ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1994 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к фотоприемникам, применяемым в приборах ориентации осей космических аппаратов (КА) и приборов, на них установленных, а также в авиационных приборах для осуществления курсовой ориентации самолетов.

Известны приборы ориентации осей космических аппаратов с использованием частотного растра [1] .

В указанном приборе при ширине непрозрачных и прозрачных полос (промежутков) частотного растра h = 0,25 мм ошибка орбитальной ориентации КА по освещенному (дневному) фону земной поверхности составляет Δϕ≈ 3^о.

Такая ошибка является нижним допустимым пределом для некоторых задач КА и совершенно недопустима для курсовой ориентации самолетов.

Известен датчик перемещений, используемый для определения координат положения цели в пространстве, в состав которого входит детектор ИК-излучения, представляющий собой составной многоэлементный фотоприемник (ФП), состоящий из n автономных фоточувствительных элементов, выполненных в виде полос, расположенных с каждой стороны от оси симметрии под углом к ней [2] .

Ширина промежутков между фоточувствительными полосками значительно больше ширины фоточувствительных полос, что обуславливает невозможность использования известного "многоэлементного" ФП в приборах курсовой орбитальной и инерциальной ориентации.

Целью изобретения является определение скорости вращения и повышение чувствительности.

На фиг. 1 - датчик перемещений с параллельным соединением фоточувствительных полос в каждой группе; на фиг. 2 - датчик перемещений с секционированным соединением фоточувствительных полосок с развязывающими диодами, подключенными к каждой секции и его эквивалентная электрическая схема; на фиг. 3 - датчик перемещений с развязывающими диодами, подключенными к каждой фоточувствительной полоске.

Предлагаемый датчик перемещений выполнен в виде автономных фоточувствительных полосок 1, расположенных с каждой стороны от оси симметрии Х под углом ϕ к ней. Полоски 1 нанесены на кремниевую пластину - подложку 2, причем ширина L полосок 1 равна ширине промежутков 3 между ними. Фоточувствительные полоски (ФЧП) 1 могут быть соединены параллельно с шиной 4 непосредственно через развязывающие диоды 5 секционно (фиг. 2) или каждая в отдельности (фиг. 3).

От способа соединения ФЧП 1 между собой в каждом канале зависит пороговая чувствительность частотно-растрового многоэлементного кремниевого фотоприемника (далее РМКФ) в целом, а следовательно, возможность индикации слабых неравномерностей яркости фона, слабых звезд и образования частот f₁ и f₂.

Так, на фиг. 1 представлено параллельное соединение ФЧП 1 в каждом канале. В этом случае сигнал, выдаваемый каждой ФЧП, нагружен емкостью и сопротивлением всех остальных N - 1 ФЧП 1 в канале. При таком соединении ФЧП между собой пороговая чувствительность РМКФ - наибольшая, а амплитуды частот f₁ и f₂ - наименьшие. В реальных многоэлементных фотоприемниках N ≥ 100.

На фиг. 2 показано секционированное разделение фоточувствительной поверхности F_Σ каждого канала РМКФ - F_Σ = nbN, где b - длина одной ФЧП. Число n ФЧП в секции меньше N. В этом случае сигнал, выдаваемый каждой ФЧП в секции, нагружается емкостью и сопротивлением n-1 ФЧП, а не N-1 ФЧП, т. е. нагрузка и шумы в (N-1)/(n-1) раз меньше, а порог чувствительности секции в раз ниже.

Наименьшая пороговая чувствительность РМКФ, практически достижимая, обеспечивается при снятии сигналов с каждой ФЧП без параллельной паразитной нагрузки другими ФЧП в каждом канале.

Влияние секций или ФЧП одной на другую исключается введением развязывающих (разделяющих) неосвещенных диодов 5 (фиг. 2, 3).

Частота модуляции светового потока растром определяется параметрами модулирующего частотного растра и скоростью v_из перемещения светового потока вдоль оси Х симметрии частотного растра.

Неравномерность светового потока может быть обусловлена как неравномерностью яркости поверхности Земли, планет, так и звездным фоном небесной сферы.

Если ось Х симметрии частотного растра совпадает с вектором относительной скорости перемещения яркостного фона земли, планет, звездного фона, то частоты модуляции f₁ = f₂ = f₀ = 1/T, где Т - период перемещения изображения фона в плоскости частотного растра. Период Т связан с параметрами частотного растра и скоростью v_из перемещения изображения фона в плоскости частотного растра
T= где l - длина пути изображения в пределах ширины прозрачной полосы или ФЧП 1.

Если угол наклона прозрачных полос к оси Х симметрии ϕ , то длина пути l изображения будет
l= = где h - ширина прозрачной полосы, тогда
f₀= sinϕ Если продольная ось Х КА, с которой совмещена ось Х симметрии частотного растра, отклонится от вектора скорости ( на угол ±Δϕ , то вследствие изменения длины пути l частоты в левом и правом каналах будут отклоняться от f₀:
и
f₂= sin(ϕ-Δϕ) Разностная частота
± Δf= f₁-f₂= [sin(ϕ+Δϕ)-sin(ϕ-Δϕ)] При малых значениях углов sinΔϕ≈Δϕ , тогда
± Δf= 2cosϕ·Δϕ
± Δf= cosϕ·Δϕ (1)
Следовательно, разность частот сигналов с двух каналов ФП пропорциональна углу Δϕ отклонения оси Х симметрии частотного растра (продольной оси КА) от вектора относительной скорости полета КА.

Знак ± разности частот правого f₁ и левого f₂ каналов определяет знак угла Δϕ отклонения оси Х симметрии частотного растра от направления скорости изображения v_из в плоскости частотного растра, а следовательно, отклонения продольной оси Х КА от вектора относительной скорости полета .

Так, если f₁ > f₂, отклонение Δϕ- против часовой стрелки. Если f₁ < f₂, отклонение Δϕ - по часовой стрелке.

Примеры использования.

1. Наибольший интерес представляет использование РМКФ по фону звездного неба для ориентации межпланетных КА, стабилизированных вращением вокруг одной из главных осей КА, а также вокруг любой другой оси, проходящей через центр масс КА. Такой вид ориентации используется как для стабилизации положения плоскости вращения вокруг оси, ориентированной в любом заданном направлении в межпланетном пространстве компланарно-перпендикулярной оси симметрии РМКФ, так и для обзорных поисковых научных исследований космического пространства научными приборами, оптические оси визирования которых расположены в плоскости вращения в режиме инерциальной ориентации.

Для такой ориентации КА с вращением величина v_из в формуле (2)
v_из= ω_ka˙F
и Δϕ= (2) где ω_ка - угловая скорость вращения КА вокруг собственного центра масс;
F - фокусное расстояние объектива.

Угловые скорости ω_ка вращения КА могут задаваться, а также возникать незапланированно при смещении центра массы (ц. м. ) КА или при воздействии внешних возмущений (давление солнечного света, ветра или при отделении КА от ракетоносителя).

Наименьшие значения ω_ка, практически возникающие от непредсказуемых воздействий порядка 0,1-1^о/с. Стабилизирующие значения ω_{кастаб.} могут иметь значения от 0,5^о/с и выше до десятка градусов в сек. В специальных случаях это могут быть десятки градусов в секунду.

Кроме обеспечения высокой точности ориентации, использование РМКФ позволяет контролировать, а следовательно, управлять положением плоскости вращения и скоростью вращения КА.

2. Важное значение имеет контроль за скоростью вращения КА и особенно при малых значениях ω = (0,1-1)^о/c во время проведения исследований.

Определение среднего значения угловой скорости вращения КА по фону звездного неба производится по формуле
f= sinϕ (3) или ω_ка= f
Зависимости точности курсовой ориентации Δϕ или положения плоскости (оси) вращения, а также угловой скорости вращения по фону звездного неба от величина h при прочих параметрах, принятых в упомянутой ссылке (1), представлены в табл. 1 и 2.

Как следует из (2), точность Δϕ определения курсовой ориентации или точности положения плоскости и оси вращения КА (если система фиксирует разность частот Δ f = 1 Гц) зависит от скорости перемещения изображения фона неба (земной поверхности) в фокальной плоскости объектива, в которой располагается фоточувствительная поверхность РМКФ, и от ширины ФЧП h.

Для табличных параметров h, ω (табл. 1, 2) удобно и наглядно определить значение Δϕ методом сравнения различных значений скорости v_из перемещения изображения при h = 0,01 при прочих равных параметрах, приведенных в материале ссылки (1), тогда Δϕ=
Определим v_из на растре для трех случаев:
1. Для фона освещенной поверхности Земли (см. (1)):
V_из= V где R_з - радиус Земли;
F - фокус объектива;
Н - высота полета.

2. Для фона звездного неба при орбитальном КА:
V_из= ω_орб.каF= F где ω_орб.КА - орбитальная угловая скорость КА.

3. Для фона звездного неба при собственном вращении КА вокруг оси, проходящей через центр масс КА:
V_из= ω_ка·F= ·ω_ка где ω_ка - угловая скорость вращения КА, ^о/с. Так, сравнивая случаи 1 и 2, получим: Δϕ₁/Δϕ₂= h₁/h₂ H/R₃= (0.25/h₂)·300/6000= 0.0125/h₂
Из сравнения случаев 1 и 2 можно сделать следующий вывод.

Курсовая ориентация КА на половине орбиты над освещенной земной поверхностью при ширине ФЧП h₁ = 0,25 мм осуществляется с точностью Δϕ₁= ±3⁰ . Такую же точность Δϕ₂= Δϕ₁ можно обеспечить по фону звездного неба на всей орбите, уменьшив ширину ФЧП до h₂ = 0,0125 мм. При этом на половине орбиты над освещенной земной поверхностью точность возрастает в 20 раз, т. е. составит Δϕ₂= ±6^I.

Третий случай по своей информативности не может сравниваться с первыми двумя.

Величины Δϕ₃ для третьего случая определяются по формуле
Δϕ₃= = K Δϕ₃= = 0.287 При h = 0,01 мм и ω_ка = 0,1^о/с Δϕ₃≈ 0,03^о = 1,8^I .

Величина Δϕ₃ для других значений h и ω_ка получаются умножением или делением величины Δϕ₃ = 0,03^о на 2, 3, 5 и 10 (см. табл. 1).

Для осуществления стабильных контроля или ориентации по фону звездного неба необходимо непрерывное формирование частот f₁ и f₂ в обоих каналах РМКФ при визировании любого участка небесной сферы 4 π_cp ( ≈42 тыс. кв. град. ).

Пропадание одной из частот f₁, f₂ кратковременное, а тем более длительное, из-за отсутствия изображения звезды определенной величины m в одном из каналов нарушает (искажает) информацию Δ f и ухудшает точность ориентации (контроль ориентации).

Чем больше световой энергии достигает поверхности РМКФ от звезды, тем меньше ее численная звездная величина m и тем реже на небесной сфере можно обнаружить такую звезду. Чем меньше световой энергии достигает поверхности РМКФ от звезды, тем больше ее звездная величина и тем чаще на небесной сфере можно обнаружить такую звезду.

Иными словами, чем "слабее" звезда, тем большее количество таких звезд приходится на 1 квадратный градус небесной сферы.

Для стабильной работы РМКФ необходимо выбрать такую звездную величину m, при которой в каждый канал РМКФ (через объектив) попадает достоверно одна звезда.

Так, звезд величиной m = 6 на небесной сфере порядка ≈ 6 тысяч или в среднем ≈0,14 звезды на 1 квадратный градус небесной сферы.

Таким образом, объектив с полем зрения 10^о х 10^о = 100 кв. град. обеспечит на поверхности РМКФ ориентировочно ≈ 14 звезд. При этом порог чувствительности РМКФ должен быть предельно низким, чтобы фиксировать звезды с m ≅6 при соответствующей электронике.

Технико-экономическое обоснование
1. РМКФ с h < 0,25 мм функционально заменяет стеклянные растровые системы, обеспечивая при этом:
- большую точность ориентации и стабилизации управления КА и самолетов;
- упрощение (уменьшение веса) конструктивных приборных решений благодаря уменьшению количества главных элементов конструкций;
- снижение стоимости.

2. РМКФ функционально заменяет гироскопические элементы аналогичных приборных решений, обеспечивая при этом:
- большой ресурс функционирования благодаря отсутствию механических вращающихся элементов-роторов гироскопов;
- меньшую потребную мощность.

3. РМКФ открывает принципиально новые возможности использования его в наземной промышленной аппаратуре строительной, заводской, лабораторной для регистрации перемещений, вращений, колебаний (качений) зданий, элементов конструкций, динамики физических процессов и явлений.

Уменьшение величины h с 0,25 до 0,01 мм и менее позволяет использовать РМКФ в системах обеспечения ориентации плоскости вращения вокруг оси КА, ориентированной в любом заданном направлении пространства компланарно-перпендикулярной оси симметрии многоэлементного фотоприемника с точностью Δϕ < 3^о до = 25 раз и более. (56) 1. Изнар А. Н. и др. Оптикоэлектронные приборы космических аппаратов. М. : Машиностроение, 1972, с. 196-200.

2. Патент США N 4627724, кл. 356-141, 1986.

Использование: изобретение относится к полупроводниковым приборам и представляет собой растровый многоэлементный кремниевый фотоприемник (РМКФ), выполненный из светочувствительных полосок на кремниевой подложке, размещаемой в фокальной плоскости объективов. РМКФ работает как пространственно-частотный фильтр. Преимущественная область использования - в навигационных приборах повышенной точности, курсовой и орбитальной ориентации космических аппаратов (КА) и самолетов по освещенному фону планет или фону звездного неба и стабилизации КА в пространстве путем закрутки вокруг осей, проходящих через центр массы КА, а также в наземной аппаратуре для анализа динамики колебаний, перемещений элементов конструкций, протекания физических явлений. Конструкция РМКФ образована кремниевой подложкой, на которой с каждой стороны от оси симметрии под углом 35 - 50к этой оси нанесены автономные фоточувствительные полоски шириной порядка 0,01 мм с промежутками, равными ширине фоточувствительных полосок, при этом последние электрически объединены с правой и левой сторон от оси симметрии проводящими шинами в независимые группы, образуя два независимых растровых фотоприемных канала с общим базовым выводом от кремниевой подложки. Фоточувствительные полосы могут быть соединены с проводящими шинами через разделительные диоды. 3 ил. , 2 табл.

1. ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, состоящий из подложки и размещенных на ней пар фоточувствительных элементов в виде полос, расположенных под углом к оси симметрии, отличающийся тем, что, подложка выполнена из кремния с общим базовым контактом, полосы справа и слева от оси симметрии электрически объединены проводящими шинами в независимые группы, при этом шаг полос равен удвоенной ширине полосы. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, полосы соединены с проводящими шинами через разделительные диоды.