针对低慢小无人机的无线电探测方法及系统与流程

1.本发明涉及无人机技术领域，更具体地说，它涉及针对低慢小无人机的无线电探测方法及系统。


背景技术：

2.随着低空空中交通的发展，使得低空飞行的飞行器越来越多，低空的空情越来越复杂，对低空空域的监控、管制、空中交通的指挥及管理，同时保障低空空中防御的难度就越来越大，仅仅依靠一种或者两种手段都不足以解决目的低空空域管制和监视。研究利用多模式目标追踪技术以实现对无人机飞行器位置准确定向、频谱数据识别分析，就显得尤为重要。
3.现有技术中对无人机飞行器的无线电侦测方式大多只能探测无人机水平面方向角，无法探测俯仰角；能够同时探测方向和俯仰角的方案要么为多终端联合探测、要么为体积较大的功能单元叠加形式；目前尚未有一种可以单终端实现双角度探测和频谱数据识别，且功耗较低、体积较小，架设方便的技术形式。
4.因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的针对低慢小无人机的无线电探测方法及系统是我们目前急需解决的问题。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供针对低慢小无人机的无线电探测方法及系统，可以单终端探测一定范围内的无人机的水平角度、俯仰角、大致距离、频谱信息等信息，在后台软件中支持图文化显示、告警提醒、黑白名单设置、轨迹回放、存储导出等功能，同时功耗、体积和重量得到控制，且架设方便。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.第一方面，提供了针对低慢小无人机的无线电探测方法，包括以下步骤：
8.设备上电自检完成后进入探测模式，以实时对设备周围360
°
全方向覆盖范围内的空间无线电进行探测；
9.信号处理板在探测时通过控制相应通道的开关矩阵以控制天线阵列中对应的天线单元工作；
10.射频收发机的下变频通路和模数转换模块对可疑目标的数据进行处理，得到数字信号；
11.信号处理板对数字信号进行比幅测向、单脉冲测角和频谱识别处理，得到可疑目标的水平方向、频率、幅值和调制方式信息；
12.二维转台依据水平方向进行俯仰转动，并根据信号功率幅值判断出无人机的俯仰角度；
13.信号处理板将可疑目标的所有数据上报指挥控制中心进行图文化显示。
14.进一步的，所述可疑目标的水平方向获得过程具体为：
15.采用比幅测向算法确定得到可疑目标的初步水平角度范围；
16.采用单脉冲测角算法在初步方向范围值内计算得到可疑目标的精确水平角度，以定位可疑目标的水平方向。
17.进一步的，所述初步水平角度范围的确定过程具体为：
18.采用比幅测向算法计算得到可疑目标的初步水平角度；
19.根据设备误差值对初步水平角度做上下波动处理，得到初步水平角度范围。
20.进一步的，所述初步水平角度的计算公式具体为：
[0021][0022]
其中，表示由入射信号角度表征的初步水平角度；θr表示方向图函数的半功率波束宽度；θs表示相邻天线的张角；r表示对数电压比，单位为分贝。
[0023]
进一步的，所述精确水平角度的计算过程具体为：
[0024]
建立单调变化的测角曲线；
[0025]
采用单脉冲测角算法计算得到两路通道之间的差和比值；
[0026]
根据差和比值从测角曲线中选取被测目标的偏角值作为精确水平角度。
[0027]
进一步的，所述两路通道之间的差和比值的计算公式具体为：
[0028][0029]eσ
＝b1 b2[0030]eδ
＝b
1-b2[0031]
其中，s(θ)表示由偏角值表征的精确水平角度；imag表示取虚部；e
δ
表示差通道数据；e
σ
表示和通道数据；b1表示第一通道所属阵元的接收数据相加结果；b2表示第二通道所属阵元的接收数据相加结果。
[0032]
进一步的，所述俯仰角度的获得过程具体为：
[0033]
根据信号功率幅值拟合得到随时间变化的信号幅值变化曲线；
[0034]
根据二维转台的俯仰角度变化情况拟合得到随时间变化的俯仰角度变化曲线；
[0035]
依据最大幅值处对应的俯仰角度确定可疑目标的俯仰角度。
[0036]
进一步的，所述天线阵列配置有两个并行的第一通道和第二通道；
[0037]
所述第一通道的信号频率为300mhz-4ghz；
[0038]
所述第二通道的信号频率为4ghz-6ghz。
[0039]
第二方面，提供了针对低慢小无人机的无线电探测系统，该系统用于实现如第一方面中任意一项所述的针对低慢小无人机的无线电探测方法，包括天线阵列、开关矩阵、射频接收机、模数转换模块、二维转台和信号处理板；
[0040]
进一步的，所述天线阵列分为两个与第一通道、第二通道一一对应设置的环形天线；
[0041]
所述环形天线由8-12个呈环形分布的子天线组成天线阵，第一通道对应12个子天线，第二通道对应8个子天线；
[0042]
所述第一通道所对应的环形天线位于第二通道所对应的环形天线的下方，且第一通道所对应的环形天线直径大于第二通道所对应的环形天线直径。
[0043]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0044]
1、本发明提供的针对低慢小无人机的无线电探测方法，采用天线阵探测结合二维转台形式，由信号处理板切换开关矩阵，通过比幅测向和单脉冲测角算法计算无人机水平方向角，通过控制二维转台俯仰角度转动对无人机信号幅值的判断计算无人机俯仰角度，从而可以得到无人机两个方向的角度；
[0045]
2、本发明由比幅测向获得粗略水平方向后，再由单脉冲测角根据已得参数进一步计算出无人机精确水平角度，从而获得可疑无人机的较精确水平角度；
[0046]
3、本发明中的俯仰测角技术为功率幅值检测法，利用缓慢旋转转台结合对无人机信号的功率采样得出功率幅值曲线，拟合转台俯仰角度得到可疑无人机的俯仰角度。
附图说明
[0047]
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0048]
图1是本发明实施例中的整体流程图；
[0049]
图2是本发明实施例中测角曲线的示意图；
[0050]
图3是本发明实施例中的系统框图；
[0051]
图4是本发明实施例中天线阵列的结构示意图；
[0052]
图5是本发明实施例中天线阵列的安装结构示意图；
[0053]
图6是本发明实施例中上位机软件模块构成图。
具体实施方式
[0054]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0055]
实施例1：针对低慢小无人机的无线电探测方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0056]
s1：设备上电自检完成后进入探测模式，以实时对设备周围360
°
全方向覆盖范围内的空间无线电进行探测；
[0057]
s2：信号处理板在探测时通过控制相应通道的开关矩阵以控制天线阵列中对应的天线单元工作；
[0058]
s3：射频收发机的下变频通路和模数转换模块对可疑目标的数据进行处理，得到数字信号；
[0059]
s4：信号处理板对数字信号进行比幅测向、单脉冲测角和频谱识别处理，得到可疑目标的水平方向、频率、幅值和调制方式信息；
[0060]
s5：二维转台依据水平方向进行俯仰转动，并根据信号功率幅值判断出无人机的俯仰角度；
[0061]
s6：信号处理板将可疑目标的所有数据上报指挥控制中心进行图文化显示。
[0062]
需要说明的是，频谱处理算法主要对识别到的可疑信号的频率、带宽、幅值、调制方式进行数据处理，其用到信号处理方法包括的下变频、采样、ad变换、杂波滤除等等，不再赘述。
[0063]
具体的，二维转台默认设置0俯仰角度，探测到目标时由信号处理板控制天线阵等单元测算无人机水平方向角，再由信号处理板控制二维转台水平转至该角度并进行0～90俯仰角度旋转测算俯仰角度；当飞行目标位置变化后复位二维转台至0俯仰角度，继续进行水平角度测量等后续步骤。
[0064]
本发明可以单终端探测一定范围内的无人机的水平角度、俯仰角、大致距离、频谱信息(部分可知飞行器型号)等信息，在后台软件中支持图文化显示、告警提醒、黑白名单设置、轨迹回放、存储导出等功能，同时功耗、体积和重量得到控制，且架设方便。
[0065]
在本实施例中，可疑目标的水平方向获得过程具体为：采用比幅测向算法确定得到可疑目标的初步水平角度范围；采用单脉冲测角算法在初步方向范围值内计算得到可疑目标的精确水平角度，以定位可疑目标的水平方向。
[0066]
初步水平角度范围的确定过程具体为：采用比幅测向算法计算得到可疑目标的初步水平角度；根据设备误差值对初步水平角度做上下波动处理，得到初步水平角度范围。例如，初步水平角度为a，设备误差值为b，则初步水平角度范围为[a-b,a b]。此外，初步水平角度范围还可以下限设定值c和上限设定值d进行处理得到，如初步水平角度范围为[a-c,a d]。
[0067]
其中，初步水平角度的计算公式具体为：
[0068][0069]
其中，表示由入射信号角度表征的初步水平角度；θr表示方向图函数的半功率波束宽度；θs表示相邻天线的张角；r表示对数电压比，单位为分贝。
[0070]
在本实施例中，精确水平角度的计算过程具体为：建立单调变化的测角曲线，如图2所示，其纵坐标值与偏角一一对应；采用单脉冲测角算法计算得到两路通道之间的差和比值；根据差和比值从测角曲线中选取被测目标的偏角值作为精确水平角度。
[0071]
两路通道之间的差和比值的计算公式具体为：
[0072][0073]eσ
＝b1 b2[0074]eδ
＝b
1-b2[0075]
其中，s(θ)表示由偏角值表征的精确水平角度；imag表示取虚部；e
δ
表示差通道数据；e
σ
表示和通道数据；b1表示第一通道所属阵元的接收数据相加结果；b2表示第二通道所属阵元的接收数据相加结果。
[0076]
俯仰角度的获得过程具体为：根据信号功率幅值拟合得到随时间变化的信号幅值变化曲线；根据二维转台的俯仰角度变化情况拟合得到随时间变化的俯仰角度变化曲线；依据最大幅值处对应的俯仰角度确定可疑目标的俯仰角度。
[0077]
在本实施例中，天线阵列配置有两个并行的第一通道和第二通道；第一通道的信号频率为300mhz-4ghz；第二通道的信号频率为4ghz-6ghz。
[0078]
实施例2：针对低慢小无人机的无线电探测系统，该系统用于实现实施例1中记载的针对低慢小无人机的无线电探测方法，如图3所示，包括天线阵列、开关矩阵、射频接收
机、模数转换模块、二维转台和信号处理板。
[0079]
如图3-图5所示，天线阵列分为两个与第一通道、第二通道一一对应设置的环形天线；环形天线由8-12个呈环形分布的子天线组成天线阵，第一通道对应12个子天线，第二通道对应8个子天线；第一通道所对应的环形天线位于第二通道所对应的环形天线的下方，且第一通道所对应的环形天线直径大于第二通道所对应的环形天线直径。第一通道和第二通道可独立或同时工作。
[0080]
具体的，天线阵列：360
°
环形天线阵列，可接收空间0～360
°
全方向的无线信号。开关矩阵：连接20个天线端口，用于控制天线单元通道切换。射频接收机：该部分将接收到的空间信号，通过下变频方式处理之后输出中频信号，该中频信号进入模数转换模块进行处理计算。模数转换模块：主要功能为接收通过接收机处理后的中频信号，并对信号进行计算处理，输出数字信号以供信号处理主控板计算处理。二维转台：可以进行俯仰角度旋转，接收信号处理板的控制指令，同时上报实时角度。信号处理板：实时处理该通道接收到的数字信号，根据后台算法进行方向、频率、幅值、控制二维转台获取转台角度等数据计算处理，并上报指挥控制中心进行图像化显示，同时协调控制各通道的开关矩阵并检测各模块工作状态上报指挥控制中心。
[0081]
需要说明的是，整个系统由探测设备和上位机软件组成，设备采用架设方式安装。系统软件包括设备信号处理板上的嵌入式软件和上位机上运行的显控软件，嵌入式软件主要实现对可疑探测目标的方向、频谱等信息的识别处理和对其他硬件模块的控制及数据交互，显控软件设备主要对设备上报的数据做可视化处理和下发控制命令。
[0082]
如图6所示，本实施例中，上位机软件整体是基于网络通信的基础上进行工作，采用c/s架构，构成层级共分4层，主要实现设备之间的数据交互、数据的可视化处理和数据存储。数据交互时需要对网络通信状态进行实时监听，反馈当前的通信状态；可视化处理是对当前探测到的可疑目标的信息进行文字和图文化展示，并且支持数据回放和导出，以及声光报警等等功能；同时支持用户权限管理、黑白名单修改、存储及日志功能等。
[0083]
在本实施例中，设备结构件采用abs工程塑料加工，外表面喷塑，共分两部分，主机和二维转台，二者通过连接线进行数据和电源连接。主机内部安装各模块单元。其中天线阵列和开关矩阵组件集成于设备上部，射频接收机、模数转换模块、信号处理板、电源模块等采用分列式排布，紧贴于设备底部，底部采用片式散热齿散热，保证长时间工作的安全性。
[0084]
工作原理：本发明采用天线阵探测结合二维转台形式，由信号处理板切换开关矩阵，通过比幅测向和单脉冲测角算法计算无人机水平方向角，通过控制二维转台俯仰角度转动对无人机信号幅值的判断计算无人机俯仰角度，从而可以得到无人机两个方向的角度；此外，由比幅测向获得粗略水平方向后，再由单脉冲测角根据已得参数进一步计算出无人机精确水平角度，从而获得可疑无人机的较精确水平角度；另外，俯仰测角技术为功率幅值检测法，利用缓慢旋转转台结合对无人机信号的功率采样得出功率幅值曲线，拟合转台俯仰角度得到可疑无人机的俯仰角度。
[0085]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产
品的形式。
[0086]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0087]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0088]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0089]
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。