DE1623384C3 - Vorrichtung zum Messen der Lagewinkel beweglicher Ziele - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Gattung zu schaffen, die bei einfachem, mechanischem, optischem und elektrischem Aufbau, insbesondere unter Benutzung nur einer Optik und einer einfachen Abtastfläche, zwei Zielkoordinaten zu liefern vermag und dabei gegenüber Störquellen weitgehend unempfindlich ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtdetektor aus einer Anzahl streifenförmiger, mit ihren Längsseiten aneinander angrenzender Detektorelemente besteht, die in ihrer Längsrichtung von den zu ihnen etwa senkrechten Schlitzen der Abtastfläche überstrichen werden und elektrische Signale abgeben, die den in den beiden aufeinander senkrecht stehenden Richtungen von Schlitzen und Detektorelementen liegenden Lagekoordinaten des Bildes des betreffenden Zieles auf der Abtastfläche entsprechen, und daß die eine Koordinate durch die Ordnungszahl des Detektorelementes, auf das das Bild des Ziels innerhalb eines Schlitzes fällt, bestimmt ist und zur Bestimmung der anderen Koordinate ein Rechner vorgesehen ist, der von dem Bezugssignalgeber ein einen Bezugszeitpunkt festlegendes Signal erhält und aus diesem und dem dem Zielbild entsprechenden Signal die Laufzeit des betreffenden Schlitzes bestimmt.

Ein besonderer Vorteil dieser Vorrichtung besteht neben ihrem einfachen Aufbau darin, daß die von dem Lichtdetektor abgegebenen, elektrischen Signale weitgehend digital verarbeitet werden können, wodurch einerseits hohe Betriebszuverlässigkeit, Genauigkeit und Störsicherheit erreicht werden und andererseits mit wenig Aufwand zusätzliche Signalverarbeitungen zur Austastung von Störlichtquellen oder zur Steigerung der Auflösung vorgenommen werden können. Entsprechende Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildüngen sind in den Unteransprüchen angegeben.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung nach der Erfindung in einer beispielsweise gewählten Ausführungsform schematisch vereinfacht veranschaulicht.

Diese Vorrichtung besitzt eine das von einem Ziel ausgehende Licht aufnehmende Fokussiereinrichtung 1, nahe deren Brennebene ein durch ein Mosaik von länglichen, lichtempfindlichen Detektorelementen gebildeter Lichtdetektor 2 angeordnet ist. Dieser wird längs einer seiner beiden Achsen, z. B. der Ordinatenachse, elektronisch durch einen Rechner und längs seiner anderen Achse, z. B. der Abszissenachse, mechanisch durch Schlitze einer Abtastfläche 3 abgetastet. Die durch den Rechner ermittelten Koordinaten werden auf eine Steuerschaltung übertragen, die die Abtastvorrichtung, einen Bezugssignalgeber 8, der den Augenblick des Beginns der Abtastung festlegt, und die Ausrichtung der Fokussiereinrichtung auf das Ziel steuert und außerdem an den Rechner die zur Ermittlung der durch das Ziel beschriebenen Bahn f(x, /^notwendigen Daten überträgt.

Wenn es sich bei dem beweglichen Ziel um ein Fahrzeug, z. B. ein Luftfahrzeug, handelt, kommen als Quellen des von dem Ziel abgegebenen Lichtes die aus seinem Antrieb austretenden Flammen und heißen Gase in Betracht. Eine solche Lichtquelle besitzt ein sehr breites Spektrum unterschiedlicher spektraler Leuchtstärke. Zur Steigerung des Kontrastes zwischen der von dem Ziel ausgehenden Nutzlichtstrahlung und der Strahlung von Störlichtquellen werden die Fokussiereinrichtung und optische Filter zweckmäßig für das Spektralband ausgelegt, in dem die Lichtstärke am größten ist. Dieses Spektralband kann im Infraroten, im Sichtbaren oder im Ultravioletten liegen. Für das Infrarotband kann eine Vorrichtung nach den französischen Patentschriften 13 93 576 und 13 93 577 verwendet werden.

Das Mosaik der unmittelbar aneinandergrenzenden, streifenförmigen η Detektorelemente bildet ein Quadrat oder ein Rechteck, dessen eine Seite gleich der Länge eines Detektorelementes ist, während die andere Seite gleich /2-mal der Breite eines Detektorelementes ist. Die Schlitze in der Abtastfläche verlaufen senkrecht zu der Längsachse der streifenförmigen Detektorelemente. Diese Schlitze laufen mit konstanter Geschwindigkeit vor dem Lichtdetektor vorbei. Der Abstand der Schlitze in der Abtastfläche ist so bemessen, daß der Schlitz t mit der Abtastung des entsprechenden Detektorelementes beginnt, wenn der vorhergehende Schlitz r— 1 seine , Abtastung beendet hat.

Wenn das erfaßte Ziel sich in dem optischen Feld der Fokussiereinrichtung befindet, liegt sein Bild in der Ebene der Abtastfläche und eines der η Detektorelemente wird genau in dem Moment erregt, in dem der entsprechende Schlitz der Abtastfläche mit dem Zielbild zusammenfällt. In diesem Moment (t) gibt das erregte Detektorelement einen elektrischen Impuls an einen nachgeschalteten Verstärker ab. Dieser Zeitpunkt (t) wird in bezug auf einen Ursprungszeitpunkt (to) gemessen, der z. B. dem Beginn der Abtastung jedes Schlitzes entspricht. Die eine Koordinate des Zielbildes entspricht der Ordnungszahl des erregten Detektorelementes und die andere Koordinate ist eine Funktion des Zeitintervalls (t — to). Jeder Schlitz wirkt dabei infolge seiner linearen Bewegung wie ein Raumfilter, das alle Punkte des überwachten Raumes neben dem anvisierten Ziel ausblendet.

Die Abtastfläche kann entweder ein lichtundurchlässiges Band mit lichtdurchlässigen Schlitzen sein oder aus einer entsprechenden Scheibe bestehen. Im Falle einer Scheibe sind die Schlitze zueinander nicht parallel, da sie radial verlaufen. Daher ist bei großer geforderter Genauigkeit für die Bahnbestimmung des Zieles eine entsprechende Korrektur nötig, wenn das betreffende Ziel eine nicht mehr vernachlässigbare Ablage von der optischen Achse der Vorrichtung besitzt. Die Schlitze können photographisch, photochemisch, durch Gravur oder durch Mikrobearbeitungsverfahren erzeugt werden. Die Detektorelemente können nacheinander oder gleichzeitig auf einem gemeinsamen Träger hergestellt werden. Der Abstand zwischen zwei Detektoren kann sehr gering sein. Der streifenförmige Aufbau des Lichtdetektors und dessen durch die Schlitze in der Abtastfläche hervorgerufene, zeilenweise Abtastung eignen sich mit Vorteil für eine digitale Verarbeitung der Nutzsignale. Eine der Koordinateninformationen, nämlich die Ordnungszahl ρ des bereits erregten Detektorelementes, fällt selbst schon in digitaler Form an.

Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung liegt in dem kleinen, von jedem der Detektorelemente gesehenen, momentanen Gesichtsfeld, dessen Abmessungen durch die Breite des Detektorelementes und die Schlitzbreite festgelegt sind. Hierdurch wird ein großer Teil der umgebenden Störlichtenergie ausgeblendet.

Durch Erhöhung der Anzahl η der Detektorelemente kann eine Steigerung des Auflösungsvermögens und eine Verbesserung des Nutz/Stör-Signalverhältnisses erreicht werden, da sich infolge der kleinen Zielabmessungen der Pegel des Nutzsignals praktisch nicht ändert, während der Störsignalpegel wegen der Verkleinerung

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der Empfangsfläche abnimmt.

Die Erhöhung der Anzahl der Detektorelemente verbessert außerdem die Genauigkeit der Lagewinkelmessung. Jedoch kann auch bei gleichbleibender Anzahl von Detektorelementen die Genauigkeit vergrößert werden, indem man die Detektorebene aus der Brennebene herausverlegt, so daß das Zielbild ein auf zwei benachbarte Detektorelemente auffallender Fleck wird, wodurch eine zusätzliche Information geschaffen wird. An Stelle der ursprünglich η Auflösungspunkte entsprechend der Anzahl π von Detektorelementen erhält man nämlich nun(2n— 1) Auflösungspunkte.

Statt Detektorelemente mit untereinander gleichen Abmessungen vorzusehen, kann zur Erhöhung der Genauigkeit im achsnahen Bereich eine größere Anzahl von Detektorelementen angeordnet werden.

Die Vorrichtung eignet sich sehr gut für das Arbeiten mit einem auf das Zielbild zentrierten, elektronischen Fenster, das es ermöglicht, einen großen Teil der Störsignale zu unterdrücken. Dieses elektronische Fenster folgt den Verschiebungen des in dem Gesichtsfeld der Vorrichtung erfaßten Ziels und grenzt damit das optische Feld des Ziels, z. B. des Fahrzeugs, elektronisch ab. Zu Beginn der Winkelmessung wird das gesamte Gesichtsfeld benutzt, um eine Ausrichtung des elektronischen Fensters um das Ziel herum zu ermöglichen. Wenn das Ziel erfaßt ist, werden dann die um das Zielbild herum gelegenen Detektoren ausgewählt. Deren Zahl ist abhängig von den gewünschten Abmessungen des elektronischen Fensters. Gleichzeitig läßt man in bezug auf die zeitliche Stellung der dem Zielbild entsprechenden Impulse während der vorhergehenden Abtastung die weiteren Bildimpulse nur während eines verkürzten Zeitintervalls passieren, das den angenommenen Zeitpunkt des dem Zielbild entsprechenden, erwarteten Bildimpulses enthält. Das elektronische Fenster führt somit gleichzeitig eine räumliche und eine zeitliche Filterung durch. Nach Beendigung der Ausrichtung des Fensters tritt die Steuerschaltung in Tätigkeit und begrenzt das Gesichtsfeld um das anvisierte Ziel herum. Die Ausrichtung des Fensters ist leicht zu bewerkstelligen, da währenddessen das Ziel sich häufig in geringer Entfernung befindet und daher eine beträchtliche Lichtenergie liefert, wodurch die Wirkungen möglicher Störlichtquellen erheblich vermindert werden.

Geht man davon aus, daß das von dem Ziel abgegebene Licht unmoduliert ist, so beruht die Unterscheidung des Zieles von den Störlichtquellen im wesentlichen auf den gegenüber letzteren geringen Abmessungen des Zieles.

Die Unterscheidbarkeit kann durch eine künstliche, vorzugsweise impulsförmige, Amplitudenmodulation des empfangenen Lichtsignals gesteigert werden. Zu diesem Zweck wird jeder Schlitz der Abtastfläche durch eine Gruppe von m schmalen Schlitzen ersetzt, die voneinander durch undurchsichtige Stege getrennt sind. Die Stege können die gleiche Breite wie die Schlitze besitzen. Wenn das Zielbild eine Abmessung in derselben Größenordnung wie die Breite der schmalen Schlitze besitzt, moduliert nun die Gruppe der m schmalen Spalte das empfangene Licht mit einer ganz bestimmten Frequenz. Durch Verwendung selektiver Verstärker erhält man eine noch viel wirkungsvollere Ausfilterung der Störlichtquellen, die größere Abmessungen als das Ziel besitzen. Eine Lichtquelle großer Abmessungen wird nämlich nicht moduliert, da sie mehrere schmale Spalte gleichzeitig überdeckt. Hingegen wird die von dem Ziel stammende Lichtenergie durch die schmalen Spalte derart moduliert, daß der Lichtdetektor an seinem Ausgang ein aus m Impulsen bestehendes Signal liefert.

Der an das modulierte Signal angepaßte, selektive Verstärker besitzt eine um so geringere Bandbreite, je höher m gewählt ist, was es ermöglicht, auf verschiedenste Ursachen zurückgehendes Rauschen (Rauschen der Detektoren, atmosphärisches Rauschen usw.) auszufiltern.

Die schmalen Modulationsschlitze lassen ein Ziel von einer Störlichtquelle unterscheiden, deren größere Abmessung parallel zur Längsrichtung der streifenförmigen Detektorelemente ist. Auf elektronischem Wege kann aber auch der Störabstand zwischen einem Ziel und einer Störlichtquelle vergrößert werden, die auch in der zu der zuvor genannten senkrechten Richtung große Ausdehnung hat und daher mehrere Detektorelemente gleichzeitig überdeckt. In diesem Fall ist eine Differenzschaltung am geeignetsten.

Dazu werden die Detektorelemente jeweils paarweise zusammengefaßt und die Signale durch Differenzverstärker verstärkt. Bei ausgedehnten Störlichtquellen werden mehrere Detektorelemente gleichzeitig erregt und das abgegebene Störsignal wird in dem Differenzverstärker zu Null. Diese Schaltung ist besonders wirksam zur Unterdrückung der Hintergrundhelligkeit des Himmels oder der Wolken.

Wie schon erwähnt, ist es zur Erhöhung der Genauigkeit vorteilhaft, die Ebene des Lichtdetektors aus der Brennebene herauszuverlegen. Das Zielbild fällt dann auf zwei einander benachbarte Detektorelemente. Um diesen Vorteil der höheren Genauigkeit beizubehalten, werden die beiden Differenzeingänge des Verstärkers nicht an zwei benachbarte Detektorelemente gelegt, da dann das Ziel nicht mehr festgestellt werden könnte. Vielmehr werden die beiden Eingänge jedes Verstärkers mit zwei Detektorelementen entweder gerader oder ungerader Ordnungszahl verbunden. Das aus der Differenzmessung hervorgehende Signal ist entweder negativ oder positiv, je nach erregtem Detektorelement.

Die zuvor erläuterten elektrischen Schaltungen befinden sich bei der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung in einem Gehäuse 4, das auch den Antrieb 7 für die scheibenförmige Abtastfläche 3 aufnimmt. Die vollständige Vorrichtung ist in einem Kasten 5 enthalten, der mit einem Halterungsbügel 6 versehen ist, um leicht in die gewählte, durch ein Zielfernrohr kontrollierte Richtung ausgerichtet werden zu können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen der Lagewinkel beweglicher Ziele und zur Bestimmung von deren Bahn, mit einer das vom Ziel abgegebene Licht aufnehmenden Fokussiereinrichtung, die das Ziel auf einer etwa in ihrer Brennebene befindlichen, Schlitze enthaltenden Abtastfläche abbildet, die mit ihren Schlitzen vor einem Lichtdetektor und einem Bezugssignalgeber mit konstanter Geschwindigkeit vorbeiläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtdetektor (2) aus einer Anzahl streifenförmiger, mit ihren Längsseiten aneinander angrenzender Detektorelemente besteht, die in ihrer Längsrichtung von den zu ihnen etwa senkrechten Schlitzen der Abtastflache (3) überstrichen werden und elektrische Signale abgeben, die den in den beiden aufeinander senkrecht stehenden Richtungen von Schlitzen und Detektorelementen liegenden Lagekoordinaten (X, Y) des Bildes des betreffenden Zieles auf der Abtastfläche entsprechen, und daß die eine Koordinate durch die Ordnungszahl des Detektorelementes, auf das das Bild des Ziels innerhalb eines Schlitzes fällt, bestimmt ist und zur Bestimmung der anderen Koordinate ein Rechner vorgesehen ist, der von dem Bezugssignalgeber (8) ein einen Bezugszeitpunkt festlegendes Signal erhält und aus diesem und dem dem Zielbild entsprechenden Signal die Laufzeit des betreffenden Schlitzes bestimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze jeweils durch eine Cruppe nebeneinanderliegender, schmaler Schlitze ersetzt sind und daß jedem Detektorelement ein selektiver Verstärker nachgeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Schlitze der Abtastfläche (3) höchstens gleich der Breite des Bildes des Ziels auf dem Schlitz ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente von der Brennebene der Fokussiereinrichtung (1) in einem solchen Abstand angeordnet sind, daß das Bild des Ziels auf mindestens zwei einander benachbarte Detektorelemente fällt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Schaltungen zur Erzeugung eines elektronischen Fensters, das den dem Ziel entsprechenden Nutzimpuls enthält und das optische Feld um das erfaßte Ziel herum räumlich und zeitlich begrenzt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Detektorelement mit dem einen Eingang eines Differenzverstärkers verbunden ist, dessen anderer Eingang mit dem der Ordnungszahl nach übernächsten Detektorelement verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente nahe der optischen Achse der Vorrichtung in größerer Zahl je Flächeneinheit der Abtastfläche als im Randbereich angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfläche eine mit radialen Schlitzen versehene Scheibe ist und Korrekturglieder zum Ausgleich der Parallelitätsabweichung der Schlitze vorgesehen sind.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Lagewinkel beweglicher Ziele und zur Bestimmung von deren Bahn, mit einer das vom Ziel abgegebene Licht aufnehmenden Fokussiereinrichtung, die das Ziel auf einer etwa in ihrer Brennebene befindlichen, Schlitze enthaltenden Abtastfläche abbildet, die mit ihren Schlitzen vor einem Lichtdetektor und einem Bezugssignalgeber mit konstanter Geschwindigkeit vorbeiläuft.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der USA.-Patentschrift 30 07 053 bekannt. Die Abtastfläche ist dort als Kreisscheibe mit einem ersten, umfänglichen, einfachen Muster aus lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen zur Erzeugung des Bezugssignals und mit einem zweiten, kreisringförmigen, verhältnismäßig komplizierten Muster zur Erzeugung des Ablagesignals ausgebildet. Dieses zweite Muster setzt sich nämlich aus eng beieinanderliegenden, lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Streifen einer Breite zusammen, die in Umfangsrichtung nach einer etwa dreieckförmigen Verteilung schwankt. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, bei der bekannten Vorrichtung mit einem einzigen Lichtdetektorelement auszukommen, da sich Lageabweichungen des abgebildeten Bildes des Zieles in der Senkrechten in einer entsprechenden Pulsbreitenmodulation und Lageabweichungen in der Waagerechten in einer Pulsphasenmodulation äußern. Nachteilig ist vor allem — neben dem schon erwähnten, komplizierten Aufbau des Rasters der Abtastfläche — die durch die Art der von dem einzigen Lichtdetektorelement abgegebenen Signale bedingte, aufwendige Signalaufbereitung, die zumindest in den ersten Stufen nur auf analogem Wege erfolgen kann.

Aus der deutschen Patentschrift 6 01 944 ist bereits eine Vorrichtung zur Stabilisierung von Zielgeräten auf Schiffen bekannt, die mit einem kreuzweise angeordneten Muster streifenförmiger Lichtdetektorelemente, die jeweils im Abstand einer Streifenbreite parallel zueinander verlaufen, arbeitet. Dort wird allerdings nicht mit einer vor dem Lichtdetektor vorbeilaufenden, Schlitze enthaltenden Abtastfläche gearbeitet, sondern die Lichtdetektorelemente bilden eine einfache Brükkenschaltung für jede Koordinatenebene, da die angestrebte Stabilisierung in einer Richtung eine Lagewinkelmessung gar nicht erforderlich macht.

Aus der VDI-Zeitschrift 107 (1965) Nr. 22, Seite 1079, 1080, ist ferner ein Sonnenfeinsensor bekannt, bei dem am Umfang einer Scheibe vier Linsen angeordnet sind, die über schmale Schlitze auf vier lichtempfindliche Elemente abbilden. Die Scheibe führt Drehschwingungen aus, so daß wegen der Schlitze nur kurzzeitige Lichtimpulse die lichtempfindlichen Elemente erreichen. Bei Ablagen ergeben sich zwischen den vier Impulsen Phasenverschiebungen, die ein Maß für die Ablage in beiden Richtungen senkrecht zur optischen Achse der Anordnung bilden. Diese Anordnung ist jedoch von ihrem Prinzip her nur für die Messung sehr kleiner Ablagewinkel geeignet.

Aus den USA.-Patentschriften 29 81 842, 29 81 843 und 3141978 sind außerdem Vorrichtungen zum Messen der Lagewinkel beweglicher Ziele bekannt, bei denen mittels einer Schlitze enthaltenden Abtastfläche dem Zielbild eine Modulation erteilt wird, die es ermöglicht, durch nachfolgende Filterung des von dem Lichtdetektor abgegebenen elektrischen Signals den durch ausgedehnte Störlichtquellen hervorgerufenen Signalanteil von dem dem als punktförmig zu betrachtenden Ziel entsprechenden Signalanteil abzutrennen.