本發明涉及無人機應用，具體為一種多模態電磁場分布測繪無人機系統?及其應用方法。

背景技術：

1、隨著現代科技的飛速發展，電磁場在各個領域的應用日益廣泛，如通信、電力、工業生產等。然而，電磁場的廣泛存在也帶來了諸多問題，對其分布情況進行準確測繪和分析變得至關重要。

2、在傳統的電磁場測繪領域，早期主要依賴人工實地測量。工作人員需攜帶笨重的測量設備，在復雜的環境中逐點測量電磁場強度。這種方式不僅效率低下，而且在一些危險或難以到達的區域，如高壓電塔附近、山區等，人工測量存在極大的安全風險。例如，在高壓輸電線路周邊，人工測量極易受到強電磁場的干擾，對測量人員的身體健康造成潛在威脅，同時也難以保證測量數據的準確性。

3、后來出現了一些基于固定監測站的測量方法。這些監測站雖然能夠持續監測一定范圍內的電磁場強度，但監測范圍有限，無法全面覆蓋復雜多變的區域。而且，固定監測站的建設和維護成本較高，難以根據實際需求靈活調整監測位置。例如，在城市建設過程中，新的電磁輻射源不斷出現，固定監測站無法及時對這些新的輻射源進行有效監測。

4、近年來，隨著無人機技術的不斷成熟，無人機在電磁場測繪領域逐漸得到應用。然而，現有的無人機電磁場測繪系統仍存在諸多不足。一方面，無人機旋翼在轉動過程中會產生電磁干擾，影響電磁傳感器的測量精度。目前的一些系統雖意識到這一問題，但采用的抗干擾措施效果不佳，無法從根本上消除旋翼電磁干擾對測量數據的影響。另一方面，在輻射源定位方面，現有的定位算法精度不高。部分系統僅采用單一的定位算法，如基于到達時間差（tdoa）或到達角（aoa）的定位算法，容易受到環境因素的干擾，導致定位誤差較大。此外，現有的無人機電磁場測繪系統大多僅專注于電磁數據的采集和分析，缺乏對多模態數據的融合處理。無法將電磁數據與可見光影像數據等其他信息進行有效結合，難以從多個角度對電磁場分布情況進行全面分析，限制了對電磁環境的深入理解和應用。

5、在實際應用場景中，如電力設施巡檢，需要精確了解電磁場分布以檢測設備是否存在漏電等異常情況；在城市電磁環境評估中，要綜合考慮地理信息和電磁數據來規劃電磁敏感區域。而現有的技術手段無法滿足這些復雜的需求，因此，研發一種能夠有效抑制旋翼電磁干擾、提高輻射源定位精度，并實現多模態數據融合分析的多模態電磁場分布測繪無人機系統及其應用方法迫在眉睫。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種多模態電磁場分布測繪無人機系統?及其應用方法以解決上述背景技術中提出的問題。

2、為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種多模態電磁場分布測繪無人機系統，所述系統包括：

3、動態調節模塊，用于根據預設的旋翼電磁干擾抑制規則，通過可伸縮式碳纖維支架調整電磁傳感器與無人機旋翼的間距，生成動態間距調節指令；

4、多頻段采集模塊，用于控制高精度三軸電磁場傳感器采集預設頻段內的電磁場信號，并對采集的原始信號進行抗干擾濾波處理，生成標準化電磁數據集合；

5、混合定位模塊，用于基于tdoa與aoa融合定位算法，對所述標準化電磁數據集合進行時差與到達角聯合解算，輸出異常輻射源的三維空間坐標；

6、三維建模模塊，用于將所述三維空間坐標與電磁場強度數據進行關聯映射，采用空間插值算法生成三維電磁場強度分布圖，并標注異常輻射源的空間位置；

7、多模態融合模塊，用于同步獲取可見光影像數據，建立地理坐標與電磁參數的時空關聯矩陣，通過張量分解算法提取多維融合特征，生成疊加分析模型。

8、優選的，所述動態間距調節指令的生成包括：

9、實時監測無人機旋翼的轉速與電流參數，計算旋翼產生的電磁干擾強度分布；

10、根據預設的干擾強度閾值，確定電磁傳感器的最小安全間距；

11、通過步進電機驅動碳纖維支架分段伸縮，動態調整傳感器至所述最小安全間距以上。

12、優選的，所述抗干擾濾波處理包括：

13、識別原始信號中的周期性旋翼干擾波形，構建自適應陷波濾波器；

14、采用小波變換算法分離高頻噪聲與低頻電磁信號；

15、對濾波后的信號進行幅值歸一化處理，生成均方根值校準的標準化電磁數據。

16、優選的，所述tdoa與aoa融合定位算法包括：

17、提取電磁信號的到達時間差與多天線陣列的相位差數據，構建超定方程組；

18、利用加權最小二乘法對所述超定方程組進行迭代求解，得到輻射源初始坐標；

19、通過卡爾曼濾波算法對初始坐標進行時空平滑處理，優化定位精度。

20、優選的，所述空間插值算法包括：

21、將離散采集點的電磁強度數據映射至三維網格節點；

22、采用徑向基函數插值法計算未采樣區域的場強值；

23、結合地形高程數據對插值結果進行邊界修正，生成連續的三維場強分布曲面。

24、優選的，所述時空關聯矩陣的構建包括：

25、對可見光影像進行地理配準，提取像素坐標與經緯度的轉換關系；

26、將電磁場強度數據與對應地理坐標進行時間戳對齊；

27、構建包含空間位置、場強值及影像特征的三維張量矩陣。

28、優選的，所述多維融合特征的提取包括：

29、對所述時空關聯矩陣進行高階奇異值分解，提取主成分特征向量；

30、通過卷積神經網絡對可見光影像中的地形特征進行編碼；

31、將電磁主成分特征與地形編碼特征進行加權融合，生成聯合特征向量。

32、優選的，所述系統還包括：

33、構建輻射源風險評估模型，根據電磁場強度與輻射源坐標計算區域安全等級；

34、生成包含安全等級標注的可視化地圖，并通過無線通信模塊實時傳輸至地面控制終端。

35、優選的，所述系統還包括：

36、在無人機飛行路徑規劃中嵌入電磁場梯度追蹤算法，動態調整航跡以聚焦高場強區域。

37、優選的，本發明還包括一種基于上述多模態電磁場分布測繪無人機系統的應用方法，所述方法包括：

38、步驟s1：根據預設的旋翼電磁干擾抑制規則，通過可伸縮式碳纖維支架動態調整電磁傳感器與無人機旋翼的間距，生成并執行動態間距調節指令；

39、步驟s2：控制高精度三軸電磁場傳感器采集預設頻段內的電磁場信號，對原始信號進行抗干擾濾波及頻域轉換處理，生成標準化電磁數據集合；

40、步驟s3：基于tdoa與aoa融合定位算法，對所述標準化電磁數據集合進行時差測量與到達角聯合解算，迭代優化后輸出異常輻射源的三維空間坐標；

41、步驟s4：將所述三維空間坐標與對應電磁場強度數據進行空間關聯映射，采用克里金插值算法重構三維電磁場強度分布曲面，并標注異常輻射源的空間位置信息；

42、步驟s5：同步獲取可見光影像數據，構建地理坐標、電磁參數及時間戳的時空關聯矩陣，通過高階奇異值張量分解提取多維融合特征，生成電磁-光學疊加分析模型。

43、與現有技術相比，本發明的有益效果是：

44、在抑制旋翼電磁干擾方面，系統通過動態調節模塊展現出卓越的性能。動態調節模塊實時監測無人機旋翼的轉速與電流參數，以此精確計算旋翼產生的電磁干擾強度分布。依據預設的干擾強度閾值確定電磁傳感器的最小安全間距，隨后通過步進電機驅動碳纖維支架分段伸縮，將傳感器動態調整至最小安全間距以上。這種方式有效避免了旋翼電磁干擾對傳感器測量精度的影響，確保采集到的電磁數據真實可靠。相比傳統方法，不再只是簡單地嘗試削弱干擾，而是從源頭上減少干擾對測量的影響，極大地提升了測量數據的準確性，為后續的分析和處理提供了堅實的基礎。例如，在電力設施附近進行電磁場測繪時，傳統方法可能因旋翼電磁干擾導致測量數據偏差較大，無法準確判斷電力設施的電磁泄漏情況，而本發明能夠有效解決這一問題，精準測量電磁場強度，及時發現潛在的安全隱患。

45、輻射源定位精度的提升是該系統的又一突出優勢。混合定位模塊采用tdoa與aoa融合定位算法，通過提取電磁信號的到達時間差與多天線陣列的相位差數據構建超定方程組，利用加權最小二乘法進行迭代求解得到輻射源初始坐標，再借助卡爾曼濾波算法對初始坐標進行時空平滑處理，進一步優化定位精度。這種融合定位算法充分結合了tdoa和aoa兩種算法的優勢，有效降低了環境因素對定位的干擾。在實際應用中，無論是在復雜的城市環境，還是地形復雜的山區，都能夠準確地確定異常輻射源的三維空間坐標。這對于及時發現并處理電磁輻射異常問題至關重要，如在通信基站輻射超標檢測中，可以快速定位到輻射超標的基站位置，便于相關部門及時采取措施進行調整或維修。

46、多模態數據融合分析是本發明的一大亮點。多模態融合模塊同步獲取可見光影像數據，通過構建地理坐標與電磁參數的時空關聯矩陣，采用張量分解算法提取多維融合特征，生成疊加分析模型。在構建時空關聯矩陣時，對可見光影像進行地理配準，提取像素坐標與經緯度的轉換關系，將電磁場強度數據與對應地理坐標進行時間戳對齊，構建包含空間位置、場強值及影像特征的三維張量矩陣。之后，通過高階奇異值分解提取主成分特征向量，利用卷積神經網絡對可見光影像中的地形特征進行編碼，并將電磁主成分特征與地形編碼特征進行加權融合，生成聯合特征向量。這種多模態數據融合的方式，使系統能夠從多個維度對電磁環境進行分析。在城市電磁環境評估中，可以將電磁數據與地理信息、地形地貌等結合起來，全面了解電磁輻射的分布規律，為城市規劃提供科學依據，合理劃分電磁敏感區域，避免居民受到過量電磁輻射的影響。

47、此外，系統還具備一系列實用的拓展功能。構建輻射源風險評估模型，根據電磁場強度與輻射源坐標計算區域安全等級，并生成包含安全等級標注的可視化地圖，通過無線通信模塊實時傳輸至地面控制終端，方便操作人員及時了解現場電磁環境的安全狀況，做出相應決策。在無人機飛行路徑規劃中嵌入電磁場梯度追蹤算法，動態調整航跡以聚焦高場強區域，提高測繪效率，確保對重點區域進行全面細致的監測。這些功能相互配合，使得整個系統在電磁場測繪領域具有更高的實用性和應用價值，能夠滿足不同場景下對電磁場測繪的多樣化需求。