專利名稱：球面射電望遠(yuǎn)鏡反射面單元面板測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)反射面單元面板測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)預(yù)研究始于1994年，由中國科學(xué)院國家天文臺(tái)主持，全國20余所大學(xué)和研究所的百余位科技骨干參與，與英、荷、德、澳大利亞、美等有廣泛合作。 2007年7月，國家發(fā)展和改革委員會(huì)原則同意將500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)項(xiàng)目列入國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目計(jì)劃，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)FAST項(xiàng)目正式完成國家立項(xiàng)。項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)為貴州省黔南自治州，建設(shè)周期5. 5年。FAST是目前世界上即將建設(shè)的最大單口徑望遠(yuǎn)鏡，它利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺(tái)址，洼坑內(nèi)鋪設(shè)數(shù)千塊單元面板組成500米球冠狀主動(dòng)反射面，并采用輕型索拖動(dòng)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的高精度定位。FAST反射面是由4400塊單元面板(球面三角形)組成，共計(jì)180余種類型。單元面板為邊長(zhǎng)約11m，曲率半徑315m球面三角形。每個(gè)面板上布置66個(gè)調(diào)整節(jié)點(diǎn)；單元面板透空率為50%。由于FAST項(xiàng)目安裝現(xiàn)場(chǎng)的面板檢測(cè)，目前人工常規(guī)方法工作量大(4400 塊單元面板)，時(shí)間長(zhǎng)，而且保證不了測(cè)量的精度，影響使用效果，滿足不了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量快速、 精確的基本要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)上的缺陷，本發(fā)明之目的就是提供一種球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)反射面單元面板測(cè)量方法，可有效解決對(duì)球面射電望遠(yuǎn)鏡單元面板的快速而精確的測(cè)量問題。本發(fā)明解決的技術(shù)方案是，由以下步驟實(shí)現(xiàn)I、首先，布設(shè)測(cè)量標(biāo)志測(cè)量標(biāo)志包括人工的圓形定向反光標(biāo)志和人工的編碼標(biāo)志，統(tǒng)稱人工標(biāo)志，方法是，在每個(gè)面板的66個(gè)調(diào)整節(jié)點(diǎn)上布設(shè)圓形定向反光標(biāo)志 (retro-reflective target,簡(jiǎn)寫為RRT),在單個(gè)面板上放置編碼標(biāo)志框架,編碼標(biāo)志框架上布設(shè)編碼標(biāo)志，并計(jì)算人工標(biāo)志的尺寸；2、進(jìn)行面板的攝影測(cè)量將單元天線面板放在移動(dòng)小車上，推入到編碼標(biāo)志框架內(nèi)，通過控制相機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)，移動(dòng)相機(jī)進(jìn)行測(cè)量；3、坐標(biāo)計(jì)算通過攝影測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量軟件進(jìn)行計(jì)算，完成對(duì)圖像的拼接和測(cè)點(diǎn)之間坐標(biāo)關(guān)系的傳遞；4、分析計(jì)算方法是，利用測(cè)量數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)為基于CAD功能的常用曲面分析軟件，每種類型面板加工時(shí)都有CAD模型，分析系統(tǒng)使用CAD模型與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)計(jì)算，得到面板的面型精度，導(dǎo)出三維顯示的偏差量針狀圖和偏差量數(shù)據(jù)報(bào)表，從而完成對(duì)球面射電望遠(yuǎn)鏡單元面板的測(cè)量。本發(fā)明測(cè)試方法簡(jiǎn)單，易操作，勞動(dòng)強(qiáng)度小，速度快，省時(shí)省力，精度高，有效保證球面射電望遠(yuǎn)鏡的使用效果。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體情況對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明。本發(fā)明在具體實(shí)施中，是由以下步驟實(shí)現(xiàn)的I、布設(shè)測(cè)量標(biāo)志測(cè)量標(biāo)志包括兩種人工標(biāo)志，即圓形定向反光標(biāo)志和編碼標(biāo)志， 圓形定向反光標(biāo)志的特點(diǎn)是，反射亮度比漫射常規(guī)的白色標(biāo)志高出數(shù)百甚至上千倍，能容易得到被測(cè)目標(biāo)物自身影像“消隱”而圓形定向反光標(biāo)志的構(gòu)像卻特別清晰而突出的“準(zhǔn)二值影像”，布設(shè)圓形定向反光標(biāo)志和定向反光材料制作的編碼標(biāo)志，用于實(shí)現(xiàn)相片的拼接和計(jì)算自動(dòng)化，方法是，在單元面板的66個(gè)調(diào)整節(jié)點(diǎn)上粘貼圓形定向反光標(biāo)志，單元面板的其它部位根據(jù)需求，可以增加一定數(shù)量的測(cè)量用的圓形定向反光標(biāo)志作為加密點(diǎn)使用，以能夠充分反映單元面板狀態(tài)；采用編碼標(biāo)志框架，安裝在單元面板的上方，編碼標(biāo)志框架由多根均置互相平行的長(zhǎng)金屬條固定在支架上構(gòu)成，編碼標(biāo)志框架的作用是在測(cè)量4400塊單元面板時(shí)編碼標(biāo)志點(diǎn)可以重復(fù)使用，根據(jù)編碼標(biāo)志框架的尺寸與測(cè)量的實(shí)際情況，在每根上均置設(shè)置編碼標(biāo)志13個(gè)，平均I米距離布設(shè)I個(gè)，總共布設(shè)143個(gè)，在顧及到攝影精度和拍攝距離的情況下，要計(jì)算人工標(biāo)志的尺寸，在圖象處理與分析過程中，人工標(biāo)志在像片上成像的尺寸為 0>5pixel，以保證圖像提取精度；
Q人工標(biāo)志尺寸計(jì)算工式> =其中，d為人工標(biāo)志直徑，c為人工標(biāo)志像點(diǎn)直徑方向像素個(gè)數(shù)，r為像素尺寸 O. 0076mm, I (2. 5m)為空間攝影距離,f為相機(jī)焦距8. 5mm,式中c彡5計(jì)算可得d = 11. 2mm ； 綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件和測(cè)量精度，測(cè)量中使用的是直徑d為ll-12mm的圓形定向反光標(biāo)志和編碼標(biāo)志；2、進(jìn)行面板的攝影測(cè)量將單元面板放在移動(dòng)小車上，推入到編碼標(biāo)志框架內(nèi)，通過控制相機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)(如步進(jìn)電機(jī))，移動(dòng)相機(jī)進(jìn)行測(cè)量；面板測(cè)量過程，是測(cè)量相片采集的過程。除了相片成像質(zhì)量之外，測(cè)量相片的重疊度也是面板測(cè)量的關(guān)鍵，其重疊度的優(yōu)劣，決定后續(xù)的計(jì)算結(jié)果，甚至影響此次測(cè)量的成敗。只注重重疊率，會(huì)增加測(cè)量需要的照片，影響測(cè)量效率，因此，要對(duì)相片的重疊率進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照相鄰兩張相片60%的重疊率，每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)至少會(huì)有三張相片對(duì)其成像，既可以保證測(cè)量精度，又可以提高測(cè)量效率；攝影測(cè)量中的相機(jī)其視場(chǎng)角為Θ = 50. 68°，攝影距離(即相機(jī)與被測(cè)單元面板間的距離)H = 2. 5m，其單次攝影物方覆蓋范圍長(zhǎng)度D = 2Htan( Θ /2)，則D = 2. 368m，根據(jù)相鄰兩張相片60%的重疊率的原則，將相機(jī)單次移動(dòng)距離λ =DXO. 4 = 947. 2mm，采用常規(guī)的“條帶法”對(duì)單元面板進(jìn)行測(cè)量，即將相機(jī)在單元面板上方沿著軌道單次滑動(dòng)947. 2mm, 并對(duì)單元面板進(jìn)行拍照一次，待該條帶拍攝覆蓋一次之后，將相機(jī)更換到另一導(dǎo)軌，重復(fù)上述步驟，直到整個(gè)單元面板覆蓋攝影完畢；利用條帶法對(duì)單元面板進(jìn)行測(cè)量，既可以滿足攝影網(wǎng)形和測(cè)量精度的要求，又易與實(shí)現(xiàn)；
3、坐標(biāo)計(jì)算通過攝影測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量軟件進(jìn)行計(jì)算，各相機(jī)(又稱相機(jī)攝站)之間的位置關(guān)系需要利用編碼標(biāo)志進(jìn)行傳遞，利用編碼標(biāo)志進(jìn)行圖像拼接的主要原理是把編碼標(biāo)志作為測(cè)量中具有已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)，由這些控制點(diǎn)的已知空間信息，通過后方交會(huì)原理得到每幅像片的外方位元素，從而完成對(duì)圖像的拼接和像機(jī)之間坐標(biāo)關(guān)系的傳遞，坐標(biāo)的計(jì)算是通過攝影測(cè)量系統(tǒng)專業(yè)的測(cè)量軟件進(jìn)行，簡(jiǎn)單快速；4、分析計(jì)算方法是，利用測(cè)量數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)為基于CAD功能的常用曲面分析軟件，每種類型面板加工時(shí)都有CAD模型，分析系統(tǒng)使用CAD模型與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)計(jì)算，得到面板的面型精度情況；分析過程為，利用曲面分析軟件，分別導(dǎo)入單元面板的測(cè)量點(diǎn)集和其數(shù)模(IGS格式)，精確匹配后，計(jì)算單元面板上的66個(gè)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的實(shí)際偏差量，同時(shí)，導(dǎo)出三維顯示的偏差量針狀圖和偏差量數(shù)據(jù)報(bào)表，從而完成對(duì)球面射電望遠(yuǎn)鏡單元面板的測(cè)量；5、重力變形影響的測(cè)量因?yàn)閱卧姘咫S著傾斜角度的不同，會(huì)產(chǎn)生不同的重力變形，需要對(duì)重力變形影響進(jìn)行測(cè)量，如果對(duì)每塊傾斜狀態(tài)下單元面板進(jìn)行相同傾斜角度測(cè)量，會(huì)增大測(cè)量工作量與測(cè)量難度；因此，對(duì)重力變形影響的測(cè)量是必需的，方法是，采用常規(guī)的仿真分析與測(cè)量檢驗(yàn)方法進(jìn)行，將單元面板平放在工作平臺(tái)上(上產(chǎn)與運(yùn)輸狀態(tài))， 使用單相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算分析面板面型精度情況，將單元面板放置在設(shè)定角度。采用與上一步同樣的方法進(jìn)行測(cè)量與分析，計(jì)算得到單元面板平放狀態(tài)與傾斜狀態(tài)的變形情況，同時(shí)傾斜狀態(tài)變形量可與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，通過多次測(cè)量與修正，最后確定仿真的數(shù)學(xué)模型，用仿真數(shù)學(xué)模型對(duì)相同類型的面板進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真即可得到傾斜狀態(tài)的單元面板變形情況。本發(fā)明方法易操作，速度快，測(cè)量準(zhǔn)確，經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)和試用，并與現(xiàn)有常規(guī)方法相比較，取得了滿意的效果，表明本發(fā)明方法穩(wěn)定可靠，具有很強(qiáng)的適用性，單元面板的型面精度< O. 8mm，單塊單元面板測(cè)量時(shí)間< lOmin，測(cè)試效果均優(yōu)于現(xiàn)有方法，而且大大減少了現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試工作量，提高工作效率5倍以上，同時(shí)大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，有效滿足了 FAST安裝現(xiàn)場(chǎng)的面板檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的要求，是球面射電望遠(yuǎn)鏡反射面單元面板測(cè)量方法上的一大創(chuàng)造。
權(quán)利要求
1.一種球面射電望遠(yuǎn)鏡反射面單元面板測(cè)量方法，其特征在于，由以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)、布設(shè)測(cè)量標(biāo)志測(cè)量標(biāo)志包括兩種人工標(biāo)志，即圓形定向反光標(biāo)志和編碼標(biāo)志， 布設(shè)圓形定向反光標(biāo)志和定向反光材料制作的編碼標(biāo)志，用于實(shí)現(xiàn)相片的拼接和計(jì)算自動(dòng)化，方法是，在單元面板的66個(gè)調(diào)整節(jié)點(diǎn)上粘貼圓形定向反光標(biāo)志，單元面板的其它部位根據(jù)需求，可增加圓形定向反光標(biāo)志作為加密點(diǎn)，以能夠充分反映單元面板狀態(tài)；采用編碼標(biāo)志框架，安裝在單元面板的上方，編碼標(biāo)志框架由多根均置互相平行的長(zhǎng)金屬條固定在支架上構(gòu)成，在每根上均置設(shè)置編碼標(biāo)志13個(gè)，平均I米距離布設(shè)I個(gè)，總共布設(shè)143個(gè)，人工標(biāo)志在像片上成像的尺寸為0>5 pixel，以保證圖像提取精度；Q人工標(biāo)志尺寸計(jì)算工式'd = 了其中，d為人工標(biāo)志直徑，c為人工標(biāo)志像點(diǎn)直徑方向像素個(gè)數(shù)，r為像素尺寸，I為空間攝影距離，f為相機(jī)焦距；(2)、進(jìn)行面板的攝影測(cè)量將單元面板放在移動(dòng)小車上，推入到編碼標(biāo)志框架內(nèi)，通過控制相機(jī)運(yùn)載系統(tǒng)，移動(dòng)相機(jī)進(jìn)行測(cè)量；單元面板測(cè)量過程，是測(cè)量相片采集的過程，除了相片成像質(zhì)量之外，測(cè)量相片的重疊度也是面板測(cè)量的關(guān)鍵，按照相鄰兩張相片60%的重疊率，每個(gè)標(biāo)志點(diǎn)至少會(huì)有三張相片對(duì)其成像，既可以保證測(cè)量精度，又可以提高測(cè)量效率；攝影測(cè)量中的相機(jī)視場(chǎng)角為Θ = 50.68°，攝影距離H = 2. 5m，其單次攝影物方覆蓋范圍長(zhǎng)度D = 2Htan( Θ /2)，根據(jù)相鄰兩張相片60%的重疊率的原則，相機(jī)單次移動(dòng)距離λ =DX0. 4 = 9472mm，采用常規(guī)的“條帶法”對(duì)單元面板進(jìn)行測(cè)量，將相機(jī)在單元面板上方沿著軌道單次滑動(dòng)9472_，并對(duì)單元面板進(jìn)行拍照一次，待該條帶拍攝覆蓋一次之后，將相機(jī)更換到另一導(dǎo)軌，重復(fù)上述步驟，直到整個(gè)單元面板覆蓋攝影完畢；(3)、坐標(biāo)計(jì)算通過攝影測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量軟件進(jìn)行計(jì)算，各相機(jī)之間的位置關(guān)系需要利用編碼標(biāo)志進(jìn)行傳遞，利用編碼標(biāo)志進(jìn)行圖像拼接，把編碼標(biāo)志作為測(cè)量中具有已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)，由這些控制點(diǎn)的已知空間信息，通過后方交會(huì)原理得到每幅像片的外方位元素，從而完成對(duì)圖像的拼接和像機(jī)之間坐標(biāo)關(guān)系的傳遞，坐標(biāo)的計(jì)算是通過攝影測(cè)量系統(tǒng)常用的測(cè)量軟件進(jìn)行；(4)、分析計(jì)算方法是，利用測(cè)量數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)為基于CAD功能的常用曲面分析軟件，每種類型面板加工時(shí)都有CAD模型，分析系統(tǒng)使用CAD模型與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)計(jì)算，得到面板的面型精度情況；分析過程為，利用曲面分析軟件，分別導(dǎo)入單元面板的測(cè)量點(diǎn)集和其IGS格式數(shù)模，精確匹配后，計(jì)算單元面板上的66個(gè)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的實(shí)際偏差量，同時(shí)，導(dǎo)出三維顯示的偏差量針狀圖和偏差量數(shù)據(jù)報(bào)表。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的球面射電望遠(yuǎn)鏡反射面單元面板測(cè)量方法，其特征在于，步驟⑴中所述的人工標(biāo)志直徑d為ll_12mm，人工標(biāo)志像點(diǎn)直徑方向像素個(gè)數(shù)c ^ 5，像素尺寸！'為O. 0076mm，空間攝影距離I為2. 5m，相機(jī)焦距f為8. 5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的球面射電望遠(yuǎn)鏡反射面單元面板測(cè)量方法，其特征在于，還包括對(duì)反射面單元面板重力變形影響的測(cè)量，方法是，釆用常規(guī)的仿真分析與測(cè)量檢驗(yàn)方法進(jìn)行，將單元面板平放在工作平臺(tái)上，使用單相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算分析面板面型精度情況，將單元面板放置在設(shè)定角度，采用與上一步同樣的方法進(jìn)行測(cè)量與分析，計(jì)算得到單元面板平放狀態(tài)與傾斜狀態(tài)的變形情況，同時(shí)傾斜狀態(tài)變形量可與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，通過多次測(cè)量與修正，最后確定仿真的數(shù)學(xué)模型，用仿真數(shù)學(xué)模型對(duì)相同類型的面板進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真，即可得到傾斜狀態(tài)的單元面板變形情況。
全文摘要
本發(fā)明涉及球面射電望遠(yuǎn)鏡反射面單元面板測(cè)量方法，可有效解決對(duì)球面射電望遠(yuǎn)鏡單元面板的快速而精確的測(cè)量問題，方法是，在每個(gè)面板的66個(gè)調(diào)整節(jié)點(diǎn)上布設(shè)圓形定向反光標(biāo)志，在單個(gè)面板上放置編碼標(biāo)志框架，編碼標(biāo)志框架上布設(shè)編碼標(biāo)志，并計(jì)算人工標(biāo)志的尺寸；將單元天線面板推入到編碼標(biāo)志框架內(nèi)，移動(dòng)相機(jī)進(jìn)行測(cè)量；通過攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，完成對(duì)圖像的拼接和測(cè)點(diǎn)之間坐標(biāo)關(guān)系的傳遞；利用測(cè)量數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)使用CAD模型與測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)計(jì)算，得到面板的面型精度，導(dǎo)出三維顯示的偏差量針狀圖和偏差量數(shù)據(jù)報(bào)表，從而完成對(duì)球面射電望遠(yuǎn)鏡單元面板的測(cè)量，本發(fā)明測(cè)試方法簡(jiǎn)單，易操作，勞動(dòng)強(qiáng)度小，速度快，省時(shí)省力，精度高。
文檔編號(hào)G01B11/16GK102589425SQ20121000820
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者朱麗春, 李心儀, 王啟明, 胡金文, 范生宏, 范欽紅 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院國家天文臺(tái), 鄭州辰維科技股份有限公司