低空無人機探測技術探討

孫宇 王驥駿 任旭輝 劉兵

摘 ?要：無人機行業在近年發展迅速，在技術進步的同時也帶來了安全風險。為了應對安全方面的挑戰，低空無人機探測技術成為一個研究熱點。本文在分析低空無人機的特征的基礎上，對低空無人機探測技術進行了探討，對雷達、光電等探測技術進行了分析比較。

關鍵詞：低空無人機;探測技術

引言

近些年來無人機行業取得了日新月異的進步，各種功能強大的低空無人機被研制出來。在行業發展的同時，也給公共安全帶來了風險。2018年，委內瑞拉總統馬杜羅在拉斯加斯遭到兩架商用無人機攻擊，每架無人機都攜帶有一千克炸藥。這一針對國家元首的無人機攻擊，只是無人機產業安全風險的冰山一角。在機場或私人住宅區上空盤旋的無人機構成了從安全到隱私方面的各種威脅，因此對低空小型無人機的探測技術進行研究具有重要的意義。

在公共安全方面，低空無人機帶來的風險因素主要有：一，非法潛入禁止區域進行偵察拍攝，竊取秘密。二，攜帶炸藥等危險物品攻擊重要設施，制造恐慌。三，飛行失去控制，干擾航空飛行，對公共交通安全構成威脅。

低空小型無人機主要具有以下特點：一，貼近地面飛行。對低空無人機的探測手段容易受到山地、建筑、樹林等地形地物的干擾，返回的目標信號容易被淹沒在干擾噪聲中。二，低速飛行。低空無人機可以低速飛行，部分可以實現空中懸停。而雷達是通過目標回波的多普勒效應來發現目標，懸停給雷達發現無人機帶來了困難。三，目標體積小。相比傳統的大型飛機，無人機的尺寸微小，電磁波反射截面較小，并且自身發射的電磁信號也很微弱，導致雷達、光電等探測手段對無人機的探測性能受到了影響。

雷達是一種利用電磁波的反射原理的探測手段，被廣泛用于對空中運動目標的探測。與其他探測手段相比，雷達能夠實現幾千米到幾十千米的遠程探測，且在不利的光照和天氣條件下受到的影響較小[1]。雷達探測系統由發射機、接收機和信號處理系統組成。發射機向空間發射電磁波，電磁波在遇到目標后被反射，被接收機接收后交給信號處理系統進行處理，通過分析返回的電磁波信號的時間和多普勒頻移可以得到運動目標的方位、距離和速度。影響雷達的探測性能的一個關鍵因素是從目標反射回電磁波信號的強度。接收機獲得的反射電磁波信號強度與電磁波自身的頻率成反比，與目標的雷達反射截面積成正比。無人機的雷達反射截面積與無人機的材料、尺寸和位置等有關，其雷達反射截面積通常很小，因此反射的電磁波信號微弱，使得雷達對無人機的探測距離受到限制。

傳統的雷達探測系統設計針對的目標是反射截面積相對較大且運動速度較高的有人飛機，并不能適用于反射截面積很小的低速無人機的探測場景。為了解決低速無人機的探測問題，需要研究一些新的雷達探測技術。有研究發現，無人機在飛行時的振動（由發動機等產生）和旋轉（由旋翼等產生）會產生特有的微多普勒特征。通過探測無人機目標在飛行時的微多普勒特征，聯合使用時域頻域信號分析方法，可以增強雷達對低空無人機的探測性能。

光電傳感器探測也是空中目標探測的常用手段，其作用的電磁波長范圍從紅外波段到紫外波段。光電圖像傳感器在可見波長范圍內獲得空中飛行無人機的圖像信息，用于識別探測。紅外熱像儀可以在紅外光譜范圍內對無人機進行探測，獲取無人機的發動機等在工作時輻射的熱量信號。通過對熱輻射信號進行分析，在背景噪聲中檢測出無人機目標。通過熱成像技術，即使在夜間、多云等光線微弱條件下，也可以對無人機進行探測。探測光譜根據無人機的預期溫度來確定，對于移動的小型明亮目標，波長較短的紅外傳感器探測效果較好。隨著人工智能技術的發展，很多具有良好性能的機器學習方法也得到應用。

在光電探測系統中，可以運用機器學習技術，提高光電探測系統對無人機的探測性能。雖然光電探測技術已經得到了廣泛的研究和應用，但是在部分場景中，該技術的探測性能難以滿足使用需求。光電傳感器的使用，要求視距環境，在非視距環境下，光電傳感器無法實現對無人機目標的探測，無法發現被遮擋的目標。另外，光電傳感器的探測性能容易受到天氣的影響，在復雜氣象環境下，如霧天能見度不良的情況下，可能無法探測到無人機目標。如果無人機的熱輻射水平與環境背景熱噪聲水平相差不大，紅外傳感器對無人機目標的探測將變得十分困難。

激光雷達是利用激光的反射現象的探測手段。與雷達探測類似，激光雷達通過探測從目標反射后返回的激光信號來實現對目標的探測。激光信號的頻率很高，因此激光雷達可以獲得良好的角度、距離和速度分辨率。與傳統的微波雷達相比，激光雷達的低空探測性能更好。微波雷達由于受到地形地物帶來的地雜波的影響，存在低空盲區。而激光雷達只有照射到目標時才會產生反射，不易受到地雜波的影響，因此對低空無人機目標的探測性能更好。但是激光雷達探測目標時需要通視環境，容易受到不良天氣狀況的影響，在霧、雨、雪等特殊天氣下對無人機目標探測效果將會變差。

各種無人機探測手段的探測距離和適用環境存在差異。在大霧和夜間等能見度較低的情況下，光電探測只能使用紅外傳感器，不能使用可見光傳感器。晝夜對紅外探測的性能也存在影響。此外，在復雜電磁環境下，雷達探測手段的性能會受到影響。因此，為了實現對無人機的有效探測，需要采用多種探測手段融合探測的方法。常見的融合探測方法有：

雷達與光電融合探測。首先，使用雷達進行大范圍掃描搜索，發現可疑目標后，使用光電成像對目標進行精確探測。雷達與光電融合探測方法在實現遠距離探測的同時，也兼顧了探測精度。其核心技術是雷達目標探測與識別及其與光電成像設備之間快速穩定的響應[2]。

紅外與可見光融合探測。紅外與可見光融合探測系統在白天和夜間都可以進行探測，實現對無人機目標的全天探測，能夠同時獲取可見光圖像的細節信息與紅外圖像的亮度信息，提高探測的準確性。

結束語

采用多種探測手段融合探測的方法，可以有效改善探測系統對無人機目標的探測性能。多種探測手段相結合，實現冗余探測，可以增加探測系統在復雜環境下對目標的發現概率。

參考文獻

[1]陳唯實，黃毅峰，盧賢鋒.多傳感器融合的無人機探測技術應用綜述[J].現代雷達，2020，42（6）：15-29;

[2]屈旭濤，莊東曄，謝海斌.低慢小無人機探測方法[J].指揮控制與仿真，2020，42（2）：128-135.