歐陽玉梅

摘 要

針對(duì)輕小型民用無人機(jī)“黑飛”、“濫飛”和“亂飛”現(xiàn)象所產(chǎn)生的問題，設(shè)計(jì)一個(gè)集雷達(dá)探測(cè)和視頻監(jiān)控于一體的反無人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)限飛區(qū)域全天候、大范圍監(jiān)測(cè)及告警的功能。

關(guān)鍵詞

雷達(dá)探測(cè);視頻監(jiān)控;反無人機(jī)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TN959.73 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.051

Abstract

An anti-UAV monitoring system integrating radar detection and video surveillance is proposed to monitor and alarm widely black flight of small drones in the restricted flight area in all-weather.

Key Words

Radar detection;Video surveillance;Anti-UAV monitoring

0 引言

近年來中國(guó)輕小型民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)得到了迅猛增長(zhǎng)，導(dǎo)致輕小型民用無人機(jī)“黑飛”、“濫飛”和“亂飛”現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重影響和威脅民航運(yùn)輸安全、公共安全和社會(huì)治安。在具體的監(jiān)管過程中，由于技術(shù)原因，尚難以實(shí)現(xiàn)對(duì)“低空、慢速和小型目標(biāo)（低小慢目標(biāo)）”的精確探測(cè)，無人機(jī)低空防御系統(tǒng)及設(shè)備匱乏。本文將設(shè)計(jì)一個(gè)由微處理器、雷達(dá)掃描儀、高清云臺(tái)攝像機(jī)和報(bào)警模塊組成的反無人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由雷達(dá)掃描儀進(jìn)行大范圍搜索，當(dāng)探測(cè)到目標(biāo)時(shí)，發(fā)出報(bào)警，并輸出目標(biāo)所在的方位和距離信息給微處理器，由攝像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離圖像特征采集，并將探測(cè)到的信息進(jìn)行分析處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)限飛區(qū)域（如機(jī)場(chǎng)、政府辦公區(qū)域或私人場(chǎng)所等）全天候、大范圍監(jiān)測(cè)及告警的功能，可探測(cè)距離達(dá)200米以上。

1 系統(tǒng)原理

設(shè)計(jì)一個(gè)反無人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由雷達(dá)掃描儀和高清云臺(tái)攝像機(jī)組成監(jiān)控前端，完成對(duì)目標(biāo)無人機(jī)的探測(cè)，由處理器完成數(shù)據(jù)分析和處理，當(dāng)監(jiān)測(cè)到無人機(jī)時(shí)，發(fā)出報(bào)警。具體內(nèi)容包括：基于ARM的監(jiān)控平臺(tái)的搭建;基于ARM的監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì);數(shù)據(jù)采集及處理;發(fā)現(xiàn)目標(biāo)報(bào)警，如圖1所示。

1.1 雷達(dá)掃描

雷達(dá)通過掃描來尋找活動(dòng)目標(biāo)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)活動(dòng)目標(biāo)時(shí)將目標(biāo)所在的方位和距離信息傳回處理器，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。監(jiān)視范圍分為兩個(gè)區(qū)域，掃描半徑大于400米為雷達(dá)預(yù)警區(qū)，雷達(dá)工作;半徑小于400米為識(shí)別區(qū)，雷達(dá)和圖像系統(tǒng)同時(shí)工作，識(shí)別目標(biāo)物體;本文采用ewig LLT-300來完成掃描探測(cè)功能，工作頻率為10.525GHz，工作電壓為8-15V DC，99級(jí)靈敏度可調(diào)，LLT-300采用了微波檢測(cè)專用微波處理器，它能夠?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行脈頻和脈寬處理，對(duì)小動(dòng)物甚至麻雀等小體積的物體進(jìn)入都可以進(jìn)行報(bào)警，探測(cè)效率高。由于ewig LLT-300掃描范圍有限，可根據(jù)限飛區(qū)域的大小架設(shè)多臺(tái)雷達(dá)掃描儀。

1.2 視頻監(jiān)控

采用集成高速大扭距精密云臺(tái)攝像機(jī)，可用0.01°/秒至100°/秒的速度，實(shí)現(xiàn)水平360°、垂直180°的完全無盲區(qū)監(jiān)視。當(dāng)雷達(dá)檢測(cè)到活動(dòng)目標(biāo)時(shí)，可由處理器調(diào)節(jié)攝像頭對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行拍攝，并提取該目標(biāo)的圖像信息進(jìn)項(xiàng)分析處理和識(shí)別，以區(qū)分是無人機(jī)還是飛鳥入侵，以便后續(xù)處理。本文采用AK-HD640高清夜視激光云臺(tái)攝像機(jī)來完成視頻監(jiān)控，采用獨(dú)特的激光器驅(qū)動(dòng)技術(shù)，同時(shí)采用精密跟蹤功能的紅外激光照明器，配合具備200萬像素（圖像格式：H.264視頻編碼，1080P全高清，雙碼流）的長(zhǎng)焦高性能攝像機(jī)模塊，可在完全無光的環(huán)境中全高清晰監(jiān)視1000米距離內(nèi)的目標(biāo)活動(dòng)情況。

1.3 ARM處理器和各個(gè)功能性模塊間的控制技術(shù)

為使設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)更小型化，許多任務(wù)被集成到了芯片的內(nèi)部，且除了嵌入硬件系統(tǒng)中的中心控制器件外，還包括外圍硬件部分，該部分是包括用于存儲(chǔ)，調(diào)試，通信，顯示等輔助功能的其他部分，本文選用STM32F103處理器。

2 研究方法及技術(shù)路線

2.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案

系統(tǒng)的監(jiān)控前端由雷達(dá)掃描儀ewig LLT-300和云臺(tái)攝像機(jī)AK-HD640組成，ewig LLT-300模塊完成掃描探測(cè)，通過串口與微處理器連接;AK-HD640模塊完成目標(biāo)物體圖像信息采集，由微處理器對(duì)雷達(dá)探測(cè)信號(hào)和圖像信號(hào)進(jìn)行分析處理和顯示，對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行識(shí)別及報(bào)警。

搭建好系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)，并準(zhǔn)備無人機(jī)一架，控制無人機(jī)飛入系統(tǒng)有效工作區(qū)域內(nèi)，當(dāng)雷達(dá)掃描儀探測(cè)到無人機(jī)時(shí)，雷達(dá)發(fā)出報(bào)警，同時(shí)將目標(biāo)物體所在的方位和距離信息傳回至微處理器，處理器發(fā)出報(bào)警，同時(shí)處理器從視頻信號(hào)存儲(chǔ)器中截取視頻信息進(jìn)行圖像處理，獲取無人機(jī)圖像信息。視頻監(jiān)控模塊即可以獲取入侵物體的圖像信息以避免將飛鳥誤判為無人機(jī)之外，也同時(shí)具備目標(biāo)物體檢測(cè)的監(jiān)控功能。

2.2 可疑物體識(shí)別方案

對(duì)無人機(jī)的視頻監(jiān)控，可基于opencv計(jì)算機(jī)視覺開源庫(kù)來完成目標(biāo)物體識(shí)別。上位機(jī)端采用Visual studio 2012為開發(fā)環(huán)境，并調(diào)用opencv計(jì)算機(jī)視覺開源庫(kù)進(jìn)行識(shí)別和處理，將采集的視頻圖像顯示在上位機(jī)界面上，上位機(jī)界面如圖2。將無人機(jī)預(yù)設(shè)為待識(shí)別物體，opencv調(diào)用攝像頭，由打開攝像頭的開源代碼來讀取攝像頭中的視頻圖像信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻捕獲，然后將其分解為視頻幀寫入到視頻文件，當(dāng)中當(dāng)可疑物體闖入監(jiān)控范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)將識(shí)別并捕獲其可疑物體的圖像信息，對(duì)視頻圖像先進(jìn)行預(yù)處理，即灰度化濾波，再進(jìn)行二值化、形態(tài)學(xué)運(yùn)算和邊緣檢測(cè)，以達(dá)到圖像分割的目的，最后將檢測(cè)到的圖像經(jīng)匹配分析確定為無人機(jī)后發(fā)出報(bào)警信息。

3 總結(jié)

本文提出一種集雷達(dá)掃描和視頻監(jiān)控于一體的反無人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，初步證明可實(shí)現(xiàn)對(duì)可疑目標(biāo)的監(jiān)控。

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