Патент на изобретение №2219494

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ НАПРАВЛЕНИЯ С ОДНОГО ГОРИЗОНТА НА ДРУГОЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к геодезическому приборостроению, и может быть использовано для измерений, связанных с передачей горизонтального направления, например с поверхности земли в горные выработки или внутрь сооружений. Устройство содержит оптически связанные и установленные на разных горизонтах передатчик и приемник направления. Передатчик направления выполнен в виде телекамеры, содержащей две ПЗС-матрицы, две матрицы источников света, прямоугольную призму с двумя внешними боковыми отражающими гранями и две светоделительные куб-призмы. Прямоугольная призма установлена на оптической оси объектива телекамеры с вершиной, ориентированной в сторону объектива. Светоделительные куб-призмы установлены симметрично относительно оптической оси объектива, на смежных гранях каждой из них в фокальных плоскостях объектива установлены ПЗС-матрица и матрица источников света. Приемник направления выполнен в виде прямоугольной призмы с двумя внутренними боковыми отражающими гранями, установленной на оптической оси объектива с вершиной, ориентированной в противоположную сторону от объектива. Технический результат состоит в повышении точности измерения, простоте изготовления устройства, а также позволяет измерять угол между передатчиком и приемником направления в произвольном направлении. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к геодезическому приборостроению, и может быть использовано для измерений, связанных с передачей горизонтального направления, например с поверхности земли в горные выработки или внутрь сооружений.

Известны устройства для передачи направления с одного горизонта на другой, содержащие передатчик направления, установленный на одном горизонте, и оптически связанный с ним приемник направления, установленный на другом горизонте. Передатчик направления снабжен зрительной трубой (теодолитом) с вертикальной осью вращения, а приемник направления – рейкой со штрихами или светящимися сигнальными щелями. Искомое направление отсчитывается в виде угла между визирной осью зрительной трубы (теодолита) и продольной осью рейки [1] . Эти устройства характеризуются невысокой точностью и не отвечают требованиям автоматизации измерений.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков (прототипом) является устройство передачи горизонтального направления с одного горизонта на другой, содержащее зрительную трубу с закрепленной на ней телекамерой с ПЗС-матрицей, установленные на одном горизонте, и матрицу источников света, установленную на другом горизонте [2]. Искомый угол измеряется путем компьютерной обработки изображения матрицы источников, содержащегося в выходном телевизионном сигнале телекамеры. Измерения основаны на том, что при взаимном вращении вокруг вертикальной оси передатчика и приемника направления изображение матрицы источников света в телевизионном кадре вращается на пропорциональный угол.

Прототип обладает недостатками:
– приемник и передатчик направления, установленные на разных горизонтах, требуют источника электропитания (соответственно для телекамеры и матрицы источников света), что создает определенные неудобства;
– измерение искомого угла осуществляется без признака контроля надежности измерений;
– изображение матрицы источников света передается на объектив телекамеры в расходящихся лучах света, ввиду чего при работе на разных горизонтах необходима перефокусировка объектива, что понижает точность измерений.

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в устранении этих недостатков путем введения в схему передатчика направления двух равноточных каналов измерений и использования в качестве приемника направления оптического узла, не требующего электропитания.

Для решения этой задачи в предлагаемом устройстве, содержащем оптически связанные и установленные на разных горизонтах передатчик и приемник направления, телекамеру с ПЗС-матрицей и матрицу источников света, в соответствии с изобретением и в отличие от прототипа передатчик направления выполнен в виде телекамеры, содержащей две ПЗС-матрицы, две матрицы источников света, прямоугольную призму с двумя внешними боковыми отражающими гранями и две светоделительные куб-призмы, при этом прямоугольная призма установлена на оптической оси объектива телекамеры с вершиной, ориентированной в сторону объектива, светоделительные куб-призмы установлены симметрично относительно оптической оси объектива, на смежных гранях каждой из них в фокальных плоскостях объектива установлены ПЗС-матрица и матрица источников света, а приемник направления выполнен в виде прямоугольной призмы с двумя внутренними боковыми отражающими гранями, установленной на оптической оси объектива с вершиной, ориентированной в противоположную сторону от объектива.

В результате создаются два параллельных, равноточных канала измерений, ввиду чего устройство приобретает следующие новые признаки:
– повышается точность измерений ввиду того, что результат измерений вычисляется как среднее значение результатов измерений в каждом канале;
– повышается точность измерений ввиду того, что при повороте приемника относительно передатчика на некоторый угол соответствующие изображения в видеокадрах поворачиваются на двойной угол;
– приемник направления (прямоугольная призма с внутренними отражающими гранями) не требует электропитания, что улучшает эксплуатационные свойства устройства;
– алгебраическая сумма результатов измерений в двух каналах служит признаком надежности измерений (служит “контрольной суммой” устройства);
– передача направления от передатчика к приемнику ведется в параллельных лучах света, ввиду чего при изменении расстояния между ними не требуется перефокусировка объектива телекамеры.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображены: передатчик направления, выполненный в виде телекамеры 1, в которую введены две ПЗС-матрицы 2, две матрицы источников света 3, две светоделительные куб-призмы 4 и прямоугольная призма 5, объектив 6 и приемник направления, выполненный в виде прямоугольной призмы 7.

Оптическая ось О-О телекамеры 1 установлена вертикально. Куб-призмы 4 установлены симметрично относительно этой оси. На смежных гранях этих призм в фокальных плоскостях объектива 6 закреплены ПЗС-матрицы 2 и матрицы источников света 3. Основание прямоугольной призмы 5, установлено перпендикулярно оптической оси O-O телекамеры, проходящей через ее вершину, обращенную в сторону объектива 6. Основание прямоугольной призмы 7 перпендикулярно оптической оси O-O телекамеры, проходящей через ее вершину, обращенную в противоположную сторону от объектива 6. В результате изображения матриц источников света 3 объективом 6 передаются на призму 7, отражаются от нее и возвращаются на объектив 6 в параллельных лучах света, ввиду чего при изменении расстояния между передатчиком и приемником направления не требуется перефокусировка объектива 6. Видеосигналы телекамеры 1 с ее выходов Вых.1 и Вых. 2 передаются в компьютер, не показанный на чертеже, для последующей их обработки.

Устройство работает следующим образом. Изображения матриц источников света 3 с помощью светоделительных куб-призм 4, прямоугольной призмы 5 и объектива 6 в параллельных лучах света передаются на призму 7, отражаются от нее и с помощью того же объектива 6, той же призмы 5 и тех же светоделительных куб-призм 4 проецируются на ПЗС-матрицы 2. В результате на двух выходах Вых. 1 и Вых.2 телекамеры 1 формируются видеосигналы, содержащие изображения матриц источников света в видеокадрах. При взаимных поворотах передатчика и приемника направления на некоторый угол вокруг оптической оси O-O телекамеры 1 эти изображения в видеокадрах вращаются на двойной угол, что и служит основанием для выполнения измерений.

Путем обработки видеосигналов в компьютере в каждом канале измерений вычисляется угол поворота изображения матрицы источников света в видеокадре относительно исходного его положения. По результатам этих вычислений определяется искомый горизонтальный угол между передатчиком и приемником направления как среднее значение углов, вычисленных в обоих каналах измерений. В результате заданное направление с верхнего горизонта, заданное нормалью к боковой грани призмы 5, передается на нижний горизонт – на нормаль к боковой грани 7 – путем суммирования заданного направления с вычисленным углом поворота между передатчиком и приемником направлений.

Характерной особенностью устройства служит то, что, если ПЗС-матрицу 2 и матрицу источников света 3 на одной из куб-призм 4 поменять местами, то соответствующие изображения в каналах измерений будут вращаться не в одну, а в разные стороны.

Результаты экспериментальных исследований показали возможность измерения горизонтального угла между передатчиком и приемником направления с погрешностью порядка 1 угл.сек.

С помощью предлагаемого устройства можно измерять взаимный угол поворота между передатчиком и приемником направления не только в вертикальном, но и в произвольных направлениях.

Источники информации
1. Гусев Н.Ф. Маркшейдерско-геодезические приборы и инструментоведение. – М.: Углетехиздат, 1958, с. 452.

2. Патент РФ 2152591 от 14.10.1992. Устройство передачи горизонтального направления с одного горизонта на другой (прототип).

Формула изобретения

Устройство для передачи направления с одного горизонта на другой, содержащее оптически связанные и установленные на разных горизонтах передатчик и приемник направления, отличающееся тем, что передатчик направления выполнен в виде телекамеры, содержащей две ПЗС-матрицы, две матрицы источников света, прямоугольную призму с двумя внешними боковыми отражающими гранями и две светоделительные куб-призмы, при этом прямоугольная призма установлена на оптической оси объектива телекамеры с вершиной, ориентированной в сторону объектива, светоделительные куб-призмы установлены симметрично относительно оптической оси объектива, на смежных гранях каждой из них в фокальных плоскостях объектива установлены ПЗС-матрица и матрица источников света, а приемник направления выполнен в виде прямоугольной призмы с двумя внутренними боковыми отражающими гранями, установленной на оптической оси объектива с вершиной, ориентированной в противоположную сторону от объектива.

РИСУНКИ