星載大型天線平面度智能移動(dòng)攝影測(cè)量技術(shù)研究

蔡子慧，韓建超，于望竹，杜興華，李 云

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

0 引言

大型SAR天線是高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的重要遙感成像的關(guān)鍵載荷，該天線具有全天時(shí)、全天候、高分辨率、大幅寬地穿透成像監(jiān)測(cè)能力[1]，衛(wèi)星快速重訪、寬幅覆蓋以及地面動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等多種新功能的需求對(duì)SAR天線的面積和型面精度提出了更大、更精的要求。如圖1所示，大型SAR天線屬于大型空間可展開(kāi)機(jī)構(gòu)，外形為長(zhǎng)方形板式結(jié)構(gòu)，展開(kāi)時(shí)外掛在星體兩側(cè)，天線平面度是保證衛(wèi)星在軌高精度遙感成像的重要指標(biāo)、影響衛(wèi)星在軌功能運(yùn)行的成敗，為了驗(yàn)證其在軌狀態(tài)下的展開(kāi)性能和穩(wěn)定性，需要進(jìn)行多次展開(kāi)試驗(yàn)并測(cè)量翼面平面度的穩(wěn)定性，從而確保SAR天線在軌穩(wěn)定、可靠。

圖1 大型平面展開(kāi)天線

以往采取人工手動(dòng)攝影拍照測(cè)量的方式，檢測(cè)效率低，檢測(cè)結(jié)果受測(cè)量人員經(jīng)驗(yàn)影響較大，因此為了提高大尺寸天線平面度測(cè)量的效率和數(shù)據(jù)一致性，降低人為影響，提出了一種智能移動(dòng)攝影測(cè)量的方法，并開(kāi)發(fā)了智能移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)預(yù)先規(guī)劃的移動(dòng)路徑，利用中央控制軟件控制移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)按規(guī)劃路徑對(duì)大型天線進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了大尺寸天線平面度的全空間智能柔性移動(dòng)、高效自動(dòng)化測(cè)量。

1 智能移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)總體構(gòu)成

智能移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)是以高精度工業(yè)攝影測(cè)量相機(jī)作為末端測(cè)量數(shù)據(jù)采集傳感器，通過(guò)與全向移動(dòng)升降機(jī)構(gòu)集成而成的一套自主、導(dǎo)航移動(dòng)的自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，該測(cè)量系統(tǒng)主要包括：工業(yè)攝影測(cè)量相機(jī)、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、自動(dòng)升降導(dǎo)軌、AGV全向移動(dòng)車、相機(jī)同步控制器、測(cè)量控制軟件等單元構(gòu)成。

圖2 智能移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)總體組成

智能移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)由中央一體機(jī)統(tǒng)一發(fā)送各構(gòu)成單元的執(zhí)行指令，從而控制相機(jī)采集數(shù)據(jù)、AGV視覺(jué)導(dǎo)航移動(dòng)、云臺(tái)旋轉(zhuǎn)等各單元工作，其數(shù)據(jù)通信框架如圖3所示，一體機(jī)分別于相機(jī)和AGV小車通訊連接，一體機(jī)與云臺(tái)，AGV小車分別用RS232類型數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接，使得設(shè)備相互之間的通訊交互，一體機(jī)除了為相機(jī)供電外，還接收相機(jī)傳輸?shù)男畔?，接收信息接口有USB3.0和HDMI接口，USB3.0接口負(fù)責(zé)傳輸相機(jī)拍攝實(shí)時(shí)影像，HDMI接口負(fù)責(zé)在一體機(jī)屏幕上顯示實(shí)時(shí)拍攝影像。

圖3 系統(tǒng)通訊控制一體機(jī)及數(shù)據(jù)交互框架

一體機(jī)通電以后，通過(guò)觸摸屏關(guān)閉正在運(yùn)行的后臺(tái)測(cè)量軟件，運(yùn)行AGV小車，按路徑規(guī)劃行走，起點(diǎn)位置時(shí)發(fā)送起點(diǎn)命令，每走到一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送觸發(fā)命令，相機(jī)接到命令后拍照，中點(diǎn)返回的位置發(fā)送終點(diǎn)信號(hào)，相機(jī)旋轉(zhuǎn)切換姿勢(shì)并拍照。并將觸發(fā)信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送到相機(jī)，相機(jī)收到觸發(fā)后牌照，并反饋信息，相機(jī)圖片采集后進(jìn)行顯示；路徑結(jié)束后，一體機(jī)上安裝的測(cè)量軟件實(shí)時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算面板平面度。

2 三維空間坐標(biāo)信息識(shí)別與獲取

物體表面的點(diǎn)坐標(biāo)信息主要通過(guò)智能移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)末端的相機(jī)傳感器采集、識(shí)別和獲取，相機(jī)精度為3um+3um/m，像素為2900萬(wàn)像素，視場(chǎng)角為72°×51°，該相機(jī)具有大視場(chǎng)、高分辨率的特點(diǎn)，如圖4所示該系統(tǒng)在不同位置和方向?qū)ξ矬w表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而獲得物體表面的圖像信息，通過(guò)對(duì)獲取的多幅數(shù)字圖像，進(jìn)行圖像預(yù)處理、標(biāo)志識(shí)別、圖像匹配、空間三角交會(huì)及光束平差后[2]，得到表面上目標(biāo)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)值。

圖4 多站位數(shù)據(jù)采集原理圖

如圖5所示，物體表面的點(diǎn)P′經(jīng)過(guò)像機(jī)鏡頭攝影后成像在像平面上，攝影鏡頭的光學(xué)中心為S（投影中心或攝影中心），物體表面點(diǎn)P′經(jīng)過(guò)S投影到像平面上的像為p，這三點(diǎn)處于同一直線，即三點(diǎn)共線。

圖5 目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)獲取獲取

物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)解算，通過(guò)式(1)的共線方程解算可得：

式中，(x，y)為像點(diǎn)在像平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)，f為相機(jī)焦距，(XS，YS，ZS)為像點(diǎn)在物方坐標(biāo)系的坐標(biāo)，a1，a2，a3；b1，b2，b3；c1，c2，c3為像平面坐標(biāo)系和物方坐標(biāo)之間的旋轉(zhuǎn)矩陣系數(shù)，(X，Y，Z)為空間被測(cè)物點(diǎn)在物方坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，計(jì)算得攝站位置物方儀器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。

3 移動(dòng)測(cè)量路徑設(shè)計(jì)

影響大尺寸攝影測(cè)量的主要因素是交會(huì)角和圖像重疊率，最佳交會(huì)角一般要求為90°，不同位置拍攝的圖片重疊率需大于60%。在大型平面天線平面度測(cè)量過(guò)程中，由于大型SAR天線產(chǎn)品表面尺寸面積比較大，為了保證測(cè)量精度，需預(yù)先規(guī)劃水平橫向和豎值方向的移動(dòng)路徑，以最優(yōu)的路徑拍攝測(cè)量才能滿足不同站位拍攝后具有較好的測(cè)量交會(huì)角[3]和重疊率。因此在設(shè)計(jì)移動(dòng)路徑需綜合考慮精度和拍攝全覆蓋，總體方案是水平橫向移動(dòng)時(shí)相機(jī)光線主軸以45°入射角進(jìn)行拍攝，每個(gè)位置需將相機(jī)沿主軸旋轉(zhuǎn)90°再拍攝一次以保證90°交會(huì)角，水平橫向拍攝后再發(fā)送豎向移動(dòng)拍攝的命令，以此方式對(duì)整個(gè)面板區(qū)域進(jìn)行全覆蓋100%圖像拍攝、采集。

如圖6所示，以某外形尺寸為9米×2米的大型天線為例，測(cè)量相機(jī)距離測(cè)量面板的距離設(shè)計(jì)為1.4米，相機(jī)參數(shù)視場(chǎng)角：72°×51°，按光軸入射光線45°，通過(guò)三角函數(shù)可計(jì)算得出相機(jī)的水平橫向有效觀測(cè)范圍為2.2米，豎直縱向有效測(cè)量范圍為1.2米。按照水平方向和豎直方向均采用60%重疊度的拍攝方式，則水平方向和豎直方向每次移動(dòng)為水平和豎直視場(chǎng)的40%，通過(guò)三角關(guān)系，水平方向每拍攝一次移動(dòng)距離為0.85米，每行拍攝完成之后，豎直方向移動(dòng)距離為0.45米，按照天線長(zhǎng)、短邊的距離，最終規(guī)劃了如圖7所示的移動(dòng)路徑的軌跡，共72個(gè)AGV視覺(jué)定位導(dǎo)航停泊點(diǎn)。

圖6 第一種測(cè)量姿態(tài)下的水平移動(dòng)測(cè)量范圍

圖7 第一種姿態(tài)拍攝路徑

按圖8的方法，以面板左上角為原點(diǎn)，面板長(zhǎng)邊水平橫向移動(dòng)方向定義為X軸，面板短邊豎直縱向移動(dòng)方向定義為Y軸，建立面板直角坐標(biāo)系。為了保證每一處拍攝區(qū)域均有重復(fù)拍攝，需將初始位置向-X和-Y方向預(yù)設(shè)一個(gè)位置，相機(jī)主軸拍攝的第一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為（-1，0.15），AGV小車水平移動(dòng)范圍為0.85×11=9.35米，垂直移動(dòng)距離為0.45×5=2.25米，拍攝范圍覆蓋了整個(gè)天線面9米×2米的區(qū)域。

圖8 移動(dòng)距離坐標(biāo)換算示意圖

4 測(cè)量應(yīng)用與系統(tǒng)重復(fù)性驗(yàn)證

根據(jù)上述方法，將該系統(tǒng)應(yīng)用在了模型號(hào)大型SAR天線展開(kāi)過(guò)程平面度測(cè)試中，該天線由兩塊面板裝配而成，即內(nèi)天線板和外天線板，整體外形尺寸為9米×2米，首先在天線表面貼上攝影測(cè)量專用的測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)，分別在天線3塊板子中心位置放置1米的炭纖維標(biāo)準(zhǔn)尺，用于系統(tǒng)定長(zhǎng)度和校驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)精度，在天線前約1.4米處的地面上貼上智能移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)視覺(jué)引導(dǎo)的二維編碼，然后將AGV小車移動(dòng)到規(guī)劃路徑起始位置，調(diào)用上述方法生成的測(cè)量路徑的程序文件，如圖9所示，按照調(diào)入的程序可驅(qū)動(dòng)智能移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)9米×2米的天線表面進(jìn)行自動(dòng)采集。

圖9 大型SAR天線平面度智能移動(dòng)測(cè)量示意圖

智能移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)天線表面采集到的數(shù)字照片經(jīng)標(biāo)志識(shí)別、圖像匹配及數(shù)學(xué)計(jì)算后，得到標(biāo)識(shí)點(diǎn)三維坐標(biāo)值，各點(diǎn)坐標(biāo)結(jié)果如圖10所示，將天線型面點(diǎn)組數(shù)據(jù)文件提取至測(cè)量分析軟件中，按照最小二乘算法進(jìn)行擬合計(jì)算平面度，自動(dòng)獲得天線平面度測(cè)量結(jié)果。

圖10 平面度計(jì)算結(jié)果示意圖

通過(guò)觀察列評(píng)價(jià)測(cè)量不確定度的方法有兩種，極差法和貝塞爾法[4]，當(dāng)測(cè)量次數(shù)n＜10時(shí)，極差法優(yōu)于貝塞爾法，當(dāng)測(cè)量次數(shù)n≥10時(shí)，貝塞爾法優(yōu)于極差法。

評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性時(shí)，可選用標(biāo)準(zhǔn)偏差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體至本文測(cè)量，因樣本數(shù)量為n=5，適用極差法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

極差法評(píng)定過(guò)程中，認(rèn)為等精度多次測(cè)量測(cè)得值X1、X2、……Xn，服從正態(tài)分布，在其中選取最大值Xmax與最小值Xmin，兩者之差為極差。標(biāo)準(zhǔn)偏差即σ=（Xmax-Xmin）/d，當(dāng)標(biāo)本數(shù)n=5時(shí)，由查表可知表1中的極差系數(shù)d=2.33。重復(fù)精度取3σ

表1 極差系數(shù)及自由度表

此次試驗(yàn)，在天線5次展開(kāi)過(guò)程中，利用智能移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)該對(duì)天線平面度進(jìn)行了5次等精度測(cè)量，各次平面度測(cè)量結(jié)果如表2數(shù)據(jù)所示，通過(guò)上述方法計(jì)算得出了5次測(cè)量的平面度重復(fù)性精度，高效、可靠的驗(yàn)證了大型天線展開(kāi)過(guò)程的尺寸穩(wěn)定性。

表2 某大型平面展開(kāi)天線雙翼平面度測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

智能移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)在大型可展開(kāi)平面SAR天線中的應(yīng)用，攻克了攝影測(cè)量系統(tǒng)路徑自動(dòng)規(guī)劃[5]的關(guān)鍵技術(shù)，使其具備全向移動(dòng)、自動(dòng)升降、多站位、多角度的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型天線整翼平面度以智能高效移動(dòng)的方式進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并一鍵自動(dòng)生成數(shù)值結(jié)果和偏差云圖，從而降低了對(duì)測(cè)量人員經(jīng)驗(yàn)和狀態(tài)的依賴，確保了測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性，經(jīng)某型號(hào)天線的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，檢測(cè)效率由3小時(shí)縮短到30分鐘，天線平面度測(cè)量精度優(yōu)于1.5mm，解決了大型平面天線的面積大、精度高、人工測(cè)量效率低的難題，具有全空間智能柔性移動(dòng)的特點(diǎn)，其高效的自動(dòng)化測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)亦可推廣應(yīng)用在其他領(lǐng)域大型、超大型裝備產(chǎn)品的測(cè)量中。