ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАКЛОНЕНИЯ ВИДИМОГО МОРСКОГО ГОРИЗОНТА Советский патент 1945 года по МПК G01C1/10 

При астрономическом определении места корабля в море видимая высота светила над истинным горизонтом получается как разность его высоты над видимым морским горизонтом и наклонения горизонта.

Первая из этих величин непосредственно измеряется секстантом с точностью до немногих десятых долей минуты. Наклонение же обычно берется из таблицы, аргументом которой служит высота глаза наблюдателя над уровнем моря. Эта таблица составлена для некоторого среднего состояния атмосферы. В действительности же наклонение горизонта может отличаться от табличного на величину, нередко достигающую 1′-2′, а иногда и больше.

Таким образом точность определения места корабля в море из астрономических наблюдений ограничивается, главным образом, точностью применяемого при этом значении наклонения горизонта.

Наиболее действительное средство повысить эту точность и заключается в том, чтобы непосредственно измерять наклонение горизонта.

Предметом настоящего изобретения является прибор для измерения наклонения видимого морского горизонта, дающий в двух частях поля зрения посредством двух объективных систем и разделяющей инвертной системы призм раздельные - неперекрывающиеся изображения двух приблизительно диаметрально противоположных в натуре областей, причем направления вдоль горизонта (право-лево) на обоих изображениях согласны, а направления, перпендикулярные горизонту (верх-низ), - противоположны. При этом в некоторых из предложенных вариантов поля разделены, а изображение каждой видимой в поле зрения точки обусловлено пучком лучей, заполняющим всю площадь зрачка выхода прибора.

На фиг. 1 изображена схема прибора с разделением поля зрения и постоянной шкалою в нем. На фиг. 2 и 3 - вид поля зрения во время наблюдения.

На фиг. 4, 5, 6 и 7 - иные различные формы выполнения прибора.

Прибор для измерения наклонения видимого горизонта с разделением полей и с постоянной шкалой изображен схематически на фиг. 1. Здесь: 1 и 2 - объективы с неравными фокусными расстояниями f₁ и f₂ <f₁; 3 - простая прямоугольная равносторонняя призма с посеребреной до половины (толстая черта) гипотенузой; 4 - половина призмы крыши с шкалой из 30 делений вдоль границы посеребреной части призмы 3. Эта граница перпендикулярна к плоскости чертежа. Нульпунктом шкалы является ее средний, наиболее длинный штрих (фиг. 2 и 3).

Призмы 3 и 4 склеены и образуют разделяющую систему. Изображения далеких предметов, даваемые объективами 1 и 2 и призмами, получаются в плоскости АВ, проходящей через границу посеребрения, и рассматриваются через окуляр 5. Для уменьшения числа отражающих поверхностей, а следовательно, для увеличения светосилы можно переднюю плосковыпуклую линзу окуляра заменить сферической поверхностью на простой призме, т.е. применить в качестве призмы 3 призму-лупу, как показано пунктиром.

Для изменения фокусного расстояния одной из объективных систем (для подгонки цены деления шкалы точно к одной минуте) можно, но не желательно, ввести слабую линзу 6 в подвижном тубусе между одним из объективов и разделяющей системой.

Представим себе, что вся оптика прибора строго симметрична относительно плоскости фиг. 1, которая горизонтальна, и что визирные линии обеих трубок, определяемые нулем шкалы, отраженным в призмах, и оптическими центрами объективов, - строго параллельны между собою. Тогда, очевидно, левый и правый участки истинного горизонта представятся, соответственно, левым и правым полудиаметрами поля зрения, проходящими через нуль шкалы, перпендикулярными ей и, следовательно, составляющими продолжение один другого.

Право и лево в обеих половинах поля зрения и верх и низ в правой половине поля зрения будут соответствовать действительности, а в левой половине поля зрения верх и низ будут переменены.

Значит, изображение видимого горизонта, даваемое правым объективом, будет на f₂ arc n ниже нуля шкалы, а изображение левого видимого горизонта - на f₁ arc n выше нуля шкалы, и линейное расстояние между этими изображениями будет (f₁+f₂)arc n.

Повернем весь прибор вокруг ″продольной оси″, т.е. вокруг оси окуляра на угол ε против часовой стрелки. Вызванное этим поворотом изменение картины, видимой в поле зрения, очевидно, будет то же, как если бы прибор оставался неподвижен, но левый горизонт опустился бы на угловую величину ε, а правый поднялся на ту же величину. Этому будет соответствовать понижение изображения правого горизонта на линейную величину f₂ arc ε, а левого - на большее расстояние f₁ arc ε. При этом расстояние между изображениями уменьшается на (f₁-f₂)arc ε.

Будем поворачивать прибор до тех пор, пока изображения горизонтов не сомкнутся на шкале, как показано на фиг. 2. Тогда

(f₁-f₂)arc ε=(f₁-f₂)arc n,

откуда угол поворота, необходимый для приведения горизонтов в соприкосновение,

Этим поворотом изображение правого горизонта понижено на f₂ arc ε, так что линейное расстояние от нуля шкалы до изображения правого, а следовательно, и левого горизонтов, считаемое положительным всегда вниз, будет

Отсчет шкалы против общей точки горизонтов будет при этом просто равен искомому n в минутах дуги, если сделать линейную величину t одного деления шкалы равной

На фиг. 3 представлена картина, видимая в поле зрения трубы при совмещении горизонтов во II положении инструмента после поворота его приблизительно на 180° вокруг продольной оси (призма-крыша - слева, короткое колено - слева, деления шкалы идут влево).

Если нуль шкалы смещен от должного положения, например, вниз на фиг. 2, следовательно, вверх на фиг. 3, на α₀ делений шкалы, то в I положении отсчет шкалы будет α₁=n-α₀, а во II положении α₂=n+α₀.

Отсюда

Таким образом в среднем из двух отсчетов ошибка α₀ нуля шкалы вполне исключается. Эту ошибку можно сделать близкой к нулю перемещением разделяющей системы в направлении, перпендикулярном плоскости фиг. 1. Тогда α₁ и α₂ будут мало разниться и среднее арифметическое из них, т.е. искомое n, можно брать в уме, не записывая каждое из этих двух отсчетов в отдельности.

Итак, измерение наклонения горизонта сводится к следующему: установив окуляр по глазу на резкость видения шкалы или помощью диоптрийных делений на головке окуляра, приводим в поле зрения изображения противоположных участков видимого морского горизонта в I положении прибора, т.е. при коротком колене справа. Поворотом прибора вокруг ″поперечной оси″, параллельной осям объективов, делаем изображения горизонтов на-глаз перпендикулярными шкале, т.е. раздельной линии полей. Поворотом прибора вокруг продольной оси совмещаем между собою точки пересечения обоих горизонтов с раздельной линией полей и замечаем отсчет α₁ шкалы, на котором происходит совмещение.

Повторяем то же во II положении прибора - при коротком колене слева (отсчет α₂) и берем среднее из обоих отсчетов.

Вторая форма выполнения прибора представлена на фиг. 4.

Здесь шкала в поле зрения отсутствует и объективные системы обеих трубок имеют одинаковые фокусные расстояния. Расстояние между изображениями горизонта здесь не изменяется от поворота прибора и измерение этого расстояния, равного 2n в пространстве предметов, производится сведением изображений горизонтов при помощи компенсатора или микрометра.

Раз достигнутое совмещение точек пересечения обоих горизонтов с раздельной линией полей не будет нарушаться при перемещении этой точки в поле зрения.

Перед одним из объективов 2 помещен неподвижный клин 8, отклоняющий лучи в горизонтальной плоскости (плоскости чертежа) примерно на 1°.

Такой же клин 9, вращающийся вокруг трубки, компенсирует действие клина 8, когда их ребра параллельны. При повороте же клина 9 из этого нулевого положения на не очень большой угол, пара клиньев будет отклонять лучи приблизительно в вертикальной плоскости на угол, приблизительно пропорциональный синусу угла поворота.

Поворотом клина 9 совмещают точки пересечения обоих горизонтов с раздельной линией полей в любой точке этой линии, а затем отсчитывают половину угла отклонения, т.е. n на соответственно разделенном секторе (≈60°) 10 по указателю 11, связанному с вращающимся клином.

Возможно также выполнить прибор с подвижной разделяющей системой.

В этом случае - сведение горизонтов производится поступательным перемещением, разделяющей системы в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа.

Для измерения наклона n в обоих положениях инструмента придется смещать призмы на ±f arc n, где f фокусное расстояние объективов.

В другом случае объектив одной из трубок перемещается в вертикальном направлении, т.е. в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, посредством микрометрического винта. Для измерения n в двух положениях прибора потребуется смещать объектив в обе стороны на ±2f arc n, т.е. на расстояние вдвое больше, чем смещение разделительной системы призм в предыдущем варианте.

Можно также между одним из объективов и разделяющей системой поместить нормальный к оси трубки клин, отклоняющий лучи в вертикальной плоскости на угол порядка 45′. Совмещение изображений горизонтов достигается в этом случае поступательным перемещением этого клина вдоль трубки. Перемещение отсчитывается на шкале, нанесенной вдоль трубки по указателю, связанному с клином. При надлежащем выборе нуль-пункта это перемещение будет пропорционально измеряемому n.

Прибор может быть также выполнен в виде зрительной трубки с одним окуляром и одним или двумя объективами и системой призм, помещенной перед объективом или между объективами и окуляром, и отличающийся по своей оптической схеме от схем, применявшихся в приборах других авторов для той же цели, тем, что на обоих изображениях направления вдоль горизонта (право-лево) согласны, а направления, перпендикулярные горизонту (верх-низ), - противоположны.

Эта особенность приводит к тому, что в предлагаемых приборах параллелизм изображений двух приблизительно диаметрально противоположных частей горизонта не нарушается при колебании инструмента в руках наблюдателей.

Перед объективом 12 (15-18 мм в диаметре) зрительной трубки 15 (фиг. 5) с 4-5-кратным увеличением помещена система из двух склеенных между собою призм 13 и 14. 13 - обыкновенная прямоугольная равнобедренная призма с квадратными катетами, 14 - призма с тремя взаимно перпендикулярными гранями 16, 17, 18. Грани 17 и 18 наклонены под углами в 45° к плоскости чертежа. Четвертая же грань 19 призмы 14 образует угол в 45° с ребром “крыши” 17-18, одинаково наклонена к обеим ее граням и параллельна грани входа призмы 13.

Призмы 13 и 14 склеены между собою канадским бальзамом и заключены в общую оправу 20, навинчиваемую на объективный конец трубки 15. Грань 16 серебрится до половины, как показано толстой чертой.

В фокальной плоскости трубки 15 помещается угловая шкала, совершенно подобная шкале прибора Пульфриха, выпускаемого фирмой Цейсс.

В вариантах прибора показанная на фиг. 6 двойная призма 13-14 того же типа, как в предыдущих вариантах, помещена вслед за двумя объективами 21 а 22 с различными фокусными расстояниями (f₁<f₂), 23 - коррекционная линза.

Видимая в окуляр картина будет отличаться от показанной на фиг. 2 и 3 лишь тем, что в данном случае поля не разделены, и отсчет шкалы делается по линии совмещенных горизонтов, простирающейся через все поле зрения. Совмещение достигается поворотом всего прибора вокруг оси его окулярной части.

Другой вариант прибора отличается лишь тем, что угловая шкала отсутствует, а объектив разрезан по диаметру, перпендикулярному плоскости чертежа. Одна из половин объектива неподвижна. Другая движется параллельно линии разреза с помощью микрометрического винта.

Изображения двух частей горизонта совмещаются вращением этого винта и вследствие особенности, общей всем рассматриваемым оптическим схемам, это совмещение не нарушается при качании прибора в руках наблюдателя.

На фиг. 7 дан вариант прибора, в котором перед объективом 12 зрительной трубки 15 помещены: куб из двух равнобедренных прямоугольных призм 13 и 14 с полупосеребреной гипотенузой 16 и обыкновенная призма-крыша 17, отклоняющая осевой луч на 90°. Призма-крыша 17 неизменно связана с трубой, а куб 13-14 может поворачиваться вокруг оси АА, посредством микрометрического винта 24 на 30′ в ту и другую стороны от среднего положения, при котором ребро крыши перпендикулярно полупосеребреной гипотенузе.

Углы поворота в двойных минутах, т.е. от 0 до 15′, отсчитываются на барабане 25 микрометра, подобно тому, как в приборе Пульфриха с микрометром.

1. Прибор для измерения наклонения видимого морского горизонта с корабля или самолета, состоящий из зрительной трубы с одним окуляром, одним или двумя объективами и системы призм, помещенной перед объективом или между объективами и окуляром, отличающийся тем, что система призм выполнена инвертной, оборачивающей одно изображение отрезка видимого горизонта относительно второго, расположенного в пространстве предметов приблизительно диаметрально противоположно первому, так, что на обоих изображениях направления вдоль горизонта (право-лево) согласны, а направления, перпендикулярные горизонту (верх-низ), - противоположны, причем наклонение горизонта отсчитывается по окулярному микрометру той или другой системы, измеряющему расстояние между изображениями двух противоположных частей горизонта.

2. Форма выполнения прибора по п. 1, отличающаяся тем, что на пути лучей от одной из двух наблюдаемых частей горизонта поставлен оптический компенсационный микрометр, например, клиновой, с целью производства отсчета результата измерения по шкале компенсационного микрометра в положении сведения в поле зрения прибора обоих изображений горизонта по высоте.
3 Форма выполнения прибора по п. 1, отличающаяся тем, что оба изображения в поле зрения прибора переданы с различными увеличениями так, что сведение этих изображений достигается поворотом всего прибора и отсчет производится на окулярной шкале по линии совпавших изображений.

4. Форма выполнения прибора по п. 1; отличающаяся тем, что система призм, или одна из призм, или один из объективов или половина объектива выполнены с возможностью перемещения с помощью микрометрического винта, на барабане которого и отсчитывается искомое наклонение горизонта.