CN101694373A

CN101694373A - 一种天线变形测量方法

Info

Publication number: CN101694373A
Application number: CN200910236215A
Authority: CN
Inventors: 赵慧洁; 姜宏志; 李旭东; 周杰; 李冬
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2029-10-23
Also published as: CN101694373B

Abstract

一种天线变形测量方法，该方法首先在天线表面粘贴横纵、等间距排列圆形标志点和圆环标志点作为测量标志点，在天线变形前后分别拍摄粘贴测量标志点的天线表面图片，利用圆形标志点和圆环标志点的排列关系，实现同名点匹配，再根据摄影测量原理复现出变形前后天线上标志点的三维坐标，最后以标尺上的编码标志点作为坐标转换的不动参考点，将天线上变形前后的三维坐标统一到同一个坐标系下，计算出天线变形。该方法具有可靠、灵活、精度高的特点，可用于天线在高低温等复杂条件下的变形测量，也用于天线形貌测量，测量精度优于13μm。

Description

一种天线变形测量方法

技术领域

本发明涉及一种天线变形测量方法，可用于天线在高低温环境下的变形测量，以及天线形貌测量等领域，属于摄影测量领域。

背景技术

天线在温度剧烈变化时，其外表面形状会发生变形，变形量的大小直接影响天线的工作性能和可靠性。因此，在天线使用前，需要测量天线在温度剧烈变化时的变形，评价天线的环境适应性。在目前，国内外通常采用摄影方法测量天线在不同温度下的变形，但在测量中仍存在着标志点粘贴稀疏、匹配同名点寻找困难和温度剧烈变化下天线变形测量误差大等问题。在标志点粘贴方面，为了便于同名匹配点寻找，一般采用面积较大的编码靶标，或者采用粘贴间距较大的圆形标志点，标志点布置较为随机，存在着测量点少、不够密集、无法精确测量天线表面变形的问题。在匹配同名点寻找方面，一般采用极线约束，但当标志点比较密集时，无法实现100％匹配率。在温度剧烈变化的仿空间环境测量中，国内外以固定相机为主，而外界环境温度的变化导致相机和天线之间的位置不可避免地发生变化，必将导致测量前后天线形貌数据的坐标系发生移动，导致变形测量的误差。

总之，目前国内外在天线变形测量方面还没有比较完备的解决方法，本发明针对此提出了一种简便、快速、准确的天线测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种天线变形测量方法，以提高天线在高低温环境等复杂条件下的变形测量精度。

本发明的技术解决方案为：一种天线变形测量方法，用于测量天线在高低温等复杂条件下的变形，其特征在于包括以下步骤：

(1)在天线表面粘贴横纵、等间距排列的圆形标志点和圆环标志点，作为测量标志点，所有圆形标志点和圆环标志点具有设定的统一的编号；

(2)在天线周围布置两根粘贴有多个编码标志点的长度标尺，各个编码标志点具有唯一的编号；

(3)在天线变形前后，用测量相机分别围绕天线拍摄两组图片，变形前拍摄的图片为组A，变形后拍摄的图片为组B，所有拍摄图片中包含天线上全部圆形标志点和圆环标志点以及两根标尺上的全部编码标志点；

(4)采用圆心提取与标志识别算法，提取出图像中圆形标志点、圆环标志点和编码标志点的圆心坐标；

(5)采用基于圆环标志点的编号识别算法，识别所有图片中天线上圆形标志点编号和圆环标志点编号，采用编码标志点识别算法识别所有图片中长度标尺上的编码标志点编号；

(6)将不同图像中相同编号的圆形标志点、圆环标志点和编码标志点作为同名匹配点，采用三维形貌求取算法，分别对图片组A和图片组B中的同名匹配点进行三维重建，对应得到三维形貌组C和三维形貌组D；

(7)根据三维形貌组C、三维形貌组D，利用基于标尺的变形求取算法计算得到天线的变形结果。

其中，步骤(1)中所述的所有圆形标志点和圆环标志点具有设定的统一的编号，此设定的统一的编号以每个圆形标志点或圆环标志点所在行号和列号的组合作为编号方式。

其中，步骤(2)中所述的在天线周围布置两根粘贴有多个编码标志点的长度标尺，长度标尺的长度等于天线的直径，布置方式为两根标尺在天线两侧对称平行布置或相邻垂直布置。

其中，上述步骤中所述的编码标志点由中心圆和外围的210度圆弧组成，中心圆的圆心作为编码标志点的圆心，外围210度圆弧等分为7个小圆弧，每份以黑白为2进制位，这样可通过7个小圆弧的黑白不同组合实现编码标志点的7位2进制位编码，从而编码标志点具有唯一的编号。

其中，步骤(4)中所述的圆心提取与标志识别算法的步骤为：先计算图像中所有圆形轮廓的圆心坐标，然后在原图片上逐一提取此中心坐标对应的图像上的灰度值，并与灰度阈值H进行比较，若小于或等于H则此圆心坐标为圆环标志点的圆心坐标；若大于H，则再在原图片中，对此圆心坐标周围2.5倍圆半径的圆周上，检测是否存在突变边缘，若不存在突变边缘则此圆心坐标则为圆形标志点的圆心坐标，若存在突变边缘则此圆心坐标为编码标志点的圆心坐标，从而提取并识别出图像中的圆形标志点、圆环标志点和编码标志点的圆心坐标。。

其中，步骤(5)中所述的基于圆环标志点的编号识别算法的步骤是：先通过圆环标志点的非对称步骤，识别出圆环标志点的标号；再根据圆形标志点和圆环标志点横纵、等间距排列的特点，计算出所有编号的圆形标志点的初始坐标；最后，根据初始坐标搜索步骤(4)中提取出的圆形标志点的真实坐标，找到与初始坐标对应的真实坐标，将圆形标志点的编号与圆形标志的真实坐标对应上，从而识别出圆形标志点的编号。

其中，步骤(7)中所述的基于标尺的变形求取算法为：先以标尺上编码标志点的圆心作为天线变形前后的不动参考点，利用三维形貌组C和三维形貌组D中标尺上编码标志点的圆心坐标，求解天线变形前后测量坐标系的转换关系，并将三维形貌组D的坐标系转换到三维形貌组C的坐标系上；再将已转换到同一坐标系下的三维形貌组C与三维形貌组D中的同名匹配点的三维坐标相减，得到天线在圆形标志点和圆环标志点的圆心处的变形；最后通过插值计算得到天线上未粘贴标志点处的变形。

三维形貌求取算法采用近景摄影测量中的光线束平差法，由于光束平差法属于现有公知算法，具体不再叙述。编码标志点识别算法属于公知算法，具体不再叙述。

本发明的原理是：天线变形测量是通过测量天线在变形前后的形貌变化来实现，具体来说就是用天线变形前的三维形貌减去天线变形后的三维形貌来计算天线变形；在变形前后三维形貌求取过程中，为了能够在无明显特征的天线表面实现同名点匹配，在天线表面粘贴横纵、等间距排列的圆形标志点和圆环标志点，作为测量的标志点，根据摄影测量原理，测量天线变形前后标志点处的三维形貌；在变形前后所测量得到的三维形貌一般不在同一个坐标系下，因此，需要以标尺上编码标志点的圆心作为坐标系转换的参考点，通过变形计算算法实现天线在温度变化前后的变形测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：(1)通过粘贴横纵、等间距排列的圆形标志点和圆环标志点，实现标志点的密集排布，提高天线变形测量的可靠性和准确性，克服了标志点排布粘贴稀疏的缺点。(2)应用基于圆环标志点的编号识别算法，实现了100％匹配率，提高了测量的可靠性，克服了匹配率低的问题。(3)在天线周围布置两根的长度标尺，以标尺上编码标志点的圆心作为坐标系转换的参考点，保证了在温度剧烈变化等复杂条件下系统的测量精度，避免了在温度剧烈变化的测量环境中，由相机和天线之间的位置变化导致的变形测量误差。

附图说明

图1为本发明一种天线变形测量方法的流程图；

图2为本发明中的天线变形测量时实物摆放示意图；

图3为本发明中的圆形标志点和圆环标志点在天线上的布局样式之一；

图4为本发明中的圆形标志点和圆环标志点在天线上的布局样式之一；

图5为本发明中的长度标尺与天线的布局样式之一；

图6为本发明中的长度标尺与天线的布局样式之一；

图7为本发明中的编码靶标样式；

图8为本发明中的编码靶标举例；

图中，1为圆形标志点，2为圆环标志点，3为测量相机，4为编码标志点，5为标尺，6为天线。

具体实施方式

如图1所示，一种天线变形测量方法的流程包括标志点粘贴、标尺布置、图片拍摄、圆心提取与校正、编码号识别、三维形貌求取和变形计算等步骤，天线变形测量时实物摆放参见图2。该天线变形测量方法具体实施步骤如下：

(1)在天线表面6粘贴横纵、等间距排列的圆形标志点1和圆环标志点2，作为测量标志点，以标志点的圆心作为天线变形的测量点。因天线表面无明显匹配特征，无法实现同名点匹配，为了克服此问题，需要粘贴测量标志点，所以，标志点越密集，天线变形的测量点就越多，就越能反映天线变形的情况，也越能反映天线变形测量的准确程度。在本发明中，标志点布局采用横纵、等间距排列的形式，可以实现标志点的密集布置，提高了天线变形测量的准确性。在具体粘贴标志点过程中，由于粘贴误差，无法精确实现横纵、等间距排列的标志点布局，由于编码号识别算法具有一定的容错能力，这种误差不会对标志点编码号识别产生影响，当然也不会对测量精度有任何影响。

此外，天线上所有圆形标志点和圆环标志点具有设定的统一的编号，以每个圆形标志点或圆环标志点所在行号和列号的组合作为编号方式。在具体实施过程中，圆环标志点的位置可以采用有多种方式，通过圆环标志点的非对称特殊布置，实现圆环标志的编号识别，图3和图4为实际测量中采用布局样式之一。

在图3和图4中，给出了在编号坐标系XOY下，部分圆形标志点和所有圆环标志点的编号。行号与编号坐标系XOY的Y轴相对应，列号与编号坐标系XOY的X轴相对应。

(2)在天线周围布置两根粘贴有多个编码标志点4的长度标尺5，各个编码标志点具有唯一的编号，长度标尺的长度等于天线的直径，布置方式为两根标尺在天线两侧对称平行布置(图5)或相邻垂直布置(图6)。以标尺上多个编码标志点的圆心之间的已知距离作为三维复现的长度基准，以多个编码标志点的圆心作为求解天线变形前后测量坐标系转换关系的不动参考点。长度标尺采用微晶玻璃制作而成，热膨胀系数极小，在温度剧烈变化时，其长度变化可以忽略不计。在具体实施过程中，支撑长度标尺的支架与支撑天线支架为一体支架，支架采用特殊材料制作，并在外面包裹特殊隔热材料，保证在温度剧烈变化时两个长度标尺的相对位置不发生变化。这样，以标尺上编码标志点的圆心作为坐标系转换的参考点，保证在温度剧烈变化等复杂条件下坐标系转换的准确性，从而实现在温度剧烈变化的测量环境中天线变形的高精度测量。

长度标尺上的编码标志点由中心圆和外围的210度圆弧组成，中心圆的圆心作为编码标志点的圆心，外围210度圆弧等分为7个小圆弧，以黑白为2进制位，通过不同组合实现编码标志点具有唯一的编号，参见图7。在实际测量中，长度标尺的宽度一般较窄，采用这种靶标可以实现在较小范围内布置编码靶标，非常适合长度标尺的宽度较窄的场合，参见图8。编码标志点布置方式为在长度标尺的两端各布置3个编码标志点，即每跟标尺上有6个编码标志点，两根标尺共有12个编码标志点。

编码标志点的尺寸比例为，圆弧外边缘半径是中心圆半径的3倍，圆弧内边缘半径是中心圆半径的2倍。

(3)在天线变形前后，用测量相机分别围绕天线拍摄两组图片，变形前拍摄的图片为组1，变形后拍摄的图片为组2，所有拍摄图片中包含天线上全部圆形标志点和圆环标志点以及两根标尺上的全部编码标志点。拍摄照片时可以采用单相机3旋转的方案，精度较高，需要机械旋转结构带动相机绕天线旋转。也采用多相机固定，分别从多角度拍摄，不需机械旋转结构。

(4)采用圆心提取与标志识别，提取出图像中圆形标志点、圆环标志点和编码标志点的圆心坐标，具体步骤步骤为：先计算图像中所有圆形轮廓的圆心坐标，然后在原图片上逐一提取此中心坐标对应的图像上的灰度值，并与灰度阈值H进行比较，若小于或等于H则此圆心坐标则为圆环标志点的圆心坐标；若大于H，则再在原图片中，对此圆心坐标周围2.5倍圆半径的圆周上，检测是否存在突变边缘，若不存在突变边缘则此圆心坐标则为圆形标志点的圆心坐标，若存在突变边缘则此圆心坐标为编码标志点的圆心坐标，从而提取并识别出图像中的圆形标志点、圆环标志点和编码标志点的圆心坐标。通过以上步骤，不仅可以实现圆心的二维图像坐标的求取，还可以实现标志点的识别。

H的取值为整幅图像的平均灰度。

“对此圆心坐标周围2.5倍圆半径的圆周上，检测是否存在突变边缘”中的“2.5倍圆半径”是依据编码标志点的尺寸比例，在此半径处可以方便检测处圆外围是否存在210度圆弧。

(5)采用基于圆环标志点的编号识别算法，识别所有图片中天线上圆形标志点编号和圆环标志点编号，采用编码标志点识别算法识别所有图片中长度标尺上的编码标志点编号。

基于圆环标志点的编号识别算法的步骤是先通过圆环标志点的非对称步骤，识别出圆环标志点的标号；再根据圆形标志点和圆环标志点横纵、等间距排列的特点，计算出所有编号的圆形标志点的初始坐标；最后，根据初始坐标搜索步骤(4)中提取出的圆形标志点的真实坐标，找到与初始坐标对应的真实坐标，将圆形标志点的编号与圆形标志点的真实坐标对应上，从而识别出圆形标志点的编号。

在具体实施中，按照图3所示的圆环标志点的非对称布置方式，识别出圆环标志点的编号的具体过程是，先计算4个圆环标志点坐标之间的相互距离，取出距离最小的两个圆环标志点，这两个点的编号为(5，5)或(5，6)；再判断其余两个圆环标志点的坐标是否与(5，5)和(5，6)两个点在一条直线上，若基本在一条直线上，则此点的编号为(5，3)，若不在一条直线上，则此点的编号为(3，5)；最后，分别计算圆环点(5，5)和(5，6)到圆环点(5，3)距离，较大距离的为圆环点(5，6)，较小距离的为圆环点(5，5).

在具体实施中，按照图4所示的圆环标志点的非对称布置方式，识别出圆环标志点的编号的具体过程是，先计算4个圆环标志点坐标之间的相互距离，取出距离最小的两个圆环标志点，这两个点的编号为(5，2)或(5，3)，再判断其余两个圆环标志点的坐标是否与(5，2)和(5，3)在一条直线上，若基本在一条直线上则此点的编号为(5，5)，若不在一条直线上则此点的编号为(3，5)，最后，分别计算圆环点(5，2)和(5，3)到圆环点(5，5)距离，计算较大的为圆环点(5，2)，较小的为(5，3)。从而将圆环标志点的图像坐标与圆环点的编号对应起来。

在具体实施中，按照图3、图4的标志点布置方式，编号为(x，y)的圆形标志点的初始坐标P(u，v)为

P(u，v)＝Po+(x-x0)^＊(Po-Px)/2+(y-y0)^＊(Po-Py)/2

式中，Po为中心圆环点的二维图像坐标，(x0，y0)为中心圆环点Po的编号，即(m0＝5)，(n0＝5)；Px为编号(3，5)的圆环点的二维图像坐标，Py为编号(5，3)的圆环点的二维图像坐标。

最后，在圆形标志点P的初始坐标(u，v)周围半径为r的范围内，搜索步骤(4)中提取出的圆形标志点坐标，距离P最近的点坐标即为编号(x，y)点的真实图像坐标。这里，r取圆形标志点在图像中半径的平均值。

编码标志点识别算法属于公知算法，具体不再叙述。

(6)将不同图像中相同编号的圆形标志点、圆环标志点和编码标志点作为同名匹配点，采用三维形貌求取算法，分别对图片组1和图片组2中的同名匹配点进行三维重建，对应得到三维形貌组3和三维形貌组4；三维形貌求取算法，是依据近景摄影测量原理的光线束平差法，复现出三维形貌。由于光线束平差法属于现有公知算法，具体不再叙述。

(7)根据三维形貌组3、三维形貌组4，利用基于标尺的变形求取算法计算得到天线的变形结果。由于三维形貌数据所在的测量坐标系在天线变形前后会发生变化，为了保证变形测量精度，变形求取算法先以标尺上编码标志点的圆心作为天线变形前后的不动参考点，利用三维形貌组3和三维形貌组4中标尺上编码标志点的圆心坐标，求解天线变形前后测量坐标系的转换关系，并将三维形貌组4的坐标系转换到三维形貌组3的坐标系上；再将已转换到同一坐标系下的三维形貌组3与三维形貌组4中的同名匹配点的三维坐标相减，得到天线在圆形标志点和圆环标志点的圆心处的变形；最后通过插值计算得到天线上未粘贴标志点处的变形。

Claims

1.一种天线变形测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(7)根据三维形貌组C、三维形貌组D，采用基于标尺的变形求取算法计算得到天线的变形结果。

2.根据权利要求1所述的一种天线变形测量方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的所有圆形标志点和圆环标志点具有设定的统一的编号，此设定的统一的编号以每个圆形标志点或圆环标志点所在行号和列号的组合作为编号方式。

3.根据权利要求1所述的一种基于摄影测量原理的天线变形测量方法，其特征在于：所述的步骤(2)中的在天线周围布置两根粘贴有多个编码标志点的长度标尺，长度标尺的长度等于天线的直径，布置方式为两根标尺在天线两侧对称平行布置或相邻垂直布置。

4.根据权利要求1所述的一种天线变形测量方法，其特征在于：所述的编码标志点由中心圆和外围的210度圆弧组成，中心圆的圆心作为编码标志点的圆心，外围210度圆弧等分为7个小圆弧，每份以黑白为2进制位，这样可通过7个小圆弧的黑白不同组合实现编码标志点的7位2进制位编码，从而编码标志点具有唯一的编号。

5.根据权利要求1所述的一种天线变形测量方法，其特征在于：步骤(4)中所述的圆心提取与标志识别算法的步骤为：先计算图像中所有圆形轮廓的圆心坐标，然后在原图片上逐一提取此中心坐标对应的图像上的灰度值，并与灰度阈值H进行比较，若小于或等于H则此圆心坐标为圆环标志点的圆心坐标；若大于H，则再在原图片中，对此圆心坐标周围2.5倍圆半径的圆周上，检测是否存在突变边缘，若不存在突变边缘则此圆心坐标则为圆形标志点的圆心坐标，若存在突变边缘则此圆心坐标为编码标志点的圆心坐标，从而提取并识别出图像中的圆形标志点、圆环标志点和编码标志点的圆心坐标。

6.根据权利要求1所述的一种天线变形测量方法，其特征在于：步骤(5)中所述的基于圆环标志点的编号识别算法的步骤是：先通过圆环标志点的非对称步骤，识别出圆环标志点的标号；再根据圆形标志点和圆环标志点横纵、等间距排列的特点，计算出所有编号的圆形标志点的初始坐标；最后，根据初始坐标搜索步骤(4)中提取出的圆形标志点的真实坐标，找到与初始坐标对应的真实坐标，将圆形标志点的编号与圆形标志的真实坐标对应上，从而识别出圆形标志点的编号。

7.根据权利要求1所述的一种天线变形测量方法，其特征在于：所述的步骤(7)中的基于标尺的变形求取算法为：先以标尺上编码标志点的圆心作为天线变形前后的不动参考点，利用三维形貌组C和三维形貌组D中标尺上编码标志点的圆心坐标，求解天线变形前后测量坐标系的转换关系，并将三维形貌组D的坐标系转换到三维形貌组C的坐标系上；再将已转换到同一坐标系下的三维形貌组C与三维形貌组D中的同名匹配点的三维坐标相减，得到天线在圆形标志点和圆环标志点的圆心处的变形；最后通过插值计算得到天线上未粘贴标志点处的变形。