植保無人機毫米波雷達測高原理分析及仿真

田宏偉 徐云龍 沈曉峰

摘? 要： 植保無人機平臺測高技術有著廣泛的需求，而調頻連續波（FMCW）毫米波雷達設備在自動駕駛領域已經逐漸普及，因此，把FMCW毫米波雷達測高技術推廣到植保無人機測高領域具有重要意義。基于植保無人機平臺分析FMCW毫米波雷達測高原理和系統設計，證明了FMCW毫米波雷達可以用于植保無人機。提出基于地表建模的測高雷達回波仿真方法，可用于進行不同地形情況下的FMCW毫米波測高雷達性能分析和算法研究，實驗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測高需求。

關鍵詞： 植保無人機; 測高方法; 調頻連續波; 毫米波雷達; 回波仿真; 地表建模

中圖分類號： TN95?34; TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： 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

在無人機上的應用之中，植保無人機的定高和避障具有廣泛的需求前景，一直都是研究的熱點。植保無人機作業時，為達到較好的噴灑效果，使農藥更均勻地附著在農作物葉片的表面，應使無人機在農作物頂部保持穩定的高度[1]。傳統的氣壓計高度表[2]在低空作業時誤差較大，不適合低空飛行的無人機設備。基于激光技術[3]的高度表在稀疏的植被表面具有穿透作用，不適用于植保應用中的測高。其他一些光學測高技術則會受到環境光的制約，在霧霾、粉塵、光照不強等惡劣條件下基本無法工作。毫米波雷達可以全天時、全天候進行工作，而且毫米波雷達主動探測的方式可以適用于不同的場景和距離，因而成為實現植保無人機測高的重要技術手段。

目前傳感器網絡、自動駕駛等方面的需求推動了毫米波技術的發展，基于調頻連續波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）技術[4?6]的毫米波雷達芯片[7]及應用設備開始逐漸普及，在各個領域催生出許多新的應用技術。無人機與無人駕駛汽車不同的是其沒有固定的車道，環境空間及目標結構復雜多變。譬如，在地形起伏的山地茶園、植被等地區，由于地形的變化會造成波形前沿的畸變甚至分裂，提高了測高技術的難度。因此，通過分析FMWC毫米波測高雷達回波波形與地形地貌之間的關系，建立準確的測高模型，可以提高植保無人機測高雷達的精度。

4? 實驗結果

現有的大部分毫米波雷達產品頻率主要分布在24 GHz和77 GHz，后者普遍應用于自動駕駛和車載傳感，主要分為LRR（Long Range Radar）、MRR（Medium Range Radar）和SRR（Short Range Radar）產品，大致參數見表2。

使用MRR毫米波雷達參數作為測高雷達仿真參數，帶寬設置為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。設計雷達高度為50 m，進行雷達回波的計算并進行100次非相參積累，得到的波形如圖5b）所示。

移動毫米波雷達重復上述實驗，分析得到波形數據，把回波前沿半功率點作為高度的估計值，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。實驗數據顯示，FMCW毫米波雷達測高誤差在0.1 m內，滿足植保無人機測高的需求。

5? 結? 論

本文基于植保無人機平臺的測高應用，分析了FMCW毫米波雷達測高原理和系統設計，證明了FMCW毫米波雷達可以用于植保無人機。本文提出了基于地表建模的測高雷達回波仿真方法，可用于進行不同地形情況下的FMCW毫米波測高雷達性能分析和算法研究，實驗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測高需求。

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