Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных направлений развития современной радиоастрономии является исследование объектов Вселенной в миллиметровом диапазоне длин волн. Освоение диапазона длин волн, занимающего промежуток между широко используемыми сантиметровым и оптическими диапазонами в радиосистемах и радиоастрономии позволит решить ряд важнейших научных проблем (вопросы формирования, физики и эволюции звезд и галактик; геодинамика и геотектоника) и практических задач (координатно-временное обеспечение научной и хозяйственной деятельности, сверхточная спутниковая и космическая навигация).
В настоящее время Россией реализуется крупный проект по созданию радиообсерватории миллиметрового диапазона на плато Суффа (Узбекистан). Основным инструментом обсерватории будет полноповоротный радиотелескоп (РТ) типа РТ-70 с параметрами: основное зеркало (ОЗ) - осесимметричный фрагмент параболоида с фокусным расстоянием 21 метр, составленный из 1200 отражающих щитов; диаметр ОЗ - 70 метров; диаметр контррефлектора (КР) - 3 метра.
Особенностью РТ как средства исследований в миллиметровом диапазоне длин волн являются высокие требования к качеству параболической поверхности ОЗ (среднее квадратическое отклонение точек поверхности от теоретического параболоида не более 0,05 мм), стабильности взаимного расположения основного зеркала ОЗ и КР (соответственно 0,08 мм), точности наведения зеркальной системы по углам азимута и места (допустимая погрешность 1,5...2 угл. сек). Вместе с тем многотонный вес, температурные изменения приводят к деформациям элементов конструкции РТ: нарастающим линейным смещениям точек поверхности ОЗ, достигающим в краевой зоне величины 30 мм, смещению КР на величину до 60 мм. Для достижения требуемых параметров отражающих элементов РТ необходимо использовать системы адаптации поверхности ОЗ и подстройки положения КР, оснащенные электромеханической системой коррекции возникающих деформаций.
Команды управления для электродвигателей отработки формируются в соответствии с измеренным положением щитов ОЗ и КР. Развитие оп-тоэлектроники и оптических средств измерения определяет эффективность применения в качестве первичных измерительных преобразователей оптико-электронных систем (ОЭС), реализующих дистанционные высокоскоростные измерения пространственных координат.
Использование серийно выпускаемых сканирующих измерительных ОЭС соответствующего класса (лазерные сканеры, трекеры, радары фирмы Leica и проч.) практически невозможно, поскольку для реализации высокоточных измерений координат на дистанции порядка десятков метров необходимо продолжительное (до единиц минут) сканирование одной контрольной точки. Следовательно, продолжительность полного цикла
определения положения 1200 щитов ОЗ многократно превысит допустимое время коррекции деформаций (15 минут по предварительным данным). Таким образом, необходима разработка специальных ОЭС измерения пространственных координат.
Указанные обстоятельства определяют актуальность темы диссертации, посвященной исследованию высокоточных ОЭС определения пространственного положения объектов для метрологического обеспечения систем адаптации отражающих элементов РТ.
Целью диссертации является теоретическое и экспериментальное исследование оптико-электронных систем измерения деформаций элементов конструкции полноповоротного радиотелескопа, функционирующего в миллиметровом диапазоне длин волн, а также разработка принципов построения указанных систем, методов расчёта параметров и характеристик их компонентов.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
- проанализировать ОЭС метрологического обеспечения действующих полноповоротных РТ, выявить методы и средства измерения, перспективные для использования в системах адаптации поверхности 03 и положения КР;
разработать принципы построения ОЭС контроля деформаций элементов РТ-70 миллиметрового диапазона, определить структуру и методы измерения, используемые отдельными подсистемами;
исследовать варианты построения измерительного канала оптико-электронной подсистемы измерения положения элементов ОЗ и КР РТ-70, найти и оптимизировать соотношения между параметрами их компонентов и алгоритмы измерения по критерию уменьшения погрешности;
разработать принципы построения и реализовать компьютерные модели для исследования измерительного канала оптико-электронной подсистемы измерения положения элементов 03 и КР РТ-70 на системотехническом уровне;
на основе компьютерной модели выполнить экспериментальные исследования соотношений между параметрами элементов ОЭС и ее метрологическими параметрами (диапазон измерения, рабочая дистанция, точность), а также проанализировать влияние основных составляющих погрешности измерения;
проверить правильность полученных теоретических положений и алгоритмов моделирования экспериментальными исследованиями на реализованном макете измерительных каналов оптико-электронной подсистемы измерения положения элементов ОЗ и КР РТ-70.
Методы исследования. Для теоретического анализа применяются соотношения геометрической оптики, элементы теории геодезических изме-
рений, а также разработанные на их основе методики исследования соотношений между параметрами измерительных ОЭС.
В экспериментальной области используются детерминированные и имитационные компьютерные модели функциональных элементов измерительных каналов и элементов ОЭС. Также используется физические модели (макеты), реализующие основные компоненты и алгоритмы функционирования ОЭС.
Новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.
1. Принципы построения и структура ОЭС измерения деформаций
элементов конструкции полноповоротного радиотелескопа миллиметрово
го диапазона типа РТ-70 и аналогичных крупногабаритных сооружений, в
соответствии с которыми:
- ОЭС является «закрытой» измерительной системой с основным ба
зовым элементом, расположенным внутри несущих элементов конструк
ции без возможности прямого визирования с окружающей земной поверх
ности;
- оптимальной является трехуровневая неоднородная структура
ОЭС, в которой первые два уровня (от основания РТ) являются автокол
лимационными углоизмерительными системами, а третья системой изме
рения пространственных координат контрольных точек на поверхности ОЗ
иКР;
- системы первых двух уровней измеряют угловые деформации эле
ментов крепления и наведения зеркальной системы с последующим уче
том измеренных величин в системах ориентации РТ по углу мести и углу
азимута; координаты контрольных точек, измеренных системой третьего
уровня используются для выработки команд управления адаптивными
системами коррекции формы поверхности 03 и ориентации КР.
Принципы построения системы контроля деформаций третьего уровня, в соответствии с которыми измерительные каналы системы базируются на опорном кольце РТ и представляют собой ОЭС, использующие метод триангуляции в варианте «прямой угловой засечки» как обеспечивающие большую точность измерения при малых базовых расстояниях по сравнению с системами на основе метода трилатерации в варианте «прямой линейной засечки».
Соотношения между параметрами измерительного канала измерительной системы третьего уровня, обеспечивающие минимизацию погрешности измерения при различных схемах построения системы.
Принципы построения детерминированных и имитационных компьютерных моделей измерительных каналов ОЭС третьего уровня (как при использовании триангуляционного, так и трилатерационного методов), позволяющих исследовать влияние первичных погрешностей, а также результаты выполненных с их помощью исследований.
Принципы организации структуры и алгоритм функционирования
ОЭС третьего уровня, в соответствии с которыми положение поверхности 03 определяется по результатам измерения линейных смещений ограниченного количества контрольных точек (порядка 40 визирных целей) на ней с последующей аппроксимацией параболоидом. 6. Также защищаются разработанные автором:
алгоритм определения координат при построении ОЭС в соответствии с «методом прямой линейной засечки», исключающий вариант получения неоднозначного результата;
методика экспериментального исследования составляющих погрешности измерения ОЭС третьего уровня с использованием разработанных моделей и макетов;
результаты экспериментального исследования макетов измерительных каналов ОЭС.
Практическая ценность работы.
Получены выражения для чувствительности измерения линейных координат визирной цели посредством ОЭС, использующей методы триангуляции и трилатерации;
Выполнен анализ составляющих погрешности измерения ОЭС, использующей метод триангуляции для практического варианта использования в составе измерительного канала систем РТ-70.
Результаты экспериментов на компьютерных моделях позволили выработать пути упрощения структуры и повышения точности измерения систем третьего уровня контроля деформаций элементов РТ-70.
Эксперименты с макетами измерительных каналов ОЭС позволяют оптимизировать соотношения между параметрами опто-электронных компонентов по критерию повышения точности и увеличения диапазона измерения координат визирной цели.
Внедрение результатов работы отражено двумя актами внедрения методик расчета параметров ОЭС систем контроля перемещения объектов и практических алгоритмов моделирования влияния шумов и конструк-торско-технологических погрешностей на точность ОЭС измерения деформаций в отраслевой лаборатории кафедры Оптико-электронных приборов и систем СПб ГУ ИТМО, а также в учебном процессе СПб ГУ ИТМО.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
- XXXII научная и учебно-методическая конференция СПб ГИТМО
(ТУ), посвященная 300-летию Санкт-Петербурга, Санкт-Петербург, Россия,
4-7 февраля 2003 года.
- Третья международная конференция молодых ученых и специали
стов «Оптика-2003», Санкт - Петербург, 2003 г;
-VI Международная конференция «Прикладная оптика» 18-21 октября 2004, СПб.: СПб ГУ ИТМО, 2004.
преподавательского состава СПб ГУ ИТМО, 2004 года;
XXXIV научная и учебно-методическая конференция СПб ГУ ИТМО, 2005 года;
II межвузовская конференция молодых учёных, СПб: СПбГУ ИТМО, 2005 г.;
Четвертая международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2005» СПб, 2005 г.;
VII Международная конференция «Прикладная оптика-2006» 16-20 октября 2006, СПб.: СПб ГУ ИТМО, 2006,
Диссертационные исследования были поддержаны грантами: Федерального агентства РФ по образованию для аспирантов вузов (2004) и Правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов вузов и академических институтов (2006).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статьях и тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения Работа содержит 142 страницу, включая 54 рисунка; библиографический список включает 74 наименования.
