一种基于射频阵列的多目标无人机识别装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于射频阵列的多目标无人机识别装置和方法。本发明专利技术包括射频天线阵列、接收机、AD采集模块、FPGA数据处理板、FPGA数据转换板、信号处理器、支持PYNQ的Zynq开发板；射频天线阵列接收空域无人机信号，配置接收机和AD模块采集得到多通道数字信号，在FPGA数据处理板中实现波束成形算法完成空域滤波的信号采集，将采集信号通过FPGA数据转换板上传信号处理器，设计次目标辅助识别的深度学习方案识别各疑似目标的无人机，最终将深度神经网络部署在Zynq板实现离线实时识别。本发明专利技术可实现复杂多目标场景下的无人机识别，利用射频阵列引入角度，与单目标的射频识别方案相比成本提升不大，因实现离线实时运行可应用于城市环境反无人机系统的实际部署。环境反无人机系统的实际部署。环境反无人机系统的实际部署。

【技术实现步骤摘要】
一种基于射频阵列的多目标无人机识别装置和方法


[0001]本专利技术涉及一种多目标无人机识别方法，尤其涉及一种基于射频阵列、运用深度学习、实现于FPGA的多目标无人机识别装置和方法。

技术介绍

[0002]随着人工智能、现代控制等技术的发展，以多旋翼无人机为主的民用无人机行业发展迅猛，民用无人机在日常生活中发挥更大作用的同时，也带来了安全和隐私方面的隐患。研究有效的无人机反制手段来应对这些非法入侵的无人机已经成为急切需求，如何识别无人机是大部分无人机反制手段的关键一步。目前探测无人机的手段可以分为雷达、视频、射频及音频四种方式，射频因无电磁辐射、距离远、不受遮挡影响等特点成为主流无人机识别手段。
[0003]利用射频手段识别无人机的方法一般是通过检测无人机的图传信号实现的，目前大部分工作是基于单根天线开展，针对的是单目标场景，所应用的单通道的数据采集方式无法解决多目标无人机识别任务中其他干扰源产生虚警方位角、多个信号混合在采集数据中、其他信号源对主要识别信号源的频谱特征产生失真影响等问题。目前已提出的无人机射频识别手段在实际复杂多目标场景中的局限性明显，且暂未出现FPGA上离线运行的多目标无人机实时识别系统实现方法。

技术实现思路

[0004]针对
技术介绍
中的不足，本专利技术设计目的在于提出一种基于射频阵列的多目标无人机识别装置和方法，与现有技术相比，利用射频阵列引入角度信息，通过在FPGA上设计实现的波束成形算法完成空域滤波信号采集，以多通道时频图为模型输入设计深度神经网络，并引入注意力机制完成基于夹角的次目标辅助识别，最终将训练后的模型部署至Zynq开发板，实现了FPGA上离线运行的多目标场景下的无人机实时识别。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0006]根据本说明书的第一方面，提供一种基于射频阵列的多目标无人机识别装置，该装置包括射频天线阵列、接收机、AD采集模块、FPGA数据处理板、FPGA数据转换板、信号处理器、支持PYNQ的Zynq开发板；射频天线阵列通过射频线缆接入接收机RF输入端，用于多通道采集空域中无人机图传信号，射频信号通过超外差接收机转换为中频信号，接收机IF输出端通过射频线缆与AD采集模块连接，中频模拟信号转换为用于后续信号处理的多通道数字信号；
[0007]FPGA数据处理板的用户I/O口通过杜邦线与接收机上用于配置接收机功能的矩形接口针脚相连，FPGA数据处理板通过FMC
‑
HPC接口与AD采集模块相连，通过SPI协议实现FPGA数据处理板对接收机和AD采集模块的功能配置，同时实现AD采集模块与FPGA数据处理板之间的数据传输；
[0008]FPGA数据处理板通过光纤与FPGA数据转换板连接，FPGA数据转换板通过以太网网
线与信号处理器和支持PYNQ的Zynq开发板连接，所述信号处理器为计算机终端。
[0009]进一步地，所述的射频天线阵列在本装置中兼容两种实现方式和两种线性布阵方式：
[0010]1)射频天线阵列的两种实现方式包括：
[0011]1.1)由矩形微带天线构成的贴片天线阵列，工作频率在无人机图传信号所在频段，天线固定位置由布阵方式决定、通过计算得到；
[0012]1.2)由3D打印得到的天线固定支架与胶棒天线组合得到的天线阵列，所使用的胶棒天线工作频率在无人机图传信号所在频段，天线固定位置由布阵方式决定、通过计算得到；
[0013]两种实现方式都需满足阵元总数不大于接收机通道数量、射频端口为SMA接口。
[0014]2)射频天线阵列的两种线性布阵方式包括：
[0015]2.1)两种实现方式的天线阵列的各阵元之间的间距为统一由探测频率计算得到的半波长，即阵元均匀排列；
[0016]2.2)两种实现方式的天线阵列的各阵元之间的间距满足基于探测频率的特定稀疏阵列排列规律，即总阵元数小于接收机通道数量的各种互质阵列排列方式、嵌套阵列排列方式等。
[0017]进一步地，FPGA数据转换板通过以太网网线连接信号处理器或支持PYNQ的Zynq开发板，FPGA数据转换板连接信号处理器利用采集的数据处理得到多目标无人机识别模型，FPGA数据转换板连接支持PYNQ的Zynq开发板输出多目标无人机识别结果。
[0018]信号处理器与支持PYNQ的Zynq开发板之间支持WiFi连接，实现基于PYNQ方式的多目标无人机识别模型的硬件部署。
[0019]根据本说明书的第二方面，提供一种基于射频阵列的多目标无人机识别方法，该方法包括以下步骤：
[0020]1)对FPGA数据处理板进行设计，约束用户I/O口与FMC
‑
HPC接口配置接收机和AD采集模块的功能，按照FPGA的设计工程文件中FIFO IP核的深度设置N，能够得到M个通道N个采样快拍的数字采样信号
[0021]X＝[x1(n),x2(n),
…
,x
M
(n)]T
，n＝1,2,
…
,N，其中，x
m
(n)表示第m个通道第n个采样快拍的AD采样输出结果，m＝1,2,
…
,M，[
·
]T
表示矩阵转置操作；
[0022]所述步骤1)具体为：
[0023]通过FPGA配置接收机实现自动选取无人机正在通信中的信道采集得到M个通道N个采样快拍的一次采样数据；
[0024]无人机图传信号的通信频段为2.400～2.483GHz，可分为8个信道，每个信道的带宽为10MHz，无人机在运作时通常会根据环境干扰自适应的选择信道进行通信；超外差接收机(2)工作带宽为80MHz或以上，覆盖无人机图传信号频段，并且具有选频功能，即中频滤波器的输出带宽为10MHz，能够精确捕捉单个信道，滤除干扰，接收机的选频由FPGA基于SPI协议设计控制信号控制接收机PLL(锁相环)的分频功能，从而选定本振频率实现；
[0025]FPGA控制信号的设计需通过预采集的数据选定本振频率，基本原理为遍历设置各个本振频率，在各本振频率下采一定长度的数据，遍历结束后比较得到总值最大的数据对应的信道即当下正在通信的信道；当FIFO IP核的深度设置为1024时，第m通道采集到的数
据为：x
m
(1),x
m
(2),
…
,x
m
(1024)，截取多通道首尾各10快拍的数据，取绝对值后，累加最高两位的值得到信道强度标志ξ：
[0026][0027]其中，abs(
·
)表示对补码取绝对值的函数，[D
‑
2:D
‑
3]表示D位分辨率的AD输出除去符号位后有效数据最高两位；
[0028]遍历8个信道，对采集得到的数据处理得到8个信道强度标志ξ，数值最大的ξ所对应的信道即当下正在通信的信道，应选定这一信道进行接收机本振频率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于射频阵列的多目标无人机识别装置，其特征在于，包括射频天线阵列(1)、接收机(2)、AD采集模块(3)、FPGA数据处理板(4)、FPGA数据转换板(5)、信号处理器(6)、支持PYNQ的Zynq开发板(7)；射频天线阵列(1)通过射频线缆接入接收机(2)RF输入端，用于多通道采集空域中无人机图传信号，射频信号通过超外差接收机(2)转换为中频信号，接收机(2)IF输出端通过射频线缆与AD采集模块(3)连接，中频模拟信号转换为用于后续信号处理的多通道数字信号；FPGA数据处理板(4)的用户I/O口通过杜邦线与接收机(2)上用于配置接收机功能的矩形接口针脚相连，FPGA数据处理板(4)通过FMC
‑
HPC接口与AD采集模块(3)相连，通过SPI协议实现FPGA数据处理板(4)对接收机(2)和AD采集模块(3)的功能配置，同时实现AD采集模块(3)与FPGA数据处理板(4)之间的数据传输；FPGA数据处理板(4)通过光纤与FPGA数据转换板(5)连接，FPGA数据转换板(5)通过以太网网线与信号处理器(6)和支持PYNQ的Zynq开发板(7)连接。2.根据权利要求1所述的一种基于射频阵列的多目标无人机识别装置，其特征在于，所述的射频天线阵列(1)在本装置中兼容两种实现方式和两种线性布阵方式：1)射频天线阵列(1)的两种实现方式包括：1.1)由矩形微带天线构成的贴片天线阵列，工作频率在无人机图传信号所在频段，天线固定位置由布阵方式决定、通过计算得到；1.2)由3D打印得到的天线固定支架与胶棒天线组合得到的天线阵列，所使用的胶棒天线工作频率在无人机图传信号所在频段，天线固定位置由布阵方式决定、通过计算得到；两种实现方式都需满足阵元总数不大于接收机通道数量、射频端口为SMA接口；2)射频天线阵列(1)的两种线性布阵方式包括：2.1)两种实现方式的天线阵列的各阵元之间的间距为统一由探测频率计算得到的半波长，即阵元均匀排列；2.2)两种实现方式的天线阵列的各阵元之间的间距满足基于探测频率的特定稀疏阵列排列规律，即总阵元数小于接收机通道数量的各种互质阵列排列方式或嵌套阵列排列方式。3.根据权利要求1所述的一种基于射频阵列的多目标无人机识别装置，其特征在于：FPGA数据转换板(5)通过以太网网线连接信号处理器(6)或支持PYNQ的Zynq开发板(7)，FPGA数据转换板(5)连接信号处理器(6)利用采集的数据处理得到多目标无人机识别模型，FPGA数据转换板(5)连接支持PYNQ的Zynq开发板(7)输出多目标无人机识别结果；信号处理器(6)与支持PYNQ的Zynq开发板(7)支持WiFi连接，实现基于PYNQ方式的多目标无人机识别模型的硬件部署。4.采用权利要求1～3任一所述装置的一种基于射频阵列的多目标无人机识别方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对FPGA数据处理板(4)进行设计，约束用户I/O口与FMC
‑
HPC接口配置接收机(2)和AD采集模块(3)的功能，按照FPGA的设计工程文件中FIFO IP核的深度设置N，能够得到M个通道N个采样快拍的数字采样信号X＝[x1(n),x2(n),Ω,x
M
(n)]
T
，n＝1,2,Ω,N，其中，x
m
(n)表示第m个通道第n个采样快拍的AD采样输出结果，m＝1,2,Ω,M，[
·
]
T
表示矩阵转置操作；
2)由数字采样信号X计算得到采样协方差矩阵：其中，[
·
]
H
表示矩阵的复共轭转置，利用采样得到的多通道数字信号运行FPGA上实现DOA算法得到估计角度θ1,θ2,Ω,θ
K
，K为预先设定探测目标方向数或信源数估计方法估计得到的空域中疑似无人机目标及干扰目标总数；3)遍历DOA算法输出的估计角度θ1,θ2,Ω,θ
K
，以角度θ
k
为感兴趣角度构建波束成形器，得到针对这一角度的最优权重W
k
，W
k
为长度为M的向量，W
k
是和导向向量a(θ
k
)的函数，即：其中，导向向量a(θ
k
)是特定角度θ
k
下表征阵元之间空间相位差的向量：其中，S1,S2,Ω,S
M
‑1表示第2至M个阵元与第1个阵元的间距，λ为探测波长；4)利用波束成形器计算得到的权重向量W
k
，对M个通道的数据加权求和，实现空域滤波信号采集，得到空域滤波输出数据Y，配置光纤接口，完成数据Y从FPGA数据处理板(4)到FPGA数据转换板(5)的传输，在FPGA数据转换板(5)中完成数据格式转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：王圆亮，陈积明，史治国，周成伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：