CN114725661A - 一种海水隐形自适应天线系统及天线自动调节系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海水隐形自适应天线系统，包括通信设备、计算机控制系统、环境数据传感器、泵控系统、水电隔离系统、水柱喷射系统以及角度调节系统以及水柱喷射器。本发明还公开了一种海水隐形自适应天线系统的天线自动调节系统，包括压力供应控制系统、水电隔离系统以及通讯信号发生接受系统、姿态调整自动控制系统以及天线接收发射系统。本发明的海水隐形自适用天线系统可供海军舰艇、航母、岛礁作为无线短波、超短波及航空波段的收发天线，其具有低轮廓、隐形和抗毁功能，同时还具有无干扰、无盲区的优点。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及到一种海水隐形自适应天线系统及天线自动调节系统。
背景技术
无线通信离不开天线，天线作为无线通信的咽喉是不可缺少和不可替代的重要设备。短波通信由于通信距离远，目前在各国海军舰艇、航母、岛礁通信中被广泛应用，然而短波天线体积大、相互间容易形成磁场干扰，导致通信质量差，且难于隐形战时易遭摧毁是其致命的弱点。故急需一种突破传统的、多用途的、隐形的、不易损毁的通信天线。
2006年美国海军空间与海战系统司令部一个通信研发小组研制一种海水天线，电流探针(一种电子线圈，尺寸跟形状大致相当于一个大炸面圈)连接到一副无线电天线端子上，当海水通过探针中部的孔喷出时，信号就能通过电磁感应传给这股水流。靠加长或缩短这根水柱，天线就能调节到相应的信号频率。2012年，中电科36所发现海水来源丰富，海水天线具有未来电子战争所需天线的特性，根据相关模拟得出海水天线的结构参数与天线效率及阻抗的相对关系，结论时海水作为通信天线是可行的，外来军事应用巨大。
海水隐形抗毁短波超短波自适应天线将彻底颠覆传统金属天线，形成未来海上舰只及岛礁通信天线的主流产品，应用前景巨大，战略意义显著。现有技术中，传统的短波、超短波通信使用的金属杆状天线存在尺寸大、目标特征显著，隐身效果差，相互间抗干扰性能差的问题。
现代战争对通讯雷达机动性能的要求越来越高，特别是船用载体雷达天线、发射架等设备，在需要进行远程通讯时，船体晃动对雷达天线通讯影响很大。人工手动调节已很难满足军方对雷达快速架设、快速撤收，以及平台高精度调平的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种海水隐形自适应天线系统及天线自动调节系统，用于解决现有技术中传统的短波、超短波通信使用的金属杆状天线存在尺寸大、目标特征显著，隐身效果差，相互间抗干扰性能差的问题，以及人工手动调节天线已很难满足军方对雷达快速架设、快速撤收，以及平台高精度调平的要求。
为达上述目的，本发明的一个实施例中提供了一种海水隐形自适应天线系统，包括通信设备、计算机控制系统、环境数据传感器、泵控系统、水电隔离系统、水柱喷射系统以及角度调节系统以及水柱喷射器；
通信设备用于输出通信频率并传送至计算机控制系统，其射频端口通过匹配网络与水电隔离系统相连接进行通信；
计算机控制系统用于获取通信设备的通信频率，并根据获取的通信设备的通信频率控制高压水泵的压力，进而改变水柱的长短、粗细和水柱的角度；
环境数据传感器用于获取环境数据，并将获取的环境数据传输给计算机控制系统；
泵控系统用于获取计算机控制系统传输的环境数据和通信频率，并根据获取的环境数据和通信频率对海水进行加压；
水电隔离系统用于获取泵控系统的加压海水，并将加压后的海水进行水电隔离；
水柱喷射系统以及角度调节系统用于获取水电隔离系统的水电分离后的海水，并将水电分离后的海水进行水柱形状调节和辐射角调节；
水柱喷射器用于将水柱喷射系统以及角度调节系统调节好的海水喷射形成水柱。
本发明优选的方案之一，环境数据传感器包括压力传感器、风速传感器以及风向传感器，所述压力传感器用于获取高压水泵内水体压力，所述风速传感器用于获取环境风速，所述风向传感器用于获取环境风向。
本发明优选的方案之一，泵控系统中的水泵出水口安装有压力传感器。
本发明优选的方案之一，通信设备的射频口通过电缆与水电隔离系统相连接。
基于本发明公开的一种海水隐形自适应天线系统，包括压力供应控制系统、水电隔离系统以及通讯信号发生接受系统、姿态调整自动控制系统以及天线接收发射系统；
压力供应控制系统用于获取姿态调整自动控制系统传输的所需压力值，并根据获取的压力值对海水进行加压；
水电隔离系统以及通讯信号发生接受系统用于获取压力供应控制系统的加压海水，并将获取的加压海水进行水电分离，同时产生上行和接收下行通信信号；
姿态调整自动控制系统用于获取通讯信号发生接受系统的通信信号，并根据通信信号由CPU计算出当前设定需要平台工作的角度位置，控制系统自动调整海水天线水柱的高度、粗细、方向及角度；
天线接收发射系统用于获取环境的通讯信号，并根据获取的通讯信号输出通讯信号。
本发明优选的方案之一，姿态调整自动控制系统包括控制模块、执行模块、水平传感器、风力传感器以及承载平台；
水平传感器用于获取测试平台的倾斜度，并将获取的测试平台的倾斜度传输给控制模块；
风力传感器用于获取环境风力及风向，并将获取的环境风力及风向传输给控制模块；
控制模块用于获取水平传感器传输的测试平台的倾斜度和风力传感器传输的环境风力及风向，并根据获取的测试平台的倾斜度和环境风力及风向进行判断形成策略；
执行模块用于获取控制模块输出的控制信号，并根据获取的控制信号进行执行；
承载平台用于获取执行模块的执行信号，并根据获取的执行信号
本发明优选的方案之一，控制模块包括串口扩展电路、单片机、运行指示灯、显示屏、控制按键、CPLD、DAC、伺服控制器以及驱动接口单元；单片机与控制按键、运行指示灯、显示屏、串口扩展电路以及CPLD相连接，串口扩展电路分别与水平传感器、风力传感器相连接，CPLD与DAC相连接，DAC与伺服控制器相连接，伺服控制器与驱动接口单元相连接，驱动接口单元与执行模块相连接。
本发明优选的方案之一，执行模块包括伺服电机以及与伺服电机相连接的伺服电动缸，伺服电机与控制模块的驱动接口单元相连接，伺服电动缸与承载平台相连接，并且伺服电动缸还分别与水平传感器、风力传感器相连接。
本发明优选的方案之一，天线接收发射系统还包括通信增强装置。
综上所述，本发明的有益效果为：
1、本发明利用海水的导电性能，通过水泵将海水变成一个高压水柱形成天线的辐射体，通信时水泵打开，形成海水水柱天线；根据通信性能需要，水柱可以有不同形状、长短等形态，不通信时水泵关闭而达到隐形的目的，利用变频电机及变频器压力传感系统、IP核芯片以及软件模块等专用软件来实现控制自动化，并根据水柱的角度、高度及均匀度设计出多频段的工作点，从而促使短波、超短波天线利用水柱形成多频点天线；同时也可作为干扰敌方无线通信、雷达、导弹的干扰发射天线，并且水柱是摧不毁的。
2、本发明的海水隐形自适应天线系统可供海军舰艇、航母、岛礁作为无线短波、超短波及航空波段的收发天线，其具有低轮廓、隐形和抗毁功能，同时还具有无干扰、无盲区的优点。
3、本发明海水隐形自适应天线系统的天线自动调节系统，以单片机和CPLD为控制核心，伺服控制器和伺服电机为执行单元的自动控制系统，能够实现船载天线自动调节的全自动化、全闭环控制。
4、本发明海水隐形自适应天线系统的天线自动调节系统具有调平时间短、调平精度高、可靠性高以及可在恶劣环境下可靠工作的优点。
附图说明
图1为本发明一个实施例的海水隐形自适应天线系统的示意图；
图2为本发明一个实施例的海水隐形自适应天线系统的天线自动调节系统的组成图；
图3为本发明一个实施例中姿态调整自动控制系统的硬件组成图。
具体实施方式
本发明提供了一种海水隐形自适应天线系统，包括通信设备、计算机控制系统、环境数据传感器、泵控系统、水电隔离系统、水柱喷射系统以及角度调节系统以及水柱喷射器。
通信设备用于输出通信频率并传送至计算机控制系统，其射频端口通过电缆匹配网络与水电隔离系统相连接进行通信；
计算机控制系统用于获取通信设备的通信频率，并根据获取的通信设备的通信频率控制高压水泵的压力，进而改变水柱的长短、粗细和水柱的角度；
环境数据传感器用于感知与获取环境数据，并将获取的环境数据分别传输给泵控系统和计算机控制系统，其中环境数据传感器包括压力传感器、风速传感器以及风向传感器，压力传感器用于获取高压水泵内水体压力，风速传感器用于获取环境风速，风向传感器用于获取环境风向；同时计算机控制系统根据各传感器获取的数据，经过计算，最终将控制指令传给泵控系统，泵控系统根据通讯频率、风速、风向及时调整水柱的形状与角度，达到最佳通信效果。
泵控系统用于获取计算机控制系统传输的环境风速、环境风向和通信频率，并根据获取的环境风速、环境风向和通信频率对海水进行加压，并且上述压力传感器安装在泵控系统中水泵出水口；
水电隔离系统用于获取泵控系统的加压海水，并将加压后的海水进行水电隔离；
水柱喷射系统以及角度调节系统用于获取水电隔离系统的水电分离后的海水，并将水电分离后的海水进行水柱形状调节和辐射角调节；
水柱喷射器用于将水柱喷射系统以及角度调节系统调节好的海水喷射形成水柱。
海水隐形自适用天线系统的工作过程为：通信设备输出通信频率并将通信频率传送至计算机控制系统，同时通信设备的射频端口通过电缆与水电隔离系统相连接进行通信；风速传感器以及风向传感器将获取的环境中的风向和风速传输给计算机控制系统，计算机控制系统根据风速、风向以及通信频率控制泵控系统中的高压泵的压力，泵控系统将海水加压后供给水电隔离系统进行水电分离，防止电信号对大海短路，经水电分离后的高压海水通过水柱喷射系统以及角度调节系统进行水柱形状的调节和辐射角的调节，最后由水柱喷射器形成水柱。
海水隐形自适用天线系统的工作原理为：利用海水的导电性能，通过水泵将海水变成一个高压水柱形成天线的辐射体，通信时水泵打开，形成海水水柱天线；根据通信性能需要，水柱可以有不同形状、长短等形态，不通信时水泵关闭而达到隐形的目的，利用变频电机及变频器压力传感系统、IP核芯片以及软件模块等专用软件来实现控制自动化，并根据水柱的角度、高度及均匀度设计出多频段的工作点，从而促使短波、超短波天线利用水柱形成多频点天线。
一种海水隐形自适应天线系统的天线自动调节系统，包括压力供应控制系统、水电隔离系统以及通讯信号发生接受系统、姿态调整自动控制系统以及天线接收发射系统；
压力供应控制系统用于获取姿态调整自动控制系统传输的所需压力值，并根据获取的压力值对海水进行加压，确保并维持海水天线水柱的形状、粗细、角度所需的压力值；
水电隔离系统以及通讯信号发生接受系统用于获取压力供应控制系统的加压海水，并将获取的加压海水进行水电分离，同时产生上行和接收下行通信信号；
姿态调整自动控制系统用于获取通讯信号发生接受系统的通信信号，并根据通信信号由CPU计算出当前设定需要平台工作的角度位置,控制系统开始进行自动调整海水天线水柱的高度、粗细、方向及角度，以保证系统获得最佳通信效果；
天线接收发射系统用于获取环境的通讯信号，并根据获取的通讯信号输出通讯信号，其通过海水水柱接收和发射通信信号；天线接收发射系统还包括通信增强装置，通信增强装置可调节海水的导电率，其通过添加可溶性或非可溶性信号增强剂来改变海水的导电率，从而达到增强通信的效果。
天线调节原理为：姿态调整自动控制系统由CPU计算出当前设定需要平台工作的角度位置,控制系统开始进行自动调节。通过水平传感器的检测信号，找出工作平台的初始位置。将水平传感器安置于工作平台上，水平传感器输出含有X轴和Y轴信号，它们是与水平误差成线性关系的数字信号。当X、Y达到设定时，姿态调整自动控制系统进行自动平衡保持，当船体晃动时候，水平传感器检查到X、Y信号有变化，控制机械部分自动调节，保持输出天线不变形。
水平传感器不是指平面上的传感器，而是指整个天线的工作台是否为水平的。天线调节就是通过水平X轴和与之垂直的Y轴，准确感知工作平面的状态，再将感知参数传给姿态调整自动控制系统，使得海水天线的工作平台即海水水柱喷口的安装基础平台进行调节。
姿态调整自动控制系统包括控制模块、执行模块、水平传感器、风力传感器以及承载平台；
水平传感器用于获取测试平台的倾斜度，并将获取的测试平台的倾斜度传输给控制模块，本系统采用的水平传感器其测量精度为0±20"，分辨率≤4"；
风力传感器用于获取环境风力及风向，并将获取的环境风力及风向传输给控制模块；
控制模块用于获取水平传感器传输的测试平台的倾斜度和风力传感器传输的环境风力及风向，并根据获取的测试平台的倾斜度和环境风力及风向进行判断形成策略；
执行模块用于获取控制模块输出的控制信号，并根据获取的控制信号进行执行；
承载平台用于获取执行模块的执行信号，并根据获取的执行信号。承载平台为安装海水天线系统的工作装置的平台，并且承载平台无论在任何状况下均保持水平状态；
其中水平传感器和风力传感器的波特率均采用9600bit/s。
姿态调整自动控制系统的工作过程为：水平传感器通过X、Y两个方向测量平台的倾斜度，再通过RS232串行口向控制模块发送X方向和Y方向的倾角数据；风力传感器将实时获取的风力及风向通过RS232串行口向控制模块发送风力风向数据，控制模块根据水平传感器和风力传感器送来的数据进行判断并形成控制策略，产生控制信号，执行模块获取控制模块传输的控制信号，并进行执行。
控制模块包括串口扩展电路、单片机、运行指示灯、显示屏、控制按键、CPLD、DAC、伺服控制器以及驱动接口单元；单片机与控制按键、运行指示灯、显示屏、串口扩展电路以及CPLD相连接，串口扩展电路分别与水平传感器、风力传感器相连接，CPLD与DAC相连接，DAC与伺服控制器相连接，伺服控制器与驱动接口单元相连接，驱动接口单元与执行模块相连接，其中显示屏用于测量平台倾角、风力数据的实时显示。
执行模块包括伺服电机以及与伺服电机相连接的伺服电动缸，伺服电机与控制模块的驱动接口单元相连接，伺服电动缸与承载平台相连接，并且伺服电动缸还分别与水平传感器、风力传感器相连接。
工作过程为：当操作人员通过控制按键将控制指令发送到控制模块，CPU读取水平传感器、风力传感器送来的数据进行判断并形成控制策略，产生的控制信号由DAC送至伺服控制器，再控制驱动接口单元驱动某一路伺服电机运转。整个调节运行过程通过声、光进行指示，控制模块实时地将倾角、风力数据进行显示，方便操作人员监控。
本发明的天线自动调节过程具体分两个阶段完成。第一阶段为初始阶段，即初始值设定后，姿态就调整到需要的角度。第二阶段，单片机读取水平传感器送来当前平台的倾斜度数据以及风力传感器送来的各数据，根据倾角数据和风力数据，按照控制策略驱动相应电机上升相应支撑腿，直至倾斜度达到系统的要求。
天线自动调节系统是船用天线的一个重要的组成部分，对提高通讯的质量起重要作用，如目标角度的测量精度以及整机频道设置的速度等，起着决定性的作用。本系统采用单片机和CPLD控制，应用交流伺服控制，大大提高了天线的水平精度和调整的时间，而且具有高可靠性和维护性好的特点。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (9)
1.一种海水隐形自适应天线系统，其特征在于：包括通信设备、计算机控制系统、环境数据传感器、泵控系统、水电隔离系统、水柱喷射系统以及角度调节系统以及水柱喷射器；
所述通信设备用于输出通信频率并传送至计算机控制系统，其射频端口通过匹配网络与水电隔离系统相连接进行通信；
所述计算机控制系统用于获取通信设备的通信频率，并根据获取的通信设备的通信频率控制高压水泵的压力，进而改变水柱的长短、粗细和水柱的角度；
所述环境数据传感器用于获取环境数据，并将获取的环境数据传输给计算机控制系统；
所述泵控系统用于获取计算机控制系统传输的环境数据和通信频率，并根据获取的环境数据和通信频率对海水进行加压；
所述水电隔离系统用于获取泵控系统的加压海水，并将加压后的海水进行水电隔离；
所述水柱喷射系统以及角度调节系统用于获取水电隔离系统的水电分离后的海水，并将水电分离后的海水进行水柱形状调节和辐射角调节；
所述水柱喷射器用于将水柱喷射系统以及角度调节系统调节好的海水喷射形成水柱。
2.如权利要求1所述的一种海水隐形自适应天线系统，其特征在于：所述环境数据传感器包括压力传感器、风速传感器以及风向传感器，所述压力传感器用于获取高压水泵内水体压力，所述风速传感器用于获取环境风速，所述风向传感器用于获取环境风向。
3.如权利要求1所述的一种海水隐形自适应天线系统，其特征在于：所述泵控系统中的水泵出水口安装有压力传感器。
4.如权利要求1所述的一种海水隐形自适应天线系统，其特征在于：所述通信设备的射频口通过电缆与水电隔离系统相连接。
5.一种海水隐形自适应天线系统的天线自动调节系统，其特征在于：包括压力供应控制系统、水电隔离系统以及通讯信号发生接受系统、姿态调整自动控制系统以及天线接收发射系统；
所述压力供应控制系统用于获取姿态调整自动控制系统传输的所需压力值，并根据获取的压力值对海水进行加压；
所述水电隔离系统以及通讯信号发生接受系统用于获取压力供应控制系统的加压海水，并将获取的加压海水进行水电分离，同时产生上行和接收下行通信信号；
所述姿态调整自动控制系统用于获取通讯信号发生接受系统的通信信号，并根据通信信号由CPU计算出当前设定需要平台工作的角度位置，控制系统自动调整海水天线水柱的高度、粗细、方向及角度；
所述天线接收发射系统用于获取环境的通讯信号，并根据获取的通讯信号输出通讯信号。
6.如权利要求5所述的一种海水隐形自适应天线系统的天线自动调节系统，其特征在于：所述姿态调整自动控制系统包括控制模块、执行模块、水平传感器、风力传感器以及承载平台；
所述水平传感器用于获取测试平台的倾斜度，并将获取的测试平台的倾斜度传输给控制模块；
所述风力传感器用于获取环境风力及风向，并将获取的环境风力及风向传输给控制模块；
所述控制模块用于获取水平传感器传输的测试平台的倾斜度和风力传感器传输的环境风力及风向，并根据获取的测试平台的倾斜度和环境风力及风向进行判断形成策略；
所述执行模块用于获取控制模块输出的控制信号，并根据获取的控制信号进行执行；
所述承载平台用于获取执行模块的执行信号，并根据获取的执行信号。
7.如权利要求6所述的一种海水隐形自适应天线系统的天线自动调节系统，其特征在于：所述控制模块包括串口扩展电路、单片机、运行指示灯、显示屏、控制按键、CPLD、DAC、伺服控制器以及驱动接口单元；所述单片机与控制按键、运行指示灯、显示屏、串口扩展电路以及CPLD相连接，所述串口扩展电路分别与水平传感器、风力传感器相连接，所述CPLD与DAC相连接，所述DAC与伺服控制器相连接，所述伺服控制器与驱动接口单元相连接，所述驱动接口单元与执行模块相连接。
8.如权利要求5所述的一种海水隐形自适应天线系统的天线自动调节系统，其特征在于：所述执行模块包括伺服电机以及与伺服电机相连接的伺服电动缸，所述伺服电机与控制模块的驱动接口单元相连接，所述伺服电动缸与承载平台相连接，并且伺服电动缸还分别与水平传感器、风力传感器相连接。
9.如权利要求5所述的一种海水隐形自适应天线系统的天线自动调节系统，其特征在于：所述天线接收发射系统还包括通信增强装置。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102237566A (zh) * | 2010-04-20 | 2011-11-09 | 王晶晶 | 海水隐形天线 |
| WO2011145515A1 (ja) * | 2010-05-15 | 2011-11-24 | 有限会社 アール・シー・エス | 磁力波アンテナおよび磁力波通信装置 |
| CN103618134A (zh) * | 2013-11-06 | 2014-03-05 | 西安电子科技大学 | 一种喷射水体天线 |
| CN105940555A (zh) * | 2014-02-03 | 2016-09-14 | 三菱电机株式会社 | 天线装置 |
| CN110994149A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-04-10 | 西安电子科技大学 | 一种导电液体天线 |
-
2022
- 2022-04-28 CN CN202210457890.3A patent/CN114725661A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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