Алгоритм оброблення аудіосигналів із використанням методу машинного навчання

Small unmanned aerial vehicles (UAVs) rapidly develop and are implemented in various industries to make people’s lives easier. However, there are potential risks in their use, such as unauthorized surveillance of critical infrastructure objects and the delivery of explosive devices, which poses a significant threat to public and national security. The acoustic method promises direction for solving this issue by analyzing the sound characteristics and Doppler shift signatures of UAVs, using microphone arrays and machine learning techniques. The aim of this article is to develop an algorithm for effective detection and classification of drone audio signals using a deep learning convolutional neural network (CNN), constructing its architecture, and evaluating its performance. Before submitting the drone audio dataset into the neural network, the quality of the audio recordings is improved through normalization, Wiener filtering, and segmentation. The audio is segmented into frames with a duration of 25 ms and a 50% overlap, applying Hamming windowing for better accuracy in the time domain, as temporal precision is crucial in audio signal processing. The obtained data is divided into three sets in a 60/20/20 ratio: for training, validation, and testing purposes. Next, the data is represented by a simplified set of features, extracting mel-spectrograms from each frame of the processed audio signals to capture their temporal and spectral characteristics. The frequency range of analysis corresponds to the working frequency limits of the microphone model (20 Hz - 20 kHz), with a frequency resolution of 50 Hz and 30 working mel frequency bands. Using the training data and the extracted audio features, a neural network architecture is developed to investigate the performance of the drone detection and classification algorithm. It consists of 10 pairs of convolutional layers, ReLU activation, batch normalization, and max-pooling layers. The number of these layers is determined by the size of the pooling window along the time dimension. This follows by flattening, dropout, fully connected, and Softmax layers. A classification layer is applied to normalize the output data and obtain final probabilities. The Adam optimizer is chosen for model training. Based on the dataset set, the initial learning rate is set to 0.001, gradually decreasing by a factor of 10 after 75% of the epochs to enhance convergence. The accuracy of the input data recognition reaches 99%, and the F1 score of the trained model is 0.93, indicating a high level of overall architecture performance. The maximum distance of effective detection of drones by the algorithm is 200 m.Малi безпiлотнi лiтальнi апарати або дрони швидко розвиваються та впроваджуються. Але це також збiльшує i загрозу громадськiй та нацiональнiй безпецi через ризики їхнього неправомiрного використання. Перспективним напрямком для вирiшення цiєї проблеми є акустичний метод, що включає в себе аналiз звукових характеристик i доплерiвського зсуву сигнатур безпiлотникiв, використання масивiв мiкрофонiв та методи машинного навчання. Задачею цієї статті є розроблення алгоритму для ефективного виявлення та класифікації аудіосигналів малих безпілотних літальних апаратів із використанням згорткової нейронної мережі глибокого навчання, побудова архітектури та оцінка ефективності її роботи. Перед подачею набору аудіозаписів дронів на вхід мережі, підвищили їхню якість застосувавши нормалізацію, Вінеровську фільтрацію, сегментацію — поділили аудіо на кадри тривалістю 25 мс з перекриттям 50% та віконне керування за допомогою вікна Хеммінга, оскільки у завданні оброблення аудіосигналів важливіша точність у часовій області. Отримані дані розділили у співвідношенні 60/20/20 на три набори: для навчання, валідації та тестування. Далі представили дані спрощеним набором ознак, визначивши з кожного кадру оброблених аудіосигналів мел-спектрограми, для фіксації часових та спектральних характеристик. Діапазон частот аналізу становить межі робочих частот моделі мікрофону (20 Гц — 20 кГц), частотна розділова здатність 50 Гц, а кількість робочих мел-смуг дорівнює 30. Використовуючи навчальні дані та отримані ознаки аудіосигналів, розробили архітектуру нейронної мережі для досліджень роботи алгоритму виявлення дронів. Вона складається із 10 пар шарів згортки, ReLU, пакетної нормалізації та максимального пулингу. Їхня кількість визначається розміром вікна об'єднання в часі. Наступними є шари згладжування, відсікання, повнозв'язний та Softmax. Для нормалізації вихідних даних і отримання фінальних ймовірностей застосовується шар класифікації. У якості оптимізатора для навчання моделі обрано Adam, початкова швидкість навчання дорівнює 0.001, а після проходження 75% епох поступово зменшується у 10 разів, для покращення збіжності. Точність розпізнавання даних складає 99%, оцінка F1 — 0.93, що вказує на високий рівень загальної продуктивності архітектури. Максимальна відстань ефективного виявлення дронів алгоритмом складає 200 м

Огляд методів виявлення та локалізації малих безпілотних літальних апаратів

Unmanned aerial vehicles (UAV) or drones are widely used in many areas, but at the same time, the number of offenses with their use began to overgrow. Therefore, the problem of detecting drones is relevant. The study presented in the article aims to compare and critically analyze the main methods and means of detecting small unmanned aerial vehicles. The paper explored the potential of the following drone detection methods: optical, radar, and acoustic methods. The optical method has been found to involve high-resolution cameras during daylight hours but is too dependent on natural environmental factors such as rain or fog. In the dark, infrared optical devices are usually used to detect drones. The main disadvantages of this approach are the low maximum range of target detection and absorption of infrared radiation by the atmosphere, except for ''windows'' with the wavelengths limits of 3-4 and 8-12 mm. As a result of the above calculations, the range of target determination by the optical method is about 230 meters, and with the use of an IR receiver, 73 meters. The radar methods are divided into active and passive. Radar systems can operate at any time of the day and allow detecting low-flying aircraft at distances of up to several kilometers (9.3 km). By analyzing the spectrum of the RF signal, we can get the most detailed information about the target. The main disadvantage of radar methods is that all radars do not work in the near-field zone. It has been determined that acoustic sensors allow efficient detection of small unmanned aerial vehicles, despite the topography of the environment, but the results depend on the available acoustic background noise and interference. The effective target detection range is about 75 meters. The article compares the calculation results, based on experimental data, of the detection range of the small unmanned aerial vehicle «DJI Mini 2 Fly More Combo». In conclusion, the study specifies that the most effective approach is a combination of known methods for detecting UAVs, and recommendations are given regarding the construction of such systems. Беспилотные летальные аппараты (БПЛА) или дроны широко используются во многих сферах, но в то же время начало стремительно расти количество правонарушений с их использованием. Поэтому задача обнаружения дронов актуальна. Целью исследования, приведенного в статье, является сравнение и критический анализ основных методов и средств обнаружения малых беспилотных летальных аппаратов (МЛА). В работе были исследованы потенциальные возможности следующих методов обнаружения дронов: оптический метод, радиолокационный и акустический методы. Установлено, что оптический метод предполагает использование камер с высокой разрешающей способностью в светлое время дня, но он слишком зависим от природных факторов окружающей среды, например дождя или тумана. В темное время суток для детектирования дронов обычно используют инфракрасные оптические устройства. Основными недостатками такого подхода являются невысокая максимальная дальность обнаружения цели и поглощения атмосферой инфракрасного излучения, кроме «окон» с пределами длин волн 3–4 и 8–12 мм. В результате приведенных расчетов установлено, что дальность определения цели оптическим методом составляет около 230 метров, а с использованием ИК приемника 73 метра. Указано, что радиолокационные методы делятся на активные и пассивные. Радиолокационные системы (РЛС) могут работать в любую пору суток и позволяют обнаруживать МЛА на расстояниях до нескольких километров (9,3 км). В результате анализа спектра радиочастотного сигнала можно получить наиболее подробную информацию о цели. Основным недостатком радиолокационных методов является то, что все РЛС не работают в ближней зоне. Установлено, что акустические сенсоры позволяют эффективно обнаруживать малые беспилотные летательные аппараты, несмотря на рельеф окружающей среды, но результаты зависят от имеющихся акустических фоновых шумов и помех. Эффективная дальность обнаружения цели составляет около 75 метров. В статье приведены сравнения результатов расчета, на основе экспериментальных данных, дальности обнаружения малого беспилотного летательного аппарата «DJI Mini 2 Fly More Combo». В выводах исследования указано, что наиболее эффективным подходом является комбинация известных методов выявления БПЛА и наданы рекомендации, касающиеся построения таких систем. Безпілотні летальні апарати (БПЛА) або дрони широко використовуються в багатьох сферах, але в той же час почала стрімко зростати i кількість правопорушень з їх використанням. Тому задача виявлення дронів є актуальною. Метою дослідження, наведеного в статті, є порівняння та критичний аналіз основних методів та засобів виявлення малих безпілотних летальних апаратів. В роботі було досліджено потенційні можливості наступних методів виявлення дронів: оптичний метод, радіолокаційний та акустичний методи. Встановлено, що оптичний метод передбачає використання камер високої розділової здатності у світлий час доби, але він занадто залежний від природних факторів навколишнього середовища, наприклад, дощу або туману. У темний час доби для детектування дронiв зазвичай використовують інфрачервоні оптичні пристрої. Основними недоліками такого підходу є невисока максимальна дальність виявлення цілі та поглинання атмосферою IЧ випромінювання, окрім «вікон» з межами довжин хвиль 3–4 та 8–12 мм. В результаті наведених розрахунків встановлено, що дальність визначення цілі оптичним методом складає близько 230 метрів, а з використанням ІЧ приймача 73 метри. Зазначено, що радіолокаційні методи поділяються на активні та пасивні. Радіолокаційні системи можуть працювати у будь-яку частину доби та дозволяють виявляти малі безпілотні літальні апарати (МЛА) на відстанях до кількох кілометрів (9,3 км). В результаті аналізу спектру радіочастотного сигналу можна отримати найбільш детальну інформацію про ціль. Основним недоліком радіолокаційних методів є те, що всі РЛС не працюють у ближній зоні. Встановлено, що акустичні сенсори дозволяють ефективно виявляти малі безпілотні летальні апарати незважаючи на рельєф оточуючого середовища, але результати залежать від наявних акустичних фонових шумів та завад. Ефективна дальність виявлення цілі складає біля 75 метрів. У статті наведено порівняння результатів розрахунку, на основі експериментальних даних, дальності виявлення малого безпілотного літального апарату «DJI Mini 2 Fly More Combo». У висновках дослідження зазначено, що найбільш ефективним підходом є комбінація відомих методів виявлення БПЛА та наведено рекомендації, щодо побудови таких систем

Исследование излучательной способности минералов для построения микроволновых генераторов медицинского назначения

При виконанні фізіотерапевтичних процедур, перевага надається простій і надійній медичній апаратурі. В повній мірі це відноситься і до апаратури для мікрохвильової терапії в діапазоні частот 37 – 78 ГГц. В той же час апаратура мм діапазону відрізняється складністю побудови, високою вартістю та недостатньою надійністю. До більш простих і надійних приладів медичного призначення слід віднести теплові генератори мм-діапазону. Одним з основних недоліків подібних медичних генераторів є мала вихідна потужність. Авторами проведено експериментальні дослідження матеріалів природного походження (мінералів) для використання в якості робочого тіла теплового генератора, які б забезпечували збільшення вихідної потужності цих медичних приладів. Результатами цих досліджень є виявлення матеріалів в яких випромінювальна здатність в 4 рази більша від зазвичай використовуваного – фероапоксидуAt implementation of physical therapy procedures, advantage gets a simple and reliable medical apparatus. In a complete measure it belongs and to the apparatus for microwave therapy in the range of frequencies 37 – 78 GGc. At the same time the apparatus SHF of range differs complication of construction, high cost and insufficient reliability. To more simple and reliable devices of the medical setting it follows to take the thermal generators of SHF-range. One of basic lacks of similar medical generators there is small initial power. Authors are conduct experimental researches of materials of natural origin (minerals) for the working body of thermal generator, what would provide the increase of initial power these medical devices. The results of these researches is an exposure of materials in which a radiate ability in 4 times is greater from usually in-use – feroapoksiduПри выполнении физиотерапевтических процедур, преимущество предоставляется простой и надежной медицинской аппаратуре. В полной мере это относится и к аппаратуре для микроволновой терапии в диапазоне частот 37 – 78 ГГц. В то же время аппаратура мм-диапазона отличается сложностью построения, высокой стоимостью и недостаточной надежностью. К более простым и надежным приборам медицинского назначения следует отнести тепловые генераторы ммдиапазона. Одним из основных недостатков подобных медицинских генераторов есть малая исходная мощность. Авторами проведены экспериментальные исследования материалов естественного происхождения (минералов) для использования в качестве рабочего тела теплового генератора, способных обеспечивать увеличение выходной мощности этих медицинских приборов. Результатами исследований является выявление материалов в которых излучательная способность в 4 раза большая от обычно используемого – фероапоксид

Інженерна методика визначення параметрів схеми заміщення п`єзоперетворювача

This article presents the simplify method of equivalent scheme piezoelectric transducer parameters finding and analyze accuracy of this methodПриведена упрощенная методика получения параметров эквивалентной схемы замещения пьезопреобразователя и анализ погрешности приведенной методикиНаведена спрощена методика отримання параметрів еквівалентної схеми заміщення п’єзоперетворювача та аналіз похибки наведеної методик

Реализация быстрого дискретного преобразования Фурье на 8-разрядных микроконтроллерах

Розглянуті особливості реалізації швидкого дискретного перетворення Фур’є на 8-розрядних мікроконтролерах.In present article considers peculiarity of realization Fast Fourier Transform by 8-bit microcontrollers.Рассмотрены особенности реализации быстрого дискретного преобразования Фурье на 8-разрядных микроконтролерах

Вибір критерію підтримки резонансного режиму роботи п’єзоперетворювача

Analyzed the possible schemes for constructing ultrasonic generators with feedback, justified the choice of maintaining the resonant mode ultrasonic transducer.Проведен анализ возможных схем построения ультразвуковых генераторов с обратной связью, обоснован выбор критерия поддержания резонансного режима работы ультразвукового преобразователяПроведено аналіз можливих схем побудови ультразвукових генераторів із зворотним зв’язком, обґрунтовано вибір критерію підтримки резонансного режиму роботи ультразвукового перетворювач

Реалізація швидкого дискретного перетворення Фур’є на 8-розрядних мікроконтролерах

In present article considers peculiarity of realization Fast Fourier Transform by 8-bit microcontrollers.Рассмотрены особенности реализации быстрого дискретного преобразования Фурье на 8-разрядных микроконтролерах.Розглянуті особливості реалізації швидкого дискретного перетворення Фур’є на 8-розрядних мікроконтролерах

Оцінка рівня кавітації методами імпедансної томографії

In article is offered the technique of an estimation of presence and development degree cavitations to a liquid in pipes methods of an impedance tomography. For technique realization are used methods of reconstruction of an image with use of a method of final elements and a method of "zones" of conductivity on electric model of the phantom (tomography slice) in the form of squares of resistance with two diagonals and the "zones" consisting of these squares. Presence of the integrated zones provides radical reduction of usages of systems in systems of the equations of iterative procedure of Newton-Rafsona (at number increase reconstruction phantoms). Resolution of a method of reconstruction remains same, as well as for classic a method of final elements. The problem of conditionality of a matrix derivative of transfer resistance on surface conductivity of the phantom is thus eliminated. The choice of the form of "zones" of conductivity defines accuracy of reconstruction at a various arrangement of heterogeneity in the phantom.В статье предлагается методика оценки наличия и степени развития кавитации жидкости в трубах методами импеданс ной томографии. Для реализации методики используются методы реконструкции образа с использованием метода конечных элементов и метода «зон» проводимости по электрической модели фантома (томографического сечения) в виде квадратов сопротивлений с двумя диагоналями и «зон», состоящих из этих квадратов. Наличие укрупнённых зон обеспечивает радикальное уменьшение порядков систем в системах уравнений итерационной процедуры Ньютона-Рафсона (при увеличении числа реконструированных фантомов). Разрешающая способность метода реконструкции остаётся такой же, как и для классического метода конечных элементов. При этом устраняется проблема обусловленности матрицы производных от передаточных сопротивлений по поверхностной проводимости фантома. Выбор формы «зон» проводимости определяет точность реконструкции при различном расположении неоднородности внутри фантома.В статті запропоновано методику оцінки наявності і степені розвитку кавітації рідини в трубах методами імпедансної томографії. Для реалізації методики використовуються методи реконструкції образу з використанням методу кінцевих елементів та методу «зон» провідності по електричній моделі фантома (томографічного розтину) у вигляді квадратів опорів з двома діагоналями та «зон», які складаються з цих квадратів. Наявність укрупнених «зон» забезпечує радикальне зменшення порядків систем в системах рівнянь ітераційної процедури Ньютона-Рафсона (при збільшенні кількості реконструйованих фантомів). Геометрична роздільна здатність методу реконструкції залишається такою самою, як і для класичного методу кінцевих елементів. При цьому не виникає проблема зумовленості матриці похідних від передаточних опорів по поверхневим провідностям фантома. Вибір форми «зон» провідності визначає точність реконструкції при різному розташуванні неоднорідності усередині фантома

Схема заміщення геофона для задач моделювання в SPICE пакетах

Introduction. In modern electronic equipment the inductive seismic receivers (geophones) are the most widespread as sensors for registration of seismic signals. In developing seismic receiving devices, the most significant attention is paid to input amplifiers, which are directly connected to the geophones. Depending on the type of seismic research it is necessary to allocate specific ranges of input frequencies. For filtration and frequency response form correction to geophone is adding additional circuits. Therefore, the work of the geophone should be considered in conjunction with the input cascades of the seismic waves receiver. The main part. The main parameters from the documentation of geophones are analyzed and parameters for the assess of created model adequacy are selected. The analysis was carried out on an example of the model GS-ONE produced by Geospace (USA). The structure of the geophone and the principle of electromechanical analogies for equivalent circuit creating are considered. The equivalent circuit, taking into account parasitic parameters, and the measuring and calculating methods ofthe schemeelements are given. The influence on the work of the geophone of the shunt resistance connected to the output geophone terminals is considered.The calculation of the circuit elements according to the following method is carried out on the example of the GS-ONE geophone, the amplitude and phase frequency responses as the results of simulation in the package of NI Multisim are introduced. The simulation results are assessed according to their similarity with geophone parameters from documentation. Conclusions. The accuracy of the given model is increased compared to known models due to the consideration of the presence of the output geophone branch in the form of inductance coil and its parasitic parameters. This method can be used for equivalent circuit parameters calculation and for modeling in electronic simulation packages. The model does not take into account absolutely all processes in geophone, which leads to deviation in the amplitude values of amplitude frequency response to 8% and the deviation of phase frequency response to 2 degrees. However, further additions to the model will complicate its use in engineering practice and from this point of view it is not expedient.Одним из направлений современной техники является апаратура регистрации сейсмических сигналов. В качестве датчиков таких сигналов используют индуктивные сейсмоприемники – геофоны. При разработке аппаратуры приема сейсмических сигналов наибольшее внимание уделяется входным усилителям. Работа геофона рассматривается в комплексе с входными каскадами приемника сейсмических волн. Была предложена схема замещения геофона для учета влияния паразитных параметров для получения возможности моделирования в SPICE пакетах. Приведенная схема дает возможность ускорить разработку системы регистрации. Проведена проверка адекватности полученной схемы путем проверки сходимости экспериментальных данных и данных, приведенных в документации на геофон.Вступ. У сучасній техніці при реєстрації сейсмічних сигналів у якості давача найбільше поширення отримали індуктивні сейсмоприймачі (геофони). При розробці апаратури прийому сейсмічних сигналів найбільшу увагу приділяють вхідним підсилювачам, до яких безпосередньо підключається геофон. Так як, в залежності від типу сейсмічного дослідження необхідно виділяти певні діапазони вхідних частот до геофонів додаються ланки фільтрації і корекції форми АЧХ та ФЧХ геофону. Тому робота геофону повинна розглядатися в комплексі з вхідними каскадами приймача сейсмічних хвиль. Основна частина. Було проаналізовано основні параметри геофонів, що наводяться у документації на виріб, виділенні основні параметри, за якими буде оцінюватися адекватність створеної моделі. Аналіз проводився на прикладі моделі GS-ONE виробництва компанії Geospace (USA). Розглянуто будовугеофона та принцип електромеханічних аналогій для створення схеми заміщення. Приведена схема заміщення з урахуванням паразитних параметрів та методика вимірювання і розрахунку елементів схеми. Розглянуто вплив шунтуючого опору, підключеного до вихідних клем геофона, на роботу геофона. Проведено розрахунок елементів схеми по наведеній методиці на прикладі геофона GS-ONE, представлено графіки АЧХ та ФЧХ, отриманні в результаті моделювання у пакеті NI Multisim. Оцінено результати моделювання за їх відповідністю до аналогічних, наведених у документації на геофон. Висновки. У даній моделі підвищена точність у порівнянні з відомими моделями[1,2] завдяки врахуванню наявності вихідної ланки геофона увигляді котушки індуктивності та її паразитних параметрів. Розроблена методика може застосовуватися для розрахунку параметрів схеми заміщення геофона та використання в пакетах моделювання електронних схем. Модель не враховує абсолютно усіх процесів, що проходять у геофоні, що призводить до відхилення в показниках амплітуди у АЧХ перетворювача до 8% а відхилення ФЧХ до 2х градусів. Проте подальше доповнення моделі ускладнить її використання в інженерній практиці і з цієї точки зору не є доцільним