無人機載殘骸搜索系統的設計與實現

王文燦，崔唯佳，王雪梅

(1.中國人民解放軍96901部隊，北京 100094； 2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

0 引言

殘骸搜索旨在將火箭整流罩[1]、飛機[2]等飛行器落地后產生的目標殘骸進行準確、快速搜索和回收。通過對回收殘骸的分析能夠有效地進行武器毀傷評估、飛行器故障排查以及對危險品進行及時處置和銷毀。

傳統的殘骸搜索方法主要依靠地面檢測設備和大量人力在落點區域進行地毯式搜索，這種方法費時費力，效率較低，適用于落點區域固定且覆蓋范圍小的情況，在較為復雜的地形環境中任務執行受限，另外在靶場試驗過程中，如果出現飛行器未按預定軌道飛行，或出現故障意外墜落等情況[3]，目標殘骸搜索的難度變得更大。當前，隨著武器技術的不斷發展，殘骸落點的區域覆蓋范圍不斷擴大，搜索難度日益增加，僅依靠傳統的殘骸搜索方法已經無法有效保證搜索的準確性和高效性[4]。

為提升殘骸搜索系統的環境適應性和時效性，本文設計了無人機載殘骸搜索系統，利用無人機搭載可見光、紅外和SAR等任務載荷[5]，對落點區域進行預估、探測，通過專用偵察信息處理算法實現對殘骸的快速識別與定位[6-7]。系統具有較強的操控性和環境適應性，能夠為復雜環境下的殘骸搜索任務提供有力保障。

1 無人機載殘骸搜索系統組成

無人機載殘骸搜索系統組成如圖1所示，主要由操作控制分系統、無人平臺分系統、數據鏈分系統、任務載荷分系統、載荷信息處理分系統以及綜合保障分系統組成。

圖1 無人機載殘骸搜索系統組成Fig.1 Composition of UAV based wreckage search system

(1) 操作控制分系統

操作控制分系統主要為地面控制站部分，包括飛行監控單元、鏈路監控單元以及任務規劃單元等，用于對無人機進行任務規劃、飛行控制、鏈路控制以及狀態監控等。

(2) 無人平臺分系統

無人平臺分系統包括2架無人機，能夠根據不同搜索場景，靈活裝配不同的任務載荷，實現協同探測，提高搜索效率[8]。

(3) 數據鏈分系統

數據鏈分系統包括機載數據終端和地面數據終端，用于地面控制站與無人機的通信，實現無人機和任務載荷的遙控、遙測信息的接收和發送[9]。

(4) 任務載荷分系統

任務載荷分系統包括可見光、紅外和SAR雷達成像設備。任務載荷通過成熟的通信協議進行數據傳輸。

(5) 載荷信息處理分系統

載荷信息處理分系統主要包括載荷數據預處理模塊以及殘骸目標識別定位模塊，用于對任務載荷獲取的各類數據進行圖像校正、拼接等預處理、模型變換以及殘骸識別與定位等操作，同時具有數據管理、查詢和顯示等功能[10]。

(6) 綜合保障分系統

綜合保障分系統主要包括無人平臺儲運車、維修設備等，用于對無人機的快速轉運以及維修保障。

2 工作原理

無人機載殘骸搜索系統的工作原理如圖2所示，主要包括任務規劃、飛行偵察、落點區域檢測、數據傳輸以及載荷信息處理5部分。

圖2 無人機載殘骸搜索系統工作原理示意Fig.2 Schematic diagram of working principle of the wreckage search system

(1) 任務規劃

無人機載殘骸搜索系統采用一站控雙機的工作模式，每架無人機可搭載不同的任務載荷，操作人員根據落點區域的大小、形狀等對2架無人機的飛行航線進行規劃。圖3展示了以平行航線方式規劃的無人機飛行路徑。

圖3 航線規劃示意Fig.3 Schematic diagram of the route planning

(2) 飛行偵察

地面操作人員通過數據鏈終端設備完成無人機、任務載荷的控制，同時將飛控、鏈路和任務載荷遙測信息實時傳輸至地面數據終端顯示。

(3) 落點區域檢測

無人機搭載任務載荷按照規劃的航線定速巡航，任務載荷對落點區域進行掃描成像。

(4) 數據傳輸

無人機與地面控制站之間依靠數據鏈進行遙控遙測數據的快速安全傳輸。系統數據傳輸流程如圖4所示。

任務載荷數據通過機載數據終端將壓縮加密后的任務數據傳送至地面數據終端，然后通過解密解壓縮處理，利用有線傳輸至地面控制站顯示、存儲，同時轉發至載荷信息處理軟件進行任務數據處理分析。

圖4 無人機測控系統數據流程Fig.4 Data Flow chart of UAV TT&C system

(5) 載荷信息處理

載荷信息處理流程如圖5所示，首先針對各個載荷的特點進行預處理，對影像數據進行圖像校正、圖像拼接、差異性分析等初步處理，實現對目標區域影像的近實時預覽；然后提取目標與背景圖像的亮度、色調、色差、輻射溫差和雷達散射特性衰減等特征參數，并根據識別算法、知識庫和專家庫等對目標進行識別，通過目標識別定位算法、人工判讀和總體評價等過程，實現目標殘骸的精確定位；最后采用位置標校和坐標轉換公式對目標定位結果進行定量分析，輸出目標殘骸的分布情況以及坐標信息。

圖5 載荷信息處理工作流程Fig.5 Flow chart of playload information processing

3 工程應用

圖6展示了2架無人機協同探測的飛行狀態示意圖，每架無人機根據預設航線對落點區域進行分區域并行搜索，提高搜索的效率。

圖7展示了可見光、紅外和SAR雷達采集的圖像數據經數據質量分析、幾何校正、輻射校正、定標和拼圖等預處理后的成像效果圖。

圖6 兩架無人機飛行狀態示意Fig.6 Schematic diagram of flight status of two UAVs

(a) 可見光成像效果圖

圖8展示了對落點區域的地貌特征差異性變化檢測的效果圖，首先對2幅圖像的特征點進行圖像配準，根據配準結果對2幅圖像進行投影，最后利用投影疊加后的圖像計算2幅圖像之間的差異性，可以看出，通過差異性變化分析與判斷，能夠初步確定殘骸分布情況。

圖9展示了殘骸搜索的定位結果，系統通過多種圖像增強和特征提取手段，利用灰度分析、輪廓分析、紋理分析和溫度分析等多種識別算法，進一步檢測圖像中的目標，提高系統的識別能力?？梢钥闯?，無人機載殘骸搜索系統能夠有效對大范圍區域內的目標殘骸進行精細搜索，并且具有較高的定位精度。

(a) 特征點提取

圖9 殘骸搜索試驗效果示意Fig.9 Experimental results of wreckage search

4 結束語

本文詳細介紹了無人機載殘骸搜索系統的系統組成、工作原理以及工程應用。設計的殘骸搜索系統可搭載不同的任務載荷，進行雙機協同探測，適應不同的搜索場景，能夠執行大區域、復雜環境下的殘骸搜索任務，有效地提高殘骸搜索的準確性和時效性。

后續工作會通過設計更為合理的平臺架構，提升系統的復用程度和場景應用范圍；開發更為高效的信息處理算法提高殘骸的識別定位精度和處理效率，為殘骸搜索提供更為高效的搜索平臺。