CN107167764B - 一种基于视觉的无线电测向装置及其控制方法 - Google Patents
一种基于视觉的无线电测向装置及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于视觉的无线电测向装置，包括相互扣合的上壳体、下壳体以及设置在上壳体、下壳体之间的固定件，在固定件上分别设有光学镜头单元和无线电定向接收天线，光学镜头单元中的光学镜头的定向接收中心轴线与无线电定向接收天线定向接收方向保持一致或平行；在上壳体、下壳体之间还设有像处理单元、无线电接收机单元、GPS定位单元和计算机，计算机分别与视觉图像处理单元、无线电接收机单元、GPS定位单元连接。本发明能够直观地观察测定无线电波的入射角，测定无线电发射源的使用者视觉相对方位及具体位置，提高测量精度，最终提高效率。此外，本发明还公开了一种基于视觉的无线电测向装置的控制方法。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于视觉的无线电测向装置及其控制方法。
背景技术
现有无线电发射源测向定位技术方案是基于GPS或北斗等数字地图坐标结合两个或两个以上使用者位置坐标，逆向无线电测向传感器角度数据进行交叉定点原理的计算，输出特定无线电发射源目标计算结果，如：经度、纬度等信息。最后利用软件技术呈现基于二维数字地图坐标的定位结果。
例如：图1表示的是一种基于二维数字地图的无线电发射源测向定位方案示意图，其基于二纬数字地图坐标系的交叉定点原理为：首选，由A点测出一条方向线，记录经度1，纬度1，逆向信号方向1；其次B点同理，记录经度2，纬度2，逆向信号方向；最后计算出数字地图坐标系中两条方向线的交点经度，纬度即为无线电发射源位置；图5是现有技术中典型定向天线的波瓣性能示意图。
因此现有的二维数字地图的无线电发射源测向定位方案对比第一代采用技术人员使用便携频谱分析仪或无线测试设备加上定向天线，依据大致方向不断逼近信号发射源结合信号强度变化测向定位无线电发射源的方法，更智能，在判断大致位置上效率更高些。但鉴于实际无线电发射源的监测，管理，或执法等应用场景往往需要精确定位到发射源所在详细具体的地址（如建筑），安装位置，具体发射源物件形状，甚至归属者。而现有的这种技术存在几个缺点：
1、缺少高度等信息，现实场景中，常常遇到无线电发射源大致在一栋上百户的高楼里，但无法定位具体在哪层楼高，哪户家里，无法进一步执法或整改；
2、方案实现过程中需要依赖精度受限的电子器件，导致引入二次误差，误差较大，仅适用于大致位置定位。例如：电子罗盘或陀螺仪的方向角度精度（典型正负2.5度），GPS或卫星定位精度（典型10米），参考地图坐标误差，因此需要改进。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种基于视觉的无线电测向装置及其控制方法，其能够直观地进行基于使用者相对位置的视觉的无线电波信号的测向，最终提高测量精度，提高测向效率。
为了实现上述目的，本发明所设计的一种基于视觉的无线电测向装置，包括相互扣合的上壳体、下壳体以及设置在上壳体、下壳体之间的固定件，在固定件上分别设有光学镜头单元和无线电定向接收天线，所述光学镜头单元中的光学镜头的定向接收中心轴线与无线电定向接收天线定向接收方向保持一致或平行；在上壳体、下壳体之间还设有：
一视觉图像处理单元，所述视觉图像处理单元对光学镜头单元接收到的影像进行处理然后变成数字影像信息；
一无线电接收机单元，所述无线电接收机单元对无线电定向接收天线接收到的无线电信号处理成无线电频谱分析信号信息；
一GPS定位单元，对所处位置进行实时采集、定位；
一计算机，所述计算机分别与视觉图像处理单元、无线电接收机单元、GPS定位单元电性连接。
作为优选，在上壳体和下壳体之间还设有外接射频输入SMA接口、USB扩展接口和电子陀螺仪，所述外接射频输入SMA接口、USB扩展接口和电子陀螺仪均固定在固定件上。
本发明还公开了一种基于视觉的无线电测向装置的控制方法，其具体采用如下步骤：
a）通过调整上述装置，以使用者位置作为视觉定位的原点，转动实现水平方向360度转动，测定水平方向入射角；竖直方正负90度转动测定俯仰入射角；
b）计算机读取本振时钟，同时给对光学镜头单元接收到的光波处理后的视觉影像数据信息与无线电接收机单元接收到的无线电频谱分析信息流进行授时，实现可见光影像信息流与无线电信号数据流信息的时间同步；
c）对光学镜头单元接收到光学影像进行数字化后，数字图像处理系统像素分辨率输出数字化影像，建立视觉坐标系；数字化影像后现实中的3维物体或环境均投影到视觉坐标f（x，y）中，带有与测量者为观测原点的感官左右，及高低位置坐标；光学镜头单元接收到光学影像数字化后的任意1个分辨像素的方位定位均可以表征为f（x，y），数字处理影像的分辨率越高，相对位置分辨率就越高；
d）对无线电定向接收天线的波瓣性能横截面坐标的建立，采用数学方法，取测试者为原点，定向天线正90至-90度范围，以0度角为方向映射至正90度至负90度的截面，得到定向无线电天线定向性能的坐标f（X，Y）；
e）将光学视觉坐标与无线天线波瓣性能坐标的精细校准，校准后对准两个坐标原点一致，归一为统一坐标；归一后，F（x，y）中的坐标用不同颜色区分定向增益的高低；可自定义不同增益区间边界圈对应的颜色，默认红色圈内代表定向增益最强的区域，橙，黄，绿，蓝次之，黄色其次。经过每个像素对应的光学影像定位坐标位置的无线电波入射到无线定向接收天线传播路径，对应的接收增益是已知的；
f）水平方向360度旋转该装置，计算机同步接收到的无线电波频谱强度随着无线电发射源在光学坐标中的坐标位置变化而变化，当接收到目标频率无线电波信号最强时那刻，无线电发射源处于识别最高增益圈内范围的坐标范围 ，此时对应的角度等于水平方向无线电波入射角；
g）获得水平入射角后，固定件俯仰角正负90度，对比无线电接收机单元获得接收到的无线电波频谱信号强度最强时， 固定件俯仰角等于无线电发射源的竖直入射角；
h）测向完毕后获得无线带发射源信号入射的水平入射角，竖直入射角,对应固定件上光学镜头单元接收到的光学影像，坐标F（0，0）坐标的最高增益识别圈内的可视物件影像即为无线电信号发射源，此时发射源定位的位置与使用者的视觉感官的左，右，高，低相对位置一致;视觉影像坐标中的环境，建筑，特征物件等作为无线点信号发射源的相对位置参照物。
本发明得到的一种基于视觉的无线电测向装置及其控制方法，能够直观地观察测定无线电波的测向，最终提高测量精度，提高定位效率。
附图说明
图1是现有技术中基于二维数字地图的无线电发射源测向定位方案示意图。
图2是本实施例中一种基于视觉的无线电测向装置的结构分解图。
图3是本实施例中的一种基于视觉的无线电测向装置中内部控制部分的结构示意图。
图4是（x，y）视觉坐标体系建立示意图。
图5是现有技术中典型定向天线的波瓣性能示意图。
图6是本实施例中无线电定向增益&视觉侧向f（x，y）示例图。
图7 是装置实际应用于无线电发射源测向定位的实例图。
图中：1.上壳体；2.下壳体；3.固定件；4.光学镜头单元；5.无线电定向接收天线；6.视觉图像处理单元；7.无线电接收机单元；8.GPS定位单元；9.计算机；10.外接射频输入SMA接口；11.USB扩展接口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例：
如图2、3、4、6和7所示，本实施例提供的一种基于视觉的无线电测向装置，包括相互扣合的上壳体1、下壳体2以及设置在上壳体1、下壳体2之间的固定件3，在固定件3上分别设有光学镜头单元4和无线电定向接收天线5，所述光学镜头单元4中的光学镜头的定向接收中心轴线与无线电定向接收天线5定向接收方向保持一致或平行；在上壳体1、下壳体2之间还设有：
一视觉图像处理单元6，所述视觉图像处理单元6对光学镜头单元4接收到的影像进行处理然后变成数字影像信息；
一无线电接收机单元7，所述无线电接收机单元7对无线电定向接收天线5接收到的无线电信号进行滤波收集目标频率无线电信号采集、AD转换处理、傅立叶转换最终变成频谱分析信号信息；
一GPS定位单元8，对所处位置进行实时采集、定位；
一计算机9，所述计算机9分别与视觉图像处理单元6、无线电接收机单元7、GPS定位单元8电性连接。
作为优选，在上壳体1和下壳体2之间还设有外接射频输入SMA接口10、USB扩展接口11和电子陀螺仪12，外接射频输入SMA接口10、USB扩展接口11和电子陀螺仪12均固定在固定件3上。
本发明还公开了一种基于视觉的无线电测向装置的控制方法，其具体采用如下步骤：
a）通过调整上述装置，以使用者位置作为视觉定位的原点，转动实现水平方向360度转动，测定水平方向入射角；竖直方正负90度转动测定俯仰入射角；
b）计算机9读取本振时钟，同时给对光学镜头单元4接收到的光波处理后的视觉影像数据信息与无线电接收机单元7接收到的无线电频谱分析信息流进行授时，实现可见光影像信息流与无线电信号数据流信息的时间同步；
c）对光学镜头单元4接收到光学影像进行数字化后，数字图像处理系统像素分辨率输出数字化影像，建立视觉坐标系；数字化影像后现实中的3维物体或环境均投影到视觉坐标f（x，y）中（如图4所示），带有与测量者为观测原点的感官左右，及高低位置坐标；由于光学镜头单元4接收到光学影像数字化后的任意1个分辨像素的方位定位均可以表征为f（x，y），同时数字处理影像的分辨率越高，相对位置分辨率就越高；
d）对无线电定向接收天线5的波瓣性能横截面坐标的建立，由于常见的天线波瓣性能一般表征为水平波瓣与垂直波瓣图用于表征无线电接收的性能。接收天线的的特定频率不同入射角，接收信号的增益相对应变化（如图5所示）采用数学方法，取测试者为原点，定向天线正90至-90范围，以0度角为方向映射至正90度至负90度的截面，得到定向无线电天线定向性能的坐标f（X，Y）；
e）将光学视觉坐标与无线天线波瓣性能坐标的精细校准，校准后对准两个坐标原点一致，归一为统一坐标；归一后，F（x，y）中的坐标用不同颜色区分定向增益的高低；可自定义不同增益区间边界圈对应的颜色，默认红色圈内代表定向增益最强的区域，橙，黄，绿，蓝次之，黄色其次。经过每个像素对应的光学影像定位坐标位置的无线电波入射到无线定向接收天线传播路径，对应的接收增益是已知的；
f）水平方向360度旋转该装置，计算机9同步接收到的无线电波频谱强度随着无线电发射源在光学坐标中的坐标位置变化而变化，当接收到目标频率无线电波信号最强时那刻，无线电发射源处于识别最高增益圈内范围的坐标范围 ，此时对应的角度等于水平方向无线电波入射角；
g）获得水平入射角后，固定件3俯仰角正负90度，对比无线电接收机单元7获得接收到的无线电波频谱信号强度最强时， 固定件3俯仰角等于无线电发射源的竖直入射角；
h）测向完毕后获得无线带发射源信号入射的水平入射角，竖直入射角,对应固定件3上光学镜头单元4接收到的光学影像，坐标F（0，0）坐标的最高增益识别圈内的可视物件影像即为无线电信号发射源，此时发射源定位的位置与使用者的视觉感官的左，右，高，低相对位置一致;视觉影像坐标中的环境，建筑，特征物件等作为无线点信号发射源的相对位置参照物。
由于本实施例同时使用无线电波定向接收以及可见光波定向接收两种传感器装置，定位在固定装置上保持相对位置稳定，使无线电定向接收天线最高增益方向与可见光波定向接收镜头中心轴线保持一致或平行实现待测无线电波及可见光波的同向且同步接收，然后用待测目标无线电频率电波与可见光波均具有电磁波的粒子线性传播的特性，使用计算机软件算法无线电定向接收天线定向性能波瓣图横截面坐标映射至光学镜头接收到的数字化影像分辨率坐标系，校准归一为统一视觉定位参考坐标。利用软件呈现待测目标频率信号强度随调整固定件3不同水平及俯仰角调整下的视觉分辨率坐标的参考影像变化而变化，当待测目标频率信号强度最强时视觉参考坐标特定坐标上锁定无线电发射源具体位置，高度，及形状，颜色等，实现可视化侧向定位。最终实现不可见的无线电波“可视化”的水平入射角及俯仰入射角测向及定位。
本实施例具有以下优点：
1、本方法及装置解决了对人类“不可见”的无线电波进行直观的“可视化”视觉测向定位，更友好，更直观，降低对技术人员的经验要求，进而提高测向精度提供无线电发射源定位效率；
2、实现带高度信息的视觉相对参照坐标系，解决了现有方案采用的二维数字地图缺少高度信息，无法定位表征无线电信号发射源安装位置高度等无线电信号发射源详细位置定位关键信息的技术问题；
3、本发明规避了现有技术方案依赖电子陀螺仪等电子器件导致引入的二次误差的技术问题，实现无线电入射角测向的角度测量精度大幅度提升。
本发明解决了现有技术方案无法利用现场建筑及器物形状等环境信息，无线电信号源天线等外观特征信息，技术问题，通过视觉定位辅助甄别嫌疑发射源具体器物详细位置，提高定位效率。
Claims (1)
1.一种基于视觉的无线电测向装置的控制方法，包括相互扣合的上壳体（1）、下壳体（2）以及设置在上壳体（1）、下壳体（2）内设有固定件（3），其特征在于，在固定件（3）上分别设有光学镜头单元（4）和无线电定向接收天线（5），所述光学镜头单元（4）中的光学镜头的定向接收中心轴线与无线电定向接收天线（5）定向接收方向保持一致或平行；在上壳体（1）、下壳体（2）内还设有：
一视觉图像处理单元（6），所述视觉图像处理单元（6）对光学镜头单元（4）接收到的影像进行处理然后变成数字影像信息；
一无线电接收机单元（7），所述无线电接收机单元（7）对无线电定向接收天线（5）接收到的无线电信号处理成无线电频谱分析信号信息；
一GPS定位单元（8），对所处位置进行实时采集、定位；
一计算机（9），所述计算机（9）分别与视觉图像处理单元（6）、无线电接收机单元（7）、GPS定位单元（8）连接；
在上壳体（1）和下壳体（2）之间还设有外接射频输入SMA接口（10）、USB扩展接口（11）和电子陀螺仪（12）；
控制方法采用如下步骤：
通过调整个固定件（3），以使用者位置作为视觉定位的原点，转动实现水平方向360度转动，测定水平方向入射角；竖直方正负90度转动测定俯仰入射角；
计算机（9）读取本振时钟，同时给对光学镜头单元（4）接收到的光波处理后的视觉影像数据信息与无线电接收机单元（7）接收到的无线电频谱分析信息流进行授时，实现可见光影像信息流与无线电信号数据流信息的时间同步；
对光学镜头单元（4）接收到光学影像进行数字化后，数字图像处理系统像素分辨率输出数字化影像，建立视觉坐标系；数字化影像后现实中的3维物体或环境均投影到视觉坐标f（x，y）中，带有与测量者为观测原点的感官左右，及高低位置坐标；光学镜头单元（4）接收到光学影像数字化后的任意1个分辨像素的方位定位均能表征为f（x，y），同时数字处理影像的分辨率越高，相对位置分辨率就越高；
对无线电定向接收天线（5）的波瓣性能横截面坐标的建立，采用数学方法，取测试者为原点，定向天线正90至负90度范围，以0度角为方向映射至正90度至负90度的截面，得到定向无线电天线定向性能的坐标f（X，Y）；
将光学视觉坐标与无线天线波瓣性能坐标的精细校准，校准后对准两个坐标原点一致，归一为统一坐标；归一后，F（x，y）中的坐标用不同颜色区分定向增益的高低；自定义不同增益区间边界圈对应的颜色，默认红色圈内代表定向增益最强的区域，橙，黄，绿，蓝次之，黄色其次；经过每个像素对应的光学影像定位坐标位置的无线电波入射到无线定向接收天线传播路径，对应的接收增益是已知的；
水平方向360度旋转该装置，计算机（9）同步接收到的无线电波频谱强度随着无线电发射源在光学坐标中的坐标位置变化而变化，当接收到目标频率无线电波信号最强时那刻，无线电发射源处于识别最高增益圈内范围的坐标范围 ，此时对应的角度等于水平方向无线电波入射角；
获得水平入射角后，固定件（3）俯仰角正负90度，对比无线电接收机单元（7）获得接收到的无线电波频谱信号强度最强时， 固定件（3）俯仰角等于无线电发射源的竖直入射角；
测向完毕后获得无线带发射源信号入射的水平入射角，竖直入射角,对应固定件（3）上光学镜头单元（4）接收到的光学影像，坐标F（0，0）坐标的最高增益识别圈内的可视物件影像即为无线电信号发射源，此时发射源定位的位置与使用者的视觉感官的左，右，高，低相对位置一致;视觉影像坐标中的环境或建筑作为无线点信号发射源的相对位置参照物。
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