RU2032144C1

RU2032144C1 - Method of determination of deformation of extended objects

Info

Publication number: RU2032144C1
Authority: RU
Inventors: А.Б. Атнашев; Ю.А. Моисеев
Original assignee: Атнашев Анатолий Борисович
Priority date: 1992-06-18
Filing date: 1992-06-18
Publication date: 1995-03-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: method relates to measurement of angular deformations of extended objects. Deviation angles of members of structure relative to reference direction are found with the aid of laser source used as reference direction of radiation which is directed from object. Regions of backward scattered laser radiation are tracked. Deviation angles of members of structure spread with respect to reference direction are determined, measured angles by which value deformation of object is found are compared. Method makes it possible to improve quality of control over special equipment located on ship, to enhance efficiency of usage of shop's systems, to measure deformations of ship's hull or angular misalignment of structural members, for instance, base platforms spaced from each other. EFFECT: improved quality of control over special equipment. 3 dwg

Description

Изобретение относится к способам измерения относительных угловых деформаций, изгибов протяженных объектов посредством оптических лазерных устройств и может быть использовано для определения взаимного углового положения конструктивных элементов надводного корабля, например площадок со специальным оборудованием, расположенных в разных точках палубы, на разных уровнях. The invention relates to methods for measuring relative angular deformations, bends of extended objects by means of optical laser devices and can be used to determine the relative angular position of structural elements of a surface ship, for example, platforms with special equipment located at different points on the deck, at different levels.

Широко известен оптический способ измерения прогибов и углов скручивания корпуса корабля при помощи геодезических приборов [1]. Данный способ требует применения громоздкого оборудования и поэтому непригоден для измерения деформации корабля, находящегося в открытом море. The optical method for measuring the deflections and torsion angles of a ship’s hull using geodetic instruments is widely known [1]. This method requires the use of bulky equipment and therefore unsuitable for measuring the deformation of a ship located in the open sea.

В настоящее время интенсивно внедряется способ определения геометрических параметров объекта лазерными методами [2,3]. В частности, известен способ, основанный на измерении линейных отклонений элементов объекта относительно реперной оси - лазерного луча. Измерения осуществляют с помощью квадратных фотодетекторов, установленных вместе с объективами на конструктивных элементах объекта. Путем сравнения сигналов, снимаемых с фотодетекторов, определяют величину относительного линейного смещения элементов конструкции. Currently, the method of determining the geometric parameters of the object using laser methods is being intensively introduced [2,3]. In particular, a method is known based on measuring the linear deviations of the elements of an object relative to the reference axis — the laser beam. Measurements are carried out using square photodetectors mounted together with lenses on the structural elements of the object. By comparing the signals taken from the photodetectors, the relative linear displacement of the structural elements is determined.

Разновидностью этого способа можно считать измерение деформации объекта автоколлимационным методом [5]. Данный способ, выбранный в качестве прототипа, предполагает использование лазерного коллиматора и зеркала, связанных с элементами конструкции. При взаимном смещении последних изменяется сигнал, снимаемый с оптических приемников. По этой информации определяют величину деформации объекта. A variation of this method can be considered the measurement of the deformation of the object by the autocollimation method [5]. This method, selected as a prototype, involves the use of a laser collimator and a mirror associated with structural elements. With the mutual displacement of the latter, the signal removed from the optical receivers changes. This information determines the amount of deformation of the object.

Описанный способ реализуем в том случае, если есть возможность осуществить прямую оптическую связь между элементами объекта. Очевидно, для измерения деформации кораблей при жестких требованиях к целостности межотсековых переборок указанный способ практически не применим. Помимо этого, при использовании данного способа затруднено измерение углов скручивания корпуса корабля. The described method is implemented if it is possible to carry out direct optical communication between the elements of the object. Obviously, to measure the deformation of ships with stringent requirements for the integrity of intersection bulkheads, this method is practically not applicable. In addition, when using this method, it is difficult to measure the torsion angles of the ship's hull.

Задачей изобретения является разработка способа измерения деформации корабля при отсутствии прямой оптической связи между элементами деформируемого корпуса. При этом должны быть обеспечены достаточная точность и автономность работы системы измерений. The objective of the invention is to develop a method for measuring the deformation of a ship in the absence of direct optical communication between the elements of the deformable hull. At the same time, sufficient accuracy and autonomy of the measurement system should be ensured.

Сущность решения поставленной задачи заключается в том, что с помощью подсветки атмосферы коллимированные лазерным лучом, направленным от объекта (от корабля) в свободную точку пространства, формируют светящуюся область. Визируют положения светящейся области относительно элементов деформируемой конструкции посредством оптических приемников, связанных с элементами, и по результатам измерений углов визирования определяют взаимное угловое смещение элементов, т.е. величину деформации корабля. Очевидно, визируемая область излучения должна находиться на достаточном удалении от средств наблюдения. The essence of the solution of the problem lies in the fact that with the help of atmospheric illumination, a luminous region, collimated by a laser beam directed from an object (from a ship) to a free point in space, is formed. The positions of the luminous region relative to the elements of the deformable structure are visualized by means of optical receivers associated with the elements, and the mutual angular displacement of the elements is determined from the results of measurements of the viewing angles, i.e. the amount of deformation of the ship. Obviously, the sighted radiation region should be located at a sufficient distance from the observation means.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что отличительными признаками предложенного способа являются формирование с помощью коллимированного лазерного луча светящейся области в свободном пространстве и определение угловой деформации по результатам измерений, осуществляемых относительно направления визирования светящейся области. Comparative analysis with the prototype showed that the hallmarks of the proposed method are the formation using a collimated laser beam of a luminous region in free space and the determination of angular deformation from the measurement results relative to the direction of sight of the luminous region.

Указанная совокупность отличительных признаков обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в отсутствии необходимости врезки оптических окон в конструкцию корпуса и в обеспечении измерения деформации, в том числе и углов скручивания корпуса, независимо от взаимного положения элементов конструкции корабля, что способствует повышению эффективности применения специальных систем, размещенных на корабле, а также положительно сказывается на увеличении срока службы корабля. The specified set of distinctive features ensures the achievement of a technical result consisting in the absence of the need for inserting optical windows into the hull structure and in ensuring measurement of deformation, including the torsion angles of the hull, regardless of the relative position of the ship’s structural elements, which helps to increase the efficiency of using special systems placed on the ship, and also has a positive effect on increasing the life of the ship.

На фиг.1, 2, 3 показана схема размещения на корабле устройств, обеспечивающих реализацию способа. Figure 1, 2, 3 shows the layout of the ship devices that provide the implementation of the method.

Для осуществления предложенного способа используют лазерный источник 1, установленный на корабле, оптические приемники 2, 3 с объективами, установленные посредством двухстепенных подвесов на элементах конструкции 4, 5, например на площадках, относительное угловое положение которых необходимо контролировать. Измерительные оси подвесов снабжены датчиками 6, 7 угла. Аналогичный подвес используется для установки лазерного источника 1. To implement the proposed method, a laser source 1 installed on the ship, optical receivers 2, 3 with lenses mounted using two-stage suspensions on structural elements 4, 5, for example, on sites whose relative angular position must be controlled, are used. The measuring axes of the suspensions are equipped with angle sensors 6, 7. A similar suspension is used to install the laser source 1.

На чертеже показаны двойной стрелкой оси связанной системы координат, относительно которых производят измерение деформации при заданной ориентации приборов, а также направление распространения прямого и обратного лазерных лучей. The drawing shows the axis of the associated coordinate system with a double arrow, relative to which the strain is measured for a given orientation of the instruments, as well as the direction of propagation of the forward and reverse laser beams.

Для измерения углов деформации при изгибах корпуса вокруг оси ОХ луч лазерного источника 1 направляют в верхнюю полусферу, ориентируя луч в плоскости, ортогональной продольной оси корабля, как это показано на фиг.1. Выбор угла места зависит от ориентации корабля относительно сторон света, времени суток. Основным условием для выбора является отсутствие мешающего излучения Солнца и других источников. При использовании средств наблюдения с достаточно узким полем зрения сложностей с выбором направления лазерного луча, как правило, не возникает. В процессе измерения определяют с помощью оптических приемников 2, 3 направление на источник рассеянного назад лазерного излучения. Затем, сравнивая показания датчиков углов 6, 7, определяют взаимное угловое положение элементов конструкции 4, 5, т.е. наличие деформации корпуса относительно продольной оси, в том числе углов скручивания корпуса. Первоначально все перечисленные операции производят перед выходом в море на спокойной воде, с целью определения исходного положения приборов, относительно которого осуществляют отсчет. To measure the angle of deformation during bending of the hull around the axis OX, the beam of the laser source 1 is sent to the upper hemisphere, orienting the beam in a plane orthogonal to the longitudinal axis of the ship, as shown in figure 1. The choice of elevation angle depends on the orientation of the ship relative to the cardinal points, time of day. The main condition for selection is the absence of interfering radiation from the Sun and other sources. When using surveillance tools with a fairly narrow field of view, difficulties with choosing the direction of the laser beam, as a rule, do not arise. During the measurement, the direction to the source of backscattered laser radiation is determined using optical receivers 2, 3. Then, comparing the readings of the angle sensors 6, 7, the relative angular position of the structural elements 4, 5 is determined, i.e. the presence of deformation of the housing relative to the longitudinal axis, including the torsion angles of the housing. Initially, all of the above operations are carried out before going to sea on calm water, in order to determine the initial position of the instruments, relative to which they are counting.

Для измерения углов деформации, возникающих при смещении элементов конструкции в плоскости палубы вокруг оси ОY, лук лазерного источника 1 направляют в точку, расположенную впереди по курсу корабля под острым углом к горизонту, как это показано на фиг.2. Возможна также ориентация лазерного луча в обратном направлении, от кормы корабля. Последовательность операций при измерении деформаций не отличается от описанной. To measure the angles of deformation that occur when the structural elements are displaced in the plane of the deck around the OY axis, the bow of the laser source 1 is directed to a point located ahead of the ship at an acute angle to the horizon, as shown in FIG. 2. The orientation of the laser beam in the opposite direction from the stern of the ship is also possible. The sequence of operations for measuring strains does not differ from that described.

Для измерения деформации корабля, возникающей при изгибах корпуса в диаметральной плоскости вокруг оси OZ, луч лазерного источника 1 направляют также вперед или назад под острым углом к горизонту, как это показано на фиг. 3. Последовательность операций при измерении полностью аналогична описанной. To measure the deformation of the ship that occurs when the hull bends in the diametrical plane about the OZ axis, the beam of the laser source 1 is also directed forward or backward at an acute angle to the horizon, as shown in FIG. 3. The sequence of operations during measurement is completely similar to that described.

Дальность обнаружения рассеянного назад лазерного излучения, как это следует, например из [4], даже в условиях ограниченной видимости составляет несколько километров. Это позволяет при малой расходимости лазерного луча достичь достаточно высокой точности определения ориентации луча и, следовательно, измерения угловых деформаций объекта. The detection range of backscattered laser radiation, as follows, for example, from [4], even in conditions of limited visibility is several kilometers. This allows for a small divergence of the laser beam to achieve a sufficiently high accuracy in determining the orientation of the beam and, therefore, measuring the angular deformations of the object.

Для автоматической ориентации оптических приемников 2,3 можно использовать электромеханическое устройство, аналогичное приводу типовой головки, описание которой дано в [5]. Подобное устройство применимо также для стабилизации лазерного источника 1. При этом непосредственно в качестве источника может служить твердотельный импульсный лазер, работающий в ближней инфракрасной области. Для обеспечения "захвата" луча (светящейся области) на удалении от корабля целесообразно ограничить угол поворота оптического приемника в плоскости, проходящей через измерительную ось и точку визирования. Контроль и управление дальностью "захвата" луча легко осуществить, измеряя амплитуду сигнала, снимаемого с оптических приемников. For the automatic orientation of optical receivers 2,3, an electromechanical device similar to the drive of a typical head can be used, the description of which is given in [5]. A similar device is also applicable for stabilization of the laser source 1. In this case, a solid-state pulsed laser operating in the near infrared region can directly serve as a source. To ensure the "capture" of the beam (luminous region) at a distance from the ship, it is advisable to limit the angle of rotation of the optical receiver in a plane passing through the measuring axis and the point of sight. Monitoring and controlling the range of "capture" of the beam is easy to implement by measuring the amplitude of the signal recorded from optical receivers.

Автономность функционирования средств, обеспечивающих реализацию предложенного способа, очевидна. Возможность применения способа не зависит от места нахождения корабля. The autonomy of the functioning of the means ensuring the implementation of the proposed method is obvious. The possibility of applying the method does not depend on the location of the ship.

Предложенный способ может быть использован для определения деформации любого наземного или надводного транспортного средства, а также летательного аппарата, совершающего полет в атмосфере. The proposed method can be used to determine the deformation of any land or surface vehicle, as well as an aircraft flying in the atmosphere.

Claims

METHOD FOR DETERMINING LONGITUDINAL OBJECT DEFORMATIONS, based on measuring deviations of structural elements of an object relative to a reference axis defined by a laser beam, characterized in that a luminous region is formed using laser illumination of the atmosphere, the luminous region is visually positioned relative to the elements of the object’s deformable structures, for example, using optical receivers associated with the elements measure the direction of sight and judge the deformation of the object based on the measurement results.