Univerzita Palackého v Olomouci Přírodovědecká fakulta Katedra optiky
Akviziční systémy Bakalářská práce
Vypracovala: Baigarová Zuzana Vedoucí práce: Mgr. Vladimír Chlup Studijní obor: Přístrojová optika Datum odevzdání: 16.5.2011 Olomouc
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracovala samostatně za použití uvedené literatury a pod vedením Mgr. Vladimíra Chlupa a Mgr. Filipa Chlupa.
V Olomouci dne 16.5.2011
……………………………….
2
Chtěla bych poděkovat společnosti Pramacom, spol s.r.o. za poskytnutí přístrojů k měření a panu Mgr. Vladimíru Chlupovi a Mgr. Filipu Chlupovi za odbornou pomoc při zpracovávání práce. 3
Abstrakt Práce je zaměřena na rozbor akvizičních systémů, na to jaké přístroje mohou obsahovat, jak tyto přístroje fungují, co je podmínkou správného nastavení a měření. Hlavní rozlišení akvizičních systému je na denní (přímohledný kanál se zvětšením) a noční (noktovizní nebo termovizní kanál). V praktické části se měří chyba magnetického kompasu, což je nejcitlivější přístroj z jednotky, chyba GPS systému a celková chyba přístroje. Tyto chyby závisí na použití přístrojů a v tomto případě na nepřesně nastavené hodnotě magnetické deklinace.
Abstract The thesis is focused on analysis acquisition systems, which apparatus they may contain, how this apparatures works, what is the term of right set and measure. Main resolution of acquisition units is on day work(telescope with magnification) and night work (night vision and thermography). In practical part is measured failure of magnetic compass, which is the most sensitive part of acquisition unit, failure of GPS system and also total system failure. This defects depends on correct work with systems and in this case on incorrectly set value of magnetic declination. 4
Obsah 1. Úvod ........................................................................................................................ 7 2. Akviziční jednotka jako součást C4ISR @TA kompletu ............................................ 8 3. Pozorování ............................................................................................................. 10 3.1. CCD ................................................................................................................. 10 3.2. CMOS .............................................................................................................. 10 3.3. Přímohledná optika ......................................................................................... 10 3.3.1 Monokulární dalekohled .................................................................... 11 3.3.2 Binokulární dalekohled ...................................................................... 12 3.4. Termovize ........................................................................................................ 13 3.4.1. Chlazená termovize ............................................................................. 17 3.4.2 Nechlazená termovize .......................................................................... 18 3.5. Noktovize ........................................................................................................ 19 4. Akvizice cíle ............................................................................................................ 24 4.1. Laser ................................................................................................................ 24 4.2. Laserový dálkoměr .......................................................................................... 26 4.3. Kompas ........................................................................................................... 27 4.4. GPS .................................................................................................................. 29 5. Řízení jednotky ....................................................................................................... 32 5.1. Procesor .......................................................................................................... 32 5.2. LCD displej ....................................................................................................... 32 5.3. LED displej ....................................................................................................... 35 6. Ergonomie .............................................................................................................. 36 6.1. Sesedlové aplikace........................................................................................... 36 6.2. Vozidlové aplikace ........................................................................................... 37 6.3. Stacionární aplikace ......................................................................................... 38 7. Napájení ................................................................................................................. 38 7.1. Galvanický článek ............................................................................................ 39 7.2. Akumulátor ..................................................................................................... 40 7.3. Lithiové baterie CR123 ..................................................................................... 40
5
7.4. Li-ION baterie .................................................................................................. 41 8. Vlastní měření ........................................................................................................ 41 8.1. Magnetický kompas ......................................................................................... 41 8.1.1
Systematická chyba .......................................................................... 52
8.2. GPS .................................................................................................................. 53 9. Závěr ..................................................................................................................... 56 10. Seznam použité literatury ................................................................................... 57
6
1. Úvod Akviziční systémy jsou moderními pomocníky v boji s nepřítelem, ať už za jasného dne či hluboké noci. V těle těchto systémů se skrývá spousta moderního vybavení, jež nám umožní zjistit o našem cíli veškeré potřebné informace, a my poté můžeme spolehlivě navést palebnou podporu. Akviziční jednotky jsou schopny zpracovat data nejen pro potřeby osoby která je ovládá, ale mohou i naměřené údaje ihned odeslat. Rovněž bývají vybaveny schopností ukládat obrázky společně s datovými informacemi o cíli, nebo možností hlasového záznamu. Některé jednotky je rovněž možno ovládat dálkově a to včetně přenosu obrazových dat. Obsah bakalářské práce je rozdělen podle posloupnosti jednotlivých úkonů: pozorování, akvizice cíle, …; a dle dalších důležitých parametrů, jako je například ergonomie či napájení. Tato teoretická část je pojata na akviziční systémy všeobecně. Cílem práce je vyzkoušet zvolenou akviziční jednotku v praxi. Bude měřena přesnost zaměření a vyhodnocení daného cíle, úkolem je zjistit, jak se budou lišit naměřené hodnoty od správných údajů. Toto měření bude probíhat na akvizičních jednotkách PLRF15C a Vektor 21.
Obr.č. 1-Schéma akviziční jednotky [7]
7
2. Akviziční jednotka jako součást C4ISR @TA kompletu C4ISR@TA je komplet vojáka jež se označuje jako „Voják budoucnosti“. Je v něm obsaženo vybavení pro kompletní bojové nasazení i pro případ odloučení od jednotky. Co vlastně zkratka C4ISR&TA znamená? Command (Velení) – využívá se digitalizace pro podporu velení (digitalizované mapové podklady pro znázornění situačního vědomí – Situation Awareness – SUO/SAS) a výměnu standardizovaných práv pomocí IDM (Improve Data Modem) v prostředí IP, zajišťuje to řídící systém na digitalizované mapě (CADRG) – liší se tím, pro koho je určen, např. voják/tým – mapová GPS, družstvo – mapová UMPC, … Control (Řízení) – technologie, která podporuje řízení operací a směrování informací na bojišti, základem je družicový systém GPS jež je chráněn proti rušení SAASM, mimo jiné se GPS může využít u BFT (Blue Force Tracking), zajišťuje to GPS s IP směrováním Communication (Komunikace) – je důležité zjištěné informace předat dále, používají se komunikační systémy s vlnovými formami TRANSEC jež odpovídají standart JTRS (Joint Tactical Radio Systems), jsou zabezpečeny pomocí přenosu skokem a kódováním COMSEC dle standardu US Type 1, zajišťuje to přenosné radiostanice
Computer (Datové terminály) – jsou určeny pro osobní (PDA), ruční (UMPC), přenosné (tablet/notebook) a transportovatelné (laptop) nasazení, používají se jako centrální terminály jednotlivých typů kompletů, zajišťuje to notebook, tablet, Pocket PC Intelligence (Zpravodajství) – zde najdeme prostředky pro podporu vojenského zpravodajství typu HUMINT (Human Intelligence) a IMINT (Imagery Intelligence), jedná se především o speciální terminály videolinku TCDL pro vzdušný IMINT, zajišťuje to – digitální fotoaparát, kamera Surveillance (Pozorování) – prostředky pro vizuální pozorování ve dne i v noci, noční pozorování je založeno na termovizní (využívá infračervené spektrum-termovizor) nebo noktovizní (zesiluje zbytkové záření-noktovizor) technologii 8
Reconnaissance (Průzkum) – prostředky jež jsou určeny pro označení nebo lokalizaci cíle v různých vizuálních podmínkách, cíl je označen nebo lokalizován hlavně pro potřeby palebné podpory nejčastěji ze strany letectva (jsou zde zahrnuty i technologie laserových značkovačů či ozařovačů), zajišťuje to – kolimátor, termovizor, popř. UAV a na závěr odsunuté Target Acquisition (Akvizice Cílů) - vybavení umožňující průzkum dané oblasti nebo konkrétních objektů, může se jednat o autonomní senzory (UGS), bezosádková vozidla (UGV), nebo bezpilotní prostředky (UAV), zajišťuje to laserový zameřovač, označovač, či ozařovač [1] Z tohoto rozdělení je patrné, jak velkou část mohou vykonávat akviziční jednotky. Odpadá tím potřeba mnoha přístrojů umístěných na těle vojáka, vše je implementováno do kompaktního přístroje.
Obr.č. 2-Elektromagnetické spektrum[7]
9
3. Pozorování 3.1. CCD Prvek CCD je určen pro snímání obrazové informace (pokud obraz nepromítáme přímo na sítnici oka) při denním i nočním pozorování. Nasnímané obrazy je možno uložit do paměti, nebo rovnou odeslat. Základem CCD snímačů je MOS kapacitor (prvek jež je schopen shromažďovat energii ), který slouží jako fotocitlivý element, převádějící dopadající záření na elektrický náboj. V akvizičních jednotkách jsou použity plošné CCD snímače, protože je potřeba snímat dvourozměrný obraz najednou. Je možné je chápat jako spojení mnoha lineárních CCD na jednom čipu. Pro barevné snímání se používá jeden CCD prvek, jež má před každým pixelem barevný filtr (modrý, zelený nebo červený). Nejčastější uspořádání barev ve filtru je takzvané bayerovské, které vychází z toho, že je lidské oko nejcitlivější na zelenou barvu, proto je tam zelená zastoupena skoro v dvojnásobné míře oproti ostatním barvám.[2,6] 3.2. CMOS Druhý použitelný obrazový senzor je CMOS prvek využívající aktivní fotoelementy, které obsahují u každé diody emitorovaný sledovač a samostatný resetovací tranzistor. Je u nich použita technologie velké integrace na společném čipu (vyšší hustota prvků na čipu). Výhodou oproti CCD je, že mají malý proudový odběr a stačí jim malé napájecí napětí, ovšem na úkor většího šumu.[2,3] 3.3. Přímohledná optika Zaměření cíle ve dne se provádí pomocí dalekohledu. Dalekohledy jsou nejčastěji čočkové, hranolové, popř. zrcadlové. Všechny optické členy dalekohledové soustavy musí být opatřeny ochrannými vrstvami a soustava musí dokonale těsnit. Jako výplň mezi jednotlivými členy se používají plyny, třeba dusík nebo argon, které zamezují orosení zevnitř.
10
Údaj jež nás zajímá při výběru dalekohledu je jeho zvětšení, které se udává zápisem v podobě: 7×42. Číslo 7 je zvětšení, jež nám daný dalekohled poskytne a číslo 42 označuje průměr vstupní pupily dalekohledu v milimetrech. Průměrem vstupní pupily rozumíme v naprosté většině případů průměr objektivu, který nám omezuje paprsky vstupující do soustavy dalekohledu. V ose dalekohledu bývá umístěn záměrný obrazec, nejčastěji vyrytý na skleněné podložce, s jehož pomocí určujeme přesnou polohu pozorovaného předmětu. Okulár dalekohledu bývá vybaven možností vlastního doostření na oko pozorovatele a slouží k vykorigování případné oční vady. Důležitou součástí denních pozorovacích systémů jsou clony. Clony korigují svazek paprsků jež nám vstupuje a následně prochází soustavou. Aperturní clona je již zmiňovaný objektiv. Clona zorného pole se nachází v systému a dále upravuje svazek procházející systémem. Díky clonám se zbavíme nežádoucích vedlejších paprsků, jež zkreslují obraz. Rozlišovací schopnost přístroje je dána vztahem (1)
α=1,22
kde D je průměr vstupní pupily a λ vlnová délka (550nm).[4]
3.3.1. Monokulární dalekohled Jedná se o dalekohled s jediným optickým kanálem, který je určený pro pozorování jedním okem. Do akviziční jednotky je vhodný díky své kompaktní velikosti. Tento typ bývá nejčastěji čočkový. Základem pro monokulární dalekohled je Keplerův systém (afokální soustava – ohniska splývají).[19]
11
Obr.č. 3-Keplerův dalekohled[19]
Po vložení převracecího členu, polní čočky a záměrné destičky vypadá soustava takto:
Obr.č. 4-Keplerův dalekohled s přidanými optickými členy[19]
3.3.2. Binokulární dalekohled Tento typ dalekohledu je pro příjemnější k pozorování, protože jsou využity obě oči což je pro člověka přirozenější. Průchod paprsků bývá zajištěn systémem hranolů, soustava čoček je použita na objektiv a okulár. Binokulární vidění je koordinovaná činnost obou očí, díky čemuž je zajištěno vytvoření obrazu pozorovaného předmětu. Zároveň umožňuje prostorové vnímání (prostorové vidění není pouze otázkou očí, ale mozek se ho postupem času naučí,
12
proto když teď zavřeme jedno oko, uvidíme prostorově i tak). Díky použití obou očí se zvětší zorné pole, máme lepší koordinaci a odhad. [5,28]
Obr.č. 5-Schéma binokulárního dalekohledu s Porrovými hranoly[28]
Obr.č. 6-Systém Porrových hranolů[28]
3.4. Termovize Termovizní systémy jsou kamery, které jsou citlivé na infračervené záření (lidskému oku neviditelné) - zachycují tepelnou energii a převádí ji do barevného obrazu.
13
Pracují s tím, že každé těleso, které má teplotu vyšší než je absolutní nula (T=0 K, T=-273,15 ˚C) vysílá energii v infračerveném spektru. Zákonitost vyzařování energie z povrchu těles popisujeme dvěma zákony: Stephan – Boltzmanův (teplo vyzařované z povrchu tělesa) (2)
W = δ * ε * T4
kde: W = radiační tok jednotkou plochy (watt/cm2), ε = emisivita (jednotka pro černé těleso) δ = Stephan-Boltzmannova konstanta = 5,673 x 10-12 watt cm-2 K-4 T = absolutní teplota tělesa (°K) a Wienův zákon {hodnota vlnové délky s maximální radiací λm (v µm) na povrchu tělesa} (3)
λm = b/T
kde: λm = vlnová délka s maximální hodnotou radiace (µm) b = Wienova konstanta = 2897 (µm °K) Díky tomu je možné odhalit osoby, zahřátá motorová vozidla, ale používají se také třeba ke zjišťování úniku tepla z budovy. Nevýhodou je, že se dají ošálit vhodnou izolací. Kvůli propustnosti atmosféry se pro termovizory používají dvě pásma: MWIR (3-8µm) – oblast středně dlouhých infračervených vln (detektory citlivé od 3-5µm) LWIR (8 – 15 µm) – oblast dlouhých infračervených vln (detektory citlivé od 7-14 µm)
14
Obr.č. 7-Propustnost atmosféry [8]
Jako detektory infračerveného záření se používají takzvané IRFPA (Infrared Focal Plane Array) což je matice mikrodetektorů, která je umístěna v ohniskové rovině objektivu (zachycuje prostorové rozložení dopadajícího záření). Neměří přímo zářivou energii, ale jen hodnoty sekundární fyzikální veličiny, která se v případě absorpce infračerveného záření (x rozdíl oproti fotoelektrickému jevu) mění a proto se zvyšuje výskyt šumů. IRFPA se dělí podle: a) Způsobu čtení informace z matice detektoru -
skenovací (lineární) - noční obraz je promítán na matici detektorů díky rotujícímu zrcadlu, nebo systému naklánějících se zrcadel
-
mozaikové – dvojrozměrné pole detektorů je skenováno elektronicky
15
Obr.č. 8 -a) lineární IRFPA,b) mozaiková IRFPA[8]
b) Technologie výroby -
monolitické – na jedné podložce se nachází matice detektorů i čtecí integrovaný obvod (minimální dislokace při pěstování)
-
hybridní – zvlášť se vypěstuje matice detektorů i čtecí integrovaný obvod, každý na jiném substrátu a jejich jednotlivé pixely se poté spojí měkkým kovem (např. bílým indiem)
c) Použitého principu -
mikrobolometry
-
QWIP
-
HgCdTe Důležité je také vědět, s jakými parametry detektory infračerveného záření pracují. Jedná se o : NETD (Noise-Equivalent Temperature Difference) – což je teplotní rozdíl ekvivalentní k šumu signálu (minimální signál), jež můžeme ještě rozlišit, aniž by zanikl v šumu pozadí. Vyjadřuje se (4)
NETD =
16
kde: F= clonové číslo objektivu a, b =horizontální a vertikální rozměr detektoru [cm] ns =počet detektorů τ0 =propustnost optického systému Δfn= ekvivalentní šumová šířka pásma *Hz+ Dp*=detektivka, vztahující se k chlazenému krytu detektoru *W.cm-1.Hz1/2] , Wspektrální zářivost absolutně černého tělesa MTF (Modulatio Transfer Function) – je funkce přenosu kontrastu, která udává prostorové frekvence jež jsou přeneseny systémem MRTD (Minimum Resolvable Temperature Difference) – jedná se o veličinu k určení statického dosahu detektoru (hodnota minimálního rozlišitelného teplotního rozdílu).[7,29,30] 3.4.1. Chlazená termovize Liší se přidáním chladícího systému. Oproti nechlazené je výkonnější, těžší, má delší dobu zahřívání a je hlučnější. V chladícím systému se používá obrácený Stirlingův cyklus – přeměňuje mechanickou práci na teplo, tím odevzdává větší množství než přijímá a systém se postupně ochlazuje.
17
Obr.č. 9 -Schéma chlazené termovize [8]
K chlazení detektorů se používá SMC mikrochladič (Stirling Micro Cooler), který je dokáže ochladit až na teplotu 22 K. Je to uzavřený cyklus, chladící náplň se nedostane do kontaktu se substancí, kterou chladí. Mikrochladič SMC může být integrální (stav kdy je kompresor a Dewarova nádoba spojeny), nebo oddělené (jsou spojeny přes tepelný kanálek). [8] 3.4.2. Nechlazená termovize Schéma je stejné jako u obrázku chlazené termovize, ovšem až na absenci chladícího systému, což zajišťuje tišší chod, rychlejší možnost práce, menší hmotnost a menší spotřebu energie.
18
Obr.č. 10 -Ukázka pozorování termovizní kamerou [8]
3.5. Noktovize Noktovizor je přístroj, který pracuje na principu zesilování zbytkového světla z okolí. Pracují v infračervené části spektra blízké viditelnému záření, tudíž nezachycují tepelné záření jako termovizory. S noktovizory je vhodné pracovat za sníženého osvětlení, zesilují světlo o vlnové délce λ=700-1000nm, přičemž je převádí do viditelné části spektra. Výsledný, námi pozorovaný, obraz je zelené barvy, protože na zelenou barvu je oko nejcitlivější a je mu nejpříjemnější na pozorování. Klíčové je u pozorovacích prostředků tzv. Johnsonovo kritérium, které stanovuje počet rozlišovacích párů čar napříč pozorovanému předmětu. Díky tomuto můžeme lépe určit objekt: odhalení, orientace, rozpoznání a identifikace. Dnes už se orientace nepoužívá a kritérium vypadá takto: odhalení:
1 pár čar na výšku (šířku) cíle
rozpoznání:
3 páry čar na výšku (šířku) cíle
identifikace
6 párů čar na výšku (šířku) cíle
19
Dosah přístroje je možno spočítat pomocí vzorce (5)
Ro,r,i=
kde: Din=průměr vstupní pupily (m)
f´ob =ohnisková vzdálenost objektivu (mm) τa,τ0=propustnosti atmosféry a objektivu S =citlivost fotokatody (A/lm) δ =rozlišení fotokatody (č/mm) E =osvětlení (lx) K =kontrast M =poměr signál šum fotokatody Φ=minimální rozlišitelný světelný tok fotokatody (lm) Ao,r,i=redukovaná plocha cíle (m2) –tj. skutečná plocha vydělená Johnsonovým kritériem[20] Každý noktovizor je tvořen z několika samostatných prvků. Nejdůležitější je zesilovač jasu obrazu (ZJO), což jsou většinou elektronky, které využívají fotoelektrickou emisi, sekundární emisi a luminiscenci (fotokatody, sekundární emitery a luminiscenční stínítka).
Obr.č. 11 - Základní princip funkce zesilovače jaku obrazu (e - elektrony) [9]
Obraz se přes objektiv promítá na průhledné vstupní okno elektronky. Uvnitř elektronky je nanesena tenká poloprůhledná fotoemisní vrstva (fotokatoda). Záření, jež se absorbuje ve fotokatodě má za následek emisi elektronů (fotoelektronů). Z opačného konce elektronky je umístěno proti fotokatodě luminiscenční stínítko,
20
mezi stínítkem a fotokatodou je elektrické pole, které je vyvoláno přiloženým napětím. Díky tomuto poli se zrychlí emitované fotoelektrony a zvýší se jejich energie natolik, že po dopadu na stínítko vybudí fotoluminiscenci. Jas z tohoto luminiscenčního záření je ne výstupu elektronky rozložen na plochu, stejně jako obraz na přední straně elektronky, ale je podstatně větší. Zesilovače jasu obrazu se rozdělují do několika skupin, jež nazýváme generace I až IV. I. Generace ZJO V této generaci jsou elektronky vyjímečné svou vysokou rozlišovací schopností, malým šumem a velkým dynamickým rozsahem (tím rozumíme schopnost zpracovat rozsah jasu mezi tmavými a světlými místy obrazu). Tato první generace využívá jen jedno elektrické pole ke zrychlení fotoelektronů. Zesílení je dáno poměrem dopadajícího světla a vystupujícího světelného toku.
Obr.č. 12 - Fokusace elektronů e do roviny stínítka [9]
Obr.č. 13 -Fokusace elektronů do stínítka elektronovou optikou [9]
II. Generace ZJO Tato generace oproti I. využívá násobič elektronů založený na využití jevu sekundární elektronové emise, tudíž se zvýší energie původních elektronů ale i se 21
zvětší počet elektronů vystupujících z násobiče. Elektrony se násobí v kanálkové destičce (MCP – microchannel plate), kterou tvoří tenká destička z polovodivého skla. Je v ní obsaženo velké množství miniaturních děr (asi 6-10µm průměr, 0,5mm délka), jež tvoří soustavu kanálků. Vnitřní strana kanálků je pokryta vrstvou CsI nebo CuI, nebo i jiného materiálu, jehož koeficient sekundární emise je dostačující. U II. generace je menší celková rozlišovací schopnost a dynamický rozsah oproti I. generaci, což je vyváženo ziskem (vyjádřený poměrem světelných toků) který je podstatně vyšší.
Obr.č. 14 -Kanálková destička [9]
Obr.č. 15 -Zesilovač jasu obrazu II. generace s proximitní fokusací a s jednou kanálkovou destičkou(vlevo) nebo 2 kanálkovými destičkami(vpravo) [9]
Obr.č. 16 -Zesilovač jasu obrazu II.generace s diodovým uspořádáním [9]
III. Generace ZJO V této generaci je využita kanálková destička, proximitní fokusace a galiumarsenidová fotokatoda (má negativní elektronovou afinitu – fotokatody NEA). 22
Povrch těchto fotokatod je upraven tak, aby se zmenšila velikost výstupní práce (práce, kterou emitující elektron potřebuje, aby mohl vystoupit z fotokatody do vakua). Integrální citlivost fotokatod NEA je asi 4krát vyšší než u fotokatod využívaných u I. a II. generace. Jejich výhoda spočívá v citlivosti v blízkém infračerveném spektru, ale jsou náchylné k tepelnému šumu. Důležité je však vědět, že s použitím NEA přichází velký problém. Zpracování emitujícího povrchu způsobuje, že když je vrstva v termodynamické rovnováze je náchylná na fyzické a chemické poškození (změny). Ionty zbytkových plynů jež vznikají v elektronce ničí emisní vrstvu, proto klesá citlivost galium – arsenikové diody už po několika hodinách používání. Jako obrana proti tomuto procesu se na povrch kanálkové destičky nanáší vrstva oxidu hliníku nebo hořčíku a ten blokuje ionty. Důležitá je tloušťka ochranné vrstvy, musí být stále schopna propustit fotoelektrony do kanálkové destičky. Ochranná vrstva ale snižuje počet fotoelektronů jež směřují ke kanálkové destičce a omezuje průnik nízkoenergetických sekundárních elektronů z čelních stěn kanálků do jejich dutiny. Proto III. Generace ve srovnání s I. generací potřebuje dvojnásobnou citlivost fotokatody pro dosažení stejně kvalitního obrazu.
IV. Generace ZJO Jedná se o stejné ZJO jako u III. generace ale bez ochranné vrstvy blokující ionty. Kvůli absenci odstraněné ochranné vrstvy je potřeba zmenšit počet zbytkových plynů v elektronce. Dosáhneme toho dlouhým odplyňováním elektronek ve vysokém vakuu a při vysokých teplotách za stálého čerpání moderními vývěvami, zatímco povrch součástek uvnitř elektronky je zatěžován elektronovým svazkem. Odstranění plynů zvýší životnost elektronek a také citlivost fotokatody, což zajišťuje skvělé vlastnosti i při extrémně nízkých úrovních osvětlení (lepší odstup signálu od šumu a také nejméně trojnásobně zvětšená rozlišovací schopnost oproti klasické III. generaci).[7,9]
23
Obr.č. 17 -Spektrální charakteristika fotodiod [9]
Obr.č. 18 -Ukázka pozorování noktovizním přístrojem
4.
Akvizice cíle
4.1. Laser Lasery vyzařují v různých vlnových délkách, od RTG části spektra přes viditelnou část spektra až po infračervenou oblast spektra. Laser je nejčastěji složen z aktivního prostředí, rezonátoru a zdroje energie. Rezonátor v laseru tvoří optickou dutinu jež je vymezena zrcadly a zesiluje záření které jí opakovaně prochází. Jedno zrcadlo je nepropustné s reflexí asi 99%
24
(používá se zde dielektrické zrcadlo, nebo třeba leštěný kov), druhé je polopropustné s reflexí pohybující se v rozmezí 93 – 97%. Zdroj energie může být výbojka, která do aktivního prostředí vyšle proud fotonů, elektrony přechází do excitovaného stavu (na vyšší energetickou hladinu). Aktivní prostředí v laseru je látka, která obsahuje oddělená kvantové energetické hladiny. Podle materiálu ze kterého je vyrobeno, dělíme lasery na pevnolátkové, plynové a polovodičové s P-N přechodem, ale můžeme se setkat i s laserem jehož aktivní prostředí je organické barvivo nebo funguje na bázi volných elektronů. V aktivním prostředí dochází k jevům podmiňujícím vyzařování laser:stimulovaná nebo spontánní emise, absorpce a inverzní populace. Nejčastěji jsou používané lasery se čtyřhladinovým systémem (inverzní populace lze dosáhnout už u trojhladinového systému).
Obr.č. 19 -Energetické schéma čtyřhladinového laseru [10]
Při přechodu ze stavu 0 na 2 probíhá jev zvaný absorpce, tj. zářivý kvantový přechod z nižší energetické hladiny na vyšší. Takto vybuzený atom zde chvíli setrvá a poté přejde na hladinu č. 1 (relaxační stav). Odsud atom přechází pomocí jevu zvaného stimulovaná emise na hladinu č. 3 a zpět do původního stavu (opět pomocí relaxace).
25
Stimulovaná emise je zářivý kvantový přechod z vyšší energetické hladiny na nižší. Foton vyzářený pomocí stimulované emise má stejnou energii, fázi i polarizaci jako stimulující foton. Foton lze vyzářit i pomocí spontánní emise, což je taky přechod atomu z vyšší energetické hladiny na nižší, ale foton jež je vyzářen má jiné vlastnosti než foton stimulující. Inverzní populace je nutná pro dosažení stimulované emise, obsazení horní energetické hladiny musí být vyšší než obsazení spodní hladiny. Vztah mezi absorpcí a stimulovanou emisí dostaneme pomocí Einsteinových koeficientů, (6)
B10=B01=B
vztah mezi koeficientem spontánní a stimulované emise potom vypadá (7)
A10=
kde B10 je označení stimulované emise, B01 je označení absorpce, A10 je označení spontánní emise, c je rychlost světla, h Planckova konstanta (6,626*10 -34 m*s-1) a v frekvence.[10]
4.2. Laserový dálkoměr Ideální je zde použití polovodičových diodových laserů (pracují s vlnovou délkou 1550nm) díky jejich nízké spotřebě energie a dostatečně malým rozměrům. Mohou plnit nejen funkci měřící (od pozorovatele k cíli, vzdálenost 2 cílů od sebe, popř. dokáží určit výšku objektu) ale zároveň se také dají využít jako přisvětlovače pro noční vidění, nebo značkovače. Měření pomocí dálkoměru musí být bezpečné pro zrak (vlnové délky použitého laseru se musí pohybovat za hranicí propustnosti rohovky – 1400 nm) a laserový svazek musí být neviditelný. Vyslaný impuls se odrazí od pozorovaného objektu, je zachycen detektorem v přístroji a ten díky znalosti použité vlnové délky a rychlosti letu paprsku vyhodnotí vzdálenost. Pro dálkoměry se dají také použít lasery pevnolátkové, nejčastěji Nd:YAG (Neodym-Yttrium Aluminium Granát), který
26
vyzařuje na vlnové délce 1064,8 nm. Pro buzení se používá dioda nebo xenonová výbojka a v závislosti na době buzení je schopen pracovat v režimu pulsním i kontinuálním. Pro upravení vlnové délky na námi potřebné bezpečné hodnoty se využívá Ramanova rozptylu, s jehož pomocí dostaneme z Nd:YAG laseru vlnové délky kolem 1543 nm. Ramanův rozptyl je jev, který způsobí změnu vlnové délky světla při jeho průchodu systémem díky interakci s vibračními a rotačními stavy systému. Při použití laserový značkovačů je potřeba dbát na ochranu zraku, protože emitují záření v blízké infračervené oblasti (810 – 860 nm) i ve viditelné části spektra. Používá se k označení cíle na velkou vzdálenost za dne, k zaměření cíle v noci, nebo přisvětlení pro noční vidění. Jako ochrana před zářením se používá ochranná maska nebo ochranné brýle, při použití v noci stačí noktovizní brýle.[11,18] 4.3. Kompas V akvizičních jednotkách se používá digitální magnetický kompas, přesné nicméně velmi citlivé zařízení, se kterým je potřeba umět správně zacházet. Jeho dovednosti se odvíjí podle toho, čím jej výrobce vybaví, ale v základu by měl umět určit 3D magnetický vektor pole, azimut (azimut je úhel mezi horizontální projekcí okolního magnetického pole a linií zraku projekce), nadmořskou výšku a náklon vztahující se k horizontální rovině (v angličtině zvané pitch and roll – klonění, klopění). Stejně jako normální kompas je i tento ovlivňován kovovými a zmagnetizovanými předměty, jež se nachází v jeho blízkosti. Proto je dobré vědět následující 3 věci o magnetismu: 1)
Zmagnetizované objekty (šroubovák, ocelový nůž, střelná zbraň,..) nebo proudové smyčky vyzařují magnetické pole. Síla tohoto pole závisí na míře magnetizace (jež se zvyšuje třeba držením magnetu poblíž kompasu) nebo na síle proudu.
27
2)
Magnetické pole slábne s vyšší vzdáleností (dle vzorce 1/vzdálenost3), např. 2×větší vzdálenost znamená 1/23=1/8 (působení magnetizace se zmenší na 1/8 v dvojnásobné vzdálenosti). Pro dlouhé rovné objekty, nebo obecně vzato pokud je vzdálenost objektu srovnatelná s jeho velikostí, může být použit i vzorec 1/vzdálenost.
3)
Pokud je v dosahu kompasu přítomný magnetický objekt, jeho magnetické pole se sčítá s magnetickým polem Země. Jak se sečtou závisí na orientaci objektů a jejich magnetismu vztahujícímu se k poli Země; pokud je pole objektu přidáno směrem horizontálního zemského pole, nebo vertikálním směrem, žádný efekt na azimutu nenastává. Pouze část celého pole v horizontále může znamenat změnu azimutu. Tyto problémy závisí na velikosti horizontálního magnetického pole
používaného pro kompas. Dle pravidla palce, horizontální magnetické pole je dvakrát větší na rovníku než ve středních zeměpisných šířkách (Evropa) a dvakrát tak velké v severních zeměpisných šířkách (Kanada). Proto chyby získané ve středních zeměpisných šířkách jsou přibližně dvojnásobné, v severních zeměpisných šířkách poloviční oproti rovníku. Navíc musí být zohledněny následující vlivy: 1)Vysokofrekvenční elektromagnetické záření – umístění kompasu do hliníkového pouzdra zajišťuje vysoký stupeň ochrany před tímto zářením 2)Nízkofrekvenční magnetické pole – vliv tohoto pole může být zredukován na malou míru výběrem vhodných integračních časů (časy, po které kompas hromadí data pro měření) - frekvence 50,60 a 400Hz jsou potlačeny výběrem integračních časů - frekvence 33,33Hz je potlačena výběrem následujících integračních časů: 0,33s; 0,6s;0,9s;1,2s;… 3)Statické magnetické otřesy soustředěné ke kompasu – ve většině případů jsou tyto rušení eliminovány úplně prováděním vyrovnávacích procedur
28
Značný význam pro přesné určení polohy pomocí kompasu má zadání magnetické deklinace (úhlový rozdíl mezi magnetickým severem Země a pravým – zeměpisným severem Země) pro místo kde měříme. Magnetická deklinace se dá zjistit zadáním souřadnicové polohy místa na internetovou adresu www.ngdc.noaa.gov/geomagmodels/Declination.jsp Měření kompasem je vhodné provádět na otevřeném prostranství (poli) s dostatečnou vzdáleností od budov a jiných kovových předmětů (vlaková souprava). Dobré je taky ujistit se, že se v zemi nenachází žádné trubky nebo kabely. Důležité je znovunastavení (zresetování) kompasu, které se provádí pokud: -vyměníme baterie - je kompas vystaven silnému magnetickému poli - jsou připojeny jiné přístroje (např. noční vidění) - se posuneme o více než 20 km, nebo dojde ke změně terénu - dojde ke změně teploty o více než 20 ˚C [12,13]
4.4. GPS Systém GPS (v překladu Global Positioning Systém – vojenský globální družicový polohový systém) je provozován Ministerstvem obrany Spojených států amerických. Jedná se o systém, který je schopen s přesností do 10 metrů určit přesný čas, nadmořskou výšku a polohu kdekoliv na Zemi ( přesnost lze zvýšit až na jednotky centimetrů použitím dalších metod). Původně měl sloužit pouze k armádním účelům, ale z bezpečnostních důvodů byl do jisté míry zpřístupněn i civilním uživatelům. Bezpečnost civilních uživatelů je zajištěna tím, že GPS systémy, které jsou volně v prodeji (např. GPS navigace do auta), jsou pouze přijímače (díky tomu je tato služba bezplatná, jediné potřebné investice jsou pořízení přijímače a
29
aktualizování map). Díky tomu je nelze zpětně vystopovat a GPS systém je schopen využívat neomezené množství přijímačů. Jedná se o systém družicový, pro výpočet polohy je potřeba znát pozici družic obíhajících kolem Země, jejich časové značky i parametry dráhy družic. Družicové systémy se dělí na 3 části (kosmickou, řídící a uživatelskou). Kosmická část – je tvořena družicemi na oběžné dráze Země. Důležitý je jejich počet (původních 18 družic bylo nedostačujících, proto byly doplněny o další, v současné době je jich 24, z toho 21 pracovních a 3 záložní a je možnost využít až počet 32 družic) a rozmístění (pro určení polohy a času jsou potřeba minimálně 3 družice, pokud chceme znát i nadmořskou výšku, jsou už potřeba družice 4). Družice obíhají ve výšce cca 20 200 km nad povrchem Země po 6 oběžných drahách. Váží asi 1,8 tuny, na oběžné dráze se pohybují rychlostí 3,8 km/s a jejich doba oběhu kolem země je 11h 58 m. Důležitými části družic jsou atomové hodiny (v počtu 3-4 kusy na družici s přesností 10-13s), 12 antén RHCP pro vysílání rádiových kódů, antény pro vzájemnou komunikaci družic mezi sebou, antény pro komunikaci s pozemními základnami, optické, rentgenové a pulzní-elektromagnetické senzory pro detekci jaderných výbuchů a startu balistických raket a v neposlední řadě solární články a baterie jako zdroj napájení.
Řídící část – je tvořena pozemními stanicemi. Hlavní kontrolní stanice je umístěna na letecké základně v Colorado Springs v USA, velitelství sídlí na letecké základně v Los Angeles v Californii v USA. Další monitorovací stanice jsou rozmístěny kolem rovníku po obvodu Země. Úkolem těchto monitorovacích stanic je, že při přeletu družice nad nimi provádí její kontrolu (seřizují atomové hodiny, korigují dráhu letu, vysílaný signál, také poskytují informace o dalších družicích a provádí jejich údržbu). Uživatelská část – je zastoupena GPS přijímači. Základní části takovéhoto jednoduchého přijímače jsou antény, procesor, časová základna, předzesilovač a dané komunikační rozhraní. Pro vojenské účely se využívá přijímač dvou a více frekvenční, vícekanálový a princip výpočtů je fázový a kódový.
30
GPS přijímač určuje svoji polohu díky několika družicím a stanoví ji pomocí protínání drah těchto družic. Měření vzdálenosti družice a přijímače se provádí kódovým měřením.
Obr.č. 20 -Určení polohy přijímače [14]
Kódová měření jsou nejčastěji používána pro svoji spolehlivost a jednoduchost. S využitím časových značek a známé pozice družic vysílajících signál se dá jednoduše spočítat poloha a čas přijímače. Jakmile je signál přijat, dekódují se v přijímači časové značky při odesílání signálu každé družice (t) a poloha jednotlivých družic v prostoru (tzv. efemeridy – x, y, z). Pozice uživatele v prostoru se dá popsat pomocí kartézského souřadnicového systému (X, Y ,Z). Čas v přijímači není vhodný pro výpočty, proto je čas také uveden jako proměnná (T). Z neznámých X, Y, Z, T se dají sestavit 4 rovnice koule (X – xn)2 + (Y – yn)2 + (Z – zn)2 = [(T – tn)2c]2, kde c je rychlost světla a pokud známe (x, y, z, t) pro 4 družice (n = 1,2,3,4) tak řešením rovnice bude poloha a čas přijímače. K získání nadmořské výšky je potřeba upravit výšku nad elipsoidem o převýšení geoidu. V případě České republiky se u WGS 84 (World Geodetic System 1984 – Světový geodetický systém 1984) jedná o hodnoty 40 až -50 m. Ve výpočetní části přijímače bývá zabudován přibližný model, který opravu provádí automaticky.[14,15] Při sledování družic je potřeba mít na paměti Sagnacův efekt, který se musí kompenzovat. Jedná se o důsledek speciální teorie relativity, který způsobuje 31
v neinerciálních rotujících soustavách obíhajících na uzavřené dráze v protisměru rozdíl v rychlosti při šíření signálu.[21] 5.
Řízení jednotky
5.1. Procesor Pojmem procesor (anglická zkratka CPU – „Central Processing Unit“ ) rozumíme složitý elektronický integrovaný obvod který je „mozkem“ akviziční jednotky. Převádí informace ze čtecí elektroniky do obrazové informace a to buď ve falešných barvách (šedá škála – pozorovací účely) nebo v RGB (red,green,blue) pro metrologické účely. Procesor je složen z několika desítek až stovek integrovaných obvodů. Když se umístí základní obvody procesoru do jednoho integrovaného obvodu hovoříme o mikroprocesoru. Procesor se skládá z několika částí: Řadič (nebo řídící jednotka) – zajišťuje, aby jednotlivé části procesoru mohly pracovat zároveň dle prováděných strojových instrukcí (ukládání výsledků zpracování,dekódování,…) Aritmeticko-logická jednotka ALU („Arithmetic-Logic Unit“, jedna nebo i více) – provádí nad daty aritmetické a logické operace Sada registrů – slouží k uchování operandů a mezivýsledků, dělíme na obecné a řídící, bitová šířka pracovních registrů je jedna ze základních charakteristik procesoru[8,16] 5.2. LCD displej LCD displeje jsou v současnosti nejznámější a nejpoužívanější druh displejů. Oblíbené jsou pro svoji plochost a malou spotřebu elektrické energie. Zkratka LCD v angličtině znamená: L-liquid, C-crystal, D-display, přeloženo do češtiny: displej z tekutých krystalů. Jedná se o zařízení, které obsahuje určité množství jednobarevných, nebo vícebarevných pixelů, které jsou seřazeny před zdrojem světla. Počet pixelů je omezen velikostí monitoru.
32
Každý obrazový bod (pixel) je aktivně ovládán 3 tranzistory (TFT-thin film tranzistor). Pro vznik obrazu jsou důležité dvě veličiny – barva a světlo. Jakoukoliv barvu můžeme získat složením tří základních barev, takzvaných RGB, kde R-red (červená), G-green (zelená),B-blue (modrá). Pro každou barevnou složku každého obrazového bodu existuje jeden tranzistor ovládající tekutý krystal. Světlo zajišťují poosvětlující lampy CCFL – Cold Cathod Fluorescent Lamp, které jsou intenzivním zdrojem primárního bílého světla.
Obr.č. 21 -Princip funkce LCD displeje [17]
Každý pixel LCD se skládá z molekul tekutých krystalů, které vlivem elektrického napětí mění svoji molekulární strukturu. Jsou uloženy mezi dvěma průhlednými elektrodami, mezi dvěma polarizačními filtry (osy filtrů jsou na sebe kolmé), barevným filtrem (pro červenou, zelenou a modrou) a dvěma vyrovnávacími vrstvami. Celá sestava je rovněž ohraničena dvěma skleněnými deskami. Tranzistor jež náleží k obrazovému bodu kontroluje napětí, které prochází vyrovnávacími vrstvami a elektrické pole poté působí změny struktury tekutého krystalu a ovlivňuje natočení jeho částic (molekuly se srovnají s mikroskopickými drážkami na elektrodách). Drážky jsou na sebe kolmé, tudíž jsou molekuly srovnány do spirálovité struktury a otáčí polarizaci procházejícího světla o 90˚ což umožňuje světlu projít i druhým polarizačním filtrem. Polovina světla je absorbována prvním polarizačním filtrem a celá soustava je průhledná. Mezi polarizační filtry se ještě vkládá matice, podle které rozlišujeme displeje na pasivní a aktivní.
33
Aktivní displej - matice je těžší, tvořena tenkovrstvými tranzistory (TFT metoda) - lze přesně ovládat velikost napětí na krystalech a tím i jas displeje Pasivní displej - matici tvoří dva substráty skla – jeden tvoří sloupce a druhý řady - substráty jsou napojeny integrované obvody, které přivádí elektrický náboj k určitému bodu v určité řadě a sloupci Tímto způsobem je možné krystal regulovat v několika stovkách různých stavů a tak vzniká výsledný jas barevných odstínů. Protože se obrazový bod skládá ze tří barevných sub-pixelů, můžeme dostat až miliony různých barev.
Funkce aktivního TFT displeje (Twisted Newmatic)
Obr.č. 22 -Základní stav krystalů *17+
Na obrázku č. 22 je znázorněna situace, kdy jsou tekuté krystaly v základním směru (není zde elektrické napětí). Světlo je v tomto případě natáčeno takovým způsobem, že může projít i druhým polarizačním filtrem, tudíž prochází plný jas poosvětlujících lamp – vzniká bílá barva.
Obr.č. 23 -Změna stavu tekutého krystalu *17+
34
Na obrázku č.23 je znázorněna situace, kde jsou krystaly pod plným elektrickým napětím, světlo neprochází druhým polarizačním filtrem a vzniká černá barva.
Jak již bylo řečeno, každý pixel se skládá ze 3 sub-pixelů. Tyto pixely jsou uspořádány horizontálně vedle sebe a tak v případě rozlišení 1600×1200 je vedle sebe ve skutečnosti 4800 sub-pixelů. Šířka těchto bodů musí být samozřejmě co nejmenší, obvykle se pohybuje v rozmezí asi 0,24 – 0,29 mm, u nejlepších panelů můžeme dosáhnout šířky kolem 0,12 mm. Rozteč bodů také ovlivňuje maximální rozlišení při dané úhlopříčce. [17]
5.3. LED displej LED technologie (Light Emitting Diode) funguje na principu LED diod, které jsou poskládány do potřebných segmentů (využití je třeba u budíků) a při svitu poskytují výsledný obraz. LED dioda je polovodičová elektronická součástka s P-N přechodem, která emituje (vyzařuje) nekoherentní světlo ve viditelné části spektra, pokud jí protéká elektrický proud při zapojení přechodu v propustném směru. Jsou také schopny vyzařovat v IČ nebo UV oblasti spektra, záleží na jejich konstrukci. Nelze jimi přímo emitovat bílé světlo, k tomu se využívá luminoforu (např. dioda emituje modré světlo, které se na čipu zčásti transformuje na žluté a směsí těchto barev vznikne bílá, přičemž luminofor je látka schopná uchovat dodanou energii a přeměnit ji na energii světelnou).
35
Obr.č. 24 -Schématická značka LED diody
Výhodou LED diod je bezpochyby schopnost vyprodukovat více energie než dokážou třeba žárovky (mají větší účinnost), umí vyzařovat různé barvy bez nutnosti použití filtrů, jsou velmi odolné (nejen proti nárazům ale také vydrží časté zapínání a vypínání), mají vysokou životnost a jsou velmi malé). Oproti tomu musíme počítat s vyšší pořizovací cenou, potřebou napájet je správným proudem a jejich závislostí na teplotě okolního prostředí.[22,23] 6.
Ergonomie
6.1. Sesedlové aplikace Limitujícím faktorem sesedlových (ručních) jednotek je jejich velikost, váha a energetická náročnost. Využít se ovšem dají v jakémkoliv terénu, protože jsou vysoce mobilní.
36
Obr.č. 25 -Příklad sesedlové aplikace PLRF15C
6.2. Vozidlové aplikace Jedná se o přístroje umístěné na vozidlech. Výhodou tohoto umístění je pohyblivost jednotky, dostupnost napájení ze zapalovače auta (v autě je také možnost mít více baterií než u sebe má voják) a není zde tak velký limit pro velikost a váhu jednotky. Je možnost mít přístroj upevněný natrvalo, což omezí operační rádius, protože auta jsou lehce zpozorovatelná, hlučná a nemají 100% dostupnost do všech terénů. Pokud je jednotka upevněna na držáku a je možno ji oddělat, může se přenést na stativ mimo vozidlo, kde zachováme její funkce, ovšem jsme omezeni počtem baterií.
37
Obr.č. 26 -Příklad vozidlové aplikace [24]
6.3. Stacionární aplikace Přístroje umístěné na budovách, jediný limitující faktor je jejich imobilita (přístroj se například nedá zachránit před útokem na budovu). Poskytují veškeré pohodlí a mohou disponovat všemi přístroji potřebnými pro akvizici cíle. 7.
Napájení Způsob dodání energie do akviziční jednotky se určuje podle umístění přístroje
a je důležité vědět, jaké systémy napájíme. Stacionární přístroje se jednoduše připojí do elektrické sítě, v případě výpadku energie mají záložní baterii, která je schopná udržet přístroj v chodu v případě výpadku dodávky energie do sítě. Jednotky pro vozidlové aplikace mají možnost napájení ze zapalovače automobilu na kterém jsou připevněny. Rovněž jsou vybaveny záložní baterií. Akviziční systémy které jsou určeny přímo do rukou vojáku pro každodenní nošení jsou napájeny výhradně bateriemi. Je zde možnost externího napájení, ale na bojišti je to možnost zcela nepodstatná.
38
7.1. Galvanický článek Elektromotorické napětí jež vzniká na galvanickém článku je rozdíl potenciálů na elektrodách. Tyto potenciály jsou výsledkem chemických reakcí, které probíhají mezi elektrodami a elektrolytem. Při zapojení článku do obvodu probíhají reakce při nichž dochází k postupnému vybíjení – snižuje se elektrická energie uložená v článku. Kombinace materiálů pro elektrody a elektrolyt se využívá taková, aby potenciál který vznikne na elektrodě byl co největší a také aby článek vydržel co nejdéle. Tento jev je buď nevratný – primární články, nebo vratný – sekundární články – akumulátory. Vnitřní odpor projevující se po zapojení článku do elektrického obvodu má za následek snížení napětí článku na svorkové napětí U a platí: U = Ue - RiI, kde I je elektrický proud (čím vyšší proud tím menší napětí článku), Ue je elektromotorické napětí a Ri vnitřní odpor. Galvanický článek je zdroj stejnosměrného proudu a před jeho zapojením do elektrického obvodu je potřeba zkontrolovat správnou polaritu elektrod. Látky používané pro elektrody - záporná: lithium, zinek, kadmium, hybridy kovů - kladná: nikl, stříbro, grafit obklopený burelem Látky používané pro elektrolyt - suchý článek: roztok kyselin nebo jejich solí Příkladem galvanického článku je tzv. suchý článek – zinkochloridová baterie, kladná elektroda je tvořena uhlíkem (vysoká vlhkost), záporná elektroda je ze zinku, elektrolyt – roztok chloridu zinečnatého. Je dobré vědět že: - v průběhu vybíjení se spotřebovává vlhkost obsažená v článku, na konci vybíjení je článek suchý - dříve se používal jako elektrolyt roztok salmiaku – při vybíjení docházelo ke vzniku vody a tím bylo zapříčiněno vytékání elektrolytu[25]
39
7.2. Akumulátor Akumulátory slouží k uchování elektrické energie. Protože se jedná o sekundární zdroj energie, je třeba ho před použitím nabít (na rozdíl od primárních článků které jsou samy zdrojem energie). Proud procházející akumulátorem vyvolává vratné chemické změny, které se projeví rozdílným elektrochemickým potenciálem na elektrodách. Na základě těchto změn se dá elektrická energie z elektrod čerpat zpět.
Látky používané pro elektrody: - záporná: lithium, zinek, kadmium, hybridy kovů - kladná: nikl, stříbro, grafit obklopený burelem Látky používané pro elektrolyt - akumulátor: roztok zásaditých sloučenin alkalických kovů.[26] Výrobci akvizičních jednotek si oblíbili především následující dva typy baterií:
7.3. Lithiové baterie CR123 Tyto baterie jsou oproti alkalickým výhodnější v mnoha směrech: -fungují dobře i za velmi nízkých teplot ( až do -40˚C) -vzhledem ke svým rozměrům mají výbornou kapacitu -jsou schopné dodávat i vysoké proudy -mají malé rozměry a nízkou váhu -dlouhá životnost – udává se až 10 let -minimální samovybíjení (0,5 – 1% za rok) -nemají paměťový efekt
40
Pro použití v přenosných systémech jako jsou akviziční jednotky je tento typ baterií vhodný,proto je také častěji používán výrobci.[27] 7.4. LI-ION baterie Druhý nejčastěji používaný typ baterií pro napájení akviziční jednotky. Jedná se o Lithium – Iontovou baterií, která pracuje na podobném chemickém principu jako Lithium – Polymerové baterie. Anoda tohoto článku je vyrobena z uhlíku, katodu tvoří oxid kovu s elektrolytem (lithiová sůl v organickém rozpouštědle). Tato baterie při srovnání svých kladů a záporů není tak vhodná pro využití jako předchozí typ.[25]
8.
Vlastní měření
Měření praktické části probíhalo v areálu hvězdárny na Lošově. Úkolem je zjistit chybu jednotlivých přístrojů obsažených v akviziční jednotce a také celkovou (technologickou) chybu způsobenou omezenou přesností použitých přístrojů.
8.1. Magnetický kompas Nejprve je potřeba ověřit, že se v blízkosti přístroje nenachází žádné rušivé vlivy, jež by mohly ovlivnit výsledky. K tomu slouží jednoduchý postup:
41
a)
Změření azimutu z výchozí pozice – zaznamenání hodnoty
Obr.č. 27 -1. část měření magnetismu v okolí
b)
Ve stejné poloze dřepnout a opět změřit hodnotu azimutu – zaznamenat
Obr.č. 28 -2.část měření magnetismu v okolí
42
c)
Postoupit o 1 – 2 metry dopředu a opět změřit hodnotu azimutu – zaznamenat
Obr.č. 29 -3.část měření magnetismu v okolí
Pokud se naměřené hodnoty neliší, na přístroj nepůsobí žádné rušivé vlivy. Pokud ano je nutná změna pozice a opětovné zkontrolování.
1.
Měření Pomocí dvou různých akvizičních jednotek se z místa kousek vzdáleného od
hvězdárny určí poloha měřených objektů, Radíkovské věže a rodinného domu, jež spolu svírají úhel asi 150˚. Před započetím každého měření je potřeba přístroje zkalibrovat a zjistit přesnost změřenou touto kalibrací.
43
Obr.č. 10 -1.měřený objekt-věž vysílače v Radíkově
Obr.č. 11 -2.měřený objekt-rodinný dům
44
PLRF15C
VEKTOR 21
0,3˚
0,4˚
PLRF15C
VEKTOR 21
vzdálenost
2208m
2208m
azimut
354˚
354˚
elevace (inklinace)
2˚
2˚
PLRF15C
VEKTOR 21
vzdálenost
280m
281m
azimut
263˚
264˚
elevace
4˚
3˚
přesnost změřená kalibrací
Měření Lošov -> Radíkovská věž
Měření Lošov -> rodinný dům
2.
Měření V tomto a následujících měřeních se budou zkoumat vlivy působícími na
magnetický kompas, proto se již nebude měřit vzdálenost objektů. Obě akviziční jednotky se připevní na nemagnetické trojnožky a pozoruje se, zdali je opravdu nemagnetická a neovlivňuje měření.
45
Lošov -> Radíkov PLRF15C
VEKOR 21
azimut
354˚
354˚
elevace
2˚
2˚
PLRF15C
VEKTOR 21
azimut
264˚
263˚
elevace
4˚
3˚
Lošov -> rodinný dům
Závěr: Naměřené výsledky se liší minimálně nebo vůbec (drobná odchylka se dá svést na lidský faktor) a tím je potvrzeno, že trojnožka je skutečně nemagnetická. 3.
Měření Ke kompasu se na vzdálenost 20 cm přiblíží kovový váleček. Pro měření se
bude nadále používat pouze přístroj PLRF15C pokud nebude řečeno jinak (z toho důvodu, že hodnoty z obou přístrojů jsou téměř totožné, tudíž je již zbytečné užívat obou). Lošov -> Radíkov (20cm od válečku) PLRF15C azimut
354˚
elevace
2˚
Lošov -> rodinný dům (20 cm od válečku) PLRF15C azimut
264˚
elevace
4˚ 46
Je vidět, že na tuto vzdálenost váleček nijak neovlivňuje měření, proto se přiblíží na vzdálenost 13 cm. Lošov -> Radíkov (13 cm od válečku) PLRF15C azimut
357˚
elevace
2˚
Lošov -> rodinný dům (13 cm od válečku) PLRF15C azimut
264˚
elevace
4˚
Obr.č. 12 -Měření s kovovým válečkem
47
Závěr:Je zde potvrzeno, že se vzdáleností se mění síla magnetického pole a také to, že čidla umístěná v kompasu vnímají jinak magnetické vlivy přicházející z různých stran. Hodnota elevace zůstává neměnná, protože měření elevace pracuje na jiném principu a proto není ovlivněno magnetickými předměty. 4.
Měření Kovový váleček se vymění za sérii tabulových magnetů a měření proběhne
opět na vzdálenost 13 cm. Lošov -> Radíkov PLRF15C azimut
361˚
elevace
2˚
Lošov -> rodinný dům PLRF15C azimut
263˚
elevace
4˚
48
Obr.č. 13 -Měření s tabulovými magnety
Závěr: Stejný jako v měření číslo 3. 5.
Měření
Měření bude probíhat na přístroji VEKTOR 21, který bude umístěn na klasické magnetické trojnožce. Lošov -> Radíkov VEKTOR 21 azimut
353˚
elevace
2˚
Lošov -> rodinný dům VEKTOR 21 azimut
264˚
elevace
3˚
49
Závěr: Komerčně prodávaná trojnožka, určená například pro fotoaparáty, měření nijak zásadně neovlivnila, z velké části je tvořena plastem a použité kovové části obsahují méně feromagnetického materiálu. 6.
Měření V tomto měření se zkoumá vliv elektromagnetického pole zapnuté vysílačky
na přístroji PLRF15C. Jedná se o vysílačku o výkonu 0,5 W běžně dostupnou v obchodech a vysílačku o výkonu 5 W s využitím v armádě. Měření probíhá na vzdálenost 13 cm (anténa – kompas). Lošov -> Radíkov – vysílačka o výkonu 0,5W PLRF15C azimut
366˚
elevace
2˚
Lošov -> rodinný dům – vysílačka o výkonu 0,5W PLRF15C azimut
270˚
elevace
3˚
Lošov -> Radíkov – vysílačka o výkonu 5W PLRF15C azimut elevace
359˚ 2˚
50
Lošov -> Radíkov – vysílačka o výkonu 5W PLRF15C azimut
271˚
elevace
3˚
Závěr: Jak je vidět zapnutá vysílačka (nezáleží na výkonu) silně ovlivňuje výsledky měření. Je potřeba toto vzít na vědomí při použití přístrojů v armádě.
7.
Měření Zde je v praxi ověřeno pravidlo, že síla magnetického pole klesá se vzdálenosti
od předmětu - r3. Využita je k tomu anténa zapnuté vysílačky o výkonu 5W. Lošov -> Radíkov (elevace 2˚) vzdálenost
azimut
5cm
268˚
7,5cm
302˚
10cm
346˚
12,5cm
354˚
15cm
354˚
Závěr: Výše uvedené pravidlo se podařilo úspěšně ověřit. 8.
Měření V praxi se často s akvizičními jednotkami měří z auta. Z následující tabulky je
vidět, že takto naměřené hodnoty jsou velmi nepřesné, proto tento způsob měření není vhodný za žádných okolností.
51
Lošov -> Radíkov (měřeno ze sedadla spolujezdce, stejná pozice jako u předchozích měření) PLRF15C azimut
313˚
elevace
2˚
Závěr: Tímto měřením je ukončena praktická část měření vlivů působících na magnetický kompas. 8.1.1. Systematická chyba Výpočet celkové chyby přístroje (PLRF15C) z dat uvedených v manuálu na vzdálenost 2208 m (Lošov -> Radíkovský vysílač). Chyba je dána nepřesností GPS (ΔGPS), nepřesností laserového dálkoměru (ΔLRF), jeho azimutální a elevační divergencí (ΔLRFdiv.az., ΔLRFdiv.el.) a nepřesností azimutální a elevační složky kompasu (ΔDMCaz., ΔDMCel.). Počítá se chyba pro tři směry podle osy x, y a z, a poté chyba celková. Nejprve je potřeba uvedené stupňové tolerance převést na metry. ΔDMCaz. ( 0,6)˚ = tg 0,6˚ * 2208 = 23 m ΔDMCel. ( 0,2˚) = tg 0,2˚ * 2208 = 7,7 m 6400 mil = 360˚ ΔLRFdiv.az. (2 míle) = 360/6400 *2 = 0,1125˚ =>tg 0,1125˚ * 2208 = 4,34 m ΔLRFdiv.el. (0,5 míle) = 360/6400*0,5= 0,028125˚ =>tg 0,028125 * 2208 = 1,8m
(8)
ΔAKx=ΔGPS+ΔLRF=5+5=10 m
(9)
ΔAKy=ΔDMCaz.+ΔGPS+LFRdiv.az.=23+5+4,34=32,34 m
(10)
ΔAKz=ΔDMCel.+ΔGPS+LRFdiv.el. =7,7+5+1,8=14,5 m
(11)
ΔAK=
=36,8 m 52
Takto je výrobcem udána chyba samotného přístroje (v tomto případě na námi danou vzdálenost). V tabulce jsou zaznamenané chyby vzniklé předchozím měřením kompasu při jeho ovlivňování magnetickými předměty: Radíkov (2208 m)
Rodinný dům (280 m)
Kov. váleček (13 cm)
115,7 m
Nezměněno
Magnety (13 cm )
271,1 m
4,9 m
Vysílačka 0,5W (13cm )
469,3 m
29,5 m
Vysílačka 5W (13cm)
193,2 m
34,5 m
Měření z auta
1919,4 m
Neměřeno
Z tabulky je vidět, že v silně zmagnetizovaném poli, hlavně na dlouhé vzdálenosti, kompas měří s fatální nepřesností. Proto je nutné udržovat jej mimo dosah zmagnetizovaných předmětů a provádět pravidelnou kalibraci (v blízkosti auta kompas po 3 – 4 měřeních Radíkova začal ukazovat hodnoty azimutu mezi 1˚ 90˚). Další část praktického měření je věnována přesnosti měření GPS systému s přístrojem VEKTOR 21. 8.2. GPS Nejprve byla změřena pozice měřitele: UTM(hodnoty z přístroje)
Přepočtené na stupně
33U0671248
49˚37´20,388´´N
UTM5499344
17˚22´15,893´´E
Poté hodnoty pozorovaných objektů:
53
Radíkovský vysílač (nadmořská výška – 457m, azimut - 352˚, vzdálenost 2130m) UTM(hodnoty z přístroje)
Přepočtené na stupně
33U0670936
49˚38´28,745´´N
UTM5501447
17˚22´3,654´´E
Bazilika Svatý Kopeček (nadmořská výška – 414m, azimut - 286˚, vzdálenost – 2500m) UTM(hodnoty z přístroje)
Přepočtené na stupně
33U0668842
49˚37´45,641´´N
UTM5500049
17˚20´17,163´´E
Regionální centrum (nadmořská výška – 275m, azimut - 242˚, vzdálenost 7590m) UTM(hodnoty z přístroje)
Přepočtené na stupně
33U0664549
49˚35´30,821´´N
UTM5495750
17˚16´36,843´´E
Vodojem Grundfos (nadmořská výška – 295m, azimut - 244˚, vzdálenost – 11260m) UTM(hodnoty z přístroje)
Přepočtené na stupně
33U0661128
49˚34´49,266´´N
UTM5494363
17˚13´44,521´´E
Uvedené hodnoty následně byly zadány na www.mapy.cz. Pozice měřitele byla na internetu stejná jako ve skutečnosti. Ostatní pozice byly posunuty o jednotky až desítky metrů.
54
Obr.č. 14 -Chyba při měření s GPS
Závěr: GPS je přístroj velice přesný při správném nastavení a použití. Chyba v tomto měření byla způsobena nepřesným zadáním hodnoty magnetické deklinace. V přístroji byla uvedena jako 3˚, zatímco její pravá hodnota pro polohu měřitele je 3˚44´. Protože na přístroji nelze zadávat desetinná místa byla zvolena hodnota 3˚ záměrně. Při nastavení správné magnetické deklinace (4˚) se nepřesnost GPS snižuje.
55
Obr.č.35 -Vektor 21 s GPS
9. Závěr V práci jsou popsány všechny přístroje jež se dají použít pro akviziční jednotky a to nejen pro denní a noční pozorování, ale jsou zde uvedeny i možnosti komunikace s jinými zařízeními. Práce je zaměřena na ruční akviziční jednotky, ale je zde popsána i možnost použití jiných typů aplikací. U všech dostupných přístrojů je uveden princip jejich činnosti, popř. podmínky pro správnou funkci zařízení. Z výsledků praktického měření je vidět, jak správnost měření jednotky ovlivňuje volba nevhodného prostředí, vybavení ale i samotné nastavení a použití přístroje (zpracováno v kapitole č. 8).
56
10.
Seznam použité literatury
*1+ časopis Jemná mechanika a optika 4/2005 [2] Fischer Jan, Optoelektronické senzory a videometrie, vydavatelství ČVUT Praha 2002 [3] http://digineff.cz/cojeto/cmos/cmos.html [4] http://www.physics.isu.edu/~hackmart/diffraction_engphys.pdf *5+Pluháček František, Normální binokulární vidění, Katedra optiky PřF v Olomouci [6] http://ccd.mii.cz/art?id=303&lang=405 [7] https://intra.optol.cz/Wiki/Vyuka/Akvizi%C4%8Dn%C3%ADSyst%C3%A9my/uploads/1.pdf [8] https://intra.optol.cz/Wiki/Vyuka/Akvizi%C4%8Dn%C3%ADSyst%C3%A9my/uploads/2.pdf [9] http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=35868 *10+Vítězslav Otruba, Lasery, učební material předmětu Lasery *11+časopis Jemná mechanika a optika 4/2011 [12]Operator manual DMC-SX Series,Digital Magnetic Compass and Inclination Senzor [13]User Manual PLRF15C, Pocket Laser Range Finder with Compass [14] http://hw.cz/Teorie-a-praxe/ART1634-Jak-funguje-GPS.html *15+Rapant Petr, Družicové polohové systémy, Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, 2002 [16] http://cs.wikipedia.org/wiki/Procesor [17] http://www.elsin.cz/cz/servis-lcd/princip-lcd [18] https://intra.optol.cz/Wiki/Vyuka/Akvizi%C4%8Dn%C3%ADSyst%C3%A9my/uploads/4.pdf [19] https://intra.optol.cz/Wiki/Vyuka/Akvizi%C4%8Dn%C3%ADSyst%C3%A9my/uploads/5.pdf [20] https://intra.optol.cz/Wiki/Vyuka/Akvizi%C4%8Dn%C3%ADSyst%C3%A9my/uploads/3.pdf [21] http://cs.wikipedia.org/wiki/Sagnac%C5%AFv_efekt *22+Malina Václav, Poznáváme elektroniku 1.díl, nakladatelství Kopp 4eské Budějovice 2003
57
*23+Doleček Jaroslav, Moderní učebnice elektroniky 3.díl- Optoelektronika, nakladatelství BEN-technická literature,2005 *24+časopis Jemná mechanika a optika 4/2009 [25] https://intra.optol.cz/Wiki/Vyuka/RSTAKomplety/uploads/KOMPLETY%20RSTA%202.pdf [26] http://www.mo-na-ko.net/ruzne_acupack.htm [27] http://www.ledmania.cz/recenze/test-cr123-baterii [28] http://www.moty.cz/abc-optiky/10 [29] http://www.infrared.cz/Technologie/Termovize/ [30] http://www.termovize.com/princip-termovize/
58
