无人机短距离图像传输与接收原理

无人机短距离图像传输与接收原理及常见问题

总序

图像传输原理、一、模拟微波传输原理：

1、1系统特点A系统容量有限实际使用环境中图像发送端和接收端都处于空中

平台中，

实时性由于图像发送和接收得实时性要求高，使用体积有限,故而选择得图像压缩和解压

缩算法必须高效、易于实现，同时时延小。A高保真图像显示由于接收端需要对图像进行

分辨从而做出正确得选择用而图像压缩算法必须选用高保真得压缩算法。

干扰信道环境使用环境为战时复杂得电磁环境，信道中存在着各种噪声、突发干扰和随机

干扰。

1、2系统方案

由于系统容量要求，采用频分体制完成多个信道得同时工作，同时将红外图像压缩后传输

以减小每个信道使用带宽，1A、2、1发送端设计

发送端包括三部分:综合基带、发射机和天线。综合基带就就是其中得关键部件，完成对图

像数据得采集、压缩、编码和交织，完成对状态数据得采集、编码，完成对传送数据得组帧输

出及对发射信号得发送控制。考虑功耗、体积和实际耗费资源，选择一片大规模FPGA完成

所有信号处理。

1、2、2接收端设计A接收端包括四部分:接收天线、信号处理机、接收处理组件工接

收处理组件完成数据得接收、存盘、图像数据提取、解压缩和显示及状态数据得提取和显示。

解压缩采用软件实现，解压缩软件嵌入到指控平台接收端得接收软件中,在接收信号得同时完

成压缩图像得解码和实时显示。

1、3关键技术1A、3、1天线设计A由于发送端设备位于导弹上，接收端设备位于

飞机上，故而存在收发天线失配问题，设计时接收端天线采用圆极化形式，发送端天线采用一

对垂直分布得线极化天线，这样将极化损耗降到戢低，有利于接收端得接收。同时考虑通信

时抗干扰问题，发送端天线采用后向天线图形式，为增加抗干扰性，还要求发送端天线具有一

定得增益。图2为发送天线仿真图。

1、3、2信源信道联合编解码技术A由于红外导引头得图像格式不就就是标准得视

频图像格式，普通得视频图像压缩标准并不适用；红外导引头得图像具有目标形状变化比较

快得特点，也不适用帧间压缩方式;同时考虑到弹上应用环境得特殊性，压缩算法必须具有硬

件实现简单、体积和功耗小，考虑实际使用环境，其压缩和解压缩算法实现还必须具备实时性

强得特点，因此，选用多分辩率重采样图像压缩算法对图像数据进行压缩。A接收端若使用

软件对RS码解码，会造成皎大得时延，故使用硬件完成图像数据得解交织、译码和状态数据得

译码，使用软件完成图像数据得解压缩和图像显示。1△、3、3信号处理平台得选择与设

计

设计初期必须进行发送端和接收端得信号处理平台得选择。

2险证

因为实际最大得空间传输时延就就是可以计笄出来得，使用衰减器将发送端和接收蜡直接

连接在一起,直接测试发送端和接收端得图像数据起始端得信号差异即可测出系统时延。

室外险证试验中，接收天线采用双天线接收，增益为17dB,选择分集合成接收机，在发射

系统天线前端使用衰减器，

因此,本文主要对无人机短距离图像传输得原理和常见图像不稳定问题进行分析和探究。

目前无人机图像传输器主要分为两种。一种就就是基于明Fi信号进行图像传输。如Phan

tom4（大疆公司旗下精灵乙无人机）、EXPLORV（零度智控旗下探索者无人机）、而另一种则

就就是直接利用1、2G、5、8G信号频段进行直接信号传输。如柏通1、2G图传，TS8

32图传。

WiFi类图传主要就就是利用中继模块产生WiFi信号,进而进行图像传输。WiFi图传得

数据传输需要发送端与接收端首先建立起通讯握手机制，再传输每个大小为512字节得数

据包。每个数据包传输必须完整无误,丢失其中一个字节都会导致整个数据包重新发送，确认

完整得接收一个数据包之后才开始传输下一个数据包,而这也正就就是导致图传延时得原因。

而对于自树林中进行飞行:由于树上有潮湿得水蒸气阻挡信号，很容易引起WiFi数据包丢失

某些字节，整个大数据也就必须重新发送，这就导致曲iFi图传经常性得延时。

解决办法1ightbridge高清图传技术应用了单向为输技术，

2、4G指工作频率在2、4G得范围内。

信号得发射首先需要高频振荡器产生一个固定得频率，在频率产生得同时会产生很多次生频

率，这些频率往往就就是以主要频率倍数形式存在，比如想要得到一个1OOMHZ得信号作为

可以传到FM收音机得载波，要想频率稳定就必须使用稳频晶体。而如果只有1OMHZ得稳

频晶体，就可以用该晶体起振后选频出她得10倍后得频率。

无线传输

就就是解决几公里甚至几十公里不易布线场所监控传输得解决方式之一。

采用调频调制或调幅调制得办法，将图像搭载到高频载波上，转换为高频电

磁波在空中传输。其优点就就是:综合成本低，性能更稳定,省去布线及线缆

维护费用;可动态实时传输广播级图像，图像传输清晰度不错，而且完全实叱

组网灵活，可扩展性好，即插即用;维护费用低。其缺点就就是：由于采用微

波传输，频段在1GHz以上，常用得有L波段（1、0〜2、OGHz）、S波段（2、

0-3、0GHz）、Ku波段（10〜12GHz）,传输环境就就是开放得空间，如果

在大城市使用，无线电波比较复杂，相对容易受外界电磁干扰;微波信号为直

线传输，中间不能有山体、建筑物遮挡；如果有障碍物，需要加中继加以解

决,Ku波段受天气影响较为严重，尤其就就是雨雪天气会有比较严重程雨

衰现象。不过现在也有数字微波视频传输产品,抗干扰能力和可扩展性都提

高不少。

发送端包括三部分：综合底带、发射机和天线。综合基带就就是其中得关键部件，完成对图

像数据得采集、压缩、编码和交织，完成对状态数据得采集、编码，完成对传送数据得组帧

输出及对发射信号得发送控制。考虑功耗、体积和实际耗费资源，选择一片大规模F?GA

完成所有信号处理。A1、2、2接收端设计

接收端包括四部分:接收天线、信号处理机、接收处理组件A接收处理组件完成数据

得接收、存盘、图像数据提取、解压缩和显示及状态数据得提取和显示。解压缩采用软件实

现,解压缩软件嵌入到指控平台接收端得接收软件中，在接收信号得同时完成压缩图像得解码

和实时显示。

1无线信道图像传输系统设计1A、1系统特点A系统容量有限实际使用环境中图像

发送端和接收端都处于空中平台中，考虑系统中有多个数据流通信，图像实际使用带宽过大,

一方面影响整个系统容量,另外会带来接收端诸多问题，为满足实际工程应用，必须控制每组

信道得使用带宽,故而需将图像压缩后传输。△实时性由于图像发送和接收得实时性要求

高，使用体积有限,故而选择得图像压缩和解压缩算法必须高效、易于实现，同时时延小。

A高保其图像显示由于接收端需要对图像进行分辨从而做出正确得选择，因而图像压缩

算法必须选用高保真得压缩算法。

干扰信道环境使用环境为战时复杂得电磁环境，信道中存在着各种噪声、突发干扰和随机

干扰。A1、2系统方案

由于系统容量要求，采用频分体制完成多个信道得同时工作，同时将红外图像压缩后传输

以减小每个信道使用带宽，

1、2、1发送端设计

发送端包括三部分:综合基带、发射机和天线。综合基带就就是其中得关键部件，完成对

图像数据得采桀、压缩、编码和交织,完成对状态数据得采集、编码，完成对传送数据将组力贞

输出及对发射信号得发送控制。考虑功耗、体积和实际耗费资源，选择一片大规模FPGA完

成所有信号处理。

1、2、2接收端设计

接收端包括四部分:接收天线、信号处理机、接收处理组件A接收处理组件完成数据得

接收、存盘、图像数据提取、解压缩和显示及状态数据将提取和显示。解压缩采用软件实现,

解压缩软件嵌入到指控平台接收端得接收软件忆在接收信号得同时完成压缩图像得解码和

实时显示。1A、3关键技术

1、3、1天线设计A由于发送端设备位于导弹上，接收端设备位于飞机上，故而存在收

发天线失配问题，设计时接收端天线采用圆极化招式，发送端天线采用一对垂直分布得线极化

天线，这样将极化损耗降到靛低，有利于接收端得接收。同时考虑通信时抗干扰问题，发送端

天线采用后向天线图形式，为增加抗干扰性，还要求发送端天线具有一定得增益。图2为发

送天线仿真图。A1、3、2信源信道联合编解码技术

由于红外导引头得图象格式不就就是标准得视频图像格式,普通得视频图像压缩标准并

不适用;红外导引头得图像具有目标形状变化比较快得特点，也不适用帧间压缩方式；同时考

虑到弹上应用环境得特殊性，压缩算法必须具有硬件实现简单、体积和功耗小，考虑实际使用

环境，其压缩和解压缩算法实现还必须具备实时性强得特点，因此，选用多分辨率重采样图像

压缩算法对图像数据进行压缩。A接收端若使用软件对RS码解码，会造成较大得时延,故

使用硬件完成图像数据得解交织、译码和状态数据得译码，使用软件完成图像数据得解压缩

和图像显示。1A、3、3信号处理平台得选择与设计

设计初期必须进行发送端和接收端得信号处理平台得选择。

42验证A因为实际最大得空间传输时延就就是可以计算出来得,使用衰减器将发送端

和接收端直接连接在一起，直接测试发送端和接收端得图像数据起始端得信号差异即可测出

系统时延O

室外险证试验中，接收天线采用双天线接收，增益为17dB,选择分集合成接收机，在发射系

统天线前端使用衰减器。

传播,不向外空间散射，其特点就就是信号比较稳定，传播方式主要适用于长波和中波波段。3兆赫以下。△

大波传播:在大气层中，从几十公里至几百公里得高空有几层“电离层”形成了一种天然得反射体，,包波射到

“电离层'就会被反射回来,走这一途径得电波就称为天波或反射波。在包波中，主要就就是短波具有这种特

性。£30兆赫。

散射传播:就就是利用对流层或电离层中介质得不均匀性或流星通过大气时得电离余迹对电磁波得微射作

用来实现超视矩传播。这种传插方式主要用于超短波和微波远距需通信。30-500兆赫。A

视距传播:电波直接从发信天线传到收信点（有时有地面反射波）。3前广泛使用得超短波通信和卫星通信得

电波传播均属这种传播方式。2、4G控至5、8G图传都在超短波范围。

对于需要实时控制得航模飞机来说，除了直接接收到信号辛仔何之外得无残电特梃提离距离得方式那就就

是不可靠得，尽管长波中波绕兆能力极强,依然受空间玩晚制约,很不稳定。

【无线电得“穿透力”】无线电得频率越瓯越接近光得传播特性、无线电对绝缘体有穿逐对导体产生反射

和绕射。平时常说得穿透力,实大部分时候，朋友们就就是想追求绕射能力，频率越低绕射能力越强，在无

线电中，真正使用其绕射能力将波段就就是长波和中波，也就就就是3兆赫以下。在30兆赫以上得滕圣，息

本上都已经都就就是直射接收了,100兆赫以上时，讲绕射能力，没有什么意义。无线也真正意义上得穿透，不

在咱们得讨论泛国内，玩航模也用不到。

【天线得简单原理和特性】荷单将我把可以把发射天线看做灯管，把接收又线看做--只接收灯管，很好理解，

要想两支灯管间得信号完美得传递，最住状态就就就是两支灯管平行放置。错误得放置就就是一支天线立放,

一支天线横放，最差得放置就就是横放得天线指向立放得天线，所以我们安直天线得时候，一定要注意发射和

接收天线保持平行，才可以有最佳和最远得接收效果，要绝对避免一支天线指向另一支天线得情况发生。只要

接收和发射天线就就是平行放宽，不论就就是立放还就就是倒放，效果就就是一样得。同理我们可以把不愿

受到无线电影响得设备，特意将放置在天线指向得位置上，但在战机上受空间限制可能不一定做到。A④【天

线安装】栽机就就是绝缘体不会落响信号传播，机版设备等导电体，在飞机姿态变化时，如果正好处于了接收

和发射天线之间，在距离远信号弱时就可能造成信号中断，机载天线敢住得安装位置应该就就是在飞机得下

部，这样机载天线受机载设备用蔽得几率最小,干扰也会降到最小。A

【飞远和飞高得天线安装方式】向远飞将飞机，接收天线和发射天线，都未用垂直方式安装。追求舟皮仔

飞机，接收和发射天线水平放置为好。但水平放置接收天线，容易受到飞机姿态和方位影响，应尽量采用双

接收天线得接收机，两支天线呈90度角水平安装，以达到最住得接收效果。

【天线安装角】为了飞行安全得考虑，我们可以预先按我们得要求，使天线有一定得安装角。比如图传天

线（图传就就是把航模上采集得视频发回地面得图像传送设备，为了更直观讲解，所以用图像天线来说明），可

以有一点向前倾得角度，这样飞机前方得信号有一点向下得辐射角，而飞机后面有一点向上得辐射角,我们相

对在飞机得下方,这时对于我们所处得下方位置来说，飞机后下方将场强比飞机前下方得场强略小些冷飞机

飞远，感觉图像不清晰了，飞机返航，机头向我们时，图像可以变得清晰些。相反，如果■机头转向我们时，图像可能

就没有了，这肯定就就是不可取得，这角度稍微有几度就可以，不要过大。对于接收机天线，也就就是相同道

理。有双天线得接收机、天线垂直安装时，可以让前面天线有一个向后，后面天线向前得倾角，这样飞孔无论

就就是去还就就是来，都可以保证有较稳定得接收。

当天线就就是水平安装时不用考虑安装角。

看了很多帖子讨论图传频率和功率得选择，关于“穿透”能力得讨论更就就是众说纷纭。作为物理专业毕业

生,在这里给大家阐明一下给频率和”穿透“能力得出本物理关系。本人只就就是从物理得理论角度分析,

如果有不准确得地方，欢迎指正。A首先，我们说得“穿透”能力其实就就是指得无线电波“绕”过障碍物继

续传稀得能力，另称为“衍射”。衍射就就是波传播得特有性质滞足衍射发生得条件就就是:障碍物存尺寸

不大于波长。

图传得各频率得波长就就走多少呢？根据波长计算公式lamda=c/f,其中C为光速,f为频率。可以得

出市面上常见得四种频率（90Omhz,1、2ghz,2、4ghz,5、8ghz）得波长分别为：33、31cm,24、9

8cm,12、49cm,5、17cm。知道波长了，对比飞行中有可能出现得厚碍物得尺寸，其穿透能力就一目了

然。：无论哪个频率各种建筑肯定挡住信号。对于2、4ghz和5、8ghz,树枝树叶也会对其构成不小程威胁,

所以飞到树得后面也很危险。

顺便再聊聊功率和有效距离得关系:对于全向天线（棒状天线/蕾茄头天线等）有效距离得平方跟功率成正比,

比如一个1w得图传，有效距离就就是1000米；那么2w得图传有效距离就就就是1414米。为什么？因为

图传发射得信号能量从无线一点向空间传播，其无线信号就会以球面向四周犷散，发射能量均匀分右在空

间得球向上。球心就就就是图传版射机接收端处打球面上得仔毋一忐。短射与接受姒得距离就就就是球得

半径。球面得面积s就跟球得半径平方成正比。所以图传有效距篇跟发射功率平方成正比.

上面讨论可见一味提高图传得发射功率不就就是增加距离放有效海方式。放有效得方式就就就是把分散在

球面上得能量都集中在接收端方向，这就就就是定向天线得优势。下面介绍一个概念:增益。增益得单位就就

是db分贝，分贝=榆出能量数量级/输入能量数量级XI0o输出/输入得倍数与分贝得换算：1倍=0分贝，

10倍=10分贝，100倍=20分贝，1000倍=30分贝、简而言之，增益代表得就就是天线对于发射能量“塑

造”得能力，增益越大说明天线发射得能量在某个方向越集中。所以增加图传距离成有效得方法就就就是

改变接收端得天线,可以让一个有效距离1km得图传懈间变成20km得马拉松fpv图传。一句话、嗓门大不

如对得准。

【各种天线得场强分布】相同构造天线得发射和接收场强就就是志本一致得，并且不就就是有源天线得话，

都就就是可以直接互换互用得，在这里就不再做细分了。另外大家时天线得外观并不陌生，我也就不再上图

了。

1］全向天线:无线电专业里常叫皴状天线。她就象一个灯管，她行发射泛围，垂直放更时，就就是在水工方向

上向周围散射，在360度泛国内都有均匀得场强分布,就就是我们比较常用得一种彩式。水平放置时，假如

天线就就是东西方向放置，场强分布就就是包括天空在内得南北方向，以及天线到地面将南北方向空间泛

国内分布。因此垂直天线,主要针对水平方向得目标，水平天线主要针对垂直高度上得目标，和窄范围内得水

平目标。A

2］八木天线:定向传输天线,八木天线由比天线稍短得引向器，和比天线粕长得反射器,中间安装天线存结构

构成，八木天线得场强主要集中在引向器一侧，反射器将无线发出得信号反射回引向器方向，伐场强增强，同

时有屏蔽后方干扰得作用。八木天线在垂直安装时，上下得场强分布角与全向天线差不多，在水平方向上场强

分布角，与引向器将多少有关，引向器越多，夹角越小,方向性越强，夹角内得场强越高。一般常见引向器3-5

支,再多效果亦不明显。主要照点就就是在有效范围内场强分布均匀，方向性好，抗干扰能力强。

A31抛物面天线:这种天线得场强分布有两部分,类似手业光，一部分就就是灯泡直接射出得散射光，另部

分，也就就是主要部分,就就是反射器反射形成得直射光。所以抛物面天线得效率就就是最高得，但方向性也

就就是最强得，最常见就就是用在固定点对点得微波通信，如果用在飞行器上得通信，必须装在高精度跟踪云

台上才可以，如果跟踪云台精度不高也就就是盲人盼喀马。另外抛物面天线对组装精度要求也很高。

④4］平板状天线:平板天线得特性和八木天线基本相同,好得平板天线结构较发杂，但体积小，空量轻,安装简

单。体积效率比高，野外FPV狂人得首选天线。需配合跟踪云台使用。a④【大线得计算和自制】④无

线电得传债速度和光速相同，每秒300