低溫面形攝影測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低溫面形攝影測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]位于射電和光學(xué)紅外波段之間的太赫茲波段是天文觀測的重要手段，尤其適合研究暗能量、大尺度結(jié)構(gòu)、第一代恒星形成、星系形成和演化、恒星和行星系統(tǒng)的形成和早期演化、地外行星系統(tǒng)大氣的物理化學(xué)特性及宇宙生命起源等現(xiàn)代天文學(xué)中最重要的前沿科學(xué)問題。
[0003]目前國際上已建成和在建的地面太赫茲觀測設(shè)備包括Atacama LargeMi 11 imeter/submi 11 imeter Array (ALMA)和 Submillimeter Array (SMA)等。另外，正在規(guī)劃中的太赫茲望遠鏡還包括Cornell Caltech Atacama Telescope (CCAT)和中國南極5米太赫茲望遠鏡(DATE5)等。
[0004]隨著觀測頻率和望遠鏡性能的不斷提高，太赫茲望遠鏡對反射面精度的要求也越來越高。根據(jù)Ruze公式，為了保證望遠鏡天線系統(tǒng)的增益，反射面面形的RMS誤差應(yīng)小于觀測波長的1/20。以觀測頻率為ITHz為例，這就要求反射面面形RMS誤差小于15微米。而為了實現(xiàn)這類反射面面形的精確檢測，要求測量系統(tǒng)的測量誤差應(yīng)在微米量級。
[0005]目前，具備微米量級檢測精度的反射面面形測量技術(shù)包括接觸式的測量方法如三坐標測量儀，和非接觸式的測量方法如激光散斑干涉儀、微波全息測量和攝影測量等。三坐標儀是在一種只能在常溫測試樣件形狀的一種中大型設(shè)備，用這種設(shè)備測試時被測物體是不需要粘貼靶標的，它是用探頭直接在作用在物體表面來測試該點的坐標的，所以三坐標測量儀通常要求工作在常溫下、溫度波動較小的恒溫環(huán)境中，而常規(guī)激光和電子設(shè)備也無法適應(yīng)例如-60 °C的低溫環(huán)境。
[0006]另一方面，如采用攝影測量進行反射面低溫面形快速評估，由于其需要黏貼靶標才能實現(xiàn)面形測量，因此，測量完帶靶標的面板后還需要扣除靶標的厚度才能得到真正的面形，在此過程中，現(xiàn)有的測量方法無法完美的去處靶標厚度，導(dǎo)致使用攝影測量結(jié)果偏差較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的測量設(shè)備和方法或者不足以應(yīng)對在低溫的南極野外實時測量單塊天線面板面形的變形狀態(tài)，或者測量誤差大的問題。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:低溫面形攝影測量方法，包括以下步驟:1)面板的整個表面覆蓋若干個相互間隔小于2cm的測量點和至少4組編碼標志；每一組編碼標志由固定相互位置的編碼點組合形成，且每組編碼標志均不相同，用于圖像在后期計算時候的拼接；所述各個測量點的三維位置組合形成面板的面形；編碼點和測量點均采用反射靶標；2)在旋轉(zhuǎn)圓臺上設(shè)置溫度傳感器和標尺，所述溫度傳感器的信號輸出端連接外設(shè)的控制計算機，所述標尺兩端各一個的反射靶標，標尺用于定義一個精準的絕對長度，在后期計算過程當中將這個長度作為基準來計算各個測量點的三維位置；所述旋轉(zhuǎn)圓臺包括由下至上依次設(shè)置的高低溫步進電機、臺面、光學(xué)平板，且高低溫步進電機的輸出軸、臺面、光學(xué)平板同軸設(shè)置，電機輸出軸帶動臺面和疊放在臺面上的光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)運動；3)將步驟一得到的面板放在步驟二得到的旋轉(zhuǎn)圓臺上，面板與光學(xué)平面同軸設(shè)置，且面板的中心點固定在光學(xué)平板上；4)給相機做好保溫措施，并在相機上安裝溫度傳感器，所述溫度傳感器的信號輸出端連接外設(shè)的控制計算機；5)將相機定位在任意一高度，然后調(diào)整相機的俯仰姿態(tài)，使得面板位于相機的視場中心，即面板處在相機的焦面上；記錄下此時相機與被測物體之間的距離、相機的高度值和俯仰角度值；6)控制計算機控制步進電機正轉(zhuǎn)，并控制相機每隔角度a進行一次拍攝，保存拍攝照片數(shù)據(jù)；7)控制計算機控制步進電機反轉(zhuǎn)，并控制相機每隔角度b進行一次拍攝，且使得反轉(zhuǎn)時的拍攝點與正轉(zhuǎn)時的拍攝點均錯開，保存拍攝照片數(shù)據(jù)；8)保持相機與被測物體之間的距離不變，調(diào)整相機的高度和俯仰角度，重復(fù)步驟5-7的測量η次以上，并記下η次照片拍攝時相機的高度值、俯仰角度值、電機正轉(zhuǎn)拍攝照片數(shù)據(jù)和電機反轉(zhuǎn)拍攝照片數(shù)據(jù)，η ^ 2，完成一組照片的拍攝；9)重復(fù)拍攝m組照片，m彡2，分別對拍攝的每組照片進行數(shù)據(jù)處理，得到m組面形的三維坐標，并將這m組面形三維坐標變換到同一坐標系下，取其平均值作為面形三維坐標值；10)在常溫下，采用步驟1-9的方法測量出常溫狀態(tài)下面板的三維坐標值，然后，在同一工況下，采用三坐標儀檢測無靶標的面板的三維坐標值，將兩者相減，得到常溫下靶標的厚度值；同一工況是指溫度相同且被測物是同一面板；11)將步驟9)得到的平均值減去步驟10)得到的靶標的厚度值，即得到標定后的面形。
[0009]本發(fā)明將數(shù)字攝影測量技術(shù)應(yīng)用于低溫環(huán)境下高精度太赫茲反射面板的面形檢測，采用高分辨率工業(yè)相機，結(jié)合低溫電機驅(qū)動的自動測試臺，實現(xiàn)測量設(shè)備在低溫環(huán)境實驗艙中的自動化拍攝。通過多次重復(fù)測量，分別驗證了實驗室常溫下和低溫環(huán)境實驗艙內(nèi)攝影測量的重復(fù)測量精度。此外，利用常溫下三坐標儀測量結(jié)果對靶標厚度進行標定，從而消除了由靶標厚度差異造成的系統(tǒng)測量誤差，實現(xiàn)了微米量級高精度攝影測量。
[0010]為進一步提高測量精度，避免誤差的出現(xiàn)，所述步驟4中給相機做的保溫措施，包括以下步驟:A)采用玻璃棉材料制成的保溫套對相機的鏡頭以下的部分進行保溫；b)通過壓敏膠在相機金屬機殼上粘貼聚酰亞胺材料制作的柔性加熱膜；c)當溫度傳感器檢測到相機溫度低于_35°C或者高于40°C時，通過柔性加熱膜加熱或冷卻相機的金屬殼，將相機溫度維持在_35°C到40°C之間。當相機溫度低于_35°C時，(XD成像質(zhì)量會有顯著的下降。另一方面，當相機溫度遠高于環(huán)境溫度時，相機鏡頭出現(xiàn)結(jié)霜的風(fēng)險會大大增加。因此，在低溫實驗中，本發(fā)明通過加熱膜輸入功率的調(diào)節(jié)將相機溫度維持在一個合適的水平上，避免出現(xiàn)這些現(xiàn)象影響測量的精度。
[0011]進一步，步驟2)中的溫度傳感器設(shè)置在旋轉(zhuǎn)圓臺的臺面以下非旋轉(zhuǎn)的部位。考慮到將溫度傳感器設(shè)置在會旋轉(zhuǎn)的部分不利于布線安裝，容易造成使用損壞，其次，臺面以下的溫度與面板的溫度差距極小可忽略，因此，將傳感器設(shè)置在臺面下部，方便安裝，能延長傳感器的使用壽命，測量精度也達標。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點是:采用高分辨率工業(yè)相機，結(jié)合低溫電機驅(qū)動的自動測試臺，實現(xiàn)測量設(shè)備在低溫環(huán)境實驗艙中的自動化拍攝。在低溫環(huán)境實驗艙中，實現(xiàn)了 2.1微米rms的重復(fù)測量精度。此外，還嘗試利用常溫下三坐標儀測量結(jié)果對靶標厚度進行標定，從而消除了由靶標厚度差異造成的系統(tǒng)測量誤差，獲得了較理想的測量效果。運用本文提出的測量方法，可在常溫至-60°C的溫度范圍內(nèi)測量了多種板材結(jié)構(gòu)的面形的變化規(guī)律。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明低溫面形攝影測量方法，包括以下步驟:
[0014]1)面板的整個表面覆蓋若干個相互間隔小于2cm的測量點和8組編碼標志；每一組編碼標志由固定相互位置的編碼點組合形成，且每組編碼標志均不相同，用于圖像在后期計算時候的拼接；所述各個測量點的三維位置組合形成面板的面形；編碼點和測量點均采用反射靶標；由于編碼標志每組不一樣，就能夠按照編碼標志的排放順序經(jīng)行準確拼接;
[0015]2)在旋轉(zhuǎn)圓臺上設(shè)置溫度傳感器和標尺，所述溫度傳感器的信號輸出端連接外設(shè)的控制計算機，所述標尺兩端各一個的反射靶標，標尺用于定義一個精準的絕對長度，在后期計算過程當中將這個長度作為基準來計算各個測量點的三維位置；所述旋轉(zhuǎn)圓臺包括由下至上依次設(shè)置的高低溫步進電機、臺面、光學(xué)平板，且高低溫步進電機的輸出軸、臺面、光學(xué)平板同軸設(shè)置，電機輸出軸帶動臺面和疊放在臺面上的光學(xué)平板旋轉(zhuǎn)運動；溫度傳感器設(shè)置在旋轉(zhuǎn)圓臺的臺面以下非旋轉(zhuǎn)的部位；
[0016]3)將步驟一得到的面板放在步驟二得到的旋轉(zhuǎn)圓臺上，面板與光學(xué)平面同軸設(shè)置，且面板的中心點固定在光學(xué)平板上；
[0017]4)給相機做好保溫措施，并在相機上安裝溫度傳感器，所述溫度傳感器的信號輸出端連接外設(shè)的控制計算機；所述保溫措施，包括以下步驟:A)采用玻璃棉材料制