一种固定式机场跑道异物探测系统及方法与流程

1.本技术涉及机场跑道异物探测技术领域，具体涉及一种固定式机场跑道异物探测系统及方法。


背景技术：

2.机场跑道是指飞机场内用来供应航空飞行器起飞或降落的超长条形区域，其材质可以是沥青或混凝土。机场跑道的平整是保证航空飞行器安全起降的重要条件之一，因此对机场跑道的异物探测尤其重要。
3.现有技术中已经投入使用的机场异物探查基本上都采用毫米波雷达，采用毫米波雷达的优点是其探测能力不受黑夜和雾气的影响。面临的主要问题是由于其波长与对小异物相比尺寸接近，因此基本没有探测能力。例如，60兆赫的毫米波很难对10毫米以下异物做出有效反应。很多物件，如织物和矿泉水瓶等，对毫米波透明。另外，毫米波发射装置产生的噪音也可能对机场其它雷达构成一定程度的干扰。
4.针对上述问题，由于可见光的波长要远小于毫米波，采用普通可见光光学成像方法在白天照明条件好的时候可以看到毫米波雷达看不到到的异物。因此采用毫米波雷达加光学成像作为探查的手段可以克服部分问题。但在照明条件不好的时候，如黑天或雾天，普通光学成像方法的可靠性就有很大问题。即便采用人工照明方法，照明的均匀性也对成像质量构成严重影响。
5.申请内容
6.有鉴于此，本技术提供一种固定式机场跑道异物探测系统机方法，以利于解决现有技术中进行机场跑道异物探测时采用毫米波雷达与可见光成像探测不准确的问题。
7.第一方面，本技术实施例提供了一种固定式机场跑道异物探测系统，包括：设置在机场跑道两侧的异物检测探头，所述异物检测探头采用线扫描相机；所述异物检测探头与处理器电连接；分布在两侧的所述异物检测探头交错设置，单侧相邻的第一异物检测探头和第二异物检测探头的线扫描区域存在第一重合区域，另一侧相对位置位于所述第一异物检测探头和第二异物检测探头之间的第三异物检测探头的线扫描区域与所述第一异物检测探头的线扫描区域存在第二重合区域，与所述第二异物检测探头的线扫描区域存在第三重合区域，所述第一重合区域、第二重合区域和第三重合区域存在公共扫描区域。
8.在一种可能的实现方式中，所述异物检测探头包括：探头支架，设置在所述探头支架上的旋转台，所旋转台上设置的线扫装置，所述线扫装置以线扫的形式对机场跑道地面按照预设的扇形扫描面扫描。
9.在一种可能的实现方式中，所述线扫装置包括：多频谱线扫相机和照明线激光器，所述多频谱线扫相机和照明线激光器上方设置双曲面反光片，所述照明线激光器发出的激光线通过所述双曲面反光片照射到机场跑道地面上，所述多频谱线扫相机通过所述双曲面反光片采集激光线照射的区域。
10.在一种可能的实现方式中，所述线扫装置还包括控制器和步进电机摆动装置，所
述控制器与所述多频谱线扫相机、照明线激光器和所述步进电机摆动装置电连接，所述步进电机摆动装置用于控制所述双曲面反光片角度变换，使得激光线照射的地面区域经过所述双曲面反光片之后在所述多频谱线扫相机获得的成像等比例还原。
11.在一种可能的实现方式中，所述多频谱线扫相机包括感光板，当机场跑道地面的激光线照射区域在所述感光板上的成像出现地面等长距离而成像不等长时，控制所述双曲面反光片顺时针或逆时针转动，直至在所述感光板上成像等长，控制双曲面反光片停止转动。
12.在一种可能的实现方式中，所述双曲面反光片包括第一双曲面反光片和第二双曲面反光片，所述第一双曲面反光片和第二双曲面反光片之间设置有隔板，所述第一双曲面反光片用于将所述照明线激光器发出的激光线反射到机场跑道地面上，所述第二双曲面反光片用于辅助所述多频谱线扫相机成像。
13.在一种可能的实现方式中，所述照明线激光器设置静止关闭连锁，只有所述异物检测探头摆动时，所述照明线激光器才被触发激活。
14.第二方面，本技术实施例提供了一种固定式机场跑道异物探测方法，采用第一方面任一实现方式所述的固定式机场跑道异物探测系统，包括：
15.确地需要进行检测的机场跑道地面；
16.在所述机场跑道地面布设异物检测探头，使得两侧的所述异物检测探头交错设置；
17.控制所述异物检测探头内的照明线激光器发出照明激光线，同时控制双曲面反光片角度进行调整，使得多频谱线扫相机的成像等比例还原。
18.在一种可能的实现方式中，所述控制双曲面反光片角度进行调整，使得多频谱线扫相机的成像等比例还原，包括：
19.确定机场跑道被激光线覆盖的地面区域的中间点；
20.将激光线覆盖的地面区域划分为等长的第一地面区域和第二地面区域；
21.确定所述第一地面区域和第二地面区域在所述多频谱线扫相机的感光板上的成像长度；
22.如果不等长，则对所述双曲面反光片的角度进行调整，直至所述第一地面区域和第二地面区域在所述感光板上的成像长度等长。
23.在本技术实施例中，通过在跑道两侧设置异物检测探头，实现对探测区域的全覆盖，而且异物检测探头采用了线扫描相机，线扫描相机的单线分辨率，因此在所得到的数据中可以看清更多的细节，进而提高了异物探测的准确性。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
25.图1为本技术实施例提供的一种固定式机场跑道异物探测系统的示意图；
26.图2为本技术实施例提供的扫描成像原理示意图；
27.图3为本技术实施例提供的线扫描成像与普通阵列成像的区别示意图；
28.图4为本技术实施例提供的线扫装置的结构示意图；
29.图5为本技术实施例提供的近红外加短波红外与可见光的区别示意图；
30.图6为本技术实施例提供的激光(3瓦)在阳光下生成清晰光线示意图；
31.图7为本技术实施例提供的投射扭曲造成远处景物模糊示意图；
32.图8为本技术实施例提供的针孔相机显示的投射效果示意图；
33.图9为本技术实施例提供的用曲面反光版解决远处看不清的方案示意图；
34.图10为本技术实施例提供的线扫数据与地面的对应关系示意图；
35.图11为本技术实施例提供的一种固定式机场跑道异物探测方法的流程示意图；
36.图1-11中，符号表示为：
37.1-异物检测探头，2-处理器，3-第一重合区域，4-第二重合区域，5-第三重合区域，6-公共扫描区域，7-探头支架，8-线扫装置，9-起始线，10-终止线，11-多频谱线扫相机，12-照明线激光器，13-双曲面反光片，14-控制器，15-步进电机摆动装置。
具体实施方式
38.为了更好的理解本技术的技术方案，下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
39.应当明确，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
40.在本技术实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
41.应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，甲和/或乙，可以表示：单独存在甲，同时存在甲和乙，单独存在乙这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
42.图1为本技术实施例提供的一种固定式机场跑道异物探测系统的示意图，参见图1，本实施例中的固定式机场跑道异物探测系统包括：设置在机场跑道两侧的异物检测探头1，所述异物检测探头1采用线扫描相机。所述异物检测探头1与处理器2电连接；分布在两侧的所述异物检测探头1交错设置。
43.单侧相邻的第一异物检测探头和第二异物检测探头的线扫描区域存在第一重合区域3，另一侧相对位置位于所述第一异物检测探头和第二异物检测探头之间的第三异物检测探头的线扫描区域与所述第一异物检测探头的线扫描区域存在第二重合区域4，与所述第二异物检测探头的线扫描区域存在第三重合区域5，所述第一重合区域、第二重合区域和第三重合区域存在公共扫描区域6。
44.由图2所示，所述异物检测探头包括：探头支架7，设置在所述探头支架上的旋转台，所旋转台上设置的线扫装置8，所述线扫装置8以线扫的形式对机场跑道地面按照预设的扇形扫描面扫描。
45.异物检测探头1的扫描工作原理如图2所示。一开始异物检测探头1处在起始线的
位置，按顺时针方向旋转，直到终止线的位置。在这个过程中，扫描线外端沿着外圈运动，内端沿着内圈运动。整体扫描区域是个扇形。扫描线外端沿着外圈每前进1毫米，从内圈开始到外圈采集一条直线数据。这样可以保证扫描过的区域每一平方毫米最低被扫描一次，没有遗漏。然后按逆时针方向重复相同的过程，周而复始地进行扫描。
46.图3显示了普通阵列相机与线扫描相机在取景面和照明方式等方面的区别。由于普通阵列相机拍摄的是一个面，它需要的照明必须是一个扇形照明区。因此，照明所需功率及均匀性都有问题。线扫描相机看的是一条线，其所需照明区也是一个直线照明区。这为采用激光照明提供了条件。因此可以彻底解决照明功率及均匀性问题。
47.参见图4，所述线扫装置包括：多频谱线扫相机11和照明线激光器12，所述多频谱线扫相机11和照明线激光器12上方设置双曲面反光片13，所述照明线激光器12发出的激光线通过所述双曲面反光片13照射到机场跑道地面上，所述多频谱线扫相机11通过所述双曲面反光片13采集激光线照射的区域。
48.所述线扫装置还包括控制器14和步进电机摆动装置15，所述控制器14与所述多频谱线扫相机11、照明线激光器12和所述步进电机摆动装置15电连接，所述步进电机摆动装置15用于控制所述双曲面反光片13角度变换，使得激光线照射的地面区域经过所述双曲面反光片之后在所述多频谱线扫相机11获得的成像等比例还原。
49.多频谱成像是指成像电磁波范围为可见光+近红外(nir)+短波红外(swir)。近红外加短波红外的最大优点是对烟雾的穿透能力。例如，短波红外对烟雾的穿透与可见光成像对比如图5所示。与毫米波相比，近红外和短波红外的波长只有其千分之一左右。从物理学的角度，这就注定了近红外和短波红外作为探测介质有高得多的解析度和分辨率。
50.与普通阵列相机(如我们日常用的相机)不同，线扫相机(line scan camer)看到的不是一个二维图像，而是一条线。通过线扫相机的移动，把线扫相机看到的每一条线合成起来就构成了一个图像。线扫描摄像机只有一个到几十个直线状的像素阵列。线扫描摄像机依靠被拍摄物体与像机之间的相对运动完成被拍摄物体的扫描，从而生成二维图像。
51.线扫描相机相对于帧幅相机的大的特点是其高得多的单线分辨率，因此在所得到的数据中可以看清更多的细节。例如，分辨率为4096x3072的常规帧幅相机被认为是高端摄像机，其水平分辨率为4096(4k)像素。对于线扫描相机，水平分辨率可以达到16k(16384)或更高，线扫描速度(线频)大于100khz。也就是说，如果地面上1平方毫米映射到线扫描相机中的1个像素，则相机可以以每小时超过360公里的时速扫描16米宽的地表。线扫描摄像机可以分为单线(只有一行像素)和多线(有两行以上像素)两类。单线扫描摄像机一般只能用来生成图像。而多线扫描摄像机可以和其它装置配合工作完成更多的测量。多线扫描摄像机相当于特殊的区域扫描相机，只不过是其观看的区域特别狭长，特别适合与激光线配合。这也牵出我们提出的第三个概念，就是激光照明。
52.使用普通阵列相机在黑夜或其它光线较暗的情况下需要照明才能工作。照明的功率和光的分布对照明的质量影响极大，进而影响相机的工作。带来的后果是模糊的图像。采用线扫描相机的情况下，可以采用(近)红外激光线对扫描线直接照明。激光照明的最大优点是方向性好，能量集中，进而照明效果远好于普通光源。由于照明区域是一条线(1～2厘米宽)，照明激光的功率可以集中到很窄的区域，如图6所示，即便在阳光直射的情况下也激光线可以在地面产生清晰的光线，说明其照明强度甚至高于阳光直射。
53.无论是阵列相机还是线扫描相机，当其贴近地面拍摄时，即便是在镜头焦距允许的范围之内，也会出现近处景物清晰远处模糊的情况，如图7所示。这个现象在图像处理研究中被称作投射扭曲(projection distortion).造成这种情况的原因非常简单，就是由几何投射效果不同造成的，如图8所示。
54.图8中地面上的线段a和b长度相同。但它们在相机感光版上的投影a1与b1长度是不同的.a1明显小于b1，在图像上就是a线段看不清。为此，我们将设计制作特殊的曲面反光镜来解决这个问题，如图9所示。
55.因此本技术实施例中的异物检测探头在多频谱线扫相机和照明线激光器上方设置双曲面反光片。所述多频谱线扫相机包括感光板，当机场跑道地面的激光线照射区域在所述感光板上的成像出现地面等长距离而成像不等长时，控制所述双曲面反光片顺时针或逆时针转动，直至在所述感光板上成像等长，控制双曲面反光片停止转动。
56.本实施例中，所述双曲面反光片包括第一双曲面反光片和第二双曲面反光片，为防止照明线激光器对多频谱线扫相机构成干扰，所述第一双曲面反光片和第二双曲面反光片之间设置有隔板，所述第一双曲面反光片用于将所述照明线激光器发出的激光线反射到机场跑道地面上，所述第二双曲面反光片用于辅助所述多频谱线扫相机成像。所述照明线激光器设置静止关闭连锁，只有所述异物检测探头摆动时，所述照明线激光器才被触发激活。这样保证了对人员的安全。
57.固定异物检测系统一般的数据处理方式都是用减法。就是根据之前的扫描得到标准的道面底片。然后从当前影像中减去底片，这样就凸显异物的出现。再经过其它噪声移除处理，就可以得到异物的位置和尺寸等参数。这个方法简单有效，相当精准。而且在计算机上处理速度极快。
58.把扫描的解析度定位1平方毫米。也就是说，再相机视角内的每一平方毫米在一次扫描中至少被扫描到一次。为满足这个精度要求，线扫相机沿着外圈每转动1毫米的距离，线扫相机就的采集一次数据。如果线扫探测距离为最低60米的话，则每次扫描就要取得188459(3.14159x60x1000)个扫描线。选定16k相机，则一次扫描取得的数据为6兆比特，数据与地面之间的对应关系如图10所示：
59.线扫数据被存储在计算机2维存储矩阵之内，如图10所示，从起始线开始的第1次扫描数据被放在矩阵的第1列内，第2次扫描数据被放在矩阵的第2列内，以此类推。每个纵列数据线都对应一个摆动转角，而且纵列数据线内的每个元素都对应一个在此摆动转角下与相机位置之间的相对距离。这样，从数学角度可以用极坐标给出异物的位置。
60.利用图10的方式存储数据可以极大地方便计算机对数据的处理。但利用图10直接生成的图像并不是实际图像。这是因为外圈和内圈都是半圆，而非直线。为此，在把异物数据通过光缆送到中央计算机之前，必须把数据转换成实际图像。
61.与上述实施例提供的一种固定式机场跑道异物探测系统相对应，本技术还提供了一种固定式机场跑道异物探测方法的实施例。
62.参见图11，本实施例中的固定式机场跑道异物探测方法，包括：
63.s101，确地需要进行检测的机场跑道地面。
64.s102，在所述机场跑道地面布设异物检测探头，使得两侧的所述异物检测探头交错设置。
65.s103，控制所述异物检测探头内的照明线激光器发出照明激光线，同时控制双曲面反光片角度进行调整，使得多频谱线扫相机的成像等比例还原。
66.具体地，确定机场跑道被激光线覆盖的地面区域的中间点；将激光线覆盖的地面区域划分为等长的第一地面区域和第二地面区域；确定所述第一地面区域和第二地面区域在所述多频谱线扫相机的感光板上的成像长度；如果不等长，则对所述双曲面反光片的角度进行调整，直至所述第一地面区域和第二地面区域在所述感光板上的成像长度等长。
67.需要指出的是，本技术实施例涉及的具体系统内容可以参见上述方法实施例的描述，为了表述简洁，在此不再赘述。
68.本技术实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示单独存在a、同时存在a和b、单独存在b的情况。其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a,b,c,a-b,a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。
69.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。