基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统信号处理系统及方法技术方案

基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统信号处理系统及方法,属于雷达信号处理领域，用于解决无人机防撞的技术问题，技术要点是：S1.对各段波形，将A/D采集到的IQ数据，去除前部分数据点后去直流，进行时频的FFT变换，将时域数据转换成频率数据；S2.将各段波形的经FFT变换后的复数模值做CFAR门限检测，对CFAR门限检测后的数据，令每一个数据为一个距离单元，对每一个距离单元的数据均进行二进制累计，输出过门限的第一个峰值点，计算得到相位；S3.计算锯齿波段的差频频率值、恒频段的多普勒频率值、相对速度值、计算相对距离值、计算方向角中的一种或多种。

【技术实现步骤摘要】
基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统信号处理系统及方法
本专利技术属于雷达信号处理领域，涉及一种旋翼无人机短距离防撞系统信号处理系统及方法。
技术介绍
近几年，随着技术的不断发展，民用小型无人机价格越来越低，被广泛用于航拍、电影、农业、地产、新闻、消防、救援、能源、遥感测绘、野生动物保护等领域。但是因为旋翼无人机低空飞行时易发生与障碍物之间的碰撞，导致旋翼无人机的损坏。目前威胁旋翼无人机室外低空飞行安全的物体主要有树木等自然物体以及电力线、电线杆、建筑物等人造物体。据国外相关机构统计，每10000h飞行中，直升机平均会发生10次事故，各类事故中，因与低空飞行时的障碍物相撞而引起的事故比例约占35％，已经远远超过其他事故原因。威胁无人机室外低空飞行安全的物体主要有树木等自然物体以及电力线、电线杆、建筑物等人造物体，其中，由于电力线体积小，难以用肉眼发现，对无人机的飞行安全危害最大。分析无人机屡次碰撞高压线的原因主要有两方面：1、高压线尺寸比较小，高空中肉眼很难识别；2、现有无人机很少具备防撞功能。综上所述：无论从安全角度还是经济角度而言，无人机防撞系统的研制都极具应用价值和现实意义。
技术实现思路
为了解决无人机防撞的技术问题，本专利技术提出了一种基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统信号处理系统及方法，基于该信号处理方法，解算得到单一目标的距离、速度和方位角，以可以对目标检测和跟踪，从而防止无人机碰撞。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统，包括ARM处理系统、信号发生器、压控振荡器、发射器、接收器、混频器、信号调理电路、A/D转换器，ARM处理系统的一端连接于信号发生器，信号发生器连接于压控振荡器，压控振动器分别连接于发射器和混频器的第一端，混频器的第二端连接接收器，混频器的第三端连接信号调理电路，信号调理电路连接A/D转换器，A/D转换器连接ARM处理系统的另一端。进一步的，所述发射器是发射天线，接收器是三行接收天线，所述三行接收天线通过背面馈电网络组成两个接收天线，使用微带矩形贴片形式组阵，发射天线、接收天线通过过孔与背面微波电路连接。进一步的，所述ARM处理系统，包括ARM处理模块、电源模块、串口模块和CAN模块，AMR处理模块将信号调理电路输出的四路I/Q中频信号，通过信号调理电路进入到ARM芯片自带的四路AD采集通道，通过串口模块或CAN模块输出。进一步的，所述组合波形是锯齿波和恒频波的组合波形，该波形的第一段为锯齿波FMCW，第二段为恒频波CW；所述处理方法包括如下步骤：S1.对各段波形，将A/D采集到的IQ数据，去除前部分数据点后去直流，进行时频的FFT变换，将时域数据转换成频率数据；S2.将各段波形的经FFT变换后的复数模值做CFAR门限检测，对CFAR门限检测后的数据，令每一个数据为一个距离单元，对每一个距离单元的数据均进行二进制累计，输出过门限的第一个峰值点，计算得到相位；S3.计算锯齿波段的差频频率值、恒频段的多普勒频率值、相对速度值、计算相对距离值、计算方向角中的一种或多种。进一步的，步骤S1中的去直流的方法是：(1)计算通道1锯齿波段和恒频波段的去除前部分点后的I、Q数据的均值，计算通道2的锯齿波段的去除前部分点后的I、Q数据的均值；(2)对于上述的每一个I、Q数据，减掉上一步计算得到的各自I、Q数据的均值，则完成去直流的方式；(3)IQ数据去直流计算公式为：其中，I表示I路数据，I′为去直流后的数据，Q表示Q路数据，Q′为去直流后的数据，N表示去除前部分数据点后剩余数据点数；去直流后的I、Q数据，合并成I+jQ的数据形式，然后进行加窗处理，将对通道1中的第一段锯齿波FMCW、第二段恒频波CW，通道2中第一段锯齿波FMCW，各自数据进行加窗处理。进一步的，步骤S2的所述二进制累计的方法是：如果所述距离单元的数据过门限，则记为1，如果没过门限，则记为0，然后进行多周期积累，如果某一个距离单元的门限累计1的个数超过K个，则输出该点坐标值，否则不作为过门限的目标输出，其中K表示累计1的个数；计算方式分为两步：(1)将检测的输出量转换成二进制数，量化关系为：|xi|表示FFT后的模值大小，γi表示门限值；(2)在N1个周期内对量化脉冲积累，若N1个周期内量化脉冲累计数m，二进制累积后，当同时满足要求过门限的点数不唯一，只选择输出过门限的第一个峰值点。进一步的，设通道1中线性调频锯齿波FMCW第一个过门限点的峰值坐标为p1_fmcw，对应的FFT变换后的数据为a_p1+1j*b_p1，相位为恒频波CW第一个过门限点的峰值坐标为p1_cw；设通道2中线性调频锯齿波FMCW第一个过门限点的峰值坐标为p2_fmcw，对应的FFT变换后的数据为a_p2+1j*b_p2，相位为若过门限的位置点等于1，则认为其是直流分量，不作为目标判定；其中：a表示I路的数据值，b表示Q路的数据值，a_p1表示在a+j*b组成的数组中，过门限的峰值点对应的坐标为p1，a_p2表示在a+j*b组成的数组中，过门限的峰值点对应的坐标为p2，b_p1表示在a+j*b组成的数组中，过门限的峰值点对应的坐标为p1，b_p2表示在a+j*b组成的数组中，过门限的峰值点对应的坐标为p2。进一步的，所述计算锯齿波段的差频频率值的方法是：通道1中，线性调频锯齿波FMCW，其过门限点幅值最大的点的坐标p1_fmcw，根据如下规则，则该点对应的差频频率值为fb；该规则是：若获得的该过门限点幅值最大的点的个数，符合1≤p1_fmcw≤256，其对应点上的差频频率值若获得的最大点数p1_fmcw，256＜p1_fmcw≤512，其对应点上的差频频率值fs表示系统采样频率。进一步的，计算所述恒频段的多普勒频率值的方法是：通道1中，恒频波CW，过门限点幅值最大的点的坐标p1_cw，根据如下规则计算该点对应的多普勒频率为fd；规则如下：若做512点的FFT变换，点数x，符合1≤x≤256，判断目标靠近，其对应点上的多普勒频率点数x，符合256＜x≤512，判断目标远离，其对应点上的多普勒频率进一步的，计算所述相对速度值的方法是：根据计算得到的多普勒频率值fd，计算目标的速度v，计算目标的速度公式为其中，c为光速，f为中心频率；作为技术方案的优选：计算所述相对距离值的方法是：根据恒频段计算得到的多普勒频率值fd，以及锯齿波段得到的差频频率值fb，计算目标的距离R，计算距离公式为其中，T为周期，B为调频带宽；作为技术方案的进一步优选，由通过通道1和通道2中，线性调频锯齿波段分别计算得到的相位计算其相位差，根据公式：计算得到相位差Δψ；根据角度计算公式计算目标的方位角度，其中，d为天线间距，λ为雷达波波长。作为技术方案的更进一步的优选，还包括步骤S4.滤波跟踪，并预测下一测量时刻的距离以及速度值，作为优选，所述滤波，使用α-β滤波器，其常增益滤波器的预测方程为X(k+1/k)＝ΦX(k/k)；其滤波方程为X(k+1/k+1)＝X(k+1/k)+K[Z(k+1)-H(k+1/k)]；其中，X(k/k)为k时刻的滤波值，X(k+1/k)为k时刻对下一个时刻的预测值，Z(k)是k时刻的观测值；当目标运动方程采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统，其特征在于，包括ARM处理系统、信号发生器、压控振荡器、发射器、接收器、混频器、信号调理电路、A/D转换器，ARM处理系统的一端连接于信号发生器，信号发生器连接于压控振荡器，压控振动器分别连接于发射器和混频器的第一端，混频器的第二端连接接收器，混频器的第三端连接信号调理电路，信号调理电路连接A/D转换器，A/D转换器连接ARM处理系统的另一端。

【技术特征摘要】
1.一种基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统，其特征在于，包括ARM处理系统、信号发生器、压控振荡器、发射器、接收器、混频器、信号调理电路、A/D转换器，ARM处理系统的一端连接于信号发生器，信号发生器连接于压控振荡器，压控振动器分别连接于发射器和混频器的第一端，混频器的第二端连接接收器，混频器的第三端连接信号调理电路，信号调理电路连接A/D转换器，A/D转换器连接ARM处理系统的另一端。2.如权利要求1所述的基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统，其特征在于，所述发射器是发射天线，接收器是三行接收天线，所述三行接收天线通过背面馈电网络组成两个接收天线，使用微带矩形贴片形式组阵，发射天线、接收天线通过过孔与背面微波电路连接。3.如权利要求1所述的基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统，其特征在于，所述ARM处理系统，包括ARM处理模块、电源模块、串口模块和CAN模块，AMR处理模块将信号调理电路输出的四路I/Q中频信号，通过信号调理电路进入到ARM芯片自带的四路AD采集通道，通过串口模块或CAN模块输出。4.如权利要求1所述的基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统的信号处理方法，其特征在于，所述组合波形是锯齿波和恒频波的组合波形，该波形的第一段为锯齿波FMCW，第二段为恒频波CW；所述处理方法包括如下步骤：S1.对各段波形，将A/D采集到的IQ数据，去除前部分数据点后去直流，进行时频的FFT变换，将时域数据转换成频率数据；S2.将各段波形的经FFT变换后的复数模值做CFAR门限检测，对CFAR门限检测后的数据，令每一个数据为一个距离单元，对每一个距离单元的数据均进行二进制累计，输出过门限的第一个峰值点，计算得到相位；S3.计算锯齿波段的差频频率值、恒频段的多普勒频率值、相对速度值、计算相对距离值、计算方向角中的一种或多种。5.如权利要求4所述的基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统的信号处理方法，其特征在于，步骤S1中的去直流的方法是：(1)计算通道1锯齿波段和恒频波段的去除前部分点后的I、Q数据的均值，计算通道2的锯齿波段的去除前部分点后的I、Q数据的均值；(2)对于上述的每一个I、Q数据，减掉上一步计算得到的各自I、Q数据的均值，则完成去直流的方式；(3)IQ数据去直流计算公式为：其中，I表示I路数据，I′为去直流后的数据，Q表示Q路数据，Q′为去直流后的数据，N表示去除前部分数据点后剩余数据点数；去直流后的I、Q数据，合并成I+jQ的数据形式，然后进行加窗处理，将对通道1中的第一段锯齿波FMCW、第二段恒频波CW，通道2中第一段锯齿波FMCW，各自数据进行加窗处理。6.如权利要求4所述的基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统的信号处理方法，其特征在于，步骤S2的所述二进制累计的方法是：如果所述距离单元的数据过门限，则记为1，如果没过门限，则记为0，然后进行多周期积累，如果某一个距离单元的门限累计1的个数超过K个，则输出该点坐标值，否则不作为过门限的目标输出，其中K表示累计1的个数；计算方式分为两步：(1)将检测的输出量转换成二进制数，量化关系为：|xi|表示FFT后的模值大小，γi表示门限值；(2)在N1个周期内对量化脉冲积累，若N1个周期内量化脉冲累计数m，二进制累积后，当同时满足要求过门限的点数不唯一，只选择输出过门限的第一个峰值点。7.如权利要求4所述的基于组合波形的旋翼无人机短距离防撞系统的信号处理方法，其特征在于，设通道1中线性调频锯齿波FMCW第一个过门限点的峰值坐标为p1_fmcw，对应的FFT变换后的数据为a_p1+1j*b_p1，相位为恒频波CW第一个过门限点的峰值坐标为p1_cw；设通道2...

【专利技术属性】
技术研发人员：田雨农，王鑫照，
申请(专利权)人：大连楼兰科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21