克服无人机和系统市场障碍的技术解决方案

在过去十年中，无人驾驶飞行器和系统（UAV/UASs）（也称为无人机）已广受欢迎，并在商业、消费者和政府市场中引起了极大的兴趣。过去主要以军事为重点的应用程序现在在全球有400多家公司从事无人机技术的开发，并为商用无人机的新时代提供用例。拥有一个可以在没有太多人类参与的情况下执行关键任务和关键业务任务的飞行物体的前提，为智能自动化和生产力领域提供了一个关键时刻。美国联邦航空管理局（FAA）和其他机构的规定，尽管他们的意图是积极的，但限制了这些无人机的大规模应用。此外，日益激烈的竞争甚至在市场站稳脚跟之前就已经导致商品化。本文讨论了射频和微波技术的创新如何提供技术理由，以缓解监管障碍，并帮助无人机制造商区分其解决方案，从而在市场上取得更好的成功。

介绍

随着工业机器人、自动驾驶、新型推进技术和节能系统的出现，向无人机的过渡是自然而然的演变。无人驾驶飞行物体可以被编程来执行对人类来说太危险、耗时或困难的任务，这是迈向更加自动化和生产力世界的巨大技术飞跃。无人机/UAS的概念并不算太新，自从有人驾驶飞机投入大量使用以来，它就以某种形式或形式使用。

不幸的是，我们的材料科学、推进、电源和电池、传感器和软件技术能力的限制限制了无人机在非常特定的行业和应用中的使用。传统上，只有大型军队才能证明在人类操作太危险的环境中开发和使用无人机执行情报、侦察和监视任务的成本是合理的。即使在今天，我们中的许多人也将无人机与我们经常在新闻中听到的军事任务联系起来。

或者，低成本、裸露的无人机在用于娱乐目的的爱好者和业余爱好者中越来越受欢迎。无人机尚未广泛用于商业应用，但随着行业在组件技术和计算软件方面取得长足进步，这种情况正在发生变化。

市场增长、细分市场、应用

预计到2022年，无人机市场将增长到约210亿美元。如今，绝大多数市场（约82%）都集中在军事应用上。预计到 2021 年，商用无人机的收入将达到约 25 亿美元，同比增长率为 19%。

商业和工业无人机市场有广泛的用例。无人机正在探索用于各种应用，例如精准农业（作物喷洒）、地形和环境监测、基础设施监测（桥梁和水坝）、公共安全监控、商业货运、边境管制以及石油和天然气管道监测，以及许多其他应用。每个月，数十家新公司都在推出使用无人机技术解决业务问题的产品和服务。简而言之，商用无人机应用的前景几乎是无限的。

无人机/无人机行业面临的挑战

尽管无人机市场正变得越来越受欢迎，多家公司都在探索各种用例（例如，亚马逊和Alphabet的谷歌），但该行业面临着限制其增长的挑战。

克服无人机和系统市场障碍的技术解决方案

美国联邦航空局有严格的规定，限制在公共空域使用无人机。根据2015年的一项裁决，重量小于55磅的无人机可以在白天和操作员的视线范围内运行。换句话说，这些无人机不允许完全自主运行。这些 FAA 法规是出于安全和安保原因而制定的。从政府的角度来看，大多数没有配备可靠和准确传感器的无人机构成的风险太高，无法在开放的公共场所运行。在某些情况下，允许例外（例如，在大型开放农业地区），但在大多数情况下，由于传感器技术有限和未经证实的传感器可靠性，FAA出于安全和安保原因采取了更保守的立场。

竞争威胁和商品化

除了监管障碍外，无人机市场的竞争也越来越激烈，这造成了价格压力。在无人机有吸引力的增长潜力和酷炫因素的吸引下，全球已经有400多家公司参与了某种形式的无人机相关开发。顺便说一下，这些公司中的大多数的重点是区分他们的硬件，而不是强调他们的无人机可能实现的增值服务。

射频和微波专业知识有限

为了实现它们的广泛使用，商用和消费级无人机必须配备导航传感器，以帮助它们以安全可靠的方式自主运行。正如在汽车和工业设备市场中观察到的那样，许多这些无线传感器使用射频和微波技术。然而，今天大多数开发无人机的商业公司都是初创企业，在射频和微波设计方面的专业知识有限。即使是具有一定射频经验的成熟工业原始设备制造商 （OEM） 也很难为快速变化的无人机市场快速评估、设计和制造雷达传感器解决方案。

缺乏射频专业知识和现成的雷达解决方案给行业造成了恶性循环。无人机市场无法提供可靠的传感器来实现完全自主操作，这反过来又阻止了政府机构放松目前限制自主无人机操作的法规。

雷达解决方案及其多功能性

在ADI公司，我们相信无人机制造商有机会通过采用射频、微波和毫米波技术来影响管理无人机操作的监管政策，这些技术将使用经过验证的传感器技术实现无人机的安全导航。一个例子是部署 24 GHz 雷达，鉴于它已被归类为全球公认的工业、科学和医疗 （ISM） 频段，这可能是展示安全导航多个用例的最基本和最通用的解决方案之一。

24 GHz ISM波段雷达可以在世界任何地方使用，无需调节，用于自动防撞系统和无线电高度计等功能。同一雷达波段还可用于检测和跟踪多个不同的物体，并测量无人机在地面上飞行的高度——这是无人机安全操作的两个最基本特征。

应该注意的是，似乎有一个普遍的误解，即77 GHz雷达可以用来代替24 GHz ISM雷达。根据今天的法规，77 GHz频段仅用于机动车辆，不包括UAV / UAS。从技术上讲，77 GHz雷达确实提供了更高的带宽以提高分辨率，但根据今天的法规，它不能用于无人机应用。

通过证明他们的解决方案在技术上能够自主运行，制造商将能够影响现有的法规，而不是等待监管机构定义行业应该如何运作。

要达到这一点，无人机制造商需要采取三个步骤：

对雷达及其各种模式有基本的了解

了解完整雷达解决方案所需的射频信号链组件

采用提供完整硬件设置和软件算法的雷达解决方案，使其能够更快地进入市场

以下各节概述了这些步骤，并分享了一个潜在的解决方案，可以帮助无人机制造商采用 24 GHz 雷达进行防撞和无线电高度计应用。

了解雷达和各种模式的基础知识

雷达传感器通常用于汽车和工业市场，以检测、测量和跟踪物体，例如盲点检测和汽车驾驶员辅助系统 （ADAS）。与光学/视觉或超声波传感器相比，雷达传感器能够在非常困难的环境条件下（包括灰尘、烟雾、雪、雾或光线不足）在更长的距离和更宽的视野内准确检测和测量物体。

典型的射频/微波雷达可以在各种模式下使用，具体取决于需要检测和跟踪的内容。

FMCW 雷达模式

在调频连续波（FMCW）模式下，雷达测量静止目标的距离。通过调制频率波（也称为FMCW斜坡或线性调频），雷达可以测量反射波的响应，从而得出目标物体的范围、速度和角分辨率。

图1显示了雷达发射的FMCW斜坡或线性调频产生，并使用一组重要的雷达方程来定义雷达传感器设计信息。

图1.FMCW 雷达概念。

距离分辨率取决于发射器载波扫描带宽;发射器扫描带宽越高，雷达传感器的距离速度就越快

速度分辨率取决于停留时间和载波频率;载波频率或停留时间越高，速度分辨率越好

角分辨率取决于载波频率;载波频率越高，角分辨率越好

与测量单个点的基于激光的检测或仅捕获相机视图中的2D图像的基于相机的检测相比，FMCW雷达提供了测量目标反射信息的连续固有平均。通过测量物体的速度、角度和从传感器到目标物体的几百米的距离，这提供了宽阔的 3D 视野。

距离多普勒模式

在距离多普勒模式下，可以分析目标的距离和速度。距离多普勒模式是最强大的工作模式之一，因为它通过评估二维傅里叶变换同时处理多个发射斜坡或线性调频。处理后的距离多普勒数据显示在地图中，该地图允许分离具有不同速度的目标，即使它们与传感器的距离相同。这对于区分高速和不同方向移动的多个目标很有用;例如，解决汽车沿相反方向行驶或在超车操作期间的复杂交通场景。

数字波束成形 （DBF） 模式

在数字波束成形（DBF）模式下，将显示与目标的距离和角度。来自四个接收通道的接收信号用于估计目标的角度。显示屏显示 xy 平面中目标的空间分布。在DBF模式下，系统的配置方式与FMCW模式相同，但对IF下变频信号的处理方式不同。计算范围后，通过评估四个接收通道之间的相位差来计算目标的角度信息。在DBF模式下，需要雷达前端系统校准，以消除接收通道之间不必要的确定性相位变化。ADI公司的雷达演示（Demorad）系统附带在GUI运行时加载的工厂校准数据，然后在评估传感器的测量数据之前对采样的IF信号进行校正。

ADI公司的24 GHz多通道雷达信号链

24 GHz 雷达因其高精度、低功耗要求和小尺寸而广泛用于商业和工业应用。这些特性也使24 GHz雷达非常适合大多数希望降低有效载荷和功率要求的商用和消费级无人机制造商。

图2显示了ADI公司的完整多通道雷达信号链。

图2.ADI公司的24 GHz多通道雷达解决方案。

 

部分	描述	功能
ADF4159	13 GHz 小数 N 分频 FMCW 斜坡 PLL	斜坡发生器
ADF5901	ISM频段，2通道FMCW发射机	传输MMIC
ADF5904	ISM频段，4通道接收器	接收MMIC
ADAR7251	4通道、16位连续时间数据采集ADC	AFE
ADSP-BF70x	低功耗ADSP-BF70x系列Blackfin嵌入式DSP处理器，具有512 kB L2 SRAM和DDR2/LPDDR接口®	数字信号处理器

 

ADI公司提供完整的比特到天线雷达解决方案，使工程师能够快速开始开发其应用。使用该套件，设计人员不必单独选择多个不同的RF、微波和基带组件，然后为其软件算法编写代码。相反，使用即插即用套件，即使是非RF设计人员也可以在几分钟内开始雷达设计。

24 GHz、多通道雷达系统性能优势

在构建雷达传感器时，接收器灵敏度的每分贝提高都会影响检测范围。目前市场上的大多数解决方案主要侧重于降低成本，从而权衡相位噪声性能并限制通道数量。这会降低接收器的整体信噪比 （SNR），从而限制了在存在较大物体时对较小物体或目标的检测。在实际雷达应用中，存在繁忙或杂乱的目标场景，这些场景会累积增加系统相位噪声并使雷达接收器脱敏。较高的系统噪声会掩盖或隐藏小目标并阻止物体检测，这可能会导致传感器安全问题，例如，检测可能被建筑物外墙掩盖的狭窄树枝。大多数单通道、单芯片、低成本解决方案无法提供实现这种区分所需的性能。

利用ADI公司的24 GHz多通道平台，无人机制造商可以：

利用FMCW雷达以约60厘米的分辨率检测最远200米外物体的距离和速度（通过专用天线设计，分辨率可提高到15厘米）

基于天线阵列设计，实现方位角约120°、仰角约15°的视场;通过组合数字波束中使用的天线，雷达可以使用DBF计算更宽视野的角度信息

实现（与传统的低成本、单通道雷达解决方案相比）

灵敏度至少提高 2×

检测范围提高 1.5×

更低的功耗

简化非射频工程师的雷达射频设计

为了简化设计人员和非RF专家的24 GHz雷达设计，ADI公司提供了完整的24 GHz雷达应用开发套件。该套件也称为 Demorad，包括所有必要的硬件（包括天线设计）和软件的完整参考设计。

24 GHz雷达演示系统是一种新颖的微波雷达评估平台解决方案，具有开箱即用的软件示例，可在几分钟内轻松启动雷达传感器。Demorad支持快速产品原型设计，旨在研究雷达和开发雷达传感器产品的研发兴趣，这些产品可以测量实时信息，如目标/物体的存在，运动，角位置，速度和传感器的范围。

该系统硬件解决方案包括射频天线和完整的射频至基带信号链（包括DSP），并通过易于使用的图形用户界面（GUI）软件和雷达算法软件快速连接到笔记本电脑/PC。

使用该套件，用户可以在几分钟内插入装有软件的计算机，并启用 2D/3D 雷达 FFT、CFAR 和分类算法，以制作完整雷达的原型，并更快地将具有功能雷达的新型无人机推向市场。

Demorad带有完整的GUI和DSP雷达支持功能库。

demorad中的雷达系统信号链包括基本的软件算法，使设计人员无需编码即可开始使用。使用这些内置的软件算法，工程师可以快速开始使用雷达从主机PC检测和分类目标。

开发人员可以编辑现有软件代码，以专门检测和分类其应用程序的对象。Demorad 为有或没有射频设计经验的公司提供了更高水平的设计灵活性，以快速开发无人机安全导航的应用程序。

总结

UAV/UAS市场正在快速增长，并为许多新的商业应用提供了巨大的潜力。但要使这一愿景成为现实，无人机制造商需要通过采用射频、微波和毫米波传感器来引领行业，以证明无人机可以安全地自主操作。此外，传感器技术的格局正在迅速变化，LiDAR（光探测和测距）、ToF（飞行时间）和超声波等新技术也在兴起。无人机制造商应继续关注这些较新的解决方案，以便能够将最新技术用于其无人机。

在评估这些技术时，雷达性能和多功能性应该是他们的关键标准之一，并且不仅仅是硬件成本。

审核编辑：郭婷