毫米波雷達(dá)在無人機領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

范超男，李士心/ 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津市，300222

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，無人機在復(fù)雜任務(wù)中應(yīng)用的更為廣泛。毫米波雷達(dá)的強抗干擾能力、高多普勒分辨率、高引導(dǎo)精度等優(yōu)勢使其廣泛應(yīng)用在無人機領(lǐng)域。本文結(jié)合無人機的實際應(yīng)用需求，對毫米波雷達(dá)的特點及其在無人機領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹，通過分析毫米波雷達(dá)在無人機領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，剖析了毫米波雷達(dá)在無人機領(lǐng)域應(yīng)用上存在的不足，展望了未來無人機載毫米波雷達(dá)的研究方向與熱點。希望本文可為毫米波雷達(dá)在無人機領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

無人飛行器(Unmanned Aerial Vehicles, UAV)簡稱為無人機，是指機上無人操控駕駛，由無線電遙控或已編譯程序控制，自身具有導(dǎo)航和動力機制的飛行器。無人機不用提供飛行員的使用空間，將空間最大化的利用在安裝程序設(shè)備上，同時無人機還具有尺寸小、重量輕、機動性高、適應(yīng)性強等特點。這些特點使無人機能夠在復(fù)雜環(huán)境下完成特殊任務(wù)，目前無人機已廣泛地應(yīng)用在各領(lǐng)域。

毫米波(Millimeter-Wave，MMW)，是指長度在1～10mm的電磁波，對應(yīng)的頻率范圍為30～300GHz。毫米波位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，所以毫米波兼有這兩種波譜的優(yōu)點，同時也有自己獨特的性質(zhì)。毫米波的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。毫米波雷達(dá)是毫米波最廣泛的一項應(yīng)用。

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)是發(fā)射信號按雷達(dá)計算機規(guī)定的速率通過雙工器輸出，信號輸入到接收機經(jīng)變頻處理和采樣后，再經(jīng)由數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)處理，把信號記錄在RAID系統(tǒng)的同時也輸入到陣列處理器上進(jìn)行綜合處理。毫米波的帶寬范圍選擇比較廣泛，在應(yīng)用上更加具有優(yōu)勢。主要優(yōu)勢有：(1)毫米波波長短的特點可以得到窄的波束寬度和高的天線增益，小天線口徑、窄波束易于引導(dǎo)精度、檢測小目標(biāo)。(2)毫米波雷達(dá)大帶寬的特性能減少干擾、克服相互干擾。(3)毫米波雷達(dá)的高多普勒頻率的特點易于進(jìn)行精確地目標(biāo)跟蹤和識別。(4)毫米波雷達(dá)可以直接獲得測量距離與速度信息。一般民用毫米波雷達(dá)的頻率是24GHz、60GHz、77GHz、79GHz和120GHz，無人機中常用的是77GHz及頻率更高的毫米波雷達(dá)，最早使用的是24GHz毫米波雷達(dá)， 24GHz毫米波雷達(dá)因為波長接近10mm，因此也算是毫米波頻率段。毫米波雷達(dá)最先被應(yīng)用在汽車上，隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用范圍逐步擴大，在無人機的應(yīng)用上也趨于普遍。毫米波雷達(dá)在無人機領(lǐng)域的應(yīng)用環(huán)境更為復(fù)雜，因為無人機與汽車相比，雖然兩者都是高速移動的，但是汽車有行駛車道，無人機行駛路線結(jié)構(gòu)多樣。毫米波雷達(dá)在無人機領(lǐng)域的主要應(yīng)用有兩類，一類是應(yīng)用在無人機的避障系統(tǒng)中，另一類是目前應(yīng)用市場最為廣泛的植保無人機的仿地飛行。

本文將從毫米波雷達(dá)的特點出發(fā)，對現(xiàn)有的毫米波雷達(dá)在無人機領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分類討論，并對特點和應(yīng)用范圍進(jìn)行分析總結(jié)，最后對毫米波雷達(dá)在無人機領(lǐng)域應(yīng)用的問題難點和發(fā)展趨勢加以探討。

毫米波雷達(dá)在無人機避障系統(tǒng)中的應(yīng)用

在無人機飛行系統(tǒng)的研究中，避障系統(tǒng)是無人機能否安全完成任務(wù)的保障。常見的避障系統(tǒng)中感知障礙物的傳感器包括視覺、超聲波、紅外、雷達(dá)等，其中，毫米波雷達(dá)最具潛力。毫米波雷達(dá)最早用于軍用飛機上，隨著技術(shù)的發(fā)展，毫米波雷達(dá)在小型無人機的應(yīng)用中也逐漸廣泛。毫米波雷達(dá)通過發(fā)射雷達(dá)波并檢測接受回波來得到障礙物目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)。

自20世紀(jì)60年代，各國軍隊在軍事戰(zhàn)爭中開始投入無人機，但受環(huán)境影響無人機的性能不能充分滿足作戰(zhàn)中的精準(zhǔn)需求，到1990年美國陸軍提出將雷達(dá)應(yīng)用在無人機避障系統(tǒng)上，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及低空領(lǐng)域的開放，無人機的民用化也逐漸發(fā)展。隨著無人機毫米波避障雷達(dá)的發(fā)展，頻域的范圍也可以達(dá)到W波段。

1996年，美國的霍尼韋爾公司研制出了一種35GHz的毫米波防撞雷達(dá)，能完成基本的檢測任務(wù)。20世紀(jì)80年代，德國AEG公司采用脈沖調(diào)制方式根研制了60GHz的機載避障雷達(dá)，脈沖功率3W，探測的距離范圍在600m內(nèi)，在復(fù)雜環(huán)境下的的檢測范圍也能達(dá)到200m。2000年，加拿大Amphitech公司研制的Oasys直升機毫米波避障雷達(dá)系統(tǒng)通過發(fā)射35GHz的脈沖信號來檢測障礙物信息并反饋實施障礙物警告，檢測范圍達(dá)到了2000m。系統(tǒng)能精準(zhǔn)的進(jìn)行障礙物定位和距離估計，在天氣環(huán)境復(fù)雜的情況下也能檢測到障礙物，低空飛行的安全性有了極大提高，這是第一次避障系統(tǒng)投入民用。

我國的毫米波雷達(dá)在無人機避障系統(tǒng)的中的應(yīng)用發(fā)展還不夠完善，但研究學(xué)者近年來在努力的進(jìn)行研究試驗。南京理工大學(xué)的葛貴勛設(shè)計了一種基于FPGA的毫米波雷達(dá)避障系統(tǒng)，對無人機的飛行安全提供了保障；山東電力科學(xué)研究院的劉俍通過利用毫米波寬帶線性調(diào)頻技術(shù)來達(dá)到對小目標(biāo)的分辨探測，研制了無人機毫米波雷達(dá)避障系統(tǒng)，并在測試試驗中驗證了系統(tǒng)的有效性。國網(wǎng)山東電力科學(xué)研究院的李榮分析了無人機在國網(wǎng)線路檢測時的缺陷，提出了一種雙CPU主從搭配的毫米波避障技術(shù)，最大程度保證回波信號的運算處理，從負(fù)責(zé)人機交互與上位機通信，保證數(shù)據(jù)利用效率，在無人機進(jìn)行電路巡檢時能精確定位并準(zhǔn)確的測量距離。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的于壽鵬提出了一種基于IWR1642毫米波雷達(dá)傳感器的避障系統(tǒng)，用77GHz線性調(diào)頻，通過內(nèi)部集成的ADC，DSP和ARM實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號處理、系統(tǒng)控制功能來實現(xiàn)信息提取，通過實驗證明能有效地完成無人機的前向障礙檢測。

2016年11月8日在美國無人機交通管制峰會上Aerotenna團隊采用基于雷達(dá)技術(shù)的避障方案獲得了無人機避障比賽的冠軍。Aerotenna的避障方案采用以雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)的360°毫米波雷達(dá)，飛控系統(tǒng)采用基于FPGA技術(shù)的OcPoC飛控，同時搭載雷達(dá)高度計作為室內(nèi)定高將，雷達(dá)做成一圈電子掃描構(gòu)成360°的全向避障模塊。上述技術(shù)組合以最快的飛行和躲避速度，順利通過了復(fù)雜場景下的障礙物躲避，該模塊150g左右，成本在千元左右，將其掛在無人機的上方或下方，利用內(nèi)部的電掃描雷達(dá)系統(tǒng)檢測周圍環(huán)境進(jìn)行避障。雖然我國在無人機搭載毫米波雷達(dá)避障系統(tǒng)上研究較晚，但也取得了不錯的成果。

毫米波雷達(dá)在無人機仿地飛行中的應(yīng)用

目前，毫米波雷達(dá)在無人機市場最大的應(yīng)用是植保無人機的定高，即通過無人機上的毫米波雷達(dá)高度計探測地面與飛機的相對高度。毫米波雷達(dá)利用發(fā)射波與回波之間的頻率差、時間差來計算無人機與地面的高度距離和飛行速度等目標(biāo)信息。

無人機在作物上方固定的高度飛行，無論地面和植被是否起伏，這個即稱為仿地飛行。這種應(yīng)用有很多的解決方案，比如超聲波、激光、紅外、雙目視覺等等。但是由于植保環(huán)境大多很差，有較大的灰塵，還有水霧，超聲波和基于光學(xué)的雷達(dá)都會受到很大干擾。最初植保無人機依靠GPS、超聲波和氣壓計來實現(xiàn)高度測量，但精度和抗干擾性能都表現(xiàn)較差。而毫米波雷達(dá)不受光線、天氣環(huán)境影響，能穿透塵埃水霧、作用距離大、抗電磁干擾、表現(xiàn)穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢使得毫米波雷達(dá)在無人機的仿地飛行中應(yīng)用的最為廣泛。

搭載毫米波雷達(dá)的植保無人機在美國、日本的仿地飛行應(yīng)用中研究較早，技術(shù)也排在全球前列。我國雖然起步較晚，但植保無人機的毫米波雷達(dá)研究近年來也有了的迅猛的發(fā)展，主要體現(xiàn)在商用植保無人機上。瓦屋科技公司在 2016年推出的搭載毫米波雷達(dá)的w型植保無人機飛行穩(wěn)定，噴灑系統(tǒng)霧化效果好，穿透能力強，專門用于果樹植保飛防領(lǐng)域，獲得了很好的口碑。極飛科技公司的P系列植保無人機，利用毫米波雷達(dá)與兼容AI管理和高程度模塊化的控制系統(tǒng)保證了無人機的精確性和穩(wěn)定性，于2018年獲得了德國紅點設(shè)計大獎，在世界范圍內(nèi)得到了認(rèn)可。

問題與展望

通過分析國內(nèi)外毫米波雷達(dá)在無人機領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，總體上可以看出，毫米波技術(shù)日趨成熟，但在無人機領(lǐng)域的實際應(yīng)用中還存在諸多問題。我國的毫米波雷達(dá)技術(shù)才剛剛起步，由于技術(shù)、性能等多方面因素限制，毫米波雷達(dá)在無人機領(lǐng)域還處在初級應(yīng)用階段，毫米波雷達(dá)角分辨率低、功率低、損耗較大、工藝要求較高等技術(shù)方面的缺陷還沒有取得突破，同時搭載毫米波雷達(dá)的無人機研發(fā)難度較高，射頻設(shè)計方法、制造流程、天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、發(fā)射效率和帶寬的處理等等技術(shù)方面都是不小的挑戰(zhàn)。這些技術(shù)缺陷會影響無人機飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，存在一定安全威脅。而搭載毫米波雷達(dá)的無人機隨著技術(shù)的成熟會被用在更多任務(wù)中，特別是各種訓(xùn)練演習(xí),植保任務(wù)等，更加考驗毫米波雷達(dá)在無人機飛行控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性。

毫米波技術(shù)的快速發(fā)展決定了毫米波雷達(dá)在未來無人機領(lǐng)域方面的應(yīng)用會更加廣泛。隨著國內(nèi)毫米波雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，毫米波雷達(dá)的價格也越來越便宜，由最初三萬左右降到千元的范圍內(nèi)，在民用無人機發(fā)展中雖然還是受到一定限制，但當(dāng)未來搭載毫米波雷達(dá)的無人機產(chǎn)量逐漸上升時，毫米波雷達(dá)的成本也會隨之下降到一個民用更能夠接受的程度。展望未來搭載毫米波雷達(dá)的無人機的研究方向和研究熱點將集中在如下兩方面。

(1)毫米波雷達(dá)一般采用高增益的窄波束天線，為了實現(xiàn)更大范圍的波束掃描，可以利用多波束天線陣來使毫米波雷達(dá)得到更好的掃描效果。天線在仰角覆蓋范圍內(nèi)同時形成多個仰角不同且部分重疊的獨立波束的三坐標(biāo)雷達(dá)，通過比較回波信號幅度求出目標(biāo)仰角從而更準(zhǔn)確的得出與目標(biāo)間的距離。多波束毫米波雷達(dá)可以提升無人機通訊的信噪比和波束覆蓋范圍，將在未來搭載毫米波雷達(dá)無人機的研究中發(fā)揮更大的優(yōu)勢。

(2)采用多個傳感器相融合的無人機控制系統(tǒng)將成為未來的趨勢，例如將高分辨率的微波雷達(dá)與體積小的毫米波雷達(dá)集成為一體，互相取長補短,可以為無人機創(chuàng)造更大的優(yōu)勢。多個傳感器數(shù)據(jù)融合的核心關(guān)鍵還是在于采用合適的融合算法，作為一個新興領(lǐng)域，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能等新技術(shù)在傳感器數(shù)據(jù)融合中將起到越來越重要的作用，這也是未來毫米波雷達(dá)在無人機領(lǐng)域應(yīng)用方面核心競爭力的關(guān)鍵所在。隨著無人機技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，通過視覺與非視覺傳感器的結(jié)合，將會進(jìn)一步提高無人機的穩(wěn)定性和安全性。

結(jié)論

毫米波雷達(dá)體積小、波束窄、大帶寬的特點使其在無人機方面應(yīng)用受到研究者青睞，隨著毫米波雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，在無人機避障系統(tǒng)和仿地飛行中的應(yīng)用會更加成熟，也會在更多實際應(yīng)用中展現(xiàn)優(yōu)勢。無人機載毫米波雷達(dá)通過與多種傳感器相結(jié)合提高安全性和穩(wěn)定性也是未來的發(fā)展趨勢，希望本文能為毫米波雷達(dá)在無人機領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供一些參考。