CN105099585B - 无人机信号处理装置及信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种无人机信号处理装置及其处理方法，该装置包括接收模块(1)、监控模块(2)、预警模块(3)、干扰模块(4)和发射模块(5)，预警模块(3)包括存储无人机频域数据的存储单元(10)和将频谱分析单元(9)发来的当前频域数据和存储单元(10)中存储的无人机频域数据比较的比较单元(11)，当比较结果处于预定范围内时，预警模块(3)发出警报，所述干扰模块(4)包括设定基带信号频率的基带信号发生器(12)、将基带信号调制为噪声信号的干扰调制器(13)、增加噪声功率的工作放大器(14)和将不同的噪声频带合并的合路器(15)。本发明通过侦测无人机工作频段，提前预警无人机抵近飞行并阻止无人机抵近飞行至受保护的安防区域。
Description
技术领域
本发明属于飞行器预警领域，特别是无人飞行器的预警，其涉及一种无人机信号处理装置及信号处理方法。
背景技术
当前无人机已经开始广泛的介入广大群众的日常生活。无人机由于能够完成直上直下的起飞与降落，并且能够在空中悬停，飞行更加灵活，所以相较于传统的固定翼式飞行器，有其自身特点，并得到了广泛应用。现有法规对于通航领域的飞行管理还不是很完善，但是对于飞行高度不高，往往处于视距范围内的无人机，目前的监管还是一个空白。
虽然，无人机在航拍、物流、巡逻等方面，开始给予广大消费者以全新的体验，并且拥有着广泛的应用前景，但同时，无人机无监管的飞行，也会带来一些困扰。由于飞行器本身质量水平不一，控制飞行器的飞手的操纵水平差异也很大，所以，无人机误入一些禁飞区的新闻屡见不鲜。比如，四轴飞行器闯入白宫的新闻、四轴飞行器飞越巴黎政府区的新闻。甚至，也诱发了一些敏感人士担心，可能会有不良人士操纵四轴飞行器来实施偷拍。
在重点安防区域，如果无人机抵近飞行，则需要采取主动防御措施，防止无人机抵近拍摄，非法传递信息，甚至携带危险品进入重点安防区域。因此重点安防区域存在侦测并抵御无人机飞行的需求。
专利CN202261322U公开了一种无线电信号压制系统，其特征在于所述压制系统包括监测接收机，该监测接收机连接设置一终端控制计算机，该终端控制计算机连接设置一压制信号的信号激励器，该信号激励器通过压制信号的放大分配器与射频激励器连接，射频激励器经由连接的功率放大器连接天馈系统。该无线电信号压制系统能够有效对各频段的无线电信号实施干扰压制，其能够产生有效压制波形，实现了任意单音和多音信号的压制信号生成及发送，可作为无线电管理机构在日常设备维护和特殊应用场合的专用设备。但其并不能针对无人机进行信号侦测以及信号压制。
专利CN102508237公开了一种角跟踪系统，其特征是包括控制中心、天线分系统、馈线分系统、发射分系统、接收分系统、伺服分系统和通讯接口分系统，所述天线分系统包括电线座，以及安装在天线座上的定向天线、全向天线和定向喇叭，所述发射分系统，包括上变频器、频控处理器、功放和选择开关；由控制中心送来的基带激励信号送给发射分系统，在发射分系统内，基带激励信号经上变频器后送至功放；功放的输出端连接选择开关的输入端；所述选择开关的输出端分别连接定向天线、全向天线和定向喇叭的发射信号输入端；所述定向天线通过馈线分系统连接该选择开关的输出端；频控处理器接收来自控制中心的控制信号，并依此输出选择开关、上变频器频率选择和功放的控制信号，所述馈线分系统，本分系统传输发射信号给定向天线，接收相应频率回波信号，在发射信号的同时接收和∑、方位差ΔA二路接收信号，再经接收分系统送接收机；本分系统包括双工器、加减器、左馈源和右馈源；对于定向天线的发射信号，该发射信号依次经双工器、加减器和左馈源输出；接收和∑信号依次经左馈源、加减器和端口输出至双工器，接收方位差ΔA信号由左右馈源经加减器差输出，所述接收分系统，包括选择开关、LNA、下变频器、频控处理器和中频接收机；本选择开关的一个输出端依次连接LNA和下变频器，下变频器的输出端连接中频接收机的输入端；该选择开关有三个输入端，全向天线和定向喇叭分别连接该选择开关的两个输入端；本选择开关的另一个输入端接收所述∑信号和ΔA信号；本频控处理器接收来自控制中心的控制信号，并依此输出选择开关、下变频器的控制信号，所述伺服分系统，包括伺服控制器和驱动电机，所述伺服控制器的控制信号输出给驱动电机，驱动电机驱动电线座作转动和俯仰动作，所述通讯接口分系统，连接在控制中心与发射分系统的频控处理器、接收分系统的频控处理器以及伺服分系统的伺服控制器之间。该专利文献有较高的测角精度和良好的搜索、捕获能力，但部件多、结构复杂且成本昂贵而无法得到广泛的应用且无法对无人机进行信号压制。
专利CN103822699A公开了一种无人直升机振动在线监测系统，其特征在于：包括：机载通信设备，主要作用是发射经过分析处理的振动信号；地面通信控制设备，接收机载通信设备发送来的实时振动信号，以图形或声音形式实现报警、提示及演示无人直升机的空中飞行实时振动情况；传感器，设在无人直升机的一处或多处机身上，感应机身各处的位移、速度和加速度；采集仪，将传感器感应到的各种信号转换成电信号并传递给分析仪，所述采集仪主要由抗混滤波、数模转换和DSP处理器组成；所述抗混滤波和DSP处理器的截止频率为所述采集仪最大采样频率的1/2.56倍，阻带衰减：－120dB/Oct，平坦度0.05dB/Oct；分析仪，对采集仪传输过来的电信号与预设的极限值进行比对判断，如果传输过来的电信号没有超出预设的极限值，则不触发其他动作；如果传输过来的电信号超出预设的极限值，分析仪将分析结果通过机载通信设备发送至地面通信控制设备。该专利文献公开的这种在线监测系统能够让地面操控人员实时的掌握无人直升机的飞行状态，但其需要机载设备配合，无法实现预警功能，也无法对无人机进行信号压制。
因此，当前存在一种需求，是能够提前感应到高速飞行的无人机，并实施预警和提供有针对性的信号压制，以及结构简单、成本低适用范围广。
发明内容
根据无人机的特性，其有别于有人驾驶飞机，无人机的飞行过程一定受到地面站无线控制。因此在无人机抵近重点安防区域之前，可以采用频率压制的方式，预先破坏无人机飞行控制上行数据链以及数据、图像传输下行数据链，达到阻止无人机进一步靠近重点安防区域，防止受保护区域图像泄露的目的。
本发明公开了一种无人机信号处理装置及信号处理方法，其实现了一种无人机抵近飞行侦测和频率压制，通过侦测无人机工作频段，提前预警无人机抵近飞行，并在无人机控制频段和数据传输频段释放干扰，阻止无人机抵近飞行至受保护的安防区域。
目前，由工信部批注的无人机工作频率和工作方式如下表1所示，此外工信部未批准但无人机爱好者常用的无人机控制和图传频段还包括：上行/下行433MHz跳频方式，下行5800MHz波道指配方式。因此本系统将重点针对以上提及的频率范围和工作方式实施频率侦测和频率压制。
表1
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
根据本发明的第一方面，本发明公开的一种无人机信号处理装置包括接收模块、监控模块、预警模块。
所述接收模块利用全向接收天线扫描无人机工作的上行和下行工作频段用于实时扫描无人机信号。所述接收模块有针对性地对无人机工作频段进行扫描，提高了扫描效率。
监控模块包括将接收到的信号按相同的功率分为多路信号的功率分配器、将每路信号进行带通滤波的带通滤波单元、将所述信号转换为数字信号的A/D转换单元和对数字信号进行傅里叶变换且将时域数据变化为频域数据的频谱分析单元。
监控模块通过功率分配器进行多路信号处理，提高了监控的准确性，在带通滤波单元的作用下，提供了监控精度。
预警模块包括存储无人机频域数据的存储单元和将频谱分析单元发来的当前频域数据和存储单元中存储的无人机频域数据比较的比较单元，当比较结果处于预定范围内时，预警模块发出警报。
当无人机抵近飞行时，由于无人机通信的原理，会在安防区域内无人机通信工作频段内带来异常功率增益。例如，无人机设定在2440MHz频段，有效全向辐射功率为100mw，即为20dbm，地面端天线增益为5dbi，机载端天线增益为2dbi，则实际信号功率为上行25dbm，下行22dbm。己方探测天线距离无人机2KM，接收天线增益为10dbi，接收灵敏度为-101dBm+—2dBm。自由空间路径损耗公式为：Ls＝32.4+20Logf+20Logd，其中f为频率，单位为MHz，d为距离，单位为KM；则到达己方天线的接收电平为20+5-32.4-67.6-6+10＝-71dbm。预警模块接收频谱分析单元发来的频域数据，和存储单元中的无人机频域数据相比，如上例所述，超过了预定范围，预警模块发出警报。
根据本发明的第二方面，本发明公开的一种无人机信号处理装置包括接收模块、监控模块、预警模块、干扰模块和发射模块。
所述接收模块利用全向接收天线扫描无人机工作的上行和下行工作频段用于实时扫描无人机信号。所述接收模块有针对性地对无人机工作频段进行扫描，提高了扫描效率。
监控模块包括将接收到的信号按相同的功率分为多路信号的功率分配器、将每路信号进行带通滤波的带通滤波单元、将所述信号转换为数字信号的A/D转换单元和对数字信号进行傅里叶变换且将时域数据变化为频域数据的频谱分析单元。
预警模块包括存储无人机频域数据的存储单元和将频谱分析单元发来的当前频域数据和存储单元中存储的无人机频域数据比较的比较单元，当比较结果处于预定范围内时，预警模块发出警报。
所述干扰模块包括设定基带信号频率的基带信号发生器、将基带信号调制为噪声信号的干扰调制器、增加噪声功率的工作放大器和将不同的噪声频带合并的合路器。干扰模块能够对多个目标进行干扰。
所述发射模块包括发送经过调制后的不同频段的信号的定向发射天线用于发射干扰信号。
优选地，预警模块包括扬声器，当预警模块发出警报时，扬声器在当前频域中发出警报信息。
优选地，所述干扰模块采用跳频数字通信的无人机上行/下行840.5-845MHz频段。
优选地，所述干扰模块采用在无人机工作的4.5M频带宽度内持续发送大于46DBM噪声的随机数字信号进行阻塞式干扰。
优选地，所述干扰模块释放与无人机使用的信道频率相同的频率且与信道频谱宽度相同的带宽的干扰信号。
优选地，所述干扰模块释放大于39DBM的干扰功率。针对无人机不同的频段和工作方式，本发明还可以采用不同的干扰模式。比如：针对采用跳频数字通信的无人机上行/下行840.5-845MHz频段，可以选择采用阻塞式干扰，即在无人机工作的4.5M频带宽度内持续发送大功率(大于46DBM)干扰信号，淹没无人机通信信号。针对采用波道指配方式的1430-1446MHz和2408-2440MHz频段，可以根据信道频谱分析结果，采用瞄准式干扰，即释放干扰的载频与无人机使用的信道中心频率重合，干扰信号带宽与信道频谱宽度相同，干扰功率(大于39DBM)。在干扰无人机通信频段的同时不影响己方正常通信。
根据本发明的第三方面，本发明公开的无人机信号处理方法包括以下步骤：
第一步骤中，接收模块扫描无人机工作的上行和下行工作频段用于实时扫描无人机信号。
第二步骤中，监控模块对扫描的信号进行处理，其中，带通滤波单元将信号带通滤波，A/D转换单元将信号转换为声音数字信号，频谱分析单元对声音数字信号进行傅里叶变换且将时域数据变化为频域数据。
第三步骤中，预警模块预警，当比较结果处于预定范围内时，预警模块发出警报。
第四步骤中，所述干扰模块发出干扰信号，其中，基带信号发生器设定基带信号频率，干扰调制器将基带信号调制为噪声信号，工作放大器增加噪声功率以及合路器将不同的噪声频带合并。
第五步骤中，发射模块发射干扰信号，其中，定向发射天线发送经过调制后的不同频段的信号。
根据本发明的第四方面，本发明公开的无人机信号处理方法包括以下步骤：
第一步骤中，接收模块扫描无人机工作的上行和下行工作频段用于实时扫描无人机信号。
第二步骤中，监控模块对扫描的声音信号进行处理，其中，带通滤波单元将信号带通滤波，A/D转换单元将信号转换为声音数字信号，频谱分析单元对声音数字信号进行傅里叶变换且将时域数据变化为频域数据。
第三步骤中，预警模块预警，当比较结果处于预定范围内时，预警模块发出警报。
第四步骤中，当预警模块发出警报时，扬声器在当前频域中发出警报信息，如预警模块判断比较结果继续处于预定范围内时，预警模块将当前频域数据发送干扰模块。
第五步骤中，所述干扰模块发出干扰信号，其中，基带信号发生器设定基带信号频率，干扰调制器将基带信号调制为噪声信号，工作放大器增加噪声功率以及合路器将不同的噪声频带合并。
第六步骤中，发射模块发射干扰信号，其中，定向发射天线发送经过调制后的不同频段的信号直到预警模块判断比较结果继续不处于预定范围内为止。
优选地，所述干扰模块释放与无人机使用的信道频率相同的频率且与信道频谱宽度相同的带宽的干扰信号或者所述干扰模块采用在无人机工作的4.5M频带宽度内持续发送大于46DBM干扰信号进行阻塞式干扰。
优选地，频谱分析单元进行采样速率为16MHz的数字信号采集，采集1024个采样点后，进行傅里叶变换。
本发明提出的方案，能够实现在无人机抵近重点安防区域之前，可以采用频率压制的方式，预先破坏无人机飞行控制上行数据链以及数据、图像传输下行数据链，达到阻止无人机进一步靠近重点安防区域，防止受保护区域图像泄露的目的。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的无人机信号处理装置的结构示意图。
图2是根据本发明一个实施例的无人机信号处理方法的流程示意图。
图3是根据本发明一个实施例的无人机信号处理方法的步骤示意图。
图4是根据本发明另一个实施例的无人机信号处理方法的步骤示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
本发明的实施例描述了一种无人机信号处理装置，如图1所示的无人机信号处理装置包括接收模块1、监控模块2、预警模块3、干扰模块4和发射模块5。
所述接收模块1利用全向接收天线17扫描无人机工作的上行和下行工作频段用于实时扫描无人机信号。
监控模块2包括将接收到的信号按相同的功率分为多路信号的功率分配器6、将每路信号进行带通滤波的带通滤波单元7、将所述信号转换为数字信号的A/D转换单元8和对数字信号进行傅里叶变换且将时域数据变化为频域数据的频谱分析单元9。
预警模块3包括存储无人机频域数据的存储单元10和将频谱分析单元9发来的当前频域数据和存储单元10中存储的无人机频域数据比较的比较单元11，当比较结果处于预定范围内时，预警模块3发出警报。
所述干扰模块4包括设定基带信号频率的基带信号发生器12、将基带信号调制为噪声信号的干扰调制器13、增加噪声功率的工作放大器14和将不同的噪声频带合并的合路器15。
所述发射模块5包括发送经过调制后的不同频段的信号的定向发射天线18用于发射干扰信号。
根据一个实施例，预警模块3包括扬声器16，当预警模块3发出警报时，扬声器16在当前频域中发出警报信息。
根据一个实施例，所述干扰模块4采用跳频数字通信的无人机上行/下行840.5-845MHz频段。
根据一个实施例，所述干扰模块4采用在无人机工作的4.5M频带宽度内持续发送大于46DBM噪声的随机数字信号进行阻塞式干扰。
根据一个实施例，干扰模块4释放与无人机使用的信道频率相同的频率且与信道频谱宽度相同的带宽的干扰信号。
根据一个实施例，所述干扰模块4释放大于39DBM的干扰功率。
如图2所示的根据本发明一个实施例的无人机信号处理方法的流程示意图，无人机信号处理方法首先进行扫描无人机上行和下行的所有可能的工作频段，将获得的信号进行处理，如果处理得到的频域数据和预存在存储单元中的频域数据不处于预定范围内，则返回扫描步骤，如果处理得到的频域数据和预存在存储单元中的频域数据处于预定范围内，则判断获得异常的信号频带信息，在该异常频段内发出警告信息，如果预定时间段内，异常信号源消失，则返回扫描步骤，如果预定时间段内，异常信号源未消失，则进入干扰压制部分，首先生成干扰频段基带信号，调制干扰噪声信号，进行功率放大，释放干扰信号，当得到有效压制后，停止释放干扰信号。
参见图3所示的根据本发明一个实施例的无人机信号处理方法的步骤示意图，步骤如下。
第一步骤S1中，接收模块1扫描无人机工作的上行和下行工作频段用于实时扫描无人机信号。
第二步骤S2中，监控模块2对扫描的信号进行处理，其中，带通滤波单元7将信号带通滤波，A/D转换单元8将信号转换为声音数字信号，频谱分析单元9对声音数字信号进行傅里叶变换且将时域数据变化为频域数据。
第三步骤S3中，预警模块3预警，当比较结果处于预定范围内时，预警模块发出警报。
第四步骤S4中，所述干扰模块4发出干扰信号，其中，基带信号发生器12设定基带信号频率，干扰调制器13将基带信号调制为噪声信号，工作放大器14增加噪声功率以及合路器15将不同的噪声频带合并。
第五步骤S5中，发射模块5发射干扰信号，其中，定向发射天线发送经过调制后的不同频段的信号。
参见图4所示的根据本发明的另一个实施例的无人机信号处理方法的步骤示意图，步骤如下。
第一步骤S1中，接收模块1扫描无人机工作的上行和下行工作频段用于实时扫描无人机信号。
第二步骤S2中，监控模块2对扫描的声音信号进行处理，其中，带通滤波单元7将信号带通滤波，A/D转换单元8将信号转换为声音数字信号，频谱分析单元9对声音数字信号进行傅里叶变换且将时域数据变化为频域数据。
第三步骤S3中，预警模块3预警，当比较结果处于预定范围内时，预警模块发出警报。
第四步骤S4中，当预警模块3发出警报时，扬声器16在当前频域中发出警报信息，如预警模块3判断比较结果继续处于预定范围内时，预警模块3将当前频域数据发送干扰模块4。
第五步骤S5中，所述干扰模块4发出干扰信号，其中，基带信号发生器12设定基带信号频率，干扰调制器13将基带信号调制为噪声信号，工作放大器14增加噪声功率以及合路器15将不同的噪声频带合并。
第六步骤S6中，发射模块5发射干扰信号，其中，定向发射天线发送经调制后的不同频段的信号直到预警模块3判断比较结果继续不处于预定范围为止。
在另一个实施例中，所述干扰模块4释放与无人机使用的信道频率相同的率且与信道频谱宽度相同的带宽的干扰信号或者所述干扰模块4采用在无人工作的4.5M频带宽度内持续发送大于46DBM噪声的随机数字信号进行阻塞式扰。
在另一个实施例中，频谱分析单元9进行采样速率为16MHz的数字信号采集采集1024个采样点后，进行傅里叶变换。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发保护之列。
Claims (9)
1.一种民用无人机信号处理装置，其包括接收模块(1)、监控模块(2)、预警模块(3)，其中，
所述接收模块(1)利用全向接收天线(17)扫描无人机工作的上行和下行工作频段用于实时扫描无人机信号；
监控模块(2)包括将所述接收模块(1)接收到的无人机信号按相同的功率分为多路信号的功率分配器(6)、将每路信号进行带通滤波的带通滤波单元(7)、将所述信号转换为数字信号的A/D转换单元(8)和对数字信号进行傅里叶变换且将时域数据变化为频域数据的频谱分析单元(9)；
预警模块(3)包括存储无人机频域数据的存储单元(10)和将频谱分析单元(9)发来的当前频域数据和存储单元(10)中存储的无人机频域数据比较的比较单元(11)，当比较结果处于预定范围内时，预警模块(3)发出警报。
2.根据权利要求1所述的民用无人机信号处理装置，其特征在于：所述无人机信号处理装置还包括干扰模块(4)和发射模块(5)，所述干扰模块(4)包括设定基带信号频率的基带信号发生器(12)、将基带信号调制为噪声信号的干扰调制器(13)、增加噪声功率的工作放大器(14)和将不同的噪声频带合并的合路器(15)，所述干扰模块(4)释放大于39DBM的干扰功率；
所述发射模块(5)包括发送经过调制后的不同频段的信号的定向发射天线(18)用于发射干扰信号。
3.根据权利要求1所述的民用无人机信号处理装置，其特征在于：预警模块(3)包括扬声器(16)，当预警模块(3)发出警报时，扬声器(16)在当前频域中发出警报信息。
4.根据权利要求2所述的民用无人机信号处理装置，其特征在于：所述干扰模块(4)采用跳频数字通信的无人机上行/下行840.5-845MHz频段。
5.根据权利要求2所述民用无人机信号处理装置，其特征在于：所述干扰模块(4)释放与无人机使用的信道频率相同的频率且与信道频谱宽度相同的带宽的干扰信号。
6.一种民用无人机信号处理方法，其包括以下步骤：
第一步骤(S1)中，接收模块(1)扫描无人机工作的上行和下行工作频段用于实时扫描无人机信号；
第二步骤(S2)中，监控模块(2)对扫描的信号进行处理，其中，带通滤波单元(7)将信号带通滤波，A/D转换单元(8)将信号转换为声音数字信号，频谱分析单元(9)对声音数字信号进行傅里叶变换且将时域数据变化为频域数据；
第三步骤(S3)中，预警模块(3)预警，当比较结果处于预定范围内时，预警模块发出警报；
第四步骤(S4)中，干扰模块(4)发出干扰信号，其中，基带信号发生器(12)设定基带信号频率，干扰调制器(13)将基带信号调制为噪声信号，工作放大器(14)增加噪声功率以及合路器(15)将不同的噪声频带合并；
第五步骤(S5)中，发射模块(5)发射干扰信号，其中，定向发射天线发送经过调制后的不同频段的信号。
7.根据权利要求6所述的民用无人机信号处理方法，其包括以下步骤：
第一步骤(S1)中，接收模块(1)扫描无人机工作的上行和下行工作频段用于实时扫描无人机信号；
第二步骤(S2)中，监控模块(2)对扫描的声音信号进行处理，其中，带通滤波单元(7)将信号带通滤波，A/D转换单元(8)将信号转换为声音数字信号，频谱分析单元(9)对声音数字信号进行傅里叶变换且将时域数据变化为频域数据；
第三步骤(S3)中，预警模块(3)预警，当比较结果处于预定范围内时，预警模块发出警报；
第四步骤(S4)中，当预警模块(3)发出警报时，扬声器(16)在当前频域中发出警报信息，如果预警模块(3)判断比较结果继续处于预定范围内，预警模块(3)将当前频域数据发送给干扰模块(4)；
第五步骤(S5)中，所述干扰模块(4)发出干扰信号，其中，基带信号发生器(12)设定基带信号频率，干扰调制器(13)将基带信号调制为噪声信号，工作放大器(14)增加噪声功率以及合路器(15)将不同的噪声频带合并；
第六步骤(S6)中，发射模块(5)发射干扰信号，其中，定向发射天线发送经过调制后的不同频段的信号直到预警模块(3)判断比较结果继续不处于预定范围内为止。
8.根据权利要求6或7所述的民用无人机信号处理方法，其特征在于：所述干扰模块(4)释放与无人机使用的信道频率相同的频率且与信道频谱宽度相同的带宽的干扰信号或者所述干扰模块(4)采用在无人机工作的4.5M频带宽度内持续发送大于46DBM干扰信号进行阻塞式干扰。
9.根据权利要求6或7所述的民用无人机信号处理方法，其特征在于：频谱分析单元(9)进行采样速率为16MHz的数字信号采集，采集1024个采样点后，进行傅里叶变换。
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