ДАТЧИК ВЕКТОРА НАПРАВЛЕНИЯ НА СОЛНЦЕ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для определения угловых координат светящегося тела, служащего в качестве ориентира, и, в частности для определения направления на Солнце в системе координат сверхмалого космического аппарата (СМКА).
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности является оптический солнечный датчик по патенту RU 2517979, МПК G01C 21/24, опубл. 10.06.2014 г. Датчик содержит широкопольный входной оптический элемент, выполненный в виде составного моноблока и имеет форму четырехугольной призмы, боковые грани которой под заданным углом β имеют наклон к вертикальной оси составного моноблока. Моноблок содержит соединенные между собой оптическим клеем центральную призму в форме четырехугольной усеченной правильной пирамиды, вершина которой обращена вниз и имеет заданный угол α при ее вершине, боковые грани которой имеют поглощающее покрытие, четыре боковые одинаковые призмы - в форме четырехугольных неправильных пирамид, одна из граней каждой призмы имеет зеркальное покрытие и этой гранью соединена с соответствующей ей поглощающей гранью центральной призмы.
Составной моноблок опирается на поверхность кодовой маски, в которой выполнены центральный идентификационный маркер, совмещенный с вертикальной осью симметрии центральной призмы, и четыре идентификационных маркера, симметрично расположенные вокруг центрального идентификационного маркера для идентификации светового излучения от каждой из боковых призм, а светофильтр содержит две выполненные из оптических цветных стекол пластины, установленные одна на другую.
Недостатками прототипа являются:
сложный широкопольный входной оптический элемент, выполненный в виде составного моноблока и имеющий форму четырехугольной призмы, требующий точного задания углов наклона боковых граней;
большой вертикальный размер.
Задачей изобретения является создание широкоугольного датчика направления на Солнце, более простого в изготовлении, более миниатюрного, обеспечивающего измерение двух углов, азимутального угла в плоскости поверхности, на которой установлен датчик и угла падения солнечного света относительно нормали к этой поверхности.
Технический результат заключается в возможности увеличения угла обзора датчика до 180 градусов, повышении точности за счет большого количества задействованных пикселей. Дополнительные полезные результаты включают в себя: упрощение конструкции датчика, уменьшение его вертикального размера (в направлении нормали к МФПУ).
Технический результат достигается в датчике вектора направления на Солнце, включающем корпус, входной оптический элемент, матричное фотоприемное устройство (МФПУ), соединенное с блоком обработки информации и вычисления угловых координат, в котором, согласно полезной модели, входной оптический элемент представляет собой плоско-выпуклую линзу, плоской поверхностью установленную вплотную на регистрирующую матрицу фотоприемного устройства и размещенную в отверстии корпуса. Отверстие в корпусе обеспечивает их взаимное расположение. При этом выпуклая поверхность линзы расположена над поверхностью корпуса.
Основой вычисления вектора направления на Солнце служит неоднородное распределение интенсивности света на матрице фотоприемного устройства.
Устройство предлагаемого датчика поясняется рисунками 1-3. На данных рисунках представлены следующие компоненты:
1. Плоско-выпуклая линза.
2. Корпус датчика с отверстием по размеру линзы.
3. МФПУ.
4. Слой оптического клея.
5. Устройство обработки сигнала (изображения) матрицы.
6. Плата датчика.
7. Контакты для пайки датчика на плату в месте установки.
8. Отверстия для крепления к корпусу космического аппарата / к печатной плате в месте установки.
9. Изолинии распределения интенсивности света на поверхности МФПУ (качественно).
10. Падающие на датчик лучи света.
11. Распределение интенсивности света на МФПУ вдоль линии симметрии распределения интенсивности (качественно).
12. Распределение интенсивности света на МФПУ поперек линии симметрии распределения интенсивности (качественно).
На рисунке 1 показана принципиальная схема взаимного расположения МФПУ и линзы в солнечном датчике.
На рисунке 2 отражены основные элементы конструкции датчика.
На рисунке 3 изображена схема, поясняющая формирование неравномерного поля интенсивности света на поверхности МФПУ. Качественное изображение распределения интенсивности под линзой на матрице, вид сверху (а). Ход лучей и график интенсивности вдоль линии нормальной проекции на плоскость матрицы падающего луча (b). Ход лучей и график интенсивности в направлении поперек линии нормальной проекции на плоскость матрицы падающего луча (с).
Преимущество полезной модели по сравнению с существующими решениями:
За счет того, что выпуклая поверхность линзы расположена над поверхностью корпуса датчика, появляется возможность улавливать свет, направленный параллельно поверхности датчика, при этом на матрице фотоприемного устройства формируется неоднородная освещенность, позволяющая вычислить углы направления на источник света.
Точность измерения углов направления на Солнце обеспечивается не за счет вычисления положения локализованного изображения Солнца на матрице, а за счет вычисления линии симметрии и центра тяжести изображения (или другого интегрального параметра) по большому количеству пикселей области матрицы под линзой. Точность определения угла датчиком предложенной конструкции зависит от количества пикселей, составляющих применяемую матрицу.
Расположение линзы непосредственно на матрице позволяет существенно уменьшить вертикальный размер датчика. В случае спутников формата CubeSat поверхностный монтаж таких датчиков станет возможным прямо на внешних платах корпуса, не встраивая его в поверхность.
Датчик вектора направления на Солнце содержит плоско-выпуклую линзу (1), установленную в отверстии в корпусе датчика (2) по размеру линзы (рис. 1). Матричное фотоприемное устройство (МФПУ) (3) расположено под линзой. Также датчик содержит блок обработки информации и вычисления вектора направления на Солнце (5), соединенный с МФПУ.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При освещении датчика Солнцем (рис. 3), выпуклая поверхность линзы преломляет свет (10) и на МФПУ формируется неравномерное распределение интенсивности излучения (9) (рис. 3, а). Распределение интенсивности симметрично относительно плоскости, проходящей через вектор направления на Солнце и нормаль к поверхности МФПУ (рис. 3, b).
Таким образом, путем обработки полученного распределения интенсивности (9) можно вычислить азимутальный угол направления на Солнце, при котором распределение интенсивности в направлении поперек вектора падения света будет симметричным (12).
Вдоль вектора направления на Солнце в общем случае распределение интенсивности не является симметричным (11). Степень отклонения от симметрии будет зависеть от угла между направлением на Солнце и нормалью к матрице и может быть охарактеризована, например, по расположению центра тяжести фигуры под графиком (11) или другой функциональной зависимостью от распределения интенсивности (рис. 3, с).
Технология изготовления датчика представлена следующими операциями:
Первоначально плоско-выпуклая линза (1) устанавливается в отверстие в корпусе (или элементе корпуса) (2) датчика. Представляется оптимальным приклеить линзу к МФПУ (3) на оптический клей (либо специальный прозрачный компаунд) (4) (рис. 1), для этого на матрицу (3) наносится капля компаунда (4) и устанавливается элемент корпуса с линзой. Такое решение имеет несколько плюсов, в частности: надежная фиксация линзы относительно матрицы и лучшее оптическое сопряжение.
Операция приклеивания, для исключения образования пузырей в слое клея и между неровностями матрицы, выполняется в вакуумной камере.
Выпуклая поверхность линзы выступает над поверхностью корпуса и может освещаться при падении света под углом до 90 градусов от нормали к поверхности установки.