CN113777609A - 一种雷达及无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及信号收发装置技术领域，具体涉及一种雷达及无人机，雷达包括传感器主体、接收天线阵列和发射天线阵列；所述接收天线阵列包括若干个接收天线阵列单元，所述发射天线阵列包括与若干个所述接收天线阵列单元平行设置的两个发射天线阵列单元；所述发射天线阵列的发射口径大于所述接收天线阵列的接收口径；各所述发射天线阵列单元分别与所述传感器主体的发射端口相连，各所述接收天线阵列单元分别与所述传感器主体的接收端口相连；所述传感器主体接收到所述接收天线阵列接收的数字信号后，对所述数字信号进行虚拟孔径处理，在所述接收端口形成虚拟天线阵列。通过上述方式，能够使雷达在满足体积小、质量轻的同时，具备良好的探测性能。

Description

一种雷达及无人机
技术领域
本发明实施例涉及信号收发装置技术领域，具体涉及一种雷达及无人机。
背景技术
现有无人机由于采用摄像头结合视觉算法进行定位，由于摄像头探测距离近，准确性交叉，受天气环境影响大，摄像头数目繁多且视觉算法复杂，因此探测及定位目标时容易出错。
雷达作为目标探测及定位中优秀的传感器，在汽车智能辅助驾驶中已经受到广泛应用，但是由于无人机对整体体积和质量要求严格，并且需要具备良好的探测性能，而现有雷达无法同时满足体积、质量要求和探测性能要求。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种雷达及无人机，以能够使雷达在满足体积小、质量轻的同时，还具备良好的探测性能。
根据本发明实施例的一个方面，提供一种雷达，包括：传感器主体、接收天线阵列和发射天线阵列；所述接收天线阵列包括若干个接收天线阵列单元，所述发射天线阵列包括与若干个所述接收天线阵列单元平行设置的两个发射天线阵列单元；所述发射天线阵列的发射口径大于所述接收天线阵列的接收口径；各所述发射天线阵列单元分别与所述传感器主体的发射端口相连，各所述接收天线阵列单元分别与所述传感器主体的接收端口相连；所述传感器主体接收到所述接收天线阵列接收的数字信号后，对所述数字信号进行虚拟孔径处理，在所述接收端口形成虚拟天线阵列。
在一种可选的方式中，所述雷达还包括介质板，所述传感器主体、所述接收天线阵列和所述发射天线阵列均设置于所述介质板上。
在一种可选的方式中，相邻所述接收天线阵列单元的间距为0.5～2λ，其中λ为天线波长；所述发射口径比所述接受口径大0.5～2λ；所述虚拟天线阵列的虚拟口径等于所述接收口径的两倍再加0.5～2λ。
在一种可选的方式中，所述接收天线阵列单元的数量为四个，且相邻所述接收天线阵列单元的间距依次为1.5λ、1.5λ和2λ。
在一种可选的方式中，两个所述发射天线阵列单元的间距为6λ。
在一种可选的方式中，相邻所述接收天线阵列单元之间设置有隔离假天线。
在一种可选的方式中，所述介质板边缘设置有过孔，所述隔离假天线经所述过孔接地。
在一种可选的方式中，所述接收天线阵列单元和所述发射天线阵列单元各自包括两个在一端连接的微带梳形天线单元。
在一种可选的方式中，所述微带梳形天线单元包括微带线和若干个贴片；所述微带梳形天线单元H面方向图采用切比雪夫加窗函数综合；若干个所述贴片交叉设置于所述微带线的两侧；若干个所述贴片镜像对称；相邻所述贴片的间距为0.5λ。
根据本发明实施例的另一个方面，提供一种无人机，包括无人机本体和如上所述的雷达；
所述雷达包括介质板，所述传感器主体、所述接收天线阵列和所述发射天线阵列均设置于所述介质板上；
所述介质板上设置有安装孔，所述介质板通过所述安装孔固定于所述无人机本体。
本发明实施例提供的雷达通过设置多输入两输出MIMO阵列，经过数字信号处理并利用虚拟孔径技术，在雷达接收端形成虚拟天线阵列，从而在不改变实际天线数量和口径的基础上，实现雷达接收端天接收口径一倍以上的增大，提升雷达的信噪比，并大幅度提高雷达天线的增益，使雷达天线的射频探测距离得到很大程度的提升，可有效满足无人机对雷达体积、质量以及探测性能的要求。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的雷达的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的雷达中接收天线阵列转化为虚拟天线阵列的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的雷达中结合具体口径后接收天线阵列转化为虚拟天线阵列的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的雷达中单个接收天线阵列单元和发射天线阵列单元的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的雷达中微带梳形天线单元H面方向图；
图6为本发明实施例提供的雷达中接收端天线阵列E面四元阵因子归一化方向图；
图7为本发明实施例提供的雷达中接收端天线阵列E面四元稀疏阵列归一化方向图；
图8为本发明实施例提供的雷达中虚拟天线阵列E面虚拟阵阵因子归一化方向图；
图9为本发明实施例提供的雷达中虚拟天线阵列E面虚拟稀疏阵列归一化方向图。
具体实施方式中的附图标号如下：
雷达100，介质板110，传感器主体120，接收天线阵列130，接收天线阵列单元131，发射天线阵列140，发射天线阵列单元141，虚拟天线阵列150，隔离假天线160，过孔170，微带梳形天线单元180，微带线181，贴片182，安装孔190。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
根据本发明实施例的一个方面，提供一种雷达，使雷达在满足体积小、质量轻的同时，还具备良好的探测性能。
请参阅图1，雷达100包括：传感器主体120、接收天线阵列130和发射天线阵列140，接收天线阵列130包括若干个接收天线阵列单元131，发射天线阵列140包括与若干个接收天线阵列单元131平行设置的两个发射天线阵列单元141。发射天线阵列141的发射口径dn大于接收天线阵列131的接收口径dm。各发射天线阵列单元141分别与传感器主体120的发射端口相连，各接受天线阵列单元131分别与传感器主体120的接收端口相连。传感器主体120接收到接收天线阵列130接收的数字信号后，对数字信号进行虚拟孔径处理，在接收端口形成虚拟天线阵列。
现有雷达如果想要保证良好探测性能，就需要增大天线口径以提升天线增益和射频探测距离，而天线口径的增大会相应使雷达整体体积增大，质量加重。如果想要保证小体积、轻质量，就需要减小天线口径，而减小天线口径相应会使雷达探测性能降低，无法满足设备(例如无人机)所需的要求。
考虑到上述问题，本发明实施例提供的雷达100通过设置多输入两输出MIMO阵列，经过数字信号处理并利用虚拟孔径技术，在雷达100接收端形成虚拟天线阵列，从而在不改变实际天线数量和口径的基础上，实现雷达100接收端天接收口径一倍以上的增大，提升雷达的信噪比，并大幅度提高雷达天线的增益，使雷达天线的射频探测距离得到很大程度的提升，可有效满足无人机对雷达体积、质量以及探测性能的要求。
为了便于传感器主体120、接收天线阵列130和发射天线阵列140的固定，本发明进一步提出一种实施方式，具体请继续参阅图1，雷达100还包括介质板110，传感器主体120、接收天线阵列130和发射天线阵列140均设置于介质板110上，实现对传感器主体120、接收天线阵列130和发射天线阵列140的固定，并且便于雷达100整体的移动和安装。
请参阅图2，相邻接收天线阵列单元131的间距d1为0.5～2λ，其中λ为天线波长，发射口径d2比接收口径d3大0.5～2λ，通过虚拟孔径技术在接收端形成的虚拟天线阵列的虚拟口径d4＝2d3+(d2-d3)。
通过将相邻接收天线阵列单元131的间距d1设置为0.5～2λ，将发射口径d2设置为比接收口径d3大0.5～2λ，使得雷达100接收端形成的虚拟天线阵列150的虚拟口径d4大于原有接收天口径d3的两倍，从而在不改变实际天线数量和口径的基础上，实现雷达100接收端天线口径一倍以上的增大，使雷达天线的射频探测距离得到很大程度的提升。
为了提高接收天线阵列130的抗干扰能力，本发明进一步提出一种实施方式，具体请结合参阅图1及图3，接收天线阵列单元131的数量为四个，且相邻的接收天线阵列单元131的间距依次为1.5λ、1.5λ和2λ，接收天线阵列130通过稀疏阵列排布(即各相邻接收天线阵列单元131的间距不全相等)，从而避免各接收天线阵列单元131因间距太小而产生的互耦问题。
为了提升天线口径并降低雷达尺寸，本发明进一步提出一种实施方式，具体请再次参阅图3，两个发射天线阵列单元141的间距为6λ；上述四个接收天线阵列单元131和两个发射天线阵列单元141共同形成四输入两输出MIMO阵列，通过数字信号处理和虚拟孔径技术，雷达的接收端形成虚拟天线阵列150，在虚拟天线阵列150中，虚拟天线阵列150的口径达到11λ，是接收天线阵列130口径(1.5λ+1.5λ+2λ＝5λ)的2.2倍，实现雷达接收端天线口径一倍以上的增大，提升雷达的信噪比，大幅度提高雷达天线的增益，使雷达天线的射频探测距离得到很大程度的提升，并且能够满足无人机对雷达体积、质量以及探测性能的要求。
为了提高各接收天线阵列单元131之间的隔离度，本发明进一步提出一种实施方式，具体请再次参阅图1，相邻接收天线阵列单元131之间设置有隔离假天线160，隔离假天线160不与传感器主体120连接；进一步地，介质板110的边缘设置有过孔170，隔离假天线160经过孔170接地，以提升接收天线阵列单元131之间的隔离度，并起到抑制表面波的作用。
为了对上传感器主体及各天线阵列结构进行充分地说明，以下列举一种具体实施例，请参阅图1，为了适配无人机安装平台，介质板110尺寸设置为30mm×35mm，并采用适合77GHz-81GHz频段毫米波天线设计的Rogers(罗杰斯)RO3003(tm)板材，介质板110在78GHz频段介电常数设置为3.16，介质板110厚度设置为0.127mm，表面铜厚度设置为20μm，从而提高雷达天线收发的稳定性；传感器主体120采用Awr1863雷达传感器，Awr1863雷达传感器提供有分别与发射天线阵列单元141一对一连接的Tx1和Tx2端口，构成两发射通道，还提供有分别与接收天线阵列单元131一对一连接的Rx1、Rx2、Rx3和Rx4端口，构成四接收通道，两发射通道和四接收通道共同组成四输入两输出MIMO阵列，并通过数字信号处理和虚拟孔径技术，在接收端形成虚拟天线阵列，从而实现雷达满足无人机平台安装尺寸的同时，接收口径增大，增益提高，有效提升雷达探测能力和探测距离；介质板110四周排列设置有直径为0.1mm的金属化接地过孔170，以起到抑制表面波的作用。
请参阅图4，在一些实施例中，上述接收天线阵列单元和发射天线阵列单元各自包括两个在一端连接的微带梳形天线单元180，微带梳形天线单元180具有体积小、质量轻和剖面低的特点，更利于满足雷达应用于无人机平台时所需的小体积和轻量化要求。具体地，微带梳形天线单元180可以包括微带线181和若干个贴片182，其中微带线181的宽度可以设置为0.1mm，微带梳形天线单元180H面的方向图采用切比雪夫加窗函数综合，并且若干个贴片182交叉设置于微带线181的两侧，形成梳子形状，若干个贴片182镜像对称，并且相邻贴片182的间距d5设置为0.5λ。
为了提升天线的抗干扰能力，本发明进一步提出一种实施方式，具体请继续参阅图4，微带线181上交叉设置有八个贴片182，在微带线181的长度方向上八个贴片182的宽度比依次为w1:w2:w3:w4:w5:w7:w8＝0.57:0.66:0.87:1:1:0.87:0.66:0.57，其中贴片的最大宽度w4及w5可以设置为0.6mm，从而保证微带梳形天线单元180H面的副瓣电平小于-16dB，提升天线的抗干扰能力。
以下通过仿真实验对本发明实施例提供的雷达中天线的各项数据进行说明，根据方向图乘积原理，微带梳形天线单元E面方向图与虚拟天线阵列虚拟阵阵因子方向图的乘积即为虚拟天线阵列稀疏虚拟阵的方向图，具体请参阅图5至图9，其中图5为上述微带梳形天线单元H面方向图；以四通道接收天线阵列为例，图6及图7分别为运用MATLAB综合的上述接收端天线阵列E面四元阵因子归一化方向图和E面四元稀疏阵列归一化方向图，图8及图9分别为运用MATLAB综合的上述虚拟天线阵列E面虚拟阵阵因子归一化方向图和E面虚拟稀疏阵列归一化方向图。
如图5中所示，微带梳形天线单元H面增益为15.7dB，3dB波束宽度为19.3°，副瓣电平为-16.2dB，满足低副瓣电平要求。
将图6、7与图8、9对比可以看出，虚拟天线阵列的虚拟口径提升2.2倍，3dB波瓣宽度减少至一半，副瓣及旁瓣均比接收天线阵列有所下降，说明副瓣及旁瓣的进入和干扰信号得到抑制，从而保证了主信号的通信，并且有效提升雷达天线的信噪比和抗干扰能力。
根据本发明实施例的另一个方面，提供一种无人机，无人机包括无人机本体和如上所述的雷达，具体请再次参阅图1，雷达100中介质板110的端角处设置有安装孔190，安装孔190的直径可以设置为3mm，介质板110通过安装孔190固定于无人机本体。
本发明实施例提供的无人机通过采用可以满足无人机平台对于体积、质量和探测性能要求的雷达进行探测和定位，相较于现有采用摄像头结合视觉算法进行定位的无人机而言，雷达探测及定位更加精准，受环境和外部因素影响小，从而可有效提升无人机飞行和控制的智能化程度。
需要注意的是，除非另有说明，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明实施例所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本发明实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。
此外，技术术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种雷达，其特征在于，包括：传感器主体、接收天线阵列和发射天线阵列；
所述接收天线阵列包括若干个接收天线阵列单元，所述发射天线阵列包括与若干个所述接收天线阵列单元平行设置的两个发射天线阵列单元；
所述发射天线阵列的发射口径大于所述接收天线阵列的接收口径；
各所述发射天线阵列单元分别与所述传感器主体的发射端口相连，各所述接收天线阵列单元分别与所述传感器主体的接收端口相连；
所述传感器主体接收到所述接收天线阵列接收的数字信号后，对所述数字信号进行虚拟孔径处理，在所述接收端口形成虚拟天线阵列。
2.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述雷达还包括介质板，所述传感器主体、所述接收天线阵列和所述发射天线阵列均设置于所述介质板上。
3.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于，
相邻所述接收天线阵列单元的间距为0.5～2λ，其中λ为天线波长；
所述发射口径比所述接受口径大0.5～2λ；
所述虚拟天线阵列的虚拟口径等于所述接收口径的两倍再加0.5～2λ。
4.根据权利要求3所述的雷达，其特征在于，所述接收天线阵列单元的数量为四个，且相邻所述接收天线阵列单元的间距依次为1.5λ、1.5λ和2λ。
5.根据权利要求4所述的雷达，其特征在于，两个所述发射天线阵列单元的间距为6λ。
6.根据权利要求2所述的雷达，其特征在于，相邻所述接收天线阵列单元之间设置有隔离假天线。
7.根据权利要求6所述的雷达，其特征在于，所述介质板边缘设置有过孔，所述隔离假天线经所述过孔接地。
8.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述接收天线阵列单元和所述发射天线阵列单元各自包括两个在一端连接的微带梳形天线单元。
9.根据权利要求8所述的雷达，其特征在于，
所述微带梳形天线单元包括微带线和若干个贴片；
所述微带梳形天线单元H面方向图采用切比雪夫加窗函数综合；
若干个所述贴片交叉设置于所述微带线的两侧；
若干个所述贴片镜像对称；
相邻所述贴片的间距为0.5λ。
10.一种无人机，其特征在于，包括无人机本体和如权利要求1-9中任一项所述的雷达；
所述雷达包括介质板，所述传感器主体、所述接收天线阵列和所述发射天线阵列均设置于所述介质板上；
所述介质板上设置有安装孔，所述介质板通过所述安装孔固定于所述无人机本体。
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