用於機場跑道的異物自動檢測系統及其檢測方法
2023-05-29 02:18:06 4
專利名稱：用於機場跑道的異物自動檢測系統及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及的是一種飛機機場技術領域的裝置及方法，具體是一種用於機場跑道的異物自動檢測系統及其檢測方法。
背景技術：
隨著現在民用機場航班客運量的大幅增加，外來物體(國際通稱foreign Object Debris (FOD))掉落機場跑道的事件大量增加，外來物體的典型例子有混凝土浙青碎塊、 金屬器件、橡膠碎片、塑料製品、動植物。航空器對於FOD來說相當脆弱，一隻飛鳥或一小塊塑料布吸入發動機可能引起空停，一個小螺釘或金屬片甚至尖銳石子都可能扎傷輪胎引起爆破，產生的輪胎碎片可能打傷飛機機體或重要部件，如液壓管、油箱。近年來最為引人關注的FOD事件是2000年法航協和空難，機上109人，地面4人，共113人遇難。調查表明協和空難的肇事者是上一個航班飛機上掉在跑道上的金屬片，它扎破了隨後起飛的協和飛機輪胎，輪胎爆破產生的碎片擊中了一個或多個油箱，飛機左機翼起火併很快墜毀，這個過程不到1分30秒。此次事件的後果是協和飛機在2003年10月M日全部退役。協和飛機空難事件提高了人們對於機場跑道外來異物的重視，世界各國逐漸開始研發針對FOD目標的主動探測預警系統，用於防止機場跑道外來異物撞擊飛機而因此造成的飛機輪胎受損或者發動機受損，以及由此引發的機場跑道關閉或航班晚點等額外的經濟損失。毫米波雷達作為現代雷達技術發展的重要組成部分與傳統雷達相比有很多優點。 例如高解析度和小尺寸由於天線和微波器件的尺寸與工作頻率有關，因此毫米波雷達的天線和微波元器件可以較小，比較適合安裝於機場跑道附近，毫米級的探測精度可以準確的探測到機場跑道上的外來異物。基於計算機視覺的目標識別技術是一門融合了圖像處理，模式識別。人工智慧、自動控制以及計算機等諸多領域的先進技術。紅外熱像儀與可見光攝像機可以滿足對FOD目標全天候、全天時的圖像拍攝，實時對FOD目標進行分析與處理。FOD探測系統的核心思想是利用安裝在機場跑道附近的光電探測傳感器對機場跑道甚至整個機場運作區域內的多個FOD目標進行有效地定位、跟蹤和自動分析。當FOD探測系統預先判斷的物體的威脅等級超出設定的警戒值時發出告警，並輔助機場工作人員及時清理FOD目標。經過對現有技術文獻的檢索發現新加坡Mratechsystems公司開發的Werret 機場跑道探測系統，現已安裝在新加坡樟宜國際機場。該系統由若干高解析度光學攝像機組成，攝像機實時探測並識別機場跑道異物。該系統在芝加哥的奧黑爾國際機場FAA技術人員對系統進行了測試。該系統的不足之處在於1、使用光學攝像機探測目標其圖像處理的數據處理量非常大，探測識別時間較長。2、光學攝像機受天氣光照條件影響很大，在跑道積水等情況下很難檢測到跑道上微小異物。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種用於機場跑道的異物自動檢測系統及其檢測方法，可以全天時、全天候、全自動的對FOD目標進行檢測識別與告警且能大幅提升自動檢測告警的準確性。本發明是通過以下技術方案實現的本發明涉及一種用於機場跑道的異物自動檢測系統，包括探測裝置、光學特徵資料庫、外來異物資料庫、物體運動狀態分析裝置、物體物理屬性分析裝置、物體威脅飛機嚴重程度等級估算裝置、告警裝置、遠程監控裝置和工作站清除裝置，其中探測裝置的輸出接口與視覺特徵資料庫、物體運動狀態分析裝置、物體物理屬性分析裝置的輸入接口並行連接，物體運動狀態分析裝置、物體物理屬性分析裝置的輸出接口與物體威脅飛機嚴重程度等級估計裝置、外來異物資料庫的輸入接口並行連接，物體威脅飛機嚴重程度等級估計裝置的輸出接口與告警裝置的輸入接口連接，告警裝置的輸出接口與工作站清除裝置、遠程監控裝置的輸入接口連接，遠程監控裝置的輸出接口與探測裝置、工作站清除裝置的輸入接口連接，工作站清除裝置的輸出接口與外來異物資料庫的輸入接口連接。所述的探測裝置包括毫米波雷達設備、紅外探測設備、可見光探測設備、工控計算機和輸出接口，其中毫米波雷達設備通過工控計算機將掃描探測到的物體位置數據傳送給紅外探測設備和可見光探測設備，光學探測設備再對物體進行對準拍照並得到物體的光學特徵數據。所述的毫米波雷達設備不間斷地對機場跑道進行掃描，獲取跑道上釐米級大小的物體的位置坐標數據。毫米波雷達發射天線向機場跑道面發射波長為毫米級的電磁波，之後再接收由機場跑道和外來物反射的反射波。機場跑道相對平整反射面小，在反射波中跑道回波信號較弱處於低頻區，跑道外來物多為釐米級大小物體且是立體形狀，反射面大，在反射波中外來物信號較強處於高頻區，在反射波高頻信號中預先設置一個閾值，當反射波超過這一閾值時即可認為發現外來物體。計算發射波與反射波之間的時間差，再乘以光速， 既得到外來物與毫米波雷達之間的距離，根據預先設定的坐標系，計算得到外來物的位置坐標數據。所述的工控計算機內建一張機場坐標位置與光學設備俯仰偏轉位置的函數關係表，在獲得毫米波雷達探測所得的外來物位置數據後，通過查表法，光學設備迅速調整到表中的旋轉角度，俯仰角度，縮放大小與變焦距離，對準物體並拍攝，使得外來物的原始圖像數據獲取時間降低，告警時間大幅縮短。所述的光學特徵資料庫和外來異物資料庫均通過含有輸入輸出接口的存儲裝置實現，其中光學特徵資料庫記錄並存儲所述的物體的位置數據、光學特徵數據；外來異物資料庫記錄並存儲所述的物體的編號、運動狀態、物理屬性和清理狀況。所述的物體運動狀態分析裝置通過含有輸入輸出接口的工控計算機實現，其中 輸入接口接收來自探測裝置的物體位置數據並輸出至工控計算機，工控計算機對輸入數據進行分析計算得到物體的運動狀態數據並通過輸出接口將運動狀態數據傳送給物體威脅飛機嚴重程度等級估計裝置。所述的運動狀態包括所述的物體是否在運動，所述的物體的速度，所述的物體的運動軌跡。毫米波雷達得到同一外來物的兩次位置坐標數據，工控計算機比較這兩次數據，即得到物體是否在運動。如果物體是運動的，工控計算機計算兩次位置之間的距離，再除以兩次反射波之間的時間，即得到物體的速度。多次位置坐標與速度的集合，即可得到物體的運動軌跡。所述的物體物理屬性分析裝置通過含有輸入輸出接口的工控計算機實現，其中 輸入接口接收來自探測裝置和光學特徵資料庫的物體光學特徵數據並輸出至工控計算機， 工控計算機對輸入數據進行分析計算，得到物體的物理屬性數據並通過輸出接口將物理屬性數據傳送給物體威脅飛機嚴重程度等級估計裝置。所述的物理屬性包括物體的大小、物體的材質和物體的形狀。光學探測設備得到外來物的圖像，工控計算機計算圖像中外來物所佔的像素個數，根據預先的相機標定，即得到物體的大小。工控計算機圖像中的像素的梯度變化找到外來物的輪廓，即得到物體的形狀。工控計算機計算外來物的紋理特性，紋理特性與物體材質一一對應，即得到物體的材質。所述的物體威脅飛機嚴重程度的等級估算裝置通過含有輸入輸出接口的工控計算機實現，其中輸入接口接收來自物體運動狀態分析裝置和物體物理屬性分析裝置的運動狀態數據和物理屬性數據並輸出至工控計算機，工控計算機對輸入數據進行分析計算， 得到物體威脅飛機的嚴重程度等級並通過輸出接口將物體威脅飛機的嚴重程度等級發送
給告警裝置；所述的物體威脅飛機嚴重程度等級，工控計算機先對接收到的各種數據結果數值化，再對它們加權求和得到威脅係數，加權因數根據機場跑道的特點人工設置，最後再將得到的威脅係數轉化為威脅等級。公式表達如下威脅等級=加權係數IX參數1+加權係數 2 X參數2+…+加權係數NX參數N。所述的告警裝置通過含有輸入輸出接口的工控計算機以及網絡數據交換機實現， 其中輸入接口接收來自物體威脅飛機嚴重程度的等級估計裝置的威脅等級數據，使用工控計算機中的程序進行判斷，根據三個數據一、是否是新發現物體，二、是否計算出威脅等級，三、威脅等級是否超出預先設定的閾值，選擇數據發送的目的地，通過網絡數據交換機將相關數據發送給工作站清除裝置或遠程監控裝置。所述的工作站清除裝置包括輸入接口、現有外來物清除設備和網絡數據交換機， 其中網絡數據交換機接收來自告警裝置的數據，外來物清除設備清除跑道異物。所述的遠程監控裝置，包括顯示報警信息的顯示屏、聲音報警設備、遠程控制探測裝置的計算機、網絡數據交換機，其中網絡數據交換機接收來自告警裝置的數據，並通過顯示屏，聲音設備等顯示數據，工作人員可通過運程控制探測裝置的計算機向探測裝置發送操控命令，並通過實時觀測物體人工判斷物體的威脅等級，之後再通過網絡數據交換機向工作站清除裝置發送告警與清除信號。所述的探測裝置中，採用了毫米波雷達設備和光學探測設備，傳統的探測設備中僅使用單一探測器，例如僅有光學探測器，則需處理大量圖像數據才能確定外來物的位置，本系統引入的毫米波雷達，其探測速度與精度都比光學探測設備高。利用毫米波雷達檢測目標，光學探測設備別目標，極大地縮短了機場跑道外來物的檢測與告警時間。所述的探測裝置中，採用紅外探測設備，尤其是在晚上或雨、霧天，能準確地探測到物體的光學特徵數據和輔助實時監視，採用可見光探測設備，能在天氣狀況較好的白天
6準確地探測到物體的光學特徵等數據和輔助實時監視，同時採用了紅外探測設備和可見光探測設備，能滿足系統全天候、全天時準確地對目標進行拍攝和監視。所述的告警裝置中，根據三個分析得到的數據一、是否是新發現物體，二、是否計算出威脅等級，三、威脅等級是否超出預先設定的閾值，選擇數據發送的目的地，如果是新發現的物體，且給出的威脅等級超出預先設定的閾值，則向工作站清除裝置發送告警信號及外來物數據。如果是已發現的物體，且給出的威脅等級低於預先設定的閾值，則向工作站清除裝置發送解除告警信號。如果是新發現的物體，但未給出威脅等級，則向遠程監控裝置發送告警信號及請求人工判斷。告警裝置根據物體的威脅等級自動地選擇信息發送目的地，使系統加入了人工幹預判斷的能力，提高了系統的準確率。本發明的機場跑道外來異物自動檢測告警方法和系統通過探測所得的光學特徵數據，分析得到物體的運動狀態和物理屬性，得出物體的顏色、大小、材質(類別)等信息從而估算出對飛機的威脅等級，並及時發出告警信號，輔助機場工作人員清除物體，極大地降低了物體對飛機的威脅。本發明涉及上述系統的異物自動檢測方法，包括以下步驟A)、毫米波雷達掃描機場跑道實時探測並獲得外來物體的位置數據；B)、根據所述的物體的位置數據，紅外探測設備和可見光探測設備快速準確地對物體進行拍攝，獲得外來物體的光學特徵數據；C)、記錄並存儲所述的物體的位置數據和光學特徵數據；D)、根據所述的物體的位置數據和光學特徵數據，分析所述的物體的運動狀態和物理屬性；E)、根據物體的位置數據、物體的運動狀態和物理屬性，計算出嚴重程度等級，判斷物體未來對飛機是否有威脅；所述的步驟E)中，當系統拒絕給出對飛機的威脅等級結果，則向機場跑道監控中心發出需要人工判斷的信號；監控中心遠程控制探測裝置對物體進行探測和判斷並做出是否需要清理的判斷，當需要清理，則向機場跑道工作站發出告警和清理信號；機場跑道工作站接到解除告警信號後，取消清除工作。所述的系統拒絕給出對飛機威脅等級的原因包括物體各項數據獲取出現缺失或者超出了裝置的判斷範圍，或者出現一些不可預知的錯誤。所述的物體可自行運動，當所述的物體自動離開威脅區域，則向機場跑道工作站
發出解除告警信號。F)、當物體未來對飛機的威脅程度等級大於或等於預設的閾值時，向機場跑道工作站發出告警信號；當物體未來對飛機的威脅等級小於預設的閾值時，則返回步驟A)。G)、接到告警信號後，機場跑道工作站自動清除物體。H)、記錄並存儲物體的物理屬性與清除結果。
圖1是本發明的自動檢測告警方法的實施例1的流程圖。圖2是本發明的自動檢測告警方法的實施例2的流程圖。圖3是本發明的自動檢測告警方法的實施例3的流程圖。
圖4是本發明的自動檢測告警系統的實施例1的示意圖。圖5是本發明的自動檢測告警系統的實施例2的示意圖。圖6是本發明的自動檢測告警系統的實施例3的示意圖。圖7是本發明的自動檢測告警系統的實施例1的機場坐標圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。如圖4所示，實施例1涉及的機場跑道外來異物自動檢測告警系統，包括探測裝置1、用於實時探測並獲得機場跑道外來物體的位置數據和光學特徵數據。光學特徵資料庫 2、用於記錄並存儲物體的位置數據和光學特徵數據。物體運動狀態分析裝置3、用於根據物體的位置數據，分析物體的坐標位置和是否是運動物體。物體物理屬性分析裝置4、用於根據物體的尺寸數據和光學特徵數據，分析物體的物理屬性。物體威脅飛機等級估算裝置5、 用於根據物體的運動狀態和物理屬性來估算物體對飛機的威脅等級。告警裝置6、用於物體對飛機的威脅等級大於或等於預設的閾值時，向機場工作站發出告警信息。工作站清除裝置7、用於清除外來物體。外來異物資料庫8、用於存儲物體的編號、運動狀態、物理屬性和清理狀況。探測裝置1的輸出接口與視覺特徵資料庫2、物體運動狀態分析裝置3、物體物理屬性分析裝置4的輸入接口並行連接，物體運動狀態分析裝置3、物體物理屬性分析裝置 4的輸出接口與物體威脅飛機嚴重程度等級估算裝置5、外來異物資料庫8的輸入接口並行連接，物體威脅飛機嚴重程度等級估算裝置5的輸出接口與告警裝置的輸入接口連接，告警裝置的輸出接口與工作站清除裝置的輸入接口連接，工作站清除裝置的輸出接口與外來異物資料庫的輸入接口連接。在本實施方式中，探測裝置1包括毫米波雷達11、紅外探測設備12和可見光探測設備13。紅外探測設備12 —般在晚上和雨、霧天使用。結合圖1和圖4，本實施例1涉及的機場跑道外來異物自動檢測告警方法，包括以下步驟S11、利用探測裝置1實時探測並獲得物體的位置數據和光學特徵數據；探測裝置1包括毫米波雷達11、紅外探測設備12和可見光探測設備13。毫米波雷達11對機場跑道上的外來物體進行檢測與定位，獲得物體的坐標位置數據。毫米波雷達 11將物體的坐標位置數據傳送給紅外探測設備12和可見光探測設備13。紅外探測設備12 中的紅外熱像儀和可見光探測設備13中的攝像機根據已有的位置數據快速對準外來物體進行拍攝，經圖像分析處理後獲得外來物體的光學特徵數據。探測裝置中，預先建立一個機場坐標系，如圖7，毫米波雷達的坐標是(Xml，Yffll)，、 時刻毫米波雷達向跑道發射一束毫米波，在時間後收到含有外來物信號的反射波，反射波角度為θ」毫米波雷達與外來物距離的計算公式為Li = Ati^c (1)式1中c為光速得到的距離為Li,外來物的坐標位置(Xli，Yli)計算公式為
8
權利要求
1.一種用於機場跑道的異物自動檢測系統，其特徵在於，包括探測裝置、光學特徵資料庫、外來異物資料庫、物體運動狀態分析裝置、物體物理屬性分析裝置、物體威脅飛機嚴重程度等級估算裝置、告警裝置、遠程監控裝置和工作站清除裝置，其中探測裝置的輸出接口與視覺特徵資料庫、物體運動狀態分析裝置、物體物理屬性分析裝置的輸入接口並行連接，物體運動狀態分析裝置、物體物理屬性分析裝置的輸出接口與物體威脅飛機嚴重程度等級估計裝置、外來異物資料庫的輸入接口並行連接，物體威脅飛機嚴重程度等級估計裝置的輸出接口與告警裝置的輸入接口連接，告警裝置的輸出接口與工作站清除裝置、遠程監控裝置的輸入接口連接，遠程監控裝置的輸出接口與探測裝置、工作站清除裝置的輸入接口連接，工作站清除裝置的輸出接口與外來異物資料庫的輸入接口連接。
2.根據權利要求1所述的用於機場跑道的異物自動檢測系統，其特徵是，所述的探測裝置包括毫米波雷達設備、紅外探測設備、可見光探測設備、工控計算機和輸出接口，其中毫米波雷達設備通過工控計算機將掃描探測到的物體位置數據傳送給紅外探測設備和可見光探測設備，光學探測設備再對物體進行對準拍照並得到物體的光學特徵數據。
3.根據權利要求2所述的用於機場跑道的異物自動檢測系統，其特徵是，所述的毫米波雷達設備不間斷地對機場跑道進行掃描，獲取跑道上釐米級大小的物體的位置坐標數據；所述的工控計算機內建一張機場坐標位置與光學設備俯仰偏轉位置的函數關係表，在獲得毫米波雷達探測所得的外來物位置數據後，通過查表法，光學設備迅速調整到表中的旋轉角度，俯仰角度，縮放大小與變焦距離，對準物體並拍攝。
4.根據權利要求2所述的用於機場跑道的異物自動檢測系統，其特徵是，所述的光學特徵資料庫和外來異物資料庫均通過含有輸入輸出接口的存儲裝置實現，其中光學特徵資料庫記錄並存儲所述的物體的位置數據、光學特徵數據；外來異物資料庫記錄並存儲所述的物體的編號、運動狀態、物理屬性和清理狀況。
5.根據權利要求2所述的用於機場跑道的異物自動檢測系統，其特徵是，所述的物體運動狀態分析裝置通過含有輸入輸出接口的工控計算機實現，其中輸入接口接收來自探測裝置的物體位置數據並輸出至工控計算機，工控計算機對輸入數據進行分析計算得到物體的運動狀態數據並通過輸出接口將運動狀態數據傳送給物體威脅飛機嚴重程度等級估計裝置。
6.根據權利要求2所述的用於機場跑道的異物自動檢測系統，其特徵是，所述的工作站清除裝置包括輸入接口、現有外來物清除設備和網絡數據交換機，其中網絡數據交換機接收來自告警裝置的數據，外來物清除設備清除跑道異物。
7.根據權利要求2所述的用於機場跑道的異物自動檢測系統，其特徵是，所述的遠程監控裝置，包括顯示報警信息的顯示屏、聲音報警設備、遠程控制探測裝置的計算機、網絡數據交換機，其中網絡數據交換機接收來自告警裝置的數據，並通過顯示屏，聲音設備等顯示數據，工作人員可通過運程控制探測裝置的計算機向探測裝置發送操控命令，並通過實時觀測物體人工判斷物體的威脅等級，之後再通過網絡數據交換機向工作站清除裝置發送告警與清除信號。
8.一種根據上述任一權利要求所述系統的異物自動檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟A)、毫米波雷達掃描機場跑道實時探測並獲得外來物體的位置數據；B)、根據所述的物體的位置數據，紅外探測設備和可見光探測設備快速準確地對物體進行拍攝，獲得外來物體的光學特徵數據；C)、記錄並存儲所述的物體的位置數據和光學特徵數據；D)、根據所述的物體的位置數據和光學特徵數據，分析所述的物體的運動狀態和物理屬性；E)、根據物體的位置數據、物體的運動狀態和物理屬性，計算出嚴重程度等級，判斷物體未來對飛機是否有威脅；F)、當物體未來對飛機的威脅程度等級大於或等於預設的閾值時，向機場跑道工作站發出告警信號；當物體未來對飛機的威脅等級小於預設的閾值時，則返回步驟A)；G)、接到告警信號後，機場跑道工作站自動清除物體；H)、記錄並存儲物體的物理屬性與清除結果。
9.根據權利要求1所述的異物自動檢測方法，其特徵是，所述的步驟E)中，當系統拒絕給出對飛機的威脅等級結果，則向機場跑道監控中心發出需要人工判斷的信號；監控中心遠程控制探測裝置對物體進行探測和判斷並做出是否需要清理的判斷，當需要清理，則向機場跑道工作站發出告警和清理信號；機場跑道工作站接到解除告警信號後，取消清除工作。
全文摘要
一種航空自動控制技術領域的用於機場跑道的異物自動檢測系統及其檢測方法，該系統包括探測裝置、光學特徵資料庫、外來異物資料庫、物體運動狀態分析裝置、物體物理屬性分析裝置、物體威脅飛機嚴重程度等級估算裝置、告警裝置、遠程監控裝置和工作站清除裝置。本發明可以全天時、全天候、全自動的對FOD目標進行檢測識別與告警且能大幅提升自動檢測告警的準確性。
文檔編號G01S13/62GK102253381SQ20111010016
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月20日 優先權日2011年4月20日
發明者李煜, 肖剛 申請人:上海交通大學