CN107505503B - 一种电波损耗测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电波损耗测量系统和方法。该系统包括发射端装置和接收端装置，发射端装置和接收端装置均包括测量组件、支撑组件和定位组件；测量组件固定在高度可调的支撑组件的顶端；测量组件包括喇叭天线、望远镜、基座和旋转码盘；定位组件包括第一差分GPS和第二差分GPS，定位组件用于测量所述测量组件的经纬度和所述定位组件的经纬度；发射端装置还包括信号源，信号源与喇叭天线电连接，接收端装置还包括频谱仪，频谱仪与喇叭天线电连接。本发明提供的电波损耗测量系统和方法可以提高超视距传输的电波损耗测量精度，尤其是在海面传播过程中的电波损耗。

Description

一种电波损耗测量系统和方法

技术领域

本发明涉及无线电技术领域，尤其涉及一种电波损耗测量系统和方法。

背景技术

当前，视距内的电波损耗测量是比较容易实现的，雷达的标校、天线方向图测试都涉及天线波束的对准、电波空衰测量等工作。随着雷达行业的发展，越来越多的海面监视雷达需要借助超视距传播以达到更远的作用距离，充分了解海面上超视距、远距离、不同高度层的电波损耗分布规律非常有必要，这对基于海面蒸发波导传播的雷达传感器的发展具有重要指导意义。目前，已有能够测量100km以内电波损耗的方法，但如果扩大到200km以上的超远距离，由于海面蒸发波导极不稳定，传统方法在天线对准方面难以得到满意的结果，尤其是对波束宽度很窄的某些大型天线，天线对准精度要求更高，则很难实现电波损耗的准确测量。

发明内容

为了提高超视距传输的电波损耗测量精度，尤其是在海面传播过程中的电波损耗，本发明提供一种电波损耗测量系统和方法。

一方面，本发明提供一种电波损耗测量系统，包括发射端装置和接收端装置，所述发射端装置和所述接收端装置均包括测量组件、支撑组件和定位组件；所述测量组件固定在高度可调的所述支撑组件的顶端；所述测量组件包括喇叭天线、望远镜、基座和旋转码盘，所述基座底端与所述旋转码盘顶端固定连接，所述基座可随所述旋转码盘在与所述喇叭天线的平行法面平行的平面内旋转，所述喇叭天线的外罩底端与所述基座顶端固定连接，所述喇叭天线可随所述基座同时旋转，所述望远镜的安装座侧端与所述喇叭天线的外罩侧端连接，所述望远镜的目镜和物镜中心点的连线与所述喇叭天线的垂直法面平行，所述望远镜可在与所述喇叭天线的垂直法面平行的平面内旋转；所述定位组件包括第一差分GPS和第二差分GPS，所述定位组件用于测量所述测量组件的经纬度和所述定位组件的经纬度；所述发射端装置还包括信号源，所述信号源与所述喇叭天线电连接，所述接收端装置还包括频谱仪，所述频谱仪与所述喇叭天线电连接。

本发明的有益效果是：通过望远镜、差分GPS和旋转码盘的配合与调整，可准确实现发射端和接收端喇叭天线方向的对准，还可通过支撑组件将天线调节至不同蒸发波导层高度，借助海面蒸发波导层进行电波传输，测量不同高度的链路损耗值，作为评估超视距雷达的作战威力的基础，进而得到垂直高度上的作用盲区。经测试，发射端和接收端间的最远距离可达200km。

另一方面，本发明还提供一种使用上述电波损耗测量系统进行电波损耗测量的方法，所述方法包括如下步骤：

S10，分别测量发射端装置和接收端装置的测量组件的经纬度，计算生成发射端装置和接收端装置的测量组件之间的连线与真北方向的第一偏向角度；

S20，根据第一差分GPS和第二差分GPS测量得到的定位组件的经纬度，计算生成第一差分GPS和第二差分GPS之间的连线与真北方向的第二偏向角度；

S30，根据所述第一偏向角度和所述第二偏向角度，计算生成表示二者差值的差值角度，将发射端装置和接收端装置的喇叭天线分别沿顺时针方向转动所述差值角度；

S40，开机发射端装置的信号源，信号由发射端装置的喇叭天线传输至接收端装置的喇叭天线，调整接收端装置的频谱仪参数，计算传输链路的电波损耗。

本发明的有益效果是：通过望远镜、差分GPS和旋转码盘的配合与调整，可准确实现发射端和接收端喇叭天线方向的对准，还可通过支撑组件将天线调节至不同蒸发波导层高度，借助海面蒸发波导层进行电波传输，测量不同高度的链路损耗值，作为评估超视距雷达的作战威力的基础，进而得到垂直高度上的作用盲区。经测试，发射端和接收端间的最远距离可达200km。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电波损耗测量系统的框图；

图2为本发明实施例提供的一种电波损耗测量系统的测量组件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电波损耗测量方法的流程示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、喇叭天线，2、望远镜，3、基座，4、旋转码盘，5、三脚架，6、固定桩，7、第一差分GPS，8、第二差分GPS，9、信号源，10、低噪放，11、频谱仪，12、数据处理器，13、显控台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明实施例提供一种电波损耗测量系统。如图1所示，该系统包括发射端装置和接收端装置，发射端装置和接收端装置均包括测量组件、支撑组件和定位组件。

测量组件固定在高度可调的所述支撑组件的顶端。

如图2所示，测量组件包括喇叭天线1、望远镜2、基座3和旋转码盘4，基座3底端与旋转码盘4顶端固定连接，基座3可随旋转码盘4在与喇叭天线1的平行法面平行的平面内旋转，喇叭天线1的外罩底端与基座3顶端固定连接，喇叭天线1可随基座3同时旋转，望远镜2的安装座侧端与喇叭天线1的外罩侧端连接，望远镜2的目镜和物镜中心点的连线与喇叭天线1的垂直法面平行，望远镜2可在与喇叭天线1的垂直法面平行的平面内旋转。

旋转码盘与基座之间具有平整的连接平面D，二者通过螺钉连接，固定不锁死，则基座可随旋转码盘的旋转部分一同360度转动。基座与喇叭天线外罩底端具有平整的连接平面C，二者通过螺钉连接，固定锁死，则在转动基座时，上方的喇叭天线会随之一同360度转动，即，可实现水平转动角度的调整。喇叭天线外罩侧端和望远镜安装座之间具有平整的连接平面E，二者通过螺钉连接，固定不锁死，在转动喇叭天线时，侧方的望远镜会随之一同360度转动。令喇叭天线的垂直法面为A，平行法面为B，A与B相互垂直。在测量组件中，A面与E面相互平行，B面与C面、D面平行。望远镜的目镜和物镜中心点的连线与A面平行，则望远镜可在与A面平行且包括上述连线的平面，也就是望远镜的垂直法面内360度转动，即，可实现俯仰角度的调整。

旋转码盘最小刻度为0.5度。望远镜放大倍率为20X。基座优选为圆形，喇叭天线的垂直法面方向在圆形基座上具有标识，作为调整转动角度的基准。

定位组件包括第一差分GPS7和第二差分GPS8，定位组件用于测量测量组件的经纬度和定位组件的经纬度。

第一差分GPS为主差分GPS，第二差分GPS为副差分GPS，且二者均为高精度差分GPS，均具有高度可调的天线。当二者相距100m测试时，精度可以达到千分之五度。

在发射端和接收端采用单双站差分比对方法，与传统的定向法相比，将大幅度提高定向精度，可达到0.5度以内。

在测量时，第一差分GPS可先对测量组件的经纬度进行测量，然后移动到对测量组件设定的位置，再测量测量组件的经纬度。

发射端装置还包括信号源9，信号源9与喇叭天线1电连接，接收端装置还包括频谱仪11，频谱仪11与喇叭天线1电连接。信号源用于提供电波，由发射端装置的喇叭天线发射，频谱仪用于调整与显示接收端装置的喇叭天线接收到的电波。

测量时，第一差分GPS7设置于望远镜2正前方第一距离位置，第一距离优选为10m，第二差分GPS8设置于第一差分GPS7正前方第二距离位置，第二距离优选为100m。

优选地，接收端装置还包括低噪放10、数据处理器12和显控台13，喇叭天线1、低噪放10、频谱仪11、数据处理器12与显控台13依次电连接。

优选地，支撑组件包括三脚架5和固定桩6，三脚架5的支撑脚与固定桩6固定连接，例如通过绑带固定连接，并共同固定在地面上，三脚架5的其中两个脚紧贴墙面，每个脚都用一定重量的沙袋压实，三脚架5高度可调，用于使测量组件位于不同的蒸发波导层高度。旋转码盘4底端固定在三脚架5顶端，例如采用螺钉连接，固定锁死。

电波在发射端装置与接收端装置之间传输。

海面上的蒸发波导属于大气波导的一种，是由海水水汽蒸发而形成的波导层，当存在蒸发波导时，满足一定条件的电波将被陷获在波导层内形成超视距传播。由于受天气自然条件限制，蒸发波导高度不稳定，故都采用一段时期内的统计值作为参考，我国不同海域不同季节的蒸发波导高度统计值也不尽相同，渤海及黄海在3至7月的波导高度较高，平均值高达28.5m，但冬季很低；东海及其以东的西太平洋海域在1至4月和10至12月的波导高度较高，而在5至9月的平均波导高度小于10m；南海北部沿海海域在1至3月和11、12月的波导高度较高，平均值约为14m，而在4至10月的平均波导高度较低，一般小于10m；南海中部海域整体上比其他海域的蒸发波导弱，除1、2月和12月的波导高度约10m外，其他月份的波导高度平均值都较低。

在使用上述电波损耗测量系统进行电波损耗测量时，将发射端装置和接收端装置分别放置于发射端和接收端，经测试，在发射端和接收端距离达到200km时，依然可以在不同高度较精确地对准发射端和接收端的天线，对于波束宽度大于2度的天线，一般都可以确保在主瓣3dB宽度范围内对准，并准确测量不同高度的传输链路的电波耗损。发射端装置和接收端装置架设高度可以一致，也可以不一致，但一般不能超过当地蒸发波导高度统计值。从发射端装置的信号源辐射出一定能量的电波，该能量需不小于25dBm，以减少接收端装置信噪比显示下限压力，电波经喇叭天线辐射到空间，进入蒸发波导层，传输到接收端装置，能量从喇叭天线通过低噪放，即低噪声放大器处理，显示在频谱仪上，调整滤波器参数，如带宽1MHz，使噪声降低到-170dBm以下，则信噪比超过20dBm，信号能清晰地从屏幕看到并被提取。由于蒸发波导由大气温度、湿度、海水表面温度、风速、风向等环境因素决定，造成电波衰减不稳定，某时刻的数据没有意义，需数据处理器以每1分钟(频率可调)的速率录取数据，将24小时的数据通过软件绘成曲线，则可知晓该时间内的电波损耗变化规律，由此可知不同时间、不同天气电波损耗变化情况。

本发明实施例还提供一种使用上述电波损耗测量系统进行电波损耗测量的方法。如图3所示，该方法包括如下步骤：

S10，分别测量发射端装置和接收端装置的测量组件的经纬度，计算生成发射端装置和接收端装置的测量组件之间的连线与真北方向的第一偏向角度。

具体地，将三脚架5安置在平坦地面上，高度可调至蒸发波导层高度，用水平气泡校正三脚架5使其水平。采用三个螺钉在三脚架5上安装旋转码盘4，使其紧固锁紧。在支撑组件上安装好测量组件之后，再次用水平气泡校正水平。由定位组件测量得到发射端装置与接收端装置的测量组件之间的经纬度，通过大地坐标测量软件计算出二者之间连线与真北方向的第一偏向角度，将其设为Z1。

S20，根据第一差分GPS和第二差分GPS测量得到的定位组件的经纬度，计算生成第一差分GPS和第二差分GPS之间的连线与真北方向的第二偏向角度。

具体地，在发射端和接收端分别测量第一差分GPS和第二差分GPS所在标定位置处的经纬度，计算生成第一差分GPS和第二差分GPS之间的连线与真北方向的第二偏向角度，将其设为Z2。

S30，根据所述第一偏向角度和所述第二偏向角度，计算生成表示二者差值的差值角度，将发射端装置和接收端装置的喇叭天线分别沿顺时针方向转动所述差值角度。

具体地，将Z1和Z2相减得到差值角度Z3。并将喇叭天线1按照顺时针方向转动Z3角度，将其紧固并锁定，此时喇叭天线1指向为发射端和接收端之间连线方向。

需要注意的是，由于在发射端和接收端测量第二偏向角度的方法一致，但测量值可能会由于具体摆设角度而略有区别，因此发射端和接收端的Z2可能会不同，发射端的Z3为Z1与发射端的Z2之差，接收端的Z3为Z1与接收端的Z2之差。

S40，开机发射端装置的信号源，信号由发射端装置的喇叭天线传输至接收端装置的喇叭天线，调整接收端装置的频谱仪参数，计算传输链路的电波损耗。

具体地，在实现发射端和接收端的天线对准之后，开机信号源，使电波从发射端喇叭天线传输至接收端喇叭天线，通过频谱仪示数，完成电波损耗的计算。

优选地，步骤S20具体包括如下子步骤：

S21，将第一差分GPS7设置于望远镜2正前方第一距离位置，将第二差分GPS8设置于第一差分GPS7正前方第二距离位置。

S22，移动第二差分GPS8，调整第二差分GPS8的天线高度，并旋转望远镜2，直至第一差分GPS7的天线中心点和第二差分GPS8的天线中心点都位于望远镜2的物镜中心点。

S23，通过第一差分GPS7测量得到的第一差分GPS经纬度和第二差分GPS8测量得到的第二差分GPS经纬度，计算生成第一差分GPS7和第二差分GPS8之间的连线与真北方向的第二偏向角度。

具体地，将第一差分GPS7放置在望远镜2正前方第一距离位置，例如10m处，使其天线可以在望远镜2物镜中显示，将第二差分GPS8放置在第一差分GPS7正前方第二距离位置，例如100m处，其中，第一差分GPS7和第二差分GPS8相距越远，测试精度越高。随后不断移动第二差分GPS8，调整其天线高度，并通过望远镜2旋转观察，直至第一差分GPS7和第二差分GPS8的天线中心点都位于望远镜2的物镜中心时，则此时第一差分GPS7和第二差分GPS8天线中心点与望远镜2中心点确定了一个平面，该平面与喇叭天线1的垂直法面平行，即第一差分GPS7和第二差分GPS8的天线中心点的连线偏北角度代表的是当前喇叭天线1的指向偏北角度，设为Z2度。

优选地，步骤S40具体包括如下子步骤：

S41，开机发射端装置的信号源9。

S42，调整接收端装置的频谱仪11参数，使信噪比超过20dB，且频点和信号源9一致。

S43，当存在蒸发波导时，通过以下公式计算传输链路的电波损耗：

L₁＝P_t+G_t+G_r+H₁-L₂-P_r，

其中，L₁为电波传播损耗(dBm)，P_t为信号源示数(dBm)，G_t为发射端装置的喇叭天线增益(dB)，G_r为接收装置的喇叭天线增益(dB)，H₁为低噪放增益(dB)，L₂为插损损耗(dB)，P_r为频谱仪示数(dBm)。

具体地，发射端装置信号源9开机，通过喇叭天线1辐射出一定能量的电波，由接收端装置的喇叭天线1接收。调节频谱仪11滤波器带宽和扫频带宽等相关参数，使信噪比超过20dB，同时可设置显控台13参数，远程控制操作频谱仪11，频点应与信号源9一致，频谱仪11示数为P_r。

当不存在蒸发波导，不存在大气损耗时，该方法还优选地包括步骤S50，通过以下公式计算在自由空间中传输链路的电波损耗：

其中，L₀为电波传播损耗(dBm)，R为传输链路距离(m)，即发射端和接收端之间的距离，λ为电波波长(m)。

L₁可通过一定频率连续录取24小时并绘成曲线，则可知晓该时段内的电波损耗变化规律，继而知晓不同时间、不同天气电波损耗变化情况。也可通过对比L₁和L₀，分析蒸发波导条件下和自由空间条件下的链路电波损耗差异，可为采用超视距传播的波束较窄的大型海面监视雷达传感器的设计和改进提供重要数据支撑。

本发明实施例提供的电波损耗测量系统和方法，除了可以依照常规方法测量视距内的电波衰减值，亦可利用蒸发波导的环境特点，并根据其特点合理评估喇叭天线架设高度，克服地球曲率造成的影响，精准测量到超视距以外，最远可达到200km超远距离的电波损耗。在测量上的定向精度和定向距离都有明显提升，估值更准确，应用更广泛。可实现对在海面上超视距传输电波精确进行损耗测量，借助海面蒸发波导层，解决在超远距离天线对准难度大或者对准精度不高的问题，且发射端和接收端高度可调整，以此测量不同高度的链路损耗值，此数值可评估超视距雷达的作战威力，进而得到垂直高度上的作用盲区，具有较大意义。

以上所述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 (9)

1.一种电波损耗测量系统，其特征在于，包括发射端装置和接收端装置，所述发射端装置和所述接收端装置均包括测量组件、支撑组件和定位组件；

所述测量组件固定在高度可调的所述支撑组件的顶端；

所述测量组件包括喇叭天线(1)、望远镜(2)、基座(3)和旋转码盘(4)，所述基座(3)底端与所述旋转码盘(4)顶端固定连接，所述基座(3)可随所述旋转码盘(4)在与所述喇叭天线(1)的平行法面平行的平面内旋转，所述喇叭天线(1)的外罩底端与所述基座(3)顶端固定连接，所述喇叭天线(1)可随所述基座(3)同时旋转，所述望远镜(2)的安装座侧端与所述喇叭天线(1)的外罩侧端连接，所述望远镜(2)的目镜和物镜中心点的连线与所述喇叭天线(1)的垂直法面平行，所述望远镜(2)可在与所述喇叭天线(1)的垂直法面平行的平面内旋转；

所述定位组件包括第一差分GPS(7)和第二差分GPS(8)，所述定位组件用于测量所述测量组件的经纬度和所述定位组件的经纬度；

所述发射端装置还包括信号源(9)，所述信号源(9)与所述喇叭天线(1)电连接，所述接收端装置还包括频谱仪(11)，所述频谱仪(11)与所述喇叭天线(1)电连接。

2.根据权利要求1所述的电波损耗测量系统，其特征在于，测量时，所述第一差分GPS(7)设置于所述望远镜(2)正前方第一距离位置，所述第二差分GPS(8)设置于所述第一差分GPS(7)正前方第二距离位置。

3.根据权利要求2所述的电波损耗测量系统，其特征在于，所述第一距离为10m，所述第二距离为100m。

4.根据权利要求2所述的电波损耗测量系统，其特征在于，所述接收端装置还包括低噪放(10)、数据处理器(12)和显控台(13)，所述喇叭天线(1)、所述低噪放(10)、所述频谱仪(11)、所述数据处理器(12)与所述显控台(13)依次电连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电波损耗测量系统，其特征在于，所述支撑组件包括三脚架(5)和固定桩(6)，所述三脚架(5)的支撑脚与所述固定桩(6)固定连接，所述旋转码盘(4)底端固定在所述三脚架(5)顶端。

6.一种使用如权利要求1至5任一项所述的电波损耗测量系统进行电波损耗测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，分别测量发射端装置和接收端装置的测量组件的经纬度，计算生成发射端装置和接收端装置的测量组件之间的连线与真北方向的第一偏向角度；

S20，对于发射端装置和接收端装置，根据各自的第一差分GPS(7)和第二差分GPS(8)分别测量得到各自的定位组件的经纬度，计算生成各自的第一差分GPS(7)和第二差分GPS(8)之间的连线与真北方向的第二偏向角度；

S30，对于发射端装置和接收端装置，根据所述第一偏向角度和各自的所述第二偏向角度，分别计算生成表示二者差值的差值角度，将发射端装置和接收端装置的喇叭天线(1)分别沿顺时针方向转动所述差值角度；

S40，开机发射端装置的信号源(9)，信号由发射端装置的喇叭天线传输至接收端装置的喇叭天线，调整接收端装置的频谱仪(11)参数，计算传输链路的电波损耗。

7.根据权利要求6所述的电波损耗测量的方法，其特征在于，步骤S20具体包括如下子步骤：

S21，对于发射端装置和接收端装置，分别将第一差分GPS(7)设置于望远镜(2)正前方第一距离位置，将第二差分GPS(8)设置于第一差分GPS(7)正前方第二距离位置；

S22，移动第二差分GPS(8)，调整第二差分GPS(8)的天线高度，并旋转望远镜(2)，直至第一差分GPS(7)的天线中心点和第二差分GPS(8)的天线中心点都位于望远镜(2)的物镜中心点；

S23，通过第一差分GPS(7)测量得到的第一差分GPS经纬度和第二差分GPS(8)测量得到的第二差分GPS经纬度，计算生成第一差分GPS(7)和第二差分GPS(8)之间的连线与真北方向的第二偏向角度。

8.根据权利要求7所述的电波损耗测量的方法，其特征在于，步骤S40具体包括如下子步骤：

S41，开机发射端装置的信号源(9)；

S42，调整接收端装置的频谱仪(11)参数，使信噪比超过20dB，且频点和信号源(9)一致；

S43，当存在蒸发波导时，通过以下公式计算传输链路的电波损耗：

L₁＝P_t+G_t+G_r+H₁-L₂-P_r，

其中，L₁为电波传播损耗(dBm)，P_t为信号源示数(dBm)，G_t为发射端装置的喇叭天线增益(dB)，G_r为接收装置的喇叭天线增益(dB)，H₁为低噪放增益(dB)，L₂为插损损耗(dB)，P_r为频谱仪示数(dBm)。

9.根据权利要求6至8任一项所述的电波损耗测量的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S50，当不存在蒸发波导时，通过以下公式计算在自由空间中传输链路的电波损耗：

其中，L₀为电波传播损耗(dBm)，R为传输链路距离(m)，λ为电波波长(m)。