[发明专利]基于无人机的大型抛物面天线面型精度测试系统

说明书

技术领域

本发明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、制造误差和系统误差，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；并没有考虑系统误差影响；而系统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给出了系统误差对电性能影响的关系模型，分析系统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(系统误差和随机误差)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；系统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系统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系统误差信息，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系统很相似，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。