低慢小无人机探测方法(3)
2.2 激光探测
激光探测系统主要由发射光源、接收器、处理器和显示器构成。激光测距根据测量原理,可以分为脉冲式和相位式[46]。脉冲式激光测距是利用激光脉冲在系统和目标之间来回传输一次所使用的时间计算出目标的距离。相位式激光测距是利用调制的连续光波在探测系统和目标之间来回一次所发生的相移计算出目标的距离。2004年,李大社[47]等人通过计算,验证了功率10 MW,重频10 pps 的激光器在激光探测器的引导下可以跟踪较大的无人机。目前,激光探测在100米左右,对“低慢小”无人机在 0 ~ 20μs的测量范围内, 测量相对误差能够达到10-5量级[17]。
2.3 金属探测
“低慢小”无人机几乎都含有金属材料部分,如无刷电动机轴及绕组是钢铁材质,机架和起落架通常为铝合金。因此,理论上,可以采用金属探测的方法。电磁感应型探测设备是金属探测器中应用最广泛的一类,该类设备的探测原理是利用金属物对交变电磁场产生干扰效应来检测金属。 金属探测最初应用在探雷、探测地下金属等方面,现在更多是应用在安检[18]。
2.4 光电探测
光电技术是在人类探索和研究光电效应的进程中产生和发展起来的,是指由光电传感器对待测光学量或由非光学待测物理量转换成的光学量,通过光电变换和电路处理的方法进行检测的技术,主要通过由高清、短红外、宽光谱、北斗等构成的具有远程目标监测、跟踪功能的预警光电雷达来实现。
从广义上讲,光指的是光辐射,按波长可以分为X射线、紫外辐射、可见光和红外辐射等。“低慢小”无人机本身是一个辐射源,向外辐射可见光和红外光。2017年, Andra?i P等人[21]通过实验,验证了在某些情况下,廉价的红外传感器对小型电动多旋翼无人机具有探测能力。但是由于旋翼部位虽然发热量较大,但被外壳包裹,真正辐射出来的红外线很有限[19],因而主要热源是电池或其他动力部分[21],这样单纯的红外成像就变得难以实现自动识别。针对这一问题,刘润邦等提出了基于特征融合的粒子滤波红外目标跟踪算法,该算法建立基于灰度直方图和梯度方向直方图的观测模型,来弥补红外目标特征描述的局限性。
探测“低慢小”无人机主要解决光信号微弱和背景复杂这两个问题。因为“低慢小”无人机的光辐射强度低,所以,要使用更高倍数的光学变焦和数字变焦的相机。光学变焦的倍数越高,相机所能聚焦的距离就越远。数码变焦的倍数越高,照片所能放大的倍数就越高。例如,AUDS反无人机系统采用的是双摄像头,30倍光学变焦,12倍数码变焦。另外,“低慢小”无人机在长波波段的辐射强度是在中波波段的10 倍以上,可见热辐射能量主要集中在长波波段[19]。光电探测的关键算法是图像处理,目前已有的尝试包括传统的邻域特征[35]、连续帧间特征[48]、红外辐射建模[22]以及深度学习[49]算法等。
2.5 无线电探测
“低慢小”无人机的飞行控制和载荷数据的传输都需要和外界进行通信,这个过程所产生的无线电信号具有一定的特征。其中飞控指令既需要上传也需要下载,而载荷数据一般只需要下载。常见的无人机通信频段应用模式有三类:一类是仅使用2.4 GHz频段(常见于玩具无人机或无须传输载荷数据的无人机);一类是同时使用2.4 GHz和5.8 GHz频段(飞控指令和载荷数据处于不同的频段);一类是用433 MHz、868 MHz、915 MHz等频段来传输飞控指令,用1.3 GHz来传输载荷数据(欧洲标准)。为了提高复杂电磁环境下的抗干扰能力,多数“低慢小”无人机还采用了跳频加扩频的飞控信号调制模式。通常飞控信号需要更强的稳定性,因此更有可能采取跳频方式。
无线电探测需要解决信号识别和定位两个问题。“低慢小”无人机的通信信号在频谱和功率谱上都有较为显著的特征。常用的定位算法有到达时间法(TOA, Time of Arrival)、到达时间差法 (TDOA, Time of Difference of Arrival)[29,35,50]、到达角度法(AOA, Angle of Arrival)、接收信号强度法 (RSSI, Receive Signal Strength Indicator)、以及位置指纹法等。目前,“低慢小”无人机探测多采用TDOA法,该方法通常需要部署至少4台可移动监测站构成的TDOA网络[29]。目前, Shoufan等人[30]根据无人机飞行状态与控制信号特征之间的关系,从截取的控制信号中,可以分析出无人机的飞行状态以及操作员的部分信息。
2.6 声学探测
“低慢小”无人机发出的声音特征受无人机型号和无人机飞行状态两个因素影响。在声音探测范围内,可以通过由麦克风阵列对捕捉到的音频进行定位和识别,即实现声学成像。麦克风阵列的形式主要有线性四阵列[38]和球形阵列[32]。定位算法主要有互功率谱法[38]、TDOA法[50]等。目前,效果最好的组合方式是球形阵列和TDOA法(图4)[32]。目前,声探测主要作为光电探测的辅助手段。
文章来源:《光学与光电技术》 网址: http://www.gxygdjs.cn/qikandaodu/2021/0508/555.html