基于雙電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)與單目攝影測量系統(tǒng)在大型天線陣面裝配測量中的應(yīng)用

張樂

摘 要

我公司在對某型曲面航管雷達(dá)天線進(jìn)行裝配時，要求蒙皮鋪設(shè)后的天線陣面精度達(dá)到均方根誤差σ≤0.6mm的要求。通過對裝配過程中的裝配精度保證的問題進(jìn)行探討，確定以雙電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)對天線骨架上支板的定位和焊接進(jìn)行放樣，最后以單目攝影測量系統(tǒng)對鋪設(shè)焊接蒙皮后的天線陣面進(jìn)行測試，以此驗證鋪設(shè)蒙皮后的天線陣面的精度是否能夠達(dá)到設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞

雷達(dá)天線;均方根誤差;單目攝影測量系統(tǒng);雙電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)

中圖分類號： TH-3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.039

Abstract

When assembling a certain type of curved surface aerial control radar antenna， our company requires that the precision of the antenna array surface after the skin is laid meet the requirement of root mean square error σ ≤ 0.6 mm. Through discussing the problem of ensuring the assembly precision in the assembly process， it is determined that the positioning and welding of the upper support plate of the antenna frame are lofted by the double electronic theodolite system. Finally， the antenna array surface after the welding skin is laid is tested by the monocular photogrammetry system， so as to verify whether the precision of the antenna array surface after the skin is laid can meet the design requirements.

Key words

Radar antenna;Root mean square error; Monocular photogrammetry system; Double electronic theodolite system

0 引言

近些年，制造業(yè)領(lǐng)域和工程領(lǐng)域都對大尺寸測量的精度和便捷性提出了較高的要求，很多測量工具隨之產(chǎn)生，例如接觸式測量中應(yīng)用較為廣泛的普通式三坐標(biāo)測量機(jī)和關(guān)節(jié)臂式測量機(jī)，非接觸式三坐標(biāo)測量中已經(jīng)趨于成熟的雙電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)、激光跟蹤儀系統(tǒng)、全站儀系統(tǒng)、攝影測量系統(tǒng)等。本文重點(diǎn)探討雙電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)與攝影測量系統(tǒng)組合在實踐測量中的應(yīng)用。

1 應(yīng)用背景

對采用賦型曲面天線的雷達(dá)系統(tǒng)來說，天線面精度直接影響到發(fā)射接收的增益和分辨精度。我公司現(xiàn)需要對某型曲面航管雷達(dá)天線進(jìn)行裝配，根據(jù)裝配工藝的安排，首先需要對天線骨架進(jìn)行垂直支板和橫向支板的焊接，之后再以焊接好的支板作為定位基準(zhǔn)進(jìn)行天線蒙皮的鋪設(shè)焊接。因此只有保證垂直支板和水平支板的正確安裝才能夠保證整個天線陣面精度達(dá)到均方根誤差σ≤0.6mm的設(shè)計要求。我公司現(xiàn)有雙電子經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)和單目攝影測量系統(tǒng)，如何借助兩者實現(xiàn)測量要求，是我們面臨的課題。經(jīng)過方案討論，最終確定在對支板進(jìn)行定位焊接時采用兩臺瑞士徠卡TM6100A型精度0.5″的雙電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)組網(wǎng)放樣，蒙皮鋪設(shè)焊接完畢后，利用單目攝影測量系統(tǒng)對整個天線陣面的精度進(jìn)行檢測，以驗證最終的裝配精度是否滿足設(shè)計要求，所以關(guān)鍵在于支板定位和裝配后的整體測量。

2 支板定位

2.1 世界坐標(biāo)系建立

支板在焊接安裝之前，需先將天線骨架垂直固定于工作臺上，通過在工作臺前的兩個經(jīng)緯基座專用工裝上分別放置一臺電子經(jīng)緯儀組網(wǎng)建站。如圖1所示，以左側(cè)經(jīng)緯儀的中心作為世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)，兩臺電子經(jīng)緯儀的中心連線指向右手方向作為x軸正方向，按照右手坐標(biāo)系法則建系。首先通過兩臺電子經(jīng)緯儀精確互瞄之后測量一根已知長度的基準(zhǔn)尺，再通過空間幾何關(guān)系解出兩臺電子經(jīng)緯儀的水平距離b及高低差△z。

2.2 前方交會法解待測點(diǎn)坐標(biāo)

如圖1所示，在世界坐標(biāo)系下被測點(diǎn)為P（x，y，z），左側(cè)電子經(jīng)緯儀1的觀測水平角為α，觀測垂直角為φ1，右側(cè)電子經(jīng)緯儀2的觀測水平角為β，觀測垂直角為φ2。此時，利用空間解析法可建立方程

由上述方程可解出可解出被測點(diǎn)p在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值（x，y，z）。

2.3 支板定位焊接

通過在天線陣面數(shù)模上定出相應(yīng)的基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，利用雙電子經(jīng)緯儀系統(tǒng)的軟件將建系后的世界坐標(biāo)系與數(shù)模的理論設(shè)計坐標(biāo)系通過坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行對齊。此時，便可利用理論設(shè)計坐標(biāo)系中相應(yīng)的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)（x，y，z），先通過轉(zhuǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，再將其代入至2.2方程（1）中，即可反解出電子經(jīng)緯儀放樣參數(shù)α，φ1，β，φ2，利用此參數(shù)進(jìn)行支板的放樣焊接即可完成支板在天線骨架上的準(zhǔn)確定位。

3 整體測量

3.1 測量原理

數(shù)字近景工業(yè)攝影測量技術(shù)是通過單臺或是多臺相機(jī)對在粘貼有反光標(biāo)志點(diǎn)及編碼目標(biāo)的被測物體和周圍環(huán)境進(jìn)行多角度拍攝，再利用計算機(jī)系統(tǒng)軟件對所拍攝的照片進(jìn)行像點(diǎn)匹配，同時通過對內(nèi)、外方位參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和概略定向。在解出各個像點(diǎn)對應(yīng)的待測點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，再利用光束法平差算法對解出的點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行迭代計算優(yōu)化點(diǎn)位坐標(biāo)。最后導(dǎo)出CMM點(diǎn)集數(shù)據(jù)，利用三維檢測軟件進(jìn)行擬合計算。

3.2 概略定向

我公司對天線陣面檢測使用的是加拿大Creaform公司的Maxshot型單目攝影測量系統(tǒng)。具體操作方法為先在天線蒙皮表面隨機(jī)且均勻地粘貼上反光標(biāo)志點(diǎn)和編碼點(diǎn)，同時放置好帶有已知參考點(diǎn)的坐標(biāo)系及兩根比例尺，之后利用相機(jī)對整個天線陣面進(jìn)行多個角度的交匯拍攝。照片采集完過后，系統(tǒng)軟件會通過對磁性編碼點(diǎn)解碼再對各張照片進(jìn)行拼接。

如圖2所示，系統(tǒng)軟件采用絕對定向的方式利用像點(diǎn)及待測點(diǎn)共線原理建立方程。

可以看出，上述的共線方程（3）中一共包含12個參數(shù)，可由坐標(biāo)系上3組已知點(diǎn)的絕對坐標(biāo)和對應(yīng)的3組已知像點(diǎn)坐標(biāo)聯(lián)立3組共線方程，由此便可解出共線方程中的6個外方位未知數(shù)，再通過多角度的交匯拍攝，解出交匯區(qū)域的同名點(diǎn)坐標(biāo)即可完成每個攝站空間姿態(tài)的概略定向。

4 結(jié)論

天線陣面在鋪設(shè)焊接完畢過后，經(jīng)過本公司攝影測量系統(tǒng)檢測其均方根誤差σ=0.492mm，符合σ≤0.6mm的設(shè)計要求。經(jīng)過驗證可以發(fā)現(xiàn)，在對大型曲面天線進(jìn)行裝配時，利用雙電子經(jīng)緯儀進(jìn)行骨架支板的放樣定位，再通過攝影測量系統(tǒng)對整個天線陣面進(jìn)行檢測可以實現(xiàn)天線陣面的高精度裝配。通過本次對雙電子經(jīng)緯儀和攝影測量系統(tǒng)的綜合運(yùn)用，為后續(xù)的大型曲面天線的總成提供了指導(dǎo)意義。

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