ДЕТЕКТОР УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА
OPTICAL SOURCE ANGULAR POSITION SENSOR

Изобретение относится к детекторам углового положения (пеленгации) оптического источника и может применяться в устройствах определения положения источников контрастного излучения (не только видимого диапазона, но также и близких к нему диапазонов), например источников инфракрасного излучения, таких как инфракрасный пульт дистанционного управления.
Известные детекторы излучения обычно основаны на множестве фотодетекторов, с искусственно ограниченным сектором обзора каждого, которые довольно грубо определяют угловое положение оптического источника.
В патенте США №7319228 [1] представлен пассивный инфракрасный детектор, содержащий, по меньшей мере, три субдетектора, предназначенных для приема инфракрасного (ИК) излучения из соответствующего, по меньше мере, одного из трех, подсекторов обзора, причем каждый подсектор обзора охватывается одним оптическим элементом, который не захватывает каких-либо других секторов обзора, а подсекторы обзора расположены под углом друг к другу с интервалом между соседними секторами не более 30 градусов.
Основной недостаток данного детектора, чувствительного к угловому положению ИК источника, состоит в том, что он имеет малую точностью определения углового положения, которая может быть увеличена только путем использования большого числа отдельных ИК детекторов, что усложняет конструкцию детектора и увеличит его стоимость.
Наиболее близким к заявленному изобретению является ИК детектор для определения положения инфракрасного пульта дистанционного управления видеокамерой, предложенный в патенте Японии №1109872 [2], который содержит три ИК фотодетектора (ФД) с отражателями для формирования трех узких лучей чувствительности в азимутальной плоскости. Данный детектор выбран в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Как и в других известных из уровня техники решениях, недостатком детектора-прототипа является то, что он функционирует на базе трех фотодетекторов с узкими углами обзора и, следовательно, имеет весьма ограниченный угловой сектор приблизительной пеленгации и работает только в одной плоскости (двумерный случай).
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании простого в изготовлении детектора углового положения (пеленгации) оптического источника, который при минимальном количестве используемых ФД обладает хорошей точностью и относительно широким сектором пеленгации.
Технический результат достигается путем создания детектора углового положения (пеленгации) оптического источника, содержащего вычислительный блок, по меньшей мере, два фотодетектора, соединенных с вычислительным блоком, и, по меньшей мере, две прозрачные рассеивающие пластины, освещаемые потоком излучения от оптического источника и расположенные в разных плоскостях под углом друг к другу, при этом яркость задней (дальней от оптического источника) поверхности пластины находится в зависимости от угла падения потока излучения на пластину, при этом каждая пластина размещена перед соответствующим фотодетектором, выполненным с возможностью регистрации яркости задней поверхности пластины и передачи сигнала яркости в вычислительный блок, выполненный с возможностью вычисления углового положения оптического источника на основе сигналов яркости, полученных от фотодетекторов.
В предпочтительном варианте реализации заявляемого детектора его конструкция включала в себя основание, два фотодетектора и две рассеивающие пластины, образующие с основанием призму с сечением в форме равнобедренного треугольника с равными углами, прилегающими к основанию, при этом вычислительный блок был выполнен с возможностью вычисления углового положения оптического источника в одной плоскости (например, азимутальной или угломестной) на основе сигналов яркости задних поверхностей пластин, получаемых от двух фотодетекторов.
В альтернативной конструкции заявляемого детектора он включал в себя основание, четыре фотодетектора и четыре рассеивающие пластины, образующие с основанием четырехгранную пирамиду с равными углами, прилегающими к основанию, при этом вычислительный блок был выполнен с возможностью вычисления углового положения оптического источника в двух перпендикулярных плоскостях (например, азимутальной и угломестной) на основе сигналов яркости задних поверхностей пластин, получаемых от четырех фотодетекторов.
Для функционирования детектора имеет смысл, чтобы он дополнительно содержал перегородки, расположенные между парами фотодетектор - рассеивающая пластина и выполненные с возможностью разделения каналов приема излучения.
Для функционирования детектора имеет смысл, чтобы ось детектора была расположена в середине его сектора обзора по нормали к основанию, при этом вычислительный блок следует выполнять с возможностью вычисления углового положения оптического источника от оси детектора на основе пеленгационной характеристики.
Для функционирования детектора имеет смысл, чтобы вычислительный блок был выполнен с возможностью вычисления углового положения (угла φ) оптического источника на основе пеленгационной характеристики в плоскости измерения Р(φ)=(А1-А2)/(А1+А2),
где А1 и А2 - амплитуды сигналов фотодетекторов, а угол φ находится в плоскости измерения, перпендикулярной обеим рассеивающим пластинам.
Для функционирования детектора имеет смысл, чтобы вычислительный блок был выполнен с возможностью вычисления азимутального положения (угла φ) и угломестного положения (угла θ) оптического источника в виде соответственно азимутальной пеленгационной характеристики
Р(φ)=(S13-S24)/(S13+S24);
и угломестной пеленгационной характеристики
Р(θ)=(S12-S34)/(S12+S34), где S13=А1+A3, S24=А2+А4 - суммы амплитуд левой и правой пар сигналов;
S12=Al+А2, S34=A3+А4 - суммы амплитуд верхней и нижней пар сигналов;
А1-А4 - амплитуды сигналов фото детекторов.
Для функционирования детектора имеет смысл, чтобы рассеивающие пластины были выполнены из матового стекла, выполненного с возможностью диффузного рассеяния проходящего излучения пеленгуемого источника.
Для лучшего понимания предложенного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.
Фиг.1. Схема "двумерного" детектора углового положения (пеленгации) оптического источника с двумя фотодетекторами и рассеивающими пластинами из матового стекла, согласно изобретению. Углы между пластинами и основанием детектора равны ±β.
Фиг.2. График пеленгационной характеристики Р(φ) (зависимости Р=DELTA/SIGMA сигнала от измеряемого угла - φ), согласно изобретению.
Фиг.3. График пеленгационной чувствительности (производной пеленгационной характеристики, dP/dφ).
Фиг.4. Схема "трехмерного" детектора углового положения (пеленгации) оптического источника, четыре наклонные рассеивающие пластины которого образуют четырехгранную пирамиду (вид вдоль оси пирамиды), согласно изобретению.
В заявляемом изобретении реализована идея создания детектора углового положения (пеленгации) оптического источника на основе двух (для "двумерного" детектора) или четырех (для "трехмерного" детектора) освещаемых детектируемым оптическим источником элементов, прозрачных рассеивающих пластин (которые могут быть выполнены из матовых стекол), расположенных не в одной плоскости, что приводит к различной яркости их задних поверхностей, если направление на оптический источник не совпадает с осью детектора. При этом фотодетекторы (ФД), расположенные за рассеивающими пластинами, будут формировать сигналы, отношение которых зависит от углового положения оптического источника, и угол(ы) направления на оптический источник могут быть измерен(ы) после соответствующей обработки сигналов ФД.
Алгоритм обработки сигналов ФД в вычислительном блоке схож с алгоритмом, который используют в моноимпульсных радарах для определения угла (см. "How The Tracking Radar Points at an Object" - http://ed-thelen.org/ifc_track.html#point) [3].
Рассмотрим конструкцию и способ функционирования заявляемого изобретения на примере "двумерного" детектора (Фиг.1). Главными элементами детектора являются две прозрачные пластины 1 с рассеянным пропусканием света (рассеивающие пластины). Свойства прозрачности и рассеивания пластин должны соответствовать диапазону длины волны излучения оптического источника, при этом интенсивность излучения источника должна быть намного больше фонового освещения в том же диапазоне (фоновое излучение других длин волн может быть отфильтровано).
Яркость задней поверхности каждой рассеивающей пластины 1 зависит от угла освещения пластины (угла φ между нормалью к пластине и направлением падающего потока излучения) согласно функции косинуса, поскольку эта функция определяет сечение потока излучения, который падает на пластину.
Фотодетектор 2, расположенный за пластиной, генерирует сигнал, пропорциональный яркости излучения, которое исходит от задней поверхности пластины 1. (Детектор должен иметь перегородку 3 между двумя фотодетекторами 2 для предотвращения перекрестного освещения фотодетекторов 2).
Сигналы фотодетекторов 2 описываются следующими формулами:
A1~cos(β-φ)
A2~cos(β+φ)
где:
β - угол между каждой пластиной 1 и основанием 4 детектора;
φ - детектируемый угол (угловое положение оптического источника) между осью
детектора (нормалью к основанию 4) и направлением потока излучения.
Угловое положение оптического источника вычисляют в блоке 5 обработки на основе сигналов фото детекторов 2. Для вычисления угла φ используют пеленгационную характеристику, хорошо известную функцию отношения P=DELTA/SIGMA
Р(φ)=(А1-А2)/(А1+А2)
Графики данной функции для нескольких значений угла (3 в качестве параметра (15°, 30°, 45° и 60°) представлены на Фиг.2. Соответствие между вычисляемым значением Р и углом φ, подлежащим определению, показано для фиксированной величины угла β ("пеленгационная характеристика").
Подобные способы вычисления применяют в радарах для определения углового положения объектов, в считывающих головках оптических дисков для удержания лазерного луча на дорожке диска, а также в других устройствах.
Пеленгационная характеристика Р(φ) однозначно определяет угол φ в секторе 6 измерения (СИ), когда обе рассеивающие пластины 1 освещены, и можно провести измерение угла.
Вне данного сектора 6 освещена только одна пластина (другая пластина находится в "затененной" области), и величина функции Р равна "1" или "-1".
Сектор 6 измерения определяется как:
СИ=2х(90-β)
Точность измерения угла зависит от пеленгационной чувствительности, которая является производной пеленгационной характеристики. Чем больше чувствительность, тем выше точность.
На Фиг.3 показан график пеленгационной чувствительности в виде функции угла β.
Таким образом, при возрастании β пеленгационная чувствительность также возрастает (что является положительным фактором), но "сектор измерения" при этом уменьшается (что является отрицательным фактором).
Для выбора угла β можно наложить дополнительное условие, например на минимальный сигнал (А1 или А2), при направлении потока излучения параллельно основанию 4 детектора (то есть, при отклонении направления на оптический источник от оси детектора на 90°).
Если положить, например, что минимальный сигнал не должен быть меньше половины его максимального значения, когда освещение направлено по нормали к пластине 1, то должно выполняться неравенство:
cos(90-β)>0.5 или sin β>0.5
Это означает, что угол β должен быть не меньше 30°.
С упомянутым выше набором условий можно рекомендовать величину угла β, равную 30°.
Для этой величины сектор измерения 6 составляет 120°, а пеленгационная чувствительность согласно Фиг.3 равна 0,01, то есть значение пеленгационной характеристики изменяется на 1% при изменении угла φ на 1°.
Посредством описанного выше "двумерного" детектора углового положения (пеленгации) оптического источника может быть измерен только один угол (угол в одной плоскости, например азимут).
"Трехмерный" детектор для измерения двух углов может быть выполнен в виде четырехгранной пирамиды (Фиг.4) с гранями, образованными рассеивающими пластинами 1. "Трехмерный" детектор содержит четыре фотодетектора, расположенных под гранями пирамиды, при этом каждая пара "грань и фотодетектор" отделена от других пар перегородками, образующими обособленные каналы приема излучения.
В случае "трехмерного" детектора сигналы ФД должны быть объединены в пары для получения как "пеленгационной характеристики по азимуту" (левая и правая пары сигналов) так и "пеленгационной характеристики по углу места" (верхняя и нижняя пары сигналов):
S13=A1+A3; S24=A2+A4 - левая и правая пары сигналов,
S12=A1+А2; S34=A3+А4 - верхняя и нижняя пары сигналов,
Р(φ)=(S13-S24)/(S13+S24) - азимутальная (φ) пеленгационная характеристика,
Р(θ)=(S12- S34)/(S12+S34) - угломестная (θ) пеленгационная характеристика.
Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, заявленного в прилагаемой формуле изобретения.