CN115792832A - 基于无人机的地物散射的测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于无人机的地物散射测量系统，包括空中测量系统、通信转换模块和地面射频系统，空中测量系统用于发射射频信号和接收回波信号；通信转换模块用于转换信号类型；地面射频系统用于产生射频信号和处理回波信号。本发明还公开了该测量系统的测量方法，首先，根据测量目标选型设备并进行设备互联；然后，编写无人机控制程序和SAR成像程序；最后，进行散射测量并对测量结果进行分析。本发明基于无人机的地物散射测量系统的搭建成本低，可实时处理测量数据，且基于无人机的空中测量系统结构简单、灵活度高，可根据测量任务及时进行动态调整。
Description
技术领域
本发明属于电磁散射测量技术领域，具体涉及一种基于无人机的地物散射的测量系统，本发明还涉及该地物散射测量系统的测量方法。
背景技术
电磁散射测量技术是研究目标雷达特征的一种重要手段，开展外场电磁散射测量具有重要的战略意义，外场实验测量的关键在于外场电磁散射系统的搭建，常规的测量系统分为岸基测量平台和机载测量平台。其中，机载测量平台可以进行对地观测，测量地面目标的散射系数、一维像、二维像等雷达特征，测试灵活，且测试范围大，但利用机载平台进行散射测量成本高且需要调动大量的测量资源，是常规的研究单位无法负担的。
近年来，随着无人机行业的兴起，越来越多高载重、高稳定性的无人机开始面世，利用无人机来进行外场散射测量工作已经成为了一项可行的方案，但相关测试的方法极少，如何利用无人机实现地物散射测量仍存在空白。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无人机的地物散射的测量系统，解决了现有技术存在的机载测量平台的成本高、无法对测量数据进行实时处理以及机载测量平台无法及时进行动态调整的问题。
本发明的另一目的是提供该地物散射测量系统的测量方法。
本发明所采用的技术方案是，基于无人机的地物散射测量系统，包括空中测量系统、通信转换模块和地面射频系统，空中测量系统用于发射射频信号和接收回波信号；通信转换模块用于转换信号类型；地面射频系统用于产生射频信号和处理回波信号。
本发明所采用的另一技术方案是，基于无人机的地物散射测量方法，在基于无人机的地物散射测量系统上执行，具体按照以下步骤实施：
步骤1、确定测量目标；
步骤2、设备准备工作，包括根据测量目标选型设备和校准矢量网络分析仪；
步骤3、设备互联，包括操作电脑互联矢量网络分析仪和测量系统信号链路连接；
步骤4、根据测量任务编写无人机控制程序，包括无人机航迹飞行控制程序与云台控制程序；
步骤5、编写SAR成像程序；
步骤6、进行散射测量，得到初次测量结果；
步骤7、重复步骤6，得到最终测量结果；
步骤8、对最终测量结果进行分析。
本发明的特征还在于，
空中测量系统包括无人机，无人机上挂载有云台，云台装载有功率放大器、发射天线和接收天线。
通信转换模块包括两组通过光纤连接的射频-光纤信号转换器和光纤-射频信号转换器；射频-光纤信号转换器包括射频-光纤信号转换器Ⅰ和射频-光纤信号转换器Ⅱ，射频-光纤信号转换器Ⅰ与接收天线连接；光纤-射频信号转换器包括光纤-射频信号转换器Ⅰ和光纤-射频信号转换器Ⅱ，光纤-射频信号转换器Ⅱ依次与功率放大器、发射天线连接；射频-光纤信号转换器Ⅰ和光纤-射频信号转换器Ⅱ设置在云台上，射频-光纤信号转换器Ⅱ和光纤-射频信号转换器Ⅰ设置在地面。
地面射频系统包括矢量网络分析仪、低噪声放大器，矢量网络分析仪的输出端与射频-光纤信号转换器Ⅱ连接，矢量网络分析仪的输入端依次与低噪声放大器、光纤-射频信号转换器Ⅰ连接，矢量网络分析仪还连接有移动电源和操作电脑；地面射频系统还包括无人机飞行监控。
步骤2中校准矢量网络分析仪的具体步骤如下：
步骤2-1b、根据测量电缆规格选择校准套件；
步骤2-2b、将校准类型设置为全2端口校准；
步骤2-3b、将测量电缆一端连接至测试端口1，另一端连接至开路标准，测量测试端口1处的开路校准数据，在“Port 1 Open”菜单的左侧显示选中标记；
步骤2-4b、使用与步骤2-3b同样的方法，测量测试端口1处的短路校准数据和负载校准数据；
步骤2-5b、使用与步骤2-3b同样的方法，测量测试端口2处的开路校准数据、短路校准数据和负载校准数据；
步骤2-6b、连通测试端口1和测试端口2并执行校准动作，至此完成矢量网络分析仪的校准。
步骤3中操作电脑互联矢量网络分析仪的具体步骤如下：
步骤3-1、安装Keysight IO library suite、Keysight Command Expert，并安装对应matlab库，连接网线，设置操作电脑的IP使之与矢量网络分析仪处于同一个子网，使用ping命令检测保证其联通性；
步骤3-2、使用Keysight Command Expert检测连接是否成功，在确认连接成功后开始visa编程；编程内容包括：清空端口后依次设置测量模式为NA、设置测量结果为S21，设置开始频率、截止频率、采样点数为操作电脑的输入值，此时完成矢量网络分析仪设置，在此基础上开始测量。
步骤4中无人机航迹飞行控制程序的具体编写流程如下：
步骤4-1a、根据无人机的预设飞行路径，对飞行任务进行拆分，确定路径中无人机航点、每个航点对应的飞行动作及航点间的飞行速度；
步骤4-2a、连接操作电脑与无人机，实现实时通讯；
步骤4-3a、设置无人机的航点任务信息，包括任务ID、航点数目，任务重复次数，航点结束后动作；
步骤4-4a、设置无人机的航点信息，包括基础参数和可选参数，基础参数包括航点坐标、航点类型、航向类型和飞行速度，可选参数包括缓冲距离、航向角度、转向模式、兴趣点、单点最大飞行速度、单点巡航速度；
步骤4-5a、根据是否有自定义动作需求设置新动作，然后设置无人机的航点动作信息，包括动作ID、触发器与执行器；
步骤4-6a、向无人机上传步骤4-3a、4-4a和4-5a对应的航点任务信息、航点信息和航点动作信息，在上传成功后即可获取无人机飞行实时信息并通过指定接口实时控制调整航点任务。
步骤4中云台控制程序的具体编写流程如下：
步骤4-1b、初始化云台控制功能模块，包括调用云台控制功能类、创建控制对象，在创建并指定对于控制对象后便可以获取云台的状态信息；
步骤4-2b、通过Gimbal Manager Sync Sample中指定的接口控制云台的姿态，包括三轴绝对角度、转动模式、转动速度，三轴绝对角度包括翻滚轴绝对角度、俯仰轴绝对角度和偏航轴绝对角度；
步骤4-3b、任务完成后根据需要选择是否复中云台。
步骤5中SAR成像程序的具体编写流程如下：
步骤5-1、导入原始回波数据；
步骤5-2、基于匹配滤波原理对原始回波数据进行距离向压缩；
步骤5-3、在驻定相位法的基础上基于方向位傅里叶时频变换和sinc插值进行距离徙动矫正；
步骤5-4、在距离徙动矫正完成后，先基于匹配滤波原理进行进一步方向位压缩，然后进行方向位傅里叶时频变换即得SAR成像结果；
步骤5-5、输出SAR成像结果并绘制SAR成像图。
本发明的有益效果：
(1)本发明基于无人机搭建了完备的地物散射测量系统，其可采集并准确识别测量目标，且测试灵活、成本低，为后续大场景下的地物散射测量发展提供了一种思路。
(2)本发明的测量系统采用了通信转换模块，包括两组通过光纤连接的射频-光纤信号转换器和光纤-射频信号转换器，通过光纤/射频信号的转换，解决了射频线在此应用场景下线损过大的问题，同时光纤更为轻便可使空中测量系统在飞行中更为稳定。
(3)本发明的测量系统包括无人机航迹飞行控制和云台控制，可在无人机自动飞行测量的基础上通过控制云台来调整接收或发射天线的测量角度以满足测量需求。
(4)本发明的测量系统可实时处理测量数据，且基于无人机的空中测量系统结构简单、灵活度高，可根据测量任务及时进行动态调整。
附图说明
图1是本发明基于无人机的地物散射的测量系统的结构示意图；
图2是本发明基于无人机的地物散射的测量方法的控制流程图；
图3是本发明基于无人机的地物散射的测量方法中无人机航迹控制流程图；
图4是本发明基于无人机的地物散射的测量方法中云台控制流程图；
图5是本发明基于无人机的地物散射的测量方法的SAR成像测量场景示意图；
图6是本发明基于无人机的地物散射的测量方法中SAR成像信号处理方法中回波信号示意图；
图7是本发明基于无人机的地物散射的测量方法中SAR成像信号处理方法中距离向压缩结果示意图；
图8是本发明基于无人机的地物散射的测量方法中SAR成像信号处理方法中距离徙动矫正结果示意图；
图9是本发明基于无人机的地物散射的测量方法中SAR成像信号处理方法中方向位压缩结果示意图；
图10是本发明基于无人机的地物散射的测量方法的SAR成像程序流程图；
图11是本发明实施例1的中点组一维距离像结果；
图12是本发明实施例1的中点组SAR成像结果；
图13是本发明实施例1的终点组一维距离像结果；
图14是本发明实施例1的终点组SAR成像结果。
图中：1.无人机，2.云台，3.接收天线，4.射频-光纤信号转换器Ⅰ，5.光纤-射频信号转换器Ⅰ，6.低噪声放大器，7.矢量网络分析仪，8.射频-光纤信号转换器Ⅱ，9.光纤-射频信号转换器Ⅱ，10.功率放大器，11.发射天线，12.测量目标，13.移动电源，14.操作电脑，15.无人机飞行监控。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
基于无人机的地物散射的测量系统结构如图1，包括空中测量系统、通信转换模块和地面射频系统。
空中测量系统用于发射射频信号和接收回波信号，包括无人机1、无人机1上挂载有云台2，云台2装载有功率放大器10、发射天线11和接收天线3。
基于在本发明测量系统的测量频率下常规射频线线损较大，达到了3.7dB/m，远远不能满足利用无人机进行外场测试需求的原因，本发明搭建了通信转换模块以降低地-空通信的线损，经测量本发明测量系统采用的35m光纤的线损在8dB以内，满足外场散射测量损耗小于10dB的需求。通信转换模块包括两组通过光纤连接的射频-光纤信号转换器和光纤-射频信号转换器，其中射频-光纤信号转换器可以将输入的射频信号转化为光信号并输出，光纤-射频信号转换器可以将输入的光信号转化为射频信号并输出。
射频-光纤信号转换器包括射频-光纤信号转换器Ⅰ4和射频-光纤信号转换器Ⅱ8，射频-光纤信号转换器Ⅰ4与接收天线3连接；光纤-射频信号转换器包括光纤-射频信号转换器Ⅰ5和光纤-射频信号转换器Ⅱ9，光纤-射频信号转换器Ⅱ9依次与功率放大器10、发射天线11连接；其中，射频-光纤信号转换器Ⅰ4和光纤-射频信号转换器Ⅱ9设置在云台2上，射频-光纤信号转换器Ⅱ8和光纤-射频信号转换器Ⅰ5设置在地面。
地面射频系统用于产生射频信号和处理回波信号，包括矢量网络分析仪7、低噪声放大器6，矢量网络分析仪7的输出端与射频-光纤信号转换器Ⅱ8连接，矢量网络分析仪7的输入端依次与低噪声放大器6、光纤-射频信号转换器Ⅰ5连接，矢量网络分析仪7还连接有移动电源13和操作电脑14；地面射频系统还包括无人机飞行监控15。
基于无人机的地物散射测量方法在上述测量系统上执行，具体包括以下步骤：
步骤1、确定测量目标12；
步骤2、设备准备工作，包括根据测量目标12选型设备和校准矢量网络分析仪7：
(1)设备选型
步骤2-1a、根据步骤1的测量目标12选择对应的测量频率；
步骤2-2a、根据步骤1的测量频率选取对应型号的发射天线11、接收天线3、矢量网络分析仪7、功率放大器10、低噪声放大器6、移动电源13、射频-光纤信号转换器和光纤-射频信号转换器，并准备操作电脑14，检查上述设备的工作状态；此外，考虑到无人机1的挂载能力，功率放大器10、射频-光纤信号转换器和光纤-射频信号转换器的体积和重量要尽可能小；为保证测量系统搭建的灵活性，移动电源13和矢量网络分析仪7选择便携式；功率放大器10和低噪声放大器6工作增益要达到要求。
步骤2-3a、根据云台2装载设备的重量对应选择可负重的无人机1。
(2)校准矢量网络分析仪
为了提高实验的测试精度，需对矢量网络分析仪进行校准，具体步骤如下：
步骤2-1b、选择适用于该测量电缆的校准套件。本发明选择校准套件85032F。
“Cal”(校准)>“Cal Kit”(校准套件)>85032F
步骤2-2b、将校准类型设置为全2端口校准。
“Cal”(校准)>“Calibrate”(校准)>“2-Port Cal”(2端口校准)>“Select Portsl-1-2”(选择端口-1-2)
步骤2-3b、将测量电缆一端连接至测试端口1，另一端连接至开路标准，测量测试端口1处的开路校准数据，在“Port 1Open”菜单的左侧显示选中标记。
“Cal”(校准)>“Calibrate”(校准)>“2-Port Cal”(2端口校准)>“Reflection”(反射)>“Port1 Open”(端口1开路)
步骤2-4b、使用与步骤2-3b同样的方法，测量测试端口1处的短路校准数据和负载校准数据。
步骤2-5b、使用与步骤2-3b同样的方法，测量测试端口2处的开路校准数据、短路校准数据和负载校准数据。
步骤2-6b、连通测试端口1和测试端口2并执行校准动作，至此完成矢量网络分析仪7的校准。
步骤3、设备互联，包括操作电脑14互联矢量网络分析仪7和测量系统信号链路连接：
(1)操作电脑14互联矢量网络分析仪7
步骤3-1、安装Keysight IO library suite、Keysight Command Expert，并安装对应matlab库，连接网线，设置操作电脑14的IP使之与矢量网络分析仪7处于同一个子网，使用ping命令检测保证其联通性。
步骤3-2、使用Keysight Command Expert检测连接是否成功，在确认连接成功后开始visa编程。编程内容包括：清空端口后依次设置测量模式为NA、设置测量结果为S21，设置开始频率、截止频率、采样点数为操作电脑14的输入值，此时完成矢量网络分析仪7设置，在此基础上开始测量。
(2)测量系统信号链路连接
本发明基于无人机的地物散射的测量方法的控制流程如图2所示，结合图1该测量系统的结构示意图可知，本发明的测量系统包括发射信号链路和接收信号链路，其中发射信号链路为：矢量网络分析仪7与操作电脑14通过IP互联，在操作电脑14上设置射频信号指令并下发到矢量网络分析仪7，矢量网络分析仪7产生射频信号并经射频-光纤信号转换器Ⅱ8转换为光信号，通过光纤传输至空中测量系统，经光纤-射频信号转换器Ⅱ9转换为射频信号并经功率放大器10放大后被发射天线11所发射。接收信号链路为：接收天线3接收到回波信号后经射频-光纤信号转换器Ⅰ4转换为光信号，通过光纤传输至地面射频系统，经光纤-射频信号转换器Ⅰ5转换为射频信号并经低噪声放大器6放大后传输至矢量网络分析仪7中，操作电脑14对矢量网络分析仪7接收的回波信号进行读取和处理。
步骤4、根据测量任务编写无人机控制程序，包括无人机航迹飞行控制程序与云台控制程序，完成编写后，进行飞行测试并调整参数。
(1)无人机航迹飞行控制程序的编写流程如图3所示，具体包括以下步骤：
步骤4-1a、根据无人机1的预设飞行路径，对飞行任务进行拆分，确定路径中无人机航点、每个航点对应的飞行动作及航点间的飞行速度。
步骤4-2a、连接操作电脑14与无人机1，实现实时通讯。
步骤4-3a、设置无人机1的航点任务信息，包括任务ID、航点数目，任务重复次数，航点结束后动作。
步骤4-4a、设置无人机1的航点信息，包括基础参数和可选参数，其中，基础参数包括航点坐标、航点类型、航向类型和飞行速度；可选参数包括缓冲距离、航向角度、转向模式、兴趣点、单点最大飞行速度、单点巡航速度。
步骤4-5a、根据是否有自定义动作需求设置新动作，然后设置无人机1的航点动作信息，包括动作ID、触发器与执行器。
步骤4-6a、向无人机1上传步骤4-3a、4-4a和4-5a对应的航点任务信息、航点信息和航点动作信息，在上传成功后即可获取无人机飞行实时信息并通过指定接口实时控制调整航点任务。
(2)本发明通过控制云台2以保证接收天线3和发射天线11根据测量需要调整角度，云台控制任务程序编写流程如图4所示，具体包括以下步骤：
步骤4-1b、初始化云台控制功能模块，包括调用云台控制功能类、创建控制对象，在创建并指定对于控制对象后便可以获取云台2的状态信息。
步骤4-2b、通过Gimbal Manager Sync Sample中指定的接口控制云台2的姿态，包括三轴绝对角度，即翻滚轴(Roll)绝对角度、俯仰轴(Pitch)绝对角度和偏航轴(Yaw)绝对角度；转动模式；转动速度。
步骤4-3b、任务完成后根据需要选择是否复中云台2。
如测量任务不需要调整接收天线3、发射天线11的角度，上述云台控制过程可跳过。
步骤5、编写SAR成像程序。
为了进一步清晰展现散射测量结果，除直接测量结果和一维距离像外，本发明还根据测量任务在操作电脑14上编写了SAR成像程序。本发明的SAR成像利用二维匹配滤波来获得高分辨率图像，该操作会对其获得的回波信号分别在距离向和方位向上进行处理。
本发明的SAR成像测量场景如图5所示，空中测量系统沿x轴正方向移动对测量目标12进行SAR成像。此时方位向为空中测量系统飞行方向，距离向为天线扫描方向。其中，β为天线波束宽度，Ls为合成孔径长度，测量目标12距离空中测量系统直线距离为r(t)，与空中测量系统移动路径垂直距离为中心距离Rc。
一方面，在成像中，对于一般雷达若要提高信号带宽，就要发射更窄脉冲的信号，相应的，窄脉冲信号能量小、作用距离短，难以兼顾距离分辨率和探测距离。因此需要通过距离向压缩来解决合成孔径雷达高分辨率与作用距离的矛盾，使用宽脉冲发射信号，在接收端配置相应的匹配滤波器，通过脉冲压缩技术得到窄脉冲，实现距离向的高分辨率。在距离向进行脉冲压缩处理具体方法如下：
在测量过程中，有雷达运动方方程：
其中，Rc为中心距离，v、t为空中测量系统前进速度与前进时间，x0为目标位置所对应的初始坐标。
回波信号如图6所示，可以表示为：
其中，f0为载波频率，Rc为中心距离，τ为方位向时间，K为回波频率。
经过距离向脉冲压缩得到的结果如图7所示，可表示为：
其中，λ为工作波长。
采用驻定相位法，可得到方位向上的时频关系为：
fa＝Kat (4)
其中，fa为多普勒频率，Ka为多普勒回波调频率。
联立式(3)和式(4)，距离徙动表达式可表示为：
其中，本发明利用sinc插值来进行距离徙动矫正，距离徙动矫正结果如图8所示。
另一方面，由于在雷达系统中方位向的分辨率取决于天线有效波束宽度，只有当两个目标之间的方向为距离大于天线波束宽度时才能区分出目标，反之不能。由于天线波束有一定宽度，在测量过程中点目标受到波束持续照射将成像为线目标，因此同理在方位向也进行脉冲压缩处理。方位向的脉冲压缩原理与距离像方法相同，但在多普勒频率上存在区别，方位向压缩中多普勒频率为：
使用式(6)得到的多普勒频率代替方向位回波频率，此时方向位匹配滤波器冲击响应为：
ha＝fd *(-t) (7)
此时，进行方向位压缩得到的结果如图9所示，可表示为：
sd(t,τ)＝ifft(fft(ha,Length)'.*fftshift(sr(t,τ))) (8)
其中，fft和ifft为傅里叶变换和负傅里叶变化，fftshift为零频点归中，Length为合成孔径采样点数。
基于上述原理进行编写SAR成像程序，具体流程如图10所示，具体包括以下步骤：
步骤5-1、导入原始回波数据。
步骤5-2、基于匹配滤波原理对原始回波数据进行距离向压缩。
步骤5-3、在驻定相位法的基础上基于方向位傅里叶时频变换和sinc插值进行距离徙动矫正。
步骤5-4、在距离徙动矫正完成后，先基于匹配滤波原理进行进一步方向位压缩，然后进行方向位傅里叶时频变换即得SAR成像结果。
步骤5-5、输出SAR成像结果并绘制SAR成像图。
步骤6、进行散射测量，得到初次测量结果。
选择合适参数并使用搭建好散射测量系统，放置测量目标12，执行程序，实现无人机1自动飞行完成测量任务并实时在操作电脑14显示初次测量结果。在测量过程中，实时观察无人机1的飞行状态和成像结果，如发现异常则通过无人机行监控15手动停止测量并进行调整。
步骤7、重复步骤6，得到最终测量结果。
为了减小偶然因素对测量结果的干扰，在步骤6的测量结束后保存数据并在保持各参数不变的情况下再次执行步骤6，对比两次测量结果，如两次测量结果无明显区别则说明偶然因素变化影响小，保存并导出第二次测量结果作为最终测量结果。如发现出现明显区别，则多次测量直至出现两次测量无明显区别，保存并导出最后一次测量结果作为最终测量结果。
步骤8、对最终测量结果进行分析。
对最终测量结果的一维距离像和SAR成像结果进行分析，观察成像结果是否能够完成以下任务：(1)识别是否存在目标；(2)能否准确识别目标位置；如满足上述要求，测量任务至此结束。
实施例1
本实施例选取边长20cm的角反射器作为测量目标12进行测试，具体包括以下步骤：
步骤1、选取边长20cm的角反射器作为测量目标12；
步骤2、设备准备工作，包括根据测量目标12选型设备和校准矢量网络分析仪7：
(1)设备选型
步骤2-1a、根据步骤1测量目标12的尺寸，选择18-26.5GHz的测量频率；
步骤2-2a、根据步骤1的测量频率选取18-26.5GHz的高频接收天线3和发射天线11；选用安捷伦N9951A型手持式微波矢量网络分析仪7；考虑到功率放大器10需挂载在无人机1上，选择18-40GHz可用，大小为10cm*6cm*4cm的功率放大器10，其增益在30dB以上，可以满足使用要求；射频-光纤信号转换器和光纤-射频信号转换器宽度仅8cm，也可满足挂载需求；低噪声放大器6无挂载要求，本实施例选取的低噪声放大器6增益大于20dB，且驻波比小于2dB，满足使用需求；此外，本实施例的移动电源电压/功率为220V/1000W，电池容量5550WH，可以满足测量所需的电压和电量供给，操作电脑为戴尔7540系列工作站。经过检查，上述仪器均工作正常。
步骤2-3a、根据云台2装载的设备重量对应选择可负重的无人机1。经测量，云台2装载的设备共负重3kg，因此，本实施例选择大疆M600系列无人机，其可以保证在该负重下稳定飞行，并有配置有无人机飞行监控15可以控制无人机航迹飞行和云台动作。
(2)校准矢量网络分析仪
为了提高实验的测试精度，需对矢量网络分析仪进行校准，具体步骤如下：
步骤2-1b、选择适用于该测量电缆的校准套件。本实施例选择校准套件85032F。
“Cal”(校准)>“Cal Kit”(校准套件)>85032F
步骤2-2b、将校准类型设置为全2端口校准。
“Cal”(校准)>“Calibrate”(校准)>“2-Port Cal”(2端口校准)>“Select Portsl-1-2”(选择端口-1-2)
步骤2-3b、将测量电缆一端连接至测试端口1，另一端连接至开路标准，测量测试端口1处的开路校准数据，在“Port 1Open”菜单的左侧显示选中标记。
“Cal”(校准)>“Calibrate”(校准)>“2-Port Cal”(2端口校准)>“Reflection”(反射)>“Port1 Open”(端口1开路)
步骤2-4b、使用与步骤2-3b同样的方法，测量测试端口1处的短路校准数据和负载校准数据。
步骤2-5b、使用与步骤2-3b同样的方法，测量测试端口2处的开路校准数据、短路校准数据和负载校准数据。
步骤2-6b、连通测试端口1和测试端口2并执行校准动作，至此完成矢量网络分析仪7的校准。
步骤3、设备互联，包括操作电脑14互联矢量网络分析仪7和测量系统信号链路连接：
(1)操作电脑14互联矢量网络分析仪7
步骤3-1、安装Keysight IO library suite、Keysight Command Expert，并安装对应matlab库，连接网线，设置操作电脑14的IP使之与矢量网络分析仪7处于同一个子网，使用ping命令检测保证其联通性。
步骤3-2、使用Keysight Command Expert检测连接是否成功，在确认连接成功后开始visa编程。编程内容包括：清空端口后依次设置测量模式为NA、设置测量结果为S21，设置开始频率、截止频率、采样点数为操作电脑14的输入值，此时完成矢量网络分析仪7设置，在此基础上开始测量。
(2)测量系统信号链路连接
本发明基于无人机的地物散射的测量系统包括发射信号链路和接收信号链路，其中发射信号链路为：矢量网络分析仪7与操作电脑14通过IP互联，在操作电脑14上设置射频信号指令并下发到矢量网络分析仪7，矢量网络分析仪7产生射频信号并经射频-光纤信号转换器Ⅱ8转换为光信号，通过光纤传输至空中测量系统，经光纤-射频信号转换器Ⅱ9转换为射频信号并经功率放大器10放大后被发射天线11所发射。接收信号链路为：接收天线3接收到回波信号后经射频-光纤信号转换器Ⅰ4转换为光信号，通过光纤传输至地面射频系统，经光纤-射频信号转换器Ⅰ5转换为射频信号并经低噪声放大器6放大后传输至矢量网络分析仪7中，操作电脑14对矢量网络分析仪7接收的回波信号进行读取和处理。
步骤4、根据测量任务编写无人机控制程序，包括无人机航迹飞行控制程序与云台控制程序。完成编写后，进行飞行测试并调整参数，直到满足需求。
(1)无人机航迹飞行控制程序编写步骤具体如下：
步骤4-1a、放置角反射器12，根据实验需求规划无人机1的飞行路径为以角反射器12为路径中点的直线，路径全长10m，在此基础上确定飞行任务起点、中点、终点位置，并定义为程序中的无人机航点。除起点外剩余航点飞行动作分别设置为飞向下一航点、自动着陆，飞行速度2m/min，此时天线的横向扫描距离为2m。
步骤4-2a、连接操作电脑14与无人机1，实现实时通讯。
步骤4-3a、设置无人机1的航点任务信息，包括任务ID、航点数目3，不进行任务重复，航点结束后原地降落。
步骤4-4a、设置无人机1的航点信息，即起点、中点、终点位置的信息，包括预飞行中记录的航点坐标、航点类型设置为直线飞行、航向类型指向下一航点、航点任务设置为有、飞行速度在调试时确认。
步骤4-5a、由于没有设置新动作需求，此处不额外定义新动作，即设置无人机1的中点飞行动作为无动作，设置终点飞行动作为自动着陆。
步骤4-6a、向无人机1上传步骤4-3a、4-4a和4-5a对应的航点任务信息、航点信息和航点动作信息，在上传成功后即可通过指定接口获取无人机飞行实时信息并控制航点任务如开始、停止或暂停任务，或根据实际情况对上述参数进行重新调整设置。
(2)基于本实施例的测量任务设计，此次飞行任务不需调整接收天线3和发射天线11的角度，在云台复中情况下进行测量即可，不需进行编写云台控制任务程序。
步骤5、编写SAR成像程序，具体包括以下步骤：
步骤5-1、导入原始回波数据。
步骤5-2、基于匹配滤波原理对原始回波数据进行距离向压缩。
步骤5-3、在驻定相位法的基础上基于方向位傅里叶时频变换和sinc插值进行距离徙动矫正。
步骤5-4、在距离徙动矫正完成后，先基于匹配滤波原理进行进一步方向位压缩，然后进行方向位傅里叶时频变换即得SAR成像结果。
步骤5-5、输出SAR成像结果并绘制SAR成像图。
步骤6、进行散射测量，得到初次测量结果。
寻找选择空旷的平地放置角反射器12，注意避免光纤、基站的干扰。在程序中设定起始与截止频率18GHz与26.5GHz、采样点数201并开始运行。按步骤4-1a将无人机1的飞行路径设置10m直线，角反射器12放在中点处，此时天线扫描路径为2m。在测量过程中，操作电脑14中会实时显示目标雷达一维像与SAR成像结果，实时关注上述雷达图像生成情况与无人机飞行状况，经过不断调整后最终无人机飞行速度设置0.15m/s并修正了航点位置，得到初次测量结果。
步骤7、重复步骤6，得到最终测量结果。
为了减小偶然因素对测量结果的干扰，在步骤6的测量结束后保存数据并在保持各参数不变的情况下再次执行步骤6，得到第二次测量结果，将第二次测量结果与步骤6的初次测量结果进行对比，结果基本一致，说明实验结果可行度高，保存并导出第二次测量结果作为中点组的最终测量结果。
步骤8、对最终测量结果进行分析。
本实施例中点组的一维距离像结果和SAR成像结果分别如图11、12所示，通过一维距离像结果可以看出存在一个高峰值，即可以辨认出存在目标。通过SAR成像结果可以清晰地看出在路径上有一强散射中心，且在方位向上的位置与直接测量结果相符，可以准确识别角反射器12的存在和位置，测量任务至此结束。
为了进一步验证本发明测量方法的有效性，本实施例在上述测量任务参数不变的基础上，仅改变角反射器12的某个参数，如放置位置由路径中段改为路径末端，重新进行步骤4、6、7，得到终点组的最终测量结果，其一维距离像结果和SAR成像结果分别如图13、14所示，对比中点组和终点组的一维距离像测量结果显示，回波数据中均存在一个最高峰值，由此说明可以判断存在目标；对比两组SAR成像结果，同时可以清晰地看出在路径上均有一强散射中心，且中点组和终点组在方位向上的位置分别与各组强散射中心位置相符，即分别处于路径中段和路径末段，说明成像结果理想，且可以较准确的识别角反射器目标的存在和位置。综合上述结果，证明本发明基于无人机的地物散射的测量系统和测量方法可以准确识别测量目标12的存在和位置。
Claims (10)
1.基于无人机的地物散射测量系统，其特征在于，包括空中测量系统、通信转换模块和地面射频系统，所述空中测量系统用于发射射频信号和接收回波信号；所述通信转换模块用于转换信号类型；所述地面射频系统用于产生射频信号和处理回波信号。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的地物散射测量系统，其特征在于，所述空中测量系统包括无人机(1)，所述无人机(1)上挂载有云台(2)，所述云台(2)装载有功率放大器(10)、发射天线(11)和接收天线(3)。
3.根据权利要求2所述的基于无人机的地物散射测量系统，其特征在于，所述通信转换模块包括两组通过光纤连接的射频-光纤信号转换器和光纤-射频信号转换器；所述射频-光纤信号转换器包括射频-光纤信号转换器Ⅰ(4)和射频-光纤信号转换器Ⅱ(8)，所述射频-光纤信号转换器Ⅰ(4)与接收天线(3)连接；所述光纤-射频信号转换器包括光纤-射频信号转换器Ⅰ(5)和光纤-射频信号转换器Ⅱ(9)，所述光纤-射频信号转换器Ⅱ(9)依次与功率放大器(10)、发射天线(11)连接；所述射频-光纤信号转换器Ⅰ(4)和光纤-射频信号转换器Ⅱ(9)设置在云台(2)上，所述射频-光纤信号转换器Ⅱ(8)和光纤-射频信号转换器Ⅰ(5)设置在地面。
4.根据权利要求3所述的基于无人机的地物散射测量系统，其特征在于，所述地面射频系统包括矢量网络分析仪(7)、低噪声放大器(6)，所述矢量网络分析仪(7)的输出端与射频-光纤信号转换器Ⅱ(8)连接，所述矢量网络分析仪(7)的输入端依次与低噪声放大器(6)、光纤-射频信号转换器Ⅰ(5)连接，所述矢量网络分析仪(7)还连接有移动电源(13)和操作电脑(14)；所述地面射频系统还包括无人机飞行监控(15)。
5.基于无人机的地物散射测量方法，其特征在于，在权利要求4所述的基于无人机的地物散射测量系统上执行，具体按照以下步骤实施：
步骤1、确定测量目标(12)；
步骤2、设备准备工作，包括根据测量目标(12)选型设备和校准矢量网络分析仪(7)；
步骤3、设备互联，包括操作电脑(14)互联矢量网络分析仪(7)和测量系统信号链路连接；
步骤4、根据测量任务编写无人机控制程序，包括无人机航迹飞行控制程序与云台控制程序；
步骤5、编写SAR成像程序；
步骤6、进行散射测量，得到初次测量结果；
步骤7、重复步骤6，得到最终测量结果；
步骤8、对最终测量结果进行分析。
6.根据权利要求5所述的基于无人机的地物散射测量方法，其特征在于，所述步骤2中校准矢量网络分析仪的具体步骤如下：
步骤2-1b、根据测量电缆规格选择校准套件；
步骤2-2b、将校准类型设置为全2端口校准；
步骤2-3b、将测量电缆一端连接至测试端口1，另一端连接至开路标准，测量测试端口1处的开路校准数据，在“Port 1Open”菜单的左侧显示选中标记；
步骤2-4b、使用与步骤2-3b同样的方法，测量测试端口1处的短路校准数据和负载校准数据；
步骤2-5b、使用与步骤2-3b同样的方法，测量测试端口2处的开路校准数据、短路校准数据和负载校准数据；
步骤2-6b、连通测试端口1和测试端口2并执行校准动作，至此完成矢量网络分析仪(7)的校准。
7.根据权利要求5所述的基于无人机的地物散射测量方法，其特征在于，所述步骤3中操作电脑(14)互联矢量网络分析仪(7)的具体步骤如下：
步骤3-1、安装Keysight IO library suite、Keysight Command Expert，并安装对应matlab库，连接网线，设置操作电脑(14)的IP使之与矢量网络分析仪(7)处于同一个子网，使用ping命令检测保证其联通性；
步骤3-2、使用Keysight Command Expert检测连接是否成功，在确认连接成功后开始visa编程；编程内容包括：清空端口后依次设置测量模式为NA、设置测量结果为S21，设置开始频率、截止频率、采样点数为操作电脑(14)的输入值，此时完成矢量网络分析仪(7)设置，在此基础上开始测量。
8.根据权利要求5所述的基于无人机的地物散射测量方法，其特征在于，所述步骤4中无人机航迹飞行控制程序的具体编写流程如下：
步骤4-1a、根据无人机(1)的预设飞行路径，对飞行任务进行拆分，确定路径中无人机航点、每个航点对应的飞行动作及航点间的飞行速度；
步骤4-2a、连接操作电脑(14)与无人机(1)，实现实时通讯；
步骤4-3a、设置无人机(1)的航点任务信息，包括任务ID、航点数目，任务重复次数，航点结束后动作；
步骤4-4a、设置无人机(1)的航点信息，包括基础参数和可选参数，所述基础参数包括航点坐标、航点类型、航向类型和飞行速度，所述可选参数包括缓冲距离、航向角度、转向模式、兴趣点、单点最大飞行速度、单点巡航速度；
步骤4-5a、根据是否有自定义动作需求设置新动作，然后设置无人机(1)的航点动作信息，包括动作ID、触发器与执行器；
步骤4-6a、向无人机(1)上传步骤4-3a、4-4a和4-5a对应的航点任务信息、航点信息和航点动作信息，在上传成功后即可获取无人机飞行实时信息并通过指定接口实时控制调整航点任务。
9.根据权利要求5所述的基于无人机的地物散射测量方法，其特征在于，所述步骤4中云台控制程序的具体编写流程如下：
步骤4-1b、初始化云台控制功能模块，包括调用云台控制功能类、创建控制对象，在创建并指定对于控制对象后便可以获取云台(2)的状态信息；
步骤4-2b、通过Gimbal Manager Sync Sample中指定的接口控制云台(2)的姿态，包括三轴绝对角度、转动模式、转动速度，所述三轴绝对角度包括翻滚轴绝对角度、俯仰轴绝对角度和偏航轴绝对角度；
步骤4-3b、任务完成后根据需要选择是否复中云台(2)。
10.根据权利要求5所述的基于无人机的地物散射测量方法，其特征在于，所述步骤5中SAR成像程序的具体编写流程如下：
步骤5-1、导入原始回波数据；
步骤5-2、基于匹配滤波原理对原始回波数据进行距离向压缩；
步骤5-3、在驻定相位法的基础上基于方向位傅里叶时频变换和sinc插值进行距离徙动矫正；
步骤5-4、在距离徙动矫正完成后，先基于匹配滤波原理进行进一步方向位压缩，然后进行方向位傅里叶时频变换即得SAR成像结果；
步骤5-5、输出SAR成像结果并绘制SAR成像图。
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| CN202211396657.5A CN115792832A (zh) | 2022-11-09 | 2022-11-09 | 基于无人机的地物散射的测量系统及其测量方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117871968A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-12 | 合肥工业大学 | 一种脉冲电场测量系统的开环校准方法 |
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2022
- 2022-11-09 CN CN202211396657.5A patent/CN115792832A/zh active Pending
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| CN117871968B (zh) * | 2024-03-07 | 2024-05-31 | 合肥工业大学 | 一种脉冲电场测量系统的开环校准方法 |
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