某數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)精度量化評(píng)估方法

張鵬嵩，蔣山平，楊林華，赫明釗

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029）

某數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)精度量化評(píng)估方法

張鵬嵩1，蔣山平1，楊林華1，赫明釗2

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029）

受到測(cè)量試驗(yàn)中被測(cè)目標(biāo)尺寸及結(jié)構(gòu)、控制場(chǎng)布局、測(cè)量網(wǎng)形等現(xiàn)場(chǎng)因素的影響，工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試精度達(dá)不到理論精度。文章以V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)為例，針對(duì)大型平面天線熱變形測(cè)量需求，創(chuàng)新性地提出了線型測(cè)量精度和面型測(cè)量精度的指標(biāo)，對(duì)攝影測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量精度進(jìn)行了定量評(píng)估。測(cè)量結(jié)果表明，該測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量精度滿足0.1mm的測(cè)試精度要求。該精度標(biāo)定方法可為各類型攝影測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量精度評(píng)價(jià)提供一種直觀、可靠的手段。

攝影測(cè)量系統(tǒng)；測(cè)量精度；定量評(píng)價(jià)；大型平面天線

0　引言

對(duì)一外形尺寸為7500mm×1660mm的平面天線進(jìn)行常溫常壓下的模擬在軌熱工況的熱變形測(cè)量試驗(yàn)，測(cè)量精度要求優(yōu)于 0.1mm。試驗(yàn)中采用美國(guó)GSI公司的V-STARS單相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)，其標(biāo)稱精度為5 μm+5 μm/m，即本次試驗(yàn)的理論測(cè)量精度為 0.043mm。但實(shí)際測(cè)量中，攝影測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度往往達(dá)不到理論精度，這是因?yàn)椋?）被測(cè)量目標(biāo)尺寸越大、外形結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，攝影測(cè)量拼接精度越低；2）受試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件限制，測(cè)量網(wǎng)形強(qiáng)度不能達(dá)到最優(yōu)，從而造成測(cè)量精度下降；3）基準(zhǔn)尺標(biāo)定精度與攝影測(cè)量系統(tǒng)的兼容性不足，以及基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度隨溫度的變化，都會(huì)造成實(shí)際測(cè)量精度下降。因此，有必要在測(cè)量試驗(yàn)前對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估［1-2］。然而，國(guó)內(nèi)外在現(xiàn)階段還沒(méi)有針對(duì)以上影響因素的、完善的量化精度分析模型，只能做定性的評(píng)價(jià)［3-4］。因此，在特定的測(cè)量工程中，如何準(zhǔn)確標(biāo)定攝影測(cè)量系統(tǒng)精度成為迫切需要解決的問(wèn)題。

本文根據(jù)攝影測(cè)量基礎(chǔ)理論和國(guó)內(nèi)外工程測(cè)量經(jīng)驗(yàn)［5］，提出采用線型測(cè)量精度和面型測(cè)量精度的指標(biāo)，對(duì)V-STARS測(cè)量統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量精度進(jìn)行定量評(píng)估。

1　測(cè)量精度量化評(píng)估原理

首先針對(duì)大型平面天線變形測(cè)量的試驗(yàn)條件建立與天線測(cè)試面等比例的測(cè)量控制場(chǎng)；然后，按照平面天線變形測(cè)量試驗(yàn)的拍攝網(wǎng)形，對(duì)已建立的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度和標(biāo)準(zhǔn)參考平面進(jìn)行拍攝測(cè)量，得到線型測(cè)量精度和面型測(cè)量精度；最后，根據(jù)攝影測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度與測(cè)量目標(biāo)尺寸呈線性關(guān)系［5-6］，對(duì)攝影測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量試驗(yàn)條件下的測(cè)量精度進(jìn)行量化評(píng)估，以確保天線變形測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性和有效性。

其中，線型測(cè)量精度是指模擬天線長(zhǎng)度方向上的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度測(cè)量絕對(duì)偏差和重復(fù)性；面型精度是指標(biāo)準(zhǔn)參考平面的測(cè)量絕對(duì)偏差和重復(fù)性［6-7］。

2　測(cè)量精度的評(píng)估方法

2.1線型測(cè)量精度

2.1.1標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度控制場(chǎng)布局

在2個(gè)2500mm×1500mm的光學(xué)隔振平臺(tái)上利用2個(gè)回光反射靶球設(shè)定3700 mmm的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度。放置2根長(zhǎng)度約為15000mm的標(biāo)尺：1根平行于標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度（記為1號(hào)標(biāo)尺）；另1根與標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度呈15°夾角（記為2號(hào)標(biāo)尺），如圖1所示。

圖1　線型測(cè)量精度標(biāo)定示意圖Fig.1　Schhematic diagramm of linetype mmeasuring accuraa cy caliibration

2.1.2標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度及標(biāo)尺標(biāo)定

采用激光跟蹤儀干涉測(cè)量模式（見(jiàn)圖2）測(cè)量控制場(chǎng)中的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，測(cè)得其精確值為3 704.378 mmm，并將該值作為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的真值。激光跟蹤儀的測(cè)量精度為0.4μm+0.3μm/mm［8-9］。

標(biāo)尺的長(zhǎng)度標(biāo)定采用干涉儀CCCD測(cè)量方法：在每根標(biāo)尺上粘貼6個(gè)φ3mm的低溫回光反射標(biāo)志點(diǎn)，先利用CCCD相機(jī)顯微鏡確定標(biāo)志點(diǎn)中心，再利用干涉儀直接測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)平移臺(tái)移動(dòng)的距離，從而獲取標(biāo)尺的絕對(duì)長(zhǎng)度。標(biāo)尺上6個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的編號(hào)方式如圖3所示，每根標(biāo)尺包含3段不同長(zhǎng)度的標(biāo)尺，分別記為L(zhǎng)L16、L25、L344，測(cè)得所有6段長(zhǎng)度標(biāo)尺的絕對(duì)長(zhǎng)度如表1所示。干涉儀及標(biāo)準(zhǔn)氣浮平移臺(tái)如圖4所示。

圖2　激光跟蹤儀干涉測(cè)量示意Figg.2　Schematicdiagram of laseer tracker interferro metry mode

圖3　標(biāo)尺標(biāo)志點(diǎn)編號(hào)示意Fig.3　TThe targets nummber on the scall ebar

表1　標(biāo)尺的標(biāo)定長(zhǎng)度值Table 1　TThe calibrationvalue of the sc alebar

圖4　干涉儀及標(biāo)準(zhǔn)平移臺(tái)Fig.4　Interfferometer and sttandard translatt ion stage

2.1..3測(cè)量數(shù)據(jù)處理

按照平面天線變形測(cè)量試驗(yàn)的拍攝網(wǎng)形，在距標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度約1.3m處進(jìn)行覆蓋全場(chǎng)的拍攝（見(jiàn)圖1）。拍攝共分5組，每組約50張，得到5次測(cè)量結(jié)果。則可計(jì)算出攝影測(cè)量系統(tǒng)的線型測(cè)量精度E和測(cè)量重復(fù)性S1分別為：

其中：Li為第i次線型測(cè)量值；L0為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度；為第i次線型測(cè)量均值。

2.2面型測(cè)量精度

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)平面控制場(chǎng)布局

利用光學(xué)隔振平臺(tái)上尺寸為2500mm×1500mm、平面度為5.4 μm（PV值）的平面作為標(biāo)準(zhǔn)平面。在標(biāo)準(zhǔn)平面上均勻粘貼標(biāo)志點(diǎn)和編碼點(diǎn)，建立測(cè)量控制場(chǎng)；將2根長(zhǎng)度約為1500mm的標(biāo)尺放置在標(biāo)準(zhǔn)平面邊緣，如圖5所示。

圖5　面型測(cè)量精度標(biāo)定示意Fig.5　Schematic diagram of plane type measuring accuracy calibration

2.2.2測(cè)量數(shù)據(jù)處理

按照平面天線變形測(cè)量試驗(yàn)的拍攝網(wǎng)形，在距標(biāo)準(zhǔn)平面1.3 m處進(jìn)行覆蓋全場(chǎng)的拍攝（見(jiàn)圖5）。拍攝共分5組，每組約50張，得到5次測(cè)量結(jié)果。則可計(jì)算出攝影測(cè)量系統(tǒng)的面型測(cè)量精度Δδ和測(cè)量重復(fù)性S2分別為：

其中：δi為第i次面型測(cè)量值；δ0為標(biāo)準(zhǔn)平面度；為第i次面型測(cè)量均值。

3　精度測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1線型測(cè)量精度

分別利用1號(hào)標(biāo)尺、2號(hào)標(biāo)尺、1和2號(hào)標(biāo)尺作為基準(zhǔn)尺進(jìn)行解算，并根據(jù)軟件的解算精度擇優(yōu)選取測(cè)量值；然后計(jì)算5次攝影測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度真值的絕對(duì)偏差和重復(fù)性，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果Table 2　The measuring results of standard length

3.2面型測(cè)量精度

將平面度為5.4 μm（PV值）作為標(biāo)準(zhǔn)平面的平面度真值，然后分別利用1號(hào)標(biāo)尺、2號(hào)標(biāo)尺、1和2號(hào)標(biāo)尺作為基準(zhǔn)尺進(jìn)行解算，并根據(jù)軟件的解算精度擇優(yōu)選取測(cè)量值；獲得測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)與擬合的標(biāo)準(zhǔn)平面的法向偏差，如圖6所示，最終的測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3　標(biāo)準(zhǔn)平面測(cè)量結(jié)果Table 3　The measuring results of standard plane

3.3V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)精度分析

由線型測(cè)量精度和面型測(cè)量精度的結(jié)果可看出，在常溫常壓下，使用V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量3700mm標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度和2500mm×1500mm標(biāo)準(zhǔn)平面的測(cè)量精度分別為23 μm和28.4 μm。也就是說(shuō)，使用該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量外形尺寸為 7500mm× 1660mm的平面天線的測(cè)量精度為：線型測(cè)量精度優(yōu)于0.05mm，面型測(cè)量精度優(yōu)于0.085mm（PV值）。因此，該攝影測(cè)量方法能夠滿足大氣環(huán)境下測(cè)量精度優(yōu)于0.1mm的要求。

圖6　標(biāo)準(zhǔn)平面測(cè)量偏差針狀圖Fig.6　The standard plane measuring deviations

此外，在大型平面天線熱變形測(cè)量試驗(yàn)中，將V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)與相同測(cè)量工況下測(cè)量精度為 0.01mm的光纖光柵傳感器測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)［10］進(jìn)行轉(zhuǎn)換比對(duì)，得知各個(gè)溫度下的天線變形測(cè)量結(jié)果一致，且測(cè)量值偏差未超出V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)評(píng)估的實(shí)際精度。

4　結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量實(shí)際應(yīng)用中，其測(cè)量精度受被測(cè)目標(biāo)尺寸及結(jié)構(gòu)、控制場(chǎng)布局、測(cè)量網(wǎng)形等現(xiàn)場(chǎng)因素的影響，對(duì)于特定的攝影測(cè)量系統(tǒng)，其實(shí)際測(cè)量精度往往低于理論精度，而只有經(jīng)過(guò)模擬測(cè)量條件的精度標(biāo)定才能獲得較真實(shí)、可靠的實(shí)際測(cè)量精度。本文中針對(duì)大型平面天線熱變形測(cè)量，利用線型測(cè)量精度和面型測(cè)量精度對(duì)V-STARS攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際精度的定量評(píng)估。該方法已在型號(hào)試驗(yàn)中完成了精度評(píng)估正確性、可靠性的驗(yàn)證。此外，在后續(xù)大型平面天線變形測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，該評(píng)估方法為各類型攝影測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量精度評(píng)價(jià)提供了一種直觀、可靠的手段。

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（編輯：許京媛）

Measurement accuracy of a digital photogrammetric system evaluated by a quantified method

Zhang Pengsong1， Jiang Shanping1， Yang Linhua1， He Mingzhao2
（1.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering， Beijing 100094， China；2.China Institute of Measurement and Testing Technology， Beijing 100029， China）

The measurement accuracy of an industrial digital photogrammetric system cannot reach an ideal state because of the effect of the size and the structure of the object， the photogrammetric control field layout， the measuring net and other factors.This paper presents a quantified evaluation method for a digital photogrammetric system V-STARS， where the concepts of the line type measuring accuracy and the plane type measuring accuracy are used in a deformation measurement test for a large planar antenna.The results show that the actual measurement accuracy can meet the test requirement of 0.1mm measurement accuracy.This method can be used for the quantified accuracy evaluation of the other types of digital photogrammetric systems.

photogrammetry system； measurement accuracy； quantified evaluation； large planar antenna

V416.8

B

1673-1379（2015）06-0648-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.016

張鵬嵩（1987—），男，白族，主要從事空間光學(xué)工程和光學(xué)測(cè)量技術(shù)的研究。E-mail： zhpsong@126.com。

2015-05-27；

2015-11-13

衛(wèi)星型號(hào)項(xiàng)目支持