刘博学，蒲理华，王 婷，柏宏武，李瑜华，孙晓辉，兰亚鹏

(1.中国空间技术研究院西安分院，西安 710000；2.天津航天机电设备研究所，天津 300192)

0 引言

高精度准光天线属于新兴天线技术领域，是对地遥感、射电天文、深空探测载荷天线的核心组成部分[1-4]，区别于传统微波天线的主反、副反馈源结构，其一般由馈源喇叭、平面镜、椭球镜、频率选择面和极化线栅等多个准光学馈电部件按照一定的空间相对位置关系排列安装在同一复材板上而成[5-7]，尺寸小、部件多、结构紧凑且复杂，工作频率达到数百赫兹以上，因此对天线复材安装板上馈源喇叭、平面镜、椭球镜、频率选择面和极化线栅等部件的安装位姿精度及平面镜和椭球镜的形面精度要求极高。准光天线在设计完成后，影响其最终性能的关键环节在于零部件的装配、校准和测量过程，准光天线AIT过程中的装配、校准和测量是为了使馈源喇叭、平面镜、椭球镜、频率选择面和极化线栅等部件的实际形状及安装的位置姿态与理论设计的偏差满足容差要求，以保证天线各部件之间具有良好的位置精度和指向精度，最终使得由零、部件组成的天线系统电性能满足要求，避免各馈电部件不同程度的形状、位置和姿态偏差造成天线的电辐射性能的恶化。

相对于微波遥感载荷，准光天线工作频段更高，对装配校准测量提的精度要求也更高。目前传统装配手段中，螺钉连接后再通过修配加调整垫片等手段保证位置指向精度的方式效率、精度均较低；而在测量手段方面，关节臂接触式测量和三坐标接触式测量，测量轨迹复杂且小尺寸基准孔坐标无法通过关节臂和三坐标测量机测针获得；摄影测量不能直接识别部件基准孔，需要专用目标靶，天线反射镜镀层表面不允许粘贴带有胶层的目标靶，且准光天线装配的位置精度要求优于0.06 mm，指向精度优于0.03°，非接触式经纬仪交会测量系统精度无法满足要求。可见，传统的装配校准测量方法已不能满足高精度准光天线研制需求。

1 准光天线装配校准测量新技术

基于上述背景，本文从装配和测量两方面开展技术研究，提出了适合于准光天线各部件的形状位姿等装配、校准和测量的新方法。

1.1 准光天线统一基准定位装配校准技术

准光天线装配校准目的是保证天线复材安装板上的高频率馈源喇叭、平面镜、椭球镜、频率选择面和极化线栅相互之间具有良好的位置精度和指向精度，使得组成的天线系统电性能满足要求，准光天线安装布局如图1所示。

图1 准光天线布局图

准光天线的装配校准技术不同于传统的主反、副反和馈源的三项统调技术[8]，传统微波天线部件较少，其主反、副反及馈源的装配校准一般以主反为基准装配副反，后以副反为基准装配馈源，装配过程中根据微波传递路径采用基准层级变换的方式可以保证相邻部件间的位置及指向精度，并且一般不会引起最终全局装配结果出现明显的天线指向累积误差，但是图1所示的准光天线其结构不同于传统微波天线，其部件较多、结构复杂、精度较高，若根据光路采用传统微波天线装配使用的基准层级变换方式进行装配，如图2中所示流程，不可避免的存在多级累积误差，引起最终指向较大的偏差。由于准光天线整体通过复材安装板与卫星接口连接，复材安装板决定了准光天线的基准指向。采用传统方式装配校准时，假设馈源喇叭相对于复材安装板的装配指向误差为R1，椭球面镜相对于馈源喇叭的装配指向误差为R2，平面镜1相对于椭球面镜的装配指向误差为R3，频率选择面相对于平面镜1的装配指向误差为R4，平面镜2相对于频率选择面的装配指向误差为R5，极化线栅相对于平面镜2的装配指向误差为R6，则该准光天线实际装配过程中的通过基准层级变换引入的相对于复材安装板的最大装配指向误差为RTMAX，指向误差累积随光路复杂度增加：

RTMAX=|R1|+|R2|+|R3|+|R4|+|R5|+|R6|

(1)

图2 准光天线采用传统方式装配校准流程

同时，目前传统装配过程中直接采用螺钉连接安装，螺钉连接后再通过修配加调整垫片等手段保证位置指向精度，但是，这种装配方式的精度不高，后期需要反复的调整，效率较低。

因此，对于工作频段更高的准光天线，采用目前传统微波遥感天线的装配校准方式，难以满足高精度、高可靠和高效率的装配要求，需要借助更高精度的装配校准方法。

统一基准定位装配技术是准光天线研制过程中不可忽略的一项关键技术，天线各部件与复材板的安装和校准通过销钉预定位方式，设计高精度定位螺钉实现各馈电组件的精密机械安装，定位安装精度优于0.02 mm，同时在装配校准方案上以复材安装板作为统一的全局装配参考基准，通过安装板基准孔标定，以安装板坐标系为全局参考基准，分别装配校准准光天线馈源喇叭、平面镜、椭球镜、频率选择面和极化线栅等部件相对于全局参考的位置姿态及相互之间的空间关系。如图3所示，该方法避免了校准过程累积误差的影响，将校准过程基准变换带来的累积误差降低到最小。采用统一基准方式装配校准时，假设馈源喇叭相对于复材安装板的装配指向误差为R1'，椭球面镜相对于复材安装板的装配指向误差为R2'，平面镜1相对于复材安装板的装配指向误差为R3'，频率选择面相对于复材安装板的装配指向误差为R4'，平面镜2相对于复材安装板的装配指向误差为R5'，极化线栅相对于复材安装板装配指向误差为R6'，则该准光天线实际装配过程中的引入的相对于复材安装板的最大装配指向误差为RNMAX，不存在累积误差影响：

RNMAX=MAX﹛|R1'|，|R2'|，|R3'|，|R4'|，

|R5'|，|R6'|﹜

(2)

图3 准光天线采用统一基准装配校准流程

1.2 准光天线高精度测量技术

高精度的装配校准离不开高精度的测量，高精度测量为高精度装配校准提供量化指导和检测。如图1所示，准光天线具有如下结构特点：

1)天线复材安装板尺寸小，但是安装馈电部件多，整体结构紧凑呈异形，各馈电部件周围空间有限；

2)天线各部件尺寸小，反射镜最小口径仅150 mm，同时天线各部件预留基准孔尺寸较小，各部件表面周边仅有直径1 mm的基准孔；

3)平面镜和椭球镜等反射镜的表面镀层，装配精度测量时需要保证位姿精度满足0.06 mm和 0.03°的要求，同时需要检测安装后的形面精度，形面设计精度达到0.01 mm。

传统的装配精度测量方法主要有经纬仪交会测量、摄影测量、关节臂接触式测量、三坐标测量机接触式测量等，其通过测量系统获得天线部件基准孔和表面大量测点在设计坐标系下的测量值，并与其理论值进行空间对比，进而获得各部件实际安装后的形状位姿精度，即装配精度。但是由于准光天线上述结构特点的限制，关节臂接触式测量和三坐标测量机接触式测量空间受限，测量轨迹复杂且小尺寸基准孔坐标无法通过关节臂和三坐标测量机测针获得；摄影测量需要专用目标靶，其不能直接识别部件基准孔，而且天线反射镜镀层表面也不允许粘贴带有胶层的目标靶；对于准光天线各部件的装配校准要求位置精度优于0.06 mm，指向精度优于 0.03°，非接触式经纬仪交会测量系统0.1 mm的系统精度根本无法满足。总之，现有传统的测量方法已无法满足该高精度准光天线的装配精度测量工作。

为了克服现有技术的不足，本文采用了一种基于激光干涉测量和数模比对技术建立虚拟基准用于高精度准光天线部件形状位姿等装配精度测量的新技术，如图4所示，解决了目前高精度准光天线部件装配精度测量的难题，同时也相应的提高了测量效率。以准光天线高精度反射镜测量为例，本文对其装配后的位置姿态测量和形面精度测量方法进行实践研究。

1.2.1 位置姿态测量

一般的，在反射镜位置姿态测量时，首先利用测量系统测量复材安装板上预埋件基准孔建立全局参考基准坐标系，在该坐标系下同时由测量系统测量得到反射镜预留基准孔(一般为4～6个)中心坐标，将基准孔坐标测量值与理论设计值进行对应点公共点转换获得反射镜位移、转角等位置姿态测量结果。但由于准光天线反射镜尺寸较小，结构紧凑，镜面周边预留基准孔尺寸也设计较小，仅有1 mm。如上所述，传统的测量方式由于无法直接精确测量基准孔中心坐标而无法采用基准孔测量值与基准孔理论值进行公共点转换直接获得反射镜位置姿态。

图4 准光天线测量系统示意图

1)任意基准点激光测量采集技术

激光测量系统由单台激光跟踪仪以单频激光自动照准、自动跟踪配合的球棱镜目标附件并根据极坐标测量原理得到目标球棱镜中心在跟踪仪测量坐标系下的三维坐标，测量方式有静态目标测量，动态目标测量两种[9]。原理如图5所示：

图5 点坐标激光测量原理

目标球棱镜中心Pi的三维点坐标为：

Xi=Si×cos(Vi)×cos(HZi)

(3)

Yi=Si×sin(HZi)×cos(Vi)

(4)

Zi=Si×cos(Vi)

(5)

其中，Si为目标球棱镜中心i至跟踪仪中心距离，HZi为目标球棱镜中心i在跟踪仪下的方位角，Vi为目标球棱镜中心i在跟踪仪下的俯仰角。

激光跟踪测量系统的球棱镜中心坐标测量精度取决于其码盘的测角精度和激光的测距精度。系统静态角度测量误差达到±1″，干涉激光测距精度达到 1 μm/m，棱镜中心综合点坐标测精度达到 ±5 μm/m。因此，对于该准光天线的测量精度优于 0.02 mm和0.003°，满足准光天线反射镜装配位置精度优于0.06 mm，指向精度优于0.03°的测量要求。

但由于准光天线反射镜面周边预留设计基准孔尺寸较小，仅有1 mm。如上所述，与传统的测量方式遇到的问题一样，激光测量系统用其直径最小的12.7 mm球棱镜也无法直接精确测量基准孔中心坐标，因而无法采用设计基准孔的测量值与基准孔理论值进行公共点转换直接获得反射镜位置姿态。因此，本文提出不依靠原始设计基准孔而采用激光测量任意基准点代替原始设计基准孔发挥的作用，如图6所示。基准点的选取位置不受严格限制，一般分布在设计基准孔周边位置，数量与设计基准孔数量一致，每次测量时基准点的位置也不需要完全重合，同时，基准点的测量精度与设计基准孔的尺寸无关，完全由激光测量系统自身测量精度保证。而且采用的球棱镜直径仅有12.7 mm，位置灵活可调整，不受接触式测量天线反射镜时周围空间受限的影响。由此，采用高精度激光测量技术获得了与反射镜基准孔相对应的一组任意基准点实测坐标，此基准点为与反射镜接触的球棱镜中心在全局参考基准坐标系下的空间坐标，为了使其发挥天线基准孔的作用，需要在此测量基础上进一步建立虚拟基准点和镜面实测点。

图6 任意基准点激光测量采集

2)基于数模比对的虚拟基准点和镜面实测点建立技术

在由复材安装板基准孔建立的全局参考基准坐标系下，利用激光跟踪测试系统点坐标激光测量方式配合直径12.7 mm球棱镜分别直接接触测量反射镜基准孔周边镜面任意位置，获得与基准孔数量对应的(4～6个)球棱镜中心坐标——任意基准点坐标，然后分别将所测球棱镜中心坐标沿参考基准坐标系下反射镜理论数字化模型中反射镜面的法向负方向偏移球棱镜半径偏差6.35 mm形成一组反射镜表面实测点(如图7所示，偏移实测点)，同时也沿反射镜面的法向负方向向镜面投影形成一组表面理论点即虚拟基准点(如图7所示，投影理论点)。由此，获得的表面实测点即为传统装配精度测量过程中的基准孔测量值，而虚拟基准点即为传统装配精度测量过程中的基准孔设计值。在此基础上可以进一步进行反射镜位姿形状测量分析。

图7 数模比对虚拟基准点和镜面实测点建立

3)基于虚拟基准的反射镜位置姿态测量分析技术

将采用上述方式测量建立形成的表面实测点坐标测量值与投影形成表面理论点坐标值即虚拟基准点进行对应点公共点转换，获得反射镜实际安装位置相对于理论数字模型的位移、转角等位置姿态参数，此即为反射镜的位姿装配精度测量结果。

公共点转换是利用同一组点集在不同坐标系下三维坐标值的不同，确定相互之间坐标系位置姿态转换参数的一种方法[10]。对反射镜任意一组基准点其在全局参考基准坐标系下的对应的镜面实际测量点坐标和投影虚拟基准点坐标，相互之间存在三个平移参数、三个旋转参数，记为t=(Dx，Dy，Dz，Rx，Ry，Rz)，此即为反射镜实际安装与理论位姿的误差。设反射镜虚拟基准点在参考基准坐标系下的理论设计坐标为(Xi，Yi，Zi)(i=4～6)，在参考基准坐标系下的镜面实际测量坐标为(xi，yi，zi)，两组点集之间的转换关系为：

(6)

则反射镜在全局参考基准坐标系下的位置姿态为(Dx，Dy，Dz，Rx，Ry，Rz)。

1.2.2 形面精度测量

天线反射面的形面精度是评价天线质量的重要指标，其表面形状误差将引起辐射方向图的畸变，产生天线波束指向误差，影响天线收发信息的准确性和发射功率，降低天线的可靠性。因此，对于准光天线中的平面镜和椭球镜，在保证其装配位置姿态的基础上，还需要保证其装配校准后的形面精度。准光天线装配校准过程中，先对天线反射镜位置姿态进行校准调试，后对其形面精度进行测量。

反射镜形面精度测量时，利用激光测量系统按空间扫描方式均匀测量反射镜表面测点，手持直径12.7 mm球棱镜以均匀适度力接触被测镀层反射镜表面，采点轨迹一般如图8所示。

图8 激光形面测量采点轨迹

由于激光测量系统扫描测量时直接采集获得的是直径12.7 mm球棱镜中心空间坐标，故在形面精度测量时同样需要基于数字化理论模型沿反射镜面的法向负方向偏移球棱镜半径偏差6.35 mm建立获得反射镜表面实测点，如图7所示，镜面实测点建立方式。在全局参考基准坐标系下，通过建立的反射镜表面大量实际测量点，与理论模型的反射镜表面直接比较，最终得到实测目标表面与理论模型表面在所有测点处的法向偏差，如图9所示。

图9 形面精度直接比较

所有法向偏差的均方根值即为反射镜的形面精度：

(7)

其中，n为表面实测点数量。此即为反射镜在对应位姿下的形状参数，该形面精度测量方法采用球棱镜目标附件接触测量时避免了传统粘贴靶标测量方式污染镜面的风险，可实现形面精度的精密快速测量。

2 技术应用

本文提出的准光天线装配校准测量新技术在某型号产品中得到了实践应用，如图10所示。产品各部组件装配、校准、测量后的位置姿态及形面结果如表1所列，位置校准结果优于0.06 mm，姿态校准结果优于0.03°，满足位置姿态装配校准指标要求，平面镜1与平面镜2在装配校准后形面精度测量结果优于0.01 mmRMS，满足装配校准指标要求，但是，椭球镜形面实测达到0.016 mm，略超出0.01 mm指标要求，分析原因可能是由于装配过程中的装配应力导致椭球镜微变形引起形面超差。该准光天线在装配校准后经吸波暗室电性能实测，其综合指向精度优于0.03°。

(a)装配校准

表1 装配校准测量结果

3 结论

针对高精度准光天线装配校准和测量遇到的难题，本文采用统一基准精确定位装配校准技术配合高精度激光干涉测量和数模比对技术，降低了多部件装配过程中累积误差的影响，同时利用虚拟基准点的建立，解决了目前小尺寸天线原始设计基准孔小而无法使用的问题，最终实现了准光天线各部件之间位置姿态和形状的高精度装配校准和测量。相对于传统的摄影测量、经纬仪交会测量、关节臂接触及三坐标测试方法，在精度、效率、适用性和可操作性方面都有明显的优势，对后续更高频率太赫兹天线的研制具有重要的意义。