[发明专利]基于声阵列的无人机实时检测和定位系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于声阵列的无人机实时检测和定位系统及方法。该系统包括至少两个声阵列和PC端；声阵列采用十字型对称设计，每条边等间距对称安装四个声音传感器，每个声阵列共有八个声音传感器；PC端接收采集卡采集的声音传感器信号，利用时频分析的结果检测目标是否为无人机，如果为无人机则针对十字型阵列的每个线阵分别做一维的波达方向角度估计，得到目标与十字型阵列两个边的夹角，利用多个阵列各自估计的角度和阵列之间的距离计算出无人机在空间中的坐标。本发明通过合理摆放声阵列，可以迅速检测无人机并获取位置信息，有效应对无人机导致的安全隐患。

技术领域

本发明涉及运动物体定位领域，特别涉及一种基于声阵列的无人机实时检测和定位系统及方法。

背景技术

近年来，在无人机迅速成为研究热点时，也带来一系列问题，比如无人机黑飞，严重影响区域安全。因此无人机防御正在成为各国政府和军方重点关注的新领域。消费级民用无人机成本较低、易于获取、操控简单，用户数量多，监管难度大，极易被不法分子利用，给安保、保密工作带来很大压力。

目前用无人机的检测手段主要有雷达、声音、视频以及射频。雷达成本较高，同时对于低空、慢速的飞行物体检测难度较大；视频可以用于无人机的识别，但是定位难度大，同时存在图像畸变，影响定位的精度；射频装置主要用于检测无人机发出的射频通信信号，但是由于环境中无线信号较为复杂，无人机的射频信号能量较小，难以对无人机进行侦别。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于声阵列的无人机实时检测和定位系统及方法。由于无人机的声音较大，能量较高，在较远的距离便可以被声音传感器接收到信号，因此可采用声音传感器阵列对无人机进行被动检测和定位。无人机的声音具有明显的特征，可以有效侦别出空中飞行的物体。通过架设多个声阵列，从不同位置估算目标物体的角度，可以得到无人机在空间中的三维坐标。声阵列成本较低，可以铺设多个声阵列，形成对被保护区域的有效覆盖。对无人机的定位是由多个阵列协同进行，每个阵列在不同位置估计出无人机相对于各个阵列的角度，再利用阵列之间距离就可以估计出无人机在空间中的三维坐标。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于声阵列的无人机实时检测和定位系统，该系统包括至少两个声阵列和PC端；声阵列采用十字型对称设计，每条边等间距对称安装四个声音传感器，每个声阵列共有八个声音传感器；PC端接收采集卡采集的声音传感器信号，利用时频分析的结果检测目标是否为无人机，如果为无人机则针对十字型阵列的每个线阵分别做一维的波达方向角度估计，得到目标与十字型阵列两个边的夹角，利用多个阵列各自估计的角度和阵列之间的距离计算出无人机在空间中的坐标。

进一步地，所述PC端检测目标是否为无人机的步骤具体为：

(1)当声阵列架设在距离地面一定的高度上，空中物体相对于地面存在水平运动时，发出的声音通过地面反射传给声音传感器，此时在时频图上形成U型高能量区域，根据该特征判断目标物体位于空中还是地面。

(2)无人机飞行时会产生一个基波和一系列基波整数倍频率的谐波，将声音传感器采集的信号作傅里叶变换，得到一个复数向量，取向量中100Hz-1000Hz之间的谐波的模值形成一个行向量作为采集信号的特征向量，从而判断目标是否为无人机。

进一步地，所述PC端计算无人机在空间中的坐标的步骤具体为：

(1)以其中一个声阵列为空间坐标原点建立坐标系；

(2)估算目标与声阵列每个线阵的夹角：在频谱图上搜索100Hz-1000Hz之间的无人机各次谐波所对应的向量；利用非相干子空间波达方向角度估计得到空间谱函数，分别估算出各次谐波对应的角度；将各次谐波的角度按照频谱图中的幅值进行加权得出无人机与声阵列线阵的夹角。

(3)利用步骤(2)得到的角度和声阵列中心之间的间距计算出无人机在空间的坐标。