CN109597094A - 基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和*** - Google Patents

基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***，***包括：无人机分***；激光器位置采集分***的发射端放置在无人机上，接收端安置在地面上；射频分***包括收发天线、定向耦合器、PNA、移相器等，该射频分***的天线、移相器、耦合器安装在无人机分***上；射频分***的PNA安置在地面上；综合控制及处理分***通过控制无人机分***运动实现平移测试；综合控制及处理分***通过接收激光器位置采集分***信息获取射频分***天线的实时位置信息；综合控制及处理分***接收射频分***的测试信息并结合射频分***天线的实时位置信息和相关算法得到被测试通用交通工具的全极化散射特性。

Description

基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***
技术领域
本发明涉及近场特性测试领域，具体涉及一种基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***。
背景技术
汽车防碰撞雷达***以及相关的无人驾驶***作为汽车产业的新兴技术，越来越受到汽车产业的重视。汽车防碰撞雷达***主要依靠车内计算机***为主的智能驾驶仪器来实现无人驾驶。它利用车载传感器来感知车辆周边环境并通过感知获取道路、车辆信息来控制车速和转向，从而安全、可靠地在道路上行驶。汽车的散射特性获取技术是汽车无人驾驶技术的基础技术之一。
《近场扫描架三维SAR成像处理技术》(微波学报，徐秀丽、童广德、张元，2010年)涉及目标近场三维SAR成像方法。但采用平面扫描成像方式需要大尺寸的平面二维扫描架，由于受到扫描架尺寸的限制，成像的分辨率不能很高，而且目标的摆放姿态也会受到限制。
《基于柱面扫描近场成像的RCS测量方法研究》(雷达学报，邢曙光、吕晓德、丁赤飚，2015年)涉及该文提出一种基于柱面扫描近场成像的RCS(Radar Cross Section)测量新方法:以理想的各向同性点散射中心模型为核心假设，通过详细的理论推导给出了一种具有通用性的基于柱面扫描近场成像的RCS测量方法。该方法先得到目标的3维雷达散射图像，再通过这些等效理想散射中心的散射场叠加获得远处散射场进而给出目标的远场RCS值。该方法不仅能得到被测目标的3维雷达散射图像，还能获得一定立体角域的目标远场RCS。相比只能得到2维雷达散射图以及2维平面角域RCS结果的圆迹扫描测试相比，该文所提的柱面扫描测试能得到更多的目标散射信息，具有较强的实用性。仿真结果验证了新方法的可靠性。
《基于近场扫描的辐射源重构方法》(2017年全国微波毫米波会议论文集，李军、魏兴昌，2017)涉及一种用来代替拥有复杂结构的辐射电路的等效辐射源方法，该方法利用无相位近场扫描磁场来重构等效磁偶极子阵列源，且偶极子的位置，方向，偶极矩通过差分进化算法优化得到。将偶极子等效源批量导入三维全波仿真软件后，我们就可以有效的分析其近场电磁干扰和远场辐射特性。本文通过设计的基于高阻抗表面的贴片天线和一款商用时钟电路来验证该方法的精确度和有效性，验证结果表明该等效辐射源方法能够精确地用于复杂电路的近场电磁干扰分析和远场辐射预测。该方法也可用于复杂天线的近、远场预测。
中国专利201611121530.7“一种近场模拟器”公开了一种近场模拟器，基于紧缩场偏焦控制，实现近场的球面波前模拟，通过连续调整激励源对反射面的偏焦照射来实现不同距离处等效球面波源连续模拟，目的是紧缩化地实现大距离范围覆盖的近场电磁环境，用于无线电***的近场模拟测试。该近场模拟器可工作于更为可控的自然环境或电磁环境内，有利于改善电磁模拟调试的试验条件，降低试验成本，提高试验效率。优于受自然气候影响较大的外场。该近场模拟器可模拟工作于更大范围的等效球面波源位置，利于动态可变配置试验所需的近场波前，有利于模拟测试所需更为逼真和多变的近场电磁环境。优于直接控制收发距离的近场。该专利主用应用紧缩场偏焦控制进而实现近场的球面波前模拟。
中国专利201410178227.5“电磁场近场扫描装置与扫描方法”，本发明提供一种电磁场近场扫描装置与扫描方法，扫描装置结构简单，通过探头实现对待测物品的电磁场近场数据的准确采集，通过空间移动平台和计算机协调工作实现对探头位置的精准控制，通过显微摄像装置精准监测探头与待测物品之间的距离，从而能够精准获得待测物品的电磁场近场扫描结果，另外，探头在扫描待测物品电磁场近场时，采用逐点扫描，实时采集传输，即每一次探头移动，均采集一次数据并及时将采集到的数据发送至信号分析装置，避免扫描过程中，扫描装置自身对待测物品电磁场近场的影响，以及数据采集延时对信号准确度的影响，从而更进一步提高了扫描的精度和扫描结果的准确度。
中国专利201720629322.1“一种三维微波近场成像***”本实用新型公开了一种三维微波近场成像***。包括上位机、网络矢量分析仪、三维运动轴承和运动轴承控制器；所述的网络矢量分析仪响应上位机的采集指令并由其接收探针采集扫描区域电磁波的幅度和相位数据，并将所述的电磁波的幅度和相位数据传输给所述的上位机；所述的网络矢量分析仪的接收探针安装在所述的三维运动轴承上，随三维运动轴承一起移动；所述的轴承控制器响应上位机的指令，驱动三维运动轴承的运动。该发明设计可以成像任意三维空间内的电磁场分布，因为采用开放式的扫描***，接收探针运动而所测样品不动，所以试验样品大小、重量不受限制。
中国专利201310153288.1“一种基于球面近场扫描外推的天线方向图测试方法”本发明涉及一种基于球面近场扫描外推的天线方向图测试方法，通过近场测试，对得到的数据进行算法外推可获得远场方向图，这样不但缩减了测试距离，而且无需柱面波测试所要求的平面波条件。最终得到天线的三维方向图，可以更加清晰、直观的分析天线性能，具有很大的工程实用价值。本发明可以实现近距离有效的天线测试，节约测试成本和降低测试难度，同时也为了能得到被测天线的三维方向图，更加准确的分析天线性能。
中国专利201110111655.2“一种三维近场矢量的扫描方法和装置”本发明涉及一种三维近场矢量的扫描方法，由主线程以及第一线程并行进行，主线程包括步骤：获取扫描信息，驱动电机至目标位置，触发执行数据收集的第一线程。本发明还提供一种三维近场矢量的并行扫描装置实现上述方法。
上述论文和专利没有完全涉及或者覆盖基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***的相关内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***，用于无人机***实现一种近场特性测试方法。
为了达到上述的目的，本发明提供一种基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描***，其特征包含：无人机分***、激光器位置采集分***、射频分***、综合控制及处理分***；
所述激光器位置采集分***包括发射端和接收端；
所述发射端放置在无人机分***上，所述接收端安置在地面上；
所述射频分***包括收发天线、定向耦合器、PNA、移相器；
所述收发天线、移相器、定向耦合器安装在无人机分***上，所述PNA安置在地面上；
所述射频分***与综合控制及处理分***连接，所述综合控制及处理分***与激光器位置采集分***连接；
所述综合控制及处理分***通过控制无人机分***运动实现平移测试；
所述综合控制及处理分***通过接收激光器位置采集分***信息获取射频分***天线的实时位置信息；
所述综合控制及处理分***接收射频分***的测试信息并结合射频分***天线的实时位置信息和相关算法得到被测试通用交通工具的全极化散射特性。
优选地，所述全极化包括垂直-垂直极化、水平-水平极化、垂直-水平极化和水平-垂直极化。
优选地，所述射频分***与综合控制及处理分***通过无线WiFi方式或者电缆方式进行连接；
所述综合控制及处理分***与激光器位置采集分***通过控制总线进行连接。
优选地，所述激光器位置采集分***定位精度优于±0.1mm。
优选地，所述射频分***在暗室进行定标测试。
一种基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法，其操作步骤包含：
步骤S11，将通用交通工具置于放置区域内；
步骤S12，按照测试需求设置射频分***；
步骤S13，按照测试需求设置综合控制及处理分***；
步骤S14，综合控制及处理分***按步骤S13的设置，控制无人机分***运动、激光器位置采集分***获取无人机运动点信息，获取无人机分***的运动间距为回波数据；
步骤S15，射频分***对通用交通工具的测试数据结合无人机分***的运动三维坐标数据进行数据处理；
步骤S16，在相同条件下，在微波暗室条件下对定标体开展测试；
步骤S17，对步骤S16获得的定标体回波信号进行处理，得到定标体回波数据和测试背景数据；
步骤S18，针对通用交通工具回波数据、测试天线位置数据、定标体回波数据和测试背景数据，综合控制及处理分***应用数据处理方法得到通用交通工具近场散射特性测试数据。
优选地，所述步骤S12中，若采用成像测试，射频分***频率带宽B、频率间隔δf分别设置为
其中，H为通用交通工具的高度，δH为高度向分辨率；
对于单频射频分***，无人机分***的运动间距为λ/2，λ为载波波长；对于宽频射频分***，无人机分***的运动间距为λmin/2，λmin为频率带宽中最高载波频率对应的波长；无人机分***的运动间距为的横向分辨率为
其中，收发天线与被测目标中心的为之间的距离为R，目标回波在有效合成孔径为Le。
优选地，所述步骤S15中，所述收发天线由一个发送天线，两个接收天线组成，通过无相位测试得到信号的有效信息；
通过移相器和合成器得到2组不同的合成信号，应用三角几何关系得到与相位无关的测试信号；
其中，w1和w2为2个接收天线分别得到的信号，υ为w1相对于w2的相位，|w|为接收信号w的模，j为虚数单位；
通过上述2个公式可以得到接收信号的相位信息，进而接收信号最终可以表征为
其中，t为观测时刻；x，y，z分别为无人机在观测时刻t的卡塞格伦坐标系的坐标参数；θ,分别为观测时刻t时射频分***接收天线对应的俯仰角度和方位角度；
优选地，所述步骤S18中，通用交通工具近场散射特性测试数据的表达式为
其中，为定标后的通用交通工具的散射矢量；为定标体的理论散射矢量；为滤波处理后射频分***通过无人机分***的运动得到的回波信号；为滤波处理后的定标体回波信号。
优选地，所述定标体是金属平板或金属球。
本发明和以往相比较，具有以下的特点:
本发明提供的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***，不仅可用于获取通用交通工具近场特性的数据，而且也可以用于获取其它目标近场特性的数据。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***的示意图；
图2是本发明较佳实施例中基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***的流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但不以任何方式限制本发明的范围。
图1是本发明较佳实施例的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***的示意图。所述基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***包括：射频分***的矢量网络分析仪P1、激光器位置采集分***P2、无人机分***P3、综合控制及处理分***P4；
所述激光器位置采集分***P2的发射端放置在无人机上，接收端安置在地面上；
所述射频分***的矢量网络分析仪P1包括收发天线、定向耦合器、PNA(矢量分析仪)、移相器等，该射频分***的天线、移相器、耦合器安装在无人机分***P3上；所述射频分***的矢量网络分析仪P1安置在地面上；
所述射频分***的矢量网络分析仪P1与综合控制及处理分***P4通过无线WiFi方式或者电缆方式进行连接；
所述综合控制及处理分***P4通过控制无人机分***P3运动实现平移测试；
所述综合控制及处理分***P4通过接收激光器位置采集分***P2信息获取射频分***天线的实时位置信息；
所述综合控制及处理分***P4接收射频分***的矢量网络分析仪P1的测试信息并结合射频分***天线的实时位置信息和相关算法得到被测试通用交通工具的全极化散射特性。本发明涉及基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***用于目标近场特性测试。
所述的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***，其特征在于，所述近场扫描方法对通用交通工具实现全极化近场扫描，并且不同极化下的测试位置误差精度优于±0.1mm；所述全极化包括垂直-垂直极化、水平-水平极化、垂直-水平极化和水平-垂直极化。
所述的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***，其特征在于，所述激光器位置采集分***定位精度优于±0.1mm。
图2所示为本发明较佳实施例中基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***的流程图。
使用本实施例的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***对通用交通工具进行全极化近场扫描，可获取通用交通工具的近场特性。
如图2所示，全极化近场扫描方法包括：
步骤S11，将通用交通工具置于放置区域内；
步骤S12，按照测试需求设置射频分***；
该步骤中，若采用成像测试，射频分***频率带宽B、频率间隔δf分别设置为其中，H为通用交通工具的高度，δH为高度向分辨率；
对于单频射频分***，无人机分***的运动间距为λ/2，λ为载波波长；对于宽频射频分***，无人机分***的运动间距为λmin/2，λmin为频率带宽中最高载波频率对应的波长；无人机分***的运动间距的横向分辨率为其中，收发天线与被测目标中心的为之间的距离为R，目标回波在有效合成孔径为Le。
步骤S13，按照测试需求设置综合控制及处理分***；
步骤S14，综合控制及处理分***按步骤S13的设置，控制无人机分***运动、激光器位置采集分***获取无人机运动点信息，获取无人机分***的运动三维坐标数据；
步骤S15，对射频分***测试数据结合无人机分***的运动三维坐标数据进行数据处理；主要通过移相器和合成器作逻辑加运算，得到2组不同的合成信号，应用三角几何关系得到与相位无关的测试信号。由三角形余弦定理以及三角函数几何关系可以得到
其中，w1和w2为2个接收天线分别得到的信号，υ为w1相对于w2的相位，|w|为接收信号w的模，j为虚数单位，通过上述2个公式可以得到接收信号的相位信息，进而接收信号最终可以表征为其中t为观测时刻，x，y，z分别为无人机在观测时刻t的卡塞格伦坐标系的坐标参数，θ,分别为观测时刻t时射频分***接收天线对应的俯仰角度和方位角度，w得相关数据的。
步骤S16，在相同条件下，应用射频分***在微波暗室条件下对定标体开展测试；
对定标体开展测试，射频分***的矢量网络分析仪P1的设置同步骤S12，
所述定标体可以是不同尺寸的金属平板，也可以是不同尺寸的金属球；测试基本原则是定标体的测试距离在发射天线的远场区域，发射天线主波束能够完全照射到定标体上；
步骤S17，对步骤S16获得的定标体回波信号进行处理，得到定标体回波数据和测试背景数据；
步骤S18，针对通用交通工具回波数据、测试天线位置数据、定标体回波数据和测试背景数据，综合控制及处理分***应用数据处理方法得到通用交通工具近场散射特性测试数据。
其中，为定标后的通用交通工具的散射矢量；为定标体的理论散射矢量；为滤波处理后射频分***通过无人机分***的运动得到的回波信号；为滤波处理后的定标体回波信号。
本实施例中，以无人机分***为基础，研究应用以无人机为搭载手段，结合无相位测试原理，利用射频测试***继而实现一种基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***，为实现通用交通工具的电磁散射特性获取提供一种方法和***。
本发明的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法和***，不仅可用于获取通用交通工具近场特性的数据，而且也可以用于其它目标近场特性的数据。
本发明的发明点不在于各分***(例如射频分***，无人机分***)的设计，而是将各分***组合应用于通用交通共计近场特性测试。因此，本发明对各分***未作详细说明，各分***可采用成熟的现有技术，也可采用未来新技术，只要功能和精度满足要求即可，本发明对各分***不作限制。本发明中涉及的数据处理都有成熟的现有技术，本发明对此不作详细说明。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求。

Claims (10)

1.一种基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描***，其特征在于，包含：无人机分***、激光器位置采集分***、射频分***、综合控制及处理分***；
所述激光器位置采集分***包括发射端和接收端；
所述发射端放置在无人机分***上，所述接收端安置在地面上；
所述射频分***包括收发天线、定向耦合器、PNA、移相器；
所述收发天线、移相器、定向耦合器安装在无人机分***上，所述PNA安置在地面上；
所述射频分***与综合控制及处理分***连接，所述综合控制及处理分***与激光器位置采集分***连接；
所述综合控制及处理分***通过控制无人机分***运动实现平移测试；
所述综合控制及处理分***通过接收激光器位置采集分***信息获取射频分***天线的实时位置信息；
所述综合控制及处理分***接收射频分***的测试信息并结合射频分***天线的实时位置信息和相关算法得到被测试通用交通工具的全极化散射特性。
2.如权利要求1所述的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描***，其特征在于，所述全极化包括垂直-垂直极化、水平-水平极化、垂直-水平极化和水平-垂直极化。
3.如权利要求1所述的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描***，其特征在于，所述射频分***与综合控制及处理分***通过无线WiFi方式或者电缆方式进行连接；
所述综合控制及处理分***与激光器位置采集分***通过控制总线进行连接。
4.如权利要求1所述的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描***，其特征在于，所述激光器位置采集分***定位精度优于±0.1mm。
5.如权利要求1所述的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描***，其特征在于，所述射频分***在暗室进行定标测试。
6.一种基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法，其特征在于，利用权利要求1至5中任一项所述的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描***，操作步骤包含：
步骤S11，将通用交通工具置于放置区域内；
步骤S12，按照测试需求设置射频分***；
步骤S13，按照测试需求设置综合控制及处理分***；
步骤S14，综合控制及处理分***按步骤S13的设置，控制无人机分***运动、激光器位置采集分***获取无人机运动点信息，获取无人机分***的运动间距为回波数据；
步骤S15，射频分***对通用交通工具的测试数据结合无人机分***的运动三维坐标数据进行数据处理；
步骤S16，在相同条件下，在微波暗室条件下对定标体开展测试；
步骤S17，对步骤S16获得的定标体回波信号进行处理，得到定标体回波数据和测试背景数据；
步骤S18，针对通用交通工具回波数据、测试天线位置数据、定标体回波数据和测试背景数据，综合控制及处理分***应用数据处理方法得到通用交通工具近场散射特性测试数据。
7.如权利要求6所述的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法，其特征在于，所述步骤S12中，若采用成像测试，射频分***频率带宽B、频率间隔δf分别设置为
其中，H为通用交通工具的高度，δH为高度向分辨率；
对于单频射频分***，无人机分***的运动间距为λ/2，λ为载波波长；对于宽频射频分***，无人机分***的运动间距为λmin/2，λmin为频率带宽中最高载波频率对应的波长；无人机分***的运动间距的横向分辨率为
其中，收发天线与被测目标中心的为之间的距离为R，目标回波在有效合成孔径为Le。
8.如权利要求6所述的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法，其特征在于，所述步骤S15中，所述收发天线由一个发送天线，两个接收天线组成，通过无相位测试得到信号的有效信息；
通过移相器和合成器得到2组不同的合成信号，应用三角几何关系得到与相位无关的测试信号；
其中，w1和w2为2个接收天线分别得到的信号，υ为w1相对于w2的相位，|w|为接收信号w的模，j为虚数单位；
通过上述2个公式可以得到接收信号的相位信息，进而接收信号最终可以表征为
其中，t为观测时刻；x，y，z分别为无人机在观测时刻t的卡塞格伦坐标系的坐标参数；θ,分别为观测时刻t时射频分***接收天线对应的俯仰角度和方位角度。
9.如权利要求6所述的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法，其特征在于，所述步骤S18中，通用交通工具近场散射特性测试数据的表达式为
其中，为定标后的通用交通工具的散射矢量；为定标体的理论散射矢量；为滤波处理后射频分***通过无人机分***的运动得到的回波信号；为滤波处理后的定标体回波信号。
10.如权利要求6所述的基于无人机的通用交通工具的全极化近场扫描方法，其特征在于，所述定标体是金属平板或金属球。
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