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        應(yīng)用數(shù)字工業(yè)攝影測量實(shí)現(xiàn)天線反射體姿態(tài)恢復(fù)

        2018-01-25 01:34:38張新盼
        宇航計(jì)測技術(shù) 2017年6期
        關(guān)鍵詞:反射體饋源反射面

        張新盼

        (中國電子科技集團(tuán)公司第39研究所,西安 710065)

        1 引 言

        天線設(shè)備的運(yùn)行主要分為測試場調(diào)試和用戶現(xiàn)場運(yùn)行兩個階段。常規(guī)的做法是在測試場完成天線電性能調(diào)試后,在用戶運(yùn)行現(xiàn)場,先完成結(jié)構(gòu)安裝,再次進(jìn)行天線反射體對塔遠(yuǎn)場標(biāo)校工作,才能保證天線反射體姿態(tài)滿足其電性能指標(biāo)要求。這就需要在用戶運(yùn)行現(xiàn)場建筑標(biāo)校塔,并重復(fù)遠(yuǎn)場標(biāo)校工作,增加了天線設(shè)備的科研、生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行成本,另外用戶現(xiàn)場不一定具備標(biāo)建筑遠(yuǎn)場校塔條件。

        針對某15m拋物面天線,在其天線系統(tǒng)電性能調(diào)試滿足指標(biāo)要求后,應(yīng)用攝影測量將當(dāng)前天線反射體姿態(tài)記錄為初始姿態(tài)。然后將天線反射體拆卸和安裝后,應(yīng)用攝影測量技術(shù)將其初始姿態(tài)恢復(fù),實(shí)現(xiàn)了天線系統(tǒng)電性能的恢復(fù)。

        天線反射體姿態(tài)包括主反射面表面精度,及副反射面(簡稱副面)、饋源和主反射面(簡稱反射面)之間的空間位置關(guān)系。表面精度是表征天線反射面實(shí)際曲面位偏離其理論曲面的程度,通常用各測量點(diǎn)的法向偏差的均方根值來表示[1,2]。饋源與反射面的空間位置關(guān)系,通過饋源支套與反射面中心體法蘭上端面及法蘭內(nèi)徑支口進(jìn)行準(zhǔn)確定位,空間位置唯一。副面可通過調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間六自由度的有限移動,空間位置不唯一。因此在天線姿態(tài)恢復(fù)的過程中,主要是恢復(fù)表面精度和副面姿態(tài)。

        2 數(shù)字工業(yè)攝影測量原理

        數(shù)字工業(yè)攝影測量是近景攝影測量在工業(yè)測量領(lǐng)域的應(yīng)用,簡稱攝影測量,其測量原理同經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)一樣均是三角形交會法。由于各相機(jī)之間無法像經(jīng)緯儀一樣實(shí)現(xiàn)精確互瞄,通常采用光束法平差定向技術(shù),即通過不同位置的相機(jī)對多個目標(biāo)同時測量產(chǎn)生的多余觀測量,來解算相機(jī)間的位置和姿態(tài)參數(shù)[3]?;镜臄?shù)學(xué)模型是共線方程,即攝影時物點(diǎn)P、鏡頭中心S、像點(diǎn)p這三點(diǎn)位于同一直線上。

        如果從多個攝站對目標(biāo)進(jìn)行拍攝,即可獲取被測物體的多個立體像對,從而構(gòu)成多目立體視覺。設(shè)物方點(diǎn)Pi由j個攝站(j條光線)相交,如圖1和圖2所示,則共有j個共線方程。另外,對像平面坐標(biāo)不嚴(yán)格為零和物鏡畸變等干擾因素的研究,這些因素使得各像點(diǎn)在像平面上相對其理論位置(x,y)也存在偏差(Δx,Δy)[3]。因此實(shí)際像點(diǎn)的共線方程式為

        式中:xij,yij——像點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo);x0j,y0j——像主點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo);f——相機(jī)主距;X,Y,Z——物點(diǎn)在物方空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo);XS,YS,ZS——鏡頭中心在物方空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

        3 測量方案

        測量系統(tǒng)組成:1)鄭州辰維科技開發(fā)的MPS攝影測量系統(tǒng)和攝影測量專用相機(jī)(S36);2)SA空間分析軟件;3)測量基準(zhǔn)尺;5)測量定向規(guī);6)回光反射標(biāo)志(簡稱光標(biāo),包括編碼標(biāo)志和普通標(biāo)志)。

        3.1 基準(zhǔn)尺和定向規(guī)分布

        基準(zhǔn)尺是測量過程中的長度基準(zhǔn),根據(jù)該拋物面天線幾何形狀特征,基準(zhǔn)尺固定在饋源支套上頂面,如圖3所示,這樣基準(zhǔn)尺易于被拍到,基本出現(xiàn)在所有攝影照片中,且基準(zhǔn)尺標(biāo)志交會角度滿足60°~120°要求。在天線反射面正上方縫隙粘貼多個普通標(biāo)志代替定向規(guī),確定各像片在物方坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。

        3.2 測量點(diǎn)、公共點(diǎn)的分布

        反射面上的測量點(diǎn)根據(jù)其幾何形狀和面板調(diào)整位置分布,在面板調(diào)整位置正上方粘貼普通標(biāo)志。如圖4所示,從反射面中心沿徑向由內(nèi)向外共5環(huán)面板,每環(huán)面板各兩圈調(diào)整點(diǎn)(即測量點(diǎn)),共10圈。用字母A、B、C、……J表示測量點(diǎn)圈數(shù)。面向天線正上方,每圈測量點(diǎn)均以天線正上方縫隙右側(cè)第1點(diǎn)為1號點(diǎn),按照順時針方向依次編號。

        副面具有六自由度移動的功能,因此副面上的測量點(diǎn)既記錄了其初始位置,也在復(fù)裝時指導(dǎo)副面姿態(tài)的調(diào)整。由于機(jī)械加工可保證加強(qiáng)環(huán)圓心與副面中心同軸,并且兩者固定連接,所以副面上的測量點(diǎn)可以選擇在其加強(qiáng)環(huán)外沿,按照圓切圓的方法粘貼普通標(biāo)志。

        在復(fù)裝時以加強(qiáng)環(huán)圓心代替副面中心。且在測量過程中,至少保證加強(qiáng)環(huán)外沿有4個測量點(diǎn),如圖5所示。

        饋源支套與中心體法蘭的空間位置關(guān)系唯一,且在反復(fù)拆卸和安裝天線反射體時,是唯一可快速復(fù)位且位置度精準(zhǔn)的部件。因此可按照饋源支套機(jī)械結(jié)構(gòu)分布4層共計(jì)24個公共點(diǎn),如圖6所示。然而在測量過程中由于副面支架遮擋的原因,每次均能夠重復(fù)測量到的公共點(diǎn)共15個,當(dāng)存在6 個公共點(diǎn)以后,增加公共點(diǎn)數(shù)目對公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換精度的改善不明顯,因此15個公共點(diǎn)滿足轉(zhuǎn)換的要求[4]。

        特別需要注意的是在天線拆卸、運(yùn)輸、安裝過程中要保證公共點(diǎn)和副面測量點(diǎn)不被破壞,因此在饋源支套和副面拆卸后分別整體由塑料桶包裹。

        3.3 編碼標(biāo)志分布

        編碼標(biāo)志需要均勻分布,每間隔一塊面板粘貼一個編碼標(biāo)志,每八個測量點(diǎn)重疊共用一個編碼標(biāo)志。在饋源支套每層公共點(diǎn)間均勻粘貼3個編碼標(biāo)志,加強(qiáng)環(huán)上均勻粘貼3個編碼標(biāo)志。

        3.4 攝站分布

        由于該天線高度很高、口徑較大,測量的過程中采用局部拍攝和整體拍攝相結(jié)合的方法。在天線俯仰角旋轉(zhuǎn)到工作角度 20°后,用吊車將測量人員和S36相機(jī)等設(shè)備吊至天線附近處,吊車位置距天線約10m左右。在沿著天線法向方向3m~10m的位置布設(shè)攝站,以天線的焦點(diǎn)為中心,分布3 條拍攝路線,分別位于天線的左側(cè)、頂部和右側(cè)。在左側(cè)和右側(cè)主要拍攝天線表面的局部照片,在頂部附近拍攝天線的整體照片,具體的攝站位置如圖7所示,藍(lán)色圖標(biāo)為相機(jī)拍攝位置。

        4 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

        在MPS攝影測量軟件里,獲得測量坐標(biāo)系下各點(diǎn)坐標(biāo)。本文選擇CAD面型轉(zhuǎn)換方法,計(jì)算表面精度[1,2]。

        為了便于副面姿態(tài)調(diào)整,在記錄天線反射體初始姿態(tài)時,規(guī)定天線設(shè)計(jì)坐標(biāo)系:以法蘭中心O為原點(diǎn),Z沿垂直法蘭圓周方向、Y軸指向天線正上方、俯仰左方向?yàn)閄軸,設(shè)為O-XYZ。為了保證反射面調(diào)整和恢復(fù)過程中坐標(biāo)系的統(tǒng)一,每次測量數(shù)據(jù)通過公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換到O-XYZ坐標(biāo)系后,將反射面測量點(diǎn)與其理論曲面模型(IGES格式)直接對比計(jì)算各測量點(diǎn)法向偏差和統(tǒng)計(jì)表面精度。

        在副面姿態(tài)恢復(fù)的過程中,加強(qiáng)環(huán)中心坐標(biāo)的變化就是副面在坐標(biāo)軸方向的位移,加強(qiáng)環(huán)半徑R=500mm,根據(jù)三角函數(shù)原理,即可計(jì)算出副面的當(dāng)前姿態(tài)與初始姿態(tài)相對于坐標(biāo)軸的夾角。根據(jù)副面位移和相對于坐標(biāo)軸的夾角調(diào)整副面姿態(tài)。在實(shí)際工作中,經(jīng)過4次測量3次調(diào)整,表面精度和副面姿態(tài)的恢復(fù)均達(dá)到指標(biāo)要求。

        4.1 公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換精度分析

        公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換精度主要受測量誤差和公共點(diǎn)網(wǎng)形分布影響[4]。在反射面復(fù)位過程中,應(yīng)用統(tǒng)一的天線設(shè)計(jì)坐標(biāo)系主要是為了保證坐標(biāo)系軸向一致,并不影響表面精度的恢復(fù),所以公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換精度主要影響到副面恢復(fù)的精度。因此公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)角,只要在兩次副面姿態(tài)相對于坐標(biāo)軸方向夾角的要求范圍的三分之一以內(nèi),則公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換精度就能滿足天線反射體恢復(fù)的要求。在初始姿態(tài)和每次測量時公共點(diǎn)坐標(biāo)值如附表1所示。

        在副面姿態(tài)恢復(fù)過程中,副面中心在坐標(biāo)軸方向的偏差要求在0.5mm以內(nèi),另外加強(qiáng)環(huán)半徑R=500mm,根據(jù)三角函數(shù)可折算出副面軸向夾角α的指標(biāo)要求為α≤0.058°。在測量過程中公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)角度λ<α/3,如表1所示,顯然滿足測量精度的要求。

        表1 公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)軸方向旋轉(zhuǎn)角度Table 1 Common points change the angle of rotation of the coordinate axis (°)

        4.2 天線反射體姿態(tài)恢復(fù)結(jié)果

        由加強(qiáng)環(huán)中心在坐標(biāo)軸方向的位移和加強(qiáng)環(huán)半徑R=500mm,根據(jù)三角函數(shù)原理可以計(jì)算出副面當(dāng)前姿態(tài)和初始姿態(tài)在坐標(biāo)軸方向的夾角。由天線反射體仿真模型可知,當(dāng)副面中心在坐標(biāo)軸方向位移Δ≤0.5mm,且軸向夾角α≤0.058°時,則副面姿態(tài)恢復(fù)滿足要求。在天線反射體初始姿態(tài)時,反射面表面精度為0.33mm。副面環(huán)筋圓周4個測量點(diǎn)坐標(biāo)值如表2所示,天線反射體恢復(fù)結(jié)果如表3所示。

        表2 副面環(huán)筋圓周4個測量點(diǎn)坐標(biāo)值Table 2 Side ring rib circumference of 4 measuring point coordinates (mm)

        表3 天線反射體恢復(fù)結(jié)果Table 3 Recovery of antenna reflector

        4.3 姿態(tài)恢復(fù)前后電性能測試對比

        對某Ka/S雙頻段15m天線,進(jìn)行天線反射體姿態(tài)恢復(fù)前后方向圖測試比對,驗(yàn)證了應(yīng)用攝影測量實(shí)現(xiàn)天線發(fā)射體姿態(tài)恢復(fù),可滿足天線反射體電性能指標(biāo)恢復(fù)的效果。

        試驗(yàn)分為五個步驟:

        (1)對天線進(jìn)行電性能調(diào)試和測試;

        (2)應(yīng)用數(shù)字工業(yè)攝影測量記錄天線反射體姿態(tài);

        (3)將天線主反射面面板和主、副反射面空間位置關(guān)系打亂;

        (4)應(yīng)用數(shù)字工業(yè)攝影測量恢復(fù)天線反射體姿態(tài)恢復(fù);

        (5)再次測試天線反射體電性能指標(biāo),并與原測試結(jié)果進(jìn)行比對。

        測試數(shù)據(jù)如圖8~圖12所示。

        5 結(jié)束語

        在4.3中,天線反射體姿態(tài)恢復(fù)后所測試Ka/S波段方向圖和測試Ka/S波段原始方向圖比對可知,天線電性能指標(biāo)恢復(fù)滿足要求。

        應(yīng)用數(shù)字工業(yè)攝影測量恢復(fù)天線反射體姿態(tài) ,實(shí)現(xiàn)了天線系統(tǒng)電性能的恢復(fù),既避免了在用戶現(xiàn)場建筑標(biāo)校塔,也減去了二次遠(yuǎn)場標(biāo)校的過程,節(jié)約了大量科研、生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行的成本,提高了工作效率。這是對天線在安裝現(xiàn)場進(jìn)行無塔標(biāo)校的探索。在我國的天線事業(yè)發(fā)展過程中,數(shù)字工業(yè)攝影測量將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

        [1] 李宗春.天線測量理論、方法及應(yīng)用研究[D].信息工程大學(xué).博士學(xué)位論文,2003.

        [2] 李宗春,李廣云,金超.面天線檢測數(shù)據(jù)處理方法的探討[J].宇航計(jì)測技術(shù),2003,No.2:12~18.

        [3] 黃桂平.數(shù)字近景工業(yè)攝影測量關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D].天津大學(xué).博士學(xué)位論文,2005.

        [4] 張皓琳,林嘉睿、邾繼貴. 三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度及其影響因素的研究[J]. 光電工程,2012:26~29.

        [5] 李廣云,李宗春.天線幾何測量理論及其應(yīng)用[M].測繪出版社,2011.

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