真空低温环境下的热变形测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种真空低温环境下的热变形测量方法，主要采用试件静止不动，测量相机旋转拍摄的方式进行测量，其中，试件固定设置在真空环境模拟室内，摄影测量相机螺接固定在旋转机构的大型低温悬臂结构上，旋转机构固定在以试件为中心的支撑机构上，测量过程中，拍摄相机通过低温悬臂带动旋转拍摄的方式，对试件进行圆周测量，然后采用图像处理系统对拍摄的数字相片进行解算，从而获取形面及变形数据。本发明的方法，能够解决目前各种大型尺寸结构的航天器的变形测量需求，空间点位的测量重复性精度达20微米。
【专利说明】
真空低温环境下的热变形测量方法
技术领域
[0001]本发明属于模拟空间环境下航天器微变形测量试验领域，具体涉及一种用于真空低温环境下对大型航天器结构热变形测量的方法。
【背景技术】
[0002]航天器在轨运行时，空间环境呈周期性剧烈变化，将给航天器结构带来热变形，加上航天器在轨环境下重力释放，也会给航天器带来微变形。这对自身结构稳定性有较高要求的部件来说，这种变形必将影响到其工作性能，如天线、空间望远镜、太阳帆板等。
[0003]以天线为例，要达到高的分辨率，不仅要求天线的面积大，反射面的表面精度高，而且要求天线表面的形状与设计形状的偏差小。对于反射面天线，变形导致的表面形面与理想抛物面的随机偏差将引起辐射方向图的畸变，产生天线波束指向误差，影响到天线收发信息的准确性和发射功率，降低天线的可靠性。天线的形面精度是衡量和评价天线质量的重要指标。一般要求天线表面精度是其工作波长的1/16?1/32，而按误差可忽略不计原贝IJ，测量精度要达到表面精度的1/3?1/5，工作波长越短、工作频率越高，对测量提出的要求就越苛刻。因此，需要通过模拟空间环境下高精度的热变形测量地面试验方法，将对于掌握天线的变形特性，评估其在轨工作性能偏差具有重要作用，同时对于其结构改进、优化设计也具有指导作用，进而为高精度、长寿命、高可靠性天线的研制提供技术支撑。
[0004]随着工业测量技术的发展，航天器微变形测量方法和手段得到了长足的发展，目前能够用于航天器热变形测量的技术有:摄影测量法、经玮仪测量法、波动光栅法、激光跟踪测量法、电子散斑或全息干涉测量法等。但由于真空低温环境使用要求或者视场等的限制，在模拟空间环境下进行航天器热变形测量所采用的方法仅有全息干涉法和摄影测量法。
[0005]其中，干涉测量法是利用双光束干涉原理，测量被测试件表面的变形情况。但它对空间环境模拟设备、光学窗口的位置、太阳光福照的方向和激光光源有严格的要求，对被测试件的尺寸有大小限制，不适合测量大尺寸的试件，且主要用于静态测量，测量系统对隔振要求较高，通用性较差。摄影测量法是通过在不同的位置和方向获取同一物体的2幅以上的数字图像，经计算机图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标，测量方式比较灵活、测量范围大、受外界环境影响小，对空间环境模拟设备、光学窗口、试件加热手段没有苛刻的要求。
[0006]从国外航天器热变形测量的成功案例来看，摄影测量法是近十年来航天领域应用最广泛、技术最成熟的方法，特别是美国NASA和欧洲的IABG机构在真空低温环境下利用摄影测量技术进行航天器热变形测量已有大量应用。
[0007]但国内还没有建立可靠的真空低温环境下采用摄影测量技术进行航天器大尺寸结构的微变形测量方法和试验系统。然而随着国内大容量通信卫星和大口径空间望远镜等研制，天线反射器的口径和空间望远镜高稳定支撑结构的尺寸不断增大，变形精度要求也越来越高，因此迫切需要采用模拟空间环境下天线变形测量技术，满足高精度大口径天线和航天器高稳定结构的测试需求。
【发明内容】
[0008]针对目前各种型号在真空低温环境下的形面及变形测量需求，本发明提出了一种真空低温环境下的热变形测量方法，即采用基于近景摄影测量的双目立体视觉方法，通过拍摄相机旋转、试件静止的布局进行测量。
[0009]真空低温环境下的热变形测量方法，主要采用试件静止不动，测量相机旋转拍摄的方式进行测量，其中，试件固定设置在真空环境模拟室内，摄影测量相机螺接固定在旋转机构的大型低温悬臂结构上，旋转机构固定在以试件为中心的支撑机构上，测量过程中，拍摄相机通过低温悬臂带动旋转拍摄的方式，对试件进行圆周测量，然后采用图像处理系统对拍摄的数字相片进行解算，从而获取形面及变形数据。
[0010]其中，基于近景摄影测量的双目立体视觉方法，对试件进行圆周拍摄。
[0011]其中，测量时，摄影测量相机旋转360度，每10°?20°度进行一组拍摄，每组测量时测量相机沿光轴旋转90度，均匀间隔拍摄2?3张相片。
[0012]进一步地，采用基于光束平差法的图像处理系统，对所有的数字相片进行图像处理解算，然后获取所有测量点的三维坐标值(X，y，z)，通过将试件上所有标志点的空间三维坐标值与试件设计模型进行最优化拟合，得到试件上所有标志点与设计模型的偏差，从而得到试件表面的热变形结果。
[0013]进一步地，试件上设置有若干供测量用的标志点。
[0014]进一步地，试件为大型航天器天线、大型航天器。
[0015]进一步地，摄影测量相机为装在保护舱内对摄影测量相机。
[0016]本发明的方法，能够解决目前各种大型尺寸结构的航天器的变形测量需求，空间点位的测量重复性精度达20微米。本设计可以用于大型天线在真空低温环境的热致变形情况的测量，从而获取被测试件表面形面的变形结果。该测量方法可以扩展为针对各种大型结构在特殊环境下的位置及变形测量，具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0017]图1为本发明一【具体实施方式】的真空环境下热变形测量系统示意图。
[0018]图中:I一真空环境模拟室、2—支撑机构、3—低温悬臂机构、4一摄影测量CXD相机及保护舱、5—被测试件、6—试件支撑机构、7—低温基准尺。
[0019]图2为本发明一【具体实施方式】的真空环境下热变形测量方法中拍摄方式的示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的真空环境下热变形测量方法作进一步的说明。
[0021]参见图1，图1显示了本发明一【具体实施方式】的真空环境下热变形测量系统示意图。其中，本发明对真空环境下热变形测量系统，包括在真空环境模拟室I内固定设置被测试件5，真空模拟室例如是内径为Φ 1m的卧室容器，能为真空低温环境下大型航天器结构提供真空度为6 X 10—3Pa,环境温度约为-180°C的变形测量环境;龙门支撑机构2通过双排导轨固定于真空容器的测试试验位置，低温悬臂机构3通过螺栓悬挂于龙门支撑机构2横跨梁中心，能在真空低温环境下实现旋转半径为3m的± 360°往返旋转运动;摄影测量CCD相机及保护舱4对称悬挂于低温悬臂机构3两端，并处于最优的拍摄测量角度和位置。摄影测量CCD相机及保护舱4采用电加热器温控方式和真空密封结构，使摄影测量CCD相机在真空低温环境下处于常温、常压工作状态，保护舱内的转台实现摄影测量CCD相机沿主光轴进行±90°的往返旋转。被测试件5置于试件支撑机构6处于低温悬臂机构旋转中心位置，表面均匀粘贴真空低温回光反射标志点，作为目标测量点；低温基准尺7采用低热膨胀系数的微晶玻璃加工而成，在表面粘贴有回光反射标志点，标志点间的距离在试验前进行精确标定，作为测量数据解算过程中的基准长度，并采用电加热器的方式进行温控，确保基准长度在试验过程中保持不变，确保摄影测量CCD相机在测试试验过程中处于常温、常压的稳定工作状态。
[0022]在测量过程中，首先由真空环境模拟室提供真空低温环境，测试可以在卧式容器内进行。将被测试件固定放置在容器内，被测试件表面需粘贴低温回光反射标志点。标志点在试件表面均匀粘贴。在试件周围水平面上固定放置两根相互垂直的微晶玻璃基准尺。
[0023]然后将用于摄影测量的工业CCD相机放置在温控保护舱内。保护舱放置在低温悬臂机构上。在保护舱放置完成后，需要对CCD相机的拍摄角度进行预调节。根据对试件的预拍摄图像，调节CCD相机离被测试件的垂直高度、水平距离和拍摄角度。调节时，尽量保证CCD相机在旋转运动时对同一被测点的交会角在60°?120°范围内，并尽量保证CCD相机对单个标志点的入射角小于60°。
[0024]在测试过程中，低温悬臂机构带动CCD相机进行圆周旋转并间隔角度进行拍摄测量。间隔角度约10°?20°，在每次间隔拍摄时，CCD相机沿相机光轴方向旋转0°?90°，旋转过程中，CCD相机进行间隔拍摄2?3张相片。在低温悬臂机构带动CCD相机进行360°旋转后，完成一次摄影测量，参见图2，图2为本发明一【具体实施方式】的真空环境下热变形测量方法中拍摄方式的示意图。
[0025]所有拍摄的数字图像实时传输至真空环境模拟室外部的图像处理软件中，图像处理软件采用光束平差法进行解算。该解算方法是通过将标志点的像面坐标、空间三维坐标和摄像机的内方位元素、外方位元素作为观测值，整体求解所有观测值的最优化值的一种解析结算方法。首先，由于相机成像过程中像点、相机中心和目标点三点共线，能够形成包含各种观测值的共线方程。然后，相机在空间不同测站下对同一物点的成像光束在空间必相交于该点，所以能够将同一点在不同测站中的共线条件方程联系起来。最后，联合所有标志点在所有测站中的共线条件方程，组成方程组，将标志点在空间各测站中粗略位置作为已知初值，应用光束平差技术便可求解试件表面所有回光反射标志点的精确三维坐标值(x，y，ζ)ο
[0026]最后，通过将试件上所有标志点的空间三维坐标值与试件设计模型进行最优化拟合，得到试件上所有标志点与设计模型的偏差值，从而得到试件表面的热变形结果。
[0027]尽管上文对本发明的【具体实施方式】给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.真空低温环境下的热变形测量方法，其中，主要采用试件静止不动，测量相机旋转拍摄的方式进行测量;其中，试件固定设置在真空环境模拟室内，摄影测量相机螺接固定在旋转机构的大型低温悬臂结构上，旋转机构固定在以试件为中心的支撑机构上，测量过程中，拍摄相机通过低温悬臂带动旋转拍摄的方式，对试件进行圆周测量，然后采用图像处理系统对拍摄的数字相片进行解算，从而获取形面及变形数据。2.如权利要求1所述的方法，其中，基于近景摄影测量的双目立体视觉方法，对试件进tx圆周拍摄。3.如权利要求1所述的方法，其中，测量时，摄影测量相机旋转360度，每10°?20°度进行一组拍摄，每组测量时测量相机沿光轴旋转90度，均匀间隔拍摄2?3张相片。4.如权利要求1所述的方法，其中，采用基于光束平差法的图像处理系统，对所有的数字相片进行图像处理解算，然后获取所有测量点的三维坐标值(x，y，z)，通过将试件上所有标志点的空间三维坐标值与试件设计模型进行最优化拟合，得到试件上所有标志点与设计模型的偏差，从而得到试件表面的热变形结果。5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其中，试件上设置有若干供测量用的标志点。6.如权利要求1-4任一项所述的方法，其中，试件为大型航天器天线、大型航天器。7.如权利要求1-4任一项所述的方法，其中，摄影测量相机为装在保护舱内的摄影测量相机。
【文档编号】G01B11/16GK106091966SQ201610380064
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】蒋山平, 杨林华, 张博伦, 张鹏嵩, 王丹艺, 向艳红, 李竑松
【申请人】北京卫星环境工程研究所