低空無人機(jī)探測(cè)技術(shù)探討

孫宇 王驥駿 任旭輝 劉兵

摘 ?要：無人機(jī)行業(yè)在近年發(fā)展迅速，在技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)也帶來了安全風(fēng)險(xiǎn)。為了應(yīng)對(duì)安全方面的挑戰(zhàn)，低空無人機(jī)探測(cè)技術(shù)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文在分析低空無人機(jī)的特征的基礎(chǔ)上，對(duì)低空無人機(jī)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了探討，對(duì)雷達(dá)、光電等探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了分析比較。

關(guān)鍵詞：低空無人機(jī);探測(cè)技術(shù)

引言

近些年來無人機(jī)行業(yè)取得了日新月異的進(jìn)步，各種功能強(qiáng)大的低空無人機(jī)被研制出來。在行業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也給公共安全帶來了風(fēng)險(xiǎn)。2018年，委內(nèi)瑞拉總統(tǒng)馬杜羅在拉斯加斯遭到兩架商用無人機(jī)攻擊，每架無人機(jī)都攜帶有一千克炸藥。這一針對(duì)國(guó)家元首的無人機(jī)攻擊，只是無人機(jī)產(chǎn)業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)的冰山一角。在機(jī)場(chǎng)或私人住宅區(qū)上空盤旋的無人機(jī)構(gòu)成了從安全到隱私方面的各種威脅，因此對(duì)低空小型無人機(jī)的探測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的意義。

在公共安全方面，低空無人機(jī)帶來的風(fēng)險(xiǎn)因素主要有：一，非法潛入禁止區(qū)域進(jìn)行偵察拍攝，竊取秘密。二，攜帶炸藥等危險(xiǎn)物品攻擊重要設(shè)施，制造恐慌。三，飛行失去控制，干擾航空飛行，對(duì)公共交通安全構(gòu)成威脅。

低空小型無人機(jī)主要具有以下特點(diǎn)：一，貼近地面飛行。對(duì)低空無人機(jī)的探測(cè)手段容易受到山地、建筑、樹林等地形地物的干擾，返回的目標(biāo)信號(hào)容易被淹沒在干擾噪聲中。二，低速飛行。低空無人機(jī)可以低速飛行，部分可以實(shí)現(xiàn)空中懸停。而雷達(dá)是通過目標(biāo)回波的多普勒效應(yīng)來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，懸停給雷達(dá)發(fā)現(xiàn)無人機(jī)帶來了困難。三，目標(biāo)體積小。相比傳統(tǒng)的大型飛機(jī)，無人機(jī)的尺寸微小，電磁波反射截面較小，并且自身發(fā)射的電磁信號(hào)也很微弱，導(dǎo)致雷達(dá)、光電等探測(cè)手段對(duì)無人機(jī)的探測(cè)性能受到了影響。

雷達(dá)是一種利用電磁波的反射原理的探測(cè)手段，被廣泛用于對(duì)空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)。與其他探測(cè)手段相比，雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)幾千米到幾十千米的遠(yuǎn)程探測(cè)，且在不利的光照和天氣條件下受到的影響較小[1]。雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和信號(hào)處理系統(tǒng)組成。發(fā)射機(jī)向空間發(fā)射電磁波，電磁波在遇到目標(biāo)后被反射，被接收機(jī)接收后交給信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，通過分析返回的電磁波信號(hào)的時(shí)間和多普勒頻移可以得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方位、距離和速度。影響雷達(dá)的探測(cè)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素是從目標(biāo)反射回電磁波信號(hào)的強(qiáng)度。接收機(jī)獲得的反射電磁波信號(hào)強(qiáng)度與電磁波自身的頻率成反比，與目標(biāo)的雷達(dá)反射截面積成正比。無人機(jī)的雷達(dá)反射截面積與無人機(jī)的材料、尺寸和位置等有關(guān)，其雷達(dá)反射截面積通常很小，因此反射的電磁波信號(hào)微弱，使得雷達(dá)對(duì)無人機(jī)的探測(cè)距離受到限制。

傳統(tǒng)的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)的目標(biāo)是反射截面積相對(duì)較大且運(yùn)動(dòng)速度較高的有人飛機(jī)，并不能適用于反射截面積很小的低速無人機(jī)的探測(cè)場(chǎng)景。為了解決低速無人機(jī)的探測(cè)問題，需要研究一些新的雷達(dá)探測(cè)技術(shù)。有研究發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)在飛行時(shí)的振動(dòng)（由發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)生）和旋轉(zhuǎn)（由旋翼等產(chǎn)生）會(huì)產(chǎn)生特有的微多普勒特征。通過探測(cè)無人機(jī)目標(biāo)在飛行時(shí)的微多普勒特征，聯(lián)合使用時(shí)域頻域信號(hào)分析方法，可以增強(qiáng)雷達(dá)對(duì)低空無人機(jī)的探測(cè)性能。

光電傳感器探測(cè)也是空中目標(biāo)探測(cè)的常用手段，其作用的電磁波長(zhǎng)范圍從紅外波段到紫外波段。光電圖像傳感器在可見波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得空中飛行無人機(jī)的圖像信息，用于識(shí)別探測(cè)。紅外熱像儀可以在紅外光譜范圍內(nèi)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行探測(cè)，獲取無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)等在工作時(shí)輻射的熱量信號(hào)。通過對(duì)熱輻射信號(hào)進(jìn)行分析，在背景噪聲中檢測(cè)出無人機(jī)目標(biāo)。通過熱成像技術(shù)，即使在夜間、多云等光線微弱條件下，也可以對(duì)無人機(jī)進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)光譜根據(jù)無人機(jī)的預(yù)期溫度來確定，對(duì)于移動(dòng)的小型明亮目標(biāo)，波長(zhǎng)較短的紅外傳感器探測(cè)效果較好。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，很多具有良好性能的機(jī)器學(xué)習(xí)方法也得到應(yīng)用。

在光電探測(cè)系統(tǒng)中，可以運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，提高光電探測(cè)系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)的探測(cè)性能。雖然光電探測(cè)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，但是在部分場(chǎng)景中，該技術(shù)的探測(cè)性能難以滿足使用需求。光電傳感器的使用，要求視距環(huán)境，在非視距環(huán)境下，光電傳感器無法實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)目標(biāo)的探測(cè)，無法發(fā)現(xiàn)被遮擋的目標(biāo)。另外，光電傳感器的探測(cè)性能容易受到天氣的影響，在復(fù)雜氣象環(huán)境下，如霧天能見度不良的情況下，可能無法探測(cè)到無人機(jī)目標(biāo)。如果無人機(jī)的熱輻射水平與環(huán)境背景熱噪聲水平相差不大，紅外傳感器對(duì)無人機(jī)目標(biāo)的探測(cè)將變得十分困難。

激光雷達(dá)是利用激光的反射現(xiàn)象的探測(cè)手段。與雷達(dá)探測(cè)類似，激光雷達(dá)通過探測(cè)從目標(biāo)反射后返回的激光信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。激光信號(hào)的頻率很高，因此激光雷達(dá)可以獲得良好的角度、距離和速度分辨率。與傳統(tǒng)的微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)的低空探測(cè)性能更好。微波雷達(dá)由于受到地形地物帶來的地雜波的影響，存在低空盲區(qū)。而激光雷達(dá)只有照射到目標(biāo)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生反射，不易受到地雜波的影響，因此對(duì)低空無人機(jī)目標(biāo)的探測(cè)性能更好。但是激光雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)時(shí)需要通視環(huán)境，容易受到不良天氣狀況的影響，在霧、雨、雪等特殊天氣下對(duì)無人機(jī)目標(biāo)探測(cè)效果將會(huì)變差。

各種無人機(jī)探測(cè)手段的探測(cè)距離和適用環(huán)境存在差異。在大霧和夜間等能見度較低的情況下，光電探測(cè)只能使用紅外傳感器，不能使用可見光傳感器。晝夜對(duì)紅外探測(cè)的性能也存在影響。此外，在復(fù)雜電磁環(huán)境下，雷達(dá)探測(cè)手段的性能會(huì)受到影響。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的有效探測(cè)，需要采用多種探測(cè)手段融合探測(cè)的方法。常見的融合探測(cè)方法有：

雷達(dá)與光電融合探測(cè)。首先，使用雷達(dá)進(jìn)行大范圍掃描搜索，發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)后，使用光電成像對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確探測(cè)。雷達(dá)與光電融合探測(cè)方法在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)的同時(shí)，也兼顧了探測(cè)精度。其核心技術(shù)是雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別及其與光電成像設(shè)備之間快速穩(wěn)定的響應(yīng)[2]。

紅外與可見光融合探測(cè)。紅外與可見光融合探測(cè)系統(tǒng)在白天和夜間都可以進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)目標(biāo)的全天探測(cè)，能夠同時(shí)獲取可見光圖像的細(xì)節(jié)信息與紅外圖像的亮度信息，提高探測(cè)的準(zhǔn)確性。

結(jié)束語

采用多種探測(cè)手段融合探測(cè)的方法，可以有效改善探測(cè)系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)目標(biāo)的探測(cè)性能。多種探測(cè)手段相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)冗余探測(cè)，可以增加探測(cè)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。

參考文獻(xiàn)

[1]陳唯實(shí)，黃毅峰，盧賢鋒.多傳感器融合的無人機(jī)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用綜述[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2020，42（6）：15-29;

[2]屈旭濤，莊東曄，謝海斌.低慢小無人機(jī)探測(cè)方法[J].指揮控制與仿真，2020，42（2）：128-135.