监测机场跑道外来物和地质形变,「苏州理工雷科」推进高校雷达研究的产学研融合

胡逸菲·2020-12-24
外来物监测和形变监测是民用雷达的重要应用,尚有许多待开拓的新应用市场。

近年来,随着雷达研究成果的日益精进,以及产学研的进一步融合,一些高校雷达研究团队正在通过成立企业推进民用雷达在日常应用场景的落地。

成立于2018年的苏州理工雷科传感技术有限公司(简称苏州理工雷科)是致力于民用雷达研发、生产和销售的公司。公司依托北京理工大学毛二可院士研究团队的创新成果,以94GHz毫米波雷达和合成孔径雷达(SAR)成像为核心技术,研发了机场跑道外来物监测系统、边坡雷达、无人机载遥感系统等民用雷达应用,是一家具有原创性核心技术开发能力的公司。目前,公司的机场跑道外来物监测系统和边坡雷达在对应的场景中占据了较大的市场份额。

应用一:机场跑道外来物检测

清理机场跑道外来物(FOD)是飞行安全检查的重要一环。跑道外来物一旦被卷入飞机,会对飞机的正常运行造成重大影响,引起飞机部件损坏甚至引发安全事故。民航历史上曾经出现过由跑道外来物引起的重大安全事故:2000年,法国航空4590号协和式飞机由于轮胎卷起跑道外来物击穿油箱起火而导致机毁人亡。这一事故加深了民航业对FOD检测处置的重视程度。

过去,跑道外来物的清理多由机场工作人员完成。由于人工检查时间较长且准确度有限,机场希望运用效率更高的自动化技术手段来实现跑道外来物的精准检测,以解决外来物对机场跑道安全的影响,同时提高跑道的运营效率,减少经济损失,带来经济效益。针对这一需求,一些雷达研究团队利用毫米波雷达技术,研发了运用于机场跑道外来物监测的雷达系统。苏州雷科传感作为核心毫米波雷达的供应商,配合相关单位在国内机场获得了商业应用。

据悉,毛二可院士创新团队在94GHz毫米波技术军民两用的领域走在国内前列。苏州理工雷科研发的系统运用频率为94GHz、波长为3mm的毫米波,频率高且波长短,适用于对微小目标的探测。并且得益于在军用民用94GHz雷达研发中的积累,团队拥有一个基于大量实验数据的雷达目标特性数据库,能够通过机器学习、智能化信息处理算法提升系统的目标识别能力,可以探测到厘米级微小目标,RCS(雷达散射截面积)小于万分之一㎡。

在抗干扰能力方面,这一雷达利用自研算法剔除了鸟类、塑料袋等不影响飞行安全的物体,以保证低水平的虚警率,保证警报准确性。并且,由于目前国内主流的车载雷达普遍运用76GHz-81GHz的频段,未来智能交通的兴起也难以对94GHz的雷达造成冲突和干扰。

目前,苏州理工雷科的机场外来物雷达检测系统有边灯型、塔架型、车载型三种形态。这三种形态的特点和商用部署程度如下:

  • 边灯型系统安装在跑道边灯旁边,平均每60m安装一个探测器,是目前最常用的雷达部署方式。边灯型系统是适用范围最广、商业落地比重最多的一种,苏州理工雷科是国内唯一开展边灯型雷达设备商用部署的公司。

  • 塔架型系统安装在垂直于跑道中线、高5-7米的塔架上。一条跑道需要配备3-10个探测器。苏州理工雷科的塔架型系统产品还在市场推广阶段。产品有监测范围大的优势:一条跑道上只需部署3-4个塔架即可完成监测。目前,国内已开展塔架型雷达系统商用部署的公司为成都赛英科技。

  • 车载型系统搭载在车辆上,通过车辆的绕行实现监测。苏州理工雷科的车载型产品采用合成孔径雷达(SAR)成像,目前也还处于市场推广阶段。国内机场目前使用的车载型系统普遍为进口产品。

苏州理工雷科的边灯型产品已在国内机场的2条跑道上商业部署,目前已获得约数千万人民币的净收入。

2019年,民航局发布第70号文件,建议2035年前实现国内大中型机场的外来物检测系统全覆盖。我国国内年旅客吞吐量达千万级的大中型机场有40多个,共有跑道70多条。因此,目前机场外来物监测系统的市场还有很大的增量,预计这一市场会进一步铺开。

应用二:地质形变监测

过往由于露天矿山崩塌、泥石流等地灾灾害,对老百姓的人身和财产安全造成较大的损失。防范与监测地质灾害已形成了巨大的需求。在地质灾害发生前,山体或者地表会发生或大或小的形变。雷达能够提前探测地质形变,可结合地质模型对灾害进行预警预报。因此,民用雷达也可应用于露天矿山、水电站、铁路公路等场景。

针对这一场景需求,苏州理工雷科研发了边坡形变雷达监测系统。这一系统采用合成孔径雷达(SAR)成像技术和雷达图像差分干涉技术(D-INSAR),可对地表成像,并对有一定时间间隔的两张成像图片进行对比,检测地表的形变状况。据悉,公司研发的监测系统可探测亚毫米级的形变。

苏州理工雷科以外,意大利的IDS公司、瑞士的GAMMA公司、国内的中安国泰都致力于研发边坡形变雷达监测产品。这些公司都运用SAR和D-INSAR技术,推出了自己的第一代滑轨型产品。苏州理工雷科的滑轨型产品轨道长度约2米,重量约60~100kg,测量精度可达0.1mm上下。中安国泰的产品指标与其类似。且这两类国产产品的价格相较于国外公司产品更有优势。

第一代滑轨型产品技术精度良好,但存在体积较大、运输成本较高的问题。针对这一问题,苏州理工雷科通过一年多的时间,研发了第二代MIMO(多输入多输出)边坡雷达产品,采用相控阵电扫方式,这一技术使产品规格缩小且更加便携。产品长度为1.5米,重量在20kg以内,可单人背负,适用于应急监测和野外监测。目前,苏州理工雷科是同类公司中唯一满足产品轻量化需求的公司。

针对边坡雷达产品,苏州理工雷科采用多样的商业模式,可以出售、租赁设备,或为客户提供数据服务。目前公司产品在首钢、包钢、紫金矿业、平朔煤矿、九寨沟震后修复等项目都有商业应用,可以完全取代进口设备。当前公司在边坡监测领域的年营收约为1500万元。

公司也已与国家和地方的自然资源、应急管理相关部门开展合作,可以为我国第一次全国自然灾害综合风险普查提供相应的设备和技术支持。

目前市面上主流的地表形变监测技术有三种:星载SAR技术、北斗导航高精度定位技术和地基SAR技术。苏州理工雷科采用的是边坡雷达是基于地基SAR技术。这几种形变监测方式各有优势,可以相互补充。具体特点如下:

  • 星载SAR技术利用卫星,可以进行大面积非接触式测量。但卫星存在重访周期较长,数据更新频率低,南北向滑坡形变不敏感等问题,因此更适用于大范围、长期的普查,例如高铁、公路的长期形变监测,和石油管道、城市沉降等的勘察工作。

  • 北斗导航高精度定位技术已十分成熟,精度可达厘米级,数据刷新频率可达小时级,且成本较低。但为了架设设备需要在测量地施工,设备的部署和维护难度较高。因此这一技术更适用于长期项目的监测。

  • 地基SAR技术原理和星载SAR基本一致,只是观测位置和角度不同。地基SAR的数据刷新频率更高,且更具灵活性,可对各个方向进行形变监测。和北斗技术相比,运用SAR技术的设备不需要现场施工,但设备成本更高。

考虑到数据更新频率和设备便携程度,苏州理工雷科采用边坡SAR技术进行监测。为了精进设备使用效果,深入行业应用,公司也正在对交互设计、地质信息管理等方面进行优化。

雷达监测产品拥有的广泛市场前景

雷达技术从军事应用起家,近年来逐步渗透到民用领域。苏州理工雷科研发的外来物监测、形变监测雷达是民用雷达的重要应用,与竞争激烈的无人驾驶雷达、智能安防雷达相比,这两个应用领域的雷达系统复杂度较高,技术门槛相对更高,参与者较少,尚有许多待开拓的新应用市场。

按照民航局的规划,机场外来物监测系统将在未来10-15年间逐渐成为大中型机场必备的系统。目前国内仍有大量跑道等待部署这一系统,因此预计苏州理工雷科在这一场景将继续获得收入。但这一场景缺少市场增量,未来系统部署完毕后,公司持续在这一场景获得收入的可能性较小。

运用雷达进行地质形变监测也正在成为灾害防范场景的新选择。由于基础设施和地质灾害的风险存在隐蔽性,很难通过人力开展大规模有效排查,且雷达拥有高准确性和大面积监测的优势,因此已成为灾害预警的重要技术。据悉,苏州理工雷科在这一场景的设备占有率排在国内同类公司的前列。

目前,苏州理工雷科的年营收约为3500万元,成立两年已实现盈利,历年研发投入占比约为20%-25%。公司团队全职员工人数约为50人。公司首席科学家姚迪博士曾参与多项863课题和国家重大专项子课题。2011年起,姚迪担任北京理工雷科电子信息技术有限公司雷达系统方向的负责人,在任职期间负责某重点型号雷达系统研制的课题。2018年,姚迪牵头策划了理工雷科民用雷达产品发展的型谱及路线图,并作为联合创始人建立了苏州理工雷科传感技术有限公司。

苏州理工雷科将在近期完成A轮融资,融资将主要用于机场跑道外来物系统的市场推广和94GHz毫米波新产品、合成孔径雷达新产品的研发。


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