張?zhí)烨澹斡陼F，宋冰*

(1.上海世想科技有限公司，上海 201502；2.華東理工大學(xué)，信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237)

0 引言

近年來(lái)，由于無(wú)人駕駛系統(tǒng)以及無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)迅猛發(fā)展，使得無(wú)人機(jī)在搜救、航拍、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域提供了諸多有利的支持[1-2]。然而，無(wú)人機(jī)具有一定的載荷，極易被非法應(yīng)用于偵察、自爆襲擊，同時(shí)由于其目標(biāo)小，難以利用傳統(tǒng)方法對(duì)其進(jìn)行追蹤定位。這使得無(wú)人機(jī)容易成為犯罪組織進(jìn)行恐怖活動(dòng)的武器。不法分子可能通過(guò)無(wú)人機(jī)偵察軍事設(shè)施、能源基地等重要場(chǎng)所，威脅國(guó)家安全；或是改造無(wú)人機(jī)攜帶爆炸物進(jìn)行投放，造成重大的人員傷亡以及國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失[3-5]。

對(duì)于化工園區(qū)，對(duì)于無(wú)人機(jī)的有效監(jiān)測(cè)尤其重要，無(wú)人機(jī)不但可以偵察到化工園區(qū)內(nèi)的設(shè)施分布情況，而且能夠攜帶爆炸物對(duì)園區(qū)進(jìn)行打擊。這都會(huì)對(duì)整個(gè)化工園區(qū)造成不可估量的損失以及人員傷亡。

目前，對(duì)于無(wú)人機(jī)的安防工作，雖然已經(jīng)通過(guò)物防、人防和技防措施，對(duì)周圍邊界區(qū)進(jìn)行了防護(hù)，對(duì)于低空空域的防護(hù)仍是亟待解決的問(wèn)題。低空空域無(wú)人機(jī)的檢測(cè)方法主要是探測(cè)無(wú)人機(jī)發(fā)出的各類信號(hào)，從而達(dá)到捕獲、識(shí)別、定位、跟蹤無(wú)人機(jī)的目的。

1 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 雷達(dá)監(jiān)測(cè)

多普勒、毫米波、脈沖、相控陣等雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，并廣泛運(yùn)用于軍用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的快速有效識(shí)別、偵測(cè)、追蹤。所以，雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以被用來(lái)保護(hù)目標(biāo)場(chǎng)所的低空空域。

典型的雷達(dá)由發(fā)射機(jī)、天線、接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)等設(shè)備組成。其中，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生高頻的脈沖信號(hào)發(fā)送到天線中，脈沖信號(hào)和空中目標(biāo)相遇后會(huì)產(chǎn)生回波信號(hào)?；夭ㄐ盘?hào)會(huì)被天線捕捉,然后被發(fā)送到接收器，通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)計(jì)算得到目標(biāo)物的具體信息[6-7]。然而，早期雷達(dá)的最大監(jiān)測(cè)角度只有一個(gè)扇形區(qū)域，所以需要對(duì)基座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行360°監(jiān)測(cè)，這就導(dǎo)致了雷達(dá)始終存在監(jiān)測(cè)死角，不利于安全防護(hù)任務(wù)[8]。相控陣?yán)走_(dá)利用相位變換技術(shù)可以使得雷達(dá)在基座不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下完成360°掃描任務(wù)[9]，解決了早期雷達(dá)存在監(jiān)控死角的問(wèn)題。

然而，目標(biāo)場(chǎng)所中可能存在各類干擾，例如，鳥群、工業(yè)無(wú)線電信號(hào)、民用無(wú)線電信號(hào)等干擾信號(hào)，使得雷達(dá)對(duì)于無(wú)人機(jī)的探測(cè)效果受影響，存在一定的誤報(bào)和追蹤不連續(xù)的情況。無(wú)人機(jī)在低空空域飛行十分靈活，可以采取懸停、折返等操作，但無(wú)人機(jī)在雷達(dá)中反射的信號(hào)十分微弱，這就導(dǎo)致了一旦無(wú)人機(jī)采取上述動(dòng)作，就會(huì)造成目標(biāo)丟失，或者目標(biāo)批號(hào)改變的問(wèn)題，這使得僅利用雷達(dá)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的活動(dòng)存在一定的問(wèn)題。

1.2 頻譜監(jiān)測(cè)

頻譜監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)獲得無(wú)人機(jī)的遙控、回傳信息的無(wú)線電信號(hào)來(lái)獲得無(wú)人機(jī)的位置以及型號(hào)等信息。無(wú)人機(jī)的通訊系統(tǒng)為了提高抗干擾能力，大多數(shù)使用了跳頻通信系統(tǒng)[10]。跳頻通信系統(tǒng)的載波頻率會(huì)不斷變化，使得無(wú)人機(jī)具有一定的抗電磁干擾能力。因此，為了獲取無(wú)人機(jī)的相關(guān)信息，需要對(duì)跳頻信號(hào)進(jìn)行特征提取，然后測(cè)量中心頻率和帶寬等關(guān)鍵特征參數(shù)，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)信號(hào)的識(shí)別。

在對(duì)捕捉到的跳頻信號(hào)進(jìn)行分析處理的同時(shí)，也需要對(duì)該信號(hào)的發(fā)射源進(jìn)行定位。到達(dá)角測(cè)向定位技術(shù)可以測(cè)定無(wú)人機(jī)的方位。通常，到達(dá)角測(cè)向設(shè)備通過(guò)無(wú)線電頻率掃描特征識(shí)別和解碼，以確定信號(hào)的最強(qiáng)峰值以及其到達(dá)角來(lái)確定方位[11],但是頻譜信號(hào)可能被目標(biāo)場(chǎng)所的遮擋物所削弱，會(huì)造成定位不準(zhǔn)的問(wèn)題。在實(shí)際的應(yīng)用中，通常需要雷達(dá)設(shè)備和頻譜設(shè)備聯(lián)合來(lái)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的方位。

2 基于雷達(dá)與頻譜的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 相控陣?yán)走_(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)相控陣?yán)走_(dá)設(shè)備部署完畢后，需要與系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具體的雷達(dá)監(jiān)測(cè)流程包括以下幾個(gè)步驟。

(1) 相控陣?yán)走_(dá)檢測(cè)空中的移動(dòng)飛行目標(biāo)，并將檢測(cè)到的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行返回。采用UDP通訊方式。

(2) 雷達(dá)返回的目標(biāo)信息是結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行解析轉(zhuǎn)換為可以使用的數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步存入數(shù)據(jù)庫(kù)方可使用。

(3) 雷達(dá)一旦開機(jī)，將會(huì)有雷達(dá)的健康信息與設(shè)備狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體報(bào)文傳回，此類信息可以作為雷達(dá)設(shè)備是否正常的依據(jù)。

(4) 雷達(dá)設(shè)備可以遠(yuǎn)程控制，根據(jù)對(duì)應(yīng)協(xié)議構(gòu)建結(jié)構(gòu)體報(bào)文發(fā)送可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制，如上下電、旋轉(zhuǎn)等。

(5) 一旦雷達(dá)探測(cè)到飛行目標(biāo)，相關(guān)目標(biāo)信息數(shù)據(jù)立即將會(huì)發(fā)送至服務(wù)器，并且包含飛鳥等噪聲數(shù)據(jù)，因而數(shù)據(jù)量較大，需要構(gòu)建數(shù)據(jù)緩沖池以減少對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。數(shù)據(jù)緩沖池內(nèi)的數(shù)據(jù)由定時(shí)器觸發(fā)進(jìn)行處理。

服務(wù)器端接收到雷達(dá)發(fā)送的消息后，需要對(duì)消息進(jìn)行處理，然后與數(shù)據(jù)庫(kù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換操作，整個(gè)數(shù)據(jù)處理、交換的流程如表1和圖1所示。

表1 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理、交換流程步驟說(shuō)明

圖1 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理、交換流程圖

當(dāng)雷達(dá)設(shè)備與系統(tǒng)服務(wù)器通訊正常之后，就可以實(shí)現(xiàn)將雷達(dá)所監(jiān)測(cè)到的可疑目標(biāo)實(shí)時(shí)地在前端界面中顯示。包括目標(biāo)的經(jīng)緯度、速度、距離、等信息，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)區(qū)域內(nèi)是否存在可疑無(wú)人機(jī)的威脅。

2.2 頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

與雷達(dá)系統(tǒng)類似，當(dāng)?shù)竭_(dá)角頻譜監(jiān)測(cè)設(shè)備部署完畢后，對(duì)可疑目標(biāo)的監(jiān)測(cè)也需要與系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)步驟。

(1) 探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中指定頻段內(nèi)的無(wú)線信號(hào)。

(2) 頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)頻段內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行探測(cè)記錄，得到目標(biāo)的方位角距離等信息發(fā)送到頻譜上位機(jī)。

(3) 頻譜上位機(jī)通過(guò)TCP協(xié)議定時(shí)向連接到上位機(jī)的客戶機(jī)發(fā)送頻譜探測(cè)的信號(hào)。

(4) 系統(tǒng)服務(wù)器端啟動(dòng)頻譜服務(wù)，生成頻譜客戶端和監(jiān)聽命令的服務(wù)端?？蛻舳擞糜谶B接頻譜上位機(jī)獲取頻譜數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)；服務(wù)端用于監(jiān)聽接口服務(wù)層的相關(guān)指令，同時(shí)調(diào)用客戶端向頻譜上位機(jī)發(fā)送頻譜的一系列指令，實(shí)現(xiàn)上下電操作。

(5) 客戶端將獲取到的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

服務(wù)器端與頻譜數(shù)據(jù)的處理與交換操作如表2和圖2所示。

表2 頻譜數(shù)據(jù)處理、交換流程步驟說(shuō)明

圖2 頻譜數(shù)據(jù)處理、交換流程圖

當(dāng)系統(tǒng)服務(wù)器能夠正常接收頻譜信號(hào)之后，就可以將頻譜所監(jiān)測(cè)到的可疑目標(biāo)實(shí)時(shí)地在前端界面顯示。然而，正如上文所述，雷達(dá)和頻譜對(duì)無(wú)人機(jī)的監(jiān)測(cè)都會(huì)由于目標(biāo)地區(qū)的環(huán)境因素存在一定的誤差，雷達(dá)和頻譜對(duì)于目標(biāo)經(jīng)緯度的監(jiān)測(cè)、追蹤可能都不準(zhǔn)確。此外，對(duì)于同一架無(wú)人機(jī)，雷達(dá)和頻譜可能得到不同的經(jīng)緯度。

3 基于雷達(dá)和頻譜的目標(biāo)數(shù)據(jù)融合

3.1 雷達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)去噪

在分析了雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)偵測(cè)設(shè)備有時(shí)會(huì)偵測(cè)到許多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，使得真實(shí)的無(wú)人機(jī)目標(biāo)被淹沒(méi)在其他由干擾信號(hào)產(chǎn)生的噪點(diǎn)當(dāng)中。在對(duì)雷達(dá)的實(shí)地測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雷達(dá)的噪點(diǎn)可能是由于噪聲、無(wú)人機(jī)飛行軌跡突變、鳥群等因素造成，然而在上位機(jī)以及數(shù)據(jù)庫(kù)中無(wú)法準(zhǔn)確獲知噪點(diǎn)是由于哪一種因素造成，所以，為了得到準(zhǔn)確的雷達(dá)目標(biāo)，對(duì)于雷達(dá)的去噪需要設(shè)計(jì)一種具有普適性的去噪方法，從而得到準(zhǔn)確的目標(biāo)點(diǎn)。

圖3為本文提出的雷達(dá)目標(biāo)去噪算法。首先，雷達(dá)監(jiān)測(cè)設(shè)備給監(jiān)測(cè)到的不同目標(biāo)都分配了不同的批號(hào)，為了過(guò)濾可能存在的無(wú)線電干擾信號(hào)，雷達(dá)連續(xù)監(jiān)測(cè)到三次以上的目標(biāo)才會(huì)被分配批號(hào)，這就使得偶發(fā)出現(xiàn)的無(wú)線電干擾信號(hào)被屏蔽。其次，為了過(guò)濾噪點(diǎn)，本文在算法中引入了批號(hào)庫(kù)，為每一個(gè)被分配批號(hào)的目標(biāo)都設(shè)置批號(hào)保留標(biāo)志位為5，并儲(chǔ)存于批號(hào)庫(kù)中。然后，當(dāng)接收到新數(shù)據(jù)時(shí)，第一步進(jìn)行批號(hào)庫(kù)的對(duì)比更新，首先將批號(hào)保留標(biāo)志位為0的點(diǎn)剔除批號(hào)庫(kù)，然后將批號(hào)庫(kù)中的批號(hào)和新數(shù)據(jù)的批號(hào)對(duì)比，如果新數(shù)據(jù)的批號(hào)并不存在于批號(hào)庫(kù)，這說(shuō)明之前批號(hào)庫(kù)中的目標(biāo)未被雷達(dá)監(jiān)測(cè)到，所以標(biāo)志位減一；第二步分析新數(shù)據(jù)中是否存在上述的連批存在的數(shù)據(jù)，將此類數(shù)據(jù)的批號(hào)加入批號(hào)庫(kù)；第三步是將新數(shù)據(jù)點(diǎn)中，批號(hào)存在于批號(hào)庫(kù)的點(diǎn)向前端發(fā)送，顯示在前端界面中。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同來(lái)源的噪點(diǎn)的過(guò)濾，因?yàn)閷儆谠朦c(diǎn)的批號(hào)會(huì)隨著系統(tǒng)服務(wù)器和雷達(dá)通訊的進(jìn)行從批號(hào)庫(kù)中被剔除。圖4為執(zhí)行雷達(dá)目標(biāo)去噪算法前后的雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)情況。如圖4(a)所示，在執(zhí)行算法前，在同一個(gè)位置出現(xiàn)了許多個(gè)目標(biāo)，其中可能包括飛行軌跡變化導(dǎo)致的噪聲點(diǎn)。在執(zhí)行算法后，如圖4(b)所示,噪聲點(diǎn)都被過(guò)濾，說(shuō)明了雷達(dá)目標(biāo)去噪算法的有效性。

圖3 雷達(dá)目標(biāo)去噪算法流程圖

(a)

3.2 雷達(dá)頻譜目標(biāo)融合

對(duì)于頻譜無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)備，由于其通過(guò)到達(dá)角來(lái)確定無(wú)人機(jī)的具體方位，所以不會(huì)像雷達(dá)中存在許多噪點(diǎn)。但是，由于部署地點(diǎn)以及目標(biāo)地點(diǎn)周圍環(huán)境的影響，使得頻譜信號(hào)存在定位不準(zhǔn)的問(wèn)題。同樣的，在雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，即便過(guò)濾掉了噪點(diǎn)，也存在由于無(wú)線電信號(hào)干擾以及信號(hào)處理算法不準(zhǔn)確導(dǎo)致的定位誤差。并且，對(duì)于同一目標(biāo)，兩種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能無(wú)法給出同一的定位信息。

圖5為雷達(dá)與頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于無(wú)人機(jī)定位的誤差。圖5表示同一無(wú)人機(jī)目標(biāo)在原地起飛懸停三次，雷達(dá)與頻譜監(jiān)測(cè)到的無(wú)人機(jī)定位點(diǎn)的示意圖。從圖5可以看出，雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到目標(biāo)無(wú)人機(jī)到基站的距離，但是對(duì)于的角度偏差較大；頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到目標(biāo)無(wú)人機(jī)到基站的角度，然而對(duì)于距離偏差較大。這2種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都不能很好地定位到目標(biāo)無(wú)人機(jī)的位置，并且給出的目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)也完全不同。

因此，需要一種定制化的雷達(dá)頻譜數(shù)據(jù)融合策略來(lái)結(jié)合這兩種定位系統(tǒng)的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)無(wú)人機(jī)更精準(zhǔn)的定位監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)雷達(dá)以及頻譜測(cè)量誤差以及定位信息的分析，本文提出了一種雷達(dá)頻譜數(shù)據(jù)融合策略。如圖6所示，我們將頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的點(diǎn)與基站相連，并計(jì)算出與正北方向的夾角θ，得到射線l。由于實(shí)驗(yàn)分析得出頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)量目標(biāo)無(wú)人機(jī)和基站間的角度，所以可以確定目標(biāo)無(wú)人機(jī)位置在射線l上。再以基站為圓心，以雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的無(wú)人機(jī)距基站的距離d畫圓，圓與射線l的交點(diǎn)即為該雷達(dá)頻譜數(shù)據(jù)融合算法所得出的點(diǎn)，以實(shí)心三角形所示。從圖6可以看出，算法所得到的數(shù)據(jù)融合點(diǎn)與真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)的方位、距離誤差都較小。雷達(dá)與頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果在實(shí)際系統(tǒng)中如圖7所示，雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)距離信息監(jiān)測(cè)地較為準(zhǔn)確，頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)角度信息監(jiān)測(cè)地較為準(zhǔn)確，這與上述分析結(jié)果相符。此外，數(shù)據(jù)融合算法所得到的數(shù)據(jù)融合目標(biāo)點(diǎn)與真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)在角度和距離上的誤差都小于頻譜與雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的目標(biāo)點(diǎn)，說(shuō)明了數(shù)據(jù)融合方法的有效性。

圖5 雷達(dá)與頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目標(biāo)定位示意圖

圖6 雷達(dá)頻譜目標(biāo)融合策略

圖7 雷達(dá)頻譜目標(biāo)融合策略

4 總結(jié)

本文講述了基于雷達(dá)與頻譜結(jié)合的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)于目標(biāo)定位可能存在的問(wèn)題。對(duì)于雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，存在由于無(wú)人機(jī)飛行軌跡突變、鳥群、無(wú)線電干擾等原因造成的噪點(diǎn)過(guò)多以及定位角度不準(zhǔn)的問(wèn)題；對(duì)于頻譜系統(tǒng)，存在由于高墻、建筑物等遮擋物引起的無(wú)人機(jī)定位距離不準(zhǔn)的問(wèn)題，并且，對(duì)于同一目標(biāo)無(wú)人機(jī)，這2個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)給出不同的坐標(biāo)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)去噪算法去除了早點(diǎn)，并且提出了雷達(dá)頻譜信號(hào)融合策略，使得雷達(dá)與頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)目標(biāo)。