相控陣雷達與頻譜無人機監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)處理與融合

張?zhí)烨澹斡陼F，宋冰*

(1.上海世想科技有限公司，上海 201502；2.華東理工大學，信息科學與工程學院，上海 200237)

0 引言

近年來，由于無人駕駛系統(tǒng)以及無人駕駛飛行器技術迅猛發(fā)展，使得無人機在搜救、航拍、運輸?shù)阮I域提供了諸多有利的支持[1-2]。然而，無人機具有一定的載荷，極易被非法應用于偵察、自爆襲擊，同時由于其目標小，難以利用傳統(tǒng)方法對其進行追蹤定位。這使得無人機容易成為犯罪組織進行恐怖活動的武器。不法分子可能通過無人機偵察軍事設施、能源基地等重要場所，威脅國家安全；或是改造無人機攜帶爆炸物進行投放，造成重大的人員傷亡以及國家財產(chǎn)損失[3-5]。

對于化工園區(qū)，對于無人機的有效監(jiān)測尤其重要，無人機不但可以偵察到化工園區(qū)內的設施分布情況，而且能夠攜帶爆炸物對園區(qū)進行打擊。這都會對整個化工園區(qū)造成不可估量的損失以及人員傷亡。

目前，對于無人機的安防工作，雖然已經(jīng)通過物防、人防和技防措施，對周圍邊界區(qū)進行了防護，對于低空空域的防護仍是亟待解決的問題。低空空域無人機的檢測方法主要是探測無人機發(fā)出的各類信號，從而達到捕獲、識別、定位、跟蹤無人機的目的。

1 無人機監(jiān)測技術

1.1 雷達監(jiān)測

多普勒、毫米波、脈沖、相控陣等雷達技術已經(jīng)經(jīng)過多年的發(fā)展，并廣泛運用于軍用監(jiān)測系統(tǒng)中，雷達監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對目標的快速有效識別、偵測、追蹤。所以，雷達監(jiān)測系統(tǒng)可以被用來保護目標場所的低空空域。

典型的雷達由發(fā)射機、天線、接收機、信號處理機等設備組成。其中，發(fā)射機產(chǎn)生高頻的脈沖信號發(fā)送到天線中，脈沖信號和空中目標相遇后會產(chǎn)生回波信號?；夭ㄐ盘枙惶炀€捕捉,然后被發(fā)送到接收器，通過信號處理系統(tǒng)計算得到目標物的具體信息[6-7]。然而，早期雷達的最大監(jiān)測角度只有一個扇形區(qū)域，所以需要對基座進行旋轉來進行360°監(jiān)測，這就導致了雷達始終存在監(jiān)測死角，不利于安全防護任務[8]。相控陣雷達利用相位變換技術可以使得雷達在基座不轉動的情況下完成360°掃描任務[9]，解決了早期雷達存在監(jiān)控死角的問題。

然而，目標場所中可能存在各類干擾，例如，鳥群、工業(yè)無線電信號、民用無線電信號等干擾信號，使得雷達對于無人機的探測效果受影響，存在一定的誤報和追蹤不連續(xù)的情況。無人機在低空空域飛行十分靈活，可以采取懸停、折返等操作，但無人機在雷達中反射的信號十分微弱，這就導致了一旦無人機采取上述動作，就會造成目標丟失，或者目標批號改變的問題，這使得僅利用雷達監(jiān)測無人機的活動存在一定的問題。

1.2 頻譜監(jiān)測

頻譜監(jiān)測技術是通過獲得無人機的遙控、回傳信息的無線電信號來獲得無人機的位置以及型號等信息。無人機的通訊系統(tǒng)為了提高抗干擾能力，大多數(shù)使用了跳頻通信系統(tǒng)[10]。跳頻通信系統(tǒng)的載波頻率會不斷變化，使得無人機具有一定的抗電磁干擾能力。因此，為了獲取無人機的相關信息，需要對跳頻信號進行特征提取，然后測量中心頻率和帶寬等關鍵特征參數(shù)，然后實現(xiàn)對無人機信號的識別。

在對捕捉到的跳頻信號進行分析處理的同時，也需要對該信號的發(fā)射源進行定位。到達角測向定位技術可以測定無人機的方位。通常，到達角測向設備通過無線電頻率掃描特征識別和解碼，以確定信號的最強峰值以及其到達角來確定方位[11],但是頻譜信號可能被目標場所的遮擋物所削弱，會造成定位不準的問題。在實際的應用中，通常需要雷達設備和頻譜設備聯(lián)合來監(jiān)測無人機的方位。

2 基于雷達與頻譜的無人機監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 相控陣雷達監(jiān)測系統(tǒng)

當相控陣雷達設備部署完畢后，需要與系統(tǒng)服務器進行數(shù)據(jù)傳輸，具體的雷達監(jiān)測流程包括以下幾個步驟。

(1) 相控陣雷達檢測空中的移動飛行目標，并將檢測到的目標數(shù)據(jù)進行返回。采用UDP通訊方式。

(2) 雷達返回的目標信息是結構體數(shù)據(jù)，需要進行解析轉換為可以使用的數(shù)據(jù)，再進一步存入數(shù)據(jù)庫方可使用。

(3) 雷達一旦開機，將會有雷達的健康信息與設備狀態(tài)的結構體報文傳回，此類信息可以作為雷達設備是否正常的依據(jù)。

(4) 雷達設備可以遠程控制，根據(jù)對應協(xié)議構建結構體報文發(fā)送可以進行簡單的控制，如上下電、旋轉等。

(5) 一旦雷達探測到飛行目標，相關目標信息數(shù)據(jù)立即將會發(fā)送至服務器，并且包含飛鳥等噪聲數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)量較大，需要構建數(shù)據(jù)緩沖池以減少對數(shù)據(jù)庫的訪問。數(shù)據(jù)緩沖池內的數(shù)據(jù)由定時器觸發(fā)進行處理。

服務器端接收到雷達發(fā)送的消息后，需要對消息進行處理，然后與數(shù)據(jù)庫端進行數(shù)據(jù)交換操作，整個數(shù)據(jù)處理、交換的流程如表1和圖1所示。

表1 雷達數(shù)據(jù)處理、交換流程步驟說明

圖1 雷達數(shù)據(jù)處理、交換流程圖

當雷達設備與系統(tǒng)服務器通訊正常之后，就可以實現(xiàn)將雷達所監(jiān)測到的可疑目標實時地在前端界面中顯示。包括目標的經(jīng)緯度、速度、距離、等信息，可以實時監(jiān)測到目標區(qū)域內是否存在可疑無人機的威脅。

2.2 頻譜監(jiān)測系統(tǒng)

與雷達系統(tǒng)類似，當?shù)竭_角頻譜監(jiān)測設備部署完畢后，對可疑目標的監(jiān)測也需要與系統(tǒng)服務器進行數(shù)據(jù)傳輸，頻譜監(jiān)測系統(tǒng)包括以下幾個步驟。

(1) 探測目標區(qū)域中指定頻段內的無線信號。

(2) 頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對頻段內的信號進行探測記錄，得到目標的方位角距離等信息發(fā)送到頻譜上位機。

(3) 頻譜上位機通過TCP協(xié)議定時向連接到上位機的客戶機發(fā)送頻譜探測的信號。

(4) 系統(tǒng)服務器端啟動頻譜服務，生成頻譜客戶端和監(jiān)聽命令的服務端?？蛻舳擞糜谶B接頻譜上位機獲取頻譜數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行處理之后存儲進數(shù)據(jù)庫；服務端用于監(jiān)聽接口服務層的相關指令，同時調用客戶端向頻譜上位機發(fā)送頻譜的一系列指令，實現(xiàn)上下電操作。

(5) 客戶端將獲取到的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)協(xié)議進行數(shù)據(jù)轉換，并轉存到數(shù)據(jù)庫。

服務器端與頻譜數(shù)據(jù)的處理與交換操作如表2和圖2所示。

表2 頻譜數(shù)據(jù)處理、交換流程步驟說明

圖2 頻譜數(shù)據(jù)處理、交換流程圖

當系統(tǒng)服務器能夠正常接收頻譜信號之后，就可以將頻譜所監(jiān)測到的可疑目標實時地在前端界面顯示。然而，正如上文所述，雷達和頻譜對無人機的監(jiān)測都會由于目標地區(qū)的環(huán)境因素存在一定的誤差，雷達和頻譜對于目標經(jīng)緯度的監(jiān)測、追蹤可能都不準確。此外，對于同一架無人機，雷達和頻譜可能得到不同的經(jīng)緯度。

3 基于雷達和頻譜的目標數(shù)據(jù)融合

3.1 雷達目標數(shù)據(jù)去噪

在分析了雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)雷達偵測設備有時會偵測到許多個目標點，使得真實的無人機目標被淹沒在其他由干擾信號產(chǎn)生的噪點當中。在對雷達的實地測試實驗中，實驗發(fā)現(xiàn)雷達的噪點可能是由于噪聲、無人機飛行軌跡突變、鳥群等因素造成，然而在上位機以及數(shù)據(jù)庫中無法準確獲知噪點是由于哪一種因素造成，所以，為了得到準確的雷達目標，對于雷達的去噪需要設計一種具有普適性的去噪方法，從而得到準確的目標點。

圖3為本文提出的雷達目標去噪算法。首先，雷達監(jiān)測設備給監(jiān)測到的不同目標都分配了不同的批號，為了過濾可能存在的無線電干擾信號，雷達連續(xù)監(jiān)測到三次以上的目標才會被分配批號，這就使得偶發(fā)出現(xiàn)的無線電干擾信號被屏蔽。其次，為了過濾噪點，本文在算法中引入了批號庫，為每一個被分配批號的目標都設置批號保留標志位為5，并儲存于批號庫中。然后，當接收到新數(shù)據(jù)時，第一步進行批號庫的對比更新，首先將批號保留標志位為0的點剔除批號庫，然后將批號庫中的批號和新數(shù)據(jù)的批號對比，如果新數(shù)據(jù)的批號并不存在于批號庫，這說明之前批號庫中的目標未被雷達監(jiān)測到，所以標志位減一；第二步分析新數(shù)據(jù)中是否存在上述的連批存在的數(shù)據(jù)，將此類數(shù)據(jù)的批號加入批號庫；第三步是將新數(shù)據(jù)點中，批號存在于批號庫的點向前端發(fā)送，顯示在前端界面中。這樣就實現(xiàn)了對不同來源的噪點的過濾，因為屬于噪點的批號會隨著系統(tǒng)服務器和雷達通訊的進行從批號庫中被剔除。圖4為執(zhí)行雷達目標去噪算法前后的雷達系統(tǒng)目標監(jiān)測情況。如圖4(a)所示，在執(zhí)行算法前，在同一個位置出現(xiàn)了許多個目標，其中可能包括飛行軌跡變化導致的噪聲點。在執(zhí)行算法后，如圖4(b)所示,噪聲點都被過濾，說明了雷達目標去噪算法的有效性。

圖3 雷達目標去噪算法流程圖

(a)

3.2 雷達頻譜目標融合

對于頻譜無人機監(jiān)測設備，由于其通過到達角來確定無人機的具體方位，所以不會像雷達中存在許多噪點。但是，由于部署地點以及目標地點周圍環(huán)境的影響，使得頻譜信號存在定位不準的問題。同樣的，在雷達監(jiān)測系統(tǒng)中，即便過濾掉了噪點，也存在由于無線電信號干擾以及信號處理算法不準確導致的定位誤差。并且，對于同一目標，兩種監(jiān)測系統(tǒng)可能無法給出同一的定位信息。

圖5為雷達與頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對于無人機定位的誤差。圖5表示同一無人機目標在原地起飛懸停三次，雷達與頻譜監(jiān)測到的無人機定位點的示意圖。從圖5可以看出，雷達監(jiān)測系統(tǒng)能夠較為準確地監(jiān)測到目標無人機到基站的距離，但是對于的角度偏差較大；頻譜監(jiān)測系統(tǒng)能夠較為準確地監(jiān)測到目標無人機到基站的角度，然而對于距離偏差較大。這2種監(jiān)測系統(tǒng)都不能很好地定位到目標無人機的位置，并且給出的目標點的經(jīng)緯度坐標也完全不同。

因此，需要一種定制化的雷達頻譜數(shù)據(jù)融合策略來結合這兩種定位系統(tǒng)的信息，從而實現(xiàn)對目標無人機更精準的定位監(jiān)測。通過對雷達以及頻譜測量誤差以及定位信息的分析，本文提出了一種雷達頻譜數(shù)據(jù)融合策略。如圖6所示，我們將頻譜監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的點與基站相連，并計算出與正北方向的夾角θ，得到射線l。由于實驗分析得出頻譜監(jiān)測系統(tǒng)能夠較為準確地測量目標無人機和基站間的角度，所以可以確定目標無人機位置在射線l上。再以基站為圓心，以雷達監(jiān)測到的無人機距基站的距離d畫圓，圓與射線l的交點即為該雷達頻譜數(shù)據(jù)融合算法所得出的點，以實心三角形所示。從圖6可以看出，算法所得到的數(shù)據(jù)融合點與真實目標點的方位、距離誤差都較小。雷達與頻譜監(jiān)測結果在實際系統(tǒng)中如圖7所示，雷達監(jiān)測系統(tǒng)對距離信息監(jiān)測地較為準確，頻譜監(jiān)測系統(tǒng)對角度信息監(jiān)測地較為準確，這與上述分析結果相符。此外，數(shù)據(jù)融合算法所得到的數(shù)據(jù)融合目標點與真實目標點在角度和距離上的誤差都小于頻譜與雷達系統(tǒng)監(jiān)測到的目標點，說明了數(shù)據(jù)融合方法的有效性。

圖5 雷達與頻譜監(jiān)測系統(tǒng)目標定位示意圖

圖6 雷達頻譜目標融合策略

圖7 雷達頻譜目標融合策略

4 總結

本文講述了基于雷達與頻譜結合的無人機監(jiān)測系統(tǒng)中對于目標定位可能存在的問題。對于雷達監(jiān)測系統(tǒng)，存在由于無人機飛行軌跡突變、鳥群、無線電干擾等原因造成的噪點過多以及定位角度不準的問題；對于頻譜系統(tǒng)，存在由于高墻、建筑物等遮擋物引起的無人機定位距離不準的問題，并且，對于同一目標無人機，這2個系統(tǒng)可能會給出不同的坐標。針對上述問題，本文提出了雷達監(jiān)測系統(tǒng)去噪算法去除了早點，并且提出了雷達頻譜信號融合策略，使得雷達與頻譜監(jiān)測系統(tǒng)能夠較為準確地監(jiān)測目標。