Оптико-электронная мультиматричная система измерения перемещений элементов многосекционных зеркал радиотелескопов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Тонг Минь Хоа

• Тонг Минь Хоа
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Тонг Минь Хоа

Оглавление

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Аналитический обзор методов и средств измерения положения

элементов крупногабаритных радиотелескопов

1. 1 Методы контроля деформаций крупногабаритных объектов

1.1.1 Радиоголографический метод

1.1.2 Методы лазерного сканирования

1.1.3 Методы измерения на основе соотношений геометрический оптики. Фотограмметрические системы

1.1.4 Выводы из рассмотрения методов измерения

1.2 Системы контроля деформаций поверхности основного зеркала существующих радиотелескопов

1.2.1 Радиотелескоп LMT-100 (Германия)

1.2.2 Радиотелескоп GBT-100 (США)

1.2.3 Радиотелескоп SRT-64 (Италия)

1.2.4 Радиотелескоп РТ-64 (Медвежьи Озёра, Россия)

1.2.5 Космические радиотелескопы

1.3 Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. Принципы построения оптико-электронной мультиматричной системы измерения смещений точек крупногабаритных объектов

2.1 Параметры и характеристики радиотелескопов, разрабатываемых в России

2.1.1 Радиотелескоп РТ-70 «Суффа»

2.1.2 Космический радиотелескоп «Миллиметрон»

2.2 Выбор метода контроля деформаций поверхности главного зеркала

радиотелескопа при работе в миллиметровом диапазоне длин волн

2.2.1 Система контроля на основе метода трилатерации

5

2.2.2 Система контроля на основе метода триангуляции

2.2.3 Система измерения координат контрольной точки на основе триангуляционного метода (вариант системы с «внешней» базой)

2.2.4 Автоколлимационная система измерения взаимного углового рассогласования отражающих щитов ГЗ

2.2.5 Структура ОЭС на основе мультиматричных блоков

2.3 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. Синтез математической модели мультиматричного блока

3.1 Построение математической модели мультиматричного блока для определения смещения контрольных точек на поверхности ГЗ РТ-70

3.1.1 Основные системы координат при измерении положения контрольной точки на поверхности ГЗ РТ-70

3.1.2 Описание математической модели мультиматричного блока для измерения смещения контрольных точек на поверхности ГЗ РТ-70

3.2 Построение математической модели мультиматричного блока для определения положения лепестка ГЗ радиотелескопа «Миллиметрон»

3.2.1 Основные системы координат при построении модели измерения положения лепестка на поверхности ГЗ «Миллиметрон»

3.2.2 Описание математической модели мультиматричного блока для измерения положения лепестка на поверхности ГЗ «Миллиметрон»

3.3 Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. Методики синтеза компьютерной модели мультиматричной системы; исследование влияния составляющих погрешности измерения144

4.1 Оценка составляющих погрешности измерения смещения контрольных точек на поверхности ГЗ РТ-70

4.1.1 Влияние погрешности измерения координат изображения источника излучения в контрольной точке вследствие шумов фотоприёмной матрицы

4.1.2 Влияние отклонения углов у, 0, ^ задающих положение

мультиматричного блока относительно внешней системы координат

6

4.1.3 Исследование погрешности измерения смещения контрольной точки ГЗ вследствие линейных смещений мультиматричного блока относительно номинального положения

4.1.4 Влияние отклонений углового положения элементов измерительной системы относительно глобальной системы координат главного зеркала154

4.1.5 Влияние отклонения углов ах, ау, а2 задающих положение фотоприёмных матриц от номинального положения в системе координат блока

4.1.6 Влияние отклонения фокусного расстояния объектива от номинального значения

4.2 Оценка составляющих погрешности измерения положения лепестка поверхности ГЗ РТ «Миллиметрона»

4.2.1 Влияние погрешности измерения координат изображения источника излучения в контрольной точке вследствие шумов фотоприёмной матрицы

4.2.2 Влияние отклонения углов у, 0, ^ задающих положение мультиматричного блока относительно внешней системы координат

4.2.3 Исследование погрешности измерения линейных и угловых положений лепестка ГЗ вследствие линейных смещений мультиматричного блока относительно номинального положения

4.2.4 Влияние отклонений углового положения элементов измерительной системы относительно глобальной системы координат ГЗ

4.2.5 Влияние отклонения углов ах, ау, а2 задающих положение фотоприёмных матриц от номинального положения в системе координат блока

4.2.6 Влияние отклонения фокусного расстояния объектива от номинального значения

4.3 Выводы по четвертой главе

ГЛАВА 5. Исследование и разработка методик фиксации измерительных баз мультиматричных блоков

5.1 Определение количества контрольных точек по допустимому отклонению

формы параболоида ГЗ

7

5.1.1 Определение количества контрольных точек по допустимому отклонению формы параболоида ГЗ РТ-70

5.1.2 Определение количества контрольных точек по допустимому отклонению формы параболоида ГЗ РТ «Миллиметрона»

5.2 Определение параметров углового и линейного пространственного положения мультиматричных блоков относительно системы координат ГЗ при начальной установке и во время работы РТ

5.2.1 Определение параметров углового и линейного пространственного положения мультиматричных блоков в системе координат ГЗ при начальной установке

5.2.2 Определение параметров углового и линейного пространственного положения мультиматричных блоков в системе координат ГЗ при функционировании РТ

5.2.3 Определение углового положения мультиматричного блока. Фиксация блока с помощью области перекрытия поля зрения двух соседних блоков192

5.3 Сравнение мультиматричной и одноматричной систем определения линейного и углового положения лепестка ГЗ РТ «Миллиметрон»

5.4 Выводы по пятой главе

ГЛАВА 6. Разработка систем контроля формы главного зеркала, экспериментальное исследование макета мультиматричного блока измерительной оптико-электронной системы

6.1 Проектирование оптико-электронной системы контроля ГЗ РТ

6.1.1 Структура оптико-электронной системы контроля поверхности ГЗ РТ-70

6.1.2 Структура оптико-электронной системы контроля поверхности ГЗ РТ «Миллиметрона»

6.1.3 Выбор объектива мультиматричного блока

6.1.4 Выбор элементов приёмной системы. Расчёт облучённости на фотоприёмной матрице

6.1.5 Проект макета мультиматричного блока

8

6.2 Экспериментальное исследование макета мультиматричного блока

6.2.1 Определение пороговой чувствительности длиннофокусной многоматричный видеосистемы

6.2.2 Экспериментальное исследование макета мультиматричного блока при увеличенной дистанции до визирной цели

6.2.3 Экспериментальные исследования макета мультиматричного блока при измерении смещения нескольких визирных целей [118, 122, 123]

6.2.4 Экспериментальная проверка методики определения положения мультиматричного блока при начальной установке и во время работы ОЭС

6.3 Выводы по шестой главе

ГЛАВА 7. Разработка методики калибровки мультиматричных блоков

7.1 Калибровка как способ уменьшения погрешности суммарной погрешности измерения многокамерных измерительных систем

7.2 Методики калибровки измерительных видеосистем

7.3 Разработка нового метода калибровки мультиматричного оптико-электронного блока

7.3.1 Геометрические параметры мультиматричного блока как объект калибровки

7.3.2 Калибровка заднего отрезка для виртуальных камер, составляющих мультиматричный блок

7.3.3 Принцип калибровки углового положения визирных линий виртуальных видеокамер мультиматричного блока

7.3.4 Выбор отражателя для калибровки по предлагаемой методике

7.3.5 Теоретический анализ соотношений между параметрами зеркального триэдра []

7.4 Особенности практического использования предлагаемой методики калибровки

7.5 Выводы по седьмой главе

Заключение

9

Список сокращений

Список литературы

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-электронная мультиматричная система измерения перемещений элементов многосекционных зеркал радиотелескопов»

Актуальность темы

В настоящее время прогресс в исследовании Вселенной в значительной мере определяется созданием и вводом в строй новых инструментов наблюдения, использующих излучение субмиллиметрового, миллиметрового и субсантиметрового диапазонов длин волн. Такие радиотелескопы (РТ) построены или создаются во многих странах: LMT-50 (Мексика), SRT-64 (Италия), LMT-100 (Германия), GBT-100 (США), Палда-65 (Китай), FAST-500 (Китай).

В России также в 2008г. принята «Межправительственная космическая программа исследования Земли и космического пространства в мирных целях между Российской Федерацией и Республикой Узбекистан», по которой на плато Суффа (Узбекистан) создаётся наземный РТ миллиметрового диапазона длин волн РТ-70 (Суффа), а в 2014 г. в «Программу космических исследований России» включён проект по созданию РТ субмиллиметрового диапазона «Миллиметрон» космического базирования (дата запуска 2030г.).

Особенностью РТ миллиметрового диапазона является значительная апертура главного зеркала (ГЗ) (до десятков и сотен метров), которая состоит из большого количества (до 1500) отдельных отражающих щитов.

Для обеспечения требуемой точности формы ГЗ РТ миллиметрового диапазона в процессе работы используется автоматическая система адаптации, корректирующая положение отражающих щитов.

В качестве первичных измерительных преобразователей системы адаптации эффективно использование оптико-электронных и лазерных сенсоров, преимуществами которых является бесконтактный режим работы и возможность обеспечения высокой точности измерения координат.

В частности, для измерения координат контрольных точек объектов разработаны и серийно производится ряд высокоточных автоматизированных измерительных приборов, в частности, теодолиты, тахеометры, лазерные сканеры и трекеры. Такие универсальные серийные лазерные сканирующие системы не могут

быть использованы в качестве сенсоров системы адаптации поверхности ГЗ

11

непосредственно в процессе работы РТ по причине неустойчивой работы при изменении климатических условий, а также из-за продолжительного - до десятков минут цикла измерения положения многочисленных контрольных точек ГЗ.

Также для контроля формы поверхности ГЗ могут использоваться измерительные системы на основе цифровых видеосистем. Серийные измерительные видеокамеры используются для измерения формы поверхности ГЗ методом фотограмметрии, однако такие измерения выполняются в период его первоначальной настройки и во время периодических профилактических перерывов в работе РТ. Контроль формы всего ГЗ радиотелескопа требует не менее десятков часов.

Специализированные измерительные видеосистемы включают группу видеокамер, измеряющих координаты ряда точек на поверхности ГЗ, причём каждая видеокамера фиксирует перемещения соответствующей контрольной точки на поверхности ГЗ. Известные практические реализации таких измерительных видеосистем подтвердили их высокую точность и требуемое по работе системы адаптации малое время измерения (не более десятков секунд).

Тем не менее, рассмотренные специализированные видеосистемы и измерительные схемы на их основе не могут непосредственно использоваться для измерения отклонения формы всего ГЗ, поскольку выполняют измерения малого количества контрольных точек (от 4 до 40), что не позволяет контролировать форму всего ГЗ. Реализация сотен одноканальных измерительных видеосистем, каждая из которых измеряет положение одной контрольной точки крупногабаритного ГЗ невозможна по габаритно-весовому и точностному критерию.

Указанные обстоятельства определяют актуальность тематики диссертационного исследования, основным содержанием которого является исследование быстродействующего комплекса измерения смещений элементов ГЗ для системы адаптации его поверхности на основе мультиматричных измерительных систем, отличительной особенностью которых является объединение нескольких фотоприёмных матриц, контролирующих группу контрольных точек в одном блоке с единой измерительной базой, обеспечивающее уменьшение погрешности измерения и увеличение точности фиксации их взаимного пространственного положения.

12

Степень научной проработанности проблемы

Существенный вклад в развитие радиоголографических и фотограмметрических методов и средств контроля формы поверхности радиотелескопов внесли зарубежные исследователи: Ukita N. (NBY-45), Godvin M.P. (GMT-100)., Baars J.W. (Radioholography)., Koch D. (SRT-64), Grue G. (STR-64), Parcer D.H. (GBT-100), Broun D.V. (Radioholography), а также отечественные учёные: Академик Кардашев Н.С. и его школа, Финкельштейн А.М., Ипатов А.В. и другие. Исследованные ими методы реализуют требуемую точность измерения формы ГЗ, однако их применение требует долговременной приостановки работы РТ.

Стереоскопические системы и измерительные видеосистемы для измерения смещений точек и контроля формы ГЗ РТ рассматривались в работах Wang Zhen-zhou, Abolhasannejad N., Бузяна А.Т., Нечаева А.И., Баева А.П., Михеева С.В., Жидкова А.А. Все рассмотренные измерительные системы одноматричные, поэтому при их объединении в группы возможно измерение не более нескольких десятков контрольных точек, что недостаточно для обеспечения работы системы адаптации поверхности ГЗ.

Известны реализованные проекты многоматричных систем, в частности, в фокальной плоскости объектива космических телескопов Hubble, TESS, JWST расположены сборки из десятков матричных фотоприёмников. Также в работе Усика А.А. рассмотрена трёхматричная система контроля положения контррефлектора РТ, в которой составляющие матрицы также расположены в одной плоскости анализа. Точностные характеристики таких измерительных систем с плоским матричным полем описываются относительно несложными соотношениями. Однако для контроля ГЗ РТ требуется реализация пространства анализа измерительной системы в виде дискретно расположенных под различными углами визирования и на различных задних отрезках фотоприёмных матриц, построенного на основе пространственных преобразований измерительной информации.

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения, методов расчёта параметров и характеристик, а также теоретическое и экспериментальное исследование оптико-электронной мультиматричной системы с

13

единой измерительной базой, позволяющей повысить точность измерения параметров пространственного положения элементов многосекционных зеркал РТ при уменьшении общего времени измерения до величины, достаточной для обеспечения автоматической системы адаптации поверхности ГЗ.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

- выполнить аналитический обзор и классификацию методов измерения, а также основанных на них оптико-электронных и лазерных средств контроля перемещений элементов многосекционных зеркал РТ, рассмотреть их схемы и параметры, определить направления дальнейших исследований;

- предложить принцип построения и структуру оптико-электронной системы (ОЭС) измерения отклонения элементов составного ГЗ радиотелескопа от номинального положения с увеличенной точностью и малым временем измерения, соответствующим условию использования в контуре генерации команд управления системы адаптации поверхности главного зеркала;

- выполнить теоретический анализ соотношений параметров измерительного тракта предложенной мультиматричной ОЭС, разработать алгоритмы измерения перемещений элементов главного зеркала;

- разработать комплекс компьютерных моделей для исследования характеристик мультиматричной ОЭС, проанализировать и оценить влияние составляющих суммарной погрешности измерения, предложить пути их уменьшения;

- разработать схемные и алгоритмические методы уменьшения силь-новлияющих составляющих суммарной погрешности измерения;

- разработать специальные методы калибровки мультиматричного блока;

- по результатам теоретического анализа и экспериментов на компьютерных моделях спроектировать и реализовать макет прототипа мультиматричного блока мультиматричной ОЭС измерения смещений отражающих элементов составного ГЗ радиотелескопа;

- выполнить экспериментальные исследования макета ОЭС с целью проверки достоверности разработанных схемных решений, теоретических

14

соотношений и методик расчёта параметров мультиматричной ОЭС.

Объектом исследования является мультиматричная оптико-электронная система измерения смещения контрольных точек на поверхности ГЗ РТ, которая по критериям малости погрешности измерении, быстродействия и габаритов соответствуют требованиям к первичному измерительному преобразователю автоматической системы адаптации ГЗ РТ миллиметрового диапазона.

Предметом исследования являются соотношения между параметрами звеньев измерительной цепи оптико-электронной мультиматричной измерительной системы, обеспечивающие её соответствие точностному и габаритному критериям, а также особенности выполняемых ими преобразований измерительной информации.

Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах:

1. Предложен подход к построению оптико-электронных средств с увеличенной точностью измерения смещений элементов, составляющих крупногабаритный объект научного назначения, промышленности или энергетики, заключающийся в организации структуры приёмного канала в виде группы матричных фотоприёмников, линейное и угловое расположение которых фиксировано относительно единого объектива, определяющего их общую измерительную базу, при этом каждый матричный фотоприёмник измеряет смещение сопряжённого с ним элемента объекта.

2. Разработаны принципы построения двухпроходной компьютерной модели ОЭС с мультиматричной структурой, в соответствии с которыми для определения влияния отклонения параметра элемента разветвлённой измерительной цепи от номинального значения на величину суммарной погрешности, модель представляет собой композицию из имитационной части, соответствующей вычислению параметров изображения по известному смещению контролируемого элемента при наличии генератора случайных величин, имитирующего отклонение параметра, и детерминированной части, выполняющей обратный расчёт с последующим сравнением исходной величины смещения и значения, содержащего ошибку измерения

вследствие влияния исследуемой погрешности.

15

3. Предложен метод уменьшения составляющей погрешности измерения вследствие изменения пространственного положения ОЭС с мультиматричной структурой относительно внешних баз посредством определения текущих величин углового и линейного смещений ОЭС в результате решения системы уравнений, описывающих пространственное положение вертикальных трёхгранных углов, рёбра которых образованы линиями визирования контрольных точек, проходящих через главную точку объектива и сопряжённый с контрольной точкой матричный фотоприёмник.

4. Разработан метод увеличения точности калибровки углового пространственного положения линий визирования ОЭС с мультиматричной структурой посредством использования оригинального шаблона в виде стабильной композиции трёх отражающих зеркал, образующих триэдр, который формирует отражённые пучки, имитирующие трёхгранный угол, образуемый калибруемыми линиями визирования.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Разработана методика расчёта параметров основных функциональных элементов измерительной ОЭС с мультиматричной структурой, основанная на найденных соотношениях между элементами измерительной цепи для двух актуальных схем крепления элементов, составляющих крупногабаритные зеркала наземных и космических РТ: зависимой поквадрантной (актуаторной) установки и независимой (гексаподной) подвески.

2. Создана обобщённая компьютерная модель ОЭС с мультиматричной структурой, позволяющая оценить суммарную погрешность системы при влиянии различных факторов.

3. Установлено, что, наряду с шумами фотоприёмных матриц, наиболее силь-новлияющими составляющими суммарной погрешности измерения ОЭС с мульти-матричной структурой являются погрешности вследствие неточного выставления приёмного канала относительно базовых элементов ГЗ радиотелескопа на этапе начальной настройки системы, а также вследствие смещений приёмного канала

вследствие температурных или весовых деформаций во время работы РТ.

16

4. Разработаны и проверены экспериментами на компьютерных моделях способы уменьшения погрешности измерений мультиматричной оптико-электронной системы вследствие смещений измерительного канала относительно номинального положения, а именно, по базовым мишеням, расположенных на стабильных элементах РТ и по точечным источникам излучения на контролируемых элементах, находящихся в области перекрытия угловых полей соседних измерительных каналов.

5. Сформирована общая структура ОЭС контроля главного зеркала радиотелескопа миллиметрового диапазона длин волн, предложен вариант структурной комбинированной схемы мультиматричного блока и определена номенклатура комплектующих для реализации составляющих её функциональных элементов. Определена оценка времени определения формы контролируемого главного зеркала с помощью предлагаемой ОЭС.

6. Спроектирована и реализована физическая модель прототипа мультимат-ричного блока для измерения смещений элементов ГЗ радиотелескопа, экспериментальные исследования которого подтвердили возможность практической реализации требуемых метрологических параметров.

7. Экспериментально подтверждена правильность методики повышения точности определения параметров пространственной ориентации ОЭС с мультимат-ричной структурой посредством сравнения результатов его позиционирования в случае использования одиночной матрицы и группы из трёх матричных фотоприёмников.

8. Получены соотношения между углами, определяющими положение ортов пучков, отражённых от шаблона в виде зеркального триэдра и задающих номинальное положение линий визирования, с отклонениями двугранных углов между зеркалами триэдра, что позволяет выполнять настройку шаблона для калибровки очередной группы из 3-х фотоприёмных матриц.

Методология и методы исследования

Для теоретического анализа применяются соотношения геометрической оптики, элементы проективной геометрии, математические методы описания

17

оптических систем с помощью элементов векторной алгебры и матричного анализа, а также разработанные на их основе методики исследования соотношений между параметрами исследуемой ОЭС. В экспериментальной части используются имитационные компьютерные модели измерительного тракта ОЭС, а также макеты отдельных функциональных элементов и полного прототипа мультиматричной ОЭС, реализующие алгоритмы измерения и функционирования.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Использование оптико-электронной измерительной системы, структура приёмного канала которой включает группу матричных фотоприёмников, угловое и линейное положение которых определено относительно единого объектива, как общей измерительной базы, позволяет более чем в 10 раз уменьшить погрешность измерения отклонения формы параболической поверхности главного зеркала радиотелескопа от номинальной по сравнению с известными реализациями измерительных видеосистем, состоящих из раздельных измерительных каналов с одиночными матричными фотоприёмниками, за счёт увеличения количества контролируемых элементов и повышения стабильности линий их визирования при соответствии требованиям по быстродействию для использования в системе адаптации поверхности главного зеркала.

2. Разработанная двухпроходная компьютерная модель с неоднородной структурой, состоящая двух частей: имитационной, включающей генератор случайной величины, моделирующий отклонение исследуемого параметра от номинального значения при вычислении смещения изображения в плоскости анализа измерительной системы по известному смещению сопряжённой контрольной точки и детерминированной, в которой выполняется обратный расчёт измеренного смещения контрольной точки главного зеркала, позволяет оценить погрешность измерения вследствие отклонения параметра любого элемента разветвлённой измерительной цепи мультиматричной системы от номинальной величины.

3. Предложенная методика определения параметров пространственной ориентации мультиматричного измерительного канала относительно системы координат главного зеркала по известным номинальным положениям контрольных точек

18

и измеренным координатам их изображений на матричных фотоприёмниках на основе решения системы уравнений описывающих пространственное положение вертикальных трёхгранных углов, рёбра которых образованы линиями визирования контрольных точек, проходящих через главную точку объектива, обеспечивает уменьшение погрешности измерения вследствие отклонения единой базы измерительного канала более чем в 10 раз по сравнению со способом определения положения по технологической разметке.

4. Разработанный метод калибровки углового пространственного положения визирных линий «фотоприёмная матрица - главная точка объектива - контрольная точка», основанный на оригинальном шаблоне, воспроизводящем номинальное угловое положение трёх линий визирования посредством имитации трёхгранного угла, образованного осями трёх параллельных пучков, отражённых от зеркального триэдра, двугранные углы между отражающими зеркалами которого имеют определённые отклонения от 90°, обеспечивает уменьшение погрешности углового положения калибруемых визирных линий не менее чем в 20 раз по сравнению с известной калибровкой методом «активного зрения» за счёт замены эталонной поворотной подвижки стабильной стационарной композицией трёх зеркал.

Достоверность научных положений и полученных выводов обеспечена корректностью методик и процедур, использованных при теоретических и практических исследованиях, обсуждением основных результатов на российских и международных конференциях, сходимостью результатов теоретического анализа, компьютерного моделирования с результатами экспериментальных исследований на разработанном макете прототипа мультиматричной ОЭС.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы, а именно, методики определения параметров пространственной ориентации муль-тиматричного измерительного канала с единым объективом относительно внешних баз использовались при проектировании, а также планировании этапов и режимов испытаний экспериментальных образцов по договору №220048 «Изготовление и поставка прогибомера оптико-электронного докового ПОЭД02460

СНАБ.201161.002», Университет ИТМО. Результаты работы также были

19

внедрены в учебный процесс инженерно-исследовательского факультета Университета ИТМО в курсе лекций и лабораторных работ дисциплины «Основы проектирования оптико-электронных приборов».

Апробация результатов работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на международных и российских конференциях: «ISPEMI -2018, 2020» (Китай, 2018 и 2020 гг.), «Symposium on Precision Opto-Mechatronics Technology - 2018» (Китай, 2018 г.), «SPIE Optical Metrology - 2019» (Германия, 2019 г.), «Прикладная оптика - 2018, 2020» (Россия, 2018 и 2020 гг.), «XLIX, L научная и учебно-методическая конференция ИТМО» (Россия, 2020 и 2021 гг.), «VIII, Х Конгресс молодых учёных» (Россия, 2019 и 2021 гг.).

Личный вклад автора. Постановка цели и задач диссертационной работы проведены совместно с научным руководителем. Все результаты, приведённые в диссертации, составляющие её научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором или при его непосредственном участии. Статьи подготовлены автором совместно с научным руководителем и соавторами, содержание статей, определяющее основу защищаемых положений, составлено лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, 5 приложений, библиографического списка из 152 наименования. Общий объем работы составляет 272 страницы, включая 181 рисунок, 5 таблиц.

Публикации. Основные результаты работы представлены в 13 публикациях. В том числе 1 работа опубликована в изданиях, входящих в перечень ВАК, 8 - в изданиях, входящих в системы цитирования Scopus/Web of Science, 4 - в сборниках трудов конференций.

Краткое содержание работы

Во введении показана актуальность работы, сформулированы её цель и задачи, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведён анализ различных методов и средств контроля положения поверхности ГЗ радиотелескопов, выявлены недостатки рассмотренных

систем. В результате анализа показано, что для исследования и разработки системы

20

контроля адаптивной поверхности зеркала РТ возможно применение специальных систем, основанных на использовании метода лазерного сканирования и специальных измерительных систем на основе фотограмметрии. Уточнены направления дальнейших исследований.

Во второй главе рассмотрены системы метрологического обеспечения ГЗ радиотелескопов РТ-70 и «Миллиметрон».

Исследованы варианты систем для контроля формы ГЗ: использующие метод трилатерации, стереоскопический метод, видеосистемы с внешней базой. Из результатов исследований (Рисунок 1) следует, что относительная погрешность измерения смещения стереоскопической системой не превышает 1.. .2%.

О 2X103 4X103 6X103 8X103 IX Ю4 В, мм

Рисунок 1 - Относительная погрешность измерения ОЭС от величины базы: о1 по методу трилатерации, о2 по стереоскопическому методу Такая величина погрешности измерения допустима, однако принципиальным недостатком ОЭС стереоскопических систем контроля ГЗ радиотелескопа в случае сотен контрольных точек являются значительные габариты и накопленная погрешность вследствие рассогласования измерительных баз видеокамер, входящих в их состав.

Установлено, что имеющиеся измерительные видеосистемы не удовлетворяют габаритным и точностным требованиям, предъявляемым к системам измерения формы ГЗ РТ миллиметрового диапазона.

Объектив

Рисунок 2 - Структура мультиматричной измерительной системы В работе предложена новая структура ОЭС контроля ГЗ на основе нескольких мультиматричных измерительных блоков, каждый из которых включает группу фотоприёмных матриц (до 30-40) с единым объективом, являющимся их общей базой (рисунок 2). при этом каждая матрица измеряет перемещение излучающего диода, установленного в контрольной точке ГЗ. В результате обработки результатов измерений определяется отклонение формы ГЗ от номинальной.

В третьей главе рассмотрены теоретические зависимости, определяющие основные соотношения, связывающие измеряемые величины на поверхности главного зеркала РТ с непосредственно определяемыми перемещениями изображений в пространстве анализа мультиматричного блока, выраженные через параметры элементов виртуальных камер, составляющих мультиматричный блок.

Для определения смещения контрольной точки на поверхности ГЗ РТ-70 используется двухпроходный алгоритм, основанный на решении «прямой» и «обратной» измерительных задач.

Пусть мультиматричный блок направлен на фиксированную точку Р *, которая лежит на оптической оси единого объектива ОХн. При этом визирная линия одной из виртуальных камер, содержащая фотоприёмную матрицу мультиматрич-ного блока направлена на излучающий диод, расположенный в контрольной точке Р0. При отсутствии её смещения относительно номинального положения, без смещения, её изображение на фотоприёмной матрице является точка р0. После

22

смещения по нормали к поверхности ГЗ, точка Р0 сместилась в положение Р (рисунок 3).

н

2Н1

V 'V : н \ р V \ —-т ¡\ 1 _________________________^ ХН1 •Д Ц

F' и

0н F Хн

Рисунок 3 - Смещения исследуемой точки по направлению нормали ГЗ РТ-70 Координаты контрольной точки в системе координат мультиматричного блока ХнУн2н определяется таким образом:

Рн = Мш ■ ры (1)

где Ыт - матрица перехода характеризуется переход из системы координат контрольной точки в систему координат мультиматричного блока, Рм есть координаты контрольной точки в связанной с ней системой координат. При отсутствии смещения Р0м =[0 0 0].

При известном положении фотоприёмной матрицы мультиматричного блока, определена матрица Ынн1, которая характеризует переход из системы координат мультиматричного блока ХНУН2Н в систему координат виртуальной камеры ХН1УН12Н1. Тогда координаты контрольной точки в системе координат виртуальной камеры определяются выражением:

РН1 =ЫНН1 ■ РН (2)

Тогда координаты изображения контрольной точки на фотоприёмной матрице определяются как:

Рс =ЫР ■ РН1 (3)

где ЫР - матрица перспективного преобразования положения и размеров

предмета в изображение в системе координат виртуальной камеры Хн1Ун1^н1.

В обратной задаче - наоборот, по известным координатам изображения на фотоприёмной матрице и уравнениям (1).. .(3) вычисляются «измеренные» координаты излучающего диода, установленного в контрольной точке в проекции на плоскость Q:

Рн1 = МР ■ !с (4)

где Мр - есть матрица, характеризующая пропорциональное преобразование отрезков изображения и предмета в системе координат виртуальной камеры

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тонг Минь Хоа, 2022 год

Литература

1. Gaythwaite J.W. Design of marine facilities for the berthing, mooring, and repair of vessels. American Society of Civil Engineers, 2004. 531 p.

2. Ганьшин В.Н., Стороженко А.Ф., Ильин А.Г. и др. Измерение вертикальных смещений сооружений и анализ устойчивости реперов. М.: Недра, 1981. 215 с.

3. Смирнов А.Г. Анализ причин аварий плавучих доков // Судостроение. 2001. № 3. С. 45-47.

4. Антоненко С.В., Линник Е.В., Голобокова Н.Ю., Рыбалкин Ю.Г. Обеспечение эксплуатационной надёжности плавучих доков // Морские интеллектуальные технологии. 2013. № S2. С. 4-8.

5. Froggatt M., Moore J. High-spatial-resolution distributed strain measurement in optical fiber with Rayleigh scatter // Applied Optics. 1998. V. 37. N 10. P. 1735-1740. doi: 10.1364/A0.37.001735

6. Korotaev V.V., Pantiushin A.V., Serikova M.G., Anisimov A.G. Deflection measuring system for floating dry docks // Ocean Engineering. 2016. V. 117. P. 39-44. doi: 10.1016/j.oceaneng.2016.03.012

7. Zou L., Bao X., Yang S., Chen L., Ravet F. Effect of Brillouin slow light on distributed Brillouin fiber sensors // Optics letters. 2006. V. 31. N 18. P. 2698-2700. doi: 10.1364/0L.31.002698

8. Lynch J.P., Wang Y., Loh K.J., Yi J.-H., Yun C.-B. Performance monitoring of the Geumdang Bridge using a dense network of high-resolution wireless sensors // Smart Materials and Structures. 2006. V. 15. N 6. P. 1561-1575. doi: 10.1088/0964-1726/15/6/008

9. Yang G., Liang H., Wu C. Deflection and inclination measuring system for floating dock based on wireless networks // Ocean engineering. 2013. V. 69. P. 1-8. doi: 10.1016/j.oceaneng.2013.05.014

10. Stiros S.C., Psimoulis P.A. Response of a historical short-span railway bridge to passing trains: 3-D deflections and dominant frequencies derived from Robotic Total Station (RTS) measurements // Engineering Structures. 2012. V. 45. P. 362-371. doi: 10.1016/j.engstruct.2012.06.029

11. Carbonari S., Gara F., Roia D., Leoni G., Dezi L. Tests on two 18-years-old prestressed thin walled roof elements // Engineering Structures. 2013. V. 49. P. 936-946. doi: 10.1016/j.engstruct.2012.12.037

12. Newman T.S., Jain A.K. A survey of automated visual inspection // Computer vision and image understanding. 1995. V. 61. N 2. P. 231-262. doi: 10.1006/cviu.1995.1017

13. Коротаев В.В., Тимофеев А.Н., Иванов А.Г. Проблемы разработки оптико-электронных систем для контроля деформаций крупногабаритных объектов // Оптический журнал. 2000. Т. 67. № 4. С. 43-46.

14. Горбачев А.А., Коняхин И.А., Мусяков В.Л., Тимофеев А.Н. Исследование особенностей построения инвариантных опти-

References

1. Gaythwaite J.W. Design of marine facilities for the berthing, mooring, and repair of vessels. American Society of Civil Engineers, 2004, 531 p.

2. Ganshin V.N., Storozhenko A.F., Ilyin A.G. et al. Measurement of vertical displacements of structures and stability analysis of benchmarks. Moscow, Nedra, 1981, 215 p. (in Russian)

3. Smirnov A.G. Analysis of causes of floating docks accidents. Sudostroenie, 2001, no. 3, pp. 45-47. (in Russian)

4. Antonenko S.V., Linnik E.V., Golobokova N.Yu. Maintenance of operational reliability of floating docks. Marine intellectual technologies, 2013, no. S2, pp. 4-8. (in Russian)

5. Froggatt M., Moore J. High-spatial-resolution distributed strain measurement in optical fiber with Rayleigh scatter. Applied Optics, 1998, vol. 37, no. 10, pp. 1735-1740. doi: 10.1364/A0.37.001735

6. Korotaev V.V., Pantiushin A.V., Serikova M.G., Anisimov A.G. Deflection measuring system for floating dry docks. Ocean Engineering, 2016, vol. 117, pp. 39-44. doi: 10.1016/j.oceaneng.2016.03.012

7. Zou L., Bao X., Yang S., Chen L., Ravet F. Effect of Brillouin slow light on distributed Brillouin fiber sensors. Optics letters, 2006, vol. 31, no. 18, pp. 2698-2700. doi: 10.1364/0L.31.002698

8. Lynch J.P., Wang Y., Loh K.J., Yi J.-H., Yun C.-B. Performance monitoring ofthe Geumdang Bridge using a dense network of high-resolution wireless sensors. Smart Materials and Structures, 2006, vol. 15, no. 6, pp. 1561-1575. doi: 10.1088/0964-1726/15/6/008

9. Yang G., Liang H., Wu C. Deflection and inclination measuring system for floating dock based on wireless networks. Ocean engineering, 2013, vol. 69, pp. 1-8. doi: 10.1016/j.oceaneng.2013.05.014

10. Stiros S.C., Psimoulis P.A. Response of a historical short-span railway bridge to passing trains: 3-D deflections and dominant frequencies derived from Robotic Total Station (RTS) measurements. Engineering Structures, 2012, vol. 45, pp. 362-371. doi: 10.1016/j.engstruct.2012.06.029

11. Carbonari S., Gara F., Roia D., Leoni G., Dezi L. Tests on two 18-years-old prestressed thin walled roof elements. Engineering Structures, 2013, vol. 49, pp. 936-946. doi: 10.1016/j.engstruct.2012.12.037

12. Newman T.S., Jain A.K. A survey of automated visual inspection. Computer vision and image understanding, 1995, vol. 61, no. 2, pp. 231-262. doi: 10.1006/cviu.1995.1017

13. Korotaev V.V., Timofeev A.N., Ivanov A.G. Problems in the development of optoelectronic systems for monitoring displacements of large-sized objects. Journal of Optical Technology, 2000, vol. 67, no. 4, pp. 336-339. doi: 10.1364/J0T.67.000336

14. Gorbachev A.A., Konyakhin I.A., Musyakov V.L., Timofeev A.N. Study of the structural features of invariant optoelectronic systems with a unified matrix analysis field. Journal

ко-электронных систем с единым матричным полем анализа // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 12. С. 24-29.

15. Rules for Classification and Construction. Floating Docks. Germanischer Lloyd Aktiengesellschaft, 1993.

16. Rules for Classification of Floating Docks. China Classification Society, 2009.

17. Rules for Building and Classing. Steel Floating Dry Docks. American Bureau of Shipping, 2009.

18. Rules for Technical Supervision during Construction of Ships and Manufacture of Materials and Products for Ships, Part V Technical Supervision During Construction of Ships. Russian Maritime Register of Shipping, 2014.

19. Gorbachev A.A., Hoang A.P. Invariant electro-optical system for deflection measurement of floating docks // Proceedings of SPIE. 2017. V. 10329. P. 103294F. doi: 10.1117/12.2270653

20. Gorbachev A.A., Pantyushin A.V., Serikova M.G., Korotaev V.V., Timofeev A.N. System for deflection measurements of floating dry docks // Proceedings of SPIE. V. 9525. P. 95254C. doi: 10.1117/12.2184925

21. Справочник конструктора оптико-механических приборов / Под общ. ред. В.А. Панова. Л.: Машиностроение, 1980. 742 с.

22. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. 237 с.

23. Горбачёв А.А. Инвариантность в оптических схемах оптико-электронных систем контроля прогиба // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2006. Т. 6. № 7(30). С. 91-96.

24. Хоанг А.Ф., Горбачёв А.А., Михеев С.В., Клещенок М.А. Анализ влияния поворота базового блока прогибомера на определение координат изображений контрольных элементов // Изв. вузов. Приборостроение. 2018. Т. 61. № 9. С. 805-813. doi: 10.17586/0021-3454-2018-61-9-805-813

25. Hoang A.P., Gorbachev A.A., Konyakhin I.A. Image displacement analysis for electro-optical system for deflection measurement of floating docks // Proceedings of SPIE. 2019. V. 11053. P. 110534A. doi: 10.1117/12.2512563

26. Kovacs E. Rotation about an arbitrary axis and reflection through an arbitrary plane // Annales Mathematicae et Informaticae. 2012. N 40. P. 175-186.

27. Грейм И.А. Зеркально-призменные системы. М.: Машиностроение, 1981. 125 с.

28. Хоанг В.Ф., Коняхин И.А. Анализ погрешности измерения параметров поворота объекта методом автоколлимации с помощью компьютерных моделей на основе кватернионов // Изв. вузов. Приборостроение. 2017. Т. 60. № 12. С. 11571160. doi: 10.17586/0021-3454-2017-60-12-1157-1160

of Optical Technology, 2007, vol. 74, no. 12, pp. 810-814. doi: 10.1364/JOT.74.000810

15. Rules for Classification and Construction. Floating Docks. Germanischer Lloyd Aktiengesellschaft, 1993.

16. Rules for Classification of Floating Docks, China Classification Society, 2009.

17. Rules for Building and Classing. Steel Floating Dry Docks. American Bureau of Shipping, 2009.

18. Rules for Technical Supervision during Construction of Ships and Manufacture of Materials and Products for Ships, Part V Technical Supervision During Construction of Ships. Russian Maritime Register of Shipping, 2014.

19. Gorbachev A.A., Hoang A.P. Invariant electro-optical system for deflection measurement of floating docks. Proceedings of SPIE, 2017, vol. 10329, pp. 103294F. doi: 10.1117/12.2270653

20. Gorbachev A.A., Pantyushin A.V., Serikova M.G., Korotaev V.V., Timofeev A.N. System for deflection measurements of floating dry docks. Proceedings of SPIE, vol. 9525, pp. 95254C. doi: 10.1117/12.2184925

21. Handbook of the designer of optical-mechanical devices. Ed. by V.A. Panov. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1980, 742 p. (in Russian)

22. Pogarev G.V. Alignment of optical instruments. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1982, 237 p. (in Russian)

23. Gorbachev A.A. Invariance in optical schemes of optoelectronic deflection control systems. Scientific and Technical Bulletin of St. Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2006, vol. 6, no. 7(30), pp. 91-96. (in Russian)

24. Hoang A.P., Gorbachev A.A., Mikheev S.V., Kleshchenok M.A. Analysis of the effect of deflectometer base unit rotation on determination of image coordinates of reference elements. Journal of Instrument Engineering, 2018, vol. 61, no. 9, pp. 805-813. (in Russian). doi: 10.17586/0021-3454-2018-61-9-805-813

25. Hoang A.P., Gorbachev A.A., Konyakhin I.A. Image displacement analysis for electro-optical system for deflection measurement of floating docks. Proceedings of SPIE, 2019, vol. 11053, pp. 110534A. doi: 10.1117/12.2512563

26. Kovacs E. Rotation about an arbitrary axis and reflection through an arbitrary plane. Annales Mathematicae et Informaticae, 2012, no. 40, pp. 175-186.

27. Greym I.A. Mirror-prism systems. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981, 125 p. (in Russian)

28. Hoang V.P., Konyakhin I.A. Error analysis of object rotation parameters measurement with autocollimation method using computer models on the base of quaternions. Journal of Instrument Engineering, 2017, vol. 60, no. 12, pp. 1157-1160. (in Russian). doi: 10.17586/0021-3454-2017-60-12-1157-1160

Авторы

Хоанг Ань Фыонг — аспирант, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID: 57195609605, ORCID ID: 0000-0002-7435-2557, [e-mail]

Горбачёв Алексей Александрович — кандидат технических

наук, ассистент, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101,

Российская Федерация, Scopus ID: 26325293200, ORCID ID:

0000-0002-4905-0688, [e-mail]

Коняхин Игорь Алексеевич — доктор технических наук,

профессор, профессор, Университет ИТМО, Санкт-Петербург,

197101, Российская Федерация, Scopus ID: 6507383012, ORCID

ID: 0000-0002-8935-5662, [e-mail]

Тонг Минь Хоа — аспирант, Университет ИТМО, Санкт-

Петербург, 197101, Российская Федерация, Scopus ID:

57207759981, ORCID ID: 0000-0002-5139-7912, [e-mail]

Authors

Hoang Anh Phuong — postgraduate, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 57195609605, ORCID ID: 0000-0002-7435-2557, [e-mail]

Alexey A. Gorbachev — PhD, Assistant, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 26325293200, ORCID ID: 0000-0002-4905-0688, [e-mail]

Igor A. Konyakhin — D.Sc., Full Professor, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 6507383012, ORCID ID: 0000-0002-8935-5662, [e-mail]

Tong Minh Hoa — postgraduate, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, Scopus ID: 57207759981, ORCID ID: 0000-0002-5139-7912, [e-mail]