По мере роста популярности низковысотных беспилотных летательных аппаратов, БПЛА всё чаще работают ночью, выполняя различные задачи: от промышленных инспекций и наблюдения за безопасностью до логистики и реагирования на чрезвычайные ситуации. Однако традиционные визуальные датчики, такие как камеры, инфракрасные системы и лидары, сталкиваются со значительными трудностями в условиях низкой освещённости. Эти системы часто не способны обнаруживать препятствия и безопасно ориентироваться в условиях низкой освещённости или сложной городской среды.
В этих случаях радар миллиметрового диапазона (мм-волны) 77 ГГц становится критически важной технологией, предоставляя точные данные о расстоянии, скорости и угле наклона независимо от уровня освещенности. Решения Linpowave на основе миллиметровых радаров используются для промышленных инспекций, мониторинга солнечных электростанций, городской логистики на малых высотах и экстренных служб, демонстрируя практическую надежность и повышенную безопасность при работе в ночное время.
Основные проблемы ночных полетов дронов
В то время как крупным коммерческим самолётам не всегда требуется радар миллиметрового диапазона ночью, вместо этого полагаясь на комплексную навигацию, систему оценки рельефа местности, систему предотвращения столкновений (TCAS) и метеорадар, низковысотные дроны сталкиваются с особыми угрозами. Полёты низко над землёй, часто в густонаселённых районах, означают, что любые ограничения визуального восприятия могут привести к столкновениям. Поэтому миллиметровый радар постепенно стал важнейшим датчиком для ночных полётов БПЛА на малых высотах в соответствии с рекомендациями FAA по ночным полётам и Частью 107 ( FAA ).
Три основных визуальных слепых пятна
1. Слепое пятно при слабом освещении: недостаточно фотонов для представления
Для получения точных снимков камерам необходимо достаточное освещение. В условиях крайней темноты соотношение сигнал/шум снижается, что приводит к исчезновению характерных точек, ошибкам в оценке глубины и неэффективному обнаружению препятствий. Пока лидар активен, его характеристики могут ухудшаться из-за низкого уровня отраженных фотонов или многолучевого отражения. Согласно исследованию Массачусетского технологического института, радар миллиметрового диапазона может обеспечивать стабильное позиционирование даже в абсолютно темных помещениях, позволяя дронам компенсировать потерю визуальной информации.
Дроны без радара подвержены риску столкновения с тонкими препятствиями, такими как линии электропередач или ветви деревьев. Коммерческие БПЛА, такие как JOUAV CW-15, демонстрируют стабильный ночной полёт при использовании миллиметрового радара в сочетании с визуальными датчиками ( Руководство по дронам ночного видения JOUAV ).
2. К «слепым зонам» неблагоприятных погодных условий относятся туман, дождь и снег.
Туман, дождь и снег рассеивают или поглощают свет, ограничивая эффективный диапазон и точность визуальных датчиков. Камеры могут создавать размытые или малоконтрастные изображения, в то время как лазеры LiDAR могут создавать ложные эхо-сигналы от капель дождя. Радар миллиметрового диапазона работает на длинах волн (3–10 мм), способных проникать в эти условия с минимальным затуханием, обеспечивая стабильное обнаружение даже при сильных осадках. Например, радары TI с диапазоном 76–81 ГГц прошли проверку на предмет высокого разрешения при неблагоприятных погодных условиях ( радар TI mmWave ).
Без радара беспилотники могут неправильно оценивать расстояния, не обнаруживать препятствия или отклоняться от запланированных маршрутов, что может привести к провалу миссии или несчастным случаям в ходе логистических операций в городских условиях и операций по реагированию на чрезвычайные ситуации.
3. Слепая зона для пыли, дыма и твердых частиц
Дым, пыль и частицы песка создают помехи на оптических лучах, что приводит к размытости изображения или полной слепоте. Визуальные датчики могут испытывать трудности с различением целей на фоне во время пыльных бурь или в промышленных условиях. Радар миллиметрового диапазона обнаруживает несколько объектов, используя принципы FMCW (частотно-модулированного непрерывного излучения), которые анализируют сдвиги частоты и доплеровские сигналы, что позволяет эффективно отслеживать препятствия даже сквозь твердые частицы. Военные системы, такие как DVEPS, используемые в вертолетах, создают трехмерные карты местности, комбинируя миллиметровый радар и длинноволновый инфракрасный диапазон, чтобы избежать аварий при посадке в условиях пониженного уровня освещенности (оценка безопасности БПЛА EASA).
Коммерческие радары миллиметрового диапазона, такие как решения Foxtech 24 ГГц, работают с высокой частотой обновления (50 Гц+) в пыльных средах, что позволяет избегать препятствий с малой задержкой.
Основные преимущества миллиметрового радара для ночных полетов
Система Active Sensing не зависит от внешнего освещения, что обеспечивает безопасную работу в полной темноте.
Высокая проникающая способность: распознает препятствия сквозь дым, туман, дождь и снег.
Измерение скорости: дает точные данные об относительной скорости для динамического обхода препятствий.
Планирование пути в реальном времени и быстрое реагирование на столкновения поддерживаются высоким разрешением и частотой обновления.
Промышленный радар миллиметрового диапазона получает всё более широкое распространение в качестве стандартного сенсорного слоя для БПЛА, работающих ночью, в условиях низкой освещённости или в сложных условиях. Подробные характеристики и области применения см. на странице продукта Linpowave.
Sensor Fusion — инженерное решение для ночной навигации БПЛА.
Сочетание визуальных датчиков, радара миллиметрового диапазона и инерциального измерительного блока/ГНСС позволяет дронам поддерживать постоянную ситуационную осведомлённость. Зрение предоставляет семантическую и текстурную информацию, радар — геометрическую структуру и относительную скорость, а инерциальный измерительный блок/ГНСС — пространственную и временную привязку. Объединение этих потоков данных с правильной синхронизацией по времени и пространству улучшает обнаружение препятствий, снижает количество ложных срабатываний и обеспечивает стабильный автономный полёт даже в тёмных городских условиях, на промышленных объектах или в чрезвычайных ситуациях.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Могут ли дроны летать ночью, используя только визуальные датчики?
Да, в контролируемых условиях, но риск возрастает в тумане, дыму или полной темноте. Настоятельно рекомендуется использовать комплексное использование датчиков с использованием радара миллиметрового диапазона.
Может ли радар миллиметрового диапазона проникать сквозь туман и дождь?
По сравнению с видимым светом радар миллиметрового диапазона имеет минимальное затухание в тумане и дожде, что обеспечивает стабильные отраженные сигналы; производительность определяется частотой, полосой пропускания и конструкцией антенны.
Можно ли использовать инфракрасные камеры вместо радаров миллиметрового диапазона?
Инфракрасный диапазон улучшает видимость в условиях низкой освещённости, но на него влияют дым и тепловой контраст. Он не может предоставлять прямые данные о скорости или геометрических размерах объекта, как радар миллиметрового диапазона.
Достаточно ли одного лишь радара миллиметрового диапазона для обнаружения препятствий?
Зрение обеспечивает семантический контекст в дополнение к базовому предотвращению столкновений. Сочетание данных радара и зрения используется в современных системах для обеспечения надёжной работы.
Усложняет ли внедрение радара миллиметрового диапазона конструкцию БПЛА?
Современные радиолокационные модули с частотой 77 ГГц легкие, маломощные и обладают высокой степенью интеграции, что делает их пригодными для использования в коммерческих беспилотных летательных аппаратах.