数字摄影测量技术在雷达天线生产过程中的应用

黄湘鹏

(海装上海局，上海 201206)

0 引 言

抛物面天线反射面加工精度的高低对雷达天线以及雷达的整体性能有着至关重要的影响[1]，工作频段越高，波长越短，反射面加工要求越高。双弯曲反射面天线型面曲率大，加工困难，精度越难以保证，代价更高。传统反射面天线生产过程中的型面精度采用卡尺、塞尺等简单的测量工具进行测量，结果不准确。采用经纬仪测量，需要人工进行瞄准，测量精度易受人为因素影响，而为了提高测量精度，选取较多测量点，则工作量大，测量效率低。采用基于激光干涉长度和角度的极坐标原理的激光跟踪干涉测量方式，测量精度高，但需要测量空间大，且价格昂贵，便携性差。在生产过程中，为了满足天线反射面的加工精度要求，需要进行多次反复校整和测量，如果采取上述几种测量方式，均不适应生产过程中的天线反射面精度测量。

摄影测量是随着计算机图像处理技术、图像匹配技术、模式识别技术及摄影测量术的综合研究发展起来的一种新型测量技术，测量方便、简单、效率高。通过对被测量目标摄影拍照来确定目标的外形形状及运动状态，建立起物体的3D模型。它采用了高性能数字成像器件作为传感元件，经过图像处理及模式识别技术来完成对被测量目标的瞄准、识别和角度测量，能够简化测量过程，降低人为误差对测量精度的影响，有效提高测量精度和效率。

1 V-STARS摄影测量系统组成[2]

V-STARS摄影测量系统测量精度高，测量速度快，自动化程度高，数据处理能力强，而且适应多种测量环境，是目前国际上最先进成熟的数字摄影测量产品。单相机V-STARS摄影测量系统由 1台测量型数码相机(尼康D800)、1台笔记本电脑(含系统软件)、1套基准尺和1组特征标志点组成，如图1所示。使用专业的高精度相机在不同位置和方向完成照片的拍摄。V-STARS软件自动处理所拍摄的全部照片，经过自动匹配及相关数学计算后得到被测点的三维坐标，经后续处理获得被测物的测量结果以及误差分析。[3-5]

2 V-STARS摄影测量的工作原理

摄像测量的基本原理和双经纬仪系统很相似。若用一台相机在两个位置对被测目标进行拍照，就可以得到被测目标在两个不同角度的照片。这两个不同角度的照片就构成了被测目标的立体像。如果从多个拍摄点对被测量目标点进行拍摄，就可以得到被测量目标的多个立体像对，构成多目立体模型。如图2所示，图中被测目标点由多个摄站相交，可得到下式所示的多个共线方程。

其中，Xs、Ys、Zs、ai、bi、ci(i=1,2,3)分别为照片的外方位元素的平移量及旋转矩阵的元素；x0、y0、f、Δx、Δy为预先已标定好的照片的内部参数，为已知量。物方点坐标XYZ所对应的像点坐标为x和y。将共线方程联立并根据最小二乘法求解，就可以计算出物方点的坐标(X，Y，Z)。

3 某舰载双弯曲反射面天线生产过程中的测量

图3所示为某舰载雷达双弯曲反射面天线。该天线反射面尺寸为3 m×1.2 m，由厚度为3 mm的铝板经拉伸、打孔、校整后成型，要求校整成型后的反射面实际曲面与理论曲面的均方根误差不大于0.3 mm(RMS)。校整成型后的型面经阳极氧化处理，再与筋板胶合并螺装固定，最后与天线骨架总成在一起，要求总成后实际曲面与理论曲面的均方根误差不大于0.5 mm(RMS)。

由于天线反射面与筋板胶合后无法再校整，打孔后天线反射面必须进行测量、校整，此状态反射面的型面精度必须满足均方根误差不大于0.3 mm(RMS)的要求，否则总成后天线反射面的精度可能无法保证，故总成前反射面的校整、测量是天线生产过程中非常关键的生产工序。很多生产企业通常采用游标卡尺及塞尺相结合的简易测量办法测量天线反射面背部到胎模之间的距离，推算出反射面与胎膜之间的间隙，最后计算出反射面的均方根误差，如图4所示。此种测量方法测量点有限，受人为因素影响，测量精度差，不能真实反映反射面实际精度。

4 V-STARS摄影测量系统的测量方法

4.1 标志点和基准尺的设置

反射面由厚度为3 mm的铝板制成，刚度差，易变形。如果将校整后的反射面从胎膜上取下来测量，测量精度误差大，因此直接在胎膜上测量反射面背部曲面来代替反射面正面曲面的测量。

在天线反射面背部粘贴上V-STARS测量标志点和编码点。测量标志点为GSI公司的一种黑底白圆点的高对比度特殊材料印刷品。编码点同样为GSI公司产品，它是V-STARS图像识别系统能自动识别的标识编码。标志的数量根据反射面精度要求及大小设定，横平竖直布置。为了更精准地反映天线反射面的实际情况，每间隔10 cm左右布置一个测量标志，在反射面曲率大的位置适当增加测量布置密度。反射面上的标志点和编码点分布见图5所示。测量标志和编码标志的总数为：测量标志300个，编码标志6个。测量系统的基准尺是系统最终进行三维坐标计算的基础。为了让基准尺出现在多数的拍摄照片中，尽量将基准尺放在天线反射面背部中央位置。

4.2 拍摄过程

根据多次拍摄的照片发现，白天所拍照片由于背景光太强，照片中标志点和编码点显示不明显，系统的解算器无法找到标志点和编码点，测量精度受到较大影响。经过不断摸索，发现拍摄只能在暗室或晚上关掉所有照明设施的室内进行。为了拍摄时具有良好的视场角、拍摄距离，提高最终测量的精度，拍摄过程中需采取多角度多方位拍摄整个天线。

4. 3 测试结果及数据处理

将拍摄的照片导入V-STARS系统，通过软件解算出天线反射面标志点坐标，并得出被测目标(标志)空间三维坐标点图，如图6所示。将被测目标的三维坐标点数据导入SA软件进行数据处理，根据最小二乘法将所有坐标点拟合出天线反射面的实际曲面，计算出实际曲面与理论曲面之间的误差，如图7所示。该加工误差分布图直观反映了天线曲面的加工状况，更可以据此有针对性地对天线曲面进行校整，使其满足最终加工精度要求。

5 结束语

许多天线制造企业在天线反射面的生产过程中往往不重视过程控制和测量，直到其总成后再进行精度测量。这种“事后”测量、不满足精度要求再调整的方法，除更耗时耗力外，天线电性能测试也可能不合格，因此不适应天线反射面的批量生产。

本文介绍了一种将数字摄影测量技术应用到天线制造过程中的测量方法。通过对多型双弯曲反射面的实际应用，简化了测量、验收过程，降低了人为因素对测量精度的影响，有效提高了天线反射面测量精度和效率。测量数据分析后能够指导反射面的生产，缩短了生产周期，提升了天线反射面批量加工的合格率。

参考文献:

[1] 柳玉书. 雷达天线近景摄影工业测量系统研究[D]. 南京理工大学, 2010.

[2] 李东明. V-STARS摄影测量系统的原理与应用[J]. 水利电力机械, 2006, 28(10)：26-27.

[3] 卢成静, 黄桂平, 李广云. V-STARS工业摄影三坐标测量系统精度测试及应用[J]. 红外与激光工程, 2007, 36(6)：245-249.

[4] 黄桂平. 数字近景工业摄影测量关键技术研究与应用[D]. 天津大学博士论文, 2005.

[5] 范生宏. 工业数字摄影测量中人工标志的研究与应用[D]. 信息工程大学测绘学院, 2006.