用于天线或辐射系统的表征和测量的机载系统和方法与流程
本发明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。本发明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。
本发明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。
背景技术：
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题是，它增加了测量系统的复杂性，并且需要在激光所在的地面站和uav之间形成直接的视线。
无人机测量塔天线功率_智能无人机(dronemeasurestowerantennapowers_smartdrone)提供的文档中描述了使用无人飞行器的另一种天线测量系统[于2017年1月3日检索]，其中也使用航路点和gps定位进行无人机定位，检索的网站为：“http：//www.smartdrone.com/drone-measures-tower-antenna-powers.html”。在这种情况下，要求定位精度为+/-2m。
使用上述无人飞行器的天线测量系统仅捕获由被测天线辐射的电磁场的幅度。并且，在距天线很远的距离(几十米或几百米)处进行测量，以确保它位于天线的远场区域，从而最小化被测天线与连接到无人飞行器的测量探针之间的相对定位误差。所描述的技术的主要局限性是：
-从距离被测量天线数十米或数百米的地方测量时，会失去动态范围，因此需要更灵敏的功率检测器(因为被测天线发射的功率无法调整)。
-该系统仅提供辐射的电磁场幅度数据，该数据随后不被处理。因此，不可能对被测天线进行诊断，这是一个很大的局限性，因为在天线簇或反射器型天线的情况下，不可能根据辐射图的知识来重建天线孔径处的电磁场，因此也不可能识别出功能异常的元件或反射器中的变形。
因此，现有的系统和方法仅允许直接测量辐射图，而不能对被测量天线进行诊断。此外，此限制意味着当前系统无法在近场区域中测量辐射的电磁场的幅度和相位，并且随后无法应用近场-远场变换来获得辐射图。
专利文献us20160088498a1公开了一种用于表征天线发射的辐射的系统，该系统包括具有机载信号强度检测器天线的无人飞行器；以及一种表征天线的辐射的方法，基于在给定位置进行的接收信号电平的测量进行地理配准。该发明的描述表明，飞行器定位系统可以基于gps系统。同样，主要局限性是基于以下事实：无论是系统还是方法都没有考虑恢复被测信号的相位，这使得无法在被测天线的近场区域进行测量以及对天线进行诊断。该发明也没有对关于工作频带的限制有任何提及。
专利文献us9439092b1公开了一种用于实施移动电话天线诊断的系统和方法。在该发明中，假设天线的热像正比于天线的发射功率，使用热图来确定呈现异常操作的元件或天线。该发明的主要缺点在于，除了限于某种类型的天线之外，它还不能测量辐射图。
因此，天线的表征不仅需要测量辐射的电磁场的幅度，还需要测量其相位。这需要测量设备，例如矢量信号分析仪或两通道接收器(相位和方波，i/q：同相/正交)。关于矢量分析仪，尽管存在便携式商用版本，但它们的重量、价格以及复杂性使它们无法通过将它们安装在无人飞行器上用于天线的测量和表征。对于两通道接收器，其电路比矢量分析仪的电路更简单，从而使设备更紧凑、更便宜并且重量更轻。
在天线的室内范围测量领域(主要在消声室中)，已开发出在无法使用能够测量幅度和相位的测量设备时恢复由被测天线辐射的电磁场的相位的方法。这些方法可分为两大类：一方面是基于干涉测量的方法，另一方面是迭代相位恢复方法。
anaarboleya,jaimelaviada,juhaala-laurinaho,yuri
如y.
根据电磁场的测量的天线表征和辐射图计算要求在使用能够测量幅度和相位的检测器时，两个相邻测量点之间的间隔等于或小于测量频率处波长的一半，并且在使用仅能测量幅度的检测器时，两个相邻测量点之间的间隔等于或小于测量频率处波长的四分之一。在使用无人飞行器测量天线的情况下，使用基于实时卫星动态导航或rtk(实时动态)的定位系统提供厘米级的定位精度，这限制了s波段范围(2至4ghz)的最高工作频率。
专利文献es2577403b2公开了一种机载系统和方法，用于检测、定位和获得掩埋物的图像以及底土成分的表征。在该发明中，航空模块的定位和引导系统包括全球定位系统、基于惯性传感器的定位系统、基于实时卫星动态导航或rtk的定位系统以及基于摄影测量的定位系统。定位和引导系统能够以等于或小于三厘米的精度精确地对航空模块进行三维定位并且对雷达单元获得的数据进行地理配准。该发明需要一种发射电磁波的雷达模块，并且在被地面、底土和/或可能的掩埋物反射后，被接收回雷达模块中。通过测量发射信号与接收信号之间的延迟时间，可以得出与地面、底土和/或可能的掩埋物的距离。该发明无法进行天线的测量，因为由于雷达模块被设计为精确地测量模块自身发射的电磁场的反射，因此雷达模块无法测量由另一电磁场源，诸如天线，发射的电磁场。同样，雷达信号处理算法可以获取底土和其中可能的掩埋物的图像，但不能表征天线的辐射源，也不能计算辐射图。该发明的另一个局限性是需要两个天线，一个用于发射，一个用于接收，这带来了更大的技术复杂性，并且需要一种具有更大负载能力的无人飞行器。
现有技术中提到的解决方案没有解决在被测天线或辐射系统的工作频率与uav和地面站之间的通信装置所使用的频率部分或完全重叠的情况下出现的问题；给出的示例始终假定这些频率相差足够大，不会互相干扰。该假设意味着，基于对被测天线的工作频率的先验知识来选择通信装置的频率。但是，天线和多频带辐射系统的存在，以及对使用无线电频谱来建立uav与地面站之间通信装置的频率的约束，限制了这些装置的频率选择的灵活性。在频率重叠的情况下，uav与地面站之间的通信可能会受到干扰，导致飞行器部分或完全失去控制，从而削弱或破坏其运行能力。在天线测量的情况下，这个问题会更加严重，因为在频率重叠的情况下，被测天线发射的功率大于用于飞行器与地面站之间通信的发射器的发射功率。
技术实现要素：
本发明涉及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，其包括至少一个航空模块、一个地面站以及位于元件之间的通信系统。本发明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电磁场的分布，由此可以进行被测天线的诊断，同样可以确定被测天线的辐射图和电磁防护体。
为了本发明及其描述的目的，“操作者”是指负责监督构成本发明的不同系统和方法以及与需要人机通信的不同过程进行交互的人员。
为了本发明的目的，“测量路径”被理解为是由操作者在使用本发明中描述的系统和方法之前定义的一组空间坐标。通过被测天线辐射的电磁场的测量将在这组空间坐标中进行。
为了本发明的目的，积分方程被理解为是麦克斯韦方程组的积分形式，其将以辅助系数表示或以电流分布表示的电磁场源与这些源所产生的电磁场相关联。
为了本发明的目的，理论场被理解为是使用电磁场的积分方程从电磁场源计算得到的。
本发明的一方面为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，其包括：
-至少一个航空模块，其进一步包括：接收天线，其在当航空模块沿着测量路径的点移动时，捕获由一个或多个天线或辐射系统辐射的电磁场；以及连接到接收天线的电磁发射测量单元。航空模块还包括航空模块的定位和引导系统以及航空控制单元，航空控制单元从电磁发射测量单元和定位和引导系统收集信息，控制航空模块的飞行参数并且与地面站交换信息；
-地面站，进一步包括：航空模块的飞行控制系统，通过电磁发射测量单元接收的电磁发射测量的处理单元，以及计算机应用程序。电磁发射测量的处理单元借助于一组电磁发射测量处理算法处理由天线或辐射系统辐射的电磁场的测量；
-通信装置，用于在航空模块和地面站之间发送和接收无线信号。
位于航空模块中的系统的接收天线指向天线或辐射系统，以便捕获由一个或者多个天线或辐射系统辐射的电磁场。
另一方面，电磁发射测量单元直接或间接提供沿测量路径由天线或辐射系统辐射的电磁场的幅度和/或相位的信息。
航空模块的定位和引导系统包括全球定位系统、基于惯性传感器的定位系统、与位于地面站的实时卫星动态导航基站交换信息的基于实时卫星动态导航的定位系统以及基于摄影测量的定位系统。定位和引导系统向航空控制单元发送信息，以提供具有等于或小于三厘米精度的航空模块的精确三维位置以及由天线或辐射系统辐射的电磁场的测量的地理配准。这是由于为了使系统算法正确执行对由被测量天线辐射的电磁场的测量的处理，并对其进行表征和测量，它们需要具有等于或小于三厘米的精度的值的航空模块的精确三维位置以及利用电磁发射测量单元获得的数据的地理配准。
由天线或辐射系统辐射的电磁场的幅度和/或相位由位于地面站处的电磁发射测量的处理单元处理，从而表征天线或辐射系统。
使用航空模块与地面站交换的信息进行被测天线的诊断、辐射图的计算以及电磁防护体的确定，其中，航空模块与地面站交换的信息在电磁发射测量的处理单元中使用一组电磁发射测量处理算法处理。来自电磁发射测量的处理单元的用于处理电磁发射测量的一组算法如下：用于获得天线孔径处的电磁场分布的近场-近场变换算法、用于获得天线辐射图的近场-远场变换算法以及用于确定天线或辐射系统的电磁防护体的算法。
另一方面，计算机应用程序提供借助于用于处理电磁发射测量的一组算法计算的天线或辐射系统的辐射图、辐射源图和/或电磁防护体。这样，操作员可以在天线所处的同一地点实时获得被测量天线或辐射系统的诊断信息，从而节省了时间和移动性。
在航空模块和地面站之间发送和接收无线信号的通信装置为了避免与由天线或辐射系统辐射的电磁场的频率重叠，使用选自至少两个不同频带的频带。这确保了所使用的两个频带中的至少一个不会与由天线或辐射系统辐射的电磁场的频率重叠，从而确保了航空模块和地面站之间的正常通信。
在优选的实施例中，该系统包括两个或更多的航空模块。
在具有两个或更多的航空模块的系统的另一优选地实施例中，航空模块是无人飞行器。在更优选的实施例中，无人飞行器是多旋翼飞机类型。
在具有两个或更多的航空模块的系统的另一优选地实施例中，路径可呈现任意的形状或几何形状，如果一个测量点与另一测量点之间的距离等于或小于三厘米。
在具有两个或更多的航空模块的系统的另一优选地实施例中，接收天线耦合到受控的关节臂或受控的万向节悬架，以指向天线或辐射系统。
在具有两个或更多的航空模块的系统的另一优选地实施例中，接收天线附接到航空模块，接收天线被定向为使其指向天线或辐射系统。用于实现该实施例的一个示例是并入一种控制软件，该控制软件沿着测量路径驾驶航空模块，同时保持接收天线的定向朝向被测天线或者辐射设备的方向。
在具有两个或更多的航空模块的系统的另一优选地实施例中，电磁发射测量单元是相干检测器，其测量在测量路径中测量的由天线或辐射系统辐射的电磁场的幅度和相位。
在具有两个或更多的航空模块的系统的另一优选地实施例中，电磁发射测量单元是功率检测器，其测量在测量路径中测量的由天线或辐射系统辐射的电磁场的幅度。在更优选的实施例中，该系统还包括迭代相位恢复算法，其基于在测量路径处测量的由天线或辐射系统辐射的电磁场的幅度，恢复由天线或辐射系统辐射的电磁场的相位。
在进一步更优选的实施例中，迭代相位恢复算法包括通过最小化fca成本函数，计算表征天线或辐射系统的一组辅助系数，该fca成本函数通过以下等式定义：
其中，|e|表示在测量路径处测量的由天线或辐射系统辐射的电磁场(e)的幅度，
当fca成本函数的值小于给定公差时，理论电磁场的幅度和辐射的电磁场的幅度被认为是足够相似的，使得一组辅助系数使辐射的电磁场的建模精度小于或等于给定公差。
在进一步更优选的实施例中，一旦计算出一组辅助系数，就使用电磁场的积分方程计算测量路径处的理论电磁场。在测量路径处由天线或辐射系统辐射的电磁场由以下表达式定义：
其中，
在具有一个或更多航空模块的系统的具体实施例中，一个或多个航空模块的飞行控制系统包括手动飞行控制系统以及用于生成环绕被测天线的飞行路径和自动飞行控制的系统。借助于手动飞行控制系统，操作者可以监督探测的进行，并可以随时采取控制措施进行纠正或预防事故。
因此，可以借助于路径生成和自动飞行控制系统，例如，借助于地理配准的坐标的文件，输入用于测量由被测天线辐射的电磁场的航空模块所遵循的路径。一旦输入，本发明的操作者将能够指示系统开始测量辐射的电磁场。手动飞行控制系统将使本发明的操作员能够在发生碰撞风险，出现强风改变自动轨迹或类似情况的情况下立即控制航空模块的飞行，并将其降落在安全的地方。
在具有一个或更多航空模块的系统的另一具体实施例中，通信装置包括在航空模块和地面站之间的实时双向通信系统。在更具体实施例中，通信系统包括一个或多个3g/4g通信模块和/或一个或多个低频收发器和/或ieee802.11接口(wi-fi)和/或一个或多个zigbee模块和/或一个或多个蓝牙模块，或以上任何的组合。
在具有一个或更多航空模块的系统的另一具体实施例中，用于获得天线孔径处电磁场分布的近场-近场变换算法包括通过最小化fcaf成本函数，计算表征天线或辐射系统的电流的分布，fcaf成本函数由以下等式定义：
其中，e表示在测量路径处测量的由天线或辐射系统辐射的电磁场，
当fcaf成本函数的值小于给定公差时，理论电磁场和辐射的电磁场被认为是足够相似的，因而电流分布使辐射的电磁场的建模精度小于或等于给定公差。
在更具体的实施例中，一旦计算出电流分布，就使用电磁场的积分方程计算在空间任何点的理论电磁场，并且因此，还计算天线或辐射系统的孔径平面中理论电磁场的分布。在进一步更具体的实施例中，由计算机应用程序提供的辐射源图对应于天线或辐射系统的孔径平面中理论电磁场的分布。
在该系统的另一更具体实施例中，近场-近场变换算法包括通过最小化fcaf成本函数计算电流分布，或者在上述系统进一步更具体的实施例中，一旦计算了电流分布，就使用电磁场的积分方程计算理论电磁场，并且因此，还计算孔径平面中理论电磁场的分布，用于获得天线辐射图的近场-远场变换算法使用表征天线或辐射系统的电流分布，使用电磁场的积分方程计算空间中任何点的理论电磁场，并且因此，计算对应于辐射图的天线或辐射系统的远场区域中的理论电磁场。
在该系统的另一更具体实施例中，近场-近场变换算法包括通过最小化fcaf成本函数计算电流分布，或者在上述系统的进一步更具体的实施例中，一旦计算了电流分布，就使用电磁场的积分方程计算理论电磁场，并且因此，还计算孔径平面中理论电磁场的分布，用于确定天线或辐射系统的电磁防护体的算法使用表征天线或辐射系统的电流分布，以获得围绕天线或辐射系统的点云中的理论电磁场的水平，随后辨别高于电磁场参考水平的点，从而获得界定天线或辐射系统的电磁防护体的表面。
本发明另一目的是一种用于测量和表征天线或辐射系统的方法，该方法包括以下步骤：
a)限定围绕待测量和待表征的天线或辐射系统的测量路径；
b)将接收天线指向天线或辐射系统；
c)借助于电磁发射测量单元获得由天线或辐射系统辐射的电磁场的测量；
d)通过使用通信系统向地面站发送由天线或辐射系统辐射的电磁场的测量以及航空模块的精确三维位置；
e)在电磁发射测量的处理单元中处理由天线或辐射系统辐射的电磁场的测量，以借助于一组电磁发射测量处理算法获得天线或辐射系统的辐射图、孔径处的电磁场分布和电磁防护体，该一组电磁发射测量处理算法包括：用于获得天线孔径处场分布的近场-近场变换算法、用于获得天线辐射图的近场-远场变换算法，以及用于确定天线或辐射系统的电磁防护体的算法。
在该方法的优选实施例中，通过两个或者更多个航空模块执行步骤a)到d)，该两个或者更多个航空模块使用它们的通信系统向地面站发送由天线或辐射系统辐射的电磁场的测量和它们的精确三维定位。
在该方法的另一优选实施例中，在步骤c)中，电磁发射测量单元还处理获得的由天线或辐射系统辐射的电磁场的测量，以将其转化为数字序列。在步骤e)中，电磁发射测量的处理单元处理数字化的天线或辐射系统辐射的电磁场的测量。因此，转换成数字序列的由天线或辐射系统辐射的电磁场的测量发送到地面站，其中，电磁发射测量的处理单元使用处理电磁发射测量的一组算法处理数字化的辐射的电磁场的测量。
在该方法的另一优选实施例中，或者进一步更优选地，在该方法中，除了通过两个或更多航空模块执行的步骤a)至d)，该方法还包括在步骤e)之前，沿着测量路径(7)改变航空模块的位置并且重复步骤b)、c)以及d)。
本发明提供了一种用于现场测量和表征天线和辐射系统的系统和方法，而无需中断与天线或辐射系统连接的通信系统的操作。
本发明的系统能够测量被测天线或辐射系统辐射的电磁场的幅度和/或相位。通过使用相干检测器直接测量相位，或者通过使用功率检测器并对幅度测量应用迭代相位恢复算法间接测量相位。
因此，该系统在无法获得相位信息时通过使用无人飞行器来解决传统天线测量系统的局限性。
以两个相邻位置之间的等于或小于三厘米的分辨率获得辐射电磁场的测量，其比已知系统更精确。由于该系统提供了一个或多个航空模块的精确三维位置，以及通过电磁发射测量单元获得的数据的地理配准，因此可以实现此三维厘米精度。
即使考虑到一个或多个航空模块的三维位置裕度为3厘米的情况，当在电磁发射测量单元中使用相干检测器时，系统仍可以在最大频率为5ghz的频带上运行(半个波长的定位精度在5ghz处的为3厘米)，当在电磁发射测量单元中使用功率检测器时，系统可以在2.5ghz的频带上运行(四分之一波长的定位精度在2.5ghz处的为3厘米)。
由于其配置，本发明的一个或多个航空模块能够在考虑的工作频率下以等于或小于三厘米的精度定位，连同系统提供有关被测场的幅度和/或相位的信息的能力，能够应用近场-近场变换算法，以获得在被测量天线或辐射系统孔径处的电磁场，并从中识别出被测天线中具有异常操作的可能的元件或变形。其还可以应用近场-远场变换算法来获得被测天线的辐射图，以及电磁防护体，了解这些知识是定义和界定天线周围的安全周界所需要的。
根据幅度测量的迭代相位恢复算法、近场-近场变换算法和近场-远场变换算法能够处理具有任意几何形状且不必适应规范表面或测量体积(诸如平坦、圆柱或球形的测量域)的路径。这也解决了这种算法的传统局限性之一，即，由于采用的公式(例如，基于波模的展开)，必须使用规范的曲面或体积。
本发明的实施例之一预期使用由两个或更多个航空模块形成的系统。这种配置可以在更短的时间内完成对被测天线或辐射系统的测量。使用两个或更多个航空模块的测量时间，相对于使用单个航空模块的测量时间减少的倍数将由所使用的航空模块的数量给出。
在本发明的另一实施例中，用于在航空模块和地面站之间发送和接收无线信号的通信装置使用选自至少两个不同频带的频带。这样，与其他替代方案不同，可以避免与由天线或辐射系统辐射的电磁场的频率重叠。这确保了所使用的两个频带中的至少一个不会与由天线或辐射系统辐射的电磁场的频率重叠，从而确保了在不同测量环境下航空模块与地面站之间的正确通信。
本发明适用于需要天线表征和测量的领域，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。
附图说明
图1描绘了系统的总体示意图，其中，标识了其组成元件以及要表征的天线或辐射系统(5)。在该附图中，可以看到天线或辐射系统(5)借助于支撑结构(52)部署在地面(60)上方一定高度处。该图还描绘了旨在容纳用于产生由天线或辐射系统(5)辐射的电磁场(e)的系统和设备的外壳(53)。还可以观察到接收天线(112)，捕获由天线或辐射系统(5)辐射的电磁场(e)。
辐射的电磁场(e)的接收天线(112)安装在航空模块(1)上，该航空模块(1)沿着天线或辐射系统(5)和支撑结构(52)周围的测量路径(7)移动。进而，航空模块(1)借助于位于航空模块(1)和地面站(2)之间的双向实时通信系统(3)与地面站(2)通信。
图2描绘了系统的总体图，标识了系统的组成元件。在该附图中，可以看到航空模块(1)，其由电磁发射测量单元(11)、航空模块(1)的定位和引导系统(13)以及航空控制单元(15)组成。该图还描绘了在航空模块(1)和地面站(2)之间的双向实时通信系统(3)。
航空控制单元(15)连接到航空模块(1)的定位和引导系统(13)、电磁发射测量单元(11)以及在航空模块(1)和地面站(2)之间的实时双向通信系统(3)。
定位和引导系统(13)包括全局定位系统(131)、基于惯性传感器的定位系统(132)、与位于地面站(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)。
电磁发射测量单元(11)包括捕获由天线或辐射系统(5)辐射的电磁场(e)的接收天线(112)。
地面站(2)包括实时卫星动态导航基站(22)、航空模块飞行控制系统(21)、电磁发射测量的处理单元(23)、计算机应用程序(24)以及在航空模块(1)和地面站(2)之间的实时双向通信系统(3)，该计算机应用程序(24)根据由电磁发射测量的处理单元(23)返回的信息，提供天线或辐射系统(5)的辐射图、辐射源图(70)和/或电磁防护体(61)。
航空模块飞行控制系统(21)包括手动飞行控制系统(211)和用于飞行路径生成和自动飞行控制的系统(212)。
电磁发射测量的处理单元(23)包括一组电磁发射测量处理算法(25)，具有至少一个近场-近场变换算法(41)，用于获得天线孔径处的场的分布；近场-远场变换算法(42)，用于获得天线辐射图，以及用于确定天线或辐射系统的电磁防护体(61)的算法(43)。
图3表示要表征的天线或辐射系统(5)的侧视图。在该附图中，可以看到天线或辐射系统(5)借助于支撑结构(52)部署在地面(60)上方一定高度处。该图还描绘了旨在容纳用于产生由天线或辐射系统(5)辐射的电磁场(e)的系统和设备的外壳(53)。还可以观察到天线或辐射系统(5)的电磁防护体(61)的一部分以及天线或辐射系统(5)的孔径平面(62)的位置。
图4描绘了一个以矩形框住的被测天线或辐射系统(5)的辐射源图(70)，该矩形布置在天线或辐射系统(5)的孔径平面(62)上方。天线或辐射系统(5)部署在支撑结构(52)上。辐射源图(70)的横坐标轴，在附图中以ex标注，平行于孔径平面(62)。还可以观察到天线或辐射系统(5)的孔径平面(71)内电磁场的分布的幅度。辐射源图(70)的纵轴，在附图中以ey标注，表示在天线或辐射系统(5)的孔径平面(71)上电磁场分布的幅度水平，并且描绘为垂直于孔径平面(62)。天线或辐射系统(5)是抛物面反射器型天线，没有缺陷或变形，因此电磁场在孔径平面(71)上的分布的幅度具有均匀的值。
图5描绘了一个天线或辐射系统(5)的辐射源图(70)，类似于上图，该辐射源图(70)由部署在支撑结构(52)上的抛物面反射器型天线组成，但具有缺陷或变形，在附图中用d1和d2表示。每个变形都在辐射源图(70)中显示为电磁场分布在孔径平面(71)上的幅度衰减。这些幅度的衰减在图中表示为dd1和dd2。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，公开并详细描述了优选实施例的以下示例，并且优选实施例的以下示例应理解为不限制本发明的范围。
示例1
本发明实施例的第一示例基于用于测量和表征天线或辐射系统(5)的单个航空模块(1)的使用，该天线或辐射系统(5)由gsm-900频带(890mhz至960mhz频带)中的移动电话基站天线组成，该天线由沿着垂直于地面(60)的垂直轴布置的八个贴片状元件的簇组成，物理长度为1m。所使用的航空模块(1)是多旋翼型无人机，更具体地说，是具有其相应的航空控制单元(15)和一组电池的八旋翼飞行器。航空控制单元(15)是通过微控制器(raspberrypi型)实现并且进行编程，以从电磁发射测量单元(11)和定位和引导系统(13)收集信息，以控制航空模块(1)的飞行参数以及与地面站(2)交换信息。
所使用的八旋翼飞行器，连同航空控制单元(15)和电池，具有6千克的最大起飞重量、1.5千克的有效载荷容量。有效载荷容量用于将以下元件安装并整合到八旋翼飞行器中：
-ieee802.11(wi-fi)接口，属于航空模块(1)和地面站(2)之间的双向实时通信系统(3)。该接口连接到航空控制单元(15)。
-航空模块(1)的定位和引导系统(13)。该系统由如下的四个子系统组成：(i)基于惯性传感器的定位系统(132)，这些惯性传感器被包括在八旋翼飞行器的航空控制单元(15)中；(ii)全球定位系统(131)：使用了八旋翼飞行器的航空控制单元(15)中包括的gps接收器；(iii)基于实时卫星动态导航的定位系统(133)，与位于地面站(2)的实时卫星动态导航基站(22)交换信息：获得了两个rtk单元，其中一个位于地面站(2)中，另一个位于航空模块(1)中。这些rtk单元使用wi-fi无线电链路将gps坐标校正信息发送到rtk基站的接收器，再发送到在航空模块(1)中安装的具有rtk功能的gps单元。因此，将rtk单元提供的信息和gps提供的信息进行组合，以得到航空模块(1)的地理参考坐标；(iv)基于摄影测量的定位系统(134)：这是通过在八旋翼飞行器上安装网络摄像头来实现的，每次从电磁发射测量单元(11)启动测量时，该摄像头都会发送照片。通过对以不同时间间隔拍摄的两张或更多张照片进行数字处理，可以确定八旋翼飞行器从一个位置到另一个位置的运动。
定位和引导系统(13)提供的空间信息是使用在微控制器(raspberrypi型)中实现的数据融合技术处理的，该微控制器从航空模块(1)返回了一组地理参考的空间坐标。
-关于电磁发射测量单元(11)，在100mhz至3ghz频带中使用功率检测器，该功率检测器提供的输出电压与由要表征的移动电话基站天线所辐射的电磁场(e)的幅度成比例。使用工作频率为900mhz、带宽为10mhz的单极型天线作为连接至电磁发射测量单元(11)的接收天线(112)。因此，接收天线(112)为该特定示例建立了工作频率，从而避免了使用频率选择性滤波器。选择的频率和带宽使得能够进行移动电话基站天线的部分工作频带(890mhz至960mhz)的测量。
八旋翼飞行器具有铰接臂，其上装有接收天线(112)，以部分补偿飞行中产生的振动。
地面站(2)及其组件如下，实现并整合如下：
-航空模块(1)的飞行控制系统(21)。对于手动飞行控制系统(211)，使用了八旋翼飞行器的标准遥控器，该遥控器装有使用2.4ghz至2.5ghz频带的发射器。关于路径生成和自动飞行控制系统(212)，开发了一个计算机应用程序，使用户能够指定航空模块(1)要遵循的路径的坐标，以测量由移动电话基站的天线辐射的电磁场(e)。该系统被配置为使用路径生成和自动飞行控制系统(212)提供的坐标进行操作，优先考虑手动飞行控制系统(211)，以便在必要时重新获得对航空模块(1)的控制。
-电磁发射测量的处理单元(23)。这是在便携式计算机上实现的，该计算机执行了电磁发射测量处理算法(25)。这些算法是使用高级编程语言进行编程的。
-计算机应用程序(24)，提供天线或辐射系统(5)的辐射图、辐射源图(70)以及电磁防护体(61)。开发了图形计算机应用程序(5)，以使系统操作者在球坐标的三维图中查看移动电话基站的天线辐射元件的发射密度，以及天线或辐射系统(5)的辐射图。
-实时卫星动态导航基站(22)：由上述两个rtk单元之一组成。另一个rtk单元安装在航空模块(1)上。
-ieee802.11(wi-fi)接口，属于航空模块(1)和地面站(2)之间的双向实时通信系统(3)。该接口连接到实现电磁发射测量的处理单元(23)和路径生成和自动飞行控制系统(212)的笔记本电脑，并且还连接到实现航空模块的手动飞行控制系统(211)的控制。
在本实施例中，实时双向通信系统(3)使用的是2.4ghz至2.5ghz频带，因此与移动电话基站天线的工作频带(890mhz至960mhz)没有重叠。
将移动电话基站天线部署在支撑结构(52)上距离地面(60)高8m处。因此，定义了6mx6m垂直平面内的之字形飞行的测量路径(7)，该之字形飞行的测量路径(7)位于移动电话基站天线孔径平面(62)前方5m处，并相对于天线居中。由于在测量频率处的波长为33cm，所以每8cm测量一次辐射的电磁场(e)，总共有5625个测量点。
航空模块(1)以50cm/s的速度移动，使得在15分钟内完成456m的之字形测量路径(7)的完整行程。在整个测量路径(7)中，接收天线(112)通过铰接臂指向移动电话基站天线。向八旋翼飞行器供电的电池可行驶18分钟，为航空模块(1)的操作者提供了起飞和降落操作的安全时间裕度。
由于辐射的电磁场(e)的测量是使用功率检测器进行的，因此无法进行直接的相位测量。因此，将迭代相位恢复算法(40)应用于在测量路径(7)中测量的辐射的电磁场(e)的幅度测量。迭代相位恢复算法(40)使成本函数fca最小化。经过53次迭代，从一组辅助系数计算出的理论电磁场的幅度与辐射的电磁场(e)的幅度之间的公差或差值等于或小于2％。
将以等于或小于3cm的精度进行地理配准的辐射的电磁场(e)的测得的幅度和恢复的相位数据输入到电磁发射测量的处理单元(23)中，以进行移动电话基站天线的表征和诊断。首先，执行近场-近场变换算法(41)，以获得天线孔径处的电磁场分布，其将fcaf成本函数最小化，其中该fcaf成本函数将由移动电话基站天线辐射的电磁场(e)与根据电流分布计算出的理论电磁场相关联。为了获得天线孔径处电磁场的分布，经过近场-近场变换算法(41)的17次迭代，之后得到的辐射的电磁场(e)与理论电磁场的公差或差值小于或等于1％。
电流分布用于计算在移动电话基站天线的孔径平面(71)内的理论电磁场。关于孔径平面内的理论电磁场的信息被输入到计算机应用程序(24)中，以表示移动电话基站天线的辐射源图(70)。据观察，构成移动电话基站天线的8个元件的幅度变化小于1db；因此可以得出结论，天线的8个元件根据制造商的规范正确工作。
与用于获得天线孔径处电磁场分布的近场-近场变换算法(41)一起计算的电流分布也在用于获得天线辐射图的近场-远场变换算法(42)中使用。在计算机应用程序(24)中表示移动电话基站天线的辐射图，注意，该图案还满足制造商针对此类天线提供的有关副瓣水平和主瓣倾斜的规范。
最后，执行用于确定天线或辐射系统电磁防护体的算法(43)，利用电流分布计算移动电话基站天线的电磁防护体(61)。所获得的防护体为长7mx宽4mx高3m的平行六面体。发现这些尺寸与这种类型的移动电话天线的通用安全围护的尺寸一致。
电磁发射测量处理算法(25)的执行时间少于2分钟，这些算法使得可以在用所描述的系统和方法进行测量的同一位置对移动电话基站天线进行诊断和表征。
示例2
对于本实施例，采用示例1中描述的系统，但100mhz至3ghz频带中使用相干检测器，该相关检测器具有对应于所测量的复信号的实部和虚部的两个输出通道，在这种情况下，该复信号是由移动电话基站天线辐射的电磁场(e)。每个输出通道都提供与辐射的电磁场(e)的实部和虚部成比例的电压。
由于采用的相干探测器的重量比功率探测器的重量大，因此在本实施例中也省去了安装接收天线(112)的铰接臂，将其直接附接到航空模块(1)上。在本实施例中，航空模块(1)的定位和引导系统(13)负责在整个测量路径(7)上保持接收天线(112)被定向朝向移动电话基站天线。
由于电磁发射测量单元(11)基于相干探测器，因此可以获得辐射电磁场(e)的幅度和相位数据(或等同的，实部和虚部数据)。因此，在本实施例中，不需要执行迭代相位恢复算法(40)。
从辐射电磁场(e)测得的幅度和相位数据，地理参考精度等于或小于3cm，该数据被输入到电磁发射测量的处理单元(23)中，以进行移动电话基站天线的表征和诊断。在本实施例中，用于获得天线孔径处电磁场分布的近场-近场变换算法(41)，经过15次迭代后，得到的辐射的电磁场(e)与理论电磁场的公差或差值小于或等于1％。
用于移动电话基站的天线的诊断和表征的结果，即辐射源图(70)，辐射图和电磁防护体，相对于在示例1中的实施例中获得的相同结果，显示出小于2％的差异。
示例3
对于该实施例，采用了示例1中描述的系统，但是使用了两个航空模块(1)。定义了两个测量路径(7)：第一个是由6mx6m垂直平面中包含的之字形路径组成的，该平面位于移动电话基站天线的天线平面(62)前方5m处，并且相对于天线居中。第二个与第一个相同，但第二个部署在孔径平面(62)后方5m处，以表征移动电话基站天线的向后辐射。在本实施例中，通过在两个航空模块(1)中都使用功率检测器，需要应用迭代相位恢复算法(40)。
可以看出，具有更多的测量点时，迭代相位恢复算法(40)需要进行45次迭代，以获得根据一组辅助系数计算的理论电磁场幅度和与辐射的电磁场(e)的幅度之间的公差或差值等于或小于2％，即比示例1少8次。
在本实施例中，移动电话基站天线的诊断和表征结果，即辐射源图(70)，辐射图和电磁防护体，相对于示例1中的实施例中获得的相同结果相差小于3％。示例1、2以及3中实施例的结果的差异，部分由于用于测量辐射的电磁场(e)的功率检测器和相干检测器呈现的公差所致，同样也由于数据的定位和地理配准中的公差或误差所致，其以等于或小于3cm的精度执行。
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