低空无人机探测技术探讨

孙宇 王骥骏 任旭辉 刘兵

摘  要：无人机行业在近年发展迅速，在技术进步的同时也带来了安全风险。为了应对安全方面的挑战，低空无人机探测技术成为一个研究热点。本文在分析低空无人机的特征的基础上，对低空无人机探测技术进行了探讨，对雷达、光电等探测技术进行了分析比较。

关键词：低空无人机;探测技术

引言

近些年来无人机行业取得了日新月异的进步，各种功能强大的低空无人机被研制出来。在行业发展的同时，也给公共安全带来了风险。2018年，委内瑞拉总统马杜罗在拉斯加斯遭到两架商用无人机攻击，每架无人机都携带有一千克炸药。这一针对国家元首的无人机攻击，只是无人机产业安全风险的冰山一角。在机场或私人住宅区上空盘旋的无人机构成了从安全到隐私方面的各种威胁，因此对低空小型无人机的探测技术进行研究具有重要的意义。

在公共安全方面，低空无人机带来的风险因素主要有：一，非法潜入禁止区域进行侦察拍摄，窃取秘密。二，携带炸药等危险物品攻击重要设施，制造恐慌。三，飞行失去控制，干扰航空飞行，对公共交通安全构成威胁。

低空小型无人机主要具有以下特点：一，贴近地面飞行。对低空无人机的探测手段容易受到山地、建筑、树林等地形地物的干扰，返回的目标信号容易被淹没在干扰噪声中。二，低速飞行。低空无人机可以低速飞行，部分可以实现空中悬停。而雷达是通过目标回波的多普勒效应来发现目标，悬停给雷达发现无人机带来了困难。三，目标体积小。相比传统的大型飞机，无人机的尺寸微小，电磁波反射截面较小，并且自身发射的电磁信号也很微弱，导致雷达、光电等探测手段对无人机的探测性能受到了影响。

雷达是一种利用电磁波的反射原理的探测手段，被广泛用于对空中运动目标的探测。与其他探测手段相比，雷达能够实现几千米到几十千米的远程探测，且在不利的光照和天气条件下受到的影响较小[1]。雷达探测系统由发射机、接收机和信号处理系统组成。发射机向空间发射电磁波，电磁波在遇到目标后被反射，被接收机接收后交给信号处理系统进行处理，通过分析返回的电磁波信号的时间和多普勒频移可以得到运动目标的方位、距离和速度。影响雷达的探测性能的一个关键因素是从目标反射回电磁波信号的强度。接收机获得的反射电磁波信号强度与电磁波自身的频率成反比，与目标的雷达反射截面积成正比。无人机的雷达反射截面积与无人机的材料、尺寸和位置等有关，其雷达反射截面积通常很小，因此反射的电磁波信号微弱，使得雷达对无人机的探测距离受到限制。

传统的雷达探测系统设计针对的目标是反射截面积相对较大且运动速度较高的有人飞机，并不能适用于反射截面积很小的低速无人机的探测场景。为了解决低速无人机的探测问题，需要研究一些新的雷达探测技术。有研究发现，无人机在飞行时的振动（由发动机等产生）和旋转（由旋翼等产生）会产生特有的微多普勒特征。通过探测无人機目标在飞行时的微多普勒特征，联合使用时域频域信号分析方法，可以增强雷达对低空无人机的探测性能。

光电传感器探测也是空中目标探测的常用手段，其作用的电磁波长范围从红外波段到紫外波段。光电图像传感器在可见波长范围内获得空中飞行无人机的图像信息，用于识别探测。红外热像仪可以在红外光谱范围内对无人机进行探测，获取无人机的发动机等在工作时辐射的热量信号。通过对热辐射信号进行分析，在背景噪声中检测出无人机目标。通过热成像技术，即使在夜间、多云等光线微弱条件下，也可以对无人机进行探测。探测光谱根据无人机的预期温度来确定，对于移动的小型明亮目标，波长较短的红外传感器探测效果较好。随着人工智能技术的发展，很多具有良好性能的机器学习方法也得到应用。

在光电探测系统中，可以运用机器学习技术，提高光电探测系统对无人机的探测性能。虽然光电探测技术已经得到了广泛的研究和应用，但是在部分场景中，该技术的探测性能难以满足使用需求。光电传感器的使用，要求视距环境，在非视距环境下，光电传感器无法实现对无人机目标的探测，无法发现被遮挡的目标。另外，光电传感器的探测性能容易受到天气的影响，在复杂气象环境下，如雾天能见度不良的情况下，可能无法探测到无人机目标。如果无人机的热辐射水平与环境背景热噪声水平相差不大，红外传感器对无人机目标的探测将变得十分困难。

激光雷达是利用激光的反射现象的探测手段。与雷达探测类似，激光雷达通过探测从目标反射后返回的激光信号来实现对目标的探测。激光信号的频率很高，因此激光雷达可以获得良好的角度、距离和速度分辨率。与传统的微波雷达相比，激光雷达的低空探测性能更好。微波雷达由于受到地形地物带来的地杂波的影响，存在低空盲区。而激光雷达只有照射到目标时才会产生反射，不易受到地杂波的影响，因此对低空无人机目标的探测性能更好。但是激光雷达探测目标时需要通视环境，容易受到不良天气状况的影响，在雾、雨、雪等特殊天气下对无人机目标探测效果将会变差。

各种无人机探测手段的探测距离和适用环境存在差异。在大雾和夜间等能见度较低的情况下，光电探测只能使用红外传感器，不能使用可见光传感器。昼夜对红外探测的性能也存在影响。此外，在复杂电磁环境下，雷达探测手段的性能会受到影响。因此，为了实现对无人机的有效探测，需要采用多种探测手段融合探测的方法。常见的融合探测方法有：

雷达与光电融合探测。首先，使用雷达进行大范围扫描搜索，发现可疑目标后，使用光电成像对目标进行精确探测。雷达与光电融合探测方法在实现远距离探测的同时，也兼顾了探测精度。其核心技术是雷达目标探测与识别及其与光电成像设备之间快速稳定的响应[2]。

红外与可见光融合探测。红外与可见光融合探测系统在白天和夜间都可以进行探测，实现对无人机目标的全天探测，能够同时获取可见光图像的细节信息与红外图像的亮度信息，提高探测的准确性。

结束语

采用多种探测手段融合探测的方法，可以有效改善探测系统对无人机目标的探测性能。多种探测手段相结合，实现冗余探测，可以增加探测系统在复杂环境下对目标的发现概率。

参考文献

[1]陈唯实，黄毅峰，卢贤锋.多传感器融合的无人机探测技术应用综述[J].现代雷达，2020，42（6）：15-29;

[2]屈旭涛，庄东晔，谢海斌.低慢小无人机探测方法[J].指挥控制与仿真，2020，42（2）：128-135.