一种混合制式机场跑道异物探测系统

王 瑾

（中国民用航空局第二研究所，四川 成都610041）

0 引言

跑道异物（FOD）指的是任何不属于机场但出现在机场运作区域并可能对机场造成损失或者飞机造成损害的外来物品[1]。 跑道异物直接影响着飞机的运行安全，一小块塑料布被吸入发动机会引起空中停车， 一个小螺钉或金属片甚至尖锐石子将会扎上轮胎引起爆胎[2]。

为解决人工道面巡查对跑道道面占用，影响航班通行能力的问题，国内外均已开展自动化的机场跑道异物探测系统的研究，现有系统均为单一的塔架式探测系统或边灯式探测系统，边灯式探测系统检测率高，实时性好，但造价贵，维护困难；塔架式探测系统的位置和高度受制于机场保护区域相关规定， 不能很好发挥性能，但部署成本相对较低且维护相对容易。

本文中所提出的混合制式机场跑道异物探测系统综合了塔架式探测系统和边灯式探测系统的优点，将跑道道面按照重要程度进行划分，分别部署塔架式FOD 传感器或边灯式FOD 传感器， 使得系统探测性能满足机场实际需求的同时造价更低， 解决了单一制式FOD 探测系统对于机场安全保障需求和成本预算之间的矛盾。

1 现有主流FOD 探测系统

从现有主流FOD 探测系统采用的技术手段和部署方式来看，FOD 探测系统可分为以下四类： 塔架式光学FOD 探测系统、塔架式光电混合FOD 探测系统、边灯式光电混合FOD 探测系统以及车载式FOD 探测系统。

1.1 塔架式FOD 探测系统

该类系统传感器安装在塔架上面，塔架部署在距跑道中线上百米以外。 按传感器技术类型，又可细分为纯光学式FOD 探测系统和光电混合式FOD 探测系统两大类。

纯光学式FOD 探测系统依靠光学传感器实现对机场跑道区域的远距离监测， 通过图像处理技术发现和识别异物。 典型的代表为新加坡Stratech 公司的iFerret 系统。

光电混合式FOD 探测系统依靠毫米波雷达传感器实现对机场跑道区域的远距离监测，发现和识别异物；通过光学传感器对发现的异物进行确认。 典型的代表为英国Qinetiq 公司的Tarsier 系统。

1.2 边灯式FOD 探测系统

该类系统传感器安装于跑道边灯旁边，依靠毫米波雷达传感器和光学传感器实现对机场跑道区域的近距离监测。 典型代表为以色列Xsight 公司的FODetect 系统。

1.3 车载式FOD 探测系统

该类系统传感器安装在可移动的车辆上面，在工作过程中，边移动，边扫描，边检测，边清理，通过毫米波雷达进行检测，光学相机用于拍照确认。 典型代表为美国Trex 公司的FODFinder 系列。变得简单容易。

相比于单一的塔架式或边灯式FOD 探测系统，混合制式FOD 探测系统具有以下优势：

（1）采用边灯式雷达光学复合传感器监视跑道两端接地带，探测性能好，受天气影响小，可有力保障跑道关键区域的运行安全；

（2）采用塔架式传感器监视跑道中部滑跑区域，以此降低设备数量和维护难度，使系统整体做到性能和造价综合性最优；

表1 四种典型FOD 探测系统技术体制对比

2 混合制式机场跑道异物探测系统

综合以上各型机场跑道FOD 探测系统的特点，不难发现，现有FOD 探测系统解决方案中，移动式系统造价最低，但工作时需要关闭跑道，不能实时监控相关区域，影响机场运行效率；边灯式系统检测率高，实时性好，但造价贵，维护困难；塔架式系统的位置和高度受制于机场保护区域相关规定， 不能很好发挥性能，但部署成本相对较低且维护相对容易。

以上方案均未根据跑道监视热点区域和系统冗余度设计部署方案，导致系统性能不是最优，且造成资源浪费。 有必要综合塔架式和边灯式系统优点， 研制一款符合机场运行特点的FOD 探测系统。

2.1 混合制式机场跑道异物探测系统设计思想

混合制式机场跑道异物探测系统，按照重要程度和运行特点对机场跑道的不同区域进行层次划分，在接地带等重要区域布置检测率高，实时性好但造价昂贵，维护困难的边灯式光电复合FOD 传感器， 在其它区域布置性能一般但成本较低维护简单的塔架式光学FOD 传感器。 这样就解决了单一制式FOD 探测系统对于机场安全保障需求和成本预算之间的矛盾，并且系统部署与传感器部署设计独立区分，减少了施工部署方面的要求，模块化结构使得维护

（3） 充分利用塔架式传感器的高分辨成像能力，提供厘米分辨率级跑道全景成像的附加功能，为飞行区道面管理提供全新的视角。

2.2 系统总体架构

图1 混合制式机场跑道异物探测系统总体架构图■

如图1 所示， 混合制式FOD 探测系统由FOD 探测传感器 （边灯式光电复合FOD 传感器或塔架式光学FOD 传感器）、FOD 信息系统（FOD 探测系统数据处理中心和FOD 探测系统管理软件） 以及配套供电及数据传输设施等共同组成。 其中FOD 传感器安装于跑道侧方，对跑道道面进行实时监测，得到道面的视频图像数据或雷达反射数据；后台FOD 信息系统使用数据库服务器、应用服务器、视频管理服务器以及移动终端等对数据进行分析处理得到FOD 信息， 并为机场用户提供FOD 报警，远程视频确认，FOD 详细信息等；之后将FOD 信息下发至FOD 清理作业人员的手持终端上， 引导其迅速到达现场进行清理；同时所有的FOD 数据都将被存储，以便机场用户随时回溯， 并将定时对FOD 进行分析与统计，以图表的方式提供给机场用户。

3 系统设计与实现

3.1 边灯式光电复合FOD 传感器

边灯式光电复合FOD 传感器具有探测性能好、响应速度快的特点。 边灯式光电复合FOD 传感器单元部署一般遵循助航灯具相关技术要求，并且支持与跑道边灯集成安装以降低部署成本。 传感器沿跑道两侧按60米等间隔对称安装，其作用半径正常模式下可达45 米，增强模式下可达60 米。 整条跑道实现全覆盖需要部署上百个节点。 边灯式光电复合FOD 传感器单元及覆盖部署示意如图2 所示。

图2 边灯式光电复合FOD 传感器单元及覆盖部署

图3 边灯式光电复合FOD 传感器组成示意图

边灯式光电复合FOD 传感器采用集成化设计，主要由FOD 探测雷达、FOD 光学探测模块、小型转台、易折件、电源模块、通信模块等共同构成。传感器组成示意图如图3 所示。 FOD 探测雷达和FOD 光学探测模块分别独立执行FOD 探测功能。 FOD 探测雷达通过发射电磁波并对回波信号进行接收处理得到机场跑道异物的相关信息，FOD 光学探测模块则对跑道进行高清晰度光学成像，FOD 探测雷达和FOD 光学探测模块均通过光纤将各自所探测到的相关信息传输给后台FOD 信息系统，FOD 信息系统对相关数据进行运算处理和数据融合，最终实现光电复合的FOD 探测，跟踪和识别功能。

3.2 塔架式光学FOD 传感器

塔架式光学FOD 传感器具有探测距离远， 维护简单，价格较低等优点。 塔架式光学FOD 传感器部署一般距离跑道中线超过150 米，沿跑道一侧按300 米等间隔安装，其作用半径可达350 米，增强模式下作用半径可达400 米，整条跑道仅需十几个节点即实现全覆盖。 塔架式FOD 传感器单元及覆盖部署示意如图4 所示。

图4 塔架式光学FOD 传感器单元及覆盖部署

塔架式光学FOD 传感器主要由高清光学镜头、数字摄像机、对焦模块、网络通信模块、补光模块和精密伺服转台组成。 传感器组成示意图如图5 所示。 高清光学镜头与数字摄像机构成成像单元， 对跑道道面进行高清晰度成像； 对焦模块用于控制成像单元的自动变倍变焦；网络通信模块实现数据传输；精密伺服转台用于承载各模块并提供方位控制； 补光模块用于夜晚低能见度情况下对道面成像区域的补光。

图5 塔架式光学FOD 传感器组成示意图

3.3 FOD 信息系统

FOD 信息系统负责系统中各FOD 传感器数据的分析处理与融合，并实现对整个FOD 探测系统的控制和管理。

FOD 信息系统支持不同技术制式的FOD 传感器数据接入，并采用高性能服务器阵列对传感器数据进行处理、分析和融合。 当辨识出跑道上的异常FOD 目标时，系统对FOD 目标自动取证并通过控制中心的控制台向管理人员报警。 管理人员可以在控制台对疑似FOD 进行远程视频鉴定以完成FOD 确认。

被确认的FOD 信息，包括精确跑道位置、异物图像、 威胁等级等被系统通过无线网络发送到值班清理人员的手持终端上。 值班人员通过手持终端引导到达FOD 现场，完成现场拍照取证和异物清理。 最后取证和清理信息通过无线网络上传数据中心完成FOD 数据分析和解除FOD 告警。

系统在提供FOD 监视、 清理和取证等服务的同时，还提供完善的FOD 业务管理流程，包括业务管理、人员管理、FOD 业务分析等。

4 系统测试

为了验证混合制式机场跑道异物探测系统的实际性能，在机场跑道道面进行了大量的实际现场测试。 将边灯式光电复合FOD 传感器和塔架式光学FOD 传感器安装于相应位置，在检测区域内任意放置异物，并多次重复试验，以获取足够的统计数据。其中，在异物集的选取中，在民航局机场司咨询通告的基础上，结合机场实际情况，对异物集进行了适当扩展。

经大量实际现场测试，混合制式机场跑道异物探测系统在白天天气晴朗的情况下，对标准样件的检测率可以达到100%，对非标准异物（含实物样件和扩展异物）的检测率可以达到96.4%。 同时，在黑夜，雨天，雾天等环境下，混合制式机场跑道异物探测系统的探测性能也满足民航局机场司咨询通告中的相关要求。

5 结束语

目前，该混合制式机场跑道异物探测系统已在国内多个机场开始试运行，机场实际测试表明，系统采用的塔架式FOD 光学传感器与边灯式FOD 光电复合传感器结合的方式能够满足机场实际需求， 实现对跑道异物的准确检测，定位及管理。