無人機360度電子掃描避障雷達的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于雷達的探測領域，尤其涉及無人機360度電子掃描避障雷達。
【背景技術】
[0002] 雷達是利用無線電波確定范圍，高度，方向，或物體的速度的物體檢測系統(tǒng)。它可 用于檢測飛機，船舶，航天器，導彈，機動車，天氣的形成，和地形。雷達天線發(fā)射無線電波或 微波的脈沖，所述脈沖在其路徑上遇到任何物體都會反彈。所述物體反射一小部分波的能 量到天線，所述天線通常位于發(fā)射器的同一位置。
[0003] 雷達的現(xiàn)代用途是高度多樣化的，包括空中和陸地交通控制，雷達天文，防空系 統(tǒng)，反導系統(tǒng)；用以定位地標和其他船舶的船用雷達;飛機防撞系統(tǒng);海洋監(jiān)視系統(tǒng)，太空監(jiān) 視和對接系統(tǒng);氣象降水監(jiān)測；測高和飛行控制系統(tǒng)；導彈目標定位系統(tǒng)；以及用于地質觀 測的探地雷達。高科技雷達系統(tǒng)與數(shù)字信號處理相關聯(lián)，并且能夠從非常高的噪聲水平中 提取有用信息。
[0004] 其它類似于雷達的系統(tǒng)利用電磁頻譜的其他部分。一個例子是"激光雷達"，其使 用激光器發(fā)出的紫外線、可見光或近紅外光而非使用無線電波。
[0005] 雷達所提供的信息包括距離雷達掃描儀的物體的方位和距離（從而可以確定位 置）。因此它被用在許多不同的領域，這些領域極其需要這樣的定位。在航空領域，飛機都配 備了雷達裝置，所述雷達裝置能警告位于或接近其路徑的飛機或其他障礙物，顯示天氣信 息，以及給出準確的高度讀數(shù)。
[0006] 船用雷達用于測量船只的方位和距離以防止與其它船只發(fā)生碰撞，導航，以及當 處于岸上或其他固定參照物例如島嶼、浮標和燈船的范圍內時，用于對其在海上的位置進 行定位。在港口，船舶交通管理雷達系統(tǒng)用于監(jiān)控和規(guī)范繁忙水域中船舶的動作。
[0007] 氣象學家使用雷達監(jiān)測降水和風。它已成為短期天氣預報和觀測災害性天氣，如 雷暴、龍卷風、雪災、降水類型等的主要工具。地質學家使用專門的探地雷達勘察地殼的組 成。交警部門使用雷達測速槍監(jiān)控行駛在道路上機動車的車速。
[0008] 雷達系統(tǒng)具有發(fā)射器，其沿預定方向發(fā)射的無線電波稱為雷達信號。當這些雷達 信號接觸到物體時，其通常在許多不同的方向上被反射或散射。具有相當導電性能的材料 對雷達信號的反射特別好，尤其是大多數(shù)金屬、海水和濕地。其中一些使雷達高度計的應用 成為可能。被反射回到所述發(fā)射器的雷達信號是讓雷達工作所需的信號。如果物體朝向或 遠離發(fā)射器移動，由于多普勒效應，無線電波的頻率就會發(fā)生輕微的等效變化。
[0009] 雷達接收器通常但不總是與發(fā)射器處在相同的位置。雖然由接收天線捕捉到的反 射雷達信號通常非常微弱，但其可通過電子放大器得到增強。更復雜的信號處理方法也被 使用，以恢復有用的雷達信號。
[0010] 介質對穿過它的無線電波的弱吸收使雷達設備能夠檢測距離相對遠的物體，在這 些距離其它諸如可見光、紅外光、紫外光的電磁波波長衰減過強。天氣現(xiàn)象例如霧、云、雨、 雪、冰雹，其能阻礙可見光，但對無線電波是沒有阻礙的。在雷達設計中，避免使用被水蒸 氣、雨滴或大氣中的氣體(特別是氧氣）吸收或散射的特定無線電頻率，除非需要對它們進 行檢測時。
[0011] 雷達依靠自身發(fā)射電磁波，而不是利用來自太陽、月亮或物體本身發(fā)射的電磁波 (例如紅外波長(熱））的光。引導人工無線電波向物體(發(fā)射）的過程被稱為光照，盡管無線 電波對人眼或光學照相機是不可見的。
[0012] 如果電磁波穿過一種材料遇到另一種材料，而另一種材料的介電常數(shù)或抗磁常數(shù) 與第一種材料很不相同，所述電磁波就會從這兩種材料之間的界面反射或散射。這意味著， 在空氣或真空中的固態(tài)物體，或者在所述物體和圍繞所述物體的物質之間的原子密度的顯 著變化，通常會使雷達(無線電）波從所述物體表面散射。這對于導電材料例如金屬和碳纖 維尤其如此，使得雷達非常適合于飛機和船只的檢測。雷達吸波材料含有電阻，有時含有磁 性物質，用于軍用車輛以減少雷達(波)反射。這是將某物涂成黑色使其在夜間不被眼睛所 看到的無線電等效。
[0013] 雷達波散射的各種方式依賴于無線電波的尺寸(波長)和目標的形狀。如果波長比 目標的尺寸短得多，無線電波將以類似光被鏡子反射的方式反彈。如果波長比目標的尺寸 長得多，則目標可能會因為反射差而不可見。低頻雷達技術依賴于共振進行檢測，但不識別 目標。這被瑞利散射所描述，所謂瑞利散射使地球產生藍色的天空和紅色的落日。當兩個長 度的尺度可比時，有可能發(fā)生共振。早期雷達使用比目標長得多的長波，從而接收到模糊的 信號，然而一些現(xiàn)代系統(tǒng)使用較短的波長(幾厘米或更小），其能鏡像如一條面包那樣小的 物體。
[0014]短的無線電波從曲線和角反射的方式類似于從圓形玻璃片閃光。對于短波長反射 性最好的目標在反射表面之間具有90°的角度。角反射器由三個如聚合成盒子內部的角的 表面組成。該結構將進入其開口的波直接反射回波源處。它們通常用作雷達反射器，以使別 的難以檢測的物體容易檢測。例如，船上的角反射器，使其更容易被檢測以避免碰撞或便于 營救。出于類似的原因，旨在避免被檢測的物體不具有內角或內表面以及垂直于可能的檢 測方向的邊緣，這導致了外表怪異的隱形飛機。這些預防措施沒有完全消除由于衍射特別 是較長波長的衍射而導致的反射。長度為半個波長的線或帶狀的導電材料，如箱條，都具有 非常強的反射性，但不引導散射能量返回波源。物體反射或散射無線電波的程度被稱為其 雷達散射截面。
[0015] 返回接收天線的功率Pr由如下方程給出：
[0016] Pr = (PtGtArOF4)/ ( (431)2Rt2Rr2)
[0017] 其中
[0018] pt =發(fā)射功率 [0019] Gt =發(fā)射天線的增益
[0020] Ar =接收天線的有效孔徑(面積）（大多數(shù)時候記為Gr)
[0021] 0=目標的雷達散射截面或散射系數(shù)
[0022] F =方向圖傳播因子 [0023] Rt =發(fā)射器到目標的距離 [0024] Rr =從目標到接收器的距離。
[0025]通常情況下，發(fā)射器和接收器在同一位置，Rt = Rr并且項Rt2Rr2可以被R 4代替，其中 R是距離。由此導致：
[0026] Pr=(PtGtAr〇F4)/((43i)2R 4)〇
[0027]這表明所接收的功率以距離的四次冪減小，其意味著所接收的來自較遠目標的功 率相對很小。
[0028] 附加濾波和脈沖積分輕微修正雷達方程以改善脈沖多普勒雷達的性能，可用于提 高檢測距離，降低發(fā)射功率。
[0029] 上述方程在F=1時是在無干擾真空下發(fā)射的簡化式。傳播因子表明多徑和陰影的 影響，并依賴于環(huán)境的細節(jié)。在真實世界的情況中，路徑損耗的影響也應考慮。
[0030] 頻移是通過改變反射器與雷達之間的波長數(shù)的運動引起的。其能降低或增強雷達 性能，這取決于頻移如何影響檢測過程。作為一個例子，運動目標指示可以與多普勒相互作 用以在一定徑向速度產生信號抵消，其會降低(雷達)性能。
[0031] ?；走_系統(tǒng)，半有源雷達制導，有源雷達制導，氣象雷達，軍用飛機和雷達天文 依靠多普勒效應來增強性能。這將產生在檢測過程中關于目標速度的信息。這也允許在含 有大得多且移動緩慢物體的環(huán)境中，小物體能被檢測。
[0032] 多普勒頻移取決于雷達的配置是有源的還是無源的。有源雷達發(fā)射被反射回接收 器的信號。無源雷達取決于將信號發(fā)送到接收器的物體。
[0033] 有源雷達的多普勒頻移如下所示，其中Fd是多普勒頻率，F(xiàn)t是發(fā)射頻率，VR是徑向 速度，以及C是光速：
[0034] Fd = 2x Ft x(Vr/C)
[0035] 無源雷達適用于電子對抗和射電天文，（其多普勒頻移)如下：
[0036] Fd = Ft x(Vr/C)
[0037] 只有速度的徑向分量相關。當反射器與雷達波束成直角移動時，其沒有相對速度。 平行于雷達波束移動的車輛和氣象產生最大的多譜勒頻移。
[0038] 僅當采樣率超過徑向運動而產生的頻移的奈奎斯特(Nyquist)頻率，多普勒測量 才是可靠的。作為一個例子，脈沖速率為2kHz和發(fā)射頻率為1GHz的多普勒天氣雷達可以可 靠地測量高達150米/秒(340英里）的氣象，但不能可靠地確定1000米/秒(2200英里)移動的 飛機的徑向速度。
[0039] 在所有的電磁福射中，電場垂直于傳播方向，并且電場的這個方向是該波的偏振 方向。在所發(fā)射的雷達信號中，可以為不同的效果而控制偏振。雷達使用水平，豎直，線性和 圓偏振以檢測不同類型的反射。例如，圓偏振被用于減少因雨水引起的干擾。線性偏振返回 通常表明（遇到)金屬表面。隨機偏振返回通常顯示(遇到)分形表面，如巖石或土壤，并且其 被導航雷達所使用。
[0040] 在真空中，雷達波束會遵循線性路徑，但由于空氣的折射率的變化，其在大氣中實 際遵循有點彎曲的路徑即所謂的雷達地平線。即使當所述波束平行于地面發(fā)射，隨著地球 曲率下沉到地平線以下，其也會升到地面的上方。此外，信號因穿過介質而衰減，并且波束 發(fā)散。
[0041 ]常規(guī)雷達的最大測量距離可被以下一些因素限制：
[0042] 視線，其取決于離地的高度。這意味著沒有直線視線的話，波束的路徑會被阻擋。
[0043] 最大的非模糊范圍，其由脈沖的重復頻率確定。
[0044] 最大的非模糊范圍是脈沖在下一脈沖發(fā)射前可以傳播和返回的距離。
[0045] 如雷達方程中計算的雷達靈敏度和返回信號的功率。這包括例如環(huán)境條件和目標 大小(或雷達橫截面)的因素。
[0046] 信號噪聲是信號中隨機變化的內部源，其由所有的電子部件產生。
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