一种雷达、频谱与光电联动的无人机协同探测方法及系统与流程

本发明属于目标探测、无人机识别与反无人机，尤其涉及一种雷达、频谱与光电联动的无人机协同探测方法及系统。

背景技术：

1、随着低空无人机应用数量不断增加，对未经授权无人机进行及时探测、持续跟踪和准确识别已成为低空安全防护的重要需求。无人机通常具有体积小、飞行高度低、机动反向变化快以及可能进入无线电静默状态等特点，单一探测设备难以同时兼顾大范围搜索发现、三维定位和目标类别确认。

2、现有无人机探测系统通常组合使用雷达探测设备、频谱探测设备和光电设备。雷达探测设备能够输出目标位置及运动信息，但可能受到鸟类、气球及地面杂波影响；频谱探测设备能够识别遥控链路或图传链路并输出信号来波方位，但单站测向通常不能直接获得目标距离和高度，且地面遥控端信号可能与无人机空中端信号混淆；光电设备能够通过可见光或红外图像确认目标类别，但视场有限，依靠自身进行大范围搜索时捕获效率较低。

3、现有多设备联动方案通常直接采用雷达目标方位或频谱来波方位引导光电设备，或者将各设备输出按照固定权重进行融合。由于不同设备可能异地布设，其数据采集时刻、空间坐标原点、安装方向、测量误差和响应时延均不相同。雷达输出的目标位置、频谱输出的来波方向以及光电设备实际执行的云台角度因而不能直接比较；当目标在数据传输和光电转向期间发生运动时，按历史雷达位置形成的搜索范围还可能偏离目标实际位置。

4、此外，若在没有确认频谱目标与雷达航迹对应关系的情况下直接对两个搜索范围求交，可能利用了来自不同目标的探测结果，反而缩小到错误区域；若仅在光电设备发现目标后直接将其并入雷达航迹，也可能将联合搜索窗口内出现的鸟类或其他飞行目标错误关联。固定融合权重和单周期阈值判断还难以适应设备故障、数据超时、光照变化、目标遮挡和电磁干扰，导致识别结果随单一信息源波动。

技术实现思路

1、本发明提供一种雷达、频谱与光电联动的无人机协同探测方法及系统，旨在解决雷达、频谱和光电设备的探测结果位置不同，难以准确对应同一目标，避免将不同目标的探测结果错误关联，将雷达位置不确定性和频谱方向不确定性转换为光电设备能够直接执行且范围较小的搜索窗口，以及在部分信息源质量下降或者暂时失效时保持无人机识别结果稳定的技术问题。

2、本发明是这样实现的，一种雷达、频谱与光电联动的无人机协同探测方法，包括：

3、获取当前融合周期内的频谱探测信息、雷达航迹信息，并建立频谱候选目标和雷达候选目标；

4、将所述频谱候选目标与雷达候选目标统一至相同的时间基准和空间坐标基准，根据两者的时间残差和方位残差确定关联可信度；

5、根据所述雷达航迹信息和频谱探测信息分别确定雷达空间误差区域和频谱空间搜索区域，并根据各区域与光电设备之间的相对位置关系，将所述雷达空间误差区域和频谱空间搜索区域分别转换为光电设备可执行的雷达光电搜索窗口和频谱光电搜索窗口；

6、当所述关联可信度大于联合搜索门限，且所述雷达光电搜索窗口与所述频谱光电搜索窗口存在交叠区域时，将所述交叠区域确定为联合光电搜索窗口，并控制光电设备在所述联合光电搜索窗口内搜索目标。

7、优选地，所述关联可信度的确定，包括：

8、根据所述频谱探测信息中的信号协议、上下行链路特征和发射源属性，识别无人机空中端信号，并根据所述无人机空中端信号建立频谱候选目标；

9、根据所述频谱探测信息与雷达航迹信息的采集时刻确定时间残差，根据雷达候选目标的位置和频谱探测设备的位置确定所述雷达候选目标的理论方位，并确定所述理论方位与无人机空中端信号的来波方位之间的最小圆周角度残差；

10、根据所述时间残差和最小圆周角度残差确定所述频谱候选目标与雷达候选目标之间的关联可信度；

11、当一个频谱候选目标对应多条满足条件的雷达航迹时，选取关联可信度最高的雷达航迹作为所述频谱候选目标对应的目标关联航迹。

12、优选地，还包括：

13、获取所述光电设备在所述联合光电搜索窗口内第一时刻搜索到的光电目标的光电图像信息，根据所述光电图像信息，确定所述光电目标的实际水平视轴角和实际俯仰视轴角；

14、选取雷达候选目标在光电设备采集时间不晚于所述第一时刻的最新雷达航迹，根据所述最新雷达航迹的目标位置、运动信息和时间差，预测雷达候选目标在所述第一时刻的预测位置，并将所述预测位置转换为雷达预测水平角和雷达预测俯仰角；

15、根据所述实际水平视轴角和雷达预测水平角计算水平角残差，以及根据所述实际俯仰视轴角和雷达预测俯仰角计算俯仰角残差，并确定光电目标和雷达候选目标之间的光电雷达关联可信度；

16、当所述光电雷达关联可信度未达到预设阈值时，将所述光电目标保留为独立光电候选目标，控制所述光电设备重新搜索；

17、当所述光电雷达关联可信度达到预设阈值时，将所述光电目标并入最新雷达航迹，并确定所述光电目标和雷达候选目标为统一目标。

18、优选地，还包括：

19、获取各有效信息源对所述统一目标分别输出的无人机识别概率，所述有效信息源包括频谱信息源、雷达信息源以及可见光信息源和红外信息源中的至少一种；

20、根据各有效信息源的基础权重、实时数据质量和关联可信度确定各信息源的实时可靠度，并对各实时可靠度进行归一化，得到动态融合权重；

21、根据所述各有效信息源分别输出的无人机识别概率和所述动态融合权重确定当前融合周期的综合识别概率。

22、优选地，还包括：

23、对连续多个融合周期的综合识别概率进行累积处理，得到累积识别概率；

24、当所述累积识别概率连续多个融合周期不低于确认阈值、至少两类不同探测模态具有有效输出并完成目标关联，且不存在未解决的多源识别冲突或目标关联冲突时，将所述统一目标确认为无人机。

25、优选地，雷达光电搜索窗口的确定过程，包括：

26、将所述雷达候选目标在雷达航迹采集时刻的三维位置转换至以光电设备为参考的空间坐标系，并根据雷达航迹采集时刻与当前融合时刻之间的时间差，以及光电设备的预计剩余响应时延，确定航迹外推时长；

27、根据所述雷达候选目标的运动信息和所述航迹外推时长，预测所述雷达候选目标在光电设备完成响应时的雷达预测位置；

28、根据雷达在各坐标方向的定位误差、所述航迹外推时长及雷达候选目标在各坐标方向的预设最大机动加速度，确定各坐标方向的扩展半宽，并以所述雷达预测位置为中心、以各坐标方向的扩展半宽为边界形成雷达空间误差区域；

29、将所述雷达空间误差区域的边界点转换为相对于光电设备的水平角和俯仰角，并根据转换得到的水平角范围和俯仰角范围确定雷达光电搜索窗口。

30、优选地，频谱光电搜索窗口的确定过程，包括：

31、获取频谱探测设备的位置以及无人机空中端信号的来波方位，根据频谱探测设备输出的测向误差确定频谱搜索半宽；当所述频谱探测设备未输出测向误差时，根据现场标定结果确定所述频谱搜索半宽；

32、以所述频谱探测设备的位置为参考，根据所述来波方位和频谱搜索半宽限定目标方位范围，并根据防区允许的目标距离范围和目标高度范围限定所述目标方位范围的空间边界，形成频谱空间搜索区域；

33、根据所述频谱空间搜索区域中各边界点与光电设备之间的相对位置关系，将各边界点转换为相对于光电设备的水平角和俯仰角，并根据转换得到的水平角范围和俯仰角范围确定频谱光电搜索窗口。

34、优选地，控制所述光电设备在联合光电搜索窗口内搜索目标，包括：

35、控制所述光电设备转向所述联合光电搜索窗口的中心水平角和中心俯仰角，并根据所述联合光电搜索窗口的俯仰角范围确定初始视场；

36、当所述光电设备在所述初始视场内未检测到目标时，根据光电设备当前变倍值对应的水平视场角和预设视场角重叠率确定水平扫描步长；

37、以所述中心水平角为起点，按照所述中心水平角两侧交替扩展的顺序控制光电设备依次转向不同扫描位置，直至覆盖所述联合光电搜索窗口或者锁定目标；

38、当所述光电设备的垂直视场不能覆盖所述联合光电搜索窗口的俯仰角范围时，对所述联合光电搜索窗口进行分层，并在各层内执行水平扫描。

39、另一方面，本发明还公开了一种雷达、频谱与光电联动的无人机协同探测系统，包括频谱探测设备、雷达探测设备、光电设备和后台指挥平台，所述频谱探测设备、雷达探测设备和光电设备分别与所述后台指挥平台通信连接；

40、所述频谱探测设备用于获取频谱探测信息，所述雷达探测设备用于获取雷达航迹信息，所述光电设备用于根据所述后台指挥平台下发的搜索指令搜索目标并获取光电信息；

41、所述后台指挥平台包括：

42、候选目标建立模块，用于根据所述频谱探测信息和雷达航迹信息分别建立频谱候选目标和雷达候选目标；

43、目标关联模块，用于将所述频谱候选目标与雷达候选目标统一至相同的时间基准和空间坐标基准，并根据两者的时间残差和方位残差确定关联可信度；

44、搜索窗口生成模块，用于根据所述雷达航迹信息和频谱探测信息分别确定雷达空间误差区域和频谱空间搜索区域，根据各区域与光电设备之间的相对位置关系，将所述雷达空间误差区域和频谱空间搜索区域分别转换为雷达光电搜索窗口和频谱光电搜索窗口，并在所述关联可信度大于联合搜索门限且两个搜索窗口存在交叠区域时，将所述交叠区域确定为联合光电搜索窗口；

45、光电控制模块，用于控制所述光电设备在所述联合光电搜索窗口内搜索目标；

46、识别判定模块，用于根据所述光电设备搜索到的光电目标与雷达候选目标之间的光电雷达关联可信度以及各有效信息源的无人机识别概率，确定无人机识别结果。

47、与分别显示各设备探测结果或者直接以单一设备方位引导光电搜索的方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

48、第一，在频谱目标参与雷达航迹关联前，根据信号协议、上下行链路特征和发射源属性识别无人机空中端信号，将地面遥控端信号与发射源属性不确定的信号排除在强空间关联之外，能够减少以地面遥控源方向错误约束空中目标位置的情况。

49、第二，在统一时间基准和空间坐标基准下，利用时间残差和最小圆周角度残差计算频谱候选目标与雷达候选目标的关联可信度，并仅在关联可信度大于联合搜索门限时使用两类信息共同形成联合光电搜索窗口。该门控关系使搜索范围缩小建立在两个探测结果来源于同一目标的量化判断基础上，而不是简单叠加或无条件求交。

50、第三，将雷达航迹外推至光电设备预计到位时刻，并以雷达定位误差和目标在外推期间的最大机动偏差扩展雷达预测位置，形成雷达空间误差区域；同时利用频谱来波方位、测向误差、允许距离范围和高度范围形成频谱空间搜索区域，再分别以光电设备为观察原点转换为角度窗口。由此能够同时补偿设备异地布设、数据滞后、光电响应时延和目标机动造成的搜索偏差。

51、第四，只有当雷达光电搜索窗口与频谱光电搜索窗口存在交叠区域时，才将其交叠区域作为联合光电搜索窗口，并按照中心优先、两侧交替扩展以及必要时垂直分层的方式搜索，能够在保持目标覆盖概率的同时减少无效扫描角度和目标捕获时间。

52、第五，在光电设备发现目标后，将雷达航迹外推至光电图像的实际采集时刻，根据光电目标的实际视轴角与雷达预测视轴角重新计算光电雷达关联可信度。该捕获后复核机制能够阻止搜索窗口内偶然出现的非关联目标直接并入雷达航迹。

53、第六，以基础权重、实时数据质量和关联可信度的乘积表征各信息源的实时可靠度，并对有效信息源的实时可靠度重新归一化；进一步结合多周期累积、至少两类探测模态有效以及不存在未解决冲突的条件确认无人机，能够在部分信息源质量下降或退出时自适应调整各信息源贡献，抑制单周期误识别和状态频繁切换。