高低温环境卫星天线形面变形的近景摄影测量与数据处理

发布时间：2017-12-26 06:12

本文关键词：高低温环境卫星天线形面变形的近景摄影测量与数据处理　出处：《中国矿业大学(北京)》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：为满足我国航天工业事业快速发展的时代要求,特别是高性能技术指标要求的卫星天线新产品如大型的、可展的、柔性的等不断出现,为确保卫星在空间环境中的使用性能、可靠性与安全性,升空前就需预先掌握天线的性能与质量情况,为此要甄选高精度的测量技术手段在模拟空间环境条件下对卫星天线反射面形进行测量。而传统的测量设备与方法由于精度低、量程小、速度慢、自动化程度低、劳动强度大以及姿态要求高等局限性,难以满足特殊空间环境条件下的新型卫星天线所面临的快速、高效、高精度的测量需求。为此,探索并研究能够适应空间环境条件下具有高精度、高效率、自动化、智能化等特点的卫星天线形面测量技术具有重要的现实意义与实用价值。通过对多种测量技术方法的比较分析表明,近景摄影测量技术具有高精度、非接触、便携性等特点,具有智能化、自动化、快速高效、可靠性高(大量多余观测)、适应环境(如高低温、高低压、对人体有毒有害等环境)能力强以及可对动态物体进行测量等优点,能够满足柔性肋式展开型网状卫星天线在高低温试验环境条件下的特殊测量需求。本文基于航天工程科研生产项目背景,采用理论分析与试验研究相结合的技术手段,从理论基础、精度估计、影响因素分析与试验以及测量数据后处理技术四方面入手,对高低温环境卫星天线形面变形的摄影测量技术及其后处理进行了较系统与深入的研究,以期提高高低温环境下近景摄影测量技术的测量精度与可靠性,也为其它工业产品安装检测及其形面变形测量的智慧决策提供理论支撑,本文主要研究工作及成果如下:(1)从摄影几何原理出发阐述了单、双(多)相机的测量原理,分析了摄影测量系统精度估计的内符合式协方差传播定律法、重复性测量精度法、外符合式基准长度法、坐标比对法以及Fraser精度估计法;结合高低温环境下卫星天线形面变形的施测方法,分别从内、外符合精度指标上对单相机摄影测量系统的测量精度进行了试验验证,得到了理想的测试结果。(2)研究分析了高低温环境中数字相机标定方法。鉴于高低温试验环境条件的特殊性,设计了一种能够便捷灵活使用且具有高效防护性的相机防护装置;并对相机结构稳定性、分辨率与成像质量的关系进行了研究分析,给出了常用的相机10参数畸变模型,并在此基础上结合试验工作环境的特殊性,为确保相机标定的效能,提出了采用10参数模型的相机光束法自标定法。同时分析了温度变化对已标定相机及成像质量的影响,经试验测试检验了相机标定方法及相机防护装置在特殊环境下较好的使用性能与便捷的工程服务性。(3)通过分析近景摄影测量标志的反光材料及特性、种类与大小,在总结近景摄影测量标志图像的灰度分布规律以及标志图像中心定位算法的基础上,提出了一种灰度阈值可变指数加权质心法的标志图像中心定位算法,分别采用仿真与实测图像进行了算法验证与结果分析,证明本算法具有较高的定位精度,其中基于实测图像相对于v-stars的标志图像中心综合定位精度rms为0.0122pixels。(4)在闪光强度对近景摄影成像质量及测量精度影响的大量试验测试研究基础上,提出了影像质量甄别的像素最大灰度值判别法,得到了摄影测量精度与摄影距离、闪光强度三者之间的相关关系。同时研究表明,在保证同光强的图像质量条件下,摄影测量精度与摄影距离具有近似反比关系,并分析了温度变化对摄影辅助光源的影响。以nissinmf18闪光灯为例,在成像质量最佳时的光束法平差精度估计rms与坐标重复性测量精度rms分别达到了:0.028mm、0.039mm、0.085mm与0.038mm、0.053mm、0.118mm,其相应的摄影距离与光强大小分别为3m、5m、7m与1/36、1/32、1/16。(5)分别采用摄影测量法、图像处理法、显微镜法以及三坐标测量机法对摄影测量基准尺长度标定方法进行了较系统的试验研究与分析。不同时期大量的重复试验表明:当基准尺两端上定量长度标志点的外形质量较好时,四种方法标定基准尺长度的结果一致性也较好,但因三坐标测量机法自身测量精度高、测量环境条件好且具有测量或计量溯源性,研究提出了基准尺长度标定可优先选取三坐标测量机法的思想,为我国摄影测量基准尺长度标定或校准规范的制定提供了有价值的数据依据与参考。(6)分析了近景摄影测量网形空间几何结构对测量精度的影响。通过对其中影响精度的关键因素进行试验分析,表明近景摄影测量网形空间几何结构的不同构成对测量精度的影响较大。研究给出了实际摄影测量工程中空间网形几何结构规划设计应遵循的原则,为工程实践应用中测量网形的优化设计提供了决策依据。(7)系统总结凝练了卫星天线形面变形测量结果质量的精度评定指标,重点分析了形面变形测量数据后处理方法;初步提出了形面测量精度的概念,以试验对象现有的信息为基础,提出了一种基于设计坐标引导的快速迭代最近点(ficp)自由曲面拟合配准算法,试验验证了该算法的快、精、准特性。(8)在近景摄影测量理论、技术、方法综合研究的基础上,设计了口径约4m的肋式展开型网状卫星天线在高低温环境下形面变形的近景摄影测量检测方案,并成功地进行了近景摄影测量试验。试验结果表明,不同温度节点的天线反射面标志点三维坐标重复性测量精度随温度的升降而变化,20℃时精度最好,相应rms均值为0.027mm;-60℃时精度最差,相应rms均值为0.048mm。而天线形面重复性测量精度总体上较好,其rms最大值不超过0.04mm;其中用于精度检验的基准尺长度测量误差随温度变化规律不明显,其长度测量最大误差平均值为0.039mm,长度测量最小误差平均值为0.014mm,总体上与天线形面重复测量精度一致。天线形面(肋)精度随温度变化而改变明显,在温度节点-60℃时最差,其RMS最大值达到了0.878mm(0.761mm)。由于形面误差中包含有摄影测量误差、形面配准误差、天线变形误差等,故整体综合分析知,由温度变化引起的天线变形误差相对较大,但也满足了形面精度设计技术指标的要求。同时由形面误差进一步分析可得到每个测量循环中其它温度节点相对于该循环中间的温度节点(+20℃)为基准的形面变形量,给出了形面变形分布趋势图,表明每40℃温差之间的形面变形量的RMS值均小于0.3mm,达到了形面变形量设计技术指标要求。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P234.1

【参考文献】