CN116660907A - 无人机雷达、无人机及无人机雷达控制方法 - Google Patents

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CN116660907A CN202310655729.1A CN202310655729A CN116660907A CN 116660907 A CN116660907 A CN 116660907A CN 202310655729 A CN202310655729 A CN 202310655729A CN 116660907 A CN116660907 A CN 116660907A
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丁同禹
韩崇志
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Abstract

本发明提供了一种无人机雷达、无人机及无人机雷达控制方法，无人机雷达包括测量主机、单极子波束天线组、宽波束发射天线、宽波束接收天线、窄波束发射天线和窄波束接收天线。窄波束天线的波束较窄，测量无人机与地面之间的距离较为精准。宽波束天线的波束较宽，测量范围较广，可以辅助测量无人机斜下方有无障碍物，使无人机在地形变化时能够避开斜下方的障碍物。单极子波束天线组的波速最宽，在陡峭地形时，可以快速测量到侧方和斜下方的障碍物，使无人机能够快速避障或者刹停。如此，该无人机雷达的功能丰富，适用于无人机上升、下降、悬停、仿地等多种状态，测量结果较为精准，而且无需使用旋转雷达，结构稳定性较强，使用寿命较长。

Description

无人机雷达、无人机及无人机雷达控制方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，更具体地说，是涉及一种无人机雷达、无人机及无人机雷达控制方法。
背景技术
随着我国的科技发展与科学技术水平的提高，无人机在各个领域的应用越来越广泛。在无人机行业中，由于环境复杂造成无人机飞行有很多的不确定性。为了确保无人机的稳定飞行，因此需要在无人机下方安装雷达，使无人机具有感知环境的能力。无人机下方雷达对无人机的仿地、测高、稳定悬停、避障等功能具有重要作用。因此无人机下方雷达是使无人机稳定飞行的重要部件。无人机下方雷达的设计与安装是目前无人机设计的重点，同时也是难点所在。相较于激光雷达和超声波雷达，毫米波雷达具有不受天气和环境外界干扰的先天优势。且毫米波雷达易集成，体积小，成本低，能够很容易的满足无人机在多变环境中稳定的测量数据。
目前常用的雷达有以下两种：
1、纳雷科技NRA15-高度计雷达，其最大的缺点是单波束辐射范围窄，功能单一。从目前实际情况来看，单波束已经不能满足实际生活中复杂环境的应用，在遇到两个障碍物距离比较大的场景下，往往会由于波束宽度和波束个数的不足，导致对地形的认知不足，无法提前做出判断。
2、相控阵数字雷达。该雷达为大疆无人机采用的下方雷达，这种下方雷达测量方法的具体实现方式是利用机扫，它是通过电机以一定转速将单板的雷达进行周期转动，实现360度的目标探测。从而接受各个方向的数据，并对数据进行融合处理，从而达到定高，仿地的功能。主要不足之处为：由于电机的360度转动雷达刷新率不高，对于无人机的全方位的障碍物不能快速检测，相应雷达在一个具体的方向上辐射时间非常少，而雷达在具体方位的辐射时间与探测能力成正比。而且，机械式的高速转动限制了雷达的使用寿命、影响到稳定性，不能根据无人机的倾斜状态调整探测方向，适用范围有限。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种无人机雷达、无人机及无人机雷达控制方法，以解决现有技术中存在的高度计雷达功能单一，相控阵数字雷达对具体方位的探测能力不高、使用寿命短等技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种无人机雷达，包括：
单极子波束天线组，用于测量无人机与障碍物之间的距离以及测量回波信号的回波角度，以提供避障信息，所述单极子波束天线组的波束宽度大于85°；
宽波束发射天线，用于发射宽度大于25°，且小于80°的波束；
宽波束接收天线，用于接收所述宽波束发射天线发出的波束；
窄波束发射天线，用于发射宽度小于25°的波束；
窄波束接收天线，用于接收所述窄波束发射天线发出的波束；
测量主机，用于处理天线的发出波束和接收波束，所述测量主机具有使所述单极子波束天线组中的发射天线、所述宽波束发射天线及所述窄波束发射天线选择性工作的控制开关；
所述宽波束发射天线和所述宽波束接收天线用于测量无人机与障碍物之间的距离，以判断无人机是否需要避障；所述窄波束发射天线和所述窄波束接收天线用于测量无人机与地面的距离。
可选地，所述单极子波束天线组包括第一发射单极子天线、第二发射单极子天线、第一接收单极子天线以及第二接收单极子天线，所述第一发射单极子天线和所述第二发射单极子天线的连线为第一参考线，所述第一接收单极子天线和所述第二接收单极子天线的连线为第二参考线，所述第一参考线和所述第二参考线呈夹角设置，所述第一发射单极子天线或者所述第二发射单极子天线的发射波束由所述第一接收单极子天线和所述第二接收单极子天线接收，以测量回波信号与所述第二参考线之间的夹角，所述第一发射单极子天线和所述第二发射单极子天线同时发射波束均由所述第一接收单极子天线或者所述第二接收单极子天线接收，以测量回波信号与所述第一参考线之间的夹角。
可选地，所述测量主机包括信号发射模块和信号处理模块，所述信号发射模块包括所述控制开关，所述控制开关为单刀四掷开关；所述单极子波束天线组包括第一发射单极子天线、第二发射单极子天线、第一接收单极子天线以及第二接收单极子天线，所述单刀四掷开关四个触点分别与所述宽波束发射天线、所述窄波束发射天线、所述第一发射单极子天线和所述第二发射单极子天线连接。
可选地，所述信号发射模块还包括依次电性连接的信号调制电路、压控振荡器、功分器以及四个射频放大器，四个所述射频放大器分别与所述宽波束发射天线、所述窄波束发射天线、所述第一发射单极子天线和第所述二发射单极子天线电性连接，所述功分器和四个所述射频放大器之间通过所述单刀四掷开关电性连接，所述压控振荡器由所述信号调制电路驱动，所述功分器用于将发射信号分别输送至所述射频放大器和所述信号处理模块。
可选地，所述信号处理模块包括四个信号处理单元，所述信号处理单元包括依次电性连接的低噪声放大器、混频器、滤波放大器和模拟数字转换器，所述宽波束接收天线、所述窄波束接收天线、所述第一接收单极子天线及所述第二接收单极子天线分别与四个所述低噪声放大器电性连接，所述混频器与所述信号发射模块的功分器电性连接。
本发明还提供一种无人机，包括上述的无人机雷达。
本发明还提供一种无人机雷达控制方法，用于上述的无人机雷达中，无人机雷达控制方法包括：
无人机悬停或上升时，控制开关使窄波束发射天线工作，测量所述无人机与地面之间的距离；
无人机水平仿地时，控制开关使宽波束发射天线、所述窄波束发射天线和单极子波束天线组的发射天线选择性的工作；
无人机下降时，控制开关使所述窄波束发射天线和所述单极子波束天线组的发射天线选择性的工作。
可选地，无人机水平仿地时，控制开关使宽波束发射天线、所述窄波束发射天线和单极子波束天线组的发射天线选择性的工作的步骤中，
所述窄波束发射天线和窄波束接收天线测量所述无人机与障碍物之间的距离为l1，所述宽波束发射天线和宽波束接收天线测量所述无人机与障碍物之间的距离为l2，所述单极子波束天线组测量无人机与障碍物之间的距离为l3，避障阈值为R，
l1>l2>R时，所述无人机进行拉升；
l1>l2且l2<R时，或者，l1>l2且l3<R时，所述无人机进行避障或者刹停。
可选地，人机下降时，控制开关使所述窄波束发射天线和所述单极子波束天线组的发射天线选择性的工作的步骤中，
所述窄波束发射天线和窄波束接收天线测量所述无人机与障碍物之间的距离为l1，所述单极子波束天线组测量无人机与障碍物之间的距离l3，避障阈值为R，l3<R时，所述无人机进行避障或者刹停。
可选地，所述无人机进行避障的步骤包括：所述单极子波束天线组测量无人机与障碍物之间的距离l3，且测量回波信号的回波角度，将测量的避障数据传输至无人机的紧急制动模块。
本发明提供的无人机雷达、无人机及无人机雷达控制方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明无人机雷达包括测量主机、单极子波束天线组、宽波束发射天线、宽波束接收天线、窄波束发射天线和窄波束接收天线。单极子波束天线组、宽波束天线和窄波束天线的波束宽度依次减小。窄波束天线的波束较窄，测量无人机与地面之间的距离较为精准，因此可以在无人机上升、下降、悬停、仿地等状态下，测量无人机与地面之间的角度。宽波束天线的波束较宽，测量范围较广，可以辅助测量无人机斜下方有无障碍物，使无人机在地形变化时能够避开斜下方的障碍物。单极子波束天线组的波速最宽，在陡峭地形时，可以快速测量到侧方和斜下方的障碍物，使无人机能够快速避障或者刹停。如此，该无人机雷达的功能丰富，适用于无人机上升、下降、悬停、仿地等多种状态，测量结果较为精准，而且无需使用旋转雷达，结构稳定性较强，使用寿命较长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的无人机雷达的内部结构框架图；
图2为本发明实施例提供的无人机雷达下方波束的示意图；
图3为本发明实施例提供的无人机雷达的各个天线的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的无人机上升或悬停时的波束示意图；
图5为本发明实施例提供的地形未触发避障阈值时无人机仿地图；
图6为本发明实施例提供的地形触发避障阈值时无人机仿地图；
图7为本发明实施例提供的无人机下降时的波束示意图；
图8为本发明实施例提供的无人机的内部结构框架图；
图9为本发明实施例提供的无人机雷达控制方法的流程示意图；
图10为本发明实施例提供的调频连续波的时域和频域的示意图；
图11为本发明实施例提供的发射信号和接收信号的频率时间关系图；
图12为本发明实施例提供的基于相位差的测角原理；
图13为本发明实施例提供的单极子波束天线组测角流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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的限制。
此外，术语“第一”、“第二”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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
雷达是无人机中较为核心的部件，与飞行控制系统配合，使无人机具有避障功能。本发明实施例中的雷达为毫米波雷达，即雷达中的天线均为毫米波天线。毫米波雷达具有不受天气和环境外界干扰的先天优势，且毫米波雷达易集成，体积小，成本低，能够很容易的满足无人机在多变环境中稳定的测量数据。
现对本发明实施例提供的无人机雷达进行说明。无人机雷达设置在无人机的下方，可以对无人机下方的地形进行测量，以进行避障。
请参阅图1至图3，无人机雷达包括测量主机、单极子波束天线组、宽波束天线和窄波束天线。
单极子波束天线组中的发射天线用于发射单极子波束，单极子波束天线组中的接收天线用于接收单极子波束。单极子波束天线组的波束宽度大于85°，其波束较宽，可以测量无人机斜下方是否有障碍物。单极子波束天线组可以测量无人机与障碍物之间的距离，而且，单极子波束天线组还可以测量回波信号的回波角度，通过回波角度可以计算出障碍物相对于无人机的位置。回波角度即为单极子波束天线组的发射天线发出的波束经过障碍物反射后由单极子波束天线组的接收天线接收的波束。因此，单极子波束天线所测量的距离和回波角度均为避障信息，将避障信息传输至无人机的飞行控制系统，即可防止无人机撞到障碍物。
宽波束天线包括宽波束发射天线(TX2)和宽波束接收天线(RX2)，宽波束天线的波束宽度大于25°，且小于80°。具体而言，宽波束发射天线发射宽度大于25°，且小于80°的波束，宽波束接收天线用于接收宽波束发射天线发射的波束。宽波束天线可以用于测量无人机与障碍物之间的距离，由于宽波束天线的波束相对较宽，因此可以测量无人机斜下方的障碍物，以便无人机可以提前进行拉升避障，也就是说，可以提供是否需要避障的信息。
窄波束天线包括窄波束发射天线(TX1)和窄波束接收天线(RX1)，窄波束天线的波束宽度小于25°。具体而言，窄波束发射天线发射宽度小于25°的波束，窄波束接收天线，用于接收窄波束发射天线发出的波束。由于波束越窄，测距的精度越高，窄波束天线可以用于测量无人机与地面之间的距离。其中，地面定义为无人机正下方的物体，障碍物定义为无人机斜下方区域的物体。
单极子波束天线组、宽波束天线和窄波束天线均位于无人机的下方，且单极子波束天线组、宽波束天线和窄波束天线所发出波束的中心对称线均竖直设置。也就是说，单极子波束天线组覆盖的测量区域最广，宽波束天线次之，窄波束天线最小。
需要说明的是，该无人机雷达中各个天线测量的无人机与地面或者障碍物之间的距离均为所测得数据的最小距离。因为，在无人机和地面或者障碍物之间，具有多条传输路径(如信号经过折射返回)，只有最短的传输路径对应的距离才为无人机和地面或者障碍物之间的距离。天线的测距原理可参照无人机雷达控制方法中提供的实施例，此处不再赘述。
测量主机用于处理各个天线的发出波束和接收波束，单极子波束天线组、宽波束天线和窄波束天线均与测量主机电性连接。其中，测量主机包括控制开关，控制开关用于使单极子波束天线组中的发射天线、宽波束发射天线及窄波束发射天线选择性工作，从而适应于无人机不同的工作状态。
请参阅图4，无人机在上升或者悬停时，在该种工作模式下，无人机垂直向上，不受障碍物的威胁。窄波束天线工作，可以测量无人机与地面之间的距离，以便实时监测无人机的高度。具体而言，窄波束发射天线发射信号，信号传输至地面后经过反射，由窄波束接收天线接收信号，并计算出地面和无人机之间的距离。
请参阅图5及图6，无人机在水平仿地时，在该种工作模式下，需要获取无人机下方障碍物和地形的变化。控制开关使宽波束发射天线、窄波束发射天线和单极子波束天线组的发射天线选择性的工作。窄波束发射天线和窄波束接收天线测量无人机与地面之间的距离为l1，宽波束发射天线和宽波束接收天线测量无人机与障碍物之间的距离为l2，单极子波束天线组测量无人机与障碍物之间的距离l3，避障阈值为R，避障阈值可根据无人机的飞行速度等参数设定，避障阈值不可过大或者过小，既要保证无人机的安全性，又要尽可能减少无人机的无效避障次数。
请参阅图5，宽波束天线相对于窄波束天线的波束较宽，能够更广范围地检测无人机斜下方的地形。l1>l2时，则说明无人机的斜下方与无人机之间的距离小于无人机正下方的地面与无人机之间的距离，即代表无人机的斜下方具有地形增高区域。若同时l2>R，则代表地形增高区域与无人机之间的距离大于避让阈值，此时，无人机拉升，增大其与地形增高区域之间的距离，防止无人机与地形增高区域相撞。
请参阅图6，l1>l2时，则说明无人机的斜下方与无人机之间的距离小于无人机正下方的地面与无人机之间的距离，即代表无人机的斜下方具有地形增高区域。若同时l2<R，或者，l3<R时，则代表地形增高区域坡度陡峭，无人机需要进行避障或者刹停。其中，避障可为无人机预先设定的避障程序，如垂直拉高无人机，或者，按照一定的斜率斜向上拉高无人机，或者，直接刹停等。
在无人机进行避障时，单极子波束天线测量无人机与障碍物之间的距离l3，且测量回波信号的回波角度。单极子波束天线组由于其波束较宽，因此能够更广范围地检测无人机斜下方的地形。特别是坡度较大时，单极子波束天线能够测量靠近无人机侧方的障碍物与无人机之间的距离以及障碍物的坡度，其中，障碍物的坡度通过回波角度可以得到。将单极子波束天线测量的无人机与障碍物之间的距离和回波信号的回波角度均输入至无人机的紧急制动模块中，进而进行避障或者刹停。
请参阅图7，无人机在下降时，在该种工作模式下，需要判断无人机下方的障碍物以及无人机距离地面的高度。控制开关使窄波束发射天线和单极子波束天线组的发射天线选择性的工作。窄波束发射天线和窄波束接收天线测量无人机与地面之间的距离为l1，单极子波束天线组测量无人机与障碍物之间的距离l3，避障阈值为R，l3<R时，无人机进行避障或者刹停。无人机进行避让的步骤和原理如上段，此处不再赘述。
上述实施例中的无人机雷达，包括测量主机、单极子波束天线组、宽波束发射天线、宽波束接收天线、窄波束发射天线和窄波束接收天线。单极子波束天线组、宽波束天线和窄波束天线的波束宽度依次减小。窄波束天线的波束较窄，测量无人机与地面之间的距离较为精准，因此可以在无人机上升、下降、悬停、仿地等状态下，测量无人机与地面之间的角度。宽波束天线的波束较宽，测量范围较广，可以辅助测量无人机斜下方有无障碍物，使无人机在地形变化时能够避开斜下方的障碍物。单极子波束天线组的波速最宽，在陡峭地形时，可以快速测量到侧方和斜下方的障碍物，使无人机能够快速避障或者刹停。如此，该无人机雷达的功能丰富，适用于无人机上升、下降、悬停、仿地等多种状态，测量结果较为精准，而且无需使用旋转雷达，结构稳定性较强，使用寿命较长。
在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图3，单极子波束天线组包括第一发射单极子天线、第二发射单极子天线、第一接收单极子天线以及第二接收单极子天线。第一发射单极子天线和第二发射单极子天线的连线为第一参考线，第一接收单极子天线和第二接收单极子天线的连线为第二参考线。第一参考线和第二参考线呈夹角设置，从而可以测量回波信号的回波角度。
在一些实施例中，第一单极子天线的发射波束由第一接收单极子天线和第二接收单极子天线接收，以便于测量回波信号和第二参考线之间的夹角。具体而言，由于第一接收单极子天线和第二接收单极子天线之间间隔设置，第一接收单极子天线和第二接收单极子天线接收同一信号的时间不同，通过该时间差可以计算出两个传输路径之间的距离差，第一接收单极子天线和第二接收单极子天线之间的距离已知，从而可以计算出回波信号和第二参考线之间的夹角。
在一些实施例中，第二单极子天线的发射波束由第一接收单极子天线和第二接收单极子天线接收，以便于测量回波信号和第二参考线之间的夹角，测量原理与上述类似，此处不再赘述。
在一些实施例中，第一发射单极子天线和第二发射单极子天线同时发射波束均由第一接收单极子天线接收，以便于测量回波信号与第一参考线之间的夹角，测量原理与上述类似，此处不再赘述。
在一些实施例中，第一发射单极子天线和第二发射单极子天线同时发射波束均由第二接收单极子天线接收，以便于测量回波信号与第一参考线之间的夹角，测量原理与上述类似，此处不再赘述。
在本发明的一些实施例中，第一参考线和第二参考线相互垂直，在三维空间中，任意接收信号的方向均可以通过该来波方向与第一参考线之间的夹角，该来波方向与第二参考线之间的夹角定义。
可选地，第一发射单极子天线和第二发射单极子天线之间的距离为半波长，第一接收单极子天线和第二接收单极子天线之间的距离为半波长。将距离设置为半波长，一是使两个接收天线和两个发射天线之间的距离较小，使得接收信号达到两个不同的接收天线之间的时间差不超过一个周期；保证来波方向计算的准确性；二是使得来波方向的计算量较小。
需要说明的是，回波角度的测量原理可参照无人机雷达控制方法中提供的实施例，此处不再赘述。
在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1，测量主机包括信号发射模块和信号处理模块，信号发射模块用于处理发射信号，使发射信号通过各个发射天线发出，信号处理模块用于处理各个接收天线的接收信号。
在一些实施例中，信号发射模块包括控制开关，控制开关为单刀四掷开关，单刀四掷开关四个触点分别与宽波束发射天线、窄波束发射天线、第一发射单极子天线和第二发射单极子天线连接。在无人机悬停或者上升时，单刀四掷开关使窄波束发射天线始终与信号发射模块导通。在无人机水平仿地时，单刀四掷开关使宽波束发射天线、窄波束发射天线、第一发射单极子天线和第二发射单极子天线轮流与信号发射模块导通。在无人机下降时，单刀四掷开关使窄波束发射天线、第一发射单极子天线和第二发射单极子天线轮流与信号发射模块导通。
在一些实施例中，信号发射模块包括控制开关，控制开关为包括四个单刀单掷开关。四个单刀单掷开关的一端分别与宽波束发射天线、窄波束发射天线、第一发射单极子天线和第二发射单极子天线连接。这样，在无人机的各个工作模式下，可以选择性地打开和关闭各个单刀单掷开关。
在一些实施例中，信号发射模块还包括依次电性连接的信号调制电路、压控振荡器、功分器以及四个射频放大器，四个射频放大器分别与宽波束发射天线、窄波束发射天线、第一发射单极子天线和第二发射单极子天线电性连接，功分器和四个射频放大器之间通过控制开关电性连接。控制开关为单刀四掷开关，单刀四掷开关的四个不动端触点分别与四个射频放大器电性连接，单刀四掷开关的一个动端触点与功分器电性连接。控制开关为四个单刀单掷开关，四个单刀单掷开关的动端均连接至功分器，不动端分别与四个射频放大器电性连接。信号调制电路产生用于调制信号的电压波形(如图10左上角的示意图)。该电压波形驱动压控振荡器(VCO)，从而产生频率随时间线性递增的信号，即，线性调频连续波(LFMCW)。这部分电路一般是利用锁相环(PLL)配合VCO从而实现低失真的线性调频信号。该线性调频信号一部分经过射频放大器(PA)并通过发射天线发射；另一部分通过功分器分给混频器。
在一些实施例中，信号处理模块包括四个信号处理单元。四个信号处理单元包括依次电性连接的低噪声放大器、混频器、滤波放大器和模拟数字转换器。宽波束接收天线、窄波束接收天线、第一接收单极子天线及第二接收单极子天线分别与四个低噪声放大器电性连接，混频器与信号发射模块的功分器电性连接。发射出的信号经过多条传输路径达到对应的接收天线后，进入低噪声放大器(LNA)。然后经过混频和滤波后得到中频信号，并通过模拟数字转换器(ADC)对中频信号进行转换处理。
请参阅图8，本发明还提供一种无人机，无人机包括上述任一实施例中的无人机雷达。
本发明提供的无人机，采用了上述的无人机雷达，无人机雷达包括测量主机、单极子波束天线组、宽波束发射天线、宽波束接收天线、窄波束发射天线和窄波束接收天线。单极子波束天线组、宽波束天线和窄波束天线的波束宽度依次减小。窄波束天线的波束较窄，测量无人机与地面之间的距离较为精准，因此可以在无人机上升、下降、悬停、仿地等状态下，测量无人机与地面之间的角度。宽波束天线的波束较宽，测量范围较广，可以辅助测量无人机斜下方有无障碍物，使无人机在地形变化时能够避开斜下方的障碍物。单极子波束天线组的波速最宽，在陡峭地形时，可以快速测量到侧方和斜下方的障碍物，使无人机能够快速避障或者刹停。如此，该无人机雷达的功能丰富，适用于无人机上升、下降、悬停、仿地等多种状态，测量结果较为精准，而且无需使用旋转雷达，结构稳定性较强，使用寿命较长。
在本发明的一些实施例中，请参阅图8，无人机还包括飞行控制系统，飞行控制系统与无人机雷达电性连接。飞行控制系统包括姿态控制模块、驱动模块、飞行数据模块及紧急制动模块。无人机雷达将数据传送给无人机的飞行控制系统，两者之间通过数据线来进行交换数据，无人机雷达通过数据线将采集到数据发送到飞行控制系统的驱动模块，驱动模块在接收数据之后，将数据传送给姿态控制模块，从而控制无人机的高度。驱动模块将避障数据传送给紧急制动系统，从而控制无人机在碰到障碍物时及时进行避障或者刹停。飞行控制系统采集飞行数据将雷达的模式选择通过驱动模块传送给雷达，从而控制雷达的工作模式。
本发明还提供一种无人机雷达控制方法，请参阅图9，用于上述任一实施例中的无人机雷达中，包括以下步骤：
无人机悬停或上升时，控制开关使窄波束发射天线工作，测量所述无人机与地面之间的距离；
无人机水平仿地时，控制开关使宽波束发射天线、窄波束发射天线和单极子波束天线组的发射天线选择性的工作；
无人机下降时，控制开关使窄波束发射天线和单极子波束天线组的发射天线选择性的工作。
通过上述的实施例，无人机雷达控制方法适用于无人机上升、下降、悬停、仿地等多种状态，测量结果较为精准，而且无需使用旋转雷达，结构稳定性较强，使用寿命较长。
在本发明的一些实施例中，请参阅图4，无人机在上升或者悬停时，在该种工作模式下，无人机垂直向上，不受障碍物的威胁。窄波束天线工作，可以测量无人机与地面之间的距离，以便实时监测无人机的高度。具体而言，窄波束发射天线发射信号，信号传输至地面后经过反射，由窄波束接收天线接收信号，并计算出地面和无人机之间的距离。
在本发明的一些实施例中，请参阅图5及图6，无人机在水平仿地时，在该种工作模式下，需要获取无人机下方障碍物和地形的变化。控制开关使宽波束发射天线、窄波束发射天线和单极子波束天线组的发射天线选择性的工作。窄波束发射天线和窄波束接收天线测量所述无人机与障碍物之间的距离为l1，宽波束发射天线和宽波束接收天线测量所述无人机与障碍物之间的距离为l2，单极子波束天线组测量无人机与障碍物之间的距离l3，避障阈值为R，避障阈值可根据无人机的飞行速度等参数设定，避障阈值不可过大或者过小，既要保证无人机的安全性，又要尽可能减少无人机的无效避障次数。
请参阅图5，宽波束天线相对于窄波束天线的波束较宽，能够更广范围地检测无人机斜下方的地形。l1>l2时，则说明无人机的斜下方与无人机之间的距离小于无人机正下方的底面与无人机之间的距离，即代表无人机的斜下方具有地形增高区域。若同时l2>R，则代表地形增高区域与无人机之间的距离大于避让阈值，此时，无人机拉升，增大其与地形增高区域之间的距离，防止无人机与地形增高区域相撞。
请参阅图6，l1>l2时，则说明无人机的斜下方与无人机之间的距离小于无人机正下方的底面与无人机之间的距离，即代表无人机的斜下方具有地形增高区域。若同时l2<R，或者，l3<R时，则代表地形增高区域坡度陡峭，无人机需要进行避障或者刹停。其中，避障可为无人机预先设定的避障程序，如垂直拉高无人机，或者，按照一定的斜率斜向上拉高无人机，或者，直接刹停等。
在无人机进行避障时，单极子波束天线测量无人机与障碍物之间的距离l3，且测量回波信号的回波角度。单极子波束天线组由于其波束较宽，因此能够更广范围地检测无人机斜下方的地形。特别是坡度较大时，单极子波束天线能够测量靠近无人机侧方的障碍物与无人机之间的距离以及障碍物的坡度，其中，障碍物的坡度通过回波角度可以得到。将单极子波束天线测量的无人机与障碍物之间的距离和回波信号的回波角度均输入至无人机的紧急制动模块中，进而进行避障或者刹停。
在本发明的一些实施例中，请参阅图7，无人机在下降时，在该种工作模式下，需要判断无人机下方的障碍物以及无人机距离地面的高度。控制开关使窄波束发射天线和单极子波束天线组的发射天线选择性的工作。窄波束发射天线和窄波束接收天线测量无人机与障碍物之间的距离为l1，单极子波束天线组测量无人机与障碍物之间的距离l3，避障阈值为R，l3<R时，无人机进行避障或者刹停。无人机进行避让的步骤和原理如上段，此处不再赘述。
窄波束天线测距、宽波束天线测距和单极子波束天线测距的步骤相同。以窄波束天线为例，测距步骤包括：
1)窄波束发射天线发射电磁波，由窄波束接收天线接收电磁波，并在接受通道的时域波形数据上进行加窗，窗函数可以是汉宁窗，海明窗等。加窗的目的是降低时域向频域转换的截断效应。2)对接收新高进行FFT变换，即进行时-频域转换。3)在FFT的幅度频谱上进行峰值搜索，得到信号峰值点的位置列表。4)根基上述列表位置进行频谱细分，并获取细分之后的频谱峰值位置索引列表和幅度值列表。5)找到频谱峰值位置索引列表所对应的频率值，从而根据公式(9)得到距离,其中f是中频信号的频率，μ是调频连续波的斜率，c是光速
需要说明的是，无人机雷达中各个天线测量的无人机与地面或者障碍物之间的距离均为所测得数据的最小距离。请参阅图10及图11，发射天线发射调频连续波信号，线性调频连续波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave,缩写LFMCW)，其接收的回波频率与发射的频率变化规律相同，都是三角波规律，接收信号和发射信号之间存在一个时间差。图10中左下角为线性调频连续波信号时间和频率的关系(频域)，具体而言，时间和频率随线性变化，时间越长，频率越大。图10中右图为线性调频连续波信号时间和幅度的关系(时域)，幅度随时间呈正弦波形。线性调频连续波信号发出时称为发射信号，线性调频连续波信号经过反射或者直接通过空气传播后至三个接收天线处的信号称为接收信号。请参阅图11，接收信号相当于发射信号向右平移τ的距离，τ为发射信号和接收信号之间的时间差(时延)。
其中，发射出的信号可能一部分直接到达接收天线，这部分称之为视距信号(line-of-sight，简称LOS)，经过环境反射到达的信号称之为非视距(non line-of-sight，简称NLOS)信号。无论哪种信号，到达接收天线时，实际上是发射信号经过一定时间延迟和信号衰减。在无人机雷达测距时，需要测量视距信号的传输距离。
以下示例是对视距信号进行距离测量计算。
线性调频连续波发射信号可以被描述为：
其中f0是起始频率，是信号初始相位，A0是表示发射功率的幅度，μ为调频斜率，也就是发射信号频率随时间的变化率。
假设经过时间τ后上述信号到达接收天线。假如发射天线与接收天线之间距传输离为R，其中c代表光速。该接收信号与对应的发射信号之间则存在频率差Δf＝μt。
对应的接收信号可以表述为：
其中Kr为衰减因子。
将发射信号和接收天线的接收信号混频，即将Sr(t)与St(t)混频(公式(1)和公式(2)相乘)，则得到：
上式中有两个频率分量，一个是前半部分的频率为2f0为主的高频分量，另一个是以频率为μt的低频分量。经过低通滤波器后很容易将高频分量滤除。则可以得到中频信号：
一般来说采用标准量纲之后τ一般为纳秒级，因此τ2的值极其微小可以忽略，则上式简化为：
其中，f0τ表现为一个与距离有关的相位，μτ为与距离有关的频率。
最后由公式(5)
求解出τ的值，然后根据算出距离。
在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及图3，单极子波束天线组包括第一发射单极子天线、第二发射单极子天线、第一接收单极子天线以及第二接收单极子天线。第一发射单极子天线和第二发射单极子天线的连线为第一参考线，第一接收单极子天线和第二接收单极子天线的连线为第二参考线。第一参考线和第二参考线呈夹角设置，从而可以测量回波信号的回波角度。
在一些实施例中，第一发射单极子天线的发射波束由第一接收单极子天线和第二接收单极子天线接收，以便于测量回波信号和第二参考线之间的夹角。第一发射单极子天线和第二发射单极子天线同时发射波束均由第一接收单极子天线接收。第一参考线和第二参考线相互垂直，第一发射单极子天线和第二发射单极子天线之间的距离为半波长，第一接收单极子天线和第二接收单极子天线之间的距离为半波长。
具体距离测量和角度测量流程如图13所示。第一发射单极子天线(TX3)的发射波束由第一接收单极子天线(RX3)和第二接收单极子天线(RX4)接收，以便于测量回波信号和第二参考线之间的夹角。第一发射单极子天线(TX3)和第二发射单极子天线(TX4)同时发射波束均由第一接收单极子天线(RX3)接收。
在接收通道的时域波形数据上进行加窗，窗函数可以是汉宁窗，海明窗等。加窗的目的是降低时域向频域转换的截断效应。对接收通道进行FFT变换，进行时-频域转换。在FFT的幅度频谱上进行峰值搜索，得到信号峰值点的位置列表。根据上述列表位置进行频谱细分，并获取细分之后的频谱峰值位置索引列表和幅度值列表。根据索引列表位置，分别在两个接受通道的对应频谱上进行单点的时-频域变换，并获得这些点的相位信息，分别计算两个接受通道在对应索引位置上的相位差进而计算出信号入射角列表。
以第一发射单极子天线发出波束，由第一接收单极子天线和第二接收单极子天线接收为例对如何测量和计算回波角度进行说明。第一发射单极子天线和第二发射单极子天线发出波束，第一单极子天线接收等实施例如何测量回波角度可参考下述说明，此处不再赘述。
请参阅图12，当入射的平面波(接收信号)以入射角θ1到达第一接收单极子天线和第二接收单极子天线时，由于入射角相对第一参考线的倾斜造成到达两个天线时具有一个距离差l。该距离差l和角度θ1之间的关系为：
那么假设第一接收单极子天线是首要通道，即第一接收单极子天线所收到的中频信号描述为公式(7)中形式，那么第一接收单极子天线及第二接收单极子天线所收到的中频信号可以分别描述为：
其中Δτ为由于距离差l所造成的时间差，显然Δτ＝1/c。此外对于μ(τ+Δτ)t来说由于Δτ相对于τ非常小，因此其对频率的改变一般可以忽略，因此我们可以将IF2(t)近似为：
假设IF1(t)和IF2(t)在频率μτ分别具有相位角和/>那么
如此，即可得到接收信号和第一参考线的夹角θ1，同样采用上述方法可以得到接收信号和第二参考线的夹角θ2，从而可以得到接收信号的来波角度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.无人机雷达，其特征在于，包括：
单极子波束天线组，用于测量无人机与障碍物之间的距离以及测量回波信号的回波角度，以提供避障信息，所述单极子波束天线组的波束宽度大于85°；
宽波束发射天线，用于发射宽度大于25°，且小于80°的波束；
宽波束接收天线，用于接收所述宽波束发射天线发出的波束；
窄波束发射天线，用于发射宽度小于25°的波束；
窄波束接收天线，用于接收所述窄波束发射天线发出的波束；
测量主机，用于处理天线的发出波束和接收波束，所述测量主机具有使所述单极子波束天线组中的发射天线、所述宽波束发射天线及所述窄波束发射天线选择性工作的控制开关；
所述宽波束发射天线和所述宽波束接收天线用于测量无人机与障碍物之间的距离，以判断无人机是否需要避障；所述窄波束发射天线和所述窄波束接收天线用于测量无人机与地面的距离。
2.如权利要求1所述的无人机雷达，其特征在于，所述单极子波束天线组包括第一发射单极子天线、第二发射单极子天线、第一接收单极子天线以及第二接收单极子天线，所述第一发射单极子天线和所述第二发射单极子天线的连线为第一参考线，所述第一接收单极子天线和所述第二接收单极子天线的连线为第二参考线，所述第一参考线和所述第二参考线呈夹角设置，所述第一发射单极子天线或者所述第二发射单极子天线的发射波束由所述第一接收单极子天线和所述第二接收单极子天线接收，以测量回波信号与所述第二参考线之间的夹角，所述第一发射单极子天线和所述第二发射单极子天线同时发射波束均由所述第一接收单极子天线或者所述第二接收单极子天线接收，以测量回波信号与所述第一参考线之间的夹角。
3.如权利要求1所述的无人机雷达，其特征在于，所述测量主机包括信号发射模块和信号处理模块，所述信号发射模块包括所述控制开关，所述控制开关为单刀四掷开关；所述单极子波束天线组包括第一发射单极子天线、第二发射单极子天线、第一接收单极子天线以及第二接收单极子天线，所述单刀四掷开关四个触点分别与所述宽波束发射天线、所述窄波束发射天线、所述第一发射单极子天线和所述第二发射单极子天线连接。
4.如权利要求3所述的无人机雷达，其特征在于，所述信号发射模块还包括依次电性连接的信号调制电路、压控振荡器、功分器以及四个射频放大器，四个所述射频放大器分别与所述宽波束发射天线、所述窄波束发射天线、所述第一发射单极子天线和第所述二发射单极子天线电性连接，所述功分器和四个所述射频放大器之间通过所述单刀四掷开关电性连接，所述压控振荡器由所述信号调制电路驱动，所述功分器用于将发射信号分别输送至所述射频放大器和所述信号处理模块。
5.如权利要求3所述的无人机雷达，其特征在于，所述信号处理模块包括四个信号处理单元，所述信号处理单元包括依次电性连接的低噪声放大器、混频器、滤波放大器和模拟数字转换器，所述宽波束接收天线、所述窄波束接收天线、所述第一接收单极子天线及所述第二接收单极子天线分别与四个所述低噪声放大器电性连接，所述混频器与所述信号发射模块的功分器电性连接。
6.无人机，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的无人机雷达。
7.无人机雷达控制方法，用于权利要求1-5任一项所述的无人机雷达中，其特征在于，包括：
无人机悬停或上升时，控制开关使窄波束发射天线工作，测量所述无人机与地面之间的距离；
无人机水平仿地时，控制开关使宽波束发射天线、所述窄波束发射天线和单极子波束天线组的发射天线选择性的工作；
无人机下降时，控制开关使所述窄波束发射天线和所述单极子波束天线组的发射天线选择性的工作。
8.如权利要求7所述的无人机雷达控制方法，其特征在于，无人机水平仿地时，控制开关使宽波束发射天线、所述窄波束发射天线和单极子波束天线组的发射天线选择性的工作的步骤中，
所述窄波束发射天线和窄波束接收天线测量所述无人机与障碍物之间的距离为l1，所述宽波束发射天线和宽波束接收天线测量所述无人机与障碍物之间的距离为l2，所述单极子波束天线组测量无人机与障碍物之间的距离为l3，避障阈值为R，
l1>l2>R时，所述无人机进行拉升；
l1>l2且l2<R时，或者，l1>l2且l3<R时，所述无人机进行避障或者刹停。
9.如权利要求7所述的无人机雷达控制方法，其特征在于，无人机下降时，控制开关使所述窄波束发射天线和所述单极子波束天线组的发射天线选择性的工作的步骤中，
所述窄波束发射天线和窄波束接收天线测量所述无人机与障碍物之间的距离为l1，所述单极子波束天线组测量无人机与障碍物之间的距离l3，避障阈值为R，l3<R时，所述无人机进行避障或者刹停。
10.如权利要求8或9所述的无人机雷达控制方法，其特征在于，所述无人机进行避障的步骤包括：所述单极子波束天线组测量无人机与障碍物之间的距离l3，且测量回波信号的回波角度，将测量的避障数据传输至无人机的紧急制动模块。
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