CN116298543A - 内外场电磁地图绘制自动小车及绘制方法 - Google Patents

内外场电磁地图绘制自动小车及绘制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116298543A
CN116298543A CN202310157649.3A CN202310157649A CN116298543A CN 116298543 A CN116298543 A CN 116298543A CN 202310157649 A CN202310157649 A CN 202310157649A CN 116298543 A CN116298543 A CN 116298543A
Authority
CN
China
Prior art keywords
trolley
electromagnetic
measurement
point
sampling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202310157649.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116298543B (zh
Inventor
黄润
左炎春
余乐
刘迎澳
彭傲
郭立新
刘伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN202310157649.3A priority Critical patent/CN116298543B/zh
Publication of CN116298543A publication Critical patent/CN116298543A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116298543B publication Critical patent/CN116298543B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D63/00—Motor vehicles or trailers not otherwise provided for
    • B62D63/02—Motor vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60B—VEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B19/00—Wheels not otherwise provided for or having characteristics specified in one of the subgroups of this group
    • B60B19/12—Roller-type wheels
    • B60B19/125—Roller-type wheels with helical projections on radial outer surface translating rotation of wheel into movement along the direction of the wheel axle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D63/00—Motor vehicles or trailers not otherwise provided for
    • B62D63/02—Motor vehicles
    • B62D63/04—Component parts or accessories
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/0864—Measuring electromagnetic field characteristics characterised by constructional or functional features
    • G01R29/0871—Complete apparatus or systems; circuits, e.g. receivers or amplifiers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/12—Measuring electrostatic fields or voltage-potential
    • G01R29/14—Measuring field distribution
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Transmission In General (AREA)

Abstract

本发明公开了内外场电磁地图绘制自动小车，包括移动车体，移动车体上设置有频射层和通信层，通信层位于频射层上方，频射层包括网线连接的频谱分析仪和计算机，通信层包括收发天线和功率放大器，本发明根据不同测量频率和采样要求，实现运动与电磁测量的同步控制，提升测量精度。本发明还公开了自动小车室内电磁地图绘制方法，应用本发明的内外场电磁地图绘制自动小车绘制，发射天线发出的波与经暗室内壁反射的波相互干涉后在测量区域内形成驻波，通过移动接收天线的位置来确定该区域内波的强度分布，从而得到暗室的电磁性能指标，绘制电磁地图，本发明有效地实现对内外场空间场强分布以及散射数据的自动化测量。

Description

内外场电磁地图绘制自动小车及绘制方法
技术领域
本发明属于电子科技技术领域，涉及内外场电磁地图绘制自动小车，还涉及自动小车室内电磁地图绘制方法。
背景技术
在电磁测量领域，随着无线通信技术和雷达探测技术的发展，对内外场电磁环境进行测试的需求越来越大。微波暗室是进行天线辐射特性和目标散射特性测量的重要场地，它可以屏蔽外界电磁干扰同时降低暗室内墙壁的反射。随着无线通信和目标探测的不断发展，越来越多的研究机构和公司开始建造微波暗室，对暗室性能的测量也显得越来越重要，但是目前并没有专门的自动化设备对暗室静区反射电平进行测量。而现有技术中存在以下几点问题：
第一，目前市场上大部分智能小车都使用局域网或者蓝牙通信的方式与上位机或者操作控制部分连接，它们的频率大多在2.4GHz和5.2GHz，这既是常用的通信频率也是常见的测量频段，会造成自身的电磁泄露，影响测量精度。
第二，现有技术中虽然有一些自动化的测量控制系统，但是不同厂家仪器所使用的SCPI指令有所差异，无法够程序化的控制矢量网络分析仪完成预定的测量任务。
第三，目前大部分的电磁测量系统都存在一定的时延，导致测量操作可能会落后于运动控制部分，引起测量误差。
发明内容
本发明的目的是提供内外场电磁地图绘制自动小车，根据不同测量频率和采样要求，实现运动与电磁测量的同步控制，提升测量精度。
本发明的另一目的是提供自动小车室内电磁地图绘制方法，有效地实现对内外场空间场强分布以及散射数据的自动化测量。
本发明所采用的第一种技术方案是，内外场电磁地图绘制自动小车，包括移动车体，移动车体上设置有频射层和通信层，通信层位于频射层上方，频射层包括网线连接的频谱分析仪和计算机，通信层包括收发天线和功率放大器。
本发明的特点还在于，
移动车体设置有麦克纳姆轮，麦克纳姆轮连接有STM32微控制器，移动车体上设置有Jetson Xavier Nx板，Jetson Xavier Nx板通过网线与计算机连接，Jetson Xavier Nx板、频谱分析仪分别与计算机不同的LAN口连接，Jetson Xavier Nx板、频谱分析仪分属不同的IP。
通信层的收发天线包括发射天线和接收天线，功率放大器包括功率放大器A和功率放大器B，发射天线与功率放大器A的输出端口相连，频谱分析仪的输出端口与功率放大器A的输入端口相连；接收天线与功率放大器B的输入端口相连，频谱分析仪的输入端口与功率放大器B的输出端口相连。
本发明所采用的第二种技术方案是，自动小车室内电磁地图绘制方法，应用本发明的内外场电磁地图绘制自动小车绘制，发射天线发出的波与经暗室内壁反射的波相互干涉后在测量区域内形成驻波，通过移动接收天线的位置来确定该区域内波的强度分布，从而得到暗室的电磁性能指标，绘制电磁地图。
本发明的特点还在于，
具体按照以下步骤实施：
步骤1：进行室内电场采样测量，获得离散的电场强度数据
根据场地大小，将测量区域均匀地划分成网格，保证每个网格内至少有一个采样点，在网格中心位置进行采样，获得该位置的电磁数据；
步骤2：基于空间插值法通过反距离加权空间插值法对采样所得离散的电场强度数据进行处理，获得连续场强数据；
步骤3，将采样测量、空间插值后所得到的连续电场数据，通过MATLAB处理构建得到电磁地图。
步骤1具体为，
步骤1.1、完成测量前的准备工作
搭建好内外场电磁地图绘制自动小车，使用射频线连接频谱仪、收发天线、功率放大器，使用LAN口完成计算机、频谱仪和小车内置虚拟机的连接；
将小车摆放在待测区域，在测量前需要根据不同场地情况对小车采样路径进行规划，确保每个网格内至少有一个采样点；
采样间隔用运动间隔来划分，在平台运动时不断读取平台的位置信息，当到达采样位置时，给平台发送速度为零的指令，信号采集完毕后给平台发送前进指令继续前进至下一个点进行扫描，每次采样时间不超过0.5s；
步骤1.2、采用零发一收模式测量室内空间场强分布和暗室反射电平
首先初始化ROS，基于MATLAB中的ROS Toolbox工具箱控制具有ROS系统的小车完成各种运动操作并收集小车的运动数据，再使用VISA库实现计算机和矢量网络分析仪的通信，在软件中输入测量参数，通过SCPI指令对矢量网络分析下达测量指令，控制小车搭载接收天线进行采样，完成测量任务后使用相应的SCPI指令完成对S21参数的读取，得到室内空间电场强度；
在测量暗室反射电平时，首先将小车上搭载的接收天线转向背面的吸波墙方向，初始化ROS，再使用VISA库实现计算机和矢量网络分析仪的通信，输入测量参数，系统即可按照预定的测量区域以一步一停的方式进行之字形采样，完成测量任务后使用相应的SCPI指令完成对S21参数的读取，得到待测区域吸波墙反射的电场强度；
步骤1.3、采用一发一收模式测量暗室直射电平
在测量暗室直射电平时，将发射天线放置在暗室的固定位置，将位于小车上的喇叭天线对准发射天线方向，初始化ROS，再使用VISA库实现计算机和矢量网络分析仪的通信，根据实际需要输入测量参数，系统即可开始自动采样。完成测量任务后，使用相应的SCPI指令完成对S21参数的读取，得到待测区域的直射场强度；
步骤1.4、多次测量，取平均值，提高结果准确度
为保证测量数据的准确度，在同一位置进行多次采样，以样本数据的平均值替代该位置的场强属性值：
Figure BDA0004093021970000041
式(6)中，P(xi,yi)为第i个位置下的场强属性值，N表示采样总数，RSSk为该位置下k采样时刻的采样值。
步骤2具体为，
通过对样本点与待插值点之间的距离进行计算，赋予样本点权值，并将样本点对待插值点(x0,y0)的权值ωi视为距离的负幂指数：
Figure BDA0004093021970000051
式(7)中di为样本点(xi,yi)与待插值点(x0,y0)之间的欧式距离，dexp是权重指数，决定了权值ωi(x0,y0)随距离的变化速度，而改进后的反距离加权法通过定义待插值点的影响半径R，只考虑di≤R范围内局部样本点对待插值点的影响：
Figure BDA0004093021970000052
或将临近N个点中与待插值点距离最大的点作为影响半径R：
Figure BDA0004093021970000053
在得到待测范围内各个样本点分配的权值ωi后，通过通用空间插值模型计算得到待插值点的场强属性P(x0,y0)：
Figure BDA0004093021970000054
其中P(x0,y0)代表待插值点的场强属性，P(xi,yi)代表n个已知采样点在空间各位置(xi,yi)上的场强属性，将式(8)中的ωi′作为改进后的权重系数，其大小表征了该点场强属性对待插值点的影响程度；
通过空间插值技术对离散数据之间的空间相关性及趋势进行回归分析，估计出离散位置附近任意位置的场强属性，将离散的数据点转换成连续的数据曲面。
步骤3具体为，利用获取得到的样本信息结合空间插值模型以及空间电磁波传播模型，在MATLAB中采用改进后的反距离加权法即IDW空间插值算法构建生成电磁环境地图。
本发明的有益效果是：
本发明内外场电磁地图绘制自动小车，针对现有技术问题，精确有效地实现对内外场空间场强分布以及散射数据的自动化测量，节约了人力资源；整个测量小车各个系统采用有线连接，干扰小，实现了对空间场强分布的准确测量，减少因为测量系统自身给测量结果带来的干扰；能够实现对小车的精准控制和定位，经过测试验证移动控制精度在0.01m内，高精度的定位将显著提升测量的精度并支撑对高频段的测量；将小车运动系统和电磁测量系统同步，实现了对预设区域空间电磁分布的测量和绘制，通过测试验证了测量小车具有较强的感知能力，可以准确的测量出空间场强分布，测量精确；且通用性强，不仅可以应用于暗室对静区反射电平进行测量，还可以实现许多固定测试架无法实现的功能，后期通过加载相应的移动程序和数据处理程序，测量小车将可以完成合成孔径雷达成像、多普勒分析等多种测量任务。
本发明所自动小车室内电磁地图绘制方法，应用本发明的内外场电磁地图绘制自动小车进行绘制，采用计算控制系统负责测量任务的发布、电磁测量系统和运动系统的通联以及数据处理等任务，根据输入的地图信息，按照预设的轨迹运动，发射无线电信号并实时读取小车所在位置的测量数据并通过空间插值技术最终完成内外场电磁地图的绘制，所绘制的电磁地图准确度高，可用于干扰查处、频谱管理和电磁环境评价等方面。
附图说明
图1是本发明一种内外场电磁地图绘制自动小车的结构示意图；
图2是单束波相干示意图；
图3是驻波电压分布示意图；
图4是空间场强分布测量示意图；
图5是空间场强分布结果图；
图6是暗室静区反射电平测量示意图；
图7是暗室静区直射电场及反射电场分布。
图中，11.频谱分析仪，12.收发天线，13.计算机。
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。
实施例
本实施例提供一种内外场电磁地图绘制自动小车，如图1所示，包括移动车体，移动车体上设置有频射层和通信层，通信层位于频射层上方，频射层包括网线连接的频谱分析仪11和计算机13，通信层包括收发天线12和功率放大器，收发天线12通过支架固定。
为了提升小车运动平台的灵活度，移动车体设置有麦克纳姆轮，麦克纳姆轮连接有STM32微控制器，麦克纳姆轮可以实现前行、横移、斜行、旋转等运动，可以实现对小车精准的姿态控制，其独具特色的横移功能可以使小车在小区域完成转弯，减少因为转弯半径过大导致的采样缺失。移动车体上设置有Jetson Xavier Nx板，Jetson Xavier Nx板通过网线与计算机13连接，Jetson Xavier Nx板、频谱分析仪11分别与计算机13不同的LAN口连接，Jetson Xavier Nx板、频谱分析仪11分属不同的IP。
目前，市面上的大部分智能小车都采用无线通信的方式与上位机或者操作控制部分连接，为了解决因小车自身电磁泄露对测量结果产生影响，我们的测量小车各个模块间都采用有线连接。通过LAN口通信既可以实现小车的电磁静默，也可以实现测量小车各个部分之间的低时延通信，提高测量精度。
通信层的收发天线12包括发射天线和接收天线，功率放大器包括功率放大器A和功率放大器B，发射天线与功率放大器A的输出端口相连，频谱分析仪11的输出端口与功率放大器A的输入端口相连；接收天线与功率放大器B的输入端口相连，频谱分析仪11的输入端口与功率放大器B的输出端口相连。
常规的电磁测量只需要手动控制测量系统，但是测量小车要想完成自动化和多功能测量，就必须实现对测量系统的程序化控制。根据标准的VISA库实现上位机与测量仪器的通信，然后使用仪器制造商提供的SCPI指令实现对仪器的测量操作。由于SCPI指令足够丰富，可以完成大部分的测量操作，所以基于VISA和SCPI指令完全可以实现程序化测量控制，提升测量效率。
本发明内外场电磁地图绘制自动小车，通过上位机对测量系统和运动系统的同步和控制，可以实时读取小车所在位置的测量数据，再加上测量小车具有灵活的运动方式，可以实现移动化的测量，且可灵活调整接收天线的高度，不仅可以完成对空间电磁强度分布的测量，还可以完成内外场散射测量及电磁地图的绘制。后期结合相应的算法还可以完成多普勒、SAR成像等动态测量。
电磁地图可用于干扰查处、暗室性能评估等方面。在评估微波暗室性能时，可通过零发一收采样模式绘制的电磁地图观测微波暗室内的场强属性，直观看到暗室的杂波信号大小，从而衡量所建微波暗室的性能好坏；而通过一发一收采样模式绘制的电磁地图，可以通过限定S参数的范围从而直接得到进行散射测量实验时的纯净环境，确定微波暗室三维静区的位置。
而暗室的静区性能的核心指标是反射电平，静区反射电平可以采用自由空间电压驻波法来测量，自由空间电压驻波测量法来源于室外天线测量实验，该方法的优势是原理简单、可操作性较高且数据可靠性较高。
基本思路如下：发射天线发出的波与经暗室内壁反射的波相互干涉后在测量区域内形成驻波，通过移动接收天线的位置来确定该区域内波的强度分布，从而得到暗室的电磁性能等指标。
其原理如图2和图3所示。图2为单束波相干示意图，Ed表示经发射天线发出后直接到达接收天线的波，Er表示经地面反射后到达接收天线的波，两束波在接收天线处发生相互干涉，形成驻波。
图3为驻波的电压分布示意图，Ed代表直达波的一个波阵面，Er1、Er2代表反射波的两个波阵面，其间隔为一个波长。此时选用全向天线作接收天线，沿着x轴移动全向天线的位置可测量得到驻波的电压分布图。其中，选择全向天线作接收天线而非方向性天线，其原因是方向性天线测量需要考虑到天线方向性及反射波差异所造成的场强不同。
根据图2与图3，可得出以下关系：
Emax＝Ed+Er (1)
Emin＝Ed-Er (2)
ΔE＝2Er (3)
其中Emax为驻波电压的最大值，Emin为驻波电压的最小值，ΔE为总电场幅度。峰峰比σ由下式所定义：
σ＝20log(Emax/Emin)＝20log[(Ed+Er)/(Ed-Er)] (4)
而反射波与直达波的幅值之比，也就是反射电平可表示为：
20log(Er/Ed)＝20log[(10σ/20-1)/(10σ/20+1)] (5)
本实施例提供一种自动小车室内电磁地图绘制方法，应用本实施例的内外场电磁地图绘制自动小车绘制，发射天线发出的波与经暗室内壁反射的波相互干涉后在测量区域内形成驻波，通过移动接收天线的位置来确定该区域内波的强度分布，从而得到暗室的电磁性能指标，绘制电磁地图。
在测量前首先要将分属于不同IP地址的运动控制系统和电磁测量系统借助网线接口通过计算机13完成整体系统的通联，再通过打包封装后的.exe文件可以正常控制平台的移动、信号采样和结果绘制等功能。
具体按照以下步骤实施：
步骤1：进行室内电场采样测量，获得离散的电场强度数据
根据场地大小，将测量区域均匀地划分成i×j的网格，保证每个网格内至少有一个采样点，在网格中心位置进行采样，获得该位置的电磁数据；
步骤1具体为，
步骤1.1、完成测量前的准备工作
搭建好内外场电磁地图绘制自动小车，使用射频线连接频谱仪、收发天线12、功率放大器，使用LAN口完成计算机13、频谱仪和小车内置虚拟机的连接；
将小车摆放在待测区域，在测量前需要根据不同场地情况对小车采样路径进行规划，由于测量场地为矩形区域，较为规则，便于划分网格，确定采样位置，因此采用之字形的折回路线，确保每个网格内至少有一个采样点，便于绘制较为完整的电磁地图。若为圆形区域，在保持中心点一定的条件下，可分别进行横向与纵向的折回路径采样，以得到更为精细的电磁地图；
采样间隔用运动间隔来划分，在平台运动时不断读取平台的位置信息，当到达采样位置时，给平台发送速度为零的指令，信号采集完毕后给平台发送前进指令继续前进至下一个点进行扫描，每次采样时间不超过0.5s；
步骤1.2、采用零发一收模式测量室内空间场强分布和暗室反射电平
首先初始化ROS，基于MATLAB中的ROS Toolbox工具箱控制具有ROS系统的小车完成各种运动操作并收集小车的运动数据，再使用VISA库实现计算机13和矢量网络分析仪的通信，在软件中输入测量参数，通过SCPI指令对矢量网络分析下达测量指令，控制小车搭载接收天线进行采样，完成测量任务后使用相应的SCPI指令完成对S21参数的读取，得到室内空间电场强度，如图4所示为测量室内空间场强分布示意图；
在测量暗室反射电平时，首先将小车上搭载的接收天线转向背面的吸波墙方向，初始化ROS，再使用VISA库实现计算机13和矢量网络分析仪的通信，输入测量参数，系统即可按照预定的测量区域以一步一停的方式进行之字形采样，完成测量任务后使用相应的SCPI指令完成对S21参数的读取，得到待测区域吸波墙反射的电场强度，图6所示为测量暗室静区反射电平示意图；
步骤1.3、采用一发一收模式测量暗室直射电平
在测量暗室直射电平时，将发射天线放置在暗室的固定位置，将位于小车上的喇叭天线对准发射天线方向，初始化ROS，再使用VISA库实现计算机13和矢量网络分析仪的通信，根据实际需要输入测量参数，系统即可开始自动采样。完成测量任务后，使用相应的SCPI指令完成对S21参数的读取，得到待测区域的直射场强度；
步骤1.4、多次测量，取平均值，提高结果准确度
为保证测量数据的准确度，在同一位置进行多次采样，以样本数据的平均值替代该位置的场强属性值：
Figure BDA0004093021970000121
式(6)中，P(xi,yi)为第i个位置下的场强属性值，N表示采样总数，RSSk为该位置下k采样时刻的采样值。
步骤2：基于空间插值法对采样所得离散的电场强度数据进行处理，获得连续场强数据；
空间插值技术通过对离散数据之间的空间相关性及趋势进行分析，估计出离散位置附近任意位置的场强属性，从而将离散的数据点转换成连续的数据曲面，是构建电磁地图的一项重要技术手段。由于暗室试验区域内各样本点之间空间距离位置关系较为简单，因此选择反距离加权空间插值法进行数据处理；
步骤2具体为，
通过对样本点与待插值点之间的距离进行计算，赋予样本点权值，并将样本点对待插值点(x0,y0)的权值ωi视为距离的负幂指数：
Figure BDA0004093021970000122
式(7)中di为样本点(xi,yi)与待插值点(x0,y0)之间的欧式距离，dexp是权重指数，决定了权值ωi(x0,y0)随距离的变化速度，而改进后的反距离加权法通过定义待插值点的影响半径R，只考虑di≤R范围内局部样本点对待插值点的影响，优化了权值计算，大大提高了计算效率：
Figure BDA0004093021970000131
或将临近N个点中与待插值点距离最大的点作为影响半径R：
Figure BDA0004093021970000132
在得到待测范围内各个样本点分配的权值ωi后，通过通用空间插值模型计算得到待插值点的场强属性P(x0,y0)：
Figure BDA0004093021970000133
其中P(x0,y0)代表待插值点的场强属性，P(xi,yi)代表n个已知采样点在空间各位置(xi,yi)上的场强属性，将式(8)中的ωi′作为改进后的权重系数，其大小表征了该点场强属性对待插值点的影响程度。通过空间插值技术对离散数据之间的空间相关性及趋势进行回归分析，估计出离散位置附近任意位置的场强属性，将离散的数据点转换成连续的数据曲面。
步骤3，将采样测量、空间插值后所得到的连续电场数据，通过MATLAB处理构建得到电磁地图。
步骤3具体为，利用获取得到的样本信息结合空间插值模型以及空间电磁波传播模型，在MATLAB中采用改进后的反距离加权法即IDW空间插值算法构建生成电磁环境地图。
电磁地图可用于干扰查处、频谱管理和电磁环境评价等方面，下面对上述两个例子的测量结果进行分析。
1)表征空间电磁环境
如图5所示为系统一次测量时所绘18GHz频率下空间场强分布结果图。第一列测量区域内存在角反射器，第二、三列为无目标存在时的测量数据，第四、五列安排测量人员经过测量区域时采集所得数据。有角反射器目标存在时，测量所得场强信号最强；在无目标且无测量人员时，采集到的信号最弱，多为杂波信号；有测量人员经过时场强幅度较无目标区域略有上升。说明小车系统可以较为准确地感知电磁环境。
2)评估暗室性能好坏
采用自由空间电压驻波测量法，将步骤二中采集到的直射电场强度与反射电场强度作比值，由式(5)，可计算得到待测区域的反射电平，用于分析暗室的性能。
如图7所示为待测区域直射电场强度分布以及反射电场强度分布，从图中可以看出，在天线照射的中心区域，电场强度保持在0dB左右，而整个待测区域的反射电场强度普遍低于-35dB，反射的电场强度非常低，说明吸波墙具有较低的后向散射。
通过将中心区域不同频率的直射场和反射场对比，得到静区反射电平随频率变化的结果，如表1所示。从表中可以得出，在18GHz～26GHz区间内，暗室的反射电平普遍高于-35dB，该暗室性能不是特别好。
表1暗室静区反射电平
频率(GHz) 18 20 22 24 26
反射电平(-dB) 38.83 39.80 40.32 41.15 39.72
由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明不仅可以较为精确地完成对空间电磁强度分布的测量，还可以完成内外场散射测量，评估暗室性能，为自动绘制电磁地图提供可行方案。

Claims (8)

1.内外场电磁地图绘制自动小车，其特征在于，包括移动车体，所述移动车体上设置有频射层和通信层，所述通信层位于频射层上方，所述频射层包括网线连接的频谱分析仪和计算机，所述通信层包括收发天线和功率放大器。
2.根据权利要求1所述的内外场电磁地图绘制自动小车，其特征在于，所述移动车体设置有麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮连接有STM32微控制器，所述移动车体上设置有JetsonXavier Nx板，所述Jetson Xavier Nx板通过网线与计算机连接，所述Jetson Xavier Nx板、频谱分析仪分别与计算机不同的LAN口连接，所述Jetson Xavier Nx板、频谱分析仪分属不同的IP。
3.根据权利要求1所述的内外场电磁地图绘制自动小车，其特征在于，所述通信层的收发天线包括发射天线和接收天线，所述功率放大器包括功率放大器A和功率放大器B，所述发射天线与功率放大器A的输出端口相连，所述频谱分析仪的输出端口与功率放大器A的输入端口相连；接收天线与功率放大器B的输入端口相连，所述频谱分析仪的输入端口与功率放大器B的输出端口相连。
4.自动小车室内电磁地图绘制方法，应用如权利要求3所述的内外场电磁地图绘制自动小车绘制，其特征在于，发射天线发出的波与经暗室内壁反射的波相互干涉后在测量区域内形成驻波，通过移动接收天线的位置来确定该区域内波的强度分布，从而得到暗室的电磁性能指标，绘制电磁地图。
5.根据权利要求4所述的自动小车室内电磁地图绘制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：进行室内电场采样测量，获得离散的电场强度数据
根据场地大小，将测量区域均匀地划分成网格，保证每个网格内至少有一个采样点，在网格中心位置进行采样，获得该位置的电磁数据；
步骤2：基于空间插值法通过反距离加权空间插值法对采样所得离散的电场强度数据进行处理，获得连续场强数据；
空间插值技术通过对离散数据之间的空间相关性及趋势进行分析，估计出离散位置附近任意位置的场强属性，从而将离散的数据点转换成连续的数据曲面；
步骤3，将采样测量、空间插值后所得到的连续电场数据，通过MATLAB处理构建得到电磁地图。
6.根据权利要求5所述的自动小车室内电磁地图绘制方法，其特征在于，所述步骤1具体为，
步骤1.1、完成测量前的准备工作
搭建好内外场电磁地图绘制自动小车，使用射频线连接频谱仪、收发天线、功率放大器，使用LAN口完成计算机、频谱仪和小车内置虚拟机的连接；
将小车摆放在待测区域，在测量前需要根据不同场地情况对小车采样路径进行规划，确保每个网格内至少有一个采样点；
采样间隔用运动间隔来划分，在平台运动时不断读取平台的位置信息，当到达采样位置时，给平台发送速度为零的指令，信号采集完毕后给平台发送前进指令继续前进至下一个点进行扫描，每次采样时间不超过0.5s；
步骤1.2、采用零发一收模式测量室内空间场强分布和暗室反射电平
首先初始化ROS，基于MATLAB中的ROS Toolbox工具箱控制具有ROS系统的小车完成各种运动操作并收集小车的运动数据，再使用VISA库实现计算机和矢量网络分析仪的通信，在软件中输入测量参数，通过SCPI指令对矢量网络分析下达测量指令，控制小车搭载接收天线进行采样，完成测量任务后使用相应的SCPI指令完成对S21参数的读取，得到室内空间电场强度；
在测量暗室反射电平时，首先将小车上搭载的接收天线转向背面的吸波墙方向，初始化ROS，再使用VISA库实现计算机和矢量网络分析仪的通信，输入测量参数，系统即按照预定的测量区域以一步一停的方式进行之字形采样，完成测量任务后使用相应的SCPI指令完成对S21参数的读取，得到待测区域吸波墙反射的电场强度；
步骤1.3、采用一发一收模式测量暗室直射电平
在测量暗室直射电平时，将发射天线放置在暗室的固定位置，将位于小车上的喇叭天线对准发射天线方向，初始化ROS，再使用VISA库实现计算机和矢量网络分析仪的通信，根据实际需要输入测量参数，系统即可开始自动采样，完成测量任务后，使用相应的SCPI指令完成对S21参数的读取，得到待测区域的直射场强度；
步骤1.4、多次测量，取平均值，提高结果准确度
为保证测量数据的准确度，在同一位置进行多次采样，以样本数据的平均值替代该位置的场强属性值：
Figure FDA0004093021960000031
式(6)中，P(xi,yi)为第i个位置下的场强属性值，N表示采样总数，RSSk为该位置下k采样时刻的采样值。
7.根据权利要求5所述的自动小车室内电磁地图绘制方法，其特征在于，所述步骤2具体为，
通过对样本点与待插值点之间的距离进行计算，赋予样本点权值，并将样本点对待插值点(x0,y0)的权值ωi视为距离的负幂指数：
Figure FDA0004093021960000041
式(7)中di为样本点(xi,yi)与待插值点(x0,y0)之间的欧式距离，dexp是权重指数，决定了权值ωi(x0,y0)随距离的变化速度，而改进后的反距离加权法通过定义待插值点的影响半径R，只考虑di≤R范围内局部样本点对待插值点的影响：
Figure FDA0004093021960000042
或将临近N个点中与待插值点距离最大的点作为影响半径R：
Figure FDA0004093021960000043
在得到待测范围内各个样本点分配的权值ωi后，通过通用空间插值模型计算得到待插值点的场强属性P(x0,y0)：
Figure FDA0004093021960000044
其中P(x0,y0)代表待插值点的场强属性，P(xi,yi)代表n个已知采样点在空间各位置(xi,yi)上的场强属性，将式(8)中的ωi′作为改进后的权重系数，其大小表征了该点场强属性对待插值点的影响程度；
通过空间插值技术对离散数据之间的空间相关性及趋势进行回归分析，估计出离散位置附近任意位置的场强属性，将离散的数据点转换成连续的数据曲面。
8.根据权利要求5所述的自动小车室内电磁地图绘制方法，其特征在于，所述步骤3具体为，利用获取得到的样本信息结合空间插值模型以及空间电磁波传播模型，在MATLAB中采用改进后的反距离加权法即IDW空间插值算法构建生成电磁环境地图。
CN202310157649.3A 2023-02-23 2023-02-23 内外场电磁地图绘制自动小车及绘制方法 Active CN116298543B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310157649.3A CN116298543B (zh) 2023-02-23 2023-02-23 内外场电磁地图绘制自动小车及绘制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310157649.3A CN116298543B (zh) 2023-02-23 2023-02-23 内外场电磁地图绘制自动小车及绘制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116298543A true CN116298543A (zh) 2023-06-23
CN116298543B CN116298543B (zh) 2024-04-05

Family

ID=86786203

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310157649.3A Active CN116298543B (zh) 2023-02-23 2023-02-23 内外场电磁地图绘制自动小车及绘制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116298543B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103454523A (zh) * 2013-08-22 2013-12-18 北京航空航天大学 一种基于地理信息系统的收发设备间的电磁兼容性测量方法
CN106771585A (zh) * 2016-11-21 2017-05-31 南京长峰航天电子科技有限公司 一种微波暗室静区反射电平的数据处理方法
CN109450568A (zh) * 2019-01-04 2019-03-08 北京环境特性研究所 一种可移动式场强检测系统以及场强检测方法
CN111323192A (zh) * 2020-04-20 2020-06-23 中建七局安装工程有限公司 一种基于强夯加固的深埋管道振动衰减效应的测试方法
KR20200132023A (ko) * 2019-05-15 2020-11-25 주식회사 삼진일렉스 시설 내부로 침투하는 전자파 펄스의 전계강도 측정방법
CN112887903A (zh) * 2021-01-26 2021-06-01 东南大学 一种基于软信息融合的通信定位感知一体化方法
CN115100376A (zh) * 2022-07-11 2022-09-23 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种基于改进反距离插值法的电磁频谱地图实现方法
CN115453214A (zh) * 2022-08-23 2022-12-09 西安电子科技大学 内场有源干扰散射特性测量装置与测量方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103454523A (zh) * 2013-08-22 2013-12-18 北京航空航天大学 一种基于地理信息系统的收发设备间的电磁兼容性测量方法
CN106771585A (zh) * 2016-11-21 2017-05-31 南京长峰航天电子科技有限公司 一种微波暗室静区反射电平的数据处理方法
CN109450568A (zh) * 2019-01-04 2019-03-08 北京环境特性研究所 一种可移动式场强检测系统以及场强检测方法
KR20200132023A (ko) * 2019-05-15 2020-11-25 주식회사 삼진일렉스 시설 내부로 침투하는 전자파 펄스의 전계강도 측정방법
CN111323192A (zh) * 2020-04-20 2020-06-23 中建七局安装工程有限公司 一种基于强夯加固的深埋管道振动衰减效应的测试方法
CN112887903A (zh) * 2021-01-26 2021-06-01 东南大学 一种基于软信息融合的通信定位感知一体化方法
CN115100376A (zh) * 2022-07-11 2022-09-23 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种基于改进反距离插值法的电磁频谱地图实现方法
CN115453214A (zh) * 2022-08-23 2022-12-09 西安电子科技大学 内场有源干扰散射特性测量装置与测量方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
字然等: "基于改进空间插值的无线电环境地图生成技术", 电子技术应用, vol. 44, no. 3, pages 103 - 107 *
黄润等: "一种暗室静区自动化评估测量系统研究", 2023年全国微波毫米波会议论文汇编, pages 1 - 4 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN116298543B (zh) 2024-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107085150B (zh) 一种短波发射天线三维立体方向图空中移动测量系统及方法
US8502546B2 (en) Multichannel absorberless near field measurement system
CN111965439B (zh) 基于机械臂的天线测试系统、方法及装置
US7672640B2 (en) Multichannel absorberless near field measurement system
CN105352978A (zh) 手持式吸波材料反射率测量装置
CN109581078B (zh) 一种适用于半空间环境中天线的方向图测量系统及方法
CN105466453A (zh) 一种导航设备在线监测系统及方法
CN106093898B (zh) 一种分区域式的mimo阵列校准方法
CN107632208B (zh) 一种球面近场天线测量方法及系统
CN205608094U (zh) 一种半电波暗室场均匀性测试装置
CN109188355A (zh) 一种多点定位系统接收天线优化及最优布站方法
CN110441620A (zh) 一种天线罩瞄准线误差测试的多频点动态搜零方法及系统
CN103000996B (zh) 一种均匀圆阵测向天线接收互阻抗测试及互耦补偿系统
CN116047436A (zh) 有源相控阵雷达天线的近场幅相校准方法、系统、设备
CN106842162A (zh) 一种有源雷达对消隐身系统及方法
CN106771673A (zh) 一种gps天线方向性测试方法及系统
CN114167365A (zh) 导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法及系统
CN210294411U (zh) 一种基于电扫天线的太赫兹紧缩场测试系统
CN112859028B (zh) 一种外场地物散射时域回波采集及谱分析方法及系统
CN116298543B (zh) 内外场电磁地图绘制自动小车及绘制方法
CN113960523A (zh) 基于fpga的通用超宽带校正测向方法及系统
CN113466807A (zh) 雷达临界被截获距离测试系统
RU2638079C1 (ru) Способ измерения азимутальной диаграммы направленности антенны в составе наземных подвижных объектов больших размеров и устройство для его осуществления
CN115079112A (zh) 一种航空发动机近地动态rcs试验测试系统及测试方法
Zuo et al. Position error detection and compensation for far-field radar cross-section measurement

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant