一种无人船用FMCW雷达的制作方法

本实用新型设置船用导航雷达技术领域，特别涉及一种无人船用FMCW雷达。

背景技术：

无人船就是不用人员现场驾驶或完全自主驾驶的船，依靠搭载的控制系统、导航系统、通信系统和业务系统，广泛应用于环保检测、水下测绘、搜索救援、安防巡逻乃至军事应用领域。

无人船在水上的安全航行，主要依靠感知船体本身状态，通过传感器感知或通信系统回传船体的周边动、静态环境，自主或通过人员远程操控，来实现船舶的安全航行。

雷达是利用微波技术对水面环境进行感知的传感设备，能够对环境目标进行探测、定位和测速，集合本船运动参数，对可能发生的碰撞及时发出警报，并采取最优的避碰措施，是及其重要的核心设备。相比于摄像机等光学成像系统，微波成像有如下优点：

a)探测距离更远

b)全天候，不受能见度影响，穿透性能强

c)全方位，360度无死角

d)高分辨率，能区分小目标

由于无人船是近几年新兴的一个行业，目前的船用雷达都不是针对无人船应用的，并不能很好地符合其应用。无人船雷达相比于传统雷达有以下特殊需求：

1.低功耗，以保证更长的续航能力，适合采用FMCW固态雷达技术；

2.探测远，需要探测直到32海里距离内的目标，以保证充分的反应时间和安全决策措施。

3.智能化，应该能自动避障，自动标绘，识别动态的和静态的碰撞风险，输出给航线规划中控调整航线。

4.综合性，需要丰富的输入输出接口，能集成综合众多的传感器与控制系统，根据感知判决来自主、智能地规划安全而高效的航线。

5.自主性，除了人工干预与辅助，可完全自主运行，需要高度的可靠性，需要完备的数据与状态回传。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题而提供一种无人船用FMCW雷达，以满足无人船驾驶要求。

本实用新型所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：

一种无人船用FMCW雷达，包括发射天线、接收天线、发射通道、接收通道、耦合器、信号发生器、信号解调单元、雷达信号处理单元、输入输出接口单元、数据采集与控制单元、环境检测单元、目标检测单元、环境抽象与自动标会单元、目标跟踪与自动标绘单元、控制接口单元、组合滤波处理单元、方位求解单元、2个载波相位GNSS接收机、GNSS天线、陀螺仪；所述发射天线与所述发射通道的输出端连接，所述发射通道的输入端与所述信号发生器的输出端连接，所述信号发生器的输入端与所述雷达信号处理单元的雷达信号输出端连接，所述接收天线与所述接收通道的输入端连接，所述接收通道的输出端与所述信号解调单元的输入端连接，所述耦合器将所述发射通道和接收通道耦合起来；所述信号解调单元的输出端与所述雷达信号处理单元的雷达信号输入端连接；所述雷达信号处理单元的处理信号输出端与所述环境检测单元的输入端连接，所述环境检测单元的第一输出端与所述环境抽象与自动标会单元的输入端连接，所述环境抽象与自动标会单元的输出端与所述控制接口单元的第一输入端连接，所述环境检测单元的第二输出端与所述目标检测单元的输入端连接，所述目标检测单元的输出端与所述目标跟踪与自动标绘单元的输入端连接，所述目标跟踪与自动标绘单元的输出端与所述控制接口单元的第二输入端连接，所述控制接口单元的输出端连接航线规划中控单元连接；外部位置信号、方位信号、速度信号通过所述输入输出接口单元接入所述雷达信号处理单元的输入输出通讯口；所述雷达信号处理单元的通过所述数据采集与控制单元与远程网络控制系统连接；所述GNSS天线通过2个载波相位GNSS接收机与所述方位求解单元的输入端连接，所述方位求解单元的输出端与所述组合滤波处理单元的第一输入端连接，所述陀螺仪与所述组合滤波处理单元的第二输入端连接，所述组合滤波处理单元的输出端输出的内部位置信号、方位信号和速度信号通过所述输入输出接口单元接入所述雷达信号处理单元的输入输出通讯口。

本实用新型的无人船用FMCW雷达基本原理如下：

雷达信号处理单元通过信号发生器产生需要的调频连续波(FMCW)中频信号，由发射通道变频放大，变换到微波发射频段(X波段9.4GHz)，由发射天线向外辐射微波信号，照射目标；接收天线接收目标反射回的回波信号，在接收通道进行放大，同时和发射通道通过耦合器耦合的发射信号，由信号解调单元进行变换至基带信号，送至雷达信号处理单元进行回波处理，包括降噪、抑制干扰、成像、提取多普勒参数等等；输入输出接口和外部或内置运动参数设备进行通信，获得本船比如位置、方位、速度等运动参数，为雷达显示方式或避碰处理提供必要的参数；数据采集与控制单元，通过以太网和外部系统连接，可以控制无人船雷达改变比如量程、目标捕获区域等参数的设置，同时可以输出雷达视频数据，允许远程中心回显雷达图像；雷达信号处理单元的成像数据送达环境检测单元，发现比如岛屿、浮冰等大型障碍物，并对其进行相对定位，根据本船的运动参数来估计碰撞的可能性，由环境抽象与标绘单元来进行决策，将碰撞警报通过控制接口，告知航线规划中央控制系统，及时采取合理的避碰措施；雷达数据再送至目标检测单元，捕获船舶、浮标等机动的或细小的目标，由目标跟踪与标绘单元对捕获的目标进行跟踪，计算出目标的运动参数，如位置，速度等，从而针对可能得碰撞危险，做出决策，同样由控制接口来送达航线规划中控；目标捕获的区域可以通过数据采集与控制单元在线或预先设定，以提高整个系统的可靠性与实用性；避碰决策或算法需要知道本船的运动参数，如位置、方位和速度，因此，本无人船雷达可以选择内置两个GNSS全球定位接收机，如GPS或北斗系统，其工作过程如下：天线接收定位卫星信号，进入2个或3个(三位姿态)带载波相位输出的GNSS接收机，首先可以获得本船的位置和速度信息；再通过方位求解单元，通过载波相位整周模糊度求解，来算得本船的二维或三位姿态，其中就包含了特备重要的本船方位信息；考虑到GNSS信号可能失锁，为了提高系统可靠性，设置MEMs微机械陀螺，在组合滤波处理单元进行组合导航，向主雷达系统提供位置、方位和速度信息；当然，这些信息也可以选用外部的专用设备来获取，但无疑本方案中内置卫星定位的方式，可以大大提供系统的集成度，降低系统复杂度和功耗、体积等因素，这些对无人船都至关重要。

附图说明

图1为本实用新型的无人船用FMCW雷达的原理框图。

具体实施方式

参见图1，图中给出的一种无人船用FMCW雷达，包括发射天线110、接收天线120、发射通道130、接收通道140、耦合器150、信号发生器160、信号解调单元170、雷达信号处理单元180、输入输出接口单元190、数据采集与控制单元200、环境检测单元210、目标检测单元220、环境抽象与自动标会单元230、目标跟踪与自动标绘单元240、控制接口单元250、组合滤波处理单元260、方位求解单元270、2个载波相位GNSS接收机280、GNSS天线290、陀螺仪300。

发射天线110与发射通道130的输出端连接，发射通道130的输入端与信号发生器160的输出端连接，信号发生器160的输入端与雷达信号处理单元180的雷达信号输出端连接。

接收天线120与接收通道140的输入端连接，接收通道140的输出端与信号解调单元170的输入端连接，耦合器150将发射通道130和接收通道140耦合起来；信号解调单元170的输出端与雷达信号处理单元180的雷达信号输入端连接。

雷达信号处理单元180的处理信号输出端与环境检测单元210的输入端连接，环境检测单元210的第一输出端与环境抽象与自动标会单元230的输入端连接，环境抽象与自动标会单元230的输出端与控制接口单元250的第一输入端连接。

环境检测单元210的第二输出端与目标检测单元220的输入端连接，目标检测单元220的输出端与目标跟踪与自动标绘单元240的输入端连接，目标跟踪与自动标绘单元240的输出端与控制接口单元250的第二输入端连接，控制接口单元250的输出端连接航线规划中控单元连接。

外部位置信号、方位信号、速度信号通过输入输出接口单元190接入雷达信号处理单元180的输入输出通讯口；雷达信号处理单元180的通过数据采集与控制单元200与远程网络控制系统连接。

GNSS天线290通过2个载波相位GNSS接收机280与方位求解单元270的输入端连接，方位求解单元270的输出端与组合滤波处理单元260的第一输入端连接，MEMs陀螺仪300与组合滤波处理单元260的第二输入端连接，组合滤波处理单元260的输出端输出的内部位置信号、方位信号和速度信号通过输入输出接口单元190接入雷达信号处理单元180的输入输出通讯口。