机场跑道异物监测系统基础理论与关键技术研究

机场跑道异物（FOD）对民航飞机的起降安全构成重大隐患，FOD的自动监测是民用航空领域的新兴技术和研究热点。本项目拟建立基于雷达与光学复合探测的准分布式FOD自动监测系统体系结构，深入研究FOD目标和地物背景的散射特性，探索毫米波雷达和光学系统的异物探测机理和基础理论，提出强杂波背景下弱目标雷达检测算法和基于多帧累积的光学检测算法、基于雷达和光学探测的数据融合算法，突破FOD FMCW雷达大动态低噪声接收技术和发射泄漏抑制技术、边沿检测自适应滤波和二维高分辨的杂波抑制技术、机场复杂气象条件下的图像增强和背景建模等关键技术。构建雷达和光学监测系统试验平台，对研究的算法和技术进行验证，为研制具有自主知识产权的FOD自动监测系统奠定坚实的理论和技术基础。

机场跑道异物（FOD）对飞机的起降安全构成重大隐患，国内目前还没有机场应用FOD监测系统，也缺乏成熟的研究成果，然而机场对FOD监测系统的应用需求十分迫切。尽管国外已陆续研制出FOD监测系统，并在几个机场试用，仍存在亟待解决的难点问题，目前，弱小目标的检测、恶劣天气适应性和系统体系结构是FOD监测中需深入研究的三大关键问题，本项目围绕三大问题开展了FOD监测体系结构、FOD雷达目标和杂波特性、发射泄漏抑制技术、弱小目标探测方法、光学图像的复原与增强算法和雷达与光学的数据融合方法等方面的深入研究，研制了综合雷达和光学系统的原理系统，完成了原理系统的外场试验，对关键技术进行了验证，为研制具有我国自主知识产权的FOD监测系统奠定了坚实的基础。.本项目主要研究成果如下. 1. FOD监测总体技术方面，研究了基于FMCW雷达和光学目标监测的系统体系结构；确定了FOD监测雷达体制与光学系统架构，设计了监测单元布局、数据传输、软硬件方案，搭建了雷达检测光学确认和光学FOD监测等原理验证系统。. 2.雷达检测方面，对目标和杂波特性进行了研究，建立回波模型；提出了基于最小均方误差算法的自适应对消技术抑制发射泄露；研究了极大时带积LFM信号脉冲压缩算法，并采用Hamming加窗技术降低脉压副瓣；对空域和时域恒虚警（CFAR）算法进行研究，提出了多帧滑窗双门限杂波图CFAR算法，有效提高了弱小目标的检测率。. 3.图像增强方面，提出了自适应Retinex方法增强高动态光照环境下的图像识别度，提出了暗通道改进算法去除图像雾霾影响。. 4.光学检测方面，开展了像素级背景建模和基于主类与辅类接力学习的算法研究，使背景模型具有记忆和泛化功能；采用基于区域级的目标检测算法进行目标确认；研究基于统计学习的跑道异物检测算法，提出了基于SUSAN特征的新直方图特征，采集了各种跑道异物样本图片建立样本库，结合AdaBoost分类器进行复杂环境条件下的目标检测。. 5.雷达与光学检测融合方面，提出了基于模糊算子对的雷达与光学图像融合检测算法。. 6.研制了雷达监测和光学监测原理验证系统，开展了原理样机的机场跑道试验，结果表明，系统探测的FOD材质包括金属、塑料、橡胶、石块和木块等，各项指标满足FAA咨询通告要求。