Введение к работе
-3-I
Актуальность работы. В настоящее время во многих странах реализуется программа строительства нового типа радиотелескопов (РТ) для исследований в перспективном миллиметровом диапазоне длин волн, например: SRT (Италия) с диаметром зеркала 64 м, LMT (Мексика) с 50-ти метровым зеркалом, NRO (Япония) - 45 м. Исследования в миллиметровом диапазоне позволят решить как научные проблемы (радиолокационное зондирование космических облаков, астрофизические исследования со сверхвысоким разрешением), так и практические задачи (обеспечение широкополосных линий связи с космическими аппаратами, высокоточное координат-но-временное обеспечение реперных точек на поверхности Земли).
В соответствии с межправительственным соглашением, Россия также создает полноповоротный радиотелескоп РТ-70 (Суффа) с диаметром основного зеркала 70 метров на плато Суффа в Узбекистане.
Для работы в миллиметровом диапазоне необходимо обеспечить высокое качество параболической поверхности зеркала и точное наведение оси зеркальной системы по углам азимута и места (максимальная погрешность порядка 1,5...2 угл. сек).
Базовым элементом системы наведения зеркальной системы РТ-70 является прецезионная трехосная гиростабилизированная платформа (погрешность отсчета углов места и азимута не более 1 угл. сек.), расположенная на значительном удалении (до 20 метров) от вершины параболоида. Вследствие весовых, температурных и ветровых деформаций элементов конструкции РТ фактическое угловое положение оси зеркала может значительно отличаться от величин, снимаемых с датчиков платформы (до 10... 12 угл. мин). Необходимо измерить указанные величины угловых деформаций конструктивных элементов РТ-70 для учета в системе наведения зеркальной системы.
Для контроля углового положения крупногабаритных конструкций эффективны оптико-электронные автоколлимационные системы. Применительно к РТ-70, необходима реализация малогабаритной углоизмеритель-
-4-ной системы, обеспечивающей высокую точность измерения (погрешность не более 1,5...2 угл. сек.) при значительной рабочей дистанции между объектом контроля и автоколлиматором (до 20 м) и относительно широком диапазоне измерения (10...12 угл. мин.).
Подобные системы необходимы также при решении многих задач в производственной и научной деятельности: контроле деформаций буровых платформ, доков, фундаментов электростанций и других крупногабаритных объектов.
Однако в настоящее время отсутствуют серийные автоколлиматоры с требуемыми метрологическими параметрами. Известно ограниченное количество схем специальных широкодиапазонных угломеров, недостатком которых является сложная схема и крупные габариты.
Одним из главных факторов, затрудняющих автоколлимационные измерения при значительных (десятки метров) дистанциях до контролируемого объекта, является ограничение рабочих пучков оправами оптических элементов. Следовательно, необходимо создание оптико-электронной автоколлимационной системы измерения деформаций (ОЭАСИД), эффективно работающей в условиях значительного виньетирования рабочего оптического пучка. В настоящее время не существует теории синтеза подобных систем и методик их проектирования.
Указанные обстоятельства определяют актуальность выбора в качестве объекта исследования ОЭАСИД для контроля углового положения элементов конструкции РТ-70, а в качестве предмета исследования - принципов построения автоколлимационных систем, реализующих высокоточные угловые измерения в условиях значительного виньетирования рабочего оптического пучка.
Целью диссертации является разработка принципов построения, методов расчета параметров элементов автоколлимационных углоизмеритель-ных систем с увеличенной рабочей дистанцией, а также теоретическое и экспериментальное исследование влияния виньетирования на точность ОЭАСИД для контроля деформаций элементов крупногабаритных
-5-конструкций, в частности, радиотелескопа РТ-70.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать основные способы увеличения рабочей дистанции и уменьшения погрешности измерения ОЭАСИД, их применимость в системе контроля углового положения элемеотов конструкции РТ;
исследовать основные составляющие погрешности измерения ОЭАСИД, определить соотношения между параметрами компонентов ОЭАСИД и видом её статической характеристики;
реализовать компьютерные модели функционирования ОЭАСИД измерения угловых деформаций элементов РТ-70;
на основе компьютерных моделей исследовать соотношения между параметрами элементов ОЭАСИД и ее метрологическими параметрами, а также проанализировать влияние основных составляющих погрешности измерения;
проверить правильность полученных теоретических положений и алгоритмов моделирования экспериментальными исследованиями на реализованном макете ОЭАСИД измерения угловых деформаций элементов РТ-70;
разработать алгоритм компенсации погрешности измерения вследствие виньетирования, позволяющий повысить точность ОЭАСИД для измерения деформаций элементов конструкций крупногабаритных инженерных сооружений.
Методы исследования. Для теоретического анализа применяются соотношения геометрической оптики, векторно-матричные методы расчета, элементы теории обработки оптических сигналов, а также разработанные на их основе методики исследования соотношений между параметрами автоколлимационных углоизмерительных систем.
В экспериментальной области используются детерминированные и имитационные компьютерные модели функциональных элементов ОЭАСИД. Также используется физические модели (макеты), реализующие
основные компоненты ОЭАСИД и алгоритмы их функционирования. Новые научные результаты, выносимые на зашиту:
-
Результаты сравнительного анализа основных схем построения ОЭАСИД по критериям минимизации погрешности измерения и увеличения рабочей дистанции, определяющие предпочтительность использования автоколимационных измерений в авторефлексионном варианте при условии компенсации погрешностей вследствие виньетирования.
-
Аналитическое описание явления виньетирования оптического пучка в ОЭАСИД, основанное на сформулированных граничных условиях, позволяющее установить функциональную зависимость погрешности измерения с основными параметрами и характеристиками элементами оптической схемы ОЭАСИД.
-
Принцип построения схемы ОЭАСИД с увеличенной рабочей дистанцией, согласно которого излучающая марка автоколлиматора располагается в выходном зрачке объектива, а анализатор — в плоскости изображения марки, сформированного пучком, отражённым от контрольного элемента, при этом диаметры объектива и контрольного элемента, рабочая дистанция и диапазон измеряемого угла связаны найденным соотношением.
-
Методы и алгоритмы минимизации и компенсации составляющих погрешности измерения ОЭАСИД, основанные на учёте систематических погрешностей на этапе обработки видео кадра.
-
Принципы построения детерминированных и имитационных компьютерных моделей ОЭАСИД, позволяющих исследовать влияние первичных погрешностей, а также результаты выполненных с их помощью исследований.
-
Также защищаются разработанные автором:
алгоритм учёта систематических погрешностей измерения вследствие виньетирования в реальном масштабе времени;
методика габаритного расчета параметров элементов оптической схемы ОЭАСИД;
методика экспериментального исследования составляющих потреш-
-7-ности измерения ОЭАСИД с использованием разработанных моделей и макетов;
- результаты экспериментального исследования макетов ОЭАСИД.
Практическая ценность работы.
-
Выполнен анализ составляющих погрешности измерения ОЭАСИД для практического варианта использования в составе измерительного канала системы учёта влияния деформаций конструктивных элементов РТ-70.
-
Разработана алгоритмическая (компьютерная) модель процесса измерения углов в условиях виньетирования оптического пучка, позволяющая оценить достоверность аналитической модели виньетирования.
-
Результаты экспериментов на компьютерных моделях позволили выработать пути увеличения диапазона измерения и повышения точности измерения систем первого и второго уровней контроля деформаций элементов РТ-70.
-
Эксперименты с макетом ОЭАСИД позволили оптимизировать соотношения между параметрами опто-электронных компонентов по критерию повышения точности и увеличения диапазона измерения.
Внедрение результатов работы отражено двумя актами использования методик измерения поворота объекта в системах контроля угловых деформаций элементов конструкции РТ-70 и практических алгоритмов компенсации погрешности измерения вследствие виньетирования — в отраслевой лаборатории кафедры Оптико-электронных приборов и систем СПб ГУ ИТМО, а также в учебном процессе СПб ГУ ИТМО.
Апробапия работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
-XXXI Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, Санкт-Петербург, 2002 г.
-ХХХП Научная и учебно-методическая конференция СПбГИТМО(ТУ), Санкт-Петербург, 2003 г.
- Третья международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2003», Санкт-Петербург, 2003 г.
- XXXIII учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, Санкт-
Петербург, 2004 г.
-XXXF/ научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2005 г.
VII Международная конференция «Прикладная оптика-2006», Санкт-Петербург, 2006 г.
XXXV научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО «Достижения ученых, аспирантов и студентов университета в науке и образовании», Санкт-Петербург, 2006 г.
4th International Symposium on Instrumentation Science and Technology, Harbin, China, 8-12 August, 2006 r.
-Ш Межвузовская конференция молодых ученых. Сессии научных школ, Санкт-Петербург, 2006 г.
XXXV учебно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава СПб ГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2006 г.
IV межвузовская конференция молодых учёных, Сессии научных школ, Санкт-Петербург, 2007 г.
XXXVI научная и учебно-методическая конференция профессорско-преподавательского и научного состава, Санкт-Петербург, 2007 г.
-V международная конференция молодых ученых и специалистов "Оптика-2007", Санкт-Петербург, 2007 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 статьях и тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложения. Работа содержит 107 страниц, включая 55 рисунков; библиографический список включает 90 наименований.
