摘 要：对大口径抛物面天线而言，自重较大，型面精度会随天线俯仰角度的变化而变化，数字摄影测量技术可以量出天线任意姿态下型面精度，计算天线反射体重力变形数值，根据测量数据进行精度及重力预变形调整。66米口径天线实际应用中，型面调整精度0.25mm。测试结果表明数字摄影测量技术可用于天线重力变形测试和形面精度在位测量、调整。
关键词：大口径抛物面天线；重力变形；数字摄影测量
中图分类号：P234 文献标识码：A
1 前言
抛物面天线的型面精度是衡量、评价天线性能的重要指标，不仅直接影响天线接收、发射电磁波效率，而且还决定了天线可工作的最短波长。
常规的型面精度保障方法是在天线反射面旋转轴线垂直于大地（口面朝天）状态，利用检测设备测量实际型面与理论型面的偏差，通过偏差值进行调整，再进行偏差测量，循环反复多次直到型面精度达到设计指标要求。
对于小口径刚性较好的天线反射面，通常对其在工作姿态时因自重产生的重力变形忽略不计，即认为在各工作仰角的型面精度与朝天状态型面精度一致。但对于大口径抛物面天线而言，由于自重较大，结构复杂，因自重而产生的重力变形数值较大，会严重影响各工作仰角时的型面精度。对于66米口径天线而言，500吨自重的反射体在不同俯仰角度下产生的最大重力变形将近20mm，对型面精度的影响较大，甚至可能影响设备的正常使用。
因此，为保证大口径天线在工作姿态下的型面精度，最佳的调整、测试步骤应该如下：
1）测试出天线重力变形数值
2）利用变形数值绘制变形曲线
3）利用变形曲线确定天线反射面的最佳调整姿态
4）确定天线反射面在全俯仰姿态内满足型面精度要求时最佳调整姿态对应的型面精度要求
5）在最佳调整姿态调整型面精度
2 天线型面精度及重力变形测试现状
对于一个大口径天线的现场安装调整，由于环境、设备、保障条件等操作顺序的原因，型面精度调整往往安排在结构整架阶段进行，在此阶段，馈电单元、伺服控制、编码角度等设备还没有就位，无法利用国际上通用的无线电全息测量技术对天线型面重力变形进行测试，实际工程中较为常用的测试方法为经纬仪测量法、全站仪测量法及跟踪仪测量法。三种测量方法的共同点如下：
1）受仪器工作方式限制，进行检测时天线口面需朝天放置，即天线旋转轴线垂直于大地。
2）需要对反射面上的测量点逐点采集数据。
大口径金属反射面在温度、湿度、光照情况下会产生较大变形，为追求测量准确性，一般选择在温湿度变化较小的夜间进行。对于66米口径天线的7800个检测点而言，按平均3点/分钟的采集速度，采集一遍数据约需44小时，按每夜晚工作8小时计算，采集一遍数据需5～6天时间，如果在数据实时检测过程中进行逐点的偏差调整，则所需时间还会成倍的上涨。过长的数据采集时间会带入较大的温湿度误差、基准对齐误差等，影响检测数据的准确性。同时，因为三种测试方法在检测数据时天线反射体旋转轴线必须垂直于大地，所以这几种检测方法不具备对天线反射体在任意姿态下的精度测量能力。
经纬仪、全站仪、跟踪仪三种测试方法在检测数据时天线反射体旋转轴线必须垂直于大地，工作方式决定了这几种检测设备无法与天线反射面一体进行俯仰运动、不具备对天线反射体在任意姿态下的重力变形测试能力。由于受检测手段的限制，无法取得天线反射面实际重力变形数值，传统的办法是建立天线结构系统的数学模型，利用ANSYS软件计算天线反射体理论变形数值，在天线口面朝天状态的精度调整时做预变形调整。其思路是在朝天状态根据理论变形量，相对于反射面的理论型面预先变形调整，使其在工作姿态时变形量抵消预变形值，从而使反射面精度在工作姿态时达到最佳效果。但从实际效果来看，天线反射面由于种种原因，其实际变形值与理论变形值有较大偏差，这种偏差会对大口径或高精度天线性能造成影响。
由上述分析可知：目前传统的检测手段无法满足天线型面精度及重力变形测试的要求。因此寻找一种能够高效率、高精度完成测量任务的设备成为工程完成的关键。
为满足重力变形及型面精度测试，该测量设备应具备如下两种能力：
1）天线反射面在任意姿态下的型面精度调整及检测能力
2）天线反射面重力变形实际数值的测量能力
3 数字摄影测量技术
数字摄影测量系统是近几年新出现的一种使用方便、功能齐全、测量精确的非接触式便携测试仪器。该系统主要利用立体视觉的交会测量原理，通过一台高分辨率的数字相机，距被测物体一定距离从多个位置和角度拍摄一定数量的数字像片，根据透视投影的目标点、相机中心和像点三点共线条件，经相机定向及图像匹配后得到目标点三维坐标。主要特点包括：非接触测量、动态性能好、检测速度快、受外界环境影响小等。样式如图2：
4 探索、试验及结论
从数字摄影测量技术介绍可知：该测量系统具备在天线任意姿态下的型面精度检测能力，具备天线反射体重力变形检测能力。因在天线结构安装调整阶段对反射面天线重力变形、型面精度进行测量变成了可能。
为验证数字摄影测量技术在大口径天线重力变形、面精度测量等方面的应用可行性，利用口面为66米的轮轨式方位、俯仰型全动抛物面天线，按前文所述的最佳的大口径天线型面精度调整、测试步骤进行了试验。
66米抛物面天线的俯仰转动范围约为0°～90°，反射面自身重量约500T，由1108块铝质反射面板拼装而成，在径向上设计为15环，每环由不等的24～96块面板组成，其中每块面板上有6～8处调整点，共计7800处调整点。副反射面由均布的4条支撑腿支撑于沿主反射面旋转轴线上方约20米位置处。见下图：
4.1 试验内容
（1）测量主反射面随天线俯仰在0°～90°度运动范围内的各姿态重力变形数值。
（2）通过各姿态重力变形数值计算并绘制变形曲线，利用曲线确定最佳型面精度的调整姿态（俯仰角度）及调整精度。
（3）将天线停在最佳俯仰角度，对型面精度进行测量，计算调整点偏差值并进行对应调整，直至型面精度满足要求。
4.2 试验准备
（1）调整天线大盘水平、调整天线俯仰姿态使天线反射面旋转轴线垂直于大地（定义为俯仰90°，目的是便于人员操作及基准的建立）。
（2）在天线反射体中心定位环上表面建立6～8处坐标转换基准点。在天线面板任意位置处布设2处长度基准点，2处长度基准点的距离L≥天线口径/2。
（3）在面板指定位置处（模型节点）粘贴测量用回光反射标志。
（4）在面板指定位置处粘贴照片拼接用编码标志。
4.3 试验过程
（1）在天线俯仰90°状态下，利用激光跟踪仪在天线反射面坐标系下测量6～8处转换基准点三维坐标值，测量2处长度基准点坐标值。
（2）在天线俯仰90°～0°范围内多种状态，用吊车将测量人员送至天线口面的前方，围绕着天线四周，利用美国V-STARS摄影测量系统，对天线反射面进行测量，取得多种状态下的原始图片数据。
（3）从多组交会测量的图片文件中解算出各回光反射标志的相关数据，利用跟踪仪测得的转换基准点坐标值及长度基准点坐标值，分别解算出多组状态下各回光反射标志在摄影测量坐标系下的坐标值并转换到天线坐标系下。
（4）以转换基准点为基准，利用各回光反射标志坐标值，计算、比对反射面多种状态与90°状态时天线型面节点的法向偏差值，确定了天线反射面的重力变形数值并计算出了重力变形曲线、计算出了最佳型面精度要求≤0.30mm（r.m.s）及调整俯仰角度35°。
（5）在最佳俯仰角度35°的天线姿态下对天线面精度进行测量，计算出各点偏差值并反复进行多次调整，最终调整精度达到0.25mm（r.m.s），满足了设计指标的要求。
影响摄影测量精度的几何因素主要有交会图形、冗余像片数和被测物体的尺寸。测试中使用的V-STARS/S8系统的相对测量精度是1：200000，因此，对于66米口径的天线而言，为了提高测量精度，采用了增大回光反射标志面积、缩短摄影距离和增加摄影位置数目的方式，将摄站离天线约20米处进行摄影，每张像片仅拍摄天线的一部分，用多个局部将天线整体拼接起来。
测试信道打通后，在各工作频段、各俯仰角度对天线方向图进行了测试，所有与天线型面精度相关的电信指标全部满足要求，从而验证了摄影测量系统在反射面天线型面精度调整及重力变形测试的应用可行性。
结语
传统制造业中的测量大多是“事后”测量，也即是在生产装配过程后被动的测量。而从66米天线型面装配、调整的实际过程来看：数字摄影测量检测不再仅仅是被动检测，而是整个装配、调整过程中不可缺少的关键环节。通过对66米口径抛物面天线的实际测量及精度调整，验证了数字摄影测量系统适用于大口径、高精度天线结构系统安装、调整的在线检测，其最突出的优势就是对天线型面的重力变形及型面精度的高效率、高精度检测，是今后该检测领域的发展方向。
参考文献
[1]数字摄影测量用于天线热变形测量的精度测试[J].测绘通报，2007.
