СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ СОЛНЦА И РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ЕГО УСТРОЙСТВО Российский патент 2015 года по МПК G01C21/24 

Изобретение относится к космической навигации и может использоваться для оперативного точного определения направления на Солнце.

Известен способ измерения угловых координат Солнца путем создания и измерения положения на матричном или линейном приемнике излучения изображения Солнца, либо изображения специальной щелевой маски [Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. М.: Логос, 2007; Черемухин Г.С. Приборы ориентации на Солнце для космических аппаратов. М.: Воентехиздат, 2004]. При этом базовая приборная система координат реализуется конструктивными элементами прибора - например, посадочной плоскостью, матричным приемником излучения, оптической системой и т.п.

Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности является датчик по патенту RU №2020419, кл. G01C 21/24, опубл. 30.09.94 г. Датчик содержит оптическую систему, выполненную в виде широкоугольного объектива, матричный фотоприемник и блок обработки информации и вычисления угловых координат.

Указанный прототип и описанный известный способ имеют недостаток - низкую точность определения направления на Солнце при широком поле зрения. Низкая точность связана с малыми угловыми размерами Солнца - 0,5° при размере полусферы наблюдений, равном 180°. Точность может быть повышена путем сужения поля зрения прибора, однако в этом случае возрастает вероятность ухода Солнца за пределы поля зрения. Установка нескольких приборов со смежными полями зрения или введение в конструкцию поворотного устройства для слежения за Солнцем удорожает прибор, ухудшает его массогабаритные характеристики, снижает надежность.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в повышении точности определения угловых координат Солнца при сохранении широкого поля зрения за счет оптического преобразования малого по размерам изображения Солнца в существенно большее по размерам кольцо, соосное с положением Солнца.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения угловых координат Солнца в приборной системе координат, заключающемся в вычислении линейных координат центра изображения, построенного широкоугольным объективом или другой проецирующей оптической системой на плоском матричном фоточувствительном приборе, с последующим преобразованием их в угловые координаты, согласно изобретению измеряют координаты центра изображения кольца, соосного с направлением на Солнце из центра кривизны тонкого прозрачного полусферического мениска, при этом кольцо образуется на матричном фотоприемнике после спектральной фильтрации изображения вогнутой поверхности упомянутого мениска, построенного широкоугольным объективом.

Технический результат достигается тем, что в устройстве измерения угловых координат Солнца, содержащем широкоугольный объектив, матричное фотоприемное устройство с блоком управления, обработки и расчета, согласно изобретению перед объективом устанавливают полусферический прозрачный мениск, на внешнюю выпуклую поверхность которого нанесен узкополосный интерференционный фильтр, при этом внутренняя вогнутая поверхность мениска матирована, а после широкоугольного объектива размещают отрезающий узкополосный светофильтр, в результате чего на матричном фотоприемнике образуется кольцеобразная фигуру или ее часть, при этом управляющий вход матричного фотоприемника соединен с управляющим выходом блока управления, обработки и расчета, а выход матричного фотоприемника соединен с соответствующим входом блока управления, обработки и расчета, с выхода которого угловые координаты направления на Солнце передаются потребителям.

Предлагаемый способ измерения угловых координат Солнца включает в себя:

- преобразование излучения Солнца в изображение кольца, соосное с направлением на Солнце, радиусом в несколько десятков градусов с помощью сферической оптико-интерференционной системы, состоящей из интерференционного фильтра с узкой полосой пропускания, центральная длина волны которого зависит от угла падения излучения, нанесенного на выпуклую поверхность прозрачного сферического мениска, и отсекающего светофильтра, пропускающего излучение в узкой спектральной полосе с более короткими длинами волн, чем интерференционный фильтр при нормальном падении;

- создание изображения кольца на матричном фотоприемнике;

- считывание кадра изображения с матричного фотоприемника;

- определение геометрического центра изображения кольца в кадре;

- вычисление угловых координат Солнца в приборной системе координат.

Предлагаемое устройство измерения угловых координат Солнца содержит:

- сферическую оптико-интерференционную систему, выполненную в виде тонкого полусферического прозрачного мениска, внутренняя вогнутая поверхность которого матирована, а на внешнюю выпуклую поверхность нанесен интерференционный фильтр, пропускающий при нормальном падении излучение с центральной длиной волны λ₀ в узком интервале Δλ;

- объектив или проецирующая оптическая система для построения изображения внутренней поверхности мениска на плоском матричном фотоприемнике;

- узкополосный отсекающий светофильтр, пропускающий излучение вблизи длины волны λ₁<λ₀;

- матричный фотоприемник, фоточувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости объектива или проецирующей оптической системы;

- блок управления, обработки и расчета, вход которого подключен к выходу матричного фотоприемника, один выход подключен к управляющему входу матричного фотоприемника, а другой выход - к потребителю.

Блок управления, обработки и расчета содержит алгоритм распознавания кольцеобразных изображений и вычислительное устройство определения угловых координат Солнца в приборной системе координат.

Предлагаемый способ измерения в целом реализуется следующим образом. Солнце освещает обращенную к нему часть поверхности мениска оптико-интерференционной системы. Интерференционный фильтр пропускает излучение с длиной волны λ₀ в подсолнечной точке, в которой излучение проходит фильтр по нормали, в остальных освещенных точках мениска фильтр пропускает излучение, длина волны λ<λ₀ которого убывает при увеличении угла падения излучения. Матовая внутренняя поверхность мениска рассеивает прошедшее излучение. В результате длина волны излучения, рассеиваемого внутренней поверхностью мениска, зависит от величины угла между произвольной точкой мениска и направлением на Солнце из центра кривизны мениска (см. Фиг.2).

Графики на Фиг.2 показывают изменение пропускания - T узкополосного интерференционного фильтра из 18 слоев в зависимости от длины волны - λ для различных углов падения излучения: 0°, 30°, 45° и 60°.

После прохождения через узкополосный светофильтр, пропускающий излучение с длиной волны вблизи λ₁, на внутренней поверхности мениска будет наблюдаться одно узкое светящееся кольцо, центр которого совпадает с направлением на Солнце из центра кривизны мениска (см. Фиг.3).

Верхние рисунки на Фиг.3 показывают виды мениска при падении солнечного излучения по оси оптической системы (а), под углом к оси 40° (б) и под углом к оси 90° (в), где разным типом штриховки обозначено изменение цвета внутренней поверхности мениска. На нижних рисунках Фиг.3 изображены соответствующие виды кольца или его части, получаемые на матричном фотоприемнике (г, д, е).

Центральная длина волны λ₁<λ₀ узкополосного светофильтра выбирается такой, чтобы угловой радиус светящегося кольца составлял 30-60°. Объектив строит изображение внутренней поверхности мениска на матричном фотоприемнике. Блок управления, обработки и расчета производит экспонирование изображения и считывает кадр, содержащий изображение светящегося кольца, выделяет в кадре кольцеобразную структуру, определяет ее геометрические характеристики и вычисляет угловые координаты Солнца в базовой приборной системе координат.

На Фиг.4 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство (Фиг.4) содержит:

- полусферический мениск 2 с интерференционным фильтром 1 на внешней поверхности и матированной внутренней поверхностью 3;

- объектив 4;

- отсекающий светофильтр 5;

- матричный фотоприемник 6;

- блок управления, обработки и расчета 7.

Устройство работает следующим образом. Солнце S освещает обращенную к нему часть поверхности мениска 2 оптико-интерференционной системы. Интерференционный фильтр 1 пропускает излучение с длиной волны λ₀ в подсолнечной точке, в которой излучение проходит фильтр по нормали, в остальных освещенных точках мениска фильтр пропускает излучение с более короткими длинами волн λ<λ₀, которые убывают при увеличении угла падения излучения. Матовая внутренняя поверхность мениска 3 рассеивает прошедшее излучение. Таким образом, цвет излучения, рассеиваемого внутренней поверхностью мениска, зависит от угла между точкой мениска и направлением на Солнце из центра кривизны мениска.

Объектив 4 строит изображение внутренней поверхности мениска 3 на матричном фотоприемнике 6. После прохождения через отсекающий светофильтр 5, расположенный между объективом 4 и матричным фотоприемником 6, пропускающий излучение с длиной волны вблизи λ₁, на внутренней поверхности мениска будет наблюдаться одно узкое светящееся кольцо, центр которого совпадает с направлением на Солнце. Объектив 4 формирует изображение этого кольца 10 на матричном фотоприемнике 6. Центральная длина волны λ₁ отсекающего светофильтра выбирается такой, чтобы угловой радиус светящегося кольца составлял 30-60°.

Блок управления, обработки и расчета 7 задает экспозицию изображения и считывает кадр, содержащий оцифрованное изображение, с выхода фотоприемника, выделяет в кадре кольцеобразную структуру, определяет ее центр, вычисляет угловые координаты Солнца в приборной системе координат и выдает их потребителю.

Изобретение относится к космической навигации и может быть использовано для оперативного определения направления на Солнце. Согласно способу с помощью оптико-интерференционной системы получают изображения светящегося кольца, центр которого соосен с направлением Солнца из центральной точки этой системы. Изображения кольца проецируют на матричный фотоприемник. Об угловом положении Солнца судят по положению центра спроецированного светового кольца на фотоприемнике. Устройство содержит сферическую оптико-интерференционную систему, включающую тонкий полусферический мениск с нанесенным на его выпуклую поверхность интерференционным светофильтром, рассеиватель излучения на вогнутой поверхности мениска и отсекающий светофильтр. Кроме того, устройство содержит объектив, матричный фотоприемник и блок управления, обработки и расчета. Технический результат - повышение точности определения угловых координат Солнца. 7 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения угловых координат Солнца в приборной системе координат, заключающийся в вычислении линейных координат центра изображения, построенного объективом или оптической системой на фотоприемнике, с последующим преобразованием их в угловые координаты, отличающийся тем, что измеряют координаты центра изображения кольца, соосного с направлением на Солнце из центра кривизны тонкого прозрачного сферического мениска, при этом кольцо, построенное объективом или оптической системой, полностью или частично образуется на фотоприемнике после спектральной фильтрации изображения вогнутой поверхности упомянутого мениска, освещенной солнечным излучением, прошедшим через интерференционный фильтр, который наносят на внешнюю поверхность упомянутого мениска и обладающий полосой пропускания, зависящей от угла падения излучения.

2. Устройство измерения угловых координат Солнца для осуществления способа по п.1, содержащее широкоугольный объектив, матричное фотоприемное устройство с блоком управления, обработки и расчета, отличающееся тем, что перед объективом установлен оптический мениск, на внешнюю выпуклую поверхность которого нанесен узкополосный интерференционный фильтр, при этом внутренняя вогнутая поверхность мениска матирована или на нее нанесено рассеивающее излучение покрытие, а также отрезающий узкополосный светофильтр, размещенный перед, за либо внутри объектива или который наносят непосредственно на светочувствительную поверхность фотоприемника либо на внутреннюю поверхность мениска, в результате чего на фотоприемнике образуется кольцеобразная фигура или ее часть, при этом управляющий вход фотоприемника соединен с управляющим выходом блока управления, обработки и расчета, а выход фотоприемника соединен с соответствующим входом блока управления, обработки и расчета, с выхода которого угловые координаты направления на Солнце передаются потребителям.

3. Устройство измерения угловых координат Солнца для осуществления способа по п.1, содержащее широкоугольный объектив, матричное фотоприемное устройство с блоком управления, обработки и расчета, отличающееся тем, что перед объективом установлен оптический мениск из рассеивающего излучение материала, на внешнюю выпуклую поверхность которого нанесен узкополосный интерференционный фильтр, а также отрезающий узкополосный светофильтр, размещенный перед, за либо внутри объектива или который наносят непосредственно на светочувствительную поверхность фотоприемника либо на внутреннюю поверхность мениска, в результате чего на фотоприемнике образуется кольцеобразная фигура или ее часть, при этом управляющий вход фотоприемника соединен с управляющим выходом блока управления, обработки и расчета, а выход фотоприемника соединен с соответствующим входом блока управления, обработки и расчета, с выхода которого угловые координаты направления на Солнце передаются потребителям.

4. Устройство измерения угловых координат Солнца для осуществления способа по п.1, содержащее широкоугольный объектив, матричное фотоприемное устройство с блоком управления, обработки и расчета, отличающееся тем, что перед объективом установлен оптический мениск из цветного стекла, выполняющий роль отрезающего светофильтра, на внешнюю выпуклую поверхность которого нанесен узкополосный интерференционный фильтр, при этом внутренняя вогнутая поверхность мениска матирована или на нее нанесено рассеивающее излучение покрытие, в результате чего на фотоприемнике образуется кольцеобразная фигура или ее часть, при этом управляющий вход фотоприемника соединен с управляющим выходом блока управления, обработки и расчета, а выход фотоприемника соединен с соответствующим входом блока управления, обработки и расчета, с выхода которого угловые координаты направления на Солнце передаются потребителям.

5. Устройство измерения угловых координат Солнца для осуществления способа по п.1, отличающееся тем, что содержит матричное фотоприемное устройство с блоком управления, обработки и расчета, оптический мениск, на внешнюю выпуклую поверхность которого нанесен узкополосный интерференционный фильтр, при этом внутренняя вогнутая поверхность мениска матирована или на нее нанесено рассеивающее излучение покрытие, отрезающий узкополосный светофильтр, установленный перед фотоприемным устройством или который наносят непосредственно на светочувствительную поверхность фотоприемника либо на внутреннюю поверхность мениска, а также оптоволоконный оптический элемент, установленный между внутренней поверхностью мениска и фотоприемным устройством, создающий изображение внутренней поверхности мениска на фотоприемном устройстве, в результате чего на фотоприемнике образуется кольцеобразная фигура или ее часть, при этом управляющий вход фотоприемника соединен с управляющим выходом блока управления, обработки и расчета, а выход фотоприемника соединен с соответствующим входом блока управления, обработки и расчета, с выхода которого угловые координаты направления на Солнце передаются потребителям.

6. Устройство измерения угловых координат Солнца для осуществления способа по п.1, отличающееся тем, что содержит матричное фотоприемное устройство с блоком управления, обработки и расчета, оптический мениск из рассеивающего излучение материала, на внешнюю выпуклую поверхность которого нанесен узкополосный интерференционный фильтр, отрезающий узкополосный светофильтр, установленный перед фотоприемным устройством или который наносят непосредственно на светочувствительную поверхность фотоприемника либо на внутреннюю поверхность мениска, а также оптоволоконный оптический элемент, установленный между внутренней поверхностью мениска и фотоприемным устройством, создающий изображение внутренней поверхности мениска на фотоприемном устройстве, в результате чего на фотоприемнике образуется кольцеобразная фигура или ее часть, при этом управляющий вход фотоприемника соединен с управляющим выходом блока управления, обработки и расчета, а выход фотоприемника соединен с соответствующим входом блока управления, обработки и расчета, с выхода которого угловые координаты направления на Солнце передаются потребителям.

7. Устройство измерения угловых координат Солнца для осуществления способа по п.1, отличающееся тем, что содержит матричное фотоприемное устройство с блоком управления, обработки и расчета, оптический мениск из цветного стекла, выполняющий роль отрезающего светофильтра, на внешнюю выпуклую поверхность которого нанесен узкополосный интерференционный фильтр, при этом внутренняя вогнутая поверхность мениска матирована или на нее нанесено рассеивающее излучение покрытие, а также оптоволоконный оптический элемент, установленный между внутренней поверхностью мениска и фотоприемным устройством, создающий изображение внутренней поверхности мениска на фотоприемном устройстве, в результате чего на фотоприемнике образуется кольцеобразная фигура или ее часть, при этом управляющий вход фотоприемника соединен с управляющим выходом блока управления, обработки и расчета, а выход фотоприемника соединен с соответствующим входом блока управления, обработки и расчета, с выхода которого угловые координаты направления на Солнце передаются потребителям.