專利名稱：球面射電望遠鏡反射面單元面板測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種球面射電望遠鏡(FAST)反射面單元面板測量方法。
背景技術：
球面射電望遠鏡(FAST)預研究始于1994年，由中國科學院國家天文臺主持，全國20余所大學和研究所的百余位科技骨干參與，與英、荷、德、澳大利亞、美等有廣泛合作。 2007年7月，國家發(fā)展和改革委員會原則同意將500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)項目列入國家高技術產業(yè)發(fā)展項目計劃，中國科學院國家天文臺FAST項目正式完成國家立項。項目建設地點為貴州省黔南自治州，建設周期5. 5年。FAST是目前世界上即將建設的最大單口徑望遠鏡，它利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺址，洼坑內鋪設數千塊單元面板組成500米球冠狀主動反射面，并采用輕型索拖動機構和并聯(lián)機器人，可以實現望遠鏡接收機的高精度定位。FAST反射面是由4400塊單元面板(球面三角形)組成，共計180余種類型。單元面板為邊長約11m，曲率半徑315m球面三角形。每個面板上布置66個調整節(jié)點；單元面板透空率為50%。由于FAST項目安裝現場的面板檢測，目前人工常規(guī)方法工作量大(4400 塊單元面板)，時間長，而且保證不了測量的精度，影響使用效果，滿足不了現場測量快速、 精確的基本要求。

發(fā)明內容
針對上述情況，為克服現有技術上的缺陷，本發(fā)明之目的就是提供一種球面射電望遠鏡(FAST)反射面單元面板測量方法，可有效解決對球面射電望遠鏡單元面板的快速而精確的測量問題。本發(fā)明解決的技術方案是，由以下步驟實現I、首先，布設測量標志測量標志包括人工的圓形定向反光標志和人工的編碼標志，統(tǒng)稱人工標志，方法是，在每個面板的66個調整節(jié)點上布設圓形定向反光標志 (retro-reflective target,簡寫為RRT),在單個面板上放置編碼標志框架,編碼標志框架上布設編碼標志，并計算人工標志的尺寸；2、進行面板的攝影測量將單元天線面板放在移動小車上，推入到編碼標志框架內，通過控制相機運載系統(tǒng)，移動相機進行測量；3、坐標計算通過攝影測量系統(tǒng)的測量軟件進行計算，完成對圖像的拼接和測點之間坐標關系的傳遞；4、分析計算方法是，利用測量數據分析系統(tǒng)進行，該系統(tǒng)為基于CAD功能的常用曲面分析軟件，每種類型面板加工時都有CAD模型，分析系統(tǒng)使用CAD模型與測量數據進行最優(yōu)計算，得到面板的面型精度，導出三維顯示的偏差量針狀圖和偏差量數據報表，從而完成對球面射電望遠鏡單元面板的測量。本發(fā)明測試方法簡單，易操作，勞動強度小，速度快，省時省力，精度高，有效保證球面射電望遠鏡的使用效果。
具體實施例方式以下結合具體情況對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細說明。本發(fā)明在具體實施中，是由以下步驟實現的I、布設測量標志測量標志包括兩種人工標志，即圓形定向反光標志和編碼標志， 圓形定向反光標志的特點是，反射亮度比漫射常規(guī)的白色標志高出數百甚至上千倍，能容易得到被測目標物自身影像“消隱”而圓形定向反光標志的構像卻特別清晰而突出的“準二值影像”，布設圓形定向反光標志和定向反光材料制作的編碼標志，用于實現相片的拼接和計算自動化，方法是，在單元面板的66個調整節(jié)點上粘貼圓形定向反光標志，單元面板的其它部位根據需求，可以增加一定數量的測量用的圓形定向反光標志作為加密點使用，以能夠充分反映單元面板狀態(tài)；采用編碼標志框架，安裝在單元面板的上方，編碼標志框架由多根均置互相平行的長金屬條固定在支架上構成，編碼標志框架的作用是在測量4400塊單元面板時編碼標志點可以重復使用，根據編碼標志框架的尺寸與測量的實際情況，在每根上均置設置編碼標志13個，平均I米距離布設I個，總共布設143個，在顧及到攝影精度和拍攝距離的情況下，要計算人工標志的尺寸，在圖象處理與分析過程中，人工標志在像片上成像的尺寸為 0>5pixel，以保證圖像提取精度；
Q人工標志尺寸計算工式> =其中，d為人工標志直徑，c為人工標志像點直徑方向像素個數，r為像素尺寸 O. 0076mm, I (2. 5m)為空間攝影距離,f為相機焦距8. 5mm,式中c彡5計算可得d = 11. 2mm ； 綜合考慮現場條件和測量精度，測量中使用的是直徑d為ll-12mm的圓形定向反光標志和編碼標志；2、進行面板的攝影測量將單元面板放在移動小車上，推入到編碼標志框架內，通過控制相機運載系統(tǒng)(如步進電機)，移動相機進行測量；面板測量過程，是測量相片采集的過程。除了相片成像質量之外，測量相片的重疊度也是面板測量的關鍵，其重疊度的優(yōu)劣，決定后續(xù)的計算結果，甚至影響此次測量的成敗。只注重重疊率，會增加測量需要的照片，影響測量效率，因此，要對相片的重疊率進行設計，按照相鄰兩張相片60%的重疊率，每個標志點至少會有三張相片對其成像，既可以保證測量精度，又可以提高測量效率；攝影測量中的相機其視場角為Θ = 50. 68°，攝影距離(即相機與被測單元面板間的距離)H = 2. 5m，其單次攝影物方覆蓋范圍長度D = 2Htan( Θ /2)，則D = 2. 368m，根據相鄰兩張相片60%的重疊率的原則，將相機單次移動距離λ =DXO. 4 = 947. 2mm，采用常規(guī)的“條帶法”對單元面板進行測量，即將相機在單元面板上方沿著軌道單次滑動947. 2mm, 并對單元面板進行拍照一次，待該條帶拍攝覆蓋一次之后，將相機更換到另一導軌，重復上述步驟，直到整個單元面板覆蓋攝影完畢；利用條帶法對單元面板進行測量，既可以滿足攝影網形和測量精度的要求，又易與實現；
3、坐標計算通過攝影測量系統(tǒng)的測量軟件進行計算，各相機(又稱相機攝站)之間的位置關系需要利用編碼標志進行傳遞，利用編碼標志進行圖像拼接的主要原理是把編碼標志作為測量中具有已知坐標的控制點，由這些控制點的已知空間信息，通過后方交會原理得到每幅像片的外方位元素，從而完成對圖像的拼接和像機之間坐標關系的傳遞，坐標的計算是通過攝影測量系統(tǒng)專業(yè)的測量軟件進行，簡單快速；4、分析計算方法是，利用測量數據分析系統(tǒng)進行，該系統(tǒng)為基于CAD功能的常用曲面分析軟件，每種類型面板加工時都有CAD模型，分析系統(tǒng)使用CAD模型與測量數據進行最優(yōu)計算，得到面板的面型精度情況；分析過程為，利用曲面分析軟件，分別導入單元面板的測量點集和其數模(IGS格式)，精確匹配后，計算單元面板上的66個調整節(jié)點的實際偏差量，同時，導出三維顯示的偏差量針狀圖和偏差量數據報表，從而完成對球面射電望遠鏡單元面板的測量；5、重力變形影響的測量因為單元面板隨著傾斜角度的不同，會產生不同的重力變形，需要對重力變形影響進行測量，如果對每塊傾斜狀態(tài)下單元面板進行相同傾斜角度測量，會增大測量工作量與測量難度；因此，對重力變形影響的測量是必需的，方法是，采用常規(guī)的仿真分析與測量檢驗方法進行，將單元面板平放在工作平臺上(上產與運輸狀態(tài))， 使用單相機攝影測量系統(tǒng)進行測量，根據測量結果計算分析面板面型精度情況，將單元面板放置在設定角度。采用與上一步同樣的方法進行測量與分析，計算得到單元面板平放狀態(tài)與傾斜狀態(tài)的變形情況，同時傾斜狀態(tài)變形量可與仿真計算結果進行比較，通過多次測量與修正，最后確定仿真的數學模型，用仿真數學模型對相同類型的面板進行數學仿真即可得到傾斜狀態(tài)的單元面板變形情況。本發(fā)明方法易操作，速度快，測量準確，經多次反復試驗和試用，并與現有常規(guī)方法相比較，取得了滿意的效果，表明本發(fā)明方法穩(wěn)定可靠，具有很強的適用性，單元面板的型面精度< O. 8mm，單塊單元面板測量時間< lOmin，測試效果均優(yōu)于現有方法，而且大大減少了現場的測試工作量，提高工作效率5倍以上，同時大大降低了勞動強度，有效滿足了 FAST安裝現場的面板檢測方法簡單、快速、準確的要求，是球面射電望遠鏡反射面單元面板測量方法上的一大創(chuàng)造。
權利要求
1.一種球面射電望遠鏡反射面單元面板測量方法，其特征在于，由以下步驟實現(1)、布設測量標志測量標志包括兩種人工標志，即圓形定向反光標志和編碼標志， 布設圓形定向反光標志和定向反光材料制作的編碼標志，用于實現相片的拼接和計算自動化，方法是，在單元面板的66個調整節(jié)點上粘貼圓形定向反光標志，單元面板的其它部位根據需求，可增加圓形定向反光標志作為加密點，以能夠充分反映單元面板狀態(tài)；采用編碼標志框架，安裝在單元面板的上方，編碼標志框架由多根均置互相平行的長金屬條固定在支架上構成，在每根上均置設置編碼標志13個，平均I米距離布設I個，總共布設143個，人工標志在像片上成像的尺寸為0>5 pixel，以保證圖像提取精度；Q人工標志尺寸計算工式'd = 了其中，d為人工標志直徑，c為人工標志像點直徑方向像素個數，r為像素尺寸，I為空間攝影距離，f為相機焦距；(2)、進行面板的攝影測量將單元面板放在移動小車上，推入到編碼標志框架內，通過控制相機運載系統(tǒng)，移動相機進行測量；單元面板測量過程，是測量相片采集的過程，除了相片成像質量之外，測量相片的重疊度也是面板測量的關鍵，按照相鄰兩張相片60%的重疊率，每個標志點至少會有三張相片對其成像，既可以保證測量精度，又可以提高測量效率；攝影測量中的相機視場角為Θ = 50.68°，攝影距離H = 2. 5m，其單次攝影物方覆蓋范圍長度D = 2Htan( Θ /2)，根據相鄰兩張相片60%的重疊率的原則，相機單次移動距離λ =DX0. 4 = 9472mm，采用常規(guī)的“條帶法”對單元面板進行測量，將相機在單元面板上方沿著軌道單次滑動9472_，并對單元面板進行拍照一次，待該條帶拍攝覆蓋一次之后，將相機更換到另一導軌，重復上述步驟，直到整個單元面板覆蓋攝影完畢；(3)、坐標計算通過攝影測量系統(tǒng)的測量軟件進行計算，各相機之間的位置關系需要利用編碼標志進行傳遞，利用編碼標志進行圖像拼接，把編碼標志作為測量中具有已知坐標的控制點，由這些控制點的已知空間信息，通過后方交會原理得到每幅像片的外方位元素，從而完成對圖像的拼接和像機之間坐標關系的傳遞，坐標的計算是通過攝影測量系統(tǒng)常用的測量軟件進行；(4)、分析計算方法是，利用測量數據分析系統(tǒng)進行，該系統(tǒng)為基于CAD功能的常用曲面分析軟件，每種類型面板加工時都有CAD模型，分析系統(tǒng)使用CAD模型與測量數據進行最優(yōu)計算，得到面板的面型精度情況；分析過程為，利用曲面分析軟件，分別導入單元面板的測量點集和其IGS格式數模，精確匹配后，計算單元面板上的66個調整節(jié)點的實際偏差量，同時，導出三維顯示的偏差量針狀圖和偏差量數據報表。
2.根據權利要求I所述的球面射電望遠鏡反射面單元面板測量方法，其特征在于，步驟⑴中所述的人工標志直徑d為ll_12mm，人工標志像點直徑方向像素個數c ^ 5，像素尺寸！'為O. 0076mm，空間攝影距離I為2. 5m，相機焦距f為8. 5mm。
3.根據權利要求I所述的球面射電望遠鏡反射面單元面板測量方法，其特征在于，還包括對反射面單元面板重力變形影響的測量，方法是，釆用常規(guī)的仿真分析與測量檢驗方法進行，將單元面板平放在工作平臺上，使用單相機攝影測量系統(tǒng)進行測量，根據測量結果計算分析面板面型精度情況，將單元面板放置在設定角度，采用與上一步同樣的方法進行測量與分析，計算得到單元面板平放狀態(tài)與傾斜狀態(tài)的變形情況，同時傾斜狀態(tài)變形量可與仿真計算結果進行比較，通過多次測量與修正，最后確定仿真的數學模型，用仿真數學模型對相同類型的面板進行數學仿真，即可得到傾斜狀態(tài)的單元面板變形情況。
全文摘要
本發(fā)明涉及球面射電望遠鏡反射面單元面板測量方法，可有效解決對球面射電望遠鏡單元面板的快速而精確的測量問題，方法是，在每個面板的66個調整節(jié)點上布設圓形定向反光標志，在單個面板上放置編碼標志框架，編碼標志框架上布設編碼標志，并計算人工標志的尺寸；將單元天線面板推入到編碼標志框架內，移動相機進行測量；通過攝影測量系統(tǒng)進行計算，完成對圖像的拼接和測點之間坐標關系的傳遞；利用測量數據分析系統(tǒng)使用CAD模型與測量數據進行最優(yōu)計算，得到面板的面型精度，導出三維顯示的偏差量針狀圖和偏差量數據報表，從而完成對球面射電望遠鏡單元面板的測量，本發(fā)明測試方法簡單，易操作，勞動強度小，速度快，省時省力，精度高。
文檔編號G01B11/16GK102589425SQ20121000820
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權日2012年1月12日
發(fā)明者朱麗春, 李心儀, 王啟明, 胡金文, 范生宏, 范欽紅 申請人:中國科學院國家天文臺, 鄭州辰維科技股份有限公司