УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

В звездных приборах (далее по тексту ЗП) ориентации космических аппаратов нашли широкое применение каналы геометрического эталона (далее по тексту КГЭ). С помощью этого канала осуществляется материализация приборной системы координат ЗП, а его оптической системе придается свойство нерасстраиваемости [1, 2]. Относительно этой системы координат ЗП производят измерения угловых координат визируемых звезд.
Известные КГЭ имеют внутриприборный осветитель, с помощью которого осуществляется подсветка диафрагмы коллиматора указанного канала. Наличие такого осветителя снижает надежность ЗП, так как при длительном сроке его эксплуатации всегда имеется определенная вероятность выхода из строя источника излучения осветителя.
КГЭ, у которого имеется внутриприборный источник излучения, можно называть активным, без такого источника - пассивным.
Основная идея, заявляемого углоизмерительного прибора заключается в создании пассивного КГЭ, которая реализуется следующим образом:
1. В качестве источника излучения КГЭ используется визируемый ЗП астрономический источник излучения (далее по тексту АИИ).
2. Объектив ЗП и матрица пикселей матричного приемника излучения, например прибор с зарядовой связью (далее по тексту ПЗС), расположенная в фокальной плоскости объектива, в совокупности образуют известный световозвращатель.
Целью данного технического решения является повышение надежности ЗП без усложнения его конструкции, при сохранении его нерасстраиваемости и уменьшение габаритно-массовых характеристик прибора.
Цель достигается тем, что углоизмерительный прибор содержит: канал геометрического эталона, выполненный в виде источника излучения, блока коллиматора, и устройства ввода излучения в объектив звездного канала, объектив звездного канала, в фокальной плоскости которого установлено фотоприемное устройство, и вычислительный блок, при этом объектив звездного канала осуществляет формирование первого точечного изображения от астрономического источника излучения на фотоприемном устройстве, в качестве источника излучения и блока коллиматора канала геометрического эталона используется указанный астрономический источник излучения, имеющий угловые размеры меньше углового поля объектива и расположенный внутри углового поля объектива, при этом устройство ввода излучения в объектив звездного канала и объектив звездного канала осуществляют формирование второго точечного изображения от указанного астрономического источника излучения на фотоприемном устройстве.
Кроме того, предпочтительно, чтобы устройство ввода излучения в объектив звездного канала представляло собой прозрачную плоскопараллельную пластину, на которую может быть нанесено светоделительное покрытие, или отражающее покрытие для формирования второго точечного изображения от астрономического источника излучения на фотоприемном устройстве.
Также предпочтительно, чтобы в качестве фотоприемного устройства использовался матричный приемник излучения типа прибора с зарядовой связью (ПЗС-приемник).
Также предпочтительно, чтобы перед устройством ввода излучения в объектив звездного канала была установлена бленда.
Также устройство ввода излучения в объектив звездного канала может являться защитным стеклом прибора.
Предлагаемое устройство поясняется следующими фигурами:
фиг.1 - оптическая система прибора с каналом геометрического эталона, содержащего источник излучения, блок коллиматора и устройство ввода излучения (аналог);
фиг.2 - оптическая система прибора без канала геометрического эталона со схемой хода лучей в объективе прибора;
фиг.3 - оптическая система предлагаемого прибора (с каналом геометрического эталона) со схемой хода лучей в объективе прибора.
На фиг.1 показана оптическая схема углоизмерительного звездного прибора (аналога) с каналом геометрического эталона [1, 2], содержащего источник излучения, блок коллиматора и устройство ввода излучения. Прибор состоит из объектива 1, представляющего сложную многолинзовую конструкцию, в фокальной плоскости которого расположена, например, матрица пикселей 2 прибора с зарядовой связью (ПЗС) 3. В дальнейшем для наглядности иллюстрации прохождения лучей через объектив, который показан в виде его входной и выходной преломляющей поверхности, в нем представлены его совмещенные главные плоскости НН'. Перед объективом расположено устройство ввода излучения в объектив звездного канала (зеркально-призменная система - моноблок призм) 6. Одна призма представляет собой БкР - 180° (уголковый световозвращатель), а другая дополняет зеркально-призменную систему до плоскопараллельной пластины. Внутри устройства 6 может быть расположен светоделитель 9. Перед входной гранью призмы БкР - 180° установлен блок коллиматор 8. Из блока коллиматора выходят параллельные пучки лучей. Конструктивно этот коллиматор жестко связан с посадочным местом прибора. Изображение его точечной диафрагмы, подсвеченной источником излучения 7, фокусируется на матрице 2. Изображение точечной цели (звезды) также фокусируется на матрице 2. Оптические элементы 7, 8, 6 формируют канал геометрического эталона.
Конструкция угломера выполнена так, что все оптические элементы системы и их жесткие соединения стабильны, т.е. они всегда сохраняют свое геометрическое подобие. Однако в процессе эксплуатации возможны их эксплуатационные пространственные линейные и угловые микроперемещения.
Назначение угломера - определение угловых координат цели (звезды). Перед объективом 1 в его угловом поле (2ΔW) расположена бесконечно удаленная точечная цель (например, звезда). Физически определение координат цели происходит относительно начала точки отсчета на матрице 2, формируемой точечным изображением диафрагмы блока коллиматора. Линия, проходящая через центр точечного изображения и главные точки объектива 1, является визирной линией ЗП. Эта линия в пространстве предметов ЗП в данном приборе перпендикулярна его посадочному месту и является одной из осей его приборной системы координат, относительно которой производится измерение угловых координат визируемых звезд.
Сначала проведем оценку микроперемещений устройства ввода излучений 6 - зеркально-призменной системы. Известно, что в параллельном ходе лучей линейные смещения зеркально-призменной системы на их угловое положение не влияют. Угловые повороты этой зеркально-призменной системы на угловое положение прошедших через нее также не влияют. Призма БкР - 180°, как световозращатель, только поворачивает падающий на нее пучок лучей на 180°. Плоскопараллельная пластина перед объективом 1 также не меняет угловое положение лучей от звезды.
Таким образом, на вход объектива 1 поступают два пучка лучей (от звезды и из канала геометрического эталона).
Теперь оценим влияние микроперемещений элементов 1, 2. Так как после зеркально-призменной системы ход лучей от цели (звезды) и блока коллиматора является совместным, то в силу этого любые микроперемещения линз объектива 1 и матрицы 2 приводит к одновременному и одинаковому смещению изображений цели (звезды) и диафрагмы блока коллиматора по матрице 2. Напомним, что фактическое измерение координат цели в этом приборе осуществляется относительно точечного изображения диафрагмы блока коллиматора. Поэтому микроперемещения элементов 1, 2, приводящие к совместному перемещению изображений цели (звезды) и диафрагмы блока коллиматора, на точность измерения влияния не оказывают.
На фиг.2 представлена оптическая система прибора без канала геометрического эталона со схемой хода лучей в объективе прибора. Прибор состоит из объектива 1 с апертурной диафрагмой (входным зрачком) 5, в фокальной плоскости которого установлена чувствительная площадка 2 приемника излучения 3, подключенным к вычислительному блоку 4. Как правило, чувствительные площадки приемников излучения обладают свойством зеркальности. Поэтому объектив с указанной чувствительной площадкой можно рассматривать как световозвращатель, который обладает следующим известным свойством - отражать обратно входящие в него лучи [1]. Входящий в объектив 1 параллельный пучок лучей сфокусируется на зеркале 2, отразится от него и выйдет из объектива 1 в виде параллельного пучка лучей. Этот вышедший из световозвращателя (объектива 1) пучок лучей всегда строго параллелен входящему пучку лучей и направлен в противоположную сторону.
На фиг.2 приведен частный случай, когда входной зрачок 5 объектива 1 расположен в его передней фокальной плоскости. Это, так называемый, телецентрический ход лучей. На фиг.2 приведено прохождение только крайних лучей пучка, проходящих через край зрачка 5. На этой фиг. видно, что входные и выходные лучи параллельны. Указанное свойство световозвращателя практически сохраняется [2] и при некотором нарушении его геометрической схемы, которое может возникнуть в процессе его эксплуатации под влиянием изменения температуры, вибраций и т.д. При указанном нарушении могут иметь место микрозаклоны и микроперемещения его отдельных элементов (линз объектива 1 и зеркала 2).
На фиг.3 приведена предлагаемая оптическая система ЗП с пассивным КГЭ. Объектив ЗП обозначен поз.1, а поз.2 является матрицей пикселей ПЗС, которая совмещения с задней фокальной плоскостью объектива 1. Объектив 1 и матрица 2 образуют световозвращатель. Пассивный КГЭ представляет собой обычную плоскопараллельную пластину 6 (защитное стекло), установленную параллельно посадочной плоскости ЗП и во входном зрачке 5 объектива 1. Нормаль к пластине 6 параллельна оптической оси объектива. В условиях эксплуатации ЗП указанная параллельность пластины и посадочного места ЗП обеспечивается конструктивными мерами. Из сопоставления фиг.2 и фиг.3 следует, что фиг.3 отличается от фиг.2 только наличием пластины 6. Такая пластина в современных ЗП, изготовленная из радиационностойкого стекла, часто выполняет роль элемента защиты оптики ЗП от радиационного воздействия космического пространства в полете космического аппарата.
Большинство матриц пикселей ПЗС обладает свойством зеркальности, что, как показывает практика создания ЗП, приводит к появлению на матрице точечных бликов. Их появление наглядно показано на фиг.3. Пучок параллельных лучей от визируемой звезды, пройдя последовательно элементы системы 6, 5, 1, сфокусируется в точечное изображение на матрице 2 (в виде искомого изображения звезды). Затем отраженные от матрицы лучи, пройдя последовательно элементы системы 1, 5, 6, 5, 1, опять сфокусируются в точечное изображение на матрице 2 в виде точечного блика, освещенность в котором меньше, чем в изображении звезды. Во всех известных ЗП, в отличие от предлагаемого, осуществляется борьба с данным бликом. Борьба с этим бликом может осуществляться разными способами. Нанесением на пластину 6 высококачественного просветляющего покрытия, наклоном пластины 6 относительно оптической оси объектива 1 или использованием метода амплитудной селекции точечных изображений. В последнем случае изображение звезды обнаруживается ЗП при условии, когда электрический сигнал с приемника излучения от точечного изображения превышает определенный заданный порог.
Работа пассивного КГЭ происходит следующим образом. АИИ (например, звезда или планета, угловые размеры которой меньше углового поля объектива) расположен в угловом поле прибора. Оптическая система ЗП строит его изображение (первое изображение) на матрице пикселей 2. При этом, как было описано выше, на матрице пикселей 2 появится блик (второе изображение). В силу закона отражения точка, лежащая на середине отрезка прямой, соединяющего первое и второе изображение, всегда указывает на угловое положение нормали к пластине 6. Обозначим эту точку буквой С. На фиг.3 приведен случай номинальной геометрии, когда точка С совпадает с фокусом объектива F'. Линия, проходящей через точку С и главные точки объектива 1, является визирной линией ЗП. Эта линия в пространстве предметов ЗП всегда перпендикулярна его посадочному месту и является одной из осей его приборной системы координат, относительно которой производится измерение угловых координат визируемых звезд. При этом возможные эксплуатационные микронарушения геометрической системы относительно пластины 6 практически не приводят к изменению углового положения визирной линии ЗП в его пространстве предметов.
Работа ЗП с пассивным КГЭ происходит следующим образом.
Выбирается АИИ в угловом поле ЗП.
-Производится поиск и обнаружение точечного изображения АИИ на матрице пикселей ПЗС (первое изображение).
- Измеряются и запоминаются в памяти процессора ЗП координаты первого изображения АИИ.
- Производится поиск и обнаружение второго точечного изображения АИИ на матрице пикселей ПЗС.
- Измеряются и запоминаются в памяти процессора ЗП координаты второго изображения АИИ. Следует отметить, что обработка первого и второго точечного изображения производится ЗП практически в реальном масштабе времени.
- По найденным двум координатам вычисляются координаты точки С (как координаты середины отрезка, соединяющего первое и второе точечное изображение). Эти координаты точки С заносятся в память процессора ЗП.
- В дальнейшем координаты визируемых звезд определяются относительно точки С, как начала приборной системы координат.
Вышеописанная процедура определения координат точки С является процессом калибровки ЗП по АИИ.
Оригинальность данного предложения заключается в том, что вред превращается в пользу, вредный блик становится полезным и необходимым изображением.
Эта оригинальность приводит к ряду особенностей построения таких ЗП.
1. Дело в том, что освещенность Е' второго изображения АИИ будет в К раз отличаться от освещенности его первого изображения Е.
2
м
К=тр р, где
т - коэффиент пропускания объектива;
р - коэффициент отражения плоскопараллельной пластины;
м
р - коэффициент отражения матрицы ПЗС.
м
Например, при т=0,85, р=0,08, р=0,5-К=0,0289. Например, при освещенности Е первого изображения Е=1 лк, Е'=0,0289 лк. Поэтому для выравнивания экспозиций первого и второго изображения АИИ на матрице пикселей ПЗС необходимо иметь различное время накопления при обработке указанных двух изображений. Экспозиция это произведение освещенности на время. Освещенности, которую создают разные навигационные звезды на входе оптической системы ЗП, имеют большой разброс (до 100…200 раз). Если в качестве АИИ выбрана планета, то необходимо уменьшать время накопления от первого изображения. Если же в качестве АИИ выбрана относительно слабая звезда, то необходимо увеличивать время накопления от второго изображения. В приведенном выше примере при равенстве экспозиций время накопления между первым и вторым изображением будет различаться в 34,6 раза. Условие равенства экспозиций достаточно условно. На практике время накопления между первым и вторым изображением может различаться на меньшую величину.
2. Для номинальной геометрии рассматриваемого ЗП положение на матрице пикселей второго изображения известно. В этом случае второе изображение будет располагаться симметрично первому изображению относительно точки пересечения оптической оси объектива 1 и матрицы 2 (относительно заднего фокуса объектива 1-F'). Поэтому в случае нарушенной геометрии прибора зона, в которой находится второе изображение, существенно меньше размера линейного поля ЗП (размера матрицы пикселей ПЗС), а положение этой зоны на матрице в силу вышеизложенного примерно известно. Все это приводит к тому, что время поиска второго точечного изображения существенно уменьшится, что является положительным моментом в работе ЗП. Указанная зона поиска соизмерима с величинами нарушения геометрической схемы ЗП и ее размеры будут составлять единицы угловых минут. Центр зоны поиска второго изображения должен располагаться симметрично относительно точки С, координаты которой определены в предыдущем сеансе калибровки по АИИ.
3. Расположение входного зрачка объектива в его передней фокальной плоскости (телецентрический ход лучей) при совмещении с ним плоскопараллельной пластиной 6 является наиболее оптимальным. В этом случае отсутствует виньетирование лучей второго изображения АИИ. Для других вариантов расположения зрачка 5 и пластины 6 будет иметь место некоторое виньетирование второго изображения.
4. Звезды в видимом диапазоне спектра различаются по спектру. Спектр излучения большинства навигационных звезд более интенсивный в красной части спектра по сравнению с ее синей частью. Количество «красных» звезд существенно больше «синих» звезд, которыми для решения задач ориентации КА можно пренебречь (не использовать). Поэтому можно оптимизировать процедуру калибровки ЗП по АИИ за счет использования метода спектральной селекции.
Рассмотрим здесь указанную селекцию на качественном уровне. На пластину 6 наносится спектральный светоделитель. В красной части видимого спектра он имеет высокое пропускание и малый коэффициент отражения. В синей части спектра, наоборот, он обладает высоким коэффициентом отражения и относительно низким коэффициентом пропускания. Для режима калибровки ЗП по АИИ выбираются только «синие» звезды. Тогда в этом случае при условии равенства экспозиций по первому и второму изображению время накопления по этим изображениям будет относительно мало различаться.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов - М.: «Логос», 2007, 248 с.
2. Колосов М.П. Оптика адаптивных угломеров - М.: ООО «СКАН-1», 1997, 212 с.