автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и разработка многокоординатных оптико-электронных автоколлимационных угломеров

л •

На правах рукописи

Батян Павел Викторович

Исследование и разработка многокоординатных оптико-электронных автоколлимационных угломеров

05.11.07 — Оптические и оптико-электронные приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Институте точной механики и оптики (Техническом университете).

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Коня-хин И.А.

Официальные оппоненты: д. т. н., проф. Демин A.B. к. т. н., доц. Ефимов В.В.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет.

Защита состоится 1 июля 1998 г. в 1520 на заседании диссертационного совета Л 053.26.01 Санкт-Петербургского Института точной механики и оптики (Технического университета) по адресу 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., д. 14, ауд. 285.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Института точной механики и оптики (Технического университета).

диссертационного совета

Ученый секретарь

Автореферат разослан 25 мая 1998 г.

Красавцев В.М.

- 3 -

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Одной из важнейших задач, решаемых измерительной техникой, является измерение угловых величин и, в частности, определение взаимной угловой ориентации разнесенных в пространстве объектов. В наиболее общем случае необходимо измерение трех угловых координат объекта.

При трехкоординатных измерениях ось, совпадающая с линией, соединяющей угломер и контролируемый объект, называется осью скручивания, а две другие — коллимационными осями (углы поворота относительно указанных осей, соответственно, углами скручивания и коллимационными углами).

Угловое положение объекта определяется пространственным поворотом координатной системы жестко связанной с контролируемым объектом (подвижной), относительно другой системы координат, связанной с базовым объектом (неподвижной). Конкретные примеры решения задачи определения угловой пространственной ориентации объектов:

1. Измерение угловых деформаций при контроле состояния и изучении свойств конструкций или материалов. В первую очередь речь идет о мониторинговых наблюдениях за состоянием крупногабаритных объектов энергетики и промышленности (фундаменты АЭС, плотины ГЭС, несущие конструкции нефтяных емкостей), от устойчивой и безаварийной работы которых зависит экологическое благополучие на огромных пространствах.

2. Измерение угловых деформаций основания, на котором установлен ряд измерительных приборов, с целью введения поправок в

измеряемые величины.

3. Измерение поворотов контролируемого объекта относительно трех ортогональных осей для последующего выставления объекта в необходимое угловое положение.

4. Определение угловой пространственной ориентации при сборке, юстировке и последующей эксплуатации высокоточного оборудования: авиационных и корабельных стапелей, координатных стендов, наземных радиотелескопов, ускорителей заряженных частиц.

Для реализации столь многообразных потребностей необходимо наличие углоизмерительных приборов как с большими диапазоном измеряемых величин и дистанцией работы при средних требованиях к точности измерения, гак и высокоточных угломеров со средним диапазоном контролируемых углов. Указанные задачи могут быть решены трехкоординатными оптико-электронными угломерами.

Для большинства из перечисленных задач предпочтительно проводить измерения по автоколлимационной схеме, когда на контролируемом объекте устанавливается только контрольный элемент (КЭ), а. яа базовом объекте устанавливается приемно-излучающее устройство (автоколлиматор). Такая схема построения углоизмерительных приборов является одной из наиболее распространенных, что объясняется высокой точностью и универсальностью метода, а также простотой технической реализации.

Важным преимуществом автоколлимационных угломеров (АКУ) является тот факт, что они обеспечивают бесконтактное измерение координат объекта, что делает их незаменимыми в случае, когда установка на контролируемом объекте излучателей и приемников, а также

обеспечение электрических связей с ним нежелательно или невозможно.

Основными тенденциями развития апгоколлимационных угломеров являются создание многофункциональных устройств с повышенными точностными характеристиками, расширение диапазона проводимых измерений и снижение трудоемкости контрольно-юстировоч-ных операций при подготовке прибора к работе. Таким образом, возникает необходимость разработки принципов действия и методов расчета трехкоординатных высокоточных АКУ, позволяющих одновременно и независимо проводить измерения углов коллимации ©х, ©2 и угла скручивания Оз. Приведенная приборная погрешность должна быть не более Ю-4, при широком (до 5.. .10") диапазоне измеряемых углов.

На современном уровне развития оптического и оптико-электронного приборостроения достижение таких точностных показателей возможно при использовании в АКУ специальных КЭ, а также при применении в качестве приемников оптического излучения многоэлементных позиционно-чувствительных матричных фотоприемников на основе ПЗС. Наряду с высококачественной элементной базой при обработке изображений в плоскости анализа прибора должны применяться высокоэффективные алгоритмы обработки информации, обеспечивающие необходимую точность вычислений.

В настоящее время практически отсутствуют многокоординатные АКУ с указанными метрологическими свойствами.

Цель и задачи работы

Целью работы является разработка принципов построения и методов расчета параметров и характеристик трехкоординатных оптико-

-б -

электронных автоколлимационных углоизмерительных устройств геометрического типа с повышенной точностью измерения и расширенными метрологическими возможностями.

Поставленная цель достигается следующими путями:

1. Сравнительным анализом отражающих систем разных типов: плоского и двугранного зеркала, триэдрических и тетраэдриче-ских ретрорефлекторных КЭ с различным количеством внесенных отклонений от прямых двугранных углов между гранями, триэдрических и тетраэдрических КЭ с неплоскими гранями.

2. Систематизацией КЭ на базе триэдров по их метрологическим и функциональным параметрам и возможностям. Выделение классов ретрорефлекторных КЭ, применимых для трехкоордин&тных измерений при независимости определения углов коллимации и угла скручивания.

3. Исследованием поведения ортов отраженных пучков для КЭ с коническими гранями в исходным положении (без угловых поворотов КЭ) и при различной пространственной ориентации криволинейной грани КЭ.

4. Анализом поведения отраженных пучков при наличии угловых поворотов КЭ с конической отражающей гранью, определением и оптимизацией их матриц действия.

5. Расчетом распределения облученности в изображении, формируемом в плоскости анализа АКУ на базе КЭ с конической отражающей гранью.

6. Анализом возможных алгоритмов обработки изображений, формируемых КЭ с конической гранью в плоскости анализа автоколлимационного угломера геометрического типа.

7. Анализом метрологических характеристик автоколлимационных угломеров геометрического типа, использующих тетраэдриче-ские КЭ с коническими отражающими поверхностями.

8. Проектированием, разработкой и машинной реализацией имитационной математической модели работы аптоколлимационных угломеров геометрического типа с правильными и неправильными триэдрическими КЭ, а также с цилиндрическими и коническими гранями разной пространственной ориентации.

9. Экспериментальными исследованиями КЭ с конической гранью на базе созданного макета автоколлимационного угломера.

Новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.

1, Расширение метрологических возможностей трехкоординатных АКУ, а именно, увеличение диапазона измеряемых углов при уменьшении погрешности измерения, что достигается использованием в качестве КЭ отражательной системы в виде полого зеркального триэдра или стеклянного тетраэдра, одна из граней которого является конической.

2. При использовании КЭ с конической гранью, образующая которой лежит в плоскости одной из граней тетраэдра и образует равные углы с двумя ребрами тетраэдра, ограничивающими эту грань, может быть построен АКУ на основе многоэлементного матричного фотоприемника, реализующий измерение всех трех угловых координат контролируемого объекта и не накладывающий свойственных другим классам КЭ геометрического типа ограничений на расстояния между объективом угломера и КЭ.

3. Методика расчета параметров трехкоординатного АКУ с расширенным диапазоном измеряемых углов поворота и увеличенной точностью измерений.

4. Алгоритмы обработки формируемых в фокальной плоскости АКУ изображений, пригодные для реализации на микроЭВМ, сопрягаемой с угломером.

Практические результаты.

Автором разработаны

1. Методика расчета составляющих ортов отраженных пучков, координат изображений и распределения облученности в плоскости анализа АКУ при использовании триэдрических и тетра-эдрических КЭ с одной конической поверхностью и фиксированными отклонениями от прямого двугранного угла между отражающими поверхностями, обеспечивающих одновременное высокоточное измерение трех угловых пространственных координат контролируемого объекта.

2. Алгоритмы обработки изображений, формируемых описанным КЭ с конической гранью в плоскости анализа автоколлимационного угломера геометрического типа.

3. Имитационная математическая модель автоколлимационных угломеров геометрического типа с правильными и неправильными триэдрическими КЭ, а также с цилиндрическими и коническими гранями различной пространственной ориентации.

4. Макет автоколлимационного угломера.

Практическое использование результатов работы

Практическое использование результатов работы отражено актами внедрения методик расчета, угломеров:

«Акт об использовании результатов диссертационной работы аспиранта ИТМО Батяна П.В. в НИР, выполненной по договору № 93195», утвержден Заместителем директора Всероссийского НИИ транспортного машиностроения Астафуровым П.М. 19 апреля 1994 г.

«Акт о внедрении в опытное использование на инженерно-физическом факультете СПбГИТМО(ТУ) научной продукции, составляющей результаты диссертационной работы Батяна Павла Викторовича», утвержден проректором СПбГИТМО(ТУ) по НР Карасевым В.В.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на

1. XXVIII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ИТМО, 31 января - 2 февраля 1995 г., доклад «Особенности проектирования и конструирования оптических и оптико-электронных приборов определения линейных и угловых смещений.»

2. Второй международной конференции по проблемам физической метрологии «ФИЗМЕТ-96», СПб, 17-23 июня 1996 г., доклад «Контрольные элементы для трехкоординатных автоколлимационных измерений.»

3. Конференции «Прикладная оптика-96» СПб, 17-20 сентября 1996 г., доклад «Автоколлимационная система для угловых измерений.»

4. Международном научно-практическом семинаре «Прикладные вопросы точности машин, приборов и механизмов» и XXIX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ИТМО, 29-30 января, доклад «Система оперативного мониторинга состояния крупногабаритных объектов.»

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 9 работ. Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 71 наименования и содержит 143 страницы основного текста, 55 рисунков и 13 таблиц.

Краткое содержание работы

Введение

Рассмотрена и обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи.

Приведен структурный анализ схем угломеров геометрического типа — коллимационных и автоколлимационных угломеров, обоснованы метрологические и структурные преимущества автоколлимационных угломеров, состоящие в возможности обеспечения высокой точности угловых измерений, универсальности метода, простоте технической реализации АКУ, возможности их сопряжения с ЭВМ.

Дана постановка задачи исследования на основе анализа недостатков проектируемых и промышлеяно выпускаемых угломерных устройств. Обоснованы тенденции совершенствования АКУ — применение в качестве КЭ триэдрических или тетраэдрических структур

с криволинейными гранями. Этот подход предоставляет широкие возможности в создании класса КЭ с расширенными метрологическими возможностями. Сформулированы основные требования к КЭ, как к базовому элементу ЛКУ геометрического типа.

Глава 1. Принципы построения оптических и оптико-электронных автоколлимационных угломеров геометрического типа

Рассмотрена обобщенная структурная схема АКУ и показано, что для однозначного определения углового поворота контролируемого объекта необходимо измерить отклонения от первоначального направления отраженных КЭ пучков, т. е. КЭ в составе АКУ выполняет функцию преобразования угловых поворотов контролируемого объекта в угловые отклонения отраженных пучков. Выполнено описание параметров отраженных пучков при поворотах КЭ и рассмотрены способы определения пространственной ориентации контролируемого объекта. Перечислены факторы, влияющие на метрологические и точностные характеристики АКУ:

1. Схема построения и параметры элементов излучающего и приемного каналов;

2. Принцип измерения отклонения отраженных пучков;

3. Свойства отражателей, составляющих КЭ, как преобразователей угла;

4. Способ задания матрицы поворота Л/го«, определяющей взаимное положение осей неподвижной и подвижной координатных систем.

Найдены общие зависимости между элементами матрицы действия отражателя, для которых возможна реализация независимого измере-

ния трех угловых координат с максимальной точностью.

Рассмотрены возможные способы определения матриц поворота через различные параметры ориентации и сделан вывод, что при решении задачи определения пространственной угловой ориентации объекта с помощью трехкоординатных АКУ более удобным и обеспечивающим при прочих равных условиях более точную, по сравнению с другими способами, угловую ориентации объекта является задание матрицы преобразования координат через углы Эйлера-Крылова.

Проанализировано действие различных классов зеркально-приз-менных систем в качестве КЭ АКУ и, с учетом сформулированных требований к матрицам действия КЭ, выделены классы зеркально-призменных систем, для которых возможна реализация независимого измерения трех угловых координат — 01, 02, ©з-

Рассмотрено действие КЭ на основе плоского зеркала как простейшей отражательной системы. Исследована возможность использования в качестве КЭ АКУ углового зеркала. Описаны и проанализированы некоторые возможные схемы построения АКУ на базе призмы БР-1800 с заданными отклонением двугранного угла от прямого и пирамидальностью при различной начальной ориентации такого КЭ относительно падающего пучка световых лучей.

Изложенное позволяет сделать вывод, что плоское и двугранное зеркала эффективны при измерениях коллимационных углов. Однако, вследствие того, что коэффициент преобразования этих КЭ по углу скручивания много меньше коэффициентов преобразования по коллимационным углам, измерение угла скручивания ©з с допустимой погрешностью возможно лишь при условии, что диапазон измерения коллимационных углов много меньше диапазона измерения угла скручивания.

На основе проведенного рассмотрения сделан вывод о невозможности создания КЭ на базе плоского и двугранного зеркал, обеспечивающего независимые равноточные измерения углов 01... ©з.

Глава 2. Свойства КЭ АКУ на основе тетраэдрических и триэдрических отражателей

Анализируются свойства КЭ на. основе триэдрических и тетраэдрических отражателей с плоскими гранями и различными отклонениями двугранных углов между ними от прямого. Поскольку такие отражатели, в общем случае, не имеют оси симметрии, возникает необходимость оптимизации ориентации падающего на КЭ пучка лучей в исходном (при отсутствии поворотов) положении. Приведено решение этой задачи исходя из критерия минимизации погрешности измерения углового положения отражателя для произвольно заданных отклонений углов между отражающими гранями от прямого и величин погрешности определения углов отклонения отраженных КЭ пучков.

Проведен анализ метрологических свойств полого триэдрического отражателя с различным количеством отклонений углов между отражающими гранями от прямого, обосновываны выбор и оптимизация параметров таких КЭ, приведены примеры применения описанного подхода для синтеза КЭ, обладающих заданными свойствами, с одним и двумя отклонениями двугранных углов от прямого.

Приведены примеры практической реализации КЭ на основе триэдрических и тетраэдрических отражателей, в частности

- КЭ, с отклонением трех двугранных углов КЭ от прямого на величины 6, —6 и л/26;

- КЭ с отклонением двух двугранных углов на равную величину, 1/6 преломляющей грани которого сформирована в виде опти-

ческого клина, и упрощенной модификации отражателя, использующей дополнительно пучок, отраженный от входной грани отражателя;

- КЭ, три двугранных угла которого имеют малые отклонения от величин 7г/2, т/2, 7т/N, где Лг — целое.

На базе проделанного анализа сделан вывод о эффективности преобразовательных элементов на основе триэдрических и тетраэдриче-ских отражателей с плоскими гранями, особенно при больших угловых отклонениях контролируемого объекта от оси визирования АКУ.

Проанализированы общие недостатки КЭ на основе тетраэдриче-ских отражателей, затрудняющие практическую реализацию АКУ на их базе и усложняющие схему приборов и алгоритмы обработки формируемых изображений. Указывается один из возможных путей преодоления возникающих трудностей — использование КЭ с неплоскими отражающими гранями.

Глава 3. КЭ с цилиндрической гранью в составе АКУ

Среди возможных схем реализации АКУ анализируется схема с применением в качестве контрольного элемента триэдрических и тетра-эдрических отражательных систем с одной цилиндрической гранью, образующая которой проходит через вершину триэдра и произвольно ориентирована относительно его ребер. Подробно рассматривается практически важный случай КЭ с одной цилиндрической поверхностью, образующая которой лежит в плоскости одной из граней и ориентирована под углом 45° к прилегающим к ней ребром триэдра. Показана принципиальная возможность использования такого отражателя в качестве КЭ трехкоординатного АКУ, выявлены и описаны проблемы, возникающие при его использовании, в частности невоз-

можность проведения независимых трехкоординатных угловых измерений.

Рассмотрен альтернативный вариант КЭ с одной цилиндрической поверхностью, позволяющий устранить названные недостатки. Образующая цилиндрической грани этого КЭ совпадает с одним из ребер отражателя. Двугранный угол между плоскими гранями имеет заранее заданное отклонение /3 от 90°. Радиус цилиндра выбирается так, что угол между нормалью к цилиндрической грани в точке падения на нее светового луча и первой плоской гранью изменяется постепенно от 90° до 90° 4-/9. Для анализа структуры пучков, формирующих изображение, рассмотрен их вид в плоскости анализа ЛКУ для случаев, когда КЭ находится в исходном положении и при различных вариантах поворотов, в том числе и для всех угловых поворотов ©1, 02, ©з одновременно. Положительными метрологическими свойствами этого КЭ является возможность реализации одновременных измерений двух коллимационных углов и угла скручивания при обработке только одного из двух формируемых в плоскости анализа АКУ параллельных ленточных изображений.

Недостатком предложенного КЭ является взаимное влияние каналов измерения: определение коллимационного угла ©2 возможно только после того, как определен угол скручивания ©з, что приводит к увеличению погрешности измерения Эо-

Кроме того, для отражателей с цилиндрической гранью сохраняются недостатки, характерные для отражателей с плоскими гранями. В частности, при использовании таких КЭ затруднены автоколлимационные измерения на дистанциях более нескольких метров. Это объясняется необходимостью измерения координат точек, формируемых лучами, образующими некоторый угол с оптической осью прибора. Сечение такого пучка плоскостью входного зрачка приемного объек-

тива автоколлиматора оказывается смещенным относительно оптической оси на величину, прямопропорционально зависящую от расстояния между КЭ и АКУ. Таким образом, для нормального функционирования прибора приходится увеличивать диаметр входного зрачка приемного объектива АКУ, однако, возможности такого увеличения ограничены габаритными и весовыми критериями.

Глава 4. Анализ принципов действия и методов расчета КЭ с конической гранью в составе АКУ геометрического типа

Лля устранения указанных недостатков необходимо синтезировать КЭ, для которого часть отраженного пучка при любых поворотах контролируемого объекта находилась бы в центре углового поля и несла бы в себе при этом информацию о угловом положении КЭ. Кроме того, алгоритм обработки формируемого в плоскости анализа угломера изображения должен исключать операции, ограничивающие угловое поле, такие, как измерение координат концевых ленточных изображений в случае использования КЭ с цилиндрической гранью или координат внеосевых изображений марки в случае применения тетраэдри-ческих отражателей с плоскими гранями.

С целью решения этой задачи проанализированы свойства нескольких вариантов КЭ на базе уголкового отражателя с двумя плоскими и одной конической гранью. На основе проделанного анализа предложен оптимальный вариант КЭ со следующей конфигурацией: коническая поверхность одной из граней такого КЭ имеет угол при вершине тг/2 — /3, ее вершина по-прежнему совпадает с вершиной триэдра, но при этом коническая поверхность ориентирована таким образом, что ее ось составляет угол —¡3 с ребром отражателя в биссектор-ной плоскости прямого двугранного угла между плоскими гранями.

2/3 0

О

-2/3

Г 1 ■ - 2-3-1 1-2-з\ . уЧ' 1 1 123 213 .1-3-2 / 2-1-3 [а/

3-1-2 / | | Г^Ч V11 1 ^^ '132 V 3-2-1 321 1

О а)

-0

0

Рис. 1. Изображение в плоскости анализа (а) до поворота, (б) после поворота контрольного элемента с конической отражающей поверхностью

Падающий параллельный пучок после отражения трансформируется в структуру в виде четырех дуг одного эллипса, пересекающихся в одной точке. Изображение для случая ©х = ©2 = ©з = 0 представлено на рис. 1а; там же показаны последовательности отражений от граней КЭ пучков, формирующих соответствующие дуги (коническая грань — третья) и центры эллипсов, дуги которых формируют изображения.

При поворотах контролируемого объекта изменяется положение дуг эллипсов (на рис. 16 -фг и Ф-> — углы поворотов касательных к дугам в точке их пересечения), а также длина малой полуоси. Положение точки пересече1шя дуг эллипсов не изменяется при любых поворотах отражателя. Таким образом, при использовании предлагаемого КЭ возможно измерение трех угловых координат в широком (до десятков угловых градусов) диапазоне при изменяющейся дистанции до контролируемого объекта.

Проведен сравнительный анализ возможных алгоритмов обработки формируемых в плоскости анализа АКУ изображений. Точность определения угловых координат контролируемого объекта может быть повышена, если при обработке изображений будет учитываться не только форма изображения, но и распределение облученности в нем. В связи с этим по оригинальному методу получены выражения для распределения облученности вдоль дуг эллипсов.

Таким образом, разработан КЭ, обеспечивающий измерение всех трех углов поворота контролируемого объекта при переменной дистанции работы.

Глава 5. Имитационная математическая модель анализа АКУ

Использование в АКУ, в качестве КЭ триэдрических и тетраэдри-ческих отражателей с коническими поверхностями приводит к их сложному (без приближений) аналитическому описанию. Упрощения, допущенные при анализе таких КЭ, определяют наличие методической ошибки при реализации АКУ. Оптическая схема АКУ также вносит искажения в формируемое в плоскости анализа изображение, трудно поддающиеся аналитическому описанию. Функционирование приемного тракта современного АКУ, построенного, на базе ТТЗС-структур определяется в процессами, различными по своей физической природе. Все указанные факторы влияют в различной степени на окончательные точностные и метрологические характеристики угломера. Таким образом, для получения полного представления о принципах работы, а также для формирования комплекса необходимых оценочных характеристик проектируемых АКУ целесообразно пользоваться методами имитационного моделирования на ЭВМ. В

связи с этим реализована комплексная имитационная математическая модель анализа АКУ геометрического типа.

Рассмотрены структура и принципы построения имитационной математической модели АКУ, позволяющей выполнить параметрический синтез КЭ, оптической системы и приемного устройства угломера. Модель реализована в среде Turbo Pascal 7.0 и состоит из нескольких основных частей, позволяющих:

— реализовать модели КЭ различной конфигурации: КЭ с плоскими и неплоскими поверхностями, с одним, двумя или тремя фиксированными отклонениями от прямых двугранных углов между отражающими гранями;

— формировать изображения в плоскости анализа АКУ с учетом искажений, вносимых оптической системой;

— моделировать погрешности фотоприемного устройства АКУ;

— определять погрешности определения угловых координат контролируемого объекта.

Приведены результаты моделирования реального АКУ на базе описанного в главе 4 КЭ и установлено, что в диапазоне измеряемых углов ±10° по всем трем угловым координатам с доверительной вероятностью 0,977 предельная суммарная погрешность измерения угла 0! составляет 2 угловые минуты, 02 не превышает полутора угловых минут и ©з — 96 угловых секунд.

Практическое использование имитационной математической модели проектирования и анализа АКУ подтвердило ее адекватность и эффективность при использовании на этапах разработки АКУ.

Глава 6. Экспериментальное исследование макета АКУ

Для проверки достоверности теоретических положений, а также для исследования факторов, определяющих метрологические свойства АКУ на базе созданного макета АКУ исследовались характеристики КЭ с конической отражающей поверхностью.

Макет состоит из автоколлиматора на основе ПЗС-камеры, сопряженной с ЭВМ, контрольного элемента, установленного на столике, позволяющем задавать угловое положение отражателя. Там же находятся два вспомогательных зеркальных отражателя, которые вместе с визуальными поверочными автоколлиматорами (двухкоординатный типа ЛК-0.5У и однокоординатный АКТ-15) предназначены для определения угловой ориентации КЭ после выставления.

Измерительный автоколлиматор включает в себя источник излучения (марка с ф — 0,1 мм, освещаемая светодиодом АЛ-107В, подключенным к регулируемому источнику питания), светоделительную призму, объектив с фокусным расстоянием 260 мм и диаметром входного зрачка 60 мм. Для юстировки автоколлиматора, осуществляемой при помощи образцового коллиматора с /' = 1000 мм, предусмотрены подвижки, позволяющие перемещать объектив и марку. В качестве приемника используется камера PC Vision на матрице ПЗС ФПЗС-1М, подключенная к компьютеру через плату сопряжения Supervision.

Исследуемый КЭ состоит из двух плоских и одного заменяемого неплоского зеркала. Предусмотрена возможность задания требуемых двугранных углов между плоскими зеркалами и необходимого положения криволинейной грани. Для исследования свойств контрольных элементов с конической гранью было изготовлено коническое зеркало с углом при вершине 89°20' и диаметром 100 мм.

Работа экспериментальной установки осуществляется под упра-

влением оригинального программного обеспечения, позволяющего задавать параметры работы видеокамеры и платы ввода изображений, а также осуществлять визуализацию и предварительную обработку введенного изображения в реальном времени. Кроме того, возможно сохранение изображений для их дальнейшей обработки.

Установлено, что что в диапазоне измеряемых углов ±20' по всем трем угловым координатам исследованный АКУ обеспечивает при доверительной вероятности 0,077 измерение коллимационного угла Эх с предельной погрешностью не более 2 угловых минут, ©2 — 50 угловых секунд и ©з — 20 угловых секунд.

Проведенные на макете АКУ эксперименты подтвердили полученные теоретические положения.

Заключение

— На основе проведенного анализа известных схем угломеров сформулированы требования к трехкоордипатному автоколлимационному угломеру геометрического типа и к КЭ, как к базовому элементу АКУ.

— Разработана методика расчетов и сформулированы принципы анализа и синтеза параметров КЭ АКУ, позволяющего проводить трехкоординатные угловые измерения. Доказано, что поставленным точностным и метрологическим требованиям отвечает КЭ, выполненный в виде зеркального триэдра или стеклянного тетраэдра, у которого две грани плоские, а третья— коническая. Образующая конической грани лежит в плоскости одной из граней и образует равные углы с ее ребрами. Такой КЭ позволяет проводить измерения по сформированному в плоскости анализа АКУ ленточному изображению, имеющему вид четырех

пересекающихся дуг эллипсов.

— Для КЭ с конической гранью определены аналитические выражения, описывающие форму ленточных изображений, что позволяет получить эффективные алгоритмы обработки сигналов матричного позиционно-чувствительного приемника оптического излучения.

— На базе разработанных принципов действия и методов расчета трехкоординатных АКУ реализована имитационная математическая модель проектирования и анализа АКУ.

— Реализован макет АКУ с КЭ описанного тина.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Батян П.В., Коняхин И.А., Моллов Г.С. Контрольный элементе криволинейной гранью для фотоэлектрического автоколлимационного угломера. Изв. ВУЗов СССР — Приборостроение. 1992 г., № 1-2, с. 82-89.

2. Батян П.В., Коняхин И.А., Тимофеев А.Н. Формирователь базового направления. Санкт-Петербургский центр научно-технической информации. Информационный листок № 384-94.

3. Батян П.В., Коняхин И.А., Лукьянов Г.Н. Установка оперативного мониторинга жилых и промышленных сооружений. Санкт-Петербургский центр научно-технической информации. Информационный листок № 312-95.

4. Батян П.В., Коняхин И.А. Распределение облученности изображения в плоскости анализа автоколлимационных угломеров. Изв. ВУЗов — Приборостроение. 1996 г., т. 39, № 4, с. 75-78.

5. Батян П.В., Коняхин И.А., Лукьянов Г.Н. Система предупреждения экологических катастроф на основе мониторинговых наблюдений объектов энергетики и промышленности. В сб. Оптико-электронные приборы и системы. Выпуск 96 / Под ред. проф. Э.Л. Панкова. СПб., Редакционно-издательский центр Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики (технического университета), 1996, с. 78-83.

6. Батян П.В., Коняхин И.А., Панков Э.Д. Контрольные элементы для трехкоординагных автоколлимационных измерений. В сб. «Физическая метрология: теоретические и прикладные аспекты.»/ Под. ред. д. т. н. Городецкого А.Е. и к. ф.-м. н. К}фбано-ва В.Г. СПб, издательство KN, 1996, с. 198-202.

7. Батян П.В., Коняхин И.А., Панков Э.Д. Автоколлимационная система для угловых измерений. В сборнике тезисов докладов конференции «Прикладная оптика - 96» СПб, Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова, 1996.

8. Батян II.В., Коняхин И.А., Панков Э.Д. Контрольные элементы автоколлимационных угломеров с улучшенными метрологическими характеристиками. Оптический журнал, том 64, № 1, январь 1997, с. 61-66.

9. Батян П.В. Автоматизированная система мониторинга состоянии крупноразмерных объектов. В научно-техническом сборнике статей «Новые информационные технологии в управлении» под научной редакцией д. т. н., проф. Шарова С.Н. и к. т. н., доц. Смирновой H.H., СПб, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова, 1998 г., с. 79-82.