本發(fā)明涉及無人機避障雷達，具體為一種基于超寬帶認知混沌脈沖位置調(diào)制(chaotic-pulse-positionmodulation,cppm)信號的避障雷達，用于幫助無人機探測并區(qū)分其他飛機或者障礙物，估測無人機飛行軌跡中的突變點，避免碰撞發(fā)生。
背景技術(shù)：
無人機是指有動力驅(qū)動、機上無人駕駛、能攜帶多種任務設(shè)備、執(zhí)行多種任務并能重復使用的航空飛行器，是一種由無線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱的不載人飛行器。無人機具有重量輕、尺寸小、機動性高、隱蔽性好、適應性強和不必冒生命危險等特點，在軍用和民用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。軍用上，無人機用于偵察與監(jiān)視敵方目標、干擾與誘惑敵方火力等；民用上，無人機可用于場區(qū)監(jiān)控、氣象偵察、公路巡視、勘探測繪、水災監(jiān)控、航空攝影、交通管理和森林救火等。
然而，隨著大批量無人機的投入使用，空中交通變得越來越擁擠。此外，由于無人機采用遠程操控，不可預料因素太多，致使無人機對有人機或其他無人機的安全帶來威脅，其自身飛行參數(shù)的測量故障也頻頻導致墜機事故發(fā)生。美軍已發(fā)生過多起無人機和直升機的碰撞事件，例如2004年11月，美國陸軍的一架“大烏鴉”無人機與一架“基奧瓦勇士”直升機于伊拉克上空發(fā)生碰撞。如何避免無人機與其他飛機或障礙物碰撞已成為世界各國十分重視的問題。
目前常用的無人機避障技術(shù)包括以下幾種：1)廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ieeeaerosp.electron.syst.mag.,vol.16,p.27-32,2001)：該技術(shù)是國際民航組織確定的新一代監(jiān)視技術(shù)，是一種以全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用相關(guān)無線通信技術(shù)、地面收發(fā)設(shè)備以及機載收發(fā)設(shè)備等先進技術(shù)，通過高速數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)“空-地”、“空-空”交互通信，提供安全高效的航空監(jiān)視新技術(shù)。2)空中防撞系統(tǒng)(18thinternationalconferenceontransportmeans，p.401-401,2014)：該系統(tǒng)不依賴于任何陸基空中交通管制系統(tǒng)，可以為各種不同型號飛機提供防撞保護的機載設(shè)備。作為一種自動控制系統(tǒng)，它能夠幫助飛行員盡快正確識別飛機之間的相對位置，減少飛機空中相撞的危險，并提示機組怎樣最好地避讓其它飛機。然而，上述兩種技術(shù)依賴于公開和未加密的傳輸信號，容易遭受外界電子欺騙和侵略信息的攻擊(ieeecommun.mag.,vol.52,p.111-118,2014)。3)各類傳感器技術(shù)：包括超聲波傳感器(internationaljournalofcontrol，automationandsystems，vol.8，p.36-44，2010)、光學傳感器(iopconferenceseries:materialsscienceandengineering，vol.152，2016)、視覺傳感器(ieeeaerosp.electron.syst.mag.,vol.25，p.36-42.2010)(例如：ccd相機)。其中，超聲波技術(shù)是在無人機上加裝定向超聲波發(fā)射和接收器，然后將其接入飛行控制系統(tǒng)即可完成距離感知和飛行避障。但是超聲波探測波束角過大，再加上環(huán)境溫度、濕度的影響，測距精度并不理想。此外，該方法還容易受到可聞聲波的干擾。光學傳感技術(shù)是通過結(jié)構(gòu)光投射器向近距離場景投射可控制光點、光條或光面結(jié)構(gòu)，并由圖像傳感器捕獲經(jīng)過場景調(diào)制的圖像，通過光學測量系統(tǒng)的幾何關(guān)系與經(jīng)典的三角測量原理還原出場景的三維信息。光學傳感器容易受到外界的雜光干擾，如城市樓宇光污染、太陽強光燈等。視覺傳感器通常直接采集場景的信息，經(jīng)過復雜的計算整合獲得場景的深度信息。該方法是典型的被動式避障方式之一，它模擬人的視覺系統(tǒng)，通過視覺傳感器獲取外界場景信息，智能化感知外界障礙物并做出相應的路徑規(guī)劃。視覺傳感器非常容易受到風、雨、雪、霧、冰雹、白天/黑夜等天氣變化的影響。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明為避免無人機與其他飛行目標發(fā)生碰撞，提出了一種基于超寬帶認知cppm信號的避障雷達。該裝置可幫助無人機探測并區(qū)分其他飛行目標，修正自身運動軌跡，避免碰撞發(fā)生。
本發(fā)明所述的基于超寬帶認知cppm信號的避障雷達方法是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種基于超寬帶認知cppm信號的避障雷達方法，超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊產(chǎn)生多路彼此正交、寬頻帶的cppm信號，一部分信號作為參考信號進入信號采集模塊，另一部分經(jīng)過發(fā)射波束形成模塊形成雷達的發(fā)射信號，再通過收/發(fā)開關(guān)模塊由矩形電子掃描陣列天線發(fā)射出去；所述超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊、收/發(fā)開關(guān)模塊和信號采集模塊均由同步時鐘模塊控制；矩形電子掃描陣列天線發(fā)射出去的cppm探測信號遇到其他飛行目標發(fā)生反射，回波信號由矩形電子掃描陣列天線接收，經(jīng)過接收波束形成模塊形成接收信號，再由信號采集模塊采集；采集后的參考信號和回波信號進入中央處理模塊，一方面通過中央處理模塊內(nèi)設(shè)的接收機匹配濾波模塊進行相關(guān)時延估計，獲得目標的距離-多普勒信息；另一方面，通過中央處理模塊內(nèi)設(shè)的二維多重信號分類模塊獲得目標的回波幅度、方位角以及高度信息；幅度、方位角、高度以及距離-多普勒信息進入dirichlet過程混合模型聚類模塊進行聚集分類，再經(jīng)過廣義似然比檢測模塊區(qū)分出不同的目標；單個目標的信息被分別送入變點探測模塊用于檢測該目標運動軌跡中的突變點；突變點信息被送入避障與導航模塊，用于修正無人機自身的運動軌跡，避免和其他飛行目標發(fā)生碰撞。
進一步，突變點信息還通過認知cppm波形設(shè)計反饋環(huán)路反饋給超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊用于cppm信號的幅度與脈寬的重新設(shè)計。
本發(fā)明所述的基于超寬帶認知cppm信號的避障雷達裝置是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種基于超寬帶認知cppm信號的避障雷達裝置，包括用于產(chǎn)生多路彼此正交、寬頻帶的cppm信號的超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊、發(fā)射波束形成模塊、收/發(fā)開關(guān)模塊、矩形電子掃描陣列天線、同步時鐘模塊、接收波束形成模塊、信號采集模塊和中央處理模塊；所述超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊的兩個信號輸出端分別與發(fā)射波束形成模塊的信號輸入端和信號采集模塊的一個信號輸入端相連接，發(fā)射波束形成模塊的信號輸出端與收/發(fā)開關(guān)模塊的信號輸入端相連接，收/發(fā)開關(guān)模塊的信號輸入/輸出端與矩形電子掃描陣列天線相連接；收/發(fā)開關(guān)模塊的信號輸出端與接收波束形成模塊的另一個信號輸入端相連接，接收波束形成模塊的信號輸出端與信號采集模塊的另一個信號輸入端相連接，同步時鐘模塊的多個輸出端分別與收/發(fā)開關(guān)模塊、超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊和信號采集模塊相連接。信號采集模塊的輸出端與中央處理模塊的信號輸入端相連接；所述的中央處理模塊包括：接收機匹配濾波模塊、二維多重信號分類模塊、dirichlet過程混合模型聚類模塊、廣義似然比檢測模塊、變換點探測模塊和避障與導航模塊；信號采集模塊的信號輸出端與接收機匹配濾波模塊和二維多重信號分類模塊相連接，接收機匹配濾波模塊和二維多重信號分類模塊均與dirichlet過程混合模型聚類模塊相連接，dirichlet過程混合模型聚類模塊順次與廣義似然比檢測模塊、變換點探測模塊相連接，變換點探測模塊與超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊相連接構(gòu)成認知cppm波形設(shè)計反饋環(huán)路；變換點探測模塊還與避障與導航模塊連接。
本發(fā)明提供的一種基于超寬帶認知cppm信號的避障雷達，與現(xiàn)有無人機避障技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
一、本發(fā)明可全天候工作，不受惡劣天氣、溫度、濕度和光強變化的影響；
二、本發(fā)明不依賴于公開和未加密的傳輸信號，因此，對于外界電子欺騙和侵略信息的攻擊，具有很強的抵抗能力；
三、本發(fā)明基于混沌波形的自適應變化，增強了對目標的探測能力；
四、本發(fā)明基于dirichlet過程混合模型聚類模塊和變點探測模塊，可以在不知道先驗目標場景假設(shè)的情況下，僅依靠原始數(shù)據(jù)區(qū)分不同的目標，并且估測目標運動軌跡中的突變點。
附圖說明
圖1是本發(fā)明所述雷達裝置的結(jié)構(gòu)意圖。
圖中：1：超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊；2：發(fā)射波束形成模塊；3：收/發(fā)開關(guān)模塊；4：矩形電子掃描陣列天線；5：同步時鐘模塊；6：接收波束形成模塊；7：信號采集模塊；8：中央處理模塊；8a：接收機匹配濾波模塊；8b：二維多重信號分類模塊；8c：dirichlet過程混合模型聚類模塊；8d：廣義似然比檢測模塊；8e：變換點探測模塊；8f：認知cppm波形設(shè)計反饋環(huán)路；8g：避障與導航模塊。
具體實施方式
本發(fā)明所述的一種基于超寬帶認知cppm信號的避障雷達是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種基于超寬帶認知cppm信號的避障雷達利用超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊產(chǎn)生多路彼此正交、寬頻帶的cppm信號。一部分信號作為參考信號進入信號采集模塊，另一部分經(jīng)過發(fā)射波束形成模塊形成雷達的發(fā)射信號，再通過收/發(fā)開關(guān)模塊由矩形電子掃描陣列天線發(fā)射出去。超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊、收/發(fā)開關(guān)模塊和信號采集模塊均由同步時鐘模塊控制。cppm探測信號遇到其他飛行目標發(fā)生反射，回波信號由電子掃描陣列天線接收，經(jīng)過接收波束形成模塊形成接收信號，再由信號采集模塊采集。采集后的參考信號和回波信號進入中央處理模塊，一方面通過接收機匹配濾波模塊進行相關(guān)時延估計，獲得目標的距離-多普勒信息；另一方面，通過二維多重信號分類模塊獲得目標回波的幅度、方位角以及高度信息。幅度、方位角、高度以及距離-多普勒信息進入dirichlet過程混合模型聚類模塊進行聚集分類，再經(jīng)過廣義似然比檢測模塊區(qū)分出不同的目標。單個目標的信息被分別送入變點探測模塊用于檢測該目標運動軌跡中的突變點。突變點信息一方面通過認知cppm波形設(shè)計反饋環(huán)路反饋給超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊用于cppm信號的幅度與脈寬的重新設(shè)計。另一方面，突變點信息也被送入避障與導航模塊，用于修正無人機自身的運動軌跡，避免和其他飛行目標發(fā)生碰撞。本發(fā)明可幫助無人機探測并區(qū)分其他飛行目標，修正自身運動軌跡，避免碰撞的發(fā)生。
結(jié)合理論分析，對本發(fā)明所述的一種基于超寬帶認知cppm信號的多輸入多輸出無人機避障雷達做具體說明：
超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊產(chǎn)生的單路寬頻帶cppm信號s(t)如下所示：
其中，ω(t-ti)表示在時間
s(t)＝[s1(t),...,sm(t)]②
并且滿足正交條件：
矩形電子掃描陣列天線接收到的回波信號r(τ,t)為：
其中，t和τ分別表示快時間和慢時間；v＝[ν1,...,νm]表示發(fā)射波束形成矩陣；(·)h表示共軛轉(zhuǎn)置；
一方面，cppm回波信號r(τ,t)和參考信號s(t)經(jīng)過信號采集模塊，進入接收機匹配濾波模塊(8a)進行相關(guān)時延估計，可以得到匹配濾波結(jié)果ci(τ)：
其中(·)*表示共軛，i＝1,……,m，表示m路正交通道。通過匹配濾波結(jié)果ci(τ)可以得到m個通道相對應的距離-多普勒估計。
另一方面，將cppm回波信號r(τ,t)輸入二維多重信號分類模塊，通過二維多重信號分類算法，可以獲得m個通道的目標回波的幅度、方位角和高度信息。
經(jīng)過上述兩個模塊得到的m個通道的目標回波的幅度、方位角、高度信息以及距離-多普勒估計被輸入到dirichlet過程混合模型聚類模塊進行聚集分類，再經(jīng)過廣義似然比檢測模塊區(qū)分出不同的目標，具體的數(shù)學表達式如下所示：
對于一個特定的正交通道i，假設(shè)匹配濾波結(jié)果ci(τ)在回波幅度、方位角及高度上服從均值為μn，協(xié)方差為σn的多元高斯分布。令ψn＝{μn,σn}，為了能夠區(qū)分出不同的目標，dirichlet過程混合模型聚類模塊和廣義似然比檢測模塊根據(jù)(c1,……,cm)得到相應的后驗分布(ψ1,……,ψm)。假設(shè)ψn的先驗分布為一個隨機過程，dirichlet過程也同樣為隨機過程。因此，dirichlet過程混合模型聚類模塊有如下表達式：
g～dp(κ,g0),ψn|g～g,cn|ψn～f(·|ψn)⑤
其中cn～f(·|ψn)表示cn服從高斯分布f(·|ψn)，g0是ψ的先驗知識，κ是一個正數(shù)，代表先驗知識和后驗分布之間的權(quán)重系數(shù)。假設(shè)ψ-n＝(ψ1,……,ψn-1,ψn+1,……,ψm)，根據(jù)(c1,……,cm)和ψ-n，可以得到ψn的后驗分布表達式為：
p(ψn|ψ-n,cn)∝f(cn|ψn)p(ψn|ψ-n)⑥
繼而，使用吉布斯采樣器獲得ψn的后驗分布值為:
如果ψ＝ψj，p(ψ|ψ-n)＝εf(cn|ψj)；
如果ψ≠ψj，p(ψ|ψ-n)＝εκq0ζ(cn|ψj)；⑦
其中，ε＝1/(κq0+∑j≠nf(cn|ψj))，ζ(cn|ψj)＝g0(ψ)f(cn|ψj)/q0，q0＝∫g0(ψ)f(cn|ψ)dψ，q0是cn的邊緣密度函數(shù)，得到ψn的后驗分布值可用于區(qū)分出不同的目標。
在能區(qū)分出不同目標的基礎(chǔ)上，對探測到的單個目標進行軌跡跟蹤并估測該目標運動軌跡中突變點的發(fā)生概率，這便是變點探測模塊所要實現(xiàn)的功能，其具體的數(shù)學表達式如下所示：
令b(i:j)＝(b(i),b(i+1),...,b(j))表示單個目標運動軌跡中從節(jié)點i到j(luò)的一段。假設(shè)b(1:t)被變點δ0,...,δk分為k部分，其中δ0＝0,δk＝t。對每一部分b((δi+1):δi+1)(i＝0,...,k-1)，假設(shè)一個li階線性回歸模型：
其中，
其中，pr(t,t’,q)表示當公式⑧中的模型階數(shù)li為q時，b(t:t’)的條件概率；q(t)表示當變點在t-1時刻發(fā)生時，b(t:t)的條件分布；λ是一個固定參數(shù)。給定前一個變點發(fā)生的時刻，根據(jù)公式⑨可以計算出下一個變點直到最后一個變點發(fā)生的條件概率。重復m次這個過程，并累計每一次的結(jié)果，以確定一個特定點為突變點，最后將累計結(jié)果除以m得到這個突變點的后驗概率，即目標在該時刻運動軌跡發(fā)生變化的概率。
突變點信息一方面通過認知cppm波形設(shè)計反饋環(huán)路反饋給超寬帶多輸入多輸出cppm波形設(shè)計模塊用于cppm信號的幅度與脈寬的重新設(shè)計。目標距離變近時，脈沖幅度減小，脈寬變窄即帶寬增大；反之，脈沖幅度增大，脈寬變寬即帶寬減小。另一方面，突變點信息也被輸入給避障與導航模塊，用于修正無人機自身的運動軌跡，避免和其他飛行目標發(fā)生碰撞。