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Infrarot-Ortungsgerät mit im Bildfeld der Suchoptik bewegter Abtastscheibe
Die Erfindung betrifft ein Infrarot-Ortungsgerät, das sich zur laufenden Ermittlung der Kursablage eines auf ein Ziel gelenkten, insbesondere nach dem Zieldeckungsverfahren ferngelenkten Flugkörpers eignet.
Beim Zieldeckungsverfahren äussert sich jede Abweichung des Flugkörpers von dem durch die op- tische Achse des Ortungsgerätes festgelegten Kurs in einem Abwandern des im Bildfeld der Suchoptik punktförmig abgebildeten Flugkörpers aus der Bildfeldmitte. Die Koordinaten des Bildpunktes im Bildfeld geben somit ein Mass für die Richtungsabweichung des Flugkörpers und für deren Korrektur.
Zur Ermittlung der Bildpunktkoordinaten dient bei einem Infrarot-Ortungsgerät mit einer einzigen Detektorzelle eine im Bildfeld der Suchoptik rotierende Abtastscheibe. Bei einem bekannten, für selbst- gelenkte Flugkörper bestimmten Infrarot-Ortungsgerät, das die Polarkoordinaten eines Bildpunktes im Bil4- feld elektrisch darstellt, besitzt die Abtastscheibe ein polares Spalt-bzw. Speichenmuster mit in Umfangsrichtung sich sinusförmig ändernder Spalt- bzw. Speichenbreite. Ferner ist die Abtastscheibe in konzentrische Ringzonen mit sich von Zone zu Zone ändernder Speichenzahl unterteilt. Eine derart ausgebildete Abtastscheibe, deren Drehachse mit der optischen Achse des Gerätes zusammenfällt, erzeugt eine Impulsbreitemodulation des vom Bildpunkt auf die Detektorzelle gerichteten Lichtstrahls.
Das Ausgangssignal der Detektorzelle wird in einem Diskriminator in eine harmonische Wechselspannung umgewandelt, deren Frequenz ein Mass für die Radialdistanz des Bildpunktes vom Scheibenzentrum und deren Phasenlage die Winkellage des Bildpunktes bezüglich einer festen Bezugsrichtung in der Bildebene darstellt.
Aus praktischen Gründen fällt der Nullpunkt des Koordinatensystems, in dem die Abtastscheibearbeitet, in der Regel nicht mit dem Mittelpunkt des Bildfeldes zusammen. Die Koordinaten sind deshalb optisch oder elektrisch zu transformieren, bevor sie als elektrische Signale den elektronischen Teil des Ortungsgerätes verlassen. Es zeigt sich nun aber, dass diese Transformation bei stufenweiser Nachbildung der Zielbildkoordinaten zu groben Fehlern führen kann.
Dieser Nachteil ist bei einer ebenfalls bekannten Abtastscheibe dadurch vermieden, dass das Bogenmass der Spaltbreite im ganzen Muster eine stetige Funktion des Abstandes vom Scheibenzentrum ist.
Der optische Teil eines derartigen Infrarot-Ortungsgerätes enthält nach Fig. 1 im wesentlichen ein Objektiv 1 zur Aufnahme der von einer Strahlungsquelle 2 ausgehenden Infrarotstrahlung, eine im Bildfeld der Optik rotierende Abtastscheibe 3 mit einer ausserhalb der optischen Achse 4 liegenden Drehachse 5, eine Sammellinse 6 und eine strahlungsempfindliche Detektorzelle 7. Die Detektorzelle 7 liefert am Ausgang 8 elektrische Impulse, die den durch die Abtastscheibe 3 erzeugten Strahlungsimpulsen entsprechen.
Die für die Phasenmessung benötigte Phasennullage erhält man in bekannter Weise mit Hilfe eines Bezugssignals, das von einer bezüglich der optischen Achse des Gerätes feststehenden Strahlungsquelle, vorzugsweise über einen getrennten optischen und elektrischen Kanal, in gleicher Weise wie das Zielbild-
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signal gewonnen wird.
Bei Verwendung des beschriebenen Infrarot-Ortungsgerätes zur Fernlenkung eines Flugkörpers stellt der Flugkörper mit der durch sein Antriebsaggregat gebildeten Infrarot-Strahlungsquelle das vom Ortungsgerät zu erfassende Ziel dar, im Gegensatz zu dem beispielsweise optisch verfolgten Ziel, das der Flugkörper erreichen soll. Das im Ortungsgerät erfasste Ziel (Flugkörper) entfernt sich beim Zieldeckungsverfahren während des Lenkvorganges immer mehr vom Standort des Ortungsgerätes, je mehr es sich dem Treffpunkt nähert. Die von ihm ausgehende, imortungsgerät empfangeneinfrarotstrahlung wirdhiebei immer schwächer, womit auch das Nutz- zu Störsignal-Verhältnis und dementsprechend die Messgenauigkeit abnimmt.
Dadurch wird auch die Lenkgenauigkeit vermindert, die jedoch gerade dann, wenn sich der Flugkörper dem Treffpunkt nähert, besonders hoch sein sollte. Da die Messgenauigkeit ausserdem mit zunehmendem Abstand der Scheibenachse von der optischen Achse geringer wird, was durch die Koordinatentransformation bedingt ist, wird man diesen Abstand möglichst klein halten. In der Nähe des Scheibenzentrums ist jedoch das Bogenmass der Spaltbreite und somit die Signalausbeute am kleinsten.
Aus diesem Grunde wird beim Infrarot-Ortungsgerät nach der Erfindung zur Erzielung eines möglichst hohen Nutz- zu Störsignal-Verhältnisses in der Mitte des Bildfeldes vorgeschlagen, die Abtastscheibe derart auszubilden, dass das Bogenmass der Spaltbreite im ganzen Muster eine lineare Funktion des reziproken Abstandes vom Scheibenzentrum ist und dass die Charakteristik des Diskriminators der genannten Funktion zwecks analoger Nachbildung des Zielbildvektors durch den Spannungsvektor der Ausgangswechselspannung durch Verstärkung des Signals in einem gegengekoppelten Verstärker angepasst ist, wobei der Gegenkopplungsfaktor umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes vom Scheibenzentrum ist.
Fig. 3 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Abtastscheibe mit einem polaren Muster aus einer Vielzahl von lichtdurchlässigen Spalten 40 und lichtundurchlässigen Speichen 41. Das Bogenmass der Spaltbreite variiert einerseits in Umfangsrichtung sinusförmig und ist eine lineare Funktion des Reziprokwertes des Abstandes vom Scheibenzentrum. Die Spalte 40 lassen sich unter diesen Umständen symmetrisch zu radialen Mittellinien anordnen, so dass die Spaltränder geradlinig verlaufen, was die Herstellung des Musters erheblich vereinfacht.
Auf Grund des gewählten inversen Verlaufes des Bogenmasses der Spaltbreite ist die Amplitude der Wechselspannung proportional zum Radius l/r, und es bedarf einer zusätzlichen Einrichtung zur Umformung dieses Ausgangssignals in eine Wechselspannung, deren Amplitude proportional zum Radius r ist.
Als Beispiel einer Einrichtung zu diesem Zweck zeigt Fig. 2 das Blockschema eines Analogierechners, dessen Ausgangsfunktion die Inversion der Eingangsfünktion ist. Das der Eingangsklemme 25 zugeführte, dem Radius r umgekehrt proportionale Signal gelangt über eine Gabelschaltung 26 mit der Nachbil- dung 27 zugleich an denEingang 28 eines gegengekoppelten Verstärkers 29 und auf einen Gleichrichter 30. Der Verstärker 29 besteht aus einer Verstärkungsstufe 31 mit dem Ausgang 32 und einer Gegenkopplungsstufe 33.
Das dem Gleichrichter 30 entnommene und in einem Differenzierglied 34 nach der Zeit abgeleitete Signal steuert den Gegenkopplungsfaktor ss der Stufe 33, so dass stets gilt : ss'1/r. Die Gesamtverstärkung V des Verstärkers 29 beträgt somit bei einem Verstärkungsgrad Vo der Verstärkerstufe 31 :
EMI2.1
kBei hohem Verstärkungsgrad Vo und starker Gegenkopplung (d. h. ss. Vs 1) ist die Gesamtverstärkung
EMI2.2
Da die Signalamplitude am Eingang 28 proportional l/r ist, ergibt sich für die Signalamplitude am Ausgang 32 Proportionalität zum Radius r.
Ein in diesem Sinne abgeändertes Scheibenmuster hat noch einen weiteren Vorteil. Bekanntlich werden bei Infrarot-Ortungsgeräten zur Unterdrückung grossflächiger Störstrahler sogenannte Raumfilter eingesetzt. Das sind im Bildfeld bewegte Gitter, z. B. Spaltgitter, deren Spaltbreite in der Grössenordnung des Zielbilddurchmessers liegt. Da sich der zu ortende Flugkörper meist schon auf geringe Entfernung im Bildfeld der Suchoptik nur noch als strukturloses Beugungsscheibchen abbildet, kann die Spaltbreite des Raumfilters bis auf den Durchmesser des Beugungsscheibchens verringert werden. Dadurch unterdrückt das Raum-
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filter alle Störstrahler, die wesentlich grösser sind als der Zielbildpunkt.
Eine bevorzugte Lösung besteht nun darin, an Stelle eines separaten Raumfilters die für die Ermittlung der Bildpunktkoordinaten erforderliche Abtastscheibe zugleich als Raumfilter auszubilden, indem die Zahl der Speichen und Spalte derart hoch gewählt wird, dass die Spaltbreite an der schmalsten Stelle des Spaltes nicht grösser als der Durchmesser des Beugungsbildes ist. Da nun die effektive Spaltbreite vom Zentrum bis zum Umfang der Scheibe sich weniger stark ändert, wenn das Bogenmass der Spaltbreite im ganzen Muster eine lineare Funktion des reziproken Abstandes vom Scheibenzentrum ist, lässt sich eine bessere Raumfilterwirkung, die bei konstanter effektiver Spaltbreite optimal wäre, erzielen. Die sinusförmige Änderung der Spaltbreite in Umfangsrichtung fällt in dieser Hinsicht nicht so stark ins Gewicht.
Die effektive Spaltbreite wird sogar gleichmässiger als bei unmodulierter Scheibe.
Im Prinzip eignen sich Abtastscheiben mit dem beschriebenen Spaltmuster auch für Infrarot-Ortungsgeräte in selbstgelenkten Flugkörpern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Infrarot-Ortungsgerät mit im Bildfeld der Suchoptik bewegter Abtastscheibe mit polarem Speichenbzw. Spaltmuster, bei dem das Bogenmass der Spaltbreite in Umfangsrichtung sinusförmig variiert und eine stetige Funktion des Abstandes vom Scheibenzentrum ist, so dass die Polarkoordinaten des Bildpunktes des aufgefassten Zieles am Ausgang des Infrarotdetektors als impulsbreitenmoduliertes Signal anfallen, das in einem Diskriminator in eine harmonische Wechselspannung umgewandelt wird, dadurch gekenn- zeichnet.
dass das Bogenmass der Spaltbreite im ganzen Muster eine lineare Funktion des reziproken Abstandes vom Scheibenzentrum ist und dass die Charakteristik des Diskriminators der genannten Funktion zwecks analoger Nachbildung des Zielbildvektors durch den Spannungsvektor der Ausgangswechselspannung durch Verstärkung des Signals in einem gegengekoppelten Verstärker angepasst ist, wobei der Gegenkopplungsfaktor umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes vom Scheibenzentrum ist.
EMI3.1