CN116484641A - 一种天线三维方向图与天线实物的结合显示方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线领域，具体提供一种天线三维方向图与天线实物的结合显示方法及系统，其方法包括以下步骤：近远场方向图转换得到天线三维方向图：基于测出天线的近场方向图，推出天线的远场方向图，根据测得的多组二维方向图获得天线三维方向图；天线实物三维模型建立：采用相机拍摄天线实物照片并导入建模系统建立天线实物三维模型；天线三维方向图与天线实物的结合显示：将天线三维方向图与天线实物三维模型结合在同一个坐标系，实现天线三维方向图与天线实物的结合显示。采用本发明方案，用户就能直观的通过观察天线实物照片三维模型来查看天线各个方向的辐射大小。

Description

一种天线三维方向图与天线实物的结合显示方法及系统
技术领域
本发明涉及天线领域，更具体地，涉及一种天线三维方向图与天线实物的结合显示方法及系统。
背景技术
天线近远场测量系统是一套在中心计算机控制下进行天线近场扫描、数据采集、测试数据处理及测试结果显示与输出的自动化测量系统。目前，天线的辐射检测技术已经十分的成熟。如：法国的MVG(Microwave Vision Group)公司和美国恩斯迈(NSI-MITechnologies)公司，他们有着完善的天线辐射自动测量系统，但他们的测量结果往往只有一个三维的天线方向图，难以直观的看出天线实物与三维方向图的联系，无法以图像形式显示出来，不够形象。
发明内容
本发明首先提出一种天线三维方向图与天线实物的结合显示方法
本发明还提出一种天线三维方向图与天线实物的结合显示方法的系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种天线三维方向图与天线实物的结合显示方法，包括以下步骤：
步骤一，近远场方向图转换得到天线三维方向图：基于测出天线的多组近场方向图，推出天线的远场方向图，获得天线三维方向图；
步骤二，天线实物三维模型建立：采用相机拍摄天线实物照片并导入建模系统建立天线实物三维模型；
步骤三，天线三维方向图与天线实物的结合显示：将天线三维方向图与天线实物三维模型结合在同一个坐标系，实现天线三维方向图与天线实物的结合显示。
一种应用于天线三维方向图与天线实物的结合显示方法的系统，包括以下模块：
近远场方向图转换模块：近远场方向图转换得到天线三维方向图：基于测出天线的近场方向图，推出三线的远场方向图，获得天线三维方向图；
天线实物三维模型建立模块：采用相机拍摄天线实物照片并导入建模系统建立天线实物三维模型；
天线三维方向图与天线实物的结合显示模块：将天线三维方向图与天线实物三维模型结合在同一个坐标系，实现天线三维方向图与天线实物的结合显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过将相机拍摄的天线实物照片导入建模软件建立天线实物三维模型，再将得到天线实物三维模型与天线辐射测量系统测得的三维方向图相结合到同一个坐标系里，通过两套系统软件，及中心结合，实现天线三维方向图与天线实物的直观结合显示。用户就能直观的通过观察天线实物照片三维模型来查看天线各个方向的辐射大小。
附图说明
图1为本发明实现流程图。
图2为软件建模过程图。
图3为多相机标定原理图。
图4为天线三维图像与方向图结合流程图。
图5为天线三维图像与方向图结合示例图。
图6为相位中心偏移示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
为了解决天线实物与自动测量系统测得的三维方向图不直观的问题，本实施例首先将相机拍摄的天线实物照片导入建模软件建立天线实物三维模型，再将得到天线实物三维模型与天线辐射测量系统测得的三维方向图相结合到同一个坐标系里，用户就能直观的通过观察天线实物照片三维模型来查看天线各个方向的辐射大小。
如图，一种天线三维方向图与天线实物的结合显示方法，主要包括以下步骤：
步骤一，近远场方向图转换得到天线三维方向图：基于测出天线的多组近场方向图，推出天线的远场方向图，获得天线三维方向图；
步骤二，天线实物三维模型建立：采用相机拍摄天线实物照片并导入建模系统建立天线实物三维模型；
步骤三，天线三维方向图与天线实物的结合显示：将天线三维方向图与天线实物三维模型结合在同一个坐标系，实现天线三维方向图与天线实物的结合显示。
在本实施例中，上述步骤一近远场方向图转换解析方式为：
解析方式是由基于近场测试数据解析计算获得远场方向图的技术。具体是：首先，测取待测天线表面上的电流密度和电荷分布，或者测取天线孔径上的电磁场分布，或者在近场区内离开待测天线适当而方便的任意距离上测取电磁场分布；然后，将近场测取得到的数据进行数学转换，推算出远场方向图。推算的基本方法有三种：波动光学法，电流分布法和模式展开法。
1.波动光学法
波动光学法是首先测得天线孔径面上的电磁场分布，然后利用惠更斯-菲涅尔原理求解辐射场，即离开天线孔径距离为R处P点的场，它可用下式计算：
式中，Ep是P点的电场强度，Hp是P点磁场强度，ES，HS是测得的孔径面上的电、磁场分布，s是天线孔径面，j是复数的虚部单元，k是自由空间波数，n’是孔径面法线，R是孔径上任一点到观察点P的距离。
2.电流分布法
电流分布法是首先测得天线表面电流密度或表面电荷密度后，由下式计算远区P点的辐射场：
式中，ω、ε0、μ0分别是频率、真空电容率和真空磁导率，Js是表面电流密度，Φ＝e-jkR/R。
3.模式展开法
模式展开法是首先在近场区内离开待测天线适当而方便的距离处测取平面(平面波展开法)、柱面(柱面波展开法)或球面(球面波展开法)上的电磁场分布，然后将测得的近场数据转换为相应坐标系中波数的模式之和或波谱。这些模式的振幅和相位可用来计算远场方向图，即基于平面、柱面、球面近场的振幅和相位计算远场方向图。
本实施例以柱面波展开法为例来说明这种方法的处理过程：
假设待测天线和馈源全部放于半径为a的圆柱内，待测天线为线极化，即只有Z方向电场Ez，圆柱坐标为(R,θ,z)，在R＝a的外边没有辐射源。
在无限远处满足辐射条件的麦克斯韦方程的一般解是：
式中，nn是待定常数，是第二类第n阶Hankel函数，j是复数的虚部单元，n是不包括0的自然数，θ是圆柱坐标(R,θ,z)的极化角；
Hankel函数渐进展开式首项为：
当R很大时，有
上述所述很大是指当R大到可以只考虑Hankel函数渐进展开式首项，而忽略其他项时；
天线的方向图就是R趋于无限大处Ez的振幅与θ方向的函数关系，因此，方向函数可写出为
式(1.8)所示的方向图函数F(θ)是复数，它包含振幅和相位与方向θ的函数关系。
如果只需求振幅方向图，则只计算其绝对值|F(θ)|。
假设在R＝b的圆柱上测得电场的振幅和相位Ez(b,θ)，则有
式(1.9)写成傅立叶级数后为
将测得的Es(b,θ)和查表或计算得到的代入式(1.10)后，就得到待定振幅值An为
将式(1.11)计算得到的值再代入式(1.8)，便可得到远场方向图。
在本实施例中，上述步骤二：基于天线照片建立天线的实物三维模型过程为：
本实施例基于照片建模的方法是将数字相机作为图像信息采集设备，运用计算机视觉、计算机图形学、图像处理等技术从二维的图像中提取出被摄物的三维空间信息，即深度信息，从而重建出被摄物体的三维模型。
与传统建模方法相比，这种方法操作简单，时间及人工成本低廉，对硬件的要求较低，基本不受空间限制，应用前景十分广泛。
要想建立物体的三维模型，需要采用360度环绕拍摄的方式，先拍摄天线不同角度和方向的照片，再将照片导入建模软件建立模型。
天线实物照片拍摄要点和要求参见下表：
通过多视角、多层次的拍摄获取一组重复率高的目标照片后，可通过提取各照片的特征点；主要是根据照片中像素点的颜色差异，排列组合。再根据特征点在各张照片中的相对位置，根据相机标定原理确定各特征点在三维空间的相对坐标，依据这些特征点算出照片的三维位置，得到稀疏点云，进而经过密集匹配获得物体表面密集点的三维坐标，但得到的密集点云包含大量场景信息，往往需要对点云进行处理，剔除多余信息，处理完点云之后，下一步是进行网格化，目前都是基于三角面结构的网格结构，经过纹理优化后，就可以得到最终的三维模型。天线建模的详细过程如图2所示和下表：
上述过程图像获取是使用相机等输入设备拍摄到的实体图片，是二维的图像，本实施例中基于照片的三维建模要对获得的多张二维照片进行分析，从中提取被摄物体的三维信息。
首先就要对相机进行标定，从获取的照片反求相机的内部参数，如焦距、光心坐标等；外部参数，即相机在实际三维空间中的拍摄方向及位置信息。
相机标定原理：设C1，C2是相机在空间中的两个位置拍摄所处的局部坐标系，设定它们与世界坐标系变换的参数分别是R1，T1，R2，T2。在世界坐标系中任取一点P，此点在世界坐标系中坐标是Xw(xw,yw,zw)，在C1，C2坐标系下的坐标是Xc1(xw1,yw1,zw1)，Xc2(xw2,yw2,zw2)。
可得到以下关系式：
消去Xw可得：
其中
由此可得出C1，C2两个坐标系间的变换公式，若将C1坐标系设为标准坐标系，其坐标原点是(0，0，0)，三坐标轴的方向为基准方向，那么世界坐标系中的任意一点，在C1坐标系中的坐标就可确定图。
在不同位置拍摄被摄物时，找出拍摄物上任意一点在两幅图片中的位置，则可利用以上公式反求出相机在这两个位置拍摄时的相对空间关系。多次运用这个原理，就可得到多个相机的相互间位系，多相机的标定问题就可解决，如图3所示。
在本实施例中，步骤三，天线三维方向图与天线实物的结合显示主要是确定天线的几何中心和相位中心，如何确定相位中心的详细介绍如下所示，如图4。其过程为：
第一：以天线几何中心为原点O，过O点的水平面为XOY所在平面建立空间直角坐标系。
第二：基于天线实物坐标系，在天线辐射近场区内距离天线几何中心距离为R的圆周上取点测量天线的多组近场方向图，通过近远场数据变换得多组远场方向图，将得到远场的方向图与近远场测量系统测出的三维方向图校对，获得天线实物的XOY平面对应天线三维方向图的切平面；本方案可以采用上述的波动光学法、模式展开法等推算远场方向图，再将得到的数据与近远场测测量系统测出的三维方向图校对，校正过程是用近远场转换的算法(用到上述介绍的近场方向图推算远场方向图原理)，用二维方向图(过中心点)的数值与过三维方向图中心点的切平面(切平面为二维方向图)的幅值做对比，幅值最接近的平面即为对应的平面，得出与天线三维图像的XOY平面对应的三维方向图切平面，确定三维方向图切平面的目的主要是确定三维方向图与被测物体在三维空间的对应关系，找到一个对应的切平面和切平面上对应的一个点(选的是中心点)，这种对应关系就确定下来了。
天线三维方向图与天线实物坐标系的结合具体过程为：天线三维方向图空间可直接由天线近场系统测得，而在建立的天线实物坐标系中(某个二维平面且该平面过天线的相位中心，二维方向图的测试为天线在平行于地面的水平面且该平面过天线的几何中心，天线以旋转中心(转台抱杆)转动180°测二维方向图)的二维方向图是能通过近场测量再通过近远场转换得到的。将得到的二维方向图与天线所在的坐标系中的三维方向图(由近远场测试系统直接测量得到)做比较，数值和形状最为接近的二维方向图所处的平面对应天线实物测量时所选取的平面，天线实物的几何中心对应测量的三维方向图的相位中心。
第三：将天线的几何中心与相位中心结合，就能实现两个三维图像的显示结合。图5为天线三维图像与方向图结合示例。
在本实例中，第二步中天线三维方向图的相位中心的测定方式具体为：
天线的远场辐射方向图可以表示为：
式中：为幅度方向图；/>为相位方向图；k＝2π/λ为波数，λ为天线的工作频率，θ为俯仰面(竖直面)内的角度，范围0～180度；/>为方位面(水平面)内的角度，范围0～360度。
若天线上或临近区域内存在某点以其为参考点使得为常数，则该点为天线的相位中心。
实际场景中，对于绝大多数天线来说并没有这样一个点，但一般总可以找到某个点，以它为参考点使得在一个远场截面的主瓣范围内相位函数为常数，定义这个点为该截面的相位中心。
当天线参考点偏离测量系统原点时，对于新参考点的远场表达式为
r′为天线相位中心与转动中心的偏差，可用下式表示
(Δx,Δy,Δz)为新参考点在测量坐标系中的坐标位置。因此新参考点对应的相位方向图函数可进一步表示为
若计Δx,Δy,Δz算出使等于常数，(Δx,Δy,Δz)则坐标为相位中心位置。
在天线相位方向图的实际测试中，很难将天线的相位中心精确地移到转动中心上，但可以通过对测试数据的后处理，即实现相位方向图的修正，具体是将以空间某已知点O为转动中心测得的天线相位方向图测试数据，转换为以天线的相位中心O'为转动中心的测试数据。相位中心修正方法示意图如图6所示。首先根据公式(3.1)所述的方法计算得到天线的相位中心O'，然后根据相位中心O的位置对实测相位方向图进行修正，将实测数据修正到以O'为圆心，O'A为半径的圆上的相位数据。可以将修正中心移动到转台的转动轴线上，对天线两个主平面的相位方向图进行重新测量，来验证修正的结果。具体修正方法为
式中，φOB′为实测相位方向图数据，φO′B′为修正后的相位方向图数据，实测点B坐标为(xB,yB,zB)，参考位置A坐标为(xA,yA,zA)，一般取被测天线正前方的位置(0，0，r)，r为收、发天线之间的距离。
本实施例提出的方式，基于一套天线近远场辐射检测系统和一款据天线照片建立实物三维模型的软件，即可最终达到天线三维方向图与实物图相结合的效果。本发明的方法能让用户直观的观察到三维方向图与实物之间的联系，用户从结合图中能直观的看出实物最大辐射方向。从三维方向图也能了解天线辐射的特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度关系，所显示的结果直观明了。
在本实施方式中，还提出一种应用于的天线三维方向图与天线实物的结合显示方法的系统，其特征在于，包括以下模块：
近远场方向图转换模块：近远场方向图转换得到天线三维方向图：基于测出天线的近场方向图，推出三线的远场方向图，获得天线三维方向图；
天线实物三维模型建立模块：采用相机拍摄天线实物照片并导入建模系统建立天线实物三维模型；
天线三维方向图与天线实物的结合显示模块：将天线三维方向图与天线实物三维模型结合在同一个坐标系，实现天线三维方向图与天线实物的结合显示。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种天线三维方向图与天线实物的结合显示方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，近远场方向图转换得到天线三维方向图：基于测出天线的多组近场方向图，推出天线的远场方向图，获得天线三维方向图；
步骤二，天线实物三维模型建立：采用相机拍摄天线实物照片并导入建模系统建立天线实物三维模型；
步骤三，天线三维方向图与天线实物的结合显示：将天线三维方向图与天线实物三维模型结合在同一个坐标系，实现天线三维方向图与天线实物的结合显示。
2.根据权利要求1所述的天线三维方向图与天线实物的结合显示方法，其特征在于，所述步骤一的具体实现过程为：测取天线孔径上的电磁场分布；然后，将近场测取得到的数据进行数学转换，推算出远场方向图。
3.根据权利要求2所述的天线三维方向图与天线实物的结合显示方法，其特征在于，所述推算方法为波动光学法；具体为：
当测取天线孔径上的电磁场分布时采用波动光学法推算远场方向图，即利用惠更斯-菲涅尔原理求解辐射场，离开天线孔径距离为R处P点的场，用下式计算：
式中，Ep是P点的电场强度，Hp是P点磁场强度，ES，HS是测得的孔径面上的电、磁场分布，s是天线孔径面，j是复数的虚部单元，k是自由空间波数，n’是孔径面法线，R是孔径上任一点到观察点P的距离。
4.根据权利要求3所述的天线三维方向图与天线实物的结合显示方法，其特征在于，所述步骤二天线实物三维模型建立：采用相机拍摄天线实物照片并导入建模系统建立天线实物三维模型；具体过程：
提取获取的实物照片特征点，根据这些特征点算出照片的三维位置，得到稀疏点云，进而经过密集匹配获得天线表面密集点的三维坐标；
网格化，基于三角面结构的网格结构对三维坐标进行网格化，经过纹理优化后得到最终的三维模型。
5.根据权利要求4所述的天线三维方向图与天线实物的结合显示方法，其特征在于，所述步骤三，天线三维方向图与天线实物的结合显示，其结合显示过程为：
S301：以天线实物的几何中心为原点O，过O点的水平面为XOY所在平面建立空间直角坐标系；
S302：基于天线实物坐标系，在天线辐射近场区内距离天线几何中心距离为R的圆周上取点测量天线的多组近场方向图，通过近远场数据变换得多组远场方向图，将得到远场的方向图与近远场测量系统测出的三维方向图校对，获得天线实物的XOY平面对应天线三维方向图的切平面；
S303：再将天线实物的几何中心与天线三维方向图的相位中心结合，实现天线三维方向图与天线实物的显示结合；
所述天线三维方向图的相位中心的测定方式具体为：
天线的远场辐射方向图表示为：
式中：为幅度方向图；/>为相位方向图；k＝2π/λ为波数，λ为天线的工作频率，θ为俯仰面内的角度，范围0～180度；/>为方位面内的角度，范围0～360度；
若天线上或临近区域内存在某点以其为参考点使得为常数，则该点为天线的相位中心；
对于绝大多数天线来说并没有这样一个点，但一般总可以找到某个点，以它为参考点使得在一个远场截面的主瓣范围内相位函数为常数，定义这个点为该截面的相位中心；
当天线参考点偏离测量系统原点时，对于新参考点的远场表达式为：
式中r′为天线相位中心与转动中心的偏差，用下式表示：
(Δx,Δy,Δz)为新参考点在测量坐标系中的坐标位置；因此新参考点对应的相位方向图函数进一步表示为：
若基于Δx,Δy,Δz计算使等于常数，则(Δx,Δy,Δz)坐标为相位中心位置O'。
6.根据权利要求5所述的天线三维方向图与天线实物的结合显示方法，其特征在于，根据计算得到天线的相位中心O'及相位中心O的位置对实测天线相位方向图进行修正，将实测数据修正到以O'为圆心，O'A为半径的圆上的相位数据；
将修正中心O'移动到转台的转动轴线上，对天线电场面E和磁场面H两个主平面的相位方向图进行重新测量来验证修正的结果；具体修正方法为：
式中，φOB′为实测相位方向图数据，φO′B′为修正后的相位方向图数据，实测点B坐标为(xB,yB,zB)，参考位置A坐标为(xA,yA,zA)，一般取被测天线正前方的位置(0，0，r)，r为收、发天线之间的距离。
7.一种应用于权利要求1-6所述的天线三维方向图与天线实物的结合显示方法的系统，其特征在于，包括以下模块：
近远场方向图转换模块：近远场方向图转换得到天线三维方向图：基于测出天线的近场方向图，推出三线的远场方向图，获得天线三维方向图；
天线实物三维模型建立模块：采用相机拍摄天线实物照片并导入建模系统建立天线实物三维模型；
天线三维方向图与天线实物的结合显示模块：将天线三维方向图与天线实物三维模型结合在同一个坐标系，实现天线三维方向图与天线实物的结合显示。
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