Mathematical model of signals in acoustic UAV detection systems

Authors

DOI:

https://doi.org/10.30837/rt.2026.1.224.15

Keywords:

UAV, acoustic detection, microphone array, TDOA, mathematical modelling, atmospheric absorption, scattering, image source method

Abstract

A mathematical model of acoustic signals in unmanned aerial vehicle (UAV) detection systems is developed. The model takes into account the main factors of sound propagation in the atmosphere, including geometric spreading, frequency-dependent absorption, scattering on atmospheric inhomogeneities, meteorological conditions, and multipath propagation caused by ground reflections.

A signal model at the outputs of a microphone array is proposed, considering time delays, amplitude attenuation, and the presence of acoustic interference. The reflected signal is modeled using the image source method. Signal processing is performed in a sliding time window, which allows accounting for signal non-stationarity and the Doppler effect.

Numerical simulation is carried out using real acoustic recordings of a Mavic UAV and background noise generated by road traffic. The simulated signals are used to test a localization algorithm based on the time difference of arrival (TDOA) method.

The results confirm the adequacy of the proposed model and its applicability to UAV detection and localization tasks. It is shown that for a signal-to-noise ratio of 10–15 dB, the localization error does not exceed 10%, with the largest deviations observed in elevation angle estimation.

References

Медведєв В. К., Коренівська І. С., Хажанець Ю. А., Салов А. О. Безпілотні літальні апарати та їхній вплив на перебіг російсько-української війни // Наука і оборона. 2023. № 2. С. 52–59.

Wang J., Liu Y., Song H. Counter-Unmanned Aircraft System(s) (C-UAS): State of the Art, Challenges, and Future Trends // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 2021. Vol. 36, No. 3. P. 4–29. DOI: 10.1109/MAES.2020.3015537.

Kartashov V.M., Oleynikov V.N, Sheyko S.A., Koryttsev I.V., Babkin S.I., Zubkov O.V. Peculiarities of small unmanned aerial vehicles detection and recognition // Telecommunications and Radio Engineering. New York. 2019. Vol. 78, Iss. 9. P. 771–781.

Олейніков В.М., Зубков О.В., Карташов В.М., Коритцев I.В., Бабкін С.I., Шейко С.O. Дослідження ефе-ктивності виявлення і розпізнавання малорозмірних безпілотних літальних апаратів по їх акустичному випро-мінюванню // Радіотехніка. 2018. Вип. 195. С. 209–217.

Карташов В.М., Олейніков В.М., Рябуха В.П., Бабкін С.І., Воронін В.В., Капуста А.І., Селєзньов І.С. Методи комплексної обробки та інтерпретації радіолокаційних, акустичних, оптичних і інфрачервоних сигналів безпілотних літальних апаратів // Радіотехніка. 2020. Вип. 202. C. 173–182.

Piercy J. E., Bass H. E. Atmospheric Acoustics. Academic Press, 1972.

Wilson D. K., Ostashev V. E. Acoustics in Moving Inhomogeneous Media. CRC Press, 2015.

Allen J. B., Berkley D. A. Image method for efficiently simulating small-room acoustics // Journal of the Acoustical Society of America. – 1979. Vol. 65, No. 4. P. 943–950. DOI: 10.1121/1.382599.

Oppenheim A. V., Schafer R. W. Discrete-Time Signal Processing. 3rd ed. Pearson, 2010.

Олейніков В.М., Зубков О.В., Карташов В.М., Коритцев І.В., Бабкін С.І., Шейко С.О., Селезньов І.С. Експериментальна оцінка ефективності алгоритмів пеленгування безпілотних літальних апаратів за акустичним випромінюванням // Радіотехніка. 2019. Вип. 199. C. 29–37.

Published

2026-04-30

How to Cite

Sheiko, S., Shafronenko, E., & Shapovalov, S. (2026). Mathematical model of signals in acoustic UAV detection systems. Radiotekhnika, (224), 147–155. https://doi.org/10.30837/rt.2026.1.224.15

Issue

Section

Articles