星載天線熱變形攝影測量技術(shù)研究應(yīng)用進(jìn)展

蒲理華，劉博學(xué)，馬小飛

（西安空間無線電技術(shù)研究所，西安 710000）

0 引言

星載天線主要用于星地、星間電磁信號的傳輸，是衛(wèi)星的“順風(fēng)耳”與“千里眼”。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，星載天線處于周期性的冷熱交變環(huán)境中，會產(chǎn)生由結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力引發(fā)的熱變形，從而造成天線輻射方向畸變，進(jìn)而導(dǎo)致天線波束指向誤差和增益變化，最終影響天線在軌性能，降低天線的可靠性。因此，有必要在研制階段對天線的在軌熱變形進(jìn)行仿真分析以預(yù)判天線性能，并指導(dǎo)有關(guān)材料在選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱控設(shè)計(jì)、制造和裝配工藝等方面的優(yōu)化。而為了避免仿真分析的局限性，保證天線最終在軌的電性能，開展星載天線地面熱變形測量已成為高精度天線研制過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。

1 測量原理和方法

由于星載天線自身結(jié)構(gòu)和所處工作環(huán)境的特殊性，其地面熱變形測量技術(shù)有別于傳統(tǒng)的變形測量方式，具有以下特殊要求：

1）高精度測量。為提高和保證衛(wèi)星的通信速率、容量和覆蓋范圍，星載天線反射面自身型面精度和熱穩(wěn)定性要求極高（一般達(dá)到亞毫米量級），還要保證天線較高的指向精度，因此，對測量技術(shù)的精度要求達(dá)到微米和角秒量級。

2）大尺寸測量。隨著星載天線朝著可展開、大尺寸方向的發(fā)展，對其開展熱變形測量采用經(jīng)緯儀、跟蹤儀等傳統(tǒng)逐點(diǎn)測量的方式在效率和經(jīng)濟(jì)性等方面已無法滿足需求，需要有能滿足大尺寸測量的新方法。

3）非接觸測量。星載天線熱變形測量過程所處的高低溫環(huán)境不適于三坐標(biāo)測量機(jī)、激光跟蹤儀等高精度接觸式測量技術(shù)；同時(shí)，輕量化、柔性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使天線極易產(chǎn)生變形和振動，限制了天線熱變形測量過程中的物理觸碰。因此，需要采用非接觸測量方式。

4）自動快速測量。星載天線熱變形測量過程需要環(huán)境模擬設(shè)備提供相應(yīng)的高低溫環(huán)境，目前國內(nèi)外對于星載天線的熱變形測量主要在真空環(huán)境中進(jìn)行，真空環(huán)模設(shè)備運(yùn)行成本高，而天線熱變形測量的目標(biāo)點(diǎn)?？蛇_(dá)上千個(gè)，因此要求測量速度盡量快，以縮短測量時(shí)間；同時(shí)，環(huán)模設(shè)備內(nèi)部空間有限、環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)的人工測量技術(shù)實(shí)施難度較大，必須采用自動化程度較高的測量技術(shù)。

綜上所述，傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀交會、三坐標(biāo)接觸測量、激光跟蹤儀測量等技術(shù)在環(huán)境適應(yīng)性、測量效率及測量接觸特性等方面無法滿足星載天線地面熱變形測量需求，而目前流行的工業(yè)攝影測量技術(shù)對測量環(huán)境沒有苛刻的要求，測量精度最高可達(dá)到5 μm+5 μm/m，同時(shí)具有非接觸、速度快、范圍廣等應(yīng)用特點(diǎn)，成為目前國內(nèi)外進(jìn)行星載天線熱變形測量的最主要手段。

星載天線熱變形測量時(shí)采用的工業(yè)攝影測量方法具體步驟包括：1）在天線表面粘貼定向回光反射標(biāo)志點(diǎn)，包括編碼點(diǎn)與非編碼點(diǎn)；2）采用高精度測量相機(jī)從多個(gè)位置和角度對天線表面拍攝一定數(shù)量的二維圖像；3）利用亞像素圖像處理技術(shù)自動精確提取相片中批量標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)；4）利用編碼標(biāo)志和基準(zhǔn)尺基于攝影測量共線和共面條件方程，經(jīng)后方交會實(shí)現(xiàn)相機(jī)位置概略定向；5）利用前方交會自動精確配準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同圖像中同名點(diǎn)的正確配準(zhǔn)；6）將配準(zhǔn)后的標(biāo)志點(diǎn)的圖像坐標(biāo)、三維坐標(biāo)和相機(jī)的位姿作為觀測值代入光束法平差方程組中，迭代解算出相機(jī)位姿和天線表面所有標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)的最優(yōu)結(jié)果[1-2]。

工業(yè)攝影測量方法的基礎(chǔ)是多目立體視覺三維重建原理，如圖1 所示。測量中相機(jī)位置的確定基于攝影測量共線和共面條件方程：

圖1 工業(yè)攝影測量原理Fig.1 Principle of industrial photogrammetry

式中：x、y為像點(diǎn)坐標(biāo)；x0、y0為相機(jī)主點(diǎn)坐標(biāo)；f為相機(jī)主距；Δx、Δy為像點(diǎn)偏差；a1～a3、b1～b3、c1～c3為組成旋轉(zhuǎn)變換矩陣的9 個(gè)參數(shù)；Xi、Yi、Zi為點(diǎn)Pi在物方空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；XS、YS、ZS為相機(jī)鏡頭中心S在物方空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；Bx、By、Bz為攝影基線在物方坐標(biāo)系3 個(gè)坐標(biāo)軸上的投影。

基于上述原理和方法得到星載天線在圖2 所示溫度曲線（M1～M5）中常溫（N）、高溫（H）和低溫（L）各工況的表面標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)后，天線熱變形測量的分析即在此基礎(chǔ)上進(jìn)行。星載反射面天線的熱變形主要指天線反射器在經(jīng)歷高低溫后的形狀變化，故通常以常溫下所測量的標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)點(diǎn)，分析高溫、低溫下所測標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)相對于常溫基準(zhǔn)點(diǎn)的變化量，即為天線在對應(yīng)高、低溫工況的熱變形量[3]，計(jì)算式為

圖2 熱變形測量溫度曲線Fig.2 Temperature curve of thermal deformation measurement

式中：n為天線表面標(biāo)志點(diǎn)數(shù)量；XiH/L、YiH/L、ZiH/L為高、低溫下點(diǎn)Pi在物方空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；XiN、YiN、ZiN為常溫下點(diǎn)Pi在物方空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

2 天線攝影測量研究應(yīng)用進(jìn)展

基于上述熱變形攝影測量原理，國內(nèi)外針對不同工況開展了大量的天線熱變形測量研究與實(shí)踐工作：按照測量相機(jī)與天線所處的位置不同分為相機(jī)內(nèi)置和外置測量；按照測量相機(jī)的數(shù)量不同分為單相機(jī)攝影和多相機(jī)攝影測量；按照測量環(huán)境不同分為真空和常壓測量。本章將對目前國內(nèi)外普遍采用的單相機(jī)外置、單相機(jī)內(nèi)置、多相機(jī)內(nèi)置3 種測量方式進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)和探討；并對西安空間無線電技術(shù)研究所開展的常壓熱變形測量進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

2.1 單相機(jī)外置攝影測量

測量相機(jī)隔絕在環(huán)境模擬設(shè)備外，測量時(shí)透過環(huán)模設(shè)備上的專用石英玻璃窗口獲得測量照片，相機(jī)在測量過程中處于常溫常壓環(huán)境，無須專門防護(hù)。由于環(huán)模設(shè)備石英玻璃窗口位置固定，測量時(shí)為實(shí)現(xiàn)多位置多角度照片的獲取，需要通過機(jī)構(gòu)驅(qū)動被測天線轉(zhuǎn)動。

加拿大宇航局曾采用該方法在真空罐中同時(shí)完成了2 個(gè)1.5 m 口徑Ka 頻段天線固面反射器的熱變形測量[4]。測量時(shí)，為避免對攝影的遮擋，采用燈陣替代加熱籠；單臺相機(jī)置于真空設(shè)備外，透過罐壁上的石英窗口從固定位置拍攝；將反射器豎直懸掛固定在旋轉(zhuǎn)框架中垂直旋轉(zhuǎn)，以完成反射器正面和背面多角度照片采集；最終，天線反射器正反面熱變形測量精度達(dá)到0.05 mm。其中天線豎直懸掛的方式還在一定程度上降低了反射器自身重力對測量結(jié)果的影響。

西安空間無線電技術(shù)研究所作為國內(nèi)高精度星載天線、大型網(wǎng)狀天線最具實(shí)力的研制單位，最早采用單相機(jī)外置方法完成了“鑫諾五號”等固面天線的真空熱變形測量[5]。測量時(shí)，測量窗口位于罐頂斜上方，天線水平放置于單軸轉(zhuǎn)臺上水平旋轉(zhuǎn)，由相機(jī)在固定位置獲得天線正面多角度照片完成熱變形測量。之所以采用天線水平放置而非豎直懸掛的方式，主要是受真空設(shè)備尺寸限制，同時(shí)預(yù)先考慮并驗(yàn)證了重力對較小尺寸固面天線測量結(jié)果的影響較小。目前，該測量方法在2 m 口徑固面天線研制過程中發(fā)揮著重要作用，測量精度達(dá)到0.02 mm，技術(shù)能力達(dá)到國際先進(jìn)水平。

單相機(jī)外置攝影測量法在相機(jī)防護(hù)方面降低了操作難度和成本，相機(jī)不受溫度影響以及有數(shù)量足夠冗余的測量照片確保了較高的測量精度（理論上可以達(dá)到5 μm+5 μm/m）；但受限于環(huán)模設(shè)備測量窗口的位置，測量距離較遠(yuǎn)、測量角度單一且難以調(diào)整又限制了最終的測量精度。同時(shí)，為確保測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，天線轉(zhuǎn)動時(shí)須采用較低的轉(zhuǎn)速或在指定角度間隔停留一定時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后再進(jìn)行測量，這種方式犧牲了測量的效率。

2.2 單相機(jī)內(nèi)置攝影測量

令測量相機(jī)與被測天線同處于環(huán)境模擬設(shè)備內(nèi)，但為保證測量相機(jī)正常工作所需的常溫常壓環(huán)境，須用專用防護(hù)罐對內(nèi)置相機(jī)進(jìn)行隔絕控溫保護(hù)。

基于攝影測量原理，為實(shí)現(xiàn)多角度交會測量，一般通過2 種模式實(shí)現(xiàn)測量照片的采集：一種為天線位置固定，采用單相機(jī)通過機(jī)構(gòu)移動其位姿順序獲取測量照片；另一種為單相機(jī)位置固定，被測天線通過機(jī)構(gòu)驅(qū)動多角度旋轉(zhuǎn)獲取測量照片。

2.2.1 天線固定、相機(jī)移動

法國Alcatel 公司[6]曾采用單相機(jī)內(nèi)置攝影測量方法在真空設(shè)備中進(jìn)行了口徑1.5 m 高精度固面天線的熱變形測量，將天線豎直固定在定制的框架內(nèi)，控溫保護(hù)后的相機(jī)安裝在大范圍垂直旋轉(zhuǎn)支架上置于天線前方（如圖3 所示）。測量過程中，根據(jù)天線尺寸提前調(diào)整相機(jī)在旋轉(zhuǎn)支架上的安裝位置及視軸，使相機(jī)通過旋轉(zhuǎn)在不同位置進(jìn)行環(huán)形測量時(shí)的視場可以完全覆蓋位置固定的天線，以實(shí)現(xiàn)天線多角度照片的采集，測量精度達(dá)到0.03 mm。天線固定的方式同樣能在一定程度上降低天線自身重力對于測量結(jié)果的影響。

圖3 Alcatel 公司天線熱變形測量現(xiàn)場及其相機(jī)防護(hù)Fig.3 Antenna thermal deformation measurement and camera protection in Alcatel

美國NASA 在戈達(dá)德航天中心真空罐中采用單相機(jī)內(nèi)置方法以相機(jī)懸臂水平旋轉(zhuǎn)環(huán)形測量方式完成了詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡ISIM 結(jié)構(gòu)的熱變形測量[7-10]，如圖4(a)所示。測量過程中相機(jī)采用具有氮?dú)夂秃庋h(huán)功能的專業(yè)相機(jī)罐防護(hù)，被測產(chǎn)品水平固定置于相機(jī)懸臂正下方，相機(jī)由懸臂帶動繞ISIM 結(jié)構(gòu)完成多角度照片獲取，最終對外形尺寸2 m×2 m×1.5 m 的ISIM 結(jié)構(gòu)的測量精度為0.03 mm。NASA 還在約翰遜航天中心真空設(shè)備中進(jìn)行了詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡OTIS 整體結(jié)構(gòu)的熱變形測量[11]，如圖4(b)所示。由于OTIS 尺寸較大（7 m×7 m×10 m），采用1 套單相機(jī)內(nèi)置系統(tǒng)進(jìn)行測量時(shí)在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、視場覆蓋及精度保證等方面均有較大難度，于是采用4 套單相機(jī)內(nèi)置系統(tǒng)組合測量并以相機(jī)懸臂垂直旋轉(zhuǎn)環(huán)形測量方式分別完成了OTIS 結(jié)構(gòu)4 個(gè)區(qū)域的多角度照片采集，最終由區(qū)域測量解算OTIS 結(jié)構(gòu)的整體變形，測量精度達(dá)到0.1 mm。

圖4 NASA 的熱變形測量及其相機(jī)防護(hù)Fig.4 Thermal deformation measurement and camera protection in NASA

德國IABG 公司也曾采用相機(jī)懸臂水平旋轉(zhuǎn)方式對0.5～3.5 m 口徑固面天線進(jìn)行過多次熱變形測量[12]，測量精度為0.035 mm，其采用的測量設(shè)備及相機(jī)防護(hù)方案見圖5。

圖5 IABG 的熱變形測量及其相機(jī)防護(hù)Fig.5 Thermal deformation measurement and camera protection in IABG

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所借鑒上述國外經(jīng)驗(yàn)，采用水平面雙向?qū)к壵睌z影測量方式完成了多幅2 m 口徑天線在真空環(huán)境中的熱變形測量，測量精度達(dá)0.05 mm，測量設(shè)備及相機(jī)防護(hù)方案見圖6。

圖6 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的熱變形測量Fig.6 Thermal deformation measurement in Beijing Insititute of Spacecraft Environment Engineering

西安空間無線電技術(shù)研究所在單相機(jī)外置測量技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了單相機(jī)內(nèi)置真空熱變形測量方法，在國內(nèi)首次采用懸臂水平旋轉(zhuǎn)環(huán)形攝影測量方式為“天鏈二號”“嫦娥四號”的多幅高精度網(wǎng)狀柔性天線的熱變形測量提供了解決方案[13]（圖7），實(shí)現(xiàn)了5 m 內(nèi)口徑天線0.03 mm 的測量精度。

圖7 西安空間無線電技術(shù)研究所的相機(jī)內(nèi)置真空熱變形測量Fig.7 Vacuum thermal deformation measurement in camera internal approach in Xi’an ISRT

2.2.2 相機(jī)固定、天線旋轉(zhuǎn)

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）曾對WINDS 衛(wèi)星的2 幅2.4 m 口徑固面天線開展過熱變形測量[14]，試驗(yàn)在直徑13 m、帶有天線旋轉(zhuǎn)裝置的臥式真空罐中進(jìn)行，測量時(shí)天線通過鋁合金支架水平放置于可360°旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺上，相機(jī)防護(hù)后固定于罐內(nèi)反射器斜上方，通過轉(zhuǎn)臺帶動天線多角度旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置單相機(jī)多角度照片的采集，測量精度達(dá)到0.05 mm，如圖8 所示。

圖8 日本W(wǎng)INDS 衛(wèi)星天線的真空熱變形測量Fig.8 Thermal deformation measurement of WINDS satellite antenna in Japan

德國IABG 公司也研究過采用2 套內(nèi)置固定相機(jī)對水平旋轉(zhuǎn)的固面雙柵天線正反面進(jìn)行熱變形測量[12]，測量時(shí)斜上方相機(jī)負(fù)責(zé)天線正面照片采集，斜下方相機(jī)負(fù)責(zé)天線背面照片采集，2 套相機(jī)測量結(jié)果通過公共標(biāo)志點(diǎn)完成拼接，測量實(shí)施方案及現(xiàn)場照片如圖9 所示。

真空熱變形單相機(jī)內(nèi)置攝影測量方法拉近了相機(jī)與被測天線的距離，相機(jī)測站位置多且測量角度靈活，解決了相機(jī)外置測量距離較遠(yuǎn)、角度單一且難以調(diào)整的問題，尤其是相機(jī)移動、天線固定的測量模式可顯著降低天線安裝難度、提升測量效率，是對柔性天線進(jìn)行熱變形測量的最佳選擇。同時(shí)2 種照片采集模式可以進(jìn)行結(jié)合，以進(jìn)一步提升測量系統(tǒng)和方法的可靠性，理論測量精度同樣可達(dá)5 μm +5 μm/m。但該方法中相機(jī)的真空防護(hù)、大型懸臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)施以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)壬婕暗碾y度、條件和成本均是測量過程中需考慮的重要因素。

2.3 多相機(jī)內(nèi)置攝影測量

多相機(jī)測量采用多臺相機(jī)同步采集天線在某一溫度下的多幅圖像，進(jìn)而得到天線表面所粘貼標(biāo)志點(diǎn)在該溫度下的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，最終由獲得的所有溫度下的標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)分析計(jì)算天線熱變形。由于環(huán)模設(shè)備尺寸限制及在其上開設(shè)多個(gè)測量窗口的不現(xiàn)實(shí)性，多相機(jī)測量一般采用對相機(jī)進(jìn)行專業(yè)防護(hù)后內(nèi)置于真空設(shè)備的方式。

美國NASA 曾在直徑16 m 的真空容器內(nèi)采用4 臺相機(jī)內(nèi)置組網(wǎng)方式完成了對5 m 口徑充氣反射面天線（圖10(a)）的熱變形測量[15]，安裝架上固定相機(jī)專門的防護(hù)罐（圖10(b)），從不同角度對天線進(jìn)行拍攝（圖10(c)），最終測量精度為0.6 mm。又使用同樣的測量裝置對10 m×10 m 的柔性太陽帆板在直徑30 m 的真空環(huán)模設(shè)備內(nèi)進(jìn)行低溫環(huán)境下展開面形變測量試驗(yàn)[16]，最終測量精度為1 mm。

圖10 美國NASA 的多相機(jī)內(nèi)置測量Fig.10 Multi camera internal measurement in NASA

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所和上海宇航系統(tǒng)工程研究所分別對某600 mm 口徑（見圖11）和5 m×1 m口徑（見圖12）固面天線采用雙相機(jī)完成了真空環(huán)境下的熱變形測量[17-18]，測量精度分別達(dá)到0.06 mm和0.1 mm，測量過程中相機(jī)均進(jìn)行了專業(yè)防護(hù)。

圖11 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的雙相機(jī)內(nèi)置測量現(xiàn)場Fig.11 Dual camera internal measurement in Beijing Insititute of Spacecraft Environment Engineering

真空熱變形多相機(jī)內(nèi)置攝影測量方法以多臺固定站位測量相機(jī)聯(lián)機(jī)組網(wǎng)同步測量模式，一鍵式瞬時(shí)獲取多角度多位置照片，代替單相機(jī)順序獲取照片的方式，實(shí)現(xiàn)了天線形狀特性的快速測量，大幅提升熱變形測量效率。但是，受限于測站數(shù)量較少且固定，測量精度相對單相機(jī)方法偏低，一般雙相機(jī)交會測量的理論精度為20 μm+20 μm/m，4 臺相機(jī)組網(wǎng)交會測量的理論精度為15 μm+15 μm/m，當(dāng)交會相機(jī)數(shù)量達(dá)到18 臺以上時(shí)，多相機(jī)測量的理論精度才能與單相機(jī)測量方法相當(dāng)；且在實(shí)際測量過程中，受相機(jī)溫度、相機(jī)位置穩(wěn)定性、多相機(jī)標(biāo)定精度及多相機(jī)視場重疊覆蓋率等因素影響，實(shí)際測量精度一般低于理論分析精度。

2.4 常壓熱變形測量

如上所述，目前國內(nèi)外對于高精度星載天線的熱變形測量主要在真空環(huán)境中進(jìn)行；但是真空罐試驗(yàn)成本高、周期長、占用資源多，嚴(yán)重制約熱變形測量工作在眾多型號中的推廣。同時(shí)，隨著星載天線朝著大尺寸方向的不斷發(fā)展使得測量所需的真空罐尺寸不斷增大，而大型真空罐的建設(shè)成本極為高昂。為了縮減星載天線熱變形測量的成本和周期、節(jié)約資源、滿足眾多型號的熱變形測量需求，西安空間無線電技術(shù)研究所率先開展了對標(biāo)真空環(huán)境溫度范圍的常壓高低溫箱熱變形測量研究工作，并取得諸多研究成果[19]。常壓熱變形測量采用高低溫箱代替真空罐提供模擬溫度環(huán)境，其建造和試驗(yàn)成本較低，溫度循環(huán)速度快，溫度變化范圍寬（-120～120 ℃），完全滿足星載天線熱變形測量需求。

天線常壓熱變形測量可根據(jù)溫度范圍的不同采用人工和自動2 種測量方法，其中自動測量方法又可根據(jù)被測天線特性的不同分為相機(jī)內(nèi)置和外置2 種模式。

2.4.1 人工測量

在常壓、-60～60 ℃的溫度下，為了降低測量網(wǎng)型的構(gòu)建難度，縮短測量時(shí)間，保證測量精度及可靠性，一般采取人工測量方法。此時(shí)，環(huán)境溫度已經(jīng)超出相機(jī)正常的工作溫度范圍，需要進(jìn)行隔溫防護(hù)；同時(shí)，對于測量人員也需要采取一定的防護(hù)措施，如圖13 所示。在提前設(shè)計(jì)并驗(yàn)證好攝站位置、拍攝角度和照片數(shù)量的情況下，采取被動防護(hù)措施后，單次測量可以控制在較短的時(shí)間（15 min）內(nèi)并保證較高的測量精度（5 μm+5 μm/m）。

圖13 人工測量中的人員及相機(jī)防護(hù)Fig.13 Personnel and camera protection in manual measurement

西安空間無線電技術(shù)研究所采用人工測量方法實(shí)現(xiàn)了多個(gè)口徑5 m 以上大型星載天線部組件的常壓熱變形測量[20]，如圖14 所示，突破了測量狀態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、測量相機(jī)及人員防護(hù)、測量網(wǎng)型設(shè)計(jì)以及測量數(shù)據(jù)分析處理等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.4.2 自動測量

當(dāng)常壓、環(huán)境溫度超出人體可以耐受的溫度范圍（＜-60 ℃或＞60 ℃）時(shí)，需采用自動測量方法代替人工測量，針對柔性和固面天線，一般分別采用相機(jī)內(nèi)置和外置2 種測量模式。

1）柔性天線測量

柔性天線自身形狀易受擾動，測量過程中需要保持被測天線產(chǎn)品位置固定，因此，借鑒真空熱變形單相機(jī)內(nèi)置攝影測量法，采用相機(jī)移動，天線固定的測量模式。真空環(huán)境下相機(jī)內(nèi)置測量時(shí)只考慮密封性和熱輻射的相機(jī)防護(hù)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，通常采用防護(hù)罐配合隔熱多層包裹的方法。但是對于常壓下熱變形測量相機(jī)的防護(hù)，除同樣要解決密封性和熱輻射問題外，強(qiáng)熱對流引起的相機(jī)溫度變化成為相機(jī)防護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，不能照搬現(xiàn)有的真空環(huán)境測量相機(jī)防護(hù)方法。為此，西安空間無線電技術(shù)研究所通過多個(gè)型號的攻關(guān)，研究出一種常壓環(huán)境熱變形測量內(nèi)置相機(jī)動態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)控防護(hù)方法（見圖15(a)）：根據(jù)防護(hù)罐內(nèi)測溫傳感器反饋的實(shí)際溫度主動調(diào)節(jié)控制冷熱氣體機(jī)將干燥氮?dú)庵评浼凹訜?，使氣體溫度達(dá)到一定值后通過管道吹送至防護(hù)罐內(nèi)，同時(shí)不斷將罐內(nèi)氣體攪拌換熱后引至罐外以實(shí)現(xiàn)溫度平衡，最終可使罐內(nèi)溫度在外部環(huán)境溫度達(dá)到-100～100 ℃時(shí)仍保持在相機(jī)可承受的溫度范圍（(20±5) ℃）內(nèi)[21]。得到保護(hù)的相機(jī)配合相機(jī)運(yùn)行軌道和自旋機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了熱變形測量過程的自動化，如圖15(b)所示。

圖15 常壓相機(jī)內(nèi)置天線熱變形自動測量系統(tǒng)及相機(jī)防護(hù)裝置組成Fig.15 Automatic measurement of thermal deformation of antenna under atmospheric environment and protection of internal camera

西安空間無線電技術(shù)研究所采用相機(jī)懸臂水平旋轉(zhuǎn)環(huán)形自動測量方法，以相機(jī)內(nèi)置測量模式實(shí)現(xiàn)了口徑5 m 以下星載天線部組件在-100～100 ℃溫度范圍內(nèi)的常壓熱變形測量[21]，突破了常壓環(huán)境測量相機(jī)高精度防護(hù)和現(xiàn)場標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)，測量精度達(dá)到0.02 mm。

2）固面天線測量

當(dāng)常壓、環(huán)境溫度范圍超過-100～100 ℃時(shí)，西安空間無線電技術(shù)研究所借鑒真空相機(jī)外置測量方法，開展了基于高低溫箱的相機(jī)外置熱變形測量方法研究[22]：在溫箱側(cè)壁合適位置開設(shè)高精度測量窗口（圖16），固面天線水平放置于旋轉(zhuǎn)平臺上，測量過程中，天線旋轉(zhuǎn)、相機(jī)固定。這種測量方式下相機(jī)處于常溫常壓環(huán)境中，防護(hù)難度低，目前已實(shí)現(xiàn)較寬溫度范圍（-120～120 ℃）、口徑5 m 內(nèi)天線的常壓熱變形測量，測量精度達(dá)到0.02 mm。

圖16 常壓相機(jī)外置天線熱變形自動測量應(yīng)用場景Fig.16 Application scenarios of automatic measurement of thermal deformation of antenna under atmospheric environment by camera external method

常壓熱變形測量一般采用單相機(jī)方法，其中，人工測量方法可以實(shí)現(xiàn)較大尺寸天線的熱變形測量，測量方式靈活、速度快且精度較高，但適用溫度范圍較窄；自動測量方法擴(kuò)展了熱變形測量的溫度范圍，但適用的天線尺寸相對較小，且相機(jī)和轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的防護(hù)成為測量中的難點(diǎn)。

3 星載天線熱變形測量技術(shù)研究展望

目前，星載天線熱變形測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)口徑10 m 內(nèi)天線在常壓和真空下的熱變形測量，最高精度可達(dá)0.02 mm。但是，隨著星載天線朝著更高精度、更高穩(wěn)定性和更大尺寸方向的不斷發(fā)展，天線熱變形測量技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)入了新的階段，其中值得研究的方向包括：

1）太赫茲天線亞微米級精度測量

對于口徑2 m 左右的太赫茲和激光終端等更高頻率的天線，其型面精度要求更高（達(dá)到30～50 μm），意味著要求其熱穩(wěn)定性更好，熱變形也更小。這類天線的熱變形測量需要采用亞微米級精度的測量手段，而目前基于攝影測量原理的方法受限于圖像獲取和處理方式，其測量精度最高只能達(dá)到10 μm，無法滿足亞微米級精度要求，因此需要采用激光干涉等更加敏感的測量手段，以實(shí)現(xiàn)較大尺寸高精度天線熱變形測量。

2）超大和極大尺寸天線熱變形測量

目前，國內(nèi)依靠人工單相機(jī)攝影測量實(shí)現(xiàn)了10 m 口徑天線在常壓、-60～60 ℃較窄溫度范圍內(nèi)的高精度測量，國外采用多相機(jī)測量方法實(shí)現(xiàn)了10 m 口徑天線真空環(huán)境較低精度的熱變形測量。而對于10～30 m 超大尺寸天線，需要進(jìn)一步研究攝影測量多相機(jī)內(nèi)置測量方法，突破網(wǎng)型設(shè)計(jì)、現(xiàn)場標(biāo)定、自動測量及實(shí)時(shí)防護(hù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)超大尺寸天線在-150～150 ℃寬溫度范圍內(nèi)熱變形測量的高精度和高效率。同時(shí)，對于50～100 m極大尺寸天線，其在地面及在軌的裝配更加復(fù)雜和困難，更需要就天線在軌熱變形測量技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。目前基于攝影測量和激光雷達(dá)的測量技術(shù)可以作為極大尺寸星載天線在軌熱變形測量的備選方法，但是對于高精度測量則必須解決攝影測量在軌標(biāo)定、防護(hù)以及激光雷達(dá)在軌穩(wěn)定控制等關(guān)鍵問題，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步攻關(guān)星載天線型面精度在軌主動調(diào)整技術(shù)，以最終實(shí)現(xiàn)極大尺寸天線的在軌總裝、測量與實(shí)時(shí)調(diào)整。

3）基于太陽模擬器的天線熱變形測量

相較于紅外加熱籠和紅外燈陣等傳統(tǒng)外熱流模擬設(shè)備，太陽模擬器可逼真模擬空間太陽光譜特性，更接近在軌真實(shí)情況，同時(shí)對于天線熱變形測量過程不會產(chǎn)生遮擋，特別適用于復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)星載天線的地面熱變形測量，因此，開展基于太陽模擬器的天線熱變形測量技術(shù)研究具有重要意義。

4）零重力下的星載天線熱變形測量

星載天線地面熱變形測量過程中，受環(huán)模設(shè)備影響，天線一般不卸載重力，即使卸載，受測量環(huán)境及卸載方法的影響，最終也不可能充分卸載，殘余重力將對高精度、大尺寸天線的熱變形測量產(chǎn)生影響。在軌熱變形測量是后續(xù)解決該問題的有效方法，但是在以地面驗(yàn)證試驗(yàn)為主要手段的現(xiàn)階段，如何實(shí)現(xiàn)精確模擬零重力環(huán)境下的天線熱變形測量成為另一個(gè)需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)難題。

5）熱變形測量數(shù)據(jù)分析處理及應(yīng)用

通過攝影測量方法可以獲得星載天線在常溫及高低溫下的表面原始數(shù)據(jù)，但是目前國內(nèi)外對于熱變形原始測量數(shù)據(jù)的分析處理并沒有統(tǒng)一的規(guī)范，并不能準(zhǔn)確識別與天線實(shí)際性能相關(guān)的變形情況，嚴(yán)重限制了熱變形測量的實(shí)際價(jià)值。同時(shí)，對于熱變形測量所獲得實(shí)測數(shù)據(jù)，如何有效應(yīng)用于由不同材料、結(jié)構(gòu)相互耦合形成的天線熱變形仿真模型的優(yōu)化修正中，實(shí)現(xiàn)星載天線在軌性能準(zhǔn)確預(yù)示并指導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)亟需解決的難題，因此有必要開展能夠反映天線產(chǎn)品真實(shí)熱變形的數(shù)據(jù)分析處理方法研究。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了多年來基于攝影測量原理的星載天線熱變形測量技術(shù)的研究應(yīng)用情況，系統(tǒng)地分析了單相機(jī)外置、單相機(jī)內(nèi)置、多相機(jī)內(nèi)置和常壓環(huán)境測量等多種方式的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著星載天線向更高精度、更大尺寸、在軌組裝等方向發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)大型、高精度天線地面及在軌熱變形測量已成為星載天線熱變形測量技術(shù)的進(jìn)一步研究方向；同時(shí)，星載天線熱變形測量技術(shù)在數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用方面也存在一系列挑戰(zhàn)，需要今后進(jìn)行不斷研究探索。