WO2023102670A1 - Antenna calibration by means of autonomous flying vehicles - Google Patents

Antenna calibration by means of autonomous flying vehicles Download PDF

Info

Publication number
WO2023102670A1
WO2023102670A1 PCT/CL2021/050119 CL2021050119W WO2023102670A1 WO 2023102670 A1 WO2023102670 A1 WO 2023102670A1 CL 2021050119 W CL2021050119 W CL 2021050119W WO 2023102670 A1 WO2023102670 A1 WO 2023102670A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
uav
antenna
data
signal
camera
Prior art date
Application number
PCT/CL2021/050119
Other languages
Spanish (es)
French (fr)
Inventor
Rolando DÜNNER PLANELLA
Original Assignee
Pontificia Universidad Catolica De Chile
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pontificia Universidad Catolica De Chile filed Critical Pontificia Universidad Catolica De Chile
Priority to PCT/CL2021/050119 priority Critical patent/WO2023102670A1/en
Publication of WO2023102670A1 publication Critical patent/WO2023102670A1/en

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C39/00—Aircraft not otherwise provided for
    • B64C39/02—Aircraft not otherwise provided for characterised by special use
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/10—Radiation diagrams of antennas
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/10—Monitoring; Testing of transmitters
    • H04B17/11—Monitoring; Testing of transmitters for calibration
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/20—Monitoring; Testing of receivers
    • H04B17/21—Monitoring; Testing of receivers for calibration; for correcting measurements

Abstract

The present invention relates to the calibration of antennas by means of autonomous or unmanned aircraft vehicles (UAVs) also known as drones. In particular, the invention discloses a system and a method to calibrate antennas by means of a UAV which is remotely positioned, carrying a known signal transmitting source or signal transmitter, wherein the transmitted signals are received by the antenna or receptor and used in their calibration. The system and method of the invention can be used with various types of antennas that receive or capture signals, for example, with the radio telescopes used in astronomy studies.

Description

CALIBRACIÓN DE ANTENAS MEDIANTE VEHÍCULOS VOLADORES AUTÓNOMOS ANTENNA CALIBRATION USING AUTONOMOUS FLYING VEHICLES
MEMORIA DESCRIPTIVA DESCRIPTIVE MEMORY
CAMPO DE APLICACIÓN SCOPE
[0001] La invención se refiere a la calibración de antenas mediante vehículos aéreos autónomos o no tripulados (UAVs) o drones. En particular, la invención describe un sistema y un método para calibrar antenas mediante un UAV que se posiciona en forma remota, portando una fuente emisora de señales o emisor de señales conocido, en donde las señales emitidas son recibidas por la antena o receptor y utilizadas en su calibración. El sistema y método de la invención son aplicables a diversos tipos de antenas que reciben o capturan señales, por ejemplo, a los radiotelescopios usados en estudios astronómicos. [0001] The invention refers to the calibration of antennas by means of autonomous or unmanned aerial vehicles (UAVs) or drones. In particular, the invention describes a system and a method for calibrating antennas by means of a UAV that is positioned remotely, carrying a signal emitting source or known signal emitter, where the emitted signals are received by the antenna or receiver and used in your calibration. The system and method of the invention are applicable to various types of antennas that receive or capture signals, for example, to radio telescopes used in astronomical studies.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN BACKGROUND OF THE INVENTION
[0002] Las antenas o receptores utilizados para recibir señales deben calibrarse para ajustar sus parámetros de operación y con ello medir o registrar datos de señales con un error de medición aceptable dependiendo del campo de aplicación. En astronomía, así como en otras aplicaciones, se requiere una alta precisión en la medición y registro de señales recibidas, siendo el proceso de calibración uno muy importante en la puesta en marcha y mantenimiento de antenas. [0002] The antennas or receivers used to receive signals must be calibrated to adjust their operating parameters and thereby measure or record signal data with an acceptable measurement error depending on the field of application. In astronomy, as well as in other applications, high precision is required in the measurement and recording of received signals, the calibration process being one of the most important in the commissioning and maintenance of antennas.
[0003] Usualmente, la calibración se realiza mediante fuentes de señales naturales o artificiales conocidas, que son recibidas por la antena a calibrar. Como dichas señales son conocidas, es posible ajustar los parámetros de operación de la antena para ajustar la medición realizada a las características de dichas señales. En algunos casos, como en los radiotelescopios, se utilizan fuentes de señales naturales para calibración, por ejemplo, fuentes astronómicas previamente estudiadas cuyos espectros de emisión y características se conocen con cierto nivel de detalle. Sin embargo, al depender de mediciones previas, dicho método de calibración puede introducir un error considerable en el proceso, perjudicando la confiabilidad de las nuevas mediciones a realizar con la antena que se está calibrando. Además, para algunos estudios específicos existen pocas o nulas fuentes de señales naturales conocidas, dificultando o incluso imposibilitando la calibración de antenas para realizar dichos estudios. [0003] Usually, the calibration is performed using known natural or artificial signal sources, which are received by the antenna to be calibrated. As said signals are known, it is possible to adjust the operation parameters of the antenna to adjust the measurement made to the characteristics of said signals. In some cases, such as radio telescopes, natural signal sources are used for calibration, for example, previously studied astronomical sources whose emission spectra and characteristics are known in some detail. However, by depending on previous measurements, this calibration method can introduce a considerable error in the process, impairing the reliability of the new measurements to be made with the antenna that is being calibrated. In addition, for some specific studies there are few or no sources of known natural signals, making it difficult or even impossible to calibrate antennas to carry out such studies.
[0004] En la búsqueda de alternativas que mejoren el proceso de calibración de antenas, se ha propuesto el uso de fuentes de señales artificiales, cuyas características son conocidas con alta precisión, mejorando notoriamente la precisión de la calibración. Si bien esta aproximación es fácilmente aplicable en el caso de antenas con capacidad para recibir señales emitidas en tierra, es poco útil para el caso de antenas cuya sensibilidad y/o configuración requiere de una señal proveniente desde el aire. Para hacer frente a este problema se han desarrollado soluciones dirigidas a colocar fuentes de señales artificiales en vehículos voladores, siendo los UAVs especialmente prácticos para estos efectos. Por ejemplo, la publicación titulada “Beam Calibration of Radio Telescopes with Drones”1, de Chang et al., se emplean drones para la calibración del haz de radiotelescopios, portando un transmisor de ruido conocido, configurado para emitir señales conocidas y ajustadas al estudio específico que se plantea en dicha publicación. [0004] In the search for alternatives that improve the antenna calibration process, the use of artificial signal sources has been proposed, whose characteristics are known with high precision, significantly improving the calibration precision. Although this approximation is easily applicable in the case of antennas capable of receiving signals emitted on the ground, it is not very useful in the case of antennas whose sensitivity and/or configuration requires a signal coming from the air. To deal with this problem, solutions have been developed aimed at placing artificial signal sources in flying vehicles, UAVs being especially practical for these purposes. For example, the post titled “Beam Calibration of Radio Telescopes with Drones” 1 , by Chang et al., drones are used for the calibration of the radio telescope beam, carrying a known noise transmitter, configured to emit known signals and adjusted to the specific study proposed in said publication.
[0005] Otro ejemplo de publicación donde se divulga el uso de UAVs en la caracterización de antenas corresponde a la publicación US2016088498A1 de Sharawi, en donde se divulgan aspectos generales de un UAV utilizado para la caracterización de la radiación de antenas. Es importante destacar que en la publicación US2016088498A1, así como en la gran mayoría de antecedentes donde se emplean UAVs en conjunción con antenas, el objeto principal es medir en el UAV la radiación emitida desde la antena, es decir, en sentido contrario al que plantea la invención, donde se mide en la antena una señal emitida desde el UAV. [0005] Another example of a publication where the use of UAVs in the characterization of antennas is disclosed corresponds to the publication US2016088498A1 by Sharawi, where general aspects of a UAV used for the characterization of antenna radiation are disclosed. It is important to note that in publication US2016088498A1, as well as in the vast majority of precedents where UAVs are used in conjunction with antennas, the main object is to measure the radiation emitted from the antenna in the UAV, that is, in the opposite direction to that posed. the invention, where a signal emitted from the UAV is measured at the antenna.
[0006] El uso de UAVs en la caracterización y/o calibración de antenas o receptores amplía notoriamente la posibilidad de usar fuentes de señales artificiales en el proceso de calibración, lo que mejoraría sustancialmente la precisión del ajuste de los parámetros de operación de la antena calibrada. Sin embargo, esta configuración de calibración también introduce dificultades, que deben ser resueltas para que el uso de UAVs tenga una aplicación real en la práctica. A modo de ejemplo, durante el proceso de calibración resulta imprescindible conocer la ubicación del UAV con alta precisión, no siendo posible utilizar sistemas convencionales de posicionamiento como el GPS, cuya precisión es de algunos metros. En estos casos se requiere de sistemas de posicionamiento más especializados, como el GPS diferencial, que entrega precisiones de 1-2 cm. Sin embargo, dichos sistemas de posicionamiento especializados siguen siendo poco precisos en determinar ángulos de posición del UAV en vuelo (p.ej. alabeo, cabeceo y guiñada del UAV), no siendo posible obtener precisiones mejores a 1 grado mediante posicionamiento GPS. De la misma manera, la fuente de señales que es portada por el UAV debe tener una orientación conocida con respecto al receptor, cuya determinación no es sencilla producto de las constantes variaciones en los ángulos de vuelo de este tipo de vehículos. [0006] The use of UAVs in the characterization and/or calibration of antennas or receivers greatly expands the possibility of using artificial signal sources in the calibration process, which would substantially improve the precision of the adjustment of the antenna's operating parameters calibrated. However, this calibration configuration also introduces difficulties, which must be resolved for the use of UAVs to have a real application in practice. By way of example, during the calibration process it is essential to know the location of the UAV with high precision, and it is not possible to use conventional positioning systems such as GPS, whose precision is a few meters. In these cases, more specialized positioning systems are required, such as differential GPS, which provides precision of 1-2 cm. However, such specialized positioning systems remain imprecise in determining position angles of the UAV in flight (eg UAV roll, pitch and yaw), and accuracies better than 1 degree are not possible using GPS positioning. In the same way, the signal source that is carried by the UAV must have a known orientation with respect to the receiver, whose determination is not easy due to the constant variations in the flight angles of this type of vehicles.
[0007] Al respecto, la publicación de Chang et al. reconoce dichos problemas y, por ejemplo, propone soluciones asociadas a las capacidades de vuelo del UAV, al uso combinado de sistemas de GPS de alta precisión y altímetro barométrico, y a la implementación de un soporte del tipo gimbal para sostener la fuente de señales, que corresponde a un estabilizador mecánico conocido capaz de mantener fija la fuente de señales mientras absorbe o contrarresta los movimientos del UAV. Sin perjuicio de lo anterior, en la práctica se ha encontrado que dichas soluciones no permiten entregar los niveles de precisión requeridos en la mayoría de los estudios astronómicos, requiriéndose de otro tipo de soluciones para mejorar la precisión con la que se determina la posición y orientación del UAV. [0007] In this regard, the publication by Chang et al. recognizes these problems and, for example, proposes solutions associated with the UAV's flight capabilities, the combined use of high-precision GPS systems and a barometric altimeter, and the implementation of a gimbal-type support to support the signal source, which corresponds to a known mechanical stabilizer capable of keeping the signal source fixed while absorbing or counteracting the movements of the UAV. Notwithstanding the foregoing, in practice it has been found that these solutions do not allow delivering the levels of precision required in most astronomical studies, requiring other types of solutions to improve the precision with which position and orientation are determined. of the UAV.
[0008] Buscando mejorar la precisión en la determinación de la posición y orientación del UAV surgen otro tipo de soluciones como la descrita en la publicación titulada “Research on the Measurement of Antennas Radiation Characteristics Based on Small Unmanned Aerial Vehicle [0008] Seeking to improve the precision in determining the position and orientation of the UAV, other types of solutions arise, such as the one described in the publication entitled "Research on the Measurement of Antennas Radiation Characteristics Based on Small Unmanned Aerial Vehicle
1 https://iopscience.iop.org/article/10.1086/683467 Platform”2, de Zhang et al., en donde se propone un sistema de posicionamiento referenciado en tierra, que implementa un terminal móvil y una estación base, entregando un nivel de precisión de unos pocos centímetros. Además, dicho sistema de posicionamiento se combina con una unidad de medición inercial (IMU) en el UAV, conociendo los ángulos de inclinación del UAV en el tiempo. Si bien dicha solución permite aumentar la precisión en la determinación de posición y orientación del UAV, requiere de equipos especializados que no aseguran la obtención de datos útiles en aplicaciones donde se requiere conocer el ángulo de polarización de la señal de calibración, por ejemplo, para calibrar antenas utilizadas en mediciones del campo de polarización de radiación de fondo cósmico (Cosmic Microwave Background, CMB). 1 https://iopscience.iop.org/article/10.1086/683467 Platform” 2 , by Zhang et al., where a ground-referenced positioning system is proposed, which implements a mobile terminal and a base station, delivering a level of precision of a few centimeters. Furthermore, said positioning system is combined with an inertial measurement unit (IMU) in the UAV, knowing the inclination angles of the UAV over time. Although this solution allows increasing the precision in determining the position and orientation of the UAV, it requires specialized equipment that does not ensure the obtaining of useful data in applications where it is required to know the polarization angle of the calibration signal, for example, to calibrate antennas used in measurements of the polarization field of the Cosmic Microwave Background (CMB).
[0009] En consecuencia, existe la necesidad de contar con un sistema y metodología capaces de ofrecer una solución para la calibración de antenas mediante UAVs con alta precisión, evitando el uso de equipos de alto costo y complejidad, capaz de implementarse en la calibración de antenas de alta sensibilidad y remotas, como los radiotelescopios utilizados en estudios astronómicos. [0009] Consequently, there is a need for a system and methodology capable of offering a solution for the calibration of antennas through UAVs with high precision, avoiding the use of high-cost and complex equipment, capable of being implemented in the calibration of highly sensitive and remote antennas, such as radio telescopes used in astronomical studies.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0010] En sus aspectos generales, la invención describe un sistema y un método para calibrar antenas mediante un UAV. Dicho UAV porta una fuente emisora de señales o emisor de señales conocidas de manera que, al posicionar el UAV en forma remota a la antena, señales conocidas son emitidas desde la fuente y recibidas por la antena o receptor, para su registro como datos detectados. Con ello, en forma posterior o simultáneamente, los datos detectados por la antena son sincronizados con los datos de posición y ángulo de la fuente de señales conocidas, obteniendo un conjunto de datos de calibración que permiten calibrar la antena, contrastando objetivamente los datos detectados por la antena con características de las señales conocidas emitidas desde la fuente. [0010] In its general aspects, the invention describes a system and a method for calibrating antennas by means of a UAV. Said UAV carries a signal emitting source or known signal emitter so that, when positioning the UAV remotely to the antenna, known signals are emitted from the source and received by the antenna or receiver, for registration as detected data. With this, subsequently or simultaneously, the data detected by the antenna are synchronized with the position and angle data of the known signal source, obtaining a set of calibration data that allows the antenna to be calibrated, objectively contrasting the data detected by the antenna with characteristics of the known signals emitted from the source.
[0011] En consecuencia, uno de los principales objetivos de la invención es proporcionar un sistema y método para calibrar antenas con alta precisión, mediante el uso de al menos un UAV que porta una fuente de señales conocidas. [0011] Consequently, one of the main objectives of the invention is to provide a system and method for calibrating antennas with high precision, by using at least one UAV carrying a source of known signals.
[0012] Un objetivo específico de la invención es proporcionar un sistema y método para calibrar antenas en donde la posición de la fuente de señales es determinada con precisión en tiempo real, en donde además el ángulo de la señal emitida es determinado con precisión en tiempo real. [0012] A specific objective of the invention is to provide a system and method for calibrating antennas where the position of the signal source is accurately determined in real time, where in addition the angle of the emitted signal is accurately determined in time real.
[0013] Otro objetivo específico de la invención es utilizar captura de imágenes desde el UAV y técnicas de fotogrametría para obtener la posición y ángulo de la fuente de señales, mediante al menos una cámara portada por el UAV. [0013] Another specific objective of the invention is to use image capture from the UAV and photogrammetry techniques to obtain the position and angle of the signal source, through at least one camera carried by the UAV.
[0014] Otro objetivo específico de la invención es proporcionar un soporte de fuente de señales robusto y de bajo peso, capaz de albergar de forma segura la fuente de señales, electrónica asociada y la al menos una cámara asociada al posicionamiento del UAV, asegurando una alineación constante entre componentes durante el vuelo del UAV. [0014] Another specific objective of the invention is to provide a robust and low-weight signal source support, capable of safely housing the signal source, associated electronics and the at least one camera associated with the positioning of the UAV, ensuring a constant alignment between components during the flight of the UAV.
2 https://doi.org/10.1016Zj.procs.2018.04.229 [0015] Otro objetivo específico de la invención es determinar la alineación entre la al menos una cámara asociada al posicionamiento del UAV y las señales emitidas por fuente de señales, específicamente entre las imágenes capturadas por la cámara y las señales emitidas por la fuente, obteniendo una relación espacial entre los datos de posicionamiento y las señales emitidas. 2 https://doi.org/10.1016Zj.procs.2018.04.229 [0015] Another specific objective of the invention is to determine the alignment between the at least one camera associated with the positioning of the UAV and the signals emitted by the signal source, specifically between the images captured by the camera and the signals emitted by the source, obtaining a spatial relationship between the positioning data and the emitted signals.
[0016] Otros objetivos específicos de la invención se hacen evidentes en relación con la descripción de los componentes del sistema y etapas del método propuestos, siendo parte integral de la presente invención. [0016] Other specific objectives of the invention become apparent in relation to the description of the proposed system components and method steps, being an integral part of the present invention.
[0017] Para atender dichos objetivos, la invención propone un sistema para calibrar antenas, que comprende: [0017] To meet these objectives, the invention proposes a system for calibrating antennas, which comprises:
- al menos un vehículo aéreo no tripulado (UAV); - at least one unmanned aerial vehicle (UAV);
- al menos una zona objetivo que rodea al menos una antena; y - at least one target area surrounding at least one antenna; and
- al menos una unidad de procesamiento. - at least one processing unit.
[0018] De acuerdo con la invención, el al menos un UAV porta al menos una fuente de señales y al menos una cámara, de manera que, durante un vuelo del al menos un UAV, la al menos una fuente de señales y la al menos una cámara son orientables hacia la al menos una antena. Además, la al menos una zona objetivo comprende una pluralidad de marcadores dispuestos en la cercanía de la al menos una antena, en donde cada uno de la pluralidad de marcadores tiene una posición geográfica predeterminada. [0018] According to the invention, the at least one UAV carries at least one signal source and at least one camera, so that, during a flight of the at least one UAV, the at least one signal source and the at least one at least one camera can be directed towards the at least one antenna. Furthermore, the at least one target area comprises a plurality of markers arranged in the vicinity of the at least one antenna, each of the plurality of markers having a predetermined geographical position.
[0019] Además, la al menos una fuente de señales está configurada para emitir al menos una señal de características predeterminadas durante el vuelo del al menos un UAV. La al menos una señal emitida es detectable por la al menos una antena para obtener datos detectados. De acuerdo con una modalidad, la al menos una fuente de señales puede comprender al menos una unidad de control para controlar características de la al menos una señal emitida y al menos un polarizador de rejilla de alambre para proporcionar señales polarizadas. La al menos una unidad de control y el al menos un polarizador pueden estar configurados para que la al menos una señal emitida tenga características de potencia, frecuencia y polarización detectables por la al menos una antena. Además, la al menos una unidad de control y el al menos un polarizador permiten manipular las características de la al menos una señal emitida para cambiar los parámetros a calibrar en la al menos una antena y/o para simular condiciones operativas diferentes, según condiciones operacionales o determinaciones previas de un usuario. [0019] Furthermore, the at least one signal source is configured to emit at least one signal with predetermined characteristics during the flight of the at least one UAV. The at least one emitted signal is detectable by the at least one antenna to obtain detected data. According to one embodiment, the at least one signal source may comprise at least one control unit for controlling characteristics of the at least one emitted signal and at least one wire grid polarizer for providing polarized signals. The at least one control unit and the at least one polarizer can be configured so that the at least one emitted signal has power, frequency and polarization characteristics detectable by the at least one antenna. Furthermore, the at least one control unit and the at least one polarizer make it possible to manipulate the characteristics of the at least one emitted signal in order to change the parameters to be calibrated in the at least one antenna and/or to simulate different operating conditions, depending on operating conditions. or previous determinations of a user.
[0020] Por otra parte, la al menos una cámara está configurada para capturar al menos una secuencia de imágenes de la al menos una zona objetivo durante el vuelo del al menos un UAV. La al menos una secuencia de imágenes se denomina datos de imágenes, en donde dichos datos de imágenes son procesables para obtener datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida. De acuerdo con una modalidad, los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida pueden ser obtenidos mediante un análisis de los datos de imágenes usando técnicas de fotogrametría. En este contexto, los datos de imágenes sirven para monitorear una posición relativa de la pluralidad de marcadores durante el vuelo con respecto a cada imagen de la secuencia de imágenes. Luego, en base a dicha posición relativa y la posición geográfica predeterminada de cada uno de la pluralidad de marcadores, al menos una unidad de procesamiento es capaz de determinar un sistema de posicionamiento absoluto para la fuente de señales y, en base al mismo, reconstruir la posición de dicha fuente de señales durante el vuelo del al menos un UAV. [0020] On the other hand, the at least one camera is configured to capture at least one sequence of images of the at least one target area during the flight of the at least one UAV. The at least one sequence of images is called image data, wherein said image data is processable to obtain origin position and angle data of the at least one emitted signal. According to one embodiment, the origin position and angle data of the at least one emitted signal can be obtained by an analysis of the image data using photogrammetry techniques. In this context, the image data serves to monitor a relative position of the plurality of markers during flight with respect to each image. of the image sequence. Then, based on said relative position and the predetermined geographical position of each of the plurality of markers, at least one processing unit is able to determine an absolute positioning system for the signal source and, based on it, reconstruct the position of said signal source during the flight of the at least one UAV.
[0021] Finalmente, la al menos una unidad de procesamiento del sistema está configurada para sincronizar los datos detectados por la al menos una antena con los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida, obteniendo un conjunto de datos que son útiles para calibración. [0021] Finally, the at least one system processing unit is configured to synchronize the data detected by the at least one antenna with the origin position and angle data of the at least one emitted signal, obtaining a data set that They are useful for calibration.
[0022] De acuerdo con una modalidad de la invención, el al menos un UAV comprende un soporte montado al al menos un UAV mediante un estabilizador. El estabilizador puede ser un estabilizador mecánico del tipo gimbal. El soporte está configurado para contener a la al menos una fuente de señales y a la al menos una cámara de manera fija, manteniendo fija una posición geométrica relativa entre ambos componentes. En efecto, de acuerdo con la modalidad preferente, la al menos una cámara se encuentra alineada con la fuente de señales, en particular, alineada con el al menos un polarizador de rejilla de alambre de dicha fuente, de manera que se conoce un ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y un plano de imagen de la al menos una cámara, dicho plano de imagen siendo ortogonal a un eje de la al menos una cámara. [0022] According to an embodiment of the invention, the at least one UAV comprises a support mounted to the at least one UAV by means of a stabilizer. The stabilizer may be a mechanical stabilizer of the gimbal type. The support is configured to contain the at least one signal source and the at least one camera in a fixed manner, maintaining a fixed relative geometric position between both components. Indeed, according to the preferred embodiment, the at least one camera is aligned with the signal source, in particular, aligned with the at least one wire grid polarizer of said source, such that a relative angle is known between the at least one wire mesh polarizer and an image plane of the at least one camera, said image plane being orthogonal to an axis of the at least one camera.
[0023] El ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y el plano de imagen de la al menos una cámara se determina de manera previa, una vez que la al menos una fuente de señales y la al menos una cámara están dispuestos en relación con el UAV, preferentemente, fijos en el soporte. La determinación de dicho ángulo relativo se efectúa haciendo pasar al menos un haz láser a través del al menos un polarizador de rejilla de alambre, de manera que se genera un patrón de difracción que es proyectado en un plano ortogonal al plano de imagen. Dicho patrón proyectado es indicativo del ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y el plano de imagen de la al menos una cámara, permitiendo determinar dicho ángulo con alta precisión. [0023] The relative angle between the at least one wire grid polarizer and the image plane of the at least one camera is determined in advance, once the at least one signal source and the at least one camera are connected. arranged in relation to the UAV, preferably fixed on the support. Said relative angle is determined by passing at least one laser beam through the at least one wire grid polarizer, so as to generate a diffraction pattern that is projected in a plane orthogonal to the image plane. Said projected pattern is indicative of the relative angle between the at least one wire grid polarizer and the image plane of the at least one camera, allowing said angle to be determined with high precision.
[0024] En relación con el método, la invención define un método para calibrar antenas, que comprende las siguientes etapas: a) posicionar en vuelo al menos un vehículo aéreo no tripulado (UAV), dentro de un espacio aéreo circundante a al menos una antena, en donde dicha al menos una antena se encuentra rodeada por al menos una zona objetivo que comprende una pluralidad de marcadores dispuestos en la cercanía de la al menos una antena, en donde cada uno de la pluralidad de marcadores tiene una posición geográfica predeterminada; b) emitir al menos una señal de características predeterminadas durante el vuelo del al menos un UAV, mediante al menos una fuente de señales portada en el al menos un UAV y que es orientable hacia la al menos una zona objetivo, en donde dicha al menos una señal emitida es detectable por la al menos una antena para obtener datos detectados; c) en forma simultánea a la etapa b), capturar al menos una secuencia de imágenes de la al menos una zona objetivo durante el vuelo del al menos un UAV, mediante al menos una cámara portada en el al menos un UAV y que es orientable hacia la al menos una zona objetivo, en donde dicha al menos una secuencia de imágenes se denomina datos de imágenes, y en donde dichos datos de imágenes son procesables para obtener datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida; d) sincronizar los datos detectados con los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida, mediante al menos una unidad de procesamiento, obteniendo un conjunto de datos para calibración; y e) calibrar la al menos una antena, ajustando parámetros de operación de la al menos una antena en función del conjunto de datos para calibración. [0024] In relation to the method, the invention defines a method for calibrating antennas, which comprises the following steps: a) positioning at least one unmanned aerial vehicle (UAV) in flight, within an airspace surrounding at least one antenna, wherein said at least one antenna is surrounded by at least one target area comprising a plurality of markers arranged in the vicinity of the at least one antenna, each of the plurality of markers having a predetermined geographic position; b) emit at least one signal with predetermined characteristics during the flight of the at least one UAV, by means of at least one signal source carried in the at least one UAV and which is orientable towards the at least one target area, where said at least an emitted signal is detectable by the at least one antenna to obtain detected data; c) Simultaneously to stage b), capture at least one sequence of images of the at least one target area during the flight of at least one UAV, by means of at least one camera carried on the at least one UAV and that is directional towards the at least one target area, wherein said at least one image sequence is called image data, and wherein said image data is processable to obtain origin position and angle data of the at least one emitted signal; d) synchronizing the detected data with the data of the position of origin and angle of the at least one signal emitted, by means of at least one processing unit, obtaining a set of data for calibration; and e) calibrating the at least one antenna, adjusting operating parameters of the at least one antenna based on the data set for calibration.
[0025] De acuerdo con una modalidad, el método puede comprender complementar los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida con datos de posicionamiento GPS, mediante una unidad de posicionamiento del tipo GPS de alta precisión que puede estar comprendida y dispuesta en el al menos un UAV. [0025] According to one embodiment, the method may comprise complementing the data of the position of origin and angle of the at least one emitted signal with GPS positioning data, by means of a high-precision GPS-type positioning unit that may be comprised of and arranged in the at least one UAV.
[0026] De acuerdo con una modalidad, el método además comprende controlar características de la al menos una señal emitida, mediante al menos una unidad de control conectada a la al menos una fuente de señales. Como se ha planteado, la al menos una señal emitida puede ser una señal polarizada mediante al menos un polarizador de rejilla de alambre dispuesto en la al menos una fuente de señales. La al menos una unidad de control y el al menos un polarizador de rejilla de alambre pueden estar configurados para que la al menos una señal emitida tenga características de potencia, frecuencia y polarización detectables por la al menos una antena. [0026] According to one embodiment, the method further comprises controlling characteristics of the at least one emitted signal, by means of at least one control unit connected to the at least one signal source. As stated, the at least one emitted signal can be a signal polarized by means of at least one wire grid polarizer arranged in the at least one signal source. The at least one control unit and the at least one wire grid polarizer can be configured so that the at least one emitted signal has power, frequency and polarization characteristics detectable by the at least one antenna.
[0027] De acuerdo con una modalidad, antes de la etapa a), el método puede comprender alinear la al menos una cámara con el al menos un polarizador de rejilla de alambre. De esta manera, es posible conocer el ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y un plano de imagen de la al menos una cámara. Como se ha planteado, el ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y el plano de imagen de la al menos una cámara se determina previamente, haciendo pasar al menos un haz láser a través del al menos un polarizador de rejilla de alambre, de manera que se genera un patrón de difracción que es proyectado en un plano ortogonal al plano de imagen. [0027] According to one embodiment, prior to step a), the method may comprise aligning the at least one camera with the at least one wire grid polarizer. In this way, it is possible to know the relative angle between the at least one wire grid polarizer and an image plane of the at least one camera. As stated, the relative angle between the at least one wire grid polarizer and the image plane of the at least one camera is previously determined by passing at least one laser beam through the at least one wire grid polarizer. wire, so that a diffraction pattern is generated that is projected in a plane orthogonal to the image plane.
[0028] El método además puede comprender el empleo de técnicas de fotogrametría para obtener los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida. A partir de un análisis de los datos de imágenes con técnicas fotogramétricas, y mediante al menos una unidad de procesamiento, es posible: [0028] The method can also comprise the use of photogrammetry techniques to obtain data on the position of origin and angle of the at least one emitted signal. From an analysis of the image data with photogrammetric techniques, and through at least one processing unit, it is possible:
- mediante los datos de imágenes, monitorear una posición relativa de la pluralidad de marcadores durante el vuelo con respecto a cada imagen de la secuencia de imágenes, y- using the image data, monitoring a relative position of the plurality of markers during flight with respect to each image in the image sequence, and
- en base a dicha posición relativa monitoreada y la posición geográfica predeterminada de cada uno de la pluralidad de marcadores, determinar un sistema de posicionamiento absoluto para la fuente de señales y reconstruir la posición de dicha fuente de señales durante dicho vuelo. - based on said monitored relative position and the predetermined geographic position of each of the plurality of markers, determining a positioning system absolute for the signal source and reconstruct the position of said signal source during said flight.
[0029] Finalmente, como parte de la invención también se ha desarrollado un método para obtener el ángulo de polarización de un polarizador de rejilla de alambre, mediante las siguientes etapas: [0029] Finally, as part of the invention, a method has also been developed to obtain the polarization angle of a wire grid polarizer, through the following steps:
- disponer el polarizador de rejilla de alambre de manera fija frente a un plano; - arranging the wire grid polarizer fixedly facing a plane;
- hacer pasar al menos un haz láser a través del polarizador, generando un patrón de difracción dado por una orientación de unos alambres que forman el polarizador de rejilla de alambre, en donde dicho patrón de difracción se proyecta sobre el plano; y - passing at least one laser beam through the polarizer, generating a diffraction pattern given by an orientation of some wires that form the wire grid polarizer, wherein said diffraction pattern is projected onto the plane; and
- determinar el ángulo de polarización del polarizador de rejilla de alambre en base al patrón de difracción que se proyecta sobre el plano. - determining the polarization angle of the wire grid polarizer based on the diffraction pattern that is projected onto the plane.
[0030] Este método no solo es útil en el contexto de la invención, para alinear la fuente de señales con la cámara, sino que también permite obtener el ángulo de polarización dado por el polarizador de rejilla de alambre de una forma diferente a la usual, que comúnmente se basa en medios mecánicos. La invención propone medios ópticos, como un haz láser, para conocer el ángulo impuesto por la rejilla de alambre del polarizador, que actúa como un elemento de difracción y que genera un patrón de difracción dado. Usando un láser como medio difractado, haciendo pasar el mismo a través del polarizador y proyectando contra un plano, es posible obtener una referencia visual de cómo la rejilla o grilla de alambre difracta el haz, acción indicativa del ángulo de polarización que imprime la rejilla de alambre sobre las ondas que inciden sobre él, ya sea el haz durante la determinación o la señal emitida por la fuente de señales, durante la aplicación de la invención. [0030] This method is not only useful in the context of the invention, to align the signal source with the camera, but also allows to obtain the polarization angle given by the wire grid polarizer in a different way than usual , which is commonly based on mechanical means. The invention proposes optical means, such as a laser beam, to know the angle imposed by the wire grid of the polarizer, which acts as a diffraction element and generates a given diffraction pattern. Using a laser as a diffracted medium, passing it through the polarizer and projecting it against a plane, it is possible to obtain a visual reference of how the beam is diffracted by the grid or wire grid, an action indicative of the angle of polarization that prints the wire grid. wire on the waves that impinge on it, either the beam during the determination or the signal emitted by the signal source, during the application of the invention.
[0031] Los polarizadores de rejillas de alambre son ampliamente utilizados en aplicaciones donde se requiere limpiar o separar una determinada polarización lineal. Considerando que la polarización impresa por la rejilla de alambre está dada por una orientación especial con la que se disponen los alambres, el patrón de difracción generado por dicha orientación especial es un indicativo directo de la orientación de los alambres y, consecuencialmente, del ángulo de polarización del polarizador. Este procedimiento permite conocer el ángulo de polarización en forma eficaz y con alta precisión, con un montaje simple. [0031] Wire grid polarizers are widely used in applications where it is required to clean or separate a certain linear polarization. Considering that the polarization printed by the wire grid is given by a special orientation with which the wires are arranged, the diffraction pattern generated by said special orientation is a direct indication of the orientation of the wires and, consequently, of the angle of polarization of the polarizer. This procedure allows knowing the angle of polarization efficiently and with high precision, with a simple assembly.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[0032] Como parte de la presente invención se presentan las siguientes figuras representativas de la misma, las que enseñan modalidades preferentes de la invención y, por lo tanto, no deben considerarse como limitantes a la definición de la materia reivindicada. [0032] As part of the present invention, the following representative figures thereof are presented, which show preferred embodiments of the invention and, therefore, should not be considered as limiting the definition of the claimed subject matter.
Fig. 1: Muestra un esquema representativo del sistema de acuerdo con una modalidad de la invención, en relación con el procedimiento para obtener la posición de una cámara en un UAV con respecto a la posición de una antena. Fig. 2: Muestra una vista en planta y en corte de un esquema representativo de un soporte a ser portado por un UAV, de acuerdo con una modalidad de la invención. Fig. 1: Shows a representative scheme of the system according to an embodiment of the invention, in relation to the procedure to obtain the position of a camera in a UAV with respect to the position of an antenna. Fig. 2: Shows a plan and sectional view of a representative diagram of a support to be carried by a UAV, according to one embodiment of the invention.
Fig. 3: Muestra un diagrama de bloques que representa el diseño de la fuente de señales, de acuerdo con una modalidad de la invención. Fig. 3: Shows a block diagram representing the design of the signal source, according to an embodiment of the invention.
Fig. 4: Muestra dos gráficos que representan la determinación del ángulo de polarización por parte del sistema y método de la invención, de acuerdo con una modalidad preferente. Fig. 4: Shows two graphs that represent the determination of the polarization angle by the system and method of the invention, according to a preferred modality.
DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERENTES DESCRIPTION OF THE PREFERRED MODALITIES
[0033] En la Fig. 1 se aprecia el sistema (1) de la invención de acuerdo con una modalidad de ejemplo, que comprende al menos un vehículo aéreo no tripulado (UAV) capaz de posicionarse en vuelo dentro de un espacio aéreo circundante a al menos una antena, en este caso representada por un radiotelescopio (T). En la Fig. 1 puede apreciarse que el UAV, específicamente la al menos una cámara y la al menos una fuente de señales portado en el mismo, representados un conjunto de instrumentos (I) en la Fig. 1, son orientados hacia el radiotelescopio (T), específicamente hacia una zona objetivo (TZ) que rodea al radiotelescopio (T). Dicha zona objetivo (TZ) incluyendo una pluralidad de marcadores (M) dispuestos en la cercanía del radiotelescopio (T). [0033] Fig. 1 shows the system (1) of the invention according to an example modality, which comprises at least one unmanned aerial vehicle (UAV) capable of positioning itself in flight within an airspace surrounding a at least one antenna, in this case represented by a radio telescope (T). In Fig. 1 it can be seen that the UAV, specifically the at least one camera and the at least one signal source carried in it, represented a set of instruments (I) in Fig. 1, are oriented towards the radio telescope ( T), specifically towards a target zone (TZ) that surrounds the radio telescope (T). Said target zone (TZ) including a plurality of markers (M) arranged in the vicinity of the radio telescope (T).
[0034] Además, la Fig. 1 representa la obtención de los datos de posición y ángulo de una señal emitida por la fuente de señales. De acuerdo con la invención, la posición de la pluralidad de marcadores (M) es una posición predeterminada, en este caso, mediante coordenadas terrestres (XG, YG, ZG) que son conocidas. Mediante técnicas de fotogrametría, analizando los datos de imágenes obtenidos mediante una secuencia de imágenes capturadas por la al menos una cámara portada por el UAV, es posible relacionar la posición de la pluralidad de marcadores (M) con la posición del UAV, específicamente del conjunto de instrumentos (I), que en la Fig. 1 se representa como coordenadas de la fuente (Xs, Ys, Ys). De esta manera, considerando que la posición relativa de la fuente de señales respecto del plano de imagen es conocida, es posible definir una referencia absoluta de la posición de la al menos una fuente de señales respecto de la posición de la al menos una antena o radiotelescopio (T), definida en un sistema de coordenadas del telescopio (XT, YT, ZT). [0034] Furthermore, Fig. 1 represents obtaining the position and angle data of a signal emitted by the signal source. According to the invention, the position of the plurality of markers (M) is a predetermined position, in this case, by terrestrial coordinates (XG, YG, ZG) that are known. Through photogrammetry techniques, analyzing the image data obtained through a sequence of images captured by at least one camera carried by the UAV, it is possible to relate the position of the plurality of markers (M) with the position of the UAV, specifically of the set. of instruments (I), which in Fig. 1 is represented as source coordinates (Xs, Ys, Ys). In this way, considering that the relative position of the signal source with respect to the image plane is known, it is possible to define an absolute reference of the position of the at least one signal source with respect to the position of the at least one antenna or radio telescope (T), defined in a telescope coordinate system (XT, YT, ZT).
[0035] Mediante la aproximación anterior se demuestra que es posible reconstruir la posición de la al menos una fuente de señales, mediante técnicas de análisis y procesamiento fotogramétrico de la secuencia de imágenes de la zona objetivo (TZ) que es capturada durante el vuelo del UAV. Con ello es posible obtener datos de posición y ángulo de la señal emitida con alta precisión, que pueden ser sincronizados con los datos detectados o medidos por el radiotelescopio (T) durante el vuelo del UAV y la emisión de la señal, para obtener un conjunto de datos útiles para la calibración del radiotelescopio (T), denominado conjunto de datos para calibración. [0035] By means of the previous approximation, it is demonstrated that it is possible to reconstruct the position of at least one signal source, by means of analysis techniques and photogrammetric processing of the sequence of images of the target zone (TZ) that is captured during the flight of the UAV. With this it is possible to obtain position and angle data of the emitted signal with high precision, which can be synchronized with the data detected or measured by the radio telescope (T) during the flight of the UAV and the emission of the signal, to obtain a set of data useful for the calibration of the radio telescope (T), called the calibration data set.
[0036] En este contexto, a continuación se definen modalidades de los componentes del sistema de la invención, que deben considerarse como ejemplos no restrictivos pero útiles para interpretar el objeto técnico de la presente solicitud. Vehículo aéreo no tripulado (UAV) [0036] In this context, modalities of the components of the system of the invention are defined below, which must be considered as non-restrictive but useful examples to interpret the technical object of the present application. Unmanned aerial vehicle (UAV)
[0037] Una fuente de calibración basada en UAVs, que operan a grandes altitudes, implica varios desafíos técnicos no solo en términos de la operación y prestaciones del UAV, sino que también en términos de las condiciones de vuelo. [0037] A calibration source based on UAVs, operating at high altitudes, implies several technical challenges not only in terms of the operation and performance of the UAV, but also in terms of flight conditions.
[0038] En el caso de radiotelescopios, muchos de ellos se encuentran ubicados a alturas superiores a los 4000 metros sobre el nivel del mar, implicando que los UAVs a utilizar en estos casos deben estar diseñados para operar a gran altitud, donde el aire es menos denso que a nivel del mar. Por ejemplo, el sitio Cerro Toco, que alberga observatorios reconocidos como lo son ACT (Atacama Cosmology Telescopy), Simons Array (donde se realiza el experimento POLARBEAR, POLARization of the Background Radiation), CLASS (Cosmology Large Angular Scale Surveyor) y el Observatorio Simons, tiene una altura media de 5200 metros sobre el nivel del mar. Considerando el techo legal para UAVs comerciales de 500 metros sobre el suelo, esto significa alcanzar los 5700 metros, aproximadamente. Además, de acuerdo con una aplicación la presente invención se implementa en la calibración del campo lejano de observatorios, que en el caso del POLARBEAR implicaría volar el UAV a 6100 metros. [0038] In the case of radio telescopes, many of them are located at altitudes higher than 4000 meters above sea level, implying that the UAVs to be used in these cases must be designed to operate at high altitude, where the air is less dense than at sea level. For example, the Cerro Toco site, which houses renowned observatories such as ACT (Atacama Cosmology Telescopy), Simons Array (where the POLARBEAR experiment, POLARization of the Background Radiation, is carried out), CLASS (Cosmology Large Angular Scale Surveyor) and the Observatory Simons, has an average height of 5200 meters above sea level. Considering the legal ceiling for commercial UAVs of 500 meters above the ground, this means reaching 5,700 meters, approximately. Furthermore, according to one application the present invention is implemented in the far field calibration of observatories, which in the case of the POLARBEAR would imply flying the UAV at 6100 meters.
[0039] Al respecto, existen una serie de UAVs comerciales (como el DJI Matrice 600 Pro equipado con hélices de gran altitud) que tienen la capacidad de alcanzar fácilmente su altura máxima de vuelo de 500 metros sobre el nivel del suelo (limitada por software en la mayoría de los casos), realizando con éxito misiones de vuelo de 10 minutos en sitios de gran altitud como los mencionados en el párrafo precedente. Estas misiones se pueden repetir varias veces reemplazando los paquetes de baterías del UAV. [0039] In this regard, there are a number of commercial UAVs (such as the DJI Matrice 600 Pro equipped with high-altitude propellers) that have the ability to easily reach their maximum flight height of 500 meters above ground level (limited by software). in most cases), successfully performing 10-minute flight missions at high-altitude sites such as those mentioned in the preceding paragraph. These missions can be repeated multiple times by replacing the UAV's battery packs.
[0040] Adicionalmente, el UAV seleccionado debe ser capaz de portar el conjunto de instrumentos (I) que se representan en la Fig. 1 y que se ejemplifican en la Fig. 2, incluyendo electrónica asociada, carga que debe considerase en las especificaciones del UAV. En este ejemplo, el UAV seleccionado fue probado con diferentes cargas útiles, demostrando que puede levantar 4 kilogramos de forma segura sin perder estabilidad ni sobrecargar sus hélices. En este sentido, si se considera el uso de un estabilizador tipo gimbal, como el DJI Ronin MX, que pesa un poco más de 2 kilogramos, existe límite de margen de 2 kilogramos para el diseño de la fuente de señales, electrónica asociada y soporte. Dicho límite debe incluir a la cámara si la misma no está incorporada al UAV. [0040] Additionally, the selected UAV must be capable of carrying the set of instruments (I) represented in Fig. 1 and exemplified in Fig. 2, including associated electronics, a load that must be considered in the specifications of the UAV. In this example, the selected UAV was tested with different payloads, demonstrating that it can safely lift 4 kilograms without losing stability or overloading its propellers. In this sense, if the use of a gimbal-type stabilizer is considered, such as the DJI Ronin MX, which weighs a little more than 2 kilograms, there is a margin limit of 2 kilograms for the design of the signal source, associated electronics, and support. . Said limit must include the camera if it is not incorporated into the UAV.
Soporte de la fuente de señales Signal source support
[0041] La fuente de señales que debe portar el UAV, como elemento esencial para la calibración de una antena, debe tener una posición en vuelo determinable con precisión. Ello, en el contexto de la invención, implica conocer la posición relativa de dicha fuente respecto del plano de imagen de las imágenes capturadas por la cámara que también es portada por el UAV. [0041] The signal source that the UAV must carry, as an essential element for the calibration of an antenna, must have a precisely determinable position in flight. This, in the context of the invention, implies knowing the relative position of said source with respect to the image plane of the images captured by the camera that is also carried by the UAV.
[0042] Para estos efectos, una modalidad de la invención contempla el diseño de un soporte configurado para albergar de manera fija a la fuente de señal y a la cámara, junto con la electrónica y unidades de control asociadas. Dicho soporte debe minimizar el peso de todo el conjunto de instrumentos a portar por el UAV, manteniendo una alta rigidez estructural que permita evitar variaciones entre la posición relativa de los componentes. El objeto principal del soporte es asegurar que la alineación entre la cámara y la fuente de señales, en especial la guía de ondas y el polarizador de rejilla de alambre, se mantenga constante durante los vuelos del UAV. [0042] For these purposes, a modality of the invention contemplates the design of a support configured to house the signal source and the camera in a fixed manner, together with the electronics and associated control units. Said support must minimize the weight of the entire set of instruments to be carried by the UAV, maintaining a high structural rigidity that allows avoiding variations between the relative position of the components. The main purpose of the bracket is to ensure that the alignment between the camera and the signal source, especially the waveguide and wire grid polarizer, remains constant during UAV flights.
[0043] La Fig. 2 muestra un esquema representativo del soporte (20) que puede ser montado en el UAV, para sostener fijamente los componentes y equipos electrónicos que el UAV porta durante su vuelo, entre ellos, una fuente de señales (21) una cámara (22). En este ejemplo, la fuente de señales (21) está formada por un filtro (21a), un amplificador (21b), un multiplicador (21c), un guía de onda (2 Id) y un polarizador de rejilla de alambre (21e). Este último componente, que se considera parte de la fuente de señales (21), se incluye como elemento esencial en la determinación del ángulo de polarización de detectores que forman la antena a calibrar. [0043] Fig. 2 shows a representative diagram of the support (20) that can be mounted on the UAV, to firmly hold the electronic components and equipment that the UAV carries during its flight, including a signal source (21). a camera (22). In this example, the signal source (21) consists of a filter (21a), an amplifier (21b), a multiplier (21c), a waveguide (2 Id) and a wire grid polarizer (21e). . This last component, which is considered part of the signal source (21), is included as an essential element in determining the angle of polarization of detectors that make up the antenna to be calibrated.
[0044] Además, como componente que forma parte de la fuente de señales (21), pero que en este caso también se muestra como unidades electrónicas diferentes, se muestra la unidad de control (23), en este caso ejemplificada mediante un tablero de lazo de seguimiento de fase, PLL (Pase- Locked Loop), (23a), un controlador de atenuación (23b) y una unidad de almacenamiento y procesamiento (23c), que puede ser un microcomputador del tipo Raspberry Pi. Dicha unidad de almacenamiento y procesamiento (23c) puede utilizarse para controlar la operación de los componentes asociados a la unidad de control (23), así como también para almacenar y/o preprocesar la secuencia de imágenes capturadas por la cámara (22). Preferentemente, según los requerimientos de procesamiento, los datos de imágenes que se obtienen a partir de la secuencia de imágenes capturadas son procesados por una unidad de procesamiento en tierra o en la nube, diferente a la portada en el UAV. [0044] In addition, as a component that is part of the signal source (21), but which in this case is also shown as different electronic units, the control unit (23) is shown, in this case exemplified by a control board. phase tracking loop, PLL (Pass-Locked Loop), (23a), a dimming controller (23b) and a storage and processing unit (23c), which can be a Raspberry Pi type microcomputer. Said storage and processing unit (23c) can be used to control the operation of the components associated with the control unit (23), as well as to store and/or preprocess the sequence of images captured by the camera (22). Preferably, according to the processing requirements, the image data obtained from the captured image sequence is processed by a processing unit on the ground or in the cloud, different from the one carried in the UAV.
[0045] A modo de ejemplo, el soporte (20) de la Fig. 2 se diseña como un solo bloque para minimizar las deformaciones mecánicas, con refuerzos estructurales para los elementos críticos, y una distribución de los componentes destinada a facilitar el equilibrio del soporte unido al estabilizador y optimizar el montaje, operación y mantenimiento de los componentes. De manera ejemplar, las restricciones de volumen y peso se pueden determinar durante pruebas preliminares de vuelo con el UAV seleccionado, en este caso, con un dron DJI Matrice Pro 600 y un gimbal DJI Ronin MX, que limita la carga útil a 2 kg, restringida a un volumen de 160 x 240 x 130 mm. [0045] By way of example, the support (20) of Fig. 2 is designed as a single block to minimize mechanical deformations, with structural reinforcements for critical elements, and a distribution of components intended to facilitate the balance of the support attached to the stabilizer and optimize the assembly, operation and maintenance of the components. As an example, volume and weight restrictions can be determined during preliminary flight tests with the selected UAV, in this case, with a DJI Matrice Pro 600 drone and a DJI Ronin MX gimbal, which limits the payload to 2 kg, restricted to a volume of 160 x 240 x 130 mm.
[0046] En la solución de prototipo, se imprimió en 3D un soporte prototipo en plástico PLA (Acido Poliláctico) debido a sus características superiores de impresión 3D, como baja deformación, excelente adherencia al lecho de impresión y amplia disponibilidad. El prototipo se ha utilizado con éxito en pruebas de laboratorio en la determinación del ángulo de la rejilla de polarización y en pruebas de estabilidad en el tiempo de la fuente de señales y señales emitidas. Se considera que el soporte puede requerir el uso de materiales reforzados con fibra de carbono u otros materiales de prestaciones mejoradas, que ofrezcan mejor durabilidad y mínima expansión térmica. Esto puede ser útil en aplicaciones donde existe una gran variación térmica, por ejemplo. Fuente de señales [0046] In the prototype solution, a prototype support was 3D printed in PLA (Polylactic Acid) plastic due to its superior 3D printing characteristics, such as low warpage, excellent adhesion to the print bed, and wide availability. The prototype has been successfully used in laboratory tests to determine the angle of the polarization grid and in stability tests over time of the signal source and emitted signals. It is considered that the support may require the use of materials reinforced with carbon fiber or other materials with improved performance, which offer better durability and minimum thermal expansion. This can be useful in applications where there is a large thermal variation, for example. signal source
[0047] Para operar en el UAV, la fuente de señales debe satisfacer varias restricciones, incluido el consumo de energía, el tamaño y el peso. De acuerdo con este ejemplo, el diseño propuesto se basa en un tablero PLL y un multiplicador, operando en la banda D en el rango de 130-163 GHz. El prototipo diseñado presenta un tablero PLL basado en un chip ADF5355, controlado por una unidad de control del tipo microcomputador Raspberry Pi, referido en adelante como microcomputador, de manera que el tablero PLL genera una señal entre 10,83 y 13,6 GHz, cuando se utiliza el puerto 2x. Un filtro de paso de banda (10 - 14 GHz) bloquea el 1er armónico del tablero PLL, antes de que la señal se multiplique 12 veces por una cadena de amplificador/multiplicador como la VDI WR6.5AMC-I, evitando líneas no deseadas dentro de la banda. La frecuencia operativa se puede sintonizar en todo el rango de frecuencias, cubriendo toda la banda D de los instrumentos de destino, es decir, detectores de la antena a calibrar. En la Fig. 3 se presenta un diagrama de bloques de la fuente de señales, mostrando componentes principales y operatividad de la misma. [0047] To operate in the UAV, the signal source must satisfy various constraints, including power consumption, size, and weight. According to this example, the proposed design is based on a PLL board and a multiplier, operating in the D-band in the 130-163 GHz range. The designed prototype presents a PLL board based on an ADF5355 chip, controlled by a unit control system of the Raspberry Pi microcomputer, hereinafter referred to as a microcomputer, so that the PLL board generates a signal between 10.83 and 13.6 GHz, when the 2x port is used. A bandpass filter (10 - 14 GHz) blocks the 1st harmonic of the PLL board, before the signal is multiplied 12 times by an amplifier/multiplier chain like the VDI WR6.5AMC-I, avoiding unwanted lines within from the band. The operating frequency can be tuned in the entire frequency range, covering the entire D-band of the target instruments, that is, detectors of the antenna to be calibrated. In Fig. 3 a block diagram of the signal source is presented, showing its main components and operation.
[0048] El multiplicador puede tener un puerto de control de potencia que se utiliza para cortar la señal, con una tasa límite de 1 kHz. Una onda cuadrada del microcomputador controla la velocidad del chopper o interruptor de corte que, en la aplicación de radiotelescopios, no puede exceder mucho más de 10 Hz dadas las propiedades de detección y lectura de los radiotelescopios. En el caso de radiotelescopios que utilizan moduladores de polarización, como el CLASS, la frecuencia de corte no puede superar el límite de Nyquist del modulador para permitir una correcta demodulación de la señal. Esto reduce la frecuencia de corte máxima a solo unos pocos hercios, según el experimento. Un segundo puerto controlado por voltaje permite atenuar la salida hasta 20 dB para establecer la potencia requerida a una frecuencia determinada, lo que se hace en pasos seleccionables según lo necesite la aplicación. Además, se utiliza una alimentación de guía de ondas abierta para acoplar la señal al aire, lo que proporciona una ganancia de casi 7 dBi. Se utiliza un polarizador de rejilla de alambre para producir una señal polarizada limpia al 99%. El modelo de energía de presupuesto predice que, para una distancia de 500 m, es posible subir hasta -8 dBm, antes de entrar en la región de respuesta no lineal del detector de la antena. [0048] The multiplier may have a power control port that is used to cut the signal, with a limit rate of 1 kHz. A square wave from the microcomputer controls the speed of the chopper or cut-off switch which, in the radio telescope application, cannot exceed much more than 10 Hz given the detection and reading properties of radio telescopes. In the case of radio telescopes that use polarization modulators, such as the CLASS, the cut-off frequency cannot exceed the Nyquist limit of the modulator to allow a correct demodulation of the signal. This reduces the maximum cutoff frequency to just a few hertz, according to experiment. A second voltage-controlled port allows the output to be attenuated by up to 20 dB to set the required power at a given frequency, done in selectable steps as needed by the application. Additionally, an open waveguide feed is used to couple the signal to the air, providing a gain of almost 7 dBi. A wire grid polarizer is used to produce a 99% clean polarized signal. The budget power model predicts that, for a distance of 500 m, it is possible to go up to -8 dBm, before entering the non-linear response region of the antenna detector.
[0049] En un experimento se midió la potencia de salida de la fuente de señales en función de la frecuencia en toda la banda, lo que resultó en un perfil de señal suave con una diferencia de pico a pico de 13 dB, proporcionando una potencia máxima cerca de 135 GHz y una potencia mínima cerca de 147 GHz. También se realizaron pruebas de estabilidad de tiempo de potencia de la fuente de señales en condiciones controladas de laboratorio, lo que resultó en una dispersión promedio de 0,023 dB (0,53%), que fue relativamente uniforme en toda la banda, con valores de dispersión individual tan bajos como 0,0180 dB y no mayores de 0,0268. dB. [0049] In one experiment, the output power of the signal source was measured as a function of frequency across the entire band, resulting in a smooth signal profile with a peak-to-peak difference of 13 dB, providing a power maximum near 135 GHz and minimum power near 147 GHz. Signal source power time stability tests were also performed under controlled laboratory conditions, resulting in an average dispersion of 0.023 dB (0.53% ), which was relatively uniform across the band, with individual dispersion values as low as 0.0180 dB and no greater than 0.0268. dB.
[0050] Además, se probó la estabilidad de frecuencia del tablero PLL, que mostró solo desviaciones moderadas de unos pocos kHz para cambios de temperatura del orden de 10 Kelvin, lo que significa cambios de menos de 200 kHz en la frecuencia de la señal emitida después del multiplicador de 12x. Estas desviaciones causaron solo cambios moderados en la potencia de salida, menos de 1 dBm, consistente con la respuesta de frecuencia de potencia del sistema. Estas desviaciones no son demasiado problemáticas en términos de mediciones del ángulo de polarización, ya que los detectores polarizados en los radiotelescopios objetivo están todos configurados en pares con polarización opuesta, lo que permite realizar mediciones diferenciales que cancelan la potencia en modo común, proporcionando mediciones directas del componente polarizado. En caso de que se use la fuente de señales para caracterizar la forma del haz o los lóbulos laterales, se necesitará una calibración más precisa de la dependencia de la potencia con respecto a la temperatura. Actualmente se implementa un oscilador de cristal con control de temperatura que ya ha mostrado mejoras significativas en términos de estabilidad de frecuencia frente a los cambios de temperatura ambiente. [0050] In addition, the frequency stability of the PLL board was tested, which showed only moderate deviations of a few kHz for temperature changes of the order of 10 Kelvin, which means changes of less than 200 kHz in the frequency of the emitted signal. after the 12x multiplier. These deviations caused only moderate changes in the power of output, less than 1 dBm, consistent with the power frequency response of the system. These deviations are not too problematic in terms of polarization angle measurements, since the polarized detectors on the target radio telescopes are all configured in oppositely polarized pairs, allowing differential measurements that cancel common-mode power, providing direct measurements. of the polarized component. In case the signal source is used to characterize the beam shape or side lobes, a more accurate calibration of the power dependence on temperature will be needed. A temperature controlled crystal oscillator is currently implemented which has already shown significant improvements in terms of frequency stability against ambient temperature changes.
[0051] En este contexto, la potencia transmitida de la fuente de señales debe ser suficiente para producir una relación señal/ruido significativa mientras se mantienen los detectores en su régimen lineal. Se considera como regla general que, para un bolómetro TES (transition-edge sensor) típico utilizado en un experimento CMB, las no linealidades comienzan en alrededor de 2 picovatios de potencia de entrada en el detector. Por otro lado, la potencia equivalente de ruido (NEP. Noise- equivalent power) más usual de detectores utilizados en este tipo de experimentos varía entre 20 y 60 atto-Watts multiplicado por la raíz cuadrada por segundo. Para el propósito de la invención en este campo de aplicación, se considera suficientemente buena una señal a ruido de 5 por medición de detector. [0051] In this context, the transmitted power of the signal source must be sufficient to produce a significant signal-to-noise ratio while maintaining the detectors in their linear regime. It is considered a general rule of thumb that, for a typical TES (transition-edge sensor) bolometer used in a CMB experiment, nonlinearities begin at around 2 picowatts of input power to the detector. On the other hand, the most common noise equivalent power (NEP) of detectors used in this type of experiment varies between 20 and 60 atto-Watts multiplied by the square root per second. For the purpose of the invention in this field of application, a signal to noise of 5 per detector measurement is considered good enough.
Ejemplo de aplicación application example
[0052] En esta sección se presenta la invención en relación con un ejemplo de aplicación, que no debe considerarse limitante en el alcance de la solución que se reivindica. [0052] In this section the invention is presented in relation to an application example, which should not be considered as limiting the scope of the claimed solution.
[0053] En este sentido, las mediciones del campo de polarización del fondo cósmico de microondas o radiación de fondo cósmico (CMB) pueden servir para validar las desviaciones que violan la paridad de los modelos estándar de electromagnetismo y gravedad. Las mediciones necesarias para este estudio son muy finas y, por lo mismo, son susceptibles a pequeñas sistemáticas o errores de calibración que afectan el ángulo de polarización absoluto de los detectores. Las simulaciones predicen que se requiere una precisión mínima de 0,2 grados para lograr mediciones precisas. [0053] In this sense, measurements of the polarization field of the cosmic microwave background or cosmic background radiation (CMB) can serve to validate the deviations that violate the parity of the standard models of electromagnetism and gravity. The measurements necessary for this study are very fine and, therefore, are susceptible to small systematics or calibration errors that affect the absolute polarization angle of the detectors. Simulations predict that a minimum accuracy of 0.2 degrees is required to achieve accurate measurements.
[0054] Las muy pocas fuentes de calibración polarizadas naturales disponibles en longitudes de onda milimétricas son incapaces de proporcionar esta precisión, lo que hace que las fuentes de calibración artificiales sean una opción atractiva. Dada la extrema sensibilidad, y el rango dinámico limitado de los detectores CMB, se dificulta la implementación de fuentes de calibración cerca del nivel del suelo, haciendo de la solución de la invención una muy aplicable para este caso. [0054] The very few natural polarized calibration sources available at millimeter wavelengths are incapable of providing this accuracy, making artificial calibration sources an attractive option. Given the extreme sensitivity, and the limited dynamic range of CMB detectors, the implementation of calibration sources close to ground level is difficult, making the solution of the invention very applicable for this case.
[0055] Como se ha señalado, la invención corresponde a una fuente de calibración basada en UAV, presentando una fuente de señales montada en el UAV y especialmente diseñada para proporcionar una señal de referencia polarizada linealmente con un ángulo de polarización absoluto conocido con una precisión mejor que 0,1 grados. Dicha fuente de señales montada en un UAV se puede utilizar para determinar la polarización absoluta de experimentos CMB basados en tierra, con una precisión experimental general superior a 0,2 grados. De ser necesario, se puede determinar la emisión térmica del UAV para definir cómo ella afecta las mediciones de un radiotelescopio, evitando que esa emisión afecte el proceso de calibración. Sin embargo, se ha encontrado que la emisión térmica de un UAV comercial tipo, volando entre 100 y 500 m sobre la antena a calibrar, implica una emisión térmica detectable por la antena que no afecta el proceso. [0055] As noted, the invention corresponds to a UAV-based calibration source, presenting a signal source mounted on the UAV and specially designed to provide a linearly polarized reference signal with a polarization angle known absolute with a precision better than 0.1 degrees. Such a UAV-mounted signal source can be used to determine the absolute polarization of ground-based CMB experiments, with an overall experimental accuracy better than 0.2 degrees. If necessary, the thermal emission of the UAV can be determined to define how it affects the measurements of a radio telescope, avoiding that this emission affects the calibration process. However, it has been found that the thermal emission of a typical commercial UAV, flying between 100 and 500 m above the antenna to be calibrated, implies a thermal emission detectable by the antenna that does not affect the process.
[0056] Como se ha destacado anteriormente, la invención utiliza el análisis de la secuencia de imágenes capturada por una cámara que también está montada en el UAV, para reconstruir directamente la posición y orientación de la fuente de señales durante el vuelo del UAV. Preferentemente, ello se realiza mediante técnicas de fotogrametría, desacoplando la desalineación residual entre la fuente y el cuerpo del UAV. [0056] As highlighted above, the invention uses the analysis of the image sequence captured by a camera that is also mounted on the UAV, to directly reconstruct the position and orientation of the signal source during the flight of the UAV. Preferably, this is done by photogrammetry techniques, decoupling the residual misalignment between the source and the UAV body.
[0057] La determinación de la posición y ángulo de la fuente de señales contempla como medida más crítica la del ángulo de alabeo (roll) de la fuente de señales, ángulo que está directamente relacionado con el ángulo de polarización de la señal emitida. Los otros dos ángulos, cabeceo y guiñada, son menos críticos dado el amplio perfil de antena de la fuente de señales. Además, es posible complementar el posicionamiento mediante análisis de imágenes con coordenadas de posición mediante sistema de posicionamiento GPS integrado o incorporado en el UAV que, dada la precisión centimétrica de un sistema de posicionamiento GPS RTK (Real-time kinematic), son lo suficientemente precisas. [0057] The determination of the position and angle of the signal source considers the angle of warping (roll) of the signal source as the most critical measure, an angle that is directly related to the angle of polarization of the emitted signal. The other two angles, pitch and yaw, are less critical given the broad antenna profile of the signal source. In addition, it is possible to complement the positioning by means of image analysis with position coordinates by means of a GPS positioning system integrated or incorporated in the UAV which, given the centimeter precision of a GPS RTK (Real-time kinematic) positioning system, are sufficiently precise. .
[0058] En el ejemplo, se utiliza una cámara de video integrada, cuidadosamente alineada con la rejilla de alambre de polarización, para monitorear un sistema georreferenciado de puntos de referencia o marcadores alrededor de la antena, en la zona objetivo. Mediante dicha monitorización se define un sistema de coordenadas absolutas para la fuente de señales, que luego se puede transformar en coordenadas celestes, (ver Fig. 1). Implementando una rápida velocidad de fotogramas es posible conocer el ángulo de polarización de la señal emitida en el tiempo, cuando se sincroniza con los flujos de tiempo del radiotelescopio. [0058] In the example, an integrated video camera, carefully aligned with the bias wire grid, is used to monitor a georeferenced system of reference points or markers around the antenna, in the target area. Through said monitoring, an absolute coordinate system is defined for the signal source, which can then be transformed into celestial coordinates (see Fig. 1). By implementing a fast frame rate it is possible to know the polarization angle of the emitted signal in time, when it is synchronized with the time streams of the radio telescope.
[0059] Este es el problema inverso a la aplicación típica de fotogrametría, que se utiliza para reconstruir la posición de marcas espaciales o la forma de un objeto a partir de las imágenes capturadas por la cámara. En la presente invención se busca determinar la posición de la cámara en base a puntos de referencia conocidos en el suelo. El procesamiento de las imágenes y reconstrucción de la posición de la cámara y, al estar con una alineación conocida, reconstrucción de la posición de la fuente, se realizan mediante unidades de procesamiento y software, que proporcionan rutinas para calibrar la óptica de la cámara, procesar las imágenes para detectar objetivos y determinar sus centroides, y para reconstruir la posición de la cámara y fuente de señales. [0059] This is the inverse problem to the typical application of photogrammetry, which is used to reconstruct the position of spatial landmarks or the shape of an object from images captured by the camera. The present invention seeks to determine the position of the camera based on known reference points on the ground. Image processing and reconstruction of the camera position and, being in a known alignment, reconstruction of the source position, are performed by processing units and software, which provide routines for calibrating the camera optics, process the images to detect targets and determine their centroids, and to reconstruct the position of the camera and signal source.
[0060] En un experimento se montó la cámara en el UAV y se reconstruyó la posición en el tiempo del UAV en base a la posición conocida de una serie de marcadores en el suelo. La posición en el tiempo del UAV se comparó con lo informado por un sistema de posicionamiento GPS RTK y una IMU integrada en el UAV, comprobándose que la reconstrucción mediante fotogrametría permite obtener la posición del UAV de manera precisa, como se muestra en la Fig. 4. En la Fig. 4, parte superior, se presenta la comparación entre el ángulo de alabeo reconstruido por la IMU del UAV y mediante el uso de fotogrametría basada en marcadores en el suelo y procesamiento de imágenes. En la parte inferior de la Fig. 4 se muestra el ángulo residual de la reconstrucción de fotogrametría referido a los valores de la IMU. [0060] In one experiment the camera was mounted on the UAV and the position in time of the UAV was reconstructed based on the known position of a series of markers on the ground. The position in the time of the UAV was compared with that reported by a GPS RTK positioning system and an IMU integrated in the UAV, verifying that the reconstruction by photogrammetry allows obtaining the position of the UAV accurately, as shown in Fig. 4. In Fig. 4, upper part, the comparison between the bank angle reconstructed by the UAV IMU and by using photogrammetry based on ground markers and image processing is presented. The lower part of Fig. 4 shows the residual angle of the photogrammetry reconstruction referred to the IMU values.
[0061] En consecuencia, la implementación de una serie de puntos de referencia o marcadores georreferenciados alrededor de una antena, que incluye la ubicación precisa de la antena, proporcionará una referencia absoluta que puede relacionarse con el ángulo de polarización de los detectores del radiotelescopio proyectados en el cielo. Pruebas experimentales muestran que el tamaño de objetivo más pequeño aceptable debe ocupar 3 píxeles de imagen de diámetro en las imágenes capturadas, lo que se traduce en 60 centímetros en el suelo cuando se opera a 500 metros del radiotelescopio dada la resolución de la cámara utilizada en el experimento. Esto es perfectamente factible en términos de fabricación e instalación de los marcadores en el sitio del radiotelescopio, lo que permite instalar tantos como sea necesario. Los resultados de laboratorio indican que 25 marcadores serían suficientes para este propósito. [0061] Consequently, the implementation of a series of reference points or georeferenced markers around an antenna, including the precise location of the antenna, will provide an absolute reference that can be related to the angle of polarization of the projected radio telescope detectors. in the sky. Experimental tests show that the smallest acceptable target size should occupy 3 image pixels in diameter in captured images, which translates to 60 centimeters on the ground when operating 500 meters from the radio telescope given the resolution of the camera used in the experiment. This is perfectly feasible in terms of fabrication and installation of the markers at the radio telescope site, allowing as many to be installed as necessary. Laboratory results indicate that 25 markers would be sufficient for this purpose.
[0062] Finalmente, la invención demuestra que un nuevo diseño basado en UAV para una fuente de calibración de polarización para experimentos CMB es completamente factible. El sistema se basa en gran medida en un sistema de análisis de imágenes y técnicas de fotogrametría para proporcionar un sistema de referencia absoluto en el tiempo durante el vuelo, mostrándose que es posible lograr una precisión objetivo de 0,1 grados en la medición del ángulo de polarización de la señal emitida. Esta nueva técnica abre un nuevo campo para la caracterización óptica de radiotelescopios y otras antenas donde sea preferible realizar una calibración mediante una fuente de señales posicionada en forma remota. [0062] Finally, the invention demonstrates that a new UAV-based design for a polarization calibration source for CMB experiments is fully feasible. The system relies heavily on image analysis system and photogrammetry techniques to provide an absolute reference system over time during flight, showing that it is possible to achieve a target accuracy of 0.1 degrees in angle measurement. polarization of the emitted signal. This new technique opens a new field for the optical characterization of radio telescopes and other antennas where it is preferable to perform a calibration using a remotely positioned signal source.
Alineación polarizador de rejilla de alambre y cámara Camera and Wire Grid Polarizer Alignment
[0063] Como elemento complementario a la invención, se ha desarrollado una forma especial de calibrar o alinear el polarizador utilizado con la cámara, de manera de conocer la posición relativa del polarizador, en especial el ángulo de polarización, con respecto al plano de imagen de las imágenes capturadas por la cámara. [0063] As a complementary element to the invention, a special way of calibrating or aligning the polarizer used with the camera has been developed, in order to know the relative position of the polarizer, especially the angle of polarization, with respect to the image plane of the images captured by the camera.
[0064] El objetivo final del análisis de imágenes es informar la posición de la fuente de señales, preferentemente, el ángulo de polarización de la fuente, en un sistema de coordenadas absoluto. Esto se traduce en determinar el ángulo relativo del polarizador de rejilla de alambre proyectado sobre la imagen de la cámara, que define el sistema de coordenadas de la cámara. [0064] The ultimate goal of image analysis is to report the position of the signal source, preferably the angle of polarization of the source, in an absolute coordinate system. This results in determining the relative angle of the projected wireframe polarizer onto the camera image, which defines the camera coordinate system.
[0065] Esta alineación se puede realizar en un ambiente de laboratorio, después de que tanto la cámara como la fuente de señales, especialmente el polarizador de rejilla de alambre, se disponen en sus posiciones finales con respecto al UAV, por ejemplo, en el soporte diseñado para esos efectos. De esta manera, se usa la estabilidad del soporte para mantener la alineación entre componentes durante la operación del UAV. [0065] This alignment can be performed in a laboratory environment, after both the camera and the signal source, especially the wire grid polarizer, are arranged in their final positions with respect to the UAV, for example, in the support designed for those effects. In this way, the stability of the support is used to maintain the alignment between components during the operation of the UAV.
[0066] Luego, la alineación consiste en hacer pasar un haz láser a través del polarizador de rejilla de alambre, hacia una pantalla en el fondo. Dicha pantalla se posiciona perpendicular al rayo, produciendo un patrón de difracción del has láser que se dispone en el mismo plano que la polarización transmitida por la fuente de señales, proyectando una línea recta en la pantalla que se puede ver y medir fácilmente en la imagen capturada por la cámara del sistema. [0066] The alignment then consists of passing a laser beam through the wire grid polarizer, towards a screen in the background. Said screen is positioned perpendicular to the beam, producing a diffraction pattern of the laser beam that is arranged in the same plane as the polarization transmitted by the signal source, projecting a straight line on the screen that can be easily seen and measured in the image. captured by system camera.
[0067] Mediante esta forma es posible recuperar el ángulo de polarización con una precisión mejor que un porcentaje de un grado, permitiendo conocer el ángulo relativo de la polarización de la señal emitida con respecto a la imagen capturada por la cámara del sistema. Con ello, es posible obtener datos de posición de origen y ángulo de la señal emitida durante el vuelo del UAV que porta la fuente de señales, datos que son utilizados en el proceso de calibración de la antena al sincronizarse con los datos detectados por la misma. [0067] Using this method, it is possible to recover the polarization angle with a precision better than a percentage of one degree, making it possible to know the relative angle of the polarization of the emitted signal with respect to the image captured by the system camera. With this, it is possible to obtain data on the position of origin and angle of the signal emitted during the flight of the UAV that carries the signal source, data that is used in the antenna calibration process by synchronizing with the data detected by it. .

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un sistema para calibrar antenas, que comprende: 1. A system for calibrating antennas, comprising:
- al menos un vehículo aéreo no tripulado (UAV); - at least one unmanned aerial vehicle (UAV);
- al menos una zona objetivo que rodea al menos una antena; y - at least one target area surrounding at least one antenna; and
- al menos una unidad de procesamiento; el sistema caracterizado porque: el al menos un UAV porta al menos una fuente de señales y al menos una cámara, de manera que, durante un vuelo del al menos un UAV, la al menos una fuente de señales y la al menos una cámara son orientables hacia la al menos una antena; la al menos una zona objetivo comprende una pluralidad de marcadores dispuestos en la cercanía de la al menos una antena, en donde cada uno de la pluralidad de marcadores tiene una posición geográfica predeterminada; la al menos una fuente de señales está configurada para emitir al menos una señal de características predeterminadas durante el vuelo del al menos un UAV, en donde dicha al menos una señal emitida es detectable por la al menos una antena para obtener datos detectados; la al menos una cámara está configurada para capturar al menos una secuencia de imágenes de la al menos una zona objetivo durante el vuelo del al menos un UAV, en donde dicha al menos una secuencia de imágenes se denomina datos de imágenes, y en donde dichos datos de imágenes son procesables para obtener datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida; la al menos una unidad de procesamiento está configurada para sincronizar los datos detectados con los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida, obteniendo un conjunto de datos para calibración. - at least one processing unit; the system characterized in that: the at least one UAV carries at least one signal source and at least one camera, such that, during a flight of the at least one UAV, the at least one signal source and the at least one camera are orientable towards the at least one antenna; the at least one target area comprises a plurality of markers arranged in the vicinity of the at least one antenna, wherein each of the plurality of markers has a predetermined geographical position; the at least one signal source is configured to emit at least one signal with predetermined characteristics during the flight of the at least one UAV, wherein said at least one emitted signal is detectable by the at least one antenna to obtain detected data; the at least one camera is configured to capture at least one image sequence of the at least one target area during the flight of the at least one UAV, wherein said at least one image sequence is called image data, and wherein said image data is processable to obtain origin position and angle data of the at least one emitted signal; the at least one processing unit is configured to synchronize the detected data with the origin position and angle data of the at least one emitted signal, obtaining a set of data for calibration.
2. El sistema de la reivindicación 1, caracterizado porque la al menos una fuente de señales y a la al menos una cámara están fijos a un soporte, en donde dicho soporte está configurado para montarse al al menos un UAV mediante un estabilizador. 2. The system of claim 1, characterized in that the at least one signal source and the at least one camera are fixed to a support, wherein said support is configured to mount at least one UAV by means of a stabilizer.
3. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque el al menos un UAV comprende una unidad de posicionamiento del tipo GPS de alta precisión que complementa los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida obtenidos a partir de la secuencia de imágenes. 3. The system of any of claims 1-2, characterized in that the at least one UAV comprises a high-precision GPS-type positioning unit that complements the origin position and angle data of the at least one emitted signal obtained from from the image sequence.
4. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque la al menos una fuente de señales comprende al menos una unidad de control para controlar características de la al menos una señal emitida y al menos un polarizador de rejilla de alambre para proporcionar señales polarizadas, configurados para que la al menos una señal emitida tenga características de potencia, frecuencia y polarización detectables por la al menos una antena. The system of any of claims 1-3, characterized in that the at least one signal source comprises at least one control unit for controlling characteristics of the at least one emitted signal and at least one wire grid polarizer for providing polarized signals, configured so that the at least one emitted signal has power, frequency and polarization characteristics detectable by the at least one antenna.
5. El sistema de la reivindicación 4, caracterizado porque la al menos una cámara se encuentra alineada con el al menos un polarizador de rejilla de alambre, de manera que se conoce un ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y un plano de imagen de la al menos una cámara. The system of claim 4, characterized in that the at least one camera is aligned with the at least one wire grid polarizer such that a relative angle is known between the at least one wire grid polarizer and a image plane of the at least one camera.
6. El sistema de la reivindicación 5, caracterizado porque el ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y el plano de imagen de la al menos una cámara se determina haciendo pasar al menos un haz láser a través del al menos un polarizador de rejilla de alambre, de manera que se genera un patrón de difracción que es proyectado en un plano ortogonal al plano de imagen, proyección indicativa del ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y el plano de imagen de la al menos una cámara. The system of claim 5, characterized in that the relative angle between the at least one wire grid polarizer and the image plane of the at least one camera is determined by passing at least one laser beam through the at least one wire grid polarizer, so that a diffraction pattern is generated that is projected in a plane orthogonal to the image plane, projection indicative of the relative angle between the at least one wire grid polarizer and the image plane of the al except one camera.
7. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida son obtenidos mediante un análisis de los datos de imágenes usando técnicas de fotogrametría, en donde los datos de imágenes sirven para monitorear una posición relativa de la pluralidad de marcadores durante el vuelo con respecto a cada imagen de la secuencia de imágenes y, en base a dicha posición relativa y la posición geográfica predeterminada de cada uno de la pluralidad de marcadores, al menos una unidad de procesamiento determina un sistema de posicionamiento absoluto para la fuente de señales y reconstruye la posición de dicha fuente de señales durante dicho vuelo. 7. The system of any of claims 1-6, characterized in that the data of the position of origin and angle of the at least one emitted signal are obtained by means of an analysis of the image data using photogrammetry techniques, wherein the data of images serve to monitor a relative position of the plurality of markers during flight with respect to each image of the sequence of images and, based on said relative position and the predetermined geographic position of each of the plurality of markers, at least one processing unit determines an absolute positioning system for the signal source and reconstructs the position of said signal source during said flight.
8. Un método para calibrar antenas, caracterizado porque comprende las siguientes etapas: a) posicionar en vuelo al menos un vehículo aéreo no tripulado (UAV), dentro de un espacio aéreo circundante a al menos una antena, en donde dicha al menos una antena se encuentra rodeada por al menos una zona objetivo que comprende una pluralidad de marcadores dispuestos en la cercanía de la al menos una antena, en donde cada uno de la pluralidad de marcadores tiene una posición geográfica predeterminada; b) emitir al menos una señal de características predeterminadas durante el vuelo del al menos un UAV, mediante al menos una fuente de señales portada en el al menos un UAV y que es orientable hacia la al menos una zona objetivo, en donde dicha al menos una señal emitida es detectable por la al menos una antena para obtener datos detectados; c) en forma simultánea a la etapa b), capturar al menos una secuencia de imágenes de la al menos una zona objetivo durante el vuelo del al menos un UAV, mediante al menos una cámara portada en el al menos un UAV y que es orientable hacia la al menos una zona objetivo, en donde dicha al menos una secuencia de imágenes se denomina datos de imágenes, y en donde dichos datos de imágenes son procesables para obtener datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida, en base a la posición geográfica predeterminada de la pluralidad de marcadores; d) sincronizar los datos detectados con los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida, mediante al menos una unidad de procesamiento, obteniendo un conjunto de datos para calibración; y e) calibrar la al menos una antena, ajustando parámetros de operación de la al menos una antena en función del conjunto de datos para calibración. 8. A method for calibrating antennas, characterized in that it comprises the following steps: a) positioning at least one unmanned aerial vehicle (UAV) in flight, within an airspace surrounding at least one antenna, where said at least one antenna it is surrounded by at least one target zone comprising a plurality of markers arranged in the vicinity of the at least one antenna, wherein each of the plurality of markers has a predetermined geographical position; b) emit at least one signal with predetermined characteristics during the flight of the at least one UAV, by means of at least one signal source carried in the at least one UAV and which is orientable towards the at least one target area, where said at least an emitted signal is detectable by the at least one antenna to obtain detected data; c) Simultaneously to stage b), capture at least one sequence of images of the at least one target area during the flight of at least one UAV, by means of at least one camera carried on the at least one UAV and that is directional towards the at least one target area, wherein said at least one image sequence is called image data, and wherein said image data is processable to obtain origin position and angle data of the at least one emitted signal, in based on the predetermined geographical position of the plurality of markers; d) synchronizing the detected data with the data of the position of origin and angle of the at least one signal emitted, by means of at least one processing unit, obtaining a set of data for calibration; and e) calibrating the at least one antenna, adjusting operating parameters of the at least one antenna based on the data set for calibration.
9. El método de la reivindicación 8, caracterizado porque la etapa de calibrar la al menos una antena comprende: 9. The method of claim 8, characterized in that the step of calibrating the at least one antenna comprises:
- reconstruir un mapa de los datos detectados por la al menos una antena, expresado en coordenadas de un sistema óptico de la al menos antena e incluyendo un ángulo de polarización detectado por la al menos una antena; y - reconstructing a map of the data detected by the at least one antenna, expressed in coordinates of an optical system of the at least one antenna and including a polarization angle detected by the at least one antenna; and
- comparar un ángulo de polarización de unos detectores de la al menos una antena con el ángulo de polarización en dicho mapa. - comparing a polarization angle of detectors of the at least one antenna with the polarization angle in said map.
10. El método de cualquiera de las reivindicaciones 8-9, caracterizado porque la al menos una fuente de señales y a la al menos una cámara están fijos a un soporte, en donde dicho soporte está configurado para montarse al al menos un UAV mediante un estabilizador. 10. The method of any of claims 8-9, characterized in that the at least one signal source and the at least one camera are fixed to a support, wherein said support is configured to mount at least one UAV by means of a stabilizer .
11. El método de cualquiera de las reivindicaciones 8-10, caracterizado porque comprende complementar los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida con datos de posicionamiento GPS, mediante una unidad de posicionamiento del tipo GPS de alta precisión que se dispone en el al menos un UAV. 11. The method of any of claims 8-10, characterized in that it comprises complementing the data of the position of origin and angle of the at least one signal emitted with GPS positioning data, by means of a high-precision GPS-type positioning unit that there is arranged in the at least one UAV.
12. El método de cualquiera de las reivindicaciones 8-11, caracterizado porque además comprende controlar características de la al menos una señal emitida, mediante al menos una unidad de control conectada a la al menos una fuente de señales, y porque la al menos una señal emitida es una señal polarizada, mediante al menos un polarizador de rejilla de alambre dispuesto en la al menos una fuente de señales, en donde la al menos una unidad de control y el al menos un polarizador de rejilla de alambre están configurados para que la al menos una señal emitida tenga características de potencia, frecuencia y polarización detectables por la al menos una antena. 12. The method of any of claims 8-11, characterized in that it further comprises controlling characteristics of the at least one emitted signal, by means of at least one control unit connected to the at least one signal source, and in that the at least one emitted signal is a polarized signal, by means of at least one wire grid polarizer arranged in the at least one signal source, wherein the at least one control unit and the at least one wire grid polarizer are configured so that the at least one emitted signal has power, frequency and polarization characteristics detectable by the at least one antenna.
13. El método de la reivindicación 12, caracterizado porque, antes de la etapa a), comprende alinear la al menos una cámara con el al menos un polarizador de rejilla de alambre, de manera que se conoce un ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y un plano de imagen de la al menos una cámara, dicho plano de imagen siendo ortogonal a un eje de la al menos una cámara. 13. The method of claim 12, characterized in that, prior to step a), it comprises aligning the at least one camera with the at least one wire grid polarizer, such that a relative angle is known between the at least one wire grid polarizer and an image plane of the at least one camera, said image plane being orthogonal to an axis of the at least one camera.
14. El método de la reivindicación 13, caracterizado porque el ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y el plano de imagen de la al menos una cámara se determina haciendo pasar al menos un haz láser a través del al menos un polarizador de rejilla de alambre, The method of claim 13, characterized in that the relative angle between the at least one wire grid polarizer and the image plane of the at least one camera is determined by passing at least one laser beam through the at least one wire grid polarizer,
18 de manera que se genera un patrón de difracción que es proyectado en un plano ortogonal al plano de imagen, proyección indicativa del ángulo relativo entre el al menos un polarizador de rejilla de alambre y el plano de imagen de la al menos una cámara. 18 so that a diffraction pattern is generated that is projected in a plane orthogonal to the image plane, projection indicative of the relative angle between the at least one wire grid polarizer and the image plane of the at least one camera.
15. El método de cualquiera de las reivindicaciones 8-15, caracterizado porque comprende usar técnicas de fotogrametría para obtener los datos de posición de origen y ángulo de la al menos una señal emitida, a partir de un análisis de los datos de imágenes, en donde: 15. The method of any of claims 8-15, characterized in that it comprises using photogrammetry techniques to obtain data on the position of origin and angle of the at least one emitted signal, from an analysis of the image data, in where:
- mediante los datos de imágenes, se monitorea una posición relativa de la pluralidad de marcadores durante el vuelo con respecto a cada imagen de la secuencia de imágenes, y - by means of the image data, a relative position of the plurality of markers is monitored during the flight with respect to each image of the image sequence, and
- en base a dicha posición relativa y la posición geográfica predeterminada de cada uno de la pluralidad de marcadores, se determina un sistema de posicionamiento de referencia para la fuente de señales y se reconstruye la posición de dicha fuente de señales durante dicho vuelo, mediante al menos una unidad de procesamiento. - based on said relative position and the predetermined geographic position of each of the plurality of markers, a reference positioning system for the signal source is determined and the position of said signal source during said flight is reconstructed, by means of at least least one processing unit.
16. Un método para determinar el ángulo de polarización de un polarizador de rejilla de alambre, caracterizado porque comprende: 16. A method for determining the angle of polarization of a wire grid polarizer, characterized in that it comprises:
- disponer el polarizador de rejilla de alambre de manera fija frente a un plano; - arranging the wire grid polarizer fixedly facing a plane;
- hacer pasar al menos un haz láser a través del polarizador, generando un patrón de difracción dado por una orientación de unos alambres que forman el polarizador de rejilla de alambre, en donde dicho patrón de difracción se proyecta sobre el plano; y- passing at least one laser beam through the polarizer, generating a diffraction pattern given by an orientation of some wires that form the wire grid polarizer, wherein said diffraction pattern is projected onto the plane; and
- determinar el ángulo de polarización del polarizador de rejilla de alambre en base al patrón de difracción que se proyecta sobre el plano. - determining the polarization angle of the wire grid polarizer based on the diffraction pattern that is projected onto the plane.
19 19
PCT/CL2021/050119 2021-12-10 2021-12-10 Antenna calibration by means of autonomous flying vehicles WO2023102670A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CL2021/050119 WO2023102670A1 (en) 2021-12-10 2021-12-10 Antenna calibration by means of autonomous flying vehicles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CL2021/050119 WO2023102670A1 (en) 2021-12-10 2021-12-10 Antenna calibration by means of autonomous flying vehicles

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023102670A1 true WO2023102670A1 (en) 2023-06-15

Family

ID=86729333

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CL2021/050119 WO2023102670A1 (en) 2021-12-10 2021-12-10 Antenna calibration by means of autonomous flying vehicles

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023102670A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170155456A1 (en) * 2015-10-14 2017-06-01 Telefonaktiebokaget L M Ericsson(Publ) Antenna alignment using unmanned aerial vehicle
US20190331800A1 (en) * 2016-11-29 2019-10-31 Quadsat Ivs System for testing the accuracy of the automatic positioning means of a signal tracking antenna
CN110892309A (en) * 2017-03-08 2020-03-17 加里夏普创新有限责任公司 Wide-angle variable neutral density filter
WO2021173665A1 (en) * 2020-02-24 2021-09-02 Gary Sharp Innovations, Llc Digitally reconfigurable neutral density filter

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20170155456A1 (en) * 2015-10-14 2017-06-01 Telefonaktiebokaget L M Ericsson(Publ) Antenna alignment using unmanned aerial vehicle
US20190331800A1 (en) * 2016-11-29 2019-10-31 Quadsat Ivs System for testing the accuracy of the automatic positioning means of a signal tracking antenna
CN110892309A (en) * 2017-03-08 2020-03-17 加里夏普创新有限责任公司 Wide-angle variable neutral density filter
WO2021173665A1 (en) * 2020-02-24 2021-09-02 Gary Sharp Innovations, Llc Digitally reconfigurable neutral density filter

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DÜNNER ROLANDO, FLUXÁ JUAN, BEST SERGIO, CARRERO FELIPE: "Millimeter-Wave Polarization Angle Calibration Using UAV-Based Sources", SPIE ASTRONOMICAL TELESCOPES + INSTRUMENTATION, 13 December 2020 (2020-12-13), XP093073535, Retrieved from the Internet <URL:https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/11453/114532P/Millimeter-wave-polarization-angle-calibration-using-UAV-based-sources/10.1117/12.2561165.full?SSO=1> [retrieved on 20230814] *
DUNNER ROLANDO; FLUXA JUAN; BEST SERGIO; CARRERO FELIPE; BOETTGER DAVID: "Drone-based polarization calibration source for mm-wave telescopes", 2021 15TH EUROPEAN CONFERENCE ON ANTENNAS AND PROPAGATION (EUCAP), EURAAP, 22 March 2021 (2021-03-22), pages 1 - 5, XP033907325, DOI: 10.23919/EuCAP51087.2021.9411058 *
GARCIA-FERNANDEZ MARIA, ALVAREZ LOPEZ YURI, ARBOLEYA ANA, GONZALEZ-VALDES BORJA, RODRIGUEZ-VAQUEIRO YOLANDA, DE COS GOMEZ MARIA EL: "Antenna Diagnostics and Characterization Using Unmanned Aerial Vehicles", IEEE ACCESS, vol. 5, 18 September 2017 (2017-09-18), pages 23563 - 23575, XP055878307, DOI: 10.1109/ACCESS.2017.2754985 *
VAN HOOREBEECK LOÏC: "Calibration of the SKA-low antenna array using drones", MASTER'S THESIS, UNIVERSITÉ CATHOLIQUE DE LOUVAIN, 1 January 2018 (2018-01-01), XP093073533, Retrieved from the Internet <URL:https://dial.uclouvain.be/memoire/ucl/en/object/thesis%3A14813/datastream/PDF_01/view> [retrieved on 20230814] *
VIRONE GIUSEPPE; LINGUA ANDREA M.; PIRAS MARCO; CINA ALBERTO; PERINI FEDERICO; MONARI JADER; PAONESSA FABIO; PEVERINI OSCAR A.; AD: "Antenna Pattern Verification System Based on a Micro Unmanned Aerial Vehicle (UAV)", IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, IEEE, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 13, 1 January 1900 (1900-01-01), US , pages 169 - 172, XP011539132, ISSN: 1536-1225, DOI: 10.1109/LAWP.2014.2298250 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN209014148U (en) Airborne auditing system
US9797980B2 (en) Self-calibrated, remote imaging and data processing system
US10747236B2 (en) Systems and processes for calibrating unmanned aerial vehicles
US7725258B2 (en) Vehicle based data collection and processing system and imaging sensor system and methods thereof
CN101201248B (en) Aviation close range photography displacement measurement system based on unmanned aerial vehicle as well as measurement method thereof
CN110108984B (en) Spatial relationship synchronization method for multiple sensors of power line patrol laser radar system
JP6282275B2 (en) Infrastructure mapping system and method
JP2006507483A (en) Data collection and processing system by mobile body
CN101010563A (en) Combination laser system and global navigation satellite system
WO2018158472A1 (en) Airborne system and method for the characterisation and measurement of radiating systems or antennas
AU769332B2 (en) Mobile system and method for characterizing radiation fields outdoors in an extensive and precise manner
WO2012134419A1 (en) Self-calibrated, remote imaging and data processing system
CN201133815Y (en) Aviation close shot displacement measuring device based on unmanned plane
CN110296688A (en) A kind of detecting one inclination aerial survey gondola based on passive geographic positioning technology
Luo et al. Non-landing vehicle-mounted electro-optical theodolite deformation measurement method using inertial sensors
US20190387161A1 (en) Image stabilization systems and methods
Zhou Geo-referencing of video flow from small low-cost civilian UAV
CN212206068U (en) Low-altitude unmanned aerial vehicle photogrammetry device
WO2023102670A1 (en) Antenna calibration by means of autonomous flying vehicles
Stuart Sensor design for unmanned aerial vehicles
KR101003412B1 (en) Apparatus and method for airborne laser surveying using detection dilution critical value of precision
US11015758B2 (en) Gimbal radial counterbalance systems and methods
JP6783681B2 (en) Arithmetic logic unit, arithmetic method and program
CN109084733A (en) A kind of intelligence remote sensing mapping system
Biondi et al. Unmanned aerial vehicles in astronomy

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21966601

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1