发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种无人机机载防撞雷达系统和工作方法，解决了现有技术中存在的缺陷。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种无人机机载防撞雷达系统，包括：发射板、接收板、信号处理板、电源板、收发隔离板和显控终端。

发射板：用于产生系统时钟信号、发射激励信号、发射信号功分、移相、放大、耦合、发射信号向空间辐射。发射板接收来自电源板的电源信号，接收来自信号处理板的控制指令、控制时序、信号参数。发射板将系统时钟信号发送到接收板、信号处理板。发射板将发射信号耦合到接收板。

接收板：接收空间反射回来的电磁波信号，实现雷达回波信号的限幅、放大、滤波、下变频及信号灵敏度频率控制，形成基带回波模拟信号，并对基带模拟信号进行AD采样，形成基带IQ信号。接收板接收来自电源板的电源信号，接收来自发射板耦合的发射信号，接收来自发射板的时钟信号，接收来自信号处理板的控制指令、时序信号。接收板将采样后的基带IQ信号、接收板BIT信息打包，传输到信号处理板。

信号处理板：实现雷达控制、时序产生、雷达指令产生、信号处理、数据处理、系统状态监控，接收平台运动信息、控制信息。信号处理板接收来自电源板的电源信号，接收来自电源板的BIT信息，接收来自发射板的时钟信号，接收来自发射板的BIT信息，接收来自接收板的BIT信息，接收来自接收板的回波采样信号，接收来自显控终端的控制指令、平台参数。信号处理板发送控制指令、控制时序到发射板、接收板，发送控制指令到电源板，发送雷达BIT信息、目标点航迹信息到显控终端。

电源板：接收外部电源，为发射板、接收板、信号处理板供电，并接收信号处理板的控制信号。

收发隔离板：安装在发射板与接收板之间，用于两者间的电磁信号隔离，以避免发射信号泄露到接收通道，造成接收通道饱和，不能正常工作。

显控终端：用于显示系统工作状态及目标点航迹信息，并为系统工作提供参数输入，并将平台参数、控制指令发送到信号处理板。

进一步地，所述发射板由天线阵元、发射通道、功分网络、信号产生单元、控制单元、波控计算单元、频率综合单元和结构件组成。

频率综合单元产生系统所需时钟信号。

信号产生单元产生线性调频激励信号。

功分网络将激励信号等分至N路发射通道。

波控计算单元根据波束指向、波束形状要求，参数波控移相码和衰减码。

发射通道实现发射信号的移相、衰减、滤波和放大，并通过耦合器将发射信号耦合至接收板。

雷达天线采用微带天线，阵元个数为N，负责向空间辐射来自发射通道的射频信号。

控制单元实现发射板控制，并将内置测试信息(BIT)打包传输到信号处理板。

进一步地，所述接收板由接收天线、接收通道、中频信号灵敏度频率控制电路(SFC)、模拟-数字信号转换(AD)、接收控制单元和功分器组成。

接收天线共M路接收通道，负责接收来自目标反射的回波信号。M路接收通道包括：限幅器、低噪放、滤波器和混频器，实现雷达回波的放大、滤波和下变频，形成基带回波模拟信号。

SFC实现对近程回波的抑制，以避免影响远距离目标的检测；

AD实现对雷达基带回波信号的采样，形成M路基带IQ数据。

功分器实现对发射耦合信号的功分，为接收通道提供下变频信号。

接收控制单元用于实现雷达接收控制，并将采样后的雷达回波信号、接收板BIT信息打包，传输到信号处理板。

进一步地，所述信号处理板包括：现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)芯片；

FPGA产生系统控制指令与控制时序，负责指令分发，实现雷达系统控制。

FPGA实现雷达回波数据解析、脉压处理。

DSP实现自适应动目标显示(AMTI)、动目标检测(MTD)、通道间非相干处理、目标检测、数字波束形成(DBF)/比幅测角处理。

FPGA实现点迹凝聚、航迹跟踪等数据处理，实现雷达BIT信息处理，并将雷达工作状态信息、目标点航迹信息打包，传输到显控终端，并接收平台运动信息、控制指令。

进一步地，无人机机载防撞雷达采用连续波体制，采用Ku或X频段发射信号。雷达发射天线为列线阵，共M个阵元，每个天线阵元方向图方位波束宽度≥120°，阵元间距≥0.5个发射信号波长。发射波束通过空间合成，波束宽度≥7.5°，雷达发射采用相控阵方式扫描，依次进行俯仰多个波位的扫描，实现俯仰30°覆盖。

进一步地，所述接收天线有N个阵元，按行排列，每个接收天线阵元方向图方位波束宽度≥120°，俯仰波束宽度≥30°。N个阵元对应N个接收通道，同时独立接收空间回波信号。

本发明还公开了一种无人机机载防撞雷达系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：系统开机上电自检

依次对信号处理板、发射板、接收板进行上电，并进行开机自检。

步骤2：接收无人机平台运动参数、指令

信号处理板接收无人机位置、速度、航向信息，接收雷达工作模式、方式、参数的指令信息。

步骤3：产生系统控制指令

信号处理板中FPGA产生系统控制指令表，包括发射控制指令、接收控制指令、信号处理参数、数据处理参数、激励信号参数、波束控制参数和状态询问指令，并将控制指令在统一时序下，传输到发射板、接收板、信号处理板、电源板。

步骤4：产生系统参考时钟

发射板根据时钟控制指令，在频综部件产生系统参考时钟，并将时钟信号传输到发射板、接收板和信号处理板。

步骤5：产生系统时序信号

信号处理板根据系统基准时钟，产生信号周期定时信号、信号帧周期定时信号等时序信号，并将时序信号分配至发射板、接收板、信号处理板。

步骤6：产生发射激励信号

发射板根据控制指令，包括：信号频率、信号带宽和调频周期参数，以及控制时序，利用直接数字频率合成器(DDS)产生线性调频射频激励信号。为保证雷达距离分辨力，激励信号带宽≥10MHz，激励信号中心频率在X或Ku频段，中心频率可自由设置，信号调频周期≥200us。

步骤7：发射信号功分、放大

发射板中功分网络将射频激励信号功分为M路，传输到各发射通道，并对信号进行放大。

步骤8：发射信号移相、衰减控制

由波束指向、波束赋形指令，计算各发射通道的移相码、衰减码。天线采用切比雪夫加权或泰勒加权，旁瓣水平优于-30dB。根据移相码，控制发射通道的移相器，实现波束俯仰精确指向。根据衰减码控制发射通道的衰减器，实现波束赋形，抑制俯仰旁瓣。

步骤9：发射信号滤波、放大、耦合

对发射信号进行滤波，抑制带外信号，然后对发射信号进行放大，通过耦合器，一路到发射阵元，一路耦合到接收板。

步骤10：发射信号向空间辐射

利用发射阵元天线，将射频发射信号向空间辐射。

步骤11：回波信号接收

利用接收天线对雷达回波信号进行接收，共N个接收天线，进行N路回波独立接收。

步骤12：接收信号限幅、低噪放、滤波

每个接收通道首先对接收信号进行限幅处理，避免强回波信号、通过隔离板的泄露信号进入接收机后，造成接收机饱和。然后进行回波信号低噪声放大处理，和射频滤波处理。

步骤13：回波信号下变频

采用自差拍结构，对雷达回波信号进行下变频。由发射板耦合来的射频信号，经过功分放大后，形成N路本振信号，然后与接收信号进行混频处理。

步骤14：中频信号滤波、放大

对混频后的信号进行低通滤波，获取回波中频信号，然后对其放大。

步骤15：中频信号灵敏度频率控制处理

设计SFC电路，将中频信号通过SFC电路，实现对近程回波的抑制，以避免影响远距离目标的检测。

步骤16：中频信号AD采样

对经过SFC电路后的中频模拟信号进行采样，形成16个通道的IQ基带数据，并将数据传输到信号处理板。

步骤17：雷达信号处理，子步骤如下：

1、采样信号解析与脉冲压缩(PC)

信号处理板接收来自接收板的基带IQ数据，并在快时间维对信号进行快速傅里叶变换(FFT)，实现目标信号在周期内的压缩。

2、脉压信号AMTI、MTD

结合平台运动参数，对脉压后的信号进行AMTI处理，抑制主瓣杂波。然后在慢时间维，对脉压信号进行FFT处理，实现目标信号在周期间的积累，形成距离-多普勒图。

3、通道间非相干积累

对N个通道脉冲压缩、AMTI、MTD处理后的信号进行求模运算。然后，N个通道在相同的距离-多普勒单元上，对求模运算后的数据进行求和运算，实现N个通道间的非相干积累。

4、恒虚警检测

利用平均单元恒虚警算法、有序统计恒虚警算法等，根据探测概率≥0.9，虚警概率≤10-6，计算门限乘积因子，实现目标检测。然后，根据检测结果对应在距离-多普勒图上的位置，在解距离-多普勒耦合后，获取目标的距离和速度信息。

5、数字波束形成/比幅测角

利用数字波束形成技术、比幅测角技术，实现目标的方位角估计和俯仰角测量，形成包括目标距离、速度、方位角、俯仰角、幅度信息的目标原始点迹。

步骤18：雷达数据处理，子步骤如下：

1、点迹凝聚

对雷达原始点迹信息进行点迹凝聚处理，剔除虚假值，将同一目标多个点迹值，根据信号强度因子，加权凝聚为一个点迹。

2、目标关联、航迹跟踪

采用最邻近关联算法，实现雷达目标关联，并采用卡尔曼滤波算法、粒子滤波算法等，实现目标跟踪，形成目标航迹。

3、航迹管理

航迹管理的工作包括：航迹起始、航迹保持、航迹外推、航迹删除和航迹质量管理。

步骤19：目标点航迹信息、BIT信息打包处理

信号处理板通过状态询问的方式，获取系统工作状态信息，形成BIT信息报文。同时对目标点航迹信息进行打包，形成目标信息报文。

步骤20：目标信息、BIT信息发送与显示

机载防撞雷达将目标信息、BIT信息发射到无人机系统，进行目标信息及雷达工作状态信息显示。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.雷达采用X或Ku频段调频连续波体制，可以实现雷达的低功耗、小型化，适应多种无人机机载安装。

2.采用一次雷达主动探测方式，实现对合作目标、非合作目标探测，有效监视空中所有飞行目标。

3.雷达发射、接收采用宽波束方式，以较少的发射通道完成空域覆盖，实现系统低成本。

4.雷达采用调频连续波信号，理论上不存在距离盲区，信号带宽大，距离分辨力高，能从距离上有效区分多个飞行目标。