CN106452658B - 一种低空防御设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低空防御领域，特别是一种低空防御设备，包括监控摄像机、云台、射频干扰设备和数据处理单元；所述监控摄像机、云台和和射频干扰设备分别与所述数据处理单元连接；所述监控摄像机和所述射频干扰设备固定设置于所述云台上，所述云台带动所述监控摄像机和所述射频干扰设备转动；所述数据处理单元接收所述监控摄像机传回的监控图像，识别出所述监控图像中的目标物，向所述监控摄像机和所述云台发送跟踪指令，向所述射频干扰设备发送干扰指令。本发明提供的智能低空防御设备以光电探测、目标跟踪和射频干扰为核心，整个设备采用模块化设计，探测部分和干扰部分可单独部署，单独工作，采用定向天线，减少或者避免产生附带干扰。
Description
技术领域
本发明涉及低空防御领域，特别是一种低空防御设备。
背景技术
随着无人机的制造成本不断下降、性能不断提升，无人机从军用和高端商用逐渐走向大众市场。无人机作为一种飞行载体，不同的人可以拿它做不同的事。既不能无限制地使用，也不能因为它有协助犯罪的潜力就完全禁止。无人机虽然有利于各种户外作业的需求，但从反恐和犯罪的角度讲，无人机的确可以变成极具危害性的航空武器，让人防不胜防，它们能够携带照相机、武器、有毒化学物质和爆炸物等，并可能被大量用于恐怖袭击、间谍行为和走私活动，若管控不好将成为悬在人们头上的定时炸弹。
无人机漫天乱飞、偷拍等行为，已经给人类的安全防御带来了巨大的挑战，尤其是在机场、监狱、体育馆、大型集会场所、保密单位等空域。无人机的防范已经成为需要迫切解决的问题。
很多国家都在无人机防御问题上采取了积极主动的反无人机措施,，英国的AUDS无人机防御系统，美国的激光炮，法国的无人机拦截者等等，都是空中黑飞无人机的杀手。但这些无人机反制措施多采用硬防御措施，直接摧毁或击落黑飞无人机。无人机应防御措施破坏性较大，易对周边环境造成破坏，产生连带损害。
因此，亟需一种有效应对黑飞无人机威胁，以通信干扰为核心的无人机软防御方案，来满足民用低空空域防御的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种以光电探测、智能追踪、通信干扰为核心，机动性强的低空空域无人机软防御设备，来满足民用低空空域防御的需求。本发明提供的低空防御设备，主要适用于反无人机，也适用于其他低空、慢速运动目标的防御方案。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种智能低空防御设备，包括监控摄像机、云台、射频干扰设备和数据处理单元；
所述监控摄像机、云台和和射频干扰设备分别与所述数据处理单元连接；
所述监控摄像机和所述射频干扰设备固定设置于所述云台上，所述云台带动所述监控摄像机和所述射频干扰设备转动；
所述数据处理单元接收所述监控摄像机传回的监控图像，识别出所述监控图像中的目标无人机，向所述监控摄像机和所述云台发送跟踪指令，向所述射频干扰设备发送干扰指令。
进一步地，所述监控摄像机采用长焦电动变焦镜头，具有自动聚焦功能。
进一步地，所述监控摄像机根据无人机距离所述监控摄像机的远近距离调整焦距。
优选地，所述监控摄像机搭配35倍以上高清电动变焦镜头，白天监控距离可达1000m。
进一步地，所述监控摄像机配置有激光灯，可在夜晚清晰监控无人机，激光照射距离可达1000m。
进一步地，所述云台采用变速网络云台，水平转动角度为0°～360°，俯仰转动角度-30°～60°，范围可调，通过预置目标无人机航向轨迹对应的云台轨迹，智能追踪目标无人机。
进一步地，所述云台水平转动速度范围为0.1°～30°/s，垂直转动速度范围为0.1°～10°/s。
优选地，所述云台预置轨迹点个数为300个。
进一步地，所述干扰指令包括干扰频率和干扰功率。
进一步地，所述射频干扰设备包括干扰源和定向天线。所述干扰源的频率选择以无人机通信链路、控制链路、GPS信号的工作频率为依据。对于多组工作频率，采用预支对应的多组干扰源。对于所述多组干扰源选用与其适配的多组定向天线实现干扰信号的定向施放。
进一步地，所述云台带动所述监控摄像机、激光灯和定向天线进行旋转。
进一步地，所述射频干扰设备包括第一干扰源及与其连接的第一定向天线，第二干扰源及与其连接的第二定向天线。
进一步地，所述第一干扰源为2.4GHz干扰源，所述第一定向天线为定向八木发射天线。所述第一干扰源及所述第一定向天线组成的第一干扰单元主要干扰黑飞无人机的通信链路和控制链路。
进一步地，所述第二干扰源为1.5GHz干扰源，所述第二定向天线为GPS定向螺旋发射天线。所述第二干扰源及所述第二定向天线组成的第二干扰单元主要干扰黑飞无人机的GPS信号。
进一步地，所述干扰源采用全固态微波功率器件，输出功率可到100W，PLL锁相环技术有利于提高频率稳定度，扫频模式结合自动频率调节系统，可实现全方位检测和控制所述射频干扰设备工作状态。
进一步地，所述射频干扰设备采用强迫风冷，干扰距离达1000m，定向天线使得干扰信号仅针对黑飞无人机，而不产生附带影响。
进一步地，所述智能低空防御设备还配置有充气开关和电源转换模块。当所述监控摄像机、云台和射频干扰设备出现异常时，所述充气开关切断电源保护设备。所述电源转换模块实现所述智能低空防御设备与市电交流220V进行连接，使用便捷。
进一步地，所述智能低空防御设备还包括交换机，所述监控摄像机、云台和射频干扰设备分别与所述交换机连接，所述交换机与所述数据处理单元连接。所述交换机的引入，将弱电信号集中在一条线路上传输，减少了外部裸露电线的数量，避免了强电产生电磁波干扰信号线。
作为一种具体的实施方式，所述交换机通过RJ45接口直接与所述数据处理单元连接。该方式连接方便快捷，图像传输质量好，录制的监控视频保存在数据处理单元电脑硬盘中，通过数据处理单元软件操作界面对所述监控摄像、云台和射频干扰设备进行操作和控制。
作为一种具体的实施方案，所述交换机连接外网，所述数据处理单元通过外网接入。该方式实现了与外网连同，使用者经过身份验证登录设备控制系统，可实现远程监控。
使用者可根据使用实际情况择优选择设备信号线路连接方式。
进一步地，所述智能低空防御设备还包括防水外壳，所述监控摄像机、云台和射频干扰设备位于所述防水外壳上部，所述电源转换模块和交换机位于所述防水外壳内部。
作为另一种具体的实施方式，所述监控摄像机、云台和所述定向天线位于所述防水外壳上部；所述电源转换模块、交换机和所述干扰源位于所述防水外壳内部。
所述防水外壳可抵抗喷水入侵，防止灰尘进入，确保设备在户外24小时不间断工作。
优选地，所述智能低空防御设备附近还安装有避雷针，增加了设备的安全性。
进一步地，所述数据处理单元实施显示监控画面，检测设备运行的电流电压。
优选地，所述数据处理单元安装有反无人机软件，所述反无人机软件具备图像识别与目标跟踪功能。
进一步地，所述数据处理单元包括图像识别模块。所述图像识别模块完成图像预处理及无人机目标检测。
进一步地，所述图像预处理包括图像预处理时间域图像预处理算法、变换域图像预处理算法或空间域图像预处理算法。
图像预处理的主要目的是抑制背景，提高图像信噪比和相对增强目标信号。时间域图像预处理算法针对前后帧没有相对运动的图像序列，根据背景帧间具有短时平稳性的特性进行背景压制。常用的时间域图像预处理算法包括有限冲击响应滤波器(FIR)和无限冲击响应滤波器(IIR)。
变换域图像预处理算法包括频率高通滤波法和小波分析预处理算法。频率高通滤波法利用目标和背景分别对应于频率域的高频分量和低频分量，原始信号通过正变化到频率域，滤出低频分量，再通过逆变换得到滤波后的图像信息。小波分析因其具有良好的时频局部化特性，在背景抑制上应用甚广。利用小波变换对原始图像进行分解，获取图像的低频和高频部分，对小波分解得到的低频图像和高频图像进行背景估计，最后重构得到处理结果图像。
空间域图像预处理算法根据背景在邻域内的相关性进行预测，根据预测背景和实际背景之间的误差自适应调整滤波器自身参数，然后通过比较预测背景和原始图像来实现背景压制。常见的空间域图像预处理算法包括中值滤波算法。
进一步地，图像预处理完成后，通过特征值比对检测监控图像中的无人机图像。
进一步地，所述数据处理单元包括目标跟踪模块。所述目标跟踪模块根据图像识别模块确定的无人机飞行轨迹确定跟踪轨迹。
进一步地，当目标无人机从监控图像中丢失时，依据搜索难度递增从三个层面递进进行，依次为目标域搜索、局部搜索和全局搜索。
具体地，包括S1，目标域搜索，设当前处理的图像为第k帧，在第k+1帧跟踪丢失，被追踪目标的中心位置在序列图像中依次表示为y0,y1...yk,yk+1...，根据目标运动的连续性，丢失后的目标应在yk附近，故yk+1的估计公式为：
yk+1-yk＝yk-yk-1 (1)
当前处理的第k帧图像中目标无人机位于区域z，在第k+1帧图像中选取所述区域z作为候选区域w，与目标模板匹配，若匹配相似度达到第一阈值，则判定为找到目标无人机，若匹配相似度小于阈值，则执行S2；
优选的，所述区域z以内接椭圆形的方式包括目标无人机，椭圆长轴方向与无人机在静态图像投影的长轴方向一致。
优选的，第一阈值设置为0.8。
当目标无人机由于部分遮挡或图像采集环境因素影响出现跟踪丢失，匹配相似度低于第一阈值时，采用S2，局部搜索。
S2，局部搜索，在第k+1帧图像中，以所述区域z为中心，在其周围随机选取多个候选区域w，所述候选区域w与所述区域z中内接椭圆大小、方向相同，将多个所述候选区域w与目标模板匹配，选取相似度最高且超过第二阈值的候选区域w进行迭代搜索，直到相似度达到第一阈值，则判定为找到目标无人机，若均小于第二阈值，则输入下一帧图像进行局部搜索，若连续n帧图像匹配相似度小于第二阈值，则执行步骤S3；所述n帧根据图像采集设备采集频率决定。
S3，全局搜索，以所述区域z为比对模板对第k+1帧图像进行遍历搜索，保留所有相似度大于第三阈值的候选区域w，选择相似度最高且大于第三阈值的候选区域w作为预测的无人机位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的智能低空防御设备以光电探测、目标跟踪和射频干扰为核心，整个设备采用模块化设计，探测部分和干扰部分可单独部署，单独工作。该设备安装方便，能够快速布置在安防空域，大范围内进行阵列式布防，快速有效地对无人机进行跟踪和打击；采用定向天线，减少或者避免产生附带干扰；采用防水外壳，可抵挡水和灰尘入侵，确保设备在恶劣环境下使用。
附图说明：
图1为本发明实施例1中智能低空防御设备整体结构图；
图2为本发明实施例1中智能低空防御设备监控摄像机示意图；
图3为本发明实施例1中智能低空防御设备射频干扰设备示意图；
图4为本发明实施例2中智能低空防御设备整体结构图；
图中标记：1-监控摄像机，2-云台，31-第一干扰源，32-第二定向天线，33-第二干扰源，32-第二定向天线，4-数据处理单元，5-交换机，6-防水外壳。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种智能低空防御设备，如图1所示，包括监控摄像机1、云台2、射频干扰设备(包括31、32、33、34)和数据处理单元4；
所述监控摄像机1、云台2和和射频干扰设备分别与所述数据处理单元4连接；
所述监控摄像机1、云台2和和射频干扰设备分别与所述数据处理单元4连接；
所述监控摄像机1和所述射频干扰设备固定设置于所述云台上，所述云台2带动所述监控摄像机1和所述射频干扰设备转动；
所述数据处理单元4接收所述监控摄像机1传回的监控图像，识别出所述监控图像中的目标无人机，向所述监控摄像机1和所述云台2发送跟踪指令，向所述射频干扰设备发送干扰指令
进一步地，如图2所示，所述监控摄像机1采用长焦电动变焦镜头，具有自动聚焦功能。
优选地，所述监控摄像机1搭配35倍以上高清电动变焦镜头，白天监控距离可达1000m。
进一步地，所述监控摄像机1配置有激光灯，可在夜晚清晰监控无人机，激光照射距离可达1000m。
进一步地，所述云台2采用变速网络云台，水平转动角度为0°～360°，俯仰转动角度-30°～60°，范围可调，通过预置目标无人机航向轨迹对应的云台轨迹，智能追踪目标无人机。
进一步地，所述云台2水平转动速度范围为0.1°～30°/s，垂直转动速度范围为0.1°～10°/s。
优选地，所述云台2预置轨迹点个数为300个。
进一步地，所述云台2上搭载有监控摄像机1和射频干扰设备。所述云台转动带动所述监控摄像机1和射频干扰设备转动，对准目标无人机。
进一步地，如图3所示，所述射频干扰设备包括干扰源和定向天线。所述干扰源的频率选择以无人机通信链路、控制链路、GPS信号的工作频率为依据。对于多组工作频率，采用预支对应的多组干扰源。对于所述多组干扰源选用与其适配的多组定向天线实现干扰信号的定向施放。
进一步地，所述云台2带动所述监控摄像机1、激光灯和射频干扰设备进行旋转。
进一步地，所述射频干扰设备包括第一干扰源31及与其连接的第一定向天线32，第二干扰源33及与其连接的第二定向天线34。
进一步地，所述第一干扰源31为2.4GHz干扰源，所述第一定向天线32为定向八木发射天线。所述第一干扰源31及所述第一定向天线32组成的第一干扰单元主要干扰黑飞无人机的通信链路和控制链路。
进一步地，所述第二干扰源33为1.5GHz干扰源，所述第二定向天线34为GPS定向螺旋发射天线。所述第二干扰源33及所述第二定向天线34组成的第二干扰单元主要干扰黑飞无人机的GPS信号。
进一步地，所述干扰源采用全固态微波功率器件，输出功率可到100W，PLL锁相环技术有利于提高频率稳定度，扫频模式结合自动频率调节系统，可实现全方位检测和控制所述射频干扰设备工作状态。
进一步地，所述射频干扰设备采用强迫风冷，干扰距离达1000m，定向天线使得干扰信号仅针对黑飞无人机，而不产生附带影响。
进一步地，所述智能低空防御设备还配置有充气开关和电源转换模块。当所述监控摄像机1、云台2和射频干扰设备出现异常时，所述充气开关切断电源保护设备。所述电源转换模块实现所述智能低空防御设备与市电交流220V进行连接，使用便捷。
进一步地，所述智能低空防御设备还包括交换机5，所述监控摄像机1、云台2和射频干扰设备分别与所述交换机5连接，所述交换机5与所述数据处理单元4连接。所述交换机5的引入，将弱电信号集中在一条线路上传输，减少了外部裸露电线的数量，避免了强电产生电磁波干扰信号线。
进一步地，所述交换机5通过RJ45接口直接与所述数据处理单元4连接。该方式连接方便快捷，图像传输质量好，录制的监控视频保存在数据处理单元电脑硬盘中，通过数据处理单元软件操作界面对所述监控摄像、云台和射频干扰设备进行操作和控制。
进一步地，所述智能低空防御设备还包括防水外壳6，所述监控摄像机1、云台2和射频干扰设备位于所述防水外壳上部，所述电源转换模块和交换机5位于所述防水外壳内部。
作为另一种具体的实施方式，所述监控摄像机1、云台2和所述定向天线位于所述防水外壳6上部；所述电源转换模块、交换机5和所述干扰源位于所述防水外壳内部。
所述防水外壳可抵抗喷水入侵，防止灰尘进入，确保设备在户外24小时不间断工作。
优选地，所述智能低空防御设备附近还安装有避雷针，增加了设备的安全性。
进一步地，所述数据处理单元实时显示监控画面，检测设备运行的电流电压。
实施例2
实施例2提供一种智能低空防御设备，如图4所示，与实施例1的区别在于，所述交换机连接外网，所述数据处理单元通过外网接入。该方式实现了与外网连同，使用者经过身份验证登录设备控制系统，可实现远程监控。
实施例3
实施例3提供一种智能低空防御设备，其与实施例1、2的区别在于，所述数据处理单元还包括图像识别与跟踪模块，根据监控图像中的无人机识别信息确定无人机飞行轨迹，根据所述无人机飞行轨迹确定所述智能低空防御设备跟踪轨迹，向所述监控摄像机1、云台2和射频干扰设备传输参数控制信息。
Claims (8)
1.一种低空防御设备，其特征在于，包括监控摄像机、云台、射频干扰设备和数据处理单元；
所述监控摄像机、云台和和射频干扰设备分别与所述数据处理单元连接；
所述监控摄像机和所述射频干扰设备固定设置于所述云台上，所述云台带动所述监控摄像机和所述射频干扰设备转动；
所述数据处理单元接收所述监控摄像机传回的监控图像，识别出所述监控图像中的目标物，向所述监控摄像机和所述云台发送跟踪指令，向所述射频干扰设备发送干扰指令；
还包括交换机，所述监控摄像机、云台和射频干扰设备分别与所述交换机连接，所述交换机与所述数据处理单元连接；所述交换机连接外网，所述数据处理单元通过外网接入；
所述监控摄像机搭配35倍以上高清电动变焦镜头，白天监控距离1000m；
所述监控摄像机配置有激光灯，激光照射距离1000m；所述数据处理单元包括图像识别模块和目标追踪模块；所述目标跟踪模块根据图像识别模块确定的无人机飞行轨迹确定跟踪轨迹，目标无人机从监控图像中丢失时，依据搜索难度递增从三个层面递进进行，依次为目标域搜索、局部搜索和全局搜索。
2.根据权利要求1所述的低空防御设备，其特征在于，所述云台采用变速网络云台，水平转动角度为0°～360°，俯仰转动角度-30°～60°。
3.根据权利要求2所述的低空防御设备，其特征在于，所述云台水平转动速度范围为0.1°～30°/s，垂直转动速度范围为0.1°～10°/s。
4.根据权利要求1所述的低空防御设备，其特征在于，所述射频干扰设备包括第一干扰源及与其连接的第一定向天线，第二干扰源及与其连接的第二定向天线。
5.根据权利要求4所述的低空防御设备，其特征在于，所述干扰源采用全固态微波功率器件、PLL锁相环技术以及扫频模式。
6.根据权利要求4所述的低空防御设备，其特征在于，还配置有电源转换模块。
7.根据权利要求6所述的低空防御设备，其特征在于，还包括防水外壳；
所述监控摄像机、云台和射频干扰设备位于所述防水外壳上部；
所述电源转换模块和交换机位于所述防水外壳内部。
8.根据权利要求7所述的低空防御设备，其特征在于，还包括防水外壳；
所述监控摄像机、云台和所述定向天线位于所述防水外壳上部；
所述电源转换模块、交换机和所述干扰源位于所述防水外壳内部。
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