基于数字摄影测量技术的高精度低温面形测量

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1、第57卷第1期天文学报Vol.57No.12016年1月ACTAASTRONOMICASINICAJan.,2016doi:10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.01.011基于数字摄影测量技术的高精度低温面形测量娄铮1;2y钱元1;2范生宏3;4刘昌儒5王海仁1;2左营喜1;2程景全1;2杨戟1;2(1中国科学院紫金山天文台南京210008)(2中国科学院射电天文重点实验室南京210008)(3清华大学土木工程系地球空间信息研究所北京100084)(4北京普达迪泰科技有限公司北京100083)(5国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心北京100080)摘要受到检测设备工

2、作温度条件的限制,目前低温环境下的高精度面形检测手段还十分缺乏.首次将数字摄影测量技术应用于低温环境下高精度太赫兹反射面板的面形检测,采用高分辨率工业相机,结合低温电机驱动的自动测试台,实现测量设备在低温环境实验舱中的自动化拍摄,低温环境下的重复测量精度达到2.1mrms.利用三坐标测量仪在常温下对靶标厚度进行标定,从而消除了由靶标厚度差异造成的系统测量误差.在常温◦至55C的温度范围内测量了南极5米太赫兹望远镜(DATE5)铝制原型面板的面形误差,获得了面板在低温下的面形变化规律.关键词太赫兹望远镜,技术:面形测量,数字摄影测量,面板,低温环境中图分类号:P111;文献标识码:A1引言位

3、于射电和光学红外波段之间的太赫兹波段是天文观测的重要手段,尤其适合研究暗能量、大尺度结构、第一代恒星形成、星系形成和演化、恒星和行星系统的形成和早期演化、地外行星系统大气的物理化学特性及宇宙生命起源等现代天文学中最重要的前沿科学问题.目前国际上已建成和在建的地面太赫兹观测设备包括AtacamaLargeMillimeter/submillimeterArray(ALMA)[1]和SubmillimeterArray(SMA)[2]等.另外,正在规划中的太赫兹望远镜还包括CornellCaltechAtacamaTelescope(CCAT)[3]和中国南极5米太赫兹望远镜(DATE5)[4]等

4、.2015-07-09收到原稿,2015-08-03收到修改稿∗国家自然科学基金项目(11190014,11373073)资助†zhenglou@pmo.ac.cn116天文学报57卷随着观测频率和望远镜性能的不断提高,太赫兹望远镜对反射面精度的要求也越来越高.根据Ruze公式,为了保证望远镜天线系统的增益,反射面面形的RMS误差应小于观测波长的1/20.以观测频率为1THz为例,这就要求反射面面形RMS误差小于15m.而为了实现这类反射面面形的精确检测,要求测量系统的测量误差应在微米量级.另一方面,为了追求更优良的观测条件,太赫兹望远镜往往建设在高寒、高海拔的极端台址上,例如南极冰穹A冬季

5、平均气温60◦C,平均大气水汽含量仅为0.14mm[5],被认为是地面太赫兹天文观测的最佳台址之一.对于工作在这类极端环境的望远镜而言,除了常规面形检测外,还需要开展低温环境模拟实验,验证反射面在低温环境下的工作性能和面形变化规律.例如,美国南极点望远镜(SPT)副镜的初始加工误差为11mrms,然而在南极低温环境下面形误差增大到50mrms,其后即使回温到室温面形精度仍然无法恢复到初始水平[6],该现象被认为是由副镜加工时的残余应力所导致.由此可见,为了保证望远镜在低温下保持良好的工作性能,提前在环境实验舱中对反射面板进行低温面形测评是必不可少的.目前具备微米量级检测精度的反射面面形测

6、量技术包括接触式的测量方法如三坐标测量仪,和非接触式的测量方法如激光散斑干涉仪[7]、微波全息测量[8]和摄影测量[9−13]等.三坐标测量仪通常要求工作在常温、温度波动较小的恒温环境中,而常规激光和电子设备也无法适应如60◦C的低温环境.另一方面,摄影测量具有适应性强、操作灵活、系统构成简单、检测速度快等优点,尤其适合野外操作及对测量环境温度有特殊要求的场合.这些优点使得摄影测量成为反射面低温面形快速评估的重要候选技术.传统摄影测量理论上可达到1/200000的测量精度,但受到光学设备自身缺陷、外部环境干扰,以及数据处理残差等因素的影响,摄影测量结果中往往存在着极限噪底.对于小口径反射面或

7、反射面板的测量而言,待测目标的物理尺寸往往在1m以内,此时摄影测量的精度主要受到极限噪底的限制.为了实现微米量级高精度摄影测量,需要对影响噪底的各种随机和系统误差进行研究分析,从而找到进一步提高测量精度的方法.此外,针对低温测量,还需对常规测试设备和测试流程进行改造和优化.针对上述目标的实验研究在以往文献中还未曾报道过.本文首次将数字摄影测量技术应用于低温环境下高精度太赫兹反射面板的面形检测,采用