蒲理華，劉博學(xué)，馬小飛

（西安空間無線電技術(shù)研究所，西安 710000）

0 引言

星載天線主要用于星地、星間電磁信號(hào)的傳輸，是衛(wèi)星的“順風(fēng)耳”與“千里眼”。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，星載天線處于周期性的冷熱交變環(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生由結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力引發(fā)的熱變形，從而造成天線輻射方向畸變，進(jìn)而導(dǎo)致天線波束指向誤差和增益變化，最終影響天線在軌性能，降低天線的可靠性。因此，有必要在研制階段對(duì)天線的在軌熱變形進(jìn)行仿真分析以預(yù)判天線性能，并指導(dǎo)有關(guān)材料在選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱控設(shè)計(jì)、制造和裝配工藝等方面的優(yōu)化。而為了避免仿真分析的局限性，保證天線最終在軌的電性能，開展星載天線地面熱變形測(cè)量已成為高精度天線研制過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。

1 測(cè)量原理和方法

由于星載天線自身結(jié)構(gòu)和所處工作環(huán)境的特殊性，其地面熱變形測(cè)量技術(shù)有別于傳統(tǒng)的變形測(cè)量方式，具有以下特殊要求：

1）高精度測(cè)量。為提高和保證衛(wèi)星的通信速率、容量和覆蓋范圍，星載天線反射面自身型面精度和熱穩(wěn)定性要求極高（一般達(dá)到亞毫米量級(jí)），還要保證天線較高的指向精度，因此，對(duì)測(cè)量技術(shù)的精度要求達(dá)到微米和角秒量級(jí)。

2）大尺寸測(cè)量。隨著星載天線朝著可展開、大尺寸方向的發(fā)展，對(duì)其開展熱變形測(cè)量采用經(jīng)緯儀、跟蹤儀等傳統(tǒng)逐點(diǎn)測(cè)量的方式在效率和經(jīng)濟(jì)性等方面已無法滿足需求，需要有能滿足大尺寸測(cè)量的新方法。

3）非接觸測(cè)量。星載天線熱變形測(cè)量過程所處的高低溫環(huán)境不適于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光跟蹤儀等高精度接觸式測(cè)量技術(shù)；同時(shí)，輕量化、柔性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使天線極易產(chǎn)生變形和振動(dòng)，限制了天線熱變形測(cè)量過程中的物理觸碰。因此，需要采用非接觸測(cè)量方式。

4）自動(dòng)快速測(cè)量。星載天線熱變形測(cè)量過程需要環(huán)境模擬設(shè)備提供相應(yīng)的高低溫環(huán)境，目前國內(nèi)外對(duì)于星載天線的熱變形測(cè)量主要在真空環(huán)境中進(jìn)行，真空環(huán)模設(shè)備運(yùn)行成本高，而天線熱變形測(cè)量的目標(biāo)點(diǎn)常可達(dá)上千個(gè)，因此要求測(cè)量速度盡量快，以縮短測(cè)量時(shí)間；同時(shí)，環(huán)模設(shè)備內(nèi)部空間有限、環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)的人工測(cè)量技術(shù)實(shí)施難度較大，必須采用自動(dòng)化程度較高的測(cè)量技術(shù)。

綜上所述，傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀交會(huì)、三坐標(biāo)接觸測(cè)量、激光跟蹤儀測(cè)量等技術(shù)在環(huán)境適應(yīng)性、測(cè)量效率及測(cè)量接觸特性等方面無法滿足星載天線地面熱變形測(cè)量需求，而目前流行的工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)測(cè)量環(huán)境沒有苛刻的要求，測(cè)量精度最高可達(dá)到5 μm+5 μm/m，同時(shí)具有非接觸、速度快、范圍廣等應(yīng)用特點(diǎn)，成為目前國內(nèi)外進(jìn)行星載天線熱變形測(cè)量的最主要手段。

星載天線熱變形測(cè)量時(shí)采用的工業(yè)攝影測(cè)量方法具體步驟包括：1）在天線表面粘貼定向回光反射標(biāo)志點(diǎn)，包括編碼點(diǎn)與非編碼點(diǎn)；2）采用高精度測(cè)量相機(jī)從多個(gè)位置和角度對(duì)天線表面拍攝一定數(shù)量的二維圖像；3）利用亞像素圖像處理技術(shù)自動(dòng)精確提取相片中批量標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；4）利用編碼標(biāo)志和基準(zhǔn)尺基于攝影測(cè)量共線和共面條件方程，經(jīng)后方交會(huì)實(shí)現(xiàn)相機(jī)位置概略定向；5）利用前方交會(huì)自動(dòng)精確配準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同圖像中同名點(diǎn)的正確配準(zhǔn)；6）將配準(zhǔn)后的標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)、三維坐標(biāo)和相機(jī)的位姿作為觀測(cè)值代入光束法平差方程組中，迭代解算出相機(jī)位姿和天線表面所有標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)的最優(yōu)結(jié)果[1-2]。

工業(yè)攝影測(cè)量方法的基礎(chǔ)是多目立體視覺三維重建原理，如圖1 所示。測(cè)量中相機(jī)位置的確定基于攝影測(cè)量共線和共面條件方程：

圖1 工業(yè)攝影測(cè)量原理Fig.1 Principle of industrial photogrammetry

式中：x、y為像點(diǎn)坐標(biāo)；x0、y0為相機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)；f為相機(jī)主距；Δx、Δy為像點(diǎn)偏差；a1～a3、b1～b3、c1～c3為組成旋轉(zhuǎn)變換矩陣的9 個(gè)參數(shù)；Xi、Yi、Zi為點(diǎn)Pi在物方空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；XS、YS、ZS為相機(jī)鏡頭中心S在物方空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；Bx、By、Bz為攝影基線在物方坐標(biāo)系3 個(gè)坐標(biāo)軸上的投影。

基于上述原理和方法得到星載天線在圖2 所示溫度曲線（M1～M5）中常溫（N）、高溫（H）和低溫（L）各工況的表面標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)后，天線熱變形測(cè)量的分析即在此基礎(chǔ)上進(jìn)行。星載反射面天線的熱變形主要指天線反射器在經(jīng)歷高低溫后的形狀變化，故通常以常溫下所測(cè)量的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)點(diǎn)，分析高溫、低溫下所測(cè)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)于常溫基準(zhǔn)點(diǎn)的變化量，即為天線在對(duì)應(yīng)高、低溫工況的熱變形量[3]，計(jì)算式為

圖2 熱變形測(cè)量溫度曲線Fig.2 Temperature curve of thermal deformation measurement

式中：n為天線表面標(biāo)志點(diǎn)數(shù)量；XiH/L、YiH/L、ZiH/L為高、低溫下點(diǎn)Pi在物方空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；XiN、YiN、ZiN為常溫下點(diǎn)Pi在物方空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

2 天線攝影測(cè)量研究應(yīng)用進(jìn)展

基于上述熱變形攝影測(cè)量原理，國內(nèi)外針對(duì)不同工況開展了大量的天線熱變形測(cè)量研究與實(shí)踐工作：按照測(cè)量相機(jī)與天線所處的位置不同分為相機(jī)內(nèi)置和外置測(cè)量；按照測(cè)量相機(jī)的數(shù)量不同分為單相機(jī)攝影和多相機(jī)攝影測(cè)量；按照測(cè)量環(huán)境不同分為真空和常壓測(cè)量。本章將對(duì)目前國內(nèi)外普遍采用的單相機(jī)外置、單相機(jī)內(nèi)置、多相機(jī)內(nèi)置3 種測(cè)量方式進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)和探討；并對(duì)西安空間無線電技術(shù)研究所開展的常壓熱變形測(cè)量進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

2.1 單相機(jī)外置攝影測(cè)量

測(cè)量相機(jī)隔絕在環(huán)境模擬設(shè)備外，測(cè)量時(shí)透過環(huán)模設(shè)備上的專用石英玻璃窗口獲得測(cè)量照片，相機(jī)在測(cè)量過程中處于常溫常壓環(huán)境，無須專門防護(hù)。由于環(huán)模設(shè)備石英玻璃窗口位置固定，測(cè)量時(shí)為實(shí)現(xiàn)多位置多角度照片的獲取，需要通過機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)被測(cè)天線轉(zhuǎn)動(dòng)。

加拿大宇航局曾采用該方法在真空罐中同時(shí)完成了2 個(gè)1.5 m 口徑Ka 頻段天線固面反射器的熱變形測(cè)量[4]。測(cè)量時(shí)，為避免對(duì)攝影的遮擋，采用燈陣替代加熱籠；單臺(tái)相機(jī)置于真空設(shè)備外，透過罐壁上的石英窗口從固定位置拍攝；將反射器豎直懸掛固定在旋轉(zhuǎn)框架中垂直旋轉(zhuǎn)，以完成反射器正面和背面多角度照片采集；最終，天線反射器正反面熱變形測(cè)量精度達(dá)到0.05 mm。其中天線豎直懸掛的方式還在一定程度上降低了反射器自身重力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

西安空間無線電技術(shù)研究所作為國內(nèi)高精度星載天線、大型網(wǎng)狀天線最具實(shí)力的研制單位，最早采用單相機(jī)外置方法完成了“鑫諾五號(hào)”等固面天線的真空熱變形測(cè)量[5]。測(cè)量時(shí)，測(cè)量窗口位于罐頂斜上方，天線水平放置于單軸轉(zhuǎn)臺(tái)上水平旋轉(zhuǎn)，由相機(jī)在固定位置獲得天線正面多角度照片完成熱變形測(cè)量。之所以采用天線水平放置而非豎直懸掛的方式，主要是受真空設(shè)備尺寸限制，同時(shí)預(yù)先考慮并驗(yàn)證了重力對(duì)較小尺寸固面天線測(cè)量結(jié)果的影響較小。目前，該測(cè)量方法在2 m 口徑固面天線研制過程中發(fā)揮著重要作用，測(cè)量精度達(dá)到0.02 mm，技術(shù)能力達(dá)到國際先進(jìn)水平。

單相機(jī)外置攝影測(cè)量法在相機(jī)防護(hù)方面降低了操作難度和成本，相機(jī)不受溫度影響以及有數(shù)量足夠冗余的測(cè)量照片確保了較高的測(cè)量精度（理論上可以達(dá)到5 μm+5 μm/m）；但受限于環(huán)模設(shè)備測(cè)量窗口的位置，測(cè)量距離較遠(yuǎn)、測(cè)量角度單一且難以調(diào)整又限制了最終的測(cè)量精度。同時(shí)，為確保測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠，天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)須采用較低的轉(zhuǎn)速或在指定角度間隔停留一定時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后再進(jìn)行測(cè)量，這種方式犧牲了測(cè)量的效率。

2.2 單相機(jī)內(nèi)置攝影測(cè)量

令測(cè)量相機(jī)與被測(cè)天線同處于環(huán)境模擬設(shè)備內(nèi)，但為保證測(cè)量相機(jī)正常工作所需的常溫常壓環(huán)境，須用專用防護(hù)罐對(duì)內(nèi)置相機(jī)進(jìn)行隔絕控溫保護(hù)。

基于攝影測(cè)量原理，為實(shí)現(xiàn)多角度交會(huì)測(cè)量，一般通過2 種模式實(shí)現(xiàn)測(cè)量照片的采集：一種為天線位置固定，采用單相機(jī)通過機(jī)構(gòu)移動(dòng)其位姿順序獲取測(cè)量照片；另一種為單相機(jī)位置固定，被測(cè)天線通過機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)多角度旋轉(zhuǎn)獲取測(cè)量照片。

2.2.1 天線固定、相機(jī)移動(dòng)

法國Alcatel 公司[6]曾采用單相機(jī)內(nèi)置攝影測(cè)量方法在真空設(shè)備中進(jìn)行了口徑1.5 m 高精度固面天線的熱變形測(cè)量，將天線豎直固定在定制的框架內(nèi)，控溫保護(hù)后的相機(jī)安裝在大范圍垂直旋轉(zhuǎn)支架上置于天線前方（如圖3 所示）。測(cè)量過程中，根據(jù)天線尺寸提前調(diào)整相機(jī)在旋轉(zhuǎn)支架上的安裝位置及視軸，使相機(jī)通過旋轉(zhuǎn)在不同位置進(jìn)行環(huán)形測(cè)量時(shí)的視場(chǎng)可以完全覆蓋位置固定的天線，以實(shí)現(xiàn)天線多角度照片的采集，測(cè)量精度達(dá)到0.03 mm。天線固定的方式同樣能在一定程度上降低天線自身重力對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響。

圖3 Alcatel 公司天線熱變形測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)及其相機(jī)防護(hù)Fig.3 Antenna thermal deformation measurement and camera protection in Alcatel

美國NASA 在戈達(dá)德航天中心真空罐中采用單相機(jī)內(nèi)置方法以相機(jī)懸臂水平旋轉(zhuǎn)環(huán)形測(cè)量方式完成了詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡ISIM 結(jié)構(gòu)的熱變形測(cè)量[7-10]，如圖4(a)所示。測(cè)量過程中相機(jī)采用具有氮?dú)夂秃庋h(huán)功能的專業(yè)相機(jī)罐防護(hù)，被測(cè)產(chǎn)品水平固定置于相機(jī)懸臂正下方，相機(jī)由懸臂帶動(dòng)繞ISIM 結(jié)構(gòu)完成多角度照片獲取，最終對(duì)外形尺寸2 m×2 m×1.5 m 的ISIM 結(jié)構(gòu)的測(cè)量精度為0.03 mm。NASA 還在約翰遜航天中心真空設(shè)備中進(jìn)行了詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡OTIS 整體結(jié)構(gòu)的熱變形測(cè)量[11]，如圖4(b)所示。由于OTIS 尺寸較大（7 m×7 m×10 m），采用1 套單相機(jī)內(nèi)置系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、視場(chǎng)覆蓋及精度保證等方面均有較大難度，于是采用4 套單相機(jī)內(nèi)置系統(tǒng)組合測(cè)量并以相機(jī)懸臂垂直旋轉(zhuǎn)環(huán)形測(cè)量方式分別完成了OTIS 結(jié)構(gòu)4 個(gè)區(qū)域的多角度照片采集，最終由區(qū)域測(cè)量解算OTIS 結(jié)構(gòu)的整體變形，測(cè)量精度達(dá)到0.1 mm。

圖4 NASA 的熱變形測(cè)量及其相機(jī)防護(hù)Fig.4 Thermal deformation measurement and camera protection in NASA

德國IABG 公司也曾采用相機(jī)懸臂水平旋轉(zhuǎn)方式對(duì)0.5～3.5 m 口徑固面天線進(jìn)行過多次熱變形測(cè)量[12]，測(cè)量精度為0.035 mm，其采用的測(cè)量設(shè)備及相機(jī)防護(hù)方案見圖5。

圖5 IABG 的熱變形測(cè)量及其相機(jī)防護(hù)Fig.5 Thermal deformation measurement and camera protection in IABG

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所借鑒上述國外經(jīng)驗(yàn)，采用水平面雙向?qū)к壵睌z影測(cè)量方式完成了多幅2 m 口徑天線在真空環(huán)境中的熱變形測(cè)量，測(cè)量精度達(dá)0.05 mm，測(cè)量設(shè)備及相機(jī)防護(hù)方案見圖6。

圖6 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的熱變形測(cè)量Fig.6 Thermal deformation measurement in Beijing Insititute of Spacecraft Environment Engineering

西安空間無線電技術(shù)研究所在單相機(jī)外置測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了單相機(jī)內(nèi)置真空熱變形測(cè)量方法，在國內(nèi)首次采用懸臂水平旋轉(zhuǎn)環(huán)形攝影測(cè)量方式為“天鏈二號(hào)”“嫦娥四號(hào)”的多幅高精度網(wǎng)狀柔性天線的熱變形測(cè)量提供了解決方案[13]（圖7），實(shí)現(xiàn)了5 m 內(nèi)口徑天線0.03 mm 的測(cè)量精度。

圖7 西安空間無線電技術(shù)研究所的相機(jī)內(nèi)置真空熱變形測(cè)量Fig.7 Vacuum thermal deformation measurement in camera internal approach in Xi’an ISRT

2.2.2 相機(jī)固定、天線旋轉(zhuǎn)

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）曾對(duì)WINDS 衛(wèi)星的2 幅2.4 m 口徑固面天線開展過熱變形測(cè)量[14]，試驗(yàn)在直徑13 m、帶有天線旋轉(zhuǎn)裝置的臥式真空罐中進(jìn)行，測(cè)量時(shí)天線通過鋁合金支架水平放置于可360°旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，相機(jī)防護(hù)后固定于罐內(nèi)反射器斜上方，通過轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)天線多角度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置單相機(jī)多角度照片的采集，測(cè)量精度達(dá)到0.05 mm，如圖8 所示。

圖8 日本W(wǎng)INDS 衛(wèi)星天線的真空熱變形測(cè)量Fig.8 Thermal deformation measurement of WINDS satellite antenna in Japan

德國IABG 公司也研究過采用2 套內(nèi)置固定相機(jī)對(duì)水平旋轉(zhuǎn)的固面雙柵天線正反面進(jìn)行熱變形測(cè)量[12]，測(cè)量時(shí)斜上方相機(jī)負(fù)責(zé)天線正面照片采集，斜下方相機(jī)負(fù)責(zé)天線背面照片采集，2 套相機(jī)測(cè)量結(jié)果通過公共標(biāo)志點(diǎn)完成拼接，測(cè)量實(shí)施方案及現(xiàn)場(chǎng)照片如圖9 所示。

真空熱變形單相機(jī)內(nèi)置攝影測(cè)量方法拉近了相機(jī)與被測(cè)天線的距離，相機(jī)測(cè)站位置多且測(cè)量角度靈活，解決了相機(jī)外置測(cè)量距離較遠(yuǎn)、角度單一且難以調(diào)整的問題，尤其是相機(jī)移動(dòng)、天線固定的測(cè)量模式可顯著降低天線安裝難度、提升測(cè)量效率，是對(duì)柔性天線進(jìn)行熱變形測(cè)量的最佳選擇。同時(shí)2 種照片采集模式可以進(jìn)行結(jié)合，以進(jìn)一步提升測(cè)量系統(tǒng)和方法的可靠性，理論測(cè)量精度同樣可達(dá)5 μm +5 μm/m。但該方法中相機(jī)的真空防護(hù)、大型懸臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)施以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)壬婕暗碾y度、條件和成本均是測(cè)量過程中需考慮的重要因素。

2.3 多相機(jī)內(nèi)置攝影測(cè)量

多相機(jī)測(cè)量采用多臺(tái)相機(jī)同步采集天線在某一溫度下的多幅圖像，進(jìn)而得到天線表面所粘貼標(biāo)志點(diǎn)在該溫度下的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，最終由獲得的所有溫度下的標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)分析計(jì)算天線熱變形。由于環(huán)模設(shè)備尺寸限制及在其上開設(shè)多個(gè)測(cè)量窗口的不現(xiàn)實(shí)性，多相機(jī)測(cè)量一般采用對(duì)相機(jī)進(jìn)行專業(yè)防護(hù)后內(nèi)置于真空設(shè)備的方式。

美國NASA 曾在直徑16 m 的真空容器內(nèi)采用4 臺(tái)相機(jī)內(nèi)置組網(wǎng)方式完成了對(duì)5 m 口徑充氣反射面天線（圖10(a)）的熱變形測(cè)量[15]，安裝架上固定相機(jī)專門的防護(hù)罐（圖10(b)），從不同角度對(duì)天線進(jìn)行拍攝（圖10(c)），最終測(cè)量精度為0.6 mm。又使用同樣的測(cè)量裝置對(duì)10 m×10 m 的柔性太陽帆板在直徑30 m 的真空環(huán)模設(shè)備內(nèi)進(jìn)行低溫環(huán)境下展開面形變測(cè)量試驗(yàn)[16]，最終測(cè)量精度為1 mm。

圖10 美國NASA 的多相機(jī)內(nèi)置測(cè)量Fig.10 Multi camera internal measurement in NASA

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所和上海宇航系統(tǒng)工程研究所分別對(duì)某600 mm 口徑（見圖11）和5 m×1 m口徑（見圖12）固面天線采用雙相機(jī)完成了真空環(huán)境下的熱變形測(cè)量[17-18]，測(cè)量精度分別達(dá)到0.06 mm和0.1 mm，測(cè)量過程中相機(jī)均進(jìn)行了專業(yè)防護(hù)。

圖11 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的雙相機(jī)內(nèi)置測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 Dual camera internal measurement in Beijing Insititute of Spacecraft Environment Engineering

真空熱變形多相機(jī)內(nèi)置攝影測(cè)量方法以多臺(tái)固定站位測(cè)量相機(jī)聯(lián)機(jī)組網(wǎng)同步測(cè)量模式，一鍵式瞬時(shí)獲取多角度多位置照片，代替單相機(jī)順序獲取照片的方式，實(shí)現(xiàn)了天線形狀特性的快速測(cè)量，大幅提升熱變形測(cè)量效率。但是，受限于測(cè)站數(shù)量較少且固定，測(cè)量精度相對(duì)單相機(jī)方法偏低，一般雙相機(jī)交會(huì)測(cè)量的理論精度為20 μm+20 μm/m，4 臺(tái)相機(jī)組網(wǎng)交會(huì)測(cè)量的理論精度為15 μm+15 μm/m，當(dāng)交會(huì)相機(jī)數(shù)量達(dá)到18 臺(tái)以上時(shí)，多相機(jī)測(cè)量的理論精度才能與單相機(jī)測(cè)量方法相當(dāng)；且在實(shí)際測(cè)量過程中，受相機(jī)溫度、相機(jī)位置穩(wěn)定性、多相機(jī)標(biāo)定精度及多相機(jī)視場(chǎng)重疊覆蓋率等因素影響，實(shí)際測(cè)量精度一般低于理論分析精度。

2.4 常壓熱變形測(cè)量

如上所述，目前國內(nèi)外對(duì)于高精度星載天線的熱變形測(cè)量主要在真空環(huán)境中進(jìn)行；但是真空罐試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)、占用資源多，嚴(yán)重制約熱變形測(cè)量工作在眾多型號(hào)中的推廣。同時(shí)，隨著星載天線朝著大尺寸方向的不斷發(fā)展使得測(cè)量所需的真空罐尺寸不斷增大，而大型真空罐的建設(shè)成本極為高昂。為了縮減星載天線熱變形測(cè)量的成本和周期、節(jié)約資源、滿足眾多型號(hào)的熱變形測(cè)量需求，西安空間無線電技術(shù)研究所率先開展了對(duì)標(biāo)真空環(huán)境溫度范圍的常壓高低溫箱熱變形測(cè)量研究工作，并取得諸多研究成果[19]。常壓熱變形測(cè)量采用高低溫箱代替真空罐提供模擬溫度環(huán)境，其建造和試驗(yàn)成本較低，溫度循環(huán)速度快，溫度變化范圍寬（-120～120 ℃），完全滿足星載天線熱變形測(cè)量需求。

天線常壓熱變形測(cè)量可根據(jù)溫度范圍的不同采用人工和自動(dòng)2 種測(cè)量方法，其中自動(dòng)測(cè)量方法又可根據(jù)被測(cè)天線特性的不同分為相機(jī)內(nèi)置和外置2 種模式。

2.4.1 人工測(cè)量

在常壓、-60～60 ℃的溫度下，為了降低測(cè)量網(wǎng)型的構(gòu)建難度，縮短測(cè)量時(shí)間，保證測(cè)量精度及可靠性，一般采取人工測(cè)量方法。此時(shí)，環(huán)境溫度已經(jīng)超出相機(jī)正常的工作溫度范圍，需要進(jìn)行隔溫防護(hù)；同時(shí)，對(duì)于測(cè)量人員也需要采取一定的防護(hù)措施，如圖13 所示。在提前設(shè)計(jì)并驗(yàn)證好攝站位置、拍攝角度和照片數(shù)量的情況下，采取被動(dòng)防護(hù)措施后，單次測(cè)量可以控制在較短的時(shí)間（15 min）內(nèi)并保證較高的測(cè)量精度（5 μm+5 μm/m）。

圖13 人工測(cè)量中的人員及相機(jī)防護(hù)Fig.13 Personnel and camera protection in manual measurement

西安空間無線電技術(shù)研究所采用人工測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了多個(gè)口徑5 m 以上大型星載天線部組件的常壓熱變形測(cè)量[20]，如圖14 所示，突破了測(cè)量狀態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、測(cè)量相機(jī)及人員防護(hù)、測(cè)量網(wǎng)型設(shè)計(jì)以及測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.4.2 自動(dòng)測(cè)量

當(dāng)常壓、環(huán)境溫度超出人體可以耐受的溫度范圍（＜-60 ℃或＞60 ℃）時(shí)，需采用自動(dòng)測(cè)量方法代替人工測(cè)量，針對(duì)柔性和固面天線，一般分別采用相機(jī)內(nèi)置和外置2 種測(cè)量模式。

1）柔性天線測(cè)量

柔性天線自身形狀易受擾動(dòng)，測(cè)量過程中需要保持被測(cè)天線產(chǎn)品位置固定，因此，借鑒真空熱變形單相機(jī)內(nèi)置攝影測(cè)量法，采用相機(jī)移動(dòng)，天線固定的測(cè)量模式。真空環(huán)境下相機(jī)內(nèi)置測(cè)量時(shí)只考慮密封性和熱輻射的相機(jī)防護(hù)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，通常采用防護(hù)罐配合隔熱多層包裹的方法。但是對(duì)于常壓下熱變形測(cè)量相機(jī)的防護(hù)，除同樣要解決密封性和熱輻射問題外，強(qiáng)熱對(duì)流引起的相機(jī)溫度變化成為相機(jī)防護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，不能照搬現(xiàn)有的真空環(huán)境測(cè)量相機(jī)防護(hù)方法。為此，西安空間無線電技術(shù)研究所通過多個(gè)型號(hào)的攻關(guān)，研究出一種常壓環(huán)境熱變形測(cè)量?jī)?nèi)置相機(jī)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)控防護(hù)方法（見圖15(a)）：根據(jù)防護(hù)罐內(nèi)測(cè)溫傳感器反饋的實(shí)際溫度主動(dòng)調(diào)節(jié)控制冷熱氣體機(jī)將干燥氮?dú)庵评浼凹訜?，使氣體溫度達(dá)到一定值后通過管道吹送至防護(hù)罐內(nèi)，同時(shí)不斷將罐內(nèi)氣體攪拌換熱后引至罐外以實(shí)現(xiàn)溫度平衡，最終可使罐內(nèi)溫度在外部環(huán)境溫度達(dá)到-100～100 ℃時(shí)仍保持在相機(jī)可承受的溫度范圍（(20±5) ℃）內(nèi)[21]。得到保護(hù)的相機(jī)配合相機(jī)運(yùn)行軌道和自旋機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了熱變形測(cè)量過程的自動(dòng)化，如圖15(b)所示。

圖15 常壓相機(jī)內(nèi)置天線熱變形自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)及相機(jī)防護(hù)裝置組成Fig.15 Automatic measurement of thermal deformation of antenna under atmospheric environment and protection of internal camera

西安空間無線電技術(shù)研究所采用相機(jī)懸臂水平旋轉(zhuǎn)環(huán)形自動(dòng)測(cè)量方法，以相機(jī)內(nèi)置測(cè)量模式實(shí)現(xiàn)了口徑5 m 以下星載天線部組件在-100～100 ℃溫度范圍內(nèi)的常壓熱變形測(cè)量[21]，突破了常壓環(huán)境測(cè)量相機(jī)高精度防護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)，測(cè)量精度達(dá)到0.02 mm。

2）固面天線測(cè)量

當(dāng)常壓、環(huán)境溫度范圍超過-100～100 ℃時(shí)，西安空間無線電技術(shù)研究所借鑒真空相機(jī)外置測(cè)量方法，開展了基于高低溫箱的相機(jī)外置熱變形測(cè)量方法研究[22]：在溫箱側(cè)壁合適位置開設(shè)高精度測(cè)量窗口（圖16），固面天線水平放置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，測(cè)量過程中，天線旋轉(zhuǎn)、相機(jī)固定。這種測(cè)量方式下相機(jī)處于常溫常壓環(huán)境中，防護(hù)難度低，目前已實(shí)現(xiàn)較寬溫度范圍（-120～120 ℃）、口徑5 m 內(nèi)天線的常壓熱變形測(cè)量，測(cè)量精度達(dá)到0.02 mm。

圖16 常壓相機(jī)外置天線熱變形自動(dòng)測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)景Fig.16 Application scenarios of automatic measurement of thermal deformation of antenna under atmospheric environment by camera external method

常壓熱變形測(cè)量一般采用單相機(jī)方法，其中，人工測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)較大尺寸天線的熱變形測(cè)量，測(cè)量方式靈活、速度快且精度較高，但適用溫度范圍較窄；自動(dòng)測(cè)量方法擴(kuò)展了熱變形測(cè)量的溫度范圍，但適用的天線尺寸相對(duì)較小，且相機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的防護(hù)成為測(cè)量中的難點(diǎn)。

3 星載天線熱變形測(cè)量技術(shù)研究展望

目前，星載天線熱變形測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)口徑10 m 內(nèi)天線在常壓和真空下的熱變形測(cè)量，最高精度可達(dá)0.02 mm。但是，隨著星載天線朝著更高精度、更高穩(wěn)定性和更大尺寸方向的不斷發(fā)展，天線熱變形測(cè)量技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)入了新的階段，其中值得研究的方向包括：

1）太赫茲天線亞微米級(jí)精度測(cè)量

對(duì)于口徑2 m 左右的太赫茲和激光終端等更高頻率的天線，其型面精度要求更高（達(dá)到30～50 μm），意味著要求其熱穩(wěn)定性更好，熱變形也更小。這類天線的熱變形測(cè)量需要采用亞微米級(jí)精度的測(cè)量手段，而目前基于攝影測(cè)量原理的方法受限于圖像獲取和處理方式，其測(cè)量精度最高只能達(dá)到10 μm，無法滿足亞微米級(jí)精度要求，因此需要采用激光干涉等更加敏感的測(cè)量手段，以實(shí)現(xiàn)較大尺寸高精度天線熱變形測(cè)量。

2）超大和極大尺寸天線熱變形測(cè)量

目前，國內(nèi)依靠人工單相機(jī)攝影測(cè)量實(shí)現(xiàn)了10 m 口徑天線在常壓、-60～60 ℃較窄溫度范圍內(nèi)的高精度測(cè)量，國外采用多相機(jī)測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了10 m 口徑天線真空環(huán)境較低精度的熱變形測(cè)量。而對(duì)于10～30 m 超大尺寸天線，需要進(jìn)一步研究攝影測(cè)量多相機(jī)內(nèi)置測(cè)量方法，突破網(wǎng)型設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定、自動(dòng)測(cè)量及實(shí)時(shí)防護(hù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)超大尺寸天線在-150～150 ℃寬溫度范圍內(nèi)熱變形測(cè)量的高精度和高效率。同時(shí)，對(duì)于50～100 m極大尺寸天線，其在地面及在軌的裝配更加復(fù)雜和困難，更需要就天線在軌熱變形測(cè)量技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。目前基于攝影測(cè)量和激光雷達(dá)的測(cè)量技術(shù)可以作為極大尺寸星載天線在軌熱變形測(cè)量的備選方法，但是對(duì)于高精度測(cè)量則必須解決攝影測(cè)量在軌標(biāo)定、防護(hù)以及激光雷達(dá)在軌穩(wěn)定控制等關(guān)鍵問題，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步攻關(guān)星載天線型面精度在軌主動(dòng)調(diào)整技術(shù)，以最終實(shí)現(xiàn)極大尺寸天線的在軌總裝、測(cè)量與實(shí)時(shí)調(diào)整。

3）基于太陽模擬器的天線熱變形測(cè)量

相較于紅外加熱籠和紅外燈陣等傳統(tǒng)外熱流模擬設(shè)備，太陽模擬器可逼真模擬空間太陽光譜特性，更接近在軌真實(shí)情況，同時(shí)對(duì)于天線熱變形測(cè)量過程不會(huì)產(chǎn)生遮擋，特別適用于復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)星載天線的地面熱變形測(cè)量，因此，開展基于太陽模擬器的天線熱變形測(cè)量技術(shù)研究具有重要意義。

4）零重力下的星載天線熱變形測(cè)量

星載天線地面熱變形測(cè)量過程中，受環(huán)模設(shè)備影響，天線一般不卸載重力，即使卸載，受測(cè)量環(huán)境及卸載方法的影響，最終也不可能充分卸載，殘余重力將對(duì)高精度、大尺寸天線的熱變形測(cè)量產(chǎn)生影響。在軌熱變形測(cè)量是后續(xù)解決該問題的有效方法，但是在以地面驗(yàn)證試驗(yàn)為主要手段的現(xiàn)階段，如何實(shí)現(xiàn)精確模擬零重力環(huán)境下的天線熱變形測(cè)量成為另一個(gè)需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)難題。

5）熱變形測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理及應(yīng)用

通過攝影測(cè)量方法可以獲得星載天線在常溫及高低溫下的表面原始數(shù)據(jù)，但是目前國內(nèi)外對(duì)于熱變形原始測(cè)量數(shù)據(jù)的分析處理并沒有統(tǒng)一的規(guī)范，并不能準(zhǔn)確識(shí)別與天線實(shí)際性能相關(guān)的變形情況，嚴(yán)重限制了熱變形測(cè)量的實(shí)際價(jià)值。同時(shí)，對(duì)于熱變形測(cè)量所獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如何有效應(yīng)用于由不同材料、結(jié)構(gòu)相互耦合形成的天線熱變形仿真模型的優(yōu)化修正中，實(shí)現(xiàn)星載天線在軌性能準(zhǔn)確預(yù)示并指導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)亟需解決的難題，因此有必要開展能夠反映天線產(chǎn)品真實(shí)熱變形的數(shù)據(jù)分析處理方法研究。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了多年來基于攝影測(cè)量原理的星載天線熱變形測(cè)量技術(shù)的研究應(yīng)用情況，系統(tǒng)地分析了單相機(jī)外置、單相機(jī)內(nèi)置、多相機(jī)內(nèi)置和常壓環(huán)境測(cè)量等多種方式的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著星載天線向更高精度、更大尺寸、在軌組裝等方向發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)大型、高精度天線地面及在軌熱變形測(cè)量已成為星載天線熱變形測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步研究方向；同時(shí)，星載天線熱變形測(cè)量技術(shù)在數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用方面也存在一系列挑戰(zhàn)，需要今后進(jìn)行不斷研究探索。