基于单相机的柔性网状天线面板面形的检测技术研究

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射电望远镜是复杂的系统工程,柔性网状天线面板是进行天文观测、深空探测等科学研究的重要部分。天线面板对于理想形状的偏离会导致电磁波辐射在相位上产生偏差。通过检测天线面板网点的位置信息,可以测得网面的形变程度和测量精度。然而,网状面板的易形变特性决定了其检测的难度和复杂性。目前对网状天线面板面形的测量手段也各不相同,接触式方式的测量设备由于测头与网面的接触,在网面测量等高精度的测量场景下会造成不可忽略的网面变形和测量误差。为实现高效、高精度、低成本地检测柔性网面,本文实现了一种基于单相机的柔性网状天线面板面形的检测方法。现有的大型射电望远镜的天线面板均是由多块面板拼接而成,本文中的视觉检测技术是针对单块天线面板面形的检测技术研究。该视觉检测系统包括相机标定、网点检测、三维重构、应用分析及影响因素分析四个部分。本文的主要工作如下:(1)设计了一个可分辨方向的以点阵排列的圆点靶标,然后基于该靶标分别使用重心法和相位法来提取系统的精密位置信息,以及测量该视觉系统的重复性和最小分辨率。接着搭建了非接触式系统可检测两个正交方向上的平动位移,验证了该圆点靶标位置视觉检测方法的可行性,最后利用光学平板孔代替特制的圆点靶标亦可获得系统的位置信息。(2)针对网状面板网点的视觉检测方法的研究,提出基于摄影测量原理采用单相机作为采集网点的设备,分别介绍几种典型的角点检测算法,经对比实验后采用基于Harris角点检测算法对柔性网状面板的节点进行信息提取,并在实验基础上设计了更高效的抽样式网面节点信息提取方案。(3)介绍了用单相机对被测网面进行非接触式检测系统,以及相机成像模型和标定方法。在三维重构中,提出结合相机标定的参数和算得的位姿来实现面形重构,根据理论面形方程进行曲面拟合,统计面形误差。利用棋盘靶标对绝对平整的光学平台台面进行面形检测,获得的测量值为该检测技术的系统测量误差。通过系统重复性实验,验证了该视觉检测系统的可行性。(4)验证了本文提出的面形检测技术可基于不同靶标对平面面板进行面形检测分析。分别采用棋盘格靶标和圆点靶标进行相机标定,对平面网状面板的面形和曲面网状面板的面形进行检测分析,经两者实验结果对比可得,基于圆点靶标的网面检测精度更高,数据显示利用本文中的网状面板的尺寸可接收到分米波段,利用该视觉检测技术可测得1cm的观测波段,因此该视觉检测技术的测量精度远大于所需要的精度要求,可为现代天文学和空间技术的发展提供技术参考。实验结果分析表明,本课题所研究的检测技术对柔性网面面形检测的方法属于非接触式高效率测量,过程简单,自动化程度高,为发展网状天线面板面形的测量技术提供新的思路。
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