Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля пространственного положения на базе полихроматической оптической равносигнальной зоны при цифровой обработке информации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Гусаров, Вадим Федорович

• Гусаров, Вадим Федорович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Гусаров, Вадим Федорович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1 ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

1.1 Классификация ОЭС контроля пространственного положения

1.2 Оптико-электронные системы позиционирования, применяемые в строительстве

1.2.1 Цифровой нивелир

1.2.2 Ротационный лазерный нивелир

1.2.3 Трехмерные системы автоматизированного управления (САУ)

1.2.4 Оптико-электронные системы с оптической равносигнальной зоной для контроля смещений с аналоговой обработкой информации

1.2.5 Устройства для контроля деформаций, использующие цифровое поле анализа при обработке информации

1.2.6 Оптико-электронные системы с оптической равносигнальной зоной для контроля смещений с цифровой обработкой информации

1.3 Оптико-электронные системы позиционирования, применяемые в машиностроении

1.3.1 Системы контроля соосности

1.3.2 Системы позиционирования по опорным меткам

1.4 Системы управления и наведения, используемые в военных целях

1.4.1 Полуавтоматические лазерно-лучевые системы телеориентации

1.4.2 Автоматические лазерно-лучевые системы телеориентации

1.5 Особенности условий, сильно влияющих на эксплуатацию ОЭСКП

1.6 Выводы по главе

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ОЭСКП С ПОРСЗ

2.1 О пространствах в системах удаленного контроля пространственного положения

2.2 Обобщенная схема проекционной ОЭСКП с ПОРСЗ с позиций систем автоматического управления

2.3 Базовый принцип формирования ОРСЗ

2.4 Описание распределения основного информативного параметра в ОРСЗ

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

2.5.2 Результаты исследований распределения облученности на компьютерной модели

2.6 Регистрация и обработка информации в приемном канале

2.6.1 Общие принципы выделения информации о положении ОРСЗ

2.6.2 Отображение ОРСЗ в виде цифрового изображения на МФП

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

2.8 Обеспечение неизменной выходной статической характеристики ОЭСКП с ОРСЗ

2.9 Выводы по главе

3 ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОЭС С ПОРСЗ

3.1 Оптические схемы ОЭС с ОРСЗ

3.1.1 Типовые схемы оптических схем КФБН и ПрК

3.1.2 Интерполяция аберрационных характеристик объективов КФБН для компьютерной модели

3.1.3 Связь параметров оптической системы КФБН и ПрК с параметрами

источников, приемников и диапазонов контролируемых смещений и разворотов

3.2 Выбор источников излучения

3.3 Выбор ПОИ

3.4 Обработка параметров полихроматической ОРСЗ

3.4.1 Базовый алгоритм обработки смещений в ПОРСЗ

3.4.2 Базовый алгоритм обработки разворотов в ПОРСЗ

3.4.3 Выделение информации о положении ОРСЗ с МФП

3.5 Особенности выбора параметров АЦП

3.5.1 Обобщенные требования к выбору параметров АЦП

3.5.2 Выбор разрядности АЦП, применяемого в ОЭС с ОРСЗ с МФП

3.6 Габаритно-энергетический расчет ОЭСКП с МФП при цифровой обработке информации

3.7 Описание конструкции КФБН

3.8 Выводы по главе

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОЭСКП С ПОРСЗ

4.1 Определение источников погрешностей системы

4.2 Погрешность, вызванная температурной деформацией корпуса КФБН

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

4.3.2 Суммарная величина неисключенной погрешности от воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта

4.3.3 Погрешность, вызванная турбулентностью атмосферы

4.4 Выводы по главе

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОЭСКП С ПОРСЗ

5.1 Экспериментальные исследования потенциальной точности ОЭСКП

при регистрации положения ОРСЗ на МФП

5.2 Регистрация поперечных смещений ПрК при суммарно-разностном алгоритме обработки сигналов с МФП

5.3 Регистрация угловых смещений (разворотов) ПрК

5.4 Экспериментальные исследования возможности обеспечения неизменной статической характеристики

5.5 Экспериментальная проверка реализации дисперсионного метода в ОЭСКП с ОРСЗ

5.6 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Выделение информации о положении ОРСЗ средствами цифровой обработки сигналов, получаемых с аналогового

фотоприемного устройства

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Текст программы расчета пространственного

распределения облученности в ПОРСЗ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Оптическая схема разработанной ОЭСКП

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Акты внедрения результатов работы

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь. БИХ - бесконечная импульсная характеристика. ВУ - вычислительное устройство. ЗБН - задатчик базового направления. ИИ - источник излучения.

КФБН - канал формирования базового направления. КИХ - конечная импульсная характеристика. КЭ - контрольный элемент.

JIJICT - лазерно-лучевая система телеориентации.

МКР - метод конечных разностей.

МОО - модуль окончательной обработки.

МПО - модуль предварительной обработки.

МПОИ - матричный приемник оптического излучения.

МФП - многоэлементный фотоприемник.

ОЭСКП - оптико-электронная система контроля положения.

ПИД - полупроводниковый излучающий диод.

ПОРСЗ -полихроматическая оптическая равносигнальная зона.

ПрК - приемный канал.

ПТРК - противотанковый ракетный комплекс. ПТУР - противотанковая управляемая ракета. САУ - система автоматизированного управления. ФПУ - фотоприемное устройство. ЦОС - цифровая обработка сигналов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля пространственного положения на базе полихроматической оптической равносигнальной зоны при цифровой обработке информации»

ВВЕДЕНИЕ

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.

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 [1,2].

Перспективными средствами с точки зрения полной автоматизации контроля пространственного положения на объекте являются оптико-электронные системы (ОЭС). Ротационные и статические построители базовых плоскостей, использующие лазерный луч для задания измерительной базы помимо ряда достоинств, имеют малые диапазоны контроля поперечных смещений [3,4]. Свободными от этого недостатка и способными решать вышеупомянутые задачи являются оптико-электронные системы с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ) [5].

Кроме того достоинствами ОЭС с ОРСЗ являются: низкое энергопотребление блока 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 дистанции до 300 м, что позволяет реализовать требуемую точность контроля положения, например, рабочего органа машины при достаточно широкой поперечной зоне управления, которая обеспечена углом расходимости пучков канала формирования базового

направления [5,6]. При этом применение матричных фотоприемников, работающих в широком спектральном диапазоне, позволяет обеспечить одновременный контроль на объекте, как смещений, так и разворотов.

Стоит подчеркнуть, что особенностью наиболее частого применения ОЭС являются условия их работы - открытый воздух и, соответственно, большая подверженность влиянию явлений, происходящих в воздушном тракте [7, 8]. Градиенты температуры и турбулентность воздушного тракта, обусловленные воздействием подстилающей поверхности, являются сильновлияющими источниками погрешности в исследуемых ОЭС контроля положения [9, 10].

Указанные факторы определяют актуальность и важность темы настоящей диссертации.

Целью работы является исследование особенностей построения и разработка оптико-электронной системы контроля пространственного положения (ОЭСКП) с полихроматической оптической равносигнальной зоной (ПОРСЗ) для одновременного контроля угловых и линейных смещений на удаленных объектах в широком диапазоне дистанций и смещений, использующей цифровые методы обработки информационных сигналов с цветных матричных фотоприемников для ослабления негативного воздействия внешних факторов и расширения диапазонов контролируемых параметров.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) Провести критический анализ и классификацию существующих ОЭСКП, с целью возможности ослабления или исключения вредных воздействий среды, в том числе, влияние вертикального градиента температуры воздушного тракта

2) Разработать математический аппарат и основанную на нем компьютерную модель для исследования особенностей формирования пространственного распределение облученности в ПОРСЗ.

3) Разработать методику габаритно-энергетического расчета оптической системы ОЭСКП с ПОРСЗ с позиций ослабления возможных погрешностей контроля.

4) Разработать, реализовать и исследовать алгоритм обработки информации

с цветного матричного фотоприемника (МФП) при одновременном контроле положения объекта в ПОРСЗ по смещениям и разворотам.

5) Разработать и реализовать макеты модулей ОЭСКП с ПОРСЗ для исследования их параметров и характеристик.

6) Сформировать стенд и провести экспериментальные исследования характеристик модулей ОЭСКП с ПОРСЗ.

Научная новизна работы

1) Обоснован принцип формирования пространственного распределения облученности в ПОРСЗ, базирующийся на рациональном сочетании неравномерности яркости источников и формы сферических аберраций объектива канала формирования базового направления (КФБН) и позволяющий обеспечивать требуемую крутизну информативного сигнала в переходной зоне.

2) 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.

Практическая значимость результатов работы

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.

2. 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 ПИД позволяет выбирать количество кольцевых зон при численном

интегрировании энергии по зрачку КФБН и обеспечивает требуемую погрешность при вычислениях.

3. 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 основе теории геометрической оптики, базовых элементов теории оптико-электронных приборов, методов цифровой обработки сигналов и изображений. Экспериментальные исследования проведены как методами имитационного компьютерного моделирования на основе программных пакетов 8оКсГ\Уогк8, N1 ЬаЬУ1е\у, Апвув, МАТЪАВ, 2етах и МаШсас!, так и физического моделирования на сформированном на кафедре оптико-электронных приборов и систем стенде.

Основные положения, выносимые на защиту

1) 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.

2) Суммарно-разностная обработка сигнала рассогласования в ПрК, необходимая коррекция сферической аберрации объектива и фокусировка параксиальных лучей на бесконечность позволяет обеспечить неизменность

статической характеристики ОЭСКП в широком диапазоне дистанций

3) 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.

4) 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.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 145 наименований и 4 приложений, содержит 169 страниц, 68 рисунков и 6 таблиц.

Во введении показана актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проводится аналитический обзор и критический анализ средств контроля пространственного положения объектов, применяемых в дорожном строительстве и системах наведения, производится классификация систем, рассматриваются факторы, наиболее влияющие на работу ОЭСКП, поставлены цели и задачи исследования.

Во второй главе описана обобщенная схема универсальной ОЭСКП с ПОРСЗ, описано влияние неравномерного распределения яркости источников излучения и аберраций оптической системы канала формирования базового направления (КФБН) на пространственное распределение энергии, сформирована компьютерная модель и приведены результаты исследований.

В третьей главе рассматриваются взаимосвязи параметров оптических схем с параметрами источников и приемников, предложены алгоритмы выделения с матричного фотоприемника информации о смещении и разворотах в ПОРСЗ, обоснованы требования для обеспечения неизменной статической

характеристики, описана методика габаритно-энергетического расчета оптической системы ОЭСКП, предложена конструкция КФБН.

В четвертой главе рассмотрены погрешности работы ОЭСКП с ПОРСЗ при ослаблении воздействия вертикального градиента температуры воздушного тракта.

В пятой главе описано экспериментальное исследование результатов регистрации положения в ПОРСЗ на МФП.

В Заключении делаются выводы о проделанной работе и направлении дальнейших исследований.

Основные результаты 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.).

Результаты работы отражены в 4 отчетах по НИР, проводимых коллективом Научно-образовательного центра оптико-электронного приборостроения Университета ИТМО, что подтверждено 4 актами использования материалов.

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.

Работа выполнена на кафедре оптико-электронных приборов и систем Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

1 ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Во многих отраслях техники остро стоят задачи автоматизации рабочего процесса, повышения производительности и качества проводимых работ одновременно с уменьшением эксплуатационных расходов и трудозатрат. Например, в современном дорожном строительстве геодезический контроль хода выполнения работ является одним из ключевых факторов, влияющих на скорость строительства и качество получаемых результатов. Также при возведении или эксплуатации крупногабаритных конструкций и механизмов возникает необходимость высокоточного контроля над деформациями конструктивных элементов. Все это вызывает необходимость в создании и применении специальных методов и средств измерения и контроля.

Особое место занимают оптико-электронные средства, контролирующие положение на объекте, применение которых получило большое распространение благодаря развитию технологий во многих отраслях [11, 12, 13, 14, 15]. Уменьшение габаритных размеров источников излучения одновременно с повышением их мощности и долговечности, применение новых типов приемников оптического излучения, использование новых материалов в приборостроении, а также применение цифровых методов в регистрации и обработке измерительной информации на объекте контроля позволяют создавать средства, отвечающие большому числу требований к точности, быстродействию и стоимости.

1.1 Классификация ОЭС контроля пространственного положения

Классификацию ОЭС контроля пространственного положения (ОЭСКП) можно осуществлять по широкому кругу признаков, выбор которых определяется принципами их построения или характером использования. Так, например, ОЭСКП можно разделять в соответствии с используемыми свойствами излучения (лучевые и волновые), по области применения (машиностроение, гражданское

строительство, военно-промышленный комплекс, научные исследования), по схемам измерения (коллимационные, автоколлимационные и проекционные) [5, 6].

В аналитическом обзоре наиболее удобно сравнение характеристик ОЭСКП производить в группах, исходя из классификации исследуемых систем, базирующейся на способах формирования и анализа параметров информационного пространства (Рисунок 1.1). Это удобство объясняется тем, что наиболее сильно влияющие на работу факторы внешней и технической сред оказывают воздействие на параметры образуемого информационного пространства и средства контроля его информативных параметров.

Рисунок 1.1— Классификация способов формирования информационного поля

Под информационным пространством в ОЭСКП предложено понимать пространственно-временную область, в которой на основании анализа на объекте контроля информативных параметров в любой момент времени возможно получить информацию о пространственном положении объекта.

Использование волновых свойств оптического излучения (интерференция и дифракция) [16, 17, 18, 19] в ОЭСКП при формировании базового информационного пространства позволяет обеспечить высокую чувствительность к поперечным смещениям, но не обеспечивает необходимые диапазоны

смещений. При этом для этого класса ОЭСКП характерно применение высокотехнологических оптических элементов, от качества изготовления и юстировки которых главным образом зависят метрологические характеристики системы. Эти факторы позволили не включать в обзор существующих систем указанные ОЭСКП.

1.2 Оптико-электронные системы позиционирования, применяемые в строительстве

1.2.1 Цифровой нивелир

Из всех видов нивелирования наиболее распространенным в геодезической практике является геометрическое [20]. При геометрическом нивелировании наибольшая автоматизация достигается за счет применения цифровых нивелиров, реализующих кодово-импульсный способ пространственной модуляции излучения [1, 2, 21].

Приемником в этих устройствах служит ПЗС-матрица, установленная в плоскости изображений, создаваемых зрительной трубой. На рисунке 1.2 показан внешний вид и оптическая схема цифрового нивелира DiNi (Trimble, США) [21].

Рисунок 1.2 - Цифровой нивелир DiNi фирмы Trimble: а - внешний вид; б -оптическая схема: 1 - объектив; 2 - фокусирующая линза; 3,4 - призмы; 5 - нити; 6 - куб-призма; 7 - сетка нитей; 8 - окуляр; 9 - зеркало-компенсатор; 10 - ПЗС; 11 - воздушный демпфер; 12 - корпус трубы; А, В, С, D - точки закрепления нитей.

ПЗС-матрица 10 служит для регистрации и распознавания кодовой маски на

а)

б)

нивелирной рейке. Изображение маски получают с помощью объектива 1 в плоскости сетки нитей 7 и в плоскости фоточувствительной поверхности приемника.

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.

1.2.2 Ротационный лазерный нивелир

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 «-8», а другая «+е». При сканировании лазерные пучки частично перекрывают друг друга, благодаря чему формируется оптическая равносигнальная зона (Рисунок 1.3, а).

I

Г1 |Г i1

ц

1 i 1 а

!

-2 Е 0 + 2Ё

а) б) в)

Рисунок 1.3 — Соотношение интенсивностей в пучках лазерного излучения

Для определения положения плоскости симметрии, то есть горизонтальной плоскости, используют рейки, снабженные фотодетектором (Рисунок 1.4 б).

1|1

а) б)

Рисунок 1.4 - а) Ротационный лазерный нивелир Topcon RL-H4C; 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.

В таблице 1.1 приведены характеристики одного из представленных на рынке ротационных нивелиров [3].

Таблица 1.1 - Характеристики ротационного лазерного нивелира Торсоп

ЯЬ-Н4С

Дальность работ с приемником 400 м

Точность ± 10" (5 мм на 100 м)

Диапазон самонивелирования ±5°

Скорость вращения 600 об/мин

Угол сканирования 2-36°

Длина волны излучения 635 нм

1.2.3 Трехмерные системы автоматизированного управления (САУ)

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.

Рисунок 1.5 - а) Роботизированный электронный тахеометр Торсоп серии Р8 ;

б) круговая призма Торсоп А7Я-МС

а

б

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

Таблица 1.2 — Основные характеристики роботизированного электронного тахеометра Торсоп серии Р8

Дальность измерений по одной призме - 6000 м; без отражателя - 0,3-1000 м

Дальность захвата цели в системе LPS 600-700 м

Точность ±1,5 мм

Угловая точность (СКО) 3"

Ширина поля считывания 100-140 мм

Скорость автослежения 20 град./сек

Особенно сильно на точность работы таких систем оказывает воздействие вертикальный градиент температуры воздушного тракта, который возникает вследствие конвективных потоков воздуха от подстилающей поверхности.

1.2.4 Оптико-электронные системы с оптической равносигнальной зоной для контроля смещений с аналоговой обработкой информации

Оптико-электронные системы с передающей ОРСЗ, применяемые для контроля поперечных смещений рабочих органов машин относительно заданной базы, изначально назывались приборами управления оптическим лучом (ПУЛ) [24] и для формирования информационного пространства использовали способы амплитудно-частотной и фазовой модуляции оптического излучения [5, 6].

ОРСЗ представляет собой область пересечения двух или более электромагнитных полей оптического диапазона, в которых основные

информативные параметры этих полей равны, а дополнительные отличаются [5,25]. Основной информативный параметр, служащий базой для пространственного контроля, обеспечивает количественную оценку величины смещения и формируется в пространстве с помощью пересекающихся полей облученности. Дополнительный информативный параметр описывает «знак» поля, позволяя определять направление смещения контролируемого объекта относительно заданной базы. Информативными параметрами могут служить параметры различных типов модуляции из способов формирования информационного пространства, описанных в классификации (Рисунок 1.1).

При аппаратной реализации ОЭС ОРСЗ может быть создана, например, парой полупроводниковых излучающих диодов И], Иг, установленных в канале формирования базового направления (КФБН) и модулированных током питания различной частоты и /2 (Рисунок 1.6). Основной информативный параметр в этом случае - величины потоков Ф1 и Ф2, регистрируемых приемным каналом (ПрК). На приемнике, находящемся на дистанции фокусировки излучающего блока го, создаются поля облученности Е\, Е2, граница между полями является переходной зоной /п. Положение ПрК, при котором достигается равенство энергий от полей облученности, является базовым, то есть в рассматриваемом случае симметричным относительно равносигнальной плоскости.

В системах ПУЛ-6, ПУЛ-14, разработанных в 1960-80 гг., модуляцию излучения лампы накаливания в разных полях обеспечивает вращающийся дисковый модулятор [5]. В системе ПУЛ-Н модуляция осуществляется

изменением тока питания полупроводниковых излучающих диодов [6, 26].

Формирование базовой равносигнальной плоскости в ПУЛ-Н (Рисунок 1.7) осуществляется объективом 4 путем проецирования ребра разделительной прямоугольной призмы 2 на максимальную дистанцию работы. Технические характеристики ПУЛ-Н сведены в таблицу 1.3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гусаров, Вадим Федорович, 2017 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Ямбаев Х.К., Голыгин Н.Х. Геодезическое инструментоведение. Практикум: Учеб. пособие для вузов. - М.: «ЮКИС», 2005. - 312 е.: ил.

2 Дементьев В.Е. Современная геодезическая техника и ее применение. -М.: Академический Проект, 2008. - 591 с.

3 Торсоп [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.topconpositioning.com/rl-h4c (Дата обращения: 01.08.2016)

4 Robert Bosch GmbH [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.bosch-do-it.com (Дата обращения: 01.08.2016)

5 Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной, Монография / Под общ. ред. Э.Д. Панкова. - СПб.: ИТМО, 1998. - 238с.

6 Коротаев В.В., Мараев А.А., Тимофеев А.Н. Телеориентирование в луче с оптической равносигнальной зоной. Монография - СПб.: Университет ИТМО, 2015.-339 с.

7 Винниченко Н.К., Пинус Н.З., Шметер С.М., Шур Г.Н., Турбулентность в свободной атмосфере, Монография, Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 286с.

8 Филиппов В.Л., Иванов В.П., Яцык B.C. Атмосфера и моделирование оптико-электронных систем в динамике внешних условий. Монография - Казань: Изд-во Казан, ун-та, 2015. - 632 с.

9 Flach, P., Analysis of refraction influences in geodesy using image processing and turbulence models. Dissertation ETH. No.: 13844. - 2000. - 188c.

10 Brunner F.K. Modelling of Atmospheric Effects on Terrestrial Geodetic Measurements. // Geodetic Refraction, Effects of Electromagnetic Wave Propagation Through the Atmosphere. Springer Verlag, Berin, Heidelberg, New York, Tokio, 1984, pp. 143-161.

11 Тимофеев A.H., Кирчин Ю.Г., Ярышев C.H. Оптико-электронное устройство для измерения линейных смещений.// А.с. СССР 1663420. МКИ G 01 В 21/00. Опубл. 15.07.91.

12 Retscher, G.: Multi-Sensor Systems for Machine Guidance and Control, FIG XXII International Congress, Washington D.C., 2002.

13 Stempfhuber, W. ID and 3D Systems in Machine Automation, FIG 3rd IAG / 12th FIG Symposium, Baden. 2009.

14 Grattan K.T.V., Skeivalas J. and Giniotis V. Development of 2D optical measurements. In Proceedings of XVII IMEKO World Congress, IMEKO and HMD, 2003, p. 1831-1833.

15 Zogg H. M.; Ingensand H. Terrestrial laser scanning for deformation monitoring - load tests on the felsenau viaduct (CH). XXIst ISPRS Congress: Commission V, WG 3 , Beijing, p.555-562, 2008.

16 Коломийцов Ю.В. Интерферометры: Основы инженерной теории, применение. JL, Машиностроение, 1976, - с 286 .

17 Коронкевич В.П., Ханов В.А. Современные лазерные интерферометры Новосибирск, Наука, 1985.

18 Quenelle R.C. Nonlinearity in Interferometer Measurements , HP Journal April 983.

19 Лазерный интерферометр LSP30-3D. Руководство по эксплуатации. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.lasertex.eu/ (дата обращения 01.08.2016)

20 Гусаров В.Ф., Тимофеев А. Н, Особенности применения оптико-электронных систем позиционирования в дорожном строительстве // Сборник трудов IX Международной конференции «Прикладная оптика-2014», 2014. Том 1, С 116-119.

21 Trimble [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.trimble.com/ (Дата обращения: 01.08.2016)

22 Студебеккер Р.Х. Патент США Кл 42с 9/01/01с 9/06№280363. Заявл. 10.03.67. Опубл. 3.11.70.

23 AGA Geo - Plans 300.А new laser instrument providing a reference plfiie eor levelling in all kinds cjnstruction work. Проспект фирмы. Экспресс-информация ОНТИЦ ЦНИИГАиК, вып. 9 (87), 1972, с. 1-4.

24 Цуккерман С. Т., Гридин А. С. Управление машинами при помощи оптического луча. - JL: Машиностроение - 1969. - 206 с.

25 Цуккерман С.Т. Новые приборы автоматического управления машинами оптическим лучом. - JL: Известия вузов Приборостроение, том XXV, №10, 1982. -с. 71-74.

26 Великотный М.А., Ишанин Г.Г., Савельев Ю.М., Цуккерман С.Т. Система дистанционного контроля прямолинейности и соосности элементов крупногабаритных конструкций //Труды ЛИТМО, вып. 76 Л.: ЛИТМО, 1974. -100с.

27 Оптико-электронное устройство для формирования и пространственного отслеживания модулированного оптического пучка. Патент РФ №2019820. Автор Шишлов Е.А. МПК51 G01N21/64, G01B21/00. опубл. 15.09.1994.

28 Коротаев В.В., Мараев A.A., Похитонов П.П., Тимофеев А.Н. Аппаратное снижение погрешности позиционирования в оптико-электронной насадке на теодолит ПУЛ-Н //Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. /Главный редактор д.т.н., проф. В.О. Никифоров. - СПб: СПбГУ ИТМО, №5(63), 2009. с. 5-9

29 Moritz Köhler, Shwetak N. Patel, Jay W. Summet, Erich P. Stuntebeck, and Gregory D. Abowd TrackSense. Infrastructure Free Precise Indoor Positioning Using Projected Patterns// A. LaMarca et al. (Eds.),Springer-Verlag Berlin Heidelberg: Pervasive 2007, LNCS 4480, pp. 334 - 350, 2007.

30 Мараев А. А Исследование оптико-электронных систем с полихроматической оптической равносигнальной зоной для контроля смещений. Дис. канд. техн. наук: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы - Университет ИТМО, 2014. - 153 с.

31 Климанов М.М. Триангуляционная лазерная система для измерений и контроля турбинных лопаток // Измерительная техника: Науч.-техн. журн. - 2009. - №7. - С. 27-31.

32 Anisimov A.G., Groves R.M. 3D shearography with integrated structured light projection for strain inspection of curved objects/ Proc. of SPIE (2015). Vol. 9525

pp.952517-1 - 952517-10

33 Галиулин P.M. и др. "Компьютерные лазерно-оптоэлектронные системы измерений геометрии изделий сложной формы "ОПТЭЛ", журнал " Авиационная техника. Известия вузов", N1, 1997 г., с. 100-106.

34 Кирчин Ю.Г. Применение приборов с зарядовой связью для определения положения оптической равносигнальной зоны. // Изв. высш. учебных заведений. Приборостроение. - 1991 - XXXIV - № 7 - с. 88-93.

35 Кирчин Ю.Г. Разработка и исследование оптико-электронных систем для контроля смещений: Дис. канд. техн. наук: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы. СПб, 1993. - 193 с.

36 Цуккерман С.Т. Структура оптического управляющего луча Л.: Известия вузов Приборостроение, том XXX, №3, 1987. - с. 84-91.

37 Гусаров В.Ф., Тимофеев А.Н. Методы коррекции влияния рефракции атмосферы на геодезические измерения. Преимущества многоспектральных методов. // Альманах научных работ молодых ученых XLI научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО. - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - С. 52-53

38 Гусаров В.Ф. Измерение вертикального градиента температур воздушного тракта с применением оптической равносигнальной зоны. // Сборник тезисов докладов I Всероссийского конгресса молодых ученых, Выпуск 2. -СПб: НИУ ИТМО, 2012. - 414 с. - с. 96.

39 Anton A. Maraev; Aleksandr N. Timofeev; Vadim F. Gusarov Applying of digital signal processing to optical equisignal zone system //Proc. SPIE Vol. 9525, 2015. pp. 95254B-1 - 95254B-10. DOI: 10.1117/12.2184918

40 Fixturlaser. Brand of ACOEM [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.fixturlaser.com/ (Дата обращения: 01.08.2016)

41 PRÜFTECHNIK Dieter Busch AG [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.pruftechnik.com/ (Дата обращения: 01.08.2016)

42 Губин Ю.А., Кирчин Ю.Г., Тимофеев А.Н. Особенности построения оптико-электронных устройств для центровки элементов турбоагрегатов. // Оптические и оптико-электронные приборы для точных угловых и линейных

измерений. Тезисы докладов конференции. - Киев - 1987

43 Leuze electronic [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.leuze.com/ (Дата обращения: 01.08.2016)

44 Утемов С.В. Роль и место командных и автоматических лазерно-лучевых систем наведения ракет в зарубежных противотанковых ракетных комплексах. // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. -№ 11.-С. 123-129

45 Андреев В.Г. Оружие и война: новые тенденции развития // Вестник академии военных наук. - 2005. - № 1. - С. 159-168.

46 Mingliang Yan, Zhicheng Huo, Wei Chen. Laser beam riding artillery missiles guidance device is designed. 7th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies: Optical Test and Measurement Technology and Equipment, edited by Yudong Zhang, Wei Gao, Proc. of SPIE Vol. 9282, 92822X. 2014.

47 Высокоточное оружие зарубежных стран. Т. 1 Противотанковые ракетные комплексы. / Обзорно-аналитический справочник.- Тула: ООО «Издательская группа «Бедретдинов и Ко», 2008. - 564 с.

48 Beamrider missile guidance method. Патент США №3782667 Walter Е. Miller, Jun; Teddy J. Peacher; Jimmy R. Duke; Robert L. Sitton. Опубл. 01.01.1974.

49 Guidance system. Патент США №3028807. John R. Burton, Creve Coeur, and Ronald J. Mackin. Опубл. 24.08.1962.

50 Способ стрельбы ракетой, управляемой по лучу лазера. Патент РФ №2516383 МПК FG41G7/26, Авторы Матвеев Э.Л. (RU), Чуканов М.Н. (RU), Ухабова О.Н. (RU), Погорельский С.Л. (RU). Опубл. 20.05.2014.

51 Sitton R.L. Optical Command and Beamrider missile guidance Optical Command and Beamrider missile guidance SPIE Vol. 317 Integrated Optics and Millimeter and Microwave Integrated Circuits. 1981.

52 Утемов С.В. Структурно-функциональные модели командных и автоматических лазерно-лучевых систем телеуправления в условиях помех // Вестник ВГТУ. 2011. №8 С.61-65.

53 Коровин В. К цели - на гиперзвуке (Гиперзвуковые управляемые ракеты). // Авиапанорама, 2003. - № 1- С. 42-44.

54 Hirt, С., S. Guillaume, A. Wisbar, В. Bürki, and Н. Sternberg Monitoring of the refraction coefficient in the lower atmosphere using a controlled setup of simultaneous reciprocal vertical angle measurements, J. Geophys. Res., 115, D21102.

55 Angus-Leppan, P. V. Surface effects on refraction in precise levelling, in REF-EDM Conference on Refraction Effects in Geodesy & Conference on Electronic Distance Measurement, pp. 74-89, Univ. of N. S. W., Sydney, N. S. W., Australia.

56 Böckem, В., P. Flach, A. Weiss, and M. Hennes Refraction influence analysis and investigations of automated elimination of refraction effects on geodetic measurements, paper presented at XVI IMEKO World Congress 2000, Int. Mes. Confed., Vienna, 25-28 Sept.

57 Böckem, В., Development of a Dispersometer for the Implementation into Geodetic High- Accuracy Direction Measurement Systems. Dissertation No.: 14252, ETH in print. - University of Bonn - 2001. - 140c.

58 Hertzsprung E. Photographische Messung der atmosphärischen Dispersion. In: Astronomische Nachrichten, Vol. 192, 1912. -pp. 309-320.

59 Прилепин M.T. Определение показателя преломления воздуха при измерении расстояний светомодуляционными дальномерами. - Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 1957. - №2. - с. 123-132.

60 Гусаров В.Ф. Оценка влияния внешних условий на работу оптико-электронных систем позиционирования с оптической равносигнальной зоной. // Сборник трудов III Всероссийского конгресса молодых ученых. СПб: Университет ИТМО. 2014. С. 34-37.

61 Ландау JI. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Электродинамика сплошных сред. - М.: Наука, 1982. - Т. VIII. - 621с.

62 Спектроскопия атмосферных газов [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://spectra.iao.ru/ (Дата обращения: 01.08.2016)

63 Тимофеев А.Н. Разработка и исследование оптико-электронных преобразователей для контроля положения железнодорожного пути в продольном

профиле и плане: Дис. канд. техн. наук. - JL: 1979. - 256 с.

64 Ю.В. Кудрявцев. Устройство для измерения перемещений объекта.// A.c. СССР 1499113. МКИ G 01 В 11/26. Опубл. 7.08.89.

65 Коротаев В. В. Развитие теории преобразования полипараметрического информационного поля в спектрозональных измерительных и локационных оптико-электронных системах // Перспективные исследования НИУ ИТМО. СПб: НИУ ИТМО, 2012. С. 124-135.

66 Васильев A.C. Методы комплексирования изображений многоспектральных оптико-электронных систем // Сб. трудов межд. конф. "Прикладная оптика - 2014". - СПб.: ГОИ. 2014. т.1. - С 191-194.

67 Витол Э.А., Мусяков B.JL, Коняхин И.А., Тимофеев А.Н. Реализация дисперсионного метода в оптико-электронных системах с оптической равносигнальной зоной // VI Межд. конф. "Прикладная оптика", 18-21 октября 2004 г. Сб. Трудов. Том.1. "Оптическое приборостроение". СПб, 2004, С. 37—40.

68 Богатинский Е.М., Коротаев В.В., Мараев A.A., Тимофеев А.Н. Исследование путей ослабления влияния воздушного тракта в распределенных оптико-электронных системах предупреждения техногенных катастроф //Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 20Ю.-№ 3 (67). - С. 130.

69 Мараев A.A., Пантюшин A.B., Тимофеев А.Н., Ярышев С.Н. Исследование метода спектрозональной селекции в оптико-электронной системе предупреждения техногенных катастроф //Приборостроение, том 54, № 12, 2011. С. 80-81.

70 Андреев A.JL, Коняхин И.А., Коротаев В.В., Мусяков B.JL, Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Проблемы создания оптико-электронных систем для определения взаимного положения разнесенных в пространстве объектов или их элементов. Оптический журнал, 1995, N 5.

71 Коняхин И.А., Мараев A.A., Тимофеев А.Н., Гусаров В.Ф. Контроль смещений в оптико-электронных системах с оптической равносигнальной зоной // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т.58, №1. - С. 38 -44.

72 Якушенков Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения. М.:

Логос, 2013. 376 с.

73 Андреев А. Л., Ярышев С.Н. Методы моделирования ОЭС с многоэлементными анализаторами изображения. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - 52 с.

74 Коротаев В. В., Краснящих А. В. Телевизионные измерительные оптико-электронные приборы. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 108 с.

75 Советов Б.Я., Цехановский В.В., Чертовской В.Д. Теоретические основы автоматизированного управления. М.: Высшая школа, 2006. -464 с.

76 Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. - 856 с.

77 Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. М.: Мир, 1970. - 364 с.

78 Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения. М.: Мир, 1964. 295 с.

79 Родионов С.А Автоматизация проектирования оптических систем: Учеб. пособие для приборостроительных вузов. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982.-270 с

80 Ишанин Г.Г., Челибанов В.П. Приёмники оптического излучения / Под ред. профессора В.В. Коротаева. - СПб.: Издательство «Лань», 2014. - 304 с. (Учебники для вузов. Специальная литература).

81 Волосов Д.С., Цивкин Н.В. Теория расчета светооптических систем. М., Искусство, 1960. - 215с.

82 Zemax [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.zemax.com/ (Дата обращения: 28.07.2016)

83 Слюсарев Г. Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969. 670 с.

84 Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1973. 832 с.

85 Дубовик А. С., Апенко М. И., Дурейко Г. В. и др. Прикладная оптика. М.: Недра, 1982. 617 с.

86 Ли Янь. Исследование особенностей построения оптико-электронных систем с оптической равносигнальной зоной для контроля линейных смещений: Дис. канд. техн. наук. СПб, 1994. 231 с.

87 Гусаров В.Ф. Исследование и разработка оптико-электронной системы позиционирования с цифровой обработкой отображений оптической равносигнальной зоны // Двадцать первая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов: Сборник тезисов. - СПб.: Изд-во СПБГУПТД, 2016.-160 с.

88 Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика - М., Высшая школа, 2003.- 479 с.

89 Кирчин Ю.Г. Нелинейное предварительное сглаживание видеосигнала методами усреднения микровыборок и конечных разностей.// Изв. вузов. Приборостроение. 1991 т.34, № 9. - С. 12-16.

90 Яковлева, B.C. Адаптивный видеодатчик с пространственно-временной фильтрацией на базе КМОП приемника излучения с активными пикселями: дис. канд. техн. наук: 05.13.05 Курск, 2006. - 116 с.

91 Сойфер В.А. Методы компьютерной обработки изображений. М.: Физматлит, 2001. - 784 с.

92 Tian, Н. Noise analysis in CMOS image sensors. Stanford: Stanford University, 2000. - 114 p.

93 Богатинский E.M., Мараев A.A. Расчет энергетической чувствительности в оптической равносигнальной зоне при мультиплексировании оптического излучения по длине волны / Труды шестой международной конференции молодых ученых и специалистов "0птика-2009". Санкт-Петербург, 19-23 октября 2009. / Под ред. проф. В.Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. - С. 291-292.

94 Мараев A.A., Тимофеев А.Н., Коняхин И. А. Исследование энергетической чувствительности в оптико-электронных системах с полихроматической оптической равносигнальной зоной // Известия вузов. Приборостроение. - Санкт-Петербург, 2012. - Т. 55. - № 3. - С. 31-35. - ISSN 00213454

95 Великотный М.А. Распределение градиента облученности в энергетической равносигнальной зоне. //Сб. "Конструирование и производство

оптических приборов", Л., Труды ЛИТМО №90, 1977, С. 80-84.

96 Великотный М.А. О построении прибора управления лучом с неизменной выходной статической характеристикой. Труды ЛИТМО. Вып. 90. 1977, с.81-85.

97 Vadim F. Gusarov, Anton A. Maraev, Aleksandr N. Timofeev, Aleksandr A. Klimov, Influence of array photo-detectors characteristics on the accuracy of the optical-electronic system with optical equisignal zone // Proc. of SPIE Vol. 9896, 2016. pp. 989615-1 - 989615-11. DOI: 10.1117/12.2227375

98 Ишанин Г.Г., Мальцева H.K., Рождественский A.B., Сычевский A.T., Хребтова В.П. Источники и приемники излучения. Учебно-методическое пособие 4.1: - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. - 59 с.

99 Ишанин Г.Г., Козлов В.В. Источники оптического излучения СПб.: Политехника, 2009, - 412с.

100 Великотный М.А. Структура поля излучения светодиодов полусферической конструкции // Труды ЛИТМО.- 1975. Вып. 81.-е. 44-49.

101 Румшинский Л. 3. Математическая обработка результатов эксперимента. М., 1971. 192 с.

102 Хемминг Р. В. Численные методы для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1972. 400 с.

103 Гусаров В.Ф., Тимофеев А.Н. Выбор и расчет элементов оптико-электронной системы с оптической равносигнальной зоной для измерения вертикального градиента температур воздушного тракта // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики № 5(87), 2013. -с. 44-48.

104 Гусаров В.Ф. Выбор элементов оптико-электронной системы с оптической равносигнальной зоной для измерения вертикального градиента температур воздушного тракта. // Сборник трудов II Всероссийского конгресса молодых ученых. - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - С 38-43.

105 Горбунова Е.В. Исследование пространственных характеристик излучающих диодов и их зависимости от возможных производственных дефектов.

// Актуальные теоретические и практические вопросы современного оптико-электронного приборостроения. Сборник трудов молодых ученых. - СПб: НИУ ИТМО, 2012.-128 с.

106 Березин В.В., Умбиталиев A.A., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К., Шипилов H.H. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле. М.: Радио и связь, 2006. - 312 с.

107 Донец В. В., Муравский JI. И. Особенности применения приемников излучения в бортовых гиперспектрометрах // Косм1чна наука i технолопя. - 2012. - Т. 18, № 3. - С. 20-37.

108 В. Fowler et al. A method for estimating quantum efficiency for CMOS image sensors. SPIE Electron. Imag.—Solid State Sensor Arrays: Development and Applications II 3301, 178-185 (1998).

109 F. Xiao, J. Farrell, and B. Wandell. Psychophysical thresholds and digital camera sensitivity: the thousand photon limit. SPIE Electron. Imag- Digital Photography 5678, 75-84 (2005)

110 M. Schöberl, A. Brückner, S. Foessel, А. Каир. Photometric limits for digital camera systems. J. Electron. Imaging. 21(2), 020501 (Jun 15, 2012).

111 Манцветов А. А., Цыцулин А. К. Телекамеры на КМОП фотоприёмниках // Вопросы радиоэлектроники. - 2006. - № 2. - С. 70-89.

112 Гусаров В.Ф. Влияние характеристик матричных фото приемников на точность оптико-электронной системы с оптической равносигнальной зоной // Сборник трудов V Всероссийского конгресса молодых ученых. Том 1- СПб: Университет ИТМО, 2016. С. 124-128.

113 Konnik M.V., Welsh J.S. On numerical simulation of high-speed CCD/CMOS-based wavefront sensors in adaptive optics // SPIE Optical Engineering + Applications. - 2011.

114 Андреев A.JI., Коротаев B.B. Особенности расчета оптико-электронных систем позиционирования на основе готовых телевизионных модулей // Приборостроение. 2010. №10 С.69-75.

115 Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.П. Аналого-цифровые преобразователи. - М.: Советское радио, 1980. - 280 с

116 Брюханов Ю.А., Приоров A.JL, Джиган В.И., Хрящев В.В. Основы цифровой обработки сигналов: Учебное пособие / Яросл. гос. ун-т им. П.Г. Демидова. - Ярославль: ЯрГУ, 2013. - 344 с.

117 Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. - М.: Радио и связь, 1986. - 352 с.

118 Doerfler D.W. Dynamic Testing of a Slow Sample Rate, High Resolution Data Acqusition System // IEEE Trans., Instrumentation and Measurement. - 1986. - V. IM-35. - No. 4. - Pt. 1. - P. 477 - 482.

119 Федорков Б.Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с

120 Каппелини В., Константинидес А.Дж., Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360 с.

121 Применение цифровой обработки сигналов. / Под ред. Э. Оппенгейма. -М.: Мир, 1980.-552 с.

122 Панков Э.Д., Прокофьев A.B., Тимофеев А.Н. Особенности построения автоколимационной оптико-электронной системы контроля положения элементов турбоагрегатов // Оптич. приборы, сист. и технологии. Науч.-техн. вест. СПб ГИТМО(ТУ). Вып. 5. СПб: СПб ГИТМО(ТУ), 2002. С. 135-138.

123 Титов В.С, Яковлева B.C., Панищев B.C. Адаптивные видеодатчики на базе КМОП приемников излучения с активными пикселями. Монография / -Курск: Курский гос. технический ун-т, 2008. - 99 с.

124 Marston N. Solid-state imaging: a critique of the CMOS sensor / Edinburgh: The University of Edinburgh, 1998. -263 p.

125 Андреев A. JI. Моделирование и расчет автоматизированных видеоинформационных систем наблюдения за объектами. Методические указания к лабораторным работам. - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - 82 с.

126 Анисимов А.Г. Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля соосности элементов турбоагрегатов большой единичной

мощности II Дис. канд. техн. наук: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы СПб.: НИУ ИТМО, 2012.-163 с.

127 Пантюшин А.В. Разработка и исследование оптико-электронных систем контроля положения железнодорожного пути в продольном профиле и плане относительно реперных меток. // Дис. канд. техн. наук: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы СПб.: НИУ ИТМО, 2013. - 155 с.

128 Margarita Shavrygina, Igor Konyakhin, Aleksandr Timofeev, Ekaterina Verezhinskaia, Optical-electronic system controlling the position of a railway track with the help of reference marks // Proc. of SPIE Vol. 9896 (2016), pp. 988916-1 - 988916-7.

129 Anna Trushkinaa, Mariya Serikovaa, and Anton Pantyushina, Position estimation for ducial marks based on high intensityretroreective tape // Proc. of SPIE Vol. 9896, (2016), pp. 98961H-1 - 98961H-6.

130 Lashmanov O., Nuzhin A. Application of CCDs matrix for alignment of optoelectronic devices with lasers // IEEE Photonics Technology Letters. 2015. -T. Volume 27, Issue 15, C. 1636-1638.

131 Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: учебник / Ю.Г. Якушенков - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос, 2011. - 568 с.

132 Тимофеев А.Н., Кирчин Ю.Г., Сухоруков А.В. Алгоритмическое обеспечение оптико-электронной системы для контроля центровки энергетического оборудования. // Некоторые актуальные проблемы создания и эксплуатации турбинного оборудования. Тезисы докл. конференции. Свердловск. 1989 - С. 67.

133 Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. - СПб.: Лань, 2013. - 400 с.

134 Инфракрасные системы 3-го поколения /В.В. Тарасов, И.П. Торшина, Ю.Г. Якушенков ; под общ.ред. Ю.Г. Якушенков. - М.: Логос, 2011. - 242 с.

135 Andras Рорре, Clemens J.M. On the Standartization of Thermal Characterization of LEDs // LED professional Review, 2009 - May/June - c.22-29.

136 WP15 Evaluating the Lifetime Behavior of LED Systems White Paper 20160819-2016 Lumileds Holding B.V.

137 Доронин A.B. Оценка влияния вертикального градиента температуры на погрешность оптико-электронных систем с полихроматической оптической равносигнальной зоной. // VI Всероссийская конференция молодых ученых 14-17 апреля 2009г, СПб, Сборник трудов. - СПб: НИУ ИТМО, 2009. - с.283-290.

138 ГОСТ 8.207-76. Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями.

139 Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. - JL: Машиностроение, 1990. - 287с.

140 Слепова C.B. Основы теории точности измерительных приборов: учебное пособие. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. - 192 с.

141 Гусаров В.Ф., Тимофеев А.Н. Исследование погрешностей оптико-электронной системы измерения вертикального градиента температуры на основе полихроматической равносигнальной зоны. // Сборник трудов X Международной конференции «Прикладная оптика-2012». ГОИ. СПб. Т. 1, 2012. - С. 235 - 239.

142 Гусаров В.Ф. Исследование и разработка оптико-электронной системы позиционирования с полихроматической оптической равносигнальной зоной // Двадцатая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов: Сборник тезисов. - СПб.: Изд-во СПБГУПТД, 2015. - 163 с.

143 Гусаров В.Ф. Возможности применения цифровой обработки отображений равносигнальной зоны при удаленном контроле позиционирования рабочих органов строительных машин. // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО. Т.1.- СПб.: Университет ИТМО, 2015. - С. 126-130.

144 Chertov A.N., Gorbunova E.V., Peretyagin V.S., Vakulenko A.D. Automated hardware-software system for LED's verification and certification. Proc. of SPIE. 2012. Vol. 8484. pp. 8484IE.

145 Гусаров В.Ф. Сравнительный анализ результатов регистрации положения оптической равносигнальной зоны фотодиодом и фотоприемной матрицей // Сборник трудов IV Всероссийского конгресса молодых ученых -СПб: Университет ИТМО, 2015. - С. 113-116.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Выделение информации о положении ОРСЗ средствами цифровой обработки сигналов, получаемых с аналогового

фотоприемного устройства

В основу цифровой обработки сигналов в рассматриваемом экспериментальном стенде ОЭСКП с ОРСЗ положен метод спектрального анализа выходного сигнала, получаемого с фотоприемного устройства. Для проверки работы метода был сформирован стенд (Рисунок А. 1 а), в котором сигнал с приемной части 3 системы ПУЛ-Н, подавался на спектроанализатор FSV30 фирмы «Rohde&Schwarz» 1. Для формирования импульсов использовался генератор сигналов AFG3252C фирмы «Tektronix» 2 и задатчик базового направления системы ПУЛ-Н (на рисунке не показан).

а) б)

Рисунок А.1 - Общий вид элементов стенда (а); Результат обработки выходного сигнала с предусилителя приемника ПУЛ-Н на спектроанализаторе Б8У30 (б)

Применение фильтров с конечной импульсной характеристикой позволяет получать картину, представленную на рисунке А.1 б.

Анализ результатов (Рисунок А.1 б) показывает, что амплитуда выделяемого сигнала в 104 раз больше сигнала шума, что доказывает принципиальную возможность реализации такой схемы обработки сигналов с требуемой точностью.

Однако использование в блоке обработки ОЭСКП ЦОС добавляет процедуру дополнительного преобразования информации, что приводит к снижению

быстродействия по сравнению с чисто аналоговыми преобразованиями.

Достоинствами применения цифровой обработки сигналов в системах с ОРСЗ являются: быстродействие, программная настройка фильтров и других цифровых элементов, возможность записи, хранения и передачи исходных и обработанных данных.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Текст программы расчета пространственного распределения облученности в ПОРСЗ

ORIGIN :- 1

Zq := 300 -дистанция работы, м z := 100 -дистанция до переходной зоны, м

т := 0.8 - коэффициент пропускания оптической системы КФБН

h0 := 0.1 - координата 1ой точки на вых.зр., отн.ед.

lik:= 1 -координата последней точки на вых.зр., стн.ед.

и := 10 - количество интервалов разбиения вых.зрачка

hk - h0 д d ■=- - шаг разбиения вых.зрачка на интервалы

п-1

х0 := -7 - начальная координата исследуемой точки М хк := 7 - конечная координата исследуемой точки М

xd := 1 - шаг взятия координат исследуемой точки М

D :=

i 1 j J

for хе x0,x0 + xd.. xk for he h0,h0+ d..hk

5ip 150.19-h5 + 285.42-h4 - 193.14-h3 + 41.81-h2 - 3.8979-h - 0.0003

L -1.7854-h5 + 3.8549-h4 - 2.2117-h3 - 0.1233-h2 - 0.2845-h + 1.0002

h-z,

Z0j

0

a

h — ZQ-5ip

xz0j h (z0j - z)

2tt if g > 1 27t - 2-acos

*z0j

h(zoj -z)

if Id -1

0 if g < -1 1 <- h a

i i 4- 1

Е :=

к ir- rows(D) - 1 for xe xO,xO + xd.. xk for j 6 1,2.. к

1 D + D.

E <—— T-D. d(D.+|,-D. )• 1 + 1 ■■ J-3

2 j,4\ j+1,2 ¡,2) 2

2

t. <н E J

j <-j + 1

к n - 1

m <r- 1

for ze 1,2..

(rows(E) + 1)

Es X Ei

i — m

t , Es

z, 1

t - z

z,2

к 4— к + n

m <— m + n

z i- z + 1

y:= Esimmi ^

(2)

X := tsumm

[1/Ш0ШШШ1И

Плоскость

устанВоки ИИ2

Таблица 2

Поз. Наименование Х=ОЛ Х-0.91

Г £ 5г Г £

1.2 Конденсор 4.57 -2,60 3.53 5,01 -3,01 4.10

6-8 ОбьектиВ 69.05 -5i.il 72.34 69.64 -55,14 72.59

9.Ю ОбъектиВ 59.12 -53.64 46.11 62,42 -61,95 49,10

Плоскость

Шлица 1

1 § Обозначение Наименование Кол Примечание

1 Линза 4

2 Линза 4

3 Куб сВетоделительный

4 Призма 1

6 Линза 1

7 Линза 1

в Линза 1

9 Линза 1

10 Линза 1

"Размеры для с пробок.

Разрой.

Прой

Гконтр.

Нкантр. Ш

^ доит

Гусаров

Тим&реед

7ипофееб

Шсг

ИТМ0Л01232.001ЛЗ

озскп

Лит Масса Ус.....

Лист | Листов Т

О а н а л

п п К

£

Г)

и ге

г

р

Б

та

р а» о н р Я я о Яс

О

а)

О «

я

ОЧ

и«

КопцюВал

Формат А2

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Акты внедрения результатов работы

результатов диссертации Гусарова В.Ф. на тему «Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля пространственного положения на базе полихроматической оптической равносигнальной зоне при цифровой обработке информации», представленной на соискание ученой степени

05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

Комиссия в составе председателя д.т.н., проф. И.А. Коняхина и членов комиссии к.т.н., доцента A.A. Горбачёва и к.т.н., доцента А.Н. Чертова составила настоящий акт о том, что при выполнении НИР «Развитие теории формирования информативного пространства и обработки его отображений фотоприемным матричным полем анализа при контроле положения объектов» (№414644 г.р.№ 114051270010) были использованы результаты диссертации Гусарова В.Ф. на тему «Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля пространственного положения на базе полихроматической оптической равносигнальной зоне при цифровой обработке информации», а именно.

- описание математической модели формирования изображения на матричном поле анализа;

- алгоритмы регистрации и обработки отображений входного зрачка на матричном фотоприемном устройстве при контроле положения удаленного объекта.

Председатель комиссии —i Коняхин И.А.

УТВЕРЖДАЮ

АКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

кандидата технических наук по специальности

Члены комиссии

Горбачёв A.A.

Чертов А.Н.

УТВЕРЖДАЮ

АКТ ИСПОЛЬэиолп^л^г

материалов диссертации Гусарова В.Ф. на тему «Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля пространственного положения на базе полихроматической оптической равносигнальной зоне при цифровой обработке информации», представленной на соискание ученой степени

05.11.07 - "Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы"

Комиссия в составе председателя зав. кафедрой оптико-электронных приборов и систем д.т.н., профессора В.В. Коротаева и членов комиссии к.т.н., доцента A.A. Горбачёва и к.т.н. A.A. Мараева составила настоящий акт о том, что материалы диссертации Гусарова В.Ф. «Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля пространственного положения на базе полихроматической оптической равносигнальной зоне при цифровой обработке информации» использованы в лабораторном практикуме дисциплины Б.3.2.5 «Измерительные оптико-электронные приборы и системы».

кандидата технических наук по специальности

Председатель комиссии

Члены комиссии

* V Мараев A.A.

АКТ ИСПОЛ1

научных результатов диссертации Гусарова В.Ф. на тему «Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля пространственного положения на базе полихроматической оптической равносигнальной зоне при цифровой обработке информации», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07 - "Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы"

Комиссия в составе председателя зав. Кафедрой ОЭПиС, д.т.н., проф.

B.В. Коротаева и членов комиссии к.т.н., Е.В. Горбуновой и к.т.н.

C.B. Михеева составила настоящий акт о том, что при выполнении НИР «Развитие теории комплексирования информации в инвариантных оптико-электронных системах мониторинга состояния полипараметрических объектов» (№ 12361 г.р. 01201252343) были использованы результаты диссертации Гусарова В.Ф. на тему «Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля пространственного положения на базе полихроматической оптической равносигнальной зоне при цифровой обработке информации», а именно методика выбора разрядности аналого-цифрового преобразования сигналов с матричного фотоприемного устройства.

Члены комиссии

Председатель комиссии

C.B. Михеев

АКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

результатов диссертации Гусаров В.Ф. на тему «Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля пространственного положения на базе полихроматической оптической равносигнальной зоны при цифровой обработке информации», представленной на соискание ученой степени

кандидата технических наук по специальности 05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы»

Комиссия в составе председателя зав. каф. ОЭПиС, д.т.н., проф. В.В. Коротаева и членов комиссии к.т.н., с.н.с. А.Н. Тимофеева и к.т.н., с.н.с. Е.А.Горбунова составила настоящий акт о том, что при выполнении НИР №350879, «Разработка прототипа высокочувствительного полевого гамма-спектрометра на базе твердотельных кремниевых ФЭУ» были использованы результаты диссертации Гусаров В.Ф. на тему «Исследование и разработка оптико-электронной системы контроля пространственного положения на базе полихроматической оптической равносигнальной зоны при цифровой обработке информации», а именно

- методика выбора разрядности аналого-цифрового преобразования при обработке сигнала с матричного фотоприемника, основанная на, требуемых крутизне информативного параметра и погрешности контроля смещений;

методика габаритно-энергетического расчета, позволяющая оптимизировать параметры оптических систем по допустимой величине неисключенной погрешности компенсации влияния вертикального градиента температуры воздушного тракта.

Председатель комиссии Члены комиссии