基于时频分析的飞行器遥控信号检测与识别方法研究

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无人机最早应用于军事领域,后凭借其体积小、重量轻、成本低等优点,广泛应用于民用领域。甚至在近年爆发的俄乌冲突中,民用无人机被大量投入战场,在巷战、爆破及侦查中发挥至关重要的作用。随着无人机应用范围增大以及“黑飞”现象日益严重,政府一方面要通过社会媒体、公共平台提高安全规范使用无人机的宣传力度,增强人们对无人机的安全和法制观念,创造一个遵纪守法使用无人机的社会环境,另一方面也迫切需要在技术上加强对违规无人机的反制管理。无人机的信号识别是对其进行反制与管理的重要前提,也是当前的一个研究热点,对于无人机反制领域具有重大意义和应用前景。本文的主要工作和创新有:(1)针对无人机系统结构,分析了跳频通信系统原理和主要参数,对比研究了多种时频分析方法,通过仿真实验比较各方法的性能和特点,最终选取适用于无人机信号的时频分析方法。(2)实际采集无人机信号,对其进行时频域转化,将信号划分为多个部分,每部分信号的最大值图拼连,使跳频信号的特征更加明显,参数便于提取。采用基于能量统计自适应设定去噪阈值的方法消除底噪,弥补了设置去噪阈值需要人工干预的不足。(3)根据遥控信号与图传信号在时频域中相关性的差异特点,创新性地利用低秩矩阵恢复的方法将原信号中的图传信号与遥控信号分别分离到低秩矩阵和稀疏矩阵中,从而达到信号特征提取的目的。该方法无需获取源信号的先验信息,为无人机信号分离提供了一种新思路。(4)在信号识别的方法中选择了深度学习作为主要识别手段,针对不同数据类型,选用不同处理方法。在卷积神经网络CNN中,将接收的时域信号做CWD时频变换,输入测试图像到训练好的CNN网络中,从而实现无人机型号的分选。该方法无需获取目标信号参数特性,从而实现盲分类,与传统分类方法相比,在-15d B-0d B有着最高识别率,测试集准确率达到89.19%;在长短期记忆网络LSTM中,将遥控信号数据转化为时间序列,将时间序列用五元形态表示,可使数据的模式表示更加接近原始数据的趋势变化。平均查准率与平均查全率要比普通的时间序列分别高出15.64%和17.70%,最终的测试集准确率达到92.48%。
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