传感器飞行器、基于所述传感器飞行器的扫描系统与方法与流程

本发明涉及一种传感器飞行器、基于所述传感器飞行器的扫描系统、所述扫描系统的扫描方法，尤其涉及一种实现360度全方位无遮挡扫描的传感器飞行器、基于所述传感器飞行器的扫描系统、所述扫描系统的扫描方法。

背景技术：

传感器飞行器概念由美国空军研究实验室(AFRL)首次提出，旨在为一种未来作战能力开发使能技术。作为一种吸气式飞行器，传感器飞行器被认为是全集成ISR系统的组成部分，该系统能将整个空、天、地的设施有机地集成到一起。这种技术结构远远超出了交互导引一类的简单信息融合概念，实现了自动整合，使传感器性能大大提升，从而能够识别各种伪装的、隐蔽的和虚假的目标。此外，这种传感器无人机还能与天基设施进行多点静态协同，并能从地面传感器获取数据。

传感器飞行器本身是一种高空长航时ISR平台，可为持久性战场态势感知系统提供信息。现有预警机一般采用已有飞机平台加载传感器的形式，这种情况下，一方面而言，如果要进一步扩大威力范围，就需要选择更大的飞机，既增加了成本，又导致预警机的发展严重受到平台发展水平的制约，无法发挥最大效力(如空警200，为了满足飞机气动性能的需要，采用了平衡木构型，盲区难以弥补；而空警2000由于飞机尾翼过高，严重影响此方向探测效果)；另一方面，由于飞机平台的研制并非为预警机量身定制，导致其能提供的资源用不上，传感器需要的资源平台又无法提供，由于双方能力的不匹配导致了整体能力的不足(如空警2000，平台伊尔76载重可达50吨，而雷达等传感器实际使用很小的一部分)。而且，由现有飞机改装的预警机，很难满足长航时长航程需要。

传感器飞行器设计理念要求突破传统飞行器设计中传感器的附属地位，将传感器性能发挥作为一种总体设计约束增加到系统的方案设计过程中。与传统无人飞行器相比，传感器飞行器在初始设计阶段即将无人机平台与传感器载荷密切交互，最大程度消除飞行器平台本身对传感器载荷性能的负面影响。常规情况下机载天线的布置受到安装方式、结构强度、体积重量等多重约束，尺寸往往限定在一定范围内；在具备良好气动特性的基础上，传感器飞行器大量采用传感器共形技术将天线通过与外翼共形布置在外翼内部，使传感器的性能得到极大发挥。

技术实现要素：

为了解决传感器飞行器的360度全方位无遮挡扫描，延长现有预警机航时，消除飞行器平台和传感器之间的影响，本发明提供了一种实现360度全方位无遮挡扫描的传感器飞行器、基于所述传感器飞行器的扫描系统、所述扫描系统的扫描方法。传感器飞行器设计为长航时传感器飞行器，它可以实现空基雷达360度全方位无遮挡扫描，最大程度的利用飞行器平台和传感器的性能。

针对现有技术的不足，本发明提供一种实现360度全方位无遮挡扫描的传感器飞行器，其包括：

内翼；

两个外翼，分别位于内翼相对两侧；

两块平面阵列天线，分别布置在内翼的前端两侧上；

两块端射阵列天线，分别布置在两个外翼上；

其中，所述传感器飞行器采用飞翼布局，且内翼后掠角设计为30±5度，每个外翼后掠角设计为120±5度，每块平面阵列天线扫描角度为120度，两块平面阵列天线实现对所述传感器飞行器的前向240±5度扫描，每块端射阵列天线扫描角度为60±5度，两块端射阵列天线实现所述传感器飞行器的后向120±5度扫描。

作为上述方案的进一步改进，所述传感器飞行器还包括尾翼，尾翼固定在内翼的尾部，并向后发散呈V形。

进一步地，所述传感器飞行器还包括两台发动机，两台发动机固定在内翼的后部，位于尾翼的相对两侧。

作为上述方案的进一步改进，所述传感器飞行器还包括两个翼梢小翼，两个翼梢小翼分别固定在两个外翼的末端。

作为上述方案的进一步改进，内翼与两个外翼采用翼身融合的方式。

作为上述方案的进一步改进，内翼采用一体化内翼。

作为上述方案的进一步改进，外翼采用一体化外翼。

作为上述方案的进一步改进，两块平面阵列天线通过集成的方式分别固定在内翼的前端两侧上；两块端射阵列天线通过集成的方式分别固定在两个外翼上。

本发明还提供一种应用于上述任意实现360度全方位无遮挡扫描的传感器飞行器的扫描系统，所述扫描系统包括综合处理模块、发送模块、接收模块；其中，

传感器飞行器在发射态时，所述综合处理模块用于产生扫描系统同步时钟信号，利用所述同步时钟信号产生全机同步脉冲和发射时序，按照所述发射时序产生发射信号，所述发射信号分别与一个本振信号一、一个本振信号二进行上变频形成RF信号；所述发射模块用于将所述RF信号经过功分后和移相后再放大，最后馈入四块阵列天线向空间辐射，辐射的信号在空间合成后形成发射波束；

传感器飞行器在接收态时，所述接收模块用于在目标回波信号经过四块阵列天线接收后，进行低噪声场放大，然后与本振信号一、本振信号二进行二次下变频，输出中频I、Q信号，送到所述综合处理模块形成预处理点迹，下传至地面设备进行数据处理，把形成的航迹显示。

本发明还提供一种上述扫描系统的扫描方法，所述扫描方法包括以下步骤：

传感器飞行器在发射态时，产生扫描系统同步时钟信号，利用所述同步时钟信号产生全机同步脉冲和发射时序，按照所述发射时序产生发射信号，所述发射信号分别与本振信号一、本振信号二进行上变频形成RF信号；所述RF信号经过功分后和移相后再放大，最后馈入四块阵列天线向空间辐射，辐射的信号在空间合成后形成发射波束；

传感器飞行器在接收态时，在目标回波信号经过四块阵列天线接收后，进行低噪声场放大，然后与所述本振信号一、所述本振信号二进行二次下变频，输出中频I、Q信号，进行预处理点迹，下传至地面设备进行数据处理，把形成的航迹显示。

本发明的传感器飞行器，是现有空基雷达一个很好的替代，与现有技术相比，其特点在于：传感器和飞行器平台一体化设计：通过在外翼和内翼两侧布置平面阵列雷达天线，外翼后缘布置平面阵列雷达天线，实现空基雷达系统360度全方位扫描。

本发明的传感器飞行器，与现有预警机相比，现有预警机雷达扫描受尾翼影响，而本设计空基雷达不受内翼以及尾翼等影响，可以实现无遮挡扫描；整机均是升力面，翼载较小，重量轻，结构重量轻，升阻特性好，航时长，空基雷达连续扫描时间较预警机有较大提升；通过翼身融合设计使飞机具有很高的气动效率，飞翼布局飞机其外翼与内翼的融合大大减小了传统布局翼身间的干扰阻力和诱导阻力,飞机气动载荷分布也达到最佳增大了飞机的升阻比；相比预警机圆盘形空基雷达以及飞机平台本身，本设计传感器飞行器空基雷达反射面积小，隐身特性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，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是本发明传感器飞行器的立体结构示意图；

图2是图1中传感器飞行器的主视图；

图3是图2的右视图；

图4是图2的仰视图。

图5a、图5b、图5c、图5d为无尾、有翼梢小翼布局形式的传感器飞行器的结构示意图；

图6a、图6b、图6c、图6d为无尾、无翼梢小翼布局形式的传感器飞行器的结构示意图；

图7a、图7b、图7c、图7d为有V尾、有翼梢小翼布局形式的传感器飞行器的结构示意图；

图8是图1中传感器飞行器设计状态下的雷达扫描原理。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合实施例和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请一并参阅图1至图4，本发明的实现360度全方位无遮挡扫描的传感器飞行器包括两块平面阵列天线1、2；两块端射阵列天线3、4；内翼5；外翼6；尾翼7；两台发动机8；两块翼梢小翼9。

两个外翼6分别位于内翼5相对两侧；两块平面阵列天线1、2分别布置在内翼5的前端两侧上；两块端射阵列天线3、4分别布置在两个外翼6上。两块平面阵列天线1、2可通过集成的方式分别固定在内翼5的前端两侧上；两块端射阵列天线3、4可通过集成的方式分别固定在两个外翼6上。在本实施例中，内翼5采用一体化内翼，外翼6采用一体化外翼。

所述传感器飞行器采用飞翼布局，且内翼5后掠角设计为30±5度，每个外翼6后掠角设计为120±5度，每块平面阵列天线扫描角度为120±5度，两块平面阵列天线1、2实现对所述传感器飞行器的前向240±5度扫描，每块端射阵列天线扫描角度为60±5度，两块端射阵列天线3、4实现所述传感器飞行器的后向120±5度扫描。

故，在本实施例中，空基雷达集成至内翼以及外翼如图1所示。为了实现360度扫描，内翼5两侧布置两块平面阵列雷达天线1、2，每块平面阵列雷达天线扫描角度120度，通过设计飞翼布局内翼5后掠角(30度)以及外翼6后掠角(120度)，实现两块平面阵列天线前向240度扫描。外翼6后缘分别布置一块端射阵列天线，每块端射阵列天线扫描角度为60度，实现传感器飞行器后向120度扫描。通过四块一体化阵列天线，实现空基雷达的360度全方位扫描。

对于传感器飞行器，为了克服传统飞翼布局纵向和航向静不稳定问题，设计V形尾翼7，尾翼7固定在内翼5的尾部，并向后发散呈V形。内翼5与两个外翼6采用翼身融合的方式，通过翼身融合技术，提高自身隐身性能。每个外翼6增加翼梢小翼9，改善全机气动性能。两个翼梢小翼9分别固定在两个外翼6的末端。

四块阵列天线全部集成于内翼或者外翼，雷达和飞行器平台之间互相无干扰，可以最大程度的发挥平台和传感器的优势，实现空基雷达的360度全方位扫描。与现有预警机相比，现有预警机雷达扫描受尾翼影响，而本设计空基雷达不受内翼5以及尾翼7等影响，可以实现无遮挡扫描。

本发明整机均是升力面，翼载较小，重量轻，结构重量轻，升阻特性好，航时长。通过翼身融合设计使飞机具有很高的气动效率，飞翼布局飞机其外翼与内翼的融合大大减小了传统布局翼身间的干扰阻力和诱导阻力,飞机气动载荷分布也达到最佳增大了飞机的升阻比。相比预警机圆盘形空基雷达以及飞机平台本身，本设计传感器飞行器空基雷达反射面积小，传感器飞行器隐身特性好。

综上所述，内翼5两侧布置两块平面阵列雷达天线1、2，每块天线扫描角度120度，通过设计飞翼布局内翼5后掠角以及外翼6后掠角，实现两块平面阵列天线1、2前向240度扫描。外翼6后缘分别布置一块端射阵列天线，每块端射阵列天线扫描角度为60度，实现传感器飞行器后向120度扫描。本发明可以实现空基雷达长航时的360度扫描全方位无遮挡扫描。

在其他实施例中，本发明的设计要点还可以适用在无尾、有翼梢小翼布局形式的传感器飞行器中，其结构示意图如图5a、图5b、图5c、图5d所示；本发明的设计要点还可以适用在无尾、无翼梢小翼布局形式的传感器飞行器中，其结构示意图如图6a、图6b、图6c、图6d所示；本发明的设计要点还可以适用在有V尾、有翼梢小翼布局形式的传感器飞行器中，其结构示意图如图7a、图7b、图7c、图7d所示。

本发明实现360度全方位无遮挡扫描的传感器飞行器设置有配套的扫描系统，所述扫描系统主要包括综合处理模块、发送模块、接收模块。

传感器飞行器在发射态时，所述综合处理模块用于产生扫描系统同步时钟信号，利用所述同步时钟信号产生全机同步脉冲和发射时序，按照所述发射时序产生发射信号，所述发射信号分别与一个本振信号一、一个本振信号二进行上变频形成RF信号；所述发射模块用于将所述RF信号经过功分后和移相后再放大，最后馈入四块阵列天线向空间辐射，辐射的信号在空间合成后形成发射波束。

传感器飞行器在接收态时，所述接收模块用于在目标回波信号经过四块阵列天线接收后，进行低噪声场放大，然后与本振信号一、本振信号二进行二次下变频，输出中频I、Q信号，送到所述综合处理模块形成预处理点迹，下传至地面设备进行数据处理，把形成的航迹显示。

所述扫描系统应用如下的扫描方法，所述扫描方法包括以下步骤：

传感器飞行器在发射态时，产生扫描系统同步时钟信号，利用所述同步时钟信号产生全机同步脉冲和发射时序，按照所述发射时序产生发射信号，所述发射信号分别与本振信号一、本振信号二进行上变频形成RF信号；所述RF信号经过功分后和移相后再放大，最后馈入四块阵列天线向空间辐射，辐射的信号在空间合成后形成发射波束；

传感器飞行器在接收态时，在目标回波信号经过四块阵列天线接收后，进行低噪声场放大，然后与所述本振信号一、所述本振信号二进行二次下变频，输出中频I、Q信号，进行预处理点迹，下传至地面设备进行数据处理，把形成的航迹显示。

在本实施例中，传感器飞行器机载预警雷达是一部波束可灵活扫描的两坐标雷达。该雷达主要采用一维有源相扫体制、轻型一体化设计等技术，具有对低空探测性能好、测量精度和分辨率高、低峰值发射功率、可靠性高等特点，主要对空中目标进行距离、方位的定位。另外，还可以提供目标的速度、航向等信息。

系统加电后，雷达在发射态时，频率源产生系统同步时钟信号，综合处理分机时序控制模块利用该信号产生全机同步脉冲和各种模式时序，频率源按照发射时序产生发射信号，该信号分别与频综器送来的一本振、二本振信号进行上变频形成RF信号，该信号经过功分后和移相后送到发射组件，发射组件将该信号放大，馈入天线阵列向空间辐射，发射信号在空间合成后形成发射波束。通过改变移相器波形的相位，可以形成不同形状和指向的发射波束，覆盖指定的探测空域。

雷达接收时，目标回波信号经过天线接收后，送到带限幅器的低噪声场放放大，然后与一本振、二本振信号进行二次下变频，输出中频I、Q信号，送到综合处理分机形成预处理点迹，下传至地面设备进行数据处理，把形成的航迹送到显控。

雷达扫描范围原理(扫描范围原理图参见图8)：典型设计状态下，内翼5后掠角30度，外翼6后掠角120度。对于平面阵列天线，其扫描角度为±60度，端射阵扫描角度为±30度。一般情况下，可以用三面阵实现传感器飞行器的360度扫描，但是这种三面阵对于平台本身设计来说难度大，因而外翼后缘采用扫描能力弱的端射阵列。本发明中，内翼5平面阵列实现分别实现前向120度扫描，内翼5两侧雷达平面阵列便可以实现前向240度扫描，外翼6后缘端射阵雷达分别实现垂直于后缘的±30度扫描，通过两块端射阵列来实现后向的120度扫描。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。