劉博學，張銀磊，張 章

（西安空間無線電技術研究所，西安710000）

0 引言

星載天線在軌熱變形不僅會引起反射面部分的型面變化進而導致天線輻射方向圖的畸變，也會引起天線展開角度的變化并進一步影響天線指向精度，產生天線波束指向誤差[1]，進而影響天線收發(fā)信息的準確性和發(fā)射功率，降低天線可靠性。因此，天線研制過程中須對天線進行熱變形測量，以預判天線在軌性能，并為天線設計提供指導。攝影測量法因其應用靈活、測量精度高，同時具有非接觸、測量速度快、自動化程度高等優(yōu)點，成為了星載天線形態(tài)測量的最主要手段，特別是在空間環(huán)境模擬測量中發(fā)揮著關鍵作用。德國A lcatel公司、日本JAXA 和北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所等在開展天線反射器在真空罐中的熱變形測量研究工作時，都采用了將攝影相機防護后置于真空罐內進行測量的方式。目前對于星載天線的熱變形測量，國內外雖然普遍采用攝影測量的方法[2-3]，但是由于測量環(huán)境對相機精度的影響以及天線不同結構對熱變形分析的需求，熱變形測量需要采取更適合的攝影測量方式和合理的數(shù)據(jù)分析方法以保證測量的精度和結果的有效性[4]。

本文以某高精度星載固面可展開天線為對象，針對其具體結構和不同的測量環(huán)境，研究在常壓和真空2種環(huán)境中對天線型面和指向精度熱變形測量的關鍵技術，探討適用于此類天線的熱變形測量數(shù)據(jù)分析處理方法，旨在實現(xiàn)固面可展開天線高/低溫環(huán)境下的熱變形量化分析計算，并通過實踐驗證。

1 測量對象和環(huán)境

被測固面可展開天線結構（如圖1所示）由反射面和展開臂組成。

圖1 固面可展開天線Fig.1 Deployable antenna with solid surface

天線熱變形測量需要模擬真空高/低溫環(huán)境，目前國內外主要采用真空罐設備模擬真空環(huán)境[5]，利用加熱籠提供高溫環(huán)境，利用熱沉提供低溫環(huán)境。但真空環(huán)境下的熱變形測量周期略長、成本較高。近年來為了進一步提高天線熱變形測量的效率并降低成本，西安空間無線電技術研究所利用高/低溫箱提供高/低溫環(huán)境開展了常壓下的天線熱變形測量。2種測量環(huán)境參數(shù)見表1。

表1 熱變形測量環(huán)境Table1 Environment of thermal deformation measurement

天線熱變形測量在真空罐或高/低溫箱內經歷的過程剖面如圖2所示，試驗過程中在被測產品溫度達到某一特定溫度工況保溫點并穩(wěn)定一定時間后進行該工況下的熱變形測量。

圖2 天線熱變形測量過程剖面Fig.2 Temperature curve of thermal deformation measurement

2 測量方法

天線在上述真空或常壓環(huán)境下的熱變形測量均采用近景攝影測量方式，先由測量相機獲得天線在不同溫度工況下的多張不同角度的照片，再經過圖像處理和數(shù)據(jù)分析獲得天線熱變形情況[6-7]。

2.1 測量方式

測量環(huán)境超出了攝影測量相機的正常工作范圍（常壓、0～35℃），因此選擇將測量相機置于真空罐或高/低溫箱外，在真空罐或高/低溫箱上設計與相機鏡頭尺寸形狀匹配的光學測量窗口，相機通過窗口的高透光學石英玻璃（透過率≥95%）對內部的天線產品進行拍照測量，如圖3所示，測量相機與天線環(huán)境相隔離，保證了相機的高精度測量。測量過程中須保持窗口干燥不起霧。

圖3 測量窗口位置及結構Fig.3 Position and structureof measuring window

由于一般在真空罐或高/低溫箱側頂部設計的測量窗口只有1～2個，測量角度有限，為了獲得天線多角度的照片，實現(xiàn)攝影交會測量，采用天線轉動、攝影測站固定的測量網型構建方式。天線轉動依靠如圖4所示的底部承載旋轉工裝驅動，旋轉工裝自由支撐被測天線并實現(xiàn)其以1(°)/s的轉速在0°～360°連續(xù)自動轉動，且該工裝能夠通過加熱和防護等熱控措施滿足常壓和真空高/低溫環(huán)境下的使用要求。

圖4 天線旋轉工裝Fig.4 Antenna rotating tooling

在一次測量過程中，是天線旋轉工裝往返轉動2圈：在0°→360°轉動過程中，測量人員手扶相機使其保持固定并透過測量窗口對天線進行多角度均勻間隔測量；在360°→0°轉動過程中，測量人員繞相機光軸轉動相機90°后再次保持鏡頭固定并透過測量窗口對天線進行多角度均勻間隔測量。為了減小測量過程的隨機誤差，每個工況連續(xù)測量3組數(shù)據(jù)，以3組數(shù)據(jù)的平均值作為后續(xù)所有分析的基礎數(shù)據(jù)。真空和常壓環(huán)境的測量現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 熱變形測量現(xiàn)場Fig.5 Measurement scene

2.2 測量附件

1）測量標志點

高精度固面可展開天線熱變形測量時采用攝影測量方法，測量過程所用靶標點包括耐高/低溫單點標志點和編碼標志點[8]。單點標志點包括基準點靶標、型面測量靶標和展開臂測量靶標。基準點靶標一般設置在天線反射器基準孔周圍，與基準孔數(shù)量一致；型面測量靶標應均勻設置，間距與天線頻率有關，一般設置為25mm；兩側展開臂測量靶標應在其測量表面均勻粘貼多列，一般間距25mm。編碼標志點粘貼應確保每張攝影照片內至少包含4個編碼點，且所有編碼點與基準編碼點序號不能重復。

2）測量基準尺

測量采用碳纖維或微晶玻璃基準尺提供基準長度，熱變形測量過程中將基準尺靠近天線產品穩(wěn)定放置于支撐工裝上，口面朝上，并與天線保持相對位置固定，隨旋轉工裝轉動。

3 數(shù)據(jù)測量及分析處理

天線熱變形測量經歷的各個溫度工況（參見圖2）下進行攝影測量的時機如下：

1）常溫常壓環(huán)境下在真空罐或高/低溫箱外完成M 1測量；

2）將天線及工裝置入真空罐或高/低溫箱內，合罐/箱，在常溫常壓環(huán)境的真空罐或高/低溫箱外通過測量窗口完成M 2測量；

3）（真空罐抽真空），升溫至80℃，經6 h 除濕烘烤后，降至常溫，保溫完成后在常溫常壓環(huán)境的真空罐或高/低溫箱外通過測量窗口完成M 3測量，并將M 3和M 2測量結果進行對比；

4）如M 3與M 2測量結果相近，則表明產品達到穩(wěn)定，可繼續(xù)進行后續(xù)測量，否則須重新升溫至80℃進行除濕烘烤，直至產品穩(wěn)定；

5）降低溫，完成M 4測量后，對比M 4和M 3測量結果，分析天線低溫熱變形情況；

6）升高溫，完成M 5測量后，對比M 5和M 3測量結果，分析天線高溫熱變形情況；

7）回常溫，完成M 6測量后，對比M 6和M 3測量結果，分析天線回溫變形情況；

8）（恢復常壓，在真空罐外通過測量窗口進行M 7測量）；

9）開罐/箱，常溫常壓環(huán)境下在真空罐或高/低溫箱外完成M 8測量。

完成所有工況的原始測量數(shù)據(jù)獲取后，即可進行熱變形分析。

3.1 測量分析坐標系

天線熱變形測量分析過程應用到的坐標系有攝影測量坐標系和天線設計坐標系，并且涉及坐標系間的轉換：

1）攝影測量坐標系由每次測量的相機初始位置決定，每個工況及每次測量的坐標系均不相同。坐標原點位于相機鏡頭中心，z軸垂直于像平面指向相機鏡頭，x軸和y軸平行于像平面，其三軸符合右手準則。每次直接測量獲得的原始數(shù)據(jù)均為攝影測量坐標系下的結果。

2）天線設計坐標系參圖1所示，為了便于分析固面可展開天線反射面型面和天線指向精度的熱變形測量結果的方向特性，需要基于天線自身設計坐標系，其y軸平行于天線展開軸，繞y軸的的角度變化即為天線展開角度的變化，x軸指向天線反射面，z軸由右手法則確定，坐標原點位于天線反射面頂點。

3）熱變形分析時，需要將攝影測量坐標系下的原始數(shù)據(jù)轉換到天線設計坐標系下，分析出對應天線坐標系的反射面型面及天線指向的熱變形量。兩坐標系間通過天線基準點進行空間轉換確定平移旋轉參數(shù)，將攝影測量坐標系下的原始測量數(shù)據(jù)轉換至天線設計坐標系下進行相關分析。

3.2 分析處理方法

高精度固面可展開天線熱變形分析以M 3～M 7工況測量數(shù)據(jù)為參考，M 3工況為基準工況，將M 4～M 7工況數(shù)據(jù)與M 3工況數(shù)據(jù)分別進行對比，以分析天線在各工況下相對于基準工況的熱變形量。熱變形量的具體計算方法如下：

1）建立天線設計坐標系。分別將M 3～M 7工況的天線在攝影測量坐標系下的測量數(shù)據(jù)通過測量前事先標定的天線設計坐標系下的基準點進行公共點轉換，統(tǒng)一在天線設計坐標系下，提供熱變形分析的坐標系基礎。

2）反射面型面熱變形。以M 4～M 7工況與M 3工況反射面所有測點進行擬合轉換，分析反射面在各工況下相對于基準工況的型面熱變形情況。

3）天線指向熱變形。以展開臂為剛性參考基準，將展開臂在M 4～M 7工況下的測量值與M 3工況下的點坐標進行擬合轉換，在展開臂擬合的基礎上分析天線反射面在各工況下相對于基準工況的轉角變化情況，即天線指向變化。

3.3 分析處理結果

以M 4（低溫）和M 5（高溫）工況為例，分析固面可展開天線在高/低溫條件下相對于基準工況的熱變形情況，其中反射面型面和天線指向變化均通過云圖示出（見圖6和圖7），并計算高/低溫工況下天線的熱變形量如表2所示。

圖6 天線反射面型面熱變形云圖Fig.6 Thermal deformation nephogram of antenna reflector

圖7 天線指向熱變形云圖Fig.7 Thermal deformation nephogram of antenna pointing

表2 固面可展開天線熱變形分析計算結果Table2 Thermal deformation results of deployable antenna with solid surface

3.4 測量結果精度評估

本文在確保所有工況基準尺測量互差滿足精度要求的基礎上，以各個工況3組重復測量數(shù)據(jù)之間的相互對比評估攝影測量系統(tǒng)在對應工況下的反射面型面和天線指向測量精度。在天線設計坐標系下，以反射面所有測量點的相互空間轉換坐標殘差RMS值評價攝影測量系統(tǒng)的點位測量精度，用來代表反射面型面熱變形測量精度；通過在展開臂擬合的基礎上，以反射面所有測量點的相互空間轉換旋轉參數(shù)Rx、Ry、Rz值評價攝影測量系統(tǒng)對于天線指向熱變形的測量精度；然后以基準工況和高/低溫工況的綜合測量精度評估高溫和低溫環(huán)境下天線相對于基準工況的最終熱變形測量精度

4 結束語

本文基于非接觸攝影測量原理研究了固面可展開天線在常壓高/低溫箱和真空罐2種環(huán)境中開展反射面型面和天線指向熱變形測量的具體方法，并提出了一種適用于此類天線的熱變形測量數(shù)據(jù)分析處理方法，實現(xiàn)了固面可展開天線高/低溫環(huán)境下的熱變形量化分析計算，研究結果對后續(xù)相關類型天線的熱變形測量和分析具有重要的參考意義。