在過去十年中，無人駕駛飛行器和系統(tǒng)（UAV/UASs）（也稱為無人機）已廣受歡迎，并在商業(yè)、消費者和政府市場中引起了極大的興趣。過去主要以軍事為重點的應用程序現(xiàn)在在全球有400多家公司從事無人機技術的開發(fā)，并為商用無人機的新時代提供用例。擁有一個可以在沒有太多人類參與的情況下執(zhí)行關鍵任務和關鍵業(yè)務任務的飛行物體的前提，為智能自動化和生產(chǎn)力領域提供了一個關鍵時刻。美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）和其他機構的規(guī)定，盡管他們的意圖是積極的，但限制了這些無人機的大規(guī)模應用。此外，日益激烈的競爭甚至在市場站穩(wěn)腳跟之前就已經(jīng)導致商品化。本文討論了射頻和微波技術的創(chuàng)新如何提供技術理由，以緩解監(jiān)管障礙，并幫助無人機制造商區(qū)分其解決方案，從而在市場上取得更好的成功。

介紹

隨著工業(yè)機器人、自動駕駛、新型推進技術和節(jié)能系統(tǒng)的出現(xiàn)，向無人機的過渡是自然而然的演變。無人駕駛飛行物體可以被編程來執(zhí)行對人類來說太危險、耗時或困難的任務，這是邁向更加自動化和生產(chǎn)力世界的巨大技術飛躍。無人機/UAS的概念并不算太新，自從有人駕駛飛機投入大量使用以來，它就以某種形式或形式使用。

不幸的是，我們的材料科學、推進、電源和電池、傳感器和軟件技術能力的限制限制了無人機在非常特定的行業(yè)和應用中的使用。傳統(tǒng)上，只有大型軍隊才能證明在人類操作太危險的環(huán)境中開發(fā)和使用無人機執(zhí)行情報、偵察和監(jiān)視任務的成本是合理的。即使在今天，我們中的許多人也將無人機與我們經(jīng)常在新聞中聽到的軍事任務聯(lián)系起來。

或者，低成本、裸露的無人機在用于娛樂目的的愛好者和業(yè)余愛好者中越來越受歡迎。無人機尚未廣泛用于商業(yè)應用，但隨著行業(yè)在組件技術和計算軟件方面取得長足進步，這種情況正在發(fā)生變化。

市場增長、細分市場、應用

預計到2022年，無人機市場將增長到約210億美元。如今，絕大多數(shù)市場（約82%）都集中在軍事應用上。預計到 2021 年，商用無人機的收入將達到約 25 億美元，同比增長率為 19%。

商業(yè)和工業(yè)無人機市場有廣泛的用例。無人機正在探索用于各種應用，例如精準農(nóng)業(yè)（作物噴灑）、地形和環(huán)境監(jiān)測、基礎設施監(jiān)測（橋梁和水壩）、公共安全監(jiān)控、商業(yè)貨運、邊境管制以及石油和天然氣管道監(jiān)測，以及許多其他應用。每個月，數(shù)十家新公司都在推出使用無人機技術解決業(yè)務問題的產(chǎn)品和服務。簡而言之，商用無人機應用的前景幾乎是無限的。

無人機/無人機行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

盡管無人機市場正變得越來越受歡迎，多家公司都在探索各種用例（例如，亞馬遜和Alphabet的谷歌），但該行業(yè)面臨著限制其增長的挑戰(zhàn)。

克服無人機和系統(tǒng)市場障礙的技術解決方案

美國聯(lián)邦航空局有嚴格的規(guī)定，限制在公共空域使用無人機。根據(jù)2015年的一項裁決，重量小于55磅的無人機可以在白天和操作員的視線范圍內(nèi)運行。換句話說，這些無人機不允許完全自主運行。這些 FAA 法規(guī)是出于安全和安保原因而制定的。從政府的角度來看，大多數(shù)沒有配備可靠和準確傳感器的無人機構成的風險太高，無法在開放的公共場所運行。在某些情況下，允許例外（例如，在大型開放農(nóng)業(yè)地區(qū)），但在大多數(shù)情況下，由于傳感器技術有限和未經(jīng)證實的傳感器可靠性，F(xiàn)AA出于安全和安保原因采取了更保守的立場。

競爭威脅和商品化

除了監(jiān)管障礙外，無人機市場的競爭也越來越激烈，這造成了價格壓力。在無人機有吸引力的增長潛力和酷炫因素的吸引下，全球已經(jīng)有400多家公司參與了某種形式的無人機相關開發(fā)。順便說一下，這些公司中的大多數(shù)的重點是區(qū)分他們的硬件，而不是強調(diào)他們的無人機可能實現(xiàn)的增值服務。

射頻和微波專業(yè)知識有限

為了實現(xiàn)它們的廣泛使用，商用和消費級無人機必須配備導航傳感器，以幫助它們以安全可靠的方式自主運行。正如在汽車和工業(yè)設備市場中觀察到的那樣，許多這些無線傳感器使用射頻和微波技術。然而，今天大多數(shù)開發(fā)無人機的商業(yè)公司都是初創(chuàng)企業(yè)，在射頻和微波設計方面的專業(yè)知識有限。即使是具有一定射頻經(jīng)驗的成熟工業(yè)原始設備制造商 （OEM） 也很難為快速變化的無人機市場快速評估、設計和制造雷達傳感器解決方案。

缺乏射頻專業(yè)知識和現(xiàn)成的雷達解決方案給行業(yè)造成了惡性循環(huán)。無人機市場無法提供可靠的傳感器來實現(xiàn)完全自主操作，這反過來又阻止了政府機構放松目前限制自主無人機操作的法規(guī)。

雷達解決方案及其多功能性

在ADI公司，我們相信無人機制造商有機會通過采用射頻、微波和毫米波技術來影響管理無人機操作的監(jiān)管政策，這些技術將使用經(jīng)過驗證的傳感器技術實現(xiàn)無人機的安全導航。一個例子是部署 24 GHz 雷達，鑒于它已被歸類為全球公認的工業(yè)、科學和醫(yī)療 （ISM） 頻段，這可能是展示安全導航多個用例的最基本和最通用的解決方案之一。

24 GHz ISM波段雷達可以在世界任何地方使用，無需調(diào)節(jié)，用于自動防撞系統(tǒng)和無線電高度計等功能。同一雷達波段還可用于檢測和跟蹤多個不同的物體，并測量無人機在地面上飛行的高度——這是無人機安全操作的兩個最基本特征。

應該注意的是，似乎有一個普遍的誤解，即77 GHz雷達可以用來代替24 GHz ISM雷達。根據(jù)今天的法規(guī)，77 GHz頻段僅用于機動車輛，不包括UAV / UAS。從技術上講，77 GHz雷達確實提供了更高的帶寬以提高分辨率，但根據(jù)今天的法規(guī)，它不能用于無人機應用。

通過證明他們的解決方案在技術上能夠自主運行，制造商將能夠影響現(xiàn)有的法規(guī)，而不是等待監(jiān)管機構定義行業(yè)應該如何運作。

要達到這一點，無人機制造商需要采取三個步驟：

對雷達及其各種模式有基本的了解

了解完整雷達解決方案所需的射頻信號鏈組件

采用提供完整硬件設置和軟件算法的雷達解決方案，使其能夠更快地進入市場

以下各節(jié)概述了這些步驟，并分享了一個潛在的解決方案，可以幫助無人機制造商采用 24 GHz 雷達進行防撞和無線電高度計應用。

了解雷達和各種模式的基礎知識

雷達傳感器通常用于汽車和工業(yè)市場，以檢測、測量和跟蹤物體，例如盲點檢測和汽車駕駛員輔助系統(tǒng) （ADAS）。與光學/視覺或超聲波傳感器相比，雷達傳感器能夠在非常困難的環(huán)境條件下（包括灰塵、煙霧、雪、霧或光線不足）在更長的距離和更寬的視野內(nèi)準確檢測和測量物體。

典型的射頻/微波雷達可以在各種模式下使用，具體取決于需要檢測和跟蹤的內(nèi)容。

FMCW 雷達模式

在調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）模式下，雷達測量靜止目標的距離。通過調(diào)制頻率波（也稱為FMCW斜坡或線性調(diào)頻），雷達可以測量反射波的響應，從而得出目標物體的范圍、速度和角分辨率。

圖1顯示了雷達發(fā)射的FMCW斜坡或線性調(diào)頻產(chǎn)生，并使用一組重要的雷達方程來定義雷達傳感器設計信息。

圖1.FMCW 雷達概念。

距離分辨率取決于發(fā)射器載波掃描帶寬;發(fā)射器掃描帶寬越高，雷達傳感器的距離速度就越快

速度分辨率取決于停留時間和載波頻率;載波頻率或停留時間越高，速度分辨率越好

角分辨率取決于載波頻率;載波頻率越高，角分辨率越好

與測量單個點的基于激光的檢測或僅捕獲相機視圖中的2D圖像的基于相機的檢測相比，F(xiàn)MCW雷達提供了測量目標反射信息的連續(xù)固有平均。通過測量物體的速度、角度和從傳感器到目標物體的幾百米的距離，這提供了寬闊的 3D 視野。

距離多普勒模式

在距離多普勒模式下，可以分析目標的距離和速度。距離多普勒模式是最強大的工作模式之一，因為它通過評估二維傅里葉變換同時處理多個發(fā)射斜坡或線性調(diào)頻。處理后的距離多普勒數(shù)據(jù)顯示在地圖中，該地圖允許分離具有不同速度的目標，即使它們與傳感器的距離相同。這對于區(qū)分高速和不同方向移動的多個目標很有用;例如，解決汽車沿相反方向行駛或在超車操作期間的復雜交通場景。

數(shù)字波束成形 （DBF） 模式

在數(shù)字波束成形（DBF）模式下，將顯示與目標的距離和角度。來自四個接收通道的接收信號用于估計目標的角度。顯示屏顯示 xy 平面中目標的空間分布。在DBF模式下，系統(tǒng)的配置方式與FMCW模式相同，但對IF下變頻信號的處理方式不同。計算范圍后，通過評估四個接收通道之間的相位差來計算目標的角度信息。在DBF模式下，需要雷達前端系統(tǒng)校準，以消除接收通道之間不必要的確定性相位變化。ADI公司的雷達演示（Demorad）系統(tǒng)附帶在GUI運行時加載的工廠校準數(shù)據(jù)，然后在評估傳感器的測量數(shù)據(jù)之前對采樣的IF信號進行校正。

ADI公司的24 GHz多通道雷達信號鏈

24 GHz 雷達因其高精度、低功耗要求和小尺寸而廣泛用于商業(yè)和工業(yè)應用。這些特性也使24 GHz雷達非常適合大多數(shù)希望降低有效載荷和功率要求的商用和消費級無人機制造商。

圖2顯示了ADI公司的完整多通道雷達信號鏈。

圖2.ADI公司的24 GHz多通道雷達解決方案。

ADI公司提供完整的比特到天線雷達解決方案，使工程師能夠快速開始開發(fā)其應用。使用該套件，設計人員不必單獨選擇多個不同的RF、微波和基帶組件，然后為其軟件算法編寫代碼。相反，使用即插即用套件，即使是非RF設計人員也可以在幾分鐘內(nèi)開始雷達設計。

24 GHz、多通道雷達系統(tǒng)性能優(yōu)勢

在構建雷達傳感器時，接收器靈敏度的每分貝提高都會影響檢測范圍。目前市場上的大多數(shù)解決方案主要側重于降低成本，從而權衡相位噪聲性能并限制通道數(shù)量。這會降低接收器的整體信噪比 （SNR），從而限制了在存在較大物體時對較小物體或目標的檢測。在實際雷達應用中，存在繁忙或雜亂的目標場景，這些場景會累積增加系統(tǒng)相位噪聲并使雷達接收器脫敏。較高的系統(tǒng)噪聲會掩蓋或隱藏小目標并阻止物體檢測，這可能會導致傳感器安全問題，例如，檢測可能被建筑物外墻掩蓋的狹窄樹枝。大多數(shù)單通道、單芯片、低成本解決方案無法提供實現(xiàn)這種區(qū)分所需的性能。

利用ADI公司的24 GHz多通道平臺，無人機制造商可以：

利用FMCW雷達以約60厘米的分辨率檢測最遠200米外物體的距離和速度（通過專用天線設計，分辨率可提高到15厘米）

基于天線陣列設計，實現(xiàn)方位角約120°、仰角約15°的視場;通過組合數(shù)字波束中使用的天線，雷達可以使用DBF計算更寬視野的角度信息

實現(xiàn)（與傳統(tǒng)的低成本、單通道雷達解決方案相比）

靈敏度至少提高 2×

檢測范圍提高 1.5×

更低的功耗

簡化非射頻工程師的雷達射頻設計

為了簡化設計人員和非RF專家的24 GHz雷達設計，ADI公司提供了完整的24 GHz雷達應用開發(fā)套件。該套件也稱為 Demorad，包括所有必要的硬件（包括天線設計）和軟件的完整參考設計。

24 GHz雷達演示系統(tǒng)是一種新穎的微波雷達評估平臺解決方案，具有開箱即用的軟件示例，可在幾分鐘內(nèi)輕松啟動雷達傳感器。Demorad支持快速產(chǎn)品原型設計，旨在研究雷達和開發(fā)雷達傳感器產(chǎn)品的研發(fā)興趣，這些產(chǎn)品可以測量實時信息，如目標/物體的存在，運動，角位置，速度和傳感器的范圍。

該系統(tǒng)硬件解決方案包括射頻天線和完整的射頻至基帶信號鏈（包括DSP），并通過易于使用的圖形用戶界面（GUI）軟件和雷達算法軟件快速連接到筆記本電腦/PC。

使用該套件，用戶可以在幾分鐘內(nèi)插入裝有軟件的計算機，并啟用 2D/3D 雷達 FFT、CFAR 和分類算法，以制作完整雷達的原型，并更快地將具有功能雷達的新型無人機推向市場。

Demorad帶有完整的GUI和DSP雷達支持功能庫。

demorad中的雷達系統(tǒng)信號鏈包括基本的軟件算法，使設計人員無需編碼即可開始使用。使用這些內(nèi)置的軟件算法，工程師可以快速開始使用雷達從主機PC檢測和分類目標。

開發(fā)人員可以編輯現(xiàn)有軟件代碼，以專門檢測和分類其應用程序的對象。Demorad 為有或沒有射頻設計經(jīng)驗的公司提供了更高水平的設計靈活性，以快速開發(fā)無人機安全導航的應用程序。

總結

UAV/UAS市場正在快速增長，并為許多新的商業(yè)應用提供了巨大的潛力。但要使這一愿景成為現(xiàn)實，無人機制造商需要通過采用射頻、微波和毫米波傳感器來引領行業(yè)，以證明無人機可以安全地自主操作。此外，傳感器技術的格局正在迅速變化，LiDAR（光探測和測距）、ToF（飛行時間）和超聲波等新技術也在興起。無人機制造商應繼續(xù)關注這些較新的解決方案，以便能夠?qū)⒆钚录夹g用于其無人機。

在評估這些技術時，雷達性能和多功能性應該是他們的關鍵標準之一，并且不僅僅是硬件成本。

審核編輯：郭婷