本發(fā)明涉及運(yùn)動(dòng)物體定位領(lǐng)域，特別涉及一種基于聲陣列的無人機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

近年來，在無人機(jī)迅速成為研究熱點(diǎn)時(shí)，也帶來一系列問題，比如無人機(jī)黑飛，嚴(yán)重影響區(qū)域安全。因此無人機(jī)防御正在成為各國(guó)政府和軍方重點(diǎn)關(guān)注的新領(lǐng)域。消費(fèi)級(jí)民用無人機(jī)成本較低、易于獲取、操控簡(jiǎn)單，用戶數(shù)量多，監(jiān)管難度大，極易被不法分子利用，給安保、保密工作帶來很大壓力。

目前用無人機(jī)的檢測(cè)手段主要有雷達(dá)、聲音、視頻以及射頻。雷達(dá)成本較高，同時(shí)對(duì)于低空、慢速的飛行物體檢測(cè)難度較大；視頻可以用于無人機(jī)的識(shí)別，但是定位難度大，同時(shí)存在圖像畸變，影響定位的精度；射頻裝置主要用于檢測(cè)無人機(jī)發(fā)出的射頻通信信號(hào)，但是由于環(huán)境中無線信號(hào)較為復(fù)雜，無人機(jī)的射頻信號(hào)能量較小，難以對(duì)無人機(jī)進(jìn)行偵別。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于聲陣列的無人機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位系統(tǒng)及方法。由于無人機(jī)的聲音較大，能量較高，在較遠(yuǎn)的距離便可以被聲音傳感器接收到信號(hào)，因此可采用聲音傳感器陣列對(duì)無人機(jī)進(jìn)行被動(dòng)檢測(cè)和定位。無人機(jī)的聲音具有明顯的特征，可以有效偵別出空中飛行的物體。通過架設(shè)多個(gè)聲陣列，從不同位置估算目標(biāo)物體的角度，可以得到無人機(jī)在空間中的三維坐標(biāo)。聲陣列成本較低，可以鋪設(shè)多個(gè)聲陣列，形成對(duì)被保護(hù)區(qū)域的有效覆蓋。對(duì)無人機(jī)的定位是由多個(gè)陣列協(xié)同進(jìn)行，每個(gè)陣列在不同位置估計(jì)出無人機(jī)相對(duì)于各個(gè)陣列的角度，再利用陣列之間距離就可以估計(jì)出無人機(jī)在空間中的三維坐標(biāo)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種基于聲陣列的無人機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少兩個(gè)聲陣列和PC端；聲陣列采用十字型對(duì)稱設(shè)計(jì)，每條邊等間距對(duì)稱安裝四個(gè)聲音傳感器，每個(gè)聲陣列共有八個(gè)聲音傳感器；PC端接收采集卡采集的聲音傳感器信號(hào)，利用時(shí)頻分析的結(jié)果檢測(cè)目標(biāo)是否為無人機(jī)，如果為無人機(jī)則針對(duì)十字型陣列的每個(gè)線陣分別做一維的波達(dá)方向角度估計(jì)，得到目標(biāo)與十字型陣列兩個(gè)邊的夾角，利用多個(gè)陣列各自估計(jì)的角度和陣列之間的距離計(jì)算出無人機(jī)在空間中的坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，所述PC端檢測(cè)目標(biāo)是否為無人機(jī)的步驟具體為：

(1)當(dāng)聲陣列架設(shè)在距離地面一定的高度上，空中物體相對(duì)于地面存在水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)出的聲音通過地面反射傳給聲音傳感器，此時(shí)在時(shí)頻圖上形成U型高能量區(qū)域，根據(jù)該特征判斷目標(biāo)物體位于空中還是地面。

(2)無人機(jī)飛行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)基波和一系列基波整數(shù)倍頻率的諧波，將聲音傳感器采集的信號(hào)作傅里葉變換，得到一個(gè)復(fù)數(shù)向量，取向量中100Hz-1000Hz之間的諧波的模值形成一個(gè)行向量作為采集信號(hào)的特征向量，從而判斷目標(biāo)是否為無人機(jī)。

進(jìn)一步地，所述PC端計(jì)算無人機(jī)在空間中的坐標(biāo)的步驟具體為：

(1)以其中一個(gè)聲陣列為空間坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系；

(2)估算目標(biāo)與聲陣列每個(gè)線陣的夾角：在頻譜圖上搜索100Hz-1000Hz之間的無人機(jī)各次諧波所對(duì)應(yīng)的向量；利用非相干子空間波達(dá)方向角度估計(jì)得到空間譜函數(shù)，分別估算出各次諧波對(duì)應(yīng)的角度；將各次諧波的角度按照頻譜圖中的幅值進(jìn)行加權(quán)得出無人機(jī)與聲陣列線陣的夾角。

(3)利用步驟(2)得到的角度和聲陣列中心之間的間距計(jì)算出無人機(jī)在空間的坐標(biāo)。

一種基于聲陣列的無人機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位方法，該方法包括以下步驟：

步驟1，首先在待監(jiān)測(cè)區(qū)域鋪設(shè)至少兩個(gè)聲陣列，聲陣列采用十字型對(duì)稱設(shè)計(jì)，聲陣列之間有一定的距離，便于覆蓋待監(jiān)測(cè)的區(qū)域。采用數(shù)據(jù)采集卡將聲的信號(hào)同時(shí)匯聚到PC端；

步驟2，PC端將接收到的聲信號(hào)作短時(shí)傅里葉變化得到時(shí)頻結(jié)果，利用U型高能量區(qū)特征鑒別聲源是否由空中發(fā)出，利用信號(hào)特征頻率向量判斷目標(biāo)是否為無人機(jī)；

步驟3，在頻譜圖上搜索100Hz-1000Hz之間的無人機(jī)各次諧波所對(duì)應(yīng)的向量；利用非相干子空間波達(dá)方向角度估計(jì)得到空間譜函數(shù)，分別估算出各次諧波對(duì)應(yīng)的角度；將各次諧波的角度按照頻譜圖中的幅值進(jìn)行加權(quán)得出無人機(jī)與聲陣列線陣的夾角；

步驟4，利用步驟3得到的角度和聲陣列中心之間的間距計(jì)算出無人機(jī)在空間的坐標(biāo)；

步驟5，將結(jié)果在三維坐標(biāo)系中進(jìn)行顯示，實(shí)時(shí)更新無人機(jī)在三維坐標(biāo)系中軌跡，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的可視化。

本發(fā)明提出的基于聲陣列的無人機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位系統(tǒng)及方法，可以自動(dòng)檢測(cè)無人機(jī)并進(jìn)行定位跟蹤，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.與傳統(tǒng)的二維波達(dá)方向角度聯(lián)合估計(jì)方法不同，本系統(tǒng)分別對(duì)聲陣列的各個(gè)線陣進(jìn)行單獨(dú)的一維角度估計(jì)，大大減少了算法的復(fù)雜度；

2.在波達(dá)方向估計(jì)中，充分利用了無人機(jī)的聲音特征，采用各次諧波幅值加權(quán)的方法得出無人機(jī)與聲陣列的角度信息，增加了角度估計(jì)的準(zhǔn)確性；

3.通過鋪設(shè)多個(gè)聲陣列，可以擴(kuò)大待監(jiān)測(cè)區(qū)域的范圍，能夠全方位地應(yīng)對(duì)無人機(jī)帶來的安全隱患；

4.系統(tǒng)可以提供良好的可視化界面，能夠方便地觀察出無人機(jī)的位置坐標(biāo)、方向信息，同時(shí)可以實(shí)時(shí)觀察到無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

附圖說明

圖1為實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位系統(tǒng)組成圖；

圖2為系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位流程圖；

圖3為空中運(yùn)動(dòng)無人機(jī)在時(shí)頻圖上產(chǎn)生的U型高能量區(qū)域；

圖4為無人機(jī)產(chǎn)生的多次諧波頻率；

圖5為無人機(jī)諧波能量加權(quán)的非相干子空間波達(dá)方向估計(jì)流程圖；

圖6為波達(dá)方向角度估計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比；

圖7為十字型聲陣列定位原理圖；

圖8為上位機(jī)實(shí)時(shí)操作界面圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作如下詳述：

附圖1是整個(gè)聲陣列定位系統(tǒng)的組成，聲音傳感器采用聲傳科技的CHZ-213，同時(shí)配置前置放大器。首先系統(tǒng)前端由聲陣列組成，每個(gè)聲陣列由兩個(gè)線陣構(gòu)成，每個(gè)線陣分別安裝4個(gè)聲音傳感器，一個(gè)聲陣列總計(jì)8個(gè)聲音傳感器，相鄰兩個(gè)聲音傳感器之間的間距為0.17m，保證空間中小于1000Hz的聲源信號(hào)均可以被有效識(shí)別，同時(shí)需要至少兩個(gè)聲陣列來確定陣列上方空間中無人機(jī)的坐標(biāo)；然后，聲音信號(hào)通過NI-9234四通道數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，每個(gè)采集卡可以同時(shí)采集一個(gè)線陣上的4個(gè)聲音傳感器信號(hào)，每個(gè)陣列配置兩個(gè)采集卡，采集頻率為5120Hz，同時(shí)將采集卡匯集到采集卡箱，并將所有數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線統(tǒng)一傳輸給PC端；最后，PC端負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并存儲(chǔ)到硬盤，并采用LabView上位機(jī)嵌入Matlab腳本實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示無人機(jī)的方位。

附圖2是該系統(tǒng)運(yùn)行的流程圖，首先由聲陣列采集聲音信號(hào)，每采集一秒鐘的數(shù)據(jù)，通過時(shí)頻分析的結(jié)果和特征進(jìn)行判斷是否為無人機(jī)，如果否，則沒有檢測(cè)到無人機(jī)，那么繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；如果是，則進(jìn)行波達(dá)方向角度估計(jì)。最后將角度和陣列的位置信息轉(zhuǎn)化為無人機(jī)的空間坐標(biāo)信息。

附圖3是在空中運(yùn)動(dòng)的無人機(jī)時(shí)頻分析結(jié)果，可以看出矩形框中的部分即為產(chǎn)生的U型高能量區(qū)域，它是由于空中運(yùn)動(dòng)物體的聲音直接傳送給聲音傳感器和經(jīng)過地面反射傳遞給聲音傳感器所形成的，地面物體發(fā)出的聲音無法產(chǎn)生該現(xiàn)象。

附圖4是無人機(jī)從靜止到在空中懸停時(shí)時(shí)頻分析結(jié)果，可以看出，空間中依次出現(xiàn)了各次諧波，且呈規(guī)律分布。實(shí)驗(yàn)采用的大疆-精靈3無人機(jī)的基頻率大約為160Hz，空間中依次出現(xiàn)了基波整數(shù)倍頻率的諧波，其頻率依次為320Hz，480Hz，640Hz等，由該頻譜100Hz以上的信號(hào)組成的特征向量可用于判斷空中飛行的物體是否為無人機(jī)。

附圖5展示了采用無人機(jī)各次諧波能量加權(quán)的非相干子空間波達(dá)方向估計(jì)算法計(jì)算無人機(jī)方向的過程，每?jī)擅脒M(jìn)行一次方向估計(jì)。首先將采集到的無人機(jī)聲音信號(hào)矩陣每一秒進(jìn)行一次進(jìn)行傅里葉變換得到頻譜圖，在100Hz和1000Hz之間進(jìn)行分段頻率搜索獲得目標(biāo)信源的向量x(i)，構(gòu)造協(xié)方差矩陣其中N為快拍數(shù)，由于每?jī)擅脒M(jìn)行一次方向計(jì)算，因此N＝2；然后，對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解R_x＝VΛV^H，將特征值進(jìn)行降序排列，把與目標(biāo)信號(hào)個(gè)數(shù)相等的特征向量作為信號(hào)子空間，剩余部分作為噪聲子空間，即構(gòu)造空間譜函數(shù)搜索譜函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的θ就是信號(hào)源的方向；最后，將無人機(jī)各次諧波頻率估算的角度按照諧波幅值進(jìn)行加權(quán)得出最終角度，該角度表示無人機(jī)與線性陣列法線的夾角，范圍是[-90°,+90°]。

附圖6展示了角度估計(jì)的實(shí)際效果，無人機(jī)在陣列前勻速平行飛過，與陣列的夾角從正到負(fù)依次變化；對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該方法能夠較好地估計(jì)出無人機(jī)的方向。

附圖7展示了采用兩個(gè)聲陣列進(jìn)行無人機(jī)定位的方法，如圖建立空間坐標(biāo)系，其中d兩個(gè)陣列之間的距離，分別為無人機(jī)與陣列各邊之間的夾角，d₁,d₂分別為無人機(jī)到兩個(gè)陣列中心的距離，A₁(0,0,0)和A₂(d,0,0)分別為兩個(gè)陣列的坐標(biāo)。相對(duì)于A₁，無人機(jī)的坐標(biāo)可以表示為x＝d₁cosθ₁，相對(duì)于A₂，無人機(jī)的坐標(biāo)可以表示為x＝d-d₂cosθ₂，由以上方程可以寫出無人機(jī)到兩個(gè)陣列中心的距離分別為那么可以將無人機(jī)在空間中的三維坐標(biāo)表示出來為但是兩個(gè)聲陣列只能將在聲陣列上方的區(qū)域運(yùn)動(dòng)的無人機(jī)進(jìn)行定位，下方則無法區(qū)分，可以通過鋪設(shè)更多的聲陣列進(jìn)行區(qū)分。

附圖8是LabView編寫的實(shí)時(shí)上位機(jī)，該上位機(jī)主要由四個(gè)部分組成。第一部分是數(shù)據(jù)采集模塊，可以各個(gè)聲音傳感器接收信號(hào)記錄在一個(gè)數(shù)組之中，并單獨(dú)提取出來進(jìn)行計(jì)算，為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，開辟了緩沖區(qū)，解決數(shù)據(jù)采集速度快于算法計(jì)算速度的問題；第二部分為嵌入的Matlab腳本文件，該部分為核心模塊，主要是用來檢測(cè)和定位無人機(jī)；第三部分為顯示模塊，以陣列的位置為參考點(diǎn)建立空間坐標(biāo)系，實(shí)時(shí)顯示無人機(jī)在空間中的坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)軌跡；第四部分是數(shù)據(jù)記錄模塊，可以將聲的信號(hào)存儲(chǔ)在TDMS格式的文件之中，便于后續(xù)的分析。