低温面形摄影测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低温面形摄影测量方法。
【背景技术】
[0002]位于射电和光学红外波段之间的太赫兹波段是天文观测的重要手段，尤其适合研究暗能量、大尺度结构、第一代恒星形成、星系形成和演化、恒星和行星系统的形成和早期演化、地外行星系统大气的物理化学特性及宇宙生命起源等现代天文学中最重要的前沿科学问题。
[0003]目前国际上已建成和在建的地面太赫兹观测设备包括Atacama LargeMi 11 imeter/submi 11 imeter Array (ALMA)和 Submillimeter Array (SMA)等。另外，正在规划中的太赫兹望远镜还包括Cornell Caltech Atacama Telescope (CCAT)和中国南极5米太赫兹望远镜(DATE5)等。
[0004]随着观测频率和望远镜性能的不断提高，太赫兹望远镜对反射面精度的要求也越来越高。根据Ruze公式，为了保证望远镜天线系统的增益，反射面面形的RMS误差应小于观测波长的1/20。以观测频率为ITHz为例，这就要求反射面面形RMS误差小于15微米。而为了实现这类反射面面形的精确检测，要求测量系统的测量误差应在微米量级。
[0005]目前，具备微米量级检测精度的反射面面形测量技术包括接触式的测量方法如三坐标测量仪，和非接触式的测量方法如激光散斑干涉仪、微波全息测量和摄影测量等。三坐标仪是在一种只能在常温测试样件形状的一种中大型设备，用这种设备测试时被测物体是不需要粘贴靶标的，它是用探头直接在作用在物体表面来测试该点的坐标的，所以三坐标测量仪通常要求工作在常温下、温度波动较小的恒温环境中，而常规激光和电子设备也无法适应例如-60 °C的低温环境。
[0006]另一方面，如采用摄影测量进行反射面低温面形快速评估，由于其需要黏贴靶标才能实现面形测量，因此，测量完带靶标的面板后还需要扣除靶标的厚度才能得到真正的面形，在此过程中，现有的测量方法无法完美的去处靶标厚度，导致使用摄影测量结果偏差较大。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是现有的测量设备和方法或者不足以应对在低温的南极野外实时测量单块天线面板面形的变形状态，或者测量误差大的问题。
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:低温面形摄影测量方法，包括以下步骤:1)面板的整个表面覆盖若干个相互间隔小于2cm的测量点和至少4组编码标志；每一组编码标志由固定相互位置的编码点组合形成，且每组编码标志均不相同，用于图像在后期计算时候的拼接；所述各个测量点的三维位置组合形成面板的面形；编码点和测量点均采用反射靶标；2)在旋转圆台上设置温度传感器和标尺，所述温度传感器的信号输出端连接外设的控制计算机，所述标尺两端各一个的反射靶标，标尺用于定义一个精准的绝对长度，在后期计算过程当中将这个长度作为基准来计算各个测量点的三维位置；所述旋转圆台包括由下至上依次设置的高低温步进电机、台面、光学平板，且高低温步进电机的输出轴、台面、光学平板同轴设置，电机输出轴带动台面和叠放在台面上的光学平板旋转运动；3)将步骤一得到的面板放在步骤二得到的旋转圆台上，面板与光学平面同轴设置，且面板的中心点固定在光学平板上；4)给相机做好保温措施，并在相机上安装温度传感器，所述温度传感器的信号输出端连接外设的控制计算机；5)将相机定位在任意一高度，然后调整相机的俯仰姿态，使得面板位于相机的视场中心，即面板处在相机的焦面上；记录下此时相机与被测物体之间的距离、相机的高度值和俯仰角度值；6)控制计算机控制步进电机正转，并控制相机每隔角度a进行一次拍摄，保存拍摄照片数据；7)控制计算机控制步进电机反转，并控制相机每隔角度b进行一次拍摄，且使得反转时的拍摄点与正转时的拍摄点均错开，保存拍摄照片数据；8)保持相机与被测物体之间的距离不变，调整相机的高度和俯仰角度，重复步骤5-7的测量η次以上，并记下η次照片拍摄时相机的高度值、俯仰角度值、电机正转拍摄照片数据和电机反转拍摄照片数据，η ^ 2，完成一组照片的拍摄；9)重复拍摄m组照片，m彡2，分别对拍摄的每组照片进行数据处理，得到m组面形的三维坐标，并将这m组面形三维坐标变换到同一坐标系下，取其平均值作为面形三维坐标值；10)在常温下，采用步骤1-9的方法测量出常温状态下面板的三维坐标值，然后，在同一工况下，采用三坐标仪检测无靶标的面板的三维坐标值，将两者相减，得到常温下靶标的厚度值；同一工况是指温度相同且被测物是同一面板；11)将步骤9)得到的平均值减去步骤10)得到的靶标的厚度值，即得到标定后的面形。
[0009]本发明将数字摄影测量技术应用于低温环境下高精度太赫兹反射面板的面形检测，采用高分辨率工业相机，结合低温电机驱动的自动测试台，实现测量设备在低温环境实验舱中的自动化拍摄。通过多次重复测量，分别验证了实验室常温下和低温环境实验舱内摄影测量的重复测量精度。此外，利用常温下三坐标仪测量结果对靶标厚度进行标定，从而消除了由靶标厚度差异造成的系统测量误差，实现了微米量级高精度摄影测量。
[0010]为进一步提高测量精度，避免误差的出现，所述步骤4中给相机做的保温措施，包括以下步骤:A)采用玻璃棉材料制成的保温套对相机的镜头以下的部分进行保温；b)通过压敏胶在相机金属机壳上粘贴聚酰亚胺材料制作的柔性加热膜；c)当温度传感器检测到相机温度低于_35°C或者高于40°C时，通过柔性加热膜加热或冷却相机的金属壳，将相机温度维持在_35°C到40°C之间。当相机温度低于_35°C时，(XD成像质量会有显著的下降。另一方面，当相机温度远高于环境温度时，相机镜头出现结霜的风险会大大增加。因此，在低温实验中，本发明通过加热膜输入功率的调节将相机温度维持在一个合适的水平上，避免出现这些现象影响测量的精度。
[0011]进一步，步骤2)中的温度传感器设置在旋转圆台的台面以下非旋转的部位。考虑到将温度传感器设置在会旋转的部分不利于布线安装，容易造成使用损坏，其次，台面以下的温度与面板的温度差距极小可忽略，因此，将传感器设置在台面下部，方便安装，能延长传感器的使用寿命，测量精度也达标。
[0012]本发明的优点是:采用高分辨率工业相机，结合低温电机驱动的自动测试台，实现测量设备在低温环境实验舱中的自动化拍摄。在低温环境实验舱中，实现了 2.1微米rms的重复测量精度。此外，还尝试利用常温下三坐标仪测量结果对靶标厚度进行标定，从而消除了由靶标厚度差异造成的系统测量误差，获得了较理想的测量效果。运用本文提出的测量方法，可在常温至-60°C的温度范围内测量了多种板材结构的面形的变化规律。
【具体实施方式】
[0013]本发明低温面形摄影测量方法，包括以下步骤:
[0014]1)面板的整个表面覆盖若干个相互间隔小于2cm的测量点和8组编码标志；每一组编码标志由固定相互位置的编码点组合形成，且每组编码标志均不相同，用于图像在后期计算时候的拼接；所述各个测量点的三维位置组合形成面板的面形；编码点和测量点均采用反射靶标；由于编码标志每组不一样，就能够按照编码标志的排放顺序经行准确拼接;
[0015]2)在旋转圆台上设置温度传感器和标尺，所述温度传感器的信号输出端连接外设的控制计算机，所述标尺两端各一个的反射靶标，标尺用于定义一个精准的绝对长度，在后期计算过程当中将这个长度作为基准来计算各个测量点的三维位置；所述旋转圆台包括由下至上依次设置的高低温步进电机、台面、光学平板，且高低温步进电机的输出轴、台面、光学平板同轴设置，电机输出轴带动台面和叠放在台面上的光学平板旋转运动；温度传感器设置在旋转圆台的台面以下非旋转的部位；
[0016]3)将步骤一得到的面板放在步骤二得到的旋转圆台上，面板与光学平面同轴设置，且面板的中心点固定在光学平板上；
[0017]4)给相机做好保温措施，并在相机上安装温度传感器，所述温度传感器的信号输出端连接外设的控制计算机；所述保温措施，包括以下步骤:A)采用玻璃棉材料制