基于锥状天线的空中目标电荷遥测系统及方法与流程

本发明属于飞行目标电荷量的遥测领域，具体涉及一种基于锥状天线的空中目标电荷遥测系统及方法，应用于空中飞行目标的电荷量测试。

背景技术：

1、目标运动中产生的静电场是一种可以利用的信息源，任何使用发动机或移动的物体都必定会因为各种不同的带电过程而带上静电。静电探测的理论基础是静电场原理，通过探测目标周围的静电场来获取目标信息，具有方位探测精度高、抗干扰能力强等技术优势，在大气静电场探测、目标精确探测等领域具有广泛的应用前景。

2、目前，国内静电目标特性的研究仍处于定性分析阶段，数值模拟仿真分析已无法满足静电技术工程化应用的需求。同时，外场高速动态试验存在试验周期长、成本高等缺点，迫切需求开展空中飞行目标电荷量的遥测方法研究，获取目标电荷量特征，为静电探测系统参数设计提供数据支撑。

3、而现有技术中，采用圆形电极筒实现对目标电荷量的测试，探测过程中飞行目标需要穿越圆形电极筒，且仅能探测获取小型弹丸类空中飞行目标，无法获取大体积飞行目标的电荷量；另外采用静电电势直接测量方法对直升机进行了电势的测量，该系统需要通过高压导线将直升机与测试系统连接，存在危险性大、测试复杂等缺点；又或者采用平板式电场传感器对飞行目标的电荷量特征进行了探测，由于该探测系统为平板式感应电极，采用电流耦合式探测方式，输出为过零点交会曲线，存在电荷量估计精度不足的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种基于锥状天线的空中目标电荷遥测系统及方法，具备电场传感器布设灵活、目标飞行路径无限制、探测精度高等特点。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于锥状天线的空中目标电荷遥测系统，包括：静电场传感器单元、屏蔽电缆、数字信号处理单元；所述静电场传感器单元包括至少3个锥状天线和前端信号调理电路；每个所述锥状天线感应获取空中飞行目标的静电场变化特征信息；所述前端信号调理电路分别与所述锥状天线连接，将电荷变化特征信号转化为电压特征幅值信号；所述屏蔽电缆一端与静电场传感器单元的前端信号调理电路连接，另一端与数字信号处理单元连接，用于传输所述静电场传感器单元的前端信号调理电路转化的电压特征幅值信号；所述数字信号处理单元对电压特征幅值信号进行硬件滤波、数字采样和数字滤波处理。

3、优选的，所述锥状天线为轴对称静电场感应电极，每个所述锥状天线的总电荷包括球形部分的电荷和圆锥部分的电荷。

4、优选的，所述的基于锥状天线的空中目标电荷遥测系统还包括上位机，其与所述数字信号处理单元连接，接收数字信号处理单元传输的处理后的电压幅值特征信号，基于目标电荷计算数学模型，根据空中飞行目标实际飞行参数，计算空中飞行目标的电荷量，通过上位机的界面显示。

5、本发明还提供一种基于锥状天线的空中目标电荷遥测方法，包括：步骤s1、通过静电场传感器单元获取最大电压特征幅值；步骤s2、计算锥状天线与空中飞行目标上电荷转换系数k；步骤s3、根据目标电荷量计算公式，获得空中飞行目标的电荷量。

6、优选的，步骤s2所述的电荷转换系数k＝kd×ku，kd为锥状天线与外部电场e之间的第一转换系数，ku为静电场传感器单元与数字信号处理单元之间的第二转换系数。

7、优选的，锥状天线在外部电场e的作用下，锥状天线的流动总电荷q与外部电场e之间的所述第一转换系数kd的计算公式，如式(1)所示：

8、

9、其中，锥状天线获得的总电荷由圆锥型部分的电荷qs和球形部分的电荷qk组成，其计算公式如式(9)所示：

10、q＝qs+qk(9)

11、其中，qs＝qn，qn为第n个等效电荷的电荷量值；

12、其中，n为锥状天线的圆锥部分电极轴上的等效电荷的数量，计算公式如式(2)所示：

13、

14、其中，l1＝l-2·r-dm，l为天线总长度，r为球形部分半径，dm锥状天线顶部直径，dm为锥状天线底部直径。

15、优选的，所述第二转换系数ku由静电场传感器单元中的反馈电容器ci的值确定，计算公式如式(10)所示：

16、ku＝1/ci(10)。

17、优选的，根据步骤s1中静电场传感器单元探测获取每个锥状天线的最大电压幅值，计算获取每个锥状天线对应的估计电荷量，计算公式如式(12)所示：

18、

19、其中，uim为空中飞行目标与锥状天线交会过程中的最大电压幅值，k为电荷转换系数；n0为单位法相向量；ri(ti)为最大电压幅值对应的时间ti时刻。

20、优选的，所述ri(ti)计算公式如下：

21、

22、

23、所述ri(ti)的计算公式中的飞行参数x0、v、h、α由式(11)计算：

24、

25、其中，x0为飞行轨迹在坐标系oxz平面的投影与ox轴的交点；v为空中目标的飞行速度；h为飞行高度；α为行轨迹在xoy平面上的投影与y轴的夹角。δt12为第一锥状天线和第二锥状天线分别获取目标静电场最大信号的时间差；δt13为第一锥状天线和第三锥状天线分别获取目标静电场最大信号的时间差；δt1为第一锥状天线接收到目标静电场信号的持续时间。

26、优选的，空中飞行目标的电荷量由式(13)进行计算：

27、

28、其中，qi为第i个锥型天线对应的估计电荷量，n为锥型天线的总数。

29、综上所述，与现有技术相比，本发明提供的基于锥状天线的空中目标电荷遥测系统及方法，通过采用基于锥状天线的空中目标电荷遥测方法，遥测获取交会过程中的空中飞行目标电荷量特征信息，能够较为灵活地获取空中飞行目标的电荷量特征，为空中目标的电荷量特征和静电探测系统的目标探测与识别提供测试试验数据。同时本发明具备电场传感器布设灵活、目标飞行路径无限制、探测精度高等特点。

技术特征：

1.一种基于锥状天线的空中目标电荷遥测系统，其特征在于，包括：静电场传感器单元(1)、屏蔽电缆(2)、数字信号处理单元(3)；

2.如权利要求1所述的基于锥状天线的空中目标电荷遥测系统，其特征在于，所述锥状天线(11)为轴对称静电场感应电极，每个所述锥状天线(11)的总电荷包括球形部分(111)的电荷和圆锥部分(112)的电荷。

3.如权利要求1所述的基于锥状天线的空中目标电荷遥测系统，其特征在于，还包括上位机(4)，其与所述数字信号处理单元(3)连接，接收数字信号处理单元(3)传输的处理后的电压幅值特征信号，基于目标电荷计算数学模型，根据空中飞行目标(5)实际飞行参数，计算空中飞行目标(5)的电荷量，通过上位机(4)的界面显示。

4.一种基于锥状天线的空中目标电荷遥测方法，其特征在于，包括：

5.如权利要求4所述的基于锥状天线的空中目标电荷遥测方法，其特征在于，步骤s2所述的电荷转换系数k＝kd×ku，kd为锥状天线(11)与外部电场e之间的第一转换系数，ku为静电场传感器单元(1)与数字信号处理单元(3)之间的第二转换系数。

6.如权利要求5所述的基于锥状天线的空中目标电荷遥测方法，其特征在于，锥状天线(11)在外部电场e的作用下，锥状天线(11)的流动总电荷q与外部电场e之间的所述第一转换系数kd的计算公式，如式(1)所示：

7.所述第二转换系数ku由静电场传感器单元(1)中的反馈电容器ci的值确定，计算公式如式(10)所示：

8.如权利要求5所述的基于锥状天线的空中目标电荷遥测方法，其特征在于，根据步骤s1中静电场传感器单元(1)探测获取每个锥状天线(11)的最大电压幅值，计算获取每个锥状天线(11)对应的估计电荷量，计算公式如式(12)所示：

9.如权利要求8所述的基于锥状天线的空中目标电荷遥测方法，其特征在于，所述ri(ti)计算公式如下：

10.如权利要求9所述的基于锥状天线的空中目标电荷遥测方法，其特征在于，空中飞行目标(5)的电荷量由式(13)进行计算：

技术总结
本发明提供一种基于锥状天线的空中目标电荷遥测系统，包括：静电场传感器单元、屏蔽电缆、数字信号处理单元；所述静电场传感器单元包括至少3个锥状天线和前端信号调理电路；每个所述锥状天线感应获取空中飞行目标的静电场变化特征信息；所述前端信号调理电路分别与所述锥状天线连接，将电荷变化特征信号转化为电压特征幅值信号；所述屏蔽电缆一端与前端信号调理电路连接，另一端与数字信号处理单元连接，用于传输前端信号调理电路转化的电压特征幅值信号；所述数字信号处理单元对电压特征幅值信号进行硬件滤波、数字采样和数字滤波处理。本发明具备电场传感器布设灵活、目标飞行路径无限制、探测精度高的特点。

技术研发人员：魏维伟,李炜昕,陈潜,王强军,刘俊豪,倪亮,高亮,卢鸣声
受保护的技术使用者：上海无线电设备研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12