數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)在拋物面天線型面精度、重力變形測試中的應(yīng)用

（1．中國電子科技集團(tuán)公司第39研究所，陜西 西安 710065；2．鄭州辰維科技股份有限公司，河南 鄭州 450001）

數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)在拋物面天線型面精度、重力變形測試中的應(yīng)用

楊永忠1呂傳景2

（1．中國電子科技集團(tuán)公司第39研究所，陜西 西安 710065；2．鄭州辰維科技股份有限公司，河南 鄭州 450001）

對大口徑拋物面天線而言，自重較大，型面精度會隨天線俯仰角度的變化而變化，數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)可以量出天線任意姿態(tài)下型面精度，計算天線反射體重力變形數(shù)值，根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行精度及重力預(yù)變形調(diào)整。66米口徑天線實際應(yīng)用中，型面調(diào)整精度0．25mm。測試結(jié)果表明數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)可用于天線重力變形測試和形面精度在位測量、調(diào)整。

大口徑拋物面天線；重力變形；數(shù)字?jǐn)z影測量

1 前言

拋物面天線的型面精度是衡量、評價天線性能的重要指標(biāo)，不僅直接影響天線接收、發(fā)射電磁波效率，而且還決定了天線可工作的最短波長。

常規(guī)的型面精度保障方法是在天線反射面旋轉(zhuǎn)軸線垂直于大地（口面朝天）狀態(tài)，利用檢測設(shè)備測量實際型面與理論型面的偏差，通過偏差值進(jìn)行調(diào)整，再進(jìn)行偏差測量，循環(huán)反復(fù)多次直到型面精度達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。

對于小口徑剛性較好的天線反射面，通常對其在工作姿態(tài)時因自重產(chǎn)生的重力變形忽略不計，即認(rèn)為在各工作仰角的型面精度與朝天狀態(tài)型面精度一致。但對于大口徑拋物面天線而言，由于自重較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因自重而產(chǎn)生的重力變形數(shù)值較大，會嚴(yán)重影響各工作仰角時的型面精度。對于66米口徑天線而言，500噸自重的反射體在不同俯仰角度下產(chǎn)生的最大重力變形將近20mm，對型面精度的影響較大，甚至可能影響設(shè)備的正常使用。

因此，為保證大口徑天線在工作姿態(tài)下的型面精度，最佳的調(diào)整、測試步驟應(yīng)該如下：

1）測試出天線重力變形數(shù)值

2）利用變形數(shù)值繪制變形曲線

3）利用變形曲線確定天線反射面的最佳調(diào)整姿態(tài)

4）確定天線反射面在全俯仰姿態(tài)內(nèi)滿足型面精度要求時最佳調(diào)整姿態(tài)對應(yīng)的型面精度要求

5）在最佳調(diào)整姿態(tài)調(diào)整型面精度

圖1

2 天線型面精度及重力變形測試現(xiàn)狀

對于一個大口徑天線的現(xiàn)場安裝調(diào)整，由于環(huán)境、設(shè)備、保障條件等操作順序的原因，型面精度調(diào)整往往安排在結(jié)構(gòu)整架階段進(jìn)行，在此階段，饋電單元、伺服控制、編碼角度等設(shè)備還沒有就位，無法利用國際上通用的無線電全息測量技術(shù)對天線型面重力變形進(jìn)行測試，實際工程中較為常用的測試方法為經(jīng)緯儀測量法、全站儀測量法及跟蹤儀測量法。三種測量方法的共同點(diǎn)如下：

1）受儀器工作方式限制，進(jìn)行檢測時天線口面需朝天放置，即天線旋轉(zhuǎn)軸線垂直于大地。

2）需要對反射面上的測量點(diǎn)逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。

大口徑金屬反射面在溫度、濕度、光照情況下會產(chǎn)生較大變形，為追求測量準(zhǔn)確性，一般選擇在溫濕度變化較小的夜間進(jìn)行。對于66米口徑天線的7800個檢測點(diǎn)而言，按平均3點(diǎn)/分鐘的采集速度，采集一遍數(shù)據(jù)約需44小時，按每夜晚工作8小時計算，采集一遍數(shù)據(jù)需5～6天時間，如果在數(shù)據(jù)實時檢測過程中進(jìn)行逐點(diǎn)的偏差調(diào)整，則所需時間還會成倍的上漲。過長的數(shù)據(jù)采集時間會帶入較大的溫濕度誤差、基準(zhǔn)對齊誤差等，影響檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時，因為三種測試方法在檢測數(shù)據(jù)時天線反射體旋轉(zhuǎn)軸線必須垂直于大地，所以這幾種檢測方法不具備對天線反射體在任意姿態(tài)下的精度測量能力。

經(jīng)緯儀、全站儀、跟蹤儀三種測試方法在檢測數(shù)據(jù)時天線反射體旋轉(zhuǎn)軸線必須垂直于大地，工作方式?jīng)Q定了這幾種檢測設(shè)備無法與天線反射面一體進(jìn)行俯仰運(yùn)動、不具備對天線反射體在任意姿態(tài)下的重力變形測試能力。由于受檢測手段的限制，無法取得天線反射面實際重力變形數(shù)值，傳統(tǒng)的辦法是建立天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS軟件計算天線反射體理論變形數(shù)值，在天線口面朝天狀態(tài)的精度調(diào)整時做預(yù)變形調(diào)整。其思路是在朝天狀態(tài)根據(jù)理論變形量，相對于反射面的理論型面預(yù)先變形調(diào)整，使其在工作姿態(tài)時變形量抵消預(yù)變形值，從而使反射面精度在工作姿態(tài)時達(dá)到最佳效果。但從實際效果來看，天線反射面由于種種原因，其實際變形值與理論變形值有較大偏差，這種偏差會對大口徑或高精度天線性能造成影響。

由上述分析可知：目前傳統(tǒng)的檢測手段無法滿足天線型面精度及重力變形測試的要求。因此尋找一種能夠高效率、高精度完成測量任務(wù)的設(shè)備成為工程完成的關(guān)鍵。

為滿足重力變形及型面精度測試，該測量設(shè)備應(yīng)具備如下兩種能力：

1）天線反射面在任意姿態(tài)下的型面精度調(diào)整及檢測能力

2）天線反射面重力變形實際數(shù)值的測量能力

3 數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)

數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)是近幾年新出現(xiàn)的一種使用方便、功能齊全、測量精確的非接觸式便攜測試儀器。該系統(tǒng)主要利用立體視覺的交會測量原理，通過一臺高分辨率的數(shù)字相機(jī)，距被測物體一定距離從多個位置和角度拍攝一定數(shù)量的數(shù)字像片，根據(jù)透視投影的目標(biāo)點(diǎn)、相機(jī)中心和像點(diǎn)三點(diǎn)共線條件，經(jīng)相機(jī)定向及圖像匹配后得到目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)。主要特點(diǎn)包括：非接觸測量、動態(tài)性能好、檢測速度快、受外界環(huán)境影響小等。樣式如圖2：

圖2

4 探索、試驗及結(jié)論

從數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)介紹可知：該測量系統(tǒng)具備在天線任意姿態(tài)下的型面精度檢測能力，具備天線反射體重力變形檢測能力。因在天線結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整階段對反射面天線重力變形、型面精度進(jìn)行測量變成了可能。

為驗證數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)在大口徑天線重力變形、面精度測量等方面的應(yīng)用可行性，利用口面為66米的輪軌式方位、俯仰型全動拋物面天線，按前文所述的最佳的大口徑天線型面精度調(diào)整、測試步驟進(jìn)行了試驗。

66米拋物面天線的俯仰轉(zhuǎn)動范圍約為0°～90°，反射面自身重量約500T，由1108塊鋁質(zhì)反射面板拼裝而成，在徑向上設(shè)計為15環(huán)，每環(huán)由不等的24～96塊面板組成，其中每塊面板上有6～8處調(diào)整點(diǎn)，共計7800處調(diào)整點(diǎn)。副反射面由均布的4條支撐腿支撐于沿主反射面旋轉(zhuǎn)軸線上方約20米位置處。見下圖：

4.1 試驗內(nèi)容

圖3

（1）測量主反射面隨天線俯仰在0°～90°度運(yùn)動范圍內(nèi)的各姿態(tài)重力變形數(shù)值。

（2）通過各姿態(tài)重力變形數(shù)值計算并繪制變形曲線，利用曲線確定最佳型面精度的調(diào)整姿態(tài)（俯仰角度）及調(diào)整精度。

（3）將天線停在最佳俯仰角度，對型面精度進(jìn)行測量，計算調(diào)整點(diǎn)偏差值并進(jìn)行對應(yīng)調(diào)整，直至型面精度滿足要求。

4.2 試驗準(zhǔn)備

（1）調(diào)整天線大盤水平、調(diào)整天線俯仰姿態(tài)使天線反射面旋轉(zhuǎn)軸線垂直于大地（定義為俯仰90°，目的是便于人員操作及基準(zhǔn)的建立）。

（2）在天線反射體中心定位環(huán)上表面建立6～8處坐標(biāo)轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)點(diǎn)。在天線面板任意位置處布設(shè)2處長度基準(zhǔn)點(diǎn)，2處長度基準(zhǔn)點(diǎn)的距離L≥天線口徑/2。

（3）在面板指定位置處（模型節(jié)點(diǎn)）粘貼測量用回光反射標(biāo)志。

圖4 回光反射標(biāo)志式樣

圖5 編碼標(biāo)志式樣

（4）在面板指定位置處粘貼照片拼接用編碼標(biāo)志。

4.3 試驗過程

（1）在天線俯仰90°狀態(tài)下，利用激光跟蹤儀在天線反射面坐標(biāo)系下測量6～8處轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)點(diǎn)三維坐標(biāo)值，測量2處長度基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)值。

（2）在天線俯仰90°～0°范圍內(nèi)多種狀態(tài)，用吊車將測量人員送至天線口面的前方，圍繞著天線四周，利用美國V-STARS攝影測量系統(tǒng)，對天線反射面進(jìn)行測量，取得多種狀態(tài)下的原始圖片數(shù)據(jù)。

（3）從多組交會測量的圖片文件中解算出各回光反射標(biāo)志的相關(guān)數(shù)據(jù)，利用跟蹤儀測得的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)值及長度基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)值，分別解算出多組狀態(tài)下各回光反射標(biāo)志在攝影測量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值并轉(zhuǎn)換到天線坐標(biāo)系下。

圖6 不同仰角下的拍攝

圖7 攝影測量系統(tǒng)

圖8 天線攝影示意圖

圖9 攝影測量近景

（4）以轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)點(diǎn)為基準(zhǔn)，利用各回光反射標(biāo)志坐標(biāo)值，計算、比對反射面多種狀態(tài)與90°狀態(tài)時天線型面節(jié)點(diǎn)的法向偏差值，確定了天線反射面的重力變形數(shù)值并計算出了重力變形曲線、計算出了最佳型面精度要求≤0.30mm（r.m.s）及調(diào)整俯仰角度35°。

圖10 重力變形云圖

圖11 隨重力變形變化的型 面精度

圖12 天線型面偏差計算

（5）在最佳俯仰角度35°的天線姿態(tài)下對天線面精度進(jìn)行測量，計算出各點(diǎn)偏差值并反復(fù)進(jìn)行多次調(diào)整，最終調(diào)整精度達(dá)到0.25mm（r.m.s），滿足了設(shè)計指標(biāo)的要求。

影響攝影測量精度的幾何因素主要有交會圖形、冗余像片數(shù)和被測物體的尺寸。測試中使用的V-STARS/S8系統(tǒng)的相對測量精度是1：200000，因此，對于66米口徑的天線而言，為了提高測量精度，采用了增大回光反射標(biāo)志面積、縮短攝影距離和增加攝影位置數(shù)目的方式，將攝站離天線約20米處進(jìn)行攝影，每張像片僅拍攝天線的一部分，用多個局部將天線整體拼接起來。

測試信道打通后，在各工作頻段、各俯仰角度對天線方向圖進(jìn)行了測試，所有與天線型面精度相關(guān)的電信指標(biāo)全部滿足要求，從而驗證了攝影測量系統(tǒng)在反射面天線型面精度調(diào)整及重力變形測試的應(yīng)用可行性。

結(jié)語

傳統(tǒng)制造業(yè)中的測量大多是“事后”測量，也即是在生產(chǎn)裝配過程后被動的測量。而從66米天線型面裝配、調(diào)整的實際過程來看：數(shù)字?jǐn)z影測量檢測不再僅僅是被動檢測，而是整個裝配、調(diào)整過程中不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對66米口徑拋物面天線的實際測量及精度調(diào)整，驗證了數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)適用于大口徑、高精度天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安裝、調(diào)整的在線檢測，其最突出的優(yōu)勢就是對天線型面的重力變形及型面精度的高效率、高精度檢測，是今后該檢測領(lǐng)域的發(fā)展方向。

[1]數(shù)字?jǐn)z影測量用于天線熱變形測量的精度測試[J]．測繪通報，2007．

P234 < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

A