《傳感器》（Sensors）期刊發(fā)布了一篇名為《保護(hù)你的空域：探測入侵保護(hù)區(qū)的無人機(jī)》的論文。全文主要包括摘要、介紹、雷達(dá)、聲學(xué)傳感器、射頻地面通信傳感器、光學(xué)傳感器、多傳感器方法、討論以及結(jié)論和未來工作討論。

摘要

近年來，無人機(jī)的部署迅速增加。它們現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用，從核電站監(jiān)控等關(guān)鍵的生命安全場景到娛樂和愛好應(yīng)用。盡管無人機(jī)最近越來越受歡迎，但相關(guān)的有意和無意安全威脅需要充分考慮。因此，迫切需要對無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的探測和分類。本文概述了無人機(jī)探測方法，強(qiáng)調(diào)了它們的優(yōu)點(diǎn)和局限性。我們分析了使用雷達(dá)、聲學(xué)和光學(xué)傳感器以及發(fā)射射頻（RF）信號的探測技術(shù)。我們比較了它們在不同操作條件下的性能、準(zhǔn)確性和成本。我們得出的結(jié)論是，多傳感器探測系統(tǒng)提供了更令人信服的結(jié)果，但還需要進(jìn)一步的研究。

1.介紹

在過去的幾十年里，無人機(jī)發(fā)展迅速，導(dǎo)致了價(jià)格合理的無人機(jī)的大規(guī)模生產(chǎn)。從孩子和業(yè)余愛好者到警察和消防員，無人機(jī)已經(jīng)找到了新的應(yīng)用和用例。例如，谷歌和亞馬遜試用無人機(jī)進(jìn)行商品配送，而執(zhí)法部門則利用無人機(jī)進(jìn)行速度檢查。在災(zāi)難發(fā)生期間，無人機(jī)可以幫助急救人員建立通信并定位受害者。不幸的是，與其他技術(shù)進(jìn)步類似，無人機(jī)也可用于非法目的。事實(shí)上，犯罪集團(tuán)使用無人機(jī)走私貨物和破壞安全地點(diǎn)。即使是無惡意使用無人機(jī)也可能導(dǎo)致非法結(jié)果，包括對隱私的無意侵犯、碰撞對人類和基礎(chǔ)設(shè)施的傷害，以及對其他飛行物體（如飛機(jī)）的干擾。例如，2016年，迪拜機(jī)場報(bào)告稱，為了避免未經(jīng)授權(quán)的無人機(jī)活動，該機(jī)場不得不關(guān)閉三次。

因此，實(shí)時(shí)無人機(jī)探測、二進(jìn)制分類和跟蹤非常必要。無人機(jī)的普及、混合使用情況和多樣化的環(huán)境條件只會加劇探測挑戰(zhàn)。目前，有不同的方法來探測空域中的無人機(jī)：有源雷達(dá)、無源雷達(dá)、聲學(xué)傳感器、射頻信號探測以及視覺和光學(xué)傳感器，如圖1所示。無人機(jī)探測系統(tǒng)通常部署在感興趣區(qū)域的附近。當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入受保護(hù)的禁飛區(qū)時(shí)，探測系統(tǒng)可以跟蹤它，并確定它是友好的還是未知的入侵者。隨后，系統(tǒng)可以通知操作員或強(qiáng)制執(zhí)行自動化策略。

圖1：不同的無人機(jī)探測技術(shù)。

在這篇調(diào)查文章中，我們概述了探測無人機(jī)的可用方法。我們的目標(biāo)是了解無人機(jī)探測技術(shù)的設(shè)計(jì)空間，并揭示每種方法的固有或情境限制。我們還探討了與選擇無人機(jī)探測方法相關(guān)的其他方面，包括成本、功率、可能影響探測系統(tǒng)性能的消耗、精度和環(huán)境變量。我們更廣泛地討論雷達(dá)，因?yàn)榫途榷裕走_(dá)是最有前途的方法。然而，它們的高成本和部署要求可能使雷達(dá)不適合某些用例。然后，我們討論了在某些情況下，現(xiàn)成的聲學(xué)傳感器作為雷達(dá)的一種更便宜但精度較低的替代品。接下來，我們將探索基于無人機(jī)射頻傳輸?shù)姆椒?，然后是視覺和光學(xué)傳感器探測方法。最后，我們討論了多模態(tài)和傳感器融合方法。這些傳感器串聯(lián)或按順序地使用多個(gè)傳感器以提高探測精度。

表1：無人機(jī)探測方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

2.雷達(dá)

當(dāng)前最先進(jìn)的移動物體探測解決方案，無論是探測大型無人機(jī)還是小鳥，都涉及某種形式的雷達(dá)。雷達(dá)提供高范圍覆蓋，在所有天氣環(huán)境中都能不間斷地工作，并在白天和晚上提供連續(xù)覆蓋。這些能力使雷達(dá)技術(shù)成為無人機(jī)探測系統(tǒng)的最佳候選者之一。評估使用雷達(dá)進(jìn)行無人機(jī)探測的可行性受到了相當(dāng)大的關(guān)注。然而，在設(shè)計(jì)和部署適用于探測無人機(jī)的雷達(dá)時(shí)，存在一些實(shí)際限制和成本考慮。

2.1.雷達(dá)配置

雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)其配置進(jìn)行分類，特別是根據(jù)其發(fā)射機(jī)和接收機(jī)部件的空間布置進(jìn)行分類。三種主要配置是單站、雙站和多站，每種配置都有不同的特性、優(yōu)勢和應(yīng)用。這三種雷達(dá)配置的直觀圖示如圖2所示。

圖2：不同雷達(dá)配置的可視化表示：單站、雙站和多站。

2.1.1.靜態(tài)雷達(dá)配置

在單基地雷達(dá)設(shè)置中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位于同一位置或共享同一天線系統(tǒng)。從交通執(zhí)法到小型無人機(jī)探測，這種配置是人們最熟悉和廣泛使用的。單站雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)是其簡單性，因?yàn)樗恍枰粋€(gè)發(fā)射和接收站點(diǎn)。這種配置對于短程應(yīng)用非常有效，并且目標(biāo)與雷達(dá)的相對運(yùn)動非常顯著，有助于強(qiáng)信號反射回源。

2.1.2.雙站雷達(dá)配置

雙站雷達(dá)的特點(diǎn)是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位置在空間上分離，它們之間的距離可以顯著變化。這種分離帶來了獨(dú)特的優(yōu)勢，例如由于接收器可以放置在遠(yuǎn)離發(fā)射器的隱蔽位置，因此提高了隱身性，降低了對電子對抗的敏感性，以及能夠探測小型無人機(jī)等低可觀測物體。雙站雷達(dá)在單站雷達(dá)受反射幾何形狀限制或隱形使用至關(guān)重要的應(yīng)用中尤其有利。然而，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同步的復(fù)雜性，以及由于依賴于幾何結(jié)構(gòu)的雙基地距離而導(dǎo)致的信號處理方面的挑戰(zhàn)，可能會使它們的操作復(fù)雜化。

2.1.3.多站雷達(dá)配置

多站雷達(dá)通過利用多個(gè)接收機(jī)，在某些情況下還利用多個(gè)發(fā)射機(jī)，擴(kuò)展了雙站概念。這種配置提供了更強(qiáng)的覆蓋范圍和探測能力，因?yàn)閷δ繕?biāo)的多角度觀察可以更準(zhǔn)確地揭示其位置和移動情況，并具有更強(qiáng)的反制能力。通過利用分散接收器捕獲的不同入射角和反射角，多靜態(tài)裝置可以有效地探測隱形飛行器，這些隱形飛行器主要是為了躲避單靜態(tài)雷達(dá)。多站雷達(dá)系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)涉及來自多個(gè)地點(diǎn)的復(fù)雜協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)融合，需要先進(jìn)的信號處理和網(wǎng)絡(luò)能力。

通常，這些配置之間的差異主要在于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)布局的幾何形狀以及由此產(chǎn)生的操作優(yōu)勢和復(fù)雜性。單站雷達(dá)簡單有效，適用于廣泛的應(yīng)用，但可能受到直接反射要求的限制。雙站和多站雷達(dá)及其空間多樣化的部件，以增加系統(tǒng)復(fù)雜性和信號處理要求為代價(jià)，在隱形探測和作戰(zhàn)彈性方面提供了優(yōu)勢。更具體地說，雙站和多站雷達(dá)配置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無源雷達(dá)探測的能力。這種方法在傳統(tǒng)的單站設(shè)置中是不可行的，它通過消除對有源發(fā)射機(jī)的需求而提供了顯著的優(yōu)勢。這不僅降低了成本，增強(qiáng)了隱形能力，使對手更難探測到雷達(dá)系統(tǒng)，而且還規(guī)避了對廣播信號的監(jiān)管要求。無源雷達(dá)系統(tǒng)利用現(xiàn)有的環(huán)境電磁輻射，如電視和無線電廣播、蜂窩網(wǎng)絡(luò)，甚至衛(wèi)星傳輸?shù)碾姶泡椛?，來探測和跟蹤無人機(jī)。通過使用這些無處不在的信號，無源雷達(dá)可以有效地監(jiān)測空域，而不需要額外的信號生成，將成本效益與作戰(zhàn)自由度相結(jié)合。無源雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)一步探索將在接下來的章節(jié)中詳細(xì)介紹，強(qiáng)調(diào)其在現(xiàn)代監(jiān)視和探測戰(zhàn)略中日益重要的地位。

2.2.雷達(dá)散射橫截面積

主要的挑戰(zhàn)是無人機(jī)的可變尺寸，這可能使它們對傳統(tǒng)雷達(dá)不可見。由于一些無人機(jī)的體積小，其主體材料結(jié)構(gòu)反射指數(shù)低，雷達(dá)散射橫截面積（RCS）極小，難以探測。來自目標(biāo)物體的接收功率與其RCS成比例，較小的RCS導(dǎo)致較低的接收功率和較低的探測概率。

2.3.頻率和帶寬

雷達(dá)的另一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)是它們的工作頻率。高頻雷達(dá)更昂貴，但它們可以探測到更小尺寸的無人機(jī)。它們更大的帶寬和更精細(xì)的分辨率產(chǎn)生更準(zhǔn)確的結(jié)果。帶寬為1GHz的雷達(dá)具有15厘米的距離分辨率。

2.4.雷達(dá)散射

雷達(dá)系統(tǒng)背后的物理包括兩種主要類型的散射：前向散射和后向散射。前向散射通過現(xiàn)代視角進(jìn)行了詳細(xì)說明，表明當(dāng)雙站角度（即從發(fā)射機(jī)到目標(biāo)再到接收機(jī)的角度）接近180°時(shí)，雷達(dá)波可以從其原始路徑向前散射。由于在這種條件下增強(qiáng)了RCS，這種散射對于探測小型或吸收射頻信號的目標(biāo)（如小型無人機(jī)）特別有利。另一方面，后向散射是指雷達(dá)波直接反射回接收器。

圖3：（a）后向散射與前向散射雷達(dá)配置的表示。圖頂部所示的彩色雷達(dá)表示發(fā)射機(jī)，而底部的黑色雷達(dá)表示接收機(jī)；（b）雙站范圍和角度。

RCS是無人機(jī)探測的一個(gè)關(guān)鍵因素，隨著目標(biāo)的縱橫角變化很大，影響了探測能力。無人機(jī)的不同部分可能具有截然不同的RCS值，從不同角度影響雷達(dá)探測的有效性。這種可變性突出了多站雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)勢，該系統(tǒng)利用多個(gè)接收器位置來增加從目標(biāo)的各個(gè)方位角探測反向散射信號的可能性。

前向散射具有明顯的優(yōu)勢，可增強(qiáng)對因尺寸或材料特性而難以探測的目標(biāo)的探測能力。然而，隨著時(shí)間的推移，保持前向散射的最佳雙站角度可能具有挑戰(zhàn)性，限制了此類系統(tǒng)在某些情況下的實(shí)用性。盡管存在這些挑戰(zhàn)，前向散射雷達(dá)，尤其是在具有機(jī)載照明器的多站配置中，正因其在廣域監(jiān)視中的潛力而重新引起人們的興趣，即使考慮到現(xiàn)實(shí)世界的損失，也顯示出高探測概率。

2.5.雷達(dá)信號功率

在實(shí)踐中，具有更高發(fā)射功率的雷達(dá)提供了改進(jìn)的探測結(jié)果。就波調(diào)制方法而言，CW（連續(xù)波）雷達(dá)所需的功率明顯低于脈沖雷達(dá)。因此，連續(xù)波雷達(dá)能更有效地探測和跟蹤無人機(jī)。許多可用的研究論文使用FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）雷達(dá)進(jìn)行無人機(jī)探測。這是由于與其他波調(diào)制方法相比，它們的用電量較低。

2.6.有源或無源

有兩種不同類型的雷達(dá)：有源雷達(dá)和無源雷達(dá)。有源雷達(dá)同時(shí)配備了發(fā)射器和接收器。發(fā)射器發(fā)射電磁波，“照射”近端目標(biāo)。接收器捕獲所有反射信號，然后對其進(jìn)行后處理，以暴露任何潛在的新目標(biāo)。當(dāng)僅采用無源感應(yīng)時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)被簡化為僅使用接收器。無源雷達(dá)場景中的目標(biāo)“照明”由其他信號源完成，包括蜂窩信號、調(diào)頻無線電信號和Wi-Fi信號等。

有源傳感實(shí)現(xiàn)了更大的探測范圍和更高的可靠性，但它需要更大的發(fā)射功率。此外，有源傳感可能無法在不同的環(huán)境條件下“照亮”目標(biāo)。此外，雷達(dá)操作員需要獲得雷達(dá)發(fā)射機(jī)信號所占用頻段的許可證并保持許可證狀態(tài)。另一方面，無源雷達(dá)不需要任何操作許可，因?yàn)樗鼈儾恢鲃影l(fā)射信號。此外，它們的用電量和成本要求顯著降低。因此，對于單個(gè)有源雷達(dá)部署的相同預(yù)算，操作員可以容納多個(gè)接收器。雖然這種無源雷達(dá)解決方案具有成本效益，但它以精度和缺乏可靠覆蓋為代價(jià)。

2.7.光束轉(zhuǎn)向

發(fā)射的信號越聚焦和越窄，越容易探測小物體。例如，使用具有寬主瓣的全向天線將導(dǎo)致探測小物體的性能較差。另一方面，使用主瓣聚焦的窄雷達(dá)波束，雖然能準(zhǔn)確探測到小物體，但卻會降低監(jiān)控范圍。一種方法是在發(fā)射機(jī)一側(cè)使用多根天線，每根天線的波束都很窄，但其排列組合可覆蓋目標(biāo)區(qū)域。另一種方法是使用轉(zhuǎn)子使發(fā)射機(jī)移動，這種方法稱為機(jī)械波束轉(zhuǎn)向，可以在一段時(shí)間內(nèi)覆蓋目標(biāo)區(qū)域。除機(jī)械波束轉(zhuǎn)向外，還有一種方法稱為電子波束轉(zhuǎn)向，即通過隨時(shí)間改變信號的相位，使窄小的發(fā)射波束掃描小范圍區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的全覆蓋。

2.8.機(jī)械或多通道掃描

接收器也可以安裝在電機(jī)上，該電機(jī)可以機(jī)械地轉(zhuǎn)動和掃描整個(gè)區(qū)域。一種替代設(shè)計(jì)利用靜態(tài)多通道天線，該天線可以接收來自任何方向的信號。大多數(shù)將發(fā)射器和接收器捆綁在一起的有源雷達(dá)通常采用靜態(tài)多通道或使用機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置來接收和發(fā)射信號。

2.9.微多普勒分析

微多普勒分析用于雷達(dá)分析，以指紋識別目標(biāo)物體。這與用于確定目標(biāo)物體的速度和方向的多普勒效應(yīng)不同。目標(biāo)物身體或目標(biāo)上任何其他運(yùn)動部件中的任何振動或運(yùn)動都可以使用微多普勒分析進(jìn)行測量。在分析無人機(jī)反射雷達(dá)信號時(shí)，使微多普勒分析可行的主要來源是無人機(jī)螺旋槳。微多普勒分析可以幫助區(qū)分無人機(jī)和鳥類，從而減少誤報(bào)。此外，使用微多普勒分析，我們可以估計(jì)目標(biāo)無人機(jī)的結(jié)構(gòu)特征。這包括轉(zhuǎn)子葉片的長度。

圖4：微多普勒分析模擬：（a）兩個(gè)17厘米葉片（b）兩個(gè)34厘米葉片，以30Hz RPM轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，由中心頻率為2.41GHz的連續(xù)被雷達(dá)捕獲。

2.10.未來雷達(dá)無人機(jī)探測

一個(gè)有前景的研究方向是利用商用5G蜂窩通信進(jìn)行無人機(jī)探測。地面和衛(wèi)星5G通信既可以用作無源雷達(dá)源，也可以用作有源雷達(dá)源，用于照明和探測無人機(jī)。許多研究旨在調(diào)查利用現(xiàn)有和未來5G基礎(chǔ)設(shè)施能力進(jìn)行無人機(jī)探測的挑戰(zhàn)和局限性。由于5G可以在基站中使用毫米波天線進(jìn)行通信，因此可以想象，5G基礎(chǔ)設(shè)施也可以用作雷達(dá)進(jìn)行探測。

我們已經(jīng)討論了在選擇合適的雷達(dá)來探測小型無人機(jī)時(shí)面臨的挑戰(zhàn)和潛在的設(shè)計(jì)參數(shù)。我們要重申，有許多參數(shù)需要考慮。目標(biāo)無人機(jī)的尺寸和材料、操作環(huán)境限制以及所使用的雷達(dá)系統(tǒng)類型只是一些主要的解決方案驅(qū)動因素。我們還需要考慮到相關(guān)的行動和部署成本。

3.聲學(xué)傳感器

利用無人機(jī)產(chǎn)生的獨(dú)特噪聲特征，利用聲學(xué)信號進(jìn)行無人機(jī)探測正成為安全和監(jiān)視領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。這種方法利用了無人機(jī)螺旋槳和電機(jī)產(chǎn)生的獨(dú)特聲學(xué)模式，即使在視覺障礙的環(huán)境中也能識別和跟蹤無人機(jī)。先進(jìn)的信號處理和深度學(xué)習(xí)技術(shù)越來越多地被用于提高探測的準(zhǔn)確性和速度，使用這種方法在保護(hù)隱私、確保安全和監(jiān)控受限空間方面非常有效。聲學(xué)傳感器技術(shù)的先進(jìn)性，加上人工智能驅(qū)動分析的集成，為實(shí)時(shí)、可靠的無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)鋪平了道路。

聲學(xué)傳感器雖然具有成本效益，但也有一些顯著的缺點(diǎn)，在進(jìn)行無人機(jī)探測時(shí)需要考慮這些缺點(diǎn)。它們的主要局限性在于，它們的性能高度依賴于目標(biāo)與傳感器的距離。最先進(jìn)的聲學(xué)探測機(jī)構(gòu)提供的最大范圍大約為幾百米。更糟糕的是，在被環(huán)境聲音和噪音污染的擁擠嘈雜的城市環(huán)境中，聲學(xué)傳感器的性能急劇下降。因此，聲學(xué)傳感器在使用巡邏無人機(jī)或其他噪聲設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視的探測場景中表現(xiàn)不佳。通常，在環(huán)境噪聲過高的任何部署場景中，聲學(xué)傳感器的性能都很差。從好的方面來說，聲學(xué)傳感器價(jià)格低廉，可以很容易地獲取、安裝和部署。此外，它們在任何天氣條件下都能表現(xiàn)良好，無論是在白天還是晚上，而且它們不需要目標(biāo)物體的視線。盡管如此，當(dāng)單獨(dú)使用時(shí)，由于上述缺點(diǎn)，它們不提供性能保證。然而，作為配套傳感器，它們可以提高整個(gè)系統(tǒng)的性能和準(zhǔn)確性。

此外，由于無人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的使用越來越多，以及相關(guān)的安全問題，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在使用聲學(xué)特征的無人機(jī)探測和識別中的應(yīng)用越來越突出。

在無人機(jī)上部署聲學(xué)傳感器拓展了聲學(xué)監(jiān)測的視野，開辟了一個(gè)新的可能性領(lǐng)域，包括巡邏和監(jiān)測作用。這些安裝在無人機(jī)上的聲學(xué)攝像頭可以作為空中的警戒哨兵，不僅可以探測其他無人機(jī)，還可以用于更廣泛的監(jiān)視應(yīng)用。

4.射頻地面通信傳感器

探測無人機(jī)在禁飛區(qū)存在的最廣泛使用的方法之一是通過感應(yīng)無人機(jī)和地面控制器之間的射頻通信。該方法利用射頻傳感器作為掃描射頻通信信道傳輸?shù)慕邮掌?。射頻傳感器的設(shè)計(jì)目的是探測無人機(jī)用于與地面控制器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)纳漕l頻率范圍。第一步是區(qū)分現(xiàn)有的和新的射頻通信。

對于無人機(jī)的射頻傳感，所有方法的共同假設(shè)是，目標(biāo)無人機(jī)與其地面控制器之間存在射頻通信鏈路。進(jìn)一步假設(shè)，即使在存在其他信號的情況下，也可以捕獲并精確地分析該控制信號。事實(shí)上，對于許多商用無人機(jī)來說，射頻信號是從地面控制器向無人機(jī)傳達(dá)導(dǎo)航命令的主要手段，相反，在下載無人機(jī)捕捉的圖像、視頻和其他感官信息等捕捉數(shù)據(jù)時(shí)也是如此。雖然這些假設(shè)對許多商用現(xiàn)成無人機(jī)有效，但也有一些無人機(jī)能夠自主飛行，而無需接收定期導(dǎo)航命令。此外，在某些情況下，無人機(jī)配備了足夠的機(jī)載內(nèi)存，可以長時(shí)間捕捉感官信息。因此，即使無人機(jī)支持射頻通信，無人機(jī)和地面控制器之間也可能會有很長一段時(shí)間沒有射頻通信。無人機(jī)探測的射頻傳感的另一個(gè)挑戰(zhàn)是環(huán)境射頻噪聲的存在。在城市地區(qū)尤其如此，因?yàn)槟抢锏臒o線活動很普遍，從地面和空中目標(biāo)（不一定是無人機(jī)）產(chǎn)生重疊和恒定的射頻傳輸。例如，人們在高樓的高層行走時(shí)，使用Wi-Fi設(shè)備從互聯(lián)網(wǎng)上傳輸視頻，這類似于無人機(jī)的移動和傳輸。因此，由于環(huán)境和噪聲方面的考慮，包括來自靜止和移動目標(biāo)的多個(gè)并發(fā)通信的存在，僅僅依靠射頻傳感對于城市環(huán)境是不可靠的。另一方面，在人口較少或無線設(shè)備很少的農(nóng)村地區(qū)，視頻信道主要是靜音的。因此，很容易感知無人機(jī)與其地面控制器之間的通信。

雖然使用射頻地面通信信號進(jìn)行無人機(jī)探測有局限性，但它提供了一種經(jīng)濟(jì)高效且易于實(shí)施的機(jī)制。當(dāng)在更長的區(qū)域和時(shí)間內(nèi)操作時(shí)，它可能很有用。此外，當(dāng)它在任何天氣或光線條件下工作時(shí)，它可以與其他傳感器相結(jié)合，并且不需要直接的視距。此外，這種方法甚至可以在無人機(jī)起飛之前以及無人機(jī)看起來靜止時(shí)（即無人機(jī)已經(jīng)著陸或只是懸停）探測到無人機(jī)。只要存在與無人機(jī)之間的有源射頻通信鏈路，射頻傳感器就可以探測到它。

更重要的是，這是唯一可以定位無人機(jī)地面控制器以及無人機(jī)本身的方法。換言之，在各種無人機(jī)探測方法中，射頻信號的利用尤為突出，因?yàn)樗粌H能夠探測無人機(jī)，而且能夠使用各種定位技術(shù)精確定位無人機(jī)控制器在地面上的位置。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，它利用了無人機(jī)與其控制器之間的通信鏈路，控制器不斷交換射頻信號以進(jìn)行操作和控制。通過分析這些信號，可以追溯到控制器的確切位置，在識別操作員與探測無人機(jī)本身一樣重要的情況下提供了顯著的優(yōu)勢。射頻信號分析的這一雙重功能使其成為全面無人機(jī)監(jiān)視和安全措施的關(guān)鍵工具，提供了純面向探測的技術(shù)無法提供的一層情報(bào)。

圖5：使用射頻傳感器定位入侵無人機(jī)的地面控制器。

5.光學(xué)傳感器

光學(xué)傳感器包括相機(jī)、門控激光器和執(zhí)行光學(xué)處理的其他視覺傳感模式。光學(xué)傳感器的使用提供了另一種探測和分類無人機(jī)的方法。與使用雷達(dá)類似，部署光學(xué)傳感器有兩種方法：有源和無源。在有源傳感器中，探測系統(tǒng)利用門控激光器發(fā)射的光信號來“照射”感興趣的區(qū)域或目標(biāo)。通過處理來自目標(biāo)的反射光信號來進(jìn)行探測。無源傳感器方法利用相機(jī)等光學(xué)接收器來捕捉圖像或視頻，用于無人機(jī)的視覺處理和分類。使用相機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠顯示輔助無人機(jī)分類的額外信息。圖像和視頻處理技術(shù)可用于區(qū)分無人機(jī)和其他飛行物體或鳥類。視覺分類可以區(qū)分敵友無人機(jī)，并確定無人機(jī)的類型。因此，在可用的情況下，光學(xué)傳感可以超越單純的物體探測，以高精度進(jìn)行物體分類。

光學(xué)傳感器的主要缺點(diǎn)是它們依賴于對目標(biāo)的不受抑制的視距。此外，在視力受損的環(huán)境中，它們的準(zhǔn)確性會顯著下降。例如，即使使用夜視相機(jī)，在光線減少或光線不足的情況下捕獲的信息質(zhì)量也遠(yuǎn)不是最佳的。事實(shí)上，在不同的天氣條件下（如霧、多云、下雨等），相機(jī)可能無法對小目標(biāo)產(chǎn)生可靠的探測結(jié)果。另一個(gè)限制是，相機(jī)提供用于探測的窄光束。這意味著單個(gè)攝像機(jī)不能同時(shí)覆蓋感興趣的大區(qū)域。因此，我們必須使用多個(gè)相機(jī)或旋轉(zhuǎn)一個(gè)相機(jī)來擴(kuò)展感興趣的區(qū)域。雖然有源視覺傳感（即激光）不像普通相機(jī)那樣對天氣條件敏感，但它們只能在距離目標(biāo)很短的距離內(nèi)提供探測。

圖6：不同傳感器的最大探測范圍。“高”表示1英里左右的范圍，“短”表示小于1000英尺，“太短”表示小于350英尺。

6.多傳感器方法

所有傳感器模態(tài)都有局限性，在某些環(huán)境和天氣條件下可能不可靠。我們認(rèn)為，一個(gè)強(qiáng)大的無人機(jī)探測系統(tǒng)應(yīng)該依賴于一種以上的傳感模式。適當(dāng)選擇的傳感模式可以相互補(bǔ)充，提高整體可靠性和識別穩(wěn)健性。因此，我們可以根據(jù)環(huán)境條件融合不同類型的傳感器，從而獲得更好的性能。

換言之，傳感器需要相互補(bǔ)充缺點(diǎn)，以提高整體系統(tǒng)質(zhì)量并降低錯誤探測的風(fēng)險(xiǎn)。例如，單獨(dú)的聲學(xué)系統(tǒng)可能表現(xiàn)不佳，因?yàn)樗鼰o法在更高的高度探測到無人機(jī)。然而，通過將該系統(tǒng)與有源雷達(dá)集成，我們可以實(shí)現(xiàn)更長距離的探測。此外，我們可以通過設(shè)計(jì)一個(gè)融合雷達(dá)和聲學(xué)傳感器數(shù)據(jù)的系統(tǒng)來提高短距離探測的準(zhǔn)確性。對于長距離，我們?yōu)槔走_(dá)的輸出分配更高的權(quán)重，而對于較短的距離，我們給聲學(xué)傳感器分配更大的權(quán)重。這種方法確保了在所有范圍內(nèi)都有更好的探測質(zhì)量。換言之，當(dāng)組合來自不同傳感器的結(jié)果時(shí)，系統(tǒng)需要根據(jù)其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)為結(jié)果分配權(quán)重。這樣，在任何給定的時(shí)間，我們都信任在特定情況下具有更好強(qiáng)度的傳感器，而在該傳感器表現(xiàn)不佳的情況下，其他傳感器將在決策過程中具有更高的權(quán)重。

7.討論

在對現(xiàn)有研究進(jìn)行全面調(diào)查后，得出的結(jié)論是，可靠的無人機(jī)探測系統(tǒng)需要多種傳感器模式的組合。有鑒于此，我們提出了一些我們設(shè)計(jì)并提出的樣本系統(tǒng)，以供未來研究中進(jìn)一步調(diào)查和性能評估。

圖7描繪了我們設(shè)計(jì)的多傳感器無人機(jī)探測系統(tǒng)的初始示例。如圖所示，首先，現(xiàn)成的低能量聲學(xué)傳感器捕獲環(huán)境中的所有聲學(xué)信號，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對信號進(jìn)行處理。如果算法探測到無人機(jī)的存在，它會觸發(fā)另一個(gè)傳感器，由云臺變焦（PTZ）攝像機(jī)來確認(rèn)探測結(jié)果，并將無人機(jī)歸類為友好無人機(jī)或入侵者。

作為探測系統(tǒng)的另一個(gè)例子，我們建議在創(chuàng)新的自適應(yīng)多傳感器系統(tǒng)中利用5G蜂窩塔來識別入侵無人機(jī)的存在，對其類型進(jìn)行分類，并定位其地面控制器。5G蜂窩塔中的大型天線陣列系統(tǒng)有潛力被用作適用于探測無人機(jī)的高頻、高分辨率雷達(dá)。

圖7：用于無人機(jī)探測的聲學(xué)天線陣列與云臺攝像頭結(jié)合使用，以確認(rèn)無人機(jī)的存在，并將其歸類為友好無人機(jī)或入侵者。

在這個(gè)提出的例子中，提出了一種自適應(yīng)多傳感器探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將5G技術(shù)與額外的輔助傳感模式相結(jié)合，以解決5G有局限性的場景。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于在擁擠的城市環(huán)境和安靜的農(nóng)村地區(qū)運(yùn)行，由三個(gè)主要部分組成：探測、驗(yàn)證和定位。這些塊協(xié)同工作以提供無人機(jī)對地面控制器的探測、分類和定位。將提供每個(gè)區(qū)塊的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，包括5G技術(shù)在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)方面發(fā)揮的關(guān)鍵作用。

探測：無人機(jī)探測過程的第一步是實(shí)現(xiàn)任何空中物體的存在，包括友軍或敵方無人機(jī)。在這一部分中，我們展示了探測塊，并解釋了它如何適應(yīng)不同的環(huán)境。5G基站天線和聲學(xué)天線陣列是該塊的兩個(gè)主要組成部分，它們作為毫米波技術(shù)的有源雷達(dá)運(yùn)行。

雖然雷達(dá)是探測空中物體最有前途的方法，尤其是在有視覺障礙和射頻噪聲的擁擠城市地區(qū)，但由于商用無人機(jī)的體積較小，使用傳統(tǒng)雷達(dá)具有挑戰(zhàn)性。然而，通過在城市地區(qū)使用密集的5G基站網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)受益于高頻毫米波信號，這些信號更適合探測小物體。雷達(dá)的發(fā)射信號必須短于物體的大小才能探測到它。5G毫米波技術(shù)中可用的更高頻率意味著更小的波長和更好的能見度，即使對于小型無人機(jī)也是如此。此外，5G毫米波范圍內(nèi)的大帶寬可提高分辨率。

5G基站中的相控陣天線提供了電子掃描能力，使掃描過程比機(jī)械掃描碟形天線更可靠、更快。此外，使用現(xiàn)有的5G基礎(chǔ)設(shè)施可以提高成本效益，避免安裝額外的高頻雷達(dá)。最后，來自5G基站天線的接收信號可以進(jìn)行微多普勒分析，從而獲得關(guān)于探測對象的形狀、類型和其他特征的更精確信息。

探測塊中使用的互補(bǔ)傳感器是聲學(xué)天線陣列接收器，它可以感知無人機(jī)的螺旋槳噪聲。通過使用預(yù)先訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，使用聲學(xué)天線陣列在不同環(huán)境和無人機(jī)場景中獲得的聲學(xué)信號，我們可以準(zhǔn)確地探測無人機(jī)在環(huán)境中的存在。聲學(xué)傳感器在設(shè)備和用電量方面都具有成本效益，但在短距離和在噪聲環(huán)境中的較差性能方面具有局限性。這種傳感器在噪聲最小的情況下很有價(jià)值，例如在農(nóng)村地區(qū)，5G基站的密度不足以建立可靠的無人機(jī)探測系統(tǒng)。

總之，我們的無人機(jī)探測系統(tǒng)的核心是探測塊，它包括兩個(gè)傳感器。首先，我們使用5G基站天線作為高頻大帶寬雷達(dá)，可以通過其多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)通過波束控制來跟蹤入侵的無人機(jī)。其次，我們利用連接到機(jī)器學(xué)習(xí)程序的聲學(xué)天線陣列，該程序可以通過分析陣列接收到的螺旋槳噪聲來探測無人機(jī)的存在和類型。從這兩個(gè)傳感器獲得的數(shù)據(jù)在決策算法中融合在一起，其中每個(gè)數(shù)據(jù)基于環(huán)境條件具有唯一的權(quán)重。例如，在人口稠密的城市地區(qū)，人們更加重視5G數(shù)據(jù)，而在農(nóng)村5G基站較少的地區(qū)，該系統(tǒng)為從聲學(xué)傳感器獲取的數(shù)據(jù)分配了更大的權(quán)重。因此，該系統(tǒng)通過補(bǔ)償彼此的缺陷克服了每個(gè)傳感器的局限性，提供了可靠的無人機(jī)探測機(jī)制。

驗(yàn)證：這一階段的目的有兩個(gè)：通過更仔細(xì)的檢查來驗(yàn)證已識別的物體，并通過消除錯誤探測鳥類或友好無人機(jī)等小型實(shí)體的可能性來對其進(jìn)行準(zhǔn)確分類。這是通過將攝像機(jī)指向所識別的目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)的。雖然在不太擁擠的環(huán)境中，如農(nóng)村地區(qū)，一臺具有遠(yuǎn)程定向和變焦功能的云臺攝像機(jī)就足夠了，但在擁擠的城市環(huán)境中，多個(gè)障礙物阻擋了視線，該系統(tǒng)利用配備了攝像機(jī)的無人機(jī)監(jiān)視目標(biāo)，可以接近目標(biāo)進(jìn)行更近距離的觀察。為了方便監(jiān)視無人機(jī)與地面控制器之間的通信，例如將監(jiān)視無人機(jī)導(dǎo)航到目標(biāo)并傳輸實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)，采用了5G技術(shù)的側(cè)鏈通信。

定位控制器：到目前為止，我們已經(jīng)概述了無人機(jī)探測過程的最初兩個(gè)部分。在這里，我們介紹了在農(nóng)村和城市環(huán)境中使用的射頻傳感器的使用，以在地面上定位無人機(jī)的控制器，這對探測過程中的后續(xù)步驟至關(guān)重要。據(jù)此，我們得出了我們提出的多傳感器無人機(jī)探測系統(tǒng)的結(jié)論，該系統(tǒng)采用了各種傳感器模態(tài)的融合，協(xié)同工作，以確保一個(gè)穩(wěn)健的無人機(jī)探測系統(tǒng)。

表2：我們提出的自適應(yīng)多傳感器探測系統(tǒng)。

8.結(jié)論與未來工作討論

我們概述了無人機(jī)探測的可用方法。雷達(dá)傳感器似乎是探測無人機(jī)最有前途的方法。然而，它們的成本相對較高。另一方面，聲學(xué)傳感器限于低噪聲環(huán)境，但提供低能量和部署成本。此外，我們還討論了射頻傳感如何探測無人機(jī)與地面控制器的通信。然而，許多無人機(jī)可以自主飛行，并在很長一段時(shí)間內(nèi)保持“沉默”。這將阻礙射頻傳感探測到它們的存在。我們還討論了在有源條件下使用的光學(xué)傳感器，如激光雷達(dá)，也可以在無源模式下使用，如視頻和靜態(tài)成像。視覺傳感器在目標(biāo)識別方面具有優(yōu)勢。然而，它們的準(zhǔn)確性會因距離、對目標(biāo)缺乏視距以及環(huán)境條件而受損。最后，我們介紹了最近的研究，這些研究結(jié)合了不同的傳感模式，為無人機(jī)探測開發(fā)了更可靠、更準(zhǔn)確的方法。

我們的調(diào)查清楚地表明，使用多類傳感器可以減輕一些傳感器的局限性。此外，它可以提高在不利操作場景下的探測穩(wěn)健性。在能耗、成本、性能和操作要求之間存在明顯的權(quán)衡，單個(gè)傳感器可能無法優(yōu)化這些權(quán)衡。使用僅在需要時(shí)才可操作的多種傳感模式可能是答案。因此，在未來的研究中，應(yīng)進(jìn)一步研究使用交叉?zhèn)鞲袑W(xué)習(xí)算法和按需與連續(xù)傳感相結(jié)合的方法來提高多傳感器性能。