СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТА ИСПЫТАНИЯ В МОМЕНТ ЕГО ПОДРЫВА

Полезная модель относится к области испытательной и измерительной техники, а именно, к устройствам для определения пространственных координат взрыва, вызванного подрывом объекта испытаний (ОИ).
Известно устройство, реализующее способ определения координат объекта испытаний (ОИ) в момент его подрыва (патент РФ №02285890, 2006.10.20), состоящий в регистрации посредством датчиков воздушной ударной волны (ВУВ), сопровождающей подрыв ОИ. Устройство представляет собой по меньшей мере три датчика ударной волны (ДУВ), геодезически привязанные к измерительным точкам (ИТ) в системе пространственных координат испытательной площадки, а также по крайней мере один светоприемник (СП) и аппаратуру, регистрирующую параметры невозмущенной среды. По сигналу СП регистрируют момент появления вспышки, сопровождающей подрыв ОИ; по сигналам ДУВ регистрируют моменты достижения ударной волной каждой ИТ и определяют фактическое энерговыделение подрыва; на основании полученных данных вычисляют расстояния от точки подрыва до каждой ИТ с учетом параметров невозмущенной воздушной среды и фактического энерговыделения подрыва, а определение координат подрыва ОИ производят по известным координатам ИТ и расстояниям от точки подрыва до каждой ИТ.
Недостатками устройства, снижающими его точность и возможность применения являются: относительно большая погрешность, связанная с временными данными приходов акустических волн на расположенные в разных местах (относительно удаленных друг от друга) три датчика. В этой ситуации на точность влияют следующие факторы: характерная скорость - скорость звука в воздухе с накладываемой непредсказуемой ветровой составляющей, различной на разных высотах, кроме того, отсутствие симметрии в распространении этих волн - заряд, по определению, находится в какой-то оболочке и содержит дополнительные исполнительные устройства, разлетающиеся в определенных направлениях после взрыва и создающие при этом ударные волны в воздухе. По этой же причине амплитуда сигнала на разных датчиках может нести информацию об энерговыделении лишь эталонного (безоболочечного) заряда (например, шарового, подрываемого строго из центра, подвешенного на относительно большой высоте для исключения наложений, связанных с отражением волн и т.д.). Нулевая точка, которая берется за отсчет времени с «начала» инициирования до прихода звуковых волн также определяется с некоторой погрешностью, поскольку взрыв инициируется в оболочке.
Известна система, реализующая способ определения пространственных координат ОИ в момент его подрыва (ГОСТ Р51271-99 «Изделия пиротехнические. Методы сертификационных испытаний» (раздел 6.4, 6.5)), основанный на фотосъемке с нескольких позиций ОИ в процессе его движения по траектории и срабатывания. Система содержит не менее двух фоторегистраторов (фотокамер), установленных на разных позициях относительно ОИ совместно с реперными знаками, таким образом, чтобы при стрельбе были созданы условия: попадание ОИ в угол обзора фотокамер, видимость всеми фотокамерами всех реперных знаков и обеспечение начала процесса фотосъемки до момента подрыва ОИ. Затем по снимкам с разных фотокамер, содержащим изображения реперных знаков и взрыва ОИ в один и тот же момент времени, по заданному алгоритму определяются координаты точки подрыва ОИ. Фотографирование изделия осуществляется камерами в ждущем режиме с установлением длительной выдержки. Это ограничивает класс задач, решаемых при измерении координат ОИ, делая практически невозможным измерения координат взрывов устройств, работа которых, по определению, после задействования не укладывается (и не прогнозируется) во временной диапазон выдержки фотоаппаратов. Т.е., данное устройство требует жесткого согласования работы фотоаппаратуры с моментом проведения испытаний. Это не всегда удается обеспечить в разовых дорогостоящих экспериментах, проводимых в полевых условиях и при общем временном цикле работы с временным диапазоном, превышающим возможные выдержки фотоаппаратов для получения итоговой плотности почернения, лежащей в рабочей прямой области (без передержек и недодержек) для проведения последующей обработки и измерений. Средствами обработки фотоизображений служат рейка, линейка, миллиметровая бумага (стр.6 ГОСТ Р51271-99). В качестве геодезической марки используется веха длина которой составляет 10 м. Веха должна присутствовать в поле кадра снимка и занимать не менее трети по высоте. Отсюда сразу следует ограничение по возможной высоте точки подрыва. Точность измерений 10%. Условия испытаний ограничены временем от открытия затворов камер до пуска и, поэтому, могут проводиться только в сумеречное время. Таким образом, недостаток системы состоит в низкой точности измерений (в части, касающейся и регистрации и обработки ее результатов) в условиях зависимости их проведения от времени суток.
Задача состоит в обеспечении достоверного измерения координат объекта испытаний при его подрыве независимо от временного алгоритма работы системы запуска ОИ.
Техническим результатом предполагаемого устройства является повышение точности измерений в условиях независимости их проведения от времени суток, а также независимости испытаний от характера старта и движения объекта (независимостью регистрации от времени между подачей команды на старт и моментом подрыва). Кроме этого, в заявляемом случае высота подрыва может быть увеличена на порядок по сравнению с прототипом при точности измерений в 1%.
Данный технический результат осуществим за счет того, что в отличие от известной системы для определения координат объекта испытаний при его подрыве, содержащей установленные на заданном расстоянии от объекта испытаний два фоторегистратора с затворами, геодезические марки и средства обработки фотоизображений, в заявляемой системе фоторегистраторы установлены с возможностью получения стереоизображений, каждый фоторегистратор связан через усилитель и блок управления затворами со своим фотодатчиком, обеспечивающим открытие затвора фоторегистратора в момент подрыва объекта испытаний, в качестве средств обработки фотоизображений использованы стереофотограмметрические приборы.
Определение пространственного положения ОИ на траектории полета основано на применении метода наземных стереофотограмметрических измерений. Данная задача решается по измерениям фотокоординат изображения ОИ на снимках стереопары, получаемых в процессе стереофоторегистрации ОИ в заданный контрольный момент времени срабатывания изделия, и последующей математической обработки фотограмметрических измерений по заданному алгоритму обработки.
1
2
Для определения пространственного положения ОИ в точке срабатывания изделия его фотографируют точными фоторегистраторами (фотокамерами) с двух точек пространства (с концов горизонтального базиса S и S) на два неподвижных снимка (фиг.1). Получаемая при этом пара перекрывающихся снимков (стереопара) с учетом геометрической обратимости фотографического процесса позволяет по измеряемым координатам изображения ОИ на стереопаре определить пространственные координаты X, Y, Z точки срабатывания изделия и вычислить высоту срабатывания и смещения относительно точки старта.
Стереофотограмметрические измерения основаны на представлении снимков в виде центральных проекций объектов и на известных из аналитической геометрии в пространстве методах координатных преобразований. Задача этих измерений сводится к ориентированию в пространстве одиночных или перекрывающихся связок проектирующих лучей и преобразованию центральных проекций в ортогональные.
Связь между координатами ОИ и его изображением на снимке определяется выбором систем координат (СК) и элементов ориентирования снимка.
Для определения и представления пространственных координат ОИ на траектории полета используются три системы координат (фиг.1)
- плоская прямоугольная СК снимка Оху;
ф
ф
ф
- пространственная фотограмметрическая СК ОХУZ, принадлежащая по положению и ориентации к тому же классу;
- наземная геодезическая СК OXYZ оптического измерительного комплекса.
1 Плоская прямоугольная СК снимка Оху определяется рядами дискретных перекрестий в плоскости выравнивающего стекла фотокамеры, которые впечатываются на снимок в момент фотографирования ОИ. Начало СК - точка О располагается в центре снимка и совпадает с центральным перекрестием. Ось Ох направлена по группе горизонтально расположенных перекрестий, а ось Оу перпендикулярна к оси Ох и направлена по группе вертикально расположенных перекрестий. Назначение данной СК-определение положения точек снимка при фотограмметрической обработке на стереокомпараторе (фотограмметрический прибор).
ф
ф
ф
ф
ф
ф
2 Пространственная фотограмметрическая СК ОХУZ связана с измерительной фотокамерой или, что одно и то же, с фотоснимком. Оси ОХ и ОУ данной системы совпадают с одноименными осями координат снимка, а ось ОZ перпендикулярна к плоскости снимка Оху и направлена вдоль оптической оси фотокамеры в сторону объекта съемки. Назначение системы - определение пространственных фотограмметрических координат точек зарегистрированного объекта.
3 Наземная пространственная система условных геодезических координат OXYZ оптического измерительного комплекса с началом в заданном репере. Ось ОУ этой системы вертикальна, ось ОХ расположена горизонтально и ориентирована условно на запад, а ось OZ - вправо от плоскости OXY, образуя с первыми двумя осями правую СК. Назначение данной системы - использование в качестве единой СК для связи фотограмметрических координатных систем стереопары снимков и для определения и представления пространственных координат точки срабатывания изделия.
Положение одиночного снимка (связки проектирующих лучей) в наземной СК определяется параметрами внешнего ориентирования: пространственными координатами центра проектирования Xs, Ys, Zs и углами ориентации: наклона υ, азимутального поворота ψ, и крена плоскости снимка γ. Последние являются известными функциями матрицы поворота
11
33
где a-а - направляющие косинусы углового ориентирования в наземной СК, выражающиеся через известные углы наклона и поворота зависимостями:
В основе метода пространственных стереофотограмметрических измерений лежат соответствующие проективные соотношения: «фотоснимок - сфотографированные точки геодезической опоры» - для определения элементов ориентирования снимков и «фотоснимок- сфотографированный ОИ», - для определения параметров пространственного положения точки срабатывания изделия.
Данные проективные соотношения, связывающие между собой точные значения исходной фотограмметрической информации - измеряемые координаты точки снимка с уточняемыми параметрами внутреннего и внешнего ориентирования снимка и с определяемыми параметрами (пространственными координатами) ОИ на траектории полета, имеют следующий вид:
где:
0
0
x, y, f, - параметры внутреннего ориентирования фотоснимка (координаты главной точки и фокусное расстояние);
ф
ф
ф
X, Y, Z - пространственные координаты опорных точек и точек ОИ, преобразованные в фотограмметрическую СК и выражаемые следующим образом:
- для геодезических опорных точек
- для ОИ на траектории полета
S
S
S
X, Y, Z - координаты центра проектирования снимка в геодезической СК;
X, Y, Z - координаты ОИ в геодезической СК;
Г
Г
Г
X, Y, Z - координаты опорных точек в геодезической СК;
А - матрица (3×3) направляющих косинусов, характеризующих угловую ориентацию υ, ψ, γ оптической оси фотокамеры в пространственной геодезической СК.
Исходные уравнения (3) содержат все необходимые параметры как для уточнения параметров ориентирования снимков (фотокамер), так и, собственно, для определения искомых координат положения ОИ на траектории полета. Практически всегда используется избыточное количество измерений для обработки опытной фотограмметрической информации по методу наименьших квадратов (МНК) с оценкой точности искомых параметров. Математическая обработка фотограмметрических измерений выполняется в два этапа. На первом этапе производится первичная математическая обработка. На втором - уточнение параметров ориентирования фотокамер и вычисление пространственных координат положения ОИ в точке срабатывания изделия.
Первичная математическая обработка включает следующие операции:
1. Определение элементов преобразования фотоснимка:
- координат начала ,  системы снимка в приборной системе координат стереокомпаратора СКА-30;
- угла разворота снимка γ в приборной системе координат;
- угла неперпендикулярности осей прибора β;
x
y
- коэффициентов K, K линейной деформации пленки вдоль осей Ох, Оу снимка, используя для этого формулы преобразования:
n,k
n,k
где: х, У - измеренные на снимке значения координат контрольной сетки;
k
k
X, Y - вычисленные значения координат перекрестий.
При избыточном количестве измерений (более 3 перекрестий) элементы преобразования вычисляются по методу наименьших квадратов под условием минимума суммы Ф:
к
к
Здесь ΔХ, ΔY - невязки между вычисленными по формулам (6) и истинными значениями координат перекрестий (паспортными данными).
2. Исправление измеренных приборных значений плоских координат фотоизображений контрольных геодезических точек и наблюдаемых точек ОИ по формулам (6), используя полученные значения элементов преобразования снимка. В данном случае вычисляются координаты х, у точек снимка, приведенные к началу в центральном перекрестии и исправленные за влияние систематических ошибок, вызванных приближенной ориентацией снимка в приборе СКА-30, неперпендикулярностью осей прибора и деформацией пленки.
Результаты расчетов заносятся в базу данных для последующей математической обработки. Расчет параметров пространственного положения ОИ в точке срабатывания изделия производится следующим образом.
Задача решается путем составления соответствующих уравнений (3), в которые подставляются известные величины:
0
0
0
0
0
0
0
0
0
- при уточнении параметров внутреннего и внешнего ориентирования фотокамер - геодезические координаты , ,  опорных точек и первоначальные значения х, у, f, Xs, Ys, Zs, υ, ψ, γ самих параметров ориентирования, известные из паспортных данных и полевых установок фотокамер;
- при расчете параметров пространственного положения ОИ в точке срабатывания (расчет производится после уточнения параметров ориентирования фотокамер) - прогнозируемые значения пространственных координат X, Y, Z положения ОИ на траектории полета и уточненные значения параметров внутреннего и внешнего ориентирования фотокамер.
Для уточнения параметров ориентирования на снимках измеряются фотокоординаты не менее пяти опорных точек, а для определения параметров пространственного положения ОИ - фотокоординаты ОИ в точке срабатывания изделия.
Использование преимуществ стереофотограмметрии с обеспечением вышеприведенной точности определения координат ОИ в условиях независимости измерений от времени суток, а также от характера старта и движения объекта при проведении испытаний в предложенной системе возможно за счет того, что момент регистрации привязан непосредственно к факту взрыва. Это достижимо путем фиксации сопровождающего взрыв светового импульса каждым из двух фотоприемников (фотодатчиков), связанных с соответствующими им фотокамерами (фоторегистраторами) и обеспечивающих передачу через усилитель и блок управления камерами сигнала на открытие затворов камер. Фотокамеры установлены при этом с возможностью получения стереоизображения процесса взрыва.
Т.е., предлагаемое усовершенствование системы для определения координат объекта испытаний при его подрыве, способствующее обеспечению условий улучшения точности на этапе регистрации взрыва и при обработке полученной информации, существенно повысило достоверность и качество измерений.
На фиг.1 приведена схема наземной стереофотограмметрической съемки ОИ
На фиг.2 схематично представлена система проведения измерения по определению координат подрыва, где: 1 - Объект испытаний; 2 - Электронно-оптический фотометр (фотодатчик); 3 - Аэрофотоаппарат АФА 41/20 (фоторегистратор); 4 - Усилитель дифференциальный У7-6; 5 - Блок управления камерами БУК-С
При летных испытаниях ОИ (подрыв изделия на высоте порядка 250 м) проводилось измерение координат подрыва по схеме на основе стереопары фиг.2. В качестве оборудования для регистрации и последующей обработки были задействованы
- аэрофотоаппараты АФА-41/20 - 2 шт.
- электронно-оптические фотометры ШЭОФ-3к - 2 шт.
- блоки управления камерами БУК-С - 2 шт.
- усилитель дифференциальный У7-6
- опорные геодезические марки А1608-М250.008 16 шт.
- автоматизированный стереокомпаратор СКА-30
Момент регистрации объекта синхронизирован с моментом подрыва ОИ (1) при помощи фотодатчиков - электронно-оптических фотометров (2), включенных в схему запуска аэрофотоаппаратов (3) (фиг.2). При превышении (после прохождения через дифференциальный усилитель (4)) сигналом от фотодатчика (соответствующим уровню освещенности от процесса подрыва ОИ) некоторого порогового значения (определяется в каждом конкретном испытании и зависит от типа ОИ, погодных условий, дальности и т.п.) происходит через блок управления затворами (5) запуск камер путем открытия их затворов с выдержкой 1/250-1/500 с. Это позволяет соотнести момент регистрации с ранней фазой процесса подрыва ОИ, т.е. работа затвора непосредственно связана с процессом подрыва ОИ., что дает более точную привязку координат X, Y, Z к точке подрыва, чем методика по. 6.5.3 ГОСТ Р 51271-99.
Математическая обработка стереофотограмметрических измерений реализована посредством описанного выше алгоритма.
Точность пространственного положения ОИ на траектории полета определяется геометрическими параметрами схемы стереофоторегистрации: величиной базиса съемки; положением ОИ относительно точек фотографирования в момент съемки; параметрами фотокамер и зависит, в основном, от качества исходных данных - погрешностей измерения фотокоординат ОИ, погрешностей построения изображения и погрешностей параметров внутреннего и внешнего ориентирования фотокамер.
Основным источником погрешностей измерения фотокоординат точек на снимках является погрешность наблюдения (идентификации) ОИ, которая зависит от качества получаемого изображения ОИ в момент регистрации процесса срабатывания изделия. Она достигает в конкретном случае 0.02-0.10 мм и "накрывает" влияние других источников погрешностей: инструментальную погрешность измерения фотокоординат (0.005 мм) и погрешность, обусловленную несинхронностью срабатывания затворов фотокамер (0.007-0.028 мм), а также погрешности построения изображения ОИ на снимке.
Погрешности построения (фиксации) изображения на снимке обусловлены искажением снимка как центральной проекции из-за смещений точек, вызываемых линейной деформацией пленки, недостаточно точным выравниванием пленки в плоскость и дисторсией объектива. Влияние последней по сравнению с другими составляющими погрешностей снимка для объектива фотограмметрической камеры АФА 41/10 пренебрежимо мало (0.003-0.01 мм).
Погрешности, обусловленные линейной (равномерной) деформацией пленки выявляются и устраняются исправлением измеряемых координат снимка, путем приведения последних в систему калиброванных крестов снимка по алгоритму, описанному выше, с точностью 2-3 мкм.
Влияние погрешностей определения (уточнения) параметров ориентирования снимков, обусловленных погрешностями геодезической привязки и измерения координат изображений опорных геодезических точек на снимках, сведено к возможному минимуму и не превышает влияния ошибок измерения снимков (не более 5 мкм). Практически всегда используется избыточное количество опорных точек, а погрешности измерения их координат носят преимущественно случайный характер.
При выполнении расчетных оценок погрешностей использовались:
1
2
1,2
- геометрические параметры схемы стереофотограмметрической регистрации ОИ - длина базиса съемки SS, равная 140.0 м±0.5-1.0 мм и наклонные дальности до объекта съемки D=280 м (для высоты срабатывания изделия Н=250 м);
1,2
1
2
1,2..
- номинальные значения параметров внутреннего и внешнего ориентирования фотокамер АФА 41/10: величины фокусных расстояний камеры F=100 мм; угловая ориентация оптических осей при съемке ОИ - углы наклона по отношению к плоскости горизонта υ=+30°, с погрешностью установки ±10" и азимутальное ориентирование по заданным направлениям относительно линии SS базиса съемки ψ=62.5°, с погрешностью установки ±10";
xу
- случайные погрешности σ измерений на снимках координат опорных геодезических марок 0.02 мм и объекта испытаний, при срабатывании изделия 0.10 мм;
Статистическая оценка погрешностей стереофотограмметрических измерений, полученная по данной методике в 6 методических опытах, характеризуется экспериментальными значениями случайных среднеквадратических погрешностей определения параметров пространственного положения ОИ. Достигнутые экспериментальные значения погрешности параметров пространственного положения ОИ несколько выше расчетных оценок. Незначительные отличия можно объяснить влиянием сопутствующих факторов этих погрешностей в отдельных опытах.
Таким образом, погрешность измерений высоты срабатывания изделия можно в среднем характеризовать максимальной величиной σY(H)=1.0 м, полученной в ряду экспериментальных (опытных) значений случайных среднеквадратических погрешностей.
С учетом числового значения высоты срабатывания изделия, результирующая относительная погрешность σY(H)/H=1.0/250=0.004 для доверительной вероятности P=0,683. Тогда предельная погрешность высоты срабатывания изделия δН составит ±0,78% от измеряемой величины, при доверительной вероятности Р=0,95.
Полученные значения на порядок выше значений, даваемых по методике прототипа поскольку получаются в результате оптимального режима съемки, позволяющего реализовать преимущества фотограмметрического метода измерений.