毫米波無人直升機避障雷達系統研究

劉　俍，王萬國，魏傳虎，鄭天茹，李圓圓

（1.山東省電力公司電力科學研究院，濟南250002；2.山東魯能智能技術有限公司，濟南250000；3.南京理工大學，南京210094）

毫米波無人直升機避障雷達系統研究

劉俍1，2，王萬國1，2，魏傳虎1，2，鄭天茹1，李圓圓3

（1.山東省電力公司電力科學研究院，濟南250002；2.山東魯能智能技術有限公司，濟南250000；3.南京理工大學，南京210094）

由電力線所引起的無人直升機事故頻頻發生，因而確保無人機飛行安全一個很重要的方面就是對電力線的檢測。文章采用毫米波寬帶線性調頻技術實現了對高壓線小目標的探測分辨，研制了毫米波無人直升機避障雷達系統，解決了無人機低空巡線飛行的安全問題。通過實際掛飛試驗說明，該系統可靠有效，滿足裝備要求。

毫米波避障雷達系統；無人機巡線；小目標信號檢測

無人機電力線巡檢系統已應用了3D程控飛行技術，但無法緊急避讓預期外的障礙物，且如果在無人機飛行高度不高的情況下，也很可能與前方的交叉電力線相撞。目前，直升機防撞雷達技術已經有了一定的技術積累，自20世紀60年代，國外研制出了各種機載體制的障礙物探測、避障及障礙物預警設備[1]。毫米波避障雷達具有大帶寬、體積小、重量輕的特點，比較適合機載，毫米波的波長介于1～10mm[2]。國外幾種典型的毫米波防撞雷達為：法國達索公司研制的賽格（SAIGA）；20世紀80年代德國德律風根研制出的U頻段的防撞雷達；加拿大阿姆菲泰克公司于2000年研制出的Ka波段Oasys防撞雷達[3]。恒虛警檢測技術給檢測策略提供檢測閥值[4-6]。為了更好地對輸電線探測，也可以采用極化檢測技術[7-10]。雜波抑制也有助于電力線的檢測[11-13]。將毫米波避障雷達應用于無人機巡線系統，可更好地提高無人機巡線的效率和安全性，打開更廣闊的應用前景。

1 毫米波無人直升機避障雷達系統

毫米波無人直升機避障雷達系統構成見圖1。

圖1 毫米波無人直升機避障雷達系統構成Fig.1 M illimeter-wave anti-collision radar system on theunmanned aerialhelicopter

雷達系統采用毫米波寬帶線性調頻去斜率測距原理[14-19]，選取雷達參數為：雷達工作頻率為35GHz，帶寬400MHz。Ka波段的線性調頻信號由直接數字頻率合成（DDS）產生線性調頻信號后經頻譜搬移得到。隨后經過放大器進行功率放大，由發射天線將信號發射出去。接收天線接收目標反射延時的信號與發射信號進行去斜率處理得到中頻信號，再進行模數（AD）采樣，將信號轉化為數字信號。

數字信號的處理在FPGA上進行，信號處理模塊由模數轉換器（ADC）控制、數據緩存、FFT、非相參積累、恒虛警判決和數據傳輸等模塊構成。

信號處理模塊的功能如下：ADC控制、數據緩存模塊，主要完成對ADC采樣芯片的控制和數據讀取，緩存以便于數據的后續處理，這里使用的ADC芯片為12位的高性能的ADC9230，ADC9230采樣后輸出信號為差分信號，該模塊將差分信號變為單路信號；FFT對正交的復信號進行頻譜分析，其頻譜信息對應于距離信息，頻率點與距離單元一一對應，將頻率點乘以一個系數就可得到距離，傅立葉變換點數為2 048點；非相參積累是對信號脈沖進行按距離單元對應相加，由于目標信息的散射特征比較固定，而噪聲是隨機的，按距離相加后目標的信號幅度隨相加次數增強，噪聲強度卻是按功率增強，如果積累脈沖個數為M，目標信號的幅度增大M倍，噪聲的功率增大M倍，則信噪比將增大 倍；恒虛警判決模塊是對積累后的信號進行動態判決，以使虛警概率相對恒定，常用的恒虛警判決方法有單元平均、選大、取小等；數據傳輸是將恒虛警判決后的目標距離信息用串口傳輸出去。

1.1線性調頻波雷達測距原理

線性調頻信號是通過非線性相位調制或線性頻率調制（LFM）來獲得大時寬帶寬積的，又稱為chirp信號，這是一種研究最早、應用最廣的一種脈沖壓縮信號。采用這種信號的雷達可以同時獲得遠作用距離和高距離分辨率。[20-21]

脈沖線性調頻去斜率脈沖壓縮如圖2所示，圖2中，ft是發射機發射頻率，fr是從目標反射回來的回波頻率，τ是回波延時，fb是發射和接收信號之間的差拍頻率。

圖2 脈沖去斜率脈沖壓縮示意圖Fig.2 Schematic diagram of dechirp processing

設脈沖寬度為T，發射周期為Tm，信號帶寬為B，那么調制斜率μ=B/T。在第n個發射脈沖內的信號可表示為：

式（1）中：A為信號幅度；f0為發射信號載頻；t?=t-nTm；?t為隨機相位，相應的接收信號為

其中，Kr為回波的衰減因子?；祛l后的差頻信號為：

1.2相參積累和非相參積累仿真

分別對單個目標回波、16和32個相參積累和非相參積累進行了仿真分析。仿真參數設置：雷達發射信號載頻為35GHz，調頻時寬為200μs，信號帶寬為400MHz，采樣點數為2048點，采樣頻率為20MHz，回波信噪比SNR=-20 dB，仿真圖如圖3所示。

圖3 回波信號相參積累和非相參積累圖Fig.3 Coherent integration and non-coherent integration of echo signal

從圖3的仿真圖可看出，在低信噪比的情況下，單周期目標回波信號已經淹沒在強噪聲中，見圖3 a）；圖3 b）、c)分別為對接收信號作16個和32個脈沖非相參積累的結果，圖3 d）、f）和圖3 e）、g）分別為對接收信號作16個和32個脈沖相參積累的結果。經過脈沖積累后，目標被檢測出來，相參積累和非相參積累均可以提高目標回波信號信噪比。從積累時間上看，增加積累時間可以提高信噪比，作32個相參積累比作16個相參積累信噪比約提高3 dB左右。

2 測試試驗

1）靜態測試試驗。圖4為測試結果。系統工作頻率為35 GHz，線性調頻信號帶寬為400MHz，距離分辨率為0.4m，設備數據更新速率為10 Hz。測試環境中有高壓線、大樓和馬路，利用寬帶線性調頻的特性，使每一空間分辨率單元的雜波能量減小，提高信雜比，以致電力線這樣的細小目標也能檢測出來，能在距離方向分辨出2根平行相距很近輸電線纜。系統前端采用了低溫共燒陶瓷多層互聯設計技術，實現了毫米波系統的高密度組裝，即實現了系統的小型化。

2）外場掛飛試驗。整個試驗系統構成如圖5所示。毫米波避障雷達系統可以很好地探測到毫米級輸電線纜。測試中，避障系統探測數據可靠，能很好地適應機載的電磁環境和振動與沖擊環境。

3 結論

針對無人機電力線巡線系統在超低空飛行時的安全問題，研制了毫米波無人直升機避障雷達系統。該系統采用毫米波寬帶線性調頻技術實現了對高壓線小目標的探測，并把數據傳給飛控系統，使無人機的安全問題得到了保障。掛飛試驗表明，該方法可靠有效，對后續的研究和裝備具有很好的參考價值。

[1]王家秀.直升機載毫米波防撞系統技術研究[D].南京：南京理工大學，2011.

WANG JIANXIU.Study on techniques of helicopterborne m illimeter wave collision avoidance system[D]. Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2011.（in Chinese）

[2]鄭興林.毫米波汽車防撞雷達信號處理關鍵技術研究[D].長沙：國防科技大學，2007.

ZHENG XINGLIN.Study on signal processing key technology of millimeter wave automobile anti-collision radar system[D].Changsha：Graduate School of National University of Defense Technology，2007.（in Chinese）

[3]曹培勇.機載毫米波防撞雷達天線陣研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

CAO PEIYONG.Research on airbornemillimeter wave anti-collision radar antenna arrays[D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2009.（in Chinese）

[4]GANDHIPP，KASSAM SA.Analysis of CFAR Processors in nonhomogeneous background[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1988，24（4）：427-443.

[5]吳旖.雷達信號恒虛警檢測處理研究[D].南京：南京理工大學，2009.

WUYI.Study of CFAR on radar signal[D].Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2009.（in Chinese）

[6]張維.復雜雜波背景恒虛警檢測技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.

ZHANG WEI.Research on the techniques of radar constant false alarm rate detection under complex clutter[D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronauticsand Astronautics，2009.（in Chinese）

[7]GANDHIPP，KASSAM SA.Analysis of CFAR Processors In Nonhomogeneous Background[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1988，24（4）：427-445.

圖4 測試結果Fig.4 Experiment results

圖5 飛控系統與避障系統的通訊框圖Fig.5 Communication diagram of flightcontrolsystem and obstacleavoidance system

[8]MOONSOO PARK.M illimeter-wave polarimetric radarsensor for detection of power lines in strong clutter background[D].M ichigan，USA：University of M ichigan，2003.

[9]TOUZIR，LOPESA.Statistics of the stokes parameters and of the complex coherence parameters in one-look and multilook speckle fields[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，1996，GRS-34（2）：519-531.

[10]SARABANDIK.Power lines：radar measurements and detection algorithmfor polarimetric SARimages[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1994，30：632-643.

[11]ROHLING H.Radar CFAR Thresholding in clutter and multiple target situations[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1983，19（4）：608-621.

[12]MARCUM J.A Statistical theory of target detection by pulsed radarandmathematical[J].IRETransactionson Information Theory，1960，6（2）：59-267.

[13]SWERLING P.Probability of detection for fluctuating targets[J].IRE Transactions on Information Theory，1960，6 （2）：269-308.

[14]CAPUTIW J.Stretch：A time-transformation technique [J].IEEETransactionson AES，1971，7（2）：269-278.

[15]XING M，BAO Z，PEIB.Properties of high-resolution range profiles[J].Optical Engineering，2002，41（2）：403-504.

[16]COWELLD M J，FREEAR S.Separation of overlapping linear frequency modulated signals using the fractional fourier transform[J].IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，2010，57（10）：2324-2333.

[17]SU J，TAO H H，RAO X，etal.Coherently integrated cubic phase function formultiple LFM signals analysis[J]. Electronics Letters，2015，51（5）：411-413.

[18]EKER T，DEM IR S，HIZALA.Exploitation of linear frequencymodulated continuouswaveform for frequency diverse arrays[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation，2013，61（7）：3546-3553.

[19]WANGG，MUNOZ-FERRERAS JM，GU C，etal.Application of linear-frequency-modulated continuous-wave radars for tracking of vital signs[J].IEEE Transactions on M icrowave Theory&Techniques，2014，62（6）：1-13.

[20]李圓圓.毫米波避障雷達在無人機電力線巡檢中的應用研究[D].南京：南京理工大學，2014.

LIYUANYUAN.M illimeter-wave obstacle avoidance radarapplication in power line inspection ofunmanned aerial vehicle[D].Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2014.（in Chinese）

[21]葛貴勛.基于FPGA的機載毫米波防撞雷達信號處理技術研究[D].南京：南京理工大學，2013.

GE GUIXUN.Research on signal processing technology of airborne m illimeter-wave collision avoidance radar based on FPGA[D].Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2013.（in Chinese）

Research on Key Millieter-Wave Obstacle Avoidance Radar System of Unmanned Helicopter

LIU Lang1,2,WANGWanguo1,2,WEIChuanhu1,2,ZHENGTianru1,LIYuanyuan3

（1.Electric Power Research Institute,Shandong Power Company of State Grid,Jinan 250002,China; 2.Shandong Luneng Intelligent Technology Co.,Ltd.,Jinan 250000,China;3.NUST,Nanjing 210094,China）

To ensure the safety of helicopters,a lot of researches have been conducted inmillimeter-wave radar collision avoidance system.An importantand difficultpart in the radar system is to detect the high-voltage power linesas the power line itself is very difficult to be detected and lotsofhelicopter crash accidentsare caused by power lines.In the power line inspection system,obstacle avoidance is an urgentproblem needed to solvewhen the unmanned helicopter fliesat low alti?tudewhich threats the flying safety with complex background.Aiming at this problem in this paper,a high-voltage power line detection schemewas presented,usingmillimeter-wave(MMW)linear frequencymodulated(LFM)signal.Based on the theoreticalanalysis and the system simulation,the radar system ofobstacle detection was developed.The flight test re?sults showed that thismethod waseffective and reliable.

millimeter-wave(MMW)obstacleavoidance radar system;power line inspection;small targetdetection

TN958

A

1673-1522（2016）02-0143-04

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.02.009

2015-12-01；

2016-01-25

2014年國家電網發展基金資助項目（169）

劉俍（1984-），男，工程師，碩士。