一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，包括微波基片、第一基片和第二基片，所述微波基片、第一基片、第二基片从上至下顺序叠放，微波基片的上表面设有射频收发前端、发射天线、接收天线、第一滤波器、第二滤波器和混合环，第二基片的底部设有频率合成器、电源管理模块、通讯接口模块和控制处理电路。本发明专利技术还公开了一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达的测量方法，构成全天时进行精确稳定的高度测量的雷达传感器。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达及测量方法
本专利技术涉及微波频段雷达系统中的测距雷达
，特别是一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达及测量方法。
技术介绍
无人机在低空飞行作业过程中，需要跟随地表的高低起伏动态调整飞行高度，以保证飞行的安全性，这需要通过无人机搭载的测高装置通过连续高度测量来保障。现有的无人机高度测量主要有如下几种方法：1、通过激光雷达测高2、通过气压计测高3、通过超声波测高4、通过微波雷达测高对于第1种方法，通过激光雷达测高，如“空军工程大学学报（自然科学版）”2010年10月发表的《适用于无人机超低空飞行的脉冲激光测高系统》一文所述，通过对连续波激光源进行脉冲调制，发射激光脉冲，并接收回波脉冲，通过比对收发脉冲之间的时间延迟，推算出高程差。通过这种方法进行无人机测高，在实际始用时最大的限制因素就是不能全天时全天候工作。众所周知，激光雷达一般都是在光照较弱或夜晚的条件下工作，如果白天太阳光照强烈的时候，地表反射的太阳辐照可能也比较强，会对激光束产生较大的背景噪声干扰，影响测量准确性。另外，在雾、重污染等空气中悬浮粒子较多的气象条件下，激光的穿透力会大大降低，无法始用。因此，使用激光雷达进行测高存在一定的不足。对于第2种方法，使用气压计测高，如“自动化与仪表”期刊2012年发表的华南理工大学李洪辉等人撰写的《无人直升机高度测量的设计与实现》一文所述，利用气压随高度变化的基本原理，使用BMP085气压计芯片，结合高阶卡尔曼滤波，实现高度测量。该方法存在的主要问题是：在不同的气候条件下，气压与高度的关系呈现出多变性，导致测量的误差较大。对于第3种方法，使用超声波测高，如“宇航计测技术”期刊2010年发表的内蒙古工业大学刘博等人撰写的《用于小型无人机的超声波低空测高系统实验研究》一文所述，基于超声波在空气中的传播反射原理，利用超声波模块和微处理器相结合进行高度测量。该方法和目前大多数汽车上所用的超声波倒车防撞告警装置类似，结构简单，成本低廉。其主要缺点是探测距离较近，实际最大探测距离一般只有10米左右，不太适用于在复杂地形飞行的无人机。对于第4种方法，使用微波雷达测高，如北京航空航天大学张凤等人2015年发表的《应用于无人机的单天线LFMCW雷达高度表研究》一文所述，从该文所给出的系统原理框图可知，其采用单天线调频连续波测距的系统方案，为了消除单天线所带来的发射功率泄露阻塞接收通道的问题，引入了矢量对消的电路。这种方法是调频连续波雷达测距的经典方法之一，其优点是使用单天线，可以缩小体积，但付出的代价是需要使用复杂的矢量对消电路，而且电路里需要使用环形器、耦合器、矢量调制器等分立电路，客观上增加了成本，也在一定程度上抵消了使用单天线带来的体积缩减的优势。对于小型无人机测高雷达而言，因为探测距离较近，实际所需的天线口径并不会很大，所以使用单天线与使用双天线而言，其带来的综合优势并不明显，反而因为矢量对消电路的引入造成了复杂性和成本的增加，这对于民用产品的推广应用来说是不利的。再比如2014年上海无线电设备研究所魏维伟等人申请的专利技术专利《一种24GHz小型测高测距装置》，也属于使用微波雷达进行测高。从权利要求书的描述中可见，其采用了射频前端与基带处理电路分置的思路，比如其权利要求书中所描述的“本例中微波探测前端模块10形成一个独立模块，信号处理组合模块形成另一个独立模块”，集成之后，厚度达到20mm，重量达到140g。之所以采用这种结构，是因为该专利申请者使用了Innosent一类的商用射频前端模块，导致集成度较低。采用这种立体封装集成的结构形式，对于目前市场上“大疆”这一类消费级无人机来说，无论在体积重量上，都不太适合。现有无人机载高度测量装置存在不能全天候全天时工作，不便于集成，探测距离受限等不足。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达及测量方法，本专利技术提出一种工作于微波频段的、可以全天候全天时进行精确稳定的高度测量的雷达传感器，以用于消费级无人机地形跟踪或避障。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术提出的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，包括微波基片、第一基片和第二基片，所述微波基片、第一基片、第二基片从上至下顺序叠放，微波基片的上表面设有射频收发前端、发射天线、接收天线、第一滤波器、第二滤波器和混合环，第二基片的底部设有频率合成器、电源管理模块、通讯接口模块和控制处理电路，其中，发射天线、第一滤波器、混合环、射频收发前端依次顺序连接，接收天线、第二滤波器、射频收发前端依次顺序连接，控制处理电路、频率合成器分别与射频收发前端连接，电源管理模块与通讯接口模块、控制处理电路、频率合成器、射频收发前端分别连接，控制处理电路与频率合成器、通讯接口模块分别连接；频率合成器用于产生fastchirp扫频信号，并提供给射频收发前端用于产生发射信号及接收下变频的本振信号；射频收发前端包括发射与接收两条链路，其中发射链路将频率合成器提供的fastchirp扫频信号进行放大调理后输出等幅反相的两路信号，两路信号经过混合环进行功率合成后再经过滤波，最后经发射天线输出；接收天线所接收的信号经滤波后输入射频收发前端的接收链路，经过低噪声放大及滤波后，输出至控制处理器进行处理；电源管理模块用于为通讯接口模块、控制处理电路、频率合成器、射频收发前端供电。作为本专利技术所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，射频收发前端包括压控振荡器、放大器、耦合器、低噪声放大器及混频器，压控振荡器的输入端与频率合成器的输出端连接，压控振荡器的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与耦合器的输入端连接，耦合器的第一输出端与混合环连接，耦合器的第二输出端与混频器的输入端连接，第二滤波器与低噪声放大器的输入端连接，低噪声放大器的输出端与混频器的输入端连接，混频器的输出端与控制处理电路的输入端连接。作为本专利技术所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，微波基片和第一基片之间设有微波射频地，第一基片和第二基片之间设有电源、数字地以及基带模拟地。作为本专利技术所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，射频收发前端有两个差分发射端口，通过混合环将射频收发前端的两个差分发射端口转化为单端口，多余的一个接收端口空置。作为本专利技术所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，发射天线与接收天线完全相同，均采用二维行波阵列天线结构。作为本专利技术所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，还包括上位机，通信接口模块通过配置接口与上位机连接，上位机通过该配置接口进行雷达的工作参数配置。作为本专利技术所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，配置接口为micro-USB。作为本专利技术所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，采用16针微矩形接头作为外部供电、探测数据传输的接口。作为本专利技术所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达进一步优化方案，第一基片和第二基片均为FR4基片。基于一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达的测量方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，其特征在于，包括微波基片、第一基片和第二基片，所述微波基片、第一基片、第二基片从上至下顺序叠放，微波基片的上表面设有射频收发前端、发射天线、接收天线、第一滤波器、第二滤波器和混合环，第二基片的底部设有频率合成器、电源管理模块、通讯接口模块和控制处理电路，其中，发射天线、第一滤波器、混合环、射频收发前端依次顺序连接，接收天线、第二滤波器、射频收发前端依次顺序连接，控制处理电路、频率合成器分别与射频收发前端连接，电源管理模块与通讯接口模块、控制处理电路、频率合成器、射频收发前端分别连接，控制处理电路与频率合成器、通讯接口模块分别连接；频率合成器用于产生fast chirp扫频信号，并提供给射频收发前端用于产生发射信号及接收下变频的本振信号；射频收发前端包括发射与接收两条链路，其中发射链路将频率合成器提供的fast chirp扫频信号进行放大调理后输出等幅反相的两路信号，两路信号经过混合环进行功率合成后再经过滤波，最后经发射天线输出；接收天线所接收的信号经滤波后输入射频收发前端的接收链路，经过低噪声放大及滤波后，输出至控制处理器进行处理；电源管理模块用于为通讯接口模块、控制处理电路、频率合成器、射频收发前端供电。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，其特征在于，包括微波基片、第一基片和第二基片，所述微波基片、第一基片、第二基片从上至下顺序叠放，微波基片的上表面设有射频收发前端、发射天线、接收天线、第一滤波器、第二滤波器和混合环，第二基片的底部设有频率合成器、电源管理模块、通讯接口模块和控制处理电路，其中，发射天线、第一滤波器、混合环、射频收发前端依次顺序连接，接收天线、第二滤波器、射频收发前端依次顺序连接，控制处理电路、频率合成器分别与射频收发前端连接，电源管理模块与通讯接口模块、控制处理电路、频率合成器、射频收发前端分别连接，控制处理电路与频率合成器、通讯接口模块分别连接；频率合成器用于产生fastchirp扫频信号，并提供给射频收发前端用于产生发射信号及接收下变频的本振信号；射频收发前端包括发射与接收两条链路，其中发射链路将频率合成器提供的fastchirp扫频信号进行放大调理后输出等幅反相的两路信号，两路信号经过混合环进行功率合成后再经过滤波，最后经发射天线输出；接收天线所接收的信号经滤波后输入射频收发前端的接收链路，经过低噪声放大及滤波后，输出至控制处理器进行处理；电源管理模块用于为通讯接口模块、控制处理电路、频率合成器、射频收发前端供电。2.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达，其特征在于，射频收发前端包括压控振荡器、放大器、耦合器、低噪声放大器及混频器，压控振荡器的输入端与频率合成器的输出端连接，压控振荡器的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与耦合器的输入端连接，耦合器的第一输出端与混合环连接，耦合器的第二输出端与混频器的输入端连接，第二滤波器与低噪声放大器的输入端连接，低噪声放大器的输出端与混频器的输入端连接，混频器的输出端与控制处理电路的输入端连接。3.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的平面集成式微波测高雷达...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈振华，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32