一种探地雷达和基于该探地雷达的跑道表面状况评估方法与流程

1.本发明涉及一种飞机探地雷达，以及基于该探地雷达的跑道表面状况评估方法。


背景技术：

2.在飞机的着陆或中止起飞过程中，通常需要刹车系统提供刹车力迫使飞机停止，飞机着陆距离的长短与飞机的刹车性能相关，而跑道的状态和跑道所能提供的最大摩擦力便是影响刹车性能最为直接的因素。当飞机的跑道覆盖有雨、积雪、冰、油液等污染物时，飞机跑道所能提供的摩擦力大大减小，会造成飞机轮胎的打滑抱死，刹车效率严重降低，严重时会造成飞机冲出跑道。此外溅起的污染物会造成飞机结构的损伤，发动机吸入污染物时还会造成发动机停车。
3.为解决上述问题，目前现有的方法包括：
4.加拿大crfi方法、跑道摩擦测量设备测量、新提出的irfi方法、基于观察到的跑道状况与当前的天气状况的来预测摩擦系数。
5.此外，cn108072406a专利提出一种方法，该方法包括安装车辆路况检测设备，构建评估计算函数，路面数据采集，车辆运行数据检测及状态评估等五个步骤。该发明通过构建评估计算函数计算测量滑移率、轮胎纵向力、车速，通过车辆运行数据监测发动机转速、输出功率等参数，根据车辆的受力分析计算出道面的摩擦系数，再通过状态评估模块进行车辆运行地面状态评估。
6.专利de102017112073a1在测量前端安装远距离摄像系统，通过该系统拍摄前段的道面图像，再基于图像处理技术确定路面材料、路面地形、路面潮湿程度和污染程度，随后基于道路数据库获取不同道路状态的摩擦系数，实现道路摩擦系数的测量与预测。
7.专利de102004018088a1提出一种包含温度传感器、超声波传感器和摄像机的路面检测系统，通过上述传感器获得路面数据，通过将路面数据过滤并与参考数据对比后，可以确定路面的不同状态，路面表面可以分类为混凝土，沥青，污物，草，沙或砾石及其状态(例如干，冰，雪覆盖，湿)。
8.专利us20140358396a1通过收集和存储包括制动液压系统、速度、刹车装置、扰流板、襟翼等用于飞机减速装置的数据，并将这些参数与许多物理参数(速度、减速率、温度、压力、风速)等存储于飞机的机载数据管理系统中，这些数据实时地传输到大功率计算机中，该计算机可以计算涉及飞机降落机动的所有相关物理过程。基于计算的物理过程可以计算着陆飞机的实际有效摩擦系数，这些参数可以和天气数据一起用于计算真实的飞机降落性能参数。基于此种方法，所有涉及机场地面操作和航空操作的人员均可以获得关于跑道表面摩擦和飞机制动作用的最准确和最新的信息。此外，相关专利基于智能算法进行道面摩擦系数的识别。
9.专利cn110910531b提出一种基于车载obd的路面摩擦系数快速检测方法，该方法通过建立自进化神经网络模型并构建用于模型训练和进化的样本库，利用路况参数、车辆静态参数和车况参数，输出检测路段的路面摩擦系数。
10.专利us9434479b2通过收集飞机在不同跑道位置、不同滑移率下的摩擦系数，并将跑道摩擦系数关于跑道位置和滑移率的关系生成成地图，当飞机刹车时，根据飞机目前的状态，将跑道摩擦系数等信息体现发送至飞机以供使用。
11.专利us10147331b1提出一种评估跑道状态的方法，包括通过bcu监测飞机刹车过程，监测飞机的打滑状态，计算飞机的减速率，并基于此估算跑道的摩擦系数，其中摩擦系数与飞机减速度、气动阻力、飞机的反推力等参数有关，此外该方法还可以给予gps数据生成跑道摩擦系数地图。
12.专利us10319237b1提出了一种机场计算系统，通过网络通信将第一飞机与第二飞机耦合，通过多个传感器和计算模块收集第一飞机在跑道上的数据，随后计算出摩擦系数发送给第二计算机使用。
13.上述现有技术存在的问题主要有：
14.a)有些测量装置需要关闭跑道，对于机场或航空公司来说成本较高；
15.b)快速地天气变化会导致跑道表面状态的变化，目前大部分技术难以适应天气的快速变化；
16.c)当跑道状态出现突然变化(如油液污染)时，跑道摩擦系数会发生巨大变化，现有技术难以实现跑道状态识别的快速性和告警。
17.因此，需要能够改进现有技术中的缺陷的方法和装置。


技术实现要素：

18.提供本发明内容来以简化形式介绍将在以下具体实施方式部分中进一步描述的一些概念。本发明内容并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
19.针对上述技术问题，本发明基于探地雷达向跑道发射电磁波，在电磁波的传播过程中，它会随着传播介质密度不同，介电常数不同，电性系数差异等原因，电磁波会在介质层交界处发生反射和折射，并且产生不同程度的衰减，通过接收反射回波，并对反射波的衰减表现进行信号处理，从而实现对跑道表面覆盖层的辨别，从而根据跑道表面覆盖层材质确定跑道的最大摩擦系数。
20.具体而言，在本发明的一个实施例中，本发明所要求保护的基于探地雷达的跑道表面状况评估方法包括以下步骤：
21.1、当飞机接地信号显示飞机在地时，探地雷达开启；
22.2、探地雷达向发射机发送指令，通过发射天线向地面发送电磁波；
23.3、电磁波到达跑道时发生反射，接收机通过接收天线接收反射信号；
24.4、主控单元对反射信号进行处理生成波形图；
25.5、根据波形图计算介质介电常数；
26.6、根据介电常数查表确定介质类型；
27.7、根据介质类型确定跑道最大摩擦系数；
28.8、将相关信息发送至对应系统。
29.基于上述步骤，在本发明中可在飞机降落时，实时识别跑道路面状态，获取跑道表面摩擦系数。
30.在本发明的一个实施例中，公开了一种基于探地雷达的跑道表面状况评估方法，该方法包括：
31.当飞机降落在跑道上时开启探地雷达；
32.通过所述探地雷达向地面发送电磁波；
33.通过所述探地雷达接收反射回波；
34.由所述探地雷达对所述反射回波进行处理以生成波形图；
35.根据所述波形图来计算跑道表面覆盖物的介电常数；
36.根据计算出的介电常数来确定所述跑道表面覆盖物的介质类型；
37.基于所述介质类型来确定所述跑道的最大摩擦系数；以及
38.将所确定的最大摩擦系数发送至飞机刹车系统。
39.在本发明的一个实施例中，探地雷达通过接收接地信号来判断飞机是否在地，并且在确定飞机在地的情况下探地雷达通过其主控单元向发射机发送触发信号以触发发射天线向地面发射信号。
40.在本发明的一个实施例中，反射回波是通过探地雷达中的接收机经由接收天线来接收的，并且该反射回波中包括由于电磁波在跑道表面覆盖物与空气的交界处发生的反射和折射而产生的不同程度的衰减。
41.在本发明的一个实施例中，探地雷达的主控单元从接收机接收到回波数据并对其进行处理以生成波形图，并基于所生成的波形图来计算跑道表面覆盖物的介电常数，并且该介电常数通过来计算，其中ε为相对介电常数，v为电磁波(发射信号)在介质中的传播速度，c为电磁波在真空中的传播速度。
42.在本发明的一个实施例中，跑道表面覆盖物的介质类型以及跑道的最大摩擦系数可通过查表来确定，这在下文中将详细描述。
43.在本发明的一个实施例中，最大摩擦系数被发送至飞机刹车系统以用于调节机轮的刹车压力。
44.在本发明的一个实施例中，如果判断飞机不在地，则探地雷达保持关闭
45.在本发明的另一实施例中，上述方法还可选地包括基于所确定的介质类型来将跑道上是否有污染物分别告知驾驶舱和机场。
46.在本发明的另一个实施例中，公开了一种用于跑道表面状况评估的探地雷达，包括：
47.主控单元，所述主控单元被配置成：
48.接收接地信号以确定飞机是否降落在跑道上；
49.在确定飞机在地时触发发射机经由发射天线向地面发送电磁波；
50.对接收机经由接收天线接收到的反射回波进行处理以生成波形图；
51.根据所述波形图来计算跑道表面覆盖物的介电常数；
52.根据计算出的介电常数来确定所述跑道表面覆盖物的介质类型；
53.基于所述介质类型来确定所述跑道的最大摩擦系数；以及
54.将所确定的最大摩擦系数发送至飞机刹车系统；
55.发射机和发射天线，所述发射机在确定飞机在地时从所述主控单元接收触发信号
以经由所述发射天线向地面发送电磁波；以及
56.接收机和接收天线，所述接收机经由所述接收天线来接收所述反射回波并将其传递至所述主控单元。
57.在本发明的一个实施例中，该主控单元被进一步配置成基于所确定的介质类型来将跑道上是否有污染物分别告知驾驶舱和机场。
58.在结合附图研读了下文对本发明的具体示例性实施例的描述之后，本发明的其他方面、特征和实施例对于本领域普通技术人员将是明显的。尽管本发明的特征在以下可能是针对某些实施例和附图来讨论的，但本发明的全部实施例可包括本文所讨论的有利特征中的一个或多个。换言之，尽管可能讨论了一个或多个实施例具有某些有利特征，但也可以根据本文讨论的本发明的各种实施例使用此类特征中的一个或多个特征。以类似方式，尽管示例性实施例在下文可能是作为设备、系统或方法实施例进行讨论的，但是应当领会，此类示例性实施例可以在各种设备、系统、和方法中实现。
附图说明
59.为了能详细理解本公开的以上陈述的特征所用的方式，可参照各方面来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中阐示。然而应该注意，附图仅阐示了本公开的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为本描述可允许有其他等同有效的方面。
60.图1示出了根据本发明的一个实施例的实现环境的示意图。
61.图2示出了根据本发明的一个实施例的探地雷达的示意性框图。
62.图3示出了根据本发明的一个实施例的探地雷达的工作流程图。
63.图4示出了根据本发明的一个实施例的基于探地雷达的跑道表面状况评估方法的流程图。
具体实施方式
64.以下将参考形成本发明一部分并示出各具体示例性实施例的附图更详尽地描述各个实施例。然而，各实施例可以以许多不同的形式来实现，并且不应将其解释为限制此处所阐述的各实施例；相反地，提供这些实施例以使得本公开变得透彻和完整，并且将这些实施例的范围完全传达给本领域普通技术人员。各实施例可按照方法、系统或设备来实施。因此，这些实施例可采用硬件实现形式、全软件实现形式或者结合软件和硬件方面的实现形式。因此，以下具体实施方式并非是局限性的。
65.各流程图中的步骤可通过硬件(例如，处理器、引擎、存储器、电路)、软件(例如，操作系统、应用、驱动器、机器/处理器可执行指令)或其组合来执行。如本领域普通技术人员将理解的，各实施例中所涉及的方法可以包括比示出的更多或更少的步骤。
66.下文中将通过框图、装置示意图以及方法流程图对本公开的各方面进行详细描述。
67.图1示出了根据本发明的一个实施例的实现环境100的示意图。
68.在本发明的一个实施例中，在该实现环境100中，包括已降落在飞机跑道104上的飞机及其探地雷达101、飞机跑道上的覆盖物103、以及探地雷达101的雷达扫描区域102。
69.首先，探地雷达101通过接收到的接地信号来判断飞机是否已在地(即，降落在跑道上)。当探地雷达101确定飞机已经降落时，探地雷达101开启并产生雷达扫描区域102，以用于探测该雷达扫描区域102内的跑道表面覆盖物。探地雷达101通过发射电磁波并接收从跑道表面反射的回波来探测跑道表面覆盖物。
70.随着飞机的移动，当雷达扫描区域102内包括覆盖物103时，探地雷达101发出的电磁波会在覆盖物103与空气的交界处发生反射和折射，并产生不同程度的衰减。
71.随后，探地雷达101就能根据反射回波中的衰减表现来确定覆盖物103的介质类型或材质类型，并据此确定飞机跑道104的最大摩擦系数。
72.探地雷达101随后将所确定的最大摩擦系数传递给飞机的刹车系统(未在图中示出)，以供刹车系统迅速调节机轮的刹车压力，避免在经过污染跑道(在覆盖物103是诸如油污之类的污染物)时轮胎抱死，从而提升飞机的刹车性能并提升安全性。
73.探地雷达101的细节将在下文中参照图2更详细地描述。
74.图2示出了根据本发明的一个实施例的探地雷达200的示意性框图。
75.在本发明的一个实施例中，探地雷达200包括主控单元202、发射机204、接收机206、发射天线208、以及接收天线210。
76.主控单元202被配置成接收接地信号以确定飞机是否降落在跑道上(飞机是否在地)以确定是否开启探地雷达200以用于向跑道发射信号(诸如电磁波等)。
77.主控单元202还被配置成在确定飞机在地时向发射机204发送触发信号以触发发射机204经由发射天线208向地面发送诸如电磁波之类的信号。
78.主控单元202还被配置成对接收机206经由接收天线210接收到的反射信号(反射回波)进行处理以生成波形图。如图2所示，取决于跑道上有没有附着物(诸如水、雪、冰、油等)，接收机206经由接收天线210接收到的反射信号中具有不同的衰减表现，并且接收机206将反射回波作为回波数据传递回到主控单元202以供主控单元202进行处理和分析。
79.随后，主控单元202被配置成对接收到的回波数据进行处理以生成波形图，并根据所生成的波形图来计算跑道表面附着物的介电常数(相对介电常数)。
80.在本发明的一个实施例中，相对介电常数可通过下式计算：
[0081][0082]
其中ε为相对介电常数，v为电磁波(发射信号)在介质中的传播速度，c为电磁波在真空中的传播速度。如本领域技术人员可以理解的，本发明不限于介电常数的这一特定计算方式，而是可以采用任何合适的计算方式来计算跑道表面附着物的介电常数。
[0083]
接着，主控单元202被配置成根据计算出的介电常数来确定该跑道表面附着物的介质类型，并基于介质类型来确定跑道的最大摩擦系数。在本发明的一个实施例中，主控单元202可通过查表来确定跑道表面附着物的介质类型以及跑道的最大摩擦系数。可被查询以确定介质类型和最大摩擦系数的表可包括介质类型、以及与各介质类型相对应的介电常数(或相对介电常数)和最大摩擦系数这三项(列)，并且介质类型可包括空气、坚硬雪、淡水冰、沥青、混凝土、碎石。主控单元202可基于计算出的介电常数来查询该表，即通过介电常数来确定相应的介质类型并通过介质类型来确定最大摩擦系数。该表的示例具体如下：
[0084]
介质类型介电常数最大摩擦系数空气1-坚硬雪1.40.4淡水冰40.4沥青2.60.7混凝土1.5-2.10.6碎石5.4-5.60.5
[0085]
表1：不同介质的相对介电常数与摩擦系数表
[0086]
如本领域技术人员可以理解的，本发明并不限于表中的介质类型，而是可涵盖其他介质类型，并且相对介电常数和最大摩擦系数也可根据需要自行设定，而并非限于上述各数值。
[0087]
最后，主控单元202被进一步配置成将所确定的最大摩擦系数发送至飞机刹车系统，以使得刹车系统能够据此快速调节机轮的刹车压力，避免在经过污染跑道时轮胎抱死，从而提升飞机的刹车性能。此外，还可以根据不同道面的摩擦系数定义不同道面工况的着陆场长。
[0088]
在本发明的另一实施例中，主控单元202还被配置成基于所确定的介质类型来来告知驾驶舱跑道上是否有污染物，并告知机场跑道上是否有污染物。
[0089]
图3示出了根据本发明的一个实施例的探地雷达的工作流程图。
[0090]
如图3所示，探地雷达首先接收接地信号，如果接地信号未显示飞机在地，则在步骤301探地雷达保持关闭。当接地信号显示飞机在地(wow＝＝1)时，在步骤302探地雷达开启。
[0091]
探地雷达开启后，在步骤304，探地雷达向发射机发送指令，以通过发射天线向地面发送电磁波。
[0092]
电磁波到达跑道时发生反射，探地雷达中的接收机在步骤306通过接收天线接收回波(反射信号)。
[0093]
在接收到反射信号后，探地雷达中的主控单元在步骤308对该反射信号进行处理以生成波形图。
[0094]
接着，主控单元在步骤310根据所生成的波形图来计算介质(诸如跑道表面附着物)的介电常数。
[0095]
主控单元紧接着在步骤312根据计算出的介电常数通过查表来确定跑道表面材料(即，介质类型)，并且可选地在步骤314和316分别基于所确定的介质类型来告知驾驶舱和机场跑道上是否有污染物。表的示例在上文中描述。
[0096]
随后，主控单元在步骤318根据所确定的介质类型来确定跑道最大摩擦系数。跑道最大摩擦系数可由主控单元通过查表来确定。
[0097]
最后，主控单元在步骤320将包括所确定的最大摩擦系数及相关信息发送至刹车系统，以供刹车系统快速调节机轮的刹车压力，避免在经过污染跑道时轮胎抱死。
[0098]
图4示出了根据本发明的一个实施例的基于探地雷达的跑道表面状况评估方法400的流程图。
[0099]
在框402，当飞机降落在跑道上时开启探地雷达。在本发明的一个实施例中，探地
雷达通过其主控单元接收接地信号来判断飞机是否在地。
[0100]
在框404，通过探地雷达向地面发送电磁波。在本发明的一个实施例中，当确定飞机在地时，探地雷达中的主控单元向发射机发送触发信号以经由发射天线向跑道表面发射信号(电磁波)。
[0101]
在框406，通过探地雷达接收反射回波。在本发明的一个实施例中，探地雷达通过接收机经由接收天线接收从跑道表面反射的回波信号。若跑道表面上有附着物，则电磁波会在附着物与空气的交界处发生反射和折射并且在回波信号中表现出衰减。
[0102]
在框408，由探地雷达对该反射回波进行处理以生成波形图。
[0103]
在框410，根据该波形图来计算跑道表面覆盖物的介电常数。在本发明的一个实施例中，该介电常数可根据来计算，其中ε为相对介电常数，v为电磁波(发射信号)在介质中的传播速度，c为电磁波在真空中的传播速度。
[0104]
在框412，根据计算出的介电常数来确定该跑道表面覆盖物的介质类型。在本发明的一个实施例中，跑道表面覆盖物的介质类型可通过查表来确定，表的示例在上文中通过表1示出。
[0105]
在框414，基于该介质类型来确定跑道的最大摩擦系数。在本发明的一个实施例中，跑道的最大摩擦系数也通过查表来确定。
[0106]
在框416，将所确定的最大摩擦系数发送至飞机刹车系统。在本发明的一个实施例中，飞机刹车系统在接收到来自探地雷达的最大摩擦系数及其他相关信息后，能快速调节机轮的刹车压力，避免在经过污染跑道时轮胎抱死，从而提升飞机的刹车性能并提升安全性。
[0107]
在本发明的另一实施例中，方法400可选地进一步包括基于所确定的介质类型来将跑道上是否有污染物分别告知驾驶舱和机场。
[0108]
综上，通过本发明，在飞机降落时，能够实时识别跑道路面状态并获取跑道表面摩擦系数。
[0109]
以上参考根据本发明的实施例的方法、系统和计算机程序产品的框图和/或操作说明描述了本发明的实施例。框中所注明的各功能/动作可以按不同于任何流程图所示的次序出现。例如，取决于所涉及的功能/动作，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以按相反的次序来执行。
[0110]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。