一文講解無人機(jī)集群與反無人機(jī)集群技術(shù)

隨著人工智能、微機(jī)電、衛(wèi)星通信、5G等技術(shù)的發(fā)展，具有抗毀性強(qiáng)、成本低、作戰(zhàn)效費(fèi)比高等優(yōu)勢的無人機(jī)集群，可實(shí)施廣域分布式多點(diǎn)多向突擊，日益成為空天戰(zhàn)場的“生力軍”、精兵作戰(zhàn)的“急先鋒”、出奇制勝的“撒手锏”，對傳統(tǒng)防御系統(tǒng)提出了極大的挑戰(zhàn)，應(yīng)對無人機(jī)集群作戰(zhàn)的威脅亟需拿出有效對策。美國集群式無人機(jī)研究計(jì)劃。盡管早在2000年，DARPA就曾借鑒螞蟻信息素交互行為，開展無人機(jī)集群的空戰(zhàn)仿真研究，但美軍真正開展系統(tǒng)層實(shí)物研究還是最近幾年。 ?

郊狼集群

2014年4月，美國海軍研究辦公室發(fā)起“低成本無人機(jī)集群技術(shù)”（LOCUST）項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用雷聲公司的“郊狼”（Coyote）電動旋翼無人機(jī)作為演示樣機(jī)，可以每秒一架的速度發(fā)射上百架。這些小型無人機(jī)利用近距離射頻網(wǎng)絡(luò)共享態(tài)勢信息，協(xié)同執(zhí)行進(jìn)攻或防御性任務(wù)，以數(shù)量優(yōu)勢壓制敵人。“郊狼”無人機(jī)的作戰(zhàn)半徑為37千米，航時(shí)達(dá)1小時(shí)，飛行高度為61~1524米。2015年至今，海軍研究局使用“郊狼”無人機(jī)進(jìn)行了兩次路基試射試驗(yàn)和一次?；嚿湓囼?yàn)，分別完成了9架自主機(jī)動飛行、31架在40秒內(nèi)發(fā)射并編隊(duì)飛行以及30架30秒內(nèi)發(fā)射并形成不同的排列陣型。 ?

小精靈集群

2015年9月，DARPA發(fā)布“小精靈”（Gremlins）項(xiàng)目跨部門公告，旨在開發(fā)具備組網(wǎng)與協(xié)同功能的可回收無人機(jī)系統(tǒng)。這種無人機(jī)可攜帶模塊化偵察盒/或電子戰(zhàn)載荷，由大型運(yùn)輸機(jī)或轟炸機(jī)運(yùn)送至防區(qū)外發(fā)射。無人機(jī)集群通過三角定位、時(shí)頻差等無源精確定位與瞄準(zhǔn)技術(shù)探知目標(biāo)，通過切斷敵方通信甚至向敵數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中注入惡意代碼實(shí)時(shí)電子和網(wǎng)絡(luò)攻擊，并最終引導(dǎo)精確火力完成摧毀?！靶【`”無人機(jī)作戰(zhàn)半徑超過600千米，巡航時(shí)間不小于1小時(shí)，最低飛行速度為馬赫數(shù)0.7.任務(wù)完成后，C-130運(yùn)輸機(jī)負(fù)責(zé)對幸存“小精靈”無人機(jī)進(jìn)行回收，每架預(yù)計(jì)可重復(fù)使用20次。該項(xiàng)目研究周期為4年，計(jì)劃在2020年完成演示驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)成功后DARPA預(yù)備生產(chǎn)1000架“小精靈”無人機(jī)和25套機(jī)載設(shè)備。 ? ?

山鶉集群

“微型無人機(jī)告訴發(fā)射演示”項(xiàng)目由美國國防部戰(zhàn)略能力辦公室與空軍聯(lián)合開展，旨在通過F-16等有人機(jī)平臺釋放名為“山鶉”（Perdix）的微型無人機(jī)集群以執(zhí)行態(tài)勢感知任務(wù)?！吧靳嚒钡臋C(jī)身尺寸同可樂瓶一般大小，配備鋰聚合物電池，質(zhì)量僅0.45千克，它采用螺旋槳推進(jìn)，可折疊機(jī)翼裝在MJU-10/B標(biāo)準(zhǔn)飛機(jī)誘餌發(fā)射筒內(nèi)。發(fā)射后，無人機(jī)被喚醒并被引導(dǎo)找到“集群”的其他無人機(jī)，利用武器或傳感器系統(tǒng)，執(zhí)行區(qū)域地毯式搜索和干擾壓制地方雷達(dá)任務(wù)。2016年10月，戰(zhàn)略能力辦公室利用3架F/A-18F戰(zhàn)斗機(jī)在馬赫數(shù)0.6速度下連續(xù)投放了103架無人機(jī)，并在地面站指揮下，通過機(jī)間通信與協(xié)同，完成4項(xiàng)預(yù)定任務(wù)。 ?

無人機(jī)集群的配套支撐項(xiàng)目

DARPA“拒止環(huán)境下協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項(xiàng)目致力于發(fā)展一套包含協(xié)同算法的軟件系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可適應(yīng)寬帶限制和通信干擾，減少指揮官認(rèn)知負(fù)擔(dān)，并通過經(jīng)濟(jì)可承受方式集成到現(xiàn)有平臺。CODE模塊化、開放式的軟件架構(gòu)允許多架無人機(jī)開展導(dǎo)航任務(wù)，并根據(jù)已經(jīng)建立的交戰(zhàn)規(guī)則發(fā)現(xiàn)、跟蹤、確認(rèn)和作戰(zhàn)。擁有CODE系統(tǒng)的無人機(jī)也可召喚臨近友軍的CODE無人機(jī)以增強(qiáng)作戰(zhàn)能力。 DARPA“集群挑戰(zhàn)”（SwarmChallenge）計(jì)劃將無人系統(tǒng)開發(fā)自主集群作戰(zhàn)算法，在無需生成大量認(rèn)知數(shù)據(jù)情況下，提高集群在復(fù)雜環(huán)境中的作戰(zhàn)能力。項(xiàng)目的主要挑戰(zhàn)包括無人系統(tǒng)密切協(xié)同、區(qū)域快速搜索、態(tài)勢感知、決策制定以及障礙清楚都能相關(guān)難題。 DARPA“分布式作戰(zhàn)管理”（DBM）項(xiàng)目致力于開發(fā)分布式作戰(zhàn)管理系統(tǒng)架構(gòu)、協(xié)議和算法、發(fā)展決策助手，幫助操作員在對抗環(huán)境中數(shù)據(jù)鏈遭到干擾的情況下，仍能有序地駕馭有人和無人平臺，控制機(jī)上的傳感器、電子戰(zhàn)系統(tǒng)和武器系統(tǒng)。DBM包括自主性、態(tài)勢理解和操作員工具三種功能算法，以支持在最小寬帶下融合和共享態(tài)勢圖像，在通信保障環(huán)境下進(jìn)行自適應(yīng)規(guī)劃和控制。 ?

無人機(jī)集群作戰(zhàn)能力分析與評價(jià)

集群需要引入人工智能和自主決策方法，需要強(qiáng)大的計(jì)算能力、感知能力和存儲能力。其高效能來源于無差異的機(jī)器—機(jī)器之間形成的高彈性整體：當(dāng)內(nèi)部某個(gè)無人機(jī)消失時(shí)，對整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行影響很小，當(dāng)集群中出現(xiàn)局部擾動或增加一個(gè)新個(gè)體時(shí)也可彈性吸納。群間網(wǎng)絡(luò)是集群的核心，它可能基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議或其他形式的通信架構(gòu)，使每一個(gè)體都能共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而保持對周圍環(huán)境的普遍感知。這種感知能力一方面保證了無人機(jī)集群可在既定任務(wù)規(guī)劃和指揮員指令下執(zhí)行任務(wù)，另一方面也支撐起其在未知環(huán)境下有條不紊地完成復(fù)雜任務(wù)或在面對意外事件時(shí)重新規(guī)劃任務(wù)的能力。 ? 集群式無人機(jī)的突出特點(diǎn)是以自主協(xié)同網(wǎng)絡(luò)為依托，在局部戰(zhàn)場上創(chuàng)造出壓倒性的數(shù)量優(yōu)勢，一方面有效提升己方的感知、通信、指控、打擊能力，另一方面全方位、多角度阻塞和壓制對方的通信網(wǎng)絡(luò)和防空系統(tǒng)，提高對抗難度與成本，短時(shí)間內(nèi)毀傷對手。利用集群戰(zhàn)法，精確選擇目標(biāo)，快速機(jī)動，多維攻擊，融合相關(guān)作戰(zhàn)要素，打通 “偵察—控制—打擊—評估”鏈路，形成敏捷、高效、精確的新型無人化作戰(zhàn)體系。通過無人機(jī)間信息實(shí)時(shí)交互、動態(tài)自主組合、集群協(xié)同突防等方式，最終完成高效飽和攻擊。 ?

分布式探測與攻擊的能力

無人機(jī)集群可充當(dāng)分布式傳感器和武器角色，當(dāng)其廣泛分布時(shí)，可相互協(xié)作提升目標(biāo)的探測或打擊精度。在探測感知方面，平臺間可采取頻率、波段不同的探測設(shè)備進(jìn)行全頻譜探測；在電子干擾方面，無人機(jī)之間可協(xié)作確定相對位置，制定最佳攻擊時(shí)機(jī)，使各平臺發(fā)出的電磁干擾攻擊波盡可能同時(shí)到達(dá)目標(biāo)；在打擊摧毀方面，無人機(jī)集群可實(shí)現(xiàn) “兵力分散、火力集中”的分布式殺傷，在高效打擊的同時(shí)兼顧自我防護(hù)。 ? ?

高抗毀性和多次打擊本領(lǐng)

無人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)時(shí)，如集群中其中一架被擊毀，其他無人機(jī)可重新配置，快速填補(bǔ)空缺，推動任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。系統(tǒng)整體的抗毀性極大提高了任務(wù)的成功概率。為驗(yàn)證集群戰(zhàn)法效果，美國海軍研究生院的LocVPham針對無人機(jī)集群突防 “宙斯盾”系統(tǒng)做了上百次模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明：在8架小型無人機(jī)的攻擊下平均有 2.8架突防，即便是升級版 “宙斯盾”系統(tǒng)，至少也有1架能突防。如果無人機(jī)數(shù)量超過 10架，則 “宙斯盾”系統(tǒng)只能攔截最先到達(dá)的7架。 ? ? ?

作戰(zhàn)成本的非對稱效益

“小精靈”無人機(jī)的期望成本為70萬美元， “郊狼”無人機(jī)成本只有1.5萬美元，而一枚 “魚叉”導(dǎo)彈的價(jià)格高達(dá)120萬美元。憑借集群戰(zhàn)術(shù)，無人機(jī)系統(tǒng)可快速消耗敵方對空導(dǎo)彈等高價(jià)值武器裝備，以其規(guī)模優(yōu)勢給對方造成慘重?fù)p失。 ? ?

有人—無人編隊(duì)協(xié)同的重要一環(huán)

無人機(jī)集群可以作為有人—無人編隊(duì)作戰(zhàn)的重要一環(huán)。在載荷配置上，無人機(jī)攜帶傳感器、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、通信、定位／導(dǎo)航／授時(shí)、彈藥等，有人機(jī)攜帶通信系統(tǒng)、信息融合系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等。作戰(zhàn)時(shí)，無人機(jī)前置，有人機(jī)后置，無人機(jī)集群用預(yù)先確定的路徑飛襲到敵方的防空系統(tǒng)位置，在敵防區(qū)內(nèi)負(fù)責(zé)目標(biāo)探測跟蹤、電子對抗，并通過數(shù)據(jù)鏈將目標(biāo)數(shù)據(jù)傳送至后方有人機(jī)平臺作融合處理。確認(rèn)目標(biāo)后，即可由后方大型作戰(zhàn)平臺投射武器進(jìn)行防區(qū)外打擊，或由無人機(jī)攜帶的打擊武器進(jìn)行時(shí)敏目標(biāo)打擊。當(dāng)敵方的防空系統(tǒng)部分失效時(shí)，后方的高價(jià)值、隱身機(jī)載平臺也可實(shí)施第二波打擊。 ?

反無人機(jī)集群的預(yù)警探測手段

與飛機(jī)、導(dǎo)彈等傳統(tǒng)空中威脅一樣，有效防御集群式無人機(jī)的第一步是盡早感知威脅并及時(shí)預(yù)警。由于無人機(jī)集群需要在指定平臺發(fā)射，且普遍存在飛行高度低 （隱蔽性強(qiáng)）、發(fā)動機(jī)散熱量低 （難以被紅外探測器發(fā)現(xiàn)）等特點(diǎn)，因此宜采用下列雷達(dá)預(yù)警方案。 ? ?

多層次、分布式的預(yù)警防御體系

遠(yuǎn)—中—近程雷達(dá)分層配置。與 “全球鷹”“捕食者”等大型長航時(shí)無人機(jī)不同，小型無人機(jī)的續(xù)航能力和作戰(zhàn)半徑有限，需要運(yùn)輸機(jī)等載機(jī)平臺送至防區(qū)外發(fā)射。載機(jī)平臺既是無人機(jī)集群出現(xiàn)的標(biāo)志，也是向后者傳遞指控命令的神經(jīng)中樞。鑒于“小精靈”無人機(jī)最大作戰(zhàn)半徑可達(dá)900千米，采用C－130、C－17運(yùn)輸機(jī)或者B－52轟炸機(jī)遠(yuǎn)程投放，因此可針對這些載機(jī)平臺建立雷達(dá)目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫，使用遠(yuǎn)程警戒雷達(dá) （500～1000千米）探測、分類和識別，待確認(rèn)后引導(dǎo)導(dǎo)彈和戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行攻擊。 遠(yuǎn)程雷達(dá)的掠地角大，分辨能力低，不易探測和跟蹤小雷達(dá)截面和低飛行高度的集群式無人機(jī)，因此在無人機(jī)進(jìn)入500千米、300千米、100千米之后，可分別采用中、近程三坐標(biāo)警戒雷達(dá)和低空補(bǔ)盲雷達(dá)對無人機(jī)群進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤。薩博公司拓展了中、近程 “長頸鹿”捷變多波束雷達(dá)對“低慢小”無人機(jī)目標(biāo)的探測、跟蹤性能，并驗(yàn)證了在復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)對 6架無人機(jī)的能力。該雷達(dá)可發(fā)現(xiàn) 100個(gè)雷達(dá)截面積僅為0.001米2的空中目標(biāo)，將無人機(jī)從地面雜波中識別出來，并可與多種武器系統(tǒng)相連，執(zhí)行打擊無人機(jī)的任務(wù)。 ? ?

雷達(dá)組網(wǎng)與雙／多基地部署

集群式無人機(jī)通過協(xié)同組網(wǎng)和分布式感知提升作戰(zhàn)能力，地面雷達(dá)也可以借助這一思想，采用雷達(dá)組網(wǎng)和分布部署來提高預(yù)警能力。組網(wǎng)雷達(dá)通過一個(gè)中心站執(zhí)行統(tǒng)一管理和調(diào)配，利用通信鏈路將多部不同體制、不同頻段和不同工作模式的地面雷達(dá)系統(tǒng)連接起來，最終依靠融合處理技術(shù)將網(wǎng)內(nèi)各傳感器的信息整合成最全面可靠的情報(bào)。組網(wǎng)雷達(dá)具有三大作戰(zhàn)優(yōu)勢：首先，憑借廣域覆蓋實(shí)現(xiàn)無縫監(jiān)視，憑借多角度觀察實(shí)現(xiàn)去偽存真、去粗取精，從而降低虛警概率；其次，當(dāng)網(wǎng)內(nèi)一部或幾部雷達(dá)因受到攻擊而失效時(shí)，其他雷達(dá)系統(tǒng)依舊能擔(dān)負(fù)起警戒的重任，避免預(yù)警體系整體癱瘓；最后，組網(wǎng)雷達(dá)既可以靈活調(diào)整工作狀態(tài)，充分發(fā)揮每部雷達(dá)的探測優(yōu)勢，又可以通過交替開機(jī)、輪番機(jī)動等方式給無人機(jī)集群造成電磁閃耀干擾，使之混淆跟蹤的方向、頻率和波形。 ? 相比于常見的單基地雷達(dá)，雙／多基地雷達(dá)能夠有效應(yīng)對無人機(jī)集群的偵察、干擾和打擊威脅。首先，雙／多基地雷達(dá)的發(fā)射機(jī)可部署到戰(zhàn)區(qū)后方甚至是空中平臺上，靈活機(jī)動，處于相對安全位置；其次，高價(jià)值的接收機(jī)作為無源裝備，具有很好的電磁隱蔽性，可放置于戰(zhàn)線前方，取得最佳探測視角；再次，和組網(wǎng)雷達(dá)一樣，分散式部署的多基地雷達(dá)能大范圍、多角度地探測無人機(jī)群，提高發(fā)現(xiàn)概率和識別能力；然后，多基地雷達(dá)中的一部發(fā)射機(jī)可供多部接收機(jī)使用，一部接收機(jī)也可接收多部發(fā)射機(jī)的信號，增強(qiáng)了體系的魯棒性和抗毀性；最后，憑借著空間分集、體制分集、頻率分集、極化分集和信息融合等優(yōu)勢，雙／多基地雷達(dá)幾乎能抗擊所有的有源和無源干擾。 ? ?

空—地一體協(xié)同探測

相比于地基雷達(dá)，空基預(yù)警平臺能突破地球曲度和地形遮擋限制，實(shí)現(xiàn)更好的低空探測?？罩蓄A(yù)警系統(tǒng)包括預(yù)警機(jī)和浮空器，其中預(yù)警機(jī)不僅能靈活機(jī)動地執(zhí)行大空域360°無縫探測，還可以作為空中指揮控制中心指揮我方戰(zhàn)機(jī)與敵機(jī)交戰(zhàn)，并利用機(jī)內(nèi)電子戰(zhàn)設(shè)備展開電子偵察和電子干擾浮空器平臺具備360°全覆蓋、全天候、全天時(shí)監(jiān)視能力，且運(yùn)行成本很低（400美元／小時(shí)）。盡管如此，這兩種空基平臺還需要地面雷達(dá)輔助：預(yù)警機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用高，續(xù)航能力有限，即使是空中加油，也無法滿足全天時(shí)作戰(zhàn)需求；浮空器體積龐大、行動遲緩，極易成為攻擊目標(biāo)；另外，一般預(yù)警機(jī)和浮空器的最大作用距離都在500千米左右，難以捕獲900千米外的“小精靈”載機(jī)平臺。因此，空—地協(xié)同探測才能將雷達(dá)體系的大威力、全覆蓋、全天候／全天時(shí)、低成本等優(yōu)勢結(jié)合起來。 ? ?

低／零功率輻射技術(shù)與系統(tǒng)

鑒于無人機(jī)集群的首要作戰(zhàn)對象是輻射電磁信號的雷達(dá)等電子設(shè)備，因此可以采用低功率甚至零功率的雷達(dá)輻射技術(shù)和裝備來達(dá)到隱蔽探測和自我保護(hù)的目的。低截獲概率（LPI）雷達(dá)采用寬帶自適應(yīng)頻率捷變、高增益天線、擴(kuò)譜波形、脈沖壓縮、相干積累、參數(shù)隨機(jī)化等方法，提高主瓣增益系數(shù)與接收機(jī)信噪比，從而以極低峰值功率捕獲遠(yuǎn)距離小目標(biāo)。無源防空雷達(dá)自身不發(fā)射電磁波，它通過接收空中目標(biāo)自身電磁輻射或外輻射源照射目標(biāo)的反射信號，完成對目標(biāo)的定位和跟蹤。由于徹底失去引導(dǎo)媒介，無人機(jī)集群難以發(fā)現(xiàn)無源雷達(dá)。此外，近幾次局部戰(zhàn)爭證明，制定機(jī)動靈活的雷達(dá)靜默戰(zhàn)術(shù)，能很大程度地減少電磁波泄漏，防止雷達(dá)信號情報(bào)被偵察。 ? ?

具有顛覆性潛力的新體制雷達(dá)技術(shù)

多基分布式協(xié)同探測體系可全面感知戰(zhàn)場態(tài)勢，具備強(qiáng)大的抗干擾性和抗毀性，但體系越大意味運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)成本越昂貴，也意味著越容易暴露目標(biāo)、受到打擊。無源雷達(dá)盡管有好的電磁隱蔽性，但卻缺少發(fā)射機(jī)合作而丟失了探測的主動性和精確性。為了在不損失預(yù)警效能的前提下降低作戰(zhàn)成本，除了統(tǒng)籌規(guī)劃雷達(dá)開機(jī)策略外，還可以將目光瞄準(zhǔn)具備顛覆性潛力的新體制雷達(dá)技術(shù)上，如微波光子雷達(dá)。 微波光子技術(shù)將光子／光電器件的高頻率、大帶寬、低損耗、結(jié)構(gòu)小型緊湊等優(yōu)勢與傳統(tǒng)微波雷達(dá)相結(jié)合，從而提高遠(yuǎn)程探測和寬角覆蓋能力、目標(biāo)成像和識別能力、低空探測能力、抗有源干擾能力和快速可重構(gòu)能力，并且有助于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的軟件化和多功能，降低系統(tǒng)尺寸、重量和功耗。世界上首部微波光子雷達(dá)樣機(jī)已經(jīng)問世，實(shí)現(xiàn)了對非合作客機(jī)的跟蹤與測量。之后，該雷達(dá)架構(gòu)成功推廣至雙波段和多波段，并演示驗(yàn)證了一體化光子雷達(dá)／通信系統(tǒng)和光子雷達(dá)／激光雷達(dá)系統(tǒng)的可行性。 ? ?

對抗無人機(jī)集群攻擊的手段

鑒于集群式無人機(jī)的低紅外、低成本和高抗毀性等特點(diǎn)，使用地空導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈等高價(jià)值武器無異于大炮打蚊子，容易丟失目標(biāo)且經(jīng)濟(jì)成本太大；使用高炮和便攜式導(dǎo)彈盡管對單個(gè)近距離、低空、慢速目標(biāo)攔截效果較好，但也不適合分布式作戰(zhàn)的無人機(jī)集群。因此，干擾和打擊方法必須具備低成本、大覆蓋、高效能等優(yōu)勢。 ? ? ?

實(shí)施多途徑電子干擾，全面抑制無人機(jī)集群的作戰(zhàn)威力

無人機(jī)本身體積小、容量有限、抗干擾功能相對缺乏，其導(dǎo)航系統(tǒng)、電子偵察系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和組網(wǎng)協(xié)同系統(tǒng)在受到強(qiáng)烈電磁干擾時(shí)很可能會部分失靈甚至徹底失效。 定位、導(dǎo)航系統(tǒng)是無人機(jī)按預(yù)定路線飛行的保證。一般地，無人機(jī)在飛行時(shí)須依賴全球定位系統(tǒng)（GPS）和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）實(shí)施定位和導(dǎo)航。但 GPS存在著信號強(qiáng)度弱、接收機(jī)響應(yīng)能力不強(qiáng)等缺點(diǎn)。若GPS信號接收機(jī)被干擾，無人機(jī)只能依賴SINS導(dǎo)航，而SINS的累積誤差往往會隨著航程增加而迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致定位精度下降，甚至?xí)篃o人機(jī)偏離預(yù)定航線。 無人機(jī)攜帶的任務(wù)載荷多為光電傳感器和輕型合成孔徑雷達(dá)。對光電傳感器的干擾手段包括制導(dǎo)欺騙式干擾、測距欺騙干擾、致盲壓制式干擾以及煙霧干擾等；對合成孔徑雷達(dá)的干擾手段包括瞄準(zhǔn)式噪聲干擾和欺騙式干擾等。 無人機(jī)集群同后方控制平臺的通信通常有無人機(jī)與平臺距離在視距之內(nèi)的視距通信和在視距外的衛(wèi)星中繼通信兩種方式。對于視距通信，可以使用多目標(biāo)干擾、頻率跟蹤式干擾和全頻段攔阻式干擾；對于衛(wèi)星中繼通信，只要破壞無人機(jī)發(fā)射端—上行鏈路—衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器—下行鏈路—平臺接收端的任一環(huán)節(jié)即可。 無人機(jī)集群間通過一種子網(wǎng)絡(luò)語言相互溝通、協(xié)調(diào)行動。通過發(fā)射合適的干擾信號可以擾亂這種內(nèi)部通信，使其自亂陣腳，集群中的個(gè)體只能各自為戰(zhàn)，集群戰(zhàn)就退化為混戰(zhàn)，作戰(zhàn)效能也將大大折損。這種干擾甚至能在集群內(nèi)部引起大規(guī)模碰撞毀傷等連鎖反應(yīng)，最終徹底摧毀整個(gè)集群。由于集群大都呈密集型分布，這種子網(wǎng)絡(luò)語言可能會對甚高頻（VHF）信號敏感。 ? ?

利用定向能武器，實(shí)施瞬時(shí)高能打擊。激光武器

激光武器利用激光固有的單色性、方向性和高能量密度等特點(diǎn)，具有直線攻擊、瞬時(shí)打擊、抗干擾能力強(qiáng)、作戰(zhàn)效費(fèi)比高等優(yōu)勢。高能激光照射到無人機(jī)上可以使機(jī)體升溫、熔化或汽化，破壞機(jī)械結(jié)構(gòu)或電子元件，從而毀傷無人機(jī)。2015年8月，波音公司在 “黑色標(biāo)槍” （BlackDart）反無人機(jī)演習(xí)中，演示了 “緊湊型激光武器系統(tǒng)”的反無人機(jī)能力。該系統(tǒng)可通過中波紅外傳感器在 40千米的范圍內(nèi)識別、追蹤地面和空中目標(biāo)，激光波束可在37千米范圍內(nèi)聚焦。 ? 盡管如此，激光武器打擊無人機(jī)集群還需克服很多困難：首先，激光能量轉(zhuǎn)化效率低、光束功率密度小，未能實(shí)現(xiàn) “即打即毀”殺傷能力；二是激光在大氣傳輸中衰減較強(qiáng)，受天氣影響較大，不具備全天候作戰(zhàn)能力；三是目前激光武器的體積和重量大，機(jī)動性不強(qiáng)，難以跟得上靈活機(jī)動的機(jī)群；四是激光武器的波束太窄，一次只能攻擊一個(gè)無人機(jī)目標(biāo)。 ? ?

高功率微波武器

高功率微波武器是一種具備軟、硬多種殺傷效應(yīng)的定向能武器，它可發(fā)射峰值功率在100兆瓦以上、頻率在1～300吉赫之間的電磁脈沖，通過天線進(jìn)入目標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部擊穿和燒毀電子元器件，從而毀傷目標(biāo)。與激光武器相比，微波武器的作用距離更遠(yuǎn)，受氣候影響更小，攻擊時(shí)只需確定大概指向，不必精確瞄準(zhǔn)，易于火力控制。微波武器輻射出的大功率寬角度（多呈扇形或圓錐形）電磁波脈沖有大面積殺傷能力，可以充當(dāng)盾牌防御整個(gè)集群。另外，由于發(fā)射波束具備一定的方向性，可避免對己方電子設(shè)備造成毀傷。雷聲公司近年來持續(xù)為美國陸軍開展陸基高功率微波（HPM）武器的演示驗(yàn)證，其演示樣機(jī)安裝在6米的容器內(nèi)，它以高功率磁控管為基礎(chǔ)，配備了用于目標(biāo)跟蹤與引導(dǎo)提示的火控雷達(dá)，可實(shí)現(xiàn)空中全覆蓋。2013年，該系統(tǒng)在美國陸軍火力卓越中心成功驗(yàn)證對抗多架無人機(jī)的能力。 ? ?

發(fā)展 “幕”型攔截武器，提升無人機(jī)捕殺效能

“幕”型武器發(fā)射之后在較大空間分散成幕狀結(jié)構(gòu)組織，可由地基或空基平臺發(fā)射，是攔截和毀傷高密度、輕質(zhì)量無人機(jī)集群的高性價(jià)比武器。幾年前，DARPA曾評估一種稱為 “快速捕獲無人機(jī)或使無人機(jī)失能”的小型空中防御概念武器，這種武器采用攜帶紅外近距離傳感器的管型發(fā)射裝置，可噴射出泡沫或網(wǎng)罩，而網(wǎng)罩的導(dǎo)電碳纖維能夠使無人機(jī)的通信系統(tǒng)失靈。開放工廠公司研制生產(chǎn)的SkyWall100小型無人機(jī)攔截系統(tǒng)也屬于這一類武器，該系統(tǒng)作用范圍為100米，由肩扛式發(fā)射筒和攔截網(wǎng)彈組成，發(fā)射筒配有光學(xué)智能瞄準(zhǔn)儀，攔截網(wǎng)發(fā)射后在空中形成大覆蓋面，包裹目標(biāo)無人機(jī)并使其失去動力。 ? ?

依托制空優(yōu)勢，有人戰(zhàn)機(jī)空中摧毀無人機(jī)集群

盡管近年來無人機(jī)技術(shù)取得了長足進(jìn)步，無人機(jī)裝備也從單純地監(jiān)視偵察發(fā)展到攜帶 “地獄火”導(dǎo)彈執(zhí)行地面攻擊，甚至誕生了可執(zhí)行多種任務(wù)的無人作戰(zhàn)飛機(jī)，但制空能力弱還是所有無人機(jī)的通病。憑借高機(jī)動性和靈活性，有人戰(zhàn)斗機(jī)可利用機(jī)炮等機(jī)載武器肆意獵殺無人機(jī)集群。此外，有人戰(zhàn)機(jī)還可以利用機(jī)上電子對抗設(shè)備對無人機(jī)集群進(jìn)行干擾，用 “幕”型武器取代空空導(dǎo)彈來提高攔截概率和效費(fèi)比。 ? ? ?

以雷達(dá)誘餌實(shí)施誘騙，抵消無人機(jī)集群威脅

由于無人機(jī)集群的打擊對象主要是以雷達(dá)為主的一體化防空系統(tǒng)，因此可采用雷達(dá)誘餌抵消威脅。雷達(dá)誘餌主要有制式干擾誘餌、廢舊雷達(dá)誘餌以及同頻接力誘餌三種。制式誘餌是指在雷達(dá)附近分置一個(gè)或多個(gè)與雷達(dá)發(fā)射信號特性相同的制式干擾源，當(dāng)無人集群來襲時(shí)，雷達(dá)指揮控制中心可統(tǒng)一控制，利用閃爍、兩點(diǎn)源相參干擾誘騙和多點(diǎn)源非相參干擾誘騙等方式，使集群無法精確跟蹤雷達(dá)信號；利用廢舊雷達(dá)誘餌，是指使用置于假陣地的廢舊雷達(dá)模擬作戰(zhàn)雷達(dá)的電磁輻射特征，用假信號引誘敵無人機(jī)集群偏離正確目標(biāo)；同頻接力誘餌即利用多部雷達(dá)接力交替工作，使集群難以持續(xù)跟蹤某一部確定雷達(dá)，從而抵消其探測、干擾和打擊能力。 集群式無人機(jī)作戰(zhàn)將動物界的集群行為與小型無人機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，集數(shù)量多、靈活彈性、分布式打擊、抗毀傷和低成本優(yōu)勢于一體，是一種改變游戲規(guī)則的新型作戰(zhàn)威脅。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)這種威脅，可通過遠(yuǎn)程—中程—近程分層放置、雙—多基地分布式部署、空—地組網(wǎng)協(xié)同等方案建立起完備的雷達(dá)預(yù)警體系，并開發(fā)微波光子雷達(dá)等具備顛覆性潛力的雷達(dá)探測技術(shù)和裝備；為有效反制這種威脅，應(yīng)對無人機(jī)集群開展廣泛的電子軟殺傷攻擊，借助組網(wǎng)雷達(dá)或廢舊雷達(dá)實(shí)施誘騙，使用有人戰(zhàn)機(jī)空中攔截和摧毀，并開發(fā) “幕”型武器和定向能武器 （特別是高功率微波武器）等具有大覆蓋、寬角度、定向攻擊能力的武器系統(tǒng)。 隨著智能集群與分布式協(xié)同技術(shù)的快速發(fā)展，低成本無人機(jī)集群對抗成為了未來戰(zhàn)爭形態(tài)的一種突出體現(xiàn)，反無人機(jī)集群技術(shù)也成為了軍事研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要內(nèi)容，其呈現(xiàn)螺旋上升的狀態(tài)。反無人機(jī)集群技術(shù)包含三個(gè)方面：探測、決策與反制。其中在無人機(jī)集群檢測方面，現(xiàn)有的探測技術(shù)面臨了諸多挑戰(zhàn)，最直觀的挑戰(zhàn)就是利用現(xiàn)有技術(shù)有效地解決小型無人機(jī)難以準(zhǔn)確檢測的困難，而更核心的挑戰(zhàn)是如何精確地描述無人機(jī)集群，能為無人機(jī)集群反制方案提供更高性價(jià)比的信息。 無人機(jī)集群目前主要由中小型無人機(jī)組成，未來則可能是大型隱身無人機(jī)組成，也有可能是傳統(tǒng)飛機(jī)改造而來。中小型無人機(jī)組成的無人機(jī)集群飛行高度低、機(jī)動速度慢、雷達(dá)反射截面積較小。大型隱身無人機(jī)集群飛行高度高、機(jī)動速度快、雷達(dá)反射截面積也不大，兩者都具有偵測難和處置難的特點(diǎn)，對傳統(tǒng)的探測和防御手段提出了極大挑戰(zhàn)。 另外，還要通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群探測預(yù)警信息的高度共享，融合、集成戰(zhàn)場環(huán)境信息和敵我態(tài)勢信息以及規(guī)劃命令等多個(gè)數(shù)據(jù)源獲取的信息，在地理信息基礎(chǔ)上疊加敵、我、友及中立部隊(duì)的位置和運(yùn)動軌跡，以及反無人機(jī)集群的設(shè)施或武器裝備的有效控制區(qū)域等信息，形成無人機(jī)集群探測的綜合態(tài)勢圖，為優(yōu)先打擊最有價(jià)值的無人機(jī)集群目標(biāo)提供支撐。 ? 現(xiàn)階段反無人機(jī)集群技術(shù)對探測階段的研究較少，大多數(shù)系統(tǒng)仍采用雷達(dá)進(jìn)行探測，如美國洛克希德·馬丁公司的反無人機(jī)集群方案，采用了Q-53型號雷達(dá)進(jìn)行探測，同時(shí)仍需要人工識別。針對無人機(jī)這一類低小慢目標(biāo)，雷達(dá)圖像中目標(biāo)容易與背景雜波混淆，不容易取得滿意的效果，因此在反無人機(jī)集群技術(shù)領(lǐng)域，需要研究高效的小型無人機(jī)集群識別技術(shù)。在進(jìn)行無人機(jī)集群目標(biāo)識別時(shí)，需要在有限的計(jì)算力條件下滿足實(shí)時(shí)性檢測跟蹤的需求，并且需要具有適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的能力，這是針對無人機(jī)集群目標(biāo)進(jìn)行檢測識別的現(xiàn)實(shí)需求，也是當(dāng)前在這一領(lǐng)域面臨的主要障礙。 雖然無人機(jī)集群作戰(zhàn)具有諸多優(yōu)勢，但需要依賴集群間實(shí)時(shí)信息交互實(shí)現(xiàn)協(xié)同指揮控制，其“阿喀琉斯之踵”是通信鏈路和控制系統(tǒng)。如美軍曾用3架F/A-18F“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)投放103架“灰山鶉”微型無人機(jī)，展示了集體決策、自適應(yīng)編隊(duì)飛行等無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)能力，其核心支撐就是共享一個(gè)分布式大腦，同時(shí)與多個(gè)地面站通信，一旦其通信鏈路被干擾或控制系統(tǒng)被入侵反控制，無人機(jī)集群極可能全軍覆沒。 2011年12月4日，伊朗捕獲了一架美國RQ-170“哨兵”無人機(jī)，就是先進(jìn)行通信壓制，使其失去與美軍地面控制中心之間的聯(lián)系后進(jìn)入自動飛行狀態(tài)，而后利用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的漏洞改變預(yù)設(shè)飛行坐標(biāo)，最終成功誘導(dǎo)這架無人機(jī)降落在伊朗境內(nèi)。雖然伊朗只是捕獲了一架無人機(jī)，但其作戰(zhàn)原理同樣適用于對付無人機(jī)集群。 俄羅斯反無人機(jī)作戰(zhàn)也有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。2018年1月6日凌晨，俄羅斯駐敘利亞赫梅米姆空軍基地和塔爾圖斯海軍基地遭到50公里外遠(yuǎn)程操控的13架無人機(jī)攻擊，在其駐敘防空部隊(duì)和電子戰(zhàn)部隊(duì)的共同努力下，部分無人機(jī)被火力摧毀，部分無人機(jī)被電子戰(zhàn)部隊(duì)干擾后俘獲。另外，目前的無人機(jī)集群防護(hù)能力和機(jī)動能力不強(qiáng)，一般作戰(zhàn)半徑有限，需要利用運(yùn)載平臺輸送到其打擊范圍內(nèi)才可以釋放，否則無法發(fā)動攻擊。 目前，反無人機(jī)集群可采用電子干擾或網(wǎng)絡(luò)攻擊等“軟殺傷”方式，破壞無人機(jī)集群和遙控者之間的信號連接，讓無人機(jī)集群直接失控墜毀或者自動返回。不過，如果無人機(jī)集群采用自主方式實(shí)施攻擊，脫離遠(yuǎn)程信息交互，加強(qiáng)集群內(nèi)部信息交互防護(hù)，“軟殺傷”方式可能難以奏效。 所以，反無人機(jī)集群采用“硬殺傷”方式也是很有必要的，比如可以采用彈炮攔截、激光攔截、無人機(jī)“自殺式”攔截、捕捉網(wǎng)攔截、空中設(shè)障等方式。無人機(jī)集群一般具有數(shù)量眾多的無人機(jī)，采用單一手段抗擊可能效果有限，反無人機(jī)集群應(yīng)著眼整個(gè)無人機(jī)集群系統(tǒng)，軟硬結(jié)合，從體系對抗角度整體抗擊，綜合使用多種手段層層攔截。特別是要大力發(fā)展高功率微波武器等高效低成本的新型防御手段，并且要注意發(fā)展無人機(jī)集群對抗無人機(jī)集群的手段。 ? 近年來，深度學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)視覺各項(xiàng)任務(wù)上的良好性能表現(xiàn)，伴隨著高分辨率相機(jī)的普及，使得基于視覺的集群目標(biāo)識別成為可能。面對檢測小型目標(biāo)的困難，深度學(xué)習(xí)技術(shù)給出了可能的解決思路：當(dāng)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到足夠的深度時(shí)，在理論上可以對非常小的目標(biāo)作出有效的特征提取與檢測，但同時(shí)會帶來難以滿足實(shí)時(shí)檢測的計(jì)算量。另外，傳統(tǒng)的檢測方法受特征工程中需要人工選擇和提取特征的限制，可能會忽略目標(biāo)所具有的深層特征，進(jìn)一步影響了檢測的有效性和穩(wěn)定性，而深度學(xué)習(xí)借助其在數(shù)據(jù)與信息挖掘領(lǐng)域具有的突出優(yōu)勢，克服了特征工程中人工選擇提取特征的局限性，通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練擬合的方式自行提取有效特征，使得這一問題得到解決。 ?

目標(biāo)檢測技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

從上世紀(jì)50年代開始，研究人員就開始了對圖像的識別技術(shù)研究，在傳統(tǒng)機(jī)器視覺領(lǐng)域中，判定圖像中是否存在特定物體的問題是一個(gè)非常經(jīng)典的研究方向。從上世紀(jì)70年代機(jī)器視覺技術(shù)領(lǐng)域逐漸興起以來，物體檢測一直受到落后的技術(shù)條件和有限應(yīng)用場景的限制，直到上個(gè)世紀(jì)90年代才逐漸走入正軌。對人的視覺系統(tǒng)而言，物體檢測并不困難，通過對圖片中不同顏色、紋理、邊緣模塊的感知很容易定位出目標(biāo)物體，但對于計(jì)算機(jī)來說，圖像實(shí)際上只是像素矩陣，想要從圖像中直接得到目標(biāo)物體的抽象概念并確定物體所處的區(qū)域比較困難，再加上物體姿態(tài)、光照和復(fù)雜背景復(fù)雜混雜在一起，使得物體參見更加困難。物體檢測技術(shù)通常由三部分組成：選擇檢測窗口，設(shè)計(jì)物體特征，設(shè)計(jì)分類器。在21世紀(jì)初Viola Jones提出基于Adabost的人臉檢測方法以來，物體檢測算法確立了傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)特征+千層分類器的框架，2012年之后，基于大數(shù)據(jù)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的End-To-End的檢測框架不斷發(fā)展完善，物體檢測技術(shù)愈加成熟。 Viola Jones檢測器雖然是當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)人臉檢測，但是其準(zhǔn)確率仍不能滿足現(xiàn)階段的需求。2002年，Rainer Lienhart和Jochen Maydt對V-J檢測器進(jìn)行了擴(kuò)展，即為如今的Haar分類器。 2012年AlexNet在當(dāng)年的ImageNet視覺目標(biāo)識別競賽中使用的深度卷積網(wǎng)絡(luò)大幅提高了檢測分類的準(zhǔn)確率，深度學(xué)習(xí)從此成為計(jì)算機(jī)視覺處理目標(biāo)檢測識別任務(wù)的熱門研究方向。而將深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時(shí)也面臨諸多的挑戰(zhàn)，如網(wǎng)絡(luò)容易過擬合、網(wǎng)絡(luò)退化等。 由Ross B.Girshick等人分別在2014年和2015年提出的R-CNN、Fast R-CNN算法，分別將ILSVRC 2013數(shù)據(jù)集上的準(zhǔn)確率提升到至31.4%和70%以上，但仍未解決region proposal速度過慢的問題。Shaoqing Ren于2-15年提出的Faster R-CNN運(yùn)用RPN（Region Proposal Network）實(shí)現(xiàn)了端到端的訓(xùn)練，在Fast R-CNN的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升了檢測準(zhǔn)確率和檢測速度，但仍存在小型目標(biāo)檢測效果差的問題。 微軟搜索的Jifeng Dai等人和來自Facebook人工智能團(tuán)隊(duì)的Kaiming He等人分別與2016年和2017年提出R-FCN和Mask R-CNN算法，雖然進(jìn)一步提升了檢測平均準(zhǔn)確率，但犧牲了大量的計(jì)算資源，算法耗時(shí)較為嚴(yán)重。 Ian Goodfellow提出的GAN（Generative Adversarial Network）算法，提升了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對遮擋等問題的魯棒性，然而GAN模型采用二元零和博弈的思想，其優(yōu)化中沒有使用損失函數(shù)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練中網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方向無法確定。 上述基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法均屬于基于分類的技術(shù)路線，始終沒有解決的問題是region proposal與分類兩個(gè)步驟分離造成的計(jì)算速度慢的問題。在此基礎(chǔ)上，Joseph Redmon等人在2016年提出了基于回歸的檢測方法YOLO，解決了region proposal與分類兩個(gè)步驟分離的問題，用one-stage的檢測形式將檢測速度大幅提升，足以滿足實(shí)時(shí)性檢測的要求，但存在對小型目標(biāo)檢測效果不好的問題。 在此基礎(chǔ)上2017年Joseph Redmon又提出了YOLOv2和YOLO9000算法，兩個(gè)算法的結(jié)構(gòu)基本一致，在保持了YOLO速度的同時(shí)將平均檢測追蹤率提升了2.4%。2018年Joseph Redmon再次對模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了YOLOv3，通過改變損失函數(shù)，增加網(wǎng)絡(luò)層數(shù)等方式，如DSOD、R-SSD等算法，達(dá)到了較高的檢測準(zhǔn)確率，但存在計(jì)算速度難以滿足實(shí)時(shí)檢測的問題?；谏疃葘W(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測方法中，YOLO算法比較適用于進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測任務(wù)，但同時(shí)還需解決小目標(biāo)檢測不穩(wěn)定的問題，以及進(jìn)一步提升小目標(biāo)檢測性能的目標(biāo)。2017年，Tsung-YiLin等人提出了FPN算法，有效生成對圖像的多維度特征表達(dá)，F(xiàn)PN同時(shí)參考了SSD和2016年Tao Kong等人提出的HyperNet的機(jī)構(gòu)，大幅提升了深層特征圖的語義提取，在于多種模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)，結(jié)果對小目標(biāo)的檢測性能提升較大。 ?

多目標(biāo)跟蹤技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

多目標(biāo)跟蹤問題相比單一目標(biāo)的跟蹤更加復(fù)雜，除了單一目標(biāo)跟蹤中出現(xiàn)的形變、背景干擾等問題以外，還面臨場景中目標(biāo)自動初始化與終止、目標(biāo)相似度匹配、目標(biāo)間交互與遮擋以及再識別等挑戰(zhàn)。 最初研究人員針對雷達(dá)任務(wù)中多個(gè)運(yùn)動目標(biāo)的軌跡跟蹤問題研究出許多算法，后被移植到計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，用于視覺多目標(biāo)跟蹤任務(wù)。其中比較經(jīng)典的算法有Donald B.Reid在1978年提出的多假設(shè)跟蹤算法（MHT），本質(zhì)上MHT是對Kalan濾波的擴(kuò)展，雖然存在如概率模型選取這類問題，MHT仍然在現(xiàn)階段的多目標(biāo)跟蹤算法中引用并取得了不錯(cuò)的效果。 除Kalman濾波在多目標(biāo)跟蹤任務(wù)中得到應(yīng)用，粒子濾波算法也在多目標(biāo)跟蹤場景中進(jìn)行了擴(kuò)展。2009年Michael D.Breitenstein等人提出基于檢測可信度的粒子濾波算法，舍棄了簡單使用高斯分布作為概率模型的方法，但是算法仍需要大量樣本，且存在權(quán)值退化的問題。 2008年由L.Zhang等人提出一種基于最小代價(jià)流優(yōu)化的多目標(biāo)跟蹤算法，采用最小代價(jià)流優(yōu)化的多目標(biāo)跟蹤算法是基于確定性優(yōu)化的離線多目標(biāo)跟蹤算法。這種算法將數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題映射到具有不重疊約束的成本流網(wǎng)絡(luò)中。利用網(wǎng)絡(luò)中的最小成本流算法，找到了最優(yōu)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。在此算法基礎(chǔ)上，H.Pirsiavash和P.Lenz等人分別與2011年和2015年進(jìn)行了優(yōu)化，在一定程度上解決了低效率的問題，然而這種基于圖的算法模型仍不適用于在線跟蹤任務(wù)。 Y.Xiang等人在2015年提出基于馬爾科夫決策的多目標(biāo)跟蹤算法（MDP跟蹤算法），MDP跟蹤算法利用馬爾科夫過程計(jì)算軌跡，是一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的確定性目標(biāo)跟蹤算法，相比前集中方法，MDP跟蹤算法具有更高的計(jì)算速度，可以實(shí)現(xiàn)在線的檢測，然而需要離線訓(xùn)練，且在一些場景下平均準(zhǔn)確率略低于上述幾種算法。 W.Choi于同年提出一種局部流的多目標(biāo)跟蹤算法NOMT，算法通過在連續(xù)多幀圖像上提取信息的方式，獲得了更多的特征，同時(shí)具有了一定的修正能力，然而由于算法需要連續(xù)多幀圖像，因此會造成算法具有一定時(shí)間延遲，是一種近似實(shí)時(shí)的跟蹤算法。 以上算法均基于Kalman濾波或機(jī)器學(xué)習(xí)等傳統(tǒng)算法構(gòu)建，在進(jìn)行目標(biāo)跟蹤與軌跡匹配時(shí)，深度學(xué)習(xí)對目標(biāo)特征的高效提取能夠提升算法的匹配準(zhǔn)確率。 L.Lealtaixe和Q.Chu等人分別于2016年提出基于孿生卷積網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)跟蹤算法和基于最小多割圖的多目標(biāo)跟蹤算法，通過引入深度學(xué)習(xí)，提取檢測到的目標(biāo)表觀特征，根據(jù)表觀相似度對同一目標(biāo)進(jìn)行匹配，其結(jié)果在匹配準(zhǔn)確度上獲得了較為顯著的提升，但是由于引入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，算法具有比較嚴(yán)重的耗時(shí)問題。 針對多目標(biāo)跟蹤中容易出現(xiàn)的遮擋問題，Q.Chu等人在2017年提出一種基于時(shí)空關(guān)注機(jī)制的多目標(biāo)跟蹤算法，其思想為通過建立時(shí)空關(guān)注模型對遮擋的目標(biāo)特征進(jìn)行加權(quán)，在對加權(quán)后的目標(biāo)進(jìn)行匹配，一定程度上解決了目標(biāo)出現(xiàn)遮擋的情況。 除以上幾種利用卷積網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取的方法以外，由于視覺多目標(biāo)跟蹤其數(shù)據(jù)的序列性，在多目標(biāo)跟蹤算法中引入循環(huán)網(wǎng)絡(luò)也成為了比較流行的方法。 2017年Amir Sadeghian等人提出基于RNN的多目標(biāo)跟蹤算法，算法通過設(shè)計(jì)長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM），綜合目標(biāo)的運(yùn)動特征、表觀特征與交互特征來學(xué)習(xí)已產(chǎn)生的軌跡與當(dāng)前檢測匹配。 2018年Kuan Fang和Chanho Kim等人分別提出基于遞歸自收斂網(wǎng)絡(luò)的在線跟蹤算法與基于雙線性長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)跟蹤算法，算法在傳統(tǒng)的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以提取更深層的表觀特征，提升了匹配準(zhǔn)確性。然而利用RNN思想進(jìn)行多目標(biāo)跟蹤對系統(tǒng)的計(jì)算能力要求較高。 2016年由AlexBewley等人提出SORT算法（Simple Online And Realtime Tracking），通過Kalman濾波提取目標(biāo)的運(yùn)動特征，再利用匈牙利算法進(jìn)行匹配，這樣只利用bounding box的大小與位置信息進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動特征匹配的犯法大大提升了跟蹤的速度，但是算法全權(quán)利用運(yùn)動特征也導(dǎo)致了無法重新匹配，對軌跡匹配出現(xiàn)中斷的目標(biāo)效果不佳。 2017年Nicolai Wojke等人在SORT的基礎(chǔ)上提出了DeepSORT算法，加入卷積網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)表觀特征進(jìn)行提取，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)對遺失和障礙的魯棒性。對于多目標(biāo)跟蹤技術(shù)，Kalman濾波算法具有較快的速度，可以達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤的需求。多目標(biāo)跟蹤技術(shù)需要解決以上提到的問題，并結(jié)合檢測算法設(shè)計(jì)出適用于實(shí)時(shí)檢測跟蹤的多目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測跟蹤算法。 ?

高/低動態(tài)范圍圖像處理技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀

近年來，高/低動態(tài)范圍圖像技術(shù)（HDR/LDR）得到了越來越多的普及。高動態(tài)范圍圖像對場景的描述更加真實(shí)，包含了更加完整的場景信息，可以提供更多的圖像細(xì)節(jié)。然而受到大多數(shù)顯示設(shè)備的限制，能夠顯示的動態(tài)范圍很小，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)亮度失真、信息丟失等問題，影響目標(biāo)檢測與跟蹤算法的性能。因此，以色調(diào)映射算法為主的針對高/低動態(tài)范圍圖像的圖像處理技術(shù)也得到了更多的關(guān)注，能夠?qū)DR圖像進(jìn)行處理，調(diào)整圖像的亮度或灰度值與對比度，使圖像能夠在盡量不丟失細(xì)節(jié)信息的條件下，顯示在動態(tài)范圍的顯示設(shè)備上。 2002年，Erik Reinhard收到攝影中曝光過渡與不足的啟發(fā)，提出了一種基于局部平均對數(shù)算子和高斯濾波的多尺度映射算法，對過暗和過亮的圖像區(qū)域進(jìn)行了亮度修正。Jiang Duan等人2004年提出一種全局直方圖均衡的色調(diào)映射算法，并在2010年增加了利用局部直方圖進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整的優(yōu)化方案。 2008年，Radoslaw Mantiuk等人將色調(diào)映射問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題，并于2009年提出一種色調(diào)校正算子，將輸出設(shè)備的對比度失真最小化，以獲得最佳的對比度可見性。 2011年，Zicong Mai等人提出了基于統(tǒng)計(jì)模型的色調(diào)映射算法，對色調(diào)映射和圖像壓縮過程中產(chǎn)生的失真進(jìn)行估計(jì)并優(yōu)化，在圖像MSE上具有較為顯著的提升。 Tom Mertens、Neil D.B.Bruce及Zhengguo Li等 人分別在2007年。2014年和2017年提出不同的多尺度曝光融合算法，用不同的方法對曝光程度的LDR圖像進(jìn)行融合，以保留HDR場景中最亮和最暗區(qū)域的信息。 以上的集中圖像處理算法采用了比較傳統(tǒng)的技術(shù)手段，另外還有一些色調(diào)映射算法借助卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，受到人類視覺系統(tǒng)（HVS）的啟發(fā)，通過模擬人類視覺神經(jīng)細(xì)胞的方式，實(shí)現(xiàn)對圖像中過亮和過暗區(qū)域的同步調(diào)節(jié)。 Michael Ashikhmin在2002年提出的模擬HVS的圖像處理算法，通過建立絕對亮度與對比度方程，將圖像色調(diào)映射過程壓縮到單一變量控制。2005年Grzegorz Krawczyk等人參考錨定理論，將HDR圖像劃分為多個(gè)亮度一致的區(qū)域，分別估計(jì)亮度值。 2011年Sira Ferradans等人建立一種基于視錐細(xì)胞的色調(diào)映射算法，從兩個(gè)階段模擬了視網(wǎng)膜對亮度和對比度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。2017年Nima Khademi Kalantri等人通過CNN網(wǎng)絡(luò)，對一組不同曝光程度的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)合并生產(chǎn)HDR圖像，也取得了較好的效果。 相較于傳統(tǒng)的圖像處理算法，基于生物機(jī)理的處理算法可以將在低動態(tài)顯示設(shè)備上顯示的高動態(tài)圖像的更多細(xì)節(jié)展現(xiàn)出來，此外相關(guān)算法還可以處理夜間較暗的圖像，使其亮度得到一定的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)亮處與暗處的同步調(diào)節(jié)。 ?

目標(biāo)三維重建技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀

基于視覺的目標(biāo)三維重建技術(shù)根據(jù)傳感器的不同類型，可分為主動式與被動式。此處討論被動式，被動式三維重建技術(shù)通過相機(jī)等傳感器從周圍環(huán)境中捕獲圖像，其原理通常為借助視圖的幾何原理進(jìn)行空間位置計(jì)算得到目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)。 Olivier Faugeras等人于1995年提出的Realise系統(tǒng)，解決了從圖像序列中恢復(fù)場景中歐幾里得幾何形狀的問題。Steven M.Seitz等人1999年提出基于體色著色的三維重建算法，通過在以固定的可見性順序遍歷體素的離散場景空間中進(jìn)行工作，避免了圖像匹配的問題，但仍對相機(jī)校正有較大的需求。PE Debevec等人在1996年提出一種基于稀疏靜態(tài)圖片進(jìn)行三維建模的算法，結(jié)合了幾何原理和圖像處理技術(shù)，提升了重建效果。 以上工作均為三維重建領(lǐng)域比較經(jīng)典的方法。除此之外還有基于深度學(xué)習(xí)的三維重建方法。 David Eigen等人在2014年提出的基于Coarse-Fine網(wǎng)絡(luò)的深度圖估計(jì)算法，通過建立兩個(gè)深層網(wǎng)絡(luò)分別從全局和局部進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了尺度不變的深度圖預(yù)測。Christopher B.Choy等人在2016年提出3D-R2N2算法，采用LSTM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)基于體素的三維重建，同時(shí)適用于單視圖與多視圖，然而算法耗時(shí)較為嚴(yán)重，精度不高。同年Haoqiang Fan等人提出基于深度學(xué)習(xí)生成點(diǎn)云的三維重建算法，利用深度無網(wǎng)絡(luò)直接從單張圖生成點(diǎn)云，解決單視圖生成3D信息的困難。 2018年，Nanyang Wang等人提出Pixel2Mesh算法，舍棄了點(diǎn)云、深度圖等形式，直接從單張RGB圖像生成3D mesh信息。多視圖三維重建算法相比單視圖需要更多的計(jì)算力，但所受到的外界約束條件也更少。在處理在線目標(biāo)三維重建時(shí)，雙目視覺技術(shù)具有較好的表現(xiàn)，但仍需進(jìn)一步縮短計(jì)算耗時(shí)，提升重建的穩(wěn)定性。 無人機(jī)幾何特征。 通過對目標(biāo)的幾何特征提取識別是在圖像上進(jìn)行目標(biāo)檢測最直觀有效的方案。最初基于圖像的目標(biāo)檢測識別任務(wù)常用像素級的檢測方法，這種方法計(jì)算量極大，難以滿足當(dāng)前高分辨率條件下實(shí)時(shí)檢測的要求；隨著計(jì)算機(jī)視覺理論的發(fā)展，出現(xiàn)了眾多的特征級檢測方法，通過圖像分割、目標(biāo)提取與特征分析等手段，極大提升了目標(biāo)檢測的速率與效果。目標(biāo)檢測識別任務(wù)重，所提取目標(biāo)特征的有效與否直接決定了目標(biāo)檢測與識別的結(jié)果好壞，因此目標(biāo)特征的提取是整個(gè)任務(wù)中最為關(guān)鍵的階段。 ? ?

單目標(biāo)無人機(jī)幾何特征

近年來不論基于傳統(tǒng)算法還是深度學(xué)習(xí)的特征提取算法在單目檢測上均取得了很好的效果，針對單目標(biāo)幾何特征定義上也比較熟悉。一般來說，單個(gè)目標(biāo)基于圖像的特征主要可以定義為：長寬比，即目標(biāo)bounding box的長寬之比；亮度均值對比度，即目標(biāo)與北京平均亮度的比值；亮度范圍，即目標(biāo)最大亮度與最小亮度；目標(biāo)邊界等特征等。 在針對無人機(jī)的目標(biāo)圖像特征提取任務(wù)重，比較難以克服的困難在于，傳統(tǒng)方法需要人為定義并量化特征，這一點(diǎn)并非不可實(shí)現(xiàn)，但是通過這種方法定義出的特征集合難以保證可以實(shí)現(xiàn)檢測的最有效，因?yàn)闊o法保證所提取出特征的代表性與有效性，而且人為定義的特征通常局限在目標(biāo)的表層特征，相比之下深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過多層學(xué)習(xí)與擬合，能夠發(fā)覺出更深層次的特征，這類特征對尺度變化等特殊情況下坑你具有更高的魯棒性，這也是傳統(tǒng)方法在目標(biāo)檢測上的效果略遜色于深度學(xué)習(xí)的一個(gè)原因。除此之外，檢測多軸無人機(jī)這類小型目標(biāo)任務(wù)中，距離較遠(yuǎn)情況下目標(biāo)在圖像的范圍可能只有50x50像素大小的區(qū)域中，導(dǎo)致目標(biāo)特征更加難以提取識別，對于目標(biāo)的有效檢測造成了巨大困難。為了解決目標(biāo)區(qū)域過小的困難，僅僅通過改進(jìn)算法是不夠的，根本上需要在更有效的數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練。而現(xiàn)階段出現(xiàn)了越來越多的高分辨率設(shè)備能夠有效解決這一問題。 ? ?

集群目標(biāo)無人機(jī)幾何特征

單目標(biāo)無人機(jī)外觀形狀固定，幾何特征方便定義與提取。相比之下，無人機(jī)集群目標(biāo)的幾何特征難以定義，原因在于特征應(yīng)為通用、固定、可預(yù)測的性質(zhì)，而無人機(jī)集群目標(biāo)結(jié)構(gòu)多變，且通常還涉及節(jié)點(diǎn)增減的情況，直接定義集群目標(biāo)的幾何特征具有非常大的困難。 從反無人機(jī)集群任務(wù)總體角度考慮，對無人機(jī)集群進(jìn)行識別的意義在于描述無人機(jī)集群的空間結(jié)構(gòu)，找到集群空間結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)集群目標(biāo)的有效反制。因此，無人機(jī)集群目標(biāo)的幾何特征重在描述，并非無人機(jī)集群目標(biāo)檢測任務(wù)的過程，而是結(jié)果。針對無人機(jī)集群目標(biāo)的檢測任務(wù)，需要結(jié)合對單目標(biāo)檢測與集群節(jié)點(diǎn)幾何機(jī)構(gòu)構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)到群的轉(zhuǎn)換。 定義無人機(jī)集群目標(biāo)幾何特征是為了實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行最有效反制。對無人機(jī)集群的反制手段主要分為對單一節(jié)點(diǎn)反制與對群集點(diǎn)反制，結(jié)合反制手段的特點(diǎn)，無人機(jī)集群目標(biāo)的幾何特征可以定義為節(jié)點(diǎn)數(shù)目、集群長寬高比例、節(jié)點(diǎn)密度、最大最小截面等。 ? 綜合上述特征識別技術(shù)思想，結(jié)合無人機(jī)集群反制任務(wù)的具體場景與要求，將集群目標(biāo)的幾何特征定義為： 1.集群中各節(jié)點(diǎn)相對密度，反應(yīng)集群目標(biāo)的幾何特征表現(xiàn)為集群中各個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)密度程度，即各節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的平均相對距離，按照由密集到稀疏的順序排列，這樣的特征有利于僚機(jī)集群哪些區(qū)域適合集群反制，哪些區(qū)域適合定點(diǎn)反制措施； 2.針對定點(diǎn)反制類型的反制措施，集群目標(biāo)的幾何特征表現(xiàn)為各節(jié)點(diǎn)到觀察位置的距離向量，向量中各元素按照從小到大順序進(jìn)行排列，這樣的特征有利于定點(diǎn)反制措施按照由近到遠(yuǎn)的順序進(jìn)行反制； 3.針對集群反制類型的反制措施，集群目標(biāo)的幾何特征表現(xiàn)為各節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)處于集群反制措施有效范圍內(nèi)的數(shù)目向量，向量中各元素按照從大到小順序進(jìn)行排列，這樣的特征有利于找到集群反制措施最具有威脅的區(qū)域。 無人機(jī)集群必將飛入戰(zhàn)場，無人機(jī)集群與反無人機(jī)集群技術(shù)也必將成螺旋上升態(tài)勢。

編輯：黃飛

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