毫米波雷達在無人機領域的應用及展望

范超男，李士心/ 天津職業技術師范大學電子工程學院，天津市，300222

隨著科學技術的迅速發展，無人機在復雜任務中應用的更為廣泛。毫米波雷達的強抗干擾能力、高多普勒分辨率、高引導精度等優勢使其廣泛應用在無人機領域。本文結合無人機的實際應用需求，對毫米波雷達的特點及其在無人機領域的應用進行介紹，通過分析毫米波雷達在無人機領域的應用現狀，剖析了毫米波雷達在無人機領域應用上存在的不足，展望了未來無人機載毫米波雷達的研究方向與熱點。希望本文可為毫米波雷達在無人機領域的應用提供參考。

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備上，同時無人機還具有尺寸小、重量輕、機動性高、適應性強等特點。這些特點使無人機能夠在復雜環境下完成特殊任務，目前無人機已廣泛地應用在各領域。

毫米波(Millimeter-Wave，MMW)，是指長度在1～10mm的電磁波，對應的頻率范圍為30～300GHz。毫米波位于微波與遠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點，同時也有自己獨特的性質。毫米波的理論和技術分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發展。毫米波雷達是毫米波最廣泛的一項應用。

毫米波雷達系統是發射信號按雷達計算機規定的速率通過雙工器輸出，信號輸入到接收機經變頻處理和采樣后，再經由數字脈沖壓縮系統處理，把信號記錄在RAID系統的同時也輸入到陣列處理器上進行綜合處理。毫米波的帶寬范圍選擇比較廣泛，在應用上更加具有優勢。主要優勢有：(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、窄波束易于引導精度、檢測小目標。(2)毫米波雷達大帶寬的特性能減少干擾、克服相互干擾。(3)毫米波雷達的高多普勒頻率的特點易于進行精確地目標跟蹤和識別。(4)毫米波雷達可以直接獲得測量距離與速度信息。一般民用毫米波雷達的頻率是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，最早使用的是24GHz毫米波雷達， 24GHz毫米波雷達因為波長接近10mm，因此也算是毫米波頻率段。毫米波雷達最先被應用在汽車上，隨著技術的發展，應用范圍逐步擴大，在無人機的應用上也趨于普遍。毫米波雷達在無人機領域的應用環境更為復雜，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，無人機行駛路線結構多樣。毫米波雷達在無人機領域的主要應用有兩類，一類是應用在無人機的避障系統中，另一類是目前應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的特點出發，對現有的毫米波雷達在無人機領域的應用進行分類討論，并對特點和應用范圍進行分析總結，最后對毫米波雷達在無人機領域應用的問題難點和發展趨勢加以探討。

毫米波雷達在無人機避障系統中的應用

在無人機飛行系統的研究中，避障系統是無人機能否安全完成任務的保障。常見的避障系統中感知障礙物的傳感器包括視覺、超聲波、紅外、雷達等，其中，毫米波雷達最具潛力。毫米波雷達最早用于軍用飛機上，隨著技術的發展，毫米波雷達在小型無人機的應用中也逐漸廣泛。毫米波雷達通過發射雷達波并檢測接受回波來得到障礙物目標的位置數據。

自20世紀60年代，各國軍隊在軍事戰爭中開始投入無人機，但受環境影響無人機的性能不能充分滿足作戰中的精準需求，到1990年美國陸軍提出將雷達應用在無人機避障系統上，由于科學技術的發展以及低空領域的開放，無人機的民用化也逐漸發展。隨著無人機毫米波避障雷達的發展，頻域的范圍也可以達到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，能完成基本的檢測任務。20世紀80年代，德國AEG公司采用脈沖調制方式根研制了60GHz的機載避障雷達，脈沖功率3W，探測的距離范圍在600m內，在復雜環境下的的檢測范圍也能達到200m。2000年，加拿大Amphitech公司研制的Oasys直升機毫米波避障雷達系統通過發射35GHz的脈沖信號來檢測障礙物信息并反饋實施障礙物警告，檢測范圍達到了2000m。系統能精準的進行障礙物定位和距離估計，在天氣環境復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投入民用。

我國的毫米波雷達在無人機避障系統的中的應用發展還不夠完善，但研究學者近年來在努力的進行研究試驗。南京理工大學的葛貴勛設計了一種基于FPGA的毫米波雷達避障系統，對無人機的飛行安全提供了保障；山東電力科學研究院的劉俍通過利用毫米波寬帶線性調頻技術來達到對小目標的分辨探測，研制了無人機毫米波雷達避障系統，并在測試試驗中驗證了系統的有效性。國網山東電力科學研究院的李榮分析了無人機在國網線路檢測時的缺陷，提出了一種雙CPU主從搭配的毫米波避障技術，最大程度保證回波信號的運算處理，從負責人機交互與上位機通信，保證數據利用效率，在無人機進行電路巡檢時能精確定位并準確的測量距離。哈爾濱工業大學的于壽鵬提出了一種基于IWR1642毫米波雷達傳感器的避障系統，用77GHz線性調頻，通過內部集成的ADC，DSP和ARM實現數據采集、信號處理、系統控制功能來實現信息提取，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團隊采用基于雷達技術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技術為基礎的360°毫米波雷達，飛控系統采用基于FPGA技術的OcPoC飛控，同時搭載雷達高度計作為室內定高將，雷達做成一圈電子掃描構成360°的全向避障模塊。上述技術組合以最快的飛行和躲避速度，順利通過了復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，利用內部的電掃描雷達系統檢測周圍環境進行避障。雖然我國在無人機搭載毫米波雷達避障系統上研究較晚，但也取得了不錯的成果。

毫米波雷達在無人機仿地飛行中的應用

目前，毫米波雷達在無人機市場最大的應用是植保無人機的定高，即通過無人機上的毫米波雷達高度計探測地面與飛機的相對高度。毫米波雷達利用發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。但是由于植保環境大多很差，有較大的灰塵，還有水霧，超聲波和基于光學的雷達都會受到很大干擾。最初植保無人機依靠GPS、超聲波和氣壓計來實現高度測量，但精度和抗干擾性能都表現較差。而毫米波雷達不受光線、天氣環境影響，能穿透塵埃水霧、作用距離大、抗電磁干擾、表現穩定等諸多優勢使得毫米波雷達在無人機的仿地飛行中應用的最為廣泛。

搭載毫米波雷達的植保無人機在美國、日本的仿地飛行應用中研究較早，技術也排在全球前列。我國雖然起步較晚，但植保無人機的毫米波雷達研究近年來也有了的迅猛的發展，主要體現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的w型植保無人機飛行穩定，噴灑系統霧化效果好，穿透能力強，專門用于果樹植保飛防領域，獲得了很好的口碑。極飛科技公司的P系列植保無人機，利用毫米波雷達與兼容AI管理和高程度模塊化的控制系統保證了無人機的精確性和穩定性，于2018年獲得了德國紅點設計大獎，在世界范圍內得到了認可。

問題與展望

通過分析國內外毫米波雷達在無人機領域的應用現狀，總體上可以看出，毫米波技術日趨成熟，但在無人機領域的實際應用中還存在諸多問題。我國的毫米波雷達技術才剛剛起步，由于技術、性能等多方面因素限制，毫米波雷達在無人機領域還處在初級應用階段，毫米波雷達角分辨率低、功率低、損耗較大、工藝要求較高等技術方面的缺陷還沒有取得突破，同時搭載毫米波雷達的無人機研發難度較高，射頻設計方法、制造流程、天線結構的優化、發射效率和帶寬的處理等等技術方面都是不小的挑戰。這些技術缺陷會影響無人機飛行控制系統的穩定性，存在一定安全威脅。而搭載毫米波雷達的無人機隨著技術的成熟會被用在更多任務中，特別是各種訓練演習,植保任務等，更加考驗毫米波雷達在無人機飛行控制系統中的穩定性。

毫米波技術的快速發展決定了毫米波雷達在未來無人機領域方面的應用會更加廣泛。隨著國內毫米波雷達技術的進步，毫米波雷達的價格也越來越便宜，由最初三萬左右降到千元的范圍內，在民用無人機發展中雖然還是受到一定限制，但當未來搭載毫米波雷達的無人機產量逐漸上升時，毫米波雷達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)毫米波雷達一般采用高增益的窄波束天線，為了實現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得到更好的掃描效果。天線在仰角覆蓋范圍內同時形成多個仰角不同且部分重疊的獨立波束的三坐標雷達，通過比較回波信號幅度求出目標仰角從而更準確的得出與目標間的距離。多波束毫米波雷達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無人機的研究中發揮更大的優勢。

(2)采用多個傳感器相融合的無人機控制系統將成為未來的趨勢，例如將高分辨率的微波雷達與體積小的毫米波雷達集成為一體，互相取長補短,可以為無人機創造更大的優勢。多個傳感器數據融合的核心關鍵還是在于采用合適的融合算法，作為一個新興領域，神經網絡和人工智能等新技術在傳感器數據融合中將起到越來越重要的作用，這也是未來毫米波雷達在無人機領域應用方面核心競爭力的關鍵所在。隨著無人機技術的進一步發展，通過視覺與非視覺傳感器的結合，將會進一步提高無人機的穩定性和安全性。

結論

毫米波雷達體積小、波束窄、大帶寬的特點使其在無人機方面應用受到研究者青睞，隨著毫米波雷達技術的發展，在無人機避障系統和仿地飛行中的應用會更加成熟，也會在更多實際應用中展現優勢。無人機載毫米波雷達通過與多種傳感器相結合提高安全性和穩定性也是未來的發展趨勢，希望本文能為毫米波雷達在無人機領域的應用研究提供一些參考。