《無(wú)人機(jī)反制技術(shù)概論》教案授課班級(jí)班級(jí)人數(shù)授課教師授課序號(hào)7授課類型授課課時(shí)4授課章節(jié)名稱3.3軟件定義的無(wú)線電3.4聲波傳感器教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1.了解軟件定義無(wú)線電2.了解軟件定義無(wú)線電工作原理、工作步驟及系統(tǒng)組件了解聲波傳感器工作要點(diǎn)及步驟聲波傳感器的工作方法5.掌握聲波傳感器三角測(cè)量計(jì)算教學(xué)任務(wù)1.軟件定義無(wú)線電2.聲波傳感器工作要點(diǎn)及工作方法3.聲波傳感器三角測(cè)量計(jì)算方法情感目標(biāo)1.培養(yǎng)勤于思考，舉一反三的學(xué)習(xí)習(xí)慣；2.鼓勵(lì)學(xué)生積極參與活動(dòng)，激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣；3.通過(guò)小組討論，培養(yǎng)良好的團(tuán)隊(duì)合作精神。教學(xué)重點(diǎn)1.軟件定義無(wú)線電2.聲波傳感器3.三角測(cè)量計(jì)算教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)方法講授法、討論法、演示法教學(xué)過(guò)程組織教學(xué)二、課前提問(wèn)1.射頻為什么能探測(cè)無(wú)人機(jī)？2.在一定條件下，軟件是不是能替代硬件？3.聲波能探測(cè)無(wú)人機(jī)嗎？三、導(dǎo)入新課四、教學(xué)內(nèi)容：3.3軟件定義無(wú)線電隨著無(wú)線電協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越多以及不斷更新，催生了一種新的無(wú)線電技術(shù)，叫做軟件定義無(wú)線電（SoftwareDefinedRadio，SDR），簡(jiǎn)稱軟件無(wú)線電。無(wú)線電通訊的發(fā)明19世紀(jì)末至20世紀(jì)初多位科學(xué)家共同探索的成果，但是意大利發(fā)明家馬可尼?因其在實(shí)用化無(wú)線電報(bào)系統(tǒng)中的突破性貢獻(xiàn)，被廣泛認(rèn)為是“無(wú)線電通訊之父”。發(fā)展歷程：（1）?理論基礎(chǔ)與先驅(qū)者?麥克斯韋與赫茲的奠基?：英國(guó)物理學(xué)麥克斯韋在1864年提出電磁波理論，預(yù)言電磁波將以光速傳播。（2）1887年，德國(guó)物理學(xué)家赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)電磁波的存在，為無(wú)線電通訊提供了科學(xué)基礎(chǔ)。?早期探索者?：俄國(guó)科學(xué)家波波夫與馬可尼幾乎同時(shí)獨(dú)立進(jìn)行無(wú)線電傳輸實(shí)驗(yàn)，但馬可尼的系統(tǒng)更早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。（3）無(wú)線電通訊指的是不用電線就可傳輸信息的電子傳播工具，由意大利的馬可尼和俄國(guó)的波波夫發(fā)明。同電話一樣，無(wú)線電報(bào)也是經(jīng)歷過(guò)早期無(wú)數(shù)次改進(jìn)而發(fā)明的傳播工具。19世紀(jì)末有三個(gè)人對(duì)無(wú)線電報(bào)技術(shù)的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。英國(guó)劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授詹姆斯·克勤克·麥克斯韋在1864年用數(shù)學(xué)方法證明了電波產(chǎn)生后能在相當(dāng)遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生效應(yīng)(電訊號(hào)并不限于電線傳送)。麥克斯韋還預(yù)言，這種訊號(hào)或電磁是以光速進(jìn)行的。在此后22年的時(shí)間里，無(wú)線通訊還停留在理論上。1888年，德國(guó)物理學(xué)家享利?！ず掌澋脑囼?yàn)證明了麥克斯韋的論斷是正確的。他在一個(gè)拋物面狀金屬鏡中心，裝了兩個(gè)導(dǎo)體，隔一縫隙，構(gòu)成一種所謂火花隙放電器。在大約五英尺以外，再把一個(gè)線圈與另一個(gè)拋物面狀的集電器焦點(diǎn)上的放電器相連，對(duì)準(zhǔn)第一個(gè)金屬鏡。赫茲發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)放電器發(fā)出火花時(shí)，引起了5英尺以外線圈中的另一個(gè)放電器發(fā)出較小的火花。赫茲還證明了無(wú)線電電磁波是沿直線運(yùn)動(dòng)的，可用金屬薄片反射，如同光波可用鏡子反射一樣，因此，無(wú)線電報(bào)毫無(wú)疑問(wèn)是一個(gè)行得通的概念。（4）?馬可尼的突出性貢獻(xiàn)是?短距離實(shí)驗(yàn)與商業(yè)化?：1894年，馬可尼在博洛尼亞大學(xué)成功實(shí)現(xiàn)約2公里的無(wú)線電信號(hào)傳輸；1897年在倫敦成立“馬可尼無(wú)線電報(bào)公司”，推動(dòng)技術(shù)實(shí)用化。1901年12月12日，馬可尼在加拿大紐芬蘭接收到從英國(guó)康沃爾發(fā)送的莫爾斯電碼“S”（三點(diǎn)短碼），首次實(shí)現(xiàn)跨大西洋無(wú)線電通信（約2000公里），徹底改變了全球通信格局。（5）?技術(shù)影響與后續(xù)發(fā)展?海上救援與廣播?：馬可尼系統(tǒng)在泰坦尼克號(hào)事件（1912年）中凸顯了無(wú)線電在的緊急情況下的通信價(jià)值，隨后無(wú)線電廣播技術(shù)迅速發(fā)展。1）馬可尼的發(fā)明剛問(wèn)世就被用于航海領(lǐng)域。1899年，一艘安裝了馬可尼發(fā)報(bào)機(jī)的燈標(biāo)船在英國(guó)沿海被一艘拖船撞翻，它及時(shí)用無(wú)線電發(fā)出求救信號(hào)，救生船在第一時(shí)間聞?dòng)嵹s來(lái)，救起遇難的船員。一部分人從這件事看到了無(wú)線電的巨大潛在價(jià)值。2）1906年在德國(guó)柏林召開(kāi)了第一次國(guó)際無(wú)線電報(bào)大會(huì)，有29個(gè)國(guó)家參加，簽訂了《國(guó)際無(wú)線電公約》，在那次國(guó)際會(huì)議上規(guī)定了海上求救信號(hào)：“SOS”，但是這項(xiàng)決議當(dāng)時(shí)并沒(méi)有得到普遍接受與遵守。）1912年4月14日，超級(jí)郵輪泰坦尼克號(hào)首航大西洋，船上有兩位報(bào)務(wù)員操作無(wú)線電臺(tái)，一位名叫菲利普斯，另一位是菲利普斯的副手布立德。當(dāng)時(shí)有不止一艘輪船向泰坦尼克號(hào)發(fā)出附近有冰山出現(xiàn)的警告。但泰坦尼克的報(bào)務(wù)員忙于為VIP貴客拍發(fā)私人電報(bào)，沒(méi)有理會(huì)這些警報(bào)。這天夜里，泰坦尼克撞上冰山，船體進(jìn)水。隨后布立德就立即用鍵盤敲出了“CQD”的遇險(xiǎn)呼救信號(hào)，這個(gè)是國(guó)際確立“SOS”之前的過(guò)時(shí)呼救信號(hào)。其實(shí)離泰坦尼克不遠(yuǎn)處就有一艘船，只是那時(shí)并不要求船上的電臺(tái)連續(xù)值守，該船的報(bào)務(wù)員已經(jīng)關(guān)機(jī)睡覺(jué)了。在比較遠(yuǎn)的海上，還有一艘“卡帕西亞”號(hào)船，它的報(bào)務(wù)員考特姆也準(zhǔn)備休息了，但是在關(guān)機(jī)前，還是堅(jiān)持再守聽(tīng)一會(huì)兒，正好此刻泰坦尼克的報(bào)務(wù)員菲利普斯開(kāi)始改發(fā)“SOS”呼救，于是“卡帕西亞”號(hào)的考特姆抄收到這樣的電報(bào)：“我們撞冰山了，正在快速下沉，速來(lái)救援?！碧┨鼓峥颂?hào)也正在迅速下沉，報(bào)務(wù)員卻非常盡責(zé)地繼續(xù)不斷呼救。在船即將沉沒(méi)之際，船長(zhǎng)叫兩位報(bào)務(wù)員棄船逃命，可是菲利普斯堅(jiān)守在崗位上，發(fā)報(bào)呼叫，直到最后一刻，最終隨船沉入海底，助理報(bào)務(wù)員布立德僥幸生還。由于他們的努力，“卡帕西亞”號(hào)聞?dòng)嵹s來(lái)了，到達(dá)時(shí)，泰坦尼克已經(jīng)沉沒(méi)，大約700名在海面漂浮的逃生者被“卡帕西亞”號(hào)救起。事后，英國(guó)《泰晤士報(bào)》評(píng)論道：“我們感謝馬可尼發(fā)明的裝置，它使泰坦尼克號(hào)能夠最快地發(fā)出出事的消息和呼救信號(hào)。在這以前，有很多豪華的船只，沒(méi)有發(fā)出遇難的信號(hào)就沉沒(méi)了。”泰坦尼克海難發(fā)生一年以后，在倫敦舉行了海上生命安全國(guó)際會(huì)議，規(guī)定5000噸以上的輪船必須安裝無(wú)線電收發(fā)報(bào)機(jī)，24小時(shí)要有人不間斷值班，并且劃定了專門的頻道。在電臺(tái)室里設(shè)置有專用航海鐘，鐘面上有兩段紅色、兩段藍(lán)色的無(wú)線電靜默時(shí)間，所有的船舶報(bào)務(wù)員在這些時(shí)段要停止一般性的通信業(yè)務(wù)，安靜守聽(tīng)專用的緊急呼叫頻率。2.無(wú)線電通信無(wú)線電通信是一種通過(guò)調(diào)制將需要傳送的聲音、文字、數(shù)據(jù)、圖像等電信號(hào)加載在無(wú)線電波上，這些無(wú)線電波能在空間中傳播，電波引起電磁場(chǎng)變化，會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，穿透各種障礙物，通過(guò)解調(diào)將需要傳送的聲音、文字、數(shù)據(jù)、圖像等電信號(hào)從電流變化中提取出來(lái)，最終到達(dá)接收端。（1）中國(guó)法律對(duì)無(wú)線電的發(fā)射有規(guī)定1）0.5W：公眾無(wú)線電，409.7500-409.9875MHz之間的20個(gè)頻點(diǎn)。只有這個(gè)頻段不需要執(zhí)照。2）0.5-5W：業(yè)余無(wú)線電，UHF段（UltraHighFrequency，簡(jiǎn)稱U段）3）430-440MHz，VHF段（VeryHighFrequency，簡(jiǎn)稱V段）4）144-146MHz。相當(dāng)于電臺(tái)，需要考執(zhí)照。5）U段和V段是國(guó)際都認(rèn)可的業(yè)余無(wú)線電頻段。理論上需要考執(zhí)照，但是正常使用一般沒(méi)事。市面上大部分對(duì)講機(jī)都在這個(gè)范圍，除部分兒童玩具對(duì)講機(jī)外。6）手持的手臺(tái)一般在5-8W，而車隊(duì)用的車臺(tái)可以達(dá)到100W。注意，手臺(tái)雖然是手持，但是也屬于無(wú)線電電臺(tái)。7）以上所指的執(zhí)照——《中華人民共和國(guó)無(wú)線電臺(tái)執(zhí)照》。3.軟件（1）軟件的定義：軟件包括程序、數(shù)據(jù)和文檔。（2）軟件的特點(diǎn)：邏輯實(shí)體，抽象性沒(méi)有明顯制作過(guò)程，不存在磨損和老化軟件，但是對(duì)計(jì)算機(jī)有依賴性，復(fù)雜性高，一次性成本高。4.SDR軟件定義無(wú)線電（SoftwareDefinedRadio，SDR）協(xié)議破解的單站定位技術(shù)，是當(dāng)前階段使用最為方便的探測(cè)技術(shù)。SDR——軟件定義的無(wú)線通信協(xié)議而非通過(guò)硬件連線實(shí)現(xiàn)。SDR技術(shù)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)部分或全部無(wú)線電功能，從而提高了系統(tǒng)的靈活性和可重構(gòu)件。傳統(tǒng)無(wú)線電的所有部分都是硬件，不可重配置，例如常見(jiàn)的FM收音機(jī)，它只有一種功能，就是收聽(tīng)FM電臺(tái)（或兼有AM）。（2）SDR的優(yōu)勢(shì)軟件定義的無(wú)線通信協(xié)議而非通過(guò)硬件連線實(shí)現(xiàn)。軟件無(wú)線電利用現(xiàn)代化軟件來(lái)操縱、控制傳統(tǒng)的“純硬件電路”的無(wú)線通信技術(shù)。軟件無(wú)線電技術(shù)的重要價(jià)值在于：傳統(tǒng)的硬件無(wú)線電通信設(shè)備只是作為無(wú)線通信的基本平臺(tái)，而許多的通信功能則是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，打破了有史以來(lái)設(shè)備的通信功能的實(shí)現(xiàn)僅僅依賴于硬件發(fā)展的格局。節(jié)省資源——軟件定義無(wú)線電與軟件無(wú)線電最重要的一點(diǎn)不同之處在于，前者不要求將全頻帶內(nèi)（2MHz～2000MHz）的空中無(wú)線信號(hào)都收下來(lái)，而是通過(guò)手動(dòng)配置/自動(dòng)查找的方式，一個(gè)頻帶一個(gè)頻帶地找出當(dāng)前空中最適合于通信的頻帶和制式。應(yīng)用廣泛——軟件無(wú)線電這一新概念一經(jīng)提出，就得到了全世界無(wú)線電領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。由于軟件無(wú)線電所具有的靈活性、開(kāi)放性等特點(diǎn)，使得軟件無(wú)線電不僅在軍民無(wú)線通信中獲得了應(yīng)用，而且將在其它領(lǐng)域比如電子戰(zhàn)、雷達(dá)、信息化家電等領(lǐng)域得到推廣，這將極大促進(jìn)軟件無(wú)線電技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)（集成電路）的迅速發(fā)展。5.軟件定義無(wú)線電的系統(tǒng)組件（1）天線（2）濾波器（3）低噪聲放大器（4）功率放大器（5）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（6）數(shù)模轉(zhuǎn)換器（7）數(shù)字信號(hào)處理器6.監(jiān)測(cè)設(shè)備及管控平臺(tái)——能探測(cè)到無(wú)人機(jī)7.軟件定義無(wú)線電的工作步驟8.軟件定義無(wú)線電的特點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)1）靈活性2）可升級(jí)3）多功能性（2）缺點(diǎn)1）計(jì)算資源需求高。2）功耗比較高。3）初其成本比較高。3.4聲波傳感器1.聲波——聲波是機(jī)械波的一種，由物體的振動(dòng)產(chǎn)生，并通過(guò)介質(zhì)傳播。聲波的頻率范圍:在20Hz（赫茲）~20000Hz（赫茲）之間。2）低頻聲波（20Hz以下）、中頻聲波（20Hz~20kHz）和高頻聲波（20kHz以上）。3）低于20Hz（赫茲）的為次聲波，高于20000Hz（赫茲）的為超聲波。在第一次世界大戰(zhàn)與第二次世界大戰(zhàn)早期，被利用來(lái)偵測(cè)戰(zhàn)機(jī)引擎噪音以達(dá)到早期預(yù)警的目的，2.聲波傳感器的工作原理聲波檢測(cè)通過(guò)識(shí)別和分析無(wú)人機(jī)發(fā)出的獨(dú)特聲波來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。1）無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)的電機(jī)和螺旋槳會(huì)產(chǎn)生特有的噪音，其噪音是可以通過(guò)聲波傳感器捕捉到2）在雷達(dá)發(fā)明前，世界各國(guó)都會(huì)采用聲波采集器，進(jìn)行防空預(yù)警；1臺(tái)體積巨大的聲波采集器，有2位士兵正站在早期聲波采集器的旁邊，把聽(tīng)筒放到了自已的耳邊，時(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)來(lái)自空中的聲音——敵方飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的巨大的噪聲，來(lái)預(yù)判敵機(jī)動(dòng)向。3.聲波傳感器工作要點(diǎn)聲波采集：使用麥克風(fēng)陣列或其他聲學(xué)傳感器來(lái)捕捉環(huán)境中的聲音，聲波傳感器通常分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，確保覆蓋足夠的范圍。4.聲波傳感器工作步驟1）聲波傳播。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生噪聲：無(wú)人機(jī)的電動(dòng)機(jī)、螺旋槳和氣流發(fā)出的噪聲將在空氣中傳播，聲波主要集中在中、低頻域。2）捕捉信號(hào)。聲波傳感器相當(dāng)于強(qiáng)大的麥克風(fēng)，而麥克風(fēng)陣列就是用于捕捉聲波的信號(hào)。其主要類型有：線性排列、矩形排列或環(huán)形排列。3）信號(hào)放大與濾波。捕捉到的聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和濾波，去除噪聲和干擾，保留有用的聲波信息。4）模數(shù)轉(zhuǎn)換。放大和濾波后的模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，方便后續(xù)處理。信號(hào)處理與分析。通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)捕捉到的聲波信號(hào)進(jìn)行頻譜、時(shí)域分析、噪聲抑制和特征提取等處理。目標(biāo)檢測(cè)與定位。利用信號(hào)處理結(jié)果，通過(guò)三角測(cè)量、波束形成等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行的檢測(cè)與定位。聲波傳感器工作方法1.聲波傳感器布置（1）單個(gè)麥克風(fēng)單個(gè)麥克風(fēng)用于捕捉聲波信號(hào)，但定位精度較低，只適用于簡(jiǎn)單檢測(cè)任務(wù)。（2）麥克風(fēng)陣列部署多個(gè)麥克風(fēng)組成陣列，捕捉無(wú)人機(jī)在空間中產(chǎn)生的聲波信號(hào)。2.聲波信號(hào)采集（1）實(shí)時(shí)采集采用麥克風(fēng)陣列，實(shí)時(shí)捕捉無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的聲波信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析.（2）數(shù)據(jù)記錄將采集到的聲波信號(hào)記錄下來(lái)，便于后續(xù)的離線分析和研究.3.信號(hào)處理技術(shù)（1）頻譜分析。快速傅里葉變換（FFT）算法，在無(wú)人機(jī)頻譜無(wú)線電偵測(cè)設(shè)備中發(fā)揮著重要作用,它能夠?qū)r(shí)間域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的頻譜分析;通過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)，進(jìn)行FFT變換，設(shè)備可以獲得信號(hào)的頻譜分布圖，分析聲波的頻譜特性，進(jìn)而識(shí)別和分析無(wú)人機(jī)通信和控制信號(hào)的頻譜特征及頻率。（2）噪聲抑制。利用濾波器頻率和自適應(yīng)算法抑制背景噪聲，提高信號(hào)的信噪比。（3）特征提取。提取聲波信號(hào)的特征參數(shù)：幅度、頻率、相位等，用于無(wú)人機(jī)的檢測(cè)和分類。4.目標(biāo)檢測(cè)與定位（1）三角測(cè)量利用麥克風(fēng)陣列中不同麥克風(fēng)，接收到聲波的時(shí)間差，通過(guò)三角測(cè)量方法，計(jì)算無(wú)人機(jī)的位置（2）波束形成通過(guò)調(diào)整麥克風(fēng)陣列的接收方向，增強(qiáng)特定方向的聲波信號(hào)，提高檢測(cè)精度5.實(shí)時(shí)監(jiān)控與報(bào)警（1）實(shí)時(shí)處理對(duì)實(shí)時(shí)捕捉的聲波信號(hào)，進(jìn)行處理和分析，監(jiān)控?zé)o人機(jī)的活動(dòng)；2024年土耳其研發(fā)出了被動(dòng)探測(cè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，使用三腳架支撐設(shè)備，按一定陣列，把18個(gè)聲波傳感器布置在多個(gè)工作臂上；其定位就是能夠“聽(tīng)音辨器”——是根據(jù)無(wú)人機(jī)槳葉旋轉(zhuǎn)發(fā)出的聲音或無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)出的聲音，對(duì)一定范圍內(nèi)的微型和小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行探測(cè)、分類、跟蹤；在天氣良好的條件下，探測(cè)到無(wú)人機(jī)，到完成無(wú)人機(jī)分類僅僅只需要1秒，最多可以同時(shí)探測(cè)10個(gè)目標(biāo)。（2）報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)到無(wú)人機(jī)后，觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。6.三角測(cè)量（1）原理三角測(cè)量方法（Triangulation）是利用多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行位置測(cè)定技術(shù);基于聲波在不同傳感器間傳播的時(shí)間差，來(lái)確定目標(biāo)的位置和軌跡。（2）步驟（1）傳感器布置在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，布置多個(gè)聲波傳感器（麥克風(fēng)），通常至少需要3個(gè)聲波傳感器來(lái)進(jìn)行有效的三角測(cè)量；聲波傳感器之間的距離和位置，需要事先精確測(cè)量和記錄。（2）聲音采集當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)，無(wú)人機(jī)的電動(dòng)機(jī)和螺旋槳會(huì)產(chǎn)生特有的噪音，其聲音被不同位置的聲波傳感器同時(shí)采集。（3）時(shí)間差測(cè)量由于聲波傳播速度恒定，各傳聲波感器捕捉到聲波的時(shí)間存在微小差異，其時(shí)間差可以通過(guò)高速數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備精確測(cè)量。（4）計(jì)算位置1）時(shí)差計(jì)算通過(guò)比較聲波到達(dá)不同聲波傳感器的時(shí)間差，可以計(jì)算出聲源到各個(gè)聲波傳感器的相對(duì)距離差。（5）計(jì)算計(jì)算，設(shè)有3個(gè)聲波傳感器A、B和C，它們的坐標(biāo)位置分別為（XA，YA），（XB，YB）和（XC，YC），無(wú)人機(jī)的未知位置為（