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

На правах рукописи УДК 621 383, 536.8

СИНСянмин

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ

Специальность- 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы

и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург 2007

Работа вьшолнена в Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор И А. Коняхин Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Л.Н Андреев кандидат технических наук, доцент . В В Ефимов

Ведущее предприятие................ГОИ им С И Вавилова

Защита диссертации состоится " ^ " г в ... ч . мин

на заседании специализированного совета Д 212 22701 при Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу 190031 г Санкт-Петербург, переулок Гривцова, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета \

Автореферат разослан "_"_2007 г

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах) просим высылать по адресу 197101, СПб, Кронверкский пр., 49, СПб ГУ ИТМО

Ученый сехфетарь

специализированного совета Д 212 227.01

I, ' i

i Красавцев В.М

U

I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Одной из важных задач измерительной техники является измерение угловых величин, в частности, определение угловой ориентации объектов В наиболее общем случае необходима пространственная угловая ориентация, для которой требуется измерение углов поворота относительно трех ортогональных осей, одна из которых совпадает с линией визирования объекта (ось скручивания), а две другае ей перпендикулярны (коллимационные оси) Углы поворота относительно указанных осей, соответственно, угол скручивания и коллимационные углы

В качестве конкретных примеров решения этой задачи могут быть названы следующие

1. Измерение угловых перемещений частей и блоков крупногабаритных сооружений с целью контроля точности их сопряжения и реализация неизменности взаимного расположения Такие измерения типичны при монтаже и мониторинге функционирования энергетических, промышленных объектов, научно-исследовательских установок Например, для обеспечения функционирования создаваемого Россией уникального радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70 необходима компенсация трехмерных деформаций поверхности 70-метрового главного зеркала, пространственная подстройка ориентации контррефлектора, учет скручивания сигары отражающей системы и пилонов опорно-поворотного устройства

2 Контроль в реальном масштабе времени деформаций и прогибов нагруженных элементов промышленных и транспортных сооружений неф-те- и газопроводов, фундаментов реакторов, плотин, мостов, причальных стенок и доков с целью анализа их состояния и повышения безопасности функционирования

3 Определение углового положения движущегося объекта ори причаливании или стыковке, элемента конструкции при сборке, рабочего органа робота

-44 Измерение угловых деформаций при экспериментах по изучения свойств и контроля состояния моделей новых конструкций или образцов материалов

При соответствующих высокоточных измерениях погрешность составляет величину от единиц угловых секунд до единиц десятков угловых секунд (ДО"5 КГ4 рад) при диапазоне измерения от нескольких угловых минут до единиц угловых градусов (порядка 10"2 3 10"1 рад), дистанция до контролируемого объекта от десятков сантиметров до десятков метров

Для решении указанных задач эффективны трехкоординатные оптико-электронные углоизмерительные системы, при этом предпочтительно использование угломеров автоколлимационного типа с размещением на объекте отражающего контрольного элемента, не требующего электропитания и эксплуатационного обслуживания.

Однако, в настоящее время разработаны и выпускаются одно- и двух-координатные автоколлиматоры Известны реализации трехкоординатных угломеров в виде экспериментальных образцов, которые представляют собой комплекс из двухкоординатного автоколлиматора и отдельного канала для измерения угла скручивания Анализ отраженных пучков при измерении коллимационных углов и угла скручивания выполняется раздельно в отдельных измерительных каналах, что значительно усложняет схему угломера и приводит к значительным погрешностям измерения из-за рассогласования осей оптических систем измерительных каналов и отсчетных баз фотоприемных матриц при обработке изображений

Более эффективным является построение трехкоординатной углого-мерительной системы на основе автоколлиматора с единым полем анализа При этом специальные алгоритмы трехкоординатных измерений, соотношения между параметрами элементов автоколлиматора при общем анализе изображений, соответствующих различным отраженным пучкам в настоящее время практически не исследованы

Таким образом, разработка новых схем трехкоорданатных оптико-электронных автоколлиматоров (ТОЭА), в частности, с единым полем анализа, совершенствование методов расчета параметров их компонентов, в особенности, отражающих контрольных элементов (КЭ), исследование их метрологических свойств являются актуальными задачами измерительной техники

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения трехкоорданатных оптико-электронных автоколлиматоров (ТОЭА) с единым полем анализа, разработка и исследование специальных алгоритмов трехкоорданатных автоколлимационных измерений, совершенствование методов расчета параметров элементов оптической схемы

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи 1. Сформулировать основные требования к ТОЭА, 2 Исследовать действие зеркально-нризменных систем различных типов, используемых в качестве отражающих контрольных элементов ТОЭА, 3. Проанализировать варианты построения оптических схем ТОЭА, провести их сравнение и оптимизацию параметров,

4 Рассмотреть габаритно-энергетические соотношения и методики расчёта параметров элементов оптических схем ТОЭА,

5 Реализовать и исследовать программные алгоритмические модели процесса определения угловых координат по измеренным координатам изображений в плоскости анализа, проанализировать влияние отклонений параметров оптических элементов на величину погрешности измерения,

6 Выполнить экспериментальные исследования алгоритмов трехкоорданатных измерений на компьютерных моделях и макете автоколлиматора.

Методы исследования. При теоретическом анализе зеркально-призменных систем и исследовании свойств КЭ используются соотношения геометрической оптики, векторно-матричные методы расчета, а также разработанные на их основе методики

-6В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами измерительной системы, анализе алгоритмов трехкоорданат-ных измерений используются детерминированные, имитационные компьютерные и физические модели функциональных элементов автоколлиматора Модели реализованы на основе компьютерной технологии МаЛСАВ и исследуются методом статистических испытаний Также реализуется практическая проверка полученных соотношений посредством экспериментального исследования физической модели - макета ТОЭА.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1 Принципы построения отражающего контрольного элемента (КЭ) трехкоординатного опгико-элеюронного автоколлиматора, обеспечивающего

- уменьшение погрешности измерения взаимного влияния поворотов КЭ на коллимационные углы и угол скручивания,

- возможность изменения величины коэффициента передачи между углом поворота КЭ и углом отклонения орта отраженного пучка по всем трем измеряемым углам, что позволяет уменьшить погрешность измерения вследствие виньетирования,

- радикальное упрощение оптической схемы по сравнению с известными аналогами вследствие анализа отраженных пучков, определяющих коллимационные углы и угол скручивания в едином измерительном канале на основе объектива и матричного анализатора

В соответствии с найденными принципами построения, для параллельного пучка лучей КЭ должен быть эквивалентен двум зеркальным системам с тремя отражениями для каждой, причем для одной системы основное неизменное направление параллельно коллимационной оси, а для второй основное неизменное направление расположено в плоскости, содержащей первое направление и ось скручивания и при этом составляет с осью скручивания угол найденной величины

-72 Оптимальный способ задания матрицы преобразования координат при измерении параметров пространственной угловой ориентации объекта с помощью трёхкоординатного оптико-электронного автоколлиматора, определяющий уменьшение погрешности измерения вследствие взаимного влияния поворотов КЭ на коллимационные углы и угол скручивания

По защищаемому способу, при определении матрицы поворотов Эйлера-Крылова

- первый угол задается как поворот относительно координатной оси, ортогональной плоскости расположения основных неизменных направлений двух эквивалентных систем КЭ,

- второй угол задается как поворот относительно координатной оси, параллельной основному неизменному направлению первой эквивалентной системы КЭ,

- третий угол задается как поворот относительно коорданатной оси, с которой основное неизменное направление второй эквивалентной системы КЭ составляет угол найденной величины

3 Доказано, что требуемыми свойствами обладает КЭ в виде уголкового отражателя (стеклянного тетраэдра или зеркального триэдра), углы между отражающими гранями которого имеют малые отклонения от 90°, причем величины отклонений связаны найденным соотношением

4 Измерение трех угловых координат автоколлиматором с единым полем анализа обеспечивает разработанный алгоритм, в соответствии с которым коллимационные углы и угол скручивания определяются в результате решения системы трех нелинейных уравнений, в которых коэффициенты при неизвестных определяются параметрами КЭ, а свободные члены - измеренные координаты изображений марки автоколлиматора на матричном фотоприемнике

5 Уменьшение погрешности измерения вследствие виньетирования рабочих пучков оправами оптических элементов обеспечивается при рас-

положении КЭ до точки формирования пучка автоколлиматора, при этом световые диаметры объектива автоколлиматора и КЭ должны быть связаны найденным соотношением

6 Защищаются принципы построения алгоритмической модели функционирования ТОЭА на участке измерительной цепи КЭ - матричный анализатор изображений, позволяющей исследовать влияние первичных составляющих погрешности измерения

Практическая ценность работы

Автором разработаны

• Метод расчёта матриц действия КЭ в виде зеркального триэдра и стеклянного тетраэдра с учётом членов второго порядка малости,

• Методика расчёта параметров КЭ, обладающего требуемыми метрологическими свойствами возможностью измерения трёх угловых координат при использовании единого поля анализа для обработки изображений, сформированных отраженными пучками, а также варьируемыми коэффициентами передачи по всем трём измеряемым углам в зависимости от рабочей дистанции до КЭ и диапазонов измеряемых углов,

в Структура оптической схемы ТОЭА с единым полем анализа

• Методики расчёта световых диаметров элементов оптической схемы ТОЭА,

• В результате экспериментов на моделях ТОЭА получены данные, позволяющие выработать пути повышения точности измерения

в Результаты экспериментов с макетом ТОЭА подтвердили возможность практической реализации высокоточной трехкобрдинатной системы измерения углового пространственного положения объектов

Внедрение результатов работы отражено двумя актами внедрения методик расчета параметров оптико-электронных трехкоординатных автоколлиматоров и практических алгоритмов автоколлимационных измерений в отраслевой научно-исследовательской лаборатории кафедры Оптико-

элекгронных приборов и систем СПб ГУ ИТМО, а также в учебном процессе СПб ГУ итмо

Апробапия работы Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах

- Ш межвузовская конференция молодых ученых (Сессии научных школ), Санкт-Петербург, СПб ГУ ИТМО, 10-13 апреля 2006 года,

-VII Международная конференция «Прикладная оптика-2006» Санкт -Петербург, Россия, 16-20 октября 2006,

- IV межвузовская конференция молодых учёных (Сессии научных школ), Санкт-Петербург, СПб ГУ ИТМО 10-13 апреля 2007 года;

- XXXVI научная и учебно-методическая конференция профессорско-преподавательского и научного состава, Санкт-Петербург, СПб ГУ ИТМО, 30 января - 2 февраля 2007 года

Публикятши Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 статьях и тезисах докладов

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения

Работа содержит 119 страниц основного текста, 56 рисунков, библиографический список включает 87 наименований

П КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность проблемы, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту

В Главе 1 проведён анализ метрологических параметров трехкоорди-натных углоизмерительных систем, построенных по ряду известных схем (угломеры использующие гравитационно-чувствительные КЭ, с КЭ на основе призм БР-1800, угломеры на основе коллимационной схемы) при повороте контролируемого объекта относительно трех ортогональных осей Выявлено, что по причине взаимного влияния измерительных каналов,

сложности селекции изображений марки в плоскости анализа, значительного различия в величине чувствительности по измерения коллимационных углов и угла скручивания рассмотренные схемы практически неприменимы для высокоточных трехкоординатных измерений

динатных измерений с их использованием Принципиальным недостатком рассмотренных угломеров является сложная оптическая схема (см. рис. 1), фактически представляющая собой композицию канала измерения коллимационных углов (излучающая марка 1, объектив 2, контрольный элемент 3- плоское зеркало, матричный фотоприемник 4, рабочий Пучок 1) и канала измерения угла скручивания (объектив 5, контрольный элемент 6 -стеклянный тетраэдр, матричный фотоприемник 7, рабочий Пучок 2) Использование угломеров такой структуры предъявляет повышенные требования к стабильности расположения осей приемных объективов измерительных каналов и точности согласования отсчетных баз соответствующих матричных анализаторов По причине сложности реализации, высокой стоимости подобные угломеры реализованы в виде одиночных уникальных образцов

Более эффективным является построение угломера в виде трехкоор-данатного оптико-электронного автоколлиматора (ТОЭА) с общим для каналов измерения трех угловых координат контрольным элементом (КЭ) и полем анализа В этом случае схема ТОЭА соответствует классическому автоколлиматору, однако КЭ формирует отдельные пучки для измерения

коллимациошшх углов (Пучок 1) и угла скручивания (Пучок 2), а единый матричный анализатор 4 использует специальные алгоритмы для обработки формируемых ими изображений (рис 2) Установлены направления

ствами зеркаяьно-призменной системы, на основе которой реализован КЭ При этом одной из основных составляющих погрешности измерения является методическая погрешность вследствие взаимного влияния каналов измерения угловых координат и погрешность из-за виньетирования рабочего пучка оправами оптических элементов Эти обстоятельства определили конкретные задачи диссертационных исследований- анализ соотношений между параметрами КЭ тегграэдрического типа и их оптимизация, анализ габаритных соотношений элементов олпгической схемы ТОЭА и структуры составляющих суммарной погрешности измерения, исследование влияния первичных погрешностей на компьютерных моделях

В Главе 2 исследуются соотношения между параметрами зеркалкно-призменных систем, образующих КЭ для ТОЭА с требуемыми метрологическими свойствами уменьшенной погрешностью вследствие взаимного влияния измеряемых углов, изменяемой величиной коэффициента передачи по трем измеряемым углам, возможностью селекции изображений в плоскости анализа Также рассматриваются способы задания матрицы преобразования координат при трехкоординагных измерениях, оптимальных по критерию уменьшения погрешности измерения

Анализ показывает, что при ориентации основного неизменного направления III эквивалентной зеркальной системы КЭ параллельно' колли-

дальнейших исследований, уточнен предмет исследований

Из анализа следует, что параметры ТОЭА, построенного по схеме на рис 2 в значительной степени определяется свой-

Рис.2

мационыой оси €>¥1 (ЩЦ) и осевом орте А падающего пучка (см рис 3) координата орта отраженного пучка определяется уравнением

7 = -[©2 6, (»-!) + ©,] зш(й?) + 0, [соз(л?> + ], (1) где ©ь©2,- коллимационные утлы, ©з - угол скручивания, ю - угол поворота пучка относительно орта III при к отражениях, - параметр, определяющий позицию поворота на угол ©з при формировании матрицы преобразования координат от неподвижной системы координат XYZ к подвижной, связанной с КЭ системе координат

УД] Наиболее простой алгоритм измерения реа-

1 лизуется при величинах <а = я+ А, (А - малый

угол), к = 3, что соответствует эквивалентной -4—=> п- зеркальной системе в виде триэдра, углы между гранями которого имеют малые отклонения от 90° я при му=1, определяющем поворот на угол ©з как третий в последовательности поворотов'

©з + (А2 /2) ©, (2)

А

Рис 3

Вз

Как следует из выражения (2), по координате у1 реализуется практически независимое измерение угла скручивания ©з при малом влиянии угла ©1

Аналогичным образом, для второй эквивалентной зеркальной системы, определяющей алгоритм измерения коллимационных углов, взаимное влияние измеряемых координат минимально при тех же величинах параметров © и к , но при поворотах ©ь ©2, задаваемых как первый и второй при определении матрицы преобразования координат Соответствующие выражения для координат х2,у2 орта В2 отраженного пучка имеют вид *2 = -Д-©,+(1/2) А2 ©2 +(1/2) А2 О ©з-А О (3) у2 = -А • 0, -А П 0, - (1/2) - А2 0, - (А2/2) £2 (4)

Как следует из выражения (3), по координате х2 реализуется практи-

чесзга независимое измерение коллимационного угла ©| при малом влиянии углов ©1 и ©з. По координате у2 измеряется угол ©2 с влиянием угла ©з, определяемым величиной второго слагаемого. Для обеспечения селекции двух изображений, формируемых в плоскости анализа второй эквивалентной зеркальной системой, орт ее основного неизменного направления Иг составляет угол £2 с осью ОХг в плоскости XlOZl

Таким образом, установлено, что КЭ для ТОЭА должен быть эквивалентен двум зеркальным триэдрам с найденными параметрами конфигурации

В Главе 3 исследуются метрологические свойства отражателей в виде зеркальных триэдров и стеклянных тетраэдров действующих как КЭ для ТОЭА с единым полем анализа

Для разработки КЭ, обладающего заданными метрологическими свойствами, определены зависимости, связывающие величины элементов матрицы действия КЭ в виде стеклянного тетраэдра (зеркального триэдра) с параметрами конфигурации величинами 5], 62,83 отклонения двугранных углов между отражающими гранями (соответственно, 1 и 2, 2 и 3, 3 и 1) от 90° (рис 4), показателем преломления стекла и углами определяющим начальную ориентацию КЭ относительно системы координат ХгУ^

Используя найденные соотношения, уточнены условия реализации алгоритмов измерения углов в соответствии с соотношениями (2) (4) В частности, орты III и Иг основных неизменных направлений эквивалентных триэдров занимают требуемое положение (рис 3) при условиях

8Ш(^\) С08(<5з) + 8Ш(<53)-8Ш(^2) сой(<5}) со 5(0,) = 0 (5) зт(&) + 51п(<52) • соэГ^,) со&(б3) = 0, (6)

-/«/^'Автоколлиматор Рис 4

откуда следует tg(§^) = 2 зш( <?2), 2 )=(7) Приняв 5г = Л] бь 83 = Л2 8Ь из выражений (7) определяются величины коэффициентов Л] = 1/2, Л2 = -1/2 (погрешность приближения при б) < 3° не более 1%)

При конфигурировании КЭ в соответствии с найденными соотношениями, в плоскости анализа отраженными пучками формируются шесть изображений марки автоколлиматора (на рис 516 -положения до поворотов КЭ, 1' 6' - после поворотов.

к Y Дли определения угла

скручивания по общему алгоритму (2) измеряется смещение по ОУ изображения 1 (или 5), для измерения коллимационных углов в соответствии с выражениями (3), (4) измеряются по двум координа-^ там смещения изображе-

ния 2 (или 4) Коэффициент передачи по углу скручивания равен

Ка

6 ■ п, по коллимационным углам Ка

_[4-^3

Матричный анализатор ТОЭА регистрирует смещения двух изображений марки (1 и 2, на рисунке штриховой линией условно показана чувствительная площадка), после чего измеряемые углы ©],©2,©з вычисляются как корни системы нелинейных уравнений

у1// = -я1 п в3+(1/2)-й12-и2 ©,

(8)

*2// = с2 ©, +(1/2)-(а2'П ©3Ча2 и-©,2+с22 -а2 и с2'83)-а2 п

(9)

у2// = с2 ®2~а2-п ©3+(1/2) (я22 п2 ©,)-(1/2) «2-я с2 (10)

где/- фокусное расстояние объектива ТОЭА, п - показатель преломления материала КЭ, а\,а2,с2 - параметры матрицы действия КЭ, выраженные через составляющие ортов 111,112 основных неизменных направлений эквивалентных зеркальных систем Рассматриваются особенности практического алгоритма измерения (8) (10)

В Главе 4 рассмотрены принципы построения и реализована компьютерная модель ТОЭА на уровне структурной схемы, позволяющая имитировать влияние первичных погрешностей элементов измерительной цепи, а также разработана методика исследований на ее основе Необходимость моделирования определяется сложностью точного аналитического описания влияния первичных погрешностей в общем случае трехкоординатных угловых измерений Алгоритм моделирования включает следующие этапы для заданных углов поворота определяются координаты изображений марки на матричном анализаторе по известным точным значениям параметров ТОЭА (или точным выражениям для матриц КЭ и преобразования координат); генерируется случайная величина, имитирующая изменение параметра измерительной цепи вследствие влияния первичной погрешности, определяются углы поворота «измеренные» после воздействия влияющего фактора, находятся погрешности измерения углов как функции величины влияющего фактора

Наиболее значимой методической погрешностью выявлена погрешность вследствие приближений при использовании алгоритма измерения по выражениям (8). .(10) - см рис 6 Анализ показывает, что при диапазоне измерения угловых координат до 6° , относительная погрешность измерения угла скручивания ©г практически не превосходит 1%, а коллимационных углов ©г, ©з, соответственно, 0 5%

Моделирование выявило основные приборные составляющие погрешности измерения погрешность вследствие отклонения фокусного расстояния объектива автоколлиматора от номинального значения, из-за

ооа

002:

Отн погрешность

0 02

от:

0 01

ооо;-

3 "

<УЭз \

<]шв2

(к©,

, а а а • ' -

ю

12

отклонения показателя преломления стекла КЭ от номинального, вследствие неточной начальной ориентации КЭ. Указанные погрешности являются систематическими и их влияние может быть устранено пред-

зш Погр изм угл сек

0 2 4 6 8

Диапазон измерения угл град Рис 6 Методическая погрешность измерения варительной калиб-углов по разработанному алгоритму ровкой ТОЭА

К значимой неустранимой погрешности измерения приводят отклонения от номинальных величин параметров 61,62,63 конфигурации тетраэдриче-ского КЭ В соответствии с рис 7, для реализации высокоточных

1и

Отклонение параметров 8 ,угд сек измерений технологи-

Рис 7 Погрешность измерения углов вследствие отклонения параметров 81,62,63 кон-

ческии допуск на параметры 61,62,83 не дол-

трольного элемента жен превышать 1 угл сек

Наиболее значимой флуктуационной составляющей является погрешность вследствие неточного измерения координат изображений марки на матричным анализатором каждой ТОЭА Причиной возникновения

погрешности являются шумы и дискретность приемной площадки ПЗС или КМОП матрицы Из результатов моделирования следует, что при ^ погрешности измерения координат у\^с2у2 изображений не более 0,05 пиксела матрицы анализатора, реализуются высокоточные измерения углов поворота (рис 8) Требуемая точность измерения координат обеспечивается при уровне облученности в изображении близком к насыщению, что дос-

¿Г 4 / *

4© \ 2 у / / (н).

V ' / / / / / у

/ * / * г -* * ^г »0з

/ / / у

0 05

01

02

Погрешность измерения координат в долях от величины элемента КМОП матрицы

Рис. 8 Погрешность измерения углов вслед-

тижимо при использовании ин- . „ „„„„„,„ „„

г ствие неточного измерения координат изо-

фракрасных излучающих диодов бражений на матричном анализаторе

в качестве марки автоколлиматора

В Главе 5 рассматриваются особенности .габаритного расчета элементов оптической схемы ТОЭА с единым полем анализа, выполняется расчет параметров макета ТОЭА, приводятся результаты его экспериментального исследования

Определяются соотношения между габаритами оптических элементов, позволяющие уменьшить погрешность измерения вследствие виньетирования пучков, формирующих изображения марки в плоскости анализа. На их основе разрабатывается методика расчета параметров оптических элементов ТОЭА (апертуры КЭ, светового диаметра и углового поля объектива автоколлиматора) при заданных параметрах матричного анализатора и излучающей марки автоколлиматора

С использованием разработанных методик спроектирован и реализо-

ван макет ТОЭА и выполнены его экспериментальные исследования

Параметры макета фокусное расстояние объектива автоколлиматора 150 мм при относительном отверстии 1 3, марка - полупроводниковый излучающий диод SFH 485 Р (Siemens) с мощностью излучения 10 мВт с диафрагмой диаметром 0,3 мм, анализатор - КМОП матрица OV5610 Color CMOS QSXGA (5.17 MPixel) с размером пиксела 2,8 х 2,8 мкм Контрольный элемент - стеклянный тетраэдр со световым диаметром 40 мм, углы между отражающими гранями которого имеют отклонения от 90°, рассчитанные по соотношениям (7) при §i = 12 угл мин

Снимались статические характеристики при поворотах по всем трем измеряемым углам в диапазоне 2 угл град при дистанции до КЭ 1,5 м. Погрешность измерения коллимационных углов ©ь©2 составила 15 угл сек, угла скручивания ©3 - 6 угл сек (величины указаны с доверительной вероятностью 0,997)

Результаты экспериментов подтвердили правильность разработанных принципов построения, алгоритмов измерения и методик расчета параметров малогабаритного ТОЭАК, реализующего высокоточные угловые измерения в увеличенном диапазоне углов

Ш ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Проделан анализ известных аналогов, синтезирована схема углоиз-мерительного трехкоординатного оптико-электронного автоколлиматора с единым полем анализа, сформулированы требования к отражающему контрольному элементу (КЭ)

2 Проведены исследования свойств КЭ для трехкоординатных автоколлимационных измерений на основе тетраэдрических отражателей различных видов

3 По результатам исследований разработаны практические алгоритмы автоколлимационных измерений, основанные на измерении координат

изображений марки в плоскости анализа автоколлиматора с их последующим нелинейным преобразованием

4 Разработана группа методик расчёта параметров КЭ для трехкоор-динатного оптико-электронного автоколлиматора с единым полем анализа, использование которых позволяет уменьшить погрешность измерения из-за взаимного влияния измеряемых углов, синтезировать КЭ с коэффициентами передачи, соответствующими рабочей дистанции и диапазону измерения углов, обеспечить селекцию изображений в поле анализа.

5 Разработана методика расчёта габаритов оптических элементов автоколлиматора, определяющая возможность уменьшения погрешности измерения вследствие виньетирования рабочих пучков.

6 На основе разработанных компьютерных моделей получены соотношения, определяющие зависимость суммарной погрешности измерения трехкоординатного автоколлиматора от величин отклонений параметров звеньев измерительной цепы.

7 Реализован макет оптико-электронного трехкоординатного автоколлиматора и проведены его экспериментальные исследования, подтвердившие правильность разработанных методик и принципов по-

стРое1Жультаты диссертации отражены в следующих публикациях.

1 Син Сянмин Определение параметров контрольного элемента углоизмери-тельной ОЭС с избирательной инвариатностыо // Научно-технический вестник СП6ГУ ИТМО Выпуск 26 "Исследования в области приборостроения" /Под ред. В.Н Васильева - СПб СПбГУ ИТМО, 2006, с 230-234

2 Син Сянмин, Царева М.В. Коняхин И.А. Исследование контрольного элемента для угловых измерений с нарушенной типовой конфигурацией //Труды VU Международной конференции "Прикладная оптика-2006" - 16-20 октября 2006 г, СПб, Россия Сборник трудов, Том 1 "Оптическое приборостроение" - СПб СПбГУ ИТМО, 2006, с 54

3 Xing Xiangming, Zhang Jilong, Alexandr Timofeev, Igor Konyakhin Definition of monitoring device's parameter of gomometnc optic-electronic system with selective invari-

апсе//Труды УП Международной конференции "Прикладная оптика-2006" - 16-20 октября 2006 г, СПб, Россия Сборник трудов, Том 1 "Оптическое приборостроение" -СПб СПбГУ ИТМО, 2006, с 55-59

4 Сии Сянмин, Поляков ВМ, Коняхин RA., Ворона А.М. Исследование авто-рефлексионной углоизмерителыюй системы с алгоритмической компенсацией систематической составляющей погрешности, вызванной виньетированием //Труды VII Международной конференции "Прикладная оптика -2006", 16-20 октября 2006 г, СПб, Россия. Сборник трудов, Том.1 "Оптическое приборостроение" -СПб СПбГУ ИТМО, 2006, с 67-71

5 Син Сянмин Анализ свойств триэдрического ковггрольного элемента автоколлиматора с неплоской отражающей гранью //Труды IV Межвузовской конференции молодых учёных -СПб СПбГУ ИТМО, 2007, с 51.

6 Анализ частных инвариантных преобразований в оптико-электронных системах контроля пространственного положения М А. Коняхин, АЛ Тимофеев, Э Д Панков, Син Сянмин // Изв Вузов Приборостроение, 2007, Т 50, N 7, С 5-9

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении "Университетские телекоммуникации"

197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул, 14 Тел (812) 233-46-69 Тираж 80 экз

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ ДЛЯ УГЛОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.

1.1 Схемы оптико-электронных автоколлимационных систем для определения угловой ориентации объекта относительно или трёх осей.

1.1.1. Математическое описание угловой ориентации объекта.

1.2 Анализ схем трехкоординатных оптико-электронных автоколлиматоров с КЭ на основе угловых зеркал.

1.3. Анализ схем трехкоординатных оптико-электронных автоколлиматоров с КЭ на основе гравитационно-чувствительных элементов.

1.4. Трёхкоординатные оптико-электронные автоколлиматоры с КЭ на основе стеклянных тетраэдров.

1.4.1. Трёхкоординый автоколлиматор на основе метода непосредственной оценки.

1.4.2. ТОЭА на основе нулевого метода измерения.

1.4.3. ТОЭА на основе матричного ФПЗС.

1.4.4. ТОЭА с использованием растрового анализатора.

1.5. Выводы по результам аналитического обзора схем ТОЭА.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СВОЙСТВ КОНТРОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ТРЕХКООРДИНАТНЫХ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ.

2.1. Алгоритм автоколлимационных измерений. Формулировка задачи исследований.

2.2 Выбор способа задания матрицы преобразования координат. Углы

Эйлера-Крылова как параметры угловой ориентации.

2.3. Выбор вида компонентов алгоритма автоколлимационного метода измерения.

2.3.1. Обобщённый вид матрицы преобразования координат.

2.3.2. Структура выражения для орта отражённого пучка.

2.3.3. Вид выражения для матрицы действия контрольного элемента

2.4. Анализ основных видов контрольных элементов для автоколлимационных измерений.

2.4.1. Выбор классов анализируемых зеркально-призменных систем

2.4.2. Параметры эквивалентных зеркально-призменных систем для измерения коллимационных углов.

2.4.3. Проблема селекции изображений в плоскости анализа ИОЭП

2.4.4. Оптимизация параметров эквивалентных зеркально-призменных систем для измерения угла скручивания /57,58/.

2.4.5. Обзор результатов анализа эквивалентных зеркальных систем

ГЛАВА 3. Исследование метрологические свойства КОНТРОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ; разработка методики расчета параметров.

3.1. Методика расчёта параметров матрицы действия КЭ в виде системы зеркал.

3.1.1. Общий вид матрицы действия зеркального триэдра.

3.1.2. Методика расчёта матрицы действия зеркального триэдра.

3.1.3. Методика расчёта матрицы действия КЭ в виде призмы.

3.2. Основные этапы анализа зеркально-призменных КЭ. Пример анализа

КЭ в виде стеклянного тетраэдра с одним ненулевым углом отклонения /17,48/.

3.3. Основные этапы синтеза зеркально-призменных КЭ.

3.4. Синтез КЭ для трёхкоординатных автоколлиматоров с независимым измерением угла скручивания ©з (стеклянный тетраэдр, три двугранных угла между отражающими гранями которого не равны 90°) /46/.

3.5. Альтернативный вариант КЭ для трёхкоординатных автоколлиматоров с независимым измерением угла скручивания ©з (стеклянный тетраэдр, два двугранных угла между отражающими гранями которого не равны 90°) /47/.

3.6 Алгоритм измерения углов при использовании синтезированных КЭ

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОМ МОДЕЛИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НА ЕЕ ОСНОВЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ТРЕХКООРДИНАТНОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО АВТОКОЛЛИМАТОРА.

4.1. Анализ основных составляющих погрешности измерения. Первичные погрешности.

4.2. Принципы построения имитационной модели ТОЭА.

4.3. Используемая методика экспериментального исследования моделей.

4.4. Анализ результатов экспериментального исследования модели ТОЭА.

4.4.1. Погрешность измерения вследствие приближений, принятых при разработке нелинейных уравнений, определяющих алгоритм измерения коллимационных углов и угла скручивания.

4.4.2. Погрешность измерения вследствие отклонения фокусного расстояния объектива автоколлиматора от номинального значения.

4.4.3. Погрешность измерения вследствие отклонения показателя преломления стекла тетраэдрического КЭ от номинального значения.

4.4.4. Погрешность измерения вследствие отклонения величин двугранных углов межу отражающими гранями КЭ от требуемого значения.

4.4.5. Зависимость погрешности измерения угловых координат от погрешности измерения координат изображений измерительных марок на чувствительной площадке вследствие шумов матрицы ПЗС или КМОП.У.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЭА.

5.1.Габаритные соотношения при использовании КЭ на основе зеркально-призменных систем.

5.1.1 Структура пучка коллиматора.

5.1.2 Особенности зеркально-призменых КЭ.

5.1.3 Автоколлимационная схема канала измерения коллимационных углов.

5.2 Используемые алгоритмы определения параметров изображения марки.

5.3. Выбор общей методики экспериментальных исследований.

5.4. Выбор метрологических параметров , описывающих качество объектов исследования и методики их оценки.

5.5 Последовательность исследования макета ТОЭА.

5.6 Состав исследуемого макета ТОЭА.

5.7. Основные эксперименты и обработка результатов.

Определение области, объекта и предмета диссертационного исследования

Одной из важных задач измерительной техники является измерение угловых величин, в частности, определение угловой ориентации объектов. В наиболее общем случае необходима пространственная угловая ориентация, для которой требуется измерение углов поворота относительно трёх ортогональных осей, одна из которых совпадает с линией визирования объекта (ось скручивания), а две другие ей перпендикулярны (коллимационные оси). Углы поворота относительно указанных осей, соответственно, угол скручивания и коллимационные углы.

В качестве конкретных примеров решения этой задачи могут быть названы следующие.

1. Измерение угловых перемещений частей и блоков крупногабаритных сооружений с целью контроля точности их сопряжения и реализация неизменности взаимного расположения. Такие измерения типичны при монтаже и мониторинге функционирования энергетических, промышленных объектов, научно-исследовательских установок. Например, для обеспечения функционирования создаваемого Россией уникального радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70 необходима компенсация трехмерных деформаций поверхности 70-метрового главного зеркала, пространственная подстройка ориентации контррефлектора, учет скручивания сигары отражающей системы и пилонов опорно-поворотного устройства.

2. Контроль в реальном масштабе времени деформаций и прогибов нагруженных элементов промышленных и транспортных сооружений: нефте- и газопроводов, фундаментов реакторов, плотин, мостов, причальных стенок и доков с целью анализа их состояния и повышения безопасности функционирования.

3. Определение углового положения движущегося объекта при причаливании или стыковке, элемента конструкции при сборке, рабочего органа робота.

4. Измерение угловых деформаций при экспериментах по изучения свойств и контроля состояния моделей новых конструкций или образцов материалов.

При соответствующих высокоточных измерениях погрешность составляет величину от единиц угловых секунд до единиц десятков угловых секунд (10'5.10"4 рад) при диапазоне измерения от нескольких угловых минут до л | единиц угловых градусов (порядка 10" . 3-10" рад); дистанция до контролируемого объекта от десятков сантиметров до десятков метров.

Для решении указанных задач эффективны трёхкоординатные оптико-электронные углоизмерительные системы, при этом предпочтительно использование угломеров автоколлимационного типа с размещением на объекте отражающего контрольного элемента, не требующего электропитания и эксплуатационного обслуживания.

Однако, в настоящее время разработаны и выпускаются одно- и двух-координатные автоколлиматоры. Известны реализации трехкоординатных угломеров в виде экспериментальных образцов, которые представляют собой комплекс из двухкоординатного автоколлиматора и отдельного канала для измерения угла скручивания. Анализ отраженных пучков при измерении коллимационных углов и угла скручивания выполняется раздельно в отдельных измерительных каналах, что значительно усложняет схему угломера и приводит к значительным погрешностям измерения из-за рассогласования осей оптических систем измерительных каналов и отсчетных баз фотоприемных матриц при обработке изображений.

Более эффективным является построение трехкоординатной углоизме-рительной системы на основе автоколлиматора с единым полем анализа. При этом специальные алгоритмы трехкоординатных измерений, соотношения между параметрами элементов автоколлиматора при общем анализе изображений, соответствующих различным отраженным пучкам в настоящее время практически не исследованы.

Таким образом, разработка новых схем трёхкоординатных оптико-электронных автоколлиматоров (ТОЭА), в частности, с единым полем анализа, совершенствование методов расчета параметров их компонентов, в особенности, отражающих контрольных элементов (КЭ), исследование их метрологических свойств являются актуальными задачами измерительной техники.

Указанные обстоятельства подтверждают актуальность выбора в качестве объекта исследования оптико-электронных автоколлимационных угломеров, а в качестве предмета исследования — соотношений между параметрами их элементов, методов расчета параметров и характеристик, реализация которых позволяет увеличить диапазон измерения и точность ТОЭА.

Цель и задачи диссертационного исследования

Целью диссертационного исследования является разработка принципов построения трёхкоординатных оптико-электронных автоколлиматоров (ТОЭА) с единым полем анализа, разработка и исследование специальных алгоритмов трёхкоординатных автоколлимационных измерений, совершенствование методов расчета параметров элементов оптической схемы. Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Сформулировать основные требования к ТОЭА;

2. Исследовать действие зеркально-призменных систем различных типов, используемых в качестве отражающих контрольных элементов ТОЭА;

3. Проанализировать варианты построения оптических схем ТОЭА, провести их сравнение и оптимизацию параметров;

4. Рассмотреть габаритно-энергетические соотношения и методики расчёта параметров элементов оптических схем ТОЭА;

5. Реализовать и исследовать программные алгоритмические модели процесса определения угловых координат по измеренным координатам изображений в плоскости анализа; проанализировать влияние отклонений параметров оптических элементов на величину погрешности измерения;

6. Выполнить экспериментальные исследования алгоритмов трехкоординатных измерений на компьютерных моделях и макете автоколлиматора.

Методы исследования. При теоретическом анализе зеркально-призменных систем и исследовании свойств КЭ используются соотношения геометрической оптики, векторно-матричные методы расчёта, а также разработанные на их основе методики.

В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами измерительной системы, анализе алгоритмов трехкоординатных измерений используются детерминированных, имитационные компьютерные и физические модели функциональных элементов автоколлиматора. Модели реализованы на основе компьютерной технологии MathCAD и исследуются методом статистических испытаний. Также реализуется практическая проверка полученных соотношений посредством экспериментального исследования физической модели - макета ТОЭА.

Структура диссертационной работы

Диссертационная работа включает введение, пять глав и заключение. Во Введении обосновывается актуальность проблемы, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

1.5. Выводы по результам аналитического обзора схем ТОЭА

Проведён анализ метрологических параметров трёхкоординатных уг-лоизмерительных систем, построенных по ряду известных схем (угломеры использующие гравитационно-чувствительные КЭ, с КЭ на основе призм БР-180°, угломеры на основе коллимационной схемы) при повороте контролируемого объекта относительно трёх ортогональных осей. Выявлено, что по причине взаимного влияния измерительных каналов, сложности селекции изображений марки в плоскости анализа, значительного различия в величине чувствительности по измерения коллимационных углов и угла скручивания рассмотренные схемы практически неприменимы для высокоточных трёхкоординатных измерений.

Пучок j ^ Анализ известных реализаций оптико-электронных угломеров с использованием тетра-эдрических КЭ подтвердил принципиальную возможность реализации трёхкоординатных изме

Рис. 16 рений с их использованием. Принципиальным недостатком рассмотренных угломеров является сложная оптическая схема (см. рис. 16), фактически представляющая собой композицию канала измерения коллимационных углов (излучающая марка 1, объектив 2, контрольный элемент 3- плоское зеркало, матричный фотоприемник 4, рабочий Пучок 1) и канала измерения угла скручивания (объектив 5, контрольный элемент 6 - стеклянный тетраэдр, матричный фотоприемник 7, рабочий Пучок 2). Использование угломеров такой структуры предъявляет повышенные требования к стабильности расположения осей приемных объективов измерительных каналов и точности согласования отсчетных баз соответствующих матричных анализаторов. По причине сложности реализации, высокой стоимости подобные угломеры peaлизованы в виде одиночных уникальных образцов.

Более эффективным является построение угломера в виде трехкоорди-натного оптико-электронного автоколлиматора (ТОЭА) с общим для каналов измерения трех угловых координат контрольным элементом (КЭ) и полем анализа. В этом случае схема ТОЭА соответствует классическому автоколлиматору, однако КЭ формирует отдельные пучки для измерения коллимационных углов (Пучок 1) и угла скручивания (Пучок 2), а единый матричный анализатор 4 использует специальные алгоритмы для обработки формируемых ими изображений (рис.2). Установлены направления дальнейших исследований, главными из которых определены:

Из анализа следует, что параметры ТОЭА, построенного по схеме на рис. 17 в значительной степени образом определяется свойствами зеркально-призменной системы, на основе которой реализован КЭ. При этом одной из основных составляющих погрешности измерения является методическая погрешность вследствие взаимного влияния каналов измерения угловых координат и погрешность из-за виньетирования рабочего пучка оправами оптических элементов.

Эти обстоятельства определяют конкретные задачи диссертационных исследований: анализ соотношений между параметрами КЭ тетраэдрическо-го типа и их оптимизация, габаритные соотношения элементов оптической схемы ТОЭА, структура составляющих суммарной погрешности измерения, исследование влияния первичных погрешностей на компьютерных моделях.

Можно сформулировать следующие конкретные задачи исследований.

-461. Исследовать действие зеркально-призменных систем различных типов, используемых в качестве отражающих контрольных элементов ТОЭА;

2. Проанализировать варианты построения оптических схем ТОЭА, провести их сравнение и оптимизацию параметров;

3. Рассмотреть габаритно-энергетические соотношения и методики расчёта параметров элементов оптических схем ТОЭА;

4. Реализовать и исследовать программные алгоритмические модели процесса определения угловых координат по измеренным координатам изображений в плоскости анализа; проанализировать влияние отклонений параметров оптических элементов на величину погрешности измерения;

5. Выполнить экспериментальные исследования алгоритмов трехкоординатных измерений на компьютерных моделях и макете автоколлиматора.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СВОЙСТВ КОНТРОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ АВТОКОЛЛИМАТОРОВ

2.1. Алгоритм автоколлимационных измерений. Формулировка задачи исследований

Пути расширения диапазона измерения и повышения точности ТОЭА, необходимость реализации единого поля анализа непосредственно определили один из основных путей совершенствование - синтез контрольного элемента автоколлиматора со следующими метрологическими свойствами: заданная величина коэффициента преобразования (оптической редукции), меньшая единицы для всех измеряемых углов; отсутствие погрешности измерения вследствие взаимного влияния измеряемых координат.

В общем случае КЭ представляет собой зеркально-призменную отражающую систему, которая преобразует повороты контролируемого объекта в отклонения отражённых пучков, измеряемые другим элементом ТОЭА — измерительным оптико-электронным преобразователем (ИОЭП). При-этом падающий пучок сформирован формирующим каналом ТОЭА (структурная схема ТОЭА соответствует рис. 1.1).

Алгоритм автоколлимационного метода измерения углов следует из выражения для орта В отражённого пучка /14,19,24 /:

В = М© -А = Mr-Md-Mr1-A, (2.1) где А - орт падающего на КЭ пучка, М© - матрица действия общего вида зеркально-призменной системы, реализующей КЭ.

В соответствии с выражением (2.1), матрица действия М© общего вида находится как произведение матрицы действия Mj зеркально-призменной системы, записанной для некоторого исходного положения КЭ (обычно при отсутствии измеряемого угла поворота) и матриц прямого Мг и обратного —

Mr1 преобразований координат, описывающих поворот КЭ из исходного в текущее положение и выраженных через измеряемые параметры угловой ориентации.

После измерения координат орта В искомые параметры угловой ориентации КЭ находятся как корни уравнения (2.1) при известных величинах координат орта А, элементов матрицы действия Md и вида выражений, определяющих элементы матрицы Мг.

Принцип работы ТОЭА определяет следующую последовательность анализа: выбор вида матрицы преобразования координат Мг, анализ матриц Md общего вида отражающих зеркально-призменных систем, используемых для построения КЭ, и оптимизацию матриц действия Md, по критерию реализации требуемых метрологических свойств.

2.2 Выбор способа задания матрицы преобразования координат. Углы Эйлера-Крылова как параметры угловой ориентации

Выражения для элементов матрицы преобразования Мг определяется видом используемой системы координат, а также составом параметров, задающих угловую ориентацию КЭ.

Используемая в аналитической механике классическая система координат приведена в Введении для описания угловой ориентации контролируемого объекта.

Согласно описания, с базовым объектом 1 (жесткой базой) связана неподвижная система координат XYZ, а с контролируемым объектом 2 — подвижная система координат X\Y\Zh оси которой в исходном состоянии параллельны соответствующим осям неподвижной системы координат (рис.1).

При наличии углового поворота контролируемого объекта нарушается параллельность соответствующих осей подвижной и неподвижной систем координат. Для определения возникшего углового рассогласования наиболее удобно использовать три угла Эйлера-Крылова ©ь ©2, ©з, а не углы Эйлера.

Ги1 ©'зе

Рис. 2.1. Эквивалентные углы поворота координатных осей: а) - углы Эйлера-Крылова; б) - углы Эйлера

2.3. Выбор вида компонентов алгоритма автоколлимационного метода измерения

2.3.1. Обобщённый вид матрицы преобразования координат

Матрица Мг выражается через углы Эйлера - Крылова трёх последовательных поворотов системы X\Y\Z\ относительно своих координатных осей и может быть задана в виде произведения трёх матриц, каждая из которых описывает поворот на угол ©1,02 или ©з относительно одной оси см. рис. 2.1. /1,11,12,15,38/.

В частности, преобразование координат при повороте относительно оси OXj на угол ©1, относительно оси OYj на угол ©2 и относительно оси

OZ\ на угол ©з, соответственно, определяется матрицами /38 ,54 /:

1 О О

О cos(0 j) -sin(0 j)

0 sin(Qx) cos(@ j) (22) M

XI М

Y1 cos(0 2) о sin(02)

О 1 О -sin(©2) 0 cos(©2) М

Z1 :: (2.3) cos(©3) -sin(©3) О sin(©3) соб(©З) 0 0 0 1

2.4)

Матрица Mr в общем случае может быть задана шестью способами, соответствующими различной последовательности поворотов относительно трёх координатных осей согласно (см. табл. 2.1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проделан анализ известных аналогов синтезирована схема углоизмерительного трехкоординатного оптико-электронного автоколлиматора с единым полем анализа, сформулированы требования к отражающему контрольному элементу (КЭ).

2. Проведены исследования свойств КЭ для трехкоординатных автоколлимационных измерений на основе тетраэдрических отражателей различных видов.

3. По результатам исследований разработаны практические алгоритмы автоколлимационных измерений, основанные на измерении координат изображений марки в плоскости анализа автоколлиматора с их последующим нелинейным преобразованием.

4. Разработана группа методик расчёта параметров КЭ для трехкоординатного оптико-электронного автоколлиматора с единым полем анализа, использование которых позволяет уменьшить погрешность измерения из-за взаимного влияния измеряемых углов, синтезировать КЭ с коэффициентами передачи, соответствующими рабочей дистанции и диапазону измерения углов, обеспечить селекцию изображений в поле анализа.

5. Разработана методика расчёта габаритов оптических элементов автоколлиматора, определяющая возможность уменьшения погрешности измерения вследствие виньетирования рабочих пучков.

6. На основе разработанных компьютерных моделей получены соотношения, определяющие зависимость суммарной погрешности измерения трехкоординатного автоколлиматора от величин отклонений параметров звеньев измерительной цепы.

7. Реализован макет оптико-электронного трехкоординатного автоколлиматора и проведены его экспериментальные исследования, подтвердившие правильность разработанных методик и принципов построения.

1. Автоколлиматоры унифицированные АК-0,2У, АК-0,5У,АК- 1У. Паспорт АЛ2.766.036 ПС. Новосибирский приборостроительный завод им. В.И. Ленина, 1980.

2. Андреев А.Л., Коняхин И.А., Нужин А.В. и др.Трёхкоординатный датчик взаимных угловых рассогласований/Юптико-электронные приборы в контрольно-измерительной технике/под ред. Л.Ф. Порфирьева.-Л.:ЛИТМО, 1993.- (Тр. ЛИТМО).

3. Андреев А.Л., Нужин А.В., Пвнков Э.Д. О повышении точности позиционно-чувствительного датчика на ПЗС// Изв. ВУЗов — Приборостроение, 1994., № 4, с. 70-77.

4. Афанасьев В. А., Жилкин А. М., Усов B.C. Автоколлимационные приборы. -М.: Недра, 1982.

5. Батян П.В., Коняхин И.А.,. Лукьянов Г.Н. Установка оперативного мониторинга жилых и промышленных сооружений /Информационный листок N 312-95. — СПб:ЦНТИ, 1995.

6. А.С. 243881 (СССР). Оптико-электронное автоколлимационное устройство /В.Г.Бурачек, В.Ю.Мещерский, О.С.Бандуркина и В.И.Винник; опубл. 1969, Бюл. № 17.

7. А.С. 248283(СССР) Фотоэлектрическое автоколлимационное устройство для измерения углового перемещений /В.Г. Бурачек, В.Ю. Мещерский и др.; опубл. 1969, Бюл. № 23.

8. Вагнер Е.Т., Митрофанов В.Н., Барков В.Н. Лазерные и оптические методы контроля в самолетостроении. М.: Машиностроение, 1977- 176 с.

9. Васютинский И.Ю., Рязанцев Г.Е., Ямбаев Х.К. Геодезические приборы при строительно-монтажных работах. М: Недра, 1982.

10. Великотный A.M. К вопросу о пространственном распределении излучения светодиодов // Труды ЛИТМО.-Л., 1978.

11. А.С. 170707(СССР). Фотоэлектрическая автоколлимационная труба /Г.Е.Виноградов, Г.Н.Заводов, и др.; опубл. 1965, Бюл. № 9.

12. Воднев Математический словарь высшей школы.-Мн.:Выш. шк., 1984.-527 е., ил.

13. Высокоточные угловые измерения/Д.А. Аникст, К.М. Константинович, И.В. Меськин, Э.Д. Панков. Под ред. Ю.Г. Якушенкова, М.: Машиностроение, 1987 480 с.

14. А.С.181336(СССР). Двух координатный фотоэлектрический датчик угла/Ю.М.Голубовский; опубл. 1986, Бюл. № 9.

15. ГОСТ 8009-84. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений- Государственный комитет СССР по стандартам, М: Издательство стандартов, 1985.

16. Гукайло М.Я. Автоколлимация. —Москва-Киев: Машгиз, 1963.—108 с.-11321. А.С. 518625(СССР). Индикатор горизонта/ Н.В.Гусев, С.А.Ульян-цев; опубл. 1976, Бюл. № 23.

17. Грейм И. А. ЗеркаЛьно-призменные системы. М.: Машиностроение, 1981. -125с. (Библиотека приборостроителя)

18. Громов Е.В. Об измерении углов разворота объектов.- В кн.: Исследования по геодезии, аэрофотосъемке и картографии. М., 1976, т. I, с. 167-176.

19. А.С. 479948(СССР). Двухкоординатный оптико-электронный угломер/ Л.Н.Громов, В.В.Ивандиков; опубл. 1975, Бюл. № 29.

20. А.С. 551502 (СССР). Устройство для измерения угловых смешений объекта в двух взаимно перпендикулярных плоскостях /П.В.Журавлев, Е.И.Павлов, Н.М.Серегин; опубл. 1977, Бюл. №11.

21. Зацаринный А.В. Автоматизация высокоточных инженерно-геодезических измерений. М. Недра, 1976.

22. Зубенко Д.Ю., Коняхин И.А. Оптико-электронный автоколлиматор для измерения угла скручивания //Теоретическая и прикладная оптика: Тезисы докладов на I Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов.-Ленинград:ГОИ, 1984.-С.189.

23. Зубенко Д-Ю., Коняхин И.А. Оптико-электронный углоизмерительный автоколлиматор // Теоретическая и прикладная оптика: Тез. докл. II Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов-Ленинград:ГОИ, 1986.-С.310.

24. Зубенко Д.Ю., Коняхин И.А. Оптико-электронный угломер: Материалы XVIII научно-технической конференции молодых ученых и специалистов отрасли, Красногорск 1989.-С.З.

25. А.с. 1430742 СССР, МКИ G 01 В 11/26. Оптико-электронное устройство для измерения угла скручивания объекта/Д.Ю.Зубенко, И.А.Коняхин, Э.Д.Панков, А.Л.Андреев (СССР).-Опубл.15.10.88, Бюл.№38.

26. Зубенко Д.Ю., Коняхин И.А. Угломер для определения угла скручивания //Оптические и оптико-электронные методы и приборы дляточных угловых и линейных измерений и оптронная техника: Тез. докл. конф.— Киев.-Москва:Информтехника, 1989.-С.23.

27. Зубенко Д.Ю., Коняхин И.А. Об одном варианте угломера для измерения угла скручивания // Изв. ВУЗов СССР. Приборостроение-1990-Т.ЗЗ, №8.-С.78-81.

28. Зубенко Д.Ю., Коняхин И.А. Устройство контроля углового положения объекта на основе явления анаморфозы //Оптико-электронные методы и средства в контрольно-измерительной технике: Материалы семинара.-Москва:Информтехника, 199 Ь-С.89-91.

29. А.с. 1717952 СССР, МКИ G 01 В 11/26. Отражатель для оптико-электронного углоизмерительного устройства /Д.Ю. Зубенко, И.А. Коняхин, Э.Д. Панков (СССР).-№4737565/28; Заяв. 15.09.89; Опубл. 07.03.92, Бюл. №15.

30. А.с. 1728653 СССР, МКИ G 01 В 11/26. Отражательная система оптико-электронного устройства для измерения угла скручивания /Д.Ю.Зубенко, И.А.Коняхин, Э.Д.Панков; опубл. 23.04.92, Бюл. .№15.

31. Ивандиков Я.М. Оптико-электронные приборы для ориентации и навигации космических аппаратов.-М.: Машиностроение-1971.

32. Иванов В.И, Алексеев А.И. Полупроводниковые опто-электронные приборы. Справочник. Энергоатомиздат. 1998г.

33. Иванкин З.А. и др. Моделирование шумов матриц ПЗС./Техника средств связи. Сер. Техника телевидения, 1996, вып. 2, с. 23- 29.

34. Иванов В.А., Привалов В.Е. Применение лазеров в приборах точной механики.- СПб.:Политехника, 1993. 216 с.:ил.

35. Карапетян Б.К. Колебание сооружений, возведенных в Армении.- Ереван: Айастан, 1977г. -250 с.

36. Карасев В.И., Монэс Д.С. Методы оптических измерений при монтаже турбоагрегатов. — М:Энергия, 1983. 168 с.

37. А.С. 494600 (СССР). Датчик угла /Б. В. Кириенко, JI.H. Васильева, Г.С. Черемухин; опубл. в 1986, Бюл. № 45.

38. Син Сянмин. Анализ свойств триэдрического контрольного элемента автоколлиматора с неплоской отражающей гранью. //Труды IV Межвузовской конференции молодых учёных. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007, с. 51.

39. Анализ частных инвариантных преобразований в оптико-электронных системах контроля пространственного положения /И.А. Коняхин, А.Н. Тимофеев, Э.Д. Панков, Син Сянмин // Изв. Вузов. Приборостроение, 2007, Т. 50, N 7, С. 5-9.

40. А.с. №574606 СССР, МКИ G 01 В 11/26. Устройство для контроля угла поворота объекта //И.А.Коняхин, Э.Д.Панков; опубл. 1977, Бюл. №36.

41. Коняхин И.А., Панков Э.Д. Трехкоординатный автоколлиматор //Оптико-механическая промышленность.-l 980.-№3.-С. 19-21.

42. А.с. №781563 СССР, МКИ G 01 В 11/00. Оптический датчик перемещения объекта // И.А.Коняхин, Э.Д.Панков и др.; опубл. 1980, Бюл. №43

43. Коняхин И.А., Панков Э.Д. Трехкоодинатный автоколлиматор //Метрология в оптическом приборостроении: Сб. тез. докл.-М.: ЦНИИ информации.-1979.

44. Коняхин И.А, Панков Э.Д. Контрольные элементы оптических и оптико-электронных угломеров. Известия ВУЗов — Приборостроение, 1985. № 10, с. 62-68. ч. 1; 1986. № 2, с. 75-85. ч. 2.

45. А.с. №1486784 СССР, МКИ G 01 В. 11/26. Способ аттестации автоколлимационных угломеров //И.А.Коняхин, Э.Д.Панков и др.; опубл. 1989, Бюл., №22.

46. Коняхин И.А. Панков Э.Д. Трехкоординатные оптические и оптико-электронные угломеры. -М.: Недра 1991-11759. Коняхин И.А., . Джабиев А.Н , Панков Э.Д. Автоколлимационные углоизмерительные средства мониторинга деформаций СПб.; СПБГИТМ(ТУ), 2000 . 197 с.

47. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников.: пер. с англ.- М., Наука,. 1984. 832 с.

48. Лебедев И.В. О некоторых свойствах систем плоских зеркал // Труды института физики и математики АН ЁССР.-Вып. 1-Минск: АН БССР.-1956.-С. 125-151.

49. Мусяков В.Л., Панков Э.Д. К вопросу об использовании уголкового отражателя для измерения скручивания //Оптико-электронные приборы в контрольно-измерительной технике:сб. статей/ под ред. проф. Л.Ф. Порфирьева. -(Труды ЛИТМО), вып. 81,1975.

50. Мусяков В.Л., Панкова Э.Д. Об одном способе определения пространственного положения объектов.—, Известия ВУЗов Приборостроение, 1976, Т. XIX, № 7,С. 102-105.

51. Неумывакин Ю.К. Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве.- М., Недра, 1984.

52. Новгородский М.А. Испытание материалов, изделий и конструкций.-М.: Высшая школа-1971.

53. Носов Ю.Р., Шилин В.А.Основы физики приборов с зарядовой связью.-М.:Наука, 1986.-3 20 с.

54. Оптические и инфракрасные телескопы 90-х годов: Пер. с англ./Ф.Джиллет,А Лабейри, Дж. Нельсон и др. Под ред. А.Хьюит/ М.:Мир, 1983.-296 с.

55. Оптические системы геодезических приборов. /Аникст Д.А., Голубовский О.М., Петрова Г.В. и др. — М.: Недра, 1981. 240 с.

56. ООф Панков Э.Д., Коротаев В.В. Поляризационные угломеры. — М: Недра, 1992 г.—240 с.

57. А.С. 771464(СССР). Трехкоординатное оптическое устройство /Э.Д.Панков, В.В.Хижняков; опубл. 1980, Бюл. № 38.-11871. Парвулюсов Ю.Б.,Солдатов .В.П., Якушенков Ю.Г. Проектирование оптико-электронных приборов.-М.Машиностроение, 1990432 с.:ил.

58. Пик Л.И. Исследование действия призменного отражателя //Геодезия и картография.-1965.-№10.-С.29-35.

59. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л: Машиностроение, 1982, -128 с.

60. Процко С.В., Хапалюк А.П. Независимое измерение углов поворота объектов при помощи световозвращателей в форме трехгранных углов // Известия ВУЗов — Приборостроение, 1990, №9.

61. Процко С.В., Титов А.Д., Ханох Б.Ю., Хапалюк А.П. Автоколлимационные свойства световозвращателей в форме трехгранных углов //Известия ВУЗов-Приборостроение, 1987. т. с. 9-16.

62. Ритынь Н.Э. О некоторых особенностях действия триппель-призмы //Записки по гидрографии.-1946.-№3.-С.125.

63. Ритынь Н.Э. Оптические свойства уголковых отражателей // Оптико-механическая промышленность.-l 967.-№4.-С. 1-7.

64. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений:Метрологическая справочная книга.-Л:Лениздат, 1987.-295 е., ил.

65. Тудоровский А.И. Теория оптических приборов.М.-Л. Изд-во АН СССР,1938.

66. А.с. №550529 СССР. Устройство для дистанционного контроля угла разворота // С.Т.Цуккерман; опубл. 1977, Бюл. №10

67. Пат. 3443872(США). Remote object orientation measuring device/Colvin D.W., Comean J.C., Kulick f. заявл. 31.08.64, №393165; опубл. 13.05.69;МКИ G01 с1/00;НКИ 356-147.-Прибор для измерения ориентации удалённого объекта.

68. Пат. 3486826(США). Three axes optical alignment apparatus / Colvin D.W., Kulick F. -заявл . 27.12.65,№516428;опубл.30.12.69; МКИ G10 В 11/26;НКИ 354-141. -Трёхосный оптический выравнивающий прибор

69. Eckhardt H.D. Simple model of corner reflector phenomens .-Appl.Opt., 1971, vol 10, №7, p.1559-1566.

70. В.В. Коротаев B.JI. Мусяков-12*1 1. УТВЕРЖДАЮ1. Актоб использовании материалов диссертации аспиранта Син Сянмин в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики1. Комиссия в составе:

71. Председатель: проф. Коротаев В. В. члены комиссии: доц. Мусяков B.JI.доц. Андреев В. JT.

72. Составила настоящий акт в том, что в курсе " Специальные вопросы конструирования и технологии устройств прикладного ТВ " (кафедра оптико-электронных приборов и систем) используются материалы диссертационной работы аспиранта Син Сянмин.

73. Председатель комиссии д. т. н., проф.

74. Члены комиссии: к. т. н., доц. к. т. н., доц.

75. Мусяков В. JI. Андреев A.JI.