基于WiFi信号与射频指纹的无人机探测与分类技术研究

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近年来,消费级无人机在日常生活中得到快速普及,由于无人机体积小、可载重且自带摄像头,给人们带来了诸多便利。但无人机的不当使用也带来许多安全威胁,如偷拍、非法交易等,因此,当前对无人机探测与分类技术的需求迫在眉睫。传统无人机探测与分类技术主要有雷达、音频、光电等方式,这些技术在一些环境中性能不佳,而基于无人机通信Wi Fi信号并结合唯一的射频指纹技术来探测与分类无人机则具有更强的适用性和性能。软件无线电(Software-Defined Radio,SDR)平台可以有效地监听无人机通信信号并进行相关分析,而Wireless In Site软件则可以模拟无人机飞行环境,实现多场景实验。因此,本文开展了基于无人机通信Wi Fi信号与射频指纹特征的无人机探测与分类技术研究,并利用SDR平台与Wireless In Site软件进行测试验证。本文研究内容如下:首先,利用恒虚警检测方法与空域特征来探测无人机。利用Haar小波变换对信号进行预处理,并设置加权的标准差作为阈值来检测无人机是否进入。当无人机进入后,解析无人机信号的信道状态信息并结合超分辨参数估计算法得到空域特征方位角(Angle of Azimuth,AOA)、俯仰角(Angle of Elevation,AOE),然后利用多台接收机搭建无人机定位模型,并基于SDR平台与Wireless In Site软件验证无人机探测系统方案。其次,利用射频指纹的唯一性来分类无人机。基于预处理后的无人机信号提取轴向积分双谱(Axially Integrated Bispectra,AIB)、矩形积分双谱(Square Integrated Bispectra,SIB)特征,并分别利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)、近邻成分分析(Neighbourhood Component Analysis,NCA)算法对AIB、SIB进行维数约简与分配权重。接着,提取分形维数(Fractal Dimension,FD)同样作为射频指纹用于无人机分类。然后,基于SDR平台与机器学习算法验证无人机分类技术。最后,本文的实验结果如下:在真实环境中,当标准差加权系数为4.5时,无人机进入的最佳检测率为100.00%,此时虚警率为0.63%;对于无人机分类,所有射频指纹下的平均分类精度为97.23%。在Wireless In Site软件中,置信度为50%时的三维空间误差优于2.41米。
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