CN107688177A - 一种用于无人机目标探测的组网雷达系统和探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于无人机目标探测的组网雷达系统和探测方法，用于基于组网雷达构建空中目标探测的系统及对应的探测方法，尤其适用于无人机空中目标。本发明方案包括雷达系统包括在通讯基站铁塔上架设探测雷达，构建雷达组网；采用收发分置的天线形式对不同方位指向目标的探测，采用固态分布式发射锯齿线性调频连续波信号，进行数据处理和信号处理。本发明提供的组网雷达系统和探测方法能用于在城市中对无人机进行探测并识别定位，其探测精度高，覆盖范围广，并通过监控中心实时在城市地图上显示，实现在城市中对无人机等空中目标的大范围监视，保障城市防护安全保障城市防护安全，并节省了对小型无人机的探测成本和架设成本，实现了资源综合利用。

Description

一种用于无人机目标探测的组网雷达系统和探测方法
技术领域
本发明涉及目标探测领域，尤其涉及一种用于无人机目标探测的组网雷达系统和探测方法。
背景技术
无人机也称做无人驾驶飞机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。
其中微型无人机由于体积小、飞行操控方便等自身特点在带来很多应用上的方便与优越性的同时，也带来了一系列安全问题，例如误闯机场、飞行安全等情况，因此有必要对无人机进行有效的监控。而实时监控困难是无人机飞行监管长期存在的问题，现有技术中的无人机监视设备，由于城市环境特殊性，楼层遮挡严重，导致监视设备在城市中架设条件受到极大的限制。例如监视设备要求设备架设使用点在楼顶等开阔区域，有稳定的供电系统，安装位置和外设不能扰民，并且区域内的站点信息能够综合。这些综合因素导致现有设备对无人机探测距离近，探测效果差，缺乏组网综合监控，无法实现大范围长期的实时监视。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的一系列问题，提供了一种用于空中目标探测的组网雷达探测系统和相应的探测方法，能实现多站组网和无人值守的对无人机等空中目标自动实时监控，探测精度高，覆盖范围广，并在监控中心实时在城市地图上显示，实现在城市中对无人机等空中目标的大范围监视，保障城市防护安全。
具体的，本发明提供一种用于目标探测的组网雷达系统，所述雷达系统包括以下模块：组网模块，用于在通讯基站铁塔上架设探测雷达，构建雷达组网；天线模块，采用收发分置的形式，1行14列组成，每列天线后接移相网络，最终合成一路至发射和接收，发射和接收天线根据雷达的时序控制，通过改变移相器的移相码实现对不同方位指向目标的探测；发射模块，发射采用固态分布式，并用于发射锯齿线性调频连续波信号信号处理模块，用于数据处理和信号处理；监控中心，用于接收目标探测数据，并对探测数据进行综合处理，从而对目标进行识别和定位。
其中信号处理模块包括以下单元：
(1)信号I/Q数据采集获取单元：用于中频信号的采集、DDC、滤波；
(2)信号检测单元：包括FFT，MTD，CFAR和输出目标信息；
(3)检测结果输出单元，用于点迹打包传输；
(4)数据处理单元：接收目标信息，进行二门限检测，点迹处理和航迹处理，最终形成目标航迹信息输出；
(5)数据交户单元：与控制中心进行交互，将目标信息数据无线传输给指挥控制中心。
每个基站的GPS坐标信息在建站时测量，并对该基站进行编号并录入雷达组网数据库，监控中心收到目标坐标信息后，根据基站编号和包括坐标在内的目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置，并根据城市地图确定目标的具体位置。
雷达对目标进行探测包括方位测量、距离测量和高度测量，其中方位测量采用相扫实现，距离测量通过发射锯齿线性调频连续波信号实现，高度测量通过采用多站点测得的目标方位、距离信息结合基站站点GPS坐标信息综合计算获得。
另一方面，本发明提供一种基于组网雷达系统的用于目标探测的探测方法，所述方法包括以下步骤：在通讯基站铁塔上架设探测雷达，构建雷达组网；雷达天线按照收发分置的形式，采用固态分布式发射锯齿线性调频连续波信号对目标进行探测；通过信号处理模块将探测信号数据传输给监控中心；其中雷达天线为1行14列组成，每列天线后接移相网络，最终合成一路至发射和接收，发射和接收天线根据雷达的时序控制，通过改变移相器的移相码实现对不同方位指向目标的探测；监控中心接收目标探测数据，并对探测数据进行综合处理，从而对目标进行识别和定位。
其中信号处理系统包括以下单元：
(1)信号I/Q数据采集获取单元：用于中频信号的采集、DDC、滤波；
(2)信号检测单元：包括FFT，MTD，CFAR和输出目标信息；
(3)检测结果输出单元，用于点迹打包传输；
(4)数据处理单元：接收目标信息，进行二门限检测，点迹处理和航迹处理，最终形成目标航迹信息输出；
(5)数据交户单元：与控制中心进行交互，将目标信息数据无线传输给指挥控制中心。
其中每个基站的GPS坐标信息在建站时测量，并对该基站进行编号并录入雷达组网数据库，监控中心收到目标坐标信息后，根据基站编号和目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置，并根据城市地图确定目标的具体位置。
其中雷达对目标进行探测包括方位测量、距离测量和高度测量，其中方位测量采用相扫实现，距离测量通过发射锯齿线性调频连续波信号实现，高度测量通过采用多站点测得的目标方位、距离信息结合基站站点GPS坐标信息综合计算获得。
本发明针对现有城市无人机探测无法实现大范围监管、架设困难等缺陷，将无人机探测雷达架设到手机通讯基站铁塔上。利用手机通讯基站覆盖区域广，本身含供电系统、数据回传系统的利于雷达架设、数据回传等优点实现大范围监测。雷达对无人机进行探测，在多个雷达站覆盖区域内形成多站点监视，并组网传输监控信息，形成监管系统。从而实现对城市禁飞区域进行大范围无人机监管，保障机场、政府部门等重要部门安全。
进一步的，本发明提供的技术方案能针对现有的城市及重点区域对无人机防空手段不足，设备架设困难等缺陷，实现了对城市大范围无人机监控区域覆盖，无人值守，长期监测，组网调配管控，大大的加强了城市对无人机的管制力度，节省了对小型无人机的探测成本和架设成本，实现了资源综合利用，城市安防综合管制。
附图说明
图1是基于通讯基站铁塔的无人机目标监视系统示意图。
图2是基于通讯基站铁塔的雷达组网布站示意图。
图3是调频连续波雷达示意图。
图4是相邻两波束比幅测角方法示意图。
图5是发射、回波、差频信号时频关系示意图。
图6是高度测量原理示意图。
图7是接收天线系统示意图。
图8是天线120°方位内波束覆盖方向图。
图9是发射天线系统示意图。
图10是信号处理模块原理框图。
图11是雷达俯仰空域覆盖范围示意图。
图12是单目标时目标定位结果。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
在一个实施例中，本发明提供一种用于无人机目标探测的组网雷达系统，该雷达系统基于手机通讯基站铁塔进行组网，形成无人机监视系统用于探测。具体的包括在城市中手机通讯基站铁塔上架设无人机探测雷达，利用调频连续波雷达对目标进行探测，通过GPRS无线通讯网络将探测数据传输到监控中心，监控中心实现对目标的综合处理，从而对无人机目标进行定位监视。
如图1为基于手机通讯基站铁塔的无人机监视系统探测示意图。
进一步的，手机通讯基地铁塔配备了电源设备、无线设备、传输设备等，能为探测雷达提供供电和数据通讯传输，而且手机通讯基地铁搭一般架设在楼顶或开阔环境中，且具有一定高度，保障了雷达的探测性能和作用距离，实现了资源综合利用，在城市监控区域实现大范围覆盖。
其中，每个通讯基站的GPS坐标信息在建站时测量，并对该基站进行编号，录入数据库，检测中心收到目标坐标信息后，根据基站编号和目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置，并根据城市地图确定目标的具体位置，用于对整个城市大环境的监视预警。
组网布站示意图如图2所示。
具体的，雷达探测原理为利用调频连续波雷达对无人机目标进行探测和定位，雷达发射电磁波，持续对500m以下的空中无人机目标进行连续监测，单部雷达可提供120°的方位空域覆盖，俯仰宽波束覆盖60°，距离覆盖大于1km。
雷达组成为采用C波段方位相扫，俯仰宽波束覆盖的连续波体制，雷达前端安装在基站铁塔一侧，采用固定式。雷达前端示意图如图3所示。
每个雷达输出目标的信息最大为1MB/s,通过GPRS R4协议无线传输给监控中心。雷达工作流程如图3所示。
雷达方位测量原理如下：
雷达方位采用相扫实现，共10个扫描波束覆盖方位120°，通过相临波束对同一目标的探测结果，比幅测出目标方位。原理如图4所示。
两波束相交的方向为θ，波束1、波束2的方向图分别为F1(θ)、F2(θ)，最大值指向分别为θ1、θ2。通过幅度比较器输出值K(θ)为目标所在角度的函数，预先将(θ1-θ)与(θ-θ2)分成若干各区，并求出每个子区间内的K(θ)值，通过查表获取目标方位值。
雷达距离测量原理如下：
为了测量目标距离，必须测量出雷达与目标之间的往返时间，即回波滞后于发射信号的时间。距离回波信号滞后于时间的关系为：
R＝ct/2
式中，R为目标距离，c为电磁波在自由空间传播速度，t为回波信号滞后于发射时间。
雷达发射锯齿线性调频连续波信号，通过测量发射信号与接收信号的频率差，可以确定出回波信号滞后于发射信号的时间，进而确定出目标的距离。
发射信号、回波信号，以及差频信号的时频关系如图5所示。
发射信号和回波信号的时间延迟为t，Tm为每一个调制波形的周期，△F为调制的最大频偏，△F/Tm为调频斜率，f1为发射信号和回波信号的差频。在调制参数一定的情况下，目标距离R与差频(f1)呈正比。目标的距离按下式计算：
R＝ct/2＝Tm×f1×c/(2×△F)
雷达高度测量原理如下：
高度采用多站点测得的目标方位、距离信息，结合站点GPS坐标信息，综合计算获得。
利用多站对目标进行三维定位原理图如图6所示。图中以三站定位为例。三个站的坐标均已知，分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)，目标无人机的位置未知设为(x，y，z)，R1、R2、R3分别为架设在铁塔上的雷达探测得到的目标的距离。
根据数学描述可利用已知参数得到如下方程：
这样三个未知数三个方程，可以利用解方程组的方法解算出目标的坐标值(x，y，z)。则目标无人机的方位α和仰角θ由下式得到：
多目标时，多站目标定位配对存在虚假点，通过每个站测得的目标方位信息，辅助判断去除虚假点，最后通过航迹综合判断，解出每个目标的z坐标信息，再换算为目标高度信息。
雷达关键系统方案包括：
(1)天线系统方案
天线系统采用收发分置的形式，工作频率5.3GHz，1行14列组成，每列天线后接移相网络，最终合成一路至发射和接收。发射和接收天线根据雷达的时序控制，通过改变移相器的移相码实现对不同方位指向目标的探测。接收天线系统示意图如图7所示。
天线相扫覆盖方位120°，共形成10个波束，形成的波束如图8所示。
(2)发射系统方案
发射采用固态分布式方案。发射天线系统组成示意图如图9所示。
(3)信号处理系统
为了减小系统尺寸，把数据处理和信号处理集成到一块板卡上，因此信号处理系统实现以下功能：
①信号I/Q数据采集获取的功能
中频信号的采集、DDC、滤波；
②信号检测功能
主要包括FFT，MTD，CFAR，输出目标信息；
③检测结果输出功能
点迹打包传输；
④数据处理功能
点航迹处理的主要功能为：接收目标信息，进行二门限检测，点迹处理和航迹处理，最终形成目标航迹信息输出；
⑤数据交户功能
与指挥控制中心交互。将目标信息数据无线传输给指挥控制中心。
信号处理系统模块原理框图如图10所示。
雷达探测总体技术方案如下：
(1)雷达体制：雷达采用C波段，固定式方位相扫调频连续波体制。
(2)扫描形式：雷达天线固定不动。俯仰宽波束覆盖60°，方位采用相扫的形式，10个波束覆盖120°方位。
(3)发射形式：为减小体积，发射采用固态放大器。为了减小发射链路损耗，采用分布式，每路单独移相后放大到所需发射功率。
(4)发射波形：图5所示的锯齿线性调频连续波信号。每个波形宽度0.5ms，调频带宽40MHz，每个波束驻留时间100ms，120°覆盖区域扫描完成所需时间为1s。
在城市环境下，存在众多与无人机目标相似的目标，因此，必须采取相应的方法，对目标进行综合识别，主要包括以下技术手段。
(1)采用辅助天线，去除0°指向以下仰角的目标；
(2)采用数字地图，去除长时间在交通道路上运动的目标；
(3)经过上述相关处理，仅存在空中目标。在后续算法中，对目标的强度、尺寸、速度等信息进行融合判断，剔除大型的空中目标。仅剩余无人机、大鸟、风筝等一些较难分辨的目标；
(4)由于雷达对目标的刷新时间间隔仅有1秒，可以获得目标详细的运动轨迹，最后根据目标运动轨迹，锁定具有无人机特点的目标。
无人机探测系统主要性能指标分析如下：
1.俯仰覆盖范围
根据作用距离和天线方向图绘制俯仰覆盖范围，天线中心指向仰角维覆盖范围如图11所示。
2.方位测量精度
方位角测量时，存在系统误差和偶然误差。
σθns——指北校正误差；
σat——天线波束指向校正误差；
σθn——白噪声下随机误差；
白噪声环境中测角的随机误差为：
综合计算雷达测角精度为1°。
3、距离测量精度
距离测量时，存在系统误差和偶然误差。
σrn——机内热噪声误差；
σrm——多路径引起延迟；
σrd——接收机内延迟残差；
σrfd——调频脉压电路引起输出脉冲的距离与多普勒耦合；
σrs——采样误差；
σrgl——目标体强反射点闪烁引起的测距误差；
σrq——输出数据量化误差；
σrf——大气传播影响引起的测距误差。
综合计算雷达测距精度为7m。
4、高度测量精度
仿真统计定位误差，仿真参数如下：
站1：(-200，0，15)；站2：(200，0，15)；站3：(0，300，15)；单位：米。
目标：(100，200，600)；单位：米
测距精度：7米；
每个站点的三维坐标误差：7米；
统计次数：100次
蒙特卡洛仿真结果如图12所示。统计测高均方根误差约11.6米。
单部雷达总体参数如下：
(1)工作频率：C波段，5.3GHz；
(2)雷达尺寸：40mm×320mm×150mm；
(3)方位范围：120°；
(4)俯仰范围：60°；
(5)距离范围：1km；
(6)测向精度：1°；
(7)测距精度：7m；
(8)测高精度：12m(三部及以上)；
(9)辐射功率：10W；
(10)功耗：90W；
(11)多目标处理能力：30批；
(12)最小可检测目标速度：1m/s；
(13)无人机目标识别正确率：99％。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于目标探测的组网雷达系统，其特征在于，所述雷达系统包括以下模块：
组网模块，用于在通讯基站铁塔上架设探测雷达，构建雷达组网；
天线模块，采用收发分置的形式，1行14列组成，每列天线后接移相网络，最终合成一路至发射和接收，发射和接收天线根据雷达的时序控制，通过改变移相器的移相码实现对不同方位指向目标的探测；
发射模块，发射采用固态分布式，并用于发射锯齿线性调频连续波信号；
信号处理模块，用于数据处理和信号处理。
2.如权利要求1所述的组网雷达系统，其特征在于：还包括监控中心，用于接收目标探测数据，并对探测数据进行综合处理，从而对目标进行识别和定位。
3.如权利要求1所述的组网雷达系统，其特征在于，信号处理模块包括以下单元：
（1）信号I/Q数据采集获取单元：用于中频信号的采集、DDC、滤波；
（2）信号检测单元：包括FFT，MTD，CFAR和输出目标信息；
（3）检测结果输出单元，用于点迹打包传输；
（4）数据处理单元：接收目标信息，进行二门限检测，点迹处理和航迹处理，最终形成目标航迹信息输出；
（5）数据交户单元：与控制中心进行交互，将目标信息数据无线传输给监控中心。
4.如权利要求1所述的组网雷达系统，其特征在于：每个基站的GPS坐标信息在建站时测量，并对该基站进行编号并录入雷达组网数据库，监控中心收到目标坐标信息后，根据基站编号和目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置，并根据城市地图确定目标的具体位置。
5.如权利要求1所述的组网雷达系统，其特征在于：雷达对目标进行探测包括方位测量、距离测量和高度测量，其中方位测量采用相扫实现，距离测量通过发射锯齿线性调频连续波信号实现，高度测量通过采用多站点测得的目标方位、距离信息结合基站站点GPS坐标信息综合计算获得。
6.一种基于组网雷达系统的目标探测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在通讯基站铁塔上架设探测雷达，构建雷达组网；
雷达天线按照收发分置的形式，采用固态分布式发射锯齿线性调频连续波信号对目标进行探测；
通过信号处理系统将探测信号数据传输给监控中心；
其中雷达天线为1行14列组成，每列天线后接移相网络，最终合成一路至发射和接收，发射和接收天线根据雷达的时序控制，通过改变移相器的移相码实现对不同方位指向目标的探测。
7.如权利要求6所述的组网雷达探测方法，其特征在于：监控中心接收目标探测数据，并对探测数据进行综合处理，从而对目标进行识别和定位。
8.如权利要求6所述的组网雷达探测方法，其特征在于，信号处理系统包括以下单元：
（1）信号I/Q数据采集获取单元：用于中频信号的采集、DDC、滤波；
（2）信号检测单元：包括FFT，MTD，CFAR和输出目标信息；
（3）检测结果输出单元，用于点迹打包传输；
（4）数据处理单元：接收目标信息，进行二门限检测，点迹处理和航迹处理，最终形成目标航迹信息输出；
（5）数据交户单元：与控制中心进行交互，将目标信息数据无线传输给指挥控制中心。
9.如权利要求6所述的组网雷达探测方法，其特征在于：每个基站的GPS坐标信息在建站时测量，并对该基站进行编号并录入雷达组网数据库，监控中心收到目标坐标信息后，根据基站编号和目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置，并根据城市地图确定目标的具体位置。
10.如权利要求6所述的组网雷达探测方法，其特征在于：雷达对目标进行探测包括方位测量、距离测量和高度测量，其中方位测量采用相扫实现，距离测量通过发射锯齿线性调频连续波信号实现，高度测量通过采用多站点测得的目标方位、距离信息结合基站站点GPS坐标信息综合计算获得。
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