激光雷达避障

基于radar的彩虹无人机避障技术及系统研究

所谓无人机自动避障功能（Obstacle Avoidance），就是无人机飞行器在自动飞行的过程中遇到障碍物的时候，通过自动提前识别、有效规避障碍物，达到安全飞行的效果。

基于航空物探作业（包括航磁及航放测量作业）的航空飞行平台改装，要求飞行器具备良好的低空避障能力，以应对飞行器在超低空飞行时可能遇到的剧烈起伏地形及各种动力线、高压线铁塔、桅杆、天线拉线等小型不可预知障碍物。

目前彩虹系列无人机装备的机载测距仪、传感器均无法做到预先发现危险物并提供障碍物信息。同时，基于视觉的避障策略无法在夜间和恶劣天气条件下为无人机避障提供帮助。为保证彩虹系列无人机飞行平台在物探等超低空作业中的飞行安全，研制装备高效可行的自主避障系统显得尤为迫切。

一、避障设备选型

1.微波雷达

传统意义上应用于雷达系统的电磁波，以工作频率划分为若干的波段，由低到高的顺序是：高频（HF）、甚高频（VHF）、超高频（UHF）、L波段、S波段、C波段、X波段、Ku波段、K波段和Ka波段等。非相控阵单雷达条件下，高频(短波长)的波段一般定位更准确，但作用范围短；低频(长波)的波段作用范围远，发现目标距离大。

表1雷达频段划分

米波的频率范围在300MHz–3GHz，主要用于通讯和电视广播；

厘米波的频率范围在3GHz–30GHz，主要用于雷达、卫星通讯，无线电导航；

毫米波的频率范围在30GHz–300GHz，用于卫星通讯。

雷达波段(radar frequency band)指雷达发射电波的频率范围。其度量单位是赫兹(Hz)或周/秒(C/s)。大多数雷达工作在超短波及微波波段，其频率范围在30~300000兆赫，相应波长为10米至1毫米，包括甚高频(VHF)、特高频(UHF)、超高频(SHF)、极高频(EHF)4个波段。在1GHz频率以下，由于通信和电视等占用频道，频谱拥挤，一般雷达较少采用，只有少数远程雷达和超视距雷达采用这一频段。高于15吉赫频率时，空气水分子吸收严重；高于30吉赫时，大气吸收急剧增大，雷达设备加工困难，接收机内部噪声增大，只有少数毫米波雷达工作在这一频段。

在实际应用中，选用的电磁波频率越高，其穿透性越差，空间损耗（大气中水蒸气和氧造成的损耗）越大，但精度会更高；反之，相对低频的电磁波（例如微波）在空气中损耗较低，发射和接收角度大，且传输距离远，在军事和民用发面得到广泛应用。

2.激光雷达

激光雷达，英文全称为Light Detection And Ranging，简称LiDAR，是一种集激光，全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种技术于一身的系统，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，可用于获得数据并生成精确的DEM（数字高程模型）。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑，测距精度可达厘米级，激光雷达最大的优势就是“精准”和“快速、高效作业”。

从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离，作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。

激光雷达运作时，只需进行非接触扫描可以在短时间内获取物体和环境空间点的三维数据和信息，由于收集的数据是以点的形式组成，所以这些数据被称作点云数据，其最大的特点是可以进行后期的处理，依靠获取的数据便能够建立完整的三维立体模型，而如今随着商用GPS及IMU （惯性测量单元）的发展，通过LIDAR从移动平台上（比如在飞机、机器人上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。

3.超声波声呐传感器

超声波传感器基于频率高于20KHz的超声波发展而成，其方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，是一种较常见的低成本测距探测器。然而，超声波传感器具有以下缺点，限制了其在中大型无人机避障中的应用：

1）检测角度太小；

2）在部分场景也会受到声波的影响；

3）超声波避障依赖于物体表面的发射能力，当遭遇反射能力不足的物体时，避障系统的安全性就会极大降低；

4）超声波的有效距离仅为5米。

4.避障雷达选型

相较微波雷达及超声波探测器，激光成像雷达在飞机尤其是无人机的自主避障应用上具备极大地优势。

表2雷达类型比较

1)激光雷达的优势

扫描型激光雷达具有高的角分辨率，能实时形成这些障碍物有效的影像，发现飞机航线上的

危险的障碍物，为飞行器提供适当的预警。选用适当频段的激光发射器，能够确保激光雷达不论白天、黑夜及天气的好坏都能正常工作。通过适当的激光点云数据采集、分析和建模，能对各种障碍物进行实时探测、分类，从而为无人机飞控的实时避障策略提供依据。

与普通微波雷达相比,激光雷达由于使用的是激光束,工作频率较微波高了许多,因此带来了很多特点,主要有：

（1）分辨率高

激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标(这是微波雷达无论如何也办不到的),并可同时跟踪多个目标；距离分辨率可达0.lm；速度分辨率能达到10m/s以内。距离和速度分辨率高,意味着可以利用距离——多谱勒成像技术来获得目标的清晰图像。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点,其多数应用都是基于此。

（2）隐蔽性好、抗有源干扰能力强

激光直线传播、方向性好、光束非常窄,只有在其传播路径上才能接收到，因此敌方截获非常困难，且激光雷达的发射系统(发射望远镜)口径很小,可接收区域窄，有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率极低；另外，与微波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同，自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，因此激光雷达抗有源干扰的能力很强,适于工作在日益复杂和激烈的信息战环境中。

（3）低空探测性能好

微波雷达由于受各种地物回波反射回来的能量干扰,低空存在有一定区域的盲区(无法探测的区域)。而对于激光雷达来说,只有被照射的目标才会产生反射,完全不存在地物回波的影响，因此可以"零高度"工作，低空探测性能较微波雷达强了许多。

（4）体积小、质量轻

通常普通微波雷达的体积庞大，整套系统质量数以吨记，光天线口径就达几米甚至几十米。而激光雷达就要轻便、灵巧得多,发射望远镜的口径一般只有厘米级,整套系统的质量最小的只有几十公斤，架设、拆收都很简便。而且激光雷达的结构相对简单，维修方便，操纵容易，价格也较低。

2)激光雷达的缺点

首先，工作时受天气和大气影响大。激光一般在晴朗的天气里衰减较小，传播距离较远。而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离大受影响。如工作波长为10.6μm的co2激光，是所有激光中大气传输性能较好的,在坏天气的衰减是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷达的作用距离,晴天为10-20km,而坏天气则降至1km以内。而且,大气环流还会使激光光束发生畸变、抖动，直接影响激光雷达的测量精度。

其次，由于激光雷达的波束极窄,在空间搜索目标非常困难，直接影响对非合作目标的截获概率和探测效率,只能在较小的范围内搜索、捕获目标。

另外，激光雷达技术复杂、研制周期长，设备昂贵，因此要发展它不仅需要有关的高级专门人才，还要有雄厚的经济基础。

激光雷达发出的激光束具有较高能量，对人的防护是道难题。

激光雷达通常体积庞大而笨重，使用中需要经常调试。

二、机载前视激光成像雷达

1．障碍回避激光雷达发展现状