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Meßeinrichtung zur Ermittlung einer Winkelkoordinate einer elektromagnetischen
oder einer Schall- oder Ultraschall-Strahlungsquelle
Die Erfindung betrifft eine
Meßeinrichtung zur Ermittlung einer Winkelkoordinate eines eine unmittelbare oder
reflektierte elektromagnetische oder Schall- oder Ultraschallstrahlung aussendenden
Zieles mit Hilfe einer Vorrichtung, die auf die Phasendifferenz zwischen zwei Wellen
anspricht, die von zwei für die Strahlung empfindlichen und bekannte Lagen einnehmenden
Detektoren empfangen werden.
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Die bekannten Meßeinrichtungen dieser Art bestehen im allgemeinen
aus einer »Basis«, welche die beiden in einem festen Abstand voneinander angeordneten
Detektoren trägt, welche die Schwingungen, die sie von der Strahlungsquelle empfangen,
deren Winkelkoordinate gemessen werden soll, in elekrischen Strom umzuwandeln vermögen.
Diese Basis ist um eine Achse drehbar, die in der Bezugsebene liegt, gegenüber der
man die betreffende Koordinate ermitteln will. Die beiden Detektoren sind elektrisch
an ein Gerät angeschlossen, das die Summe und die Differenz der in den Detektoren
erzeugten Spannungen herstellt. Diese Spannungssumme und -differenz werden hierauf
nach Verschiebung der einen dieser beiden Größen um z/2 an die beiden Plattenpaare
einer Oszillographenröhre angelegt, auf deren Schirm dann ein Strich
erscheint,
der mit der Senkrechten dadurch zur Deckung gebracht werden kann, daß die Detektorbasis
senkrecht zu der nach der Strahlungsquelle führenden Richtung eingestellt wird,
was den gesuchten Winkel der Basis zur Bezugsebene ergibt.
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Die Genauigkeit dieser Meßeinrichtung ist zwar um so höher, je größer
die Basis ist, aber deren Vergrößerung über einen bestimmten, der halben Wellenlänge
der empfangenen Strahlung gleichen Wert hinaus führt zu einer Unbestimmtheit der
Messung. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine derartige Meßeinrichtung
so zu vervollkommnen, daß eine sehr hohe Meßgenauigkeit ohne irgendeine Unbestimmtheit
der Messung erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird bei der Meßeinrichtung zur Ermittlung einer Winkelkoordinate
einer Quelle von unmittelbarer oder reflektierter elektromagnetischer oder Schall-
oder Ultraschallstrahlung nach dem sogenannten Summen-Differenz-Verfahren erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß zwei Detektorbasen vorgesehen sind, die je zwei für die Umwandlung
der empfangenen Strahlung in elektrischen Strom ausgebildete und in einem bestimmten
Abstand voneinander angebrachte Detektoren umfassen und um eine in der gemeinsamen
Symmetrieebene dieser beiden Detektorenpaare liegende senkrechte Achse drehbar sind,
wobei der Abstand der Detektoren der einen Basis-kleiner und der anderen Basis größer
ist als die halbe Wellenlänge der Strahlung.
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Die Meßeinrichtung nach der Erfindung kann durch einen elektronischen
Umschalter vervollständigt sein, der abwechselnd die Detektoren der einen und der
anderen Basis an ein gemeinsames Gerät anschließt, welches die Summe bzw. die Differenz
der beiden Detektorspannungen zu bilden vermag, die es gleichzeitig empfängt. Dieses
Gerät führt seinerseits den beiden Plattenpaaren einer Oszillographenröhre die gebildeten
Spannungssummen bzw. -differenzen zu.
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Die Zeichnung gibt in rein schematischer Darstellung die Meßeinrichtung
nach der Erfindung beispielsweise in einer Ausführungsform wieder.
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Abb. I veranschaulicht die für die Anwendung des Summen-Differenz-Verfahrens
bisher gebräuchliche und Abb. 2 die erfindungsgemäß ausgebildete Meßeinrichtung.
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Es sei angenommen, daß es sich darum handelt, die Richtung zu bestimmen,
in der ein durch eine akustische Strahlungsquelle gebildetes Ziel S (Abb. I) liegt.
Die Meßbasis besteht aus zwei Mikrophongruppen M und N, deren Schwerpunkte einen
festen Abstand a voneinander haben und die auf Schwingungen mit einer im akustischen
Spektrum der Strahlungsquelle S enthaltenen Frequenz w ansprechen. Die Gesamtheit
der beiden Mikrophongruppen M, N kann sich um eine durch den Punkt O gehende senkrechte
Achse drehen.
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Die Phasendifferenz ? der von den Gruppen M und N empfangenen Schwingungen
ist durch die Gleichung ME a = A a sin g gegeben, worin g den Winkel zwischen der
Geraden O S und der Senkrechten zur Geraden MN im Punkt 0 bezeichnet und Ä die Wellenlänge
der Schwingungen der Frequenz w in dem von diesen durchquerten Medium ist. Die von
den Mikrophongruppen M und N empfangenen Schwingungen sind von der Form xt = A cos
mt, r2.=Acos (wt-).
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Es sei angenommen, daß bei der in Abb. I wiedergegebenen Lage der
Mikrophongruppen M und N die Mittelsenkrechte der Meßbasis MN sich in der Bezugs
ebene befindet, von der aus die Richtung, in der die Strahlungsquelle S liegt, bestimmt
werden soll. Diese Richtung ist dann durch den Winkel g gegeben. Um diesen Winkel
g zu messen, verbindet man die beiden Mikrophongruppen M und N mittels zweier Verstärker
G mit einem Gerät D, das in bekannter Ausführung die Summe s und die Differenz d
der Spannungen zu bilden vermag, die von jeder der beiden Mikrophongruppen M und
N empfangen werden. Diese Spannungen sind proportional xl und x2, und man erhält
Die Spannungen s und d werden nach Verschiebung der einen um s/2 den beiden Plattenpaaren
einer Oszillographenröhre T zugeführt, auf deren Leuchtschirm ein Strich erscheint,
der mit der Senkrechten einen Winkel 0 einschließt, der gleich p/2 ist, so daß O=-asing
wird. Eine bestimmte, am Leuchtschirm der Röhre T angebrachte Gradeinteilung gestattet
dann die unmittelbare Ablesung des gesuchten Winkels g.
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Indessen wird man vorzugsweise das Verfahren benutzen, das darin
besteht, die Detektorenbasis MN um die durch den Punkt 0 gehende Senkrechte zu drehen,
um den Winkel g und damit den Winkel 6 auf den Wert Null zu bringen. Man mißt dann
den Drehwinkel der Basis MN gegenüber einer senkrechten Bezugsebene oder man benutzt
diese Drehung der Basis MN, um unmittelbar die Einstellung oder Ausrichtung eines
anderen Gerätes, z. B. eines Artillerierichtgerätes, zu steuern.
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Wenn der Winkel 0 mit einer Unbestimmtheit d# gemessen ist, wird
die Messung des Winkels g oder die Einstellung mit einem Fehler dg behaftet sein,
so daß # #a d0-= zuG cosgdg dg,
d. h. dz = dz #a d0- ist ein kennzeichnender
Wert, der einerseits von der Oszillographenröhre und anderseits vom Benutzer der
Meßeinrichtung abhängt.
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Die Genauigkeit der Richtungseinstellung oder der Messung des Winkels
g kann durch Vergrößerung des- Abstandes a zwischen den Schwerpunkten der Mikrophongruppen
M und N erhöht und damit dg sehr klein gemacht werden. Jedoch ist die Vergrößerung
des Abstandes a begrenzt; denn wenn der Abstand a der Mikrophongruppen M und N einen
gewissen Wert übersteigt, tritt eine Unbestimmtheit der Messung auf. Wenn nämlich
die Phasendifferenz zwischen den in den Mikrophongruppen M und N empfangenen Schwingungen
über I800 hinausgeht, d. h. wenn a rr a sin g > oder # a >2 ist, werden mehrere
Richtungen für den Punkt S, die sich um ein ganzes Vielfaches von I800 voneinander
unterscheiden, ein und derselben Lage des sichtbaren Striches auf dem Leuchtschirm
der Oszillographenröhre und damit ein und demselben Winkel 0 entsprechen.
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Diese Unbestimmtheit ist bei der in Abb. 2 veranschaulichten Weiterbildung
der Meßeinrichtung nach Abb. I bei gleichzeitiger Erzielung einer großen Meßgenauigkeit
dadurch vermieden, daß zwei Paare von Mikrophongruppen M,, N1 und M', N1, vorgesehen
sind, die beide die gleiche Symmetrieebene besitzen und zusammen um ein und dieselbe,
in dieser Symmetrieebene liegende, durch den Punkt 0i gehende senkrechte Achse drehbar
sind.
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Diese vier Mikrophongruppen sind unter Zwischenschaltung von Verstärkern
G1 mit einem elektronischen Umschalter C verbunden, der so ausgebildet ist, daß
er wechselweise die aus den Gruppen M1 und N1 und aus den Gruppen M,' und N1, entnehmbaren
Spannungen einem gemeinsamen Gerät D1 zuleitet, das die Summe s und die Differenz
d der ihm zugeführten Spannungen bildet und diese Summen- bzw. Differenzspannungen
unter Verschiebung des einen Spannungswertes um arv/2 an die beiden Plattenpaare
einer Oszillographenröhre T1 legt.
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Wenn die Taktfolge, in welcher der Umschalter C die Mikrophongruppenpaare
M1, N1 und M,', N1' abwechselnd an das Gerät D1 anschließt, genügend hoch ist, erscheinen,
wie in Abb. 2 angedeutet, auf dem Leuchtschirm der Röhre Tj gleichzeitig zwei Striche,
die den mit den beiden Mikrophongruppenpaaren M1, N1 und M1,, N1, durchgeführten
Messungen entsprechen.
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Das Gruppenpaar M1, N1 bildet die Basis der »Grobmessung«, und der
gegenseitige Abstand der beiden Gruppen M1 und N1 ist kleiner als die halbe Wellenlänge
der zu empfangenden Schwingung und kann beispielsweise, wenn eine Wellenlänge von
etwa 10 cm verwendet wird, in der Größenordnung von 5 cm sein. Der von diesem Gruppenpaar
auf dem Schirm der Röhre T1 zum Entstehen gebrachte Strich stellt eine wenig genaue
Messung dar, die aber nicht mit einer Unbestimmtheit behaftet ist.
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Die Entfernung zwischen den Mikrophongruppen M1, und N1,, welche
die Basis der »Feinmessung« darstellen, wird dagegen auf das nach den mechanischen
Ausführungsverhältnissen der ganzen Meßeinrichtung zulässige Höchstmaß gebracht
und kann beispielsweise, unter Annahme der obengenannten Wellenlänge, mehrere Meter
erreichen.
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Der von diesem Gruppenpaar auf dem Leuchtschirm der Röhre T1 erzeugte
Strich bedeutet eine sehr genaue Messung, die jedoch nicht frei von Unbestimmtheit
ist.
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Um eine sehr genaue und dabei auch bestimmte Messung zu erhalten,
ist es nur notwendig, die durch die zwei Mikrophongruppenpaare M,, N und M1', N,'
auf dem Schirm der Röhre T1 hervorgerufenen beiden Striche zur Deckung mit der Senkrechten
zu bringen, was durch Drehung der Gesamtheit der vier Mikrophongruppen um die durch
den Punkt 01 gehende senkrechte Achse erreicht wird.
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Wenn die Strahlungsquelle S nicht Hörschallschwingungen, sondern
elektromagnetische oder Ultraschallschwingungen abstrahlt oder reflektiert, sind
die Mikrophongruppen durch entsprechende andere Detektoren z. B. durch die bei den
sogenannten Radar- oder Asdic-Geräten verwendeten Detektoren zu ersetzen. Auch läßt
sich mit der Meßeinrichtung nach der Erfindung sowohl ein gegenüber der Waagerechten
als auch der Senkrechten anzunehmender Winkel genau bestimmen.