Содержание к диссертации
Введение
1 Возможности решения специальных задач прикладной геодезии на основе существующих методов и средств измерений и видеоизмерений 13
1.1 Возможности решения специальных задач прикладной геодезии на основе традиционных геодезических методов и средств измерений 13
1.2 Возможности решения специальных задач прикладной геодезии на основе новейших геодезических методов и средств измерений 14
1.3 Возможности решения специальных задач прикладной геодезии на основе телевизионных методов и средств измерений 15
1.4 Возможности решения специальных задач прикладной геодезии на основе видеоизмерений 15
2 Теоретические основы видеоизмерений 18
2.1 Основы формирования стандартного телевизионного видеосигнала 18
2.2 Модель видеоизмерений 21
2.3 Математические основы видеоизмерений при установке видеодатчика на неподвижном основании 25
2.4 Математические основы видеоизмерений при установке видеодатчика на подвижном основании 33
2.5 Связь между погрешностями видеоизмерений и соответствующих геодезических измерений 36
3 Средства видеоизмерений 37
3.1 Технические средства видеоизмерений 37
3.2 Программные средства видеоизмерений 41
3.3 Надежность видеоизмерений 41
3.4 Основные источники погрешности видеоизмерений 46
4 Методы видеоизмерений и видеоизмерительные системы для решения специальных задач прикладной геодезии на различных сооружениях 51
4.1 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для мониторинга плановых и крутильных колебаний верха Главного Монумента в парке Победы на Поклонной горе в Москве 51
4.2 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для контроля плановых координат рабочих точек антенн фазово-корреляционного пеленгатора 57
4.3 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для контроля высотных положений узлов сооружения 65
4.4 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для контроля положения микропроходческого щита относительно проектного направления 73
4.5 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для измерения прогибов главных несущих балок перекрытия зрительного зала Государственного Кремлевского Дворца 78
4.6 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для передачи заданного направления (азимута) с неподвижного основания на подвижный объект в одном горизонте 86
4.7 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для передачи заданного направления (азимута) с одного горизонта на другой 90
4.8 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для мониторинга деформаций несущих конструкций Лефортовского тоннеля глубокого заложения в Москве 100
4.9 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для измерения весовых деформаций рефлектора большой параболической антенны ТНА-1500 103
4.10 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для контроля геометрии внутренней вертикальной цилиндрической поверхности 107
4.11 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для измерения наклона контролируемого объекта 118
4.12 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для измерения планового положения контролируемого объекта относительно прямого и обратного отвесов 122
4.13 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для измерения высотного положения подвижного объекта 126
5 Перспективы совершенствования методов видеоизмерений и видеоизмерительных систем 130
5.1 Перспективы совершенствования аппаратурных средств видеоизмерений 130
5.2 Перспективы совершенствования программных средств видеоизмерений 139
5.3 Перспективы видеоизмерений для решения других задач
5.3.1 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для измерения давления в жидкости 140
5.3.2 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для измерения плотности жидкости 143
5.3.3 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для измерения показателя преломления жидкостей и газов 147
Заключение 150
Список сокращений и условных обозначений 153 список основных терминов 156
Список литературы
- Возможности решения специальных задач прикладной геодезии на основе новейших геодезических методов и средств измерений
- Математические основы видеоизмерений при установке видеодатчика на неподвижном основании
- Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для контроля плановых координат рабочих точек антенн фазово-корреляционного пеленгатора
- Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для измерения давления в жидкости
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы состоит в том, что на основе видеоизмерений решаются многие задачи прикладной геодезии, которые не решаются на основе существующих методов и средств измерений.
Цель диссертации состоит в обеспечении надежной эксплуатации уникальных инженерных сооружений при том, что она не обеспечивается существующими геодезическими методами и средствами измерений.
Для ее достижения необходимо было решить следующие задачи:
Разработать теоретические основы видеоизмерений для вычисления параметров, создания математических моделей и алгоритмов микропроцессорных и компьютерных программ видеоизмерений.
Разработать методы видеоизмерений и видеоизмерительные системы для уникальных инженерных сооружений.
Разработать метод преобразования стандартного телевизионного
видеосигнала из аналогового в цифровой вид с выделением координат кон
турных точек изображения наблюдаемого объекта в видеокадре и создание
специализированного видеопроцессора с возможностью передачи массивов
цифровых данных через типовой компьютерный порт (USB) за время одного
телевизионного полукадра, что позволяет в видеоизмерительных системах
использовать практически любые компьютеры.
Степень разработанности темы:
Наиболее значимые успехи в решении задач по автоматизации высокоточных геодезических измерений достигнуты трудами ученых и специалистов МИИГАиК (Москва), ГСПИ (Москва), ЦНИИГАиК (Москва), СГУГиТ (Новосибирск), НИИПГ (Новосибирск), ЕрПИ (Ереван), ЛПИ (Львов).
Наиболее близким к методу видеоизмерений является телевизионный метод измерений, пик развития которого пришелся на вторую половину ХХ века. В качестве первичного измерительного преобразователя в нем служила специальная телевизионная передающая трубка - диссектор, - характеризуемая значительными габаритами и массой, питаемая от нескольких источников электрического тока, включая высоковольтный, что огранивало его возможности для решения специальных задач прикладной геодезии.
При разработке видеоизмерительных системах использовались современные достижения микроэлектроники и компьютерной техники и технологии, в частности, модульные видеокамеры с координатно-чувствительным матричным фотоприемником (ПЗС-матрицей), что позволило в качестве первичного измерительного преобразователя использовать видеодатчик, характеризуемый незначительными габаритами и массой, питаемый от одного низковольтного (12В) и слаботочного (0,1А) источника постоянного тока.
Теоретическая значимость диссертации заключена:
В разработке автором теоретических основ видеоизмерений, обес
печивающих вычисление с необходимой точностью параметров видеоизме-
рений, создание математических моделей и алгоритмов микропроцессорных и компьютерных программ, создание видеоизмерительных систем, настроенных на выдачу конечного результата решаемой задачи в автоматизированном режиме и в реальном времени.
В выводе формул для вычислений:
числа дискретов, выделяемых в направлениях координатных осей и в целом видеокадре;
констант видеоизмерений;
масштабных коэффициентов в направлениях координатных осей видеокадра;
угла между узлами видеоизмерительной системы для передачи заданного направления (азимута) с одного горизонта на другой;
средней квадратической погрешности видеоизмерений и соответствующих геодезических измерений.
Научная новизна диссертации заключена в разработке:
Нового в прикладной геодезии метода видеоизмерений и методов решения специальных задач прикладной геодезии на основе видеоизмерений, обеспечивающих надежную эксплуатацию уникальных инженерных сооружений.
Нового в измерительной технике метода преобразования стандартного телевизионного видеосигнала из аналогового в цифровой вид с выделением координат контурных точек изображения наблюдаемого объекта в видеокадре и передачей массивов цифровых данных через типовой компьютерный порт (USB) за время одного телевизионного полукадра.
Методология разработок и исследований состоит:
В оптимизации параметров узлов и видеоизмерительных систем в целом на основе метода «наименьших квадратов».
В обработке результатов экспериментальных исследований и испытаний узлов и видеоизмерительных систем в целом на основе методов математической статистики.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в создании при непосредственном участии автора в качестве главного разработчика ряда видеоизмерительных систем:
Видеоизмерительной системы для мониторинга плановых и крутильных колебаний верха Главного Монумента в парке Победы на Поклонной горе, Москва, 1997г.
Видеоизмерительной системы для измерения весовых деформаций рефлектора большой параболической антенны ТНА-1500, Московская область, 2000г.
Четырех видеоизмерительных систем для оперативного контроля плановых координат рабочих точек антенн антенных комплексов в центрах космической связи, Московская область, Красноярский край, 2001, 2003, 2005, 2012г.г.
Мобильной видеоизмерительной системы для мониторинга деформаций несущих конструкций (тюбингов) Лефортовского тоннеля глубокого заложения, Москва, 2005г.
Трех видеоизмерительных систем для передачи заданного направления (азимута) в одном горизонте и с одного горизонта на другой, Архангельская и Волгоградская области, 2006, 2007, 2008г.г.
Видеоизмерительной системы для измерения деформаций главных несущих балок перекрытия зрительного зала Государственного Кремлевского Дворца, Москва, 2010г.
Видеоизмерительной системы для контроля геометрии внутренней вертикальной цилиндрической поверхности, получившей государственную регистрацию в качестве типа средства измерений с выдачей Свидетельства RU.E.27.003.A №53123, 2013г.
Положения, выносимые на защиту:
Метод видеоизмерений, основанный на компьютерной обработке
изображения наблюдаемого объекта в стандартном телевизионном видеосиг-
нале, обеспечивающий выполнение высокоточных, длительных, оперативных, непрерывных и периодических измерений с выдачей конечного результата решаемой задачи в автоматизированном режиме и в реальном времени.
Методы решения следующих задач прикладной геодезии на основе
видеоизмерений:
мониторинг плановых и крутильных колебаний высотного сооружения;
контроль плановых координат точек сооружения в местной координатной системе;
измерение высотного положения узлов сооружения;
- контроль положения объекта относительно заданного (проектного)
направления;
контроль положения объекта относительно заданного створа;
передача заданного направления (азимута) с неподвижного основания на подвижный объект в одном горизонте и с одного горизонта на другой;
мониторинг деформаций несущих конструкций (тюбингов) тоннельного сооружения;
измерение весовых деформаций наклоняемого массивного узла сооружения;
контроль геометрии внутренней вертикальной цилиндрической поверхности.
измерение наклона контролируемого объекта;
измерение положения контролируемого объекта относительно струны прямого и обратного отвесов;
измерение высотного положения подвижного объекта.
Метод преобразования стандартного телевизионного видеосигнала
из аналоговой в цифровую форму с выделением координат контурных точек
изображения наблюдаемого объекта в видеокадре и созданный на его основе
специализированный видеопроцессор, позволяющий передавать массивы
цифровых данных через типовой компьютерный порт за время одного теле-
визионного полукадра, что позволяет в видеоизмерительных системах использовать практически любые компьютеры.
Достоверность основных положений, рекомендаций и выводов диссертации состоит:
В удовлетворительной сходимости результатов вычислений параметров видеоизмерений с результатами контрольных измерений и испытаний узлов и видеоизмерительных систем в целом.
В создании специализированного видеопроцессора для видеоизмерений на основе разработанного автором метода преобразования стандартного телевизионного видеосигнала из аналогового в цифровой вид с выделением координат контурных точек изображения наблюдаемого объекта в видеокадре и передачей массивов цифровых данных через типовой компьютерный порт (USB) за время одного телевизионного полукадра.
Апробация диссертационной работы состоит в обсуждении и экспонировании основных результатов исследований и разработок на всероссийских и международных конференциях и выставках:
юбилейной научно-практической конференции «Подземное строительство России на рубеже ХХI века. Итоги и перспективы», Москва, 15-16 марта, 2000г.;
международной научно-практической конференции «Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века. Опыт и перспективы», Москва, 28-31 октября, 2002г.;
125-ой Ежегодной конференции-выставке Международной Геодезической Федерации (125th Anniversary of FIG), Париж, 13-17 апреля, 2003г.;
конференции - выставке: «По инновационным технологиям из России, Украины и Казахстана», организованной департаментом национальной ядерной безопасности министерства энергетики США, Филадельфия, штат Пенсильвания, 5-6 ноября, 2003г.;
международной научно-технической конференции, посвященной 225-летию МИИГАиК, Москва, 25-27 мая, 2004г.;
на инновационном форуме госкорпорации «Росатом», где экспонировался пакет предложений по использованию видеоуровнемера в нефтехимической, пищевой и других отраслях, Москва, 27-28 июня, 2006г.
Апробация результатов диссертационной работы также состояла в обсуждении в 2005г. совместного с Рязанцевым Г.Е. доклада автора на тему: «Автоматизированные информационно-измерительные системы ФГУП «ГСПИ» на основе видеоизмерений» на выездной сессии НТС-8 госкорпорации «Росатом», который своим решением рекомендовал Правительству Москвы использовать результаты разработок при создании автоматизированных систем мониторинга деформационного состояния конструкций высотных зданий и сооружений в рамках реализации городской комплексной инвестиционной программы «Новое кольцо России».
Структура и объем диссертации: 168с., пять глав, три приложения, 58 рисунков, 67 наименований библиографии, включая 49 научных публикаций по теме диссертации, в том числе 7 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 25 Патентов РФ на изобретения, Патент РФ на полезную модель, две монографии и 14 публикаций в других изданиях.
Возможности решения специальных задач прикладной геодезии на основе новейших геодезических методов и средств измерений
Модель видеоизмерений основана на типовой схеме видеоизмерительной системы, представленной на рисунке 2.2.
Визирная цель ВЦ, закрепленная на наблюдаемом объекте НО, находится в поле зрения видеодатчика ВД, установленного в точке наблюдения ТН, привязанной к местной координатной системе. ВД Видеодатчик ВП Видеопроцессор ВС Вижеосигнал ВЦ Визирная цель МВК Модуль видеокамерв НО Наблюдаемый объект ОБ Объектив ПЗС Прибор с зарядовой связью ПК Компьютер ТН Точка наблюдения
На выходе видеодатчика, содержащего объектив ОБ и модуль видеокамеры МВК с ПЗС-матрицей, формируется стандартный телевизионный видеосигнал ВС, который по типовым каналам связи, включая спутниковые, передается на рабочее место оператора РМО, содержащее видеопроцессор ВП и компьютер ПК. Видеосигнал в видеопроцессоре ВП преобразуется из аналоговой в цифровую форму, полученный массив цифровых данных передается в компьютер ПК, обрабатывается в нем специальной прикладной компьютерной программой и вычисляются искомые параметры видеоизмерений.
В результате координатная система из плоскости наблюдаемого объекта НО оптическим путем преобразуется в координатную систему видеодатчика ВД (ПЗС-матрицы) и электрическим путем – из координатной системы видеодатчика ВД в координатную систему видеокадра. При этом каждой точке с координатами XВК,YВК в координатной системе видеокадра соответствует точка с координатами XНО,YНО в плоскости наблюдаемого объекта НО, что служит основой для видеоизмерений.
При выполнении видеоизмерений вычисляются координаты центра изображения визирной цели ВЦ в координатной системе видеокадра, выраженные в условных единицах – дискретах (пикселях), после чего с учетом масштабных коэффициентов в направлениях координатных осей видеокадра и координат точки наблюдения ТН в местной координатной системе - искомые координаты визирной цели ВЦ, следовательно, и наблюдаемого объекта НО в местной координатной системе.
Как правило, координатные оси XВДYВД видеодатчика ВД (видеокадра ВК) устанавливаются параллельно координатным осям местной координатной системы МК. При этом искомые координаты визирной цели ВЦ в координатной системе наблюдаемого объекта НО вычисляются по формулам: X ВЦ =kX X В К + X МК Y =kY +Y , (2.1) ВЦ YВК МК где kX, kY - масштабные коэффициенты, определяемые на основе калибровочных измерений, мм/дискрет; X В К ,YВ К - координаты центра изображения визирной цели в видеокадре, дискрет; XМК ,YМК – координаты видеодатчика ВД в местной координатной системе, мм.
Масштабные коэффициенты kX,kY в качестве констант записываются в «Опции» специальной прикладной компьютерной программы. При этом не учитывается вклад оптических искажений объектива видеодатчика ВД в общую погрешность видеоизмерений.
Однако, при выполнении высокоточных видеоизмерений указанный вклад, главным образом, из-за дисторсии объектива видеодатчика может быть существенным, ввиду чего в компьютерной программе в табличном виде записывается несколько значений масштабных коэффициентов в соответствии с принятой кусочно-линейной аппроксимацией выходной нелинейной характеристики видеодатчика, также определяемых на основе калибровочных измерений.
В соответствии с моделью видеоизмерений возможны следующие варианты функционирования видеоизмерительной системы:
Видеодатчик ВД установлен на неподвижном основании, а наблюдаемый объект НО перемещается с некоторой скоростью VНО.
Для того, чтобы погрешность видеоизмерений при вычислении координат наблюдаемого объекта не превышала допустимого значения в соответствии с теоремой Котельникова частота видеоизмерений должна удовлетворять неравенство: J - Н . (2.2) A Например, при допустимой погрешности определения координат точки наблюдаемого объекта Д= 1мм и скорости его перемещения V=5мм/с, частота видеоизмерений должна быть не менее 10Гц, которая не может обеспечиваться с помощью традиционных и не всегда обеспечивается с помощью новейших геодезических методов и средств измерений. Видеодатчик установлен на подвижном основании, перемещаемом со скоростью VВД, что имеет место, например, при мониторинге деформаци 25 онного состояния несущих конструкций тоннельного сооружения, когда видеодатчик устанавливается в зоне измеряемых деформаций. Указанное выше требование будет удовлетворено при выполнении условия: 2(УВД - VНО) J ВИ - г . (2.3)
Как уже отмечалось, при выполнении видеоизмерений на наблюдаемом объекте НО закрепляется визирная цель ВЦ в виде круглого полупроводникового светодиода, характеризуемого высокой надежностью (наработка до отказа 100000час), малыми габаритами (диаметр 5мм) и питанием от низковольтного (3В), слаботочного (10мА) источника постоянного тока.
Если на наблюдаемом объекте закрепить одну визирную цель ВЦ, то по известным формулам вычисляются:
Координаты центра изображения визирной цели в видеокадре, выраженные в условных единицах - дискретах (пикселях) и в линейной мере, мм: « 1 -Л, т « лт 1 -А лт Х = У л,., / = /, z =l X = кХХ , Y = kYY где n – число точек в бинаризированном изображении; Хi ,Yi - координаты точек изображения в видеокадре, дискрет; Х,Y - координаты точек изображения, мм; kХ,kY - масштабные коэффициенты в направлениях координатных осей видеокадра, мм/дискрет.
Математические основы видеоизмерений при установке видеодатчика на неподвижном основании
Основными источниками погрешности видеоизмерений является действие ряда внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относятся: Условие прямой видимости между контролируемым объектом и видеодатчиком. Оно может изменяться, например, их-за дождя, снега, тумана и др. и при этом возможность видеоизмерений может исключаться. Действие этого фактора может быть значительно снижено, если видеоизмерения выполнять многократно с последующей статистической обработкой результатов измерений, а также выполнять при различных длинах волн света, в частности, в инфракрасном диапазоне для видеоизмерений во время тумана.
Боковая рефракция, смещающая луч света, что служит источником погрешности видеоизмерений. В определенной мере действие этого фактора может быть компенсировано как и в предыдущем случае, выполнением многократных видеоизмерений.
Нестабильность положения видеодатчика, влияние которой тем больше, чем больше расстояние от видеодатчика до наблюдаемого объекта. Действие этого фактора устраняется, если видеодатчик устанавливать, например, на глубинном геодезическом знаке.
Фон, наблюдаемый за контролируемым объектом (за визирной целью). От него зависит яркость точек фонового изображения в видеокадре, которая должна быть меньше пороговой яркости. Наилучшим способом устранения действия этого фактора является создание искусственного темного фона за наблюдаемым объектом (за визирной целью).
Паразитная засветка (блик) видеодатчика, искажающая изображение наблюдаемого объекта в видеокадре. Одним из способов устранения влияния этого фактора является установка бленды на объективе видеодатчика.
К внутренним факторам относятся:
Оптические искажения объектива видеодатчика, влияющие на постоянство масштабных коэффициентов в направлениях координатных осей видеокадре. Действие этого фактора может быть значительно ослаблено, если видеоизмерения выполнять вблизи оптической оси (параксиальной области) объектива. Оно может быть также ослаблено введением в компьютерную программу поправочных таблиц с соответствующими масштабными коэффи 48 циентами для кусочно-линейной аппроксимации характеристики оптических искажений.
Температурная зависимость геометрических параметров ПЗС-матрицы, также влияющая на постоянство масштабных коэффициентов. С учетом коэффициента линейного расширения кристалла кремния 4,7.10-6/0С, на котором создается ПЗС-матрица, при перепаде температур 500С относительное изменение ее линейных размеров составит около 2,4.10-4, что вдвое больше относительной погрешности видеоизмерений (10-4). Действие этого фактора в определенной мере может быть компенсировано, например, продолжительным прогревом видеодатчика - выполнением видеоизмерений по истечении не менее 45мин. после включения электропитания.
Экспериментальные исследования температурной зависимости геометрических параметров ПЗС-матрицы типа ICX415AL Sony (размер пикселя 8,3х8,3мкм), выполненные в ЗАО НПК «Видеоскан» [56], показали, что в течение 3час. после включения электропитания положения пикселей менялись в среднем на 0.8мкм (0,1 пикселя), что соответствует упомянутой относительной погрешности 0,1/76710-4.
Нестабильность и неравномерность чувствительности элементарных фотоприемников ПЗС-матрицы, которая для большинства доступных модулей видеокамер не превышают 10-20%. Эти факторы влияют на величины амплитуд выходных сигналов элементарных фотоприемников, что может служить источником погрешности видеоизмерений.
Действие этих факторов может быть заметно ослаблено, если увеличить размер (площадь) изображения наблюдаемого объекта в видеокадре и тем самым увеличить количества точек в изображении.
Нестабильность яркости визирной цели, влияющая на амплитуду видеосигнала. Влияние этого фактора на точность видеоизмерений практически исключается, если в качестве визирной цели использовать полупроводниковый светодиод, питаемый стабилизированным током, и выполнять контроль площади его изображения в видеокадре. Неопостоянство шага элементарных фотоприемников ПЗС-матрицы в направлениях координатных осей ПЗС-матрицы, приводящее к неодинаковости масштабных коэффициентов в направлениях этих осей. Действие этого фактора устраняется введением в компьютерную программу соответствующих масштабных коэффициентов, определяемых на основе калибровочных измерений.
Нестабильность порога яркости, влияющая на точность видеоизмерений при несимметричной форме видеосигнала, как следует из рисунка 3.5.
Исходя из того, что координата центра изображения наблюдаемого объекта на телевизионной строке в видеокадре определяется как среднее значение координат передней (по ходу телевизионной строки в видеокадре) ХП и задней ХЗ контурных точек, нестабильность порога яркости Е приводит к погрешности вычисления координаты центра упомянутого изображения на величину ХЦ=ХП-ХЗ.
Действие этого фактора устраняется, если обеспечить стабильность порога яркости, что легко реализуется на практике. Параметры компьютерной программы, включая порог яркости, число видеокадров, обрабатываемых в каждом видеоизмерении и число видеоизмерений, средний результат которых служит в качестве конечного результата видеоизмерений.
С увеличением числа видеокадров, обрабатываемых в каждом видеоизмерении, и числа видеоизмерений, средний результат которых служит в качестве конечного результата видеоизмерений, существенно повышается точность видеоизмерений, но также уменьшается частота видеоизмерений, ввиду чего при задании параметров видеоизмерений необходимо принятие компромиссного решения в зависимости от решаемой специальной прикладной геодезической задачи.
Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для контроля плановых координат рабочих точек антенн фазово-корреляционного пеленгатора
Результаты видеоизмерений, как уже упоминалось, записываются в архивном файле в энергонезависимой памяти компьютера. Ретроспективный анализ архивных данных позволяет вычислять амплитуды плановых и крутильных колебаний в течение срока эксплуатации сооружения, а наблюдаемый тренд свидетельствует о наличии или отсутствии остаточных деформаций в конструкции Монумента.
В соответствии с приведенными исходными данными вычисляются следующие параметры видеоизмерений: - по (2.9) линейные диапазоны видеоизмерений отклонений верха со оружения от начального положения в направлениях координатных осей ви деокадра DX=2300мм, DY=1700мм; - по (2.10) диаметр изображения визирной цели в видеокадре d =7 дискрет; - по (2.6) число дискретов (центров изображений визирных целей), выделяемых в направлении координатной оси Х видеокадра при компьютерной обработке т=3 изображений визирных целей в К=1 видеокадров в каждом видеоизмерении М=700дискрет; - по (2.27) и (2.28) угловое и линейное разрешения и СКП видеоизмерений и соответствующих геодезических измерений =3,7угл.мин., т=7,4угл.мин., =0,3мм и т=0,6мм.
Видеоизмерительная система эксплуатируется с 1997г. С помощью приведенной схемы можно измерять отклонения от вертикали и колебания не только верха, но и других частей сооружения, на которых закрепляются визирные цели, находящиеся в поле зрения видеодатчика так, чтобы их изображения в видеокадре не перекрывали друг друга.
При действии ветровой нагрузки, солнечной радиации и других факторов меняется геометрия антенного комплекса, содержащего несколько антенн, расположенных на значительном удалении друг от друга, что отражается на его технических характеристиках. Поэтому решение задачи выполнения систематических измерений (мониторинга) взаимных положений антенн антенных комплексов в местной координатной системе является актуальной и служит для стабилизации параметров сооружения в течение всего срока эксплуатации.
Контроль плановых координат рабочих точек антенн фазово-корреляционного пеленгатора осуществляется с помощью видеоизмерительной системы, схема которой представлена на рисунке 4.4 [11,22,32-33,35,39].
Три измерительные антенны установлены в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника, а четвертая калибровочная - в середине гипотенузы длиной 85м.
В рабочих точках РТ антенн установлены визирные марки ВМ, находящиеся в полях зрения видеодатчиков ВД, установленных на геодезических знаках ГЗ, расположенных под антеннами. Схема также содержит рабочее место оператора РМО с видеопроцессором ВП, компьютером ПК и специальной прикладной компьютерной программой, записанной в энергонезависимой памяти компьютера.
Видеодатчики содержат объективы типа «МС Юпитер-37АМ» с фокусным расстоянием f=135мм и модули видеокамеры с ПЗС-матрицами размером 1/3 дюйма (МХ=4,8мм, МY=3,6мм). В качестве визирных целей в визирных марках служат m=5 полупроводниковых светодиода диаметром d=5мм. При этом четыре визирные цели, установленные на окружности диаметром D=25мм, служат для калибровочных измерений, а центральная – в качестве рабочей. Визирные марки установлены на высоте h=3,6м над видеодатчиком. В качестве видеопроцессора на рабочем месте оператора используется контроллер типа VS-2001/TV производства ЗАО «Видеоскан» [66].
Видеодатчик крепится под втулкой геодезического знака, через которую в поле зрения видеодатчика находится визирная марка с визирными целями, установленная в рабочей точке антенны. Такая конструкция позволяет выполнять регламентные геодезические измерения без демонтажа видеодатчика.
Положение центральной визирной цели в видеокадре и на мониторе компьютера без учета влияния прочих факторов соответствует искомому плановому положению РТ антенны относительно геодезического знака, что служит основой для видеоизмерений.
Выходные стандартные телевизионные видеосигналы ВС1-ВС4 по коаксиальным кабелям передаются на рабочее место оператора РМО, преобразуются в видеопроцессоре из аналоговой в цифровую форму, полученные массивы цифровых данных по каналу прямого доступа записываются в памяти компьютера, обрабатываются в нем под управлением специальной прикладной компьютерной программы и вычисляются искомые параметры видеоизмерений, которые записываются в архивном файле в энергонезависимой памяти компьютера. Кроме того, они записываются в выходном файле, доступном для чтения из местной локальной сети. Исходное окно специальной прикладной компьютерной программы представлено на рисунке 4.7.
В окне отображаются четыре бинаризированных изображений рабочих визирных целей в видеокадрах и результаты вычислений плановых координат Х1,Y1-Х4,Y4 рабочих точек четырех антенн относительно геодезических знаков, привязанных к местной координатной системе, и средние квадрати-ческие отклонения (СКО) результатов отдельных измерений от их средних значений. Окно также содержит ряд виртуальных клавиш, с помощью которых реализуются различные режимы видеоизмерений и открываются другие окна. На рисунке 4.8 представлено окно «Опции», в котором для каждого канала измерений (для каждой антенны) устанавливаются следующие исходные параметры видеоизмерений:
Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для измерения давления в жидкости
Схема содержит установленную на верхнем горизонте матрицу круглых окон МКО, освещенную светодиодным осветителем ОС и жестко связанную с МКО призму типа БР-180, нормалью к которой задается направление АВ верхнего горизонта.
Схема также содержит установленный на нижнем горизонте видеодатчик ВД и жестко связанное с ним автоколлимационное зеркало АЗ, нормалью АН к которому задается направление нижнего горизонта. Оптическая ось видеодатчика установлена вертикально, а МКО - горизонтально.
Стандартный телевизионный видеосигнал ВС от видеодатчика ВД передается в видеопроцессор ВП, который вместе с компьютером ПК установлен на рабочем месте оператора РМО. При изменении горизонтального угла между заданными направлениями без учета влияния прочих факторов изображения окон МКО в видеокадре поворачиваются на пропорциональный угол, что служит основой для видеоизмерений.
Матрица круглых окон, выполненная фотолитографическим способом на стеклянной подложке, содержит m=180 круглых окон диаметром d=1мм. В видеодатчике установлены объектив от теодолита ОТ-02 с фокусным расстоянием f =112мм и модуль видеокамеры типа SK-1004PH6C/SO с ПЗС матрицей размером 1/3 дюйма (МХ=4,8мм, МY=3,6мм). Расстояние между видеодатчиком и матрицей круглых окон составляет h=1,6м.
Видеосигнал ВС от видеодатчика ВД по коаксиальному кабелю передается в РМО, преобразуется в видеопроцессоре ВП из аналоговой в цифровую форму, полученные массивы цифровых данных передаются в компьютер, обрабатываются в нем специальной прикладной компьютерной программой и вычисляется искомый горизонтальный угол между узлами (упомянутыми нормалями), установленными на разных горизонтах.
На начальном этапе астрономо-геодезическими методами определяется азимут АВ нормали к призме БР-180, после чего специальной прикладной компьютерной программой вычисляются: Шаг 1. По (2.4) начальные координаты Хm 0,Ym 0 центров и координаты Х0 ,Y0 общего центра изображений окон МКО в видеокадре, дискрет. Шаг 2. Координаты Хm ,Ym центров изображений окон МКО в видеокадре, приведенные к общему центру, выраженные в дискретах, которые записываются в «Опции» компьютерной программы в качестве констант. При выполнении рабочих измерений компьютерной программой вычисляются: Шаг 1. По (2.4) координаты Хm ,Ym центров и координаты Х0 ,Y0 общего центра изображений окон МКО в видеокадре, дискрет. Шаг 2. Координаты Хm ,Ym центров изображений окон МКО в видеокадре, приведенные к общему центру, дискрет. Шаг 3. По (2.20) угол в проекции на горизонтальную плоскость между узлами, установленными на разных горизонтах. Шаг 4. Передаваемое направление (азимут) АН=АВ+. В соответствии с приведенными исходными данными вычисляются следующие параметры видеоизмерений: - по (2.10) диаметр изображения окна МКО в видеокадре d =11дискрет; - по (2.6) число дискретов (центров изображений окон МКО), выделяемых в направлении координатной оси Y видеокадра, при компьютерной обработке m=180 изображений окон МКО в К=4 видеокадрах NYЦ=45000дискрет; - по (2.8) угловой диапазон видеоизмерений Y=110угл.мин.; - по (2.27) и (2.28) угловое разрешение и СКП видеоизмерений и соответствующих геодезических измерений =0,15угл.сек. и m=0,3угл.сек. На основе приведенной схемы созданы комплекты аппаратуры для передачи азимута с берега во внутрь корабля. На основе контрольных измерений определены следующие параметры видеоизмерительной системы: Диапазон угловых измерений, угл.град., не менее ±5 СКП угловых измерений, угл.сек., не более 1,7 Частота измерений, Гц 0,1 Вертикальный видеоканал может быть реализован также на основе следующих схем, разработанных автором. Схема с двумя идентичными узлами, установленными на разных горизонтах [7], представленная на рисунке 4.25. ВД Видеодатчик ЗТ Зрительная труба ВК Видеокадр МКО Матрица круглых окон ВС Видеосигнал
Схема содержит зрительные трубы ЗТ1-ЗТ2, с которыми жестко связаны видеодатчики ВД1-ВД2. Вокруг объективов видеодатчиков установлены идентичные матрицы круглых окон МКО1-МКО2. Оси вращения зрительных труб и визирные оси видеодатчиков совмещены друг с другом и установлены вертикально. В поле зрения видеодатчика ВД1 находится матрица круглых окон МКО2, а в поле зрения видеодатчика ВД2 – МКО1.
Выходными сигналами видеодатчиков служат стандартные телевизионные видеосигналы ВС1, ВС2, содержащие изображения окон МКО1, МКО2, расположенные на окружностях в видеокадрах ВК1, ВК2. Оптическими осями зрительных труб задаются направления А1, А2 верхнего и нижнего горизонтов.
При изменении горизонтального угла между указанными направлениями без учета влияния прочих факторов изображения окон МКО в видеокадрах поворачиваются вокруг их общих центров на определенный угол, что служит основой для видеоизмерений. Достоинство схемы состоит в идентичности узлов, установленных на разных горизонтах, а также в том, что искомый горизонтальный угол между заданными направлениями вычисляется как среднее значение углов, вычисленных на основе компьютерной обработки изображений МКО в двух видеокадрах, что увеличивает точность видеоизмерений.
Схема с двумя идентичными узлами и МКО, установленной на промежуточном горизонте [8], представленная на рисунке 4.26. ВД Видеодатчик ЗТ Зрительная труба ВК Видеокадр МКО Матрица круглых окон ВС Видеосигнал Схема вертикального видеоканала с двумя одинаковыми узлами и МКО, установленной на промежуточном горизонте
Схема содержит два идентичных узла, установленных на разных горизонтах, и от предыдущей схемы отличается тем, что содержит одну матрицу круглых окон, установленную на промежуточном горизонте. Основным достоинством схемы при тех же параметрах узлов, что и в предыдущей схеме, является возможность увеличения в 2 раза расстояния между горизонтами.