識別無人機(jī)的無人值守光電告警系統(tǒng)*

殷宗迪，何 平，宋秋冬，朱 猛

(1.天津津航技術(shù)物理研究所·天津·300308；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院·哈爾濱·150001)

0 引 言

隨著無人機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展和無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的迅速擴(kuò)張，無人機(jī)已經(jīng)成為尋常百姓家中的常見電器。工信部在2017年12月印發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)和規(guī)范民用無人機(jī)制造業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出，至2020年，我國民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值將達(dá)到600億元。無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速擴(kuò)張令還沒有建立完善法律制度的巨大市場充滿危機(jī)與混亂。無人機(jī)在機(jī)場、重要會場和涉密工業(yè)場所肆無忌憚的“黑飛”，嚴(yán)重?fù)p害了我國人民的人身安全、信息安全和財產(chǎn)安全。為此，近年來，為保障我國重大涉密工業(yè)場所和交通樞紐等重要區(qū)域的安全，我國正在積極建設(shè)反無人機(jī)的安防系統(tǒng)。

1 國內(nèi)外反無人機(jī)系統(tǒng)簡析

當(dāng)前，針對無人機(jī)的安防技術(shù)手段主要可分為3大類：干擾屏蔽類反無人機(jī)裝備、捕捉擊毀類反無人機(jī)裝備、監(jiān)測反制類反無人機(jī)裝備，具體的實現(xiàn)形式主要包括激光炮、信號干擾、信號欺騙、聲波干擾、黑客技術(shù)、無線電控制，以及反無人機(jī)無人機(jī)等[1]。其中，光電系統(tǒng)是反無人機(jī)系統(tǒng)的前端組件，其輸出結(jié)果可最直觀地反應(yīng)目標(biāo)情況的圖像信息。在無人值守的智能化系統(tǒng)中，光電告警系統(tǒng)是全自動化的關(guān)鍵所在。在無人干預(yù)的情況下，只有在確定目標(biāo)為來襲無人機(jī)時，安防系統(tǒng)的攔截措施才會啟動。因此，對于一套無人值守的反無人機(jī)系統(tǒng)而言，其光電告警系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響著整個系統(tǒng)的性能。下面將簡要介紹國內(nèi)外主要的反無人機(jī)光電系統(tǒng)。

1.1 美國黑睿技術(shù)公司(Black Sage Technologies)——UAVX

美國黑睿技術(shù)公司運用人工智能技術(shù)，研制出了集無人機(jī)探測、識別、跟蹤功能于一體的UAVX系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的特點是，能夠利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別目標(biāo)，降低誤警率。其小型監(jiān)視雷達(dá)的有效探測距離為500m，由白光攝像機(jī)和連續(xù)變焦紅外攝像機(jī)進(jìn)行雙通道觀測，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別算法在移動計算機(jī)上完成。其工作流程為探測、情報、分類和警告。首先，小型監(jiān)視雷達(dá)負(fù)責(zé)對500m范圍內(nèi)的無人機(jī)進(jìn)行探測，并記錄下區(qū)域內(nèi)的雷達(dá)反射數(shù)據(jù)樣本，同時由后臺數(shù)據(jù)庫比對數(shù)千種常見的無人機(jī)；在發(fā)現(xiàn)無人機(jī)后，系統(tǒng)控制可見光和紅外探測器視軸指向目標(biāo)并進(jìn)行跟蹤；系統(tǒng)會通過郵件進(jìn)行告警，或者采取其他攔截措施。

1.2 由3家英國公司聯(lián)合開發(fā)的AUDS系統(tǒng)

AUDS系統(tǒng)由英國布萊特監(jiān)視系統(tǒng)公司、象棋動力公司和恩特普賴斯控制系統(tǒng)公司3家英國公司聯(lián)合開發(fā)，是一套強(qiáng)大高效的、全集成式的反無人機(jī)防御系統(tǒng)。這套系統(tǒng)由A400系列的Ku波段電子掃描雷達(dá)、光電控制器、紅外探測器、可見光探測器、目標(biāo)跟蹤軟件及電磁干擾器組成，可在固定路基或移動平臺上使用，可探測、跟蹤、分類、摧毀、干擾、壓制8km范圍內(nèi)的無人機(jī)。

1.3 英國威能公司——“無人機(jī)觀察和捕捉”項目

該項目參考全息雷達(dá)技術(shù)，同時利用了光電攝像機(jī)，能夠探測和識別7km范圍內(nèi)、質(zhì)量小于27kg的小型無人機(jī)[2]。系統(tǒng)使用的全息雷達(dá)是由英國威能公司自主研制的靜態(tài)相控陣?yán)走_(dá)，能夠?qū)沼蜻M(jìn)行持續(xù)監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)并跟蹤非法無人機(jī)。在試驗中，全息雷達(dá)成功探測到了6.4km處的一架四軸飛行器。

1.4 以色列拉斐爾先進(jìn)防御系統(tǒng)公司——Drone-Dome

Drone-Dome是由以色列拉斐爾先進(jìn)防御系統(tǒng)公司開發(fā)的無人機(jī)探測、跟蹤和壓制系統(tǒng)。這套系統(tǒng)由MEOS光電傳感器、RPS-42戰(zhàn)術(shù)空中監(jiān)視雷達(dá)和C-Guard信號干擾器組成。Drone-Dome與其他光電告警系統(tǒng)的不同之處在于，它不是通過發(fā)射射頻信號阻礙無人機(jī)與地面遙控裝置之間的通信聯(lián)絡(luò)，而是直接對全球?qū)Ш叫l(wèi)星信號進(jìn)行干擾，進(jìn)而導(dǎo)致失控的無人機(jī)無法再回到違法者手中。

1.5 德國Dedrone GmbH公司——Drone-Tracker

Drone-Tracker系統(tǒng)由光電探測器、聲波、超聲波設(shè)備及攝像機(jī)組成。將設(shè)備安裝在建筑物外墻或固定位置上，可以通過聲波和超聲波對空域進(jìn)行高效監(jiān)視。當(dāng)有非法無人機(jī)入侵時，計算機(jī)或智能手機(jī)上的數(shù)字地圖會實時顯示無人機(jī)的位置，視頻證據(jù)會被立即保留。

國內(nèi)的反無人機(jī)系統(tǒng)還處于起步階段，目前，中國電子科技集團(tuán)、上海資譽科技公司、天津津航技術(shù)物理研究所和中國工程物理研究院等科研單位都在研制反無人機(jī)系統(tǒng)。其中，天津津航技術(shù)物理研究所參與研制的系統(tǒng)是一套路基反無人機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高密度集成雷達(dá)、光電感知設(shè)備和電子干擾設(shè)備組成，可以實現(xiàn)全自動的探測、跟蹤、識別、壓制功能。本文介紹的識別無人機(jī)的無人值守光電告警系統(tǒng)，即為這個系統(tǒng)的重要組件。

2 識別無人機(jī)的光電告警系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)

本文介紹的無人機(jī)光電告警系統(tǒng)是全自動系統(tǒng)，與流程上端設(shè)備(雷達(dá)、頻譜偵察儀)及流程下端設(shè)備(干擾機(jī))構(gòu)成了一套完整的反無人機(jī)系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。雷達(dá)將可疑目標(biāo)信息傳輸給中央控制器，中央控制器將目標(biāo)信息轉(zhuǎn)化為目標(biāo)相對于光電告警設(shè)備的方位角、俯仰角及距離信息。用于識別無人機(jī)的光電告警設(shè)備將轉(zhuǎn)動到指定位置以捕獲和跟蹤目標(biāo)，可見光視場隨距離變遠(yuǎn)而變小，并且能夠自動調(diào)焦以保證視場的清晰度。利用深度學(xué)習(xí)算法識別、捕獲目標(biāo)，將目標(biāo)識別類型和跟蹤視頻圖像由光電服務(wù)器傳輸至中央服務(wù)器。若識別類型為無人機(jī)，那么中央控制器的控制干擾器將攻擊入侵無人機(jī)，使其返航。軟件流程和圖像識別所使用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是本套系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)基礎(chǔ)，本文在這里做出簡要介紹。

圖1 反無人機(jī)系統(tǒng)的全控制流程圖Fig.1 The full control flow chart of Anti-UAV system

2.1 識別無人機(jī)的光電告警系統(tǒng)的軟件流程

識別無人機(jī)的光電告警設(shè)備軟件由3部分組成：設(shè)備載荷上的紅外采集發(fā)送軟件、光電服務(wù)器上的服務(wù)器軟件，以及面向用戶的客戶端軟件。

圖2是紅外采集發(fā)送軟件的流程圖。紅外探測器獲取的紅外圖像在載荷中的微型計算機(jī)內(nèi)被組合拼接為完整的紅外圖像，圖像由網(wǎng)口發(fā)送給光電服務(wù)器。

圖2 紅外采集發(fā)送軟件的流程圖Fig.2 The software flow chart of acquisition and transmission by infrared detectors

光電服務(wù)器負(fù)責(zé)接收由中央控制器轉(zhuǎn)發(fā)的、雷達(dá)輸出的目標(biāo)信息，開啟可見光相機(jī)和紅外相機(jī)，并轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺偵察目標(biāo)。在捕獲目標(biāo)后，可見光探測器通過深度學(xué)習(xí)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法識別目標(biāo)，紅外探測器通過TopHat算法進(jìn)行小目標(biāo)檢測，隨后融合兩者的檢測結(jié)果并實時識別、跟蹤目標(biāo)，最終將識別結(jié)果和跟蹤視頻上傳至中央控制器。圖3是服務(wù)器軟件的流程圖。

圖3 服務(wù)器軟件的流程圖Fig.3 The software flow chart of server

服務(wù)器將跟蹤視頻圖像傳輸至客戶端程序，客戶端可分為手動模式和自動模式2種。在正常情況下，客戶端為自動模式，即顯示服務(wù)器程序傳遞的可見光、紅外圖像和目標(biāo)信息。當(dāng)用戶將客戶端切換到手動模式，就可以通過搖桿手動控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，以及執(zhí)行可見光相機(jī)變焦等相關(guān)操作，客戶端的軟件流程如圖4所示。

圖4 客戶端軟件流程圖Fig.4 The software flow chart of client

2.2 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用一系列卷積層，構(gòu)建了多層網(wǎng)絡(luò)，以模擬人腦在感知視覺信號時的逐層處理機(jī)制，進(jìn)而獲得圖像的多層次特征。卷積層的卷積操作如式(1)所示。

(1)

其中，l代表模型的層數(shù)，H代表卷積核，Mk代表l-1層的第k個特征圖，b為輸出圖的偏置，f代表激活函數(shù)。

池化層解決了網(wǎng)絡(luò)輸出維數(shù)大、分類器設(shè)計難的問題。依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果的相似性原理，以池化操作統(tǒng)計卷積得到的結(jié)果，進(jìn)而減小了需要訓(xùn)練的系統(tǒng)參數(shù)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值更新采用BP反向傳播算法，誤差可以被當(dāng)作每個神經(jīng)元的基的靈敏度，如式(2)所示。

(2)

其中，δ為基的靈敏度，T為閾值，δl為第l層的靈敏度，W為網(wǎng)絡(luò)層的維數(shù)。

BP算法基于梯度下降策略，以目標(biāo)的負(fù)梯度方向?qū)?shù)進(jìn)行調(diào)整[4]，可推導(dǎo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值更新方程為

(3)

其中，η∈(0,1)為學(xué)習(xí)率。η的數(shù)值太大容易引起振蕩，η的數(shù)值太小則易導(dǎo)致收斂速度過慢。

3 光電告警系統(tǒng)的組成及作用

本文介紹的識別無人機(jī)的無人值守光電告警系統(tǒng)由可見光相機(jī)、長波非制冷型紅外傳感器、紅外圖像處理模塊、鏡頭、轉(zhuǎn)臺和中央服務(wù)器組成。采用可見光和紅外雙通道圖像傳輸是為了適應(yīng)全天候的工作環(huán)境，可見光相機(jī)的探測距離較遠(yuǎn)，但其受氣候影響較大，紅外相機(jī)在光線較弱和能見度較低時的探測效果較好。紅外相機(jī)選用了像元大小為17μm×17μm、像元數(shù)為640×512、幀頻為25Hz的長波非制冷型紅外相機(jī)。紅外鏡頭的焦距為240mm，F(xiàn)數(shù)為1.3?？梢姽庀鄼C(jī)的像元大小為3.3μm×3.3μm，像元數(shù)為1920×1080，可見光鏡頭的最大焦距為510mm。上述選擇，可保證紅外相機(jī)具備2km探測、1km識別的能力，可見光相機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)4km探測、2km識別。紅外圖像處理模塊的功能是將紅外圖像壓縮并傳輸至中央服務(wù)器。中央服務(wù)器對紅外圖像和可見光圖像進(jìn)行處理，利用人工智能算法，識別目標(biāo)并進(jìn)行跟蹤。光電告警設(shè)備的樣機(jī)如圖5所示。

(a)探測載荷部分 (a) The part of detection

(b)中央服務(wù)器(b) The central server圖5 光電告警設(shè)備的樣機(jī)Fig.5 UAV unmanned photoelectric warning system

3.1 無人機(jī)識別

本套系統(tǒng)的主要作用是識別入侵的目標(biāo)類型，若識別結(jié)果為無人機(jī)，則將結(jié)果反饋給中心控制系統(tǒng)，同時將拍照和錄像結(jié)果傳輸至中央服務(wù)器留存，作為法律證據(jù)。隨后，中心控制系統(tǒng)將啟用電磁干擾機(jī)逼退入侵無人機(jī)。

無人機(jī)識別技術(shù)主要依賴于人工智能算法。人工智能算法在中央服務(wù)器中用于實時處理傳輸過來的圖像，其算法基于深度學(xué)習(xí)理論中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]。該算法在圖像識別中的應(yīng)用優(yōu)勢明顯，它的優(yōu)點在于極大減少了參數(shù)數(shù)量，同時降低了模型的復(fù)雜度，提高了訓(xùn)練效率，并且對類似于平移和縮放的變形具備高度的不變性。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選用LeNet-5，分類器選用Softmax Regression，實際系統(tǒng)識別效果如圖6所示。由圖6可以看出，當(dāng)前由可見光圖像實時識別的目標(biāo)為無人機(jī)的概率為0.903575，而紅外圖像可直接將無人機(jī)目標(biāo)用紅框標(biāo)出。

(a)可見光識別圖像(a)Visible light recognition image

(b)紅外識別圖像(b) Infrared recognition image圖6 光電告警系統(tǒng)無人機(jī)識別效果圖Fig.6 The identification effect of UAV unmanned photoelectric warning system

3.2 目標(biāo)跟蹤

在識別無人機(jī)后，光電系統(tǒng)會持續(xù)跟蹤無人機(jī)的飛行軌跡，直到達(dá)到系統(tǒng)探測的最大范圍(在正常天氣狀況下，可見光的探測范圍為4km，紅外探測的范圍為2km)。通過圖像識別，計算目標(biāo)在當(dāng)前圖像中的相對位置，再根據(jù)雷達(dá)傳輸?shù)哪繕?biāo)距離信息計算當(dāng)前可見光的視場范圍，由目標(biāo)在視場中的相對位置和當(dāng)前視場大小，便可以推算出目標(biāo)相對于轉(zhuǎn)臺的實際偏差角，進(jìn)而轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤。圖7是本套系統(tǒng)跟蹤無人機(jī)的效果圖。

(a)可見光跟蹤圖像(a)Visible light tracking image

(b)紅外跟蹤圖像(b)Infrared tracking image圖7 光電告警系統(tǒng)的跟蹤效果圖Fig.7 The tracking effect of UAV unmanned photoelectric warning system

3.3 視頻監(jiān)控

除了無人機(jī)識別和跟蹤能力外，系統(tǒng)還具有視頻監(jiān)控功能。系統(tǒng)可設(shè)置為自動模式和手動模式，搭配搖桿可以手動轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，可人工監(jiān)控廠區(qū)范圍內(nèi)的活動情況。視頻監(jiān)控高清的圖像分辨率，使其可以在2km的廠區(qū)范圍內(nèi)捕捉一切違法行為。遇到突發(fā)情況，保衛(wèi)部門可以通過本套系統(tǒng)先行觀察事態(tài)發(fā)展，以采取相應(yīng)的解決措施。若發(fā)現(xiàn)為虛假警報，就可以避免施行緊急措施所帶來的人力、物力損失，還可以減小外界輿論壓力。同時，光電系統(tǒng)保存在中央服務(wù)器中的視頻圖像是最有力的法律證據(jù)。圖8是視頻監(jiān)控機(jī)場飛機(jī)的效果圖。

(a)可見光監(jiān)控圖像(a)Visible light monitoring image

(b)紅外監(jiān)控圖像(b) Infrared monitoring image圖8 視頻監(jiān)控機(jī)場飛機(jī)的效果圖Fig.8 The effect of UAV unmanned photoelectric warning system in airport

4 結(jié) 論

本文分別從系統(tǒng)組成、工作特點及技術(shù)實現(xiàn)3方面詳細(xì)介紹了一種識別無人機(jī)的光電告警系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，基于深度學(xué)習(xí)算法的目標(biāo)識別技術(shù)可以解放人力資源；可見光和紅外雙通道成像使得系統(tǒng)擁有全天候的工作能力；在同等重量級別的光電系統(tǒng)中，擁有較好的探測性能。同時，由于處于產(chǎn)品研制初期，這套系統(tǒng)在實際運行過程中仍存在著許多不足，現(xiàn)擬從2個方向提出未來的改進(jìn)設(shè)想：

4.1 自身探測能力

在實際使用過程中，由于雷達(dá)給出的角度誤差較大、使得目標(biāo)超出探測器視場范圍，導(dǎo)致系統(tǒng)無法捕獲目標(biāo)。現(xiàn)階段常用的手段是邊界搜索策略，即通過附近小范圍的搜索以捕獲目標(biāo)。但是，無目的的搜索引起的圖像抖動，增加了目標(biāo)檢測方法的實現(xiàn)難度。因此，如果光電告警系統(tǒng)自身擁有探測能力，那么其安防成功率和效率均會大幅提升。

4.2 協(xié)同控制技術(shù)

為了實現(xiàn)目標(biāo)的快速捕獲，本套識別無人機(jī)的光電告警系統(tǒng)安裝的紅外探測器選用了長波非制冷型。非制冷型紅外探測器的性價比較低(這里的性價比是指探測距離與探測器價格之間的比值)，同時隨著探測距離的增加，探測器的價格呈指數(shù)增長趨勢。為了控制成本，在確保探測距離的前提下，未來擬采用由多個性能適中的小型光電告警系統(tǒng)協(xié)同布防的控制策略。