Milimeter-Wave UAV Communications(41-50)

Milimeter-Wave UAV Communications

1、A Compact Planar 24GHz Quasi-Yagi Antenna for Unmanned Aerial Vehicle Radar Applications
- Abstract
- Introduction
2、A Method Integrating Human Visual Attention and Consciousness of Radar and Vision Fusion for Autonomous Vehicle Navigation
- Abstract
- Introduction
3、A Novel Dual-band Miniaturized Patch Antenna with NRI-TL for UAV Applications
- Abstract
- Introduction
4、ANTENNA DESIGN OF COLLISION AVOIDANCE RADAR SYSTEM FOR THE SMART UAV
- Abstract
- Introduction
5、Autonomous Relay for Millimeter-Wave Wireless Communications
- Abstract
- Introduction
6、Blockage of Millimeter Wave Communications on Rotor UAVs: Demonstration and Mitigation
- Abstract
- Introduction
7、Micro FMCW SAR with high resolution For Mini UAV
- Abstract
- Introduction
8、Position-Aided Compressive Channel Estimation and Tracking for Millimeter Wave Multi-User MIMO Air-to-Air Communications
- Abstract
- Introduction
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1、A Compact Planar 24GHz Quasi-Yagi Antenna for Unmanned Aerial Vehicle Radar Applications

一种用于无人飞行器雷达的小型平面24GHz准八木天线
2017 IEEE International Conference on Computational Electromagnetics (ICCEM)

Abstract

本文介绍了一种采用偶极子驱动的24GHz平面准八木天线。该天线是为无人机（UAV）雷达设计的，需要天线高度集成和小型化。准八木天线是一种适用于毫米波应用的小型平面天线。本文采用一维天线阵来满足小型化的需要。它不仅大大降低了制造成本，而且还消除了对后续现场故障控制的需求。

Introduction

随着通信和雷达的发展，毫米波技术越来越受到重视。近年来，雷达系统得到了广泛的应用。许多应用，如癌症检测和防撞系统，极大地受益于毫米成像系统的使用。有多种成像方式，包括双目相机成像、超声成像和近场成像。这些成像方式有其自身的局限性，如对环境因素的敏感性。因此，毫米波成像因其抗干扰能力强、成本低、分辨率高而成为研究热点。它不仅体积小，而且重量轻，因此可以方便地集成。毫米波成像比微波成像受天气影响小

本文设计了一种适用于无人机雷达的准八木天线阵。这种端射式天线尺寸小，使整个系统总体尺寸小。为了提高天线的指向性和增益，采用了四个平面端射天线单元，并按端射方向布置。通过这种改进，端射天线可以替代传统的微带阵列天线。如图1所示，该天线的单个单元指向传输方向。该方法大大降低了系统的复杂度、规模、成本和重量。这种天线可以用作无人驾驶飞机的避障系统，如四架直升机

2、A Method Integrating Human Visual Attention and Consciousness of Radar and Vision Fusion for Autonomous Vehicle Navigation

一种将人的视觉注意力和雷达意识与视觉融合相结合的自主车辆导航方法
2011 Fourth IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology

Abstract

本文试图结合毫米波雷达和视觉传感器，构造一种适用于自主移动机器人实时制导导航的鲁棒方法。视觉传感器与全天候应用的毫米波雷达相结合，是一种适用于自动地面车辆（AGV）、无人机（UAV）甚至行星漫游车的前瞻性装置。利用AGV在城市道路环境下的移动平台进行了研究。为了减少计算量，便于硬件或算法的实现，提出了一种基于视觉选择性注意机制和先验知识的毫米波雷达和视觉传感器驾驶过程中视觉意识的三级融合策略。SOR融合，包括点对齐、区域搜索和视觉任务。根据给定环境下的知识，将阴影和边缘作为目标物体固定的关键视觉线索。阴影或边缘检测的自适应阈值是从统计直方图中推导出来的。最后，通过对城市道路环境的试验数据，验证了该方法的有效性，该方法简单可行。

Introduction

对于自主地面车辆（AGV）、无人机（UAV）等智能移动机器人而言，实时可靠的环境感知信息是实现自主移动机器人精确导航和控制的关键。多传感器信息融合可以利用许多传感器的不同感知特性，如视觉、声纳、雷达和激光测距仪，无论在工业和军事应用中。近年来，由于其良好的发展前景，对AGV的研究越来越受到世界各国的重视。由于公路驾驶环境对导航系统来说是非常复杂和动态的，如何及时获得可靠的环境信息对于AGV的导航和控制至关重要。本文考虑了毫米波雷达和视觉传感器在机动车辆导航信息融合方面的优势。

由于毫米波雷达具有全天候甚至空间探测等探测优势，许多科学家对其在精密导航领域的应用进行了大量的研究，特别是在雷达导引头导弹等军事应用领域。由于雷达的性能受尘埃、雾、中雨、雪和环境光照条件的影响较小，且具有远程测量功能，因此对行星探测车的感知系统的构建特别有用。Paul[1]等人开发了一种将探地雷达与立体视觉相结合的行星机器人测绘技术。近年来，随着其成本的大幅降低和尺寸的减小，在自主车辆和主动安全系统上的应用越来越广泛。Chuck Thrope等[2]将雷达与速度传感器集成，使用卡尔曼滤波器进行车辆定位和导航。Stephen Clark[3]利用机械扫描毫米波雷达提取特征，并结合GPS进行AGV导航。毫米波雷达虽然具有快速探测运动目标、提供相对（目标主机）距离和速度等优点，但不能获取被探测目标的轮廓和尺寸，不能直接用于自主导航，只能用于碰撞报警。然而，在视觉方面，人们知道80%的人类决策信息依赖于视觉信息，可以获得目标的轮廓和大小，甚至相对距离、速度[4]和方位信息[5]。由于计算机技术的现状，导航的实时视觉信息处理算法仍然无法实现。因此，如何将其他传感器与视觉传感器相结合，是有效降低计算量、实现环境感知实时处理、提高环境感知可靠性的关键问题。近年来，由于毫米波雷达与视觉传感器的互补优势，雷达与视觉融合已成为驾驶辅助系统和自主导航的重要组成部分。申坤公园等[6]采用M/A-COM制造的MASRAU0025 24GHz毫米波雷达，通过对原始雷达数据的最近聚类进行数据关联和运动目标跟踪。Giancarlo Alessandretti等[7]融合了两个24GHz扫描雷达和视觉传感器，以提高对车辆和护栏的检测。吴等[8]采用立体视觉与24GHz雷达融合，利用扩展卡尔曼滤波器进行轮廓跟踪和避障。方[9]利用雷达获取的深度信息，对图像中的目标段进行深度信息挖掘，有效地减少了计算量。此外，德尔福公司还应用ASCI和CPU，为汽车主动安全系统构建了雷达和摄像机传感器集成传感器

虽然对融合雷达和视觉的应用研究较多，但对导航雷达和视觉融合方法的研究较少。这种传感器组合应用于精确制导和导航，而不仅仅是障碍物探测。Shigeki等[10]利用同形矩阵和雷达反射强度对雷达和视觉进行空间标定。本文采用德尔福ESR 76-77GHz雷达和巴斯勒相机进行信息融合。针对驾驶过程中的注意力机制和视觉意识，建立了三级融合策略，以加快视觉信息处理速度，减少误检，最终确定障碍物边界及其姿态变化，进一步实现精确导航。本文只是基于雷达和视觉的综合导航系统的一部分

3、A Novel Dual-band Miniaturized Patch Antenna with NRI-TL for UAV Applications

一种用于无人机的新型双频微型贴片天线
2018 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT)

Abstract

本文提出了一种用于无人机的新型双频带负折射率传输线微型贴片天线。该天线由两部分组成。一种是一种U形背腔天线，由两条对称弯曲线的平面双矢量贴片和一个U形背腔组成。另一种是负折射率传输线，用于减小U型背腔天线的尺寸。虽然U型背腔天线与所设计的天线尺寸相同，尺寸为36cm40cm25cm，但所设计的天线可以在较低的频段工作。由于引入了负折射率的DEX传输线，总的尺寸减小幅度高达12.3%。这种微型贴片天线具有NRI-TLS，非常适合无人机系统的设计

Introduction

小型化天线在许多商业和军事平台上的各种应用中经常需要用到
例如，对于无人机（UAV）系统来说，小型化天线的需求越来越大。然而，这些天线通常是在甚高频波段上工作的，这通常需要较大的天线尺寸和离地平面很高的高度，以获得良好的辐射性能。
微带贴片天线小型化的各种技术通常是通过在[1]中适当加载来完成的。[2]提出了一种用于近场和远场操作的小型超高频多业务射频识别阅读器天线。插槽天线的尺寸[3]-[4]可以小到0.030 0.03，但它们需要一个相对较大的接地平面，从而使天线的总体尺寸变大。研究[5]-[6]开发了两种尺寸非常小的天线，其增益也大大降低.

本文提出了一种新的负折射率传输线（NRI-TL），用于双波段贴片天线的小型化和带宽增强。由于采用负折射率传输线，使得U形背腔天线的尺寸进一步减小。更重要的是，所提出的nri-tls也可以为背腔天线实现带宽增强。这种新型的双频微型贴片天线具有非常紧凑的尺寸36cm 40cm 25cm（0.0150 0.01700.0100）。仿真结果表明，在近8%的阻抗带宽内，该天线的回波损耗优于10dB。该天线具有体积小、带宽适中、方向性好等特点，能满足无人机机载系统应用的要求

4、ANTENNA DESIGN OF COLLISION AVOIDANCE RADAR SYSTEM FOR THE SMART UAV

智能无人机防撞雷达系统天线设计
The 23rd Digital Avionics Systems Conference

Abstract

首次设计了无人机防撞雷达系统中的1个HOM、1个抛物线、4个卡塞格伦和1个偏移卡塞格伦天线的几何参数，并对这些单馈天线的辐射模式进行了SIW生成和比较。抛物面天线和卡塞格伦天线的旁瓣比其它天线小，但由于制造负载简单、体积小，无人机选用抛物面天线。

Introduction

韩国科技部（MOST）领导的21世纪前沿研发项目、科技发展长期规划，正在朝着韩国航天技术的集中发展。智能无人机项目的目标是，其中一个前沿研发项目追求先进的垂直起降无人机，以及具有高性能、健康监测能力、自我恢复能力、智能任务控制、实时可靠的数据链、碰撞意识和从起飞到着陆的全自主飞行的智能技术。该项目在韩国航空航天研究所（KARI）举行，该研究所支持韩国航空航天工业的特定RLD。

5、Autonomous Relay for Millimeter-Wave Wireless Communications

IEEE Journal on Selected Areas in Communications

Abstract

毫米波通信是下一代无线传输的新兴技术。毫米波以其丰富的带宽和较短的波长，在多千兆位传输率和波束形成方面取得了进步。相比之下，短波也使得毫米波容易被障碍物阻挡。为了克服这些障碍，在毫米波通信中，继电器被广泛应用。无人驾驶自动车辆（UAV），如无人机和自动驾驶机器人，在实际应用中实现了移动中继。然而，无人机很难自动找到最佳中继位置。一方面，由于无线环境复杂多变，很难准确定位，另一方面，大多数应用都要求中继设备立即转发数据，因此自主过程应该很快。为了应对这一挑战，我们提出了一种新的自动中继方法，专门用于毫米波通信。在自动回放中，无人机在移动时对毫米波光束的链路质量进行采样。无人机在实时采样的基础上，利用压缩传感理论对候选空间中的链路质量进行估计，逐步调整路径接近最优位置，提高了精度，节省了时间。性能结果表明，在实现精确有效的中继策略方面，autorelay优于现有的方法

Introduction

下一代无线技术毫米波（mmwave）通信[19]在新兴网络（如5G蜂窝网络[27]、无线个人局域网Wigig[20]、物联网[11]和无线数据中心[8]）上显示出巨大的潜力。有希望的毫米波通信工作在3-300GHz，其可用带宽高达多GHz。因此，mmwave能够为无线信息淋浴提供千兆传输率[7]。此外，毫米波的短波长允许多个天线集成在一个微小的空间中。因此，可以利用波束形成技术[20]来构造定向波束，延长通信距离，减少干扰

虽然mmwave拥有上述承诺，但它有两个缺点。首先，毫米波通信范围比现有的无线技术（如WiFi和蓝牙）短，因为波长较短的信号在空气中衰减更严重[6]。第二，毫米波容易被障碍物阻挡。由于联邦通信委员会将传输功率限制在40dBm，因此MMwave无法穿透大多数障碍物

为了弥补这些缺点，继电器[13]、[15]、[21]对于延长通信范围和绕过障碍物至关重要。随着无人驾驶汽车（UAV）的迅速发展[10]，[24]，无人驾驶和自动驾驶等移动中继在实际应用中已成为可能，特别是在紧急和关键任务中。

移动中继由于其低成本和灵活性，在工业界和学术界引起了极大的兴趣。在文献中，对传统无线技术中的中继进行了大量相关研究，如WiFi和蜂窝[4]，[22]。此外，为了进一步提高移动网络的连接性和吞吐量，还研究了[14]、[25]协同无人机中继。然而，作为一种新兴的无线技术，毫米波通信几乎没有针对移动中继的专门研究

无人机很难准确、快速地找到最佳位置。由于无线环境是动态的和不可预测的，无人机不知道如何轻松地确定最佳位置。一种精确的方法是在所有可能的空间测量收发信机之间的链路质量，并选择最佳的链路质量。然而，这种方法花费的时间太长，而大多数应用程序要求继电器尽快开始工作

6、Blockage of Millimeter Wave Communications on Rotor UAVs: Demonstration and Mitigation

旋翼无人机毫米波通信阻塞：演示与缓解
-MILCOM 2017 - 2017 IEEE Military Communications Conference (MILCOM)

Abstract

无人机由于其恶劣的环境和安全问题，在军事上得到了广泛的应用。为了应对无人机通信的挑战，毫米波通信被认为是一种既安全又具有高吞吐能力的潜在解决方案。然而，对无人机毫米波通信的研究还不充分，没有得到广泛认可的信道模型。本文利用硬件试验台研究了无人机螺旋桨对毫米波通信的阻塞效应。提出了一种预测快速但周期性阻塞的方案，并降低了这种心跳信道的吞吐量损失。

Introduction

无人机（UAV，A.K.A.无人机）由于其独特的战术功能，如地理测量、监视和重要的传感器测量，近年来在军事通信和传感领域引起了广泛的关注。为了满足高数据吞吐率的要求，保证数据的可靠性，考虑到在这样一个高频段内有一个很宽的空闲频谱，毫米波频谱是一个很好的候选者，以实现高数据速率。频谱宽，更容易跳频，技术上也很难破解/干扰。除此之外，毫米波的短波长也使得天线阵的尺寸变小，更容易集成在单个芯片上。对于资源非常有限的无人机，这可以为系统设计提供很大的优势[1]。MMwave的另一个优点是其定向通信提供的安全性。类光传播将保护通信链路不受可能的对抗行动的影响。

除了这些优点外，将毫米波通信应用于无人机的应用也是一个挑战。众所周知，毫米波容易产生阻塞效应，即信号被传播路径中的障碍物阻塞。对于小型和紧凑型无人机，模块布置需要专门的设计。由于未来无人机可以与地面或空中目标进行通信，因此毫米波发射机的波束方向需要覆盖所有可能的方向，因此可能会被无人机本身的组件所阻挡。在高动态环境下，这种自阻塞可能会严重降低性能。尽管在传统频段进行了实验，但目前还没有对毫米波频段的自阻塞进行研究[2]。对静态室内环境进行了大量的研究，但对室外环境[1]、[3]、[4]知之甚少，更不用说空气-地面或空气通道了

对于阻塞效应造成的损失，更具体的情况是。如[3]所示，人体运动引起的阻塞很难在统一的框架中建模。为了评价无人机背景下的阻塞效果，我们对无人机快速旋转螺旋桨造成的阻塞损失进行了测量实验，为无人机的设计提供了一定的依据，如图所示。1。结果表明，阻塞效应是显著的，从而形成一个快速变化但周期性的通道，如心跳（但要快得多）。与传统通信中缓慢变化的阴影衰落相比，毫米波通信的阻塞效应要快得多，对无人机毫米波通信形成了独特的挑战。

当无人机螺旋桨发生阻塞时，考虑到机械系统的惯性比通信系统大得多，因而发展得很慢，如何预测阻塞周期是我们进一步研究的问题。为了识别阻塞模式，假设一个多副载波毫米波通信系统，我们提出了一个多通道（每个通道对应一个副载波）最快检测，其中每个通道使用标准累积和（CUSUM）值作为汇总指标计算其值。在每个时间步骤中，计算值都被整合，在这里应用霍尔姆程序来确定是否发生了信道的显著变化。如[5]中所述，在所有信道（子载波）的所有信噪比条件下，Holm的程序为相干检测提供了对家庭误码率i（fwer i）的强有力控制。如数值结果所示，最快的检测方法将有助于检测堵塞边缘，从而识别堵塞模式

7、Micro FMCW SAR with high resolution For Mini UAV

微型无人机高分辨率的微型调频连续波合成孔径雷达
2018 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT)

Abstract

随着微型无人机（UAV）应用的日益广泛，对体积小、重量轻的机载雷达传感器的需求也越来越高。本文研制了一种轻量化、小型化的FMCW合成孔径雷达。该合成孔径雷达采用了新颖的电路结构和高密度集成芯片，在尺寸、重量、功耗等方面取得了显著的进步。雷达工作在K波段，产生的信号带宽超过2千兆赫，使距离分辨率达到7.5厘米。为了实现紧凑的设计，在微波多层印制电路板上开发了该系统，并通过实验验证了该系统的性能

Introduction

与脉冲雷达相比，调频连续波合成孔径雷达具有体积小、重量轻、成本低等特点[1，2]。此外，光学传感器在晴天条件下的应用，使得人们对一种能在各种天气下工作的小型合成孔径雷达传感器提出了更高的要求。因此，小型化合成孔径雷达传感器在军事领域和民用领域得到了广泛的应用，如侦查、目标检测、环境监测等。特别是随着微型无人机（UAV）的日益广泛应用，当小型无人机配备小型SAR（mini sar）传感器时，其操作简单，可以转移到任何区域，对遥感应用非常有用[3-7]。因此，对更小更轻的合成孔径雷达的需求变得越来越迫切。此外，随着对大型阵列雷达（包括相控阵、分布式阵列雷达和频率多样性阵列等）需求的不断增加，小型化和成本效益成为研究的重点[8]。然而，传统的小型化调频连续波合成孔径雷达仍有一些局限性。首先，尽管目前紧凑型调频连续波雷达在重量和尺寸上都取得了很大的进步，但一些小型合成孔径雷达在小型无人机平台上的应用仍然有限。例如，Luna无人机的有效载荷重量限制在4千克[9]以内，这妨碍了一些小型合成孔径雷达在小型无人机平台上的应用。其次，传统的小型化合成孔径雷达的设计方案不适合将整个系统集成到一个芯片上。例如，在信号产生部分，采用D/A（或DDS）结合变频（或倍频）方案实现线性调频（LFM）信号发生器[10]，这些方案很难在单个芯片上实现。此外，传统的方案在电路板中使用了许多器件，这将导致集成度低，成本也很高。因此，微型合成孔径雷达的广泛应用将受到阻碍，如大规模数字相控阵应用[11]。因此，在实现该雷达片上系统之前，有必要采用新的方法来实现一个微型合成孔径雷达。

8、Position-Aided Compressive Channel Estimation and Tracking for Millimeter Wave Multi-User MIMO Air-to-Air Communications

毫米波多用户MIMO空对空通信的位置辅助压缩信道估计与跟踪
2018 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops)

Abstract

我们考虑一个多用户毫米波网络的飞行器。一架飞机作为接入点，通过毫米波通信链路与多个机载用户通信。重点研究了多用户毫米波频率选择性MIMO信道的估计和跟踪问题，利用各用户（飞行器）的位置和轨迹先验信息。我们开发了一种基于压缩传感工具的信道估计和跟踪策略，即使在高机动性的空中情况下，也会引入较低的开销。仿真结果表明，在低信噪比情况下，即使训练符号数量减少，新的信道估计和跟踪算法也能提供足够质量的信道状态信息（CSI），以获得和保持频谱效率的近似最优值

Introduction

有人驾驶和无人驾驶飞行器之间的高数据率网络使革命性的应用成为可能。例如，在具有多个平台的系统中，高数据率通信可以实现实时或近实时传感器融合，提高情报、监视和侦察有效载荷的效用。无人机平台也被提议为传统网络无法到达的区域提供通信覆盖[1]，[2]。特别是，实施特殊网络方法的无人机网络可用于将数据从飞机传送到飞机上

本文假设毫米波是实现飞行器间高速数据通信的关键技术。在30 GHz至300 GHz的毫米波段中，可用频谱比在大多数军事通信发生的6 GHz以下波段中可用频谱多[3]。MMwave波段已经在商业应用中得到利用[4]，包括WPAN、WLAN和回程。此外，它将成为未来5G蜂窝网络的一部分[5]。这些应用程序预测每个链路的数据速率为每秒数十亿比特

由于采用了方向波束形成技术，使得毫米波通信系统的设计具有一定的挑战性，这种技术将波束转向模拟域，而不是数字域。这在信道估计、波束训练、波束自适应和MU MIMO处理[5]等领域引入了新的挑战，而这些领域在传统MIMO系统中并不存在。可以提高毫米波系统的效率

利用多用户多输入多输出（mu-mimo）通信原理，可以同时为多个用户提供服务，从而提高毫米波系统的效率。在毫米波中实现多输入多输出需要模拟波束形成和数字波束形成的混合，这被称为混合预编码和组合[5]。当涉及多个用户时，波束训练和适应更具挑战性。mu-mimo-mmwave系统的初步工作表明，可以同时为多个用户提供服务，每个用户的性能接近于专用信道的性能[6]。因此，至少对少数活跃用户而言，mu-mimo和mmwave的好处是可以共同实现的。

本文研究了一种基于混合结构的多输入多输出（MIMO）系统，实现了一个航空网络。飞机作为接入点，而其他飞行器通过接入点通过空对空（A2A）毫米波通信链路进行通信。重点研究了低开销信道估计和跟踪算法的设计问题，这在高机动情况下是必不可少的。我们设计了一种基于稀疏恢复工具的算法，该算法利用位置和轨迹信息来获取航迹信息。本文还对采用该算法获得的不完全信道知识设计的预编器和合并器的情况进行了速率分析。

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