СУДОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ЛЬДА
SHIP ICE THICKNESS GAUGE

Изобретение относится к измерительным устройствам, а именно к способам и устройствам для дистанционного измерения размеров объектов, в том числе движущихся [G01B 7/02, G01B 11/06, G01B 11/10, G01B 11/26, G01B 15/02].
Из уровня техники известна РЕЙКА НА ЛИНЕ [Инструкция для наблюдений над льдами с корабля. Л.: Морской транспорт - 1956. 53 с.], используемая для глазомерной съемки толщины льдин на ходу судна и представляющая собой деревянную доску длиной 50 см и шириной 7-10 см, разделенную на дециметры, участки рейки длиной 1 дм окрашены попеременно белой и черной или белой и красной красками, посередине рейки выполнено отверстие для линя. Способ применения указанного устройства заключается в спуске на ходу судна рейки на лед и визуальное определение толщины льдин, встающих на ребро у борта судна.
Недостатком данного аналога является низкая точность определения толщины льдин, а также высокая трудоемкость обусловленная невозможностью автоматизации такого способа измерения толщины льда.
Также известен другой аналог - ЛЕДОМЕР ЦУРИКОВА И ПЕРВАКОВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДИН НА ХОДУ СУДНА [Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 9. Гидрометеорологические наблюдения на морских станциях. Часть III. Гидрометеорологические наблюдения, производимые штурманским составом на морских судах (Наблюдения над погодой и состоянием моря). Л.: Гидрометеоиздат - 1966], состоящий из металлической штанги длиной 60 см с делениями, на конце штанги смонтирован кронштейн с короткой трубкой, параллельной штанге, на штангу надет подвижной хомутик с опорным винтом, к хомутику прикреплена металлическая рамка с вставленной в нее пластинкой из прозрачного материала, на пластинку нанесена прямоугольная сетка с делениями. Способ измерения толщины льда описанным ледомером основан на решении подобных треугольников, у которых большими катетами являются расстояние от глаза наблюдателя до измеряемого объекта - вывороченной на ребро льдины АС и расстояние от глаза до рамки АВ, а малыми катетами - измеряемая толщина СЕ и ее проекция на сетку BD. Для измерений должна быть известна высота глаза наблюдателя над поверхностью льда АС. В момент нахождения льдины на траверзе замечается число делений сетки BD, соответствующее толщине льдины СЕ.
Недостатком аналога является низкая точность и оперативность, а также невозможность осуществления процесса измерения непрерывно.
Известен СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДА, СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ЛЬДА, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДА, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ЛЬДА И ДИСТАНЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ [RU 2712969 C2, опубл.: 03.02.2020], в котором способ дистанционного измерения толщины льда, отличающийся тем, что с помощью электромагнитного индукционного датчика осуществляют дистанционное измерение кажущейся толщины льда, включающей в себя толщину снежного покрова на поверхности льда; с помощью электромагнитных волн осуществляют дистанционное измерение толщины указанного снежного покрова; и на основе указанной кажущейся толщины льда и указанной толщины снежного покрова определяют истинную толщину льда.
Недостатком описанного способа является низкая помехоустойчивость применяемых электромагнитных индукционных датчиков.
Наиболее близким по технической сущности является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЛЬДИН С БОРТА СУДНА [RU 70983 U1, опубл.: 20.02.2008], содержащее телевизионную камеру, устройство обработки в виде персонального или карманного компьютера, выход которого соединен с устройством отображения изображения в виде монитора, отличающееся тем, что в его состав включен аналого-цифровой преобразователь телевизионного видеосигнала в цифровую матрицу данных изображения, вход которого соединен с выходом телевизионной камеры, а выход - с входом устройства обработки.
Основными недостатками прототипа являются низкие качество и оперативность выполнения измерений толщины льда, обусловленные, во-первых, обледенением и конденсацией влаги на объективе камеры, во-вторых, наличием неконтролируемых изменений ориентации телевизионной камеры, вызванные кренами и дифферентами корпуса судна в процессе его движения во льдах, в-третьих, ограниченной работоспособностью оптической системы при отсутствии естественного освещения, в-четвертых, длительная ручная обработка данных.
Технический результат заключается в повышении точности измерений толщины льда.
Указанный технический результат достигается за счет того, что судовой измеритель толщины льда, содержащий размещенный в корпусе модуль изображения, формирующий цифровое изображение объекта, контроллер обработки изображения с интерфейсным модулем, отличающийся тем, что идентификацию и локализацию объектов измерения осуществляют в потоке видеоизображения, получаемого с модуля изображения путем сравнения получаемых изображений с базой данных ледовых форм, записанных в модуле памяти, подключенного к контроллеру, к контроллеру подключены измерители расстояния до объекта и угла наклона оптической оси модуля изображения, учитывающие пространственное положение модуля изображения относительно измеряемого объекта, к контроллеру также подключены датчики температуры и относительной влажности, измеряющие температуру воздуха внутри корпуса и наружного воздуха и относительную влажность наружного воздуха с возможностью управления нагревом защитного стекла корпуса измерителя, с целью исключения его обледенения.
В частности, к контроллеру подключен датчик позиционирования, выполненный в виде спутникового GNSS-приёмника с возможностью местоопределения объекта измерения.
В частности, к контроллеру подключен модуль связи с возможностью удаленного управления, загрузки в модуль памяти баз данных и передачи результатов измерений на сервер данных.
В частности, нагрев защитного стекла корпуса измерителя выполняют нагревательным элементом, смонтированным на защитном стекле.
В частности, нагрев защитного стекла включают при температуре внутри корпуса меньше или равной точке росы.
В частности, точку росы определяют по измеренным значениям температуры и относительной влажности наружного воздуха.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показан судовой измеритель толщины льда на палубе судна.
На фиг.2 показана блок-схема судового измерителя толщины льда.
На фигурах обозначено: 1 - корпус, 2 - опорно-поворотный механизм, 3 - стойка крепления, 4 - модуль изображения, 5 - измеритель расстояния, 6 - измеритель угла наклона, 7 - датчик позиционирования, 8 - контроллер, 9 - защитное стекло, 10 - датчик температуры, 11 - нагревательный элемент, 12 - датчик наружной температуры, 13 - датчик относительной влажности, 14 - модуль памяти, 15 - интерфейсный модуль, 16 - источник света, 17 - датчик освещенности, 18 - выворот льда, 19 - палуба судна.
Осуществление изобретения.
Судовой измеритель толщины льда содержит корпус 1 (см.Фиг.1), смонтированный с помощью опорно-поворотного механизма 2 к стойке крепления 3, закрепленной к палубе судна 19. Корпус 1 выполнен герметичным. Опорно-поворотный механизм 2 выполнен с возможностью изменения угла наклона корпуса 1 в вертикальной плоскости.
Внутри корпуса 1 смонтировано измерительное устройство, выполненное в виде модуля изображения 4, измерителя расстояния 5 и измерителя угла наклона 6. Модуль изображения 4 выполнен, например, в виде цифровой фото-, видеокамеры, модуля технического зрения. Измеритель расстояния 5 выполнен, например, в виде четырех точечного лазерного дальномера. Измеритель угла наклона 6 выполнен, например, в виде двух осевого инклинометра.
Измерительное устройство также содержит датчик позиционирования 7, выполненный в виде спутникового GNSS-приёмника.
Модуль изображения 4, измеритель расстояния 5 и измеритель угла наклона 6 подключены к контроллеру 8 (см.Фиг.2).
Одна из граней корпуса 1 выполнено в виде прозрачного для модуля изображения 4, измерителя расстояния 5 и измерителя угла наклона 6 окна, закрытого защитным стеклом 9. Защитное стекло 9 снабжено датчиком температуры 10, смонтированным внутри корпуса 1 и нагревательным элементом 11.
Снаружи корпуса 1 у защитного стекла 9 смонтированы датчики наружной температуры 12 и относительной влажности 13 воздуха.
Датчик температуры 10, нагревательный элемент 11, датчик наружной температуры 12 и датчик относительной влажности 13 подключены к контроллеру 8.
К контроллеру 8 подключены модуль памяти 14 и интерфейсный модуль 15. Интерфейсный модуль 15 выполнен с возможностью ввода/вывода и отображения информации и результатов измерений.
Судовой измеритель толщины льда также снабжен источником света 16 и датчиком освещенности 17. Источник света 16 выполнен в виде прожектора.
В одном из вариантов реализации контроллер 8 снабжен модулем связи (на фигурах не показан) с возможностью удаленного управления судовым измерителем толщины льда, загрузки в модуль памяти 14 баз данных и передачи результатов измерений на удаленный сервер данных, в том числе и облачный (на фигурах не показаны).
Судовой измеритель толщины льда работает следующим образом.
Корпус 1 с опорно-поворотным механизмом 2 монтируют на стойке крепления 3 на палубе судна 19 в районе максимальной частоты проявления выворотов льда обусловленной конструкцией корпуса целевого судна. Корпус 1 ориентируют с помощью опорно-поворотного механизма 2 на высоте места размещения над поверхностью моря, в положении визирования на морскую поверхность близкой к вертикали, совпадающей с оптической осью модуля изображения 4.
Цифровое изображение льда из модуля изображения 4 в виде матрицы цифровых значений яркости передают в контроллер 8, где его сравнивают с данными базы ледовых форм, записанных в модуле памяти 14 на предмет наличия выворота льда 18, пригодного к проведению измерений. и определяют местоположение.
В случае идентификации выворота льда 18 определяют его местоположение на местности с помощью датчика позиционирования 7 и записывают полученные данные в модуль памяти 14. Далее, по данным базы ледовых форм в контроллере 8 осуществляют его локализацию путем фиксирования маркерных точек на графическом изображении, несущем однозначную информацию об искомой толщине льда и снега.
С измерителя угла наклона 6 и измерителя расстояния 5 мгновенные значения отклонения оптической оси модуля изображения 4 от вертикального положения и расстояния до объекта измерения соответственно передают в контроллер 8. В контроллере 8 осуществляют анализ данных и производят выбор точки или группы точек, лежащих на объекте измерения, рассчитывают поправки геометрических параметров оптической системы модуля изображения 4 для выбранных точек и с помощью фотограмметрии по известным расстоянию до объекта, углу его наклона и разрешению оптической системы (фокусному расстоянию) модуля изображения 4 рассчитывают толщину льдины и снежного покрова.
Результаты измерений и расчетов для каждого из объектов измерений передают для визуального отображения в интерфейсный модуль 15 и записывают в модуль памяти 14 вместе с данными о температуре и относительной влажности наружного воздуха.
При работе измерительного устройства судового измерителя толщины льда датчиками наружной температуры 12 и относительной влажности 13 измеряют температуру относительную влажность наружного воздуха и передают измеренные значения в контроллер 8, где по полученным значениям производят расчет точки росы Тр. Датчиком температуры 10 в этот же момент времени измеряют температуру Т поверхности защитного стекла 9 внутри корпуса 1 и также передают измеренное значение в контроллер 8.
В контроллере 8 сравнивают значения точки росы Тр и температуры Т поверхности защитного стекла 9. Если значение Т меньше или равно Тр, то на поверхности защитного стекла может образоваться иней или лед и в этом случае включают подогрев защитного стекла 9 с помощью нагревательного элемента 11, при этом подогрев выполняют до момента равенства Тр и Т.
Датчиком освещенности 17, предварительно настроенным на пороговое значение минимальной допустимой для работы модуля изображения 4 яркости, фиксируют значение освещенности и в случае ее снижения ниже упомянутого порогового значения, включают источник света 16.
Технический результат - повышение точности измерений толщины льда достигается за счет исключения искажения изображения и превышения погрешности измерений расстояния до объекта измерения путем контроля с помощью датчиков температуры 10, наружной температуры 12 и относительной влажности 13 за обледенением защитного стекла 9 корпуса 1, прозрачного для модуля изображения 4 и измерителей расстояния 5 и угла наклона 6 модуля изображения 4 и включением в случае необходимости нагревательного элемента 11 упомянутого защитного стекла 9. Кроме того, повышение точности измерений толщины льда достигается за счет внесения корректирующих поправок в геометрические параметры оптической системы модуля изображения 4 путем измерения в режиме реального времени при захвате изображения объекта с помощью измерителей расстояния 5 до объекта и угла наклона 6 оптической оси модуля изображения 4, учитывающие его пространственное положение относительно измеряемого объекта, в том числе и при движении судна.