田宏偉 徐云龍 沈曉峰

摘? 要： 植保無人機(jī)平臺(tái)測高技術(shù)有著廣泛的需求，而調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）毫米波雷達(dá)設(shè)備在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域已經(jīng)逐漸普及，因此，把FMCW毫米波雷達(dá)測高技術(shù)推廣到植保無人機(jī)測高領(lǐng)域具有重要意義。基于植保無人機(jī)平臺(tái)分析FMCW毫米波雷達(dá)測高原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，證明了FMCW毫米波雷達(dá)可以用于植保無人機(jī)。提出基于地表建模的測高雷達(dá)回波仿真方法，可用于進(jìn)行不同地形情況下的FMCW毫米波測高雷達(dá)性能分析和算法研究，實(shí)驗(yàn)分析了模擬回波的高度信息，證明該方法能滿足植保無人機(jī)測高需求。

關(guān)鍵詞： 植保無人機(jī); 測高方法; 調(diào)頻連續(xù)波; 毫米波雷達(dá); 回波仿真; 地表建模

中圖分類號： TN95?34; TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）05?0167?04

Principle analysis and simulation of height measurement

by plant protection UAV millimeter?wave radar

TIAN Hongwei， XU Yunlong， SHEN Xiaofeng

（Applied Technology College of Soochow University， Suzhou 215325， China）

Abstract： There is a wide demand for height measurement technology of plant protection unmanned aerial vehicle （UAV） platform. The frequency modulated continuous wave （FMCW） millimeter?wave radar equipment has been gradually popularized in the field of automatic pilot. Therefore， it is of great significance to extend the FMCW millimeter?wave radar height measurement technology to the field of plant protection UAV. The height measurement principle and system design of FMCW millimeter?wave radar is analyzed on the basis of plant protection UAV platform and it is proved that the FMCW millimeter?wave radar can be used for plant protection UAV. A height measurement radar echo simulation method based on surface modeling is proposed， which can be used for the performance analyze of FMCW millimeter?wave height measurement radar and algorithm research under different terrain conditions. The experiment analyzes the height information of the simulated echo and proves that the method can meet the needs of plant protection UAV.

Keywords： plant protection UAV; height measurement method; FMCW; millimeter?wave radar; echo simulation; surface modeling

0? 引? 言

在無人機(jī)上的應(yīng)用之中，植保無人機(jī)的定高和避障具有廣泛的需求前景，一直都是研究的熱點(diǎn)。植保無人機(jī)作業(yè)時(shí)，為達(dá)到較好的噴灑效果，使農(nóng)藥更均勻地附著在農(nóng)作物葉片的表面，應(yīng)使無人機(jī)在農(nóng)作物頂部保持穩(wěn)定的高度[1]。傳統(tǒng)的氣壓計(jì)高度表[2]在低空作業(yè)時(shí)誤差較大，不適合低空飛行的無人機(jī)設(shè)備。基于激光技術(shù)[3]的高度表在稀疏的植被表面具有穿透作用，不適用于植保應(yīng)用中的測高。其他一些光學(xué)測高技術(shù)則會(huì)受到環(huán)境光的制約，在霧霾、粉塵、光照不強(qiáng)等惡劣條件下基本無法工作。毫米波雷達(dá)可以全天時(shí)、全天候進(jìn)行工作，而且毫米波雷達(dá)主動(dòng)探測的方式可以適用于不同的場景和距離，因而成為實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)測高的重要技術(shù)手段。

目前傳感器網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)駕駛等方面的需求推動(dòng)了毫米波技術(shù)的發(fā)展，基于調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）技術(shù)[4?6]的毫米波雷達(dá)芯片[7]及應(yīng)用設(shè)備開始逐漸普及，在各個(gè)領(lǐng)域催生出許多新的應(yīng)用技術(shù)。無人機(jī)與無人駕駛汽車不同的是其沒有固定的車道，環(huán)境空間及目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。譬如，在地形起伏的山地茶園、植被等地區(qū)，由于地形的變化會(huì)造成波形前沿的畸變甚至分裂，提高了測高技術(shù)的難度。因此，通過分析FMWC毫米波測高雷達(dá)回波波形與地形地貌之間的關(guān)系，建立準(zhǔn)確的測高模型，可以提高植保無人機(jī)測高雷達(dá)的精度。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)有的大部分毫米波雷達(dá)產(chǎn)品頻率主要分布在24 GHz和77 GHz，后者普遍應(yīng)用于自動(dòng)駕駛和車載傳感，主要分為LRR（Long Range Radar）、MRR（Medium Range Radar）和SRR（Short Range Radar）產(chǎn)品，大致參數(shù)見表2。

使用MRR毫米波雷達(dá)參數(shù)作為測高雷達(dá)仿真參數(shù)，帶寬設(shè)置為1 GHz，地面高程生成如圖5a）所示，地面最大起伏高度不超過4 m。設(shè)計(jì)雷達(dá)高度為50 m，進(jìn)行雷達(dá)回波的計(jì)算并進(jìn)行100次非相參積累，得到的波形如圖5b）所示。

移動(dòng)毫米波雷達(dá)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，分析得到波形數(shù)據(jù)，把回波前沿半功率點(diǎn)作為高度的估計(jì)值，測高的平均誤差曲線如圖6所示，可以看出，使用非相參積累的方法提高信噪比可以減小測量誤差。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)MCW毫米波雷達(dá)測高誤差在0.1 m內(nèi)，滿足植保無人機(jī)測高的需求。

5? 結(jié)? 論

本文基于植保無人機(jī)平臺(tái)的測高應(yīng)用，分析了FMCW毫米波雷達(dá)測高原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，證明了FMCW毫米波雷達(dá)可以用于植保無人機(jī)。本文提出了基于地表建模的測高雷達(dá)回波仿真方法，可用于進(jìn)行不同地形情況下的FMCW毫米波測高雷達(dá)性能分析和算法研究，實(shí)驗(yàn)分析了模擬回波的高度信息，證明了該方法能滿足植保無人機(jī)測高需求。

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