CN109061623B - 一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，包括微波基片、第一基片和第二基片，所述微波基片、第一基片、第二基片从上至下顺序叠放，微波基片的上表面设有射频收发前端、发射天线、接收天线、第一滤波器、第二滤波器和混合环，第二基片的底部设有频率合成器、电源管理模块、通讯接口模块和控制处理电路。本发明还公开了一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达的测量方法，构成全天时进行精确稳定的高度测量的雷达传感器。

Description

一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达及测量方法

技术领域

本发明涉及微波频段雷达系统中的测距雷达技术领域，特别是一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达及测量方法。

背景技术

无人机在低空飞行作业过程中，需要跟随地表的高低起伏动态调整飞行高度，以保证飞行的安全性，这需要通过无人机搭载的测高装置通过连续高度测量来保障。

现有的无人机高度测量主要有如下几种方法：

1、 通过激光雷达测高

2、 通过气压计测高

3、 通过超声波测高

4、 通过微波雷达测高

对于第1种方法，通过激光雷达测高，如“空军工程大学学报（自然科学版）”2010年10月发表的《适用于无人机超低空飞行的脉冲激光测高系统》一文所述，通过对连续波激光源进行脉冲调制，发射激光脉冲，并接收回波脉冲，通过比对收发脉冲之间的时间延迟，推算出高程差。通过这种方法进行无人机测高，在实际始用时最大的限制因素就是不能全天时全天候工作。众所周知，激光雷达一般都是在光照较弱或夜晚的条件下工作，如果白天太阳光照强烈的时候，地表反射的太阳辐照可能也比较强，会对激光束产生较大的背景噪声干扰，影响测量准确性。另外，在雾、重污染等空气中悬浮粒子较多的气象条件下，激光的穿透力会大大降低，无法始用。因此，使用激光雷达进行测高存在一定的不足。

对于第2种方法，使用气压计测高，如“自动化与仪表”期刊2012年发表的华南理工大学李洪辉等人撰写的《无人直升机高度测量的设计与实现》一文所述，利用气压随高度变化的基本原理，使用BMP085气压计芯片，结合高阶卡尔曼滤波，实现高度测量。该方法存在的主要问题是：在不同的气候条件下，气压与高度的关系呈现出多变性，导致测量的误差较大。

对于第3种方法，使用超声波测高，如“宇航计测技术”期刊2010年发表的内蒙古工业大学刘博等人撰写的《用于小型无人机的超声波低空测高系统实验研究》一文所述，基于超声波在空气中的传播反射原理，利用超声波模块和微处理器相结合进行高度测量。该方法和目前大多数汽车上所用的超声波倒车防撞告警装置类似，结构简单，成本低廉。其主要缺点是探测距离较近，实际最大探测距离一般只有10米左右，不太适用于在复杂地形飞行的无人机。

对于第4种方法，使用微波雷达测高，如北京航空航天大学张凤等人2015年发表的《应用于无人机的单天线LFMCW雷达高度表研究》一文所述，从该文所给出的系统原理框图可知，其采用单天线调频连续波测距的系统方案，为了消除单天线所带来的发射功率泄露阻塞接收通道的问题，引入了矢量对消的电路。这种方法是调频连续波雷达测距的经典方法之一，其优点是使用单天线，可以缩小体积，但付出的代价是需要使用复杂的矢量对消电路，而且电路里需要使用环形器、耦合器、矢量调制器等分立电路，客观上增加了成本，也在一定程度上抵消了使用单天线带来的体积缩减的优势。对于小型无人机测高雷达而言，因为探测距离较近，实际所需的天线口径并不会很大，所以使用单天线与使用双天线而言，其带来的综合优势并不明显，反而因为矢量对消电路的引入造成了复杂性和成本的增加，这对于民用产品的推广应用来说是不利的。

再比如2014年上海无线电设备研究所魏维伟等人申请的发明专利《一种24GHz小型测高测距装置》，也属于使用微波雷达进行测高。从权利要求书的描述中可见，其采用了射频前端与基带处理电路分置的思路，比如其权利要求书中所描述的“本例中微波探测前端模块10形成一个独立模块，信号处理组合模块形成另一个独立模块”，集成之后，厚度达到20mm，重量达到140g。之所以采用这种结构，是因为该专利申请者使用了Innosent一类的商用射频前端模块，导致集成度较低。采用这种立体封装集成的结构形式，对于目前市场上“大疆”这一类消费级无人机来说，无论在体积重量上，都不太适合。

现有无人机载高度测量装置存在不能全天候全天时工作，不便于集成，探测距离受限等不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达及测量方法，本发明提出一种工作于微波频段的、可以全天候全天时进行精确稳定的高度测量的雷达传感器，以用于消费级无人机地形跟踪或避障。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，包括微波基片、第一基片和第二基片，所述微波基片、第一基片、第二基片从上至下顺序叠放，微波基片的上表面设有射频收发前端、发射天线、接收天线、第一滤波器、第二滤波器和混合环，第二基片的底部设有频率合成器、电源管理模块、通讯接口模块和控制处理电路，其中，

发射天线、第一滤波器、混合环、射频收发前端依次顺序连接，接收天线、第二滤波器、射频收发前端依次顺序连接，控制处理电路、频率合成器分别与射频收发前端连接，电源管理模块与通讯接口模块、控制处理电路、频率合成器、射频收发前端分别连接，控制处理电路与频率合成器、通讯接口模块分别连接；

频率合成器用于产生fast chirp扫频信号，并提供给射频收发前端用于产生发射信号及接收下变频的本振信号；射频收发前端包括发射与接收两条链路，其中发射链路将频率合成器提供的fast chirp扫频信号进行放大调理后输出等幅反相的两路信号，两路信号经过混合环进行功率合成后再经过滤波，最后经发射天线输出；接收天线所接收的信号经滤波后输入射频收发前端的接收链路，经过低噪声放大及滤波后，输出至控制处理器进行处理；电源管理模块用于为通讯接口模块、控制处理电路、频率合成器、射频收发前端供电。

作为本发明所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，射频收发前端包括压控振荡器、放大器、耦合器、低噪声放大器及混频器，压控振荡器的输入端与频率合成器的输出端连接，压控振荡器的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与耦合器的输入端连接，耦合器的第一输出端与混合环连接，耦合器的第二输出端与混频器的输入端连接，第二滤波器与低噪声放大器的输入端连接，低噪声放大器的输出端与混频器的输入端连接，混频器的输出端与控制处理电路的输入端连接。

作为本发明所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，微波基片和第一基片之间设有微波射频地，第一基片和第二基片之间设有电源、数字地以及基带模拟地。

作为本发明所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，射频收发前端有两个差分发射端口，通过混合环将射频收发前端的两个差分发射端口转化为单端口，多余的一个接收端口空置。

作为本发明所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，发射天线与接收天线完全相同，均采用二维行波阵列天线结构。

作为本发明所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，还包括上位机，通信接口模块通过配置接口与上位机连接，上位机通过该配置接口进行雷达的工作参数配置。

作为本发明所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，配置接口为micro-USB。

作为本发明所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，采用16针微矩形接头作为外部供电、探测数据传输的接口。

作为本发明所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，第一基片和第二基片均为FR4基片。

基于一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达的测量方法，雷达发射波形采用锯齿形fast chirp发射波形，雷达从接收天线获取目标回波信号，对目标回波信号进行去斜处理得到回波中频，对回波中频进行如下处理：

在一个chirp周期内使用采样率fs的控制处理电路中的ADC进行均匀时域采样，采样点数为M；经过连续N个周期的采样后，构建M*N的二维时域采样点矩阵；

对二维时域采样点矩阵的每一列进行M点FFT计算，根据频域峰值搜索，在相应的距离门内发现目标；对N列数据进行FFT计算之后，形成新的M*N点的二维频域矩阵；

对上述二维频域矩阵进行二维FFT计算，提取出目标的多普勒信息，从而计算出目标的相对运动速度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明提出了一种适用于无人机搭载的高度测量雷达传感器，与基于激光、超声波等测高装置不同，本发明所提出的雷达能够全天时全天候稳定工作，且可探测距离的动态范围更大；

（2）与一般的微波测高雷达相比，本发明提出的雷达传感器采用了基于PCB的全平面结构，包括接口在内的整个雷达传感器的最大厚度仅为5mm，长宽分别为90mm、80mm；因为采用了PCB集成方式，整个雷达不需要任何金属封装结构，重量为24g，适合无人机搭载，且大大降低了制造成本；

（3）通过采用fast chirp雷达波形，降低了无人机快速飞行所引起的多普勒频移的影响，避免了解距离模糊，简化了信号处理流程；

（4）所提出的雷达传感器采用平面PCB结构形式，天线、射频、基带、电源等所有电路与器件集成在一块PCB板上，以满足紧凑轻便、便于与载机平台集成的结构要求；

（5）能够全天候全天时工作、结构紧凑、重量轻便、测距动态范围大、工艺简单、成本低廉、便于批产的无人机载测高雷达。

附图说明

图1是本发明提供的雷达传感器的组成原理框图；

图2是本发明提供的雷达传感器的fast chirp发射波形示意图；

图3是本发明提供的基于Fast chirp体制的雷达信号处理流程示意图；

图4是本发明提供的雷达传感器电路板层分布结构示意图；

图5是本发明提供的雷达传感器采集的一段时域信号；

图6是本发明提供的雷达传感器雷达频域分析结果。

图中的附图标记解释为：1-射频收发前端，2-发射天线，3-接收天线、4-频率合成器，5-混合环，6-控制处理电路，7-电源管理模块，8-通讯接口模块，9-发射天线、接收天线所在面，10-射频地，11-电源-数字地-模拟地，12-中频-基带-电源电路，13-微波基片，14-FR4基片，15- FR4基片，101-压控振荡器，102-放大器，103-低噪声放大器，104-混频器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本雷达工作于国际通用的ISM频段之一的24GHz，该频段通常开放用于智能交通监控、汽车盲点监测等民用领域。

本雷达工作于自差频调频连续波体制，系统框图如附图1所示，主要包括射频收发前端1、发射天线2和接收天线3、频率合成器4、混合环5、控制处理电路6、电源管理模块7、通讯接口模块8。自差频体制通过从发射机耦合一部分能量做本振，不需要独立的本振源，可以简化雷达结构、降低成本。连续波体制还可以实现大动态无盲区的精确测距。

本雷达发射波形采用短周期大带宽的锯齿形快扫发射波形(fast chirp)，如附图2所示。fast chirp波形具有大斜率的扫频特征，其扫频周期T一般在数十微秒量级，与小斜率的普通线性调频信号相比，fast chirp在使用时有两大优势：（1）经去斜（de-chirp）处理之后的回波中频所包含的多普勒频率分量远低于距离引起的时延频率分量，这样在信号处理时就不需要解距离模糊并保持足够的测距精度，简化了信号处理的流程（2）尽管采用了自差频的体制，但de-chirp处理之后的回波中频频率会远离零中频区域，由此可以避开电子器件1/f噪声的集中区，有利于简化滤波、抑制干扰，从而提高信噪比。

基本的信号处理流程如附图3所示，并作描述如下：

（1）在一个chirp周期内使用采样率fs的ADC进行均匀时域采样，采样点数为M；经过连续N个周期的采样后，可以构建M*N的二维时域采样点矩阵；

（2）对二维时域采样点矩阵的每一列进行M点FFT计算，根据频域峰值搜索，可以在相应的距离门内发现目标。对N列数据进行FFT计算之后，可以形成新的M*N点的频域二维矩阵。

（3）对上述二维频域矩阵进行二维FFT计算，可以提取出目标的多普勒信息，从而可以计算出目标的相对运动速度。

本雷达采用成熟的工业化单片集成电路实现射频收发前端，该集成芯片内部包括一个发射通道和两个接收通道，内置压控振荡器101、放大器102、低噪声放大器103及混频器104等功能电路。本雷达采用一发一收的结构，通过混合环5将射频收发前端的两个差分发射端口转化为单端口，提高输出功率，多余的一个接收端口空置。

本雷达采用成熟的工业化单片集成电路实现频率合成器，通过合理配置工作参数，可以使频率合成器输出所需的fast chirp电压波形，并进一步提供给射频前端芯片，控制其内部的压控振荡器输出fast chirp扫频信号。频率合成器用于输出fast chirp电压波形，并进一步提供给射频收发前端，控制射频收发前端内部的压控振荡器输出fast chirp扫频信号经放大器、耦合器传输至发射天线输出。

本雷达采用四层板结构，如附图4所示，将收发前端与收发天线及混合环等射频部分电路布置在PCB板的同一面，从发射天线、接收天线所在面9往下，依次为射频地10，电源-数字地-模拟地11，中频-基带-电源电路12。这样做有如下优点：（1）将射频部分与低频部分相互隔离，避免相互干扰；（2）收发天线与射频芯片之间可以通过微带线直接互联，可靠性更高；如果收发天线与射频前端芯片位于PCB板的两侧，那天线与射频芯片之间只能通过金属化通孔穿板互联，损耗及可靠性都不如微带线直接互联。

本雷达采用收发分置双天线，发射天线2与接收天线3完全相同，采用二维行波阵列天线结构。

本雷达采用micro-USB作为配置接口，上位机通过该接口进行雷达的工作参数配置。

本雷达采用16针微矩形接头作为外部供电、探测数据传输的接口。

实施例：

本实施例提供一个工作在24GHz频段、基于厚度为0.254mm的RT/Rogers4350及0.6mm的FR4介质基片的调频连续波测高雷达，其技术指标如下：

工作频段：24.125±0.25GHz；

信号形式：短周期高重频线性调频连续波(Fast chirp FMCW)

发射功率：13dBm

天线增益：19dBi；

波束宽度：14°

接收机噪声系数：18dB

探测距离：1m—150m；

测高分辨率：0.75m；

测高精度：0.1m

数据率：100Hz

设备功耗：<2.5W

外部供电：5-30Vdc

设备可靠性：MTBF>5000h

尺寸：90*80*5（长*宽*高，单位：mm）

本实例提供的雷达传感器基于四层PCB板的结构实现，如附图4所示。收发天线、射频前端及其余微带电路位于第一层，该层由0.254mm的RT/Rogers4350微波基片13支撑；第二层为微波射频地；第三层为电源、数字地以及基带模拟地；第二层与第三层之间是0.6mm厚的FR4基片14；第四层是频率合成器、电源管理、通讯接口、控制处理电路，第三层与第四层之间由0.6mm厚的FR4基片15支撑。

雷达传感器的实物：射频收发前端1（BGT24TRM12），发射天线2，接收天线3，混合环5，收发天线中心间距41mm。收发天线之间使用密集排布金属化通孔进行隔离，以抑制可能存在的表面波串扰，提高收发天线之间的隔离度。射频收发前端1所产生的中频信号由贴近芯片引脚的金属化通孔过渡至PCB板背面，供处理器的ADC采集。

频率合成器4（ADF4158），控制处理电路6为ARM芯片（STM32F405），微矩形接口，以及micro-USB控制接口。

使用本实例提供的雷达传感器，在野外进行了移动条件下针对固定目标探测的测试，附图5显示的是雷达在逐渐远离目标时记录下的时域波形（两个扫描周期），附图6显示的是相应的频率分析结果，从图中可以明显看出连续两个扫描周期内，由于雷达与目标存在相对运动速度引起的频率偏移，根据两个频率值可以很容易地算出目标的距离和相对运动速度。与无人机平台结合使用时，根据机载数据总线上传输的无人机实时飞行数据，可以进行运动补偿，从而获得更好的测距精度。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能为此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，其特征在于，包括微波基片、第一基片和第二基片，所述微波基片、第一基片、第二基片从上至下顺序叠放，微波基片的上表面设有射频收发前端、发射天线、接收天线、第一滤波器、第二滤波器和混合环，第二基片的底部设有频率合成器、电源管理模块、通讯接口模块和控制处理电路，其中，

发射天线、第一滤波器、混合环、射频收发前端依次顺序连接，接收天线、第二滤波器、射频收发前端依次顺序连接，控制处理电路、频率合成器分别与射频收发前端连接，电源管理模块与通讯接口模块、控制处理电路、频率合成器、射频收发前端分别连接，控制处理电路与频率合成器、通讯接口模块分别连接；

频率合成器用于产生fast chirp扫频信号，并提供给射频收发前端用于产生发射信号及接收下变频的本振信号；射频收发前端包括发射与接收两条链路，其中发射链路将频率合成器提供的fast chirp扫频信号进行放大调理后输出等幅反相的两路信号，两路信号经过混合环进行功率合成后再经过滤波，最后经发射天线输出；接收天线所接收的信号经滤波后输入射频收发前端的接收链路，经过低噪声放大及滤波后，输出至控制处理器进行处理；电源管理模块用于为通讯接口模块、控制处理电路、频率合成器、射频收发前端供电。

2.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，其特征在于，射频收发前端包括压控振荡器、放大器、耦合器、低噪声放大器及混频器，压控振荡器的输入端与频率合成器的输出端连接，压控振荡器的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与耦合器的输入端连接，耦合器的第一输出端与混合环连接，耦合器的第二输出端与混频器的输入端连接，第二滤波器与低噪声放大器的输入端连接，低噪声放大器的输出端与混频器的输入端连接，混频器的输出端与控制处理电路的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，其特征在于，微波基片和第一基片之间设有微波射频地，第一基片和第二基片之间设有电源、数字地以及基带模拟地。

4.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，其特征在于，射频收发前端有两个差分发射端口，通过混合环将射频收发前端的两个差分发射端口转化为单端口，多余的一个接收端口空置。

5.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，其特征在于，发射天线与接收天线完全相同，均采用二维行波阵列天线结构。

6.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，其特征在于，还包括上位机，通信接口模块通过配置接口与上位机连接，上位机通过该配置接口进行雷达的工作参数配置。

7.根据权利要求6所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，其特征在于，配置接口为micro-USB。

8.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，其特征在于，采用16针微矩形接头作为外部供电、探测数据传输的接口。

9.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，其特征在于，第一基片和第二基片均为FR4基片。

10.基于权利要求1所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达的测量方法，其特征在于，雷达发射波形采用锯齿形fast chirp发射波形，雷达从接收天线获取目标回波信号，对目标回波信号进行去斜处理得到回波中频，对回波中频进行如下处理：

在一个chirp周期内使用采样率fs的控制处理电路中的ADC进行均匀时域采样，采样点数为M；经过连续N个周期的采样后，构建M*N的二维时域采样点矩阵；

对二维时域采样点矩阵的每一列进行M点FFT计算，根据频域峰值搜索，在相应的距离门内发现目标；对N列数据进行FFT计算之后，形成新的M*N点的二维频域矩阵；

对上述二维频域矩阵进行二维FFT计算，提取出目标的多普勒信息，从而计算出目标的相对运动速度。