CREAFORM形创 航空航天案例 | 通过三维扫描和 CAD 模型设计航空器上 SAR 系统的天线支架

德国航空航天中心（DLR）的高频技术和雷达系统研究所正在为其未来的卫星任务研究雷达系统及相关参数。为此，他们事先用具有高度灵活性的机载系统进行了测试。在初步测试中，雷达系统将安装在两架多尼尔 Do 228 涡轮螺旋桨飞机上。为此所需的天线将由该研究所负责开发、测试，并集成到飞机系统中。为了集成，需要特殊的支撑结构将天线安装在飞机机身上。为此，需要各个飞机区域的精确轮廓数据（CAD 模型）来建造这些支撑结构，也就是所谓的支架。

在 L 波段频率范围内用两颗雷达卫星观测地球的新项目中，为了做好准备，一个类似的系统将安装在两架飞机上。通过用两个同时接收信号的载体平台观察地球表面，有机会开发出大量的新产品。这里的产品指的是用来对所记录的雷达数据进行评估以获取特定参数、模型、地图等信息的产品。除了经典的三维地形模型外，这些信息还包括植被信息（如树木覆盖率或森林砍伐情况）、冰川状况（如流速和体积的暂时变化）、火山、地震或采矿造成的地面隆起和沉降等等。

雷达遥感主要是基于 SAR 原理（合成孔径雷达）。它通过雷达系统的运动，在运动方向上实现了非常高的空间分辨率。该原理与距离无关，因此可以从太空中以非常高的精度拍摄地球表面的高分辨率图像。作为 TanDEM-X 任务的一部分，DLR 为此目的使用德国 TerraSAR-X 和 TanDEM-X 雷达卫星。这项研究中的研究人员正在考虑向现有的两颗 X 波段卫星添加其他系统。然而，在较低的频率下，如 L 波段，卫星之间的距离变得更大，这给数据处理和用算法和模型从原始雷达数据中提取参数带来了额外的挑战。在发射任何可能的卫星之前，DLR 的两架多尼尔研究飞机上的新系统就已经长期用于提供这种雷达数据了。这些都是德国航空航天中心的高频技术和雷达系统研究所的关键领域。

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任务：创建各个飞机区域的三维扫描数据和 CAD 模型

为了能够为飞机上和飞机内的天线支架设计安装空间，需要高度精确的几何数据。在本案例中，这些支撑结构安装在飞机内部的座椅导轨上，并通过飞机机身下方地板上的一个轴伸出来。天线安装在一个空气动力整流罩中。它在安装后可以在一定范围内围绕垂直轴旋转。

在这个项目中，轴和它周围的区域，也就是机舱内的地板和机身下面的区域是研究人员特别感兴趣的区域。为了完成这个项目，需要对两架飞机的这些区域进行精确的 CAD 建模，以制造这些支撑结构或支架。为此，首先必须进行三维扫描，随后可以利用这些扫描数据生成 CAD 模型。这些扫描旨在为两架 Do 228（DLR 拥有的研究飞机）制造天线支架，以便稍后能够在编队飞行中在低频范围（L 波段）内进行 SAR 拍摄。为此，天线被安装在飞机机身下方，与地面成一定角度，可以横向辐射和接收信号。

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使用的计量设备和扫描系统

DLR 联系了 Creaform 形创的计量和工程服务部门，以咨询表面和空间扫描的问题。

根据他们所需的精度、所需的细节详细程度和区域的可达性情况，Creaform 形创的便携、高速和高精度扫描系统非常适合这个项目。他们使用了计量级便携式光学三坐标扫描仪 MetraSCAN 3D 和计量级便携式三维扫描仪 HandySCAN 3D以及光学摄影测量系统 MaxSHOT 3D。DLR 研究飞行部的研究人员分别在 Oberpfafenhofen 和 Braunschweig 基地对两架飞机进行了扫描。

飞机的整个位置模型（内部和外部）是用 MaxSHOT 3D 扫描完成的。该摄影测量系统提高了整体测量精度，并允许将外部的尺寸与内部的尺寸合并在一起。MetraSCAN 3D 光学三坐标扫描仪用于采集飞机的相关外部区域，如机身，而 HandySCAN 3D 便携式三维扫描仪则用于采集飞机内部的细节和难以触及的区域，如地板舱口。

扫描后的处理是用扫描到 CAD 软件模块 VXmodel完成的：首先，对扫描数据进行清理、对齐，并去除不需要的表面。随后，对扫描数据进行处理，以便在 CATIA 中进行逆向工程。对于每架飞机来说，现场测量大约花了 4-5 个小时（包括设置和拆卸），后期处理大约花了 2-3 个小时，而逆向工程则几乎花费两个星期。

下图：飞机地板舱口的扫描数据和稍后创建的 CAD 模型

下图是其中一个天线支架的结构示意图，它已经集成到飞机机舱的三维扫描数据模型中。使用这些数据时，可以使用各个铆钉的位置、内部的座椅导轨或飞机机身上金属板的接头作为参照位置。

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结论和投资回报率

德国航天中心高频技术和雷达系统研究所的工学硕士 Markus Limbach 非常满意：“我们的硬件，再加上 Creaform 形创过硬的数据处理能力和专业知识，为我们成功完成任务提供了理想的条件。根据我们的经验，并非所有的供应商都能提供这么高的质量标准。”

“我们通过 Creaform 形创的计量团队获得了非常好的投资回报率，我们预计在劳动时间方面我们将节省约 6-8 周。这简直令人难以置信。”

关于德国航空航天中心(DLR) - 高频技术和雷达系统研究所

德国航空航天中心（DLR）是德意志联邦共和国的航空航天研究中心。它从事航空、航天、能源和运输以及安全和数字化方面的研究和开发。DLR 的总部设在科隆，在德国总共有 30 个办事处。  它利用其专业知识为全球挑战开发解决方案和技术，以建设一个可持续的未来。DLR 通过这种方式为加强德国作为知识和商业中心的地位做出了贡献。

在 Oberpfaffenhofen 工厂，高频技术和雷达系统研究所为地面、空中和卫星雷达遥感开发创新的传感器、算法和应用。在德国 TanDEM-X 雷达卫星任务和未来的任务中，它用飞机做实验，开发系统功能。期间，DLR 高频技术和雷达系统研究所还开发并成功运行了 F-SAR 和 DBF-SAR 机载雷达系统。它拥有 30 多年的经验，是世界上传感器技术领域的领先研究所之一，特别是在数据处理和产品生成的算法方面。

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关于 CREAFORM

“创新，永无止境”这一箴言代表着 Creaform 形创的核心价值观，Creaform 形创公司自 2002 年创立之初，到今年 2022 年成立 20 周年之际，一直秉承创新的理念。时至今日，Creaform 形创仍坚持致力于开发、生产制造和销售具有前沿技术的便携式和自动化三维测量技术产品，为 3D 扫描、逆向工程、质量控制、无损检测、产品开发和数值模拟（FEA/CFD）等应用提供创新解决方案。其产品和工程服务赋能各行各业拓展应用边界，其中包括汽车、航空航天、消费品、重工业、制造业、石油和天然气、发电、研究和教育等领域。

Creaform 形创公司的总部和制造运营地位于魁北克省的莱维斯，在全球拥有 14 所当地办公室和一个由 125 家代理商组成的经销商网络，业务遍及超过 85 个国家。Creaform 形创是 AMETEK 阿美特克集团公司的一个业务部门，AMETEK Inc. 是一家拥有全球前沿技术的电子仪器和机电设备制造商，2021 年的销售额达 55 亿美元。

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（CREAFORM形创）

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