CN108627820A - 雷达及其测高方法、无人机、存储介质和处理器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达及其测高方法、无人机、存储介质和处理器。其中，该雷达包括：射频模块，用于控制收发装置发出快调制信号，其中，快调制信号的频率与时间呈线性关系；收发装置，与射频模块相连，用于发出快调制信号，并接收观测目标散射回的信号，其中，观测目标为处于雷达的观测区域中的目标；处理器，与射频模块相连，用于根据快调制信号和散射回的信号得到观测区域的地形信息，其中，地形信息用于表征观测区域中的观测目标的相对高度。本发明解决了现有技术中无人机高度测量技术测量距离近，且成本较高的技术问题。

Description

雷达及其测高方法、无人机、存储介质和处理器

技术领域

本发明涉及雷达领域，具体而言，涉及一种雷达及其测高方法、无人机、存储介质和处理器。

背景技术

在很多实际应用中，无人机需要知道当前相对于地面的高度。例如，在无人机植保时，需要无人机在农作物上方固定高度飞行，无论地面和植被是否起伏；在对高山滑雪运动员进行高空摄影时，需要无人机能够始终与运动员保持恒定高度。

现有的无人机高度测量通常采用如下几种方案：差分GPS；超声波雷达以及双目摄像头，其中，差分GPS需要有地面站进行差分测量，应用范围有限、体积大且成本较高；超声波雷达测量距离近，仅有几米的测量范围；双目摄像头容易受到天气的影响，在浓雾等极端天气条件下几乎无法正常工作、测量距离较近，即使在天气状况良好的条件下，测量距离也仅在10米左右，并且需要处理的数据量大、成本高。

针对现有技术中无人机高度测量技术测量距离近，且成本较高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种雷达及其测高方法、无人机、存储介质和处理器，以至少解决现有技术中无人机高度测量技术测量距离近，且成本较高的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种雷达，包括：射频模块，用于控制收发装置发出快调制信号，其中，快调制信号的频率与时间呈线性关系；收发装置，与射频模块相连，用于发出快调制信号，并接收观测目标散射回的信号，其中，观测目标为处于雷达的观测区域中的目标；处理器，与射频模块相连，用于根据快调制信号和散射回的信号得到观测区域的地形信息，其中，地形信息用于表征观测区域中的观测目标的相对高度

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种雷达的测高方法，包括：向雷达的观测区域发射快调制信号，其中，快调制信号的频率斜坡与时间呈线性关系；接收由观测目标散射回的信号，其中，观测目标为处于雷达的观测区域中的目标；根据快调制信号和散射回的信号得到观测区域的地形信息，其中，地形信息用于表征观测区域中的观测目标的相对高度。

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种无人机，包括上述任意一种雷达。

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行上述任意一项的雷达的测高方法。

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种处理器，其特征在于，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的雷达的测高方法。

值得注意的是，在将上述雷达应用于无人机测高时，在现有的测高设备中，以GPS设备为例，上述实施例中的雷达的成本仅为差分GPS的百分之一；可选的，射频模块也大小也可以仅为40mm*40mm；由于处理数据量少，在使用过程中，功耗也能够低至几百毫瓦，从而大大的减小了无人机的成本，且提升了无人的载重。

在本发明实施例中，通过射频模块控制收发装置发出快调制信号，并接收观测目标散射回的信号，并通过处理器根据快调制信号和观测目标散射回的信号得到观测区域的地形信息。在上述方案中，仅通过雷达发出的信号以及观测目标返回的信号就能够获得观测区域的地形信息，处理器需要处理的数据量小，从而使得雷达无需配备高性能处理器就能够达到测算的精度和速度，降低了累的成本；进一步地，当将上述雷达应用至无人机测高时，能够在任何天气、任何环境下使用，且测量距离远，解决了现有技术中无人机高度测量技术测量距离近，且成本较高的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的雷达的示意图；

图2是根据本申请实施例的一种可选的快调制信号的示意图；

图3是根据本申请实施例的一种可选的雷达的示意图；

图4是根据本申请实施例的一种可选的射频模块的示意图；

图5是根据本发明实施例的雷达的测高方法的流程图；以及

图6是根据本申请实施例的一种获取高度信息的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明实施例，提供了一种雷达的实施例，图1是根据本发明实施例的雷达的示意图，如图1所示，该雷达包括：

射频模块10，用于控制收发装置发出快调制信号，其中，快调制信号的频率与时间呈线性关系。

具体的，上述快调制信号用于表征斜坡信号的波形时宽处于预设范围内的调制信号，例如，斜坡信号波形时宽小于100us即可以认为是快调制信号，上述频率斜坡用于表示频率与时间的关系。

在一种可选的实施例中，图2是根据本申请实施例的一种可选的快调制信号的示意图，结合图2所示，f₀为起始频率，f₁为截止频率，T为将信号调制至截止频率的时间，即波形时宽。在该示例中，信号的频率与调制的时间构成的关系可以通过频率斜坡的斜率表示，频率斜坡的斜率越大，调制信号的波形时宽越小。

收发装置12，与射频模块相连，用于发出快调制信号，并接收观测目标散射回的信号，其中，观测目标为处于雷达的观测区域中的目标。

具体的，上述收发装置发出快调制信号时，可以具有预设的发射周期，没到发射周期发射出一个调制信号。

在一种可选的实施例中，当无人机高山上空飞行时，观测目标可以为无人机下方的预设区域，无人机通过雷达的收发装置向正下方发射快调制信号，预设区域的高山对快调制信号进行散射，收发装置则能够获取到由预设区域的高山散射回的信号。

处理器14，与射频模块相连，用于根据快调制信号和散射回的信号得到观测区域的地形信息，其中，地形信息用于表征观测区域中的观测目标的相对高度。

在一种可选的实施例中，仍以无人机在高山上空飞行为例，上述距离信息用于表示无人机与预设区域中海拔最高的山，即距离无人机最近的山的距离。可选的，处理器在接收到散射回的信号后，可以通过发射的快调制信号的时间与收到散射回的信号的时间，结合快调制信号在空气中传播的速度，对观测目标与无人机之间的距离进行测算。

值得注意的是，在将上述雷达应用于无人机测高时，在现有的测高设备中，以GPS设备为例，上述实施例中的雷达的成本仅为差分GPS的百分之一；可选的，射频模块也大小也可以仅为40mm*40mm；由于处理数据量少，在使用过程中，功耗也能够低至几百毫瓦，从而大大的减小了无人机的成本，且提升了无人的载重。

由上可知，本申请上述方案通过射频模块控制收发装置发出快调制信号，并接收观测目标散射回的信号，并通过处理器根据快调制信号和观测目标散射回的信号得到观测区域的地形信息。在上述方案中，仅通过雷达发出的信号以及观测目标返回的信号就能够获得观测区域的地形信息，处理器需要处理的数据量小，从而使得雷达无需配备高性能处理器就能够达到测算的精度和速度，降低了累的成本；进一步地，当将上述雷达应用至无人机测高时，能够在任何天气、任何环境下使用，且测量距离远，解决了现有技术中无人机高度测量技术测量距离近，且成本较高的技术问题。

可选的，根据本申请上述实施例，上述雷达的频段为毫米波，上述收发装置包括：发射天线和接收天线。

上述发射天线用于发射快调制信号，接收天线用于接收观测目标散射回的信号。

具体的，相比于现有技术中无人机常用的雷达频段，例如：米波、分米波和厘米波等频段，毫米波频段雷达具有如下优势：首先，雷达工作波长短，较小的天线尺寸即能够获得较高的角度分辨率；其次，射频收发芯片集成度高，整个雷达射频前端都可以用一个毫米波射频芯片完成；再者，基于高集成度的雷达射频前端，整机雷达成本相对较低。

可选的，根据本申请上述实施例，上述射频模块包括：

压控振荡器，用于生成快调制信号。

具体的，压控振荡器用于指输出频率与输入的控制电压有对应关系的震荡电路，可以通过调整对压控振荡器的输入电压来调整发出的调制信号的频率。

第一功率放大器，与压控振荡器相连，用于放大快调制信号。

第二功率放大器，与接收天线相连，用于放大散射回的信号。

混频器，分别与压控振荡器和第二功率放大器相连，用于将快调制信号和放大后的散射回的信号进行混频。

具体的，混频器用于指输出信号的频率为两个输入信号的频率之和、差或其他组合的电路，用于通过频谱搬移产生中频信号。

图3是根据本申请实施例的一种可选的雷达的示意图，图4是根据本申请实施例的一种可选的射频模块的示意图。下面结合图3和图4所示的示例，对上述实施例中的雷达进行进一步描述。

在一种可选的实施例中，结合图3所示，该雷达的发射天线和接收天线均与射频芯片(即射频模块)相连，用于发出快调制信号，并接收观测目标散射回的信号。结合图4所示，可以通过向压控振荡器输入电压控制压控振荡器输出快调制信号，压控振荡器输出的快调制信号一方面输入至混频器，再一方面经过功率放大器1进行放大后，由发射天线发射至观测区域；观测区域的观测目标对快调制信号进行散射，由接收天线接收散射回的信号，并通过功率放大器2进行放大后，输入至混频器；混频器对快调制信号和散射回的信号进行混频，得到雷达回波数据，为控制单元(处理器)则能够根据雷达回波数据获取到观测区域的地形信息。

实施例2

根据本发明实施例，提供了一种雷达的测高方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图5是根据本发明实施例的雷达的测高方法的流程图，如图5所示，该雷达的测高方法包括：

步骤S501，向雷达的观测区域发射快调制信号，其中，快调制信号的频率斜坡与时间呈线性关系。

具体的，上述快调制信号用于表征斜坡信号的波形时宽处于预设范围内的调制信号，例如，斜坡信号波形时宽小于100us既可以认为是快调制信号，上述频率斜坡用于表示频率与时间的关系。

在一种可选的实施例中，图2是根据本申请实施例的一种可选的快调制信号的示意图，结合图2所示，f₀为起始频率，f₁为截止频率，T为将信号调制至截止频率的时间，即波形时宽。在该示例中，信号的频率与调制的时间构成的关系可以通过频率斜坡的斜率表示，频率斜坡的斜率越高，调制信号的波形时宽越小。

步骤S503，接收由观测目标散射回的信号，其中，观测目标为处于雷达的观测区域中的目标。

步骤S505，根据快调制信号和散射回的信号得到观测目标的地形信息，其中，地形信息用于表征观测区域中的观测目标的相对高度。

具体的，结合图3所示，雷达通过射频芯片生成快调制信号后，通过发射天线发设置观测区域，并结合快调制信号和观测区域的观测目标散射回的信号获取到观测区域的地形信息。

由上可知，本申请上述实施例向雷达的观测区域发射快调制信号，接收由观测目标散射回的信号，根据快调制信号和散射回的信号得到观测目标的地形信息。上述方案仅通过雷达发出的信号以及观测目标返回的信号就能够获得观测区域的地形信息，处理器需要处理的数据量小，从而使得雷达无需配备高性能处理器就能够达到测算的精度和速度，降低了累的成本；进一步地，当将上述雷达应用至无人机测高时，能够在任何天气、任何环境下使用，且测量距离远，解决了现有技术中无人机高度测量技术测量距离近，且成本较高的技术问题。

可选的，根据本申请上述实施例，步骤S501，向雷达的观测区域发射快调制信号，包括：

步骤S5013，生成快调制信号。

在上述方案中，可以通过压控振荡器生成快调制信号。

步骤S5015，放大快调制信号，并将放大后的快调制信号发射至雷达的观测区域。

在上述步骤中，结合图4所示，可以通过功放大器1对快调制信号进行放大。

可选的，根据本申请上述实施例，步骤S503，接收由观测目标散射回的信号，包括：放大由观测目标散射回的信号。

在上述步骤中，结合图4所示，可以通过功放大器2对观测目标散射回的信号进行放大。

可选的，根据本申请上述实施例，根据快调制信号和散射回的信号得到观测区域的地形信息，包括：将放大后的快调制信号和放大后的散射回的信号进行混频，得到混频后的雷达回波；根据雷达回波得到距离雷达最近的观测目标的高度信息，并根据多个时刻距离雷达最近的观测目标的高度信息，得到观测区域的地形信息。由于地形信息用于表征观测区域中观测目标的相对高度，因此在得到观测目标的高度信息后，能够获取到观测区域的地形信息。具体的，上述观测目标的高度信息可以是观测目标的海拔，也可以是观测目标之间的相对高度信息。

作为一种可选的方式，雷达回波包括：二维回波信号，其中，根据雷达回波得到距离雷达最近的观测目标的高度信息，包括：对二维回波信号进行二维傅里叶变换，得到变换后的二维回波信号；对二维回波信号进行恒虚警检测，得到距离雷达最近的观测目标的初始高度信息；对距离雷达最近的目标的距离信息进行平滑处理，得到距离雷达最近的观测目标的高度信息。

作为一种可选的实施例，可以通过如下公式对二维回波信号进行二维傅里叶变换：

S_k(f)＝∫s_k(t)·exp(-j2πft)dt，其中，k为测量次数，Sk(f)为傅里叶变换后的二维回波信号，S_k(t)为二维回波信号，f为采样频率，t为采样时刻。

作为一种可选的实施例，可以通过如下公式对二维回波信号进行恒虚警检测：

其中，c表示快调制信号传播速度，约为300000千米每秒；T表示波形时宽(如图1中的T所示)；B表示波形带宽(即截止频率与其实频率之差)；ε、b和β为预设的恒虚警检测参数，f^*为快调制信号的频率。

作为一种可选的实施例，可以通过如下公式对距离雷达最近的目标的距离信息进行平滑处理：其中，H_k为平滑后的距离信息，H_k-1为上一次测量的距离信息。

图6是根据本申请实施例的一种获取高度信息的流程图，在一种可选的实施例中，结合图6所示，对上述方案进行进一步描述。

步骤S61，获取雷达回波数据。

具体的，上述雷达回波数据可以是二维回波数据。

步骤S62，对雷达回波数据进行二维傅里叶变换。

步骤S63，对变换后的雷达回波数据进行恒虚警检测，得到初始高度信息。

步骤S64，对初始高度信息进行平滑处理，得到观测目标的实际高度信息。

实施例3

根据本发明实施例，提供了一种无人机，其特征在于，包括实施例1中任意一种雷达，雷达设置于无人机的正下方，用于检测无人机的高度。

值得注意的是，设置与上述无人机下方的雷达在应用于无人机测高时，在现有的测高设备中，以GPS设备为例，上述实施例中的雷达的成本仅为差分GPS的百分之一；可选的，射频模块也大小也可以仅为40mm*40mm；由于处理数据量少，在使用过程中，功耗也能够低至几百毫瓦，从而大大的减小了无人机的成本，且提升了无人的载重。

由上可知，本申请上述方案通过射频模块控制收发装置发出快调制信号，并接收观测目标散射回的信号，并通过处理器根据快调制信号和观测目标散射回的信号得到观测区域的地形信息。在上述方案中，仅通过雷达发出的信号以及观测目标返回的信号就能够获得观测区域的地形信息，处理器需要处理的数据量小，从而使得雷达无需配备高性能处理器就能够达到测算的精度和速度，降低了累的成本；进一步地，当将上述雷达应用至无人机测高时，能够在任何天气、任何环境下使用，且测量距离远，解决了现有技术中无人机高度测量技术测量距离近，且成本较高的技术问题。

实施例4

根据本发明实施例，提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备执行实施例2中任意一项的雷达的测高方法。

实施例5

根据本发明实施例，提供了一种处理器，其特征在于，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行实施例2中任意一项的雷达的测高方法。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种雷达，其特征在于，包括：

射频模块，用于控制收发装置发出快调制信号，其中，所述快调制信号的频率与时间呈线性关系；

所述收发装置，与所述射频模块相连，用于发出快调制信号，并接收观测目标散射回的信号，其中，所述观测目标为处于所述雷达的观测区域中的目标；

处理器，与所述射频模块相连，用于根据所述快调制信号和所述散射回的信号得到所述观测区域的地形信息，其中，所述地形信息用于表征所述观测区域中的观测目标的相对高度。

2.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述雷达的频段为毫米波，所述收发装置包括：发射天线和接收天线。

3.根据权利要求2所述的雷达，其特征在于，所述射频模块包括：

压控振荡器，用于生成快调制信号；

第一功率放大器，与所述压控振荡器相连，用于放大所述快调制信号；

第二功率放大器，与所述接收天线相连，用于放大所述散射回的信号；

混频器，分别与所述压控振荡器和所述第二功率放大器相连，用于将所述快调制信号和放大后的所述散射回的信号进行混频。

4.一种雷达的测高方法，其特征在于，所述雷达，包括：

向所述雷达的观测区域发射快调制信号，其中，所述快调制信号的频率斜坡与时间呈线性关系；

接收由观测目标散射回的信号，其中，所述观测目标为处于所述雷达的观测区域中的目标；

根据所述快调制信号和所述散射回的信号得到所述观测区域的地形信息，其中，所述地形信息用于表征所述观测区域中的观测目标的相对高度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，向所述雷达的观测区域发射快调制信号，包括：

生成快调制信号；

放大所述快调制信号，并将放大后的所述快调制信号发射至所述雷达的观测区域。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，接收由观测目标散射回的信号，包括：放大所述由观测目标散射回的信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述快调制信号和所述散射回的信号得到所述观测区域的地形信息，包括：

将放大后的所述快调制信号和放大后的所述散射回的信号进行混频，得到混频后的雷达回波；

根据所述雷达回波得到距离所述雷达最近的观测目标的高度信息，并根据多个时刻距离所述雷达最近的观测目标的高度信息，得到所述观测区域的地形信息。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述雷达回波包括：二维回波信号，其中，根据所述雷达回波得到距离所述雷达最近的观测目标的高度信息，包括：

对所述二维回波信号进行二维傅里叶变换，得到变换后的二维回波信号；

对所述二维回波信号进行恒虚警检测，得到距离所述雷达最近的观测目标的初始高度信息；

对距离所述雷达最近的目标的距离信息进行平滑处理，得到距离所述雷达最近的观测目标的高度信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对所述二维回波信号进行恒虚警检测，包括：

通过如下公式对所述二维回波信号进行恒虚警检测：

其中，c表示快调制信号传播速度，T表示波形时宽；B表示波形带宽；ε、b和β为预设的恒虚警检测参数，k测量的次数，f^*为所述快调制信号的频率。

10.一种无人机，其特征在于，包括权利要求1至3中任意一种雷达，所述雷达设置于所述无人机的正下方，用于检测所述无人机的高度。

11.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求4至9中任意一项所述的雷达的测高方法。

12.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求4至9中任意一项所述的雷达的测高方法。