RU2020419C1

RU2020419C1 - Horizon scanner

Info

Publication number: RU2020419C1
Authority: RU
Inventors: Леонид Иванович Каргу; Андрей Аркадьевич Гриценко
Original assignee: Леонид Иванович Каргу; Андрей Аркадьевич Гриценко
Priority date: 1991-10-17
Filing date: 1991-10-17
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: horizon scanner has optically mated inlet and outlet flat-convex lenses with field-stop aperture, and radiation detector secured to external surface of outlet lens and connected with computer of angular deviation. Optical radiation of the Earth is collected by inlet flat-convex lens, passes through aperture and is projected on surface of radiation detector by outlet flat-convex lens. Deviation of axis of sight of instrument from direction of local vertical causes shifting of image on radiation detector surface. According to value of image shift, computer of angular deviation has direction and value of angle of deviation of sight axis. EFFECT: higher accuracy of determination of angular deviation of axis of sight due to exclusion of movable members of servo system, and, hence, of errors introduced by those system, and by application of optical system in form of wide-angle objective lens with radiation detector secured to external surface of outlet lens. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системе управления космического аппарата для определения его угловых отклонений от направления на центр Земли. The invention relates to measuring equipment and can be used in the control system of a spacecraft to determine its angular deviations from the direction to the center of the Earth.

Известен датчик горизонта, содержащий оптическую систему и приемник излучения. Работа датчика основана на проецировании широкоугольной линзой изображения Земли на приемник излучения, содержащий четыре болометра. Недостатками такого устройства являются низкая точность и невозможность непосредственного сопряжения с ЦВМ. A known horizon sensor containing an optical system and a radiation receiver. The operation of the sensor is based on the projection by a wide-angle lens of the image of the Earth onto a radiation receiver containing four bolometers. The disadvantages of this device are the low accuracy and the inability to directly pair with a digital computer.

Известен датчик горизонта, содержащий оптическую систему и приемники излучения. Работа датчика основана на проецировании оптической системой изображения Земли на группу приемников излучения. Недостатками такого устройства являются низкая точность и невозможность непосредственного сопряжения с ЦВМ. A known horizon sensor containing an optical system and radiation receivers. The operation of the sensor is based on the projection by the optical system of the image of the Earth onto a group of radiation receivers. The disadvantages of this device are the low accuracy and the inability to directly pair with a digital computer.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является датчик горизонта фирмы "BARNES ENGINEERING COMPANY", содержащий оптическую систему и матричный приемник. Работа устройства основана на проецировании изображения Земли посредством кремниевой линзы на мозаику термоэлементов. Недостатком такого устройства является низкая точность, обусловленная наличием подвижных элементов следящих систем по измеряемым осям. Closest to the technical nature of the claimed invention is a horizon sensor company "BARNES ENGINEERING COMPANY" containing an optical system and a matrix receiver. The operation of the device is based on projecting an image of the Earth through a silicon lens onto a mosaic of thermocouples. The disadvantage of this device is the low accuracy due to the presence of movable elements of the tracking systems along the measured axes.

Целью изобретения является повышение точности за счет исключения подвижных элементов следящих систем по измеряемым осям (измерители углов и моментные двигатели, установленные по осям подвеса и связанные через соответствующие усилители). The aim of the invention is to increase accuracy by eliminating the moving elements of the tracking systems along the measured axes (angle meters and torque motors installed along the suspension axes and connected through appropriate amplifiers).

Цель достигается тем, что оптическая система выполнена в виде широкоугольного объектива, содержащего входную и выходную плоско-выпуклые линзы с размещенной между ними прозрачной диафрагмой, а на внешней поверхности выходной линзы закреплен матричный приемник излучения, например матрица приборов с зарядовой связью. The goal is achieved in that the optical system is made in the form of a wide-angle lens containing input and output plane-convex lenses with a transparent diaphragm located between them, and a radiation detector, for example, a matrix of charge-coupled devices, is fixed on the outer surface of the output lens.

Выполнение оптической системы в виде широкоугольного объектива (в технической литературе объектив данного типа известен как "рыбий глаз") и закрепление на внешней поверхности выходной линзы матричного приемника излучения расширяет угловой диапазон работы прибора, что дает возможность определять величину и направление отклонения оси визирования прибора от направления на центр Земли по величине и направлению смещения изображения на матричном приемнике излучения, что позволяет исключить подвижные элементы следящих систем по измерительным осям, а, следовательно, и ликвидировать ошибки (обусловленные трением и люфтом в звеньях карданного подвеса, неточным съемом информации с датчиков углов и т.д.), вносимые этими элементами в работу прибора. Кроме того отсутствие подвижных элементов увеличивает надежность и ресурс работы прибора. The implementation of the optical system in the form of a wide-angle lens (in the technical literature, a lens of this type is known as a fisheye) and fixing on the outer surface of the output lens of the matrix radiation detector expands the angular range of the device, which makes it possible to determine the magnitude and direction of deviation of the axis of sight of the device from the direction to the center of the Earth in magnitude and direction of image displacement at the matrix radiation detector, which eliminates the moving elements of the tracking systems by the meter axes, and, consequently, to eliminate errors (due to friction and play in the links of the gimbal, inaccurate reading of information from angle sensors, etc.) introduced by these elements into the operation of the device. In addition, the absence of moving elements increases the reliability and service life of the device.

На чертеже приведена схема предлагаемого датчика. The drawing shows a diagram of the proposed sensor.

Датчик горизонта содержит оптически сопряженные входную плоско-выпуклую линзу 1 и выходную плоско-выпуклую линзу 2. Между ними расположена диафрагма 3. На внешней поверхности выходной линзы закреплен матричный приемник 4 излучения, выход которого соединен с входом вычислителя 5 угловых отклонений, устройство расположено в кожухе 6. The horizon sensor contains optically conjugated input plano-convex lens 1 and output plane-convex lens 2. Between them is a diaphragm 3. On the outer surface of the output lens there is a matrix radiation detector 4, the output of which is connected to the input of the calculator 5 of the angular deviations, the device is located in the casing 6.

Датчик горизонта работает следующим образом. The horizon sensor works as follows.

Оптическое излучение Земли собирается входной плоско-выпуклой линзой 1, проходит через диафрагму 3 и проецируется на поверхность матричного приемника 4 излучения выходной плоско-выпуклой линзой 2. Отклонение оси визирования прибора от направления местной вертикали вызывает смещение изображения на поверхности приемника излучения. Информация о положении изображения вводится в цифровую вычислительную машину - вычислитель угловых отклонений и определяется направление и угол отклонения оси визирования. The Earth’s optical radiation is collected by the input plano-convex lens 1, passes through the diaphragm 3 and is projected onto the surface of the radiation matrix receiver 4 by the output plane-convex lens 2. Deviation of the instrument’s viewing axis from the local vertical direction causes the image to shift on the surface of the radiation receiver. Information about the position of the image is entered into a digital computer - calculator of angular deviations and determines the direction and angle of deviation of the axis of sight.

Так как отклонение оси визирования от направления местной вертикали вызывает смещение геометрического центра изображения на поверхности МПЗС, то алгоритм определения углов отклонения по тангажу и крену может быть представлен следующими выражениями:
ν= К(х_о-х), φ =К(Y_o-Y), где ν , φ - углы отклонения соответственно по тангажу и крену;
К - коэффициент пропорциональности;
Х_о, Y_o - координаты центра МПЗС;
Х, Y - координаты геометрического центра изображения.Since the deviation of the axis of sight from the direction of the local vertical causes a displacement of the geometric center of the image on the surface of the MPL, the algorithm for determining the deviation angles by pitch and roll can be represented by the following expressions:
ν = K (x _o -x), φ = K (Y _o -Y), where ν, φ are the deflection angles in pitch and roll, respectively;
K is the coefficient of proportionality;
X _about , Y _o - the coordinates of the center of the MPZS;
X, Y - coordinates of the geometric center of the image.

Величины Х и и Y вычисляются в соответствии с формулами:
X =

, Y =

, где i,j - соответственно число столбцов и строк МПЗС;
f(x_i, y_j) - функция яркости для бинарного изображения;
x_ij, y_ij - дискретные значения координат центров фоточувствительных элементов.The values of X and and Y are calculated in accordance with the formulas:
X =

, Y =

, where i, j - respectively, the number of columns and rows of the MPZS;
f (x _i , y _j ) is the brightness function for a binary image;
x _ij , y _ij - discrete values of the coordinates of the centers of photosensitive elements.

В предлагаемой конструкции используются две полусферические иммерсионные линзы. Сущность действия такой линзы заключается в том, что чувствительный слой приемника и поверхность линзы совмещены друг с другом без воздушного зазора и лучи из иммерсионной линзы, минуя воздушный промежуток, попадают непосредственно на приемник излучения. Известны подобные конструкции на одной иммерсионной линзе применительно к одноэлементному приемнику излучения. Для использования МПЗС в предлагаемой конструкции дополнительно включена вторая иммерсионная линза, на сферической поверхности которой закреплена МПЗС. The proposed design uses two hemispherical immersion lenses. The essence of the action of such a lens lies in the fact that the sensitive layer of the receiver and the surface of the lens are combined with each other without an air gap and the rays from the immersion lens, bypassing the air gap, fall directly onto the radiation receiver. Similar constructions are known on a single immersion lens as applied to a single-element radiation detector. To use the MPS in the proposed design, a second immersion lens is additionally included, on the spherical surface of which the MPS is fixed.

Claims

HORIZON SENSOR, comprising an optically conjugated optical system and a matrix radiation detector, the output of which is connected to the input of the angular deviation calculator, characterized in that, in order to improve accuracy, the optical system is made in the form of a wide-angle fisheye lens containing input and output plano-convex lenses with a field diaphragm located between them, and a matrix radiation detector is mounted on the outer surface of the output lens.