无人机能“自主”飞行吗？

Can UAV fly "autonomously"?

都世民

2021-03-16，环球网有一文：“超材料？比尔·盖茨支持的公司造袖珍雷达，让无人机自主避开其它飞机”。（https://uav.huanqiu.com/article/42KUBWfZinx）这篇文章的标题，让我联想到人工智能的问题，人工智能研究人员一直想让飞行器“自主”飞行，也就是让机器有认知，有思维，本来这是不可能的事。然而无人机有雷达导航，就像导弹一样，应该属于主动导引；如果没有雷达导航，应称为被动导引。而标题的前面有“超材料”，是“超材料”让无人机自主避开？到底是什么因素导致无人机自主避开呢？

（https://uav.huanqiu.com/article/42KUBWfZinx）

2021-03-16，贤集网也刊文：“袖珍雷达将让无人机可以自动躲避空域内其他飞行物”。（https://www.xianjichina.com/special/detail_476802.htm）文中指出，美国国家航空航天局（NASA）最近的测试表明，Echodyne制造的袖珍雷达让AiRanger无人机可以在拥挤的空域自由飞翔。这架无人机自主飞行了14.5英里（约23公里）的航线。这篇文章强调的是无人机使用Echodyne的“袖珍雷达”，自行探测和躲避其它飞行物。但文中也提到超材料。
Echodyne公司拥有使用多种超材料(metamaterials)的许可证，这是人造材料，用于控制和操纵一系列物理现象，包括反射电磁辐射。使用超材料让Echodyne制造出比传统雷达小得多、耗电低得多、更便宜的雷达。这是体积、重量、功率、性价比优化的的雷达。这款雷达的价格不到3万美元。
从两篇文章来看，这无人机自主飞行，到底靠什么？是超材料还是袖珍雷达？如果是两者都有，它们之间是什么关系？这两篇文章并没有说清楚。

什么是袖珍雷达(Miniature Radar)？

·目前袖珍雷达没有明确的定义，笔者通过相关查询，认为袖珍雷达是一种袖珍式、便携式雷达。过去的雷达有固定式，有移动式，可以车载、船载、弹载、星载。但没有便携式。随着现代武器的更新，单兵式装备要求战士在单独行动时，能观察到周围的敌情，是需要配备一个便携式的雷达装备，能像笔记本电脑那样。

· 据报道，美国国防高级研究计划局（DARPA）研制成一种简易的装置，它能穿透30cm厚混凝土墙，感知墙后面15m内的空间有无人和物体，是否移动？它称为“Radar Scope”。新型袖珍装置每台售价仅为1000美元。电话听筒大小，重量为680克。

（https://baike.baidu.com/item/袖珍雷达/3053499?fr=aladdin）

· 目前我军装备的战场侦察雷达，已经日趋模块化，轻量化。现在的战场侦察雷达一般分为近距离便携式（《空天猎》中穿墙雷达为例）与中近距离车载式（《士兵突击》中阵地雷达为例）。近距离侦查雷达通常可由1～2位战士携带。

达

（https://c.m.163.com/news/a/E4HBI8Q405159C5N.html）（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1621532417658075358&wfr=spider&for=pc）

· 世界上多个国家已经对此进行了深入研究，对单个士兵的穿戴、头盔、武器都进行了相关研发，提出了各种各样的研发计划。对不同兵种的单兵作战和防护系统，综合加以考虑。
实际上，这些单兵技术系统包括信息采集、处理、传输，还包括作战系统。单兵携带的电脑、集瞄准具、步话机和发射天线于一体的头盔，各种传感器和点面火力结合的新式武器等。新式武器融合了夜视镜、全天候激光瞄准器和热成像仪。新式武器带有拐弯射击系统，有小型高分辨率摄像机和监视器，能帮助士兵在拐弯处实时观察到墙后的目标。单兵装备移植到无人机上，用作导航设备，让无人机自动躲避空域内其他飞行物，这就不奇怪了。

性能超越的氮化镓技术

是什么“超材料”促成了袖珍雷达？袖珍雷达的实现，不会是单一的材料和技术，氮化镓技术是其中的一个主要方面。

〔1〕氮化镓是一种无机物，是氮和镓的化合物，氮化镓（GaN）是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度。

〔2〕GaN和SiC同属于第三代高大禁带宽度的半导体材料。

氮化镓被誉为最新一代的半导体材料，发展和应用的潜力巨大。氮化镓比硅禁带宽度大3倍，击穿场强高10倍，饱和电子迁移速度大3倍，热导率高2倍。这些性能提升带来的一些优势，氮化镓比硅更适合做大功率高频的功率器件，同时体积更小，功率密度更大。可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高；GaN在降低成本方面显示出了更强的潜力。GaN器件是个平面器件，与现有的Si半导体工艺兼容性强，这使其更容易与其他半导体器件集成。

（https://baike.baidu.com/item/氮化镓/1650059?fr=aladdin）

（https://www.sohu.com/a/289994320_100011118）

〔3〕氮化镓（GaN）应用领域

· 光电领域：包括我们现在常见的LED以及激光雷达和VCSEL传感器；

· 功率领域：快充头、变频器等常见功率器件；

· 射频领域：包括5G基站、雷达、低轨卫星等。其中蓝宝石氮化镓只能用来做LED；硅基氮化镓可以做功率器件和小功率的射频；碳化硅氮化镓可以制造高功率LED、功率器件和高功率射频芯片。

·氮化镓 (GaN) FET 系列具有集成的栅极驱动器，可提供高效的 GaN 解决方案、使寿命、可靠性以及成本有优势。GaN 晶体管的开关速度可能比硅 MOSFET 快得多，因此可以实现更低的开关损耗。GaN 的高速开关特性正在改变当今电源系统的现状，使得超薄电源、电机驱动集成机器人等市场趋势得以形成，

不难看出，氮化镓技术是袖珍雷达得以实现的一个重要方面，它可以做成平面器件、耗电低、体积小、性价比高，诸多性能超越的器件。

另外，有一种人造双负（负介电常数和负折射率）电磁材料，是平面结构，有波长的缩短，这种材料尺寸也就缩小，而且是平面结构，有些超越的特殊性能，不详述。

平面天线

雷达必须有天线，用它来发射和接收电磁波，雷达天线通常都是设置在外边，不可以设置在系统内部。手机有没有天线呢？手机是数字移动通讯设备，也必须有天线。手机是便携式的，它是属于平面型，如果没有平面天线，就像早先的大哥大，是拉杆式天线，如今的手机都看不见天线，其实天线都在机壳内，是属于平面天线，在专业领域称作为微带天线，如今可以实现宽带，这也是笔记本电脑、袖珍雷达得以实现的基本前提。

袖珍雷达天线型式尚未见报道，如果想探测距离远，波束就要窄，搜索目标就困难，如果天线波束扫描，采用相控阵技术，想实现袖珍化很困难。美国联邦政府曾花了近10亿美元试图缩小相控阵雷达，但是失败了。

雷达的技术参数

目前尚未见到袖珍雷达的技术参数的全貌，它主要涉及工作频段、频率范围、带宽、测量精度、雷达作用距离、发射功率、电池电压及寿命、工作极化、外形尺寸、工作温度等。

2006-11-10 ，华夏经纬网刊文：“美国开发出世界上最小的雷达 可背在士兵身上”。文中指岀，成功开发出世界上最小的合成孔径雷达（SAR）。能安装在几乎所有飞行平台上。采用纳米微分子技术制造，自重一下子缩减到0.4公斤左右，重量是目前美军“食肉者”无人侦察/战斗机所用雷达的 1/40，体积仅有后者的1%。图像分辨率高达0.1米。雷达探测距离15公里。可作为各类无人机的侦察系统、精确制导武器。

（http://www.huaxia.com/thjq/jsxw/gj/2006/11/1550）

雷达技术参数相互之间是相互制约的，在设计上是需要均衡。工作波段使用的波长越短，实现袖珍化越容易，釆用的频段与已有诸多器件是否配套也有关，特别是雷达的射频部分的设计难度，往往限制了研发进度。

应当指出的是，袖珍雷达用到无人机上，使无人机不再用遥控，这样可以防止无人机被劫持。如果无人机可以低空飞行，沿海面飞行，也可以垂直升降，这几个因素结合起来，就可以避开雷达的盲区，再加上袖珍雷达的导引，这种无人机可以攻击航母上的雷达，也就是打掉航母的眼睛，这为击沉航母提供有利条件。

总之，袖珍雷达的实用化，尚未普及，仍然在研发之中，是值得关注的新技术，不单纯是微形化问题。