基于散斑干涉和條紋投影測量航天器結(jié)構(gòu)變形的裝置及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于散斑干涉和條紋投影測量航天器結(jié)構(gòu)變形的裝置，主要包括激光散斑投影裝置、CCD相機、條紋投影裝置、數(shù)據(jù)采集及控制單元等，激光散斑投影裝置利用激光散斑干涉測量方法，對被測結(jié)構(gòu)板的局部變形進行測量，條紋投影測量裝置通過條紋投影測量及多次測量數(shù)據(jù)拼接，對大范圍的變形進行測量。通過基于散斑干涉和條紋投影組合測量航天器的結(jié)構(gòu)變形，可以實現(xiàn)對航天器結(jié)構(gòu)微變形的大范圍、非接觸測量，2m×2m范圍內(nèi)的整體精度可達10um，局部需要高精度測量的0.2m×0.2m范圍的測量精度可達1um。
【專利說明】基于散斑干涉和條紋投影測量航天器結(jié)構(gòu)變形的裝置及測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)測量領(lǐng)域，具體涉及一種綜合利用散斑干涉測量方法和條紋投影測量方法的航天器結(jié)構(gòu)微變形測量裝置。此外，本發(fā)明還公開了一種利用該裝置進行航天器微結(jié)構(gòu)變形的測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]航天器在軌運行時由于環(huán)境溫度變化等原因?qū)е潞教炱鹘Y(jié)構(gòu)板會產(chǎn)生微變形。隨著航天器的光學(xué)相機、星敏感器、天線等載荷精度要求不斷提高，對航天器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也提出了較高的要求。因此，在航天器總裝研制過程中需要對由于在軌溫度導(dǎo)致的航天器結(jié)構(gòu)微變形進行測量，微變形測量的一般要求為10um，局部變形測量精度要求可達lum。
[0003]激光散斑干涉測量方法作為一種典型的微米級測量方法，通過分析變形前后物體表面的激光散斑圖而得到變形測量結(jié)果。當被測物體發(fā)生形變時，干涉條紋將發(fā)生變化，由此可測量出被測物體的變形量、散斑干涉測量可以優(yōu)于lum，能夠滿足航天器微變形測量精度要求。但是，該測量方法的測量范圍小，一般測量范圍在0.2mX0.2m左右，無法滿足航天器ImX Im以上大尺寸的測量范圍要求。條紋投影測量方法，將條紋圖等結(jié)構(gòu)光投影到被測物體的表面，根據(jù)條紋圖相位信息的變化來測出物體的變形量，測量精度可優(yōu)于10um，一般測量范圍在ImXlm左右，并且可以通過拼接來擴展測量范圍。
[0004]因此需要將激光散斑干涉測量和條紋投影測量相結(jié)合，來實現(xiàn)航天器大尺寸微變形測量的需求。為了解決這一關(guān)鍵技術(shù)問題，根據(jù)航天器結(jié)構(gòu)變形測量特點發(fā)明了一種基于散斑干涉和條紋投影測量的航天器結(jié)構(gòu)變形測量裝置和測量方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種用于航天器結(jié)構(gòu)的微變形測量裝置，該裝置可實現(xiàn)航天器結(jié)構(gòu)艙板的大范圍微變形測量及局部高精度測量。利用條紋投影的多次拼接測量來實現(xiàn)航天器艙板大范圍的微變形測量，精度可達10um。而在艙板局部，利用散斑干涉測量，進行局部高精度微變形測量，精度可達lum。
[0006]本發(fā)明另一目的是提供一種利用上述測量裝置測量航天器結(jié)構(gòu)變形的方法。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008]基于散斑干涉和條紋投影測量航天器結(jié)構(gòu)變形的裝置，主要包括激光散斑投影裝置、CCD相機、條紋投影裝置、數(shù)據(jù)采集及控制單元、固定平臺、隔振平臺、加熱控制器、精密轉(zhuǎn)臺、加熱片、旋轉(zhuǎn)臺一和旋轉(zhuǎn)臺二，隔振平臺兩端分別設(shè)置有固定平臺和精密轉(zhuǎn)臺，固定平臺上設(shè)置有精密導(dǎo)軌，精密導(dǎo)軌兩側(cè)設(shè)置有轉(zhuǎn)動臺一和轉(zhuǎn)動臺二，轉(zhuǎn)動臺一上設(shè)置有集成為一體的激光散斑投影裝置和C⑶相機，轉(zhuǎn)動臺二上設(shè)置有條紋投影裝置，激光散斑投影裝置及條紋投影裝置分別與數(shù)據(jù)采集及控制單元電通信，數(shù)據(jù)采集及控制單元同時對轉(zhuǎn)動臺一和轉(zhuǎn)動臺二進行轉(zhuǎn)動控制，精密轉(zhuǎn)臺用于固定背部均勻設(shè)置有若干加熱片的被測結(jié)構(gòu)板，加熱控制器設(shè)置在精密轉(zhuǎn)臺側(cè)面對加熱片進行加熱控制，激光散斑投影裝置利用激光散斑干涉測量方法，對被測結(jié)構(gòu)板的局部變形進行測量，條紋投影測量裝置通過條紋投影測量及多次測量數(shù)據(jù)拼接，對大范圍的變形進行測量。
[0009]其中，被測結(jié)構(gòu)板通過兩個固定角板固定在精密轉(zhuǎn)臺上。
[0010]其中，加熱片以陣列的形式設(shè)置在被測結(jié)構(gòu)板上。
[0011]其中，加熱片的數(shù)量足夠多以便能夠布置在被測結(jié)構(gòu)板的整個面積上。
[0012]其中，隔振平臺的臺面上有足夠數(shù)量的螺紋孔陣列，以方便固定平臺和精密轉(zhuǎn)臺通過底部的安裝孔和螺釘在隔振平臺上的安裝和調(diào)整。
[0013]一種利用上述裝置測量航天器結(jié)構(gòu)變形量的方法，包括如下步驟:
[0014]I)將被測結(jié)構(gòu)板通過固定角板固定于精密轉(zhuǎn)臺上，緊固精密轉(zhuǎn)臺與隔振平臺的連接；將加熱片均勻粘貼于被測結(jié)構(gòu)板的背面；
[0015]2)使被測結(jié)構(gòu)板的正面朝向精密導(dǎo)軌，通過旋轉(zhuǎn)臺一、旋轉(zhuǎn)臺二和精密導(dǎo)軌調(diào)整CCD相機和條紋投影裝置的角度和位置，使投影的條紋覆蓋被測結(jié)構(gòu)板；通過全局分析，確定需要進行高精度變形測量的區(qū)域。通過精密轉(zhuǎn)臺9、旋轉(zhuǎn)臺14和精密導(dǎo)軌3調(diào)整激光散斑投影裝置I和CXD相機2的位置和指向，使激光散斑覆蓋被測局部區(qū)域；
[0016]3)通過若干加熱片和溫度控制器將被測結(jié)構(gòu)板加熱到初始溫度，并用條紋投影裝置投影四副相位差η/2的條紋圖，并用CXD相機采集圖像；同時，利用激光散斑投影裝置投射四副相位差η /2的激光散斑干涉圖，并用CCD相機采集圖像；
[0017]4)通過加熱片和溫度控制器將被測結(jié)構(gòu)板加熱到預(yù)定溫度，并保持穩(wěn)定10-30分鐘，用條紋投影裝置投影四副相位差n/2的條紋圖，并用CCD相機采集圖像；同時，利用激光散斑投影裝置投射四副相位差η /2的激光散斑干涉圖，并用CCD相機采集圖像；
[0018]5)利用四步相移法對CCD相機采集的八幅條紋投影裝置圖像提取相位，并進行解包裹計算，再由投影條紋圖和拍攝條紋圖共同生成絕對相位圖，再結(jié)合測量系統(tǒng)經(jīng)標定得到的內(nèi)外部參數(shù)，即可恢復(fù)出被測結(jié)構(gòu)板整體的三維變形量；
[0019]6)利用四步相移算法對C⑶相機采集的八幅激光散斑投影裝置干涉圖像，求出包裹相位圖；再對包裹相位圖進行解包裹運算，得到解包裹相位圖；最后，通過物體離面位移三維顯示函數(shù)，恢復(fù)出被測結(jié)構(gòu)板局部的高精度三維變形量。
[0020]通過基于散斑干涉和條紋投影組合測量航天器的結(jié)構(gòu)變形，可以實現(xiàn)對航天器結(jié)構(gòu)微變形的大范圍、非接觸測量，2mX 2m范圍內(nèi)的整體精度可達10um，局部需要高精度測量的0.2mX 0.2m范圍的測量精度可達lum。該方法對被測物表面無特殊處理，可實現(xiàn)對航天器常用結(jié)構(gòu)材料碳纖維蜂窩板、鋁合金、鈦合金等的微變形測量。由于變形測量只是測出變形前后的相對變形量，因此無需對條紋投影測量和散斑干涉測量的數(shù)據(jù)進行融合處理，只需兩測量方法各自獨立測量出變形量即可，系統(tǒng)實現(xiàn)上簡單可靠。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的基于散斑干涉和條紋投影測量航天器結(jié)構(gòu)變形量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]其中，I 一激光散斑投影裝置、2 - CXD相機、3 —精密導(dǎo)軌、4 一條紋投影裝置、5 —數(shù)據(jù)采集及控制單元、6—固定平臺、7 —隔振平臺、8 —加熱控制器、9精密轉(zhuǎn)臺、10 —固定角板、11 一加熱片、12 —被測結(jié)構(gòu)板、13 —旋轉(zhuǎn)臺一、14 一旋轉(zhuǎn)臺二。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的基于散斑干涉和條紋投影測量航天器結(jié)構(gòu)變形量的裝置作進一步的說明，但這僅僅是作為示例性的目的提出的，并不旨在限定本發(fā)明的保護范圍。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明的基于散斑干涉和條紋投影測量航天器結(jié)構(gòu)變形的裝置，主要包括激光散斑投影裝置1、(XD相機2、條紋投影裝置4、數(shù)據(jù)采集及控制單元5、固定平臺
6、隔振平臺7、加熱控制器8、精密轉(zhuǎn)臺9、加熱片11、旋轉(zhuǎn)臺一 13和旋轉(zhuǎn)臺二 14，隔振平臺7兩端分別設(shè)置有固定平臺6和精密轉(zhuǎn)臺9，固定平臺9上設(shè)置有精密導(dǎo)軌3，精密導(dǎo)軌3兩側(cè)設(shè)置有轉(zhuǎn)動臺一 13和轉(zhuǎn)動臺二 14，轉(zhuǎn)動臺一 13上設(shè)置有集成為一體的激光散斑投影裝置I和C⑶相機2，轉(zhuǎn)動臺二 14上設(shè)置有條紋投影裝置4，激光散斑投影裝置I及條紋投影裝置4分別與數(shù)據(jù)采集及控制單元5電通信，數(shù)據(jù)采集及控制單元5同時對轉(zhuǎn)動臺一 13和轉(zhuǎn)動臺二 14進行轉(zhuǎn)動控制，精密轉(zhuǎn)臺9通過兩個固定角板10將背部均勻設(shè)置有若干加熱片11的被測結(jié)構(gòu)板12進行固定，優(yōu)選地，若干加熱片11以陣列的形式設(shè)置，加熱片的數(shù)量足夠多以便能夠布置在被測結(jié)構(gòu)板的整個面積上。加熱控制器8設(shè)置在精密轉(zhuǎn)臺9的側(cè)面對加熱片11進行加熱控制，激光散斑投影裝置I利用激光散斑干涉測量方法，對被測結(jié)構(gòu)板12的局部變形進行測量，條紋投影測量裝置4通過條紋投影測量及多次測量數(shù)據(jù)拼接，對被測結(jié)構(gòu)板12大范圍的變形量進行測量。
[0025]在一具體的實施方式中，被測結(jié)構(gòu)板12通過兩個固定角板10固定于精密轉(zhuǎn)臺9的臺面上，固定角板10限制了被測結(jié)構(gòu)板12背部的位移和變形。被測結(jié)構(gòu)板12可以隨精密轉(zhuǎn)臺9轉(zhuǎn)動，從而使所需要的被測區(qū)域朝向測量系統(tǒng)。被測結(jié)構(gòu)板12(例如2mX2m)的背部均勻粘貼有30個以上的加熱片11，并通過加熱控制器8控制各個加熱片所粘貼位置區(qū)域的溫度，溫度可以由10°C均勻升高到100°C。精密轉(zhuǎn)臺9通過螺釘固定于隔振平臺7上。
[0026]激光散斑投影裝置I與CXD相機2集成為一體，構(gòu)成激光散斑干涉測量裝置，激光照射到被測結(jié)構(gòu)板12的表面上形成散斑，散斑光與激光散斑投影裝置I內(nèi)部的參考光匯聚于CCD相機2的接收器上形成干涉。將被測結(jié)構(gòu)板12局部區(qū)域變形前和變形后的干涉圖進行比較可以得到局部區(qū)域的微米級變形。激光散斑干涉測量方法可以參考中國專利“一種三維相移電子散斑干涉裝置”，專利號CN201697608U。在該專利中散斑干涉測量裝置固定于旋轉(zhuǎn)臺上，可以繞旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)臺固定于精密導(dǎo)軌3上，可以沿精密導(dǎo)軌3平行移動，從而對被測結(jié)構(gòu)板12上的不同區(qū)域進行測量。
[0027]條紋投影裝置4與CCD相機2構(gòu)成條紋投影測量系統(tǒng)，條紋投影裝置4先后向被測結(jié)構(gòu)板12的表面投影4副條紋投影圖，每幅條紋投影圖相位差π/2。CCD相機2接收被測結(jié)構(gòu)板12表面上變形前和變形后的4副條紋圖，計算出被測結(jié)構(gòu)板12表面的變形量。具體方法參考中國專利“基于絕對相位恢復(fù)的四步相移方法”，專利號CN102155924A。在該專利中條紋投影裝置4固定于旋轉(zhuǎn)臺上，可以繞旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)臺固定于精密導(dǎo)軌3上可以沿精密導(dǎo)軌3平行移動，從而對被測結(jié)構(gòu)板12上的不同區(qū)域進行測量。當被測結(jié)構(gòu)板尺寸較大時，需要旋轉(zhuǎn)精密轉(zhuǎn)臺9，或沿導(dǎo)軌移動條紋投影裝置4和CCD相機2，對不同區(qū)域進行測量，再通過絕對相位回復(fù)的算法進行圖像拼接，實現(xiàn)大范圍測量。
[0028]本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)臺一 13、旋轉(zhuǎn)臺二 14均固定于精密導(dǎo)軌3上，精密導(dǎo)軌3固定于測量裝置固定平臺6上，測量裝置固定平臺6通過螺釘固定于隔振平臺7上。數(shù)據(jù)采集及控制單元5控制旋轉(zhuǎn)臺一 13和旋轉(zhuǎn)臺二 14轉(zhuǎn)動，以及旋轉(zhuǎn)臺一 13和旋轉(zhuǎn)臺二 14沿精密導(dǎo)軌3移動；該控制單元讀取CCD相機2中的圖像并進行圖像處理和變形量的計算。
[0029]航天器結(jié)構(gòu)變形驗證實驗步驟如下:
[0030]I)將被測結(jié)構(gòu)板12通過固定角板10固定于精密轉(zhuǎn)臺9上，緊固精密轉(zhuǎn)臺與隔振平臺的連接。
[0031]2)將加熱片11均勻粘貼于被測結(jié)構(gòu)板12的背面。
[0032]3)將激光散斑投影裝置1、(XD相機2、精密導(dǎo)軌3、條紋投影裝置4固定于旋轉(zhuǎn)臺
13、旋轉(zhuǎn)臺14上。緊固測量裝置固定平臺6與隔振平臺之間、旋轉(zhuǎn)臺13、旋轉(zhuǎn)臺14與精密導(dǎo)軌3之間的螺釘。
[0033]4)轉(zhuǎn)動精密轉(zhuǎn)臺9使被測結(jié)構(gòu)板12的正面朝向精密導(dǎo)軌3。
[0034]5)通過旋轉(zhuǎn)臺13、旋轉(zhuǎn)臺14和精密導(dǎo)軌3調(diào)整CXD相機2和條紋投影裝置4的角度和位置，使投影的條紋覆蓋被測結(jié)構(gòu)板12。
[0035]6)通過全局分析，確定需要進行高精度變形測量的區(qū)域。通過精密轉(zhuǎn)臺9、旋轉(zhuǎn)臺14和精密導(dǎo)軌3調(diào)整激光散斑投影裝置I和CCD相機2的位置和指向，使激光散斑覆蓋被測局部區(qū)域。
[0036]7)通過加熱片11和溫度控制器8將被測結(jié)構(gòu)板12加熱到初始溫度。并用條紋投影裝置4投影四副相位差π/2的條紋圖，并用C⑶相機2采集圖像。同時，利用激光散斑投影裝置投射四副相位差η /2的激光散斑干涉圖，并用CXD相機2采集圖像。
[0037]8)通過加熱片11和溫度控制器8將被測結(jié)構(gòu)板12加熱到預(yù)定溫度，并保持穩(wěn)定10分鐘。用條紋投影裝置4投影4副相位差π/2的條紋圖，并用C⑶相機2采集圖像。同時，利用激光散斑投影裝置投射四副相位差η/2的激光散斑干涉圖，并用CCD相機2采集圖像。
[0038]9)利用四步相移法對CCD相機采集的八幅條紋投影裝置圖像提取相位，并進行解包裹計算，再由投影條紋圖和拍攝條紋圖共同生成絕對相位圖，再結(jié)合測量系統(tǒng)經(jīng)標定得到的內(nèi)外部參數(shù)，即可恢復(fù)出被測結(jié)構(gòu)板整體的三維變形量；
[0039]10)利用四步相移算法對CCD相機采集的八幅激光散斑投影裝置干涉圖像，求出包裹相位圖；再對包裹相位圖進行解包裹運算，得到解包裹相位圖；最后，通過物體離面位移三維顯示函數(shù)，恢復(fù)出被測結(jié)構(gòu)板局部的高精度三維變形量。
[0040]11)條紋投影裝置測量的為整個被測結(jié)構(gòu)板的三維變形量，其測量精度為lOum。激光散斑投影裝置測量的為被測結(jié)構(gòu)板局部需要進行高精度變形測量的區(qū)域的三維變形量，其測量精度為lum。通過一次加熱變形，既可測出結(jié)構(gòu)板的整體變形量，又可對需要高精度測量的局部區(qū)域完成重點監(jiān)測。
[0041]盡管上文對本發(fā)明的【具體實施方式】給予了詳細描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.基于散斑干涉和條紋投影測量航天器結(jié)構(gòu)變形的裝置，主要包括激光散斑投影裝置、CCD相機、條紋投影裝置、數(shù)據(jù)采集及控制單元、固定平臺、隔振平臺、加熱控制器、精密轉(zhuǎn)臺、加熱片、旋轉(zhuǎn)臺一和旋轉(zhuǎn)臺二，隔振平臺兩端分別設(shè)置有固定平臺和精密轉(zhuǎn)臺，固定平臺上設(shè)置有精密導(dǎo)軌，精密導(dǎo)軌兩側(cè)設(shè)置有轉(zhuǎn)動臺一和轉(zhuǎn)動臺二，轉(zhuǎn)動臺一上設(shè)置有集成為一體的激光散斑投影裝置和C⑶相機，轉(zhuǎn)動臺二上設(shè)置有條紋投影裝置，激光散斑投影裝置及條紋投影裝置分別與數(shù)據(jù)采集及控制單元電通信，數(shù)據(jù)采集及控制單元同時對轉(zhuǎn)動臺一和轉(zhuǎn)動臺二進行轉(zhuǎn)動控制，精密轉(zhuǎn)臺用于固定背部均勻設(shè)置有若干加熱片的被測結(jié)構(gòu)板，加熱控制器設(shè)置在精密轉(zhuǎn)臺側(cè)面對加熱片進行加熱控制，激光散斑投影裝置利用激光散斑干涉測量方法，對被測結(jié)構(gòu)板的局部變形進行測量，條紋投影測量裝置通過條紋投影測量及多次測量數(shù)據(jù)拼接，對大范圍的變形進行測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，被測結(jié)構(gòu)板通過兩個固定角板固定在精密轉(zhuǎn)臺上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，加熱片以陣列的形式設(shè)置在被測結(jié)構(gòu)板上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，加熱片的數(shù)量足夠多以便能夠布置在被測結(jié)構(gòu)板的整個面積上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，隔振平臺的臺面上有足夠數(shù)量的螺紋孔陣列，以方便固定平臺和精密轉(zhuǎn)臺通過底部的安裝孔和螺釘在隔振平臺上的安裝和調(diào)整。
6.一種利用權(quán)利要求1-5任一項所述的裝置測量航天器結(jié)構(gòu)變形量的方法，包括如下步驟: 1)將被測結(jié)構(gòu)板通過固定角板固定于精密轉(zhuǎn)臺上，緊固精密轉(zhuǎn)臺與隔振平臺的連接；將加熱片均勻粘貼于被測結(jié)構(gòu)板的背面； 2)使被測結(jié)構(gòu)板的正面朝向精密導(dǎo)軌，通過旋轉(zhuǎn)臺一、旋轉(zhuǎn)臺二和精密導(dǎo)軌調(diào)整CCD相機和條紋投影裝置的角度和位置，使投影的條紋覆蓋被測結(jié)構(gòu)板； 3)通過若干加熱片和溫度控制器將被測結(jié)構(gòu)板加熱到初始溫度，并用條紋投影裝置投影四副相位差η/2的條紋圖，并用CCD相機采集圖像；同時，利用激光散斑投影裝置投射四副相位差η /2的激光散斑干涉圖，并用CCD相機采集圖像； 4)通過加熱片和溫度控制器將被測結(jié)構(gòu)板加熱到預(yù)定溫度，并保持穩(wěn)定10-30分鐘，用條紋投影裝置投影四副相位差η/2的條紋圖，并用CCD相機采集圖像；同時，利用激光散斑投影裝置投射四副相位差η /2的激光散斑干涉圖，并用CCD相機采集圖像； 5)利用四步相移法對CCD相機采集的八幅條紋投影裝置圖像提取相位，并進行解包裹計算，再由投影條紋圖和拍攝條紋圖共同生成絕對相位圖，再結(jié)合測量系統(tǒng)經(jīng)標定得到的內(nèi)外部參數(shù)，即可恢復(fù)出被測結(jié)構(gòu)板整體的三維變形量； 6)利用四步相移算法對CCD相機采集的八幅激光散斑投影裝置干涉圖像，求出包裹相位圖；再對包裹相位圖進行解包裹運算，得到解包裹相位圖；最后，通過物體離面位移三維顯示函數(shù)，恢復(fù)出被測結(jié)構(gòu)板局部的高精度三維變形量。
【文檔編號】G01B11/16GK104132624SQ201410400543
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】楊再華, 陶力, 易旺民, 萬畢樂, 閆榮鑫, 劉濤, 胡瑞欽, 徐志東, 劉浩淼, 阮國偉 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所