Review for UAV Acoustic Positioning

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220277

Abstract

Abstract:

In recent years, the rapid growth of “low, small and slow” UAVs （Unmanned Aerial Vehicles） and their uncontrolled flying have posed a serious threat to urban security and public safety. How to effectively locate “low, small and slow” UAVs in complex low-altitude situations has become an urgent social problem. Due to the blind spot and weak radiation intensity of radar and photoelectric detection, the effect of close range positioning is not ideal. Acoustic positioning, effectively compensates for the disadvantages of radar and photoelectric positioning methods due to its low sensor cost, flexible array placement and small positioning error. This paper summarized the acoustic positioning methods for UAVs. The spectrum of UAV noise was analyzed and it found that these noise signals have a strong line spectrum structure. These line spectra are rich in harmonic frequency components, have a high signal-to-noise ratio and are highly resistant to interference. Firstly, the acoustic characteristics of rotor noise were integrated to derive the capability of locating the UAV from both time and frequency domain perspectives. Secondly the principles of acoustic localization methods were introduced and the algorithm simulation results were given. It also compared the root mean square error of the time domain and frequency domain localization methods. Next, the implementation methods of acoustic-based localization of low-altitude UAVs in universities at home and abroad in recent years were counted, and it found that the planar array based on time difference of arrival (TDOA) is most widely used and has better localization effect. Finally, acoustic localization of low-altitude UAVs in the future was prospected.

Key words: acoustic positioning, low-altitude unmanned aerial vehicle, time domain analysis, frequency domain analysis, time difference of arrival, planar array

CLC Number:

TN911.7

CHEN Peng, CHEN Yang, WANG Wei . Review for UAV Acoustic Positioning[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2022, 50(12): 109-123.

Figures/Tables 9

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Table 1

Weighting function expression and characteristics"

函数名称	函数表达式	函数特性
CC	w（ω）=1	当噪声相关时，基本互相关误差大
PHAT	w（ω）= $G 12 (ω) - 1$	抑制干扰噪声，锐化峰值，当信号能量较小时，误差较大
ROTH	w（ω）= $G 11 (ω) - 1$	对噪声功率大的频带抑制明显，但会展宽互相关函数峰值，误差较大
SCOT	w（ω）= $G 11 (ω) G 22 (ω) - 1$	与ROTH相比，SCOT加权同时考虑了两个通道的影响，当周围环境噪声相关性强时，等价于ROTH
HB	w（ω）= $G 12 (ω) G 11 (ω) G 22 (ω)$	对信号中周期成分有抑制作用，低信噪比下与基本互相关函数效果接近
ML	$w ω = γ 12 2 G 12 ω 1 - γ 12 2, γ 12 2 = G 12 ω 2 G 11 ω G 22 ω$	动态权值能较好地抑制干扰噪声，时延估计误差较小，但受制于噪声的先验知识

Table 1

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Table 2

References 76

1	张静，张科，王靖宇，等．低空反无人机技术现状与发展趋势［J］．航空工程进展，2018，9（1）：1-8，34．
	ZHANG Jing， ZHANG Ke， WANG Jingyu，et al ．A survey on anti-UAV technology and its future trend ［J］．Advances in Aeronautical Science and Engineering，2018，9（1）：1-8，34．
2	吴浩，徐婧，李刚．无人机探测与反制技术发展现状及建议［J］．飞航导弹，2020（9）：89-95．
	WU Hao， XU Jing， LI Gang ．Development status and suggestions of UAV detection and countermeasure technology ［J］．Aerodynamic Missile Journal，2020（9）：89-95．
3	罗俊海，王芝燕．无人机探测与对抗技术发展及应用综述［J］．控制与决策，2022，37（3）：530-544．
	LUO Junhai， WANG Zhiyan ．A review of development and application of UAV detection and counter technology ［J］．Control and Decision，2022，37（3）：530-544．
4	何昌见，凌建寿，石凌飞．无人机探测与反制技术现状及发展［J］．警察技术，2019（3）：4-7．
	HE Changjian， LING Jianshou， SHI Lingfei ．Current situation and development of UAV detection and counter technology ［J］．Police Technology，2019（3）：4-7．
5	吴聪，李海飞，王红，等．PD雷达探测低慢小目标性能分析［J］．科学技术与工程，2013，13（28）：8492-8496，8519．
	WU Cong， LI Hai-fei， WANG Hong，et al ．Influence of analysis of PD radar detecting LSS-targets ［J］．Science Technology and Engineering，2013，13（28）：8492-8496，8519．
6	戚春，张聃，蔡云泽．基于交互式多模型的红外／雷达低小慢目标跟踪算法研究［J］．上海航天，2012，29（6）：37-41．
	QI Chun， ZHANG Dan， CAI Yun-ze ．Algorithms for low altitude target tracking based on interacting multiple model of dual-mode infrared/radar ［J］．Aerospace Shanghai，2012，29（6）：37-41．
7	AZARI M M， SALLOUHA H， CHIUMENTO A，et al ．Key technologies and system trade-offs for detection and localization of amateur drones ［J］．IEEE Communications Magazine，2018，56（1）：51-57．
8	周同，郭俊幸，余振滔．一种基于图像探测的无人机识别方法：CN111652067A ［P］．2020-09-11．
9	GANTI S R， KIM Y ．Implementation of detection and tracking mechanism for small UAS ［C］∥ Proceedings of 2016 International Conference on Unmanned Aircraft Systems．Arlington：IEEE，2016：1254-1260．
10	何绍溟，李若萱，陶宏，等．一种基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法：CN113138381A ［P］．2021-07-20．
11	OMOLOGO M， SVAIZER P ．Acoustic source location in noisy and reverberant environment using CSP analysis ［C］∥ Proceedings of 1996 IEEE International Confe-rence on Acoustics，Speech，and Signal Processing．Atlanta：IEEE，1996：921-924．
12	DING Guoru， WU Qihui， ZHANG Linyuan，et al ．An amateur drone surveillance system based on the cognitive internet of things ［J］．IEEE Communications Magazine，2018，56（1）：29-35．
13	UDDIN Z， NEBHEN J， ALTAF M，et al ．Independent vector analysis inspired amateur drone detection through acoustic signals ［J］．IEEE Access，2021，9：63456- 63462．
14	SHI Zhiguo， CHANG Xianyu， YANG Chaoqun，et al ．An acoustic-based surveillance system for amateur drones detection and localization ［J］．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2020，69（3）：2731-2739．
15	MEZEI J， MOLNAR A ．Drone sound detection by correlation ［C］∥ Proceedings of IEEE the 11th International Symposium on Applied Computational Intelligence and Informatics．Timisoara：IEEE，2016：509-517．
16	ANWAR M Z， KALEEM Z， JAMALIPOUR A ．Machine learning inspired sound-based amateur drone detection for public safety applications ［J］．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2019，68（3）：2526-2534．
17	王威，安腾飞，欧建平．无人机被动音频探测和识别技术研究［J］．声学技术，2018，37（1）：89-93．
	WANG Wei， AN Teng-fei， Jian-ping OU ．Research on audio detection and recognition of UAV technology ［J］．Technical Acoustics，2018，37（1）：89-93．
18	COX H， ZESKIND R， OWEN M M ．Robust adaptive beamforming ［J］．IEEE Transactions on Acoustics，Speech，and Signal Processing，1987，35（10）：1365- 1376．
19	陈鹏．基于协方差矩阵重构的稳健自适应波束形成方法研究［D］．西安：西北工业大学，2019．
20	CAPON J ．High-resolution frequency-wave number spectrum analysis ［J］．Proceedings of the IEEE，1969，57（8）：1408-1418．
21	CARLSON B ．Covariance matrix estimation errors and diagonal loading in adaptive arrays ［J］．IEEE Tran-sactions on Aerospace and Electronic Systems，1988，24（4）：397-401．
22	CHANG L， YEH C C ．Performance of DMI and eigenspace-based beamformers ［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1992，40（11）：1336-1347．
23	GERSHMAN A B， NICKEL U， BOHME J F ．Adaptive beamforming algorithms with robustness against jammer motion ［J］．IEEE Transactions on Signal Processing，1997，45（7）：1878-1885．
24	邵元，杨超，郭辉．近场相干声源三维定位MUSIC算法［J］．计算机与数字工程，2021，49（5）：1013-1017．
	SHAO Yuan， YANG Chao， GUO Hui ．Three-dimensional localization algorithm of near-field coherent sound source based on rectangular microphone array ［J］．Computer and Digital Engineering，2021，49（5）：1013-1017．
25	殷作亮．基于麦克风阵列的MUSIC声源定位算法研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008．
26	SCHMIDT R ．Multiple emitter location and signal para-meter estimation ［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1986，34（3）：276-280．
27	PAULRAJ A， ROY R， KAILATH T ．A subspace rotation approach to signal parameter estimation ［J］．Proceedings of the IEEE，1986，74（7）：1044-1046．
28	RAO B D， HARI K ．Performance analysis of root-MUSIC ［C］∥ Proceedings of the Twenty-Second Asilomar Conference on Signals，Systems and Computers．Pacific Grove：IEEE，1988：578-582．
29	VIBERG M， OTTERSTEN B ．Sensor array processing based on subspace fitting ［J］．IEEE Transactions on Signal Processing，1991，39（5）：1110-1121．
30	KUNDU D ．Modified MUSIC algorithm for estimating DOA of signals ［J］．Signal Processing，1996，48（1）：85-90．
31	ZHANG Xiaofei， LV Wen， SHI Ying，et al ．A novel DOA estimation algorithm based on eigen space ［C］∥ Proceedings of 2007 International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications．Hangzhou：IEEE，2007：551-554．
32	ROY R， PAULRAJ A， KAILATH T ．Estimation of signal parameters via rotational invariance techniques：ESPRIT ［C］∥ Proceedings of 1986 IEEE Military Communications Conference：Communications-Computers：Teamed for the 90’s．Monterey：IEEE，1986：41.6.1-41.6.5．
33	WANG Bu-hong， WANG Yong-liang， CHEN Hui ．Weighted spatial smoothing for direction-of-arrival estimation of coherent signals ［C］∥ Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium．San Antonio：IEEE，2002：668-671．
34	邓艳容，李嘉栋，张法碧，等．基于远场声源定位的改进MUSIC算法研究［J］．电子技术应用，2018，44（12）：69-72．
	DENG Yanrong， LI Jiadong， ZHANG Fabi，et al ．Research on improved MUSIC algorithm based on far field sound source localization ［J］．Application of Electronic Technology，2018，44（12）：69-72．
35	李蜀丰，徐永绍，刘秉政，等．基于改进MUSIC的声源定位方法［J］．电子测量与仪器学报，2021，35（8）：212-219．
	LI Shufeng， XU Yongshao， LIU Bingzheng，et al ．Sound source localization method based on improved MUSIC ［J］．Journal of Electronic Measurement and Instrumentation，2021，35（8）：212-219．
36	唐浩洋，陈子为，黄维．基于麦克风阵列的GCC时延估计算法分析［J］．计算机系统应用，2019，28（12）：140-145．
	TANG Hao-yang， CHEN Zi-wei， HUANG Wei ．Analysis of GCC time delay estimation algorithm based on microphone array ［J］．Computer Systems and Applications，2019，28（12）：140-145．
37	KNAPP C， CARTER G ．The generalized correlation method for estimation of time delay ［J］．IEEE Tran-sactions on Acoustics，Speech，and Signal Processing，1976，24（4）：320-327．
38	王震．基于互功率谱相位时延估计的声源定位系统研究［D］．天津：天津大学，2010．
39	行鸿彦，唐娟．时延估计方法的分析［J］．声学技术，2008，27（1）：110-114．
	XING Hong-yan， TANG Juan ．Analysis and survey of algorithms for time-delay estimation ［J］．Technical Acoustics，2008，27（1）：110-114．
40	QUAZI A H ．An overview on the time delay estimate in active and passive systems for target localization ［J］．IEEE Transactions on Acoustics，Speech，and Signal Processing，1981，29（3）：527-533．
41	景思源，冯西安，张亚辉．广义互相关时延估计声定位算法研究［J］．声学技术，2014，33（5）：464-468．
	JING Siyuan， FENG Xian， ZHANG Yahui ．Research on generalized cross-correlation delay estimation sound localization algorithm ［J］．Acoustics Technology，2014，33（5）：464-468．
42	YOUN D， AHMED N， CARTER G ．On using the LMS algorithm for time delay estimation ［J］．IEEE Tran-sactions on Acoustics，Speech，and Signal Processing，1982，30（5）：798-801．
43	唐娟，行鸿彦．基于二次相关的时延估计方法［J］．计算机工程，2007，33（21）：265-267．
	TANG Juan， XING Hong-yan ．Time delay estimation based on second correlation ［J］．Computer Enginee-ring，2007，33（21）：265-267．
44	窦慧晶，王千龙，张雪．基于二次相关的广义互相关时差估计算法［J］．北京工业大学学报，2016，42（2）：197-202．
	DOU Huijing， WANG Qianlong， ZHANG Xue ．Genera-lized cross-correlation algorithm based on second correlation ［J］．Journal of Beijing University of Technology，2016，42（2）：197-202．
45	周康辉，董万胜，刘恒毅，等．利用二次相关改进的广义互相关时延估计算法［J］．数据采集与处理，2013，28（6）：801-806．
	ZHOU Kanghui， DONG Wansheng， LIU Hengyi，et al ．Improved generalized cross correlation method for time delay estimation by using second correlation ［J］．Journal of Data Acquisition and Processing，2013，28（6）：801-806．
46	王秀芳，张光华，陈雪松．消除数字滤波器中Gibbs现象的研究［J］．信号处理，2003，19（）：13-16．
	WANG Xiufang， ZHANG Guanghua， CHEN Xuesong ．A study of eliminating Gibbs phenomenon in digital filter ［J］．Signal Processing，2003，19（）：13-16．
47	马金铭，苗红霞，苏新华，等．分数傅里叶变换理论及其应用研究进展［J］．光电工程，2018，45（6）：170747/1-24．
	MA Jinming， MIAO Hongxia， SU Xinhua，et al ．Research progress in theories and applications of the fractional Fourier transform ［J］．Opto-Electronic Engineering，2018，45（6）：170747/1-24．
48	夏天，吴春玉，张勇．基于多旋翼无人机噪声分析的维修性探究［J］．中国新通信，2019，21（17）：239．
	XIA Tian， WU Chunyu， ZHANG Yong ．Research on maintainability based on noise analysis of multi-rotor UAV ［J］．China New Telecommunications，2019，21（17）：239．
49	蔺诚毅，吴亚锋，陈耿．无人机螺桨噪声主动控制实验［J］．科学技术与工程，2014，14（9）：265-268．
	LIN Cheng-yi， WU Ya-feng， CHEN Geng ．Active noise control experiment for unmanned aerial vehicle propeller ［J］．Science Technology and Engineering，2014，14（9）：265-268．
50	李鹏．飞机螺旋桨噪声及降噪分析［J］．装备制造技术，2009（8）：37-38．
	LI Peng ．The analysis of aircraft propeller noise and decreasing ［J］．Equipment Manufacturing Technology，2009（8）：37-38．
51	程翠．基于声纹多谐波分析的无人机检测与定位研究［D］．杭州：浙江大学，2018．
52	YAKUBOVSKIY A， SALLOUM H， SUTIN A，et al ．Feature extraction for acoustic classification of small aircraft ［C］∥ Proceedings of 2015 IEEE Workshop on Applications of Signal Processing to Audio and Acoustics．New Paltz：IEEE，2015：1-5．
53	GUANING S， MORF M ．The signal subspace approach for multiple wide-band emitter location ［J］．IEEE Transactions on Acoustics，Speech，and Signal Processing，1983，31（6）：1502-1522．
54	WAX M， SHAN T J， KAILATH T ．Spatio-temporal spectral analysis by eigen structure methods ［J］．IEEE Transactions on Acoustics，Speech，and Signal Processing，1984，32（4）：817-827．
55	ARGENTIERI S， DANES P ．Broadband variations of the MUSIC high-resolution method for sound source loca-lization in robotics ［C］∥ Proceedings of 2007 IEEE/ RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems．San Diego：IEEE，2007：2009-2014．
56	申一伟．基于宽带阵列参数估计的数字波束形成研究［D］．西安：西安电子科技大学，2017．
57	居太亮．基于麦克风阵列的声源定位算法研究［D］．成都：电子科技大学，2006．
58	IZYDORCZYK J ．Time delay estimation using the LMS adaptive filter ［J］．IFAC Proceedings Volumes，2006，39（21）：298-303．
59	WIENER N ．Generalized harmonic analysis ［J］．Acta Mathematica，1930，55（1）：117-258．
60	REED I S， MALLETT J D， BRENNAN L E ．Rapid convergence rate in adaptive arrays ［J］．IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1974，10（6）：853-863．
61	刘艳，杨力生，黄卫华．ESPRIT算法估计性能分析［J］．信息技术，2011（3）：100-102，106．
	LIU Yan， YANG Li-sheng， HUANG Wei-hua ．Analysis for the performance of ESPRIT algorithm［J］．Information Technology，2011（3）：100-102，106．
62	黄宇，柏正尧，黄振，等．采用小波分析和TLS-ESPRIT的DOA估计算法［J］．计算机仿真，2015，32（5）：209-212．
	HUANG Yu， BAI Zheng-yao， HUANG Zhen，et al ．Joint DOA estimation algorithm using wavelet analysis and TLS-ESPRIT ［J］．Computer Simulation，2015，32（5）：209- 212．
63	潘祺凰．基于小型麦克风阵列的低空无人飞行器探测系统研究［D］．南京：南京理工大学，2017．
64	黄强．低空无人机被动声探测定位方法研究［D］．成都：电子科技大学，2018．
65	冯仕轩．基于麦克风阵列的无人机定位方法研究［D］．西安：西安电子科技大学，2019．
66	王学猛．微弱声源智能采集的无人机被动探测系统研究与实现［D］．成都：电子科技大学，2018．
67	SEDUNOV A， SALLOUM H， SUTIN A，et al ．UAV passive acoustic detection ［C］∥ Proceedings of 2018 IEEE International Symposium on Technologies for Homeland Security．Woburn：IEEE，2018：1-6．
68	常先宇．基于声阵列的无人机检测及定位系统［D］．杭州：浙江大学，2019．
69	马春艺，张君，鲍明，等．声场空频特征非参数融合无人机声学探测［J］．信号处理，2019，35（9）：1590-1598．
	MA Chunyi， ZHANG Jun， BAO Ming，et al ．UAV acoustic detection based on non-parametric fusion of spatial-frequency characteristics of sound field ［J］．Journal of Signal Processing，2019，35（9）：1590-1598．
70	SEDUNOV A， HADDAD D， SALLOUM H，et al ．Stevens drone detection acoustic system and experiments in acoustics UAV tracking ［C］∥ Proceedings of 2019 IEEE International Symposium on Technologies for Homeland Security．Woburn：IEEE，2019：1-7．
71	DUMITRESCU C， MINEA M， COSTEA I M，et al ．Development of an acoustic system for UAV detection ［J］．Sensors，2020，20（17）：4870/1-27．
72	KARTASHOV V， OLEYNIKOV V， KORYTTSEV I，et al ．Use of acoustic signature for detection，recognition and direction finding of small unmanned aerial vehicles ［C］∥ Proceedings of IEEE the 15th International Confe-rence on Advanced Trends in Radioelectronics，Telecommunications and Computer Engineering．Lviv-Slavske：IEEE，2020：1-4．
73	张坤．基于嵌入式的麦克风阵列声源定位系统算法研究［D］．西安：西安工业大学，2018．
74	ZHANG Xianyu， YANG Chaoqun， SHI Xiufang，et al.Feature extracted DOA estimation algorithm using acoustic array for drone surveillance ［C］∥ Proceedings of IEEE the 87th Vehicular Technology Conference．Porto：IEEE，2018：1-5．
75	BLANCHARD T， THOMAS J H， RAOOF K ．Acoustic signature analysis for localization estimation of unmanned aerial vehicles using few number of microphones ［C］∥ Proceedings of the 2nd Franco-Chinese Acoustic Confe-rence．Le Mans：EDP Sciences，2019：1-6．
76	郭俊峰．基于麦克风阵列的小型无人机侦测及定位方案设计［D］．重庆：重庆邮电大学，2018．

[1]	Wei De-min Xu Mu Li Di. Frequency Domain Analysis for Wind-Induced Vibration Response of Long-Span Cable Dome Structures [J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2012, 40(4): 112-117.
[2]	Wei De-min Liu Ya-qing. Analyses of Wind-Induced Vibration Response of Suspended Dome Structures [J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2012, 40(10): 90-95.