УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР

Устройство относится к оптико-электронным системам и может быть использовано в углоизмерительных приборах, предпочтительно в звездных приборах ориентации космических аппаратов.
В современных углоизмерительных звездных приборах систем ориентации и навигации космических аппаратов (КА) широко используются каналы геометрических эталонов (КГЭ). Основное назначение этих каналов это обеспечение сохранения высокой точности угловых измерений звезд при нарушении геометрической схемы этих приборов под влиянием определенных дестабилизирующих факторов, имеющих место при эксплуатации КА (см. Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов - М.: «Логос», 2007, 248 с). Развитие этого научно-технического направления привело к созданию в указанных приборах малогабаритных бесклеевых каналов геометрических эталонов (см., например, Патент России №2399871, от 15.04.2009, авторы: Гебгарт А.Я., Колосов М.П., Гусев М.Е.- прототип устройства).
Целью устройства является создание визирной линии звездного прибора, положение которой не зависит от наклона чувствительной площадки ФПУ при обеспечении учета в его угловых измерениях изменения масштаба изображения визируемых звезд на чувствительной площадке ФПУ.
КГЭ рассматриваемого известного углоизмерительного прибора (фиг.1) представляет собой зеркально-призменную систему (ЗПС), содержащую призму 6 с шестью зеркальными гранями, снабженную входными и выходными точечными прозрачными диафрагмами 5, 7. Призма жестко соединена с посадочной плоскостью прибора. Каждый из трех светодиодов (осветителей) 4 засвечивает соответственно входное прозрачное отверстие 5, нанесенное методом фотолитографии на непрозрачной части поверхности призмы. Далее, это излучение, войдя во внутреннюю полость ЗПС, последовательно отразившись от двух наклонных зеркальных поверхностей призмы 6, выходит через выходную прозрачную диафрагму 7, нанесенную на поверхности призмы 6, и поступает в объектив 2 вне зоны входного зрачка под углом к оптической оси объектива.
Звездный (основной) канал содержит бленду 1, ЗПС 6, объектив 2, фотоприемное устройство типа матричного приемника излучения 3 и вычислительный блок 8, реализующий заложенные в него алгоритмы работы углоизмерительного прибора. При прохождении излучения визируемой звезды в звездном канале поз.1-3 моноблок ЗПС работает как плоскопараллельная пластина, расположенная перпендикулярно оптической оси объектива 2.
Наличие двух, разнесенных по ходу луча, точечных диафрагм (фиг.1), формирует нитевидный пучок лучей с малой угловой расходимостью, позволяющий имитировать точечные изображения. Светодиод и эти две диафрагмы по существу образуют коллиматор-обскуру.
0
Расположение точечных диафрагм на второй по ходу излучения от точечных источников (звезд) плоскости призмы поз.6 на требуемом расстоянии от оси симметрии призмы позволяет обеспечить необходимое угловое отклонение пучка от оси симметрии призмы (от оптической оси объектива). Угловое отклонение оси вышедшего пучка от оси симметриии призмы обозначим как i′ (фиг.1, 2). На фиг.2 показана призма 6 и ее оптическая развертка в виде эквивалентной пластины, изображенной пунктирной линией. Как видно из фиг.2 входная и выходная грани пластины образуют клин с углом между входной и выходной гранью равным 2α. На этом рисунке также наглядно показан ход луча через входную и выходную диафрагму. Видно, что рабочий пучок лучей проходит внутри плоскопараллельной пластины, не касаясь ее плоских сторон.
0
Аналогичным образом работают и два остальных идентичных канала, расположенных под углом 120° друг к другу (фиг.3). Таким образом, на выходе КГЭ образуется три рабочих пучка лучей, оси которых составляют одинаковый угол i′ с осью симметрии призмы, а угол между плоскостями, в которых распространяются пучки, также составляет 120°.
Канал геометрического эталона выполнен в виде осветительного блока, коллиматорного блока и зеркально-призменного блока (ЗПС), осуществляющего ввод излучения от осветительного блока в объектив, при этом осветительный блок выполнен в виде трех источников света, установленных перед входными диафрагмами и расположенных под углом 120° друг к другу, коллиматорный блок выполнен в виде трех входных точечных диафрагм и трех выходных точечных диафрагм, расположенных на задней, обращенной к объективу, вне его входного зрачка, грани зеркально-призменного блока, а зеркально-призменный блок представляет собой единый моноблок, выполненный в виде параллельных меньшей передней и большей задней, обращенной к объективу, шестиугольных граней, соседние ребра которых расположены под углом 120° друг к другу и образуют шесть боковых зеркальных граней между собой, которые наклонены под острым углом к задней грани, при этом зеркально-призменный блок своей задней гранью жестко соединен с опорной плоскостью углоизмерительного прибора. При этом зеркально-призменный блок является защитным стеклом прибора.
Система трех полученных изображений (фиг.4) используется для формирования виртуальной визирной линии (ВЛ) прибора, которая проходит через центр тяжести (центроид) трех указанных точечных изображений и центр выходного зрачка объектива. Эта линия используется для привязки матрицы ФПУ к приборной (опорной) системы координат изделия, в которой производится измерение углового положения визируемого точечного источника (звезды) относительно приборной системы координат. Начало приборной системы координат совпадает с центроидом трех указанных точечных изображений.
Так как после ЗПС ход лучей от звезды и КГЭ является совместным, то в силу этого любые микроизменения положения линз объектива приводят практически к одновременному и одинаковому смещению изображения звезды и точечных изображений КГЭ на матрице ФПУ и, следовательно, практически не оказывают влияния на точность измерения угломера. Поэтому ниже при рассмотрении проблемы нарушения геометрической схемы прибора рассматриваются только возможные пространственные микросмещения и микронаклоны матрицы ФПУ, влияние которых вносит наиболее существенный вклад в ухудшение точности измерений прибора.
За счет указанной привязки к опорной системе координат, как и в обычных КГЭ, исключается влияние смещения матрицы ФПУ (перпендикулярного оптической оси объектива) на точность угловых измерений прибора. При дефокусировке ФПУ 7 (при его относительном смещении вдоль оптической оси объектива), вновь образованный треугольник, в вершинах которого расположены центроиды изображений трех реперных марок (точечных изображений КГЭ), сохраняет свое геометрическое подобие первоначальному. При этом виртуальная линия визирования прибора и, соответственно, приборная система координат сохраняют свое угловое положение относительно посадочного места прибора (см. Патент России №2399871, от 15.04.2009). В силу этого исключается влияние дефокусировки матрицы ФПУ на точность угловых измерений. Возможный микроповорот (скручивание) матрицы ФПУ вокруг оптической оси объектива также не влияет на точность указанных измерений, так как при указанном микроповороте система трех изображений КГЭ, относительно которой производятся измерения, остается неподвижной.
Система трех точечных изображений (фиг.4) используется также в угловых измерениях прибора для обеспечении учета изменения масштаба изображения визируемых звезд на чувствительной площадке (матрице) фотоприемного устройства. Указанное изменение масштаба определяется в основном изменением температуры и атмосферного давления (вакуум) в условиях эксплуатации космического аппарата (КА). Это приводит к изменению фокусного расстояния объектива звездного канала и соответственно к изменению числа пикселей между центроидами указанных точечных изображений. Так как положение центроиды точечного изображения определяется в звездном приборе до долей пикселя, то указанное число пикселей не является целым. Изменение указанного числа пикселей измеряется (регистрируется) прибором в полете КА и учитывается по определенным алгоритмам, которые здесь не приводятся, в результатах угловых измерений визируемых звезд. Из этого следует, что чем больше число пикселей между центроидами точечных изображений от КГЭ (а следовательно, чем большее расстояние между точечными изображениями), то тем точнее производится учет в измерениях прибора указанного изменения масштаба изображения визируемых звезд. Поэтому точечные изображения должны быть расположены вблизи краев матрицы приемника излучения.
Работа прибора (на качественном уровне) при включенном КГЭ происходит по одному из возможных вариантов алгоритма (процедуры). Эта работа сводится к следующему. Определяются координаты центроид трех точечных изображений на матрице ФПУ. Для обеспечения учета изменения масштаба изображения измеряются три линейных расстояния между центроидами трех точечных изображений. Затем вычисляется положение центра тяжести по координатам трех указанных центроид. Полученное положение указанного центра тяжести определяет начало приборной системы координат и виртуальную линию ВЛ.
Следует отметить, что наличие плоской грани на поверхности призмы поз.6, прилегающей к посадочной плоскости изделия, обеспечивает визуализацию нормали к посадочной плоскости. КГЭ выполнен в виде единого стеклянного моноблока (ЗПС) без использования клеевых соединений (бесклеевой КГЭ). Это обеспечивает высокую стабильность углового положения вышедших из него пучков лучей относительно базовой (посадочной) плоскости при значительных температурных, вибрационных и ударных воздействиях. Минимальная толщина КГЭ относительно других известных КГЭ обеспечивает минимальные габариты бленды звездного прибора и соответственно и самого звездного прибора в целом.
Однако рассматриваемый прототип устройства обладает двумя существенными недостатками.
1. Влияние наклона матрицы ФПУ на угловое положение виртуальной визирной линии (ВЛ).
0
Как показали проведенные исследования (см. приложение) появление наклона матрицы ФПУ в процессе эксплуатации звездного прибора приводит к угловому смещению виртуальной ВЛ, что соответственно приводит к ошибке в угловых измерениях звездного прибора. Чем больше расстояние (Y′) от точки фокуса (F′) объектива звездного канала до точечного изображения (фиг.4), которое участвует в формировании виртуальной ВЛ, то тем больше величина этой ошибки.
0
Как показали указанные выше исследования при Y′=0 мм наклон матрицы ФПУ на угловое положение виртуальной ВЛ влияние не оказывает и указанной ошибки просто не существует (см. приложение). Это предельный случай когда точечные изображения, по которым формируется ВЛ, совмещены с фокусом (F′) объектива.
0
Прямолинейная борьба с этим недостатком приводит к существенному усложнению КГЭ и звездного прибора в целом. Необходимо вводить дополнительные каналы в КГЭ, с помощью которых будет формироваться новые точечные изображения, сгруппированные на матрице ФПУ непосредственно вокруг точки фокуса (F′) объектива звездного канала, обеспечивая при этом условие Y′≈0 мм. Все это ведет к увеличению габартно-массовых характеристик звездного прибора.
2. Появление на матрице ФПУ точечных изображений бликов.
б
0
На фиг.2 показано формирование одного из таких бликов. Плоскую сторону эквивалентной пластины можно рассматривать как плоское зеркало. Точка М является мнимым изображением центра входной точечной диафрагмы одного из каналов КГЭ. Пучок лучей блика, выйдя из входной диафрагмы, претерпев полное внутреннее отражение на плоской стороне пластины и преломившись, выйдет из нее через выходную диафрагму под углом i′. На фиг.2 также показан и ход пучка лучей, который расположен внутри плоскопараллельной пластины, не касаясь ее плоских сторон, и который выходит из призмы под углом i′. При этом каждый из указанных пучков канала КГЭ, пройдя через объектив звездного канала, фокусируется им в точечное изображение на чувствительной площадке фотоприемного устройства. Таким образом, каждый канал КГЭ одновременно формирует не менее двух пучков лучей. Первый расположен внутри пластины (ЗПС), не касаясь ее плоских сторон, а второй пучок, также расположенный внутри пластины (ЗПС), претерпевает отражение от плоской стороны указанной плоскопараллельной пластины. Таким образом, фактически на матрице ФПУ имеется шесть точечных изображений (фиг.5). В ряде случаев изображения бликов могут частично накладываться на основные точечные изображения, что снижает точность определения их энергетических центров. Для того чтобы указанные блики не оказывали отрицательного влияния на работу углоизмерительного звездного прибора, необходимо применять специальные меры.
Как отмечено выше, целью устройства является создание визирной линии звездного прибора, положение которой не зависит от наклона чувствительной площадки ФПУ при обеспечении учета в его угловых измерениях изменения масштаба изображения визируемых звезд на чувствительной площадке ФПУ.
Цель достигается следующим образом. В работе звездного прибора производится учет изображений бликов, как рабочих точечных изображений КГЭ. Количество рабочих точечных изображений на матрице ФПУ в целом удвоилось (как минимум) без увеличения числа каналов КГЭ. Одну часть точечных изображений КГЭ группируют вблизи фокуса (F′) объектива звездного канала, а остальные указанные изображения геометрически разнесены по этой площадке. Часть точечных изображений КГЭ, сгруппированных близи фокуса (F′) объектива звездного канала, используется при работе КГЭ звездным прибором для определения фактического положения виртуальной ВЛ, а другая часть точечных изображений, разнесенных по площадке ФПУ, используется при работе звездного прибора для обеспечения учета в его угловых измерениях изменения масштаба изображения визируемых звезд.
Оригинальность данного предложения заключается в том, что вред превращается в пользу - изображения вредных бликов КГЭ становятся полезными (рабочими) изображениями для звездного прибора и с их помощью обеспечивается исключение влияния наклона чувствительной площадки ФПУ на точность прибора.
Для этого необходимо выполнить переднюю шестиугольную грань зеркально-призменного блока с возможностью отражения лучей, созданных осветительным и коллиматорным блоками посредством, например, явления полного внутреннего отражения. При этом объективом на чувствительной площадке матричного фотоприемника, помимо точечных изображений канала геометрического эталона, дополнительно формируются точечные изображения (бликов) полученные от лучей отраженных передней шестиугольной гранью зеркально-призменного блока.
Для того, чтобы точечные изображения, с помощью которых формируется визирная линия прибора, располагались на матрице пикселей ФПУ достаточно близко от точки фокуса объектива, и, чтобы другие точечные изображения, используемые для обеспечении учета изменения масштаба изображения визируемых звезд на чувствительной площадке ФПУ, располагались вблизи края матрицы, требуется выполнение ряда условий.
Необходимо, чтобы углы между задней гранью и боковыми гранями, расположенными перед входными точечными диафрагмами, были равны 45°, углы между задней гранью и боковыми гранями, расположенными перед выходными точечными диафрагмами, были равны (45°+α), величина а меньше W/3, где W - половина углового поля объектива. При этом значения геометрических размеров зеркально-призменного блока, его показателя преломления, коллиматорного блока и объектива подобраны таким образом, что выполняются следующие соотношения (неравенства)
где
l - расстояние между противоположными ребрами зеркально-призменного блока, образованными его задней и боковыми гранями (высота зеркально-призменного блока);
d - расстояние между передней и задней гранями зеркально-призменного блока (толщина зеркально-призменного блока);
b - расстояние от ребра зеркально-призменного блока, расположенного на его задней грани, до центра входной точечной диафрагмы;
а - расстояние от ребра зеркально-призменной блока, расположенного на его задней грани, до центра выходной точечной диафрагмы;
где
n - показатель преломления зеркально-призменного блока,
0
б
При этих соотношениях углы i′, i′ определяются следующими выражениями.
где
0
i′ - угол между нормалью к выходной грани ЗПС, параллельной оптической оси объектива, и лучом, выходящим из центра выходной диафрагмы ЗПС, который при прохождении внутри ЗПС не касается ее передней и задней грани (основное изображение);
б
i′ - угол между нормалью к выходной грани ЗПС, параллельной оптической оси объектива, и лучом, выходящим из центра выходной диафрагмы ЗПС, который при прохождении внутри ЗПС отражается от ее передней грани (изображение блика).
При получении формул использовался закон преломления в приближенном виде i′=n i, где i угол между нормалью к выходной грани ЗПС и лучом, падающий на указанную грань.
Рассмотрим следующий пример. Пусть 1=41,23; d=6,35; b=5,3; а=4,49; n=1,52; α=0,04232 рад; W=0,1309 рад.
W/3=0,04363>0,04232=α. Из приведенных условий видно, что неравенство (1) выполняется. По формулам (2-5) получим соответственно
W/n=0,08611 рад>0,06501 рад;
W/3n=0,02870 рад>|0,01407| рад;
0
i′=0,09879 рад;
б
i′=0,02138 рад.
При этом передняя и задняя грани могут представлять собой подобные шестиугольники, образованные из равносторонних треугольников с одинаково усеченными, параллельно сторонам, вершинами.
Также зеркально-призменный блок по возможности должен являться защитным стеклом прибора с расположенной перед ним блендой.
Рассмотрим работу такого прибора на качественном уровне. Работа КГЭ может происходить по одному из возможных вариантов алгоритма (процедуры) калибровки прибора. При этом работа прибора с КГЭ сводится к следующему. Сначала определяются координаты центроид трех точечных изображений, которые разнесены по матрице ФПУ. Для обеспечения учета изменения масштаба изображения измеряются (вычисляются) три линейных расстояния между центроидами трех точечных изображений. Затем вычисляется положение центра тяжести других трех точечных изображений, совмещенных с точкой фокуса (F′) объектива. Полученное положение указанного центра тяжести на матрице ФПУ определяет положение ВЛ и начало приборной системы координат, положение которого не зависит от наклона матрицы ФПУ. Таким образом, создана визирная линия звездного прибора, положение которой не зависит от наклона чувствительной площадки ФПУ
0
Для исключения влияния изменения яркости осветителей КГЭ на положение центра тяжести трех вышеописанных совмещенных точечных изображений поступают следующим образом. При проектировании КГЭ указанные три изображения размещают на матрице ФПУ на относительно небольшом расстоянии (Y′≈0 мм) от точки фокуса объектива. При работе звездного прибора происходит последовательное измерение положения трех центроид этих изображений (не совмещенных друг с другом), а затем вычисляется центр тяжести указанных трех центроид, который и определяет ЛВ прибора. При таком расположении указанных трех изображений изменение яркости трех осветителей КГЭ на положение центра тяжести трех изображений влияние не оказывает.
После проведения калибровки по КГЭ прибор производит угловые измерения визируемых звезд, в результатах которых, благодаря указанной калибровке, нарушения геометрии прибора практически исключены из результатов этих измерений.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Оценка влияния матрицы МПИ на угловое положение виртуальной линии визирования
Для наглядности покажем влияние влияния наклона матрицы МПИ на угловое положение виртуальной ЛВ на простейшем примере некого гипотетического угломера, у которого КГЭ формирует два точечных изображения, расположенных симметрично относительно точки фокуса объектива основного (звездного) канала.
Обратимся к фиг.6 (приложения), на котором представлен только объектив основного канала с матрицей МПИ. Конструкция КГЭ здесь не представлена. При номинальной геометрии угломера на матрице располагаются точки 1, О, 2. Будем считать, что точки 1, 2 являются энергетическими центрами тяжести (центроиды) двух точечных изображений, формируемых на матрице приемника излучения, который на фигурах не показан. Выходящие из КГЭ пучки лучей проходят через входной и выходной зрачок объектива. Точка О совпадает с задним фокусом объектива (F'). Из точки З', являющимся центром выходного зрачка объектива, выходят два луча в направлении точек 1, 2. Будем считать, что на этих лучах располагаются центроиды изображений КГЭ.
0
Точки 1, 2 отстоят от точки О на величину Y′=f′ tgW, где W - угол наклона главного луча в пространстве предметов объектива (W - половина углового поля объектива), f' - фокусное расстояние объектива. В пространстве изображений объектива этот главный луч проходит через точки З′ и 1 (фиг.6).
На фиг.6 показаны два луча, которые пересекаются в точке З′. Угол W - это угол между двумя прямыми, соответственно проходящими через точки 1, З′ и З′, О. Понятно, что в случае номинальной геометрии виртуальная ЛВ проходит через точку О и совпадает с оптической осью объектива.
Повернем матрицу вокруг точки О на угол Q. В этом случае при работе КГЭ происходит определение координат энергетических центров изображений 1", 2" и вычисление положения точки, делящей отрезок 1"- 2" на две равные части. Эта точка на фиг.6 обозначена как точка О". Линия, проходящая через точку О" и центр выходного зрачка З′ объектива, является виртуальной ЛВ в пространстве изображений объектива при наклоне матрицы МПИ. При этом она составляет с оптической осью объектива (с ЛВ при номинальной геометрии) угол V'. Перевод угла V' в V (из пространства изображений в пространство предметов производится) по формуле
где
зр
В - линейное увеличение в зрачках объектива.
Следует отметить, что в данном случае виртуальная ЛВ (линия З′О") является медианой треугольника 1"З′2", а прямая З′О есть биссектриса угла 2W.
Из чисто геометрических соотношений (фиг.6) значение V определяется следующим выражением
0
Следует обратить внимание на то, что проблемы влияния наклона матрицы на угловое положение виртуальной визирной линии не существует в двух случаях. Когда два точечных изображения КГЭ совмещены с фокусом объектива (Y′=0) и когда объектив обеспечивает в пространстве изображений телецентрическое прохождение лучей КГЭ (W′=0°).
Проведем оценку влияния наклона матрицы МПИ на угловое положение виртуальной визирной линии на следующем примере.
зр
0
х
Пример. Пусть объектив основного канала угломера имеет следующие характеристики, f′=р′=15 мм (р′ - расстояние между точками З′ и О), В=1, W=15°, Y′=4,019 мм. Ввод лучей из КГЭ в объектив осуществляется через центр входного зрачка объектива, как это показано на фиг.6. Очевидно, что в этом случае W′=15°. Наклон матрицы примем Q=1°.
По формулам (1, 2) получим V=V′=4′18,5".
Очевидно, что для современных высокоточных углоизмерительных приборов, погрешность измерений которых может составлять единицы угловых секунд, такая величина поворота визирной линии недопустима.