毫米波雷达在无人机领域的应用及展望

范超男，李士心/ 天津职业技术师范大学电子工程学院，天津市，300222

随着科学技术的迅速发展，无人机在复杂任务中应用的更为广泛。毫米波雷达的强抗干扰能力、高多普勒分辨率、高引导精度等优势使其广泛应用在无人机领域。本文结合无人机的实际应用需求，对毫米波雷达的特点及其在无人机领域的应用进行介绍，通过分析毫米波雷达在无人机领域的应用现状，剖析了毫米波雷达在无人机领域应用上存在的不足，展望了未来无人机载毫米波雷达的研究方向与热点。希望本文可为毫米波雷达在无人机领域的应用提供参考。

无人飞行器(Unmanned Aerial Vehicles, UAV)简称为无人机，是指机上无人操控驾驶，由无线电遥控或已编译程序控制，自身具有导航和动力机制的飞行器。无人机不用提供飞行员的使用空间，将空间最大化的利用在安装程序设备上，同时无人机还具有尺寸小、重量轻、机动性高、适应性强等特点。这些特点使无人机能够在复杂环境下完成特殊任务，目前无人机已广泛地应用在各领域。

毫米波(Millimeter-Wave，MMW)，是指长度在1～10mm的电磁波，对应的频率范围为30～300GHz。毫米波位于微波与远红外波相交叠的波长范围，所以毫米波兼有这两种波谱的优点，同时也有自己独特的性质。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。毫米波雷达是毫米波最广泛的一项应用。

毫米波雷达系统是发射信号按雷达计算机规定的速率通过双工器输出，信号输入到接收机经变频处理和采样后，再经由数字脉冲压缩系统处理，把信号记录在RAID系统的同时也输入到阵列处理器上进行综合处理。毫米波的带宽范围选择比较广泛，在应用上更加具有优势。主要优势有：(1)毫米波波长短的特点可以得到窄的波束宽度和高的天线增益，小天线口径、窄波束易于引导精度、检测小目标。(2)毫米波雷达大带宽的特性能减少干扰、克服相互干扰。(3)毫米波雷达的高多普勒频率的特点易于进行精确地目标跟踪和识别。(4)毫米波雷达可以直接获得测量距离与速度信息。一般民用毫米波雷达的频率是24GHz、60GHz、77GHz、79GHz和120GHz，无人机中常用的是77GHz及频率更高的毫米波雷达，最早使用的是24GHz毫米波雷达， 24GHz毫米波雷达因为波长接近10mm，因此也算是毫米波频率段。毫米波雷达最先被应用在汽车上，随着技术的发展，应用范围逐步扩大，在无人机的应用上也趋于普遍。毫米波雷达在无人机领域的应用环境更为复杂，因为无人机与汽车相比，虽然两者都是高速移动的，但是汽车有行驶车道，无人机行驶路线结构多样。毫米波雷达在无人机领域的主要应用有两类，一类是应用在无人机的避障系统中，另一类是目前应用市场最为广泛的植保无人机的仿地飞行。

本文将从毫米波雷达的特点出发，对现有的毫米波雷达在无人机领域的应用进行分类讨论，并对特点和应用范围进行分析总结，最后对毫米波雷达在无人机领域应用的问题难点和发展趋势加以探讨。

毫米波雷达在无人机避障系统中的应用

在无人机飞行系统的研究中，避障系统是无人机能否安全完成任务的保障。常见的避障系统中感知障碍物的传感器包括视觉、超声波、红外、雷达等，其中，毫米波雷达最具潜力。毫米波雷达最早用于军用飞机上，随着技术的发展，毫米波雷达在小型无人机的应用中也逐渐广泛。毫米波雷达通过发射雷达波并检测接受回波来得到障碍物目标的位置数据。

自20世纪60年代，各国军队在军事战争中开始投入无人机，但受环境影响无人机的性能不能充分满足作战中的精准需求，到1990年美国陆军提出将雷达应用在无人机避障系统上，由于科学技术的发展以及低空领域的开放，无人机的民用化也逐渐发展。随着无人机毫米波避障雷达的发展，频域的范围也可以达到W波段。

1996年，美国的霍尼韦尔公司研制出了一种35GHz的毫米波防撞雷达，能完成基本的检测任务。20世纪80年代，德国AEG公司采用脉冲调制方式根研制了60GHz的机载避障雷达，脉冲功率3W，探测的距离范围在600m内，在复杂环境下的的检测范围也能达到200m。2000年，加拿大Amphitech公司研制的Oasys直升机毫米波避障雷达系统通过发射35GHz的脉冲信号来检测障碍物信息并反馈实施障碍物警告，检测范围达到了2000m。系统能精准的进行障碍物定位和距离估计，在天气环境复杂的情况下也能检测到障碍物，低空飞行的安全性有了极大提高，这是第一次避障系统投入民用。

我国的毫米波雷达在无人机避障系统的中的应用发展还不够完善，但研究学者近年来在努力的进行研究试验。南京理工大学的葛贵勋设计了一种基于FPGA的毫米波雷达避障系统，对无人机的飞行安全提供了保障；山东电力科学研究院的刘俍通过利用毫米波宽带线性调频技术来达到对小目标的分辨探测，研制了无人机毫米波雷达避障系统，并在测试试验中验证了系统的有效性。国网山东电力科学研究院的李荣分析了无人机在国网线路检测时的缺陷，提出了一种双CPU主从搭配的毫米波避障技术，最大程度保证回波信号的运算处理，从负责人机交互与上位机通信，保证数据利用效率，在无人机进行电路巡检时能精确定位并准确的测量距离。哈尔滨工业大学的于寿鹏提出了一种基于IWR1642毫米波雷达传感器的避障系统，用77GHz线性调频，通过内部集成的ADC，DSP和ARM实现数据采集、信号处理、系统控制功能来实现信息提取，通过实验证明能有效地完成无人机的前向障碍检测。

2016年11月8日在美国无人机交通管制峰会上Aerotenna团队采用基于雷达技术的避障方案获得了无人机避障比赛的冠军。Aerotenna的避障方案采用以雷达技术为基础的360°毫米波雷达，飞控系统采用基于FPGA技术的OcPoC飞控，同时搭载雷达高度计作为室内定高将，雷达做成一圈电子扫描构成360°的全向避障模块。上述技术组合以最快的飞行和躲避速度，顺利通过了复杂场景下的障碍物躲避，该模块150g左右，成本在千元左右，将其挂在无人机的上方或下方，利用内部的电扫描雷达系统检测周围环境进行避障。虽然我国在无人机搭载毫米波雷达避障系统上研究较晚，但也取得了不错的成果。

毫米波雷达在无人机仿地飞行中的应用

目前，毫米波雷达在无人机市场最大的应用是植保无人机的定高，即通过无人机上的毫米波雷达高度计探测地面与飞机的相对高度。毫米波雷达利用发射波与回波之间的频率差、时间差来计算无人机与地面的高度距离和飞行速度等目标信息。

无人机在作物上方固定的高度飞行，无论地面和植被是否起伏，这个即称为仿地飞行。这种应用有很多的解决方案，比如超声波、激光、红外、双目视觉等等。但是由于植保环境大多很差，有较大的灰尘，还有水雾，超声波和基于光学的雷达都会受到很大干扰。最初植保无人机依靠GPS、超声波和气压计来实现高度测量，但精度和抗干扰性能都表现较差。而毫米波雷达不受光线、天气环境影响，能穿透尘埃水雾、作用距离大、抗电磁干扰、表现稳定等诸多优势使得毫米波雷达在无人机的仿地飞行中应用的最为广泛。

搭载毫米波雷达的植保无人机在美国、日本的仿地飞行应用中研究较早，技术也排在全球前列。我国虽然起步较晚，但植保无人机的毫米波雷达研究近年来也有了的迅猛的发展，主要体现在商用植保无人机上。瓦屋科技公司在 2016年推出的搭载毫米波雷达的w型植保无人机飞行稳定，喷洒系统雾化效果好，穿透能力强，专门用于果树植保飞防领域，获得了很好的口碑。极飞科技公司的P系列植保无人机，利用毫米波雷达与兼容AI管理和高程度模块化的控制系统保证了无人机的精确性和稳定性，于2018年获得了德国红点设计大奖，在世界范围内得到了认可。

问题与展望

通过分析国内外毫米波雷达在无人机领域的应用现状，总体上可以看出，毫米波技术日趋成熟，但在无人机领域的实际应用中还存在诸多问题。我国的毫米波雷达技术才刚刚起步，由于技术、性能等多方面因素限制，毫米波雷达在无人机领域还处在初级应用阶段，毫米波雷达角分辨率低、功率低、损耗较大、工艺要求较高等技术方面的缺陷还没有取得突破，同时搭载毫米波雷达的无人机研发难度较高，射频设计方法、制造流程、天线结构的优化、发射效率和带宽的处理等等技术方面都是不小的挑战。这些技术缺陷会影响无人机飞行控制系统的稳定性，存在一定安全威胁。而搭载毫米波雷达的无人机随着技术的成熟会被用在更多任务中，特别是各种训练演习,植保任务等，更加考验毫米波雷达在无人机飞行控制系统中的稳定性。

毫米波技术的快速发展决定了毫米波雷达在未来无人机领域方面的应用会更加广泛。随着国内毫米波雷达技术的进步，毫米波雷达的价格也越来越便宜，由最初三万左右降到千元的范围内，在民用无人机发展中虽然还是受到一定限制，但当未来搭载毫米波雷达的无人机产量逐渐上升时，毫米波雷达的成本也会随之下降到一个民用更能够接受的程度。展望未来搭载毫米波雷达的无人机的研究方向和研究热点将集中在如下两方面。

(1)毫米波雷达一般采用高增益的窄波束天线，为了实现更大范围的波束扫描，可以利用多波束天线阵来使毫米波雷达得到更好的扫描效果。天线在仰角覆盖范围内同时形成多个仰角不同且部分重叠的独立波束的三坐标雷达，通过比较回波信号幅度求出目标仰角从而更准确的得出与目标间的距离。多波束毫米波雷达可以提升无人机通讯的信噪比和波束覆盖范围，将在未来搭载毫米波雷达无人机的研究中发挥更大的优势。

(2)采用多个传感器相融合的无人机控制系统将成为未来的趋势，例如将高分辨率的微波雷达与体积小的毫米波雷达集成为一体，互相取长补短,可以为无人机创造更大的优势。多个传感器数据融合的核心关键还是在于采用合适的融合算法，作为一个新兴领域，神经网络和人工智能等新技术在传感器数据融合中将起到越来越重要的作用，这也是未来毫米波雷达在无人机领域应用方面核心竞争力的关键所在。随着无人机技术的进一步发展，通过视觉与非视觉传感器的结合，将会进一步提高无人机的稳定性和安全性。

结论

毫米波雷达体积小、波束窄、大带宽的特点使其在无人机方面应用受到研究者青睐，随着毫米波雷达技术的发展，在无人机避障系统和仿地飞行中的应用会更加成熟，也会在更多实际应用中展现优势。无人机载毫米波雷达通过与多种传感器相结合提高安全性和稳定性也是未来的发展趋势，希望本文能为毫米波雷达在无人机领域的应用研究提供一些参考。