Акустическое обнаружение беспилотного воздушного судна опирается на звук воздушного винта. В этом звуке есть строго регулярная составляющая, и по ней аппарат обнаруживают без всякого радиоизлучения с его стороны. Такой канал сохраняет работоспособность против машин с волоконно-оптическим управлением и против аппаратов, летящих по заранее заданному полётному заданию без связи с землёй.

Открытый проект VolAnti, опубликованный в сентябре 2026 года, показывает, как эта задача решается на четырёх микрофонах и одном недорогом вычислителе. Ниже разобраны физика шума винта, устройство обнаружителя, расчёт дальности и порядок проверки перед вылетом.

Акустический пост относится к пассивным средствам наблюдения. Приёмник только принимает звук и ничего не излучает, поэтому его работа не демаскирует позицию. Радиолокатор измеряет дальность напрямую, акустический пост измеряет направление, а дальность оценивает по уровню сигнала.

Радиомониторинг видит канал управления и канал изображения. Эти каналы исчезают, когда управление переводится на волоконно-оптический кабель или когда аппарат летит автономно. В обоих случаях источником сигнала остаётся сам винт, поэтому акустический канал дополняет радиоконтроль в той части обстановки, где радиоизлучения нет.

Пределы метода связаны с физикой. Планер без работающего винта регулярной составляющей не создаёт. Сильный ветер поднимает уровень помех в той же полосе, где лежит полезный сигнал. Дальность для малого аппарата составляет от нескольких десятков до нескольких сотен метров.

Каждая лопасть периодически проходит мимо точки наблюдения и создаёт возмущение давления. Поэтому спектр содержит последовательность кратных частот: основную частоту следования лопастей и её гармоники. Расстояние между соседними составляющими одинаково и равно частоте следования лопастей.

Частота следования лопастей вычисляется по карточке формулы (1).

Двухлопастный винт при пяти тысячах оборотов в минуту даёт 167 герц, трёхлопастный при той же частоте вращения — 250 герц. Верхняя граница рабочей полосы в две тысячи герц соответствует двухлопастному винту с частотой вращения шестьдесят тысяч оборотов в минуту, поэтому запас по полосе велик.

Постоянство интервала отличает винт от большинства помех. Одиночную линию создаёт любая машина с вращающимся узлом, а последовательность из восьми — двенадцати линий с равным интервалом встречается значительно реже. По этой причине гребёнчатая оценка снижает вероятность ложного обнаружения.

Широкополосная часть шума образует пьедестал, на котором видны линии, и именно она ограничивает дальность. С расстоянием высокие гармоники поглощаются быстрее низких, поэтому на предельной дальности остаются одна — две нижние составляющие.

Решётка состоит из четырёх микроэлектромеханических микрофонов с цифровым выходом по шине I2S. Цифровой выход исключает наводки на аналоговый тракт рядом с передатчиком изображения. Каналы суммируются до преобразования Фурье.

Суммирование даёт выигрыш по некоррелированному шуму. Полезный сигнал складывается синфазно и возрастает на двенадцать децибел, собственный шум микрофонов складывается по мощности и возрастает на шесть децибел. Разность составляет шесть децибел выигрыша по отношению сигнала к шуму.

Преобразование выполняется по 2 048 отсчётов каждые 32 миллисекунды. При непрерывном потоке это соответствует частоте дискретизации 64 килогерца и разрешению 31,25 герца. Решение принимается по гребёнчатой оценке, которая вычисляется по карточке формулы (2).

Проект использует четыре алгоритма одновременно. Первый работает с адаптивным порогом и уверенно обнаруживает пролетающий аппарат. Второй работает с фиксированным порогом и удерживает зависший аппарат. Третий проверяет когерентность гармоник, четвёртый реагирует на появление новой спектральной структуры.

Причина такой схемы конкретна. Адаптивный порог постепенно впитывает любую постоянную составляющую, а зависший аппарат создаёт как раз постоянную составляющую: шум вокруг не меняется, порог поднимается до уровня сигнала, и обнаружение пропадает. Алгоритм с фиксированным порогом эту ошибку закрывает, но чаще срабатывает ложно, поэтому решение принимается голосованием не менее двух алгоритмов из четырёх.

Разрешение по частоте равно отношению частоты дискретизации к размеру преобразования и составляет 31,25 герца. Для нижней границы рабочей полосы это много: семьдесят герц занимают чуть больше двух ячеек, и одиночная линия медленно вращающегося винта размывается.

Положение спасает гребёнка. При восьми гармониках интервал оценивается по семи промежуткам, и погрешность оценки составляет около четырёх с половиной герц. Для частоты сто герц это ошибка в четыре с половиной процента.

Один кадр занимает 32 миллисекунды, а решение выдаётся после подтверждения в нескольких кадрах. Типичное время до выдачи признака составляет от 250 до 320 миллисекунд. За это время аппарат, летящий со скоростью тридцать метров в секунду, проходит от восьми до десяти метров.

Частота вращения винта не постоянна: регулятор меняет её в темпе от одного до пяти герц, исправляя возмущения. На длинном окне гребёнка расплывается, поэтому обнаружение и распознавание выполняются на разных окнах.

Уровень звукового давления малого аппарата на расстоянии один метр составляет от 75 до 85 децибел по шкале А. В полосе одной гармоники уровень на десять — двадцать децибел ниже и составляет около 75 децибел.

Потери складываются из геометрического расхождения и поглощения в воздухе и вычисляются по карточке формулы (3).

При температуре двадцать градусов и влажности семьдесят процентов коэффициент поглощения составляет около 0,001 децибела на метр на частоте 250 герц и около 0,011 децибела на метр на частоте 2 000 герц. Верхняя граница полосы не является границей дальности: на двух тысячах герц звук затухает в десять раз быстрее, чем на двухстах пятидесяти герцах.

Расчёт для расстояния двести метров даёт следующий результат. Уровень источника 75 децибел, геометрические потери 46 децибел, поглощение 0,2 децибела, выигрыш решётки шесть децибел, итоговый уровень 34,8 децибела. При пороге обнаружения 26 децибел запас составляет 8,8 децибела.

Каждые шесть децибел роста помех сокращают дальность вдвое. При уровне помех двадцать децибел оценочная дальность составляет около одного километра, при тридцати децибелах — около трёхсот сорока метров, при сорока децибелах — около ста десяти метров. Расчётная дальность служит верхней оценкой, поскольку не учитывает интерференцию и рефракцию.

Сводные параметры обнаружителя приведены в таблице ниже.

Опаснее всего техногенные источники с собственной гармонической структурой. Электросеть даёт составляющую на сто герц и кратные ей частоты, которые попадают прямо в рабочую полосу. Дизельный генератор и вентилятор системы охлаждения дают гребёнки, похожие на винтовую.

Различать источники позволяет динамика. Частота следования лопастей аппарата смещается вслед за режимом полёта 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 только пока аппарат находится в зоне.

Ветровой шум имеет максимум на частотах ниже пятисот герц и растёт с увеличением скорости потока примерно по пятой степени. Защита строится из ветрозащитного кожуха, фильтра верхних частот с частотой среза около ста герц и правильной установки микрофона на высоте не менее двух метров.

Суммирование каналов даёт выигрыш по шуму и одновременно уничтожает информацию о направлении. После суммирования фазы каналов теряются, и обнаружитель сообщает только факт присутствия.

Направление находится по разности времени прихода сигнала на разнесённые микрофоны. При базе десять сантиметров максимальная разность составляет 292 микросекунды, что при частоте дискретизации 64 килогерца соответствует девятнадцати отсчётам. Пространственная неоднозначность начинается на частоте 1,7 килогерца, поэтому верхняя часть рабочей полосы для пеленгования непригодна.

Дальность одиночным постом не измеряется. Применяются оценка по уровню с погрешностью до множителя, триангуляция по двум постам и совместная обработка с оптическим каналом.

Параметры винта определяют не только лётные характеристики, но и спектр излучаемого звука. 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 частоты вращения всегда оплачивается потерей тяги или ростом диаметра винта.

Увеличение числа лопастей позволяет снизить частоту вращения при той же тяге и поднять частоту следования лопастей. Рост частоты усиливает поглощение в воздухе и сокращает дальность обнаружения, однако тональная энергия вблизи аппарата возрастает.

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

1. Первая ошибка состоит в использовании только адаптивного порога. Такой обнаружитель фиксирует пролёт и теряет зависший аппарат, поэтому проверка выполняется источником, который стоит на месте не менее минуты.

2. Вторая ошибка связана с отсутствием подтверждения. Решение по одному кадру длительностью 32 миллисекунды даёт десятки ложных срабатываний в час на любой площадке.

3. Третья ошибка заключается в микрофоне без ветрозащиты. Порыв ветра создаёт широкополосный выброс, и в течение секунды обнаружитель не видит ничего.

4. Четвёртая ошибка состоит в установке микрофонов на высоте тридцати — сорока сантиметров от земли. Отражение от поверхности создаёт интерференционные провалы, и на отдельных частотах чувствительность падает до нуля.

5. Пятая ошибка связана с отсутствием калибровки. Уровень относительно полной шкалы не переводится в уровень звукового давления без чувствительности микрофона, поэтому расчёт дальности теряет смысл. Калибровка выполняется акустическим калибратором с уровнем девяносто четыре децибела на частоте один килогерц.

6. Шестая ошибка заключается 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.

7. Седьмая ошибка состоит в проверке обнаружителя в помещении. Стены дают реверберацию, источник звука находится в ближнем поле, и результаты не переносятся на площадку.

Акустический канал обнаруживает аппарат по регулярной структуре спектра воздушного винта и не зависит от радиоизлучения.

Рабочая полоса от семидесяти до двух тысяч герц перекрывает практический диапазон малых винтов, но дальность обеспечивают нижние гармоники.

Разрешение по частоте составляет 31,25 герца, и надёжная оценка частоты следования лопастей достигается только по гребёнке из нескольких гармоник.

Дальность оценивается по энергетическому бюджету и падает вдвое при росте помех на каждые шесть децибел.

Устойчивость обеспечивается совместной работой нескольких алгоритмов, включая алгоритм с фиксированным порогом.

Перед вылетом проверяются установка микрофонов, калибровка, спектр фона и обнаружение контрольного источника. Результаты записываются в журнал полёта.