CN113681568B - 一种基于六轴机械臂的电磁反演建模方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于六轴机械臂的电磁反演建模方法，该方法具体包括：以辐射器件垂直上方高度h处的水平面为探测点位置面，在探测点位置面上均匀分布有多个阵列探头，通过阵列探头获取辐射器件的电磁辐射数据，电磁辐射数据包括切向磁场H的幅度值和相位值；对辐射器件的表面进行网格划分，等效磁流源M分布于划分后的网格中，根据网格划分和切向磁场H的位置结合Tikhonov正则化方法进行约束，建立目标函数F；对目标函数F进行最小化求解，最终获得辐射器件表面的等效磁流源M分布。通过该方法可以在较短的时间获取辐射器件的电磁辐射数据，并结合等效源反演方法对辐射器件进行辐射建模，进而分析辐射器件的辐射模式，节省测量时间，提高预测效率。

Description

一种基于六轴机械臂的电磁反演建模方法

技术领域

本发明属于电磁兼容和电磁场反演技术领域，具体涉及一种基于六轴机械臂的电磁反演建模方法。

背景技术

无线通信产品的快速发展给人们日常生活带来了便利，但也不可避免地带来了严重的电磁兼容问题。现代电子产品的硬件设计往高密度、多层级、低体积、高度封装方向发展，这使得电路布局越来越密集复杂，从而增加了各元件之间干扰问题出现的概率。其中，电源完整性和信号完整性等电磁兼容相关问题最为严重。对于日益复杂的系统级结构电路设备，用CST、HFSS等三维多物理场仿真软件来探测其干扰点不仅耗时耗力，而且往往难以达到理想中的效果。因此，快速获得电子产品各个位置的电磁辐射信息，从而精准定位干扰点对产品设计和改进具有重要意义。

然而，目前的电场探头和磁场探头是针对某个小范围位置进行逐点的近场探测，如果需要获得待测物的整体电磁信息则需要频繁移动探头进行多次扫描，这无疑加大了扫描的时间成本，同时不停地移动探头也会造成不可避免的测量误差。

发明内容

本申请的目的在于提出一种基于六轴机械臂的电磁反演建模方法，能够快速获得多频段下辐射器件的电磁辐射信息并基于该数据进行辐射建模，有效地满足了电磁兼容高精度、高效率、高拓展性的测量和预测需求，解决了上述背景技术存在的问题。

本申请提供了一种基于六轴机械臂的电磁反演建模方法，其特征在于，所述方法具体包括：

S1、以辐射器件垂直上方高度h处的水平面为探测点位置面，在探测点位置面上均匀分布有多个阵列探头，通过阵列探头获取辐射器件的电磁辐射数据，电磁辐射数据包括切向磁场H的幅度值和相位值；以及

S2、对辐射器件的表面进行网格划分，等效磁流源M分布于划分后的网格中，根据网格划分和切向磁场H的位置结合Tikhonov正则化方法进行约束，建立目标函数F；以及

S3、对目标函数F进行最小化求解，最终获得辐射器件表面的等效磁流源M分布。

通过该方式可以帮助工程师，通过较短的时间即可获取被检测的辐射器件的电磁近场，并结合等效源反演方法对辐射器件进行辐射建模，进而分析辐射器件的辐射模式，能够极大地节省测量时间，提高预测效率。

在具体的实施例中，在步骤S2中等效磁流源M(Mx，My，Mz)与切向磁场H(Hx，Hy)之间的关系如下所示：

其中，β是自由空间中的波数，η是自由空间中的波阻抗，x，y，z是采样点的位置；x’，y’，z’是等效磁流源的位置，s是所述网格划分后的子网格面积，R是等效源与采样点的空间距离，G是矩阵系统，G₁和G₂是关于β和R的计算式。

在具体的实施例中，在步骤S2中根据网格划分和切向磁场H的位置，组装系统矩阵方程为：

其中，G_ij(i,j＝x,y,z)代表离散后的系统中j极化方向的等效源对于i方向磁场的贡献。

在具体的实施例中，在步骤S2中采用Tikhonov正则化方法进行约束的目标函数F为：

其中，H是切向磁场、M是等效磁流源、G是是系统矩阵，γ是正则化参数，M₀是归一化参数，||·||₂是二范数符号。

在具体的实施例中，在步骤S3中，采用与目标函数F等价形式的正定线性方程组，通过共轭梯度法进行求解，正定线性方程组如下所示：

其中，

表示共轭转置，H是切向磁场、M是等效磁流源、G是系统矩阵，M₀是归一化参数，||·||₂是二范数符号，I是单位矩阵。

通过上述方式，利用近场扫描技术获取辐射器件表面区域的切向磁场强度和相位数据，并根据获取的该切向磁场强度和相位数据，网格划分辐射器件表面区域，基于此求解出等效源辐射模型。

在具体的实施例中，在步骤S1中通过设置于六轴机械臂上的阵列探头获取辐射器件的电磁辐射数据，具体还包括：

S11、主控计算机发送预定区域移动指令控制六轴机械臂移动，同时传递信号矩阵指令给上位机信号控制装置，进而控制阵列探头的各个通道对辐射器件进行近场测量；以及

S12、射频信号发生接收装置获得阵列探头扫描的电磁辐射数据后传回给主控计算机进行存储及后处理。

通过阵列探头代替传统单一探头的机械扫描，即可以通过单次扫描获得辐射器件近场区域的全部电磁散射信息；较于传统机械装置而言，六轴机械臂有多方向大范围灵活移动、移动误差小、测量更具稳定性等优势。

在具体的实施例中，预定区域移动指令是主控计算机中关于辐射器件的扫描参数预设值，包括探测高度值、探测位置值、探测间隔值、探测数目值和探测层数值。

在具体的实施例中，信号矩阵指令是主控计算机中关于阵列探头的通道控制预设值，包括阵列探头单元选通时间、选通顺序、选通方式和选通次数。

在具体的实施例中，射频信号发生接收装置包括矢量网络分析仪、信号发生器、频谱仪或信号采集卡中的一种或组合。设置射频信号发生接收装置给不自带激励源的器件提供信号激励，例如天线，滤波器等，若是自带激励源的器件则不需要射频信号输入。

在具体的实施例中，阵列探头的控制开关电路基于多个射频单刀多掷开关芯片级联，射频单刀多掷开关控制芯片为单刀四掷开关芯片、单刀六掷开关芯片或单刀八掷开关芯片中的一种或组合。通过该设计，可以减少输入信号数量，且在能有效的控制大规模阵列探头使能的前提下，优化探头通道控制的方式。

本申请提供的一种基于六轴机械臂的电磁反演建模方法具有如下优势：

1、利用传统单一探头的三轴机械式扫描面积较大的被测辐射器件，其扫描时间往往需要几个甚至十几个小时，而本申请采用阵列探头作为接收模块，具有速度快效率高的优点。

2、探测电磁场信息的阵列探头采用六轴机械臂来控制移动，其优势在于灵活度高，不仅能够避免被测的辐射器件移动带来的扫描误差，而且能够适用于许多复杂的特殊场景。

3、可以帮助工程师，以较小的时间代价，来获取需要被检测物体的电磁近场；另外结合等效源反演方法对被测物体进行辐射建模，进而分析被测物体的辐射模式，能够极大地节了测量时间，提高预测效率。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本发明的一个实施例的基于六轴机械臂的电磁反演建模方法的流程图；

图2是根据本发明的一个实施例的基于六轴机械臂的快速近场测量装置的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的适用于阵列探头开关电路的原理图；

图4是根据本发明的一个实施例的基于六轴机械臂的快速近场测量方法的流程图。

附图标记说明：201射频信号发生接收装置，202阵列探头，203六轴机械臂，204夹具，205主控计算机，206低噪声放大器，207扫描平台，208辐射器件，209上位机信号控制装置，301电磁近场阵列探头单元，302单刀多掷开关控制芯片。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。

图1示出了根据本发明的一个实施例的基于六轴机械臂的电磁反演建模方法的流程图。如图1所示，该方法具体包括：

S1、以辐射器件垂直上方高度h处的水平面为探测点位置面，在探测点位置面上均匀分布有多个阵列探头，通过阵列探头获取辐射器件的电磁辐射数据，电磁辐射数据包括切向磁场H的幅度值和相位值；

在具体的实施例中，步骤S1还包括：

S11、主控计算机发送预定区域移动指令控制六轴机械臂移动，同时传递信号矩阵指令给上位机信号控制装置，进而控制阵列探头的各个通道对辐射器件进行近场测量；以及

S12、射频信号发生接收装置获得阵列探头扫描的电磁辐射数据后传回给主控计算机进行存储及后处理。

S2、对辐射器件的表面进行网格划分，等效磁流源M分布于划分后的网格中，根据网格划分和切向磁场H的位置结合Tikhonov正则化方法进行约束，建立目标函数F；

在具体的实施例中，在步骤S2中等效磁流源M(Mx，My，Mz)与切向磁场H(Hx，Hy)之间的关系如下所示：

其中，β是自由空间中的波数，η是自由空间中的波阻抗，x，y，z是采样点的位置；x’，y’，z’是等效磁流源的位置，s是所述网格划分后的子网格面积，R是等效源与采样点的空间距离，G是矩阵系统，G₁和G₂是关于β和R的计算式。

在具体的实施例中，在步骤S2中根据网格划分和切向磁场H的位置，组装系统矩阵方程，并利用Tikhonov正则化进行等效源求解，系统矩阵方程如下所示：

经过简化，可以缩写成：GM＝H。

其中，G_ij(i,j＝x,y,z)代表离散后的系统中j极化方向的等效源对于i方向磁场的贡献。

在具体的实施例中，在步骤S2中采用Tikhonov正则化方法进行约束的目标函数F如下所示：

其中，H是切向磁场、M是等效磁流源、G是是系统矩阵，γ是正则化参数，M₀是归一化参数，||·||₂是二范数符号。

S3、对目标函数F进行最小化求解，最终获得辐射器件表面的等效磁流源M分布。

目标函数F的求解可以采用其等价形式：

式中

表示共轭转置，H是切向磁场、M是等效磁流源、G是系统矩阵，M₀是归一化参数，||·||₂是二范数符号，I是单位矩阵。

该等价形式是一个正定线性方程组，因此可以采用共轭梯度法进行求解。

进一步的，上述的电磁反演建模方法等效源所重构的切向磁场与测量的切向磁场之间的误差可以由下式来衡量：

通过该方式可以帮助工程师，通过较短的时间即可获取被检测的辐射器件的电磁近场，并结合等效源反演方法对辐射器件进行辐射建模，进而分析辐射器件的辐射模式，能够极大地节省测量时间，提高预测效率。

图2示出了根据本发明的一个实施例的基于六轴机械臂的快速近场测量装置的示意图。如图2所示，主控计算机205通过网络交换机与六轴机械臂203、射频信号发生接收装置201构成局域网，基于局域网上述设备进行通信和数据交换。主控计算机205与上位机信号控制装置209可以是通过局域网络连接或串口连接等方式进行通信。射频信号发生接收装置201与待测的辐射器件208、阵列探头202之间的连接方式为射频传输线，例如同轴传输线。在具体的实施例中，射频信号发生接收装置201的信号输出端口给辐射器件208馈入激励信号用于激励未自带激励源的器件进行工作。主控计算机205向六轴机械臂203、上位机信号控制装置209、射频信号发生接收装置201提供行为指令。上位机信号控制装置209激励阵列探头202中的某一单元，同时关闭其他无用单元。阵列探头单元采集到的近场测量信号经过低噪声放大器206输入到射频信号发生接收装置201进行信号接收，最终传递回主控计算机205进行存储及后处理。

需要说明的是，待测的辐射器件208需放置于扫描平台207上，阵列探头202通过夹具204固定在六轴机械臂203上。其余各模块通过上述方式安装连接并上电，之后根据测量需求设置参数。

其中，主控计算机205是任意能够实现网络通信功能的主机设备。上位机信号控制装置209是能够进行网络或者串口通信、接收主控计算机205命令，反馈命令和依据命令进行执行功能的可编程设备，其核心作用是对大规模阵列探头202进行控制，包括激励和关闭某一特定探头单元。阵列探头202可以是线阵列、平面阵列或其它特制阵列。射频信号发生接收装置201是可以产生指定频率射频信号的设备或者可以实现信号接收分析的设备或者是上述功能都具备的设备，例如信号发生器，矢量网络分析仪，频谱仪或信号采集卡中的一种或上述几种设备的组合。设置射频信号发生接收装置给不自带激励源的器件提供信号激励，例如天线，滤波器等，若是自带激励源的器件则不需要射频信号输入。

图3示出了根据本发明的一个实施例的适用于阵列探头开关电路的原理图。如图3所示，一个单刀多掷开关控制芯片302可以控制多个电磁近场阵列探头单元301的使通，一个单刀多掷开关控制芯片302也可以控制多个二级单刀多掷开关控制芯片302的使能，通过多级控制电路构成整个阵列探头的开关控制电路。在具体的实施例中，阵列探头的控制开关电路基于多个射频单刀多掷开关芯片按照一定方式级联，射频单刀多掷开关控制芯片为单刀四掷开关芯片、单刀六掷开关芯片或单刀八掷开关芯片中的一种或组合。通过该设计，可以减少输入信号数量，且在能有效的控制大规模阵列探头使能的前提下，优化探头通道控制的方式。

图4示出了根据本发明的一个实施例的基于六轴机械臂的快速近场测量方法的流程图。如图4所示，主控计算机先利用六轴机械臂校准设定好扫描区域的参数，包括扫描点数、扫描层数和扫描距离等，上述扫描参数存至于一个扫描矩阵中；主控计算机预设好一个阵列探头信号矩阵指令，用以控制各个阵列探头单元选通时间、选通顺序、选通方式和选通次数。以阵列探头中心为坐标原点，记录各个探头探测点在位置面上的坐标(x，y)。

首先，计算机程序发出预定区域移动指令，控制六轴机械臂升降及水平运动移动到预定的待测辐射器件上方附近的位置，按照扫描信号矩阵指令中设置的预定扫描路线进行有规律、等间距的空间扫描。六轴机械臂每移动到一扫描定位点，主控计算机就根据预设的信号矩阵的值控制上位机以预定的方式使阵列探头的某一探头对待测辐射器件的电磁辐射进行探测，从而获取其电磁辐射数据，同时计算机从射频信号接收装置读取该数据。基于上述设置参数和电磁信息数据通过反演就可构建最终优化等效源辐射模型。

在具体的实施例中，预定区域移动指令是主控计算机中关于辐射器件的扫描参数预设值，包括探测高度值、探测位置值、探测间隔值、探测数目值和探测层数值。

通过阵列探头代替传统单一探头的机械扫描，即可以通过单次扫描获得辐射器件近场区域的全部电磁散射信息；较于传统机械装置而言，六轴机械臂有多方向大范围灵活移动、移动误差小、测量更具稳定性等优势。

显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。

Claims (9)

1.一种基于六轴机械臂的电磁反演建模方法，其特征在于，所述方法具体包括：

S1、以辐射器件垂直上方高度h处的水平面为探测点位置面，在所述探测点位置面上均匀分布有多个阵列探头，所述阵列探头的控制开关电路基于多个射频单刀多掷开关芯片级联，通过所述阵列探头获取辐射器件的电磁辐射数据，所述电磁辐射数据包括切向磁场H的幅度值和相位值；以及

S2、对所述辐射器件的表面进行网格划分，等效磁流源M分布于划分后的所述网格中，根据所述网格划分和所述切向磁场H的位置结合Tikhonov正则化方法进行约束，建立目标函数F；

在步骤S2中，所述等效磁流源M(Mx，My，Mz)与切向磁场H(Hx，Hy)之间的关系如下所示：

其中，β是自由空间中的波数，η是自由空间中的波阻抗，x，y，z是采样点的位置；x’，y’，z’是等效磁流源的位置，s是所述网格划分后的子网格面积，R是等效源与采样点的空间距离，G₁和G₂是关于β和R的计算式；以及

S3、对所述目标函数F进行最小化求解，最终获得所述辐射器件表面的等效磁流源M分布。

2.根据权利要求1所述的基于六轴机械臂的电磁反演建模方法，其特征在于，在步骤S2中，根据所述网格划分和所述切向磁场H的位置，组装系统矩阵方程，所述系统矩阵方程如下所示：

其中，G_ij(i,j＝x,y,z)代表离散后的系统中j极化方向的等效源对于i方向磁场的贡献。

3.根据权利要求1所述的基于六轴机械臂的电磁反演建模方法，其特征在于，在步骤S2中，采用Tikhonov正则化方法进行约束的目标函数F为：

其中，H是切向磁场、M是等效磁流源、G是系统矩阵，γ是正则化参数，M₀是归一化参数，||·||₂是二范数符号。

4.根据权利要求3所述的基于六轴机械臂的电磁反演建模方法，其特征在于，在步骤S3中，采用与所述目标函数F等价形式的正定线性方程组，通过共轭梯度法进行求解，所述正定线性方程组如下所示：

其中，

表示共轭转置，H是切向磁场、M是等效磁流源、G是系统矩阵，M₀是归一化参数，||·||₂是二范数符号，I是单位矩阵。

5.根据权利要求1所述的基于六轴机械臂的电磁反演建模方法，其特征在于，在步骤S1中，通过设置于所述六轴机械臂上的所述阵列探头获取辐射器件的电磁辐射数据，具体还包括：

S11、主控计算机发送预定区域移动指令控制六轴机械臂移动，同时传递信号矩阵指令给上位机信号控制装置，进而控制所述阵列探头的各个通道对所述辐射器件进行近场测量；以及

S12、射频信号发生接收装置获得所述阵列探头扫描的电磁辐射数据后传回给所述主控计算机进行存储及后处理。

6.根据权利要求5所述的基于六轴机械臂的电磁反演建模方法，其特征在于，所述预定区域移动指令是所述主控计算机中关于辐射器件的扫描参数预设值，包括探测高度值、探测位置值、探测间隔值、探测数目值和探测层数值。

7.根据权利要求5所述的基于六轴机械臂的电磁反演建模方法，其特征在于，所述信号矩阵指令是所述主控计算机中关于所述阵列探头的通道控制预设值，包括阵列探头单元选通时间、选通顺序、选通方式和选通次数。

8.根据权利要求5所述的基于六轴机械臂的电磁反演建模方法，其特征在于，所述射频信号发生接收装置包括矢量网络分析仪、信号发生器、频谱仪或信号采集卡中的一种或组合。

9.根据权利要求5所述的基于六轴机械臂的电磁反演建模方法，其特征在于，所述射频单刀多掷开关控制芯片为单刀四掷开关芯片、单刀六掷开关芯片或单刀八掷开关芯片中的一种或组合。

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