Способ и устройство коррекции нелинейности характеристики фотоэлектрического пеленгатора отдалённого источника электромагнитной энергии в пределах обзорного развёрнутого угла
METHOD AND DEVICE FOR CORRECTING CHARACTERISTIC NONLINEARITY OF PHOTOELECTRIC DIRECTION-FINDER OF ELECTROMAGNETIC ENERGY DISTANT SOURCE WITHIN REVIEWED STRAIGHT ANGLE

Изобретение относится к области аэрокосмического приборостроения и касается пути совершенствования измерительного средства дистанционного зондирования позиций источников лучистого потока - статического фотоэлектрического пеленгатора (СФП) источника электромагнитной энергии, участвующего в решении задач навигации, ориентации, стабилизации и контроля положения мобильных аэрокосмических объектов по энергетическому центру Солнца или другого отдаленного источника электромагнитной энергии, слежения за ориентиром с земной поверхности.
Тенденция совершенствования СФП как служебного измерительного устройства мобильного аэрокосмического объекта сегодня заключается в поиске путей уменьшения массы, объема и энергопотребления при сохранении или улучшении метрологических параметров, что разрешает увеличить вес и объем научной или специализированной аппаратуры, размещаемой на аэрокосмическом аппарате. В этом отношении рационально найти способ коррекции нелинейности относительной пеленгационной характеристики устройства, запатентованного как RU 2526218 C1, 27.03.2013 и опубликованного 20.08.2014. Другие показатели соответствуют уровню развития техники для измерительных средств дистанционного зондирования позиций источников электромагнитной энергии в околоземном пространстве, слежения за ними с земли.
Преимущества патентуемого изобретения RU 2526218 С1, 27.03.2013 - устройства определения угловой позиции источника электромагнитной энергии и способа работы пеленгатора - заключается в изобретательском подходе построения СФП относительно уровня развития техники, в новых приемах и действиях с детектирующими элементами измерительного прибора и их взаимосвязи между собой, что позволило на этой основе улучшать лимитирующие параметры средств дистанционного зондирования позиции источников электромагнитной энергии в оптическом диапазоне длин волн.
Напомним, что сущность способа построения патентуемого устройства RU 2526218, 27.03.2013 заключена в использовании детекторов излучения с полуцилиндрической чувствительной поверхностью при противоположной их ориентации для определения позиции лучистого потока и рациональном сочетании работы двух взаимосвязанных преобразующих электронных звеньев: функционального и линейного. Фотоэлектронная составляющая функционального звена устройства включает три действующих детектора излучения с полуцилиндрическими чувствительными поверхностями, из которых один противоположно ориентирован по отношению к двум другим, а электронное звено состоит из минимального набора локальных электронных линейных элементов - два преобразователя «ток  напряжение», один преобразователь «аналог - цифра», которые необходимы устройству для получения результатов углового положения отдаленного источника электромагнитной энергии в цифровой форме. В этом варианте построения устройства «абсолютная» и «относительная» пеленгационные характеристики в измерительном средстве аналогичны, так как «номинальный масштабный фактор» не вносит искажений при определении отношения.
Подход и действия в запатентованном устройстве RU 2526218, 27.03.2013 сводятся к тому, что пассивный одиночный детектор излучения с полуцилиндрической чувствительной поверхностью, который ориентирован своей оптической осью вдоль угловой оси прямоугольной системы координат устройства, задает нечетно-симметричную «абсолютную» пеленгационную характеристику, соответствующую закону синуса в пределах плюс/минус 90°, смещенную по оси ординат - оптическая ось СФП, когда амплитудная энергетическая ось детектора излучения делит характеристику датчика по угловой оси пополам: правая часть - положительное направление и левая часть - отрицательное направление. При этом обзорная «относительная» пеленгационная характеристика СФП отвечает закону синуса только в пределах углового обзорного сектора плюс/минус 90°, если устройство жестко фиксировано на фундаментальной посадочной плоскости аэрокосмического аппарата при площади на порядок большей, чем основание устройства.
Однако устройство и способ, взятые за исходную основу в патентуемом ниже изобретении, характеризуется малым секторным окном - плюс/минус 45° линейной части пеленгационной характеристики СФП в рамках относительной угловой погрешности плюс/минус 2%. Это недостаток, так как ограничивает потенциально-возможную сферу использования измерительного средства на аэрокосмическом аппарате, но он преодолим, если откорректировать пеленгационную характеристику СФП в пределах обзорного развернутого угла.
Дело в том, что исходя из принципа «задача/решение» устройство состоит из базовых функциональных элементов, которые необходимы при коррекции нелинейности относительной пеленгационной характеристики, но они задействованы не в полной мере, выполняя только нейтральную линейную операцию - перевод «абсолютных» в «относительные» измерения позиции лучистого источника. Без использования дополнительных элементов невозможно корректирующие воздействия на исходную характеристику, которая определяется в СФП одиночным детектирующим элементом с полуцилиндрической чувствительной поверхностью.
Патентуемый «Способ и устройство коррекции нелинейности характеристики фотоэлектрического пеленгатора отдаленного источника электромагнитной энергии в пределах обзорного развернутого угла» (далее - «Способ коррекции…», «Устройство коррекции…») разрешают за счет компонентной избыточности по отношению к базовой структуре прототипа решить помимо задачи пеленгации ориентира, вопрос коррекции исходной нелинейности обзорной характеристики пеленгатора, расширив сферу применения СФП как измерительного углового инструмента.
Технический результат достигается тем, что дополнив исходное устройство типовыми электронными компонентами: двумя «пассивными» и двумя «активными» элементами, на той же базовой структуре СФП разрешается проблема создания измерительного инструмента, определяющего положение отдаленного источника электромагнитной энергии в пределах обзорного развернутого угла, работающего в конкретных зонах оптического диапазона длин волн, которые определяются спектральными характеристиками детекторов излучения, при относительной погрешности измерения угловой позиции источника плюс/минус 2-3%.
Сущность «Способа коррекции…» заключена в формировании относительной пеленгационной характеристики СФП преобразователем «аналог - цифра» (АЦП) с внешним «опорой», на входы которого подаются два сигнала - «позиционное» напряжение, текущие амплитуды которого соответствуют функциональной зависимости фототока пассивного детектора излучения, генерируемого при падении на чувствительную поверхность лучевого потока отдаленного источника, и «нелинейного масштабного фактора» - суммы сигналов, получаемых тремя разноориентированными детекторами излучения в пределах обзорного развернутого угла пеленгатора лучистого ориентира.
Чтобы осознать преимущества и обосновать качественно изобретательский уровень патентуемого изобретения, рассмотрим визуализированные ниже схему электрическую функциональную построения устройства коррекции, апертурные и пеленгационные характеристики СФП, приведем некоторые пояснения и комментарии к ним.
На фиг. 1 представлена схема электрическая функциональная СФП, реализующая способ коррекции нелинейности пеленгационной характеристики.
Фиг. 2 демонстрирует «двухмерные» апертурные и пеленгационные характеристики в точках, указанных на схеме электрической функциональной СФП.
На фиг. 3 визуализирована 3D-пеленгационная характеристика одного канала СФП, в котором реализована коррекция нелинейности пеленгационной характеристики в пределах обзорного развернутого угла устройства.
Фиг 4 показывает взаимное расположение двух каналов СФП в «трехмерном» представлении, один из которых «зеркальный».
Фиг. 5 демонстрирует общий вид дизайна «двухосного» СФП.
На фиг. 6 представлены пеленгационные характеристики СФП, которые он имеет по каждой из двух осей в прямоугольной системе координат мобильного аэрокосмического аппарата.
Общее выражение для фототоков детекторов излучения, используемых в СФП, определяется как:
е
где Е - облученность, Вт/м;
А - параметрический множитель детектора, который равен - J*S*L*D*m;
J - квантовая эффективность детектора;
S - значение крутизны детектора излучения при нормальном падении на него лучистого потока отделенного источника, А/Вт;
L - длина чувствительной поверхности детектора излучения, м;
D - ширина чувствительной поверхности детектора излучения, м;
m - коэффициент эквивалентности формы чувствительной поверхности детектора излучения по отношению к планарному варианту, взятой за единицу;
n
n
ƒ(α) и ƒ(β) - функции интенсивностей излучений по угловым координатам азимута и места;
n - номер детектора излучения на фиг. 1;
* - знак произведения.
При этом отметим следующие моменты.
Оси строительной (метрической) прямоугольной системы координат СФП коллинеарны угловым осям прямоугольной системы координат мобильного аэрокосмического аппарата. Длина детектора параллельна оси азимута, а ширина - оси места в прямоугольной системе угловых координат мобильного аэрокосмического объекта, где для планарного детектора излучения ƒ(α) - cos(α) и ƒ(β) - cos(β), а у детектора с полуцилиндрической чувствительной поверхностью m=0,637, ƒ(α)-[1-sin(α)] и ƒ(β) - cos(β). Для дизайна СФП предпочтительно, чтобы L=D.
До 2013 года определение углового положения источника излучения на основе пеленгационной характеристики в одной плоскости измерении получали способом «ДЕЛЬТА/СИГМА» (RU 2399063 С1, 16.12.2008), когда путем синтезирования (объединения) в числителе определялась разность, а в знаменателе отношения, формировалась сумма сигналов двумя фотодетекторами с планарными чувствительными поверхностями, ориентированными в противоположные стороны на фиксированный угол (пеленгационная характеристика) относительно оптической оси СФП. Недостаток способа - секторное окно, при отсутствии взаимного затенения чувствительных поверхностей детекторов излучения, составляет плюс/минус 45°, а относительная погрешность окна пеленгационной характеристики СФП - плюс/минус 2%.
Способ «ДЕЛЬТА/СИГМА» в RU 2526218 С1, 27.03.2013 показал такую же погрешность результатов измерения в окне плюс/минус 45°, где в СФП использовались детекторы излучения с полуцилиндрическими чувствительными поверхностями, но сектор обзора измерительного средства составил плюс/минус 90°, а относительная погрешность обзорного развернутого угла укладывалась в пределах плюс/минус 11%. Указанный недостаток устраним, если скорректировать нелинейность характеристики обзорного развернутого угла СФП.
Главный отличительный признак СФП (RU 2526218 С1, 27.03.2013) - сумма сигналов в знаменателе отношения, получаемых в результате объединения фототоков двух детекторов излучения с полуцилиндрическими чувствительными поверхностями, всегда соответствует постоянному номинальному значению в пределах обзорного развернутого угла СФП. Отсюда становится ясным, как скорректировать нелинейность обзорной пеленгационной характеристики устройства без изменения базовой структуры СФП.
Условие для коррекции в этом случае очевидно - надо чтобы амплитудное значение сигнала знаменателя отношения в однозначных точках обзорного развернутого угла СФП было больше, чем амплитуда сигнала в числителе на момент регистрации фототоков детекторов излучения. Оно на практике выполнимо в рамках базовой структуры, если в СФП добавить еще один детектор излучения с планарной чувствительной поверхностью. Тогда, чтобы операция объединения фототоков детекторов излучения отвечала линейной закономерности суммирования, предпочтительна ортогональная ориентация планарного детектора излучения по отношению к оптическим осям детекторов излучения с полуцилиндрическими чувствительными поверхностями.
Итог проведенного анализа - патентуется новый способ коррекции нелинейности пеленгационной характеристики СФП, который через отношение амплитудных значений величин сигналов «абсолютной» пеленгационной характеристики фототока одного «позиционного» детектора излучения и синтезированной апертурной характеристики фототоков трех детекторов излучения, где один с планарной чувствительной поверхностью, а два других детектора излучения, как в патенте RU 2526218 С1, 27.03.2013 с полуцилиндрическими чувствительными поверхностями, разрешает улучшить метрологические характеристики измерительного средства в пределах обзорного развернутого угла.
Схема электрическая функциональная такого СФП обрисована на фиг. 1.
Работа СФП с устройством, корректирующим нелинейность обзорного развернутого угла, в патентуемом изобретении описывается следующим образом.
При падающем на СФП лучистом потоке отдаленного источника на выходе «позиционного» детектора излучения 1 (фиг. 1), имеющего полуцилиндрическую чувствительную поверхность, оптическая ось которого ориентирована вдоль одной из осей прямоугольной системы координат мобильного аэрокосмического аппарата, и функционирующего в режиме «короткого замыкания, порождается фототок.
Линейная угловая характеристика обзорного развернутого угла СФП представлена на фиг. 2 как ƒ 0, а «двумерная» апертурная характеристика «позиционного» детектора излучения 1 на фиг. 1 визуализирована на фиг. 2 как ƒ 1.
После преобразования фототока детектора излучения 1 (фиг. 1) в напряжение с помощью линейного преобразователя «ток - напряжение» 4 последний поступает на «позиционный» вход (9) линейного преобразователя «аналог - цифра» 7 с «внешней опорой».
Устройство коррекции - гибридное объединение в СФП. Оно, исходя из фиг. 1, содержит:
- три пассивных фотоэлектрических детектирующих элемента 1-3, которые при одновременном облучении потоком отдаленного источника генерируют фототоки в пределах развернутого угла пеленгатора;
- преобразователи «ток - напряжение» 4, 5, 6 - линейные элементы, предназначенные для сопряжения фототоков детекторов излучения с АЦП;
- два резистивных делителя напряжения R4, R5, R6, R7 - пассивные элементы, определяющие величину коррекции нелинейности на участках характеристики обзорного развернутого угла СФП;
- один линейный сумматор 8, предназначенный для формирования функционального сигнала - «нелинейный масштабный фактор» 12, необходимый для функционирования преобразователя «аналог - цифра» 7 с внешней опорой, который выступает в СФП одновременно как измеритель отношений двух функциональных сигналов 9, 12 и делитель напряжения с цифровым выходом 13, что разрешает корректировать зависимость величины выходного сигнала при рассогласовании оптической оси датчика с энергетическим центром отдаленного источника излучения на момент измерения датчиком частей лучистого потока ориентира.
Характерно, что чувствительная поверхность детектора излучения 2 иная - планарная. В этом первое отличие фото детектора 2 перед детекторами излучения 1, 3, а второе - ориентация оптической оси детектора, которая ортогональна, по отношению к ним вдоль угловой оси α в прямоугольной координатной системе мобильного аэрокосмического аппарата. Кроме того, детекторы излучения 1, 3 полуцилиндрическими поверхностями смотрят в противоположные стороны вдоль оси α. Апертурная характеристика детектора излучения 2 показана на фиг. 2 как ƒ 2, а детектора излучения 3 - ƒ 3.
Исходя из формулы (1), выражения для фототоков детекторов излучения 1-3, изображенных на фиг. 1, представим как:
Σ
Руководствуясь тем, что преобразователи «ток-напряжение» 4-6, пассивные делители напряжения R4-R7, сумматор 8 и АЦП - 7 линейные электронные компоненты СФП, выразим сигнал - «нелинейный масштабный фактор» - в точке 12 на фиг. 1 через синтезированный (объединенный) ток I(α,β):
Σ
1
1
2
2
3
3
e
2
3
I(α,β)=I(α,β)*k+I(α,β)*k+I(α,β)*k=0,637*E*A*cos(β)*{[1-sin(α)]+1,57*cos(α)*k+[1-sin(-α)]*k},
где
В этом случае выражение для скорректированной пеленгационной характеристики обзорного развернутого угла СФП выглядит как:
2
3
На фиг. 2 представлена «двухмерная» нормированная кривая сигнала - «нелинейный масштабный фактор» ƒ 12, построенная при k=0,41 и k=0,18.
2
3
Фиг. 3 визуализирует 3D-изображение скорректированной обзорной пеленгационной характеристики СФП на выходе АЦП в точке 13, показанной относительно плоскости на уровне 0,5 (соответствует старшему разряду) и построенной при k=0,41 и k=0,18. Она демонстрирует, что вариации лучистого потока по оси β в пределах обзорного развернутого угла приводятся АЦП к номинальному значению и не влияют на результаты измерении вдоль угловой оси α в рамках прямоугольной системы координат мобильного аэрокосмического аппарата.
Отметим, что для малых мобильных аэрокосмических аппаратов предпочтительно модифицированное построение СФП - вариант с зеркальными каналами и корректированными обзорными пеленгационными характеристиками.
На фиг. 4 показано в «трехмерном» измерении взаимное расположение пеленгационных характеристик двух каналов СФП, которые зеркальны по отношению друг к другу. Пополнив элементный состав еще одним преобразователем «ток - напряжение» и АЦП, получим результаты изменений о позиции лучистого источника (ориентира) одноосным СФП по двум каналам. Такой элементный набор СФП реализует одновременно результаты измерений, которые по угловым значениям противоположны, относительно старших разрядов двух АЦП, участвующих в пеленгационном процессе.
Горячее резервирование результатов измерений, удвоенное угловое разрешение в пределах обзорного развернутого угла устройства, определение боковой помехи (засветки) - отличительные признаки двухканального варианта построения одноосного СФП.
Выражение для скорректированной пеленгационной характеристики обзорного развернутого угла СФП с «зеркальным» каналом выглядит при этом как:
Схема электрическая функциональная формирования СФП с «зеркальным» каналом аналогична одноканальному одноосному варианту, за исключением того, что напряжения сигналов детекторов излучения 1 и 3 на выходах преобразователей «ток-напряжение» поступают на «зеркальный» канал так, как это указано в скобках (3) и (1) на фиг. 1.
Добавив два пассивных детектора излучения с полуцилиндрическими чувствительными поверхностями, которые ортогонально ориентированы по отношению к двум базовым детекторам, имея в составе СФП четыре корректирующих звена, определяющих нелинейности обзорных развернутых ортогонально ориентированных углов, получаем пассивное измерительное средство дистанционного зондирования позиции источника электромагнитной энергии с рабочим окном 180°×180°.
Дизайн моноблочного варианта построения «двухосного» СФП с четырьмя выходными цифровыми каналами представлен на фиг. 5, где 14-17 - боковые детекторы излучения с полуцилиндрическими поверхностями, имеющими радиус R, 18 - детектор излучения с планарной чувствительной поверхностью, размеры которой L и Н. Ориентация чувствительных поверхностей детекторов излучения СФП относительно осей α и β в прямоугольной системе координат мобильного аэрокосмического аппарата видна из фиг. 5 и пояснения не требует. Габаритные размеры моноблочного «двухосного» СФП определяются L и Н чувствительной поверхности планарного детектора излучения. Ортогональные пеленгационные характеристики СФП по осям α - ƒ 13 и β - ƒ 15 визуализированы на фиг. 6.
Технические преимущества, достигаемые с помощью патентуемого «Способа коррекции…» и «Устройство коррекции…», характеризуются следующими предпочтительными признаками, которые обосновывают качество - изобретательский уровень - нового измерительного средства.
1. В части «Способа коррекции…»:
- использование в СФП дополнительного детектирующего элемента с планарной чувствительной поверхностью, необходимого для формирования сигналов апертурной характеристики - «нелинейный масштабный фактор»;
- ориентация и фиксация чувствительной поверхности дополнительного детектирующего элемента в СФП перпендикулярно его оптической оси и ортогонально оптическим осям детекторов излучения с полуцилиндрической чувствительной поверхностью;
- синтезирование (объединение) с помощью сумматора корректирующего сигнала - «нелинейный масштабный фактор» - из трех составляющих: двух напряжений, получаемых детекторами излучений с полуцилиндрическими чувствительными поверхностями, и одного напряжения детектирующего элемента с планарной чувствительной поверхностью.
В части «Устройство коррекции…»:
- дополнительный детектирующий элемент;
- по меньшей мере два резистивных делителя напряжения;
- по меньшей мере один сумматор, синтезирующий корректирующий сигнал - «нелинейный масштабный фактор».