JP2005003607A - 変位測定器、並行変位傾斜測定器、及びアンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】測定器配置の制約とマーカの不安定性による制約が少なく、被測定部の変位を測定できる変位測定器と、この変位測定器を用いてアンテナ指向誤差を補正するアンテナ装置を得る。
【解決手段】変位を測定する被測定部１、測定基準となる測定基準部２、マーカを生成するレーザポインタ３、レーザポインタ３の像を撮影する２次元のイメージセンサ４、イメージセンサ４が出力する画像データ５に基づきレーザポインタ３からのレーザ光の重心位置を算出する重心位置算出部６、レーザ光の重心位置データ７から被測定部の変位を算出する変位算出部８を備えて構成される。
【選択図】 図１
【解決手段】変位を測定する被測定部１、測定基準となる測定基準部２、マーカを生成するレーザポインタ３、レーザポインタ３の像を撮影する２次元のイメージセンサ４、イメージセンサ４が出力する画像データ５に基づきレーザポインタ３からのレーザ光の重心位置を算出する重心位置算出部６、レーザ光の重心位置データ７から被測定部の変位を算出する変位算出部８を備えて構成される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、精密計測技術分野において、測定基準部に対する被測定部の相対的な変位を測定する変位測定器及び並行変位傾斜測定器、並びにこれらの測定器を備えるアンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電波天文学の分野では、近年になってミリ波からサブミリ波へとより高い周波数の電波を観測するという要求が高まってきている。高い周波数の電波天体の観測を行う場合、望遠鏡の反射鏡面とビームの指向追尾はより高い精度が必要となる。一方では、観測効率を高めるために、望遠鏡の大口径化が進み、また昼夜のあらゆる天候で観測を実施できることが望まれている。
【０００３】
しかしながら口径が大きくなることによって、望遠鏡の自重変形が大きくなり、また、日射による熱変形や風圧による変形が大きくなるため、高い指向追尾の精度を得ることが困難となり、このような高い指向追尾精度の要求を満足するためには、望遠鏡の反射鏡の指向誤差をリアルタイムに測定し、補正する技術が必要になるものである。また、このような対策として従来から種々提案されているところである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−３４０２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、指向追尾のための反射鏡の指向誤差を測定するために従来のアンテナ角度検出装置は、光位置検出器と光ビーム発生器とをＥＬ角度検出器及びＡＺ角度検出器上に設置する必要があり、これらの機器配置がアンテナ構造上の制約となるという課題があった。
【０００６】
また、使用される検出器が光ビームを検出する光位置検出器であったため、測定場所の変位を示すマーカは、高出力の光ビーム発生器でなくてはならない制約があるという課題があった。
【０００７】
また、従来のアンテナ角度検出装置は、検出された真の指向により各軸の角度検出器の出力を補正しているが、角度検出器の出力を補正するだけでは、特に高周波の指向誤差を補正することができず、高精度なアンテナの指向追尾精度を得ることができないという課題があった。
【０００８】
また、従来のアンテナ角度検出装置で使用される検出器が光ビームを検出する光位置検出器であるため、測定場所の変位を示すマーカは不安定であってはならないという課題があった。
【０００９】
また、特に測定中、光ビーム発生器からのビーム形状が変化することにより、測定場所は変位していないのに、マーカの重心位置が変動するという課題があった。
また光ビーム発生器からのビームに、環境による高周波ノイズがのることにより、マーカの重心位置が変動するという課題があった。
さらに光ビーム発生器からのビームが、ガウシアンビームでなければマーカの重心位置が変動するという課題があった。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、測定器配置の制約とマーカの不安定性による制約が少なく、被測定部の変位を測定できる変位測定器と、被測定部の並行変位と傾斜を測定できる並行変位傾斜測定器と、この変位測定器または並行変位傾斜測定器を用いてアンテナ指向誤差を補正するアンテナ装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る変位測定器は、位置を表すマーカを備えた測定基準部と、マーカに対向して被測定部に設けた撮像素子と、撮像素子で撮像したマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、マーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、重心位置算出部により算出したマーカの重心位置に基づいて、被測定部の変位を算出する変位算出部とを備えるものである。
【００１２】
この発明に係る並行変位傾斜測定器は、位置を表す第１のマーカを備えた測定基準部と、位置を表す第２のマーカを備えた被測定部と、第１のマーカに対向して被測定部に設けた第１の撮像装置と、第２のマーカに対向して測定基準部に設けた第２の撮像装置と、第１および第２の撮像素子で撮像した第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、重心位置算出部により算出したマーカの重心位置に基づいて、被測定部の変位と傾斜を算出する変位傾斜算出部とを備えるものである。
【００１３】
この発明に係るアンテナ装置は、アンテナの仰角駆動軸を支持するアンテナ架台と、アンテナ架台の上部に設けた位置を表す第１のマーカと、第１のマーカに対向してアンテナ架台の底部に設けた第１の撮像装置と、アンテナ架台の底部に設けた位置を表す第２のマーカと、第２のマーカに対向してアンテナ架台の上部に設けた第２の撮像装置と、第１および第２の撮像素子で撮像した第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、重心位置算出部により算出した第１および第２のマーカの重心位置に基づいて、アンテナ架台の上部の並行変位と傾斜を算出する変位傾斜算出部とを備えるものである。
【００１４】
この発明に係るアンテナ装置は、アンテナの仰角駆動軸を支持するアンテナ架台と、アンテナ架台の上部に設けた位置を表す第１のマーカと、第１のマーカに対向して前記アンテナ架台の底部に設けた第１の撮像素子と、アンテナ架台の底部に設けた位置を表す第２のマーカと、第２のマーカに対向してアンテナ架台の上部に設けた第２の撮像素子と、第１および第２の撮像素子で撮像した第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、重心位置算出部により算出した第１および第２のマーカの重心位置に基づいて、アンテナ架台の上部の左右の並行変位と傾斜を算出する変位傾斜算出部と、変位傾斜算出部により算出したアンテナ架台の上部の左右の並行変位と傾斜に基づいて、アンテナの指向誤差を算出する指向誤差算出部とを備えるものである。
【００１５】
この発明に係るアンテナ装置は、アンテナの主反射鏡パネルを支持する主反射鏡支持骨組と、主反射鏡支持骨組の先端に設けた位置を表す第１のマーカと、第１のマーカに対向して主反射鏡支持骨組を支持するセンターハブの底部に設けた第１の撮像装置と、主反射鏡支持骨組を支持するセンターハブの底部に設けた位置を表す第２のマーカと、第２のマーカに対向して主反射鏡支持骨組の先端に設けた第２の撮像素子と、第１および第２の撮像素子で撮像した第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、重心位置算出部により算出したマーカの位置に基づいて、主反射鏡支持骨組の変位を算出する変位算出部とを備えるものである。
【００１６】
この発明に係るアンテナ装置は、主反射鏡と副反射鏡とを備えるアンテナ装置の副反射鏡を支持する副反射鏡支持部と、副反射鏡と副反射鏡支持機構との接合部に設けた位置を表す第１のマーカと、第１のマーカに対向して主反射鏡と副反射鏡支持機構との接合部に設けた第１の撮像素子と、主反射鏡と副反射鏡支持機構との接合部に設けた位置を表す第２のマーカと、第２のマーカに対向して副反射鏡と副反射鏡支持機構との接合部に設けた第２の撮像素子と、第１および第２の撮像素子で撮像した第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、重心位置算出部により算出した第１および第２のマーカの重心位置に基づいて、副反射鏡の主反射鏡からの変位を算出する変位算出部とを備えるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の一形態について説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る変位測定器について図１、図１０〜図１３を参照して説明する。なお、図１は実施の形態１に係る変位測定器の一例を示す構成図である。また、図１０及び図１１はこの変位測定器のノイズの一例を示す図であり、図１２及び図１３は効果を説明するための、演算結果の一例を示す図である。
【００１８】
実施の形態１に係る変位測定器は図１に示すように、変位を測定する被測定部１、測定基準となる測定基準部２、マーカを生成するレーザポインタ３、レーザポインタ３の像を撮影する２次元のイメージセンサ４、イメージセンサ４が出力する画像データ５に基づきレーザポインタ３からのレーザ光の重心位置を算出する重心位置算出部６、レーザ光の重心位置データ７から被測定部の変位を算出する変位算出部８を備えて構成される。
【００１９】
なお、イメージセンサ４によって測定されるレーザ光の位置は、レーザポインタ３からのレーザ光が十分に細ければ、イメージセンサ４上の画素により、その位置が測定され、この画素位置を重心位置算出部６から出力すれば良い。しかし、実際にはイメージセンサ４の画素サイズよりもレーザポインタ３のレーザ光スポットは大きく、イメージセンサ４の複数の画素に亘って、レーザ光が照射される。この場合、レーザ光がイメージセンサ４上のどの画素を中心に照射されているかを重心位置算出部６によって、重心位置を求めることになる。このレーザ光の重心位置を求める方法は、各画素におけるイメージセンサ４の出力値と中心位置からの距離との積の総和が０となる点を重心位置（重心画素）とする方法がある。例えば、イメージセンサ４の出力を１と０とで表現した場合には、レーザ光の重心位置はレーザ光の照射範囲の面心位置ということになる。
【００２０】
さらに、測定中レーザ光が不安定でビーム形状が変化する事により、測定場所は変位していないのにマーカの重心位置が変動する問題点を解決するために、以下の重心位置演算方法を用いる。
【００２１】
上述したようなビームのノイズを除去するために、イメージセンサ４の各画素における出力の所定の値を閾値として、閾値以上の出力値を持つ画素のみで重心位置を演算する。また、イメージセンサ４の連続取得画像の重心位置を連続して演算する場合は次のように行う。即ち、取得した画素の輝度の高いほうから順に、初期設定数内でその初期設定数に最も近い画素数の範囲で画素を抽出し、抽出した画素の輝度値の最も低いものを閾値としてマーカの重心位置を演算する。なお、画素の抽出は、初期設定数内ではなく、その数の近傍で最も近くなる範囲としてもよい。
【００２２】
イメージセンサ４の連続取得画像の重心位置を連続して演算する場合の重心位置の演算に用いる画素数を所定数に初期設定する方法を以下に示す。
重心位置を演算するとき、演算する画素数が少なすぎると、図１０に示すような高周波ノイズの影響を受ける。したがって高周波ノイズを除去するのに必要な画素数以上で所定数を初期設定する。また演算する画素数が多いと、図１１に示すようなノイズ（第２ピーク）の影響を受ける。この第２ピーク（ノイズ）の輝度値以上の輝度を持つ画素数以下に所定数を初期設定する。よって所定数は上記の両方を満足するような値とすることが好ましい。
【００２３】
上述したように画素数を所定数に初期設定し、その初期設定数内で最も近い画素数に基づき演算する方法で演算した結果を図１２に示す。従来の方法で演算した結果である図１３に比べて、安定していることが分かる。それは例えば、図１３（ｂ）の重心位置のＸ軸方向の推移幅は２．５画素に対し、図１２（ｂ）の重心位置のＸ軸方向の推移幅は２．０画素と安定になっている。また図１２（ｃ）のＡ部は図１３（ｃ）のＢ部に比べて滑らかであり、高周波ノイズの影響を除去できていることが分かる。
【００２４】
なお、図１２（ａ）及び、図１３（ａ）は重心位置のＸ−Ｙ平面での、時間経過に対する移動状態を、また、図１２（ｂ）及び、図１３（ｂ）は重心位置のＸ方法の、時間経過に対する移動状態を、さらに、図１２（ｃ）及び、図１３（ｃ）は重心位置のＹ方法の、時間経過に対する移動状態を示す一測定例である。
【００２５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器について、図２〜図５を参照して説明する。なお、図２はこの実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器の一例を示す構成図である。また、図３はこの並行変位傾斜測定器の原理を示す模式図であって、設定初期の状態を示し、図４は図３に示す並行変位傾斜測定器が並行変位ΔＸを生じた状態を示し、また、図５は図３に示す並行変位傾斜測定器が回転θｙを生じた場合である。
【００２６】
この実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器は図２に示すように、変位及び傾斜を測定する被測定部１０、測定基準となる測定基準部１１、マーカを生成するレーザポインタ１２ａ及び１２ｂ、レーザポインタ１２ａ、１２ｂの像を撮影する２次元のイメージセンサ１３ａ及び１３ｂ、イメージセンサ１３ａが出力する画像データ１４ａからレーザポインタ１２ｂからのレーザ光の重心位置を算出する重心位置算出部１５ａ、イメージセンサ１３ｂが出力する画像データ１４ｂからレーザポインタ１２ａのレーザ光の重心位置を算出する重心位置算出部１５ｂ（重心位置算出部１５ａと重心位置算出部１５ｂを含めて重心位置算出部１５と称す）、重心位置算出部１５ａで算出される重心位置データ１６ａと重心位置算出部１５ｂで算出される重心位置データ１６ｂとから被測定部１０の変位と傾斜を算出する変位傾斜算出部１７を備えて構成される。
【００２７】
イメージセンサ１３ａ、１３ｂは２次元平面においてレーザ光の位置変位を検出するが、レーザポインタ１２ａとイメージセンサ１３ｂとで１測定系とし、レーザポインタ１２ｂとイメージセンサ１３ａとで他の１測定系として、レーザ光が相反する方向に照射するように２測定系を配置する。即ち、被測定部１０にレーザポインタ１２ａとイメージセンサ１３ａを夫々１個ずつ、また同様に測定基準部１１にはレーザポインタ１２ｂとイメージセンサ１３ｂを夫々１個ずつ配置されている。
【００２８】
次に変位及び傾斜の測定原理について説明する。
図３は並行変位傾斜測定器の設置初期の状態であって、イメージセンサ１３ａにより画像１８ａが、またイメージセンサ１３ｂにより画像１８ｂが得られている状態である。光軸が一致している状態では画像１８ａのレーザ光の位置はＰ２（０、０）であり、一方、画像１８ｂのレーザ光の位置もＰ１（０、０）である。この状態から、被測定部１０が並行変位した場合の変位量△Ｘと、傾斜した場合の傾斜角△θｙを、夫々分離して算出する。
【００２９】
まず、被測定部１０が図４に示すようにＸ軸方向に△Ｘだけ変位した場合において、画像１８ａのレーザ光の位置をＰ２（Ｘ２（＝−ａ）、Ｙ１（＝０））とし、画像１８ｂのレーザ光の位置をＰ１（Ｘ１（＝ａ）、Ｙ１（＝０））、とすると、変位量△Ｘは式（１）で表される。
ΔＸ＝Ｘ１＝−Ｘ２ （１）
【００３０】
また、被測定部１０が図５に示すようにＹ軸回りに△θｙだけ回転した場合、被測定部１０と測定基準部１１との距離Ｌが十分に大きいときは、画像１８ａのＸ２のみ値が変化し、△θｙは式（２）で表される。
ｔａｎ（△θｙ）＝（Ｘ２／Ｌ） （２）
【００３１】
従って、変位量△Ｘと回転角△θｙが同時に生じた場合、夫々、式（３）及び式（４）で表される。
△Ｘ＝Ｘ１ （３）
ｔａｎ（△θｙ）＝（Ｘ１＋Ｘ２）／Ｌ （４）
従って、△θｙは式（５）で表される。
△θｙ＝ｔａｎ−１〔（Ｘ１＋Ｘ２）／Ｌ〕 （５）
このように、式（３）によって並行変位を、式（５）によって回転を求めることができることになる。
【００３２】
なお、イメージセンサ１３ａ及びイメージセンサ１３ｂによって測定されるレーザ光の位置は、レーザポインタ１２ａ及びレーザポインタ１２ｂからのレーザ光が十分に細ければ、イメージセンサ１３ａ及びイメージセンサ１３ｂ上の画素により、その位置が測定され、この画素位置を重心位置算出部１５ａ及び重心位置算出部１５ｂから出力すれば良い。しかし、実際にはイメージセンサ１３ａ、１３ｂの画素サイズよりもレーザポインタ１２ａ、１２ｂのレーザ光スポットは大きく、イメージセンサ１３ａ、１３ｂの複数の画素に亘って、レーザ光が照射される。この場合、レーザ光がイメージセンサ１３ａ、１３ｂ上のどの画素を中心に照射されているかを求めるために手段として、重心位置算出部１５ａ、１５ｂによって重心位置を求めることになる。
【００３３】
このレーザ光の重心位置を求める方法は、各画素におけるイメージセンサ１３ａ、１３ｂの出力値と中心位置からの距離との積の総和が０となる点を重心位置（重心画素）とする方法がある。例えば、イメージセンサの出力を１と０とで表現した場合には、レーザ光の重心位置はレーザ光の照射範囲の面心位置ということになる。
【００３４】
さらに、測定中レーザ光が不安定でビーム形状が変化する事により、測定場所は変位していないのにマーカの重心位置が変動する問題点を解決するために、イメージセンサの各画素における出力値の所定の値を閾値として、閾値以上の出力値を持つ画素のみで重心位置を演算する方法を用い、また、イメージセンサの連続取得画像の重心位置を連続して演算する場合は次のように行う。即ち、取得した画素の輝度の高いほうから順に、初期設定数内でその初期設定数に最も近い画素数の範囲で画素を抽出し、抽出した画素の輝度値の最も低いものを閾値としてマーカの重心位置を演算する。なお、画素の抽出は、初期設定数内ではなく、その数の近傍で最も近くなる範囲としてもよい。
【００３５】
イメージセンサの連続取得画像の重心位置を連続して演算する場合の重心位置の演算に用いる画素数を所定数に初期設定する方法を以下に示す。
重心位置を演算するとき、演算する画素数が少なすぎると、実施の形態１で説明したように図１０に示すような高周波ノイズの影響を受ける。したがって高周波ノイズを除去するのに必要な画素数以上で所定数を初期設定する。また演算する画素数が多いと、図１１に示すようなノイズ（第２ピーク）の影響を受ける。この第２ピーク（ノイズ）の輝度値以上の輝度を持つ画素数以下に所定数を初期設定する。よって所定数は上記の両方を満足するような値とすることが好ましい。
【００３６】
上述したように画素数を所定数に初期設定し、その初期設定数内で最も近い画素数に基づき演算する方法で演算した結果は、図１２及び図１３に示すように、実施の形態１で説明したことと同様であり、同様の効果を示すものである。
【００３７】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置について、図６及び図７を参照して説明する。なお、図６は本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の一例を示す構成図であり、図７はこのアンテナ装置の制御部のブロック図である。
【００３８】
実施の形態３に係るアンテナ装置は図６に示すように、アンテナ９の仰角軸（ＥＬ軸）１９及びアンテナ９の方位軸（ＡＺ軸）２０を夫々独立して制御するもので、仰角軸１９上に設けられたＥＬ軸ベアリング２１ａ及び２１ｂ、ＡＺ軸ベアリング２２、ＥＬ軸ベアリング２１ａ及び２１ｂの下部に位置したアンテナ架台２３、アンテナ架台２３のアンテナ支持部がある上部２３ａ及び２３ｂ、ＡＺ軸ベアリング２２の上部に位置しアンテナ架台２３のアンテナ架台取付部がある底部２４ａ及び２４ｂ、マーカとなるレーザポインタ２５、レーザポインタ２５の像を撮影する２次元のイメージセンサ２６を備えて構成される。
【００３９】
ＥＬ軸ベアリング２１ａ及び２１ｂは、アンテナ架台２３に対してアンテナ９が仰角軸１９まわりに回転できるように支持する。また、ＡＺ軸ベアリング２２はアンテナ架台２３を方位軸２０まわりに回転自在に支持する。レーザポインタ２５とイメージセンサ２６は、アンテナ架台２３の上部２３ａ、２３ｂ及び底部２４ａ、２４ｂの４箇所に設けられている。レーザポインタ２５とそのレーザ光を照射するイメージセンサ２６との組は、図６の矢印付き点線でレーザ光の照射を示すように、上下で１組とする。
【００４０】
図７に示すようにこの発明に係るアンテナ装置の制御部は、重心位置算出部１５、変位傾斜算出部１７、指向誤差算出部２９、アンテナ駆動部３０、副反射鏡駆動部３１、高速駆動鏡駆動部３２を備える。
【００４１】
その動作について説明すると、４台のイメージセンサ２６からの画像データ２７は重心位置算出部１５に入力され、重心位置データ１６が算出される。算出された重心位置データ１６は変位傾斜算出部１７に入力され、アンテナ架台２３の上部２３ａ及び２３ｂの変位及び傾斜データ２８が求められる。つぎに変位及び傾斜データ２８は指向誤差算出部２９に入力され、指向誤差が算出される。指向誤差算出部２９により算出された指向誤差に基づいて、アンテナ９を仰角軸１９及び方位角２０まわりに駆動するアンテナ駆動部３０、副反射鏡を駆動する副反射鏡駆動部３１、指向方向を高速駆動可能な鏡を駆動する高速駆動鏡駆動部３２が駆動され、アンテナ９の姿勢が制御される。
【００４２】
実施の形態３においては、測定基準部を、アンテナ指向誤差の原因となる変形が少ないアンテナ架台２３の底部２４ａ及び２４ｂとし、また、被測定部をアンテナ架台２３の上部２３ａ及び２３ｂとする。これら上部２３ａ及び２３ｂ、底部２４ａ及び２４ｂの各個所にレーザポインタ２５とイメージセンサ２６を配置して、測定基準部と被測定部間に対向して設け、これを１セット（図６の矢印付き点線によって結ばれる上下のレーザポインタとイメージセンサとで１セット）として、アンテナ架台２３の左右に各２セット、合計４セットを設ける。
【００４３】
上述したようにレーザポインタ２５とイメージセンサ２６とを設けることによって、アンテナ架台２３の左右の被測定部、即ちアンテナ架台２３の上部２３ａ及び２３ｂのそれぞれの部位の並行変位及び傾斜を算出することができる。これは例えばアンテナ架台２３の上部２３ａと底部２４ａについて見れば、図２に示す並行変位傾斜測定器を構成しており、この測定器によって被測定部の並行変位及び傾斜を算出する手段と方法については実施の形態２に述べたとおりである。さらに、アンテナ架台２３の上部２３ｂと底部２４ｂについても同様である。
【００４４】
指向誤差算出部２９は、アンテナ架台２３の上部２３ａ及び２３ｂにおいて測定され算出された並行変位及び傾斜に基づいて、アンテナ指向誤差を算出する。アンテナ架台２３の上部２３ａ及び２３ｂにおいて測定され算出されたＸ軸まわり（仰角軸まわり）の傾斜量を△θｘａ、△θｘｂとすると、ＥＬ軸まわりの指向誤差θｘ、及びＡＺ軸まわりの指向誤差θｚは夫々、式（６）および次式（７）よって計算される。
θｘ＝（△θｘａ＋△θｘｂ）／２ （６）
θｚ＝（△θｘａ−△θｘｂ）／２ （７）
【００４５】
上述したようにして算出された指向誤差に基づいて、アンテナ駆動部３０はアンテナを仰角軸１９及び方位角２０まわりにフィードバック駆動し、指向誤差を補正する。また、高周波数で変化する指向誤差に対しては、アンテナ９やアンテナ架台２３に比べて、質量や感性モーメントの小さい副反射鏡を駆動する副反射鏡駆動部３１によって、或いは高速駆動鏡を駆動する高速駆動鏡駆動部３２によって、これらの鏡をフィードバック駆動し、指向誤差を補正することが可能となる。
【００４６】
上述したようなアンテナ装置は、アンテナ装置全体の熱変形や、風圧による変形を生じた場合に、このアンテナ架台２３の上部２３ａ及び２３ｂにおいて、並行変位や傾斜が生じ、この並行変位や傾斜によってアンテナの指向方向が変化すると考えられるが、算出された指向誤差に基づいて指向方向を制御することが可能となる。
【００４７】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置について、図８を参照して説明する。なお、図８はこの発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。
【００４８】
実施の形態４に係るアンテナ装置は図８に示すように、主反射鏡９ａ、主反射鏡９ａを支持する主反射鏡骨組４１、主反射鏡骨組４１を支持するセンターハブ４２、被測定部となる主反射鏡９ａの上部４３ａ及び４３ｂ、測定基準部となるセンターハブ４２の底部４４ａ及び４４ｂ、マーカを生成するレーザポインタ４５、レーザポインタ４５の像を撮影する２次元のイメージセンサ４６を備えて構成される。レーザポインタ４５とイメージセンサ４６は、主反射鏡の上部４３ａと４３ｂ、及びセンターハブ４２の底部４４ａと４４ｂの計４箇所に設けられている。レーザポインタ４５とそのレーザ光を照射するイメージセンサ４６との組は、図８の矢印付き点線でレーザ光の照射を示すように、上下で１組とする。
【００４９】
このようにレーザポインタ４５とイメージセンサ４６とを設けることによって、主反射鏡９ａの被測定部、即ち主反射鏡９ａの上部４３ａ及び４３ｂのそれぞれの並行変位及び傾斜を算出することができる。これは例えば主反射鏡９ａの上部４３ａ、４３ｂとセンターハブ４２の底部４４ａ、４４ｂについて見れば、図２に示す並行変位傾斜測定器を構成しており、この測定器によって被測定部の並行変位及び傾斜を算出する手段と方法については実施の形態２に述べたとおりである。
【００５０】
上述したようなアンテナ装置は、アンテナ装置全体の熱変形や、風圧による変形を生じた場合に、この主反射鏡９ａの上部４３ａ及び４３ｂにおいて、並行変位や傾斜が生じ、この並行変位や傾斜によってアンテナの指向方向が変化すると考えられるが、算出された指向誤差に基づいて指向方向を制御することが可能となる。
【００５１】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置について、図９を参照して説明する。なお、図９はこの発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。
【００５２】
この実施の形態５に係るアンテナ装置は図９に示すように、主反射鏡９ｂ、副反射鏡５０、副反射鏡５０を支持する副反射鏡支持機構５１、被測定部となる副反射鏡支持機構５１の上部５２ａ及び５２ｂ、副反射鏡支持機構５１と主反射鏡９ｂとの接合部に位置し、測定基準部となる副反射鏡支持機構５１の下部５３ａ及び５３ｂ、マーカを生成するレーザポインタ５４、レーザポインタの像を撮影する２次元のイメージセンサ５５を備えて構成される。レーザポインタ５４とイメージセンサ５５は、副反射鏡支持機構５１の上部５２ａと５２ｂ、及び副反射鏡支持機構５１と主反射鏡９ｂとの接合部にあたる下部５３ａと５３ｂの計４箇所に設けられている。レーザポインタ５４とそのレーザ光を照射するイメージセンサ５５との組は、図９の矢印付き点線でレーザ光の照射を示すように、上下で１組とする。
【００５３】
このようにレーザポインタ５４とイメージセンサ５５とを設けることによって、副反射鏡支持機構５１の被測定部、即ち副反射鏡支持機構５１の上部５２ａ及び５２ｂのそれぞれの並行変位及び傾斜を算出することができる。これは例えば副反射鏡支持機構５１の上部５２ａ、５２ｂと副反射鏡支持機構５１と主反射鏡９ｂとの接合部分にあたる下部５３ａ、５３ｂについて見れば、図２に示す並行変位傾斜測定器を構成しており、この測定器によって被測定部の並行変位及び傾斜を算出する手段と方法については実施の形態２に述べたとおりである。
【００５４】
上述したようなアンテナ装置は、アンテナ装置全体の熱変形や、風圧による変形を生じた場合に、この反射鏡支持機構５１の上部５２ａ、５２ｂにおいて、並行変位や傾斜が生じ、この並行変位や傾斜によってアンテナの指向方向が変化すると考えられるが、算出された指向誤差に基づいて指向方向を制御することが可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、被測定部と測定基準部のそれぞれに対向してマーカとイメージセンサとを配置する簡素な構成のため、これらの測定器の配置上の制約が少なく、変位を測定することができると共に、画素数を所定数に初期設定して初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき重心位置を演算することにより、ビーム形状の変化しやすい安価なマーカも使用可能となるため、安価なシステムが達成できる効果がある。
【００５６】
この発明によれば、アンテナ架台の上部と底部において、それぞれ対向してマーカとイメージセンサとを配置するので、これらの測定器の配置上の制約が少なく、アンテナ架台上部の変位を測定することができ、より高精度にアンテナの指向誤差を計算することができ、指向を制御することが可能となる効果がある。
【００５７】
この発明によれば、主反射鏡パネルを支持する主反射鏡支持骨組と、この主反射鏡支持骨組の先端と、主反射鏡支持骨組を支持するセンターハブの底部において、それぞれ対向してマーカとイメージセンサとを配置するので、これらの測定器の配置上の制約が少なく、主反射鏡支持骨組の変位を測定することができ、より高精度にアンテナの指向誤差を計算して、指向を制御することが可能となる効果がある。
【００５８】
この発明によれば、副反射鏡支持機構と副反射鏡との接合部と副反射鏡支持機構と主反射鏡との接合部において、それぞれ対向してマーカとイメージセンサとを配置するので、これらの測定器の配置上の制約が少なく、副反射鏡の変位を測定することができ、より高精度にアンテナの指向誤差を計算して、指向を制御することが可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る変位測定器の一例を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器の一例を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器の原理を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器の原理を示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器の原理を示す模式図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の制御部の構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。
【図９】この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態１，２に係る高周波ノイズの一例を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態１，２に係るノイズの一例を示す図である。
【図１２】この発明の効果を説明するための、演算結果の一例を示す図である。
【図１３】この発明の効果と比較するための、従来の方法での演算結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
１，１０，４３ａ，４３ｂ 被測定部、２，１１ 測定基準部、３，１２ａ，１２ｂ，２５，４５，５４ レーザポインタ、４，１３ａ，１３ｂ，２６，４６，５５ イメージセンサ（撮像装置）、５，１４ａ，１４ｂ，２７ 画像データ、６，１５ 重心位置算出部、７，１６，１６ａ，１６ｂ 重心位置データ、８変位算出部、９ アンテナ、９ａ，９ｂ 主反射鏡、１５ａ，１５ｂ 重心位置検出部、１７ 変位傾斜算出部、１８ａ，１８ｂ 画像、１９ 仰角軸、２０方位軸、２１ａ，２１ｂ ＥＬ軸ベアリング、２２ ＡＺ軸ベアリング、２３アンテナ架台、２３ａ，２３ｂ 上部、２４ａ，２４ｂ 底部、２８ 変位及び傾斜データ、２９ 指向誤差算出部、３０ アンテナ駆動部、３１ 副反射鏡駆動部、３２ 高速駆動鏡駆動部、４１ 主反射鏡骨組、４２ センターハブ、４４ａ，４４ｂ センターハブ底部、５０ 副反射鏡、５１ 副反射鏡支持機構、５２ａ，５２ｂ 上部、５３ａ，５３ｂ 下部。
【発明の属する技術分野】
この発明は、精密計測技術分野において、測定基準部に対する被測定部の相対的な変位を測定する変位測定器及び並行変位傾斜測定器、並びにこれらの測定器を備えるアンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電波天文学の分野では、近年になってミリ波からサブミリ波へとより高い周波数の電波を観測するという要求が高まってきている。高い周波数の電波天体の観測を行う場合、望遠鏡の反射鏡面とビームの指向追尾はより高い精度が必要となる。一方では、観測効率を高めるために、望遠鏡の大口径化が進み、また昼夜のあらゆる天候で観測を実施できることが望まれている。
【０００３】
しかしながら口径が大きくなることによって、望遠鏡の自重変形が大きくなり、また、日射による熱変形や風圧による変形が大きくなるため、高い指向追尾の精度を得ることが困難となり、このような高い指向追尾精度の要求を満足するためには、望遠鏡の反射鏡の指向誤差をリアルタイムに測定し、補正する技術が必要になるものである。また、このような対策として従来から種々提案されているところである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−３４０２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、指向追尾のための反射鏡の指向誤差を測定するために従来のアンテナ角度検出装置は、光位置検出器と光ビーム発生器とをＥＬ角度検出器及びＡＺ角度検出器上に設置する必要があり、これらの機器配置がアンテナ構造上の制約となるという課題があった。
【０００６】
また、使用される検出器が光ビームを検出する光位置検出器であったため、測定場所の変位を示すマーカは、高出力の光ビーム発生器でなくてはならない制約があるという課題があった。
【０００７】
また、従来のアンテナ角度検出装置は、検出された真の指向により各軸の角度検出器の出力を補正しているが、角度検出器の出力を補正するだけでは、特に高周波の指向誤差を補正することができず、高精度なアンテナの指向追尾精度を得ることができないという課題があった。
【０００８】
また、従来のアンテナ角度検出装置で使用される検出器が光ビームを検出する光位置検出器であるため、測定場所の変位を示すマーカは不安定であってはならないという課題があった。
【０００９】
また、特に測定中、光ビーム発生器からのビーム形状が変化することにより、測定場所は変位していないのに、マーカの重心位置が変動するという課題があった。
また光ビーム発生器からのビームに、環境による高周波ノイズがのることにより、マーカの重心位置が変動するという課題があった。
さらに光ビーム発生器からのビームが、ガウシアンビームでなければマーカの重心位置が変動するという課題があった。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、測定器配置の制約とマーカの不安定性による制約が少なく、被測定部の変位を測定できる変位測定器と、被測定部の並行変位と傾斜を測定できる並行変位傾斜測定器と、この変位測定器または並行変位傾斜測定器を用いてアンテナ指向誤差を補正するアンテナ装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る変位測定器は、位置を表すマーカを備えた測定基準部と、マーカに対向して被測定部に設けた撮像素子と、撮像素子で撮像したマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、マーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、重心位置算出部により算出したマーカの重心位置に基づいて、被測定部の変位を算出する変位算出部とを備えるものである。
【００１２】
この発明に係る並行変位傾斜測定器は、位置を表す第１のマーカを備えた測定基準部と、位置を表す第２のマーカを備えた被測定部と、第１のマーカに対向して被測定部に設けた第１の撮像装置と、第２のマーカに対向して測定基準部に設けた第２の撮像装置と、第１および第２の撮像素子で撮像した第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、重心位置算出部により算出したマーカの重心位置に基づいて、被測定部の変位と傾斜を算出する変位傾斜算出部とを備えるものである。
【００１３】
この発明に係るアンテナ装置は、アンテナの仰角駆動軸を支持するアンテナ架台と、アンテナ架台の上部に設けた位置を表す第１のマーカと、第１のマーカに対向してアンテナ架台の底部に設けた第１の撮像装置と、アンテナ架台の底部に設けた位置を表す第２のマーカと、第２のマーカに対向してアンテナ架台の上部に設けた第２の撮像装置と、第１および第２の撮像素子で撮像した第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、重心位置算出部により算出した第１および第２のマーカの重心位置に基づいて、アンテナ架台の上部の並行変位と傾斜を算出する変位傾斜算出部とを備えるものである。
【００１４】
この発明に係るアンテナ装置は、アンテナの仰角駆動軸を支持するアンテナ架台と、アンテナ架台の上部に設けた位置を表す第１のマーカと、第１のマーカに対向して前記アンテナ架台の底部に設けた第１の撮像素子と、アンテナ架台の底部に設けた位置を表す第２のマーカと、第２のマーカに対向してアンテナ架台の上部に設けた第２の撮像素子と、第１および第２の撮像素子で撮像した第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、重心位置算出部により算出した第１および第２のマーカの重心位置に基づいて、アンテナ架台の上部の左右の並行変位と傾斜を算出する変位傾斜算出部と、変位傾斜算出部により算出したアンテナ架台の上部の左右の並行変位と傾斜に基づいて、アンテナの指向誤差を算出する指向誤差算出部とを備えるものである。
【００１５】
この発明に係るアンテナ装置は、アンテナの主反射鏡パネルを支持する主反射鏡支持骨組と、主反射鏡支持骨組の先端に設けた位置を表す第１のマーカと、第１のマーカに対向して主反射鏡支持骨組を支持するセンターハブの底部に設けた第１の撮像装置と、主反射鏡支持骨組を支持するセンターハブの底部に設けた位置を表す第２のマーカと、第２のマーカに対向して主反射鏡支持骨組の先端に設けた第２の撮像素子と、第１および第２の撮像素子で撮像した第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、重心位置算出部により算出したマーカの位置に基づいて、主反射鏡支持骨組の変位を算出する変位算出部とを備えるものである。
【００１６】
この発明に係るアンテナ装置は、主反射鏡と副反射鏡とを備えるアンテナ装置の副反射鏡を支持する副反射鏡支持部と、副反射鏡と副反射鏡支持機構との接合部に設けた位置を表す第１のマーカと、第１のマーカに対向して主反射鏡と副反射鏡支持機構との接合部に設けた第１の撮像素子と、主反射鏡と副反射鏡支持機構との接合部に設けた位置を表す第２のマーカと、第２のマーカに対向して副反射鏡と副反射鏡支持機構との接合部に設けた第２の撮像素子と、第１および第２の撮像素子で撮像した第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、重心位置算出部により算出した第１および第２のマーカの重心位置に基づいて、副反射鏡の主反射鏡からの変位を算出する変位算出部とを備えるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の一形態について説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る変位測定器について図１、図１０〜図１３を参照して説明する。なお、図１は実施の形態１に係る変位測定器の一例を示す構成図である。また、図１０及び図１１はこの変位測定器のノイズの一例を示す図であり、図１２及び図１３は効果を説明するための、演算結果の一例を示す図である。
【００１８】
実施の形態１に係る変位測定器は図１に示すように、変位を測定する被測定部１、測定基準となる測定基準部２、マーカを生成するレーザポインタ３、レーザポインタ３の像を撮影する２次元のイメージセンサ４、イメージセンサ４が出力する画像データ５に基づきレーザポインタ３からのレーザ光の重心位置を算出する重心位置算出部６、レーザ光の重心位置データ７から被測定部の変位を算出する変位算出部８を備えて構成される。
【００１９】
なお、イメージセンサ４によって測定されるレーザ光の位置は、レーザポインタ３からのレーザ光が十分に細ければ、イメージセンサ４上の画素により、その位置が測定され、この画素位置を重心位置算出部６から出力すれば良い。しかし、実際にはイメージセンサ４の画素サイズよりもレーザポインタ３のレーザ光スポットは大きく、イメージセンサ４の複数の画素に亘って、レーザ光が照射される。この場合、レーザ光がイメージセンサ４上のどの画素を中心に照射されているかを重心位置算出部６によって、重心位置を求めることになる。このレーザ光の重心位置を求める方法は、各画素におけるイメージセンサ４の出力値と中心位置からの距離との積の総和が０となる点を重心位置（重心画素）とする方法がある。例えば、イメージセンサ４の出力を１と０とで表現した場合には、レーザ光の重心位置はレーザ光の照射範囲の面心位置ということになる。
【００２０】
さらに、測定中レーザ光が不安定でビーム形状が変化する事により、測定場所は変位していないのにマーカの重心位置が変動する問題点を解決するために、以下の重心位置演算方法を用いる。
【００２１】
上述したようなビームのノイズを除去するために、イメージセンサ４の各画素における出力の所定の値を閾値として、閾値以上の出力値を持つ画素のみで重心位置を演算する。また、イメージセンサ４の連続取得画像の重心位置を連続して演算する場合は次のように行う。即ち、取得した画素の輝度の高いほうから順に、初期設定数内でその初期設定数に最も近い画素数の範囲で画素を抽出し、抽出した画素の輝度値の最も低いものを閾値としてマーカの重心位置を演算する。なお、画素の抽出は、初期設定数内ではなく、その数の近傍で最も近くなる範囲としてもよい。
【００２２】
イメージセンサ４の連続取得画像の重心位置を連続して演算する場合の重心位置の演算に用いる画素数を所定数に初期設定する方法を以下に示す。
重心位置を演算するとき、演算する画素数が少なすぎると、図１０に示すような高周波ノイズの影響を受ける。したがって高周波ノイズを除去するのに必要な画素数以上で所定数を初期設定する。また演算する画素数が多いと、図１１に示すようなノイズ（第２ピーク）の影響を受ける。この第２ピーク（ノイズ）の輝度値以上の輝度を持つ画素数以下に所定数を初期設定する。よって所定数は上記の両方を満足するような値とすることが好ましい。
【００２３】
上述したように画素数を所定数に初期設定し、その初期設定数内で最も近い画素数に基づき演算する方法で演算した結果を図１２に示す。従来の方法で演算した結果である図１３に比べて、安定していることが分かる。それは例えば、図１３（ｂ）の重心位置のＸ軸方向の推移幅は２．５画素に対し、図１２（ｂ）の重心位置のＸ軸方向の推移幅は２．０画素と安定になっている。また図１２（ｃ）のＡ部は図１３（ｃ）のＢ部に比べて滑らかであり、高周波ノイズの影響を除去できていることが分かる。
【００２４】
なお、図１２（ａ）及び、図１３（ａ）は重心位置のＸ−Ｙ平面での、時間経過に対する移動状態を、また、図１２（ｂ）及び、図１３（ｂ）は重心位置のＸ方法の、時間経過に対する移動状態を、さらに、図１２（ｃ）及び、図１３（ｃ）は重心位置のＹ方法の、時間経過に対する移動状態を示す一測定例である。
【００２５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器について、図２〜図５を参照して説明する。なお、図２はこの実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器の一例を示す構成図である。また、図３はこの並行変位傾斜測定器の原理を示す模式図であって、設定初期の状態を示し、図４は図３に示す並行変位傾斜測定器が並行変位ΔＸを生じた状態を示し、また、図５は図３に示す並行変位傾斜測定器が回転θｙを生じた場合である。
【００２６】
この実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器は図２に示すように、変位及び傾斜を測定する被測定部１０、測定基準となる測定基準部１１、マーカを生成するレーザポインタ１２ａ及び１２ｂ、レーザポインタ１２ａ、１２ｂの像を撮影する２次元のイメージセンサ１３ａ及び１３ｂ、イメージセンサ１３ａが出力する画像データ１４ａからレーザポインタ１２ｂからのレーザ光の重心位置を算出する重心位置算出部１５ａ、イメージセンサ１３ｂが出力する画像データ１４ｂからレーザポインタ１２ａのレーザ光の重心位置を算出する重心位置算出部１５ｂ（重心位置算出部１５ａと重心位置算出部１５ｂを含めて重心位置算出部１５と称す）、重心位置算出部１５ａで算出される重心位置データ１６ａと重心位置算出部１５ｂで算出される重心位置データ１６ｂとから被測定部１０の変位と傾斜を算出する変位傾斜算出部１７を備えて構成される。
【００２７】
イメージセンサ１３ａ、１３ｂは２次元平面においてレーザ光の位置変位を検出するが、レーザポインタ１２ａとイメージセンサ１３ｂとで１測定系とし、レーザポインタ１２ｂとイメージセンサ１３ａとで他の１測定系として、レーザ光が相反する方向に照射するように２測定系を配置する。即ち、被測定部１０にレーザポインタ１２ａとイメージセンサ１３ａを夫々１個ずつ、また同様に測定基準部１１にはレーザポインタ１２ｂとイメージセンサ１３ｂを夫々１個ずつ配置されている。
【００２８】
次に変位及び傾斜の測定原理について説明する。
図３は並行変位傾斜測定器の設置初期の状態であって、イメージセンサ１３ａにより画像１８ａが、またイメージセンサ１３ｂにより画像１８ｂが得られている状態である。光軸が一致している状態では画像１８ａのレーザ光の位置はＰ２（０、０）であり、一方、画像１８ｂのレーザ光の位置もＰ１（０、０）である。この状態から、被測定部１０が並行変位した場合の変位量△Ｘと、傾斜した場合の傾斜角△θｙを、夫々分離して算出する。
【００２９】
まず、被測定部１０が図４に示すようにＸ軸方向に△Ｘだけ変位した場合において、画像１８ａのレーザ光の位置をＰ２（Ｘ２（＝−ａ）、Ｙ１（＝０））とし、画像１８ｂのレーザ光の位置をＰ１（Ｘ１（＝ａ）、Ｙ１（＝０））、とすると、変位量△Ｘは式（１）で表される。
ΔＸ＝Ｘ１＝−Ｘ２ （１）
【００３０】
また、被測定部１０が図５に示すようにＹ軸回りに△θｙだけ回転した場合、被測定部１０と測定基準部１１との距離Ｌが十分に大きいときは、画像１８ａのＸ２のみ値が変化し、△θｙは式（２）で表される。
ｔａｎ（△θｙ）＝（Ｘ２／Ｌ） （２）
【００３１】
従って、変位量△Ｘと回転角△θｙが同時に生じた場合、夫々、式（３）及び式（４）で表される。
△Ｘ＝Ｘ１ （３）
ｔａｎ（△θｙ）＝（Ｘ１＋Ｘ２）／Ｌ （４）
従って、△θｙは式（５）で表される。
△θｙ＝ｔａｎ−１〔（Ｘ１＋Ｘ２）／Ｌ〕 （５）
このように、式（３）によって並行変位を、式（５）によって回転を求めることができることになる。
【００３２】
なお、イメージセンサ１３ａ及びイメージセンサ１３ｂによって測定されるレーザ光の位置は、レーザポインタ１２ａ及びレーザポインタ１２ｂからのレーザ光が十分に細ければ、イメージセンサ１３ａ及びイメージセンサ１３ｂ上の画素により、その位置が測定され、この画素位置を重心位置算出部１５ａ及び重心位置算出部１５ｂから出力すれば良い。しかし、実際にはイメージセンサ１３ａ、１３ｂの画素サイズよりもレーザポインタ１２ａ、１２ｂのレーザ光スポットは大きく、イメージセンサ１３ａ、１３ｂの複数の画素に亘って、レーザ光が照射される。この場合、レーザ光がイメージセンサ１３ａ、１３ｂ上のどの画素を中心に照射されているかを求めるために手段として、重心位置算出部１５ａ、１５ｂによって重心位置を求めることになる。
【００３３】
このレーザ光の重心位置を求める方法は、各画素におけるイメージセンサ１３ａ、１３ｂの出力値と中心位置からの距離との積の総和が０となる点を重心位置（重心画素）とする方法がある。例えば、イメージセンサの出力を１と０とで表現した場合には、レーザ光の重心位置はレーザ光の照射範囲の面心位置ということになる。
【００３４】
さらに、測定中レーザ光が不安定でビーム形状が変化する事により、測定場所は変位していないのにマーカの重心位置が変動する問題点を解決するために、イメージセンサの各画素における出力値の所定の値を閾値として、閾値以上の出力値を持つ画素のみで重心位置を演算する方法を用い、また、イメージセンサの連続取得画像の重心位置を連続して演算する場合は次のように行う。即ち、取得した画素の輝度の高いほうから順に、初期設定数内でその初期設定数に最も近い画素数の範囲で画素を抽出し、抽出した画素の輝度値の最も低いものを閾値としてマーカの重心位置を演算する。なお、画素の抽出は、初期設定数内ではなく、その数の近傍で最も近くなる範囲としてもよい。
【００３５】
イメージセンサの連続取得画像の重心位置を連続して演算する場合の重心位置の演算に用いる画素数を所定数に初期設定する方法を以下に示す。
重心位置を演算するとき、演算する画素数が少なすぎると、実施の形態１で説明したように図１０に示すような高周波ノイズの影響を受ける。したがって高周波ノイズを除去するのに必要な画素数以上で所定数を初期設定する。また演算する画素数が多いと、図１１に示すようなノイズ（第２ピーク）の影響を受ける。この第２ピーク（ノイズ）の輝度値以上の輝度を持つ画素数以下に所定数を初期設定する。よって所定数は上記の両方を満足するような値とすることが好ましい。
【００３６】
上述したように画素数を所定数に初期設定し、その初期設定数内で最も近い画素数に基づき演算する方法で演算した結果は、図１２及び図１３に示すように、実施の形態１で説明したことと同様であり、同様の効果を示すものである。
【００３７】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置について、図６及び図７を参照して説明する。なお、図６は本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の一例を示す構成図であり、図７はこのアンテナ装置の制御部のブロック図である。
【００３８】
実施の形態３に係るアンテナ装置は図６に示すように、アンテナ９の仰角軸（ＥＬ軸）１９及びアンテナ９の方位軸（ＡＺ軸）２０を夫々独立して制御するもので、仰角軸１９上に設けられたＥＬ軸ベアリング２１ａ及び２１ｂ、ＡＺ軸ベアリング２２、ＥＬ軸ベアリング２１ａ及び２１ｂの下部に位置したアンテナ架台２３、アンテナ架台２３のアンテナ支持部がある上部２３ａ及び２３ｂ、ＡＺ軸ベアリング２２の上部に位置しアンテナ架台２３のアンテナ架台取付部がある底部２４ａ及び２４ｂ、マーカとなるレーザポインタ２５、レーザポインタ２５の像を撮影する２次元のイメージセンサ２６を備えて構成される。
【００３９】
ＥＬ軸ベアリング２１ａ及び２１ｂは、アンテナ架台２３に対してアンテナ９が仰角軸１９まわりに回転できるように支持する。また、ＡＺ軸ベアリング２２はアンテナ架台２３を方位軸２０まわりに回転自在に支持する。レーザポインタ２５とイメージセンサ２６は、アンテナ架台２３の上部２３ａ、２３ｂ及び底部２４ａ、２４ｂの４箇所に設けられている。レーザポインタ２５とそのレーザ光を照射するイメージセンサ２６との組は、図６の矢印付き点線でレーザ光の照射を示すように、上下で１組とする。
【００４０】
図７に示すようにこの発明に係るアンテナ装置の制御部は、重心位置算出部１５、変位傾斜算出部１７、指向誤差算出部２９、アンテナ駆動部３０、副反射鏡駆動部３１、高速駆動鏡駆動部３２を備える。
【００４１】
その動作について説明すると、４台のイメージセンサ２６からの画像データ２７は重心位置算出部１５に入力され、重心位置データ１６が算出される。算出された重心位置データ１６は変位傾斜算出部１７に入力され、アンテナ架台２３の上部２３ａ及び２３ｂの変位及び傾斜データ２８が求められる。つぎに変位及び傾斜データ２８は指向誤差算出部２９に入力され、指向誤差が算出される。指向誤差算出部２９により算出された指向誤差に基づいて、アンテナ９を仰角軸１９及び方位角２０まわりに駆動するアンテナ駆動部３０、副反射鏡を駆動する副反射鏡駆動部３１、指向方向を高速駆動可能な鏡を駆動する高速駆動鏡駆動部３２が駆動され、アンテナ９の姿勢が制御される。
【００４２】
実施の形態３においては、測定基準部を、アンテナ指向誤差の原因となる変形が少ないアンテナ架台２３の底部２４ａ及び２４ｂとし、また、被測定部をアンテナ架台２３の上部２３ａ及び２３ｂとする。これら上部２３ａ及び２３ｂ、底部２４ａ及び２４ｂの各個所にレーザポインタ２５とイメージセンサ２６を配置して、測定基準部と被測定部間に対向して設け、これを１セット（図６の矢印付き点線によって結ばれる上下のレーザポインタとイメージセンサとで１セット）として、アンテナ架台２３の左右に各２セット、合計４セットを設ける。
【００４３】
上述したようにレーザポインタ２５とイメージセンサ２６とを設けることによって、アンテナ架台２３の左右の被測定部、即ちアンテナ架台２３の上部２３ａ及び２３ｂのそれぞれの部位の並行変位及び傾斜を算出することができる。これは例えばアンテナ架台２３の上部２３ａと底部２４ａについて見れば、図２に示す並行変位傾斜測定器を構成しており、この測定器によって被測定部の並行変位及び傾斜を算出する手段と方法については実施の形態２に述べたとおりである。さらに、アンテナ架台２３の上部２３ｂと底部２４ｂについても同様である。
【００４４】
指向誤差算出部２９は、アンテナ架台２３の上部２３ａ及び２３ｂにおいて測定され算出された並行変位及び傾斜に基づいて、アンテナ指向誤差を算出する。アンテナ架台２３の上部２３ａ及び２３ｂにおいて測定され算出されたＸ軸まわり（仰角軸まわり）の傾斜量を△θｘａ、△θｘｂとすると、ＥＬ軸まわりの指向誤差θｘ、及びＡＺ軸まわりの指向誤差θｚは夫々、式（６）および次式（７）よって計算される。
θｘ＝（△θｘａ＋△θｘｂ）／２ （６）
θｚ＝（△θｘａ−△θｘｂ）／２ （７）
【００４５】
上述したようにして算出された指向誤差に基づいて、アンテナ駆動部３０はアンテナを仰角軸１９及び方位角２０まわりにフィードバック駆動し、指向誤差を補正する。また、高周波数で変化する指向誤差に対しては、アンテナ９やアンテナ架台２３に比べて、質量や感性モーメントの小さい副反射鏡を駆動する副反射鏡駆動部３１によって、或いは高速駆動鏡を駆動する高速駆動鏡駆動部３２によって、これらの鏡をフィードバック駆動し、指向誤差を補正することが可能となる。
【００４６】
上述したようなアンテナ装置は、アンテナ装置全体の熱変形や、風圧による変形を生じた場合に、このアンテナ架台２３の上部２３ａ及び２３ｂにおいて、並行変位や傾斜が生じ、この並行変位や傾斜によってアンテナの指向方向が変化すると考えられるが、算出された指向誤差に基づいて指向方向を制御することが可能となる。
【００４７】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置について、図８を参照して説明する。なお、図８はこの発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。
【００４８】
実施の形態４に係るアンテナ装置は図８に示すように、主反射鏡９ａ、主反射鏡９ａを支持する主反射鏡骨組４１、主反射鏡骨組４１を支持するセンターハブ４２、被測定部となる主反射鏡９ａの上部４３ａ及び４３ｂ、測定基準部となるセンターハブ４２の底部４４ａ及び４４ｂ、マーカを生成するレーザポインタ４５、レーザポインタ４５の像を撮影する２次元のイメージセンサ４６を備えて構成される。レーザポインタ４５とイメージセンサ４６は、主反射鏡の上部４３ａと４３ｂ、及びセンターハブ４２の底部４４ａと４４ｂの計４箇所に設けられている。レーザポインタ４５とそのレーザ光を照射するイメージセンサ４６との組は、図８の矢印付き点線でレーザ光の照射を示すように、上下で１組とする。
【００４９】
このようにレーザポインタ４５とイメージセンサ４６とを設けることによって、主反射鏡９ａの被測定部、即ち主反射鏡９ａの上部４３ａ及び４３ｂのそれぞれの並行変位及び傾斜を算出することができる。これは例えば主反射鏡９ａの上部４３ａ、４３ｂとセンターハブ４２の底部４４ａ、４４ｂについて見れば、図２に示す並行変位傾斜測定器を構成しており、この測定器によって被測定部の並行変位及び傾斜を算出する手段と方法については実施の形態２に述べたとおりである。
【００５０】
上述したようなアンテナ装置は、アンテナ装置全体の熱変形や、風圧による変形を生じた場合に、この主反射鏡９ａの上部４３ａ及び４３ｂにおいて、並行変位や傾斜が生じ、この並行変位や傾斜によってアンテナの指向方向が変化すると考えられるが、算出された指向誤差に基づいて指向方向を制御することが可能となる。
【００５１】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置について、図９を参照して説明する。なお、図９はこの発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。
【００５２】
この実施の形態５に係るアンテナ装置は図９に示すように、主反射鏡９ｂ、副反射鏡５０、副反射鏡５０を支持する副反射鏡支持機構５１、被測定部となる副反射鏡支持機構５１の上部５２ａ及び５２ｂ、副反射鏡支持機構５１と主反射鏡９ｂとの接合部に位置し、測定基準部となる副反射鏡支持機構５１の下部５３ａ及び５３ｂ、マーカを生成するレーザポインタ５４、レーザポインタの像を撮影する２次元のイメージセンサ５５を備えて構成される。レーザポインタ５４とイメージセンサ５５は、副反射鏡支持機構５１の上部５２ａと５２ｂ、及び副反射鏡支持機構５１と主反射鏡９ｂとの接合部にあたる下部５３ａと５３ｂの計４箇所に設けられている。レーザポインタ５４とそのレーザ光を照射するイメージセンサ５５との組は、図９の矢印付き点線でレーザ光の照射を示すように、上下で１組とする。
【００５３】
このようにレーザポインタ５４とイメージセンサ５５とを設けることによって、副反射鏡支持機構５１の被測定部、即ち副反射鏡支持機構５１の上部５２ａ及び５２ｂのそれぞれの並行変位及び傾斜を算出することができる。これは例えば副反射鏡支持機構５１の上部５２ａ、５２ｂと副反射鏡支持機構５１と主反射鏡９ｂとの接合部分にあたる下部５３ａ、５３ｂについて見れば、図２に示す並行変位傾斜測定器を構成しており、この測定器によって被測定部の並行変位及び傾斜を算出する手段と方法については実施の形態２に述べたとおりである。
【００５４】
上述したようなアンテナ装置は、アンテナ装置全体の熱変形や、風圧による変形を生じた場合に、この反射鏡支持機構５１の上部５２ａ、５２ｂにおいて、並行変位や傾斜が生じ、この並行変位や傾斜によってアンテナの指向方向が変化すると考えられるが、算出された指向誤差に基づいて指向方向を制御することが可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、被測定部と測定基準部のそれぞれに対向してマーカとイメージセンサとを配置する簡素な構成のため、これらの測定器の配置上の制約が少なく、変位を測定することができると共に、画素数を所定数に初期設定して初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき重心位置を演算することにより、ビーム形状の変化しやすい安価なマーカも使用可能となるため、安価なシステムが達成できる効果がある。
【００５６】
この発明によれば、アンテナ架台の上部と底部において、それぞれ対向してマーカとイメージセンサとを配置するので、これらの測定器の配置上の制約が少なく、アンテナ架台上部の変位を測定することができ、より高精度にアンテナの指向誤差を計算することができ、指向を制御することが可能となる効果がある。
【００５７】
この発明によれば、主反射鏡パネルを支持する主反射鏡支持骨組と、この主反射鏡支持骨組の先端と、主反射鏡支持骨組を支持するセンターハブの底部において、それぞれ対向してマーカとイメージセンサとを配置するので、これらの測定器の配置上の制約が少なく、主反射鏡支持骨組の変位を測定することができ、より高精度にアンテナの指向誤差を計算して、指向を制御することが可能となる効果がある。
【００５８】
この発明によれば、副反射鏡支持機構と副反射鏡との接合部と副反射鏡支持機構と主反射鏡との接合部において、それぞれ対向してマーカとイメージセンサとを配置するので、これらの測定器の配置上の制約が少なく、副反射鏡の変位を測定することができ、より高精度にアンテナの指向誤差を計算して、指向を制御することが可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る変位測定器の一例を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器の一例を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器の原理を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器の原理を示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る並行変位傾斜測定器の原理を示す模式図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の制御部の構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。
【図９】この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の一例を示す構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態１，２に係る高周波ノイズの一例を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態１，２に係るノイズの一例を示す図である。
【図１２】この発明の効果を説明するための、演算結果の一例を示す図である。
【図１３】この発明の効果と比較するための、従来の方法での演算結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
１，１０，４３ａ，４３ｂ 被測定部、２，１１ 測定基準部、３，１２ａ，１２ｂ，２５，４５，５４ レーザポインタ、４，１３ａ，１３ｂ，２６，４６，５５ イメージセンサ（撮像装置）、５，１４ａ，１４ｂ，２７ 画像データ、６，１５ 重心位置算出部、７，１６，１６ａ，１６ｂ 重心位置データ、８変位算出部、９ アンテナ、９ａ，９ｂ 主反射鏡、１５ａ，１５ｂ 重心位置検出部、１７ 変位傾斜算出部、１８ａ，１８ｂ 画像、１９ 仰角軸、２０方位軸、２１ａ，２１ｂ ＥＬ軸ベアリング、２２ ＡＺ軸ベアリング、２３アンテナ架台、２３ａ，２３ｂ 上部、２４ａ，２４ｂ 底部、２８ 変位及び傾斜データ、２９ 指向誤差算出部、３０ アンテナ駆動部、３１ 副反射鏡駆動部、３２ 高速駆動鏡駆動部、４１ 主反射鏡骨組、４２ センターハブ、４４ａ，４４ｂ センターハブ底部、５０ 副反射鏡、５１ 副反射鏡支持機構、５２ａ，５２ｂ 上部、５３ａ，５３ｂ 下部。
Claims (10)
- 位置を表すマーカを備えた測定基準部と、
前記マーカに対向して被測定部に設けた撮像素子と、
前記撮像素子で撮像した前記マーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、
前記画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、前記マーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、
前記重心位置算出部により算出したマーカの重心位置に基づいて、前記被測定部の変位を算出する変位算出部と
を備えることを特徴とする変位測定器。 - 重心位置算出部は、画素数初期設定部により初期設定された画素数の近傍で、当該初期設定された画素数に最も近い画素数に基づき、マーカの画像の重心位置を算出することを特徴とする請求項１記載の変位測定器。
- 画素数初期設定部は、画像の重心位置の算出に用いる画素数を、マーカのビームプロファイルにおける第２ピークの輝度値以上の輝度を持つ画素数以下で、且つマーカの高周波ノイズを除去するのに必要な画素数以上に初期設定する手段であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の変位測定器。
- 位置を表す第１のマーカを備えた測定基準部と、
位置を表す第２のマーカを備えた被測定部と、
前記第１のマーカに対向して前記被測定部に設けた第１の撮像装置と、
前記第２のマーカに対向して前記測定基準部に設けた第２の撮像装置と、
前記第１および第２の撮像素子で撮像した前記第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、
前記画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、前記第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、
前記重心位置算出部により算出したマーカの重心位置に基づいて、前記被測定部の変位と傾斜を算出する変位傾斜算出部と
を備えることを特徴とする並行変位傾斜測定器。 - 画素数初期設定部は、画像の重心位置の算出に用いる画素数を、マーカのビームプロファイルにおける第２ピークの輝度値以上の輝度を持つ画素数以下で、且つマーカの高周波ノイズを除去するのに必要な画素数以上で初期設定する手段であることを特徴とする請求項４記載の並行変位傾斜測定器。
- アンテナの仰角駆動軸を支持するアンテナ架台と、
前記アンテナ架台の上部に設けた位置を表す第１のマーカと、
前記第１のマーカに対向して前記アンテナ架台の底部に設けた第１の撮像装置と、
前記アンテナ架台の底部に設けた位置を表す第２のマーカと、
前記第２のマーカに対向して前記アンテナ架台の上部に設けた第２の撮像装置と、
前記第１および第２の撮像素子で撮像した前記第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、
前記画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、前記第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、
前記重心位置算出部により算出した前記第１および第２のマーカの重心位置に基づいて、前記アンテナ架台の上部の並行変位と傾斜を算出する変位傾斜算出部と
を備えることを特徴とするアンテナ装置。 - アンテナの仰角駆動軸を支持するアンテナ架台と、
前記アンテナ架台の上部に設けた位置を表す第１のマーカと、
前記第１のマーカに対向して前記アンテナ架台の底部に設けた第１の撮像素子と、
前記アンテナ架台の底部に設けた位置を表す第２のマーカと、
前記第２のマーカに対向して前記アンテナ架台の上部に設けた第２の撮像素子と、
前記第１および第２の撮像素子で撮像した前記第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、
前記画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、前記第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、
前記重心位置算出部により算出した第１および第２のマーカの重心位置に基づいて、前記アンテナ架台の上部の左右の並行変位と傾斜を算出する変位傾斜算出部と、
前記変位傾斜算出部により算出した前記アンテナ架台の上部の左右の並行変位と傾斜に基づいて、前記アンテナの指向誤差を算出する指向誤差算出部と
を備えることを特徴とするアンテナ装置。 - 前記指向誤差算出部により算出したアンテナ指向誤差に基づいて、前記アンテナを方位角又は仰角軸まわりに駆動し、前記アンテナの指向方向を補正するアンテナ駆動部を備えることを特徴とする請求項７記載のアンテナ装置。
- アンテナの主反射鏡パネルを支持する主反射鏡支持骨組と、
前記主反射鏡支持骨組の先端に設けた位置を表す第１のマーカと、
前記第１のマーカに対向して前記主反射鏡支持骨組を支持するセンターハブの底部に設けた第１の撮像装置と、
前記主反射鏡支持骨組を支持するセンターハブの底部に設けた位置を表す第２のマーカと、
前記第２のマーカに対向して前記主反射鏡支持骨組の先端に設けた第２の撮像素子と、
前記第１および第２の撮像素子で撮像した前記第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、
前記画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、前記第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、
前記重心位置算出部により算出したマーカの位置に基づいて、前記主反射鏡支持骨組の変位を算出する変位算出部と
を備えることを特徴とするアンテナ装置。 - 主反射鏡と副反射鏡とを備えるアンテナ装置の副反射鏡を支持する副反射鏡支持部と、
前記副反射鏡と前記副反射鏡支持機構との接合部に設けた位置を表す第１のマーカと、
前記第１のマーカに対向して前記主反射鏡と前記副反射鏡支持機構との接合部に設けた第１の撮像素子と、
前記主反射鏡と前記副反射鏡支持機構との接合部に設けた位置を表す第２のマーカと、
前記第２のマーカに対向して前記副反射鏡と前記副反射鏡支持機構との接合部に設けた第２の撮像素子と、
前記第１および第２の撮像素子で撮像した前記第１および第２のマーカの画像に対し、画像の重心位置の算出に用いる画素数を初期設定する画素数初期設定部と、
前記画素数初期設定部により初期設定された画素数内で最も近い画素数に基づき、前記第１および第２のマーカの画像の重心位置を算出する重心位置算出部と、
前記重心位置算出部により算出した第１および第２のマーカの重心位置に基づいて、前記副反射鏡の前記主反射鏡からの変位を算出する変位算出部と
を備えることを特徴とするアンテナ装置。
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