TR2021022245A2 - DOPPLER SHIFT BASED DISTRIBUTED DRONE DETECTION SYSTEM - Google Patents

DOPPLER SHIFT BASED DISTRIBUTED DRONE DETECTION SYSTEM

Info

Publication number
TR2021022245A2
TR2021022245A2 TR2021/022245 TR2021022245A2 TR 2021022245 A2 TR2021022245 A2 TR 2021022245A2 TR 2021/022245 TR2021/022245 TR 2021/022245 TR 2021022245 A2 TR2021022245 A2 TR 2021022245A2
Authority
TR
Turkey
Prior art keywords
drone
iha
cyclic
radar
detection
Prior art date
Application number
TR2021/022245
Other languages
Turkish (tr)
Inventor
Yazici Ayhan
Baykal Buyurman
Original Assignee
Orta Doğu Tekni̇k Üni̇versi̇tesi̇
Filing date
Publication date
Application filed by Orta Doğu Tekni̇k Üni̇versi̇tesi̇ filed Critical Orta Doğu Tekni̇k Üni̇versi̇tesi̇
Priority to PCT/TR2022/051689 priority Critical patent/WO2023129094A1/en
Publication of TR2021022245A2 publication Critical patent/TR2021022245A2/en

Links

Abstract

Buluş ile düşük güçlü, düşük maliyetli radar sistemleri ile şehir ortamında döner kanatlı Drone (İHA) tespiti yapılması amaçlanmaktadır. Buluşta önerilen sistemde döner pervaneli Drone (İHA)'ları tespit ve konumlandırma yapmadan önce sınıflandırma işlemi yapmaktadır. Bu sebeple şehir ortamı gibi çok sayıda hareketli olası hedefin sezim öncesinde filtrelenmesi sağlanmaktadır.The invention aims to detect rotary wing drones (UAVs) in urban environments with low-power, low-cost radar systems. In the system proposed in the invention, the rotary propeller Drones (UAVs) are classified before detecting and positioning them. For this reason, many possible moving targets, such as the urban environment, are filtered before detection.

Description

TARIFNAME DOPPLER KAYMASI TEMELLI DAGITIK DRONE TESPIT SISTEMI Bulusun Ilgili Oldugu Alan Bu bulus, insansiz hava araçlari (IHA) gibi küçük hava hedeflerinin özellikle de döner pervaneli Dronelarin tespiti ve takibi ile ilgilidir. Önceki teknik Çevrimsel Spektral Yogunluk dönüsümü radar isaretlerinde döner kanatli IHA`larin siniflandirmasi amaciyla kullanilan ve literatürde bulunan bir yöntemdir. Yöntem hedeften dönen isaretinin öz ilintisindeki periyodik yapiyi tespit etmeye dayanmaktadir. Daha önce tespiti yapilmis olan platformun siniflandirilmasi bu periyodik yapinin tespiti ile gerçeklestirilmektedir. CFAR (Sabit yanlis alarm orani) yöntemleri üzerinde uzun zamandir çalisma yapilan ve pratikte de uygulanan yöntemlerdir. CFAR yöntemleri, radar sistemlerinde gürültü, karisiklik ve parazitin bir arka planina karsi hedef getirileri tespit etmek için kullanilan yaygin bir uyarlamali algoritma biçimini ifade eder. CFAR yöntemleri gürültü seviyesinin sabit olmadigi ortamlarda radar hedeflerini sezimlemek amaciyla kullanilirlar. CFAR yöntemleri, ortamdaki gürültü seviyesinden bagimsiz bir sekilde esik seviyesi belirlerler ve istenilen yanlis alarm oranini saglamaya çalisirlar. Doppler Hedef konumlandirrnasi sadece kaynak-hedef-alici üçlüsünün birbirlerine göre hareketlerinden kaynaklanan frekans kaymasi (Doppler kaymasi) bilgileri kullanilarak gerçeklestirilebilir. Üzerinde konumlandirmanin gerçeklestirilebileeegi alan, sensörlerin yerlestirildigi kontigürasyona çok baglidir. Mevcut Drone tespit yaklasimlarinda öncelikle hedef tespiti gerçeklestirilmekte sonrasinda ise hedefin siniflandirilmasi yapilmaktadir. Çok sayida hedefin bulundugu ortamlarda siniflandirma öncesinde çok sayida hedef tespiti yapilabilmekte ve siniflandirmaya için çok sayida aday hedef olusmaktadir. Bu yaklasim çok sayida radar tespitinin oldugu ortamlarda yogun bir islem gücü gerektirmektedir. Çok sayida hedefin bulundugu ortamlara örnek olarak sehirler gösterilebilir. Sehir ortaminda yasanmasi olasi bir diger sorun ise kapsama alani ile ilgilidir. Sehir ortaminda yapilasmanin yogun olmasi sebebiyle radar kapsama alanini kisitlayici etkenler de klasik radar çözümlerinin uygulanabilirligini kisitlamaktadir. Bulusun Kisa Açiklamasi ve Amaçlari Son yillarda yasanan teknolojik gelismeler sonucunda insansiz hava tasitlari (IHA) günlük hayatimizin bir parçasi haline gelmeye baslamistir. Bu tasitlar sivil amaçlarin yanisira askeri amaçlarla da kullanilmaktadir. Düsük fiyatlari, düsük tespit edilme olasiliklari ve yük tasiyabilme yetenekleri sebebiyle IHAllar terörist faaliyetler için de kullanilabilir tasitlar olarak siniflandirilabilir. Sehir ortaminda kullanilabilecek IHA°larin tespiti, kapsama alanini içindeki çok sayida engelleyici faktör olmasi sebebiyle radar kullanimini kisitlamaktadir. Bununla beraber çesitli ortam sartlarinda çalisabilecek tespit edici sistem olarak radarlara ihtiyaç duyulmaktadir. Sektörde konuyla ilgili sistem çözümleri genel olarak açik alanlar dikkate alinarak türetilmis radar çözümleridir. Bina yogun sehir ortami için maliyeti düsük çözümlerin piyasada eksik oldugu degerlendirilmektedir. Bulusun amaci, Dronealarin tespit ve konumlandirmasi için tespit öncesinde siniflandirarak hedef yogun ortamlarda drone disindaki hedef isaretlerini bastirabilmekedir. Türetilen yöntemin kullandigi dagitik sensör yapisi, kapsama alani kisitli bölgelerde yöntemin avantajli olmasini saglamaktadir. Bulusumuzda sunulan CSD (Çevrimsel Siklik Düzlemi) dönüsümü üzerinden ayristirici algoritmasi ile döner kanatli IHA tespiti, CSD üzerinden Doppler kestirimi literatürde bulunmayan çalismalardir. Ayrica sehir ortami için sunulan sistem çözüm yaklasimi da literatürde yer almayan bir yaklasimdir. Bulusta yer alan sistem çözümü tek basina çalisabilecek bir sistemi tariflemesinin yaninda hali hazirda kullanilmakta olan sistemlere yardimci sistem olarak da hizmet verebilecektir. Mevcut bir drone tespit sisteminin olusturdugu veriler ile bulusta yer alan sistemin verilerinin birlestirilmesi sonucu dogrulugu daha yüksek veriler üretilebilecektir. Bunun yanisira sadece menzil bilgisi üretebilen bir sistemden gelecek menzil verisi ile bulusta yer alan sistem çözümünün konum bulma algotirmasi birlikte çalistirilabilecek yapidadir. Bulusu Açiklayan Sekiller Sekil 1. Algoritma akisi Sekil 2. Bir pervanenin radar ekosu benzetiminin çevrimsel spektral yogunluk dönüsümü Sekil 3. Izdüsüm Sekil 4 Bir pervanenin gerçek radar ekosunun çevrimsel spektral yogunluk dönüsümü Sekil 5 Gerçek spektral yogunluk dönüsümünün CFAR çiktisi Sekil 6. Deneysel isaretin çevrimsel spektral yogunluk dönüsümü Sekillerdeki Referanslarin Açiklamasi Radar Isareti Çevrimsel Spektral Yogunluk (CFAR) Sezimler Izdüsüm (Çevrimsel Siklik Düzleminde Sezim Sayisi) Ayristirici (Pervane Dönüs Frekansi Kestirimi) Doppler (Doppler Kestrimi) Konumlandir IHA Konumu 907499?PJN:-` Bulusun Ayrintili Açiklamasi: Türetilen yöntemin temel motivasyonu sehir ortaminda kullanilabilecek IHA°larin tespiti olmakla birlikte yöntem her türlü ortamda çalisabilir yapidadir. Sehir ortamlarinda kapsama alanini içindeki çok sayida engelleyici faktör olmasi sebebiyle radar kullanimini kisitlamaktadir. Bununla beraber çesitli ortam sartlarinda çalisabilecek tespit edici sistem olarak radarlara ihtiyaç duyulmaktadir. Radar sistemlerinin hedefler için çikardigi önemli bilgilerden bir tanesi hedefin radar sistemine göre hizidir. Bu bilgi sayesinde, radar sistemi aradigi hedefleri ortamdaki karmasadan ayirt edebilmektedir. Sehir ortaminda çok sayida ve farkli hizlarda hareket eden nesneler sebebiyle IHA"larin tespit için arka plandan ayrilmasi zor olmaktadir. Sehir ortaminda klasik radar yaklasimlariyla ortaya çikacak baska bir problem ise radar kapsama alaninin binalar sebebiyle engellenecek olmasidir. Sehirlerdeki genel yapi düz cadde ve caddelerin kesisimlerinden olusmaktadir. Caddelerin sinirlarini olusturan yüksek binalar yüksek noktalara yerlestirilen radar kapsama alanlarini kisitlamaktadir. Caddelere yerlestirilecek radarlarin ise bütün caddeyi kapsayabilmesi için cadde uzunlugunda menzil gereksinimi ortaya çikarmaktadir. Bu menzil gereksinimi de kullanilacak tek bir radar sisteminin büyük ve maliyetli olmasina neden olacaktir. Bulusumuzda önerilen sistemde döner pervaneli Drone (IHAYlari tespit ve konumlandinna yapmadan önce siniflandirma islemi yapmaktadir. Bu sebeple sehir ortami gibi çok sayida hareketli olasi hedefin sezim öncesinde filtrelenmesi saglanmaktadir. Bulusumuz ile düsük güçlü, düsük maliyetli radar sistemleri ile sehir ortaminda döner kanatli IHA tespiti yapilmasi amaçlanmaktadir. Sistemin mümkün oldugu kadar basit olmasi amaciyla CW isaret kullanilacaktir. CW isaret kullanimi nedeniyle tek bir radar sistemi menzil bilgisi çikaramayacaktir. Ancak çok girdili çok çiktili (MIMO) radar sistemi yapisinda senkronizasyon ihtiyacini ortadan kaldiracaktir. Alici ve vericiler genis hüzmeli tek anten kullanacaklardir. Bu sebeple tek bir radar sistemi menzilin yaninda yön bilgisi de üretmeyecektir. Bu sebeple hedef konum bilgisini üretmek için literatürde yer alan Doppler-Only Localization yönteini kullanilacaktir. Sehir ortaminda çok sayida düsük güçlü verici ve alicilar kullanarak IHA tespiti ve konumlandirmasi gerçeklestirilecektir. Kullanilacak temel algoritma akisi Sekil 1 "de gösterildigi gibidir. IHA7dan dönen radar sinyal modeli ( l ) no lu denklemde belirtildigi gibidir. s(t) : Z ArlLg - LJCJU'JJ" K "M" 1-' m"(0i"'"l2"j'" -V "sindî ifws(9)sm(2nf,1+ T) Bu denklemde; - N: Pervanedeki pal sayisi - v: Hedefin radar göre olan radyal hizi - A: RF isaretin dalga boyu - 6: Pervanenin dönme ekseni ile radar-hedef arasi dogru arasindaki açi ° fc: Radar isaretinin frekansi v fr: Pervanenin dönüs frekansi parametreleri yer almaktadir. 3:(1) é fl: R:(T)c-J2:Ird7 = 2: Z cA-,,.c,\-,,5[2n(f - L, - VE; Efr]sinc[1r(f,.(m - n) - a)T] (2) 2 no lu denkleme göre, IHA,dan dönen radar isaretlerinin çevrimsel spektral yogunluk dönüsümü hem spektral frekansta hem de çevrimsel frekansta periyodiktir. Dolayisiyla çevrimsel spektral yogunluk dönüsümünde periyodik spektral (f) ve çevrimsel (oc) frekanslarda zirve noktalari olusmaktadir. Ilgili zirve noktalarinin konumlari, m ve n tam sayilari için ( 3 )"te verildigi gibidir. Bir pervaneden dönen radar sinyalinin çevrimsel spektral yogunluk dönüsümü, ( 3 ) dikkate alindiginda, pervane ile ilgili - Pervanenin dönüs frekansi - Pervanenin radara göre radyal hizi kaynakli Doppler frekansi bilgilerini içermektedir. Izdüsüm Çevrimsel frekans düzleminde periyodik bir yapi olup olmadigini tespit etmek amaciyla 2 boyutlu CSD düzlemindeki sezimlerin sayilari her çevrimsel frekans degeri toplanir. Bu isleme Izdüsüm alma ismi verilmistir. Bu islem sonucunda çevrimsel frekanstaki sezim sayilari çikarilir. Döner kanatli IHA olmasi durumunda çevrimsel frekansta periyodik yapida tepe noktalari olusmaktadir. Sekil 3°te örnek bir izdüsüm sonucu gösterilmektedir. Ayristirici Ayristiriei algoritmalari literatürde Elektronik Destek sistemlerinde kullanilan ve karmasik zaman dizilerinde periyodik yapilari tespit eden algoritmalardir. Bulusumuzda, Pervane dönüsü olmasi durumunda çevrimsel spektral alanda periyodik isaret beklemekteyiz. Bu sebeple periyodik isaret varligini tespit etmek ve böyle bir isaret var ise periyodu belirlemek için bulusumuzda ayristirici algoritmasi kullanilmistir. Örnek olarak histogram tabanli ayristirici algoritmasi kullanilmakla beraber literatürde yer alan diger ayristirici yöntemleri de probleme uygundur. Doppler Frekansi Hesaplama CSD°de olusan tepe noktalari Doppler frekansi kadar spektral eksen boyunca kaymaktadir. Her tepe noktasi Doppler kaymasina ugradigi için, Doppler kaymasini tepelerdeki kayma miktarinin ortalamasini alarak bulmak mümkündür. Ilgili Doppler kaymasini ( 4 )"te sunulan esitlik ile bulmak mümkündür. P, tepe noktalarinin sayisini belirtmektedir. Konum Bulma Farkli noktalardan elde edilen Doppler ölçümleri ile konum bulma özellikle akustik sistemlerde kullanilan ve çesitli örnekleri literatürde bulunan bir yöntemdir. Yöntemle ilgili esitlikler ( 5 )- ( 8 )"de verilmistir. Bu esitliklerde (xi, yi) i-numarali sensörün konumunu, (X, y) hedefin konumunu, c isik hizini, fi i-numarali sensörde ölçülen hedef ekosu frekansini göstermektedir. Hedef konumu ( 8 ) numarali esitlikte sunulan fonksiyonun en düsük aldigi (X, y) deger çiftidir. f! = fi'(1+ IKI + yili) + (i Czrlfj-ê-Ü 011':[ri. I.. n.] 9 = (ATArlATç (7) J = J(:rsy) =l| A9 - Ç N2 (8) Doppler frekans kaymasi kullanilarak çoklu radar sistemleri ile konum bulma yöntemi [1], [2] ve [3] numarali referanslarda yer alan çalismalarda detayli sekilde ele alinmistir. Önerilen yöntemin denenmesi amaciyla CFK-024 5A radar alici-verici modülü ve hareketli pervane kullanilmistir. Elde edilen radar isaretinin çevrimsel spektral yogunluk dönüsümü sonucu Sekil 4°te gösterilmistir. Sekil 4'deki dönüsüm üzerinde gerçeklestirilen CFAR sonucunda gerek pervaneden dönen isaret bilesenleri gerekse gürültü bilesenleri bulunmaktadir (Sekil 5). CFAR sonucunun içinde çevrimsel frekansta periyodik bir yapi olup olmadigini, eger böyle bir yapi varsa bu yapinin frekansini bulmak için ayristirici algoritmasi kullanilmistir. Sekil 6'da gösterilen ayristirici çiktisina göre 113 Hz çevrimsel frekans sahip bir isaret tespit edilmistir. Daha önce belirtilen Doppler frekansi kestirim yöntemi kullanildiginda -15 Hzllik bir deger elde edilmektedir. Bu deneysel düzenek ile belirtilen yöntem kullanilarak bir pervane varliginin tespit edilebilecegi ve pervane hareketi kaynakli Doppler frekansinin kestirilebilecegi gösterilmistir. Benzer ölçümlerin en az 5 adet noktadan yapilmasi ile daha önceki bölümde ele alinan Doppler frekanslarindan konum bulma algoritmasi kullanilarak döner kanatli IHA"nin konumu bulunabilmektedir. Bulusumuzun buldugu bu konum verisi kendi basina kullanilabilecegi gibi baska sensör verileriyle birlestirilerek de kullanilabilir. Sekil 7°de örnek gösterim yer almaktadir. Veri birlestirme yöntemleri literatürde genis sekilde ele alinmistir. Örnek olarak veri birlestirrnesi için asagida sunulan esitlik kullanilabilir: Bu denklemde; ph: Bulusumuzdaki sistem çözümünün ürettigi hedef konumu verisi pi: Diger sensör/sensörlerin ürettigi hedef konumu verisi Ch: Bulusumuzdaki sistem çözümünün ürettigi hedef konumu verisinin kovaryansi C1: Diger sensör/sensörlerin ürettigi hedef konumu verisinin kovaryansi Cbi: Bulusumuzdaki sistem çözümünün ürettigi hedef konumu verisi ile diger sensör/sensörlerin ürettigi hedef konumu verisinin çapraz kovaryansi Cib: Diger sensör/sensörlerin ürettigi hedef konumu verisi ile bulusumuzdaki sistem çözümünün ürettigi hedef konumu verisinin çapraz kovaryansi TR TR TR DESCRIPTION DOPPLER SHIFT BASED DISTRIBUTED DRONE DETECTION SYSTEM Field of Invention This invention is related to the detection and tracking of small aerial targets such as unmanned aerial vehicles (UAV), especially drones with rotating propellers. Prior art Cyclic Spectral Density conversion is a method used for the classification of rotary wing UAVs in radar signals and found in the literature. The method is based on detecting the periodic structure in the autocorrelation of the signal returning from the target. The classification of the platform, which has been determined before, is carried out by detecting this periodic structure. CFAR (Constant false alarm rate) methods have been studied for a long time and are also applied in practice. CFAR methods refer to a common form of adaptive algorithms used in radar systems to detect target returns against a background of noise, clutter, and interference. CFAR methods are used to detect radar targets in environments where the noise level is not constant. CFAR methods determine a threshold level independently of the noise level in the environment and try to provide the desired false alarm rate. Doppler Target positioning can only be achieved using the frequency shift (Doppler shift) information resulting from the relative movements of the source-target-receiver trio. The area over which positioning can be achieved depends very much on the configuration in which the sensors are placed. In current drone detection approaches, target detection is first performed and then the target is classified. In environments where there are many targets, a large number of targets can be identified before classification and a large number of candidate targets are formed for classification. This approach requires intense processing power in environments with a large number of radar detections. Cities are examples of environments where there are many targets. Another problem that is likely to be experienced in an urban environment is related to coverage area. Due to the dense construction in the urban environment, factors limiting the radar coverage area also limit the applicability of classical radar solutions. Brief Description and Purposes of the Invention As a result of technological developments in recent years, unmanned aerial vehicles (UAVs) have begun to become a part of our daily lives. These vehicles are used for military purposes as well as civilian purposes. Due to their low prices, low probability of detection and ability to carry cargo, UAVs can also be classified as vehicles that can be used for terrorist activities. Detection of UAVs that can be used in urban environments limits the use of radar due to the many obstructing factors within the coverage area. However, radars are needed as detection systems that can operate in various environmental conditions. System solutions relevant to the subject in the sector are generally radar solutions derived taking into account open areas. It is considered that low-cost solutions for the building-intensive urban environment are lacking in the market. The purpose of the invention is to suppress target signals other than drones in target-dense environments by classifying drones before detection for detection and positioning. The distributed sensor structure used by the derived method makes the method advantageous in areas with limited coverage. Rotary wing UAV detection with the discriminator algorithm via the CSD (Cyclic Frequency Plane) transformation presented in our invention and Doppler estimation via CSD are studies that are not available in the literature. In addition, the system solution approach presented for the urban environment is an approach that is not included in the literature. In addition to describing a system that can operate alone, the system solution in the invention can also serve as an auxiliary system to the systems currently in use. By combining the data generated by an existing drone detection system with the data of the system included in the invention, data with higher accuracy can be produced. In addition, the positioning algorithm of the system solution in the invention can be run together with the range data coming from a system that can only produce range information. Figures Explaining the Invention Figure 1. Algorithm flow Figure 2. Cyclic spectral density transformation of the radar echo simulation of a propeller Figure 3. Projection Figure 4 Cyclic spectral density transformation of the real radar echo of a propeller Figure 5 CFAR output of the real spectral density transformation Figure 6. Cyclic spectral density transformation of the experimental signal intensity transformation Explanation of References in Figures Radar Signal Cyclic Spectral Density (CFAR) Detections Projection (Number of Detections in the Cyclic Frequency Plane) Discriminator (Propeller Rotation Frequency Estimation) Doppler (Doppler Estimation) Position IHA Location 907499?PJN:-` Detailed Description of the Invention : The basis of the derived method Although its motivation is the detection of UAVs that can be used in urban environments, the method can work in any environment. In urban environments, there are many obstructive factors within the coverage area, which limits the use of radar. However, radars are needed as detection systems that can operate in various environmental conditions. One of the important information that radar systems extract about targets is the target's speed relative to the radar system. Thanks to this information, the radar system can distinguish the targets it is looking for from the chaos in the environment. It is difficult for UAVs to separate from the background for detection due to the large number of objects moving at different speeds in the city environment. Another problem that will arise with classical radar approaches in the city environment is that the radar coverage area will be blocked by buildings. The general structure in cities consists of straight streets and intersections of avenues. . Tall buildings that form the borders of the streets restrict the radar coverage areas placed at high points. Radars placed on the streets require a range of the length of the street to cover the entire street. This range requirement will cause the single radar system to be used in our invention to be large and costly. Drones (UAVs) are classified before detecting and positioning them. For this reason, a large number of possible moving targets, such as the city environment, are filtered before detection. Our invention aims to detect rotary-wing UAVs in the city environment with low-power, low-cost radar systems. In order to make the system as simple as possible, CW signal will be used. Due to the use of CW signals, a single radar system will not be able to extract range information. However, it will eliminate the need for synchronization in the multi-input multiple output (MIMO) radar system structure. Receivers and transmitters will use a single antenna with a wide beam. For this reason, a single radar system will not produce direction information as well as range. For this reason, the Doppler-Only Localization method in the literature will be used to produce target location information. UAV detection and positioning will be carried out using a large number of low-power transmitters and receivers in the urban environment. The basic algorithm flow to be used is as shown in Figure 1. The radar signal model returned from IHA7 is as specified in equation (l). s(t): Z ArlLg - LJCJU'JJ" K "M" 1-' m"(0i"' "l2"j'" -V "sindî ifws(9)sm(2nf,1+ T) In this equation; - N: Number of blades in the propeller - v: Radial speed of the target relative to the radar - A: Wavelength of the RF signal - 6: The angle between the rotation axis of the propeller and the radar-target line is ° fc: Frequency of the radar signal v fr: Rotation frequency of the propeller. 3:(1) é fl: R:(T)c-J2:Ird7 = 2: Z cA. -,,.c,\-,,5[2n(f - L, - VE; Efr]sinc[1r(f,.(m - n) - a)T] (2) According to equation no. 2, IHA The cyclic spectral density transformation of the radar signals returning from is periodic in both spectral frequency and cyclic frequency. Therefore, in the cyclic spectral density transformation, peaks occur at periodic spectral (f) and cyclic (oc) frequencies, the positions of the relevant peaks are determined for the integers m and n. 3) is as given in ". When (3) is taken into account, the cyclic spectral density transformation of the radar signal returning from a propeller contains information about the propeller - the rotation frequency of the propeller - the Doppler frequency originating from the radial speed of the propeller relative to the radar. In order to determine whether there is a periodic structure on the projected cyclic frequency plane, the numbers of projections in the 2-dimensional CSD plane are collected for each cyclic frequency value. This process is called Projection. As a result of this process, the detection numbers at the cyclic frequency are extracted. In the case of a rotary wing UAV, peaks in a periodic structure occur at the cyclic frequency. An example projection result is shown in Figure 3. Discriminator Parsing algorithms are algorithms used in Electronic Support systems in the literature and detect periodic structures in complex time series. In our invention, we expect a periodic signal in the cyclic spectral field in case of propeller rotation. For this reason, the discriminator algorithm was used in our invention to detect the presence of a periodic sign and to determine the period if such a sign exists. For example, although the histogram-based parser algorithm is used, other parser methods in the literature are also suitable for the problem. Doppler Frequency Calculation The peaks occurring in CSD shift along the spectral axis as much as the Doppler frequency. Since each peak undergoes Doppler shift, it is possible to find the Doppler shift by averaging the amount of shift across the peaks. It is possible to find the relevant Doppler shift with the equation presented in (4). P indicates the number of peaks. Position Finding Position finding with Doppler measurements obtained from different points is a method used especially in acoustic systems and various examples of which can be found in the literature. Equations related to the method (5) - It is given in (8). In these equations, (xi, yi) indicates the position of the i-numbered sensor, (X, y) indicates the position of the target, c indicates the light speed, and fi indicates the target echo frequency measured on the i-numbered sensor. The target position is the (X, y) value pair that the function presented in equation (8) has the lowest. f! = fi'(1+ IKI + yili) + (i Czrlfj-ê-Ü 011':[ri. I.. n.] 9 = (ATArATç (7) J = J(:rsy) =l| A9 - Ç The method of finding position with multiple radar systems using N2 (8) Doppler frequency shift has been discussed in detail in the studies in references [1], [2] and [3] in order to test the proposed method with the CFK-024 5A radar transceiver module. A moving propeller was used. The cyclic spectral density transformation result of the resulting radar signal is shown in Figure 4. As a result of the CFAR performed on the transformation in Figure 4, there are both signal components returning from the propeller and noise components (Figure 5). A discriminator algorithm was used to find out whether such a structure exists and, if so, the frequency of this structure. According to the discriminator output shown in Figure 6, a signal with a cyclic frequency of 113 Hz was detected. When the previously mentioned Doppler frequency estimation method was used, a value of -15 Hz was obtained. . With this experimental setup, it has been shown that the presence of a propeller can be detected and the Doppler frequency caused by propeller movement can be estimated using the specified method. By making similar measurements from at least 5 points, the position of the rotary wing UAV can be found by using the positioning algorithm from Doppler frequencies discussed in the previous section. This position data found by our invention can be used on its own or combined with other sensor data. An example is shown in Figure 7°. Data fusion methods are widely discussed in the literature. As an example, the equation presented below can be used for data fusion: In this equation; ph: Target position data produced by the system solution in our invention. pi: Target position data produced by the system solution in our invention. covariance of the target position data C1: Covariance of the target position data produced by other sensor(s) Cbi: Cross-covariance of the target position data produced by the system solution in our invention and the target position data produced by the other sensor(s) Cib: Cross-covariance of the target position data produced by the other sensor(s) and the system solution in our invention cross-covariance of target location data TR TR TR

Claims (1)

1.STEMLER Drone (IHA) tespit yöntemi olup, özelligi; Drone (IHA)”larin tespiti amaciyla genis hüzmeli tek antene sahip birden çok sayida radar alici ve verici modüllerinin kullanilmasi, Radar isaretlerine çevrimsel spektral yogunluk dönüsümü uygulanmasi, 2 boyutta hücre ortalamali CFAR (Sabit Yanlis Alarm Orani) yöntemi Çevrimsel Siklik Düzlemi üzerinde sezim yapilmasi, CFAR sonucu üzerinden izdüsüm alinarak sezim sayisinin belirlenmesi, Ayristirici algoritma ile çevrimsel spektral yogunluk düzleminde çevrimsel duragan isaretlerin tespitinin yapilmasi ve pervane dönüs frekansi tespiti ile Drone (lHA)'larin varliginin belirlenmesi, Drone (IHA) pervanesinden gelen çevrimsel spektral yogunluk analizi ile pervanenin dönüs frekansi verilerini kullanarak pervanenin radara göre radyal hizi kaynakli Doppler frekanslarinin belirlenmesi, Doppler frekanslarindan farkli noktalardan konum bulma algoritmasi kullanilarak Kalabalik sehir ortaminda Drone (IHA) konumunun tespiti Adimlarini içermesidir. Istem 1` deki gibi Drone (IHA) tespit ve konumlandirma yöntemi olup, özelligi; çok sayida hareketli olasi hedefin sezim öncesinde çevrimsel spektral yogunluk yöntemi ile filtrelenmesidir. Istem 1 veya 27deki gibi Drone (IHA) tespit yöntemi olup, özelligi; Doppler frekanslarindan en az bes noktadan konum bulma algoritmasi kullanilarak Drone (IHA) konumunun tespitinin gerçeklestirilmesidir. Yukaridaki istemlerden herhangi birindeki gibi Drone (IHA) tespit yöntemi olup, özelligi; sistemin diger sensör sistemleriyle birlikte çalisarak ortaya çikan verilerin birlestirilmesi adimini içermesidir. TR TR TR1.STEMS It is a drone (IHA) detection method and its feature is; Using multiple radar receiver and transmitter modules with a wide beam single antenna for the purpose of detecting drones (UAVs), applying cyclic spectral density transformation to radar signals, performing detection on the Cyclic Frequency Plane with cell averaged CFAR (Constant False Alarm Rate) method in 2 dimensions, Determining the number of detections by projecting on the CFAR result, Detecting cyclic stationary signals in the cyclic spectral density plane with the Discriminator algorithm and determining the presence of Drones (IHA) by detecting the propeller rotation frequency, Rotational frequency of the propeller with the cyclic spectral density analysis from the Drone (IHA) propeller. It includes the steps of determining the Doppler frequencies originating from the radial speed of the propeller relative to the radar using the data, and determining the location of the Drone (UHA) in the crowded city environment by using the location finding algorithm from different points from the Doppler frequencies. It is a Drone (UHA) detection and positioning method as in Request 1, and its feature is; It is the filtering of a large number of possible moving targets by the cyclic spectral density method before detection. It is a Drone (IHA) detection method as in claim 1 or 27, and its feature is; It is the determination of the Drone (IHA) location by using the location finding algorithm from at least five points from Doppler frequencies. It is a Drone (IHA) detection method as in any of the above claims and its feature is; It involves the step of combining the data obtained by working with other sensor systems. TR TR TR
TR2021/022245 2021-12-31 2021-12-31 DOPPLER SHIFT BASED DISTRIBUTED DRONE DETECTION SYSTEM TR2021022245A2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/TR2022/051689 WO2023129094A1 (en) 2021-12-31 2022-12-29 Doppler shift based distributed drone detection system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TR2021022245A2 true TR2021022245A2 (en) 2023-07-21

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109490874B (en) Method for determining suitability of radar target as position landmark
CN106405556B (en) Vehicle target information detection identifying system and its signal processing method
US7675458B2 (en) Dual beam radar system
US8134493B2 (en) System and method for precision geolocation utilizing multiple sensing modalities
CN109409225B (en) Unmanned aerial vehicle classification method and device based on radar multipath signal time-frequency feature fusion
US9268008B1 (en) Detection of low observable objects in clutter using non-coherent radars
CA2603315A1 (en) A classification system for radar and sonar applications
US9812008B2 (en) Vehicle detection and tracking based on wheels using radar and vision
JPH06506537A (en) Microburst precursor detection method and device using microwave radar
CN116256746A (en) Radar-based system and method for monitoring intrusion of foreign matters into perimeter airspace of preventive area
CN111983595A (en) Indoor positioning method and device
Braca et al. A novel approach to high frequency radar ship tracking exploiting aspect diversity
Longman et al. Multipath ghost targets mitigation in automotive environments
Bennett et al. Use of symmetrical peak extraction in drone micro-doppler classification for staring radar
CN210572736U (en) Low, small and slow target automatic detection, tracking and identification system
CN111983602A (en) Small target detection radar device
CN113189575B (en) Detection method and device for positioning personnel in smoke scene
Vlasak et al. The analysis of small RCS target detection in primary radar system
CA2593436A1 (en) Dual beam radar system
Smith et al. Methods of associating CODAR SeaSonde vessel detection data into unique tracks
RU2293350C2 (en) Device for detection and classification of flying and hovering helicopters
TR2021022245A2 (en) DOPPLER SHIFT BASED DISTRIBUTED DRONE DETECTION SYSTEM
Khan et al. Unauthorized drone detection: Experiments and prototypes
Sadovskis et al. Modern methods for UAV detection, classification, and tracking
Casalini et al. GMTI in circular SAR data using STAP