CN107450065A - 一种低成本小型无人机监视雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本小型无人机监视雷达，该雷达天线由一个发射天线和接收天线阵组成；发射天线发射全向波束覆盖整个监视范围；接收天线阵由多组接收单元C组成；每组接收单元C由波束覆盖相同监视区域的两个相邻定向接收天线A与B组成，通过比较接收天线A与B接收的同一飞行目标回波信号的差异，在方位向确定飞行目标相对于波束中心的方位角，不同组接收单元C覆盖不同的监视区域。该雷达能够获得小型无人机雷达监视所需的较长的相干处理时间；由于方位向采用了宽波束设计，减少了天线数量；每组接收单元相互独立，与现有密集阵列天线和相控阵体制小型无人机监视雷达相比显著降低了成本。

Description

一种低成本小型无人机监视雷达
技术领域
本发明涉及一种雷达，尤其涉及一种低成本小型无人机监视雷达。
背景技术
随着消费级小型无人机的普及，“黑飞”无人机对民航安全和公众安全的威胁正不断增大，小型无人机由于体积小、速度慢，为其有效监视带来了技术难题。
目前已有的能够监视小型无人机的雷达多采用单发多收体制，即天线部分由一个发射天线和多个接收天线组成，发射天线发射全向波束，接收天线定向接收，同时所有接收天线采用凝视方式工作，即所有接收天线分别朝向波束指向方向处于始终接收信号的状态。采用凝视方式工作可以对同一目标获得较长的相干处理时间，从而可以获得小型无人机目标检测所需的较高的多普勒分辨率。采用单天线凝视方式工作覆盖范围有限，单发多收体制可以获得较大的覆盖范围。
小型无人机雷达监视的另一重要技术是小型无人机目标和飞鸟等易混淆目标的区分，目前已有信号处理技术(参考文件1：Molchanov P.,Egiazarian K.,Astola J.,etal.Classification of small UAVs and birds by micro-Doppler signatures[C]//2013 European Radar Conference(EuRAD),2013,Nuremberg,Germany,2013,172-175)利用小型无人机微多普勒特征来解决这一问题。
为了获得较高的方位向和俯仰向分辨率，已有的能够监视小型无人机的雷达多采用密集的阵列接收天线，往往还采用相控阵体制，例如为覆盖90度的方位范围采用8x8的接收阵列天线(参考文件2：Harman S..Characteristics of the radar signature ofmulti-rotor UAVs[C]//2016European Radar Conference(EuRAD),London,UK,2016,93-96；参考文件3：Jahangir M.and Baker C..Robust detection of micro-UAS droneswith L-band 3-D holographic radar[C]//2016 Sensor Signal Processing forDefence(SSPD),Edinburgh,2016,1-5)。
密集阵列天线和相控阵体制带来高分辨率优势的同时也带来了高昂的成本。对于机场净空保护区入侵小型无人机的监视，对雷达分辨率的要求不高，但推广应用对于低成本要求较高，因此民航机场需要成本更低的小型无人机监视雷达。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种低成本小型无人机监视雷达。
为了达到上述目的，本发明提供的低成本小型无人机监视雷达由天线、信号生成机、发射机、接收机、信号处理机、显示终端组成；其中天线由一个发射天线和接收天线阵组成；发射天线发射全向波束覆盖整个监视范围；接收天线阵中每个接收天线均固定不动定向接收信号,采用凝视方式工作,即每个接收天线分别朝向波束指向方向处于始终接收信号的状态，其特征在于：所述的接收天线阵由多组接收单元C组成；每组接收单元C由两个相邻的定向接收天线A与B组成；同一组接收单元C内两个定向接收天线A与B的接收波束设计为覆盖相同的监视区域，不同组接收单元C的接收波束设计为覆盖不同的监视区域。
所述的同一组接收单元C内两个相邻的定向接收天线A与B在同一水平面内水平排列，对于接收波束覆盖范围内的目标，通过比较两个定向接收天线A与B接收的同一飞行目标回波信号的差异，在方位向确定飞行目标相对于天线波束中心的方位角。
所述的接收天线阵中的多组接收单元C处于同一水平面内或处于上下多个水平面内；每一水平面内的多组接收单元C呈弧线形、直线形或环形排布，同一水平面内各组接收单元C的接收波束设计为在方位向上覆盖不同的方向；不同水平面内的接收单元C的接收波束设计为在俯仰向上覆盖不同的高度，组成多层结构。
所述的接收天线阵仅包含处于同一水平面内的多组接收单元C。
所述的每组接收单元C在方位向的接收波束覆盖范围为30度。
本发明提供的低成本小型无人机监视雷达采用单发射天线多接收天线凝视方式工作的目的是能够使接收波束始终指向无人机，与常规扫描方式工作的雷达相比，可以获得长的相干积累时间，进而获得区分小型无人机目标和其他易混淆目标所需的较高的多普勒分辨率。同时省去了扫描方式工作雷达的转动部件，有利于降低成本和提高可维护性。
同一组接收单元内两个相邻的定向接收天线在方位向均采用宽波束，其优点是仅用少数几组接收单元就可以覆盖较宽的方位范围，与高分辨率的密集阵列相比减少了阵元数。每组接收单元独立进行信号处理，处理为点迹目标后各组接收单元所获取的信息才进行综合，这样就省去了对各组接收单元一致性的要求，回避了为确保一致性所进行的难度较大的幅相较正。上述这些都有利于降低复杂性，从而显著降低成本。
虽然本低成本小型无人机监视雷达的缺点是分辨率降低，但是当前入侵民航机场的无人机通常单独出现，除非恶意，一般不会出现多架无人机同时出现的情况，因此分辨率降低通常并不影响民航机场的无人机监视。即使出现多架无人机同时出现的情况，该雷达依然能够判断无人机的有无和位置，只是无法确定无人机的数量。
附图说明
图1为一种本发明提供的低成本小型无人机监视雷达中接收天线阵结构图。
图2为另一种本发明提供的优选的低成本小型无人机监视雷达中接收天线阵结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明提供的低成本小型无人机监视雷达进行详细说明。
本发明提供的低成本小型无人机监视雷达由天线、信号生成机、发射机、接收机、信号处理机、显示终端组成；其中天线完成射频信号的收发，信号生成机生成待发射的基带信号，发射机实现发射信号的变频和功放，接收机实现接收信号的变频与检波，信号处理机完成接收信号的处理形成目标点迹与航迹，显示终端用于目标的显示与人机交互；信号生成机、发射机、接收机、显示终端采用现有常规线性调频连续波(FMCW)雷达中相应部件的结构；信号处理机采用通过目标回波信号的时间-频率谱，利用无人机目标的微多普勒特征对无人机目标进行检测的信号处理机；
如图1、图2所示，本发明提供的低成本小型无人机监视雷达采用单发多收体制，即所述的天线由一个发射天线和接收天线阵组成；发射天线固定于接收天线阵上方，发射全向波束覆盖整个监视范围；接收天线阵由处于同一水平面内或处于上下多个水平面内的多组接收单元C组成；每一水平面内的多组接收单元C呈弧线形、直线形或环形排布，每组接收单元C由两个相邻的定向接收天线A与B组成；每个接收天线均固定不动定向接收信号，采用凝视方式工作；同一组接收单元C内两个定向接收天线A与B的接收波束设计为覆盖相同的监视区域，不同组接收单元C的接收波束设计为覆盖不同的监视区域。
图1为一种本发明提供的低成本小型无人机监视雷达中接收天线阵结构图。如图1所示，该接收天线阵由上下两个水平面内的6组接收单元C组成，处于同一水平面内的3组接收单元C呈弧线形排布，在俯仰向接收波束设计为覆盖相同的监视范围，在方位向接收波束设计为各覆盖30度的监视范围，3组接收单元C共覆盖90度的方位向监视范围；上下两个水平面内的接收单元C在俯仰向接收波束设计为覆盖不同的高度范围，以实现高度方向一定的分辨能力。设计每组接收单元C在方位向的波束覆盖范围为30度是在对雷达的覆盖范围、分辨率和复杂性这三个方面进行权衡后得出的。
对于两个定向接收天线A与B接收波束覆盖范围内的飞行目标，可通过比较同一水平面内两个定向接收天线A与B接收的同一飞行目标回波信号的差异，利用与单脉冲二次监视雷达类似的比相测角法，在方位向确定飞行目标相对于波束中心的方位角。
另外，同一水平面内的接收单元C也可根据需要采用直线形等其它形状的排布方式；此外，接收天线阵的上下层数可根据俯仰向分辨能力的要求灵活配置。图1的接收天线阵方位向的覆盖范围为90度，也可以根据需要灵活配置同一水平面内的接收单元C的数量，以实现更大或更小方位向范围的覆盖。每组接收单元C内两个相邻的定向接收天线A与B在方位向均采用宽波束，图1中定向接收天线A与B方位向的波束宽度为30度，当然定向接收天线方位向的波束宽度也可根据需要进行调整。
图2为另一种本发明提供的优选的低成本小型无人机监视雷达中接收天线阵结构图。如图2所示，为进一步降低成本，可使接收单元C的层数为一，即仅覆盖一个特定的高度范围，这样雷达将失去俯仰向(即高度方向)的分辨能力，成为二坐标雷达，不过民航机场无人机监视主要关心无人机所在的距离和方位这两个坐标，二坐标雷达能够满足对高度分辨没有要求但对成本控制要求高的机场的需求。每组接收单元C在方位向覆盖30度，12组接收单元C呈环形排布，由此实现360度全向覆盖。

Claims (5)

1.一种低成本小型无人机监视雷达，由天线、信号生成机、发射机、接收机、信号处理机、显示终端组成；其中天线由一个发射天线和接收天线阵组成；发射天线发射全向波束覆盖整个监视范围；接收天线阵中每个接收天线均固定不动定向接收信号,采用凝视方式工作,即每个接收天线分别朝向波束指向方向处于始终接收信号的状态，其特征在于：所述的接收天线阵由多组接收单元C组成；每组接收单元C由两个相邻的定向接收天线A与B组成；同一组接收单元C内两个定向接收天线A与B的接收波束设计为覆盖相同的监视区域，不同组接收单元C的接收波束设计为覆盖不同的监视区域。
2.根据权利要求1所述的低成本小型无人机监视雷达，其特征在于：所述的同一组接收单元C内两个相邻的定向接收天线A与B在同一水平面内水平排列，对于接收波束覆盖范围内的目标，通过比较两个定向接收天线A与B接收的同一飞行目标回波信号的差异，在方位向确定飞行目标相对于天线波束中心的方位角。
3.根据权利要求1所述的低成本小型无人机监视雷达，其特征在于：所述的接收天线阵中的多组接收单元C处于同一水平面内或处于上下多个水平面内；每一水平面内的多组接收单元C呈弧线形、直线形或环形排布，同一水平面内各组接收单元C的接收波束设计为在方位向上覆盖不同的方向；不同水平面内的接收单元C的接收波束设计为在俯仰向上覆盖不同的高度，组成多层结构。
4.根据权利要求3所述的低成本小型无人机监视雷达，其特征在于：所述的接收天线阵仅包含处于同一水平面内的多组接收单元C。
5.根据权利要求1所述的低成本小型无人机监视雷达，其特征在于：所述的每组接收单元C在方位向的接收波束覆盖范围为30度。
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