一種固面可展開天線熱變形測(cè)量實(shí)踐

劉博學(xué)，張銀磊，張 章

（西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所，西安710000）

0 引言

星載天線在軌熱變形不僅會(huì)引起反射面部分的型面變化進(jìn)而導(dǎo)致天線輻射方向圖的畸變，也會(huì)引起天線展開角度的變化并進(jìn)一步影響天線指向精度，產(chǎn)生天線波束指向誤差[1]，進(jìn)而影響天線收發(fā)信息的準(zhǔn)確性和發(fā)射功率，降低天線可靠性。因此，天線研制過程中須對(duì)天線進(jìn)行熱變形測(cè)量，以預(yù)判天線在軌性能，并為天線設(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展天線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天線為對(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)，探討適用于此類天線的熱變形測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理方法，旨在實(shí)現(xiàn)固面可展開天線高/低溫環(huán)境下的熱變形量化分析計(jì)算，并通過實(shí)踐驗(yàn)證。

1 測(cè)量對(duì)象和環(huán)境

被測(cè)固面可展開天線結(jié)構(gòu)（如圖1所示）由反射面和展開臂組成。

圖1 固面可展開天線Fig.1 Deployable antenna with solid surface

天線熱變形測(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)一步提高天線熱變形測(cè)量的效率并降低成本，西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所利用高/低溫箱提供高/低溫環(huán)境開展了常壓下的天線熱變形測(cè)量。2種測(cè)量環(huán)境參數(shù)見表1。

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

天線熱變形測(cè)量在真空罐或高/低溫箱內(nèi)經(jīng)歷的過程剖面如圖2所示，試驗(yàn)過程中在被測(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 天線熱變形測(cè)量過程剖面Fig.2 Temperature curve of thermal deformation measurement

2 測(cè)量方法

天線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)獲得天線在不同溫度工況下的多張不同角度的照片，再經(jīng)過圖像處理和數(shù)據(jù)分析獲得天線熱變形情況[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)通過窗口的高透光學(xué)石英玻璃（透過率≥95%）對(duì)內(nèi)部的天線產(chǎn)品進(jìn)行拍照測(cè)量，如圖3所示，測(cè)量相機(jī)與天線環(huán)境相隔離，保證了相機(jī)的高精度測(cè)量。測(cè)量過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，為了獲得天線多角度的照片，實(shí)現(xiàn)攝影交會(huì)測(cè)量，采用天線轉(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)，且該工裝能夠通過加熱和防護(hù)等熱控措施滿足常壓和真空高/低溫環(huán)境下的使用要求。

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

在一次測(cè)量過程中，是天線旋轉(zhuǎn)工裝往返轉(zhuǎn)動(dòng)2圈：在0°→360°轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，測(cè)量人員手扶相機(jī)使其保持固定并透過測(cè)量窗口對(duì)天線進(jìn)行多角度均勻間隔測(cè)量；在360°→0°轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，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測(cè)量窗口對(duì)天線進(jìn)行多角度均勻間隔測(cè)量。為了減小測(cè)量過程的隨機(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)

高精度固面可展開天線熱變形測(cè)量時(shí)采用攝影測(cè)量方法，測(cè)量過程所用靶標(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)和展開臂測(cè)量靶標(biāo)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)靶標(biāo)一般設(shè)置在天線反射器基準(zhǔn)孔周圍，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，間距與天線頻率有關(guān)，一般設(shè)置為25mm；兩側(cè)展開臂測(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)量過程中將基準(zhǔn)尺靠近天線產(chǎn)品穩(wěn)定放置于支撐工裝上，口面朝上，并與天線保持相對(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

天線熱變形測(cè)量經(jīng)歷的各個(gè)溫度工況（參見圖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，分析天線回溫變形情況；

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

9）開罐/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

天線熱變形測(cè)量分析過程應(yīng)用到的坐標(biāo)系有攝影測(cè)量坐標(biāo)系和天線設(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）天線設(shè)計(jì)坐標(biāo)系參圖1所示，為了便于分析固面可展開天線反射面型面和天線指向精度的熱變形測(cè)量結(jié)果的方向特性，需要基于天線自身設(shè)計(jì)坐標(biāo)系，其y軸平行于天線展開軸，繞y軸的的角度變化即為天線展開角度的變化，x軸指向天線反射面，z軸由右手法則確定，坐標(biāo)原點(diǎn)位于天線反射面頂點(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)換到天線設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下，分析出對(duì)應(yīng)天線坐標(biāo)系的反射面型面及天線指向的熱變形量。兩坐標(biāo)系間通過天線基準(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

高精度固面可展開天線熱變形分析以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）建立天線設(shè)計(jì)坐標(biāo)系。分別將M 3～M 7工況的天線在攝影測(cè)量坐標(biāo)系下的測(cè)量數(shù)據(jù)通過測(cè)量前事先標(biāo)定的天線設(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）天線指向熱變形。以展開臂為剛性參考基準(zhǔn)，將展開臂在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，在展開臂擬合的基礎(chǔ)上分析天線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，分析固面可展開天線在高/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指向變化均通過云圖示出（見圖6和圖7），并計(jì)算高/低溫工況下天線的熱變形量如表2所示。

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

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

表2 固面可展開天線熱變形分析計(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指向測(cè)量精度。在天線設(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；通過在展開臂擬合的基礎(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天線在常壓高/低溫箱和真空罐2種環(huán)境中開展反射面型面和天線指向熱變形測(cè)量的具體方法，并提出了一種適用于此類天線的熱變形測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理方法，實(shí)現(xiàn)了固面可展開天線高/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)類型天線的熱變形測(cè)量和分析具有重要的參考意義。