一種天線變形測量方法

2023-12-02 09:28:16

專利名稱：一種天線變形測量方法
技術領域：
本發明涉及一種天線變形測量方法，可用於天線在高低溫環境下的變形測量，以
及大線形貌測 一:等領域，屬f攝影測量領域。
背景技術：
天線在溫度劇烈變化時，其外表面形狀會發生變形，變形量的大小直接影響天線
的工作性能和可靠性。丙此,在天線使用前，需要測^大線在溫度劇烈變化時的變形，評價 天線的環境適應性。在目前，國內外通常釆用攝影方法測量天線在不同溫度下的變形，但 在測量屮仍存在著標忐點粘貼稀疏、匹配同名點尋找困難和溫度劇烈變化下天線變形測量 誤差大等問題。在標誌點粘貼方面，為了便於同名匹配點尋找，一般採用面積較大的編碼 靶標，或者採用粘貼間距較大的圓形標誌點，標誌點布置較為隨機，存在著測量點少、不夠 密集、無法精確測量天線表面變形的問題。在匹配同名點尋找方面，--般採用極線約束，但 當標誌點比較密集時，無法實現1%匹配率。在溫度劇烈變化的仿空間環境測量中，閨內 外以固定相機為主，而外界環境溫度的變化導致相機和天線之間的位置f可避免地發生變 化，必將導致測缺前後天線形貌數據的坐標系發生移動，導致變形測缺的誤差。 總之，目前國內外在天線變形測量方面還沒有比較完備的解決方法，本發明針對 此提出了一種簡便、快速、準確的天線測* &法。

發明內容
本發明的目的在於提出--種天線變形測量方法，以提高天線在高低溫環境等複雜 條件F的變形測量精度。 本發明的技術解決方案為-,中天線變形測量方法，用T測量天線在高低溫等復 雜條件下的變形，其特徵在於包括以F步驟 (1)在天線表面粘貼橫縱、等間距排列的圓形標誌點和圓環標誌點，作為測量標誌 點,所有圓形標忐點和圓環標忐點具有設定的統一的編號； (2)在天線周圍布置兩根粘貼:"多個編碼標誌點的長度標尺，各個編碼標誌點貝-有唯一的編號； (3)在天線變形前後，用測量相機分別閨繞天線拍攝兩組圖片，變形前拍攝的圖片 為組A，變形後拍攝的圖片為組B，所有拍攝圖片中包含天線上全部圓形標誌點和圓環標誌 點以及兩根標尺上的全部編碼標誌點； (4)採用圓心提取與標誌識別算法，提取出圖像巾圓形標誌點、圓環標誌點和編碼 標誌點的圓心坐標； (5)採用基於圓環標忐點的編號識別算法，識別所有圖片屮天線....匕圓形標忐點編 號和圓環標誌點編號,採用編碼標誌點識別算法識別所仃圖片中長度標尺上的編碼標誌點
編號； (6)將不同圖像中相同編號的圓形標誌點、圓環標誌點和編碼標誌點作為同名匹
4配點，採用—維形貌求取算法，分別對圖片組A和圖片組B中的同名匹配點進行—維重建， 對應得到三維形貌組C和三維形貌組D ; (7)根據三維形貌組C、三維形貌組D,利用基於標尺的變形求取算法訃算得到天 線的變形結果。 其中，步驟(1)中所述的所有圓形標誌點和圓環標誌點具有設定的統.,編3， 此設定的統一的編號以每個圓形標誌點或圓環標誌點所在行號和列號的組合作為編號方 式。 其屮，步驟(2)屮所述的在天線周圍布置兩根粘貼有多個編碼標忐點的長度標 尺，長度標尺的長度等於天線的直徑，布置方式為兩根標尺在天線兩側對稱平行布置或相 鄰垂直布置。 其中，上述歩驟中所述的編碼標誌點由中心圓和外圍的2i0度圓弧組成，中心圓 的圓心作為編碼標誌點的圓心，外圍21度圓弧等分為7個小圓弧，每份以黑A為2進位 位，這樣可通過7個小圓弧的黑白不M組合實現編碼標誌點的7位2進位位編碼，從而編碼 標誌點具有唯一的編號。 其中，步驟(4)中所述的圓心提取與標誌識別算法的步驟為先計算圖像中所有 圓形輪廓的圓心坐標,然後在原圖片....匕逐一提取此屮心坐標對應的圖像上的灰度值，並與 灰度閾值H進行比較，若小於或等於H則此圓心坐標為圓環標誌點的圓心坐標；若大於H, 則再在原圖片中，對此圓心坐標周圍2. 5倍圓平徑的圓周上，檢測是否存在突變邊緣，若不 存在突變邊緣則此圓心坐標則為圓形標誌點的圓心坐標，若存在突變邊緣則此圓心坐標為 編碼標誌點的圓心坐標，從而提取並識別出圖像中的圓形標誌點、圓環標誌點和編碼標誌 點的圓心坐標。 其中，步驟(5)巾所述的基於圓環標誌點的編號識別算法的步驟是先通過圓環 標誌點的非對稱步驟，識別出圓環標誌點的標號；再根據圓形標誌點和圓環標誌點橫縱、等 間距排列的特點，計算出所有編號的圓形標忐點的初始坐標；最後,根據初始坐標搜索步驟 (4)中提取出的圓形標誌點的真實坐標,找到與初始坐標對應的真實坐標，將圓形標誌點的
編號與圓形標誌的真實坐標對應上，從ra識別出圓形標誌點的編號。 其中，歩驟(7)中所述的基於標尺的變形求取算法為先以標尺上編碼標誌點的 圓心作為天線變形前後的不動參考點，利用二維形貌組C和二維形貌組D中標尺上編碼標 志點的圓心坐標，求解天線變形前後測量坐標系的轉換關係，並將三維形貌組D的坐標系 轉換到三維形貌組C的坐標系i:;再將已轉換到同一坐標系下的三維形貌組C與三維形貌 組D中的同名匹配點的三維坐標相減，得到天線在圓形標誌點和圓環標誌點的圓心處的變 形；最後通過插值計算得到天線上未粘貼標忐點處的變形。 -:維形貌求取算法採用近景攝影測量中的光線束平差法，由於光束平差法屬於現
有公知算法，具體不再敘述。編碼標誌點識別算法屬f公知算法，具體不再敘述。 本發明的原理是天線變形測量是通過測量天線在變形前後的形貌變化來實現，
具體來說就是用天線變形前的二維形貌減去天線變形後的二維形貌來計算天線變形；在變
形前後三維形貌求取過程中，為了能夠在無明.M特徵的天線表面實現NJ名點匹配，在天線
表面粘貼橫縱、等間距排列的圓形標誌點和圓環標誌點，作為測量的標誌點，根據攝影測y:
原理，測量天線變形前後標誌點處的三維形貌；在變形前後所測量得到的三維形貌-一般不在同一個坐標系下，因此，需要以標尺上編碼標誌點的圓心作為坐標系轉換的參考點，通過變形計算算法實現大線在溫度變化前後的變形測量。 本發明與現有技術相比的優點在於(i)通過粘貼橫縱、等間距排列的圓形標誌點和圓環標誌點，實現標誌點的密集排布,提卨天線變形測量的可靠性和準確性，克服了標誌點排布粘貼稀疏的缺點。(2)應用基丁'圓環標誌點的編^識別算法，實現T 100%匹配率，提高了測量的可靠性，克服了匹配率低的問題。(3)在天線周闈布置兩根的長度標尺，以標尺上編碼標誌點的圓心作為坐標系轉換的參考點，保證了在溫度劇烈變化等複雜條件下系統的測量精度，避免了在溫度劇烈變化的測量環境屮，由相機和天線之間的位置變化導致的變形測量誤差。


圖1為本發明一種天線變形測量方法的流程圖； 圖2為本發明中的天線變形測量時實物擺放示意圖； 圖3為木發明巾的圓形標誌點和圓環標誌點在天線l:的布局樣式之一 ； 圖4為本發明中的圓形標誌點和圓環標誌點在天線上的布局樣式之-一 ； 圖5為本發明屮的長度標尺與天線的布局樣式之一 ； 圖6為本發明中的長度標尺與天線的布局樣式之-一 ； 圖7為本發明中的編碼靶標樣式； 圖8為本發明中的編碼耙標舉例； 圖中，l為圓形標誌點，2為圓環標誌點，3為測量相機,4為編碼標誌點，5為標尺，6為天線。
具體實施例方式
如圖1所示，一種天線變形測量方法的流程包括標忐點粘貼、標尺布置、圖片拍攝、圓心提取與校正、編碼號識別、—維形貌求取和變形計算等歩驟，天線變形測量時實物擺放參見圖2。該大線變形測量方法具體實施步驟如K : (i)在天線表面6粘貼橫縱、等間距排列的圓形標誌點i和圓環標誌點2，作為測量標誌點，以標誌點的圓心作為天線變形的測量點。因天線表面無明顯匹配特徵，無法實現M名點匹配，為丫克服此問題，需耍粘貼測量標誌點，所以，標誌點越密集，天線變形的測.S點就越多，就越能反映天線變形的情況，也越能反映天線變形測.S的準確程度。在木發明中，標誌點布局釆用橫縱、等間距排列的形式，可以實現標誌點的密集布置，提高了天線變形測量的準確性。在具體粘貼標忐點過程屮，由於粘貼誤差，無法精確實現橫縱、等間距排列的標誌點布局，由於編碼號識別算法IW]—定的容錯能力，這種誤差不會對標誌點編碼號識別產生影響，當然也不會對測量精度有任何影響。 此外，天線上所有圓形標誌點和圓環標誌點具有設定的統- 一的編號，以每個圓形標誌點或圓環標誌點所在行號和列號的組合作為編號方式。在具體實施過程中，圓環標誌點的位置可以採用有多種方式，通過圓環標誌點的非對稱特殊布置，實現圓環標誌的編3識別，圖3和圖4為實際測 一 屮採用布局樣式之一。 在圖3和圖4中，給出r在編號坐標系X0Y下，部分圓形標誌點和所有圓環標誌點的編號。行號與編號坐標系X0Y的Y軸相對應，列號與編號坐標系XOY的X軸相對應。
(2)在大線周圍布置兩根粘貼有多個編碼標誌點4的K度標尺5，各個編碼標誌點具有唯- 一的編號，長度標尺的長度等於天線的直徑，布置方式為兩根標尺在天線兩側對稱平行布置(圖5)或相鄰垂直布置(圖6)。以標尺上多個編碼標誌點的圓心之間的已知距離作為三維復現的長度基準，以多個編碼標誌點的圓心作為求解天線變形前後測量坐標系轉換關係的不動參考點。長度標尺採用微晶玻璃製作而成，熱膨脹係數極小，在溫度劇烈變化時，其長度變化可以忽略不計。在具體實施過程中，支撐長度標尺的支架與支撐天線支架為一體支架，支架採用特殊材料製作，並在外面包裹特殊隔熱材料，保證在溫度劇烈變化時兩個長度標尺的相對位置不發生變化。這樣，以標尺上編碼標誌點的圓心作為坐標系轉換的參考點，保證在溫度劇烈變化等複雜條件K坐標系轉換的準確性,從『tt實現在溫度劇烈變化的測量環境中天線變形的高精度測量。 長度標尺....匕的編碼標誌點由中心圓和外圍的21度圓弧組成，中心圓的圓心作為編碼標誌點的圓心，外圍210度圓弧等分為7個小圓弧，以黑白為2進位位，通過不NJ組合實現編碼標誌點具有唯一的編號，參見圖7。在實際測量中，長度標尺的寬度一般較窄，採用這種靶標可以實現在較小範圍內布置編碼靶標，非常適合長度標尺的寬度較窄的場合，參見圖8。編碼標忐點布置方式為在長度標尺的兩端各布置3個編碼標忐點，即每跟標尺上有6個編碼標誌點，兩根標尺共W i2個編碼標誌點。 編碼標誌點的尺寸比例為，圓弧外邊緣半徑是中心圓半徑的3倍，圓弧內邊緣平徑是中心圓半徑的2倍。 (3)在天線變形前後,用測量相機分別圍繞天線拍攝兩組圖片，變形前拍攝的圖片為組l，變形後拍攝的圖片為組2，所有拍攝圖片中包含天線上全部圓形標誌點和圓環標誌點以及兩根標尺l:的全部編碼標誌點。拍攝照片時可以採用申.相機3旋轉的方案，精度較高，需要機械旋轉結構帶動相機繞天線旋轉。也釆用多相機固定，分別從多伯度拍攝，不需機械旋轉結構。 (4)採用圓心提取與標誌識別，提取出圖像中圓形標誌點、圓環標誌點和編碼標誌點的圓心坐標,具體步驟步驟為先計算圖像中所有圓形輪廓的圓心坐標,然後在原圖片....匕逐一提取此中心坐標對應的圖像上的灰度值，並與灰度閾值H進行比較，若小於或等於H則此圓心坐標則為圓環標誌點的圓心坐標；若大於H，則再在原圖片中，對此圓心坐標周圍2.5倍圓半徑的圓周上,檢測是否存在突變邊緣，若不存在突變邊緣則此圓心坐標則為圓形標誌點的圓心坐標，若存在突變邊緣則此圓心坐標為編碼標誌點的圓心坐標，從而提取並識別出圖像中的圓形標誌點、圓環標誌點和編碼標誌點的圓心坐標。通過以上步驟，不僅可以實現圓心的二維圖像坐標的求取，還可以實現標忐點的識別。
H的取值為整幅圖像的平均灰度。"對此圓心坐標周圍2. 5倍圓平徑的圓周....匕,檢測是否存在突變邊緣"中的"2. 5倍圓半徑"是依據編碼標誌點的尺寸比例，在此半徑處可以方便檢測處圓外閨是否存在2 i0度圓弧。 (5)採用基T圓環標誌點的編3識別算法，識別所有圖片中天線上圓形標誌點編號和圓環標誌點編號，採用編碼標誌點識別算法識別所有圖片中長度標尺l:的編碼標誌點巧。
基於圓環標誌點的編號識別算法的歩驟是先通過圓環標誌點的非對稱歩驟，識別 出圓環標誌點的標號；再根據圓形標誌點和圓環標誌點橫縱、等間距排列的特點，計算出所 有編號的圓形標誌點的初始坐標；最後，根據初始坐標搜索歩驟(4)中提取出的圓形標誌 點的真實坐標，找到與初始坐標對應的真實坐標，將圓形標誌點的編號與圓形標誌點的真 實坐標對應上，從而識別出圓形標誌點的編3 。 在具體實施巾，按照圖3所示的圓環標誌點的非對稱布置方式，識別出圓環標誌 點的編號的具體過程是，先計算4個圓環標誌點坐標之間的相互距離，取出距離最小的兩 個圓環標忐點，這兩個點的編號為(5，5)或(5，6);再判斷其餘兩個圓環標忐點的坐標是否 與(5,5)和(5,6)兩個點在-一條直線上，若基本在一條直線上，則此點的編號為(5,3)，若不 在一條直線上，則此點的編號為(3,5);最後，分別計算圓環點(5,5)和(5,6)到圓環點(5， 3)距離，較大距離的為圓環點(5，6)，較小距離的為圓環點(5，5), 在具體實施中，按照圖4所示的圓環標誌點的非對稱布置方式，識別出圓環標誌 點的編5的具體過程是，先計算4個圓環標誌點坐標之間的相互距離，取出距離最小的兩 個圓環標誌點，這兩個點的編號為(5，2)或(5，3)，再判斷其餘兩個圓環標誌點的坐標是否 與(5,2)和(5,3)在--條直線上，若基本在一條直線上則此點的編號為(5，5)，若不在--條 有線....匕則此點的編號為(3,5)，最後，分別計算圓環點(5,2)和(5,3)到圓環點(5，5)距離， 計算較大的為圓環點(5,2)，較小的為(5,3)。從而將圓環標誌點的圖像坐標與圓環點的編 號對應起來。 在具休實施中，按照圖3、圖4的標誌點布置方式，編號為(x， y)的圓形標誌點的 初始坐標P(u， v)為 P(u， v) = Po+(xi0) * (Po-Px)/2+(y:y0) ^ (Po-Py)/'2 式巾，:Po為巾心圓環點的二維圖像坐標，(x，y0)為巾心圓環點Po的編號，即(m =5)， (n0 = 5) ;Px為編號(3， 5)的圓環點的二維圖像坐標，Py為編號(5,3)的圓環點的 二維圖像坐標。 最後，在圓形標誌點P的初始坐標(u， v)周圍半徑為r的範圍內，搜索歩驟(4)中 提取出的圓形標誌點坐標，距離P最近的點坐標即為編號(x，y)點的真實圖像坐標。這裡, r取圓形標誌點在圖像中半徑的平均值。
編碼標誌點識別算法屬於公知算法，具體不再敘述。(6)將不M圖像中相NJ編5的圓形標誌點、圓環標誌點和編碼標誌點作為M名匹
配點，採用三維形貌求取算法，分別對圖片組1和圖片組2巾的同名匹配點進行三維重建， 對應得到三維形貌組3和三維形貌組4 ;三維形貌求取算法，是依據近景攝影測量原理的光 線束平差法,復現出三維形貌。由於光線束平差法屬於現有公知算法，具體不再敘述。
(7)根據 一:維形貌組3、 一:維形貌組4,利用基於標尺的變形求取算法計算得到天 線的變形結果。til f三維形貌數據所在的測 一:坐標系在大線變形前後會發生變化,為了保 證變形測量精度，變形求取算法先以標尺上編媽標誌點的圓心作為天線變形前後的不動參 考點，利用二維形貌組3和二維形貌組4中標尺上編碼標誌點的圓心坐標，求解天線變形前 後測量坐標系的轉換關係，並將三維形貌組4的坐標系轉換到三維形貌組3的坐標系上； 再將已轉換到同一坐標系下的三維形貌組3與三維形貌組4中的同名匹配點的三維坐標相 減，得到天線在圓形標誌點和圓環標誌點的圓心處的變形；最後通過插值計算得到天線上
8未粘貼標誌點處的變形.
權利要求
一種天線變形測量方法，其特徵在於包括以下步驟(1)在天線表面粘貼橫縱、等間距排列的圓形標誌點和圓環標誌點，作為測量標誌點，所有圓形標誌點和圓環標誌點具有設定的統一的編號；(2)在天線周圍布置兩根粘貼有多個編碼標誌點的長度標尺，各個編碼標誌點具有唯一的編號；(3)在天線變形前後，用測量相機分別圍繞天線拍攝兩組圖片，變形前拍攝的圖片為組A，變形後拍攝的圖片為組B，所有拍攝圖片中包含天線上全部圓形標誌點和圓環標誌點以及兩根標尺上的全部編碼標誌點；(4)採用圓心提取與標誌識別算法，提取出圖像中圓形標誌點、圓環標誌點和編碼標誌點的圓心坐標；(5)採用基於圓環標誌點的編號識別算法，識別所有圖片中天線上圓形標誌點編號和圓環標誌點編號，採用編碼標誌點識別算法識別所有圖片中長度標尺上的編碼標誌點編號；(6)將不同圖像中相同編號的圓形標誌點、圓環標誌點和編碼標誌點作為同名匹配點，採用三維形貌求取算法，分別對圖片組A和圖片組B中的同名匹配點進行三維重建，對應得到三維形貌組C和三維形貌組D；(7)根據三維形貌組C、三維形貌組D，採用基於標尺的變形求取算法計算得到天線的變形結果。
2. 根據權利要求1所述的一種天線變形測量方法，其特徵在於所述的步驟(1)中的 所有圓形標誌點和圓環標誌點具有設定的統一的編號，此設定的統--的編號以每個圓形標 忐點或圓環標忐點所在行號和列號的組合作為編號方式。
3. 根據權利要求1所述的一種基於攝影測量原理的天線變形測量方法，其特徵在於 所述的步驟(2)中的在天線周圍布置兩根粘貼有多個編碼標誌點的K度標尺，K度標尺的 長度等於天線的直徑，布置方式為兩根標尺在天線兩側對稱平行布置或相鄰垂直布置。
4. 根據權利要求1所述的一種天線變形測缺/j法，其特徵在於所述的編碼標誌點由 中心圓和外圍的210度圓弧組成，中心圓的圓心作為編碼標誌點的圓心，外圍210度圓弧等 分為7個小圓弧，每份以黑白為2進位位，這樣可通過7個小圓弧的黑白不同組合實現編碼 標誌點的7位2進位位編碼，從而編碼標誌點具有唯--的編號。
5. 根據權利要求l所述的一種天線變形測暈^/法，其特徵在於步驟(4)屮所述的圓 心提取與標誌識別算法的歩驟為先計算圖像中所"圓形輪廓的圓心坐標，然後在原圖片 ....匕逐一提取此中心坐標對應的圖像上的灰度值，並勺M《閾值H:進行比較,若小f或等fH則此圓心.坐標為圓環標誌點的圓心.坐標；若大於H，則再在原圖片中，對此圓心坐標周閨2. 5倍圓半徑的圓周上，檢測是否存在突變邊緣，若不存在突變邊緣則此圓心坐標則為圓形 標誌點的圓心坐標，若存在突變邊緣則此圓心坐標為編碼標誌點的圓心坐標，從而提取並 識別出圖像巾的圓形標誌點、圓環標誌點和編碼標誌點的圓心坐標。
6. 根據權利要求1所述的一種天線變形測量方法，其特徵在於步驟(5)中所述的基於圓環標忐點的編號識別算法的歩驟是先通過圓環標忐點的非對稱步驟，識別出圓環標 志點的標號；再根據圓形標誌點和圓環標誌點橫縱、等間距排列的特點，計算出所W編號的 圓形標誌點的初始坐標；最後,根據初始坐標搜索步驟W)中提取出的圓形標誌點的真實坐標，找到與初始坐標對應的真實坐標，將圓形標誌點的編號與圓形標誌的真實坐標對應 上，從而識別出圓形標誌點的編號。
7.根據權利要求i所述的-一種天線變形測量方法，其特徵在於所述的歩驟(7)中的 基於標尺的變形求取算法為先以標尺上編碼標誌點的圓心作為天線變形前後的不動參考 點，利用三維形貌組C和三維形貌組D中標尺上編碼標誌點的圓心坐標，求解天線變形前後 測量坐標系的轉換關係，並將三維形貌組D的坐標系轉換到三維形貌組C的坐標系I:;再將己轉換到同--坐標系下的三維形貌組C與三維形貌組D中的同名匹配點的三維坐標相減， 得到天線在圓形標忐點和圓環標忐點的圓心處的變形；最後通過插值計算得到天線....匕未粘 貼標誌點處的變形。
全文摘要
一種天線變形測量方法，該方法首先在天線表面粘貼橫縱、等間距排列圓形標誌點和圓環標誌點作為測量標誌點，在天線變形前後分別拍攝粘貼測量標誌點的天線表面圖片，利用圓形標誌點和圓環標誌點的排列關係，實現同名點匹配，再根據攝影測量原理復現出變形前後天線上標誌點的三維坐標，最後以標尺上的編碼標誌點作為坐標轉換的不動參考點，將天線上變形前後的三維坐標統一到同一個坐標系下，計算出天線變形。該方法具有可靠、靈活、精度高的特點，可用於天線在高低溫等複雜條件下的變形測量，也用於天線形貌測量，測量精度優於13μm。
文檔編號G01B11/16GK101694373SQ20091023621
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月23日 優先權日2009年10月23日
發明者周杰, 姜宏志, 李冬, 李旭東, 趙慧潔 申請人:北京航空航天大學;