CN106839984A - 利用工业摄影测量法实现天线辐射特性测试的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种利用工业摄影测量法实现天线辐射特性测试的方法，首先根据天线设计要求，获得主反射面表面精度及副面、馈源与主反射面的几何关系，建立天线理论几何关系；再将天线理论几何关系导入测量计算机中，建立工业摄影测量基准坐标系；在天线***电气性能测试完成后，通过工业摄影法拍摄主反射面、副反射面和馈源表面上粘贴的描述各自位置姿态的测量标志点，处理得到主反射面、副反射面与馈源的三维几何关系；将得到的主反射面、副反射面与馈源的三维几何关系，与天线理论几何关系进行比对，如果各项误差小于设计时允许的最大公差，则认为天线辐射特性满足要求。本发明能够大幅度降低成本，提高测试精度，降低人员消耗，提高效率。

Description

利用工业摄影测量法实现天线辐射特性测试的方法

技术领域

本发明涉及抛物面天线辐射特性测试技术领域，特别是涉及到抛物面天线辐射方向图、波束宽度以及轴比等指标测试。

背景技术

目前国内对于天线远场辐射特性的测试都是基于建设满足远场条件的标校塔，在塔上架设信号源辐射信号，天线对准标校塔后，根据天线波束宽度确定扫描范围，然后分别在方位和俯仰平面扫描一定角度，完成辐射方向图、波束宽度等指标的测试，此外还要在信标塔架设旋转线极化喇叭，天线对准信标塔不动，通过旋转信标喇叭完成天线轴比指标的测试。

对于标校塔建设的距离要求，在《天线测量技术》(成都电讯工程学院出版社，1987)第九章和《精密测量雷达标定与校正》(GJB 3513-98，国防科学技术工业委员会)中对于标校塔与待测天线的距离规定如下：

式中：R：为待测天线到标校塔的最小距离(米)；D：为待测天线口径(米)；λ：为测试频率的波长(米)。

对于标校塔建设的高度要求，文献《精密测量雷达标定与校正》中规定如下：

H≥R·tan(3θ)+h (2)

式中：H：标校塔上喇叭天线的架设高度(米)；h：待测天线架设高度(米)；θ：待测天线垂直波束宽度(°)。

根据上述对标校塔的建设要求，针对近年来天线向高频段、大口径方向发展的趋势，建设满足距离和高度要求的标校塔越来越困难，例如15米直径的Ka频段天线(20GHz、θ＝0.07°)，要建立满足条件的标校塔按照上述公式计算出的距离和高度如图1所示：

由图1所示标校塔距离和高度可见，要想建设满足15米Ka频段天线远场条件的标校塔其难度和建设成本都是很高的。

发明内容

为解决大量测控、通信及雷达天线辐射特性现场测试时必须建设满足远场条件的标校塔问题，结合目前国内在工业摄影测量法对物体表面形状及精度测试的准确性和技术成熟性，拟利用工业摄影测量法在现场对天线反射体表面精度进行测试，替代标校塔法实现天线辐射特性测试，如果天线主反射体表面精度及主副面几何关系达到设计精度要求，则天线辐射特性必定满足指标要求。

本发明的技术方案为：

所述一种利用工业摄影测量法实现天线辐射特性测试的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据天线设计要求，获得主反射面表面精度及副面、馈源与主反射面的几何关系，建立天线理论几何关系；

步骤2：将天线理论几何关系导入测量计算机中，建立工业摄影测量基准坐标系；在天线***电气性能测试完成后，通过工业摄影法拍摄主反射面、副反射面和馈源表面上粘贴的描述各自位置姿态的测量标志点，处理得到主反射面、副反射面与馈源的三维几何关系；

步骤3：将步骤2得到的主反射面、副反射面与馈源的三维几何关系，与步骤1中的天线理论几何关系进行比对，如果各项误差小于设计时允许的最大公差，则认为天线辐射特性满足要求。

进一步的优选方案，所述一种利用工业摄影测量法实现天线辐射特性测试的方法，其特征在于：主反射面上测量标志点粘贴在主反射面每块面板四角的调整螺栓位置；副反射面上测量标志点对称粘贴在以副反射面中心为中心的正交十字线上；馈源上测量标志点按照十字对称分布粘贴在馈源支套壁表面和馈源支套法兰表面。

有益效果

与传统的利用标校塔对天线辐射特性进行测试的方法相比，工业摄影测量法具有以下优势：

1、大幅度降低成本

在利用标校塔对天线辐射特性进行测试时，首先征地并建设满足远场条件的标校塔就需要巨额的费用，其次还要修通测试场区到标校塔的道路，保障供电及通信，这些也都需要大量的资金；而工业摄影测量法只需要在天线工作场区完成摄影测量即可，测试时只需要保障路灯车或专用升降平台，成本很低。

2、提高测试精度

原方法调整及测试主反射面精度时，在地面水平状态下调整及测试，然后将天线吊装到天线座架上吊装过程及随后对副反射面及支撑机构的吊装等工作均对主反射面精度产生不利影响，此外对副反射体的定位靠卷尺等测量，精度有限，而工业摄影测量法是在天线吊装完毕后整体测量，测量精度可大幅度提高。

3、降低人员消耗

在利用标校塔测试时，需要天线对准标校塔扫描方向图，所以标校塔一般配备2人，控制天线1人，测量人员2人，钳工1人，而工业摄影测量时只需控制天线1人，测试人员1人、升降梯操作人员1人。

4、提高效率

在传统的主反体表面精度调整及测试工作中，测试人员通过经纬仪或激光跟踪仪逐点测量，然后指挥工人逐块面板调整，人员和调整工作都是“串行”工作，天线表面精度调整经历粗调和精调，一般12米口径天线连调整带测试需要2周左右，而工业摄影测量法一次得出天线表面所有的调整点数据，可由多名工人同时开展工作，12米口径天线连调整带测试仅需要3天，极大地提高了工作效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：15米Ka天线标校塔建设示意图；

图2：回光反射标志；

图3：相机测量示意图；

图4：卡塞格伦双反射面天线几何关系；

图5：天线反射体结构示意图；其中1、主反射面，2、副反射面，3、馈源支套；

图6：天线口面垂直于大地水平面，人面向天线视图；

图7：标志点圈数命名示意图；

图8：点号命名示意图；

图9：副反射体测量标志粘贴位置示意图；

图10：馈源支套壁表面测量标志粘贴位置示意图；

图11：馈源支套法兰表面测量标志粘贴位置示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的目的是解决大量测控、通信及雷达天线辐射特性现场测试时必须建设满足远场条件的标校塔问题。结合目前国内在工业摄影测量法对物体表面形状及精度测试的准确性和技术成熟性，利用工业摄影测量法在现场对天线反射体表面精度进行测试，替代标校塔法实现天线辐射特性测试。

首先说明工业摄影测量法测量天线几何关系的原理：

工业摄影测量***主要用于对静态物体的高精度三维坐标测量，对于天线***的几何量进行测量时，只需要在主反射面、副反射面及馈源表面粘贴测量用的回光反射标志，通过一台高分辨率的数字相机距离被测天线***一定距离，从多个位置和角度拍摄，得到各个回光反射标志的多幅二维数字影像，根据透视投影的目标点、相机中心和像点三点共线条件，经相机定向及图像匹配后得到回光反射标志三维坐标(标志点图像中心自动定位、自动匹配、自动拼接和自动平差计算)。利用众多标志的三维坐标可计算主反射面精度、计算主反射面、副反射面及馈源间的几何位置关系，回光反射标志与编码标志的实物图片如图2所示：

由于像机镜头视场角和摄影距离的限制，每幅像片只能覆盖天线***的一部分。因此，各测站之间的位置关系需要利用编码标志进行传递。利用编码标志进行图像拼接的主要原理是把编码标志作为测量中具有已知坐标的控制点，由这些控制点的已知空间信息，通过后方交会原理得到每幅像片的外方位元素，从而完成对图像的拼接和测站之间坐标关系的传递，现场测量示意图如图3所示，其计算步骤如下：

1、测量图像进行扫描，识别出每幅图像里的编码标志；

2、每幅图像里具有相同点号的编码标志进行匹配，利用编码标志的已知空间坐标通过后方交会把像片统一到摄影测量坐标系下，同时得到各图像的外方位元素；

3、根据图像已知的外方位元素，利用核线匹配原理对其它非编码标志点进行同名点匹配；

4、最后利用光束法平差统一进行解算计算所有标志点的坐标。

工业摄影测量***主要技术指标及技术特点：

(1)高精度：单相机不确定度5μm+5ppm。测距10m范围内保精度测量。

(2)非接触测量：手动贴上回光反射标志，或者是通过投点器投射检测目标，无需接触工件；

(3)测量速度快：几分钟即可完成大量点云测量。

(4)可以在不稳定的环境中测量(温度，震动)：测量时间短受温度影响小。

(5)采集数据效率高，可以方便获取大量数据：测量点由计算机软件自动提取并测量，测量1000个点的时间与测量10个点的时间没有明显区别；

(6)适应性好：被测物尺寸从0.5m到100m均可用一套***进行测量；

(7)便携性好：1人即可携带到现场或外地开展测量工作。

其次说明工业摄影测量法实现天线辐射特性测试的方案：

天线辐射特性与天线几何的关系：

在天线***方案确定后，天线辐射特性的指标要求就已明确，天线设计时根据这些指标初步确定天线反射体表面精度和几何关系，为确保天线辐射特性满足指标要求，利用仿真软件根据天线精度和几何关系进行仿真，如指标不满足则对面精度和几何关系进行修正，然后在仿真，直到所有辐射特性满足指标要求时，天线反射体表面精度和主副面三维几何关系才确定下来，所以说天线的表面精度和主副面几何关系直接决定了天线的辐射特性，即：天线表面精度和主副面几何关系达到了设计要求，则天线辐射特性必然满足指标要求。

如申请人研制的成熟的12米标准卡塞格伦双反射面天线***，当仿真结果满足辐射特性指标要求时，明确的天线反射体参数如下：主面直径为Dm＝12米，副面直径为Ds＝1.48米，焦径比Fm/Dm＝0.32，主面精度：≤0.5mm(r.m.s)，副面精度：≤0.3mm(r.m.s)，主、副面几何关系如图4所示。

用工业摄影测量法实现天线辐射特性测试：

如图4所示，天线几何关系坐标系的原点在主反射面抛物面顶点，主反射面表面精度及副面、馈源与主反射面的几何关系在坐标系中是唯一的，因此，在现场辐射特性测试前，将上述几何关系表达式导入测量计算机中，建立工业摄影测量的坐标系(基准)，在此基准上首先完成天线主反射面精度的调整，然后再确定主反射面、副反射面相对于馈源的位置度，准确评判位置度，可通过粘贴在三者表面的，能准确描述各自位置姿态的测量专用标志点完成，当天线***电气性能在试验场完成测试后，通过工业摄影法测量天线反射体与馈源支套三维几何关系，得到三者表面标志点之间的空间几何位置关系，也就是得到三者之间的几何关系的数字化模型，然后与理论几何关系进行比对，得出实际的测量精度，如果各项误差(表面精度、相互位置关系)小于设计时允许的最大公差，则认为天线辐射特性满足要求。

实现的具体步骤为：

反射标志的粘贴及命名：

为获得主反射体精度及主反射体(面板)、副反射面、馈源支套之间的几何位置关系，需事先在被测天线主反射面、副反射面及馈源支套上粘贴测量用回光反射标志。天线反射体结构示意图如图5所示。反射标志的粘贴应按如下规定进行：

1)主反射体：

例如15米天线主反射体由5圈面板共208块拼装而成。具体分布如下：

第一圈	第二圈	第三圈	第四圈	第五圈
					16块	32块	32块	64块	64块

每块面板由分布在背面4角的调整螺栓控制姿态。1圈与2、3、4、5圈螺栓分布位置略有不同，由于通过调整螺栓可实现径向和法向的移动，因此在面板上调整螺栓位置粘贴回光反射标志可记录各块面板在天线反射体上的初始位置并在复装时指导各块面板恢复其初始位置。对应每个调整螺栓位置处的面板正面蒙皮上粘贴回光反射标志，共计208×4＝832个，标志如图2所示。

标志点命名：

天线口面垂直于大地，人面向天线观看，天线口面视图如图6所示，反射标志由内向外分为10圈，分别定义为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J，如图7所示。

正上方面板缝隙处为起始位置。缝隙右侧第一快面板的左侧点定义为1号点，顺时针增加。如C12表示由内向外第三圈标志点(2圈面板小头处)，上方缝隙右侧第12个点(第6块面板右侧)，如图8所示：

2)副反射体：

副反射体具有六自由度的移动功能，因此粘贴的回光反射标可记录其在天线反射体上的初始位置并在复裝时指导恢复其初始位置。其粘贴位置按图5中的A向视图所示位置粘贴，粘贴示意图如图9所示。

标志点命名：

天线口面垂直于大地，人面向天线观看。副反射面标志分内外两圈，内圈定义为N，外圈定义为W，每圈各由4个标志点组成。上方的点均定义为1号点，顺时针增加。例如W3，代表外圈下方标志点。

3)馈源支套(基准)

在15米天线结构***中，馈源支套与中心体法兰的连接通过中心体上法兰端面及法兰内径进行定位，具备较高的定位准确性和稳定的位置度，在反复拆卸\安装主反射面、副反射面和馈源时，是唯一可快速复位且位置度精准的部件，因此在整个测量过程中，可作为测量***的基准。

在15米天线结构***中，馈源支套与中心体法兰的连接通过中心体上法兰端面及法兰内径进行定位，具备较高的定位准确性和稳定的位置度，在反复拆卸\安装主反射面、副反射面和馈源时，是唯一可快速复位且位置度精准的部件，因此在整个测量过程中，可作为测量***的基准。

在馈源支套上粘贴的回光反射标，是为整个天线反射体建立稳定不变的基准，其粘贴位置按图5中的B、C向视图所示位置粘贴，粘贴示意图如图10和图11所示：

标志点命名：

馈源支套口面垂直于大地水平面，人面向馈源支套观看，馈源支套上标志分锥筒壁上1圈和法兰上1圈，锥筒壁上定义为T，法兰上定义为F，每圈各由4个标志点组成。上方的点均定义为1号点，顺时针增加。例如F2，代表法兰上右侧标志点(见图11右侧点)。

多角度摄影：

将天线仰角调整到适于人员进行摄影的角度，摄影人员搭乘路灯车或专用升降梯到达拍摄位置，然后从不同角度对天线(反光标志)进行摄影。

数据处理：

所有摄影数据导入计算机中，由软件对所有数据进行处理后得出拟合的天线反射体三维几何关系，根据事先导入计算机模型中的天线设计理论几何关系，计算出天线主反射体表面精度及主面、副面、馈源支套的三维几何关系数据，便于设计师判别反射体表面精度和主副面三维几何关系是否达到了设计的精度要求，如果达到了设计精度要求，则天线辐射特性必然满足指标要求(在天线结构设计时，根据反射体表面精度和天线主副面三维几何对所有辐射特性用仿真软件进行仿真，所有仿真结果满足指标要求时天线精度和三维几何才确定下来)。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种利用工业摄影测量法实现天线辐射特性测试的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据天线设计要求，获得主反射面表面精度及副面、馈源与主反射面的几何关系，建立天线理论几何关系；

步骤2：将天线理论几何关系导入测量计算机中，建立工业摄影测量基准坐标系；在天线***电气性能测试完成后，通过工业摄影法拍摄主反射面、副反射面和馈源表面上粘贴的描述各自位置姿态的测量标志点，处理得到主反射面、副反射面与馈源的三维几何关系；

步骤3：将步骤2得到的主反射面、副反射面与馈源的三维几何关系，与步骤1中的天线理论几何关系进行比对，如果各项误差小于设计时允许的最大公差，则认为天线辐射特性满足要求。

2.根据权利要求1所述一种利用工业摄影测量法实现天线辐射特性测试的方法，其特征在于：主反射面上测量标志点粘贴在主反射面每块面板四角的调整螺栓位置；副反射面上测量标志点对称粘贴在以副反射面中心为中心的正交十字线上；馈源上测量标志点按照十字对称分布粘贴在馈源支套壁表面和馈源支套法兰表面。