(1.中國(guó)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(cè)量技術(shù)在拋物面天線型面精度、重力變形測(cè)試中的應(yīng)用
楊永忠1呂傳景2
(1.中國(guó)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(duì)大口徑拋物面天線而言,自重較大,型面精度會(huì)隨天線俯仰角度的變化而變化,數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)可以量出天線任意姿態(tài)下型面精度,計(jì)算天線反射體重力變形數(shù)值,根據(jù)測(cè)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(shí)際應(yīng)用中,型面調(diào)整精度0.25mm。測(cè)試結(jié)果表明數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)可用于天線重力變形測(cè)試和形面精度在位測(cè)量、調(diào)整。
大口徑拋物面天線;重力變形;數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量
拋物面天線的型面精度是衡量、評(píng)價(jià)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(zhǎng)。
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(cè)設(shè)備測(cè)量實(shí)際型面與理論型面的偏差,通過(guò)偏差值進(jìn)行調(diào)整,再進(jìn)行偏差測(cè)量,循環(huán)反復(fù)多次直到型面精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
對(duì)于小口徑剛性較好的天線反射面,通常對(duì)其在工作姿態(tài)時(shí)因自重產(chǎn)生的重力變形忽略不計(jì),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(duì)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(huì)嚴(yán)重影響各工作仰角時(shí)的型面精度。對(duì)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(duì)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(cè)試步驟應(yīng)該如下:
1)測(cè)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(shí)最佳調(diào)整姿態(tài)對(duì)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
對(duì)于一個(gè)大口徑天線的現(xiàn)場(chǎng)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(méi)有就位,無(wú)法利用國(guó)際上通用的無(wú)線電全息測(cè)量技術(shù)對(duì)天線型面重力變形進(jìn)行測(cè)試,實(shí)際工程中較為常用的測(cè)試方法為經(jīng)緯儀測(cè)量法、全站儀測(cè)量法及跟蹤儀測(cè)量法。三種測(cè)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(cè)時(shí)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(duì)反射面上的測(cè)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(huì)產(chǎn)生較大變形,為追求測(cè)量準(zhǔn)確性,一般選擇在溫濕度變化較小的夜間進(jìn)行。對(duì)于66米口徑天線的7800個(gè)檢測(cè)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(shí),按每夜晚工作8小時(shí)計(jì)算,采集一遍數(shù)據(jù)需5~6天時(shí)間,如果在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行逐點(diǎn)的偏差調(diào)整,則所需時(shí)間還會(huì)成倍的上漲。過(guò)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間會(huì)帶入較大的溫濕度誤差、基準(zhǔn)對(duì)齊誤差等,影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí),因?yàn)槿N測(cè)試方法在檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)天線反射體旋轉(zhuǎn)軸線必須垂直于大地,所以這幾種檢測(cè)方法不具備對(duì)天線反射體在任意姿態(tài)下的精度測(cè)量能力。
經(jīng)緯儀、全站儀、跟蹤儀三種測(cè)試方法在檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)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(cè)設(shè)備無(wú)法與天線反射面一體進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)、不具備對(duì)天線反射體在任意姿態(tài)下的重力變形測(cè)試能力。由于受檢測(cè)手段的限制,無(wú)法取得天線反射面實(shí)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(jì)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)達(dá)到最佳效果。但從實(shí)際效果來(lái)看,天線反射面由于種種原因,其實(shí)際變形值與理論變形值有較大偏差,這種偏差會(huì)對(duì)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(cè)手段無(wú)法滿足天線型面精度及重力變形測(cè)試的要求。因此尋找一種能夠高效率、高精度完成測(cè)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(cè)試,該測(cè)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(cè)能力
2)天線反射面重力變形實(shí)際數(shù)值的測(cè)量能力
數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)是近幾年新出現(xiàn)的一種使用方便、功能齊全、測(cè)量精確的非接觸式便攜測(cè)試儀器。該系統(tǒng)主要利用立體視覺(jué)的交會(huì)測(cè)量原理,通過(guò)一臺(tái)高分辨率的數(shù)字相機(jī),距被測(cè)物體一定距離從多個(gè)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(cè)量、動(dòng)態(tài)性能好、檢測(cè)速度快、受外界環(huán)境影響小等。樣式如圖2:
圖2
從數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)介紹可知:該測(cè)量系統(tǒng)具備在天線任意姿態(tài)下的型面精度檢測(cè)能力,具備天線反射體重力變形檢測(cè)能力。因在天線結(jié)構(gòu)安裝調(diào)整階段對(duì)反射面天線重力變形、型面精度進(jìn)行測(cè)量變成了可能。
為驗(yàn)證數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)在大口徑天線重力變形、面精度測(cè)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(dòng)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(cè)試步驟進(jìn)行了試驗(yàn)。
66米拋物面天線的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)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(jì)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(jiàn)下圖:
4.1 試驗(yàn)內(nèi)容
圖3
(1)測(cè)量主反射面隨天線俯仰在0°~90°度運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的各姿態(tài)重力變形數(shù)值。
(2)通過(guò)各姿態(tài)重力變形數(shù)值計(jì)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(duì)型面精度進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算調(diào)整點(diǎn)偏差值并進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)整,直至型面精度滿足要求。
4.2 試驗(yàn)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(zhǎng)度基準(zhǔn)點(diǎn),2處長(zhǎng)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(cè)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(yàn)過(guò)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(cè)量6~8處轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)點(diǎn)三維坐標(biāo)值,測(cè)量2處長(zhǎng)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(cè)量人員送至天線口面的前方,圍繞著天線四周,利用美國(guó)V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng),對(duì)天線反射面進(jìn)行測(cè)量,取得多種狀態(tài)下的原始圖片數(shù)據(jù)。
(3)從多組交會(huì)測(cè)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(cè)得的轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)值及長(zhǎng)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)
圖8 天線攝影示意圖
圖9 攝影測(cè)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(jì)算、比對(duì)反射面多種狀態(tài)與90°狀態(tài)時(shí)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(jì)算出了重力變形曲線、計(jì)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(jì)算
(5)在最佳俯仰角度35°的天線姿態(tài)下對(duì)天線面精度進(jìn)行測(cè)量,計(jì)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(jì)指標(biāo)的要求。
影響攝影測(cè)量精度的幾何因素主要有交會(huì)圖形、冗余像片數(shù)和被測(cè)物體的尺寸。測(cè)試中使用的V-STARS/S8系統(tǒng)的相對(duì)測(cè)量精度是1:200000,因此,對(duì)于66米口徑的天線而言,為了提高測(cè)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(gè)局部將天線整體拼接起來(lái)。
測(cè)試信道打通后,在各工作頻段、各俯仰角度對(duì)天線方向圖進(jìn)行了測(cè)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(yàn)證了攝影測(cè)量系統(tǒng)在反射面天線型面精度調(diào)整及重力變形測(cè)試的應(yīng)用可行性。
傳統(tǒng)制造業(yè)中的測(cè)量大多是“事后”測(cè)量,也即是在生產(chǎn)裝配過(guò)程后被動(dòng)的測(cè)量。而從66米天線型面裝配、調(diào)整的實(shí)際過(guò)程來(lái)看:數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量檢測(cè)不再僅僅是被動(dòng)檢測(cè),而是整個(gè)裝配、調(diào)整過(guò)程中不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)66米口徑拋物面天線的實(shí)際測(cè)量及精度調(diào)整,驗(yàn)證了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)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(cè),其最突出的優(yōu)勢(shì)就是對(duì)天線型面的重力變形及型面精度的高效率、高精度檢測(cè),是今后該檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展方向。
[1]數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量用于天線熱變形測(cè)量的精度測(cè)試[J].測(cè)繪通報(bào),2007.
P234 < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
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