一种微型易用电磁感知设备及其系统的制作方法

1.本发明涉及电磁感知领域，尤其涉及一种微型易用电磁感知设备及其系统。


背景技术：

2.随着无线电业务的不断开展、技术不断革新，无线电相关技术资源已经成为发展通信强国的重要科研生产要素，是支撑我国信息化产业发展及建设无线电军事强国的有力武器，其战略地位日益凸显，需求也愈加旺盛。
3.在无线电技术和应用不断拓展的今天，无线电行业已经朝着信息化、高速化、智能化的方向迅速发展。但随之带来的就是无线电设备的指数级增长，空间频谱日益复杂、信号体制愈发多样。这就对无线电频谱资源的精细化监测采集和信息管理提出了更高的要求。如何在信息化作战条件下，通过目标应用场景、类别、体制等基准信息完成精细化监测，成为掌控区域电磁态势的关键。
4.现有电磁感知设备（包括固定式、移动式、可搬移式和便携式）受体型、供电、道路交通、气象、人工维护等条件限制，难以满足某些特殊环境（如海外特殊和敏感区域、边境无人区、岛礁、近敌等）下的军事监测应用需求。而且受监测设备采集性能与体积（隐蔽性）的平衡因素以及场景适配因素的影响，目前国内大多数电磁环境采集设备性能达标但体积较大，难以满足单人携带作业；且多数功能模式较为单一，软件功能更贴近于测量而非侦测，所以在军事应用方面较弱，难以完成对特定区域或局部敏感区域的隐蔽化、安全化、精细化侦测。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对随时、随地、快捷开展电磁环境精细化监测的需求，从基于电磁感知设备的微型化设计着手，通过微型宽带共形天线设计、基于低功耗管理策略的功能模块设计、数据高效采集处理及矩阵存储技术、简单任务规划及加载技术等应用来实现微型易用电磁感知设备的搭建，提供了一种微型易用电磁感知设备及其系统。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种微型易用电磁感知设备，包括核心板、内置宽带共形天线、射频接收机、人机交互模块和锂电池组；所述核心板分别与所述内置宽带共形天线、所述射频接收机、所述人机交互模块和所述锂电池组相连接；所述内置宽带共形天线还与所述射频接收机相连接。
7.所述核心板包括中频处理及控制管理单元以及与中频处理及控制管理单元相连接的电源管理单元、存储单元、多模定位信号接收单元、adc转换器及wifi单元；所述内置宽带共形天线与多模定位信号接收单元和wifi单元相连接；所述射频接收机与adc转换器相连接；所述锂电池组与电源管理单元相连接。
8.所述人机交互模块包括按键和指示灯；按键和指示灯分别与所述核心板中的电源管理单元相连接。
9.所述多模定位信号接收单元为北斗模块。
10.一种微型易用电磁感知系统，包括前端电磁感知设备、操控软件和后端数据处理终端软件；前端电磁感知设备装载有嵌入式软件，对覆盖区域电磁环境监测，完成数据采集及存储；操控软件安装在移动手机端，通过无线通信与前端电磁感知设备进行数据交互；后端数据处理终端软件部署在计算机上，对前端电磁感知设备采集的数据进行离线分析；前端电磁感知设备分别通过无线网络与移动手机端双向连接，通过数据线缆与计算机单向连接；移动手机端还与计算机相连接。
11.所述操控软件采用c/s应用结构，包括设备状态监视模块、任务生成模块、任务下发模块、任务同步模块和数据销毁模块；状态监视模块，用于对前端工作状态、gps状态、gps位置、当前采集的数据量、存储空间容量和电池电量状态监视，以及完成远程关闭设备、重启设备操作；任务生成模块，通过用户选择的任务模型，生成相关的任务参数；任务下发模块，用于在用户确定任务模板后，进行一键任务下发；任务同步模块，用于同步数据处理终端软件的任务参数及待采样信号列表；数据销毁模块，用于一键销毁前端电磁感知设备上的数据。
12.所述数据处理终端软件部署于计算机上，包括频域监测数据分析和展示模块、地域监测数据分析和展示模块、时域监测数据分析和展示模块和信号特征数据分析和展示模块；频域监测数据分析和展示模块，用于对频段扫描数据进行分析得到指定频段在频域上的频段占用度信息，统计指定频段内动态频率占用分析图；地域监测数据分析和展示模块，用于对信号进行辐射源定位、展示和数量分析；时域监测数据分析和展示模块，用于对采集的扫描频谱数据根据时间先后顺序对信号的活动规律和时间占用度进行分析及展示；信号特征数据分析和展示模块，用于通过iq数据分析台站信号的多维图谱信息。
13.本发明的有益效果：本发明充分考虑设备在敏感场所使用以及随身携带的应用需求，将设备微型化、易用化、隐蔽化、低功耗作为设计重点内容。通过采用天线共型、壳体材料复合，zynq平台应用以及层叠错位摆放等设计方式，实现了“微型”设计目标；通过采用产品前后端分离设计方式、数据加密传输以及数据一键销毁等设计方式，实现了“隐蔽化”设计目标；基于产品应用场景及任务执行模板化细分，采用简单任务规划、场景关联、任务映射、模板触发、矩阵存储等技术，实现了“易用”设计目标；同时根据产品硬件架构，通过采用任务阈值检测、电源自适应管理以及低功耗平台应用设计方式，实现了“低功耗”设计目标。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
15.图1是本发明的前端电磁感知设备结构示意图；图2是本发明的嵌入式软件功能框图；图3是本发明的手机端操控软件功能框图；图4是本发明的数据处理终端软件功能框图。
具体实施方式
16.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.如图1所示，一种微型易用电磁感知设备，包括核心板、内置宽带共形天线、射频接收机、人机交互模块和锂电池组；所述核心板分别与所述内置宽带共形天线、所述射频接收机、所述人机交互模块和所述锂电池组相连接；所述内置宽带共形天线还与所述射频接收机相连接。
19.所述核心板包括中频处理及控制管理单元以及与中频处理及控制管理单元相连接的电源管理单元、存储单元、多模定位信号接收单元、adc转换器及wifi单元；所述内置宽带共形天线与多模定位信号接收单元和wifi单元相连接；所述射频接收机与adc转换器相连接；所述锂电池组与电源管理单元相连接。
20.所述人机交互模块包括按键和指示灯；按键和指示灯分别与所述核心板中的电源管理单元相连接。
21.所述多模定位信号接收单元为北斗模块。
22.内置宽带共形天线主要完成对100mhz～5ghz频段电磁信号的接收及采集、多模定位信号的接收、wifi信号的收发；射频接收机主要完成将天线接收到的射频信号转变为核心板中频处理单元所需的中频信号；核心板主要实现中频信号的处理及终端设备整机的管理控制，包含中频处理单元、电源管理单元、控制管理单元、存储单元、多模定位信号接收单元及wifi单元部分。分别完成中频信号的处理、分析及存储，并将接收到的多模定位信号中的时标及位置信息融入所采集的信号中，同时对终端设备内各个模块按照设定的要求进行控制以及供电，通过wifi功能实现终端设备自组网以及与手机操控软件的通信和终端设备状态反馈，并可将所采集的数据传输至存储介质进行存储；人机交互模块主要实现设备的开关机、wifi开关、电源状态指示以及数据一键销毁等人机交互功能；电池组主要为信号采集终端内部各模块稳定供电，同时可为核心板电源状态指示提供irc监测信息等。
23.一种微型易用电磁感知系统，包括前端电磁感知设备、操控软件和后端数据处理终端软件；前端电磁感知设备装载有嵌入式软件，对覆盖区域电磁环境监测，完成数据采集
及存储；操控软件安装在移动手机端，通过无线通信与前端电磁感知设备进行数据交互；后端数据处理终端软件部署在计算机上，对前端电磁感知设备采集的数据进行离线分析；前端电磁感知设备分别通过无线网络与移动手机端双向连接，通过数据线缆与计算机单向连接；移动手机端还与计算机相连接。
24.如图2所示，嵌入式软件装载与信号采集终端核心板上，主要完成对信号处理终端硬件的驱动及功能实现，包括完成与手机操控软件的控制交互、在接收任务信令后完成相应的硬件驱动，从而实现全部功能应用（包括频段扫描、单频点扫描、北斗信号接收处理、数据采集及处理、设备自检、状态监视等）。
25.如图3所示，所述操控软件采用c/s应用结构，通过手机与信号处理终端wifi建链，实现双向数据及控制信令交互，包括设备状态监视模块、任务生成模块、任务下发模块、任务同步模块和数据销毁模块；状态监视模块，在与信号采集终端wi-fi建链的情况下，手机控制终端操控软件可完成对前端工作状态、gps状态、gps位置、当前采集的数据量、存储空间容量、电池电量等状态监视，以及完成远程关闭设备、重启设备等操作。
26.任务生成模块，操控软件预置了多种任务模板，用户可通过选择任务模型、作zc景进行任务流程智能化推荐，生成相关的任务参数；也可通过操控界面创建个性化任务模板，当需要下达任务时，可直接选择任务模板快速便捷的下达监测任务。
27.任务下发模块，用户在确定任务模板后，可在与信号采集终端wi-fi建链的情况下，进行一键任务下发；信号采集终端在收集到任务信令后可同步解析并执行。
28.任务同步模块，手机控制终端也可连接部署了数据处理终端软件的计算机，并同步任务参数及待采样信号列表。
29.数据销毁模块，在与信号采集终端wi-fi建链的情况下，可在手机app上一键销毁设备上的数据。
30.所述数据处理终端软件部署于计算机上，可对上传至计算机中的采集数据完成信号多维度分析和展示，包括频域监测数据分析和展示模块、地域监测数据分析和展示模块、时域监测数据分析和展示模块和信号特征数据分析和展示模块；频域监测数据分析和展示模块，频域数据主要指频段扫描数据，通过频段扫描数据可初步分析出信号频率、带宽、幅度等信息，通过分析出的信号信息，得到指定频段在频域上的频段占用度信息，为用频zb频点指配提供依据；通过多次监测数据的采集和分析，可统计指定频段内动态频率占用分析图，通过动态频率占用分析图，可直观的看到信号新增消失的情况以及指定频段在不同日期的频段占用度。
31.地域监测数据分析和展示模块，地域数据主要指包含时标信息的经纬度信息，如频谱数据中的经纬度信息，样本iq数据中采集点的经纬度信息等。通过对数据标记地标信息，可在移动工作模式中分析出每个频谱采集点的信号信息，通过融合各个采集点的信号数据，建立全球唯一编号的监测网格规则，对移动监测数据进行网格化、基元化处理，将每帧监测数据进行网格化存储，提取每个信号在每个网格上的幅度值，根据关联性分析和幅度变化概率迭代计算辐射源位置，可分析信号分布态势以及信号覆盖情况，可对信号进行辐射源定位和数量分析，实现多设备采集数据之间的协同分析。
32.时域监测数据分析和展示模块，时域数据是指对采集的扫描频谱数据根据时间先后顺序对信号的活动规律和时间占用度进行分析。
33.在监测时对每次存储的监测数据进行时间标记，记录监测数据的采集时间，通过对数据的分析和处理，设置不同的统计时间间隔，可得到信号在不同统计间隔下的时间占用度信息以及信号活动规律数据，通过对不同时段信号出现消失情况的比较，可精确掌握信号发射活动情况。信号活动规律可用k线图进行表示，即统计指定信号随时间变化的活动情况的折线图，图形以时间为横轴，电平值为纵轴，表征信号的时域活动情况。
34.信号特征数据分析和展示模块，信号域数据主要指采集的信号样本iq数据，通过对iq数据的分析，可分析信号的调制特征、幅度特征、相位特征、频率特性、功率谱等信息，根据不同信号调制类型和分析所需的深度，可通过iq数据分析该台站信号的多维图谱信息（如信号星座图、瞬时频率图、瞬时幅度图、时差图等）。
35.(1)本发明通过采用微型宽带匹配加载以及共形一体化设计方式，有效解决了天线体积大、带宽窄、结构复杂、匹配困难的问题，为后续小型化监测设备的研制提供了基础。
36.(2)本发明通过采用自适应电源管理、模板关联加载（根据任务模式，通过mcu完成相关阈值检测，控制采集链路实现动态自适应运行）、zynq低功耗平台应用，微型一体化设计等方式，有效平衡了小尺寸电磁感知设备性能与功耗矛盾，解决了传统监测设备体积大、功耗高的问题。实现了设备微型化、低功耗设计目标。
37.(3)本发明通过采用前后端分离，数据加密传输、数据一键销毁等设计方式，解决了传统监测设备人机无法分离操作的矛盾；提高了设备在敏感环境下使用的隐蔽性和安全性，大幅提升了对于陌生地域精细化监测的军事应用效果。
38.(4)本发明通过简单任务规划及加载、数据高效采集及存储等设计方式，解决了传统监测设备操作复杂、应用场景窄、处理效率低的问题；有效降低了对于非专业人员的使用要求，提高了任务场景覆盖程度和火星，保证了数据存储可靠性和安全性。
39.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。