空港面異物監視システムの異物検知性能評価
国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所（MPAT）
電子航法研究所（ENRI）
監視通信領域
米本 成人、河村暁子、二ッ森俊一、森岡和行

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

概要
• 空港面異物監視システムの概要• リニアセルレーダーシステム• 高感度カメラ• ハイブリッドセンサーシステム－成田空港における予備試験と結果• まとめ

250th Anniversary

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

空港面異物監視システム開発の背景-コンコルドの事故（パリ、2000年）• チタン製金属片（42cm x 3cm）
→直前に離陸したDC10より脱落→燃料タンクに穴→墜落→空港面の安全性を向上するため、異物（FOD）検出が必要

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年- Concorde Accident電子航法研究所
LeMonde(France)© Electronic Navigation Research Institute, 2017

空港の安全、および効率的運用• 日常の定期検査：1日2回.
• 様々な障害発生により臨時点検• 発生した障害の98.5%で異物は未発見• 滑走路閉鎖により実運用時間の減少• FODの有無の確認（常時監視）• 効率的な空港運用には障害発生後の臨時点検の迅速化が必要

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

2015年4月~12月における羽田空港の滑走路閉鎖の統計値
障害滑走路閉鎖

異物検出

滑走路閉鎖時間(分)鳥衝突

39533221

異物370420

オイル漏れ

105440

緊急着陸4225

路面異常

32189

その他

172217

計466

144512

2016年12月21日CARATS情報管理WG資料3より抜粋

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

研究の目標• 小さな金属片を検出できる
滑走路異物検出システムの開発– 微小金属片（1インチ程度）の検出– 滑走路状態の表示– 24時間/365日、あらゆる天候下での運用– 空港の設置基準、様々な制約への対応

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

FOD検出システムの特長
性能要件

TarsieriFerret

FODetectFOD
finder

我々の目標

センサー方式

レーダー

カメラ

ハイブリッドレーダー

ハイブリッド

設置場所

滑走路付近

滑走路付近

滑走路脇

車上

滑走路付近センサーの数

2基/滑走路8~10基/滑走 30~50基/滑路
走路1基/台8-12基/滑走路

常時監視〇〇〇×〇

更新頻度

×72 秒

×2~3 分

×
1~4 分

×

10秒以内

FOD撮影

△〇〇×〇

冗長性××〇

×〇

設置コスト

×△

×〇

△→〇

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

空港面異物監視システムへの要望
Phase III
滑走路FOD管理
ENRI’s System

空港運用者の要望

Towards 2020
Phase II
異物検出・可視化
FODetect, iFerret
Late 2000s
Phase I
異物検出
Tarsier, FOD finder
Early 2000s
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

異物検出から滑走路FOD管理へ
1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

滑走路異物監視システムの概要• レーダーと高感度カメラにより異物の状況を迅速に把握し、効率的な空港運用をサポート
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

リニアセルレーダー ( ネットワーク型レーダー)• 一つのレーダーは数百m程度しかカバーできない。
• 監視範囲を広げるため、多数の遠隔アンテナが必要• 将来的な監視範囲の拡張やシステムの高度化に対応• ネットワーク型レーダーシステムの提案→リニアセルレーダーシステム (一列に並んだレーダー)• 中央装置で多数のレーダーシステムと送受信→アナログ信号伝送が有利→ファイバー無線(RoF)を利用したミリ波レーダーシステムを構築
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

リニアセルレーダーシステムの概要
Radar
Frontend

Radar
Frontend

Radar
Frontend
Radar
Frontend

Radar
Frontend
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

RoF（Tx）
OpticalSwitchRoF（Rx）

RoF（Tx）

SignalGenerator
Controller

RoF（Rx）

OpticalSwitchRoF（Tx）

Receiver

RoF（Rx）
RoF（Tx）

Indicator

RoF（Rx）

CentralStation

RoF（Tx）
RoF（Rx）• 制御部や信号生成処理部を共通化することで全体として低コスト化

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

リニアセルレーダーの特長Conventional
High Power
Radar

Antenna
StationAntenna
StationAntenna
StationRoF
RoF• 低いアジマス制度• 高い消費電力• 周波数再利用が困難

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

Antenna
StationAntenna
Station

RoF

RoF

RoF

Control System• 比較的良いアジマス精度• 低い消費電力• 周波数再利用が容易
1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

RoFの信号伝送特性
RoFと同軸ケーブルの伝送損失(1m)

RoF伝送が優位な条件

RoF伝送が効率的な条件高い変換損失高周波、長距離伝送ではRoFが有利
1250th Anniversary

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017
電子航法研究所50周年※

電子航法研究所

使用する機器に依存する値© Electronic Navigation Research Institute, 2017光2トーン伝送
Popt

Popt

fRF

fRF

Branch A
λc

λPopt
2ｘfRF

GND

λc

λA

RF input (fRF)
DC biasOptical
Input

λc

180°
Phase
shift
PoptB

GND

fRF

λOptical
OutputfRF

Mach-Zehnder ModulatorλcBranch B

λ

RoFを通過することで無線周波数が2倍50th Anniversary

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017
電子航法研究所50周年

13
電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

ファイバー分散の影響

通常のRoF

光2トーン伝送• 光2トーン伝送でファイバー分散の影響を除去
14
50th Anniversary

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

FODDSの外観
中央装置

レーダー表示器
カメラ表示器

光入出力
遠隔カメラ
制御器

内部構造

アンテナと無線回路

無線回路

路面装置(RAU)
50th Anniversary

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017
電子航法研究所50周年

15
電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

リニアセルレーダーの構造① Electrical Signal Source

16±1.33GHz FMCW①②③ Laser
Source② Optical TwoTone Generator③④④ Optical
Amplifier⑤Central Station⑤Process/Control
Signal
Processor

Display

OpticalDistributor

RAU #4
RAU #3
RAU #2
RAU #1RAU

TargetTx

Existing
OpticalNetworkX396±4GHz
RxX

32GHz

PDA/D

• 450m離れた1インチの標準反射体（小）を検出できる性能
1967-2017 50 Anniversary

16th

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

リニアセルレーダーの画面表示例
400 m

60 m

• 4秒おきにデータを定誤警報確率 (CFAR)処理して異物の有無を判定し、連続して検出されたものを抽出して記録
50th Anniversary

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 201717

空間分解能向上のための信号処理-1-• 一つのレーダーはアジマス方向に大きな誤差
50th Anniversary

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017
電子航法研究所50周年

18
電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

空間分解能向上のための信号処理-2-• 他のレーダーで異なる角度からのイメージを取得
50th Anniversary

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017
電子航法研究所50周年

19
電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

空間分解能向上のための信号処理-3-• 2つのレーダーイメージを使えば交点によりアジマス誤差が低減
50th Anniversary

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 201720

高分解能レーダー画像処理技術• 擬似3次元表示により、交点や微弱な信号反射を強調表示
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

高感度カメラ• カメラの感度は夜間の異物認識のカギ• 夜間性能を向上させた新規開発カメラの性能評価①1CMOS カメラ (既製品)
光学倍率: 最大30倍画素サイズ: Full HD
受光素子: 1/2.8 CMOS sensor x 1

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology②3CMOS カメラ
光学倍率: 最大35倍画素サイズ: Full HD
受光素子: 1/2.86 CMOS sensor x3

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

カメラ性能試験の条件• 夜間の仙台空港滑走路上にサンプルとカメラを設置• カメラとサンプルの距離を変えて映像を取得(200m, 400m, 700m)

Camera700 m

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

400 m

200 m1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

試験時の環境条件• 滑走路灯は点灯、その他の補助灯火は無し
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

試験サンプル
標準反射体
大（diameter and height: 134 mm）
中（ diameter and height: 62 mm ）小（ diameter and height: 25 mm ）M10 ボルト(Long: 85 mm
Short: 30 mm)

M6 ボルト(53 mm)

曲げた金属片（3cm width, 40 cm long）

M8 ボルト(Long: 70 mm
Short: 23 mm)

M4 ボルト(Long 37 mm
Short: 17 mm)• 11種類の試験サンプルを距離を変えて配置し撮影
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

距離 200 m（1 CMOS）

M10 ボルト（Long 87 mm）• 長い M10 ボルトより大きな物体は検出可能
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

距離 200 m（3 CMOS）
M4 ボルト（Short17 mm）• すべてのサンプルが検出可能
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

距離 400 m（1 CMOS）

標準反射体（大）• 標準反射体（大、134㎜）のみ検出可能
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

距離 400 m（3 CMOS）

M4 ボルト (short: 17 mm)• すべてのサンプルが検出可能
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

FOD検出と自動追跡滑走路脇（センサー）→レーダーで検出された物
体を瞬時にディスプレイに表示

レーダー

AutoTracking

レーダーデータ

カメラ
滑走路の状況表示
方向制御• あらかじめ監視区域を設定する。
• 直前のレーダー測定と比較して、新しく発生した事象を抽出し、2回連続で検出された箇所を特定.
(移動物体、ランダムノイズを除去)• レーダーで抽出された場所を自動的にカメラで撮
影.

信号処理
&制御

空港ビル（中央装置）
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

夜間撮像性能の評価

標準画角

中間ズーム

iphoneで撮影した風景

最大ズーム• 各色それぞれ積分処理を行うことで、暗い映像から色を再現
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

検出の一例• 滑走路上の異物を自動で検出、撮影
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

検出結果

標準反射体 (小)• ハイブリッドセンサーで1inchの金属片が350mで認識可能
国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017 50th Anniversary
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

まとめ
• 空港面のFOD監視用ハイブリッドセンサーシステムの紹介• 90GHz帯で8GHzの帯域幅により高精度測定が可能• 複数のレーダー画像を合成することで単体よりも平面的な分解能が向上• 夜間のFOD映像取得のため高感度カメラを開発→滑走路上の１インチの金属円柱を検出するために十分な性能を達成

3450th Anniversary

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017

今後の課題と取り組み• 鳥や鏡面反射物体の検出率向上.
• 悪天候時の性能劣化の評価• 保守性向上のための電子走査レーダー

謝辞• 本研究の一部は総務省の電波資源拡大のための研究開発として実施されました。
• 本研究は日立国際電気、情報通信研究機構、鉄道総合技術研究所との共同研究として実施されました。
35
50th Anniversary

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
National Institute of Maritime, Port, and Aviation Technology

1967-2017
電子航法研究所50周年

電子航法研究所© Electronic Navigation Research Institute, 2017