基于麥克風定位的廣域掃描云臺反無人機跟蹤系統與方法

本發明屬于無人機跟蹤領域，具體涉及一種基于麥克風定位的廣域掃描云臺反無人機跟蹤系統與方法。

背景技術：

1、麥克風陣列系統已經應用于許多場合，包括視頻會議、語音識別、說話人識別、汽車環境語音獲取、混響環境聲音拾取、聲源定位和助聽裝置等。通過麥克風陣列信號處理，可以對目標信號進行采樣，獲取目標信號的“空間譜”或“方向圖”，并針對不同來向的信號進行有選擇性的增強或抑制，從而達到削減干擾和噪聲、提取有用信號特征的目的。麥克風定位主要是通過對接收到的語音信號進行分析和處理來確定聲源的位置。然而，在噪聲大、有混響的環境下，這種定位技術的性能會受到影響，導致定位精度降低。

2、云臺掃描跟蹤技術通常與視覺追蹤技術相結合，用于實現對目標的自動跟蹤。云臺掃描通過控制云臺的旋轉和俯仰角度，實現對目標區域的掃描和跟蹤。盡管云臺掃描跟蹤技術在目標檢測跟蹤方面表現出色，但也存在一些局限性。比如，云臺掃描跟蹤通常依賴于視覺信息來追蹤目標。然而，在某些情況下，如目標被遮擋或光線不足，視覺信息可能無法獲得，導致跟蹤失敗。雖然云臺掃描跟蹤的響應速度相對較快，但在某些需要快速響應的應用中，如反無人機跟蹤，可能響應速度不夠快。在對小型無人機的定位跟蹤中，依賴單獨一種定位跟蹤難以實現，需要結合多種定位技術來實現。

技術實現思路

1、本發明提出了一種基于麥克風定位的廣域掃描云臺反無人機跟蹤系統與方法，通過優化麥克風定位與云臺相機目標跟蹤技術，將其運用到無人機跟蹤領域，解決了傳統云臺跟蹤范圍有限，近距離下云臺存在盲區且易丟失目標問題，并提高了云臺系統面向小型無人機的跟蹤精度和快速動態響應的能力。

2、實現本發明的技術解決方案為：一種基于麥克風定位的廣域掃描云臺反無人機跟蹤系統，包括麥克風陣列、智能攝像機、聲學成像儀、電磁槍、帶有旋轉馬達的圓盤、云臺架、電源模塊、wifi無線模塊、stm32主控單元。

3、麥克風陣列通過音頻線分別與聲學成像儀與stm32控制器連接，接收無人機發出的聲音信號，采用tdoa聲源定位算法根據聲音信號到達不同麥克風的時間差來定位無人機的方向。

4、聲學成像儀接收麥克風陣列輸出的音頻信號；通過hdmi接口連接到stm32主控單元，將麥克風陣列接收到的聲音信號轉化為可視化的圖像，更直觀地判斷無人機的位置。

5、智能攝像機連接在云臺架上，通過云臺架進行水平和垂直方向的旋轉，提供高清的視頻流，用于觀察和分析無人機的位置和行為，結合云臺架的運動，實現廣域掃描和跟蹤無人機。

6、帶有伸縮調節機構的電磁槍固定在云臺架上，可隨云臺架移動；由stm32主控單元發送控制指令通過電機驅動伸縮調節裝置；調整電磁槍的指向使得無人機出現在電磁槍的攻擊范圍內，發射覆蓋無人機所使用的通信頻段的電磁波，達到干擾其gps定位和遙控信號的效果，切斷無人機與控制器之間的信號通道，使得無人機失去控制或墜落。

7、云臺架搭載麥克風陣列、智能攝像機、聲學成像儀、電磁槍、stm32主控單元通過驅動無刷直流電機控制其水平和垂直方向的轉動，為上述設備提供穩定的支撐和快速的移動能力，提高面向小型無人機的探測范圍；旋轉馬達圓盤與云臺架整體連接，彌補了傳統云臺架整體的俯仰方向上探測范圍有限的缺陷，實現360°全方位的云臺廣域掃描功能，提高了云臺系統的監測范圍和跟蹤性能。

8、電源模塊設置在云臺架底部，為整個系統供電。

9、wifi無線模塊設置在云臺架底部，用于傳輸各個傳感器模塊的數據給上位機進行處理，包括麥克風聲源定位數據、云臺旋轉角度數據、智能攝像機圖像數據、聲學成像儀數據、電磁槍方向數據；

10、stm32主控單元設置在云臺架底部，負責接收和處理外部輸入，并發送相應的控制信號到各個模塊，控制和協調整個系統的穩定運行。

11、一種基于麥克風定位的廣域掃描云臺反無人機跟蹤方法，利用上述基于麥克風定位的廣域掃描云臺反無人機跟蹤系統，跟蹤方法包括以下步驟：

12、步驟1：啟動stm32主控單元，進行系統自檢，確保麥克風陣列、智能攝像機、聲學成像儀、電磁槍、云臺架及旋轉馬達圓盤、電源模塊、wifi無線模塊均正常工作；初始化wifi無線模塊，建立與控制中心的通信連接。

13、步驟2：麥克風陣列持續監聽環境中的聲音信號，特別是無人機的聲音特征；對接收到的聲波信號進行預處理，濾波、放大，以提高信號質量；并利用tdoa聲源定位算法對接收到的聲音信號進行處理，確定無人機的方向、距離等位置信息。

14、步驟3：聲學成像儀根據麥克風陣列提供的位置信息，對無人機所在區域進行聲學成像；采用beamforming算法結合寬頻運動聲源的超分辨率成像，通過對麥克風陣列中各個麥克風接收到的聲波信號進行時延補償和加權求和，形成一個指向聲源的波束，從而實現對聲源的定位和成像，并測量聲源的幅值，將聲源的位置和幅值信息以圖像的方式顯示出來，形成空間聲場分布云圖；通過成像結果，進一步確認無人機的精確位置，并識別其型號、大小特征。

15、步驟4：云臺掃描與智能攝像頭跟蹤，通過stm32主控單元的控制驅動云臺架進行旋轉掃描，采用kcf算法，將該算法移植到gpu平臺，可對識別檢測出的小型無人機進行持續跟蹤；無人機位置超出系統設計的云臺相機運動視場角區域時，通過旋轉馬達圓盤驅動云臺整體進行俯仰方向的旋轉，解決了俯仰方向上的掃描盲區問題，實現目標的廣域掃描跟蹤。

16、步驟5：伸縮調節機構與電磁槍，一旦確認無人機的位置并判定為非法入侵者，stm32主控單元將控制伸縮調節機構調節電磁槍至合適位置，電磁槍發射電磁脈沖，干擾無人機的控制系統，迫使其降落或返航，消除潛在的危險。

17、步驟6：持續監控與反饋,在電磁槍干擾后，系統繼續監控無人機狀態，確保其已離開或已被控制；將整個事件的過程記錄并存儲，以便后續分析；通過wifi無線模塊將事件報告發送至控制中心，提供實時反饋。

18、步驟7：系統恢復與待機，在無人機被控制或離開后，系統恢復到初始狀態，等待下一次任務；在待機狀態下，系統持續監聽環境聲音，保持對潛在威脅的警惕。

19、本發明與現有技術相比，其顯著優點在于：

20、(1)本發明可以實現室外的小型無人機的廣域掃描跟蹤。

21、(2)本發明通過采用tdoa聲源定位算法彌補了云臺相機初始掃描目標時跟蹤速度較慢的不足，麥克風定位提供無人機聲源的方向信息，采用beamforming算法結合寬頻運動聲源的超分辨率成像獲得無人機的精確位置，掃描云臺根據這些信息快速調整攝像頭方向，根據改進后的kcf算法進行目標實時跟蹤，減少了目標追蹤的時間，提高了系統的響應速度和定位精度，解決了云臺掃描跟蹤目標遮擋情況下的定位跟蹤問題。

22、(3)為了解決傳統云臺室外俯仰方向掃描范圍有限難以對無人機目標進行有效跟蹤的問題，本發明采用旋轉馬達帶動云臺相機在俯仰方向上整體旋轉進行目標掃描跟蹤，增大了云臺系統的目標掃描探測范圍。在室外無人機跟蹤方面，采用麥克風和云臺相機組合定位跟蹤，實現了針對小型無人機的廣域掃描跟蹤功能。