Строительные исследования
страница - 0
Оценка солнечной засветки ПЗС матрицы прибора
астроориентации.
Пузиков Д. Ю. (dpuz@chat.ru) Московский Физико-Технический институт
Введение.
Совершенствование приборов ориентации для космических аппаратов в настоящее время является одним из ключевых моментов развития космической техники. Успехи промышленности в совершенствовании электронной элементной базы позволяют применять новые методы определения положения и ориентации космического аппарата в пространстве. Один из таких методов заключается в определении ориентации корабля по направлению на звёзды [1], [2].
Суть этого метода заключается в следующем. Оптикоэлектронная система фиксирует участок звёздного неба. Далее производится распознавание этого участка, а затем, по каталогу определяются координаты соответствующих звёзд, и на основании этих данных делается вывод о направлении оптической оси прибора в пространстве. Для регистрации изображения участка звёздного неба в современных приборах используется ПЗС матрица.
Процесс обработки изображения, полученного с ПЗС матрицы, состоит из двух этапов. На первом определяются положения изображений звёзд на матрице и оцениваются их звёздные величины. На втором производится детектирование участка звёздного неба на основе результатов обработки по первому этапу, а затем вычисляется направление оптической оси прибора астроориентации. Точность определения положения звёзд и их светимости определяет время, необходимое на детектирование, и точность измерения направления оси. Это видно из следующих простых соображений. Если точность измерения звёздной величины такова, что не существует двух звёзд таких, что их величины близки в пределах погрешности, то для детектирования участка звёздного неба достаточно найти звезду с соответствующей величиной в каталоге. Если же погрешность довольно велика, то детектируемой звезде в каталоге будет соответствовать уже несколько кандидатов с примерно одинаковыми величинами. В этом случае необходимо будет применять информацию о взаимном расположении звёзд для завершения процесса распознавания. В итоге, время детектирования будет расти с ростом погрешности измерения звёздной величины. Аналогично можно показать, что погрешность измерения положения изображения звезды на матрице также определяет время детектирования. Кроме того, с этой погрешностью связана напрямую точность определения направления оптической оси прибора, а также вероятность ошибки распознавания участка [1], [2].
Существует несколько источников погрешности измерений, такие как: дисторсия и расфокусировка объектива, вибрация элементов конструкции,
собственные шумы ПЗС матрицы и усилительного тракта. Все эти источники достаточно хорошо исследованы на настоящее время [3], [4], [5].
Помимо перечисленных выше источников ошибок особое место занимает ещё один существенный фактор - солнечный свет. Поток энергии от солнца на несколько порядков превышает поток энергии от звёзд. Если солнце находится в поле зрения видеодатчика, то наблюдение за звёздным небом становится невозможным из-за явления блюминга матрицы. Поэтому условия, при которых прямой солнечный свет попадает на матрицу, должны рассматриваться как непригодные для работы. Помимо этого солнечный свет может попасть на матрицу косвенным путём в результате переотражений, и из-за большой интенсивности поток отражённого света при определённых условиях может быть соизмерим с потоком света от звёзд. В статье произведена оценка влияния солнечного света на погрешности измерений.
Компоненты солнечной засветки.
Если не рассматривать случаи попадания солнца в поле зрения прибора, то можно выделить два основных механизма облучения солнечным светом ПЗС матрицы. Первый - многократное переотражение света на элементах конструкции бленды и объектива. Второй - отражение света от пылевых частиц. Следует отметить, что не всякая пылевая частица может помешать работе видеодатчика. Объектив датчика сфокусирован на бесконечность. Если частица находится на достаточно большом расстоянии (оценка величины этого расстояния приведена в разделе «Засветка пылевыми частицами»), то её изображение на матрице будет представлять собой пятно диаметром в несколько пикселей (рис. 1). Такое пятно никак не может сказаться на погрешности измерения, так как на первом этапе обработки изображения эта область может быть исключена из рассмотрения. Если же частица находится в непосредственной близости от видеодатчика, то размер пятна изображения частицы на ПЗС матрице может быть соизмерим с размерами самой матрицы. Тогда изображение пылевой частицы будет представлять собой некоторый фон по всему кадру. Этот фон уже не может быть устранён никакими алгоритмическими методами и может являться существенным источником помех при работе прибора. Величина фона будет зависеть от параметров частицы и от угла солнца и может быть оценена для некоторых типичных значений параметров.
Засветка блендой.
Механизм засветки ПЗС матрицы блендой выглядит следующим образом. Солнечный свет, попадая на бленду, рассеивается на ней, и затем частично попадает в объектив. Все элементы конструкции бленды находятся вне поля зрения оптикоэлектронной системы. Таким образом, изображение частей бленды на ПЗС матрице отсутствует, поэтому прямое попадание отражённого от бленды солнечного света на ПЗС матрицу невозможно. Единственным вариантом засветки ПЗС матрицы остаётся вторичное переотражение этого света на элементах конструкции внутри объектива, как показано на рис. 2.
Частица не являющаяся
источником помех
Частица создающая фон по всей матрице
Рис. 1.
Рис. 2
В результате, поставленная задача распадается на две. Первая - это определение потока отражённого от бленды солнечного света на объектив. Вторая - это учёт всех переотражений падающего на объектив света внутри него. Поток отражённого от бленды света на объектив прибора может быть оценён теоретически с высокой точностью, ввиду относительной простоты механизмов отражения света от её поверхности. Сложнее обстоит дело с объективом. Так как он состоит из большого количества элементов (линз и диафрагм), то промоделировать процесс внутреннего рассеяния света очень
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]