CN107179449B - 一种短波接收天线三维立体方向图空中移动测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了短波接收天线三维立体方向图空中移动测量系统及方法，系统包括由环天线、小型功率发射终端、射频信号采集模块和无人平台等部分；计算上包括射频信号预处理模块、标准方向图计算子模块、空间谱处理子模块、数字波束形成子模块以及接收天线校对因子计算子模块。本发明采用全向环形天线辐射功率信号，采用采集模块测量并存储射频信号，并对射频信号进行预处理，再通过空间谱估计技术对信号进行进一步处理，最后在无人平台上进行测试。本发明为短波接收天线方向图的评估提供了指标，能够在不影响短波接收天线实时性和有效性的前提下，实现天线方向图的自动检测，具有设备简单、操作方便的特点。

Description

一种短波接收天线三维立体方向图空中移动测量系统及方法

技术领域

本发明属于短波接收天线空中移动测量领域，具体涉及一种短波接收天线三维立体方向图空中移动测量方法。

背景技术

短波接收天线搭建好后，天线真实的辐射方向图一直是用户希望能够得到的，因为通过方向图能够非常直观的掌握天线的真实效能。频率高的通信天线由于波长短、体积小，一般可以在微波暗室精确测量，而短波天线的方向图尤其是其三维立体方向图的测量一直是领域的一个难题，目前仍依赖计算机仿真结果。到目前为止，还没有一种方法能够在野外条件下实现对短波接收天线三维立体方向图的测量与绘制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适合短波接收天线三维立体方向图空中移动测量的实现方法。通过将小型功率发射设备安装在无人平台上，采用全向环形天线对天线进行辐射，由安装在收信天线根部的测试终端对天线上感应到的射频信号进行检测，根据测量环境设置无人平台不同的飞行路径，建立相应的立体空间模型实时对所测得的数据进行校正，最终实现完整、真实的绘制出短波接收天线野外条件下的三维立体方向图。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种短波接收天线三维立体方向图空中移动测量系统，其特征在于，该系统包括无人机、功率发射设备及检测控制管理与数据处理终端，其中所述功率发射设备安装在所述无人机上，沿所述检测控制管理与数据处理终端设计的航线在测试场地上空飞行，采用全向环形天线对被测短波接收天线进行辐射，安装在所述被测短波接收天线根部的检测控制管理与数据处理终端对接收的数据进行处理；

所述功率发射设备包括ARM系统主控模块、第一无线网络单元、功率放大模块、射频产生模块以及供电模块，其中所述ARM系统主控模块实现所述功率发射设备的总控制，所述第一无线网络单元实现与所述检测控制管理与数据处理终端实现通信，所述射频产生模块产生的测试发射功率通过所述功率放大模块放大后经由所述全向环形天线发出；

所述检测控制管理与数据处理终端包括与所述功率发射设备通信的第二无线网络单元，及与所述被测短波接收天线相连的射频信号采集模块，测试数据分析处理模块从所述射频信号采集模块中采集数据，执行分析后发送于测试数据存储记录报表模块中生成测试报表，其中检测主控模块对所述检测管理与数据处理终端实现总控制。

进一步地，所述检测控制管理与数据处理终端还包括无人机地面站，所述无人机监测飞行轨迹规划模块与所述检测主控模块通信，实时监测所述无人机的飞行。

进一步地，所述射频信号采集模块电压测试范围为0-120dBμV。

进一步地，所述测试数据存储记录报表模块中包括场形图绘制子模块，对所述射频信号采集模块采集的场强数据进行可视化的绘制，生成水平场形图、垂直场形图。

进一步地，所述测试数据分析处理模块中还执行所述被测短波接收天线的标准方向图的生成，并且依据所述射频信号采集模块采集的信号生成所述被测短波接收天线的实际方向图，获得所述被测短波接收天线的校正因子。

本发明还公开了一种利用所述系统执行短波接收天线三维立体方向图空中移动测量的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)设置无人机的飞行路径，释放带有功率发射设备的所述无人机围绕被测短波接收天线飞行，搭载所述被测短波接收天线的检测控制管理与数据处理终端对所述功率发射设备发射的功率执行采集处理；

(2)利用空间谱处理完成所述被测短波接收天线的误差校正因子的计算。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)采用无人机搭载发射装置来进行接收天线的测量，能够实现对野外条件下的短波天线实现测量，并且由于无人机的使用，使得野外条件的测量能够被规划和控制，能够获得被测短波接收天线的实测情况；

2)确保辐射源到检测模块的传播方向上遮挡较小，电波受到干扰少、失真小，受多径传播影响小，可灵活移动，测量效率高；

3)使用正交环的方法接收信号，无需人工选择天线，提高了短波收信的可靠性和机动载体的机动能力，尤其适合不影响机动载体其它任务的执行；

4)空间谱处理具有高精度、高分辨力，同时算法计算精度较高可以对多个入射波进行测向，并有效地分辨出相干信号。

附图说明

图1是本发明实现的短波接收天线三维立体方向图空中移动测量系统中的功率发射终端的模块组成结构示意图；

图2是本发明实现的短波接收天线三维立体方向图空中移动测量系统中的地面站检测控制管理与数据处理终端的模块组成结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明为解决上述提出的问题所采用解决方案为：将小型功率发射设备安装在无人机平台上，采用全向环形天线测量射频信号，射频测试模块安装在收信天线根部，能够对实时接收的信号执行及时的处理，采集并存储射频信号，并对射频信号进行预处理，再通过空间谱估计技术对信号进行进一步处理，最后通过建模绘制出短波接收天线野外条件下的三维立体方向图。

其中上述小型功率发射终端主要包括如下组成部分：ARM系统主控模块、无线网络单元、功率放大模块、射频产生模块以及锂电池供电模块，其中该小型功率发射终端所产生的信号经由全向环形天线发射，由被测短波接收天线接收，同时测量的数据经由模块中的无线网络单元发送至地面站的检测控制管理与数据处理终端执行后续的处理。

其次上述无线网络单元还执行从地面站接收信号，其中ARM系统主控模块根据测试的要求控制射频产生模块产生所需要的发射信号，功率放大模块将上述信号放大后通过全向环形天线发射出去，由此被被测短波接收天线所接收。

如图2所示，另外一方面，对应上述功率发射终端的设计，其中需要配合使用的是地面站中需要设置对应的检测控制管理与数据处理终端，在上述的设置中，主要包括无线网络天线及与其相连的无线网络单元，主要与功率发射终端来执行通信，其中待测短波接收天线的信号被射频信号采集模块所采集，并发送至检测主控模块执行分析，并且射频信号采集模块所采集的信号经由测试数据分析处理发送于测试数据存储记录报表发送于检测主控模块执行分析，其中，针对无人机的飞行还设置有无人机地面站，上述无人机地面站主要采集无人机的信号，发送于无人机监测飞行轨迹规划模块，从而通过检测主控模块发送控制信号通过无线网络单元发送至无人机端，从而控制无人机的飞行。

其中，在算法上，主要通过经过对采集和存储的射频信号进行预处理，对可能的偏差进行校正，对信号点的距离、方位和信号强度按照设定条件进行筛选，并剔除可能存在的异常点，并通过运用空间谱估计处理的相关算法，基于数据采集子系统的采集数据，实现对被测天线阵的实际接收方向的高精度测量，完成误差校正因子的计算。

进一步地，按照本发明无人机上悬挂的天线阵列发射天线，对于垂直极化天线，其为全向天线，针对单环在无人平台悬挂的条件下可能会随着无人平台运动而导致环平面与水平面产生一定夹角从而为测量值引入了误差分量的可能性，设计了采用正交环的环形天线。

进一步地，射频信号采集模块本身具备很高的动态范围，使得射频信号采集模块电压测试范围达到0-120dBμV，从而保证接收的灵敏度。同时为提高射频测量模块外壳的屏蔽效果，尽量减少外部信号泄漏到设备内部，射频测量模块外壳采用插槽设计，并采用延长信号衰减距离的方法，加强设备接缝处的密封，空隙部分用导电胶填充，确保外壳具备良好的屏蔽性。射频测量模块内部重要部件安装屏蔽外壳，屏蔽效果大于90dB。

按照本发明，主要是根据已知的天线配置情况，通过理论计算的方式，算出天线的标准方向图，并且基于输入的采集信息，通过设定的算法获得天线的实际接收方向。之后，形成处理后的标准数字波束，根据理论计算出的天线标准接收方向和谱估计处理后的实际接收方向，计算出接收天线的实际方向图，并给出接收天线的校正因子。

本发明还公开了一种应用于短波接收天线三维立体方向图空中移动测量的方法，其中，上述方法主要包括如下步骤：

首先，小型功率发射设备采用十字交叉环天线作为发射天线，实时接收GPS移动站导入的位置信息，同时控制射频测试模块进行射频信号采样并进行存储。

其次，将采集到的射频信号及GPS位置、海拔信息要结合运动平台所存储的轨迹变化和姿态信息通过预处理模块进行预处理。

然后，通过运用空间谱估计处理的相关算法，基于数据采集子系统的采集数据，实现对被测天线阵的实际接收方向的高精度测量，完成误差校正因子的计算。

最后，通过建模绘制出短波接收天线野外条件下的三维立体方向图。

具体步骤如下：

第一，读取测试参数，所述测试参数包括实时的GPS移动站导入的位置信息，以及测量单元进行射频信号采样，以及测量天线的物理参数包括天线的电夹角α。

第二，对射频信号采集模块测试到的射频信号及GPS位置、海拔信息要结合运动平台所存储的轨迹变化和姿态信息进行预处理，对可能的偏差进行校正，对信号点的距离、方位和信号强度按照设定条件进行筛选，并剔除可能存在的异常点。

第三，通过运用空间谱估计处理的相关算法，基于数据采集子系统的采集数据，实现对被测天线阵的实际接收方向的高精度测量，完成误差校正因子的计算。

另外，在本发明中，后续的测试数据分析处理还包括对预处理后的场强数据进行可视化的绘制，能够给予输出的预处理信号生成水平场形图、垂直场形图；并且后续的处理情况是，根据已知的天线配置情况，通过理论计算的方式，算出天线的标准方向图，并且基于输入的采集信息，通过设定的算法获得天线的实际接收方向。之后，形成处理后的标准数字波束，根据理论计算出的天线标准接收方向和谱估计处理后的实际接收方向，计算出接收天线的实际方向图，并给出接收天线的校正因子。

总之，对被测接收天线执行其性能属性参数的测量都可以基于采集的信息来执行，在此不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种短波接收天线三维立体方向图空中移动测量系统，其特征在于，该系统包括无人机、功率发射设备及检测控制管理与数据处理终端，其中所述功率发射设备安装在所述无人机上，沿所述检测控制管理与数据处理终端设计的航线在测试场地上空飞行，采用全向环形天线对被测短波接收天线进行辐射，安装在所述被测短波接收天线根部的检测控制管理与数据处理终端对接收的数据进行处理；

所述功率发射设备包括ARM系统主控模块、第一无线网络单元、功率放大模块、射频产生模块以及供电模块，其中所述ARM系统主控模块实现所述功率发射设备的总控制，所述第一无线网络单元实现与所述检测控制管理与数据处理终端实现通信，所述射频产生模块产生的测试发射功率通过所述功率放大模块放大后经由所述全向环形天线发出；

所述检测控制管理与数据处理终端包括与所述功率发射设备通信的第二无线网络单元，及与所述被测短波接收天线相连的射频信号采集模块，测试数据分析处理模块从所述射频信号采集模块中采集数据，执行分析后发送于测试数据存储记录报表模块中生成测试报表，其中检测主控模块对所述检测控制管理与数据处理终端实现总控制；所述测试数据存储记录报表模块中包括场形图绘制子模块，对所述射频信号采集模块采集的场强数据进行可视化的绘制，生成水平场形图、垂直场形图；所述测试数据分析处理模块中还执行所述被测短波接收天线的标准方向图的生成，并且依据所述射频信号采集模块采集的信号生成所述被测短波接收天线的实际方向图，获得所述被测短波接收天线的校正因子。

2.根据权利要求1所述的短波接收天线三维立体方向图空中移动测量系统，其特征在于，所述射频信号采集模块电压测试范围为0-120dBμV。

3.一种利用如权利要求1或2中所述的系统执行短波接收天线三维立体方向图空中移动测量的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)设置无人机的飞行路径，释放带有功率发射设备的所述无人机围绕被测短波接收天线飞行，搭载所述被测短波接收天线的检测控制管理与数据处理终端对所述功率发射设备发射的功率执行采集处理；

(2)利用空间谱处理完成所述被测短波接收天线的误差校正因子的计算。