一种高精度天线反射镜位姿形状测量方法与流程

1.本发明属于天线机械测量技术领域，尤其涉及一种高精度天线反射镜位姿形状测量方法。


背景技术：

2.来源于自主研发项目准光学馈电网络的装配校准工作，该天线由馈源喇叭、平面镜、椭球镜、频率选择面和极化线栅安装在天线复材安装板上组成，天线ait过程中装配精度的测量是为了获得发射馈源、平面镜、椭球镜等部件实际安装的位置姿态与理论设计的偏差，以保证发射馈源、平面镜、椭球镜等之间具有良好的位置精度和指向精度，使得电性能满足要求。受天线结构特点和电性能指标要求，天线复材安装板上平面镜和椭球镜等反射镜的型面及安装位姿精度要求极高，所以在研制阶段对准光天线反射镜的形状位姿等装配精度提出了高精度、高效率和高可靠的测量需求。
3.如图1所示，由于准光馈电天线具有如下结构特点：
4.(1)天线安装板尺寸小仅700mm，但是安装部件多达十多个，结构紧凑呈异形，各反射镜周围空间有限，最小仅剩70mm；
5.(2)平面镜和椭球镜等反射镜的表面镀层，装配精度测量时需要保证位姿精度满足0.06mm和0.03
°
的要求，同时需要检测安装后的型面精度，型面设计精度达到0.01mm；
6.(3)天线各部件尺寸小，反射镜最小口径仅150mm；
7.(4)天线各部件预留基准孔尺寸较小，各反射镜表面周边仅有直径1mm的基准孔。
8.而传统的装配精度测量方法主要有经纬仪交会测量、摄影测量、关节臂接触式测量、三坐标测量机接触式测量等，其通过测量系统获得天线部件基准孔和表面大量测点在设计坐标系下的测量值，并与其理论值进行空间对比，进而获得各部件实际的形状位姿精度，即装配精度。但是由于准光馈电天线上述结构特点的限制，关节臂接触式测量和三坐标测量机接触式测量空间受限，测量轨迹复杂且小尺寸基准孔坐标无法通过关节臂和三坐标测量机测针获得；摄影测量需要专用目标靶，其不能直接识别部件基准孔，而且天线反射镜镀层表面也不允许粘贴带有胶层的目标靶；对于准光天线反射镜的装配要求位置精度优于0.06mm，指向精度优于0.03
°
，非接触式经纬仪交会测量系统0.1mm的精度根本无法满足。
9.总之，现有传统的测量方法已无法满足该高精度准光天线反射镜的装配精度测量工作。


技术实现要素：

10.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度天线反射镜位姿形状测量方法，基于激光干涉测量和数模比对技术建立虚拟基准用于高精度天线反射镜形状位姿等装配精度测量的新方法，解决了目前高精度天线反射镜装配精度测量的难题，同时也相应的提高了测量效率。
11.本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种高精度天线反射镜位姿形状测量方
法，所述方法包括如下步骤：
12.(1)将高精度天线反射镜及安装高精度天线反射镜的安装板固定放置在稳定平台上，在高精度天线反射镜的周围2m范围内架设激光干涉测量系统；
13.(2)开机预热激光干涉测量系统不少于30min，预热完毕后，校准激光干涉测量系统的测角误差和测距误差；
14.(3)采用激光干涉点坐标测量方法，通过12.7mm球棱镜测量得到安装板上m个基准孔在激光干涉测量系统坐标系o
c
‑
x
c
y
c
z
c
下的空间坐标值(xai，yai，zai)，其中，i＝1～m，m≥4；
15.(4)根据安装板上的基准孔在激光干涉测量系统坐标系下的空间坐标值和预设的在反射镜安装坐标系下的理论坐标值(xai，yai，zai)，采用基准转换方法，建立反射镜安装坐标系o
m
‑
x
m
y
m
z
m
；
16.(5)根据步骤(4)得到的反射镜安装坐标系，将高精度天线反射镜及安装板在反射镜安装坐标系下的数字化理论模型导入测量工程，实现实际测量与理论模型在反射镜安装坐标系下的统一；
17.(6)采用激光干涉测试系统点坐标激光测量方式，通过直径12.7mm球棱镜分别直接接触高精度天线反射镜上直径小于1mm的基准孔周边任意镜面位置，测量获得与反射镜基准孔数量对应的n个球棱镜中心坐标(xbj，ybj，zbj)；其中，j＝1～n，n＝4～6；
18.(7)根据步骤(6)得到的与反射镜基准孔数量对应的n个球棱镜中心坐标和步骤(5)建立的数字化理论模型，将所测球棱镜中心坐标在反射镜安装坐标系下沿反射镜面理论模型的法向负方向偏移球棱镜的半径偏差6.35mm形成一组反射镜表面实测点(xcj，ycj，zcj)；
19.(8)根据步骤(6)得到的与反射镜基准孔数量对应的n个球棱镜中心坐标和步骤(5)建立的数字化理论模型，将所测球棱镜中心坐标沿反射镜面的法向负方向向镜面投影形成一组表面理论点即虚拟基准点(xcj，ycj，zcj)；
20.(9)将步骤(7)中的反射镜表面实测点与步骤(8)中的虚拟基准点进行对应点基准转换，获得高精度天线反射镜实际安装位置相对于数字化理论模型的位移、转角的位置姿态参数；
21.(10)采用激光干涉测试系统，以空间扫描测量方式通过直径12.7mm球棱镜接触反射镜表面，在表面均匀连续移动并等间距扫描采集获得球棱镜中心空间坐标；
22.(11)对比扫描球棱镜中心点轨迹上的点在反射镜安装坐标系的空间坐标值与数字化理论模型中反射镜表面在法向的偏差，消除球棱镜半径带来的偏差，得到被测镀反射镜表面型面精度，即反射镜形状参数。
23.上述高精度天线反射镜位姿形状测量方法中，在步骤(4)中，建立反射镜安装坐标系包括如下步骤：
24.(41)根据安装板基准孔在激光干涉测量系统坐标系下的测量坐标值(xai，yai，zai)和在安装坐标系下的理论坐标值(xai，yai，zai)，计算得到激光干涉测量系统坐标系与安装坐标系的转换关系(d
x1
，d
y1
，d
z1
，r
x1
，r
y1
，r
z1
)；
[0025][0026]
(42)根据激光干涉测量系统坐标系与安装坐标系的转换关系，由激光干涉测量系统坐标系分别按顺序通过沿坐标系x平移d
x1
、沿y平移d
y1
、沿z平移d
z1
、绕坐标系x旋转r
x1
、绕坐标系y旋转r
y1
，绕坐标系z旋转r
z1
，最终建立反射镜安装坐标系。
[0027]
上述高精度天线反射镜位姿形状测量方法中，在步骤(41)中，激光干涉测量系统坐标系与安装坐标系的转换关系通过以下公式得到：
[0028][0029]
其中，(xai，yai，zai)为安装板基准孔在激光干涉测量系统坐标系下的测量坐标值，(xai，yai，zai)为安装板基准孔在安装坐标系下的理论坐标值，d
x1
为激光干涉测量系统坐标系到安装坐标系沿坐标系x轴的平移量，d
y1
为激光干涉测量系统坐标系到安装坐标系沿坐标系y轴的平移量，d
z1
为激光干涉测量系统坐标系到安装坐标系沿坐标系z轴的平移量，r
x1
为激光干涉测量系统坐标系到安装坐标系沿坐标系x轴的旋转量，r
y1
为激光干涉测量系统坐标系到安装坐标系沿坐标系y轴的旋转量，r
z1
为激光干涉测量系统坐标系到安装坐标系沿坐标系z轴的旋转量。
[0030]
上述高精度天线反射镜位姿形状测量方法中，在步骤(5)中，测量工程为采用三维空间测量分析软件sa建立，数字化理论模型为三维iges模型。
[0031]
上述高精度天线反射镜位姿形状测量方法中，在步骤(9)中，将步骤(7)中的反射镜表面实测点与步骤(8)中的虚拟基准点进行对应点基准转换包括如下步骤：
[0032]
(91)在反射镜安装坐标系下，以反射镜表面实测点(xcj，ycj，zcj)为传统装配精度测量过程中的基准孔测量值，而以表面理论点即虚拟基准点(xcj，ycj，zcj)为传统装配精度测量过程中的基准孔设计值；
[0033]
(92)根据反射镜安装坐标系下的基准孔测量值与基准孔设计值，得到高精度天线反射镜在反射镜安装坐标系下的实际位置姿态。
[0034]
上述高精度天线反射镜位姿形状测量方法中，在步骤(92)中，高精度天线反射镜在反射镜安装坐标系下的实际位置姿态为：
[0035][0036]
其中，(xcj，ycj，zcj)为在反射镜安装坐标系下反射镜表面实测点坐标，(xcj，ycj，zcj)为在反射镜安装坐标系下反射镜表面虚拟基准点坐标，d
x2
为反射镜实测位置到理论位置沿安装坐标系x轴的平移量，d
y2
为反射镜实测位置到理论位置沿安装坐标系y轴的平移量，d
z2
为反射镜实测位置到理论位置沿安装坐标系z轴的平移量，r
x2
为反射镜实测位置到理论位置沿安装坐标系x轴的旋转量，r
y2
为反射镜实测位置到理论位置沿安装坐标系y轴的旋转量，r
z2
为反射镜实测位置到理论位置沿安装坐标系z轴的旋转量。
[0037]
上述高精度天线反射镜位姿形状测量方法中，在步骤(11)中，采用目标厚度补偿法消除球棱镜半径带来的偏差。
[0038]
上述高精度天线反射镜位姿形状测量方法中，采用目标厚度补偿法消除球棱镜半径带来的偏差包括如下步骤：
[0039]
将扫描球棱镜中心点轨迹上的点在安装坐标系的空间坐标值与反射镜表面在安装坐标系下的理论模型在法向的偏差减去球棱镜半径，即得到反射镜表面扫描测量点在安装坐标系的空间坐标值与反射镜表面在安装坐标系下的理论模型在法向的实际偏差，进而得到被测反射镜表面型面精度及形状精度。
[0040]
上述高精度天线反射镜位姿形状测量方法中，在步骤(10)中，球棱镜中心空间坐标为：
[0041]
xj＝sj
×
cos(vj)
×
cos(hzj)；
[0042]
yj＝sj
×
sin(hzj)
×
cos(vj)；
[0043]
zj＝sj
×
cos(vj)；
[0044]
其中，sj为球棱镜中心j至干涉仪坐标系中心原点距离，hzj为球棱镜中心j在干涉仪下的方位角，vj为球棱镜中心j在干涉仪下的俯仰角。
[0045]
上述高精度天线反射镜位姿形状测量方法中，在步骤(2)中，测角误差小于0.001
°
，测距误差小于0.01mm。
[0046]
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0047]
(1)本发明采用点坐标激光干涉测量和数模比对技术，实现了任意虚拟基准点的建立，解决了目前小尺寸天线原始设计基准孔小而无法使用的问题；
[0048]
(2)本发明利用虚拟基准点，采用基准转换技术，实现了无需原始设计基准孔测量分析准光等高精度天线反射镜位置姿态和型面精度的难题。
附图说明
[0049]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0050]
图1是现有技术中的准光馈电天线的结构示意图；
[0051]
图2是本发明实施例提供的高精度天线反射镜、安装板和激光干涉测量系统的示意图；
[0052]
图3是本发明实施例提供的任意基准点测量采集示意图；
[0053]
图4是本发明实施例提供的数模比对虚拟基准点和镜面实测点建立示意图。
具体实施方式
[0054]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0055]
本发明提供了一种高精度天线反射镜位姿和形状的测量方法，该方法采用一种基于激光干涉测量和数模比对技术建立虚拟基准用于高精度天线反射镜形状位姿等装配精
度测量，解决了目前高精度天线反射镜装配精度测量的难题，同时也相应的提高了测量效率。如图2所示，该天线由馈源喇叭、平面镜、椭球镜、频率选择面、天线复材安装板和安装在天线复材安装板上的极化线栅组成。
[0056]
本实施例提供了一种高精度天线反射镜位姿和形状的测量方法，该方法包括如下步骤：
[0057]
(1)、如图2所示，将高精度反射镜连同其安装板固定放置在稳定平台上，在其周围2m范围内稳定架设激光干涉测量系统，使反射镜可以被测量系统完全可视不被遮挡；
[0058]
(2)、开机预热激光干涉测量系统不少于30min，预热完毕后，在现场测量条件下，联机建站并校准测量系统测角误差和测距误差，使其测角误差小于0.001
°
，测距误差小于0.01mm；
[0059]
(3)、采用激光干涉点坐标测量方法，通过12.7mm球棱镜测量得到安装板上m个基准孔在激光干涉测量系统坐标系o
c
‑
x
c
y
c
z
c
下的空间坐标值(xai，yai，zai)，(i＝1～m)，m≥4；
[0060]
(4)、根据安装板基准孔在激光干涉测量系统坐标系下的实际测量坐标值和在反射镜安装坐标系下的理论坐标值(xai，yai，zai)，采用基准转换方法，建立反射镜安装坐标系o
m
‑
x
m
y
m
z
m
；
[0061]
所述基准转换方法包括如下步骤：
[0062]
(a)、根据同一位置的测量点在第一坐标系下的空间坐标值和第二坐标系下的空间坐标值，计算得到第一坐标系与第二坐标系的转换关系；
[0063]
(b)、根据第一坐标系与第二坐标系的转换关系，可以由已知的第一坐标系建立第二坐标系。
[0064]
本步骤中采用基准转换方法，建立反射镜安装坐标系的具体实现是：
[0065]
(4.1)、根据安装板基准孔在激光干涉测量系统坐标系下的测量坐标值(xai，yai，zai)和在安装坐标系下的理论坐标值(xai，yai，zai)，计算得到激光干涉测量系统坐标系与安装坐标系的转换关系(d
x1
，d
y1
，d
z1
，r
x1
，r
y1
，r
z1
)；
[0066][0067]
(4.2)、根据激光干涉测量系统坐标系与安装坐标系的转换关系，由激光干涉测量系统坐标系分别按顺序通过沿坐标系x平移d
x1
、沿y平移d
y1
、沿z平移d
z1
、绕坐标系x旋转r
x1
、绕坐标系y旋转r
y1
，绕坐标系z旋转r
z1
，最终建立安装坐标系。
[0068]
(5)、根据步骤(4)得到的反射镜安装坐标系，将反射镜及安装板在安装坐标系下的数字化理论模型导入测量工程，实现实际测量与理论模型在安装坐标系下的统一；
[0069]
本实施例的测量工程为采用三维空间测量分析软件sa建立，数字化理论模型为三维iges模型。
[0070]
(6)、如图3所示，采用激光干涉测试系统点坐标激光测量方式配合直径12.7mm球棱镜分别直接接触测量反射镜上直径小于1mm的基准孔周边镜面任意位置，获得与反射镜基准孔数量对应的n个(n＝4～6)球棱镜中心坐标(xbj，ybj，zbj)(j＝1～n)；需要理解的是，有两种基准孔，一种安装板上的基准孔，用于建立反射镜安装坐标系，另一种是高精度
天线反射镜上的基准孔。
[0071]
本步骤中的球棱镜中心坐标在激光干涉测量系统坐标系测量值如下：
[0072]
xj＝sj
×
cos(vj)
×
cos(hzj)
[0073]
yj＝sj
×
sin(hzj)
×
cos(vj)
[0074]
zj＝sj
×
cos(vj)
[0075]
其中，sj为球棱镜中心j至干涉仪坐标系中心原点距离，hzj为球棱镜中心j在干涉仪下的方位角，vj为球棱镜中心j在干涉仪下的俯仰角。
[0076]
(7)、如图4所示，根据步骤(6)得到的反射镜基准孔对应球棱镜中心坐标和步骤(5)建立的数字化理论模型，将所测球棱镜中心坐标沿天线安装坐标系下反射镜理论模型反射镜面的法向负方向偏移球棱镜半径偏差6.35mm形成一组反射镜表面实测点(xcj，ycj，zcj)；
[0077]
(8)、同样，根据步骤(6)得到的反射镜基准孔对应球棱镜中心坐标和步骤(5)建立的数字化理论模型，将所测球棱镜中心坐标沿反射镜面的法向负方向向镜面投影形成一组表面理论点即虚拟基准点(xcj，ycj，zcj)；
[0078]
(9)、将根据步骤(7)测量建立形成的表面实测点坐标测量值与根据步骤(7)投影形成表面理论点坐标值即虚拟基准点进行对应点基准转换，获得反射镜实际安装位置相对于理论模型的位移、转角等位置姿态参数；
[0079]
本步骤中采用基准转换方法，计算反射镜实际安装位置相对于理论模型的位置姿态参数的具体实现是：
[0080]
(9.1)、在安装坐标系下，以反射镜表面实测点(xcj，ycj，zcj)为传统装配精度测量过程中的基准孔测量值，而以表面理论点即虚拟基准点(xcj，ycj，zcj)为传统装配精度测量过程中的基准孔设计值；
[0081]
(9.2)、根据安装坐标系下的基准孔测量值与设计值，计算得到反射镜在天线安装坐标系下的实际位置姿态为(d
x2
，d
y2
，d
z2
，r
x2
，r
y2
，r
z2
)；
[0082][0083]
(10)、采用激光干涉测试系统空间扫描测量方式配合直径12.7mm球棱镜接触反射镜表面，在表面均匀连续移动并等间距扫描采集获得球棱镜中心空间坐标；
[0084]
(11)、对比扫描球棱镜中心点轨迹上的点在反射镜安装坐标系的空间坐标值与数字化理论模型中反射镜表面在法向的偏差，消除球棱镜半径带来的偏差，得到被测镀反射镜表面型面精度，即反射镜形状参数。
[0085]
本步骤中消除球棱镜半径带来的偏差采用目标厚度补偿法实现，具体为:将扫描球棱镜中心点轨迹上的点在安装坐标系的空间坐标值与反射镜表面在安装坐标系下的理论模型在法向的偏差减去球棱镜半径，即得到反射镜表面扫描测量点在安装坐标系的空间坐标值与反射镜表面在安装坐标系下的理论模型在法向的实际偏差，进而得到被测反射镜表面型面精度及形状精度。
[0086]
本发明采用点坐标激光干涉测量和数模比对技术，实现了任意虚拟基准点的建立，解决了目前小尺寸天线原始设计基准孔小而无法使用的问题；本发明利用虚拟基准点，
采用基准转换技术，实现了无需原始设计基准孔测量分析准光等高精度天线反射镜位置姿态和型面精度的难题。
[0087]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。