NO149402B - Anordning for bestemmelse av retningskoordinatene til et fjerntliggende objekt - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning for måling av retningskoordinatene til et fjerntliggende objekt, f.eks. en gjenstand som skal styres eller et mål som skal følges, omfattende et bevegelig følsomhets- eller strålingssløyfesystem som omfatter eri eller flere innbyrdes ubevegelige følsomhets-hhv. strålingssløyfer som er innrettet til å rotere om et bestemt punkt beliggende på eller nær inntil begrensningslinjen for sløyfen henholdsvis en av eller noen av sløyfene i sløyfesystemet.

Oppfinnelsen er særlig beregnet for anvendelse i sådanne tilfeller hvor det objekt som skal bestemmes, utsender stråling generert av en strålingskilde som er anbrakt på objektet, eller infrarød stråling generert av objektet eller selve målet. Strålingen kan også avledes fra en reflektor som er anbrakt på objektet, hvilken reflektor utsettes for stråling utsendt av en strålingskilde som er beliggende på stedet for måleanordningen. Et vesentlig trekk ved målesituasjonen er det forhold at avstanden mellom måleanordningen og objektet varierer. Måleanordningen må derfor ha.et vidt synsfelt når målet fremkommer på kort avstand, mens følsomhetskravene er moderate. Når derimot målet fremkommer på stor avstand, kre-ves større følsomhet innenfor et snevert synsfelt.

Det er tidligere kjent å benytte en måleanordning som har snevre, skarpt definerte, vifteformede følsomhetsstrå-ler som sveiper vekselvis i elevasjon og azimut over synsfeltet for måleanordningen, idet de tidspunkter da følsomhetsstrålene passerer over objektet, utgjør et mål for objektets posisjon. For å dekke det nødvendige vide synsfelt når objektet befinner seg på kort avstand fra måleanordningen, og på tross av dette begrense måletiden, er det nødvendig å benytte en forholdsvis høy sveipehastighet. Den resulterende hurtige passasje over objektet krever en rask reaksjon av måleanordningens detekto-rer, hvilket ofte er vanskelig å oppnå. En ytterligere begrensning opptrer dersom strålingskilden er modulert med en forholdsvis lav frekvens, hvilket ofte er tilfelle når strålingskilden består av en pulserende laserstråle. For å unngå disse vanskeligheter, er det vanlig å forlenge passeringstiden over objektet ved å øke bredden av de vifteformede følsomhets-stråler, hvilket imidlertid resulterer i en tilsvarende reduksjon av nøyaktigheten av målingen. For på tross av dette faktum å oppnå en tilstrekkelig nøyaktighet av målingen når objektet er beliggende på stor avstand fra måleanordningen, er det mulig å forsyne måleanordningen med zoom-optikk, dvs. optikk med kontinuerlig variabel brennvidde, ved hjelp av hvilken målingens nøyaktighet kan økes og synsfeltet redu-seres i forhold til avstanden til objektet. Et annet alternativ er å benytte to måleanordninger, hvor den ene har et vidt synsfelt og lav målenøyaktighet og den andre har et ens-vert synsfelt og stor målenøyaktighet. Et tredje alternativ er å benytte utskiftbare, faste optiske systemer med forskjellige forstørrelser.

For å oppnå god målenøyaktighet for "små" eller svake signaler, ønskes en stor åpningsdiameter for det optiske system, hvilket gjør zoom-optikken meget kostbar og dess-- uten plasskrevende. Det samme gjelder for dé utskiftbare optiske systemer, hvor det i tillegg opptrer en alvorlig funk-sjonsavbrytelse i forbindelse med utskiftningen av de optiske systemer. Anordningene for generering av de sveipende eller avsøkende, vifteformede følsomhetssoner er som regel meget kompliserte og fintfølende på grunn av høy fremstil-lingspresisjon, hvilket gjør denne del av måleanordningen kostbar. Som et resultat er også det alternativ som omfatter to separate måleanordninger, kostbart og komplisert.

Hovedformålet med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe en forbedret måleanordningen av ovennevnte type hvor anordningen er mye enklere og kombinerer' kravet til et : vidt synsfelt med kravet til stor målenøyaktighet innenfor et begrenset område av synsfeltet.

For oppnåelse av dette formål er det tilveiebrakt

en anordning av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen- er kjennetegnet ved at følsomhets- henholdsvis strålingssløyfene er klart avgrenset av en begrensningslinje som i hovedsaken utgjøres dels av en rett linje og dels av en logaritmisk spiral, hvilke linjer møtes i eller umiddelbart utenfor det nevnte rotasjonspunkt.

i

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i tilknytning til et antall utførelseseksempler under henvis-ning til tegningene, der fig. 1 skjematisk viser en utførelse av en måleanordning ifølge oppfinnelsen, fig. 2 illustrerer skjematisk en utførelse av måleanordningen som har midler for bestemmelse av formen på følsomhetsstrålen og indirekte også formen på et snitt av følsomhetsstrålen, fig. 3 viser et for-størret riss av den sentrale del av fig. 2, fig. 4 illustrerer en annen utførelse av måleanordningen som har midler for bestemmelse av formen på følsomhetsstrålen, og fig. 5 viser et forstørret bilde av den sentrale del av det område som er vist på fig. 4.

På fig. 1, som skjematisk viser et sideriss av måleanordningen ifølge oppfinnelsen, betegner henvisningstallet 11 et objektiv som fanger opp den stråling som utsendes av objektet og projiserer et bilde på en maske 12 som er beliggende i objektivets billedplan. Masken er konsentrisk mon-tert på et lager 14 og innrettet til å roteres ved hjelp av en elektrisk motor 13. I forbindelse med den roterende maske er det anordnet en føleranordning 16 av en type som er kjent i teknikken og som derfor ikke skal beskrives i detalj. Ved hjelp av føleranordningen genereres et elektrisk signal som er en entydig funksjon av maskens øyeblikkelige vinkelposisjon. I forbindelse med masken er en fotodetektor 15 anordnet nær masken, og utgangssignalet som tilveiebringes av detektoren, tilføres til en signalbehandlende krets 17 av en type som er kjent i teknikken. Også utgangssignalet fra føleranordningen 16 tilføres til den signalbehandlede krets 17 for evaluering.

Objektivet 11 og masken 12 er anbrakt inne i et sylindrisk hus 18 som er innrettet til å rettes mot det objekt hvis retningskoordinater skal bestemmes. Måleanordningen er fortrinnsvis anordnet inne i et større sikteenhets-hus som er forsynt med midler for å lette innsiktingen mot objektet.

Fig. 2 illustrerer én utførelse av den roterende maske 12. Som vist på figuren, består masken av to deler, en første del 21, for eksempel en åpning, gjennom hvilken stråling kan passere til fotodetektoren 15, og en andre del 22 som er ugjennomtrengelig for stråling utsendt av strålingskilden. Når masken roterer, genererer den gjennomsiktige del 21 en følsomhetsstråle som roterer som maskens rotasjonssentrum 23, hvilket sentrum i dette tilfelle faller sammen med synsfel-tets sentrum. Formen på følsomhetsstrålen er bestemt av formen på åpningen 21, og av figuren vil det fremgå at grenselinjen som støter opp til maskens ugjennomtrengelige del, i hovedsaken består av en logaritmisk spiral 26 og dessuten av en rett linje 25 som er forenet ved maskens rotasjonssentrum

i 23.

På fig. 3, som er et forstørret riss av området rundt maskens rotasjonssentrum 23, er overgangen mellom den logaritmiske spiral 36 og den rette linje 35 klarere vist.

Nær sentrum er den logaritmiske spiral forvandlet til en lineær spiral 34 som går sammen med den rette linje i rotasjons - sentret 33, eller slik at rotasjonssentret er beliggende like ved siden.av foreningspunktet.

Grunnen til at de gjennomsiktige deler 21, 31 er gitt denne form, skal forklares nærmere nedenfor.

Den stråling som utsendes av objektet, projiseres

av linsen 11 til et punkt på masken 12, idet punktet innledningsvis antas ikke å falle sammen med rotasjonssentret. Punktet vil beskrive en sirkél på den roterende maskes overflate med sitt sentrum beliggende ved maskens rotasjonssentrum 23, 33. Under den del av omdreiningen da punktet passerer den gjennomsiktige del 21, 31 av masken, genereres et utgangs-pulssignal av detektoren dersom den av strålingskilden utsend-te stråling er kontinuerlig, eller et pulstog dersom strålingskilden er pulsmodulert. Pulsen eller pulstoget gjentas for hver omdreining når masken roterer, og på grunn av formen på den gjennomsiktige del er lengden av pulsen hhv. pulstoget direkte relatert til avstanden mellom punktet og rotasjonssentret. Pulsens eller pulstogets fase i forhold til maskens ■ rotasjon er et mål for retningen fra rotasjonssentret mot det projiserte parti. På denne måte mottas både en indikasjon på punktets posisjon i polarkoordinater og en tilsvarende indikasjon på retningen mot objektet.

Pulsens eller pulstogets lengde hhv. fase bestemmes ved hjelp av den signalbehandlende krets 17, idet et referan-sesignal som er nødvendig for fasesammenlikning, utledes fra føleranordningen 16. Den signalbehandlende krets 17 kan med fordel omfatte en mikroregnemaskin som ved siden av'signalbe-handlingen, ved hjelp av et kjent beregningsprogram, utfører en omforming mellom polarkoordinater og kartesiske koordina-ter for objektets posisjon, dersom dette ønskes.

Ved hjelp av formen på grenselinjen som støter opp til den gjennomsiktige del av masken som er vist på fig. 2 og 3, dvs. en grenselinje som består av en rett linje 25, 35 og en logaritmisk spiral 26, 36, tilveiebringes en puls eller et pulstog med en lengde som er proporsjonal med logaritmen til den inverse verdi av avstanden mellom punktet og maskens ro-tas jonssentrum. Av dette følger at målingens usikkerhet i radial retning avtar lineært med avstanden mellom punktet og sentrum. Da retningen mot punktet utledes ut fra passeringstiden for den rette linje 25, 35, avtar også målingens usikkerhet i tangential retning med avstanden fra sentret. På denne måte er det mulig å kombinere en god målenøyaktighet i den sentrale del av synsfeltet med et vidt synsfelt. Den nevnte sammenheng mellom måleusikkherheten og avstanden til sentret gjelder når fotodetektorens begrensede hurtighet eller strålingskildens pulsfrekvens begrenser oppløsningen. Den nevnte sammenheng gjelder ikke meget nær sentret hvor de nevnte forhold tilveiebringer en så god oppløsning at andre forhold, såsom begrenset billedskarphet, utgjør en begrensning. Det er derfor viktig å konstruere maskens grenselinje som en lineær spiral 34 nær sentret, slik. at det hindres at måleanordningens dynamiske område utstrekkes til å nå en høyere opp-løsning enn hva som kan utnyttes.

I det følgende skal beskrives noen eksempler på andre utførelsesformer av oppfinnelsen. Ved hjelp av forskjellige utforminger av den gjennomsiktige del av masken er det således mulig å justere målenøyaktighetsegenskapene i overens.-stemmelse med forskjellige anvendelser. Et eksempel på en annen utførelse er vist på fig. 4 hvor hele masken er vist,

og på fig. 5 som viser et forstørret riss av maskens sentrale del. I begge disse figurer er den ugjennomtrengelige del av

masken betegnet med henvisningstallene 41, 43 hhv. 51, 53, mens de gjennomsiktige deler er betegnet med 42, 44 hhv. 52, 54. Med en sådan form på den gjennomsiktige del oppnås to pulser med konstant lengde fra fotodetektoren 15 for hver omdreining av masken, men intervallet mellom pulsene tilveiebringer en entydig måling av avstanden mellom det projiserte punkt og maskens rotasjonssentrum. Den konstante lengde av pulsene tilveiebringer en mulighet for den signalbehandlede krets 17 til å undertrykke eventuelle støypulser som kan opptre.. Det følger av dette at denne utførelse er særlig nyttig for sådanne anvendelser hvor forstyrrelser kan opptre. For å unngå sammenblanding mellom begge pulstog, er det hensiktsmes-sig å konstruere områdene 42, 52 hhv. 44, 54 med forskjellige bredder.

En annen utførelse innenfor oppfinnelsens ramme er en utførelse hvor den roterende maske erstattes av en roterende fotodetektor med et følsomt område som er utformet i analogi med den gjennomsiktige del av den foran beksevne maske, og hvor det elektriske utgangssignal avledes fra fotodetektoren via f.eks. sleperinger.

En ytterligere utførelse er den utførlse hvor en strålingskilde er anbrakt i måleanordningen i stedet for en • fotodetektor, og en fotodetektor er anbrakt på objektet i stedet for strålingskilden. x

Denne utførelse er av interesse når man ønsker å motta informasjon angående objektets posisjon ved objektet i stedet for ved måleanordningen. Informasjon angående vinkel-posisjonen av måleanordningens roterende del blir i dette tilfelle overført telemetrisk til objektet ved modulasjon av strålingskilden på en måte som er kjent i teknikken.

Claims (11)

1. Anordning for måling av retningskoordinatene til et fjerntliggende objekt, f.eks. en gjenstand som skal styres eller et mål som skal følges, omfattende et bevegelig følsom-hets- eller strålingssløyfesystem som omfatter en eller flere innbyrdes ubevegelige følsomhets- hhv. strålingssløyfer som er innrettet til å rotere om et bestemt punkt beliggende på eller nær inntil begrensningslinjen for sløyfen henholdsvis en av eller noen av sløyfene i sløyfesystemet, karakterisert ved at følsomhets- henholdsvis strålingssløyfene er klart avgrenset av en begrensningslinje som i hovedsaken ut-gjøres dels av en rett linje (25; 35) og dels av en logaritmisk spiral (26; 36), hvilke linjer møtes i eller umiddelbart utenfor det nevnte rotasjonspunkt (23; 33).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter en detektor (15) for mottagelse av stråling som utsendes av en på objektet beliggende strålingskilde når strålingssløyfene passerer objektet.

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at rotasjonspunktet er beliggende i eller meget nær synsfeltet for måleanordningen hhv. det område som dekkes av strålingssløyfene, og fortrinnsvis i sentrum av synsfeltet.

4. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter en strålingskilde for utsendelse av stråling som mottas av en på objektet beliggende detektor når strålingssløyfene passerer objektet.

5. Anordning ifølge krav 2 eller 4, karakterisert ved at sløyfenes form bestemmes ved hjelp av en roterende maske (12) beliggende i strålebanen mellom strålingskilden og detektoren (15), hvilken maske omfatter en del (21, 31; 42, 44, 52, 54) som er gjennomtrengelig for den stråling som utsendes av strålingskilden.

6. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at den roterende maske (12) er beliggende i billedplanet for et objektiv (11), slik at et bilde projiseres av strålingskilden på masken (12), hvilket bilde beskriver en sirkel på den roterende maskes overflate med sitt sentrum i maskens rotasjonssentrum, slik at det under den eller de perioder av omdreiningen da bildet passerer den gjennomtrengelige del av masken, ved hjelp av detektoren (15) tilveiebringes et utgangssignal som omfatter en eller flere pulser.

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved en føleranordning (16) som er anordnet nær den roterende maske (12) og er innrettet til å tilveiebringe et elektrisk signal som er en entydig funksjon av maskens øyeblikkelige vinkelposisjon.

8. Anordning ifølge kra^ 6, karakterisert ved at den gjennomtrengelige del av den roterende maske omfatter en overflate (21) som er avgrenset av den nevnte begrensningslinje som omfatter den rette.linje (25; 35) og den logaritmiske spiral (2.6; 36) som er forenet ved eller nær maskens rotasjonssentrum, slik at lengden av den puls som utsendes av detektoren, tilveiebringer en éntydig funksjon av avstanden mellom bildet og rotasjonssentret, og pulsens fase sammenlik-net med maskens rotasjon tilveiebringer et mål for retningen fra rotasjonssentret mot det projiserte bilde.

9. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at den logaritmiske spiral (26; 36) nær rotasjonssentret blir en lineær spiral (34).

10. Anordning ifølge krav 7, karakterisert, ved at den gjennomtrengelige del av rotasjonsmasken består av et antall områder (4 2, 52, 44, 54) med en sådan form at lengden av pulser som utsendes av detektoren (15), er konstant, mens intervallet mellom pulsene er et éntydig mål for avstanden mellom bildet og rotasjonssentret.

11. Anordning ifølge krav 2 eller 4, karakterisert ved at sløyfenes form er bestemt ved detektorens (15) følsomme overflate.