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無人機自動分析識別檢測系統方案
一、方案背景
低空無人機(Unmanned Aerial Vehicle縮寫 UAV )也稱為無人航空器或遙控駕駛航空器，是一種由無線電遙控設備控制，或由預編程序操縱的非載人飛行器。無人機具有機動靈活的特點，它體積小，重量輕，可隨時運輸和攜帶。它對起降的要求低，隨時飛降。無人機一般在云下低空平穩飛行，彌補了衛星光學遙感和普通航空攝影經常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷。除了具有廣闊的軍事應用前景外，用無人機替代有人飛機執行高風險任務，也是當今國際航天領域一個重要發展方向。特別是在近幾年國際局部戰爭中無人機被大量地使用。
對無人機的監管存在盲區，無人機的大量使用更是給公共安全帶來隱患。本來是為合法用途使用的無人機越來越多的被用于犯罪目的。公眾已經日漸強烈的意識到了無人機可能造成的危害。無人機能窺探隱私/技術；無人機能影響民航 – 接近撞機；無人機可能會出現在敏感地區、關鍵位置和政府設施區域；無人機甚至能自動射擊……
*近兩年，全國已發生多起無人機空中逼停飛機事件，成為民航飛行的“隱形殺shou”。2013年底，北京一家公司在沒航拍資質、未申請空域的情況下航空測繪，造成多架次民航飛機避讓延誤。2017年浙江蕭山機場、綿陽機場，此次成都機場都是由于不明無人機，導致了數百架飛機延誤，數萬人滯留，給國家和人民帶來的損失是數以億計的。
二、無人機監測與反制現狀
2.1無人機控制鏈路介紹
無人機如何控制呢？無人機使用無線鏈路進行遠程控制和視頻數據回傳，超過90% 的無人機使用ISM頻段 (2.4GHz) 操作，包括跳頻， Wi-Fi等， 其中控制鏈路采用：
常用的頻率為 ISM 頻段: 2.4 GHz， 5.8 GHz
很少使用: 433 MHz， 比2.4GHz傳播距離更遠
少量使用過時的遙控頻段: 27 MHz， 35 MHz， 72 MHz (使用 PCM 或模擬編碼)，這類無人機逐步消失了。
無人機根據價格水平有不同的控制方式，比如一些低成本的無人機采用藍牙技術（ISM2.4GHz）；大部分無人機采用Wi-Fi或跳頻（ISM2.4GHz）；也有部分高端無人機采用基于預設路徑的衛星導航。
2.2無人機主要監控方式
各國對無人機的監控主要的手段分為兩種方式：行政監管、技術防范。
2.2.1行政監管：
日本為了加強無人機管理，實施了新的《航空法》，規定人口集中的地區一律禁止飛無人機，防止無人機引發事故或被用于犯罪，違者將處以50萬日元的罰款；英國對無人機使用也作出規定，航空法第166條第三款規定，小型無人機操作員必須保持時時刻刻能看見無人機，對無人機能夠完全掌控，在飛行時應與其它飛行器、人群、車輛以及建筑保持一定的距離，以免發生碰撞事故。
2.2.2技術防范
從技術角度來說。目前，國外無人機反制技術大致有信號干擾、雷達探測、激光炮擊落、綜合型技術等幾大類。
（1）信號干擾：無人機工作時需要知道自己的精確位置，但無人機自身無法獲得足夠精確坐標數據，因此，無人機上通過安裝GPS信號接收機，采用GPS衛星導航系統與慣性導航系統相結合的方式進行飛行控制。信號干擾技術是通過影響無人機的GPS信號接收機，使其只能依靠基于陀螺儀的慣性導航系統，而無法獲得足夠精確的自身坐標數據。美國DroneDefender電波槍打擊技術美國俄亥俄州非盈利開發機構“巴特爾”(Batfeoe)*近推出了一種DroneDefender反無人機設備。DroneDefender設備前端上部安裝了一根白色的桿狀天線。這種設備采用非破壞性技術，是首款能移動、精準、快速阻止可疑無人機靠近的專用設備。用戶只需將其指向空中的無人機，扣下扳機，就可以將目標“擊落”。該設備只對實時遙控型無人機或依靠GPS導航的無人機有效(如常見的四軸飛行器和六軸飛行器)，打擊范圍約400米；歐洲空客集團反無人機系統，空中客車防務及航天公司研發了一種反無人機系統，采用干擾技術對目標信號的頻率進行干擾，而不會影響到周圍其他頻率的信號。該系統可遠距離偵察在爭議地區飛行的非法無人機并實施打擊，同時又能盡可能地減少對其他物體的影響。該系統具備信號分析技術和干擾功能，并配有雷達、紅外相機和定向儀，可以偵察到5至10公里范圍內的無人機，還可對無人機的威脅性做出判斷。基于龐大的信息庫信息，該系統還可以對無人機的信號進行分析，一旦發現問題，系統就會通過干擾臺切斷無人機與其操作人員之間的聯系，然后定向儀會追蹤到無人機操作人員的具體位置，便于實施抓捕行動。
（2）雷達探測：瑞典“長頸鹿”雷達系統，據美國H JS Jane’s國防、安全情報網站2015年9月1 6日報道，瑞典薩博公司在蘇格蘭的西弗瑞格(WestFreuqh)靶場演示驗證了其“長頸鹿”捷變多波束(AMB)雷達系統對低空、低速小型目標的探測能力。此次試驗名為“布里斯托15”，顯示了該雷達對低空、低速小型目標強大的探測能力(ELSS)，該雷達在執行全部空中監視任務的同時，能夠執行反無人飛機系統(UAS)作戰任務。在“布里斯托15”試驗中，雷達散射截面精確到0.001平方米，增強了對低空、低速小型目標的探測能力，可自動識別低空、低速小型目標并對其進行跟蹤，業余愛好者操作低速、小型四軸無人飛機系統。“長頸鹿”捷變多波束雷達系統屬于地面和海洋的二維或三維G／H波段被動電子掃描陣列雷達家族系列，可在提供海岸監視能力的同時，對固定翼飛機、直升機、地面目標、干擾機和彈道目標進行分類與跟蹤；意大利“獵鷹盾”系統2015年9月15日，在英國倫敦舉辦的英國軍警裝備展DSEI上，意大利芬梅卡尼卡集團SeIex ES公司展示了其研發的“獵鷹盾”無人機系統。該系統能夠定位、辨識和控制對公共安全或是私人構成威脅的遠程微型或者小型無人機，即所謂的“流氓無人機”。該公司稱，這種設備的市場價值可能達數億英鎊；“獵鷹盾”系統利用攝像機、雷達和先進的電子設備監控無人機接收和傳輸的信號，從而對其進行追蹤并確定其類型。一旦鎖定目標，“獵鷹盾”就會利用其專有技術控制無人機，甚至將其墜毀。與其他企業利用電子戰擊毀無人機的系統相比，“獵鷹盾”優勢在于，在精準擊落“流氓”無人機的同時，可以有效避免對周邊建筑物等環境造成傷害。此外，發送無線電信號控制無人機時，還不會妨礙緊急救援服務甚至移動通訊等其他重要信號的傳輸；墨西哥JAMMER公司防衛系統墨西哥JAMMER公司開發了Tamce Bloqueador Direccional Anti-Drone防衛系統，用于家庭防空。系統的干擾功率為20瓦，可壓制幾百毫瓦的無人機。啟動開關后，干擾器可以干擾2．4G和5．8G信號，這對于大部分消費級無人機來說，遙控信號和圖傳信號都會丟失，丟失了信號后無人機只能返航或者原地降落；美國Drone Shield公司監測系統美國無人機探測系統制造商Drone Shield研發出了利用雷達或麥克風來監測無人機的技術。它內置了Raspberry Pi、信號處理器、麥克風、分析軟件、無人機聲音特性的數據庫，通過監聽周圍環境的聲音，通過聲音對比確定是否有無人機。當有無人機在附近時，通過郵件或者短信發出警報。從原理上來看，預警技術并不難，因此監控的準確性和低誤報率就非常關鍵，在這方面，Drone Shield擁有自己的**技術。據悉，美國當局已經利用這種系統來為監獄、體育賽事和政府大樓提供安保。
（3）綜合型技術:英國反無人機防御系統AUDS，2015年10月，英國廣播公司、美國國土安全新聞網、俄羅斯衛星網等網站分別對英國完全集成的“反無人機防御系統(AUDS)”進行報道。該系統俗稱電磁干擾射線槍，由英國的三家防務技術公司(Blighter Surveillance Systems，Chess Dynamics和Enterprise Control Systems公司)聯合研發，可以探測、跟蹤并摧毀小型和大型無人機。該系統可以全天24小時開機，全自動運行。首先使用雷達和光學儀器(即雷達探測系統)搜索無人機，當雷達或光學系統探測到目標后，動態定位和視頻追蹤系統進行跟蹤，隨后定向射頻干擾系統開始工作，發射定向的大功率干擾射頻，干擾無人機自控系統，切斷無人機與后方控制中心之間的數據聯接或無線電通訊，致使無人機無法自主飛行，導致墜毀、迫降或者返航。AUDS系統的售價約為100萬美元，可以安裝在車載平臺上，部署到軍事前線、偏遠邊境或城市地區執行反無人機任務。該系統由三個子系統和一套總控設備組成。三個子系統分別是雷達探測系統、動態定位和視頻追蹤系統、定向射頻干擾裝置。雷達探測系統由Blighter公司研制，據稱可探測反射面積0.01平方米大小的目標，*遠探測距離可達8公里，并通過選配不同的天線來實現俯仰角度和水平旋轉角度的變化；動態定位和視頻追蹤系統由CHESS dynamic公司開發，由一個可以旋轉的機械平臺加上高分辨的攝像機和熱成像相機組成，以實現視頻追蹤，可以選裝光學干擾裝置發出高密度光束；定向射頻干擾裝置由Enterprise Control Systems公司研發，它使用高增益四頻段天線來對準目標發出電波，可以使在C2頻道下工作的無線遙控裝置失靈，無法接收到指令的無人機只能盤旋不動，直到電力耗盡墜毀。報道稱，該系統于2015年5月**公開亮相，并在歐洲(如英國、法國)和北美(如美國)野外與城市等不同地形環境中進行了測試；泰利斯公司組合裝備泰利斯公司正在推出一種由雷達、聲像探測器、定向儀、射頻和視頻定位器和激光掃描裝置組成的組合設備。對非法無人機的壓制任務由動能殺傷武器完成，也可以通過激光干擾、選擇性干擾、GPS電子欺騙、電磁脈沖來完成，還可以用另外一架裝備干擾設備的無人機進行攔截。泰利斯公司已經針對4旋翼無人機和其他小型無人機進行過反無人機的技術試驗。
（4）其他技術：無線電控制采用接收器追蹤并確定無人機，使用足夠強大的電子信號照射無人機，奪取其無線電控制權。操作過程中，一旦無人機不能接收信號，就會墜毀，通過借助阻截無人機使用的傳輸代碼，進而控制無人機，令其返航。美國聯邦航空管理局(FAA) 與信息技術公司CACI推出了SkyTracker系統，該系統可在敏感地帶如機場周圍構建電子邊界線。CACI表示，該系統可利用無人機無線電線路來識別和定位在禁飛或受保護空域內飛行的無人機，還可定位無人機的操縱人員。CACI網站提到：“CACI系統可精確定位黑飛無人機，并可將同一空域內其它無人機與此區別出來。”CACI稱，SkyTracker還可有效地阻止指定無人機；微波干擾，微波武器又叫射頻武器，這種武器可利用高能量的電磁波輻射去攻擊和毀傷目標。與激光武器相比，微波武器作用距離遠，受氣候影響小，火力控制方便。軍事專家們預測，隨著新技術、新材料的不斷發展，微波武器將會發揮越來越多的作用。俄羅斯聯合儀表制造集團已制成超高頻率微波炮，可用于幫助地對空導彈“山毛櫸”攻擊無人機及高精度武器電子設備。微波炮射程超過10公里，將其安裝在特殊平臺上可實現360度全方位防御。該款武器除了可搭配“山毛櫸”地對空導彈用于防空外，還可檢測俄軍電子系統抗微波輻射能力；聲波干擾，聲波干擾技術就是利用聲波使陀螺儀發生共振，輸出錯誤信息，從而導致無人機墜落。研究人員發現，如果聲音足夠強(例如達到140分貝)，聲波可以擊落40米外的無人機。韓國2015年8月公開了一種利用聲波干擾陀螺儀擊落無人機的技術。研究人員給無人機接上非常小的商用揚聲器，揚聲器距離陀螺儀4英寸(約10厘米)左右，然后通過筆記本電腦無線控制揚聲器發聲。當發出與陀螺儀匹配的噪聲時，一架本來正常飛行的無人機會忽然從空中墜落。當然，在真實的攻擊場景中是不可能把揚聲器接到無人機上的，這種方法還不是真正有效的反無人機措施。目前存在的難點在于瞄準和跟蹤，未來可能與跟蹤雷達配合使用。
三、系統實現
目前國內低慢小目標探測需求突現，其中蘊藏的巨大市場需求。本系統依托激光雷達技術，多無人機進行實時在線監測。該系統可以全天24小時開機，全自動運行。首先使用激光雷達和光學儀器(即雷達探測系統)搜索無人機，當雷達或光學系統探測到目標后，動態定位和視頻追蹤系統進行跟蹤。
整套系統由三部分組成：激光雷達探測系統、旋轉云臺、動態定位和視頻追蹤系統、定向射頻干擾系統。光電設備，先由激光雷達，*遠探測距離可達20公里，*小分辨率可達0.01m2大小的目標，發現目標后，動態視頻追蹤系統根據目標距離自動調節光學攝像機和熱成像相機焦距，依靠旋轉云臺進行動態定位及視頻追蹤，提高系統檢測的準確性及無人機的移動趨勢；定向射頻干擾系統根據無人機運行軌跡及距離，定向發射射頻干擾或捕捉網等手段，對無人機進行干擾及捕捉。系統可以安裝在車載平臺上，部署到軍事前線、偏遠邊境或城市地區執行反無人機任務。
四、優勢比較
到目前為止，大多數雷達都是所謂的脈沖雷達。例如，這適用于幾乎所有用于空中交通管制的雷達。脈沖雷達以固定的間隔發射短而強大的脈沖，并且該脈沖的一些被物體反射。通過測量發送和接收反射信號之間的時間，可以計算到物體的距離。脈沖雷達系統擅長檢測大面積天空內的物體，并確定與物體的距離。另一方面，它們不太適合確定物體的速度和方向。多普勒雷達系統傳輸恒定信號。利用多普勒效應，當發射它的物體遠離觀察者時，信號的波長增加，而當物體向觀察者移動時，信號的波長減小。正是這種效應導致救護車警報器在駛過后發出不同的聲音。物體移動得越快，效果越強。因此，多普勒雷達可以基于從物體反彈回來的信號波長的變化以非常高的精度確定物體的速度。還可以以非常高的精度確定物體的運動方向。多普勒雷達系統提供了有關被檢測物體的更多信息。另一方面，教科書會說多普勒雷達在覆蓋大片天空和確定物體距離方面不如脈沖雷達。無人機的飛行速度非常慢。這使得它們難以使用脈沖雷達進行檢測，也不適用于多普勒雷達系統。因為即使整個無人機移動緩慢，轉子也會快速移動，并在多普勒雷達中產生獨特的信號。
“除了它們的小尺寸以及它們可以飛得極低的事實之外，無人機還帶來了其他一些挑戰。無人機尤其具有極強的機動性。熟練的操作員可以利用它來將無人機隱藏在不相關的物體之間，如樹木，建筑物，鳥類等。
這需要雷達集成的光學系統。通過組合雷達和光學傳感器，跟蹤無人機同時避免誤報，例如當一只鳥飛過時更加可行。光學傳感器還有助于識別無人機。
激光雷達，采用不可見光對空域進行360°全方位不間斷探測，整個系統具有以下優勢：
1、測量精度更高：激光雷達在測距領域擁有突出優勢，測量更加準確。
2、全機型覆蓋式監測：激光雷達通過發出的光路對空域進行不間斷掃描，當無人機出現在空域后，根據反射光的區別進行監測。完全覆蓋全部無人機機型，從根本上解決了依靠不同頻段監測對應頻段無人機的弊端，真正實現了全機型覆蓋式監測。
3、高可靠性：動態視頻追蹤系統根據目標距離不同自動調節光學攝像機和熱成像相機焦距，依靠旋轉云臺進行動態定位及視頻追蹤，大大提高系統檢測的準確性，降低系統誤報記錄，可靠性高。
五、系統結構圖
