基于雙電子經緯儀系統與單目攝影測量系統在大型天線陣面裝配測量中的應用

張樂

摘 要

我公司在對某型曲面航管雷達天線進行裝配時，要求蒙皮鋪設后的天線陣面精度達到均方根誤差σ≤0.6mm的要求。通過對裝配過程中的裝配精度保證的問題進行探討，確定以雙電子經緯儀系統對天線骨架上支板的定位和焊接進行放樣，最后以單目攝影測量系統對鋪設焊接蒙皮后的天線陣面進行測試，以此驗證鋪設蒙皮后的天線陣面的精度是否能夠達到設計要求。

關鍵詞

雷達天線;均方根誤差;單目攝影測量系統;雙電子經緯儀系統

中圖分類號： TH-3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.039

Abstract

When assembling a certain type of curved surface aerial control radar antenna， our company requires that the precision of the antenna array surface after the skin is laid meet the requirement of root mean square error σ ≤ 0.6 mm. Through discussing the problem of ensuring the assembly precision in the assembly process， it is determined that the positioning and welding of the upper support plate of the antenna frame are lofted by the double electronic theodolite system. Finally， the antenna array surface after the welding skin is laid is tested by the monocular photogrammetry system， so as to verify whether the precision of the antenna array surface after the skin is laid can meet the design requirements.

Key words

Radar antenna;Root mean square error; Monocular photogrammetry system; Double electronic theodolite system

0 引言

近些年，制造業領域和工程領域都對大尺寸測量的精度和便捷性提出了較高的要求，很多測量工具隨之產生，例如接觸式測量中應用較為廣泛的普通式三坐標測量機和關節臂式測量機，非接觸式三坐標測量中已經趨于成熟的雙電子經緯儀系統、激光跟蹤儀系統、全站儀系統、攝影測量系統等。本文重點探討雙電子經緯儀系統與攝影測量系統組合在實踐測量中的應用。

1 應用背景

對采用賦型曲面天線的雷達系統來說，天線面精度直接影響到發射接收的增益和分辨精度。我公司現需要對某型曲面航管雷達天線進行裝配，根據裝配工藝的安排，首先需要對天線骨架進行垂直支板和橫向支板的焊接，之后再以焊接好的支板作為定位基準進行天線蒙皮的鋪設焊接。因此只有保證垂直支板和水平支板的正確安裝才能夠保證整個天線陣面精度達到均方根誤差σ≤0.6mm的設計要求。我公司現有雙電子經緯儀測量系統和單目攝影測量系統，如何借助兩者實現測量要求，是我們面臨的課題。經過方案討論，最終確定在對支板進行定位焊接時采用兩臺瑞士徠卡TM6100A型精度0.5″的雙電子經緯儀系統組網放樣，蒙皮鋪設焊接完畢后，利用單目攝影測量系統對整個天線陣面的精度進行檢測，以驗證最終的裝配精度是否滿足設計要求，所以關鍵在于支板定位和裝配后的整體測量。

2 支板定位

2.1 世界坐標系建立

支板在焊接安裝之前，需先將天線骨架垂直固定于工作臺上，通過在工作臺前的兩個經緯基座專用工裝上分別放置一臺電子經緯儀組網建站。如圖1所示，以左側經緯儀的中心作為世界坐標系的原點，兩臺電子經緯儀的中心連線指向右手方向作為x軸正方向，按照右手坐標系法則建系。首先通過兩臺電子經緯儀精確互瞄之后測量一根已知長度的基準尺，再通過空間幾何關系解出兩臺電子經緯儀的水平距離b及高低差△z。

2.2 前方交會法解待測點坐標

如圖1所示，在世界坐標系下被測點為P（x，y，z），左側電子經緯儀1的觀測水平角為α，觀測垂直角為φ1，右側電子經緯儀2的觀測水平角為β，觀測垂直角為φ2。此時，利用空間解析法可建立方程

由上述方程可解出可解出被測點p在世界坐標系中的坐標值（x，y，z）。

2.3 支板定位焊接

通過在天線陣面數模上定出相應的基準點的位置，利用雙電子經緯儀系統的軟件將建系后的世界坐標系與數模的理論設計坐標系通過坐標系的旋轉矩陣進行對齊。此時，便可利用理論設計坐標系中相應的基準點坐標（x，y，z），先通過轉點轉換為世界坐標系下的坐標值，再將其代入至2.2方程（1）中，即可反解出電子經緯儀放樣參數α，φ1，β，φ2，利用此參數進行支板的放樣焊接即可完成支板在天線骨架上的準確定位。

3 整體測量

3.1 測量原理

數字近景工業攝影測量技術是通過單臺或是多臺相機對在粘貼有反光標志點及編碼目標的被測物體和周圍環境進行多角度拍攝，再利用計算機系統軟件對所拍攝的照片進行像點匹配，同時通過對內、外方位參數進行標定和概略定向。在解出各個像點對應的待測點在世界坐標系中的三維坐標，再利用光束法平差算法對解出的點位坐標進行迭代計算優化點位坐標。最后導出CMM點集數據，利用三維檢測軟件進行擬合計算。

3.2 概略定向

我公司對天線陣面檢測使用的是加拿大Creaform公司的Maxshot型單目攝影測量系統。具體操作方法為先在天線蒙皮表面隨機且均勻地粘貼上反光標志點和編碼點，同時放置好帶有已知參考點的坐標系及兩根比例尺，之后利用相機對整個天線陣面進行多個角度的交匯拍攝。照片采集完過后，系統軟件會通過對磁性編碼點解碼再對各張照片進行拼接。

如圖2所示，系統軟件采用絕對定向的方式利用像點及待測點共線原理建立方程。

可以看出，上述的共線方程（3）中一共包含12個參數，可由坐標系上3組已知點的絕對坐標和對應的3組已知像點坐標聯立3組共線方程，由此便可解出共線方程中的6個外方位未知數，再通過多角度的交匯拍攝，解出交匯區域的同名點坐標即可完成每個攝站空間姿態的概略定向。

4 結論

天線陣面在鋪設焊接完畢過后，經過本公司攝影測量系統檢測其均方根誤差σ=0.492mm，符合σ≤0.6mm的設計要求。經過驗證可以發現，在對大型曲面天線進行裝配時，利用雙電子經緯儀進行骨架支板的放樣定位，再通過攝影測量系統對整個天線陣面進行檢測可以實現天線陣面的高精度裝配。通過本次對雙電子經緯儀和攝影測量系統的綜合運用，為后續的大型曲面天線的總成提供了指導意義。

參考文獻

[1]黃桂平.數字近景工業攝影測量理論、方法與應用[M].北京：科學出版社，2016.1.

[2]黃桂平.數字近景工業攝影測量關鍵技術研究與應用[D].天津大學博士論文庫，2006.

[3]舒正杰.基于攝影測量系統在曲面雷達天線陣面調試中的應用[J].科技創新與應用，2019.12.

[4]李宗春，李廣云，湯延松，張冠宇.電子經緯儀交會測量系統在大型天線精密安裝測量中的應用[J].海洋測繪，2005.1.