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无人机监测激光雷达信号处理的软硬件实现

无人机监测激光雷达信号处理的软硬件实现

作者：郭超西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,无人机被广泛用于战场侦察领域,甚至一些无人机还装备了轻型火力发射系统,可直接对战场目标实施火力打击。本文以无人机监测激光雷达信号处理项目为背景,对项目中涉及到的信号处理算法给出了理论分析,并基于FPGA进行了软硬件实... 详细信息

近年来,无人机被广泛用于战场侦察领域,甚至一些无人机还装备了轻型火力发射系统,可直接对战场目标实施火力打击。本文以无人机监测激光雷达信号处理项目为背景,对项目中涉及到的信号处理算法给出了理论分析,并基于FPGA进行了软硬件实现。首先,对线性调频脉冲激光雷达的工作原理进行了理论分析,就激光雷达载频高导致的多普勒频偏很大,难以直接匹配滤波和线性调频信号距离速度耦合这两个难点,本文介绍了动目标匹配滤波方案与脉组之间交替发射正、负线性调频脉冲的优化波形方案,并简要分析了多个频率通道之间的目标凝聚和精确测距方法。其次,设计并制作了激光雷达信号处理板卡。结合项目设计要求和技术指标,确定了板卡的架构为1片高性能FPGA加1片高性能DSP芯片,还包括一片低性能FPGA用于板卡时钟、DSP上电顺序和电源芯片输出使能控制。然后从电源、时钟、存储和数据链路的设计介绍了板卡外围重要子系统方案,最终成功完成了板卡的AD、DA、DDR3和光纤接口的调试。最后,结合所制作的硬件平台设计了基于FPGA的激光雷达信号处理软件模块,详细论述了各模块的工作原理和设计细节。系统需要对2路AD采集回波进行处理,根据激光雷达动目标匹配滤波方案制定了多个频率通道的信号处理架构。采用全并行设计必然导致FPGA资源使用率过高,考虑到数字下变频和脉冲压缩处理与帧之间数据无耦合关系的特征,本文提出了速度换面积思想的回波并串转换方案,可节省整体大约50%的BRAM和DSP资源。设计了可变本振频率范围的多频率通道数字下变频处理结构,具备在V～V+50 m/s区间内的预置测速能力。在低重频工作状态,系统支持12km测距范围的预置探测模式和全段搜索模式。在恒虚警模块设计中,采用了超前计算噪声电平的方法,在第N帧直接启动恒虚警检测可避免帧同步带来的额外FIFO开销。信号调制系统采用基于资源共享的正、负调频脉冲产生方法,进一步节省了BRAM资源。本文所述信号调制解调处理架构基于Xilinx公司的XC7VX485T芯片,实现后整体资源占用率大约在25%左右。所有模块实行参数化设计以增强雷达信号处理算法模块的可移植性,模块接口采用标准AXI4-Stream协议。算法模块经过功能仿真、综合实现和时序分析后,功能正确且满足项目技术指标,时序收敛至预期工作频率。

关键词：激光雷达无人机监测板卡设计 FPGA 多通道处理

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无人机监测雷达信号处理系统设计与实现

无人机监测雷达信号处理系统设计与实现

作者：张佩贤西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着我国无人机技术的快速发展,相关产业规模也逐步扩大。特别是在低空空域逐步开放后,无人机被广泛应用于智慧农业、电网巡检、工程测绘、自然资源调查、应急救援等民用领域,发挥了积极的作用。同时,无人机也带来了巨大的安全隐患,严... 详细信息

随着我国无人机技术的快速发展,相关产业规模也逐步扩大。特别是在低空空域逐步开放后,无人机被广泛应用于智慧农业、电网巡检、工程测绘、自然资源调查、应急救援等民用领域,发挥了积极的作用。同时,无人机也带来了巨大的安全隐患,严重威胁国家和社会安全,因此,急需建立“低慢小”无人机监管体系。脉冲多普勒(PD)雷达因其威力范围相对较广,距离维分辨率和速度维分辨率高,且抗杂波能力强,是监测“低慢小”无人机的首选传感器。本文针对无人机的“低慢小”特性,在分析和论证监测雷达的功能需求和技术指标的基础上,设计并实现了相应的信号处理系统,进行了室内测试和外场试验验证。论文主要工作和成果如下:(1)针对无人机监测的实际需求,分析了监测雷达的系统指标,论证了监测雷达的技术指标和具体参数,为后续系统设计与实现提供了依据;(2)设计了无人机监测雷达的发射波形、工作时序、以及自检模式,设计了与回波信号形式相应的信号处理算法,并进行了仿真实验验证;根据信号处理系统的任务要求,确定了系统框架,预估了算法流程所需的计算资源,完成了主要芯片的选型;(3)分析和设计了信号处理板各功能模块的硬件电路,包括时钟、信号采集、通信接口和电源等模块,完成了数字下变频、脉冲压缩、动目标显示、动目标检测、恒虚警处理等信号处理算法在硬件平台上的实现,讨论和分析了实现中遇到的问题;(4)完成了硬件系统调试和外场试验,试验结果表明,本文所设计的无人机监测雷达信号处理系统性能满足指标要求,工作稳定,能够实现对“低慢小”无人机的有效监测。

关键词：无人机监测低慢小无人机脉冲多普勒雷达信号处理系统

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基于无线信号的无人机监测技术研究

基于无线信号的无人机监测技术研究

作者：张永飞哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

过去十年,无人机产业链不断完善,无人机开始走向生活中的各个领域。但无人机在给人们的生活带来方便的同时,也引发了诸多公众安全和隐私问题,如黑飞、窃密、恐怖袭击等。这使得能够监测和识别无人机并使其远离敏感区域的技术将成为基础... 详细信息

过去十年,无人机产业链不断完善,无人机开始走向生活中的各个领域。但无人机在给人们的生活带来方便的同时,也引发了诸多公众安全和隐私问题,如黑飞、窃密、恐怖袭击等。这使得能够监测和识别无人机并使其远离敏感区域的技术将成为基础。因此,必须将设计和开发能够监测非法无人机的技术纳入研究范围。本文从无人机通信链路出发,对基于无线信号进行无人机监测的技术进行研究,主要研究内容如下:首先,本文对无人机监测技术所需的基本理论以及无人机实测数据集的构建进行研究。从原理上阐述了无人机射频指纹特征的产生机理,探究了基于无线信号进行无人机监测的可能性。同时,研究了无人机信号的检测以及目标信号的获取技术,并结合SM200B构建了无人机遥测链路以及数传链路实测数据集。其次,本文研究了基于统计特征的无人机监测技术。利用所构建的无人机遥测链路和数传链路数据集,提取其功率谱、双谱等统计特征,并使用K近邻（KNN）分类器进行监测识别,验证了利用无人机信号的统计特征进行无人机监测的可能性。在此基础上,深入分析了不同信噪比、不同的傅里叶变换点数对统计特征监测性能的影响。实验结果表明,在理想高斯白噪声条件下,基于统计特征的监测方法,在信噪比（SNR）不低于5d B时,均实现90%以上的监测识别准确率。最后,本文研究了基于深度学习的无人机监测技术。针对统计特征所需信号段长,且需设计预定特征的缺点,对卷积神经网络中各层进行优化,利用优化后的各层搭建VGG16、Res Net、CLDNN等网络进行监测识别。实验结果表明,在高斯白噪声条件下,基于深度学习的方法取得了比基于统计特征的方法更优的性能,且对于遥测链路和数传链路,在信噪比（SNR）不低于5d B时均实现95%以上的监测识别准确率。此外,本文搭建了基于Signal Hound的无人机监测演示平台,并测试了演示平台在视距和非视距信道环境下的监测性能。

关键词：无人机监测射频指纹深度学习数据采集

基于无人机监测的上海市取水口风险评估技术案例研究

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基于无人机监测的上海市取水口风险评估技术案例研究

作者：杨欣华东师范大学

学位级别：硕士

饮用水源风险监测评估技术对于城市安全极其重要。对上海这样的超大城市来说,饮用水水源安全稳定是经济发展、社会稳定的重要保障。2018年起,上海市在实现四大水源地集约化供水后,为了应对突发性环境污染事故、极端天气和咸潮入侵等影响... 详细信息

饮用水源风险监测评估技术对于城市安全极其重要。对上海这样的超大城市来说,饮用水水源安全稳定是经济发展、社会稳定的重要保障。2018年起,上海市在实现四大水源地集约化供水后,为了应对突发性环境污染事故、极端天气和咸潮入侵等影响,还保留着30多家自来水厂应急取水口用于常规少量河道取水和应急取水,取水水质和取水口所在河段风险源息息相关,因此需要建立有效的风险监测技术识别取水口风险源。同时为了合理有效开发利用水资源,加强水资源统一调度管理,避免违法取用水资源的现象,上海市取水工程也需要进行定期技术核查,尤其是无证取水情形的调查。因此监测技术水平的提高,对城市供水取水管理具有重要的战略意义。传统的饮用水源地监测和识别采用卫星遥感、在线监测和人工巡查方法,具有操作条件低、灵活性高等特点,但是存在效率低、间隔监测时间长、监测范围小、受在线监测设备覆盖率影响监测效果等缺点,无法实时有效地反映监测对象的真实情况和动态变化。无人机监测技术具有操作简单、安全稳定、灵活机动、地点准确度和影像分辨率高等特点,切合取水口风险监测的要求。本文以无人机航拍监测为主,配备高分辨率镜头的相机监测、实地走访为辅助的方式,按照监测流程顺序,从监测前的基础资料收集、监测人员和监测内容确定,到实际监测计划执行,最后到监测影像处理和识别,构建了一种“无人机监测取水口”的技术方法,能高效、准确对取水口和取水口风险状况进行监测。本文依据应急备用取水口风险源的特征确定了监测对象,按照监测流程设计了应急备用取水口监测整体方案,利用无人机开展取水口实地监测,调查了上海市30多个应急备用取水口,累计飞行时长约200分钟,扫描过河流长度大约80km,涵盖水陆面积约12km,视频剪辑后获取影像资料约30分钟。经分析发现,取水口上下游1km范围内,目视解译识别到246项风险源,平均每个取水口约有8.8个污染源,无人机监测应急备用取水口风险有效可行。基于此得到加强取水口风险预报预警、加强周边企业监管、多方协商解决土地占用、无人机和传统监测技术配合等建议。本文制定了上海市取水工程监测方案,采用无人机和相机监测为主,实地走访、乘船调研为辅的方式,对黄浦江上游段、太浦河上海段、崇明南横引河、宝山蕴藻浜和南汇大治河的非法取水情况进行技术核查。无人机确定每条河段6-10个监测点位,沿河监测上下游1km范围,累计飞行时间约10小时,飞行河段约170km,直接发现疑似非法取水工程8个。基于此针对性地提出放开小型公共取水设施监管、加强建筑水泥等特定行业监管、加强蕰藻浜和大治河水资源取用核查等建议。本文以上海市自来水厂应急取水口风险监测和非法取水工程技术核查为例,证明了无人机监测识别饮用水水源风险可行性,分析探讨无人机监测技术其他应用场景和不足之处,研究结果对于上海市水资源管理具有一定现实意义,对于取水口及其风险监测技术体系建设具有一定参考价值。本文得到了上海市水务局水资源基础管理研究项目“上海市公共供水应急和备用取水口现状调查、环境评估和监管研究”和“取水工程(设施)核查登记”项目的支持。

关键词：无人机监测饮用水水源取水口风险监测上海市

基于深度学习与无人机监测的龙海九龙江口红树林群落识别研究

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基于深度学习与无人机监测的龙海九龙江口红树林群落识别研究

作者：高弋斌福建农林大学

学位级别：硕士

红树林生态系统具有重要的生态价值和经济价值。但近年来受人类活动、气候变化以及外来物种入侵等问题的影响,红树林面积不断减少,生态系统功能日益降低,加强红树林的保护管理刻不容缓,明确红树林群落的空间分布是其基础和前提。基于无... 详细信息

红树林生态系统具有重要的生态价值和经济价值。但近年来受人类活动、气候变化以及外来物种入侵等问题的影响,红树林面积不断减少,生态系统功能日益降低,加强红树林的保护管理刻不容缓,明确红树林群落的空间分布是其基础和前提。基于无人机图像对光谱及空间等特征相似的红树林群落实现高精度分类对于红树林生态系统的精细化保护管理具有重要意义。本文以九龙江口红树林群落为研究对象,在野外调查的基础上,借助无人机低空遥感平台获取多时相高空间分辨率的图像,充分挖掘不同物候期红树林群落的光谱及空间等特征差异,深入解析红树林群落图像识别机理。主要结论如下:(1)构建基于深度学习分类方法的红树林群落识别模型。利用逐步判别分析法选取红树林群落图像识别敏感性特征,采用分形网络演化法对无人机图像进行分割,进而基于深度学习分类方法构建红树林群落识别模型。该模型分类效果好,精度高,研究区土地覆盖类型总体精度为90.62%,其中秋茄、桐花树以及白骨壤群落的生产者精度与用户精度分别为93.43%、92.40%、91.46%和91.39%、93.12%、93.32%。(2)利用监督与非监督分类方法对研究区进行红树林群落识别与分布制图,两者分类精度的差异不大,总体精度均在60%左右,不同红树林种群间混分错分现象较多。分析其主要原因为红树林群落间以及红树林群落与互花米草和林草地之间的光谱特征相似,且传统的监督与非监督分类方法在分类过程中未充分利用红树林群落的纹理特征。(3)基于深度学习分类方法得到的研究区红树林群落空间分布结果,研究区内秋茄群落是面积最大的红树林群落,占研究区总面积的34.67%,主要分布在研究区靠近内陆的部分;其次为桐花树群落,占研究区总面积的3.66%,主要分布在研究区向海边缘处;白骨壤最少,仅占研究区总面积的0.17%,零星分布于研究区的西部地区,多有互花米草入侵现象。基于深度学习与无人机监测的九龙江口红树林群落识别研究,不仅可为九龙江口红树林自然保护区的红树林生态系统保护管理提供数据支撑,同时可为其他区域红树林群落的识别提供借鉴。

关键词：红树林群落深度学习无人机监测效益分割尺度模型逐步判别分析九龙江口

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基于图传信号的无人机监测算法研究

基于图传信号的无人机监测算法研究

作者：周秉毅桂林电子科技大学

学位级别：硕士

近几年随着民用无人机的发展,黑飞无人机引发了一系列安全问题,如何高效的实现无人机监测是亟待解决的问题。无源监测具有不发射电磁波,不受监测目标外型、颜色等因素影响等优点,近年来广泛应用于无人机监测领域。目前阵列天线的无源定... 详细信息

近几年随着民用无人机的发展,黑飞无人机引发了一系列安全问题,如何高效的实现无人机监测是亟待解决的问题。无源监测具有不发射电磁波,不受监测目标外型、颜色等因素影响等优点,近年来广泛应用于无人机监测领域。目前阵列天线的无源定位方法设备复杂度较高,应用受限。基于多点透视问题(Perspective-n-Point,Pn P)的图像定位技术抗异常值能力较弱,且需要提前获知相机焦距,无法很好地适应非合作方无人机监测的应用场景。本文针对现有Pn P定位算法的问题,从提高已知焦距算法的抗异常值能力和提高未知焦距算法的稳定性及解算速率入手,对基于Pn P的图像定位技术进行了深入研究,主要研究内容如下:1.结合监测系统的定位需求,设计了基于Pn P问题的总体监测方案。无人机图传信号的获取与解析是后续Pn P算法的数据来源。根据无人机图传信号的数据类型、传输协议等特征,在Linux系统下,提出了一种利用Wireshark+无线网卡实现无人机图传信号捕获与解析的方案。从相机成像原理入手,描述了相机世界系与世界坐标系之间的关系,为后续展开Pn P相关算法研究奠定了理论基础。2.在焦距已知的情况下,针对现有算法抗异常值能力较弱的问题,提出了一种基于正交迭代的二值加权算法。结合无人机图像与确有3D信息之间的匹配情况,在正交迭代算法的基础上,引入了二值加权系统来判定参考点的可靠性,提出了一种基于正交迭代算法的二值加权Pn P算法。该算法选取重投影误差的四分位数中的最大值作为阈值,同时引入一个与最大重投影误差成正比,与焦距成反比的阈值加速算法在异常值比例较低时的收敛速度。以两个阈值中较大的作为最终阈值,对所有参考点进行二值加权,降低了异常值对目标函数的影响,提升了算法的稳定性。仿真验证了该算法的可行性。3.在焦距未知情况下,针对现有算法稳定性低、运算速率较慢等问题,建立了垂直投影模型,根据该模型,提出了一种基于线与面特性的Pn P算法。在几何透视模型基础上,将3D参考点垂直映射到成像面,通过从图像坐标原点分别指向垂直映射点与2D像点的向量间的关系,构建了3D参考点与2D像点间的比例关系模型,进一步利用线与面的特性,将旋转矩阵的解算模型构建为不含未知焦距的多项式系统。该算法利用特征值法将多项式求解问题转化为稀疏矩阵分解问题,降低了计算复杂度。通过垂直投影3D参考点消除了未知焦距的影响,获得了较高的稳定性。实验验证了该算法的可行性。

关键词：无人机监测视觉测量 PnP问题相机位姿估计

辅助河长决策的长江高港段河岸带无人机监测与健康评价

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辅助河长决策的长江高港段河岸带无人机监测与健康评价

作者：邵达扬扬州大学

学位级别：硕士

河流健康是人类社会可持续发展至关重要的因素,长江作为中国第一大河,同样遭受着不同程度的影响甚至是破坏,由于历史遗留问题或者权属问题致使长江河岸带管理范围线内仍存在用地不合理之处,这对于长江生态环境以及生态景观将产生巨大的... 详细信息

河流健康是人类社会可持续发展至关重要的因素,长江作为中国第一大河,同样遭受着不同程度的影响甚至是破坏,由于历史遗留问题或者权属问题致使长江河岸带管理范围线内仍存在用地不合理之处,这对于长江生态环境以及生态景观将产生巨大的影响。江苏河长制推出“两违三乱”整治,针对此类问题发现一处解决一处,由河长制转变为河长治,减少违法建设和违法圈圩用地的存量,还长江健康生命。无人机的应用可以快速高效的进行河岸带用地类型的提取,并对河岸带进行相应的评价,这为河长了解长江高港段现状用地情况及不合理之处提供了一定的依据和解决途径。本文梳理了自然河岸带的范围以及结构特征方面的研究,通过实地外业调查结合谷歌地球影像总结出长江高港段的6种河岸带结构类型,分别为工厂(主要为船厂)、滩地、围堤、集装箱码头、散杂泊位、鱼塘,其中工厂和滩地类型占比较高,其余均为零碎分布。在泰州港核心港区发展规划内容的基础之上,对长江高港段管理范围线内岸线利用情况进行分析,可以分为临港工业用地、道路交通用地、农业用地、绿地和水域5大类,其中临港工业用地、水域和绿地占用面积最大,虽然绿地占比较高,但整个区域内植被连续性差,多被临港企业、码头和水域所阻断,影响区域水环境的安全和生态系统健康。讨论了水位、生态红线和河道管理范围线三者对于确定河岸带评价范围的可行性,最后确定河道管理范围线为河岸带健康评价的依据。利用无人机进行长江高港段的监测,通过低空飞行获取研究区域内的正射影像以及堤防的倾斜摄影影像,利用无人机正射影像提取绘制出土地利用图和植被覆盖图,通过堤防影像监测分析堤防的情况,现状堤防部分岸段混凝土面板存在破损剥落的现象,但不影响其洪水防御能力和稳定性。为有效评价河岸带的健康情况,研究选取了河岸稳定性、植被覆盖度、人工干扰三项一级指标作为评价标准。河岸稳定性二级指标为堤防防御标准、险工险段比例和河岸冲刷侵蚀状况三大类;植被覆盖度二级指标为乔木、灌木和草本等植被群落结构的完整情况;人工干扰评估依据为9类影响较大的人类活动。对长江高港段河岸带进行健康评价,结果显示该河段河岸带处于亚健康状况,最主要的影响因素为植被覆盖度低,植被结构单一,连续性差,呈现出碎片化的特征。通过总结得出长江高港段主要存在的问题及对策建议。长江高港段主要存在三类问题,一是植被覆盖度低,没有针对性的河岸植被缓冲带规划,二是土地利用存在不合理之处,大量自然岸线被工业用地侵占,三是优质岸线工业占比过高,港口码头用地过少,不利于岸线资源的集约利用。对策及建议为规划一定宽度并且连续的滨江绿化带,选种多样且适合长江河岸带的植被,迁移部分船厂等工业岸线,对非港口依赖型的产业控制用地规模,对化工材料进行产业升级转型,重点发展港口服务产业,提升岸线资源集约利用水平。

关键词：河长河岸带无人机监测健康评价

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无人机监测对防范污水泄漏的策略探讨

中国公共安全(学术版) 2017年第4期 42-45页

作者：林嘉怡李冬环林志滔黄伯瑜广东工业大学广东实验中学

大宝山尾矿淤泥库填充物已经接近阈值,淤泥库的淤泥处理有多种方案,通过清理内部淤积物,并在其上部覆盖种植特种植物,来改良土壤质量是对尾矿特别是重污染尾矿的最优解决方案。在清理淤泥的过程中,先挖开清淤通道,使得淤泥中的污水渗出... 详细信息

大宝山尾矿淤泥库填充物已经接近阈值,淤泥库的淤泥处理有多种方案,通过清理内部淤积物,并在其上部覆盖种植特种植物,来改良土壤质量是对尾矿特别是重污染尾矿的最优解决方案。在清理淤泥的过程中,先挖开清淤通道,使得淤泥中的污水渗出,并抽取污水集中到周边的污水处理厂集中处理。在清理淤泥库的内部淤泥物的过程中,水沙比例的控制既是重点又是难点,如何实时控制水与沙的理想比例,而不至于产生水与沙的分离状况是关键技术。本文证实了可以通过无人机航拍获取影像,通过图像识别判断污水和淤泥的比例,使之保持在可控的泥浆状态,以防止污水从淤泥坝的石头缝隙中外泻,实现了大宝山淤泥库内部填充物清理的实时监控,从而规避了大宝山淤泥库在清理填充物过程中的风险。

关键词：大宝山尾矿淤泥库无人机监测污水泄漏防范策略

无人机监测在城市环境大气污染物扩散数值模拟中的应用

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环境监测管理与技术 2019年第2期31卷 44-46页

作者：张晓旭王丹天津市环境保护科学研究院天津300191 天津市大气污染防治重点实验室天津300191 天津环科源环保科技有限公司天津300191 天津市联合环保工程设计有限公司天津300191

通过数值模拟手段,确定城市区域污染源对周边环境的影响程度和影响范围,确定污染源周边环境复杂程度对烟气扩散的影响程度。结果表明,数值模拟结果与无人机监测结果具有相同的变化规律,验证了数值模拟的合理性,可为项目选址、排污口设... 详细信息

通过数值模拟手段,确定城市区域污染源对周边环境的影响程度和影响范围,确定污染源周边环境复杂程度对烟气扩散的影响程度。结果表明,数值模拟结果与无人机监测结果具有相同的变化规律,验证了数值模拟的合理性,可为项目选址、排污口设置、大气污染防治措施及相关工程设计等提供科学依据或指导性意见。

关键词：无人机监测数值模拟大气污染物扩散