DE977949C

DE977949C -

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Publication number: DE977949C
Application number: DE1962977949
Authority: DE
Priority date: 1962-12-18
Filing date: 1962-12-18
Publication date: 1974-05-30

Description

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ermittelt, wobei U°_y die erste und 17'° die zweite Steuerspannung ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steuerspannung ein polarisiertes Schaltelement zugeordnet ist und daß diese Schaltelemente zu einer Binär-Schaltung zusammengefaßt sind, die aus den Steuerspannungsvorzeichen ermittelt, in welchem Bereich der Phasenwinkel φ liegt, und nach Addition eines dem ermittelten Bereich entsprechenden Korrekturwertes zu dem sich aus der phasenwinkelabhängigen Funktion für den Hauptbereich ergebenden Phasenwinkelwert einen eindeutigen Ausgangswert für den Phasenwinkel φ abgibt.

15. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Summiereinrichtung, die den Schalleinfallswinkel ψ gemäß der Gleichung

φ — 2 π — · sin ψ = 0

A,

(3)

aus dem Phasenwinkel φ ermittelt.

16. Einrichtung nach Ansprüche, gekennzeichnet durch eine weitere Summiereinrichtung, die aus dem Verdrehwinkel der akustischen Basis σ_α und dem Schalleinfallswinkel ψ den auf die durch den Winkel a_x = 0 gegebene Achse bezogenen Schalleinfallswinkel ermittelt.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Summiereinrichtung aus dem auf die durch den Winkel σ_χ = 0 gegebene Achse bezogenen Schalleinfallswinkel und dem zu der Achse a_% = 0 gehörigen raumfesten Winkel den raumfesten Schalleinfallswinkel σ,₈ ermittelt.

18. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsorgane der Empfangsbasis Richtcharakteristiken aufweisen, die einem bevorzugten Phasenwinkel-Meßbereich angepaßt sind.

19. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich diese Einrichtung in einem in ein Ziel zu lenkenden Projektil befindet, wobei das Projektil die Regelstrecke eines Regelkreises darstellt und mittels seiner aus der Winkelgeschwindigkeit des raumfesten Schalleinfallswinkels nach Anspruch 18 und der Winkelgeschwindigkeit des raumfesten Prpjektilkurses ermittelten Regelabweichung gelenkt wird.

20. Einrichtung nach Ansprüchen 15 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten und zweiten Steuerspannung zugeordneten polarisierten Schaltelemente außerdem in diesen Regelkreis eingreifen, ihn schließen, wenn eine der beiden Steuerspannungen den Ansprechwert des zugeordneten Schaltelementes überschreitet und ihn wieder öffnen, wenn beide Steuerspannungen die Abfallwerte der ihnen zugeordneten Schaltelemente unterschreiten.

21. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kombination aus zwei Einrichtungen nach Anspruch 5, wobei die Ausrichtungen der jeweiligen Empfangsorgane in zwei verschiedenen, vorzugsweise senkrecht aufeinanderstehenden Ebenen liegen und wobei eine Kombination aus den beiden den jeweiligen Ausrichtungsebenen zugeordneten Schalleinfallswinkeln einen räumlichen Schalleinfallswinkel liefert.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einrichtungen nach Anspruch 5 bei Verwendung in einem Projektil nach Anspruch 19 zur räumlichen Lenkung des Projektils dienen.

23. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Empfangsorgane der Empfangseinrichtung aus mindestens zwei Einzelempfängern bestehen, wobei zumindest ein Teil der Einzelempfänger zwei Ausrichtungen gleichzeitig zugeordnet ist und Teilspannungen abgibt, die Bestandteil einer oder mehrerer Empfangsorganspannungen sowohl der einen als auch der anderen Ausrichtung sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln einer innerhalb eines bestimmten Einfallswinkel-Bereichs in einer beliebigen Richtung einfallenden Wellenenergie, insbesondere einer Schallwelle, in eine nur von der Einfallsrichtung abhängige elektrische Größe mit einer aus mehreren in gleicher Ausrichtung angeordneten Empfangsorganen bestehenden Empfangseinrichtung und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bereits eine Reihe von Lenkverfahren bekannt, die die Aufgabe haben, ein Geschoß selbsttätig ins Ziel zu führen. Handelt es sich dabei um einen Torpedo, der unter Wasser in Richtung auf ein Ziel gelenkt werden soll, so wird dabei meist als Nutzsignal für eine Peilung oder Ortung das Schraubengeräusch eines fahrenden Schiffes oder ein vom Torpedo selbst oder der Abschußstelle ausgesandter und reflektierter Schallimpuls dienen.

Es wurde außerdem bereits ein akkustisches Lenkgerät vorgeschlagen, das aus den einfallenden Nutzsignalen eine oder mehrere Steuerspannungen erzeugt,

denen Ansprechflächen zugeordnet werden können, auf deren Flanken das Ziel im Relativbild mit dem Torpedo als Koordinatenursprung entlanggeführt wird.

Die hiermit erzielbaren Torpedolaufbahnen sind aber mit einigen Nachteilen behaftet, die von dem nachfolgend beschriebenen Lenkverfahren vermieden werden.

Dieses Lenkverfahren arbeitet unter Zugrundelegung einer Proportionalität zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Geschoßkurses und der Winkelgeschwindigkeit der raumfesten Peilrichtung vom Geschoß zum Gegner.

Die Vorteile dieses Verfahrens können jedoch für akustisch eigengelenkte Torpedos nicht ausgenutzt werden, da bisher kein im Torpedo einbaufähiger, selbsttätig arbeitender Wandler vorhanden ist, der die Einfallsrichtung der Schallwellen eindeutig in einen elektrischen Wert umwandelt Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe das obengenannte vorgeschlagene Lenkverfahren auch für akustisch eigengelenkte Torpedos verwendbar ist.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist allgemein anwendbar zur Umwandlung einer innerhalb eines bestimmten Einfallswinkelbereiches in einer beliebigen Richtung einfallenden Wellenenergie, insbesondere einer Schallwelle, in eine nur von der Einfallsrichtung abhängige elektrische Größe mit einer aus mehreren in gleicher Ausrichtung angeordneten Empfangs-Organen bestehenden Empfangseinrichtung und besteht im wesentlichen darin, daß aus den von den Empfangsorganen gelieferten, phasenwinkelabhängigen Empfangsorganspannungen mindestens drei Steuerspannungen gebildet werden, von denen mindestens eine bezüglich des Phasenwinkels mit -^ periodisch ist und Null-Durchgänge bei (2 η + 1)

ra

,T

4m

2 π

aufweist und von denen mindestens zwei mit — periodisch sind und Null-Durchgänge bei 2 π · -^_x

2m

aufweisen, daß ferner aus den

bzw. (2 η + 1)

mit ~ periodischen Steuerspannungen Quotienten gebildet werden, von denen einer in seinem γ- -großen Hauptbereich eine eindeutige phasenwinkelabhängige Funktion ergibt, und daß eine solche phasenwinkelabhängige Funktion und eine Eindeutigkeit in den Nebenbereichen des Phasenwinkels φ mittels weiterer Quotienten und/oder einer Auswertung der zur Verfugung stehenden Steuerspannungsvorzeichen gewonnen werden.

Dabei kann für die Größe m eine beliebige, vorzugsweise ganze Zahl angenommen werden. Für die Durchführung des Verfahrens hat sich die Zahl 1 für die Größe m als günstig erwiesen, η nimmt die Werte 0,1, 2... usw. an und kennzeichnet die Periodizität der Steuerspannungen.

Es ist vorteilhaft, die Steuerspannungen aus der Differenz von aus den Empfangsorganspannungen abgeleiteten und dann gleichgerichteten Wechselspannungen zu bilden. Durch die Gleichrichtung wird erreicht, daß die Null-Durchgänge der Steuerspannungen von Störspannungen nicht mehr beeinflußt werden. Es ist jedoch auch denkbar, einen Teil der Steuerspannungen aus der Differenz ihrer Beträge zu gewinnen.

Die Ableitung der gleichzurichtenden Wechselspannungen aus den Empfangsorganspannungen erfolgt vorteilhaft mit Hilfe einer Summen- und Differenzbildung aus diesen Spannungen unter teilweiser künstlicher Phasendrehung, vorzugsweise um 90°.

Erfindungsgemäß wird ferner eine Einrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen, die im wesentlichen drei Elemente enthält, nämlich eine Empfangsbasis, einen elektronischen Wandler, der mindestens drei Steuerspannungen bildet, von denen mindestens eine bezüglich des Phasenwinkels mit ~ periodisch ist und Null-Durchgänge

bei (2« + 1) · -2- aufweist und von denen mindestens zwei mit — periodisch sind und Null-Durchgänge

bei 2η · -γ- bzw. (2η +

aufweisen, und einen

Lenkregler, der aus den mit —- periodischen Steuerspannungen Quotienten bildet, von denen einer in seinem 2^ -großen Hauptbereich eine eindeutige phasenwinkelabhängige Funktion ergibt, und daß eine solche phasenwinkelabhängige Funktion und eine Eindeutigkeit in den Nebenbereichen des Phasenwinkels ψ mittels weiterer Quotienten und/oder einer Auswertung der zur Verfugung stehenden Steuerspannungsvorzeichen gewonnen werden.

Dabei sind für die Empfangsbasis verschiedene Ausführungen denkbar. Sie kann z. B. aus zwei Empfangsorganen bestehen, deren Phasenschwerpunkte um eine bestimmte Basisbreite b voneinander entfernt sind, so daß der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Phasenwinkel φ der Empfangsorganspannungen und dem Schalleinfallswinkel ψ durch die Gleichung

2,-ri .

φ = —— SMl ψ

gegeben ist, wobei λ die Wellenlänge der einfallenden Wellenenergie bedeutet und ein Empfangsorgan jeweils aus mehreren Einzelempfängern bestehen kann.

Bei einer anderen Ausführung der Empfangsbasis besteht diese aus drei Empfangsorganen, von denen die Phasenschwerpunkte zweier benachbarter Empfangsorgane um die Basisbreite ft voneinander entfernt sind. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, in jedem Falle die Basisbreite gleich dem Wert für ^ zu wählen.

Wird die Empfangsbasis schwenkbar angeordnet, so kann der von ihr bei einer bestimmten Stellung zu erfassende Einfallswihkelbereich natürlich kleiner als der zu beobachtende Gesamtbereich sein. Es käme dann z. B. die Ausführung der Empfangsbasis mit nur zwei Empfangsorganen in Betracht. Die konstruktive Ausführung einer drehbaren Empfangsbasis macht jedoch relativ große technische Schwierigkeiten.

Wird eine Empfangsbasis mit nur zwei Empfangsorganen in der beschriebenen Art und Weise benutzt, so bildet der elektronische Wandler vorteilhaft eine erste Steuerspannung aus der Differenz der gleichgerichteten Summen- und Differenzspannungen der Empfangsorganspannungen und eine zweite Steuer-

spannung aus der Differenz der gleichgerichteten, nach einer künstlichen Phasendrehung um 90° gebildeten Summen- und Differenzspannungen der Empfangsorganspannungen, während er aus der Differenz der Beträge der ersten und zweiten Steuerspannung die dritte Steuerspannung bildet, wobei die erste und

2.-7
zweite Steuerspannung mit -^- und die dritte Steuer-

IO

spannung — periodisch sind.

Wird jedoch eine aus mindestens drei Empfangsorganen bestehende Empfangsbasis benutzt, so bildet der elektronische Wandler die ersten beiden Steuerspannungen wie vorher beschrieben, während die Erzeugung der dritten Steuerspannung in günstiger Weise dann aus der Differenz der gleichgerichteten Summen- und Differenzspannungen zweier von zwei nicht benachbarten Empfangsorganen abgegebener Empfangsspannungen erfolgt, wobei die erste und die

zweite Steuerspannung auch wieder mit ~ und die

dritte Steuerspannung mit -^ periodisch sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird für die Ausführung des Lenkreglers vorgeschlagen, daß dieser aus der ersten und zweiten Steuerspannung

Quotienten bildet, von denen einer in seinem y— -großen Hauptbereich eine eindeutige phasenwinkelabhängige Funktion ergibt, und daß eine solche phasenwinkelabhängige Funktion und eine Eindeutigkeit in den Nebenbereichen des Phasenwinkels ψ mittels weiterer Quotienten und/oder einer Auswertung der zur Verfugung stehenden Steuerspannungsvorzeichen gewonnen werden. Als Hauptbereich wird dabei ein durchgehender Kurvenbereich der Spannungsquotienten-Kurve bezeichnet, in dem zwar ein Vorzeichenwechsel erfolgt, der aber sonst keine Unstetigkeitsstellen aufweist. Bleibt man bei der Annahme, daß die

Größe m = 1 gewählt wird, so entspricht ein -^- -

Bereich einem Bereich von 90°, d. h., es ergibt sich also innerhalb des Gesamtbereiches von 360° eine Vier-Deutigkeit. Da aber innerhalb eines solchen Bereiches ein Vorzeichenwechsel der Spannungsquotienten-Kurve vorliegt, ist für den absoluten Wert eine Acht-

Deutigkeit gegeben. Wird an den Grenzen des -^- -großen Hauptbereiches des verwendeten Spannungsquotienten auf den reziproken Wert dieses Quotienten umgeschaltet, so erhält man für die Nachbarbereiche eine zu der Spannungsquotienten-Kurve des Hauptbereiches spiegelbildliche Kurve, ohne daß an den Bereichsübergängen ein Vorzeichenwechsel stattfindet. Wenn man nach dem Durchlaufen dieser Nachbarbereiche auf den ursprünglichen Spannungsquotienten

zurückschaltet, ergibt sich für einen weiteren -^ -Bereich wieder dieselbe Kurve des Hauptbereiches, d. h., diese gilt also jeweils für jeden zweiten Nachfolgebereich. Nimmt man als Kriterium für die Umschaltung des Spannungsquotienten auf seinen reziproken Wert das Vorzeichen einer der in diesem Spannungsquotienten verwendeten Steuerspannung, so hat man die Acht-Deutigkeit bereits auf eine Vier-Deutigkeit reduziert. Durch Verwertung der Vorzeichen von zwei weiteren Steuerspannungen ist also die Erzielung einer Eindeutigkeit möglich. Da die Amplituden der Empfangsorganspannungen selbst sowohl vom Einfallswinkel als auch von der Schallintensität der einfallenden Schallwellen abhängen, ist der Wert einer Steuerspannung nicht ohne weiteres zur Ableitung des Phasenwinkels und damit des Schalleinfallswinkels geeignet. Die genannte Abhängigkeit wird durch die Quotientenbildung aus den gleichgerichteten Wechselspannungen eliminiert. Der Einfluß von Störspannungen wird besonders weitgehend dadurch verringert, daß für die Spannungsquotientenbildung Steuerspannungen benutzt werden, die, wie bereits beschrieben, aus der Differenz von Gleichspannungen abgeleitet wurden.

Nach dem zuvor Gesagten ist es also ausreichend, wenn zur Gewinnung der phasenwinkelabhängigen Funktion in den weiteren Bereichen nur ein einziger weiterer Quotient dient, der der reziproke Wert des ersten, die eindeutigen Werte für den Hauptbereich des Phasenwinkels liefernden Quotienten ist. Bei m = 1 erstreckt sich ein solcher Hauptbereich z. B. von —45 bis +45°. An den Grenzen dieses Hauptbereiches wird dann auf den reziproken Wert des Quotienten umgeschaltet.

Die Recheneinrichtung wird besonders einfach, wenn sie aus dem Quotienten

U⁰.

den Phasenwinkel φ näherungsweise nach der Gleichung

-φ-

ermittelt.

Eine solche Annäherung bringt gegenüber einer genaueren Lösung nur geringfügige Ungenauigkeiten und ist deshalb ohne weiteres zulässig. Der Vorteil der Verwendung dieser Annäherungsfunktion besteht darin, daß der Aufwand an einzelnen Rechenelementen innerhalb der Recheneinrichtung wesentlich verringert wird.

Erfindungsgemäß wird weiterhin vorgeschlagen, daß jeder Steuerspannung ein polarisiertes Schaltelement zugeordnet ist und daß diese Schaltelemente zu einer Binär-Schaltung zusammengefaßt sind, die aus den Steuerspannungsvorzeichen ermittelt, in welchem Bereich der Phasenwinkel ψ liegt, und nach Addition eines dem ermittelten Bereich entsprechenden Korrekturwertes zu dem sich aus der phasenwinkelabhängigen Funktion für den Hauptbereich ergebenden Phasenwinkel ψ einen eindeutigen Ausgangswert für den Phasenwinkel ψ abgibt.

Die Ermittlung des Schalleinfallwinkels ψ erfolgt dann durch eine Summiereinrichtung, die nach der Gleichung

φ — 2 π τ Sin ψ = 0

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arbeitet.

Ist die Empfangsbasis drehbar ausgeführt, so wird

eine weitere Summiereinrichtung vorgesehen, die aus dem Verdrehwinkel der akustischen Basis <τ_α und dem Schalleinfallswinkel ψ den auf die durch den Winkel ff_a = 0 gegebene Achse b bezogenen Schalleinfalls-

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winkel ermittelt. Darüber hinaus ist es bei allgemeiner Anwendung raumfester Größen vorteilhaft, wenn die Summiereinrichtung aus dem auf die durch den Winkel σ_α = 0 gegebene Achse bezogenen Schalleinfallswinkel und dem zu der Achse σ_α = 0 gehörigen raumfesten Winkel den raumfesten Schalleinfallswinkel a_tg ermittelt.

In manchen Fällen kann es günstig sein, daß die Empfangsorgane der Empfangsbasis Richtcharakteristiken aufweisen, die einem bevorzugten Phasenwinkel-Meßbereich angepaßt sind.

Eine Anwendungsmöglichkeit der Erfindung ist z.B. dann gegeben, wenn sich diese Einrichtung in einem in ein Ziel zu lenkenden Projektil befindet, wobei das Projektil die Regelstrecke eines Regelkreises darstellt und mittels seiner aus der Winkelgeschwindigkeit des raumfesten Schalleinfallswinkels und der Winkelgeschwindigkeit des raumfesten Projektilkurses ermittelten Regelabweichung gelenkt wird. Hierzu wird weiterhin vorgeschlagen, daß die der ersten und zweiten Steuerspannung zugeordneten polarisierten Schaltelemente außerdem in diesen Regelkreis eingreifen, ihn schließen, wenn eine der beiden Steuerspannungen die Ansprechwerte des zugeordneten Schaltelementes überschreitet, und ihn wieder öffnen, wenn beide Steuerspannungen die Abfallwerte der ihnen zugeordneten Schaltelemente unterschreiten. Solange der Regelkreis offen bleibt, kann das Projektil entweder auf dem ursprünglichen Kurs weiterlaufen, oder aber es kann auch ein anderes Lenkverfahren benutzt werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Einrichtung eignet sich zur Durchführung eines weiteren Verfahrens, bei dem zwei dieser Einrichtungen so kombiniert werden, daß die Ausrichtungen der jeweiligen Empfangsorgane in zwei verschiedenen, vorzugsweise senkrecht aufeinanderstehenden Ebenen liegen und daß eine Kombination aus den beiden den jeweiligen Ausrichtungsebenen zugeordneten Schalleinfallswinkeln einen räumlichen Schalleinfallswinkel liefert. Werden die beiden erfindungsgemäßen Einrichtungen, wie bereits beschrieben, in einem Projektil verwendet, so können sie in der dargestellten Kombination zur räumlichen Lenkung des Projektils dienen.

Bei einer Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens werden die einzelnen Empfangsorgane der Empfangseinrichtung vorteilhaft so ausgeführt, daß sie aus mindestens zwei Einzelempfängern bestehen, wobei zumindest ein Teil der Einzelempfänger zwei Ausrichtungen gleichzeitig zugeordnet ist und Teilspannungen abgibt, die Bestandteil einer oder mehrerer Empfangsorganspannungen sowohl der einen als auch der anderen Ausrichtung sind.

Auf diese Art und Weise werden einige Einzelempfänger mehrfach ausgenutzt, so daß der technische Aufwand verringert wird.

Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung des nachfolgend durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispieles hervor.

In F i g. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Empfangsbasis dargestellt, die aus den drei Empfangsorganen 10, und 12 besteht und die drei Empfangsorganspannungen S₉₁, S₉₂ und S₉₃ abgibt, wobei diese jedoch auch Gruppenspannungen sein können, die aus solchen Empfangsorganen stammen, die mehrere ^₅ Einzelempfänger haben. F i g. 2 zeigt eine Empfangsbasis mit nur zwei Empfangsorganen 10 und 11, so daß; hier nur zwei Empfangsorganspannungen S₉₁ und S₉₂ erzeugt werden. Die Empfangsorgane sind mit ihrem akustischen Schwerpunkt um ^ entfernt

angeordnet.

Fig. 3 beschreibt einen elektronischen Wandler, der aus den Empfangsorganspannungen S₉₁ und S₉₂, die aus einer Empfangsbasis nach Fig. 2 stammen, drei Steuerspannungen U⁰, U°_o und U⁹⁰ bildet. Die Empfangsorganspannungen S₉₁ und S₉₂ werden im Block 13 zu Summen- und Differenzspannungen zusammengefaßt und dann auf die Gleichrichter 14 und 15 gegeben. Aus den Summen- und Differenzgleichspannungen wird dann noch einmal eine Differenzbildung im Block 16 vorgenommen, an dessen Ausgang eine Spannung 17° entsteht.

Die Empfangsorganspannungen S₉₁ und S₉₂ werden außerdem auf einen Block 17 geführt, der eine Phasendrehung von 90° vornimmt und die beiden Spannungen dann auf einen Block 18 gibt, der ebenfalls eine Summen- und Differenzbildung aus den ihm zugeführten Wechselspannungen vornimmt, die nach Gleichrichtung an den Gleichrichtern 19 und 20 auf den Block 21 geschaltet sind. Dort wird eine Differenzspannungsbildung der zugeführten Gleichspannungen vorgenommen und die Spannung U⁹⁰ gebildet.

Die Spannung U⁰ wird einmal auf die Ausgangsklemme 22 geführt, sie gelangt aber außerdem auch auf einen Block 23, der zugleich von der Spannung U⁹⁰ beaufschlagt wird und aus der Differenz der Beträge dieser beiden Spannungen die an der Ausgangsklemme 24 anstehende Steuerspannung Ug₀ bildet. Die Spannung U⁹⁰ wird auf die Ausgangsklemme 25 gegeben.

F i g. 4 zeigt ein anderes Beispiel für die Ausführung des elektronischen Wandlers, der hier von drei Empfangsorganspannungen S₉₁, S₉2 und S₉₃ beaufschlagt wird, d. h. an eine Empfangsbasis nach F i g. 1 angeschlossen ist. Im Block 26 erfolgt eine Summen- und Differenzbildung aus den Empfangsorganspannungen S₉₁ und S₉₂. Zur besseren Unterscheidung ist hier bereits der Index y eingetragen. Es erfolgt anschließend eine Gleichrichtung mit Hilfe der Gleichrichter 27 und 28 und im Block 29 eine Differenzbildung, so daß an der Ausgangsklemme 30 die erste Steuerspannung U° zur Verfugung steht. Aus denselben Empfangsorganspannungen wird nach einer künstlichen Phasendrehung im Block 31 die zweite Steuerspannung U⁹,⁰ gewonnen, die an der Ausgangsklemme 32 abgenommen wird. Auch hier erfolgt zunächst im Block 33 eine Summen- und Differenzspannungsbildung aus den vom Block 31 zugeführten Empfangsorganspannungen, eine GJeichrichtung an den Gleichrichtern 34 und 35 und eine Differenzbildung aus den zugeführten Gleichspannungen im Block 36.

Eine dritte Steuerspannung wird aus den beiden von nicht benachbarten Empfangsorganen stammenden Empfangsorganspannungen S₉₁ und S₉₃ gebildet und mit dem Index χ gekennzeichnet. Auch hier wird zunächst eine Summen- und Differenzbildung aus den zugeführten Empfängsorganspannungen im Block 37 vorgenommen. Zur anschließenden Gleichrichtung dienen die Gleichrichter 38 und 39, während im Block aus den ihm zugeführten Gleichspannungen die Steuerspannung [7° gewonnen wird, die an der Ausgangsklemme 41 ansteht.

F i g. 5 zeigt eine Kurvendarstellung einzelner aus den Steuerspannungen gebildeter Quotienten. Dabei

U"

gilt die Kurve 42 für den Quotienten jjmr, während

der hierzu reziproke Quotient -jpr durch die Kurve 43

dargestellt ist. Die Kurve 43 durchläuft einen Hauptbereich, der sich von —45 bis +45° für den Phasenwinkel φ erstreckt. Die gestrichelte Kurve 44 zeigt eine Annäherung durch eine Tangensfunktion. Die Kurve 45 stellt den Verlauf der dritten Steuerspannung Ug₀ dar, aus der zur Normierung ein Quotient mittiem Betrag der doppelten Gruppenspannung 2 Eg gebildet wurde. Bei den Werten +45 und -45° für den Phasenwinkel φ erfolgt dann die Umschaltung vom Quotienten des Hauptbereiches auf den für den jeweils angrenzenden Bereich geltenden reziproken Quotienten.

F i g. 6 zeigt ein Schaltungsbeispiel für den Lenkregler im einzelnen. Und zwar wird hierbei der

U⁹⁰
Quotient -jpr der Tangensfunktion des Phasenwinkels ψ angenähert. An den Eingangsklemmen 46, 47 und 48 werden die drei Steuerspannungen U⁰, U⁹⁰ und Ug₀ zugeführt. Diese drei Steuerspannungen beaufschlagen drei spannungsabhängig arbeitende Schaltrelais 49, 50 und 51. Die Steuerspannungen U⁰ oder U⁹⁰ werden außerdem auf einen Resolver 52 ' gegeben, der zusammen mit dem mit ihm gekuppelten Potentiometer 53 und dem offenen Verstärker 54 in einer Dividier-Schaltung arbeitet. Diese Dividiereinrichtung arbeitet im Prinzip folgendermaßen: Nimmt man an, daß an der Eingangsklemme 46 eine Größe χ und an der Eingangsklemme 47 eine Größe — y anstehen und daß der offene Verstärker 54 einen Verstärkungsfaktor υ hat, während seine Ausgangsgröße mit ζ bezeichnet wird, so gilt für den offenen Verstärker 54 die Beziehung yv — x-z-v ~ z. Formt man diese Gleichung um, so läßt sich schreiben

y — χ· ζ = -.

40

Wird ν sehr groß gewählt, so ist die rechte Seite dieser Gleichung = 0 zu setzen und man erhält

y = χ- ζ

und z = -.
χ

45

Es ergibt sich also für den Ausgangswert ζ des offenen Verstärkers 54 der aus den an den Klemmen 47 und 46 anstehenden Größen U⁹⁰ und U⁰ gebildete „ . U⁹⁰
Quotient ητρτ.

Dieser Quotient gelangt auf den Resolver 55, der mit dem Potentiometer 56 gekuppelt ist. Aus der

U⁹⁰ «

Annäherung des Quotienten -jw- an die Tangensfunktion des Phasenwinkels φ ergibt sich

U⁹⁰

sin 95
cos φ

(4)

60

Hieraus erhält man durch eine Umformung

-jp- ■ cos φ — sin φ = 0.

Nach dieser Gleichung wird ein Summierverstärker 57 beaufschlagt, dessen Ausgangswert auf einen Resolver 58 gegeben wird, der mit einem Potentiometer 59 gekuppelt ist und dieses so verstellt, daß die Gleichung

für den Wert y_H erfüllt wird. Der Wert q_H wird seinerseits wieder auf einen Resolver 60 gegeben, der mit einem sin-cos-Potentiometer 61 gekuppelt ist. An den Ausgängen des sin-cos-Potentiometers 61 wird also einmal der Wert sin φ gewonnen und auf den Summierverstärker 57 gegeben, während der am anderen Ausgang erhaltene Wert cos φ auf den einen Eingang und über einen Umkehrverstärker 62 auf den anderen Eingang des mit dem Resolver 55 gekuppelten Potentiometers 56 geschaltet ist.

Der Index H des Winkels φ_Η bedeutet einen Phasenwinkelwert für den bereits genannten Hauptbereich, und der weitere Teil der Schaltung dient dazu, eine Eindeutigkeit in den Nebenbereichen des Phasen-

U⁰ winkeis φ mittels des reziproken Quotienten -rjm und

einer Auswertung der zur Verfugung stehenden Steuerspannungsvorzeichen zu gewinnen. Dies geschieht mit Hilfe der den spannungsrichtungsabhängig arbeitenden Schaltrelais 49,50 und 51 zugeordneten Schaltkontakte. Der elektrische Wert für den Winkel ψ_Η gelangt zunächst auf den Umschaltkontakt 63, der vom Relais 49 betätigt wird. Die Umschaltkontakte 64 sind mit dem Relais 50 gekuppelt, während die Umschaltkontakte 65 vom Relais 51 betätigt werden. Durch diese binäre Auswertung der Steuerspannungsvorzeichen werden vier Kanäle gebildet, wobei der eine Kanal den Wert φ_Η als für den Hauptbereich eindeutig gültigen Wert ψ unverändert weitergibt, während in den anderen drei Kanälen dem ermittelten Bereich entsprechende Korrekturwerte zu dem sich aus der phasenwinkelabhängigen Funktion für den Hauptbereich ergebenden Phasenwinkelwert für ψ_Η hinzuaddiert werden. Dies geschieht in dem einen Kanal mittels des Umkehrverstärkers 66 und des Summierverstärkers 67, dem eine Korrekturgröße entsprechend einem Winkelwert von —180° zugefügt wird. Im nächsten Kanal wird einem Summierverstärker 68 eine Korrekturgröße für einen Winkelwert von —90° und im vierten Kanal über einen Summierverstärker 69 eine Korrekturgröße für einen Winkelwert von -270° zugeführt. Die Ausgänge dieser vier Kanäle sind auf Umschaltkontakte 70 geführt, die ebenfalls mit dem Relais 51 gekuppelt sind. Diesen Umschaltkontakten 70 sind weitere Umschaltkontakte 71 nachgeschaltet,· die vom Relais 50 betätigt werden, und abschließend ist ein letzter Umschaltkontakt 72 vorgesehen, der mit dem Relais 49 gekuppelt ist. Am Ausgang dieser Schaltung liegt also ein eindeutiger Wert für den Phasenwinkel φ vor.

Der nachfolgend beschriebene Schaltungsteil enthält eine Schaltung, die nach der Gleichung

φ — π · Sin ^ =

(3 a)

arbeitet und einen Summierverstärker 73 enthält, der mit den beiden Summanden dieser Gleichung beaufschlagt wird und dessen Ausgang auf einen Resolver 74 gegeben ist, der ein sin-Potentiometer 75 verstellt. Der an diesem sin-Potentiometer entnommene Wert —sin ψ wird in einem Potentiometer 76 mit der Konstanten π multipliziert. Mit dem Resolver 74 ist außerdem ein Potentiometer 77 gekuppelt, an dessen Ausgang der Wert für den Schalleinfallswinkel ψ ansteht.

Ist wie in diesem Beispiel eine verdrehbare Empfangsbasis vorgesehen, so gibt ein über die Klemmen 78 und 79 gespeistes und über den Kontakt 80 gesteuertes Verstellgerät 81 einen elektrischen Wert für den

Drehwinkel σ_α an. Außerdem soll hier angenommen werden, daß sich die Einrichtung gemäß der Erfindung auf einem Torpedo befindet, der den Eigenkurs 7, hat, und daß ein raumfest bezogener Schalleinfallswinkel cr,_g ermittelt werden soll. Hierzu dient ein Summierverstärker 82, der mit den Größen σ_χ, ψ und von der Eingangsklemme 141 her φ_{ beaufschlagt wird.

Soll nun der Torpedo, zu dessen Lenkung die Einrichtung gemäß der Erfindung beispielsweise dienen soll, mit Hilfe einer Regelabweichung gesteuert werden, die aus der Winkelgeschwindigkeit der raumfesten Peilung vom Torpedo zum Gegner a_lg und aus der Winkelgeschwindigkeit des Eigenkurses ψ, des Torpedos gebildet werden, so dienen zur Erzeugung dieser Größen zwei Differenziereinrichtungen, die nach dem folgenden Prinzip arbeiten:

Soll eine Ausgangsgröße y erhalten werden, so wird ein Summierverstärker nach der Gleichung

beaufschlagt, so daß am Ausgang des Summierverstärkers zunächst der Wert — y erhalten wird, der mit Hilfe eines Umkehrverstärkers ein positives Vorzeichen erhält. In der genannten Beziehung bezeichnet χ den Eingangswert, während s = -j_t der Differential-Operator ist. Formt man diese Beziehung weiter um, so erhält man — s · y = — s · χ + y — a ■ s · y. Hieraus ergibt sich nach weiterer Umformung

35

für einen Wert α χ 1 wird die Gleichung näherungsweise y = s · χ = -jt- . In der Schaltung nach F i g. 6

ist die Eingangsgröße χ hier der Wert a_lg, der vom Summierverstärker 82 über einen Umkehrverstärker 83 entnommen und auf einen Summierverstärker 84 gegeben wird. Der Ausgangswert des Summierverstärkers 84 ist entsprechend dem Wert y der vorangegangenen Gleichungsentwicklung die Größe b_lg, wobei ein Umkehrverstärker 85 für ein positives Vorzeichen dieser Größe sorgt. Ein Integrator 86 bildet

aus der Größe a_tg =

datg

= s

ff_tg einen Wert

dt

der auf den Eingang des Summierverstärkers 84 geschaltet ist. Zugleich wird außerdem über einen Multiplikator 87 der Wert α · <r,_g auf den Eingang des Summierverstärkers 84 gegeben, so daß die gesamte Schaltung nach dem beschriebenen Prinzip die Größe (T_lg liefert. Diese Größe kann mit Hilfe eines Multiplikators 88 mit dem Wert k multipliziert und an der Ausgangsklemme 89 abgenommen werden.

Die für das genannte Lenkverfahren außerdem zur Bildung der Regelabweichung benötigte Größe — (p_t wird mit Hilfe einer weiteren Differenziereinrichtung gewonnen, die aus dem Summierverstärker 90, dem Umkehrverstärker 91, dem Integrator 92 und dem Multiplikator 93 besteht und in derselben Weise wie die zuvor beschriebene Differenziereinrichtung arbeitet, über einen Umkehrverstärker 142 wird der Wert — (f_t erhalten, der an der Ausgangsklemme 94 ansteht. Außerdem ist zur Gewinnung weiterer steuerspannungsvorzeichenabhängiger Schaltbefehle ein über die Gleichrichter 95 und 96 gespeistes spannungsrichtungsabhängiges Relais 97 vorgesehen, das z. B. den Kontakt 80 betätigen kann.

In Fig. 7 ist ein Regelkreis dargestellt, bei dem die Regelstrecke 135 ein Torpedo ist. Dieser Torpedo wird, wie bereits in der Beschreibung zu F i g. 6 gesagt, mit Hilfe einer Regelabweichung gelenkt, die in der Vergleichseinrichtung 136 aus der Winkelgeschwindigkeit des Torpedokurses φ, und der mit der Konstanten K multiplizierten Winkelgeschwindigkeit der raumfesten Peilung vom Torpedo zum Ziel a_ig gebildet und über die Kontakte 137 und 138 auf den zur Steuerung des Torpedos dienenden Regler 139 gegeben wird, wobei der Kontakt 137 dem Relais 49 und der Kontakt 138 dem Relais 50 zugeordnet sind. Die beiden Winkelgeschwindigkeiten werden im Lenkwandler 140 gebildet, für den in Fj g. 6 ein Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.

Die Erfindung ist jedoch nicht nur zur Lenkung eines Torpedos mit akustischen Mitteln, sondern allgemein zur Lenkung beliebiger Projektile auch mit anderen Mitteln, die z.B. elektromagnetische Wellen benutzen, geeignet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

m bei 20 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Umwandeln einer innerhalb eines bestimmten Einfallswinkel-Bereiches in einer beliebigen Richtung einfallenden Wellenenergie, insbesondere einer Schallwelle, in eine nur von der Einfallsrichtung abhängige elektrische Größe mit einer aus mehreren in gleicher Ausrichtung angeordneten Empfangsorganen bestehenden Empfangseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß aus den von den Empfangsorganen gelieferten, phasenwinkelabhängigen Empfangsorganspannungen mindestens drei Steuerspannungen gebildet werden, von denen min-

destens eine bezüglich des Phasenwinkels mit

periodisch ist und Null-Durchgänge (2n + 1) · ■£- aufweist und von denen mindestens

zwei mit -~ periodisch sind und Null-Durchgänge bei 2 π · γ- bzw. (2 η + 1) · γ- aufweisen, daß

ferner aus den mit — periodischen Steuerspannungen Quotienten gebildet werden, von denen einer in seinem γ- -großen Hauptbereich eine eindeutige phasenwinkelabhängige Funktion ergibt, und daß eine solche phasenwinkelabhängige Funktion und eine Eindeutigkeit in den Nebenbereichen des Phasenwinkels φ mittels weiterer Quotienten und/ oder einer Auswertung der zur Verfugung stehenden Steuerspannungsvorzeichen gewonnen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannungen aus der Differenz von aus den Empfangsorganspannungen abgeleiteten und dann gleichgerichteten Wechselspannungen gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Steuerspannungen aus der Differenz anderer Steuerspannungen, vorzugsweise aus der Differenz ihrer Beträge, gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzurichtenden, aus den Empfangsorganspannungen abgeleiteten Wechselspannungen durch Summen- und Differenzbildung unter teilweiser künstlicher Phasendrehung, vorzugsweise um 90°, gebildet werden.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit mehreren Empfangsorganen ausgerüstete, mehrere Empfangsorganspannungen abgebende Empfangsbasis, durch einen elektronischen Wandler, der mindestens drei Steuerspannungen bildet, von denen mindestens eine bezüglich des Phasenwinkels

mit — periodisch ist und Null-Durchgänge bei (2 η + 1) · -?— aufweist und von denen mindestens zwei mit —— periodisch sind und Null-Durchgänge bei 2 η · γ- bzw. (2 η + I)^- γ— aufweisen, und periodischen Steuerspannungen Quotienten gebildet, von denen einer in seinem -^ -großen Hauptbereich eine eindeutige phasenabhängige Funktion ergibt, und daß eine solche phasenabhängige Funktion und eine Eindeutigkeit in den Nebenbereichen des Phasenwinkels φ mittels weiterer Quotienten und/oder einer Auswertung der zur Verfügung stehenden Steuerspannungsvorzeichen gewonnen werden.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsbasis aus zwei Empfangsorganen besteht, deren Phasenschwerpunkte um eine bestimmte Strecke h voneinander entfernt sind, so daß der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Phasenwinkel φ der Empfangsorganspannungen und dem Einfallswinkel ψ insbesondere des Schalles durch die Gleichung

φ =

2nb

(D

durch einen Lenkregler, der aus den mit — gegeben ist, wobei λ die Wellenlänge der einfallenden Wellenenergie bedeutet und ein Empfangsorgan jeweils aus mehreren Einzelorganen bestehen kann.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsbasis aus drei Empfangsorganen besteht, von denen die Phasenschwerpunkte zweier benachbarter Empfangsorgane um die Basisbreite b voneinander entfernt sind.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsbasis schwenkbar angeordnet ist.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Wandler in Verbindung mit einer Empfangsbasis nach Anspruch 6 aus der Differenz der gleichgerichteten Summen- und Differenzspannungen der Empfangsorganspannungen die erste Steuerspannung U⁰, aus der Differenz der gleichgerichteten, nach einer künstlichen Phasendrehung um 90° gebildeten Summen- und Differenzspannungen der Empfangsorganspannungen die zweite Steuerspannung lP° und aus der Differenz der Beträge der ersten und zweiten Steuerspannung die dritte Steuerspannung CTg₀ bildet, wobei die erste und

zweite Steuerspannung mit—und die dritte Steuerspannung ^- periodisch sind.

10. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Wandler in Verbindung mit einer Empfangsbasis nach Anspruch 7 die erste und zweite Steuerspannung aus den Empfangsorganspannungen zweier benachbarter Empfangsorgane entsprechend der ersten und zweiten Steuerspannung nach Anspruch 9 und aus der Differenz der gleichgerichteten Summen- und Differenzspannungen zweier von den beiden nicht benachbarten Empfangsorganen abgegebenen Empfangsorganspannungen die dritte Steuerspannung bildet, wobei die

erste und zweite Steuerspannung mit —— und die dritte Steuerspannung mit — periodisch sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lenkregler aus der ersten und zweiten Steuerspannung Quotienten bildet,

von denen einer in seinem y— -großen Hauptbereich eine eindeutige phasenwinkelabhängige Funktion ergibt, und daß eine solche phasenwinkelabhängige Funktion und eine Eindeutigkeit in den Nebenbereichen des Phasenwinkels q mittels weiterer Quotienten und/oder einer Auswertung der zur Verfugung stehenden Steuerspannungsvorzeichen gewonnen werden.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung der phasenwinkelabhängigen Funktion in den weiteren Bereichen nur ein einziger weiterer Quotient dient, der der reziproke Wert des ersten, die eindeutigen Werte für den Hauptbereich des Phasenwinkels liefernden Quotienten ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung

f/90

aus dem Quotienten -jk- den Phasenwinkel ψ näherungsweise nach der Gleichung