直升机机载防撞雷达系统

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直升机机载防撞雷达系统
申请号	CN201710676409.9	申请日	2017-08-09	公开(公告)号	CN107462890A	公开(公告)日	2017-12-12
申请人	宜宾市泰众电子科技有限责任公司;			发明人	谢建国;
摘要	本发明提供了一种直升机机载防撞雷达系统，其包括信号产生单元，用于产生线性调频连续波信号；收发单元，用于对连续波信号进行谐波混频后得到探测信号；伺服驱动单元，用于根据直升机的航行数据确定天线单元的扫描范围，并按照扫描范围驱动天线单元辐射探测信号；收发单元，还用于获取天线单元接收到的回波信号；信号预处理单元，用于对回波信号进行滤波和放大后得到差频信号；信号后处理单元，用于对差频信号进行模数转换，并在模数转换后进行快速傅里叶变换和恒虚警处理后输出目标信息；数据分析单元，用于根据天线单元的扫描范围在雷达图像上生成目标信息；显示单元，用于显示所述雷达图像。通过上述方式，本发明能够远距离探测电力线。
权利要求	1.一种直升机机载防撞雷达系统，其特征在于，包括信号产生单元、天线单元、收发单元、伺服驱动单元、信号预处理单元、信号后处理单元、数据分析单元和显示单元；所述信号产生单元用于产生Ka波段的线性调频连续波信号；所述收发单元用于对所述线性调频连续波信号进行谐波混频后得到探测信号；所述伺服驱动单元用于根据直升机的航行数据确定所述天线单元的扫描范围，并按照所述扫描范围驱动所述天线单元向直升机飞行方向的前方辐射所述探测信号；所述收发单元还用于获取所述天线单元接收到的所述探测信号的回波信号；所述信号预处理单元用于对所述回波信号进行滤波和放大后得到差频信号；所述信号后处理单元用于对所述差频信号进行模数转换，并在模数转换后进行快速傅里叶变换和恒虚警处理后输出目标信息；所述数据分析单元用于根据所述天线单元的扫描范围在雷达图像上生成所述目标信息；所述显示单元用于显示所述雷达图像。 2.根据权利要求1所述的直升机机载防撞雷达系统，其特征在于，所述信号产生单元包括：参考源，用于发生基准信号；倍频器，用于对所述基准信号进行倍频获得第一本振信号；第一滤波器，用于对所述第一本振信号进行中频滤波；第一放大器，用于对所述第一本振信号进行放大；第一分频器，用于对所述基准信号进行分频获得第一分频信号；第二分频器，用于对所述基准信号进行分频获得第二分频信号；频率合成器，用于将所述第二分频信号作为时钟产生线性调频信号；第一混频器，用于对所述线性调频信号和所述第一分频信号进行混频获得混频信号；第二滤波器，用于对所述混频信号进行中频滤波；第二混频器，用于对所述混频信号和所述第一倍频信号进行混频获得Ka波段的线性调频连续波信号。 3.根据权利要求1所述的直升机机载防撞雷达系统，其特征在于，所述收发单元包括发射单元和接收单元，所述发射单元包括波长为3到8毫米的压控振荡器和第二放大器，所述接收单元包括上混频器、第三滤波器、下混频器和波导微带过渡器，所述发射单元用于对所述线性调频连续波信号进行谐波混频后得到探测信号，所述接收单元用于获取所述天线单元接收到的所述探测信号的回波信号。 4.根据权利要求1所述的直升机机载防撞雷达系统，其特征在于，所述天线单元具体为卡塞格伦天线，具体包括主反射器、副反射器和辐射源，所述副反射器对所述辐射源发出的电磁波进行一次反射，经电磁波反射到主反射器，再经主反射器反射后获得相应方向的平面波波束，实现定向发射。 5.根据权利要求4所述的直升机机载防撞雷达系统，其特征在于，所述主反射器具体为旋转抛物面，所述副反射器具体为旋转双曲面，其中，所述旋转双曲面的焦点与所述旋转抛物面的焦点重合，所述旋转双曲面焦轴与旋转抛物面的焦轴重合，所述辐射源位于旋转双曲面的另一焦点上。 6.根据权利要求4所述的直升机机载防撞雷达系统，其特征在于，所述伺服驱动单元包括天线转台、方位驱动机构、俯仰驱动机构和伺服控制模块，所述方位旋转关节和俯仰旋转关节安装在天线转台上，所述方位驱动机构联接所述方位旋转关节，俯仰驱动机构联接所述俯仰旋转关节，所述伺服控制模块用于根据直升机的航行数据确定所述天线单元的扫描范围，并按照所述扫描范围驱动所述方位驱动机构和俯仰驱动机构，以使所述天线单元向直升机飞行方向的前方辐射所述探测信号。 7.根据权利要求6所述的直升机机载防撞雷达系统，其特征在于，所述航行数据包括直升机中轴线和飞行速度，所述扫描范围的中心为直升机中轴线，且当直升机的飞行速度在 60km/h以下时，所述扫描范围为方位±60°和俯仰±15°；当直升机的飞行速度在60km/h到 120km/h之间时，所述扫描范围为方位±25°和俯仰-5°～+10°；当直升机的飞行速度大于 120km/h时，所述扫描范围为方位±15°和俯仰-2.5°～+7.5°。 8.根据权利要求1所述的直升机机载防撞雷达系统，其特征在于，所述信号预处理单元包括中频放大器和带通滤波器，所述带通滤波器用于对所述回波信号进行带通滤波，所述中频放大器用于对滤波后的回波信号进行中频放大获得差频信号。 9.根据权利要求1所述的直升机机载防撞雷达系统，其特征在于，所述信号后处理单元包括模数转换器、快速傅里叶变换电路、噪声恒虚警电路和门限判决电路，所述模数转换器用于对所述差频信号进行模数转换获得差频数字信号，所述快速傅里叶变换电路用于对所述差频数字信号进行快速傅里叶变换获得目标信号，所述噪声恒虚警电路用于对所述差频数字信号进行恒虚警处理获得门限信号，所述门限判决电路用于在所述目标信号超过所述门限信号时，输出所述目标信号的目标信息。 10.根据权利要求1所述的直升机机载防撞雷达系统，其特征在于，所述数据分析单元还用于根据直升机的航行数据对雷达图像上的目标信息进行实时修正。
说明书全文	直升机机载防撞雷达系统技术领域 [0001] 本发明涉及机载雷达技术领域，特别是涉及一种直升机机载防撞雷达系统。背景技术 [0002] 引起直升机事故的原因很多，其中占到相当大比例的一个原因是飞行过程中与低空障碍物相撞。通过分析，这是由于直升机常常在几十到几百米高度之间执行飞行任务，而在这一高度范围，往往很容易碰到山峦、树林、高层建筑物以及电力线、电线杆、楼房等人造物体。其中，电力线对直升机的飞行安全危害最大，因为楼房、树木等大目标相对容易发现，而电力线体积小，复杂背景下难以被肉眼发现，据美国军方称，由于撞击电力线损失的直升机已经超过战场上损失的直升机，比如在科索沃战争期间，美军的“阿帕奇”武装直升机就曾经因为碰撞高空电力线而被撞毁坠地。 [0003] 解决直升机防撞的技术主要包括红外热像仪、电磁场探测器、近地告警系统、激光雷达和毫米波雷达。红外热像仪因为容易受到气候条件的影响，未得到广泛的使用；电磁场探测器技术成熟，且成本低廉，但它只能探测正在输送电力的电线，这限制了它的应用范围；近地告警系统能在一定程度上辅佐飞行员防止撞击下方低空障碍物，但它不具备“前视”功能，也就是无法对直升机前方视野进行障碍探测告警；激光雷达精度高，对细电线探测能力强，显示画面直观目前，所以应用较为广泛，但是激光雷达价格高、技术风险大，在恶劣气象条件下探测能力较差；毫米波雷达不管是在扫描速率还是重量体积功耗等方面都有着较大的优势，加之它能在恶劣的气候条件下工作，这就使得毫米波雷达比较适合直升机的装载，所以毫米波雷达倍受青睐，应用更为广泛。 [0004] 然而，目前所采用的毫米波雷达主要应用在探测楼房、树木等大目标，而对于电力线等细小目标，探测精度很低，达不到飞行要求。发明内容 [0005] 本发明主要解决的技术问题是提供一种直升机机载防撞雷达系统，能够远距离探测电力线。 [0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种直升机机载防撞雷达系统，包括信号产生单元、天线单元、收发单元、伺服驱动单元、信号预处理单元、信号后处理单元、数据分析单元和显示单元；所述信号产生单元用于产生Ka波段的线性调频连续波信号；所述收发单元用于对所述线性调频连续波信号进行谐波混频后得到探测信号；所述伺服驱动单元用于根据直升机的航行数据确定所述天线单元的扫描范围，并按照所述扫描范围驱动所述天线单元向直升机飞行方向的前方辐射所述探测信号；所述收发单元还用于获取所述天线单元接收到的所述探测信号的回波信号；所述信号预处理单元用于对所述回波信号进行滤波和放大后得到差频信号；所述信号后处理单元用于对所述差频信号进行模数转换，并在模数转换后进行快速傅里叶变换和恒虚警处理后输出目标信息；所述数据分析单元用于根据所述天线单元的扫描范围在雷达图像上生成所述目标信息；所述显示单元用于显示所述雷达图像。 [0007] 优选地，所述信号产生单元包括：参考源，用于发生基准信号；倍频器，用于对所述基准信号进行倍频获得第一本振信号；第一滤波器，用于对所述第一本振信号进行中频滤波；第一放大器，用于对所述第一本振信号进行放大；第一分频器，用于对所述基准信号进行分频获得第一分频信号；第二分频器，用于对所述基准信号进行分频获得第二分频信号；频率合成器，用于将所述第二分频信号作为时钟产生线性调频信号；第一混频器，用于对所述线性调频信号和所述第一分频信号进行混频获得混频信号；第二滤波器，用于对所述混频信号进行中频滤波；第二混频器，用于对所述混频信号和所述第一倍频信号进行混频获得Ka波段的线性调频连续波信号。 [0008] 优选地，所述收发单元包括发射单元和接收单元，所述发射单元包括波长为3到8毫米的压控振荡器和第二放大器，所述接收单元包括上混频器、第三滤波器、下混频器和波导微带过渡器，所述发射单元用于对所述线性调频连续波信号进行谐波混频后得到探测信号，所述接收单元用于获取所述天线单元接收到的所述探测信号的回波信号。 [0009] 优选地，所述天线单元具体为卡塞格伦天线，具体包括主反射器、副反射器和辐射源，所述副反射器对所述辐射源发出的电磁波进行一次反射，经电磁波反射到主反射器，再经主反射器反射后获得相应方向的平面波波束，实现定向发射。 [0010] 优选地，所述主反射器具体为旋转抛物面，所述副反射器具体为旋转双曲面，其中，所述旋转双曲面的焦点与所述旋转抛物面的焦点重合，所述旋转双曲面焦轴与旋转抛物面的焦轴重合，所述辐射源位于旋转双曲面的另一焦点上。 [0011] 优选地，所述伺服驱动单元包括天线转台、方位驱动机构、俯仰驱动机构和伺服控制模块，所述方位旋转关节和俯仰旋转关节安装在天线转台上，所述方位驱动机构联接所述方位旋转关节，俯仰驱动机构联接所述俯仰旋转关节，所述伺服控制模块用于根据直升机的航行数据确定所述天线单元的扫描范围，并按照所述扫描范围驱动所述方位驱动机构和俯仰驱动机构，以使所述天线单元向直升机飞行方向的前方辐射所述探测信号。 [0012] 优选地，所述航行数据包括直升机中轴线和飞行速度，所述扫描范围的中心为直升机中轴线，且当直升机的飞行速度在60km/h以下时，所述扫描范围为方位±60°和俯仰±15°；当直升机的飞行速度在60km/h到120km/h之间时，所述扫描范围为方位±25°和俯仰- 5°～+10°；当直升机的飞行速度大于120km/h时，所述扫描范围为方位±15°和俯仰-2.5°～+7.5°。 [0013] 优选地，所述信号预处理单元包括中频放大器和带通滤波器，所述带通滤波器用于对所述回波信号进行带通滤波，所述中频放大器用于对滤波后的回波信号进行中频放大获得差频信号。 [0014] 优选地，所述信号后处理单元包括模数转换器、快速傅里叶变换电路、噪声恒虚警电路和门限判决电路，所述模数转换器用于对所述差频信号进行模数转换获得差频数字信号，所述快速傅里叶变换电路用于对所述差频数字信号进行快速傅里叶变换获得目标信号，所述噪声恒虚警电路用于对所述差频数字信号进行恒虚警处理获得门限信号，所述门限判决电路用于在所述目标信号超过所述门限信号时，输出所述目标信号的目标信息。 [0015] 优选地，所述数据分析单元还用于根据直升机的航行数据对雷达图像上的目标信息进行实时修正。 [0016] 区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：通过将线性调频连续波信号，并结合直升机的航行数据以及恒虚警处理，从而能够远距离探测电力线，具有探测精度高，响应时间快等优点。附图说明 [0017] 图1是本发明实施例直升机机载防撞雷达系统的架构示意图。 [0018] 图2是本发明实施例直升机机载防撞雷达系统的信号产生单元的架构示意图。 [0019] 图3是本发明实施例直升机机载防撞雷达系统的天线单元的架构示意图。 [0020] 图4是本发明实施例直升机机载防撞雷达系统的伺服驱动单元的架构示意图。 [0021] 图5是图4所示的伺服驱动单元的天线转台的扫描轨迹示意图。 [0022] 图6是本发明实施例直升机机载防撞雷达系统的信号后处理单元的架构示意图。具体实施方式 [0023] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0024] 参见图1，是本发明实施例直升机机载防撞雷达系统的架构示意图。本实施例的直升机机载防撞雷达系统包括信号产生单元1、天线单元2、收发单元3、伺服驱动单元4、信号预处理单元5、信号后处理单元6、数据分析单元7和显示单元8。 [0025] 信号产生单元1用于产生Ka波段的线性调频连续波信号。收发单元3用于对线性调频连续波信号进行谐波混频后得到探测信号。伺服驱动单元4用于根据直升机的航行数据确定天线单元2的扫描范围，并按照扫描范围驱动天线单元2向直升机飞行方向的前方辐射探测信号。收发单元3还用于获取天线单元2接收到的探测信号的回波信号。信号预处理单元5用于对回波信号进行滤波和放大后得到差频信号。信号后处理单元6用于对差频信号进行模数转换，并在模数转换后进行快速傅里叶变换和恒虚警处理后输出目标信息。数据分析单元7用于根据天线单元2的扫描范围在雷达图像上生成目标信息。显示单元8用于显示雷达图像。 [0026] 具体而言，如图2所示，信号产生单元1包括参考源101、倍频器102、第一滤波器103、第一放大器104、第一分频器105、第二分频器106、频率合成器107、第一混频器108、第二滤波器109和第二混频器110。其中，参考源101用于发生基准信号；倍频器102用于对基准信号进行倍频获得第一本振信号；第一滤波器103用于对第一本振信号进行中频滤波；第一放大器104用于对第一本振信号进行放大；第一分频器105用于对基准信号进行分频获得第一分频信号；第二分频器106用于对基准信号进行分频获得第二分频信号；频率合成器107用于将第二分频信号作为时钟产生线性调频信号；第一混频器108用于对线性调频信号和第一分频信号进行混频获得混频信号；第二滤波器109用于对混频信号进行中频滤波；第二混频器110用于对混频信号和第一倍频信号进行混频获得Ka波段的线性调频连续波信号。 [0027] 收发单元3包括发射单元和接收单元，发射单元包括波长为3到8毫米的压控振荡器和第二放大器，接收单元包括上混频器、第三滤波器、下混频器和波导微带过渡器，发射单元用于对线性调频连续波信号进行谐波混频后得到探测信号，接收单元用于获取天线单元接收到的探测信号的回波信号。其中，发射单元和接收单元的每个器件之间可以采用波导耦合器连接。3到8毫米的压控振荡器是调频连续波雷达的关键，其电调带宽、电调线性度、频率稳定度和相位噪声都会影响系统指标。接收单元采用上混频器加下混频器的“二次混频”方案，上混频器使回波信号远离第一混频1/f噪声区，而下混频器采用“1/f”噪声拐角频率极低的低势垒Si二极管，这样就解决了“1/f”噪声对接收灵敏度的影响。 [0028] 如图3所示，该天线单元2具体为卡塞格伦天线，该卡塞格伦天线具体包括主反射器211、副反射器212和辐射源213，该副反射器212对该辐射源发出的电磁波进行一次反射，经电磁波反射到主反射器，再经主反射器211反射后获得相应方向的平面波波束，实现定向发射。 [0029] 在具体的实施方式中，该主反射器211具体为旋转抛物面，该副反射器212具体为旋转双曲面，其中，旋转双曲面的焦点与旋转抛物面的焦点重合，旋转双曲面焦轴与旋转抛物面的焦轴重合，辐射源位于旋转双曲面的另一焦点上。这样，当辐射源位于旋转双曲面的实焦点F1处时，由F1发出的射线经过旋转双曲面反射后的射线，就相当于由旋转双曲面的虚焦点直接发射出的射线，因此，只要是旋转双曲面的虚焦点和旋转抛物面的焦点向重合，就可以使得副反射器212的旋转双曲面反射到主反射器211的旋转抛物面的射线被该旋转抛物面反射呈平面波辐射出去，实现定向发射。 [0030] 该卡塞格伦天线相对于抛物面天线的优势在于，它的馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式，这使得天线的结构比较紧凑，制作起来也比较方便，另外，该卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线，而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近与常数，因而空间衰耗对馈电器辐射的影响要小，使得卡塞格伦天线的效率比标准抛物面天线要高。 [0031] 如图4所示，伺服驱动单元4包括天线转台41、方位驱动机构42、俯仰驱动机构43和伺服控制模块44。方位旋转关节和俯仰旋转关节安装在天线转台41上，方位驱动机构42联接方位旋转关节，俯仰驱动机构43联接俯仰旋转关节，伺服控制模块44用于根据直升机的航行数据确定天线单元2的扫描范围，并按照扫描范围驱动方位驱动机构42和俯仰驱动机构43，以使天线单元2向直升机飞行方向的前方辐射探测信号。其中，伺服控制模块44可以采用基于DSP的控制电路，方位驱动机构42和俯仰驱动机构43可以由直流力矩电机和光电编码器构成，DSP向光电编码器输出编码信号从而驱动直流力矩电机转动。伺服驱动单元4的工作过程如下：系统加电后，伺服控制模块44首先自检，确定天线转台41的机械中心，然后驱动方位驱动机构42、俯仰驱动机构43使天线停在机械中心位置，并进入待机状态；在接收到扫描指令后，按照扫描范围控制天线进行快速扫描，其扫描方式为先进行方位扫描，后进行俯仰扫描的栅格扫描方式，具体如图5所示。在扫描过程中，如果扫描中心发生变化，则在完成当前扫描指令后，再改变扫描中心。伺服控制模块44在工作过程中能够实时发送天线的当前角度位置及自身工作状态等信息。 [0032] 在本实施例中，航行数据包括直升机中轴线和飞行速度，扫描范围的中心为直升机中轴线，且当直升机的飞行速度在60km/h以下时，扫描范围为方位±60°和俯仰±15°；当直升机的飞行速度在60km/h到120km/h之间时，扫描范围为方位±25°和俯仰-5°～+10°；当直升机的飞行速度大于120km/h时，扫描范围为方位±15°和俯仰-2.5°～+7.5°。 [0033] 信号预处理单元5包括中频放大器和带通滤波器，带通滤波器用于对回波信号进行带通滤波，中频放大器用于对滤波后的回波信号进行中频放大获得差频信号。由于采用了带通滤波器，一来可以抑制距离近端的强信号，包括天线驻波和天线罩的反射信号以及近距离强目标信号，保证接收机动态范围(类似脉冲体制的STC功能)；二来可以决定接收机中频带宽和噪声系数，确定雷达探测范围。 [0034] 如图6所示，信号后处理单元6包括模数转换器61、快速傅里叶变换电路62、噪声恒虚警电路63和门限判决电路64。模数转换器61用于对差频信号进行模数转换获得差频数字信号，快速傅里叶变换电路62用于对差频数字信号进行快速傅里叶变换获得目标信号，噪声恒虚警电路63用于对差频数字信号进行恒虚警处理获得门限信号，门限判决电路64用于在目标信号超过门限信号时，输出目标信号的目标信息。其中，快速傅里叶变换电路62可以对每个调频周期的回波作快速傅里叶变换，以提高目标回波的信噪比。 [0035] 在本实施例中，数据分析单元7还用于根据直升机的航行数据对雷达图像上的目标信息进行实时修正。在实际中，为保证直升机高速飞行时，雷达的扫描视场始终保持在以直升机飞行方向水平正前方的120°×30°范围，需要天线单元2具有俯仰稳定功能，那么天线的扫描中心将随直升机的俯仰角变化而变化；同时，当直升机机动飞行时,为保证雷达图象为真实的机头前方的目标图象，需要对雷达图象进行实时修正，这就需要实时获取直升机的航向、姿态、高度、速度等航行数据。 [0036] 进一步地，本实施例的直升机机载防撞雷达系统还可以包括告警器，数据分析单元7判别在危险告警区域内是否有危险电力线。当有危险电力线时，发出告警信号，并显示危险电力线相对于直升机的距离、高度、方位数据及到达时间等。 [0037] 通过上述方式，本发明实施例的直升机机载防撞雷达系统通过将线性调频连续波信号，并结合直升机的航行数据以及恒虚警处理，从而能够远距离探测电力线，具有探测精度高，响应时间快等优点，通过实验验证，本发明的直升机机载防撞雷达系统能够在1000m外探测到线径为10mm的电力线。 [0038] 该显示单元8在接收到雷达数据时，生成告警信息，显示俯视的平面图、显示平视的C型显示图、显示直升机的姿态速度等信息以及显示信号处理、伺服、信道的自检信息的三维立体显示或二维PPI显示。给出驾驶员的信号显示，显示危险警告、直升机与高压线的位置，图像更新扫描时间2-3秒。 [0039] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。