劉博學(xué)，張銀磊，張 章

（西安空間無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究所，西安710000）

0 引言

星載天線(xiàn)在軌熱變形不僅會(huì)引起反射面部分的型面變化進(jìn)而導(dǎo)致天線(xiàn)輻射方向圖的畸變，也會(huì)引起天線(xiàn)展開(kāi)角度的變化并進(jìn)一步影響天線(xiàn)指向精度，產(chǎn)生天線(xiàn)波束指向誤差[1]，進(jìn)而影響天線(xiàn)收發(fā)信息的準(zhǔn)確性和發(fā)射功率，降低天線(xiàn)可靠性。因此，天線(xiàn)研制過(guò)程中須對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行熱變形測(cè)量，以預(yù)判天線(xiàn)在軌性能，并為天線(xiàn)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。攝影測(cè)量法因其應(yīng)用靈活、測(cè)量精度高，同時(shí)具有非接觸、測(cè)量速度快、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，成為了星載天線(xiàn)形態(tài)測(cè)量的最主要手段，特別是在空間環(huán)境模擬測(cè)量中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。德國(guó)A lcatel公司、日本JAXA 和北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所等在開(kāi)展天線(xiàn)反射器在真空罐中的熱變形測(cè)量研究工作時(shí)，都采用了將攝影相機(jī)防護(hù)后置于真空罐內(nèi)進(jìn)行測(cè)量的方式。目前對(duì)于星載天線(xiàn)的熱變形測(cè)量，國(guó)內(nèi)外雖然普遍采用攝影測(cè)量的方法[2-3]，但是由于測(cè)量環(huán)境對(duì)相機(jī)精度的影響以及天線(xiàn)不同結(jié)構(gòu)對(duì)熱變形分析的需求，熱變形測(cè)量需要采取更適合的攝影測(cè)量方式和合理的數(shù)據(jù)分析方法以保證測(cè)量的精度和結(jié)果的有效性[4]。

本文以某高精度星載固面可展開(kāi)天線(xiàn)為對(duì)象，針對(duì)其具體結(jié)構(gòu)和不同的測(cè)量環(huán)境，研究在常壓和真空2種環(huán)境中對(duì)天線(xiàn)型面和指向精度熱變形測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，探討適用于此類(lèi)天線(xiàn)的熱變形測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理方法，旨在實(shí)現(xiàn)固面可展開(kāi)天線(xiàn)高/低溫環(huán)境下的熱變形量化分析計(jì)算，并通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證。

1 測(cè)量對(duì)象和環(huán)境

被測(cè)固面可展開(kāi)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)（如圖1所示）由反射面和展開(kāi)臂組成。

圖1 固面可展開(kāi)天線(xiàn)Fig.1 Deployable antenna with solid surface

天線(xiàn)熱變形測(cè)量需要模擬真空高/低溫環(huán)境，目前國(guó)內(nèi)外主要采用真空罐設(shè)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(cè)量周期略長(zhǎng)、成本較高。近年來(lái)為了進(jìn)一步提高天線(xiàn)熱變形測(cè)量的效率并降低成本，西安空間無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究所利用高/低溫箱提供高/低溫環(huán)境開(kāi)展了常壓下的天線(xiàn)熱變形測(cè)量。2種測(cè)量環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表1。

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

天線(xiàn)熱變形測(cè)量在真空罐或高/低溫箱內(nèi)經(jīng)歷的過(guò)程剖面如圖2所示，試驗(yàn)過(guò)程中在被測(cè)產(chǎn)品溫度達(dá)到某一特定溫度工況保溫點(diǎn)并穩(wěn)定一定時(shí)間后進(jìn)行該工況下的熱變形測(cè)量。

圖2 天線(xiàn)熱變形測(cè)量過(guò)程剖面Fig.2 Temperature curve of thermal deformation measurement

2 測(cè)量方法

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

2.1 測(cè)量方式

測(cè)量環(huán)境超出了攝影測(cè)量相機(jī)的正常工作范圍（常壓、0～35℃），因此選擇將測(cè)量相機(jī)置于真空罐或高/低溫箱外，在真空罐或高/低溫箱上設(shè)計(jì)與相機(jī)鏡頭尺寸形狀匹配的光學(xué)測(cè)量窗口，相機(jī)通過(guò)窗口的高透光學(xué)石英玻璃（透過(guò)率≥95%）對(duì)內(nèi)部的天線(xiàn)產(chǎn)品進(jìn)行拍照測(cè)量，如圖3所示，測(cè)量相機(jī)與天線(xiàn)環(huán)境相隔離，保證了相機(jī)的高精度測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中須保持窗口干燥不起霧。

圖3 測(cè)量窗口位置及結(jié)構(gòu)Fig.3 Position and structureof measuring window

由于一般在真空罐或高/低溫箱側(cè)頂部設(shè)計(jì)的測(cè)量窗口只有1～2個(gè)，測(cè)量角度有限，為了獲得天線(xiàn)多角度的照片，實(shí)現(xiàn)攝影交會(huì)測(cè)量，采用天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)、攝影測(cè)站固定的測(cè)量網(wǎng)型構(gòu)建方式。天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)依靠如圖4所示的底部承載旋轉(zhuǎn)工裝驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)工裝自由支撐被測(cè)天線(xiàn)并實(shí)現(xiàn)其以1(°)/s的轉(zhuǎn)速在0°～360°連續(xù)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，且該工裝能夠通過(guò)加熱和防護(hù)等熱控措施滿(mǎn)足常壓和真空高/低溫環(huán)境下的使用要求。

圖4 天線(xiàn)旋轉(zhuǎn)工裝Fig.4 Antenna rotating tooling

在一次測(cè)量過(guò)程中，是天線(xiàn)旋轉(zhuǎn)工裝往返轉(zhuǎn)動(dòng)2圈：在0°→360°轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，測(cè)量人員手扶相機(jī)使其保持固定并透過(guò)測(cè)量窗口對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行多角度均勻間隔測(cè)量；在360°→0°轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，測(cè)量人員繞相機(jī)光軸轉(zhuǎn)動(dòng)相機(jī)90°后再次保持鏡頭固定并透過(guò)測(cè)量窗口對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行多角度均勻間隔測(cè)量。為了減小測(cè)量過(guò)程的隨機(jī)誤差，每個(gè)工況連續(xù)測(cè)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(chǔ)數(shù)據(jù)。真空和常壓環(huán)境的測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

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

2.2 測(cè)量附件

1）測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)

高精度固面可展開(kāi)天線(xiàn)熱變形測(cè)量時(shí)采用攝影測(cè)量方法，測(cè)量過(guò)程所用靶標(biāo)點(diǎn)包括耐高/低溫單點(diǎn)標(biāo)志點(diǎn)和編碼標(biāo)志點(diǎn)[8]。單點(diǎn)標(biāo)志點(diǎn)包括基準(zhǔn)點(diǎn)靶標(biāo)、型面測(cè)量靶標(biāo)和展開(kāi)臂測(cè)量靶標(biāo)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)靶標(biāo)一般設(shè)置在天線(xiàn)反射器基準(zhǔn)孔周?chē)?，與基準(zhǔn)孔數(shù)量一致；型面測(cè)量靶標(biāo)應(yīng)均勻設(shè)置，間距與天線(xiàn)頻率有關(guān)，一般設(shè)置為25mm；兩側(cè)展開(kāi)臂測(cè)量靶標(biāo)應(yīng)在其測(cè)量表面均勻粘貼多列，一般間距25mm。編碼標(biāo)志點(diǎn)粘貼應(yīng)確保每張攝影照片內(nèi)至少包含4個(gè)編碼點(diǎn)，且所有編碼點(diǎn)與基準(zhǔn)編碼點(diǎn)序號(hào)不能重復(fù)。

2）測(cè)量基準(zhǔn)尺

測(cè)量采用碳纖維或微晶玻璃基準(zhǔn)尺提供基準(zhǔn)長(zhǎng)度，熱變形測(cè)量過(guò)程中將基準(zhǔn)尺靠近天線(xiàn)產(chǎn)品穩(wěn)定放置于支撐工裝上，口面朝上，并與天線(xiàn)保持相對(duì)位置固定，隨旋轉(zhuǎn)工裝轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 數(shù)據(jù)測(cè)量及分析處理

天線(xiàn)熱變形測(cè)量經(jīng)歷的各個(gè)溫度工況（參見(jiàn)圖2）下進(jìn)行攝影測(cè)量的時(shí)機(jī)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(cè)量；

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

3）（真空罐抽真空），升溫至80℃，經(jīng)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(guò)測(cè)量窗口完成M 3測(cè)量，并將M 3和M 2測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；

4）如M 3與M 2測(cè)量結(jié)果相近，則表明產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定，可繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)測(cè)量，否則須重新升溫至80℃進(jìn)行除濕烘烤，直至產(chǎn)品穩(wěn)定；

5）降低溫，完成M 4測(cè)量后，對(duì)比M 4和M 3測(cè)量結(jié)果，分析天線(xiàn)低溫?zé)嶙冃吻闆r；

6）升高溫，完成M 5測(cè)量后，對(duì)比M 5和M 3測(cè)量結(jié)果，分析天線(xiàn)高溫?zé)嶙冃吻闆r；

7）回常溫，完成M 6測(cè)量后，對(duì)比M 6和M 3測(cè)量結(jié)果，分析天線(xiàn)回溫變形情況；

8）（恢復(fù)常壓，在真空罐外通過(guò)測(cè)量窗口進(jìn)行M 7測(cè)量）；

9）開(kāi)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(cè)量。

完成所有工況的原始測(cè)量數(shù)據(jù)獲取后，即可進(jìn)行熱變形分析。

3.1 測(cè)量分析坐標(biāo)系

天線(xiàn)熱變形測(cè)量分析過(guò)程應(yīng)用到的坐標(biāo)系有攝影測(cè)量坐標(biāo)系和天線(xiàn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系，并且涉及坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換：

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

2）天線(xiàn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系參圖1所示，為了便于分析固面可展開(kāi)天線(xiàn)反射面型面和天線(xiàn)指向精度的熱變形測(cè)量結(jié)果的方向特性，需要基于天線(xiàn)自身設(shè)計(jì)坐標(biāo)系，其y軸平行于天線(xiàn)展開(kāi)軸，繞y軸的的角度變化即為天線(xiàn)展開(kāi)角度的變化，x軸指向天線(xiàn)反射面，z軸由右手法則確定，坐標(biāo)原點(diǎn)位于天線(xiàn)反射面頂點(diǎn)。

3）熱變形分析時(shí)，需要將攝影測(cè)量坐標(biāo)系下的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到天線(xiàn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下，分析出對(duì)應(yīng)天線(xiàn)坐標(biāo)系的反射面型面及天線(xiàn)指向的熱變形量。兩坐標(biāo)系間通過(guò)天線(xiàn)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換確定平移旋轉(zhuǎn)參數(shù)，將攝影測(cè)量坐標(biāo)系下的原始測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至天線(xiàn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下進(jìn)行相關(guān)分析。

3.2 分析處理方法

高精度固面可展開(kāi)天線(xiàn)熱變形分析以M 3～M 7工況測(cè)量數(shù)據(jù)為參考，M 3工況為基準(zhǔn)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(jìn)行對(duì)比，以分析天線(xiàn)在各工況下相對(duì)于基準(zhǔn)工況的熱變形量。熱變形量的具體計(jì)算方法如下：

1）建立天線(xiàn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系。分別將M 3～M 7工況的天線(xiàn)在攝影測(cè)量坐標(biāo)系下的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)測(cè)量前事先標(biāo)定的天線(xiàn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一在天線(xiàn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下，提供熱變形分析的坐標(biāo)系基礎(chǔ)。

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(cè)點(diǎn)進(jìn)行擬合轉(zhuǎn)換，分析反射面在各工況下相對(duì)于基準(zhǔn)工況的型面熱變形情況。

3）天線(xiàn)指向熱變形。以展開(kāi)臂為剛性參考基準(zhǔn)，將展開(kāi)臂在M 4～M 7工況下的測(cè)量值與M 3工況下的點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行擬合轉(zhuǎn)換，在展開(kāi)臂擬合的基礎(chǔ)上分析天線(xiàn)反射面在各工況下相對(duì)于基準(zhǔn)工況的轉(zhuǎn)角變化情況，即天線(xiàn)指向變化。

3.3 分析處理結(jié)果

以M 4（低溫）和M 5（高溫）工況為例，分析固面可展開(kāi)天線(xiàn)在高/低溫條件下相對(duì)于基準(zhǔn)工況的熱變形情況，其中反射面型面和天線(xiàn)指向變化均通過(guò)云圖示出（見(jiàn)圖6和圖7），并計(jì)算高/低溫工況下天線(xiàn)的熱變形量如表2所示。

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

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

表2 固面可展開(kāi)天線(xiàn)熱變形分析計(jì)算結(jié)果Table2 Thermal deformation results of deployable antenna with solid surface

3.4 測(cè)量結(jié)果精度評(píng)估

本文在確保所有工況基準(zhǔn)尺測(cè)量互差滿(mǎn)足精度要求的基礎(chǔ)上，以各個(gè)工況3組重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)之間的相互對(duì)比評(píng)估攝影測(cè)量系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)工況下的反射面型面和天線(xiàn)指向測(cè)量精度。在天線(xiàn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下，以反射面所有測(cè)量點(diǎn)的相互空間轉(zhuǎn)換坐標(biāo)殘差RMS值評(píng)價(jià)攝影測(cè)量系統(tǒng)的點(diǎn)位測(cè)量精度，用來(lái)代表反射面型面熱變形測(cè)量精度；通過(guò)在展開(kāi)臂擬合的基礎(chǔ)上，以反射面所有測(cè)量點(diǎn)的相互空間轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)參數(shù)Rx、Ry、Rz值評(píng)價(jià)攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于天線(xiàn)指向熱變形的測(cè)量精度；然后以基準(zhǔn)工況和高/低溫工況的綜合測(cè)量精度評(píng)估高溫和低溫環(huán)境下天線(xiàn)相對(duì)于基準(zhǔn)工況的最終熱變形測(cè)量精度

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于非接觸攝影測(cè)量原理研究了固面可展開(kāi)天線(xiàn)在常壓高/低溫箱和真空罐2種環(huán)境中開(kāi)展反射面型面和天線(xiàn)指向熱變形測(cè)量的具體方法，并提出了一種適用于此類(lèi)天線(xiàn)的熱變形測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理方法，實(shí)現(xiàn)了固面可展開(kāi)天線(xiàn)高/低溫環(huán)境下的熱變形量化分析計(jì)算，研究結(jié)果對(duì)后續(xù)相關(guān)類(lèi)型天線(xiàn)的熱變形測(cè)量和分析具有重要的參考意義。