RU2327952C2 - Panoramic sensor of angular coordinate of light checkpoint - Google Patents

Panoramic sensor of angular coordinate of light checkpoint Download PDF

Info

Publication number
RU2327952C2
RU2327952C2 RU2006128800/28A RU2006128800A RU2327952C2 RU 2327952 C2 RU2327952 C2 RU 2327952C2 RU 2006128800/28 A RU2006128800/28 A RU 2006128800/28A RU 2006128800 A RU2006128800 A RU 2006128800A RU 2327952 C2 RU2327952 C2 RU 2327952C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensor
angular coordinate
checkpoint
landmark
illuminated
Prior art date
Application number
RU2006128800/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006128800A (en
Inventor
Олег Иванович Ермаков (RU)
Олег Иванович Ермаков
Original Assignee
Олег Иванович Ермаков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Олег Иванович Ермаков filed Critical Олег Иванович Ермаков
Priority to RU2006128800/28A priority Critical patent/RU2327952C2/en
Publication of RU2006128800A publication Critical patent/RU2006128800A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2327952C2 publication Critical patent/RU2327952C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: panoramic sensor of angular coordinate of light checkpoint includes multielement receiver of optical radiation consisting of at least three elemental photo receivers, and signal processing device for defining angular coordinate of checkpoint. Elemental photo receivers are set in circle at regular pace. Number of lit elemental photo receivers within a single unit does not depend on the direction of light checkpoint at a given plane in the sensor coordinate system. Angular coordinate of checkpoint is defined either by order numbers of end elemental receivers in the lit group of photo receivers or by correlation of signal size at any two lit photo receivers, possibly adjoining ones.
EFFECT: viewing field extension for sensor angular coordinate of a light checkpoint.
4 dwg

Description

Датчик предназначен для определения угловой координаты светящегося ориентира, например Солнца, при использовании в составе системы ориентации космического аппарата.The sensor is designed to determine the angular coordinate of a luminous landmark, such as the Sun, when used as part of the orientation system of a spacecraft.

Близким по технической сущности к заявляемому датчику является датчик [1], в состав которого входят: оптический спектральный фильтр; щелевая маска; многоэлементный фоточувствительный приемник, образованный элементарными фотоприемниками, располагающимися друг за другом на кривой второго порядка, таким образом, что нормали к чувствительным площадкам каждого элементарного фотоприемника и кривая второго порядка лежат в одной плоскости; пороговые элементы, регистр фотоприемника, счетчик, выходной регистр, генератор тактовых импульсов.Close in technical essence to the claimed sensor is a sensor [1], which includes: optical spectral filter; crevice mask; a multi-element photosensitive detector formed by elementary photodetectors located one after another on a second-order curve, so that the normals to the sensitive areas of each elementary photodetector and the second-order curve lie in the same plane; threshold elements, photodetector register, counter, output register, clock generator.

Принцип действия датчика заключается в том, что излучение от Солнца, прошедшее через спектральный фильтр и щелевую маску, засвечивает группу из нескольких смежных элементарных фотоприемников. Угловая координата Солнца определяется по номеру среднего освещенного элементарного фотоприемника.The principle of operation of the sensor is that radiation from the Sun passing through a spectral filter and a slit mask illuminates a group of several adjacent elementary photodetectors. The angular coordinate of the Sun is determined by the number of the average illuminated elementary photodetector.

Анализ конструкции датчика позволяет установить, что количество засвеченных элементарных фотоприемников зависит от размера щели в маске, толщины маски, углового шага расположения элементарных фотоприемников и направления на Солнце в системе координат датчика. При малых отклонениях Солнца от оси датчика количество засвеченных элементарных фотоприемников максимально. При увеличении отклонения Солнца от оси датчика количество засвеченных элементарных фотоприемников уменьшается. В предельном случае, когда угол, под которым видно Солнце в системе координат датчика, приближается по величине к 90° или становится больше, излучение не может проникнуть через маску и осветить элементарные фотоприемники, вследствие чего, измерение становится невозможным. Следовательно, поле зрения датчика, имеющего такую конструкцию, не может иметь величину, большую или хотя бы равную 180° (±90°), что является недостатком.Analysis of the sensor design allows us to establish that the number of illuminated elementary photodetectors depends on the size of the slit in the mask, the thickness of the mask, the angular step of the location of elementary photodetectors, and the direction to the Sun in the coordinate system of the sensor. With small deviations of the Sun from the axis of the sensor, the number of illuminated elementary photodetectors is maximum. With an increase in the deviation of the Sun from the axis of the sensor, the number of illuminated elementary photodetectors decreases. In the extreme case, when the angle at which the Sun is visible in the sensor coordinate system approaches 90 ° in magnitude or becomes larger, the radiation cannot penetrate the mask and illuminate elementary photodetectors, as a result of which measurement becomes impossible. Therefore, the field of view of a sensor having such a design cannot have a magnitude greater than or at least equal to 180 ° (± 90 °), which is a disadvantage.

Известен также широкоугольный датчик [2], представляющий собой два одинаковых фоторезистора в форме полуколец, расположенных на цилиндрической поверхности и образующих кольцо.Also known is a wide-angle sensor [2], which is two identical photoresistors in the form of half rings located on a cylindrical surface and forming a ring.

Одна пара смежных выводов фоторезисторов объединена и является средней точкой резистивного делителя напряжения, а к другим смежным выводам фоторезисторов подведены равные по величине, но противоположенные по знаку напряжения. При равных освещенных площадях фоторезисторов, когда светящийся ориентир, положение которого измеряется, находится на плоскости симметрии полуколец, сопротивления фоторезисторов равны между собой и сигнал на выходе резистивного делителя будет равен 0 В. При удалении ориентира от плоскости симметрии изменяются освещенные площади фоторезисторов и, соответственно, выходное напряжение делителя напряжения отклоняется от 0 В в большую или меньшую сторону.One pair of adjacent terminals of the photoresistors is combined and is the midpoint of the resistive voltage divider, and equal to the magnitude but opposite in sign of voltage voltage is connected to the other adjacent terminals of the photoresistors. With equal illuminated areas of the photoresistors, when the luminous landmark, the position of which is measured, is located on the symmetry plane of the half rings, the resistors of the photoresistors are equal and the signal at the output of the resistive divider is 0 V. When the landmark is removed from the symmetry plane, the illuminated areas of the photoresistors change and, accordingly, The output voltage of the voltage divider deviates from 0 V up or down.

Из принципа действия этого датчика следует, что при расположении светящегося ориентира под углами симметричными (с поправкой на геометрию центрального контакта и концевых контактов фоторезисторов) относительно перпендикуляра к оси координат, например, +10° и +170°, -20° и -140°, 0° и 180°, на выходе будут вырабатываться одинаковые сигналы, так как в перечисленных случаях засвеченные площади фоторезисторов оказываются равными. Для исключения такой неоднозначности выходных сигналов угол между направлением на ориентир и осью координат датчика не должен превышать величину ±90°. То есть поле зрения такого датчика также ограничено, что, как уже указывалось, является недостатком.From the principle of operation of this sensor, it follows that when the luminous landmark is located at angles symmetrical (adjusted for the geometry of the central contact and the terminal contacts of the photoresistors) relative to the perpendicular to the coordinate axis, for example, + 10 ° and + 170 °, -20 ° and -140 ° , 0 ° and 180 °, the same signals will be generated at the output, since in the listed cases the illuminated areas of the photoresistors are equal. To avoid such ambiguity of the output signals, the angle between the direction to the landmark and the coordinate axis of the sensor should not exceed ± 90 °. That is, the field of view of such a sensor is also limited, which, as already mentioned, is a disadvantage.

Целью предлагаемого изобретения является расширение поля зрения датчика угловой координаты светящегося ориентира.The aim of the invention is to expand the field of view of the sensor of the angular coordinate of the luminous landmark.

Указанная цель достигается тем, что заявляемый датчик содержит многоэлементный приемник оптического излучения и устройство обработки сигнала. Многоэлементный приемник оптического излучения состоит из не менее чем трех фоточувствительных элементов, расположенных с заданным шагом на окружности, причем каждый фоточувствительный элемент имеет порядковый номерThis goal is achieved by the fact that the inventive sensor contains a multi-element receiver of optical radiation and a signal processing device. A multi-element optical radiation detector consists of at least three photosensitive elements located at a given pitch on a circle, with each photosensitive element having a serial number

Устройство предлагаемого датчика в части приемника оптического излучения поясняется на Фиг.1, где показано сечение приемника оптического излучения в виде диска, и на Фиг.2, где показано сечение приемника оптического излучения в виде пластины с отверстием. На Фиг.1 и Фиг.2 обозначены цифрами: 1 - ось координат: 2 - угловая координата ориентира; 3 - направление на ориентир; 4 - часть приемника оптического излучения, находящаяся в тени; 5 - освещенная часть приемника оптического излучения; 6 - сечение условно последнего фоточувствительного элемента; 7 - сечение условно первого фоточувствительного элемента; 8 - излучение светящегося ориентира; 9 - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов.The device of the proposed sensor in the part of the optical radiation receiver is illustrated in Fig. 1, which shows a cross section of the optical radiation receiver in the form of a disk, and in Fig. 2, which shows the cross section of the optical radiation receiver in the form of a plate with a hole. In figure 1 and figure 2 are indicated by numbers: 1 - coordinate axis: 2 - the angular coordinate of the landmark; 3 - direction to the landmark; 4 - part of the receiver of optical radiation in the shade; 5 - illuminated part of the receiver of optical radiation; 6 is a sectional view of the conditionally last photosensitive member; 7 is a section of a conditionally first photosensitive element; 8 - radiation of a luminous landmark; 9 is an angular pitch of the arrangement of photosensitive elements.

Угловая координата - α светящегося ориентира определяется следующим образом:The angular coordinate - α of the luminous landmark is determined as follows:

α=[(n2+n1)/2]γ, n1<n2;α = [(n2 + n1) / 2] γ, n1 <n2;

α=[(n1+n2+N)/2]γ, n1>n2 и (n1+n2+N)/2<N;α = [(n1 + n2 + N) / 2] γ, n1> n2 and (n1 + n2 + N) / 2 <N;

α=[(n1+n2-N)/2]γ, n1>n2 и (n1+n2+N)/2≥N,α = [(n1 + n2-N) / 2] γ, n1> n2 and (n1 + n2 + N) / 2≥N,

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.where γ is the angular step of the arrangement of photosensitive elements; n1 is the serial number of the first photosensitive element in the group of illuminated photosensitive elements when counting from the coordinate axis, the signal of which exceeds a predetermined threshold; n2 is the serial number of the last photosensitive element in the group of illuminated photosensitive elements when counting from the coordinate axis, the signal of which exceeds a predetermined threshold; N is the total number of photosensitive elements.

Устройство обработки сигнала в данном случае содержит пороговые устройства, N - разрядный кольцевой регистр (N=2k), k-разрядный счетчик импульсов, k-разрядный выходной регистр, генератор тактовых импульсов.The signal processing device in this case contains threshold devices, N - a bit circular register (N = 2 k ), a k-bit pulse counter, k-bit output register, a clock generator.

Работает датчик следующим образом: ориентир освещает приемник оптического излучения. Сигнал с каждого освещенного элементарного фотоприемника поступает на пороговое устройство для преобразования в цифровой сигнал, который принимает, например, значение логической единицы, если сигнал превышает заданный порог и логического нуля, если сигнал меньше заданного порога. Выходные сигналы пороговых устройств фиксируются в кольцевом регистре. По команде, данные в кольцевом регистре начинают циклически сдвигаться с тактовой частотой, и счетчик начинает считать импульсы, следующие с тактовой частотой. Как только в разряде кольцевого регистра, соответствующему первому элементарному фотоприемнику произойдет изменение сигнала с логического нуля на логическую единицу, счетчик начнет считать импульсы с частотой, в 2 раза меньшей, чем тактовая частота. После этого, как только в разряде кольцевого регистра, соответствующему первому элементарному фотоприемнику произойдет изменение сигнала с логической единицы на логический ноль, счетчик прекращает счет, а полученный на счетчике код запоминается в выходном регистре. Зафиксированный в выходном регистре код является искомой угловой координатой.The sensor works as follows: the landmark illuminates the optical radiation receiver. The signal from each illuminated elementary photodetector arrives at a threshold device for conversion into a digital signal, which takes, for example, the value of a logical unit if the signal exceeds a predetermined threshold and a logical zero if the signal is less than a predetermined threshold. The output signals of the threshold devices are fixed in a circular register. At the command, the data in the ring register begin to cyclically shift with the clock frequency, and the counter begins to count pulses following with the clock frequency. As soon as a signal changes from a logical zero to a logical unit in a ring register discharge corresponding to the first elementary photodetector, the counter will start counting pulses with a frequency 2 times lower than the clock frequency. After that, as soon as the signal changes from a logical unit to a logical zero in the ring register discharge corresponding to the first elementary photodetector, the counter stops counting, and the code received at the counter is stored in the output register. The code fixed in the output register is the desired angular coordinate.

Более точно определить угловую координату ориентира - α можно посредством нахождения центроида [3]:It is possible to more accurately determine the angular coordinate of the landmark - α by finding the centroid [3]:

Figure 00000002
, при условии n1<n2
Figure 00000002
provided n1 <n2

Figure 00000003
, при условии n1>n2 и
Figure 00000004
Figure 00000005
, при условии n1>n2 и
Figure 00000006
Figure 00000003
provided n1> n2 and
Figure 00000004
Figure 00000005
provided n1> n2 and
Figure 00000006

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; А(k) - величина сигнала k-го фоточувствительного элемента в группе освещенных фоточувствительных элементов; N - общее количество фоточувствительных элементов.where γ is the angular step of the arrangement of photosensitive elements: n1 is the sequence number of the first photosensitive element in the group of illuminated photosensitive elements when counting from the coordinate axis, the signal of which exceeds a predetermined threshold; n2 is the serial number of the last photosensitive element in the group of illuminated photosensitive elements when counting from the coordinate axis, the signal of which exceeds a predetermined threshold; A (k) is the signal value of the k-th photosensitive element in the group of illuminated photosensitive elements; N is the total number of photosensitive elements.

Для реализации такого способа определения угловой координаты устройство обработки сигнала содержит: аналого-цифровой преобразователь для преобразования сигналов фоточувствительных элементов в цифровую форму; запоминающее устройство для хранения исходных данных, промежуточных результатов расчетов и окончательного результата; микропроцессор для выполнения алгоритма вычисления центроида.To implement such a method for determining the angular coordinate, the signal processing device comprises: an analog-to-digital converter for converting the signals of the photosensitive elements into digital form; a storage device for storing source data, intermediate calculation results and the final result; microprocessor to execute the centroid calculation algorithm.

Как следует из Фиг.1 и Фиг.2, а также выше описанных способов определения угловой координаты предлагаемый датчик позволяет измерять углы между направлением на светящийся ориентир и осью датчика в диапазоне от 0° до 360°. То есть поле зрения заявляемого датчика не имеет ограничений, в отличие от поля зрения прототипов, и составляет по величине 360°.As follows from Figure 1 and Figure 2, as well as the above-described methods for determining the angular coordinate of the proposed sensor allows you to measure the angles between the direction of the luminous landmark and the axis of the sensor in the range from 0 ° to 360 °. That is, the field of view of the inventive sensor has no restrictions, in contrast to the field of view of the prototypes, and is 360 ° in magnitude.

Расширение поля зрения датчика до 360° позволяет создавать, например, систему ориентации для космических аппаратов со сферическим полем зрения всего лишь из 3-х датчиков, что повышает надежность системы, уменьшает ее энергопотребление и массу. Кроме того, датчик с полем зрения величиной 360° можно использовать в качестве малогабаритного преобразователя угол-код.Expanding the field of view of the sensor to 360 ° allows you to create, for example, an orientation system for spacecraft with a spherical field of view of only 3 sensors, which increases the reliability of the system, reduces its power consumption and weight. In addition, a sensor with a field of view of 360 ° can be used as a small angle-code converter.

Необходимо также отметить, что заявляемый датчик имеет другое полезное свойство.It should also be noted that the inventive sensor has another useful property.

Известно, что такое физическое явление, как фотоэффект заключается в появлении свободных заряженных частиц при взаимодействии фотонов с веществом. Причем количество появившихся заряженных частиц прямо пропорционально количеству фотонов взаимодействующих с веществом. Поэтому величина сигнала вырабатываемого фотоприемником, принцип действия которого основан на фотоэффекте, также будет прямо пропорциональна количеству фотонов падающих на чувствительную поверхность фотоприемника. Очевидно, что количество падающих фотонов определяется интенсивностью излучения, размерами чувствительной поверхности фотоприемника и ее угловой ориентацией относительно фронта волны излучения.It is known that such a physical phenomenon as the photoelectric effect consists in the appearance of free charged particles during the interaction of photons with matter. Moreover, the number of charged particles that appear is directly proportional to the number of photons interacting with the substance. Therefore, the magnitude of the signal generated by the photodetector, the principle of which is based on the photoelectric effect, will also be directly proportional to the number of photons incident on the sensitive surface of the photodetector. Obviously, the number of incident photons is determined by the radiation intensity, the dimensions of the sensitive surface of the photodetector and its angular orientation relative to the front of the radiation wave.

Влияние угловой ориентации фотоприемника относительно плоского фронта волны излучения на величину сигнала поясняется на Фиг.3, на которой цифрой 1 обозначено сечение фотоприемника, чувствительная поверхность которого параллельна волновому фронту; 2 - сечение фотоприемника, чувствительная поверхность которого расположена под углом γ к волновому фронту; 3 - сечение волнового фронта излучения; 4 - сечение проекции на волновой фронт фотоприемника, чувствительная поверхность которого параллельна волновому фронту; 5 - сечение проекции на волновой фронт фотоприемника, чувствительная поверхность которого расположена под углом γ к волновому фронту.The influence of the angular orientation of the photodetector relative to the plane front of the radiation wave on the signal magnitude is illustrated in FIG. 3, in which the number 1 indicates the cross section of the photodetector, the sensitive surface of which is parallel to the wavefront; 2 is a cross section of a photodetector, the sensitive surface of which is located at an angle γ to the wave front; 3 - section of the wavefront of the radiation; 4 is a cross-sectional view of the projection onto the wavefront of the photodetector, the sensitive surface of which is parallel to the wavefront; 5 is a sectional view of the projection onto the wavefront of the photodetector, the sensitive surface of which is located at an angle γ to the wavefront.

На отрезок, соответствующий сечению 1 попадают фотоны, которые проходят через отрезок, соответствующий сечению 4, а на отрезок, соответствующий сечению 2 попадают фотоны, которые проходят через отрезок, соответствующий сечению 5. Длина отрезка, соответствующего сечению 1, равна длине отрезка, соответствующего сечению 4, и равна длине отрезка, соответствующего сечению 2. Отношение длины отрезка, соответствующего сечению 5, к длине отрезка, соответствующего сечению 2, равно отношению катета к гипотенузе в прямоугольном треугольнике и равно косинусу угла между ними γ. Таким образом, на отрезок, соответствующий сечению 2 фотоприемника, повернутого относительно волнового фронта попадает фотонов в 1/cosγ раз меньше, чем на отрезок, соответствующий сечению 1 фотоприемника, параллельного волновому фронту.On the segment corresponding to section 1, photons fall through the segment corresponding to section 4, and on the segment corresponding to section 2 photons pass through the segment corresponding to section 5. The length of the segment corresponding to section 1 is equal to the length of the segment corresponding to section 4, and is equal to the length of the segment corresponding to section 2. The ratio of the length of the segment corresponding to section 5 to the length of the segment corresponding to section 2 is equal to the ratio of the leg to the hypotenuse in a right triangle and is equal to the braid of the angle between them γ. Thus, photons 1 / cosγ times smaller than the segment corresponding to section 1 of the photodetector parallel to the wavefront fall on the segment corresponding to section 2 of the photodetector turned relative to the wavefront.

В общем случае, угловая ориентация фотоприемника относительно волнового фронта задается двумя углами, например γ и δ. Поэтому на фотоприемник, чувствительная поверхность которого повернута относительно волнового фронта, попадает фотонов в 1/cosγcosδ раз меньше, чем на фотоприемник, чувствительная поверхность которого параллельна волновому фронту.In the general case, the angular orientation of the photodetector relative to the wavefront is specified by two angles, for example, γ and δ. Therefore, the photodetector, whose sensitive surface is rotated relative to the wave front, receives photons 1 / cosγcosδ times smaller than the photodetector, whose sensitive surface is parallel to the wave front.

Следовательно, применительно к заявляемому датчику, чувствительные элементы которого расположены на окружности и излучение ориентира имеет плоский волновой фронт, для n-го фоточувствительного элемента его сигнал - U(n) можно определить как:Therefore, in relation to the claimed sensor, the sensitive elements of which are located on a circle and the radiation of the landmark has a flat wave front, for the nth photosensitive element its signal - U (n) can be defined as:

U(n)=Acosnγcosδ,U (n) = Acosnγcosδ,

где δ - угол между нормалью к плоской грани датчика и волновым фронтом излучения ориентира; γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов; n - количество угловых шагов между фоточувствительным элементом, сигнал которого определяется и фоточувствительным элементом, сигнал которого имеет максимальное значение; А - максимально возможное значение величины сигнала.where δ is the angle between the normal to the flat face of the sensor and the wavefront of the landmark radiation; γ is the angular step of the arrangement of photosensitive elements; n is the number of angular steps between the photosensitive element, the signal of which is determined by the photosensitive element, the signal of which has a maximum value; And - the maximum possible value of the signal.

График зависимости сигнала - U(n) n-го фоточувствительного элемента от его углового положения на плоскости, параллельной граням датчика, и в зависимости от положения ориентира относительно оси координат датчика показан на Фиг.4, где: 1 - ось угловых координат; 2 - точка отсчета в системе координат датчика; 3 - величина сигнала U(n) n-го освещенного фоточувствительного элемента; 4 - величина сигнала U(n+1) (n+1)-го освещенного фоточувствительного элемента: 5 - точка отсчета в системе координат ориентира; 6 - распределение величин сигналов в группе освещенных фоточувствительных элементов; 7 - величина сигнала U(n+k-1) (n+k-1)-го освещенного фоточувствительного элемента; 8 - величина сигнала U(n+k) (n+k)-го освещенного фоточувствительного элемента.The graph of the dependence of the signal - U (n) of the nth photosensitive element from its angular position on a plane parallel to the faces of the sensor, and depending on the position of the landmark relative to the coordinate axis of the sensor is shown in Figure 4, where: 1 - axis of angular coordinates; 2 - reference point in the coordinate system of the sensor; 3 - signal value U (n) of the nth illuminated photosensitive element; 4 - signal value of the U (n + 1) (n + 1) -th illuminated photosensitive element: 5 - reference point in the landmark coordinate system; 6 - distribution of signal values in a group of illuminated photosensitive elements; 7 - signal value of the U (n + k-1) (n + k-1) -th illuminated photosensitive element; 8 - signal value of the U (n + k) (n + k) th illuminated photosensitive element.

Из Фиг.4 следует, что:From figure 4 it follows that:

U(n)=Acosnγcosδ=Acos(-φ)cosδ,U (n) = Acosnγcosδ = Acos (-φ) cosδ,

U(n+1)=Acos(nγ+γ)cosδ=Acos(-φ+γ)cosδ,U (n + 1) = Acos (nγ + γ) cosδ = Acos (-φ + γ) cosδ,

Принимая во внимание четность функции косинус, величину сигнала (n+1)-го освещенного фоточувствительного элемента, можно определить по-другому, разложив косинус разности двух углов по известной формуле:Taking into account the parity of the cosine function, the signal value of the (n + 1) -th illuminated photosensitive element can be determined differently by expanding the cosine of the difference of two angles according to the well-known formula:

U(n+1)=Acos(φ-γ)cosδ=[Acosφcosγ+Asinφsinγ]cosδ,U (n + 1) = Acos (φ-γ) cosδ = [Acosφcosγ + Asinφsinγ] cosδ,

Отношение величин сигналов (n+1)-го и n-го освещенных фоточувствительных элементов:The ratio of the signal values of the (n + 1) th and n th illuminated photosensitive elements:

U(n+1)/U(n)=(Acosφcosγ+Asinφsinγ)/Acosφ=cosγ+tgφsinγ,U (n + 1) / U (n) = (Acosφcosγ + Asinφsinγ) / Acosφ = cosγ + tgφsinγ,

Из отношения величин сигналов можно найти выражение для угла φ:From the ratio of signal values, one can find an expression for the angle φ:

tgφ=U(n+1)/U(n)sinγ-ctgγ,tgφ = U (n + 1) / U (n) sinγ-ctgγ,

поскольку освещенными могут быть не более половины фоточувствительных элементов приемника излучения, что видно из Фиг.1 и Фиг.2, то угол φ ограничен диапазоном от -π/2 до π/2 и, следовательно:since no more than half of the photosensitive elements of the radiation receiver can be illuminated, as can be seen from FIG. 1 and FIG. 2, the angle φ is limited to a range from −π / 2 to π / 2, and therefore

φ=arctg[U(n+1)/U(n)sinγ-ctgγ]φ = arctan [U (n + 1) / U (n) sinγ-ctgγ]

Угловое расстояние α между осью координат датчика и осью координат ориентира, как это видно из Фиг.4:The angular distance α between the coordinate axis of the sensor and the coordinate axis of the landmark, as can be seen from Figure 4:

α=nγ+φ,α = nγ + φ,

или после подстановки:or after substitution:

α=nγ+arctg[U(n+1)/U(n)sinγ-ctgγ], при условии U(n)<U(n+1)α = nγ + arctg [U (n + 1) / U (n) sinγ-ctgγ], provided that U (n) <U (n + 1)

Для другой пары величин сигналов:For another pair of signal values:

U(n+k)=Acos(n+k)γ=Acosψ,U (n + k) = Acos (n + k) γ = Acosψ,

U(n+k-1)=Acos((n+k)γ-γ)=Acos(ψ-γ),U (n + k-1) = Acos ((n + k) γ-γ) = Acos (ψ-γ),

После разложения косинуса разности двух углов по известной формуле:After the expansion of the cosine of the difference of two angles according to the well-known formula:

U(n+k-1)=Acos(ψ-γ)=Acosψcosγ+Asinψsinγ,U (n + k-1) = Acos (ψ-γ) = Acosψcosγ + Asinψsinγ,

Отношение величин сигналов (n+k-1)-го и (n+k)-го освещенных фоточувствительных элементов:The ratio of the values of the signals of the (n + k-1) th and (n + k) th illuminated photosensitive elements:

U(n+k-1)/U(n+k)=(Acosψcosγ+Asinψsinγ)/Acosψ=cosγ+tgψsinγ,U (n + k-1) / U (n + k) = (Acosψcosγ + Asinψsinγ) / Acosψ = cosγ + tgψsinγ,

Из отношения величин сигналов можно найти выражение для угла ψ:From the ratio of signal values, one can find an expression for the angle ψ:

tgψ=U(n+k-1)/U(n+k)sinγ-ctgγ,tgψ = U (n + k-1) / U (n + k) sinγ-ctgγ,

таким образом:in this way:

ψ=arctg[U(n+k-1)/U(n+k)sinγ-ctgγ]ψ = arctan [U (n + k-1) / U (n + k) sinγ-ctgγ]

Из Фиг.4 видно, что угловое расстояние между осями координат датчика и ориентира:Figure 4 shows that the angular distance between the coordinate axes of the sensor and the landmark:

α=(n+k)γ-ψ,α = (n + k) γ-ψ,

или после подстановки:or after substitution:

α=(n+k)γ-arctg[U(n+k-1)/U(n+k)sinγ-ctgγ], при условии U(n+k)<U(n+k-1)α = (n + k) γ-arctan [U (n + k-1) / U (n + k) sinγ-ctgγ], provided that U (n + k) <U (n + k-1)

В обобщенном виде можно записать:In a generalized form, you can write:

α=nγ+arctg[U(n+1)/U(n)sinγ-ctgγ], U(n)<U(n+1)α = nγ + arctg [U (n + 1) / U (n) sinγ-ctgγ], U (n) <U (n + 1)

α=nγ-arctg[U(n)/U(n+1)sinγ-ctgγ], U(n)>U(n+1)α = nγ-arctg [U (n) / U (n + 1) sinγ-ctgγ], U (n)> U (n + 1)

Пользуясь приведенной выше методикой, можно выразить угловую координату ориентира - а через величины сигналов любой пары освещенных фоточувствительных элементов, не обязательно смежных. То есть, для определения угловой координаты ориентира с помощью предлагаемого датчика достаточно знать величины сигналов всего лишь двух элементарных фотоприемников в группе освещенных. Как следствие:Using the above method, you can express the angular coordinate of the landmark - and through the magnitude of the signals of any pair of illuminated photosensitive elements, not necessarily adjacent. That is, to determine the angular coordinate of the landmark using the proposed sensor, it is enough to know the magnitude of the signals of only two elementary photodetectors in the illuminated group. Consequently:

а) можно повысить точность измерения угловой координаты - (светящегося ориентира, если воспользоваться усреднением:a) you can increase the accuracy of measuring the angular coordinate - (luminous landmark, if you use averaging:

Figure 00000007
, U(n+m-1)<U(n+m)
Figure 00000007
, U (n + m-1) <U (n + m)

Figure 00000008
, U(n+m-1)>U(n+m)
Figure 00000008
, U (n + m-1)> U (n + m)

где U(n+m-1) и U(n+m) - величины сигналов любых двух смежных фоточувствительных элементов в группе освещенных фоточувствительных элементов, n - порядковый номер фоточувствительного элемента в группе освещенных фоточувствительных элементов при отсчете от оси координат, γ - угловой шаг расположения фоточувствительных элементов, M - количество фоточувствительных элементов, по которым проводится усреднение.where U (n + m-1) and U (n + m) are the signal values of any two adjacent photosensitive elements in the group of illuminated photosensitive elements, n is the sequence number of the photosensitive element in the group of illuminated photosensitive elements when counting from the coordinate axis, γ is the angular the location step of the photosensitive elements, M is the number of photosensitive elements over which averaging is performed.

б) можно повысить помехоустойчивость измерения угловой координаты - α светящегося ориентира, например, накапливая рассчитанные по сигналам разных пар фоточувствительных элементов значения α, если они отличаются друг от друга на некоторую величину не более заданной и, игнорируя те пары сигналов фоточувствительных элементов, для которых отличие рассчитанного значения α от среднего, превышает некоторую заданную величину.b) it is possible to increase the noise immunity of measuring the angular coordinate - α of a luminous landmark, for example, by accumulating α values calculated from the signals of different pairs of photosensitive elements if they differ from each other by a certain amount no more than a given value and ignoring those pairs of photosensitive elements signals for which the difference the calculated value of α from the average, exceeds some predetermined value.

в) повышается надежность и живучесть датчика, так как даже при нарушении функционирования некоторых фоточувствительных элементов датчик сохраняет способность определять координаты ориентира.c) the reliability and survivability of the sensor are increased, since even if some photosensitive elements malfunction, the sensor retains the ability to determine the coordinates of a landmark.

Повышение точности, помехоустойчивости, надежности дает возможность создавать на основе заявляемого датчика системы ориентации космических аппаратов с улучшенными эксплуатационными показателями.Improving the accuracy, noise immunity, reliability makes it possible to create on the basis of the inventive sensor spacecraft orientation systems with improved performance.

Многоэлементный приемник оптического излучения может быть изготовлен по планарной технологии из известных полупроводниковых материалов. Получение фоточувствительных элементов, лежащих на окружности производится за счет создания в пластине полупроводника канавок заданного профиля с помощью лазера или травления.A multi-element optical radiation receiver can be manufactured according to planar technology from known semiconductor materials. Obtaining photosensitive elements lying on a circle is done by creating grooves of a given profile in the semiconductor wafer using a laser or etching.

Источники информацииInformation sources

1. Патент на изобретение РФ № 2244263, МКИ G01С 21/24, G01J 1/20, 2003.1. Patent for the invention of the Russian Federation No. 2244263, MKI G01C 21/24, G01J 1/20, 2003.

2. Патент на изобретение США № 3875404, НКИ 250/211 R, 1975.2. US patent No. 3875404, NKI 250/211 R, 1975.

3. Brian F. Alexander; Kim Chew Ng. Elimination of systematic error in subpilxel accuracy centroid estimation. Optical Engineering (ISSN 0091-3286), vol.30, Sept. 1991, p.1320-1331.3. Brian F. Alexander; Kim Chew Ng. Elimination of systematic error in subpilxel accuracy centroid estimation. Optical Engineering (ISSN 0091-3286), vol. 30, Sept. 1991, p.1320-1331.

Claims (1)

Панорамный датчик угловой координаты светящегося ориентира, содержащий многоэлементный приемник оптического излучения, который состоит не менее чем из трех элементарных фотоприемников, и устройство обработки сигнала для определения угловой координаты ориентира, отличающийся тем, что элементарные фотоприемники расположены с заданным шагом по окружности, количество освещенных элементарных фотоприемников с точностью до одного не зависит от направления на светящийся ориентир в системе координат датчика в плоскости указанной окружности, угловая координата ориентира определяется по порядковым номерам элементарных фотоприемников, которые начинают и заканчивают группу освещенных фотоприемников, или угловая координата ориентира определяется по отношению величин сигналов любых двух, в частности смежных, элементарных фотоприемников в группе освещенных.A panoramic sensor for the angular coordinate of a luminous landmark, containing a multi-element optical radiation detector, which consists of at least three elementary photodetectors, and a signal processing device for determining the angular coordinate of the landmark, characterized in that the elementary photodetectors are arranged with a given circle pitch, the number of illuminated elementary photodetectors up to one, it does not depend on the direction of the luminous landmark in the coordinate system of the sensor in the plane of the specified circle Thus, the angular coordinate of the landmark is determined by the serial numbers of elementary photodetectors that start and end the group of illuminated photodetectors, or the angular coordinate of the landmark is determined by the ratio of the signal values of any two, in particular adjacent, elementary photodetectors in the group of illuminated.
RU2006128800/28A 2006-08-08 2006-08-08 Panoramic sensor of angular coordinate of light checkpoint RU2327952C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006128800/28A RU2327952C2 (en) 2006-08-08 2006-08-08 Panoramic sensor of angular coordinate of light checkpoint

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006128800/28A RU2327952C2 (en) 2006-08-08 2006-08-08 Panoramic sensor of angular coordinate of light checkpoint

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006128800A RU2006128800A (en) 2008-02-20
RU2327952C2 true RU2327952C2 (en) 2008-06-27

Family

ID=39266727

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006128800/28A RU2327952C2 (en) 2006-08-08 2006-08-08 Panoramic sensor of angular coordinate of light checkpoint

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2327952C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011053179A1 (en) * 2009-10-28 2011-05-05 Ermakov Oleg Ivanovich Method for determining two angular coordinates of a luminous reference point and multi-element photodetector for the implementation thereof
RU2538355C2 (en) * 2009-04-24 2015-01-10 Олег Иванович Ермаков Method to increase resolving capacity of measurement of angular coordinate of glowing reference point, multi-element photodetector and sensor of angular coordinate of glowing reference point that implement it
US10613186B2 (en) 2015-11-30 2020-04-07 Signify Holding B.V. Distinguishing devices having positions and directions

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2538355C2 (en) * 2009-04-24 2015-01-10 Олег Иванович Ермаков Method to increase resolving capacity of measurement of angular coordinate of glowing reference point, multi-element photodetector and sensor of angular coordinate of glowing reference point that implement it
WO2011053179A1 (en) * 2009-10-28 2011-05-05 Ermakov Oleg Ivanovich Method for determining two angular coordinates of a luminous reference point and multi-element photodetector for the implementation thereof
RU2509290C2 (en) * 2009-10-28 2014-03-10 Олег Иванович Ермаков Method to determine two angular coordinates of glowing reference point and multiple-element photodetector for its realisation
US10613186B2 (en) 2015-11-30 2020-04-07 Signify Holding B.V. Distinguishing devices having positions and directions
US10895624B2 (en) 2015-11-30 2021-01-19 Signify Holding B.V. Distinguishing devices having positions and directions

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006128800A (en) 2008-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100738495B1 (en) Optical encoder
US4445087A (en) Process and an apparatus for measuring the angular velocity of a rotating member
US7348544B2 (en) Optical encoder with discontinuous optical grating
US4874937A (en) Digital sun sensor
JP3168451B2 (en) Rotary encoder
EP1903314B1 (en) Origin detection method for optical encoder
KR20010074741A (en) Angle encoder
US7282699B2 (en) Optical encoder for improved detection of the absolute position of an origin point
RU2327952C2 (en) Panoramic sensor of angular coordinate of light checkpoint
JP5203024B2 (en) Absolute position measuring encoder
JPH08178700A (en) Incremental encoder
US6583415B2 (en) Method and system for dynamically polarizing electro-optic signals
JP6756477B2 (en) Encoder
CN114762216A (en) Configurable memory block for LIDAR measurements
RU2399063C1 (en) Optical source angular position sensor
USH412H (en) Coordinate position detector
RU97835U1 (en) DIGITAL AUTOCollimator
CN108444397B (en) Displacement sensor and measuring method thereof
JPS62150118A (en) Optical displacement detector
JP3529516B2 (en) Optical measuring device
RU2805303C1 (en) Rotation angle detection device
RU2244263C1 (en) Sun angular coordinate indicator
RU2610514C2 (en) Laser phased range finder
RU2538355C2 (en) Method to increase resolving capacity of measurement of angular coordinate of glowing reference point, multi-element photodetector and sensor of angular coordinate of glowing reference point that implement it
SU1093892A1 (en) Light projection range finder

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130809