CN206497212U - 基于数字阵列的无人机探测系统和无人机 - Google Patents
基于数字阵列的无人机探测系统和无人机 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了基于数字阵列的无人机探测系统和无人机，接收无人机发送的图传模拟信号，将图传模拟信号进行滤波和放大，得到通带为第一频率范围的放大图传模拟信号；将通带为第一频率范围的放大图传模拟信号转换为通带为第二频率范围的放大图传模拟信号；将通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号转化为数字信号；将数字信号进行正交解调，得到基带信号；将基带信号进行处理，得到空间谱；以第一预设角度对空间谱进行扫描，得到空间谱峰值对应的角度，根据空间谱峰值对应的角度以第二预设角度进行扫描，将扫描的空间谱峰值的位置作为目标精确角度；显示目标精确角度，从而可以对目标进行实时探测，以及在复杂环境下可以实现多目标探测。
Description
技术领域
本实用新型涉及无人机技术领域，尤其是涉及基于数字阵列的无人机探测系统和无人机。
背景技术
随着无人机的迅速发展，无人机在视频采集、地质勘探、遥感测绘和搜索救援等领域获得了广泛的应用。因此，对无人机的探测、预警技术及装备成为当前研究的热点。
目前，无人机探测设备通过红外热像仪采集图像数据，并将图像数据传输到图像处理器进行处理，从而完成目标检测。通常，红外热像仪的搜索区域是由转台控制的，通过转台控制波束指向，同一时刻只能探测一个目标。由转台控制的红外热像仪在复杂环境下无法同时探测多个目标，以及对目标无法进行实时探测。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供基于数字阵列的无人机探测系统和无人机，可以对目标进行实时探测，以及在复杂环境下可以实现多目标探测。
第一方面，本实用新型实施例提供了基于数字阵列的无人机探测系统，所述系统包括：信号接收单元、信号采集单元、数字信号处理DSP板和显示终端；
所述信号接收单元，与所述信号采集单元相连接，用于接收所述无人机发送的图传模拟信号，将所述图传模拟信号进行滤波和放大，得到通带为第一频率范围的放大图传模拟信号，将所述通带为第一频率范围的放大图传模拟信号转换为所述通带为第二频率范围的放大图传模拟信号；
所述信号采集单元，与所述DSP板相连接，用于将所述通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号转化为数字信号，将所述数字信号进行正交解调，得到基带信号；
所述DSP板，与所述显示终端相连接，用于将所述基带信号进行处理，得到空间谱，并以第一预设角度对所述空间谱进行扫描，得到所述空间谱峰值对应的角度，根据所述空间谱峰值对应的角度以第二预设角度进行扫描，将扫描的所述空间谱峰值的位置作为目标精确角度；
所述显示终端，与所述DSP板相连接，用于显示所述目标精确角度。
结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述信号接收单元包括阵列天线组、射频前端组和下变频器组；
所述阵列天线组，与所述射频前端组相连接，用于接收所述无人机发送的所述图传模拟信号；
所述射频前端组，与所述下变频器组相连接，用于将所述图传模拟信号进行滤波和放大，得到所述通带为所述第一频率范围的放大图传模拟信号；
所述下变频器组，用于将所述通带为所述第一频率范围的放大图传模拟信号转换为所述通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号。
结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述信号采集单元包括多个多通道采集板，所述多通道采集板包括多通道模数转换器ADC和现场可编程门阵列FPGA；
所述多通道ADC，用于将所述通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号转化为所述数字信号；
所述FPGA，用于根据所述第二频率范围和所述多通道ADC的采样率将所述数字信号进行正交解调，得到所述基带信号。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第二频率范围为10MHz-95MHz，所述第一频率范围为2400MHz-2485MHz。
结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述DSP板还用于获取所述基带信号的协方差矩阵，并对所述协方差矩阵进行分解，得到特征值和所述特征值对应的特征向量，根据子空间原理，对所述特征值对应的特征向量进行处理，得到所述空间谱。
结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述系统还包括频率源，与所述信号采集单元相连接，用于产生采样时钟和基准时钟。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述阵列天线组包括多个阵列天线，所述射频前端组包括多个射频前端，所述下变频器组包括多个下变频器。
结合第一方面的第六种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述阵列天线由8个阵元组成，各个所述阵元的工作频率为2300MHz-2500MHz。
结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述第一预设角度1°，所述第二预设角度为0.1°。
第二方面，本实用新型实施例还提供了无人机，包括如上所述的基于数字阵列的无人机探测系统。
本实用新型实施例基于数字阵列的无人机探测系统和无人机，通过信号接收单元接收无人机发送的图传模拟信号，将图传模拟信号进行滤波和放大，得到通带为第一频率范围的放大图传模拟信号，将通带为第一频率范围的放大图传模拟信号转换为通带为第二频率范围的放大图传模拟信号；通过信号采集单元将通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号转化为数字信号，将所述数字信号进行正交解调，得到基带信号；通过DSP板将基带信号进行处理，得到空间谱，并以第一预设角度对所述空间谱进行扫描，得到空间谱峰值对应的角度，根据空间谱峰值对应的角度以第二预设角度进行扫描，将扫描的空间谱峰值的位置作为目标精确角度，从而可以对目标进行实时探测，以及在复杂环境下可以实现多目标探测。
本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例一提供的基于数字阵列的无人机探测系统示意图；
图2为本实用新型实施例一提供的另一基于数字阵列的无人机探测系统示意图；
图3为本实用新型实施例二提供的基于数字阵列的无人机探测方法流程图；
图4为本实用新型实施例二提供的基于数字阵列的无人机探测方法中步骤S105流程图。
图标：
10-信号接收单元；20-阵列天线组；30-射频前端组；40-下变频器组；50-信号采集单元；60-多通道采集板；70-DSP板；80-显示终端。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
为便于对本实施例进行理解，下面对本实用新型实施例进行详细介绍。
实施例一：
图1为本实用新型实施例提供的基于数字阵列的无人机探测系统示意图。
参照图1，该系统包括信号接收单元10、信号采集单元50、数字信号处理DSP板70和显示终端80；
信号接收单元10，与信号采集单元50相连接，用于接收所述无人机发送的图传模拟信号，将所述图传模拟信号进行滤波和放大，得到通带为第一频率范围的放大图传模拟信号，将所述通带为第一频率范围的放大图传模拟信号转换为所述通带为第二频率范围的放大图传模拟信号；
具体地，信号接收单元10包括阵列天线组20、射频前端组30和下变频器组40，其中，阵列天线组20包括多个阵列天线，射频前端组30包括多个射频前端，下变频器组40包括多个下变频器。具体可参照图2，阵列天线、射频前端和下变频器依次连接。
阵列天线由8个阵元组成，各个阵元的工作频率为2300MHz-2500MHz，增益5dB，波瓣宽度(3dB)为100°。
阵列天线用于接收无人机发射的图传模拟信号，射频前端对图传模拟信号进行滤波和放大。其中，射频前端包括两级低噪声放大器和一个带通滤波器，每级放大器增益为28dB，带通滤波器的通带为第一频率范围，具体为2400MHz-2485MHz，覆盖图传信号频段。下变频器将通带为第一频率范围的放大图传模拟信号转换为通带为第二频率范围的放大图传模拟信号，第二频率范围为10MHz-95MHz。
其中，阵列天线可根据需要在任意方向形成指定宽度的波束，且改变波束指向时无需机械转动，从而可以实现全空域覆盖，同时对多个目标进行测向和跟踪。通过对无人机的图传模拟信号进行测向，受地面杂波及无人机自身尺寸、运动状态等复杂环境影响小。
信号采集单元50，与DSP板70相连接，用于将所述通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号转化为数字信号，将所述数字信号进行正交解调，得到基带信号；
这里，信号采集单元50包括多个多通道采集板，具体包括两个多通道采集板，多通道采集板安装在VPX机箱中，通过VPX背板与其他分系统进行数据和命令交互。
其中，基带信号可以采用Aurora通信协议发送至DSP板，进行测向、信号分析等处理，另一方面可以采用PCI Express协议发送至单板计算机，进行存储和事后分析。
DSP板70，与显示终端80相连接，用于将基带信号进行处理，得到空间谱，并以第一预设角度对所述空间谱进行扫描，得到所述空间谱峰值对应的角度，根据所述空间谱峰值对应的角度以第二预设角度进行扫描，将扫描的所述空间谱峰值的位置作为目标精确角度；
这里，DSP板70是由TI公司推出的多核DSP芯片TMS320C6678和一片Xilinx公司的FPGA组成，可以达到1433.6GMAC/s定点运算性能和716.8GFLOP/s浮点运算性能。DSP板70基于VPX标准设计，可以通过背板与信号采集板、单板计算机进行数据传输。
具体地，粗扫描为以第一预设角度对所述空间谱进行扫描，得到所述空间谱峰值对应的角度；精扫描为根据所述空间谱峰值对应的角度以第二预设角度进行扫描，将扫描的所述空间谱峰值的位置作为目标精确角度。通过粗扫描与精扫描相结合的方式，实现对目标的连续测向和跟踪。
显示终端80，与DSP板70相连接，用于显示目标精确角度。
这里，显示终端80可以为单板计算机，通过单板计算机显示目标精确角度。
进一步的，信号接收单元10包括阵列天线组20、射频前端组30和下变频器组40；
阵列天线组20，与所述射频前端组30相连接，用于接收所述无人机发送的所述图传模拟信号；
射频前端组30，与所述下变频器组40相连接，用于将所述图传模拟信号进行滤波和放大，得到所述通带为所述第一频率范围的放大图传模拟信号；
下变频器组40，用于将所述通带为所述第一频率范围的放大图传模拟信号转换为所述通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号。
进一步的，信号采集单元50包括多个多通道采集板，所述多通道采集板包括多通道模数转换器ADC和现场可编程门阵列FPGA；
多通道ADC，用于将所述通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号转化为所述数字信号；
这里，多通道ADC具有四个通道，单通道的采样率为240Msps，量化位数为12bits，可同时完成四路信号的模数转换。
FPGA，用于根据第二频率范围和所述多通道ADC的采样率将所述数字信号进行正交解调，得到所述基带信号。
进一步的，DSP板70还用于获取所述基带信号的协方差矩阵，并对所述协方差矩阵进行分解，得到特征值和所述特征值对应的特征向量，根据子空间原理，对所述特征值对应的特征向量进行处理，得到所述空间谱。
进一步的，系统还包括频率源，与信号采集单元50相连接，用于产生采样时钟和基准时钟。
具体地，频率源用于产生采样时钟和基准时钟，频率分别为240MHz和10MHz。输出功率大于30dBm，谐波低于-40dBc，杂散低于-60dBc。采样时钟用于多通道ADC的输入，基准时钟用于系统的时序控制。
本实用新型实施例基于数字阵列的无人机探测系统，通过信号接收单元接收无人机发送的图传模拟信号，将图传模拟信号进行滤波和放大，得到通带为第一频率范围的放大图传模拟信号，将通带为第一频率范围的放大图传模拟信号转换为通带为第二频率范围的放大图传模拟信号；通过信号采集单元将通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号转化为数字信号，将所述数字信号进行正交解调，得到基带信号；通过DSP板将基带信号进行处理，得到空间谱，并以第一预设角度对所述空间谱进行扫描，得到空间谱峰值对应的角度，根据空间谱峰值对应的角度以第二预设角度进行扫描，将扫描的空间谱峰值的位置作为目标精确角度，从而可以对目标进行实时探测，以及在复杂环境下可以实现多目标探测。
实施例二：
图3为本实用新型实施例提供的基于数字阵列的无人机探测方法流程图。
参照图3，该方法包括以下步骤：
步骤S101，接收无人机发送的图传模拟信号，将图传模拟信号进行滤波和放大，得到通带为第一频率范围的放大图传模拟信号；
步骤S102，将通带为第一频率范围的放大图传模拟信号转换为通带为第二频率范围的放大图传模拟信号；
步骤S103，将通带为第二频率范围的放大图传模拟信号转化为数字信号；
步骤S104，将数字信号进行正交解调，得到基带信号；
步骤S105，将基带信号进行处理，得到空间谱；
步骤S106，以第一预设角度对空间谱进行扫描，得到空间谱峰值对应的角度，根据空间谱峰值对应的角度以第二预设角度进行扫描，将扫描的空间谱峰值的位置作为目标精确角度；
这里，第一预设角度可以为1°，第二预设角度为0.1°。通过上述两次扫描，可以保证实时性和测角精度。
步骤S107，显示目标精确角度。
进一步的，参照图4，步骤S105包括以下步骤：
步骤S201，获取基带信号的协方差矩阵，并对协方差矩阵进行分解，得到特征值和特征值对应的特征向量；
这里，对协方差矩阵进行分解时，得到特征值，并将特征值按照从大小到的顺序排列，取前N个为大特征值，其余为小特征值。需要说明的是，N等于信号数目，为预设值。其中，大特征值对应的特征向量为信号子空间，小特征值对应的特征向量称之为噪声子空间。
步骤S202，根据子空间原理，对特征值对应的特征向量进行处理，得到空间谱。
进一步的，步骤S201包括：
根据公式计算所述特征值对应的特征向量：
其中，R为协方差矩阵，Us为最大特征值对应的特征向量，Σs为最大特征值构成的对角矩阵，Un为最小特征值对应的特征向量，Σn为最小特征值构成的对角矩阵，(·)H表示取共轭转置。
这里，接收数据为x(t)，协方差矩阵由公式(2)可知：
R＝E[x(t)xH(t)] (2)
其中，E[·]表示取期望值。
进一步的，步骤S202包括：
根据公式(3)和公式(4)计算空间谱：
a(θ)＝[1,e-j2πdsinθ/λ,…,e-j2π(N-1)dsinθ/λ]H (4)
其中，PMUSIC为空间谱，θ为扫描角度，Un为最小特征值对应的特征向量，(·)H表示取共轭转置。
本实用新型实施例基于数字阵列的无人机探测方法，接收无人机发送的图传模拟信号，将图传模拟信号进行滤波和放大，得到通带为第一频率范围的放大图传模拟信号；将通带为第一频率范围的放大图传模拟信号转换为通带为第二频率范围的放大图传模拟信号；将通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号转化为数字信号；将数字信号进行正交解调，得到基带信号；将基带信号进行处理，得到空间谱；以第一预设角度对空间谱进行扫描，得到空间谱峰值对应的角度，根据空间谱峰值对应的角度以第二预设角度进行扫描，将扫描的空间谱峰值的位置作为目标精确角度；显示目标精确角度，从而可以对目标进行实时探测，以及在复杂环境下可以实现多目标探测。
本实用新型实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于数字阵列的无人机探测系统，其特征在于，所述系统包括：信号接收单元、信号采集单元、数字信号处理DSP板和显示终端；
所述信号接收单元，与所述信号采集单元相连接，用于接收所述无人机发送的图传模拟信号，将所述图传模拟信号进行滤波和放大，得到通带为第一频率范围的放大图传模拟信号，将所述通带为第一频率范围的放大图传模拟信号转换为所述通带为第二频率范围的放大图传模拟信号；
所述信号采集单元，与所述DSP板相连接，用于将所述通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号转化为数字信号，将所述数字信号进行正交解调，得到基带信号；
所述DSP板，与所述显示终端相连接，用于将所述基带信号进行处理，得到空间谱，并以第一预设角度对所述空间谱进行扫描，得到所述空间谱峰值对应的角度，根据所述空间谱峰值对应的角度以第二预设角度进行扫描，将扫描的所述空间谱峰值的位置作为目标精确角度；
所述显示终端，与所述DSP板相连接，用于显示所述目标精确角度。
2.根据权利要求1所述的基于数字阵列的无人机探测系统，其特征在于，所述信号接收单元包括阵列天线组、射频前端组和下变频器组；
所述阵列天线组，与所述射频前端组相连接，用于接收所述无人机发送的所述图传模拟信号；
所述射频前端组，与所述下变频器组相连接，用于将所述图传模拟信号进行滤波和放大，得到所述通带为所述第一频率范围的放大图传模拟信号；
所述下变频器组，用于将所述通带为所述第一频率范围的放大图传模拟信号转换为所述通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号。
3.根据权利要求1所述的基于数字阵列的无人机探测系统，其特征在于，所述信号采集单元包括多个多通道采集板，所述多通道采集板包括多通道模数转换器ADC和现场可编程门阵列FPGA；
所述多通道ADC，用于将所述通带为所述第二频率范围的放大图传模拟信号转化为所述数字信号；
所述FPGA，用于根据所述第二频率范围和所述多通道ADC的采样率将所述数字信号进行正交解调，得到所述基带信号。
4.根据权利要求3所述的基于数字阵列的无人机探测系统，其特征在于，所述第二频率范围为10MHz-95MHz，所述第一频率范围为2400MHz-2485MHz。
5.根据权利要求1所述的基于数字阵列的无人机探测系统，其特征在于，所述DSP板还用于获取所述基带信号的协方差矩阵，并对所述协方差矩阵进行分解，得到特征值和所述特征值对应的特征向量，根据子空间原理，对所述特征值对应的特征向量进行处理，得到所述空间谱。
6.根据权利要求1所述的基于数字阵列的无人机探测系统，其特征在于，所述系统还包括频率源，与所述信号采集单元相连接，用于产生采样时钟和基准时钟。
7.根据权利要求2所述的基于数字阵列的无人机探测系统，其特征在于，所述阵列天线组包括多个阵列天线，所述射频前端组包括多个射频前端，所述下变频器组包括多个下变频器。
8.根据权利要求7所述的基于数字阵列的无人机探测系统，其特征在于，所述阵列天线由8个阵元组成，各个所述阵元的工作频率为2300MHz-2500MHz。
9.根据权利要求1所述的基于数字阵列的无人机探测系统，其特征在于，所述第一预设角度1°，所述第二预设角度为0.1°。
10.一种无人机，其特征在于，包括权利要求1-权利要求9任一项所述的基于数字阵列的无人机探测系统。
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Cited By (2)
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2017
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20181205 Address after: Room 3385, Building 112-118 Gaoyi Road, Baoshan District, Shanghai, 201900 Patentee after: Jianzhen Defense Technology (Shanghai) Co., Ltd. Address before: Room A6912, 180 Changjiang South Road, Baoshan District, Shanghai, 201900 Patentee before: Shanghai Yu Yu Electronic Technology Co., Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |