1.2 Стенд контролю визначення орієнтації астровимірювального приладу в динамічному режимі
Стенд призначений для імітації на екрані монітора довільних ділянок зоряного неба епохи відповідно до каталогу зірок небесної сфери в екваторіальній системі координат (далі по тексту ЕСК) при контролі визначення ділянки зоряного неба і орієнтації в динамічному режимі положення візирної осі астровимірювального прилада.
Пристрій стенду показаний на рис. 1.2.
Рис. 1.2 Стенд контролю визначення орієнтації
1 - стіл 1; 2 - монітор на підставці; 3 - кронштейни (стійки каркаса);
4 - стіл 2; 5 - об'єктив коліматор (ОК); 6 - світлофільтр НС- 8.; 7 ‑ кронштейн; 8 - кабель DVI з комплекту ПК; 9 - комплект ПК; 10 - блок; 11 - кабель;
12 ‑ Портативний комп'ютер (ноутбук); 13 ‑ кабель; 14 ‑ перетворювач інтерфейсів rs485 - usв; 15 - кабель.
Структурна схема стенда зображена на рис. 1.3
Рис. 1.3 Структурна схема стенда
Світлові пучки від імітованих на екрані монітора зірок колімуются об’єктивом і поступають на вхідну зіницю об'єктиву астровимірювального прилада, який формує зображення ділянки зоряного неба в площині світлочутливого майданчика ПЗС-матриці.
Розроблене програмне забезпечення дає можливість виконувати операції в декількох режимах.
Режим зоряного каталогу дозволяє за допомогою елементів призначеного для користувача інтерфейсу :
- завантажити зоряний каталог і модуль генерації тестових даних;
- встановити початкову орієнтацію;
- встановити параметри динамічного режиму;
- управляти відображенням зоряного неба.
Режим "Відео" дозволяє за допомогою елементів призначеного для користувача інтерфейсу :
- завантажувати відеофайл;
- відображувати вхідні дані для стенду з відеофайлу;
- управляти відображенням відеофайлу.
Після формування на екрані монітора вибраного режиму, формується команда "Упізнання", і через 0,5 сек після подачі команди на екран монітора ноутбука виводяться виміряні астровимірювальним приладом значення кутових
координат візирної осі α, β та Θ в ЕСК.
1.3 Оптико – електронна система автоколімаційного виміру деформацій елементів конструкції повноповоротного радіотелескопу
Нині в багатьох країнах реалізуєтся програма будівництва нового типу радіотелескопів (РТ) для дослідження в перспективному міліметровому діапазоні довжин хвиль, наприклад: SRT (Італія), LMT (Мексика), NRO (Японія). Дослідження в міліметровому діапазоні дозволять вирішити як наукові проблеми (радіолокаційне зондування космічних хмар, астрофізичні дослідження з надвисоким розділенням), так і практичні завдання (забезпечення широкосмугових ліній зв'язку з космічними апаратами, високоточне координатно – часове забезпечення реперних точок на поверхні Землі).
Відповідно до міжурядової угоди, Росія також створює повноповоротний радіотелескоп РТ- 70 (Суффа) на плато Суффа в Узбекистані.
Для роботи в міліметровому діапазоні необхідно забезпечити високу якість параболічної поверхні дзеркала і точне наведення осі дзеркальної системи по кутах азимута і місця (максимальна погрішність близько 1,5..2 кут. сек).
Базовим елементом системи наведення дзеркальної системи РТ- 70 являється прецезійна тривісна гіростабілізована платформа (погрішність відліку кутів місця і азимута не більше 1 кут. сек.), розташована на значному віддаленні (до 20 метрів) від вершини параболоїда. Внаслідок вагових, температурних і вітрових деформацій елементів конструкції РТ фактичне кутове положення осі дзеркала може значно відрізнятися від величин, що знімаються з датчиків платформи (до 10..12 кут. хв). Необхідно виміряти вказані величини кутових деформацій конструктивних елементів РТ- 70 для обліку в системі наведення дзеркальної системи.
Для контролю кутового положення великогабаритних конструкцій ефективні оптико-електронні системи автоколімацій. Застосовно до РТ- 70, потрібна реалізація малогабаритної кутовимірювальної системи, що забезпечує високу точність виміру (погрішність не більше 1,5..2 кут. сек.) при значній робочій дистанції між об'єктом контролю і автоколіматором (до 20 м) і відносно широкому діапазоні виміру (10..12 кут. хв.).
Подібні системи потрібні також при рішенні багатьох завдань у виробничій і науковій діяльності: контролі деформацій бурових платформ, доків, фундаментів електростанцій і інших великогабаритних об'єктів. Проте нині відсутні серійні автоколіматори з необхідними метрологічними параметрами. Відома обмежена кількість схем спеціальних широкодіапазонних кутомірів, недоліком яких є складна схема і великі габарити.
Одним з головних чинників, що затрудняють автоколімаційні виміри при значних (десятки метрів) дистанціях до контролює мого об'єкту, є обмеження робочих пучків оправами оптичних елементів. Отже, потрібне створення оптико-електронної автоколімаційної системи виміру деформацій (ОЕАСВД), що ефективно працює в умовах значного віньєтування робочого оптичного пучка. Нині не існує теорії синтезу подібних систем і методик їх проектування.
Вказані обставини визначають актуальність вибору в якості об'єкту дослідження ОЕАСД для контролю кутового положення елементів конструкції РТ- 70, а як предмет дослідження – принципів побудови систем автоколімацій, що реалізовують високоточні кутові виміри в умовах значного віньєтування робочого оптичного пучка.
Система контролю кутових деформацій елементів конструкції РТ – 70 включає три вимірювальні канали (рис. 1.4).
Рис. 1.4 Система виміру кутових деформацій РТ- 70
− канал виміру кутового положення опорного кільця (бази датчиків системи адаптації поверхні головного дзеркала), розташованого у вершині параболічного дзеркала (ОК на рис. 1.4), відносно верхньої частини корпуса гіростабілізованої платформи (ГСП) – робоча дистанція 12 метрів, діапазон виміру 12 кут. хв (деформований елемент – сигара основного дзеркала, що несе);
− два ідентичні канали виміру кутового положення відповідно лівої і правої цапф кутовмістной вісі відносно бічних частин корпуси ГСП – робоча дистанція 18 метрів, діапазон виміру 10 кут. хв. (деформований елемент - кутовмістна вісь).
Кожен канал представляє собою ОЕАСВД, яка включає автоколіматор (АК1, АК2, АК3, відповідно), встановлений на конструктивному елементі і
контрольний елемент (КЕ) – пласке дзеркало, встановлене на корпусі ГСП.
Погрішність виміру кожної ОЕАСВД не повинна перевищувати 2 кут. сек.
Аналіз показав, що відомі схеми спеціальних широкодіапазонних кутомірів не дозволяють вирішувати завдання мінімізації габаритів ОЕАСВД на необхідних робочих дистанціях. Виявлені чинники, що перешкоджають збільшенню робочої дистанції при автоколімаційних вимірах.
При реалізації малогабаритних автоколіматорів типово віньєтування оптичних пучків, що формують зображення марки в площині аналізу. Величина віньєтування складним чином залежить від кута повороту КЕ. Зокрема, при "нульовому" положенні КЕ віньєтування симетричне відносно центру зображення. При повороті контролюємого елементу віньєтування стає асиметричним, що приводить до спотворення розподілу освітленості в зображенні марки. Аналіз показав, що до деякого порогового значення кута повороту КЕ Θгр така асиметрія не приводить до спотворення геометричної форми зображення (таке віньєтування може бути назване "регулярним"), а при повороті КЕ на більший кут відбувається повне віньєтування частини променів, що формують зображення, і спотворення геометричної форми зображення ("радикальне" віньєтування). Величина кута Θгр:
Θгр=
(1.1)
де D1 - діаметр об'єктиву, L - відстань до КЕ.
Дослідження впливу віньєтування на погрішність виміру виконувалось для двох видів систем автоколімацій : власне автоколімаційних і авторефлексіоних (див. рис. 1.5).
Рис. 1.5. До порівняння власне автоколімаційного (АК) і авторефлек-
сіоного (АR) видів ОЕАСВД.
Цифрами позначені: 1 - об'єктив, 2 - джерело випромінювання, 3
- КЭ, 4 - аналізатор зображення, 5 - напівпрозоре дзеркало.
Особливістю метрологічного завдання виміру кутових деформацій елементів РТ- 70 являється значна (в порівнянні з типовим автоколіматором) дистанція до контрольного елементу, що визначило порівняння варіантів побудови ОЕАСВД саме за критерієм величини робочої дистанції. Отримано, що максимальна робоча дистанція L для представлених схем визначається відповідно виразами:
для автоколімаційної
(1.2)
для авторефлексійної
(1.3)
де D1 - діаметр вхідної зіниці об'єктиву, D2 - діаметр дзеркала, β - кут розходження оптичного пучка, Θmax - максимальний кут повороту КЕ.З порівняльного аналізу виразів (1.2) і (1.3) виходить, що при порівняних параметрах елементів схем при використанні алгоритму компенсації погрішності віньєтування авторефлексійна схема дозволяє забезпечити велику
робочу дистанцію і/або діапазон зміни вимірювального кута (рис. 1.6).
Рис. 1.6 Відносна ефективність авторефлексійної схеми за критерієм
максимальної робочої дистанції ( β мале)
На підставі виробленого аналізу для реалізації ОЕАСВД РТ- 70 була вибрана авторефлексійна схема, яка і досліджувалася надалі.
Макет ОЕАСВД був побудований за авторефлексійною схемою (рис. 1.7).
Досліджувалася статична характеристика системи і її залежність від віньєтування. При проведенні експерименту була відтворена метрологічна задача виміру кутових деформацій кутовмісної осі РТ- 70 (відповідає каналу
виміру кутового положення цапфи осі відносно ГСП - рис. 1.4) : дистанція
між КЕ і автоколіматором - 23 м, діапазон вимірив контрольованого кута - 10 кут. хв.
Мал. 1.7. Структурна схема експериментальної установки
АК - автоколіматор; 1 - випромінююча марка (джерело випромінювання із
змінними діафрагмами 2); 3 - віброізольована опора; 4 - платформа з відлікового кута повороту; 5 - контрольний елемент з набором діафрагм 6;
7 - об'єктив коліматора з набором діафрагм 8; 9 - матричний фотопримач;
10 - система первинної обробки і введення відеокадру; 11 –система аналізу відеокадру, 12 - СУБД результатів експерименту
Параметри ОЕАСВД : об'єктив автоколіматора з фокусною відстанню 400 мм і відносним отвором 1:8, марка у вигляді напівпровідникового випромінюючого діода SFH 485 P (Siemens) потужністю 10 мВт. Аналізатор - КМОП матриця OV5610 Color CMOS QSXGA (5.17 MPixel), розмірами пікселя 2,8 х 2,8 мкм. Контрольний елемент - плоске дзеркало зі світловим діаметром 75 мм змонтоване на поворотній, калібрующїйся подвижці (погрішність завдання кута - 1 кут. сек.). Фотографії основних блоків показані на рис. 1.8, 1.9.
Рис. 1.8 Фотографія АК вимірювальної установки
Рис. 1.9 Фотографія КЕ
вимірювальної установки
У експериментах знімалися статичні характеристики системи при різних співвідношеннях світлових діаметрів оптичних елементів (використовувалися набори діафрагм) і алгоритмах компенсації погрішності виміру. В результаті експериментів було підтверджено наявність систематичної погрішності, що виходить з теоретичного аналізу, обумовленої регулярним віньєтуванням і складовою на краю діапазону величини до 12 кут. сек. (рис. 1.10). Теоретична залежність відповідає експериментальним даним, що дозволяє в завершуючому експерименті виключити систематичну складову погрішності виміру. У результаті середньоквадратичне значення що не компенсується випадковою складовою погрішності виміру склало не більше 2 кут. сек, що відповідає необхідній точності ОЕАСВД для виміру кутових деформацій конструктивних елементів РТ- 70.
Рис. 1.10 Погрішність виміру кута повороту КЕ (експериментальні дані
- точки, теоретична залежність - суцільна лінія)
Результати експериментальних досліджень на комп'ютерних моделях і макеті ОЕАСВД підтвердили адекватність реалізованих математичних і фізичних моделей, а також правильність знайдених відношень між параметрами досліджених систем.