СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ АПЕРТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКА УГЛОВОЙ ПОЗИЦИИ ОТДАЛЁННОГО ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR FORMATION OF REMOTE RADIATION SOURCE ANGULAR POSITION SENSOR APERTURE CHARACTERISTICS

Изобретение относится к фотоэлектронной измерительной технике и может быть использовано в навигационных, пеленгационных и других прикладных измерительных средствах дистанционного зондирования позиций лучистых источников, имеющих различные энергетические параметры, и касается способа формирования относительной апертурной характеристики датчика угловой позиции отдаленного источника излучения, размещаемого на мобильном объекте.
В измерительных средствах дистанционного зондирования позиции лучистых источников, определяющих углы отклонения их центров от главной оптической оси базовой системы координат мобильного объекта, используют принцип абсолютного или относительного измерения физических величин.
Принцип абсолютного измерения величин при построении измерительных инструментов для определения позиции источника излучения во многих практических случаях целесообразен, так как он требует минимум бюджетных ресурсов, но обычно используется только тогда, когда энергетика источника априорно известна и постоянна. Например, Солнце обычно считают таким источником, а варианты построения измерительных средств на его основе изложены в патентах RU 2525634 от 20.08.2014 и RU 2538355 С2 от 10.01.2015.
Принцип относительного измерения значений физических величин при построении дистанционных измерительных устройств более предпочтителен, хотя и требует для своей реализации дополнительные аппаратные ресурсы - масса, объем, электропотребление, время. Дело в том, что этот принцип позволяет устранить недостатки абсолютного - необходимость исходного энергетического постоянства источника излучения при определении его положения. Кроме того, он также существенно уменьшает влияние вариаций параметров внешней среды и средств измерения на результаты измерений. Примеры построения измерительных средств на его основе доступны в патентах RU 2399063 от 16.12.2008 и RU 2526218 от 25.06.2014. Приведенные примеры показывают, что сегодня эти дополнительные ресурсы уже не оказывают решающего значения на выбор указанного принципа измерения и все определяет поставленная задача.
Детектор излучения - основной функциональный элемент любого фотоэлектрического измерительного инструмента. Из пассивных детекторов излучения для его построения в настоящее время предпочтение отдают полупроводниковым фотовольтаическим фотодиодам, которые не имеют электрический ток (темновой ток) в замкнутой цепи при отсутствии падающего на них излучения, что позволяет поддерживать в процессе преобразования линейную пропорциональность между фототоком и потоком излучения. Последнее очень важно при дистанционном зондировании позиции источника света с помощью пассивных детекторов излучения, так как это существенно упрощает процедуру измерительного процесса.
Сейчас в измерительной технике находят применение четыре формы чувствительных поверхностей пассивных детекторов излучения: торцево-плоская,фронтально-плоская, полуцилиндрическая и полусферическая. Это уже что-то по отношению к одной из них ранее, так как каждая форма поверхности пассивного детектора излучения имеет свою индивидуальную угловую зависимость фототока от падающего на нее потока источника излучения. Используя различные сочетания поверхностей пассивных детекторов излучения, можно за счет их разнообразия или количества минимизировать аппаратные ресурсы измерительных средств.
Фотоэлектронная измерительная техника предусматривает преобразование детектором излучения падающего лучистого потока источника в электрический ток. Однако его фототок будет другим по величине, если есть экранирование чувствительной поверхности детектора излучения предметом, непрозрачным для света, падающего на нее под тем или иным углом. Это значит, что при создании измерительного инструмента для дистанционного зондирования позиции источника излучения, различные предметы, которые находятся или размещаются на пути между источником и детектором излучения, могут влиять на величину угла и вид апертурной характеристики такого преобразователя «излучение - фототок».
Измерительный инструмент для дистанционного зондирования позиции источника излучения, размещаемого на мобильном объекте, это не один детектор излучения, а определенный вариационный функциональный набор:
- пассивных детекторов излучения в виде фотовольтаических диодов, имеющих различные фоточувствительные поверхности;
- разнообразных экранирующих от падающего излучения предметов;
- пассивных и активных электрических преобразователей.
При этом, все они, так или иначе, ориентированы и фиксированы между собой как единое целое измерительное средство.
Указанная совокупность взаимоувязанных функциональных элементов образует датчик угловой позиции отдаленного источника излучения (далее - датчик позиции), призванный обеспечивать достоверными результатами мобильный объект об отклонении центра отдаленного источника излучения относительно его базовой системы координат.
Таковы исходные принцип, подход и последние технологические уровни измерительной техники, применительно к дистанционному зондированию позиции источника излучения относительно мобильного объекта, которые взяты за основу в патентуемом изобретении.
Из опубликованных патентов, где используется подход экранирования тенью плоскостей светонепроницаемых предметов излучение источника, падающего на датчик позиции, остановимся на изложенных материалах RU 2002214 С1 от 30.10.1993 и RU 2526218 от 25.03.2014, обладателем которых является Институт космических исследований Российской Академии Наук.
«Способ определения отклонения координат Солнца относительно базовой системы координат измерительной системы», изложенный в патенте RU 2002214С1 от 30.10.1993, включает:
- разделение светового потока Солнца светонепроницаемыми экранами на четыре части;
- преобразование этих частей в электрические сигналы с помощью набора светочувствительных элементов, лежащих в базовой плоскости перпендикулярно светонепроницаемому экрану;
- вычисление единичного вектора координаты направления на Солнце с помощью ЭВМ.
Преимущество способа в том, что только от высоты экранов зависит величина углового сектора обзора, где определяются координаты Солнца относительно базовой системы координат измерительной системы.
Однако устройству, реализующему запатентованный способ, необходима ЭВМ. В этом его недостаток, так как для реализации способа требуются довольно емкие параметры измерительных средств: масса, объем, электропотребление и время вычисления координаты единичного вектора направления на Солнце.
«Устройство Глазкова определения углового положения источника света и способ Глазкова его работы», изложенные в патенте RU 2526218 от 25.03.2014, заключается в том, что в нем используют также теневой подход экранирования излучения источника посадочной плоскостью мобильного объекта. Там регистрируют составляющие падающего светового потока с помощью пары противоположно-ориентированных фотодетекторов, у которых полусферические чувствительные поверхности и определяют по результатам преобразования ими лучевого потока в ток направление на источник излучения аналого-цифровым преобразователем, имеющим внешнюю плавающую опору в виде суммы сигналов, получаемых от двух аналогичных фотодиодов устройства Глазкова.
3
Очень важно, что устройство и способ его работы позволяют минимизировать, при реализации им измерительного процесса, бюджетные параметры детектора позиции. Сегодня они уже могут быть не более чем: по массе - 50 г, в объеме - 2 см, по электропотреблению - 200 мВт, а быстродействию - 10 мкс. Кроме того, он, к тому же, может быть полностью автономным от мобильного объекта.
К сожалению, наряду с указанными преимуществами, имеется и недостаток - отсутствие у него простого механизма формирования величины углового сектора обзора, где определяются координаты отклонения Солнца относительно оптической оси измерительной системы. Он там фиксирован.
Патентуемое изобретение - «Способ и устройство формирования относительной апертурной характеристики датчика угловой позиции удаленного источника излучения» - призвано устранить отмеченные выше недостатки патентов RU 2002214 С1 от 30.10.93 и RU 2526218 от 25.03.2014.
Изобретение представляет собой техническое решение, в котором:
- берут базовый фотовольтаический диод, имеющий квадратную фронтально-плоскую чувствительную поверхность и косинусную зависимость фототока от углового падения на него потока отдаленного источника излучения;
- размещают базовый фотодиод на фундаментальном посадочном месте мобильного объекта;
- устанавливают вертикально чувствительной поверхности базового диода две светонепроницаемые плоские стенки одинаковой высоты, так чтобы падающий на детектор излучения лучистый поток источника экранировался ими, преобразуя тенями от стенок боковые склоны косинусной характеристики базового детектора излучения в апертурную характеристику датчика излучения;
- регистрируют по характеристике датчика излучения амплитуду его выходного тока в момент преобразования им лучистого потока источника;
- определяют аналого-цифровым преобразователем отношение тока датчика излучения к сумме токов двух диодов, размещенных на установленных боковых плоских стенках, но фиксированных с обратных их сторон.
Именно это и является конечным результатом формирования относительной апертурной характеристики датчика излучения.
Устройство, реализующее способ, просто в функциональном и элементном плане. Три фотовольтаических диода, две светонепроницаемые стенки, два преобразователя «фототок-напряжение» и один аналого-цифровой преобразователь составляют все устройства.
Его базовые бюджетные параметры соизмеримы с параметрами устройства, описанного в патенте RU 2526218 от 25.03.2014.
Сущность патентуемого изобретения, как технического решения, выражается в воплощении там набора двух признаков:
- формирование апертурной характеристики датчика излучения, реализуемой за счет теней от двух плоских боковых вертикальных стенок, когда только их высота задает угловую величину сектора обзора датчика позиции;
- представление ее в относительном виде и цифровым кодом, что достигается путем использования в устройстве двух дополнительных фотодиодов с полуцилиндрическими чувствительными поверхностями, размещаемых на вертикальных стенках с обратных их сторон, а также одного аналого-цифрового преобразователя, имеющего внешнюю плавающую опору в виде суммы сигналов от них.
Новизна патентуемого способа формирования апертурной характеристики датчика угловой позиции отдаленного источника излучения (далее - способа) состоит в том, что там впервые для определения позиции источника излучения использованы пассивные детекторы, имеющие различные формы чувствительных поверхностей - фронтально-плоская и полуцилиндрическая, которые затенены, но в разной степени, при падении на них частей потока излучения источника, и это позволяет формировать апертурную характеристику датчика позиции.
Излучение источника и преграды на его пути - неразрывные атрибуты патентуемого способа и устройства, его реализующего. В тенях нет излучения, падающего на чувствительные поверхности фотодиодов, которые порождают светонепроницаемые стенки и фундаментальная посадочная плоскость мобильного объекта, где жестко крепится датчик позиции.
Только форма и площадь теней от двух вертикальных стенок задает собой величину сектора углового обзора, где определяется отклонение центра источника излучения от оптической оси датчика позиции в момент регистрации им лучевого потока.
Наличие теней от фундаментальной посадочной плоскости устройства, которая экранирует часть потока излучения источника, падающего на боковые фотодиоды, позволяет реализовать относительность измерительного процесса, когда на его результаты мало влияют как внешние факторы окружающей среды, так и параметры датчика позиции.
Описанные признаки и подход, по мнению автора изобретения, еще не встречались в технике дистанционного зондирования позиции источника излучения, и, следовательно, можно считать их существенными.
Набор фигур, приведенных ниже, демонстрирует, в той или иной степени, основные моменты патентуемого изобретения, в котором:
Фиг. 1 - Схема дистанционного зондирования позиции источника излучения измерительным устройством, которое установлено на фундаментальной посадочной плоскости мобильного объекта;
Фиг. 2 - Вид измерительного устройства;
Фиг. 3 - Вид апертурной характеристики базового детектора излучения;
Фиг. 4 - Вид апертурной характеристики детектора излучения при экранировании его чувствительной поверхности тенью одной стенки;
Фиг. 5 - Вид апертурной характеристики детектора излучения при экранировании его чувствительной поверхности тенями двух стенок;
Фиг. 6 - Вид суммарной апертурной характеристики детекторов излучения, расположенных на боковых экранирующих стенках устройства;
Фиг. 7 - Вид относительной апертурной характеристики датчика позиции на выходе аналого-цифрового преобразователя.
Фиг. 8 - Блок-схема устройства, реализующего способ.
Следует отметить, что все величины токов апертурных характеристик, изображенных на Фиг. 3 - Фиг .6, при их построении нормированы относительно максимального тока базового фотодиода, который в каждом конкретном случае имеет свое значение. Начнем с описания Фиг. 1.
Технология формирования относительной апертурной характеристики измерительного средства патентуемым способом базируется на том, что размеры и форма элементов, определяющие ее угловые параметры, а также их ориентация и фиксация относительно друг друга, в датчике позиции взаимоувязаны между собой системой координат BOHJ. Это правомерно, если ее оси параллельны осям прямоугольной системы координат XOYZ, отображающей положение центра источника лучистого потока и оптической оси устройства, реализующего патентуемый способ. Именно это и демонстрирует Фиг. 1, где:
1 - размеры поля обзора в градусах, представленные в прямоугольной системе координат XOYZ, в которых возможно дистанционное измерение положения источника лучистого потока с мобильного объекта;
s
2
2 - источник лучистого потока, например Солнце, облученность от которого в районе мобильного объекта E составляет порядка 1367 Вт/м;
3 - устройство, реализующее способ, которое фиксировано на фундаментальной посадочной плоскости мобильного объекта в пределах прямоугольной системы координат BOYJ;
4 - фундаментальная посадочная плоскость мобильного объекта, где размещено устройство, реализующее способ.
На Фиг. 2 изображено само устройство, реализующее способ, с привязкой его конструкции к системе прямоугольных координат BOYJ. Здесь:
4 - фундаментальная посадочная плоскость мобильного объекта, где размещено устройство, реализующее способ;
5 - подвал устройства, в котором сосредоточена его электроника;
6 - первый боковой детектор излучения, у которого полуцилиндрическая чувствительная поверхность;
7 - первая светонепроницаемая вертикальная стенка (ее торец), маскирующая поток источника излучения 2, падающего на базовый детектор излучения устройства;
8 - базовый детектор излучения с фронтально-плоской чувствительной поверхностью;
9 - вторая светонепроницаемая вертикальная стенка, маскирующая поток источника излучения, падающего на базовый детектор излучения устройства;
10 - второй боковой детектор излучения, у которого полуцилиндрическая чувствительная поверхность;
h - высота светонепроницаемой вертикальной стенки;
b - длина и ширина чувствительной поверхности базового детектора излучения 8.
Исходя из Фиг. 1 и Фиг. 2, но только для случая построения устройства, когда отсутствуют вертикальные стенки 7 и 9, правомерно записать следующее выражение для фототока базового диода, имеющего фронтально-плоскую чувствительную поверхность:
s
2
E - Облученность (Вт/м);
2
А - Фотоэлектрический параметр детектора излучения, равный - k*S*b,
где
k - Квантовая эффективность детектора излучения;
s - Крутизна при нормальном падении на детектор лучистого потока, которая соответствует его токовой чувствительности (А/Вт);
b - Длина одной из сторон детектора излучения (м);
cos (х) и cos (у) - Угловые зависимости фототока детектора излучения от падающего на него потока излучения.
Для наглядности Фиг. 3 визуализирует представленное выше выражение, которое фактически описывает вид апертурной характеристики фотодиода с фронтально-плоской чувствительной поверхностью и косинусной зависимостью его тока от углового падения на него излучения источника.
Однако, если установить с одного бока базового детектора излучения 8 вертикальную стенку 9 высотой h, как это изображено на Фиг. 2, то при падающем на него лучистом потоке источника 2 в пределах углов х у (плюс/минус 90°) выражение, описывающее его фототок, будет выглядеть несколько иначе:
где h/b - коэффициент маскирования излучения, падающего на базовый фотодиод 8.
Его отличие от предыдущего выражения для тока базового диода устройства заключается в появлении фототока в электрической цепи детектора излучения 8, только тогда, если выполняется условие, когда cos(x)>sin(x)*h/b. Это означает, что высотой h затеняющей стенки определяется величина углового сектора обзора, в котором измеряется отклонение центра источника излучения от оптической оси измерительного устройства его апертурной характеристикой. Так, например, в случае, когда h/b=1,5, то апертурная характеристика датчика позиции источника излучения вдоль из одной его осей координатной системы X будет изображаться в виде, показанным на Фиг. 4. Характерно, что ее склоны не идентичны относительно нулевой оси системы координат такого устройства.
При наличии у пассивного детектора излучения двух боковых затеняющих вертикальных стенок, каждой высотой h, что и обрисовывает Фиг. 2, вполне очевидно следующее выражение для апертурной характеристики датчика позиции источника излучения вдоль одной из осей X его координатной системы:
Выражение (1) является основополагающим при формировании склонов апертурной характеристики датчика позиции, а их изображение, например, для случая h/b=15 выглядит в виде, представленном на Фиг. 5.
Из изложенного нетрудно увидеть, что с увеличением высоты экранирующих стенок угловой обзорный сектор датчика позиции сужается, но при этом линейность склонов его апертурной характеристики быстро растет. И другое. Изменяя высоту стенок h, можно в широких пределах менять измерительные параметры устройства - сектор углового обзора и погрешность определения отклонения центра отдаленного источника от его оптической оси, который реализует способ формирования апертурной характеристики датчика позиции.
Как известно, относительное измерение - измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой как исходная. В патентуемом способе эта величина называется номинальный масштабный фактор. Он соответствует нулевому угловому отклонению центра источника излучения от оптической оси измерительного устройства и играет роль единицы в пределах всего углового сектора плюс/минус 90° вдоль оси X прямоугольной системы координат XOYZ. При переходе к относительным измерениям он не влияет на форму склонов апертурной характеристики устройства, но зато подавляет вариации параметров внешней среды и датчика позиции источника излучения на результаты измерений.
Для перевода абсолютных величин апертурной характеристики устройства, реализующего патентуемый способ, в относительные их значения, в его состав добавлены два дополнительных фотодиода с полуцилиндрическими чувствительными поверхностями. Они размещены на вертикальных затеняющих стенках равной высоты h, как это видно из Фиг. 2. Кроме того, в нем использован один аналого-цифровой преобразователь, имеющей внешнюю плавающую опору в виде суммы сигналов от этих фотодиодов, которые и осуществляют эту операцию.
Если обратиться к Фиг. 2, то видим, что чувствительные поверхности фотовольтаических диодов 6 и 10, размещенные на вертикальных стенках 7 и 9, смотрят в противоположные стороны вдоль координатной оси X устройства и, следовательно, сумма их фототоков, порождаемых излучением источника в пределах сектора обзора в 180°, может быть представлена как:
s
2
E - Облученность (Вт/м);
1
1
2
А - Фотоэлектрический параметр детекторов излучения. A=k*s*b*m,
где
k - Квантовая эффективность детекторов излучения;
s - Крутизна при нормальном падении на детектор лучистого потока, которая соответствует его токовой чувствительности (А/Вт);
b - Длина чувствительной поверхности детектора излучения (м);
m=0, 3183 - коэффициент эффективности площади полуцилиндрической поверхности одного детектора излучения;
[l+sin(x)], [l-sin(x)] и cos (у) - угловые зависимости фототоков детекторов излучения от падающего на них потока излучения в прямоугольной системе координат XOYZ.
Выражение (2) описывает значение величин номинального масштабного фактора устройства, реализующего патентуемый способ, который представляет собой апертурную характеристику суммы токов двух фотодиодов, имеющих полуцилиндрические чувствительные поверхности.
Для наглядности, в рамках прямоугольной системы координат XOYZ, на Фиг. 6 показан вид апертурной характеристики суммы токов двух идентичных фотодиодов 6 и 10, которые в устройстве ориентированы противоположно друг другу вдоль координаты X, как это видно из Фиг. 2.
Фиг. 6 убедительно демонстрирует, что достаточно всего двух фотодиодов, которые имеют полуцилиндрические чувствительные поверхности, фиксированные на вертикальных экранирующих стенках устройства, когда их апертурная характеристика соответствует необходимым требованиям, предъявляемым к номинальному масштабному фактору устройства.
1
Тогда, если при построении устройства (см. Фиг. 2), реализующего патентуемый способ, изначально выдерживается равенство площади базового фотодиода 8 и суммы эффективных площадей двух идентичных боковых детекторов излучения 6 и 10, что соответствует случаю, когда A=A в выражениях (1) и (2), то при подаче токов от диодов, после их преобразования в напряжения с помощью преобразователей «ток-напряжение», на входы (позиционный и опорный) аналого-цифрового преобразователя, который размещается в подвале 5 устройства, будем иметь достоверное выражение для относительной амплитудной характеристики датчика позиции:
n - Число разрядов используемого аналого-цифрового преобразователя.
На Фиг. 7(а) и (б) для двух устройств, реализующих патентуемый способ, но выполненных с различными по высоте экранирующими вертикальными стенками: Фиг. 7(а) - h/b=1,5 и Фиг. 7(б) - h/b=1,5, визуализированы их относительные амплитудные характеристики. Изображения характеристик, построенные на основании выражения (3), демонстрируют возможности патентуемого способа формирования относительной апертурной характеристики датчика позиции.
Что касается самого устройства, реализующего патентуемый способ, то оно представлено блок-схемой, изображенной на Фиг. 8. Здесь видны все функциональные его элементы и их взаимосвязь друг с другом.
Технико-экономические достоинства патентуемого изобретения заключаются в том, что для его реализации достаточны минимальные строительные ресурсы: масса, объем, энергопотребление и время. Оно легко осуществимо на аналоговом и аналого-цифровом уровнях, не требует ЭВМ. Устройство, реализующее способ, высоконадежно из-за малого числа последовательных звеньев измерительного тракта. Его надежность может быть предельно высокой за счет многократного резервирования датчика позиции в целом. Быстродействие, по существу, ограничивается только выбранной элементной базой и соответствующим ей энергетическим ресурсом активных элементов устройства. Оно может быть автономным от мобильного объекта, за исключением размещения на нем. Блок-схема самого устройства представлена на Фиг. 8, где:
1-3
- R - результирующие нагрузочные сопротивления детекторов излучения;
- VD1 - VD3 - фотовольтаические фотодиоды 6, 10 и 8, виды чувствительных поверхностей которых показан на Фиг. 2;
- 11, 12 - преобразователи «ток-напряжение»;
- 13 - аналого-цифровой преобразователь.
Все электронные компоненты в устройстве размещены в подвале датчика позиции и защищены от негативных внешних факторов среды композитным материалом.
Примеры видов апертурной характеристики фотовольтаического диода VD3 с фронтально-плоской чувствительной поверхностью на входе преобразователя «ток-напряжение» 12 показаны на:
- Фиг. 3 для варианта построения датчика позиции, когда отсутствует боковое экранирование базового диода боковыми стенками;
- Фиг. 4 для варианта построения датчика позиции, когда экранирование осуществляется с одной боковой стороны;
- Фиг. 5 для варианта построения датчика позиции, когда экранирование осуществляется с двух боковых сторон.
Пример вида апартурной характеристики суммы фототоков диодов VD1 и VD2, имеющих полуцилиндрическую чувствительную поверхность на входе преобразователя «ток-напряжение», изображается Фиг. 6.
Примеры видов относительных апертурных характеристик датчика позиции отдаленного источника излучения визуализированы на Фиг. 7а и Фиг. 7б.