《傳感器》（Sensors）期刊發(fā)布了一篇名為《保護你的空域：探測入侵保護區(qū)的無人機》的論文。全文主要包括摘要、介紹、雷達、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，迫切需要對無人機進行實時準(zhǔn)確的探測和分類。本文概述了無人機探測方法，強調(diào)了它們的優(yōu)點和局限性。我們分析了使用雷達、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，但還需要進一步的研究。

1.介紹

在過去的幾十年里，無人機發(fā)展迅速，導(dǎo)致了價格合理的無人機的大規(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進行商品配送，而執(zhí)法部門則利用無人機進行速度檢查。在災(zāi)難發(fā)生期間，無人機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)進步類似，無人機也可用于非法目的。事實上，犯罪集團使用無人機走私貨物和破壞安全地點。即使是無惡意使用無人機也可能導(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）的干擾。例如，2016年，迪拜機場報告稱，為了避免未經(jīng)授權(quán)的無人機活動，該機場不得不關(guān)閉三次。

因此，實時無人機探測、二進制分類和跟蹤非常必要。無人機的普及、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：有源雷達、無源雷達、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。無人機探測系統(tǒng)通常部署在感興趣區(qū)域的附近。當(dāng)無人機進入受保護的禁飛區(qū)時，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制執(zhí)行自動化策略。

圖1：不同的無人機探測技術(shù)。

在這篇調(diào)查文章中，我們概述了探測無人機的可用方法。我們的目標(biāo)是了解無人機探測技術(shù)的設(shè)計空間，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，因為就精度而言，雷達是最有前途的方法。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傳感器以提高探測精度。

表1：無人機探測方法的優(yōu)點和缺點

2.雷達

當(dāng)前最先進的移動物體探測解決方案，無論是探測大型無人機還是小鳥，都涉及某種形式的雷達。雷達提供高范圍覆蓋，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。這些能力使雷達技術(shù)成為無人機探測系統(tǒng)的最佳候選者之一。評估使用雷達進行無人機探測的可行性受到了相當(dāng)大的關(guān)注。然而，在設(shè)計和部署適用于探測無人機的雷達時，存在一些實際限制和成本考慮。

2.1.雷達配置

雷達系統(tǒng)根據(jù)其配置進行分類，特別是根據(jù)其發(fā)射機和接收機部件的空間布置進行分類。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。這三種雷達配置的直觀圖示如圖2所示。

圖2：不同雷達配置的可視化表示：單站、雙站和多站。

2.1.1.靜態(tài)雷達配置

在單基地雷達設(shè)置中，發(fā)射機和接收機位于同一位置或共享同一天線系統(tǒng)。從交通執(zhí)法到小型無人機探測，這種配置是人們最熟悉和廣泛使用的。單站雷達的主要優(yōu)點是其簡單性，因為它只需要一個發(fā)射和接收站點。這種配置對于短程應(yīng)用非常有效，并且目標(biāo)與雷達的相對運動非常顯著，有助于強信號反射回源。

2.1.2.雙站雷達配置

雙站雷達的特點是發(fā)射機和接收機位置在空間上分離，它們之間的距離可以顯著變化。這種分離帶來了獨特的優(yōu)勢，例如由于接收器可以放置在遠離發(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等低可觀測物體。雙站雷達在單站雷達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)射機和接收機同步的復(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.多站雷達配置

多站雷達通過利用多個接收機，在某些情況下還利用多個發(fā)射機，擴展了雙站概念。這種配置提供了更強的覆蓋范圍和探測能力，因為對目標(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。多站雷達系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)涉及來自多個地點的復(fù)雜協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)融合，需要先進的信號處理和網(wǎng)絡(luò)能力。

通常，這些配置之間的差異主要在于發(fā)射機和接收機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，在隱形探測和作戰(zhàn)彈性方面提供了優(yōu)勢。更具體地說，雙站和多站雷達配置已經(jīng)實現(xiàn)了無源雷達探測的能力。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)射機的需求而提供了顯著的優(yōu)勢。這不僅降低了成本，增強了隱形能力，使對手更難探測到雷達系統(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)碾姶泡椛洌瑏硖綔y和跟蹤無人機。通過使用這些無處不在的信號，無源雷達可以有效地監(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。無源雷達技術(shù)的進一步探索將在接下來的章節(jié)中詳細介紹，強調(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.雷達散射橫截面積

主要的挑戰(zhàn)是無人機的可變尺寸，這可能使它們對傳統(tǒng)雷達不可見。由于一些無人機的體積小，其主體材料結(jié)構(gòu)反射指數(shù)低，雷達散射橫截面積（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

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

2.4.雷達散射

雷達系統(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)代視角進行了詳細說明，表明當(dāng)雙站角度（即從發(fā)射機到目標(biāo)再到接收機的角度）接近180°時，雷達波可以從其原始路徑向前散射。由于在這種條件下增強了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）特別有利。另一方面，后向散射是指雷達波直接反射回接收器。

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

RCS是無人機探測的一個關(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探測的有效性。這種可變性突出了多站雷達系統(tǒng)的優(yōu)勢，該系統(tǒng)利用多個接收器位置來增加從目標(biāo)的各個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)在某些情況下的實用性。盡管存在這些挑戰(zhàn)，前向散射雷達，尤其是在具有機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)實世界的損失，也顯示出高探測概率。

2.5.雷達信號功率

在實踐中，具有更高發(fā)射功率的雷達提供了改進的探測結(jié)果。就波調(diào)制方法而言，CW（連續(xù)波）雷達所需的功率明顯低于脈沖雷達。因此，連續(xù)波雷達能更有效地探測和跟蹤無人機。許多可用的研究論文使用FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）雷達進行無人機探測。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：有源雷達和無源雷達。有源雷達同時配備了發(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，雷達系統(tǒng)被簡化為僅使用接收器。無源雷達場景中的目標(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，雷達操作員需要獲得雷達發(fā)射機信號所占用頻段的許可證并保持許可證狀態(tài)。另一方面，無源雷達不需要任何操作許可，因為它們不主動發(fā)射信號。此外，它們的用電量和成本要求顯著降低。因此，對于單個有源雷達部署的相同預(yù)算，操作員可以容納多個接收器。雖然這種無源雷達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。

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)射機移動，這種方法稱為機械波束轉(zhuǎn)向，可以在一段時間內(nèi)覆蓋目標(biāo)區(qū)域。除機械波束轉(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，從而實現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的全覆蓋。

2.8.機械或多通道掃描

接收器也可以安裝在電機上，該電機可以機械地轉(zhuǎn)動和掃描整個區(qū)域。一種替代設(shè)計利用靜態(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通常采用靜態(tài)多通道或使用機械旋轉(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)上任何其他運動部件中的任何振動或運動都可以使用微多普勒分析進行測量。在分析無人機反射雷達信號時，使微多普勒分析可行的主要來源是無人機螺旋槳。微多普勒分析可以幫助區(qū)分無人機和鳥類，從而減少誤報。此外，使用微多普勒分析，我們可以估計目標(biāo)無人機的結(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17厘米葉片（b）兩個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)被雷達捕獲。

2.10.未來雷達無人機探測

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

我們已經(jīng)討論了在選擇合適的雷達來探測小型無人機時面臨的挑戰(zhàn)和潛在的設(shè)計參數(shù)。我們要重申，有許多參數(shù)需要考慮。目標(biāo)無人機的尺寸和材料、操作環(huán)境限制以及所使用的雷達系統(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

利用無人機產(chǎn)生的獨特噪聲特征，利用聲學(xué)信號進行無人機探測正成為安全和監(jiān)視領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)。這種方法利用了無人機螺旋槳和電機產(chǎn)生的獨特聲學(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。先進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)的先進性，加上人工智能驅(qū)動分析的集成，為實時、可靠的無人機監(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，在進行無人機探測時需要考慮這些缺點。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。最先進的聲學(xué)探測機構(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或其他噪聲設(shè)備進行監(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)單獨使用時，由于上述缺點，它們不提供性能保證。然而，作為配套傳感器，它們可以提高整個系統(tǒng)的性能和準(zhǔn)確性。

此外，由于無人機在各個領(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)特征的無人機探測和識別中的應(yīng)用越來越突出。

在無人機上部署聲學(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，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)慕邮掌鳌Ｉ漕l傳感器的設(shè)計目的是探測無人機用于與地面控制器進行控制和數(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。

對于無人機的射頻傳感，所有方法的共同假設(shè)是，目標(biāo)無人機與其地面控制器之間存在射頻通信鏈路。進一步假設(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。事實上，對于許多商用無人機來說，射頻信號是從地面控制器向無人機傳達導(dǎo)航命令的主要手段，相反，在下載無人機捕捉的圖像、視頻和其他感官信息等捕捉數(shù)據(jù)時也是如此。雖然這些假設(shè)對許多商用現(xiàn)成無人機有效，但也有一些無人機能夠自主飛行，而無需接收定期導(dǎo)航命令。此外，在某些情況下，無人機配備了足夠的機載內(nèi)存，可以長時間捕捉感官信息。因此，即使無人機支持射頻通信，無人機和地面控制器之間也可能會有很長一段時間沒有射頻通信。無人機探測的射頻傳感的另一個挑戰(zhàn)是環(huán)境射頻噪聲的存在。在城市地區(qū)尤其如此，因為那里的無線活動很普遍，從地面和空中目標(biāo)（不一定是無人機）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，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行無人機探測有局限性，但它提供了一種經(jīng)濟高效且易于實施的機制。當(dāng)在更長的區(qū)域和時間內(nèi)操作時，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，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起飛之前以及無人機看起來靜止時（即無人機已經(jīng)著陸或只是懸停）探測到無人機。只要存在與無人機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地面控制器以及無人機本身的方法。換言之，在各種無人機探測方法中，射頻信號的利用尤為突出，因為它不僅能夠探測無人機，而且能夠使用各種定位技術(shù)精確定位無人機控制器在地面上的位置。為了實現(xiàn)這一點，它利用了無人機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。

圖5：使用射頻傳感器定位入侵無人機的地面控制器。

5.光學(xué)傳感器

光學(xué)傳感器包括相機、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的方法。與使用雷達類似，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)的反射光信號來進行探測。無源傳感器方法利用相機等光學(xué)接收器來捕捉圖像或視頻，用于無人機的視覺處理和分類。使用相機的主要優(yōu)點是能夠顯示輔助無人機分類的額外信息。圖像和視頻處理技術(shù)可用于區(qū)分無人機和其他飛行物體或鳥類。視覺分類可以區(qū)分敵友無人機，并確定無人機的類型。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，以高精度進行物體分類。

光學(xué)傳感器的主要缺點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，在光線減少或光線不足的情況下捕獲的信息質(zhì)量也遠不是最佳的。事實上，在不同的天氣條件下（如霧、多云、下雨等），相機可能無法對小目標(biāo)產(chǎn)生可靠的探測結(jié)果。另一個限制是，相機提供用于探測的窄光束。這意味著單個攝像機不能同時覆蓋感興趣的大區(qū)域。因此，我們必須使用多個相機或旋轉(zhuǎn)一個相機來擴展感興趣的區(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。我們認為，一個強大的無人機探測系統(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，傳感器需要相互補充缺點，以提高整體系統(tǒng)質(zhì)量并降低錯誤探測的風(fēng)險。例如，單獨的聲學(xué)系統(tǒng)可能表現(xiàn)不佳，因為它無法在更高的高度探測到無人機。然而，通過將該系統(tǒng)與有源雷達集成，我們可以實現(xiàn)更長距離的探測。此外，我們可以通過設(shè)計一個融合雷達和聲學(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_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，系統(tǒng)需要根據(jù)其優(yōu)點和缺點為結(jié)果分配權(quán)重。這樣，在任何給定的時間，我們都信任在特定情況下具有更好強度的傳感器，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)有研究進行全面調(diào)查后，得出的結(jié)論是，可靠的無人機探測系統(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)計并提出的樣本系統(tǒng)，以供未來研究中進一步調(diào)查和性能評估。

圖7描繪了我們設(shè)計的多傳感器無人機探測系統(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，并使用機器學(xué)習(xí)算法對信號進行處理。如果算法探測到無人機的存在，它會觸發(fā)另一個傳感器，由云臺變焦（PTZ）攝像機來確認探測結(jié)果，并將無人機歸類為友好無人機或入侵者。

作為探測系統(tǒng)的另一個例子，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的存在，對其類型進行分類，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的高頻、高分辨率雷達。

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

在這個提出的例子中，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)計用于在擁擠的城市環(huán)境和安靜的農(nóng)村地區(qū)運行，由三個主要部分組成：探測、驗證和定位。這些塊協(xié)同工作以提供無人機對地面控制器的探測、分類和定位。將提供每個區(qū)塊的進一步細節(jié)，包括5G技術(shù)在實現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)方面發(fā)揮的關(guān)鍵作用。

探測：無人機探測過程的第一步是實現(xiàn)任何空中物體的存在，包括友軍或敵方無人機。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主要組成部分，它們作為毫米波技術(shù)的有源雷達運行。

雖然雷達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)，但由于商用無人機的體積較小，使用傳統(tǒng)雷達具有挑戰(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。最后，來自5G基站天線的接收信號可以進行微多普勒分析，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傳感器是聲學(xué)天線陣列接收器，它可以感知無人機的螺旋槳噪聲。通過使用預(yù)先訓(xùn)練的機器學(xué)習(xí)模型，使用聲學(xué)天線陣列在不同環(huán)境和無人機場景中獲得的聲學(xué)信號，我們可以準(zhǔn)確地探測無人機在環(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探測系統(tǒng)。

總之，我們的無人機探測系統(tǒng)的核心是探測塊，它包括兩個傳感器。首先，我們使用5G基站天線作為高頻大帶寬雷達，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。其次，我們利用連接到機器學(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的存在和類型。從這兩個傳感器獲得的數(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)通過補償彼此的缺陷克服了每個傳感器的局限性，提供了可靠的無人機探測機制。

驗證：這一階段的目的有兩個：通過更仔細的檢查來驗證已識別的物體，并通過消除錯誤探測鳥類或友好無人機等小型實體的可能性來對其進行準(zhǔn)確分類。這是通過將攝像機指向所識別的目標(biāo)來實現(xiàn)的。雖然在不太擁擠的環(huán)境中，如農(nóng)村地區(qū)，一臺具有遠程定向和變焦功能的云臺攝像機就足夠了，但在擁擠的城市環(huán)境中，多個障礙物阻擋了視線，該系統(tǒng)利用配備了攝像機的無人機監(jiān)視目標(biāo)，可以接近目標(biāo)進行更近距離的觀察。為了方便監(jiān)視無人機與地面控制器之間的通信，例如將監(jiān)視無人機導(dǎo)航到目標(biāo)并傳輸實時視頻數(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)概述了無人機探測過程的最初兩個部分。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，以確保一個穩(wěn)健的無人機探測系統(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

我們概述了無人機探測的可用方法。雷達傳感器似乎是探測無人機最有前途的方法。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與地面控制器的通信。然而，許多無人機可以自主飛行，并在很長一段時間內(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，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，單個傳感器可能無法優(yōu)化這些權(quán)衡。使用僅在需要時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。