CN103884520A - 一种月面地形地貌模拟器制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种月面地形地貌模拟器制造方法，（1）本发明提出了根据典型月球表面统计特征随机生成月面地形地貌模拟器等高线图的方法，保证了相关试验的可靠性。（2）本发明在制造过程中对月面地形地貌模拟器的光学反射特性进行测试，确保所制造的月面地形地貌模拟器对月面相关特性的模拟的精确性，从而保证了相关试验的有效性。（3）本发明采取先制造，再测量光照反射特性，最后月面地形地貌模拟器稳定后再用三维激光扫描的办法，这样既能保证月面地形地貌模拟器制造的方便性，又能控制月面地形地貌模拟器表面地形的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟器制造方法，尤其涉及一种月面地形地貌模拟器制造方法，属于航天器地面物理试验技术领域，扩展了包括地球模拟器、太阳模拟器等模拟在内的模拟器种类，满足了深空巡视探测的研究需求。
背景技术
月面地形地貌模拟器用于相关视觉敏感器的试验，它能真实再现月面目标着陆区典型的地形地貌，作为一类科学试验设备，它必需如实反映典型月面的形态及光照反射特性。月面地形地貌模拟器研制方法区别于传统沙盘制造方法。传统沙盘是一种古老又新颖的立体造型艺术，是一类地图产品，通常会采用缩比的形式艺术地模拟再现自然景观，直观表达地形地貌、地物特征和专题信息。由于缩比的原因，传统沙盘对模拟对象的细节通常是忽略的，其造型的示意性大于真实性的要求。传统沙盘主要的作用是用于规划、展示、观赏等，因此通常对沙盘尺寸精度要求不高，只是在制造过程中把握尺寸比例即可满足要求。而月面地形地貌模拟器则必须真实、等比反映月面目标着陆区典型的地形地貌特征，要求微观纹理、色彩微差与月面高度一致，对其光学反射特性和三维地形数据必须有一套可靠的精确测量方法。
月面地形地貌模拟器不但在外观与月面高度一致，其测量数据也必须符合月面特性。合格的月面地形地貌模拟器，是视觉试验中环境感知敏感器成像的对象，月面地形地貌模拟器与月面特性符合的程度决定了试验验证环境感知算法的可信性，是月面巡视器探测成败的关键之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种月面地形地貌模拟器制造方法，制造出的月面地形地貌模拟器保证模拟月球表面的可靠性、有效性和精确性，最终提高了月面巡视器探测的可靠性和安全性。
本发明的技术解决方案是：一种月面地形地貌模拟器制造方法，步骤如下：
（1）根据月球表面地形统计特征，计算出相应面积内月球着陆区的典型地形地貌特征，典型地形地貌特征包括撞击坑、斜坡、月表岩石的数量和规格，再根据典型地形地貌特征的剖面特征数据，随机生成对应面积的三维地形图；
（2）根据随机生成的三维地形图，按照指定的间距，生成等高线图；
（3）根据等高线图制造月面地形地貌模拟器整体的底盘和基础地形，并完成基础地形的现场拼接，然后等待月面地形地貌模拟器小样试制结果；
（4）根据部分等高线图，试制不同的月面地形地貌模拟器小样，根据分析计算，使用不同的表面材料和工艺手法，试制不同的月面地形地貌模拟器表面，然后对各个月面地形地貌模拟器小样进行成像测试、后向反射特性测试以及反照率测试，得到合格的月面地形地貌模拟器小样，并记载合格的月面地形地貌模拟器小样的表面材料属性、表面处理工艺数据，从而形成固定的月面地形地貌模拟器表面制造工艺；
（5）利用步骤（4）中确定的月面地形地貌模拟器表面制造工艺，对月面地形地貌模拟器整体的表面进行处理；
（6）对月面地形地貌模拟器整体表面进行成像测试、后向反射特性测试以及反照率测试，如果测试不合格，则根据步骤（4）中的月面地形地貌模拟器表面工艺，对月面地形地貌模拟器局部进行修改，然后进行步骤（5），直到月面地形地貌模拟器整体测试合格；
（7）对月面地形地貌模拟器整体进行三维激光扫描，得到月面地形地貌模拟器三维地形数据，模拟器制造完成。
所述对月面地形地貌模拟器小样进行后向反射特性测试的方法为：太阳模拟器开启后，稳定15分钟后，使太阳模拟器垂直照射在月面地形地貌模拟器小样上，太阳电池从不同角度面向被照射的月面地形地貌模拟器小样，并使用数字万用表对不同角度下太阳电池的输出进行测量，最后，对不同角度下所获得的太阳电池的输出电流分析，得到月面地形地貌模拟器小样的后向反射特性。
所述对月面地形地貌模拟器小样进行反照率测试的方法为：在晴朗室外太阳光照下，使用反照率测量仪对月面地形地貌模拟器小样的反照率进行直接测量，反照率测量仪有两个表头，表头1面对太阳，其电压表征太阳辐照强度；表头2面对月面地形地貌模拟器小样的漫反射光，其电压表征模拟器小样的反射强度，表头2电压值与表头1电压值之比即为模拟器小样的反照率。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
（1）本发明提出了根据典型月球表面统计特征随机生成月面地形地貌模拟器等高线图的方法，根据现有的月球表面统计数据，经过计算得到相应月面地形地貌模拟器面积内的对应地形特征的规格、数量及剖面特征，然后随机生成对应面积上的等高线图，从而使得月面地形地貌模拟器的地形特征与目标着陆区的地形特征相一致，以此月面地形地貌模拟器为目标的相关试验具有了与月面环境一致性的前提，从而保证了相关试验的可靠性。
（2）月面地形地貌模拟器作为一种科学试验的目标设备，对于其光学反射特性，需要有定性、定量的测量方法，本发明在制造过程中对月面地形地貌模拟器的光学反射特性进行测试，包括成像测试、后向反照特性测试以及反照率测试，这样可以确保所制造的月面地形地貌模拟器对月面相关特性的模拟的精确性，从而保证了相关试验的有效性。
（3）月面地形地貌模拟器，要保证其表面的粗糙质感、纹理特征、色彩微差与月球表面相一致，就需要以较随机的喷涂、抛洒等工艺手法来制造，这样制造出来的月面地形地貌模拟器和基础地形制造时所依据的等高线图就会有数厘米的误差。为了解决月面地形地貌模拟器表面随机制造与月面地形地貌模拟器表面地形精度的矛盾，本发明采取先制造，再测量光照反射特性，最后月面地形地貌模拟器稳定后再用三维激光扫描的办法，这样既能保证月面地形地貌模拟器制造的方便性，又能控制月面地形地貌模拟器表面地形的精度。
总之，本发明的月面地形地貌模拟器制造方法，可以保证月面地形地貌模拟器模拟月球表面的可靠性、有效性和精确性。
附图说明
图1为本发明模拟器的制造流程图；
图2为月面地形地貌模拟器上环形坑的随机分布图；
图3为月面地形地貌模拟器上石块的随机分布图；
图4为根据环形坑和石块的分布得到的等高线图；
图5为对月面地形地貌模拟器小样局部成像测试图；
图6为对月面地形地貌模拟器小样进行后向反射特性的测试原理图；
图7为对月面地形地貌模拟器小样进行反照率的测试原理图；
图8为对月面地形地貌模拟器三维激光扫描后得到的局部的三维地形图。
具体实施方式
（1）本发明提出了根据典型月球表面统计特征随机生成月面地形地貌模拟器等高线图的方法，根据现有的月球表面统计数据，经过计算得到相应月面地形地貌模拟器面积内的对应地形特征的规格、数量及剖面特征，然后随机生成对应面积上的等高线图，从而使得月面地形地貌模拟器的地形特征与目标着陆区的地形特征相一致，以此月面地形地貌模拟器为目标的相关试验具有了与月面环境一致性的前提，从而使得保证了相关试验的可靠性。
（2）月面地形地貌模拟器作为一种科学试验的目标设备，对于其光学反射特性，需要有定性、定量的测量方法，本发明在制造过程中对月面地形地貌模拟器的光学反射特性进行测试，包括成像测试、后向反照特性测试以及反照率测试，这样可以确保所制造的月面地形地貌模拟器对月面相关特性的模拟的精确性，从而保证了相关试验的有效性。
（3）月面地形地貌模拟器，要保证其表面的粗糙质感、纹理特征、色彩微差与月球表面相一致，就需要以较随机的喷涂、抛洒等工艺手法来制造，这样制造出来的月面地形地貌模拟器和基础地形制造时所依据的等高线图就会有数厘米的误差。为了解决月面地形地貌模拟器表面随机制造与月面地形地貌模拟器表面地形精度的矛盾，本发明采取先制造，再测量光照反射特性，最后月面地形地貌模拟器稳定后再用三维激光扫描的办法，这样既能保证月面地形地貌模拟器制造的方便性，又能控制月面地形地貌模拟器表面地形的精度。
总之，本发明的月面地形地貌模拟器制造方法，可以保证月面地形地貌模拟器模拟月球表面的可靠性、有效性和精确性。
如图1所示，本发明的制造过程如下：
（1）根据月球表面地形统计特征，计算出相应面积内月球着陆区的典型地形地貌特征，典型地形地貌特征包括撞击坑、斜坡、月表岩石的数量和规格，再根据典型地形地貌特征的剖面特征数据，随机生成对应面积的三维地形图；
（2）根据随机生成的三维地形图，按照指定的间距，生成等高线图；
（3）根据等高线图制造月面地形地貌模拟器整体的底盘和基础地形，并完成基础地形的现场拼接，然后等待月面地形地貌模拟器小样试制结果；
（4）根据部分等高线图，试制不同的月面地形地貌模拟器小样，根据分析计算，使用不同的表面材料和工艺手法，试制不同的月面地形地貌模拟器表面，然后对各个月面地形地貌模拟器小样进行成像测试、后向反射特性测试以及反照率测试，得到合格的月面地形地貌模拟器小样，并记载合格的月面地形地貌模拟器小样的表面材料属性、表面处理工艺数据，从而形成固定的月面地形地貌模拟器表面制造工艺；
（5）利用步骤（4）中确定的月面地形地貌模拟器表面制造工艺，对月面地形地貌模拟器整体的表面进行处理；
（6）对月面地形地貌模拟器整体表面进行成像测试、后向反射特性测试以及反照率测试，如果测试不合格，则根据步骤（4）中的月面地形地貌模拟器表面工艺，对月面地形地貌模拟器局部进行修改，然后进行步骤（5），直到月面地形地貌模拟器整体测试合格；
（7）对月面地形地貌模拟器整体进行三维激光扫描，得到月面地形地貌模拟器三维地形数据，模拟器制造完成。
下面结合附图，以制造一个16m×16m的月面地形地貌模拟器为例，对本发明做进一步介绍。
根据现有月球表面现有统计数据，对一个16m×16m大小的月面地形地貌模拟器来说，其石块及环形坑的数目及规格如表1、表2所示。月表岩石形状可能为圆形、矩形或凹坑形等，最短尺寸与最长尺寸的比值一般在1/1至1/5范围内。而月球坑的剖面形态则如表3所示。
表1 石块规格及数目
表2 环形坑规格及数目
表3 不同月球坑的形态特点
根据表1、表2数据，就可以得到16m×16m范围内环形坑、石块的数目。根据如图2所示的环形坑、图3所示的石块随机分布制造出相应的如图4所示的等高线图。实际制造月面地形地貌模拟器时可以根据工程图结合坑的剖面形态以及石块的最短尺寸与最长尺寸比例对月面地形地貌模拟器基础地形进行加工。
为了便于运输，月面地形地貌模拟器底座是分2m×2m一块制造，然后整体拼接成16m×16m，在此上做好基础地形后，再分成2m×2m的单块后运输。在试验现场重新拼接好之后，再进行表面处理。
在月面地形地貌模拟器底座、基础地形制造运输的同时，更重要的工作是试制月面地形地貌模拟器小样。取月面地形地貌模拟器地形的一部分，制造好基础地形后，使用不同的材料、工艺方法进行模拟器小样表面处理。对于完工的模拟器小样，在密闭的暗室里，在太阳模拟器的照射下，用数码相机或器上相机产品对模拟器小样进行成像，对于成像质感接近月球表面近景照片的模拟器小样，再进一步测试，成像结果如图5所示。
通过在月面地形地貌模拟器小样的表面材料里面掺入一定量的玻璃微珠，就可以得到有一定后向反射特性的模拟器小样。如图6所示，具体测量方法如下：
所需测试设备为太阳模拟器一台，太阳电池一块，数字万用表一块。太阳电池的输出电流和其受到的辐照度成正比，利用这一原理对月面地形地貌模拟器小样进行后向反照特性测试。太阳模拟器开启后，稳定15分钟后，使太阳模拟器垂直照射在月面地形地貌模拟器小样上，太阳电池从不同角度面向被照射的月面地形地貌模拟器小样，并使用数字万用表对不同角度下太阳电池的输出进行测量。最后，对不同角度下所获得的太阳电池的输出电流分析，就可以得到月面地形地貌模拟器小样的后向反射特性。
对于后向反射特性测量合格的沙盘小样，再进行反照率测试。测试所用仪器设备及架设方法，如图7所示，具体测量方法如下：
（1）选择晴朗天气的中午时段，选择离建筑物较远的平地，避免建筑物玻璃反射及墙体漫反射对测量的影响；
（2）水平放置模拟器小样支撑，然后放置被测模拟器小样；
（3）在模拟器小样附近放置反照率测量仪的可调支撑，调节表头的高度和伸长量，使得表头处于小样中央上方位置；测量仪可调支撑的位置应在模拟器小样的背光方向，避免测量仪可调支撑架的阴影落在被测沙盘上而影响测量结果；
（4）分别连接表头、数据采集器、数据转换接口以及安装了测量软件的数据处理终端；
（5）通过软件操作反照率测量仪，读取反照率测量值ρ，以及测量仪表头1、表头2的电压值读数θ1、θ2（单位：mV），反照率ρ=θ2/θ1；
（6）重复多次进行步骤（5），最后对多次测量结果求算术平均值，该平均值即为被测沙盘的反照率值。
对于成像测试、后向反射特性测试、反照率测试合格的月面地形地貌模拟器小样，把该模拟器小样的表面材料属性、表面处理工艺等内容细化下来，形成一种固定的模拟器表面制造工艺。然后根据此工艺对沙盘整体表面进行处理，直到沙盘整体的成像测试、后向反射特性测试、反照率测试合格后，再对月面地形地貌模拟器整体进行三维激光扫描，如图8所示。
物理试验结果表明，本发明月面地形地貌模拟器的制造方法，用于实际制造的月面地形地貌模拟器，仿真度极高，能逼真再现月球表面典型地形地貌环境。本发明的主要技术内容可推广应用于月球、火星等深空就位探测物理仿真试验中地形模拟器的研制。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (3)
1.一种月面地形地貌模拟器制造方法，其特征在于步骤如下：
（1）根据月球表面地形统计特征，计算出相应面积内月球着陆区的典型地形地貌特征，典型地形地貌特征包括撞击坑、斜坡、月表岩石的数量和规格，再根据典型地形地貌特征的剖面特征数据，随机生成对应面积的三维地形图；
（2）根据随机生成的三维地形图，按照指定的间距，生成等高线图；
（3）根据等高线图制造月面地形地貌模拟器整体的底盘和基础地形，并完成基础地形的现场拼接，然后等待月面地形地貌模拟器小样试制结果；
（4）根据部分等高线图，试制不同的月面地形地貌模拟器小样，根据分析计算，使用不同的表面材料和工艺手法，试制不同的月面地形地貌模拟器表面，然后对各个月面地形地貌模拟器小样进行成像测试、后向反射特性测试以及反照率测试，得到合格的月面地形地貌模拟器小样，并记载合格的月面地形地貌模拟器小样的表面材料属性、表面处理工艺数据，从而形成固定的月面地形地貌模拟器表面制造工艺；
（5）利用步骤（4）中确定的月面地形地貌模拟器表面制造工艺，对月面地形地貌模拟器整体的表面进行处理；
（6）对月面地形地貌模拟器整体表面进行成像测试、后向反射特性测试以及反照率测试，如果测试不合格，则根据步骤（4）中的月面地形地貌模拟器表面工艺，对月面地形地貌模拟器局部进行修改，然后进行步骤（5），直到月面地形地貌模拟器整体测试合格；
（7）对月面地形地貌模拟器整体进行三维激光扫描，得到月面地形地貌模拟器三维地形数据，模拟器制造完成。
2.根据权利要求1所述的一种月面地形地貌模拟器制造方法，其特征在于：所述对月面地形地貌模拟器小样进行后向反射特性测试的方法为：太阳模拟器开启后，稳定15分钟后，使太阳模拟器垂直照射在月面地形地貌模拟器小样上，太阳电池从不同角度面向被照射的月面地形地貌模拟器小样，并使用数字万用表对不同角度下太阳电池的输出进行测量，最后，对不同角度下所获得的太阳电池的输出电流分析，得到月面地形地貌模拟器小样的后向反射特性。
3.根据权利要求1所述的一种月面地形地貌模拟器制造方法，其特征在于：所述对月面地形地貌模拟器小样进行反照率测试的方法为：在晴朗室外太阳光照下，使用反照率测量仪对月面地形地貌模拟器小样的反照率进行直接测量，反照率测量仪有两个表头，表头1面对太阳，其电压表征太阳辐照强度；表头2面对月面地形地貌模拟器小样的漫反射光，其电压表征模拟器小样的反射强度，表头2电压值与表头1电压值之比即为模拟器小样的反照率。
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