CN106814258A - 一种空间场强测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间场强测量系统，属于场强测量领域。空间场强测量系统包括：无人机、测量装置和地面处理装置，测量装置设置在无人机上；测量装置包括：测量探头、采集模块、数据处理模块和控制模块；测量探头包括：三维场强测量天线和定位单元，三维场强测量天线用于测量场强分量，得到场强信号，定位单元用于对无人机进行定位，得到位置信号；采集模块用于对场强信号和位置信号进行采样；数据处理模块用于将场强值与对应的位置存储在存储器内或通过无线传输至地面处理装置；控制模块用于控制采集模块的采样位置，并控制无人机在预定轨迹上飞行；地面处理装置包括处理模块，所述处理模块用于根据场强值与对应的位置，绘制出空间场强分布图。

Description

一种空间场强测量系统

技术领域

本发明涉及场强测量领域，特别涉及一种空间场强测量系统。

背景技术

随着海军通信技术的不断发展，在海军通信和指挥系统中，为满足长距离通信、对空指挥、岸台通信指挥等要求，海军岸基、观通站、通信台站、机场、舰船等均配备了大量的短波与超短波电台，各种不同功率、不同类型的短波天线在通信和指挥系统中发挥着不可或缺的作用。

短波天线在设计或生产时，天线设计人员会对天线的性能进行理论计算或仿真模拟，在天线出厂、交付、安装、使用之前，一般要求在实验室或外场条件下进行性能评测。在实际的使用过程中，由于环境因素的影响，这些天线的实际性能与建模计算和仿真的结果有所不同，也和实验室的测试结果有所差异，尤其是天线安装、使用一段时间后，由于物理或机械结构的变化，可能会出现性能下降，影响天线的收发性能。为保障海军通信和指挥的可靠畅通，需要定期或不定期对天线的实际性能进行检测。

短波天线的实际性能主要采用辐射方向图表示。天线作为电磁辐射源，会在自己周围产生交变电磁场，而这个交变电磁场可粗略划分为性质不同的两个部分；感应场(也就是电磁能量在辐射源周围与辐射源之间来回流动而不向外发射出去的部分)和辐射场(电磁能量能脱离辐射源，以电磁波的形式向外发射的部分)；在离辐射源(天线)近的区域，感应场较强，但感应场随距离衰减很快，到了一定的距离以外，感应场相比辐射场可以忽略；作为远距离通信使用的短波天线，其性能考核主要以辐射场为基础进行，所以，在测试短波天线性能时，要满足一定的测试距离，使这个距离上测量的天线参数可以忽略感应场，而在辐射场起主要作用的条件下得到的，也就是所谓的满足远场测试条件。

对短波天线而言，设测试距离为r；辐射源辐射的电磁波波长为λ；天线尺寸为D，则远场测试条件为r＞10λ且

在满足远场测试条件的情况下，短波天线的辐射方向图和场强分布图是一致的，因此，实际测量天线性能时，只需要测试满足远场测试条件的场强分布图即可。

对于海军通用的大尺寸短波天线，由于建设安装的地理环境普遍为山地、丘林、海岸等，采用传统的远场天线现场测量方法需克服诸多不利因素，不仅浪费大量的人力、物力、财力和时间，而且很多情况下，还无法进行。

发明内容

为了解决现有技术中采用传统的远场天线现场测量方法需克服诸多不利因素，不仅浪费大量的人力、物力、财力和时间的问题，本发明实施例提供了一种空间场强测量系统。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种空间场强测量系统，所述空间场强测量系统包括：无人机、测量装置和地面处理装置，所述测量装置设置在所述无人机上；所述测量装置包括：测量探头、采集模块、数据处理模块和控制模块；所述测量探头包括：三维场强测量天线和定位单元，所述三维场强测量天线用于探测X轴、Y轴和Z轴上的场强分量，得到场强信号，所述X轴、Y轴和Z轴分别位于三个任意正交的方向上；所述定位单元用于对所述无人机进行定位，得到位置信号；所述采集模块用于对所述场强信号和所述位置信号进行采样；所述数据处理模块用于将所述采集模块采样到的场强分量合成为场强值，将所述场强值与对应的位置存储在存储器内或通过无线传输至所述地面处理装置；所述控制模块用于控制所述采集模块的采样位置，并控制所述无人机在预定轨迹上飞行；所述地面处理装置包括处理模块，所述处理模块用于根据所述场强值与对应的位置，绘制出空间场强分布图。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述三维场强测量天线包括分别设置在X、Y、Z轴方向上的相互独立的三组测量天线。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述三维场强测量天线为三维有源接收天线。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述测量探头还包括电光转换单元和光信号传输单元，所述电光转换单元的输入端与所述三维场强测量天线的输出端连接，所述电光转换单元的输出端与所述光信号传输单元连接。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述空间场强测量系统还包括光电转换模块，所述光电转换模块的输入端与所述光信号传输单元连接，所述光电转换模块的输出端与所述采集模块连接。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述控制模块用于控制所述无人机在预定轨迹上飞行两次，并控制所述采集模块在两次飞行过程中分别在第一采样点序列和第二采样点序列进行数据采集，所述第一采样点序列和第二采样点序列上的点均匀分布在所述预设轨迹上，且所述第一采样点序列上的点和所述第二采样点序列的点交替排布。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述测量装置还包括电源转换模块，所述电源转换模块的输入端与所述无人机的电源连接，所述电源转换模块的输出端与所述控制模块连接。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述定位单元为GPS定位单元或北斗卫星定位单元。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述数据处理模块用于将一个所述场强值与对应的位置作为一个数据组存储在存储器内或通过无线传输至所述地面处理装置。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述空间场强测量系统还包括飞航控制器，所述飞航控制器与所述测量装置无线连接。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过将测量装置设置在无人机上，通过无人机承载测量装置在预设轨道上进行场强测量，然后由地面处理装置对测得的数据进行处理，绘制出场强分布图。本发明使用的基于无人机的空间场强测量系统有以下几大优势：(1)环境适应性好，适用于山地、丘陵、湖泊和海岸，几乎满足所有的地理环境的现场测试；(2)采用自动化测量方式，人力物力需求小；(3)能在较快的飞行航速下完成测量，测试时间消耗少；(4)测试费用较低，本发明所采用技术方案主要成本来源于无人机、测量探头与采集模块，无论是系统的装配成本，还是现场测试成本，都较传统飞航测试方案要低；(5)测试精度高，三维场强测量天线通过探测X轴、Y轴和Z轴上的场强分量得到场强信号，可达到较高的测试精度，提升测试数据的真实性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种空间场强测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的测量装置和地面处理装置的结构框图；

图3是本发明实施例提供的三维场强测量天线的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的预设轨迹示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种空间场强测量系统的结构示意图，参见图1，空间场强测量系统包括：无人机100、测量装置(图1未示出)和地面处理装置300，测量装置设置在无人机100上，通过无人机100运载测量装置进行空间场强测量。其中，无人机100可以为固定翼或旋转翼无人机100。

如图2所示，测量装置200包括：测量探头201、采集模块202、数据处理模块203和控制模块204；

测量探头201包括：三维场强测量天线和定位单元，三维场强测量天线用于探测X轴、Y轴和Z轴上的场强分量，得到场强信号，X轴、Y轴和Z轴分别位于三个任意正交的方向上；定位单元用于对无人机100进行定位，得到位置信号。其中，场强为电磁场场强。

采集模块202用于对场强信号和位置信号进行采样。其中，采集模块202可以包括四个采集通道，分别用于采集场强信号的三个场强分量和位置信号。

数据处理模块203用于将采集模块202采样到的场强分量合成为场强值，将所述场强值与对应的位置存储在存储器205内或通过无线传输至地面处理装置300。

控制模块204用于控制采集模块202的采样位置，并控制无人机100在预定轨迹上飞行。

地面处理装置300包括处理模块301，所述处理模块301用于根据场强值与对应的位置，绘制出空间场强分布图。

其中，控制模块204可以用于控制采集模块202在预设轨迹上预定的多个采样点处进行采样。

场强分布图绘制出测试航线上不同空间坐标的场强值。场强分布图是短波天线周围区域电磁场强度的状态分布图，通过场强分布图能够获得天线的近场的感应场特性、远场的辐射方向图和方向系数等，另外，环境因素对天线辐射场的影响也可通过场强分布来研究。

本发明通过将测量装置设置在无人机上，通过无人机承载测量装置在预设轨道上进行场强测量，然后由地面处理装置对测得的数据进行处理，绘制出场强分布图。本发明使用的基于无人机的空间场强测量系统有以下几大优势：(1)环境适应性好，适用于山地、丘陵、湖泊和海岸，几乎满足所有的地理环境的现场测试；(2)采用自动化测量方式，人力物力需求小；(3)能在较快的飞行航速下完成测量，测试时间消耗少；(4)测试费用较低，本发明所采用技术方案主要成本来源于无人机、测量探头与采集模块，无论是系统的装配成本，还是现场测试成本，都较传统飞航测试方案要低；(5)测试精度高，三维场强测量天线通过探测X轴、Y轴和Z轴上的场强分量得到场强信号，可达到较高的测试精度，提升测试数据的真实性。

对应于数据处理模块203对数据的处理方式，测量装置200还包括存储器205和/或第一无线传输模块206。在测量装置200同时设置有存储器205和第一无线传输模块206时，数据处理模块203对数据的处理方式可以根据实际环境事先设置，在地理条件允许的情况下，通过第一无线传输模块206进行数据的无线传输；在地理条件不允许的条件下，将数据存储在存储器205中，在无人机100返回后，从存储器205中读取存储的数据。

在上述实现方式中，存储器205可以为安全数字存储卡(英文Secure DigitalMemory Card，简称SD)存储器205，SD存储器205中的SD可以取出，便于将数据输入到地面处理装置300，且整个SD存储器205重量轻，便于无人机100携带。

相应地，当测量装置200包括第一无线传输模块206时，地面处理装置300还包括第二无线传输模块302。第一无线传输模块206和第二无线传输模块302可以为短波、超短波等传输模块。

如图3所示，三维场强测量天线包括分别设置在X、Y、Z轴方向上的相互独立的三组测量天线。

其中，三组测量天线为三组全向测量天线，它们独立地测量空间某点电磁场场强在三个相互正交方向上的分量，记为：E_X、E_Y、E_Z，则数据处理模块计算出该点的合场强为：

可选地，三维场强测量天线为三维有源接收天线。

进一步地，测量探头201还包括电光转换单元和光信号传输单元，电光转换单元的输入端与三维场强测量天线的输出端连接，电光转换单元的输出端与光信号传输单元连接，电光转换单元将三维场强测量天线测量得到的电信号转换为光信号，然后通过光信号传输单元输出。其中，光信号传输单元具体可以为光纤。

进一步地，该系统还包括光电转换模块207，光电转换模块207的输入端与光信号传输单元连接，光电转换模块207的输出端与采集模块202连接，光电转换模块207将光信号转换为电信号，以便采集模块202的采集。

在上述实现方式中，将测量得到的电信号转换为光信号进行传输，避免传输电信号时受到的干扰。

在本发明实施例中，控制模块204可以控制采集模块202按照预定周期进行采集，该预定周期需要结合采集模块202的采集速度设置。

由于采集速度快的采集模块202价格高，为了提高采集精度，控制模块204用于控制无人机100在预定轨迹上飞行两次，并控制采集模块202在两次飞行过程中分别在第一采样点序列和第二采样点序列进行数据采集，第一采样点序列和第二采样点序列上的点均匀分布在预设轨迹上，且第一采样点序列上的点和第二采样点序列的点交替排布。

上述预定轨迹可以根据需要设置，通常为圆形或椭圆形。当然，也可以为方形，甚至不封闭的线形等。

如图4所示，预定轨迹为椭圆形，第一采样点序列包括点1、3、5、7，第二采样点序列包括点2、4、6、8，无人机100沿椭圆形轨迹飞行两圈，第一圈飞行时，采集模块202在点1、3、5、7处采集数据，第二圈飞行时，采集模块202在点2、4、6、8处采集数据。

在本发明实施例中，数据处理模块203在存储或者发送的数据可以为数据组，数据组包括位置信息及其对应的场强值。

当采集模块202采用分次采集方式采集数据时，前述数据组还包括采样点编号。该采样点编号与其在预定轨迹上的位置对应关系预设在控制模块204和处理模块304中。

在本发明实施例中，控制模块204在控制无人机100在预定轨迹上飞行时，需要用到无人机100的当前位置信息及其对应的场强值，因此，控制模块204还用于通过数据处理模块203获取当前位置信息及其对应的场强值。

在本发明实施例中，控制模块204还可以包括无人机飞行轨迹控制单元、电源电量监测单元、传感器单元(如风速传感器)和紧急状态下自返航控制单元。控制模块204还用于根据预先设定的条件，中断测量程序、启动自保护程序、强制无人机100改变飞行轨迹或返航。具体地，预先设定的条件是指：无人机的飞行路线、飞行速度、飞行高度、测量的起点与终点等；例如，当出现风速过大、偏离预设轨迹、场强值超过上限值以及无人机到达预设终点等情况时，控制模块204会发出中断测量程序、启动自保护程序、返航或改变航迹程序等指令。

在本发明实施例中，数据处理模块203可以由Freescale单片机实现，其中内置基于嵌入式的可编程系统。基于嵌入式的可编程系统为面向用户设计，该系统与应用紧密结合，具有极强的专用性，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求，并根据实际使用情况进行功能裁减或扩展。此外，由于嵌入式可编程系统具有较高的实时性，且具备固态存储功能，有利于提高系统的实时数据采集精度。同时，该系统的片内资源很丰富、抗干扰能力强、安装便捷，很好地满足了空间场强测量系统的技术要求。

嵌入式可编程系统采用串行外设接口(英文Serial Peripheral Interface，简称SPI)与SD存储器连接。由于嵌入式可编程系统具备功耗低、体积小、片内功能高丰富等优点，且工作电压的典型值为3.6V，与SD存储器的工作电压兼容，因而可以直接与SD存储器连接，无需电平转换电路。

基于嵌入式的可编程系统可以采用通用串行总线(英文Universal Serial Bus，简称USB)接口与第一无线传输模块206连接。

在本发明实施例中，测量装置还包括电源转换模块208，电源转换模块208的输入端与无人机100的电源连接，电源转换模块208的输出端与控制模块204连接。通过电源转换模块208将无人机100的电源电压转换为该测试装置能够使用的电压，并通过控制模块204提供给各个模块。

在本发明实施例中，定位单元为全球定位系统(英文Global PositioningSystem，简称GPS)定位单元或北斗卫星定位单元。

参见图1，该系统还包括飞航控制器400，飞航控制器400同时与测量装置200及无人机100无线连接。其中，飞航控制器400可以由无人机100配套控制器改装而成，在其原有控制器的基础上，添加如下几项功能：a)自定义飞航轨迹功能。需根据不同的空间场强特征和测量要求设置不同的航行轨迹；b)实时数据传输功能。根据现场实际情况，选择性的添加实时数据传输功能；c)航行报警功能。当无人机100遥测系统出现轨迹偏离、无人机100状态故障、测量系统故障、实时通信故障等现象时，飞航控制器能及时报警并启动快速反应机制。

进一步地，地面处理装置300还包括地面控制模块303，用于设置无人机100的飞行参数(例如飞行速度等)和采集控制参数；第二无线传输模块302，用于将飞行参数和采集控制参数发送给飞航控制器400，通过飞航控制器400对无人机进行控制。

在本发明实施例中，地面处理装置300可以为便携式高速处理计算机，装有基于LABVIEW的无人机100专用测控软件，可与飞航控制器400进行无线数据通信，实时监测无人机100的状态信息，当无人机100出现故障时，可根据报警代码自动启用应急预案，通过飞航控制器400对无人机100进行手动控制。

进一步地，该空间场强测量系统还可以通过对同一预设轨道上的场强进行重复测量，然后取每个采样点测得的场强的均值进行场强分布图的绘制。

处理模块301还具有场强分布图的显示、打印功能。

本发明提供的空间场强测量系统，工作过程如下：

(1)设置无人机100的飞行轨迹(预设轨迹)和采样位置：根据所需探测的空间区域的现场条件、设置无人机100的飞行轨迹和采样位置，设置探测完成条件和无人机100返航条件。

(2)启动无人机100，实行场强的自动测量：完成无人机100的飞行轨迹设置和采样位置设置后，使无人机100按预定轨迹和探测程序完成空间场强的探测任务，并将采集到的数据实时传回地面或存储于存储器内；在遇到不适的气候条件、或无人机100自带电源电量不足时，控制模块204会启动测量终止程序，并自动原路返航或直线返航；同一飞行轨迹上的场强，可以使无人机100多次飞行和探测，已保证数据的准确性和可靠性。

(3)数据处理：当条件容许无人机100将数据实时传回地面处理装置300时，地面处理装置300能根据所接收到的数据实时绘制无人机100的飞行轨迹和飞行轨迹上的场强分布绘制；当现场条件不能满足无人机100将数据实时传回地面处理装置300时，地面处理装置300等待无人机100返回后，将存储器内的数据读出，完成无人机100飞行轨迹的绘制和飞行轨迹上场强分布绘制。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间场强测量系统，其特制在于，所述空间场强测量系统包括：无人机、测量装置和地面处理装置，所述测量装置设置在所述无人机上；

所述测量装置包括：测量探头、采集模块、数据处理模块和控制模块；

所述测量探头包括：三维场强测量天线和定位单元，所述三维场强测量天线用于探测X轴、Y轴和Z轴上的场强分量，得到场强信号，所述X轴、Y轴和Z轴分别位于三个任意正交的方向上；所述定位单元用于对所述无人机进行定位，得到位置信号；

所述采集模块用于对所述场强信号和所述位置信号进行采样；

所述数据处理模块用于将所述采集模块采样到的场强分量合成为场强值，将所述场强值与对应的位置存储在存储器内或通过无线传输至所述地面处理装置；

所述控制模块用于控制所述采集模块的采样位置，并控制所述无人机在预定轨迹上飞行；

所述地面处理装置包括处理模块，所述处理模块用于根据所述场强值与对应的位置，绘制出空间场强分布图。

2.根据权利要求1所述的空间场强测量系统，其特征在于，所述三维场强测量天线包括分别设置在X、Y、Z轴方向上的相互独立的三组测量天线。

3.根据权利要求1所述的空间场强测量系统，其特征在于，所述三维场强测量天线为三维有源接收天线。

4.根据权利要求1至3任一项所述的空间场强测量系统，其特征在于，所述测量探头还包括电光转换单元和光信号传输单元，所述电光转换单元的输入端与所述三维场强测量天线的输出端连接，所述电光转换单元的输出端与所述光信号传输单元连接。

5.根据权利要求4所述的空间场强测量系统，其特征在于，所述空间场强测量系统还包括光电转换模块，所述光电转换模块的输入端与所述光信号传输单元连接，所述光电转换模块的输出端与所述采集模块连接。

6.根据权利要求1至3任一项所述的空间场强测量系统，其特征在于，所述控制模块用于控制所述无人机在预定轨迹上飞行两次，并控制所述采集模块在两次飞行过程中分别在第一采样点序列和第二采样点序列进行数据采集，所述第一采样点序列和第二采样点序列上的点均匀分布在所述预设轨迹上，且所述第一采样点序列上的点和所述第二采样点序列的点交替排布。

7.根据权利要求1至3任一项所述的空间场强测量系统，其特征在于，所述测量装置还包括电源转换模块，所述电源转换模块的输入端与所述无人机的电源连接，所述电源转换模块的输出端与所述控制模块连接。

8.根据权利要求1至3任一项所述的空间场强测量系统，其特征在于，所述定位单元为全球定位系统GPS定位单元或北斗卫星定位单元。

9.根据权利要求1至3任一项所述的空间场强测量系统，其特征在于，所述数据处理模块用于将一个所述场强值与对应的位置作为一个数据组存储在存储器内或通过无线传输至所述地面处理装置。

10.根据权利要求1至3任一项所述的空间场强测量系统，其特征在于，所述空间场强测量系统还包括飞航控制器，所述飞航控制器与所述测量装置无线连接。