低空無人機(jī)探測技術(shù)在直升機(jī)的應(yīng)用研究與思考

近年來，隨著人工智能、電子信息技術(shù)水平的不斷提高，無人機(jī)種類越來越豐富、數(shù)量越來越多，無人機(jī)的自主能力已有很大提升，已顯現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢：垂直起降、靈活度高、隱蔽性好，而且經(jīng)濟(jì)性良好，重要的是能夠適應(yīng)較強(qiáng)的低空惡劣環(huán)境，可降低人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。許多國家正大力發(fā)展無人機(jī)技術(shù)，在民商和軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用范圍。但無人機(jī)的使用也構(gòu)成了許多安全威脅，如用于非法監(jiān)視偵察、敵對(duì)勢力突襲打擊。特別地，直升機(jī)飛行空域與這些小型無人機(jī)高度重疊，在執(zhí)行飛行任務(wù)中，會(huì)存在無人機(jī)的非法飛行侵入導(dǎo)致的安全隱患。為了消除安全隱患，直升機(jī)需裝備反無人機(jī)系統(tǒng)，在必要時(shí)采取有效反制無人機(jī)的措施。

無人機(jī)探測設(shè)備的基本情況介紹

反無人機(jī)系統(tǒng)一般包括無人機(jī)探測設(shè)備和反制設(shè)備，探測設(shè)備是反制設(shè)備工作前提和基礎(chǔ)。探測設(shè)備的探測、跟蹤與識(shí)別能力直接影響反制設(shè)備對(duì)抗無人機(jī)的效果。根據(jù)采取的不同探測技術(shù)體制，探測設(shè)備可包括微波雷達(dá)、激光雷達(dá)、通信偵察設(shè)備、光學(xué)成像設(shè)備、聲音檢測設(shè)備等。

微波雷達(dá)主要是通過電磁波探測無人機(jī)，依據(jù)無人機(jī)特有的電磁散射特性、多普勒運(yùn)動(dòng)特性等，解算出無人機(jī)的飛行速度、位置（經(jīng)緯高）等信息。微波雷達(dá)的探測技術(shù)成熟且具備全天候工作的能力，是當(dāng)前最廣泛應(yīng)用的探測方法。

激光雷達(dá)主要是通過調(diào)制激光波或激光脈沖探測無人機(jī)，解算出目標(biāo)距離、位置等信息，激光雷達(dá)具備很高的測角精度、測距精度。但激光波束一般很窄，目標(biāo)回波的穩(wěn)定性影響探測和識(shí)別目標(biāo)的精度，故對(duì)良好氣象條件的工作要求相對(duì)較高。

通信偵察設(shè)備一般為無線電偵察設(shè)備，通過偵收無人機(jī)在飛行過程中的通信信號(hào)，并提取出信號(hào)的頻譜特性，與已有的無人機(jī)通信信號(hào)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)，從而識(shí)別出無人機(jī)。同時(shí)，利用測向原理定位無人機(jī)。

光學(xué)成像設(shè)備常用的有可見光和紅外波段的攝像機(jī)，其典型優(yōu)點(diǎn)是探測精度高。可見光探測一般通過對(duì)視頻圖像進(jìn)行特征提取，將無人機(jī)目標(biāo)進(jìn)行類比檢測和位置跟蹤。紅外探測是對(duì)無人機(jī)目標(biāo)的紅外輻射進(jìn)行檢測和成像，并提取圖像的紅外特征進(jìn)行比對(duì)分析和識(shí)別。

聲音檢測設(shè)備屬于無源被動(dòng)檢測設(shè)備，主要是利用無人機(jī)在飛行狀態(tài)下其內(nèi)部構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的聲紋特征（無人機(jī)音頻信號(hào)在低、中、高頻均有分布且成分相對(duì)固定，在飛行時(shí)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)）進(jìn)行分析和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的檢測和型號(hào)識(shí)別。聲音檢測設(shè)備對(duì)信噪比要求高，小型無人機(jī)的聲音特性及強(qiáng)度較小，需要聲音檢測設(shè)備調(diào)高靈敏度。

上述無人機(jī)探測設(shè)備所采取的探測技術(shù)各有優(yōu)勢，分別適用于不同場景，均是當(dāng)前研究重點(diǎn)。不過，直升機(jī)擁有特殊的振動(dòng)特性和旋翼噪聲，給激光雷達(dá)、聲音檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)工作帶來更難的關(guān)鍵技術(shù)問題，而且直升機(jī)在低空飛行時(shí)，受復(fù)雜背景環(huán)境的影響更大，因此，這兩種設(shè)備在直升機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用存在一定限制。

直升機(jī)可應(yīng)用探測設(shè)備的優(yōu)劣勢分析

無人機(jī)雷達(dá)探測是主要手段，它具備遠(yuǎn)距離、高精度和惡劣天氣下的探測能力，且能同時(shí)對(duì)多個(gè)無人機(jī)目標(biāo)進(jìn)行探測、跟蹤，給出直升機(jī)所在空域的無人機(jī)威脅態(tài)勢。當(dāng)前已知的低慢小無人機(jī)目標(biāo)探測雷達(dá)類型有調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)、同步相參雷達(dá)和脈沖多普勒雷達(dá)，根據(jù)工作體制和算法處理方法不同，不同類型雷達(dá)對(duì)小型無人機(jī)探測各有優(yōu)勢。小型無人機(jī)的雷達(dá)截面積（RCS）一般處于0.01m2（對(duì)S波段）量級(jí)，導(dǎo)致無人機(jī)的反射信號(hào)弱，且雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)過傳播路徑的衰減和背景雜波影響，使得雷達(dá)要具備較高的接收靈敏度、較大的功率孔徑積。雷達(dá)作為主動(dòng)探測設(shè)備，對(duì)直升機(jī)所需功耗較高，在戰(zhàn)場上有電磁暴露風(fēng)險(xiǎn)。

通信偵察設(shè)備采取的技術(shù)方法成熟，設(shè)備實(shí)現(xiàn)難度低，但無源測向精度相對(duì)雷達(dá)有源探測要低的多，同時(shí)對(duì)無人機(jī)目標(biāo)識(shí)別能力是建立在目標(biāo)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)之上，而數(shù)據(jù)庫需要大量訓(xùn)練樣本來學(xué)習(xí)和豐富。當(dāng)無人機(jī)做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)，該設(shè)備的測向定位精度不高，而當(dāng)無人機(jī)采取無線電靜默飛行模式時(shí)，該設(shè)備無法感知無人機(jī)的存在。在實(shí)際使用過程中，共用通信頻段的無線電信號(hào)復(fù)雜，受干擾嚴(yán)重，容易導(dǎo)致虛警。

光學(xué)成像設(shè)備分辨率和測角精度高，通過目標(biāo)光學(xué)特征識(shí)別出具體無人機(jī)類型，這有利于引導(dǎo)直升機(jī)載反制設(shè)備對(duì)無人機(jī)針對(duì)性開展反制。該設(shè)備屬于工作在光學(xué)頻段，不受外界無線電或雷達(dá)的電磁信號(hào)干擾，但受不良?xì)庀髼l件影響，且視距探測須不能有障礙物的遮擋。在惡劣天線或復(fù)雜背景中使用時(shí)，對(duì)廣域內(nèi)的小目標(biāo)進(jìn)行搜索探測和識(shí)別的難度較大。另外，光學(xué)圖像只有二維角度信息，無法直接給出無人機(jī)的空間絕對(duì)位置和飛行速度等信息，在引導(dǎo)反制設(shè)備工作時(shí)，要具備較高的目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤的角度精度。

綜上，在直升機(jī)與無人機(jī)距離相同的條件下，微波雷達(dá)、通信偵察設(shè)備和光學(xué)成像設(shè)備在直升機(jī)的工作特點(diǎn)和資源需求初步定性對(duì)比見表1。

主被動(dòng)復(fù)合協(xié)同探測技術(shù)

為了在復(fù)雜背景環(huán)境下可快速探測小型無人機(jī)，并精確給出無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)特征和光學(xué)特征，準(zhǔn)確識(shí)別出無人機(jī)類型，本文提出在直升機(jī)可采用主被動(dòng)復(fù)合協(xié)同探測技術(shù)，該技術(shù)的基本工作流程框圖如圖1所示。

在對(duì)無人機(jī)進(jìn)行無源探測、識(shí)別與定位的過程中，通信偵察設(shè)備通過偵收到的無人機(jī)通信信號(hào)，解析出無人機(jī)的測向角度，進(jìn)而引導(dǎo)微波雷達(dá)向無人機(jī)所在的區(qū)域開展快速搜索。由于搜索空域較小，雷達(dá)可以快速給出精確的無人機(jī)速度和距離信息，進(jìn)而引導(dǎo)光學(xué)探測設(shè)備開展精確成像，提取無人機(jī)的光學(xué)特征。

在此過程中，持續(xù)對(duì)偵收的通信信號(hào)數(shù)據(jù)與無人機(jī)樣本庫進(jìn)行比對(duì)、光學(xué)圖像與無人機(jī)特征庫進(jìn)行對(duì)比，綜合判斷給出無人機(jī)的類型。同時(shí)，微波雷達(dá)精確跟蹤無人機(jī)，并實(shí)時(shí)上報(bào)無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息并外推無人機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡，可以保證目標(biāo)不丟失。綜合利用三種探測設(shè)備的目標(biāo)信息，以高效引導(dǎo)無人機(jī)反制設(shè)備工作從而解除無人機(jī)的安全威脅。

在直升機(jī)上，通信偵察設(shè)備一直開機(jī)工作，實(shí)時(shí)偵收外部無線電信號(hào)；微波雷達(dá)處于熱待機(jī)狀態(tài)，在接收到通信偵察設(shè)備的引導(dǎo)信息后，可快速向引導(dǎo)區(qū)域定向輻射電磁波，完成搜索和跟蹤。光學(xué)探測設(shè)備一直處于搜索工作狀態(tài)。

為提高探測和識(shí)別無人機(jī)的準(zhǔn)確度和效率，主被動(dòng)復(fù)合探測系統(tǒng)將三種探測設(shè)備的工作數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和關(guān)聯(lián)。不過，在某些場景中，三種設(shè)備極可能無法建立“引導(dǎo)”工作流程，所以三種設(shè)備要具備根據(jù)飛行員的需求獨(dú)立啟動(dòng)工作或兩兩設(shè)備間協(xié)同的能力，以引導(dǎo)直升機(jī)的反制設(shè)備初始工作。

主被動(dòng)復(fù)合協(xié)同探測的技術(shù)問題

提升各個(gè)探測設(shè)備的探測能力

小型無人機(jī)屬于弱小目標(biāo)，受復(fù)雜低空環(huán)境的雜波噪聲的影響，無人機(jī)的目標(biāo)特征很難被捕獲，無人機(jī)探測設(shè)備需進(jìn)一步提升探測能力和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性。

受背景雜波干擾，從小型無人機(jī)反射的雷達(dá)回波信號(hào)非常弱，即信噪比很低。提高信噪比是提升無人機(jī)探測能力的有效辦法，硬件措施包括提高雷達(dá)的有效輻射功率（增大天線增益或天線輻射功率）、降低雷達(dá)接收機(jī)的噪聲系數(shù)；軟件措施主要是研究先進(jìn)的雷達(dá)信號(hào)處理算法，包括優(yōu)化信號(hào)處理算法的性能、改進(jìn)算法探測邏輯、發(fā)展自適應(yīng)不同雜波模型的算法。引入人工智能技術(shù)，在雜波模型構(gòu)建和小型無人機(jī)雷達(dá)散射特性方面構(gòu)建相應(yīng)的訓(xùn)練樣本庫，并能夠?qū)W習(xí)和適應(yīng)新環(huán)境，有助于提升探測精度。

通信偵察設(shè)備對(duì)通信信號(hào)的檢索和處理重要參數(shù)也是信噪比。調(diào)整接收機(jī)靈敏度，保證弱小信號(hào)的接收，但靈敏度提高后，雜波對(duì)接收機(jī)的影響很大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致虛警或信道飽和。因此，需深入開展動(dòng)態(tài)調(diào)整接收機(jī)靈敏度和抑制虛警的研究，以應(yīng)對(duì)不同雜波背景環(huán)境下，通信偵察設(shè)備均能夠擁有良好的信噪比，有效提升偵察效率。同時(shí)，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，可通過人工智能的手段挖掘和關(guān)聯(lián)無人機(jī)的通信信息，進(jìn)一步擴(kuò)充小型無人機(jī)的通信數(shù)據(jù)鏈的樣本庫，提升識(shí)別正確率。

因小型無人機(jī)屬于靈活性很高的飛行器，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像模糊問題是光學(xué)探測設(shè)備需解決的重要問題之一。采用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和不動(dòng)點(diǎn)迭代法進(jìn)行超分辨率重建的方法，解決模糊狀態(tài)中的目標(biāo)識(shí)別難題。而對(duì)于小目標(biāo)成像問題，國內(nèi)外學(xué)者已有很多研究。例如Redmon J等人在2016年提出了YOLO目標(biāo)檢測算法，該算法通過一個(gè)端到端訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)從原始輸入圖像到預(yù)測出物體位置和物體類別并輸出的過程，通過多尺度訓(xùn)練和數(shù)據(jù)增強(qiáng)的技術(shù)手段，基于YOLO算法實(shí)現(xiàn)了低空背景環(huán)境下的無人機(jī)探測。

提升數(shù)據(jù)融合和目標(biāo)識(shí)別能力

從探測數(shù)據(jù)結(jié)果看，雷達(dá)可以實(shí)時(shí)給出目標(biāo)的速度和距離信息，通信偵察設(shè)備通過數(shù)據(jù)庫比對(duì)給出無人機(jī)的工作參數(shù)甚至無人機(jī)的型號(hào)，光學(xué)探測設(shè)備給出了目標(biāo)的光學(xué)特征，將這些數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合關(guān)聯(lián)，是需要深入研究的技術(shù)難題。不同維度的信息越精確，可以有效支撐目標(biāo)識(shí)別。針對(duì)直升機(jī)典型應(yīng)用場景，通過大量樣本訓(xùn)練學(xué)習(xí)，不斷提升單一設(shè)備工作能力和優(yōu)化多個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)融合算法。

結(jié)語

小型無人機(jī)給直升機(jī)低空飛行帶來很大的安全隱患，是直升機(jī)飛行中必須面臨的現(xiàn)實(shí)問題，裝備反無人機(jī)系統(tǒng)是解決該問題的有效措施。而無人機(jī)探測技術(shù)正是該系統(tǒng)的關(guān)鍵研究內(nèi)容。本文通過介紹典型無人機(jī)探測設(shè)備的工作特點(diǎn)，分析了探測設(shè)備在直升機(jī)的應(yīng)用可行性，并首次提出了主被動(dòng)復(fù)合協(xié)同探測技術(shù)，該技術(shù)可以有效探測小型無人機(jī)。同時(shí)，分析了提升協(xié)同探測能力所面臨的難題和解決方案，可以作為研究參考。不過，具體性能和直升機(jī)裝機(jī)需求的基本設(shè)計(jì)、設(shè)備樣機(jī)試制和飛行考核的方法，是探測設(shè)備實(shí)現(xiàn)真正工程應(yīng)用的另外一項(xiàng)關(guān)鍵工作，這也是作者未來的研究重點(diǎn)。