屈旭涛(1993—),男,陕西西安人,硕士,研究方向为深度学习、图像处理。

庄东晔(1983—),男,博士,讲师。

近年来,“低慢小”无人机由于获取便利、应用广泛而呈现爆发式增长。根据中国民航局公布的数据,截至2018年底,我国无人机实名登记已达28.7万架,无人机经营性飞行活动达37万小时。“低慢小”无人机在带来产业升级的同时,也带来了各种安全威胁。

“低慢小”无人机的威胁形式有:1)无恶意闯入禁飞区,也即“黑飞”;2)失控;3)恶意进行侦察监视、直接攻击、引导或配合攻击。

“低慢小”无人机的威胁(图1)可发生在多种场景:

1)机场跑道一般会设置无人机禁飞区,意外闯入的无人机有可能会与正常起降的航班发生碰撞,造成严重事故。因此,机场一般采取最保守的停飞措施来应对“黑飞”无人机, 这严重影响了正常航班飞行。仅2017年上半年全国就发生超过40起无人机干扰民航飞行事件。

2)监狱虽然戒备森严,但在押人员有可能通过无人机与外界联系,获得情报、毒品甚至枪支等违禁物品。

图1 “低慢小”无人机可能造成威胁的场景

3)火车站、广场、商业街、大型会议、运动会、演唱会等人群密集的公共区域,常常是恐怖分子制造恐慌的场所。恐怖分子有可能使用无人机向密集人群投放危险物品,例如炸弹、毒物等。也有可能利用无人机作为引导,实施更高烈度的袭击。另外,正常进行航拍的无人机也存在失控坠落,进而在人群中造成伤亡、恐慌的风险。

4)军事方面,敌方可能运用“低慢小”无人机针对单兵、营地、机动中的分队、重大涉密场所、交通枢纽等要害部位实施侦察、袭击和引导攻击。例如,2018年1月6日,俄罗斯“赫梅米姆”空军基地和“塔尔图斯”补给站受到9架无人机袭击。综上,“低慢小”无人机在众多领域都有可能产生威胁,因而对“低慢小”无人机的管控与反制,成为各领域密切关注的问题。

对“低慢小”无人机的探测是反制[1-6]的前提与关键环节。探测环节的缺失或薄弱,将无法实现对“低慢小”无人机的精确打击。在这种情况下,只能依靠设立禁飞区、建立名单机制等管理办法进行预防,而这种预防是以牺牲无人机市场快速发展为代价的。在无法有效发现、定位并跟踪的情况下,要完成对“低慢小”无人机的反制任务,往往需要投入无差别的面杀伤系统,并且不间断地运行。例如对无线通信的压制,将使得周边所有无线通信设备都受到影响。在一个理想的反无人机系统(图2)中,由传感器(网络)构成的探测与识别系统能够处理底层采集的传感器数据流,从数据流中提取出特征向量,解算出控制指令。处理中心向探测与识别系统发出视频流及跟踪的请求和时间戳,探测与识别系统将包含元数据的视频流、元件状态、控制指令、目标丢失情况等报告给处理中心,从而形成一个动态的“请求——响应——处理”闭环。

图2 探测模块在系统中的位置与作用

“低慢小”无人机探测主要依靠电磁学、光学、热学、声学等特性发现、识别和定位非合作“低慢小”无人机。小尺寸、非金属材质和低速飞行等特点,使得传统空域探测方法在面对“低慢小”无人机时存在短板。这一问题成为低空安防的一个漏洞,因而吸引了众多关注,许多机构对此进行了技术研发。

本文分析“低慢小”无人机的目标特性,探讨现有探测技术的能力短板;从原理、探测性能、发展现状与前景等方面梳理“低慢小”无人机探测技术;针对探测难点对实际应用广泛的几种探测方法,在探测性能、实际应用与前景等方面进行了比对分析,总结移动探测、融合探测、跟踪探测等解决“低慢小”无人机探测问题的新思路。

1 现阶段探测难点

“低慢小”是“低空慢速小目标”的简称,目前学术界尚未有清晰统一的定义标准。衡量“低慢小”无人机的性能参数可以有飞行高度、雷达反射面积(RCS)、体积、巡航范围、重量、飞行速度等。雷达反射面积和体积都受多方面因素影响,测量方法复杂,不够直观,但都与重量存在正相关关系[7]。通常认为“低慢小”无人机的RCS不超过2 m2。巡航范围受重量、飞行速度和续航能力等因素影响。考虑到无人机的空机重量、起飞重量、机翼参考面积之间都存在近似的正比例关系[8]。因此,飞行速度和重量是界定无人机的两个关键指标。本文将最大起飞重量小于25 kg、飞行速度低于180 km/h的旋翼、固定翼无人机视为“低慢小”无人机。由于法律限制和所执行的任务限制,这些无人机的飞行高度通常不超过500 m。 如图3所示,本文所定义的“低慢小”无人机涵盖了多数现有产品。

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