CN107678023B - 一种对民用无人机的无源定位和识别系统 - Google Patents

一种对民用无人机的无源定位和识别系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及对空中飞行器的定位跟踪和识别技术领域，尤其是一种对民用无人机的无源定位、跟踪和识别系统，由无源雷达、信号侦收部分和融合处理三个部分组成。本发明采用无源雷达对低空慢速飞行的无人机进行探测和定位，无源雷达具备较好的检测低空慢速小目标能力，对无人机探测效果好；由于不同类型无人机遥控遥测信号特征区别较大，因此采用对无人机遥控遥测信号侦收分析的方法来识别无人机；采用无源雷达引导遥控遥测信号侦收的体制，在提高了信号侦收作用距离的同时，降低了信号侦收的复杂度和成本；整个系统工作时不需要向外辐射信号，无电磁污染，环保绿色。

Description

一种对民用无人机的无源定位和识别系统
技术领域
本发明涉及对空中飞行器的定位跟踪和识别技术领域，尤其是一种对民用无人机的无源定位和识别系统。
背景技术
无人机、尤其是民用消费级无人机在近年来获得快速的发展。随着民用消费级无人机的快速发展和普及，民用无人机尤其是消费级无人机也逐渐成为一种安全隐患，在世界各国都出现了消费级无人机侵入政府部门等重要敏感区域，干扰民航飞机起降造成大面积航空延误等恶性事件，对无人机进行探测和识别的需求越来越迫切。
现有针对无人机的探测、定位和识别主要采用雷达和摄像头相结合的方式，雷达负责实现对无人机的探测、定位和跟踪，并引导红外或者光学摄像头跟踪拍摄目标，根据拍摄得到的图像信息对目标进行识别，确认是否是无人机以及无人机型号规格等。消费级无人机飞行高度低，速度慢，目标反射面积小，其雷达回波不但微弱，而且和背景杂波信号混叠在一起不容易被区分出来，使用常规雷达进行探测效果并不好；雷达工作时，其发射功率较大，容易干扰同频段的其他无线电设备；使用红外或者可见光摄像头进行摄像来识别目标，在夜晚、雾霾或雨天效果会很差。
因此，对于上述问题有必要提出一种对民用无人机的无源定位和识别系统。
发明内容
本发明目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种对民用无人机的无源定位和识别系统，使用无源雷达探测、定位和跟踪无人机，并接收无人机的遥控遥测信号，通过对遥控遥测信号的分析，完成对无人机的识别。系统对无人机探测、定位和识别的效果好，不受天气天候的影响，不辐射任何信号，不会其他无线电设备产生电磁干扰。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：
一种对民用无人机的无源定位和识别系统，由无源雷达、信号侦收部分和融合处理三个部分组成，所述无源雷达接收广播电台、电视台等外辐射源的直达信号，以及空中目标反射广播电台、电视台的回波信号，经过变频接收后，变为固定中频模拟信号，再经过AD采集变为数字信号后，使用高速数字信号处理机完成无源雷达信号处理，从强直达和多径信号中检测出目标回波信号，并完成信号到达时间、到达角度和多普勒速度的测量，完成目标位置计算，并通过多次观测，形成空中目标的航迹；信号侦收部分接收目标发射的遥控遥测信号，对信号测向并对调制特征进行分析后，形成信号描述字，目标的定位跟踪结果和遥控遥测信号描述字统一送入后端融合处理机进行融合处理；融合处理根据时间戳和方位信息对定位跟踪结果和信号描述字进行配对，对配对后的结果，根据信号描述字，从信号特征数据库中找出与该信号描述字相匹配的目标的型号规格，实现对目标的识别。
优选地，还包括工作步骤，其工作步骤为：(1)无源雷达部分开机工作，对空中飞行目标进行搜索，经过几次搜索后，无源雷达对监视空域范围内所有能够探测到的目标形成航迹，编批，并对已形成航迹的目标持续跟踪；(2)根据目标可能发出的身份识别信息，如ADS-B信息，系统可以判断目标是否是民航飞机；(3)如果已经判断出目标是民航飞机，则会在态势显示界面上标注该目标为民航飞机，并附加相关信息；(4)如果无法判断出目标是民航飞机，则系统会根据目标的航速、飞行高度等信息判断目标是否可能是无人机；(5)当判断该目标不可能是无人机时，标记目标为身份未知目标，否则，根据目标当时的航速、航向和角度信息，引导信号侦收天线的主波束对准无人机；(6)信号侦收天线的主波束对准无人机后，在无人机遥控遥测信号可能工作的频段范围内进行搜索，接收无人机发出的遥控遥测信号；(7)当检测到信号后，信号侦收部分会进一步测量得到信号的工作频率、调制方式等信息，形成信号描述字，并根据这些信息，依据无人机遥控遥测信号数据库匹配识别出具体的无人机型号规格；(8)完成识别后，识别结果会标注到态势界面对应目标上，如果识别失败，则在态势界面对应目标上标注未知身份目标。
优选地，所述无源雷达由主要由直达接收信号接收部分、目标信号接收部分和信号处理机三个部分组成
优选地，所述直达信号接收部分由定向性较好的直达信号接收天线、变频接收机组成，目标信号接收部分由阵列天线和多通道变频接收机组成，信号处理机由多通道AD采集、数字下变频和高速数字信号处理机组成。
优选地，所述直达信号和目标回波信号各自经过天线接收、变频后变为固定中频信号，由AD采集完成量化采集后，经过数字下变频，变为数字基带信号，其中多通道目标回波信号经过数字波束形成，形成覆盖探测空域的同时多个数字波束，每个数字波束和直达基带信号联合，完成强直达和多径杂波抑制、相关处理、目标检测、参数测量、定位和目标跟踪后，形成目标航迹。
优选地，其中信号侦收部分由多个天线、多个变频通道和多通道AD采集、基于FPGA的快速信号侦收处理机组成，其中通道的瞬时带宽可以满足对工作频率的快速覆盖要求。
优选地，所述信号侦收部分采用干涉仪体制，采用高增益定向天线，工作在无人机遥控遥测信号频段上。
本发明有益效果：本发明采用无源雷达对低空慢速飞行的无人机进行探测、跟踪和定位，无源雷达具备较好的检测低空慢速小目标能力，对无人机探测效果好；该系统采用对无人机遥控遥测信号侦收分析的方法来识别无人机，由于不同类型无人机遥控遥测信号特征区别较大，因此采用该信号识别无人机目标效果较好；对遥控遥测信号的接收受天气影响很小，白天黑夜均可工作，与可见光摄像头和红外摄像头相比全天候全天时工作能力强，系统采用无源雷达引导信号侦收部分工作的体制，在提高了信号侦收部分作用距离的同时，降低了信号侦收的复杂度和成本，整个系统工作时不需要向外辐射信号，无电磁污染，环保绿色。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的民用无人机无源定位和识别系统组成示意图；
图2是本发明的目标识别工作流程图；
图3基于调频广播和WIFI信号侦收的无人机探测识别系统组成框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1并结合图2和图3所示，一种对民用无人机的无源定位和识别系统，由无源雷达、信号侦收和融合处理三个部分组成，无源雷达接收广播电台、电视台等外辐射源的直达信号，以及空中目标反射广播电台、电视台的回波信号，经过变频接收后，变为固定中频模拟信号，再经过AD采集变为数字信号后，使用高速数字信号处理机完成无源雷达信号处理，从强直达和多径信号中检测出目标回波信号，并完成信号到达时间、到达角度和多普勒速度的测量，完成目标位置计算，并通过多次观测，形成空中目标的航迹。信号侦收部分接收目标发射的遥控遥测信号，如无人机上摄像头通过WIFI链路回传的图像信号，对信号测向并对调制特征进行分析后，形成信号描述字。目标的定位跟踪结果和遥控遥测信号描述字统一送入后端融合处理机进行融合处理，融合处理机首先根据时间戳和方位信息对定位跟踪结果和信号描述字进行配对，对配对后的结果，根据信号描述字，从信号特征数据库中找出与该信号描述字相匹配的目标的型号规格，实现对目标的识别。
为了能够接收到较远距离的无人机遥控遥测信号，信号侦收部分的天线应该使用增益较高的定向天线，天线增益变大后，波束变窄，使得天线的瞬时视场覆盖变小，不能够在瞬间覆盖整个探测空域所有的目标，信号侦收部分是在无源雷达的引导下工作的。
如图2所示为本发明的系统工作流程，首先，无源雷达部分开机工作，对空中飞行目标进行搜索，经过几次搜索后，无源雷达对监视空域范围内所有能够探测到的目标形成航迹，编批，并对已形成航迹的目标持续跟踪。根据目标可能发出的身份识别信息，如ADS-B信息，系统可以判断目标是否是民航飞机。如果已经判断出目标是民航飞机，则会在态势显示界面上标注该目标为民航飞机，并附加相关信息。如果无法判断出目标是民航飞机，则系统会根据目标的航速、飞行高度等信息判断目标是否可能是无人机。当判断该目标不可能是无人机时，标记目标为身份未知目标。否则，根据目标当时的航速、航向和角度信息，引导信号侦收天线的主波束对准无人机。信号侦收天线的主波束对准无人机后，在无人机遥控遥测信号可能工作的频段范围内进行搜索，接收无人机发出的遥控遥测信号。当检测到信号后，信号侦收部分会进一步测量得到信号的工作频率、调制方式等信息，并根据这些信息，依据无人机遥控遥测信号数据库匹配识别出具体的无人机型号规格。完成识别后，识别结果会标注到态势界面对应目标上。如果识别失败，则在态势界面对应目标上标注未知身份目标。
无源雷达利用调频广播电台、数字广播电台、模拟或数字电视台等外辐射源作为照射信号，接收空中目标反射回波信号，通过信号处理，可以实现对空中目标的探测、定位和跟踪。无源雷达采用高级信号处理方法，可以有效抑制直达和多径背景杂波信号，从这些信号中提取出微弱的目标回波信号，较适合探测像消费级无人机这类低空慢速飞行的小目标。
无人机在飞行过程中，不可避免要使用遥控遥测信号来控制飞机飞行，尤其是消费级无人机大量使用wifi作为遥控信号和图像回传信号。不同类型的无人机其遥控信号使用的协议是不同的，因此能够比较容易通过接收并识别这些信号的方式，达到识别无人机的目的。
实施案例一：
无源雷达利用模拟调频广播电台作为外辐射源，主要由直达接收信号接收部分、目标信号接收部分、信号处理机三个部分组成。直达信号接收部分由定向性较好的直达信号接收天线、变频接收机组成，目标信号接收部分由8单元阵列天线和8通道变频接收机组成，信号处理机由9通道AD采集、数字下变频和高速数字信号处理机组成。直达信号和目标回波信号各自经过天线接收、变频后变为固定中频信号，由AD采集完成量化采集后，经过数字下变频，变为数字基带信号。其中多通道目标回波信号经过数字波束形成，形成覆盖探测空域的同时多个数字波束，每个数字波束和直达基带信号联合，完成强直达和多径杂波抑制、相关处理、目标检测、参数测量、定位和目标跟踪后，形成目标航迹。整个系统工作在88～108MHz调频广播电台工作频段上。
信号侦收部分采用干涉仪体制，天线增益为18dB，工作在2.4GHz和5.5GHz两个WIFI信号频段上。采用3个天线，形成长短两个基线。在保证有较好的测向精度的同时，避免测向模糊问题。信号侦收部分具体由3个天线、3个变频通道和3通道AD采集、基于FPGA的快速信号侦收处理机组成。其中通道瞬时带宽为50MHz，可以实现对工作频率的快速覆盖要求。
设无源雷达接收机噪声系数为5dB，积累时间为100ms，最小检测信噪比为13dB，则接收机灵敏度为
Figure BDA0001429653890000071
上式中，K是玻尔兹曼常数，T是以绝对温标开尔文(缩写为K)为单位表示的温度，常温取290K，Nf是噪声系数，SNRmin是最小检测信噪比。
设调频广播电台等效辐射功率10KW，无源雷达目标信号接收阵列天线的单元天线增益为3dB，民用消费级无人机的雷达反射面积为0.01m2，则接收阵列天线增益为11dB(单元天线3dB加阵列增益9dB，并去掉1dB的波束合成损失)，设电台和无人机距离10km，无人机距离无源雷达10km，则无人机反射的回波信号被接收到后的功率大小为
Figure BDA0001429653890000072
上式中，ERP为调频广播电台等效辐射功率，σ为无人机雷达反射面积，Gr为阵列天线增益，λ为波长，此处取中心频率为100MHz，波长为3m，Rt是电台到无人机距离，Rr是无人机到无源雷达距离，Ls是系统损耗，取6dB。显然计算得到无人机反射回波超过了接收机的灵敏度，可以被检测到，无源雷达对无人机作用距离可以达到10km以上。
大部分无人机遥控遥测距离为2km，但是其遥控端天线增益较小，不超过3dB，为了达到10km的信号侦收距离，需要我们的接收天线增益比遥控器天线增益增大25倍以上，此处我们选取信号侦收天线增益为18dB，比遥控器天线增益大15dB，可以满足对10km以外无人机WIFI遥控遥测信号的侦收和目标识别要求。
上述例子采用以调频广播电台照射的无源雷达和WIFI信号侦收进行组合，可以实现对10km以外消费级无人机的探测、定位和识别。
本发明采用无源雷达对低空慢速飞行的无人机进行探测和定位，无源雷达具备较好的检测低空慢速小目标能力，对无人机探测效果好；系统采用对无人机遥控遥测信号侦收分析的方法来识别无人机，由于不同类型无人机遥控遥测信号特征区别较大，因此采用该信号识别无人机目标效果较好；对遥控遥测信号的接收受天气影响很小，白天黑夜均可工作，与可见光摄像头和红外摄像头相比全天候全天时工作能力强。系统采用无源雷达引导信号侦收部分工作的体制，在提高了信号侦收部分作用距离的同时，降低了信号侦收的复杂度和成本。整个系统工作时不需要向外辐射信号，无电磁污染，环保绿色。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种对民用无人机的无源定位和识别系统，其特征在于：由无源雷达、信号侦收部分和融合处理三个部分组成，所述无源雷达接收广播电台、电视台外辐射源的直达信号，以及空中目标反射广播电台、电视台的回波信号，经过变频接收后，变为固定中频模拟信号，再经过AD采集变为数字信号后，使用高速数字信号处理机完成无源雷达信号处理，从强直达和多径信号中检测出目标回波信号，并完成信号到达时间、到达角度和多普勒速度的测量，完成目标位置计算，并通过多次观测，形成空中目标的航迹；
信号侦收部分接收目标发射的遥控遥测信号，对信号测向并对调制特征进行分析后，形成信号描述字，目标的定位跟踪结果和遥控遥测信号描述字统一送入后端融合处理机进行融合处理；
融合处理根据时间戳和方位信息对定位跟踪结果和信号描述字进行配对，对配对后的结果，根据信号描述字，从信号特征数据库中找出与该信号描述字相匹配的目标的型号规格，实现对目标的识别；
还包括工作步骤，其工作步骤为：
(1)无源雷达部分开机工作，对空中飞行目标进行搜索，经过几次搜索后，无源雷达对监视空域范围内所有能够探测到的目标形成航迹，编批，并对已形成航迹的目标持续跟踪；
(2)根据目标可能发出的身份识别信息，系统可以判断目标是否是民航飞机；
(3)如果已经判断出目标是民航飞机，则会在态势显示界面上标注该目标为民航飞机，并附加相关信息；
(4)如果无法判断出目标是民航飞机，则系统会根据目标的航速、飞行高度等信息判断目标是否可能是无人机；
(5)当判断该目标不可能是无人机时，标记目标为身份未知目标，否则，根据目标当时的航速、航向和角度信息，引导信号侦收天线的主波束对准无人机；
(6)信号侦收天线的主波束对准无人机后，在无人机遥控遥测信号可能工作的频段范围内进行搜索，接收无人机发出的遥控遥测信号；
(7)当检测到信号后，信号侦收部分会进一步测量得到信号的工作频率、调制方式等信息，形成信号描述字，并根据这些信息，依据无人机遥控遥测信号数据库匹配识别出具体的无人机型号规格；
(8)完成识别后，识别结果会标注到态势界面对应目标上，如果识别失败，则在态势界面对应目标上标注未知身份目标。
2.如权利要求1所述的一种对民用无人机的无源定位和识别系统，其特征在于：所述无源雷达由主要由直达接收信号接收部分、目标信号接收部分和信号处理机三个部分组成。
3.如权利要求2所述的一种对民用无人机的无源定位和识别系统，其特征在于：所述直达信号接收部分由定向性较好的直达信号接收天线、变频接收机组成，目标信号接收部分由阵列天线和多通道变频接收机组成，信号处理机由多通道AD采集、数字下变频和高速数字信号处理机组成。
4.如权利要求3所述的一种对民用无人机的无源定位和识别系统，其特征在于：所述直达信号和目标回波信号各自经过天线接收、变频后变为固定中频信号，由AD采集完成量化采集后，经过数字下变频，变为数字基带信号，其中多通道目标回波信号经过数字波束形成，形成覆盖探测空域的同时多个数字波束，每个数字波束和直达基带信号联合，完成强直达和多径杂波抑制、相关处理、目标检测、参数测量、定位和目标跟踪后，形成目标航迹。
5.如权利要求1所述的一种对民用无人机的无源定位和识别系统，其特征在于：其中信号侦收部分由多个天线、多个变频通道和多通道AD采集、基于FPGA的快速信号侦收处理机组成，其中通道的瞬时带宽可以满足对工作频率的快速覆盖要求。
6.如权利要求5所述的一种对民用无人机的无源定位和识别系统，其特征在于：所述信号侦收部分采用干涉仪体制，采用高增益定向天线，工作在无人机遥控遥测信号频段上。
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