Il sistema di puntamento fine realizzato e qui di seguito descritto, consiste sostanzialmente in una “meridiana solare elettrica”. Il dispositivo che permette di tradurre in segnali elettrici la posizione del sole è un sensore ottico CCD (Charge Coupled Device o dispositivo a trasferimento di carica). La parte sensibile del componente è costituita da un array lineare di 2087 fotorecettori (pixel), in grado di accumulare una quantità di carica elettrica proporzionale all’intensità dei raggi incidenti e alla durata dell’esposizione. Parallelamente al piano dei pixel si trova uno shift-register che provvede all’immagazzinamento delle cariche formatesi durante l’esposizione per poi inviarle ad un convertitore carica-tensione (fig. 2.1).
Fig 2.1 – Schema di funzionamento di una CCD.
Naturalmente le migliori prestazioni si ottengono quando viene usata
tutta la dinamica offerta dal dispositivo senza raggiungere la saturazione.
Particolari condizioni, ad esempio troppa luminosità o periodo di
esposizione troppo lungo, portano alla saturazione, con conseguente perdita
d’informazione. Per una sorgente con luminosità stabile (come il
sole nella stratosfera) la conoscenza delle condizioni di lavoro può
permettere di calibrare il sistema senza ricorrere ad automatismi per il
raggiungimento della corretta esposizione. Nella precedente versione del
puntatore [28] si assumeva noto il valore della luce solare; il sistema
veniva calibrato otticamente per non saturare con il massimo della radiazione,
ed eventuali piccole variazioni venivano automaticamente corrette modificando
il guadagno del sistema di trattamento del segnale a valle del convertitore
carica-tensione [31]. Questa versione del sensore prevede un più
sofisticato sistema di esposizione automatica [rif. 26, G. Romeo e S. Rao,
EDN, Design Ideas, Jul. ‘98 ] che utilizza la funzione di shutter, offerta
dal sensore impiegato (SONY ILX703A). Lo shutter è un segnale di
azzeramento delle cariche nel registro a scorrimento. Assumendo che le
condizioni di illuminazione non cambino tra un’esposizione e la successiva,
il controllo sulla situazione delle cariche viene eseguita al tempo t e
al tempo t + 1 lo shutter opera la correzione necessaria.
La CCD con relativa circuiteria è montata all’interno di un
parallelepipedo di alluminio con una fenditura perpendicolare alla fila
di pixel in modo che il sole produca una sottile lama di luce. Dalla geometria
del sistema (fig 2.2) si può facilmente ricavare l’angolo di incidenza
dei raggi solari, con la sola accortezza di determinare correttamente la
posizione del massimo della distribuzione di luce sull’array.
Il segnale d’uscita di un sistema così concepito, è dipendente
soltanto dalla sua geometria; con dei semplici calcoli trigonometrici si
ricava la distanza alla quale deve essere posizionata la fenditura affinché
l’angolo j che i raggi incidenti formano con
la perpendicolare sia al massimo di 60°.
Fig 2.2 – Geometria del sistema in cui è montata la CCD.
Un modo semplice per ottenere il massimo della distribuzione luminosa è quello di calcolare il baricentro della distribuzione di cariche (f) lungo il sensore CCD (caratterizzato dalla coordinata X) tramite la formula seguente:
Si tratta di un metodo che si implementa facilmente anche senza l’ausilio
di un microprocessore. Un errore intrinseco in questo metodo è quello
indotto dalla distorsione dell’immagine all’aumentare dell’angolo di incidenza
dei raggi solari. Infatti il baricentro coincide con il massimo della distribuzione
di luce solo quando questa è simmetrica e la simmetria si verifica
soltanto quando l’angolo a cui il sole viene visto è nullo. Come
si vedrà nel prossimo paragrafo nella geometria del nostro sistema
l’errore è del tutto trascurabile ed è comunque un errore
sistematico a cui si ovvia in fase di calibrazione.
Inoltre, come esposto nel paragrafo 2.3 il calcolo del baricentro
permette di diminuire l’errore sulla posizione al disotto del pixel.
Fig 2.3 – Schema a blocchi del circuito per il sensore fine.
Nella figura 2.3 si riporta lo schema a blocchi del circuito impiegato
nella costruzione del sensore fine. Il segnale analogico uscente dalla
CCD viene digitalizzato attraverso un convertitore A/D. Il valore in uscita
dall’A/D viene utilizzato dal sistema di esposizione automatica e dal sistema
di calcolo che riproduce la formula 2.1. Nella figura è evidenziato
come il numeratore ed il denominatore della 2.1 vengano ricostruiti utilizzando
due dispositivi MAC (Multiply And Accumulate). Il quoziente ed un successivo
filtraggio temporale, tramite un passa-basso di tipo FIR (Finite Impulse
Response) vengono ottenuti con un DSP (Digital Signal Processing).
Il filtro in uscita è stato previsto per due motivi:
- diminuire il ritmo dei dati uscenti (eccessivo per il sistema di posizionamento) operando una decimazione a valle del filtro che può essere effettuata solo rispettando il teorema del campionamento;
- operare un aumento della precisione a scapito del ritmo di campionamento.
Gli approfondimenti sul funzionamento del circuito e del filtro sono riportati nell’appendice A.1 e A.8.