Three-dimensional localization and tracking of drones using fiber-optic distributed acoustic sensing

无人机 声学 跟踪(教育) 计算机科学 信号(编程语言) 方位角 角度分辨率(图形绘制) 弹道 灵敏度(控制系统) 干扰(通信) 工程类 雷达 功率(物理) 电子工程 反射计 信号处理 联轴节(管道) 到达方向 相(物质) 分布式声传感 传感器融合 声源定位 实时计算 跟踪系统
作者
Zichen Li,Jun He,Guanfeng Chen,Baijie Xu,Yihang Wang,Zhiwei Lin,Xizhen Xu,Yiping Wang
标识
DOI:10.1117/12.3088172
摘要

Distributed acoustic sensing (DAS) based on phase-sensitive optical time-domain reflectometry (𝜑-OTDR) is valuable in environments with strong electromagnetic interference and long-distance signal transmission. This work presents a method for three-dimensional drone positioning and real-time trajectory tracking by combining DAS multi-point sensing with acoustic signal features. To enhance the acousto-optic coupling and improve sensitivity to weak drone signals, we design a helical fiber array by winding fibers around a hollow cylinder at a controlled elevation. An improved Steered Response Power with Phase Transform (SRP-PHAT) algorithm with adaptive bandpass filtering was employed to estimate the time difference of arrival (TDOA) across channels. Multi-channel data is further integrated to build a high-precision angular delay model, mapping sound source direction to delay space for accurate three-dimensional localization. An angular error of less than 2° is achieved, which demonstrates high azimuth accuracy. Optimization of the winding configuration enhances the system resolution from meter to centimeter scale, thereby overcoming the resolution limitations of traditional systems. This approach shows the potential in military reconnaissance, border surveillance, and airspace monitoring applications.
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