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Abtastorgan zur laufenden Ermittlung der Koordinaten eines Bildpunktes im Bildfeld eines Strahlungs-Ortungsgerätes
EMI1.1
lungs-Ortungsgerätes auf ihrer Bahn automatisch zu verfolgen oder in eine bestimmte Bahn fernzulenken. Zu diesem Zwecke muss das Ortungsgerät zur laufenden Ermittlung der Einfallsrichtung der vom Objekt ausgehenden Strahlung bezüglich der optischen Achse des Gerätes eingerichtet sein. Die Einfallsrichtung ergibt sich aus den Koordinaten des von der einfallenden Strahlung herrührenden Bildpunktes im Bildfeld des Ortungsgerätes. Zur laufenden Ermittlung dieser Koordinaten bedient man sich einer in der Bildebene rotierenden Abtastscheibe mit abwechselnden Zonen verschiedener Durchlässigkeit für die betreffende Strahlung.
Der auf den Strahlendetektor des Ortungsgerätes fallende Strahl erfährt durch das bewegte Scheibenmuster eine Modulation, die als Träger der Information über die Lage des Bildpunktes im Bildfeld dient.
In Fig. 1 ist die Grundkonzeption eines derartigen Strahlungs-Ortungsgerätes schematisch dargestellt.
Der optische Teil des Gerätes besteht im wesentlichen aus einem Objektiv 1 zur Aufnahme der vom beobachteten Objekt ausgehenden Strahlung, einer in der Bildebene der Optik rotierenden Abtastscheibe 2 mit ausserhalb der optischen Achse 3 liegender Drehachse 4, einer Sammeloptik 5 und einer strahlungsempfindlichen Detektorzelle 6. Die Detektorzelle 6 liefert elektrische Impulse, die den Impulsen der durch die Abtastscheibe 2 periodisch unterbrochenen Strahlung entsprechen, an eine elektronische Einrichtung 7, in der aus dem empfangenen impulsmodulierten Signal die Lageinformation gewonnen wird, die am Ausgang der elektronischen Einrichtung 7 beispielsweise in Form von den Koordinaten des Bildpunktes in einem auf die Bildmitte bezogenen kartesischen Koordinatensystem proportionalen Spannungen Ux und Uy anfällt.
Die Abtastscheibe kann beispielsweise das aus Fig. 2 ersichtliche Abtastmuster aufweisen.'Die Abtastfigur ist auf einer kreisringförmigen Spur in Form eines in der Bewegungsrichtung der Spur periodischen, polaren Spaltmusters angeordnet, das sich in aufeinanderfolgenden sektorförmigen Abschnitten 8 wiederholt. In Fig. 2 ist das Spaltmuster nur in einem Abschnitt eingezeichnet. Jeder Abschnitt 8 ist durch eine zu den Spalten schräg verlaufende Grenzlinie 9 in zwei Felder 10 und 11 mit voneinander verschiedener Winkelteilung des Spaltmusters eingeteilt. Das Verhältnis der Winkelteilungen der Spaltmuster zweier Felder eines Sektors betrage beispielsweise 1 : 1, 5. Der Kreis 12 deutet die Begrenzung des Bildfeldes an.
In Fig. 3 ist ein Sektor der Abtastfigur mit teilweise angedeutetem Spaltmuster dargestellt, wobei der Einfachheit halber der Scheibenradius unendlich gross angenommen wurde. Die von einem punktförmigen Strahler ausgehende Strahlung, die im Bildfeld 12 den Bildpunkt P erzeugt, wird vom Spaltmuster der Abtastfigur, die sich in Fig. 3 beispielsweise nach links bewege, in Strahlungsimpulse zerhackt, deren Folgefrequenz von der Winkelteilung und der Winkelgeschwindigkeit des Spaltmusters abhängt. Die Winkelteilung ändert sich an der Grenzlinie 9 sprunghaft von derjenigen des zuerst durchlaufenden Feldes 10 auf diejenige des Feldes 11. Dementsprechend wechselt die Impulsfolgefrequenz im Moment, da die Grenzlinie 9 den Bildpunkt P passiert.
Die Abtastung beginnt mit der linken Kante des Abschnittes und
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beansprucht das Feld 10 über die Strecke al und das Feld 11 über die Strecke a2. Die resultierenden Impulszüge abwechselnder Frequenz sind aus dem Diagramm in Fig. 4 (oben) ersichtlich. Der Strecke al entspricht die Dauer tl des Impulszuges 13 der einen Frequenz, und der Strecke a2 entspricht die Dauer t2 des Impulszuges 14 der andern Frequenz. Mit T ist die Periodendauer des Frequenzwechsels bezeichnet.
Die Koordinate yp des Bildpunktes P in bezug auf das Koordinatensystem x-y. dessen Nullpunkt im Mittelpunkt des Bildfeldes liegt, ist proportional der Streckendifferenz a2-a. l, was sich leicht geometrisch erklären lässt. Folglich ist das Zeitverhältnis tl/t2 ein Mass für die Koordinaten yp. Die Koordinate xp des Bildpunktes P ist proportional der Winkeldifferenz Ag, um die der Frequenzumschlag vom Impulszug 14 auf den Impulszug 13 gegenüber einem Bezugs-Impulszug 15 (Fig. 4, unten), der durch Abtastung einer ortsfesten Strahlungsquelle mit einer Bezugsspur 17 (Fig. 2) erzeugt wird und dessen Periodendauer ebenfalls r beträgt, phasenverschoben ist.
Für die Auswertung der auf die beschriebene Weise erhaltenen Impulszüge ist nur der jeweilige Zeitpunkt eines Frequenzumschlages erheblich, und die Messgenauigkeit hängt wesentlich davon ab, wie genau dieser Zeitpunkt festgelegt werden kann. An den Grenzen zwischen den einzelnen Abschnitten ist bei einer Abtastfigur nach Fig. 2 der Übergang von der einen zur andern Winkelteilung des Spaltmusters örtlich eindeutig bestimmt, was demzufolge auch für den betreffenden Zeitpunkt des Frequenzumschlages des Impulssignals zutrifft. Hingegen entstehen an der Grenzlinie 9 Übergänge im Spaltmuster, die im Impulssignal kein zeitlich übereinstimmendes Kennzeichen für den Frequenzumschlag hervorrufen. Die Ursache dieser Erscheinung ist aus den Fig. 5 und 6 ohne weiteres ersichtlich.
Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt der Übergangszone in grösserem Massstab und Fig. 6 die Impulsdiagramme für drei verschiedene Ordinaten- lagen des Bildpunktes. Einzig das oberste der drei Impulsdiagramme lässt einen eindeutigen Frequenzübergang erkennen, wogegen die beiden andern zeigen, dass an der Übergangsstelle Störungen auftreten, die zudem je nach Ordinatenlage verschiedener Art sind. Diese Störungen äussern sich im Ausgangssignal Uy durch einen treppenförmigen statt gleichförmigen Verlauf in Abhängigkeit von der Koordinate yp.
In Fig. 7 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Teil der Abtastfigur mit den Abschnitten 16 eines Abtastorgans dargestellt, bei dem diesem Übelstand dadurch abgeholfen ist, dass die Grenzlinie 9 zwischen den Feldern 10 und 11 jedes zweiten Abschnittes um ein gleichbleibendes. vom Verhältnis der Teilungen abhängiges Mass längs der Spur versetzt ist. Jeder Abschnitt 16 erzeugt zwar nach wie vor ein Ausgangssignal mit treppenförmigem Verlauf ; durch die Versetzung der Grenzlinie 9 lässt sich jedoch erreichen, dass sich die Abweichungen des Signalverlaufes von der Linearität zweier benachbarter Abschnitte gegenseitig weitgehend kompensieren. Die Kompensation kommt dadurch zustande, dass die Abweichungen von Abschnitt zu Abschnitt ihre Richtung wechseln und durch zeitliche Mittelwertbildung praktisch zum Verschwinden gebracht werden.
Bei einem Verhältnis der Winkelteilungen der Spaltmuster in den Feldern jedes Abschnittes von beispielsweise 2 : 3 gemäss Fig. 7 beträgt das günstigste Mass der Versetzung eine Winkelteilung des gröberen Spaltmusters.
Die Massnahme nach der Erfindung kann mit gleichem Erfolg auch bei einem geradlinig bewegten Abtastorgan, z. B. in Form eines endlosen Filmstreifens, angewendet werden.