DE3247195A1

DE3247195A1 - Einrichtung zum bestimmen einer ausrichtung

Info

Publication number: DE3247195A1
Application number: DE19823247195
Authority: DE
Inventors: William A. 90602 Whittier Calif. Harrington
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1981-12-21
Filing date: 1982-12-21
Publication date: 1983-06-23
Also published as: US4521875A

Description

3^,7195

Anmelder:

Hughes Aircraft Company · Centinela Avenue and Teale Street

Culver City, California U.S.A. U.S.A.

Stuttgart, 20.12.1982 P 4298 W/Ba

Vertreter:

Kohler-Schwindling-Späth Patentanwälte

Hohentwielstraße 41 7000 Stuttgart 1

Einrichtung zum Bestimmen einer Ausrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Bestimmen einer Ausrichtung, die elektrische Signale entsprechend der Ausrichtung eines Systems relativ zu einem Bezugsfeld erzeugt.

BAD ORIQJNAL

-(7195

Insbesondere bezieht aich die Erfindung auf geschleppte Sonar-Ketten, wie man sie bei der U-Boot-Abwehr verwendet und hierbei wiederum auf die Bestimmung der Ausrichtung derartiger geschleppter Ketten.

Die geschleppten Sonar-Ketten haben in besonderer Weise zum technischen Portschritt in der Technologie der U-Boot-Abwehr beigetragen. Eine geschleppte Sonar-Kette besteht aus einer Kette von akustischen Hydrophonen, d.h. im Wasser befindlichen Schallempfänger^ die von einem an der Meeresoberfläche operierenden Schiff in einer vorbestimmten Wassertiefe geschleppt werden. Diese Hydrophone sind extrem empfindlich bezüglich akustischer Schwingungen» Jedes Hydrophon erzeugt ein elektrisches Signal beim Empfang eines akustischen Signales innerhalb seines Erkennungsbereiches. Eine Kette derartiger Detektoren ist damit in der Lage» die Richtung au erfassen, aus der das akustische Signal kommt. Vermittels rechnergestutzter Signalverarbeitung und zweier derartiger Ketten kann das Signal eines Zielobjektes aus dem Rauschen herausgehoben und damit seine genaue Position bestimmt werden.

Um die genaue Position der Signalquelle au bestimmen, ist es wünschenswert, die Ausrichtung der geschleppten Kette mit einer Genauigkeit von einem Bogengrad (1^e) zu wissen, Eu diesem Zweck sind bereits die Ausrichtung bestimmende Kurssensoren entwickelt worden« Sin Kursaensor ist im wesentlichen ein Kompaß, der ein elektrisches Ausgangesignal in Abhängigkeit von der Auerichtung der geschleppten Kette relativ zum magnetischen Erdfeld erzeugt. Sin derartiger Sensor wird von der Digicourse Company aus Massachuesets/ Vereinigte Staaten von Amerika hergestellt. Dieser Sensor

enthält ein Rad mit einer Achse durch seine Mitte und einer optischen Beschichtung auf seiner Oberfläche. Auf dem Rad ist ein Magnet angeordnet, der für eine Drehung des Rades in Abhängigkeit vom magnetischen Erdfeld sorgt. Ein Gatter von lichterzeugenden Dioden (LED) und Photodetektoren ist über und/oder unter der Oberfläche des Rades angeordnet, um dessen Winkelstellung zu ermitteln.

Dieses bekannte System war für früher verwendete geschleppte Sonar-Ketten zufriedenstellend. Der Durchmesser von zwei Zoll (50)8 mm) des Rades entsprach in etwa dem Durchmesser der bei Hydrophonen verwendeten Gehäuse. In jüngster Zeit werden jedoch sogenannte "thin-line design" - Hydrophone (d.h. Hydrophone mit besonders kleinen Abmessungen) verwendet, die einen kleineren Außendurchmesser aufweisen und daher in entsprechend kleineren Schutzgehäusen angeordnet sind. Diese kleineren Abmessungen würden es dem schleppenden Schiff ermöglichen, mit einer höheren Geschwindigkeit zu manövrieren, ohne die Sonar-Kette zu beschädigen. Dies würde die Verletzbarkeit des schleppenden Schiffes vermindern und gleichzeitig seine Manövrierfähigkeit erhöhen. Es kann auch davon ausgegangen werden, daß das "thin-line design" weniger empfindlich gegenüber Drifterscheinungen, d.h. Wegtreiben der Kette ist.

Leider erfordert das "thin-line design" einen Kurssensor, dessen Durchmesser von den erwähnten zwei Zoll (50,8 mm) auf etwa einen halben Zoll (17,7 mm) vermindert ist. Eine derartige Verminderung des Außendurchmessers bei den bekannten Kurssensoren würde jedoch zu einer Abnahme der Radoberfläche um einen Faktor 15 führen. Man kann daher davon ausgehen, daß es praktisch unmöglich ist, einen Kurssensor dieser Art dann noch aufzubauen, der mit einer Genauigkeit von einem Bogengrad arbeitet.

_; \: . .... , 3247Ί95

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Bestimmen einer Ausrichtung mit einem Kurssensor zu schaffen, wobei derKurssensor derartig kleine Abmessungen aufweist, daß er mit den heute gewünschten und bekannten Konstruktionen von Hydrophonen kleiner Abmessungen kompatibel ist, wobei gleichzitig die Genauigkeit der Bestimmung der Ausrichtung in der Größenordnung von einem Bogengrad liegen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahles, ein magnetisches Rad mit einer Anzahl Spiegel auf seinem Umfange, die den Lichtstrahl in Abhängigkeit von einem Magnetfeld ablenken und ein Photodetektoren-Gatter mit einer elektronischen Schaltung zum Messen der Richtungsänderung des Lichtstrahles vorgesehen sind, wodurch elektrische Signale entsprechend der Ausrichtung des Systems in einem magnetischen Feld erzeugt werden.

Die vorliegende Erfindung stellt damit einen "thin-line" Kurssensor zur Verfugung, dessen Außendurehmesser weniger als einen Zoll (25»4 mm) beträgt, jedoch gleichzeitig eine Meßgenauigkeit von etwa einem Bogengrad aufweist. Die Erfindung schließt dabei ein magnetisches Rad ein, dessen Umfang mit einer Vielzahl von reflektierenden Facetten versehen ist. Die Facetten sind dabei zur Identifizierung optisch kodiert. Wenn das Rad von einem parallelen Lichtstrahl beleuchtet wird, wird ein Strahl auf ein Photodetektoren-Gatter reflektiert. Die Photodetektoren sind mit einer elektronischen Schaltung verbunden, die die Position und das Muster der Beleuchtung des Gatters dekodiert und daraus die Lage des magnetischen Rades ermittelt.

ORIGINAL

247195

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Pig. 1 eine Draufsicht im Schnitt auf eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig* 2 eine Seitenansicht im Schnitt der in Pig. 1 dargestellten Ausführungsform;

Pig. 3a Schnittansichten quer zur Längsachse entlang den und 3b in Pig. 1 eingetragenen Linien, wobei Pig. 3a eine Ansicht von vorne und Pig. 3b eine Ansicht von hinten ist;

Pig. 3c eine räumliche Darstellung eines Teiles einer erfindungsgemäßen Anordnung in demontiertem Zustand;

Pig. 4 Teile eines opto-elektronischen Hybrides das bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei

Pig. 4a eine Draufsicht auf das Hybrid ist Pig» 4b eine vergrößerte Ansicht eines Ausschittes aus einem Photodetektoren-Gatter des Hybrides und Pig. 4c ein Querschnitt durch das Photodetektoren-Gatter des Hybrides ist.

Pig. 5 Ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung, wig sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.

bad

32-,7195

Fig. 6 Eine schematische Schaltungsdarstellung der elektronischen Schaltung, die "bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird,

Pig. 7 Eine Darstellung von Zeitfunktionen zur Erläuterung der Wirkungsweise der elektronischen Schaltung entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Pig. 1 zeigt den kleinen aber hochpräzisen Kurssensor entsprechend der vorliegenden Erfindung. Wie weiter unten noch im einzelnen dargestellt wird, schließt das System ein magnetisches Rad ein, das mit einer Vielzahl von reflektierenden Facetten an seinem Umfange versehen ist. Das Rad ist optisch zu einer Lichtquelle ausgerichtet, die einen parallelen Lichtstrahl aussendet, so daß der Lichtstrahl von einer oder mehreren der Facetten auf ein photodetektoren-Gatter reflektiert wird. Die Erfindung umfaßt ferner eine elektronische Schaltung, die das Beleuchtungsmuster auf dem Gatter decodiert und daraus elektrische Signale entsprechend der Ausrichtung des magnetischen Rades ableitet. Mit der Ausnahme einiger weniger elektronischer Bauelemente befinden sich sämtliche Bestandteile der Erfindung in einem Gehäuse, das weniger als einen Zoll (25,4 mm) Durchmesser hat. Die zuätzlichen Bauelemente befinden sich in einer Kurs-Kontrolleinheit (Local control unit LCU) die sich weit genug vom Kurssensor entfernt befindet, beispielsweise im Abstand von 5 Fuß (1,52 m), um sicher zu stellen, daß sie die Ablesung des Kurssensors nicht verfälscht.

Die Schnittdarstellungen in Draufsicht (Fig. 1) und in Seitenansicht (Fig. 2) stellen ein bevorzugtes Ausführungs-

BAD ORfGfNAL

2247195

Beispiel der vorliegenden Erfindung im einzelnen dar. Eine innere Baueinheit umfaßt dabei ein mit reflektierenden Spiegeln versehenes magnetisches Rad 10. Das Rad 10 kann als Glas, Kunststoff, Metall oder irgendeinem anderen geeigneten Material "bestehen Bei dem "bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel hat das Rad 10 einen Durchmesser von etwa 0,35 Zoll (8,64 mm) und eine Hohe von 0,4 Zoll (10,2 mm). Das Rad 10 weist zwölf ebene reflektierende Facetten auf seinem Umfange 12 auf. Jede Facette ist dabei individuell mit einem kodierten, nicht reflektierenden Muster 14 maskiert, wodurch eine Identifizierung möglich ist. Ein magnetischer Dipol 16 aus Samarium Kobalt ist in das Rad 10 eingebettet. Die gemeinsame Achse des Rades 10 und des Magneten 16 läuft in Edelstein-Spitzenlager 18 aus. Die Spitzen 18 liegen dabei in Lagersitzen 20 und 22, die ihrerseits mit Schrauben 24, 26 festgehalten werden. Das Rad 10 wird von einem durchsichtigen Kunststoffzylinder (beispielsweise aus Lucit) 28 mit einer Deckplatte 29 und einer Bodenplatte 31 eingeschlossen. Tn einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der dabei entstehende Hohlraum mit einem Mineralöl Öl 78 ausgefällt, um das Rad 10 zu stabilisieren.

Eine Licht aussendende Diode (LED) 30 ist am entgegengesetzten Ende des Zylinders 28 angeordnet. Ein Paar Leitungen 46 verläuft vom hinteren Ende der LED 30 zu einer elektronischen Schaltung auf einem Hybrid 48. Die LED 30 wird mit einer Schraubfassung 34 zentriert, die sich in Eingriff mit einem Gewinde 36 im Zylinder 28 befindet. Die LED 30 ist ferner von einem Glaskolben 32 eingeschlossen, der seinerseits wieder von einer Hülse 33 umgeben ist. Die Hülse 33 ist von einer Schlitzöffnung 38 umgeben, durch die Licht aus der LED 30 durchtritt und in eine Linse 40 gelangt. Die

Linse 40 wird von einer Hülse 33 gehalten, und zwar vermittels eines Halters 42. Die Hülse 33 wird von einem geschliffenen Fenster 44 abgeschlossen.

Aus der Linse 40 tritt das Licht als schmaler, parallel und vertikal ausgerichteter Lichtstrahl aus, wie er in der Fachsprache auch als "knife edge" "bezeichnet vird. Dieser Lichtstrahl tritt durch den Zylinder 28 und das Mineralöl und trifft auf einer Facette des Umfanges 12 des Rades 10 auf. Die LED-Baueinheit 30 Ms 44 "befindet sich in einem derartigen Abstand zum Rad 10, daß der Lichtstrahl auf eine verspiegelte Oberfläche 50 durch ein geschliffenes Fenster 52 abgelenkt wird, wie dies aus Fig. 3c ersichtlich ist. Die verspiegelte Oberfläche 50 hat eine halbparabolische Krümmung, wodurch die Umlenkung des Strahles vom Rad 10 auf ein Photodetektoren-G-atter 54 auf dem Hybrid 48 bewirkt wird, wenn eine Facette der Oberfläche 12 sich durch den ausgeleuchteten Bereich bewegt. Durch Umlenkung des Lichtstrahles verstärkt die verspiegelte Oberfläche 50 kleinste Veränderungen in der Lage des Rades 10. Dies erhöht die Auflösung und Empfindlichkeit des Systems.

Wie weiter unten noch im einzelnen dargestellt wird, schließt das Hybrid 48 eine elektronische Schaltung sowie das Photodetektoren-G-atter 54 ein. Das Hybrid 48 befindet sich auf dem Zylinder 28 hinter einem geschliffenen Fenster 56.

Der Zylinder 28 weist an seinen Enden ein Spitzenlager auf, wie man aus Fig. 1 und 2 erkennt. Der Zylinder 28 kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch aus einem anderen

BAD ORIGINAL

22^,7195

Werkstoff hergestellt sein. Der Zylinder 28 und das Hybrid 48 stellen damit eine innere Baueinheit dar, die innerhalb eines Gehäuses 7.0 durch Spitzenlager 58 und 59 aufgehängt ist. Die Spitzen 58 und 59 liegen in Sitzen 61 und 63, die Edelsteinlager aufweisen können. Die Spitze 58 am unteren Ende des Zylinders 28 bildet einen elektrischen Kontakt mit einer Leitung 62, die vom Hybrid 48 kommt. Eine Teflonhülse 60 trennt den Zylinder 28 von einer Unterlegscheibe 64· Eine leitung 65 ist an der Unterlegscheibe 64 befestigt, verläuft durch einen metallischen Verschlußdeckel 66 und stellt eine Verbindung zu einer elektronischen Schaltung in der LGU dar. Zwischen der Unterlegscheibe 64 und dem metallischen Verschlußdeckel 66 befindet sich eine Isolierscheibe 68. Eine ähnliche Anordnung befindet sich am oberen Ende der Baueinheit und stellt eine Masseverbindung durch eine Leitung 69 dar.

Der Verschlußdeckel 66 ist mit dem Gehäuse 70 verschraubt. Das Gehäuse 70 besteht aus einem nichteisenhaltigen Material.

Wie man aus der Ansicht in Fig. 3a erkennt, ist ein Filterkondensator 72 innerhalb des Hohlraumes des Zylinders 28 angeordnet. Zusätzlich befindet sich ein Kompensationsgewicht 74 aus Blei innerhalb des Hohlraumes. Der" Filterkondensator 72 und das Kompensationsgewicht 74 sind relativ nahe beieinander angeordnet, so daß ihr resultierendes Gewicht eine Drehung des Zylinders 28 in der Weise bewirkt, daß sich das Rad 10 in einer aufrechten Stellung entsprechend Fig. 1 befindet. Eine Leitung 76 führt dabei zum Hybridschaltkreis 48.

BAD ORIGINAL

Eine Ansicht der Baueinheit vom entgegengesetzten Ende ist Pig, 3b zu entnehmen. Der Zwischenraum zwischen dem Zylinder 28 und dem Gehäuse 70 ist ebenfalls mit Mineralöl 78 gefüllt, um das Ansprechen des Systems auf Schwerkraft zu verbessern, um eine Dämpfung zu "bewirken, um die dielektrische Isolierung zu verbessern und um den hydrostatischen Druck in der Arbeitstiefe des Systems gleichzuhalten. Aufgrund dessen ist keine weitere Druckisolierung erforderlich. Es wird dabei angestrebt, die Schwere der internen Baueinheit derjenigen des Mineralöls 78 soweit als möglich anzupassen, so daß der Zylinder im Öl schwebt,

Pig. 4a zeigt eine Draufsicht auf das Hybrid 48. Es umfaßt ein keramisches Substrat 80, auf dessen einem Ende eine Mehrzahl integrierter Schaltkreise angeordnet ist, während sich am anderen Ende ein Photodetektoren-Gatter 54 befindet. Dabei sind Flächen für eine Diode 82, einen Regler 84, Transistoren 86, Flip-Flops (one shot) 88, Zähler 90, Lesespeicher (ROM) 92, Schwellwertdetektoren und Regler 94 und Verstärker 96 vorgesehen. Die entsprechenden elektronischen Schaltungen werden weiter unten noch im einzelnen erläutert.

Das Photodetektoren-Gatter 54 umfaßt eine Reihe von Dünnschicht-Leitungen 100, die mit einer Cadmiumsulfid-Schicht 110 bedeckt sind, wie man aus Fig. 4c erkennt. Das Cadmiumsulfid 110 stellt einen Photowiderstand zwischen den Dünnschicht-Leitungen 100 dar. Um die Herstellungskosten zu vermindern, kann die Cadmiumsulfid-Schicht über der gesamten Oberfläche angeordnet sein, wobei anschließend eine Maske aufgebracht wird, um das Muster entsprechend Fig. 4a zu erzeugen. Dabei kann jedes liGhtundurohlässige Material als

BAD ORIGINAL

32*7195

Maskenmaterial verwendet werden. Während es jedoch auch
möglich ist, statt einer selektiven Maskierung selektiv
abgeschiedene Cadmiumsulfid-Beschichtungen zu verwenden,
wird doch die beschriebene Anordnung mit durchgehender
Cadmiumsulfid-Schicht vorgezogen, weil die Widerstandseigenschaften des Cadmiumsulfids neben den maskierten Bereichen
als Bezugsgröße zum Vergleich mit den unmaskierten Bereichen verwendet werden können. Auf diese Weise kann sowohl eine
thermische als auch eine akustische Stabilität bewirkt
werden, wobei die Empfindlichkeit des Photodetektoren-Gatters 54 erhöht wird. Wie man aus dem Querschnitt in Pig. 4c
erkennt, besitzt das gesamte als Zielobjekt dienende Gatter 54 eine Schutzschicht oder Versiegelung aus einem entsprechenden Kunststoff 28 (beispielsweise G. Paralyne).
Diese Versiegelung verhindert eine Verschmutzung der Cadmiumsulfid-Photodetektoren.

Die Gadmiumsulfid-Beschichtung ist an der mit 126 in Pig. 4c bezeichneten Stelle selektiv maskiert, um damit drei Punktionen zu erzeugen. Erstens soll diejenige Pacette identifiziert werden können, die gerade den Lichtstrahl reflektiert. Wenn 12 Facetten einen Umfang von 360° überdecken, kann jede individuell maskierte Pacette elektronisch zu einer Lage des Rades 10 innerhalb von Bogengrad (30°) bestimmt werden.
Unmaskierte Streifen 140, 142, 144 und 146 dienen dabei zum
Identifizieren der gerade beleuchteten Facette. Jede Facette ist individuell mit einem unterschiedlichen Muster maskiert, das damit bestimmt, ob oder ob nicht Licht auf die Streifen 140, 142, 144 und 146 reflektiert wird. Beispielsweise
soll die erste Facette dadurch identifizierbar sein, daß sie in allen vier Positionen maskiert ist. Dies könnte einem
elektrischen Binär-Signal mit vier aufeinanderfolgenden 0000

BAD ORfGlMAL

entsprechen. Die nächste Facette kann z.B. drei dunkle Flächen und eine unmaskierte Fläche umfassen, so daß der Streifen 140 beleuchtet wird, wähend die Streifen 142, 144 und 146 unbeleuchtet bleiben. Dies könnte zu einem Binärcode 0001 führen, der damit die zweite Facette identifiziert. Mit Hilfe einer Maskierung der verbleibenden 10 Facetten entsprechend einem derartigen binären Schema kann die eletronische Schaltung, die weiter unten noch erläutert wird, identifizieren, welche Facette gerade beleuchtet wird und daraus die Position des Rades 10 mit einer Genauigkeit von 30° bestimmen. Selbstverständlich ist die Erfindung dabei nicht durch das lediglich als Beispiel angegebene Maskierungsmuster eingeschränkt.

Die zweite Funktion der Maskierung besteht darin, daß das Gatter 54 und die zugehörige elektronische Schaltung die Position es Rades 10 mit einer Genauigkeit von 1° ermitteln können soll. Dies wird durch Streifen 139, 141, 143, 145 und 147 erreicht. Diese fünf Streifen verfügen über ein Maskierungsmuster, das Binärdaten mit fünf Stellen entspricht, Der Streifen 139 weist nämlich dabei Bereiche 160, 161 auf, der Streifen 141 Bereiche 154, 159, der Streifen 143 Bereiche-

156, 157, der Streifen 145 Bereiche 152, 153 und der Streifen 147 Bereiche 150. Auf der rechten Seite von Fig. 4a, die dem unteren Rand des als Zielobjekt dienenden Gatters 54 entspricht, sind alle die genannten Streifen maskiert. Dies entspricht einm Binär-Code von 00000. Dreht sich nun das Rad 10, wobei die Beleuchtung jedoch auf einer bestimmten Facette bleibt, wandert der abgebildete Spalt über das Photodetektoren-Gatter 54 von rechts nach links. Demzufolge wird zunächst ein offener (heller) Bereich auf dem das niedrigstwertige Bit (LSB) darstellenden Streifen 147 des

BAD ORIGINAL

■-Λ "Ί ·~ι -ι ο Γ" W .._ τ ./ I O ν/

Gatters 54 beleuchtet. Dies entspricht einem Binär-Code von 00001. Wenn der abgebildete Spalt sich weiter nach links bewegt, fällt er auf einen maskierten (dunklen) Bereich auf dem Streifen 147 und einen offenen Bereich des Streifens-145* Dies entspricht einem Binär-Code von 00010 oder 2°. Bewegt sich das Bild weiter durch den Bereich von 0° bis 30°, werden die offenen Bereiche der Streifen 139, 141, 143, 145 und 147 beleuchtet. Die Anordnung der Dünnschicht-Leitungen 100 ist dabei derart, daß, wenn diese Flachen beleuchtet werden, sie ein elektrisches Signal abgeben, das die Lage des abgebildeten Spaltes darstellt. Diese Information, verbunden mit der oben geschilderten Facettenidentifizierung reicht aus, um die Ausrichtung des Kompasses sowohl innerhalb der 30°-Bereiche wie auch dann genau auf anzuzeigen» Ils sei nochmals betont, daß die Erfindung natürlich nicht auf das im einzelnen erläuterte Muster beschränkt ist.

Die dritte Funktion, die das Gatter 54 ausführt, besteht darin, Jitter, d.h. ein zitterndes Schwanken des Meßwertes, bei der Ablesung so gering wie möglich zu halten. Hierzu enthält ein Streifen 148 eine Reihe offener Bereiche 166, deren Breite schmaler ist als die der offenen Bereiche bei dem das niedrigstwertige Bit darstellenden Streifen 147· Dadurch entsteht ein sog. "Sweet Spot"-Detektor, der über einen entsprechenden Speicher in der elektronischen Schaltung verfügt, wie weiter unten erläutert wird. Der Speicher liefert der elektronischen Schaltung dabei ein Signal dafür, daß die vorher gemessenen Daten solange gehalten werden sollen, bis der abgebildete Spalt in die Mitte eines empfindlichen Bereiches weitergewandert ist.

BAD ORiGIWAL

2247195

Fig. 4b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Gatter-54 und stellt dabei die offenen und die maskierten Bereiche sowie die Dünnschicht-Leitungen 100 dar. Jede der Dünnschicht-Leitungen 100 ist da"bei entweder an eine Versorgungsspannung ("beispielsweise +5 Volt) angeschlossen, oder an Masse und liefert ein Ausgangssignal, das in Fig. 4"b mit SIG "bezeichnet ist, Pig. 4"b zeigt einen Ausschnitt aus den zur Identifizierung einer Facette dienenden Streifen 142 und HO sowie aus den zur Bestimmung der Lage dienenden Streifen Hl und 139··Die Bezugswiderstände 162 zwischen den photoempfindlichen Streifen werden durch selektive Maskierung auf dem Cadmiumsulfid 110 und den Dünnschicht-Leitungen 100 dargestellt, wie man in Fig. 4c erkennt.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung, die zum Dekodieren des Beleuchtungsmusters auf dem Photodetektoren-Gatter 54 dient und ein elektrisches Signal entsprechend der Position des Rades 10 relativ zur LED 30 liefert. Die Schaltung verfügt über zwei Schaltungsteile und 500, die durch eine Leitung mit zwei Abschnitten 62 und 65 miteinander verbunden sind. Die im Schaltungsteil 300 enthaltenen Bauelemente befinden sich dabei innerhalb des Kurssensors entsprechend Fig. 1, während der zusätzliche Schaltungsteil 500 sich in der Kurskontrolleinheit (LCU) befindet, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist und an anderer Stelle der geschleppten Sonar-Kette angeordnet ist. Der Schaltungsteil 300 befindet sich im wesentlichen auf dem Hybrid 48· Eine ins einzelne gehende Darstellung der Schaltung des Schaltungsteiles 300 ist aus Fig. 6a und Fig. 6b ersichtlich. Er umfaßt 10 identische Spannungsfühlkreise 301, von denen jeder über einen Koppelkondensator 310, einen Verstärker 320, einen Spannungsverdoppler 330 und einen

BAD ORIGINAL

¹X

Schwellwertdetektor 340 verfügt. Jeder Verstärker 320 weist einen Rückkoppelwiderstand 322 auf. Der Spannungsverdoppler 330 umschließt einen Kondensator 332, Dioden 334 und 336, einen Widerstand 338 sowie einen Kondensator 339· Eingangssignale werden den Spannungsfühlkreisen 301 über die offenen Bereiche des Cadmiumsulfids zugeführt, die mit 148, 146, 144, H2, 140, 150, 152, 156, 158 und 160 bezeichnet sind. Jeder ist an einen Bezugswiderstand 162 angeschlossen. Die Auagangssignale von neun der zehn Spannungsfühlkreise301 werden in einem Latch (Zwischenspeicher) 350 zwischengespeichert. Das Ausgangssignal des zehnten Spännungsfühlkreises wird über einen Verstärker 360 einem ÜND-G-atter 364 zugeführt.

Das Latch (Zwischenspeicher) 350 ist in zwei Teilen in Fig. 6 dargestellt. Das Latch 350 hat parallele Eingänge und parallele Ausgänge. Die Ausgänge des Latch 350 dienen als Eingänge eines zum Kodieren dienenden Lesespeichers (ROM) 370. Die parallelen Ausgangesignale des ROM 370 werden in einem Neun-Bit-Abwärtszähler (CNTR) 380 gespeichert. Der Abwärtszähler wird bei dem bevorzugten. Ausführungsbeispiel durch drei handelsübliche integrierte Schaltkreise aufgebaut. Es versteht Sich jedoch, daß auch ein einzelner integrierter Schaltkreis im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Dem Zähler 380 werden Taktimpulse durch einen one shot 400 zugeführt. Unter "one shot" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Start-Stop-Multivibrator verstanden, d.h. ein Multivibrator, der durch ein einzelnes Startsignal ("one shot") in Betrieb gesetzt und durch das nächste entsprechende Signal wieder außer Betrieb gesetzt wird. Die in Fig. 6b angegebenen one shot's 400 und 410 werden dabei über einen Kondensator 411 und einen Wider-

BADORIQiMAL

: ..-....·; 0247195

te

stand 409 mit Betriebsspannung versorgt. Bin Impuls eines zweiten one shot 410 bewirkt dabei, daß der Zähler 380 einen neuen Zählerstand lädt. Das Ausgangssignal des Zählers 380 erscheint auf der Leitung 420 und bildet das Eingangssignal für den one shot 410. Das Ausgangssignal des one shot 410 triggert eine Klammerschaltung 430, wie man aus Pig. 5 erkennt. Wie man weiter aus dem detaillierten Schaltild der Fig. 6b erkennt, umfaßt die Klammerschaltung 430 Transistoren 432 bzw» 434, die über Widerstände 436 und 438 vorgespannt sind. Die.Transistoren 432 und 434 sind über einen einzigen Widerstand 439 miteinander gekoppelt. Das Ausgangssignal der Klammerschaltung 430 erscheint auf einer Leitung 440 und bildet das Eingangssignal eines Schwellwertdetektors 450 und eines Reglers 460, und zwar über eine Diode 458. Der Schwellwertdetektor 450 umfaßt einen Kondensator 442, ein Spannungsteiler-Wetzwerk mit Widerständen 444, 446 und 448; einen Kondensator 452; eine Zenerdiode 454 und einen Widerstand 456. Weiterhin umfaßt der Schwellwertdetektor 450 zwei Verstärker 462 und 464 sowie einen Rückkoppelwiderstand 466. Der Schwellwertdetektor 450 verfügt über eine Sohalthysterese und dient zum Vermindern des Rauschens auf der Leitung 62,

Der Spannungsregler 460 liefert die Versorgunsspannung für das Hybrid 48. Der Spannungsregler 460 weist den Filterkondensator 72 in seinem Eingang und einen Kondensator 468 in seinem Ausgang auf. Wie man dem Schaltbild der Fig. 6 entnehmen kann, ist weiterhin eine Schutzdiode 459 zum Unterdrücken von Rückspannungsspitzen vorgesehen, die zwischen der Leitung 440 und Masse angeordnet ist. Das am Ausgang 'Q' des ohne shot 400 erscheinende Signal wird durch ein Transistorpaar 472 und 474 verstärkt. Die Vorspannung der Tran-

BAD ORIGINAL

32:>7Ί95

sistoren 472 und 474 erfolgt über Widerstände 476, 430 und die Transistoren 472, 474 sind über einen einzigen Widerstand 479 miteinander verkoppelt. Das Ausgangssignal des Transistorpaars 472, 474 dient als Spannungsversorgung für die LED 30, die über einen Widerstand 482 mit dem Filterkondensator 72 verbunden ist.

In der Kurskontfolleinheit (LCU) befindet sich ein Schaltungsteil 500 mit einer Stromquelle 510, die die Versorgung für den Schaltungsteil 300 darstellt. Der Schaltungsteil umfaßt weiterhin einen Taktgenerator 520, dessen Ausgangssignal über einen one shot 530 foimatiert wird sowie eine 5 Volt KlammerscHaltung mit einem Treiber 540 mit offenem Kollektor sowie einer Zenerdiode 550* Die Spannung auf der Leitung 65 wird erfaßt und mit einer Drei Volt Referenzspannung in einem Komparator 560 verglichen. Das Ausgangssignal des Komparators 560 liefert einen Steuerimpuls für ein Latch 570 und ein Eingangssignal für einen one shot 580. Das Ausgangesignal dieses one shot veranlaßt den Neun-Bit-Vorwärtszähler 590, seinen Zählerstand zu halten. Der Vorwärtszähler 590 wird in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Taktgenerators 520 gezählt. Der Kurssensor wird dadurch kalibriert, daß die Lage des Hybrids geringfügig justiert wird, während die innere Baueinheit des Sensors in einer bekannten Richtung ausgerichtet ist. Während des Betriebes richtet sich der Magnet 16 auf dem Rad - wie man aus den Pig« 1 bis 3c erkennt - entsprechend dem magnetischen Erdfeld aus und veranlaßt das Rad 10, sich in eine Richtung zu drehen, in der der Südpol des Magneten in Richtung des Nordpoles des magnetischen Erdfeldes zeigt. Ein gepulster Lichtstrahl wird von der LED 30 ausgestrahlt und durch die als Kollimator wirkende Linse

BAD

ι- τ O Ί -ί ψ

2ο.

parallelisiert. Der Strahl trifft auf eine reflektierende Facette am Umfange 12 des Rades und wird auf das Photodetektoren-G-atter 54 über die halbparabolische verspiegelte Oberfläche 50 abgelenkt. Das maskierte Muster der jeweiligen Facette am Umfange 12 wird auf dem Gatter 54 abgebildet, und zwar an einer Stelle, die der genauen Ausrichtung des Rades 10 entspricht. Die offenen Bereiche des Cadmiumsulfids auf dem Photodetektoren-Gatter 54, die von dem reflektierten Lichtstrahl beleuchtet werden, verändern ihren Widerstand und erzeugen damit elektrische Signale in einigen bestimmten der zehn Spannungsfühlkreise, wie man den Fig. 5 und 6 entnehmen kann. Wenn das erfaßte Abbild mit einem Wert übereinstimmt, der von einem Speicher für gültige Daten 351 geliefert wird und gleichzeitig ein Taktimpuls erscheint, wird das UND-Gatter 364 durchgesteuert und liefert einen Steuerimpuls für das Latch 350. Das Latch 350 speichert dann einen Binär-Code, der den gerade beleuchteten Photodetektoren entspricht. Dieser Code wird im ROM 370 dekodiert, der an seinen parallelen Ausgängen einen Zählerstand abgibt, der dem Richtungswinkel des Rades 10 entspricht. Der Zählerstand wird im Neun-Bit-Abwärtszähler 380 gespeichert. Arbeitet der Taktgenerator 520 der Teilschaltung 500, werden dessen Impulse über die Leitung 62 über den Schwellwertdetektor 450 dem one shot 400 zugeführt. Über den one shot 400 zählt der Taktgenerator 520 den Neun-Bit-Abwärtszähler 380, während er gleichzeitig den Neun-Bit-Aufwärtszähler 590 zählt. Daher zählt der Abwärtszähler 380 abwärts, während der Aufwärtszähler 590 aufwärtszählt. Wenn der Abwärtszähler 380 bis auf Null herunterzählt, erscheint ein Übertrag-Impuls auf der Leitung 420 als Eingangssignal für den one shot 410. Das Ausgangssignal des one shot 410 dient als Eingangssignal für die Klammerschaltung 430, die die Spannung (beispiels-

BAD OBtGINAL

weise 10 Volt) auf der Leitung 62 sofort auf Null Volt klammert, wie man äem Impulsdiagramm der Pig. 7 entnehmen kann.

Wenn dieäer liull-Volt-tmpuls auf der Leitung 62 erscheint, geht der Komparator 560 an seinem Ausgang auf positives logisches Signal. Dies veranlaßt das als Speicher dienende Latch 570, den augenblicklichen Zählerstand im Vorwärtszähler 590 festzuhalten. Der Komparator 560 triggert auch den one shot 580, der einen "Clear"-Impuls für den Neun-Bit-Zähler 590 liefert. Auf diese Weise wird der Zählerstand des Neun-Bit-Abwärtszählers 380 auf den Neun-Bit-Aufwärtszähler 570 übertragen. Die der Ausrichtung des Kurskompasses entsprechenden Daten erscheinen damit an den parallelen Ausgängen des Latch 570.

Das Impulsdiagramm der Fig. 7 erläutert diese Wirkungsweise. Pig. 7a zeigt dabei die auf der Leitung 62 erscheinenden Signale, Pig. 7b zeigt die Treiberspannung für die LED 30 und Fig. 7c stellt das Ausgangssignal des one shot 410 dar.

Wie man Pig. 7a entnehmen kann, sorgt die Stromquelle 510 für eine konstante' Spannung, beispielsweise 10 Volt. Diese Spannung wird über einen Spannungsregler 460 geregelt, wodurch eine Versorgungsspannung von beispielsweise 5 Volt für die Bauelemente erzeugt wird, die im Kurssensor im Hybrid 48 vorhanden sind. Wenn der Taktgenerator 520 arbeitet, triggert er den one shot 530, der seinerseits die aus dem Treiber 540 und der Zenerdiode 550 bestehende Klammerschaltung aktiviert. Die Zehn-Volt-Versorgungsspannung wird daher sofort auf 5 Volt geklammert, wie man zum Zeitpunkt T, in Pig. 7a erkennt. Dies triggert den Schwellwertschal-

.,BAD ORIGINAL

ο / 7 I Q

ter 450, der seinerseits den one shot 400 triggert. Wie oben erwähnt, liefert der one shot 400 einen entsprechenden Impuls an den Abwärtszähler 380, der daraufhin ein Bit abwärtszählt. Der one shot 400 liefert weiterhin einen Impuls für die LED 30. Der Impuls für die LED 30 ist in Fig. 7b zum Zeitpunkt T^ erkennbar. Die LED 30 wird daher im Takte des Taktgenerators angesteuert. Diese getaktete Ansteuerung vermindert die Leistungsaufnahme der LED 30 und eröffnet die Möglichkeit, die Photosensoren lediglich auf Wechselspannungssignale reagieren zu lassen.

Wenn man nochmals Fig. 7a betrachtet, erkennt man, daß dann, wenn der Abwärtszähler 380 bis auf Null herabgezählt hat, die Leitung 62 auf ein positives logisches Signal geht, wodurch der one shot 420 einen Impuls an die Klammerschaltung 430 abgibt. Die Klammerschaltung 430 vermindert die Leitungsspannung von 5 Volt auf 0 Volt. Dies ist in Fig. 7a zum Zeitpunkt T, dargestellt. Dabei ist zu bemerken, daß die LED 30 beim Auftreten eines Taktimpulses zum Zeitpunkt-Tp getriggert wurde. Das Ausgangssignal des one shot 410 veranlaßt den Abwärtszähler 380, neue Daten zu laden, während das Neun-Bit-Latch 570 veranlaßt wird, den im Neun-Bit-Aufwärtszähler 590 gespeicherten Zählerstand über den Komparator 560 zu halten. Die Ausgangsdaten befinden sich nun im Latch 570.

Insgesamt wurde damit ein Kurssensor für geschleppte Sonar-Ketten beschrieben, der nur ungefähr 0,65 Zoll (16,5mm) im Durchmesser und 1,8 Zoll (45,7mm) in der Länge aufweist. Trotz der geringen Abmessungen des Sensors weist er eine Meßgenauigkeit in der Größenordnung von 1° auf. Während die Erfindung vorstehend mit Bezug auf bestimmte Werkstoffe für

BAD ORIGINAL

■·, 7195

die Herstellung der verschiedenen mechanischen Bauteile dargestellt wurde, ist die Erfindung jedoch keineswegs auf diese "beschränkt. So kann "beispielsweise die LED 30 durch jedwede andere geeignete Lichtquelle ersetzt werden, "beispielsweise eine Laser-Diode. Die Erfindung ist weiterhin nicht auf die Maskierung auf dem Rad 10 relativ zu der auf dem Dioden-Gatter 54 "beschränkt. Jede andere geeignete Gestaltung kann selbstverständlich auch verwendet werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. So kann beisielsweise ein Gray-Code anstelle des in der Zeichnung dargestellten Binär-Codes verwendet werden.

Weiterhin ist die Erfindung nicht auf die beispielhaft beschriebene elektronische Schaltung beschränkt, die dazu dient, das photoempfindliche Gatter auszulesen und ein elektrisches Signal entsprechend der Stellung des Rades zu liefern. Selbstverständlich kann ein Durchschnittsfachmann, ausgehend von der Lehre der vorliegenden Erfindung, die dort erforderlichen Punktionen mit einer anders gestalteten Schaltung erzielen. Schließlich können selbstverständlich auch andere photoempfindliche Materialien anstelle des beschriebenen Gadmiumsulfids verwendet werden.

Claims

24 7195-

Patentansprüche

. .- Einrichtung zum Bestimmen einer Ausrichtung, die elektrische Signale entsprechend der Ausrichtung eines Systems relativ zu einem Bezugsfeld erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (30) vorgesehen ist, die einen Lichtstrahl erzeugt, daß ein magnetisches Rad (10) mit einer Anzahl Spiegel auf seinem Umfange (12) versehen ist, die den Lichtstrahl in Abhängigkeit von einem Magnetfeld ablenkt und daß ein Photodetektoren-Gatter (54) sowie eine elektronische Schaltung (300, 500) zum Messen der Richtungsänderung des Lichtstrahles vorgesehen sind wodurch elektrische Signale entsprechend der Ausrichtung des Systems in einem magnetischen Feld erzeugt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Spiegel individuell unterschiedlich ■beschichtet ist, wodurch ein individuelles Lichtmuster zum Identifizieren des jeweiligen Spiegels und damit der Lage des magnetischen Rades (10) reflektiert wird.

3· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad (10) zwölf derartige individuell beschichtete Spiegel enthält.

4· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Photodetektoren-Gatter (54) in- entsprechender Weise derart mit einer Maske versehen ist, daß ermittelt werden kann, welcher der Spiegel den Lichtstrahl reflektiert.

3.1:471:15"

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (30), das magnetiche Rad (10), das Photodetektoren-Gatter (54) und wenigstens ein Teil (300) der elektronischen Schaltung in einer Baueinheit zusammengefaßt sind, die ihrerseits frei beweglich in einem Gehäuse (70) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (70) weniger als ein Zoll (25,4 mm) im Durchmesser und weniger als zwei Zoll (50,8 mm) in der Länge mißt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit Mittel (72, 74) einschließt, die die Baueinheit in einer aufrechten Lage relativ zum Erdmagnetfeld halten.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (300, 500) einen Zählerstand entsprechend dem Belichtungsmuster auf dem Photodetektoren-Gatter (54) speichert.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung (300, 500) immer dann ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, wenn der Zählerstand erreicht ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Photodetektoren-Gatter (54) derart mit einer Maske versehen ist, daß Mehrdeutigkeiten bei gleichzeitigem Ansprechen zweier "benachbarter Elemente des Gatters (54) aufgelöst werden.