低慢小无人机探测方法(2)
图3 本文“低慢小”无人机的定义
“低慢小”无人机对传统空域探测技术的严峻挑战主要体现在以下方面:
1)飞行高度低。低空空域是指高度在1 000 m以下的飞行区域。该空域中飞行器距地面、建筑物、树木和飞鸟等物体较近。因此,对其的探测常常受到这些地形地物的干扰。干扰的形式有噪声、信号衰减和遮挡等。
2)可低速飞行或悬停。这给雷达探测带来了挑战。雷达测速的原理是多普勒效应,即通过目标回波的多普勒频率,计算目标与雷达的相对运动速度。在加装了动目标显示的雷达上,只有速度达到一定程度的运动目标能够显示出来。“低慢小”无人机低速或悬停飞行时,很难在加装了动目标显示的雷达上显示出来。如果不加装动目标显示,则雷达会接收到来自地面固定物的强烈的回波噪声。但是,目标的慢速运动有利于光电系统跟踪目标。
3)尺寸小且可能采用非金属材料。这给探测带来的主要问题,是探测信号微弱。“低慢小”无人机的雷达反射截面[7]、自身向外界发射的光信号和声信号都比较微弱,这使得传统探测手段的探测距离、发现概率都受到很大限制。
虽然各种探测方法的原理不一样,但多数都基于连续信号的接收、处理和识别。因此,在“低慢小”无人机的探测问题上,有一些共同的技术难点,分别是微弱信号检测、目标定位跟踪和识别。例如,“低慢小”无人机能被探测到的光信号非常微弱,因此,硬件上的滤波处理就变得不再有效,此时需要在系统中后置微弱光信号检测器,利用信号和噪声在统计特性上的差别去区分它们。精确的时延估计算法在不同探测器的定位跟踪算法中都有着重要的作用。在定位跟踪“低慢小”无人机时,传感器可能出现目标漏检,观测区域中的目标数目随机变化,跟踪到“假目标”等情况,这些都依赖于目标跟踪算法的优化。
2 探测方法研究现状
目前,能够应用于探测“低慢小”无人机的方法,从信号形式上主要包括:雷达探测[7,9-15]、激光探测[16-17]、金属探测[18]、光电探测[19-28]、无线电探测[29-31]和声学探测[32-39]。其中,市场上的“低慢小”无人机探测装备多基于雷达、图像和无线电,少数使用声音。来自美国巴德学院的Arthur Holland Michel[40]在2018年2月的一份调查报告统计了155件来自世界各地各机构研制的具有探测“低慢小”无人机功能的反无人机系统,发现其中雷达方法、无线电频率方法与光电方法大约各占1/3,而使用了声学方法的只有2件。
2.1 雷达探测
雷达主体由发射机、接收机、收发天线、显示器构成,其原理是:雷达发射机向外发射电磁波,接收机接收目标反射回来的电磁波,通过处理目标回波获得相应信息。理论上,雷达可以获取的目标信息包括:距离、径向速度、角方向、尺寸、形状、微多普勒特征等。雷达探测“低慢小”无人机有以下突破口:1)设计合适的雷达体制、信号频率等;2)开发更高效的杂波抑制[41]、自适应恒虚警检测、点迹聚集[12]、脉冲压缩和单脉冲测角[9]等关键算法。具体可考虑以下内容:
1)脉冲雷达信号处理简便成熟,探测距离长,但是价格昂贵,存在近距盲区,发射源功率高、体积大,距离分辨力低。线性调频连续波(LFMCW)雷达[42]体积小,功率低,距离分辨力高,但信号处理复杂,探测距离短。综合来看,后者更优。
2)加装了动目标显示算法的雷达地物回波干扰小,但是会漏检慢速与悬停目标。
3)相控阵雷达虽然由于冷却需求导致功率消耗大,但是反应速度快,目标更新速率高,多目标追踪能力强,分辨率高。
4)X波段(8~12 GHz)雷达[7]探测距离长,但是精度低。Ku波段(12~18 GHz)雷达受地面干扰小,精度高,但是受降雨影响大,探测距离短。李琴等人[13]对雷达探测“低慢小”无人机进行了仿真实验,结果表明在一定功率下,考虑大气衰减和地杂波的影响,最佳的探测频率为20 GHz。进一步分析, 如果采用地杂波 MTI 抑制技术, 最佳的探测频率为16 GHz。这一频率位于Ku波段,而Ku波段事实上也是目前雷达探测“低慢小”无人机的主流。
5)三坐标雷达可以获取目标的三维坐标信息,更有利于进行精确打击。
雷达杂波抑制方面,需要考虑在抑制杂波的同时,尽可能地减少对目标回波信息的减损,相关的算法有直流滤波器与噪声子空间[41]、Hough变换[43]等。鸟类在尺寸、速度等方面与“低慢小”无人机有诸多相似之处。飞机防鸟撞这一需求催生了大量关于探鸟雷达[44-45]的研究。探鸟雷达与“低慢小”无人机探测雷达在硬件上具有很高的相似度,但是在信号处理算法上有较大不同。探鸟雷达除了关注固定物的回波以外,一些气象回波、地面汽车回波甚至距离天线较近的昆虫回波都有可能造成较大的误导[44]。而对于“低慢小”无人机探测雷达,如何有效区分鸟类和“低慢小”无人机成为一个重要的问题。
文章来源:《光学与光电技术》 网址: http://www.gxygdjs.cn/qikandaodu/2021/0508/555.html