频谱探测技术在无人机探测与反制领域的应用
李光伟1费晓燕1刘彦明2杜盈2
1. 93209部队 2. 中国电子科技集团有限公司第七研究所
摘要： 回顾了频谱探测技术的现状及发展，介绍了电磁频谱主要表征参量、传播特性以及常用的探测技术原理和实现方法，总结了电磁频谱测量技术在无人机探测与反制中的应用和前景。
关键词： 协作频谱探测 TDOA定位 无人机探测
引言
频谱资源是国家重要的战略资源。随着无线电技术的飞速发展，电子设备不断增加，各种电磁信号交织，共用无线通信信道，加之自然电磁环境的影响，形成了一个复杂快变的电磁空间。
一直以来，电磁频谱探测技术都受到各国的普遍关注，美国的典型系统有：（1）民航航空无线电干扰监测系统IMDS，用于对民航通信、导航占用频谱监测；（2）“狼群”网络系统，用于战场捕获敌方雷达和通信信息；（3）GPS导航干扰监测系统。类似的系统有：德国的短波信号监测、定位监测网，韩国的非法电磁信号监测网络等。我国“十一五”重大专项也提出了“频谱共享、感知及灵活使用技术研究与验证”项目。
近年来，我国低空空域逐步开放，无人机技术、产业及应用迅猛发展，低空安全隐患突出，无人机探测与反制技术成为研究热点。由于“低慢小”目标具有机动复杂、速度慢、雷达反射截面积小等特点，使得现有的雷达难以及时有效地探测目标。频谱探测技术通过获取无人机的遥控和回传信息，可有效对无人机进行检测识别、定位跟踪及干扰打击，是一种性价比较高的手段。
一、电磁波的基本特性及电磁频谱探测原理
（一）电磁波传播特性
1. 电磁辐射表征参量
〔设计意图：有经历，有体验，才会有话可说，有文可写。老师设计一个学生感兴趣的小实验，让学生参与，学生才会有真实的体验，为接下来的作文指导、讨论提供了材料。〕
电磁辐射是一种能量，它是一个大小和特征可以描述的物理量[1]。一是用于描述特征的物理参量，如：周期、频率、波长、波速、相位等；二是用于描述强弱的物理参量，如：电场强度、磁场强度、功率、能量等。
2. 电磁辐射分类
（2）匹配滤波器探测[3]。一种相关探测方法，需要得到信号的相关信息，如图4所示。该方法的优点是能够获得较高的探测增益，实现时间短。缺点是如获取信号的相关信息不准确，会产生较高的错误率，匹配滤波器对系统同步要求高，计算量大，系统设计复杂，功耗也高。
3. 电磁波传播特性
电磁波主要传播方式为：地波传播、天波传播、视距传播、对流层传播和大气波导传播。电磁波的传播特性主要是指电磁波在传播过程中可能发生的反射、折射、绕射、散射和吸收等效应，如图1所示。
（二）电磁频谱探测原理
常用的频谱探测分类如图2所示，可根据所需要的探测精度、探测范围和限制条件（如实时性）等要求进行选择。
1. 基于发射机信号探测
（1）能量探测[2]。一种非相关方法，无需事先取得频谱的先验信息，如图3所示。这种方法的优点是容易实现、计算量小，但是当信号很微弱时，难以区分信号和噪声，存在一定的局限性。
电磁频率由低到高可分为无线电波、红外线、可见光、紫外线和射线等，频段划分如表1所示。
（3）循环平稳特征探测[4]。根据信号的频谱相关特性实现探测，如图5所示。其最大优点是能够有效地区分信号和噪声信号的能量，在低信噪比情况下，探测时间更短，性能更好，但复杂度较高。
2. 基于接收机信号探测
（1）本振功率泄露探测。无线通信一般都采用超外差式接收机[5]，如图6所示。接收机工作时，接收到的射频信号经放大后，与接收机内的本地振荡器信号混频处理后会产生特定频率的信号，本振信号会经天线泄漏出去。本振泄漏功率探测就是通过探测泄漏信号判断接收机是否正在工作，达到频谱探测的目的。
本刊提示 来稿请用国家统一的法定计量单位的名称和符号，不要使用国家已废除了的单位。如面积用hm2(公顷)、m2(平方米)，不用亩、尺2等；质量用t(吨)、kg(千克)、mg(毫克)，不再用担等；表示浓度的ppm一律改用mg/kg、mg/L或μL/L。
（2）干扰温度估计探测。干扰温度也称噪声温度，用来描述接收机在特定环境下能够正常通信的最低工作条件，反映了接收机的抗干扰能力。干扰温度的取值是各信号源发射机与周围背景噪声的干扰功率之和。图7展示了干扰温度估计探测模型。
3. 协作频谱探测
（1）方位扫描测向技术。天线做方位扫描（0～360°），以接收信号能量幅度峰值确定到达角。通常采用旋转环或交叉环天线测向机、乌兰韦伯测向机等仪器设备。该方法测向灵敏度、准确度高，抗同频干扰能力强；缺点是占用场地较大，测向速度较慢。
坐落在扬州的江苏虎豹集团，创建于1989年。集团拥有15家分公司，涉及服装、商贸、旅游、房地产、金融等行业，现有职工12000多人，实现年销售40亿元人民币，其中内外销服装销售25亿元以上，主导产品“虎豹”牌衬衫、西服、休闲服等，凭借其卓越的品质，远销全国及欧美、日韩等国家。先后荣获中国十大名牌、中国服装行业首批“中国驰名商标”、“中国最具市场竞争力品牌”和“中国500最具价值品牌”等国家大奖，为创立享誉世界的“虎豹”品牌奠定了坚实的基础。
协作探测分为两大类[6]，一是分布式协作探测。将协作设备的探测信息相互交流，做出各自的最终判决；二是集中式探测。将区域内所有探测设备的本地探测信息汇集到融合中心，做出数据融合或联合分析判决。
探测设备之间以及向融合中心传输的数据形式分为两种，一种是探测不同频点上的能量统计信息，另一种是探测频段上的原始频谱信号。通常把采用前者进行数据融合的方法称为硬判决，把采用后者进行数据融合的方法称为软判决。软判决传输的信号信息量大，检测可靠性高，但占用传输带宽大；硬判决传输数据量小，检测可靠性相对低，但占用带宽小，易于实现。
二、无人机探测技术
（一）无人机目标特性
市场上中小型无人机主要包括大疆Phantom系列、Mavic系列、小米无人机4K版，亿航184等。为了提高抗干扰能力，大多使用跳频通信系统，通过控制载波频率的变化，使无人机能够在复杂电磁环境下正常通信。表2给出典型小型无人机频谱相关特性。
频谱探测的主要目标包括遥控信号和图传信号。通过对无人机跳频信号进行特征参数提取，包括跳频周期、跳变时刻、跳频频率三个最重要的特征参数，再根据估计的参数获得跳频图案。通过测量定频信号的中心频率和带宽等特征参数，实现对无人机图传信号的识别。要截获目标的通信信息，还要根据调制方式、数据波特率等特征参数的识别结果，解调出目标携带的基带信号数据。
（二）电磁频谱发射源定位技术
电磁频谱发射源定位技术分为多站定位和单站定位。采用多站联合检测信号到达角（AOA）、到达时间（TOA）、到达时差（TDOA）和到达频差（FDOA）等信息，通过多测量点信息交汇和几何算法得到定位结果；还可以采用单一的可搬移式布设站点，通过站点位置移动检测来实现定位。
1. 基于AOA的测向定位技术
检测设备所受环境影响（如阴影效应、多径衰落等）不同，探测性能也不一样。恶劣环境中接收到的频谱信号微弱，探测性能变差，可靠性变低，需要多个探测设备协作提高系统的整体探测性能。
（2）比相法测向技术。采用干涉仪测向机测量不同位置天线感应电压的相位差来计算信号到达角。此方法具有较高的测向灵敏度和测向精确度，测向速度较快，不足之处是抗干扰能力较差。多普勒（Doppler）测向机利用天线做方位扫描，应用多普勒效应的原理确定到达角。该方法测向准确度高，极化误差较小，缺点是抗干扰性差。
During distal subtotal gastrectomy, the lymph node dissection levels are as follows: (1) D0: LD in a volume less than D1; (2) D1: №1, 3, 4sb, 4d, 5, 6, 7; (3) D1 +:D1 plus №8a, 9; and (4) D2: D1 plus №8a, 9, 11p, 12a(Figure 2).
2. 定位效果较好
芝麻油是一种将芝麻加工得到的食用植物油，气味香醇，可用作菜品和小吃的辅料。芝麻油富含油酸、亚油酸、木脂素等营养成分，其中芝麻酚、芝麻酚林等多种抗氧化剂的存在可使其长期保存。由于它具有优良的营养价值和市场价值，深受广大消费者喜爱，有些供应商为了牟取经济利益而加入大豆油、花生油等较为廉价的食用油，甚至用芝麻香精、香料调兑之后出售，这严重损害了消费者、合法经营者的正当权益。本文对下面几种检测芝麻油纯度的方法进行了分析，为今后芝麻油的研究提供了一定的参考。
2.1.4 蛋白酶处理和DTT处理。鉴定高频抗原抗体时可以使用蛋白酶处理谱细胞。国外常用的酶包括木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、胰蛋白酶、链酶蛋白酶等，国内使用较多的酶为木瓜蛋白酶和菠萝蛋白酶。不同种类的蛋白酶对同一血型系统抗原的作用有所不同，例如木瓜蛋白酶可以破坏Duffy系统的抗原，而胰蛋白酶却不能破坏它。
（1）信号相关检测测时技术。通过对不同探测设备（如实时频谱分析仪、频谱监测接收机）的接收信号进行相关计算获取信号到达相对时间（差）。该方法是一种高精度、高分辨率、抗干扰能力强的测时技术，但计算复杂度较高。
（2）小波变换检测测时技术。通过对接收信号进行交互小波变换，在变换域中根据相同坐标下的最大值来确定时延。该方法测时精度高，抗干扰能力强，计算复杂度相对较低，但采用不同小波会对测时性能产生影响。
（三）无人机AOA交叉定位
基于AOA的无人机频谱探测由高性能移动或固定测向机实现，常用的仪器主要是多普勒测向机和干涉仪测向机。
1. 多普勒测向机
大到修桥筑路、投资建厂，小到开超市、卖手机，越来越多的中国商人淘金非洲。但与这些走传统路径的商人不同，湖南小伙杨涛在非洲竟然把电商做得风生水起。他所创办的B2C电商平台Kilimall，经过4年的发展，已成为东非地区的电商领先者。
早期多普勒测向机应用于航空安全领域，主要工作在VHF/UHF频段，实现民用航空发射台测向。新一代多普勒测向机引入双信道补偿、梳状滤波器等技术，多采用大型天线阵，充分发挥测向准确、灵敏、极化误差小、可测来波仰角等优点，提高抗干扰能力，降低信号调制误差。典型系统如城区移动监测（PA555），跳频测向（SDS－2000）等。
2. 干涉仪测向机
静下来。我们当老师的，有时也要像一首歌唱的那样：“感觉累了，就放空自己……”当消极情绪压得自己喘不过气来时，不妨借一小段时间，什么都不要去想，闭上自己的双眼，放空自己的心灵，就那样静静地坐着，让自己烦恼的心静下来。这样，不难发现，你所气恼的事情即使发生了，又能怎么样？你还是必须面对这些问题，再多的伤感也是没有意义的。所以我们不如忽略那些来自外界的干扰，忘掉它们的存在。
干涉仪测向机应用范围广，有地面、车载、船载、机载等类型。构成大基础阵时具有较宽的方位和俯仰扫描能力，较高的增益，以及易于实现三维波束赋形方向图等优点，但由于体积大，需要安装在固定站；也可使用小到几分之一波长的小基础阵，适合机动性强的战术环境应用，但测向精度较低。
3. 交叉定位
仅依靠一部测向机的一条测向方位线无法确定无人机的位置，常需要将多个测向站组合后构成系统。系统中一个测向站通过通信接口与其他测向站相连，将每个测向站测得的示向线的交叉点作为目标辐射源，完成交叉定位。
（四）TDOA定位技术的主要优势
无人机可能随时悬停，相对于基站无运动，采用基于FDOA的定位方式难以对其定位。与AOA定位方法相比，TDOA定位有以下优点：
1. 定位精度更高
目标位置估计误差与目标距离成反比，采用AOA定位时与基线长度成反比，而TDOA定位与基线长度的平方成反比。
三是开拓创新，求真务实，积极做好老年服务工作。创新是一个民族的灵魂，是社会发展的不竭动力，开创老年工作的新局面同样需要创新。我们要结合企业的实际，认真研究本企业老年工作的规律和特点，积极探索适合企业自身特点的老年工作方法、制度等，在具体的处理方式上要求新、求变，以不断适应改革开放新形势的发展要求。一改以往企业老年工作只要每年组织开展几次活动，仅仅停留在满足于完成上级布置的任务的心理状态，要彻底纠正这种无所作为的思想，要更新观念，重新认识该项工作的重要性，要实现企业老年服务工作的理论和实践“双创新”。
（3）比辐法测向技术。利用一对完全相同的同心正交天线对，只有从某特定方位角入射的电波在两天线对上产生的电势幅度与到达角的正弦或余弦成比例。这种技术又称为沃森－瓦特（Watson-watt）测向机，具有测向速度快、抗干扰能力强的特点。缺点是双通道接收机的一致性要求高，制造复杂。
利用TDOA对宽带信号定位，具有相关峰高、定位误差小、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。
2. 基于TDOA的测时定位技术
3. 系统简单易于组网
地面固定站探测天线可以采用高增益方向性天线，拓展探测距离，天线的安装环境要求也没有AOA测向天线那样苛刻。
某拟建桥梁总长约1520m，横跨既有高速公路，处在2km曲线段上，和既有高速公路成45°的夹角。根据实际情况，设计采用组合梁的形式直接跨越既有高速公路。组合梁的长度与高度分别为82m、9m，相邻节段之间的距离为10m，中心距为6.7m，采用不设竖杆的结构形式，整体呈三角形，上、下弦杆分别采用钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土；上、下弦杆的截面形式分别为矩形与槽型。道床板采用40～45cm厚钢筋砼板，梁顶、底部宽度分别为9.4m、7.8m，梁端板总厚为90～95cm，梁体立面如图1所示。现围绕本工程实际情况，对其组合梁施工关键技术做如下深入分析。
4. 不存在相位模糊问题
基线长度可根据地形地物情况选定，可达数公里，长基线能够保证所需定位精度，同时还能避免相邻站天线间的互耦影响。
TDOA定位系统由于其经济性、便携性，传感器易于网络化，拓扑结构易伸缩，可以依托民用基站大规模使用。
三、无人机探测与反制应用实践
（一）重要区域防护
对于监狱、机场等重要区域防护，可以采用集中式协作频谱探测技术构建TDOA无人机定位系统，对区域内400MHz至6GHz的无线电信号进行扫描、采集、存储、测量、分析，实时发现未知信号，并通过频谱特征库匹配，实现对无人机等目标的识别、定位和跟踪。传感器的部署与数量根据地形条件确定，站点越多，定位精度越高。通常在重点防护区域部署4个传感器节点，如图8所示。传感器高点布设，尽量按正方形分布，相距1～2公里，位置标定精度为1米。
无线传感器由宽带天线、信号接收机以及配套线缆组成，完成信号采集和预处理，将数据回传给融合中心。图9所示是无人机以直径300米、高度50米环绕飞行时，检测到的无人机图传及控制信号，信号强度为-80dBm至-90dBm，图传信号为宽带信号，控制信号为窄带慢速变频信号。
检测到可疑信号时,系统切换至识别模式,如果识别为无人机信号，则转为定位跟踪模式，给出无人机定位信息，通过周期性持续定位，得到无人机的飞行轨迹，还可通过频谱特征识别与对比，确定无人机的型号。
图10是基于三个节点的探测威力覆盖测试系统，三个传感器设置在开阔江面的两岸，相距1km，高度约15米，天线增益为2dBi，系统对无人机信号的检测灵敏度为3dB，无人机高度固定为20米，系统对2.4GHz附近的信号频谱进行监测，可以看出，当站与站间距离为1km时，距离各站约为0.4km范围内的（红色）区域具有较高的（15m以内）定位精度。探测威力与天线高度、无人机高度、地物多径效应、大气衰减等多种因素相关，可现场调整。
（二）无人机反制
无人机电磁频谱反制系统通常由光电跟踪设备和无线电干扰器组成。系统探测并定位到无人机入侵时，光电跟踪设备在TDOA定位引导下，对无人机目标进行识别确认、定位并锁定跟踪；同时启动电干扰对无人机的通信、导航系统进行干扰。电磁干扰一般分为两种形式，一是压制式干扰，它是通过宽频段、高功率的电磁辐射压制，切断无人机与遥控器、地面站、导航卫星的联系，迫使无人机盘旋、降落或返航；二是欺骗式干扰，它是通过向无人机发射虚假卫星定位信息或虚拟导航控制指令，实现对无人机的欺骗和捕获。
四、结语
无线电通信、网络通信的高速发展和计算机技术、微电子技术的日新月异，带动频谱测试技术向着网络化、智能化和自动化方向快速发展。高度数字化和集成化的应用将不断促进频谱测试性能的提高，宽频带、高精度、高时效的先进功能将更好地适应复杂环境下信号快速检测的需求。新理论的不断出现，测试体制的不断推陈出新，空间谱估计等技术的逐步推向实用，都将使无线电测向和定位水平提高到新的高度。
通过对杂草1-3叶施药5天后，稗草叶片开始出现失绿症状，随后症状严重，杂草先后枯黄死亡，研究表明4%氟嘧啶草醚+2.5%五氟磺草胺可分散油悬浮剂100毫升/亩对水稻生长没有影响，安全可靠。对稗草用药后20d的防效达到100%。建议今后可作为水稻田稗草防治的有效药剂在生产中推广使用，最适使用剂量可为每亩100ml-120ml。
《纪效新书》是戚大帅写给不通文墨的部下看的，自然浅显易懂。但像“武经七书”这种东西，骆剑峰等人就读得想死。这套自宋朝流传下来的兵家名著，实为七本兵书的合集，故而名为“七书”，这七本里年代最近的一本，就是之前搞得骆剑峰和成俊麒晕头转向的《李卫公问对》，这本书好歹还是唐初的，另外六本大半传自春秋战国时期，每个字单独拆开来还勉强认得，组合在一起和天书无异！
此次强对流天气局地性强,发生发展结束时间短,气象预报预警难度大。目前全县县域内区域自动气象站站点平均网格间距为5.92 km,气象灾害监测网络空间密度不够,而且部分区域自动气象站无风速风向等监测要素,还不能满足局地强天气的监测需求。此外,全县区域自动气象站主要布设在重点景区、各乡镇所在地学校和有关村,近年来受租用地产权方环境改造、项目建设等原因,区域自动气象站探测环境保护面临较多困难,导致部分乡村气象监测数据不连续、不精准。
参考文献
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