我國無人機探測技術與發(fā)展淺析

摘 要 近年來，我國民用無人機快速發(fā)展對航空安全、公共安全帶來挑戰(zhàn)，加強對無人機的管控成為行業(yè)共識。無人機探測是無人機管控的重要手段，探測技術是反制的前提與關鍵環(huán)節(jié)。本文描述了典型無人機探測技術及其優(yōu)缺點，結合我國行業(yè)發(fā)展情況，提煉了行業(yè)發(fā)展特點，最后對本文進行總結。

關鍵詞 無人機探測;公共安全;有源探測;無線電監(jiān)測;光電探測

引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，民用無人機成為近年來發(fā)展最迅猛的新興產(chǎn)業(yè)之一，我國民用無人機數(shù)量呈現(xiàn)爆發(fā)性增長趨勢[1]。同時，人工智能也廣泛地應用于各行各業(yè)，如無線通信[2-3]、無人機飛行以及作業(yè)，基于人工智能的無人機行業(yè)爆發(fā)出強勁的活力[4]。然而，無人機的快速發(fā)展也帶來了一定的負面影響[5]，如民用無人機干擾民用機場飛行活動，導致航班等待、繞行、返航、備降、延誤、取消，乃至危險接近和機場關閉等事件頻發(fā)。特別是2017年4至6月，成都雙流機場、重慶江北機場遭受到嚴重的無人機黑飛侵擾事件，造成嚴重的安全隱患和惡劣影響。

為應對無人機飛速發(fā)展帶來的負面影響，進一步規(guī)范無人機產(chǎn)業(yè)的有序健康發(fā)展，保證飛行安全和公共安全，對無人機加強飛行監(jiān)管成為行業(yè)熱點和社會共識，對無人機進行主動探測反制成為重要的飛行監(jiān)管段[5-6]。其中，無人機探測是反制的前提與關鍵環(huán)節(jié)[5]。探測環(huán)節(jié)的缺失或薄弱，將無法實現(xiàn)對無人機的精確定位以及精準處置。在探測環(huán)節(jié)缺失或薄弱的情況下，要實現(xiàn)對無人機的監(jiān)管只能依靠設立禁飛區(qū)、建立實名登記機制等管理辦法進行預防。然而，上述管理辦法主要對合作類無人機有效，對于非合作類無人機則沒有效果，同時禁飛區(qū)的大量設置是以犧牲無人機市場的快速發(fā)展以及一定的經(jīng)濟成本為代價。因此，有效的無人機探測技術是防范無人機違規(guī)飛行以及保證公共安全以及人民生命財產(chǎn)安全的重要舉措。

近年來，國內(nèi)外大量的科研院所和相關廠商開發(fā)了眾多無人機探測技術和設備，無人機探測市場和行業(yè)也蓬勃發(fā)展，了解無人機探測技術及其行業(yè)最新發(fā)展情況將有助于我國政府監(jiān)管部門以及機場、核電站等重要場所提升對無人機探測技術現(xiàn)狀的準確認識，將有利于政策制定和開展有效的無人機安防工作，極具社會及經(jīng)濟價值。

1無人機探測技術分類與分析

近年來，為對無人機實現(xiàn)精準定位，有效的探測跟蹤技術成為了無人機管控的研究熱點與難點。從民用角度，目前無人機探測跟蹤技術主要有有源探測、激光探測、金屬探測、光電探測、無線電監(jiān)測和聲學探測，其中經(jīng)過實戰(zhàn)，比較有效的是有源探測、無線電監(jiān)測、光電探測三個主要類型，根據(jù)對近年來國內(nèi)主流無人機探測設備的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其中有源雷達方法、無線電頻率監(jiān)測方法與光電探測方法大約各占1?3，是當前行業(yè)主流技術，本章將對這三種主流技術進行描述并對其特點進行總結。

1.1 有源探測

有源探測主要以低空雷達為主，通過發(fā)射和接收調(diào)頻連續(xù)波或脈沖調(diào)制信號對小型無人機進行偵察，作用距離一般大于1.5km，通常有效距離可達3km-5km。低空雷達一般以固定站、車載機動站為主，其面臨的問題如下：

在對低空、小微目標探測時，現(xiàn)役的低空探測雷達（主要用于探測低空的直升機、巡航導彈和戰(zhàn)斗機等快速目標）無法實現(xiàn)對其有效探測和跟蹤[7]。

面臨地雜波、海面雜波和多徑傳播干擾時，對小微目標探測較為困難。

低空雷達一般都配置動目標處理功能，但對于慢速以及懸停的無人機則效果較差，常常會漏檢。

為實現(xiàn)對低空小微目標的高精度探測，并成功引導其他設備對其跟蹤，雷達系統(tǒng)需要具備以下能力。即，抑制強地雜波干擾和檢測弱小目標的能力;具備俯仰測角能力;良好的環(huán)境適應能力;體積小、重量輕。因此雷達探測系統(tǒng)在方位波束駐留時間受限的情況下，一般采用如下設計：

俯仰上采用寬波束發(fā)射和接收DBF技術，實現(xiàn)三坐標功能，增加了單個波束駐留時間，提高速度分辨率，并且具有波束指向靈活和抗干擾能力強的優(yōu)勢。

采用高頻段，可以減少天線的尺寸和體積;采用天線、射頻、處理結構一體化設計，降低系統(tǒng)體積和重量[8]。

以低空雷達為代表的有源探測技術成熟度較高，其優(yōu)點是不受無人機使用頻率影響，只與無人機大小有關。其缺點是受地雜波影響較大，虛警率高，且對于靜態(tài)目標無效，無法實現(xiàn)機型識別和鳥類辨別，主要用于較大防護范圍的要地區(qū)域防護。

1.2 無線電監(jiān)測

無線電監(jiān)測通過實時偵收無人機遙控以及其自身發(fā)出的無線電信號，獲取無人機型號、方位等信息，有效作用距離一般在1.5-3.5km。

我國無線電監(jiān)測網(wǎng)絡基本形成了由固定站、移動監(jiān)測車、搬移站和便攜設備組成的監(jiān)測網(wǎng)絡。目前，日常的無線電管理的現(xiàn)場查處主要以無線電監(jiān)測測向移動車為主，利用移動車在城市內(nèi)的高機動性及快速作戰(zhàn)能力，通過對發(fā)現(xiàn)的可疑的干擾信號進行測向，排除可能產(chǎn)生干擾的雜波信號，利用多點測向交匯定位的方法確定目標信號的大概位置。

無線電監(jiān)測一般主要對433MHz、868MHz、915MHz、1.3GHz、2.4GHz、5.8GHz等無人機常用無線電頻段進行監(jiān)測，主要解決其信號識別和定位問題，無人機無線電信號具有較強的特征，識別相對容易，但定位問題則需要較高的技術，一般部署至少4臺可移動監(jiān)測站組網(wǎng)并采用到達時間差法（TDOA， Time of Difference of Arrival）進行解算。

總體來看，無線電監(jiān)測技術熟度較高，在無人機探測中優(yōu)勢很明顯，可以不受無人機尺寸、材質、建筑物遮擋限制，可以用于長期無人值守的無人機防御任務;可定位無人機飛手。其不足處也較為明顯，即，無人機只依靠GPS自主飛行時無法探測;對于跳頻、擴頻、跳時無人機無法有效跟蹤;在城市復雜電磁環(huán)境下，容易受到干擾;探測精度較低。

1.3 光電探測

光電探測主要通過可見光和紅外波段成像設備進行偵查，主要用于輔助雷達探測，用于目標的進一步識別，作用距離可達2km以上。

光電探測技術以紅外成像為主體，輔以紅外圖像目標檢測處理技術，實現(xiàn)對視場內(nèi)低、慢、小運動目標搜索，檢測，以及與其他傳感器的信息融合和告警，該技術需要解決光信號微弱和背景圖像復雜問題，核心技術是圖像處理，包括連續(xù)幀以及鄰域特征處理、紅外輻射數(shù)學建模以及圖像處理中人工智能、深度學習算法等。無人機在運行中會向外輻射可見光，同時因為發(fā)動機、電池等器件在工作中會成為一個發(fā)熱源，發(fā)熱量較大，也會發(fā)出紅外光，不過由于這些部位有外殼覆蓋，紅外光較弱，需要用特殊的算法提高其識別率。

光電探測技術具備精度高，效果直觀，拍照取證的優(yōu)勢。不足之處主要是探測范圍有限;應對多架無人機目標時能力有限;易受天氣干擾（霧霾、雨雪、沙塵天氣會影響目標的描準和跟蹤）[8-9]。

2無人機探測技術發(fā)展分析

無人機探測技術近年來成為行業(yè)研究的熱點，涌現(xiàn)了大量的探測技術，涉及聲光電等專業(yè)領域，各個技術各有優(yōu)缺點，適用于不同的場景，有效性各異，從近年來發(fā)展情況來看，其技術發(fā)展趨勢是：

技術體制方面，融合探測[5]是當前行業(yè)共識和主要發(fā)展方向，融合探測就是融合不同原理的探測方法，主要包括紅外+可見光、圖像+聲波、圖像+雷達等，基于時空配準、特征融合等技術，集各單一技術優(yōu)點為綜合技術優(yōu)勢，最大程度提高探測能力和效果。

運行機制方面，輕量化、移動式是主流，隨著技術的發(fā)展，特別是高性能專用芯片的大量應用以及硬件的小型化趨勢，無人機探測設備越來越小型化、輕量化，功能和性能也更強。同時基于移動載體，比如汽車、無人機、艦船等移動平臺集成無人機探測設備已經(jīng)成為新的趨勢，相對于固定式部署的局限，移動式探測更加方便靈活，對環(huán)境和任務的適應性更強，可以獲得高質量的無人機目標信息。

新技術應用方面，無人機探測技術與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術的結合和協(xié)同更加緊密，無人機探測本身是一種特殊的對空感知物聯(lián)網(wǎng)手段，涉及時空信息和數(shù)據(jù)的感知、處理和應用，包括探測、識別、跟蹤等業(yè)務，基于大數(shù)據(jù)+人工智能等新技術，可為傳統(tǒng)處理方法和機制賦能，大幅提高其運行效率和質量，已在行業(yè)得到大量應用，這種趨勢未來將進一步得到強化。

標準規(guī)范方面，技術標準化、規(guī)范化是趨勢。無人機治理與管控是近年來出現(xiàn)的新課題，對于無人機運行管理的認識也是一個逐步成熟的過程，現(xiàn)有的無人機探測技術及其使用較為混亂，缺乏行業(yè)標準規(guī)范，后續(xù)將逐步建立無人機管控技術的標準規(guī)范，以促進整個行業(yè)的良性發(fā)展。

3總結與建議

為應對無人機數(shù)量快速增長對于民航安全、公共安全的巨大的挑戰(zhàn)，政府以及行業(yè)都在尋求對無人機飛行的有效監(jiān)管。無人機探測是對非合作無人機進行飛行監(jiān)管的關鍵環(huán)節(jié)。近年來，比較成熟可靠的無人機探測技術包括有源探測、無線電監(jiān)測、光電探測技術。實踐表明，單一的探測手段往往不能解決復雜的無人機探測難題，通常需要采用多種探測手段相配合，探測設備的輕量化、移動化趨勢明顯，大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術已廣泛應用于各行各業(yè)，將人工智能技術引入到無人機探測中也是必然趨勢。同時，我國無人機探測技術發(fā)展還未成熟，無人機行業(yè)涉及企業(yè)眾多，但缺乏行業(yè)標準和規(guī)范，亟須規(guī)范和引導。

結合我國目前無人機探測技術的發(fā)展現(xiàn)狀，一方面，建議將多種探測技術相融合，并在無人機探測中引入先進的人工智能、大數(shù)據(jù)等技術，實現(xiàn)復雜環(huán)境中的無人機精確探測;另一方面，建議制定相應的行業(yè)技術規(guī)范實現(xiàn)無人機行業(yè)的健康有序發(fā)展。

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作者簡介

張翔（1977-），男，四川成都人;畢業(yè)院校：電子科技大學;專業(yè)：生物醫(yī)學工程，學歷：研究生，現(xiàn)就職單位：中電科特種飛機系統(tǒng)工程有限公司，研究方向：空中交通管理、通航信息化、無人機監(jiān)管。