CN207232271U - 基于无人机的大型抛物面天线面型精度测试*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于无人机的大型抛物面天线面型精度测试***，其由探测部分和数据处理部分依次连接组成；其中探测部分包括搭载摄像头的无人机、识别标记、激光定标参考子***、信号接收发射模块Ⅰ，数据处理部分包括信号接收发射模块Ⅱ、计算机；该***基于无人机搭载的摄像探头拍摄位于天线表面的识别标示，能够在天线不同观测角度时快速、准实时获得当前的天线面板精度，快速修正面型可以迅速提升天线性能，克服了目前主流天线面型测量中的俯仰角兼顾、光线污染等问题。

Description

基于无人机的大型抛物面天线面型精度测试***

技术领域

本实用新型涉及大型抛物面天线测量和射电天文研究领域，适用于采用大型抛物面天线进行射电天文观测时对天线性能进行实时评估，获得当前的天线性能。

背景技术

随着科学技术的发展，大型抛物面天线应用到了地面通信天线、星载可展开天线、射电天文望远镜等诸多方面，同时也对反射面天线电性能指标提出了更高的要求，例如高增益、窄波束、高效率等，这必然提高抛物面天线的电磁设计和结构设计的难度。反射面天线通常工作在较高的频段，为了追求更高电性能指标，对天线结构的精度提出了更高的要求；因此，需要定量描述天线结构的各种误差信息对电性能的影响情况；其中，误差信息主要包括安装、制造误差和***误差，并且主要是反射面板的误差信息；安装、制造误差属于随机误差，是一种快速变化的误差，这类误差对电性能的影响可通过概率方法进行估计；Ruze最早给出了随机误差与增益损失之间的关系，Vu将其公式进行了扩展，对不均匀的随机误差与口径场的关系进行了研究，Rahma-t samii为了进行结构的参数化的研究，给出了随机误差对平均功率方向图影响的数学模型；Ruze、Vu、Rahma-t samii等人只对反射面随机误差(面板制造精度)对电性能的影响关系进行了研究；并没有考虑***误差影响；而***误差是天线结构所固有的；其来源是自重、温度、惯性、振动等载荷作用在天线结构上所引起的，这类误差是缓慢变化的，可通过结构分析确定结构变形信息。

2005年Bahadori K给出了***误差对电性能影响的关系模型，分析***误差对增益和副瓣电平的影响；然而Bahadori K没有给出反射面随机误差的影响以及反射面的背架支撑情况；但在天线的实际工况中，天线的各种误差信息(***误差和随机误差)是同时存在的。分析各种误差信息对电性能的综合影响情况，是符合实际情况的。对于反射面面板而言，随机误差取决于面板的制造精度，不会随着工作状态和环境而改变；***误差则受天线工作状态、环境及其背架支撑结构的影响。基于此，建立了反射面在随机误差和***误差同时存在时对电性能影响的数学模型。利用结构分析给出反射面的***误差信息，通过数值方法分析计算了误差ε对抛物面天线增益和副瓣电平的影响。

目前国内外对天线面板精度测量有以下方法：经纬仪法、微波全息法以及数字摄影法。经纬仪法由于其精度不高，已属于淘汰方法。

(一)微波全息法：

微波全息法通过上海天文台王锦清等人的长期摸索，已经日趋成熟。其方法在于：由于抛物面天线的口径场和远场存在二维傅里叶变换关系，利用这一关系可以测量大孔径天线的高频相位图，从而确定天线面板精度。

天微波全息法主要优点：

1.不依赖于外部光线；

2.快速得到面板分布情况。

主要缺点：

1.严重依赖于卫星频率和位置，如2012年在测量云南天文台40米射电望远镜时候我们采用了和上海天文台同样的卫星作为远场信号源，但是在云南昆明的地理纬度上看这颗星较之于上海地区高了近12°左右，造成了40米天线的测试调整角过高，在低俯仰位置上(35°以下)天线性能下降；

2.高频电磁波受到天气影响较大，在阴雨天气测量受影响；

3.测量俯仰面固定，无法兼顾多个俯仰面。

(二)数字摄影法

摄影测量的基本原理和双经纬仪***很相似，若用一台相机在两个位置对被测目标进行拍照，就可以得到被测量目标在两个不同角度的照片，这两个不同角度的照片就构成了立体像对。如果从多个摄站对被测量目标点进行拍摄，就可以得到被测量目标的多个立体像对，构成多目立体模型。

如果从多个摄站对目标进行拍摄，即可获取被测物体的多个立体像对，从而构成多目立体模型。设物方点只由i个摄站(i条光线)相交，则共有i个共线方程：

其中，x_s,y_s和z_s,a_ib_i和c_i(i＝1,2,3)分别为像片的外方位元素的平移量及旋转矩阵的元素；x₀,y₀,f,Δx,Δy为像片的内部参数，预先已标定好，可当作已知值；x和y为物方点坐标X,Y,Z所对应的像点坐标。根据最小二乘原理，将多个光线(束)的共线方程联立求解(光束法平差)可以求得物方点的空间坐标(X,Y,Z)。根据所得空间坐标，即可重建获得天线3D模型。

紫金山天文台青海德令哈观测站13.7米毫米波射电望远镜天线面板精度测量采用了数字摄影法，在2009年的测量中，测量前面板的精度误差为：0.768mm，测量调整后测量得到面板精度的误差为：0.083毫米。

中德合作的亚毫米波射电望远镜kosma也采用了该种方法，最终，内环面板面型精度达到14μm(r.m.s.)，整体面板面型精度优于24μm(r.m.s.)，达到了亚毫米波235GHz观测的面型精度的要求。

数字摄影法主要优点：

1.测量精度很高，不受微波频率影响；

2.兼顾各个俯仰角，且不受湿度温度影响；

3.快速计算得到面型精度。

主要缺点：

1.白天工作受到阳光影响；

2.天线高俯仰时需要导轨或者吊车，操作麻烦；

3.反光材料易被污染。

风速、温度的不同均会造成即使在同一俯仰角度下天线面型精度不同，如上海天文台新建的65米射电望远镜、新疆天文台拟建的110米射电望远镜以及云南天文台拟建的景东新射电望远镜均考虑了主动面型控制。

基于无人机搭载的摄像探头拍摄位于天线表面的识别标示，能够在天线不同观测角度快速、准实时获得当前的天线面板精度，加以快速修正面型可以迅速提升天线性能。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种基于无人机的大型抛物面天线面型精度测试***，主要适用于大型抛物面天线的射电天文观测领域，是一种快速、安全地获得天线面型参数的装置和方案，克服了目前主流天线面型测量中的俯仰角兼顾、光线污染等问题。

本实用新型是通过如下技术方案来实现的：

一种基于无人机的大型抛物面天线面型精度测试***由探测部分和数据处理部分依次连接组成。

其中探测部分由以下组成：

1、多轴无人机飞行器及其搭载的摄像头构成拍摄子***，多轴飞行器可以是四轴、六轴或者八轴飞行器，然后悬挂摄像头，摄像头内集成了存储卡可以将拍摄到的图片进行备份存储；

2、无人机携带信号接收发射模块Ⅰ，该模块与摄像头的存储卡和无人机的飞行控制电路相连，用于将摄像头拍摄到的图像调制成无线信号传送给地面的数据处理部分，同时接收地面数据处理部分发来的停止拍摄指令，该模块采用wifi、3G或者4G等无线频率进行发射和接收；

3、识别标记粘贴于天线主反射面表面，其由具有高光敏性的材料组成，易于被摄像头识别；

同时每个识别标记具有两两不同的识别特征，该特征可以是打印在标示上光敏材料制成的数字，也可以是通过不同的形状组合构成；

4、激光定标参考子***包括激光发射器和激光吸收器，激光发射器和吸收器的相对位置则可以精确确定，该***固定于天线面显眼处，适合无人机在任何角度均可拍摄到该激光束，其中激光发射器发射的激光到激光吸收器的距离可以精确测量得到，这就为整个测量提供了基准。

数据处理部分由以下部分组成：

1、信号接收发射模块Ⅱ，接收无人机发来图像信号并发射飞行控制命令，该模块采用wifi、3G或者4G等无线频率进行接收和发射；

2、计算机，计算机包括常规图形处理软件对无人机发来的图像进行识别后，查找该图像所在的天线位置，并进行虚拟三维定位，实现对整个天线面型的三维复原，当无人机完成所有识别标记的拍摄后并能完全复原天线面型后，通过信号接收发射模块Ⅱ向无人机发送停止拍摄信息；

根据所拍摄到的激光束长度，精确标定各个识别标记之间的相对位置，这样就恢复了天线面型的精确三维结构，获得了当前抛物面面型的误差分布，达到测量天线面型精度的目的。

本实用新型的效果：

完成大型抛物面天线面型的实时测量，可以快速获知目前俯仰角、风速、温度甚至日照环境下天线的相关性能参数，这对实际射电天文观测数据中的天线性能参数带来的影响至关重要，可以提升观测数据质量；同时如果配合主动面型控制***，可以形成一个准实时的闭环控制***，可以真正做到任意俯仰角度天线性能的最佳化；

为此本实用新型提出的采用无人机快速拍摄实现计算机视觉技术，为国内大型抛物面天线面板精度测量提供了新思路，同时项目也以期将成果推广到将来的天线测量***，提高数据质量。

附图说明

图1为本实用新型装置结构示意图；

图2为天线面型误差示意图；

图3为天线面板编号分布；

图4为标示图片示意图；

图5为标示图片示意图。

具体实施方式

如图1-5所示，基于无人机的大型抛物面天线面型精度测试***由探测部分和数据处理部分两部分依次连接组成：

探测部分由搭载摄像头的多轴无人机、黏贴于天线表面的识别标记、激光定标参考子***以及信号接收发射模块Ⅰ组成；

A、多轴无人机飞行器及其搭载的摄像头构成拍摄子***，多轴飞行器为六轴飞行器，然后悬挂摄像头，摄像头内集成了存储卡可以将拍摄到的图片进行备份存储；

同时无人机携带信号接收发射模块Ⅰ，该模块与摄像头和无人机的飞行控制电路相连，该模块采用wifi、3G或者4G等无线频率进行发射和接收；用于将摄像头拍摄到的图像调制成无线信号传送给地面的数据处理部分，同时接收地面数据处理部分发来的停止拍摄指令，在拍摄完所有的标示后地面数据处理部分发来停止飞行的命令，无人机停止飞行；

B、位置识别标记粘贴于天线主反射面表面，其有具有高光敏性的材料组成，易于被摄像头识别；每个标示具有两两不同的识别特征，该特征可以是打印在标示上光敏材料制成的数字，数字表示了天线的面板的编号(图4)；

也可以是通过不同的形状组合构成；例如：识别标记设计为圆形，为天线每一环道的面板靶点分配一种颜色；为天线每一扇区的面板分配一种颜色，在某一环道和某一扇区交点处面板的靶点则为两种颜色的半圆组成(图5)；

C、激光定标参考子***包括激光发射器和激光吸收器；

该激光定标参考子***固定于天线面显眼处，适合无人机在任何角度均可拍摄到该激光束，其中激光发射器发射的激光到激光吸收器的距离可以精确测量得到，这就为整个测量提供了基准。

数据处理部分包括信号接收发射模块Ⅱ、计算机。

信号接收发射模块Ⅱ采用wifi、3G或者4G等无线频率进行接收和发射，主要接收无人机发来图像信号发射飞行控制命令，在无人机拍摄完所有的标示后向无人机发送；

计算机采用常规数据处理软件，对每次无人机发来的图像进行识别后，查找该图像所在的天线位置，并进行虚拟三维定位，实现对整个天线面型的三维复原，当无人机完成所有标示的拍摄后并能完全复原天线面型后，通过数据发射-接收模块向无人机发送停止拍摄信息；

根据所拍摄到的激光束长度，精确标定各个位置标示之间的相对位置，这样就恢复了天线面型的精确三维结构，获得了当前抛物面面型的误差分布，达到测量天线面型精度的目的。

在测试过程中，假设针对的是半径为a，焦长为f的抛物反射面天线，由于反射面位于馈源的远区，则由馈源发出的电磁波，经反射面到达口径面。通常表面误差也不会很大，可认为表面误差对口径面电磁场幅度的影响可以忽略，只会引起口径面上电磁场的相位误差。表面误差的表示形式有轴向误差、径向误差和法向误差，这里采用轴向误差表示表面误差信息。其中图2中虚线为反射面变形后的位置，依据图中的几何关系,光程差为:

电磁波经反射体反射由于Δz存在引起的光程差为：

Δδ＝Δz(1+cosξ)＝2Δzcos²(ξ/2) (1)

对于不同的电磁波(λ)Δz引起的相位误差为：

Δz包含***误差和随机误差：

Δz＝Δz_r+Δz_s (3)

那么

随机误差可通过面板的制造精度来确定,通常由制造公差来表示，需通过概率方法处理；***误差则需对天线结构进行有限元分析，来确定其变形信息Δz；

设反射面天线的理想设计形状为：z₀＝f₀(ρ',φ')；在各种载荷(风、重力等)的影响下，反射面的实际形式是：

z(ρ',φ')＝z₀+Δz_s＝f₀(ρ',φ')+Δz_s(ρ',φ') (6)

根据结构刚度方程:

[K]{δ}＝{p} (7)

其中[K]为结构刚度矩阵，{δ}为节点位移向量，{p}为载荷向量。

求解方程，可得反射面的节点位移向量：

{δ_i}＝{Δρ'_i,Δφ'_i,Δz'_i} (8)

天线面型形变后的节点坐标信息为：

{ρ'_i,φ'_i,z_0i}+{δ_i}＝{ρ'_i+Δρ'_i,φ'_i+Δφ'_i,z_0i+Δz_0i} (9)

通过插值或者拟合的方法，可给出变形后反射面的形状z(ρ',φ')；利用式(5)，则可以确定变形后反射面的轴向误差Δz_s(ρ',φ')；

根据天线方向图的计算公式：

E(θ,φ)＝∫∫E₀(ρ',φ')e^{jkρ'sinθcos(φ-φ}'⁾ρ'dρ'dφ' (10)

根据口径场法，变形反射面天线的远场方向图函数为：

其中：为口径面A上的相位误差，为口径面A上的场分布函数；由于随机误差需要通过概率的方法进行处理；因此，对口径面进行网格划分，采用图3所示沿径向划分为N个环，每一环又划分为K_n个网格，假定每一个网格内随机的相位误差是相同的，且等于该网格区域内中心点处相位误差；

将方程离散化表示为(随机误差作用)：

对于单块面板产生的远场电势可以表示为(***误差作用)：

写成离散形式的天线辐射功率方向图为：

平均辐射功率方向图为：

设网格间的随机误差相互独立，且每环上的随机误差满足均值为0，标准差为ε_nε_m的正态分布，则得到：

面板制造误差的均方根和标准差之间的关系为：

((ε_rms)_n是第n环的表面制造误差) (17)

化简天线平均辐射功率公式得到表面误差含有***和随机误差情况下，对天线平均辐射功率方向图影响的误差模型如下：

通过表面误差对反射面天线电性能影响的数学模型，分析了随机误差和***误差单独存在时，对电性能的影响情况。

在实际测量中，首先在抛物面天线表面黏贴标示，一般说来40米口径的抛物面天线需要1400个左右的标示，它们均匀黏贴天线表面；

然后设置激光收发器位置，将收发器固定于天线显眼处，一般固定于天线馈源不同的撑杆上，距离为3-5米为宜，获得标尺距离后传给处理计算机；

再次，在天气允许的情况下施放无人机，对所有标示进行拍摄，同时一并拍摄激光标尺长度，还要注意天线和阳光的反射，尽量不要受到阳光污染；

在拍摄的同时通过无人机携带的信号接收发射模块Ⅰ将拍摄到的图像传给计算机；

在计算机中采用AICON的摄影测量***的图像处理软件将无人机拍摄到的图像进行拼接，同时完成与激光标尺长度的比对，完成拼接后向无人机发送停止拍摄命令，无人机即可收回。

具体操作：1、粘贴识别标记；2、坐标定位，以天线中心体上法兰粘贴的识别标记确定参考坐标；3、通过专业摄影测量***将靶标各点经行数据采集和虚拟三维定位，实现对整个天线面型的三位复原。

Claims (3)

1.一种基于无人机的大型抛物面天线面型精度测试***，其特征在于：由探测部分和数据处理部分依次连接组成；

其中探测部分包括搭载摄像头的无人机、识别标记、激光定标参考子***、信号接收发射模块Ⅰ，识别标记、激光定标参考子***设置在大型抛物面天线表面，摄像头通过存储卡与信号接收发射模块Ⅰ连接；无人机的飞行控制电路与信号接收发射模块Ⅰ连接；

数据处理部分包括信号接收发射模块Ⅱ、计算机，计算机通过信号接收发射模块Ⅱ与信号接收发射模块Ⅰ连接。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的大型抛物面天线面型精度测试***，其特征在于：激光定标参考子***包括激光发射器和激光吸收器。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的大型抛物面天线面型精度测试***，其特征在于：识别标记具有不同的识别特征，两两不同。