CN1588123A - 旋转式三维扫描雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转式三维扫描雷达。旋转式三维扫描雷达，它包括天线、数据处理单元、显示单元，天线包括毫米波喇叭、发射装置、接收装置，其特征是：毫米波喇叭为3－36个，每个喇叭的中心线轴线共原点，任2个或任2个以上的毫米波喇叭不在同一平面上，所有毫米波喇叭中心轴线与水平面的夹角之差是一个等差数，各毫米波喇叭在水平面的正投影轴线在水平面上是均布的，每个毫米波喇叭以与水平面不同的角度且开口向外对空间进行扫描。本发明能在短距离内获取三维空间信息，且成本低。

Description

旋转式三维扫描雷达

技术领域

本发明涉及一种旋转式三维扫描雷达，尤其是能获取周围环境三维空间信息的扫描雷达。

背景技术

采用毫米波或亚毫米波技术，使雷达具有更窄的波束，适合三维空间扫描，对所获目标图像进行适当的处理便可完成图像识别。目前的雷达研究都是集中在二维方向扫描的研究，或者是多雷达固定在多方向上的雷达进行测量，主要的困难是怎样取得三维空间数据。传统的雷达在搜索目标时，通常不改变雷达的俯角，仅仅以一个俯角对空间进行单角度进行空间扫描，不能同时对不同的俯角进行扫描。改变波束方向的传统方法是转动天线，使波束扫过一定的空域、地面或海面，称为机械扫描，通过一个天线在方位上的旋转和同时在仰角方向上的二维电扫描来实现的空间扫描，成本比较低，适合远距离，响应比较慢的扫描。

毫米波雷达是一种工作在毫米波波段的雷达，现今IEEE规定工作于30--300GHz频率(相应的波长为10--1.0mm)的雷达为毫米波雷达。一般来讲，电磁波在自由空间传播是有衰减的，其衰减量随频率的增加而增加，但值得注意的是在毫米波段内，由于大气中有水蒸气和氧，因而存在高的吸收窗口。因此我们在选定频段时应引起重视。图7是晴空时在海平面和海拔4km高度上的单程大气衰减图。

从图7中可以看出，毫米波在大气中传播也有几个损耗较小的“窗口”频率(35，94，140，220GHz等)，因此，毫米波雷达大都选在这些“窗口”频率上。为了使用方便，目前多数西方国家所采用的波段符号见表1--1。

表1--1  西方国家的波段符号

现用符号	频率范围	原用符号	波长范围
				A	100-300MHz	VHF	100-300cm
B	300-500MHz	UHF	60-100cm
				C	0.5-1GHz	UHF	30-60cm
D	1-2GHz	L	15-30cm
				E	2-3GHz	S	10-15cm
F	3-4GHz	S	7.5-10cm
				G	4-6GHz	C	5-7.5cm
H	6-8GHz	C	3.75-5cm
				I	8-10GHz	X	3-3.75cm
J	10-20GHz	X-Ku	1.3-3cm
				K	20-40GHz	K-Ka	7.5mm-1.5cm

L	40-60GHz	V	5-7.5mm
				M	60-100GHz	W	3-5mm

半个世纪以前，开始探索把微波用于雷达，其主要动力是希望用“适当”的天线尺寸来改善角分辨力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对三维空间不同角度进行空间扫描的旋转式三维扫描雷达。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：旋转式三维扫描雷达，它包括天线、数据处理单元、显示单元，天线包括毫米波喇叭、发射装置、接收装置，其特征是：毫米波喇叭为3-36个，每个喇叭的中心线轴线共原点，任2个或任2个以上的毫米波喇叭不在同一平面上，所有毫米波喇叭中心轴线与水平面的夹角之差是一个等差数，各毫米波喇叭在水平面的正投影轴线在水平面上是均布的，每个毫米波喇叭以与水平面不同的角度且开口向外对空间进行扫描。

每个毫米波喇叭分别与与之相对应的一个发射装置和一个接受装置相连接。

或者采用所有的毫米喇叭都分别与一个发射装置和一个接受装置相连接，发射和接受的微波信号通过分时微波开关控制，微波开关是通过数据处理和控制单片机控制微波分时控制器，经过微波分时控制器控制微波开关将微波分配到每个喇叭中或者将各个喇叭接受到信号传输到接受装置上。

所述的毫米波喇叭的前端设有微波透镜。

所述的数据处理单元由红外信号传输与微机相连，通过计算机处理雷达测量的三维雷达信息，并通过显示器显示空间三维信息。

旋转式三维扫描雷达基本上由五个部分组成：天线、发射装置、接收装置、数字处理、显示，调频连续波雷达的技术指标是：

1.中心工作频率        f₀＝(35，94，140，220GHz)

2.调频宽度            Δf_m＝1GHz

3.输出最小信噪声比    s₀/N₀≥10

4.中频AGC控制深度     ≥40dB

它的工作方式是这样的：首先由电调振荡器(VCO)产生一个电调带宽为1GHz的调频连续波信号，信号一部分经过波导至天线向外发射；一部分作为接收机本振信号，当发射信号经t时间遇目标将产生反射信号，反射信号又经t时间返回至天线，然后同本振信号频率混频产生差频信号，经过滤波器后再对该信号进行放大。为了使差频信号在大信号时不阻塞通道而使得波形失真，在中频放大器中采用中频AGC控制，增加放大器动态范围。然后再将此信号进行电压比较后至数字处理，数字处理中包括三角波非线性校正、数字计数、精度补偿。最后信号经过微机模拟实物，将三维空间图像显示在屏幕上。

信号采集周期收到两个方面的影响，一方面是雷达发射的信号周期影响，电磁波的速度为c＝3×10⁸米/秒，如果建立一个m×n珊格范围的三维扫描空间，需要采集m×n数据，刷新频率为每秒k次，则信号采集周期为：

T＝L/Ts＝L/(m×n×k)。

另一方面，信号采集周期受到测量距离的影响，如果采集周围的最远举例为L，电磁波往返需要的时间为：

t＝2×L/(c)。

探最远的理论距离为：

L＝c×t/2。

为了减少信号之间的干扰，

L＝λ×c×t/2。

其中λ是数据采集安全系数，保证各个数据采集互不干扰，λ＝01～0.3。

信号往返的时间必须小于信号采集周期，这样才能保证每次测量发射的信号互不干扰。

周围的空间信息可以通过三维极坐标形式进行定位，即仰角、旋转的角度、空间距离确定周围环境定位。

本发明采用n个(3-36个)毫米波喇叭，并采用上述布置，天线转一周，因有n个毫米波喇叭，因而天线转一周每个喇叭用不同的仰角或俯角在不同的时段进行发射、接收信号，即n个毫米波喇叭对n个不同的角度进行了行扫描。每个喇叭旋转一周发射m次雷达测量信号2，测量周围环境的空间距离，构成了m×n矩阵3，如果天线旋转频率为k；通过微机处理获取周围三维空间信息，即每秒对空间进行k次扫描，采集空间一定范围的三维信息。

为了减少了雷达成本，所有的喇叭都共用一个发射和接受装置，发射和接受的微波信号通过分时微波开关控制。微波开关是通过数据处理和控制单片机控制微波分时控制器，经过微波分时控制器控制微波开关将微波分配到每个喇叭中或者将各个喇叭接受到信号传输到接受装置上，这样每个喇叭都不会在同一个时间进行发射和接受探测信号，每个喇叭信号互相干很小。

毫米波喇叭为3-36个，任2个或任2个以上的毫米波喇叭不在同一平面上，各毫米波喇叭在水平面的正投影是均布的，所有毫米波喇叭相互之间的角度差成等差数。这样可以保证在一定的视角和扫描范围内雷达天线可以扫描到物体的空间位置，并将一定的旋转范围内和视角范围内进行空间扫描，测量这个范围内的物体反射回来的空间定位数据，通过计算机计算在这个范围内的地貌或者物体的空间信息描绘出来；将三维空间图像显示在屏幕上。与现有的防撞雷达技术相比，毫米波喇叭在仰角方向上的不需二维电扫描来实现的空间扫描，扫描方式简单；雷达测量的距离与喇叭数、测量频率、旋转频率有关，本发明适应于短距离D为：

$D=\mathrm{\λ}\frac{c}{2\×k\×n\×m}$

其中λ是数据采集安全系数，保证各个数据采集互不干扰，λ＝01~0.3。

c是光速，为3×108米/秒

k为天线旋转的频率，单位为转/秒

m雷达信号采集频率

一般测量的距离在20公里以内。

本发明与现有的相控阵雷达相比，具有成本低的特点。

本发明采用毫米波喇叭1的前端设微波透镜5，加微波透镜的微波瓣6比未加微波透镜的微波瓣7窄，测量精度更高。

附图说明

图1是本发明原理图

图2为不同的毫米波喇叭在不同的平面、不同旋转角度发射微波测量信号示意图

图3为各毫米波喇叭在水平面的正投影分布图

图4为各毫米波喇叭与水平面的夹角示意图

图5为毫米波喇叭上微波透镜减少波束原理图

图6为红外线信号传输装置图

图7毫米波大气衰减曲线图

图中：1-毫米波喇叭，2-脉冲信号，3-脉冲扫描格m×n阵矩，4-水平面，5-微波透镜，6-加微波透镜的微波瓣，7-未加微波透镜的微波瓣。α是由n个喇叭将θ分为n-1个等份，其中每个等份为α，而θ是最上面的喇叭与水平面夹角和最下面的喇叭与水平面的夹角(在水平面以下)的和，该参数反映了雷达的上下视角范围。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，旋转式三维扫描雷达，它主要由毫米波喇叭(或亚毫米波喇叭)、发射装置、接收装置、数据处理单元、显示单元、微机、旋转机构组成，毫米波喇叭(或亚毫米波喇叭)、发射装置、接收装置、数据处理单元、显示单元、微机、旋转机构均为现有技术。毫米波喇叭1为3个，3个喇叭的中心线轴线共原点，任2个的毫米波喇叭不在同一平面上，3个毫米波喇叭相互之间的角度差成等差数α，3个毫米波喇叭在水平面4的正投影是均布的，3个毫米波喇叭以与水平面不同的角度且开口向外对空间进行扫描。

微波开关是通过数据处理和控制单片机控制微波分时控制器，经过微波分时控制器控制微波开关将微波分配到每个喇叭中或者将各个喇叭接受到信号传输到接受装置上，这样每个喇叭都不会在同一个时间进行发射和接受探测信号，每个喇叭信号互相干很小。

如图5所示，毫米波喇叭1的前端设微波透镜5，加微波透镜的微波瓣6比未加微波透镜的微波瓣7窄，测量精度更高。

微机通过无线传输与数据处理单元相连。如图6所示，微机通过红外信号传输与数据处理单元相连，优点在于电路简单。

毫米波喇叭、发射装置、接收装置共同组成一个天线。为了适应在单位时间内尽可能多的采集空间信息数据，在n个(3个)雷达天线中，每个天线都是一个独立的发射和接受装置，可以在不同的方位同时发射和接受信号，对360度范围进行扫描，由于每个雷达的空间角度不同，彼此的干扰很小，提高数据采集速率；所有的天线和电路都集成在一个旋转机构上，通过一个步进电机带动天线360度旋转，

整个电路电源是通过两个旋转环接触电刷供应电源，

检测的数据通过安装在旋转轴一端的一对双工红外信号发送接受电路向计算机传输测量空间数据，避免信号直接在旋转接触电刷传输中点火花产生干扰信号，影响测量的准确性。

例如：雷达的扫描部分是通过一个步进电机三个雷达天线来实现的，将前面的横向视野范围定为120度，按5度将120度分为24单元，即5度×24＝120度；按5度将上下视角60度分为12单元，即5度×12＝60度，这样每个单元面积范围为5度×5度。通过雷达对24×12的每个单元进行扫描，获取前面公路的三维空间信息，并通过计算机处理，显示在计算机屏幕上，了解周围的三维空间情况。屏幕刷新率为10赫兹，即雷达的转速为每秒10转，每分秒采集信号的周期为1/(24×12×10)＝0.0003472秒，一般微波开关控制速度在50纳秒，微波开关充分能够保证雷达的信号采集速度。

本发明采用n个(3-36个)毫米波喇叭，并采用上述布置，每个喇叭用不同的仰角或俯角在不同的时段进行发射、接收信号，即n个毫米波喇叭对n个不同的角度进行了行扫描，每个喇叭旋转一周发射m次雷达测量信号2，测量周围环境的空间距离，构成了m×n矩阵3，如果天线旋转频率为k；通过微机处理获取周围三维空间信息，即每秒对空间进行k次扫描，采集空间一定范围的三维信息，所有的喇叭都共用一个发射和接受装置，发射和接受的微波信号通过分时微波开关控制，微波开关是通过数据处理和控制单片机控制微波分时控制器，经过微波分时控制器控制微波开关将微波分配到每个喇叭中或者将各个喇叭接受到信号传输到接受装置上，毫米波喇叭任2个或任2个以上的毫米波喇叭不在同一平面上，各毫米波喇叭在水平面的正投影是均布的，所有毫米波喇叭相互之间的角度差成等差数，在一定的视角和扫描范围内雷达天线可以扫描到物体的空间位置，并将一定的旋转范围内和视角范围内进行空间扫描，测量这个范围内的物体反射回来的空间定位数据，通过计算机计算在这个范围内的地貌或者物体的空间信息描绘出来，将三维空间图像显示在屏幕上。

Claims (5)

1.旋转式三维扫描雷达，它包括天线、数据处理单元、显示单元，天线包括毫米波喇叭、发射装置、接收装置，其特征是：毫米波喇叭为3-36个，每个喇叭的中心线轴线共原点，任2个或任2个以上的毫米波喇叭不在同一平面上，所有毫米波喇叭中心轴线与水平面的夹角之差是一个等差数，各毫米波喇叭在水平面的正投影轴线在水平面上是均布的，每个毫米波喇叭以与水平面不同的角度且开口向外对空间进行扫描。

2.根据权利要求1所述的旋转式三维扫描雷达，其特征是：每个毫米波喇叭分别与与之相对应的一个发射装置和一个接受装置相连接。

3.根据权利要求1所述的旋转式三维扫描雷达，其特征是：所有的喇叭都共用一个发射和接受装置，都分别与一个发射装置和一个接受装置相连接，发射和接受的微波信号通过分时微波开关控制，微波开关是通过数据处理和控制单片机控制微波分时控制器，经过微波分时控制器控制微波开关将微波分配到每个喇叭中或者将各个喇叭接受到信号传输到接受装置上。

4.根据权利要求1所述的旋转式三维扫描雷达，其特征是：所述的毫米波喇叭的前端设有微波透镜。

5.根据权利要求1所述的旋转式三维扫描雷达，其特征是：所述的数据处理单元由红外信号传输与微机相连。

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