用于天线或辐射系统的表征和测量的机载系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于辐射系统或者天线(5)的测量和表征的机载系统和方法，包括：航空模块(1)，包括电磁发射测量单元(11)，其捕获由辐射系统或天线(5)辐射的电磁场(E)，以及定位和引导系统(13)，具有等于或小于3cm的精度；以及地面站(2)，包括电磁发射测量的处理单元(23)，其通过一组电磁发射测量处理算法(25)处理测量。本发明专利技术还涉及用于测量和表征辐射系统或者天线(5)的方法。本发明专利技术适用于需要表征或测量天线的领域，诸如，例如雷达和无线电导航设施，基于地面和卫星的电信系统，或地面广播设施。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于天线或辐射系统的表征和测量的机载系统和方法
本专利技术涉及一种用于天线或辐射系统的表征和测量的机载系统和方法，包括至少一个航空模块、一个地面站以及元件间的通信系统。本专利技术还涉及处理辐射的电磁场的方法，以获得被测天线或辐射系统孔径处的电磁场分布，根据该分布可以对被测天线及其辐射图以及电磁防护体进行诊断。本专利技术适用于需要表征或测量天线或辐射系统的领域，例如雷达和无线电导航系统，地面和卫星电信系统或地面广播设施。
技术介绍
诸如无人机、UAV(无人飞行器)、UAS(无人飞行系统)、RPA(遥控驾驶航空器)等的无人飞行器技术的发展正导致其在广泛的领域中的应用，例如制图和地形、安全和监视、基础设施检查、自然灾害援助等。它们的主要优点之一是能够进入难以通过陆地进入的地方。在无线电通信领域，假定天线是充当非引导介质(空气、真空)和引导介质(同轴电缆、波导)之间的接口的元件，则对天线或其他辐射系统的测量和表征是验证通信系统正确功能的基本方面之一。用于天线测量和表征的系统可以大致分为室外系统或范围和室内系统或范围。由于室外系统或范围可以将被测天线与用作测量探针的天线分开，其可以直接测量天线辐射图。主要缺点是实施它们所需的空间(主要是被测天线所在的基础设施与用作测量探针的天线所在的基础设施之间有相当大的距离)，以及暴露在恶劣天气下从而限制了其使用。对于室内系统或范围，它们通常位于被称为消声室的外壳中，该外壳完全覆盖有吸收性材料，可最大程度地减少墙、地板以及天花板对电磁波的反射。与室外范围一样，被测天线放置在基座或塔架上，用作测量探针的天线放置在与第一基站或塔架相距一定距离的另一个基座或塔架上。取决于被测天线的尺寸、工作频率以及被测量天线与测量探针之间的距离，可以在被测天线的近场或远场区域中获得由被测天线辐射的电磁场。通常认为，如果条件Rmeasure＝2D2/λ并且Rmeasure>10λισμετ，则电磁场在远场区域中测量(其中Rmeasure是被测天线与测量探针之间的距离，D是被测天线外接的最小球体的直径，并且λ是工作波长)。天线辐射图的测量只能在远场中进行。如果在近场区域中测量天线，则必须应用近场至远场变换算法，以从进行的测量中获得辐射图。这种变换算法通常用于处理消声室中进行的测量，由于其大小，不可能直接测量在远场区域辐射的电磁场。新的通信系统已导致开发更复杂的天线，以实现某些辐射特性。因此，一些新技术也已经被开发，其能够表征天线，从而能够检测其中的可能故障。在天线群集(或阵列)的情况下对这些技术特别感兴趣，其中单个元件的故障会破坏辐射图的特性(例如，恶化诸如副瓣方向性或比例的参数)。它们还用于检测反射器型天线的变形。天线诊断技术利用对辐射的电磁场(通常是近场)的幅度和相位的了解来获得电磁场在待诊断的天线的孔径平面中的分布。根据该场的表示，可以识别操作不正确的元件或变形。所以，在Lopez,Y.A.,Cappellin,C.,Las-Heras,F.,&Breinbjerg,O.(2008年)的文献，“球面波扩展到平面波扩展和天线诊断的源重构方法的比较(Onthecomparisonofthesphericalwaveexpansion-to-planewaveexpansionandthesourcesreconstructionmethodforantennadiagnostics)”，电磁研究的进展，87，245-262页中，他们比较了两种用于诊断反射器型天线的方法，一种是基于借助于在一组平面波和球面波模式下辐射的电磁场的扩展进行被测天线的表征，另一种是基于通过天线孔径平面内的重构电流的分布进行被测天线的表征。该文献证明，对孔径平面中电磁场的了解能够识别被测天线中是否存在变形。所提出的方法的主要局限性在于它们采用了对标准表面(在所举示例的情况中为球形表面)上的电磁场的测量。此外，在基于将辐射的电磁场扩展为一组平面波模式和球形波模式的方法的情况中，需要有关被测天线尺寸的信息，以确定电磁场扩展所需的模式数量在测量范围(室内或室外)内对天线进行测量和表征的缺点是需要将被测天线从其工作位置拆除，这将导致服务中断。无人飞行器技术的飞速发展使得通过在无人飞行器上安装测量探针能够实现一种新的测量天线的技术。该飞行器按照预定的轨迹沿着被测天线周围的路径运动，以使得测量探针获取在该轨迹各点处的辐射的电磁场。使用无人飞行器的天线测量系统的主要优点是：i)不必从天线的位置拆卸天线；ii)不必引起无线电通信服务的中断；iii)其测量速度得益于无人飞行器的飞行速度；iv)测量位于难以接近的地方的天线的能力；以及v)测量系统的简便性，因为它不需要天线测量范围的整个基础设施。主要限制是所获得的结果的准确性，该准确性将始终低于为此目的而建立的天线测量范围内所获得的准确性。对使用飞行器的天线测量系统的兴趣使国际电信联盟(InternationalTelecommunicationUnion，ITU)在2014年6月的ITU-RSM.2056-1报告中发布了一系列有关从飞机测量天线辐射图的测量程序、必要设备和通知程序的一般性建议。该报告针对特定的飞机平台和广播系统，主要是基于直升机或有人驾驶飞机的系统，提出了其他建议。该报告仅限于对天线辐射图的直接测量，因此表明需要在远场区域进行测量。在Virone,G.,Paonessa,F.,Peverini,O.A.,Addamo,G.,Orta,R.,Tascone,R.,和Bolli,P的文献(2014年11月)，“利用飞行远场源(六旋翼)进行天线图案测量(Antennapatternmeasurementswithaflyingfar-fieldsource(Hexacopter))”，2014年IEEE天线测量与应用会议(AntennaMeasurements&Applications，CAMA)(1-2页)和Virone,G.,Lingua,A.M.,Piras,M.,Cina,A.,Perini,F.,Monari,J.&Tascone,R的文献(2014年)，“基于微型无人飞行器(UAV)的天线图案验证系统(Antennapatternverificationsystembasedonamicrounmannedaerialvehicle(UAV))”，IEEE天线和无线传播信函，13节，169-172页，描述了一种基于六旋翼型无人飞行器的系统，该系统上附有一根导线天线，用作测量探针。UAV的定位是通过使用航路点和全球定位系统(GPS)进行的，该系统可使UVA沿着被测天线周围的特定路径行驶。在飞行路径中获得的精度约为5m。在这样的系统中，UVA在距离被测天线数十米处飞行，因此相对定位误差小(小于被测天线与UVA上探针之间距离的5％)。由于使用了基于激光的跟踪系统或光栅，其可以使无人飞行器距地面站的距离达到厘米级的精度，该误差可以降低到1％以下。这样，电磁场测量可以是具有厘米精度的地理配准。使用基于激光的跟踪系统引起的问本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于天线或者电磁波辐射系统的测量和表征的机载系统，包括：/n-航空模块(1)，沿着测量路径(7)的点移动，并且进一步包括接收天线(112)、所述航空模块(1)的定位和引导系统(13)以及航空控制单元(15)，其中，所述接收天线(112)捕获由一个或多个天线或辐射系统(5)辐射的电磁场(E)并且连接到电磁发射测量单元(11)，所述航空控制单元(15)从所述电磁辐射测量单元(11)和所述定位和引导系统(13)收集信息，控制所述航空模块(1)的飞行参数以及与地面站(2)交换信息；/n-所述地面站(2)，进一步包括用于所述航空模块(1)的飞行控制系统(21)、由所述电磁发射测量单元(11)接收的电磁发射测量的处理单元(23)以及计算机应用程序(24)，所述电磁发射测量的处理单元(23)经由一组电磁发射测量处理算法(25)处理由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的测量；以及/n-通信装置，用于在所述航空模块(1)和所述地面站(2)之间发送和接收无线信号；/n其特征在于，所述接收天线(112)指向所述天线或辐射系统(5)；所述电磁发射测量单元(11)直接或间接提供沿所述测量路径(7)由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的幅度和/或相位的信息；所述航空模块(1)的所述定位和引导系统(13)包括全球定位系统(131)、基于惯性传感器的定位系统(132)、与位于所述地面站(2)的实时卫星动态导航基站(22)交换信息的基于实时卫星动态导航的定位系统(133)以及基于摄影测量的定位系统(134)，其中，所述定位和引导系统(13)将信息发送到所述航空控制单元(15)，提供具有等于或小于三厘米精度的所述航空模块(1)的精确的三维位置以及由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的测量的地理配准；由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的所述幅度和/或相位由所述电磁发射测量的处理单元(23)处理，从而表征所述天线或辐射系统(5)；用于处理来自所述电磁发射测量的处理单元(23)的所述电磁发射测量的一组算法(25)是用于获得天线孔径处电磁场分布的近场-近场变换算法(41)、用于获得天线辐射图的近场-远场变换算法(42)以及用于确定所述天线或辐射系统(5)的电磁防护体的算法(43)；所述计算机应用程序(24)提供所述天线或辐射系统(5)的辐射图、辐射源图(70)和/或电磁防护体(61)；并且，在所述航空模块(1)和所述地面站(2)之间发送和接收无线信号的所述通信装置为了避免与由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的频率重叠，使用选自至少两个不同频带的频带。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170303 ES P2017002091.一种用于天线或者电磁波辐射系统的测量和表征的机载系统，包括：
-航空模块(1)，沿着测量路径(7)的点移动，并且进一步包括接收天线(112)、所述航空模块(1)的定位和引导系统(13)以及航空控制单元(15)，其中，所述接收天线(112)捕获由一个或多个天线或辐射系统(5)辐射的电磁场(E)并且连接到电磁发射测量单元(11)，所述航空控制单元(15)从所述电磁辐射测量单元(11)和所述定位和引导系统(13)收集信息，控制所述航空模块(1)的飞行参数以及与地面站(2)交换信息；
-所述地面站(2)，进一步包括用于所述航空模块(1)的飞行控制系统(21)、由所述电磁发射测量单元(11)接收的电磁发射测量的处理单元(23)以及计算机应用程序(24)，所述电磁发射测量的处理单元(23)经由一组电磁发射测量处理算法(25)处理由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的测量；以及
-通信装置，用于在所述航空模块(1)和所述地面站(2)之间发送和接收无线信号；
其特征在于，所述接收天线(112)指向所述天线或辐射系统(5)；所述电磁发射测量单元(11)直接或间接提供沿所述测量路径(7)由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的幅度和/或相位的信息；所述航空模块(1)的所述定位和引导系统(13)包括全球定位系统(131)、基于惯性传感器的定位系统(132)、与位于所述地面站(2)的实时卫星动态导航基站(22)交换信息的基于实时卫星动态导航的定位系统(133)以及基于摄影测量的定位系统(134)，其中，所述定位和引导系统(13)将信息发送到所述航空控制单元(15)，提供具有等于或小于三厘米精度的所述航空模块(1)的精确的三维位置以及由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的测量的地理配准；由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的所述幅度和/或相位由所述电磁发射测量的处理单元(23)处理，从而表征所述天线或辐射系统(5)；用于处理来自所述电磁发射测量的处理单元(23)的所述电磁发射测量的一组算法(25)是用于获得天线孔径处电磁场分布的近场-近场变换算法(41)、用于获得天线辐射图的近场-远场变换算法(42)以及用于确定所述天线或辐射系统(5)的电磁防护体的算法(43)；所述计算机应用程序(24)提供所述天线或辐射系统(5)的辐射图、辐射源图(70)和/或电磁防护体(61)；并且，在所述航空模块(1)和所述地面站(2)之间发送和接收无线信号的所述通信装置为了避免与由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的频率重叠，使用选自至少两个不同频带的频带。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括两个或更多的航空模块(1)。


3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述航空模块(1)是无人飞行器。


4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述无人飞行器是多旋翼飞机。


5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述测量路径(7)呈现任意的形状或几何形状，并且一个测量点与另一测量点之间的距离等于或小于三厘米。


6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述接收天线(112)耦合到受控的关节臂或受控的万向节悬架，以指向所述天线或辐射系统(5)。


7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述接收天线(112)附接到所述航空模块(1)，所述接收天线被定向为使其指向所述天线或辐射系统(5)。


8.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述电磁发射测量单元(11)是相干检测器，其测量在所述测量路径(7)处测量的由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的所述幅度和相位。


9.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述电磁发射测量单元(11)是功率检测器，其测量在所述测量路径(7)处测量的由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的所述幅度。


10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括迭代相位恢复算法(40)，其基于在所述测量路径(7)处测量的由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的所述幅度，恢复由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的所述相位。


11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述迭代相位恢复算法(40)包括通过最小化由以下等式定义的FCa成本函数，计算表征所述天线或辐射系统(5)的一组辅助系数：



其中，|E|表示在所述测量路径(7)处测量的由所述天线或辐射系统(5)辐射的所述电磁场(E)的所述幅度，表示根据所述一组辅助系数计算的理论电磁场的幅度，Iq表示所述电磁场的积分方程，其将所述理论电磁场与所述辅助系数相关联，并且Ca表示所述辅助系数；
并且，当所述FCa成本函数的值小于给定公差时，所述理论电磁场的所述幅度和所述辐射的电磁场(E)的所述幅度被认为是足够相似的，使得所述一组辅助系数使所述辐射的电磁场(E)的建模精度小于或等于所述给定公差。


12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤里·阿尔瓦雷斯·洛佩兹，玛丽亚·加西亚·费尔南德斯，费尔南多·拉斯赫拉斯·安德烈斯，安娜·阿波利亚·阿波利亚，博尔哈·冈萨雷斯·瓦尔德斯，约兰达·罗德里格斯·瓦奎罗，安东尼奥·加西亚·皮诺，
申请(专利权)人：奥维耶多大学，维戈大学，
类型：发明
国别省市：西班牙;ES