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旋翼无人机目标的检测与跟踪方法研究

蔡松言  
【摘要】:无人机产业的迅速发展和低准入门槛导致的无人机滥用给社会秩序的稳定、公共空域安全带来新的威胁。有效的检测和跟踪是对无人机监管的重要一环,相比于其他探测方法,雷达系统具有全天候、全天时、探测距离远等特点,更适合对此类目标进行自动检测并跟踪。随着数字信号处理技术的发展,线性调频连续波体制(Linear Frequency Modulated Continuous Wave,LFMCW)雷达凭借结构简单、分辨率高、无距离盲区等优点取代脉冲体制雷达,可以作为对中近程低空无人机探测的重要手段。开展基于雷达的旋翼无人机探测方法研究,有助于对无人机目标进行监管,保证生产生活环境的安全,具有重要的理论意义和实践价值,在低空安保等领域具有广阔的应用前景。无人机一般具有一个或多个旋翼,雷达回波信号会产生微多普勒效应,可以从中提取旋翼特征参数,为检测和识别提供帮助。本文从线性调频连续波雷达理论出发,对无人机目标的检测、参数估计和跟踪方法进行研究,主要包括以下三个部分:(1)首先对LFMCW雷达信号原理进行分析,对无人机目标回波进行建模,对旋翼产生的微多普勒效应进行分析,得到回波谱展宽与旋翼运动参数的关系,为后续处理提供理论基础。(2)根据旋翼回波信号频率周期性变化特征,设计基于散射变换和变分模态分解的检测方法,对主体回波和微动分量进行分离,实现无人机目标的检测,并对目标运动状态和旋翼转速、尺寸等参数进行估计。(3)针对目标主体位于抑制静止杂波的多普勒盲区时的情况,根据旋翼产生的扩展点迹的分布特点,结合数据关联算法原理,给出了适用于旋翼无人机目标的基于聚类划分和乘性噪声观测模型的JPDA跟踪方法,在进行跟踪的同时有效避免了丢检和航迹断裂等问题。


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