一种微型无人机毫米波雷达的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种微型无人机毫米波雷达，包括频率综合器、发射机、发射天线、接收天线、接收机及处理器，其中，频率综合器产生雷达信号，发射机将其放大后送发射天线向空间辐射，接收天线和接收机接收目标反射信号，处理器从接收信号中反衍目标参数信息并发送给无人机。频率综合器射频部分、发射机、发射天线、接收天线、接收机射频部分集成在一射频前端内，频率综合器基带部分、接收机基带部分、处理器通过一块基带板实现。本发明采用毫米波雷达探测目标并完成参数反衍，辅助无人机完成定高作业和障碍物规避，解决了现有超声波或光流探测设备探测距离近、易受干扰及不具有全天时、全天候工作能力的问题。
【专利说明】
-种微型无人机毫米波雷达
技术领域
[0001 ]本发明设及毫米波雷达技术领域，特别设及一种微型无人机毫米波雷达。
【背景技术】
[0002] 现有的无人机，采用超声波或光流技术实现高度测量或者障碍物探测，但是由于 探测距离近，容易受干扰，且不具有全天时、全天候工作的能力，不能较好的辅助无人机完 成定高作业和障碍物规避功能。
[0003] 公开号为：CN 105334515A，名称为：一种基于镜面反射的无人机避障雷达的专利 公开了 一种通过旋转反射镜面实现360度全景扫描的毫米波雷达方案，首先，该雷达不适合 高度测量，其次，在障碍物探测方面，能实现360度全景扫描，但旋转机构会对无人机的姿态 造成扰动，对占无人机绝大部分的轻型无人机和微型无人机难W适用。
[0004] 公开号：CN 104808189A，名称为:一种毫米波雷达信号处理系统及方法的专利公 开了采用DSP忍片完成毫米波雷达信号处理，因为DSP外设集成度低，需另外配备ADC、DAC、 RAM、FLASH等多个外围器件才能完成信号处理工作，硬件复杂度高，功耗大，不利于产品小 型化，且总成本相对较高。
[0005] 公开号为:CN 103293516 A，名称为:飞机雷达高度计结构的专利公布了一种飞机 雷达高度计结构，该结构组成部分较多，复杂度高，重量大，更适合大型有人机平台。
【发明内容】
[0006] 本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种微型无人机毫米波雷达，采用 毫米波雷达辅助无人机完成定高作业和障碍物规避功能，解决了现有超声波或光流探测设 备探测距离近、容易受干扰及不具有全天时、全天候工作能力的问题。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
[000引本发明提供一种微型无人机毫米波雷达，其包括:频率综合器、发射机、发射天线、 接收天线、接收机W及处理器，其中，
[0009] 所述频率综合器分别与所述发射机、所述接收机W及所述处理器相连，所述频率 综合器用于产生雷达信号，并将所述雷达信号传输到所述发射机和所述接收机;还用于产 生一与所述雷达信号同步的同步信号，并将所述同步信号传输到所述处理器；
[0010] 所述发射机与所述发射天线相连，所述发射机用于将所述雷达信号放大并传输到 所述发射天线；
[0011] 所述发射天线用于将所述发射机放大后的雷达信号向空间福射，所述发射机放大 后的雷达信号遇到目标产生反射，反射信号可W被雷达接收；
[0012] 所述接收天线与所述接收机相连，共同接收所述反射信号，并将接收到的信号传 输到所述处理器；
[0013] 所述处理器与所述接收机相连，用于对所述接收机接收到的雷达信号W及所述同 步信号进行综合分析，反衍目标的参数信息，并通过通信接口向无人机发送；
[0014] 所述发射机包括:射频部分;所述接收机包括:相互连接的射频部分和基带部分， 所述频率综合器包括:相互连接的射频部分和基带部分；
[0015] 所述发射机的射频部分、所述接收机的射频部分、所述频率综合器的射频部分、所 述发射天线和所述接收天线集成在一射频前端内；
[0016] 所述发射机的射频部分与所述频率综合器的射频部分相连，所述频率综合器的射 频部分包括:相互连接的压控振荡器和功率分配器，所述功率分配器有两路输出，分别与所 述发射机和所述接收机的射频部分相连；
[0017] 所述接收机的射频部分包括:相互连接的低噪声放大器、混频器，所述低噪声放大 器与所述接收天线相连，所述混频器还分别与所述功率分配器W及所述接收机的基带部分 相连，所述混频器用于对所述反射信号及所述功率分配器传输来的所述雷达信号进行混 频。
[0018] 较佳地，所述频率综合器的基带部分包括:相互连接的第一基带部分和第二基带 部分，所述第一基带部分包括:相互连接的调谐信号发生器和DAC，所述第二基带部分包括： 整形滤波单元，所述整形滤波单元与所述DAC相连，并传输到频率综合器的射频部分。
[0019] 较佳地，所述处理器包括:依次连接的ADC、信号处理单元、数据处理单元W及通信 接口，W及频率综合器第一基带部分，所述ADC与所述接收机的基带部分相连，所述信号处 理单元与所述调谐信号发生器相连。
[0020] 较佳地，所述信号处理单元用于结合所述调谐信号发生器的同步信号对ADC传输 来的采样数据进行频率过采样处理得出雷达相对于目标的速度W及雷达相对于目标的距 离，所述雷达相对于目标的速度W及所述雷达相对于目标的距离的计算公式为：
[0021 ]当无人机的速度低于口限时，所述雷达相对于目标的距离W及所述雷达相对于目 标的速度的计算公式为：
[0022]
[0023] 其中，S为雷达相对于目标的距离，V为雷达相对于目标的速度，fup、fd?n分别为上 调频阶段、下调频阶段发射信号和接收信号的差频，k为调频斜率，C为光速，A为波长；
[0024] 当无人机的速度高于口限时，所述雷达相对于目标的距离W及所述雷达相对于目 标的速度的计算公式为：
[0025]
[0026] 其中，S为雷达相对于目标的距离，V为雷达于相对目标的速度，fup、fdDwn、fflat分别 为上调频阶段、下调频阶段、固定频率阶段发射信号和接收信号的差频，k为调频斜率，C为 光速，^为波长。
[0027] 采用频域过采样的方法提高了测距精度和测速精度。
[0028] 较佳地，所述数据处理单元用于接收所述信号处理单元传输来的所述雷达相对于 目标的速度W及雷达相对于目标的距离，并根据所述雷达相对于目标的速度、无人机的加 速度建立模型，剔除所述雷达相对于目标的速度W及雷达相对于目标的距离中不符合实际 情况的野值，计算所述雷达相对于目标的速度W及雷达相对于目标的距离的置信度，并进 行滤波，实现对目标的跟踪，保存形成的航迹数据并通过通信接口发送给无人机。
[0029] 较佳地，所述发射机的射频部分包括:功率放大器。
[0030] 较佳地，所述接收机的基带部分包括:依次连接的低通滤波器、高通滤波器W及自 动增益控制器，所述低通滤波器与所述混频器相连，所述自动增益控制器与所述处理器相 连。
[0031] 较佳地，所述发射天线及所述接收天线的方向图吻合，且所述发射天线与所述发 射机共同保证功率增益积不超过20地m。
[0032 ]较佳地，还包括:天线罩，所述天线罩罩设在所述发射天线W及所述接收天线的外 侧。
[0033] 较佳地，所述天线罩为POM材料天线罩，厚度为3.4mm或1. 1mm。
[0034] 相较于现有技术，本发明具有W下优点：
[0035] (1)本发明提供的微型无人机毫米波雷达，通过合理的结构设计，减小了雷达的尺 寸，结构简单、集成度高，使其能够应用在微型无人机上，且功耗低、成本低；
[0036] (2)本发明的微型无人机毫米波雷达的探测距离远，不易受干扰，可W全天时、全 天候工作。
[0037] 当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到W上所述的所有优点。
【附图说明】
[0038] 下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
[0039] 图1为本发明的微型无人机毫米波雷达的电路原理图；
[0040] 图2为本发明的微型无人机毫米波雷达的结构示意图。
[0041] 标号说明：1-射频前端，2-基带电路板，3-天线罩。
[0042] 图3为本发明的微型无人机毫米波雷达的发射信号、接收信号及相应差频信号的 示意图。
[0043] 图4为本发明的微型无人机毫米波雷达的信号处理流程图。
[0044] 图5为本发明的微型无人机毫米波雷达的数据处理流程图。
【具体实施方式】
[0045] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在W本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。
[0046] 结合图1-图2,本实施例对本发明的微型无人机毫米波雷达进行详细描述，其电路 原理图如图1所示，其包括:频率综合器、发射机、一发射天线、一接收天线、接收机W及处理 器，其中，频率综合器分别与发射机、接收机W及处理器相连，频率综合器用于产生雷达信 号，并将雷达信号传输到发射机和接收机;还用于产生一与调谐信号同步的同步信号，并将 同步信号传输到处理器;发射机与发射天线相连，发射机用于将雷达信号放大后传输到发 射天线;发射天线用于将雷达信号向空间福射，雷达信号遇到目标产生反射信号;接收天线 和接收机相连，用于接收反射信号;接收机与处理器相连，接收机将接收到的反射信号传输 到处理器;处理器用于对反射信号W及同步信号进行分析，反衍目标的参数信息，并通过处 理器的通信接口发送给无人机;发射机包括:射频部分;接收机包括:相互连接的射频部分 和基带部分，频率综合器包括:相互连接的射频部分和基带部分;发射机、接收机的射频部 分W及频率综合器的射频部分集成在一射频前端内；发射机的射频部分包括功率放大器 (PA),两端分别连接频率综合器和发射天线;频率综合器的射频部分包括相互连接的压控 振荡器和功率分配器，压控振荡器连接频率综合器的基带部分，功率分配器两个输出分别 连接发射机和接收机;接收机的射频部分包括:相互连接的低噪放大器(LNA)和混频器，低 噪放大器与接收天线相连，混频器还分别与功率分配器W及接收机的基带部分相连，混频 器用于对反射信号及功率分配器传输来的雷达信号进行混频。
[0047] 本实施例中，接收机的基带部分包括:依次连接的LPF(低通滤波器）、HPF(高通滤 波器似及AGC(自动增益控制器），LPF与混频器相连，AGC与处理器相连。HPF不仅用于通过 STC技术抑制调谐信号及其谐波信号，还用于提高接收机的动态范围;通过合理配置信号带 宽、调谐周期等参数，保证雷达最大差频不超过20KHZ，从而可W通过音频AGC忍片实现自动 增益控制功能。接收机的基带部分与处理器内置的ADC(模拟数字转换器)相连。
[0048] 本实施例中，频率综合器的基带部分包括:第一基带部分和第二基带部分，第一基 带部分包括:相互连接的调谐信号发生器W及DAC(数字模型转换器）；第二基带部分包括： 整形滤波单元;频率综合器的射频部分包括:压控振荡器(VCO)和功率分配器。调谐信号发 生器产生的信号通过DAC传输到整形滤波单元，经过整形滤波单元整形滤波后传输到压控 振荡器。
[0049] 本实施例中，处理器包括:依次连接的ADC、信号处理单元、数据处理单元W及通信 接口，ADC与接收机的基带部分相连，输出到信号处理单元。
[0050] 本实施例中，接收机的基带部分、频率综合器的基带部分W及处理器集成在同一 基带板2上;本实施例中，还包括:天线罩3，天线罩3罩设在发射天线和接收天线的外侧，结 构示意图如图2所示。
[0051] 本实施例中，发射天线和接收天线采用毫米波微带天线，较佳地，波束宽度在两个 维度上均在10°~30°范围内。
[0052] 较佳实施例中，信号处理单元基于雷达独特的组合波形（如图3所示)进行相应信 号处理，处理流程如图4所示，在无人机的飞行速度低于口限时，雷达相对于目标的距离W 及雷达相对于目标的速度的计算公式为：
[0化3] (I)
[0054] 其中，S为雷达相对于目标的距离，V为雷达相对于目标的速度，远离时速度为正 的，接近时速度为负的，fup、fdDwn分别为上调频阶段、下调频阶段发射信号和接收信号的差 频，k为调频斜率，C为光速，A为波长。
[0055] 当无人机的飞行速度高于口限时，雷达相对于目标的距离和雷达相对于目标速度 的计算公式则为：
[0056]
(2 )
[0057] 其中，S为雷达相对于目标的距离，V为雷达相对于目标的速度，远离为+，接近为-， 片。^<1。^^:13*分别为上调频阶段、下调频阶段、固定频率阶段发射信号和接收信号的差频， k为调频斜率，C为光速，A为波长。
[0058] 同时采用频域过采样的方法，实现测距精度和测速精度的提升。
[0059] 数据处理单元用于根据雷达相对于目标的速度、无人机的加速度建立模型，剔除 雷达相对于目标的速度W及雷达相对于目标的距离中不符合实际情况的野值，计算上述两 参数的置信度，并进行滤波，实现对目标的跟踪，保存形成的航迹数据并通过通信接口向无 人机平台传输，当目标有多个时，根据雷达相对于目标的距离进行危险排序，优先处理危险 高的，处理流程如图5所示。
[0060] 较佳实施例中，处理器采用单核MCU，结构简单，尺寸小。
[0061] 较佳实施例中，天线罩的材料可W采用POM材料，厚度在1. lmm-3.4mm之间。
[0062] 较佳实施例中，处理器的通信接口包括:ITL串口和CAN两种通信方式。
[0063] 本实施例的工作原理为:调谐信号发生器产生的基带数字控制信号，经过DAC和整 形滤波器产生基带模拟控制信号，经过压控振荡器后产生射频信号，该信号经过功率分配 器W及功率放大器后，经发射天线发射，遇到待测物后产生反射信号，由接收天线接收，经 过低噪放大器放大后，输入到混频器中，混频器将该反射信号与功率分配器分配的雷达信 号混频后产生差频信号，差频信号经过接收机的基带部分处理后传输到处理器中，处理器 结合雷达信号发射器发射的同步信号W及接收机传输来的差频信号进行处理，精确计算出 微型无人机的雷达相对于目标的距离和速度，并将获得的参数通过通信接口向无人机发 送。
[0064] 上述实施例的微型无人机毫米波雷达可W应用到植保无人机上，作为定高传感 器，辅助植保无人机在最佳高度上进行药物喷洒，达到最佳的防虫效果，同时避免无人机与 制备相接触。
[0065] 上述实施例的微型无人机毫米波雷达还可W应用于低层大气成分探测无人机，通 过测量无人机距离地面的相对高度，然后与无人机上大气成分探测载荷数据匹配，实现不 同高度上低层大气成分探测。
[0066] 此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述运些实施例，是 为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员 在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
【主权项】
1. 一种微型无人机毫米波雷达，其特征在于，包括:频率综合器、发射机、发射天线、接 收天线、接收机以及处理器，其中， 所述频率综合器分别与所述发射机、所述接收机以及所述处理器相连，所述频率综合 器用于产生雷达信号，并将所述雷达信号传输到所述发射机和所述接收机;还用于产生一 与所述雷达信号同步的同步信号，并将所述同步信号传输到所述处理器； 所述发射机与所述发射天线相连，所述发射机用于将所述雷达信号放大并传输到所述 发射天线； 所述发射天线用于将所述发射机放大后的雷达信号向空间辐射，所述发射机放大后的 雷达信号遇到目标产生反射，反射信号可以被雷达接收； 所述接收天线与所述接收机相连，共同接收所述反射信号，并将接收到的信号传输到 所述处理器； 所述处理器与所述接收机相连，用于对所述接收机接收到的雷达信号以及所述同步信 号进行综合分析，反衍目标的参数信息，并通过通信接口向无人机发送； 所述发射机包括:射频部分;所述接收机包括:相互连接的射频部分和基带部分，所述 频率综合器包括:相互连接的射频部分和基带部分； 所述发射机的射频部分、所述接收机的射频部分、所述频率综合器的射频部分、所述发 射天线和所述接收天线集成在一射频前端内； 所述发射机的射频部分与所述频率综合器的射频部分相连，所述频率综合器的射频部 分包括:相互连接的压控振荡器和功率分配器，所述功率分配器有两路输出，分别与所述发 射机和所述接收机的射频部分相连； 所述接收机的射频部分包括:相互连接的低噪声放大器、混频器，所述低噪声放大器与 所述接收天线相连，所述混频器还分别与所述功率分配器以及所述接收机的基带部分相 连，所述混频器用于对所述反射信号及所述功率分配器传输来的所述雷达信号进行混频。2. 根据权利要求1所述的微型无人机毫米波雷达，其特征在于，所述频率综合器的基带 部分包括:相互连接的第一基带部分和第二基带部分，所述第一基带部分包括:相互连接的 调谐信号发生器和DAC，所述第二基带部分包括:整形滤波单元，所述整形滤波单元与所述 DAC相连，并传输到频率综合器的射频部分。3. 根据权利要求1所述的微型无人机毫米波雷达，其特征在于，所述处理器包括:依次 连接的ADC、信号处理单元、数据处理单元以及通信接口，所述ADC与所述接收机的基带部分 相连，所述信号处理单元与所述调谐信号发生器相连。4. 根据权利要求3所述的微型无人机毫米波雷达，其特征在于，所述信号处理单元用于 结合所述调谐信号发生器的同步信号对ADC传输来的采样数据进行频率过采样处理得出雷 达相对于目标的速度以及雷达相对于目标的距离，所述雷达相对于目标的速度以及所述雷 达相对于目标的距离的计算公式为： 当无人机的速度低于门限时，所述雷达相对于目标的距离以及所述雷达相对于目标的 速度的计算公式为：其中，S为雷达相对于目标的距离，V为雷达相对于目标的速度，fup、fd_分别为上调频 阶段、下调频阶段发射信号和接收信号的差频，k为调频斜率，C为光速，λ为波长； 当无人机的速度高于门限时，所述雷达相对于目标的距离以及所述雷达相对于目标的 速度的计算公式为：其中，S为雷达相对于目标的距离，V为雷达于相对目标的速度，匕[)4(1_、& 1^分别为上 调频阶段、下调频阶段、固定频率阶段发射信号和接收信号的差频，k为调频斜率，c为光速， λ为波长。5. 根据权利要求4所述的微型无人机毫米波雷达，其特征在于，所述数据处理单元用于 接收所述信号处理单元传输来的所述雷达相对于目标的速度以及雷达相对于目标的距离， 并根据所述雷达相对于目标的速度、无人机的加速度建立模型，剔除所述雷达相对于目标 的速度以及雷达相对于目标的距离中不符合实际情况的野值，计算所述雷达相对于目标的 速度以及雷达相对于目标的距离的置信度，并进行滤波，实现对目标的跟踪，保存形成的航 迹数据并通过所述通信接口发送给无人机。6. 根据权利要求1所述的微型无人机毫米波雷达，其特征在于，所述发射机的射频部分 包括:功率放大器。7. 根据权利要求1所述的微型无人机毫米波雷达，其特征在于，所述接收机的基带部分 包括:依次连接的低通滤波器、高通滤波器以及自动增益控制器，所述低通滤波器与所述混 频器相连，所述自动增益控制器与所述处理器相连。8. 根据权利要求1所述的微型无人机毫米波雷达，其特征在于，所述发射天线及所述接 收天线的方向图吻合，且所述发射天线与所述发射机共同保证功率增益积不超过20dBm。9. 根据权利要求1所述的微型无人机毫米波雷达，其特征在于，还包括:天线罩，所述天 线罩罩设在所述发射天线以及所述接收天线的外侧。10. 根据权利要求9所述的微型无人机毫米波雷达，其特征在于，所述天线罩为POM材料 天线罩。
【文档编号】G01S13/93GK106019285SQ201610671598
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月16日
【发明人】侍述海, 顾国帅, 徐恒, 姚庆璐, 丁帅
【申请人】上海航天测控通信研究所