[發(fā)明專利]基于無人機的大型拋物面天線面型精度測試系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2017-10-11
• 公開（公告）號: CN107727945B
• 公開（公告）日: 2023-10-13
• 發(fā)明（設計）人: 董亮;周屹;吳昕穎;張新盼;張云港;梁斌;楊鳳輝;高亦菲;高冠男;郭少杰;汪敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院云南天文臺;中國電子科技集團公司第三十九研究所
• 主分類號: G01R29/10
• 分類號: G01R29/10;G01R29/04
• 代理公司: 昆明大百科專利事務所 53106
• 代理人: 蘇蕓蕓

技術領域

本發(fā)明涉及大型拋物面天線測量和射電天文研究領域，適用于采用大型拋物面天線進行射電天文觀測時對天線性能進行實時評估，獲得當前的天線性能。

背景技術

隨著科學技術的發(fā)展，大型拋物面天線應用到了地面通信天線、星載可展開天線、射電天文望遠鏡等諸多方面，同時也對反射面天線電性能指標提出了更高的要求，例如高增益、窄波束、高效率等，這必然提高拋物面天線的電磁設計和結構設計的難度。反射面天線通常工作在較高的頻段，為了追求更高電性能指標，對天線結構的精度提出了更高的要求；因此，需要定量描述天線結構的各種誤差信息對電性能的影響情況；其中，誤差信息主要包括安裝、制造誤差和系統(tǒng)誤差，并且主要是反射面板的誤差信息；安裝、制造誤差屬于隨機誤差，是一種快速變化的誤差，這類誤差對電性能的影響可通過概率方法進行估計；Ruze最早給出了隨機誤差與增益損失之間的關系，Vu將其公式進行了擴展，對不均勻的隨機誤差與口徑場的關系進行了研究，Rahma-t samii為了進行結構的參數化的研究，給出了隨機誤差對平均功率方向圖影響的數學模型；Ruze、Vu、Rahma-t samii等人只對反射面隨機誤差(面板制造精度)對電性能的影響關系進行了研究；并沒有考慮系統(tǒng)誤差影響；而系統(tǒng)誤差是天線結構所固有的；其來源是自重、溫度、慣性、振動等載荷作用在天線結構上所引起的，這類誤差是緩慢變化的，可通過結構分析確定結構變形信息。

2005年Bahadori K給出了系統(tǒng)誤差對電性能影響的關系模型，分析系統(tǒng)誤差對增益和副瓣電平的影響；然而Bahadori K沒有給出反射面隨機誤差的影響以及反射面的背架支撐情況；但在天線的實際工況中，天線的各種誤差信息(系統(tǒng)誤差和隨機誤差)是同時存在的。分析各種誤差信息對電性能的綜合影響情況，是符合實際情況的。對于反射面面板而言，隨機誤差取決于面板的制造精度，不會隨著工作狀態(tài)和環(huán)境而改變；系統(tǒng)誤差則受天線工作狀態(tài)、環(huán)境及其背架支撐結構的影響。基于此，建立了反射面在隨機誤差和系統(tǒng)誤差同時存在時對電性能影響的數學模型。利用結構分析給出反射面的系統(tǒng)誤差信息，通過數值方法分析計算了誤差ε對拋物面天線增益和副瓣電平的影響。

目前國內外對天線面板精度測量有以下方法：經緯儀法、微波全息法以及數字攝影法。經緯儀法由于其精度不高，已屬于淘汰方法。

(一)微波全息法：

微波全息法通過上海天文臺王錦清等人的長期摸索，已經日趨成熟。其方法在于：由于拋物面天線的口徑場和遠場存在二維傅里葉變換關系，利用這一關系可以測量大孔徑天線的高頻相位圖，從而確定天線面板精度。

天微波全息法主要優(yōu)點：

1.不依賴于外部光線；

2.快速得到面板分布情況。

主要缺點：

1.嚴重依賴于衛(wèi)星頻率和位置，如2012年在測量云南天文臺40米射電望遠鏡時候我們采用了和上海天文臺同樣的衛(wèi)星作為遠場信號源，但是在云南昆明的地理緯度上看這顆星較之于上海地區(qū)高了近12°左右，造成了40米天線的測試調整角過高，在低俯仰位置上(35°以下)天線性能下降；

2.高頻電磁波受到天氣影響較大，在陰雨天氣測量受影響；

3.測量俯仰面固定，無法兼顧多個俯仰面。

(二)數字攝影法

攝影測量的基本原理和雙經緯儀系統(tǒng)很相似，若用一臺相機在兩個位置對被測目標進行拍照，就可以得到被測量目標在兩個不同角度的照片，這兩個不同角度的照片就構成了立體像對。如果從多個攝站對被測量目標點進行拍攝，就可以得到被測量目標的多個立體像對，構成多目立體模型。

如果從多個攝站對目標進行拍攝，即可獲取被測物體的多個立體像對，從而構成多目立體模型。設物方點只由i個攝站(i條光線)相交，則共有i個共線方程：

其中，x_s,y_s和z_s,a_ib_i和c_i(i＝1,2,3)分別為像片的外方位元素的平移量及旋轉矩陣的元素；x₀,y₀,f,Δx,Δy為像片的內部參數，預先已標定好，可當作已知值；x和y為物方點坐標X,Y,Z所對應的像點坐標。根據最小二乘原理，將多個光線(束)的共線方程聯(lián)立求解(光束法平差)可以求得物方點的空間坐標(X,Y,Z)。根據所得空間坐標，即可重建獲得天線3D模型。