楊 勇 王雪松 張 斌

(國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙 410073)

1 引言

眾所周知，無人機(jī)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于人們的日常生活以及軍事領(lǐng)域。無人機(jī)給使用方帶來諸多便利的同時(shí)，也給他人或他國的安全、利益帶來了嚴(yán)重威脅。為了防止無人機(jī)濫用給我國國家安全和人民利益造成損害，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并識(shí)別無人機(jī)是對(duì)入侵無人機(jī)進(jìn)行有效反制的前提。

雷達(dá)具有全天時(shí)、全天候的特點(diǎn)，利用雷達(dá)來檢測識(shí)別無人機(jī)是世界各國廣泛采用的技術(shù)手段。但是，由于無人機(jī)飛行高度低、雷達(dá)截面積(Radar Cross Section, RCS)小、飛行速度慢，無人機(jī)回波較弱，在時(shí)域或頻域雷達(dá)均難以檢測無人機(jī)[1]。為了檢測到無人機(jī)信號(hào)，雷達(dá)通常會(huì)降低檢測門限[2]，但與此同時(shí)，一些強(qiáng)雜波也被雷達(dá)檢測出，造成虛警。這樣，雷達(dá)無人機(jī)檢測問題演化為雷達(dá)無人機(jī)與雜波虛警鑒別問題。如何挖掘無人機(jī)回波與雜波的特征差異，然后利用二者的特征差異來鑒別無人機(jī)與雜波，進(jìn)而剔除雜波虛警，是雷達(dá)無人機(jī)檢測的關(guān)鍵問題[3]。

無人機(jī)分為兩類：一類是旋翼無人機(jī)，另一類是固定翼無人機(jī)。目前，研究旋翼無人機(jī)雷達(dá)回波特性和識(shí)別的文獻(xiàn)較多。學(xué)者主要針對(duì)旋翼無人機(jī)的RCS均值和統(tǒng)計(jì)分布[4,5]、多普勒譜[6,7]、微多普勒譜[8–12]、極化[13]、ISAR圖像[5,14]等特性進(jìn)行了研究分析。在特性研究基礎(chǔ)上，英國Aveillant公司提出利用雷達(dá)長時(shí)間駐留觀測信號(hào)的時(shí)頻圖來檢測無人機(jī)[8]；德國錫根大學(xué)[9]、荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)[10]、韓國先進(jìn)科技研究所[11]等單位分別利用無人機(jī)回波的微多普勒特征來識(shí)別多型無人機(jī)；挪威國防科學(xué)研究院和英國倫敦大學(xué)學(xué)院聯(lián)合利用多個(gè)極化特征參數(shù)來識(shí)別無人機(jī)與鳥[13]。值得一提的是，英國Aveillant公司在試驗(yàn)中遇到了強(qiáng)雜波和鳥的干擾，但其在文獻(xiàn)[8]中并未介紹其如何剔除雜波虛警和鳥的回波。針對(duì)旋翼無人機(jī)與雜波虛警的鑒別問題，國內(nèi)外均未見公開報(bào)道。

針對(duì)固定翼無人機(jī)，目前，美國海軍雷達(dá)反射率實(shí)驗(yàn)室[15]、美國俄亥俄州立大學(xué)[16]、作者團(tuán)隊(duì)[17–19]、北京環(huán)境特性研究所[20]、荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)[10]、北京遙感設(shè)備研究所均已開展了雷達(dá)固定翼無人機(jī)回波暗室和外場測量試驗(yàn)。其中，美國海軍雷達(dá)反射率實(shí)驗(yàn)室[15]、作者團(tuán)隊(duì)[17–19]、北京環(huán)境特性研究所[20]結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)研究了固定翼無人機(jī)的RCS值和ISAR圖像特性；作者團(tuán)隊(duì)結(jié)合暗室測量數(shù)據(jù)還研究了固定翼無人機(jī)RCS分布、回波相位、極化比等統(tǒng)計(jì)特性[18]；荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)結(jié)合外場試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)分析了固定翼無人機(jī)的微多普勒譜特性[9]。此外，北京遙感設(shè)備研究所開展了多批次固定翼無人機(jī)探測外場試驗(yàn)，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展了大量的研究分析工作。在固定翼無人機(jī)檢測識(shí)別方面，美國俄亥俄州立大學(xué)通過暗室測量實(shí)驗(yàn)，分析了MIMO雷達(dá)對(duì)固定翼無人機(jī)的檢測性能[16]，除此以外，尚無固定翼無人機(jī)檢測識(shí)別的公開報(bào)道。

本文開展了雙極化雷達(dá)固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)外場探測試驗(yàn)，提出了一種綜合利用時(shí)頻、極化信息的雷達(dá)無人機(jī)檢測方法。該方法先降低雷達(dá)檢測門限，以保證利用時(shí)頻2維恒虛警率檢測器能夠檢測出無人機(jī)；然后，針對(duì)由于檢測門限降低引入的雜波虛警，依次利用雙門限檢測、雙極化通道檢測結(jié)果匹配等方法逐步剔除雜波虛警，最終實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的檢測和雜波虛警的消除。實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

2 單極化通道時(shí)頻檢測

雙極化雷達(dá)采用水平或垂直單極化發(fā)射，水平和垂直雙極化同時(shí)接收。雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，發(fā)射信號(hào)可表示為

雷達(dá)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行匹配濾波、頻域加窗處理，然后對(duì)頻域加窗處理后的輸出信號(hào)進(jìn)行逆傅里葉變換，得到時(shí)域輸出信號(hào)。以水平極化接收通道為例，匹配濾波與頻域加窗后的時(shí)域輸出信號(hào)可表示為

其 中， IFT[·] 表 示 逆 傅 里 葉 變 換，S (ω) , H (ω),F (ω)分別為發(fā)射信號(hào)頻譜、匹配濾波器頻率響應(yīng)和窗函數(shù)頻率響應(yīng)。

對(duì)加窗后的時(shí)域輸出信號(hào)進(jìn)行兩脈沖對(duì)消，兩脈沖對(duì)消后的輸出信號(hào)可表示為

對(duì)脈沖對(duì)消后的輸出信號(hào)進(jìn)行多普勒濾波，從而得到雷達(dá)距離多普勒?qǐng)D。然后，對(duì)每個(gè)距離-多普勒單元信號(hào)進(jìn)行2維CFAR檢測，判斷每個(gè)距離-多普勒單元是否存在目標(biāo)。2維CFAR檢測判決表達(dá)式為

其中， A為一個(gè)自然數(shù)，它代表雙門限檢測中的第2門限，它的取值直接決定著雷達(dá)檢測概率和虛警概率。在實(shí)際設(shè)置中，需結(jié)合數(shù)據(jù)情況、期望達(dá)到的虛警概率和檢測概率來綜合設(shè)定[21]。采用式(6)判決時(shí)，目標(biāo)存在時(shí)，記為1，目標(biāo)不存在時(shí)，記為0，最終將HH, HV極化通道檢測結(jié)果分別存入一 個(gè)P ×Q 維矩陣，分別記為DHH和DHV。

3 雙極化通道檢測結(jié)果匹配

地面反射屬于體散射，每個(gè)距離分辨單元內(nèi)有很多個(gè)散射點(diǎn)，這些散射點(diǎn)的回波相互疊加產(chǎn)生雜波。如果雷達(dá)采用距離維CFAR檢測，在HH極化方式下，若干距離分辨單元內(nèi)的多個(gè)散射點(diǎn)回波相干合成，形成很強(qiáng)的雜波，這些距離分辨單元的雜波強(qiáng)度比鄰近距離分辨單元雜波強(qiáng)很多，最終成為雜波虛警。同樣，在HV極化方式下，也會(huì)有若干距離單元的雜波較鄰近距離單元的雜波強(qiáng)很多，最終成為雜波虛警。需要說明的是，在一種極化方式下發(fā)生虛警的概率并不高。而某一個(gè)距離分辨單元的雜波在HH和HV極化方式下均比鄰近距離分辨單元雜波強(qiáng)很多的可能性很低。因?yàn)橛捎跇O化方式的改變，一個(gè)距離分辨單元內(nèi)多個(gè)散射點(diǎn)的回波在HH和HV極化方式下均相干疊加，且疊加后雜波強(qiáng)于臨近距離分辨單元雜波的概率很低。所以，在極大概率上，HH和HV極化方式下的雜波虛警分別來自不同的距離分辨單元。而對(duì)于窄帶雷達(dá)，無人機(jī)可視為點(diǎn)目標(biāo)，在HH和HV極化方式下檢測出的無人機(jī)回波均來自同一個(gè)距離分辨單元。這就是雜波虛警和無人機(jī)回波的本質(zhì)區(qū)別。

當(dāng)雷達(dá)采用時(shí)頻2維檢測時(shí)，上述區(qū)別仍然存在，只不過產(chǎn)生雜波虛警的對(duì)象由距離分辨單元變?yōu)榫嚯x-多普勒分辨單元，這時(shí)，HH和HV極化方式下的雜波虛警分別來自不同的距離-多普勒分辨單元所對(duì)應(yīng)的概率反而更大，這更有利于鑒別雜波虛警和無人機(jī)回波。

根據(jù)上述原理，結(jié)合第2節(jié)HH極化通道和HV極化通道的檢測結(jié)果，對(duì)DHH和DHV中的每個(gè)元素進(jìn)行比對(duì)， DHH和DHV中對(duì)應(yīng)元素同時(shí)為1時(shí)判斷此目標(biāo)為真目標(biāo)，當(dāng)DHH和DHV中對(duì)應(yīng)元素只有一個(gè)為1時(shí)判斷此目標(biāo)為雜波虛警。

雙極化雷達(dá)檢測方法流程圖如圖1所示。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證

雙極化雷達(dá)無人機(jī)探測試驗(yàn)在外場進(jìn)行。試驗(yàn)雷達(dá)為國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院的雙極化雷達(dá)系統(tǒng)，本文涉及的無人機(jī)機(jī)型包括一型固定翼無人機(jī)和大疆S1000八旋翼無人機(jī)。雷達(dá)試驗(yàn)場景與固定翼無人機(jī)航線圖如圖2所示。

圖1 雙極化雷達(dá)無人機(jī)檢測方法流程圖

圖2 雙極化雷達(dá)無人機(jī)外場試驗(yàn)場景和無人機(jī)航線

試驗(yàn)時(shí)，固定翼無人機(jī)在400 m左右的高度、距離雷達(dá)5～7 km范圍內(nèi)往返飛行，速度為20 m/s左右；旋翼無人機(jī)在距離雷達(dá)4 km左右、200 m高度懸停飛行。試驗(yàn)時(shí)，無人機(jī)能夠?qū)崟r(shí)反饋其GPS位置和速度信息，在無人機(jī)飛行過程中，雷達(dá)主波束始終對(duì)準(zhǔn)無人機(jī)。雷達(dá)發(fā)射水平極化線性調(diào)頻信號(hào)，接收采用水平和垂直極化同時(shí)接收，發(fā)射信號(hào)脈沖寬度為5 μs，中心頻率為9.4 GHz，帶寬為5 MHz，脈沖重復(fù)周期為1.25 ms，雷達(dá)采樣率為10 MHz。

4.1 固定翼無人機(jī)數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

對(duì)雷達(dá)固定翼無人機(jī)探測的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波和頻域加窗處理后輸出時(shí)域信號(hào)幅度如圖3所示。

從圖3可以看出，固定翼無人機(jī)回波位于第250個(gè)采樣點(diǎn)附近。多個(gè)脈沖觀測時(shí)，由于固定翼無人機(jī)RCS起伏變化，導(dǎo)致無人機(jī)回波若隱若現(xiàn)。特別是在400～800個(gè)脈沖，HH和HV通道的固定翼無人機(jī)回波強(qiáng)度均較弱。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，匹配濾波后，圖3(a)中HH通道的信雜噪比約為3.5 dB?？傮w上，HH通道回波強(qiáng)度強(qiáng)于HV通道回波強(qiáng)度，但HV通道無人機(jī)信雜噪比較HH通道高。

圖3 雷達(dá)匹配濾波和加窗后的時(shí)域輸出信號(hào)幅度

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，下面針對(duì)上述1000個(gè)脈沖回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在2維CFAR檢測時(shí)，將50個(gè)脈沖作為一幀，總共有20幀數(shù)據(jù)。在對(duì)每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT和2維CFAR檢測后，再對(duì)20幀數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果進(jìn)行積累，設(shè)置第2門限進(jìn)行判決。其中，2維CFAR檢測的保護(hù)單元數(shù)為2，參考單元數(shù)為32。為了檢測到無人機(jī)，單幀檢測門限因子取為3?？紤]到無人機(jī)目標(biāo)回波信雜噪比不高，有的幀可能檢測不到無人機(jī)，因此，采用雙門限檢測時(shí)，第2門限不易設(shè)置過大。另外，雜波起伏較劇烈，多幀都檢測到雜波的可能性較低。綜上考慮，第2檢測門限設(shè)為2。對(duì)圖3中的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行頻域加窗、脈沖對(duì)消、多普勒濾波和2維CFAR檢測，得到雙極化雷達(dá)對(duì)固定翼無人機(jī)的多幀檢測結(jié)果如圖4所示。圖4表明，經(jīng)2維CFAR和多幀檢測結(jié)果積累與判決后，HH通道和HV通道均能檢測出固定翼無人機(jī)，但同時(shí)也出現(xiàn)了很多雜波虛警，這些雜波虛警為雷達(dá)后續(xù)判斷目標(biāo)類型造成了嚴(yán)重不利影響。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，HH通道和HV通道檢測出的雜波虛警的位置并不重合，而HH通道和HV通道檢測出的無人機(jī)目標(biāo)位置大部分重合，這驗(yàn)證了本文第2節(jié)理論分析的合理性。

在圖4結(jié)果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過雙極化通道檢測結(jié)果匹配后的多幀檢測結(jié)果如圖5所示，其中，圖5(b)為圖5(a)的局部放大圖。圖5(a)表明，經(jīng)過雙極化通道檢測結(jié)果匹配后，固定翼無人機(jī)被成功檢測，位置與真實(shí)值一致，而雜波虛警被全部消除，這驗(yàn)證了雙極化通道檢測結(jié)果匹配方法的有效性。

圖4 雙極化雷達(dá)對(duì)固定翼無人機(jī)的多幀檢測結(jié)果

圖5 雙極化通道對(duì)固定翼無人機(jī)檢測結(jié)果匹配后的結(jié)果及其放大圖

另外，圖5(b)表明，經(jīng)過雙極化通道檢測結(jié)果匹配后，多幀檢測的固定翼無人機(jī)目標(biāo)占據(jù)多個(gè)距離單元，且存在距離徙動(dòng)；由于無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)，多幀間的無人機(jī)多普勒譜會(huì)發(fā)生移動(dòng)，另外，由于無人機(jī)多普勒譜的展寬，多幀檢測出的無人機(jī)回波在頻率上占據(jù)一定寬度。為了更加清晰地說明這一現(xiàn)象，我們統(tǒng)計(jì)了雷達(dá)HH通道每一幀對(duì)無人機(jī)的檢測結(jié)果。其中，第1, 14, 18幀檢測結(jié)果如圖6所示。雷達(dá)帶寬 B 為5 MHz，采樣率fs為10 MHz，雷達(dá)距離分辨率為30 m。在原始數(shù)據(jù)中，無人機(jī)回波在距離維占據(jù)2個(gè)采樣點(diǎn)( N =fs/B)。當(dāng)無人機(jī)回波較強(qiáng)時(shí)，經(jīng)匹配濾波和FFT之后，無人機(jī)回波會(huì)在距離維和頻率維展寬。由于無人機(jī)回波起伏，不同幀的無人機(jī)回波強(qiáng)度不同，因此，各幀無人機(jī)回波在距離維和頻率維展寬效應(yīng)會(huì)存在差異。由圖6可見，第1幀和第18幀無人機(jī)回波在距離維和頻率維均有一定展寬；第14幀無人機(jī)回波在距離維有一定展寬，在頻率維未展寬。第1幀無人機(jī)回波在頻率維占據(jù)4個(gè)采樣點(diǎn)，擴(kuò)展效應(yīng)最明顯，這說明目標(biāo)回波最強(qiáng)。另外，對(duì)比第1幀和第18幀無人機(jī)回波，我們發(fā)現(xiàn)這兩幀無人機(jī)回波均在距離維占據(jù)5個(gè)采樣點(diǎn)，但存在1個(gè)采樣點(diǎn)的距離徙動(dòng)。這是因?yàn)閮蓭瑪?shù)據(jù)中間間隔17幀，在17幀的時(shí)間內(nèi)，無人機(jī)在距離上移動(dòng)了?R=vkTf≈20×17×50×1.25 × 10–3= 21.25 m ( v為無人機(jī)速度，k 為幀數(shù)， Tf為一幀對(duì)應(yīng)的時(shí)長，即50個(gè)脈沖重復(fù)周期)，這超過1個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離，而又不足2個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離。

圖6 雷達(dá)HH通道單幀對(duì)固定翼無人機(jī)的檢測結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證無人機(jī)回波在距離維和頻率維的展寬效應(yīng)，我們分析了雷達(dá)第1幀數(shù)據(jù)多普勒濾波后的輸出結(jié)果，如圖7所示。

圖7表明，第1幀數(shù)據(jù)在多普勒濾波后，在距離維有5個(gè)采樣點(diǎn)強(qiáng)度較大，在頻率維有4個(gè)采樣點(diǎn)強(qiáng)度較大，這剛好對(duì)應(yīng)于圖6中的雷達(dá)第1幀檢測無人機(jī)結(jié)果—距離維擴(kuò)展占據(jù)5個(gè)采樣點(diǎn)，頻率維擴(kuò)展占據(jù)4個(gè)采樣點(diǎn)。以上分析驗(yàn)證了圖6中檢測結(jié)果的正確性。

4.2 旋翼無人機(jī)數(shù)據(jù)處理結(jié)果與分析

我們還開展了對(duì)大疆S1000旋翼無人機(jī)的探測試驗(yàn)，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本文方法進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證。其中，雷達(dá)HH, HV極化通道對(duì)大疆S1000無人機(jī)的檢測結(jié)果如圖8所示。

由圖8可見，由于脈沖對(duì)消抑制了零頻附近的雜波和旋停無人機(jī)機(jī)身回波，因此，在零頻附近沒有檢測到雜波虛警或無人機(jī)。而在遠(yuǎn)離零頻處，HH通道和HV通道均能夠檢測到S1000旋翼無人機(jī)，但同時(shí)也檢測到很多雜波虛警。檢測到的無人機(jī)回波主要是無人機(jī)的旋葉回波。由于無人機(jī)的多個(gè)旋葉相對(duì)于雷達(dá)視線的速度不一樣，旋葉回波的多普勒譜線存在展寬且不連續(xù)。圖8表明，雜波虛警在HH和HV極化通道中出現(xiàn)的位置不一樣，而無人機(jī)在HH和HV極化通道中出現(xiàn)的位置有部分重合。對(duì)雙極化通道的檢測結(jié)果進(jìn)行匹配，結(jié)果如圖9所示。從圖9可見，經(jīng)過兩個(gè)極化通道檢測結(jié)果的匹配，旋翼無人機(jī)目標(biāo)得以保留，而雜波虛警被完成剔除，這進(jìn)一步驗(yàn)證了本文理論分析的合理性和所提檢測方法的有效性。旋翼無人機(jī)懸停在空中，因此，多幀檢測結(jié)果不存在距離徙動(dòng)。但由于旋翼無人機(jī)回波的起伏，不同幀的無人機(jī)回波強(qiáng)度不一樣，最終會(huì)導(dǎo)致不同幀的無人機(jī)回波在距離維擴(kuò)展效應(yīng)不一樣，即占據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)不一樣。

5 結(jié)束語

圖7 雷達(dá)HH通道第1幀數(shù)據(jù)多普勒濾波輸出

圖8 雙極化雷達(dá)對(duì)旋翼無人機(jī)的多幀檢測結(jié)果

圖9 對(duì)雙極化通道旋翼無人機(jī)檢測結(jié)果匹配后的結(jié)果

本文提出了一種時(shí)頻檢測與極化匹配相結(jié)合的雙極化雷達(dá)無人機(jī)檢測方法，并采用雙極化雷達(dá)探測固定翼和旋翼無人機(jī)外場實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。該方法先降低檢測門限，以檢測出無人機(jī)和雜波虛警；然后利用無人機(jī)、雜波在雙極化通道檢測結(jié)果的差異性來識(shí)別無人機(jī)和雜波，從而剔除雜波，降低雷達(dá)虛警概率。該方法無需雜波和無人機(jī)先驗(yàn)信息，易于實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的工程適用性。

值得一提的是，本文通過外場試驗(yàn)只驗(yàn)證了所提方法的有效性。對(duì)于該方法的理論檢測性能如何，目前，我們正在開展研究分析。另外，在有效檢測出無人機(jī)目標(biāo)之后，如何識(shí)別無人機(jī)，是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的課題。對(duì)此，我們也正在開展技術(shù)攻關(guān)。

致謝

感謝國防科技大學(xué)施龍飛、宋鯤鵬、馬佳智、龐晨、逯旺旺、王歡以及航天宏圖湖南分公司張紀(jì)陽在外場試驗(yàn)中給予的幫助。感謝國防科技大學(xué)董臻教授對(duì)文章提出的寶貴意見。