我國(guó)無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)與發(fā)展淺析

摘 要 近年來(lái)，我國(guó)民用無(wú)人機(jī)快速發(fā)展對(duì)航空安全、公共安全帶來(lái)挑戰(zhàn)，加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)的管控成為行業(yè)共識(shí)。無(wú)人機(jī)探測(cè)是無(wú)人機(jī)管控的重要手段，探測(cè)技術(shù)是反制的前提與關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文描述了典型無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)行業(yè)發(fā)展情況，提煉了行業(yè)發(fā)展特點(diǎn)，最后對(duì)本文進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞 無(wú)人機(jī)探測(cè);公共安全;有源探測(cè);無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè);光電探測(cè)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，民用無(wú)人機(jī)成為近年來(lái)發(fā)展最迅猛的新興產(chǎn)業(yè)之一，我國(guó)民用無(wú)人機(jī)數(shù)量呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]。同時(shí)，人工智能也廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，如無(wú)線(xiàn)通信[2-3]、無(wú)人機(jī)飛行以及作業(yè)，基于人工智能的無(wú)人機(jī)行業(yè)爆發(fā)出強(qiáng)勁的活力[4]。然而，無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展也帶來(lái)了一定的負(fù)面影響[5]，如民用無(wú)人機(jī)干擾民用機(jī)場(chǎng)飛行活動(dòng)，導(dǎo)致航班等待、繞行、返航、備降、延誤、取消，乃至危險(xiǎn)接近和機(jī)場(chǎng)關(guān)閉等事件頻發(fā)。特別是2017年4至6月，成都雙流機(jī)場(chǎng)、重慶江北機(jī)場(chǎng)遭受到嚴(yán)重的無(wú)人機(jī)黑飛侵?jǐn)_事件，造成嚴(yán)重的安全隱患和惡劣影響。

為應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)飛速發(fā)展帶來(lái)的負(fù)面影響，進(jìn)一步規(guī)范無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的有序健康發(fā)展，保證飛行安全和公共安全，對(duì)無(wú)人機(jī)加強(qiáng)飛行監(jiān)管成為行業(yè)熱點(diǎn)和社會(huì)共識(shí)，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)反制成為重要的飛行監(jiān)管段[5-6]。其中，無(wú)人機(jī)探測(cè)是反制的前提與關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。探測(cè)環(huán)節(jié)的缺失或薄弱，將無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的精確定位以及精準(zhǔn)處置。在探測(cè)環(huán)節(jié)缺失或薄弱的情況下，要實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的監(jiān)管只能依靠設(shè)立禁飛區(qū)、建立實(shí)名登記機(jī)制等管理辦法進(jìn)行預(yù)防。然而，上述管理辦法主要對(duì)合作類(lèi)無(wú)人機(jī)有效，對(duì)于非合作類(lèi)無(wú)人機(jī)則沒(méi)有效果，同時(shí)禁飛區(qū)的大量設(shè)置是以犧牲無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的快速發(fā)展以及一定的經(jīng)濟(jì)成本為代價(jià)。因此，有效的無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)是防范無(wú)人機(jī)違規(guī)飛行以及保證公共安全以及人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要舉措。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量的科研院所和相關(guān)廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)了眾多無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)和設(shè)備，無(wú)人機(jī)探測(cè)市場(chǎng)和行業(yè)也蓬勃發(fā)展，了解無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)及其行業(yè)最新發(fā)展情況將有助于我國(guó)政府監(jiān)管部門(mén)以及機(jī)場(chǎng)、核電站等重要場(chǎng)所提升對(duì)無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，將有利于政策制定和開(kāi)展有效的無(wú)人機(jī)安防工作，極具社會(huì)及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)分類(lèi)與分析

近年來(lái)，為對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，有效的探測(cè)跟蹤技術(shù)成為了無(wú)人機(jī)管控的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。從民用角度，目前無(wú)人機(jī)探測(cè)跟蹤技術(shù)主要有有源探測(cè)、激光探測(cè)、金屬探測(cè)、光電探測(cè)、無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)和聲學(xué)探測(cè)，其中經(jīng)過(guò)實(shí)戰(zhàn)，比較有效的是有源探測(cè)、無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)、光電探測(cè)三個(gè)主要類(lèi)型，根據(jù)對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)主流無(wú)人機(jī)探測(cè)設(shè)備的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其中有源雷達(dá)方法、無(wú)線(xiàn)電頻率監(jiān)測(cè)方法與光電探測(cè)方法大約各占1?3，是當(dāng)前行業(yè)主流技術(shù)，本章將對(duì)這三種主流技術(shù)進(jìn)行描述并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

1.1 有源探測(cè)

有源探測(cè)主要以低空雷達(dá)為主，通過(guò)發(fā)射和接收調(diào)頻連續(xù)波或脈沖調(diào)制信號(hào)對(duì)小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行偵察，作用距離一般大于1.5km，通常有效距離可達(dá)3km-5km。低空雷達(dá)一般以固定站、車(chē)載機(jī)動(dòng)站為主，其面臨的問(wèn)題如下：

在對(duì)低空、小微目標(biāo)探測(cè)時(shí)，現(xiàn)役的低空探測(cè)雷達(dá)（主要用于探測(cè)低空的直升機(jī)、巡航導(dǎo)彈和戰(zhàn)斗機(jī)等快速目標(biāo)）無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效探測(cè)和跟蹤[7]。

面臨地雜波、海面雜波和多徑傳播干擾時(shí)，對(duì)小微目標(biāo)探測(cè)較為困難。

低空雷達(dá)一般都配置動(dòng)目標(biāo)處理功能，但對(duì)于慢速以及懸停的無(wú)人機(jī)則效果較差，常常會(huì)漏檢。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)低空小微目標(biāo)的高精度探測(cè)，并成功引導(dǎo)其他設(shè)備對(duì)其跟蹤，雷達(dá)系統(tǒng)需要具備以下能力。即，抑制強(qiáng)地雜波干擾和檢測(cè)弱小目標(biāo)的能力;具備俯仰測(cè)角能力;良好的環(huán)境適應(yīng)能力;體積小、重量輕。因此雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)在方位波束駐留時(shí)間受限的情況下，一般采用如下設(shè)計(jì)：

俯仰上采用寬波束發(fā)射和接收DBF技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)功能，增加了單個(gè)波束駐留時(shí)間，提高速度分辨率，并且具有波束指向靈活和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

采用高頻段，可以減少天線(xiàn)的尺寸和體積;采用天線(xiàn)、射頻、處理結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)體積和重量[8]。

以低空雷達(dá)為代表的有源探測(cè)技術(shù)成熟度較高，其優(yōu)點(diǎn)是不受無(wú)人機(jī)使用頻率影響，只與無(wú)人機(jī)大小有關(guān)。其缺點(diǎn)是受地雜波影響較大，虛警率高，且對(duì)于靜態(tài)目標(biāo)無(wú)效，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)型識(shí)別和鳥(niǎo)類(lèi)辨別，主要用于較大防護(hù)范圍的要地區(qū)域防護(hù)。

1.2 無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)

無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)通過(guò)實(shí)時(shí)偵收無(wú)人機(jī)遙控以及其自身發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，獲取無(wú)人機(jī)型號(hào)、方位等信息，有效作用距離一般在1.5-3.5km。

我國(guó)無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)基本形成了由固定站、移動(dòng)監(jiān)測(cè)車(chē)、搬移站和便攜設(shè)備組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。目前，日常的無(wú)線(xiàn)電管理的現(xiàn)場(chǎng)查處主要以無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)測(cè)向移動(dòng)車(chē)為主，利用移動(dòng)車(chē)在城市內(nèi)的高機(jī)動(dòng)性及快速作戰(zhàn)能力，通過(guò)對(duì)發(fā)現(xiàn)的可疑的干擾信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，排除可能產(chǎn)生干擾的雜波信號(hào)，利用多點(diǎn)測(cè)向交匯定位的方法確定目標(biāo)信號(hào)的大概位置。

無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)一般主要對(duì)433MHz、868MHz、915MHz、1.3GHz、2.4GHz、5.8GHz等無(wú)人機(jī)常用無(wú)線(xiàn)電頻段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要解決其信號(hào)識(shí)別和定位問(wèn)題，無(wú)人機(jī)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)具有較強(qiáng)的特征，識(shí)別相對(duì)容易，但定位問(wèn)題則需要較高的技術(shù)，一般部署至少4臺(tái)可移動(dòng)監(jiān)測(cè)站組網(wǎng)并采用到達(dá)時(shí)間差法（TDOA， Time of Difference of Arrival）進(jìn)行解算。

總體來(lái)看，無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)技術(shù)熟度較高，在無(wú)人機(jī)探測(cè)中優(yōu)勢(shì)很明顯，可以不受無(wú)人機(jī)尺寸、材質(zhì)、建筑物遮擋限制，可以用于長(zhǎng)期無(wú)人值守的無(wú)人機(jī)防御任務(wù);可定位無(wú)人機(jī)飛手。其不足處也較為明顯，即，無(wú)人機(jī)只依靠GPS自主飛行時(shí)無(wú)法探測(cè);對(duì)于跳頻、擴(kuò)頻、跳時(shí)無(wú)人機(jī)無(wú)法有效跟蹤;在城市復(fù)雜電磁環(huán)境下，容易受到干擾;探測(cè)精度較低。

1.3 光電探測(cè)

光電探測(cè)主要通過(guò)可見(jiàn)光和紅外波段成像設(shè)備進(jìn)行偵查，主要用于輔助雷達(dá)探測(cè)，用于目標(biāo)的進(jìn)一步識(shí)別，作用距離可達(dá)2km以上。

光電探測(cè)技術(shù)以紅外成像為主體，輔以紅外圖像目標(biāo)檢測(cè)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)視場(chǎng)內(nèi)低、慢、小運(yùn)動(dòng)目標(biāo)搜索，檢測(cè)，以及與其他傳感器的信息融合和告警，該技術(shù)需要解決光信號(hào)微弱和背景圖像復(fù)雜問(wèn)題，核心技術(shù)是圖像處理，包括連續(xù)幀以及鄰域特征處理、紅外輻射數(shù)學(xué)建模以及圖像處理中人工智能、深度學(xué)習(xí)算法等。無(wú)人機(jī)在運(yùn)行中會(huì)向外輻射可見(jiàn)光，同時(shí)因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)、電池等器件在工作中會(huì)成為一個(gè)發(fā)熱源，發(fā)熱量較大，也會(huì)發(fā)出紅外光，不過(guò)由于這些部位有外殼覆蓋，紅外光較弱，需要用特殊的算法提高其識(shí)別率。

光電探測(cè)技術(shù)具備精度高，效果直觀(guān)，拍照取證的優(yōu)勢(shì)。不足之處主要是探測(cè)范圍有限;應(yīng)對(duì)多架無(wú)人機(jī)目標(biāo)時(shí)能力有限;易受天氣干擾（霧霾、雨雪、沙塵天氣會(huì)影響目標(biāo)的描準(zhǔn)和跟蹤）[8-9]。

2無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)發(fā)展分析

無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)近年來(lái)成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)，涌現(xiàn)了大量的探測(cè)技術(shù)，涉及聲光電等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，各個(gè)技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)景，有效性各異，從近年來(lái)發(fā)展情況來(lái)看，其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是：

技術(shù)體制方面，融合探測(cè)[5]是當(dāng)前行業(yè)共識(shí)和主要發(fā)展方向，融合探測(cè)就是融合不同原理的探測(cè)方法，主要包括紅外+可見(jiàn)光、圖像+聲波、圖像+雷達(dá)等，基于時(shí)空配準(zhǔn)、特征融合等技術(shù)，集各單一技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，最大程度提高探測(cè)能力和效果。

運(yùn)行機(jī)制方面，輕量化、移動(dòng)式是主流，隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是高性能專(zhuān)用芯片的大量應(yīng)用以及硬件的小型化趨勢(shì)，無(wú)人機(jī)探測(cè)設(shè)備越來(lái)越小型化、輕量化，功能和性能也更強(qiáng)。同時(shí)基于移動(dòng)載體，比如汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、艦船等移動(dòng)平臺(tái)集成無(wú)人機(jī)探測(cè)設(shè)備已經(jīng)成為新的趨勢(shì)，相對(duì)于固定式部署的局限，移動(dòng)式探測(cè)更加方便靈活，對(duì)環(huán)境和任務(wù)的適應(yīng)性更強(qiáng)，可以獲得高質(zhì)量的無(wú)人機(jī)目標(biāo)信息。

新技術(shù)應(yīng)用方面，無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的結(jié)合和協(xié)同更加緊密，無(wú)人機(jī)探測(cè)本身是一種特殊的對(duì)空感知物聯(lián)網(wǎng)手段，涉及時(shí)空信息和數(shù)據(jù)的感知、處理和應(yīng)用，包括探測(cè)、識(shí)別、跟蹤等業(yè)務(wù)，基于大數(shù)據(jù)+人工智能等新技術(shù)，可為傳統(tǒng)處理方法和機(jī)制賦能，大幅提高其運(yùn)行效率和質(zhì)量，已在行業(yè)得到大量應(yīng)用，這種趨勢(shì)未來(lái)將進(jìn)一步得到強(qiáng)化。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化是趨勢(shì)。無(wú)人機(jī)治理與管控是近年來(lái)出現(xiàn)的新課題，對(duì)于無(wú)人機(jī)運(yùn)行管理的認(rèn)識(shí)也是一個(gè)逐步成熟的過(guò)程，現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)及其使用較為混亂，缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，后續(xù)將逐步建立無(wú)人機(jī)管控技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的良性發(fā)展。

3總結(jié)與建議

為應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)量快速增長(zhǎng)對(duì)于民航安全、公共安全的巨大的挑戰(zhàn)，政府以及行業(yè)都在尋求對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的有效監(jiān)管。無(wú)人機(jī)探測(cè)是對(duì)非合作無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行監(jiān)管的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來(lái)，比較成熟可靠的無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)包括有源探測(cè)、無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)、光電探測(cè)技術(shù)。實(shí)踐表明，單一的探測(cè)手段往往不能解決復(fù)雜的無(wú)人機(jī)探測(cè)難題，通常需要采用多種探測(cè)手段相配合，探測(cè)設(shè)備的輕量化、移動(dòng)化趨勢(shì)明顯，大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，將人工智能技術(shù)引入到無(wú)人機(jī)探測(cè)中也是必然趨勢(shì)。同時(shí)，我國(guó)無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)發(fā)展還未成熟，無(wú)人機(jī)行業(yè)涉及企業(yè)眾多，但缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，亟須規(guī)范和引導(dǎo)。

結(jié)合我國(guó)目前無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，一方面，建議將多種探測(cè)技術(shù)相融合，并在無(wú)人機(jī)探測(cè)中引入先進(jìn)的人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的無(wú)人機(jī)精確探測(cè);另一方面，建議制定相應(yīng)的行業(yè)技術(shù)規(guī)范實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)行業(yè)的健康有序發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 段海濱，申燕凱，趙彥杰，等.2019年無(wú)人機(jī)熱點(diǎn)回眸[J].科技導(dǎo)報(bào)，2020，38（1）：170-187.

[2] Qing C，Cai B，Yang Q，et al. Deep learning for CSI feedback based on superimposed coding[J]. IEEE Access，2019（7）：93723-93733.

[3] Qing C，Cai B，Yang Q，et al. ELM-based Superimposed CSI Feedback for FDD Massive MIMO System” [J].IEEE Access，2019（8）：53408-53418.

[4] 趙嶷飛，孟令航，李克南.基于人工智能的智慧民用航空運(yùn)輸系統(tǒng)[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2019，10（6）：1-7.

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

[6] 譚大倫，劉振河.一種有效的民用無(wú)人機(jī)管控系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2019，52（5）：1273-1278.

[7] 劉炳輝.功能結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)在雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程，2013，29（6）：40-44.

[8] 何昌見(jiàn)，凌建壽，石凌飛.無(wú)人機(jī)探測(cè)與反制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].警察技術(shù)，2019（3）：4-7.

[9] 顧聚興.導(dǎo)彈告警系統(tǒng)及紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)的性能評(píng)估方法[J].紅外，2000（7）：13-22.

作者簡(jiǎn)介

張翔（1977-），男，四川成都人;畢業(yè)院校：電子科技大學(xué);專(zhuān)業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程，學(xué)歷：研究生，現(xiàn)就職單位：中電科特種飛機(jī)系統(tǒng)工程有限公司，研究方向：空中交通管理、通航信息化、無(wú)人機(jī)監(jiān)管。