數字攝影測量技術在拋物面天線型面精度、重力變形測試中的應用

（1．中國電子科技集團公司第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）

數字攝影測量技術在拋物面天線型面精度、重力變形測試中的應用

楊永忠1呂傳景2

（1．中國電子科技集團公司第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，數字攝影測量技術可以量出天線任意姿態下型面精度，計算天線反射體重力變形數值，根據測量數據進行精度及重力預變形調整。66米口徑天線實際應用中，型面調整精度0．25mm。測試結果表明數字攝影測量技術可用于天線重力變形測試和形面精度在位測量、調整。

大口徑拋物面天線；重力變形；數字攝影測量

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，不僅直接影響天線接收、發射電磁波效率，而且還決定了天線可工作的最短波長。

常規的型面精度保障方法是在天線反射面旋轉軸線垂直于大地（口面朝天）狀態，利用檢測設備測量實際型面與理論型面的偏差，通過偏差值進行調整，再進行偏差測量，循環反復多次直到型面精度達到設計指標要求。

對于小口徑剛性較好的天線反射面，通常對其在工作姿態時因自重產生的重力變形忽略不計，即認為在各工作仰角的型面精度與朝天狀態型面精度一致。但對于大口徑拋物面天線而言，由于自重較大，結構復雜，因自重而產生的重力變形數值較大，會嚴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，甚至可能影響設備的正常使用。

因此，為保證大口徑天線在工作姿態下的型面精度，最佳的調整、測試步驟應該如下：

1）測試出天線重力變形數值

2）利用變形數值繪制變形曲線

3）利用變形曲線確定天線反射面的最佳調整姿態

4）確定天線反射面在全俯仰姿態內滿足型面精度要求時最佳調整姿態對應的型面精度要求

5）在最佳調整姿態調整型面精度

圖1

2 天線型面精度及重力變形測試現狀

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

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

2）需要對反射面上的測量點逐點采集數據。

大口徑金屬反射面在溫度、濕度、光照情況下會產生較大變形，為追求測量準確性，一般選擇在溫濕度變化較小的夜間進行。對于66米口徑天線的7800個檢測點而言，按平均3點/分鐘的采集速度，采集一遍數據約需44小時，按每夜晚工作8小時計算，采集一遍數據需5～6天時間，如果在數據實時檢測過程中進行逐點的偏差調整，則所需時間還會成倍的上漲。過長的數據采集時間會帶入較大的溫濕度誤差、基準對齊誤差等，影響檢測數據的準確性。同時，因為三種測試方法在檢測數據時天線反射體旋轉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下的精度測量能力。

經緯儀、全站儀、跟蹤儀三種測試方法在檢測數據時天線反射體旋轉軸線必須垂直于大地，工作方式決定了這幾種檢測設備無法與天線反射面一體進行俯仰運動、不具備對天線反射體在任意姿態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值，傳統的辦法是建立天線結構系統的數學模型，利用ANSYS軟件計算天線反射體理論變形數值，在天線口面朝天狀態的精度調整時做預變形調整。其思路是在朝天狀態根據理論變形量，相對于反射面的理論型面預先變形調整，使其在工作姿態時變形量抵消預變形值，從而使反射面精度在工作姿態時達到最佳效果。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的設備成為工程完成的關鍵。

為滿足重力變形及型面精度測試，該測量設備應具備如下兩種能力：

1）天線反射面在任意姿態下的型面精度調整及檢測能力

2）天線反射面重力變形實際數值的測量能力

3 數字攝影測量技術

數字攝影測量系統是近幾年新出現的一種使用方便、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字相機，距被測物體一定距離從多個位置和角度拍攝一定數量的數字像片，根據透視投影的目標點、相機中心和像點三點共線條件，經相機定向及圖像匹配后得到目標點三維坐標。主要特點包括：非接觸測量、動態性能好、檢測速度快、受外界環境影響小等。樣式如圖2：

圖2

4 探索、試驗及結論

從數字攝影測量技術介紹可知：該測量系統具備在天線任意姿態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。因在天線結構安裝調整階段對反射面天線重力變形、型面精度進行測量變成了可能。

為驗證數字攝影測量技術在大口徑天線重力變形、面精度測量等方面的應用可行性，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整、測試步驟進行了試驗。

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

4.1 試驗內容

圖3

（1）測量主反射面隨天線俯仰在0°～90°度運動范圍內的各姿態重力變形數值。

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

（3）將天線停在最佳俯仰角度，對型面精度進行測量，計算調整點偏差值并進行對應調整，直至型面精度滿足要求。

4.2 試驗準備

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

（2）在天線反射體中心定位環上表面建立6～8處坐標轉換基準點。在天線面板任意位置處布設2處長度基準點，2處長度基準點的距離L≥天線口徑/2。

（3）在面板指定位置處（模型節點）粘貼測量用回光反射標志。

圖4 回光反射標志式樣

圖5 編碼標志式樣

（4）在面板指定位置處粘貼照片拼接用編碼標志。

4.3 試驗過程

（1）在天線俯仰90°狀態下，利用激光跟蹤儀在天線反射面坐標系下測量6～8處轉換基準點三維坐標值，測量2處長度基準點坐標值。

（2）在天線俯仰90°～0°范圍內多種狀態，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，對天線反射面進行測量，取得多種狀態下的原始圖片數據。

（3）從多組交會測量的圖片文件中解算出各回光反射標志的相關數據，利用跟蹤儀測得的轉換基準點坐標值及長度基準點坐標值，分別解算出多組狀態下各回光反射標志在攝影測量坐標系下的坐標值并轉換到天線坐標系下。

圖6 不同仰角下的拍攝

圖7 攝影測量系統

圖8 天線攝影示意圖

圖9 攝影測量近景

（4）以轉換基準點為基準，利用各回光反射標志坐標值，計算、比對反射面多種狀態與90°狀態時天線型面節點的法向偏差值，確定了天線反射面的重力變形數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°的天線姿態下對天線面精度進行測量，計算出各點偏差值并反復進行多次調整，最終調整精度達到0.25mm（r.m.s），滿足了設計指標的要求。

影響攝影測量精度的幾何因素主要有交會圖形、冗余像片數和被測物體的尺寸。測試中使用的V-STARS/S8系統的相對測量精度是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志面積、縮短攝影距離和增加攝影位置數目的方式，將攝站離天線約20米處進行攝影，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行了測試，所有與天線型面精度相關的電信指標全部滿足要求，從而驗證了攝影測量系統在反射面天線型面精度調整及重力變形測試的應用可行性。

結語

傳統制造業中的測量大多是“事后”測量，也即是在生產裝配過程后被動的測量。而從66米天線型面裝配、調整的實際過程來看：數字攝影測量檢測不再僅僅是被動檢測，而是整個裝配、調整過程中不可缺少的關鍵環節。通過對66米口徑拋物面天線的實際測量及精度調整，驗證了數字攝影測量系統適用于大口徑、高精度天線結構系統安裝、調整的在線檢測，其最突出的優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，是今后該檢測領域的發展方向。

[1]數字攝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"> 文獻標識碼：A

A