CN117630914A - 一种面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统及方法，涉及无人机及低空监视技领域，为解决现有监测装置结构不够灵活，不能全方位且高效地检测低空飞行的无人机目标的问题。系统包括：雷达转台和光学红外转台，雷达转台包括雷达步进电机、转动连杆、雷达、电子陀螺仪；雷达步进电机设置于雷达转台底部，通过齿轮与转动连杆底部相连，雷达安装在转动连杆顶部，电子陀螺仪安装在雷达下方；光学红外转台包括红外步进电机、半球形外壳、光学红外成像装置和旋转码盘；红外步进电机与旋转码盘通过齿轮啮合，光学红外成像装置安装在半球形外壳外表面，其内部设置有微型电机，转动连杆贯穿半球形外壳的顶端中心部并延伸至半球形外壳的底部。
Description
技术领域
本发明涉及无人机及低空监视技术领域，具体而言，涉及一种面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统及方法。
背景技术
随着消费级无人机技术的迅猛发展，轻小型无人机拥有量增长迅速，由于缺乏有效监管，及易形成黑飞等特点，针对国内轻小型无人机的监管，迫切需要采取各种先进的技术手段。集成红外夜视与主动雷达的侦测装置是通过将主动雷达和红外摄像头相结合，可以在夜晚光线较差的情况下进行清晰观察的装置，具有广泛的应用前景，如现有装置多聚焦于陆地上的车辆目标探测场景(CN201822105870.1，雷达和光学设备一体化结构装置；CN202111626836.9，多角度可调节雷视一体机传感器；CN202211739187.8，一种雷视一体机等)，但现有技术存在探测范围有限，整体结构不够灵活，无法实现水平和竖直方向上的多角度探测，同时雷达设备对于速度较快的目标探测能力不足，不具备对低空快速飞行的目标的精准探测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
现有的雷达转台监测装置结构不够灵活，不能全方位且高效地检测低空飞行的无人机目标的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：
本发明提供了一种面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统，包括：雷达转台、光学红外转台和底座，所述雷达转台包括雷达步进电机、转动连杆、雷达和电子陀螺仪；所述雷达步进电机设置于雷达转台底部，雷达步进电机的输出端通过齿轮与所述转动连杆底部啮合连接，所述雷达安装在所述转动连杆顶部，所述电子陀螺仪安装在雷达下方，用于测量当前雷达视线的水平方位信息；
所述光学红外转台包括红外步进电机、半球形外壳、光学红外成像装置、支架和旋转码盘；所述底座设有滑轨，所述半球形外壳安装在底座的滑轨上并可自由转动，所述旋转码盘设置于半球形外壳的底部外侧，并设有齿轮，所述红外步进电机安装于所述底座上，所述红外步进电机的输出端通过齿轮与所述旋转码盘啮合连接，光学红外成像装置通过支架安装在半球形外壳外表面，所述光学红外成像装置内部设置有微型电机，用于驱动其俯仰向转动；
所述转动连杆贯穿半球形外壳内部的转动连杆限位腔后延伸出底座，所述转动连杆限位腔设置在半球形外壳内部中心处，所述转动连杆通过轴承设置在转动连杆限位腔内。
进一步地，该系统还包括报警装置和控制模块，所述雷达和电子陀螺仪的输出端与所述控制模块的输入端相连，所述控制模块的输出端与所述光学红外成像装置、旋转码盘及报警模块的输入端相连，所述报警模块安装于雷达顶部。
进一步地，所述控制模块包括存储模块和处理模块，所述存储模块用于存储目标位置信息和水平方位信息数据；所述处理模块用于接收雷达和电子陀螺仪的输出的位置信号和水平方位信号，并将位置信号和水平方位信号映射到以半球形外壳底面圆心为原点的坐标系中，生成并发出控制指令。
进一步地，该系统还包括电源模块，所述电源模块包括外接电源与蓄电池，一旦外接电源线断电，则采用蓄电池备用供电。
进一步地，所述雷达为相控阵雷达，包括射频前端板和后端处理板，所述射频前端板用于高频电磁波信号的发射与接收，所述后端处理板为FPGA信号处理模块，用于对雷达回波进行信号处理，获取目标位置信息。
进一步地，所述光学红外成像装置设置有光学成像模组和红外成像模组，分别用于进行高分辨可见光成像和红外成像。
一种面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测方法，包括以下步骤：
步骤一、雷达对空域进行扫描探测，若检测到无人机目标，触发电子陀螺仪中断，测量当前雷达视线的水平方位信息；
步骤二、判断当前空域是否属于预设的禁飞区，若当前空域不属于禁飞区，则雷达将测量目标的位置信息及电子陀螺仪测量目标的水平方位信息传送至控制模块，控制模块将接收的数据映射到以半球形外壳底面圆心为原点的坐标系中，得到目标的坐标数据，同时生成控制信号，并将控制信号数据发送至所述光学红外成像装置和旋转码盘，以控制光学红外成像装置的水平运动及俯仰运动，以对准目标并进行照射；
若当前空域属于禁飞区，则进行上述操作的同时控制模块将报警信号传送至所述报警装置，使所述报警装置报警。
进一步地，步骤二中所述控制模块将接收的数据映射到以雷达转台中心为原点的坐标系中，具体计算公式为：
z＝R·sinθ
其中，R为目标与雷达的距离，θ为目标相对于雷达的俯仰角；
目标的x轴、y轴坐标则由目标相对于雷达的距离、方位角、俯仰角求出，计算公式如下：
x＝R·cosθ·cosw
y＝R·cosθ·sinw
其中，w为目标相对于雷达的方位角。
进一步地，所述目标与雷达的距离通过计算雷达发射的电磁波与接收到的电磁波之间的时延进行计算，计算公式为：
其中，c为电磁波的传播速度，tR为雷达发射的电磁波与接收的电磁波之间的时延；
目标相对于雷达的俯仰角θ根据雷达的不同接收天线所接收到回波信号之间的相位差进行计算，计算公式为：
其中，为雷达不同接收天线之间的相位差，λ为雷达发射的电磁波波长，θ为目标相对于雷达的俯仰角。
进一步地，步骤一所述雷达对空域进行扫描探测，具体为采用单元平均恒虚警(CA-CFAR)检测进行目标判决，并遵循奈曼-皮尔逊准则。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明一种面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统及方法，本发明结构灵活、设计合理，通过使用空心的半球形外壳使得雷达的转台和红外的转台互不遮挡影响，实现雷达和红外的并行转动并达到水平360°的全方位探测，通过构建雷达转台和红外转台相结合的系统，雷达转台获取低空无人机目标的数据，进一步进行数据处理，以控制红外光学转台对准目标照射，实现对低空无人机目标的雷达红外光学协同探测。
本发明极大的提高了对于低空无人机目标的监管能力，保障了雷达和红外光学相机协同探测的实时性和精度，具有较广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中的面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测方法的流程框图；
图2为本发明实施例中的面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测方法的球面坐标系；
图3为本发明实施例中的相控阵雷达波束示意图；
图4为本发明实施例中的面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统结构俯视图；
图5为本发明实施例中的面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统结构仰视图；
图6为本发明实施例中的转动连杆与轴承的结构示意图。
附图标记说明：
3-旋转码盘，11-雷达步进电机，12-转动连杆，13-雷达，14-报警装置，15-电子陀螺仪，21-红外步进电机，22-半球形外壳，23-光学红外成像装置，24-支架。
具体实施方式
在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。
在本发明的描述中，应当说明的是，在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，并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”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
具体实施方案一：结合图4至图5所示，本发明提供一种面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统，包括：雷达转台、光学红外转台和底座，所述雷达转台包括雷达步进电机11、转动连杆12、雷达13、电子陀螺仪15；所述雷达步进电机11设置于雷达转台底部，雷达步进电机11的输出端通过齿轮与所述转动连杆12底部啮合连接，所述雷达13安装在所述转动连杆12顶部，所述电子陀螺仪15安装在雷达13下方，用于测量当前雷达视线的水平方位信息；
所述光学红外转台包括红外步进电机21、半球形外壳22、光学红外成像装置23、支架24和旋转码盘3；所述底座设有滑轨，所述半球形外壳22安装在底座的滑轨上并可自由转动，所述旋转码盘3设置于半球形外壳22的底部外侧，并设有齿轮，所述红外步进电机21安装于所述底座上，所述红外步进电机21的输出端通过齿轮与所述旋转码盘3啮合连接，通过所述红外步进电机21驱动半球形外壳22转动，光学红外成像装置23通过支架24安装在半球形外壳22外表面，所述光学红外成像装置23内部设置有微型电机，用于驱动其俯仰向转动；
所述转动连杆12贯穿半球形外壳22内部的转动连杆限位腔后延伸出底座，所述转动连杆限位腔设置在半球形外壳22内部中心处，所述转动连杆12通过轴承设置在转动连杆限位腔内，用于转动连杆12在转动连杆限位腔内进行轴向限位。
本实施方案中通过雷达步进电机11带动转动连杆12旋转，进一步带动雷达13绕转动连杆12做圆周运动，以进行机械扫描；所述旋转码盘焊接于半球形外壳22的底部外侧，红外步进电机21带动旋转码盘3的齿轮转动，使半球形外壳22在水平面转动，进一步使光学红外成像装置23在水平面转动。
本实施方案中半球形外壳22为PVC材料，中间镂空，结构强度高且质量轻，可快速旋转。旋转码盘3划分为360°，可实现1°的旋转，雷达步进电机11工作转速可达到20圈/min，驱动转动连杆12使得雷达13以120°/s的角速度快速地扫描空域，步进电机可采用英士达机电的28mmYSD215-NA4步进电机。如图6所示，转动连杆限位腔内安装有两个轴承，保证转动连杆12能够在半球形外壳22的空腔内稳定转动。
本实施方案探测系统底座下端还设置有支架，用于支撑本实施方案系统。
具体实施方案二：该系统还包括报警装置14和控制模块，所述雷达13和电子陀螺仪15的输出端与所述控制模块的输入端相连，所述控制模块的输出端与所述光学红外成像装置23、旋转码盘3及报警模块14的输入端相连，所述报警模块14安装于雷达13顶部，所述报警模块14由警报灯和蜂鸣器组成。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
本实施方案控制模块接收雷达13获取的目标位置信息(径向距离、俯仰向数据)及电子陀螺仪15测得的水平方位数据，并将接收的数据映射到以半球形外壳22底面圆心为原点的坐标系中，得到目标的坐标数据，同时生成控制信号，向光学红外成像装置23和旋转码盘3发送控制信号，以控制光学红外成像装置23的俯仰运动及旋转码盘3的水平转动，当红外转台2中心方向与雷达观测目标方位向中心线重合时停止。
本实施方案还包括通信模块，采用高速通信协议，时延低于1ms，通过UDP传输网线发送数据，用于雷达转台、控制模块及光学红外转台之间的数据传输。
具体实施方案三：所述控制模块包括存储模块和处理模块，所述存储模块用于存储目标位置信息和水平方位信息数据；所述处理模块用于接收雷达13和电子陀螺仪15的输出的位置信号和水平方位信号，并将位置信号和水平方位信号映射到以半球形外壳22底面圆心为原点的坐标系中，生成并发出控制指令。本实施方案其它与具体实施方案二相同。
具体实施方案四：该系统还包括电源模块，所述电源模块包括外接电源与蓄电池，一旦外接电源线断电，则采用蓄电池备用供电。本实施方案其它与具体实施方案三相同。
具体实施方案五：所述雷达13为相控阵雷达，包括射频前端板和后端处理板，所述射频前端板用于高频电磁波信号的发射与接收，所述后端处理板为FPGA信号处理模块，用于对雷达回波进行信号处理，获取目标位置信息。如图3所示，雷达13俯仰向波束视角±25°，水平方位向视角为15°，阵面沿竖直方向倾斜5°。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
本实施方案中雷达为一种用于探测低空无人机的C波段雷达，工作频率为4-8GHz，穿透能力强，最大探测距离2km，以机械扫描的方式探测目标。可采用武汉雷可达科技公司的C波段XW/SR223B探测雷达。
具体实施方案六：所述光学红外成像装置23设置有光学成像模组和红外成像模组，分别用于进行高分辨可见光成像和红外成像，所述光学红外成像装置23内部的微型电机驱动其俯仰向75°～0°运动。本实施方案其它与具体实施方案一相同。
本实施方案光学红外成像装置23能够对1km范围内进行高分辨可见光成像、红外成像，分辨率为640*512，即在白天、夜晚均可成像，可采用艾睿光电的SD8_三光谱球形网络摄像机。
具体实施方案七：一种面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一、雷达13对空域进行扫描探测，若检测到无人机目标，触发电子陀螺仪中断，测量当前雷达视线的水平方位信息；
步骤二、判断当前空域是否属于预设的禁飞区，若当前空域不属于禁飞区，则雷达13将测量目标的位置信息及电子陀螺仪15测量目标的水平方位信息传送至控制模块，控制模块将接收的数据映射到以雷达转台中心为原点的坐标系中，得到目标的坐标数据，同时生成控制信号，并将控制信号数据发送至所述光学红外成像装置23和旋转码盘3，以控制光学红外成像装置23的水平运动及俯仰运动，以对准目标并进行照射；
若当前空域属于禁飞区，则进行上述操作的同时控制模块将报警信号传送至所述报警装置14，使所述报警装置14报警。
本实施方案中光学红外转台平常处于待机状态，与雷达转台在结构上互不遮挡，每次雷达13探测到目标后光学红外转台都会接收到控制命令，使步进电机21带动环形外壳快速旋转到目标的水平方位，再使光学红外成像装置23进行俯仰运动，对准目标的位置拍摄；直到雷达转台连续扫描5圈未发现目标后，光学红外转台则再次进入待机状态。
具体实施方案八：如图2所示，步骤二中所述控制模块将接收的数据映射到以半球形外壳22底面圆心为原点的坐标系中，具体为以转动连杆12方向为z轴，正北方向为x轴正方向建立x-y-z坐标系，忽视连杆高度，具体计算公式为：
z＝R·sinθ
其中，R为目标与雷达的距离，θ为目标相对于雷达的俯仰角；
目标的x轴、y轴坐标则由目标相对于雷达的距离、方位角、俯仰角求出，计算公式如下：
x＝R·cosθ·cosw
y＝R·cosθ·sinw
其中，w为目标相对于雷达的方位角。本实施方案其它与具体实施方案七相同。
本实施方案近似认为雷达与光学红外成像装置处于同一原点。
具体实施方案九：所述目标与雷达的距离通过计算雷达发射的电磁波与接收到的电磁波之间的时延进行计算，计算公式为：
其中，c为电磁波的传播速度，tR为雷达发射的电磁波与接收的电磁波之间的时延；
目标相对于雷达的俯仰角θ根据雷达的不同接收天线所接收到回波信号之间的相位差进行计算，计算公式为：
其中，为雷达不同接收天线之间的相位差，λ为雷达发射的电磁波波长，θ为目标相对于雷达的俯仰角。本实施方案其它与具体实施方案八相同。
具体实施方案十：步骤一所述雷达13对空域进行扫描探测，具体为采用单元平均恒虚警(CA-CFAR)检测进行目标判决，并遵循奈曼-皮尔逊准则。本实施方案其它与具体实施方案七相同。
本实施方案中，使用雷达信号处理中的CA-CFAR对雷达回波的距离数据进行一维的目标检测，即遍历一维的数据的每个距离单元作为检测单元，每个检测单元的的左右两侧设置一定长度的保护单元(一般长度为1～2个单元)，再向两侧设置一定长度的训练单元，构成训练单元-训练单元-保护单元-检测单元-保护单元-训练单元-训练单元的模型。噪声功率根据临近的距离单元得到，检测的阈值设置为G，表达式为：
G＝β·P
其中，P表示噪声的均值估计，β是一个缩放因子；
通过对所有训练单元中的值计算平均，得到背景噪声的均值估计为：
其中，Tm为第m个训练单元；
随后将噪声的均值估计与门限系数加权，门限系数则通过所需的虚警率Pfa得到，计算公式如下：
红外步进电机21旋转一定的圈数，使半球形外壳22转动到目标的方位，红外步进电机21转动的周长与半球形外壳22旋转的弧长相等，等式关系为：
2πd＝2πaL/360
其中，a为半球形外壳22的转动角度，L为半球形外壳22的转动半径，d为红外步进电机21的旋转半径；
因此，红外步进电机21旋转一定圈数的总周长与半球形外壳22的转动角度关系式为：
a＝360·k·d/L
其中，k为步进电机的旋转圈数。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本发明领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统，其特征在于，包括：雷达转台、光学红外转台和底座，所述雷达转台包括雷达步进电机(11)、转动连杆(12)、雷达(13)和电子陀螺仪(15)；所述雷达步进电机(11)设置于雷达转台底部，所述雷达步进电机(11)的输出端通过齿轮与转动连杆(12)底部啮合连接，所述雷达(13)安装在转动连杆(12)顶部，所述电子陀螺仪(15)安装在雷达(13)下方，用于测量当前雷达视线的水平方位信息；
所述光学红外转台包括红外步进电机(21)、半球形外壳(22)、光学红外成像装置(23)、支架(24)和旋转码盘(3)；所述底座设有滑轨，所述半球形外壳(22)安装在底座的滑轨上并可自由转动，所述旋转码盘(3)设置于半球形外壳(22)的底部外侧，并设有齿轮，所述红外步进电机(21)安装于底座上，所述红外步进电机(21)的输出端通过齿轮与所述旋转码盘(3)啮合连接，光学红外成像装置(23)通过支架(24)安装在半球形外壳(22)外表面，所述光学红外成像装置(23)内部设置有微型电机，用于驱动其俯仰向转动；
所述转动连杆(12)贯穿半球形外壳(22)内部的转动连杆限位腔后延伸出底座，所述转动连杆限位腔设置在半球形外壳(22)内部中心处，所述转动连杆(12)通过轴承设置在转动连杆限位腔内。
2.根据权利要求1所述的面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统，其特征在于，该系统还包括报警装置(14)和控制模块，所述雷达(13)和电子陀螺仪(15)的输出端与所述控制模块的输入端相连，所述控制模块的输出端与所述光学红外成像装置(23)、旋转码盘(3)及报警模块(14)的输入端相连，所述报警模块(14)安装于雷达(13)顶部。
3.根据权利要求2所述的面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统，其特征在于，所述控制模块包括存储模块和处理模块，所述存储模块用于存储目标位置信息和水平方位信息数据；所述处理模块用于接收雷达(13)和电子陀螺仪(15)的输出的位置信号和水平方位信号，并将位置信号和水平方位信号映射到以半球形外壳(22)底面圆心为原点的坐标系中，生成并发出控制指令。
4.根据权利要求3所述的面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统，其特征在于，该系统还包括电源模块，所述电源模块包括外接电源与蓄电池，一旦外接电源线断电，则采用蓄电池备用供电。
5.根据权利要求1所述的面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统，其特征在于，所述雷达(13)为相控阵雷达，包括射频前端板和后端处理板，所述射频前端板用于高频电磁波信号的发射与接收，所述后端处理板为FPGA信号处理模块，用于对雷达回波进行信号处理，获取目标位置信息。
6.根据权利要求1所述的面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测系统，其特征在于，所述光学红外成像装置(23)设置有光学成像模组和红外成像模组，分别用于进行高分辨可见光成像和红外成像。
7.一种面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、雷达(13)对空域进行扫描探测，若检测到无人机目标，触发电子陀螺仪中断，测量当前雷达视线的水平方位信息；
步骤二、判断当前空域是否属于预设的禁飞区，若当前空域不属于禁飞区，则雷达(13)将测量目标的位置信息及电子陀螺仪(15)测量目标的水平方位信息传送至控制模块，控制模块将接收的数据映射到以半球形外壳(22)底面圆心为原点的坐标系中，得到目标的坐标数据，同时生成控制信号，并将控制信号数据发送至所述光学红外成像装置(23)和旋转码盘(3)，以控制光学红外成像装置(23)的水平运动及俯仰运动，以对准目标并进行照射；
若当前空域属于禁飞区，则进行上述操作的同时控制模块将报警信号传送至所述报警装置(14)，使所述报警装置(14)报警。
8.根据权利要求7所述的面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测方法，其特征在于，步骤二中所述控制模块将接收的数据映射到以雷达转台中心为原点的坐标系中，具体计算公式为：
z＝R·sinθ
其中，R为目标与雷达的距离，θ为目标相对于雷达的俯仰角；
目标的x轴、y轴坐标则由目标相对于雷达的距离、方位角、俯仰角求出，计算公式如下：
x＝R·cosθ·cosw
y＝R·cosθ·sinw
其中，w为目标相对于雷达的方位角。
9.根据权利要求8所述的面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测方法，其特征在于，所述目标与雷达的距离通过计算雷达发射的电磁波与接收到的电磁波之间的时延进行计算，计算公式为：
其中，c为电磁波的传播速度，tR为雷达发射的电磁波与接收的电磁波之间的时延；
目标相对于雷达的俯仰角θ根据雷达的不同接收天线所接收到回波信号之间的相位差进行计算，计算公式为：
其中，为雷达不同接收天线之间的相位差，λ为雷达发射的电磁波波长，θ为目标相对于雷达的俯仰角。
10.根据权利要求7所述的面向低空无人机探测的雷达光学红外一体化探测方法，其特征在于，步骤一所述雷达(13)对空域进行扫描探测，具体为采用单元平均恒虚警(CA-CFAR)检测进行目标判决，并遵循奈曼-皮尔逊准则。
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