СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ КООРДИНАТЫ СВЕТЯЩЕГОСЯ ОРИЕНТИРА, МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК И ДАТЧИК УГЛОВОЙ КООРДИНАТЫ СВЕТЯЩЕГОСЯ ОРИЕНТИРА ЕГО РЕАЛИЗУЮЩИЕ Российский патент 2015 года по МПК G01B11/26 G02B27/09 H01L31/42 

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к способам и устройствам для измерения углов в машиностроении, а также к приборам навигации космических аппаратов.

Известен панорамный датчик [1], содержащий многоэлементный приемник оптического излучения и устройство обработки сигнала, который позволяет определить угловую координату светящегося ориентира.

Светящимся ориентиром может быть Солнце, например, в случае применения датчика в качестве прибора ориентации для решения навигационной задачи космического аппарата. При использовании датчика как преобразователя угол - код (абсолютного или инкрементного энкодера) для определения угла поворота вала светящимся ориентиром может быть светодиод.

Многоэлементный приемник оптического излучения состоит не менее чем из трех фоточувствительных элементов, расположенных с заданным шагом на окружности.

Угловая координата - α светящегося ориентира в одном случае определяется по порядковым номерам фоточувствительных элементов в группе освещенных, которые ее начинают и заканчивают следующим образом:

$$\begin{array}{l}\alpha =\frac{\left(n1+n2\right)}{2}\gamma ,n1<2\hfill \\ \alpha =\frac{\left(n1+n2+N\right)}{2}\gamma ,n1>n2и\frac{\left(n1+n2+N\right)}{2}<N\left(1\right)\hfill \\ \alpha =\frac{\left(n1+n2-N\right)}{2}\gamma ,n1>n2и\frac{\left(n1+n2+N\right)}{2}\ge N\hfill \end{array}$$

где γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов; n1 - порядковый номер первого фоточувствительного элемента в группе освещенных фоточувствительных элементов при отсчете от оси координат, сигнал которого превышает заданный порог; n2 - порядковый номер последнего фоточувствительного элемента в группе освещенных фоточувствительных элементов при отсчете от оси координат, сигнал которого превышает заданный порог; N - общее количество фоточувствительных элементов.

В другом случае угловая координата светящегося ориентира определяется по отношению величин сигналов двух произвольных, в частности смежных, фоточувствительных элементов в группе освещенных:

$$\begin{array}{c}\alpha =\text{n}\gamma +\text{arctg}\left[\text{U}\left(\text{n}+\text{1}\right)/U\left(n\right)\sin \gamma -ctg\gamma \right],U\left(n\right)<U\left(n+1\right)\\ \alpha =\text{n}\gamma \text{-arctg}\left[\text{U}\left(\text{n}\right)/U\left(n+1\right)\sin \gamma -ctg\gamma \right],U\left(n\right)>U\left(n+2\right)\end{array}\left(2\right)$$

где γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов; U(n) - величина сигнала n-го освещенного фоточувствительного элемента; U(n+1) - величина сигнала (n+1)-го освещенного фоточувствительного элемента.

В первом случае разрешающая способность, с которой можно измерять углы, определяется величиной углового шага расположения фоточувствительных элементов:

$$\gamma =\frac{{360}^{\circ }}{N}\left(3\right)$$

где N - общее количество фоточувствительных элементов.

Если предположить, что диаметр окружности, на которой располагаются фоточувствительные элементы - 10 мм, а протяженность фоточувствительного элемента на окружности - 15 мкм, то нетрудно посчитать, что на указанной окружности размещаются $$N=\frac{10\cdot \pi }{15\cdot {10}^{-3}}\approx 2094$$ элементов. Таким образом, угловой шаг расположения будет иметь величину $$\gamma =\frac{{360}^{\circ }}{2094}\approx 0,{17}^{\circ }$$ .

Полученный результат является мерой разрешающей способности панорамного датчика светящегося ориентира, в котором многоэлементный приемник имеет диаметр 10 мм и состоит из фоточувствительных элементов протяженностью 15 мкм, и означает, что с помощью такого датчика можно зарегистрировать угловое смещение светящегося ориентира только на величину больше чем 0,17°.

Во втором случае, как это следует из (2), для определения угловой координаты используется порядковый номер фоточувствительного элемента и величина его сигнала. Практически для вычисления используется величина сигнала, подвергнутая процедуре аналого-цифрового преобразования. Как следствие, величины U(n} и U(n+1) являются дискретными и целочисленными, то есть могут принимать значения в диапазоне от 0 до 2^P-1, где p - разрядность аналого-цифрового преобразователя. Очевидно, что зарегистрировать изменение угловой координаты светящегося ориентира - α можно будет только в том случае, если U(n) или U{n+1), либо обе эти величины изменятся как минимум на 1.

Величина сигнала фоточувствительного элемента зависит от угла φ между направлением на светящийся ориентир в приборной системе координат и осью диаграммы направленности этого фоточувствительного элемента (предполагается, что ось диаграммы направленности совпадает с направлением на источник света в системе координат фоточувствительного элемента, причем в этой системе элемент располагается таким образом, чтобы его сигнал имел наибольшее значение) в плоскости окружности, на которой располагаются фоточувствительные элементы:

$$\begin{array}{c}U\left(n\right)=A\cos \varphi ,-\frac{\pi }{2}<\varphi <\frac{\pi }{2}\\ U\left(n\right)=0,\varphi \le -\frac{\pi }{2},\varphi \ge \frac{\pi }{2}\end{array}\left(4\right)$$

где А - максимально возможное значение величины сигнала.

Принимая во внимание аналого-цифровое преобразование:

$$A=2^P-1\left(5\right)$$

Следовательно:

$$U\left(n\right)=\left(2^P-1\right)\cos \varphi \left(6\right)$$

При угловом смещении ориентира на Δφ величина сигнала изменится на ΔU(n):

$$\Delta U\left(n\right)=\frac{d}{d\varphi }\left[\left(2^P-1\right)\cos \phi \right]\Delta \varphi \left(7\right)$$

$$\left|\Delta U\left(n\right)\right|=\left[\left(2^P-1\right)\sin \varphi \right]\Delta \varphi \left(8\right)$$

Выше уже отмечалось, что для регистрации изменения угловой координаты - а необходимо, чтобы величина U(n) изменилась как минимум на 1, то есть величина приращения |ΔU(n)|=1, поэтому:

$$1\le \left[\left(2^P-1\right)\sin \varphi \right]\Delta \varphi или\Delta \varphi \ge \frac{1}{\left(2^P-1\right)\sin \varphi }\left(9\right)$$

Если предположить, что сигналы фоточувствительных элементов подвергаются 10-разрядному аналого-цифровому преобразованию, то в лучшем случае при sinφ=1:

$$\Delta \varphi \ge \frac{1}{\left(2^{10}-1\right)\cdot 1}=9.775\cdot {10}^{-4}рад=0,{056}^{\circ }$$

Таким образом, только при смещении на угол больше, чем 0,056°, цифровой код на выходе аналого-цифрового преобразователя изменится на 1 и, как следствие, изменится результат вычисления угловой координаты - α.

Как видно, в обоих рассмотренных случаях разрешающая способность панорамного датчика светящегося ориентира [1] достаточно высокая, но для решения ряда прикладных задач может оказаться недостаточной.

Целью предлагаемого изобретения является повышение разрешающей способности измерения угловой координаты светящегося ориентира. Для достижения указанной цели применяется увеличение скорости изменения сигнала по углу фоточувствительных элементов, используемых для определения угловой координаты.

Увеличение скорости изменения сигнала по углу фоточувствительных элементов осуществляется либо за счет конструктивных особенностей многоэлементного фотоприемника, образованного этими элементами, либо за счет изменения угловой апертуры пучка излучения светящегося ориентира.

Под конструктивными особенностями подразумевается следующее:

многоэлементный фотоприемник состоит не менее чем из трех фоточувствительных элементов, расположенных симметрично с заданным угловым шагом относительно некоторой оси (оси симметрии), причем фоточувствительные элементы имеют устройства для повышения скорости изменения сигнала по углу.

В качестве устройства для повышения скорости изменения сигнала по углу можно использовать отверстие в непрозрачном экране, расположенном на некотором расстоянии напротив чувствительной поверхности фоточувствительного элемента, как на Фиг.1. Цифрами обозначены: 1 - фоточувствительный элемент, 2 - непрозрачный экран, 3 - направление на светящийся ориентир, 4 - ось диаграммы направленности, 5 - отверстие в экране, 6 - освещенная часть фоточувствительного элемента, 7 - часть фоточувствительного элемента, находящаяся в тени.

Предположим, что расстояние между непрозрачным экраном и чувствительной поверхностью фоточувствительного элемента - h, а чувствительная поверхность фоточувствительного элемента так же как и прозрачное окно в экране, имеет прямоугольную форму с размерами х и y.

Коэффициент А, входящий в выражение (4), зависит от площади, на которую падает световое излучение, и физических свойств вещества, из которого изготавливается фоточувствительный элемент, поэтому:

$$A=Kxy\left(10\right)$$

где К - величина, позволяющая учесть физические свойства вещества.

Как видно из Фиг.1, площадь, на которую падает световое излучение, зависит от угла между направлением на светящийся ориентир и осью диаграммы направленности фоточувствительного элемента. Если угол равен 0, то площадь имеет максимально возможную величину х·y. Если светящийся ориентир сместится на угол φ, то площадь уменьшится на Δx·y, то есть $$\tilde{A}=K\left(x-\Delta x\right)y$$ .

Поскольку Δx=htgφ, то:

$$\tilde{A}=K\left(x-htg\varphi \right)y\left(11\right)$$

и, следовательно,

$$\tilde{U}\left(n\right)=K\left(x-htg\varphi \right)y\cos \varphi =Ky\left(x\cos \varphi -htg\varphi \cos \varphi \right)\left(12\right)$$

Отношение $$\frac{x}{h}=tg\theta$$ является конструктивным параметром и определяет «поле зрения» фоточувствительного элемента через отверстие в экране, поэтому выражение (12) можно переписать:

$$\tilde{U}\left(n\right)=Ky\left(x\cos \varphi -\frac{x}{tg\theta }tg\varphi \cos \varphi \right)=Kxy\left(\cos \varphi -\frac{\sin \varphi }{\cos \varphi }\cos \varphi \frac{1}{tg\theta }\right)\left(13\right)$$

С учетом выражений (10) и (5) получим:

$$\tilde{U}\left(n\right)=\left(2^P-1\right)\left(\cos \varphi -\sin \varphi \frac{1}{tg\theta }\right)\left(14\right)$$

Важно помнить, что выражение (14) имеет физический смысл только при условии $$\cos \varphi >\sin \varphi \frac{1}{tg\theta }$$ , то есть до тех пор, пока фоточувствительныи элемент освещен. В случае $$\cos \varphi \le \sin \varphi \frac{1}{tg\theta }$$ свет не попадает на фоточувствительный элемент и величина сигнала этого элемента условно равна 0.

При изменении угла φ на Δφ величина сигнала U(n) изменится на ΔU(n), причем:

$$\Delta \tilde{U}\left(n\right)=\frac{d}{d\varphi }\left[\left(2^P-1\right)\left(\cos \varphi -\sin \varphi \frac{1}{tg\theta }\right)\right]\Delta \varphi \left(15\right)$$

$$\left|\Delta \tilde{U}\left(n\right)\right|=\left(2^P-1\right)\left(\sin \varphi +\cos \varphi \frac{1}{tg\theta }\right)\Delta \varphi \left(16\right)$$

Выражение:

$$\frac{\left|\Delta \tilde{U}\left(n\right)\right|}{\Delta \varphi }=\left(2^P-1\right)\left(\sin \varphi +\cos \varphi \frac{1}{tg\theta }\right)\left(17\right)$$

- это величина скорости изменения сигнала по углу.

Для прототипа [1] из выражения (8) следует, что величина скорости изменения сигнала по углу:

$$\frac{\left|\Delta \tilde{U}\left(n\right)\right|}{\Delta \varphi }=\left(2^P-1\right)\sin \varphi \left(18\right)$$

Сравним выражения (17) и (18). Очевидно, для φ в диапазоне от $$-\frac{\pi }{2}$$ до $$\frac{\pi }{2}$$ :

$$\left(2^P-1\right)\left(\sin \varphi +\cos \varphi \frac{1}{tg\theta }\right)>\left(2^P-1\right)\sin \varphi \left(19\right)$$

Скорость изменения сигнала по углу для заявляемого фотоприемника выше, чем для прототипа. Следовательно, при повороте на один и тот же угол величина сигнала фоточувствительного элемента заявляемого фотоприемника изменится больше, чем величина сигнала фоточувствительного элемента прототипа. С другой стороны, при равных величинах изменения сигналов угол поворота фоточувствительного элемента заявляемого фотоприемника должен быть меньше, чем для прототипа.

По аналогии с выражением (9) имеем:

$$\Delta \varphi \ge \frac{1}{\left(2^P-1\right)\left(\sin \varphi +\cos \varphi \frac{1}{tg\theta }\right)}\left(20\right)$$

Предположим, что р=10, φ=γ=0,17° и θ=1°, тогда:

$$\Delta \varphi \ge \frac{1}{\left(2^{10}-1\right)\left(2,97\cdot {10}^{{}_{-3}}+0,99\cdot \frac{1}{34,9\cdot {10}^{-3}}\right)}\approx 3.4\cdot {10}^{-5}рад\approx 0,{002}^{\circ }$$

Полученный результат означает, что цифровой эквивалент сигнала фоточувствительного элемента, у которого ось диаграммы направленности отклонена от направления на светящийся ориентир на величину углового шага - γ, изменится на 1 при смещении ориентира на 0,002°. Таким образом, для рассмотренного случая разрешающая способность в 28 раз ( $$\frac{0,{056}^{\circ }}{0,{002}^{\circ }}$$ ) выше разрешающей способности прототипа.

Повысить скорость изменения сигнала по углу фоточувствительного элемента, будем называть его основным, можно также, если из величины сигнала этого элемента U(n) вычесть величину суммы или разности сигналов U₁(n) и U₂(n) дополнительных фоточувствительных элементов.

Дополнительные фоточувствительные элементы располагаются так, что оси их диаграмм направленности перпендикулярны оси диаграммы направленности основного фоточувствительного элемента, которому они приданы, направлены в противоположенные стороны и параллельны плоскости перпендикулярной оси симметрии фоточувствительных элементов, образующих многоэлементный приемник, как на Фиг.2. Цифрами обозначены: 1 - многоэлементный фотоприемник, 2 - основной фоточувствительный элемент, 3 - ось диаграммы направленности основного фоточувствительного элемента, 4 - направление на светящийся ориентир, 5 - первый дополнительный фоточувствительный элемент, 6 - ось диаграммы направленности первого дополнительного фоточувствительного элемента, 7 - второй дополнительный фоточувствительный элемент, 8 - ось диаграммы направленности второго дополнительного фоточувствительного элемента.

В случае когда направление на светящийся ориентир совпадает с осью диаграммы направленности основного фоточувствительного элемента, разностный сигнал $$\tilde{U}\left(n\right)$$ имеет наибольшее значение, так как свет на дополнительные фоточувствительные элементы не попадает и их сигналы U₁(n) и U₂(n) условно равны 0. При отклонении направления на светящийся ориентир от оси диаграммы направленности фоточувствительного элемента на некоторый угол φ из сигнала U(n) этого элемента будет вычитаться сигнал того дополнительного фоточувствительного элемента, который окажется освещенным, поскольку при этом другой дополнительный фоточувствительный элемент будет находиться в тени и его сигнал можно считать условно равным 0.

Для основного фоточувствительного элемента справедливы выражения: (4), (5), (10). Дополнительные фоточувствительные элементы делаются такими, чтобы их площадь превышала площадь основного, например, в М раз, тогда их сигналы в той же мере будут превышать сигнал основного, поэтому:

$$\tilde{U}\left(n\right)=A\cos \varphi -\left|MA\cos \left(\varphi -\frac{\pi }{2}\right)\right|=A\cos \varphi -MA\sin \varphi \left(21\right)$$

или $$\tilde{U}\left(n\right)=A\cos \varphi -\left|MA\cos \left(\varphi +\frac{\pi }{2}\right)\right|=A\cos \varphi -MA\sin \varphi \left(22\right)$$

Получившееся выражение (23) идентично выражению (14), если наложить ограничение:

$$\tilde{U}\left(n\right)=0,U\left(n\right)\le U_1\left(n\right)+U_2\left(n\right)\left(24\right)$$

Аналогичный результат получится, если площади дополнительных фоточувствительных элементов равны площади основного, но сигналы дополнительных фоточувствительных элементов перед вычитанием усилены в М раз.

При использовании усиления каждый фоточувствительный элемент может выполнять одновременно функции и основного и дополнительного. Например, если некоторый n-й фоточувствительный элемент рассматривается как основной, то дополнительными к нему будут элементарные фотоприемники, отстоящие от него на равное количество k угловых шагов γ по часовой стрелке и против.

Такой многоэлементный приемник представлен на Фиг.3. Цифрами обозначены: 1 - многоэлементный фотоприемник, 2 - n-й фоточувствительный элемент, 3 - ось диаграммы направленности n-го фоточувствительного элемента, 4 - (n-k)-й фоточувствительный элемент, 5 - ось диаграммы направленности (n-k)-го фоточувствительного элемента, 6 - (n+k)-й фоточувствительный элемент, 7 - ось диаграммы направленности (n+k)-го фоточувствительного элемента.

Если для некоторого n-го фоточувствительного элемента величина сигнала - U(n)=Acosφ, то для (n+k)-го фоточувствительного элемента величина сигнала - U(n+k)=Acos(φ+kγ), а для (n-k)-го фоточувствительного элемента величина сигнала - U(n-k)=Acos(φ-kγ). Разность величин сигналов (n+k)-го и (n-k)-го фоточувствительных элементов:

$$U\left(n+k\right)-U\left(n-k\right)=A\cos \left(\varphi +k\gamma \right)-A\cos \left(\varphi -k\gamma \right)\left(25\right)$$

После известных тригонометрических преобразований:

$$U\left(n+k\right)-U\left(n-k\right)=-2A\sin \varphi \sin \left(k\gamma \right)\left(26\right)$$

Поэтому если к сигналу n-го фоточувствительного элемента прибавить усиленную в М раз разность сигналов (n+k)-го и (n-k)-го фоточувствительных элементов (или вычесть усиленную в М раз величину разности), получим:

$$\tilde{U}\left(n\right)=A\cos \varphi -M2A\sin \left(k\gamma \right)\sin \varphi \left(27\right)$$

С учетом выражения (5):

$$\tilde{U}\left(n\right)=\left(2^P-1\right)\left[\cos \varphi -\sin \varphi 2M\sin \left(k\gamma \right)\right]\left(28\right)$$

Выражение (28) эквивалентно выражению (14), с ограничением:

$$\tilde{U}\left(n\right)=0,U\left(n\right)\le \left|U\left(n+k\right)-U\left(n-k\right)\right|\left(29\right)$$

и применимо к многоэлементному приемнику, представленному как на Фиг.2, так и на Фиг.3.

Усиление разности сигналов (n+k)-го и (n-k)-го фоточувствительных элементов можно заменить суммированием разностей для k ∈ {1…L}, тогда:

$$\tilde{U}\left(n\right)=\left(2^P-1\right)\left[\cos \varphi -\sin \varphi 2{\displaystyle \sum _{k=1}^L\sin }\left(k\gamma \right)\right]\left(30\right)$$

Таким образом, вычитание из сигнала основного фоточувствительного элемента сигналов дополнительных фоточувствительных элементов, так же как и затенение основного фоточувствительного элемента, позволяет увеличить скорость изменения сигнала по углу и соответственно разрешающую способность.

Фоточувствительные элементы в многоэлементном приемнике можно сделать состоящими из двух частей, как показано на Фиг.4. Цифрами обозначены: 1 - многоэлементный фотоприемник, 2 - левая часть n-го фоточувствительного элемента, 3 - правая часть n-го фоточувствительного элемента, 4 - ось результирующей диаграммы направленности.

При такой организации многоэлементного фотоприемника сигналом n-го фоточувствительного элемента является сумма сигналов левой и правой его частей, а вычитается усиленная величина разности сигналов левой и правой частей:

$$\tilde{U}\left(n\right)=A\cos \left(\varphi +\epsilon \right)+A\cos \left(\varphi -\epsilon \right)-M\left|A\cos \left(\varphi +\epsilon \right)-A\cos \left(\varphi -\epsilon \right)\right|\left(31\right)$$

$$\tilde{U}\left(n\right)=2A\cos \varphi \cos \epsilon -M\left|2A\sin \varphi \sin \epsilon \right|\left(32\right)$$

$$\tilde{U}\left(n\right)=\left(2^P-1\right)\left[\cos \varphi -M\left|\sin \varphi tg\epsilon \right|\right]2\cos \epsilon \left(33\right)$$

При выборе угла ε таким, чтобы 2cosε≥1, получившееся выражение (33) будет эквивалентно выражению (14), а скорость изменения сигнала по углу и, как следствие, разрешающая способность будут выше, чем у прототипа.

Другим вариантом - Фиг.5 является многоэлементный фотоприемник, фоточувствительные элементы которого также состоят из двух частей. Цифрами обозначены: 1 - многоэлементный фотоприемник, 2 - радиальная часть n-го фоточувствительного элемента, 3 - наклонная часть n-го фоточувствительного элемента.

Ось диаграммы направленности радиальной части фоточувствительного элемента является касательной к окружности с центром на оси, относительно которой располагаются фоточувствительные элементы. Ось диаграммы направленности наклонной части фоточувствительного элемента располагается под заданным углом к оси диаграммы направленности радиальной части.

Радиальная часть выполняет функцию дополнительного фоточувствительного элемента, а наклонная часть выполняет функцию основного фоточувствительного элемента. В данном случае можно использовать и затенение основного фоточувствительного элемента дополнительным и вычитание из сигнала основного сигнала дополнительного фоточувствительного элемента.

Конкретные реализации многоэлементных фотоприемников могут варьироваться в зависимости от решаемых задач. Принципиальным моментом является тот факт, что повышение скорости изменения сигнала по углу, с помощью того или иного устройства оптически или электрически связанного с фоточувствительным элементом, позволяет увеличить разрешающую способность определения угловой координаты.

Многоэлементные фотоприемники на Фиг.2-5 изображены в сечении плоскостью, перпендикулярной оси симметрии. Оси диаграммы направленности фоточувствительных элементов могут быть как параллельны этой плоскости, так и находиться под любым произвольным углом к ней. В последнем случае все приведенные выше рассуждения остаются справедливыми, необходимо только рассматривать проекции осей диаграмм направленности на эту плоскость. Причем поскольку основной фоточувствительный элемент в совокупности с дополнительными, так же как и фоточувствительный элемент, состоящий из частей, можно считать одним фоточувствительным элементом, имеющим устройство повышения скорости изменения сигнала по углу, то рассматривать следует проекцию оси диаграммы направленности такого фоточувствительного элемента, которая определяется суперпозицией диаграмм направленности составляющих элементов или частей.

Изготавливаться многоэлементный приемник оптического излучения может в виде интегральной микросхемы из известных полупроводниковых материалов с применением технологии APS (Active Pixel Sensor), глубокого жидкостного и плазмохимического травления.

Другой подход к повышению скорости изменения сигнала фоточувствительного элемента основан на изменении угловой апертуры пучка излучения светящегося ориентира. Выражение (4) справедливо, если плотность потока энергии излучения для любого участка плоскости, перпендикулярной направлению на ориентир, является постоянной величиной. Такой случай имеет место, когда ориентир является пространственно протяженным и удаленным, как, например, Солнце. Для точечного источника света зависимость величины сигнала фоточувствительного элемента от его углового положения относительно ориентира будет иной.

Величина сигнала фоточувствительного элемента зависит от количества фотонов, которые попадают на его фоточувствительную поверхность. При использовании точечного источника света, как видно из Фиг.6, количество таких фотонов определяется величиной угла δ₁. Цифрами обозначены: 1 - ось симметрии многоэлементного фотоприемника, 2 - точечный источник света, 3 - излучение точечного источника света, попадающее на один фоточувствительный элемент, 4 - фоточувствительный элемент, 5 - ось диаграммы направленности фоточувствительного элемента. Кроме того: величина L - расстояние между осью симметрии многоэлементного фотоприемника и точечным источником света и величина R - расстояние до оси симметрии, на котором располагаются фоточувствительные элементы, образующие многоэлементный фотоприемник. Если ось диаграммы направленности фоточувствительного элемента отклоняется на некоторый угол φ от линии, на которой располагаются точечный источник света и центр симметрии многоэлементного приемника, то количество фотонов определяется величиной угла δ₂, что показано на Фиг.7. Цифрами обозначены: 1 - ось симметрии многоэлементного фотоприемника, 2 - точечный источник света, 3 - излучение точечного источника света, попадающее на один фоточувствительный элемент, 4 - фоточувствительный элемент, 5 - ось диаграммы направленности фоточувствительного элемента.

Пусть сигнал фоточувствительного элемента при совпадении его оси диаграммы направленности с линией, на которой располагаются точечный источник света и центр симметрии многоэлементного приемника, имеет величину А, тогда величина сигнала n-го фоточувствительного элемента:

$$U\left(n\right)=A\frac{{\delta }_2}{{\delta }_1}\left(34\right)$$

Угол δ₁ можно определить из треугольников ACD и CDB на Фиг.6, а угол δ₂ -из треугольников AFJ, FGH, FGJ, BHJ, BFK и трапеции FGJK на Фиг.7:

$${\delta }_1=2arctg[\frac{\sin (\frac{\gamma }{2})}{(k-\cos (\frac{\gamma }{2}))}]\left(35\right)$$

$${\delta }_2=arctg[\frac{2\sin (\frac{\gamma }{2})\sqrt{[(1+k^2)-k\sin \varphi -2k\cos \varphi \cos (\frac{\gamma }{2})-{\sin }^2(\frac{\gamma }{2})]}}{(1+k^2)-2k\cos \varphi \cos (\frac{\gamma }{2})-2{\sin }^2(\frac{\gamma }{2})}],k=\frac{L}{R}\left(36\right)$$

Рассмотрим, как будет меняться величина сигнала U(n) фоточувствительного элемента и величина приращения сигнала |U(n)| в зависимости от величины угла φ между направлением на ориентир и осью диаграммы направленности в одном случае для протяженного источника света, что описывается выражением (4), и в другом случае для точечного источника света, что описывается выражением (34). Количество фоточувствительных элементов в многоэлементном приемнике - 2094, т.е. угловой шаг расположения элементов - $$\gamma =\frac{{360}^{\circ }}{2094}\approx 0,{17}^{\circ }$$ . Выберем k=1,2. Как и прежде, будем считать, что сигнал фоточувствительного элемента подвергается 10-разрядному аналого-цифровому преобразованию, поэтому А=2¹⁰-1, а все величины сигналов и их приращений - целочисленные, могут принимать значения в диапазоне от 0 до 1023. Результаты расчетов для 0<φ<3γ представлены в таблице 1.

Таблица 1 φ 0 γ 2γ 3γ U₁(n)=Acosφ 1023 1023 (1022,99) 1023 (1022,99) 1023 (1022,99) |ΔU₁(n)| - 0 (0,01) 0 (0,01) 0(0,01) $$U_2\left(n\right)=A\frac{{\delta }_2}{{\delta }_1}$$ 1023 1000 (999,68) 976 (975,76) 951 (951,2) |ΔU2(n)| - 23 (23,3) 24 (23,9) 25 (24,6)

Значения таблицы 1, помещенные в скобки, - это точные значения, полученные расчетным способом, служат только для демонстрации малости изменения величин.

Из таблицы 1 видно, что скорость изменения сигнала по углу фоточувствительного элемента при использовании точечного источника в качестве ориентира на 3 порядка $$(\frac{23,3}{0,01})$$ выше, чем скорость изменения сигнала по углу фоточувствительного элемента, который освещается протяженным источником света. Указанное соотношение сохраняется и для углов φ>3γ. Это означает, что для изменения на 1 цифрового эквивалента сигнала фоточувствительного элемента, освещаемого точечным источником света, его необходимо повернуть на угол, существенно меньший, чем в случае освещения протяженным источником света.

На Фиг.6 и Фиг.7 показан случай, когда многоэлементный приемник может быть вписан в окружность радиуса R с центром в точке А, а световые лучи ориентира испускаются из точки В. Однако выражения (34), (35) и (36) применимы и для случая, когда многоэлементный приемник имеет отверстие радиуса R с центром в точке А, по границе которого располагаются фоточувствительные элементы, а световые лучи ориентира сходятся в точке В.

Таким образом, повышение разрешающей способности угловых измерений будет получено, если излучение ориентира формировать в виде расходящегося пучка, при условии, что фоточувствительные поверхности фоточувствительных элементов образуют поверхность многогранника (прямой или конической призмы), цилиндра или конуса, либо формировать в виде сходящегося пучка при условии, что фоточувствительные поверхности фоточувствительных элементов образуют поверхность многогранного, цилиндрического или конического отверстия.

Формирование нужной угловой апертуры светового пучка ориентира может быть выполнено посредством линзы, диафрагмы или зеркальных оптических элементов.

Для практической реализации заявляемого способа повышения разрешающей способности достаточно предлагаемый многоэлементный фотоприемник дополнить устройством обработки сигнала, которое позволит по величинам сигналов фоточувствительных элементов и их порядковым номерам вычислять угловую координату светящегося ориентира. При этом можно создавать датчики (угловой координаты) направления на Солнце для космических аппаратов с повышенной разрешающей способностью только за счет применения многоэлементного приемника, фоточувствительные элементы которого снабжены устройствами повышения скорости изменения сигнала по углу.

В отличие от датчиков направления на Солнце преобразователи угол - код имеют светящийся ориентир в своем составе, что дает возможность изменять свойства его излучения. Поэтому повышенная разрешающая способность достигается как за счет применения многоэлементного приемника, фоточувствительные элементы которого снабжены устройствами увеличения скорости изменения сигнала по углу, так и за счет изменения угловой апертуры светового пучка ориентира.

Упомянутое устройство обработки сигнала допускает применение различных вычислительных алгоритмов. Угловая координата - α может быть определена, в частности, посредством нахождения центроида:

$$\alpha =\gamma \frac{{\displaystyle \sum _{k1}^{k2}nU\left(n\right)}}{{\displaystyle \sum _{k1}^{k2}U\left(n\right)}}\left(37\right)$$

где γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов; U(n) - величина сигнала n-го освещенного фоточувствительного элемента, n выбирается на интервале от k1 до k2; k1 - порядковый номер первого, а k2 - порядковый номер последнего фоточувствительного элемента в группе освещенных фоточувствительных элементов при отсчете от оси координат, сигналы которых превышают заданный порог;

Если, например, величина сигнала фоточувствительного элемента описывается выражением (28), то угловая координата - α может быть определена по отношению величин сигналов фоточувствительных элементов в группе освещенных:

$$\begin{array}{l}\alpha =n\gamma +arctg(\frac{\cos \left(k\gamma \right)+Q\sin \left(k\gamma \right)-\frac{U\left(n+k\right)}{U\left(n\right)}}{Q\cos \left(k\gamma \right)-Q\frac{U\left(n+k\right)}{U\left(n\right)}-\sin \left(k\gamma \right)}),U\left(n\right)<U\left(n+k\right)\hfill \\ \alpha =n\gamma -arctg(\frac{\cos \left(k\gamma \right)-Q\sin \left(k\gamma \right)-\frac{U\left(n\right)}{U\left(n+k\right)}}{Q\cos \left(k\gamma \right)+Q\frac{U\left(n\right)}{U\left(n+k\right)}-\sin \left(k\gamma \right)}),U\left(n\right)>U\left(n+k\right)\hfill \end{array}\left(38\right)$$

где γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов; U(n) - величина сигнала n-го фоточувствительного элемента в группе освещенных; U(n+k)-величина сигнала (n+А-)-го фоточувствительного элемента в группе освещенных; k - расстояние в угловых шагах между n-м и (n+k)-м фоточувствительными элементами; Q=2Msin(kγ) - величина, определяемая конструкцией многоэлементного фотоприемника или методом наименьших квадратов:

$$\begin{array}{c}\alpha =arctg(\frac{P+Q}{1-QP}),\\ P=\frac{{\displaystyle \sum _{k1}^{k2}U\left(n\right)}\cos n\gamma {\displaystyle \sum _{k1}^{k2}\cos n\gamma }\sin n\gamma -{\displaystyle \sum _{k1}^{k2}U\left(n\right)\sin n\gamma {\displaystyle \sum _{k1}^{k2}{\cos }^2}}n\gamma }{{\displaystyle \sum _{k1}^{k2}U\left(n\right)\sin n\gamma {\displaystyle \sum _{k1}^{k2}\cos n}\gamma \sin n\gamma -{\displaystyle \sum _{k1}^{k2}U\left(n\right)}\cos n\gamma {\displaystyle \sum _{k1}^{k2}{\sin }^{2}n\gamma }}}\end{array}\left(39\right)$$

где γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов; U(n) - величина сигнала n-го освещенного фоточувствительного элемента, n выбирается на интервале от k1 до k2; k1 и k2 - порядковые номера фоточувствительных элементов в группе освещенных; Q=2Msin(kγ) - величина, определяемая конструкцией многоэлементного фотоприемника.

Источники информации

1. Патент на изобретение РФ №2327952, МПК G01B 11/26, 2006.

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения углов в машиностроении, а также к приборам навигации космических аппаратов. Способ повышения разрешающей способности измерения угловых координат светящегося ориентира по величинам сигналов и порядковым номерам фоточувствительных элементов, расположенных симметрично с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, заключается в увеличении скорости изменения сигнала по углу указанных фоточувствительных элементов. Многоэлементный приемник оптического излучения состоит не менее чем из трех фоточувствительных элементов, расположенных симметрично с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, причем фоточувствительные элементы имеют устройства, повышающие скорость изменения их сигнала по углу. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения разрешающей способности измерения угловой координаты светящегося ориентира. 3 н.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Способ повышения разрешающей способности измерения угловых координат светящегося ориентира по величинам сигналов и порядковым номерам фоточувствительных элементов, расположенных симметрично с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, заключающийся в увеличении скорости изменения сигнала по углу указанных фоточувствительных элементов.

2. Многоэлементный приемник оптического излучения, который состоит не менее чем из трех фоточувствительных элементов, расположенных симметрично с заданным угловым шагом относительно некоторой оси, отличающийся тем, что фоточувствительные элементы имеют устройства, повышающие скорость изменения их сигнала по углу.

3. Датчик угловой координаты светящегося ориентира, содержащий многоэлементный фотоприемник, устройство обработки сигнала и светящийся ориентир, отличающийся тем, что фоточувствительные элементы указанного фотоприемника имеют устройство, повышающее скорость изменения их сигнала по углу, которое формирует расходящийся световой пучок излучения указанного ориентира, если фоточувствительные поверхности фоточувствительных элементов, из которых состоит многоэлементный фотоприемник, образуют поверхность многогранника, цилиндра или конуса и формирует сходящийся световой пучок, если фоточувствительные поверхности фоточувствительных элементов образуют поверхность многогранного, цилиндрического или конического отверстия.