一种固面可展开天线热变形测量实践

刘博学，张银磊，张 章

（西安空间无线电技术研究所，西安710000）

0 引言

星载天线在轨热变形不仅会引起反射面部分的型面变化进而导致天线辐射方向图的畸变，也会引起天线展开角度的变化并进一步影响天线指向精度，产生天线波束指向误差[1]，进而影响天线收发信息的准确性和发射功率，降低天线可靠性。因此，天线研制过程中须对天线进行热变形测量，以预判天线在轨性能，并为天线设计提供指导。摄影测量法因其应用灵活、测量精度高，同时具有非接触、测量速度快、自动化程度高等优点，成为了星载天线形态测量的最主要手段，特别是在空间环境模拟测量中发挥着关键作用。德国A lcatel公司、日本JAXA 和北京卫星环境工程研究所等在开展天线反射器在真空罐中的热变形测量研究工作时，都采用了将摄影相机防护后置于真空罐内进行测量的方式。目前对于星载天线的热变形测量，国内外虽然普遍采用摄影测量的方法[2-3]，但是由于测量环境对相机精度的影响以及天线不同结构对热变形分析的需求，热变形测量需要采取更适合的摄影测量方式和合理的数据分析方法以保证测量的精度和结果的有效性[4]。

本文以某高精度星载固面可展开天线为对象，针对其具体结构和不同的测量环境，研究在常压和真空2种环境中对天线型面和指向精度热变形测量的关键技术，探讨适用于此类天线的热变形测量数据分析处理方法，旨在实现固面可展开天线高/低温环境下的热变形量化分析计算，并通过实践验证。

1 测量对象和环境

被测固面可展开天线结构（如图1所示）由反射面和展开臂组成。

图1 固面可展开天线Fig.1 Deployable antenna with solid surface

天线热变形测量需要模拟真空高/低温环境，目前国内外主要采用真空罐设备模拟真空环境[5]，利用加热笼提供高温环境，利用热沉提供低温环境。但真空环境下的热变形测量周期略长、成本较高。近年来为了进一步提高天线热变形测量的效率并降低成本，西安空间无线电技术研究所利用高/低温箱提供高/低温环境开展了常压下的天线热变形测量。2种测量环境参数见表1。

表1 热变形测量环境Table1 Environment of thermal deformation measurement

天线热变形测量在真空罐或高/低温箱内经历的过程剖面如图2所示，试验过程中在被测产品温度达到某一特定温度工况保温点并稳定一定时间后进行该工况下的热变形测量。

图2 天线热变形测量过程剖面Fig.2 Temperature curve of thermal deformation measurement

2 测量方法

天线在上述真空或常压环境下的热变形测量均采用近景摄影测量方式，先由测量相机获得天线在不同温度工况下的多张不同角度的照片，再经过图像处理和数据分析获得天线热变形情况[6-7]。

2.1 测量方式

测量环境超出了摄影测量相机的正常工作范围（常压、0～35℃），因此选择将测量相机置于真空罐或高/低温箱外，在真空罐或高/低温箱上设计与相机镜头尺寸形状匹配的光学测量窗口，相机通过窗口的高透光学石英玻璃（透过率≥95%）对内部的天线产品进行拍照测量，如图3所示，测量相机与天线环境相隔离，保证了相机的高精度测量。测量过程中须保持窗口干燥不起雾。

图3 测量窗口位置及结构Fig.3 Position and structureof measuring window

由于一般在真空罐或高/低温箱侧顶部设计的测量窗口只有1～2个，测量角度有限，为了获得天线多角度的照片，实现摄影交会测量，采用天线转动、摄影测站固定的测量网型构建方式。天线转动依靠如图4所示的底部承载旋转工装驱动，旋转工装自由支撑被测天线并实现其以1(°)/s的转速在0°～360°连续自动转动，且该工装能够通过加热和防护等热控措施满足常压和真空高/低温环境下的使用要求。

图4 天线旋转工装Fig.4 Antenna rotating tooling

在一次测量过程中，是天线旋转工装往返转动2圈：在0°→360°转动过程中，测量人员手扶相机使其保持固定并透过测量窗口对天线进行多角度均匀间隔测量；在360°→0°转动过程中，测量人员绕相机光轴转动相机90°后再次保持镜头固定并透过测量窗口对天线进行多角度均匀间隔测量。为了减小测量过程的随机误差，每个工况连续测量3组数据，以3组数据的平均值作为后续所有分析的基础数据。真空和常压环境的测量现场如图5所示。

图5 热变形测量现场Fig.5 Measurement scene

2.2 测量附件

1）测量标志点

高精度固面可展开天线热变形测量时采用摄影测量方法，测量过程所用靶标点包括耐高/低温单点标志点和编码标志点[8]。单点标志点包括基准点靶标、型面测量靶标和展开臂测量靶标。基准点靶标一般设置在天线反射器基准孔周围，与基准孔数量一致；型面测量靶标应均匀设置，间距与天线频率有关，一般设置为25mm；两侧展开臂测量靶标应在其测量表面均匀粘贴多列，一般间距25mm。编码标志点粘贴应确保每张摄影照片内至少包含4个编码点，且所有编码点与基准编码点序号不能重复。

2）测量基准尺

测量采用碳纤维或微晶玻璃基准尺提供基准长度，热变形测量过程中将基准尺靠近天线产品稳定放置于支撑工装上，口面朝上，并与天线保持相对位置固定，随旋转工装转动。

3 数据测量及分析处理

天线热变形测量经历的各个温度工况（参见图2）下进行摄影测量的时机如下：

1）常温常压环境下在真空罐或高/低温箱外完成M 1测量；

2）将天线及工装置入真空罐或高/低温箱内，合罐/箱，在常温常压环境的真空罐或高/低温箱外通过测量窗口完成M 2测量；

3）（真空罐抽真空），升温至80℃，经6 h 除湿烘烤后，降至常温，保温完成后在常温常压环境的真空罐或高/低温箱外通过测量窗口完成M 3测量，并将M 3和M 2测量结果进行对比；

4）如M 3与M 2测量结果相近，则表明产品达到稳定，可继续进行后续测量，否则须重新升温至80℃进行除湿烘烤，直至产品稳定；

5）降低温，完成M 4测量后，对比M 4和M 3测量结果，分析天线低温热变形情况；

6）升高温，完成M 5测量后，对比M 5和M 3测量结果，分析天线高温热变形情况；

7）回常温，完成M 6测量后，对比M 6和M 3测量结果，分析天线回温变形情况；

8）（恢复常压，在真空罐外通过测量窗口进行M 7测量）；

9）开罐/箱，常温常压环境下在真空罐或高/低温箱外完成M 8测量。

完成所有工况的原始测量数据获取后，即可进行热变形分析。

3.1 测量分析坐标系

天线热变形测量分析过程应用到的坐标系有摄影测量坐标系和天线设计坐标系，并且涉及坐标系间的转换：

1）摄影测量坐标系由每次测量的相机初始位置决定，每个工况及每次测量的坐标系均不相同。坐标原点位于相机镜头中心，z轴垂直于像平面指向相机镜头，x轴和y轴平行于像平面，其三轴符合右手准则。每次直接测量获得的原始数据均为摄影测量坐标系下的结果。

2）天线设计坐标系参图1所示，为了便于分析固面可展开天线反射面型面和天线指向精度的热变形测量结果的方向特性，需要基于天线自身设计坐标系，其y轴平行于天线展开轴，绕y轴的的角度变化即为天线展开角度的变化，x轴指向天线反射面，z轴由右手法则确定，坐标原点位于天线反射面顶点。

3）热变形分析时，需要将摄影测量坐标系下的原始数据转换到天线设计坐标系下，分析出对应天线坐标系的反射面型面及天线指向的热变形量。两坐标系间通过天线基准点进行空间转换确定平移旋转参数，将摄影测量坐标系下的原始测量数据转换至天线设计坐标系下进行相关分析。

3.2 分析处理方法

高精度固面可展开天线热变形分析以M 3～M 7工况测量数据为参考，M 3工况为基准工况，将M 4～M 7工况数据与M 3工况数据分别进行对比，以分析天线在各工况下相对于基准工况的热变形量。热变形量的具体计算方法如下：

1）建立天线设计坐标系。分别将M 3～M 7工况的天线在摄影测量坐标系下的测量数据通过测量前事先标定的天线设计坐标系下的基准点进行公共点转换，统一在天线设计坐标系下，提供热变形分析的坐标系基础。

2）反射面型面热变形。以M 4～M 7工况与M 3工况反射面所有测点进行拟合转换，分析反射面在各工况下相对于基准工况的型面热变形情况。

3）天线指向热变形。以展开臂为刚性参考基准，将展开臂在M 4～M 7工况下的测量值与M 3工况下的点坐标进行拟合转换，在展开臂拟合的基础上分析天线反射面在各工况下相对于基准工况的转角变化情况，即天线指向变化。

3.3 分析处理结果

以M 4（低温）和M 5（高温）工况为例，分析固面可展开天线在高/低温条件下相对于基准工况的热变形情况，其中反射面型面和天线指向变化均通过云图示出（见图6和图7），并计算高/低温工况下天线的热变形量如表2所示。

图6 天线反射面型面热变形云图Fig.6 Thermal deformation nephogram of antenna reflector

图7 天线指向热变形云图Fig.7 Thermal deformation nephogram of antenna pointing

表2 固面可展开天线热变形分析计算结果Table2 Thermal deformation results of deployable antenna with solid surface

3.4 测量结果精度评估

本文在确保所有工况基准尺测量互差满足精度要求的基础上，以各个工况3组重复测量数据之间的相互对比评估摄影测量系统在对应工况下的反射面型面和天线指向测量精度。在天线设计坐标系下，以反射面所有测量点的相互空间转换坐标残差RMS值评价摄影测量系统的点位测量精度，用来代表反射面型面热变形测量精度；通过在展开臂拟合的基础上，以反射面所有测量点的相互空间转换旋转参数Rx、Ry、Rz值评价摄影测量系统对于天线指向热变形的测量精度；然后以基准工况和高/低温工况的综合测量精度评估高温和低温环境下天线相对于基准工况的最终热变形测量精度

4 结束语

本文基于非接触摄影测量原理研究了固面可展开天线在常压高/低温箱和真空罐2种环境中开展反射面型面和天线指向热变形测量的具体方法，并提出了一种适用于此类天线的热变形测量数据分析处理方法，实现了固面可展开天线高/低温环境下的热变形量化分析计算，研究结果对后续相关类型天线的热变形测量和分析具有重要的参考意义。