CN112816957A - 一种基于无人机的高俯仰角度散射测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机的高俯仰角度散射测试系统，包括无人机、挂载平台、摄像装置、轻量化雷达、微带天线、飞控地面站和测量地面站；测量地面站通过飞控地面站控制无人机围绕目标对象飞行至预设高度，接收轻量化雷达反馈的6轴陀螺仪的实时角速度信息，处理后获得实时的俯仰倾角，根据处理结果调整无人机姿态使实时俯仰倾角与散射测试任务对应的预设的标准俯仰倾角一致，控制轻量化雷达和微带天线完成散射测试任务。本发明能够采用无人机作为整个测量系统的载具，并且对测量系统的结构以及测量方式做了针对性的优化和改进，更具有灵活性，且具有更高的俯仰角度和更广的俯仰角度区间。
Description
技术领域
本发明涉及大尺寸目标散射测试技术领域，具体而言涉及一种基于无人机的高俯仰角度散射测试系统。
背景技术
目前的天线辐射场测试可分为远场测试和近场测试，远场测试是在满足一定的测试距离后直接测量天线的远场特性，而近场测试则是测量待测天线的近场数据，然后根据傅里叶变换得到天线的远场特性。现有技术中，通常采用XY方向的扫描系统作为测量系统的载具，实现俯仰角度的变化。例如，专利号为CN201710765002.3的发明中公开了一种矩形高效率紧缩天线辐射场及目标散射测试系统。扫描系统的结构特征决定了俯仰角度的取值范围和调节精度。
然而，前述方式存在以下问题：第一，随着测试需求日益提高，扫描系统的结构设计变得越发困难，成本和性能取舍变得困难。第二，目标对象分布散乱且数量众多，对于扫描系统和测量系统的布局提出了新的考验，尤其是野外复杂地形条件下，经常难以完成预设的测试过程。第三，每次更换测量目标时，都需要针对测量目标自身结构和周边环境，重新设计测试方案，工作量大，测试耗时长，且随时需要专业人员技术支持，对测试人员的门槛要求高。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于无人机的高俯仰角度散射测试系统，采用无人机作为整个测量系统的载具，并且对测量系统的结构以及测量方式做了针对性的优化和改进，相比于之前使用XY方向的扫描系统更具有灵活性，且具有更高的俯仰角度和更广的俯仰角度区间。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于无人机的高俯仰角度散射测试系统，所述测试系统包括无人机、挂载平台、摄像装置、轻量化雷达、微带天线、飞控地面站和测量地面站；
所述飞控地面站分别与无人机和摄像装置连接，用于调整无人机姿态和控制无人机沿指定飞行路线飞行，以及控制摄像装置的拍摄参数；摄像装置还与测量地面站连接，其拍摄的实时视频流直接发送至测量地面站；
所述轻量化雷达、微带天线通过挂载平台挂载在无人机下方，摄像装置安装在挂载平台前侧面上；所述轻量化雷达和微带天线满足共形条件；所述轻量化雷达包括发射机、接收机、6轴陀螺仪和与测量地面站进行数据传输的收发模块；
所述测量地面站通过飞控地面站控制无人机围绕目标对象飞行至预设高度，接收轻量化雷达反馈的6轴陀螺仪的实时角速度信息，处理后获得实时的俯仰倾角，根据处理结果调整无人机姿态使实时俯仰倾角与散射测试任务对应的预设的标准俯仰倾角一致，调整摄像装置的拍摄参数以采集目标对象的实时图像，以及
在控制无人机保持当前高度和俯仰倾角围绕目标对象做水平匀速运动的同时，控制轻量化雷达和微带天线完成散射测试任务以获取目标对象在当前高度的微波散射特性。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述测量地面站接收轻量化雷达反馈的6轴陀螺仪的实时角速度信息，采用四阶龙格库塔法对实时角速度进行积分，得到实时的俯仰倾角。
进一步地，所述测量地面站利用摄像装置拍摄的目标对象的实时图像生成散射测试任务对应的标准俯仰倾角，或者对预设的初始俯仰倾角进行修正以得到标准俯仰倾角。
进一步地，所述测量地面站对摄像装置拍摄的目标对象的实时图像中的结构件进行识别，获取每个结构件的形状参数，将之与散射测试任务对应的结构件形状参数范围进行比对，根据比对结果对初始俯仰倾角进行修正以得到标准俯仰倾角。
进一步地，所述控制轻量化雷达和微带天线完成散射测试任务以获取目标对象的微波散射特性的过程包括以下步骤：
S1，控制发射机将射频信号通过微带天线的发射端发射至目标对象上，信号经目标对象反射后再由微带天线的接收端接收并返回给接收机；
S2，采用收发模块将接收机接收到的反射信号发送至测量地面站；
S3，测量地面站结合无人机的飞行位置从接收到的反射信号中提取相关信息，分别进行以下处理：一维径向分辨率处理、一维横向分辨率处理、二维成像处理和散射中心重构处理；
S4，结合步骤S3中的处理结果和摄像装置的拍摄图像，生成目标对象的检测报告。
进一步地，步骤S4中，所述测量地面站对步骤S3的处理结果进行整合后，根据无人机的飞行位置，将整合结果和摄像装置的拍摄图像进行同步处理，生成目标对象的检测报告。
本发明的有益效果是：
(1)采用无人机作为整个测量系统的载具，并且对测量系统的结构以及测量方式做了针对性的优化和改进，相比于之前使用XY方向的扫描系统更具有灵活性，且具有更高的俯仰角度和更广的俯仰角度区间。
(2)本发明可以实时观察测量情况。
(3)系统的结构简单，易于实现。
(4)减少测量目标自身结构和测量目标的周边环境对测量过程的影响，提高了测量系统的适用性。
(5)针对无人机载体和测量系统的新结构，提出了一种新的更具自动化的测量方法，减少了测量人员的工作量，降低了对操作人员的专业需求。
附图说明
图1是本发明的基于无人机的高俯仰角度散射测试系统的结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
结合图1，本发明提及一种基于无人机的高俯仰角度散射测试系统，所述测试系统包括无人机、挂载平台、摄像装置、轻量化雷达、微带天线、飞控地面站和测量地面站。
所述飞控地面站分别与无人机和摄像装置连接，用于调整无人机姿态和控制无人机沿指定飞行路线飞行，以及控制摄像装置的拍摄参数；摄像装置还与测量地面站连接，其拍摄的实时视频流直接发送至测量地面站。
所述轻量化雷达、微带天线通过挂载平台挂载在无人机下方，摄像装置安装在挂载平台前侧面上，摄像装置可以将目标对象的情况实时回传，使测量地面站随时观察并对测试过程进行手动或者自动调整。
所述轻量化雷达和微带天线满足共形条件，可以实现更快捷地挂载保证散射测试的稳定性。
所述轻量化雷达包括发射机、接收机、6轴陀螺仪和与测量地面站进行数据传输的收发模块，发射机和接收机均通过射频线与微带天线连接。
所述测量地面站通过飞控地面站控制无人机围绕目标对象飞行至预设高度，接收轻量化雷达反馈的6轴陀螺仪的实时角速度信息，处理后获得实时的俯仰倾角，根据处理结果调整无人机姿态使实时俯仰倾角与散射测试任务对应的预设的标准俯仰倾角一致，调整摄像装置的拍摄参数以采集目标对象的实时图像，以及
在控制无人机保持当前高度和俯仰倾角围绕目标对象做水平匀速运动的同时，控制轻量化雷达和微带天线完成散射测试任务以获取目标对象在当前高度的微波散射特性。
一、结构件说明
本发明的无人机可以采用市面通用的相关多旋翼无人机产品，根据测试需求，更倾向于选择最小载荷20kg、续航30分钟以上和稳定度高的产品。摄像装置同理，由于本发明的测试过程对拍摄图像质量依赖度不高，选择轻量化产品反而更加有利。而测量地面站可以采用千兆以太网卡进行数据的高速传输，优选的，选择GPU显卡进行成像运算，提高成像效率。
二、测试过程
步骤一、将摄像装置、轻量化雷达以及微带天线挂载到无人机的挂载平台上，然后由飞控地面站控制无人机起飞，无人机起飞后，连接摄像装置，获得实时视频流。
步骤二、连接轻量化雷达，由雷达的收发模块将陀螺仪实时的角速度信息进行回传至测量地面站，测量地面站对实时角速度进行积分获得实时的俯仰倾角，再通过调整无人机姿态让俯仰倾角达到测试要求。积分方法可以采用精度较高的四阶龙格库塔法，
四阶龙格库塔法描述如下：
对微分方程：dy/dt＝f(x,y)
有初值条件：
y(i+1)＝y(i)+h*(K1+2*K2+2*K3+K4)/6
K1＝f(x(i),y(i))
K2＝f(x(i)+h/2,y(i)+h*K1/2)
K3＝f(x(i)+h/2,y(i)+h*K2/2)
K4＝f(x(i)+h,y(i)+h*K3)
其中，K1，K2，K3，K4表示的是输出变量的一阶倒数，即在一点处的微分、斜率。
步骤三、俯仰倾角达到测试要求后，无人机悬停在指定位置，调整摄像装置的拍摄参数以采集当前的目标图像，同时，通过飞控地面站控制无人机保持高度与俯仰倾角，围绕目标对象做水平匀速运动。
一旦开始做水平匀速运动，测量地面站立刻控制轻量化雷达的发射机将射频信号通过微带天线的发射端发出，信号经过目标对象反射后再由微带天线的接收端接收并返回给轻量化雷达接收机，经收发模块发送回测量地面站。
优选的，所述测量地面站还可以利用摄像装置拍摄的目标对象的实时图像生成散射测试任务对应的标准俯仰倾角，或者对预设的初始俯仰倾角进行修正以得到标准俯仰倾角。这一过程可以由人工辅助完成，如操作人员观察拍摄图像，逐步调整标准俯仰倾角，直至拍摄图像满足测试需求；也可以采用自动化方式完成，例如，所述测量地面站对摄像装置拍摄的目标对象的实时图像中的结构件进行识别，获取每个结构件的形状参数，将之与散射测试任务对应的结构件形状参数范围进行比对，根据比对结果对初始俯仰倾角进行修正以得到标准俯仰倾角。
步骤四、测量地面站接收到测量数据后进行数据处理。
测量地面站结合无人机的飞行位置从接收到的反射信号中提取相关信息，分别进行以下处理：一维径向分辨率处理、一维横向分辨率处理、二维成像处理和散射中心重构处理：一维径向分辨率处理、一维横向分辨率处理、二维成像处理和散射中心重构处理。再结合前述处理结果和摄像装置的拍摄图像，生成目标对象的检测报告。
1)一维径向分辨率处理，利用窄脉冲系统可直接得到目标散射中心沿目标径向距离的分布，该分辨力取决于射频脉冲频谱宽度。利用宽带线性调频连续波系统可测量散射中心沿目标径向距离分布，径向距离分辨力取决于线性调频带宽。利用频域与时域互为傅立叶变换关系，由宽带扫频的频域响应经傅立叶变换得到散射中心沿目标径向距离分布的时域响应。径向分辨力取决于扫频带宽。为了减小距离旁瓣，采用适当的窗函数加权。
2)一维横向分辨率处理，基于天线相对被测目标移动雷达成像原理，对以角度为变量的回波幅相信号进行傅立叶变换，得到目标散射中心沿横向距离的分布，横向分辨力为：
ΔRc＝λ/2ΔφT
式中：
ΔRc为横向分辨力，m。
λ为雷达波长，m。
ΔφT为目标与天线间孔径角，rad。
根据技术要求的X波段的分辨率优于5cm@3m，横向孔径为2m，按中心频率10GHz(X波段)计算，得出一维横向分辨率数据。
3)二维成像处理，提取轻量化雷达在水平方向直线运动的数据，其中，雷达以一定的重复周期发射脉冲，于是在水平运动过程中在空间形成了等间隔的均匀直线阵列，雷达一次接收到的序列数据即为相应顺序阵元的信号。因此可以用二维时间信号—快时间信号和慢时间信号分别表示雷达接收到的回波信号和雷达天线(即合成阵列的阵元)相位中心所处的位置。
利用宽带扫频测量获得目标散射中心径向距离分辨力，利用水平扫描移动轻量化雷达成像原理获得目标散射中心横向距离分辨，两者结合获得目标散射中心的二维图像。
二维成像采用二维快速付氏变换(FFT)、时域卷积逆投影等多种算法。二维FFT成像的优点是速度快，但需要对测量的极坐标数据进行插值处理生成直角格栅数据，然后运用二维FFT、逆投影成像法直接利用极坐标数据进行成像，单幅成像处理时长小于1s。
4)散射中心重构处理，在光学区，目标总的电磁辐射可以认为是某些局部位置上的电磁散射的叠加，这些局部性的散射源被称为散射中心。每个散射中心都相当于斯特拉顿-丘积分中的一个不连续处。因此，还需考虑镜面反射、爬行波与行波效应引起的散射。但对于微波成像来讲，主要起作用的散射中心有镜面散射中心、腔体散射中心、边缘散射中心和多次散射。
对于电大尺寸目标，在入射频率很高的情况下，也就是在RCS光学区，有高频局部性原理可知，目标各个部分独立的产生散射，其它部分影响的累计很小以至于可以忽略，目标的电磁特性可以用散射中心来描述。
由散射中心的散射场叠加得到的目标总的RCS和目标RCS理论值非常接近，这就说明将目标等效为n个散射中心的近似处理方法是可行的。采用峰值法提取散射中心，近似用散射中心的峰值来表示该散射中心处的幅度，峰值对应点的相位表示该散射中心的相位信息。
在本发明中，无人机在同一高度执行水平均匀飞行时，飞行路径可以参考前述四种处理过程的需求设定，测量地面站接收反射信号，结合无人机的飞行位置从接收到的反射信号中提取相关信息，依次执行前述四种处理过程。在对前述处理结果进行整合后，根据无人机的飞行位置，将整合结果和摄像装置的拍摄图像进行同步处理，生成目标对象的检测报告。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于无人机的高俯仰角度散射测试系统，其特征在于，所述测试系统包括无人机、挂载平台、摄像装置、轻量化雷达、微带天线、飞控地面站和测量地面站；
所述飞控地面站分别与无人机和摄像装置连接，用于调整无人机姿态和控制无人机沿指定飞行路线飞行，以及控制摄像装置的拍摄参数；摄像装置还与测量地面站连接，其拍摄的实时视频流直接发送至测量地面站；
所述轻量化雷达、微带天线通过挂载平台挂载在无人机下方，摄像装置安装在挂载平台前侧面上；所述轻量化雷达和微带天线满足共形条件；所述轻量化雷达包括发射机、接收机、6轴陀螺仪和与测量地面站进行数据传输的收发模块；
所述测量地面站通过飞控地面站控制无人机围绕目标对象飞行至预设高度，接收轻量化雷达反馈的6轴陀螺仪的实时角速度信息，处理后获得实时的俯仰倾角，根据处理结果调整无人机姿态使实时俯仰倾角与散射测试任务对应的预设的标准俯仰倾角一致，调整摄像装置的拍摄参数以采集目标对象的实时图像，以及
在控制无人机保持当前高度和俯仰倾角围绕目标对象做水平匀速运动的同时，控制轻量化雷达和微带天线完成散射测试任务以获取目标对象在当前高度的微波散射特性。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的高俯仰角度散射测试系统，其特征在于，所述测量地面站接收轻量化雷达反馈的6轴陀螺仪的实时角速度信息，采用四阶龙格库塔法对实时角速度进行积分，得到实时的俯仰倾角。
3.根据权利要求1所述的基于无人机的高俯仰角度散射测试系统，其特征在于，所述测量地面站利用摄像装置拍摄的目标对象的实时图像生成散射测试任务对应的标准俯仰倾角，或者对预设的初始俯仰倾角进行修正以得到标准俯仰倾角。
4.根据权利要求3所述的基于无人机的高俯仰角度散射测试系统，其特征在于，所述测量地面站对摄像装置拍摄的目标对象的实时图像中的结构件进行识别，获取每个结构件的形状参数，将之与散射测试任务对应的结构件形状参数范围进行比对，根据比对结果对初始俯仰倾角进行修正以得到标准俯仰倾角。
5.根据权利要求1所述的基于无人机的高俯仰角度散射测试系统，其特征在于，所述控制轻量化雷达和微带天线完成散射测试任务以获取目标对象的微波散射特性的过程包括以下步骤：
S1，控制发射机将射频信号通过微带天线的发射端发射至目标对象上，信号经目标对象反射后再由微带天线的接收端接收并返回给接收机；
S2，采用收发模块将接收机接收到的反射信号发送至测量地面站；
S3，测量地面站结合无人机的飞行位置从接收到的反射信号中提取相关信息，分别进行以下处理：一维径向分辨率处理、一维横向分辨率处理、二维成像处理和散射中心重构处理；
S4，结合步骤S3中的处理结果和摄像装置的拍摄图像，生成目标对象的检测报告。
6.根据权利要求5所述的基于无人机的高俯仰角度散射测试系统，其特征在于，步骤S4中，所述测量地面站对步骤S3的处理结果进行整合后，根据无人机的飞行位置，将整合结果和摄像装置的拍摄图像进行同步处理，生成目标对象的检测报告。
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