ОПТИЧЕСКИЙ СОЛНЕЧНЫЙ ДАТЧИК
OPTICAL SOLAR SENSOR

Изобретение относится к статическим прецизионным приборам ориентации по солнцу (ПОС), которые предназначены для использования в составе систем ориентации и автономной навигации космических аппаратов (КА).
ПОС вырабатывает цифровые сигналы, пропорциональные отклонению направления на центр Солнца относительно приборной системы координат и, в паре с прибором ориентации по Земле, позволяет осуществлять трехосную стабилизацию космического аппарата по крену, тангажу и рысканью. Широкое использование ПОС в космической технике обусловлено тем, что в околоземном пространстве солнечное излучение имеет высокую интенсивность (133000 люкс) и достаточно малую расходимость потока излучения - до 32,5 минут.
Из уровня техники известны датчики положения источника излучения, выполненные на матричном фотоприемном устройстве (МФПУ), которые описаны в патентных источниках (US 4792245, МПК G01J 1/20, НПК 250/203, публ. 27.12.1988) /1/, (US 6853445, МПК G01J 1/20, НПК 35/121, публ. 02.08. 2005) /2/. Известные устройства обеспечивают контроль ориентации космического аппарата и содержат камеру, выполненную с входным окном в виде щели или щелей либо с входным окном, в котором установлен простейший оптический элемент, МФПУ, электронный блок, вырабатывающий сигнал, представляющий угол, под которым излучение падает на датчик. Известные датчики имеют ограниченное поле обзора, что связано с конструкцией входного окна и оптическими свойствами МФПУ, которое при больших углах (более 68°) теряет чувствительность. Применение МФПУ в ПОС статического типа по сравнению с предшествующими приборами позволяет избежать сложной конструкции прибора (уменьшение массы, габаритов, электропотребления), что чрезвычайно важно для приборов бортового базирования на КА.
Универсальный современный ПОС должен обладать комплексом характеристик:
- полусферическое поле зрения;
- минимальные габариты, масса, энергопотребление;
- угломерная погрешность менее 1 угловой минуты по всему полю зрения.
Типичный прецизионный ПОС содержит широкопольный входной оптический элемент, кодовую маску на стеклянной пластине, фоточувствительный преобразователь с защитным стеклом, интерфейсную электронику, которая преобразовывает текущие сигналы в цифровые сигналы, поступающие к процессору контроля ориентации КА (US 6310336, НКИ 250/203.4, публ. 30.10.2001) /3/. В патенте отсутствует описание конструкции оптической системы датчика, но приводятся данные по точности измерения угловых координат Солнца, которую он обеспечивает - 0,1 градуса, что недостаточно для современных ПОС.
Задача получения полусферического поля зрения 180°×180° была решена в оптическом солнечном датчике (US 5914483, МПК G01J 1/20, НПК 250/203.4, публ. 22. 06.1999) /4/, который содержит цилиндрическую линзу с двумя входными и выходными щелями, защитные линзы, фотоприемную линейку и блок обработки информации. Линейная координата, соответствующая определенному углу падения излучения, образуется в фотоприемной линейке при вращении КА, поэтому известный солнечный датчик не может быть использован в стабилизированных КА.
Известен датчик угловой координаты Солнца в системе координат КА (RU 2244263 C1, МПК 7 G01C 21/24, G01J 1/20, публ. 10.011.2005) /5/, который содержит оптический спектральный фильтр, щелевую маску, многоэлементный фоточувствительный приемник, состоящий из элементарных фоточувствительных фотоприемников, расположенных друг за другом на кривой второго порядка, что позволяет исключить тригонометрические вычисления и расширить поле зрения. Данный датчик не технологичен в исполнении и не нашел практического применения.
Солнечный датчик (SU 1779932, 5 МПК G01C 21/24, публ. 07.12.92) /6/ для расширения поля зрения имеет сложную диафрагму, выполненную в виде сферического круга, на котором расположены дифракционные отверстия, соединенные с фотоприемным устройством оптическими волокнами. В связи с технологической сложностью выполнения известный датчик также не нашел практического применения.
О проблемах реализации широкоугольных объективов сообщается в обзорной статье (А.Я.Гебгарт. Особенности проектирования некоторых типов особоширокоугольных объективов. © 2010 г., ОАО НПП «Геофизика - Космос», Москва. «Оптический журнал», 77, 9, 2010, 05.05.2010) /7/ 111, в которой проводится анализ существующих особоширокоугольных объективов с угловым полем порядка 180° для статических приборов ориентации космических аппаратов на Солнце и по Земле и формулируются требования к объективам для таких высокоточных приборов. Рассматриваются особенности проектирования этих объективов. Приводятся и анализируются схемы разработанных четырехлинзовых объективов, которые имеют практически одинаковую разрешающую способность датчика по всему полю зрения. Средний угловой размер пикселя датчика Солнца с использованием широкоугольного объектива составляет порядка 11 угловых минут при формате матрицы 1024×1024 элементов. С таким угловым размером пикселя очень сложно получить точность определения угловых координат менее 1 угловой минуты.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения по назначению, достигаемому результату и большинству совпадающих существенных признаков является датчик углового положения солнца (RU 2308005 C1, 6 МПК G01C 21/24, G01J 1/20, дата публ. 10.10.2007) /8/, принимаемый за прототип настоящего изобретения. Датчик содержит оптическую систему, выполненную в виде широкоугольного объектива, состоящего из входной и выходной плоско-выпуклых линз, между которыми размещена диафрагма (кодовая маска), в отверстии которой расположен оптический элемент. Светофильтр расположен перед МФПУ, который соединен с входом блока обработки информации и вычисления угловых координат. Оптический элемент, установленный в отверстии диафрагмы, и соотношение коэффициентов преломления обеспечивают поступление сигнала от источника излучения на МФПУ в пределах полусферы поля зрения без больших потерь светового потока за счет исключения эффекта полного внутреннего отражения, а использование МФПУ плоского типа делает прибор дешевым и технологичным.
Однако использование в конструкции датчика-прототипа элементов фокусирующей оптики в виде входной и выходной плоско-выпуклых линз при попадании на них солнечного излучения высокой интенсивности, характерной для околоземного пространства, может привести к фокусированию излучения и выходу из строя МФПУ, что снижает надежность датчика. Поэтому при конструировании ПОС желательно избегать использования фокусирующей оптики.
На приведенной оптической схеме датчика неверно показано наличие преломления луча, проходящего через центр кривизны выходной линзы.
Недостатки датчика-прототипа состоят в недостаточно высокой точности определения угловых координат Солнца, что обусловлено:
- неравномерностью распределения разрешающей способности датчика по всему полю зрения 180°×180°;
- нелинейностью зависимости смещения изображения кодовой маски на МФПУ от угловых координат Солнца, что приводит также к снижению разрешающей способности датчика.
Оптическая система известного датчика обладает неустранимой кривизной поля, что приводит к значительному изменению размера изображения диафрагмы (кодовой маски) от центра к краю поля зрения.
Нелинейность зависимости смещения светового излучения, прошедшего через оптическую систему от угла падения, обусловлена тем, что световое излучение проходит через окно диафрагмы в центре кривизны выходной линзы, поэтому на выходе линзы не преломляется и величина смещения излучения определяется по формуле: Δ=H·tgU′, где H - расстояние от центра кривизны выходной линзы до плоскости чувствительных площадок МФПУ, U′ - угол наклона излучения при выходе из выходной линзы. При этом средний угловой размер пикселя при формате матрицы 1024×1024 элемента составляет порядка 10 угловых минут, из-за нелинейности на краю поля зрения угловой размер пикселя составляет 3-4 угловых минуты, а в центре поля зрения 30-40 угловых минут.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение точности определения угловых координат Солнца менее 1 угловой минуты по всему полю зрения 190°×190° за счет повышения разрешающей способности датчика, а также обеспечения равномерности распределения разрешающей способности датчика по всему полю зрения за счет исключения нелинейной зависимости смещения изображения кодовой маски на МФПУ от угла падения светового излучения.
Указанные технические результаты достигаются тем, что оптический солнечный датчик содержит последовательно расположенные широкопольный входной оптический элемент, выполненный из радиационно-стойкого стекла, кодовую маску, светофильтр, защитное стекло и МФПУ, выход которого подключен к блоку обработки информации и вычисления угловых координат.
Согласно изобретению широкопольный входной оптический элемент выполнен в виде составного моноблока и имеет форму четырехугольной призмы, боковые грани которой под заданным углом β имеют наклон к вертикальной оси составного моноблока, который 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.
В предпочтительном варианте выполнения оптический солнечный датчик имеет следующие отличия:
- угол α при вершине центральной призмы составляет 66°;
- угол β наклона боковых граней составного моноблока к вертикальной оси составляет 10°;
- кодовая маска выполнена на стеклянной подложке, на поверхности которой вакуумным напылением нанесен непрозрачный слой хрома, в котором методом фотолитографии выполнены пять прозрачных идентификационных маркеров;
- идентификационные маркеры кодовой маски выполнены в форме четырехугольных окон, различающихся по форме и размерам;
- светофильтр выделяет область светового излучения со средней длиной волны λср=650 нм;
- верхняя пластина светофильтра выполнена из красного оптического стекла;
- нижняя пластина светофильтра выполнена из сине-зеленого оптического стекла;
- зеркальное покрытие боковой призмы нанесено вакуумным напылением алюминия и имеет защитную пленку кварца;
- в качестве поглощающего покрытия боковых граней центральной призмы использована черная глубокоматовая эмаль.
Оптический солнечный датчик в отличие от прототипа позволяет получить не одно, а составное поле зрения, которое формируют пять призм составного моноблока и для каждого поля зрения используются все элементы МФПУ, что позволяет увеличить разрешающую способность датчика во всем поле зрения более чем в 2,5 раза по сравнению с прототипом. Использование стеклянных светофильтров с показателем преломления порядка 1,5 обеспечивает линейную зависимость величины смещения падающего светового излучения относительно кодовой маски в диапазоне углов падения излучения до 65°.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
На фиг.1 приведен чертеж оптического солнечного датчика, поперечное сечение.
Фиг.2 - оптический солнечный датчик, сечение A-A.
Фиг.3 - оптический солнечный датчик, сечение Б-Б.
Фиг.4 - кодовая маска, сечение B-B.
Фиг.5 - оптический солнечный датчик, внешний вид, в аксонометрии.
Фиг.6 - развертка боковой призмы.
Фиг.7 - диаграмма полей зрения оптического солнечного датчика.
Фиг.8 - сравнительные графики зависимости величины смещения изображения Δ/H, (в относительных единицах) от угла падения U (в угловых градусах) падающего светового излучения, где H (в мм) - расстояние между кодовой маской и поверхностью чувствительных площадок МФПУ для заявляемого изобретения (график 1) и прототипа (график 2).
Оптический солнечный датчик содержит широкопольный входной оптический элемент, выполненный в виде составного моноблока и имеет форму четырехугольной призмы (фиг.5), боковые грани которой под заданным углом β имеют наклон к вертикальной оси составного моноблока (фиг.2). Составной моноблок (фиг.1-3) содержит соединенные между собой оптическим клеем центральную призму 1 в форме четырехугольной усеченной правильной пирамиды, вершина которой обращена вниз и имеет заданный угол α при ее вершине, боковые грани которой имеют поглощающее покрытие (на чертеже не показано), четыре боковые одинаковые призмы 2, 3, 4, 5 в форме четырехугольных неправильных пирамид, одна из граней каждой призмы имеет зеркальное покрытие (фиг.6) и этой гранью соединена с соответствующей поглощающей гранью центральной призмы 1. Зеркальное покрытие одной из граней каждой боковой призмы 2, 3, 4, 5 нанесено вакуумным напылением алюминия и имеет защитную пленку кварца. В качестве поглощающего покрытия боковых граней центральной призмы 1 использована черная глубокоматовая эмаль.
Составной моноблок опирается на поверхность кодовой маски 6, которая установлена на светофильтре со средней длиной волны λср=650, который содержит верхнюю пластину 7 из красного оптического стекла и нижнюю пластину 8 из сине-зеленого оптического стекла, которая установлена на защитном стекле 9 МФПУ 10, выход которого выводами 11 подключен к блоку обработки информации и вычисления угловых координат (на чертеже не показаны).
Кодовая маска 6 выполнена на стеклянной подложке, на поверхности которой вакуумным напылением нанесен непрозрачный слой хрома, в котором методом фотолитографии выполнены пять прозрачных идентификационных маркеров 12, 13, 14, 15, 16 (фиг.4), различающихся по форме и размерам. Центральный идентификационный маркер 12 совмещен с вертикальной осью симметрии центральной призмы 1 для идентификации светового излучения центральной призмы 1, а четыре идентификационных маркера 13, 14, 15, 16 симметрично расположены вокруг центрального идентификационного маркера 12 для идентификации светового излучения от каждой из боковых призм 2, 3, 4, 5, соответственно.
В предпочтительном варианте выполнения идентификационные маркеры кодовой маски выполнены в форме прямоугольных окон, различающихся один от другого по форме и размерам, при этом четкие границы прямоугольных окон позволяют упростить процедуру их распознавания на МФПУ. Место расположения прямоугольных окон 13, 14, 15, 16 для входа светового излучения с выходов боковых призм 2, 3, 4, 5 выбрано из условия наибольшего приближения их к оси симметрии датчика, являющейся его осью чувствительности, с учетом технологических возможностей этого приближения.
В конкретном примере выполнения оптического солнечного датчика угол α при вершине центральной призмы 1 составляет 66°; а угол β наклона боковых граней составного моноблока к вертикальной оси составляет 10°. Для расчета значений углов α и β исходя из заданной геометрии хода лучей для поля зрения датчика 190°×190° данного типа квадратной матрицы и изображения на матрице окна прямоугольной формы использована специально разработанная программа «Математическое моделирование алгоритмов обработки сигнала для статического прибора ориентации на Солнце».
Оптический солнечный датчик функционирует следующим образом. Каждый элемент составного моноблока формирует свою часть поля зрения и каждое из полей зрения поступает на всю поверхность фоточувствительных площадок МФПУ 10, что приводит к уменьшению цены деления пикселя матрицы и повышению разрешающей способности датчика в 2,5 раза по сравнению с известными датчиками. Как показано на диаграмме общего поля зрения датчика (фиг.7) поле 17 сформировано центральной призмой 1 и составляет 100°, поля зрения 18, 19, 20, 21, сформированные каждой боковой призмой 2, 3, 4, 5, соответственно, составляют 50°×100°. Поля зрения центральной и боковых зон незначительно перекрываются друг с другом, что обеспечивает непрерывность ориентации при переходе из одной зоны в другую. Величина угла α при вершине центральной призмы 11 составляет 66°, что обеспечивает получение центрального поля зрения 17. Угол β наклона внешних граней боковых призм 2, 3, 4, 5 к вертикальной оси центральной усеченной правильной пирамиды 1 составляет 10°, что обеспечивает получение боковых полей зрения 18, 19, 20, 21. Формирование центральной зоны 17 поля зрения обеспечивается прохождением солнечного излучения через центральную призму 1 и идентификационный маркер 12, светофильтры 7 и 8, защитное стекло 9 и попаданием прошедшего излучения на поверхность фоточувствительных площадок МФПУ 10. Линейные координаты изображения маркера 12 однозначно связаны с угловыми координатами центра Солнца относительно системы координат солнечного датчика. По линейным координатам положения маркера блок обработки и вычисления угловых координат производит вычисления и выдачу значений угловых координат Солнца в цифровом виде.
Световое излучение, попадая на одну из боковых граней составного моноблока, преломляется и отражается от зеркальной внутренней грани, проходит через соответствующий каждой боковой призме 2, 3, 4, 5 идентификационный маркер 13, 14, 15, 16 (фиг.4) кодовой маски 6 и проходит через стеклянные пластины 7 и 8 светофильтра, который ослабляет излучение Солнца и выделяет рабочую спектральную область с длиной волны λср=650 нм, что позволяет МФПУ 10 работать в его динамическом диапазоне. Поглощающее покрытие на боковой поверхности центральной призмы 1 позволяет устранить солнечные блики. Размещение стеклянных светофильтров 8, 9 с показателем преломления стекла порядка 1,5 после кодовой маски 6 устраняет присущую прототипу тангенциальную зависимость смещения изображения кодовой маски от угла падения светового излучения U.
На фиг.8 представлены сравнительные графики зависимости величины смещения изображения Δ/H (в относительных единицах) от угла падения U (в угловых градусах) падающего светового излучения, где H (в мм) - расстояние между кодовой маской и поверхностью чувствительных площадок матрицы, полученные расчетным путем для заявляемого изобретения (график 1) и прототипа (график 2). График 1 получен при регистрации светового излучения, прошедшего через среду с показателем преломления порядка 1,5 (стекло) толщиной Н, в мм. При этих условиях величина смещения изображения кодовой маски определяется по формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><mo>=</mo><mi>H</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>U</mi><mo>/</mo><msqrt><mrow><msup><mi>U</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mi>U</mi></mrow>
где U - угол падения светового излучения на кодовую маску, в градусах.
График 2 получен при наличии зазора величиной P, в мм между кодовой маской и поверхностью чувствительных площадок МФПУ. Величина смещения изображения кодовой маски от угла падения светового излучения определяется по формуле: Δ=P·tgU, где U - угол падения светового излучения на кодовую маску, в градусах.
Как следует из графиков (фиг.8), нелинейность зависимости смещения изображения кодовой маски от угла падения светового излучения для изобретения (график 1) составляет не более 0,5%, а в то же время для прототипа наибольшая нелинейность такой зависимости при наличии зазора составляет более 20% для угла падения U=30°. Следовательно, снижение нелинейности зависимости смещения изображения кодовой маски от угла падения светового излучения по сравнению с прототипом позволяет получить равномерное распределение разрешающей способности МФПУ по всей поверхности фоточувствительных площадок.
Составное поле зрения датчика формируется пятью призмами и для каждого поля зрения используется вся поверхность фоточувствительных площадок матрицы, что приводит к повышению разрешающей способности более чем в 2,5 раза по сравнению с известными датчиками, за счет того, что угловой размер пикселя уменьшен и составляет 4 угловых минуты для матрицы формата 1024×1024 элементов по всему полю зрения 190°×190°.
ФТ15
Технология изготовления оптического солнечного датчика представлена следующими операциями. Из оптического радиационно-стойкого стекла марки К208 формируют поверхности заданных форм и размеров, шлифуют и полируют до класса чистоты, при котором ширина царапин не должна превышать 0,004 мм. На поверхности заготовок, заданных конфигурацией конструкции составного моноблока, наносят зеркальное или поглощающее покрытие. Собирают полученные готовые элементы в составной моноблок путем склеивания боковых призм 2, 3, 4, 5 с поглощающими гранями центральной призмы 1 и другими двумя гранями между собой оптическим клеем типа ОК-72 ГОСТ 1488-70. Основание изготовленного составного моноблока совмещают и склеивают под инструментальным микроскопом с кодовой маской 6 и склеенными стеклянными пластинами 7, 8 светофильтра. Изготовленную сборку закрепляют в корпусе или приклеивают на защитное стекло 9 МФПУ 10, выводы 11 которого запаивают в печатную плату. Оптический солнечный датчик помещают в корпус и устанавливают на посадочном месте снаружи КА.
Стадия готовности датчика к промышленному использованию: разработана эскизная документация и изготовлен макетный образец.
Расчетные технические характеристики оптического солнечного датчика:
Поле зрения - 190°×190°;
Точность - не хуже 45 угловых секунд по всему полю зрения;
Габариты - порядка 120×130×70 мм;
Вес - не более 0,8 кг.
Источники информации
1. US 4792245, МПК G01J 1/20, НПК 250/203, публ. 27.12.1988.
2. US 6853445, МПК G01J 1/20, НПК 35/121, публ. 02.08. 2005.
3. US 6310336, НКИ 250/203.4, дата публ. 30.10.2001.
4. US 5914483, МПК G01J 1/20, НПК 250/203.4, публ. 22. 06.1999.
5. RU2244263 C1, МПК7 G01C 21/24, G01J 1/20, публ. 10.011.2005.
6. SU 1779932, 5 МПК G01C 21/24, публ. 07.12.92.
7. А.Я. Гебгарт. Особенности проектирования некоторых типов особоширокоугольных объективов. © 2010 г. ОАО НПП «Геофизика-Космос», М., «Оптический журнал», 77, 9, 2010. 05.05.2010.
8. RU 2308005 С1, 6 МПК G01C 21/24, G01J 1/20, дата публ. 10.10.2007. - прототип.