一种反无人机分布式组网探测方法及其装置与流程

本发明涉及一种反无人机探测方法及其装置，特别是一种反无人机分布式组网探测方法及其装置。

背景技术：

随着无人机产业的迅猛发展，小型无人机在物流、搜救、遥感测绘等各个领域的应用日益广泛。与此同时，无人机滥飞、黑飞甚至利用无人机进行恐怖袭击、偷拍、偷运武器、毒品等无序和违法飞行现象也日趋严重，已成为低空领域的重大隐患和公共安全的新问题，迫切需要研究无人机反制技术并研制可靠的技术装备解决公安、民航、军事等行业和部门对保障低空安全的广泛需求。

无人机反制技术研究的起步阶段重点关注于如何拦截无人机，提出了大功率压制干扰和电子对抗两种方式干扰无人机控制和导航通信链路，以实现无人机拦截。然而，无人机反制技术的关键是如何发现和识别无人机，尤其是处于无线电静默状态的无人机，因此用于发现和识别的反无人机探测方法与装置成为目前研究的热点。现有的反无人机探测方法和装置主要利用声波和电磁主动探测手段发现包含无线电静默状态的各类型无人机，而利用可见光和红外成像手段识别无人机，但此类装置均属于单点探测设备，只能布设在单个位置点进行无人机探测，无法布设于多个位置点进行组网探测，受限于探测视角和作用距离，此类单点探测装置存在探测范围小、捕获率低、定位精度差、识别率低的缺点，此外，无人机发现和识别两个阶段的交互较差，发现阶段确定的无人机位置无法自动控制识别阶段的可见光和红外聚焦成像，还需人工介入，操作复杂，探测效率低。上述缺点使得此类单点探测装置难以满足对低空领域的无人机进行大范围、高效稳健探测的实际需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种反无人机分布式组网探测方法及其装置，实现多点探测、满足无人机大范围、高效稳健探测需求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种反无人机分布式组网探测方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：将至少两台光电红外复合传感探测组件分布放置于探测区域周围组成反无人机探测网络；

步骤二：以每台光电红外复合传感探测组件的位置建立三维探测直角坐标系；

步骤三：每台光电红外复合探测组件中的宽带有源相控阵雷达单元通过电控波束扫描探测发现并确定待测无人机的位置；

步骤四：确定无人机位置的光电红外复合探测组件的可见光和红外成像单元对待测无人机进行聚焦联合成像，可见光图像和红外图像通过图像融合形成清晰的单一角度的无人机图像；

步骤五：多台光电红外复合探测组件确定的多个待测无人机位置融合后输出高精度的无人机位置，进而由航迹管理和跟踪滤波处理完成待测无人机的稳定准确跟踪；

步骤六：多台光电红外复合探测组件形成的多幅不同角度的待测无人机图像拼接后输出完整的无人机图像，进而由目标识别处理完成待测无人机的自动正确识别。

进一步地，所述步骤一具体为，将至少两台光电红外复合传感探测组件均匀布设于半径为r的圆形探测区域边界外侧并同时开机工作，各台光电红外复合传感探测组件中宽带有源相控阵单元的探测视角为θ，即形成的扫描波束能够覆盖角度为θ的扇形区域，全部光电红外复合传感探测组件中宽带有源相控阵单元的扇形探测区域的组合包含了整个圆形探测区域。

进一步地，所述步骤二中，每台光电红外复合传感探测组件通过卫星定位单元确定自身的位置。

进一步地，所述步骤三具体为，各台光电红外复合传感探测组件中宽带有源相控阵单元均使用二维面阵列，形成在方位和俯仰两个方向上扫描的波束，实现对进入圆形探测区域的无人机所在方位和俯仰信息的获取，宽带信号确定该无人机的距离信息，单台宽带有源相控阵单元实现对无人机方位角、俯仰角和距离三个信息的综合获取，获得无人机在三维极坐标系下的空间位置信息。

进一步地，将无人机在三维极坐标系下的位置信息转换为三维直角坐标系下的位置信息，具体过程为

对于某台处于(xm，ym，zm)的光电红外复合传感探测组件，由其中宽带有源相控阵单元获取的无人机在三维极坐标系下的位置信息分别表示方位角α、俯仰角β和距离r，则转换为在三维直角坐标系下的xyz位置坐标计算为：

txm＝xm+rsinβcosαtym＝ym+rsinβsinαtzm＝zm+rcosβ

其中，光电红外复合传感探测组件自身的位置(xm，ym，zm)由卫星定位单元通过gps或北斗系统以及差分定位方法提供。

进一步地，所述步骤四具体为，单台光电红外复合探测组件中宽带有源相控阵单元获取的无人机方位角和俯仰角信息，自动引导此台复合探测组件中的可见光和红外成像单元沿此方位角和俯仰角对无人机进行聚焦联合成像，当遇到夜晚、雾天等弱光条件时，自动引导探照灯单元沿此方位角和俯仰角照射以保障成像质量，形成的无人机可见光图像和红外图像通过图像融合形成一幅清晰的单一角度的无人机图像。

进一步地，所述步骤五具体为，对于多台光电红外复合探测组件独立探测获取的多组无人机xyz位置坐标，进行位置坐标融合输出一组高精度的无人机xyz位置坐标，无人机位置坐标通过航迹管理和跟踪滤波处理实现无人机的稳定准确跟踪。

进一步地，所述步骤六具体为，对于多台光电红外复合探测组件独立探测获取的多幅不同角度的无人机图像，进行图像拼接输出一幅清晰完整的无人机图像，无人机图像通过目标识别处理实现无人机的自动正确识别。

一种反无人机分布式组网探测装置，包括至少两台光电红外复合传感探测组件和一台显示控制系统；

每台光电红外复合传感探测组件包含卫星定位单元、宽带有源相控阵雷达单元、可见光成像单元、红外成像单元、探照灯单元、有线/无线ip网络通信单元和控制单元，显示控制系统包含有线通信单元、无线通信单元和信息处理与显控单元；

所述卫星定位单元用于确定各台光电红外复合传感探测组件的位置，建立三维探测直角坐标系；

所述宽带有源相控阵雷达单元用以形成电控扫描波束探测发现并确定无人机的位置；

所述可见光成像单元用以形成无人机的可见光图像；所述红外成像单元用以形成无人机的红外图像；

所述探照灯单元在夜晚、雾天等弱光情况下照射无人机以保障可见光和红外成像质量；

所述雷达单元、可见光成像单元、红外成像单元、探照灯单元均配置伺服电机用以根据控制指令调整各单元指向；

所述有线/无线ip网络通信单元用来与显示控制系统相连，一方面将光电红外复合传感探测组件的探测数据传送给显示控制系统，一方面接收来自显示控制系统的控制指令；

所述控制单元用以根据显示控制系统的控制指令控制光电红外复合传感探测组件的工作状态，协调其他各单元的有序工作；

所述显示控制系统的有线通信单元和无线通信单元用来与全部多台光电红外复合传感探测组件相连，一方面将控制指令传送给探测组件，一方面接收来自探测组件的探测数据；

所述信息处理与显控单元由硬件处理平台、显控图形化人机交互软件系统和信息处理算法组成，主要完成来自光电红外复合传感探测网络获取的探测信息的处理、处理结果的图形化界面显示和人机交互。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明联合利用光电红外复合传感方式和分布式组网探测模式，对大面积区域内的无人机进行发现、定位、跟踪和识别，同时，宽带有源相控阵雷达单元对无人机的测角结果能够自动引导可见光和红外成像单元对无人机进行成像探测，无需人工操作，因此本发明具有操作方便、探测范围大、捕获率高、定位精度优、识别率高等优点，能够广泛应用于对低空安全保障具有重大需求的公安、民航、军事等行业领域。

附图说明

图1是本发明的一种反无人机分布式组网探测装置的示意图。

图2是本发明的一种反无人机分布式组网探测装置的分部示意图。

图3是本发明的单台光电红外复合传感探测组件对无人机定位的示意图。

图4是本发明的实施例的分布式组网探测侧视图。

图5是本发明的实施例的分布式组网探测俯视图。

图6是本发明的实施例的三维探测直角坐标系示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的反无人机分布式组网探测方法具体步骤如下：

步骤一：如图4和5所示，在半径为r的圆形探测区域的外围相同高度上均匀布设3台光电红外复合传感探测组件，参照单台探测组件中宽带有源相控阵雷达的探测视角和距离，3台探测组件中相控阵雷达的波束扫描范围存在重叠区域，保证了对圆形探测区域的全覆盖。3台探测组件同时上电工作，与显示控制系统通过有线和无线通信链路相连组成分布式探测网络。

步骤二：3台光电红外复合传感探测组件中卫星定位单元通过gps或北斗系统，利用差分定位方法获取探测组件的经纬度信息，并发送给显示控制系统。以圆形探测区域中心为三维直角坐标系原点，建立三维探测直角坐标系，如图6所示，其中3台探测组件的z坐标均等于探测组件布设高度，x和y坐标以原点的经纬度为参考由探测组件的经纬度转换获得。

步骤三：每台复合探测组件中的宽带有源相控阵雷达单元利用电控波束在方位和俯仰两个方向扫描，通过对扫描波束内宽带回波信号进行单元平均恒虚警检测确认是否发现无人机，回波信号强度超过判决门限，则确认扫描波束在方位向和俯仰向上的指向作为无人机相对于探测组件的方位角α和俯仰角β，无人机宽带回波信号对应的延时信息乘以光速作为无人机相对于探测组件的距离r，如图3所示。上述无人机的相对方位角α、俯仰角β和距离r通过如下公式可转化为无人机在三维探测坐标系下的xyz坐标(txm，tym，tzm)，如图3所示。txm＝xm+rsinβcosαtym＝ym+rsinβsinαtzm＝zm+rcosβ

其中，(xm，ym，zm)为第m台光电红外复合传感探测组件自身的位置。

步骤四：通过波束扫描获取的无人机方位角和俯仰角自动引导可见光成像单元和红外成像单元对无人机进行联合聚焦成像，获得了无人机的可见光图像和红外图像。当面临夜晚、雾天等弱光条件时，还会引导探照灯单元照射无人机以保障成像质量。获取的无人机可见光图像和红外图像，通过图像融合(如小波变换法)形成一幅清晰的单一角度的无人机图像。

步骤五：针对多台光电红外复合传感探测组件获取的多组无人机xyz位置坐标，通过位置融合(如统计平均法)形成一组高精度的无人机xyz位置坐标，然后通过航迹管理和跟踪滤波(如卡尔曼滤波法)输出无人机稳健连续的跟踪航迹。

步骤六：针对多台光电红外复合传感探测组件获取的多幅单一角度的无人机图像，通过图像拼接(如特征点匹配法)形成一幅完整清晰的无人机图像，然后通过目标识别处理(包括图像分割、特征提取、特征匹配)自动识别无人机的类型。

如图1和2所示，一种用来执行上述探测方法的反无人机分布式组网探测装置，包括至少两台光电红外复合传感探测组件和一台显示控制系统。其中，每台光电红外复合传感探测组件包含卫星定位单元1、宽带有源相控阵雷达单元2、可见光成像单元3、红外成像单元4、探照灯单元5、有线/无线ip网络通信单元6和控制单元7，雷达单元、可见光成像单元、红外成像单元、探照灯单元均配置伺服电机；显示控制系统包含有线通信单元8、无线通信单元9和信息处理与显控单元10。

对于每台光电红外复合传感探测组件，其中的卫星定位单元用于确定各台光电红外复合传感探测组件的位置，可以采用北斗或gps系列的卫星定位系统；宽带有源相控阵雷达单元用以形成电控扫描波束探测发现并确定无人机的位置，可以使用收发共用一体或收发分置(部分发射部分接收)的二维面阵列，宽带信号可以采用线性调频信号或窄脉冲信号；可见光成像单元使用带有高速拍照功能的高清晰广角摄像机，用以获取飞行无人机的实时连续的可见光图像；红外成像单元使用高清热红外成像仪，用以获取飞行无人机的实时连续的红外图像；探照灯单元在夜晚、雾天等弱光情况下照射无人机以保障可见光和红外成像质量，照射距离不小于雷达单元探测距离；雷达单元、可见光成像单元、红外成像单元、探照灯单元均配置伺服电机用以根据控制指令调整各单元指向；有线/无线ip网络通信单元用来与显示控制系统相连进行探测数据和控制指令的传递，有线通信可以采用光纤通信系统，无线通信可以采用移动4g网络；控制单元用以根据显示控制系统的控制指令控制光电红外复合传感探测组件的工作状态，协调其他各单元的有序工作。

对于显示控制系统，其中的有线通信单元和无线通信单元用来与全部多台光电红外复合传感探测组件相连，进行控制指令和探测数据的传送，对应的，有线通信可以采用光纤通信系统，无线通信可以采用移动4g网络；信息处理与显控单元由硬件处理平台、显控图形化人机交互界面软件和信息处理算法组成，主要完成来自光电红外复合传感探测网络获取的探测信息的处理、处理结果的图形化界面显示和人机交互，硬件处理平台可以选用平板电脑、pc或者pda，显控图形化界面软件针对不同硬件处理平台可以选用c++或者java语言进行开发，信息处理算法按照上述方法描述(包含恒虚警检测、位置转换与融合、目标跟踪、图像融合、目标识别)进行开发并移植嵌入显控图形化界面软件。