Панорамный датчик угловой координаты светящегося ориентира
Панорамный датчик угловой координаты светящегося ориентира содержит многоэлементный приемник оптического излучения, который состоит не менее чем из трех элементарных фотоприемников, и устройство обработки сигнала для определения угловой координаты ориентира. Элементарные фотоприемники расположены с заданным шагом по окружности. Количество освещенных элементарных фотоприемников с точностью до одного не зависит от направления на светящийся ориентир в системе координат датчика в плоскости указанной окружности. Угловая координата ориентира определяется по порядковым номерам элементарных фотоприемников, которые начинают и заканчивают группу освещенных фотоприемников, или угловая координата ориентира определяется по отношению величин сигналов любых двух, в частности, смежных, элементарных фотоприемников в группе освещенных. Технический результат - расширение поля зрения датчика угловой координаты светящегося ориентира. 4 ил.
Датчик предназначен для определения угловой координаты светящегося ориентира, например Солнца, при использовании в составе системы ориентации космического аппарата.
Близким по технической сущности к заявляемому датчику является датчик [1], в состав которого входят: оптический спектральный фильтр; щелевая маска; многоэлементный фоточувствительный приемник, образованный элементарными фотоприемниками, располагающимися друг за другом на кривой второго порядка, таким образом, что нормали к чувствительным площадкам каждого элементарного фотоприемника и кривая второго порядка лежат в одной плоскости; пороговые элементы, регистр фотоприемника, счетчик, выходной регистр, генератор тактовых импульсов.
Принцип действия датчика заключается в том, что излучение от Солнца, прошедшее через спектральный фильтр и щелевую маску, засвечивает группу из нескольких смежных элементарных фотоприемников. Угловая координата Солнца определяется по номеру среднего освещенного элементарного фотоприемника.
Анализ конструкции датчика позволяет установить, что количество засвеченных элементарных фотоприемников зависит от размера щели в маске, толщины маски, углового шага расположения элементарных фотоприемников и направления на Солнце в системе координат датчика. При малых отклонениях Солнца от оси датчика количество засвеченных элементарных фотоприемников максимально. При увеличении отклонения Солнца от оси датчика количество засвеченных элементарных фотоприемников уменьшается. В предельном случае, когда угол, под которым видно Солнце в системе координат датчика, приближается по величине к 90° или становится больше, излучение не может проникнуть через маску и осветить элементарные фотоприемники, вследствие чего, измерение становится невозможным. Следовательно, поле зрения датчика, имеющего такую конструкцию, не может иметь величину, большую или хотя бы равную 180° (±90°), что является недостатком.
Известен также широкоугольный датчик [2], представляющий собой два одинаковых фоторезистора в форме полуколец, расположенных на цилиндрической поверхности и образующих кольцо.
Одна пара смежных выводов фоторезисторов объединена и является средней точкой резистивного делителя напряжения, а к другим смежным выводам фоторезисторов подведены равные по величине, но противоположенные по знаку напряжения. При равных освещенных площадях фоторезисторов, когда светящийся ориентир, положение которого измеряется, находится на плоскости симметрии полуколец, сопротивления фоторезисторов равны между собой и сигнал на выходе резистивного делителя будет равен 0 В. При удалении ориентира от плоскости симметрии изменяются освещенные площади фоторезисторов и, соответственно, выходное напряжение делителя напряжения отклоняется от 0 В в большую или меньшую сторону.
Из принципа действия этого датчика следует, что при расположении светящегося ориентира под углами симметричными (с поправкой на геометрию центрального контакта и концевых контактов фоторезисторов) относительно перпендикуляра к оси координат, например, +10° и +170°, -20° и -140°, 0° и 180°, на выходе будут вырабатываться одинаковые сигналы, так как в перечисленных случаях засвеченные площади фоторезисторов оказываются равными. Для исключения такой неоднозначности выходных сигналов угол между направлением на ориентир и осью координат датчика не должен превышать величину ±90°. То есть поле зрения такого датчика также ограничено, что, как уже указывалось, является недостатком.
Целью предлагаемого изобретения является расширение поля зрения датчика угловой координаты светящегося ориентира.
Указанная цель достигается тем, что заявляемый датчик содержит многоэлементный приемник оптического излучения и устройство обработки сигнала. Многоэлементный приемник оптического излучения состоит из не менее чем трех фоточувствительных элементов, расположенных с заданным шагом на окружности, причем каждый фоточувствительный элемент имеет порядковый номер
Устройство предлагаемого датчика в части приемника оптического излучения поясняется на Фиг.1, где показано сечение приемника оптического излучения в виде диска, и на Фиг.2, где показано сечение приемника оптического излучения в виде пластины с отверстием. На Фиг.1 и Фиг.2 обозначены цифрами: 1 - ось координат: 2 - угловая координата ориентира; 3 - направление на ориентир; 4 - часть приемника оптического излучения, находящаяся в тени; 5 - освещенная часть приемника оптического излучения; 6 - сечение условно последнего фоточувствительного элемента; 7 - сечение условно первого фоточувствительного элемента; 8 - излучение светящегося ориентира; 9 - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов.
Угловая координата - α светящегося ориентира определяется следующим образом:
α=[(n2+n1)/2]γ, n1<n2;
α=[(n1+n2+N)/2]γ, n1>n2 и (n1+n2+N)/2<N;
α=[(n1+n2-N)/2]γ, n1>n2 и (n1+n2+N)/2≥N,
где γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов; n1 - порядковый номер первого фоточувствительного элемента в группе освещенных фоточувствительных элементов при отсчете от оси координат, сигнал которого превышает заданный порог; n2 - порядковый номер последнего фоточувствительного элемента в группе освещенных фоточувствительных элементов при отсчете от оси координат, сигнал которого превышает заданный порог; N - общее количество фоточувствительных элементов.
Устройство обработки сигнала в данном случае содержит пороговые устройства, N - разрядный кольцевой регистр (N=2k), k-разрядный счетчик импульсов, k-разрядный выходной регистр, генератор тактовых импульсов.
Работает датчик следующим образом: ориентир освещает приемник оптического излучения. Сигнал с каждого освещенного элементарного фотоприемника поступает на пороговое устройство для преобразования в цифровой сигнал, который принимает, например, значение логической единицы, если сигнал превышает заданный порог и логического нуля, если сигнал меньше заданного порога. Выходные сигналы пороговых устройств фиксируются в кольцевом регистре. По команде, данные в кольцевом регистре начинают циклически сдвигаться с тактовой частотой, и счетчик начинает считать импульсы, следующие с тактовой частотой. Как только в разряде кольцевого регистра, соответствующему первому элементарному фотоприемнику произойдет изменение сигнала с логического нуля на логическую единицу, счетчик начнет считать импульсы с частотой, в 2 раза меньшей, чем тактовая частота. После этого, как только в разряде кольцевого регистра, соответствующему первому элементарному фотоприемнику произойдет изменение сигнала с логической единицы на логический ноль, счетчик прекращает счет, а полученный на счетчике код запоминается в выходном регистре. Зафиксированный в выходном регистре код является искомой угловой координатой.
Более точно определить угловую координату ориентира - α можно посредством нахождения центроида [3]:
, при условии n1<n2
, при условии n1>n2 и 
, при условии n1>n2 и 
где γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов: n1 - порядковый номер первого фоточувствительного элемента в группе освещенных фоточувствительных элементов при отсчете от оси координат, сигнал которого превышает заданный порог; n2 - порядковый номер последнего фоточувствительного элемента в группе освещенных фоточувствительных элементов при отсчете от оси координат, сигнал которого превышает заданный порог; А(k) - величина сигнала k-го фоточувствительного элемента в группе освещенных фоточувствительных элементов; N - общее количество фоточувствительных элементов.
Для реализации такого способа определения угловой координаты устройство обработки сигнала содержит: аналого-цифровой преобразователь для преобразования сигналов фоточувствительных элементов в цифровую форму; запоминающее устройство для хранения исходных данных, промежуточных результатов расчетов и окончательного результата; микропроцессор для выполнения алгоритма вычисления центроида.
Как следует из Фиг.1 и Фиг.2, а также выше описанных способов определения угловой координаты предлагаемый датчик позволяет измерять углы между направлением на светящийся ориентир и осью датчика в диапазоне от 0° до 360°. То есть поле зрения заявляемого датчика не имеет ограничений, в отличие от поля зрения прототипов, и составляет по величине 360°.
Расширение поля зрения датчика до 360° позволяет создавать, например, систему ориентации для космических аппаратов со сферическим полем зрения всего лишь из 3-х датчиков, что повышает надежность системы, уменьшает ее энергопотребление и массу. Кроме того, датчик с полем зрения величиной 360° можно использовать в качестве малогабаритного преобразователя угол-код.
Необходимо также отметить, что заявляемый датчик имеет другое полезное свойство.
Известно, что такое физическое явление, как фотоэффект заключается в появлении свободных заряженных частиц при взаимодействии фотонов с веществом. Причем количество появившихся заряженных частиц прямо пропорционально количеству фотонов взаимодействующих с веществом. Поэтому величина сигнала вырабатываемого фотоприемником, принцип действия которого основан на фотоэффекте, также будет прямо пропорциональна количеству фотонов падающих на чувствительную поверхность фотоприемника. Очевидно, что количество падающих фотонов определяется интенсивностью излучения, размерами чувствительной поверхности фотоприемника и ее угловой ориентацией относительно фронта волны излучения.
Влияние угловой ориентации фотоприемника относительно плоского фронта волны излучения на величину сигнала поясняется на Фиг.3, на которой цифрой 1 обозначено сечение фотоприемника, чувствительная поверхность которого параллельна волновому фронту; 2 - сечение фотоприемника, чувствительная поверхность которого расположена под углом γ к волновому фронту; 3 - сечение волнового фронта излучения; 4 - сечение проекции на волновой фронт фотоприемника, чувствительная поверхность которого параллельна волновому фронту; 5 - сечение проекции на волновой фронт фотоприемника, чувствительная поверхность которого расположена под углом γ к волновому фронту.
На отрезок, соответствующий сечению 1 попадают фотоны, которые проходят через отрезок, соответствующий сечению 4, а на отрезок, соответствующий сечению 2 попадают фотоны, которые проходят через отрезок, соответствующий сечению 5. Длина отрезка, соответствующего сечению 1, равна длине отрезка, соответствующего сечению 4, и равна длине отрезка, соответствующего сечению 2. Отношение длины отрезка, соответствующего сечению 5, к длине отрезка, соответствующего сечению 2, равно отношению катета к гипотенузе в прямоугольном треугольнике и равно косинусу угла между ними γ. Таким образом, на отрезок, соответствующий сечению 2 фотоприемника, повернутого относительно волнового фронта попадает фотонов в 1/cosγ раз меньше, чем на отрезок, соответствующий сечению 1 фотоприемника, параллельного волновому фронту.
В общем случае, угловая ориентация фотоприемника относительно волнового фронта задается двумя углами, например γ и δ. Поэтому на фотоприемник, чувствительная поверхность которого повернута относительно волнового фронта, попадает фотонов в 1/cosγcosδ раз меньше, чем на фотоприемник, чувствительная поверхность которого параллельна волновому фронту.
Следовательно, применительно к заявляемому датчику, чувствительные элементы которого расположены на окружности и излучение ориентира имеет плоский волновой фронт, для n-го фоточувствительного элемента его сигнал - U(n) можно определить как:
U(n)=Acosnγcosδ,
где δ - угол между нормалью к плоской грани датчика и волновым фронтом излучения ориентира; γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов; n - количество угловых шагов между фоточувствительным элементом, сигнал которого определяется и фоточувствительным элементом, сигнал которого имеет максимальное значение; А - максимально возможное значение величины сигнала.
График зависимости сигнала - U(n) n-го фоточувствительного элемента от его углового положения на плоскости, параллельной граням датчика, и в зависимости от положения ориентира относительно оси координат датчика показан на Фиг.4, где: 1 - ось угловых координат; 2 - точка отсчета в системе координат датчика; 3 - величина сигнала U(n) n-го освещенного фоточувствительного элемента; 4 - величина сигнала U(n+1) (n+1)-го освещенного фоточувствительного элемента: 5 - точка отсчета в системе координат ориентира; 6 - распределение величин сигналов в группе освещенных фоточувствительных элементов; 7 - величина сигнала U(n+k-1) (n+k-1)-го освещенного фоточувствительного элемента; 8 - величина сигнала U(n+k) (n+k)-го освещенного фоточувствительного элемента.
Из Фиг.4 следует, что:
U(n)=Acosnγcosδ=Acos(-ϕ)cosδ,
U(n+1)=Acos(nγ+γ)cosδ=Acos(-ϕ+γ)cosδ,
Принимая во внимание четность функции косинус, величину сигнала (n+1)-го освещенного фоточувствительного элемента, можно определить по-другому, разложив косинус разности двух углов по известной формуле:
U(n+1)=Acos(ϕ-γ)cosδ=[Acosϕcosγ+Asinϕsinγ]cosδ,
Отношение величин сигналов (n+1)-го и n-го освещенных фоточувствительных элементов:
U(n+1)/U(n)=(Acosϕcosγ+Asinϕsinγ)/Acosϕ=cosγ+tgϕsinγ,
Из отношения величин сигналов можно найти выражение для угла ϕ:
tgϕ=U(n+1)/U(n)sinγ-ctgγ,
поскольку освещенными могут быть не более половины фоточувствительных элементов приемника излучения, что видно из Фиг.1 и Фиг.2, то угол ϕ ограничен диапазоном от -π/2 до π/2 и, следовательно:
ϕ=arctg[U(n+1)/U(n)sinγ-ctgγ]
Угловое расстояние α между осью координат датчика и осью координат ориентира, как это видно из Фиг.4:
α=nγ+ϕ,
или после подстановки:
α=nγ+arctg[U(n+1)/U(n)sinγ-ctgγ], при условии U(n)<U(n+1)
Для другой пары величин сигналов:
U(n+k)=Acos(n+k)γ=Acosψ,
U(n+k-1)=Acos((n+k)γ-γ)=Acos(ψ-γ),
После разложения косинуса разности двух углов по известной формуле:
U(n+k-1)=Acos(ψ-γ)=Acosψcosγ+Asinψsinγ,
Отношение величин сигналов (n+k-1)-го и (n+k)-го освещенных фоточувствительных элементов:
U(n+k-1)/U(n+k)=(Acosψcosγ+Asinψsinγ)/Acosψ=cosγ+tgψsinγ,
Из отношения величин сигналов можно найти выражение для угла ψ:
tgψ=U(n+k-1)/U(n+k)sinγ-ctgγ,
таким образом:
ψ=arctg[U(n+k-1)/U(n+k)sinγ-ctgγ]
Из Фиг.4 видно, что угловое расстояние между осями координат датчика и ориентира:
α=(n+k)γ-ψ,
или после подстановки:
α=(n+k)γ-arctg[U(n+k-1)/U(n+k)sinγ-ctgγ], при условии U(n+k)<U(n+k-1)
В обобщенном виде можно записать:
α=nγ+arctg[U(n+1)/U(n)sinγ-ctgγ], U(n)<U(n+1)
α=nγ-arctg[U(n)/U(n+1)sinγ-ctgγ], U(n)>U(n+1)
Пользуясь приведенной выше методикой, можно выразить угловую координату ориентира - а через величины сигналов любой пары освещенных фоточувствительных элементов, не обязательно смежных. То есть, для определения угловой координаты ориентира с помощью предлагаемого датчика достаточно знать величины сигналов всего лишь двух элементарных фотоприемников в группе освещенных. Как следствие:
а) можно повысить точность измерения угловой координаты - (светящегося ориентира, если воспользоваться усреднением:
, U(n+m-1)<U(n+m)
, U(n+m-1)>U(n+m)
где U(n+m-1) и U(n+m) - величины сигналов любых двух смежных фоточувствительных элементов в группе освещенных фоточувствительных элементов, n - порядковый номер фоточувствительного элемента в группе освещенных фоточувствительных элементов при отсчете от оси координат, γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов, M - количество фоточувствительных элементов, по которым проводится усреднение.
б) можно повысить помехоустойчивость измерения угловой координаты - α светящегося ориентира, например, накапливая рассчитанные по сигналам разных пар фоточувствительных элементов значения α, если они отличаются друг от друга на некоторую величину не более заданной и, игнорируя те пары сигналов фоточувствительных элементов, для которых отличие рассчитанного значения α от среднего, превышает некоторую заданную величину.
в) повышается надежность и живучесть датчика, так как даже при нарушении функционирования некоторых фоточувствительных элементов датчик сохраняет способность определять координаты ориентира.
Повышение точности, помехоустойчивости, надежности дает возможность создавать на основе заявляемого датчика системы ориентации космических аппаратов с улучшенными эксплуатационными показателями.
Многоэлементный приемник оптического излучения может быть изготовлен по планарной технологии из известных полупроводниковых материалов. Получение фоточувствительных элементов, лежащих на окружности производится за счет создания в пластине полупроводника канавок заданного профиля с помощью лазера или травления.
Источники информации
1. Патент на изобретение РФ № 2244263, МКИ G01С 21/24, G01J 1/20, 2003.
2. Патент на изобретение США № 3875404, НКИ 250/211 R, 1975.
3. Brian F. Alexander; Kim Chew Ng. Elimination of systematic error in subpilxel accuracy centroid estimation. Optical Engineering (ISSN 0091-3286), vol.30, Sept. 1991, p.1320-1331.
Панорамный датчик угловой координаты светящегося ориентира, содержащий многоэлементный приемник оптического излучения, который состоит не менее чем из трех элементарных фотоприемников, и устройство обработки сигнала для определения угловой координаты ориентира, отличающийся тем, что элементарные фотоприемники расположены с заданным шагом по окружности, количество освещенных элементарных фотоприемников с точностью до одного не зависит от направления на светящийся ориентир в системе координат датчика в плоскости указанной окружности, угловая координата ориентира определяется по порядковым номерам элементарных фотоприемников, которые начинают и заканчивают группу освещенных фотоприемников, или угловая координата ориентира определяется по отношению величин сигналов любых двух, в частности смежных, элементарных фотоприемников в группе освещенных.
