本实用新型涉及空间环境探测技术领域，尤其涉及一种一体化无人机三维电场探空装置及方法。
背景技术：
大气电场是研究空间天气学和空间环境一个很重要的参量，也是了解雷暴电情况的重要测量参量。它的数值大小及其变化可用于表征太阳活动、雷暴活动、地震活动及大气环境污染等。对大气电场的实时监测和探测，能够提高对雷暴、地震等灾害的预报能力，也能够为航天活动提供空间电环境状态数据。
目前，大气电场强度通常由地面大气平均电场仪测量，但是确切研究云层中的电荷分布、荷电中心的位置、极性以及起电机制等，仅依据地面大气平均电场仪获取的电场测量值来分析是有一定的局限性的。而对空中大气电场的测量在某种程度上可弥补这一缺陷。
目前存在的空中电场探测方法，一般采用旋叶式、双球式、火箭式等传感器探测方法，用于实现对空中矢量电场的一个或两个分量的探测。但由于上述空中电场的探测方法，必须借助相应的运载工具，例如传统的运载工具：气球、飞机、火箭等。其中，借助探空气球的电场的探测方法，存在在雷暴强对流区域内，难以进入特点探测区域的不足；而借助探测火箭的电场的探测方法，其发射的火箭一般为一次性，资源消耗性大；借助探测飞机的电场的探测方法，其花费很高，特别是在雷暴天气中，飞机驾驶员存在很大的危险。随着无人机在各个领域广泛应用，其能够在恶劣天气条件下飞行，并且运行成本较低，可以在电场探空领域获得应用。
但目前基于无人机的电场探空装置，主要采用“场磨式”原理设计制造，受结构限制，在高空低温环境下，易造成设备表面结冰和结露，从而造成设备内部短路、设备失效的缺陷，并且飞行姿态难以控制。而随着微机电技术在电场探测的应用，我国已经出现了mems电场仪，该电场仪功耗低，小于1w，无转动部分，可靠性高，已经在逐步推广。为了测量雷暴云中的三维电场，本领域技术人员也在研究集成一体的三维电场传感器，但是由于距离近，存在一定的耦合干扰的问题。
因此，提供一种利用一维电场传感器高效、安全、精确的获取三维电场探测数据的装置，成为本领域亟需解决的技术问题。
技术实现要素：
本实用新型提供一种一体化无人机三维电场探空装置及方法，用以解决或部分解决现有技术中的缺陷。
本实用新型实施例提供一种一体化无人机三维电场探空装置，该探空装置包括：电场探测装置、无人机和信号处理装置；其中，电场探测装置包括：连接装置和n个一维电场传感器，其中n≥6；每个电场传感器通过连接装置固设于无人机上；电场探测装置至少获取无人机前方、后方、左边、右边、上方和下方等6个方向上的电场探测数据；信号处理装置设置于无人机上，并与电场传感器电连接，用于接收电场探测数据，并对获取的电场探测数据进行处理。
其中，当n＝6时，上述连接装置包括3个相互垂直正交的等长度连接杆l1、l2和l3，垂直正交点与无人机的中心点重合；所述连接杆l1、l2和l3均为中空杆状结构，每个电场传感器的杆状结构的每个末端均固设一个所述电场传感器。
进一步地，本实用新型实施例提供一体化无人机三维电场探空装置还包括：温湿压探空仪，该温湿压探空仪设置于无人机的机身中部或无人机机身中部下的挂载位置上，用于获取相应位置的温湿压数据；温湿压探空仪与信号处理装置电连接；相应地，信号处理装置还用于接收温湿压数据，并对温湿压数据进行处理。
进一步地，本实用新型实施例提供一体化无人机三维电场探空装置还包括：姿态控制器，用于获取无人机的机身姿态信息；该姿态控制器与信号处理装置电连接；相应地，信号处理装置还用于接收机身姿态信息，并对获取的机身姿态信息进行处理。
其中，信号处理装置包括信号接收模块、运算模块和信号发射模块，该信号接收模块和信号发射模块电连接；其中，信号接收模块用于接收电场探测数据、温湿压数据和机身姿态信息；信号发射模块用于将接收到的电场探测数据、温湿压数据和机身姿态信息发送至地面数据处理装置。
进一步地，信号处理装置还包括运算模块，运算模块、信号接收模块和信号发射模块电连接；该运算模块用于对信号接收模块接收的电场探测数据、温湿压数据和机身姿态信息进行计算处理，并用于将计算处理结果通过信号发射模块发送至地面数据处理装置。
进一步地，本实用新型实施例提供一体化无人机三维电场探空装置还包括：gps装置，该gps装置用于获取无人机的位置以及时间信息，并将无人机的位置以及时间信息发送至地面数据处理装置。
本实用新型实施例提供的一体化无人机三维电场探空装置。通过设置相互垂直正交的连接杆，以将多个一维电场传感器围绕无人机均匀分布，实现了通过一维电场传感器实现三维电场的可靠测量，且有效的消除了信号波动。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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获得其他的附图。
图1为本实用新型提供的一体化无人机三维电场探空装置的结构示意图；其中，l1、l2和l3分别为三个相互正交的连接杆；其中以无人机的正前方为正北方向。e1-e为固设在连接杆l1上感应面朝东的电场传感器；则e1-w为固设在连接杆l1上感应面朝西的电场传感器，e2-s为固设在连接杆l2上感应面朝南的电场传感器，e2-n为固设在连接杆l2上感应面朝下的电场传感器，e3-u为固设在连接杆l3上感应面朝上的电场传感器，e3-d为固设在连接杆l1上感应面朝东的电场传感器；wsy为温湿压探空仪。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
本实用新型实施例提供一种一体化无人机三维电场探空装置，该探测装置包括但不限于：一维电场探测装置、无人机和信号处理装置；其中，电场探测装置包括：连接装置和n个电场传感器，其中n≥6；
每个电场传感器通过连接装置固设于无人机上；电场探测装置至少获取无人机前方、后方、左边、右边、上方和下方等6个方向上的电场探测数据；
信号处理装置设置于无人机上，并与电场传感器电连接，用于接收电场探测数据，并对电场探测数据进行处理。
其中，电场探测装置用于获取以无人机为中心的设定区域内的三维电场探测数据，其中该设定区域的大小由每个电场传感器与无人机中心的距离决定。当电场传感器与无人机中心的距离越远，则该设定区域越大。相应地，获取到的所有电场探测数据消除信号波动的效果越好，从而，根据电场探测数据处理后获取的结果能更好的提供空间电环境状态数据。
其中，电场传感器可以采用基于微电机系统研制的mems一维电场传感器，该mems一维电场传感器的测量范围为：-100kv/m- 100kv/m，探空高度为0-30km，分辨率为：50v/m。
进一步地，在本实用新型实施例不对电场传感器的个数作具体地限定，但要求至少为6个，用以至少获取无人所在位置的前方、后方、左边、右边、上方和下方等6个方向上的电场探测数据。其中，对于上述6个方向的具体角度不作具体限定，例如：可以是正前方、正后方以及在同一平面上与正前方相正交的正左边、和正右边，以及与上述正前方和正左边所形成的平面相垂直的正上方和正下方，共同构成的6个方向。也可以是，将上述正前方、正后方、正左方和正右方四个方向一起顺时针或逆时针旋转任一角度所形成的新的4个方向与正上方和正下方所构成的6个方向。
进一步地，当电场传感器的个数设置越多时，可以获取更多方向的电场探测数据，但由于无人机的载重量有限，当增加电场传感器时，应综合考虑到增加的电场传感器和固定该传感器的连接装置的总重量，以及增加的电场传感器和固定该传感器的连接装置对无人机的飞行姿态的影响。本实用新型明实施例对具体设置多少个电场传感器不作具体地限定。
进一步地，所述信号处理装置可以包括arm、fpga、dsp芯片或单片机，以具备初步的计算处理能力，能够获取所有电场传感器上传的电场探测数据，并对所有的电场探测数据进行综合处理。其中综合处理的方式可以包括：存储、发送至地面接收装置或者简单的运算处理中的一种或多种。
进一步地，所述信号处理器与电场传感器电连接的方式可以通过设置在电场传感器上的的rs232接口、rs485接口连接，也可以是通过gprs或者wifi实现无线连接，对此本实用新型实施例不作具体限定。
本实用新型实施例提供的一体化无人机三维电场探空装置。通过设置相互垂直正交的连接杆，以将多个电场传感器围绕无人机均匀分布，实现了通过一维电场传感器实现三维电场的可靠测量，且有效的消除了信号波动。
基于上述实施例内容，作为一种可选实施例，当n＝6时，即当电场传感器的数量设置为6个时，该探测装置可以设置为：连接装置包括3个相互垂直正交的等长度连接杆l1、l2和l3，垂直正交点与所述无人机的中心点重合；其中，所述连接杆l1、l2和l3均为中空杆状结构，每个电场传感器的杆状结构的每个末端均固设一个所述电场传感器。
如图1所示，其中，无人机面向正北方，且无人机所在的平面与水平面平行。其中，图中示出的连接杆的形状为直杆，对此本实用新型实施例不作具体限定，可以是弧形杆也可以其他形状，但以连接杆组成的连接装置不对无人机飞行姿态的调整造成阻碍为准。
具体地，每个连接杆的长度可以设置为无人机尺度的2倍，且每个连接杆均可以设置为中空结构。采用中空结构的连接杆可以方便电场传感器信号线以及电源线通过。同时，每个电场传感器对称分布在无人机中心周围以保证动力平衡。形成刚性连接，以便于使用无人机姿态数据。
进一步地，所述连接杆的材质可以是由塑料、碳钢、铝合金或其他硬质轻材质材料制成，对此，本实用新型实施例不作具体限定。但每个连接杆末端为非金属材质，以尽量避免由无人机本身对空间电场发生畸变，最大限度的保证测量结构的精准性。
进一步地，可以在无人机内部中心位置设置一个安装模块，所述安装模块的形状可以为正方体、球体或者长方体。相应地，每个连接杆分为对称的两部分分别固定在上述安装模块的对应侧。其中，连接杆l1由东西方向贯穿所述无人机，而连接杆l2由南北方向贯穿所述无人机，连接杆l3上下贯穿所述无人机。在每个连接杆的端头固定一个电场传感器，且每个电场传感器的感应面背对无人机的方向。其中，电场传感器可以用可拆卸的方式固定在连接杆上，以便于根据实际测量需要，更换不同型号的电场传感器，或者对电场传感器进行检修以及维护。
基于上述实施例内容，作为一种可选实施例，连接装置与无人机可以为一体成型式结构，也可以为可拆卸式结构。
具体地，当连接装置与无人机设置为可拆卸结构时，可以是在无人机上设置有安装模块。当根据实际需要，选择不同个数电场传感器时，则需要适当的增加连接杆的个数。如上述实施例所述，例如，当该安装模块为球体时，在球体的外表面预先均匀设置有多个用于固定连接杆的多个安装孔。每个安装孔内设置有电磁装置或卡扣装置等用于在连接杆进入安装孔后，固定该连接杆于设定位置。
基于上述实施例内容，作为一种可选实施例，本实用新型实施例还包括温湿压探空仪，该温湿压探空仪设置于无人机的机身中部或无人机机身中部下面的挂载位置上，用于获取相应位置的温湿压数据。温湿压探空仪与信号处理装置电连接。相应地，信号处理装置还用于接收温湿压数据，并对获取的温湿压数据进行处理。
在无人机执行空中三维探测任务时，不仅仅需要获取电场探测数据，往往还要综合温湿压数据和其他相关环境数据，以更为准确的获取空间电环境状态数据。
具体地，在本实用新型实施例中，通过在无人机上安装温湿压探空仪，用于实时测量待测电场的指定位置的温湿压数据。其中，温湿压探空仪设置于无人机的中间，例如设置在安装模块上，也可以通过在无人机下部挂载位置设置挂篮，并将温湿压探空仪固定于该挂篮内。
进一步地，温湿压探空仪与信号处理装置电连接的方式可以是通过光纤、网口端口连接等硬连接方式进行连接，也可以通过无线方式通讯，以将检测获取的温湿压数据实时的传送至信号处理装置。对于采用何种连接以及通讯方式，本实用新型实施例不作具体限定。
进一步地，也可以仅仅将上述温湿压探空仪的检测探头固定于无人机上，而将温湿压探空仪的主机部分置于地面。该检测探头可以实时将检测获取的数据通过无线传输的方式，发送至温湿压探空仪的主机部分，完成对指定位置的温湿压数据的获取。相应地，信号处理装置还用于对获取的温湿压数据，以及电场探测数据，进行综合处理。
基于上述实施例内容，作为一种可选实施例，本实用新型实施例还包括姿态控制器，姿态控制器与信号处理装置电连接；该姿态控制器用于获取无人机的机身姿态信息；相应地，信号处理装置还用于接收机身姿态信息，并对机身姿态信息进行处理。
具体地，由于所有的电场传感器均固定于无人机上，当无人机的机身姿态不同时，每个电场传感器所获取的电场探测数据的方向也会相应地改变。因此，可以根据姿态控制器所反馈的机身姿态信息，获取该时刻获取的所有电场探测数据的实际方向，并在信号处理装置中综合处理机身姿态信息和电场探测数据。
进一步地，由于无人机的体积小，抗风阻以及外部干扰的能力相对不偏弱，可以通过姿态控制器实时反映无人机的飞行姿态，当无人机到达指定位置后，可以根据获取的无人机的实时飞行姿态，对无人机进行控制，使其保持静止在测试位，且控制无人机的机头朝向为设定朝向。也可以根据获取的无人机的实时飞行姿态，控制无人机以匀速、平稳的运动状态，完成该区域内多个测试点的测试。
基于上述实施例内容，作为一种可选实施例，上述信号处理装置包括但不限于：信号接收模块、运算模块和信号发射模块，其中，信号接收模块、运算模块和信号发射模块电连接；信号接收模块用于接收所述电场探测数据、温湿压数据和机身姿态信息；运算模块用于对接收的电场探测数据、温湿压数据和机身姿态信息进行数据处理；信号发射模块用于将运算模块的处理结果发送至地面数据处理装置。
具体地，由于无人机的体积较小，负载以及续航能力限制了其对于数据处理的能力，尤其是本实用新型实施例所提供的一体化无人机三维电场探空装置，所检测的数据量大，相应地，对所有检测数据进行运算处理的工作量也较大。为了很好的解决上述问题，可以在信号处理装置中设置信号接收模块和信号发射模块，其中，接收模块与所有的检测装置连接，比如：与电场探测装置中的电场传感器、温湿压探空仪的检测探头以及姿态控制器等连接，以实时获取上述所有检测装置所获取的检测数据。
进一步地，将获取的所有的检测数据实时的通过信号发射模块发送至地面数据处理装置。
进一步地，为防止意外发生，也可以在信号处理装置中设置数据存储装置，用于在将所有检测数据发送至地面数据处理装置之前，先进行存储处理。
需要说明的是，本实用新型实施例提供的一体化无人机三维电场探空装置，不对信号接收模块通过何种方式接述电场探测数据、温湿压数据和机身姿态信息作具体限定。也不对信号发射模块通过何种方式将获取的数据发送至地面数据处理装置作具体限定。
基于上述实施例内容，作为一种可选实施例，信号处理装置还可以包括运算模块，其中，运算模块、信号接收模块和信号发射模块电连接；该运算模块用于对信号接收模块接收的电场探测数据、温湿压数据和机身姿态信息进行计算处理，并用于将计算处理结果通过信号发射模块发送至地面数据处理装置。
具体地，由于无人机在空中飞行时，位置的多变性，以及飞行环境恶劣、飞行高度高等多种因素的限制，当需要将获取的所有数据，实时发送至地面数据处理装置，往往需要较大的能量消耗。因此，可以设置运算模块于无人机上，对获取的电场探测数据、温湿压数据以及机身姿态等信息进行初步的处理。比如：对实时获取的检测数据先在设定时间段内进行存储，然后将设定时间段内存储的数据按设定频率打包发送至地面数据处理装置，以减小数据发送的频率。又例如：可以将获取的多个电场探测数据进行先求平均，再将求平均后的结果发送至地面数据处理装置，以减小发送的数据的大小。需要说明的是，本实用新型实施例不对运算模块的处理过程进行限定。
基于上述实施例内容，作为一种可选实施例，本实用新型实施例提供的探测装置还包括gps装置，该gps装置用于获取所述无人机的位置以及时间信息，并将无人机的位置以及时间信息发送至地面数据处理装置。
众所周知，大气平均电场在不同的位置具有一定的波动性，特别是在对流云体内，随着位置以及测试时间的不同，其波动行更大。另一方面，由于高空中各复杂环境因素的作用，无人机往往难于保证保持在同一检测位置不变。考虑到上述因素，本实用新型实施例提供的探测装置，通过设置gps装置，实时获取无人机的位置以及时间信息，并将获取的所有数据发送至地面数据处理装置，以克服上述不足。
具体地，可以通过现将该gps装置获取的位置以及时间信息输入至信号处理装置，并经由信号发射模块发送至地面数据处理装置。也可以是通过gps装置直接实现与地面数据处理装置的实时通讯，将获取的位置以及时间信息输送至地面数据处理装置。对此，本实用新型实施例不作具体限定。
进一步地，本实用新型实施例还提供一种一体化无人机三维电场探空装置，其中，信号处理装置或者地面数据处理装置对获取的电场探测数据进行处理的方法包括：对同一方向以及与其相对方向的两个电场传感器所获取的电场探测数据求取平均数。其中，该平均数的大小表示该方向的电场大小；该平均数的正负表示该方向电场的实际方向；上述电场大小和电场实际方向构成该方向的电场矢量。需要说明的是，在本实用新型实施例中，也可以取两个正对的电场的差值以及距离，并按上述计算方法获取电场变化梯度，对此本实用新型不作具体限定。
按上述方法，获取所有方向上的电场矢量，并将所有的电场向量进行合并，及获取无人机所在位置的电场探测数据，该电场探测数据包括合并后的电场方向和电场大小。
进一步地，可以根据无人机所在位置的电场探测数据，以及温湿压数据、飞行姿态信息、gps信息等综合获取该位置的空间电环境状态数据。本实用新型实施例提供的一体化无人机三维电场探空装置，通过设置相互垂直正交的连接杆，以将多个一维电场传感器围绕无人机均匀分布，实现了通过一维电场传感器实现三维电场的可靠测量，且有效的消除电场的波动影响，并且能够明确检测出电场的梯度以及真实方向电场。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种一体化无人机三维电场探空装置，其特征在于，包括电场探测装置、无人机和信号处理装置；
所述电场探测装置包括：连接装置和n个一维电场传感器，其中n≥6；
每个所述电场传感器通过所述连接装置固设于所述无人机上；所述电场探测装置至少获取所述无人机前方、后方、左边、右边、上方和下方等6个方向上的电场探测数据；
所述信号处理装置设置于所述无人机上，并与所述电场传感器电连接，用于接收所述电场探测数据，并对所述电场探测数据进行处理。
2.根据权利要求1所述的一体化无人机三维电场探空装置，其特征在于，当n＝6时，所述连接装置包括3个相互垂直正交的等长度连接杆l1、l2和l3，垂直正交点与所述无人机的中心点重合；
所述连接杆l1、l2和l3均为中空杆状结构，每个所述连接杆的每个末端均固设一个所述电场传感器。
3.根据权利要求1所述的一体化无人机三维电场探空装置，其特征在于，所述连接装置与所述无人机为一体成型式结构或可拆卸式结构。
4.根据权利要求1所述的一体化无人机三维电场探空装置，其特征在于，还包括温湿压探空仪，所述温湿压探空仪设置于所述无人机的机身中部或无人机机身中部下面的挂载位置上，用于获取相应位置的温湿压数据；所述温湿压探空仪与所述信号处理装置电连接；
相应地，所述信号处理装置还用于接收所述温湿压数据，并对所述温湿压数据进行处理。
5.根据权利要求4所述的一体化无人机三维电场探空装置，其特征在于，还包括姿态控制器，用于获取所述无人机的机身姿态信息；所述姿态控制器与所述信号处理装置电连接；
相应地，所述信号处理装置还用于接收所述机身姿态信息，并对所述机身姿态信息进行处理。
6.根据权利要求5所述的一体化无人机三维电场探空装置，其特征在于，所述信号处理装置包括信号接收模块和信号发射模块，所述信号接收模块和信号发射模块电连接；
所述信号接收模块用于接收所述电场探测数据、温湿压数据和机身姿态信息；所述信号发射模块用于将所述电场探测数据、温湿压数据和机身姿态信息发送至地面数据处理装置。
7.根据权利要求6所述的一体化无人机三维电场探空装置，其特征在于，所述信号处理装置还包括运算模块，所述运算模块、信号接收模块和信号发射模块电连接；
所述运算模块用于对所述信号接收模块接收的所述电场探测数据、温湿压数据和机身姿态信息进行计算处理，并用于将计算处理结果通过所述信号发射模块发送至地面数据处理装置。
8.根据权利要求1所述的一体化无人机三维电场探空装置，其特征在于，还包括gps装置，所述gps装置用于获取所述无人机的位置以及时间信息，并将所述无人机的位置以及时间信息发送至地面数据处理装置。
9.根据权利要求1所述的一体化无人机三维电场探空装置，其特征在于，所述一维电场传感器为mems电场传感器。
技术总结