建立採用毫米波雷達技術的機場跑道異物碎屑偵測系統

機場跑道異物碎屑偵測

近年來，能自動偵測機場地面異物碎屑 (FOD) 的需求迅速增加；即使這類 FOD 的體積和尺寸都不大，仍有可能損壞飛機。2000 年，法國巴黎戴高樂機場的跑道上出現小型金屬片，導致協和號客機發生事故，此後，FOD 偵測就成了機場管理十分重視的議題。要保持跑道時段分配作業效率，就不能輕忽安全檢查造成機場運作停擺的問題。電動導航研究所 (ENRI) 是全國性研究機構，旨在開發適用於航空監控與通訊、空中交通安全以及空中交通路線運作效率的民用技術。攸關民航安全技術的研究主題不勝枚舉，其中我們所開發的是毫米波雷達系統，用於偵測機場跑道上的小型 FOD。相較於相機系統，毫米波雷達系統能發揮更高的偵測效能、高距離解析度，也更不容易受氣候影響。不過，這套系統也帶來了許多挑戰，比方說，要提高機場跑道 FOD 偵測系統的效能，就必須開發毫米波電路與訊號處理電路。

毫米波系統概述

毫米波雷達系統由波束掃描天線、毫米波收發電路、訊號產生/處理電路，以及同步與控制電路組成。FOD 偵測系統的研發主題多以兩種 96 GHz 毫米波前端電路為主。此外，接收訊號處理電路與同步電路也是高效能雷達系統不可或缺的零件。我們剛開始研究以新興技術進行毫米波雷達訊號處理與同步時，我們遇上了 3 項挑戰：

1. 為確認研究進度並進行機場現場實驗，在為期四年的研發期間，我們每年都會製作雷達原型系統。因此，我們必須在一定的期限內建構接收訊號處理電路與同步電路。為配合毫米波電路架構與檢驗的開發時程，以及要申請實驗無線電執照所致，我們必須將開發時間壓縮在不到一個月的時間。
2. 毫米波雷達系統使用寬頻頻率資源，能支援小於一公分的距離解析度。然而，要在機場跑道這類大範圍提高偵測解析度，雷達系統就必須在短時間內處理大量資料。舉例來說，假設距離解析度是 5 公分、直徑覆蓋範圍是 200 公尺，並以 0.036 度的角度解析度進行 360 度方位角波束掃描，那麼，每個雷達前端的資料量至少會有 1.2 GB/s (16 位元振幅解析度)。如果沒有 FPGA 或 ASIC 電路這類硬體邏輯電路，就無法分析如此龐大的雷達資料。
3. 雷達訊號處理電路必須具備快速傅利葉變換 (FFT) 這類複雜訊號處理功能，還要運用觸發同步進行連貫的訊號整合。若將如此複雜的系統外包，不但成本壓不下來，也無法縮短開發期間。此外，若要執行研究專案所得出的新演算法，研究人員只能分析程式才能修改或新增相關函式。如果我們使用多種程式設計語言，例如 FPGA 電路使用 VHDL、主機電腦使用 C 語言，就必須擔心掌握程式設計技能的成本。

為克服這些問題，我們使用 NIPXI 平台、FlexRIO 系統，以及一套示波器轉接模組，進行接收訊號處理電路、同步電路與控制電路的開發。圖 1 所示即為前述雷達系統，這是一種採用光纖無線電 (RoF) 技術的分散式光學連接毫米波雷達系統。「分散式」雷達系統是由設施建築內部的中央裝置加上跑道附近一些天線裝置構成的系統。每組天線裝置的有效範圍分別涵蓋跑道上的每個偵測區域。傳輸頻率介於 92 GHz 到 100 GHz 之間。雷達訊號傳輸源位於中央裝置內部。這套系統會將毫米波傳輸電子訊號直接轉換為光學訊號。這樣就能讓毫米波雷達調變訊號達到超過 10 公里的低損耗傳輸率。此外，系統也會透過光纖將天線裝置的接收訊號傳輸至中央裝置。這個雷達架構採用中央訊號產生和處理技術，以及非常簡單的天線裝置，以低成本的方式建構出大型毫米波雷達系統。中央訊號處理是成就分散式雷達系統的關鍵功能；不過，誠如前一節內容所述，要做到這一點，就必須提高資料傳輸率並讓架構保持彈性。為解決這個問題，我們選擇以 LabVIEW 軟體、NI PXI 平台、FlexRIO 硬體建構的中央系統。圖 2 和圖 3 分別介紹光學連接分散式 96 GHz 毫米波雷達系統，以及雷達訊號處理電路的方塊圖。NI PXIe-7975R FlexRIO FPGA 模組具備足夠的正反器片與記憶體資源，能進行 FFT 分析、訊號整合以及訊號同步。此外，PXI Express 匯流排可使用 DMA FIFO 達到最高 8 GB/s 的傳輸率，將分析完畢的雷達接收資料傳輸至主機程式。 針對 NI PXIe-7975R，我們使用 16 位元、250 MS/s 且適用於 FlexRIO 的 NI 示波器轉接模組。這個轉接器模組有 12 通道數位 I/O，能控制波束掃描天線並取得天線方向資訊。這個數位 I/O 也直接連接 FPGA 電路，所以可根據硬體時脈達到精確的訊號同步。此外，我們還能以低時間抖動的 FPGA 時脈為準據，達到傳輸訊號源與 AD 轉換器之間的訊號同步。

毫米波系統的優勢

雷達處理電路能發揮高效能，直接提升雷達靈敏度。為發揮 LabVIEW 圖形化程式設計語言的優勢，我們在不到 1 個月的時間內就成功執行了訊號處理電路的主要演算法，速度比傳統程式設計方式快 90%。主要好處源於下列三大優勢。

首先，我們可以使用 LabVIEW 開發 FPGA 和主機電腦的程式碼。採用這個建構方式的系統支援 8192 點 FFT 計算，並且能在不損失任何資料的前提下，以每秒超過 10000 次的速度即時傳輸至主機電腦。我們順利完成了複雜卻能發揮高靈敏度的訊號整合與抽取處理。

第二，研究人員能在進行訊號處理時靈活修改及新增功能。這就是圖形化程式設計方式的優點。我們使用 LabVIEW，不必將程式設計程式碼建構作業委外處理，因此得以在成本低、速度快的前提下順利完成建構。

最後還有一個優勢，就是能重複使用之前建構過的 LabVIEW 程式碼。我們以 FPGA 架構的 NI CompactRIO 硬體為架構，開發直升機防撞雷達。即使 FPGA 正反器片的尺寸截然不同，我們也可以在幾乎不進行任何變更的前提下重複使用主要演算法，而主要演算法是能夠處理雷達訊號的。若採用不同的度量衡平台，通常必須使用 VHDL 程式設計調整詳細的時脈時序。不過，我們可以重複使用 LabVIEW FPGA 程式碼，不必花時間調整時脈。這也是 LabVIEW FPGA 程式設計的其中一項重要優勢。

結論

我們使用 LabVIEW 與 FlexRIO 成功開發出適用於機場跑道的 FOD 偵測毫米波雷達系統原型。我們能建構高效能訊號處理電路的研發時程相當緊湊，預算也有限。不過，我們的解決方案適合用於開發系統可行性測試所用的雷達系統原型。為期 4 年的研究期間結束後，我們繼續測試 2 組天線裝置的組合，以利證明分散式雷達架構的效益。圖 4 和圖 5 分別是測試系統介紹與整合式雷達示波的範例。為覆蓋所有跑道區域，未來會再增加天線裝置數量。我們計劃依據 NI PXI 平台和 FlexRIO 修改系統原型，希望能提高 FOD 偵測系統的實用程度。

作者資訊：

Shunichi Futatsumori
國立研究開發法人，電子導航研究所 (ENRI) 監控通訊部
日本