摘要：随着昆明机场航空业务量增长，机场外来物侵袭事件呈逐年递增的趋势，已成为重大安全隐患，FOD风险不容忽视。本文通过分析昆明机场跑道FOD防入侵现状和不足，探索研究全天候实时跑道外来物自动化探测系统，结合昆明机场实际对目前国际应用的几种FOD探测技术进行对比分析，探索出昆明机场跑道FOD探测系统的最佳方案，以期提高机场外来入侵物处置水平，减少跑道外来物入侵的发生，提升机场安全运行水平和效率。

关键词：外来物(FOD)FOD探测技术混合式光电融合FOD探测系统

Abstract：With the growth of air traffic at Kunming Airport,The invasion of foreign objects at the airport shows an increasing trend year by year,Has become a major safety hazard,FOD risk cannot be ignored.This paper analyzes the current situation and deficiency of FOD intrusion prevention at Kunming Airport runway,To explore and study an all-weather real-time automated detection system for foreign objects on the runway，Explore the best scheme of runway FOD detection system at Kunming Airport,In order to improve the level of disposal of foreign invaders at the airport,Reduce the occurrence of runway invasion of foreign objects,Improve airport safety and efficiency.

Keywords：Foreign object (FOD) FOD detection technology Hybrid photoelectric fusion FOD detection system.

一、引言

机场跑道外来物（FOD）指在机场跑道区域内无运行或者航空功能，并可能构成航空器运行危险的无生命的物体。航空器相对于外来物而言非常脆弱，一个小小的螺钉、一片小的金属片、一颗尖锐的石子都会导致轮胎损伤甚至爆裂，爆裂的轮胎碎片又会打伤飞机机体或重要部件，甚至引起机毁人亡的重大事故。近年来，随着昆明机场航空业务量增长，枢纽机场航班密集，FOD时刻威胁着跑道安全，影响跑道利用率，机场面临的安全压力越来越大。有效防治机场外来物入侵，提升FOD探测技术水平，减少跑道FOD事件的发生刻不容缓。

  二、机场跑道FOD探测现状

目前昆明机场主要采用人工目视巡场的方式对跑道进行定期的检查和清扫，以减少机场跑道外来物入侵。

（一）现行FOD探测模式

1.根据《运输机场运行安全管理规定》（CCAR-140-R2）第五十九条“每日跑道开放使用前，机场管理机构应当对跑道进行一次全面检查。当每条跑道日着陆大于15架次时，还应当进行中间检查，并不应少于3次。”昆明机场与空管部门协调，延长航行期间单次跑道检查时间，并增加跑道检查次数。目前，航行期间每天至少对每条跑道进行4次检查。其中，白天采取双车分段检查方式，夜间采取双车并行检查方式。其次，每日均对两条跑道进行全面的航前、航后检查，两条跑道共计检查5次。

2.根据《运输机场运行安全管理规定》（CCAR-140-R2）第六十条“对跑道、滑行道、机坪应当定期清扫。对跑道、滑行道的清扫每月不应少于一次。”昆明机场每日利用停航时间对跑道、滑行道进行清扫，每月至少完成一次全幅道面清扫工作。其次，自2017年起开始在跑道、滑行道FOD防治工作中加入除雪车吹扫模式，吹扫工作速度快，覆盖面积大，外来物清除率高，极大的提高了工作效率，现每月至少分别对东、西跑道各完成四次全幅吹扫作业，并进一步使机械清扫、除雪车吹扫相互结合，消除道面FOD保洁作业工作盲区。

3.根据《运输机场运行安全管理规定》（CCAR-140-R2）第六十三条“每季度应当对跑道、滑行道和机坪的铺筑面进行一次全面的步行检查。”昆明机场每季度对停航后的跑道均进行全幅的步行巡视检查保洁，对滑行道分段进行步行巡视检查保洁，清除跑道、滑行道及周边区域外来物。

4.根据局方关于加强机场跑道巡视检查工作要求，为不断改进跑道巡查流程，缩短检查跑道的占用时间，提高运行效率。2017年，昆明机场为跑道巡查车辆安装专业车载监控系统，可在跑道检查后重现跑道检查流程，是跑道检查作业资料存档的重要依据。完成航前检查后统一对当日所有道面检查情况进行回放检查及数据存档，确保道面适航。

5.对人工保洁或机械清扫过程中所拾取的外来物进行记录及留存，特别针对道面上所拾取的金属物进行分类，详细记录拾取位置，并进行封存。若拾取到疑似航空器掉落的零配件，及时联系机务公司进行判别，并对相关情况进行通报，切实降低FOD安全隐患。

6.每月对跑道、滑行道FOD拾取数据进行统计，根据数据结果划分跑道、滑行道高危、低危区域，持续性加强高危区域FOD治理工作。其次，按照气候特征、跑道、滑行道FOD分布情况系统性分析FOD来源及成因，判断FOD发展趋势，加强后续跑、滑区域FOD治理工作。

昆明机场通过采用以上多种手段对跑道FOD进行防控，2020-2022年在跑道、滑行道共拾取外来物17112件:拾取中低危外来物总数16443件，其中拾取碎石15843颗，占比92.58%（碎石中水泥碎石6146颗，占比38.79%，沥青碎石9697颗，占比61.21%），土面区拾取杂物（塑料袋、纸片、塑料瓶、气球、手套）600件，占比3.51%；拾取金属物669件，占比3.91%。东西跑道及滑行道面积共计1913000平方米，平均在120.7平方米发现1颗碎石。道面主要外来物为表面脱落的碎石颗粒及土面区内被大风吹至道肩的碎石，道面拾取金属物主要为飞机起飞、降落过程中掉落的螺丝、螺帽等。2020-2022年昆明机场共发生63起本场落地的外来物击伤事件（一般征候22起、一般事件41起），其中外来物击伤航空器事件50起，航空器轮胎扎伤13起。

  三、提高跑道FOD入侵安全防范的需要

（一）传统人工巡视检查效率低

昆明机场作为国内最繁忙机场之一，航班密度自上午7时延续到晚上23时，一直保持在50架次/小时水平。按照人工巡视检查工作模式，航班运行期间每天将至少占用跑道25-30分钟，且上午、下午和傍晚三次巡道时间均处于航班波密度高位水平阶段，会对机场运营造成一定影响。同时，周期性巡道检查时间间隔长，检查频次较低，实时性不强，不能及时发现、处置跑道道面FOD入侵情况。若是增加检查频次，将占用更多跑道运行时间，影响机场运行效率，若为了缩短巡道时间，提高巡道车车速，则漏检率较高，不能保障跑道运行安全。其次，传统人工检查模式受到巡道时间、人为因素、光照及其它天气条件、外来入侵物背景区分度等的影响，漏检概率较大且不稳定。根据机场实际统计分析表明，相对于FOD自动探测设备30-35个/月的外来入侵物检出结果，人工巡道检出结果仅为3-5个/月。

（二）FOD探测能力优势

FOD探测设备是指利用发射和接收无线电信号测定机场跑道外来物位置的无线电定位业务电台，其部署方式主要有边灯式、塔架式和移动式。其中，边灯式一般安装于跑道道肩，与跑道边灯相邻部署，探测距离小于100米；塔架式多安装于跑道升降带外、距跑道中线200米外的位置，探测距离达800至1000米；移动式多安装于车辆上，能够在移动中工作，探测距离小于200米。

相较于传统人工目视巡检跑道方式，FOD自动探测设备具有受天气环境条件制约小、7×24小时全天候监视的优势，且在探测设备正常运行期间，被监测区域的中间动态巡视检查次数可以适当减少。在减轻飞行区工作人员巡检工作量的同时提高了机场对FOD管理的工作水平，可大大提升民用机场安全运行水平和效率。

由此可见，在满足日益增加的航班起降架次需求的情况下，为提高机场外来入侵物处置水平，确保机场运行安全，建立一套能够全天时全天候实时对跑道外来入侵物进行监测的自动化系统势在必行。

  四、FOD探测技术研究分析

昆明机场最近几年一直在探索研究一套全天候实时监测的机场外来入侵物自动探测系统，以期减少并消除由于外来入侵物对飞行安全的威胁。目前，机场跑道FOD自动探测系统可以极大地提高机场跑道外来入侵物的检测效率、缩短占道时间、降低误报漏报率、进而提高飞机的飞行安全、降低人员财产损失。

（一）机场FOD探测系统分类

依据民用航空局信息通告《机场道面外来物探测设备》（IBCA-2016-01）和FAA咨询通告“Airport Foreign Object Debris(FOD) Detection Equipment”(AC150/5220-24)，结合国内外FOD探测设备生产商产品情况，机场FOD探测设备主要分为三大类共计五种形式的FOD探测系统：

1.雷达式探测设备：采用单一毫米波雷达做为FOD探测设备。此种方式由于形成的为类似SAR图像的伪图像方式，对外来入侵物的辨识存在一定缺陷。同时在极端电磁干扰情况下，会出现短暂失效情况。该类型的典型产品为英国QinetiQ公司的早期Tarsier雷达系统。

2.光电（视觉）探测设备：该方式采用特殊设计的视觉成像设备作为FOD探测设备。系统技术涉及到低照度图象增强技术、复杂背景剔除方法、前景雨雪雾消噪算法、特征识别与定位方法等。即使以图像处理技术为背景的视觉图像处理公司新加坡Stratech公司所生产的iFerret系统，在极端气象条件下，也还有进一步改进的必要。

3.混合式探测设备：该类采用毫米波雷达和光电（视觉）探测方式融合，具有毫米波雷达覆盖探测范围宽、环境适应性强的特点和视觉成像方法直观、便于二次确认等特点。

（1）车载式移动探测设备：采用车载式毫米波雷达和视觉成像设备，对跑道进行上道探测。由于不可避免的占道时间和不稳定的毫米波扫描方式，很少采用。典型系统为美国TrexEnterprisis公司第一代产品FOD Finder XM；

（2）跑道边灯式探测设备：利用跑道边灯共存方式架设毫米波雷达（和视觉成像）设备，由于部署较为复杂、对机场运营影响较大、造价高、存在易损风险，应用受到一定限制。且较小的探测角对其性能存在一定影响。典型系统为以色列Xsight公司的FODetect设备和民航二所的系统之一。

（3）塔架固定式探测设备：该类为在雷达式探测设备基础上改进完善的结果，即保留了雷达式探测设备安装运行方便，检测灵敏度和分辨率高的优点，同时又充分发挥了视觉成像方式的直观性特点。典型的系统包含英国QinetiQ公司的二代Tarsier雷达系统、珠海瑞天安的“天眼”系列、美国Trex Enterprisis公司的FOD Finder XF、民航二所产品等。

综合比较，混合式探测设备兼备雷达和光电两种技术的优势，弥补了单一技术的劣势，是目前昆明机场探索应用的首选探测技术。

（二）混合式光电融合FOD探测系统对比分析

针对混合式探测设备的多制式FOD检测技术的三种探测技术，结合昆明机场净空、电磁环境、改造及投入等综合考虑，对三种探测系统进行对比分析。

1.跑道边灯式FOD探测系统

跑道边灯式FOD探测系统是由多个安装在跑道边灯上的道面监测单元组成的检测系统，每个监测单元由一部毫米波雷达和摄像机组成（如图1a、b所示）。

单台探测范围：60×60m2，即与60m间距跑道边灯共用，跑道双侧布局。

（1）优点

①不涉及净空问题；

②布置灵活，可方便地构建局部重点区域的FOD探测系统；

③近距成像二次确认系统成像受极端天气的影响较小，成像质量相对较高。

（2）劣势

①监测单元较多，系统较复杂，安装维护相对困难（摘自民航二所国家自然基金民航联合重点基金报告）；

②安装高度由于受到跑道边灯双向内倾主光束角的限制，普遍低于17cm，并由此带来一系列问题：

a.擦地角小：考虑到机场跑道横坡影响，需在跑道两侧分别布置，增加成本；同一扫描线存在多个异物可能由于遮挡而出现识别错误。

b.掠射角小：异物投影截面变小，对雷达扫描回波影响较大，尤其是诸如造成法国协和客机失事的扁平物体，识别困难；同时成像角较低，不便于图像辨识。

③普遍采用77-78GHz频段，该频段现已指定为自动驾驶汽车使用频段（我国主导，国际无线电组织确认，当有需求时，其它应用要避开此频段），虽然目前不受影响（或申请国家无线电委豁免），但一旦有基于毫米波雷达的自主导航车辆进入机场应用，则此频段将不再允许此类FOD探测系统应用。

④快速脱离道口等位置布置困难（此处跑道边灯目前多采用嵌入式），重点FOD多发区域监测相对困难，此处布设的装置损伤概率大。

⑤光窗、发射/接收窗口由于跑道运行特点，受污染而影响监测性能的几率增加。

⑥损坏概率大，尤其是受除冰雪作业及夜间作业车辆的影响，与跑道边灯损坏几率相同。

⑦不便于维护及日常管理：由于需要上道操作，日常操作及维护维修将变得更加困难。

⑧信号传输及中继装置沿助航灯光回路管廊布设，对于非正弦波调光器供电的灯光回路，系统抗干扰措施需要进一步加强。

2.车载式FOD探测装置

车载式FOD探测装置利用安装在机场特种车辆上的毫米波雷达和红外像机实施对机场跑道的外来入侵物探测。

图2 TrexFODFinderXM跑道外来入侵物探测车

（1）优点

不需要机场施工，具有和巡道车相同的便利性。适用于航班较少的小型支线机场替代人工巡道使用。

（2）缺点

①由于是移动式探测，工作时需要占用跑道宝贵时间，无法第一时间检测到目标（摘自民航二所国家自然基金民航联合重点基金报告）；

②移动FOD探测设备探测效果不稳定，随每次行进路线变化而产生偏差；

③该类型的开发公司Trex Enterprises公司意识到本系统的不足，又开发了FOD Finder XF固定式FOD探测系统（塔架式）。

3.塔架式光电混合FOD探测系统

固定塔架式毫米波雷达FOD探测系统是和视觉探测系统最早出现的两种FOD探测系统之一，并随着发展，扫描频率逐步提高/扫描方式不断改进，并最终发展为目前的固定式光电融合FOD探测系统。它利用较少的探测装置，通过94.5GHz调频连续波（FMCW）雷达机制实现FOD的探测，并利用光电系统二次确认。

（1）缺点及解决措施

①对弱小目标的检测性能相对较差，传感器单元体积较大（摘自民航二所国家自然基金民航联合重点基金报告）；

目前，随着扫描中心频率从早期的77-78GHz至目前的94（94.5GHz），分辨率逐步提高，弱小目标探测缺陷得以解决；随着超小型高增益天线的应用，体积得以减小，满足现场安装需求。

②为获得合理的擦地角/掠射角，塔架高度有可能会超过净空面。

超障问题可通过航行资料汇编或发布航行通告解决，已有编入航行资料汇编(障碍物清单)和发布航行通告(永久性航空障碍物)先例。

（2）优点

①为目前开发厂商最多和使用最广泛的FOD探测形式；

②单台套系统覆盖扫描区域最大，可使用4套系统无缝覆盖整条跑道，便于布设及维护；

③跑道外侧160m之外架设，便于不停航建造、日常维护、维修，且不受其它场面作业的影响；

④较少的设备监控方案，便于协调完成航前/航后段实时探测的特殊需求，并避免跑道运行航空器、保障车辆引起的虚警发生；

⑤所使用的94-96GHz频段为空闲频段，不受其它应用和将来业务拓展的限制；

⑥除净空（已解决）外，对通导、监视等系统无影响，且不影响昆明长水机场飞行程序，电磁辐射公众曝露限值符合要求，系统安全。

⑦由于采用高频调频连续波扫描技术、恒虚警检测算法、杂波对消技术、图像增强及除雾算法等先进技术，使其能够满足全天时、全天候FOD探测要求；

⑧较高的擦地角/掠射角确保FOD探测装置能够覆盖全跑道各个区域，且对条带类扁平异物具有良好的识别与辨识能力；

⑨系统满足III类精密仪表进近及E/F类滑行道的需求。

⑩该系统满足大型机场探测、日常维护及维修便利性的要求。

⑪克服了跑道边灯式FOD探测系统存在的诸多不足之处。

综合考虑全天时全天候探测环境、探测覆盖范围、探测系统可靠性、设施安装改造及运行的便捷性等综合因素，塔架式雷达光电混合FOD探测系统更能满足昆明机场跑道FOD探测的需要。

  五、跑道FOD探测系统应用与展望

机场跑道FOD探测系统相关技术广泛应用于国防军工、交通运输、工农业生产及民用生活领域。通过近二十年的发展，机场FOD探测技术业已成熟，并被逐步应用于机场FOD防范处置实践中。国外诸如美国诸多机场、温哥华国际机场、希思罗国际机场、迪拜国际机场、樟宜国际机场、长崎国际机场、香港国际机场、奥黑尔机场、多哈国际机场等均已安装各种不同类型的FOD探测设备。国内北京大兴机场一期建设中西一跑道采用了国产的塔架式FOD雷达探测系统，西二跑道、北一跑道、东一跑道使用了来自以色列的FODetect系统。石家庄正定国际机场也在2020年配备了“移动式FOD探测系统”。

目前在云南机场集团的主导下，大理荒草坝机场建立了机场FOD探测系统（塔架式光电混合FOD探测系统），通过实际使用测试及评估，取得了预期的效果，机场FOD探测系统切实可行，同时也为昆明机场应用机场FOD探测系统提供了依据和技术支持。2023年3月31日工业和信息化部、中国民用航空局联合下发了《关于印发民用机场跑道外来物探测设备无线电管理暂行规定的通知》，主要通过立足产业现状和技术发展趋势，提出FOD探测设备的使用频率、FOD探测设备频率管理模式、FOD探测设备如何办理无线电台执照、如何处理FOD探测设备与其他无线电业务之间的无线电干扰问题等技术支持，满足民用机场跑道安全管理应用需求。在政策与技术的双重支持下，昆明机场改扩建在即，为提升昆明机场的发展，在昆明机场规划多跑道部署跑道FOD探测系统，对跑道FOD进行实时探测、预警，可以有效弥补传统人防、物防手段的短板，解决跑道监控问题，提升安全裕度和保障能力，维护机场航空安全，实现昆明机场“平安、智慧”化建设。

参考文献

[1]《运输机场运行安全管理规定》（CCAR-140-R2）

[2]《机场道面外来物探测设备》（IB-CA-2016-01）

[3]《运输机场外来物防范管理办法》（AP-140-CA-2022-05）

[4]国家民航总局机场司民航局安全技术中心，FOD防范手册

[5]FAA咨询通告“Airport Foreign Object Debris(FOD)Detection Equipment”(AC150/5220-24)

作者：李秋红、杨颖、王敏