[发明专利]一种用于多旋翼小型无人机的探测与定位装置

摘要

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。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。

主权项

1.一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)得到如下公式1：g(t)＝u(t)cos(πγt2)    (公式1)公式1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)得到如下公式2：s(t)＝u(t)cos(2πf0t+πγt2)    (公式2)最后将信号s(t)传输至发射天线；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sr(t)得到如下公式3：sr(t)＝s(t‑tr)＝u(t‑tr)cos[2πf0(t‑tr)+πγ(t‑tr)2]    (公式3)公式3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，得到目标回波信号如下公式4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)得到如下公式5：x(t)＝r(t)+c(t)    (公式5)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；具体方法为：首先将接收到的回波信号进行脉冲压缩，然后采用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；最后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；具体包括以下步骤：a.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]如下公式6：式中，c[n]表示离散的雷达地物杂波，表示卷积；b.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如下公式7：公式7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如下公式8：公式8中，N″＝fsTp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]得到如下公式9：公式9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]表示为如下公式10：x1[n]＝||b0[n]|‑|b1[n]||    (公式10)公式10中，|·|表示取模或者取绝对值；b.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″′为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如下公式11：公式11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公式12：公式12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，表示为如下公式13：公式13中V表示权重系数，Tm(k)为第m次扫描中第k个杂波单元的判决门限；最后将Xi,j(m,k)和Tm(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，则判决表示为如下公式14：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；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，用于控制整个系统在电子地图上显示目标位置；所述显示与控制子系统，既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；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的功能；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。