Например, Бобцов

АППАРАТНОЕ СНИЖЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ НАСАДКЕ НА ТЕОДОЛИТ ПУЛ-Н

В.В. Коротаев, А.А. Мараев, П.П. Похитонов, А.Н. Тимофеев
1 ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ. ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 681.78
АППАРАТНОЕ СНИЖЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ НАСАДКЕ
НА ТЕОДОЛИТ ПУЛ-Н
В.В. Коротаев, А.А. Мараев, П.П. Похитонов, А.Н. Тимофеев
В статье рассматриваются возможности снижения погрешности позиционирования с помощью оптикоэлектронной насадки на теодолит с оптической равносигнальной зоной (ПУЛ-Н) для управления строительными машинами путем применения высокоэффективных полупроводниковых излучающих диодов и модернизации оптической системы. Ключевые слова: позиционирование, зона оптическая равносигнальная, энергетическая чувствительность.
Введение
Существуют приборы для позиционирования рабочих органов машин, выполняющих земельные работы, относительно базовой плоскости. Среди этих приборов эффективно применяется прибор с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ), выполненный как насадка на теодолит [1].
В таких приборах базовая равносигнальная плоскость формируется объективом 4 задатчика базового направления (ЗБН) 1 (рис. 1) путем проецирования на максимальную дистанцию работы машины ребра разделительной прямоугольной призмы 2. От каждой грани призмы отражается изображение излучающей площадки одного из двух инфракрасных полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) 3 с различными частотами (f1 и f2) излучения. Пучок лучей, посылаемых ЗБН, оказывается «разрезанным» горизонтальной плоскостью на две части – верхнюю, модулированную частотой f1, и нижнюю с частотой f2. Эта граница и является базовой плоскостью.
Y

Рис. 1. Структурная схема ПУЛ-Н
Труба ЗБН включает объектив 4, в корпусе – разделительную призму 2 и два одинаковых канала подсветки, каждый из которых содержит полупроводниковые излучающие диоды 3 (типа АЛ107Б). Эти ПИД 3 питаются модулированным током от блока 16, состоящего из генератора 14 и делителя частоты 15 (f1 и f2). Приемная часть (ПЧ) 6

Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 5(63)

5

АППАРАТНОЕ СНИЖЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ …

содержит объектив 5, в фокальной плоскости которого закреплен фотоприемник 7 (фотодиод ФД-К-155). ПЧ соединена с блоком усилителей 12, содержащим усилитель 13, электронные фильтры 10 и 11, вычитающее устройство 8 и электронное пороговое устройство 9, вырабатывающее команды управления [2].
Развитие техники и оптических технологий позволяет повысить характеристики аппаратных средств оптико-электронных приборов, в том числе и с оптической равносигнальной зоной. Как известно, чтобы повысить точность позиционирования с помощью насадки с ОРСЗ, необходимо увеличивать энергетическую чувствительность устройства [3]. Оценке путей повышения энергетической чувствительности за счет инструментальных усовершенствований рассматриваемого устройства с учетом появившихся новых более совершенных электронных компонентов и технологий и посвящена настоящая статья.

Влияние притупления призмы на энергетическую чувствительность

Энергетическая чувствительность системы с ОРСЗ определяется формулой [1]

W

=

2τ′πS1 S 2 z 2lл

L sin ωt ,

(1)

где τ' – пропускание атмосферы, S1 – площадь выходного зрачка ЗБН, S2 – площадь входного зрачка ПЧ, z – расстояние между ЗБН и ПЧ, lл – линейный размер переходной

зоны [1], L – яркость источника оптического излучения, ω – частота модуляции, t –

время. Из формулы (1) видно, что увеличить энергетическую чувствительность можно,

увеличивая яркость излучателя L и уменьшая ширину переходной зоны lл. Яркость ПИД можно приближенно определить формулой [1]

L

=

π[d

4KPe sin(θ /

2)]2

,

где K – коррекционный множитель, Pe – мощность излучения, θ – значение угла излучения ПИД для уровня силы излучения, равной 50 % от максимальной, d – размер из-

лучающей поверхности ПИД. Из последней формулы видно, что для увеличения ярко-

сти желательно повышать мощность излучения ПИД при уменьшении угла излучения.

В настоящее время появились высокоэффективные ПИД, например фирмы Siemens

(SFH 485 P), удовлетворяющие указанным требованиям.

Как известно из литературы, размер линейного участка в плоскости фокусировки

будет определяться по формуле [1]

lл = k1δϕz + D1 | z − z0 | / z0 ,

(2)

где k1 – коэффициент формы распределения аберраций объектива ЗБН; δϕ – максимальное значение угловой сферической аберрации объектива ЗБН; D1 – диаметр выходного зрачка объектива ЗБН; z – дистанция до рассматриваемого сечения пучка ЗБН;

z0 – дистанция фокусировки ЗБН. Однако призма 2 (рис. 1) не может быть выполнена с идеально острым ребром между рабочими поверхностями (на данный момент достиг-

нут размер притупления ребра 5 мкм), поэтому она вносит дополнительную добавку c'

(рис. 2) к линейному размеру переходной зоны lл , которая равна

c'=

cz0 f′

,

где с – размер притупления призмы, z0 – дистанция фокусировки ЗБН, f' – фокусное расстояние объектива ЗБН. В итоге выражение 2 преобразуется к виду
lл = k1δϕz + D1 | z − z0 | / z0 + cz / f ′ .

6 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 5(63)

В.В. Коротаев, А.А. Мараев, П.П. Похитонов, А.Н. Тимофеев

у с/

Об -f

z z0

21 l -с'/2 -у’

Рис. 2. Формирование переходной зоны с учетом притупления на призме
Увеличение размера переходной зоны приводит к уменьшению энергетической чувствительности W. Для исследования степени влияния параметров проведен сравнительный анализ по результатам теоретических расчетов.
На рис. 3 приведены графики энергетической чувствительности при разных значениях максимальной сферической аберрации объектива ЗБН и размера притупления ребра призмы при выбранной дистанции фокусировки z0 = 60 м. Для расчета использованы характеристики ПИД марки АЛ107Б.
0,005

0,004 0,003 0,002 0,001

1 2

3

4
5 6

z,
0

Рис. 3. Зависимость энергетической чувствительности W от дистанции z при различных параметрах оптической системы: 1) δϕ = 10", с = 0 мкм – идеализированный график; 2) δϕ = 10", с = 5 мкм; 3) δϕ = 10", с = 10 мкм; 4) δϕ = 20", с = 0 мкм – идеализи-
рованный график; 5) δϕ = 20", с = 5мкм; 6) δϕ = 20", с = 10 мкм
Из хода кривых видно, что максимальное значение энергетическая чувствительность принимает на дистанции фокусировки z0, при наименьших значениях δϕ и c ее значение почти в два раза выше, чем при наибольших значениях этих параметров (кривые 2 и 6 графика соответственно). Возрастание энергетической чувствительности в области фокусировки наблюдается только в случаях 2 и 5, так как функция W(z) «успевает» проходить свой минимум до дистанции фокусировки. Кривыми 1 и 3 представлены идеализированные графики чувствительности (при притуплении, равном 0) при максимальных сферических аберрациях 10" и 20" соответственно. Видно, что при δϕ =

Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 5(63)

7

АППАРАТНОЕ СНИЖЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ …
10" имеются почти в 2 раза большие возможности для достижения высокой энергетической чувствительности в области фокусировки.
Одним из вариантов решения этой проблемы можно считать внесение конструктивных изменений, а именно замену прямоугольной разделительной призмы на призму-куб 2 (рис. 4) с отражающим покрытием на половине гипотенузной грани. В этом случае граница нанесенного покрытия может быть выполнена с точностью до единиц микрометров, в то время как в отражательной призме достигается минимальный размер притупления ребра между рабочими гранями не менее 5 мкм.

Рис. 4. Оптическая схема каналов подсветки: 1 – ПИД, 2 – призма-куб, 3 – отражающее покрытие на половине гипотенузной грани
Уменьшение размера ребра увеличивает энергетическую чувствительность. Пусть используемый в системе объектив имеет предел разрешения N = 20–50 лин/мм, и этот предел разрешения обусловлен только сферической аберрацией. При фокусном расстоянии объектива f´ = 69,9 мм сферическая аберрация δϕ = 0,0004 рад, и, принимая k1 = 1,6, z = z0 = 60 м, получим при с = 5 мкм W = 3,09·10-4 Вт/м, а при c = 1 мкм W = 3,36·10-4 Вт/м. К тому же наблюдается уменьшение погрешности, вызванной снижением яркости источников излучения с течением времени.

Погрешность, вызванная снижением яркости источников излучения из-за их старения

Применяемые в рассматриваемой оптико-электронной системе источники излуче-

ния обладают свойством уменьшать свою яркость с течением времени. При одинаковом

снижении яркости полупроводниковых излучающих диодов, облучающих различные

грани разделительной призмы, изменения положения оптической равносигнальной зо-

ны не происходит. Однако при неодинаковом изменении яркости произойдет смещение

оптической равносигнальной зоны в сторону грани с большей облученностью. Величи-

ну смещения от неодинаковой яркости источников [1] с учетом притупления можно

определить выражением

dy

=

0,25 ⋅ (k1δϕz

+

D1

|

z0 z0



z

|

+

cfz′ )δL

,

где k1 – коэффициент формы распределения аберраций объектива прожектора; δϕ – максимальное значение угловой сферической аберрации объектива; D1 – диаметр выходного зрачка объектива; z – дистанция до рассматриваемого сечения пучка; z0 – дистанция фокусировки; δL – относительный разбаланс яркостей источников излучения в

прожекторе; с – размер притупления разделительной призмы; f' – фокусное расстояние

объектива ЗБН.

При характеристиках объектива, указанных выше, и относительном разбалансе

яркостей δL = 0,4 получим границу неисключаемой систематической погрешности:

8 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 5(63)

В.В. Коротаев, А.А. Мараев, П.П. Похитонов, А.Н. Тимофеев

при

с

=

5

мкм

dy

=

⎛ ⎜

k1δφzδL

+



cz f′

⎞ ⎟ ⎠

/

4=

4,91 мм ;

при

с

=

1

мкм

dy

=

⎛ ⎜

k1δφzδL

+



cz f′

⎞ ⎟ ⎠

/

4=

4, 05 мм.

Видим, что уменьшение притупления c позволяет снизить величину неисключае-

мой систематической погрешности на 17,5 %.

Заключение

В статье впервые было получено выражение зависимости линейной величины переходной зоны от размера притупления ребра призмы, проведен сравнительный анализ распределения энергетической чувствительности при разных характеристиках задатчика. Таким образом, модернизация ПУЛ-Н возможна:
− применением высокоэффективных источников излучения с большей мощностью излучения в меньшем угле расходимости;
− совершенствованием оптической системы путем применения источников с другим спектральным составом;
− применением призмы-куба со светоделительным покрытием на гипотенузной грани, полученным методом литографии. В дальнейшем планируется проведение экспериментальных исследований на ма-
кете с призмой-кубом. Работа выполнялась в рамках НИР по программе «Развитие научного потенциала
высшей школы».

Литература

1. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной: Монография / Под общ. ред. Э.Д. Панкова. – СПб: СПБ ИТМО, 1998. – 238 с.
2. Погарев Г.В., Киселев Н.Г. Оптические юстировочные задачи: Справочник. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-е, 1989. – 206 с.: ил.
3. Цуккерман С.Т., Гридин А.С. Приборы управления при помощи оптического луча. – Л.: Машиностроение, 1969. – 204 с.

Коротаев Валерий Викторович
Мараев Антон Андреевич Похитонов Петр Петрович Тимофеев Александр Николаевич

– Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, korotaev@grv.ifmo.ru
– Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, студент, antoshka87@gmail.com
– Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, студент, sea_pirat@mail.ru
– Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, ст.н.с., доцент, timofeev@grv.ifmo.ru

Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2009, № 5(63)

9