Исследование и разработка информационно-измерительной системы радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

Специальность: 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)»

Исследование и разработка информационно-измерительной системы радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70

Артеменко Юрий

Санкт-Петербург 2006 г.

Работа выполнена в Институте проблем машиноведения Российской академии наук (ИПМаш РАН)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Городецкий Андрей Емельянович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Фрадков Александр Львович

кандидат технических наук, нач. лаборатории

Нужин Андрей Владимирович

Ведущая организация - Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В последнее время интенсивность исследований и разработок, направленных на создание различных радиотехнических устройств диапазона 30 - 300 ГГц, постоянно возрастает, а области их применения расширяются. Использование этого диапазона, занимающего промежуток между достаточно хорошо освоенными сантиметровым и оптическим диапазонами, в радиосистемах и радиоастрономии позволяет в ряде случаев найти компромиссное решение, в большей степени отвечающее требованиям конкретных задач. Расширение области применения диапазона миллиметровых длин волн (ММДВ) обусловлено тремя факторами: большой протяженностью спектра, особенностями их распространения в атмосфере, малой длиной волны.

Одним из наиболее важных направлений использования ММДВ являются радиоастрономические исследования с помощью радиотелескопов, направленные на решения крупных научных проблем:

- определения фундаментальных закономерностей пространства-времени;

- построения модели расширяющейся Вселенной;

- изучение структуры и динамики астрономических объектов, в том числе в космических источниках со сверхсильными гравитационными и электромагнитными полями, объектах-ускорителях элементарных частиц до сверхвысокой энергии;

- изучение проблем образования, физики и эволюции звезд и галактик, геодинамика и геотектоника;

- координатно-временное обеспечение научной и хозяйственной деятельности.

Для информационного обеспечения отмеченных астрономических задач строящийся радиотелескоп РТ-70 будет работать в трех режимах:

- как одиночный инструмент, обладающий многолучевой диаграммой (до 100 лучей одновременно),

- как основной инструмент наземной сети интерферометров в Евро-Азиатском районе,

- как основной инструмент радиоинтерферометров Земля-Космос по программам фундаментальных космических исследований.

Во всех этих режимах РТ-70 в ММДВ может обеспечить наиболее высокую чувствительность и угловое разрешение при проведении наблюдений в непрерывном спектре, спектральных линиях, поляризационных измерениях и изучении быстропеременных процессов. Однако при этом необходимо решить проблему создания высокоточной системы наведения радиотелескопа на космические источники радиоизлучения (КИР), снабженной информационно-измерительной системой, обеспечивающей замыкание контуров управления различных уровней путем формирования с минимальными погрешностями соответствующих потоков измерительной информации.

Таким образом, актуальность и важность создания информационно-измерительной системы радиотелескопа РТ-70 для наблюдения КИР ММДВ, не вызывает сомнения.

Оптические методы обработки и передачи информации в настоящее время находят все более широкое применение, так как обладают высоким быстродействием и хорошей помехозащищенностью, что крайне важно для обеспечения работоспособности радиотелескопа. Однако в измерительных каналах вычислительно-управляющих комплексов (ВУК) радиотелескопов (РТ) эти методы практически не используются, что можно объяснить слабой проработкой схемотехнических вопросов их использования, а также пробелами в исследовании ряда метрологических вопросов и отсутствием инженерных методик проектирования оптико-электронных измерительных каналов (ОЭИК) с требуемыми характеристиками.

Работа выполнена с 2002 по 2006 г.г. в АКЦ ФИАН и ИПМаш РАН

Цель диссертации. Целью работы являлось исследование и разработка информационно-измерительной системы, осуществляющей измерение и преобразование в цифровую форму параметров и характеристик РТ и окружающей среды для ввода их в ВУК, вырабатывающей (вычисляющей) управляющие воздействия, обеспечивающие функционирование РТ во всех штатных режимах.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона за счет совершенствования информационно-измерительных систем,

- исследование и разработка методов и средств измерения смещений элементов конструкции зеркальной системы на основе анализа измеряемых параметров и существующих методов измерений;

- исследование и разработка оптико-электронных измерительных каналов системы мониторинга окружающей среды на основе анализа измерительных задач системы мониторинга и степени влияния параметров окружающей среды на функционирование радиотелескопа;

- разработка формул и методик для расчетов узлов оптоэлектронных измерительных каналов радиотелескопа, а также оценок их метрологических характеристик;

- компьютерное и физическое моделирование оптико-электронных измерительных каналов смещений элементов конструкции зеркальной системы с целью уточнения их параметров и подтверждения теоретических исследований результатами экспериментов.

Методика исследований основана на применении современных аналитических и численных методов и алгоритмов анализа погрешностей, математического и физического моделирования, а также принципов аналитического и структурного проектирования информационно-измерительных каналов.

Научная новизна данной работы состоит в том, что впервые:

1. Теоретически исследована новая структура информационно-измерительной системы большого полноповоротного радиотелескопа миллиметрового диапазона, использующая гироскопическую платформу в качестве инерциальной системы отсчета. Проведена оценка погрешностей используемых измерительных каналов.

2. Разработан метод уменьшения ограничения по дальности автоколлимационного измерения из-за виньетирования регистрируемого отраженного пучка путем использования управляемого контрольного элемента с датчиком обратной связи, содержащим экран из нового функционального материала - пористого кремния, позволяющим получать одновременно информацию о направлении и скорости перемещения.

3. Уточнено уравнение измерения для обобщенного интерференционно-кодового измерительного канала (ИКИК) за счет введения операции сопряжения различных периодических пространственно-временных структур и операции выделения измеряемого информационного параметра из смеси сигнал/шум, основанной на взятии функционала от ряда сверток с различными базисными функциями. Проведен теоретический анализ ИКИК на основе полученного уравнения, позволивший установить, что наибольшими инструментальными погрешностями обладают модуляторы, оптические усилители перемещения и волоконно-оптические линии связи.

4. Разработана методика проектирования ИКИК, заключающаяся в решении задачи структурного синтеза по заданным параметрам измеряемой величины на основе проведенной классификации измерительных каналов и с учетом технологических возможностей предполагаемого изготовителя и стоимости используемых стандартных средств измерения, и параметрическом синтезе оптического тракта по заданным показателям качества.

Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:

Проведенный анализ оптико-электронных методов и средств измерения положения элементов конструкции РТ-70 позволяет осуществить целенаправленный синтез информационно-измерительных систем РТ-70, обеспечивающих повышение их точности и разрешающей способности.

Сформулированное обобщенное уравнение измерений ИКИК может служить основой для разработки методики расчета их погрешностей.

Разработанная методика выбора основных блоков ИКИК и расчета их параметров позволяет проектировать оптимальные ИКИК с заданными метрологическими параметрами.

Разработанные принципы компьютерного и физического моделирования оптико-электронных измерительных систем (ОЭИС) РТ-70 позволяют соотносить результаты теоретических исследований погрешностей ОЭИС с результатами экспериментов и вносить необходимые корректировки.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Теоретические исследования новой структуры информационно-измерительной системы большого полноповоротного радиотелескопа миллиметрового диапазона, использующей гироскопическую платформу в качестве инерциальной системы отсчета. Анализ погрешностей используемых измерительных каналов позволил оптимизировать структуру информационно-измерительной системы РТ-70 .

2. Разработка метода уменьшения ограничения по дальности автоколлимационного измерения из-за виньетирования регистрируемого отраженного пучка путем использования управляемого контрольного элемента с датчиком обратной связи, содержащим экран из нового функционального материала - пористого кремния, позволяющим получать одновременно информацию о направлении и скорости перемещения.

3. Уточненное уравнения измерения для обобщенного интерференционно-кодового измерительного канала за счет введения операции сопряжения различных периодических пространственно-временных структур и операции выделения измеряемого информационного параметра из смеси сигнал/шум, основанной на взятии функционала от ряда сверток с различными базисными функциями. Уравнение может служить основой для получения расчетных соотношений, используемых при параметрическом синтезе оптического тракта.

4. Разработка методики проектирования ИКИК, заключающейся в решении задачи структурного синтеза по заданным параметрам измеряемой величины на основе проведенной классификации измерительных каналов и с учетом технологических возможностей предполагаемого изготовителя и стоимости используемых стандартных средств измерения, и параметрическом синтезе оптического тракта по заданным показателям качества. Методика может использоваться при проектировании не только ИКИК РТ-70, но других оптико-электронных информационно-измерительных систем.

Личный вклад автора в разработку избранной темы состоял в выборе, теоретическом обосновании и реализации методов и средств измерений и расчетов погрешностей, в постановке экспериментальных исследований, участии в их проведении, обработке результатов и их анализе.

Проведение конструкторских разработок для физического моделирования, компьютерное и физическое моделирование ОЭИС проводились совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Апробация работы. Достоверность защищаемых положений подтверждена апробацией в научных публикациях (двух монографиях и одной статьи в рецензируемом научном журнале и четырех статьях в трудах российских и международных конференций), обсуждением научных результатов на трех Международных конференциях, экспериментальными исследованиями, компьютерным моделированием, успешным использованием в трех организациях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 2 монографии, 1 статья в рецензируемом журнале, 4 статьи в трудах российских и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем основной части работы: 326 страниц, включая 19 таблиц, 146 рисунков и список литературы из 96 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, указана новизна и практическая значимость достигнутых результатов, приведена общая структура диссертации.

В первой главе проведен анализ методов повышения точности и разрешающей способности радиотелескопов миллиметрового диапазона за счет совершенствования информационно-измерительных систем, а так же зеркальных (антенных) систем, систем приема и регистрация сигналов от космических источников радиоизлучения и систем наведения и автосопровождения КИР.

В настоящее время имеется большое разнообразие в построении зеркальных систем (ЗС) радиотелескопов, анализ и опыт использования которых для наблюдения КИР ММДВ показывает, что наиболее перспективно использование больших полноповоротных наземных трех зеркальных радиотелескопов с третьим подвижным перископическим зеркалом (ПЗ). Для повышения точности и эффективности в системе наведения такой ЗС на КИР может использоваться сканирование принимаемого сигнала через точечный приемник с помощью перископического зеркала и адаптация поверхности основного зеркала с помощью управляемого перемещения щитов отражающей поверхности (ЩОП). Вместо сканирования принимаемого сигнала перископическим зеркалом можно использовать управляемый подвижный приемник (УПП), устанавливаемый вблизи исходного вторичного фокуса ЗС. Тогда приемник будет следить за уходом вторичного фокуса ЗС. При этом, значительного снижения требований к точности наведения можно получить при использовании матричного приемника. Для реализации указанных режимов системы наведения необходимо создание соответствующих высокоточных информационно-измерительных систем, обеспечивающих замыкание контуров управления различных уровней путем формирования соответствующих потоков данных.

На этапе проектирования расчетным и экспериментальным путями определяются оптимальные положения ПЗ или УПП при различных сочетаниях ошибок наведения и деформаций ЗС. Эти данные записываются в память ВУК и используются в процессе наведения ПЗ или УПП для формирования задающих сигналов на их приводы, на основании текущих значений измеряемого вектора состояния РТ.

При таком способе приема сигналов нет необходимости требовать от приводов наведения точности соизмеримой с шириной диаграммы направленности антенны (ДНА). Требования к приводам наведения по точности могут быть существенно снижены, а разрешающая способность РТ повышена.

Полезность использования в системах наведения больших РТ регистрации «изображений» путем применения сканирующих перископических зеркал, либо путем применения управляемых подвижных приемников излучения и вычисления по результатам их анализа ошибок наведения очевидна. Однако для обеспечения работоспособности такой системы наведения требуется создание высокоточной, дистанционной и помехозащищенной информационно-измерительной системы (ИИС). При этом наиболее высокие и в тоже время наименее обоснованные требования на данном этапе проектирования ИИС предъявляются к каналам измерения линейных и угловых перемещений элементов конструкции ЗС.

При создании информационно-измерительных систем радиотелескопа миллиметрового диапазона РТ-70, обеспечивающих повышение его точности и разрешающей способности необходимо, прежде всего решить проблему высокоточного измерения линейных и угловых перемещений элементов (ЩОП ОЗ, КР и ПЗ) зеркальной системы радиотелескопа. Для этого надо решить задачи создания следующих измерительных каналов или систем:

системы измерения положения ЩОП ОЗ относительно опорного кольца (ОК), в результате работы которой определяется положение оси всей зеркальной системы радиотелескопа относительно оси опорного кольца;

системы измерения положения ОК относительно гиростабилизированной платформы (ГСП), в результате работы которой определяется положение оси радиотелескопа по углу места;

- системы измерения положения ГСП по азимуту относительно абсолютной (наземной) системе координат, в результате работы которой определяется положение оси радиотелескопа по азимуту.

Из анализа паспортных данных образцов измерительных средств ведущих производителей следует, что серийно выпускаемые приборы в стандартных режимах работы не обеспечивают требуемой точности. Это определяет два пути реализации измерительных каналов - на основе серийных приборов в специально разрабатываемых режимах работы с оригинальной дополнительной оснасткой или - на основе специально разрабатываемых на современной элементной базе измерительных каналах.

При этом, если учесть высокие требования к помехозащищенности радиотелескопа от паразитных электромагнитных полей, становится очевидным целесообразность использования оптических методов обработки и передачи информации и соответственно оптико-электронных измерительных систем (ОЭИС), которые в настоящее время находят все более широкое применение, так как обладают высоким быстродействием и хорошей помехозащищенностью. Однако, в измерительных каналах ВУК радиотелескопов ОЭИС пока применяются редко, что можно объяснить слабой проработкой схемотехнических вопросов их использования, а также пробелами в исследовании ряда метрологических вопросов и отсутствием инженерных методик проектирования оптоэлектронных измерительных каналов с требуемыми характеристиками.

Делается вывод, что для создания оптоэлектронных измерительных систем и каналов ВУК радиотелескопа миллиметрового диапазона, актуально решение следующих задач:

- проведения метрологического анализа вариантов методов и структур ОЭИС для измерения линейных и угловых перемещения подвижных элементов ОЗ, КР и ПЗ зеркальной системы радиотелескопа.,

- проведения анализа устойчивости вариантов оптических методов и средств измерения линейных и угловых перемещения подвижных элементов ОЗ, КР и ПЗ зеркальной системы радиотелескопа к воздействию внешних факторов,

- разработка компьютерных и физических моделей выбранных по точности и помехозащищенности ОЭИС,

- разработка комплекса измерительных процедур для обеспечения универсальности использования оптоэлектронных измерительных каналов, построенных на базе интерференционно-кодовых преобразователей и параллельных световолоконных линий связи;

- исследование отдельных особенностей теории оптоэлектронных измерительных каналов с учетом специфики интерференционно-кодового преобразования измерительной информации и передачи ее по световолоконным линиям связи;

- разработка расчетных формул и методик для синтеза узлов оптоэлектронных измерительных систем и каналов рассматриваемого типа, а также оценок их метрологических характеристик

Во второй главе проводится анализ измеряемых параметров РТ-70 и возможных методов измерений. Установлено, что в процессе поворотов ЗС, на нее действуют случайные неконтролируемые возмущения, среди которых наиболее значимыми являются деформации конструкции, вызванные весовыми, ветровыми и температурными воздействиями, и перекосы основания зеркальной системы при повороте по азимуту. Поэтому при наведении ЗС необходимо решать проблему высокоточного измерения линейных и угловых перемещения элементов конструкции ЗС.

Анализ требований, которые могут быть предъявлены к дальномерам, при их использовании для измерения смещения элементов конструкции ЗС РТ-70 методом «линейной засечки» показал, что при заданном значении точности измерения смещений ?X = ?Y = ?Z = 100 мкм получим следующее требование к разрешающей способности дальномеров: ?L = min{?l1, ?l2, ?l3} ? 5 мкм

Подобной разрешающей способностью (порядка долей длины волны света) обладают оптико-электронные системы, использующие явления волновой оптики (интерферометры). Однако погрешности измерения вследствие влияния дестабилизирующих факторов, таких, как вибрации и неконтролируемые смещения опорных точек, а так же флюктуации оптических свойств воздушного тракта, могут достигать единиц и десятков процентов от диапазона измерения, что делает их использование в рассматриваемой системе проблематичным.

Альтернативным является метод «угловой засечки». По этому методу с двух реперных точек измеряются углы визирования (угол между оптической осью объектива и направлением на точку) контролируемой точки в вертикальной и горизонтальной плоскостях (рис.1).



Рис. 1. XYZ0 - оси приборной системы координат

По измеренным углам визирования ??????????????? и известной величине базового расстояния B между реперными точками определяются координаты XYZ контролируемой точки в приборной системе координат X0Y0Z0.

Известно, что при одинаковой погрешности измерения требуемая величина баз B1, B2, B3 (расстояний между измерителями) при реализации метода "линейной засечки" (рис.2) в среднем в 2…3 раза больше (и соизмерима с расстояниями L до контролируемой точки), чем требуемая величина базы B в методе «угловой засечки». Поэтому в рассматриваемом



Рис.2.Метод «линейной засечки»

случае целесообразно использовать метод «угловой засечки». Тогда, исходя из особенностей опорно-поворотного устройства (ОПУ) и пространственной металлоконструкции (ПМК) зеркальной системы РТ-70, состоящих в том, что основание (опорное кольцо (ОК)), на котором крепится ЗС, представляет собой достаточно жесткий узел, измерители в системе по методу «угловой засечки» можно поместить на ОК ЗС. В этом случае расстояния от измерителей до контрольной точки (L1, L2, L3) значительно сократятся и потенциально метод «угловой засечки» может обеспечить большую точность.

Для измерения углового рассогласования обычно используют автоколлимационный метод измерения как обладающий наибольшей чувствительностью. Наиболее важными с точки зрения реализации оптико-электронных автоколлиматоров (ОЭАК) являются систематические погрешности, влияние которых практически невозможно скомпенсировать из-за сложности определяющих их зависимостей. Из этой группы наибольшее влияние на точность измерения оказывает погрешность ?в из-за виньетирования отраженного пучка оправой приемного объектива. Эта погрешность зависит от параметров оптических элементов, что определяет возможность ее уменьшения при определенных соотношениях между ними.

При увеличении диапазона измерения max или дистанции L до объекта величина смещения dmax отраженного от контрольного элемента (КЭ) луча относительно оптической оси также будет возрастать, что при конечной величине апертуры объектива приведет к 100% виньетированию регистрируемого отраженного пучка и невозможности дальнейшего измерения. Фактически диапазон измерения max или предельная дистанция L определяются из соотношений (диаметр самого отраженного пучка принимается малым): dmax = L·tg(?max) = L tg(K·max) = D/2 , где D - диаметр входного зрачка (апертура) объектива автоколлиматора; K - коэффициент передачи КЭ. Следовательно, при известной апертуре (диаметре входного зрачка) приемного объектива D и известной дистанции L реализуемый диапазон измерения max определится как:

.

В частности, при D = 4 10-2 м, К = 1 и L = 50 м (эти величины характерны для рассматриваемой системы измерения уходов ЗС РТ-70), получим: Иmax ? 4 10-4 рад., что может быть недостаточно для обеспечения работоспособности системы измерения во всем диапазоне изменения измеряемых величин.

Можно использовать три схемных решения ОЭАК, реализующих измерения с уменьшением ограничения “по апертуре” -- с активной компенсацией отклонения пучка, с рабочим поли-пучком и со специальными КЭ.

Наиболее эффективный с точки зрения расширения диапазона измерения способ компенсации, а именно разворот КЭ, может быть рекомендован для решения задач измерения угловых рассогласований элементов конструкции ЗС РТ-70 только при условии создания высокоточной системы управления углом поворота КЭ с обратной связью по положению отраженного пучка. При этом необходимо будет решить проблему исключения электрического контакта с контролируемым объектом при реализации обратной связи и проблему минимизации массо-габаритных характеристик электропривода системы управления КЭ. Обе указанные проблемы могут быть решены в процессе разработки электроприводов системы управления отражающими щитами основного зеркала.

Рис.3. Схема ОЭАК с активной компенсацией

Для повышения динамической точности системы управления КЭ предлагается использовать введение дополнительной обратной связи по скорости перемещения КЭ. В рассматриваемом случае информацию о скорости перемещения отраженного луча можно легко получить с помощью использования в анализаторе 7 (см. рис.3) люминесцирующий экран из пористого кремния, обладающего эффектом усталости люминесценции. Тогда, в зависимости от соотношения скорости движения по экрану отраженного луча и скорости затухание свечения экрана получаемое изображение будет выглядеть совершенно по-разному (см.рис.4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4. Результаты компьютерного моделирования

Два предельных случая наиболее просты - почти неподвижный луч и быстро двигающийся. В первом случае материал экрана будет «уставать» отображать проецируемое на него изображение, и наблюдатель будет видеть на экране постепенное ослабление яркости изображения луча, вплоть до полного исчезновения. Во втором случае, если двигающийся луч перемещается на расстояние порядка своего размера за время меньшее, чем время затухания экрана, изображение не будет отличаться от изображения на обычном экране. Наиболее интересен случай движения с промежуточной скоростью. При этом край луча, направленный в сторону движения, проецируется на свежие, ранее не активированные участки экрана, и отображается с нормальной яркостью. Противоположный край проецируется на области, уже люминесцировавшие какое-то время и поэтому слабее отзывающиеся на активацию. В результате изображение двигающегося луча будет иметь градиент яркости в направлении движения. Величина этого градиента будет зависеть от соотношения времени затухания свечения и скорости движения, а направление - от направления перемещения падающего на экран луча.

С помощью такого экрана можно определять скорость и направление движения «с одного взгляда» на экран, хотя по самым общим представлениям для определения скорости нужно иметь по крайней мере два отсчета. Следовательно, запаздывание в получении сигнала обратной связи по скорости в данном случае будет минимальным.

Кроме того, для исключения из принимаемого сигнала (изображения отраженного луча) низкочастотных временных искажений можно КЭ привести в колебательные перемещения перпендикулярно падающему лучу в высокой частотой fk, например, закрепив КЭ на пьезоэлементе, раскачиваемом на этой частоте fk. Тогда отфильтрованный на частоте fk принимаемый сигнал уже не будет содержать временных помех (искажений) на частотах f << fk

Далее рассматривается структура системы измерения смещений элементов конструкции (СИСЭК) зеркальной системы радиотелескопа РТ70, построенной на основании метода "угловой засечки".

Основу единой измерительной системы, к которой выполняется привязка других измерительных систем, в том числе и СИСЭК, составляют:

- трехосная гиростабилизированная платформа (ГСП) для измерения углового положения ОПУ относительно азимутальной и угломестной осей в наземной системе координат; в ГСП предполагается использование уникальных прецизионных электростатических гироскопов разработки ЦНИИ "Электроприбор" (Санкт-Петербург), обеспечивающих в течение 3-х часов измерение углов в диапазоне 3600 с точностью 1,5" ;

- дискретные одноотсчетные электромеханические индукционные преобразователи угла типа многополюсного вращающегося трансформатора с наружными диаметрами от 60 до 500 мм с точностью 0,5" для контроля углового положения исполнительных осей следящих электросиловых приводов наведения ОЗ, КР и ПЗ.

- дополнительные оптико-электронные измерительные системы трех уровней.

Первый уровень - система измерения положения базовых (с точки зрения построения измерительной системы ) элементов конструкции ОПУ, а именно, опорного кольца и цапф - относительно ГСП единой измерительной системы, содержащая:

- оптико-электронную автоколлимационную систему измерения угловой деформации стоек цапф (Ц) качающейся части РТ относительно корпуса ГСП;

- оптико-электронную автоколлимационную систему измерения углового положения специального элемента конструкции ОЗ - опорного кольца (ОК), жестко связанного с трубой ОЗ - относительно корпуса ГСП.

Второй уровень - система измерения положения базовых элементов конструкции ОПУ, а именно, цапф, относительно абсолютной (наземной) системе координат, содержащая оптико-электронную систему измерения положения угломестной оси ЗС радиотелескопа (как линии, проходящей через центры цапф качающейся части РТ) по азимуту относительно абсолютной системы координат,

В результате действия первой измерительной системы первого уровня и измерительной системы второго уровня будет выполнена привязка ГСП единой измерительной системы к абсолютной системы координат по азимуту.

Третий уровень - система измерения положения элементов ЗС РТ к ОК, содержащая:

- оптико-электронную систему измерения положения щитов (фасет) отражающей поверхности (ЩОП) ОЗ относительно ОК;

- оптико-электронную систему измерения положения КР относительно ОК;

- оптико-электронную систему измерения положения ПЗ относительно ОК.

В результате действия второй измерительной системы первого уровня и измерительных систем третьего уровня будет выполнена привязка всей ЗС РТ к ГСП единой измерительной системы.

Таким образом, в результате действия всех измерительных систем могут быть определены параметры зеркальной системы радиотелескопа и измерено положение ее оси как по углу места, так и по азимуту.

Общая схема размещения компонентов СИСЭК на конструкции РТ-70 показана на рис.5.

Каждая из подсистем СИСЭК: система измерения положения КР, система измерения положения ЩОП и система измерения положения ПЗ, - содержит 2 оптико-электронных теодолита на базовом объекте и 3 реперных источника излучения на контролируемом объекте. Пары теодолитов всех систем измерения располагаются на ОК, а реперные источники - на КР, ЩОП и ПЗ.

Наиболее перспективными представляются два варианта реализации указанных дополнительных измерительных систем: телевизионные измерительные системы (ТВИС) с реперными источниками для измерения азимута ЗС и положения ЩОП, КР и ПЗ, оптико-электронный автоколлиматор с пассивным КЭ для измерения углового положения базовых элементов конструкции относительно гиростабилизированной платформы.

Кроме того, в схему оптико-электронного измерительного канала (ОЭИК) целесообразно ввести канал компенсации регулярной рефракции, представляющий собой прибор управления по лучу, состоящий из двухволнового задатчика оптической равносигнальной плоскости (ОРСП) и приемной части, регистрирующей смещения этой плоскости вследствие рефракции.

Теоретически доказана принципиальная возможность создания канала измерения азимута зеркальной системы относительно базовой (абсолютной) системы координат с погрешностью порядка (1,2-0,9)”, удовлетворяющей допустимым погрешностям измерения. Однако следует учитывать, что в реальных условиях добавится значительное количество технологических и эксплуатационных погрешностей. Причем особенно сильное влияние в реальных условия будет обусловлено градиентом температур воздушного тракта. Чтобы существенно ослабить отмеченное влияние либо необходима текущая информация о температурном поле. Для уточнения величин погрешностей рассматриваемой измерительной системы целесообразно провести всесторонние исследования на ее физической модели, максимально приближающейся к приборной реализации.

Рис.5. Общая схема размещения компонентов СИСЭК на РТ-70

гравитационный электромагнитное поле космический

Аналитически показано, что диапазоны измерения и точность автоколлимационных систем достаточны для реализации измерительных систем второго уровня.

Так же было установлено, что суммарная погрешность определения пространственного положения точек на поверхности каждого ЩОП не должна превышать 0,25 мм. при относительно малом времени измерения. По причине сложности реализации системы измерения с требуемым быстродействием предлагается измерение положения вершины и оси ОЗ разделить на два этапа - предварительный статический (зенитальный) и динамический (непосредственная оценка).

На первом этапе ОЗ переводится в зенитальное положение, и в течение длительного времени выполняется измерение положения ЩОП сначала с помощью универсальных измерительных средств - автоматических тахеометров программным наведением на контролируемую точку со средней погрешностью 0,25 мм. Затем с помощью контактных измерительных средств, например, оптических мерных жезлов, положение уточняется с конечной погрешностью порядка 0,05 мм. Полученные данные о положении ЩОП заносятся в компьютерную модель, выполняющую расчет параметров ОЗ.

На втором этапе ОЗ находится в рабочем положении. С помощью специализированной измерительной системы измеряются пространственные координаты ограниченного числа (25...30) контрольных точек на поверхности зеркала с требуемой точностью и быстродействием 0,02 с (при разработке специальной системы снятия сигнала - 0,002 с). По измеренным данным выполняется коррекция расчетной модели параметров ОЗ для текущего азимутального и угломестного положения.

Предлагается использовать специализированную измерительную систему, состоящую из отдельных каналов по количеству контрольных точек на поверхности ОЗ. Каждый канал зафиксирован неподвижно относительно базы - ОК и постоянно наведен на контролируемую точку. Один канал измерения координат точки на поверхности ЩОП работает по методу прямой угловой засечки с двумя телевизионными измерительными системами (ТВИС), расположенными на ОК.

По причине сложности аналитической оценки погрешности измерения измерительного канала была разработана имитационная модель, позволяющая выполнить анализ влияния погрешностей работы ТВИС на общую погрешность измерения системы. Расчет проводился для крайнего ряда ЩОП (специально рассчитывается неоптимальный вариант расположения объекта контроля для наиболее удаленных контрольных точек). В качестве оценки погрешности измерения координат контрольной точки в пространстве используются выборочное среднее погрешности измерения merr и среднее квадратическое значение погрешности измерения трех координат контролируемой точки уerr. Распределение погрешностей измерения по циклам моделирования приведено на рис.6

Из результатов моделирования следует, что среднее значение погрешностей находятся в допустимых пределах, но при отдельных экспериментах погрешность измерения Z - координаты превышает допустимую. Это означает, что:

1.) результат измерения выдаваемый данной системой в ВУК должен быть средним значением из нескольких измерений

2) реализуется ситуация на пределе потенциальной точности метода и для более достоверной оценки погрешности необходимо как совершенствование модели в плане расширения круга учитываемых погрешностей, так и реализация физической модели измерительного канала с последующим экспериментальным исследованием.



Рис.6. Погрешности измерения.

Далее предлагается концепция построения системы измерение пространственного положения КР по двухэтапной схеме:

а) пространственное положение КР системой третьего уровня измеряется относительно ОК;

б) угловое положение ОК с помощью систем второго и первого уровня, как было описано ранее, привязывается к абсолютной системе координат.

Можно считать , что поверхность КР практически не деформируется и поэтому для оценки пространственного положения КР достаточно измерить положение в пространстве трех контрольных точек на его поверхности, что определяет необходимость реализации трех измерительных каналов.

Каждый канал измерения координат точки на поверхности КР работает по методу прямой угловой засечки (или триангуляционному методу) с двумя ТВИС, расположенными на опорном кольце.

Для оценки погрешности измерения использовалось компьютерное моделирование, где в качестве оценки погрешности измерения координат контрольной точки в пространстве использовались выборочное среднее погрешности измерения merr и среднее квадратическое значение погрешности измерения трех координат контролируемой точки? уerr.

Распределение погрешностей по циклам моделирования приведено на рис.7

Рис.7.Погрешности измерения пространственного положения КР

Анализ рис.7 позволяет сделать вывод о реализуемости требуемой погрешности измерения (0,04 мм) по координатам X и Y, и нереализуемости требуемой точности по координате Z. Дальнейшие эксперименты с компьютерной моделью показали, что требуемая точность измерений положения КР по координате Z (по оси ОЗ) будет достигнута при расположении ТВИС измерительных каналов на базе 12…14 метров. Это практически может быть реализовано, например, при размещении блоков ТВИС на штангах, расположенных в виде лучей шестиугольной звезды, прикрепленных к ОК.

Так же рассматривается задача определения 3-х линейных и 3-х угловых координат ПЗ с достаточно высокой точностью при довольно значительных пределах измерения.

Предлагается использовать схему измерения координат точки в пространстве методом прямой угловой засечки двумя ТВИС. Располагая на оправе ПЗ 3 марки, а на ОК - 3 пары ТВИС, получим по 3 линейные координаты xок , yок , zок для каждой марки. Линейные смещения марок легко пересчитываются в угловые смещения.

Для оценки погрешности измерений, как и ранее использовалось компьютерное моделирование. Распределение погрешностей по циклам моделирования приведено на рис.8.

Погрешности определения угловых координат ПЗ определялись путем пересчета линейных координат в угловые величины. Примем диаметр оправы ПЗ равным D = 600 мм., тогда в соответствии с данными из рис.8 получим:

X3 =zB / (D/2) = 0,034 / 300 = 1,1310-4 = 23",

Y3 = zA / (31/2 D/4) = 0,034 / 260 = 1,3010-4 = 26",

Z3 = xB / (D/2) = 0,0004 / 300 = 1,310-6 = 0,26",

где X3 , Y3 , Z3 - погрешности измерения углового положения и угловых перемещений ПЗ относительно осей X3 , Y3 , Z3 ; zA , zC , yC - погрешности измерения линейных координат трех точек на ПЗ.

Рис.8. Погрешности измерения координат ПЗ

Таким образом, X3 , Y3 не проходят по точности, а Z3 укладывается в допуск на пределе. Для уменьшения погрешности есть два пути. Первый - увеличение фокусного расстояния оптической системы ТВИС до 300мм. Тогда расчет дает величину z = 0,011 мм, а погрешности определения угловых координат будут равны:

X3 = zB / (D/2) = 0,011 / 300 = 1,1310-4 = 8" ,

Y3 = zA / (31/2 D/4) = 0,011 / 260 = 1,3010-4 = 9".

Второй путь - использование для измерения поворотов двухкоординатного ОЭАК При этом можно получить погрешности измерений : X3 = Y3 = 0,1d / f' = 0,1 0,01 / 90 = 10-5 рад = 2" , где d = 0,01 мм - размер элемента ПЗС (0,1d - программная погрешностью позиционирования), f' = 90 - фокусное расстояние объектива. Полученные погрешности значительно меньше требуемых.

В заключении делается вывод, что аналитические расчеты и компьютерное моделирование подтверждают возможность измерения смещения элементов конструкции РТ-70 с заданной точностью и с необходимым быстродействием предложенными методами и средствами.

В третьей главе рассматриваются измерительные задачи системы мониторинга окружающей среды на плато Суффа, где будет установлен радиотелескоп РТ-70.

Мониторинг состояния окружающей среды требуется для информационного обеспечения принятия решения о допустимых режимах работы радиотелескопа, осуществляемого оператором, обслуживающим радиотелескоп и анализирующим указанную информацию, или экспертной системой, заменяющей оператора в данном вопросе. Кроме того, результаты измерений могут использоваться при моделировании поведения металлоконструкций радиотелескопа в режиме реального времени.

Метрологический анализ показал, что требования к точности измерения параметров окружающей среды не высоки (порядка 1%). Поэтому указанные параметры могут быть измерены широким кругом стандартных измерительных приборов.

Аналого-цифровое преобразование измеренных величин для ввода их в средства вычислительной техники (например, для записи в базу данных экспертной системы) не требует большой разрядности n ( 0,01 ? 1/2n , n ? 7) и быстродействия tp ( tp ? 20 mc.). Однако измерительные каналы должны быть хорошо защищены от электромагнитного воздействия и сами не должны быть источниками электромагнитных помех. Последнее, достигается использованием оптических измерительных преобразователей и волоконно-оптических линий связи. Такой подход оправдан еще и потому, что и для измерения параметров самого радиотелескопа то же используются оптические методы. Поэтому предлагается использовать в системе мониторинга интерференционно-кодовые измерительные каналы (ИКИК), особенностью которых является использование интерференционных модуляторов, оптических кодирующих устройств (ОКУ) и передача информации по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) в виде параллельного оптического двоичного кода (параллельный оптический канал), что увеличивает скорость передачи и обработки данных в вычислительных управляющих комплексах (ВУК)

Описываются обобщенные структуры ИКИК, их передаточные функции и используемые методы анализа динамики. Ставится задача синтеза структур оптико-электронных измерительных каналов с заданными свойствами, из которых основными являются разрешающая способность, разрядность выходного кода, время и диапазон измерения. При этом, прежде всего, необходим выбор рациональной схемы под заданный тип преобразуемой величины, который должен базироваться на классификации каналов по типу входной аналоговой величины, типам используемых модуляторов, оптических усилителей и кодирующих устройств, а также в зависимости от физических эффектов, используемых для переноса изменения входной аналоговой величины в изменение оптической пространственно-временной структуры. Показано, что одну и ту же физическую величину можно преобразовать в оптический параллельный двоичный код с помощью достаточно большого количества разнообразных структур ИКИК. Выбор наилучшего варианта структуры, а также составляющих его блоков можно осуществить, исходя из анализа показателей качества. При этом необходимо иметь математическое описание преобразования входной аналоговой величины в ИКИК.

При создании математической модели преобразования учитывались ограничения, накладываемые как на структуру ИКИК, так и на устройство его отдельных блоков. Основными блоками являются модулятор формирующий пространственно-временную периодическую структуру, и оптическое кодирующее устройство с оптическим усилителем, осуществляющие растровый анализ и кодирование. Взаимодействие этих блоков можно изучать с помощью математической модели взаимодействия пространственно-временных структур.

Взаимодействие двух структур в наиболее общем виде с учетом принятых допущений может быть описано следующим образом :

где - значение параметра, например, интенсивности, результирующего электромагнитного поля в точке с координатами (х*, у*, z*) и в момент времени наблюдения - функция пропускания потока света элементами структур; - усредняющие ядра, то есть функции, описывающие усреднения, сопровождающие взаимодействия, f* - функция, описывающая тип взаимодействия (обычно функция сложения или умножения).

Функция hi может, например, описывать свойство запоминания или накопления на прямолинейном участке характеристики кривой фотоматериала.

Проведенный на базе полученного описания анализ взаимодействия двух периодических структур, на основе которого строятся оптические усилители перемещений, используемые в ИКИК, позволил выявить следующие их основные особенности, которые необходимо учитывать при синтезе ИКИК:

- период T = (л1л2)/e, где л1 и л2 периоды структур, е - их наибольший общий делитель, и шаг H = (л1л2)/¦л1 - л2¦комбинационных полос, образующихся в результате взаимодействия двух периодических структур, это не одно и то же, так как они совпадают только при ¦л1 - л2¦= 1,

- диапазон преобразования сопряжением двух структур перемещения определяется величиной шага (периода) сигнального растра, так как при перемещении сигнального растра на величину большую этого шага на кодирующее устройство попадет другая комбинационная полоса, и будет неправильное кодирование,

- для увеличения коэффициента усиления перемещения в интерференционно-кодовых преобразователях сигнальную структуру надо перемещать перпендикулярно направлению ее элементов, а анализировать перемещение комбинационных полос в направлении перпендикулярном к ним,

- разрешающая способность з нониусного сопряжения и соответствующего усилителя перемещения определяется элементарным перемещением или квантом перемещения комбинационной полосы : з = л1(1 - 1/q1) - л2(c + 1/q2), где : с =[л1/л2] - целая часть отношения л1/л2 , q1 = л1/ф1 , q2 = л2/ф2, ф1 и ф2 - размеры элементов сопрягающихся структур,

- коэффициент усиления перемещения и диапазон при нониусном сопряжении рассчитать аналитически можно только в двух частных случаях:

при q - p = 1 (л1/л2 = q/p, q,p - взаимно простые числа) K = л1/( л1 - л2)

при q - p = 2 и р - нечетное число K = (p +1)q/2-1

а в остальных случаях необходимо использовать предложенный алгоритм расчета с помощью ЭВМ.

Описание взаимодействия двух структур легко обобщить на произвольное число:

где

Правая часть последнего уравнения задает некоторую уточненную выбором f*, q1, q2 операцию на В1, В2. Обозначим ее через , тогда вся система преобразований в целом описывается обобщенным уравнением преобразований:

где: - выходная величина, - интегральная вольтовая или токовая чувствительность фотоприемника; - параметр, связанный с собственной постоянной времени фотоприемника; , где - множество, описывающее геометрическую форму углового поля зрения; - тип взаимодействия очередной пары элементов преобразования, определенный соответствующей функцией и величиной .

Полученное обобщенное уравнение ИКИК позволяет с точки зрения различных типов физического взаимодействия анализировать подавляющее большинство ОЭК рассматриваемого класса

На вход ИКИК поступает смесь сигнала a(t) и помехи e(t), которая может быть аддитивной: f(t)=a(t)+e(t), мультипликативной: f(t)=a(t)*e(t), смешанной: f(t)=a(t)e(t). При этом для большинства объектов управления наиболее характерна аддитивная помеха.

Результат измерительных преобразований в аппаратных средствах ИКИК в операторной форме можно представить в виде:

yi*(t) = RМ*RЗ*RФ*RП*RК*RД*RУ*RO*fi(t) ,

где: yi*(t) - результат, полученный в i-ом измерительном преобразовании, RМ - оператор масштабирования, , RЗ - оператор нормализации и записи кодовой комбинации в память, RФ - оператор фотоэлектрического преобразования, RП - оператор передачи оптического кода по световолоконной линии связи, RК - оператор квантования, RД - оператор дискретизации непрерывного входного воздействия, RY - оператор оптического усиления, RO - оператор модуляции, fi(t) - входное воздействие в i ом преобразовании.

Операцию выделения измеряемого информационного параметра можно в общем виде представить в виде следующего функционала:

(t-) = Rb ,

где: Rb - выбранная линейная или нелинейная функция от вычисления набора сверток, - задержка (например, время счета в ВУК), - обозначение операции свертки, (a,b) - интервал измерений, gn() - базисные функции, зависящие от выбранного метода цифровой фильтрации и параметров сигналов и помех.

Вводя описание всех операторов и объединяя два последних уравнения, получим следующее обобщенное уравнение измерительного преобразования в ИКИК:

*

где: mf =fmax/2n коэффициент масштабирования,

fmax - максимальное значение входного воздействия,

k н,kФ,,kус,, kм - передаточный коэффициент компаратора-нормализатора, блока фотоприемника, оптического усилителя (коэффициент усиления перемещения) и модулятора соответственно,

Тн ТФ, Тм - постоянная времени компаратора-нормализатора, блока фотоприемника и модулятора соответственно,

ф у , фоку - время запаздывания в оптическом усилителе(ОУ) и в оптическом кодирующем устройстве (ОКУ) соответственно,

tД- время дискретизации (преобразования),

f(t) - входная измеряемая величина,

Дk = xmax/2n - интервал квантования,

xmax - максимальное значение воздействия на входе ОКУ или верхняя граница динамического диапазона,

п - разрядность ОКУ,

q - число отбрасываемых разрядов.

Полученное уравнение может служить основой для проведения метрологического анализа исследуемых ИКИК с определением причин возникновения погрешности.

Теоретический анализ динамических погрешностей преобразования в ИКИК связан с труднопреодолимыми сложностями вычислительного характера. Поэтому анализ этих погрешностей в ИКИК целесообразно проводить с помощью имитационного моделирования на ЭВМ. При этом следует иметь ввиду, то что динамические погрешности вносят в полную погрешность незначительную часть из-за малой инерционности блоков оптической обработки информации.

Cтатическую компоненту полной погрешности можно разбить на две составляющие: на погрешность цифрового представления или округления, обусловленную наличием квантования по уровню и связанного с этим конечного числа разрешенных уровней, и на инструментальную погрешность.

Наибольший интерес представляет инструментальная (случайная) погрешность, которая появляется из-за шумов и помех, как во входном сигнале, так и в элементах ИКИК, и из-за технологических отклонений в элементах ИКИК, возникающих при изготовлении и эксплуатации ИКИК.

Анализируются инструментальные погрешности таких основных блоков ИКИК, как модуляторы, усилители перемещений, волоконно-оптические линии связи, оптические колирующие устройства и интерфейсные блоки. Получены формулы для вычисления инструментальных погрешностей для наиболее распространенных типов этих блоков и показано, что наибольшими инструментальными погрешностями обладают модуляторы, оптические усилители перемещения и волоконно-оптические линии связи.

Установлено, что для муарового, и для нониусного типов сопряжений, как линейных, так и угловых, используемых в усилителях перемещения, критичными параметрами являются период следования щелей растров. Численные оценки показывают, что допуски на величины периодов составляют единицы процентов от номинала для 6-8 разрядных сопряжений. Для линейных сопряжений критичны наклон (перекос). Оценки дают величину допусков на эти отклонения порядка единиц и долей единиц градусов, Ширина щелей менее критична по допускам - до 20 процентов от номинала.

Для оптических кодирующих устройств в муаровых растрово-кодовых сопряжениях необходимо учитывать допуски на высоту и период окон, а в нониусных - на их ширину. Изготовление растрово-кодовых сопряжений требует весьма высокой точности как собственно изготовления, так и сборки, а наиболее подходящими технологиями для соблюдения всех этих требований являются оптоволоконная и интегрально-оптическая.

В связи с тем, что в процессе изготовления оптических кодирующих устройств (ОКУ) размеры его элементов получаются с некоторой случайной погрешностью, то при кодировании положения комбинационных полос, падающих на поверхность ОКУ, возникают ошибки кодирования. Кроме того, ошибки кодирования могут возникать из-за случайных отклонений в параметрах самих комбинационных полос. Поэтому целесообразно оценить максимально возможные ошибки кодирования из-за действия указанных факторов.