Исследование и разработка оптико-электронных систем с планарной оптической равносигнальной зоной для контроля и управления пространственным положением объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Богатинский, Егор Маркович

• Богатинский, Егор Маркович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Богатинский, Егор Маркович

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОТ ПЛАНАРНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ БАЗЫ.

1.1 Узкопольные ОЭС.

1.1.1 Однокоординатные ОЭС.

1.1.2 Двухкоординатные ОЭС.

1.1.3 Трехкоординатные ОЭС.

1.2 ОЭС с передающей ОРСЗ.

1.3 Панорамные ОЭС.

1.4 Сравнение технических параметров оптико-электронных систем позиционирования.

1.5 Выводы по главе 1, задачи исследования.

ГЛАВА 2 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ

ПЛАНАРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНЫ.

2.1 Обобщенная схема ОЭС с ПОРСЗ.

2.2 Принципиальные основы формирования ПОРСЗ.

2.3 Преобразование сигналов в ОРСЗ.

2.4 О реализации ПОРСЗ.

2.5 Методика расчета пространственного распределения энергии оптического излучения в ПОРСЗ.

2.5.1. Методика расчета пространственного распределения энергии оптического излучения в пучке.

2.5.2 Методика расчета пространственного распределения энергии при создании ОРСЗ с помощью управляемого транспаранта.

2.5.3 Методика расчета пространственного распределения энергии при создании ОРСЗ с помощью составного источника излучения

2.6 Пространственное распределение энергетической чувствительности в ОЭС с ОРСЗ с учетом спектрального диапазона излучения.

2.6.1 Энергетическая чувствительность при управлении пропусканием транспаранта.

2.6.2 Энергетическая чувствительность для случая составного источника с учетом зависимости от спектрального диапазона излучения.

2.6.3 Энергетическая чувствительность для случая комбинированной системы с учетом зависимости от спектрального диапазона излучения.

2.7 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ОЭС ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ

ПОРЗС.

3.1 Системы со стационарными оптическими элементами.

3.1.1 Широкопольиые схемы.

3.1.2 Панорамные оптические схемы.

3.1.3 Биконцентрические схемы.

3.2 Анализ влияния особенностей схем на энергетическую чувствительность ОЭС с ОРСЗ.

3.3 Методика расчета энергетической яркости источника излучения, имеющего несколько максимумов в спектре излучения.

3.4 Современные ПОИ для детектирования ОРСЗ.

3.5 Методика расчета энергетической чувствительности схем ОЭС с ПОРСЗ.

3.5.1 Методика расчета энергетической чувствительности ОЭС для случая создания разделительной границы управляемым транспарантом.

3.5.2 Методика расчета энергетической чувствительности для случая составного источника.

3.5.3 Методика расчета энергетической чувствительности комбинированной схемы.

3.6 Сравнение потенциальной точности ОЭС с ОРСЗ при различных типах модуляции излучения источников.

3.7 Особенности энергетического расчета биконцентрических оптических схем с ПОРСЗ.

3.8 Методика расчета параметров биконцентрической оптической схемы ЗБП.

3.9 Возможные решения оптической схемы приемной части ОЭС с ПОРСЗ.

3.9.1 Стандартный узкопольный объектив.

3.9.2 Световодный диск.

3.9.3 Панорамный объектив с асферической поверхностью.

3.10 Алгоритм расчета диаметра входного зрачка ПЧ.

3.11 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОСНОВНЫЕ

ПОГРЕШНОСТИ ОЭС С ПОРСЗ.

4.1 Выбор параметров модуляции источников излучения.

4.2 Экспериментальные исследования энергетической чувствительности на макете ОЭС с ПОРСЗ.

4.3 Способ практической реализации концентрической системы для создания ПОРСЗ.

4.4 Анализ погрешностей формы ПОРСЗ.

4.4.1 Разбаланс яркости.

4.4.2 Влияние температурного градиента физической среды на форму ПОРСЗ.

4.4.3 Влияние фоновых засветок на отклонение формы ПОРСЗ от планарной.

4.4.4 Погрешность формы ПОРСЗ, вызванная изменением частоты модуляции излучения при изменении температуры.

4.4.5 Суммарная погрешность системы.

4.5 Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка оптико-электронных систем с планарной оптической равносигнальной зоной для контроля и управления пространственным положением объектов»

В строительстве проблемой является контроль плоскостности и позиционирования рабочих органов строительных машин при сооружении дорог, путепроводов, аэродромов и т.д. При этом точность проведения таких работ имеет принципиальное значение, поскольку она, в конечном счете, определяют уровень качества строительных работ. Для решения применяются оптико-электронные системы (ОЭС), создающие протяженную измерительную базу [1,2], однако, они не удовлетворяют предъявляемым требованиям: 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 при диапазоне контролируемых 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.).

Бесконтактность и возможность полной автоматизации процесса контроля позволяют создавать универсальные ОЭС и использовать их для решения таких задач как:

1. Контроль положения рабочих органов строительной техники относительно некоторой базовой плоскости.

2. Измерение взаимного положения деталей в процессе их обработки и сборки в машиностроении и приборостроении.

3. Контроль точности сопряжения и взаимного расположения частей и блоков в процессе монтажа в промышленном производстве и судостроении.

Использование в качестве измерительной базы заданного пространственного распределения параметров оптического излучения позволяет полностью автоматизировать процесс контроля. Для обеспечения высокой точности позиционирования на больших дистанциях в качестве базы предлагается использовать оптическую равносигнальную зону (ОРСЗ) [1].

ОРСЗ определяется как область пересечения электромагнитных полей оптического диапазона, в которой основные информативные параметры равны, а дополнительные информативные параметры различаются [1].

С практической точки зрения наибольший интерес представляет тот случай, когда ОРСЗ имеет форму плоскости [3], поскольку в этом случае возможно управление в горизонте несколькими объектами одновременно.

Под планарной ОРСЗ (ПОРСЗ) предлагается понимать ОРСЗ, имеющую форму плоскости и распределяемую от задатчика базовой плоскости (ЗБП) в полном угле распространения.

Применение ОРСЗ позволяет в большинстве случаев обеспечить в измерительных ОЭС более высокую точность при значительном диапазоне контроля и управления, высокую надежность в работе при наличии вибраций и ускорений [4, 5]. В свою очередь, достижения науки и техники привели и приводят к существенному изменению приборов и систем, использующих ОРСЗ, в то время как к настоящему моменту не создано общей теории, в которой были бы освещены с единой точки зрения вопросы адекватности моделей реальным элементам указанных ОЭС особенно для случая ПОРСЗ.

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.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Анализ и классификация ОЭС контроля положения объектов относительно базовой плоскости.

2. Исследование особенностей формирования ПОРСЗ.

3. Разработка и исследование элементов ОЭС с ПОРСЗ на математических моделях.

4. Реализация макета задатчика базовой плоскости (ЗБП) и выполнение на нем экспериментальных исследований.

5. Исследования влияний основных составляющих погрешности на форму ПОРСЗ.

В первой главе проведен аналитический обзор ОЭС контроля плоскостности, определены основные характеристики условий эксплуатации для геодезических ОЭС и для систем автоматического управления относительно базовой плоскости строительной техникой. Предложена классификация ОЭС с ПОРСЗ по величине полевого угла в базовой плоскости и тангажу. Выводы, сформулированные в данной главе, определяют цели и задачи работы и подтверждают ее актуальность.

Во второй главе рассмотрены варианты построения схем ОЭС с ПОРСЗ для анализа распределения облученности в пространстве и энергетической чувствительности. Подтверждено, что принципиальной основой образования ПОРСЗ являются формирование пространственных распределений основного и дополнительного параметров оптического излучения. Введено понятие энергетической чувствительности с учетом зависимости от спектрального диапазона излучения.

В третьей главе на основе сравнения схемных решений, рекомендована концентрическая оптическая система. Показано, что биконцентрический вариант построения схемы ОЭС с ПОРСЗ воплощает в себе такие достоинства концентрических схем, как большая светосила в сочетании со значительным угловым полем в пространстве изображений.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований ОЭС с ПОРСЗ.

Собран макет приемной части (ПЧ) ОЭС с ОРСЗ с панорамным объективом с гиперболической поверхностью, позволяющий регистрировать смещение объектов. Для этого макета разработана методика эксперимента по исследованию позиционной чувствительности ОЭС с ПОРСЗ.

Показано, что сильное влияние на погрешность измерения оказывает регулярная рефракция воздушного тракта, которая нарушает планарность ОРСЗ. Базовая поверхность в простейшем случае приобретает параболическую форму.

В заключении делаются выводы о проделанной работе и приводятся ее результаты.

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:

1. Обобщенная структурная схема ОЭС с ПОРСЗ, представленная в виде физической и технической сред, позволяющих провести анализ влияния факторов различной природы на работу ОЭС.

2. Модель ЗБП с управляемым транспарантом, расположенном вблизи выходного зрачка оптической системы.

3. Критерий сравнения схем ОЭС с ПОРСЗ основанный на энергетической чувствительности ОЭС для источников, имеющих несколько максимумов в спектре.

4. Способ построения ЗБП на основе биконцентрической модели с кольцевым расположением полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) для создания ПОРСЗ в горизонтальном угле 360°.

5. Методика и алгоритм габаритно-энергетического расчета биконцентрической модели ЗБП.

6. Закономерности влияния градиента температур воздушного тракта и фоновой обстановки среды на непланарность ПОРСЗ.

Работа выполнена на кафедре "Оптико-электронные приборы и системы" Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 64 наименований, содержит 145 страниц основного текста, 64 рисунка, 3 таблицы и 5 приложений.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Богатинский, Егор Маркович

Результаты работы используются в НИР и учебном процессе, что отражено тремя актами использования [Приложение 5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Богатинский, Егор Маркович, 2010 год

1. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. Монография, под общей редакцией Э.Д. Панкова СПб., ИТМО, 1998. 238 с.

2. Знобищев С.В. Системы автоматического управления строительной техникой для выполнения земляных работ //Геопрофи 2004. №1. С. 33-35.

3. Цуккерман С.Т., Гридин А.С. Приборы управления при помощи оптического луча. Л.: Машиностроение, 1969. 204 с.

4. Трубчанинов А.Д., Шахов А.В. Автоматизация решения геодезических задач. Учебное пособие. Кемерово: КузГТУ, 2004. 239 с.

5. Куликов С.А., Букреев И.А. О лазерных построителях плоскостей и направлений. //Геопрофи. 2003. №4. С. 10-13.

6. ПокладГ.Г., Гриднев С.П. Геодезия. М.: Академический проект, 2008. 592 с.

7. Каталог "Геостройизыскания", Выпуск 8, Москва, 2008 г.

8. Дементьев В.Е. Современная геодезическая техника и ее применение. М.: Академический проект, 2008. 592 с.

9. БеспаловЮ.И., Терещенко Т.Ю. Перспективы лазерных маркшейдерско-геодезических измерений // Успехи современного естествознания. №6. 2006.С. 21-22.

10. AGA Geo Plans 300.A new laser instrument providing a reference plfne eor levelling in all kinds cjnstruction work. Проспект фирмы. Экспресс-информация ОНТИЦ ЦНИИГАиК, вып. 9 (87), 1982, с. 1-4.

11. КотоусовА.С. Теоретические основы радиосистем. М.: Радио и связь, 2002. 224 с.

12. Ричард Рид Основы теории передачи информации. М.: Вильяме, 2005. 320 с.

13. Мусяков B.JL, Панков Э.Д., Тимофеев А.Н., Богатинский Е.М., Яковлев П.В. Направления развития оптико-электронных систем с оптической равносигнальной зоной // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т 51. №9. С. 27-31.

14. Хаусли Т. Системы передачи и телеобработки данных. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1994.

15. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Логос, 1999.

16. Торшина И.П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации. М.: Университетская книга; Логос, 2009. 248 с.

17. Коротаев В.В., Краснящих А.В. Измерительные оптико-электронные приборы / Методические указания по выполнению лабораторных работ. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006.

18. Основы автоматического управления / Под редакцией B.C. Пугачева. М.: Наука, 1984. 720 с.

19. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник. М.: Логос, 2004.

20. Елизаров А.В., Куртов А.В., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Обзорно-панорамные оптико-электронные системы. // Известия вузов. Приборостроение. 2002. Т. 45. №2. С.37-45.

21. Волосов Д.С., Цивкин Н.В. Теория расчета светооптических систем. М., Искусство, 1960.215с.

22. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем. М.: Машиностроение, 1992. 448 с.

23. Богатинский Е.М. Основные направления совершенствования оптико-электронных систем для контроля смещений крупногабаритных объектов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 49. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. С. 114-117.

24. Богатинский Е.М. Методика расчета пространственного распределения энергии в оптико-электронной системе с круговой оптическойравносигнальной зоной // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 43. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. С. 217-221.

25. Ефремов А.Н., Камальдинов А.К., Мармалев А.И., Самородов В.Г. Лазерная техника в мелиоративном строительстве. М.: Агропромиздат, 1989. 223 с.

26. Попов Г.М. Концентрические оптические системы и их применение в оптическом приборостроении. М.: Наука. 1969. 125 с.

27. Шредер Г., Трайбер X. Техническая оптика. М.: Техносфера, 2006. 424 с.

28. ИшанинГ.Г., Козлов В.В. Источники оптического излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов. СПб.: Политехника, 2009. 415 с.

29. Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. Под ред. А.Э. Юновича. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 496 с.

30. Бадгутдинов М.Л., Гальчина Н.А., Коган Л.М., Рассохин И.Т., Сощин Н.П., Юнович А.Э. Мощные светодиоды белого свечения для освещения // Светотехника. 2006. №3. С. 36-40.

31. ДавиденкоЮ. Высокоэффективные современные светодиоды // Современная электроника. Октябрь 2004. С. 36-43.

32. Specification for NICHIA white LED model: NSPW500BS Электронный ресурс.: NICHIA corporation Режим доступа:http://electronix.org.ru/datasheet/Optical/NSPW500BS.pdf

33. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Университетская книга; Логос, 2007. 192 с.

34. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приемники излучения. СПб.: Папирус, 2003. 528 с.

35. ХаркевичА.А. Борьба с помехами. Изд.З. Издательская группа URSS. 2009. 280 с.

36. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. М.: Машиностроение, 1966. 566 с.

37. Павлов А.В. Оптико-электронные приборы. М.: Энергия, 1974. 360 с.

38. Богатинский Е.М., Тимофеев А.Н. Особенности энергетического расчета оптико-электронной системы управления строительными машинами // Труды IV международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-2005" / СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. С. 118-119.

39. Проектирование оптико-электронных приборов / Парвулюсов Ю.Б., Родионов С.А., СолдатовВ.П. и др.; Под ред. Якушенкова Ю.Г. М.: Логос, 2000. 488 с.

40. Попов Г.М. Концентрические оптические системы и их применение в оптическом приборостроении. М.: Наука, 1969.

41. Богатинский Е.М., Тимофеев А.Н. Габаритно-энергетический расчет в оптико-электронной системе с круговой оптической равносигнальной зоной // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 34. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. С. 209-212.

42. Дубовиков А.Л., Натаровский С.Н., Репин С.С. Особенности использования светодиодов в системах технического зрения // Оптическийжурнал. Том 72, №1, 2005, с 48-51.

43. Неумывакин Ю.К., Перский М.И., Захарченко М.А Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве. М.: Недра, 1984. 126 с.

44. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение, 1989. 387 с.

45. Атмосфера. Справочник. / под ред. Ю.С. Седунова. Ленинград.: Гидрометеоиздат, 1991.

46. Виноградов В.В. Влияние атмосферы на геодезические измерения. М.: Недра, 1992. 253 с.

47. КаневЮ.Ф., Лукин В.П. Адаптивная оптика. Численные и экспериментальные исследования: Монография. Томск: Изд-во Института оптики и атмосферы СО РАН, 2005. 250 с.

48. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев Е.Н. Теория оптико-электронных систем. М.: Машиностроение, 1990. 270 с.

49. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. -М.:Техносфера, 2006, 632 с.

50. Niu, Shuang; Bai, Jian; Hou, Xi-yun; Yang, Guo-guang. Design of a panoramic annular lens with a long focal length // Applied Optics, Vol. 46 Issue 32, pp.7850-7857 (2007).

51. Hocquet, Steve; Lacroix, Geoffrey; Penninckx, Denis. Compensation of frequency modulation to amplitude modulation conversion in frequency conversion systems // Applied Optics, Vol. 48 Issue 13, pp.2515-2521 (2009).

52. Араканцев К.Г. Ослабление влияния вертикального градиента температуры воздушного тракта на погрешность измерения положения объекта // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2006. Т. 49. № 8. С. 38-41.