针对民用无人机的声学测向系统设计

发布时间：2020-06-26 22:18

【摘要】：随着无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)技术的迅猛发展,民用无人机逐步走入人们的日常生活中,并在遥感、测绘、防灾减灾等工作中发挥出重要作用。与此同时,越来越多由无人机引发的问题也随之而来,机场、电站、涉密单位等要害部门被“黑飞”无人机入侵事件屡屡发生,给群众生活乃至国家安全带来了严重的安全隐患。在我国低空空域逐渐开放的大背景下,如何对入侵管制空域的无人机做到及时发现,具有越来越重要的现实意义。本文设计了一款针对民用无人机的声学测向系统。首先对较为典型的民用无人机飞行噪声信号进行了分析,并在此基础上对四元阵被动测向算法、基于广义互相关的时延估计算法和基于线谱信号相位差的时延估计算法进行MATLAB仿真。之后,结合仿真结果与期望达到的性能指标,设计了系统硬件平台及配套的软件系统。硬件系统采用模块化设计,根据功能的不同,主要可分为正四面体麦克风阵列、信号采集单元以及控制与数据传输单元,其中信号采集单元包含信号调理模块和模数转换模块,控制与数据传输单元包含数字控制模块与网络通信模块。麦克风阵列将声信号转化为模拟电信号,经前置放大后输出至信号调理模块;信号调理模块对输入信号进行滤波与进一步放大,其放大倍数可调;模数转换模块选用AD7768芯片作为A/D芯片对信号进行采集;控制与数据传输单元选用Cyclone IV系列FPGA(EP4CE6E22C8N)作为主控芯片,主要负责控制调理模块的放大增益与A/D芯片的数据采集,并通过以W5300网络接口芯片为核心的网络接口模块与上位机进行通信,实现数据的实时上传与上位机控制指令的接收。系统软件部分包括FPGA控制程序以及上位机数据综合处理程序。上位机数据综合处理具有系统参数设置、数据分析与显示等功能,在测试过程中可通过上位机程序界面对原始数据以及数据分析结果进行实时观察,并将原始数据存储以做后续分析及资料积累之用。最后,对系统在实验室环境和室外分别进行测试,验证系统功能及性能指标。结果表明,在理想信噪比条件下,声学测向系统可以对无人机目标进行较为准确的测向,具有实用价值,证明利用声学方法对无人机进行测向具有可行性。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279
【图文】：

车载式,相控阵雷达,无人机

使得雷达探测法在应用过程中存在很大的局限性，通常只应用于军事领域。图1.1 所示为某型车载式相控阵雷达系统，可对无人机类“低慢小”目标进行探测。无线电探测法主要是通过检测特定频段的无人机遥控信号以及图像传输信号来发现并定位无人机，是一种典型的被动探测技术，其局限性在于对部分具有自主飞行模式（即依靠 GPS 信号或机器视觉进行自主飞行）的无人机以及非实时回传图像的无人机无法做到及时发现。图 1.2 所示为某型被动式无人机侦测系统，该系统通过实时测量无人机无线电信号方向，实现对入侵无人机的侦测。声探测技术是一种全被动、全方位探测手段，它利用飞行器飞行时发出的声音信号实现目标探测。由于多旋翼无人机的结构特性，其飞行过程中旋翼噪声难以隐藏，且具

侦测,无人机,被动式

有较高的可识别度；同时因其飞行高度较低，飞行速度较小，有利于声探测系统的稳定跟踪。此外，声探测装备一般价格较低，具有无人值守、体积小、功耗低、布设和运行简单、对阵地要求较低的特点，能够长时间不间断对空中目标进行监视。因此，相比于前两种方法，声学探测法对于民用无人机的探测具有更好的泛用性。图 1.1 某型车载式相控阵雷达系统

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