小議高空拍攝的技術(shù)

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1測量系統(tǒng)

標尺為600mm×35mm×35mm的微晶玻璃棒，其在±50℃范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù)為0．024×10－7／℃。標尺上貼有編碼標志點，標志點中心間距經(jīng)過標定。天線支撐機構(gòu)在天線測量過程中，CCD攝像機除了記錄天線因熱載荷所引起的變形外，一些其他干擾所引起的變形也同時被記錄下來，如支撐結(jié)構(gòu)自身的變形、支撐結(jié)構(gòu)因振動所引起的剛性變形等，雖然利用照相測量技術(shù)大大減小了由于天線支撐機構(gòu)的振動而產(chǎn)生的誤差，但天線支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性仍然是影響測量精度的主要因素之一。為了減少在測量過程中由于溫度變化引起的誤差，天線支撐機構(gòu)采用了對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時在關(guān)鍵部位采用了低膨脹系數(shù)的銦鋼材料。天線加熱設(shè)備在試驗測量過程中，天線的溫控系統(tǒng)不能影響到CCD攝像機的拍攝。采用傳統(tǒng)的加熱籠加熱方式會對天線產(chǎn)生遮擋，因此對于攝影測量法不太合適。比較適合的加熱方式為太陽模擬器加熱方式或天線背面加熱方式，由于實際情況限制，最終采用了在被測天線背面用加熱板進行加熱的方式。加熱板由銅質(zhì)基板和電加熱管組成，電加熱管焊接在基板上，面向天線的一面刷無光黑漆。采用粘貼在天線表面的多個溫度傳感器進行天線的溫度測量，通過溫控儀接收溫度傳感器的溫度信號，然后通過計算輸出適當?shù)碾娏鹘o加熱板實現(xiàn)對天線的加熱控制。專用圖像處理軟件圖像處理是天線變形測量技術(shù)的關(guān)鍵，圖像處理步驟包括坐標轉(zhuǎn)換、相機標定、圓心提取、編碼靶標提取、立體匹配、三維坐標求取等，主要靠圖像處理軟件來實現(xiàn)。

2試驗驗證

試驗時，被測天線水平放置，在其背后采用加熱板加熱，兩臺CCD攝像機成一定夾角對被測天線進行全場拍攝，獲得被測天線在不同溫度下的變形情況。試驗過程中，由KM2真空環(huán)模設(shè)備里面的熱沉和天線加熱設(shè)備來模擬衛(wèi)星在軌期間的冷熱環(huán)境。變形測量試驗共經(jīng)歷了三個熱循環(huán)高低溫工況。在每個熱循環(huán)中，在不同的溫度點對天線進行拍照測量。試驗中，天線參考溫度把以粘貼在天線正面正中心的溫度傳感器所測的溫度作為參考溫度，天線參考溫度最低達到－110℃，最高達到135℃。整個試驗期間天線和天線支撐結(jié)構(gòu)的溫度分布曲線，測量試驗中對天線在不同的溫況下進行了拍攝，取得了大量的拍攝圖片，所示為試驗過程中拍攝的天線圖片。通過軟件對這些圖片進行了分析處理，得到了大量的試驗分析數(shù)據(jù)，包括各溫況變化前后的標志點中心位置三維坐標值、變形量值等。數(shù)據(jù)處理結(jié)果。在對三個熱循環(huán)拍攝的圖片進行軟件處理后，最終得到在各溫況下天線表面面形變形數(shù)據(jù)最后的變形結(jié)果取三次循環(huán)中低溫至高溫工況的三次變形量的平均值，計算得到在溫度范圍為－100～110℃的情況下，天線的形面熱變形為0．074mm。將以上分析結(jié)果與該反射面天線熱變形仿真分析和形面變形的規(guī)范值數(shù)據(jù)進行比較通過對整個試驗過程和測量結(jié)果進行分析，認為該套測量系統(tǒng)能夠滿足真空低溫環(huán)境下的變形測量要求，測量結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

3精度分析

通過對支撐結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計和試驗中在支撐結(jié)構(gòu)外部包裹幾層阻隔薄膜可以有效地降低熱變形影響程度，另外通過計算，選用的由微晶玻璃標尺的熱脹冷縮引起的誤差在試驗過程中的溫度范圍內(nèi)不大于0．3μm／m，也可以忽略。最后，通過大氣環(huán)境下的精度評價測量及模擬空間環(huán)境下的理論分析，確定該套測量系統(tǒng)對Φ1m口徑范圍內(nèi)的衛(wèi)星天線的變形測量精度可達到39μm（1δ），相對測量精度優(yōu)于1／20000。在本套測量系統(tǒng)中相機的性能指標相對還是比較低的，如果提高相機分辨率和像素大小，并進行細致的參數(shù)標定，該系統(tǒng)的測量精度還可以有較大幅度的提高，能夠進一步滿足各種測量精度的要求。本文所介紹的真空低溫環(huán)境下變形攝影測量系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，采用該系統(tǒng)進行了模擬空間環(huán)境下的天線變形測量試驗，通過試驗驗證了采用該測量系統(tǒng)進行天線變形測量的可行性以及采用此種測量方法的測量精度和靈活性。該測量系統(tǒng)的研制成功為今后該項測量技術(shù)的大規(guī)模工程應(yīng)用，實現(xiàn)我國航天事業(yè)在先進試驗領(lǐng)域的拓展，為天線變形測量試驗成為一項常規(guī)試驗打下了基礎(chǔ)。

作者：蔣山平楊林華許杰于江單位：北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所