Акустическое обнаружение беспилотных воздушных судов #

Воздушный винт излучает регулярный звук, спектр которого состоит из частоты следования лопастей и кратных ей составляющих. По этой регулярности аппарат обнаруживают на слух и автоматически, причём без радиоизлучения с его стороны. В статье разобраны физика шума винта, устройство открытого акустического обнаружителя, расчёт дальности и порядок проверки перед вылетом.

Акустическое обнаружение беспилотных воздушных судов (БВС) опирается на известное свойство винта. Воздушный винт создаёт звук, в котором есть строго регулярная составляющая. Регулярность сохраняется у аппарата любого класса, поскольку она определяется геометрией винта и частотой его вращения, а не типом системы управления. По этой причине акустический канал работает и тогда, когда радиоканал молчит.

В сентябре 2026 года в открытом доступе опубликован проект VolAnti. Это обнаружитель на четырёх микрофонах, который выполняет преобразование Фурье по две тысячи сорок восемь отсчётов каждые тридцать две миллисекунды на однокристальном вычислителе ESP32-S3. Решение принимается по гребёнчатой оценке спектра в полосе от семидесяти до двух тысяч герц, причём четыре алгоритма работают параллельно.

Ниже последовательно разобраны четыре вопроса. Первый: откуда берётся регулярная структура спектра воздушного винта. Второй: как эта структура выделяется из шума площадки. Третий: какими пределами ограничена дальность обнаружения. Четвёртый: как проверить обнаружитель на площадке и какие ошибки настройки сводят работу к нулю.

1. Задача акустического обнаружения

Задача акустического канала формулируется как обнаружение источника звука и, при наличии нескольких разнесённых постов, определение направления на него. Решение принимается по превышению регулярной составляющей над уровнем помех в той же полосе частот. Для практики важны три величины: частота следования лопастей, уровень звукового давления в полосе и время, в течение которого регулярность сохраняется.

1.1. Пассивный канал и его место в комплексе

Акустический канал относится к пассивным средствам наблюдения. Приёмник только принимает звук и ничего не излучает, поэтому обнаружить его работу по электромагнитному излучению невозможно. Это отличает акустический пост от радиолокатора, который сам становится источником излучения и демаскирует позицию.

Вторая особенность связана с дальностью. Радиолокатор измеряет дальность напрямую, поскольку ему известна задержка отражённого импульса. Акустический пост измеряет только направление, если микрофоны разнесены и каналы обрабатываются раздельно. Дальность оценивается по уровню сигнала с точностью до множителя, который зависит от влажности, температуры и ветра.

Третья особенность состоит в стоимости и в требованиях к вычислителю. Комплект из четырёх микрофонов, однокристального вычислителя и корпуса собирается на монтажной плате без специального оборудования. Обработка сигнала занимает доли секунды на кадр и не требует графического ускорителя.

1.2. Почему радиоконтроль не закрывает задачу полностью

Радиомониторинг наблюдает канал управления и канал изображения. Пока аппарат управляется по радиолинии, эти каналы дают надёжный признак присутствия. Положение меняется, когда управление переводится на волоконно-оптический кабель: такой аппарат не создаёт радиоизлучения.

Второй случай связан с автономным полётом по заранее составленному полётному заданию. На маршруте аппарат не передаёт ничего на землю, и радиоконтроль видит только короткий обмен на старте и на посадке либо не видит ничего. Акустический канал в обоих случаях сохраняет работоспособность, поскольку источником сигнала служит сам винт.

Отсюда следует практический вывод для комплекса наблюдения. Акустический пост не заменяет радиомониторинг и радиолокатор, а дополняет их в той части обстановки, где радиоизлучения нет. Совместная обработка нескольких каналов даёт устойчивое решение, тогда как каждый канал по отдельности имеет собственные слепые зоны.

1.3. Пределы метода

Первый предел связан с источником звука. Планер без работающего винта не создаёт регулярной составляющей, поэтому планер в режиме планирования и аэростат акустическим каналом не обнаруживаются. Второй предел связан с погодой: сильный ветер поднимает уровень помех в той же полосе, где лежит полезный сигнал.

Третий предел состоит в дальности. Для малого аппарата она составляет от нескольких десятков до нескольких сотен метров в зависимости от фона площадки. Четвёртый предел связан с распознаванием: по спектру определяется присутствие винта, но не тип аппарата, если не применяется обученная модель.

2. Термины и сокращения

Термины приведены в том значении, в котором они используются в статье. Обозначения величин совпадают с обозначениями в расчётных соотношениях.

3. Физика шума воздушного винта

Шум винта складывается из трёх составляющих. Вращательная составляющая возникает потому, что каждая лопасть периодически проходит мимо точки наблюдения и создаёт кратковременное возмущение давления. Вихревая составляющая связана с отрывом потока и с взаимодействием лопасти с собственным следом. Третья составляющая относится к силовой установке и к планеру и обычно лежит выше по частоте либо слабее по уровню.

3.1. Частота следования лопастей

Главный признак винта — частота следования лопастей (ЧСЛ). Она равна числу лопастей, умноженному на число оборотов в секунду, и определяется по формуле (1).

\( \color{Teal}f_л = \frac{k\,n}{60}\)

Здесь \( \color{Teal}k\) — число лопастей, \( \color{Teal}n\) — частота вращения в оборотах в минуту, \( \color{Teal}f_л\) — частота следования лопастей в герцах. Множитель шестьдесят переводит минуты в секунды. Формула справедлива для жёсткого винта постоянного шага; у винта изменяемого шага она сохраняется, поскольку шаг влияет на уровень, а не на частоту.

Порядок величин удобно проверить на примере. Двухлопастный винт при пяти тысячах оборотов в минуту даёт \( \color{Teal}167\) герц, трёхлопастный при той же частоте вращения — \( \color{Teal}250\) герц. Диапазон от семидесяти до двух тысяч герц, принятый в открытом проекте, перекрывает двухлопастные винты с частотой вращения от двух тысяч ста до шестидесяти тысяч оборотов в минуту.

Из таблицы видно, что рабочая полоса обнаружителя должна начинаться ниже ста герц. Медленно вращающийся винт большого диаметра даёт основную составляющую на частотах порядка восьмидесяти — ста двадцати герц, и фильтр верхних частот, установленный для подавления ветрового шума, легко отсекает именно её.

3.2. Гармоники и гребёнчатая структура

Винт излучает не одну частоту, а последовательность кратных частот. Спектр содержит составляющие на частотах \( \color{Teal}f_л\), \( \color{Teal}2f_л\), \( \color{Teal}3f_л\) и далее, причём расстояние между соседними составляющими одинаково и равно частоте следования лопастей. На графике такая последовательность выглядит как гребёнка, откуда и происходит название оценки.

Число различимых гармоник зависит от формы лопасти и от режима работы. У винта с прямоугольной лопастью заметны восемь — двенадцать гармоник, у винта с саблевидной законцовкой их меньше, а энергия перераспределяется в боковые составляющие. Для обнаружения важно не число гармоник само по себе, а постоянство интервала между ними.

Именно постоянство интервала отличает винт от большинства помех. Одиночную спектральную линию создаёт любая машина с вращающимся узлом. Последовательность из восьми — двенадцати линий с равным интервалом и с общей огибающей встречается значительно реже, поэтому гребёнчатая оценка даёт выигрыш по вероятности ложного обнаружения.

3.3. Тональная и широкополосная части

Тональная часть превышает широкополосную на десять — двадцать пять децибел вблизи винта. С расстоянием соотношение меняется: высокие гармоники поглощаются в воздухе быстрее низких, и дальний спектр обедняется, смещаясь к основной составляющей. Поэтому на предельной дальности обнаружитель слышит фактически одну — две нижние гармоники.

Широкополосная часть образует шумовой пьедестал, на котором видны линии. Этот пьедестал ограничивает отношение сигнала к шуму и, следовательно, дальность. Снижение уровня широкополосной части достигается формой лопасти и режимом работы, а повышение — загрязнением поверхности и повреждением кромок.

4. Устройство открытого обнаружителя

Открытый проект VolAnti построен по схеме, которая повторяется в большинстве акустических обнаружителей малого радиуса действия. Четыре микрофона собирают звук, сигнал преобразуется в цифровую форму, вычисляется спектр, и по спектру принимается решение. Отличия касаются деталей: способа суммирования каналов, размера преобразования и набора параллельных алгоритмов.

4.1. Микрофонная решётка и суммирование каналов

Решётка состоит из четырёх микрофонов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) с цифровым выходом по шине I2S. Цифровой выход исключает наводки на аналоговый тракт, которые возникают рядом с передатчиком изображения. Все четыре канала суммируются до преобразования Фурье, и сумма подаётся на вход вычислителя.

Суммирование даёт выигрыш по некоррелированному шуму. Полезный сигнал приходит на микрофоны синфазно, поэтому его амплитуда складывается и возрастает в четыре раза, то есть на двенадцать децибел. Собственный шум микрофонов некоррелирован, поэтому складывается по мощности и возрастает в два раза, то есть на шесть децибел. Разность составляет шесть децибел выигрыша по отношению сигнала к шуму (ОСШ), и эта величина подтверждается описанием проекта.

Выигрыш относится только к некоррелированному шуму. Ветровой шум на базе в несколько сантиметров коррелирован, поскольку масштаб турбулентности больше расстояния между микрофонами. По этой причине шесть децибел не реализуются в ветреную погоду, и защита от потока важнее числа микрофонов.

4.2. Преобразование Фурье и темп обработки

Быстрое преобразование Фурье (БПФ) выполняется по две тысячи сорок восемь отсчётов каждые тридцать две миллисекунды. При непрерывном потоке без перекрытия кадров такие числа соответствуют частоте дискретизации шестьдесят четыре килогерца. Верхняя граница анализируемой полосы составляет тридцать два килогерца, однако практический интерес ограничен диапазоном до восьми килогерц.

Разрешение по частоте определяется размером преобразования и частотой дискретизации. Величина равна \( \color{Teal}31{,}25\) герца, и это значение важно для оценки нижней границы рабочей полосы. Полоса от семидесяти до двух тысяч герц занимает снизу чуть больше двух разрешаемых ячеек, а сверху — около шестидесяти двух.

Вычислительная нагрузка невелика. Преобразование по две тысячи сорок восемь отсчётов содержит примерно одиннадцать тысяч элементарных операций вида бабочка, а полный расчёт занимает на вычислителе с тактовой частотой двести сорок мегагерц менее одной миллисекунды. Четыре параллельных алгоритма укладываются в кадр тридцать две миллисекунды с большим запасом, и вычислитель остаётся свободен для связи и записи.

4.3. Гребёнчатая оценка

Решение принимается по значению гребёнчатой оценки, которая вычисляется для каждой пробной частоты следования лопастей. Оценка равна среднему отношению мощности на кратных частотах к оценке шума в той же полосе и определяется по формуле (3).

\( \color{Teal}S(f_0) = \frac{1}{K}\sum_{i=1}^{K}\frac{P(i\,f_0)}{\hat{N}(f_0)}\)

Здесь \( \color{Teal}f_0\) — пробная частота следования лопастей, \( \color{Teal}P\) — мощность спектральной составляющей, \( \color{Teal}\hat{N}\) — оценка шума, \( \color{Teal}K\) — число учитываемых гармоник. Среднее берётся вместо суммы для устойчивости к выпадению отдельных гармоник: если одна из них подавлена интерференцией, оценка снижается незначительно.

Порог выбирается по результатам измерений на площадке. Типичное значение составляет от четырёх до восьми единиц при усреднении по восьми — двенадцати гармоникам. Порог ниже четырёх единиц даёт рост ложных обнаружений от гармонических помех, порог выше восьми сокращает дальность обнаружения.

4.4. Параллельные алгоритмы и адаптивный порог

Проект использует четыре алгоритма одновременно, и это решение связано с конкретной проблемой. Адаптивный порог обновляется по текущей обстановке и постепенно впитывает в себя любую постоянную составляющую. Аппарат, который пришёл в зону и завис на месте, создаёт как раз постоянную составляющую: шум вокруг не меняется, порог поднимается до уровня сигнала, и обнаружение пропадает.

Первый алгоритм работает с адаптивным порогом и уверенно обнаруживает пролетающий аппарат. Второй работает с фиксированным порогом и удерживает зависший аппарат, но чаще срабатывает ложно при изменении фона. Третий проверяет когерентность гармоник, то есть постоянство интервала между линиями. Четвёртый реагирует на фронт, то есть на появление новой спектральной структуры за время порядка одной секунды.

Совместная работа строится по правилу голосования. Обнаружение считается состоявшимся, если признак подтвердили не менее двух алгоритмов в нескольких последовательных кадрах. Такая схема повышает устойчивость к одиночной помехе и сохраняет чувствительность к зависшему аппарату, который пропускает алгоритм с адаптивным порогом.

5. Разрешающая способность

Точность обнаружителя характеризуется тремя независимыми величинами. Разрешение по частоте определяет, различимы ли отдельные гармоники. Разрешение по времени определяет, как быстро принимается решение. Доплеровский сдвиг определяет, совпадает ли наблюдаемая гребёнка с шаблоном.

5.1. Разрешение по частоте

Разрешение по частоте равно отношению частоты дискретизации к размеру преобразования и определяется по формуле (2).

\( \color{Teal}\Delta f = \frac{f_д}{N}\)

При частоте дискретизации шестьдесят четыре килогерца и размере две тысячи сорок восемь отсчётов разрешение составляет \( \color{Teal}31{,}25\) герца. Для нижней границы рабочей полосы это много: семьдесят герц укладываются в две с небольшим ячейки, и одиночная линия медленно вращающегося винта размывается по соседним ячейкам.

Положение спасает гребёнка. Если известны позиции восьми гармоник, интервал находится по расстоянию между крайними линиями, а погрешность уменьшается пропорционально числу промежутков. При восьми гармониках таких промежутков семь, и погрешность оценки составляет около четырёх с половиной герц, что для частоты сто герц даёт ошибку в четыре с половиной процента.

Отсюда следует практическое требование к выбору размера преобразования. Увеличение размера до четырёх тысяч девяноста шести отсчётов удваивает разрешение и удваивает задержку кадра. Для неподвижного поста это приемлемо, для бортового обнаружителя на движущейся платформе задержка важнее точности.

5.2. Разрешение по времени и подтверждение

Один кадр занимает тридцать две миллисекунды. Решение принимается после подтверждения в нескольких кадрах подряд, и типичное время до выдачи признака составляет от двухсот пятидесяти до трёхсот двадцати миллисекунд. За это время аппарат, летящий со скоростью тридцать метров в секунду, проходит от восьми до десяти метров.

Увеличение времени усреднения повышает устойчивость обнаружения и одновременно размывает признак. Частота вращения винта не постоянна: регулятор изменяет её в темпе от одного до пяти герц, исправляя возмущения. На длинном окне гребёнка расплывается, и когерентность гармоник падает.

Практический вывод состоит в разделении задач. Для обнаружения достаточно двухсот — трёхсот миллисекунд, для распознавания класса аппарата требуется накопление в течение нескольких секунд. Смешивать эти режимы в одном алгоритме не следует: распознавание на коротком окне недостоверно, а обнаружение на длинном окне запаздывает.

5.3. Доплеровский сдвиг

Движение источника меняет наблюдаемую частоту. Сдвиг пропорционален частоте и радиальной скорости и определяется по формуле (6).

\( \color{Teal}\Delta f = f_л\frac{v_р}{c}\)

Здесь \( \color{Teal}v_р\) — радиальная составляющая скорости, \( \color{Teal}c\) — скорость звука, равная примерно \( \color{Teal}343\) метра в секунду. При частоте следования лопастей двести герц и скорости тридцать метров в секунду сдвиг составляет \( \color{Teal}17{,}5\) герца, то есть чуть больше половины разрешаемой ячейки. При частоте две тысячи герц тот же сдвиг достигает \( \color{Teal}175\) герц и занимает почти шесть ячеек.

Для обнаружителя это означает следующее. Шаблон гребёнки нельзя фиксировать жёстко: приближающийся аппарат смещает все линии вверх, удаляющийся — вниз. Оценка должна перебирать несколько гипотез по радиальной скорости либо допускать расширение гребёнки. В открытом проекте применяется перебор по частоте с шагом в половину ячейки, что частично закрывает задачу.

6. Энергетический бюджет и дальность

Дальность обнаружения оценивается по энергетическому бюджету, как и в радиолинии. Из уровня источника вычитаются потери при распространении, к результату прибавляется выигрыш решётки, и остаток сравнивается с порогом. Разница между остатком и порогом называется запасом.

6.1. Уровень источника

Уровень звукового давления малого мультироторного аппарата на расстоянии один метр составляет от семидесяти пяти до восьмидесяти пяти децибел по шкале А. Это суммарный уровень, в который входят все составляющие. В полосе одной гармоники уровень на десять — двадцать децибел ниже суммарного и составляет примерно семьдесят пять децибел.

Уровень зависит от режима. На висении винт работает на постоянной частоте вращения, и уровень устойчив. На разгоне и на торможении частота вращения меняется, гармоники смещаются, и кратковременный уровень в узкой полосе падает, даже если суммарная громкость растёт.

6.2. Потери при распространении

Потери складываются из геометрического расхождения и поглощения в воздухе. Геометрическое расхождение для точечного источника в свободном поле описывается спадом на шесть децибел при каждом удвоении расстояния. Поглощение зависит от частоты, температуры и влажности и определяется по формуле (4).

\( \color{Teal}L(r) = L_1 - 20\lg\frac{r}{r_1} - \alpha\,(r - r_1)\)

Здесь \( \color{Teal}L_1\) — уровень на расстоянии \( \color{Teal}r_1\), равном одному метру, \( \color{Teal}\alpha\) — коэффициент поглощения в децибелах на метр. При температуре двадцать градусов и относительной влажности семьдесят процентов коэффициент составляет около \( \color{Teal}0{,}001\) децибела на метр на частоте двести пятьдесят герц и около \( \color{Teal}0{,}011\) децибела на метр на частоте две тысячи герц.

Из этих чисел следует важный вывод. Верхняя граница полосы в две тысячи герц не является границей дальности: на этой частоте звук затухает в десять раз быстрее, чем на двухстах пятидесяти герцах. Дальность обеспечивают нижние гармоники, а верхние служат для распознавания и для оценки частоты следования лопастей.

К расчётным потерям добавляются явления, которые не описываются формулой. Земля и растительность создают интерференцию с отражённой волной, и уровень в точке приёма колеблется в пределах шести децибел при изменении высоты на полволны. При нормальном распределении температуры звук уходит вверх, и дальность падает; при приземной инверсии звук прижимается к земле, и дальность возрастает в полтора — два раза.

6.3. Выигрыш решётки

Выигрыш решётки по некоррелированному шуму определяется числом микрофонов и вычисляется по формуле (5).

\( \color{Teal}G = 10\lg N_м\)

Здесь \( \color{Teal}N_м\) — число микрофонов. Для четырёх микрофонов выигрыш составляет \( \color{Teal}6{,}02\) децибела, для шестнадцати — \( \color{Teal}12{,}04\) децибела. Каждое удвоение числа микрофонов добавляет три децибела, что соответствует приросту дальности в \( \color{Teal}1{,}41\) раза.

Отсюда следует вывод о приоритетах при модернизации. Переход от четырёх микрофонов к шестнадцати даёт прирост дальности в полтора раза и требует в четыре раза больше каналов и в четыре раза больше вычислений. Снижение собственного шума микрофона на шесть децибел даёт такой же прирост дальности при неизменной конфигурации решётки.

6.4. Пример расчёта

Расчёт выполняется для типового случая: малый аппарат на висении, частота следования лопастей двести пятьдесят герц, расстояние двести метров, открытая площадка. Уровень источника в полосе гармоники принимается равным семидесяти пяти децибелам на расстоянии один метр, выигрыш решётки — шесть децибел.

Запас почти девять децибел означает, что обнаружение состоится, но с ограниченным резервом. Каждые шесть децибел роста помех сокращают дальность вдвое, поэтому при уровне помех в тридцать два децибела дальность уменьшается со двухсот метров до примерно ста. Расчёт дальности для разных уровней помех приведён в таблице 5.

Значения в таблице получены по формуле (4) без учёта интерференции и рефракции. На практике они служат верхней оценкой: реальная дальность в полевых условиях обычно в полтора — два раза меньше. Проверка выполняется измерением на площадке с контрольным источником.

7. Помехи и ложные обнаружения

Вероятность ложного обнаружения определяется не чувствительностью, а обстановкой на площадке. Акустический канал работает в среде, где одновременно звучат десятки источников, и часть из них имеет гармоническую структуру, неотличимую от винта по одному кадру.

7.1. Природные и техногенные источники

Природные источники дают широкополосный шум и модулированные сигналы. Птицы издают свисты с быстрым изменением частоты, насекомые — узкополосные сигналы с амплитудной модуляцией, ветер — низкочастотный шум с медленно меняющимся спектром. Ни один из этих источников не даёт устойчивой гребёнки из восьми — двенадцати линий с постоянным интервалом.

Техногенные источники опаснее. Электросеть даёт составляющую на сто герц и кратные ей частоты, которые попадают прямо в рабочую полосу. Дизельный генератор даёт набор гармоник с частотой следования, зависящей от числа оборотов и числа цилиндров. Вентилятор системы охлаждения даёт гребёнку, похожую на винтовую.

Различать источники позволяет динамика. Частота следования лопастей аппарата изменяется вслед за режимом полёта: на развороте и на подъёме она смещается на несколько процентов в темпе от одного до пяти герц. Частота сети держится строго на ста герцах, а частота генератора — на значении, заданном регулятором оборотов.

Второй признак связан с направлением. Аппарат перемещается, и направление на источник меняется, тогда как направление на генератор остаётся постоянным. Третий признак связан с длительностью: гребёнка винта существует столько, сколько аппарат находится в зоне, а гребёнка вентилятора — всё время работы оборудования.

7.2. Ветровой шум и вибрация

Ветровой шум возникает при обтекании микрофона потоком и имеет максимум на частотах ниже пятисот герц. Уровень растёт с увеличением скорости потока примерно по пятой степени, поэтому порыв ветра в десять метров в секунду поднимает низкочастотный шум на десятки децибел относительно штиля.

Защита строится из трёх элементов. Первый — ветрозащитный кожух из пористого материала, который снижает уровень турбулентных пульсаций на десять — двадцать децибел. Второй — фильтр верхних частот с частотой среза около ста герц. Третий — правильная установка: микрофон поднимают на высоту двух метров и удаляют от кромок и углов, где поток срывается.

Фильтр верхних частот конфликтует с рабочей полосой. Срез на ста герцах отсекает основную составляющую медленно вращающегося винта, срез на семидесяти герцах пропускает больше ветрового шума. Компромисс выбирается по типу аппарата, который предполагается обнаруживать, и фиксируется в описании конфигурации.

Вибрация корпуса и крепления создаёт отдельную проблему. Микрофон, закреплённый на металлической стойке, принимает колебания конструкции, и в спектре появляются линии от собственных резонансов. Крепление выполняется через упругий элемент, а стойки проверяются простукиванием при выключенном оборудовании.

7.3. Электромагнитные наводки

Передатчик изображения и импульсные стабилизаторы напряжения создают электромагнитное поле рядом с микрофонной решёткой. Цифровые микрофоны устойчивы к наводкам на сигнальные цепи, поскольку передают данные в цифровом виде. Слабое место находится в другом: тактовые линии шины I2S излучают и принимают помеху, а линии питания переносят её в микрофон.

Практические меры известны. Кабель выполняется витой парой с экраном, экран заземляется с одной стороны, на линии питания ставятся ферритовые кольца и конденсаторы. Решётка удаляется от антенны передатчика на расстояние не менее тридцати сантиметров. Проверка выполняется без специального оборудования: передатчик включают на передачу без звука и смотрят, появились ли в спектре линии на частотах, кратных частоте преобразования.

8. Пеленгование и определение дальности

Суммирование четырёх каналов даёт выигрыш по шуму и одновременно уничтожает информацию о направлении. После суммирования фазы каналов теряются, поэтому обнаружитель сообщает только факт присутствия. Для определения направления каналы должны обрабатываться раздельно.

Направление находится по разности времени прихода (РВП) сигнала на разнесённые микрофоны. Для базы \( \color{Teal}d\) максимальная разность определяется по формуле (7).

\( \color{Teal}\tau = \frac{d}{c}\)

При базе десять сантиметров и скорости звука \( \color{Teal}343\) метра в секунду максимальная разность составляет \( \color{Teal}292\) микросекунды. При частоте дискретизации шестьдесят четыре килогерца это соответствует девятнадцати отсчётам, и для точности порядка одного градуса требуется интерполяция с дробным шагом.

С базой связана и верхняя граница частоты. Пространственная неоднозначность начинается на частоте, при которой половина длины волны равна расстоянию между микрофонами. Для базы десять сантиметров эта граница составляет \( \color{Teal}1{,}7\) килогерца, то есть верхняя часть рабочей полосы уже попадает в область неоднозначности.

Дальность одиночным постом не измеряется. Применяются три способа: оценка по уровню с погрешностью до множителя, триангуляция по двум разнесённым постам и совместная обработка с оптическим каналом. Первый способ пригоден для грубой оценки, второй требует синхронизации времени постов, третий даёт наивысшую точность при достаточной видимости.

9. Акустическая заметность аппарата

Параметры винта определяют не только лётные характеристики, но и спектр излучаемого звука. Инженерный разбор заметности полезен при выборе винта и при оценке шумового воздействия на площадку, поскольку те же величины определяют и дальность работы акустического поста.

Первый параметр — частота вращения. Тяга винта растёт примерно как квадрат частоты вращения, поэтому снижение частоты вращения на двадцать процентов уменьшает тягу на тридцать шесть процентов. Уменьшение шума за счёт снижения частоты вращения всегда оплачивается потерей тяги или увеличением диаметра винта.

Второй параметр — число лопастей. При неизменной тяге увеличение числа лопастей позволяет снизить частоту вращения и поднять частоту следования лопастей. Рост частоты усиливает поглощение в воздухе, и дальность обнаружения сокращается, однако тональная энергия вблизи аппарата возрастает.

Третий параметр — форма лопасти. Саблевидная законцовка и неравномерное расположение лопастей размывают гребёнку: энергия перераспределяется в боковые составляющие, и контраст гармоник падает. Суммарная излучаемая энергия при этом меняется слабо, поэтому выигрыш относится к распознаванию, а не к слышимости.

Четвёртый параметр связан с режимом полёта. Планер без работающего винта регулярной составляющей не создаёт, и акустический канал на нём не работает. Этот предел относится к физике метода и не устраняется настройкой.

10. Типичные ошибки при настройке

Ошибки перечислены в порядке частоты. Каждая из них приводит к тому, что обнаружитель собран и включён, но на площадке не работает, а причина остаётся непонятной.

Первая ошибка состоит в использовании только адаптивного порога. Такой обнаружитель уверенно фиксирует пролёт и теряет зависший аппарат, поскольку постоянная составляющая впитывается в оценку шума. Проверка выполняется контрольным источником, который стоит на месте не менее минуты.

Вторая ошибка связана с отсутствием подтверждения. Решение по одному кадру длительностью тридцать две миллисекунды даёт десятки ложных срабатываний в час на любой площадке. Подтверждение в восьми — десяти кадрах снижает их число на порядки.

Третья ошибка заключается в микрофоне без ветрозащиты. Порыв ветра создаёт широкополосный выброс, который перегружает тракт, и в течение секунды обнаружитель не видит ничего. Кожух ставится всегда, даже в безветренную погоду.

Четвёртая ошибка состоит в установке микрофонов на высоте тридцати — сорока сантиметров от земли. Отражение от поверхности создаёт интерференционные провалы, и на некоторых частотах чувствительность падает до нуля. Рабочая высота составляет не менее двух метров.

Пятая ошибка связана с автоматической регулировкой усиления. Регулировка подстраивает уровень под шум площадки и вместе с ним подавляет слабый сигнал. В акустическом тракте усиление фиксируется, а диапазон обеспечивается разрядностью преобразователя.

Шестая ошибка заключается в отсутствии калибровки. Уровень в децибелах относительно полной шкалы не переводится в уровень звукового давления без чувствительности микрофона, и расчёт дальности теряет смысл. Калибровка выполняется акустическим калибратором с уровнем девяносто четыре децибела на частоте один килогерц.

Седьмая ошибка состоит в жёстком шаблоне гребёнки. Приближающийся аппарат смещает линии вверх на несколько ячеек, и жёсткий шаблон перестаёт совпадать. Шаблон должен перебираться по радиальной скорости или расширяться.

Восьмая ошибка связана с ожиданием дальности по верхней границе полосы. Полоса до двух тысяч герц служит для распознавания, а дальность обеспечивают нижние гармоники. Расчёт по верхней частоте завышает дальность в несколько раз.

Девятая ошибка заключается в проверке обнаружителя в помещении. Стены дают реверберацию, источник звука находится в ближнем поле, и результаты не переносятся на площадку. Проверка выполняется на открытом месте с контрольным источником.

11. Краткие выводы

Акустический канал обнаруживает аппарат по регулярной структуре спектра воздушного винта и не зависит от наличия радиоизлучения. Его сильная сторона — пассивность и работа против аппаратов с волоконно-оптическим управлением, слабая сторона — зависимость от ветра и от фонового шума.

Частота следования лопастей определяется числом лопастей и частотой вращения. Рабочая полоса от семидесяти до двух тысяч герц перекрывает практический диапазон малых винтов, но дальность обеспечивают нижние гармоники, где поглощение в воздухе минимально.

Разрешение по частоте при двух тысячах сорока восьми отсчётах составляет тридцать один с половиной герц, и надёжная оценка частоты следования лопастей достигается только по гребёнке из нескольких гармоник. Разрешение по времени определяется подтверждением и составляет двести пятьдесят — триста двадцать миллисекунд.

Дальность обнаружения оценивается по энергетическому бюджету и падает вдвое при росте помех на каждые шесть децибел. Расчётная дальность служит верхней оценкой, поэтому проверка на площадке с контрольным источником обязательна.

Направление определяется только при раздельной обработке каналов, а суммирование каналов даёт выигрыш шесть децибел и лишает пеленга. Выбор между чувствительностью и пеленгом делается по задаче поста.

Устойчивость обнаружителя обеспечивается совместной работой нескольких алгоритмов, включая алгоритм с фиксированным порогом, который удерживает зависший аппарат. Одиночный алгоритм с адаптивным порогом для этой задачи непригоден.

12. Практический блок. Контрольная памятка

Порядок проверки рассчитан на один рабочий день и выполняется до первого вылета на новой площадке. Результаты записываются в журнал полёта вместе с датой, временем, температурой, влажностью и скоростью ветра, поскольку эти величины определяют дальность и повторяемость измерений.

13. Источники

1. Open Source Acoustic Drone Detection. Публикация о проекте VolAnti, описание микрофонной решётки, преобразования Фурье и гребёнчатой оценки. Адрес: страница публикации
2. Проект VolAnti. Исходные файлы обнаружителя с открытым кодом, опубликованные автором проекта. Адрес: репозиторий на платформе GitHub, публикация от сентября 2026 года.
3. Международная организация по стандартизации. Стандарт ISO 9613-1:1993. Акустика. Затухание звука при распространении на открытом воздухе, часть первая, методы расчёта. Адрес: каталог стандартов организации.
4. Международная электротехническая комиссия. Стандарт IEC 61672-1:2013. Электроакустика. Измерители уровня звука, часть первая, технические требования.
5. ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин. Адрес: страница стандарта
6. Международный союз электросвязи. Рекомендация об ослаблении сигнала при распространении в растительности. Адрес: страница рекомендации
7. Исакович, М. А. Общая акустика. Учебное пособие. Издательство «Наука», 1973. Адрес: каталог библиотеки.
8. Справочник по технической акустике под редакцией М. Хекла и Х. А. Мюллера. Издательство «Судостроение», 1980. Адрес: каталог библиотеки.