机场跑道异物旋臂圆弧聚束成像方法研究

FOD is the abbreviation of Foreign Object Debris on the airport runway, which caused the loss of more than $3000000000 in the world every year. Existing millimeter wave FOD detection technology achieves the high resolution ability with high cost. In practical application, it is difficult to use a large aperture antenna, antenna array, or synthetic aperture radar imaging method to obtain high resolution in azimuth due to the runway clearance and navigation equipment electromagnetic protection area restrictions. Therefore, detection ability of the vast majority of FOD, especially the small objects such as sheet metal target in the runway clutter, is restricted. In this project, we develop a method for imaging of the FOD on the airport runway, propose a data driven method for adaptive phase noise suppression, and a combined reconstruction method for multiple observation data of fixed scene. Under the existing hardware conditions, the range resolution loss of FOD imaging of millimeter wave radar due to phase noise can be reduced, the azimuth resolution can be improved by spotlight imaging, the effect of sidelobe of runway on the quality of FOD imaging can be mitigated. It has important practical significance to protect military and civil aviation security and to improve the basic research level and independent innovation ability of our country in this field.

FOD是Foreign Object Debris的缩写，泛指机场跑道异物或裂缝，每年在全球造成的损失超过30亿美元。现有毫米波FOD监测技术由于获得距离向高分辨能力的成本较高，而且受跑道净空以及导航设备电磁保护区限制，在实际应用中难以采用大孔径天线、多天线阵列、合成孔径雷达成像等方法获得方位向高分辨能力，因此对占FOD绝大多数的微小目标，特别是跑道杂波中片状金属目标的检测能力受到制约，影响了推广应用。本项目研究机场跑道异物的旋臂圆弧聚束毫米波成像方法，发展基于数据驱动的自适应相位噪声抑制方法、固定场景的多幅观测数据联合重建方法，在现有的硬件条件下降低相位噪声导致的毫米波雷达FOD成像的距离向分辨率损失，提高方位向高分辨，抑制跑道杂波旁瓣对FOD成像质量影响，对保障军事和民用航空安全、提高我国在该领域的应用基础研究水平和自主创新能力具有重要的现实意义。

传统的SAR系统一般安装在飞行器上，其运动轨迹不受空间限制，而地基SAR系统一般安装在地面固定塔架或车辆平台上，其运动轨迹往往在不同的应用场景中受到一定限制。针对机场跑道外来异物探测问题，受跑道净空以及导航设备电磁保护区限制，异物探测设备的体积和安装位置受限，雷达载体基本不具备运动条件，采用常规合成孔径、多普勒波束锐化等方法获得方位向高分辨能力遇到诸多实施障碍。为此，本项目提出采用旋臂圆弧聚束SAR新体制对机场跑道异物进行监测。首先，从理论上分析地基毫米波旋臂圆弧聚束SAR系统的工作体制特点，研究了一种具有较宽适用范围的新体制旋臂圆弧聚束SAR系统，从旋臂圆弧聚束SAR体制上提高二维重建成像的方位分辨率；其次，对毫米波旋臂圆弧聚束SAR系统高精度相位噪声估计与高分辨重建信号模型及算法等基本问题开展研究，分析了雷达系统回波信号中的中频相位噪声对成像性能的影响，并结合场景散射中心的稀疏特性，采用贝叶斯优化技术对单幅旋臂圆弧聚束SAR数据中的相位噪声进行估计与修正，开发了适用于旋臂圆弧聚束SAR的高精度重建自聚焦算法；最后，将相位噪声修正后的多幅观测数据进行联合处理，提高成像精度，实现机场跑道弱小目标的有效探测，并开展仿真实验和数据实验研究，通过实验研究验证完善相关理论分析和信号模型。具体而言，在毫米波旋臂圆弧聚束SAR高精度成像模型研究方面，开展了旋臂圆弧聚束SAR二维成像模型研究、毫米波旋臂圆弧聚束SAR回波相位噪声模型研究和联合多幅观测的稀疏学习高精度机场跑道成像模型研究。在毫米波旋臂圆弧聚束SAR机场跑道异物高分辨探测方法研究方面，开展了基于单幅旋臂圆弧聚束SAR回波相位噪声估计的自聚焦方法研究和基于压缩感知的多次观测联合高精度机场跑道异物探测方法研究。取得的成果包括SCI期刊论文5篇，国际学术会议论文5篇，发明专利3项，其中美国专利1项。本项目培养博士研究生2名，硕士研究生4名。