Система ориентации космических летательных аппаратов по земле на основе микроболометрической матрицы
Полезная модель относится к области авиакосмического приборостроения, в частности, к оптико-электронным приборам (ОЭП) ориентации и навигации космических аппаратов (КА) и может найти применение при проектировании бортовых систем автоматического управления КА.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в приборе ориентации по Земле на основе микроболометрической матрицы с температурной коррекцией видеосигнала, содержащем оптический блок, состоящий из последовательно установленных оптических элементов и микроболометрического матричного приемника (МБМ), калибровочный затвор, модуль вычислителя, определяющий углы отклонения оси КА от направления на Землю по двум координатам, и встроенную систему термостабилизации, включающую термодатчик, соединенный с модулем вычислителя, управляющего калибровочным затвором, и подключенный к МБМ, встроенная в МБМ система термостабилизации с элементом Пельтье и термодатчиком, измеряющим температуру подложки, выполнена с обеспечением автоматического поддержания требуемого температурного режима, а дополнительно введенное устройство температурной компенсации, устраняющее влияние различных температурных факторов, состоит из термодатчика, измеряющего температуру корпуса МБМ, и термодатчика, измеряющего температуру объектива, установленного на оптическом элементе, размещенном перед МБМ, выходами подключенные к соответствующим входам модуля вычислителя.
Технический результат выражается в повышении отношения сигнал/шум на выходе МБМ, что способствует повышению качества выдаваемой информации.
Заявленная полезная модель относится к области авиакосмического приборостроения, в частности, к оптико-электронным приборам (ОЭП) ориентации и навигации космических аппаратов (КА) и может найти применение при проектировании бортовых систем автоматического управления КА.
Известны приборы ориентации по Земле, построенные на основе микроболометрической матрицы (МБМ), например, прибор, описанный в книге «Оптико-электронные системы ориентации и навигации космических аппаратов», авт. В.И.Федосеев, М.П.Колосов, Москва, Логос, 2007 г., стр.178-179. В состав данного прибора входят объектив, МБМ, блок аналоговой обработки, блок цифровой обработки и вычислительный блок, формирующий информацию о наличии или отсутствии Земли в угловом поле, ее угловых координатах, помехах и т.п. Кроме того, в прибор входят блок управления МБМ, соединенный выходом с входом МБМ, выход которой через блок аналоговой обработки подключен к цифровому блоку, а также блок калибровки для управления шторкой, установленной на входе прибора. В связи с тем, что фоновое излучение от элементов конструкции прибора порождает помеху, соизмеримую или даже превышающую полезный сигнал, перед работой прибора в реальных условиях (по Земле) определяют с высокой точностью электрический сигнал на выходе каждого фоточувствительного элемента (пикселя) МБМ и заносят его в память вычислительного блока. Такую процедуру называют калибровкой, при которой в поступающие с матрицы сигналы вводят поправки в соответствии с номерами пикселей и хранящимися в памяти данными.
Поскольку температура элементов прибора неизбежно меняется в полете, то меняется и мощность фонового излучения и, следовательно, электрический сигнал, снимаемый с каждого пикселя МБМ. Несмотря на то, что калибровка должна периодически повторяться, чтобы ее результаты соответствовали действующему распределению температур внутри конструкции, действующие температуры не измеряются в конкретных точках конструкции, поэтому не обеспечивается компенсация фонового излучения в полном объеме между сеансами калибровки.
Известно устройство под названием «Приборы ориентации по Земле на основе неохлаждаемых микроболометрических матричных приемников для космических аппаратов» (ПОЗ), авт. М.Г.Пирогов и др., выбранное в качестве прототипа (см. тезисы докладов XX международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения; 27-30 мая 2008 г., Москва, ФГУП «НПО «Орион», стр.66-67). Это двухкоординатный оптико-электронный статический прибор ориентации по Земле на основе МБМ, включающий оптический блок с последовательно установленными оптическими элементами (объектив), в фокальной плоскости которого установлена МБМ, подключенная к модулю вычислителя, определяющего углы отклонения оси КА от направления на Землю по двум координатам, калибровочный затвор и встроенную систему термостабилизации, содержащую термодатчик, измеряющий температуру оптического элемента, соединенный с модулем вычислителя, управляющего калибровочным затвором, и подключенный к МБМ. Использование такой системы термостабилизации позволяет компенсировать часть фоновой засветки, обусловленной нагревом или охлаждением материала объектива.
К недостаткам известного устройства следует отнести отсутствие процесса контроля изменения чувствительности пикселей МБМ, температуры окружающей среды, влияющей на уровень фоновой засветки пикселей МБМ энергетическим потоком, переотражаемым и излучаемым элементами корпуса МБМ прибора. Кроме того, имеет место неравномерность чувствительности элементов (детекторов), обусловленная тем, что пиксели, расположенные близко к стенкам корпуса МБМ, сильнее подвержены изменению термосопротивления при изменении температуры корпуса МБМ, чем те, что расположены в центральной зоне (дальше от стенок корпуса МБМ).
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание прибора ориентации по Земле на основе неохлаждаемых МБМ для КА с обеспечением малой массы и большого срока службы, учитывающих вышеуказанную неоднородность чувствительных элементов МБМ, а также фоновую засветку от элементов корпуса МБМ и прибора.
Для решения поставленной задачи в известном устройстве, содержащем оптический блок, состоящий из последовательно установленных оптических элементов и микроболометрического матричного приемника (МБМ), калибровочный затвор, модуль вычислителя, определяющий углы отклонения оси КА от направления на Землю по двум координатам, и встроенную систему термостабилизации, включающую термодатчик, соединенный с модулем вычислителя, управляющего калибровочным затвором, и подключенный к МБМ, встроенная в МБМ система термостабилизации с элементом Пельтье и термодатчиком, измеряющим температуру подложки, выполнена с обеспечением автоматического поддержания требуемого температурного режима, а дополнительно введенное устройство температурной компенсации, устраняющее влияние различных температурных факторов, состоит из термодатчика, измеряющего температуру корпуса МБМ, и термодатчика, измеряющего температуру объектива, установленного на оптическом элементе, размещенном перед МБМ, выходами подключенные к соответствующим входам модуля вычислителя.
Указанная совокупность признаков позволяет обеспечить повышение точности работы прибора в широком температурном диапазоне за счет увеличения отношения сигнал/шум выходных электрических сигналов чувствительных элементов МБМ, содержащих информацию о координатах центра Земли, благодаря вышеуказанному конструктивному решению, обеспечивающему одновременно термостабилизацию и компенсацию температурных изменений чувствительности пикселей и уровня фоновой засветки, обусловленной нагревом или охлаждением элементов конструкции МБМ и прибора.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема заявляемого устройства.
На приведенной фигуре раскрыт состав конструктивных элементов и их взаимосвязь:
1 - оптический блок (объектив), включающий последовательно установленные по ходу лучей оптические элементы 2, 3, 4, МБМ 5;
6 - калибровочное устройство видеосигнала, состоящее из затвора (шторки), механически связанного с приводом 7, обеспечивающим его перемещение;
8 - система термостабилизации, включающая термодатчик измерения температуры оптического элемента и элемент Пельтье (на чертеже не показан);
9-10 - устройство температурной компенсации, включающее датчик, измеряющий температуру объектива;
10 - термодатчик, измеряющий температуру корпуса МБМ 5.
11 - модуль вычислителя, включающий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12 и вычислительное специализированное устройство (ВЦУ) 13, связанный с бортовым центральным вычислительным комплексом (БЦВК).
Устройство работает следующим образом.
Объектив 1 с угловым полем, превышающим угловой размер Земли, осуществляет фокусировку оптического излучения элементами 2, 3, 4 и проецирует изображение участка небесной сферы, на котором предполагается нахождение Земли, на чувствительную поверхность МБМ 5. Сигнал с выхода МБМ 5 поступает в АЦП 12, где подвергается аналого-цифровому преобразованию и в виде цифрового кода поступает в ВЦУ 13. Этот блок представляет собой специализированный вычислитель высокой производительности, осуществляющий прием информации, запоминание нескольких кадров, обновление хранимой информации, ее обработку по определенным алгоритмам так, что на выходе блока формируется цифровой код, в котором содержится информация о наличии или отсутствии Земли в угловом поле зрения прибора, ее угловых координатах, помехах и др., выдаваемая в БЦВК.
Для выполнения указанных функций разработаны алгоритмы и программы. Подходы к разработке алгоритмов и обработке информации основаны на принципах, изложенных в книге «Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов», авт. В.И.Федосеев, М.П.Колосов, Москва, Логос, 2007 г., стр.31-65.
Наиболее важным моментом в работе такого прибора является отсутствие необходимости проведения частой калибровки в процессе полета КА, что повышает его эксплуатационные характеристики. Это связано с тем, что с помощью встроенной системы Пельтье и термодатчика осуществляется температурная стабилизация МБМ, а влияние неравномерности чувствительности элементов пикселей и мощности теплового (фонового) излучения от элементов конструкции МБМ и прибора, попадающего на пиксели МБМ, компенсируется расчетом поправок к сигналам МБМ в программном обеспечении прибора по показаниям других термодатчиков и массивов паспортных параметров, полученных по результатам калибровки прибора в заводских условиях и хранящихся в памяти модуля вычислителя. Данные поправки учитывают действующее распределение температуры по элементам конструкции МБМ и прибора, а также неравномерность чувствительности пикселей МБМ. Однако в процессе эксплуатации за счет деградации материалов и покрытий элементов конструкции МБМ и прибора, вызванной действием температуры, радиации и прочими факторами, неизбежно изменяется функция передачи отдельных пикселей МБМ, а, следовательно, необходимо регулярно уточнять массивы паспортных параметров посредством проведения калибровки. Для этого привод 7 по сигналу из модуля вычислителя 11 приводит в действие затвор (шторку) 6, который, перемещаясь до поступления сигнала из модуля вычислителя на его открытие, перекрывает поток излучения и препятствует его попаданию на МБМ 5, производится калибровка, и ее результаты соответствуют действующему распределению температур внутри конструкции, при этом учитываются реальные факторы, такие, как неоднородность усиления, неоднородность смещения, температура наружной поверхности МБМ и оптических элементов. Все это в совокупности обеспечивает повышение отношения сигнал/шум на выходе МБМ, что способствует повышению качества выдаваемой информации.
Заявленное техническое решение может быть реализовано следующим образом:
объектив 1 - линзовый германиевый, с полем зрения ~180°, пропускающий излучение в длинноволновой области ИК-диапазона спектра;
МБМ 5 - микроболометрическая матрица формата 640×480 пикселей с размером 25×25 мкм каждый;
модуль вычислителя 11 - может быть реализован на базе цифрового сигнального процессора (ДСП) 1879 ВМ4;
калибровочный затвор 6 - алюминиевая пластина АМГ6 с оптическим покрытием;
температурные датчики - ТМ 344.
Таким образом, эффективность предложенного конструктивного решения сводится к следующему:
1. Низкому уровню шумов (высокой чувствительности прибора);
2. Высокому быстродействию системы обработки выходного сигнала МБМ;
3. Возрастанию частоты опроса элементов МБМ.
Прибор ориентации по Земле на основе микроболометрической матрицы, содержащий оптический блок, состоящий из последовательно установленных оптических элементов и микроболометрического матричного приемника (МБМ), калибровочный затвор, модуль вычислителя, определяющий углы отклонения оси КА от направления на Землю по двум координатам, и встроенную систему термостабилизации, включающую термодатчик, соединенный с модулем вычислителя, управляющего калибровочным затвором, и подключенный к МБМ, отличающийся тем, что встроенная в МБМ система термостабилизации с элементом Пельтье и термодатчиком, измеряющим температуру подложки, выполнена с обеспечением автоматического поддержания требуемого температурного режима, а дополнительно введенное устройство температурной компенсации, устраняющее влияние различных температурных факторов, состоит из термодатчика, измеряющего температуру корпуса МБМ, и термодатчика, измеряющего температуру объектива, установленного на оптическом элементе, размещенном перед МБМ, выходами подключенные к соответствующим входам модуля вычислителя.
