DE1917138C3 - Photoelektrisches Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung sich schnell bewegender Gegenstände - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein photoelektrisches Verfahren zur Erfassung sich schnell bewegender Gegenstände, insbesondere zur Ermittlung von Geschoßbild-Treffern mit wenigstens einer aus zwei in einer Ebene liegenden, aneinander überkreuzenden Lichtvorhängen bestehenden Sensoranordnung und nut einer Auswerteschaltung, die zur Gewinnung der Koordinaten des Punktes dient, in dem der sich schnell bewegende Gegenstand die Ebene der Lichtvorhänge durchstößt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art sind beispielsweise aus der US-PS 30 47 723 bekannt, gemäß derer jeder der beiden einander senkrecht überkreuzenden Lichtvorhänge von einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Lichtquellen und einer entsprechenden Vielzahl von nebeneinander angeordneten, den Lichtquellen jeweils gegenüberliegenden Photoempfängern gebildet wird. Jeder Lichtquelle ist eine Linse zugeordnet, die das von der Lichtquelle ausgehende, divergente Lichtbündel parallelisiert, während jedem photoelektrische Empfänger eine dieses parallelisierende Lichtbündel auf seiner lichtempfindlichen Fläche vereinigende Sammellinse zugeordnet ist Die zueinander parallelen Lichtbündel schließen unmittelbar aneinander an, so daß zwischen ihnen keine Lücken frei bleiben, durch die ein zu erfassender Gegenstand hindurchtreten könnte, ohne von der Vorrichtung registriert zu werden.

Diese bekannte Anordnung weist jedoch einige erhebliche Nachteile auf. Sollen mit ihr nämlich Flächen in der Größenordnung von einigen Quadratdezimetern bis Quadratmetern überwacht werden, so ergibt sich insbesondere dann, wenn zur Erzielung eines hohen Auflösungsvermögens nur sehr schmale Lichtbündel Verwendung finden können, ein außerordentlich hoher apparativer Aufwand, und es müssen sehr viele optische Bauelemente in ihrer dreidimensionalen Anordnung genau aufeinander einjustiert und über längere Betriebszeiten hinweg in dieser Lage fixiert werden. Auch erfordert eine Auswerteschaltung, die fortwährend gleichzeitig die Ausgangssignale sehr vieler photoelektrischer Empfänger überwachen und weiterverarbeiten soll, eine hohe Zahl an elektronischen Bauelementen und ist somit mit erheblichen Kosten verbunden.

Weiterhin ist zu beachten, daß das Auflösungsvermögen einer solchen bekannten Lichtvorhangsanordnung sich nicht nur wegen des hiermit verbundenen technischen Aufwandes, sondern auch deswegen nicht sehr weit steigern läßt, weil weder die zur Verwendung kommenden Linsen noch die photoelektrischen Empfänger in ihrer räumlichen Ausdehnung beliebig klein gemacht werden können.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die bei einem stark verminderten apparativen Aufwand ein praktisch beliebig weit steigerbares räumliches Auflösungsvermögen sicherstellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß durch bewegte Abtaststrahlen erzeugte Lichtvorhänge Verwendung finden, daß die beiden Abtaststrahlen das Abtastfeld jeweils in einer Zeit überstreifen, die kürzer als die Zeit ist, die ein zu erfassender Gegenstand benötigt, um sich durch das Abtastfeld hindurchzubewegen, und daß in der Auswerteschaltung die Zeitdifferenz zwischen einem Referenzzeitpunkt und dem Zeitpunkt in dem jeweils einer der Lichtstrahlen auf den zu erfassenden Gegenstand auftrifft, als Maß für die betreffende Lagekoordinate erfaßt und ausgewertet

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden also die Lichtstrahlen der beiden Lichtvorhänge beim Durchtritt eines Gegenstandes an genau definierten Stellen innerhalb der Lichtfläche unterbrochen. An den photoelektrischen Wandlern, auf die die Lichtstrahlen treffen, entstehen Impulse, deren Lagen bezüglich eines Vergleichsimpulses die Koordinaten der Durchtrittsstelle bestimmen. Von jedem Lichtvorhang wird also eine Koordinate bestimmt, woraus sich die Lage der Durchtrittsstelle ergibt

Da die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren das Abtastfeld überstreichenden Lichtstrahlen nahezu beliebig fein gemacht werden können, IaBt sich das Auflösungsvermögen einer entsprechenden Anordnung weit über das bei allen praktischen Anwendungsfällen erforderliche Maß hinaus steigern. Die Genauigkeit, mit der räch dem erfindungsgemäßen Verfahren die Lagekoordinaten eines Durchschußpunktes bestimmt werden können, hängt praktisch nur von der Genauigkeit ab, mit der die Zeitdifferenz zwischen einem Referenzzeitpunkt und dem Zeitpunkt gemessen wird, in dem jeweils einer der Lichtstrahlen auf den zu erfassenden Gegenstand auftritt. Die Genauigkeit einer solchen Zeitmessung ist aber mit den zur Verfugung stehenden elektronischen Mitteln weit über das selbst zur Erfassung von sehr kleinen und sehr schnellen Körpern erforderliche Maß hinaus steigerbar.

Von wesentlicher Bedeutung ist hierbei, daß der zur Realisierung des erfindungtgemäßen Verfahrens erforderliche apparative Aufwand außerordentlich klein ist und sich auch bei einem sehr hohen räumlich-zeitlichen Auflösungsvermögen mit einem vernünftigen Kostenaufwand realisieren läßt. Für jeden der Lichtvorhänge werden ja neben den zur Führung und Reflexion des Lichtstrahls erforderlichen Spiegeln, von denen lediglich einer beweglich sein muß, nur eine einzige Lichtquelle, und insbesondere nur ein einziger photoelektrischer Empfänger benötigt, was auch unmittelbar einen wesentlich einfacheren Aufbau der Auswerte- w schaltung zur Folge hat

Da die von den photoelektrischen Wandlern gelieferten Impulse in elektronischen Schaltungen ausgewertet und die Ergebnisse sofort abgespeichert werden können, ist eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Anordnung in der Lage, nicht nur innerhalb äußerst kurzer Zeit eine Aussage über die Lage des Durchtritt! punktes eines sich schnell bewegenden Gegenstandes, beispielsweise eines Geschosses, durch eine gedachte Fläche zu machen, sondern auch so innerhalb kürzester Zeit nach dem Durchtritt eines Gegenstandes die Koordinaten des Durcl.trittspunktes eines weiteren Gegenstandes zu bestimmen. Die Anordnung ist also nach erfolgtem Durchschuß sofort wieder betriebsbereit und kann beispielsweise die v, Lagen von in rascher Folge hintereinander abgefeuerten Geschossen ohne weiteres vermessen. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß noch weitere, in vielen Fällen sehr wesentliche Informationen über die Abmessungen des «ι durch den Lichtvorhang hindurchtretenden Gegenstandes bzw. hinsichtlich der Lage, die er zu diesem Zeitpunkt im Raum einnimmt, gewonnen werden können. Da die Geschwindigkeit, mit der die beiden Lichtstrahlen das Abtastfeld überstreichen, genau hi bekannt ist, liefert nämlich die Zeitdauer, für die jeder der beiden Lichtstrahlen beim Auftreffen auf den zu erfassenden Gegenstand unterbrochen wird, ein genaues Maß für die Ausdehnung dieses Gegenstandes in Bewegungsrichtung des betreffenden Lichtstrahls. So läßt sich z.B. für längliche Projektile aus einem Vergleich dieser beiden Unterbrechungszeiträume erkennen, ob das Geschoß eine stabile Fluglage einnimmt oder taumelt

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen niedergelegt

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 einen durch einen bewegten Abtaststrahl erzeugten Lichtvorhang,

Fig.2 die Signalspannungen an den photoelektrischen Wandlern, und

Fig.3 eine aus zwei einander überkreuzenden Lichtvorhängen bestehende Sensoranordnung.

In F i g. 1 ist das Prinzip eines durch einen bewegten Abtaststrahl erzeugten Lichtvorhanges dargestellt Eine Lampe 2 sendet einen Lichtstrahl 1 aus, der über eine Sammellinse 9 und einen halbdurchlässigen Spiegel 7 auf ein Spiegelrad 3 fällt Dieser Punkt ist gleichzeitig der Brennpunkt 4 eines Hohlspiegels 5. Der Lichtstrahl wird vom Spiegelrad 3 auf den parabolförmig ausgebildeten Hohlspiegel geworfen und verläßt diesen parallel zur strichpunktiert dargestellten optischen Achse 10. Dreht sich das Spiegelrad 3, dann bewegt sich der ausgesandte Lichtstrahl parallel zur optischen Achse von oben (Strahl A) nach unten (Strahl B) und überstreicht die dazwischenliegende Fläche. Der auf diese Weise als Fahrstrahl verwendete Lichtstrahl wird vom Reflektor 6 so reflektiert, daß er beim Zurücklaufen die gleiche Bahn wie beim Hinlauf zum Reflektor 6 einschlägt Er wird also nach dem Autokollimationsprinzip in sich zurückgeworfen und gelangt über den Hohlspiegel 5 und das Spiegelrad 3 wieder zum halbdurchlässigen Spiegel 7, der den Lichtstrahl zum photoelektrischen Wandler 8 lenkt Während des Fahrstrahldurchlaufes empfängt der Wandler 8 Licht und erzeugt ein elektrisches Signal. Der Reflektor 6 kann beispielsweise aus Trippelreflektoren aufgebaut sein.

Der beim beschriebenen Lichtvorhang verwendete, einzige Lichtstrahl wird senkrecht zu seiner Strahlrichtung so schnell bewegt, daß er während der kleinstmöglichen Durchtrittszeit eines zu erfassenden Gegenstandes die Meßfläche überstreicht und somit eine lückenlose Lichtfläche bildet Wird der Lichtstrahl durch einen hindurchtretenden Gegenstand unterbrochen, so geht das elektrische Signal am Wandler 8 gegen Null. Mit dem Lichtvorhang ist es also möglich, in Relation zur überwachten Fläche außerordentlich kleine hindurchtretende Gegenstände zu erkennen.

Fig.2 gibt das vom photoelektrischen Wandler 8 abgegebene Signal als Funktion der Zeit t für einen Lichtstrahldurchgang von der oberen Anfangslage A zur unteren Endlage B ohne Hindernis in der überwachten Fläche (a) sowie mit einem durch die Lichtfläche hindurchtretenden Gegenstand (b) wieder. Das Überwachungssigna! tritt zwischen den Zeiten /1 und h auf. Das höhere Signal zwischen to und ii sowie zwischen I₂ und ö dient zur Anfangs- und Endmarkierung ein°s Fahrstrahldurchganges. In F i g. 2b sieht man, daß das Signal zwischen f'und ("zu Null wird: Hier ist der Lichtstrahl also auf einen hindurchtretenden Gegenstand gestoßen.

Solche Lichtvorhänge sind also dazu geeignet, die

Lagekoordinate des Durchtrittspunktes eines sich schnell bewegenden Gegenstandes, im vorliegenden Fall z. B. eine Höhe, anzugeben. Diese Lagekoordinate IaBt sich aus den gemessenen Werten t" und C in einfacher Weise bestimmen. Außerdem ergibt die Größe t"— r'dic Ausdehnung des Hindernisses in der Bewegungsrichtung des Fahrstrahls an.

Fig.3 zeigt eine Sensoranordnung, bei der zur Erfassung der beiden Koordinaten eines Durchstoßpunktes zwei einander überkreuzende Lichtvorhänge der vorausgehend beschriebenen Art Verwendung finden.

Die beiden Lichtvorhänge 11 und 12 und deren Reflektoren 13 und 14 sind rechtwinklig zueinander angeordnet, wobei ihre Lichtfiächen in einer Ebene liegen. Von den beiden Lichtvorhängen wird somit die Fläche 15 überdeckt Die Fläche 15 ist der Ort für den Durchtritt von sich schnell bewegenden Gegenständen, beispielsweise Geschossen. Die y-Koordinate des Durchtrittspunktes wird mittels des Lichtvorhangs U und die x-Koordinate mittels des Lichtvorhangs 12 ermittelt

Werden zwei Anordnungen nach F i g. 3 hintereinander in der Flugbahn eines Geschosses aufgestellt, so kann zusätzlich zu den Durchtrittsstellen die Zei ermittelt werden, die das Geschoß zum Durcheilen de Strecke zwischen den beiden Sensoranordnungei benötigt Daraus läßt sich in einfacher Weise di s Geschwindigkeit des Geschosses ermitteln.

Werden mehrere der F i g. 3 entsprechende Sensor anordnungen hintereinander senkrecht zur Schußrich tung in der Flugbahn eines Geschosses aufgestellt, si kann durch Interpolation aus den Durchtrittslagen ai

to den einzelnen Meßstellen die gesamte Flugbahn de Geschosses ermittelt werden.

Soll eine größere Fläche überwacht werden, so lassei sich mehrere Lichtvorhänge fugenlos nebeneinanderfü gen. Die Größe f"-i'nach Fig.2d ist die Projektioi eines Geschosses in der entsprechenden Koordinate

Durch Vergleich dieser Größen in der y- un(

x-Koordinate läßt sich kontrollieren, ob die Geschoss* an der Meßstelle eine Schräglage haben.

Die Signale, die von den beschriebenen photoelektri

sehen Anordnungen geliefert werden, sind elektrische Art Die Ausgabe kann auf verschiedene Weise, ζ. Ε durch Anzeige, Ausdruck und durch Speicher (Loch streifen. Magnetband, andere Datenträger) zur Weiter verarbeitung in Elektronenrechnern erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Photoelektrisches Verfahren zur Erfassung sich schnell bewegender Gegenstände, insbesondere zur Ermittlung von GeschoßbUdtreffern, mit wenigstens einer aus zwei in einer Ebene liegenden, einander überkreuzenden Lichtvorhängen bestehenden Sensoranordnung und mit einer Auswerteschaltung, die zur Gewinnung der Koordinaten des Punktes dient, in dem der sich schnell bewegende Gegenstand die Ebene der Lichtvorhänge durchstößt, dadurch gekennzeichnet, daß durch bewegte Abtaststrahlen erzeugte Lichtvorhänge Verwendung finden, daß die beiden Abtaststrahlen das Abtastfeld jeweijs in einer Zeit überstreichen, die kürzer als die is Zeit ist, die ein zu erfassender Gegenstand benötigt, um sich durch das Abtastfeld hindurch zu bewegen, und daß in der Auswerteschaltung die Zeitdifferenz zwischen einem Referenzzeitpunkt und dem Zeitpunkt, in dem jeweils einer der Lichtstrahlen auf den zu erfassenden Gegenstand auftrifft, als Maß für die betreffende Lagekoordinate erfaßt und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Abtaststrahlen parallel zu sich selbst und senkrecht zu seiner Strahlrichtung bewegt wird, und daß die Bewegungsrichtungen der Abtaststrahlen der beiden Lichtvorhänge aufeinander stehen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, w dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlauslenkung zeitproportional erfolgt

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoranordnungen in Bewegungsrichtung der zu erfassenden, sich schnell bewegenden Gegenstände hintereinander angeordnet werden und daß zur Bestimmung der Bewegungsbahnen dieser Gegenstände die Lagekoordinaten der einzelnen Durchstoßpunkte ausgewertet werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Lichtvorhänge (11, 12) ein im Brennpunkt eines Hohlspiegels (5) angeordnetes, rotierendes Spiegelrad (3), eine auf das Spiegelrad (3) ein dünnes Lichtbündel werfende Beleuchtungsanordnung (2,9, 7), einen gegenüber dem Hohlspiegel (5) und parallel zu dessen Brennebene angeordneten Reflektor (6), eine das über den Reflektor (6), den Hohlspiegel (5) und den halbdurchlässigen Spiegel (7) zurücklaufende Strahlenbündel erfassende, photoelektrische Detektoranordnung (8) sowie eine für vorgegebene Winkelstellungen des Spiegelrades (3) ein einen Zeitnullpunkt markierendes Signal erzeugende, die zwischen diesem Nullpunkt und einer eventuell durch einen durch den Lichtvorhang hindurchtretenden schnellen Gegenstand verursachten Unterbrechung des dünnen Lichtbündels vergangene Zeit messende und diese Zeitmessung unter Verwendung der vorgegebenen Rotationsgeschwindigkeit des Spiegelrades (3) in eine Lagekoordinate umrechnende, elektronische Auswerteschaltung umfaßt.