CN107561526A

CN107561526A - 一种基于组网雷达的无人机目标识别和定位方法

Info

Publication number: CN107561526A
Application number: CN201710599505.8A
Authority: CN
Inventors: 孙丽丽; 陈俊; 王胜元; 叶映宇; 徐晓天
Original assignee: CEC JINJIANG INFO INDUSTRIAL Co Ltd
Current assignee: CEC JINJIANG INFO INDUSTRIAL Co Ltd
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2018-01-09

Abstract

本发明公开了一种基于组网雷达的目标识别和定位方法，用于基于组网雷达并进行无人值守的目标识别和定位，尤其适用于无人机空中目标。本发明方案包括在通讯基站铁塔上架设目标探测雷达，进行组网布站；利用组网的调频连续波雷达对目标进行探测，将探测数据传输到远程服务器；远程服务器对目标数据综合处理，并对目标进行识别和定位。本发明提供的无人机目标识别和定位方法能用于在城市中对无人机识别和定位，其识别准确度高，定位精确，并能实时在城市地图上显示，从而实现在城市中对无人机大范围高精度监视，保障城市防护安全，并节省了对小型无人机的探测成本和架设成本，实现了资源综合利用。

Description

一种基于组网雷达的无人机目标识别和定位方法

技术领域

本发明涉及目标检测领域，尤其涉及一种基于组网雷达的无人机目标识别和定位方法。

背景技术

无人机尤其是微型无人机由于体积小、飞行操控方便等自身特点在带来很多应用上的方便与优越性的同时，也带来了一系列安全问题，例如误闯机场、飞行安全、侵犯公众隐私等情况，因此有必要对无人机进行有效的监控。而实时监控困难是无人机飞行监管长期存在的问题，现有技术中的无人机监视设备，由于城市环境特殊性，楼层遮挡严重，导致监视设备在城市中架设条件受到极大的限制。例如监视设备要求设备的架设使用点在楼顶等开阔区域、有稳定的供电***、安装位置和外设不能扰民、区域内的站点信息能够综合等。并且现有技术中缺乏在组网环境下对无人机进行目标识别和精准定位的方法，这些综合因素导致现有技术对无人机探测效果差，缺乏组网综合监控，无法有效精准的进行无人机识别和定位。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的一系列问题，提供了一种基于通信基站铁塔上架设的组网雷达进行目标识别和定位方法，能实现多站组网和无人值守的目标识别和定位，该方法识别和探测精度高，覆盖范围广，并将识别位置结果通过监控中心实时在城市地图上显示，实现在城市中对空中目标大范围监视，保障城市防护安全。

具体的，本发明提供一种基于组网雷达的目标识别和定位方法，包括：在通讯基站铁塔上架设目标探测雷达，进行组网布站；利用组网的调频连续波雷达对目标进行探测，将探测数据传输到远程服务器；远程服务器对目标数据综合处理，并对目标进行识别和定位。

其中，每个基站的GPS坐标信息在建站时测量，并对该基站进行编号并录入数据库，监控中心收到目标坐标信息后，根据基站编号和包括坐标在内的目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置。

探测雷达对目标的探测包括方位测量、距离测量和高度测量。

雷达方位测量采用相扫实现，雷达共10个扫描波束覆盖方位120°，通过相邻波束对同一目标的探测结果，比幅测出目标方位；两波束相交的方向为θ，波束1、波束2的方向图分别为F1(θ)、F2(θ)，最大值指向分别为θ1、θ2，通过幅度比较器输出值K(θ)为目标所在角度的函数，预先将(θ1-θ)与(θ-θ2)分成若干各区，并求出每个子区间内的K(θ)值，通过查表获取目标方位值，其中，

雷达距离测量，须测量出雷达与目标之间的往返时间，即回波滞后于发射信号的时间，距离回波信号滞后于时间的关系为：

R＝ct/2

式中，c为电磁波在自由空间传播速度，t为回波信号滞后于发射时间；

雷达发射锯齿线性调频连续波信号，通过测量发射信号与接收信号的频率差，可以确定出回波信号滞后于发射信号的时间，进而确定出目标的距离；

假设发射信号和回波信号的时间延迟为t，Tm为每一个调制波形的周期，△F为调制的最大频偏，△F/Tm为调频斜率，f1为发射信号和回波信号的差频。在调制参数一定的情况下，目标距离R与差频(f1)呈正比。目标的距离按下式计算：

R＝ct/2＝Tm×f1×c/(2×△F)。

雷达高度测量采用多站点测得的目标方位、距离信息，结合站点GPS坐标信息，综合计算获得。以使用三站目标定位为例，其具体计算方式如下：

假设三个站的坐标均已知，分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)，目标的位置未知设为(x，y，z)，R1、R2、R3分别为架设在铁塔上的雷达探测得到的目标的距离，

得到如下方程：

对方程组求解计算得目标的坐标值(x，y，z)，则目标的方位α和仰角θ由下式得到：

当存在多目标时，多站目标定位配对存在虚假点，通过每个站测得的目标方位信息，辅助判断去除虚假点，最后通过航迹综合判断，解出每个目标的z坐标信息，再换算为目标高度信息。

监控中心对目标数据的综合处理包括以下步骤：

(1)采用辅助天线，去除0°指向以下仰角的目标；

(2)采用数字地图，去除长时间在交通道路上运动的目标；

(3)对仅存在空中目标的数据，根据目标的强度、尺寸、速度等信息进行融合判断，剔除大型的空中目标，仅剩余一些较难分辨的目标；

(4)根据雷达对目标的刷新时间间隔仅1秒的特点，获得目标详细的运动轨迹，根据目标运动轨迹，锁定具有无人机特点的目标。

其中远程服务器为监控中心，所述监控中心综合处理数据并将对目标的识别和定位结果在显示屏幕上进行实时显示

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明针对现有技术中城市里无人机探测无法实现大范围监管、架设困难等缺陷，将无人机探测雷达架设到手机通讯基站铁塔上。利用手机通讯基站覆盖区域广，本身含供电***、数据回传***等优点，利于雷达架设、数据回传实现大范围监测，并节省了对小型无人机的探测成本和架设成本，实现了资源综合利用。雷达对无人机进行探测，在多个雷达站覆盖区域内形成多站点监视，并组网传输监控信息，形成监管***。从而实现对城市禁飞区域进行大范围无人机监管，保障机场、政府部门等重要部门安全。

利用基于通讯基站的组网优势，提供精准有效的目标识别和定位方法，二者结合进行多维度的数据测量和处理，利用组网位置和测量数据实现对目标数据的综合处理，对无人机等空中目标进行高精度的识别和定位。

附图说明

图1是基于通讯基站铁塔的无人机目标监视***示意图。

图2是基于通讯基站铁塔的雷达组网布站示意图。

图3是相邻两波束比幅测角方法示意图。

图4是发射、回波、差频信号时频关系示意图。

图5是高度测量原理示意图。

图6是雷达俯仰空域覆盖范围示意图。

图7是单目标时目标定位结果。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

在一个实施例中，本发明提供了一种基于城市通信基站铁塔上架组网设雷达探测***的无人机目标识别和定位方法，能实现多站组网和无人值守的城市小型无人机目标识别和定位，该方法识别和探测精度高，覆盖范围广，并在监控中心实时在城市地图上显示，实现在城市中对无人机大范围监视，保障城市防护安全。

本实施例在基站铁塔上架设的无人机探测雷达进行多站组网，通过无人机目标识别和定位方法对无人机进行探测，通过GPRS无线通讯网络将探测数据传输到监控中心，监控中心实现对目标的综合处理，对无人机目标进行定位监视。

如图1为基于手机通讯基站铁塔的无人机监视***探测示意图。

进一步的，手机通讯基地铁塔配备了电源设备、无线设备、传输设备等，能为探测雷达提供供电和数据通讯传输，而且手机通讯基地铁搭一般架设在楼顶或开阔环境中，且具有一定高度，保障了雷达的探测性能和作用距离，实现了资源综合利用，在城市监控区域实现大范围覆盖。

其中，每个通讯基站的GPS坐标信息在建站时测量，并对该基站进行编号，录入数据库，检测中心收到目标坐标信息后，根据基站编号和目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置，并根据城市地图确定目标的具***置，用于对整个城市大环境的监视预警。

组网布站示意图如图2所示。

在城市环境下，存在众多与无人机目标相似的目标，因此，必须采取相应的方法，对目标进行综合识别，主要包括以下技术手段。

(1)采用辅助天线，去除0°指向以下仰角的目标；

(2)采用数字地图，去除长时间在交通道路上运动的目标；

(3)经过上述相关处理，仅存在空中目标。在后续算法中，对目标的强度、尺寸、速度等信息进行融合判断，剔除大型的空中目标。仅剩余无人机、大鸟、风筝等一些较难分辨的目标；

(4)由于雷达对目标的刷新时间间隔仅有1秒，可以获得目标详细的运动轨迹，最后根据目标运动轨迹，锁定具有无人机特点的目标。

其中雷达方位测量原理如下：

雷达方位采用相扫实现，共10个扫描波束覆盖方位120°，通过相邻波束对同一目标的探测结果，比幅测出目标方位。原理如图3所示。

两波束相交的方向为θ，波束1、波束2的方向图分别为F1(θ)、F2(θ)，最大值指向分别为θ1、θ2。通过幅度比较器输出值K(θ)为目标所在角度的函数，预先将(θ1-θ)与(θ-θ2)分成若干各区，并求出每个子区间内的K(θ)值，通过查表获取目标方位值，

雷达距离测量原理如下：

为了测量目标距离，必须测量出雷达与目标之间的往返时间，即回波滞后于发射信号的时间。距离回波信号滞后于时间的关系为：

R＝ct/2

式中，R为目标距离，c为电磁波在自由空间传播速度，t为回波信号滞后于发射时间。

雷达发射锯齿线性调频连续波信号，通过测量发射信号与接收信号的频率差，可以确定出回波信号滞后于发射信号的时间，进而确定出目标的距离。

发射信号、回波信号，以及差频信号的时频关系如图4所示。

假设发射信号和回波信号的时间延迟为τ，Tm为每一个调制波形的周期，△F为调制的最大频偏，△F/Tm为调频斜率，f1为发射信号和回波信号的差频。在调制参数一定的情况下，目标距离R与差频(f1)呈正比。目标的距离按下式计算：

R＝cτ/2＝Tm×f1×c/(2×△F)。

其中雷达高度测量原理如下：

高度采用多站点测得的目标方位、距离信息，结合站点GPS坐标信息，综合计算获得。

利用多站对目标进行三维定位原理图如图5所示。图5中以三站定位为例。三个站的坐标均已知，分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)，目标无人机的位置未知设为(x，y，z)，R1、R2、R3分别为架设在铁塔上的雷达探测得到的目标的距离。

根据数学描述可利用已知参数得到如下方程：

这样三个未知数三个方程，可以利用解方程组的方法解算出目标的坐标值(x，y，z)。则目标无人机的方位α和仰角θ由下式得到：

多目标时，多站目标定位配对存在虚假点，通过每个站测得的目标方位信息，辅助判断去除虚假点，最后通过航迹综合判断，解出每个目标的z坐标信息，再换算为目标高度信息。

雷达探测总体技术方案如下：

(1)雷达体制：雷达采用C波段，固定式方位相扫调频连续波体制。

(2)扫描形式：雷达天线固定不动。俯仰宽波束覆盖60°，方位采用相扫的形式，10个波束覆盖120°方位。

(3)发射形式：为减小体积，发射采用固态放大器。为了减小发射链路损耗，采用分布式，每路单独移相后放大到所需发射功率。

(4)发射波形：图4所示的锯齿线性调频连续波信号。每个波形宽度0.5ms，调频带宽40MHz，每个波束驻留时间100ms，120°覆盖区域扫描完成所需时间为1s。

无人机探测***主要性能指标分析如下：

1.俯仰覆盖范围

根据作用距离和天线方向图绘制俯仰覆盖范围，天线中心指向仰角维覆盖范围如图6所示。

2.方位测量精度

方位角测量时，存在***误差和偶然误差。

σ_θns——指北校正误差；

σ_at——天线波束指向校正误差；

σ_θn——白噪声下随机误差；

白噪声环境中测角的随机误差为：

综合计算雷达测角精度为1°。

3、距离测量精度

距离测量时，存在***误差和偶然误差。

σ_rn——机内热噪声误差；

σ_rm——多路径引起延迟；

σ_rd——接收机内延迟残差；

σ_rfd——调频脉压电路引起输出脉冲的距离与多普勒耦合；

σ_rs——采样误差；

σ_rgl——目标体强反射点闪烁引起的测距误差；

σ_rq——输出数据量化误差；

σ_rf——大气传播影响引起的测距误差。

综合计算雷达测距精度为7m。

4、高度测量精度

仿真统计定位误差，仿真参数如下：

站1：(-200，0，15)；站2：(200，0，15)；站3：(0，300，15)；单位：米。

目标：(100，200，600)；单位：米

测距精度：7米；

每个站点的三维坐标误差：7米；

统计次数：100次

蒙特卡洛仿真结果如图7所示。统计测高均方根误差约11.6米。

单部雷达总体参数如下：

(1)工作频率：C波段，5.3GHz；

(2)雷达尺寸：40mm×320mm×150mm；

(3)方位范围：120°；

(4)俯仰范围：60°；

(5)距离范围：1km；

(6)测向精度：1°；

(7)测距精度：7m；

(8)测高精度：12m(三部及以上)；

(9)辐射功率：10W；

(10)功耗：90W；

(11)多目标处理能力：30批；

(12)最小可检测目标速度：1m/s；

(13)无人机目标识别正确率：99％。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims

1.一种基于组网雷达的目标识别和定位方法，其特征在于，所述方法包括：

在通讯基站铁塔上架设目标探测雷达，进行组网布站；

利用组网雷达对目标进行探测，将探测数据传输到远程服务器；

远程服务器对目标数据综合处理，并对目标进行识别和定位。

2.如权利要求1所述的目标识别和定位方法，其特征在于，每个基站的GPS坐标信息在建站时测量，并对该基站进行编号并录入数据库，远程服务器收到目标坐标信息后，根据基站编号和目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置。

3.如权利要求1所述的目标识别和定位方法，其特征在于，雷达对目标探测包括方位测量、距离测量和高度测量。

4.如权利要求3所述的目标识别和定位方法，其特征在于，雷达方位测量采用相扫实现，雷达共10个扫描波束覆盖方位120°，通过相邻波束对同一目标的探测结果，比幅测出目标方位；

两波束相交的方向为θ，波束1、波束2的方向图分别为F1(θ)、F2(θ)，最大值指向分别为θ1、θ2，通过幅度比较器输出值K(θ)为目标所在角度的函数，预先将(θ1-θ)与(θ-θ2)分成若干各区，并求出每个子区间内的K(θ)值，通过查表获取目标方位值，其中，

<mrow> <mi>K</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

5.如权利要求3所述的目标识别和定位方法，其特征在于，

发射信号和回波信号的时间延迟为τ，Tm为每一个调制波形的周期，△F为调制的最大频偏，△F/Tm为调频斜率，f1为发射信号和回波信号的差频；

在调制参数一定的情况下，目标距离R与差频(f1)呈正比,目标的距离按下式计算：

R＝cτ/2＝Tm×f1×c/(2×△F)。

6.如权利要求3所述的目标识别和定位方法，其特征在于，雷达高度测量采用多站点测得的目标方位、距离信息，结合站点GPS坐标信息，综合计算获得。

7.如权利要求6所述的目标识别和定位方法，其特征在于，使用三站目标定位具体计算高度方式如下：

三个站的坐标均已知，分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)，目标的位置未知设为(x，y，z)，R1、R2、R3分别为架设在铁塔上的雷达探测得到的目标的距离，得到如下方程：

<mrow> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>x</mi> <mi>y</mi> </mfrac> </mrow>

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8.如权利要求7所述的目标识别和定位方法，其特征在于，当存在多目标时，多站目标定位配对存在虚假点，通过每个站测得的目标方位信息，辅助判断去除虚假点，最后通过航迹综合判断，解出每个目标的z坐标信息，再换算为目标高度信息。

9.如权利要求2所述的目标识别和定位方法，其特征在于，监控中心对目标数据的综合处理包括以下步骤：

(1)采用辅助天线，去除0°指向以下仰角的目标；

(2)采用数字地图，去除长时间在交通道路上运动的目标；

(4)根据雷达对目标的刷新时间间隔仅1秒的特点，获得目标详细的运动轨迹，根据目标运动轨迹，锁定具有目标特点的目标。

10.如权利要求2所述的目标识别和定位方法，其特征在于，远程服务器为监控中心，所述监控中心综合处理数据并将对目标的识别和定位结果在显示屏幕上进行实时显示。