一种基于宽带可编程超表面的低空无人机探测方法

本技术涉及低空无人机探测，特别是涉及一种基于可编程超表面的低空无人机探测方法及系统。

背景技术：

1、空中无人机通常是低空、低速和小型目标，最初是为军事侦察而开发的。随着电子制造技术的成熟，空中无人机在民用领域被广泛应用于航拍摄影、物流运输和无线网络通信等。毫无疑问，无人机给人类的生活带来了极大的便利。但与此同时，无人机的非法飞行和滥用现象也变得越来越严重，对社会安全造成了极大的威胁，特别是民用航空机场中飞机的起飞与降落。因此，掌握有效的无人机探测手段，从而确保低空空域的安全，具有重要的研究意义与应用价值。

2、无人机的检测手段主要包括声学检测、光学检测、射频(rf)检测和雷达检测。其中，雷达由于其全天候、长距离、快速的探测能力，已被证明对无人机的探测更有效。

3、现有技术中，雷达检测采用的雷达系统大致可分为脉冲雷达和连续波雷达两类。脉冲雷达通过测量发射的脉冲信号与回波信号之间的时间差来计算无人机的距离。调频连续波(fmcw)雷达通过对回波和发射信号进行相干混合，从而获得包含目标距离、速度和方位信息的中频信号。

4、然而，脉冲雷达由于脉冲信号持续时间很短，导致速度测量困难。调频连续波雷达由于缺乏高程信息，无人机目标的真实位置仍然未知；此外，调频连续波雷达的距离分辨率受到发射信号带宽的限制，而角度分辨率则取决于发射天线和接收天线的数量。

5、因此，为了实现无人机的三维精确定位，业界提出了具备多输入多输出阵列天线和宽带信号的四维(4d)雷达。但是，由于信道数量的增加，系统架构的复杂性和高成本，严重限制了4d雷达的发展。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于可编程超表面的低空无人机探测方法及系统，能够准确获知低空无人机目标的三维位置信息。

2、一种基于可编程超表面的低空无人机探测方法，包括：

3、获取监视空域范围，并均匀离散成空间点位；

4、对所述空间点位进行相位补偿，以得到对应的空间编码；根据所述空间编码，对应控制可编程超表面的编码状态；遍历所有空间点位，并根据所有编码状态，进行所述监视空域范围的波束扫描；

5、根据波束扫描，接收回波信号；对所述回波信号进行模数转换，得到数字信号；根据所述数字信号，得到低空无人机的方位；对所述数字信号进行匹配滤波，得到低空无人机的距离；

6、根据所述低空无人机的方位以及所述低空无人机的距离，进行低空无人机探测。

7、在一个实施例中，对所述空间点位进行相位补偿，以得到对应的空间编码，包括：

8、计算可编程超表面中超表面单元的理想补偿相位，并对所述理想补偿相位进行离散，得到相位补偿后的远场方向图，以对所述空间点位进行相位补偿，得到对应的空间编码。

9、在一个实施例中，根据所述低空无人机的方位以及所述低空无人机的距离，进行低空无人机探测，包括：

10、根据所述回波信号，生成数学模型；

11、根据所述低空无人机的方位、所述低空无人机的距离以及所述数学模型，基于几何投影原理，生成三维雷达图像；

12、根据所述三维雷达图像，采用恒虚警检测，生成三维点云图像，以进行低空无人机探测。

13、一种基于可编程超表面的低空无人机探测系统，采用一种基于可编程超表面的低空无人机探测方法，包括：低空无人机以及雷达探测装置，所述低空无人机以及所述雷达探测装置间隔设置；

14、所述雷达探测装置包括：可编程超表面、发射天线、接收天线、雷达收发机以及控制器；所述发射天线与所述可编程超表面间隔设置，所述发射天线以及所述接收天线均与所述雷达收发机相连，所述可编程超表面、所述控制器以及所述雷达收发机依次相连；

15、所述可编程超表面用于通过空间编码的相位调制作用实现对监视空域范围的波束扫描；

16、所述发射天线用于发射线性调频信号，并作为馈源照射所述可编程超表面；

17、所述接收天线用于接收回波信号；

18、所述雷达收发机用于生成线性调频信号，并根据所述回波信号生成数字信号；

19、所述控制器用于控制所述可编程超表面进行波束扫描，并对回波信号转换生成的数字信号进行处理，得到低空无人机的方位和低空无人机的距离，生成三维点云图像，以进行低空无人机探测。

20、在一个实施例中，所述可编程超表面包括：多个阵列设置的超表面单元；

21、所述超表面单元包括从上到下依次相叠的：贴片层、第一介质层、地板层、第二介质层以及控制层；

22、所述第一介质层、所述地板层以及所述第二介质层为等大的正方形结构。

23、在一个实施例中，所述贴片层包括：第一贴片、第二贴片以及二极管；

24、所述第一贴片与所述第二贴片通过所述二极管相连，并关于所述二极管呈轴对称分布；

25、所述第一贴片包括：第一部分以及第二部分；所述第一部分为矩形结构，所述第二部分为等腰梯形结构；所述第一部分的一个长边与所述二极管相连，所述第一部分的另一个长边与所述第二部分的上底相连，所述第二部分的下底与所述第一介质层的边平行间隔设置；

26、所述第一贴片与所述地板层相连，所述第二贴片与所述控制层相连。

27、在一个实施例中，所述超表面单元还包括贯穿所述第一介质层以及所述第二介质层的通孔，所述通孔中设有空心金属管，所述第二贴片通过所述空心金属管与所述控制层相连；

28、所述通孔的内壁上对应所述地板层的位置设有向所述空心金属管反方向凹陷的沉槽，以作为隔离环。

29、在一个实施例中，所述控制层包括：直流偏置线。

30、在一个实施例中，所述控制器包括：fpga控制板以及电脑上位机，所述fpga控制板与所述电脑上位机相连；

31、所述fpga控制板用于根据所述空间编码，对应控制可编程超表面的编码状态；

32、所述电脑上位机用于控制所述fpga控制板以及生成三维点云图像。

33、在一个实施例中，所述雷达收发机包括：功率放大器、本振、序列器、低噪声放大器、混频器、带通滤波器以及模数转换器；

34、所述发射天线、所述功率放大器、所述本振以及所述序列器依次相连，所述接收天线、所述低噪声放大器、所述混频器、所述带通滤波器以及所述模数转换器依次相连，所述本振还与所述混频器相连，所述序列器以及所述模数转换器还均与所述控制器相连；

35、所述功率放大器用于功率放大；

36、所述本振用于发射线性调频信号；

37、所述序列器用于控制本振在周期序列中的每个脉冲产生一个调频连续波；

38、所述低噪声放大器用于对回波信号进行低噪声放大，并发送给所述混频器；

39、所述混频器用于对所述低噪声放大器发送的信号进行混频，并发送给所述带通滤波器；

40、所述带通滤波器用于对所述混频器发送的信号进行滤波，并发送给所述模数转换器；

41、所述模数转换器用于对所述带通滤波器发送的信号进行模数转换，并生成数字信号。

42、上述基于可编程超表面的低空无人机探测方法，能够准确获知低空无人机目标的三维位置信息，刻画监视空域的三维环境信息，具有全天时全天候工作、探测精度高、感知范围广、构造成本低等优势。

43、上述基于可编程超表面的低空无人机探测系统，可编程超表面作为雷达系统发射端重要组成部分，通过形成特定的空间编码分布将近场入射的球面波在特定的方向形成同相波前，继而动态地改变空间编码达到空间波束扫描的目的。射频接收机对接收到的回波信号进行映射成像，实现接收信号到物体位置的三维感知结果的映射。利用可编程超表面的siso物理架构和波束扫描能力能够来实现mimo的功能，以低成本、低复杂度的方式实现空中无人机的三维定位。结合先进的成像算法和深度学习技术，基于可编程超表面的无人机探测系统可以在轨迹跟踪和预测、目标识别和分类方面发挥更大的作用。

技术特征：

1.一种基于可编程超表面的低空无人机探测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于可编程超表面的低空无人机探测方法，其特征在于，对所述空间点位进行相位补偿，以得到对应的空间编码，包括：

3.根据权利要求1或2所述的一种基于可编程超表面的低空无人机探测方法，其特征在于，根据所述低空无人机的方位以及所述低空无人机的距离，进行低空无人机探测，包括：

4.一种基于可编程超表面的低空无人机探测系统，采用权利要求1至3任一项所述的一种基于可编程超表面的低空无人机探测方法，其特征在于，包括：低空无人机以及雷达探测装置，所述低空无人机以及所述雷达探测装置间隔设置；

5.根据权利要求4所述的一种基于可编程超表面的低空无人机探测系统，其特征在于，所述可编程超表面包括：多个阵列设置的超表面单元；

6.根据权利要求5所述的一种基于可编程超表面的低空无人机探测系统，其特征在于，所述贴片层包括：第一贴片、第二贴片以及二极管；

7.根据权利要求6所述的一种基于可编程超表面的低空无人机探测系统，其特征在于，所述超表面单元还包括贯穿所述第一介质层以及所述第二介质层的通孔，所述通孔中设有空心金属管，所述第二贴片通过所述空心金属管与所述控制层相连；

8.根据权利要求7所述的一种基于可编程超表面的低空无人机探测系统，其特征在于，所述控制层包括：直流偏置线。

9.根据权利要求4至8任一项所述的一种基于可编程超表面的低空无人机探测系统，其特征在于，所述控制器包括：fpga控制板以及电脑上位机，所述fpga控制板与所述电脑上位机相连；

10.根据权利要求4至8任一项所述的一种基于可编程超表面的低空无人机探测系统，其特征在于，所述雷达收发机包括：功率放大器、本振、序列器、低噪声放大器、混频器、带通滤波器以及模数转换器；

技术总结
本申请属于低空无人机探测技术领域，涉及一种基于可编程超表面的低空无人机探测方法及系统。方法包括：获取监视空域范围，并均匀离散成空间点位；对所述空间点位进行相位补偿，以得到对应的空间编码；根据所述空间编码，对应控制可编程超表面的编码状态；遍历所有空间点位，并根据所有编码状态，进行所述监视空域范围的波束扫描；根据波束扫描，接收回波信号；对所述回波信号进行模数转换，得到数字信号；根据所述数字信号，得到低空无人机的方位；对所述数字信号进行匹配滤波，得到低空无人机的距离；根据所述低空无人机的方位以及所述低空无人机的距离，进行低空无人机探测。本申请能够准确获知低空无人机目标的三维位置信息。

技术研发人员：关东方,徐汉涛,杨章飙,雍少为,刘永祥
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23