Акустический способ обнаружения беспилотных летательных аппаратов
ACOUSTIC METHOD FOR DETECTION OF UNMANNED AERIAL VEHICLES

Изобретение относится к области обнаружения объектов в воздушном пространстве, а более конкретно, к способам обнаружения беспилотных летательных аппаратов (БЛА) посредством акустических измерений, и может быть использовано в системах безопасности для предотвращения несанкционированного доступа БЛА в контролируемую зону.
Акустические способы обнаружения БЛА основаны на акустических измерениях характерных физических признаков (сигнатур) БЛА. Применение акустических способов ограничено чувствительностью и динамическим диапазоном традиционных акустических приемников, что затрудняет обнаружение тихо звучащих БЛА при наличии сильных подавляющих звуковых помех, например, в условиях типа стадион, рок-концерт, взлетно-посадочная полоса, поле боя. Вместе с тем, традиционные акустические приемники могут вносить существенные искажения звуков БЛА также из-за ограниченного временного разрешения, особенно при наличии фоновых звуков с похожими акустическими признаками. Поэтому и сравнительно слабые фоновые звуковые помехи, например, звуки газонокосилки, вентиляционного оборудования, некоторых строительных инструментов и оборудования, близлежащих автотрасс и иные маскирующие звуки, распространяющиеся в воздушном пространстве обзора, могут приводить как к ложным срабатываниям, так и к пропуску целей. Соответственно, основными требованиями к акустическим способам обнаружения БЛА являются низкая вероятность пропуска целей и низкая вероятность ложных срабатываний.
Известен способ обнаружения БЛА с использованием спектрального и временного анализа акустического сигнала [1 - патент RU 2593439 C1. Система и способ обнаружения винтокрылых беспилотных летательных аппаратов / Иванченко С.Т., Янакова Е.С., Костров Л.А., Петричкович Я.Я. - Опубл. в Бюл. №22, 2016]. Согласно изобретению [1], акустический сигнал, исходящий от БЛА, принимают, по меньшей мере, четырьмя акустическими датчиками с известным взаимным расположением. При этом источник акустического сигнала классифицируют в качестве винтокрылого БЛА с помощью методов спектрального анализа акустического сигнала, а расстояние от каждого акустического датчика до источника акустического сигнала и направление его движения определяют с помощью метода анализа мощности акустического сигнала во временной области.
Первым недостатком способа [1] является необходимость разнесения акустических датчиков на значительные расстояния друг от друга. Поэтому, согласно изобретению [1], данные от акустических датчиков приходится передавать по беспроводным каналам передачи данных.
Вторым недостатком способа [1] является то, что особенности исходного акустического сигнала во временной области для классификации источника сигнала не используются. В соответствии со способом [1], классификация источника акустического сигнала осуществляется лишь методами анализа в спектральной (частотной) области. Тогда как временные характеристики исходного акустического сигнала содержат существенную информацию о БЛА и источниках фоновых звуков. Игнорирование особенностей исходных акустических сигналов во временной области приводит к увеличению вероятности пропуска целей и увеличению вероятности ложных срабатываний.
Известен способ мониторинга пропеллерных летательных аппаратов, в том числе БЛА, с помощью акустических векторных датчиков [2 - труды конференции. - Broad banded acoustic vector sensors for outdoor monitoring propeller driven aircraft / H-E de Bee, J. Wind, S. Sadasivan - Опубл. в Proceedings of the 36. Deutsche Jahrestagung fur Akustik (DAGA) 2010, Berlin, Germany, 2010, ISBN 978-3-9808659-8-2]. Согласно способу [2], для обнаружения летательных аппаратов используется анализ акустических сигналов от пропеллеров как в спектральной области, так и во временной области. Иными словами, анализируют спектрограммы акустических сигналов. При этом в спектрограммах измеряют эффект Доплера, вызываемый движением летательного аппарата.
Недостатком способа [2] является то, что ввиду использования эффекта Доплера затрудняется обнаружение БЛА, движущихся с малой скоростью относительно акустических датчиков, например, парящих (зависающих в воздухе) БЛА мультикоптерного типа, что приводит к увеличению вероятности пропуска целей.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предложенного изобретения является акустический способ обнаружения БЛА с использованием цифровых средств фильтрации фоновых звуковых помех [3 - патент US 10032464 B2. Drone detection and classification with compensation for background clutter sources / John Franklin, Brian Hearing. - July 24, 2018]. Способ-прототип [3] позволяет обнаруживать как движущиеся БЛА, так и парящие БЛА. Согласно способу-прототипу [3], с помощью микрофона принимают звуковой сигнал, с помощью звуковой карты компьютера осуществляют цифровую запись сигнала и сохраняют в памяти компьютера различные образцы звуковых сигнатур как БЛА, так и источников фоновых звуков. Для разделения акустических сигнатур БЛА от сигнатур источников фоновых звуков применяют частотно-временной анализ оцифрованных звуковых сигналов.
Первым недостатком способа-прототипа [3] является то, что обнаружение тихо звучащих БЛА нарушается во время воздействия сильных подавляющих звуковых помех, что приводит к пропускам целей, например, в условиях типа стадион, рок-концерт, взлетно-посадочная полоса, поле боя.
Первый недостаток способа-прототипа [3] обусловлен тем, что традиционные микрофоны имеют фундаментальное противоречие между чувствительностью и динамическим диапазоном. Чем выше чувствительность микрофона в рабочем диапазоне частот, тем уже его динамический диапазон, а значит ниже максимальный уровень принимаемых без существенных искажений акустических сигналов. Данное противоречие обусловлено тем, что чувствительный элемент традиционного микрофона всегда имеет подвижную часть, например мембрану, колеблющуюся вместе с изменением акустического давления.
Вторым недостатком способа-прототипа [3] является то, что одновременный прием слабых звуковых сигналов, исходящих от БЛА и от источников фоновых маскирующих звуковых помех, осуществляемый с помощью микрофона, приводит к взаимным искажениям исходных сигналов. Примерами фоновых маскирующих звуковых помех являются сравнительно слабые звуки газонокосилки, вентиляционного оборудования, некоторых строительных инструментов и оборудования, близлежащих автотрасс. Искажение микрофоном исходных звуков приводит к искажениям акустических сигнатур как БЛА, так и источников фоновых маскирующих звуковых помех, что, в свою очередь, приводит к увеличению вероятности пропуска целей и увеличению вероятности ложных срабатываний. Причиной таких искажений слабых звуковых сигналов является ограниченное временное разрешение традиционных микрофонов, имеющих подвижную часть. Причем, чем более чувствителен микрофон в рабочем диапазоне частот, тем ниже достижимое разрешение данного микрофона во временной области.
Акустическая скорость частиц (колебательная скорость частиц) - это скорость, с которой движутся по отношению к среде в целом частицы, колеблющиеся около положения равновесия при прохождении акустической волны. Акустическую скорость частиц следует отличать от скорости движения самой среды и от скорости распространения волны. Акустическая скорость частиц является векторной величиной. Известен измерительный преобразователь акустической скорости частиц [4 - патент RU 2697518 C1. Измерительный преобразователь акустической скорости частиц / Деркачев П.Ю., Косогор А.А., Тихов Ю.И. - Опубл. в Бюл. №23, 2019]. Измерительный преобразователь акустической скорости частиц [4] обеспечивает одновременное увеличение отношения сигнала к шуму, чувствительности и механической прочности измерительного преобразователя на слышимых звуковых частотах. Благодаря отсутствию подвижных чувствительных элементов, измерительный преобразователь акустической скорости частиц [4] обладает также расширенным динамическим диапазоном и повышенным разрешением во временной области.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является одновременное уменьшение вероятности пропуска целей и уменьшение вероятности ложных срабатываний при обнаружении БЛА, способных к полетам с различной скоростью и неподвижному зависанию в воздухе, в условиях сильных подавляющих звуковых помех (например, типа стадион, рок-концерт, взлетно-посадочная полоса, поле боя), при наличии источников фоновых маскирующих звуковых помех (таких как газонокосилка, вентиляционное оборудование, строительные инструменты и оборудование, близлежащая автотрасса и иные источники звуков), а также исключение значительного пространственного разнесения используемой при осуществлении изобретения аппаратуры.
Для решения указанной технической проблемы предлагается акустический способ обнаружения БЛА, при котором принимают акустические волны, испускаемые пропеллерами БЛА и источниками звуковых помех, выявляя сигнатуры БЛА и источников звуковых помех во временной и частотной области.
Согласно изобретению, возможны следующие частные случаи осуществления акустического способа обнаружения БЛА:
- сигнатуры всех объектов, находящихся в пространстве обзора, принимают одновременно, затем сравнивают принятые сигнатуры указанных объектов с известными сигнатурами БЛА и с известными сигнатурами источников звуковых помех из библиотеки известных сигнатур, и в случае совпадения сигнатур указанных объектов с, по крайней мере, одной из известных сигнатур БЛА, выносят решение об обнаружении БЛА, а в случае совпадения сигнатур указанных объектов с, по крайней мере, одной из известных сигнатур источников звуковых помех, выносят решение о необнаружении БЛА;
- сигнатуры указанных объектов в виде спектрограмм акустических волн принимают посредством измерений акустической скорости частиц акустических волн;
- в случае если принятые сигнатуры указанных объектов не обладают частотно-временными признаками принимаемых акустических волн, имеющими место в известных сигнатурах, принятые сигнатуры указанных объектов признают сигнатурами, вызванными иными случайными объектами или явлениями и отбрасывают, а в случае, если принятые сигнатуры указанных объектов обладают отдельными частотно-временными признаками принимаемых акустических волн, имеющими место в известных сигнатурах, но в целом не совпадают ни с известными сигнатурами БЛА, ни с известными сигнатурами источников звуковых помех, принятые сигнатуры указанных объектов признают подозрительными сигнатурами и направляют на рассмотрение оператором, затем, на основе независимого экспертного анализа оператором фактической обстановки в пространстве обзора, выносят решение либо об обнаружении БЛА с последующим пополнением библиотеки известных сигнатур подозрительной сигнатурой в качестве новой сигнатуры БЛА, либо об обнаружении источника звуковых помех с последующим пополнением библиотеки известных сигнатур подозрительной сигнатурой в качестве новой сигнатуры источника звуковых помех, либо о необнаружении с признанием подозрительной сигнатуры фантомной и ее отбрасыванием;
- решение либо об обнаружении БЛА, в том числе с последующим пополнением библиотеки известных сигнатур подозрительной сигнатурой в качестве новой сигнатуры БЛА, либо об обнаружении источника звуковых помех, в том числе с последующим пополнением библиотеки известных сигнатур подозрительной сигнатурой в качестве новой сигнатуры источника звуковых помех, либо о необнаружении, в том числе с признанием подозрительной сигнатуры фантомной и ее отбрасыванием, выносят с помощью обучаемой искусственной нейронной сети.
Техническим результатом изобретения является одновременное измерение акустической скорости частиц акустических волн, испускаемых вращающимися пропеллерами БЛА и источниками звуковых помех, что позволяет выявлять сигнатуры БЛА и источников звуковых помех путем сравнения во временной и частотной области с известными сигнатурами БЛА и источников звуковых помех из постоянно пополняемой библиотеки известных сигнатур.
Сравнение с известными техническими решениями показывает, что сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого способа соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Изобретение поясняется на фигуре, где изображена общая конфигурация примера осуществления предлагаемого настоящим изобретением способа (не в масштабе).
При осуществлении предлагаемого способа выполняется следующая последовательность операций.
1. Принимают акустические волны, испускаемые пропеллерами БЛА, выявляя сигнатуры БЛА, и акустические волны, испускаемые источниками звуковых помех, выявляя сигнатуры источников звуковых помех.
2. Одновременно принимают сигнатуры всех объектов, находящихся в пространстве обзора. Сигнатуры указанных объектов в виде спектрограмм акустических волн принимают посредством измерений акустической скорости частиц акустических волн.
3. Сравнивают принятые сигнатуры указанных объектов с известными сигнатурами БЛА и с известными сигнатурами источников звуковых помех из библиотеки известных сигнатур.
4. В случае совпадения сигнатур указанных объектов с, по крайней мере, одной из известных сигнатур БЛА, выносят решение об обнаружении БЛА, а в случае совпадения сигнатур указанных объектов с, по крайней мере, одной из известных сигнатур источников звуковых помех, выносят решение о необнаружении БЛА.
5. В случае если принятые сигнатуры указанных объектов не обладают частотно-временными признаками принимаемых акустических волн, имеющими место в известных сигнатурах, принятые сигнатуры указанных объектов признают сигнатурами, вызванными иными случайными объектами или явлениями и отбрасывают, а в случае, если принятые сигнатуры указанных объектов обладают отдельными частотно-временными признаками принимаемых акустических волн, имеющими место в известных сигнатурах, но в целом не совпадают ни с известными сигнатурами БЛА, ни с известными сигнатурами источников звуковых помех, принятые сигнатуры указанных объектов признают подозрительными сигнатурами и направляют на рассмотрение оператором, затем, на основе независимого экспертного анализа оператором фактической обстановки в пространстве обзора, выносят решение либо об обнаружении БЛА с последующим пополнением библиотеки известных сигнатур подозрительной сигнатурой в качестве новой сигнатуры БЛА, либо об обнаружении источника звуковых помех с последующим пополнением библиотеки известных сигнатур подозрительной сигнатурой в качестве новой сигнатуры источника звуковых помех, либо о необнаружении с признанием подозрительной сигнатуры фантомной и ее отбрасыванием.
6. Выносят с помощью обучаемой искусственной нейронной сети решение либо об обнаружении БЛА, в том числе с последующим пополнением библиотеки известных сигнатур подозрительной сигнатурой в качестве новой сигнатуры БЛА, либо об обнаружении источника звуковых помех, в том числе с последующим пополнением библиотеки известных сигнатур подозрительной сигнатурой в качестве новой сигнатуры источника звуковых помех, либо о необнаружении, в том числе с признанием подозрительной сигнатуры фантомной и ее отбрасыванием.
При осуществлении предлагаемого способа (фиг.) выявляют сигнатуры объектов в пространстве обзора, принимаемые с помощью измерителя акустической скорости частиц (1). Объектом полагают БЛА (2), источник сильных подавляющих звуковых помех (3), источник фоновых маскирующих звуковых помех (4), иной звучащий случайный объект или физическое явление в воздухе или на земле, непоказанный на фигуре. Источником звуковых помех полагают источник сильных подавляющих звуковых помех (3) и источник фоновых маскирующих звуковых помех (4). Объекты могут находиться как в воздушном пространстве обзора, так быть и наземными. Объекты могут быть подвижными и неподвижными. Сигнатуры, принимаемые измерителем акустической скорости частиц (1), соответствующие физике акустических волн, выявляют с помощью устройства обработки данных (УОД) (5). Устройству обработки данных (5) обеспечивают доступ к библиотеке известных сигнатур (БИС) (6), содержащей известные сигнатуры БЛА (2), источников сильных подавляющих звуковых помех (3) и источников фоновых маскирующих звуковых помех (4). С помощью УОД (5) сравнивают принимаемые сигнатуры объектов с известными сигнатурами из БИС (6). В примере осуществления предлагаемого способа сравнение принимаемых сигнатур с известными сигнатурами осуществляют математическими методами корреляционного анализа спектрограмм акустических волн. Существо и особенности указанных математических методов не входят в объем настоящего изобретения.
По результатам сравнения сигнатур во временной и частотной областях, в случае совпадения сигнатур объектов с, по крайней мере, одной из известных сигнатур БЛА, выносят решение об обнаружении БЛА, а в случае совпадения сигнатур объектов с, по крайней мере, одной из известных сигнатур источников звуковых помех, выносят решение о необнаружении БЛА. Данные об обнаруженном БЛА, которые могут включать данные о локации обнаруженного БЛА в воздушном пространстве обзора (например, азимут, угол места, дальность), определенные измерителем акустической скорости частиц (1), передают в систему управления (СУ) (7).
Сигнатуры, вызванные иными случайными объектами или физическими явлениями, которые не обладают частотно-временными признаками акустических волн, имеющими место в известных сигнатурах, в УОД (5) отбрасываются.
В случае если принятые сигнатуры объектов обладают отдельными частотно-временными признаками принимаемых акустических волн, имеющими место в известных сигнатурах, но в целом не совпадают ни с известными сигнатурами БЛА, ни с известными сигнатурами источников звуковых помех, принятые сигнатуры указанных объектов признают подозрительными. Подозрительные сигнатуры направляют из УОД (5) в СУ (7) на рассмотрение оператором, затем, на основе независимого экспертного анализа оператором фактической обстановки в пространстве обзора, выносят решение либо об обнаружении БЛА с последующим пополнением БИС (6) подозрительной сигнатурой в качестве новой сигнатуры БЛА, либо об обнаружении источника звуковых помех с последующим пополнением БИС (6) подозрительной сигнатурой в качестве новой сигнатуры источника звуковых помех, либо о необнаружении с признанием подозрительной сигнатуры фантомной и ее отбрасыванием.
В примере осуществления предлагаемого способа взаимную связь УОД (5), БИС (6), СУ (7), для формирования постоянно уточняемых информационных признаков БЛА и источников звуковых помех, осуществляют с помощью обучаемой искусственной нейронной сети, что в конечном итоге приводит к уменьшению вероятности пропуска целей и уменьшению вероятности ложных срабатываний.
В процессе обнаружения БЛА принимают акустические волны, исходящие из любого источника в пространстве обзора с помощью измерителя акустической скорости частиц (1), содержащего не менее трех, расположенных непараллельно друг другу измерительных преобразователей акустической скорости частиц (11, 12, 13), и одного опорного датчика давления (14). Принимаемые сигнатуры БЛА представляют собой спектрограммы акустических волн, возникающих от вращающихся пропеллеров БЛА в полете или на земле. Соответственно, спектрограмма акустических волн, исходящих от каждого конкретного типа БЛА, зависит от режимов работы пропеллеров, следовательно, и от режимов полета БЛА, таких как парение (неподвижное зависание в воздухе), набор высоты, снижение, приближение, удаление. Частотный диапазон звучания известных БЛА в различных режимах полета составляет от 30 до 5000 Гц. Диапазон рабочих частот измерителя акустической скорости частиц (1) шире требуемого, а временное разрешение составляет десятые доли миллисекунды, что позволяет получать сигнатуры БЛА повышенной информативности. Измеритель акустической скорости частиц (1) обеспечивает получение сигнатур повышенной информативности и для источников фоновых маскирующих звуковых помех (4). Повышение информативности сигнатур в конечном итоге приводит к уменьшению вероятности пропуска целей и уменьшению вероятности ложных срабатываний при обнаружении БЛА.
Благодаря расширенному динамическому диапазону, повышенной чувствительности и механической прочности используемых измерительных преобразователей акустической скорости частиц (11, 12, 13) на частотах звучания пропеллеров БЛА, измеритель акустической скорости частиц (1) способен функционировать также при наличии источников сильных подавляющих звуковых помех (3).
Благодаря векторным свойствам измеряемой акустической скорости частиц, обеспечивается возможность определять направление на источник звуков без необходимости значительного пространственного разнесения входящих в состав аппаратуры измерительных преобразователей акустической скорости частиц (11, 12, 13). В примере реализации измерителя акустической скорости частиц (1), содержащего три измерительных преобразователя акустической скорости частиц (11, 12, 13), каждый из них располагают предпочтительно ортогонально друг к другу, и все три измерительных преобразователя акустической скорости частиц (11, 12, 13) могут быть размещены практически в непосредственном контакте друг с другом и с опорным датчиком давления (14). Увеличение количества используемых измерительных преобразователей акустической скорости частиц обеспечивает увеличение точности определения направления на источник звуков. При этом компактные измерители акустической скорости частиц формируются и при использовании более трех непараллельных измерительных преобразователей акустической скорости частиц. Прозрачный для акустических волн защитный кожух (15) обеспечивает удобство развертывания измерителя акустической скорости частиц (1).
Иные примеры осуществления заявляемого акустического способа обнаружения БЛА могут содержать иные варианты реализации измерителя акустической скорости частиц (1), что не выходит за пределы существа и объема настоящего изобретения.