CN102589425A - 球面射电望远镜反射面单元面板测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及球面射电望远镜反射面单元面板测量方法，可有效解决对球面射电望远镜单元面板的快速而精确的测量问题，方法是，在每个面板的66个调整节点上布设圆形定向反光标志，在单个面板上放置编码标志框架，编码标志框架上布设编码标志，并计算人工标志的尺寸；将单元天线面板推入到编码标志框架内，移动相机进行测量；通过摄影测量***进行计算，完成对图像的拼接和测点之间坐标关系的传递；利用测量数据分析***使用CAD模型与测量数据进行最优计算，得到面板的面型精度，导出三维显示的偏差量针状图和偏差量数据报表，从而完成对球面射电望远镜单元面板的测量，本发明测试方法简单，易操作，劳动强度小，速度快，省时省力，精度高。

Description

球面射电望远镜反射面单元面板测量方法

技术领域

本发明涉及一种球面射电望远镜(FAST)反射面单元面板测量方法。

背景技术

球面射电望远镜(FAST)预研究始于1994年，由中国科学院国家天文台主持，全国20余所大学和研究所的百余位科技骨干参与，与英、荷、德、澳大利亚、美等有广泛合作。2007年7月，国家发展和改革委员会原则同意将500米口径球面射电望远镜(FAST)项目列入国家高技术产业发展项目计划，中国科学院国家天文台FAST项目正式完成国家立项。项目建设地点为贵州省黔南自治州，建设周期5.5年。

FAST是目前世界上即将建设的最大单口径望远镜，它利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址，洼坑内铺设数千块单元面板组成500米球冠状主动反射面，并采用轻型索拖动机构和并联机器人，可以实现望远镜接收机的高精度定位。

FAST反射面是由4400块单元面板(球面三角形)组成，共计180余种类型。单元面板为边长约11m，曲率半径315m球面三角形。每个面板上布置66个调整节点；单元面板透空率为50％。由于FAST项目安装现场的面板检测，目前人工常规方法工作量大(4400块单元面板)，时间长，而且保证不了测量的精度，影响使用效果，满足不了现场测量快速、精确的基本要求。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术上的缺陷，本发明之目的就是提供一种球面射电望远镜(FAST)反射面单元面板测量方法，可有效解决对球面射电望远镜单元面板的快速而精确的测量问题。

本发明解决的技术方案是，由以下步骤实现：

1、首先，布设测量标志：测量标志包括人工的圆形定向反光标志和人工的编码标志，统称人工标志，方法是，在每个面板的66个调整节点上布设圆形定向反光标志(retro-reflective target，简写为RRT)，在单个面板上放置编码标志框架，编码标志框架上布设编码标志，并计算人工标志的尺寸；

2、进行面板的摄影测量：将单元天线面板放在移动小车上，推入到编码标志框架内，通过控制相机运载***，移动相机进行测量；

3、坐标计算：通过摄影测量***的测量软件进行计算，完成对图像的拼接和测点之间坐标关系的传递；

4、分析计算：方法是，利用测量数据分析***进行，该***为基于CAD功能的常用曲面分析软件，每种类型面板加工时都有CAD模型，分析***使用CAD模型与测量数据进行最优计算，得到面板的面型精度，导出三维显示的偏差量针状图和偏差量数据报表，从而完成对球面射电望远镜单元面板的测量。

本发明测试方法简单，易操作，劳动强度小，速度快，省时省力，精度高，有效保证球面射电望远镜的使用效果。

具体实施方式

以下结合具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。

本发明在具体实施中，是由以下步骤实现的：

1、布设测量标志：测量标志包括两种人工标志，即圆形定向反光标志和编码标志，圆形定向反光标志的特点是，反射亮度比漫射常规的白色标志高出数百甚至上千倍，能容易得到被测目标物自身影像“消隐”而圆形定向反光标志的构像却特别清晰而突出的“准二值影像”，布设圆形定向反光标志和定向反光材料制作的编码标志，用于实现相片的拼接和计算自动化，方法是，在单元面板的66个调整节点上粘贴圆形定向反光标志，单元面板的其它部位根据需求，可以增加一定数量的测量用的圆形定向反光标志作为加密点使用，以能够充分反映单元面板状态；

采用编码标志框架，安装在单元面板的上方，编码标志框架由多根均置互相平行的长金属条固定在支架上构成，编码标志框架的作用是在测量4400块单元面板时编码标志点可以重复使用，根据编码标志框架的尺寸与测量的实际情况，在每根上均置设置编码标志13个，平均1米距离布设1个，总共布设143个，在顾及到摄影精度和拍摄距离的情况下，要计算人工标志的尺寸，在图象处理与分析过程中，人工标志在像片上成像的尺寸为

以保证图像提取精度；

人工标志尺寸计算工式： $d=\frac{\mathrm{crl}}{f};$

其中，d为人工标志直径，c为人工标志像点直径方向像素个数，r为像素尺寸0.0076mm，l(2.5m)为空间摄影距离，f为相机焦距8.5mm，式中c≥5计算可得d＝11.2mm；综合考虑现场条件和测量精度，测量中使用的是直径d为11-12mm的圆形定向反光标志和编码标志；

2、进行面板的摄影测量：将单元面板放在移动小车上，推入到编码标志框架内，通过控制相机运载***(如步进电机)，移动相机进行测量；

面板测量过程，是测量相片采集的过程。除了相片成像质量之外，测量相片的重叠度也是面板测量的关键，其重叠度的优劣，决定后续的计算结果，甚至影响此次测量的成败。只注重重叠率，会增加测量需要的照片，影响测量效率，因此，要对相片的重叠率进行设计，按照相邻两张相片60％的重叠率，每个标志点至少会有三张相片对其成像，既可以保证测量精度，又可以提高测量效率；

摄影测量中的相机其视场角为θ＝50.68°，摄影距离(即相机与被测单元面板间的距离)H＝2.5m，其单次摄影物方覆盖范围长度D＝2Htan(θ/2)，则D＝2.368m，根据相邻两张相片60％的重叠率的原则，将相机单次移动距离λ＝D×0.4＝947.2mm，采用常规的“条带法”对单元面板进行测量，即将相机在单元面板上方沿着轨道单次滑动947.2mm，并对单元面板进行拍照一次，待该条带拍摄覆盖一次之后，将相机更换到另一导轨，重复上述步骤，直到整个单元面板覆盖摄影完毕；

利用条带法对单元面板进行测量，既可以满足摄影网形和测量精度的要求，又易与实现；

3、坐标计算：通过摄影测量***的测量软件进行计算，各相机(又称相机摄站)之间的位置关系需要利用编码标志进行传递，利用编码标志进行图像拼接的主要原理是把编码标志作为测量中具有已知坐标的控制点，由这些控制点的已知空间信息，通过后方交会原理得到每幅像片的外方位元素，从而完成对图像的拼接和像机之间坐标关系的传递，坐标的计算是通过摄影测量***专业的测量软件进行，简单快速；

4、分析计算：方法是，利用测量数据分析***进行，该***为基于CAD功能的常用曲面分析软件，每种类型面板加工时都有CAD模型，分析***使用CAD模型与测量数据进行最优计算，得到面板的面型精度情况；

分析过程为，利用曲面分析软件，分别导入单元面板的测量点集和其数模(IGS格式)，精确匹配后，计算单元面板上的66个调整节点的实际偏差量，同时，导出三维显示的偏差量针状图和偏差量数据报表，从而完成对球面射电望远镜单元面板的测量；

5、重力变形影响的测量：因为单元面板随着倾斜角度的不同，会产生不同的重力变形，需要对重力变形影响进行测量，如果对每块倾斜状态下单元面板进行相同倾斜角度测量，会增大测量工作量与测量难度；因此，对重力变形影响的测量是必需的，方法是，采用常规的仿真分析与测量检验方法进行，将单元面板平放在工作平台上(上产与运输状态)，使用单相机摄影测量***进行测量，根据测量结果计算分析面板面型精度情况，将单元面板放置在设定角度。采用与上一步同样的方法进行测量与分析，计算得到单元面板平放状态与倾斜状态的变形情况，同时倾斜状态变形量可与仿真计算结果进行比较，通过多次测量与修正，最后确定仿真的数学模型，用仿真数学模型对相同类型的面板进行数学仿真即可得到倾斜状态的单元面板变形情况。

本发明方法易操作，速度快，测量准确，经多次反复试验和试用，并与现有常规方法相比较，取得了满意的效果，表明本发明方法稳定可靠，具有很强的适用性，单元面板的型面精度≤0.8mm，单块单元面板测量时间≤10min，测试效果均优于现有方法，而且大大减少了现场的测试工作量，提高工作效率5倍以上，同时大大降低了劳动强度，有效满足了FAST安装现场的面板检测方法简单、快速、准确的要求，是球面射电望远镜反射面单元面板测量方法上的一大创造。

Claims (3)

1.一种球面射电望远镜反射面单元面板测量方法，其特征在于，由以下步骤实现：

(1)、布设测量标志：测量标志包括两种人工标志，即圆形定向反光标志和编码标志，布设圆形定向反光标志和定向反光材料制作的编码标志，用于实现相片的拼接和计算自动化，方法是，在单元面板的66个调整节点上粘贴圆形定向反光标志，单元面板的其它部位根据需求，可增加圆形定向反光标志作为加密点，以能够充分反映单元面板状态；

采用编码标志框架，安装在单元面板的上方，编码标志框架由多根均置互相平行的长金属条固定在支架上构成，在每根上均置设置编码标志13个，平均1米距离布设1个，总共布设143个，人工标志在像片上成像的尺寸为

以保证图像提取精度；

人工标志尺寸计算工式： $d=\frac{\mathrm{crl}}{f};$

其中，d为人工标志直径，c为人工标志像点直径方向像素个数，r为像素尺寸，l为空间摄影距离，f为相机焦距；

(2)、进行面板的摄影测量：将单元面板放在移动小车上，推入到编码标志框架内，通过控制相机运载***，移动相机进行测量；

单元面板测量过程，是测量相片采集的过程，除了相片成像质量之外，测量相片的重叠度也是面板测量的关键，按照相邻两张相片60％的重叠率，每个标志点至少会有三张相片对其成像，既可以保证测量精度，又可以提高测量效率；

摄影测量中的相机视场角为θ＝50.68°，摄影距离H＝2.5m，其单次摄影物方覆盖范围长度D＝2Htan(θ/2)，根据相邻两张相片60％的重叠率的原则，相机单次移动距离λ＝D×0.4＝9472mm，采用常规的“条带法”对单元面板进行测量，将相机在单元面板上方沿着轨道单次滑动9472mm，并对单元面板进行拍照一次，待该条带拍摄覆盖一次之后，将相机更换到另一导轨，重复上述步骤，直到整个单元面板覆盖摄影完毕；

(3)、坐标计算：通过摄影测量***的测量软件进行计算，各相机之间的位置关系需要利用编码标志进行传递，利用编码标志进行图像拼接，把编码标志作为测量中具有已知坐标的控制点，由这些控制点的已知空间信息，通过后方交会原理得到每幅像片的外方位元素，从而完成对图像的拼接和像机之间坐标关系的传递，坐标的计算是通过摄影测量***常用的测量软件进行；

(4)、分析计算：方法是，利用测量数据分析***进行，该***为基于CAD功能的常用曲面分析软件，每种类型面板加工时都有CAD模型，分析***使用CAD模型与测量数据进行最优计算，得到面板的面型精度情况；

分析过程为，利用曲面分析软件，分别导入单元面板的测量点集和其IGS格式数模，精确匹配后，计算单元面板上的66个调整节点的实际偏差量，同时，导出三维显示的偏差量针状图和偏差量数据报表。

2.根据权利要求1所述的球面射电望远镜反射面单元面板测量方法，其特征在于，步骤(1)中所述的人工标志直径d为11-12mm，人工标志像点直径方向像素个数c≥5，像素尺寸r为0.0076mm，空间摄影距离l为2.5m，相机焦距f为8.5mm。

3.根据权利要求1所述的球面射电望远镜反射面单元面板测量方法，其特征在于，还包括对反射面单元面板重力变形影响的测量，方法是，采用常规的仿真分析与测量检验方法进行，将单元面板平放在工作平台上，使用单相机摄影测量***进行测量，根据测量结果计算分析面板面型精度情况，将单元面板放置在设定角度，采用与上一步同样的方法进行测量与分析，计算得到单元面板平放状态与倾斜状态的变形情况，同时倾斜状态变形量可与仿真计算结果进行比较，通过多次测量与修正，最后确定仿真的数学模型，用仿真数学模型对相同类型的面板进行数学仿真，即可得到倾斜状态的单元面板变形情况。