Содержание к диссертации
Введение
1 Оптические и оптико-электронные методы и средства контроля пространственного положения удаленных объектов 13
1.1 Классификация ОЭС контроля пространственного положения 13
1.2 Оптико-электронные системы позиционирования, применяемые в строительстве 1.2.1 Цифровой нивелир 15
1.2.2 Ротационный лазерный нивелир 16
1.2.3 Трехмерные системы автоматизированного управления (САУ) 18
1.2.4 Оптико-электронные системы с оптической равносигнальной зоной для контроля смещений с аналоговой обработкой информации 20
1.2.5 Устройства для контроля деформаций, использующие цифровое поле анализа при обработке информации 23
1.2.6 Оптико-электронные системы с оптической равносигнальной зоной для контроля смещений с цифровой обработкой информации 24
1.3 Оптико-электронные системы позиционирования, применяемые в машиностроении 26
1.3.1 Системы контроля соосности 26
1.3.2 Системы позиционирования по опорным меткам 28
1.4 Системы управления и наведения, используемые в военных целях 29
1.4.1 Полуавтоматические лазерно-лучевые системы телеориентации 30
1.4.2 Автоматические лазерно-лучевые системы телеориентации
1.5 Особенности условий, сильно влияющих на эксплуатацию ОЭСКП 32
1.6 Выводы по главе 35
2 Теоретические основы формирования и обработки сигналов в оэскп с ПОРСЗ
2.1 О пространствах в системах удаленного контроля пространственного положения 38
2.2 Обобщенная схема проекционной ОЭСКП с ПОРСЗ с позиций систем автоматического управления 41
2.3 Базовый принцип формирования ОРСЗ 44
2.4 Описание распределения основного информативного параметра в ОРСЗ ... 48
2.4.1 Влияние яркости ИИ и аберраций оптической системы КФБН и яркости ИИ на распределение облученности в ОРСЗ 55
2.5 Компьютерное моделирование распределения облученности в переходном участке ОРСЗ 2.5.1 Алгоритм расчета распределения энергетической облученности в ОРСЗ при наличии сферической аберрации объектива и неравномерности яркости источника 61
2.5.2 Результаты исследований распределения облученности на компьютерной модели 62
2.6 Регистрация и обработка информации в приемном канале 64
2.6.1 Общие принципы выделения информации о положении ОРСЗ 65
2.6.2 Отображение ОРСЗ в виде цифрового изображения на МФП 67
2.6.3 Исследуемые алгоритмы обработки информации в ОРСЗ в случае одновременного контроля смещений и угловых разворотов 2.7 Энергетическая чувствительность в ОЭСКП с ПОРСЗ 72
2.8 Обеспечение неизменной выходной статической характеристики ОЭСКП с ОРСЗ 73
2.9 Выводы по главе 76
3 Особенности проектирования ОЭС с ПОРСЗ 78
3.1 Оптические схемы ОЭС с ОРСЗ 78
3.1.1 Типовые схемы оптических схем КФБН и ПрК 78
3.1.2 Интерполяция аберрационных характеристик объективов КФБН для компьютерной модели 79
3.1.3 Связь параметров оптической системы КФБН и ПрК с параметрами источников, приемников и диапазонов контролируемых смещений и разворотов 80
3.2 Выбор источников излучения 83
3.3 Выбор ПОИ 88
3.4 Обработка параметров полихроматической ОРСЗ
3.4.1 Базовый алгоритм обработки смещений в ПОРСЗ 91
3.4.2 Базовый алгоритм обработки разворотов в ПОРСЗ 93
3.4.3 Выделение информации о положении ОРСЗ с МФП 94
3.5 Особенности выбора параметров АЦП 97
3.5.1 Обобщенные требования к выбору параметров АЦП 97
3.5.2 Выбор разрядности АЦП, применяемого в ОЭС с ОРСЗ с МФП 1 3.6 Габаритно-энергетический расчет ОЭСКП с МФП при цифровой обработке информации 103
3.7 Описание конструкции КФБН 110
3.8 Выводы по главе 111
4 Исследование погрешностей ОЭСКП с ПОРСЗ 113
4.1 Определение источников погрешностей системы 113
4.2 Погрешность, вызванная температурной деформацией корпуса КФБН 114
4.3 Исследования неисключенной составляющей погрешности от воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта
4.3.1 Исследования зависимости составляющих неисключенной погрешности компенсации воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта от дистанции 118
4.3.2 Суммарная величина неисключенной погрешности от воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта 124
4.3.3 Погрешность, вызванная турбулентностью атмосферы 127
4.4 Выводы по главе 131
5 Экспериментальные исследования характеристик ОЭСКП с ПОРСЗ 133
5.1 Экспериментальные исследования потенциальной точности ОЭСКП при регистрации положения ОРСЗ на МФП 133
5.2 Регистрация поперечных смещений ПрК при суммарно-разностном алгоритме обработки сигналов с МФП 135
5.3 Регистрация угловых смещений (разворотов) ПрК 137
5.4 Экспериментальные исследования возможности обеспечения неизменной статической характеристики 138
5.5 Экспериментальная проверка реализации дисперсионного метода в ОЭСКП с ОРСЗ 140
5.6 Выводы по главе 143
Заключение 144
Список использованных источников
- Трехмерные системы автоматизированного управления (САУ)
- Описание распределения основного информативного параметра в ОРСЗ
- Типовые схемы оптических схем КФБН и ПрК
- Исследования зависимости составляющих неисключенной погрешности компенсации воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта от дистанции
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Среди основных направлений научно-технического развития выделяется применение современных средств контроля и управления для автоматизации проводимых работ. Это позволяет повысить производительность машин, снизить затраты труда на подготовительные операции и доработку, сэкономить ресурсы, повысить точность и объективность контроля, сократить ручной труд. При этом точность проведения таких работ имеет принципиальное значение, поскольку она, в конечном счете, определяет уровень качества строительных работ.
Частным примером является задача точного автоматического позиционирования техники и её рабочих элементов при проведении работ в различных областях строительства. В мелиорации такие системы служат для планировки земельных участков под сплошной залив водой.
Перспективными средствами с точки зрения автоматизации являются оптико-электронные системы контроля пространственного положения объектов (ОЭСКП). Кроме ротационных и статических построители базовых плоскостей, использующих лазерный луч для задания измерительной базы, можно также выделить класс эффективных оптико-электронных систем, способных решать упомянутые задачи - оптико-электронные системы с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ).
Достоинствами ОЭСКП с ОРСЗ являются: низкое энергопотребление каналом формирования базового направления за счет применения современных источников излучения; широкий диапазон контроля как по горизонту, так и вертикали; простота обслуживания; устойчивость по отношению к воздействиям среды. В таких системах чувствительность к поперечным смещениям не менее ±0,3 мм на расстоянии до 300 м, при этом для изменений температуры окружающей среды от -40 до +50 С, в мелиоративном строительстве должна обеспечиваться погрешность контроля смещений не более 3 см, а при контроле профиля крупногабаритных объектов, (плавающие доки, суда, летательные аппараты, мосты, плотины и другие промышленные сооружения), погрешность в диапазоне контролируемых поперечных смещений ±300 мм должна быть не более 1-10 мм. В то же время необходимо осуществлять контроль разворотов объекта в диапазоне до ±10 градусов с погрешностью не более 0,5 градуса.
Стоит подчеркнуть, что особенностью наиболее частого применения ОЭС являются условия их работы - открытый воздух и, соответственно, большая подверженность влиянию явлений, происходящих в воздушном тракте. Градиенты температуры и турбулентность в среде распространения обусловленные воздействием подстилающей поверхности, являются сильновлияющими источниками погрешности в разрабатываемых системах контроля положения удаленных объектов. Применение дисперсионного метода путем мультиплексирования оптического излучения по длине волны позволяет ослабить воздействие указанных факторов в ОЭСКП с полихроматической
ОРСЗ (ПОРСЗ). Под ПОРСЗ принято понимать совокупное пространственное формирование квазимонохромных ОРСЗ, в распределениях облученностей которых энергия сосредоточена в двух или более диапазонах длин волн оптического излучения, с полушириной много меньших разности максимальных значений их длин волн.
Указанные факторы подтверждают актуальность и важность темы диссертации.
Целью работы является исследование особенностей построения и разработка ОЭСКП с ПОРСЗ для одновременного контроля угловых и линейных смещений на удаленных объектах в широком диапазоне дистанций и смещений, использующей цифровые методы обработки информационных сигналов c цветных матричных фотоприемников для ослабления негативного воздействия внешних факторов и расширения диапазонов контролируемых параметров.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
-
Провести критический анализ существующих ОЭСКП, с целью возможности ослабления или исключения вредных воздействий среды, в том числе, влияние вертикального градиента температуры воздушного тракта
-
Разработать математический аппарат и основанную на нем компьютерную модель для исследования особенностей формирования пространственного распределение облученности в ПОРСЗ.
-
Разработать методику габаритно-энергетического расчета оптической системы ОЭСКП с ПОРСЗ с позиций ослабления возможных погрешностей контроля.
-
Разработать, реализовать и исследовать алгоритм обработки информации с цветного матричного фотоприемника (МФП) при одновременном контроле положения объекта в ПОРСЗ по смещениям и разворотам.
-
Разработать и реализовать макеты модулей ОЭСКП с ПОРСЗ для исследования их параметров и характеристик.
-
Сформировать стенд и провести экспериментальные исследования характеристик модулей ОЭСКП с ПОРСЗ.
Научная новизна диссертации
-
Предложен принцип формирования пространственного распределения облученности в ПОРСЗ базирующийся на рациональном сочетании неравномерности яркости источников и формы сферических аберраций объектива канала формирования базового направления (КФБН) позволяющий обеспечивать требуемую крутизну информативного сигнала в переходной зоне.
-
Разработана методика габаритно-энергетического расчета при цифровой обработке информации в ПОРСЗ, позволяющая оптимизировать параметры оптической системы ОЭСКП по допустимой величине неисключенной погрешности компенсации влияния вертикального градиента температуры воздушного тракта.
3. Разработан суммарно-разностный алгоритм обработки сигналов с цветного фотоприёмного матричного поля для исключения негативных воздействий воздушного тракта при одновременном контроле положения объекта в ПОРСЗ по двум линейным и двум угловым координатам.
Теоретическая и практическая значимость
1. Предложенный метод формирования базового направления в ОЭСКП в
виде ПОРСЗ и обработки спектрозональной разности отображений цифровыми
методами на цветном матричном фотоприемном поле позволяет ослаблять
негативное влияния вертикального градиента температуры воздушного тракта.
-
Сформированная компьютерная модель расчетов облученности в ПОРСЗ с итерационным методом представления яркости от высоты на выходном зрачке КФБН и коррекционным коэффициентом при расчете яркости серийно выпускаемых полупроводниковых излучающих (ПИД) позволяет выбирать количество кольцевых зон при численном интегрировании энергии по зрачку КФБН и обеспечивает требуемую погрешность при вычислениях.
-
Алгоритмы численного интегрирования входного сигнала в ПрК, обусловленного распределением облученности в ПОРСЗ на цветном матричном фотоприемном поле позволяют обеспечить ослабление негативное воздействие вертикального градиента температуры воздушного тракта при одновременном определении положении объекта по поперечным смещениям и разворотам.
4 Экспериментально доказана возможность обеспечения постоянства статической характеристики системы с погрешностью, не превышающей 13% в достаточно широком диапазоне дистанций за счет суммарно-разностной обработки сигнала рассогласования и предлагаемой коррекции сферической аберрации объектива сфокусированного в параксиальной области на бесконечность.
Методы исследования
Диссертация выполнена на базе теорий геометрической и физической оптики, развитых элементов теории оптико-электронного приборостроения, методов цифровой обработки сигналов и изображений.
Экспериментальные исследования проведены как методами имитационного компьютерного моделирования на основе программных пакетов SolidWorks, NI LabView, MATLAB, Zemax и Mathcad, так и физического моделирования на сформированном на кафедре оптико-электронных приборов и систем стенде.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Учет неравномерности яркости источников излучения и сферической аберрации объектива КФБН позволяет рационально формировать требуемую крутизну распределения информативного параметра в ПОРСЗ за счет использования разработанной методики расчета пространственного распределения облученности в ОЭСКП.
-
Суммарно-разностная обработка сигнала рассогласования в ПрК, необходимая коррекция сферической аберрации объектива и фокусировка
параксиальных лучей на бесконечность обеспечит неизменность статической характеристики ОЭСКП в широком диапазоне дистанций
-
Методика габаритно-энергетического расчета ОЭСКП при цифровой обработке информации в ПОРСЗ, основанная на обеспечении допустимой величины неисключенной систематической погрешности от компенсации влияния вертикального градиента температуры воздушного тракта и максимального значения отношения сигнал/шум для выбранных МФП и источников излучения.
-
Разработанная методика выбора разрядности аналого-цифрового преобразования сигнала с МФП на основе крутизны информативного параметра в ПОРСЗ, требуемой погрешности контроля смещений и количестве сильновлияющих факторов, позволяет обеспечивать задаваемую при проектировании точность ОЭСКП.
Реализация результатов работы
Результаты работы отражены в 4 отчетах по НИР, проводимых коллективами Научно-образовательного центра оптико-электронного приборостроения и кафедры Оптико-электронных приборов Университета ИТМО, что подтверждено актами использования материалов.
Развитие исследований в рамках диссертационной работы поддержано грантами правительства г. Санкт-Петербурга в 2015-16 гг.
Апробация работы
Основные результаты его диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15 конференциях в том числе 4 международных: XLI–XLVI Научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2012-2017 гг.); I-VI Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2012-2017 гг.); Международных конференциях «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, Россия, 2012 и 2014 гг.); Международных конференциях SPIE Photonics Europe (Брюссель, Бельгия, 2016 г.) и SPIE Optical Metrology (Мюнхен, Германия, 2015 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях из перечня ВАК и 2 статьи в изданиях, включенных в международные базы данных Web of Science и Scopus.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 145 наименований и 4 приложений, содержит 169 страниц, 68 рисунков и 6 таблиц.
Трехмерные системы автоматизированного управления (САУ)
Достоинствами такой схемы являются реализация самоустанавливающейся в горизонтальное положение линии визирования, а также цифровая обработка информации получаемой с ПЗС-матрицы.
Все чаще для определения отметок точек при инженерно-геодезических измерениях в строительстве применяются лазерные нивелиры типа Bosh Quigo, в которых лазерный пучок расщепляется на два, один из которых развертывается в горизонтальной плоскости, другой - направлен перпендикулярно этой плоскости, то есть вертикально. Таким образом, при работе прибора создаются видимая горизонтальная плоскость и видимый отвесный луч. Для регистрации лазерной плоскости используются как обычные нивелирные рейки, так и рейки, снабженные приемником излучения.
Для обеспечения стабильности положения лазерной плоскости в большинстве лазерных нивелиров предусмотрена система стабилизации пространственного положения лазерного пучка. Такое конструктивное решение позволяет автоматически корректировать влияние внешнего механического воздействия, возникающего на строительной площадке.
Однако основным недостатком, существенно влияющим на точность работы таких устройств, является воздействие вертикального градиента температуры воздушного тракта.
Высокой производительности при инженерно-геодезических измерениях, в частности нивелировании, можно достичь за счет применения ОЭС с сканирующими лазерными излучателями [20]. Лазерный нивелир с вращающимся элементом впервые предложил Студебеккер Р.Х. в 1964 г [22].
Современные лазерные нивелиры в основном оснащены полупроводниковыми лазерами, пучок излучения от которых формируют слабо расходящимся или же преобразуют к виду веера с помощью цилиндрической оптики. Для создания световых плоскости или сектора лазерный пучок развертывают с помощью сканирующей головки в виде зеркального гальванометра или вращающейся призмы (зеркала), установленных на валу электродвигателя.
В лазерном нивелире "Гейоплейн-300" фирмы AGA (Швеция) [23] реализован принцип равносигнальной зоны. Сканирующий узел нивелира осуществляет как развертку лазерного пучка с определенной угловой скоростью, так и расщепление его на две составляющие, одна из которых составляет с горизонтальной плоскостью угол «-є», а другая «+є». При сканировании лазерные пучки частично перекрывают друг друга, благодаря чему формируется оптическая равносигнальная зона (Рисунок 1.3, а).
Для определения положения плоскости симметрии, то есть горизонтальной плоскости, используют рейки, снабженные фотодетектором (Рисунок 1.4 б). фотоприемник Topcon LS-80L При поперечном смещении приемника вдоль нивелирной рейки относительно равносигнальной плоскости меняется соотношение интенсивностей в пучках 2 и 1 (Рисунок 1.3 б). Снятие отсчетов осуществляется по шкале нивелирной рейки по плоскости, симметричное положение которой соответствует одинаковой амплитуде сигнала на приемнике (Рисунок 1.3 в).
В дорожном строительстве для организации контроля пространственного положения рабочих органов техники и геодезического контроля выполняемых работ используются приемники, закрепляемые непосредственно на рабочем органе машины (грейдера, экскаватора, бульдозера и т.п.).
Погрешность контроля лазерными нивелирами с фотоэлектрическим детектором достигает нескольких миллиметров на расстоянии 100 м, а дальность действия до 150-200 м.
Система автоматизированного управления (САУ) дорожно-строительными машинами - это система контроля положения рабочего органа машины по высоте и уклону. Системами управления могут быть оснащены самые разные типы строительной техники, такие как грейдеры, бульдозеры, экскаваторы, асфальтоукладчики и другие [3, 21].
Принцип работы САУ основан на том, что в бортовой компьютер системы загружается цифровая модель проектной поверхности. Система управления постоянно контролирует текущее пространственное положение и смещение рабочего оборудования машины (отвала бульдозера или грейдера, выглаживающей плиты асфальтоукладчика и т.п.) относительно проектной поверхности. Для этого системе нужно постоянно знать координаты машины и ее направление движения на территории стройплощадки
Одним из способов контроля положения строительной техники является использование роботизированного электронного тахеометра (метод локального позиционирования) [3].
Тахеометр устанавливается над точкой с известными координатами и ориентируется на точку обратного ориентирования. В процессе работы тахеометр (Рисунок 1.5 а) в автоматическом режиме следит за круговой призмой (Рисунок 1.5 б) на специальной виброустойчивой мачте, закрепленной непосредственно на рабочем органе строительной машины или на связанном с ним элементе. Поскольку машина постоянно находится в движении, для обеспечения точной работы системы тахеометр определяет координаты призмы с частотой 20 Гц и по радиоканалу передает эту информацию в бортовой компьютер системы управления.
Важно понимать, что для работы каждой единицы техники требуется свой роботизированный электронный тахеометр. При наличии большого числа техники с системами управления на стройплощадке обеспечить условия постоянной видимости между каждым тахеометром и «его» машиной может быть затруднительно.
Используемая в системе кодово-импульсная модуляция оптического излучения при измерениях пространственного положения контролируемых точек и амплитудно-фазовая при измерении расстояний до них позволяют получить характеристики, приведенные в таблице 1.2
Описание распределения основного информативного параметра в ОРСЗ
Особенности формирования и анализа отображений удаленных объектов контроля зависят от целей и задач, возложенных на разрабатываемую ОЭСКП. Под отображением понимается результат представления распределенных информативных параметров (здесь - неделимая первичная часть данных) объекта в виде, удобном для дальнейшей обработки. Процесс формирования отображений в различных каналах оптико-электронных систем принято называть пассивным, если при этом используются информативные параметры образуемого пространства, характеризующие состояние объекта в естественных условиях. Полученные в этом случае отображения называются пассивными.
Однако порой для большей информативности в исследуемой системе при формировании отображений контролируемого положения объектов в различных системах используются параметры, зависящие от внешних (желательно неинвазивных) воздействий, например, модулированного или постоянного оптического излучения. В этом случае процесс называют активными.
ОЭСКП с ОРСЗ в основном являются активными, а что информативные параметры контролируемого объекта могут быть представлены как в количественном, так и в качественном виде. В некоторых случаях важным является общее число определяемых информативных параметров объекта, а в других - вид получаемых данных (графики, сигналы и т.д.). Необходимо также иметь в виду, что преобразование (как частный случай отображения) данных из одного вида в другой является до сих пор технически более сложной задачей, чем, например, превращение энергии из одной формы в другую [65, 133].
Под информационным пространством в ОЭСКП предложено понимать пространственно-временную область, в которой на основании анализа информативных, или как их часто называют селективных, параметров в любой момент времени возможно получить информацию о пространственном положении объекта. Причем информационное пространство может быть не только четырехмерным, например, три линейные координаты и время, но и многомерным, например, когда к указанным параметрам добавляются переменные - длина волны оптического излучения, степень поляризации и пр.
Особый интерес представляет возможность комплексирования информации по нескольким информативным параметрам, например пространственно-временной облученности для двух или нескольких спектральных диапазонов, с целью ослабления влияния внешней среды [30, 65, 66]. Так применение дисперсионного метода при создании ОРСЗ с использованием излучения двух длин волн дало положительные результаты [67, 68, 69]. ОРСЗ в этом случае получила название полихроматической.
В целом под полихроматической ОРСЗ (ПОРСЗ) принято понимать совокупное пространственное формирование квазимонохромных ОРСЗ, в распределениях облученности которых энергия сосредоточена в двух или более диапазонах длин волн оптического излучения, с полушириной много меньших разности максимальных значений их длин волн.
В случае ПОРСЗ задача определения координат характерной точки контролируемого объекта (КО) сводится к анализу отображения пространственного распределения энергии в виде ступенчатой функции (функции Хевисайда) на пространство КО [35]. Практически сформированы лишь непрерывные отображения [5,6,24], методика реализации дискретного отображения с использованием современных оптико-электронных и вычислительных средств пока недостаточно исследована [70, 71]. Поэтому и методики построения математической и компьютерной моделей для решения задач многокоординатного контроля пространственного положения при цифровой обработке информации сформированы недостаточно.
Для заданной длины волны X оптического излучения введем в рассмотрение схемы формирования измерительной базы пространства: Q = {X, Y, ZG R} - стационарная (базовая) система координат; P = {x, у, z є R} - приборная система координат; X = {X є R} или X = {X, Y є R} - система координат контролируемого объекта; І = {х, у, z є R} и Г = {х\ У, z є R) - системы координат пространства предметов и изображений оптической системы. Линейная измерительная база может быть задается в стационарном пространстве Q координатами начальной точки пространства Р и углами направления измерительной базы ф и (Рисунок 2.1, а).
В данном случае КФБН размещается в точке x=y=z=0 с соблюдением требований к углам установки ф и @, а контрольный элемент (КЭ), связанный с объектом контроля, располагается в пространстве Р (Рисунок 2.1, б).
Для обозначения объекта контроля, содержащего фотопреобразователь, часто применяется понятие «активный КЭ». В этом случае схема ОЭС называется коллимационной. «Пассивным КЭ» называют объект контроля, выполненный в виде отражателя. При использовании такого КЭ схема носит название автоколлимационной или авторефлексионной [6, 30].
Типовые схемы оптических схем КФБН и ПрК
В состав КФБН (Рисунок 3.1 а), как правило, входят источник излучения 1 (ИИ), конденсор 2, объектив 4 и модулятор 3. Количество ИИ и тип модулятора определяются решаемой задачей и схемой формирования ОРСЗ. Конденсор обеспечивает требуемую конфигурацию пучков оптического излучения в области образования ОРСЗ и позволяет использовать излучение ИИ эффективнее. Объектив КФБН проецирует ОРСЗ и задает необходимый угол расходимости а. Оптическую схему приемного канала составляют оптический фильтр 5, обрезающий излучение фона, объектив 6 с требуемым угловым полем Р и приемник оптического излучения (ПОИ) 7.
В зависимости от применяемого алгоритма обработки информации оптическая система ПрК может быть построена по варианту с конденсором (Рисунок 3.1 в) или без него (Рисунок 3.1 б).
В схеме ПрК без конденсора фоточувствительный элемент ПОИ 7 размещен в фокусе объектива 2 или в непосредственной близости от него. Небольшое количество элементов дает возможность реализовать компактное конструктивное решение ПрК. Также такая схема имеет преимущества в применении при обеспечении получения информации одновременно о смещениях и разворотах. Такое развитие функциональности системы требует применения предлагаемого для исследований алгоритма энергетического сравнения полей облученности в ОРСЗ (подраздел 2.6.3). Другими достоинствами этой схемы также являются простота и более высокий коэффициент пропускания оптического излучения.
Большую чувствительность к сдвигам имеет оптическая схема ПрК (Рисунок 3.1 в), в которую входит конденсор 8, расположенный между объективом 6 и ПОИ 7 и проецирующий фоточувствительную площадку ПОИ в плоскость входного зрачка объектива 6 [72]. При этом оптическая схема ПрК позволяет регистрировать только сдвиг, и в пределах поля зрения нечувствительна к разворотам. Очевидно, что в данном случае снижается коэффициент пропускания и увеличивается размер системы вдоль оптической оси. Также для обеспечения высокой чувствительности к сдвигам алгоритм обработки информации с ПОИ должен реализовываться по более сложной процедуре (подраздел 2.6.1), требующей больших времени обработки информации и вычислительных ресурсов
На практике зависимость сферической аберрация объектива КФБН носит нелинейный характер и задается графически (Рисунок 3.2) или числовыми значениями при нескольких значениях относительной координаты на зрачке [83, 85].
Усредненные характеристики сферической аберрации линзовых объективов [6] применяемых для формирования ОРСЗ
Для реализации компьютерной модели ОЭСКП (подраздел 2.5) способ задания параметров небольшим количеством точек не отвечает требованиям к точности вычислений, поэтому предложено использовать метод параболической интерполяции распределения сферических аберраций, описанный в работе [86].
Из основ оптики известен инвариант Лагранжа-Гельмгольца, характеризующий информационную емкость оптической системы, т.е. величину пространства, которое может быть отображено ею. Этот инвариант математически выражает закон сохранения информации в геометрической оптике и связывает поля зрения, апертурные углы, диаметры выходного зрачка объективов КФБН и ПрК. Для оптической системы КФБН максимально возможный диаметр выходного зрачка объектива ВКФБН 1ИИ Ъии1 т- (3-І) где /ии - размер ИИ; Оии - апертурный источника для уровня равного 50% от максимального; а — угол расходимости пучков КФБН. Минимальное значение угол расходимости пучков КФБН а определяется, исходя из предъявляемых к системе требований (Лщах - диапазон контролируемых сдвигов, z - дистанций работы) и параметров оптической схемы (Х прк - диаметр входного зрачка объектива ПрК): tga=)npK + Amax, (3.2)
Тогда из приведенного выражения и выражения (3.1) можно определить Из (3.3) видно, что максимальный диаметр объектива КФБН на практике определяется характеристиками ИИ, т.е. размерами его излучающей площадки, апертурным углом ИИ, а также размерами зрачка и диапазоном регистрируемых смещений ПрК. Вне зависимости от того, есть в оптической схеме ПрК конденсор или нет, необходимо, чтобы размер кружка рассеяния был меньше размера фоточувствительной площадки МФП. Поэтому расчет оптической системы ПрК с учетом инварианта Лагранжа-Гельмгольца сводится к определению максимального диаметра входного зрачка ПрК при заданных величине углового поля Р, апертурного угла ПОИ 0пои и размерах фоточувствительной площадки ПОИ пои: DnpK Ьпои sm6nm/tg/3. (3.4) Исходя из требований предъявляемой к системе угол поля зрения 2(3 оптической схемы ПрК должен быть равен: Р = Р1+агс1ё ФБН+Апих, (3.5) 2z где Pi - задаваемый диапазон контроля углов разворотов ПрК. Тогда из (3.4) с учетом инварианта Лагранжа-Гельмгольца нетрудно получить sin6n0H -[21 + (Ршш + A JtgPJ 2z.tgP1+AC(I)BH + ArnK поэтому максимальный диаметр объектива ПрК на практике ограничивается геометрическими параметрами матричного фотоприемника, т.е. размерами его чувствительной площадки, апертурным углом, а также размерами зрачка, диапазонами регистрируемых смещений и разворотов.
Учитывая, что системы контролируют смещения на достаточно удаленных расстояниях, из соотношений геометрической оптики угловое поле зрения ПрК определится линейным размером фоточувствительной площадки &пои МФП и задним отрезком объектива а, который в свою очередь практически равен фокусному расстоянию объектива прк: P = arctg -. (3.7) 4/прК С учетом (3.5) размер фоточувствительной площадки Ьпои должен быть: Ьпш = 2/npKtgCP! + arctg K E A-), (3.8) или с учетом соотношения (3.3) и =f 4ztgp,+2(qa)IH+AmJ Так как полевые углы не превышают 10-15 градусов линейные размеры фоточувствительной площадки будут Ьпш = /пРк(2 tgPi + ДкФБН+Атах)- (3.9) Из выражения (3.9) видно, что при проектировании рассчитываемыми параметрами являются рк и )Прк. Основываясь на неравенствах (3.3) и (3.6) для определения предельных величин Z nPK и КФБН с учетом параметров ИИ и ПОИ, можно получить квадратные уравнения, решение которых дает искомые величины \2zS-BA tgfr+A2 1
Исследования зависимости составляющих неисключенной погрешности компенсации воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта от дистанции
В соответствии с первым условием, в исследуемой схеме для достижения максимального возможного отношения сигнал/шум \х., необходимо обеспечивать при заданном времени экспозиции максимально возможный уровень облученности Ещах в отображении полей ОРСЗ [125], который не должен превышать паспортное значение пороговой освещенности на фоточувствительной площадке МФП Ешс.
Очевидно, чтобы МФП функционировал в ОЭСКП эффективно Етах должно быть несколько меньше Енас и, как показал опыт практического использования МФП в различных ОЭС [126, 127, 128, 129, 130], для надежной работы устройств должно удовлетворяться следующее неравенство Е 0,$Е . (3.43) max нас \ /
Поток оптического излучения Ф приходящий на МФП от одного из полей ОРСЗ при максимальном смещении ПрК Атях основываясь на выражениях (3.17) и (3.127) из [6] будет определяться как ф = пВІк ІТЛФВН = МАя ( } ПрК 32z2 128z2 v С учетом зависимостей диаметра Dm и площади Sm изображения на МФП (для заднего отрезка а объектива ПрК) Ли = В1ФШ I 2Z SM3 = КЯ2КФБН 2 116z2, (3.45) первое исходное уравнение для нахождения связи размеров зрачков в ОЭСКП будет Т ... ТХ E =OZSm= Ш" 2m 0, Em , (3.46) ъа Поскольку требуемое поле зрения ПрК обусловлено задним отрезком объектива а ПрК, размерами bxh фоточувствительной площадки МФП и величиной максимального допустимого смещения Ашдх Ь/2а = (0КФШ + Ашйх)/г, то первое уравнение, описывающие соотношение между размерами искомых зрачков, пропусканием оптического излучения воздушной средой и оптической системой и параметрами применяемых ПИД и МФП, будет АІРКФКФБН +KJ- bz \,6E ILnxc = 0. (3.47)
Условие, необходимое для формирования второго уравнения соотношений искомых зрачков, основано на том, что в исследуемых ОЭСКП с ПОРСЗ энергетическая чувствительность к изменением градиента температур воздушного тракта в реальных системах должна быть на значительно выше, чем энергетическая чувствительность к смещениям (2.58) [67].
Величина энергетической чувствительности к изменением градиента температур воздушного тракта (3.19) в ОЭСКП с ПОРСЗ определяет степень корректировки воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта. Из (3.22) нетрудно заметить, что определение bgradyT на фиксированной дистанции z зависит от погрешности получения дисперсионной разности YAl2 (3.20), которая в свою очередь обусловлена погрешностью контроля смещений Ьоуі и 8оУ2 ПрК в ПОРСЗ для спектральных составляющих Х\ и Хг.
Считая, что погрешности контроля смещений по каждой длине волны Xi и Х,2 ПОРСЗ будут равны Soy? = 8аУ2 и обусловлены только внутренними шумами фотоприемника ПрК Фпорпои, выражение погрешности определения величины градиента температуры bgradyT можно записать в виде
Аналогично тому, как это осуществлялось в подразделе 3.5.2, 8ущт можно связать с требуемой погрешностью контроля смещений aw системы в целом, основываясь на равенствах воздействия т сильно влияющих на её работу системы факторов и погрешностей регистрации (боу? = бо ) 5 РГ =а„/л&, (3.50) 2 Для дистанции z=—z0, при которой в исследуемых системах, энергетическая чувствительность минимальна [6] и параметров применяемого источника (L — яркости ПИД (3.12)) и фотоприемника (пороговый поток ПОИ Фиор.пои из (3.49)), получается второе уравнение для расчета размера зрачков (3.51) 27л3т1а пркА(и1 -И2) КФБН -\2Ъ{Ъп(щ -1)л2ФйорПоигоА ФБн " -25б4їт(щ -і)и2 5ФіфЙОрпоиго = -Выражение (3.51) можно представить в виде где Арр =2771 Tja Zj Wj — п2) — параметр, зависящий от яркости источников, требуемой погрешности регистрации смещений всей системой, пропускания среды и оптики, разности показателей преломления воздушного тракта для спектральных составляющих Х\ и ХЇ, 5ГР = \2%у[2т(п1 -1)п2ФпорПОИг1 - параметр, зависящий от количества факторов, влияющих на точность работы системы, порогового значения применяемого приемника, дистанции фокусировки, показателей преломления воздушного тракта для спектральных составляющих Хі и ХЇ, Сгр =256V2m(«j -l)«2 i i „0pnoHzo параметр, зависящий от показателей преломления воздушного тракта для спектральных составляющих X \ и Хг, величины угловых сферических аберраций объектива КФБН, порогового значения применяемого приемника и дистанции фокусировки.
Таким образом, для нахождения размеров зрачков необходимо решить систему из двух уравнений: Г3 ПРКФКФБН + Ащах)- Уяу/ЪбЕ ILnxc = 0 А Гі2 D2 _RD —П—0 v / Опираясь на вышеизложенное и материалы работ [24, 72, 131], предлагается следующий порядок вычислений при габаритно-энергетических расчетах ОЭСКП с ПОРСЗ при цифровой обработке сигналов: 1. Выбор ПИД и МФП, исходя из характеристик максимальной спектральной чувствительности и максимальной разности показателей преломления воздушного тракта для основных спектральных составляющих Xi и Х,2 источников. 2. Выбор требуемого соотношения сигнал/шум ц, исходя из опыта проектирования аналогичных систем [6, 42, 132]. 3. Составление первого уравнения (3.47), в виде зависимостей АСФБН ОТ AIPK с учетом параметров и характеристик ПИД (яркости) и МПФ (насыщения, размера чувствительной площадки), диапазона контролируемых перемещений ПрК, суммарного оптического пропускания среды распространения и оптических систем КФБН и ПрК. 4. Составление второго уравнения, в виде зависимостей АСФБН ОТ АІРК с учетом параметров и характеристик источников излучения, канала формирования базового направления, контролируемого объекта, среды распространения и приемного канала (3.52). 5. Решение системы уравнений (3.47) и (3.52) относительно АСФБН И АІРК 6. Проверка полученных значений АСФБН И АІРК на условие практической реализуемости (3.3) и (3.6) (не превышение максимальных значений зрачков).
По предложенной методике для примера ОЭСКП с характеристикам, указанным в таблице 1.5, и выбранными ПИД типа АЛ-107Б (А-2=0,92 мкм, ті=0,75), МФП - матрица OV5620 для параметров оптической системыб с фі=40", Кі=1.6 , ті=0,4 при количестве сильно влияющих погрешностей равным т=10 получены графики зависимости требуемых значений размеров зрачков АСФБН (1) (Рисунок 3.14) и 7)прк(2) от максимальной дистанции контроля z.
На этом же рисунке приведены графики зависимости значений АСФБН (3) И Аірк (4) от дистанции контроля z из условия практической реализуемости (3.3) и (3.6). Из хода кривых видно, что для выбранных параметров ПИД и МФП диапазон реализуемости оптической системы ОЭСКП в диапазоне дистанций от 25 м (вертикальная граница I) до бесконечности для оптики КФБН, а для оптики ПрК т 0 до 290 м ( вертикальная граница II).