CN105572670A - 一种飞鸟探测雷达系统 - Google Patents

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CN105572670A CN201510918915.5A CN201510918915A CN105572670A CN 105572670 A CN105572670 A CN 105572670A CN 201510918915 A CN201510918915 A CN 201510918915A CN 105572670 A CN105572670 A CN 105572670A
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孔峰
何力
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Abstract

本发明公开了一种飞鸟探测雷达系统，包括雷达天线、收发机和处理机；雷达天线连接收发机，传输天线阵面的接收信号与发射信号；收发机包括发射机、频综器、接收机，发射和接收雷达天线的信号并进行初步处理，所述处理机包括信号处理单元、伺服控制和电源模块；所述信号处理单元对接收机所接收的信号进行计算，并对整个系统进行控制；本发明是国内首次采用微波雷达系统感知飞鸟目标，与视频、红外成像设备相比，不受低能见度、夜晚等天气条件的影响，具备全天候探测特性。

Description

一种飞鸟探测雷达系统
技术领域
本发明涉及雷达探测领域，具体涉及一种飞鸟探测雷达系统。
背景技术
鸟群对机场起降飞机的安全影响：飞鸟撞击航空飞行器引起的事故征候占总事故的1/3，造成的间接损失与直接损失都非常巨大，因为飞鸟撞击飞机引起的航空安全事故时常发生。据统计，全世界每年都会发生上万次的飞鸟撞击航空飞行器的事故。飞鸟撞击飞机的事件，90％发生在起飞和着陆阶段；绝大部分发生在150m的高度以下。鸟击飞机事故或事故征候的发生时段，一般在黎明、黄昏和夜间等低能见度条件下。
为回避飞鸟撞击风险，各机场都要采取种类繁多的驱鸟措施，成立有专门的驱鸟办公室，采取驱鸟炮、超声波驱鸟器、激光驱鸟器等工具进行驱鸟，降低飞鸟撞击飞机的概率。
现有技术方案：为提前感知鸟群的空中活动及飞行路线，国外一直都在研究以机场雷达探测飞鸟的方法，起初以机场气象雷达(TDWR)和新一代脉冲多普勒气象雷达(NEXRAD)进行飞鸟探测试验，机场气象雷达探测的鸟群的回波后，给出预警指示的方式进行探测鸟群信息。在新一代脉冲多普勒气象雷达中通过将鸟情信息从复杂的雷达图像中提取出来生成便于观测的融合图像，通过雷达监测人员判别空中鸟群的依据。
现有技术的缺点：虽然地面气象雷达也能探测到鸟群的回波、并给出指示，但机场气象雷达的设备庞大、成本高，数据更新慢，不能及时、有效发布飞鸟撞击飞机的风险提示信息，实用性也差。新一代脉冲多普勒气象雷达虽然能将鸟情信息从复杂的雷达图像中提取出来生成便于观测的融合图像，但是气象雷达距离机场太远，及受角度的限制，无法探测低空飞行的鸟类，发生漏检测的情况影响鸟情预警信息的发布，除此之外，以上气象雷达也不能给出探测到的鸟群目标影响飞机起降的风险等级。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种飞鸟探测雷达系统。
本发明的技术方案如下：
一种飞鸟探测雷达系统，包括天线、收发机和处理机；
所述天线包括天线阵面和伺服机构；所述天线阵面包括校准口和和差器；所述伺服机构包括电机和传动机构；
所述收发机包括发射机、接收机、采样预处理板和频综器；
所述处理机包括伺服控制器、电源模块和处理模块；所述电源模块为雷达系统的各个部分供电；所述伺服控制器包括伺服控制和驱动模块；所述处理模块包括PC和信号处理板；所述PC包括收发模块和扫描模块；所述信号处理板包括DSP和FPGA；所述FPGA包括第二定时同步和脉冲压缩模块；
所述扫描模块连接所述伺服控制并向伺服控制传递天线阵面扫描指令；所述伺服控制连接驱动模块；所述驱动模块连接伺服机构；所述伺服机构中，所述电机控制传动机构；所述传动机构控制天线阵面改变方向进行扫描；所述伺服机构接收天线阵面的角度信号反馈回所述信号处理板；
所述发射机连接天线阵面并向天线阵面发射信号；所述天线阵面通过和差器将所接受信号转换为和路信号和差路信号并传递给所述接收机；所述接收机连接采样预处理板；所述采样预处理板连接所述脉冲压缩模块；
所述频综器分别连接天线阵面、发射机、接收机、采样预处理板、收发模块和第二定时同步。
其进一步的技术方案为：所述接收机包括分别接受和路信号和差路信号的第一接收机和第二接收机；所述第一接收机和第二接收机都包括限幅低噪放模块、下变频模块和滤波放大模块；所述限幅低噪放模块接收天线阵面的信号并传递给下变频模块，所述下变频模块连接滤波放大模块，所述滤波放大模块连接所述采样预处理板。
其进一步的技术方案为：所述频综器包括功分、晶振、滤波放大、上变频、时钟、上变频本振、下变频本振、控制板、第一定时同步、DDS模块；所述晶振连接功分的输入端；所述功分包括三个输出端，分别连接时钟、上变频本振和下变频本振；所述时钟包括两个输出端，分别连接DDS模块和采样预处理板；所述DDS模块和所述上变频本振的输出端都连接上变频，所述上变频的输出端连接滤波放大，所述滤波放大包括两个输出端，分别连接发射机和校准口；所述下变频本振的输出端连接接收机；所述DDS模块的输出端还连接所述收发模块和接收机；所述第一定时同步的输出端连接所述第二定时同步。
其进一步的技术方案为：在所述处理模块中，所述DSP包括目标点迹处理模块、角度模块、目标检测模块以及FFT模块；所述FPGA包括第二定时同步、脉冲压缩模块以及数据记录模块；所述PC包括收发模块、扫描模块、目标航迹处理模块、目标航迹合并模块、鸟击风险评估模块以及数据打包模块；
所述第二定时同步连接所述第一定时同步；所述采样预处理板连接所述脉冲压缩模块的输入端；所述脉冲压缩模块包括两个输出端，分别连接数据记录模块和FFT模块；所述FFT模块包括两个输出端，分别连接目标检测模块和角度模块；所述角度模块的输出端连接所述目标点迹处理模块；所述目标点迹处理模块、目标航迹处理模块、目标航迹合并模块、鸟击风险评估模块、数据打包模块依次连接；所述数据打包模块通过以太网连接机场监控室；所述数据记录模块通过数据记录光纤连接数据记录仪。
本发明的有益技术效果是：
本发明可全天候工作；本发明是国内首次采用微波雷达系统感知飞鸟目标，与视频、红外成像设备相比，不受低能见度、夜晚等天气条件的影响，具备全天候探测特性。
本发明仅需一部天线即可完成测高处理。飞鸟探测雷达采用采用俯仰和、差波束双通道天线，对飞鸟目标进行俯仰差波束的测角处理，从而间接完成对飞鸟目标的测高功能；而国外最新型雷达需要两部天线才能实现目标测高处理。
本发明大大降低了雷达成本。与国外同类型雷达相比，飞鸟探测雷达采用脉冲多普勒体制，应用和差单脉冲天线、固态发射机、高速并行计算处理、伺服电机等先进技术，从而大大降低了设备成本。
本发明创新性的采用雷达探测到的鸟群目标定位信息，可自动引导激光、超声波等驱鸟设备进行定向驱鸟作业。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是接收机的结构框图。
图3是处理模块的结构框图。
图4是实施例中固定门限的时/频域的二维CFAR目标检测结果图。
图5是实施例中浮动门限的时/频域的二维CFAR目标检测结果图。
图6是实施例中测量目标航迹图。
图7是实施例中预测跟踪效果仿真图。
图8是飞鸟探测雷达空域覆盖范围示意图。
具体实施方式
图1是本发明的结构框图。本发明包括天线1、收发机2和处理机3。
天线1包括天线阵面11和伺服机构12。主要实现雷达射频信号的辐射、目标回波接收和天线扫描驱动等功能。伺服机构12用于驱动天线阵面11。天线阵面11包括校准口111和和差器112。和差器112用于将接收信号分为和路信号和差路信号。伺服机构12包括电机121和传动机构122。电机121驱动及控制传动机构122，再通过传动机构122带动天线阵面11进行方位扫描。
收发机2包括发射机21、接收机22、采样预处理板23和频综器24。
发射机21采用TR模块输出射频信号，传输给天线阵面11辐射出去。
图2是接收机的结构框图。在本实施例中，接收机22包括分别接受和路信号和差路信号的第一接收机221和第二接收机222。第一接收机221和第二接收机222都包括限幅低噪放模块、下变频模块和滤波放大模块。限幅低噪放模块接收天线阵面11的信号并传递给下变频模块，下变频模块连接滤波放大模块，滤波放大模块连接采样预处理板23。第一接收机221和第二接收机222两个独立的接收通道分别对接收的目标回波信号进行低噪声放大与下变频处理，进行采样、数字下变频等信号预处理工作后，通过采样预处理板23将信号送往处理机3中进行后续处理。
采样预处理板23对信号进行采样和数字下变频处理。
频综器24包括功分241、晶振242、滤波放大243、上变频244、时钟245、上变频本振246、下变频本振247、控制板248、第一定时同步249、DDS模块240。晶振242连接功分241的输入端，功分241包括三个输出端，分别连接时钟245、上变频本振246和下变频本振247。时钟245包括两个输出端，分别连接DDS模块240和采样预处理板23。DDS模块240和上变频本振246的输出端都连接上变频244，上变频244的输出端连接滤波放大243，滤波放大243的两个输出端分别连接发射机21和天线阵面11中的校准口111。下变频本振247的输出端连接接收机22。DDS模块240的输出端还连接PC332中的收发模块3321和接收机22。第一定时同步249的输出端连接FPGA3311中的第二定时同步33111。
频综器24通过控制板248按照雷达波形参数产生规定带宽和调频斜率的线性调频脉冲信号，经DDS模块240输入至上变频244处理后作为发射激励信号和校准测试信号；频综器24通过时钟245、上变频本振246和下变频本振247为各单元提供基准时钟信号和本振信号
处理机3包括伺服控制器31、电源模块32和处理模块33。
电源模块32为雷达系统的各个部分供电。
伺服控制器31包括伺服控制311和驱动模块312。伺服控制311接收PC332的处理指令并传递给驱动模块312，驱动模块312控制伺服机构12。在伺服机构12中，电机121控制传动机构122，传动机构122控制天线阵面11进行多方向的扫描。伺服机构12还接收天线阵面的角度信号，反馈给信号处理板331。
图3是处理模块的结构框图。处理模块包括PC332和信号处理板331。
信号处理板331包括FPGA3311和DSP3312。
DSP3312包括目标点迹处理模块33121、角度模块33122、目标检测模块33123以及FFT模块33124；FPGA3311包括第二定时同步33111、脉冲压缩模块33112以及数据记录模块33113。
PC332包括收发模块3321、扫描模块3322、目标航迹处理模块3323、目标航迹合并模块3324、鸟击风险评估模块3325以及数据打包模块3326。
第二定时同步33111连接频综器24中的第一定时同步249。采样预处理版23连接脉冲压缩模块33112。脉冲压缩模块33112包括两个输出端，分别连接数据记录模块33113和FFT模块33124。FFT模块33124包括两个输出端，分别连接目标检测模块33123和角度模块33122。角度模块33122的输出端连接目标点迹处理模块33121，目标点迹处理模块33121、目标航迹处理模块3323、目标航迹合并模块3324、鸟击风险评估模块3325、数据打包模块3326依次连接。
数据打包模块3326通过以太网连接机场监控室。数据记录模块33113通过数据记录光纤连接数据记录仪。实现了外界和雷达系统之间的数据交换，方便对雷达系统进行监控和操作。
其中处理模块33中的信号处理板331以PCIe板卡的形式插在PC332的PCIe扩展槽中，处理模块33主要完成信号处理和数据处理等任务，从接收目标回波信号中解算出目标定位信息，并完成对鸟群目标的有效跟踪处理；另外，处理模块33也完成雷达整机的管理、与机场监控室间的数据和控制信息交互等功能。
扫描模块3322连接所述伺服控制311并向伺服控制311传递天线阵面扫描指令。伺服控制311连接驱动模块312，驱动模块312连接电机121，电机121控制传动机构122，传动机构122控制天线阵面11进行方位扫描。伺服机构12还接收天线阵面11的角度信号，反馈给信号处理板331。
发射机21连接天线阵面11并向天线阵面11发射信号，天线阵面11通过和差器112将所接受信号转换为和路信号和差路信号并传递给接收机22，接收机22连接采样预处理板23，采样预处理板23连接脉冲压缩模块33112。
飞鸟探测雷达的目标检测、跟踪及鸟击飞机风险评估等主要功能均通过处理机3来实现。处理机3中的信号处理板331中的脉冲压缩模块33112首先对目标回波进行脉冲压缩，之后FFT模块33124对目标回波进行多普勒维度的FFT处理，之后通过目标检测模块33123、角度模块33122和目标点迹处理模块33121对目标回波进行固定门限和浮动门限的时/频域的二维CFAR目标检测。图4是实施例中固定门限的时/频域的二维CFAR目标检测结果图。图5是实施例中浮动门限的时/频域的二维CFAR目标检测结果图。
之后将检测结果通过PCIe总线送往PC332中。PC332中的目标航迹处理模块3323和目标航迹合并模块3324进行目标相关处理并实现对目标的稳定跟踪，对目标点迹数据进行TWS状态下波束内数据相关处理，建立并跟踪目标航迹，并通过仿真对目标点迹数据进行TWS状态下波束内数据相关处理，建立并跟踪目标航迹，给出跟踪鸟群目标的航向、航速的估计值，并对未来的航迹进行预测。图6是实施例中测量目标航迹图。图7是实施例中预测跟踪效果仿真图。可通过图6和图7看出本发明的跟踪效果。
对飞鸟目标进行航迹跟踪起始前，计算机软件先对飞鸟目标特征进行识别，剔除地面杂波、地面飞机及空中飞机目标的干扰，以降低虚警率。本发明通过鸟击风险评估模块3325通过对和路、差路信号处理来完成对鸟群目标的高度估计，并结合鸟群航向、航速的估计值，以及机场飞机起飞、降落通道，自动计算出飞鸟撞击飞机的风险评估等级。数据打包模块3326将数据打包整理，通过以太网传递给机场监控室，将结果上报给空管中心并显示告警信息。
本发明所涉及的各种算法，如时/频域的二维CFAR目标检测、目标航迹处理和合并等算法均为现有技术，可直接调用软件中的现有计算模块实现。
鸟群对飞机撞击的风险最高、危害性最大，空中单只飞鸟撞击飞机的概率较小，但也是飞鸟探测雷达的探测、跟踪目标。根据有关资料，空中单只飞鸟的飞行速度一般15～20m/s；鸟群的飞行速度一般10～15m/s，在微波频段，鸟的目标反射截面积(RCS)与其体积或质量有关，可用公式表示为：
σ＝0.55W1/3λ,λ/W1/3≤5.4
上式中：W为鸟的重量(g)；λ为雷达工作波长(cm)；σ为鸟的RCS(cm2)。由上式可见，在S波段鸟的RCS大于X波段，这也是本系统工作选取为S波段的原因之一。
雷达工作在S波段时，按上式计算：重量为50g小鸟的RCS约为-27dBsm(0.002m2)；重量为500g中等飞鸟的RCS约为-23.6dBsm(0.0044m2)。雷达分辨单元内，空中鸟群的整体RCS，基本上可以按线性叠加计算(不考虑互耦的影响)：约50只小鸟群可以达到0.1m2的RCS；约23只中型鸟群可以达到0.1m2的RCS。
通过对飞鸟目标RCS的估算，根据雷达方程估算作用距离，雷达作用距离估算公式如下：
R max = P t G 2 λ 2 σ M * N C ( 4 π ) 3 ( kT 0 B n F n ) L ( S / N ) 4
将发射峰值功率、发射信号波长、系统噪声系数Fn、在保证虚警率为1e-6，检测概率为80％的情况下的信噪比S/N、接收机噪声带宽Bn、脉冲压缩增益NC；天线增益、系统损耗(含天线罩、匹配损失、大气衰减、扫描损失、信号处理损失、射频链路损耗)L、，脉冲积累FFT点数M，根据上式估算的作用距离，对RCS为0.1m2的鸟群目标，探测距离为14.8km，满足以上方案设计指标12km的要求。
同时对雷达空域覆盖范围也做了分析，经计算，16km量程情况下在盲区处(1200m)的覆盖高度可达约354米，满足一般的鸟击飞机风险区在150米高度以下的覆盖要求，4km量程情况下在盲区处(420m)的覆盖高度也可达到约126m；同时，在12km的距离上，可覆盖高度范围达到3512m，覆盖空域能覆盖飞机起飞、降落通道，天线安装高度为4米，俯仰向安装角度取为向上8度。天线俯仰波束宽度为18°，可以满足机场的飞鸟探测使用要求。图8是飞鸟探测雷达空域覆盖范围示意图。空域覆盖范围如图8所示。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种飞鸟探测雷达系统，其特征在于：包括天线(1)、收发机(2)和处理机(3)；
所述天线(1)包括天线阵面(11)和伺服机构(12)；所述天线阵面(11)包括校准口(111)和和差器(112)；所述伺服机构(12)包括电机(121)和传动机构(122)；
所述收发机(2)包括发射机(21)、接收机(22)、采样预处理板(23)和频综器(24)；
所述处理机(3)包括伺服控制器(31)、电源模块(32)和处理模块(33)；所述电源模块(32)为雷达系统的各个部分供电；所述伺服控制器(31)包括伺服控制(311)和驱动模块(312)；所述处理模块包括PC(332)和信号处理板(331)；所述PC(332)包括收发模块(3321)和扫描模块(3322)；所述信号处理板(331)包括DSP(3312)和FPGA(3311)；所述FPGA(3311)包括第二定时同步(33111)和脉冲压缩模块(33112)；
所述扫描模块(3322)连接所述伺服控制(311)并向伺服控制(311)传递天线阵面扫描指令；所述伺服控制(311)连接驱动模块(312)；所述驱动模块(312)连接伺服机构(12)；所述伺服机构(12)中，所述电机(121)控制传动机构(122)；所述传动机构(122)控制天线阵面(11)改变方向进行扫描；所述伺服机构(12)接收天线阵面(11)的角度信号反馈回所述信号处理板(331)；
所述发射机(21)连接天线阵面(11)并向天线阵面(11)发射信号；所述天线阵面(11)通过和差器(112)将所接受信号转换为和路信号和差路信号并传递给所述接收机(22)；所述接收机(22)连接采样预处理板(23)；所述采样预处理板(23)连接所述脉冲压缩模块(33112)；
所述频综器(24)分别连接天线阵面(11)、发射机(21)、接收机(22)、采样预处理板(23)、收发模块(3321)和第二定时同步(33111)。
2.如权利要求1所述的一种飞鸟探测雷达系统，其特征在于：所述接收机(22)包括分别接受和路信号和差路信号的第一接收机(221)和第二接收机(222)；所述第一接收机(221)和第二接收机(222)都包括限幅低噪放模块、下变频模块和滤波放大模块；所述限幅低噪放模块接收天线阵面(11)的信号并传递给下变频模块，所述下变频模块连接滤波放大模块，所述滤波放大模块连接所述采样预处理板(23)。
3.如权利要求1所述的一种飞鸟探测雷达系统，其特征在于：所述频综器(24)包括功分(241)、晶振(242)、滤波放大(243)、上变频(244)、时钟(245)、上变频本振(246)、下变频本振(247)、控制板(248)、第一定时同步(249)、DDS模块(240)；所述晶振(242)连接功分(241)的输入端；所述功分(241)包括三个输出端，分别连接时钟(245)、上变频本振(246)和下变频本振(247)；所述时钟(245)包括两个输出端，分别连接DDS模块(240)和采样预处理板(23)；所述DDS模块(240)和所述上变频本振(246)的输出端都连接上变频(244)，所述上变频(244)的输出端连接滤波放大(243)，所述滤波放大(243)包括两个输出端，分别连接发射机(21)和校准口(111)；所述下变频本振(247)的输出端连接接收机(22)；所述DDS模块(240)的输出端还连接所述收发模块(3321)和接收机(22)；所述第一定时同步(249)的输出端连接所述第二定时同步(33111)。
4.如权利要求1所述的一种飞鸟探测雷达系统，其特征在于：在所述处理模块(33)中，所述DSP(3312)包括目标点迹处理模块(33121)、角度模块(33122)、目标检测模块(33123)以及FFT模块(33124)；所述FPGA(3311)包括第二定时同步(33111)、脉冲压缩模块(33112)以及数据记录模块(33113)；所述PC(332)包括收发模块(3321)、扫描模块(3322)、目标航迹处理模块(3323)、目标航迹合并模块(3324)、鸟击风险评估模块(3325)以及数据打包模块(3326)；
所述第二定时同步(33111)连接所述第一定时同步(249)；所述采样预处理板(23)连接所述脉冲压缩模块(33112)的输入端；所述脉冲压缩模块(33112)包括两个输出端，分别连接数据记录模块(33113)和FFT模块(33124)；所述FFT模块(33124)包括两个输出端，分别连接目标检测模块(33123)和角度模块(33122)；所述角度模块(33122)的输出端连接所述目标点迹处理模块(33121)；所述目标点迹处理模块(33121)、目标航迹处理模块(3323)、目标航迹合并模块(3324)、鸟击风险评估模块(3325)、数据打包模块(3326)依次连接；所述数据打包模块(3326)通过以太网连接机场监控室；所述数据记录模块(33113)通过数据记录光纤连接数据记录仪。
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