基于雷達(dá)與頻譜數(shù)據(jù)融合的無人機(jī)檢測研究

中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）21-0133-04

Abstract：Withthegradualopeningoflow-altitudeairspace，themoreUAVsfly，thegreaterthepotentialthreat tokey locations.Targetdetectionandrecognitionofmicro-lightandsmallunmannedaerialvehicle（UAV）isadficultprobleminUAV defensesystem.Inthispaper，wewillstudythisfieldandproposeatargetdetectionandrecognitionmethodbasedonradar detectiondataandspectrumdetectiondatafusion.Thismethodcanefectivelydetectmicro-lightsmallUAVtargetsandprovide basisforsystemfolow-upevidencecolectionanddisposal.Thismethodhasbeenappliedtothelow-altitudesafetyguarantee systemofaertainlocation，efectivelyimprovingthesystem'sabiltytodetect，identifyanddisposeofmicro-lightsmallUAVs.

Keywords：low-altitude;UAV;radar; data fusion;recognition

無人機(jī)已廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，對(duì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了積極和重要作用，與此同時(shí)，無人機(jī)的“黑飛\"擾航、失控傷人、偷拍侵權(quán)等問題也日益凸顯。特別是俄烏戰(zhàn)爭以來，使得無人機(jī)在戰(zhàn)爭中的應(yīng)用效果得到實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)，無人機(jī)的活動(dòng)軌跡若得不到有效感知和檢測，其將對(duì)公共安全、國家安全以及航空安全造成威脅，風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)更不容忽視

研究內(nèi)容及目的

低空飛行的目標(biāo)中無人機(jī)和鳥類目標(biāo)，是典型的“低慢小\"目標(biāo)。目前，由于微輕小型無人機(jī)和飛鳥的尺寸、形狀、速度相似，對(duì)無人機(jī)和飛鳥的檢測缺乏有效的技術(shù)手段。以民航機(jī)場為例，在飛機(jī)起飛或降落過程中，無人機(jī)和飛鳥等不同的“低慢小”目標(biāo)，容易對(duì)飛機(jī)正常航路飛行的飛機(jī)造成威脅。根據(jù)國際民航組織的統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)撞鳥事件中有至少 80% 是發(fā)生在起飛和降落階段。近年來，發(fā)生在機(jī)場無人機(jī)“黑飛\"擾航事件頻發(fā)，2018年12月19日，倫敦樞紐蓋威克機(jī)場遭受無人機(jī)人侵，整個(gè)機(jī)場癱瘓 18h 以上，機(jī)場跑道全線關(guān)閉，760個(gè)航班12萬名乘客受到影響。2024年9月11日至9月12日，天津?yàn)I海機(jī)場因無人機(jī)導(dǎo)致公共安全原因，航班起降受到影響。因此，有必要對(duì)無人機(jī)和飛鳥目標(biāo)進(jìn)行檢測。本文首先介紹了低空飛行目標(biāo)探測技術(shù)，針對(duì)低空微輕小型無人機(jī)和飛鳥目標(biāo)檢測難點(diǎn)，提出一種基于雷達(dá)探測數(shù)據(jù)與頻譜偵測數(shù)據(jù)融合微輕小型無人機(jī)目標(biāo)檢測識(shí)別方法，該方法可區(qū)分飛鳥和無人機(jī)并對(duì)微輕小型無人機(jī)目標(biāo)有效檢測和識(shí)別，并為系統(tǒng)后續(xù)取證及處置提供依據(jù)。該方法已應(yīng)用到某要地低空安全保障系統(tǒng)中。

2 無人機(jī)目標(biāo)探測技術(shù)

隨著微輕小型無人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域快速發(fā)展和應(yīng)用，帶來了針對(duì)低空安全威脅的挑戰(zhàn)，微輕小型探測識(shí)別技術(shù)越來越受到重視，成為眾多研究人員以及軍事強(qiáng)國的重點(diǎn)研究方向。微輕小型無人機(jī)探測技術(shù)主要包括主動(dòng)探測技術(shù)、被動(dòng)偵測技術(shù)。其中雷達(dá)探測為主動(dòng)探測技術(shù)，無線電探測為被動(dòng)探測技術(shù)，2種技術(shù)協(xié)同優(yōu)勢互補(bǔ)。

2.1 雷達(dá)探測技術(shù)

雷達(dá)是目前反無行業(yè)系統(tǒng)中最主要的低空無人機(jī)主動(dòng)探測設(shè)備。雷達(dá)探測技術(shù)利用無人機(jī)機(jī)身對(duì)電磁波的反射原理進(jìn)行探測[3-4。雷達(dá)可以探測目標(biāo)的距離、速度、方位和高度等信息，因?yàn)樽饔镁嚯x遠(yuǎn)，通常作為預(yù)警探測的重要手段對(duì)無人機(jī)進(jìn)行搜索和跟蹤定位。雷達(dá)也因?yàn)闊o人機(jī)的一些物理特性，在探測無人機(jī)方面遇到了困難。微輕小型無人機(jī)材料大多采用炭纖維等復(fù)合性新材料，傳統(tǒng)雷達(dá)難以檢測。微輕小型無人機(jī)機(jī)動(dòng)飛行速度快，通常速度范圍 2～50m/s 其對(duì)應(yīng)的雷達(dá)散射面積RCS也較小，產(chǎn)生的雷達(dá)回波微弱，受多路徑效應(yīng)及氣象雜波、地面雜波影響大。同時(shí)，微輕小型無人機(jī)飛行特征與飛鳥飛行特征相似，增加了雷達(dá)檢測識(shí)別的難度。如圖1所示，低空監(jiān)視雷達(dá)探測除大疆御3無人機(jī)“6\"型飛行航跡外，還有其他低空飛行目標(biāo)短航跡。

2.2 無線電探測技術(shù)

無線電頻譜監(jiān)測是采用信號(hào)到達(dá)時(shí)間差TDOA技術(shù)，對(duì)偵察到的電磁信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測并采集，通過對(duì)無人機(jī)的飛行控制及數(shù)據(jù)圖傳信號(hào)的頻譜特征分析，與已有的頻譜數(shù)據(jù)庫對(duì)比確定無人機(jī)機(jī)型及其特征5。無線電探測技術(shù)使用無線電被動(dòng)探測手段，優(yōu)勢在于不受微輕小型無人機(jī)尺寸、材質(zhì)限制。鑒于單站無線電偵測在實(shí)際使用中存在只能提供方位信息且精度差、誤報(bào)率高、難以探測無線電靜默的飛行目標(biāo)等缺點(diǎn)，需要通過多站部署進(jìn)行解決。

2.3 光電探測技術(shù)

在低空反無系統(tǒng)中，光電設(shè)備通過可見光或紅外成像攝像機(jī)對(duì)自標(biāo)拍攝自標(biāo)圖像，對(duì)自標(biāo)形態(tài)特征和運(yùn)動(dòng)特征做分析探測識(shí)別無人機(jī)，主要分為可見光和紅外探測2種方式?？梢姽馓綔y主要適用于白天，但容易受到天氣條件影響如雨雪霧天；紅外探測利用無人機(jī)自身輻射的熱量來進(jìn)行探測，更適用于夜晚，但容易受到其他熱源干擾。在城市復(fù)雜環(huán)境下易受地面高樓等建筑物遮擋，光電設(shè)備識(shí)別效率也會(huì)降低。

2.4聲音探測技術(shù)

無人機(jī)在飛行過程中會(huì)產(chǎn)生的音頻信號(hào)，聲音探測技術(shù)是采用聲波傳感器，通過聲波傳感器對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行接收、監(jiān)測，并將采集的聲音信號(hào)同現(xiàn)有的無人機(jī)音頻數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，可實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的監(jiān)測識(shí)別。無人機(jī)在飛行過程中的聲音小，慢速飛行時(shí)產(chǎn)生的空氣噪聲也小，聲波在空氣中隨著距離的增加而衰減，導(dǎo)致檢測難度大，若在喧囂環(huán)境下，聲波幾乎無法探測。同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)庫依賴性高、無法識(shí)別數(shù)據(jù)庫未知的無人機(jī)。

2.5 無人機(jī)探測技術(shù)挑戰(zhàn)

當(dāng)前在復(fù)雜環(huán)境下開展的無人機(jī)探測技術(shù)主要包括雷達(dá)探測、無線電偵測、光電探測和聲學(xué)探測等多種無人機(jī)探測手段。比較總結(jié)各探測方式的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

通過上述各種無人機(jī)探測技術(shù)分析總結(jié)可知目前行業(yè)內(nèi)各種無人機(jī)設(shè)備探測優(yōu)缺點(diǎn)各不相同，特別是在復(fù)雜的環(huán)境中，每種探測設(shè)備難以避免會(huì)出現(xiàn)虛警、漏警的情況。采用多傳感器優(yōu)點(diǎn)并將來自各探測設(shè)備的信息以一定的準(zhǔn)則進(jìn)行融合，可克服單一傳感器在某些特殊場景的局限性，提高無人機(jī)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率，降低虛警率，從而提升反無系統(tǒng)的魯棒性。

3基于多源數(shù)據(jù)融合的無人機(jī)目標(biāo)檢測技術(shù)

低空反無系統(tǒng)一般都會(huì)采用低空監(jiān)視雷達(dá)和其他傳感器，如頻譜偵測設(shè)備、光電設(shè)備等作為系統(tǒng)核心探測設(shè)備，通過進(jìn)行初步的無人機(jī)關(guān)聯(lián)跟蹤處理并形成初步的航跡后，把雷達(dá)等設(shè)備探測的航跡發(fā)送給數(shù)據(jù)融合中心進(jìn)行處理。在反無系統(tǒng)基于多源數(shù)據(jù)融合無人機(jī)目標(biāo)檢測解決方案中，處理流程包括誤差消除、時(shí)空統(tǒng)一、數(shù)據(jù)相關(guān)性分析和數(shù)據(jù)融合處理，以及機(jī)器學(xué)習(xí)智能算法等。其中關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)是修正系統(tǒng)誤差、多元傳感器數(shù)據(jù)如何時(shí)間、空間統(tǒng)一等。

3.1 算法流程

基于雷達(dá)與頻譜數(shù)據(jù)融合旨在將來自不同模式的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，提高目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性和追蹤的魯棒性，產(chǎn)生單一傳感器不可能實(shí)現(xiàn)的效果。多傳感器數(shù)據(jù)融合算法是系統(tǒng)的核心模塊，其基本原理就像人腦綜合處理信息的過程一樣，將雷達(dá)、無線電瀕譜進(jìn)行多層次、多空間的信息互補(bǔ)和優(yōu)化組合處理，最終產(chǎn)生無人機(jī)識(shí)別置信度。利用多個(gè)傳感器相互協(xié)同操作的優(yōu)勢，綜合處理其他信息源的數(shù)據(jù)來提高整個(gè)系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確率。

采集多個(gè)不同類型傳感器（雷達(dá)、無線電頻譜）觀測到的無人機(jī)目標(biāo)的數(shù)據(jù)。對(duì)傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行空間同步、時(shí)間同步和數(shù)據(jù)歸一化處理；通過機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)雷達(dá)和無線電頻譜探測大量無人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，提取代表無人機(jī)目標(biāo)數(shù)據(jù)的特征矢量，如速度、RCS、運(yùn)動(dòng)航跡等；對(duì)提取的無人機(jī)特征矢量進(jìn)行模式識(shí)別處理并標(biāo)注無人機(jī)目標(biāo)；將各雷達(dá)和無線電頻譜探測的無人機(jī)目標(biāo)的標(biāo)注數(shù)據(jù)按同一目標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分組；利用融合算法將目標(biāo)的各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，完成無人機(jī)目標(biāo)的識(shí)別取證。多源感知數(shù)據(jù)融合算法工作流程圖如圖2所示，光電數(shù)據(jù)作為無人機(jī)目標(biāo)補(bǔ)充確認(rèn)。

3.2 誤差修正

在雷達(dá)和無線電頻譜設(shè)備對(duì)微輕小型無人機(jī)目標(biāo)進(jìn)行探測時(shí)，由于雷達(dá)和無線電頻譜設(shè)備數(shù)據(jù)率不同導(dǎo)致探測數(shù)據(jù)中包含有兩種誤差。一種是2種探測設(shè)備間的隨機(jī)誤差，在雷達(dá)和無線電頻譜每次測量時(shí)，隨機(jī)誤差都可能不同；另一種是2種探測設(shè)備間的固定誤差，即系統(tǒng)誤差，它不隨探測設(shè)備測量次數(shù)的變化而變化，因此采用相應(yīng)的校正是可以消除的，系統(tǒng)誤差主要包括：雷達(dá)和無線電頻譜設(shè)備架設(shè)位置誤差，即雷達(dá)和無線電頻譜備所在位置的經(jīng)緯度誤差、雷達(dá)和無線電探測設(shè)備精度和天線波束的指向偏差；距離測量中的零點(diǎn)偏差。系統(tǒng)誤差需要在融合前進(jìn)行消除，如果不予重視，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。消除誤差的方法，通過傳感器測量的無人機(jī)航跡數(shù)據(jù)與無人機(jī)真實(shí)回傳的軌跡進(jìn)行比較得到修正值，可以多次測量，取平均修正量。

3.3 時(shí)空統(tǒng)一

多種無人機(jī)探測數(shù)據(jù)融合的前提是建立統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)和坐標(biāo)空間，由于雷達(dá)和無線電頻譜設(shè)備物理位置相對(duì)獨(dú)立且設(shè)備掃描數(shù)據(jù)率不同，因此時(shí)間坐標(biāo)和空間坐標(biāo)的變換是數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵點(diǎn)。本文及實(shí)際應(yīng)用案例中將雷達(dá)和無線電頻譜設(shè)備在二維平面坐標(biāo)系之間的空間同步，并采用無線電頻譜設(shè)備坐標(biāo)為同步基準(zhǔn)。雷達(dá)和無線電頻譜工作時(shí)，在時(shí)間上是不同步的，雷達(dá)和無線電頻譜的數(shù)據(jù)采用率是不匹配的，存在著觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間差，通過目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測位置與時(shí)間偏差，采用插值或截?cái)嗟忍幚韥韺?shí)現(xiàn)探測目標(biāo)的時(shí)間同步和關(guān)聯(lián)，

4應(yīng)用效果

項(xiàng)目組在某湖泊旁飛2架次大疆御3無人機(jī)，采用公司自研DBF體制低空監(jiān)視雷達(dá)探測低空飛行目標(biāo)航跡圖如圖3所示，可看到雷達(dá)除探測到批號(hào)為155和276兩架次無人機(jī)外，還有其他飛鳥等低空飛行目標(biāo)。采用雷達(dá)探測數(shù)據(jù)和頻譜偵測數(shù)據(jù)融合后，終端只顯示2架無人機(jī)目標(biāo)，如圖4所示。通過實(shí)際驗(yàn)證，表明基于雷達(dá)探測數(shù)據(jù)與頻譜偵測數(shù)據(jù)融合微輕小型無人機(jī)目標(biāo)檢測識(shí)別方法可區(qū)分飛鳥和無人機(jī)并對(duì)微輕小型無人機(jī)目標(biāo)有效檢測和識(shí)別。

5結(jié)論

本文對(duì)低空微輕小型無人機(jī)目標(biāo)檢測領(lǐng)域主要的探測設(shè)備和技術(shù)手段進(jìn)行了比較和總結(jié)，提出一種基于雷達(dá)探測數(shù)據(jù)與頻譜偵測數(shù)據(jù)融合的微輕小型無人機(jī)目標(biāo)檢測方法，并通過實(shí)際飛行無人機(jī)驗(yàn)證了該方法的有效性。該方法已應(yīng)用在某低空安全保障中實(shí)戰(zhàn)證明該檢測方法降低了虛警率、誤報(bào)率，提高了無人機(jī)檢測效率。多種無人機(jī)探測設(shè)備協(xié)同數(shù)據(jù)融合是為了反無系統(tǒng)重要研究方向，不同探測設(shè)備及技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，后續(xù)團(tuán)隊(duì)將在多場景下驗(yàn)證并優(yōu)化該方法，提升無人機(jī)檢測和識(shí)別率應(yīng)對(duì)低空監(jiān)視安全保障多元化應(yīng)用場景。

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