太阳能帆板平面度测量系统中标定方法研究

　　1　引言

　　太阳能帆板是人造地球卫星太阳能电池阵的承载基板,其性能影响卫星的工作状况和寿命。太阳能帆板材料成本昂贵、制造工艺复杂,其平面度是重要性能指标之一。我国的太阳能帆板多年来一直依赖进口,目前已能自行生产太阳能帆板,但对太阳能帆板平面度的精确测量一直是制约和影响国产太阳能帆板性能的关键问题。尤其目前承担国际合作研制卫星的任务,对太阳能帆板平面度测量设备的需求更加迫切。

　　太阳能帆板表面由纵横交错的碳纤维薄条构成,表面面积大而且比较粗糙,承受压力时容易变形或脆裂。以上特点决定了太阳能帆板平面度测量的特殊性,传统的测量方法都不能满足以上特殊性的要求[1、2]。对太阳能帆板这一特殊工件表面的平面度检测仪器的开发,目前国内还未见报道,国外有报道的是需要导轨的测量系统,该测量系统造价昂贵而且笨重。本文在现有测量方法的基础上,开发出一种不需要导轨的光电式太阳能帆板平面度测量系统,使测量仪器具有测量精度高、可靠性高、使用灵活方便、造价成本低等特点,解决了实际生产过程中一直未能很好解决的太阳能帆板平面度测量问题。

　　对于任何一个光电非接触测量系统,系统标定始终是其中的关键技术问题[3],对于本文提出的平面度测量系统,系统标定又具有其特殊性,本文对相应的标定方法进行了详细的分析和研究。

　　2　测量系统的基本原理

　　为了避免使用导轨,在现有的实际测量条件下,利用已有的放置太阳能帆板的大平台作为测量的粗略基准,并通过误差修正与补偿的方法,把测量结果中测量平台的平面度误差剔除,从而解决了比较困难的测量基准问题,这也是该测量仪器的基本设计思想和主要创新之处。

　　测量系统的基本原理如图1所示。

　　当光点照射在被测物面位置1时,假设其成像在CCD像面的标称零点O上;当光点照射在被测物面位置2时,即被测点有高度h的变化时,则光点在CCD像面上的成像位置将偏离标称零点一个δ偏移量。假设光学系统的放大率为K,激光器光轴和摄像机光轴之间的夹角为A,激光和摄像机光轴所确定的平面与水平面之间的夹角为β,根据几何关系,则有:

　　由此可以看出,通过光点在CCD像面上位置的变化可以得到被测点处高度的变化,而且通过增大激光器光轴和摄像机光轴之间的夹角A(小于90度),或者减少激光器光轴和摄像机光轴所确定的平面与水平面之间的夹角B,可以使被测点处高度变化引起的CCD像面上光点的偏移量增大,从而提高测量分辨率。

　　定义K·(sinA+cosB)为比例系数,由仪器结构保证其不会变化,并精确标定其大小。在通常的基于激光三角法的测量系统中,激光器光轴和摄像机光轴所确定的平面垂直于水平面,即A为90°。而在本测量系统中,采用独特的斜光学三角形结构,A取为15°。