CC BY
133
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИЙ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
УДК 681.7.08,681.78
Ю. Н. Артеменко
Астрокосмический центр Физического института им. П. Н. Лебедева
Москва
И. А. Коняхин, Э. Д. Панков , А. Н. Тимофеев
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ РАДИОТЕЛЕСКОПА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА РТ-70 (СУФФА)
Рассматривается структура комплекса оптико-электронных систем измерения деформаций основного зеркала, контррефлектора и элементов опорно-поворотного устройства радиотелескопа. Приводятся результаты исследований оптико-электронных систем на компьютерных и физических моделях.
Ключевые слова: радиотелескоп миллиметрового диапазона, оптико-электронная система измерения пространственных координат, видеосистема.
Одним из основных направлений развития современной радиоастрономии является исследование объектов Вселенной в миллиметровом диапазоне длин волн. Освоение этого диапазона, занимающего промежуток между сантиметровым и оптическим диапазонами в радиосистемах, позволит решить ряд важнейших научных проблем и практических задач (таких, как формирование, физика и эволюция звезд и галактик; геодинамика и геотектоника; координатно-временное обеспечение научной и хозяйственной деятельности, сверхточная спутниковая и космическая навигация) [1].
В настоящее время Россия совместно с Узбекистаном реализует крупный проект по созданию радиообсерватории миллиметрового диапазона на плато Суффа (Узбекистан). Основной инструмент обсерватории — полноповоротный радиотелескоп (РТ) типа РТ-70 со следующими элементами: основное зеркало (ОЗ), представляющее собой осесимметричный фрагмент параболоида с фокусным расстоянием 21 м, составленный из 1200 отражающих щитов, диаметр зеркала 70 м; контррефлектор (КР) диаметром 3 м [1, 2].
Особенность РТ как средства исследований в миллиметровом диапазоне длин волн заключается в высоких требованиях к качеству параболической поверхности ОЗ (среднее квад-ратическое отклонение точек поверхности от теоретического параболоида не должно
превышать 0,05 мм), стабильности взаимного расположения основного зеркала и контррефлектора (соответственно 0,07 мм), точности наведения зеркальной системы по углам азимута и места (допустимая погрешность 1,5...2") [2].
Вместе с тем многотонный вес и влияние температурных изменений приводят к деформациям элементов конструкции РТ: нарастающим линейным смещениям точек поверхности ОЗ, достигающим в краевой зоне 30 мм, смещению КР на величину до 60 мм. Также вследствие деформаций элементов конструкции угловое положение оси диаграммы направленности РТ будет отличаться от измеренного преобразователями угла на величину до 10'.
Таким образом, для обеспечения требуемого качества элементов отражающей системы РТ-70, а также для реализации точного наведения необходимо создание комплекса систем измерения деформаций элементов конструкции радиотелескопа [2].
Развитие оптоэлектроники и оптических средств измерения обусловливает эффективность построения комплекса на основе оптико-электронных систем измерения пространственных координат конструктивных элементов.
В результате анализа различных вариантов разработана трехуровневая неоднородная структура системы контроля положения элементов РТ-70 (рис. 1, а).
Компоненты системы третьего уровня размещены на жестком элементе конструкции — опорном кольце в вершине ОЗ — и включают две отдельные подсистемы: измерения координат точек поверхности ОЗ (ИКОЗ) и определения положения КР (ОПКР). Измерительные каналы каждой подсистемы определяют координаты визирных целей (ВЦ), размещенных в контрольных точках ОЗ и КР, относительно опорного кольца как промежуточной базы.
Система второго уровня определяет угловое положение опорного кольца (промежуточной базы) относительно базового элемента управляющего комплекса РТ-70 — трехосной ги-ростабилизированной платформы (ГСП), расположенной на пересечении азимутальной и уг-ломестной осей внутри несущей сигары зеркальной системы. Измерительный канал системы, в котором используется автоколлимационный метод измерения углов поворота, содержит оптико-электронный автоколлиматор АК/, расположенный на внутренней поверхности опорного кольца, и отражающий контрольный элемент КЭ/, расположенный на внешней конструкционной базе корпуса ГСП. Реализация ГСП осуществляется на основе прецизионного электростатического гироскопа, обеспечивающего измерение углов поворота в диапазоне 360° с точностью 1,5". Измерение угла азимута с указанной точностью реализуется в течение трех часов, по истечении которых необходима калибровка датчиков угла азимута ГСП, выполняемая измерительной системой первого уровня.
Базами системы первого уровня являются шесть реперных вертикальных плоскостей, расположенных под известными азимутальными углами. Для калибровки датчиков угла азимута радиотелескоп разворачивается до совмещения угломестной оси с ближайшей реперной плоскостью. Каждая реперная плоскость определяется осями излучающих коллиматоров ИК/, ИК2, расположенных вблизи основания РТ. С использованием принимающих коллиматоров, соответственно ПК/ и ПК2, измеряется угловое положение жестких элементов конструкции — цапф угломестной оси — относительно реперной плоскости. Два дополнительных измерительных канала определяют угловое положение ГСП относительно цапф как промежуточных баз. Каждый дополнительный измерительный канал по структуре аналогичен системе второго уровня и включает автоколлиматор, установленный на внутренней поверхности цапфы (АК2, АКЗ) и контрольный элемент (КЭ2, КЭЗ), расположенный на внешней конструкционной базе корпуса ГСП (см. рис. 1, б). В результате осуществляется привязка угловых датчиков ГСП к реперным плоскостям.
Для реализации систем первого и второго уровня применяются оптико-электронные автоколлимационные угломеры, позволяющие обеспечить требуемые метрологические параметры измерительных каналов этих систем (дальность 10.15 м, диапазон до 10', погреш-
ность измерения до 2") при использовании алгоритмов компенсации систематической погрешности измерения, возникающей вследствие виньетирования рабочего пучка [3].
а) Контррефлектор
Рис. 1. Структурная схема комплекса систем измерения деформаций элементов конструкции РТ-70 (Суффа)
Составляющие системы третьего уровня, размещенные на опорном кольце, фактически являются первичными измерительными преобразователями электромеханических систем коррекции возникающих деформаций: системы адаптации поверхности ОЗ и системы подстройки положения КР. Команды управления для электродвигателей отработки формируются в соответствии с определенным системой третьего уровня положением щитов ОЗ и КР.
Измерительные каналы системы третьего уровня выполнены в виде оптико-электронных систем, реализующих метод „угловой засечки" (рис. 2). ОЭС включает две видеосистемы, центры входных зрачков объективов которых смещены относительно друг друга на некоторое базовое расстояние В. В контролируемой точке на щите ОЗ или КР расположена визирная цель — точечный источник излучения в виде полупроводникового излучающего диода (ПИД). Координатная плоскость Х02 приборной системы координат полагается совпадающей с плоскостью опорного кольца. С помощью видеосистем измеряются углы визирования VI, v2 ВЦ в вертикальной плоскости и углы ф1, ф2 между базовой линией (ось 0Х) и направлением
на источник излучения в горизонтальной плоскости. Координаты визирной цели определяются в соответствии с методом прямой засечки [4, 5].
Для проверки теоретических положений и расчетных методик было выполнено имитационное компьютерное и физическое моделирование ОЭС со следующими характеристиками [5, 6]: ПЗС-матрица SONY ICX259AL (Type 1/3) CCD форматом 752x582, размер пиксела 6,50x6,25 мкм; визирная цель на основе полупроводникового излучающего диода SFH 485 P (фирмы „Siemens", Германия) с мощностью излучения 10 мВт; погрешность измерения координат изображения не более 0,05 пиксела; фокусное расстояние объективов 450 мм; базовое расстояние B = 8000 мм. Результаты экспериментов показали (при физическом моделировании базовое расстояние макета и дистанция были пропорционально уменьшены в 7 раз), что при определении пространственного положения КР (с использованием трех контрольных точек на КР, дальность 22,35 м) реализуется требуемая точность измерения всех трех координат (при среднем квадратическом значении погрешности а<0,07 мм). Для ОЭС измерения координат визирной цели на щите ОЗ (расстояние до ВЦ 3.39 м) требуемая точность (при а<0,05 мм) достигается при измерении координат x, y, при измерении координаты z — только в 45 % случаев.
Как следует из результатов компьютерного и физического моделирования, требуемая точность измерения смещений системы третьего уровня принципиально достижима при использовании в ОЭС несканирующих длиннофокусных видеосистем с малым угловым полем, измеряющих координаты одной визирной цели. Поскольку поверхность ОЗ составлена из 1200 щитов, система, организованная по принципу „одна ОЭС — одна визирная цель", не-реализуема.
Создание системы измерения деформаций ОЗ как совокупности ОЭС возможно с учетом важной особенности РТ-70: в соответствии с реализуемым в конструкции принципом гомологии результатом малых деформаций исходного (номинального) параболоидального ОЗ является также параболоид, но с несколько иными параметрами. Фактически для определения положения поверхности ОЗ после деформаций достаточно измерить смещения относи-
Изоб
Рис. 2. Схема ОЭС, реализующей метод „угловой засечки "
тельно малого количества визирных целей с последующим математическим построением аппроксимирующего параболоида как нового положения поверхности ОЗ. Моделирование показывает, что для определения координат аппроксимирующего параболоида необходимо измерение не менее чем в 30—40 точках его поверхности.
Дальнейшее упрощение структуры измерительной системы можно осуществить исходя из геометрических свойств ОЗ. Регулярность формы параболоидального ОЗ позволяет для известного начального положения визирной цели вычислить ее смещение вдоль оптической оси одной из видеосистем (изменение дальности) по измеренной величине смещения у по вертикали (см. рис. 2 — первая видеосистема при ф1 = щ). Следовательно, из структуры ОЭС измерительного канала можно исключить одну видеосистему.
Согласно изложенным принципам построения общая структура системы третьего уровня (рис. 3) включает 40 измерительных каналов (одиночных видеосистем), объединенных в 8 базовых блоков, расположенных по окружности опорного кольца. Каждый блок объединяет 5 видеосистем, измеряющих смещения х, у визирных целей соответственно в пяти контрольных точках. (На рис. 3 изображены один базовый блок системы контроля поверхности ОЗ и один измерительный канал контроля положения КР.)
Изменение пространственного положения КР относительно ОЗ определяется посредством измерения координат трех его точек. Визирная цель, установленная в каждой точке, регистрируется одним из трех измерительных каналов, каждый из которых включает две видеосистемы (см. рис. 2).
Результаты теоретического анализа и компьютерного моделирования подтверждают возможность реализации комплекса оптико-электронных систем измерения деформаций элементов конструкции РТ-70 (Суффа) с требуемыми параметрами.
1. Дубаренко В. В. Радиотелескопы миллиметрового диапазона // Содружество. 2005. № 1. С. 16.
2. Артеменко Ю. Н., Парщиков А. А. Радиотелескоп на плато Суффа. Ход работ по корректировке проекта // Материалы Всерос. астрокосм. конф. ВАК-2004 „Горизонты Вселенной". М.: Изд-во МГУ, 2004.
3. Коняхин И. А., Лю Лэй. Компенсационный алгоритм автоколлимационных измерений повышенной точности // XXXV науч. и учебно-метод. конф. СПбГУ ИТМО, 2—4 февр. 2005 г., Санкт-Петербург: науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. Вып. 18. С. 232—236.
к01ЛТ)Т ТТТ АПЛТ/*
КР
Контрольные точки Рис. 3. Структурная схема измерительной системы третьего уровня
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
10
И. А. Коняхин, А. Д. Мерсон
4. 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.
5. Коняхин И. А., Бузян А. Т. Моделирование ОЭС измерения пространственных координат на основе метода „прямой угловой засечки" // Результаты научно-исследовательских работ: науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. Вып. 18. С. 304—307 .
6. Бузян А. Т., Коняхин И. А. Исследование эффективности полнофакторных экспериментов на макете типового канала системы контроля положения элементов конструкции радиотелескопа РТ-70 // Сб. трудов VII Междунар. конф. „Прикладная оптика — 2006", 16—20 окт. 2006 г., Санкт-Петербург. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. Т. 1. С. 129—133.
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
оптико-электронных приборов и систем 14.01.08 г.
СПбГУ ИТМО
УДК 681.7.08
И. А. Коняхин, А. Д. Мерсон
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА СКРУЧИВАНИЯ
НА ОСНОВЕ АНАМОРФИРОВАНИЯ
Рассматривается метод измерения угла скручивания на основе анаморфирова-ния. Исследована зависимость коэффициента анаморфирования и угла расходимости пучка излучения от коллимационных поворотов анаморфотного контрольного элемента.
Ключевые слова: автоколлиматор, угол скручивания, телескопическая анаморфотная система.
Обеспечение нормального функционирования крупногабаритных конструкций (доков, подкрановых путей, трубопроводов, несущих опор радио- и оптических телескопов) во многих случаях требует контроля специфической угловой деформации — скручивания. Под углом скручивания понимается угол поворота контролируемого объекта (блока или элемента конструкции) относительно линии, соединяющей объект и некоторый базовый пункт.
В частности, характерным примером деформации является скручивание угломестной (горизонтальной) оси полноповоротного радиотелескопа (РТ). При ориентировании многотонной зеркальной системы по углу места происходит скручивание угломестной оси, что приводит к погрешности наведения РТ. Для компенсации возникающей погрешности необходимо производить измерение указанного угла скручивания.
Известен ряд автоколлимационных систем для измерения угла скручивания, построенных с использованием тетраэдрических отражательных элементов [1]. Для работы таких систем необходимо наличие трассы „контролируемый объект — базовый пункт" со световым диаметром до сотен миллиметров. Конструкция угломестной оси РТ, реализуемая на основе полого вала, не обеспечивает необходимую трассу при расположении измерительной системы внутри вала.
В условиях узкой трассы эффективно использование автоколлимационных систем измерения угла скручивания на основе анаморфирования [1]. Оптическая схема такой системы представлена на рис. 1.
