申 旭，馬開(kāi)鋒，黃桂平*，蒲理華，劉博學(xué)

（1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098；2.華北水利水電大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，鄭州 450046；3.中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000）

0 引言

衛(wèi)星天線(xiàn)在信號(hào)傳輸過(guò)程的作用至關(guān)重要。在嚴(yán)酷的軌道空間環(huán)境中，強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射和由此產(chǎn)生的溫度負(fù)荷會(huì)對(duì)天線(xiàn)的形狀穩(wěn)定性造成很大影響。在衛(wèi)星天線(xiàn)型面口徑一定的情況下，其工作頻率越高對(duì)型面精度要求越高。一般要求天線(xiàn)的型面精度是其工作波長(zhǎng)的1/32～1/16，按照誤差忽略不計(jì)原則要求型面測(cè)量精度要達(dá)到其型面精度的1/5～1/3，可見(jiàn)對(duì)測(cè)量精度要求極高。以20 年前我國(guó)紫金山天文臺(tái)與美國(guó)合作研制的13.7m 毫米級(jí)天線(xiàn)為例,其最短工作波長(zhǎng)2.6mm，表面精度要求±0.13mm，對(duì)測(cè)量精度的要求至少為±0.043mm。為確保高精度天線(xiàn)的在軌工作性能，驗(yàn)證設(shè)計(jì)、材料和工藝的可靠性，同時(shí)修正熱變形分析模型，均要在地面對(duì)其進(jìn)行高低溫環(huán)境熱變形測(cè)試。熱變形的溫度變化范圍根據(jù)產(chǎn)品的不同性能設(shè)定要求而定，一般均處于-180～+180℃之間。

本文對(duì)衛(wèi)星天線(xiàn)高低溫測(cè)量技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、以及熱變形測(cè)量方式、測(cè)量特點(diǎn)、一般流程和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，分析測(cè)量誤差影響因素，指出現(xiàn)存的技術(shù)問(wèn)題，最后對(duì)該技術(shù)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 衛(wèi)星天線(xiàn)熱變形測(cè)量特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀

衛(wèi)星天線(xiàn)按其構(gòu)型不同可分為固面天線(xiàn)、構(gòu)架天線(xiàn)、傘狀天線(xiàn)和環(huán)狀天線(xiàn)等。衛(wèi)星天線(xiàn)高低溫?zé)嶙冃螠y(cè)量屬于變形測(cè)量的一種，其與變形測(cè)量的區(qū)別在于測(cè)量對(duì)象和測(cè)量環(huán)境不同。衛(wèi)星天線(xiàn)作為一個(gè)獨(dú)立的工件產(chǎn)品，其本身即一個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系，所進(jìn)行的變形測(cè)量都是相對(duì)于其本身來(lái)說(shuō)的，也叫相對(duì)變形測(cè)量。因其獨(dú)特的測(cè)量環(huán)境和被測(cè)物性質(zhì)，衛(wèi)星天線(xiàn)高低溫測(cè)量需要無(wú)接觸、自動(dòng)化程度高、測(cè)量速度快、測(cè)量精度高、能適應(yīng)高低溫和真空環(huán)境、測(cè)量方式靈活、測(cè)量設(shè)備小巧。對(duì)照上述特點(diǎn)，目前只有工業(yè)攝影測(cè)量的方式可以滿(mǎn)足其測(cè)量要求，這也是迄今為止國(guó)內(nèi)外所進(jìn)行的高低溫?zé)嶙冃螠y(cè)量試驗(yàn)幾乎全部采用工業(yè)攝影測(cè)量方式的原因。

工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)是在原航空攝影測(cè)量基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)、數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、三角測(cè)量以及測(cè)量平差等技術(shù)原理而發(fā)展起來(lái)的一種精密測(cè)量技術(shù)。雖然工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用中必須配以合作目標(biāo)（攝影標(biāo)志點(diǎn)）從而不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)接觸測(cè)量，并在某些特殊情況下還須配以激光雷達(dá)等測(cè)量手段，但它依然是目前最合適的天線(xiàn)反射面形狀測(cè)量方式并在其適用的情形下被廣泛采用。

國(guó)外對(duì)于工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究一直處于領(lǐng)先地位。1995 年德國(guó)IABG 的Frey 便總結(jié)了采用工業(yè)攝影測(cè)量的方式對(duì)天線(xiàn)塔和反射器進(jìn)行極端溫度測(cè)量的方法，其針對(duì)直徑500～3500mm 的天線(xiàn)塔和反射器的變形測(cè)量達(dá)到了10μm/m 的相對(duì)測(cè)量精度。法國(guó)Alcatel 公司在進(jìn)行高精度天線(xiàn)熱變形測(cè)試時(shí)將反射器豎直固定在定制的框架內(nèi)，經(jīng)保護(hù)后的相機(jī)安裝在可以大范圍旋轉(zhuǎn)的支架上從而可以在不同位置進(jìn)行測(cè)試，提高了測(cè)試精度（如圖1所示）。加拿大航天局大衛(wèi)實(shí)驗(yàn)室的Wiktowy 等對(duì)大型真空罐內(nèi)的CASA-ASAS 反射器和2 個(gè)Ka 頻段反射器進(jìn)行了溫度為-170～170℃的真空熱變形測(cè)試（如圖2 所示），測(cè)試時(shí)將反射器固定在可以旋轉(zhuǎn)的框架中，采用燈陣替代加熱籠以避免對(duì)攝影的遮擋，相機(jī)安裝在防護(hù)裝置中。Rolo 等對(duì)歐洲航天局（ESA）建造的赫歇爾望遠(yuǎn)鏡和普朗克望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了低溫測(cè)量以完成對(duì)其設(shè)計(jì)技術(shù)的驗(yàn)證。印度的Behara 等采用工業(yè)攝影測(cè)量加投射光學(xué)標(biāo)志的方式對(duì)航天器部件進(jìn)行了熱變形測(cè)量，達(dá)到了50μm 的測(cè)量精度要求。Stegman等在NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室25ft（7.62m）的空間模擬器中使用工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)可展開(kāi)網(wǎng)狀天線(xiàn)進(jìn)行了太陽(yáng)能熱真空測(cè)試。Ozawa 等使用近景攝影測(cè)量系統(tǒng)在直徑13m、帶有旋轉(zhuǎn)裝置的真空室內(nèi)對(duì)日本研制的WINDS 衛(wèi)星天線(xiàn)進(jìn)行了-150～-30℃的熱變形測(cè)量，測(cè)試時(shí)反射器通過(guò)鋁合金支架安裝于可旋轉(zhuǎn)360°的轉(zhuǎn)臺(tái)上，相機(jī)放置于反射器上方，測(cè)試精度大大提高。

圖1 Alcatel 公司的天線(xiàn)熱變形測(cè)試Fig.1 Thermal deformation test for antenna of Alcatel

圖2 2個(gè)Ka 頻段天線(xiàn)同時(shí)進(jìn)行真空熱變形測(cè)試Fig.2 Thermal distortion test in vacuum of two Ka band antennas simultaneously

我國(guó)對(duì)于工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用研究也取得系列成就。2007 年，解放軍信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院盧成靜借助國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)，將近景攝影測(cè)量技術(shù)引入衛(wèi)星天線(xiàn)熱真空變形測(cè)量，并獲得了較為理想的測(cè)量結(jié)果；此后與上海宇航系統(tǒng)工程研究所合作于2008 年對(duì)口徑5.5m×1m 的矩形衛(wèi)星天線(xiàn)采用V-STARS 工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了真空熱變形測(cè)量試驗(yàn)，取得了較好的結(jié)果。西安空間無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究所采用工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)完成了各種衛(wèi)星天線(xiàn)產(chǎn)品的型面檢測(cè)和熱變形測(cè)量及相關(guān)實(shí)踐應(yīng)用工作；其相關(guān)經(jīng)驗(yàn)表明，高低溫環(huán)境下采用工業(yè)攝影測(cè)量的方式可以達(dá)到0.043mm 的測(cè)量精度。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所重點(diǎn)研究了工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)在航天器及其構(gòu)件的變形測(cè)量中的應(yīng)用，對(duì)直徑660mm 反射面天線(xiàn)的測(cè)量精度可達(dá)到0.030mm。鄭州辰維科技股份有限公司在國(guó)產(chǎn)化工業(yè)攝影測(cè)量設(shè)備研制與應(yīng)用方面進(jìn)行了不斷的探索與實(shí)踐，對(duì)天線(xiàn)面板的熱變形測(cè)量精度優(yōu)于0.1mm。華北水利水電大學(xué)的黃桂平和馬開(kāi)鋒等多年來(lái)一直致力于工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)及其在衛(wèi)星天線(xiàn)熱變形測(cè)量中的應(yīng)用研究并取得豐碩成果。

在工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)方面，美國(guó)GSI 公司研發(fā)的V-STARS 系統(tǒng)是目前國(guó)際上最為成熟、穩(wěn)定、精確、智能的測(cè)量系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于航天、航空和機(jī)械制造等領(lǐng)域。我國(guó)早期工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)研究的絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度評(píng)定都是以與其相應(yīng)結(jié)果的對(duì)比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，前文所提到的我國(guó)開(kāi)展的諸多研究大部分是采用V-STARS 工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)。我國(guó)雖在20 世紀(jì)90 年代初才開(kāi)始對(duì)工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)的重點(diǎn)關(guān)注及探索，但發(fā)展迅速，尤其是近十年來(lái)一些高校及科研院所在對(duì)國(guó)外的工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)及其算法、技術(shù)和配套設(shè)施進(jìn)行深入研究后逐步推出了自己的攝影測(cè)量系統(tǒng)，成績(jī)斐然。值得一提的是，鄭州辰維科技股份有限公司2011 年自主研發(fā)的MPS 工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)已在與西安空間無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究所的衛(wèi)星天線(xiàn)高低溫測(cè)量合作中完全替代國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了該領(lǐng)域工業(yè)攝影測(cè)量技術(shù)的自主國(guó)產(chǎn)化。

2 衛(wèi)星天線(xiàn)熱變形測(cè)量方式

根據(jù)測(cè)量設(shè)備所處環(huán)境不同，衛(wèi)星天線(xiàn)熱變形測(cè)量方式有真空高低溫測(cè)量和常壓高低溫測(cè)量?jī)煞N方式。

2.1 真空高低溫測(cè)量方式

真空高低溫測(cè)量時(shí)一般采用太陽(yáng)模擬器或燈陣加熱，產(chǎn)品在真空罐內(nèi)，相機(jī)根據(jù)測(cè)量條件置于罐外或罐內(nèi)，產(chǎn)品或相機(jī)需能旋轉(zhuǎn)以便于拍攝和保證測(cè)量精度。該測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量溫度范圍寬，但需要考慮加熱籠對(duì)攝影靶標(biāo)的遮擋。

2.1.1罐外測(cè)量

當(dāng)真空罐體設(shè)計(jì)及產(chǎn)品布局滿(mǎn)足相機(jī)在罐外測(cè)量條件時(shí)，如罐體有玻璃窗且罐內(nèi)有可安裝產(chǎn)品的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（如圖3 所示），則測(cè)量工作相對(duì)簡(jiǎn)單：使真空罐內(nèi)的產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)，人工手持或采用機(jī)械裝置固定相機(jī)在罐外透過(guò)光學(xué)玻璃進(jìn)行拍攝（如圖4所示）。因?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要在極低背景溫度下運(yùn)行，所以需對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)熱控。

圖3 產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Fig.3 The rotation mechanism for the product

圖4 罐外測(cè)量拍攝布局示意Fig.4Schematic diagram of photography layout for measurement out side of the tank

2.1.2罐內(nèi)測(cè)量

相機(jī)置于罐內(nèi)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需對(duì)相機(jī)做專(zhuān)門(mén)防護(hù)（如圖5 所示），還需配備相機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)或產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并且需要考慮拍攝布局、線(xiàn)纜的走線(xiàn)布局和防護(hù)等。圖6 所示為真空罐內(nèi)的測(cè)量系統(tǒng)。

圖5 相機(jī)防護(hù)裝置Fig.5 The camera guard

圖6 大型真空罐中的攝影測(cè)量系統(tǒng)Fig.6 Photogrammetric system in large vacuum tank

2.2 常壓高低溫測(cè)量方式

目前，國(guó)外對(duì)于高精度衛(wèi)星天線(xiàn)的熱變形測(cè)試主要在真空環(huán)境中進(jìn)行，但是其試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、占用資源多，嚴(yán)重制約了熱變形測(cè)試工作在眾多型號(hào)中的普遍推廣。大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在符合標(biāo)準(zhǔn)要求的情形下可采用常壓高低溫?zé)嶙冃螠y(cè)量進(jìn)行模擬測(cè)試。常壓高低溫測(cè)量是指測(cè)量在高低溫箱里進(jìn)行，溫度范圍相對(duì)較窄（低溫-100℃是極限），需保證低溫下相機(jī)鏡頭不結(jié)霜、不結(jié)露，溫控難度較大。

2.2.1人工測(cè)量

當(dāng)溫度條件在人員和設(shè)備可承受的范圍內(nèi)（-60～+60℃）時(shí)可采用人工測(cè)量方式：對(duì)相機(jī)和人員做簡(jiǎn)單防護(hù)，然后人手持相機(jī)進(jìn)入高低溫箱拍攝，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。人工測(cè)量的每次拍攝時(shí)間控制在15min之內(nèi)。

2.2.2自動(dòng)測(cè)量

當(dāng)溫度條件超出人工測(cè)量可以耐受的溫度范圍時(shí)（-60℃以下或+60℃以上）須采用自動(dòng)測(cè)量方式。自動(dòng)測(cè)量中，需對(duì)相機(jī)做專(zhuān)業(yè)防護(hù)（將測(cè)量相機(jī)置于防護(hù)罐中），還要設(shè)計(jì)相機(jī)拍攝的行走機(jī)構(gòu)和攝站位置（如圖7 和圖8 所示），并對(duì)線(xiàn)纜進(jìn)行防護(hù)。拍攝工作全程須在人員監(jiān)控下進(jìn)行。

圖7 自動(dòng)測(cè)量相機(jī)行走結(jié)構(gòu)Fig.7 Walking structure of automatic measurement camera

圖8 自動(dòng)測(cè)量攝站位置Fig.8 The positions for automatic gauging station

3 衛(wèi)星天線(xiàn)熱變形測(cè)量的一般流程

衛(wèi)星天線(xiàn)的高低溫?zé)嶙冃螠y(cè)試均在特定的高低溫環(huán)境（箱、罐）中進(jìn)行，主要過(guò)程和方法如下：

1）根據(jù)測(cè)試需要和天線(xiàn)具體構(gòu)造，選擇攝影所需的由耐高低溫回光反射材料制成的標(biāo)志點(diǎn)，并在整個(gè)天線(xiàn)上粘貼足夠的單點(diǎn)標(biāo)志點(diǎn)和編碼標(biāo)志點(diǎn)（如圖9 所示）；

圖9 攝影靶標(biāo)及粘貼有編碼標(biāo)記點(diǎn)的衛(wèi)星天線(xiàn)Fig.9Photographic target and the satellite antenna affixed with code target

2）根據(jù)真空罐或高低溫箱和試驗(yàn)的具體情況，搭建滿(mǎn)足攝影測(cè)量正常開(kāi)展所需的架構(gòu)及設(shè)施；

3）根據(jù)試驗(yàn)溫度及環(huán)境裝備對(duì)相機(jī)和人員進(jìn)行安全防護(hù)準(zhǔn)備；

4）按照測(cè)試方案，在溫度循環(huán)升降的不同節(jié)點(diǎn)對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行攝影（如圖10 所示），每次攝影分別按相機(jī)正位、繞光軸旋轉(zhuǎn)90°等不同姿態(tài)獲取每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的圖像；

圖10 循環(huán)測(cè)試示意Fig.10 Schematic diagram of cycling test

5）攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理，得到標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

6）型面精度分析、型面熱變形計(jì)算與分析。

4 熱變形測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

4.1 相機(jī)防護(hù)技術(shù)

相機(jī)防護(hù)裝置與相機(jī)在極端溫度條件下的工作能力密切相關(guān)。美國(guó)GSI 公司針對(duì)在熱真空環(huán)境下的測(cè)試需要研發(fā)了一種相機(jī)保護(hù)罐——I-CAN罐可以順利完成測(cè)量工作。

圖11 所示是西安空間無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究所設(shè)計(jì)制造的相機(jī)防護(hù)裝置并已應(yīng)用于實(shí)踐，其工作原理是將測(cè)量相機(jī)置于防護(hù)罐中并輔以熱控裝置，從而保證測(cè)量相機(jī)始終處于常溫常壓的工作環(huán)境下；測(cè)試結(jié)果表明該裝置的適宜性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等性能指標(biāo)滿(mǎn)足高低溫環(huán)境下試驗(yàn)測(cè)試的要求。由于此類(lèi)罐狀防護(hù)裝置帶有光學(xué)窗口，由折射定律和光學(xué)成像的幾何原理可知，在原有光路中增加光學(xué)介質(zhì)，會(huì)使光線(xiàn)在經(jīng)過(guò)不同折射率的介質(zhì)（空氣和光學(xué)窗口）時(shí)發(fā)生改變，導(dǎo)致成像點(diǎn)位置改變，即在相機(jī)的成像面上的像點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)生變化，從而影響測(cè)量精度，所以必須對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。

圖11 相機(jī)+防護(hù)罐示意Fig.11 Schematic diagram of the camera and the protective tank

4.2 高低溫環(huán)境下相機(jī)標(biāo)定技術(shù)

高低溫環(huán)境下相機(jī)的高精度標(biāo)定技術(shù)至關(guān)重要。對(duì)放入保護(hù)罐中的相機(jī)進(jìn)行重新標(biāo)定就是將鏡頭前的防護(hù)玻璃也一并納入到攝影測(cè)量系統(tǒng)中。同時(shí)，受高低溫影響的相機(jī)內(nèi)部構(gòu)件不可避免地會(huì)發(fā)生不同程度的變形從而影響測(cè)量精度，因此，對(duì)相機(jī)的標(biāo)定會(huì)頻繁進(jìn)行。程志強(qiáng)等基于對(duì)相機(jī)的標(biāo)定，研究了相機(jī)防護(hù)罐對(duì)攝影測(cè)量精度的影響，結(jié)果表明：在將玻璃引起的光路折射歸入相機(jī)徑向畸變模型之后可得到與無(wú)玻璃時(shí)基本一致的結(jié)果。這說(shuō)明通過(guò)相機(jī)標(biāo)定可以滿(mǎn)足攝影測(cè)量在高低溫環(huán)境下的高精度應(yīng)用。

目前工業(yè)攝影測(cè)量領(lǐng)域常用的標(biāo)定方法是相機(jī)光束法自標(biāo)定，即將測(cè)量過(guò)程中取得的控制點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)、待定點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)以及其他內(nèi)、外業(yè)量測(cè)數(shù)據(jù)的一部分或者全部均視作觀測(cè)值，基于共線(xiàn)條件方程，整體求解各觀測(cè)值的最或然值。傳統(tǒng)攝影測(cè)量學(xué)中稱(chēng)之為使用附加參數(shù)的自檢校技術(shù)。相關(guān)文獻(xiàn)指出，將附加參數(shù)處理成自由未知數(shù)一般是不合適的，通常把它處理成帶權(quán)的觀測(cè)值。目前光束法自標(biāo)定技術(shù)在常溫環(huán)境下的應(yīng)用已比較成熟。高低溫環(huán)境下采用附加參數(shù)的光束法自標(biāo)定方法可以將防護(hù)罐的光學(xué)玻璃看作相機(jī)鏡頭的一部分，實(shí)現(xiàn)兩者的“固連”，并彌補(bǔ)由此產(chǎn)生的絕大部分誤差。相關(guān)試驗(yàn)證明，此種方式是可行的。

4.3 高低溫環(huán)境下自動(dòng)測(cè)量技術(shù)

由于人員對(duì)高低溫環(huán)境的耐受程度有限，在進(jìn)行較寬溫度范圍的熱變形測(cè)量時(shí)須采用機(jī)械裝置帶動(dòng)相機(jī)拍攝來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。相比于常溫常壓下的人工測(cè)量，自動(dòng)測(cè)量需要解決3 個(gè)問(wèn)題：1）相機(jī)的防護(hù)，前已述及；2）相機(jī)運(yùn)行及角度調(diào)整；3）相機(jī)拍攝的遠(yuǎn)程控制及照片的自動(dòng)下傳。

相機(jī)的運(yùn)行及角度調(diào)整可以通過(guò)提前規(guī)劃好測(cè)量網(wǎng)形，再將放有相機(jī)的防護(hù)罐整體安裝在帶有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可轉(zhuǎn)動(dòng)桁架上，實(shí)現(xiàn)相機(jī)的多角度多方位測(cè)量。相機(jī)拍攝的遠(yuǎn)程控制及照片的自動(dòng)下傳則由貫穿高低溫箱內(nèi)外的數(shù)據(jù)傳輸電纜實(shí)現(xiàn)。柏宏武等應(yīng)用上述自動(dòng)測(cè)量方案結(jié)合相機(jī)自標(biāo)定技術(shù)對(duì)衛(wèi)星天線(xiàn)熱變形測(cè)量系統(tǒng)的研究表明，其測(cè)量精度可以達(dá)到甚至優(yōu)于0.020mm。

采用自動(dòng)測(cè)量技術(shù)，成功地拓寬了常壓下高低溫?zé)嶙冃螠y(cè)量的溫度范圍。通過(guò)對(duì)測(cè)量網(wǎng)形的優(yōu)化設(shè)計(jì)和測(cè)量相機(jī)的精密標(biāo)定，能夠滿(mǎn)足5m 以下天線(xiàn)產(chǎn)品在-100～100℃溫度范圍內(nèi)20μm 的高精度測(cè)量需求。

5 誤差影響因素分析

高低溫環(huán)境超出了設(shè)備和人的正常工作狀態(tài)要求，需要采取有效的防護(hù)措施；另外基準(zhǔn)尺、標(biāo)識(shí)點(diǎn)也會(huì)因溫度變化而變形。這些影響因素都會(huì)使高低溫條件下的測(cè)量誤差增大。

5.1 數(shù)字相機(jī)成像系統(tǒng)及其標(biāo)定誤差

高低溫環(huán)境下，數(shù)字相機(jī)的性能直接影響到測(cè)量精度。影響相機(jī)成像質(zhì)量的因素包括相機(jī)自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、分辨率，以及對(duì)相機(jī)的高低溫防護(hù)及內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定等。實(shí)踐證明，單色CCD影像傳感器的測(cè)量型相機(jī)在幾何、光學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面性能優(yōu)秀，幾何畸變小的相機(jī)，其像素所表達(dá)的實(shí)際點(diǎn)位半徑也小，三維空間坐標(biāo)的計(jì)算結(jié)果相對(duì)更精確。高低溫環(huán)境下，因加入了相機(jī)防護(hù)裝置，改變了相機(jī)光路介質(zhì)，所以必須進(jìn)行加裝后的幾何畸變誤差檢校，以確保相機(jī)成像系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

5.2 攝影測(cè)量標(biāo)志質(zhì)量及其圖像中心定位的誤差

攝影測(cè)量標(biāo)志質(zhì)量的好壞及其圖像中心定位的準(zhǔn)確性也是高精度測(cè)量結(jié)果的直接影響因素之一。為此要根據(jù)實(shí)際測(cè)量需求選擇高質(zhì)量人工測(cè)量標(biāo)志及與其相適應(yīng)的高精度中心提取定位算法（軟件系統(tǒng)）。測(cè)量標(biāo)志最為廣泛使用的是定向回光反射標(biāo)志（RRT），按厚度不同有3mm、6mm 和9mm等規(guī)格。RRT 具有如下特性：隨著光源偏差角增大，標(biāo)志的反光能力迅速降低（見(jiàn)圖12）。因此，為得到較小的光源偏差角，常選用環(huán)形閃光燈作為攝影時(shí)的輔助光源，從而保證相機(jī)光軸與閃光燈光軸同軸。而且隨著光線(xiàn)入射角的增大，尤其超過(guò)50°以后，標(biāo)志的反光能力迅速降低，所以光線(xiàn)入射角不能太大，一般不超過(guò)60°，否則標(biāo)志成像效果很不理想。

圖12 RRT 特性示意圖Fig.12 Schematic diagram of RRT characteristics

粘貼的攝影靶標(biāo)在高低溫情況下有時(shí)會(huì)出現(xiàn)變形、脫落、污染被測(cè)物的情形；在工程實(shí)踐中也曾出現(xiàn)不同加工工藝的靶標(biāo)最后在平差解算時(shí)呈現(xiàn)系統(tǒng)性偏差的現(xiàn)象。因此對(duì)靶標(biāo)加工工藝有嚴(yán)格要求，保證測(cè)量時(shí)其背面無(wú)殘留不干膠，并且要求其規(guī)格和加工工藝一致，以避免由于靶標(biāo)厚度不均勻可能帶來(lái)測(cè)量誤差。

5.3 攝影輔助光源強(qiáng)度不適宜引起的誤差

由于不同類(lèi)型的照明光源在同等環(huán)境條件下輸出的閃光強(qiáng)度會(huì)有所不同，所以不適宜的光強(qiáng)反映在成像像片上會(huì)直接影響攝影成像質(zhì)量以及標(biāo)志圖像中心提取定位的精度。長(zhǎng)期研究和實(shí)踐表明，環(huán)形微距閃光燈（見(jiàn)圖13）具有無(wú)陰影、無(wú)暗角和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，最適合定向回光標(biāo)志的反射效能和成像需求。研究表明，閃光燈的形狀也會(huì)對(duì)測(cè)量重復(fù)性產(chǎn)生影響，如表1 所示，值得注意的是，此種情形是一般性的，非高低溫狀態(tài)下所特有。

表1 閃光燈對(duì)攝影測(cè)量精度的影響Table1 Influence of flash lamp on photogrammetric accuracy

圖13 環(huán)形閃光燈Fig.13 Ring Flash

在測(cè)量過(guò)程中有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)諸如閃光燈亮度變化、閃光部位變化等由于閃光燈電池電量變化、閃光燈性質(zhì)不穩(wěn)定導(dǎo)致的測(cè)量結(jié)果重復(fù)性不達(dá)標(biāo)的情況，需注意在拍攝前檢查電池電量，必要時(shí)做專(zhuān)業(yè)維修。

5.4 基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度標(biāo)定誤差

在高低溫變形測(cè)試開(kāi)始前要在專(zhuān)業(yè)計(jì)量部門(mén)、選擇高精度基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度標(biāo)定方法對(duì)基準(zhǔn)尺進(jìn)行精確標(biāo)定，同時(shí)獲得基準(zhǔn)尺熱膨脹系數(shù)，并根據(jù)測(cè)量需要對(duì)基準(zhǔn)長(zhǎng)度進(jìn)行修正。目前試驗(yàn)得知，無(wú)論碳纖維還是微晶玻璃基準(zhǔn)尺，其在-100～100℃溫度變化區(qū)間的長(zhǎng)度變化量都在10μm 左右，均可應(yīng)用于高低溫試驗(yàn)。

據(jù)文獻(xiàn)[13]所述，基準(zhǔn)尺誤差對(duì)天線(xiàn)變形及型面測(cè)量精度影響較小，以基準(zhǔn)尺最大誤差（非標(biāo)定誤差）0.034mm 為例，基準(zhǔn)尺誤差對(duì)天線(xiàn)型面測(cè)量精度的影響小于0.005mm，對(duì)變形量測(cè)量精度的影響小于0.027mm。

5.5 測(cè)量網(wǎng)形誤差

測(cè)量網(wǎng)形（見(jiàn)圖14）幾何結(jié)構(gòu)的構(gòu)形強(qiáng)弱，如被測(cè)物體的尺寸、攝影距離、像片的重疊度、像片的數(shù)量、攝影相機(jī)的交會(huì)角（攝站布局）以及光線(xiàn)的入射角等，是需要重點(diǎn)考慮的測(cè)量精度影響因素。文獻(xiàn)[39]指出，像點(diǎn)坐標(biāo)精度一樣時(shí)，測(cè)量網(wǎng)形布設(shè)不同會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的精度相差10 倍。在工程實(shí)踐中逐漸總結(jié)出以下幾何構(gòu)形原則：

圖14 測(cè)量網(wǎng)形示意Fig.14 Schematic diagram of survey net

1）被測(cè)物體有多大，攝影距離就有多遠(yuǎn)。

2）盡可能在不同位置的每個(gè)攝站都拍攝到被測(cè)物的所有標(biāo)志點(diǎn)，且拍攝中心對(duì)準(zhǔn)被測(cè)件中心。若受空間條件限制，單張像片無(wú)法完全覆蓋待測(cè)件，則盡可能使相鄰像片間有較多公共點(diǎn)重疊（理論上最少4 個(gè)公共點(diǎn)）。

3）被測(cè)物上每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的攝影光線(xiàn)交會(huì)角在60°～120°之間。

4）對(duì)被測(cè)目標(biāo)物上每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的光線(xiàn)入射角＜45°。

5.6 外部環(huán)境因素引起的誤差

溫度、濕度、熱流、大氣抖動(dòng)、地板振動(dòng)等因素在高精度測(cè)量中均會(huì)不同程度地對(duì)測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量結(jié)果造成不利影響，如常壓低溫測(cè)量時(shí)高低溫箱內(nèi)濕度過(guò)大會(huì)引發(fā)的鏡頭表面結(jié)霜，在一定程度上影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此需在測(cè)試時(shí)對(duì)這些環(huán)境因素一并考慮并有效避免其影響。

6 熱變形測(cè)量現(xiàn)存問(wèn)題

因?yàn)樾l(wèi)星天線(xiàn)的高低溫?zé)嶙冃螠y(cè)量為相對(duì)變形測(cè)量，所以需要通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)（公共點(diǎn)）將各個(gè)工況下的測(cè)量數(shù)據(jù)變換到同一坐標(biāo)系下比對(duì)。但是基準(zhǔn)點(diǎn)的分布經(jīng)常位于天線(xiàn)型面內(nèi)部很小的區(qū)域內(nèi)，這樣勢(shì)必會(huì)帶來(lái)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差，而且誤差隨著基準(zhǔn)點(diǎn)分布占比愈小而愈大。這里列舉一個(gè)比較極端的例子。我國(guó)某航天單位在肋管變形測(cè)量中通過(guò)部分公共點(diǎn)（也稱(chēng)基準(zhǔn)點(diǎn)，見(jiàn)圖15 藍(lán)色區(qū)域）來(lái)進(jìn)行坐標(biāo)系的統(tǒng)一和后續(xù)變形計(jì)算分析，由此導(dǎo)致了“鋸齒形的”測(cè)量誤差比對(duì)結(jié)果（見(jiàn)圖16），其中，3 組數(shù)據(jù)是在同一工況間隔時(shí)間極短的情形下采集。由圖可見(jiàn)，重復(fù)性測(cè)量精度竟然在肋的外端達(dá)到甚至超過(guò)0.050mm，而在點(diǎn)253 之后由于是基準(zhǔn)點(diǎn)故重復(fù)性精度良好。由此可見(jiàn)，基準(zhǔn)點(diǎn)分布不合理造成坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差，影響到數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果。同樣的問(wèn)題在天線(xiàn)型面數(shù)據(jù)處理中也會(huì)遇到，尤其是當(dāng)型面精度要求很高時(shí)，這一點(diǎn)便不可忽略。目前，該問(wèn)題已受到研究人員的關(guān)注并做出了積極的探索。

圖15 衛(wèi)星天線(xiàn)肋管變形測(cè)量示意Fig.15Schematic diagram of distortion measurement of satellite antenna rib tube

圖16 三組偏差比對(duì)結(jié)果Fig.16 Comparison among three groups of measured deviations

此外，關(guān)于天線(xiàn)型面誤差的評(píng)定也需要進(jìn)一步規(guī)范，目前業(yè)內(nèi)對(duì)此還未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此需要有更加深入的總結(jié)研究。

7 總結(jié)與展望

隨著航天科技發(fā)展及高頻天線(xiàn)越來(lái)越多的應(yīng)用，對(duì)衛(wèi)星天線(xiàn)型面精度的要求越來(lái)越高，例如HERSCHEL-3.5m 天線(xiàn)要求其型面精度優(yōu)于6μm。目前衛(wèi)星天線(xiàn)高低溫?zé)嶙冃螠y(cè)量大多采用工業(yè)攝影測(cè)量的方式，在真空罐或高低溫箱中進(jìn)行。影響和制約衛(wèi)星天線(xiàn)變形測(cè)量精度的因素很多，大致可分為攝影測(cè)量系統(tǒng)自身因素和測(cè)量環(huán)境因素兩類(lèi)。如何一方面提高攝影測(cè)量系統(tǒng)自身精度，另一方面最大限度滿(mǎn)足攝影測(cè)量條件從而發(fā)揮出目前攝影測(cè)量系統(tǒng)的最佳潛能，提高整體測(cè)量精度，成為當(dāng)前共同的研究課題和努力目標(biāo)。另外，關(guān)于衛(wèi)星天線(xiàn)熱變形測(cè)量目前還未有行之有效的標(biāo)準(zhǔn)，只能以常溫常壓下通過(guò)精度檢定的測(cè)量系統(tǒng)在高低溫環(huán)境下的測(cè)量重復(fù)度作為必要條件。此外，對(duì)于衛(wèi)星天線(xiàn)的型面精度的評(píng)定亦沒(méi)有統(tǒng)一的切實(shí)可行的標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)處理仍然是這一領(lǐng)域的難題之一。

對(duì)于衛(wèi)星天線(xiàn)熱變形測(cè)量重點(diǎn)研究方向有以下建議：

1）衛(wèi)星天線(xiàn)變形的在軌測(cè)量和在軌型面調(diào)整。在軌測(cè)量可實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星天線(xiàn)工作性能的實(shí)際檢驗(yàn)，可為之后的天線(xiàn)設(shè)計(jì)和加工積累準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；將在軌熱變形測(cè)量與在軌型面調(diào)整相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)型面在軌長(zhǎng)時(shí)間工作。

2）衛(wèi)星天線(xiàn)變形在線(xiàn)測(cè)試和型面實(shí)時(shí)調(diào)整，二者相結(jié)合可加速衛(wèi)星天線(xiàn)制造工業(yè)的產(chǎn)出。

3）將攝影熱變形測(cè)量和激光干涉測(cè)量相結(jié)合以真正實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星天線(xiàn)變形的無(wú)接觸式測(cè)量。

此外，如何建立行之有效的天線(xiàn)型面精度評(píng)價(jià)體系，提高天線(xiàn)型面的加工精度也是今后需要努力的方向。