DE2316905A1

DE2316905A1 - Vorrichtung zur bestimmung des winkels zwischen zwei richtungen

Info

Publication number: DE2316905A1
Application number: DE19732316905
Authority: DE
Inventors: Rolf Lennart Staalfors
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1972-04-05
Filing date: 1973-04-04
Publication date: 1973-10-18
Also published as: NL7304607A; FR2179135A1; IT982965B; FR2179135B1; SE372632B; CH555528A; GB1426447A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Winkels zwischen der Richtung zu einem ersten, beweglichen Objekt mit einer Lichtquelle und der Richtung zu einem Punkt an einem vorgegebenen zweiten Objekt. Die Erfindung
geht aus von einer Vorrichtung mit zwei optischen Strahlengängen zur Behandlung des von den genannten Richtungen einfallenden Lichtes, wobei einer der Strahlengänge eine durch den Beobachter betätigbare Ablenkeinrichtung zur veränderbaren Ablenkung des Lichtes in diesem Strahlengang in zwei zueinander senkrechten Richtungen sowie Anzeigemittel zum Anzeigen der eingestellten Ablenkung aufweist.

- 1 - 309842/094S

ORIGINAL INSPECTEO

Eine derartige Einrichtung kann für viele Anwendungszwecke verwendet werden. Eine bevorzugte Anwendung besteht in der Verwendung als optisches Visier oder Zielgerät, um bei einem kollimationsgesteuerten Geschoß mit Leuchtspur die Abweichung von der Ziellinie zum Zielpunkt an einem vorgegebenen Ziel zu ermitteln und zu korrigieren. Die Erfindung wird deshalb im folgenden nur in Verbindung mit einem optischen Zielgerät im einzelnen beschrieben. . .

In dem Artikel "The Optimization of an Optical Missile Guidance Tracker" von I.J. Spiro (Applied.Optics,Juli 1969, Vol. 8, No. -7) wird ein optisches Zielgerät für den. gleichen Zweck wie das mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ausgerüstete Zielgerät beschrieben. In diesem bekannten Zielgerät oder Visier wird das in das Zielgerät eintretende Licht in zwei Strahlengänge aufgeteilt, wie bei der vorliegenden Erfindung. Die beiden Strahlengänge werden vor dem Okular zu einem gemeinsamen Strahl vereinigt. In dem ersten Strahlengang ist ein Spiegel angeordnet, dessen Stellung in bezug auf zwei rechtwinklig zueinander stehende Achsen mit einem Steuerhebel einstellbar ist. Der erste Strahlengang erzeugt dadurch ein Bild der Leuchtspur oder des Leuchtpunktes, dessen Lage mit dem Steuerhebel verändert werden kann. Dem Spiegel sind Fühler zugeordnet, die elektrische Signale erzeugen, die proportional zu der Einstellung des Spiegels in bezug auf eine feste Bezugsrichtung sind. Wenn das Führungslicht in dem Okular des Zielgerätes durch den Beobachter mittels des

309842/O94S

,■.._. 2 - ■

Steuerhebels so eingestellt wird, daß es mit dem Zielpunkt auf dem Ziel übereinstimmt, dann stellen die Signale der Meßfühler die Abweichung des Geschosses von der Sichtlinie zum Zielpunkt dar; sie können deshalb dazu verwendet werden, um den- Fehler der Position des Geschosses zu korrigieren und dieses auf die Ziellinie zurückzuführen, beispielsweise dadurch, daß die elektrischen Signale den Steuereinrichtungen für die an dem Geschoß vorgesehenen Lenkflossen zugeführt werden.

Bei dem bisher bekannten Zielgerät ist in dem zweiten Strahlengang ein optisches Bandsperrfilter vorgesehen, um die Leuchtspur oder das Leitlicht des Geschosses zu unterdrücken. Wenn dieses Bandsperrfilter nicht vorhanden wäre, bestünde eine große Gefahr, daß der Beobachter die beiden Leuchtspurbilder in dem Zielgerät miteinander verwechselt, was außerordentlich ernsthafte Folgen haben könnte. Außerdem muß das Ziel aus dem ersten Strahlengang mit optischen Mitteln herausgefiltert werden, damit das Ziel nicht mit doppelten Konturen beobachtet wird. Insgesamt treten hier drei Teilprobleme auf, nämlich erstens die monochromatische Leuchtspur in dem richtigen Wellenlängenband, zweitens ein schmales Bandpaßfilter, welches diese Wellenlänge durchläßt und drittens das entsprechende schmalbandige Sperrfilter; zusammen stellen diese ein kompliziertes Optimierungsproblem dar. Ein weiterer Nachteil liegt ferner darin, daß die Leuchtspur in dem Visier nur über den gesteuerten Spiegel be-

309842/094$

obachtet werden kann. Es ist somit nicht möglich, die tatsächliche Position des Geschosses zu beobachten und eine klare Vorstellung des anzuwendenden Führungssignals in bezug auf die Abweichung des Geschosses zu gewinnen.

Die vorstehend genannten Nachteile werden vollständig vermieden bei einer Zieleinrichtung, bei der die vorliegende Erfindung angewendet wird. Diese ist im"wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das in den einen Strahlengang eintretende Licht unmoduliert durchläuft zur Erzeugung eines ungestörten Bildes des ersten und zweiten Gegenstandes und ihres Hintergrundes, und daß das in den anderen Strahlengang einfallende Licht durch Erteilung einer bestimmten Bewegung mit bestimmter Frequenz derart moduliert wird, daß ein Bild erzeugt wird, auf welchem keine Einzelheiten erkennbar sind, jedoch die Lichtquelle'des ersten Objekts mit bestimmter, von der Art der angewendeten Modulation abhängiger Form und/oder Musterung erscheint, die durch Bewegung der Ablenkeinrichtung in eine bestimmte Lage zum zweiten Objekt einstellbar ist, oder umgekehrt, wobei die Anzeigemittel den ¥inkel zwischen den beiden Richtungen anzeigen.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren 1 bis 6 näher erläutert.

Fig.. 1 zeigt eine Ausführungsform mit einem einzigen Objektiv 1 und einem einzigen Okular 2. Der Strahlengang

309842/0945

wird in einem Strahlenteiler 3 aufgespalten in einen direkten Strahlengang über den Planspiegel 4 und einen Strahlvereiniger 5 sowie in einen indirekten Strahlengang über einen anderen Planspiegel 6. Dieser Planspiegel 6 kann vertikal und horizontal verstellt werden durch einen Steuerhebel 7 über Servomotoren oder ein mechanisches Getriebe in einer Steuereinheit 8. Es sind ferner Fühler vorgesehen, die ein Signal in Abhängigkeit von der vertikalen und horizontalen Ablenkung des Spiegels erzeugen. Im indirekten Strahlengang befindet sich ein keilförmiges Prisma 9, welches durch einen Elektromotor 10 mit einer Geschwindigkeit von mehr als ca. 10 Upm in Drehung versetzt wird, wodurch der indirekte Strahlengang einer Nutationsbewegung unterworfen wird. Die Leuchtspur 11 an einem Geschoß 12 beschreibt dann einen Kreis, während der Bildeindruck eines Zieles 13 und seines Hintergrundes über das von dem Beobachter in dem Okular gesehene Bild zu einem Grauton verschmiert werden. In dem direkten Strahlengang läuft das Licht von dem Ziel und dem Geschoß ungestört über den Strahlenvereiniger zu dem Auge 14 des Beobachters .

Wenn die Spiegel 4 und 6 parallel stehen, sieht der Beobachter die Bilder von dem direkten und dem indirekten Strahlengang in dem Okular überlagert, so daß das Bild der Leuchtspur sich im Mittelpunkt des Kreises befindet. Es sei nun angenommen, daß das Geschoß sich nicht auf der Visierlinie 15 zum Zielpunkt befindet. Um das Geschoß zu diesem

-■ ⁵ - 309842/0945

zu führen, wird, der Kreis mittels des Steuerhebels auf das Ziel eingestellt, so daß der Mittelpunkt des Kreises mit dem Zielpunkt zusammenfällt. Gleichzeitig werden von den Fühlern in der Steuereinheit Steuersignale für das Geschoß erhalten, um dieses auf die Visierlinie zu führen. Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Kreises.und dem Bild der Leuchtspur ist proportional zu dem übertragenen Steuersignal und gibt dem Beobachter oder Schützen eine gute Möglichkeit zu sehen, wie "hart" er das Geschoß führt. Wenn dieses sich zur Ziellinie hin zu bewegen beginnt, folgt das Leuchtspurbild entsprechend ₉ während der Kreis, falls die Ablenkung des Steuerhebels beibehalten wird, vom Ziel wegzudriften beginnt. Wenn der Schütze den Kreis so führt, daß sein Mittelpunkt jederzeit mit dem.Zielpunkt übereinstimmt, erhält man eine derartige Steuerung, daß das Geschoß in den Kreis hineinwandert und sich auf die Ziellinie festlegt. Da die Lage des Spiegels normalerweise wesentlich schneller gesteuert werden kann als die Position des Geschosses durch direkte Ablenkung, hat das hier beschriebene Steuersystem den Charakter einer Positionssteuerung.

Bei der Ausführungsform nach Fig„ 2 hat die Zielvorrichtung zwei Objektive. Hierdurch entfällt der Strahlungsteiler nach Fig. 1, jedoch wird ein Objektiv 17 der Konstruktion hinzugefügt. Bei dieser Ausführungsform kann der optische Wirkungsgrad der Zieleinrichtung erhöht werden.

309842/0945

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind zwei Objektive 16 und 17 und zwei Okulare 18 und 19 vorgesehen. Hier sind der direkte und der indirekte Strahlengang vollständig getrennt. Die Summierung der visuellen Information von den beiden Strahlengängen, die für die Steuerung erforderlich ist, erfolgt dann in dem Gehirn 20 des Beobachters anstatt in einem Vereinigungsprisma.

In dieser Figur ist auch gezeigt, wie der Strahlengang anstatt durch Drehung eines Spiegels durch zwei keilförmige Prismen 21 und 22 abgelenkt werden kann, die gemäß zwei ver-

schiedenen Alternativen gedreht werden können. Bei der ersten Alternative werden sie unabhängig voneinander gedreht, so daß die insgesamt erzielte Ablenkung genau der zur Steuerung des Leuchtspurbildes auf das Ziel erforderlichen Ablenkung entspricht. Die andere Alternative besteht darin, daß die keilförmigen Prismen relativ zueinander um genau so viel verdreht werden, als nötig ist, um den Strahlengang in dem erforderlichen Winkel abzulenken, und daß danach die beiden Prismen gemeinsam um so viel verdreht werden, als erforderlich ist, um den Strahlengang in die richtige Richtung abzulenken mit einem polaren Betrachtungsgerät.

In Fig. 3 ist ferner ein drittes keilförmiges Prisma vorgesehen für die Nutationsbewegung des Strahlenganges in der beschriebenen Art. Die Nutationsbewegung kann aber auch dadurch erhalten werden, daß den oben erwähnten Drehbewegun-

"⁷" 30 9 842/0945

gen der Prismen 21 und 22 eine konstante Rotationsbewegung überlagert wird.

Falls die beiden keilförmigen Prismen rotiert werden, wird das erforderliche Steuersignal für die Führung des Geschosses von den Stellungen der Prismen in bezug auf eine Bezugslage, die ortsfest oder rotierend sein kann_s abgeleitet.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der drehbare Spiegel in dem direkten Strahlengang anstatt in dem indirekten angeordnet wird. Bei dieser Anordnung wird die Führung auf die Weise erhalten, daß das- Bild des Ziels derart verschoben wird, daß es innerhalb des von dem indirekten Strahlengang erzeugten Ringes zu liegen kommt. Diese Ausführungsform ist selbstverständlich genauso gut für andere Arten von Ablenkeinrichtungen möglich.

Ferner kann man anstelle der Nutationsbewegung des.indirekten Strahlenganges jede andere Art von Bewegung anwenden, die bewirkt, daß der Hintergrund des Bildes verschmiert wird, während die Leuchtspur des Geschosses ein bestimmtes Muster erzeugt, welches' von der Art der angewendeten Bewegung abhängig ist. Beispielsweise kann man anstelle des keilförmigen Prismas 9 gemäß Fig. 1 ein sogenanntes Wendeprisma verwenden, wodurch das Licht in dem indirekten Strahlengang eine Rotations- anstelle einer Nutationsbewegung ausführt. Der Steuerungseindruck ist dann ähnlich dem, der sich bei

⁸ 309842/0945

nutierendem Strahlengang ergibt. Der Radius des Kreises ist jedoch in diesem Fall direkt proportional zu der Positionsabweichung des Geschosses, so daß man einen großen Kreissieht, wenn der Fehler groß ist, jedoch nur einen Punkt,
wenn sich das Geschoß auf der Ziellinie zum Zielpunkt befindet.

Es ist auch möglich und vorteilhaft, dem Licht in dem
indirekten Strahlengang eine horizontale Ablenk-r oder Kippbewegung zu geben, wobei das Licht jedoch beim Durchgang
durch den Mittelpunkt der Hin- und Herbewegung ausgelöscht
werden muß. Fig. 4 zeigt eine Anordnung für die Durchführung einer Modulation dieser Art. Die Prismen 24, 25 und 26 sind alle feststehend, während das Prisma 27 ein keilförmiges
Prisma ist, welches mit einem Motor 28 in Rotation versetzt wird, wobei der Motor außerdem eine Blende 29 in Form eines Stabes, ähnlich wie einen Propeller, antriebt, welcher eine Auslöschung des Lichtes in dem Strahlengang beim Durchgang
durch den Mittelpunkt der horizontalen Hin- und Herbewegung . verursacht. Die Hin- und Herbewegung erfolgt in einer Richtung senkrecht zur Papierebene,

In dem Falle, daß das Licht in dem ersten Strahlengang eine Nutationsbewegung ausführt, ist es auch möglich, durch den Durchmesser des Kreises, welchen die Leuchtspur beschreibt, nicht ein konstantes Winkelmaß, sondern eine konstante Distanz anzuzeigen. Wenn das Geschoß fortfliegt,

⁹ 309842/0945

sieht man dann den Kreis mit einem abnehmenden Durchmesser proportional zu der Entfernung zwischen dem Beobachter und_;> ■: dem Geschoß. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß man das keilförmige Prisma 9 gemäß Fig. 1 durch ein flüssiges Prisma mit veränderbarem Keilwinkel oder durch zwei keilförmige Prismen, die gegeneinander verstellbar, z,B. gegeneinander verdrehbar sind, ersetzt. Das flüssige Prisma oder die beiden keilförmigen Prismen werden auch in diesem Fall in Rotation versetzt, um die Nutationsbewegung des Strahlengangs zu erhalten. Die entstehende Ablenkung des Strahlengangs bei seinem Durchgang durch eine solche Einrichtung ist dann so zu steuern, daß sie zu jedem Zeitpunkt umgekehrt proportional zu der Entfernung zum Geschoß ist. Dieser Abstand kann in bekannter Weise aus der Fluggeschwindigkeit des Geschosses abgeleitet werden.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die optischen Verluste sehr niedrig sind. Diese Ausführungsform ist insbesondere bestimmt zur Verwendung in einer Zieleinrichtung mit einem einzigen Objektiv. Die Spiegelanordnung gemäß Fig. 5 ist beispielsweise im unteren Teil eines periskopischen Zielgerätes angeordnet, dessen oberer Teil in seiner einfachsten Form aus einem Objektiv und einem das Licht um 90° ablenkenden Spiegel besteht. Eine planparallele Scheibe 50 ist in einem Winkel von 45° zu dem von dem genannten Spiegel im oberen Teil des Periskops kommenden Licht angeordnet. Der direkte Strahlengang umfaßt ein Spiegelprisma 31,

,.. - 10 - 309842/0945

in welchen das Licht um 90° zu einem Strahlenvereiniger 32 abgelenkt wird, der das Licht über ein Okular 33 zum Auge des Beobachters ablenkt.

Fig. 6 zeigt, wie die planparallele Scheibe 30 aus einer Anzahl von Scheibenelementen aufgebaut sein kann, von denen ^edes die Form eines Kreissektors hat. Eine der Oberflächen der Scheibe ist mit reflektierendem Material bedeckt, und die Scheibe ist so angeordnet, daß diese Oberfläche dem oberen Teil des Periskops zugewendet ist. Die Scheibe wird auf die Welle eines Elektromotors 3^ gesetzt, wodurch die Scheibe in dem Strahlengang in Rotation versetzt werden kann. ¥ährend der Rotation der Scheibe wird das in die Zieleinrichtung eintretende Licht abwechselnd in den direkten Strahlengang reflektiert bzw. zwischen den Scheibenelementen in den. indirekten Strahlengang durchgelassen. Somit wirkt die rotierende Scheibe wie eine Bildumschaltvorrichtung, die das in die Zieleinrichtung einfallende Licht abwechselnd dem direkten Strahlengang und dem indirekten Strahlengang zuleitet.

In dem indirekten Strahlengang durchläuft das Licht zunächst ein keilförmiges Prisma 35 und wird dann von einem Spiegelprisma 36 über den Strahlenvereiniger 32 und das Okular 33 zum Auge des Beobachters gelenkt. Die vertikale und seitliche Einstellung des Spiegels 36 kann vom Beobachter gesteuert werden. Das keilförmige Prisma 35 ist mecha-

" ¹¹ " 309842/0945

nisch über .ein Getriebe mit der Welle des Elektromotors 34 gekoppelt und bewirkt bei seiner Rotation eine Modulation, in diesem Fall eine Nutation, des auf es fallenden Lichtes. Wenn man der spiegelnden Scheibe und dem keilförmigen Prisma geeignete Drehzahlen gibt, wird der -Bildeindruck hinter dem Okular 33 aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges aus einer kontinuierlich aufscheinenden Leuchtspur in einem stetigen Bild des Zieles und aus einem leuchtenden Kreis bestehen, dessen Lage von dem Beobachter mittels einer dem Spiegelprisma 36 zugeordneten Steuereinrichtung verändert werden kann. - .. ■ _ .

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, vielmehr sind Abänderungen und Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung möglich. Beispielsweise kann bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform die Bildumschaltvorrichtung so ausgebildet werden, daß sie bei ihrer Bewegung, z.B. Rotation, in dem Strahlengang gleichzeitig die erforderliche Modulation, z.B. Nutation, des Lichtes in dem indirekten Strahlengang hervorruft.

- 12 -

309842/0945

Claims

Patentansprüche

ff 1.) Vorrichtung zur Bestimmung des Winkels zwischen der Richtung zu einem ersten beweglichen Objekt mit Lichtquelle und der Richtung zu einem Punkt an einem vorgegebenen zweiten Objekt, enthaltend zwei optische Strahlengänge zur Behandlung des aus den genannten Richtungen einfallenden Lichtes, wobei einer der Lichtwege eine durch den Beobachter betätigbare Ablenkeinrichtung zur veränderbaren Ablenkung des Lichtes in diesem Strahlengang in zwei zueinander senkrechten Richtungen sowie Anzeigemittel zum Anzeigen der eingestellten Ablenkung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das in den einen Strahlengang einfallende Licht ungehindert durchläuft zur Erzeugung eines ungestörten Bildes des ersten und zweiten Gegenstandes und ihres Hintergrundes und daß das in den anderen Strahlengang einfallende Licht durch Erteilung einer bestimmten Bewegung mit bestimmter Frequenz, derart moduliert wird, daß ein Bild erzeugt wird, in welchem keine Konturen erkennbar sind, jedoch die Lichtquelle des ersten Objektes mit bestimmter, von der Art der angewendeten Modulation abhängiger Form und/oder Musterung erscheint, die durch Betätigung der Ablenkeinrichtung in eine bestimmte Lage zum zweiten Objekt einstellbar ist, oder umgekehrt, wobei die Anzeigemittel den Winkel zwischen den beiden Richtungen anzeigen.

- 13 -

309842/0945
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e ken η zeichnet, daß das in den anderen Strahlengang eintretende Licht einer derartigen Nutationsbewegung unterworfen wird, daß das erste Objekt in Form eines Kreises mit konstantem Radius erscheint, der vom Beobachter derart einstellbar ist, daß er den Punkt an dem zweiten Objekt.umschließt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

tr

zeichnet, daß das in den anderen Strahlengang einfallende Licht einer solchen Nutationsbewegung unterworfen wird, daß das erste Objekt in Form eines Kreises erscheint, dessen Radius proportional zur zunehmenden Entfernung zu diesem.Objekt abnimmt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k en η zeichnet, daß das in den anderen Strahlengang eintretende Licht einer horizontalen Ablenk- oder Hin- und Herbewegung unterworfen wird, wobei es beim Durchgang durch den Mittelpunkt der Hin- und Herbewegung ausgelöscht wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß das in den anderen Strahlengang eintretende Licht einer Drehbewegung unterworfen wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η -

- 14 -

309842/0945

zeichnet, daß zum Erzeugen der Nutationsbewegung ein rotierendes keilförmiges Prisma vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Nutationsbewegung ein rotierendes keilförmiges Prisma vorgesehen ist, dessen Keilwinkel in Abhängigkeit von der Entfernung zu dem- ersten Objekt veränderbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Bildumschalteinrichtung (30) aufweist, mit der das einfallende Licht abwechselnd dem einen und anderen Strahlengang zuführbar ist, wobei die Umschaltung mit solcher Frequenz erfolgt, daß der Beobachter ein zeitlich kontinuierliches Bild des ersten und zweiten Objektes und des Hintergrundes wahrnimmt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildumschaltung des eintretenden Lichtes und die Modulation des Lichtes in dem anderen Strahlengang synchron zueinander erfolgen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildumschaltvorrichtung aus einer Scheibe besteht, die aus einer Anzahl von kreissektorförmigen Scheibenelementen besteht, wobei eine der Oberflächen der Scheibe reflektierend ist, und daß die

" ¹⁵ " 309842/0945

4b 2316305

Scheibe in einem Winkel zu dem eintretenden Licht und mit ihrer reflektierenden Oberfläche diesem zugekehrt angeordnet ist. ·

- 16 -

309842/0 945

Leerseite