一種微型無人機毫米波雷達的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微型無人機毫米波雷達，包括頻率綜合器、發(fā)射機、發(fā)射天線、接收天線、接收機及處理器，其中，頻率綜合器產生雷達信號，發(fā)射機將其放大后送發(fā)射天線向空間輻射，接收天線和接收機接收目標反射信號，處理器從接收信號中反衍目標參數信息并發(fā)送給無人機。頻率綜合器射頻部分、發(fā)射機、發(fā)射天線、接收天線、接收機射頻部分集成在一射頻前端內，頻率綜合器基帶部分、接收機基帶部分、處理器通過一塊基帶板實現。本發(fā)明采用毫米波雷達探測目標并完成參數反衍，輔助無人機完成定高作業(yè)和障礙物規(guī)避，解決了現有超聲波或光流探測設備探測距離近、易受干擾及不具有全天時、全天候工作能力的問題。
【專利說明】
-種微型無人機毫米波雷達
技術領域
[0001 ]本發(fā)明設及毫米波雷達技術領域，特別設及一種微型無人機毫米波雷達。
【背景技術】
[0002] 現有的無人機，采用超聲波或光流技術實現高度測量或者障礙物探測，但是由于 探測距離近，容易受干擾，且不具有全天時、全天候工作的能力，不能較好的輔助無人機完 成定高作業(yè)和障礙物規(guī)避功能。
[0003] 公開號為：CN 105334515A，名稱為：一種基于鏡面反射的無人機避障雷達的專利 公開了 一種通過旋轉反射鏡面實現360度全景掃描的毫米波雷達方案，首先，該雷達不適合 高度測量，其次，在障礙物探測方面，能實現360度全景掃描，但旋轉機構會對無人機的姿態(tài) 造成擾動，對占無人機絕大部分的輕型無人機和微型無人機難W適用。
[0004] 公開號：CN 104808189A，名稱為:一種毫米波雷達信號處理系統及方法的專利公 開了采用DSP忍片完成毫米波雷達信號處理，因為DSP外設集成度低，需另外配備ADC、DAC、 RAM、FLASH等多個外圍器件才能完成信號處理工作，硬件復雜度高，功耗大，不利于產品小 型化，且總成本相對較高。
[0005] 公開號為:CN 103293516 A，名稱為:飛機雷達高度計結構的專利公布了一種飛機 雷達高度計結構，該結構組成部分較多，復雜度高，重量大，更適合大型有人機平臺。
【發(fā)明內容】
[0006] 本發(fā)明針對上述現有技術中存在的問題，提出一種微型無人機毫米波雷達，采用 毫米波雷達輔助無人機完成定高作業(yè)和障礙物規(guī)避功能，解決了現有超聲波或光流探測設 備探測距離近、容易受干擾及不具有全天時、全天候工作能力的問題。
[0007] 為解決上述技術問題，本發(fā)明是通過如下技術方案實現的：
[000引本發(fā)明提供一種微型無人機毫米波雷達，其包括:頻率綜合器、發(fā)射機、發(fā)射天線、 接收天線、接收機W及處理器，其中，
[0009] 所述頻率綜合器分別與所述發(fā)射機、所述接收機W及所述處理器相連，所述頻率 綜合器用于產生雷達信號，并將所述雷達信號傳輸到所述發(fā)射機和所述接收機;還用于產 生一與所述雷達信號同步的同步信號，并將所述同步信號傳輸到所述處理器；
[0010] 所述發(fā)射機與所述發(fā)射天線相連，所述發(fā)射機用于將所述雷達信號放大并傳輸到 所述發(fā)射天線；
[0011] 所述發(fā)射天線用于將所述發(fā)射機放大后的雷達信號向空間福射，所述發(fā)射機放大 后的雷達信號遇到目標產生反射，反射信號可W被雷達接收；
[0012] 所述接收天線與所述接收機相連，共同接收所述反射信號，并將接收到的信號傳 輸到所述處理器；
[0013] 所述處理器與所述接收機相連，用于對所述接收機接收到的雷達信號W及所述同 步信號進行綜合分析，反衍目標的參數信息，并通過通信接口向無人機發(fā)送；
[0014] 所述發(fā)射機包括:射頻部分;所述接收機包括:相互連接的射頻部分和基帶部分， 所述頻率綜合器包括:相互連接的射頻部分和基帶部分；
[0015] 所述發(fā)射機的射頻部分、所述接收機的射頻部分、所述頻率綜合器的射頻部分、所 述發(fā)射天線和所述接收天線集成在一射頻前端內；
[0016] 所述發(fā)射機的射頻部分與所述頻率綜合器的射頻部分相連，所述頻率綜合器的射 頻部分包括:相互連接的壓控振蕩器和功率分配器，所述功率分配器有兩路輸出，分別與所 述發(fā)射機和所述接收機的射頻部分相連；
[0017] 所述接收機的射頻部分包括:相互連接的低噪聲放大器、混頻器，所述低噪聲放大 器與所述接收天線相連，所述混頻器還分別與所述功率分配器W及所述接收機的基帶部分 相連，所述混頻器用于對所述反射信號及所述功率分配器傳輸來的所述雷達信號進行混 頻。
[0018] 較佳地，所述頻率綜合器的基帶部分包括:相互連接的第一基帶部分和第二基帶 部分，所述第一基帶部分包括:相互連接的調諧信號發(fā)生器和DAC，所述第二基帶部分包括： 整形濾波單元，所述整形濾波單元與所述DAC相連，并傳輸到頻率綜合器的射頻部分。
[0019] 較佳地，所述處理器包括:依次連接的ADC、信號處理單元、數據處理單元W及通信 接口，W及頻率綜合器第一基帶部分，所述ADC與所述接收機的基帶部分相連，所述信號處 理單元與所述調諧信號發(fā)生器相連。
[0020] 較佳地，所述信號處理單元用于結合所述調諧信號發(fā)生器的同步信號對ADC傳輸 來的采樣數據進行頻率過采樣處理得出雷達相對于目標的速度W及雷達相對于目標的距 離，所述雷達相對于目標的速度W及所述雷達相對于目標的距離的計算公式為：
[0021 ]當無人機的速度低于口限時，所述雷達相對于目標的距離W及所述雷達相對于目 標的速度的計算公式為：
[0022]
[0023] 其中，S為雷達相對于目標的距離，V為雷達相對于目標的速度，fup、fd?n分別為上 調頻階段、下調頻階段發(fā)射信號和接收信號的差頻，k為調頻斜率，C為光速，A為波長；
[0024] 當無人機的速度高于口限時，所述雷達相對于目標的距離W及所述雷達相對于目 標的速度的計算公式為：
[0025]
[0026] 其中，S為雷達相對于目標的距離，V為雷達于相對目標的速度，fup、fdDwn、fflat分別 為上調頻階段、下調頻階段、固定頻率階段發(fā)射信號和接收信號的差頻，k為調頻斜率，C為 光速，^為波長。
[0027] 采用頻域過采樣的方法提高了測距精度和測速精度。
[0028] 較佳地，所述數據處理單元用于接收所述信號處理單元傳輸來的所述雷達相對于 目標的速度W及雷達相對于目標的距離，并根據所述雷達相對于目標的速度、無人機的加 速度建立模型，剔除所述雷達相對于目標的速度W及雷達相對于目標的距離中不符合實際 情況的野值，計算所述雷達相對于目標的速度W及雷達相對于目標的距離的置信度，并進 行濾波，實現對目標的跟蹤，保存形成的航跡數據并通過通信接口發(fā)送給無人機。
[0029] 較佳地，所述發(fā)射機的射頻部分包括:功率放大器。
[0030] 較佳地，所述接收機的基帶部分包括:依次連接的低通濾波器、高通濾波器W及自 動增益控制器，所述低通濾波器與所述混頻器相連，所述自動增益控制器與所述處理器相 連。
[0031] 較佳地，所述發(fā)射天線及所述接收天線的方向圖吻合，且所述發(fā)射天線與所述發(fā) 射機共同保證功率增益積不超過20地m。
[0032 ]較佳地，還包括:天線罩，所述天線罩罩設在所述發(fā)射天線W及所述接收天線的外 側。
[0033] 較佳地，所述天線罩為POM材料天線罩，厚度為3.4mm或1. 1mm。
[0034] 相較于現有技術，本發(fā)明具有W下優(yōu)點：
[0035] (1)本發(fā)明提供的微型無人機毫米波雷達，通過合理的結構設計，減小了雷達的尺 寸，結構簡單、集成度高，使其能夠應用在微型無人機上，且功耗低、成本低；
[0036] (2)本發(fā)明的微型無人機毫米波雷達的探測距離遠，不易受干擾，可W全天時、全 天候工作。
[0037] 當然，實施本發(fā)明的任一產品并不一定需要同時達到W上所述的所有優(yōu)點。
【附圖說明】
[0038] 下面結合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明：
[0039] 圖1為本發(fā)明的微型無人機毫米波雷達的電路原理圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明的微型無人機毫米波雷達的結構示意圖。
[0041] 標號說明：1-射頻前端，2-基帶電路板，3-天線罩。
[0042] 圖3為本發(fā)明的微型無人機毫米波雷達的發(fā)射信號、接收信號及相應差頻信號的 示意圖。
[0043] 圖4為本發(fā)明的微型無人機毫米波雷達的信號處理流程圖。
[0044] 圖5為本發(fā)明的微型無人機毫米波雷達的數據處理流程圖。
【具體實施方式】
[0045] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在W本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。
[0046] 結合圖1-圖2,本實施例對本發(fā)明的微型無人機毫米波雷達進行詳細描述，其電路 原理圖如圖1所示，其包括:頻率綜合器、發(fā)射機、一發(fā)射天線、一接收天線、接收機W及處理 器，其中，頻率綜合器分別與發(fā)射機、接收機W及處理器相連，頻率綜合器用于產生雷達信 號，并將雷達信號傳輸到發(fā)射機和接收機;還用于產生一與調諧信號同步的同步信號，并將 同步信號傳輸到處理器;發(fā)射機與發(fā)射天線相連，發(fā)射機用于將雷達信號放大后傳輸到發(fā) 射天線;發(fā)射天線用于將雷達信號向空間福射，雷達信號遇到目標產生反射信號;接收天線 和接收機相連，用于接收反射信號;接收機與處理器相連，接收機將接收到的反射信號傳輸 到處理器;處理器用于對反射信號W及同步信號進行分析，反衍目標的參數信息，并通過處 理器的通信接口發(fā)送給無人機;發(fā)射機包括:射頻部分;接收機包括:相互連接的射頻部分 和基帶部分，頻率綜合器包括:相互連接的射頻部分和基帶部分;發(fā)射機、接收機的射頻部 分W及頻率綜合器的射頻部分集成在一射頻前端內；發(fā)射機的射頻部分包括功率放大器 (PA),兩端分別連接頻率綜合器和發(fā)射天線;頻率綜合器的射頻部分包括相互連接的壓控 振蕩器和功率分配器，壓控振蕩器連接頻率綜合器的基帶部分，功率分配器兩個輸出分別 連接發(fā)射機和接收機;接收機的射頻部分包括:相互連接的低噪放大器(LNA)和混頻器，低 噪放大器與接收天線相連，混頻器還分別與功率分配器W及接收機的基帶部分相連，混頻 器用于對反射信號及功率分配器傳輸來的雷達信號進行混頻。
[0047] 本實施例中，接收機的基帶部分包括:依次連接的LPF(低通濾波器）、HPF(高通濾 波器似及AGC(自動增益控制器），LPF與混頻器相連，AGC與處理器相連。HPF不僅用于通過 STC技術抑制調諧信號及其諧波信號，還用于提高接收機的動態(tài)范圍;通過合理配置信號帶 寬、調諧周期等參數，保證雷達最大差頻不超過20KHZ，從而可W通過音頻AGC忍片實現自動 增益控制功能。接收機的基帶部分與處理器內置的ADC(模擬數字轉換器)相連。
[0048] 本實施例中，頻率綜合器的基帶部分包括:第一基帶部分和第二基帶部分，第一基 帶部分包括:相互連接的調諧信號發(fā)生器W及DAC(數字模型轉換器）；第二基帶部分包括： 整形濾波單元;頻率綜合器的射頻部分包括:壓控振蕩器(VCO)和功率分配器。調諧信號發(fā) 生器產生的信號通過DAC傳輸到整形濾波單元，經過整形濾波單元整形濾波后傳輸到壓控 振蕩器。
[0049] 本實施例中，處理器包括:依次連接的ADC、信號處理單元、數據處理單元W及通信 接口，ADC與接收機的基帶部分相連，輸出到信號處理單元。
[0050] 本實施例中，接收機的基帶部分、頻率綜合器的基帶部分W及處理器集成在同一 基帶板2上;本實施例中，還包括:天線罩3，天線罩3罩設在發(fā)射天線和接收天線的外側，結 構示意圖如圖2所示。
[0051] 本實施例中，發(fā)射天線和接收天線采用毫米波微帶天線，較佳地，波束寬度在兩個 維度上均在10°~30°范圍內。
[0052] 較佳實施例中，信號處理單元基于雷達獨特的組合波形（如圖3所示)進行相應信 號處理，處理流程如圖4所示，在無人機的飛行速度低于口限時，雷達相對于目標的距離W 及雷達相對于目標的速度的計算公式為：
[0化3] (I)
[0054] 其中，S為雷達相對于目標的距離，V為雷達相對于目標的速度，遠離時速度為正 的，接近時速度為負的，fup、fdDwn分別為上調頻階段、下調頻階段發(fā)射信號和接收信號的差 頻，k為調頻斜率，C為光速，A為波長。
[0055] 當無人機的飛行速度高于口限時，雷達相對于目標的距離和雷達相對于目標速度 的計算公式則為：
[0056]
(2 )
[0057] 其中，S為雷達相對于目標的距離，V為雷達相對于目標的速度，遠離為+，接近為-， 片。^<1。^^:13*分別為上調頻階段、下調頻階段、固定頻率階段發(fā)射信號和接收信號的差頻， k為調頻斜率，C為光速，A為波長。
[0058] 同時采用頻域過采樣的方法，實現測距精度和測速精度的提升。
[0059] 數據處理單元用于根據雷達相對于目標的速度、無人機的加速度建立模型，剔除 雷達相對于目標的速度W及雷達相對于目標的距離中不符合實際情況的野值，計算上述兩 參數的置信度，并進行濾波，實現對目標的跟蹤，保存形成的航跡數據并通過通信接口向無 人機平臺傳輸，當目標有多個時，根據雷達相對于目標的距離進行危險排序，優(yōu)先處理危險 高的，處理流程如圖5所示。
[0060] 較佳實施例中，處理器采用單核MCU，結構簡單，尺寸小。
[0061] 較佳實施例中，天線罩的材料可W采用POM材料，厚度在1. lmm-3.4mm之間。
[0062] 較佳實施例中，處理器的通信接口包括:ITL串口和CAN兩種通信方式。
[0063] 本實施例的工作原理為:調諧信號發(fā)生器產生的基帶數字控制信號，經過DAC和整 形濾波器產生基帶模擬控制信號，經過壓控振蕩器后產生射頻信號，該信號經過功率分配 器W及功率放大器后，經發(fā)射天線發(fā)射，遇到待測物后產生反射信號，由接收天線接收，經 過低噪放大器放大后，輸入到混頻器中，混頻器將該反射信號與功率分配器分配的雷達信 號混頻后產生差頻信號，差頻信號經過接收機的基帶部分處理后傳輸到處理器中，處理器 結合雷達信號發(fā)射器發(fā)射的同步信號W及接收機傳輸來的差頻信號進行處理，精確計算出 微型無人機的雷達相對于目標的距離和速度，并將獲得的參數通過通信接口向無人機發(fā) 送。
[0064] 上述實施例的微型無人機毫米波雷達可W應用到植保無人機上，作為定高傳感 器，輔助植保無人機在最佳高度上進行藥物噴灑，達到最佳的防蟲效果，同時避免無人機與 制備相接觸。
[0065] 上述實施例的微型無人機毫米波雷達還可W應用于低層大氣成分探測無人機，通 過測量無人機距離地面的相對高度，然后與無人機上大氣成分探測載荷數據匹配，實現不 同高度上低層大氣成分探測。
[0066] 此處公開的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本說明書選取并具體描述運些實施例，是 為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應用，并不是對本發(fā)明的限定。任何本領域技術人員 在說明書范圍內所做的修改和變化，均應落在本發(fā)明所保護的范圍內。
【主權項】
1. 一種微型無人機毫米波雷達，其特征在于，包括:頻率綜合器、發(fā)射機、發(fā)射天線、接 收天線、接收機以及處理器，其中， 所述頻率綜合器分別與所述發(fā)射機、所述接收機以及所述處理器相連，所述頻率綜合 器用于產生雷達信號，并將所述雷達信號傳輸到所述發(fā)射機和所述接收機;還用于產生一 與所述雷達信號同步的同步信號，并將所述同步信號傳輸到所述處理器； 所述發(fā)射機與所述發(fā)射天線相連，所述發(fā)射機用于將所述雷達信號放大并傳輸到所述 發(fā)射天線； 所述發(fā)射天線用于將所述發(fā)射機放大后的雷達信號向空間輻射，所述發(fā)射機放大后的 雷達信號遇到目標產生反射，反射信號可以被雷達接收； 所述接收天線與所述接收機相連，共同接收所述反射信號，并將接收到的信號傳輸到 所述處理器； 所述處理器與所述接收機相連，用于對所述接收機接收到的雷達信號以及所述同步信 號進行綜合分析，反衍目標的參數信息，并通過通信接口向無人機發(fā)送； 所述發(fā)射機包括:射頻部分;所述接收機包括:相互連接的射頻部分和基帶部分，所述 頻率綜合器包括:相互連接的射頻部分和基帶部分； 所述發(fā)射機的射頻部分、所述接收機的射頻部分、所述頻率綜合器的射頻部分、所述發(fā) 射天線和所述接收天線集成在一射頻前端內； 所述發(fā)射機的射頻部分與所述頻率綜合器的射頻部分相連，所述頻率綜合器的射頻部 分包括:相互連接的壓控振蕩器和功率分配器，所述功率分配器有兩路輸出，分別與所述發(fā) 射機和所述接收機的射頻部分相連； 所述接收機的射頻部分包括:相互連接的低噪聲放大器、混頻器，所述低噪聲放大器與 所述接收天線相連，所述混頻器還分別與所述功率分配器以及所述接收機的基帶部分相 連，所述混頻器用于對所述反射信號及所述功率分配器傳輸來的所述雷達信號進行混頻。2. 根據權利要求1所述的微型無人機毫米波雷達，其特征在于，所述頻率綜合器的基帶 部分包括:相互連接的第一基帶部分和第二基帶部分，所述第一基帶部分包括:相互連接的 調諧信號發(fā)生器和DAC，所述第二基帶部分包括:整形濾波單元，所述整形濾波單元與所述 DAC相連，并傳輸到頻率綜合器的射頻部分。3. 根據權利要求1所述的微型無人機毫米波雷達，其特征在于，所述處理器包括:依次 連接的ADC、信號處理單元、數據處理單元以及通信接口，所述ADC與所述接收機的基帶部分 相連，所述信號處理單元與所述調諧信號發(fā)生器相連。4. 根據權利要求3所述的微型無人機毫米波雷達，其特征在于，所述信號處理單元用于 結合所述調諧信號發(fā)生器的同步信號對ADC傳輸來的采樣數據進行頻率過采樣處理得出雷 達相對于目標的速度以及雷達相對于目標的距離，所述雷達相對于目標的速度以及所述雷 達相對于目標的距離的計算公式為： 當無人機的速度低于門限時，所述雷達相對于目標的距離以及所述雷達相對于目標的 速度的計算公式為：其中，S為雷達相對于目標的距離，V為雷達相對于目標的速度，fup、fd_分別為上調頻 階段、下調頻階段發(fā)射信號和接收信號的差頻，k為調頻斜率，C為光速，λ為波長； 當無人機的速度高于門限時，所述雷達相對于目標的距離以及所述雷達相對于目標的 速度的計算公式為：其中，S為雷達相對于目標的距離，V為雷達于相對目標的速度，匕[)4(1_、& 1^分別為上 調頻階段、下調頻階段、固定頻率階段發(fā)射信號和接收信號的差頻，k為調頻斜率，c為光速， λ為波長。5. 根據權利要求4所述的微型無人機毫米波雷達，其特征在于，所述數據處理單元用于 接收所述信號處理單元傳輸來的所述雷達相對于目標的速度以及雷達相對于目標的距離， 并根據所述雷達相對于目標的速度、無人機的加速度建立模型，剔除所述雷達相對于目標 的速度以及雷達相對于目標的距離中不符合實際情況的野值，計算所述雷達相對于目標的 速度以及雷達相對于目標的距離的置信度，并進行濾波，實現對目標的跟蹤，保存形成的航 跡數據并通過所述通信接口發(fā)送給無人機。6. 根據權利要求1所述的微型無人機毫米波雷達，其特征在于，所述發(fā)射機的射頻部分 包括:功率放大器。7. 根據權利要求1所述的微型無人機毫米波雷達，其特征在于，所述接收機的基帶部分 包括:依次連接的低通濾波器、高通濾波器以及自動增益控制器，所述低通濾波器與所述混 頻器相連，所述自動增益控制器與所述處理器相連。8. 根據權利要求1所述的微型無人機毫米波雷達，其特征在于，所述發(fā)射天線及所述接 收天線的方向圖吻合，且所述發(fā)射天線與所述發(fā)射機共同保證功率增益積不超過20dBm。9. 根據權利要求1所述的微型無人機毫米波雷達，其特征在于，還包括:天線罩，所述天 線罩罩設在所述發(fā)射天線以及所述接收天線的外側。10. 根據權利要求9所述的微型無人機毫米波雷達，其特征在于，所述天線罩為POM材料 天線罩。
【文檔編號】G01S13/93GK106019285SQ201610671598
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月16日
【發(fā)明人】侍述海, 顧國帥, 徐恒, 姚慶璐, 丁帥
【申請人】上海航天測控通信研究所