无人机360度电子扫描避障雷达的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于雷达的探测领域，尤其涉及无人机360度电子扫描避障雷达。
【背景技术】
[0002] 雷达是利用无线电波确定范围，高度，方向，或物体的速度的物体检测系统。它可 用于检测飞机，船舶，航天器，导弹，机动车，天气的形成，和地形。雷达天线发射无线电波或 微波的脉冲，所述脉冲在其路径上遇到任何物体都会反弹。所述物体反射一小部分波的能 量到天线，所述天线通常位于发射器的同一位置。
[0003] 雷达的现代用途是高度多样化的，包括空中和陆地交通控制，雷达天文，防空系 统，反导系统；用以定位地标和其他船舶的船用雷达;飞机防撞系统;海洋监视系统，太空监 视和对接系统;气象降水监测；测高和飞行控制系统；导弹目标定位系统；以及用于地质观 测的探地雷达。高科技雷达系统与数字信号处理相关联，并且能够从非常高的噪声水平中 提取有用信息。
[0004] 其它类似于雷达的系统利用电磁频谱的其他部分。一个例子是"激光雷达"，其使 用激光器发出的紫外线、可见光或近红外光而非使用无线电波。
[0005] 雷达所提供的信息包括距离雷达扫描仪的物体的方位和距离（从而可以确定位 置）。因此它被用在许多不同的领域，这些领域极其需要这样的定位。在航空领域，飞机都配 备了雷达装置，所述雷达装置能警告位于或接近其路径的飞机或其他障碍物，显示天气信 息，以及给出准确的高度读数。
[0006] 船用雷达用于测量船只的方位和距离以防止与其它船只发生碰撞，导航，以及当 处于岸上或其他固定参照物例如岛屿、浮标和灯船的范围内时，用于对其在海上的位置进 行定位。在港口，船舶交通管理雷达系统用于监控和规范繁忙水域中船舶的动作。
[0007] 气象学家使用雷达监测降水和风。它已成为短期天气预报和观测灾害性天气，如 雷暴、龙卷风、雪灾、降水类型等的主要工具。地质学家使用专门的探地雷达勘察地壳的组 成。交警部门使用雷达测速枪监控行驶在道路上机动车的车速。
[0008] 雷达系统具有发射器，其沿预定方向发射的无线电波称为雷达信号。当这些雷达 信号接触到物体时，其通常在许多不同的方向上被反射或散射。具有相当导电性能的材料 对雷达信号的反射特别好，尤其是大多数金属、海水和湿地。其中一些使雷达高度计的应用 成为可能。被反射回到所述发射器的雷达信号是让雷达工作所需的信号。如果物体朝向或 远离发射器移动，由于多普勒效应，无线电波的频率就会发生轻微的等效变化。
[0009] 雷达接收器通常但不总是与发射器处在相同的位置。虽然由接收天线捕捉到的反 射雷达信号通常非常微弱，但其可通过电子放大器得到增强。更复杂的信号处理方法也被 使用，以恢复有用的雷达信号。
[0010] 介质对穿过它的无线电波的弱吸收使雷达设备能够检测距离相对远的物体，在这 些距离其它诸如可见光、红外光、紫外光的电磁波波长衰减过强。天气现象例如雾、云、雨、 雪、冰雹，其能阻碍可见光，但对无线电波是没有阻碍的。在雷达设计中，避免使用被水蒸 气、雨滴或大气中的气体(特别是氧气）吸收或散射的特定无线电频率，除非需要对它们进 行检测时。
[0011] 雷达依靠自身发射电磁波，而不是利用来自太阳、月亮或物体本身发射的电磁波 (例如红外波长(热））的光。引导人工无线电波向物体(发射）的过程被称为光照，尽管无线 电波对人眼或光学照相机是不可见的。
[0012] 如果电磁波穿过一种材料遇到另一种材料，而另一种材料的介电常数或抗磁常数 与第一种材料很不相同，所述电磁波就会从这两种材料之间的界面反射或散射。这意味着， 在空气或真空中的固态物体，或者在所述物体和围绕所述物体的物质之间的原子密度的显 著变化，通常会使雷达(无线电）波从所述物体表面散射。这对于导电材料例如金属和碳纤 维尤其如此，使得雷达非常适合于飞机和船只的检测。雷达吸波材料含有电阻，有时含有磁 性物质，用于军用车辆以减少雷达(波)反射。这是将某物涂成黑色使其在夜间不被眼睛所 看到的无线电等效。
[0013] 雷达波散射的各种方式依赖于无线电波的尺寸(波长)和目标的形状。如果波长比 目标的尺寸短得多，无线电波将以类似光被镜子反射的方式反弹。如果波长比目标的尺寸 长得多，则目标可能会因为反射差而不可见。低频雷达技术依赖于共振进行检测，但不识别 目标。这被瑞利散射所描述，所谓瑞利散射使地球产生蓝色的天空和红色的落日。当两个长 度的尺度可比时，有可能发生共振。早期雷达使用比目标长得多的长波，从而接收到模糊的 信号，然而一些现代系统使用较短的波长(几厘米或更小），其能镜像如一条面包那样小的 物体。
[0014]短的无线电波从曲线和角反射的方式类似于从圆形玻璃片闪光。对于短波长反射 性最好的目标在反射表面之间具有90°的角度。角反射器由三个如聚合成盒子内部的角的 表面组成。该结构将进入其开口的波直接反射回波源处。它们通常用作雷达反射器，以使别 的难以检测的物体容易检测。例如，船上的角反射器，使其更容易被检测以避免碰撞或便于 营救。出于类似的原因，旨在避免被检测的物体不具有内角或内表面以及垂直于可能的检 测方向的边缘，这导致了外表怪异的隐形飞机。这些预防措施没有完全消除由于衍射特别 是较长波长的衍射而导致的反射。长度为半个波长的线或带状的导电材料，如箱条，都具有 非常强的反射性，但不引导散射能量返回波源。物体反射或散射无线电波的程度被称为其 雷达散射截面。
[0015] 返回接收天线的功率Pr由如下方程给出：
[0016] Pr = (PtGtArOF4)/ ( (431)2Rt2Rr2)
[0017] 其中
[0018] pt =发射功率 [0019] Gt =发射天线的增益
[0020] Ar =接收天线的有效孔径(面积）（大多数时候记为Gr)
[0021] 0=目标的雷达散射截面或散射系数
[0022] F =方向图传播因子 [0023] Rt =发射器到目标的距离 [0024] Rr =从目标到接收器的距离。
[0025]通常情况下，发射器和接收器在同一位置，Rt = Rr并且项Rt2Rr2可以被R 4代替，其中 R是距离。由此导致：
[0026] Pr=(PtGtAr〇F4)/((43i)2R 4)〇
[0027]这表明所接收的功率以距离的四次幂减小，其意味着所接收的来自较远目标的功 率相对很小。
[0028] 附加滤波和脉冲积分轻微修正雷达方程以改善脉冲多普勒雷达的性能，可用于提 高检测距离，降低发射功率。
[0029] 上述方程在F=1时是在无干扰真空下发射的简化式。传播因子表明多径和阴影的 影响，并依赖于环境的细节。在真实世界的情况中，路径损耗的影响也应考虑。
[0030] 频移是通过改变反射器与雷达之间的波长数的运动引起的。其能降低或增强雷达 性能，这取决于频移如何影响检测过程。作为一个例子，运动目标指示可以与多普勒相互作 用以在一定径向速度产生信号抵消，其会降低(雷达)性能。
[0031] 海基雷达系统，半有源雷达制导，有源雷达制导，气象雷达，军用飞机和雷达天文 依靠多普勒效应来增强性能。这将产生在检测过程中关于目标速度的信息。这也允许在含 有大得多且移动缓慢物体的环境中，小物体能被检测。
[0032] 多普勒频移取决于雷达的配置是有源的还是无源的。有源雷达发射被反射回接收 器的信号。无源雷达取决于将信号发送到接收器的物体。
[0033] 有源雷达的多普勒频移如下所示，其中Fd是多普勒频率，Ft是发射频率，VR是径向 速度，以及C是光速：
[0034] Fd = 2x Ft x(Vr/C)
[0035] 无源雷达适用于电子对抗和射电天文，（其多普勒频移)如下：
[0036] Fd = Ft x(Vr/C)
[0037] 只有速度的径向分量相关。当反射器与雷达波束成直角移动时，其没有相对速度。 平行于雷达波束移动的车辆和气象产生最大的多谱勒频移。
[0038] 仅当采样率超过径向运动而产生的频移的奈奎斯特(Nyquist)频率，多普勒测量 才是可靠的。作为一个例子，脉冲速率为2kHz和发射频率为1GHz的多普勒天气雷达可以可 靠地测量高达150米/秒(340英里）的气象，但不能可靠地确定1000米/秒(2200英里)移动的 飞机的径向速度。
[0039] 在所有的电磁福射中，电场垂直于传播方向，并且电场的这个方向是该波的偏振 方向。在所发射的雷达信号中，可以为不同的效果而控制偏振。雷达使用水平，竖直，线性和 圆偏振以检测不同类型的反射。例如，圆偏振被用于减少因雨水引起的干扰。线性偏振返回 通常表明（遇到)金属表面。随机偏振返回通常显示(遇到)分形表面，如岩石或土壤，并且其 被导航雷达所使用。
[0040] 在真空中，雷达波束会遵循线性路径，但由于空气的折射率的变化，其在大气中实 际遵循有点弯曲的路径即所谓的雷达地平线。即使当所述波束平行于地面发射，随着地球 曲率下沉到地平线以下，其也会升到地面的上方。此外，信号因穿过介质而衰减，并且波束 发散。
[0041 ]常规雷达的最大测量距离可被以下一些因素限制：
[0042] 视线，其取决于离地的高度。这意味着没有直线视线的话，波束的路径会被阻挡。
[0043] 最大的非模糊范围，其由脉冲的重复频率确定。
[0044] 最大的非模糊范围是脉冲在下一脉冲发射前可以传播和返回的距离。
[0045] 如雷达方程中计算的雷达灵敏度和返回信号的功率。这包括例如环境条件和目标 大小(或雷达横截面)的因素。
[0046] 信号噪声是信号中随机变化的内部源，其由所有的电子部件产生。
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