本文關(guān)鍵詞：高低溫環(huán)境衛(wèi)星天線形面變形的近景攝影測量與數(shù)據(jù)處理　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：為滿足我國航天工業(yè)事業(yè)快速發(fā)展的時(shí)代要求,特別是高性能技術(shù)指標(biāo)要求的衛(wèi)星天線新產(chǎn)品如大型的、可展的、柔性的等不斷出現(xiàn),為確保衛(wèi)星在空間環(huán)境中的使用性能、可靠性與安全性,升空前就需預(yù)先掌握天線的性能與質(zhì)量情況,為此要甄選高精度的測量技術(shù)手段在模擬空間環(huán)境條件下對(duì)衛(wèi)星天線反射面形進(jìn)行測量。而傳統(tǒng)的測量設(shè)備與方法由于精度低、量程小、速度慢、自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大以及姿態(tài)要求高等局限性,難以滿足特殊空間環(huán)境條件下的新型衛(wèi)星天線所面臨的快速、高效、高精度的測量需求。為此,探索并研究能夠適應(yīng)空間環(huán)境條件下具有高精度、高效率、自動(dòng)化、智能化等特點(diǎn)的衛(wèi)星天線形面測量技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與實(shí)用價(jià)值。通過對(duì)多種測量技術(shù)方法的比較分析表明,近景攝影測量技術(shù)具有高精度、非接觸、便攜性等特點(diǎn),具有智能化、自動(dòng)化、快速高效、可靠性高(大量多余觀測)、適應(yīng)環(huán)境(如高低溫、高低壓、對(duì)人體有毒有害等環(huán)境)能力強(qiáng)以及可對(duì)動(dòng)態(tài)物體進(jìn)行測量等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足柔性肋式展開型網(wǎng)狀衛(wèi)星天線在高低溫試驗(yàn)環(huán)境條件下的特殊測量需求。本文基于航天工程科研生產(chǎn)項(xiàng)目背景,采用理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的技術(shù)手段,從理論基礎(chǔ)、精度估計(jì)、影響因素分析與試驗(yàn)以及測量數(shù)據(jù)后處理技術(shù)四方面入手,對(duì)高低溫環(huán)境衛(wèi)星天線形面變形的攝影測量技術(shù)及其后處理進(jìn)行了較系統(tǒng)與深入的研究,以期提高高低溫環(huán)境下近景攝影測量技術(shù)的測量精度與可靠性,也為其它工業(yè)產(chǎn)品安裝檢測及其形面變形測量的智慧決策提供理論支撐,本文主要研究工作及成果如下:(1)從攝影幾何原理出發(fā)闡述了單、雙(多)相機(jī)的測量原理,分析了攝影測量系統(tǒng)精度估計(jì)的內(nèi)符合式協(xié)方差傳播定律法、重復(fù)性測量精度法、外符合式基準(zhǔn)長度法、坐標(biāo)比對(duì)法以及Fraser精度估計(jì)法;結(jié)合高低溫環(huán)境下衛(wèi)星天線形面變形的施測方法,分別從內(nèi)、外符合精度指標(biāo)上對(duì)單相機(jī)攝影測量系統(tǒng)的測量精度進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,得到了理想的測試結(jié)果。(2)研究分析了高低溫環(huán)境中數(shù)字相機(jī)標(biāo)定方法。鑒于高低溫試驗(yàn)環(huán)境條件的特殊性,設(shè)計(jì)了一種能夠便捷靈活使用且具有高效防護(hù)性的相機(jī)防護(hù)裝置;并對(duì)相機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、分辨率與成像質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行了研究分析,給出了常用的相機(jī)10參數(shù)畸變模型,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合試驗(yàn)工作環(huán)境的特殊性,為確保相機(jī)標(biāo)定的效能,提出了采用10參數(shù)模型的相機(jī)光束法自標(biāo)定法。同時(shí)分析了溫度變化對(duì)已標(biāo)定相機(jī)及成像質(zhì)量的影響,經(jīng)試驗(yàn)測試檢驗(yàn)了相機(jī)標(biāo)定方法及相機(jī)防護(hù)裝置在特殊環(huán)境下較好的使用性能與便捷的工程服務(wù)性。(3)通過分析近景攝影測量標(biāo)志的反光材料及特性、種類與大小,在總結(jié)近景攝影測量標(biāo)志圖像的灰度分布規(guī)律以及標(biāo)志圖像中心定位算法的基礎(chǔ)上,提出了一種灰度閾值可變指數(shù)加權(quán)質(zhì)心法的標(biāo)志圖像中心定位算法,分別采用仿真與實(shí)測圖像進(jìn)行了算法驗(yàn)證與結(jié)果分析,證明本算法具有較高的定位精度,其中基于實(shí)測圖像相對(duì)于v-stars的標(biāo)志圖像中心綜合定位精度rms為0.0122pixels。(4)在閃光強(qiáng)度對(duì)近景攝影成像質(zhì)量及測量精度影響的大量試驗(yàn)測試研究基礎(chǔ)上,提出了影像質(zhì)量甄別的像素最大灰度值判別法,得到了攝影測量精度與攝影距離、閃光強(qiáng)度三者之間的相關(guān)關(guān)系。同時(shí)研究表明,在保證同光強(qiáng)的圖像質(zhì)量條件下,攝影測量精度與攝影距離具有近似反比關(guān)系,并分析了溫度變化對(duì)攝影輔助光源的影響。以nissinmf18閃光燈為例,在成像質(zhì)量最佳時(shí)的光束法平差精度估計(jì)rms與坐標(biāo)重復(fù)性測量精度rms分別達(dá)到了:0.028mm、0.039mm、0.085mm與0.038mm、0.053mm、0.118mm,其相應(yīng)的攝影距離與光強(qiáng)大小分別為3m、5m、7m與1/36、1/32、1/16。(5)分別采用攝影測量法、圖像處理法、顯微鏡法以及三坐標(biāo)測量機(jī)法對(duì)攝影測量基準(zhǔn)尺長度標(biāo)定方法進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與分析。不同時(shí)期大量的重復(fù)試驗(yàn)表明:當(dāng)基準(zhǔn)尺兩端上定量長度標(biāo)志點(diǎn)的外形質(zhì)量較好時(shí),四種方法標(biāo)定基準(zhǔn)尺長度的結(jié)果一致性也較好,但因三坐標(biāo)測量機(jī)法自身測量精度高、測量環(huán)境條件好且具有測量或計(jì)量溯源性,研究提出了基準(zhǔn)尺長度標(biāo)定可優(yōu)先選取三坐標(biāo)測量機(jī)法的思想,為我國攝影測量基準(zhǔn)尺長度標(biāo)定或校準(zhǔn)規(guī)范的制定提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)依據(jù)與參考。(6)分析了近景攝影測量網(wǎng)形空間幾何結(jié)構(gòu)對(duì)測量精度的影響。通過對(duì)其中影響精度的關(guān)鍵因素進(jìn)行試驗(yàn)分析,表明近景攝影測量網(wǎng)形空間幾何結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)成對(duì)測量精度的影響較大。研究給出了實(shí)際攝影測量工程中空間網(wǎng)形幾何結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則,為工程實(shí)踐應(yīng)用中測量網(wǎng)形的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了決策依據(jù)。(7)系統(tǒng)總結(jié)凝練了衛(wèi)星天線形面變形測量結(jié)果質(zhì)量的精度評(píng)定指標(biāo),重點(diǎn)分析了形面變形測量數(shù)據(jù)后處理方法;初步提出了形面測量精度的概念,以試驗(yàn)對(duì)象現(xiàn)有的信息為基礎(chǔ),提出了一種基于設(shè)計(jì)坐標(biāo)引導(dǎo)的快速迭代最近點(diǎn)(ficp)自由曲面擬合配準(zhǔn)算法,試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的快、精、準(zhǔn)特性。(8)在近景攝影測量理論、技術(shù)、方法綜合研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了口徑約4m的肋式展開型網(wǎng)狀衛(wèi)星天線在高低溫環(huán)境下形面變形的近景攝影測量檢測方案,并成功地進(jìn)行了近景攝影測量試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,不同溫度節(jié)點(diǎn)的天線反射面標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)重復(fù)性測量精度隨溫度的升降而變化,20℃時(shí)精度最好,相應(yīng)rms均值為0.027mm;-60℃時(shí)精度最差,相應(yīng)rms均值為0.048mm。而天線形面重復(fù)性測量精度總體上較好,其rms最大值不超過0.04mm;其中用于精度檢驗(yàn)的基準(zhǔn)尺長度測量誤差隨溫度變化規(guī)律不明顯,其長度測量最大誤差平均值為0.039mm,長度測量最小誤差平均值為0.014mm,總體上與天線形面重復(fù)測量精度一致。天線形面(肋)精度隨溫度變化而改變明顯,在溫度節(jié)點(diǎn)-60℃時(shí)最差,其RMS最大值達(dá)到了0.878mm(0.761mm)。由于形面誤差中包含有攝影測量誤差、形面配準(zhǔn)誤差、天線變形誤差等,故整體綜合分析知,由溫度變化引起的天線變形誤差相對(duì)較大,但也滿足了形面精度設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的要求。同時(shí)由形面誤差進(jìn)一步分析可得到每個(gè)測量循環(huán)中其它溫度節(jié)點(diǎn)相對(duì)于該循環(huán)中間的溫度節(jié)點(diǎn)(+20℃)為基準(zhǔn)的形面變形量,給出了形面變形分布趨勢圖,表明每40℃溫差之間的形面變形量的RMS值均小于0.3mm,達(dá)到了形面變形量設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P234.1

【參考文獻(xiàn)】

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