一种用于多旋翼小型无人机的探测与定位装置的制作方法

本发明属于无人机探测技术领域，具体涉及一种用于多旋翼小型无人机的探测与定位装置。

背景技术：

目前，无人机产业发展迅速，根据相关部门预测，无人飞行器市场年化复合增速约将达到13％，到2023年预计约180亿美元。但是，随着无人机迅速发展，无人机的滥用及违规飞行也越来越严重，使得无人机已成为低空空域主要威胁之一，对航空活动和国家重大场所安全带来巨大隐患。2015年5月14日，一名男子在白宫外操控无人机在白宫禁飞区内飞行，令白宫一度陷入封锁；2016年5月28日新华网报道成都机场因无人机导致跑道停航关闭1小时20分；2016年4月17日，据CNN报道伦敦希斯罗机场一空客A320飞机降落时与无人机相撞，所幸的是并未造成人员伤亡。

多旋翼小型无人机，螺旋桨数量多，飞行平稳，操作容易。具有可折叠、垂直起降、可悬停、对场地要求低等优点，被广大民众所青睐。飞行高度多在1000米以下的低空空域。由于低空空域环境复杂，发现和定位低空多旋翼小型无人机目标主要存在以下难点：

(1)多旋翼小型无人机机动性复杂，且可协作性差，大多数都是非合作目标；

(2)多旋翼小型无人机体积小，轴距多在550毫米至600毫米之间，目标雷达截面积(Radar Cross Section,RCS)小，回波信号微弱，特别是在复杂背景干扰下，目标被大量噪声所淹没；

(3)低空飞行目标，特别是多旋翼小型无人机等低空小型慢速目标，具有强的地杂波背景，使得对这类目标的探测变得极为困难；

(4)多旋翼小型无人机运动速度相对较低，一般低于20m/s，多普勒信息不明显。

由于上述原因，多旋翼小型无人机目标发现难、跟踪难、定位难，传统的发现定位系统于体制及用途不一样并不适合探测低空多旋翼小型无人机目标。

专利CN104280731A公开了一种低空搜索雷达系统，其特征是包括天线、电子舱、终端显示系统、驱动机构及线缆，以及装入至天线射频舱内的收发系统。天线、收发系统、驱动机构通过机械连接，各舱及驱动机构之间由线缆连接。该系统可独立或多台组网进行工作，但没有针对多旋翼小型无人机目标具有强地杂波背景特点，仅简单采用动目标检测技术，会产生大量虚假目标，无法有效检测，且部件多、结构复杂。

专利CN204244383U公开了一种低空目标检测系统，其特征是包括一个雷达探测系统、一个光电探测系统和一个显控系统；雷达探测系统用于在其警戒范围内对目标进行探测并回传给显控系统目标数据；光电探测系统能够与显控系统通信，基于雷达已探测到的目标，继续对目标进行探测跟踪。该系统主要针对低空高速目标，但面对低小慢目标，特别是多旋翼小型无人机，该系统会由于较高的速度探测阈值而无视慢速目标，因而无法有效发现目标，且因设备体积大、机动性弱、成本昂贵而无法得到广泛的应用。

因此，缺少一种有效的针对多旋翼小型无人机的发现与定位系统，特别缺乏一种低成本、小型化、机动性强的发现和定位系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的，就是针对上述问题，提供一种针对多旋翼小型无人机的发现与定位系统，解决现有低空空域缺乏针对多旋翼小型无人机的发现与定位系统问题。

本发明的技术方案是：一种用于多旋翼小型无人机的探测与定位装置，其特征在于，包括发射子系统、接收子系统、信号处理子系统、GPS子系统、显示与控制子系统和电源子系统；

发射子系统，用于产生扫描信号，将产生的扫描信号上变频至雷达发射频率波段，并传输至发射天线。所述发射子系统包括4个部分：直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)、D/A变换器、上变频器和发射天线。首先，由数字式频率合成器产生数字信号，经过D/A变换为模拟信号g(t)：

g(t)＝u(t)cos(πγt²)

式中，为线性调频斜率，B为信号带宽，为矩形脉冲，A为信号幅度，为持续时间为T的矩形脉冲。经过上变频器变换至中心频率为f₀的带通信号s(t)：

s(t)＝u(t)cos(2πf₀t+πγt²)

最后将信号s(t)传输至发射天线,发射天线增益大于等于32dB，水平方向波束宽度小于等于2°，垂直方向波束宽度小于等于10°。

接收子系统，用于接收回波信号，将接收天线反馈的回波信号下变频至低中频，并将模拟信号变换为数字信号。所述接收子系统包括4个部分：接收天线、正交解调器、低通滤波、A/D变换器。接收天线接收到目标回波信号s_r(t)：

s_r(t)＝s(t-t_r)＝u(t-t_r)cos[2πf₀(t-t_r)+πγ(t-t_r)²]

式中，为目标回波信号滞后于发射信号的时间，R为目标和雷达之间的距离，c为光速。经过正交解调和低通滤波后，得到目标回波信号r(t)为：

实际处理中，雷达接收机除了接收到目标回波，还有雷达杂波，本雷达系统为地物杂波，因为地物杂波的成分复杂无法给出时域表达式，这里使用c(t)表示，服从高斯分布，其功率谱也服从高斯分布。雷达接收机实际接收回波信号x(t)：

x(t)＝r(t)+c(t)

接收到的回波信号x(t)经过A/D变换，得到离散信号x[n]，传输至信号处理模块，进行数字信号处理。

信号处理子系统，用于处理回波信号，检测并跟踪目标。首先，将接收到的回波信号进行脉冲压缩；然后，针对多旋翼小型无人机目标地杂波背景强、回波信号微弱、目标运动速度相对较慢等特点，采用Kalmus滤波器作为零速滤波器滤除零速多普勒附近杂波，实现杂波抑制；并利用剩余信号建立双参数剩余杂波图，实现多旋翼小型无人机目标预警检测。

具体步骤如下：

(1)脉冲压缩，脉冲压缩采用h[n]＝g^*[-n]的匹配滤波器实现，其中N＝f_sT为采样点数，f_s为采样频率，T为发射信号的时宽，当目标和雷达之间发生相对运动时，设在t时刻目标与雷达之间的距离为R(t)＝R₀-vt，R₀为t＝0时刻的距离，v为目标相对雷达运动的速度，为矢量，当目标靠近雷达为正，当目标远离雷达为负，并假设雷达单次发射和接收信号过程中目标与雷达之间的距离不变，则x[n]经过脉冲压缩后得到x₀[n]：

式中，c[n]表示离散的雷达地物杂波，表示卷积。

(2)Kalmus滤波器，Kalmus滤波器由两个共轭的滤波器组成，其中一个滤波器的滤波器系数表示为：

式中l＝0,1,…,N′-1，N′是滤波器的阶数，T_p为雷达的脉冲重复周期PRT。另外一个滤波器的滤波器系数h₁(t)为h₀(t)取共轭得到，即实际中处理的是离散信号，因此将公式7表示为离散形式得到：

式中，N″＝f_sT_p为雷达一个脉冲重复周期内的采样点数。将离散信号x₀[n]分别经过两个滤波器h₀[n]和h₁[n]得到：

式中b₀[n]和b₁[n]分别为两个滤波器的输出，表示卷积，为h₀[n]的共轭；然后将两个滤波器的输出取模、相减、取绝对值后得到Kalmus滤波器的输出x₁[n]表示为：

x₁[n]＝||b₀[n]|-|b₁[n]||

式中，|·|表示取模或者取绝对值。

(3)建立双参数剩余杂波图，假设雷达一次扫描周期可以得到L个距离单元和P个方位单元回波，并且假设在一个杂波单元里面的分辨单元数为M×N″′，则一共可以分为和个杂波单元，其中N″′去Kalmus滤波器阶数N′的正整数倍。假设在每个杂波单元里的分辨单元是相互独立同分布的，则由中心极限定理知，每个杂波单元里的所有分辨单元的和近似服从高斯分布。双参数剩余杂波图采用双回路反馈积累的方式对杂波单元的均值和标准差进行估计表示为：

式中X_i,j(m,k)表示在雷达第m次扫描中，第k个杂波单元里第i个距离分辨单元第j个方位分辨单元的观测数据。和分别为第m次扫描中计算的第k个杂波单元的均值和方差。通过双回路反馈积累更新得到第m次扫描中第k个杂波单元的均值Y_m(k)和方差的估计值表示为如下：

式中w∈[0,1]表示遗忘因子，Y_m-1(k)和分别表示第m-1次扫描中第k个杂波单元的均值和方差的估计值。将第m-1次扫描中第k个杂波单元的均值Y_m-1(k)和方差的线性组合作为第m次扫描中第k个杂波单元的判决门限，表示为如下：

式中V表示权重系数，T_m(k)为第m次扫描中第k个杂波单元的判决门限；最后将X_i,j(m,k)和T_m(k)进行比较判决，实现多旋翼无人机目标检测；假设当接收机输入只有杂波没有目标时为H₀，当接收机输入包含目标和杂波时为H₁，则判决表示为如下：

实现目标检测后，根据收发脉冲的时间差、目标多普勒信息、接收到脉冲串的幅度等计算得到目标的距离、速度和方位角信息。

GPS子系统，用于确定目标的绝对坐标，包括经度、纬度和海拔高度。所述GPS子系统，用于确定系统的实际位置，得到系统位置绝对坐标，并结合地图，将目标相对于系统的位置信息转换为地图上绝对坐标，用于在地图上实时显示和跟踪目标。

显示与控制子系统，用于控制整个系统和在电子地图上显示目标位置。所述显示与控制子系统，是多旋翼小型无人机发现和定位系统的控制中心，完成发射子系统和接收子系统转台旋转控制，转台以90°/s的旋转速度在方位向进行0°～360°扫描，并且完成发射信号频点带宽选择控制等；也是整个系统的信息处理中心，完成对目标信息的处理、参数的计算及在电子地图上显示目标位置等功能。

电源子系统，用于给各个模块供电。具备两种供电模式，一种模式为对外接220V交流电进行电压转换，转换为各模块正常工作所需的电压，为各个模块供电；另外一种模式为利用轻型高容量电池组直接对各个模块进行供电。

优选的，所述针对多旋翼小型无人机的发现与定位装置工作频段f₀在15GHz，脉冲重复频率为25KHz，工作带宽B为30MHz，距离分辨率为5m，矩形脉冲持续时间T为40us。

本发明的有益效果为，本发明采用基于Kalmus滤波器和双参数杂波图预警检测的方法检测多旋翼小型无人机目标。首先，相比于FIR零速多普勒滤波器，Kalmus滤波器具有更强的保留低频信号的能力，同时对于相同频率的低频信号Kalmus滤波器信杂比改善更大，也就是说Kalmus滤波器非常适合作为多旋翼无人机这类具有强地杂波的弱目标检测。其次，对于经过Kalmus滤波器后剩余杂波的处理，本发明采用双参数杂波图预警检测，进一步抑制杂波，相比于传统的杂波图预警检测，双参数杂波图预警检测具备更好地多旋翼无人机这类弱目标检测性能；采用全固态器件，结构简单，可便携或固定安装，操作简便，机动性强。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为本发明Kalmus滤波器组成框图；

图3为Kalmus滤波器归一化幅度谱；

图4为双参数杂波图组成框图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

如图1所示，一种针对多旋翼小型无人机的发现与定位系统，具备：

发射子系统，用于产生扫描信号，将产生的扫描信号上变频至雷达发射频率波段，并传输至发射天线。所述发射子系统包括4个部分：直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)、D/A变换器、上变频器和发射天线。首先，由数字式频率合成器产生数字信号，经过D/A变换为模拟信号g(t)：

g(t)＝u(t)cos(πγt²)

式中，为线性调频斜率，B为信号带宽，为矩形脉冲，A为信号幅度，为持续时间为T的矩形脉冲。经过上变频器变换至中心频率为f₀的带通信号s(t)：

s(t)＝u(t)cos(2πf₀t+πγt²)

最后将信号s(t)传输至发射天线，发射天线增益大于等于32dB，水平方向波束宽度小于等于2°，垂直方向波束宽度小于等于10°。

接收子系统，用于接收回波信号，将接收天线反馈的回波信号下变频至低中频，并将模拟信号变换为数字信号。所述接收子系统包括4个部分：接收天线、正交解调器、低通滤波、A/D变换器。接收天线接收到目标回波信号s_r(t)：

s_r(t)＝s(t-t_r)＝u(t-t_r)cos[2πf₀(t-t_r)+πγ(t-t_r)²]

式中，为目标回波信号滞后于发射信号的时间，R为目标和雷达之间的距离，c为光速。经过正交解调和低通滤波后，得到目标回波信号r(t)为：

实际处理中，雷达接收机除了接收到目标回波，还有雷达杂波，本雷达系统为地物杂波，因为地物杂波的成分复杂无法给出时域表达式，这里使用c(t)表示，服从高斯分布，其功率谱也服从高斯分布。雷达接收机实际接收回波信号x(t)：

x(t)＝r(t)+c(t)

接收到的回波信号x(t)经过A/D变换，得到离散信号x[n]，传输至信号处理模块，进行数字信号处理。

信号处理子系统，用于处理回波信号，检测并跟踪目标。首先，将接收到的回波信号进行脉冲压缩；然后，针对多旋翼小型无人机目标地杂波背景强、回波信号微弱、目标运动速度相对较慢等特点，采用Kalmus滤波器作为零速滤波器滤除零速多普勒附近杂波，实现杂波抑制；并利用剩余信号建立双参数剩余杂波图，实现多旋翼小型无人机目标预警检测。

具体步骤如下：

(1)脉冲压缩，脉冲压缩采用h[n]＝g^*[-n]的匹配滤波器实现，其中N＝f_sT为采样点数，f_s为采样频率，T为发射信号的时宽，当目标和雷达之间发生相对运动时，设在t时刻目标与雷达之间的距离为R(t)＝R₀-vt，R₀为t＝0时刻的距离，v为目标相对雷达运动的速度，为矢量，当目标靠近雷达为正，当目标远离雷达为负，并假设雷达单次发射和接收信号过程中目标与雷达之间的距离不变，则x[n]经过脉冲压缩后得到x₀[n]：

式中，c[n]表示离散的雷达地物杂波，表示卷积。

(2)Kalmus滤波器，Kalmus滤波器由两个共轭的滤波器组成，其中一个滤波器的滤波器系数表示为：

式中l＝0,1,…,N′-1，N′是滤波器的阶数，T_p为雷达的脉冲重复周期PRT。另外一个滤波器的滤波器系数h₁(t)为h₀(t)取共轭得到，即实际中处理的是离散信号，因此将公式7表示为离散形式得到：

式中，N″＝f_sT_p为雷达一个脉冲重复周期内的采样点数。将离散信号x₀[n]分别经过两个滤波器h₀[n]和h₁[n]得到：

式中b₀[n]和b₁[n]分别为两个滤波器的输出，表示卷积，为h₀[n]的共轭；然后将两个滤波器的输出取模、相减、取绝对值后得到Kalmus滤波器的输出x₁[n]表示为：

x₁[n]＝||b₀[n]|-|b₁[n]||

式中，|·|表示取模或者取绝对值，Kalmus滤波器的归一化幅度谱如图3所示。

(3)建立双参数剩余杂波图，假设雷达一次扫描周期可以得到L个距离单元和P个方位单元回波，并且假设在一个杂波单元里面的分辨单元数为M×N″′，则一共可以分为和个杂波单元，其中N″′去Kalmus滤波器阶数N′的正整数倍。假设在每个杂波单元里的分辨单元是相互独立同分布的，则由中心极限定理知，每个杂波单元里的所有分辨单元的和近似服从高斯分布。双参数剩余杂波图采用双回路反馈积累的方式对杂波单元的均值和标准差进行估计表示为：

式中X_i,j(m,k)表示在雷达第m次扫描中，第k个杂波单元里第i个距离分辨单元第j个方位分辨单元的观测数据。和分别为第m次扫描中计算的第k个杂波单元的均值和方差。如图4所示，通过双回路反馈积累更新得到第m次扫描中第k个杂波单元的均值Y_m(k)和方差的估计值表示为如下：

式中w∈[0,1]表示遗忘因子，Y_m-1(k)和分别表示第m-1次扫描中第k个杂波单元的均值和方差的估计值。将第m-1次扫描中第k个杂波单元的均值Y_m-1(k)和方差的线性组合作为第m次扫描中第k个杂波单元的判决门限，表示为如下：

式中V表示权重系数，T_m(k)为第m次扫描中第k个杂波单元的判决门限；最后将X_i,j(m,k)和T_m(k)进行比较判决，实现多旋翼无人机目标检测；假设当接收机输入只有杂波没有目标时为H₀，当接收机输入包含目标和杂波时为H₁，则判决表示为如下：

实现目标检测后，根据收发脉冲的时间差、目标多普勒信息、接收到脉冲串的幅度等计算得到目标的距离、速度和方位角信息。

GPS子系统，用于确定系统的绝对位置，包括经度、纬度和海拔高度。所述GPS子系统，用于确定系统的实际位置，得到系统位置绝对坐标，并结合地图，将目标相对于系统的位置信息转换为地图上绝对坐标，用于在地图上实时显示和跟踪目标。首先，接收GPS信号确定系统位置；然后，根据系统位置将目标相对坐标转换为地图上面的绝对坐标；

显示与控制子系统，用于控制发现和定位系统和在电子地图上显示目标位置。所述显示与控制子系统，是多旋翼小型无人机发现和定位系统的控制中心，完成发射子系统和接收子系统转台旋转控制、空域扫描控制、发射信号频点带宽选择控制等；也是整个系统的信息处理中心，完成对目标信息的处理、参数的计算及在电子地图上显示目标位置等功能。

电源子系统，用于给各个模块供电。所述电源子系统，具备两种供电模式。一种模式为对外接220V交流电进行电压转换，转换为各模块正常工作所需的电压，为各个模块供电；另外一种模式为利用轻型高容量电池组直接对各个模块进行供电。

所述针对多旋翼小型无人机的发现与定位装置工作频段f₀在15GHz，脉冲重复频率为25KHz，工作带宽B为30MHz，距离分辨率为5m，矩形脉冲持续时间T为40us。