CN112859102A - 用于全空域实时探测的光子雷达及方法 - Google Patents
用于全空域实时探测的光子雷达及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于全空域实时探测的光子雷达及方法，包括装置载体，上述装置载体上设有用于进行全空域实时扫描的N个激光收发模块，上述激光收发模块用于发出激光束和接收目标反射激光，N个上述激光收发模块同时分布在装置载体四周外壁上；通过N个激光收发模块发出N个呈球面分布的激光束，由激光束在装置载体四周空域形成间隙可控的探测信号网，由雷达分析***进行数据分析得到定位信息并将定位信息输入到显示设备中进行显示，以期望改善现有空域监测设备针对低、小、慢飞行目标或静止目标存在监控盲点的问题。
Description
技术领域
本发明涉及空域物体监测，具体涉及一种用于全空域实时探测的光子雷达及方法。
背景技术
空域监测是维持飞机和飞行器飞行的重要技术手段，现有的雷达识别，主要是通过计算机***对目标特征信号进行识别，通过电磁波与目标相互作用并形成具有相位差信息的目标散射回波，通过计算机***对回波进行分析，以推得目标的形状、体积、姿态、表面材料的电磁参数与表面粗糙度等物理量，从而确定目标在空域的位置和移动轨迹。
无人机的体积较小，移动速度相对较慢，同时无人机工作时通常处于低空环境，现有的雷达识别***，为了更大范围的监控空域，一般探测信号是呈散射分布，探测信号构成的探测网中存在探测盲区，为了尽可能的减少监测区域限制，现有技术中还可能通过分时扫描尽量改善盲区风险，但是分时扫描必然存在定位延迟风险；同时，对于脉冲类的雷达***而言，脉冲类的雷达***具有较大的受截获和信号干扰风险，从而不利于隐秘目标的发现；因此，如何改善在地面探测飞行高度低的目标、体积较小的目标、移动速度慢的目标、静止的目标、隐身目标，是值得研究的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于全空域实时探测的光子雷达及方法，以期望改善现有空域监测设备针对低、小、慢飞行目标或静止目标存在监控盲点的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于全空域实时探测的光子雷达，包括装置载体，上述装置载体上设有用于进行全空域实时扫描的N个激光收发模块，上述激光收发模块用于发出激光束和接收目标反射激光，N个上述激光收发模块同时分布在装置载体四周外壁上，且N个激光收发模块发出的激光束覆盖空中领域；使N个激光收发模块的激光束在装置载体周围空域形成实时扫描的探测信号网，上述激光收发模块通过采样单元接入雷达分析***，由雷达分析***根据目标反射激光与激光束的参数信息分析获得三坐标数据。
作为优选，上述激光收发模块上设有发射单元和接收单元，上述发射单元发出的激光束为调制激光，上述接收单元用于接收目标反射激光束形成的反射激光。
更进一步的技术方案是，上述采样单元为光子计数器，上述调制激光的波形为正弦波，且每个接单光子探测器对应一个光子计数器。
更进一步的技术方案是，上述接收单元与采样单元信号连接，上述采样单元与雷达分析***信号连接，由采样单元将上述接收单元采集到的反射激光进行光子计数并将计数数据传递至雷达分析***。
作为优选，上述装置载体外壁具有弧面，由上述弧面在装置载体上形成半球体，上述半球体的球冠设有分布面，上述激光收发模块在弧面和分布面上呈球形分布。
进一步的技术方案是，上述激光收发模块在弧面和分布面上按照等高线均匀分布。
本发明还公开了一种监测微小物体在低空缓慢移动的定位方法，使用上述定位装置，通过N个激光收发模块发出N个呈球面分布的激光束，由激光束在装置载体四周空域形成间隙可控的探测信号网，当监测物体途经探测信号网时，激光束照射在监测物体上会形成反射激光，反射激光被对应的激光收发模块接收，通过激光收发模块将反射的数据信息发送采样单元后进行计数，再将计数数据上传到雷达分析***，由雷达分析***进行数据分析得到定位信息并将定位信息输入到显示设备中进行显示。
作为优选，N个上述激光收发模块激光束的波段数相同，且激光束的波段数与其他干扰信号波段差异化设置。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少是如下之一：
本发明运用一定空域范围内，能够有效对降低激光束之间的间隙，从而减少空域监测盲点，降低体积较小的物体利用盲点进行飞行的可能性，通过激光收发模块呈半球形分布在装置载体上，使激光束呈球面分布并在低空环境中形成探测信号网，由于探测信号网通过激光束构成，而激光束具有传播方向性好、波束窄的特点，且激光束只在传播路径上存在，难以被发现、截获和干扰；通过探测信号网在全空域进行实时监测，有效的避免分时扫描过程出现的延迟定位风险。激光收发模块在装置载体采用同时工作，实现全空域覆盖和全空域的实时探测定位，有利于对蜂群类无人机的连续无间隙发现、定位、跟踪。
本发明的采用调制激光，可通过调制频率和变化规律实现时间相关的已知变化，可以设置波长应对外部信号干扰，即使有相同波长的光学雷达，其调制激光也能形成差异化，从而有效规避临近空领域的其他雷达干扰。
本发明的波形可以采用正弦波的形式，使激光束经过任意线性网络后，依旧保持原有波形，通过接收单元为独立的单光子探测器，利用单光子探测器在光子量级对回波进行采样，大大降低对回波信号强度的依赖性，使发射单元可以选用小功率激光器发射连续激光就能实现探测，降低了发射单元的功耗、体积和成本。
附图说明
图1为发明结构示意图。
图2为激光束收发示意图。
图3为收发模块结构示意图。
图4为雷达分析流程示意图。
附图标记说明：
1-装置载体、2-收发模块、3-发射单元、4-接收单元、5-弧面、6-分布面、采样单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
参考图1至图3所示，本发明的一个实施例是，一种用于全空域实时探测的光子雷达，包括装置载体1，上述装置载体1上设有用于进行全空域实时扫描的N个激光收发模块2，上述激光收发模块2用于发出激光束和接收目标反射激光，N个上述激光收发模块2同时分布在装置载体1四周外壁上，且N个激光收发模块2发出的激光束覆盖空中领域；使N个激光收发模块2的激光束在装置载体1周围空域形成实时扫描的探测信号网，其中，装置载体1为现有雷达设备载体，激光收发模块2的分布是在装置载体1的横向和纵向上进行的，目的是让激光收发模块2的轴线呈现球形分布，使N个激光收发模块2呈半球形发出N条激光束，当激光束以装置载体1为中心向四周射出时，能够在装置载体1四周区域形成经度纬度同时覆盖的探测信号网。
通过N个激光收发模块2在装置载体1形成半球化的整列布置，通过N个激光收发模块2同时工作，从而实现全空域覆盖和全空域的实时探测定位，由于两个激光收发模块2发出的激光束间隙布局紧密，以保证激光收发模块2之间发出的激光束的尺寸的分辨能力一般远大于目标尺寸，从而有利于对蜂群类无人机的连续无间隙发现、定位和跟踪。同时，激光束的传播方向性很好，并具有波束窄的优点，更为重要的激光束可以仅在传播路上存在，故用于监测的激光束信号难以被发现，也极大的降低了信号反射激光被截获和干扰的风险。
上述激光收发模块2通过采样单元5接入雷达分析***，其中，雷达分析***能够根据目标反射激光与激光束的相位差信息分析获得经纬数据。通过采样单元5对反射激光进行光子计数，并将光子计数数据传递到雷达分析***，由分析***对数据信号进行处理，最后可以将数据转化为读数在计算机显示器上进行显示。
光子雷达在持续进行全空域实时扫描时，雷达分析***还能够基于目标反射激光的时间变化规律进行数据推演，当激光收发模块2探测目标物反射的激光，通过采样单元5对激光的进行采样，从而得到光子计数数据，通过对光子计数数据进行波形还原和过滤，得到可以分析的参数，利用参数进行鉴相、多普拉频移进行速度和距离测算，同时还能够基于对应激光收发模块的俯仰角信息和方位角信息，通过相应算法进行计算，从而基于目标反射激光的幅度、相位以及变换特征信息综合分析目标的尺寸、形状、飞行姿态以及运动轨迹。
需要说明的是，通常的低空在离地面100-1000米范围内，低于100米属于超低空，高于1000米属于中空和高空。本申请所指空中领域仅仅是便于本领域技术人员进行理解和体现监测效果，其中，光子雷达的监测范围至少应当包含1000以下低空领域，由于激光束的特殊性，其激光照射范围内均能够视作监测范围，由于激光束的特殊性，其激光照射范围内均能够视作监测范围，通常的激光束照射范围能够达到为5km以上，因此，对于本领域技术人员而言，探测信号网覆盖空域至少需要覆盖1000米以下空域，但是监测范围并不局限于1000米，也可以是高空环境，例如常见的激光束照射范围能够达到为5km以上。
对于慢速飞行而言，通常要求M小于0.3，其M是指空气密度变化程度或者压缩性大小的衡量标志数。其激光束的照射区域和信号反射区域满足相应高度，且空气变化不会造成激光束的过度偏移，故激光束作为探测信号网的构建单元能够适用于低空环境。
需要注意的是，激光收发模块2使用激光束的成本远低于脉冲射频模块，从而有利于在装置载体1上增加激光收发模块2数量，减少探测信号网的间隙。其雷达分析***可以是现有的空域雷达分析***。
实施例2：
基于上述实施例，本发明的另一个实施例是，上述激光收发模块2上设有发射单元3和接收单元4，上述发射单元3发出的激光束为调制激光，上述接收单元4用于接收目标反射激光束形成的反射激光，其中，发射单元3发出的激光束波形可以是多样的，上述接收单元4用于接收目标反射激光束形成的反射激光，通过雷达分析***对反射激光的回波信号进行处理获得相关数据。其中，发射单元3为现有的导体激光器或半导体激光器，由于发射单元3发射出来信号的品质会影响到测距和测角的准确度，通过导体激光器输出调制激光束，保证激光束的稳定性，并配合阵列光子计数技术，实现全空域的低、小、慢飞行目标、静止目标探测，并在一定程度上能够对隐身目标进行探测。
进一步的，上述接收单元4为单光子探测器，其中，光子雷达的每个激光收发模块2配置独立的单光子探测器，由于单光子探测器能够在光子量级对目标回波进行探测，故接收单元4采用单光子探测器能够有效降低对回波信号强度的依赖性。同时发射单元3在此基础上还能适用小功率激光器，从而降低激光收发模块2的整体功耗、体积和成本，实现激光束的全空域实时探测。同时，接收单元4可适配对应的制冷模块、真空腔体、发射透镜等元件，以保证接收单元4的工作稳定性。
上述调制激光的波形为正弦波，由于正弦波是频率成分最为单一的一种信号，其激光束以正弦波的形式发射，可使激光束经过任意线性网络后，依旧保持原有波形则，而调制激光为可控时变调制激光，通过调制频率及其变化规律可实现时间相关的已知变化；从而激光束能够根据需要调制为不同频率、不同幅值、不同相位的正弦波的线性组合，从而适用于多样化的监测需求。
需要注意的是，由于现有的脉冲类激光雷达易受到波长干扰风险，故通过调制激光克服该风险波长干扰风险，同时，考虑到太阳光可能造成的影响因素，调制激光的设定一些特定波长，例如1550nm以规避太阳光的干扰。对于多个雷达分布的情况下，即使有相同波长的光学雷达，只要和本装置的调制不同，都不能造成较大干扰。
进一步的，为了提高光子雷达的灵敏度，上述接收单元4与采样单元7信号连接，通过采样单元7对单光子探测器采集的到的回波进行处理，并进行光子计数，同时激光收发模块2的分布为阵列光子计数技术的运用提供基础可行性，通过接收单元4采集反馈激光的光子范围数据，并由采样单元7进行光子计数。
上述采样单元7与雷达分析***信号连接，由采样单元7将上述接收单元4采集到的反射激光进行光子计数并将计数数据传递至雷达分析***。由雷达分析***根据相位鉴别、距离测算、多普勒方式，对目标物进行参数估计。
需要注意的是，由于激光束中存在光子，在标的物进行反射时，会反着大量的光子，采样单元7提供的光子计数为雷达分析***进行快速分析成像提供重要作用，从而有助于提高光子雷达的灵敏度。
实施例3：
基于上述实施例，本发明的另一个实施例是，上述装置载体1外壁具有弧面5，由上述弧面5在装置载体1上形成半球体，上述半球体的球冠设有分布面6，上述激光收发模块2在弧面5和分布面6上呈球形分布。
其中，环状弧形体包括圆锥或者圆球形等多种形态，其环状弧形体的目的主要是保证发出的N个激光束是呈球面分布射出，从而使激光束能够在多个方向覆盖不同高度。避免出现分时探测的盲区，光子雷达通过弧面5和分布面6的设计，使激光收发模块2能够在装置载体1上实现半球化布置，其N个激光收发模块2同时工作时，激光束能够实现全空域覆盖，配合雷达分析***能够在全空域进行实时探测定位，有利于对蜂群类无人机的连续无间隙发现、定位、跟踪。
进一步的，虽然装置载体1上的分布激光收发模块2越多，则激光束的覆盖密度越大，为了装置载体1上的N个激光收发模块2发出的激光束相对均匀，上述激光收发模块2在弧面5和分布面6上按照等高线均匀分布，且相邻的两个激光收发模块2之间间距相同。 使激光收发模块2在按照等高线的方式一圈圈的分布在装置载体1上，且发射的激光束分布相对均匀化。本发明还公开了一种用于全空域实时探测的方法，使用上述的定位装置，通过N个激光收发模块2发出N个呈球面分布的激光束，由激光束在装置载体1四周空域形成间隙可控的探测信号网，当监测物体途经探测信号网时，激光束照射在监测物体上会形成反射激光，反射激光被对应的激光收发模块2接收，其中通过激光收发模块2将反射的数据信息发送采样单元后进行计数，再将计数数据上传到雷达分析***，由雷达分析***进行数据分析得到定位信息并将定位信息输入到显示设备中进行显示。从而实现全空域的低、小、慢、隐目标的实时探测。通过该探测方式避免光学类雷达通常仅局限小视场范围的探测的缺陷，极大的降低全空域探测所耗费的时间。
进一步的，N个上述激光收发模块2激光束的频率位于同一波段，通过设置上述激光收发模块2激光束的区别波段，使激光束的波段区别于其他干扰信号波段。即使光子雷达附近存在其他雷达单位，只要本雷达的激光束调制为不同的区别波段，就能够规避其他雷达的干扰风险。
参考图4所示，雷达分析***的工作原理主要是利用光子计数、波形还原、窄带滤波、鉴相、多普勒频移以及对应算法进行计算，具体的说，激光收发模块2的接收单元4探测到反射的激光信号，并将信号放大输出到采样单元7，即采样单元7为光子计数器，通过采样单元对放大信号进行光子计数，即光子计数对一定时间区间τ内的反射的激光信号进行计数，得到整个时间区间T内的光子分布数据，结合波形还原，将光子分布数据还原成正弦波形，该计数波形上因泊松噪声的存在可以表现为许多尖峰和毛刺。为了规避泊松噪声的影响，可利用正弦波的特性，通过窄带滤波算法滤除噪声，从而获得回波信号的还原波形。
由雷达分析***比较还原波形和发射波形，通过鉴相和多普勒频移算法，由相位差和频移计算出静止和移动目标的距离。结合激光发射的俯仰角、方位角信息和指南针信息，最终获得被测目标的三坐标和速度信息，通过全时域和空域的探测，获的不同时间段被测目标的空间信息，结合对应算法，还原目标的运行轨迹，实现单目标及蜂群目标的探测、跟踪。
在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、 “实施例”、“优选实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
Claims (8)
1.一种用于全空域实时探测的光子雷达，包括装置载体（1），其特征在于：所述装置载体（1）上设有用于进行全空域实时扫描的N个激光收发模块（2），所述激光收发模块（2）用于发出激光束和接收目标反射激光，N个所述激光收发模块（2）同时分布在装置载体（1）四周外壁上，且N个激光收发模块（2）发出的激光束覆盖空中领域；使N个激光收发模块（2）的激光束在装置载体（1）周围空域形成实时扫描的探测信号网，所述激光收发模块（2） 通过采样单元（5）接入雷达分析***，由雷达分析***根据目标反射激光与激光束的参数信息分析获得三坐标数据。
2.根据权利要求1所述的用于全空域实时探测的光子雷达，其特征在于：所述激光收发模块（2）上设有发射单元（3）和接收单元（4），所述发射单元（3）发出的激光束为调制激光，所述接收单元（4）用于接收目标反射激光束形成的反射激光。
3.根据权利要求2所述的用于全空域实时探测的光子雷达，其特征在于：所述接收单元（4）为单光子探测器，所述采样单元（7）为光子计数器，所述调制激光的波形为正弦波，且每个接单光子探测器对应一个光子计数器。
4.根据权利要求2所述的用于全空域实时探测的光子雷达，其特征在于：所述接收单元（4）与采样单元（7）信号连接，所述采样单元（7）与雷达分析***信号连接，由采样单元（7）将所述接收单元（4）采集到的反射激光进行光子计数并将计数数据传递至雷达分析***。
5.根据权利要求1所述的用于全空域实时探测的光子雷达，其特征在于：所述装置载体（1）外壁具有弧面（5），由所述弧面（5）在装置载体（1）上形成半球体，所述半球体的球冠设有分布面（6），所述激光收发模块（2）在弧面（5）和分布面（6）上呈球形分布。
6.根据权利要求5所述的用于全空域实时探测的光子雷达，其特征在于：所述激光收发模块（2）在弧面（5）和分布面（6）上按照等高线均匀分布。
7.一种用于全空域实时探测的方法，使用权利要求1至6任意一项所述的定位装置，其特征在于：通过N个激光收发模块（2）发出N个呈球面分布的激光束，由激光束在装置载体（1）四周空域形成间隙可控的探测信号网，当监测物体途经探测信号网时，激光束照射在监测物体上会形成反射激光，反射激光被对应的激光收发模块（2）接收，通过激光收发模块（2）将反射信号发送采样单元进行计数，由采样单元将计数数据上传到雷达分析***，由雷达分析***进行数据分析得到定位信息并将定位信息输入到显示设备中进行显示。
8.根据权利要求7所述的用于全空域实时探测的方法，其特征在于：N个所述激光收发模块（2）激光束的波段数相同，且激光束的波段数与其他干扰信号波段差异化设置。
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- 2021-04-12 CN CN202110389309.4A patent/CN112859102A/zh active Pending
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