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无人机传感器技术的新发展与挑战
 作者姓名： 马　静　王学栋
作者单位： 南京航空航天大学
摘要：本文说明了无人机传感技术任务范围，分析了发展中可用于无人机的新传感技术，提出未来无人机必须突破的一些传感技术问题。
关键词：无人机　传感器
无人机以其独特的优势成为获取战场情报、进行监视和侦察活动的最佳平台，而其情报、监视和侦察能力的提升更为依赖传感技术的发展。开发设计成本合理、通用性强的无人机传感器，成为无人机发展的长期奋斗目标。
一、未来无人机传感技术任务范围
无人机借助于机载传感器完成如下情报、监视和侦察等任务。
（1）广域侦察。 广域侦察是指大范围成像和仅对选定目标成像。
（2）拒止区侦察 。对禁止飞越的区域进行信息收集。
（3）战术监视/侦察。 对特定的敏感目标连续侦察。
（4）战场情报准备。 对可能发生战斗的区域进行预先信息收集。这是包括为各种最终目的(瞄准、军队防护、部队训练/任务计划、敌方重心位置评估等)进行情报收集的"传统"情报功能。
（5）精确制导弹药瞄准。 对传感器的具体要求是精确指示和成像，提供准确的大地坐标。
（6）城区监视/侦察 。观察城区环境中的目标。微型无人机载传感器主要执行此任务。
（7）部队防护。 防护任务包括周边监视/防御、生化战剂侦测和目标识别。
（8）生化战剂侦测和识别。 这是专用超光谱成像传感器最有希望应用的领域之一，可以被动模式工作，或与激光器一起使用。也可能采用携带探测传感器的无人机。与有人驾驶飞机相比，无人机更适合执行此任务。
（9）战斗毁伤评估 。在敌对环境中，要求高分辨率成像，最好是近实时的。
（10）本土防御。本土防御需要广域长航时监视和用于探测大规模杀伤性武器的专用传感器。
（11）战场模拟/演习 。这是一个要求高精度数字地形测绘的特殊任务。不仅需要进行高精度测量，而且要求计划和行动之间的时间间隔非常短。
二、发展中的无人机传感新技术
为更好地完成无人机的战场任务，各国在传感技术上开发了许多新项目，并尝试在无人机上利用。
（1）多光谱/超光谱成像(MSI/HSI)技术。 多光谱(几十波段)和超光谱(几百个波段)成像是利用全色传感器对目标进行原图像提取，使能从图像中获取更准确的信息。商用卫星产品，如地面遥感卫星或人造卫星定位与跟踪系统，就是使用多光谱成像技术，分辨率达到几米或数十米。预计，超光谱成像技术将在军事上用于探测和识别生化战剂微粒，对气溶胶云的被动超光谱成像可以对非传统攻击提前告警。该项技术可用于战场侦察和本土防御。超光谱成像技术还可以用来有效地对付敌人的普通伪装、隐蔽和拒止(CCD)战术。
在美国，民用和商用领域对多光谱/超光谱成像的研究已建立了一个"现象库"，大大简化了将这类传感器应用于有人机和无人机的难度。为建立特征数据库，某些数据已经出现在公开或商业场合，预计这些传感器在今后10年投入使用。
（2）先进的合成孔径雷达技术。合成孔径雷达技术在不断改进。目前的合成孔径雷达系统可以进行有限相干变化探测，反映图像之间地形的细微变化。用高级算法处理数据，使用相位数据可以改善分辨率，不需要对合成孔径雷达发射机或天线进行升级。各种先进的合成孔径雷达技术需要访问全部的视频相位历史数据流。考虑将此技术应用于无人机，那么无人机就必须采用宽带实时数据链路(可以在地面对信号处理)，或需要有很强的机上处理能力。由于无人机尺寸和重量限制了地面处理能力，难以实现高速率（约274Mbps）传输数据的能力，影响实时数据的获得。不过，可以考虑在机上安装大容量存储器，完成任务后再应用高级数据处理程序（需要全部相位历史信息）处理某些数据。
美国多平台雷达技术插入项目(MP-RTIP)，将在10年内研制出能力更强的合成孔径雷达有源电子控制天线。 "全球鹰"等大型无人机可能应用这项技术。有源电子控制天线可以将任务扩展到空中侦察，因为用有源电子控制天线技术很容易完成空-空行动。基于有源电子控制天线技术的合成孔径雷达系统与共形天线组合，可能具有更好的成像和活动目标指示能力，并可以执行如单向干涉合成孔径雷达等完成的特殊任务。
（3）超高频/甚高频穿透树叶技术。目前有许多研究在解决"树下目标"问题。其中一种方案是采用多波段雷达，用甚高频波长提示超高频雷达，实现更高精度的目标识别。例如，从1997年开始，美国国防高级研究计划局一直在资助高级双波段穿透树叶合成孔径雷达开发项目，国防高级研究计划局和麻省理工学院/林肯实验室共同参与了对该雷达系统的评估。此后，美国空军研究实验室接手双波段穿透树叶合成孔径雷达研究，进一步使这项技术趋于完善。
（4）光探测和测距(LIDAR)技术。 LIDAR是穿过树冠层成像的另一种方法。在现在和计划的试验中，飞行器飞行时，飞行器上的LIDAR成像传感器对指定的感兴趣区域从纵向拍摄几幅图像，传感器便可随时"合成"一幅图像。最初的探测速率远低于典型合成孔径雷达或光电系统。目前该系统仅仅用于演示。
（5）LIDAR成像技术。LIDAR也可能用于透过障碍物成像。在有轻微或中等云层、灰尘和霾时，用精确短激光脉冲，并只捕获返回的第一批光子，就可生成LIDAR图像。通过中等或更大的障碍物(云层厚度超过61m)成像时，输出激光脉冲衰减到原来的1/10000。LIDAR可以透过云和树叶瞬时成像，这时衰减更严重(探测速率更低)。在目前演示中，至少可以满足特定的侦察任务要求。
（6）LIDAR气溶胶照明技术。用主动LIDAR照明目标区域，可以协助探测和识别生化战剂。用激光激励微粒或气云，可以简化特定物质的"指纹"识别方法。与超光谱成像仪一同使用，LIDAR可以进行更快更精确的识别。
（7）核侦测系统。携带核材料探测器的长航时无人机将在未来本土防御中发挥重要作用。根据探测系统的特性，浮空器或类似于美国"全球鹰"的长航时无人机将作为主平台。
三、未来无人机有待突破的传感技术
（1）高清晰度电视视频格式。高清晰度电视正在成为美国防部战术和中空长航时无人机用视频系统的工业标准格式。制定通用格式，可以采用商业现成技术，保证地面终端可以判读视频数据。目前采用的视频系统和数据传输协议并没有标准化，许多都是无法进行互操作的专有系统。有待突破的技术是：用数字格式提高整体图像的质量，减少图像从模拟转换成数字，再转换成模拟的次数；数字视频系统生成的数据的数量增加，需要增加带宽将数据从飞行器传输出去；尚需研究数据压缩和传输技术；还需研究和解决这些技术对现有通信结构、规定的频谱和波段的影响。
（2）焦平面阵列技术。小型和微型无人机激发了对功率、重量和体积要求不高的高性能组件的开发。在美国，商用产品可能只采用军用波段中的几个波段，只有国防部才会要求系统功能更强，电池功率更低，并集成到手持式摄像机中。军方希望开发商能够在这方面进行投资，并尽可能满足军方要求(如红外灵敏度、环境容限和坚固性)。
数字化(在阵列上转换)技术大大提高了数据链中信息的质量，避免了由于反复模拟-数字-模拟转换造成的图像质量下降。因此，多光谱数字焦平面阵列非常重要。另外，希望在传感器和平台之间采用通用焦平面阵列。
（3）灵活的共形天线。价格合理的共形合成孔径雷达天线如果开发成功，无人机就可以更加有效地利用有效载荷空间。
（4）传感器自主性。图像信号处理和网络技术协同发展将推动传感器自动化。首先提高传感器的部分自主性，逐渐提高整个传感器的自主性。希望传感器可以自动搜索符合目标数据库中特性的目标，或自上次观察后变化的目标，或与环境有明显差异的目标，这些传感器模式可以提示操作人员进行近距离观察。计算机处理能力和机上存储器的发展，将进一步提高传感器的自主性。安装在单架飞行器上的传感器系统也可以链接或融合，解决目标鉴别问题。在飞行器上使用先进处理系统，将传感器组合起来，将有助于解决传感器自主性问题。
（5）飞行器自主性。除了传感器自主性，无人机成群执行任务要有效地收集图像和信号，这要求无人机有自主导航和自主定位的能力。
（6）轻型高效电源。对于微型无人机，高功率/重量比的电池很重要，它能使传感器能力达到最高，使续航时间最长。
（7）轻型光学系统和支撑结。轻型光学系统和光学支撑结构能减少飞行器重量。采用复合材料制作光学附件，可以使传感器外壳非常坚硬且重量轻，在各种温度范围和工作条件下保持严格容限。
（8）通信。除了需要更小的战术数据链路之外，携带复杂传感器的大型飞行器需要高性能的通用数据链路，特别是在执行超视距任务方面。
（9）大容量数据存储。机上万亿比特传感器数据存储是处理有人和无人传感器数据的目标。复杂图像或机载雷达数据的相位变化过程的存储可以取代需要近实时中继的超宽带数据链路。同样，超光谱传感器的所有输出的存储允许在执行任务中通过选定的波段传输和在完成任务后对数据充分处理。
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