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及时发现黑飞无人机的存在进而对其型号进…

无人机在民用和军事领域的应用越来越广泛。

然而随着无人机数量的增加黑飞现象也日益严重对公共安全和隐私构成了威胁。

因此开发有效的无人机探测与识别技术变得尤为重要。

及时发现黑飞无人机的存在进而对其型号进行识别是无人机探测技术的关键环节

传统的无人机探测技术主要包括雷达探测和光学探测。

雷达探测通过发射电磁波并接收其反射波来探测目标能够提供目标的距离、速度和方位信息。

然而雷达系统设备成本高、体积大且在某些复杂环境中部署困难。

光学探测技术则利用摄像头或红外设备捕捉无人机的图像信息但这种方法受天气和光照条件影响较大夜间和能见度低的环境中效果不佳。

声学识别技术提供了一种新的解决方案。

无人机在飞行中会产生独特的声学特征这些特征可以用于无人机的检测与识别。

声学探测系统由麦克风阵列、信号处理单元和识别算法组成。

麦克风阵列用于收集环境中的声音信号信号处理单元负责对收集到的声音信号进行去噪、增强等预处理识别算法则用于分析声音特征并判断是否为无人机。

1、无人机探测技术现状

AUDS是一种综合性的反无人机防御系统它结合了雷达、热成像和射频干扰技术。

相控阵电子雷达可以提供高精度的目标定位和跟踪能力而热成像仪则可以在夜间或能见度低的环境中探测到无人机。

当探测到无人机后AUDS会发射大功率的射频信号来干扰无人机的GPS和通信链路迫使无人机离开或安全降落。

1.2

Aveillant的三维全息雷达是一种先进的雷达系统它使用相控阵技术和脉冲多普勒处理来提供高分辨率的空中目标图像。

通过主动发射电磁波并接收反射回波系统能够构建出目标的立体图像从而实现对无人机的识别和探测。

这种雷达系统对于探测小型无人机特别有效因为它们通常在雷达横截面较小难以被传统雷达探测到。

1.3

Alsok公司开发的声学探测系统利用麦克风阵列来采集无人机飞行时产生的声音。

通过与预先建立的无人机噪声样本库进行匹配系统可以识别无人机的类型。

此外声学阵列信号处理技术还可以用于确定无人机的位置从而提供更全面的防御能力。

1.4中国电子科技集团第14研究所研制的“蜘蛛网反无人机系统”

中国电子科技集团第14研究所研制的“蜘蛛网反无人机系统”是一种综合性的无人机防御系统它集成了多种技术手段以实现对无人机的实时探测和有效反制。

该系统的主要组成部分包括

蜘蛛网雷达提供全方位覆盖的雷达系统专门设计用于探测和跟踪低空飞行的小型无人机。

雷达系统具有高分辨率和高更新率能够快速识别和跟踪目标。

无线电设备用于监测和分析无人机的无线电信号包括其通信链路和导航信号。

通过对这些信号的分析可以识别无人机的类型并在必要时实施干扰。

光电红外设备光电红外设备可以在白天或夜间捕捉无人机的热成像和视觉图像提供另一种维度的探测能力。

这种设备对于在视觉隐蔽环境下探测无人机尤为重要。

干扰反制设备当探测到无人机后干扰反制设备可以发射干扰信号阻断无人机的通信链路和导航系统迫使无人机离开或降落。

1.5

中国科学院声学研究所的吴国清团队在声学目标识别领域的研究成果体现了声学技术在无人机探测中的应用潜力。

通过提取声信号的功率谱与双重谱特征他们利用模糊神经网络对声目标进行了分类识别研究并取得了92%的识别准确率。

这一研究成果证明了声学特征在无人机识别中的有效性以及模糊神经网络在声学目标识别任务中的强大能力。

2.1

无人机声音的产生机理与任何飞行器类似主要是由于推进系统、气流扰动、机械振动和其他运动部件的相互作用造成的。

推进系统无人机的主要噪声源是其推进系统这可能是电动机、内燃机或其他类型的发动机。

对于电动无人机电动机旋转时会发出声音尤其是在加速或高速运转时。

对于内燃机无人机内燃机的爆炸过程、排气以及活塞和连杆的运动都会产生噪声。

气流扰动无人机飞行时其旋翼对于多旋翼无人机或固定翼对于固定翼无人机与空气的相互作用会产生气流扰动从而产生噪声。

旋翼在切割空气时会产生挥舞噪声和宽带噪声而固定翼无人机的机翼和尾翼在气流中也可能产生噪声。

机械振动无人机的机械部件如发动机、旋翼叶片、齿轮和轴承在运行时都会产生振动。

这些振动通过无人机的结构传播最终以声波的形式辐射出去成为可听到的噪声。

2.2

无人机声音样本库是一个收集无人机在各种操作状态下产生的声音的数据库。

这个数据库包含了不同类型、不同型号的无人机在起飞、飞行、悬停、降落等状态下的声音样本。

对样本库中的声音信号的声强幅值进行归一化处理可以防止由于采集到的声音信号强弱不同而造成的识别错误防止同一种无人机由于其飞行过程中与音频采集装置距离的不同而造成声强的不同使识别系统误认为是两种不同的无人机。

Anti-UAV

Dataset数据集现代小型无人机威胁的多模态反无人机数据集包括DJI

Mavic2、DJI

无人机的有无判别是指当外界传入声信号为无人机声音时判别器进行预警

而当外界传入的声信号为非无人机飞行声音时判别系统不进行预警。

无人机的有

无判别采用自动编码器与门限检测相结合来实现通过提取无人机声信号的梅尔倒谱系数作为所搭建的自动编码器的训练集样本数据经过自动编码器对无人机声信号梅尔特征的学习使经过自动编码器重构后的数据可以实现对无人机声信号梅尔特征的拟合并根据重构后的数据与输入数据的均方误差损失来划定检测门限并对不同信噪比下的检测概率与虚警概率进行测试以评价此判别器的识别效果。

4、无人机类型识别

卷积神经网络CNN因其在图像处理中的成功应用而被广泛研究和使用。

在声音识别领域CNN能够有效地从声音数据中提取特征并通过深层网络结构来提高识别的准确率。

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应用卷积神经网络对无人机进行类型识别的研究中将一维的无人机声音信号通过时频分析方法包括短时傅里叶变换与小波变换得到无人机声信号的时频特征矩阵时频特征矩阵是一个二维张量可以作为二维卷积神经网络的输入层通过对卷积神经网络的训练使其学习到每种无人机声信号的深层特征并对训练好的卷积神经网络进行识别准确率测试。

采用深度卷积生成式对抗网络(DCGAN)对无人机声信号进行数据增强并对比未经数据增强的无人机类型识别准确率与经过数据增强的识别准确率。

实验结果显示CNN在识别无人机声音方面的准确率达到了96.5%识别准确度会随着信噪比的降低而逐渐下降。

4.2

循环神经网络RNN由于其在处理序列数据方面的优势也被应用于无人机声音识别中。

RNN特别适合处理时间序列数据如声音信号因此在动态环境下的声音识别任务中表现出色。

将无人机声信号的梅尔倒谱系数特征作为循环神经网络的输入采用

RNN

双向长短时记忆网络三种循环神经网络根据无人机的辐射噪声对其进行类型识别。

RNN、LSTM

97.33%的识别准确率。

识别准确度会随着信噪比的降低而下降明显。

5、无人机空间定位

声波信号的捕捉无人机在飞行过程中会发出特定的声波信号这些信号可以被地面上的麦克风阵列捕捉到。

这一过程类似于人类耳朵如何接收声音。

信号处理与定位接收到的声波信号会被传输到中央处理系统。

在这里利用算法对这些信号进行处理以确定声源即无人机的精确位置。

这通常涉及到计算不同麦克风之间接收到的信号的时间差或相位差。

定位精度与误差根据研究这种基于地面麦克风阵列的声波定位技术能够实现对无人机的高精度定位其定位相对误差可达0.5%并且可以定位到120米的高度。