基于阵列光栅的空中目标探测方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及空中目标探测，更具体地说，它涉及基于阵列光栅的空中目标探测方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、近年来，无人机技术的飞速进步使得其在商业与军事领域的运用得到更多拓展；继战机、武装直升机和精确制导武器之后，无人机系统以其具备的优秀侦察、打击能力成为战场防空新威胁，为谋取“非对称”作战优势，一方面大型无人机逐渐趋向于隐身化、综合化、智能化，推动有人机/无人机进行协同作战验证，执行大范围远距离的通信中继、精确打击、空中格斗等任务；另一方面，小型无人机逐渐趋向于微型化、集群化、自主化。尤其在重要地区的外围周边空域，时常发生多无人机编队袭扰问题，更有甚者，意图恶意闯入的敌方会通过多小型无人机掩护隐身大型无人机突防，以对我方实施侦察、破坏和攻击等军事目的。

2、目前，针对隐身无人机及其他空中平台的探测多是通过雷达、光电、无线电侦测等手段进行实现，但考虑到隐身无人机及其他空中平台对电磁信号的抑制能力，同时在执行任务时多采用电磁静默方式，因此雷达、无线电侦测手段对于隐身无人机及其他空中平台的探测的效果较差，此外，目前的光电探测手段受制于成本、功率以及视场的约束，探测距离有较大的局限，同时如果在飞机平台上进行部署，那么由于其载荷能力的约束会导致探测能力的进一步下降，装备成本也会受到极大影响，因此隐身无人机及其他空中平台目标的探测手段基本处于缺失状态，而且这一问题在广域空间的变现更为突出。

3、对无人机进行及时探测、识别、跟踪与预警是实现有效反制的前提，目前，针对无人机及其他空中平台的探测主要包括雷达探测、声波探测、光电探测以及复合探测等手段，这些手段各有其优缺点，其中：

4、雷达对无人机的探测面临“低、慢、小”以及“高、慢、小”目标探测难题。当无人机在低空广阔空域中稀疏出现时，探测难度很高，很难将目标从复杂背景杂波中区分出来；当无人机在高空(10000米以上)广阔空域中稀疏出现时，探测难度也会激增，一方面地面常规反无人机雷达一般无法实现对顶探测如此之距离(一般在5000米以下)，另一方面，雷达在部署上也存在较大局限，如果采用机载模式，那么对载机平台、载荷能力(体积、重量、功耗等)、雷达性能等都会带来很大约束，同时，成本也会急剧提高。此外，对于特定的隐身无人机及其他空中平台，由于其对电磁信号的抑制作用，使得常规雷达探测的探测效能大打折扣。

5、无人机及其他空中平台飞行时，螺旋桨叶片和电动机会发出一种独特的尖利噪声(转子声)，捕捉这种声音特征，然后与数据库中的已知声音特征进行比较，并用多个地理定位来源进行识别。采用低成本高可靠的标量传声器阵列、微型高精度的矢量传声器阵列等体制，突破复杂环境下目标特征提取与运动参数估计技术，提升复杂环境适应能力与多目标处理能力。声波探测不像其他探测手段那么有效，主要受环境噪音影响和距离的限制，嘈杂城区环境下的虚警率高、探测距离受风影响严重。声波对无人机集群的探测距离较近，通常在数百米量级，受限于作用距离，应用较为受限，更多的时候是作为补充手段应用到反无人机领域。

6、光电侦察与监视是利用光电转换原理，利用目标的反射或辐射，通过转换和处理获取目标信息，实现目标的探测、发现、识别与跟踪。光学侦察仪器在军事上应用最早，具有扩大和延伸人的视觉、发现人肉眼看不清或看不见目标、测定目标位置及瞄准的功能。常见的电视系统由高清摄像机、传输设备、监视器组成，作为很多武器系统探测和跟踪的必备手段。可见光探测设备作用距离通常在2km左右，如果作用距离需要提升至10km及以上，那么将需要开发光电雷达，尤其针对高空广阔空域的稀疏目标，必须解决大视场和高分辨率的矛盾，方可实现对“低、慢、小”、“高、慢、小”无人机及其他空中平台的有效探测。

7、红外探测技术利用目标和景物的红外辐射来探测和识别目标。红外手段也能帮助发现和跟踪无人机集群，不过无人机的热源比典型的飞机要小得多，通常探测距离在1km左右。红外探测受制于天气，不利的天气可极大降低其探测能力。

8、激光探测是利用激光波束照射目标并接收目标反射回波的方法来获取目标信息。它既能够精确测距又能够精确测速、精密跟踪。激光雷达探测微小振动的灵敏度比典型雷达高2～3个量级。激光雷达空间分辨力高，能够获取目标尺寸、形状、速度、振动及旋转速度等多种信息，实现对目标的识别和跟踪。大气对激光的散射和吸收比对微波严重，当有云、雾、雨时，探测距离会大大减小。此外，激光的成本较之其他光电探测手段较高，在选择时会有一定考虑。

9、光电综合探测是将两种以上光电探测技术组合在一起，取长补短，对目标的侦察能力大大提高。例如电视、红外、激光组合可实现对目标的定位、识别和跟踪。

10、上述的各种探测手段都各有利弊，靠单一探测设备很难实现对多种场景下多类无人机的稳定探测，单一探测技术存在成功率低、易欺骗等缺点，因此在实际运用中，通常综合使用多种探测技术，以构建高效率、多层次的无人机及其他空中平台探测能力。

11、综上，雷达手段是现有无人机目标探测的主体，其对高空、高速、大型无人机及其他空中平台的探测效果较好，但对体积小、特征信号弱、飞行高度低的无人机及其他空中平台的探测存在弊端，目前各国正针对性研发适合此类无人机及其他空中平台探测的雷达系统，但真正用于针对隐身无人机及其他空中平台的低成本探测手段未见报导；光电探测、红外识别、声纹识别等方法存在连续跟踪困难、多目标探测识别能力有限的实际短板，针对现有无人机及其他空中平台飞行机动灵活、发动机解热量低等特点，以上预警手段略显吃力。因此，亟需研究新型低成本、高效能的探测方法与探测手段。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于阵列光栅的空中目标探测方法、系统、设备及介质，以解决上述背景技术中存在的问题。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、第一方面，本技术提供了基于阵列光栅的空中目标探测方法，包括以下具体步骤：

4、根据获取的探测需求，控制预置的多个探测单元在探测需求中的探测区域内形成阵列光栅；

5、利用阵列光栅中的各个探测单元向探测区域发射波长恒定的光学波束，并对光学波束在探测到存在目标对象时反射的反射回波进行监控，直到各个探测单元接收到反射回波；

6、根据预先设置的探测单元的优先级队列，将优先级队列中优先级最高的探测单元确定为中心节点单元，且当确定为中心节点单元的探测单元遭破坏时，按优先级队列的排序顺次确定出中心节点单元；

7、调用阵列光栅根据中心节点单元关联其他各个探测单元构建回波数据阵列，并根据回波数据阵列进行位置解算，得到目标对象的绝对位置。

8、本发明的有益效果是：本方案中，首先，针对获取的探测需求，在探测需求中包含了空域防控的范围和目标对象的特性，目标对象的特性可以包括目标对象的物理形态、隐身性能、攻击性能、机动性能、来袭时间窗口等，确保能够对意图闯入的目标对象进行区域覆盖；其次，根据意图闯入的目标对象的来袭时间窗口，启动探测单元并发射定向光学波束；再次，判定是否接收到反射回波：无人机载光学单元实时判断是否接收到发射模块发出的恒定波长波束经物体发射后的反射波束，如果没有接收到，那么就继续保持当前工作状态并实时判断；如果接收到发射信号，根据预先设置的探测单元的优先级队列，将优先级队列中优先级最高的探测单元确定为中心节点单元，且当确定为中心节点单元的探测单元遭破坏时，按优先级队列的排序顺次确定出中心节点单元，以中心节点单元为中心节点对目标位置信息进行解算，关联其他平台的位置拓扑信息，构建回波数据阵列，通过多个波束的方向相交，结合波束所属平台位置，解算得到目标的多个位置点，再通过多个位置点拟合，估算目标的大小，并得到目标所在的区域位置，然后通过通信模块上报指挥节点；如果本平台不是计算平台优先级队列中优先级最高的平台，而是其他的平台，则本平台就译码光学波束所含id信息，然后向当前计算平台优先级队列中最高优先级计算平台发送该id信息，然后等待是否能够收到优先级队列中最高优先级计算平台反馈的握手信号，如果能够收到，那么表明优先级队列中最高优先级计算平台仍然存活，可以进行后续目标位置的解算，此时本平台的工作即可结束；如果不能收到，那么就意味着优先级队列中最高优先级计算平台已经遭到破坏，此时需要将其剔除，然后更新计算平台优先级队列，同时向整个拓扑中的所有平台广播更新后的优先级队列。

9、本方案中，针对隐身无人机及其他空中平台目标的探测手段缺失且在广域空间被发现极难的突出问题，提出一种基于阵列光栅的隐身空中目标探测方法，该方法采用低成本高密度光栅反射接收设计，形成低成本大区域高密度阵列光栅，可实现对隐身无人机及其他空中平台的探测告警，从而填补隐身无人机及其他空中平台目标在广域空间被发现极难的技术空白，为隐身无人机及其他空中平台的探测发现提供一种新的思路与方法。

10、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

11、进一步，上述探测单元包括无人机平台，以及搭载于无人机平台上的光学单元。

12、进一步，上述光学单元包括发射模块、接收模块、处理模块、计算模块、接口模块和通信模块，其中：

13、发射模块，用于定向发射波长恒定并进行编码后的光学波束，光学波束表征了对应无人机平台的id信息；

14、接收模块，用于全向接收光学波束经物体反射后的反射波束；

15、处理模块，用于完成光信号与电信号之间的双向转换，以及转换过程中的信号处理和数据处理；

16、计算模块，用于根据反射波束的id信息以及优先级队列，确定中心节点单元和构建回波数据阵列，并根据回波数据阵列进行位置解算以及目标大小估算；

17、通信模块，用于实现各个光学单元相互之间，以及各个光学单元与控制终端之间的数据通信，

18、接口模块，用于实现每个光学单元与对应无人机平台之间，以及每个光学单元中各个模块之间的接口交互。

19、进一步，上述控制预置的多个探测单元在探测需求中的探测区域内形成阵列光栅具体为：

20、根据探测需求中不同的探测区域，从预置的多个空间拓扑结构中确定出适用空间拓扑；

21、控制各个无人机平台起飞至探测区域，并根据适用空间拓扑控制各个无人机平台在指定位置悬停形成阵列光栅。

22、采用上述进一步方案的有益效果是：基于阵列光栅的隐身空中目标探测新方法是将光学单元搭载到无人机平台上进行空间部署，在具体工作过程中，可以提前计算并设计空间拓扑，然后控制无人机起飞抵达指定空域位置悬停即可，而且可以在不同的业务场景中快速切换，在具体的多业务场景中能够很好的支持高机动快速布设；且通过空中拓扑设计可以完全破解目标对象的隐身特性，具有非常高的探测预警可靠性。

23、进一步，上述根据回波数据阵列进行位置解算具体为：

24、译码一定时延内所有接收到反射波束的原始波束的id信息，关联id所在的拓扑，得到探测到目标对象的多个反射波束的位置与方向信息，形成回波数据阵列；

25、通过多个反射波束的方向相交，结合反射波束所属平台位置，解算得到目标对象的多个位置点；

26、通过对多个位置点拟合，估算目标对象的大小，并得到目标对象所在的绝对位置。

27、第二方面，本技术提供了基于阵列光栅的空中目标探测系统，应用于第一方面中任一项的基于阵列光栅的空中目标探测方法，包括：

28、第一模块，用于根据获取的探测需求，控制预置的多个探测单元在探测需求中的探测区域内形成阵列光栅；

29、第二模块，用于利用阵列光栅中的各个探测单元向探测区域发射波长恒定的光学波束，并对光学波束在探测到存在目标对象时反射的反射回波进行监控，直到各个探测单元接收到反射回波；

30、第三模块，用于根据预先设置的探测单元的优先级队列，将优先级队列中优先级最高的探测单元确定为中心节点单元，且当确定为中心节点单元的探测单元遭破坏时，按优先级队列的排序顺次确定出中心节点单元；

31、第四模块，用于调用阵列光栅根据中心节点单元关联其他各个探测单元构建回波数据阵列，并根据回波数据阵列进行位置解算，得到目标对象的绝对位置。

32、进一步，上述第一模块包括：

33、第一子模块，用于根据探测需求中不同的探测区域，从预置的多个空间拓扑结构中确定出适用空间拓扑；

34、第二子模块，用于控制各个无人机平台起飞至探测区域，并根据适用空间拓扑控制各个无人机平台在指定位置悬停形成阵列光栅。

35、进一步，上述第四模块包括：

36、第三子模块，用于译码一定时延内所有接收到反射波束的原始波束的id信息，关联id所在的拓扑，得到探测到目标对象的多个反射波束的位置与方向信息，形成回波数据阵列；

37、第四子模块，用于通过多个反射波束的方向相交，结合反射波束所属平台位置，解算得到目标对象的多个位置点；

38、第五子模块，用于通过对多个位置点拟合，估算目标对象的大小，并得到目标对象所在的绝对位置。

39、第三方面，本技术提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现第一方面中任一项的方法。

40、第四方面，本技术提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第一方面中任一项的方法。

41、与现有技术相比，本发明至少具有以下的有益效果：

42、在本技术中，首先，针对获取的探测需求，在探测需求中包含了空域防控的范围和目标对象的特性，目标对象的特性可以包括目标对象的物理形态、隐身性能、攻击性能、机动性能、来袭时间窗口等，确保能够对意图闯入的目标对象进行区域覆盖；其次，根据意图闯入的目标对象的来袭时间窗口，启动探测单元并发射定向光学波束；再次，判定是否接收到反射回波：无人机载光学单元实时判断是否接收到发射模块发出的恒定波长波束经物体发射后的反射波束，如果没有接收到，那么就继续保持当前工作状态并实时判断；如果接收到发射信号，根据预先设置的探测单元的优先级队列，将优先级队列中优先级最高的探测单元确定为中心节点单元，且当确定为中心节点单元的探测单元遭破坏时，按优先级队列的排序顺次确定出中心节点单元，以中心节点单元为中心节点对目标位置信息进行解算，关联其他平台的位置拓扑信息，构建回波数据阵列，通过多个波束的方向相交，结合波束所属平台位置，解算得到目标的多个位置点，再通过多个位置点拟合，估算目标的大小，并得到目标所在的区域位置，然后通过通信模块上报指挥节点；如果本平台不是计算平台优先级队列中优先级最高的平台，而是其他的平台，则本平台就译码光学波束所含id信息，然后向当前计算平台优先级队列中最高优先级计算平台发送该id信息，然后等待是否能够收到优先级队列中最高优先级计算平台反馈的握手信号，如果能够收到，那么表明优先级队列中最高优先级计算平台仍然存活，可以进行后续目标位置的解算，此时本平台的工作即可结束；如果不能收到，那么就意味着优先级队列中最高优先级计算平台已经遭到破坏，此时需要将其剔除，然后更新计算平台优先级队列，同时向整个拓扑中的所有平台广播更新后的优先级队列。

43、在本技术中，针对隐身无人机及其他空中平台目标的探测手段缺失且在广域空间被发现极难的突出问题，提出一种基于阵列光栅的隐身空中目标探测方法，该方法采用低成本高密度光栅反射接收设计，形成低成本大区域高密度阵列光栅，可实现对隐身无人机及其他空中平台的探测告警，从而填补隐身无人机及其他空中平台目标在广域空间被发现极难的技术空白，为隐身无人机及其他空中平台的探测发现提供一种新的思路与方法。

44、在本技术中，基于阵列光栅的隐身空中目标探测新方法是将光学单元搭载到无人机平台上进行空间部署，通过光学波束触碰目标对象而产生波束反射，阵列接收与阵列信号处理确定目标位置，在具体工作过程中，可以提前计算并设计空间拓扑，然后控制无人机起飞抵达指定空域位置悬停即可，而且可以在不同的业务场景中快速切换，在具体的多业务场景中能够很好的支持高机动快速布设；且通过空中拓扑设计可以完全破解目标对象的隐身特性，具有非常高的探测预警可靠性。

45、在本技术中，基于阵列光栅的隐身空中目标探测新方法主要解决当前隐身无人机目标在广域空间被发现极难的问题，而具有高隐身特性的目标对象一般都是高价值目标，对防守方具有极大的威慑力和破坏力，通过本方法，一方面可以低成本的对高价值目标对象进行有效的探测预警，形成探测与反探测的感知抵消；另一方面可以通过多架低成本无人机实现对高价值目标对象的物理阻拦，形成突击与防御的反制抵消。