數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)在雷達(dá)天線生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用

黃湘鵬

(海裝上海局，上海 201206)

0 引 言

拋物面天線反射面加工精度的高低對(duì)雷達(dá)天線以及雷達(dá)的整體性能有著至關(guān)重要的影響[1]，工作頻段越高，波長(zhǎng)越短，反射面加工要求越高。雙彎曲反射面天線型面曲率大，加工困難，精度越難以保證，代價(jià)更高。傳統(tǒng)反射面天線生產(chǎn)過(guò)程中的型面精度采用卡尺、塞尺等簡(jiǎn)單的測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果不準(zhǔn)確。采用經(jīng)緯儀測(cè)量，需要人工進(jìn)行瞄準(zhǔn)，測(cè)量精度易受人為因素影響，而為了提高測(cè)量精度，選取較多測(cè)量點(diǎn)，則工作量大，測(cè)量效率低。采用基于激光干涉長(zhǎng)度和角度的極坐標(biāo)原理的激光跟蹤干涉測(cè)量方式，測(cè)量精度高，但需要測(cè)量空間大，且價(jià)格昂貴，便攜性差。在生產(chǎn)過(guò)程中，為了滿足天線反射面的加工精度要求，需要進(jìn)行多次反復(fù)校整和測(cè)量，如果采取上述幾種測(cè)量方式，均不適應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程中的天線反射面精度測(cè)量。

攝影測(cè)量是隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、圖像匹配技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)及攝影測(cè)量術(shù)的綜合研究發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)量技術(shù)，測(cè)量方便、簡(jiǎn)單、效率高。通過(guò)對(duì)被測(cè)量目標(biāo)攝影拍照來(lái)確定目標(biāo)的外形形狀及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立起物體的3D模型。它采用了高性能數(shù)字成像器件作為傳感元件，經(jīng)過(guò)圖像處理及模式識(shí)別技術(shù)來(lái)完成對(duì)被測(cè)量目標(biāo)的瞄準(zhǔn)、識(shí)別和角度測(cè)量，能夠簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，降低人為誤差對(duì)測(cè)量精度的影響，有效提高測(cè)量精度和效率。

1 V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)組成[2]

V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，自動(dòng)化程度高，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，而且適應(yīng)多種測(cè)量環(huán)境，是目前國(guó)際上最先進(jìn)成熟的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量產(chǎn)品。單相機(jī)V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)由 1臺(tái)測(cè)量型數(shù)碼相機(jī)(尼康D800)、1臺(tái)筆記本電腦(含系統(tǒng)軟件)、1套基準(zhǔn)尺和1組特征標(biāo)志點(diǎn)組成，如圖1所示。使用專業(yè)的高精度相機(jī)在不同位置和方向完成照片的拍攝。V-STARS軟件自動(dòng)處理所拍攝的全部照片，經(jīng)過(guò)自動(dòng)匹配及相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算后得到被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，經(jīng)后續(xù)處理獲得被測(cè)物的測(cè)量結(jié)果以及誤差分析。[3-5]

2 V-STARS攝影測(cè)量的工作原理

攝像測(cè)量的基本原理和雙經(jīng)緯儀系統(tǒng)很相似。若用一臺(tái)相機(jī)在兩個(gè)位置對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行拍照，就可以得到被測(cè)目標(biāo)在兩個(gè)不同角度的照片。這兩個(gè)不同角度的照片就構(gòu)成了被測(cè)目標(biāo)的立體像。如果從多個(gè)拍攝點(diǎn)對(duì)被測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行拍攝，就可以得到被測(cè)量目標(biāo)的多個(gè)立體像對(duì)，構(gòu)成多目立體模型。如圖2所示，圖中被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)由多個(gè)攝站相交，可得到下式所示的多個(gè)共線方程。

其中，Xs、Ys、Zs、ai、bi、ci(i=1,2,3)分別為照片的外方位元素的平移量及旋轉(zhuǎn)矩陣的元素；x0、y0、f、Δx、Δy為預(yù)先已標(biāo)定好的照片的內(nèi)部參數(shù)，為已知量。物方點(diǎn)坐標(biāo)XYZ所對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)為x和y。將共線方程聯(lián)立并根據(jù)最小二乘法求解，就可以計(jì)算出物方點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y，Z)。

3 某艦載雙彎曲反射面天線生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)量

圖3所示為某艦載雷達(dá)雙彎曲反射面天線。該天線反射面尺寸為3 m×1.2 m，由厚度為3 mm的鋁板經(jīng)拉伸、打孔、校整后成型，要求校整成型后的反射面實(shí)際曲面與理論曲面的均方根誤差不大于0.3 mm(RMS)。校整成型后的型面經(jīng)陽(yáng)極氧化處理，再與筋板膠合并螺裝固定，最后與天線骨架總成在一起，要求總成后實(shí)際曲面與理論曲面的均方根誤差不大于0.5 mm(RMS)。

由于天線反射面與筋板膠合后無(wú)法再校整，打孔后天線反射面必須進(jìn)行測(cè)量、校整，此狀態(tài)反射面的型面精度必須滿足均方根誤差不大于0.3 mm(RMS)的要求，否則總成后天線反射面的精度可能無(wú)法保證，故總成前反射面的校整、測(cè)量是天線生產(chǎn)過(guò)程中非常關(guān)鍵的生產(chǎn)工序。很多生產(chǎn)企業(yè)通常采用游標(biāo)卡尺及塞尺相結(jié)合的簡(jiǎn)易測(cè)量辦法測(cè)量天線反射面背部到胎模之間的距離，推算出反射面與胎膜之間的間隙，最后計(jì)算出反射面的均方根誤差，如圖4所示。此種測(cè)量方法測(cè)量點(diǎn)有限，受人為因素影響，測(cè)量精度差，不能真實(shí)反映反射面實(shí)際精度。

4 V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法

4.1 標(biāo)志點(diǎn)和基準(zhǔn)尺的設(shè)置

反射面由厚度為3 mm的鋁板制成，剛度差，易變形。如果將校整后的反射面從胎膜上取下來(lái)測(cè)量，測(cè)量精度誤差大，因此直接在胎膜上測(cè)量反射面背部曲面來(lái)代替反射面正面曲面的測(cè)量。

在天線反射面背部粘貼上V-STARS測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)和編碼點(diǎn)。測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)為GSI公司的一種黑底白圓點(diǎn)的高對(duì)比度特殊材料印刷品。編碼點(diǎn)同樣為GSI公司產(chǎn)品，它是V-STARS圖像識(shí)別系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別的標(biāo)識(shí)編碼。標(biāo)志的數(shù)量根據(jù)反射面精度要求及大小設(shè)定，橫平豎直布置。為了更精準(zhǔn)地反映天線反射面的實(shí)際情況，每間隔10 cm左右布置一個(gè)測(cè)量標(biāo)志，在反射面曲率大的位置適當(dāng)增加測(cè)量布置密度。反射面上的標(biāo)志點(diǎn)和編碼點(diǎn)分布見(jiàn)圖5所示。測(cè)量標(biāo)志和編碼標(biāo)志的總數(shù)為：測(cè)量標(biāo)志300個(gè)，編碼標(biāo)志6個(gè)。測(cè)量系統(tǒng)的基準(zhǔn)尺是系統(tǒng)最終進(jìn)行三維坐標(biāo)計(jì)算的基礎(chǔ)。為了讓基準(zhǔn)尺出現(xiàn)在多數(shù)的拍攝照片中，盡量將基準(zhǔn)尺放在天線反射面背部中央位置。

4.2 拍攝過(guò)程

根據(jù)多次拍攝的照片發(fā)現(xiàn)，白天所拍照片由于背景光太強(qiáng)，照片中標(biāo)志點(diǎn)和編碼點(diǎn)顯示不明顯，系統(tǒng)的解算器無(wú)法找到標(biāo)志點(diǎn)和編碼點(diǎn)，測(cè)量精度受到較大影響。經(jīng)過(guò)不斷摸索，發(fā)現(xiàn)拍攝只能在暗室或晚上關(guān)掉所有照明設(shè)施的室內(nèi)進(jìn)行。為了拍攝時(shí)具有良好的視場(chǎng)角、拍攝距離，提高最終測(cè)量的精度，拍攝過(guò)程中需采取多角度多方位拍攝整個(gè)天線。

4. 3 測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

將拍攝的照片導(dǎo)入V-STARS系統(tǒng)，通過(guò)軟件解算出天線反射面標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)，并得出被測(cè)目標(biāo)(標(biāo)志)空間三維坐標(biāo)點(diǎn)圖，如圖6所示。將被測(cè)目標(biāo)的三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SA軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)最小二乘法將所有坐標(biāo)點(diǎn)擬合出天線反射面的實(shí)際曲面，計(jì)算出實(shí)際曲面與理論曲面之間的誤差，如圖7所示。該加工誤差分布圖直觀反映了天線曲面的加工狀況，更可以據(jù)此有針對(duì)性地對(duì)天線曲面進(jìn)行校整，使其滿足最終加工精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

許多天線制造企業(yè)在天線反射面的生產(chǎn)過(guò)程中往往不重視過(guò)程控制和測(cè)量，直到其總成后再進(jìn)行精度測(cè)量。這種“事后”測(cè)量、不滿足精度要求再調(diào)整的方法，除更耗時(shí)耗力外，天線電性能測(cè)試也可能不合格，因此不適應(yīng)天線反射面的批量生產(chǎn)。

本文介紹了一種將數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到天線制造過(guò)程中的測(cè)量方法。通過(guò)對(duì)多型雙彎曲反射面的實(shí)際應(yīng)用，簡(jiǎn)化了測(cè)量、驗(yàn)收過(guò)程，降低了人為因素對(duì)測(cè)量精度的影響，有效提高了天線反射面測(cè)量精度和效率。測(cè)量數(shù)據(jù)分析后能夠指導(dǎo)反射面的生產(chǎn)，縮短了生產(chǎn)周期，提升了天線反射面批量加工的合格率。

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