《传感器》（Sensors）期刊发布了一篇名为《保护你的空域：探测入侵保护区的无人机》的论文。全文主要包括摘要、介绍、雷达、声学传感器、射频地面通信传感器、光学传感器、多传感器方法、讨论以及结论和未来工作讨论。
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摘要
近年来，无人机的部署迅速增加。它们现在被广泛应用，从核电站监控等关键的生命安全场景到娱乐和爱好应用。尽管无人机最近越来越受欢迎，但相关的有意和无意安全威胁需要充分考虑。因此，迫切需要对无人机进行实时准确的探测和分类。本文概述了无人机探测方法，强调了它们的优点和局限性。我们分析了使用雷达、声学和光学传感器以及发射射频（RF）信号的探测技术。我们比较了它们在不同操作条件下的性能、准确性和成本。我们得出的结论是，多传感器探测系统提供了更令人信服的结果，但还需要进一步的研究。
1.介绍
在过去的几十年里，无人机发展迅速，导致了价格合理的无人机的大规模生产。从孩子和业余爱好者到警察和消防员，无人机已经找到了新的应用和用例。例如，谷歌和亚马逊试用无人机进行商品配送，而执法部门则利用无人机进行速度检查。在灾难发生期间，无人机可以帮助急救人员建立通信并定位受害者。不幸的是，与其他技术进步类似，无人机也可用于非法目的。事实上，犯罪集团使用无人机走私货物和破坏安全地点。即使是无恶意使用无人机也可能导致非法结果，包括对隐私的无意侵犯、碰撞对人类和基础设施的伤害，以及对其他飞行物体（如飞机）的干扰。例如，2016年，迪拜机场报告称，为了避免未经授权的无人机活动，该机场不得不关闭三次。
因此，实时无人机探测、二进制分类和跟踪非常必要。无人机的普及、混合使用情况和多样化的环境条件只会加剧探测挑战。目前，有不同的方法来探测空域中的无人机：有源雷达、无源雷达、声学传感器、射频信号探测以及视觉和光学传感器，如图1所示。无人机探测系统通常部署在感兴趣区域的附近。当无人机进入受保护的禁飞区时，探测系统可以跟踪它，并确定它是友好的还是未知的入侵者。随后，系统可以通知操作员或强制执行自动化策略。
在这篇调查文章中，我们概述了探测无人机的可用方法。我们的目标是了解无人机探测技术的设计空间，并揭示每种方法的固有或情境限制。我们还探讨了与选择无人机探测方法相关的其他方面，包括成本、功率、可能影响探测系统性能的消耗、精度和环境变量。我们更广泛地讨论雷达，因为就精度而言，雷达是最有前途的方法。然而，它们的高成本和部署要求可能使雷达不适合某些用例。然后，我们讨论了在某些情况下，现成的声学传感器作为雷达的一种更便宜但精度较低的替代品。接下来，我们将探索基于无人机射频传输的方法，然后是视觉和光学传感器探测方法。最后，我们讨论了多模态和传感器融合方法。这些传感器串联或按顺序地使用多个传感器以提高探测精度。
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2.雷达
当前最先进的移动物体探测解决方案，无论是探测大型无人机还是小鸟，都涉及某种形式的雷达。雷达提供高范围覆盖，在所有天气环境中都能不间断地工作，并在白天和晚上提供连续覆盖。这些能力使雷达技术成为无人机探测系统的最佳候选者之一。评估使用雷达进行无人机探测的可行性受到了相当大的关注。然而，在设计和部署适用于探测无人机的雷达时，存在一些实际限制和成本考虑。
2.1.雷达配置
雷达系统根据其配置进行分类，特别是根据其发射机和接收机部件的空间布置进行分类。三种主要配置是单站、双站和多站，每种配置都有不同的特性、优势和应用。这三种雷达配置的直观图示如图2所示。
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2.1.1.静态雷达配置
在单基地雷达设置中，发射机和接收机位于同一位置或共享同一天线系统。从交通执法到小型无人机探测，这种配置是人们最熟悉和广泛使用的。单站雷达的主要优点是其简单性，因为它只需要一个发射和接收站点。这种配置对于短程应用非常有效，并且目标与雷达的相对运动非常显著，有助于强信号反射回源。
2.1.2.双站雷达配置
双站雷达的特点是发射机和接收机位置在空间上分离，它们之间的距离可以显著变化。这种分离带来了独特的优势，例如由于接收器可以放置在远离发射器的隐蔽位置，因此提高了隐身性，降低了对电子对抗的敏感性，以及能够探测小型无人机等低可观测物体。双站雷达在单站雷达受反射几何形状限制或隐形使用至关重要的应用中尤其有利。然而，发射机和接收机同步的复杂性，以及由于依赖于几何结构的双基地距离而导致的信号处理方面的挑战，可能会使它们的操作复杂化。
2.1.3.多站雷达配置
多站雷达通过利用多个接收机，在某些情况下还利用多个发射机，扩展了双站概念。这种配置提供了更强的覆盖范围和探测能力，因为对目标的多角度观察可以更准确地揭示其位置和移动情况，并具有更强的反制能力。通过利用分散接收器捕获的不同入射角和反射角，多静态装置可以有效地探测隐形飞行器，这些隐形飞行器主要是为了躲避单静态雷达。多站雷达系统的主要挑战涉及来自多个地点的复杂协调和数据融合，需要先进的信号处理和网络能力。
通常，这些配置之间的差异主要在于发射机和接收机布局的几何形状以及由此产生的操作优势和复杂性。单站雷达简单有效，适用于广泛的应用，但可能受到直接反射要求的限制。双站和多站雷达及其空间多样化的部件，以增加系统复杂性和信号处理要求为代价，在隐形探测和作战弹性方面提供了优势。更具体地说，双站和多站雷达配置已经实现了无源雷达探测的能力。这种方法在传统的单站设置中是不可行的，它通过消除对有源发射机的需求而提供了显著的优势。这不仅降低了成本，增强了隐形能力，使对手更难探测到雷达系统，而且还规避了对广播信号的监管要求。无源雷达系统利用现有的环境电磁辐射，如电视和无线电广播、蜂窝网络，甚至卫星传输的电磁辐射，来探测和跟踪无人机。通过使用这些无处不在的信号，无源雷达可以有效地监测空域，而不需要额外的信号生成，将成本效益与作战自由度相结合。无源雷达技术的进一步探索将在接下来的章节中详细介绍，强调其在现代监视和探测战略中日益重要的地位。
2.2.雷达散射横截面积
主要的挑战是无人机的可变尺寸，这可能使它们对传统雷达不可见。由于一些无人机的体积小，其主体材料结构反射指数低，雷达散射横截面积（RCS）极小，难以探测。来自目标物体的接收功率与其RCS成比例，较小的RCS导致较低的接收功率和较低的探测概率。
2.3.频率和带宽
雷达的另一个设计参数是它们的工作频率。高频雷达更昂贵，但它们可以探测到更小尺寸的无人机。它们更大的带宽和更精细的分辨率产生更准确的结果。带宽为1GHz的雷达具有15厘米的距离分辨率。
2.4.雷达散射
雷达系统背后的物理包括两种主要类型的散射：前向散射和后向散射。前向散射通过现代视角进行了详细说明，表明当双站角度（即从发射机到目标再到接收机的角度）接近180°时，雷达波可以从其原始路径向前散射。由于在这种条件下增强了RCS，这种散射对于探测小型或吸收射频信号的目标（如小型无人机）特别有利。另一方面，后向散射是指雷达波直接反射回接收器。
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RCS是无人机探测的一个关键因素，随着目标的纵横角变化很大，影响了探测能力。无人机的不同部分可能具有截然不同的RCS值，从不同角度影响雷达探测的有效性。这种可变性突出了多站雷达系统的优势，该系统利用多个接收器位置来增加从目标的各个方位角探测反向散射信号的可能性。
前向散射具有明显的优势，可增强对因尺寸或材料特性而难以探测的目标的探测能力。然而，随着时间的推移，保持前向散射的最佳双站角度可能具有挑战性，限制了此类系统在某些情况下的实用性。尽管存在这些挑战，前向散射雷达，尤其是在具有机载照明器的多站配置中，正因其在广域监视中的潜力而重新引起人们的兴趣，即使考虑到现实世界的损失，也显示出高探测概率。
2.5.雷达信号功率
在实践中，具有更高发射功率的雷达提供了改进的探测结果。就波调制方法而言，CW（连续波）雷达所需的功率明显低于脉冲雷达。因此，连续波雷达能更有效地探测和跟踪无人机。许多可用的研究论文使用FMCW（调频连续波）雷达进行无人机探测。这是由于与其他波调制方法相比，它们的用电量较低。
2.6.有源或无源
有两种不同类型的雷达：有源雷达和无源雷达。有源雷达同时配备了发射器和接收器。发射器发射电磁波，照射近端目标。接收器捕获所有反射信号，然后对其进行后处理，以暴露任何潜在的新目标。当仅采用无源感应时，雷达系统被简化为仅使用接收器。无源雷达场景中的目标照明由其他信号源完成，包括蜂窝信号、调频无线电信号和Wi-Fi信号等。
有源传感实现了更大的探测范围和更高的可靠性，但它需要更大的发射功率。此外，有源传感可能无法在不同的环境条件下照亮目标。此外，雷达操作员需要获得雷达发射机信号所占用频段的许可证并保持许可证状态。另一方面，无源雷达不需要任何操作许可，因为它们不主动发射信号。此外，它们的用电量和成本要求显著降低。因此，对于单个有源雷达部署的相同预算，操作员可以容纳多个接收器。虽然这种无源雷达解决方案具有成本效益，但它以精度和缺乏可靠覆盖为代价。
2.7.光束转向
发射的信号越聚焦和越窄，越容易探测小物体。例如，使用具有宽主瓣的全向天线将导致探测小物体的性能较差。另一方面，使用主瓣聚焦的窄雷达波束，虽然能准确探测到小物体，但却会降低监控范围。一种方法是在发射机一侧使用多根天线，每根天线的波束都很窄，但其排列组合可覆盖目标区域。另一种方法是使用转子使发射机移动，这种方法称为机械波束转向，可以在一段时间内覆盖目标区域。除机械波束转向外，还有一种方法称为电子波束转向，即通过随时间改变信号的相位，使窄小的发射波束扫描小范围区域，从而实现目标区域的全覆盖。
2.8.机械或多通道扫描
接收器也可以安装在电机上，该电机可以机械地转动和扫描整个区域。一种替代设计利用静态多通道天线，该天线可以接收来自任何方向的信号。大多数将发射器和接收器捆绑在一起的有源雷达通常采用静态多通道或使用机械旋转装置来接收和发射信号。
2.9.微多普勒分析
微多普勒分析用于雷达分析，以指纹识别目标物体。这与用于确定目标物体的速度和方向的多普勒效应不同。目标物身体或目标上任何其他运动部件中的任何振动或运动都可以使用微多普勒分析进行测量。在分析无人机反射雷达信号时，使微多普勒分析可行的主要来源是无人机螺旋桨。微多普勒分析可以帮助区分无人机和鸟类，从而减少误报。此外，使用微多普勒分析，我们可以估计目标无人机的结构特征。这包括转子叶片的长度。
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2.10.未来雷达无人机探测
一个有前景的研究方向是利用商用5G蜂窝通信进行无人机探测。地面和卫星5G通信既可以用作无源雷达源，也可以用作有源雷达源，用于照明和探测无人机。许多研究旨在调查利用现有和未来5G基础设施能力进行无人机探测的挑战和局限性。由于5G可以在基站中使用毫米波天线进行通信，因此可以想象，5G基础设施也可以用作雷达进行探测。
我们已经讨论了在选择合适的雷达来探测小型无人机时面临的挑战和潜在的设计参数。我们要重申，有许多参数需要考虑。目标无人机的尺寸和材料、操作环境限制以及所使用的雷达系统类型只是一些主要的解决方案驱动因素。我们还需要考虑到相关的行动和部署成本。
