率低、应用场景全面等优点，可提供全天候、全天时的预警防范。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。