過去十年來，無人飛行載具以及無人飛行系統(UAV/UAS) – 亦稱為無人機 – 日漸普及，在商務、消費、以及政府機關等市場大受歡迎。無人機以往一直侷限於軍事用途，演變至今，全球已有超過400家企業投入研發無人機技術以及開發各式各樣的用途，並開啟了商用無人機的新世代。利用飛行機具執行攸關性命以及經營成敗的任務，全程無須人員介入，在智慧自動化與生產力方面則發揮了相當重要的作用。儘管這些業者秉持正面的立意，但包括美國聯邦航空管理局(FAA)與其他主管機關仍然嚴令限制這些無人機投入大規模的應用。此外，日趨激烈的競爭促使業者被迫在市場尚未成形之前得搶先推出產品。本文所探討的，主要在於射頻與微波技術的諸多創新如何排除法規方面的障礙，以及協助無人機製造商凸顯其解決方案的差異性，藉以搶攻市場商機。
介紹
隨著工業機器人、自動駕駛、新推進技術、以及省電系統的出現，轉移至UAV變成了水到渠成的演進。無人飛行機具經設定後能執行各種過於危險、費時、或人員難以執行的工作，這波幅度極大的躍進，正帶領著我們邁向更自動化與更高生產力的世界。UAV/UAS的概念並不算新，早在有人飛機大量應用的時期就已出現類似型態的用途。
然而，由於在材料科學、推進、功率與電池、感測器、以及軟體技術能力的種種限制，限縮了無人機在特定產業與用途的適用性。以往只有軍方才有足夠的財力投入開發與使用無人機，在派遣人員前赴現場須承擔高度風險的環境中，其能取代官兵執行偵蒐情資的任務。即使時至今日，許多人還是會把無人機和經常在新聞中聽到的軍事任務聯想在一起。
另一方面，沒有搭載裝備(bare bone)的低成本無人機則迅速在休閒玩家與愛好者圈子掀起熱潮。無人機過去一直沒有在商業用途廣泛應用，但隨著產業界在零件技術與運算軟體獲得長足進展，這樣的局面正在逐漸扭轉。
市場成長、區塊、以及應用
無人機市場的規模預計在2020年將成長到210億美元。目前市場版圖的主力(約82%)都集中在軍事方面的應用。商用無人機的市場營收預計到2021年將來到25億美元 – 年成長率達到19%。
商用與工業無人機市場存在種類眾多的使用情境。無人機正開拓出眾多應用，像是精準農業(噴灑農藥)、地貌與環境監視、基礎設施監視(橋樑與水庫)、公眾安全監視、商業貨運、邊界管制、油氣管線監視、以及其他眾多用途等。每個月都會有數十家新進企業推出產品與服務，運用無人機技術解決各種商業問題。簡單地說，商用UAV應用的前景幾乎沒有界線。
UAV/UAS產業的變化
雖然無人機市場熱度持續升溫，眾多廠商著手拓展各式各樣的用途(像是亞馬遜以及Alphabet控股公司旗下的谷歌)，業界直接面對的是諸多限制成長的挑戰。
高度管制與限制
美國聯邦航空管理局(FAA)嚴令限制無人機在公共空域的使用。根據2015年的法規，重量低於55磅的無人機僅限於日間在操作者視線可及的範圍內飛行，也就是說當局禁止這類無人機在沒有人員監控的狀況下完全自主飛行。FAA為了防止意外與維持共眾安全才制定這些規範。從政府的立場來看，由於這些無人機並沒有配備可靠與精準的感測器，以致衍生的風險過高，不應放任它們在開放的公共場所飛行。但當局仍然有開放一些空域(例如在寬闊的開放農地)，不過在大多數狀況下，鑑於有限的感測器技術以及尚未經過實際驗證的感測器可靠度，FAA為了為範意外與維護公眾安全，於是採取較保守的立場。
競爭威脅與商品化
除了法規形成的障礙外，無人機市場的競爭也日趨激烈，對廠商產生定價壓力。受到無人機成長潛力與商機所吸引，全球目前有超過400家企業投入各種無人機的研發。在此同時，大多數廠商的焦點都放在凸顯其硬體的差異化，而不是強調自家無人機能創造的附加價值。
射頻與微波人才有限
要讓商用與消費型無人機被廣泛使用，這些飛行機具必須配備導航感測器，協助它們安全且可靠地自主航行。如同汽車與工業設備市場，這些無線感測器當中有很多都是採用射頻與微波技術。然而現今大多數開發商用無人機的企業絕大多數都是新創公司，旗下擅長射頻與微波設計的人才數量有限。就算是成立已久的工業設備OEM代工廠，其雖然擁有一些射頻專才，但經常被迫必須快速評測、設計、以及製造出雷達感測器解決方案來迎合快速變遷的無人飛行載具市場。
欠缺射頻人才以及市售雷達解決方案，對業界形成了一種惡性循環。無人機市場沒有能力提供可靠的感測器來支援完全自主飛行，反過頭來導致政府主管部門無法鬆綁當前限制自主無人機的法令。
雷達解決方案與其多元用途
Analog Devices認為無人機製造商有機會影響無人機飛行的主管當局，方法就是採用射頻、微波、以及毫米波技術，並在無人機上搭載成熟的感測器以維持飛航的安全。其中一個例子就是部署24 GHz雷達，這種技術堪稱其中一項最基本且多用途的解決方案，在許多使用情境中展現安全導航的能力，因為它是全球認可的工業/科學/醫療(ISM)公用頻段。
24 GHz ISM頻帶雷達在全球各地都能使用，不必取得執照，能用來運作諸如汽車碰撞規避系統以及無線電高度計等設備。該雷達頻帶還能用來偵測與追蹤多個不同物體，以及量測無人機離地飛行高度 – 而這兩項也正是安全無人機飛行最基本的功能。
24 GHz ISM頻帶雷達在全球各地都能使用，不必取得執照，能用來運作諸如汽車碰撞規避系統以及無線電高度計等設備。該雷達頻帶還能用來偵測與追蹤多個不同物體，以及量測無人機離地飛行高度 – 而這兩項也正是安全無人機飛行最基本的功能。
藉由提供在技術層面上能自主運行的解決方案，製造商可藉此主動影響現有法規，而不是被動等待當局規定業界該如何營運
為此無人機製造商必須採取三個步驟:
- 建立對雷達與其各種模式的基本認知
- 瞭解構成完整雷達解決方案所需射頻訊號鏈的各項要素
- 採用適合的雷達解決方案，這類方案提供完整的硬體設定與軟體演算法，讓他們能將產品更快推入市場
以下章節將介紹這些步驟，以及建構其中一種可行解決方案，協助無人機製造商採用24 GHz雷達開發碰撞規避與無線電高度計等應用
瞭解雷達基礎以及各種模式
汽車與工業設備市場經常運用雷達感測器來偵測、量測、以及追蹤物體 – 例如: 盲點偵測以及先進駕駛輔助系統(ADAS)。相較於光學/視覺或超音波感測器，雷達感測器能精準偵測與量測物體，甚至在灰塵、煙、雪、霧、或光線不佳等惡劣環境，也能偵測到極遠距離與極寬角度。
典型的射頻/微波雷達能在各種模式下運行，配合需要偵測與追蹤的物體選用適合的模式
FMCW 雷達模式
在調頻連續載波(FMCW)模式中，雷達DVD-R/RW靜止目標物的距離。藉由調變頻率波，亦稱為FMCW傾斜波(ramp)或啾頻(chirp)，雷達即可量測到反射波的回應，進而推算出目標物體的距離、速度、以及角度的解析度
圖1 顯示雷達傳送時FMCW傾斜波或啾頻(chirp)產生機制，以及整組重要雷達公式，這些公式用來定義雷達感測器的設計資訊
- 距離解析度取決於發送器載波掃掠頻寬(sweep bandwidth); 發送器掃掠頻寬越高，雷達感測器的測距速度就越高
- 速度解析度取決於雷達波照射時間(dwell time)與載波頻率; 載波頻率越高或照射時間越長，速度解析度就越高
- 角度解析度取決於載波頻率; 載波頻率越高，角度解析度就越高
相較於量測單一位置點的雷射偵測或攝影機偵測方法，僅透過攝影機的視野擷取一幅二維影像，FMCW雷射不僅會持續量測，還會對量測到的目標反射資訊取多次數據的平均值，之後統合量測物體的速度、角度、距離等訊息，繪製出3D視圖，距離從數公分涵蓋到數百公尺，可量測單一物體以及多個物體。
距離-都普勒模式
在距離-都普勒模式中，可以分析出目標物的距離與速度。距離-都普勒模式是其中一種最強大的運作模式，因為它能測算二維傅立葉轉換式，藉此同時處理多個傳輸傾斜波(transmit ramp)或啾頻(chirp)。經過處理後的距離-都普勒資料會顯示在一個地圖(map)，藉此區分出不同速度的目標物，就算它們和感測器之間的距離都一樣也能區分出來。這對區別多個處在不同方位且高速移動中的物體相當有用; 舉例來說，當許多車輛朝反方向行駛，或是在超車時，可以用這種方法來解算複雜的車流情境。/p>
數位波束成型 (DBF) 模式
在數位波束成型(DBF)模式中，目標的距離與角度都能顯示出來。從4個頻道收到的訊號用來估算出目標的方位角度。顯示的訊息反映出目標物在xy座標面上的空間分佈。在DBF模式中，系統的設定和FMCW模式相近，但對中頻(IF)降頻轉換訊號採取不同的處理方式。計算出距離之後，再根據4個接收頻道的訊息解算出目標的方位角度。在DBF模式中，必須對雷達的前端系統進行校正，以消除接收頻道之間的定性相位變異。Analog Devices的雷達展示(Demorad)系統內含出廠前校正資料，在運行GUI圖形介面時就會載入，接著系統會校正採樣中頻訊號，之後再評估感測器量測到的資料。
Analog Devices的24 GHz 多頻道雷達訊號鏈
24 GHz雷達廣泛用在各種商業與工業用途，因為它具備高精準度、用電較省、以及微型尺寸等特色。這些特色也使24 GHz雷達適合用來協助大多數商用與消費型無人機製造商，使其能減少酬載與用電的需求。
圖2 顯示Analog Devices一個完整的多頻道雷達訊號鏈
| 型號 | 介紹 | 功能 |
| ADF4159 | 13 GHz 分數式(fractional-N)FMCW ramping PLL | 傾斜波產生器 |
| ADF5901 | ISM公用頻段，雙頻道FMCW 發送器 | 發訊 MMIC |
| ADF5904 | ISM公用頻段，4頻道接收器 | 接收 MMIC |
| ADAR7251 | 4頻道，16位元連續資料擷取 ADC | 類比前端 AFE |
| ADSP-BF70x | 低功耗ADSP-BF70x 系列Blackfin® 嵌入式DSP 處理器內含512 kB L2 SRAM 以及DDR2/LPDDR 介面 | 數位訊號處理器 DSP |
Analog Devices提供從位元涵蓋至天線的完整雷達解決方案，讓工程師能快速著手研發自己的應用。運用這款套件，研發業者可個別挑選適用的射頻、微波、以及基頻元件，之後再為其軟體演算法撰寫程式碼。即使是非射頻專業的設計人員也可使用這款即裝即用的套件，在短短幾分鐘內就能上手開始設計其雷達。
24 GHz多頻道雷達系統效能的優勢
在開發雷達感測器時，接收器靈敏度每改進一個dB都會影響到偵測距離。市面上大多數解決方案的焦點都放在降低成本上，因此必須犧牲相位雜訊方面的效能，以及限縮頻道的數量。如此一來整體接收器訊噪比(SNR)就會下滑，限制雷達偵測到較小物體或目標的能力，以致偵測不到大型物體旁邊的微小目標。在實務面的雷達應用上，經常會出現忙碌或壅塞的情境，使得系統相位雜訊不斷累加，導致雷達接收器的靈敏度下滑。更高的系統雜訊會遮蔽或隱藏體積較小的目標，導致雷達偵測不到物體，進而導致感測器的安全問題 – 例如在偵測細樹枝時可能被建築物遮擋以致無法偵測。大多數單頻道、單晶片、低成本的解決方案都無法提供所需的效能來執行這樣的辨識。
運用Analog Devices的24 GHz多頻道平台，UAV製造商將能 :
- 運用FMCW雷達偵測距物體的距離與速度，最長偵測距離可達200公尺，解析度可達約60公分(若採特定應用專屬的天線設計，解析度甚至可提升到15公分)
- 水平視角約120度，垂直視角15度，實際視野範圍視天線陣列設計而定; 結合多個數位波束的天線，雷達即可運用DBF來計算出角度資訊，藉以拼出更寬的視野
- 達到(相較於傳統低成本、單頻道雷達解決方案)
- 至少 2倍的靈敏度
- 最高1.5倍的偵測距離
- 降低功耗
協助非射頻專業工程師簡化雷達的射頻設計
為協助設計者以及非射頻專業的人士簡化24 GHz雷達的設計，Analog Devices提供了一個完整的24 GHz雷達應用開發套件。這款名為Demorad的套件內含所有必要的硬體(包括天線設計)以及軟體，整合成一個完整的參考設計方案。
24 GHz雷達demorad系統是一款概念新穎的雷達評測平台解決方案，內含開箱即用(out-of-the-box)的軟體範例，讓用戶在短短數分鐘內便可立即開始設計雷達感測器。此外，Demorad讓用戶快速建構產品原型，評估雷達研發的各項因素，以及開發出理想的雷達感測器產品，能量測各種即時資訊，例如目標/物體的存在、移動、方位角、速度、以及和感測器之間的距離。
系統硬體解決方案包含了射頻天線、一個完整的射頻至基頻訊號鏈、以及DSP，使用者只須透過圖形介面(GUI)軟體以及雷達演算法軟體，就能快速連接到筆電/PC。使用者透過這款套件，只須幾分鐘就能連接至電腦，並載入軟體，建構包括2D/3D雷做出完整雷達的原型產品，以及加速推出搭載功能型雷達的新型無人機。
圖3 顯示24 GHz demorad套件的不同視角，其內建有雙頻道發送器以及4頻道接收器天線，如圖中所示。
Demorad 附有一個完整的GUI與DSP雷達支援功能函式庫
Demorad內的雷達系統訊號鏈包含許多基礎軟體演算法，讓設計者不必撰寫程式碼就能展開研發工作。運用這些內建軟體演算法，使工程師可從主控端PC快速運用雷達來偵測與區分目標。
另外，研發業者也可編輯現有的軟體程式碼，藉此偵測與區分其應用中的各種物體。Demorad為廠商提供更上一層樓的設計彈性，不論是否擁有射頻設計的經驗，都能快速開發應用程式，藉以促成無人機的安全飛航。
總結
UAV/UAS市場不僅成長快速，還為許多嶄新商業應用帶來了無窮的潛能。但要實現此一願景，無人機製造商必須帶領產業，運用射頻、微波、以及毫米波感測器，證明自己的無人機能安全無虞地自主飛行。此外，感測器技術的局勢正快速演變，包括光達LiDAR、ToF(飛時測距)、以及超音波在內的新科技也逐漸崛起。無人機製造商應持續關注這些新穎解決方案，藉以為其無人機選用最新技術。而在評估這些技術時，關鍵評鑑標準應納入雷達的效能以及多元化功能，而不應只是關心硬體的成本。
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