視覺導(dǎo)航型無人機(jī)反制技術(shù)研究

王奕天 李建華 陳佳樂 許鐸

近年來，無人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其正向應(yīng)用利國利民。然而，無人機(jī)普及的同時(shí)也給社會(huì)帶來了新的安全威脅[1]。首先，無人機(jī)的高空俯瞰功能可能被用于侵犯他人隱私?，F(xiàn)在的無人機(jī)已經(jīng)具備了高清攝像和長時(shí)間續(xù)航的能力，一些不法分子利用無人機(jī)在住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)等地進(jìn)行非法拍攝，窺探他人隱私。這種行為不僅侵犯了個(gè)人隱私權(quán)，也可能泄露商業(yè)機(jī)密或國家機(jī)密。其次，無人機(jī)的潛在恐怖襲擊威脅越發(fā)引人擔(dān)憂。由于其機(jī)動(dòng)性和強(qiáng)大的載荷能力，無人機(jī)成為攜帶危險(xiǎn)物質(zhì)如爆炸物實(shí)施恐怖襲擊的理想工具。2023 年5 月3 日的烏克蘭克里姆林宮襲擊事件清晰地展示了這種威脅對(duì)社會(huì)穩(wěn)定的嚴(yán)重沖擊。最后，無人機(jī)也可能成為民航[2]領(lǐng)域的威脅。由于無人機(jī)可以在低空飛行，若有無人機(jī)進(jìn)入民航起飛區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生不可估量的危害和損失。鑒于無人機(jī)對(duì)重大會(huì)議和敏感區(qū)域的安全構(gòu)成日益嚴(yán)重的威脅，反制無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為維護(hù)公共安全的不可或缺的一環(huán)。視覺導(dǎo)航型無人機(jī)是一種通過計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的無人機(jī)，是新型無人機(jī)。它能夠通過高分辨率圖像和視覺算法來分析和識(shí)別地面上的目標(biāo)物體，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主導(dǎo)航和目標(biāo)跟蹤。目前，一些傳統(tǒng)的無人機(jī)反制技術(shù)并不能很好的去反制視覺導(dǎo)航型無人機(jī)，國內(nèi)外缺乏針對(duì)該類型無人機(jī)反制技術(shù)的研究，急需研究出新的反制技術(shù)來限制該類型無人機(jī)。

一、視覺導(dǎo)航型無人機(jī)介紹

（一）視覺導(dǎo)航型無人機(jī)給公安工作帶來的威脅與挑戰(zhàn)

視覺導(dǎo)航型無人機(jī)的出現(xiàn)給公安機(jī)關(guān)反制無人機(jī)工作帶來了很大的困擾，其利用視覺導(dǎo)航的方式不同于傳統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)/人工遙控導(dǎo)航方式，與傳統(tǒng)無人機(jī)相比，它的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)程序決定了它更加智能化，能夠在更復(fù)雜的環(huán)境中自主執(zhí)行更多任務(wù)，具有其它類型無人機(jī)不可比擬的優(yōu)勢。依靠視覺自主導(dǎo)航是未來無人機(jī)的發(fā)展目標(biāo)，也是當(dāng)前的發(fā)展趨勢。視覺導(dǎo)航型無人機(jī)作為無人機(jī)技術(shù)前沿，未來會(huì)大規(guī)模部署應(yīng)用。公安機(jī)關(guān)在重大活動(dòng)及重要會(huì)議的警衛(wèi)安保中，必須盡快拿出反制手段查處打擊利用視覺導(dǎo)航型無人機(jī)進(jìn)行的恐怖襲擊或制造政治事端等一系列違法犯罪活動(dòng)。

（二）現(xiàn)階段無人機(jī)警用反制裝備

現(xiàn)階段，公安系統(tǒng)中已經(jīng)有各種類型的無人機(jī)反制裝備[3]，包括雷射干擾系統(tǒng)、無人機(jī)反制槍和無人機(jī)抓捕裝置等。雷射干擾系統(tǒng)通過發(fā)射激光束剝奪無人機(jī)的導(dǎo)航和通信能力，將其迫降或迫使其返回起飛點(diǎn)。無人機(jī)反制槍則利用強(qiáng)大的電磁信號(hào)來干擾無人機(jī)的通信和導(dǎo)航系統(tǒng)。無人機(jī)抓捕裝置通過發(fā)射網(wǎng)和其它機(jī)械裝置將無人機(jī)迅速捕獲并控制。

然而，隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷演進(jìn)，迅猛發(fā)展，無人機(jī)反制技術(shù)也需要不斷升級(jí)和改進(jìn)。特別是視覺導(dǎo)航型無人機(jī)，體積小巧、速度快、敏捷性高，且能夠自主避開障礙物，甚至可以自主導(dǎo)航，不依賴于衛(wèi)星信號(hào)或人工遙控，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)智能跟蹤，航跡自主規(guī)劃等。現(xiàn)階段一些通過破壞無人機(jī)通信鏈路，干擾衛(wèi)星信號(hào)等反制手段在面對(duì)該類型無人機(jī)時(shí)可能會(huì)失效，是現(xiàn)階段無人機(jī)反制工作的潛在威脅和漏洞。

二、視覺導(dǎo)航型無人機(jī)相關(guān)技術(shù)剖析

目前，視覺導(dǎo)航按照是否需要導(dǎo)航地圖（即數(shù)字景象基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫）可分為地圖型導(dǎo)航[4]和無地圖導(dǎo)航。地圖型導(dǎo)航需要使用預(yù)先存儲(chǔ)包含精確地理信息的導(dǎo)航地圖，利用每一幀實(shí)拍圖像與導(dǎo)航地圖匹配即可實(shí)現(xiàn)飛行器的絕對(duì)定位。當(dāng)導(dǎo)航地圖采用景象圖或地形圖時(shí)，地圖導(dǎo)航可分為景象匹配導(dǎo)航和地形匹配導(dǎo)航。由于景象匹配制導(dǎo)的精度比地形匹配制導(dǎo)的精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此地形匹配制導(dǎo)一般用于中制導(dǎo)，景象匹配制導(dǎo)一般用于末制導(dǎo)。在具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面可分為以下三類：

第一類為組合導(dǎo)航。無人機(jī)除了有視覺傳感器外還有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，但慣性導(dǎo)航器件具有累積誤差，為了彌補(bǔ)以上的缺陷，依靠視覺所提供的實(shí)時(shí)信息可以將視覺信息和慣性導(dǎo)航信息進(jìn)行融合，以提高導(dǎo)航精度，視覺慣性視覺里程計(jì)就是視覺慣性組合導(dǎo)航的一種經(jīng)典方法。

第二類為基于深度學(xué)習(xí)。隨著深度學(xué)習(xí)在圖像處理[5]方面的發(fā)展成熟，深度學(xué)習(xí)廣泛地應(yīng)用于視覺SLAM 領(lǐng)域，目前主要有兩個(gè)方向，分別是用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法替換SLAM算法框架中的某個(gè)過程模塊；或利用深度學(xué)習(xí)對(duì)語義地圖的標(biāo)簽進(jìn)行訓(xùn)練。

第三類為緩解特征依賴。目前，無人機(jī)視覺自主導(dǎo)航方法最大的局限就是對(duì)場景特征的依賴，會(huì)對(duì)無人機(jī)的算力和續(xù)航在成巨大的消耗，當(dāng)環(huán)境特征不足或無人機(jī)運(yùn)動(dòng)引起圖像模糊時(shí)，視覺導(dǎo)航信息則會(huì)起到反向作用。當(dāng)前多采用的是直接法，即對(duì)像素直接操作，這樣可減少對(duì)特征的依賴，還可以直接構(gòu)建出半稠密或稠密地圖提供給到后續(xù)的處理過程。

圖1 為無人機(jī)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行流程圖，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)是一個(gè)不斷獲得圖像進(jìn)行處理的動(dòng)態(tài)過程，對(duì)相機(jī)采集的圖像進(jìn)行圖像處理，同時(shí)從慣性測量單元獲得數(shù)據(jù)，融合多渠道獲取的數(shù)據(jù)，進(jìn)行視覺導(dǎo)航定位，輸出定位結(jié)果。

圖1 ：視覺導(dǎo)航定位流程圖

三、反制方法

通過對(duì)以上視覺導(dǎo)航型無人機(jī)相關(guān)技術(shù)的剖析得到視覺導(dǎo)航型無人機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)以機(jī)器視覺為核心，這是與傳統(tǒng)無人機(jī)相比最為顯著的特征，在反制技術(shù)研究中須針對(duì)這一特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性反制。

機(jī)器視覺系統(tǒng)是指利用機(jī)器替代人眼做出各種測量和判斷。機(jī)器視覺是工程領(lǐng)域和科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域，它是一門涉及光學(xué)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、模式識(shí)別、圖像處理、人工智能、信號(hào)處理以及光電一體化等多個(gè)領(lǐng)域的綜合性學(xué)科。視覺導(dǎo)航型無人機(jī)干擾因素主要有以下六種：

第一種為光照。機(jī)器視覺檢測的效果會(huì)受到光照的影響，外界光照會(huì)影響照射在被測物體上的總光強(qiáng)，增加圖像數(shù)據(jù)輸出的噪聲。

第二種為溫度。溫度變化也會(huì)影響機(jī)器視覺檢測的效果。相機(jī)在出廠時(shí)都會(huì)標(biāo)志正常工作的溫度范圍，大多數(shù)工業(yè)相機(jī)可以在-5℃到65℃之間工作，過冷或者過熱都會(huì)影響相機(jī)的正常與運(yùn)行。但在反制過程中，很難人為去改變無人機(jī)的相機(jī)溫度。

第三種為灰塵。相機(jī)沾灰、臟污，肯定會(huì)對(duì)最終的成像有所影響。對(duì)于機(jī)器視覺檢測而言，即使是非常微小的差異，也是值得重視的。尤其是傳感器進(jìn)灰，照片上就會(huì)形成暗區(qū)。在實(shí)戰(zhàn)中，若用灰塵干擾無人機(jī)難度較大。

第四種為濕度?？諝馓睗瘢琇ED 或鏡頭上附著水蒸氣，成像就受到影響。利用空氣濕度影響，可以使用高壓水槍射向無人機(jī)來進(jìn)行干擾，但操作難度較大，且對(duì)無人機(jī)與地面距離有一定要求，超出高壓水槍攻擊范圍后很難干擾。

第五種為振動(dòng)。振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致圖像模糊和失真。如今，無人機(jī)廠商在應(yīng)對(duì)機(jī)身相機(jī)振動(dòng)問題時(shí)，解決方案較多，故在反制過程中不宜采用該方法。

第六種為電磁干擾。工業(yè)相機(jī)屬于圖像傳感器類，大多數(shù)器件都是弱電工作，極易受到電磁干擾的影響。因此，可采用無人機(jī)反制槍對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)電磁干擾。

經(jīng)過對(duì)以上干擾因素的分析比較，在將其轉(zhuǎn)化為反制方法后，考慮到反制方法的可行性、易用性、經(jīng)濟(jì)性，其中利用強(qiáng)光干擾或電磁干擾最有效。

（一）利用強(qiáng)光反制

視覺導(dǎo)航易受光照干擾，機(jī)身搭載相機(jī)在受到強(qiáng)光干擾下可能會(huì)出現(xiàn)以下五種情況：

第一種情況為圖像過曝。強(qiáng)光照射會(huì)使得攝像頭感光元件（如CMOS 或CCD）的感光度過高，導(dǎo)致圖像過曝。過曝的圖像中，亮部細(xì)節(jié)丟失，造成無法正確分析和處理。

第二種情況為對(duì)比度降低。強(qiáng)光照射會(huì)使圖像中亮部的像素值過高，暗部的像素值過低，導(dǎo)致圖像的對(duì)比度降低。這將影響機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)物體的邊緣、紋理、形狀等特征的提取和分析。

第三種情況為高光點(diǎn)干擾。強(qiáng)光照射下，攝像頭鏡頭表面的反射會(huì)形成高光點(diǎn)，這些高光點(diǎn)可能對(duì)圖像中的其他細(xì)節(jié)造成遮擋或干擾，使得機(jī)器視覺系統(tǒng)難以正確識(shí)別和跟蹤物體。

第四種情況為陰影效應(yīng)。強(qiáng)光照射下，物體周圍可能會(huì)產(chǎn)生明顯的陰影效應(yīng)，這些陰影可能會(huì)對(duì)物體的邊緣和形狀造成變形或干擾，從而影響機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)物體的識(shí)別和分析。

第五種情況為顏色失真。強(qiáng)光照射會(huì)導(dǎo)致圖像中的顏色出現(xiàn)失真，特別是在高亮度區(qū)域。這將對(duì)機(jī)器視覺系統(tǒng)中基于顏色的物體識(shí)別和分割造成困難。

光照對(duì)計(jì)算機(jī)視覺的影響是很大的。首先，在圖像檢索和識(shí)別中，不同光照條件下拍攝的圖片可能存在顏色的相似度問題。由于顏色的相似度與光照有著密切關(guān)系，因此常常需要對(duì)顏色進(jìn)行校正以消除光照帶來的影響。其次，在物體識(shí)別和檢測中，光照也會(huì)極大地影響物體的外觀和形態(tài)，檢測和識(shí)別的效果可能會(huì)較差。

利用強(qiáng)光源持續(xù)照射或者閃爍的強(qiáng)光照射無人機(jī)相機(jī)或其他視覺導(dǎo)航設(shè)備上。從而使無人機(jī)視覺系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)識(shí)別不精準(zhǔn)，識(shí)別有誤差，監(jiān)測目標(biāo)無人機(jī)是否受到干擾，例如觀察無人機(jī)是否改變飛行方向或姿態(tài)。如果干擾成功，可以持續(xù)干擾目標(biāo)無人機(jī)，直到目標(biāo)無人機(jī)無法繼續(xù)導(dǎo)航或離開區(qū)域，達(dá)到反制目的。

（二）電磁反制

視覺導(dǎo)航型無人機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行使用中, 大都要通過相機(jī)/機(jī)載傳感器獲取各類型數(shù)據(jù),若實(shí)施電磁干擾[6], 將使無人機(jī)的機(jī)載測控設(shè)備受到影響甚至失靈, 更有望達(dá)到反無人機(jī)的作戰(zhàn)效果。

部分無人機(jī)具有一定的抗電磁[7]干擾能力，攝像頭是無人機(jī)抗電磁干擾的短板。且視覺導(dǎo)航型無人機(jī)配備了多個(gè)攝像頭，通過對(duì)機(jī)身搭載的攝像頭[8]實(shí)施干擾，使無人機(jī)無法正常獲得圖像，從而使無人機(jī)失去視覺導(dǎo)航功能，達(dá)到反制無人機(jī)的目的。以下是攝像頭在遭受不同頻率電磁干擾時(shí)的故障表現(xiàn)：

1.工頻干擾

干擾現(xiàn)象：圖像出現(xiàn)雪花噪點(diǎn)、網(wǎng)紋或橫條滾動(dòng)帶。

2.低頻干擾(幾十kHz)

干擾現(xiàn)象：圖像出現(xiàn)靜止水平條紋。

3.高頻干擾(幾十MHz)

干擾現(xiàn)象：圖像出現(xiàn)雪花噪點(diǎn)或高亮點(diǎn)。

4.空間電磁輻射干擾

干擾現(xiàn)象：圖像出現(xiàn)較密的斜型網(wǎng)紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒圖像。

盡管一些無人機(jī)具備一定的抗干擾能力，但在強(qiáng)大電磁干擾下無人機(jī)仍然很脆弱。通過電磁槍向無人機(jī)發(fā)射電磁脈沖，干擾攝像頭成像，破壞機(jī)身電子設(shè)備，以此達(dá)到反制無人機(jī)的目的。

四、結(jié)語

綜上所述，為了應(yīng)對(duì)視覺導(dǎo)航型無人機(jī)的威脅，必須針對(duì)性地進(jìn)行反制。首先，使用強(qiáng)光干擾技術(shù)是一種有效的、針對(duì)性強(qiáng)的反制手段。向無人機(jī)發(fā)射強(qiáng)光，干擾其光學(xué)傳感器和相機(jī)，使其無法正確地獲取周圍環(huán)境的圖像信息。這樣一來，無人機(jī)就無法進(jìn)行準(zhǔn)確的飛行和導(dǎo)航，從而降低了其威脅程度。其次，使用電磁干擾技術(shù)也是阻止視覺導(dǎo)航型無人機(jī)的一種有效方法。通過發(fā)射特定頻率的電磁波，可以對(duì)無人機(jī)的視覺系統(tǒng)造成損壞，使其迷失方向或無法獲取導(dǎo)航信息，從而無法執(zhí)行預(yù)定任務(wù)。另外，傳統(tǒng)的聲波干擾技術(shù)在面對(duì)此類型無人機(jī)時(shí)依然有效。在實(shí)戰(zhàn)中，往往無法預(yù)先得知無人機(jī)類型，使用聲波干擾技術(shù)可以有效應(yīng)對(duì)潛在威脅。

除了上述的反制措施外，還可以通過法律和政策的手段來加強(qiáng)對(duì)視覺導(dǎo)航型無人機(jī)的管理。政府可以出臺(tái)相關(guān)法規(guī)，規(guī)定無人機(jī)的使用范圍和限制，并對(duì)違規(guī)使用的無人機(jī)進(jìn)行處罰。此外，加強(qiáng)與其他國家和組織的合作也是必要的，通過制定國際標(biāo)準(zhǔn)和共享情報(bào)信息，共同應(yīng)對(duì)無人機(jī)威脅。只有不斷探索創(chuàng)新，并采取多種手段綜合應(yīng)對(duì)，才能有效地防范和反制視覺導(dǎo)航型無人機(jī)的威脅。中國軍轉(zhuǎn)民