一种近场辐射衰减测试方法及三维显示系统与流程

本发明属射频辐射测试技术领域，尤其涉及一种近场辐射衰减测试方法及装置。

背景技术：

电波传播一直是工程电磁场理论和环境电磁特性研究领域中最为人们广泛关注和研究的方向之一。由于地表特性十分复杂决定了地表上的电波传播是一个复杂环境中的电波传播问题，电磁波在诸如海面、湖（河）面、干燥地面、潮湿地面等各种不同的地表形态和诸如山地、平原、丘陵和高大建筑物等起伏不平的地势地貌中传播时会表现出反射、折射、绕射、透射和散射等不同的传播机理。由于这些机理的发生具有很大的随机性，要准确预测复杂环境下的电波传播特性是相当困难的。

图1给出了有效辐射功率自动测试系统构成框图。然而随着高频电磁波技术的迅猛发展，复杂环境下的电波传播特性预测已经成为一个重要的研究课题。在构建诸如雷达预警、电子战和指挥自动化等诸多军事无线电系统时，一方面准确的战场电磁环境数据是不可或缺的内容，这需要对电波传播机理进行深入研究，建立基于数字地形数据的电波传播预测模型；另一方面电磁环境数据的表现形式也十分重要，传统二维地图表现方式已难以满足三维空间可视化需求，需要新的数据可视化手段。

中国专利公开cn111355544a公开了一种城市环境电波路径预测方法和装置，该方法包括从基于地理信息系统和建筑信息模型联合构建的三维城市模型中获取有效建筑物和地理实体信息；获取电磁参数，将电磁参数、有效建筑物和地理实体信息以特定数据结构表示，构建三维电磁城市模型；根据收发射机参数、电磁波传播原理及多径信道的稀疏特性，结合电磁参数、有效建筑物和地理实体信息预测起到主要作用的电磁波，计算得到一个电传稀疏矩阵；根据电传稀疏矩阵预测目标预测场景中各个位置点的接收信号信息。

中国专利公开cn111355546a公开了一种无线电波传播的三维可视化方法，方法包括：获取无线电波的传播环境中物体的物理信息；基于物理信息，建立传播环境的三维虚拟模型，并确定物体在三维虚拟模型中的位置坐标；基于无线电波的信号发送点、无线电波的信号接收点及物体在三维虚拟模型中的位置坐标，确定无线电波的传播路径；基于信号发送点对应的电场强度及相位以及传播路径中目标位置的坐标，确定传播路径对应的电场强度及相位；基于传播路径及其对应的电场强度及相位，建立传播路径的三维虚拟模型；在传播环境的三维虚拟模型中显示传播路径的三维虚拟模型。

综上所述，现有技术尚未给出一种基于三维地理信息平台技术，通过地理信息系统强大的数据管理和数据分析功能，整合全国高程模型数据、地表覆盖数据，利用高效的数据查询引擎为电波传播辐射衰减计算提供数据支持的方法和装置。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于近场辐射衰减测试的三维显示系统，其特征在于：所述系统包括：地理数据更新工具模块负责从地图数据下载器下载最新的地图数据，更新存储在基础地理信息数据库、数字地表模型数据库和高分辨率影像数据库的各项对应数据；三维可视化模块提取基础地理信息数据库、数字地表模型数据库、高分辨率影像数据库和仪器设备三维模型数据库的数据，生成用于显示的三维地形图和辐射传播图；数据管理模块管理电波传播模型数据库、仪器设备信息数据库和带外杂散辐射数据库；地形分析模块；用于根据输入的待测设备位置数据，和基础地理信息数据库、数字地表模型数据库和高分辨率影像数据库的数据，生待测设备的成高程数据；远场辐射功率测量模块根据电波传播模型数据库、仪器设备信息数据库和输入的待测设备位置高程生成远场估算测量结果；近场杂散测量模块根据仪器设备信息数据库、带外杂散辐射数据库和输入的待测设备位置高程生成强度分析测量结果；所述的各项测量结果也输入到三维可视化模块用于显示。

优选的，所述的系统包括计算机和超图三维地理信息系统软件，能够对空间信息进行输入、存储、编辑、查询、分析和模拟。

优选的，所述的系统能够以三维数字地图为背景显示地形图，所述的数字地图具有三维的放大、缩小、漫游功能；所述的系统具备地图自动更新、识别、加载功能。

优选的，所述的系统能够在数字地图上进行测量设备参数设置及显示；待测设备和所述的测量设备的天线参数（包括天线类型、辐射方位角、高度）能够手动设置，并在数字地图显示；待测设备参数能够保存为模板，再次使用时自动加载缺省值，也能够人工选择模板；待测设备和测量设备位置信息自动获取。

优选的，所述的天线参数包括天线类型、辐射方位角、高度；待测设备和测量设备发射功率时的主要参数由人工设置，所述的参数包括如频率、带宽、辐射样式和功率。

本发明还提供一种用于近场辐射衰减测试的方法，使用如权利要求1所述的近场辐射衰减测试的三维显示系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一，参数设置

1.1设置发射和接收天线参数，包括发射频率、发射天线仰角、发射天线架高、发射天线位置、发射天线指向、发射天线极化方式、接收天线架高、天线主瓣范围；

1.2发射点位置由外接gps设备获取或在三维地球上指定；

1.3设置系统的计算参数，包括角度计算间隔、主瓣计算距离、副瓣计算距离、大气折射率；

步骤二，计算步骤，

2.1所述的近场辐射衰减测试的系统，根据上述输入参数、主副瓣角度范围按照给定的角度间隔和计算距离，生成传播路径；

2.2所述的近场辐射衰减测试的系统，然后从数据库中提取传播路径的地形剖面、地表覆盖类型数据、天线参数，输入wape电波传播模型进行计算，得到不同传播路径的衰减值集合；

2.21判断是否计算主瓣和副瓣，当要求计算主瓣，则根据天线主瓣范围值按角度计算间隔和主瓣计算距离，生成射线，每一个角度对应一条射线；

2.22当要求计算副瓣，则将天线主瓣范围之外的角度按角度计算间隔和副瓣计算距离，生成若干条射线；

2.3将每一射线按主瓣或副瓣对应的采样间隔取点，得一系列三维坐标点，构成该射线对应的地形剖面；

2.4将天线参数和地形剖面等参数导入辐射计算模型，计算出每一个采样点对应的衰减值。

步骤三，计算结果可视化，

3.1将采样点对应的衰减值数值进行栅格化，然后以栅格数据的形式实现选择地区的区域整体可视化；

3.11根据采样计算点的坐标，计算出选择地区的区域的边界图形和该图形的最大外接矩形；

3.12将外接矩形拆分成小格网，然后转换成图像，每一个小格网对应一个像元，像元值为格网中心点内插求取的辐射衰减值；

3.13将图像进行地理配准，使之与真实计算所述区域相匹配；

3.14计算区域的边界图形裁切配准的后的图像，得到与计算的所述区域图形完全吻合的裁切图像；

3.15根据图像中每一像元值的大小，建立调色板，生成彩色图像。

优选的，所述的天线参数包括频率、架高、仰角、极化方式、大气折射率；所述的外接矩形小格网宽度为5米乘5米。

本发明的优点是：（1）基于三维地理信息平台技术，通过地理信息系统强大的数据管理和数据分析功能，整合全国高程模型数据、地表覆盖数据，利用高效的数据查询引擎为电波传播辐射衰减计算提供数据支持。（2）统一各类数据调用接口，实现外部辐射衰减科学计算模块的规范化接入，建立统一的电波传输辐射衰减计算平台。（3）利用三维地理信息系统独有的地理大场景三维可视化技术，融合卫星影像底图和高程模型数据，建立虚拟数字地球展示平台，同时配置电波传播辐射衰减计算结果三维化可视化方案，以形象美观、易辨读、可量测的方式在虚拟数字地球平台上，通过地理位置映射进行三维可视化展示。

附图说明

图1为有效辐射功率自动测试系统构成框图；

图2为本发明提出近场辐射衰减测试装置的系统结构；

图3是辐射区域电波衰减计算；

图4是点对点电波辐射衰减计算；

图5是辐射区域衰减可视化；

图6是单条传播路径衰减曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。

通信对抗装备的电磁干扰计量测试软件是整个系统的其中一部分，通信对抗装备电磁干扰计量测试功能要求：

1)建立带外杂散电磁辐射数据库，电磁辐射常用的数据包括：工作频率、频带宽度、辐射电平（功率）、二次谐波电平、三次谐波电平、杂散平均电平等。使用access建立数据库，主要用于设备数据检索和测试记录存储；

2)进行带外杂散强度分析；

3)辐射影响位置区域范围。

一、开发平台和运行环境

选择arcglobe作为三维地理信息基础开发平台，采用arcobjects组件式gis开发模式。组件式gis开发模式结合了gis平台软件与可视化开发平台的组件开发模式的优点，也较容易与业务系统实现无缝集成，是目前最为主流gis应用开发方式。运用组件技术开发gis应用系统，在用户界面层面一般使用主流的winform程序开发语言如c#进行设计，空间数据管理与可视化可直接调用gis组件实现，其他功能也可以使用相应的组件。

本发明主要使用的控件为球体控件globecontrol，其提供了基于arcglobe功能来给用户进行绘图等操作，globecontrol显示3d视图并能提供全球表现的位置而且是基于3d数据。globecontrol也是单一的开发进程并且提供粗粒度arcobjects组件对象，也提供了强大纹理着色的arcobjects组件，globecontrol通过对象接口来操作iglobe视图，可以通过iglobeviewer对象来操作arcglobe应用程序，iglobeviewer接象包含一个globedisplay和globedisplay包含一个globe，globecontrol提供了经常使用的属性和方法，例如：globecontrol有globecamera,globe,globedisplay,和globeviewer属性，globecontrol也能执行一些方法或任务，例如：globecontrol有load3dfile方法来导入globe文档，globecontrol是进行三维开发最基本的控件，因为其提供了用户界面所以更容易进行开发。

二、技术指标：

本发明的计算方法用于计算不规则地形环境下vhf-uhf频段的对流层电波传播衰减。

1）频率范围：40mhz-6ghz；

2）极化方式：水平和垂直极化；

3）可处理路径上不多于30个的大气折射率分布剖面；每个剖面所含的高度-折射率数据不多于300对；

4）可处理包含海水、淡水、湿地、中等干地、干地及自定义介电常数和电导率的地表类型；

5）收发天线可以是全向、高斯、辛克或自定义方向图类型；

6）主要计算点对点传播衰减，最大计算电波传播仰角一般不超过15度；

7）在大于15度的近距离范围内，根据地形高程特点可采用双射线模型、单刃峰模型和多障碍绕射模型。

三维地理信息系统(geographyinformationsystem，gis)是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影，是在计算机软件和硬件支持下,以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。

地理信息三维可视化系统是具有三维地理参考坐标的空间信息进行输入、存储、编辑、查询空间分析和模拟的计算机系统。二维地理信息系统与三维地理信息系统的本质区别在于数据的分布范围,在于高程是被看成空间数据还是属性数据。三维gis的根本目标是多维时空现象的三维表示。相对于二维gis而言,三维gis具有个显著的特点：

本发明使用国内的超图外三维gis平台，超图软件融合了倾斜摄影、bim、激光点云等三维技术，集成了webgl、vr、3d打印等it新技术，确立了新一代三维gis技术体系。

本发明针对三维gis应用，主要有两个方向，一个是地形分析，主要为电波传输模型算法服务，另外一个便是三维可视化，主要用于展示测量结果。超图二三维一体化平台能较好的满足需求，并且其提供组件式开发模式，能较好地与其他业务系统相结合，可完美嵌入电波传输模型算法。

三、近场杂散测量系统功能，

数字地图显示，

1）所开发的软件以三维数字地图为背景；

2）数字地图具有三维显示、放大、缩小、漫游功能；

3）软件能够脱离网络独立运行；

4）具备地图自动更新、识别、加载功能。

3.1软件可自动读取场强仪/频谱分析仪的功率值。

3.2在数字地图上进行测量设备参数设置及显示。

1）待测设备和测量设备的天线参数（包括天线类型、辐射方位角、高度）可以手动设置，并在数字地图显示；

2）待测设备参数可以保存为模板，软件自动加载缺省值，也可以人工选择模板。比如模板1，名称超短波辐射站，类型对数周期天线，最大天线架设高度15米，辐射方位角45度，波束宽度60度；

3）待测设备和测量设备发射功率时的主要参数可以人工设置，如频率、带度、辐射样式、功率等；

4）待测设备和测量设备位置信息自动获取，定位精度5米以内；

5）在进行各种测试（包括对比法精确测量、远场估算测量）时，测试条件（参数）和仪器仪表读数可以自动保存到规定格式的表格中，需要时可以随时打开查询。

3.3在数字地图上，根据辐射电波传输衰减模型及算法，画出辐射设备的辐射区域、自扰区域；

1）构建基于地理信息系统（gis）的电波传播预测模型；

2）根据数字地图获取传播过程中的实际地形，提出基于直射、反射和绕射的确定性传输预测模型算法；

3）在数字地图上设置辐射设备及天线等工作参数，画出辐射设备的辐射区域、自扰区域；

4）在数字地图点击查看关注点的电波场强值。

3.4根据标准辐射源发射的辐射信号，在远程测量接收到辐射功率，根据测量结果，在地图上标绘辐射区域、自扰区域；

1）指定辐射设备布置地点，在数字地图上标绘；

2）导入测量数据；

3）根据测量数据，在地图上标绘辐射区域、自扰区域。

3.5通过对比实测和理论计算的辐射区域、自扰区域误差，自支学习，校正电波传输衰减模型及算法相关参数，使之满足误差要求；

1）通过与经验模型所测得数据对比，验证了确定性模型算法的正确性；

2）通过实测数据的学习，实现对理论模块及算法不断修正完善，做到理论与实践的统一。

3.6根据辐射电波传输衰减模型，根据接收点的辐射信号强度，反推并标绘出指定辐射设备的真实辐射功率。

3.7最小有效辐射功率计算.

蓝方电台收发参数可以人工设置，包括电台功率、最低辐射电平，天线增益、干信比，并自动计算出对蓝方电台进行有效辐射的最小功率。

3.8数据自动保存、编辑、查询、导出等功能

3.9软件模块，

1）数字地球平台；

2）地理信息数据（地形、高程）；

3）数字地图三维立体动态显示模块；

4）场景（想定）设置及显示软件模块；

5）仪器设备控制及数据读取软件模块；

6）天线方位、俯仰、方线方向图（增益）设置及控制模块；

7）数据及设备信息管理软件模块；

8）电波传播模型库及管理软件模块；

9）电波传播模型修正（数据处理）软件模块；

10）系统管理（编辑、导入、导出）软件模块。

四、系统结构

图2是本发明提出近场辐射衰减测试的三维显示系统的系统结构图；所述系统包括：地理数据更新工具模块负责从地图数据下载器下载最新的地图数据，更新存储在基础地理信息数据库、数字地表模型数据库和高分辨率影像数据库的各项对应数据；三维可视化模块提取基础地理信息数据库、数字地表模型数据库、高分辨率影像数据库和仪器设备三维模型数据库的数据，生成用于显示的三维地形图和辐射传播图；数据管理模块管理电波传播模型数据库、仪器设备信息数据库和带外杂散辐射数据库；地形分析模块；用于根据输入的待测设备位置数据，和基础地理信息数据库、数字地表模型数据库和高分辨率影像数据库的数据，生待测设备的成高程数据；上述的高分辨率影像数据，是从例如谷歌地图、或者其他类似的高分辨

率地图影像库所下载的地图影像数据。远场辐射功率测量模块根据电波传播模型数据库、仪器设备信息数据库和输入的待测设备位置高程生成远场估算测量结果；近场杂散测量模块根据仪器设备信息数据库、带外杂散辐射数据库和输入的待测设备位置高程生成强度分析测量结果；所述的各项测量结果也输入到三维可视化模块用于显示。

4.1数据组织方式，

1）电波传播模型数据库：sqlite；

2）带外杂散辐射数据库：sqlite；

3）仪器设备信息数据库：sqlite；

4）数字地表模型数据库：tif格式栅格数据文件+地形缓存文件；

5）卫星影像：tif格式栅格数据文件+影像缓存文件；

6）基础地理信息数据：shp格式矢量文件；

7）仪器设备三维模型数据库：obj格式三维模型文件。

4.2主要功能，

4.2.1地图浏览功能，

1）数字地表模型和卫星影像数据加载与显示；

2）矢量地图数据加载与显示；

3）三维设备模型加载与显示，可自定义设备位置；

4）地图放大、缩小、漫游；

5）地图三维量测，包括距离、角度、面积；

6）任意点三维坐标拾取。

4.2.2设备参数设置、查询及显示，

1）设备天线参数设置与显示；

2）设备发射功率参数设置与显示；

3）测试数据查询与显示；

4）估算值与实测值折线图；

5）设备参数保存模板。

4.2.3地形分析，

1）根据起点终点提取高程断面，可自定义采样间隔；

2）根据空间范围提取高程点，可自定义采样间隔；

3）指定范围内最高点和最低点获取；

4）根据起点终点提取与其连线相交的水域。

4.2.4地图标绘，

1）辐射设备布置地点标绘；

2）辐射设备辐射区域与自扰区域标绘；

3）关注点电波场强值标绘；

4）辐射测量数据标绘；

5）辐射影响位置区域范围标绘。

五、主要功能，

1、三维地图数据加载及浏览，三维地图的构成要素是影像和地形。

影像方面本软件采用谷歌卫星影像瓦片和天地图要素注记瓦片数据，这两类数据可通过常见的地图数据下载器（如水经注万能地图下载器、91卫图助手等）下载并导出成arcserver离线瓦片格式，globecontrol可直接加载arcserver离线瓦片，有非常高的显示效率。

实施例一，近场辐射区域计算，图3辐射区域电波衰减计算。

具体实现过程是：

设置发射和接收天线参数，如发射频率、发射天线仰角、发射天线架高、发射天线位置、发射天线指向、发射天线极化方式、接收天线架高、天线主瓣范围，其中发射点位置可通过外接gps设备获取或在三维地球上指定。

设置计算参数，如角度计算间隔、主瓣计算距离、副瓣计算距离、大气折射率等。

计算软件自动根据主副瓣角度范围按照给定的角度间隔和计算距离，生成传播路径，然后从dem数据中提取传播路径的地形剖面和地表覆盖类型数据，连同各项天线参数，传入宽角pe(wape))电波传播模型进行计算，得到不同传播路径的衰减值集合。

第一步：判断是否计算主瓣和副瓣，如需计算主瓣，则根据天线主瓣范围值按角度计算间隔和主瓣计算距离，生成射线，每一个角度对应一条射线，同理，如果需计算副瓣，则将天线主瓣范围之外的角度按角度计算间隔和副瓣计算距离，生成若干条射线。

第二步：将每一射线按主瓣或副瓣对应的采样间隔在dem取点，得一系列三维坐标点，构成该射线对应的地形剖面。

第三步：将天线参数（频率、架高、仰角、极化方式等、大气折射率参数）和地形剖面等参数导入辐射计算模型，计算出每一个采样点对应的衰减值。

实施例二，点对点辐射衰减计算，图4点对点电波辐射衰减计算。

点对点辐射衰减计算具体实现过程与辐射区域衰减计算类似，所不同的是点对点辐射衰减计算只需计算一条传播路径，传播路径可以通过两种方式给定：第一种是直接指定发射点和接收点位置，另外一种是指定发射点位置、传播路径指向和距离。

基本过程同上，不同之处在于此处仅计算一条射线。

实施例三，计算结果可视化，

图5辐射区域衰减可视化，计算结果可视化包含两个方面：

一是对辐射区域整体衰减情况的可视化，这也是本软件的一大难点，因为通常计算出来的衰减值有数百万个，如果按照常规做法，需要将数百万个点构成等值面再着色，计算量十分巨大，同时生成的图形量基础三维gis平台也无法承载，为解决这一难题，本软件创造性地将数值点进行栅格化，然后以栅格数据的形式实现区域整体可视化显示速度和效率有了质的提升。

第一步：软件将根据采样计算点的坐标，求出计算区域的边界图形和该图形的最大外接矩形。

第二步：软件将外接矩形拆分成5m*5m的小格网，然后转换成图像，每一个小格网对应一个像元，像元值为格网中心点内插求取的辐射衰减值。

第三步：将图像进行地理配准，使之与真实计算区域相匹配。

第四步：利用计算区域的边界图形裁切配准的后的图像，得到与计算区域图形完全吻合的裁切图像。

第五步：根据图像中每一像元值的大小，建立调色板，生成彩色图像。

显示速度和效率有了质的提升。

另一方面是对单条传播路径衰减曲线的可视化，一般以剖面图的形式进行展示，本软件也采用这种方式，并且与三维地图进行同步，如图6所示。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。