DE1218742B - Lichtquellenverfolgungsgeraet - Google Patents

Lichtquellenverfolgungsgeraet

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DE1218742B
DE1218742B DEK44437A DEK0044437A DE1218742B DE 1218742 B DE1218742 B DE 1218742B DE K44437 A DEK44437 A DE K44437A DE K0044437 A DEK0044437 A DE K0044437A DE 1218742 B DE1218742 B DE 1218742B
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light detector
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tracking device
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DEK44437A
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English (en)
Inventor
Jacob S Zuckerbraun
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Kollsman Instrument Corp
Original Assignee
Kollsman Instrument Corp
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
GOIc
Deutsche Kl.: 42 c-39/15
Nummer: 1218 742
Aktenzeichen: K 44437IX b/42 c
Anmeldetag: 4. August 1961
Auslegetag: 8. Juni 1966
Die Erfindung bezieht sich auf ein Lichtquellenverfolgungsgerät mit einer Sammeloptik zur Abbildung des zu verfolgenden Objekts auf eine Blende, die in der Bildebene periodisch beweglich ist und dem hindurchtretenden Lichtstrom eine von der Stellung des Objektivbildes in der Bildebene abhängige Modulation aufprägt, einem Lichtdetektor zur Umwandlung des modulierten Lichtstroms in ein elektrisches Signal sowie einer Nachführeinrichtung, die nach Maßgabe dieses Signals die optische Achse des Gerätes dem zu verfolgenden Objekt nachführt.
Derartige Lichtquellenverfolgungsgeräte finden insbesondere für navigatorische Zwecke Anwendung, wobei das zur verfolgende Objekt ein Himmelskörper ist, der als Bezugspunkt für eine laufende Kurs- oder Standortanzeige dient.
Ein bekanntes Lichtquellenverfolgungsgerät der eingangs genannten Bauart weist als Modulationsblende eine vor einem Lichtdetektor rotierende Scheibe mit einem Raster aus abwechselnd lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen auf. Hierbei ist auch noch eine halbkreisförmige Blende vorgesehen, um den Lichtstrahl mit einer niedrigeren Frequenz als der durch den Raster erzeugten Frequenz nochmals zu unterbrechen. Durch diese doppelte Modulation vermeidet man weitgehend die durch Hintergrundbeleuchtung entstehenden Fehler.
Die Erfindung beschreitet einen neuen Weg hinsichtlich der Ausbildung der Modulationsblende und der nachgeschalteten Verstärker. Gemäß der Erfindung wird die Modulationsblende als federnd aufgehängte Lochblende ausgebildet, die durch einen Schwingungserzeuger in eine harmonische Schwingung versetzt wird, und zwischen Lichtdetektor und Nachführeinrichtung wird ein auf die Schwingungsfrequenz abgestimmter Schmalbandverstärker eingeschaltet. Hierdurch wird erreicht, daß bei einer Abweichung der Lichtquelle von der optischen Achse ein stetig wachsendes Signal mit bekannter Schwingungsfrequenz für die Nachführeinrichtung bereitsteht.
Gegenüber bekannten Lichtquellenverfolgungsgeräten weist die Erfindung im wesentlichen die folgenden Vorteile auf:
1. Es kann eine Blende Verwendung finden, deren Öffnungsdurchmesser gleich dem Durchmesser des Bildes der Lichtquelle, z. B. des Sterns ist. Hierdurch kann ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis erlangt werden.
2. Es wird ein harmonisches periodisches Signal einer einzigen Frequenz erzeugt, so daß eine Verstärkung nur in dem dadurch bestimmten Lichtquellenverfolgungsgerät
Anmelder:
Kollsman Instrument Corporation,
Elmhurst, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8
Als Erfinder benannt:
Jacob S. Zuckerbraun,
New York, N. Y. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. August 1960 (47 837)
schmalen Frequenzband erfolgen muß, wodurch die Gefahr der ungleichmäßigen Verstärkung eines Signalgemisches verschiedener Frequenzen vermieden wird.
3. Eine durch Ungleichmäßigkeiten der Hintergrundstrahlung und der Lichtdetektorfläche verursachte Grundmodulation kann niedrig gehalten werden, weil die Lochblendenbewegung gering ist.
4. Es sind keine Motoren und Getriebe vorhanden, was eine lange Lebensdauer gewährleistet. Außerdem wird gegenüber der bekannten Anordnung das Gewicht verringert, und der Energiebedarf kann mit Ausnahme der Verstärker unter 0,5 Watt gehalten werden.
5. Das dynamische Feld, d. h. die bei einer Blendenschwingung abgetastete Fläche, kann dreibis viermal so groß wie das Feld der Blendenöffnung sein. Daher genügen weniger Suchzeilen als bei einer nicht schwingenden Abtastöffnung.
6. Die erforderliche Elektronik ist einfach. Das Abweichungssignal hat eine genau mit der Netzfrequenz, z. B. 400 Hz, übereinstimmende Frequenz sowie beim Durchgang des Objektes durch die optische Achse einen Phasensprung von 180°, so daß es nach Verstärkung unmittelbar zur Steuerung eines Nachführmotors dienen kann, der als Zweiphasenmotor ausgebildet und
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in seiner Hilfsphase mit einer konstanten, um detektor bestehenden Modulationssystems ein
90° phasenverschobenen Spannung erregt wird. federnd aufgehängter, die Größe des Blendenloches
Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Gerätes auf weisender Lichtdetektor vorgesehen ist.
soll an einem praktischen Beispiel erläutert werden. Im folgenden wird die Erfindung an Hand einiger Mit dem erfindungsgemäßen Gerät wurde ein Stern 5 in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeizweiter Größe auf einem Hintergrund mit einer HeI- spiele veranschaulicht. In den Zeichnungen zeigt
ligkeit von 0,215HK/cm2 entdeckt. Bei diesem Ver- Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Lichtsuch hatten die verwendeten Verstärker eine Band- quellenverfolgungsgerätes, bei dem die Erfindung anbreite von 1 Hz, und das durch die Blendenöffnung wendbar ist,
überstrichene dynamische Feld hatte eine Größe von io F i g. 2 eine schematische Darstellung eines Moduetwa 2 zu 6 Minuten. Die Abbildung des Sterns und lationssystems, bei welchem die Lochblende an einer die Blendenöffnung hatten einen Durchmesser von magnetischen Bandfeder befestigt ist,
etwa V10mm, was einem Feld von 1,8 Minuten Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 um 90° gedrehte Durchmesser entspricht. Mit diesem Gerät war es Ansicht des Modulationssystems,
möglich, die Wega in einer Höhe von 40° bei einem 15 F i g. 4 ein Diagramm, das die Amplitude der Aus-Signal-Rausch-Verhältnis von etwa 10 :1 schon gangsspanungen des Lichtdetektors als Funktion der 15 Minuten vor Sonnenuntergang zu erkennen. Bildlage in Öffnungsdurchmessern zeigt,
Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausfüh- F i g. 5 die Phase des Ausgangssignals des Licht-
rungsform der Erfindung ist die Lochblende mittels detektors,
einer magnetischen Bandfeder an einer seitlich von 20 F i g. 6 eine schematische Darstellung eines Modu-
der optischen Achse angeordneten Halterung be- lationssystems zur Messung und Nachführung in zwei
festigt und durch einen Elektromagneten in ihrer zueinander senkrechten Richtungen,
Eigenfrequenz erregbar. F i g. 7 eine gegenüber F i g. 6 um 90° versetzte
Wenn eine Messung und Nachführung in zwei zu- Ansicht,
einander senkrechten Richtungen erfolgen soll, dann 25 F i g. 8 das Suchfeld, das dynamische Feld und das
kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung Augenblicksfeld beim Betrieb des zweiachsigen Mo-
die seitlich der optischen Achse angeordnete Hai- dulationssystems nach F i g. 6,7 und 11,
terung auf einer Kreisbahn um 90° um die optische Fig. 9 die Beziehung zwischen den beiden von
Achse verschwenkbar sein, so daß die Lochblende dem Modulationssystem nach Fig. 6 und 7 über-
in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen 3° strichenen dynamischen Feldern,
schwingen kann. Fig. 10 ein Blockschaltbild eines Nachführkreises
Stattdessen kann gemäß einer weiteren Ausgestal- eines Gerätes mit dem Modulationssystem nach
tung der Erfindung die Messung und Nachführung in F i g. 6 und 7,
zwei zueinander senkrechten Richtungen auch da- Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel eines zweiach-
durch erfolgen, daß die Lochblende durch zwei 35 sigen Modulationssystem mit zwei fest angeordneten
hintereinander angeordnete Schlitzblenden mit senk- Blenden,
recht aufeinander stehenden Schlitzen gebildet wird, Fig. 12 eine teilweise Seitenansicht des Modula-
welche über zueinander senkrechte magnetische tionssystems gemäß Fig. 11.
Bandfedern an Halterungen angebracht und ab- Von dem zu verfolgenden Himmelskörper ankomwechselnd durch Elektromagneten in ihrer Eigen- 40 mende Lichtstrahlen werden durch ein in einem frequenz erregbar sind. Teleskopgehäuse 1 (Fig. 1) angeordnetes Teleskop-Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfin- objektiv 2 gesammelt und durch ein in der Brenndung wird die Amplitude der Lochblendenschwin- ebene 12 des Objektivs befindliches Modulationsgung so gewählt, daß sie etwa drei Bilddurchmessern system 3 moduliert. Das modulierte Licht wird durch entspricht. Hierdurch wird eine optimale Empfind- 45 eine Kondensorlinse 4 auf einen Lichtdetektor 5 gelichkeit erreicht. Liegt nämlich das Bild des Sterns worfen. Das Ausgangssignal des Lichtdetektors 5 exakt in der Mitte, so erfolgt während einer halben wird durch einen Schmalbandverstärker 6 verstärkt Periode eine vollständige Abdunklung und Wieder- und gelangt von diesem in eine Stelleinrichtung 7, aufhellung des Lichtdetektors, welche bei einer die das Teleskopgehäuse 1 in Höhe und Azimut dem größeren oder kleineren Amplitudenwahl nicht er- 50 Stern nachführt,
zielt wird. Gemäß Fig. 2 und 3 besteht das Modulations-
An den Lichtdetektor ist zweckmäßigerweise außer system 3 aus einer magnetischen Bandfeder 8, die dem auf die Eigenfrequenz abgestimmten Schmal- eine Lochblende 9, 10 trägt und mit ihrem freien bandverstärker ein zweiter Schmalbandverstärker an- Ende an einer Halterung 11 befestigt ist. Ein Schwingeschlossen, welcher auf die erste Harmonische der 55 gungserzeuger in Gestalt eines Elektromagneten 13 Eigenfrequenz der Lochblende abgestimmt ist. Diese ist in der Nähe der Bandfeder 8 so angeordnet, daß Abstimmung berücksichtigt den Umstand, daß das die Bandfeder mit der Frequenz der Stromquelle 14 Signal des Lichtdetektors aus einem mit wachsender um ihre Ruhelage schwingt. Auch die Blenden-Dezentrierung des Objektbildes stetig zunehmenden Öffnung 10 beschreibt daher um die Nullage einen /„-Anteil (Grundfrequenzanteil) und einem stetig ab- 6o sinusförmigen Weg mit der Frequenz der Schwinnehmenden 2-/0-Anteil (erste Harmonische) besteht, gung. Zweckmäßigerweise wird die Resonanzfreso daß das Ausgangssignal des einen Verstärkers bei quenz der Bandfeder 8 gleich der Erregerfrequenz wachsender Dezentrierung, das Ausgangssignal des des Stromnetzes 14 eingestellt, so daß die zur Aufanderen Verstärkers jedoch bei zunehmender An- rechterhaltung der Schwingung erforderliche Energie näherung an die Nullage seinem Maximum zustrebt. 65 außerordentlich gering gehalten werden kann. Der
Die vorstehend erwähnten Vorteile können auch Durchmesser der Blendenöffnung 10 ist etwa gleich erlangt werden, wenn an Stelle des aus federnd auf- dem Bilddurchmesser der zu verfolgenden Lichtgehängter Lochblende und feststehendem Licht- quelle, z. B. eines Sterns. Der Erregerstrom wird so
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eingestellt, daß die Lochblende einen Ausschlag von der gleich der Breite des Suchfeldes ist. Wenn durch
etwa drei Lochdurchmessern durchführt, so daß das Auffinden eines Sternes ein Erkennungssignal er-
das bestrichene dynamische Feld ungefähr dreimal so zeugt wird, dann wird das Suchen beendet und das
lang wie breit ist. abwechselnde Nachführen in der Höhe und im
Wenn das Bild des Sternes auf die der Nullstellung 5 Azimut beginnt, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist.
entsprechende Stellung fokussiert ist, während die Die Blendenöffnung 10 überstreicht zuerst das dyna-
Lochblende schwingt, wird die Sternstrahlung zwei- mische Höhenfeld 21, wobei sich die Halterung 11
mal während jeder Periode unterbrochen. Die Fre- gemäß Fig. 6 z. B. am Anschlag 18 befindet. Danach
quenz des hierdurch erzeugten periodischen Signals überstreicht die Blendenöffnung 10 das dynamische
ist doppelt so groß wie die Schwingungsfrequenz. io Azimutfeld 22 (F i g. 9), wobei sich die Halterung
Dieses Grundsignal, dessen Amplitude bei wachsender 11 in der in Fig. 6 strichliert dargestellten Stellung
Dezentrierung des Sternes abnimmt, ist in F i g. 4 als am Anschlag 19 befindet.
Kurve 14 dargestellt. Die Kurve 14 stellt somit die An Stelle des aus federnd aufgehängter Lochblende Amplitude der zweiten Harmonischen (2/0) als Funk- und feststehendem Lichtdetektor bestehenden Modution der Bildlage für eine konstante Bildintensität dar. 15 lationssystems kann auch ein federnd aufgehängter, Dieses Signal wird verwendet, um anzuzeigen, daß die Größe des Blendenloches aufweisender Lichtder Stern genau auf die Teleskopachse ausgerichtet ist. detektor Anwendung finden. Dadurch kann das Kon-Wenn die Abbildung des Sternes in der Schwin- densorlinsensystem 4 und der Lichtdetektor 5 gegungsrichtung aus der Nullage auswandert, entsteht maß Fig. 1 wegfallen. Hierbei werden mögliche ein periodisches Signal mit einer Frequenz^ die gleich 20 störende Ungleichmäßigkeiten der Lichtdetektorfläche der Schwingungsfrequenz der Bandfeder ist (Kurve umgangen. Die Gestalt der Ausgangssignale bleibt 15 in Fig. 4). Die Amplitude dieses Signals wächst dieselbe wie in Fig. 4 und 5, so daß die zugleichmäßig von Null bis zu einem Maximum an und gehörigen Stromkreise im wesentlichen unverändert fällt dann wieder ab, wenn sich das Bild des Sterns bleiben.
weiter von der Nullage entfernt. Wandert die Ab- 25 Die elektrische Schaltung eines Nachführkreises ist bildung des Sternes in der entgegengesetzten Rieh- in einem Blockschaltbild in Fig. 10 dargestellt. An tung aus, so sind die Amplitudenänderungen die die die Bandfeder 8 erregende Spule ist eine 400-Hzgleichen (Kurve 16 in F i g. 4), jedoch ist die Phase Eingangsspannung angelegt. Diese Spannung ist des Signals jetzt um 180° verschoben. Die Phasen- außerdem an die feste Feldwicklung 30 des Stellbeziehung der Ausgangsgrößen gemäß den Kurven 30 motors 31 angelegt, der hier speziell als Azimut-15 und 16 in F i g. 4 ist in dem Diagramm (F i g. 5) Stellmotor bezeichnet ist. Wenn die Blendenöffnung dargestellt, in welchem die auf der vertikalen Achse 10 schwingt, dann fällt das Licht auf den Lichtdetekaufgetragene Phase als Funktion der auf der hori- tor 5, dessen Ausgangssignal einem auf 800 Hz abgezontalen Achse in Öffnungsdurchmessern aufgetrage- stimmten Schmalbandverstärker 32 und einem auf nen Bildlage dargestellt ist. 35 400 Hz abgestimmten Schmalbandverstärker 33 zu-Die Bewegung der Blendenöffnung 10 bestimmt geführt wird. Die Ausgangsgrößen dieser beiden eine einzige Richtung, in der die Nullabweichung des Verstärker werden an Entnahmekreise 34 bzw. 35 Sternes gemessen und gegebenenfalls die Stellung des angelegt, die im einfachsten Fall Anzeigeeinrichtungen Gerätes entsprechend korrigiert werden kann. Da im für die Abweichung des Objektes von der Bildachse allgemeinen jedoch eine Nachführung in zwei senk- 40 sind.
recht aufeinanderstellenden Richtungen erwünscht ist, Der 400-Hz-Verstärker 33 empfängt Signale, wenn
kann die Schwingung der Lochblende auch in zwei die Abbildung des Sternes aus der Nullage auswandert.
Richtungen erfolgen. Eine erste Ausführungsform Er ist daher auch mit der Steuerwicklung 36 des
eines solchen zweiachsigen Modulationssystems ist in Stellmotors 31 verbunden.
den F i g. 6 und 7 dargestellt. Hierbei ist ein Lager 17 45 Ein weiteres zweiachsiges Modulationssystem ist mit zwei Anschlagflächen 18 und 19 vorgesehen, die in den Fig. 11 und 12 dargestellt, wobei die Bandeinen Winkel von 90° einschließen. Mittels einer federn 40 und 41 an stationären Halterungen 42 bzw. elektromagnetischen Einrichtung 20 kann die Halte- 43 relativ zueinander fest angeordnet sind. Diese rung 11 von der einen Anschlagstellung in die zweite, Bandfedern tragen Schlitzblenden 44 bzw. 45 mit um 90° versetzte Anschlagstellung überführt werden. 50 länglichen, senkrecht aufeinander stehenden Schlitzen Wenn die Bandfeder 8 an dem Anschlag 18 anliegt, 46 bzw. 47. Die Bandfeder 40 wird durch eine Spule bestimmt die Lochblende beispielsweise die Azimut- 48 erregt, während die Bandfeder 41 durch eine richtung, während bei Anlage an dem Anschlag 19 Spule 49 in Schwingungen versetzt wird,
die Blendenbewegung die Höhenrichtung definiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform für Tages-Bei der Einrichtung gemäß F i g. 6 und 7 kann die 55 lichtnachführung beträgt die Breite der Schlitze 46 Verfolgung eines Sterns durch wechselweises Nach- und 47 etwa dem Durchmesser der Sternabbildung, führen in der Höhe und im Azimut bewirkt werden. während die Länge der Schlitze etwa gleich dem Vor der eigentlichen Nachführung wird jedoch der siebenfachen Durchmesser der Sternabbildung ist.
Stern zunächst gesucht, und zwar wie folgt: Die Wenn die Schlitzblende 44 in Schwingung ist, er-Halterung U der schwingenden Bandfeder 8 wird 60 folgt die Azimutabtastung, wobei die Schlitzblende durch die elektromagnetische Einrichtung 20 so in 45 zu dieser Zeit stillsteht. Wenn die Schlitzblende Stellung gebracht, daß die Blendenöffnung entlang 47 in Schwingung versetzt wird, erfolgt die Höhender Höhenrichtung schwingt. Dies ist in F i g. 8 dar- abtastung, wobei nunmehr die Schlitzblende 44 stillgestellt, wo das Augenblicksfeld der Blendenöffnung steht. Die Erregung der Spulen 48 und 49 erfolgt 10 ein dynamisches Feld innerhalb eines Suchfeldes 65 über eine Schaltung, die einen Mehrfachschalter 50, überstreicht. Zugleich bewirkt die Nachführeinrich- 51 enthält. Die an die Klemmen 52 und 53 angelegte tung 7, daß das Teleskop sich im Azimut entlang der Erregerspannung wird daher nur an eine der beiden Abtastzeilen nach Fig. 8 um einen Winkel bewegt, Spulen48 oder 49 angelegt.

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Lichtquellenverfolgungsgerät mit einer Sammeloptik zur Abbildung des zu verfolgenden Objekts auf eine Blende, die in der Bildebene periodisch beweglich ist und dem hindurchtretenden Lichtstrom eine von der Stellung des Objektbildes in der Bildebene abhängige Modulation aufprägt, einem Lichtdetektor zur Umwandlung des modulierten Lichtstromes in ein elektrisches Signal sowie einer Nachführeinrichtung, die nach Maßgabe dieses Signals die optische Achse des Gerätes dem zu verfolgenden Objekt nachführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsblende als federnd aufgehängte Lochblende (9, 10) ausgebildet ist, die durch einen Schwingungserzeuger (13) in eine harmonische Schwingung versetzt wird, und daß zwischen Lichtdetektor (5) und Nachführeinrichtung (7) ein auf die Schwingungsfrequenz abgestimmter Schmalbandverstärker (6) eingeschaltet ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende (9,10) mittels einer magnetischen Bandfeder (8) an einer seitlich von der optischen Achse angeordneten Halterung (U) befestigt und durch einen Elektromagneten (13) in ihrer Eigenfrequenz erregbar ist.
3. Gerät nach Anspruch 2 zur Erzielung einer Messung und Nachführung in zwei zueinander senkrechten Richtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (U) auf einer Kreisbahn um 90° um die optische Achse verschwenkbar ist.
4. Gerät nach Anspruch 1 und 2 zur Erzielung einer Messung und Nachführung in zwei zueinander senkrechten Richtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende durch zwei hintereinander angeordnete Schlitzblenden (44, 45) mit senkrecht aufeinanderstellenden Schlitzen (46,47) gebildet ist, welche über zueinander senkrechte magnetische Bandfedern (40, 41) an Halterungen (42, 43) angebracht und abwechselnd durch Elektromagneten (48, 49) in ihrer Eigenfrequenz erregbar sind.
5. Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Blendenloch die Größe des Bildes des zu verfolgenden Objektes hat.
6. Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Lochblendenschwingung im wesentlichen drei Bilddurchmessern entspricht.
7. Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Lichtdetektor (S) außer dem auf die Eigenfrequenz abgestimmten Schmalbandverstärker (33) ein zweiter Schmalbandver.jtärker (32) angeschlossen ist, welcher auf die erste Harmonische der Eigenfrequenz der Lochblende (9,10) abgestimmt ist.
8. Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 5 bis 7, gekennzeichnet durch die Abänderung, daß an Stelle des aus federnd aufgehängter Lochblende und feststehendem Lichtdetektor bestehenden Modulationssystems ein federnd aufgehängter, die Größe des Blendenloches aufweisender Lichtdetektor vorgesehen ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 768 016;
deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1808 099;
britische Patentschrift Nr. 494 667;
USA.-Patentschrift Nr. 2 905 828.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 578/136 5.66 © Bundesdruckerei Berlin
DEK44437A 1960-08-05 1961-08-04 Lichtquellenverfolgungsgeraet Pending DE1218742B (de)

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US47837A US3244886A (en) 1960-08-05 1960-08-05 Light modulation system for photosensitive tracking device
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US75599568A 1968-08-28 1968-08-28
US75595768A 1968-08-28 1968-08-28

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