Введение к работе
Актуальность работы
Одним из перспективных направлений развития технологии и техники является автоматизация работ с применением современных средств контроля, дающих возможность повысить производительность оборудования, сэкономить ресурсы и сократить долю ручного труда.
Одним из таких направлений является контроль плоскостности или пространственного положения объектов относительно базовой плоскости при сооружении дорог, путепроводов, аэродромов, а также при определении взаимного положения элементов крупногабаритных конструкций. Для решения подобных задач применяются оптико-электронные системы (ОЭС), создающие протяженную оптическую базовую плоскость, относительно которой осуществляется позиционирование. Бесконтактность и возможность полной автоматизации процесса контроля позволяют создавать универсальные ОЭС и использовать их для решения таких задач, как контроль положения рабочих органов систем автоматического управления (САУ) строительной и сельскохозяйственной техники, так и позиционирования частей и блоков в процессе монтажа в промышленном производстве и судостроении.
Такие ОЭС работают в достаточно широких диапазонах изменений поперечных линейных смещений относительно базовой плоскости при сохранении требуемой погрешности контроля. Например, при формировании фундаментов крупногабаритных промышленных сооружений на дистанциях не менее 100 м погрешность позиционирования не должна превышать 1-3 мм, а при формировании земляной поверхности рисовых полей для контролирования вертикальных смещений до ±1,5 м не более 5 мм. При этом ОЭС должны работать в достаточно широких диапазонах изменения внешних условий (температура среды от -40 до + 50 С, освещенность фона до 10000 лк и т.д.).
В существующих системах сканирующий лазерный луч, создающий базовую плоскость, не позволяет обеспечить требуемый диапазон контроля поперечных смещений при высокой точности позиционирования на больших дистанциях, в то время как применение оптической равносигнальной зоны позволяет исключить указанный недостаток, обеспечив также высокую точность к позиционированию приемной части (ПЧ).
В связи с вышеизложенным, исследование ОЭС с оптической равносигнальной зоной в виде плоскости - планарной оптической равносигнальной зоны (ПОРСЗ) актуально и находятся в рамках приоритетных направлений развития науки, технологии и техники в РФ.
Цель работы
Целью диссертационной работы является проведение исследований и разработка оптико-электронной системы с планарной оптической равносигнальной зоной, служащей базой при позиционировании рабочих
органов систем автоматического управления техникой. Задачи исследования
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Анализ и классификация ОЭС контроля положения объектов относительно базовой плоскости.
Исследование особенностей формирования ПОРСЗ.
Разработка и исследование элементов ОЭС с ПОРСЗ на математических моделях.
Реализация макета задатчика базовой плоскости (ЗБП) и выполнение на нем экспериментальных исследований. '"''
Исследование влияний основных составляющих погрешности на форму ПОРСЗ.
Методы исследования
В процессе выполнения работы применялись аналитические методы геометрической оптики, компьютерные методы расчета параметров оптических и оптико-электронных систем, матричный метод расчета зеркально-призменных систем.
Для подтверждения полученных результатов были использованы как методы математического моделирования, так и экспериментальные исследования в лабораторных условиях на макете.
Научная новизна работы
Исследование структуры ОЭС с ПОРСЗ посредством введения понятия энергетической чувствительности с учетом спектрального диапазона излучения и разработка ОЭС с ПОРСЗ, реализованной на основе биконцентрической оптической схемы с кольцевым расположением источников оптического излучения.
Основные результаты, выносимые на защиту
Обобщенная структурная схема ОЭС с ПОРСЗ, представленная в виде физической и технической сред, позволяющих провести анализ влияния факторов различной природы на работу ОЭС.
Математическая модель ЗБП с управляемым транспарантом, расположенным вблизи выходного зрачка оптической системы.
Критерий сравнения схем ОЭС с ПОРСЗ основанный на анализе энергетической чувствительности ОЭС для источников, имеющих несколько максимумов в спектре.
Способ построения ЗБП на основе биконцентрической модели с кольцевым расположением полупроводниковых излучающих диодов СПИД) для создания ПОРСЗ в горизонтальном угле 360.
Методика и алгоритм габаритно-энергетического расчета
биконцентрической модели ЗБП.
6. Закономерности влияния градиента температур воздушного тракта и фоновой обстановки среды на непланарность ПОРСЗ.
Практические результаты работы
Основными практическими результатами можно считать следующие:
Сформулированы принципы формирования ПОРСЗ при помощи параметров оптического излучения (в частности спектральным диапазоном источников излучения).
Биконцентрическая схема ЗБП, реализованная на основе модели с составным источником, позволяющая обеспечить ПОРСЗ в горизонтальном угле 360 при регулярной кольцевой структуре источников излучения.
Создана методика габаритно-энергетического расчета ОЭС с ПОРСЗ. На основании методики реализованы итерационный алгоритм и программа расчета размеров зрачков объективов ЗБП и ПЧ.
Разработан и реализован макет ЗБП на основе широкопольного объектива с разделительной призмой и линейкой ПИД, позволяющий проводить по созданной методике эксперименты по распределению энергетической чувствительности ОЭС с ПОРСЗ.
Разработан макет ПЧ на основе панорамного объектива с гиперболоидной поверхностью.
Доказано, что основными источниками погрешностей, искажающими форму ПОРСЗ, являются рефракция воздушного тракта, искажающая форму ПОРСЗ до параболоида вращения, и фоновая засветка среды, зависимость погрешности которой от дистанции носит кубический характер.
Реализация результатов работы отражена тремя актами использования анализа особенностей схем построения оптических. систем формирователя планарной измерительной базы, а также методики расчета энергетической чувствительности при различных схемных решениях. Результаты диссертационной работы, затрагивающие теоретические основы формирования ПОРСЗ, используются в учебном процессе СПоГУИТМО при подготовке студентов по специальности 200203 "Оптико-электронные приборы и системы обработки видеоинформации", а также при выполнении НИР "Теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров атмосферы на информативные свойства полихроматической оптической равносигнальной зоны" (грант РФФИ 06-08-03356 № г.р. 01.2.007 00968). Кроме того, результаты работы отражены в рамках аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)" и в федеральной целевой программе "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы обсуждались на девятнадцати конференциях, из которых семь - международные, такие как Международная конференция "Прикладная оптика-2004", "Прикладная оптика-2006", "Прикладная оптика-2008"; Международная конференция "Оптика-2003", "Оптика-2005", "Оптика-2007", "Оптика-2009".
В 2004, 2008 и 2009 годах исследования по тематике диссертации поддерживались в рамках грантов правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов.
Публикации
Материалы диссертационной работы опубликованы в 19 печатных работах.
Структура н объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 64 наименований, содержит 145 страниц основного текста, 64 рисунка, 3 таблицы и 5 приложений.
