ミリ​波​レーダー​による​空港​滑走​路​異物​検出​システム​の​構築

「LabVIEW​と​FlexRIO​を​使用​し​て、​空港​滑走​路​用​の​FOD​検出​ミリ​波​レーダー​システム​の​プロトタイプ​を​開発​する​ことに​成功​しま​した」

- 国立​研究​開発​法人​電子​航法​研究所​(ENRI)​監視​通信​領域 二ッ森 俊一

課題:

高​分解能​96 GHz​ミリ​波​レーダー​の​フロント​エンド​から​の​GB/​s​クラス​レーダー​データ​を​解析​および​表示​し​て、​空港​滑走​路​の​小さな​異物​を​検出​し​ます。

ソリューション:

NI PXI プラットフォーム​と FlexRIO を​使用​し​て、​FPGA ハードウェア クロック​に​基づく​リアルタイム レーダー​信号​処理​を​高​データ スループット レート​で​実現​し、​LabVIEW コード​を​レーダー​信号​処理​に​使用​し​て、​開発​時間​を​従来​の​プログラミング​方法​と​比べ​て 90% 短縮​しま​した。

空港​滑走​路​で​の​外来​物​による​破損​検出

近年、​空港​表面上​で​異物​破損 (FOD) を​自動​検出​する​ニーズ​は​急速​に​増加​し​てい​ます。​この​よう​な​FOD​の​容量​と​サイズ​が​小さい​場合​でも、​これらの​物体​は​航空機​を​破損​する​可能性​が​あり​ます。​2000​年​に​パリ​の​シャルル・​ド・​ゴール​空港​で、​滑走​路上​の​小さな​金属​板​が​原因​で​発生​した​コンコルド​事故​の​後、​FOD​の​検出​は​空港​管理者​にとって​重要​な​問題​となり​ま​した。​安全​確認​による​滑走​路​の​ダウン​タイム​は、​滑走​路​の​タイム​スロット​を​効率​的​に​運用​する​上​で​無視​でき​ま​せん。​電子​航法​研究所​(ENRI)​は、​航空​監視​および​通信、​航空​運転​の​安全​性、​航空​運転​経路​の​効率​的​な​運用​を​目的​と​した​民間​技術​の​開発​を​目的​と​する​国際​研究​機関​です。​民間​航空​安全​技術​に関する​さまざま​な​研究​テーマ​の​うち、​空港​滑走​路​で​小さな​FOD​を​検出​する​ため​の​ミリ​波​レーダー​システム​を​開発​し​てい​ます。​ミリ​波​レーダー​システム​は、​カメラ​システム​と​比較​し​て​高い​検出​性能、​高​レンジ​分解能、​および​気象​の​堅牢​性​を​実現​し​ます。​ただし、​この​システム​に​は​ミリ​波​回路​や​信号​処理​回路​の​開発​など、​空港​滑走​路​用​の​高性能​FOD​検出​システム​を​実現​する​ため​の​多く​の​課題​も​あり​ます。

 

ミリ​波​システム​の​概要

ミリ​波​レーダー​システム​は、​ビーム​スキャン​アンテナ、​ミリ​波​送受信​回路、​信号​生成、​処理​回路、​回路​の​同期​と​制御​から​構成​さ​れ​てい​ます。​FOD​検出​システム​の​研究​開発​トピック​は、​主に​96 GHz​ミリ​波​フロント​エンド​回路​の​両方​に​対応​し​てい​ます。​さらに、​受信​信号​処理​回路​および​同期​回路​は、​高性能​レーダー​システム​の​不可欠​な​部分​です。​新しい​技術​で​ミリ​波​レーダー​信号​の​処理​と​同期​の​研究​を​開始​すると、​3​つ​の​課題​に​直面​しま​した。

  1. 研究​の​進捗​状況​を​確認​し、​空港​で​の​フィールド​実験​を​実施​する​ため、​4​年間​の​研究​開発​期間​内​に​毎年​レーダー​試作​システム​を​構築​し​てい​ます。​そのため、​受信​信号​処理​回路​と​同期​回路​を​制限​時間​内​に​構築​する​必要​が​あり​ます。​ミリ​波​回路​の​開発​スケジュール​と​実験​無線​ライセンス​を​取得​する​ため​の​検査​に​対応​する​ため、​開発​に​かかる​時間​は​1​か​月​未満​に​制限​さ​れ​てい​ま​した。
  2. ミリ​波​レーダー​システム​は、​広帯域​周波数​リソース​を​使用​し​て​サブ​センチメートル​レンジ​分解能​を​実現​し​ます。​しかし、​空港​の​滑走​路​の​広い​検出​エリア​で​高​解像度​を​実現​する​に​は、​レーダー システム​が​膨大​な​データ​を​短時間​で​処理​する​必要​が​あり​ます。​たとえば、​5 cm の​距離​分解能、​直径 200 m の​範囲、​および 0.036 度​の​角度​分解能​で 360 度​の​方位​ビーム スキャン​を​想定​すると、​各​レーダー フロント エンド​の​データ​量​は​少なくとも 1.2 GB/​s (16 ビット​振幅​分解能) に​なり​ます。 .FPGA​や​ASIC​回路​など​の​ハードウェア​論理​回路​なし​では、​この​量​の​レーダー​データ​を​解析​する​こと​は​でき​ま​せん。
  3. レーダー​信号​処理​回路​に​は、​高速​フーリエ​変換​(FFT)​や​トリガ​同期​による​コヒーレント​信号​統合​など​の​複雑​な​信号​処理​が​必要​です。​この​複雑​な​システム​を​外部​に​委託​すると、​コスト​が​高​く​なり、​開発​期間​が​長​く​なり​ます。​さらに、​研究​プロジェクト​で​得​ら​れ​た​新しい​アルゴリズム​を​実装​する​に​は、​解析​プログラム​は​研究者​によって​関数​を​変更​および​追加​する​必要​が​あり​ます。​FPGA​回路​用​の​VHDL、​ホスト​コンピュータ​用​の​C​など、​複数​の​プログラミング​言語​を​使用​する​場合、​プログラミング​スキル​の​習得​に​かかる​コスト​が​気​に​なり​ます。

 

これらの​問題​を​克服​する​ため、​NI PXIプラットフォーム、FlexRIOシステム、​および​デジタル​化​アダプタ​モジュール​を​使用​し​て、​受信​信号​処理​回路、​同期/​制御​回路​を​開発​しま​した。​図​1​は、​提案​さ​れ​た​レーダー​システム​が​Radio-​over-​Fibre(RoF)​技術​に​基づく​分散​型​光​接続​ミリ​波​レーダー​システム​で​ある​こと​を​示し​てい​ます。​「分散​型」​と​は、​レーダー​システム​が​施設​建物​内​の​中央​ユニット​と​滑走​路​近く​の​いくつか​の​アンテナ​ユニット​で​構成​さ​れる​こと​を​意味​し​ます。​各​アンテナ​ユニット​は、​ランプ​の​各​検出​領域​を​カバー​し​ます。​送信​周波数​は​92 GHz​~​100 GHz​です。​レーダー​信号​の​発信​源​は​中央​ユニット​に​あり​ます。​ミリ​波​の​電気​信号​を​直接​光​信号​に​変換​し​ます。​これ​により、​ミリ​波​レーダー​変調​信号​を​10km​以上​低​損失​で​伝送​する​こと​が​でき​ます。​さらに、​アンテナ​ユニット​で​取得​した​受信​信号​は​光​ファイバ​を​介​し​て​中央​ユニット​に​も​送信​さ​れ​ます。​この​レーダー​アーキテクチャ​は、​中央​信号​生成/​処理​および​非常​に​シンプル​な​アンテナ​ユニット​に​基​づ​い​て、​大規模​な​ミリ​波​レーダー​システム​の​低​コスト​構築​を​実現​し​ます。​中央​信号​処理​は​分散​型​レーダー​システム​を​実現​する​上​で​重要​な​機能​ですが、​これ​に​は​上記​の​セクション​で​説明​した​よう​な​高​データ​スループット​レート​と​柔軟​な​構築​が​必要​です。​この​問題​を​解決​する​に、LabVIEWソフトウェア、​NI PXI​プラットフォーム、​および​FlexRIO​ハードウェア​を​使用​した​中央​システム​構築​を​選択​しま​した。​光​結合​分散​型​96GHz​ミリ​波​レーダー​システム​の​概要​を​図​2​に、​レーダー​信号​処理​回路​の​ブロック​図​を​図​3​に​それぞれ​示し​ます。​NI PXIe-7975R FlexRIO FPGA​モジュール​は、​FFT​解析、​信号​統合、​および​信号​同期​に​十分​な​フリップフロップ​スライス​と​メモリ​リソース​を​備え​てい​ます。​さらに、​PXI Express バス​は、​DMA FIFO を​使用​し​て​最大 8 GB/​秒​の​スループット レート​で、​解析​済み​の​レーダー​受信​データ​を​ホスト プログラム​に​転送​でき​ます。​NI PXIe-7975R​では、​NI 5762 16​ビット、​250 MS/​秒​デジタル​化​モジュール​を​使用​しま​した。​NI 5762 に​は 12 チャンネル​の​デジタル I/​O が​あり、​ビーム​走査​アンテナ​を​制御​し、​アンテナ​方向​の​情報​を​取得​でき​ます。​この​デジタル I/​O は FPGA 回路​に​も​直接​接続​さ​れる​ため、​ハードウェア クロック​に​基​づ​い​た​正確​な​信号​同期​を​実現​でき​ます。​さらに、​送信​信号​源​と AD コンバーター​間​の​信号​同期​も、​時間​ジッタ​の​少ない FPGA クロック​に​基​づ​い​て​実現​でき​ます。

 

ミリ​波​システム​の​メリット

レーダー​処理​回路​の​高性能​化​は、​レーダー​感度​の​向上​に​直結​し​ます。​LabVIEW グラフィカル プログラミング​言語​の​利点​を​活用​する​ため​に、​信号​処理​回路​の​主要​な​アルゴリズム​を 1 か​月​以内​に​実装​しま​した。​これ​は、​従来​の​プログラミング​方法​より​も 90% 高速​です。​主​な​メリット​は、​次​の 3 つ​の​メリット​です。

 

まず、​FPGA と​ホスト PC の​両方​の​プログラム コード​を LabVIEW で​開発​でき​ま​した。​構築​した​システム​により、​8,192 ポイント​の FFT 計算​と​ホスト PC へ​の​リアルタイム​転送​を 10,000 回/​秒​以上、​データ​損失​なし​で​実行​でき​ます。​高​感度​を​実現​する​複雑​な​信号​の​統合​と​デシメーション​処理​を​うまく​実装​し​てい​ます。

 

次に、​研究者​は​信号​処理​の​柔軟​な​変更​と​機能​の​追加​を​実現​しま​した。​グラフィカル​な​プログラミング​方法​の​利点​です。​プログラミング​コード​の​構築​を​外部​に​委託​する​必要​が​なか​っ​た​ので、​LabVIEW​を​使用​し​て​低​コスト​で​迅速​な​構築​を​実現​でき​ま​した。

 

さらに、​以前​作成​した​LabVIEW​コード​を​再​利用​できる​という​メリット​も​あり​ます。​当社​では、​Single-​Board RIO​を​ベース​に​ヘリコプター​の​衝突​回避​レーダー​を​開発​し​てい​ます。​FPGA​フリップフロップ​スライス​の​サイズ​が​全く​異なる​場合​でも、​レーダー​信号​処理​を​含む​メイン​アルゴリズム​を​ほとんど​変更​せ​ず​に​再​利用​する​こと​が​でき​ます。​通常、​異なる​スケール​プラットフォーム​を​使用​する​場合、​詳細​な​クロック​タイミング​を​調整​する​ため​に​VHDL​プログラミング​が​必要​です。​ただし、​この​よう​な​時間​の​かかる​クロック​調整​を​行​わ​なく​て​も、​LabVIEW FPGA​コード​を​再​利用​する​こと​が​でき​ます。​これ​も​LabVIEW FPGA​プログラミング​の​重要​な​メリット​の​1​つ​です。

 

まとめ

LabVIEW​と​FlexRIO​を​使用​し​て、​空港​滑走​路​用​の​FOD​検出​ミリ​波​レーダー​システム​の​プロトタイプ​を​開発​する​ことに​成功​しま​した。​高性能​な​信号​処理​回路​を​構築​する​ため​に​は、​研究​開発​スケジュール​が​厳​しく、​予算​も​限​ら​れ​てい​ます。​ただし、​当社​の​ソリューション​は、​システム​の​実現​可能性​テスト​用​の​試作​レーダー​システム​の​開発​に​適​し​てい​ます。​4​年間​の​研究​期間​は​2016​年​3​月​に​終了​しま​した。​現在、​分散​型​レーダー​アーキテクチャ​の​有効​性​を​確認​する​ため​に、​2​つ​の​アンテナ​ユニット​の​組み合わせ​の​テスト​を​続​け​てい​ます。​図 4 と​図 5 に、​それぞれ​テスト システム​の​概要​と、​組み合わせ​た​レーダー スコープ​の​例​を​示し​ます。​滑走​路​全域​を​カバー​する​ため​に、​アンテナ​ユニット​の​数​は​将来​的​に​増加​し​ます。​NI PXI​プラットフォーム​と​FlexRIO​を​ベース​に​した​プロトタイプ​システム​を​修正​し​て、​より​実用​的​な​FOD​検出​システム​を​実現​する​予定​です。

 

投稿​者​情報:

二ッ森 俊一
国立​研究​開発​法人​電子​航法​研究所​(ENRI)​監視​通信​領域
​日本

図​1. ​ ​空港​表面​の​FOD​検出​用​に​光​接続​さ​れ​た​分散​型​96 GHz​ミリ​波​レーダー​システム ​
図​2. ​ ​光​接続​分散​型​96 GHz​ミリ​波​レーダー​システム​の​概要 ​
図​3. ​ ​NI PXI​プラットフォーム​および​FlexRIO​を​ベース​と​した​単一​アンテナ​ユニット​の​レーダー​信号​処理​回路​の​ブロック​図 ​
図​4. ​ ​2​つ​の​アンテナ​ユニット​を​備え​た​光学​接続​分散​型​96 GHz​ミリ​波​レーダー​システム​の​概要 ​
図​5. ​ ​仙台​空港​の​フィールド​実験​で​得​ら​れ​た​組み​合​わ​さ​れ​た​複合​レーダー​スコープ​の​例 ​
図​6.