CN104132624B - 基于散斑干涉和条纹投影测量航天器结构变形的装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于散斑干涉和条纹投影测量航天器结构变形的装置，主要包括激光散斑投影装置、CCD相机、条纹投影装置、数据采集及控制单元等，激光散斑投影装置利用激光散斑干涉测量方法，对被测结构板的局部变形进行测量，条纹投影测量装置通过条纹投影测量及多次测量数据拼接，对大范围的变形进行测量。通过基于散斑干涉和条纹投影组合测量航天器的结构变形，可以实现对航天器结构微变形的大范围、非接触测量，2m×2m范围内的整体精度可达10um，局部需要高精度测量的0.2m×0.2m范围的测量精度可达1um。

Description

基于散斑干涉和条纹投影测量航天器结构变形的装置及测量 方法

技术领域

本发明属于工业测量领域，具体涉及一种综合利用散斑干涉测量方法和条纹投影测量方法的航天器结构微变形测量装置。此外，本发明还公开了一种利用该装置进行航天器微结构变形的测量方法。

背景技术

航天器在轨运行时由于环境温度变化等原因导致航天器结构板会产生微变形。随着航天器的光学相机、星敏感器、天线等载荷精度要求不断提高，对航天器结构的稳定性也提出了较高的要求。因此，在航天器总装研制过程中需要对由于在轨温度导致的航天器结构微变形进行测量，微变形测量的一般要求为10um，局部变形测量精度要求可达1um。

激光散斑干涉测量方法作为一种典型的微米级测量方法，通过分析变形前后物体表面的激光散斑图而得到变形测量结果。当被测物体发生形变时，干涉条纹将发生变化，由此可测量出被测物体的变形量、散斑干涉测量可以优于1um，能够满足航天器微变形测量精度要求。但是，该测量方法的测量范围小，一般测量范围在0.2m×0.2m左右，无法满足航天器1m×1m以上大尺寸的测量范围要求。条纹投影测量方法，将条纹图等结构光投影到被测物体的表面，根据条纹图相位信息的变化来测出物体的变形量，测量精度可优于10um，一般测量范围在1m×1m左右，并且可以通过拼接来扩展测量范围。

因此需要将激光散斑干涉测量和条纹投影测量相结合，来实现航天器大尺寸微变形测量的需求。为了解决这一关键技术问题，根据航天器结构变形测量特点发明了一种基于散斑干涉和条纹投影测量的航天器结构变形测量装置和测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于航天器结构的微变形测量装置，该装置可实现航天器结构舱板的大范围微变形测量及局部高精度测量。利用条纹投影的多次拼接测量来实现航天器舱板大范围的微变形测量，精度可达10um。而在舱板局部，利用散斑干涉测量，进行局部高精度微变形测量，精度可达1um。

本发明另一目的是提供一种利用上述测量装置测量航天器结构变形的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

基于散斑干涉和条纹投影测量航天器结构变形的装置，主要包括激光散斑投影装置、CCD相机、条纹投影装置、数据采集及控制单元、固定平台、隔振平台、加热控制器、精密转台、加热片、旋转台一和旋转台二，隔振平台两端分别设置有固定平台和精密转台，固定平台上设置有精密导轨，精密导轨两侧设置有旋转台一和旋转台二，旋转台一上设置有集成为一体的激光散斑投影装置和CCD相机，旋转台二上设置有条纹投影装置，激光散斑投影装置及条纹投影装置分别与数据采集及控制单元电通信，数据采集及控制单元同时对旋转台一和旋转台二进行转动控制，精密转台用于固定背部均匀设置有若干加热片的被测结构板，加热控制器设置在精密转台侧面对加热片进行加热控制，激光散斑投影装置利用激光散斑干涉测量方法，对被测结构板的局部变形进行测量，条纹投影测量装置通过条纹投影测量及多次测量数据拼接，对大范围的变形进行测量。

其中，被测结构板通过两个固定角板固定在精密转台上。

其中，加热片以阵列的形式设置在被测结构板上。

其中，加热片的数量足够多以便能够布置在被测结构板的整个面积上。

其中，隔振平台的台面上有足够数量的螺纹孔阵列，以方便固定平台和精密转台通过底部的安装孔和螺钉在隔振平台上的安装和调整。

一种利用上述装置测量航天器结构变形量的方法，包括如下步骤：

1)将被测结构板通过固定角板固定于精密转台上，紧固精密转台与隔振平台的连接；将加热片均匀粘贴于被测结构板的背面；

2)使被测结构板的正面朝向精密导轨，通过旋转台一、旋转台二和精密导轨调整CCD相机和条纹投影装置的角度和位置，使投影的条纹覆盖被测结构板；通过全局分析，确定需要进行高精度变形测量的区域。通过精密转台9、旋转台14和精密导轨3调整激光散斑投影装置1和CCD相机2的位置和指向，使激光散斑覆盖被测局部区域；

3)通过若干加热片和温度控制器将被测结构板加热到初始温度，并用条纹投影装置投影四副相位差π/2的条纹图，并用CCD相机采集图像；同时，利用激光散斑投影装置投射四副相位差π/2的激光散斑干涉图，并用CCD相机采集图像；

4)通过加热片和温度控制器将被测结构板加热到预定温度，并保持稳定10-30分钟，用条纹投影装置投影四副相位差π/2的条纹图，并用CCD相机采集图像；同时，利用激光散斑投影装置投射四副相位差π/2的激光散斑干涉图，并用CCD相机采集图像；

5)利用四步相移法对CCD相机采集的八幅条纹投影装置图像提取相位，并进行解包裹计算，再由投影条纹图和拍摄条纹图共同生成绝对相位图，再结合测量系统经标定得到的内外部参数，即可恢复出被测结构板整体的三维变形量；

6)利用四步相移算法对CCD相机采集的八幅激光散斑投影装置干涉图像，求出包裹相位图；再对包裹相位图进行解包裹运算，得到解包裹相位图；最后，通过物体离面位移三维显示函数，恢复出被测结构板局部的高精度三维变形量。

通过基于散斑干涉和条纹投影组合测量航天器的结构变形，可以实现对航天器结构微变形的大范围、非接触测量，2m×2m范围内的整体精度可达10um，局部需要高精度测量的0.2m×0.2m范围的测量精度可达1um。该方法对被测物表面无特殊处理，可实现对航天器常用结构材料碳纤维蜂窝板、铝合金、钛合金等的微变形测量。由于变形测量只是测出变形前后的相对变形量，因此无需对条纹投影测量和散斑干涉测量的数据进行融合处理，只需两测量方法各自独立测量出变形量即可，系统实现上简单可靠。

附图说明

图1为本发明的基于散斑干涉和条纹投影测量航天器结构变形量的装置的结构示意图。

其中，1－激光散斑投影装置、2－CCD相机、3－精密导轨、4－条纹投影装置、5－数据采集及控制单元、6—固定平台、7－隔振平台、8－加热控制器、9精密转台、10－固定角板、11－加热片、12－被测结构板、13－旋转台一、14－旋转台二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的基于散斑干涉和条纹投影测量航天器结构变形量的装置作进一步的说明，但这仅仅是作为示例性的目的提出的，并不旨在限定本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的基于散斑干涉和条纹投影测量航天器结构变形的装置，主要包括激光散斑投影装置1、CCD相机2、条纹投影装置4、数据采集及控制单元5、固定平台6、隔振平台7、加热控制器8、精密转台9、加热片11、旋转台一13和旋转台二14，隔振平台7两端分别设置有固定平台6和精密转台9，固定平台9上设置有精密导轨3，精密导轨3两侧设置有旋转台一13和旋转台二14，旋转台一13上设置有集成为一体的激光散斑投影装置1和CCD相机2，旋转台二14上设置有条纹投影装置4，激光散斑投影装置1及条纹投影装置4分别与数据采集及控制单元5电通信，数据采集及控制单元5同时对旋转台一13和旋转台二14进行转动控制，精密转台9通过两个固定角板10将背部均匀设置有若干加热片11的被测结构板12进行固定，优选地，若干加热片11以阵列的形式设置，加热片的数量足够多以便能够布置在被测结构板的整个面积上。加热控制器8设置在精密转台9的侧面对加热片11进行加热控制，激光散斑投影装置1利用激光散斑干涉测量方法，对被测结构板12的局部变形进行测量，条纹投影测量装置4通过条纹投影测量及多次测量数据拼接，对被测结构板12大范围的变形量进行测量。

在一具体的实施方式中，被测结构板12通过两个固定角板10固定于精密转台9的台面上，固定角板10限制了被测结构板12背部的位移和变形。被测结构板12可以随精密转台9转动，从而使所需要的被测区域朝向测量系统。被测结构板12(例如2m×2m)的背部均匀粘贴有30个以上的加热片11，并通过加热控制器8控制各个加热片所粘贴位置区域的温度，温度可以由10℃均匀升高到100℃。精密转台9通过螺钉固定于隔振平台7上。

激光散斑投影装置1与CCD相机2集成为一体，构成激光散斑干涉测量装置，激光照射到被测结构板12的表面上形成散斑，散斑光与激光散斑投影装置1内部的参考光汇聚于CCD相机2的接收器上形成干涉。将被测结构板12局部区域变形前和变形后的干涉图进行比较可以得到局部区域的微米级变形。激光散斑干涉测量方法可以参考中国专利“一种三维相移电子散斑干涉装置”，专利号CN201697608U。在该专利中散斑干涉测量装置固定于旋转台上，可以绕旋转台转动，旋转台固定于精密导轨3上，可以沿精密导轨3平行移动，从而对被测结构板12上的不同区域进行测量。

条纹投影装置4与CCD相机2构成条纹投影测量系统，条纹投影装置4先后向被测结构板12的表面投影4副条纹投影图，每幅条纹投影图相位差π/2。CCD相机2接收被测结构板12表面上变形前和变形后的4副条纹图，计算出被测结构板12表面的变形量。具体方法参考中国专利“基于绝对相位恢复的四步相移方法”，专利号CN102155924A。在该专利中条纹投影装置4固定于旋转台上，可以绕旋转台的旋转轴转动，旋转台固定于精密导轨3上可以沿精密导轨3平行移动，从而对被测结构板12上的不同区域进行测量。当被测结构板尺寸较大时，需要旋转精密转台9，或沿导轨移动条纹投影装置4和CCD相机2,对不同区域进行测量，再通过绝对相位回复的算法进行图像拼接，实现大范围测量。

本发明的旋转台一13、旋转台二14均固定于精密导轨3上，精密导轨3固定于测量装置固定平台6上，测量装置固定平台6通过螺钉固定于隔振平台7上。数据采集及控制单元5控制旋转台一13和旋转台二14转动，以及旋转台一13和旋转台二14沿精密导轨3移动；该控制单元读取CCD相机2中的图像并进行图像处理和变形量的计算。

航天器结构变形验证实验步骤如下：

1)将被测结构板12通过固定角板10固定于精密转台9上，紧固精密转台与隔振平台的连接。

2)将加热片11均匀粘贴于被测结构板12的背面。

3)将激光散斑投影装置1、CCD相机2、精密导轨3、条纹投影装置4固定于旋转台13、旋转台14上。紧固测量装置固定平台6与隔振平台之间、旋转台13、旋转台14与精密导轨3之间的螺钉。

4)转动精密转台9使被测结构板12的正面朝向精密导轨3。

5)通过旋转台13、旋转台14和精密导轨3调整CCD相机2和条纹投影装置4的角度和位置，使投影的条纹覆盖被测结构板12。

6)通过全局分析，确定需要进行高精度变形测量的区域。通过精密转台9、旋转台14和精密导轨3调整激光散斑投影装置1和CCD相机2的位置和指向，使激光散斑覆盖被测局部区域。

7)通过加热片11和温度控制器8将被测结构板12加热到初始温度。并用条纹投影装置4投影四副相位差π/2的条纹图，并用CCD相机2采集图像。同时，利用激光散斑投影装置投射四副相位差π/2的激光散斑干涉图，并用CCD相机2采集图像。

8)通过加热片11和温度控制器8将被测结构板12加热到预定温度，并保持稳定10分钟。用条纹投影装置4投影4副相位差π/2的条纹图，并用CCD相机2采集图像。同时，利用激光散斑投影装置投射四副相位差π/2的激光散斑干涉图，并用CCD相机2采集图像。

9)利用四步相移法对CCD相机采集的八幅条纹投影装置图像提取相位，并进行解包裹计算，再由投影条纹图和拍摄条纹图共同生成绝对相位图，再结合测量系统经标定得到的内外部参数，即可恢复出被测结构板整体的三维变形量；

10)利用四步相移算法对CCD相机采集的八幅激光散斑投影装置干涉图像，求出包裹相位图；再对包裹相位图进行解包裹运算，得到解包裹相位图；最后，通过物体离面位移三维显示函数，恢复出被测结构板局部的高精度三维变形量。

11)条纹投影装置测量的为整个被测结构板的三维变形量，其测量精度为10um。激光散斑投影装置测量的为被测结构板局部需要进行高精度变形测量的区域的三维变形量，其测量精度为1um。通过一次加热变形，既可测出结构板的整体变形量，又可对需要高精度测量的局部区域完成重点监测。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于散斑干涉和条纹投影测量航天器结构变形的装置，主要包括激光散斑投影装置、CCD相机、条纹投影装置、数据采集及控制单元、固定平台、隔振平台、加热控制器、精密转台、加热片、旋转台一和旋转台二，隔振平台两端分别设置有固定平台和精密转台，固定平台上设置有精密导轨，精密导轨两侧设置有旋转台一和旋转台二，旋转台一上设置有集成为一体的激光散斑投影装置和CCD相机，旋转台二上设置有条纹投影装置，激光散斑投影装置及条纹投影装置分别与数据采集及控制单元电通信，数据采集及控制单元同时对旋转台一和旋转台二进行转动控制，精密转台用于固定背部均匀设置有若干加热片的被测结构板，加热控制器设置在精密转台侧面对加热片进行加热控制，激光散斑投影装置利用激光散斑干涉测量方法，对被测结构板的局部变形进行测量，条纹投影测量装置通过条纹投影测量及多次测量数据拼接，对大范围的变形进行测量。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，被测结构板通过两个固定角板固定在精密转台上。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，加热片以阵列的形式设置在被测结构板上。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，加热片的数量足够多以便能够布置在被测结构板的整个面积上。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，隔振平台的台面上有足够数量的螺纹孔阵列，以方便固定平台和精密转台通过底部的安装孔和螺钉在隔振平台上的安装和调整。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的装置测量航天器结构变形量的方法，包括如下步骤：

1)将被测结构板通过固定角板固定于精密转台上，紧固精密转台与隔振平台的连接；将加热片均匀粘贴于被测结构板的背面；

2)使被测结构板的正面朝向精密导轨，通过旋转台一、旋转台二和精密导轨调整CCD相机和条纹投影装置的角度和位置，使投影的条纹覆盖被测结构板；

3)通过若干加热片和温度控制器将被测结构板加热到初始温度，并用条纹投影装置投影四副相位差π/2的条纹图，并用CCD相机采集图像；同时，利用激光散斑投影装置投射四副相位差π/2的激光散斑干涉图，并用CCD相机采集图像；

4)通过加热片和温度控制器将被测结构板加热到预定温度，并保持稳定10-30分钟，用条纹投影装置投影四副相位差π/2的条纹图，并用CCD相机采集图像；同时，利用激光散斑投影装置投射四副相位差π/2的激光散斑干涉图，并用CCD相机采集图像；

5)利用四步相移法对CCD相机采集的八幅条纹投影装置图像提取相位，并进行解包裹计算，再由投影条纹图和拍摄条纹图共同生成绝对相位图，再结合测量系统经标定得到的内外部参数，即可恢复出被测结构板整体的三维变形量；

6)利用四步相移算法对CCD相机采集的八幅激光散斑投影装置干涉图像，求出包裹相位图；再对包裹相位图进行解包裹运算，得到解包裹相位图；最后，通过物体离面位移三维显示函数，恢复出被测结构板局部的高精度三维变形量。