Исследование особенностей построения оптико-электронной системы контроля деформаций плавающего дока

Оптико-электронные приборы и системы в силу ряда практически важных свойств и преимуществ все в большей степени внедряются во многие области науки и практики. Одной из важнейших задач, решаемых с помощью оптико-электронных приборов и систем, является задача измерения взаимных смещений элементов протяженных объектов и сооружений, например, плавающих доков, нефтяных платформ и мостов.

При постановке судна в плавающий док наиболее опасным в аварийном отношении является момент всплытия дока с поставленным в нем судном и процесс проведения работ в доке. В этот момент аварийная ситуация может возникнуть вследствие особо опасных деформаций дока. Даже небольшие превышения допустимых поперечных смещений элементов конструкций могут привести к разрушению дока вместе с поставленным в нем судном.

В большинстве случаев контроль деформаций протяженных конструкций длиной до нескольких десятков или сотен метров необходимо осуществлять в достаточно жестких условиях эксплуатации, которые заключаются в значительных и резких перепадах температуры окружающей среды (от -40 °С до +50 °С), повышенной влажности, воздействии осадков, различного рода электромагнитных помех промышленного происхождения, а также оптических помех (солнечное излучение, вспышки электросварки, искусственное освещение и т. п.). При этом диапазон контролируемых поперечных смещений составляет несколько сотен миллиметров, а погрешность измерений не должна превышать порой 10 миллиметров.

Разработанные и воплощенные на данный момент средства контроля прогиба доков с помощью визуальных оптических систем, различных электромагнитных и гидродатчиков имеют недостаточную точность, низкую надежность и не позволяют одновременно контролировать прогиб носа и кормы.

На основании вышеизложенного проведение необходимых исследований с целью построения и функционирования оптико-электронных систем контроля прогиба представляется весьма актуальным.

Выбранное направление определило следующие задачи исследований:

1. Анализ и классификация существующих оптико-электронных средств контроля смещений.

2. Формирование обобщенной модели многоточечной оптико-электронной системы контроля деформаций (МОЭСКД) с единым полем анализа.

3. Разработка методик выбора и расчета параметров МОЭСКД.

4. Оценка влияния основных источников погрешности в МОЭСКД и определение путей их ослабления.

5. Создание макетов блоков, разработка методик и проведение экспериментальных исследований характеристик МОЭСКД.

Структурно работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

В первой главе проведен анализ существующих технических решений задачи контроля смещений протяженных объектов и сооружений. Выводы, сформулированные в данной главе, определяют цели и задачи работы и подтверждают её актуальность.

Во второй главе сформулированы и исследуются теоретические особенности построения МОЭСКД плавающего дока с единым матричным полем анализа.

В третьей главе разработана методика габаритно-энергетического расчета оптических систем МОЭСКД, описаны отдельные блоки и модули МОЭСКД, выделены основные функции, выполняемые блоками и модулями системы, их принципы действия. Приведены алгоритмы программ управления блоком промежуточной обработки информации и модулем управления источниками излучения.

В четвертой главе приводится анализ погрешностей контроля смещений, описание различных вариантов построения измерительного стенда и полученные экспериментальные результаты. Рассмотрен принцип действия и устройство двух вариантов реализации экспериментальной схемы построения макета оптико-электронной системы с использованием матричных приемников оптического излучения. Описаны экспериментальные исследования по сравнению ПЗС и КМОП-приемников, влиянию поворота базового блока на положение энергетического центра изображения контрольного элемента.

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

Краткая формулировка научной новизны работы.

В диссертации исследованы особенности построения МОЭСКД, разработаны методики выбора и расчета параметров оптической системы с единым матричным полем анализа в условиях наличия нерегистрируемых поворотов элементов, определены пути уменьшения составляющих погрешности при обработке измерительной информации, разработаны методики исследования характеристик МОЭСКД.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Обобщенная модель построения МОЭСКД с единым полем анализа.

2. Построение МОЭСКД, основанной на сопряжении единого матричного поля анализа с оптической системой и цифровой обработке изображений контрольных элементов (КЭ), жестко закрепленных в точках контроля.

3. Результаты сравнительного анализа возможностей применения различных твердотельных матричных приемников оптического излучения для создания единого поля анализа в МОЭСКД.

4. Инвариантные к поворотам схемы построения оптической системы, сопряженные с единым полем анализа.

5. Методика выбора и расчета основных параметров оптических систем МОЭСКД с учетом поворотов блоков, входящих в систему.

6. Методика проведения экспериментов по исследованию влияния параметров (яркости источника и размера апертурной диафрагмы) КЭ на погрешность МОЭСКД с различными матричными приемниками.

7. Результаты анализа основных источников погрешности в МОЭСКД и пути ослабления их влияния.

Практические результаты работы:

1. Обобщенная модель МОЭСКД, позволяющая рационализировать выбор структуры в соответствии со схемой контроля деформаций.

2. Применение инвариантных оптических систем, сопрягаемых с единым матричным полем анализа и ослабляющих влияние нерегистрируемых поворотов элементов МОЭСКД.

3. Рекомендации по применению в МОЭСКД твердотельных матричных приемников на основе ПЗС и КМОП-структур.

4. Методика энергетического расчета оптических систем МОЭСКД и выбора их основных параметров.

5. Модернизированные схемные и алгоритмические решения, адаптированные к практическому применению.

6. Конструкции блоков МОЭСКД.

7. Макеты блоков МОЭСКД с управляемыми источниками оптического излучения.

Реализация результатов работы отражена тремя актами внедрения разработанных методик энергетического расчета, выбора элементов оптико-электронной системы. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности 19.07.00 «Оптико-электронные приборы и системы», при разработке лабораторной установки «Исследование оптико-электронной системы контроля прямолинейности», а также в научно-исследовательских работах.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на одиннадцати конференциях, в том числе пяти международных, таких как V международная конференция «Прикладная оптика» 2002 года, международный оптический конгресс «Оптика XXI век», III международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2003», IV международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика 2005», VII Международная конференция «Прикладная оптика-2006» .

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 84 наименований. Общий объем работы составляет 149 страниц, включая 74 рисунка и 4 таблицы. Работа выполнена на кафедре оптико-электронных приборов и систем «Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий механики и оптики».

Основные результаты исследований, изложенных в работе.

1. На основе рассмотренных методов и средств контроля смещений показана целесообразность построения многоточечных оптико-электронных систем с единым матричным полем анализа, предложена обобщенная модель МОЭСКД с единым полем анализа.

2. Рассмотрены особенности построения МОЭСКД, основанной на сопряжении единого матричного поля анализа с оптической системой и цифровой обработке изображений контрольных элементов, жестко закрепленных в точках контроля дока.

3. Результаты теоретического анализа возможностей применения различных твердотельных матричных приемников оптического излучения при построении МОЭСКД показали, что использование КМОП-структур позволяет осуществлять произвольную выборку сигналов с отдельных элементов, что упростит алгоритмы и сократить время обработки измерительной информации.

4. Доказано, что применение оптической схемы с призмами АР-900 и БкП-90° при многоточечном контроле с помощью единого матричного поля анализа позволяет исключить влияние нерегистрируемых разворотов ББ относительно вертикальной оси на погрешность измерений.

5. Предложена методика выбора и расчета основных параметров оптических схем МОЭСКД, которая позволяет находить диаметры зрачков, фокусные расстояния, угловые поля оптических систем с учетом величин поворотов блоков, входящих в систему, и требуемых диапазона измерения, погрешности измерения и дистанций до точек контроля.

6. Предложена методика быстрого поиска изображения контрольного элемента в кадре, сформированном приемником излучения на базе ПЗС, которая позволила существенно снизить время измерений и тем самым повысить быстродействие системы в целом.

7. Теоретический анализ систематических составляющих основной погрешности показал, что наиболее сильное влияние на погрешность измерения оказывает регулярная рефракция. Это влияние может быть ослаблено лишь путем реализации адаптивной схемы, учитывающей распределение вертикального градиента температуры по дистанции.

8. Предложена методика проведения экспериментов по исследованию влияния яркости источника и размера апертурной диафрагмы КЭ на погрешность МОЭСКД с различными матричными приемниками оптического излучения.

9. В макете на основе ПЗС разработан и программно реализован алгоритм управления процессом сбора измерительной информации в МОЭСКД, позволяющий проводить одновременный захват и обработку измерительной информации, что позволяет уменьшить время, необходимое для получения результата измерения.

10. Исследования влияния яркости КЭ на СКО положения энергетического центра изображения КЭ в макете на основе КМОП-структур для различных дистанций показали, что для КМОП-приемника СКО в несколько раз меньше, чем для ПЗС.

11. Разработан и изготовлен действующий макет МОЭСКД, осуществляющий цифровую обработку измерительной информации в приборной системе координат на основе алгоритма энергетического взвешивания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.